DE102010046143A1

DE102010046143A1 - Lenkwinkelsensor

Info

Publication number: DE102010046143A1
Application number: DE102010046143A
Authority: DE
Inventors: Williamson Shinagawa-ku Sy; John Manchester Casari; Christoph Schmidt; Vasile Sterling Heights Coica
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2011-04-07
Also published as: JP2011099845A; CN102022973B; JP2015163894A; US8322483B2; CN102022973A; US20110061962A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ausmaßes einer Drehung einer drehbaren Komponente, die sich in Bezug auf eine stationäre Komponente dreht. Die Vorrichtung umfasst ein Kabel mit einem an der drehbaren Komponente befestigten ersten Ende und einem an der stationären Komponente befestigten zweiten Ende. Das Kabel, das ein Erfassungselement trägt, ist konfiguriert, um sich auf- oder abzuwickeln, wenn die drehbare Komponente mit Bezug auf die stationäre Komponente rotiert. Das Erfassungselement erstreckt sich über eine Länge des Kabels und ist konfiguriert, um sich in Reaktion auf das Auf- oder Abwickeln des Kabels zu biegen. Das Erfassungselement hat einen Widerstand, der sich in Reaktion auf die Biegung des Erfassungselements ändert. Eine Auswertungsschaltung ist mit dem Erfassungselement verbunden und konfiguriert, um einen mit dem Widerstand in Beziehung stehenden Wert zu bestimmen und das Ausmaß der Drehung basierend auf dem Wert zu bestimmen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Winkelsensoren. Genauer gesagt betrifft die Erfindung Winkelsensoren, die betreibbar sind, um einen elektrischen Parameter zu erfassen, der sich in Reaktion auf eine Drehbewegung ändert.
Hintergrund
Lenkwinkelsensoren sind am Fahrzeug, typischerweise an der Lenksäule, montiert, so dass Benutzer sie nicht sehen. Manche Lenkwinkelsensoren bestehen aus zwei Teilen, einer Erfassungseinheit und einem Magneten. Die Erfassungseinheit ist in der Lenkeinheit montiert und auf den Magneten ausgerichtet. Der Magnet ist am Lenkrad montiert, so dass der Magnet mit dem Lenkrad rotiert. Die Erfassungseinheit erfasst die Drehbewegung des Magneten, die genutzt wird, um einen Drehwinkel des Lenkrades zu bestimmen.
Kurzbeschreibung
Die Erfindung schafft einen kosteneffizienten Sensor, der in einem Gehäuse in der Lenksäule montiert werden kann. Alternativ kann ein separates Gehäuse für den Sensor ausgebildet und an einer beliebigen Position entlang der Antriebswelle und der Achse positioniert werden.
Einer Ausgestaltung zufolge wird durch die Erfindung eine Vorrichtung geschaffen zum Bestimmen eines Ausmaßes einer Drehung einer drehbaren Komponente, die mit Bezug auf eine stationäre Komponente rotiert. Die Vorrichtung umfasst ein Kabel mit einem an der drehbaren Komponente befestigten ersten Ende und einem an der stationären Komponente befestigten zweiten Ende. Das flache Kabel ist konfiguriert, um sich auf- oder abzuwickeln, wenn die drehbare Komponente mit Bezug auf die stationäre Komponente rotiert. Ein Erfassungselement ist von dem Kabel getragen. Das Erfassungselement erstreckt sich über eine Länge des Kabels und ist konfiguriert, um sich in Reaktion auf die Auf- oder Abwicklung des Kabels zu biegen. Das Erfassungselement hat einen Widerstand, der sich in Reaktion auf Biegung des Erfassungselements ändert. Eine Auswertungsschaltung steht in Kommunikation mit dem Erfassungselement und ist konfiguriert, um einen Wert zu bestimmen, der mit dem Widerstand in Beziehung steht, und basierend auf diesem Wert das Ausmaß der Drehung zu bestimmen.
Einer anderen Ausgestaltung zufolge wird durch die Erfindung ein Fahrzeug geschaffen, das eine Antriebswelle, eine Lenksäule, eine Lenkvorrichtung und einen Winkelsensor umfasst. Die Antriebswelle ist konfiguriert, um ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben. Die Lenksäule umfasst eine bewegliche Komponente und eine stationäre Komponente. Die bewegliche Komponente ist an die Antriebswelle gekoppelt. Die Lenkvorrichtung ist an die bewegliche Komponente gekoppelt und konfiguriert, um die bewegliche Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente zu drehen. Der Winkelsensor ist konfiguriert, um ein Ausmaß der Drehung der beweglichen Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente zu bestimmen. Der Winkelsensor umfasst ein Gehäuse, einen Materialstreifen, ein Erfassungselement und eine Auswertungsschaltung. Das Gehäuse umfasst einen beweglichen Gehäuseabschnitt und einen stationären Gehäuseabschnitt. Der Materialstreifen hat ein an dem beweglichen Gehäuseabschnitt befestigtes erstes Ende und ein an dem stationären Gehäuseabschnitt befestigtes zweites Ende. Der Materialstreifen ist konfiguriert, um sich zu bewegen, wenn der bewegliche Gehäuseabschnitt sich in Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt bewegt. Das Erfassungselement ist von dem Materialstreifen getragen. Das Erfassungselement erstreckt sich über eine Länge des Materialstreifens und ist konfiguriert, sich in Reaktion auf die Bewegung des Materialstreifens zu biegen. Das Erfassungselement hat einen Widerstand, der sich in Reaktion auf Biegung des Erfassungselements ändert. Die Auswertungsschaltung ist mit dem Erfassungselement verbunden. Die Auswertungsschaltung ist konfiguriert, um einen elektrischen Wert zu bestimmen, der mit dem Widerstand in Beziehung steht, und das Ausmaß der Drehung der beweglichen Komponente basierend auf dem elektrischen Wert zu bestimmen.
Noch einer weiteren Ausgestaltung zufolge wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels unter Verwendung eines Winkelsensors geschaffen. Der Winkelsensor umfasst einen Materialstreifen mit einem an einer stationären Komponente befestigten ersten Ende und einem zweiten Ende, das an einer drehbaren Komponente befestigt ist, die sich mit Bezug auf die stationäre Komponente dreht. Das Verfahren umfasst das Bewegen eines auf dem Materialstreifen montierten Erfassungselements so, dass das Erfassungselement sich in Reaktion auf die Drehung der drehbaren Komponente biegt, das Erfassen einer Änderung in einem elektrischen Wert, der mit dem Widerstand des Erfassungselements in Beziehung steht, in Reaktion auf die Biegung des Erfassungselements und das Bestimmen des Drehwinkels aus der Änderung des elektrischen Werts.
Andere Aspekte der Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine teilweise auseinandergezogene Ansicht einer Winkelerfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
2 ist eine teilweise auseinandergezogene Ansicht der Winkelerfassungsvorrichtung aus 1.
3 ist eine dritte teilweise auseinandergezogene Ansicht der Winkelerfassungsvorrichtung aus 1.
4 ist eine teilweise auseinandergezogene Ansicht der Winkelerfassungsvorrichtung aus 1, montiert in einem Fahrzeug.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines an einem Kabel montierten Erfassungselements.
6 ist eine perspektivische Ansicht von zwei an einem Kabel montierten Erfassungselementen.
7 ist ein Schema eines Schaltungsdiagramms der Winkelerfassungsvorrichtung aus 1.
8 ist ein Schema, das verschiedene Montagepositionen einer Winkelerfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung:
Bevor Ausgestaltungen der Erfindung im Detail erläutert werden sollen, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in der folgenden Beschreibung dargelegten oder in den folgenden Zeichnungen dargestellten Konstruktionsdetails und Komponentenanordnungen beschränkt ist. Die Erfindung ist geeignet für andere Ausgestaltungen und in diversen Weisen ausführbar oder anwendbar.
1 zeigt einen Winkelsensor 12 mit einem Gehäuse 14. Der Winkelsensor 12 erfasst einen elektrischen Wert, der einen Drehungsgrad zwischen einer stationären Komponente wie etwa einer Lenksäule 16 (4) und einer drehbaren Komponente wie etwa einem Lenkrad 18 (4) anzeigt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Winkelsensor 12 ein Gehäuse 14, das in zwei Hälften ausgebildet ist, einem drehbaren Gehäuseabschnitt 20 und einem stationären Gehäuseabschnitt 24. Der stationäre Gehäuseabschnitt 24 umfasst ferner einen Befestigungsabschnitt 28, der mit Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt 24 drehbar ist. Der drehbare Gehäuseabschnitt 20 umfasst eine Oberseite 32, eine Außenwand 36 und eine Innenwand 40. Die Außenwand 36 und die Innenwand 40 sind im Wesentlichen zylindrisch geformt. Der stationäre Gehäuseabschnitt 24 umfasst eine Bodenfläche 44 und eine Außenwand 48. Der drehbare Gehäuseabschnitt 20 wirkt mit dem stationären Gehäuseabschnitt 24 zusammen, um zwischen beiden eine Kammer 52 zu definieren.
Ein Flachkabel 56 ist in der Kammer 52 positioniert. Das Flachkabel 56 ist an einem ersten Ende 60 mit dem drehbaren Gehäuseabschnitt 20 und an einem zweiten Ende 64 mit dem stationären Gehäuseabschnitt 24 verbunden. An Stelle des Flachkabels 56 können auch andere Materialstreifen oder Kabel verwendet werden. Bei der gezeigten Konstruktion ist das Flachkabel um die Innenwand 40 des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 gewickelt. Das erste Ende 60 des Flachkabels 56 ist an der Innenwand 40 durch eine Plastikklammer 68 befestigt. Das Flachkabel 56 ist in der Kammer 52 um die Innenwand 40 gewickelt. Das zweite Ende 64 des Flachkabels 56 ist durch eine zweite Plastikklammer 72 an der Außenwand 48 des stationären Gehäuseabschnitts 24 befestigt. Bei anderen Konstruktionen ist das Flachkabel 56 am drehbaren Gehäuseabschnitt 20 und dem stationären Gehäuseabschnitt 24 unter Verwendung von Klebstoff oder mit anderen geeigneten Mitteln befestigt. Es ist auch denkbar, dass das Flachkabel 56 in anderen Wickelkonfigurationen als der gezeigten Konfiguration aufgewickelt sein kann. Zum Beispiel kann das Flachkabel 56 wie im Stand der Technik bekannt mit einem Schleifenteiler (Loop Divider) aufgewickelt sein.
Das Flachkabel 56 enthält im Wesentlichen keine Spannung. Daher beeinflusst das Flachkabel 56 die Bewegung nicht, wenn der drehbare Gehäuseabschnitt 20 in Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt 24 gedreht wird. Wenn der drehbare Gehäuseabschnitt 20 in Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt 24 gedreht wird, bewegt sich das Flachkabel 56 zwischen einer voll aufgewickelten Position (1), einer Zwischenposition (2) und einer vollständig abgewickelten Position (3).
Wie in 1 gezeigt, ist, wenn sich das Flachkabel 56 in der voll aufgewickelten Position befindet, das Flachkabel 56 benachbart zur Innenwand 40 positioniert. Bei der dargestellten Konstruktion wird der drehbare Gehäuseabschnitt 20 in Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt 24 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, um das Flachkabel 56 aufzuwickeln. Obwohl das Flachkabel 56 voll aufgewickelt ist, ist im Wesentlichen keine Spannung im Kabel 56. Wenn der drehbare Gehäuseabschnitt im Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt 24 im Uhrzeigersinn gedreht wird, beginnt das Flachkabel 56, sich abzuwickeln. 2 zeigt ein Beispiel des Flachkabels 56 in einer Position zwischen der voll aufgewickelten Position und der voll abgewickelten Position der 3. Obwohl das Flachkabel gleichmäßig in der Kammer 52 verteilt dargestellt ist, hat das Flachkabel im Wesentlichen keine Spannung zum Unterstützen der Verteilung. Daher kann das Flachkabel, wenn es sich in einer Zwischenposition befindet, in der Kammer 52 ungleichmäßig verteilt oder positioniert sein. 3 zeigt das Flachkabel 56 in der voll abgewickelten Position. Wenn das Flachkabel 56 voll abgewickelt ist, neigt es dazu, benachbart zur Außenwand 36 des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 verteilt zu sein. Bei manchen Konstruktionen umfasst das Flachkabel 56 zwei volle Umdrehungen um die Innenwand 40 im voll abgewickelten Zustand und acht volle Umdrehungen im voll aufgewickelten Zustand. Natürlich kann das Flachkabel eine andere Länge und eine andere Zahl von Umdrehungen im voll aufgewickelten und abgewickelten Zustand haben.
Ein Sensorstreifen 72 ist auf dem Flachkabel 56 montiert und konfiguriert, um sich mit dem Kabel zu bewegen. Bei der dargestellten Konstruktion ist der Sensorstreifen 72 auf der Innenseite 76 des Flachkabels montiert. In anderen Konstruktionen kann der Sensor 72 an der Außenseite 80 des Flachkabels montiert sein. Das Flachkabel 56 wirkt als ein Träger für den Sensorstreifen 72. Wenn sich das Flachkabel 56 auf- oder abwickelt, bewegt sich der Sensorstreifen 72 mit dem Flachkabel 56 und wickelt sich ebenfalls auf oder ab, ohne die Bewegung des Flachkabels 56 zu stören. Ein positiver Leiterdraht 84 und ein Masseleiterdraht 88 erstrecken sich vom Sensorstreifen 72 aus und sind mit der Auswertungsschaltung 92 elektrisch verbunden.
Bei manchen Winkelerfassungsanwendungen ist der Winkelsensor 12 konfiguriert, um einen Drehwinkel des Lenkrads 18 in Bezug auf die Lenksäule 16 zu erfassen. Wie in 4 dargestellt, kann der Winkelsensor 12 in der Lenksäule 16 positioniert sein. Die Lenksäule 16 umfasst eine stationäre Komponente 96 und eine drehbare Komponente 100. Der Befestigungsabschnitt 28 des stationären Gehäuseabschnitts 24 ist an der drehbaren Komponente 100 montiert. Der stationäre Gehäuseabschnitt 24 ist fest an der stationären Komponente 96 montiert. Der stationäre Gehäuseabschnitt 24 umfasst eine Mehrzahl von Öffnungen 104 (siehe 1–3), die konfiguriert sind, um Befestigungsmittel aufzunehmen, die auch in entsprechenden Öffnungen in der Lenksäule 16 aufgenommen sind. Der Befestigungsabschnitt 28 ist in der Innenwand 40 aufgenommen (1–3). Ein zylindrischer Befestigungsabschnitt 108 des Lenkrades 18 ist in dem Befestigungsabschnitt 28 aufgenommen. So ist der Befestigungsabschnitt 28 zwischen der Innenwand 40 und dem Montageabschnitt 108 derart angeordnet, dass eine Drehung des Lenkrades 18 eine gleichzeitige Drehung des Befestigungsabschnitts 28, des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 und der drehbaren Komponente 100 der Lenksäule bewirkt. Die Drehung der drehbaren Komponente 100 der Lenksäule veranlasst ein Paar von Rädern 110 (siehe 8) des Fahrzeugs, sich mit der Drehung des Lenkrades 18 zu drehen. Der Einfachheit halber wird der Betrieb des Winkelsensors 12 mit Bezug auf die Konstruktion der 4 diskutiert, bei der die Drehung eines Lenkrades 18 die Drehung des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 bewirkt.
Die Lenksäule 16 umfasst ferner einen Stecker 112, der die Komponenten in dem Winkelsensor 12 mit anderen Komponenten des Fahrzeugs wie etwa der elektronischen Steuereinheit, der Batterie etc. verbindet. Bei manchen Konstruktionen stellt der Stecker 112 auch eine elektrische Verbindung zwischen den Komponenten des Fahrzeugs und in dem Lenkrad 18 angebrachten elektrischen Komponenten wie etwa einer Radiosteuerung, Airbagsensoren etc. her.
5 zeigt detaillierter den Sensorstreifen 72. Der positive Leiterdraht 84 und der Masseleiterdraht 88 sind an ein Erfassungselement 116 gekoppelt. Ein Schutzlaminat 120 bedeckt das Erfassungselement 116 und wenigstens einen Teil der Leiterdrähte 84 und 88. Das Schutzlaminat 120 schützt das Erfassungselement 116 und den abgedeckten Abschnitt der Leiterdrähte 84 und 88 vor Beschädigung durch Umweltfaktoren (zum Beispiel Feuchtigkeit, Schmutz etc.) und befestigt auch das Erfassungselement 116 und die Leiterdrähte 84 und 88 auf dem Flachkabel 56. Bei manchen Konstruktionen kann das Erfassungselement 160 mit Klebstoff oder anderen Mitteln befestigt sein. Bei noch anderen Konstruktionen kann das Erfassungselement 116 auf dem Flachkabel 56 unbefestigt sein.
Ein Beispiel eines Erfassungselements 116, das mit dem Winkelsensor 12 verwendet werden kann, ist ein Erfassungselement 116 mit Widerstandseigenschaften, die sich ändern, wenn das Erfassungselement 160 eine Biegung erfährt. Ein Beispiel eines Erfassungselements mit variablem Widerstand 116 ist ein leitfähiges Element mit Diskontinuitäten oder Rissen darin. Wenn sich das Erfassungselement 116 biegt, öffnen und schließen sich die Risse in Abhängigkeit von der Richtung der Biegung. Wenn das Erfassungselement 116 gebogen wird und sich die Diskontinuitäten öffnen, ist es für den Strom schwieriger, durch das Erfassungselement 116 zu fließen, und der Widerstand des Erfassungselements 116 nimmt zu. Entsprechend ist es, wenn das Erfassungselement 116 gebogen wird und die Diskontinuitäten sich schließen, für den Strom einfacher, durch das Erfassungselement 116 zu fließen, so dass der Widerstand des Erfassungselements 116 abnimmt.
Es gibt viele Typen von Erfassungselementen, deren Widerstand sich bei Biegung ändert, und die allgemein als Biegesensoren oder Flex-Widerstände bezeichnet werden. Natürlich können auch andere Sensoren in dem Winkelsensor 12 verwendet werden. Zum Beispiel werden typischerweise krafterfassende Widerstände (Force Sensing Resistors, FSR) eingesetzt, um einen elektrischen Wert zu messen oder zu erfassen, der der Stärke einer auf den FSR ausgeübten Kraft entspricht. Es gibt jedoch auch Dünnschicht-FSRs, die biegsam sind. FSRs sind zwar konfiguriert, um ihren Widerstand in Abhängigkeit von der darauf ausgeübten Kraft zu ändern, doch ändert sich der Widerstand der FSRs auch geringfügig mit der Biegung. Es können also auch andere Sensoren mit variablem Widerstand, der sich mit der Biegung des Sensors ändert, zur Verwendung bei dem Winkelsensor 12 konfiguriert werden.
Ein exemplarisches Erfassungselement 116 ist ein kundenspezifisches Erfassungselement, das von Flexpoint Sensor Systems, Inc. aus Draper, Utah produziert wird. Mit Bezug auf 5 hat das Erfassungselement 116 eine ungefähre Länge L3 von 1,9 m, eine Höhe L3 von ca. 5 mm und eine Dicke T3 von ca. 0,1 mm. Das Schutzlaminat 120 ist hinsichtlich der Länge L2 und Höhe H2 größer bemessen, so dass das Schutzlaminat 120 das Erfassungselement 116 und wenigstens ein Stück der Leiterdrähte 84 und 88 bedeckt. Bei der dargestellten Konstruktion hat das Schutzlaminat eine Länge L2 von ca. 2,0 m, eine Höhe von ca. 10 mm und eine Dicke von ca. 0,1 mm. Das Flachkabel 56 hat eine Länge L1 von ca. 2,5 m, eine Höhe H1 von ca. 20 mm und eine Dicke T1 von ca. 0,5 mm. Natürlich können das Erfassungselement 116, das Schutzlaminat 120 und das Flachkabel 56 andere Längen, Dicken und Höhen haben.
Im Allgemeinen kann das Erfassungselement 116 eine Länge L3 haben, die es dem Erfassungselement 116 erlaubt, eine volle Umdrehung um die Innenwand 40 zu beschreiben, wenn das Flachkabel 56 voll aufgewickelt ist. In anderen Konstruktionen kann das Erfassungselement 116 eine Länge L3 haben, die es dem Erfassungselement 116 ermöglicht, mehr oder weniger als eine volle Umdrehung um die Innenwand 40 zu beschreiben, wenn das Flachkabel 56 voll aufgewickelt ist. Bei manchen Konstruktionen ist die Länge L3 des Erfassungselements 116 im Wesentlichen gleich der Länge L1 des Flachkabels 56 (zum Beispiel L3 ≥ 0,95 L1). Bei anderen Konstruktionen kann die Länge L3 25%, 50%, 75% oder ein anderer Prozentsatz der Länge L1 des Flachkabels 56 sein. Bei manchen Konstruktionen ist das Erfassungselement 116 in der Lage, 12 volle Umdrehungen um die Innenwand 40 zu beschreiben, bevor das Erfassungselement 116 irgendeiner Spannung ausgesetzt ist. So ist selbst wenn das Flachkabel 56 und das Erfassungselement 116 voll aufgewickelt sind (das heißt wenn es die Höchstzahl von Umdrehungen um die Innenwand 40 enthält), das Erfassungselement 116 immer noch keiner signifikanten Spannung ausgesetzt und beschränkt somit die Bewegung des Flachkabels 56 nicht.
Das Erfassungselement 116 und der Sensorstreifen 72 sind in 1–3 und 5 als in Bezug auf das Flachkabel 56 symmetrisch montiert dargestellt. Der Sensorstreifen 72 und das Erfassungselement 116 können an beliebiger Stelle auf dem Flachkabel 56 so montiert sein, dass das Erfassungselement 116 durch die Bewegung (zum Beispiel Auf- und Abwickeln) des Flachkabels 56 in Reaktion auf die Drehung des Lenkrades 18 eine Biegung erfährt.
Das Flachkabel 56 wickelt sich nicht notwendiger Weise gleichförmig auf und ab, wenn das Lenkrad 18 mit Bezug auf die stationäre Komponente 96 der Lenksäule 16 rotiert. Es ist also möglich, dass das Erfassungselement 116 sich nicht gleichförmig biegt, wenn das Flachkabel 56 auf- und abgewickelt wird. Wenn das Erfassungselement 116 eine ungleichmäßige Biegung erfährt, können sich die Widerstandseigenschaften des Erfassungselements 116 ungleichmäßig ändern, und der elektrische Wert, der dem Widerstand des Erfassungselements 116 entspricht, kann sich auch bei gleichmäßiger Drehung des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 ungleichmäßig ändern. Außerdem ist das Erfassungselement 116 empfindlicher gegen ungleichmäßige Biegung bei Drehen des drehbaren Gehäuseabschnitts 20, wenn das Erfassungselement 116 eine Länge L3 hat, die deutlich kleiner als die Länge L1 des Flachkabels 56 ist (zum Beispiel L3 ≤ 0,50 L1). Andererseits ist das Erfassungselement 116 weniger empfindlich gegen ungleichmäßige Biegung bei Drehung des drehbaren Gehäuseabschnitts 20, wenn das Erfassungselement 116 eine Länge L3 hat, die im Wesentlichen gleich der Länge L1 des Flachkabels 56 ist (zum Beispiel L3 ≥ 0,95 L1). Wenn die Längen L3 und L1 des Erfassungselements 116 und des Flachkabels 56 ungefähr einander gleich sind, werden die Änderungen in den Widerstandseigenschaften des Erfassungselements 116 über die Länge L3 des Erfassungselements 116 gemittelt.
Wie in 6 gezeigt, umfassen manche Konstruktionen des Winkelsensors 12 ein zweites Erfassungselement 124. Das zweite Erfassungselement 124 ist dem ersten Erfassungselement 116 ähnlich und ist mit dem ersten Erfassungselement 116 in Reihe geschaltet. Wie dargestellt, ist der positive Leiterdraht 84 mit einem Ende des zweiten Erfassungselements 124 verbunden, und der Masseleiter 88 ist mit einem Ende des ersten Erfassungselements 116 verbunden. Ein elektrisch leitfähiger Draht 128 verbindet elektrisch die anderen Enden des ersten und zweiten Erfassungselements 116, 124. Die Abmessungen (zum Beispiel Länge, Höhe und Dicke) des zweiten Erfassungselements 124 sind ungefähr gleich den Abmessungen (zum Beispiel Länge L3, Höhe H3 und Dicke T3) des ersten Erfassungselements 116. Andere Konstruktionen können mehr Erfassungselemente umfassen oder können Erfassungselemente von unterschiedlichen Abmessungen umfassen.
Im Betrieb wird ein elektrischer Wert, der dem Widerstand des Erfassungselements 116 entspricht, erfasst oder gemessen und der Auswertungsschaltung 92 bereitgestellt. Die Auswertungsschaltung 92 verarbeitet den gemessenen elektrischen Wert, um einen Drehwinkel zwischen dem stationären Gehäuseabschnitt 24 und dem drehbaren Gehäuseabschnitt 20 des Winkelsensors 12 zu bestimmen. Wie diskutiert, entspricht der Drehwinkel zwischen dem stationären Gehäuseabschnitt 24 und dem drehbaren Gehäuseabschnitt 20 einem Lenkwinkel (zum Beispiel dem Ausmaß der Drehung des Lenkrads 18 in Bezug auf die stationäre Komponente 96 der Lenksäule 16).
7 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung 132 mit gestrichelt dargestellten optionalen Komponenten, die verwendet werden kann, um den elektrischen Wert zu erfassen oder zu messen. Die Auswertungsschaltung 92 umfasst eine Energiequelle 136, einen Prozessor 140 und einen Sender 144. Die Energiequelle 136 liefert Energie an die Prozessoreinheit 40 und den Sender 144. Die Energiequelle 136 liefert auch eine Gleichspannung (DC, z. B. +5 Volt) an den positiven Leiterdraht 84 und Masse an den Masseleiterdraht 88. Die elektrische Schaltung 132 umfasst ferner einen Hall-Sensor 148, der positioniert ist, um den dem Widerstand des Erfassungselements 116 entsprechenden elektrischen Wert zu messen. Wie dargestellt, ist der Hall-Sensor 148 benachbart zum Masseleiterdraht 88 positioniert, so dass der Hall-Sensor 148 den elektrischen Wert, der dem Widerstand des Erfassungselements 116 entspricht, erfasst oder misst und ein Messsignal 152 ausgibt. Der Eingang 156 des Prozessors 140 empfängt das Messsignal 152 Der Prozessor 140 bestimmt einen Drehwinkel basierend auf dem Messsignal. Natürlich können andere geeignete Methoden verwendet werden, um einen auf den Widerstand des Erfassungselements 116 bezogenen elektrischen Wert zu messen. Als solche ist die Erfindung nicht beschränkt auf die Verwendung eines Hall-Sensors zum Messen des elektrischen Werts.
Genauer gesagt wird mit Bezug auf die in 7 gezeigte Ausgestaltung eine bekannte Spannung an den positiven Leiterdraht 84 angelegt, und der Hall-Sensor 148 misst den Strom durch das Erfassungselement 116. Der Hall-Sensor 148 gibt eine gemessene Spannung oder ein Messsignal 152 aus, das dem gemessenen Strom durch das Erfassungselement 116 entspricht. Der Prozessor 140 empfängt das Messsignal 152 und bestimmt den entsprechenden Widerstandswert des Erfassungselements 116. Der Prozessor 140 verwendet den Widerstandswert, um das Ausmaß der Drehung zu bestimmen. Der Prozessor 140 umfasst einen Speicher und eine in dem Speicher gespeicherte Nachschlagetabelle. Die Nachschlagetabelle umfasst empirisch bestimmte Werte des Widerstands des Erfassungselements 116 und entsprechende Drehwinkel. Der Prozessor 140 vergleicht den bestimmten Widerstandswert mit den Widerstandswerten in der Nachschlagetabelle. Wenn eine Übereinstimmung gefunden wird, wird der dem übereinstimmenden Widerstandswert in der Nachschlagetabelle entsprechende Drehwinkel aus dem Speicher gelesen und als Drehwinkel zu dem Messsignal 152 bestimmt. Wenn eine exakte Übereinstimmung nicht gefunden wird, wird der Widerstandswert in der Nachschlagetabelle, der am engsten (das heißt betragsmäßig am nächsten) am bestimmten Widerstandswert liegt, als übereinstimmender Widerstand angesehen. Der Prozessor 140 gibt den Drehwinkel an den Sender 144 aus, und der Sender 144 gibt den Drehwinkel an die elektronische Steuereinheit des Fahrzeugs oder andere Hardware aus, die den Drehwinkel verwendet. Der Sender 144 kann den Drehwinkel schnurlos oder über eine verdrahtete Verbindung senden. Bei anderen Konstruktionen kann ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem erfassten elektrischen Wert beschreibt. Wenn ein mathematisches Modell verwendet wird, empfängt der Prozessor 140 das Messsignal 152 und verwendet das mathematische Modell, um den Drehwinkel zu berechnen.
Wenn ein zweites Erfassungselement 124 an das Flachkabel 56 gekoppelt ist, misst der Hall-Sensor 148 einen elektrischen Wert, der dem durchschnittlichen Widerstand des ersten und des zweiten Erfassungselements 116 und 124 entspricht. Der Hall-Sensor 148 gibt ein Messsignal 152 aus, das dem durchschnittlichen Widerstand des ersten und zweiten Erfassungselements 116 und 124 entspricht. Der Prozessor 140 empfängt das Messsignal 152 am Eingang 156 und verwendet das Messsignal 152, um den Drehwinkel zu bestimmen. Der Prozessor 140 kann eine Nachschlagetabelle oder ein mathematisches Modell wie oben beschrieben verwenden, um den Drehwinkel zu bestimmen.
Die Erfassungselemente 116 und 124 können empfindlich gegen Umweltfaktoren wie etwa Feuchtigkeit, Temperatur etc. sein. Die Umweltfaktoren können die Eigenschaften des Erfassungselements 116 verändern. Zum Beispiel ändert sich bei starken Änderungen der Temperatur der Widerstand des Erfassungselements 116 auch, wenn es in einer stationären Position ohne Biegung gehalten ist. In manchen Fällen kann sich der Widerstand des Erfassungselements 116 um ±10% ändern. Um Änderungen von Umweltfaktoren zu kompensieren, kann ein zusätzliches Erfassungselement als Referenzerfassungselement 160 verwendet werden, um Änderungen des elektrischen Widerstandes des Erfassungselements 116, die ausschließlich auf Änderungen in den Umweltfaktoren zurückgehen, zu korrigieren. Wenn zum Beispiel der Widerstand des Erfassungselements 116 und der Widerstand des Referenzerfassungselements 160 beide aufgrund einer Temperaturänderung zunehmen, dann ändern sich die Messwerte 152 und 180. Der Prozessor kann eine Tabelle mit einer Liste von Korrekturwerten enthalten, die dem Messwert 180 des Referenzerfassungselements 160 entsprechen, der im Betrieb im Wesentlichen konstant ist, weil das Referenzerfassungselement 160 im Betrieb stationär ist. Der Prozessor 140 verwendet den Korrekturwert, um den Messwert 152 zu korrigieren, und bestimmt einen Drehwinkel, der den tatsächlichen Drehwinkel unabhängig von Änderungen des Widerstands des Erfassungselements 116 aufgrund von Auswirkungen der Umweltfaktoren genauer wiedergibt.
Das Referenzerfassungselement 160 kann verwendet werden, um den Winkelsensor 12 in folgender Weise zu kalibrieren. Während der Bestimmung der Nachschlagetabelle kann der durchschnittliche Messwert 180, der dem Widerstand des Referenzerfassungselements 160 entspricht, im Speicher des Prozessors 140 gespeichert werden. Im Betrieb empfängt der Prozessor 140 den Messwert 180 und vergleicht ihn mit dem zuvor gespeicherten Messwert. Wenn der Messwert 180 und der zuvor gespeicherte Messwert nicht gleich sind, dann verwendet der Prozessor 140 die Tabelle, um einen entsprechenden Korrekturwert zu bestimmen. Der Korrekturwert wird verwendet, um das Messsignal 152 zu korrigieren, das dem Widerstand des Erfassungselements 116 entspricht, und der korrigierte Wert wird verwendet, um den Drehwinkel in ähnlicher Weise wie oben beschrieben zu bestimmen.
Das Referenzerfassungselement 160 kann auch verwendet werden, wenn ein höherer Grad von Genauigkeit gewünscht ist. Das Referenzerfassungselement 160 ist optional am stationären Gehäuseabschnitt 24 des Winkelsensorgehäuses 14 durch eine Laminierschicht 164 befestigt. Bei anderen Konstruktionen kann das Referenzerfassungselement 160 auf einem Abschnitt des Flachkabels 56 befestigt sein, der während der Drehbewegung des drehbaren Gehäuseabschnitts 20 und des Lenkrades 18 stationär ist. Das Referenzerfassungselement 160 kann mit anderen geeigneten Verfahren, zum Beispiel Klebstoff, am stationären Gehäuseabschnitt 24 befestigt sein.
Ein zweiter positiver Leiterdraht 168 ist zwischen dem ersten positiven Leiterdraht 84 und dem Referenzerfassungselement 160 verbunden, so dass wenn eine Gleichspannung an den ersten positiven Leiterdraht 84 angelegt wird, die Spannung auch an den zweiten positiven Leiterdraht 168 angelegt wird. Entsprechend ist ein zweiter Masseleiterdraht 172 an einem Ende mit dem ersten Masseleiterdraht 88 und am anderen Ende mit dem Referenzerfassungselement 160 verbunden. Ein zweiter Hall-Sensor 176 ist benachbart zum zweiten Masseleiterdraht 172 positioniert, um einen elektrischen Referenzwert zu messen, der dem Widerstand des Referenzerfassungselements 160 entspricht. Der zweite Hall-Sensor 176 gibt ein zweites Messsignal 180 aus, das dem Widerstand des Referenzerfassungselements 160 entspricht. Der Prozessor 140 empfängt das zweite Messsignal 180 an einem zweiten Eingang 184. Der Prozessor 140 verwendet das zweite Messsignal 180, um das erste Messsignal 152 anzupassen und Umgebungsfaktoren wie etwa die oben beschriebenen zu kompensieren, die die Eigenschaften der Erfassungselemente 116, 124 und 160 verändern können.
Der Winkelsensor 12 umfasst elektrische Komponenten, die nicht so wärmeempfindlich sind wie in typischen Winkelerfassungsvorrichtungen enthaltene elektrische Komponenten. Der Winkelsensor 12 kann daher Temperaturen von bis ca. 150°C aushalten, und der Winkelsensor 12 kann unter einer Hitzeabschirmung 188 des Fahrzeugs positioniert sein. Wie zum Beispiel schematisch in 8 dargestellt, kann der Winkelsensor 12A, 12B, 12C, 12D, 12E im Wesentlichen beliebig entlang der Lenksäule 16 oder einer Antriebswelle 192 des Fahrzeugs positioniert sein.
Durch die Erfindung wird unter anderem ein Winkelsensor zum Bestimmen eines Ausmaßes einer Drehung einer drehbaren Komponente geschaffen, die mit Bezug auf eine stationäre Komponente rotiert. Außerdem wird durch die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Winkelsensor geschaffen. Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels vor. Diverse Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen eines Ausmaßes einer Drehung einer drehbaren Komponente, die mit Bezug auf eine stationäre Komponente rotiert, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Kabel mit einem an der drehbaren Komponente befestigten ersten Ende und einem an der stationären Komponente befestigten zweiten Ende, wobei das Kabel konfiguriert ist, sich auf- oder abzuwickeln, wenn die drehbare Komponente mit Bezug auf die stationäre Komponente rotiert; ein von dem Kabel getragenes Erfassungselement, wobei sich das Erfassungselement über eine Länge des Kabels erstreckt und konfiguriert ist, sich in Reaktion auf das Auf- oder Abwickeln des Kabels zubiegen, wobei das Erfassungselement einen Widerstand hat, der sich in Reaktion auf die Biegung des Erfassungselements ändert; eine Auswertungsschaltung, die mit dem Erfassungselement in Verbindung steht und konfiguriert ist, um einen mit dem Widerstand in Beziehung stehenden Wert zu bestimmen und basierend auf dem Wert das Ausmaß der Drehung zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteschaltung ferner einen Prozessor enthält, der das Ausmaß der Drehung basierend auf dem Wert bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Erfassungselement aus einem einzigen Erfassungselement besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung ferner ein zweites von dem Kabel getragenes Erfassungselement umfasst, wobei das zweite Erfassungselement sich über die Länge des Kabels erstreckt und konfiguriert ist, um sich in Reaktion auf das Auf- oder Abwickeln des Kabels zu biegen, wobei das zweite Erfassungselement einen zweiten Widerstand hat, der sich in Reaktion auf Biegen des zweiten Erfassungselements ändert, wobei das zweite Erfassungselement mit dem ersten Erfassungselement elektrisch in Reihe verbunden ist und wobei die Auswertungsschaltung mit dem ersten und zweiten Erfassungselement verbunden ist, um den Wert basierend auf einer Beziehung zu dem ersten und zweiten Widerstand zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung ferner ein Referenzerfassungselement umfasst, das an der stationären Komponente befestigt und keiner Biegung unterworfen ist, wobei das Referenzerfassungselement einen zweiten Widerstand hat und die Auswertungsschaltung ferner mit dem Referenzerfassungselement verbunden ist und ferner konfiguriert ist, um einen zweiten Wert, der mit dem zweiten Widerstand in Beziehung steht, zu bestimmen und das Ausmaß der Drehung ferner basierend auf dem zweiten Wert zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Auswerteschaltung einen Korrekturwert basierend auf dem zweiten Wert bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die drehbare Komponente ein Lenkrad und die stationäre Komponente eine Lenksäule ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswertungsschaltung von der stationären Komponente getragen ist.
Fahrzeug mit: einer Antriebswelle, die konfiguriert ist, um ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben; einer Lenksäule mit einer beweglichen Komponente und einer stationären Komponente, wobei die bewegliche Komponente an die Antriebswelle gekoppelt ist; einer an die bewegliche Komponente gekoppelten und zum Bewegen der beweglichen Komponente mit Bezug auf die stationäre Komponente konfigurierten Lenkvorrichtung; und einem Winkelsensor, der konfiguriert ist, um ein Ausmaß der Drehung der beweglichen Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente zu bestimmen, wobei der Winkelsensor umfasst: ein Gehäuse, das einen beweglichen Gehäuseabschnitt und einen stationären Gehäuseabschnitt umfasst; einen Materialstreifen mit einem am beweglichen Gehäuseabschnitt befestigten ersten Ende und einem am stationären Gehäuseabschnitt befestigten zweiten Ende, wobei der Materialstreifen konfiguriert ist, um sich auf- oder abzuwickeln, wenn der bewegliche Gehäuseabschnitt sich in Bezug auf den stationären Gehäuseabschnitt bewegt; ein von dem Materialstreifen getragenes Erfassungselement, das sich über eine Länge des Materialstreifens erstreckt und konfiguriert ist, um sich in Reaktion auf die Bewegung des Materialstreifens zu biegen, wobei das Erfassungselement einen Widerstand hat, der sich in Reaktion auf Biegung des Erfassungselements ändert; und eine Auswertungsschaltung, die mit dem Erfassungselement verbunden und konfiguriert ist, um einen elektrischen Wert zu bestimmen, der mit dem Widerstand in Beziehung steht, und das Ausmaß der Drehung basierend auf dem elektrischen Wert zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 9, bei dem die Auswertungsschaltung ferner einen Prozessor umfasst, der konfiguriert ist, das Ausmaß der Drehung basierend auf dem elektrischen Wert zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 9, bei dem das Erfassungselement aus einem einzigen Erfassungselement besteht.
Fahrzeug nach Anspruch 9, bei dem das Erfassungselement ein erstes Widerstandselement und ein zweites Widerstandselement umfasst, wobei das erste Widerstandselement und das zweite Widerstandselement in Reihe verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 9, bei dem der Winkelsensor ferner ein Referenzerfassungselement umfasst, das an der stationären Komponente befestigt und keiner Biegung unterworfen ist, wobei das Referenzerfassungselement einen zweiten Widerstand hat und die Auswertungsschaltung ferner mit dem Referenzerfassungselement verbunden ist und ferner konfiguriert ist, um einen elektrischen Referenzwert, der mit dem zweiten Widerstand in Beziehung steht, zu bestimmen und das Ausmaß der Drehung ferner basierend auf dem elektrischen Referenzwert zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 13, bei dem die Auswertungsschaltung einen Korrekturwert basierend auf dem elektrischen Referenzwert Wert bestimmt, einen mit dem Widerstand in Beziehung stehenden elektrischen Wert bestimmt, den elektrischen Wert basierend auf dem Korrekturwert korrigiert, um einen korrigierten elektrischen Wert zu bestimmen, und das Ausmaß der Drehung basierend auf dem korrigierten elektrischen Wert bestimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 9, ferner mit einem in der Lenkvorrichtung positionierten Sensor, bei dem der Materialstreifen ein elektrisches Kabel ist, das konfiguriert ist, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensor und einer stationären elektrischen Komponente herzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswertungsschaltung von dem stationären Gehäuseabschnitt getragen ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels unter Verwendung eines Winkelsensors, wobei der Winkelsensor einen Materialstreifen mit einem an einer stationären Komponente befestigten ersten Ende und einem an einer in Bezug auf die stationäre Komponente rotierenden drehbaren Komponente befestigten zweiten Ende umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bewegen eines an dem Materialstreifen befestigten Erfassungselements, so dass das Erfassungselement sich in Reaktion auf die Drehung der drehbaren Komponente biegt, wobei das Erfassungselement einen Widerstand hat, der sich in Reaktion auf Biegung des Erfassungselements ändert; Erfassen eines elektrischen Wertes, der mit dem Widerstand des Erfassungselements in Beziehung steht; und Bestimmen des Ausmaßes der Drehung aus dem elektrischen Wert.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Bestimmung des Ausmaßes der Drehung ferner umfasst: Vergleichen des elektrischen Werts mit einer Mehrzahl von elektrischen Werten in einer Tabelle, wobei jeder der Mehrzahl von elektrischen Werten einem Ausmaß der Drehung entspricht, Ermitteln eines zu dem elektrischen Wert passenden Werts aus der Mehrzahl von elektrischen Werten und Wählen des Ausmaßes der Drehung, die dem einen aus der Mehrzahl elektrischer Werte entspricht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Bestimmen des Ausmaßes der Drehung ferner das Berechnen des Ausmaßes der Drehung basierend auf einem mathematischen Modell umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Widerstand sich ferner in Reaktion auf eine Änderung eines Umweltfaktors ändert, wobei das Verfahren ferner umfasst: Erfassen eines elektrischen Referenzwerts eines an der stationären Komponente montierten Referenzerfassungselements, wobei das Referenzerfassungselement einen Referenzwiderstand hat, der sich in Reaktion auf die Änderung des Umweltfaktors ändert, und der elektrische Referenzwert in einer Beziehung zum Referenzwiderstand steht; und Bestimmen des Ausmaßes der Drehung aus dem elektrischen Wert und dem elektrischen Referenzwert.