DE10031969C2

DE10031969C2 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE10031969C2
Application number: DE10031969A
Authority: DE
Inventors: Uwe Borgmann; Dirk Schmidt
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: US6576889B2; US20020070336A1; DE10031969A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor mit einem ortsfesten Stator und einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, wobei der Stator mehrere, jeweils gleich ausgeführte, in einer senkrecht zur Drehachse ausgerichteten Ebene auf einer zur Drehachse konzentrischen Kreislinie in Umfangsrichtung über einen Umfangswinkelbereich verteilt angeordnete, optoelektronische Sensorelemente aufweist, die mit einem an dem Rotor vorhandenen Codering kooperieren.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen solchen Winkelsensor für den Einsatz in einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Die EP 774 648 A1 beschreibt einen Winkelsensor der gattungsgemäßen Art mit einem Codering mit n, wobei n < 1 ist, geometrisch gleich aufgebauten, jeweils eine gleiche Codierung aufweisenden Codering-Segmenten, wobei sich die Sensorelemente und jedes Codering-Segment über einen Umfangswinkelbereich von 360°/n erstrecken.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dieser gattungsgemäßen Sensoreinrichtung sind sechs als Gabellichtschrankeneinheiten ausgebildete optoelektronische Sensorelemente voneinander gleichbeabstandet auf einem Umfangswinkelbereich von 72° angeordnet, wobei fünf eine gleiche Codierung aufweisende Codering-Segmente in Verbindung mit den sechs Sensorelementen einen einschrittigen, verketteten sechs-Bit-Code hervorrufen, durch den die Winkelposition innerhalb eines Segments eindeutig gekennzeichnet ist.

Diese Anordnung arbeitet bei einem toleranzarmen mechanischen Aufbau sehr präzise und robust, kann jedoch gewisse Abweichungen von der idealen Konfiguration, wie z. B. einen radialen Versatz von Rotor und Stator gegeneinander oder eine Abweichung der durch die Sensorelemente gebildeten Spur von der konstruktiv vorgesehenen Kreislinie nur in beschränktem Umfange verkraften, ohne fehlerhafte Meßergebnisse zu liefern.

Die DE 198 35 980 A1 offenbart einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor, bei dem eine Codescheibe mit durch Lichtquellen-Empfänger-Anordnungen gebildeten Sensorelementen abgetastet wird. Die Lichtstrahlen werden dabei durch prismatische Körper umgelenkt und durchstrahlen die Codescheibe in achsparalleler Richtung. Bei dieser Art der Abtastung sind die Sensorelemente aber prinzipbedingt nicht auf einer konzentrischen Kreislinie angeordnet, da die Durchstrahlung der Codescheibe mit jedem Sensorelement in einem anderen radialen Abstand von der Drehachse erfolgen muß. Das im Zusammenhang mit dem zuerst genannten Drehwinkelsensor angesprochene Problem tritt deshalb bei dieser Anordnung nicht auf, der gesamte Aufbau ist jedoch komplizierter und durch die Strahlumlenkung störanfälliger.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoreinrichtung der Eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch größere mechanische Toleranzen, wie sie in der Praxis z. B. insbesondere bei der Integration der Sensoreinrichtung in eine übergeordnete, weitere Komponenten wie z. B. Lenksäulenschalter und/oder eine Wickelfederkassette aufweisende Baueinheit wie ein sog. Mantelrohrschaltermodul auftreten, die sichere Funktion derselben nicht beeinträchtigen können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Längsachsen der optoelektronische Sensorelemente, d. h. etwa im Falle der Gabellichtschrankeneinheiten die Verbindungslinien zwischen jeweils einem optoelektronischen Sender und dem diesem zugeordneten Empfänger, nicht radial zu der Kreislinie, auf der diese Einheiten in Umfangsrichtung angeordnet sind, ausgerichtet sind, sondern vielmehr parallel zueinander.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Detailldarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung der optoelektronischen Sensorelemente im Schnitt

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines gattungsgemäßen Winkelsensors nach dem Stand der Technik

Der erfindungsgemäße Winkelsensor ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie der in Fig. 2 dargestellte Sensor nach dem Stand der Technik. Dabei ist ein Stator 1 an der Lenkeinrichtung bzw. dem Mantelrohr drehfest montiert. Der Stator 1 weist eine Leiterplatte 2, die als Segment ausgebildet ist und sich über einen Umfangswinkel von 72° = 360°/5 erstreckt, sowie ein auf die Leiterplatte 2 ausgerichtetes, sich über einen Umfangswinkel von 72° erstreckendes Ringsegmentgehäuse 3 zur Aufnahme von sechs in gleichen Winkelabständen von 12° angeordneten, als Gabellichtschrankeneinheiten ausgeführten Sensorelementen 4 auf. Die Senderelemente und Empfängerelemente der Gabellichtschrankeneinheiten sind unmittelbar mit der Leiterplatte 2 kontaktiert und liegen einander auf verschiedenen Seiten eines Ringspaltes 5 gegenüber, der konzentrisch zur Drehachse 9 der Lenkspindel ausgerichtet ist.

Die Sensorelemente 4 sind dabei, wie aus der in Fig. 1 dargestellten Schnittdarstellung des Ringsegmentgehäuses 3 ersichtlich ist, mit ihren Längsachsen, d. h. mit der Verbindungslinie zwischen ihren Sender- und Empfängerelementen nicht radial zu der Kreislinie sondern parallel zueinander ausgerichtet, was eine deutliche Verbesserung der Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Toleranzen gegenüber der radialen Ausrichtung bewirkt. Die Anordnung der Sensorelemente 4 ist dabei in diesem Beispiel darüberhinaus spiegelsymmetrisch zu einer durch die Drehachse 9 verlaufenden Durchmesserlinie 6 gewählt.

Eine Rotorscheibe ist mit der Lenkspindel gekoppelt und als Codering 7 mit fünf gleichen, sich jeweils über einen Umfangswinkel von 72° erstreckenden, blendenförmigen Codering-Segmenten 8 ausgebildet. Die Codering-Segmente 8 werden bei der Drehung des Coderings 7 durch den Ringspalt 5 hindurchbewegt. Die Codering-Segmente 8 erzeugen in Verbindung mit den Sensorelementen 4 einen einschrittigen, verketteten Code. Im hier dargestellten Fall mit sechs Lichtschranken handelt es sich um einen sechs- Bit-Code.

Der einschrittige, verkettete Code ermöglicht durch fortlaufende Zählung der Codering-Segmente 8 eine genaue Positionsbestimmung auch über mehrere Umdrehungen der Lenkspindel. Ein Referenzwert wird unabhängig von dem Winkelsensor durch eine Gleichlaufmessung der Fahrzeugräder, durch eine Drehung der Lenkspindel über den vollen Lenkbereich oder durch ein anderes Initialisierungsverfahren gewonnen.

Zur eindeutigen Identifizierung der Codering-Segmente 8 und damit zur absoluten Winkelmessung über einen vollen Kreisumfang können die Codering-Segmente 8 eine unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit haben, die von den Lichtschranken in Analogform erfaßt wird. Damit läßt sich der jeweilige Lenkwinkel auf dem gesamten Kreisumfang von 360° eindeutig und absolut festlegen.

Der erfindungsgemäße Winkelsensor ist Bestandteil eines sogenannten Mantelrohrschaltermoduls, in dem als weitere Komponente u. a. eine Wickelfederkassette enthalten ist.

Claims

1. Winkelsensor mit einem ortsfesten Stator (1), und einem um eine Drehachse (9) drehbaren Rotor (7), wobei der Stator (1) mehrere jeweils gleich ausgeführte, in einer senkrecht zur Drehachse (9) ausgerichteten Ebene auf einer zur Drehachse (9) konzentrischen Kreislinie in Umfangsrichtung über einen Umfangswinkelbereich verteilt angeordnete, optoelektronische Sensorelemente (4) aufweist, die mit einem an dem Rotor (7) vorhandenen Codering (7') kooperieren, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Sensorelemente (4) mit ihren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Sensorelemente (4) spiegelsymmetrisch zu einer durch die Drehachse (9) verlaufenden Durchmesserlinie (6) angeordnet und mit ihren Längsachsen parallel zu dieser ausgerichtet sind.

3. Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Sensorelemente (4) untereinander einen gleichen Winkelabstand aufweisen.

4. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) eine senkrecht zur Drehachse (9) ausgerichtete Leiterplatte (2) zur Aufnahme der optoelektronischen Sensorelemente (4) aufweist.

5. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Sensorelemente (4) Gabellichtschrankeneinheiten sind, und daß der Codering (7') ein in dem von diesen Gabellichtschrankeneinheiten gebildeten Ringspalt (5) angeordneter Codeblendenring ist.

6. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Codering (7') ein Codereflexionsring ist, und daß die optoelektronischen Sensorelemente (4) Reflexionslichtschrankeneinheiten sind, die dem Codereflexionsring gegenüber angeordnet sind.

7. Winkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionslichtschrankeneinheiten dem inneren und/oder äußeren Umfang des Codereflexionsrings gegenüber angeordnet sind.

8. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Codering (7') mit n, wobei n < 1 ist, geometrisch gleich aufgebauten, jeweils eine gleiche Codierung aufweisenden Codering-Segmenten (8) versehen ist, und daß sich die optoelektronischen Sensorelemente (4) und jedes der Codering- Segmente (8) über einen Umfangswinkelbereich von 360°/n erstrecken.

9. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Codering (7') in Verbindung mit m optoelektronischen Sensorelementen (4) einen einschrittigen, verketteten m-Bit-Code hervorruft.

10. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkelbereich 360°/5 = 72° beträgt.

11. Winkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfangswinkelbereich sechs optoelektronische Sensorelemente (4) angeordnet sind.

12. Verwendung eines Winkelsensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) an dem Mantelrohr der Lenkeinrichtung drehfest montiert ist, und daß der den Codering (7') umfassende Rotor (7) drehfest mit der Lenkspindel der Lenkeinrichtung verbunden ist.