DE102007052978A1

DE102007052978A1 - Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE102007052978A1
Application number: DE200710052978
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Leibfried; Michael Cirillo; Lars Schoch
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil mit Gebern und Sensoren vorgeschlagen, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung des rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe, vorzugsweise ein optisches Signal, als digital auswertbare Signale detektieren. Es ist mindestens ein Empfänger (2) als Bestandteil einer Sensoranordnung (1) ortsfest auf einem Kreis korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht und es ist ein mit dem rotierenden Bauteil ebenfalls rotierendes Leitelement (4) vorhanden, durch die das physikalische Signal eines ortsfesten Senders (3) als Geber in einen Bereich lenkbar ist, zum Beispiel durch eine drehbare Blende (4) oder einen drehbaren Lichtleiter (7), an dem sich der mindestens eine Empfänger (2) befindet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, beispielsweise zur optischen oder magnetischen Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Bauteils beispielsweise in einer Getriebe- oder Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei einem aus der DE 197 03 903 A1 bekannten Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels nach der eingangs beschriebenen Art ist ein Sensor so aufgebaut, dass er berührungslos, beispielsweise mit Hallsensoren, den Drehwinkel des Lenkrades detektiert. Es ist in der Regel für elektronische Steuer- und Regelsysteme in einem Kraftfahrzeug oft eine Bestimmung des Drehwinkels und der Umdrehungszahl des Lenkrades von großer Bedeutung um ein absolutes Istsignal über die Lenkradstellung oder über eine Drehwinkeländerung des Lenkrades zur Verfügung stehen. Dieser bekannte Sensor misst dabei ausschließlich den Relativwinkel zwischen der drehbaren Lenkspindel und der Lenksäule, welche ein fester Bestandteil des Chassis des Fahrzeuges ist.
Aus der DE 100 60 287 A1 ist es darüber hinaus bekannt, dass eine Drehwinkelmessung mittel optisch lesbarer Codespuren am drehenden Bauteil vorgenommen wird, wobei die während des Vorbeidrehens an einem ortsfesten Sensor detektierbaren Hell-Dunkel-Übergänge zur Gewinnung eines digitalen Ausgangssignals herangezogen werden können. Für sich gesehen ist aus der DE 100 60 287 A1 und aus der DE 195 06 938 A1 auch schon bekannt, dass bei einem Einsatz mehrere solcher Codespuren am drehenden Bauteil unterschied liche Codierung so eingesetzt werden, dass mit einem Noniusverfahren bzw. mit einem modifizierten Noniusverfahren auch die Drehwinkel unter Berücksichtigung der Umdrehungszahl des drehenden Bauteils ermittelt werden können, zur Bestimmung des absolut zurückgelegten Drehweges, beispielsweise bei einem Lenkrad oder bei einem Übersetzungsgetriebe.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil mit Gebern und Sensoren aus, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung des rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise mindestens ein Empfänger ortsfest auf einem Kreis korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht und es sind mit dem rotierenden Bauteil ebenfalls rotierende Leitelemente vorhanden, durch die das physikalische Signal eines ortsfesten Gebers durch die Rotation in einen Bereich lenkbar ist, in dem sich der mindestens eine Empfänger befindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das physikalische Signal ein Lichtsignal, wobei der Geber ein optischer Sender und der jeweilige Sensor ein optischer Empfänger und dass das Leitelement dementsprechend ein Lichtleitelement ist. Gemäß einer ersten vorteilhaften Variante ist das Lichtleitelement eine Blende bzw. eine Scheibe mit mindestens einer Öffnung, durch die in Abhängigkeit von der Rotation des Bauteils Lichtstrahlen vom optischen Sender in Verbindung mit der vorbeidrehenden Öffnung der Blende auf den optischen Empfänger geleitet werden. Nach einer zweiten Variante ist das Lichtleitelement ein Lichtkanal oder ein Lichtleiter, der in Abhängigkeit von der Rotation des Bauteils und damit des Lichtleitelements in äquivalenter Weise, wie bei der Blende, Lichtstrahlen vom optischen Sender auf den optischen Empfänger leitet.
Die Anordnung des optischen Senders kann auf einfache Weise im Bereich der Drehachse des rotierenden Bauteils und damit des Lichtleitelements erfolgen, um alle Stellungen der Öffnung der Blende während der Rotation einfach auszuleuchten, oder auch außerhalb des Drehbereichs des rotierenden Bauteils und damit des Lichtleitelements vorgenommen werden und dann kann mittels eines Lichtkanals oder eines Lichtleiters das Licht in den Bereich des Lichtleitelements bzw. der Blende geführt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das physikalische Signal ein magnetisches Signal, wobei der Geber ein magnetischer Geber, zum Beispiel ein Permanentmagnet, der Sensor ein magnetischer Sensor und das Leitelement ein Flussleitelement ist. Auch hier kann in vorteilhafter Weise der magnetische Geber zentral oder dezentral zum rotierenden Bauteil angebracht werden und dann Feldlinien durch das als Flussleitkanal oder als Flussblende wirkende Flussleitelement auf den magnetischen Sensor, vorzugsweise einen Hallsenor oder einen GMR- bzw. ein AMR-Sensor, lenken.
In vorteilhafter Weise können entsprechend der geforderten Winkelgenauigkeit eine Mehrzahl von Sensoren oder Empfängern auf dem Kreis korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht werden, wobei auch ein oder mehrere Sensoren jeweils einer Blende bzw. deren Öffnung oder einem Leitkanal des Leitelements während der Rotation des Bauteils für das physikalische Signal zugeordnet werden können. Die Anordnung kann damit auf einfache Weise so gewählt werden, dass hier die Blende je nach der Stellung während der Rotation entweder einen Empfänger ganz oder zwei benachbarte Sensoren teilweise beleuchtet, wodurch hier dann eine Verdoppelung der Auflösung erreicht werden kann.
In an sich aus dem eingangs bekannten Stand der Technik bekannter Weise kann auch ein weiterer Kreis mit Sensoren oder Empfängern korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht werden, die dann eine derart veränderte Anzahl und Lage der Sensoren oder Empfängern aufweisen, dass eine Auswertung der Drehwinkeländerung nach dem Noniusprinzip durchführbar ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Sensoren oder Empfänger Bestandteile einer Auswerteschaltung sind, so dass eine Auswertung der physikalischen Größen nach einer Chip-on-board Technologie bereits auf der Blende oder zum Beispiel auch auf einem damit einstückigen Zahnrad oder sonstigem Getriebeteil der Anordnung durchführbar ist. Durch diese erfindungsgemäße kompakte Bauweise kann somit eine kompakte Getriebe- oder Lenkeranordnung in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden.
Die zuvor angegebene Lösung verbessert die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung vor allem dadurch, dass die insbesondere für die bekannte Auswertung von magnetischen Sensorsignalen dort notwendige Vielzahl diskreter Elemente vermieden ist, die viel Bauraum benötigen und neben dem Bauraum eine aufwendige Auswertung von Kosinus/Sinus-Signalen erforderlich machen. Gemäß der Erfindung werden mit den über die Leitelemente angesteuerten Empfängern digitale Signale mit hoher Auflösung erzeugt, die eine einfache Auswertung ermöglichen.
Nach der Erfindung kann zum Beispiel bei der Ausführung mit einer digitalen optischen Anordnung, bestehend aus einem optischen Sender und einer vorgegebenen Anzahl optischer Empfänger in der Sensoranordnung, die jeweils auf einem Kreis angeordnet sind, die einfache drehbare Blende angeordnet werden, die um den gemeinsamen Mittelpunkt der Empfänger drehbar ist und jeweils den Lichtweg vom Geber zu den einzelnen Sensoren oder Empfängern selektiv freigibt. Die Blende kann dabei, wie zuvor erwähnt, Bestandteil eines Zahnrades sein, welches beispielsweise zu einer Getriebeanordnung in einem Kraftfahrzeug gehört.
Abhängig davon, welcher Sensor auf dem Kreis gerade beleuchtet wird, ist damit die Winkelstellung der Blende bzw. des Zahnrades detektierbar und durch die Anzahl der Sensoren auf dem Kreis kann die Auflösung entsprechend skaliert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit in einem Kreis angeordneten optischen Empfängern, einer rotierenden Blende als Lichtleitelement und einem optischen Sender,
2 eine Seitenansicht auf die Anordnung nach der 1,
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit in einem Kreis angeordneten optischen Empfängern gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Lichtkanal oder Lichtleiter als Lichtleitelement,
4 eine Seitenansicht auf die Anordnung nach der 3,
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit in einem Kreis angeordneten optischen Empfängern gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem Lichtkanal oder Lichtleiter als Lichtleitelement für einen außerhalb der Drehachse des rotierenden Bauteils angeordneten optischen Sender und
6 eine Seitenansicht auf die Anordnung nach der 5.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Aus 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu entnehmen, das eine Sensoranordnung 1 mit im Kreis angeordneten ortsfesten optischen Empfängern 2 als Sensoren und einem optischen Sender 3 als Geber zeigt. Ein hier nicht im Detail gezeigtes rotierendes Bauteil ist beispielsweise ein Zahnrad oder damit ev. mechanisch verbunden oder einstückig eine Blende 4, die als Lichtleitelement für die Lichtstrahlen 5 des Senders 3 im Bereich der Drehachse 12 dient.
Die somit korrespondierend zum rotierenden Bauteil ebenfalls rotierende Blende 4 weist eine Öffnung 6 auf, durch die jeweils Lichtstrahlen 5 zu einem oder mehreren (bei dicht nebeneinander angeordneten Empfängern 2) optischen Empfängern 2 geleitet werden und damit im jeweiligen optischen Empfänger 2 ein digitalisierbares Signal erzeugt wird, mit dem die Drehwinkeländerung der Blende 4, eventuell über eine Auswerteschaltung in „Chip-on-Board" Technologie mit der Sensoranordnung 1, anhand der nacheinander mit den Lichtstrahlen 5 beaufschlagten Empfänger 2, ermittelbar ist.
In 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem in Abwandlung zum vorherigen Ausführungsbeispiel, anstatt einer Blende ein Lichtleitelement 7 mit einem Lichtkanal 8 vorhanden ist, der Lichtstrahlen 9 vom Sender 3 zu dem jeweiligen optischen Empfänger 2 weiterleitet und durch die Rotation des Lichtleitelements 7 ist hier ebenfalls die Drehwinkeländerung des Lichtleitelements 7, eventuell über eine Auswerteschaltung in „Chip-on-board" Technologie mit der Sensoranordnung 1, ermittelbar.
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 ist wie in der 1 und der 2 eine rotierende Blende 4 vorhanden, die über eine Öffnung 6 Lichtstrahlen 10, wie anhand der 1 und 2 beschrieben, zu den optischen Empfängern 2 weiterleitet. Hier ist jedoch ein optischer Sender 11 außerhalb der Drehachse 12 angeordnet, wobei die Lichtstrahlen 10 vom Sender 11 über einen Lichtleiter 13 in den Bereich der Blende 4 geführt werden und von dort über die Öffnung 6 jeweils vom Drehwinkel der Blende 4 abhängig auf die jeweiligen Empfänger 2 geleitet wird.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich auch in äquivalenter Weise mit magnetischen Gebern, zum Beispiel Permanentmagneten und mit magnetischen Sensoren, beispielsweise Hallsensoren oder GMR- oder AMR-Sensoren, realisieren. Die Leitelemente sind dann entsprechend als Flussleitelemente ausgeführt, die eine Heranführung der magnetischen Feldlinien an die entsprechenden Sensoren in Abhängigkeit der Rotation des Leitelementes bewerkstelligen.
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 19703903 A1 [0002]
- DE 10060287 A1 [0003, 0003]
- DE 19506938 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil mit Gebern und Sensoren, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung des rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Empfänger (2) als Bestandteile einer Sensoranordnung (1) ortsfest auf einem Kreis korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht ist und dass mit dem rotierenden Bauteil ebenfalls rotierende Leitelemente (4) vorhanden sind, durch die das physikalische Signal eines ortsfesten Senders (3) als Geber in einen Bereich lenkbar ist, in dem sich der mindestens eine Empfänger (2) befindet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Signal ein Lichtsignal ist, dass der Geber ein optischer Sender (3; 11) und die Sensoranordnung (1) aus mindestens einem optischen Empfänger (2) besteht und dass das Leitelement (4) ein Lichtleitelement ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (4) eine Blende mit mindestens einem Loch (6) ist, die in Abhängigkeit von der Rotation des Bauteils und damit des Lichtleitelements Lichtstrahlen (5) vom optischen Sender (3) auf den mindestens einen optischen Empfänger (2) leitet.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement ein Lichtleitelement (7) mit einem Lichtkanal (8) oder einem Lichtleiter ist, das in Abhängigkeit von der Rotation des Bauteils und damit des Lichtleitelements (7) Lichtstrahlen (9) vom optischen Sender (3) auf den mindestens einen optischen Empfänger (2) leitet.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der optische Sender (3) im Bereich der Drehachse des rotierenden Bauteils und damit des Lichtleitelements (7) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der optische Sender (11) außerhalb des Drehbereichs des rotierenden Bauteils und damit des als Blende (4) mit einer Öffnung (6) ausgeführten Lichtleitelements angeordnet ist und dass mittels eines Lichtkanals oder eines Lichtleiters (13) Lichtstrahlen (10) in den Bereich der Blende (4) und der Öffnung (6) geführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Signal ein magnetisches Signal ist, dass der Geber ein magnetischer Geber und der Sensor ein magnetischer Sensor ist und dass das Leitelement ein Flussleitelement ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Geber zentral oder dezentral zum rotierenden Bauteil angebracht ist und Feldlinien durch das als Flussleitkanal oder als Flussblende wirkende Flussleitelement auf den magnetischen Sensor, vorzugsweise ein Hall-, ein AMR- oder ein GMR-Senor, lenkt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren oder Empfängern (2) auf dem Kreis korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht sind und dass ein oder mehrere Sensoren oder Empfänger (2) jeweils einer Blende (4) und deren Öffnung (6) oder einem Leitkanal des Leitelements, die jeweils um den gemeinsamen Mittelpunkt der Empfänger (2) drehbar sind, während der Rotation des Bauteils für das physikalische Signal zugeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Kreis mit Sensoren oder Empfängern (2) korrespondierend zur Rotation des Bauteils angebracht sind, die eine derart veränderte Anzahl und Lage der Sensoren oder Empfänger (2) aufweisen und dass eine Auswertung der Drehwinkeländerung nach dem Noniusprinzip durchführbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren oder Empfänger (2) Bestandteile einer auf dem Leitelement angebrachten Auswerteschaltung sind, so dass eine Auswertung der physikalischen Größen nach einer Chip-an-board Technologie durchführbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement, vorzugsweise als Blende (4) oder als Lichtleitelement (7), Bestandteil eines Rotationselements, vorzugsweise eines Zahnrades, in einer Getriebe- oder Lenkvorrichtung ist.