DE10028817A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung sowie Verfahren zur Herstellung eines Codierelements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (8) zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung mit einer Lenkwelle (12). Sie umfasst ein zylindrisches Codierelement (10), welches mit der Lenkwelle (12) verbunden ist und einen dem Lenkwinkel entsprechenden Code aufweist. Ferner ist ein stationärer Sensor (26) vorgesehen, der den Code auf dem Codierelement (10) erfassen kann. Der Code ist auf der Mantelfläche (22) des Codierelements (10) in Umfangsrichtung aufgebracht und wirkt in radialer Richtung. Bei dem Sensor (26) handelt es sich um einen der Mantelfläche (22) des Codierelements (10) gegenüberliegenden Magnetsensor (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung mit einer Lenkwelle, einem mit dieser verbundenen Codierelement, welches einen dem Lenkwinkel entsprechenden Code aufweist, und mindestens einem stationären Sensor, der den Code auf dem Codierelement erfasst.

Bei einer derartigen, vom Markt her bekannten Vorrichtung ist der Code auf der Stirnfläche eines scheibenförmigen Codierelements aufgebracht, welches drehfest mit der Lenkwelle verbunden ist. Der Code ist als Strichcode ausgebildet und wird von einem optischen Sensor ausgelesen. Der auf diese Weise bestimmte Lenkwinkel wird z. B. für Navigationssysteme oder Fahrzeugstabilisierungssysteme verwendet.

Die bekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass der optische Sensor, aber auch der Strichcode auf der Stirnfläche des Codierelements, durch Abrieb der mechanischen Elemente der Fahrzeuglenkung oder durch Staub verschmutzen können. Hierdurch kann es im Betrieb der Fahrzeuglenkung zu Störungen bei der Bestimmung des Lenkwinkels kommen. Dies kann die Genauigkeit bei der Navigation verringern und/oder die elektronische Fahrzeugstabilisierung erschweren oder sogar gänzlich verhindern. Ein weiterer Nachteil bei der bekannten Vorrichtung ist auch, dass die Einheit aus Codierelement und Sensor axial relativ groß baut.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst störungsfrei betrieben werden kann und darüber hinaus kleiner baut.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Codierelement zylindrisch ausgebildet ist, der Code auf der Mantelfläche des Codierelements in Umfangsrichtung aufgebracht ist und es sich bei dem Code um einen radial wirkenden magnetischen Code und bei dem Sensor um einen der Mantelfläche des Codierelements gegenüber liegenden Magnetsensor handelt.

Die Verwendung eines Magnetsensors bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat den Vorteil, dass Abrieb und Staub das Auslesen des Codes, welcher auf dem Codierelement in magnetischer Form angebracht ist, nicht verschlechtert wird, da die magnetischen Feldlinien durch das Vorhandensein von Staub oder Abrieb nicht oder nur unwesentlich beeinflusst werden.

Durch die zylindrische Ausbildung des Codierelements, die Anordnung des Codes auf dessen Mantelfläche und die Anordnung der Sensoren radial außerhalb des Codierelements verringert sich die axiale Baugröße der Vorrichtung, mit der der Lenkwinkel bestimmt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 umfasst das Codierelement mindestens bereichsweise ein permanentmagnetisches Material, mit dem der Code erzeugt wird. Ein solcher Code kann durch einen relativ einfachen Magnetsensor ausgelesen werden.

In Anspruch 3 ist angegeben, dass das Codierelement mindestens bereichsweise ein magnetisch aktivierbares, insbesondere ferromagnetisches Material umfasst, mit dem der Code erzeugt wird, und eine entsprechende Aktivierungseinrichtung vorgesehen ist. Bei dieser Weiterbildung ist zwar eine zusätzliche Aktivierungseinrichtung notwendig, welche das magnetische Feld erzeugt, die Herstellung eines solchen Codierelements ist jedoch relativ einfach und daher preiswert.

Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wonach das Codierelement mindestens abschnittsweise Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Polarität umfasst, durch die der Code erzeugt wird. Insbesondere dann, wenn ein Sensor verwendet wird, der auch die Polarität, also die Richtung des Magnetfeldes, erfassen kann, ist eine hohe Informationsdichte bei dem so erzeugten Code möglich, was sich wiederum in einer hohen Auflösung bei der Messung des Lenkwinkels auswirkt.

Eine preiswerte Ausbildung des Sensors als magnetoresistiver Sensor ist in Anspruch 5 genannt.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 zeichnet sich dadurch aus, dass das Codierelement eine permanentmagnetische und/oder magnetisch aktivierbare Folie umfasst, die auf den Außenmantel eines Basisteils des Codierelements, z. B. durch Kleben, aufgebracht ist. Folie und Basisteil können getrennt voneinander preiswert und einfach hergestellt und miteinander, z. B. durch Kaschieren, verbunden werden.

Ähnliches gilt auch für die Weiterbildung gemäß Anspruch 7, wonach das Codierelement einen permanentmagnetischen und/oder magnetisch aktivierbaren Ring umfasst, der auf den Außenmantel eines Basisteils des Codierelements aufgebracht ist.

Besonders interessant ist auch die Weiterbildung gemäß Anspruch 8. Dort ist angegeben, dass der Code in einer Codespur angelegt ist, welche wendelförmig verläuft, und dass der Sensor über eine Führung beweglich angeordnet ist, derart, dass er der Codespur immer gegenüber liegt. Eine solche, sich im vorliegenden Falle also axial erstreckende, "Codespur-Spirale" ermöglicht eine Länge der Codespur über einen Winkelbereich, der größer ist als 360°. Somit ist eine exakte Erfassung des Lenkwinkels und der Umdrehung, in der sich die Lenkwelle befindet, möglich, ohne dass zusätzliche Einrichtungen notwendig sind, welche die Umdrehungen erfassen.

Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 9 weist das Codierelement mehrere Codespuren und mehrere Sensoren auf. Auch hierdurch kann die Informationsdichte und somit die Auflösung des Lenkwinkels erhöht werden.

Sind mehrere nebeneinander liegende Sensoren vorgesehen, ist die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 vorteilhaft, wonach diese Sensoren durch Trennelemente magnetisch voneinander abgeschirmt sind. Hierdurch können die Abstände zwischen den Sensoren reduziert werden, was die Abmessungen der Einrichtung, mit der der Lenkwinkel bestimmt wird, reduziert.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Codierelements zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung. Ein solches Verfahren ist in Anspruch 11 angegeben und umfasst folgende Schritte:

• a) Herstellen eines Basisteils des Codierelements durch thermoplastisches Spritzen;
• b) Aufbringen eines Rings aus einem kunststoffgebundenen, permanentmagnetischen Material auf den Außenmantel des Basisteils; und
• c) Magnetisierung der Schicht entsprechend dem gewünschten Code.

Dieses Verfahren ermöglicht eine preiswerte Herstellung eines Codierelements und die Verwendung des gleichen Basisteils und unterschiedlicher Ringe, entsprechend der gewünschten Anwendung.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Codierelements zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung ist in Anspruch 12 angegeben. Es umfasst folgende Schritte:

• a) Herstellen eines Basisteils des Codierelements durch thermoplastisches Spritzen;
• b) Einschreiben des Codes auf einen radial außenliegenden Oberflächenbereich des Basisteils mittels Laser; und
• c) Aufbringen einer ferromagnetischen Schicht auf den Außenmantel des Basisteils mittels 3D-MID.

Auch dieses Herstellungsverfahren ist relativ preiswert. Das Einschreiben des Codes mittels Laser ermöglicht eine hohe Informationsdichte und somit eine hohe Auflösung bei der Bestimmung des Lenkwinkels.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung; und

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 der Vorrichtung von Fig. 3.

In den Fig. 1 und 2 trägt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung insgesamt das Bezugszeichen 8. Sie umfasst ein zylindrisches Codierelement 10, welches drehfest mit einer Lenkwelle 12 verbunden ist. Das Codierelement 10 umfasst ein in einem thermoplastischen Spritzvorgang hergestelltes Basisteil 14, welches eine zylindrische Form hat und koaxial zur Lenkwelle 12 angeordnet ist. Das Basisteil 14 weist eine mittige Öffnung 15 auf, in die die Lenkwelle 12 im Presssitz aufgeschoben ist. Auf den radial außen liegenden Mantel 16 des Basisteils 14 ist ein Ring 18 aus einem kunststoffgebundenen, permanentmagnetischen Material aufgeschoben und mit dem Basisteil 14 drehfest verbunden. Die Verbindung kann z. B. durch Kleben, Verschweißen oder Schrumpfen erfolgen.

Der Ring 18 ist in acht axial unterschiedlich angeordnete ringförmige Bereiche unterteilt, die durch bekannte Magnetisierverfahren magnetisiert sind. Diese magnetisierten Bereiche bilden Codespuren 20a, b, c, d, e, f, g und h (Fig. 2).

Der äußeren Mantelfläche 22 des Rings 18 liegt in geringem Abstand, der im Bereich von 1/10 mm oder auch größer liegen kann, eine Sensorhalterung 24 gegenüber, in deren dem Codierelement 10 zugewandten Seite acht magnetoresistive Sensoren 26a bis 26h angeordnet sind, wobei jeder Codespur 20a bis 20h einer der magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h gegenüber liegt und zugeordnet ist. Die magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h sind in die Sensorhalterung 24 eingelassen, und das Material der Sensorhalterung 24 ist so gewählt, dass die einzelnen Sensoren 26a bis 26h voneinander magnetisch abgeschirmt sind. Die Sensorhalterung 24 ist stationär angeordnet, bewegt sich also bei einer Drehung der Lenkwelle 12 nicht.

Im Betrieb erfassen die magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h die Veränderungen des magnetischen Felds der jeweiligen Codespur 20a bis 20h, wenn die Lenkwelle 12 bewegt wird und sich hierdurch das Basisteil 14, der Ring 18 und mit diesem die Codespuren 20a bis 20h an den entsprechenden magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h vorbeibewegen. Die Änderungen des Magnetfelds werden von den magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h in eine Änderung des elektrischen Widerstandes umgewandelt, welche von einer in der Figur nicht dargestellten Auswerteeinheit und einer entsprechenden Decodierungsroutine in einen Lenkwinkel umgerechnet wird. Mit dem Codierelement 10 und den magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h ist ohne Weiteres eine Auflösung von 0,2 Winkelgrad möglich.

Zur Beschreibung des in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels wird nur auf die Unterschiede zu dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eingegangen. Teile, welche funktionsäquivalent zu solchen Teilen des ersten Ausführungsbeispieles sind, tragen die gleichen Bezugszeichen.

Anstelle eines Rings ist auf den Außenmantel des Basisteils 14 bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Folie 18 aufgeklebt, welche aus einem magnetisch aktivierbaren Kunststoff mit ferromagnetischer Wirksamkeit besteht. Der Code ist in diese Folie mittels Laser eingebrannt. Alternativ kann das Codierelement 10 auch dadurch hergestellt werden, dass der Code auf den Außenmantel 16 des Basisteils 14 mittels Laser "eingeschrieben" und anschließend auf dieser Mantelfläche 16 in einem 3D-MID-Verfahren eine ferromagnetische Schicht aufgebracht wird.

Die Folie 18 ist auf jeden Fall nicht permanentmagnetisch sondern beeinflusst entsprechend dem aufgebrachten Code die Feldlinien eines äußeren Magnetfelds. Dieses wird vorliegend durch einen Magneten 28 erzeugt, der auf der dem Codierelement 10 abgewandten Seite der Sensorhalterung 24 angeordnet ist. Durch diesen Magnet 28 werden die auf der Folie 18 aufgebrachten ferromagnetischen Codespuren 20a bis 20h aktiviert, die die Feldlinien des Magneten 28 entsprechend dem Code so ablenken, dass dies von den magnetoresistiven Sensoren 26a bis 26h erfasst werden kann.

Es versteht sich, dass die Aktivierung auch vom Inneren des Codierelements heraus erfolgen könnte.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Codespuren so miteinander verbunden, dass eine einzige in axialer Richtung wendelförmig verlaufende Codespur gebildet wird. Die Sensorhalterung ist z. B. über einen Mitnehmer derart mit dem Codierelement verbunden, dass sich die magnetoresistiven Sensoren unabhängig von der Winkelstellung der Lenkwelle immer exakt über einem Abschnitt der Codespur befinden. Auf diese Weise kann aus der Position der Sensorhalterung gegenüber dem Codierelement und/oder aus der Kombination der Codesignale auf die Umdrehung geschlossen werden, in welcher sich die Lenkwelle gerade befindet.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden Sensoren eingesetzt, welche die Polarität innerhalb einer Codespur feststellen können, und das Codierelement weist Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Polarität auf. Auf diese Weise kann die Informationsdichte erheblich vergrößert und die Genauigkeit bei der Bestimmung des Lenkwinkels erheblich vergrößert werden.

Vorstellbar ist schließlich auch eine Informationsübertragung, wie sie bei Magnetwiedergabegeräten, z. B. Tonbandgeräten oder Videorekordern zum Einsatz kommt. Dabei kann die übertragbare Informationsdichte z. B. durch schrägstehende und/oder rotierende Magnetsensoren erhöht werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung mit einer Lenkwelle (12), einem mit dieser verbundenen Codierelement (10), welches einen dem Lenkwinkel entsprechenden Code aufweist, und mindestens einem stationären Sensor (26), der den Code auf dem Codierelement (10) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement zylindrisch ausgebildet ist, der Code auf der Mantelfläche (22) des Codierelements (10) in Umfangsrichtung aufgebracht ist, es sich bei dem Code um einen radial wirkenden magnetischen Code und bei dem Sensor um einen der Mantelfläche (22) des Codierelements (10) gegenüber liegenden Magnetsensor (26) handelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (10) mindestens bereichsweise ein permanentmagnetisches Material umfasst, mit dem der Code erzeugt wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (10) mindestens bereichsweise ein magnetisch aktivierbares, insbesondere ferromagnetisches Material umfasst, mit dem der Code erzeugt wird, und eine entsprechende Aktivierungseinrichtung (28) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement mindestens abschnittsweise Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Polarität umfasst, durch die der Code erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als magnetoresistiver Sensor (26) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (10) eine permanentmagnetische und/oder magnetisch aktivierbare Folie (18) umfasst, die auf den Außenmantel (16) eines Basisteils (14) des Codierelements (10) z. B. durch Kleben aufgebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierelement (10) einen permanentmagnetischen und/oder magnetisch aktivierbaren Ring (18) umfasst, der auf den Außenmantel (16) eines Basisteils (14) des Codierelements (10) aufgebracht ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Code in einer Codespur angelegt ist, welche wendelförmig verläuft, und dass der Sensor über eine Führung beweglich angeordnet ist, derart, dass er der Codespur immer gegenüber liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Codeelement mehrere Codespuren (20a-20j) und mehrere Sensoren (26a-26j) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren durch Trennelemente (24) magnetisch voneinander abgeschirmt sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Codierelements zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

• a) Herstellen eines Basisteils (14) des Codierelements (10) durch thermoplastisches Spritzen;
• b) Aufbringen eines Rings (18) aus einem kunststoffgebundenen, permanentmagnetischen Material auf den Außenmantel (16) des Basisteils (14); und
• c) Magnetisierung der Schicht entsprechend dem gewünschten Code.

12. Verfahren zur Herstellung eines Codierelements zur Bestimmung des Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

• a) Herstellen eines Basisteils des Codierelements durch thermoplastisches Spritzen;
• b) Einschreiben des Codes auf einen radial außenliegenden Oberflächenbereich des Basisteils mittels Laser; und
• c) Aufbringen einer ferromagnetischen Schicht auf den Außenmantel des Basisteils mittels 3D-MID.