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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Datenübertragungsvorrichtung
für eine
Datenübertragung
zwischen zwei radial um eine Drehachse gegeneinander bewegliche
Einrichtungen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon
elektrische Verbindungen insbesondere zur Datenübertragung zwischen radial
gegeneinander beweglichen Einrichtungen bekannt, bei denen diese über Wickelfedern
miteinander verbunden sind. Die Lebensdauer der Wickelfeder ist
jedoch begrenzt, so dass z.B. bei einer Verwendung im Fahrzeugbau
die Lebensdauer heutiger Kraftfahrzeuge nicht erreicht wird. Ferner
ist es bekannt, mittels an den beiden Einrichtungen angeordneten
Transformatoren Daten induktiv zu übertragen. Transformatoren
sind jedoch recht aufwendige Bauteile, wobei für die Übertragung mehrerer Datenkanäle sogar
mehrere Transformatoren erforderlich sind. Zudem können Digitalsignale
nicht direkt übertragen
werden, sondern müssen
moduliert und anschließend
wieder demoduliert werden. Ferner können elektromagnetische Verträglichkeitsprobleme auftreten.
Aus der
DE 195 28 693 ist
ein optisches Übertragungsverfahren
für ein
Lenkrad in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem an der Lenksäule und
dem gegenüber
der Lenksäule
drehbaren Lenkrad Lichtsender und -empfänger angeordnet sind. Hierbei
sind auf der Lenkradseite mit dem Lenkrad drehbar acht Lichtempfänger und
-sender auf einer Leiterplatte vorgesehen, die auf den Enden von
einzelnen Lichtleitern angeordnet sind. Diese verbreitern sich in
Richtung der Lichtsender derart, dass sie gewährleisten, dass in jeder Lenkradstellung
ein Sender zumindest einem Lichtleiter gegenübersteht. Die Lichtleiter sind
dabei derart ausgeführt,
dass sie maximal etwa 180° um
die Drehachse herumführen. Damit
sind zumindest zwei Lichtleiter und zwei Sende- und Empfangseinheiten
zumindest auf einer Lichtleiterseite erforderlich.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Datenübertragungsvorrichtung mit
den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Lichtleiter kreis-
oder ringförmig
um die Drehachse herum angeordnet ist. Durch die Anordnung in einem
Vollkreis um die Drehachse herum wird dabei in jeder Position der
ersten Einrichtung das Licht der dortigen Sendeeinheit zu der gegenüberliegenden,
an der zweiten Einrichtung angeordneten Empfangseinheit übertragen.
Hierdurch kann die Anzahl von Sende- und Empfangseinheiten reduziert
werden. Durch die runde bzw. kreisförmige Ausgestaltung des Lichtleiters kann
dieser einstöckig
ausgeführt
werden und zudem einfacher zentriert sowie an der Drehachse montiert
werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Datenübertragungsvorrichtung
möglich. Besonders
vorteilhaft ist, dass der Lichtleiter zumindest teilweise aus einem
lichtstreuenden Material ausgeführt
ist. Hierdurch wird die Helligkeit der von einem Sender eingestrahlten
Strahlen über
das Volumen des Lichtleiters homogenisiert, so dass eine Lichtleitung
von dem Sender zu dem Empfänger auch
bei einer entfernten Positionierung des Senders von dem Empfänger gewährleistet
ist.
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Ferner ist vorteilhaft, an der Oberfläche des Lichtleiters
einen lichtstreuenden Aufdruck anzubringen, da durch diesen eine
weitere Homogenisierung des ausgestrahlten Lichtes erreicht wird.
Es ist ferner vorteilhaft, lichtlenkende Strukturen an der Oberfläche des
Lichtleiters vorzusehen, um aus dem Lichtleiter ausgekoppeltes Licht
in Richtung einer Empfängereinheit
weiterzuleiten.
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Ferner ist vorteilhaft, einen ersten
Lichteinkoppelbereich an der ersten Einrichtung und einen zweiten
Lichteinkoppelbereich an der zweiten Einrichtung vorzusehen, wobei
sich die Durchmesser der beiden Lichteinkoppelbereiche unterscheiden. Hierdurch
kann die Positionierung der Sende- und Empfangseinheiten an eine
jeweilige Baugeometrie angepasst werden, so dass z.B. eine enge
Positionierung an einer Lenksäule
entsprechend dem zu Verfügung
stehenden Bauraum auf der einen Seite an eine Positionierung mit
einem größeren Abstand zu
der Drehachse auf der anderen Seite, z.B. an einem Lenkrad, angepasst
werden kann.
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Ferner ist vorteilhaft, einen Lichtleiter
jeweils an der ersten und an der zweiten Einrichtung anzubringen.
Hierdurch kann der Lichtübertragungspunkt zwischen
der ersten und der zweiten Einrichtung unabhängig von der Positionierung
von Sende- und Empfangseinheiten gewählt werden. Hierdurch wird ermöglicht,
im Bereich der Drehachse Platz für
ein Lager, ein Getriebe oder eine sonstige insbesondere auch elektrische
und/oder mechanische Übertragungseinrichtung
zwischen den beiden Einrichtungen zu schaffen.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Datenübertragungsvorrichtung am
Beispiel einer Datenübertragung
zwischen einem Lenkrad und einer Lenksäule,
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2 eine
Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Lichtleiter
gemäß der 1, 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Datenübertragungsvorrichtung,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Datenübertragungsvorrichtung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die erfindungsgemäße Datenübertragungsvorrichtung kann
für beliebige
Einrichtungen verwendet werden, die gegeneinander um eine Drehachse drehbar
sind. Sie ist damit für
Maschinen verwendbar, bei denen ein erster Arm an einem zweiten
Arm befestigt ist wobei der erste Arm gegenüber dem zweiten Arm drehbar
ist und dieser vorzugsweise auch maschinell bewegt wird. Für die Steuerung
weiterer, an dem ersten Arm befestigter maschineller Elemente können Steuerungsdaten über die
erfindungsgemäße Datenübertragungsvorrichtung übertragen
werden. Ferner ist auch eine Verwendung für eine Datenübertragung
zwischen einem drehbaren Rad und der Achse, die das Rad hält, möglich. Im Folgenden
wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Datenübertragungsvorrichtung am Beispiel eines
Lenkrades erläutert,
das gegenüber
einer Lenksäule
drehbar ist, wobei die Lenksäule
eine Lenkachse führt.
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In der 1 ist
ein Lenkrad 1 dargestellt, das an einer Lenksäule 2 angeordnet
ist, wobei das Lenkrad 1 um die gestrichelt eingezeichnete
Drehachse 3 drehbar ist. Das Lenkrad 1 ist mit
einer Lenkachse 4 verbunden, die durch die Lenksäule 2 zu
einer in der 1 nicht
dargestellten Fahrzeuglenkung des Kraftfahrzeugs führt. An
dem Lenkrad 1 sind Bedienelemente 5, 6 angeordnet,
die vorzugsweise als Drucktaster ausgeführt sind. Die Bedienelemente 5, 6 dienen
z.B. der Betätigung
eines akustischen Fahrzeugwarnsignals (Hupe) oder der Steuerung
anderer Fahrzeugfunktionen: z.B. ein Radio, ein Blinker, eine Navigationsvorrichtung
oder eine Klimaanlage. Ferner weist das Lenkrad 1 eine
Airbag-Vorrichtung 7 auf, die in dem Lenkrad 1 angeordnet
ist und die bei einem Zusammenstoß dazu führt, dass aus dem Lenkrad heraus
ein Airbag aufgeblasen wird, der den Fahrer vor einem Zusammenstoß mit dem
Lenkrad 1 schützt.
Einerseits müssen
daher Daten der Bedienelemente 5, 6 zur Fahrzeugelektronik übertragen werden,
andererseits muss die Airbag-Vorrichtung 7 mit Daten der
Fahrzeugelektronik, insbesondere von Beschleunigungs- oder Zusammenstoßsensoren, versorgt
werden. In der 1 nicht
dargestellt ist eine mögliche
Anordnung einer Anzeigevorrichtung an dem Lenkrad 1, in
der zusätzlich
fahrzeugrelevante Informationen darstellbar sind. An dem Lenkrad 1 ist
auf einer dem Fahrer abgewandten Seite eine erste Sendeeinheit 8 und
eine erste Empfangseinheit 9 angeordnet, die einem Lichtleiter 10 zuweisen.
Der Lichtleiter 10 ist an der Lenksäule 2 angeordnet und verbleibt
in einer Ruhelage, während
die Sende- und Empfangseinheiten 8, 9 mit dem
Lenkrad um die Drehachse 3 herum drehbar sind. Der Lichtleiter 10 weist
eine ringförmig
ausgebildete erste Ein/Auskoppelfläche 11 auf, die ringförmig um
die Drehachse 3 herum verläuft. Die erste Ein/Auskoppelfläche 11 ist dabei
derart ausgeführt,
dass sie in jeder Winkelstellung des Lenkrades 1 um die
Drehachse 3 der ersten Sendeeinheit 8 und der
ersten Empfangseinheit 9 zuweist. Auch eine zweiten Ein/Auskoppelfläche 14 des Lichtleiters 10 ist
ringförmig
symmetrisch um die Drehachse 3 bzw. die Lenkachse 4 herum
angeordnet. Der Durchmesser des durch die zweite Ein/Auskoppelfläche 14 beschriebenen
Kreisrings ist jedoch geringer als der Durchmesser des durch die
erste Ein/Auskoppelfläche 11 beschriebenen
Kreisrings um die Drehachse 3. Wenn die Bauform des Lenkrades
dies erfordert, kann der Lichtleiter 10 jedoch auch umgekehrt
montiert werden, so dass für
Sende- und Empfangseinheit an der Lenksäule 2 ein größerer Abstand
zu der Drehachse 3 als an dem Lenkrad 1 möglich ist.
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Die erste Sendeeinheit 8 ist
vorzugsweise als eine Leuchtdiode ausgeführt, vorzugsweise als eine
Laserdiode, die über
eine in dem Lenkrad angeordnete, in der 1 nicht gezeigte Steuerelektronik angesteuert
wird. Daten, die von dem Lenkrad 1 an die Fahrzeugelektronik übertragen
werden sollen, werden von der Steuerelektronik codiert und von der ersten
Sendeeinheit 8 in den Lichtleiter 10 hinein als Lichtsignale
abgestrahlt. Das von der ersten Sendeeinheit 8 abgestrahlte
Licht koppelt über
die erste Ein/Auskoppelfläche 11 in
den Lichtleiter 10 ein und wird über eine erste Lichtumlenkfläche 12 in
eine parallel zu dem Lenkrad 1 liegende Richtung umgelenkt,
bis es auf eine zweite Lichtumlenkfläche 13 trifft, die
das Licht wiederum parallel zu der Drehachse 3 umlenkt.
Es verlässt
den Lichtleiter an der zweiten Ein/Auskoppelfläche 14 und trifft
auf eine zweite Empfangseinheit 15, die an einer Leiterplatte 16 an der
Lenksäule 2 angeordnet
ist. Die von der zweiten Empfangseinheit 15 empfangenen
Signale werden decodiert und an die Fahrzeugelektronik weitergeleitet.
Ebenfalls ist an der Lenksäule 2 auf
der kreisförmig
um die Lenksäule
gelegten Leiterplatte 16 eine zweite Sendeeinheit 17 angeordnet,
deren Licht ebenfalls über
die auch als Lichteinkoppelfläche
fungierende zweite Ein/Auskoppelfläche 14 in den Lichtleiter 10 eingekoppelt
und auf dem umgekehrten Wege über
die Lichtumlenkflächen 13 und 12 und
die erste Ein/Auskoppelfläche 11 zu
der ersten Empfangseinheit 9 ausgekoppelt wird. Der Lichtleiter 10 ist
dabei derart ausgeführt,
dass das in den Lichtleiter 10 eingekoppelte Licht durch
zahlreiche Reflexionen an der Lichtleiteroberfläche über das gesamte Lichtleitervolumen
verteilt wird.
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Die erste und die zweite Empfangseinheit 9, 15 sind
vorzugsweise als Photodioden oder als Phototransistoren ausgeführt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
unterscheiden sich die Wellenlängen der
ersten Sendeeinheit 8 und der zweiten Sendeeinheit 17.
Die erste Empfangseinheit 9 ist dabei frequenzselektiv
auf die zweite Sendeeinheit 17 und die zweite Empfangseinheit 15 ebenfalls
auf die erste Sendeeinheit 8 frequenzselektiv ausgerichtet,
so dass eine bidirektionale Datenübertragung zeitgleich möglich ist,
da das Licht der entsprechenden anderen Wellenlänge der einen Datenübertragungsrichtung
die Wellenlänge
für die
andere Datenübertragungsrichtung
nicht stört.
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Der Lichtleiter 10 ist vorzugsweise
aus einem Kunststoffmaterial, z.B. PMMA (Polymethylmetacrylat) ausgeführt. Zur
Homogenisierung der Helligkeit können
diesem Material Streukörper,
insbesondere ein Kunststoffmaterial einer anderen Dichte, z.B. PC
(Polycarbonat)-Kügelchen,
zugeführt
werden. Ferner ist es auch möglich
weiße
Farbstoffpartikel in das Kunststoffmaterial einzubringen, um die Verteilung
des Lichtes über
das gesamte Volumen des Lichtleiters 10 zu verbessern.
Zur weiteren Homogenisierung kann an den Ein/Auskoppelflächen 11, 14 ein
lichtstreuender Aufdruck angebracht werden. Um Lichtverluste bei
der Übertragung
zwischen den Sende- und Empfangseinheiten und dem Lichtleiter 10 zu
vermeiden, kann an den Lichteinkoppelflächen auch eine Mikroprismenstruktur
angeordnet sein, die dafür
sorgt, dass Licht möglichst
geradlinig in den Lichtleiter eingekoppelt und aus diesem ausgekoppelt
wird. Um ein Eindringen von Streulicht zu vermeiden, weist das Lenkrad 1 eine
Blende 18 auf, die eine Seitenwand 19 der Lenksäule 2 übergreift. Hierdurch
wird zwischen der Seitenwand 19 und der Blende 18 eine
Lichtfalle ausgebildet, die das Eindringen von Licht in den Innenbereich
zwischen Lenksäule 2 und
Lenkrad 1 verhindert.
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In einer weiteren, in der 1 nicht dargestellten Ausführungsform
können
die erste Sendeeinheit 8 und die erste Empfangseinheit 9 und/oder
die zweite Empfangseinheit 15 und die zweite Sendeeinheit 17 jeweils
in einem Bauteil integriert sein, so dass an dem Lenkrad 1 und/oder
an der Lenksäule 2 jeweils
nur eine einzige Sende- und Empfangseinheit anzubringen ist, die
sowohl optische Strahlung emmitieren, als auch empfangen kann.
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In der 2 ist
eine Aufsicht auf den Lichtleiter 10 dargestellt, der kreissymmetrisch
um die Lenkachse 4 herum zentriert montiert ist. Während die ebenfalls
eingezeichnete zweite Empfangseinheit 15 an der Lenksäule 2 fest
montiert ist, ist die erste Sendeeinheit 8 an dem Lenkrad
in Pfeilrichtung 20 in beide Richtungen um die Drehachse 3 herum
derart drehbar, dass sie für
jeden möglichen
Drehwinkel um die Drehachse 3 der ersten Ein/Auskoppelfläche 11 gegenübersteht.
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In der 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Datenübertragungsvorrichtung
dargestellt. Eine erste Sende- und Empfangseinheit 21 ist
auf einer Halterung 22 an einer ersten Einrichtung im Bereich
einer Drehachse 23 angeordnet. Die erste Einrichtung ist
dabei gegenüber
einer zweiten Einrichtung um die Drehachse 23 herum drehbar,
wobei an der zweiten Einrichtung eine zweite Sende- und Empfangseinheit 24 an
einer mit der zweiten Einrichtung verbundenen Halterung 25 angeordnet
ist.
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Zwischen der ersten Sende- und Empfangseinheit 21 und
der zweiten Sende- und Empfangseinheit 24 ist ein Lichtleiter 26 angeordnet,
der entweder an der ersten oder an der zweiten Einrichtung befestigt
ist. Der Lichtleiter 26 weist einen ersten Ein/Auskoppelbereich 27 auf,
der der ersten Sende- und Empfangseinheit 21 zuweist. Licht
von der ersten Sende- und Empfangseinheit 21 wird über den
ersten Ein/Auskoppelbereich 27 parallel zu der Drehachse 23 in
den Lichtleiter 26 eingekoppelt und zu einem Umlenkbereich 28 geführt, der
der ersten Sende- und Empfangseinheit 21 gegenüberliegt.
In dem Umlenkbereich 28 ist eine trichterförmige Vertiefung
in den Lichtleiter 26 eingebracht, wobei das Zentrum des Trichters
auf der Drehachse 23 liegt. Die Vertiefung bildet Umlenkflächen aus,
durch die das von der ersten Sende- und Empfangseinheit abgestrahlte
Licht in einer durch den Lichtleiter 26 beschriebenen Ebene
senkrecht zu der Drehachse 23 umgelenkt und verteilt wird. Über eine
zweite Lichtumlenkfläche 29, die
vorzugsweise in einem Winkel von 45° gegenüber der Drehachse 23 an
einem Rand des Lichtleiters 26 angeordnet ist, wird das
Licht wieder parallel zu der Drehachse 23 ausgerichtet
und zu einer zweiten Ein/Auskoppelfläche 30 geführt, die
einer zweiten Sende- und Empfangseinheit 24 gegenüberliegt.
Somit ist ein optischer Kontakt zur Übermittlung optischer Signale
zwischen der ersten Sende- und Empfangseinheit 21 und der
zweiten Sende- und Empfangseinheit 24 möglich. Bezüglich seine Materialausführung entspricht
der Lichtleiter 26 dem Lichtleiter 10. Das Ausführungsbeispiel
gemäß der 3 ist insbesondere dann
vorteilhaft, wenn die erste Einrichtung als eine Achse ausgeführt ist,
in deren Mitte die erste Sende- und Empfangseinheit 21 ausgeführt ist,
während
an der zweiten Einrichtung in dem Bereich der Drehachse keine Montagemöglichkeit
für eine
Sende- und Empfangseinheit besteht. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
können
anstelle der zweiten, integrierten Sende- und Empfangseinheit auch
getrennte Sende- und Empfangseinheiten verwendet werden.
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In der 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem sowohl an der ersten Einrichtung ein erster
Lichtleiter 31 und an der zweiten Einrichtung ein zweiter
Lichtleiter 32 angeordnet ist, wobei die erste Einrichtung
gegenüber
der zweiten Einrichtung um eine Drehachse 33 drehbar ist.
Der erste Lichtleiter 31 ist gleich dem zweiten Lichtleiter 32 ausgeführt, wobei
diese in ihrer Bauart jeweils dem Lichtleiter 10 entsprechen.
Der erste Lichtleiter 31 weist mit seiner zweiten Ein/Auskoppelfläche 14 einer
an der ersten Einrichtung angeordneten Sende- und Empfangseinheit 34 zu.
Der zweite Lichtleiter 32 weist mit seiner zweiten Ein/Auskoppelfläche 14 einer
Sendeeinheit 35 und einer Empfangseinheit 36 zu,
die an der zweiten Einrichtung angeordnet sind. Die Lichtleiter 31, 32 sind
dabei derart um die Drehachse 33 herum angeordnet, dass
sich ihre ersten Ein/Auskoppelflächen 11 jeweils
parallel gegenüberliegen.
Ein optischer Kontakt zwischen der Sende- und Empfangseinheit 34 einerseits
und der Sendeeinheit 35 sowie der Empfangseinheit 36 andererseits
erfolgt dabei derart, dass das Licht, z.B. ausgehend von der Sende-
und Empfangseinheit 34 über den
ersten Lichtleiter 31 geführt wird, über die ersten Ein/Auskoppelflächen 11 in
den Lichtleiter 32 übermittelt
wird und von diesem wiederum zu der Sendeeinheit 35 bzw.
der Empfangseinheit 36 geführt wird und umgekehrt. Hierdurch
wird ermöglicht,
weitere Bauteile, insbesondere andere Übertragungsvorrichtungen, z.B.
eine elektrische Leistungsübertragung oder
eine mechanische Lagerung, in einem Bereich unmittelbar um die Drehachse 33 herum
zwischen der ersten Einrichtung und der zweiten Einrichtung anzuordnen.