DE10242169C1

DE10242169C1 - Optoelektronischer Lenkwinkelsensor

Info

Publication number: DE10242169C1
Application number: DE2002142169
Authority: DE
Inventors: Frank Blaesing; Ralf Boebel; Christian Schirp
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe, mit einer die Codierung bestrahlenden Lichtquelle und mit einem radial ausgerichteten, photosensitiven Zeilensensor, wobei ein Lichtleitkörper zum bestimmungsgemäßen Beleuchten der von dem Zeilensensor abgewandten Seite der Codescheibe vorgesehen ist. DOLLAR A Bei einem solchen Lenkwinkelsensor soll das technische Problem gelöst werden, auch bei einem großen radialen Versatz der Codescheibe gegenüber dem Sensorarray sicherzustellen, daß alle Codespuren der Codescheibe auf dem Sensorarray abgebildet werden können. DOLLAR A Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zumindest eine weitere, zur Bestrahlung der Codierung vorgesehene Lichtquelle vorhanden ist, die radial versetzt zu der ersten Lichtquelle angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet optoelektronischer Drehwinkel sensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe, mit einer die Codierung bestrahlenden Lichtquelle und mit einem radial ausgerichteten, photosensitiven Zeilensensor, wobei ein Lichtleitkörper zum bestimmungsgemäßen Beleuchten der von dem Zeilensensor abgewandten Seite der Codescheibe vorgesehen ist.

Drehwinkelsensoren dienen im Kraftfahrzeugbereich zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades und werden daher auch als Lenkwinkelsensoren bezeichnet. Der Lenkwinkel bzw. der Lenkwinkeleinschlag wird bei Kraftfahrzeugen benötigt, um mit diesem Wert etwa ein Fahrdynamikregelsystem beaufschlagen zu können. Ein solches Fahrdynamikregelsystem erhält neben dem genannten Lenkwinkelwerten weitere Meßdaten, etwa die Raddrehzahl oder die Drehung des Kraftfahrzeuges um seine Hochachse. Benötigt werden zum einen der absolute Lenkwinkeleinschlag und zum anderen die Lenkgeschwindigkeit, damit diese Werte zusammen mit den anderen erfaßten Daten durch das Fahrdynamikregelsystem ausgewertet und zum Steuern von Aktoren, beispielsweise der Bremsen und/oder des Motormanagements umgesetzt werden können.

Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist beispielsweise aus der DE 40 22 837 A1 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Lenkwinkelsensor besteht aus zwei parallel und mit Abstand zueinander angeordneten Elementen - einer Lichtquelle und einem Zeilensensor - sowie einer zwischen der Lichtquelle und dem Zeilensensor angeordneten Codescheibe, die drehfest mit der Lenkspindel verbunden ist. Als Zeilensensor dient eine CCD-Sensorzeile. Als Codierung ist bei dieser Codescheibe eine sich über 360° erstreckende, als Lichtschlitz ausgebildete archimedische Spirale vorgesehen. Über die Belichtung entsprechender Wandlerelemente des Zeilensensors bei einem bestimmten Lenkeinschlag kann Aufschluß über die tatsächliche Lenkwinkelstellung gewonnen werden.

Aus der DE 43 41 767 C1 ist eine lichtelektrische absolut messende Positionsmesseinrichtung zur Messung von Längen und Winkeln bekannt, bei der zur Abtastung einer Codespur mehrere Lichtquellen vorgesehen sind. Durch gezielte Aktivierung der einzelnen Lichtquellen werden bei dieser Messeinrichtung die Codeelemente unter verschiedenen Richtungen beleuchtet, wodurch sich der Projektionsort der Codeelemente längs des Sensors verschiebt.

Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist aus der DE 299 15 998 U1 bekannt geworden, bei dem zur Vereinfachung einer Anordnung der elektrischen Zuleitungen sowie zur Verbesserung der Toleranzsituation der Empfänger bzw. der Zeilensensor, die Lichtquelle und der Lichtleitkörper auf der gleichen Seite der Codescheibe auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Der Lichtleitkörper lenkt dabei die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen so um, daß die dem Zeilensensor gegenüberliegende Oberseite der Codescheibe bestimmungsgemäß beleuchtet wird. Der Lichtleitkörper greift dazu randlich über die Codescheibe, so daß zwischen dem Lichtleitkörper und dem Zeilensensor ein Bewegungsspalt verbleibt, in dem die Codescheibe bewegt werden kann. Der Lichtleitkörper ist über Füße auf dem Träger abgestützt gehalten, die unterseitig eine ebene Aufstandsfläche aufweisen und von denen Positionierdome abragen, die in entsprechende Paßöffnungen des Trägers eingreifen, wobei die Lichtquelle und der Lichtleitkörper bezüglich dessen Einkoppelfläche auf einer optischen Achse liegen. Die Füße des Lichtleitkörpers sind Teil des als Kunststoffspritzgußteil hergestellten Lichtleitkörpers und somit an diesem angeformt.

Bei diesem Lenkwinkelsensor ist zwar gegenüber vorbekannten Anordnungen eine deutliche Verbesserung der Lagegenauigkeit der Anordnung des Zeilensensors, der Lichtquelle und des Lichtleitkörpers zueinander erreicht, ein Ausgleich der Lagetoleranzen der gegenüber dieser Anordnung beweglichen Codescheibe kann dadurch jedoch nicht erreicht werden. Da die radiale Lage der Codescheibe zu den übrigen Komponenten durch die relativ großen Toleranzen der Lenkspindel gegenüber dem Mantelrohr wesentlich mitbestimmt wird, kann es im Extremfall zu einer Situation kommen, in der die Codescheibe gegenüber dem Zeilensensor so weit verschoben ist, daß nicht mehr alle Codespuren der Codescheibe auf dem Zeilensensor abgebildet werden.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen solchen optoelektronischen Winkelsensor dergestalt weiterzubilden, daß dieser die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zum Ausgleich durch mechanische Toleranzen bedingter Abweichungen der relativen Lage der Codescheibe zum Zeilensensor zumindest eine weitere, zur Bestrahlung der Codierung vorgesehene Lichtquelle vorhanden ist, die radial versetzt zu der ersten Lichtquelle so angeordnet ist, daß je nach Auswahl der Lichtquelle die Codierung unter einem anderen Projektionswinkel auf den Zeilensensor projiziert wird, wobei diejenige Lichtquelle als aktives Element festgelegt ist, die die beste Abbildung der gesamten optischen Codierung der Codescheibe auf den Zeilensensor bewirkt.

Die Vorteile einer solchen Anordnung mit mehreren radial versetzt zueinander angeordneten Lichtquellen lassen sich selbstverständlich auch bei einer Konfiguration ausnutzen, bei der die Lichtquellen und der Zeilensensor auf einander gegenüberliegenden Seiten der Codescheibe angeordnet sind. Bevorzugt ist allerdings die Anordnung der Komponeten Zeilensensor, Lichtquellen und Lichtleitkörper auf einem gemeinsamen Träger, um die Lagetoleranzen dieser Elemente zueinander bereits weitgehend einzugrenzen.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands sind die Lichtquellen als LED-Chips ausgebildet, welche bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind.

Eine asphärische gekrümmte Einkoppelfläche und eine eben ausgeführte Auskoppelfläche des Lichtleitkörpers bewirken eine Parallelisierung der divergent von den jeweiligen Lichtquellen emittierten Lichtstrahlen bereits an der Einkoppelfläche. Das parallele Strahlenbündel tritt dann, je nachdem, welche Lichtquelle aktiv ist, senkrecht oder unter einem gegenüber der Senkrechten leicht geneigten Winkel aus der Auskoppelfläche aus.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte dreidimensionale Ansicht eines Lenkwinkelsensors eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 ein schematisierte Querschnittsdarstellung, insbesondere der relevanten Elemente des Sensorkopfs des Lenkwinkelsensors der Fig. 1

Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist zur Bestimmung der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Der Lenkwinkelsensor umfaßt eine Codescheibe 1, die drehfest mit einer Lenkspindel 10 verbunden ist, die in die zentrale Öffnung 6 eingreift. Die Codescheibe 1 trägt eine optische Codierung, die mit einem Sensorkopf 4 zur Bestimmung der aktuellen Winkelstellung der Codescheibe 1 zum stationär zur Codescheibe angeordneten Sensorkopf 4 und somit zur Bestimmung des Lenkwinkels abgetastet wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Sensorkopf 4 und die am Aufbau des Sensorkopfes 4 beteiligten Elemente. Der Sensorkopf 4 besteht aus einem photosensitiven Zeilensensor 5, beispielsweise einem sog. Photodioden-Array (PDA), Lichtquellen 2, 3, 3', beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 9 aufgenommenen LED-Chips und einem Lichtleitkörper 7, die alle gemeinsam auf einem Träger 8 befestigt sind. Bei dem Träger 8 handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Leiterplatte, über deren Leiterbahnen sowohl der Zeilensensor 5 als auch die Lichtquellen 2, 3, 3' elektrisch kontaktiert sind. Der Zeilensensor 5 und die Lichtquellen befinden sich auf der einen Seite der Codescheibe 1; der Lichtleitkörper 7 befindet sich, zumindest soweit seine lichttechnisch wirksamen Abschnitte betroffen sind, auf der gegenüberliegenden Seite der Codescheibe 1. Zwischen dem Lichtleitkörper 7 und dem Zeilensensor 5 befindet sich ein Bewegungsspalt, in den die Codescheibe 1 eingreift.

Der Lichtleitkörper 7 stützt sich über zwei in der Zeichnung nicht dargestellte Füße auf dem Träger 8 ab, wobei die Füße unterseitig zur kippstabilen Befestigung des Lichtleitkörpers auf dem Träger 8 ausreichend groß bemessene, ebene Aufstandsflächen sowie in den Träger 8 hineinragende Positionierdome zur lagegenauen Anordnung des Lichtleitkörpers 7 zu den Lichtquellen 2, 3, 3' und zur photosensitiven Oberfläche des Zeilensensors 5 aufweisen.

Der lichttechnisch wirksame Abschnitt des Lichtleitkörpers 7 ist nach Art eines Umlenkprismas ausgebildet und umfaßt eine asphärisch gewölbte Einkoppelfläche 11. Durch die asphärische Krümmung der Einkoppelfläche 11, deren Brennweite auf den Abstand zu den Lichtquelle 2, 3, 3' abgestimmt ist, werden die divergent von den Lichtquellen 2, 3, 3' emittierten Lichtstrahlen parallelisiert. Der Lichtleitkörper 7 umfaßt zwei Reflexionsflächen 13, 14, an denen die eingekoppelten Lichtstrahlen jeweils reflektiert werden, so daß letztendlich die eingekoppelten Lichtstrahlen zur von dem Sensorarray 5 abgewandten Oberfläche der Codescheibe 1 umgelenkt werden. Die Auskoppelfläche 12 des Lichtleitkörpers 7 ist eben ausgebildet und verläuft parallel zur Oberfläche der Codescheibe 1, so daß die Lichtstrahlen als parallele Strahlenbündel dort austreten und die Codescheibe 1 beleuchten. Durch die Öffnungen der Codescheibe 1 erreicht ein Teil der Strahlen den Zeilensensor 5 und bildet so die Struktur der Codescheibe 1 auf diesem ab. Beim Betrieb mit der mittig unter der Einkoppelfläche 11 positionierten Lichtquelle 2 tritt das in der Fig. 2 durch den Strahlenweg A repräsentierte parallele Strahlenbündel senkrecht aus der Auskoppelfläche 12 aus. Je nachdem, wie groß der radiale Versatz der Codescheibe 1 gegenüber dem Sensorkopf 4 in der Einbausituation ist, kann dabei der Fall eintreten, daß nicht alle Spuren der Codescheibe 1 durch dieses Strahlenbündel auf den Zeilensensor 5 abgebildet werden können, so daß dort keine vollständige Repräsentation der auf der Codescheibe vorhandenen Codeinformation vorliegt. In diesem Fall wird anstelle dieser mittig angeordneten Lichtquelle 2 eine der zu dieser radial versetzt angeordneten Lichtquellen 3, 3' betrieben, so daß das parallele Strahlenbündel nicht senkrecht sondern unter einem gegenüber der Senkrechten leicht geneigten Winkel aus der Auskoppelfläche 12 austritt. Dadurch ist es möglich, wieder sämtliche Spuren der Codescheibe 1 auf den Zeilensensor 5 abzubilden. In der Fig. 2 ist dies durch den Strahlenweg B veranschaulicht, der das Strahlenbündel beim Betrieb der Lichtquelle 3 repräsentiert. Die Festlegung, welche der verschiedenen Lichtquellen 2, 3, 3' für den Betrieb des Lenkwinkelsensors als aktives Element dienen soll, wird beispielsweise in einem einmaligen Initialisierungsvorgang unmittelbar nach dem Zusammenbau des Systems vorgenommen.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1

Codescheibe

2

Lichtquelle

3

,

3

' Lichtquellen

4

Sensorkopf

5

Zeilensensor

6

Öffnung

7

Lichtleitkörper

8

Träger

9

LED-Gehäuse

10

Lenkspindel

11

Einkoppelfläche

12

Auskoppelfläche

13

Reflexionsfläche

14

Reflexionsfläche

Claims

1. Optoelektronischer Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe (1), mit einer die Codierung bestrahlenden Lichtquelle (2) und mit einem radial ausgerichteten, photosensitiven Zeilensensor (5), wobei ein Lichtleitkörper (7) zum bestimmungsgemäßen Beleuchten der von dem Zeilensensor (5) abgewandten Seite der Codescheibe (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich durch mechanische Toleranzen bedingter Abweichungen der relativen Lage der Codescheibe (1) zum Zeilensensor (5) zumindest eine weitere, zur Bestrahlung der Codierung vorgesehene Lichtquelle (3, 3') vorhanden ist, die radial versetzt zu der ersten Lichtquelle (2) so angeordnet ist, daß je nach Auswahl der Lichtquelle (2, 3, 3') die Codierung unter einem anderen Projektionswinkel auf den Zeilensensor (5) projiziert wird, wobei diejenige Lichtquelle (2, 3, 3') als aktives Element festgelegt ist, die die beste Abbildung der gesamten optischen Codierung der Codescheibe (1) auf den Zeilensensor (5) bewirkt.

2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle (2) und die weiteren Lichtquellen (3, 3') als LED-Chips ausgebildet sind.

3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Lichtquelle (2) und die weiteren Lichtquellen (3, 3') bildenden LED-Chips in einem gemeinsamen Gehäuse (9) aufgenommen sind.

4. Lenkwinkelsensor nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (2, 3, 3'), der radial ausgerichtete Zeilensensor (5) und der Lichtleitkörper (7) auf einem gemeinsamen Träger (8) auf der gleichen Seite der Codescheibe (1) angeordnet sind, wobei der Lichtleitkörper (7) zum bestimmungsgemäßen Umlenken der von den Lichtquellen (2, 3, 3') emittierten Lichtstrahlen ausgelegt ist.

5. Lenkwinkelsensor nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7) eine zur Parallelisierung der einzukoppelnden Lichtstrahlen asphärisch gekrümmte Einkoppelfläche (11) und eine ebene Auskoppelfläche (12) aufweist.

6. Lenkwinkelsensor nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7) sich über Füße auf dem gemeinsamen Träger (8) abstützt und die Füße an dem Lichtleitkörper (7) angeformt sind.

7. Lenkwinkelsensor nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der als aktives Element dienenden Lichtquelle (2, 3, 3') ein unmittelbar nach dem Zusammenbau des Systems durchzuführender Initialisierungsvorgang vorgesehen ist.