DE10109120C2 - Lichtschrankenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtschrankenanordnung mit optoelektronischen Sender- und Empfängerelementen, die einander gegenüberliegend in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind, wobei das vom Sender- zum Empfängerelement abgestrahlte Lichtstrahlenbündel durch zumindest eine schlitzförmige, durch Wandelemente im Kunststoffgehäuse gebildete Öffnung begrenzt ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Lichtschrankenanordnung zur Verwendung in einem für den Einsatz in einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Winkelsensor.

Eine solche Lichtschrankenanordnung ist beispielsweise aus der DE 43 00 663 C1 bekannt, wo neun dieser Anordnungen zur Bildung eines Lenkwinkelsensors für ein Kraftfahrzeug voneinander gleichbeabstandet auf einem Kreisumfang angeordnet sind. Die Lichtschrankenanordnungen bestehen dabei jeweils aus einer als Senderelement dienenden Leuchtdiode und einer als Empfängerelement dienenden Photodiode, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß die photoempfindliche Oberfläche des Empfängerelements durch die von der Leuchtdiode emittierten Lichtstrahlen beaufschlagt wird. Zwischen dem Sender- und dem Empfängerelement ist ein an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelter Codeblendenring mit mehreren offenen und geschlossenen Bereichen angeordnet, die je nach Winkelstellung des Lenkrades den Strahlengang bei einer bestimmten Kombination der Lichtschranken unterbrechen bzw. freigeben, so daß die Winkelstellung des Lenkrades durch die Beleuchtungszustände der Empfängerelemente codiert ist.

Die EP 774 648 A1 offenbart eine Weiterbildung dieser Sensoreinrichtung mit einem Codering mit sechs geometrisch gleich aufgebauten, jeweils eine gleiche Codierung aufweisenden Codering-Segmenten, wobei sich die Lichtschrankenanordnungen und jedes Codering-Segment über einen Umfangswinkelbereich von 72° erstrecken, und fünf eine gleiche Codierung aufweisende Codering-Segmente in Verbindung mit den sechs Lichtschrankenanordnungen einen einschrittigen, verketteten sechs-Bit-Code hervorrufen, durch den die Winkelposition innerhalb eines Segments eindeutig gekennzeichnet ist.

Aus der DE 299 15 998 U1 ist ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor bekannt, bei dem eine Lichtquelle und ein Zeilensensor auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Durch einen als Kunststoffspritzgußteil hergestellten und ebenfalls auf der Leiterplatte angeordneten Lichtleitkörper wird bei dieser Anordnung das von der Lichtquelle abgestrahlten Licht umgelenkt und als paralleles Strahlenbündel auf eine transparente und nicht-transparente Bereiche aufweisende Codescheibe gelenkt. In den transparenten Bereichen der Codescheibe kann das Licht diese passieren und die parallelen Strahlen gelangen auf die entsprechenden Bereiche des Zeilensensors.

Bei beiden erstgenannten Einrichtungen ist jeder der als Empfängerelement dienenden Photodioden nachgeschaltet ein als Schwellwertschalter wirkender Schmitt-Trigger mit einem vordefinierten Schaltschwellwert, welcher so bemessen ist, daß das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers beim Durchgang einer einen offenen und einen geschlossenen Bereich des Codeblendenrings trennenden Kante zwischen dem Sender- und dem Empfängerelement einer Lichtschrankenanordnung, d. h. beim Wechsel zwischen dem beleuchteten und unbeleuchteten Zustand des Empfängerelements, umschaltet.

Um diesen Umschaltpunkt geometrisch möglichst exakt zu definieren, wird die Breite des vom Sender- zum Empfängerelement abgestrahlten Lichtstrahlen­ bündels begrenzt, und zwar dadurch, daß sowohl das Sender- als auch das Empfängerelement auf dem größten Teil ihrer einander zugewandten Flächen durch strahlenundurchlässige Wände des Kunststoffgehäuses verdeckt sind, in denen schlitzförmige, d. h. nur eine geringe Breite aufweisende Öffnungen freigelassen sind, durch die die Lichtstrahlen hindurchtreten können. Je geringer nun die Öffnungsbreite der schlitzförmigen Öffnungen - insbesondere der dem Empfängerelement zugeordneten - gewählt wird, um so exakter läßt sich der Schaltpunkt einstellen. Dieser Verringerung der Schlitz-Öffnungsbreite sind allerdings herstellungstechnische Grenzen gesetzt, da in dem zur Herstellung des Gehäuses verwendeten Werkzeug ein Steg in der Breite des Schlitzes vorgesehen werden muß. Ein solcher Steg darf jedoch ein gewisses Dickenmaß nicht unterschreiten, um noch den Anforderungen an seine notwendige Stabilität zu genügen, wobei sowohl die Herstellbarkeit des Werkzeugs als auch die bei dessen Einsatz im Kunststoff- Spritzguß auftretenden Temperatur- und Druckverhältnisse zu berücksichtigen sind.

Die DE 33 41 921 C2 offenbart eine Ausbildung eines Spaltes in einem Spritzgußteil, welcher ein Anordnen eines dünnen, flachen Bauteils mit einer hohen Lagegenauigkeit gestattet, indem der Schlitz im wesentlichen mäanderförmig ausgebildet ist. Ein Hinweis auf eine Verwendung eines solchen Schlitzes für optische Anwendungen ist dort jedoch nicht gegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Lichtschrankeneinheit so auszubilden, daß die schlitzförmige Öffnung insbesondere vor dem Empfängerelement in einer praktisch beliebig geringen Breite ausführbar ist, wobei aber die herstellungstechnische Realisierbarkeit des Kunststoffgehäuses gegeben ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die schlitzförmige Öffnung durch zumindest zwei direkt vor dem Empfängerelement, in Richtung der Verbindungslinie zu dem zugeordneten Senderelement um etwa eine Wandstärke gegeneinander versetzt angeordnete Wandelemente gebildet ist.

Besonders vorteilhaft bei einer solchen Ausgestaltung ist auch, daß auch eine deutlich verbesserte Abschirmung der Empfängerelemente gegenüber Streu- und Fremdlichteinflüssen gegeben ist.

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

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines zwei parallel zueinander ausgerichtete erfindungsgemäße Lichtschrankenanordnungen in einer ersten Ausführungsform umfassenden Winkelsensors

Fig. 2 eine Darstellung eines zwei parallel zueinander ausgerichtete erfindungsgemäße Lichtschrankenanordnungen in einer weiteren Ausführungsform umfassenden Winkelsensors

Der in Fig. 1 dargestellte, unter Verwendung zweier parallel zueinander ausgerichteter, erfindungsgemäßer Lichtschrankenanordnungen 4, 5 aufgebaute Winkelsensor umfaßt im wesentlichen einen als Kunststoffgehäuse zur Aufnahme der Senderelemente 4.1, 5.1 und Empfängerelemente 4.2, 5.2 der Lichtschrankenanordnungen 4, 5 ausgebildeten, ortsfest gehaltenen Stator, sowie einen gegenüber diesem drehbeweglich gelagerten Rotor, welcher einen offene 2.1 und geschlossene Bereiche 2.2 aufweisenden Blendenring 2 umfaßt, der sich bei Drehung des Rotors in einem Ringspalt 3 bewegt, auf dessen einander gegenüberliegender Seiten sich die Sender- 4.1, 5.1 und Empfängerelemente 4.2, 5.2 der Lichtschrankenanordnungen 4, 5 befinden.

Zur Verwendung als Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug ist der Stator an der Lenkeinrichtung bzw. dem Mantelrohr drehfest montiert, so daß der Ringspalt 3 konzentrisch zur Drehachse der Lenkspindel ausgerichtet ist, während der Rotor mit der Lenkspindel gekoppelt ist.

Die Sender- 4.1, 5.1 und Empfängerelemente 4.2, 5.2 der Lichtschrankenanordnungen 4, 5 sind mit einer nicht dargestellten, an der Unterseite des Kunststoffgehäuses festgelegten Leiterplatte kontaktiert. Zur Begrenzung der Breite des vom Senderelement 4.1, 5.1 in Richtung des Empfängerelements 4.2, 5.2 abgestrahlten Lichtstrahlenbündels sind die Elemente auf dem größten Teil ihrer einander zugewandten Flächen durch strahlenundurchlässige Wände des Kunststoffgehäuses verdeckt, in denen schlitzförmige, d. h. nur eine geringe Breite aufweisende Öffnungen 6*, 7*, 8*, 9* freigelassen sind, durch die die Lichtstrahlen hindurchtreten können. Bei der Drehung des Blendenrings 2 durch den Ringspalt 3 hindurch erreicht das von dem Senderelement 4.1, 5.1 abgestrahlte Lichtstrahlenbündel ungehindert das jeweils zugeordnete Empfängerelement 4.2, 5.2, solange sich ein offener Bereich 2.1 des Blendenrings 2 zwischen diesen befindet. Beim Hineinbewegen eines geschlossenen Bereichs 2.2 in den Zwischenraum zwischen diesen wird das Lichtstrahlenbündel allmählich unterbrochen. Sobald dabei die das Empfängerelement 4.2, 5.2 erreichende Lichtintensität ein gewisses, festgelegtes Maß unterschreitet, wechselt ein diesem schaltungstechnisch nachgeordneter Schmitt-Trigger seinen Ausgangszustand z. B. von High nach Low. Die unterschiedlichen Blendenring- Bereiche 2.1 und 2.2 erzeugen so bei fortgesetzter Drehung des Rotors in Verbindung mit den Lichtschrankenanordnungen 4, 5 und den diesen nachgeschalteten Schmitt-Triggern eine Abfolge von wechselnden Schaltzuständen der Schmitt-Trigger-Ausgänge, wobei eine fortlaufende Zählung dieser Wechsel zur Ermittlung der Winkelstellung des Rotors und damit des mit diesem fest verbundenen Lenkrades dient.

Entscheidend für die Genauigkeit des jeweiligen Umschaltpunktes ist nun der Winkelbereich, über den sich der Blendenring 2 bewegen muß, um einen Wechsel zwischen einer vollständig offenen Lichtschranke, d. h. einem in voller Breite durchgehenden Lichtstrahlenbündel und einer geschlossenen Lichtschranke, d. h. einem vollständig unterbrochenen Lichtstrahlenbündel zu realisieren. Bestimmend für die Größe dieses Winkelbereichs ist im wesentlichen die Breite der dem Empfängerelement 4.2, 5.2 zugeordneten schlitzförmigen Öffnung 6*, 8*. Um diese möglichst gering halten zu können, sind die beiden Wandelemente 6 bzw. 8, die diese Öffnung 6* bzw. 8* begrenzen, nicht, wie es auf der Seite der Senderelemente 4.1, 4.2 der Fall ist, miteinander fluchtend sondern in Richtung der Verbindungslinie zu dem jeweils zugeordneten Senderelement 4.1, 5.1 um eine Wandstärke d gegeneinander versetzt angeordnet. Dies ermöglicht zum einen die Realisierung eines gegenüber der fluchtenden Anordnung der Wandelemente 6, 8 deutlich geringeren Abstandes ihrer die schlitzförmige Öffnung 6*, 8* begrenzenden Kanten, welche auch kunststoff- bzw. werkzeugtechnischen Gesichtspunkten gerecht wird. Zum anderen wird durch diese Maßnahme auch eine Verringerung der gegenseitigen Beeinflussung der Lichtschranken 4, 5 erreicht, da durch das Vorstehen der einen Kante der Öffnung, welche der jeweils anderen Lichtschrankenanordnung näher gelegen ist, ein Einstrahlen durch das dem jeweils anderen Empfängerelement zugeordneten Senderelements wirksam verhindert ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die dem Empfängerelement 4.2, 5.2 jeweils zugeordnete schlitzförmige Öffnung 6*, 8* statt durch zwei Wandelemente - wie bei der zuvor beschriebenen Variante - durch drei Wandelemente 6, 8 realisiert, wobei der Versatz der Wandelemente gegeneinander in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahlenbündels sogar geringfügig größer als die Wanddicke gewählt ist.

Der beschriebene Lenkwinkelsensor ist Bestandteil eines sogenannten Lenksäulenmoduls, in dem als weitere Komponente u. a. eine Wickelfederkassette enthalten ist.

Claims (4)

1. Lichtschrankenanordnung (4, 5) mit optoelektronischen Sender- (4.1, 5.1) und Empfängerelementen (4.2, 5.2), die einander gegenüberliegend in einem Kunststoffgehäuse angeordnet sind, wobei das vom Sender- (4.1, 5.1) zum Empfängerelement (4.2, 5.2) abgestrahlte Lichtstrahlenbündel durch zumindest eine schlitzförmige, durch Wandelemente (6, 8) im Kunststoffgehäuse gebildete Öffnung (6*, 8*) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmige Öffnung (6*, 8*) durch zumindest zwei direkt vor dem Empfängerelement (4.2, 5.2), in Richtung der Verbindungslinie zu dem jeweils zugeordneten Senderelement (4.1, 5.1) um etwa eine Wandstärke (d) gegeneinander versetzt angeordnete Wandelemente (6, 8) gebildet ist.

2. Lichtschrankenanordnung (4, 5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, durch Wandelemente (7, 9) im Kunststoffgehäuse gebildete, schlitzförmige Öffnung (7*, 9*) direkt vor dem Senderelement (4.1, 5.1) angeordnet ist.

3. Lichtschrankenanordnung (4, 5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten schlitzförmigen Öffnung (6*, 8*) jeweils drei Wandelemente (6, 8) so angeordnet sind, daß das dem Empfängerelement (4.2, 5.2) jeweils nächst (6.1, 8.1) und entferntest (6.3, 8.3) gelegene Wandelement auf jeweils einer, und das dritte Wandelement (6.2, 8.2) auf der jeweils anderen Seite des Spaltes (6*, 8*) gelegen ist.

4. Winkelsensor, insbesondere Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Lichtschrankenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.