DE19918313A1 - Winkelsensor - Google Patents

Winkelsensor

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Winkelsensor zur Erfassung der Stellung einer Welle (1), die in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist. Er ist mit einem Codeelement, das mit der Welle (1) verbunden ist und dessen Position abhängig von der Stellung der Welle (1) ist, und mit einem Detektor (4) versehen, der die Stellung des Codeelementes erfaßt. Die Verbindung von Codeelement und Welle (1) erfolgt mittels einer Übersetzung, die jeder Stellung der Welle (1) eine eindeutige Position des Codeelementes zuordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor zur Erfassung der Stellung einer Welle, die in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist, mit einem Codeelement, das mit der Welle verbunden ist und dessen Position abhängig von der Stellung der Welle ist, und mit einem Detektor, der die Stellung des Codeelementes erfaßt.
Winkelsensoren dienen unter anderem zur Erfassung der Stellung, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Lenkrades von Fahrzeugen. Sie werden im Fahrzeugbau in zunehmendem Maße verwendet, um Eingangsgrößen für elektronische Stabilitätsprogramme zu ermitteln, die durch ungeeignete Lenkbewegungen verursachte kritische Fahrsituationen mittels aktiver Gegenwirkung vermeiden.
Im Stande der Technik gebräuchliche Winkelsensoren umfassen eine Codescheibe, die an der Lenkwelle fixiert ist und sich mit ihr dreht. Die Scheibe ist mit einer Anzahl von Markierungen versehen, die jeweils einer bestimmten Winkelstellung zugeordnet und mit einem Detektor erfaßbar sind, der ortsfest im Fahrzeug angeordnet ist. Aus der jeweiligen Markierung sowie dem Zeitraum und der Abfolge aufeinanderfolgender Markierungen lassen sich notwendige Eingangsgrößen für ein Stabilitätsprogramm bestimmen.
Problematisch ist jedoch, daß der Drehbereich eines Lenkrades und seiner Lenkwelle einige, üblicherweise etwa 4 bis 8 Umdrehungen beträgt. Daher entspricht eine bestimmte Stellung der Codescheibe mehreren Positionen der Lenkwelle. Die Anzahl ist gleich der Zahl der möglichen Umdrehungen. Entsprechend ist es notwendig zu erfassen, in welcher Umdrehung sich die Lenkwelle jeweils befindet, um ihre tatsächliche Position aus dem Detektorsignal zu bestimmen.
Eine Möglichkeit dazu besteht darin, die Umdrehungen der Welle von einer Anfangsposition (Nullstellung) ausgehend mit einer Datenverarbeitungseinheit zu zählen. Dies erfordert jedoch einen Permanentspeicher, dessen Inhalt beim Abschalten des Fahrzeuges, einem Ausfall des Bordnetzes oder dem Austausch der Fahrzeugbatterie erhalten bleibt. Eine netzunabhängige Spannungsversorgung des Speichers, die über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges betriebsfähig bleibt, ist aufwendig. Andernfalls ist eine erneute Bestimmung der Nullstellung nach jedem Ausfall der Versorgungsspannung erforderlich. Denkbar ist, daß die Datenverarbeitungseinheit die Nullstellung aus den vorgenommenen Lenkbewegungen selbsttätig ermittelt. Dies erhöht jedoch den Aufwand für den Winkelsensor erheblich und hat zudem die nachteilige Folge, daß der Sensor während des Zeitraumes zur Ermittlung der Nullstellung nicht funktionsfähig ist.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen einfachen Winkelsensor für eine Welle mit begrenztem Drehbereich zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindung von Codeelement und Welle mittels einer Übersetzung erfolgt, die jeder Stellung der Welle eine eindeutige Position des Codeelementes zuordnet.
Die Stellung des Codeelementes repräsentiert somit die absolute Winkelstellung der Welle, d. h. es entfällt das Problem, daß eine Stellung des Codeelementes mehreren Stellungen der Welle entspricht. Der Aufbau der Datenverarbeitungseinheit zur Auswertung des Sensorsignals vereinfacht sich folglich erheblich. Die Gefahr einer fehlerhaften Bestimmung der Umdrehung des Lenkrades ist ausgeschlossen. Da jede Stellung des Codeelementes durch den an der jeweiligen Position angebrachten Code definiert ist, erübrigt sich eine Speicherung der jeweiligen Lenkradstellung für den Fall einer Unterbrechung der Versorgungsspannung des Sensors. Nach einem erneuten Einschalten der Spannung ist der Sensor unmittelbar ohne erneute Festlegung seiner Nullstellung betriebsbereit.
Das Codeelement ist mit Markierungen versehen, die mit dem Detektor erfaßbar sind. Zweckmäßig handelt es sich dabei um digitale Markierungen, für die beispielsweise Bitmuster in Form eines Gray-Codes geeignet sind.
Grundsätzlich reduziert eine Untersetzung die Auflösung bei der Messung des Lenkwinkels, da die Positionen des gesamten zulässigen Drehbereichs der Welle durch jeweils eindeutige Positionen des Codeelements repräsentiert werden. Dies läßt sich durch einen Code mit geringeren geometrischen Abmessungen und vergrößerter Auflösung ausgleichen, z. B. durch einen Gray-Code mit erhöhter Bitanzahl. Zudem weist das Lenkrad von Fahrzeugen in der Regel ein geringes Spiel auf, das eine untere Grenze für die notwendige Auflösung darstellt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Übersetzung ein mechanisches Untersetzungsgetriebe. Durch die mechanische Untersetzung ist ein besonders einfacher Aufbau des Winkelsensors erzielbar.
Grundsätzlich sind beliebige Getriebe für die Untersetzung geeignet. Ist das Getriebe ein Planetengetriebe, läßt sich ein zweckmäßiger, einfacher und kompakter Aufbau des Winkelsensors mit geringen Abmessungen erreichen. Dies ist speziell für den Einsatz als Lenkwinkelsensor in Fahrzeugen von Vorteil, da der Bauraum im Bereich der Lenkwelle eines Fahrzeuges meist eng begrenzt ist.
Bevorzugt ist das Codeelement um eine Achse drehbar. Gegenüber einem beispielsweise translatorisch bewegten Codeelement wird der erforderliche Bauraum des Sensors reduziert, speziell bei koaxialer Anordnung der Achse zur Welle. Möglich sind jedoch auch andere relative Anordnungen von Achse und Welle, beispielsweise eine parallele, schiefwinklige oder rechtwinklige Anordnung zueinander. Die Übersetzung beschränkt den Drehwinkel des Codeelements in allen Fällen auf unter 360°, so daß jede mögliche Stellung genau einer Position der Welle entspricht.
Ein vorteilhaftes Codeelement ist aufgrund der geringen Abmessungen und der guten erzielbaren Winkelauflösung bei Anbringung der Markierungen nahe des Umfangs eine Scheibe.
Bevorzugt weist das Codeelement optische Markierungen auf, etwa reflektierende oder absorbierende Elemente auf der Oberfläche, Öffnungen oder Fenster. Sie lassen sich auf einfache Weise abtasten und sind dauerhaft beständig. Alternativ sind auch andere Markierungen, etwa ein magnetisches Bitmuster, zur Codierung der Winkelstellung denkbar.
Ein für die optische Abtastung des Codeelementes geeigneter Detektor umfaßt zumindest einen optischen Sender und einen optischen Empfänger. Denkbar ist sowohl die Anordnungen von Sender und Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten der Codescheibe nach Art einer Lichtschranke als auch die Anordnung auf der gleichen Seite der Scheibe, wobei der Empfänger an der Scheibe reflektierte Strahlung detektiert.
Der vorgeschlagene Winkelsensor ist grundsätzlich für beliebige Wellen mit begrenztem Drehbereich geeignet. Vorzugsweise ist die Welle jedoch die Lenkwelle eines Fahrzeuges.
Meist weisen die Lenkräder von Fahrzeugen Vorrichtungen auf, die über elektrische und/oder optische Leitungen mit ortsfesten Komponenten im Fahrzeug verbunden sind. Insbesondere ist das Lenkrad in aller Regel mit einem Airbag und einem Hupenschalter versehen und weist gegebenenfalls Bedienelemente oder Anzeigen für weitere Vorrichtungen im Fährzeug auf. Die Leitungen verlaufen in diesem Fall über einen Drehverbinder, der eine durchgehende Signalübertragung zwischen dem drehbaren Lenkrad und dem Fahrzeugrumpf sicherstellt. Eine gebräuchliche Bauform derartiger Drehverbinder besteht in einem Gehäuse aus gegeneinander drehbaren Teilen, zwischen denen ein in Windungen verlaufender Leitungsabschnitt die Drehbewegung ermöglicht. Bevorzugt bildet der Winkelsensor eine Baueinheit mit dem Drehverbinder, so daß ein einfacher und kompakter Aufbau entsteht und bei der Montage des Fahrzeugs lediglich ein Bauelement einzubauen ist.
Im folgenden Beschreibungsteil werden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Winkelsensoren anhand der prinzipienhaften Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt
Fig. 1 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit Planetengetriebe;
Fig. 2 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit gegenüber der Welle versetzter Achse der Codescheibe;
Fig. 3 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit rechtwinklig zur Welle ausgerichteter Achse der Codescheibe.
Die Zeichnung gibt unterschiedliche Ausgestaltungen von Winkelsensoren wieder, die jeweils in Verbindung mit einem Drehverbinder an einer Welle (1), bei der es sich um die Lenkwelle eines Fahrzeugs handelt, angeordnet sind. Der Drehverbinder ist durch sein Gehäuse (2) angedeutet, das aus einem mit der Welle (1) drehbaren und einem raumfesten Teil besteht, zwischen denen eine Leitung in Windungen verläuft.
Die Winkelstellung der Welle (1) wird mittels einer Codescheibe (3) erfaßt, deren Oberfläche mit Graycodes versehen ist, die jeweils einer Winkelstellung der Codescheibe (3) zugeordnet sind. Die Codes werden mit einem Detektor (4) registriert, der mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit in Verbindung steht. Der Detektor (4) umfaßt einen oder mehrere Empfänger mit jeweils einer nach Art einer Lichtschranke zugeordneten Lichtquelle, etwa einer Leuchtdiode, oder mit einer gemeinsamen Lichtquelle für sämtliche Empfänger. Zwischen Lichtquelle und Empfänger befindet sich die Codescheibe (3), wobei der Code durch optisch durchlässige und undurchlässige Bereiche der Codescheibe (3) definiert ist.
Codescheibe (3) und Welle (1) sind durch eine mechanische Übersetzung derart gekoppelt, daß die Codescheibe im gesamten Drehbereich der Welle, der beispielsweise vier bis acht Umdrehungen umfaßt, maximal eine Umdrehung um ihre Drehachse (5) ausführt, d. h. der Drehbereich der Codescheibe (3) ist kleiner als 360°. Damit entspricht jede Position der Codescheibe (3) einer definierten Position der Welle (1), so daß sich die Auswertung des Detektorsignals wesentlich vereinfacht.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Abstände der Bauelemente in allen Figuren in Richtung der Welle (1) überhöht gezeichnet. Bevorzugt sind die Abstände möglichst gering um einen kompakten Aufbau zu erreichen. Insbesondere ist es oft zweckmäßig, den Detektor (4) sowie Lager beweglicher Bauelemente wie der Drehachse (5) am raumfesten Teil des Gehäuses (2) zu befestigen.
In Fig. 1 ist die Übersetzung durch ein Planetengetriebe realisiert, dessen zentrales Sonnenrad (6) auf der Welle (1) angebracht ist. Die ortsfesten Planetenräder (7) übertragen die Drehung des Sonnenrades (6) auf die Codescheibe (3), deren innerer Rand durch das äußere Hohlrad (8) des Getriebes gebildet wird. Durch geeignete Abstimmung der Räder (6-8) des Getriebes wird der Drehbereich der Codescheibe (3) begrenzt.
Fig. 2 zeigt eine alternative Übersetzung mit einem einstufigen Untersetzungsgetriebe, das von zwei Zahnrädern (9, 10) gebildet wird. Das kleinere Zahnrad (9) ist dabei an der Welle (1) und das größere Zahnrad (10) an der Achse (5) der Codescheibe (3) befestigt. Achse (5) und Welle (1) sind in diesem Fall parallel gegeneinander versetzt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 stehen die Welle (1) und die Achse (5) rechtwinklig zueinander, wobei die Kopplung ihrer Bewegungen beispielsweise mittels einer Kegelverzahnung (11) erfolgt. Neben der gezeigten Anordnung sind auch beliebige andere Winkel zwischen der Welle (1) und der Achse (5) möglich. Ein erfindungsgemäßes Übersetzungsverhältnis ist durch die Zahnräder der Kegelverzahnung (11) und ein Planetengetriebe aus den Zahnrädern (6-5) gegeben.
Im Ergebnis entstehen auf diese Weise Winkelsensoren, die bei einfachem und kompaktem Aufbau die eindeutige Bestimmung der Wellenstellung gestatten. Die unterschiedlichen Ausgestaltungen ermöglichen eine gute Ausnutzung des Bauraumes, der im Bereich einer Lenkwelle in der Regel eng begrenzt ist.

Claims (9)

1. Winkelsensor zur Erfassung der Stellung einer Welle (1), die in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist, mit einem Codeelement, das mit der Welle (11) verbunden ist und dessen Position abhängig von der Stellung der Welle (1) ist, und mit einem Detektor (4), der die Stellung des Codeelementes erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von Codeelement und Welle (1) mittels einer Übersetzung erfolgt, die jeder Stellung der Welle (1) eine eindeutige Position des Codeelementes zuordnet.
2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung ein Untersetzungsgetriebe ist.
3. Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung ein Planetengetriebe ist.
4. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Codeelement um eine Achse (5) drehbar ist und die Übersetzung den Drehwinkel des Codeelementes auf unter 360° beschränkt.
5. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Codeelement eine Codescheibe (3) ist.
6. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Codeelement optische Markierungen aufweist.
7. Winkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4) einen optischen Sender und einen optischen Empfänger umfaßt.
8. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) die Lenkwelle eines Fahrzeuges ist.
9. Winkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor eine Baueinheit mit einem Drehverbinder für elektrische und/oder optische Leitungen zu Vorrichtungen im Lenkrad des Fahrzeuges bildet.
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