DE19703903A1 - Lenkwinkelsensor - Google Patents
LenkwinkelsensorInfo
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- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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- G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
- G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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Description
Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor zur Detek
tierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerungen
am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs
Für eine Vielzahl von, in der Regel elektronischen, Steu
er- und Regelsystemen in einem Kraftfahrzeug ist eine Be
stimmung des Drehwinkels des Lenkrades von großer Bedeu
tung. Beispielsweise für Regelungssysteme für das Fahr
werk bzw. die Fahrdynamik sollte ein Istsignal über die
Lenkradstellung oder eine Drehwinkeländerung des Lenkra
des zur Verfügung stehen. Ein solches Istsignal ist auch
für elektronisch gesteuerte Servolenksysteme von Bedeu
tung.
Bei einem bekannten Lenkwinkelsensor der eingangs angege
benen Art ist beispielsweise ein Rotor in der Nähe des
Lenkrades mit der Lenkspindel verbunden, wobei der Stator
dieses Sensors am Chassis des Kraftfahrzeugs fest ange
bracht ist. Bei diesem bekannten Sensor treten im Betrieb
erhebliche Toleranzen in der Lage zwischen dem Rotor und
dem Stator auf, so daß zur Erhöhung der Genauigkeit zu
sätzliche Kompensationsmittel, zum Beispiel eine elasti
sche Anbindung des Rotors an die Lenkspindel, eingebaut
werden müssen. Hierdurch entstehen zusätzliche Kosten und
es wird wertvoller Bauraum benötigt.
Weiterhin werden bei bekannten Systemen Lenkwinkelsenso
ren mit Drehpotentiometern aufgebaut, die über eine Ver
änderung der Schleiferstellung beim Drehpotentiometer ein
elektrisches Signal durch eine auswertbare Widerstandsän
derung erzeugen. Hierbei besteht die Gefahr eines Ver
schleißes der Widerstandsbahn und eine Störanfälligkeit
des Schleifkontakts. Nach langem Betrieb kann sich hier
auch eine zu Signalverfälschungen führende Erhöhung des
Übergangswiderstandes zwischen dem Schleifkontakt und der
Widerstandsbahn ergebenen. Ebenfalls besteht die prinzi
pielle Möglichkeit eines Abhebens des Schleifkontakts bei
schneller Drehung des Lenkrades.
Der Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels
oder einer Drehwinkeländerungen am Lenkrades eines Kraft
fahrzeugs nach der eingangs beschriebenen Art ist in der
erfindungsgemäßen Weiterbildung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch vorteilhaft, daß ein
verschleißfreier Sensor geschaffen ist, der berührungslos
den Drehwinkel des Lenkrades detektiert. Außerdem ist der
erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor einfach an die vorhan
denen Baugruppen der Lenkanlage anbaubar und damit ko
stengünstiger und zuverlässiger als die bekannten Lösun
gen. Er kann in vorteilhafter Weise mit dem Gehäuse des
Lenkgetriebes vereinigt werden, wobei er bei günstigen
Betriebsbedingungen (Schutz vor Ölen, Fetten etc.) direkt
beim Dauermagneten oder auch in einem Sensorgehäuse sit
zen kann.
Auch für die Erfassung von Mehrfachumdrehungen eines
Lenkrades kann hier ohne zusätzliche Detektionsmittel,
wie zum Beispiel ein Untersetzungsgetriebe mit einem zu
sätzlichen Winkelabgriff, ein eindeutiges Signal erzeugt
werden.
Der in einem der Unteransprüche angegebene Anbau eines
Sensorgehäuses am Gehäuse eines Lenkgetriebemoduls bietet
ohne viel Aufwand eine hochgenaue, nahezu toleranzfreie
Lagerung von drehendem und feststehendem Teil des Winkel
sensors. Eine Eigenlagerung des Sensors ist somit nicht
erforderlich; ebenso entfallen Mittel zum Ausgleich der
Lagerungs- und Montagetoleranzen.
Eine elektronische Auswertung des Sensorausgangssignals
ist auf einfache Weise möglich, da entweder ein Aufbau
des Lenkwinkelsensors mit diskreten elektronischen Bau
teilen oder als integrierte Schaltung in vorteilhafter
Weise ein digitales oder zumindest quasidigitales bzw.
analoges Ausgangssignal (z. B. pulsdauermoduliert) mit
sehr hoher Übertragungssicherheit liefert. In einer inte
grierten Schaltung können die Hallelemente sog. Vertical
Hall Devices oder auch Magnetotransistoren sein, die im
gleichen Chip mit der Auswerteelektronik untergebracht
werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Lenkwinkelsensors ist
ein Aufbau als Hallsensor, wie er für sich gesehen in der
DE 44 41 504 A1 beschrieben ist. Der Sensor besteht im
wesentlichen aus zwei orthogonal zueinander ausgerichte
ten Hallelementen, mit denen sowohl die x- als auch die
y-Komponente des mit dem Lenkradwinkel sich drehenden Ma
gnetfelds erfaßt wird. Hierbei liegen die genannten, vom
Sensor erfaßten Feldkomponenten in einer Ebene senkrecht
zur Drehachse der Lenkspindel. Dieses Meßprinzip ermög
licht eine genaue Winkelmessung über einen ganzen Voll
winkel von 360° und auch Mehrfachumdrehungen können auf
einfache Weise detektiert und in der elektronischen Aus
werteeinheit als solche erfaßt werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkwin
kelsensors zur Detektierung des Drehwinkels oder einer
Drehwinkeländerungen am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs wird
anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lenkgetrie
bes für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Lagerung für die
Lenkspindel des Lenkgetriebes mit einem Hallsensor
als Lenkwinkelsensor;
Fig. 3 eine Ansicht einer prinzipiellen Anordnung
von Dauermagnet und Hallelementen des Lenkwinkelsen
sors mit diskreten Bauelementen;
Fig. 4 eine Bauform der Hallelemente in einer inte
grierten Schaltung und
Fig. 5 Diagramme der Ausgangssignale der Hallele
mente nach den Fig. 3 und 4.
Die schematisierte Darstellung eines hier nur beispiel
haft aufgeführten Lenkgetriebes nach Fig. 1 zeigt ein
Lenkrad 1, mittels dem eine Lenkspindel 2 drehbar ist. Am
unteren Ende 3 der Lenkspindel 2 wird die Drehung in her
kömmlich bekannter Weise mittels eines schrägverzahnten,
auf eine Zahnstange 4 antreibendes Ritzel 5 in eine Line
arbewegung umgesetzt. Die vom Fahrer des hier nicht dar
gestellten Fahrzeugs ausgeführten Lenkbewegungen verstel
len somit über die Linearbewegung der Zahnstange 4 den
Einschlag bzw. die Rollrichtung der Räder des Fahrzeugs.
Fig. 2 zeigt das untere Ende 3 der Lenkspindel 2 als
Schnitt im Detail, wobei auf die mechanische Funktion
dieser Bewegungsübertragung durch Verzahnungen hier nicht
eingegangen werden braucht, da es für das Verständnis der
Erfindung nicht von Bedeutung ist. Ein Zapfen 6 der Lenk
spindel 2 ist im Gehäuse 7 des Lenkgetriebes präzise ge
lagert. Hierbei werden die axialen Kräfte von einem Ku
gellager 8 aufgenommen, welches zusammen mit einem Rol
len- oder Nadellager 9 auch die radiale Führung der Lenk
spindel 2 übernimmt.
Der Zapfen 6 ragt hierbei kräfte- und berührungsfrei in
einen kleinen Hohlraum des Gehäuses 7 hinein, wobei die
ser Hohlraum so bemessen ist, daß am Zapfen 6 ein klei
ner Dauermagnet 10 angebracht werden kann, dessen Magne
tisierungsrichtung senkrecht zur Lenkspindelachse gerich
tet ist. Das sich zur Wand des Gehäuses 7 ausdehnende ma
gnetische Streufeld des fest auf dem Zapfen 6 angebrach
ten Dauermagneten 10 ändert so seine Richtung analog zur
Drehung der Lenkspindel 2.
Da das Gehäuse 7 im allgemeinen aus Aluminium oder Druck
guß besteht, kann sich das Streufeld ungehindert auch
durch die Wand des Gehäuses 7 in ein außen aufgesetztes
Sensorgehäuse 11 ausbreiten. Auch dieses Sensorgehäuse 11
besteht im allgemeinen aus Nichteisen-Material wie z. B.
Kunststoff und beinhaltet den magnetfeldempfindlichen
Sensor 12, der in seiner bevorzugten Ausführungsform aus
Hallelementen aufgebaut ist. Weiterhin kann in diesem
Sensorgehäuse 11 eine elektronische und insbesondere in
tegrierte Schaltung zur Signalauswertung untergebracht
werden, welche sogar mit den Hallelementen auf einem Sen
sorchip vereinigt sein kann.
In Fig. 3 und Fig. 4 sind Ausführungsformen eines Lenk
winkelsensors mit Hallelementen 13 und 14 gezeigt. Die
magnetischen Feldlinien B des Dauermagneten 10 (vgl. Fig.
2) verlaufen hierbei durch das Sensorgehäuse 11, wobei
sich in diesem die Hallelemente 13 und 14 befinden, die
gegeneinander um 90° versetzt sind. Die Darstellung der
Hallelemente 13 und 14 ist hier nur schematisch, da diese
auch gemäß der Fig. 4 in eine Schicht aus Halbleiterma
terial integriert sein können und dadurch sichtbar nicht
mehr in Erscheinung treten müssen.
Die Richtungskomponenten der Feldlinien B verursachen
hier spezifische Ausgangssignale der beiden Hallelemente
13 und 14, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch
eine Änderung des Drehwinkels der Lenkspindel 2 um eine
beliebige Winkeländerung ϕ mit einer elektronischen
Schaltung ausgewertet werden kann.
In der Fig. 3 ist die Lage und die Beschaltung der zwei
Hallelemente 13 und 14 als Bestandteil des Lenkwinkelsen
sors gemäß Fig. 2 in prinzipieller Weise räumlich darge
stellt, wobei zur näheren funktionellen Erläuterung auf
den eingangs genannten Stand der Technik DE 44 41 504 A1
Bezug genommen wird. Das Hallelement 13 weist Stroman
schlüsse 17 und 18 und das Hallelement 14 weist Stroman
schlüsse 19 und 20 auf, durch die jeweils ein Strom I in
der gezeigten Richtung hindurch fließt. Quer zu der
Stromflußrichtung des Stromes I sind Hallspannungen Uy
und Ux an den Hallelementen 13 und 14 abnehmbar.
Die magnetischen Feldlinien B weisen nach der Darstellung
in der Fig. 3 hierbei jeweils Feldkomponenten By und Bx
auf, die in der als Halleffekt bekannten Weise zu einer
Ablenkung der Ladungsträger des Stromes I und zu Poten
tialunterschieden führen, die als Hallspannungen Uy und
Ux ausgewertet werden können. Eine Änderung der Richtung
der Feldlinien B durch eine Drehung der Lenkspindel 2 um
den Winkel ϕ führt demgemäß zu einer unterschiedlichen
Beeinflussung des Halleffekts in den Hallelementen 13 und
14; dies kann über die elektronische Auswertung der
Hallspannungen in ein entsprechendes Ausgangssignal umge
wandelt werden.
Im linken Teil der Fig. 3 ist als alternatives Beispiel
eine hier nicht näher erläuterte prinzipielle Lösung mit
einem integrierten Chip mit Hallelementen nur schematisch
gezeigt.
In Fig. 5 ist der Verlauf der Hallspannungen Uy und Ux
in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ dargestellt. Der Verlauf
der Hallspannung Ux in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ er
folgt hierbei nach einem Sinusgesetz und der der
Hallspannung Uy nach einem Cosinusgesetz. Durch eine, in
einer elektronischen Auswerteschaltung herzustellende
Verknüpfung der Hallspannungen Ux und Uy wird eine Aus
gangsspannung UA (vgl. rechtes Diagramm der Fig. 5) oder
eine äquivalente Größe analoger oder digitaler Art er
zeugt, die in großer Näherung proportional zum Drehwinkel
ϕ der Lenkspindel 2 ist oder zumindest linear mit diesem
zusammenhängt.
Claims (8)
1. Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels oder
einer Drehwinkeländerungen des Lenkrades eines Kraftfahr
zeugs, bei dem
- - mittels eines elektromechanischen Bauteils ein vom Drehwinkel oder einer Drehwinkeländerung abhängiges elek trisches Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - am, dem Lenkrad (1) gegenüberliegenden Ende (3) einer Lenkspindel (2) ein Dauermagnet (10) angebracht ist, des sen Magnetisierungsachse senkrecht zur Achse der Lenk spindel (2) liegt und daß
- - sich im Bereich des Dauermagneten (10) ein feststehen der magnetfeldempfindlicher Sensor (12) befindet.
2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß
- - die Lenkspindel (2) am gegenüberliegenden Ende (3) des Lenkrades (1) im Bereich der Lagerung (9) mit einem Zap fen (6) in einen Hohlraum eines Gehäuses (7) hineinragt, in dem der Dauermagnet (10) auf diesem Zapfen (6) drehbar ist und daß sich der magnetfeldempfindliche Sensor (12) in diesem Hohlraum befindet.
3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß
- - die Lenkspindel (2) am gegenüberliegenden Ende (3) des Lenkrades (1) im Bereich der Lagerung (9) mit einem Zap fen (6) in einen Hohlraum eines Gehäuses (7) hineinragt, in dem der Dauermagnet (10) auf diesem Zapfen (6) drehbar ist und daß sich der magnetfeldempfindliche Sensor (12) in einem auf die Wand des Gehäuses (7) aufgesetzten Sen sorgehäuse (11) befindet.
4. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß
- - das Gehäuse (7) für das Lenkgetriebe aus nichtmagneti schem Metall und das Sensorgehäuse (11) aus nichtmagneti schem Metall oder Kunststoff besteht.
5. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der magnetfeldempfindliche Sensor (12) ein Hallsensor ist, der aus diskret aufgebauten Hallelementen (13,14) mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik besteht.
6. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü
che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der magnetfeldempfindliche Sensor (12) ein integrierter Schaltkreis (10) ist, dessen Hallelemente Bestandteile einer integrierten elektronische Schaltung sind, die auch im gleichen Schaltkreis (IC) die Auswerteelektronik bein haltet.
7. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß
- - die Hallelemente Vertical Hall Devices oder Magne totransistoren sind.
8. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Sensorgehäuse (11) und das Gehäuse (7) Bestandteil eines Gehäuses für ein kompaktes Lenkgetriebemoduls sind.
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