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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zum berührungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines Messobjektes, bei welcher am Messobjekt magnetische, optische oder magnetooptische Strukturen angeordnet sind und wenigstens ein Sensor zur Erfassung dieser Strukturen vorgesehen ist.
Zur berührungslosen Erfassung des Drehwinkels einer Welle sind bereits eine Reihe von Vorschlägen bekanntgeworden. Die bekannten Ausbildungen umfassen beispielsweise Zählscheiben, deren Rotation der Änderung des zu messenden Drehwinkels ent- spricht. Am Umfang derartiger Zählscheiben sind Ausnehmungen bzw. Zähne angeordnet, welche von optischen Sensoren bzw. von kapazitiven oder induktiven Näherungsschaltern erfasst werden können. Die ausgelösten Zählimpulse können in der Folge elek- tronisch weiterverarbeitet werden, neben der Möglichkeit auf eine derartige Weise inkrementelle Winkelveränderungen zu erfassen und zu speichern.
Um eine Information über den abso- luten momentanen Drehwinkel zu erhalten, muss bei derartigen Messeinrichtungen zusätzlich auch die Drehrichtung erfasst werden, wobei durch Summation der inkrementellen Winkelverände- rungen auch der absolute Drehwinkel errechnet werden kann.
Problematisch gestaltet sich allerdings die Erfassung von Dreh- winkeln von grösser als 3600 und der Umstand, dass bei Unterbre- chung der Stromzufuhr das System die im jeweiligen Ausschalt- moment vorhandene Winkelposition speichern muss, und bei einer neuerlichen Inbetriebnahme diese auf den Referenzpunkt zurück- rechnen zu können. Im Ruhezustand erfolgte Drehungen werden bei inkrementeller Winkelmessung überhaupt nicht erfasst, sodass Drehwinkelveränderungen bei abgeschalteter Stromversorgung nicht erfasst werden.
Für Winkelmesssysteme, bei welchen eine mehrfache Umdrehung der Welle in Betracht kommt, also beispielsweise für Drehwinkel- messsysteme für Lenksäulen, ist die absolute Messung der Winkel- position innerhalb des vorgegebenen Mehrfachumdrehungsbereiches zu jeder Zeit und nach der Einschaltung des Systemes unumgäng- lich. Für die Absolutmessung von Drehwinkeln bei Mehrfachum- drehungen werden daher in der Regel Reduktionsgetriebe in Form
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von Planetengetrieben eingesetzt, bei denen der Bereich der Mehrfachumdrehung direkt oder stufenweise auf eine volle Umdrehung oder auf eine rüchberechenbare Teilumdrehung abgebil- det wird.
In der DE 44 09 892 ist zu diesem Zweck die Ausbildung so getroffen, dass mehrere Codescheiben vorgesehen sind, welche relativ zueinander in einem bestimmten Verhältnis untersetzt drehbar angeordnet sind, wobei die Signale unterschiedlicher Codescheiben entsprechend verknüpft und mittels eines Mikrocon- trollers ausgewertet werden. Aus der DE 295 20 111 Ul ist für die Erfassung kleinerer Drehwinkel die Verwendung von Hallele- menten bekanntgeworden. Einrichtungen, bei welcher die Winkel- position am Umfang eines drehbaren Messobjektes durch Hallsen-- soren erfasst wird, sind in der EP 575 971 A1 beschrieben.
In der US 6 212 783 Bl ist eine Messanordnung beschrieben, bei welcher eine Mehrzahl von Sensoren in unterschiedlicher Orien- tierung zum Einsatz gelangt, um zwischen den Winkelbereichen von 0 bis 180 und 180 und 360 der Umdrehung eines Messobjektes unterscheiden zu können.
Die Erfindung zielt nun daraub ab, eine Messanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand und ohne zusätzliche mechanische Elemente, wie beispielsweise Untersetzungsgetriebe oder gesonderte Markierungen für die Erfassung der axialen Ver- schiebung eines Messobjektes nicht nur der Drehwinkel, sondern auch die axiale Lage eines Messobjektes sicher erfasst werden kann, wobei eine derartige Messung auch bei einer zwischenzeit- lichen Unterbrechung der Stromversorgung exakte Werte geben soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemässe Messanordnung im wesentlichen darin, dass die Strukturen an der Stirnfläche des Messobjektes quer zur bzw. ausserhalb der Rotationsachse des Messobjektes angeordnet sind und dass in Abstand von der Stirnfläche in einer von der Rotationsachse durchsetzten Ebene wenigstens ein Chip mit wenigstens einem Sen- sor zum Erfassen der Drehlage und des axialen Abstandes angeordnet ist.
Dadurch, dass die Sensoren in einem gemeinsamen Chip untergebracht werden und die Anordnung so getroffen wird, dass der Chip in Abstand von der Stirnfläche in einer von der
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Rotationsachse des Messobjektes durchsetzten Ebene angeordnet ist, lassen sich in einem Chip Sensoren unterbringen, mit welchen die auf der Basis unterschiedlicher Auswertungsalgo- rithmen sowohl eine Aussage über den axialen Abstand als auch eine Aussage über die Drehlage des Messobjektes ermöglicht wird.
Das Messobjekt benötigt somit lediglich an seiner Stirnseite in an sich bekannter Weise magnetische, optische oder magneto- optische Strukturen, welche im einfachsten Fall von einem sich quer zur Rotationsachse erstreckenden Magneten gebildet sein können, wobei mit den Sensoren des Chips sowohl die axiale Lage als auch die Drehlage erfasst werden kann. In besonders vorteil- hafter Weise ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass der Chip eine integrierte Schaltung zur Auswertung wenigstens eines Sensorsignales enthält, sodass der Schaltungsaufwand für nach- folgende Auswertungen wesentlich verringert wird und unmittelbar die jeweiligen Betriebszustände sowie gegebenenfalls Störfälle durch nicht korrekte Orientierung sicher erfasst werden können, wodurch die Betriebssicherheit wesentlich verbessert wird.
Mittels einer derartigen integrierten Schaltung im Chip kann auch eine Selbsttestfunktion der Sensoren verbunden sein, sodass auch eine Funktionsdiagnose jederzeit ermöglicht wird. Die an der Stirnfläche des Messobjektes angeordneten Strukturen deco- dieren auf diese Weise die Drehlage, wobei je nach Wahl der ent- sprechenden Sensoren mittels des gleichen Sensorelementes auch eine Abstandsmessung beispielsweise durch Auswertung der Ampli- tuden der erhaltenen Signale ermöglicht wird.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung zu diesem Zwecke so getroffen, dass die integrierte Schaltung einen Phasendecoder zur Ermittlung der Phasenlage eines zyklischen Signales wenigstens eines Sensors und einen Schaltkreis zur Ermittlung der Amplitude des zyklischen Signales aufweist, wobei mit Vorteil das zyklische Signal ein Sinus- und ein Cosinus- signal umfasst und in der integrierten Schaltung eine Rechen- schaltung, insbesondere ein Quotientenbildner, enthalten ist.
Mittels eines derartigen Chips, welcher die Sensorelemente enthält und die entsprechende Rechenschaltung bereits inte- griert, ist es in besonders einfacher Weise möglich aus den
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generierten Sinus- und Cosinussignalen eine Arcus-Tangensfunk- tion abzuleiten, was durch einfache Division der beiden Sinus- und Cosinussignale gelingt, wodurch unmittelbar eine von der Amplitude des Signals unabhängige Information über die Drehlage gewonnen werden kann. Es können Hallsensoren zum Einsatz gelangen, welche kreisförmig um die Drehachse verteilt im Chip angeordnet sein können, wobei die gesonderte Auswertung der Amplitude unmittelbar eine Information über die axiale Lage des Messobjektes ergibt.
Mit Vorteil ist die erfindungsgemässe Ausbildung hiezu so getroffen, dass der Chip wenigstens eine Hallsonde enthält und das Messobjekt wenigstens einen sich diametral quer zur Rota- tionsachse an der Stirnfläche angeordneten Magneten aufweist, wobei mit Vorteil der Chip eine Mehrzahl von über einen von der Rotationsachse des Messobjektes durchsetzten Hüllkreis verteilte Sensoren aufweist.
Neben der Möglichkeit die Signale von Hallsensoren geson- dert zum Zwecke der Bestimmung des absoluten Drehwinkels und zum Zwecke der Bestimmung der axialen Lage durch Messung der jewei- ligen Signalamplitude heranzuziehen, kann in besonders einfacher Weise die Ausbildung aber auch so getroffen sein, dass wenig- stens ein Sensor als optischer Sensor und wenigstens ein weite- rer Sensor als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor im gleichen Chip ausgebildet ist. Der zusätzliche am Chip als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor ausgebildete Sensor für die Erfassung der axialen Lage des Messobjektes kann hiebei in konventioneller Weise und gleichfalls mit der im Chip inte- grierten Schaltung ausgewertet werden.
Das Messobjekt selbst kann an einer Lenksäule, einer Spindel oder einem Druck- und Drehschalter ausgebildet sein, wobei beispielsweise im Falle der Ausbildung als Druck- und Drehschalter eine Mehrzahl von axialen Verschiebepositionen des Druckschalters gesondert ausgewertet werden können. Auf die Art und Weise gelingt es Drehwinkelverstellungen eines derartigen Druck- und Drehschalters in unterschiedlichen Ebenen zu erfassen und den mechanischen Aufwand eines Schalters für eine Mehrzahl unterschiedlicher Schaltpositionen wesentlch zu verringern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich- nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 die erfindungsgemässe Messan- ordnung zur Drehwinkelerfassung einer Lenksäule eines Kraftfahr- zeuges, Fig. 2 die Messanordnung für die Erfassung des Schaltzu- standes eines Dreh- und Druckschalters und Fig. 3 den Signalver- lauf eines zur Anwendung gelangenden Sensors.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Lenksäule bzw. ein mit einer Lenk- säule verbundener Teil mit einer Rotationsachse 2 dargestellt.
Die Lenksäule 1 ist mit einem Aussengewinde 3 versehen, welches in einem ortsfesten Innengewinde 4 geführt ist, sodass es bei einer Rotation gemäss dem Pfeil 5 zu einer axialen Verschiebung gemäss Pfeil 6 kommt. Mit 7 ist das Messobjekt bezeichnet, dessen Stirnfläche 8 magnetische, optische oder magnetooptische Struk- turen trägt, welche von dem Chip 9 erfasst werden können. Mit 7 ist eine erste Position des Messobjektes und mit 7' eine zweite Position bezeichnet. Der Chip 9 weist beispielsweise eine Mehr- zahl von über einen von der Rotationsachse 2 des Messobjektes 7 durchsetzten Kreis verteilte Sensoren auf, wobei als Sensoren beispielsweise Hallsensoren zum Einsatz gelangen können, sodass sich der in Fig. 3 dargestellte Signalverlauf der Sensoranord- nung ergibt.
Das Signal 10 verläuft sinusförmig, wobei die Rotation des Messobjektes 7 in Richtung des Pfeiles 6 eine Ver- schiebung des sinusförmigen Signales 10 entsprechend dem Pfeil 11 erfolgt, sodass jedem Drehwinkel des Messobjektes innerhalb eines Bereiches von 0 bis 360 in eindeutiger Weise eine Phasen- lage des Signales 10 zugeordnet werden kann. So ergibt sich beispielsweise bei einem Drehwinkel von 0 das Signal 10 und bei einer Drehlage von 60 das Signal 10'. Um nun auch den absoluten Drehwinkel des Messobjektes 7 bei Mehrfachumdrehungen in ein- deutiger Weise zu erfassen, wird zusätzlich die Amplitude des Signales 10 ausgewertet. Grundsätzlich ergibt sich hierbei in Abhängigkeit vom axialen Abstand des Messobjektes 7 von der Sensoranordnung ein sinusförmiges Signal mit unterschiedlicher Amplitude, wie anhand der Kurven 10 und 12 dargestellt.
Bei einer Kopplung der Rotationsbewegung gemäss Pfeil 5 und der axialen Verschiebung des Messobjektes 7 gemäss Pfeil 6 aufgrund
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des Gewindes 3 bzw. 4 ergibt sich naturgemäss eine kontinuier- liche Veränderung der Amplitude des Signales. Durch gleich- zeitige Auswertung der Phasenlage und der Amplitude des Signales erhält man den absoluten Drehwinkel des Messobjektes 7 auch bei Mehrfachumdrehungen.
In Fig. 2 ist eine weitere Anwendung der erfindungsgemässen Messanordnung dargestellt. Fig. 2a zeigt schematisch einen Dreh- und Druckknopf 13, welcher relativ zum ortsfesten Chip 14 unab- hängig voneinander gemäss Pfeil 15 gedreht und gemäss Pfeil 16 gedrückt bzw. gezogen werden kann. Fig. 2b zeigt den Dreh- und Druckknopf in einer Seitenansicht und es sind die Verschie- belagen 13, 13' und 13'' dargestellt. Dabei ergeben sich die in Fig. 2c dargestellten Signale, wobei der Schalterstellung 13 das Signal 17, der Schalterstellung 13' das Signal 17' und der Schalterstellung 13'' das Signal 17'' entspricht. Zusätzlich zu dieser Amplitudenänderung wird auch die Phasenlage des Signales ausgewertet, um auf diese Weise die jeweilige Drehstellung des Dreh- und Druckschalters 13 zu ermitteln.
Insgesamt ergibt sich somit eine Messanordnung zum berüh- rungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines Messobjektes, welche auch unter rauen Umgebungsbedingungen ein- wandfrei funktioniert, wobei durch die Integration der erforder- lichen Sensoren in einen einzigen von der Stirnfläche des Mess- objektes beabstandeten Chip eine Weiterverarbeitung und Aus- wertung der Sensorsignale entsprechend den jeweiligen Bedürf- nissen gelingt, sodass beispielsweise zusätzliche Kompensations- schaltungen, Analog-Digitalwandlungen oder Selbsttest- und Diagnosefunktionen integriert werden können.