DE10037211B4

DE10037211B4 - Lenkradstellungssensor

Info

Publication number: DE10037211B4
Application number: DE10037211A
Authority: DE
Inventors: Thaddeus Rochester Hills Schroeder
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: US6400142B1; DE10037211A1

Abstract

Lenkradstellungssensor mit:
einer Lenkwelle (12), die einen Gewindeabschnitt (10) aufweist, wobei die Lenkwelle in Bezug auf einen feststehenden Bezugsrahmen (26) drehbar ist,
einem Gegenstand (14), welcher seitlich auf die Lenkwelle aufsetzbar ist und in Schraubeingriff mit dem Gewindeabschnitt (10) steht, wobei der Gegenstand in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle eine axiale Bewegungskomponente aufweist, wobei die Lenkwelle einen vorbestimmten Bereich an Drehstellungen aufweist, wobei der vorbestimmte Bereich an Drehstellungen einem Bereich an axialen Stellungen des Gegenstandes entspricht, und
einem Sensormittel (18, 18', 30), das teilweise mit dem Gegenstand bewegbar und teilweise in Bezug auf den feststehenden Bezugsrahmen feststehend ist, um ein elektrisches Signal (V_AUS) zu liefern, das die Drehstellung der Lenkwelle angibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stellungserfassung und insbesondere ein Verfahren zum Erfassen einer Lenkradstellung.

Es ist in der Technik allgemein bekannt, daß die Spannungsmodulation von Hall-Elementen oder die Widerstandsmodulation von Magnetwiderständen bei Stellungs- und Drehzahlsensoren in bezug auf sich bewegende magnetische Materialien oder Objekte angewandt werden kann (siehe beispielsweise US-Patente 4 835 467, 4 926 122 und 4 939 456). Bei derartigen Anwendungen wird der Magnetwiderstand (MW) mit einem Magnetfeld vormagnetisiert und typischerweise mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle elektrisch erregt. Ein magnetisches (d.h. ferromagnetisches) Objekt, das sich relativ und in enger Nähe zu dem MW bewegt, wie ein Zahn, erzeugt eine sich verändernde magnetische Flußdichte durch den MW hindurch, die wiederum den Widerstand des MW verändert. Der MW wird eine höhere magnetische Flußdichte und einen höheren Widerstand aufweisen, wenn ein Zahn benachbart zum MW liegt, als wenn ein Zahn sich fern von dem MW befindet.

Zunehmend ausgefeiltere Zündzeitpunkteinstellungs- und Emissionssteuerungen führten zur Nachfrage nach Kurbelwellensensoren, die während einer Kurbelwellendrehung eine genaue Stellungsinformation liefern können. Es sind verschiedene Kombinationen von Magnetwiderständen und mit einer einzigen oder mit einer doppelten Spur verzahnten oder geschlitzten Rädern (auch als Codierräder oder Impulsgeberräder bekannt) dazu verwendet worden, diese Information zu erhalten (siehe beispielsweise US-Patente 5 570 016, 5 714 883, 5 731 702 und 5 754 042).

Die Information über die Kurbelwellenstellung ist auf dem rotierenden Impulsgeberrad in der Form von Zähnen und Schlitzen codiert. Praktisch alle derartige Sensoren sind vom magnetischen Typ, entweder mit variabler Reluktanz oder galvanomagnetisch (zum Beispiel Hall-Generatoren) oder Magnetwiderstände. Galvanomagnetische Sensoren werden aufgrund ihrer Fähigkeit einer größeren Codierungsflexibilität und drehzahlunabhängigen Ausgangssignalen fortschreitend am meisten bevorzugt.

Eine hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit besitzende magnetische Stellungssensoren wenden zwei angepaßte Sensorelemente an, wie Magnetwiderstände (MW) oder Hall-Generatoren. Sie sind ein paar Millimeter voneinander beabstandet. Der Hauptzweck einer Verwendung zweier angepaßter Sensorelemente ist eine Gleichtaktsignalunterdrückung, da die Sensorelemente durch die Temperatur und den Luftspalt gleich beeinflußt werden.

Zusätzlich müssen Steuerungen für eine elektrische Hilfskraftlenkung (EPS) die absolute Stellung des Lenkrades zu jedem Zeitpunkt, einschließlich im Moment des Einschaltens des Systems kennen. Das Lenkrad kann drei volle Umdrehungen in jede Richtung gedreht werden. Jedoch fordern die Spezifikationen, daß der Sensor selbst eine minimale Tauglichkeit für einige volle Umdrehungen in jeder Richtung aufweist. Gegenwärtige Sensoren sind nicht in der Lage, mehrere Umdrehungen zu erkennen, so daß diese durch Software hochgezählt werden müssen. Der Stellungslernalgorithmus erfordert Zeit, um die Lenkradstellung auszurechnen und ist nicht in der Lage, die Stellung beim Einschalten zu erkennen. Es wäre ein einfacher und kostengünstiger, kontaktloser Sensor für die absolute Lenkradstellung selbst mit einer nur mäßigen Auflösung sehr wünschenswert.

Aus der DE 198 34 868 A1 ist ein Lenkradsteller bekannt, bei dem ein Schlitten mit einer Lenkradwelle derart in verzahntem Eingriff steht, daß der Schlitten bei Drehbewegung der Lenkradwelle axial auf der Lenkradwelle entlang fährt. Die lineare Bewegung des Schlittens wird durch einen magnetischen, elektrischen oder optoelektronischen Sensor erfaßt.

In der DE 35 23 162 A1 ist eine Lenkeinschlag-Begrenzungseinrichtung mit einer Mutter beschrieben, die über ein Gewinde axial verschiebbar auf einer Lenkspindel gelagert ist. Die Mutter ist über Profile in einem Gehäuse gegen Verdrehen gesichert. Bei einer Verdrehung der Lenkspindel kann die Mutter nur bis zu Gehäuseanschlägen in axialer Richtung verschoben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen ein leicht montierbarer, einfacher und kostengünstiger, kontaktloser Sensor selbst mit einer nur mäßigen Auflösung zu jedem Zeitpunkt eine absolute Lenkradstellung angibt.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Lenkradstellungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die bevorzugt einen einzelnen galvanomagnetischen Doppelelementsensor umfassen, der hierin beispielhaft durch einen einzelnen Doppelelement-Magnetwiderstandssensor (MW-Sensor) ausgeführt ist, um die absolute Lenkradstellung aus der Stellung einer magnetischen Unregelmäßigkeit, wie beispielsweise eines ferromagnetischen Zahnes oder eines Schlitzes in einem ferromagnetischen Material, in Bezug auf den feststehenden MW-Sensor zu erfassen.

Ein erfindungsgemäßer Lenkradsensor kann aufgebaut werden, indem ein kurzer Abschnitt der Lenkwelle mit einem Gewinde versehen wird, und ein mit einem Gewinde versehener Gegenstand, beispielsweise eine Mutter mit einem passenden Gewinde, in Schraubeingriff mit dem Gewindeabschnitt angeordnet wird. Der Gegenstand wird an einer Drehung mittels einer Schiebestange gehindert, die an dem Gegenstand angebracht und in einem Führungskanal der feststehenden MW-Sensoranordnung aufgenommen ist, so daß sich der Gegenstand axial in Bezug auf den feststehenden MW-Sensor bewegen kann. Die Schiebestange ist mit einem ferromagnetischen Zahn versehen, oder die Schiebestange ist selbst ferromagnetisch und weist einen Schlitz auf. Die axiale Bewegungsrichtung ist derart, daß sie entlang einer Linie erfolgt, die die Mitten der beiden MW-Elemente des einzelnen Doppelelement-MW-Sensors (d.h. MW-Sensors) verbindet.

Daher wird die Drehung des Lenkrades in eine genau wiederholbare axiale Bewegung des Gegenstands und infolgedessen eine genau wiederholbare axiale Bewegung des Zahns oder Schlitzes in Bezug auf den feststehenden MW-Sensor umgesetzt. Da der Widerstand der MW-Elemente des MW- Sensors auf Änderungen der magnetischen Feldstärke anspricht, steht der Ausgang des MW-Sensors mit der axialen Stellung des Gegenstands in Bezug auf den MW-Sensor in Beziehung.

Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung des Lenkrades die axiale Stellung des Gegenstands um eine Gewindeganghöhe verändern. Der Rand der Schiebestange weist einen Schlitz oder Zahn auf, der von dem MW erfaßt wird. Der Ausgang des MW-Sensors gibt bei einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stellung des Zahns (oder des Schlitzes) in Bezug auf den feststehenden MW-Sensor und somit Daten an, die zur Nettodrehung des Lenkrades gehören, ob sie im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeigersinn (GUS) erfolgt. Falls es gewünscht ist, könnte dieser MW-Sensor als ein einziges Meß- oder Erfassungssystem zusammen mit einem Drehmomentsensor gepackt werden.

Zur Vereinfachung des Einbaus ist der Gegenstand auf eine Weise konstruiert, die es gestattet, daß er durch eine seitliche Anordnung auf der Lenkwelle ohne die Notwendigkeit eines freien Endes montiert werden kann. Ein möglicher Ansatz ist die Verwendung einer Mutter, die aus zwei separaten Hälften besteht. Diese Hälften können leicht mittels Klammern verbunden werden. Alternativ könnte die Mutter aus einem elastischen Material (z.B. Federstahl oder Polymer) mit einem Ausschnitt hergestellt werden, damit der Gewindeabschnitt der Lenkwelle durch den Ausschnitt hindurch über eine elastische (und zeitweilige) Verformung der Mutter hindurchgedrückt werden kann und dadurch eine Anordnung auf dem Gewindeabschnitt zugelassen wird.

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die einen einzelnen galvanomagnetischen Doppelelementsensor umfassen, der hierin beispielhaft durch einen einzelnen magnetoresistiven Doppelelementsensor ausgeführt ist, um eine absolute Lenkradstellung aus der Stellung eines Zahns oder eines Schlitzes in Bezug auf einen galvanomagnetischen Sensor zu erfassen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
1A eine Teilschnittansicht von der Seite, die ein Beispiel einer bevorzugten Gebrauchsumgebung eines Doppel-MW-Stellungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Schiebestange einen Zahn enthält,
1B eine Querschnittsansicht, gesehen entlang der Linie 1B-1B von 1A,
2A eine Teilschnittansicht von der Seite, die ein Beispiel einer bevorzugten Gebrauchsumgebung eines Doppel-MW-Stellungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Schiebestange einen Schlitz enthält,
2B eine Querschnittsansicht, gesehen entlang der Linie 2B-2B von 2A,
3A eine Seitenansicht einer Mutter, wobei die Mutter federnd elastisch ist und einen Ausschnitt aufweist, und die Schiebestange einen Zahn enthält,
3B eine Teilschnittansicht, gesehen entlang der Linie 3B-3B von 3A,
4A eine Seitenansicht einer Mutter, wobei die Mutter diametral geteilt ist und die Schiebestange einen Schlitz enthält,
4B eine Explosionsansicht der Mutter von 4A,
4C eine Teilschnittansicht, gesehen entlang der Linie 4C-4C von 4A,
5A eine Teilschnittansicht von der Seite eines MW-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schiebestange einen Zahn enthält, der in einem nichtmagnetischen Material eingebettet ist,
5B eine Teilschnittansicht von der Seite eines MW-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schiebestange einen Schlitz enthält,
6A eine schematische Ansicht eines Schaltkreises für einen MW-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung, und
6B einen Ausdruck einer Ausgangsspannung des Schaltkreises von 6A über die Drehstellung eines Lenkrades gemäß der vorliegenden Erfindung.
1A zeigt einen Gewindeabschnitt 10 einer Lenkwelle 12 auf dem eine Mutter 14 mit einem passenden Gewinde in Schraubeingriff steht. Die Mutter 14 wird an einer Drehung zusammen mit der Lenkwelle mittels einer Schiebestange 16 gehindert, die an der Mutter angebracht ist und führbar von einem Führungskanal 20 aufgenommen ist, so daß diese darin verschiebbar ist. Der Führungskanal 20 ist dadurch feststehend, daß er einen Teil einer MW-Sensoranordnung 22 bildet, die an einer feststehenden Fläche 26 (des Fahrzeugs) über Befestigungselemente 28 angebracht ist. Die Schiebestange 16 trägt in dieser Ansicht einen ferromagnetischen Zahn 18.
Wenn sich die Mutter längs des Gewindeabschnittes 10 schraubt, bewegt sich die Schiebestange 16 durch den Führungskanal 20 führbar in einer axialen Richtung 24 in bezug auf die MW-Sensoranordnung. Die MW-Sensoranordnung 22 umfaßt beispielhaft einen einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30, der aus MW1 und MW2 besteht.
Wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, wird dementsprechend die Drehung des Lenkrades 12 in eine axiale Bewegung 24 mit hoher Wiederholgenauigkeit der Mutter 14, und folglich des Zahns 18, in bezug auf den MW-Sensor 30 umgesetzt. Da die Spannung, die von dem MW-Sensor 30 aus gegeben wird, auf eine magnetische Veränderung empfindlich ist, steht die axiale Stellung der Mutter in bezug auf den MW-Sensor mit der Größe der von dem MW-Sensor ausgegebenen Spannung in Beziehung. Tatsächlich weist die Spannung für jede axiale Stellung des Zahns einen einzigartigen Wert auf, ob sie von einer Drehung der Lenkwelle 12 (d.h. des Lenkrades) im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeigersinn (GUS) hervorgerufen wird.
Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung der Lenkwelle 12 die axiale Stellung 24 des Zahns 18 um eine Gewindeganghöhe 32 verändern. Die axiale Bewegung 24 des Zahns 18 wird von dem MW-Sensor 30 erfaßt, dessen Spannungsausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stellung des Zahns in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle 12 bekannt ist.
1B zeigt eine Ansicht des Querschnitts von 1A, die den Führungskanal 20 zeigt, der die Schiebestange 16 dazu zwingt, sich in der axialen Richtung 24 zu bewegen.
2A zeigt einen Gewindeabschnitt 10' einer Lenkwelle 12', auf dem eine Mutter 14' mit einem passenden Gewinde in Schraubeingriff steht. Die Mutter 14' wird an einer Drehung mittels einer an der Mutter angebrachten Schiebestange 16' gehindert, die nun ferromagnetisch ist und mit einem Schlitz 18' versehen ist. Die Schiebestange 16' wird innerhalb eines Führungskanals 20', der einen Teil der feststehenden MW-Sensoranordnung 22' bildet, derart begrenzt, daß die Mutter so geführt ist, daß sie nur in einer axialen Richtung 24' in bezug auf die MW-Sensoranordnung be wegbar ist. Die MW-Sensoranordnung 22' ist unbeweglich an einer feststehenden Fläche 26' (relativ zu dem Fahrzeug) mit Befestigungselementen 28' montiert und umfaßt einen einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30', der aus MW1' und MW2' besteht. Die Drehung der Lenkwelle 12' wird in eine axiale Bewegung 24' mit hoher Wiederholgenauigkeit der Mutter 14', und folglich des Schlitzes 18', in bezug auf den MW-Sensor 30' umgesetzt. Da die von dem MW-Sensor 30' ausgegebene Spannung auf eine magnetische Veränderung empfindlich ist, steht die axiale Stellung der Mutter in bezug auf den MW-Sensor mit der Größe der von dem MW-Sensor ausgegebenen Spannung in Beziehung. Tatsächlich weist die Spannung für jede axiale Stellung des Zahns einen einzigartigen Wert auf, ob sie durch eine Drehung der Lenkwelle 12' (d.h., des Lenkrades) im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeigersinn (GUS) hervorgerufen wird.
Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung der Lenkwelle 12' die axiale Stellung 24' des Schlitzes 18' um eine Gewindeganghöhe 32' verändern. Die axiale Bewegung 24' des Schlitzes 18' wird von dem MW-Sensor 30' erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stellung des Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle 12' bekannt ist.
2B zeigt eine Ansicht des Querschnitts von 2A, die den Führungskanal 20' zeigt, der die Schiebestange 16' dazu zwingt, sich in der axialen Richtung 24' zu bewegen.
Während die obigen Beispiele einer Mutter 14, 14' es mit sich bringen, daß die Mutter auf den Gewindeabschnitt 10, 10' über ein freies Ende der Lenkwelle geschraubt werden muß, ist es erwünscht, die Mutter derart zu modifizieren, daß sie seitlich auf den Gewindeabschnitt ohne Notwendigkeit eines freien Endes der Lenkwelle gesetzt werden kann, wobei Beispiele hiervon in den 3A bis 4C gezeigt sind.
Die 3A und 3B zeigen eine Mutter 14'' mit einem Ausschnitt 15. Die Mutter 14'' besteht aus einem nachgiebigen Material, beispielsweise Federstahl oder ein Polymer, wobei der Ausschnitt 15 (in 3B gezeigt) kleiner bemessen ist als der Querschnitt des Gewindeabschnitts 10'' einer Lenkwelle 12'', so daß die Lenkradwelle durch diesen hindurch über eine nachgiebige und zeitweilige Verformung der Mutter gedrückt werden muß (siehe gestrichelte Linien in 3B). Wenn er derart gedrückt wird, gelangt der Gewindeabschnitt 10'' in Schraubeingriff mit dem Gewinde der Mutter 14''. Während die Schiebestange 16'' mit einem Zahn 18 gezeigt ist, kann alternativ ein Schlitz verwendet werden (wobei in diesem Fall die Schiebestange ferromagnetisch ist). Diese Gestalt der Mutter gestattet es, daß die Mutter 14'' nach dem Einbau der Lenkradwelle an den Gewindeabschnitt 10'' der Lenkradwelle 12'' montiert werden kann.
Die 4A bis 4C zeigen Ansichten einer Mutter 14''', die diametral in ein erstes Mutternbauteil 14a und ein zweites Mutternbauteil 14b geteilt ist, die jeweils ein Paar erste bzw. zweite Flansche 15a, 15b aufweisen. Das erste Mutternbauteil 14a umfaßt eine Schiebestange 16''', die ferromagnetisch ist und einen Schlitz 18' (wie gezeigt) enthält, oder alternativ nicht ferromagnetisch ist und einen Zahn enthält. Diese Gestalt der Mutter gestattet es, daß die Mutter 14''' auf den Gewindeabschnitt 10 einer Lenkradwelle 12 nach Einbau der Lenkradwelle montiert werden kann. U-förmige Klammern 17 schnappen auf die ersten und zweiten Flansche 15a, 15b des ersten und des zweiten Mutternbauteils 14a, 14b, und halten diese über Druck zusammen, so daß die Mutter 14''' in Schraubeingriff mit einem Gewindeabschnitt 10''' einer Lenkradwelle 12''' gehalten wird. Die Schiebestange 16''' ist derart geführt, daß nur eine axiale Bewegung in einem Führungskanal einer feststehenden MW-Sensoranordnung zugelassen wird, wie es zuvor beschrieben wurde.
Es sind andere gleichermaßen bevorzugte konstruktive Ausgestaltungen zum seitlichen Anordnen der Mutter auf dem Gewindeabschnitt möglich. Beispielsweise verbindet bei einer Modifikation der Ausgestaltung der 4A bis 4C ein Scharnier das erste und das zweite Mutternbauteil, und ein entgegengesetzt angeordneter Flansch jedes Mutternbauteils wird durch Klammern gehalten. Bei einer weiteren Variante ist die Schiebestange mit zumindest einem der Flansche integriert.
5A zeigt die Vormagnetisierung und die elektrischen Anschlüsse eines einzelnen Doppelelement-MW-Sensors 30'', analog zu dem einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30 von 1A oder zu dem einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30' von 2A gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schiebestange 116 einer Mutter (nicht gezeigt) in Schraubeingriff mit einem Gewindeabschnitt einer Lenkradwelle (nicht gezeigt) steht, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Schiebestange 116 ist nicht magnetisch und enthält einen Zahn 18, der dazu gezwungen wird, sich in der axialen Richtung 24''' der Lenkradwelle zu bewegen.
Der einzelne Doppelelement-MW-Sensor 30'' wendet zwei Magnetwiderstandselemente MW1'' und MW2'' an, die voneinander mit einem Abstand L beabstandet und durch einen Permanentmagneten 42 vormagnetisiert sind, wobei der magnetische Fluß 44 und 46, der von diesem ausgeht, durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der magnetische Fluß 44 und 46 verläuft von dem Permanentmagneten 42 durch die Magnetwiderstände MW1'' und MW2'' hindurch und durch die Luftspalten 48 und 50 hindurch zur Schiebestange 116. Energie wird MW1'' und MW2'' über eine Spannungsquelle V_EIN an Anschluß 52 von MW2'' zugeführt. Anschluß 54, der MW1'' und MW2'' verbindet, ist ein erster Anschluß für den Ausgang (der zweite Anschluß für den Ausgang wird später beschrieben). Anschluß 56 von MW1''' ist mit Masse verbunden.
Wie zuvor erwähnt, wird die axiale Bewegung 24''' des Zahns 18 von dem MW-Sensor 30'' erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stellung des Zahns 18 in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle (die analog der Lenkwelle von 1A ist) bekannt ist.
5B zeigt die Vormagnetisierung und die elektrischen Anschlüsse eines einzelnen Doppelelement-MW-Sensors 30''' analog zu dem einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30'' von 5A, wobei die Schiebestange 216 einer Mutter selbst ferromagnetisch ist und einen Schlitz 18' enthält und wobei die Schiebestange dazu gezwungen wird, sich in der axialen Richtung 24'''' einer Lenkradwelle zu bewegen, analog zur Darstellung in 2A.
Der einzelne Doppelelement-MW-Sensor 30''' wendet zwei Magnetwiderstandselemente MW1''' und MW2''' an, die voneinander mit einem Abstand L' beabstandet und durch einen Permanentmagneten 42' vormagnetisiert werden, wobei der magnetische Fluß 44' und 46', der von diesem ausgeht, durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der magnetische Fluß 44' und 46' verläuft von dem Permanentmagneten 42' durch die Magnetwiderstände MW1''' und MW2''' hindurch und durch die Luftspalten 48' und 50' hindurch zur Schiebestange 216. Energie wird MW1''' und MW2''' über Spannungsquelle V_EIN an Anschluß 52' von MW2''' zugeführt. Anschluß 54', der MW1''' und MW2''' verbindet, ist ein erster Anschluß für den Ausgang (der zweite Anschluß für den Ausgang wird später beschrieben). Anschluß 56' von MW1''' ist mit Masse verbunden.
Wie zuvor erwähnt, wird die axiale Bewegung 24'''' des Schlitzes 18' von dem Sensor 30''' erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf, die Stellung des Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle analog zur Lenkwelle 12' von 2A bekannt ist.
Es ist in der Technik allgemein bekannt, daß der Widerstand eines MW-Elements moduliert werden kann, indem eine magnetische Flußdichte durch das MW-Element hindurch verändert wird, die wiederum den Widerstand des MW-Elements (R_MW) verändert, wodurch eine höhere magnetische Flußdichte durch das MW-Element hindurch den Widerstand des MW-Elements vergrößert, und eine geringere magnetische Flußdichte durch das MW-Element hindurch den Widerstand des MW-Elements verringert. Die Abschnitte des MW-Elements unter einem ferromagnetischen Material sind einem beträchtlich stärkeren Magnetfeld ausgesetzt als die Abschnitte des MW-Elements, die sich nicht unter dem ferromagnetischen Material befinden (d.h. Schlitze). Bei einem einzelnen Doppelelement-MW-Sensor sind die Flächen der MW-Elemente im wesentlichen gleich. Je mehr Fläche eines MW-Elements von einem ferromagnetischen Material überdeckt ist, desto größer wird somit der Widerstand dieses MW-Ele ments, oder je größer die Fläche eines MW-Elements ist, die von einem Schlitz überdeckt wird, desto geringer ist der Widerstand dieses MW-Elements.
Wenn die Mittellinie eines ferromagnetischen Materials, oder eines Schlitzes darin, mit der Mittellinie des MW-Sensors zusammenfällt, der auf halbem Wege zwischen den MW-Elementen ausgerichtet ist, sind die Flächen der beiden MW-Elemente, die von dem ferromagnetischen Material oder dem Schlitz überdeckt sind, gleich, und somit ist der Widerstand des einen MW-Elements (R_MW1) gleich dem Widerstand des anderen MW-Elements (R_MW2), da die beiden MW-Elemente angepaßt sind. Sobald das ferromagnetische Material oder der Schlitz entlang einer Linie bewegt wird, die die Mitten der beiden MW-Elemente verbindet (d.h., in der axialen Richtung im Kontext mit der vorliegenden Erfindung), fällt dann die Mittellinie des ferromagnetischen Materials oder Schlitzes nicht mit der Mittellinie des MW-Sensors zusammen. Die Fläche des einen MW-Elements, die von dem ferromagnetischen Material oder Schlitz überdeckt ist, ist dann kleiner als die Fläche des anderen MW-Elements, die von dem ferromagnetischen Material oder Schlitz überdeckt ist, wodurch bewirkt wird, daß der Widerstand des einen MW-Elements zunimmt, während der Widerstand des anderen MW-Elements abnimmt. Da der Widerstand jedes MW-Elements proportional zur Fläche ist, die von dem ferromagnetischen Material oder Schlitz darin überdeckt wird, und die überdeckte Fläche proportional zur Stellung des ferromagnetischen Materials oder Schlitzes ist, kann die Ausgangsspannung eines geeignet entworfenen Schaltkreises derart eingerichtet werden, daß sie ebenso direkt proportional zur Stellung eines ferromagnetischen Zahns oder Schlitzes in einem ferromagnetischen Widerstand ist. Ein geeignet entworfener elektrischer Schaltkreis kann diese Widerstandsänderung umfassen und eine Ausgangsspannung erzeugen, die eine lineare Funktion der Stellung des Zahns oder Schlitzes ist.
Ein derartiger Schaltkreis, der die elektrische Arbeitsweise der 5A oder 5B veranschaulicht, ist in 6A gezeigt. Anschluß 52'' von MW2'''' ist mit dem positiven Anschluß einer Konstantspannungsquelle V'''_EIN verbunden, wohingegen Anschluß 56'' von MW1'''' mit Masse verbunden ist. Die Widerstände R1 und R2 weisen vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, den gleichen Wert auf. V_AUS wird in bezug auf die Anschlüsse 54'' und 58 gemessen, wobei Anschluß 58 als auf dem Bezugspotential liegend angesehen wird. Anschluß 58 ist auch der Anschluß eines variablen Widerstandes R_P, durch den der Widerstand zwischen Anschluß 58 und Masse oder zwischen Anschluß 58 und V'''_EIN verändert werden kann. Der Widerstand zwischen Anschluß 58 und Masse oder zwischen Anschluß 58 und V'''_EIN ist derart eingestellt, daß V_AUS bei irgendeiner anfänglichen Drehstellung des Lenkrades, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wenn das Lenkrad sich in einer solchen Drehstellung befindet, daß die Räder parallel zum Fahrzeug stehen (d.h., die geradeaus gerichtete Stellung), Null beträgt.
Mit der vorstehend erwähnten Anfangsbedingung kann V_AUS ausgedrückt werden in der Form des Stromes I_MW (der durch MW1'''' und MW2'''' fließt) und des Widerstandes MW1'''' (R_MW1'''') als: V_AUS = (I_MW)(R_MW1'''' – R_MW0), wobei I_MW = V'''EIN/(R_MW2'''' + R_MW1'''') und R_MW0 der Wert von R_MW1'''' ist, wenn V_AUS Null beträgt, wobei R_MW0 = R_MW2'''' × (R₁/R₂). Die Bewegung des Zahns 18 oder des Schlitzes 18' in der axialen Richtung erhöht den Widerstand des einen MW und verringert den Widerstand des anderen MW. Da jedoch die MW angepaßt sind, ist die Größe der Zunahme des Widerstandes des einen MW gleich der Größe der Abnahme des Widerstandes des anderen MW, wodurch bewirkt wird, daß der Gesamtwiderstand R_MW2'''' + R_MW1'''' relativ konstant bleibt, wodurch der Strom I_MW ebenfalls konstant bleibt.
Dadurch ist die Ausgangsspannung V_AUS direkt proportional zur Differenz des Widerstandes zwischen R_MW1'''' und R_MW0, und deshalb ist die Änderung in V_AUS direkt proportional zur Änderung des Widerstandes von MW1''''. Da der Widerstand jedes MW proportional zur Fläche ist, die von dem Zahn 18 oder Schlitz 18' überdeckt wird, und die überdeckte Fläche proportional zur Stellung des Zahns oder des Schlitzes relativ zum MW-Sensor ist, ist ebenso die Ausgangsspannung V_AUS direkt proportional zur Stellung des Zahns oder des Schlitzes.
6B zeigt eine Kurve P einer Ausgangsspannung (V_AUS) der Schaltung von 6A (Y-Achse) über die Drehstellung eines Lenkrades in Inkrementen von ganzen Umdrehungen (X-Achse) für eine Drehung sowohl im Uhrzeigersinn (US) als auch im Gegenuhrzeigersinn (GUS). Nach 6B entspricht jeder Wert von V_AUS entlang der Kurve P einer einzigen Drehstellung des Lenkrades, und deshalb erfaßt die vorliegende Erfindung die absolute Drehstellung des Lenkrades aus der Stellung eines Zahns oder Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor. In dieser Kurve P ist der MW-Sensor in der Lage, einen Drehbereich zu erfassen, der die mechanische Grenze der Lenkwelle übersteigt. Wenn beispielsweise drei Umdrehungen der Lenkwelle die mechanische Grenze (P₁) sind, besitzt der MW-Sensor die Fähigkeit, vier Umdrehungen (P₂) zu erfassen.
Es ist einzusehen, daß, während ein Magnetwiderstand (MW) bei der vorstehenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft ausgeführt wurde, andere analoge Sensorelemente, wie Hall-Elemente, verwendet werden können, wobei die Klasse derartiger Sensoren umfassend als galvanomagnetische Elemente bezeichnet wird. Es ist ferner einzusehen, daß obwohl eine Mutter als mit dem Gewindeabschnitt einer Lenkwelle in Schraubeingriff stehend beschrieben worden ist, jeder Gegenstand, der mit einem Gewindeabschnitt verschraubt ist und in der Lage ist, eine axiale Bewegungskomponente in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle zu liefern, anstelle der Mutter eingesetzt werden kann.
Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der absoluten Drehstellung eines Lenkrades. Ein kurzer Abschnitt 10 der Lenkwelle 12 ist mit einem Gewinde versehen und steht mit einer Mutter in Schraubeingriff. Die Mutter umfaßt eine Schiebestange 16, die eine magnetische Unregelmäßigkeit 18, 18' trägt. Eine Sensoranordnung 22 umfaßt einen galvanomagnetischen Sensor 30, der in einem feststehenden Kanal 20 montiert ist. Der Kanal führt aufnehmbar eine axiale Bewegung der Schiebestange, wenn die Lenkwelle gedreht wird. Da die Drehung der Lenkwelle in eine axiale Bewegung der Schiebestange umgesetzt wird, und da der galvanomagnetische Sensor einen elektrischen Ausgang aufweist, der die axiale Stellung der magnetischen Unregelmäßigkeit angibt, ist die exakte Drehstellung des Lenkrades aus dem Ausgang des galvanomagnetischen Sensors bekannt.

Claims

Lenkradstellungssensor mit: einer Lenkwelle (12), die einen Gewindeabschnitt (10) aufweist, wobei die Lenkwelle in Bezug auf einen feststehenden Bezugsrahmen (26) drehbar ist, einem Gegenstand (14), welcher seitlich auf die Lenkwelle aufsetzbar ist und in Schraubeingriff mit dem Gewindeabschnitt (10) steht, wobei der Gegenstand in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle eine axiale Bewegungskomponente aufweist, wobei die Lenkwelle einen vorbestimmten Bereich an Drehstellungen aufweist, wobei der vorbestimmte Bereich an Drehstellungen einem Bereich an axialen Stellungen des Gegenstandes entspricht, und einem Sensormittel (18, 18', 30), das teilweise mit dem Gegenstand bewegbar und teilweise in Bezug auf den feststehenden Bezugsrahmen feststehend ist, um ein elektrisches Signal (V_AUS) zu liefern, das die Drehstellung der Lenkwelle angibt.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine Mutter (14'') ist, die einen axial verlaufenden Ausschnitt (15) aufweist, durch den die Lenkwelle (12) unter zeitweiliger Verformung in die Mutter hineindrückbar ist.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (14'') aus einem nachgiebigen Material, beispielsweise einem Federstahl oder Polymer, gebildet ist.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand zwei halbzylindrische Mutternbauteile (14a, 14b) aufweist, die diametral auf die Lenkwelle aufsetzbar und miteinander verbindbar sind.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand zwei halbzylindrische Mutternbauteile (14a, 14b) aufweist, die an ihrer einen Seite mittels eines Scharniers miteinander verbunden sind und an ihrer anderen Seite mittels Verbindungsmitteln miteinander verbindbar sind.
Lenkradstellungssensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel umfaßt: einen galvanomagnetischen Sensor (30), der in Bezug auf den feststehenden Bezugsrahmen (26) ortsfest angeordnet ist, und eine magnetische Unregelmäßigkeit (18, 18'), die mit dem Gegenstand (14) verbunden ist, wobei der galvanomagnetische Sensor (30) das elektrische Signal (V_AUS) in Ansprechen auf die magnetische Unregelmäßigkeit liefert, die sich in Relation zu dem galvanomagnetischen Sensor (30) aufgrund der axialen Bewegungskomponente des Gegenstandes bewegt.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen mit dem Gegenstand (14) verbundenen, ferromagnetischen Zahn (18) umfaßt.
Lenkradstellungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen Schlitz (18') umfaßt, der in einem mit dem Gegenstand (14) verbundenen, ferromagnetischen Material ausgebildet ist.
Lenkradstellungssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (30) einen Doppelelement-Magnetwiderstandssensor (MW1, MW2) umfaßt.
Lenkradstellungssensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schiebestange (16) mit dem Gegenstand (14) verbunden ist, eine magnetischen Unregelmäßigkeit (18, 18') an der Schiebestange angeordnet ist, ein Kanalmittel (20) mit dem Bezugsrahmen verbunden ist, um die Schiebestange derart zu führen, daß die Schiebestange gezwungen ist, sich axial zu bewegen, wenn sich die Lenkwelle (12) relativ zum Gegenstand (14) dreht, und das galvanomagnetische Sensormittel das elektrische Signal (V_AUS) in Ansprechen auf eine axiale Bewegung der Schiebestange liefert.
Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung eines Lenkrades mittels eines Lenkradstellungssensors nach einem der vorherigen Ansprüche mit den Schritten, daß: eine Drehbewegung einer Lenkwelle (12) in eine axiale Bewegungskomponente eines seitlich auf die Lenkwelle (12) aufgesetzten Gegenstandes (14) umgesetzt wird, die axiale Bewegungskomponente erfaßt wird (30), ein Ausgangssignal (V_AUS) erzeugt wird, das die axiale Stellung des Gegenstandes angibt, und das Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Kurve (P) des Ausgangssignals in Übereinstimmung gebracht wird, um dadurch die Drehstellung der Lenkwelle exakt zu kennen.