DE102007012271A1

DE102007012271A1 - Sensor zur Erfassung des Drehwinkels einer mechanischen Welle

Info

Publication number: DE102007012271A1
Application number: DE102007012271A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hubrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung des Drehwinkels einer mechanischen Welle, welche ein Mitnehmerelement aufweist, welches derart angeordnet ist, dass es sich bei Drehung der mechanischen Welle in axialer Richtung zu dieser bewegt. Der Sensor beinhaltet einen CMOS-Bildsensor, welcher als Flächensensor ausgeführt ist. Der CMOS-Bildsensor ist derart angeordnet, dass mittels eines optischen Abbildungssystems das Mitnehmerelement bei jeder Position auf einen Teilbereich der CMOS-Bildsensor-Fläche projiziert wird. Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich eine Auswerte-Elektronik, welche aufgrund der Position der optischen Projektion des Mitnehmerelements innerhalb der CMOS-Bildsensor-Fläche ein Signal bereitstellt, welches in Abhängigkeit zur Position des Mitnehmerelements auf der mechanischen Welle und somit zur Winkellage der Welle steht. Eine Erfassung von Winkellagen von Vielfachen von 360° ist mit dieser Anordnung möglich, wobei die Eindeutigkeit des Winkels auch im stromlosen Zustand gespeichert bleibt. Idealerweise befindet sich die Auswerte-Elektronik auf dem gleichen integrierten Schaltkreis wie der CMOS-Bildsensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung des Drehwinkels einer mechanischen Welle, welche ein Mitnehmerelement aufweist, welches derart angeordnet ist, dass es sich bei Drehung der mechanischen Welle in axialer Richtung zu dieser bewegt.
Stand der Technik:
Drehwinkelsensoren werden zum Beispiel in der Automobiltechnik eingesetzt, um die Winkellage der Lenkwelle zu erfassen. Die Winkellage der Lenkwelle dient als wichtige Information für die elektronischen Fahrwerks- und Lenkungs-Systeme. Hier ist es gewünscht, auch Drehwinkel über 360° hinaus zu erfassen und auch während eines Ausfalls der Batterieversorgung erfolgte Drehwinkeländerungen über 360° nach Wiedereinschaltung der Betriebsspannung wieder eindeutig zurücklesen zu können.
Zum einen sind Drehwinkelsensoren bekannt, welche nach magnetischen Messprinzipien arbeiten, wie beispielsweise Hall- und MR-Sensoren. Um Drehwinkel über eine ganze Umdrehung hinaus eindeutig erfassen zu können, ist es bekannt, dass beispielsweise 2 Sensoren über ein Getriebe derart miteinander verbunden sind, dass ihre Umdrehungsraten unterschiedlich sind und so bei Mehrfachumdrehungen immer eindeutige Winkellagen-Paare entstehen.
Diese Ausführung hat den Nachteil, dass sie beispielsweise ein spielfreies Getriebe aus mehreren ineinandergefügten Zahnrädern erfordert, was aufwändig kostenintensiv ist und viel Bauraum beansprucht.
Weiterhin ist bekannt, Drehwinkelsensoren für eine Umdrehung mit einem zusätzlichen Umdrehungszähler auszustatten. In der Schrift DE 102 39 904 A1 ist ein derartiger Umdrehungszähler beschrieben, welcher zum Betrieb einen Permanentmagneten benötigt.
Diese Ausführung hat den Nachteil, dass das sensorische Element magnetisch empfindlich ist und bei extern wirkenden Fremd-Magnetfeldern die Gefahr von Fehl-Erkennungen besteht. Weiterhin hat diese Ausführung den Nachteil, dass damit keine kontinuierlichen Umdrehungsänderungen erfasst werden können.
Weiterhin ist eine Ausführung nach DE 10 2005 011 099 A1 bekannt, bei der zusätzlich zu einem magnetischen Winkelsensor ein zu der rotierenden Welle axial geführter Tauchkern in einen Spulenkörper eintaucht und über eine Induktivitätsmessung ein weiteres Signal zur Bestimmung der Winkellage über eine volle Umdrehung hinaus zur Verfügung gestellt wird.
Diese Ausführung hat den Nachteil, dass der Spulenkörper mechanisch aufwändig und somit kostenintensiv zu realisieren ist, die Induktivitätsmessung eine aufwändige Elektronik erfordert und das System aufgrund der Antennenwirkung der Spule empfindlich auf elektromagnetische Störstrahlung reagiert.
Aufgabenstellung:
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehwinkelsensor zu schaffen, welcher Drehwinkel über 360° sowie während eines Ausfalls der Batterieversorgung erfolgte Drehwinkeländerungen über 360° nach Wiedereinschaltung der Betriebsspannung wieder eindeutig erfassen kann, aus wenigen mechanischen Bauteilen besteht, wenig Bauraum erfordert, nur eine kostengünstige, aus wenigen Bauteilen bestehende Elektronik erfordert und unempfindlich auf Fremd-Magnetfelder und elektromagnetische Störstrahlung reagiert.
Diese Aufgabe wird durch einen Wegsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Sensor zur Erfassung des Drehwinkels einer mechanischen Welle weist ein Mitnehmerelement auf der Welle auf, welches derart angeordnet ist, dass es sich bei Drehung der mechanischen Welle in axialer Richtung zu dieser bewegt.
Der Sensor beinhaltet einen CMOS-Bildsensor, welcher als Flächensensor ausgeführt ist. Dieser ist derart angeordnet, dass mittels eines optischen Abbildungssystems das Mitnehmerelement bei jeder Position auf einen Teilbereich der CMOS-Bildsensor-Fläche projiziert wird. Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich eine Auswerte-Elektronik, welche aufgrund der Position der optischen Projektion des Mitnehmerelements innerhalb der CMOS-Bildsensor-Fläche ein Signal bereitstellt, welches in Abhängigkeit zur Position des Mitnehmerelements auf der mechanischen Welle und damit zur Winkelstellung der mechanischen Welle steht, welche auch mehrere ganze Umdrehungen überstreichen kann. Idealerweise befindet sich die Auswerte-Elektronik auf dem gleichen integrierten Schaltkreis wie der CMOS-Bildsensor.
Weiterhin befinden sich im Sensorinnenraum Bauelemente zur optischen Ausleuchtung des Raumes zwischen Bildsensor und Mitnehmerelement. Diese sind zum Beispiel als lichtemittierende Dioden ausgeführt.
Das Abbildungssystem ist im einfachsten Fall als Linse ausgeführt.
Um ein Auswerteverfahren zum Vergleich der projizierten Flächenanteile möglichst einfach zu gestalten, werden die Oberflächen- und Farbeigenschaften des Mitnehmerelements sowie des Sensorinnenraumes derart gestaltet, dass sich ein maximaler optischer Kontrast zwischen dem Flächenanteil des auf die CMOS-Bildsensor-Fläche projizierten Mitnehmerelements und dem Flächenanteil der projizierten Umgebung einstellt.
Zur Ausleuchtung des Sensorinnenraumes und zur Auswahl des optischen Wellenlängenbereiches mit maximaler Empfindlichkeit des CMOS-Bildsensors wird Licht des infraroten Wellenlängenbereiches vorgeschlagen, um Helligkeitsdämpfungen durch eine mögliche Verschmutzung des Sensorinnenraumes gering zu halten.
Ein derartiger Drehwinkelsensor besitzt somit die vorteilhafte Eigenschaft, dass er aus wenigen mechanischen Bauteilen besteht und wenig Bauraum erfordert.
Weiterhin besitzt er die vorteilhafte Eigenschaft, dass das sensorische Element aus nur einem elektronischen Bauteil bestehen kann, in dem die Signalerzeugung rein digital geschehen kann und empfindliche analoge Baugruppen entfallen können.
Weiterhin besitzt er die vorteilhafte Eigenschaft, dass er aufgrund der reinen optischen Sensorik unempfindlich auf Fremd-Magnetfelder und elektromagnetische Störstrahlung reagiert.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
Der erfindungsgemäße Sensor weist eine mechanischen Welle 10 mit einem Gewinde 50 auf. Ein in der Form einer Hülse ausgeführtes Mitnehmerelement 20, welches auf dem Gewinde 50 nach der Art einer Schraubenmutter aufgedreht ist, ist gegen Mitrotation mit der Welle 10 dadurch gesichert, dass es mit einer aufgebrachten Ausformung in einer Gleitnut 40 geführt ist. Quer zu der Welle 10 befindet sich das sensorische Element, bestehend aus dem CMOS-Bildsensor 60, einer davor angebrachten optischen Linse 80 und Beleuchtungs-LEDs 70, welche seitlich des CMOS-Bildsensors 60 angebracht sind.
Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Wegsensors stellt sich in 2 dar:
Entsprechend der Winkellage der mechanischen Welle 10 wird das Mitnehmerelement 20 in axialer Richtung 30 auf der Welle 10 verschoben. Das Mitnehmerelement 20 und der umgebende räumliche Bereich wird von den beiden lichtemittierenden Dioden 70 beleuchtet. Das Mitnehmerelement 20 weist einen optischen Kontrast zur räumlichen Umgebung auf. Das Mitnehmerelement 20 wird mittels der Linse 80 auf den CMOS-Bildsensor 60 projiziert. Bei sehr kleiner Winkellage befindet sich der Flächenanteil 100 des projizierten Mitnehmerelements 20 auf der linken Seite der CMOS-Bildsensor-Fläche 90. Bei großer Winkellage befindet sich der Flächenanteil 110 des projizierten Mitnehmerelements 20 auf der rechten Seite der CMOS-Bildsensor-Fläche 90.
Die Auswerte-Elektronik, welche auf dem Bildsensor 60 mit integriert ist, wertet die Lage des Flächenanteils 100, 110 aus und stellt ein elektrisches Signal zur Verfügung, welches in Abhängigkeit von der Lage des Flächenanteil 100, 110 des projizierten Mitnehmerelements 20 und somit zur Winkellage der Welle 10 steht.
Hierbei spielt es keine Rolle, wenn eine Veränderung der Winkellage der Welle 10 im stromlosen Zustand des Sensors erfolgt ist.

10: mechanische Welle
20: Mitnehmerelement mit optischem Kontrast
30: Messweg
40: Gleitnut
50: Gewinde
60: CMOS-Bildsensor
70: lichtemittierende Diode
80: optische Linse
90: CMOS-Bildsensor-Fläche
100: Projektion des Mitnehmerelements bei kleiner Winkellage der Welle
110: Projektion des Mitnehmerelements bei großer Winkellage der Welle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10239904 A1 [0005]
- DE 102005011099 A1 [0007]

Claims

Sensor zur Erfassung des Drehwinkels einer mechanischen Welle, welche ein Mitnehmerelement aufweist, welches derart angeordnet ist, dass es sich bei Drehung der mechanischen Welle in axialer Richtung zu dieser bewegt, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Erfüllung folgender 3 Bedingungen: a) Der Sensor beinhaltet einen CMOS-Bildsensor, welcher als Flächensensor ausgeführt ist. b) Der CMOS-Bildsensor ist derart angeordnet, dass mittels eines optischen Abbildungssystems das Mitnehmerelement bei jeder Position auf einen Teilbereich der CMOS-Bildsensor-Fläche projiziert wird. c) Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich eine Auswerte-Elektronik, welche aufgrund der Position der optischen Projektion des Mitnehmerelements innerhalb der CMOS-Bildsensor-Fläche ein Signal bereitstellt, welches in Abhängigkeit zur Position des Mitnehmerelements auf der mechanischen Welle steht.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auswerte-Elektronik auf dem gleichen integrierten Schaltkreis wie der CMOS-Bildsensor befindet.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Sensors Beleuchtungselemente befinden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der CMOS-Bildsensor eine maximale optische Empfindlichkeit für Licht des infraroten Wellenlängenbereiches aufweist.