DE102010038541A1

DE102010038541A1 - Sensoranordnung zur Erfassung des Federwegs in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010038541A1
Application number: DE201010038541
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schmid; Stephan Groitzsch
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Sensoranordnung zur Erfassung des Federwegs und/oder der Federgeschwindigkeit in einem Kraftfahrzeug, wobei diese Sensoranordnung zumindest ein Sensormodul (40, 41, 42, 43) mit wenigstens einer ersten Strahlungsemittereinheit (11) und einer elektronischen Auswerteschaltung (22) umfasst, wobei die erste Strahlungsemittereinheit (11) so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem gefederten Teil (14) der Fahrzeugkarosserie oder des Fahrwerks und einem ungefederten Teil (15) des Fahrwerks emittiert (12) und diese reflektiert (13) wird und die elektronische Auswerteschaltung (22) zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung (13) den Federweg (17) und/oder die Federgeschwindigkeit des Fahrwerks oder Fahrwerksteils ermittelt und/oder eine davon abhängige Größe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung wenigstens des Federwegs und/oder zumindest der Federgeschwindigkeit in einem Kraftfahrzeug gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
Es ist bekannt den Federweg über ein mechanisches System zu bestimmen, welches an der Achse und am Chassis befestigt wird. Das System besitzt ein Hebelwerk, über welches man den Federweg durch Bestimmung des Gelenkwinkels ermittelt. Alternativ werden auch linear verschiebbare Potentiometer verwendet. Nachteile dieser Sensoranordnungen sind: Die Regelung von aktiven Fahrwerken kann besser mit dem Messen der Federgeschwindigkeit durchgeführt werden, als mit der Position. Das mechanische Bauteil ist extremen Umweltbelastungen im Radkasten ausgesetzt, was diesen Sensor verschleißen lässt. Die mechanische Konstruktion ist aufwendig zu applizieren und damit für den Kunden relativ teuer. Ein Bestimmen des Roll- oder Nickwinkels des Chassis ist nicht genau durchführbar, da der Reifendruck, bzw. -typ (vorr. der Durchmesser des Reifens) mit einbezogen werden müsste.
Andere Verfahren messen die Geschwindigkeit der Federbewegung mittels Magnetfeldsensor und magnetisierter Messtange, z. B. dem Federbeinkolben gemäß Druckschrift EP 0 530 475 A1 . Nachteilig bei diesem Ansatz ist die Integration in den Stoßdämpfer, da der Sensor beim Wechsel des Federbeins oder Dämpfer ebenso ausgetauscht werden muss, oder es muss sogar das Federbein komplett zerlegt werden, wenn nicht sogar ausgetauscht werden, wenn der Sensor defekt ist. Ein erhöhter Verschleiß ist durch die hohen mechanischen Belastungen im Federbein (Vibrationen, aggressive Medien wie Öle, Schmutzwasser, etc.) vorprogrammiert. Der Wechsel ist mit relativ hohen Kosten für den Fahrzeughalter verbunden.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, die kostengünstig ist und dabei insbesondere einfach applizierbar ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Es ist bevorzugt, dass das zumindest eine Sensormodul wenigstens eine zusätzliche zweite Strahlungsemittereinheit aufweist und/oder dass die Sensoranordnung zumindest ein zusätzliches Sensormodul aufweist, das wenigstens oder ausschließlich die zweite Strahlungsemittereinheit und eine elektronische Auswerteschaltung aufweist, wobei die zweite Strahlungsemittereinheit so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und einer Fahrbahnoberfläche emittiert und diese reflektiert wird und die elektronische Auswerteschaltung zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung eine Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn bzw. Fahrbahnoberfläche und/oder einen Abstand zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche und/oder eine diesbezüglich abhängige Größe bestimmt.
Die elektronische Auswerteschaltung ist bevorzugt Teil einer elektronischen Kontrolleinheit bzw. als elektronische Kontrolleinheit ausgebildet oder mit einer elektronischen Kontrolleinheit verbunden.
Die elektronische Kontrolleinheit ist zweckmäßigerweise mehreren Sensormodulen gemeinsam zugeordnet.
Der Begriff Federweg meint bevorzugt den Begriff Höhenstand bzw. den Begriff Stoßdämpferweg bzw. den Begriff Federwegposition und der Begriff Federgeschwindigkeit vorzugsweise den Begriff Höhenstandsgeschwindigkeit.
Unter dem Begriff Fahrbahnoberfläche wird vorzugsweise die Oberfläche des Fahrzeuguntergrunds verstanden, sei es Straße oder Gelände.
Vorzugsweise ist die eine oder sind die mehreren ersten Strahlungsemittereinheiten so ausgebildet, insbesondere deren elektronische Auswerteschaltungen, dass der Federweg über bzw. mittels Modulation der Laserfrequenz bestimmt wird.
Es ist bevorzugt, dass ein oder mehrere Sensormodule eine zusätzliche dritte Strahlungsemittereinheit aufweist/aufweisen, welche so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und einem Fahrzeugrad, insbesondere einem Fahrzeugreifen, emittiert und diese reflektiert wird und die elektronische Auswerteschaltung zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung eine Radgeschwindigkeit und/oder Raddrehzahl und/oder eine diesbezüglich abhängige Größe bestimmt.
Die wenigstens eine erste Strahlungsemittereinheit und/oder die eine oder mehreren zweiten Strahlungsemittereinheiten und/oder die mindestens eine dritte Strahlungsemittereinheit, insbesondere bezogen auf ein oder mehrere Sensormodule, umfassen bevorzugt ein Laserelement bzw. umfassen jeweils bevorzugt ein Laserelement, welches die Strahlung emittiert, und insbesondere ein Sensorelement bzw. Photoelement, welches die reflektierte Strahlung erfasst. Das Photoelement bzw. Sensorelement ist besonders bevorzugt als Photodiode ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist wenigstens die erste Strahlungsemittereinheit oder jede Strahlungsemittereinheit als Vertikal-Kavitäts-Oberflächenemittierender-Laser, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser” mit integrierter Photodiode ausgebildet.
Die Begriffe erste, zweite und dritte Strahlungsemittereinheit stehen zweckmäßigerweise für drei unterschiedliche Typen von Strahlungsemittereinheiten, wobei es entsprechend den ersten, den zweiten und den dritten Typ gibt.
Der Begriff Strahlungsemittereinheit definiert bevorzugt eine optische Sensoreinheit, umfassend ein Strahlungsemitterelement, das elektromagnetische Strahlung emittiert bzw. emittieren kann und ein Sensorelement, das reflektierte Anteile dieser elektromagnetischen Strahlung erfasst.
Die Sensoranordnung weist vorzugsweise zumindest zwei Sensormodule auf, welche bezogen auf eine Positionierung entlang einer Fahrzeugquerachse unterschiedlich im bzw. am Kraftfahrzeug angeordnet sind, wobei die Sensoranordnung so ausgelegt ist, dass sie in einer elektronischen Kontrolleinheit aus den Ausgangssignalen der elektronischen Auswerteschaltungen wenigstens des ersten und zweiten Sensormoduls einen Rollwinkel und/oder eine Rollrate des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung zumindest zwei Sensormodule aufweist, welche bezogen auf eine Positionierung entlang einer Fahrzeuglängsachse unterschiedlich im bzw. am Kraftfahrzeug angeordnet sind, wobei die Sensoranordnung so ausgelegt ist, dass sie in der elektronischen Kontrolleinheit aus den Ausgangssignalen der elektronischen Auswerteschaltungen zumindest des ersten und zweiten Sensormoduls einen Nickwinkel und/oder eine Nickrate des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Die elektronische Auswerteschaltung zumindest eines Sensormoduls ermittelt vorzugsweise aus der reflektierten Strahlung eine Größe, insbesondere die Federgeschwindigkeit und/oder den Federweg und/oder den Abstand zwischen Fahrbahnoberfläche und Fahrwerk/Karosserie und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Radgeschwindigkeit/drehzahl, indem die Frequenzverschiebung zwischen emittierter Strahlung und reflektierter Strahlung berücksichtigt wird und/oder indem die Interferenz zwischen emittierter Strahlung und reflektierter Strahlung berücksichtigt wird.
Es ist zweckmäßig, dass eines oder mehrere der Sensormodule ein Gehäuse bzw. jeweils ein Gehäuse aufweisen, in welches eine oder mehrere oder sämtliche Strahlungsemittereinheiten des Sensormoduls integriert sind und welches eine Scheibe aufweist, durch welche die Strahlung der mindestens einen Strahlungsemittereinheit emittiert wird und durch welche die reflektierte Strahlung wieder in das Sensormodul eintritt und durch welche das Sensormodul vor dem Eintritt von Schmutz und Nässe geschützt wird. Diese Scheibe weist insbesondere an ihrer Außenfläche, welche von der Strahlung durchdrungen wird, eine Schmutz abweisende Schicht auf.
Das Gehäuse weist bevorzugt ein röhrenförmiges Abweiserelement auf, insbesondere als trichterförmige Röhre ausgebildet, welches von außen vor der Scheibe angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Sensormodul am gefederten Teil bzw. an einem gefederten Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie angeordnet und die Strahlung wird insbesondere von einem ungefederten Teil des Fahrwerks oder der Fahrbahnoberfläche reflektiert. Hierzu ist besonders bevorzugt an dem ungefederten Teil des Fahrwerks, an welchem die Strahlung reflektiert wird, ein Reflektorelement angeordnet.
Es ist bevorzugt, dass sämtliche Strahlungsemittereinheiten eines Sensormoduls oder sämtliche Strahlungsemittereinheiten der jeweiligen Sensormodule und insbesondere die elektronische Auswerteschaltung des entsprechenden Sensormoduls, auf einem gemeinsamen Chip oder jeweils auf einem gemeinsamen Chip oder einer gemeinsamen Platine oder jeweils auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.
Es ist zweckmäßig, dass die Sensoranordnung jeweils ein Sensormodul umfasst, das einem Rad des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, wobei diese den Rädern zugeordneten Sensormodule jeweils so ausgebildet sind, dass sie eine erste und/oder dritte Strahlungsemittereinheit aufweisen und somit wenigstens den Federweg und/oder die Federgeschwindigkeit erfassen und/oder die Radgeschwindigkeit und/oder die Raddrehzahl erfassen oder zumindest eine von wenigstens einer dieser Größen abhängige Größe erfassen, und dass die Sensoranordnung zusätzlich mindestens zwei weitere Sensormodule umfasst, welche jeweils wenigstens eine zweite Strahlungsemittereinheit umfassen und somit wenigstens den Abstand zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche erfassen und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Fahrbahnoberfläche und/oder eine von wenigstens einer dieser Größen abhängige Größe erfassen.
Unter der bzw. einer Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Fahrbahnoberfläche wird bevorzugt die Fahrzeuggeschwindigkeit in Richtung der Längsachse des Fahrzeugs oder der Querachse des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahnoberfläche verstanden oder alternativ vorzugsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit in einer anderen definierten Richtung relativ zur Fahrbahnoberfläche, wobei diese definierte Richtung insbesondere durch die Ausbildung und/oder Anordnung der jeweiligen Strahlungsemitter am bzw. im Fahrzeug definiert wird.
Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, insbesondere die elektronische Kontrolleinheit so ausgelegt ist, dass die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und/oder die Fahrzeugquergeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Federgeschwindigkeit eines oder mehrerer Räder ermittelt werden.
Die Sensoranordnung ist zweckmäßigerweise zur Regelung aktiver Stoßdämpfer und/oder zur Regulierung der Leuchtweite von Scheinwerfern und/oder zur Bestimmung von Schwerpunktsveränderungen durch verrutschende Ladung ausgebildet.
Eines oder mehrere Sensormodule sind vorzugsweise im Dom eines Federbeins oder unter der Motorhaube bzw. im Motorraum oder im Kofferraum angeordnet.
Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Federwegs und/oder der Federgeschwindigkeit.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 ein Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls mit einer ersten Strahlungsemittereinheit,
2 eine beispielhafte Ausbildung eines Sensormoduls mit Gehäuse,
3 die Erzeugung einer Frequenzverschiebung durch kontinuierliches Verändern der Laserlichtfrequenz,
4 eine beispielhafte Sensoranordnung mit Sensormodulen zur jeweiligen Bestimmung des Federwegs und der Federgeschwindigkeit und mit zwei zusätzlichen Sensormodulen zur Bestimmung des Rollwinkels des Chassis bzw. der Fahrzeugkarosserie,
5 eine beispielhafte Sensoranordnung mit vier Sensormodulen zur jeweiligen Bestimmung des Federwegs und der Federgeschwindigkeit und mit drei zusätzlichen Sensormodulen zur Bestimmung des Rollwinkels sowie des Nickwinkel des Chassis,
6 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit Sensormodulen zur jeweiligen Bestimmung des Federwegs und der Federgeschwindigkeit und mit zwei zusätzlichen Sensormodulen zur Bestimmung des Nickwinkels des Chassis bzw. der Fahrzeugkarosserie,
7 ein Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls mit zwei Strahlungsemittereinheiten in einem Gehäuse und einer gemeinsamen elektronischen Auswerteschaltung,
8 ein beispielhaftes Sensormodul mit der ersten Strahlungsemittereinheit und der zweiten Strahlungsemittereinheit, sowie
9 ein Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls mit der ersten, der zweiten und der dritten Strahlungsemittereinheit.
1 zeigt ein beispielhaftes Sensormodul, das eine erste Strahlungsemittereinheit 11 umfasst, die beispielgemäß als Vertikal-Kavitäts-Oberflächenemittierender-Laser mit integrierter Photodiode ausgebildet ist und am Dom 14 des Federbeins als gefedertem Teil der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Die emittierte Strahlung 12 wird an einem ungefederten Teil des Fahrwerks 15 reflektiert, was durch die reflektierte Strahlung 13 veranschaulicht ist, welche durch die, nicht separat, dargestellte Photodiode erfasst wird. Die erste Strahlungsemittereinheit ist zur Richtung des Federwegs 17 schräg ausgerichtet und die emittierte Strahlung 12, beispielgemäß der Laserstrahl, schließt mit der Richtung des Federwegs 17 den Winkel 16 bzw. φ ein.
Das anhand der 2 veranschaulichte, beispielhafte Sensormodul weist eine Strahlungsemittereinheit 21 auf, umfassend ein Laserelement als Strahlungsemitterelement und eine integrierte Photodiode als Sensorelement. Außerdem weist das Sensormodul eine elektronische Auswerteschaltung 22 und ein Gehäuse 20 mit einer Öffnung auf, die durch eine Scheibe 23 licht- bzw. strahlungsdurchlässig verschlossen ist. Außerdem weist Gehäuse 20 eine trichterförmige Röhre 24 als Schmutz abweisendes Element auf, das vor der Scheibe 23 angeordnet ist. Scheibe 23 weist an ihrer Außenfläche eine Schmutz abweisende Schicht auf, die nicht explizit dargestellt ist.
Beispielsweise wird die Federgeschwindigkeit, also die Ein- und/oder Ausfedergeschwindigkeit, wie folgt ermittelt und die elektronische Auswerteschaltung und/oder elektronische Kontrolleinheit ist entsprechend dafür geeignet ausgebildet: Bewegt sich die Position, auf welche der Laser der entsprechenden Strahlungsemittereinheit gerichtet ist, relativ zu der Position, an welcher die Strahlungsemittereinheit, umfassend Laser und Photodiode, selbst befestigt ist, oder bewegt sich die Strahlungsemittereinheit oder beide Positionen, ist die reflektierte Strahlung bzw. das reflektierte Licht über die Doppler-Beziehung frequenzverschoben gemäß Gleichung 1 bzw. Gl1. Aus der Differenz zwischen der Frequenz der emittierten Strahlung und der Frequenz der frequenzverschobenen, reflektierten Strahlung lässt sich die Geschwindigkeit ν der Relativbewegung bestimmen, nach Gl1. f' = f₀ + 2ν / λcosφ, Gl1

f':: Frequenz der reflektierten Strahlung
f:: Frequenz der emittierten Strahlung
ν:: Geschwindigkeit
λ:: Laserlicht-Wellenlänge
φ:: Winkel der Bewegung relativ zur Richtung des Laserlichtstrahls bzw. Winkel zwischen der Federgeschwindigkeitsrichtung bzw. der Federwegsrichtung und der Richtung der emittierten Strahlung bzw. des emittierten Laserlichts Beispielsweise wird der Federweg bzw. die Federweglänge wie folgt ermittelt und die elektronische Auswerteschaltung und/oder elektronische Kontrolleinheit ist entsprechend dafür geeignet ausgebildet: Zur Bestimmung des Federwegs bzw. der Federweglänge, siehe Bezugszeichen 17 in 1, wird ein optisches Interferenzverfahren verwendet. Innerhalb eines gegebenen Abstandes passt eine bestimmte Anzahl von Wellenlängenperioden. Verändert man die Frequenz des ausgesendeten Laserlichts bzw. der emittierten Strahlung kontinuierlich mit einer Rampengeschwindigkeit a, wie anhand der 3 veranschaulicht, so wird dadurch die Anzahl der Perioden verändert, welche in den Abstand passen, siehe auch Gleichung 2.

Zur Auswertung des Abstandes werden die sich ändernden Interferenzmaxima n gezählt, die sich durch Interferenz des ausgesendeten und empfangenen Laserlichts ergeben, also durch Interferenz der emittierten und reflektierten Strahlung. Dieser Sachverhalt ist beispielsweise in folgender Druckschrift näher erläutert: "Laser diode self-mixing technique for sensing applications", Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donatil and Thierry Bosch, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 (2002) S. 283–S. 294".

n:: Anzahl der Interferenzmaxima
λ:: Wellenlänge bei Messbeginn
d:: Abstand

Verändert man nun die Wellenlänge kontinuierlich mit der Zeit so ergibt sich für die Frequenz der sich verändernden Maxima
Durch zählen der Interferenzmaxima lässt sich nun der Abstand bestimmen.
Mit der bekannten Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz ergibt sich für die Rampengeschwindigkeit
Und damit für die Änderungsfrequenz der Interferenzmaxima dn / dt = d·a / c Gl5
Die Wellenlängenänderung lässt sich durch die Änderung des der Laserdiode eingeprägten Stroms bewirken, da dadurch bei steigendem Strom I die Verlustwärme steigt und die Laserdiode sich erwärmt. dλ / dt = dλ / dI· dI / dt Gl6
Dabei ist λ und dλ / dI ein typischer Parameter der Laserdiode und dI / dt die Änderung des Stroms. In 3 ist dabei der Frequenzverlauf dargestellt, wie er zu Abstandsmessungen verwendet werden kann. Dieser Frequenzverlauf wird über den Strom I eingestellt, da sich mit steigendem Strom die Verlustleistung der Laserdiode erhöht und somit deren Temperatur erhöht. Die Temperatur verstimmt nun die entsprechende Frequenz. Über die geeignete Steuerung des eingeprägten Stroms lässt sich somit der Frequenzverlauf einstellen.
In 4 ist eine beispielhafte Sensoranordnung dargestellt mit vier Sensormodulen 40, 41, 42, 43, an jedem Rad eins, die jeweils eine erste Strahlungsemittereinheit und eine elektronische Auswerteschaltung umfassen und mit denen jeweils der Federweg und die Federgeschwindigkeit an der zugeordneten Radaufhängung erfasst wird. Außerdem weist diese Sensoranordnung zwei entlang der Fahrzeugquerachse unterschiedlich positionierte Sensormodule 44 und 45 auf, die jeweils eine zweite Strahlungsemittereinheit sowie eine elektronische Auswerteschaltung umfassen und den Abstand zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche ermitteln und daraus in einer elektronischen Kontrolleinheit der Rollwinkel des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
5 zeigt ein alternatives Beispiel der Sensoranordnung, ebenfalls mit vier Sensormodulen 40, 41, 42, 43, an jedem Rad eins, die jeweils eine erste Strahlungsemittereinheit und eine elektronische Auswerteschaltung umfassen und mit denen jeweils der Federweg und die Federgeschwindigkeit an der zugeordneten Radaufhängung erfasst wird. Außerdem weist diese Sensoranordnung drei entlang der Fahrzeugquerachse und entlang der Fahrzeuglängsachse unterschiedlich positionierte Sensormodule 44, 46 und 47 auf, die jeweils eine zweite Strahlungsemittereinheit sowie eine elektronische Auswerteschaltung umfassen und den Abstand zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche ermitteln und daraus in einer elektronischen Kontrolleinheit der Rollwinkel und der Nickwinkel des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Anhand der 6 ist eine beispielhafte Sensoranordnung veranschaulicht, die ebenfalls die vier Sensormodule 40, 41, 42, 43 zur Bestimmung des Federwegs und der Federgeschwindigkeit des jeweils zugeordneten Rades aufweist und zusätzlich zwei, bezogen auf die Fahrzeuglängsachse unterschiedliche positionierte, Sensormodule 46 und 48, mit denen in einer elektronischen Kontrolleinheit der Nickwinkel des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
In 7 ist ein beispielhaftes Sensormodul mit einem Gehäuse und einem trichterförmigen Abweiserelement abgebildet, das zwei Strahlungsemittereinheiten 50 und 51 aufweist, jeweils umfassend ein Laserelement und eine integrierte Photodiode als Sensorelement, wobei die zwei Strahlungsemittereinheiten 50, 51 so ausgebildet und angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung bzw. der jeweils emittierte Laserstrahl um einen definierten Winkel relativ zueinander verschieden ausgerichtet sind. Den beiden Strahlungsemittereinheiten ist eine gemeinsame elektronische Auswerteschaltung 22 zugeordnet.
8 zeigt ein beispielhaftes Sensormodul mit einer ersten und einer zweiten Strahlungsemittereinheit, wobei der Laserstrahl 60 der zweiten Strahlungsemittereinheit von der Fahrbahnoberfläche 61 reflektiert wird, wodurch aus der reflektierten Strahlung der Abstand des Fahrzeugchassis zur Fahrbahnoberfläche ermittelt werden kann.
Beispielsweise wird die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Fahrbahnoberfläche bzw. über Grund wie folgt ermittelt und die elektronische Auswerteschaltung und/oder elektronische Kontrolleinheit ist entsprechend dafür geeignet ausgebildet: Wird der Laserstrahl bzw. die emittierte Strahlung eines Sensormoduls, die eine zweite Strahlungsemittereinheit aufweist, die also vom Fahrwerk oder der Fahrzeugkarosserie zur Fahrbahnoberfläche Strahlung emittiert und diese Strahlung an der Fahrbahnoberfläche reflektiert wird, unter einem bestimmten Winkel auf den Untergrund bzw. auf die Fahrbahnoberfläche gerichtet, gemäß der Gleichung 1 die Geschwindigkeit der chassisfesten Laserposition über Grund gemessen werden. Wird dabei die zweite Strahlungsemittereinheit so angeordnet und ausgerichtet, dass der Laserstrahl in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtet ist, kann die Fahrzeugquergeschwindigkeit berechnet werden. Wird der Laserstrahl entsprechend in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet, wo wird die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit gemessen.
Unter beispielhaftem Einbau einer zusätzlichen zweiten Strahlungsemittereinheit in ein Sensormodul, wobei eine zweite Strahlungsemittereinheit so ausgerichtet und angeordnet ist, dass der Laserstrahl entlang der Fahrzeuglängsrichtung emittiert wird und eine andere zweite Strahlungsemittereinheit so angeordnet und ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl entlang der Fahrzeugquerrichtung emittiert wird, kann mit diesem Sensormodul sowohl die Fahrzeuglängs-, als auch die Fahrzeugquergeschwindigkeit gemessen werden, wie dies anhand der 9 mit den Bezugszeichen 70 und 71 veranschaulicht ist. Die Berechnung der Längs- (v_langs) und Quergeschwindigkeit (v_quer) läst sich mit folgenden Gl8 und Gl9 durchführen. Dabei ist jedoch noch die Vertikalgeschwindigkeit zu berücksichtigen, siehe Gl10 und Gl11, da beim ein- bzw. austauchen des Federbeins (Vertikalgeschwindigkeit v_vertikal des Fahrzeuges) über den Winkel zur Fahrbahn ein Längs- bzw. Quergeschwindigkeitssignal vorgetäuscht wird. Diese Information wird über den Laser mit Diode zur Bestimmung der Federgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt. ν_quer = ν_Laser1sin(Φ₁)cos(Θ₁) – ν_längstan(Θ₁) Gl8 ν_längs = ν_Laser2sin(Φ₂)cos(Θ₂) – ν_quertan(Θ₂) Gl9 ν_quer = (V_Laser1cos(Φ₁) + ν_vertikal)tan(Φ₁)cos(Θ₁) – ν_längstan(Θ₁) Gl10 ν_längs = (V_Laser2cos(Φ₂) + ν_vertikal)tan(Φ₂)cos(Θ₂) – ν_längstan(Θ₂) Gl11

Θ:: Drehwinkel des Laserstrahls zur Fahrzeuglängs- bzw. – querrichtung
Φ:: Kippwinkel des Laserstrahls zur Fahrbahnvertikalen

Das in 9 gezeigte beispielhafte Sensormodul weist neben den beiden oben angesprochenen zweiten Strahlungsemittereinheiten, deren Laserstrahlen mit den Bezugszeichen 70 und 71 gekennzeichnet sind, eine dritte, vom Typ her, Strahlungsemittereinheit auf, welche Strahlung 72 zwischen einem Teil des Fahrwerks und dem zugeordneten Rad emittiert und diese, am Rad, reflektiert wird. Hierdurch kann die Radgeschwindigkeit ermittelt werden, wodurch ein üblicher, beispielsweise auf magnetischem Messprinzip basierender, Raddrehzahlsensor ersetzt werden kann. Dieses Sensormodul weist beispielhaft zusätzlich eine erste Strahlungsemittereinheit zur Messung des Federwegs und der Federgeschwindigkeit auf.
Auch bei der Messung der Radgeschwindigkeit bzw. der Raddrehgeschwindigkeit ist die Vertikalgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Bei gelenkten Achsen ist zudem der Lenkwinkel bei der Berechnung der Raddrehgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Der Laserstrahl der dritten, vom Typ her, Strahlungsemittereinheit kann sowohl auf die Felge, die Reifenseitenwand oder die Lauffläche gerichtet sein. Grundsätzlich ist der Winkel unter dem der Laserstrahl auf das Rad trifft so zu wählen, dass er eine Komponente in Drehrichtung aufweist, d. h. der Radgeschwindigkeitsvektor am Punkt, wo der Laserstrahl auf das Rad trifft, soll nicht senkrecht zum Laserstrahl ausgerichtet sein.
Die Strahlungsemittereinheit sind beispielgemäß jeweils als Vertikal-Kavitäts-Oberflächenemittierender-Laser, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser” mit integrierter Photodiode ausgebildet. Speziell dieser Typ von Diodenlaser ist für die hier vorgeschlagenen Einsätze geeignet, da die Photodiode monolithisch in einem Chip in den Diodenlaser integriert ist und das reflektierte Licht in der Kavität des Lasers mit dem austretenden Licht interferiert. Besonderer Vorteil hierbei ist, dass

– vorrangig nur das von der Diode ausgesendete und reflektierte Licht über die Kohärenzbedingung zum Signal beitragen kann. Licht aus externen Quellen werden nicht absorbiert.
– in-situ das Laserlicht in der Kavität des Lasers interferiert. Somit können direkt die Frequenzverschiebung gemessen werden, welche sich im MHz-Bereich befindet und nicht aufwendig GHz oder THz Frequenzen gemessen und subtrahiert werden müssen.
– geringe Mengen an reflektiertem Licht für die Messung ausreichend ist (Reflektionsgrad von ca. > 0,7% des ausgesendeten Laserlichts ist ausreichend).
– nur ein Bauteil benötigt wird.
– das Bauteil relativ kostengünstig durch Halbleiterprozesse herstellbar ist.

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

EP 0530475 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Laser diode self-mixing technique for sensing applications”, Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donatil and Thierry Bosch, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 (2002) S. 283–S. 294” [0044]

Claims

Sensoranordnung zur Erfassung des Federwegs und/oder der Federgeschwindigkeit in einem Kraftfahrzeug, wobei diese Sensoranordnung zumindest ein Sensormodul (40, 41, 42, 43) mit wenigstens einer ersten Strahlungsemittereinheit (11) und einer elektronischen Auswerteschaltung (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsemittereinheit (11) so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem gefederten Teil (14) der Fahrzeugkarosserie oder des Fahrwerks und einem ungefederten Teil (15) des Fahrwerks emittiert (12) und diese reflektiert (13) wird und die elektronische Auswerteschaltung (22) zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung (13) den Federweg (17) und/oder die Federgeschwindigkeit des Fahrwerks oder Fahrwerksteils ermittelt und/oder eine davon abhängige Größe.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensormodul (44, 45, 46, 48) wenigstens eine zusätzliche zweite Strahlungsemittereinheit aufweist und/oder dass die Sensoranordnung zumindest ein zusätzliches Sensormodul aufweist, das wenigstens oder ausschließlich die zweite Strahlungsemittereinheit und eine elektronische Auswerteschaltung (22) aufweist, wobei die zweite Strahlungsemittereinheit so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und einer Fahrbahnoberfläche (61) emittiert (60, 70, 71) und diese reflektiert (60, 70, 71) wird und die elektronische Auswerteschaltung zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung eine Fahrzeuggeschwindigkeit (ν_quer, ν_längs) relativ zur Fahrbahnoberfläche (61) und/oder einen Abstand zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche und/oder eine diesbezüglich abhängige Größe bestimmt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensormodule eine zusätzliche dritte Strahlungsemittereinheit aufweist/aufweisen, welche so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie Strahlung zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und einem Fahrzeugrad, insbesondere einem Fahrzeugreifen, emittiert (72) und diese reflektiert (72) wird und die elektronische Auswerteschaltung zumindest in Abhängigkeit der reflektierten Strahlung eine Radgeschwindigkeit und/oder Raddrehzahl und/oder eine diesbezüglich abhängige Größe bestimmt.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Strahlungsemittereinheit und/oder die eine oder mehreren zweiten Strahlungsemittereinheiten und/oder die mindestens eine dritte Strahlungsemittereinheit, ein Laserelement umfassen, welches die Strahlung emittiert, und insbesondere ein Photoelement, welches die reflektierte Strahlung erfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Photoelement als Photodiode ausgebildet ist und insbesondere die wenigstens erste Strahlungsemittereinheit oder jede Strahlungsemittereinheit als Vertikal-Kavitäts-Oberflächenemittierender-Laser, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser” mit integrierter Photodiode ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest zwei Sensormodule (44, 45) aufweist, welche bezogen auf eine Positionierung entlang einer Fahrzeugquerachse unterschiedlich im Kraftfahrzeug angeordnet sind, wobei die Sensoranordnung so ausgelegt ist, dass sie in einer elektronischen Kontrolleinheit aus den Ausgangssignalen der elektronischen Auswerteschaltungen wenigstens des ersten und zweiten Sensormoduls einen Rollwinkel und/oder eine Rollrate des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest zwei Sensormodule (46, 48) aufweist, welche bezogen auf eine Positionierung entlang einer Fahrzeuglängsachse unterschiedlich im Kraftfahrzeug angeordnet sind, wobei die Sensoranordnung so ausgelegt ist, dass sie in der elektronischen Kontrolleinheit aus den Ausgangssignalen der elektronischen Auswerteschaltungen zumindest des ersten und zweiten Sensormoduls einen Nickwinkel und/oder eine Nickrate des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteschaltung (22) zumindest eines Sensormoduls aus der reflektierten Strahlung wenigstens eine Größe ermittelt, indem die Frequenzverschiebung zwischen emittierter Strahlung und reflektierter Strahlung berücksichtigt wird und/oder indem die Interferenz zwischen emittierter Strahlung und reflektierter Strahlung berücksichtigt wird.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Sensormodule ein Gehäuse (20) aufweisen, in welches eine oder mehrere oder sämtliche Strahlungsemittereinheiten (21, 50, 51) des Sensormoduls integriert sind und welches eine Scheibe (23) aufweist, durch welche die Strahlung der mindestens einen Strahlungsemittereinheit emittiert wird und durch welche die reflektierte Strahlung wieder in das Sensormodul eintritt und durch welche das Sensormodul vor dem Eintritt von Schmutz und Nässe geschützt wird.
Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (23) zumindest an ihrer Außenfläche, welche von der Strahlung durchdrungen wird, eine Schmutz abweisende Schicht aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) ein röhrenförmiges Abweiserelement (24) aufweist, welches von außen vor der Scheibe angeordnet ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensormodul am gefederten Teil (14) des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist und die Strahlung insbesondere von einem ungefederten Teil (15) des Fahrwerks oder der Fahrbahnoberfläche (61) reflektiert wird.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Strahlungsemittereinheiten eines Sensormoduls oder sämtliche Strahlungsemittereinheiten der jeweiligen Sensormodule und insbesondere die elektronische Auswerteschaltung des entsprechenden Sensormoduls, auf einem gemeinsamen Chip oder jeweils auf einem gemeinsamen Chip oder einer gemeinsamen Platine oder jeweils auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung jeweils ein Sensormodul (40, 41, 42, 43) umfasst, das einem Rad des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, wobei diese den Rädern zugeordneten Sensormodule jeweils so ausgebildet sind, dass sie eine erste und/oder dritte Strahlungsemittereinheit aufweisen und somit wenigstens den Federweg und/oder die Federgeschwindigkeit erfassen und/oder die Radgeschwindigkeit und/oder die Raddrehzahl erfassen oder zumindest eine von wenigstens einer dieser Größen abhängige Größe erfassen, und dass die Sensoranordnung zusätzlich mindestens zwei weitere Sensormodule (44, 45, 46, 47, 48) umfasst, welche jeweils wenigstens eine zweite Strahlungsemittereinheit umfassen und somit wenigstens den Abstand zwischen einem Teil des Fahrwerks oder der Fahrzeugkarosserie und der Fahrbahnoberfläche erfassen und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Fahrbahnoberfläche und/oder eine von wenigstens einer dieser Größen abhängige Größe erfassen.
Verwendung der Sensoranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in Kraftfahrzeugen.