DE102007017218B4

DE102007017218B4 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE102007017218B4
Application number: DE102007017218.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Deitmerg; Holger Koch; Dietmar Kritzler; Markus Mauch; Markus Westermann
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2027-04-13
Also published as: DE102007017218A1

Abstract

Winkelsensor mit einem Winkelmeßbereich oberhalb einer vollständigen Umdrehung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Teil eines Rotors, der eine angeformte mehrgängige Spiralkontur aufweist, durch die ein Funktionselement zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkontur (3) an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich ein Führungselement (6a, 6b) aufweist, welches das Funktionselement (5) auf eine angrenzende Bahn der Spiralkontur (3) zurückwirft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor mit einem Winkelmeßbereich oberhalb einer vollständigen Umdrehung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rotor, der eine angeformte mehrgängige Spiralkontur aufweist, durch die ein Funktionselement zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors geführt ist.
Ein gattungsgemäßer Winkelsensor ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 19 664 A1 bekannt.
Die Druckschrift DE 44 36 172 A1 beschreibt eine Verbindungseinrichtung zur elektrischen Verbindung eines feststehenden und eines demgegenüber drehbeweglichen Gehäuseteils. Eines der Gehäuseteile weist eine angeformte Spiralkontur auf, in die ein an einem Verbindungelement befestigter Stift gleitbeweglich eintaucht. Das Verbindungselement weist einen Bolzen auf, der mit dem nicht die spiralförmige Bahn tragenden Gehäuseteil in Eingriff steht. An der Stellung des Verbindungselements lässt sich die Winkellage der beiden Gehäuseteile zueinander ablesen. Die Enden der spiralförmigen Bahn sind als Anschläge ausgebildet und bilden so jeweils eine Drehbegrenzung.
Auch aus der DE 198 55 064 B4 ist ein derart aufgebauter Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug bekannt. Der Rotor dieses Lenkwinkelsensors ist als Codescheibe ausgeführt, auf deren Oberfläche ein eingängiger spiralförmiger Steg angeordnet ist. Bei einer Drehung der Codescheibe schattet der Steg jeweils winkelabhängig unterschiedliche Bereiche eines radial zur Codescheibe angeordneten Zeilensensors ab, so dass der Zeilensensor die Winkelstellung der Codescheibe innerhalb einer Umdrehung direkt ermitteln kann. Auf der Oberfläche der Codescheibe ist des weiteren ein mehrgängiger spiralförmiger Steg angeordnet, mit dem ein radial geführter Reiter gekoppelt ist. Bei einer Drehung der Codescheibe, auch über mehrere Umdrehungen, wird der Reiter radial zur Codescheibe verschoben, wobei die Weite dieser radialen Verschiebung ebenfalls durch den Zeilensensor ermittelt wird, so dass die vollständigen Umdrehungen der Codescheibe bestimmt und gezählt werden können. Hierdurch gibt sich eine absolute Drehwinkelmessung über mehrere Umdrehungen.
Bei der Führung eines Funktionselements entlang einer Spiralkontur zur Bestimmung der Umdrehungszahl eines Winkelsensors ergibt sich das Problem, das Funktionselement vor einer „Überdrehung“ zu schützen. Insbesondere ist zu verhindern, dass das Funktionselement blockiert, wenn es den Anfangs- oder den Endbereich der Spiralkontur erreicht oder dass sogar die Verbindung zwischen dem Funktionselement und der Spiralkontur verloren geht, was zumindest eine Störung, wenn nicht gar die Zerstörung des Winkelsensors bedeutet.
Es stellte sich daher die Aufgabe, auf einfache und kostengünstige Weise einen Winkelsensor mit einem Überdrehschutz zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spiralkontur an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich ein Führungselement aufweist, welches das Funktionselement auf eine angrenzende Bahn der Spiralkontur zurückwirft.
Besonders vorteilhaft kann die Spiralkontur als eine Spiralnut ausgebildet sein, in der ein stiftförmiger Abschnitt des Funktionselements geführt ist.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Innere der Spiralnut an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich eine angeformte Schräge aufweist, die eine Rampe in Richtung auf das Führungselement ausbildet.
Der Rotor ist zweckmäßigerweise als eine Codescheibe ausgebildet, deren Winkelstellung vorteilhaft nach einem optischen Verfahren auswertbar ist. Zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors kann die Winkelstellung des Funktionselements, vorzugsweise ebenfalls nach einem optischen Verfahren, ausgewertet werden.
Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Winkelsensor ist die Ausbildung eines Lenkwinkelsensors in einem Kraftfahrzeug.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 den Aufbau eines Winkelsensors,
2 eine erste Ansicht der Codescheibe des Winkelsensors,
3 eine zweite Ansicht der Codescheibe des Winkelsensors,
4 eine Detailansicht zur 3,
5 eine dritte Ansicht der Codescheibe des Winkelsensors,
6 und 7 jeweils eine Detailansicht zur 5.

Die 1 zeigt die Ausführung eines Winkelsensors in einer teilweisen Explosionsdarstellung. Der dargestellte Winkelsensor ist als Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Hierbei ist ein Statorgehäuse (9) unbeweglich an einer nicht dargestellten Lenksäule des Kraftfahrzeugs befestigt.
Im Inneren des Statorgehäuses (9) befindet sich zumindest ein Schaltungsträger (10), welcher eine Vielzahl elektronischer Bauelemente (13) zur Ausbildung einer optischen Sensorik sowie vorzugsweise auch zur Realisierung einer Auswerteschaltung trägt.
Ein wesentliches Element der Sensorik ist ein optischer Sensor (14) der beispielsweise als CCD-Zeilensensor ausgeführt sein kann. Wie nachfolgend noch erläutert wird, führt der optische Sensor (14) zwei unabhängige Erfassungsfunktionen aus, für deren Realisierung selbstverständlich alternativ auch zwei einzelne optische Sensoren vorgesehen sein können.
Zentral weist der Winkelsensor eine Durchgangsöffnung (15), etwa zur Aufnahme einer Lenkspindel in einem Kraftfahrzeug, auf, in der drehbewegliche Elemente (16) angeordnet sind, die ein Drehlager ausbilden. Mit diesen drehbeweglichen Elementen (16) ist eine Codescheibe (2) über Rastelemente (17, 18) verbunden und bilden zusammen den Rotor (1) des Winkelsensors aus, der mit einer nicht dargestellten Lenkwelle des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine das Statorgehäuse (9) abschließende Abdeckung.
Die 2 und 3 zeigen das als Codescheibe (2) ausgebildete Rotorteil in Ansichten schräg von oben bzw. von unten. Die Codescheibe (2) trägt in ihrem radial äußeren Bereich eine optisch erfaßbare Codierung (19). Der innere Abschnitt der Codescheibe (2) weist mehrere Rastelemente (18), sowie an der Unterseite eine Spiralkontur (3) auf.
Die Spiralkontur (3) besteht aus einem Steg, der in mehreren spiralförmigen Windungen angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen den Windungen des Stegs bildet entsprechend eine spiralförmige Nut aus, die daher im folgenden kurz als Spiralnut (4) bezeichnet wird.
In die Spiralnut (4) greift ein Stift (8) ein, der vom Ende eines Hebelarms (12) eines Hebels (11) absteht. Der Hebel (11) weist neben dem Hebelarm (12) einen zweiten Arm auf, im dem ein Lichtleiter (20) angeordnet ist. Des weiteren ist der Hebel (11) mittels einer angeformten Drehachse (23) drehbar am Statorgehäuse (9) gelagert. Der so gelagerte Hebel (11) mit Hebelarm (12), Stift (8) und Lichtleiter (20) wird im folgenden als Funktionselement (5) bezeichnet.
Bei einer Drehung der Codescheibe (2) bewegt sich die Codierung (19) über eine erste Sensorfläche (21) des optischen Sensors (14) hinweg. Die Codierung (19) wird hierzu von einer oberhalb der Codescheibe (2) angeordneten, hier nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet, so dass der Zeilensensor (14) aus dem die Codierung (19) bildenden Strichcode die momentane Winkelstellung der Codescheibe (2) ermitteln kann. Da sich die Codierung (19) mit jeder Umdrehung wiederholt, ist so nur eine relative Winkelmessung, also die Bestimmung der Winkelstellung innerhalb eines Vollkreises möglich.
Um eine absolute Winkelbestimmung über mehrere Umdrehungen zu ermöglichen, wird zusätzlich die Winkelstellung des Funktionselementes (5) ausgewertet. Da der am Funktionselement (5) angeordnete Stift (8) bei einer Drehung der Codescheibe (2) entlang der Spiralnut (4) geführt wird, deutlich erkennbar in der Detailvergrößerung der 4, bewegt sich das Funktionselement (5) bei einer Drehung der Codescheibe (2) um seine Drehachse (23). Dabei wird der zum Funktionselement (5) gehörende Lichtleiter (20) entsprechend mitbewegt. Um die momentane Winkelstellung des Funktionselements (5) bezüglich seiner Drehachse (23) zu bestimmen, wird in der Nähe der Drehachse (23) Licht in eine Lichteintrittsfläche des Lichtleiters (20) eingekoppelt.
Das den Lichtleiter (20) durchlaufende Licht wird in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Funktionselements (5) auf eine zweite Sensorfläche (22) des Zeilensensors (14) ausgekoppelt. Anhand der jeweils beleuchteten Stelle der zweiten Sensorfläche (22), die im wesentlichen senkrecht zur ersten Sensorfläche (21) angeordnet ist, bestimmt der Zeilensensor (14) die momentane Winkelstellung des Funktionselements (5) und entsprechend die ungefähre absolute Position bzw. die Umdrehungszahl der Codescheibe (2).
Alternativ kann auch vorgesehen werden, das durch die Codescheibe (2) laufende Licht wie auch das aus dem Lichtleiter (20) ausgekoppelte Licht über einen geeignet geformten Optikkörper auf einen Zeilensensor (14) zu leiten, der nur eine einzige Sensorfläche aufweist. Dies ist möglich, wenn die zugehörigen Lichtquellen zeitversetzt getaktet betrieben werden.
Ein Problem ergibt sich, wenn der Stift (8) des Funktionselements (5) über das Ende der Spiralnut (4) hinaus bewegt wird. Erreicht nämlich der Stift (8) die äußerste bzw. die innerste Windung der Spiralnut (4), so wird er beim Weiterdrehen des Rotors (1) entweder aus der Spiralnut (4) hinausgeworfen oder aber in der Spiralnut (4) festgeklemmt, wodurch das Funktionselement (5) seine Funktion verliert oder sogar zerstört werden kann.
Daher weist hier die Spiralkontur (3) an ihrem Anfangs- und ihrem Endbereich jeweils ein Führungselement (6a, 6b) auf, welches das Funktionselement (5) auf eine innere Windung der Spiralnut (4) zurückwirft. Wie die 5 bis 7 zeigen, sind die Führungselemente (6a, 6b) hierzu als kurze bogenförmige Anformungen ausgebildet, die sich im Anfangs- bzw. Endbereich der Spiralkontur (3) zwischen zwei Stegen der Spiralkontur (3) oder zwischen einem Steg (24a, 24b) und einer äußeren bzw. inneren Berandung (25a, 25b) an der Codescheibe (2) erstreckt, wobei sich die Führungselemente (6a, 6b) noch über das Höhenniveau der Stege (24a, 24b) hinaus erheben.
Vor jedem Führungselement (6a, 6b) ist in die Spiralnut (4) eine Rampe (7a, 7b) eingeformt, die den in der Spiralnut (4) laufenden Stift (8) bei Annäherung an das jeweilige Führungselement (6a, 6b) anhebt und damit auf die Höhe des Führungselements (6a, 6b) bringt. Beim Weiterdrehen der Codescheibe (2) läuft so der Stift (8) des Funktionselements (5) gegen das Führungselement (6a, 6b) und wird durch dieses auf eine innere Windung der Spiralnut (4) zurückgeworfen. Dabei werden der Stift (8) und der Hebelarm (12) nur innerhalb ihres elastischen Bereichs verformt und bleiben unbeschädigt. Eine Zerstörung des Winkelsensor durch ein Überdrehen der Codescheibe (2) wird hierdurch wirkungsvoll verhindert.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotorteil (Codescheibe)
3: Spiralkontur
4: Spiralnut
5: Funktionselement
6a, 6b: Führungselemente
7a, 7b: Rampe
8: Stift
9: Statorgehäuse
10: Schaltungsträger
11: Hebel
12: Hebelarm
13: elektronische Bauelemente
14: optischer Sensor (Zeilensensor)
15: Durchgangsöffnung
16: drehbewegliche Elemente
17: Rastelement
18: Rastelement (an der Codescheibe)
19: Codierung
20: Lichtleiter
21: erste Sensorfläche
22: zweite Sensorfläche
23: Drehachse
24a, 24b: Steg(e)
25a, 25b: Berandung

Claims

Winkelsensor mit einem Winkelmeßbereich oberhalb einer vollständigen Umdrehung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Teil eines Rotors, der eine angeformte mehrgängige Spiralkontur aufweist, durch die ein Funktionselement zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkontur (3) an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich ein Führungselement (6a, 6b) aufweist, welches das Funktionselement (5) auf eine angrenzende Bahn der Spiralkontur (3) zurückwirft.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkontur (3) eine Spiralnut (4) ausbildet, in der ein Abschnitt des Funktionselements (5) geführt ist.
Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralnut (4) an ihrem Anfangs- und/oder Endbereich eine angeformte Rampe (7a, 7b) aufweist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) scheibenförmig ausgebildet ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) eine Codescheibe (2) für einen optischen Drehwinkelsensor aufweist oder ausbildet.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Umdrehungszahl des Rotors (1) die Winkelstellung des Funktionselements (5) ausgewertet wird.
Winkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung des Funktionselements (5) optisch ausgewertet wird.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (5) einen drehbar angeordneter Hebel (11) mit einem an den Hebelarm (12) angeformten, in der Spiralnut (4) geführten Stift (8) aufweist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor einen Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug ausbildet.