DE19649906A1 - Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln - Google Patents

Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln

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Description

Die vorliegende Erfindung geht von einem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln aus.
Solche Drehwinkelsensoren werden z. B. zur Erfassung der Position von Stellelementen eingesetzt. Dabei sind die mit einem solchen Drehwinkelsensor in Verbindung stehenden Stellelemente z. B. für die motorische Verstellung von in Kraftfahrzeugen angeordneten Klappen, Schiebern, Ventilen usw. vorgesehen. Außerdem sind solche Drehwinkelsensoren oftmals auch der Lenkungsanlage eines Kraftfahrzeuges zugeordnet, wobei über diese der Lenkwinkel sowie die Winkeländerungsgeschwindigkeit z. B. zur Fahrdynamikregelung erfaßt wird. Wegen der dabei oft notwendigen genauen Positionserfassung der Stellelemente bzw. des Lenkwinkels und der Winkelgeschwindigkeit werden an die Auflösegenauigkeit eines solchen Drehwinkelsensors hohe Anforderungen gestellt.
Ein entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruches ausgebildeter Drehwinkelsensor ist durch die DE 195 18 340 A1 bekanntgeworden. Bei diesem Drehwinkelsensor ist im Sensorgehäuse eine mehrere Schleifkontakte aufweisende Rotorscheibe und eine am Sensorgehäuse fixierte mehrere Schleifbahnen aufweisende Statorscheibe angeordnet. Die Rotorscheibe und die Statorscheibe sind mit Abstand derart parallel zueinander ausgerichtet, so daß die Schleifkontakte der Rotorscheibe kontaktgebend an den Schleifbahnen der Statorscheibe zur Anlage kommt. Oftmals ist es notwendig, direkt im Gehäuse eine an den Sensor angeschlossene, zur Signalauswertung bzw. Signalaufbereitung vorgesehene Signalverarbeitungselektronik anzuordnen. Eine solche Signalverarbeitungselektronik ist bei diesem Drehwinkelsensor jedoch zumindest innerhalb des Gehäuses nicht vorgesehen.
Außerdem ist durch die DE 43 22 750 A1 ein kapazitiver Drehwinkelsensor bekanntgeworden, bei welchem die Signalverarbeitungselektronik im Gehäuse angeordnet ist. Derartige Drehwinkelsensoren benötigen zur Aufbereitung bzw. Auswertung der Sensorsignale jedoch einen erheblichen Schaltungsaufwand. Außerdem ist ein erhöhter Schaltungsaufwand notwendig, um insbesondere die EMV-Störfestigkeit eines solchen Drehwinkelsensors sicherzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Drehwinkelsensor zu schaffen, der bei kompaktem einfachem Aufbau eine hohe Auflösung und eine hohe EMV-Störfestigkeit bei vergleichsweise geringem Schaltungsaufwand aufweist und der zur Aufbereitung bzw. Auswertung der Sensorsignale ebenfalls lediglich einen geringen Schaltungsaufwand benötigt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.
Bei einem solchermaßen ausgebildeten Sensor ist besonders vorteilhaft, daß die Kontaktbahnen, die Widerstandsbahn und die unter anderem eine Signalverarbeitungselektronik darstellende Schaltungsanordnung direkt auf dem im Innenraum des Gehäuses befindlichen Stator vorhanden sind, so daß auf platzsparende Art und Weise eine besonders gute Abschottung gegen von Außen auftretende Störgrößen realisiert ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele sei der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 einen Vollschnitt durch den Drehwinkelsensor, entsprechend der Linie A-A gemäß Fig. 2
Fig. 2 eine Draufsicht auf die der Rotorscheibe abgewandten Oberfläche der im Sensorgehäuse fixierten Statorscheibe
Fig. 3 eine Draufsicht auf die der Rotorscheibe zugewandte, mit den Schleifbahnen versehene Oberfläche der Statorscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform nebst zweier Schleifkontakte
Fig. 4 eine Draufsicht auf die der Rotorscheibe zugewandte, mit den Schleifbahnen versehene Oberfläche der Statorscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform nebst zweier Schleifkontakte.
Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, besteht ein solcher Drehwinkelsensor aus einem Sensorgehäuse 1, sowie einer im Sensorgehäuse 1 drehbeweglich gelagerten Sensorwelle 2 mit einer drehfest daran angeordneten, die Schleifkontakte 3, 4 aufweisenden Rotorscheibe 5 und einer mehrere Schleifbahnen aufweisenden, drehfest am Sensorgehäuse 1 fixierten Statorscheibe 6.
Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, besteht das Sensorgehäuse 1 aus einem Gehäusegrundteil 7, einem Gehäuseoberteil 8 und einem Gehäuseunterteil 9. Die Sensorwelle 2 ist als Hohlwelle ausgeführt und an einer ihrer beiden Endbereiche mit einer Innenverzahnung versehen, um eine einfache Möglichkeit zur Kopplung an die Lenkungsanlage eines Kraftfahrzeuges zu ermöglichen. Über am Gehäusegrundteil 7 und am Gehäuseoberteil 8 angebrachten Lagerschalen 10 erfolgt die Lagerung der Sensorwelle 2. Von Außen ist eine elektrische Leitung 11 in das Sensorgehäuse 1 hineingeführt, über die der Drehwinkelsensor an das Bordnetz des Kraftfahrzeuges angeschlossen ist. Um eine möglichst einfache Anbindung zu ermöglichen, weist die am Sensorgehäuse 1 fixierte Statorscheibe 6 an ihrer der Rotorscheibe 5 abgewandten Oberfläche ein Steckverbinderteil 12 auf, welches mit einem an die Leitung 11 angeschlossenen Gegensteckverbinderteil zu koppeln ist. Die Rotorscheibe 5 und die Statorscheibe 6 sind mit Abstand derart parallel zueinander ausgerichtet, so daß die beiden an der Rotorscheibe 5 festgelegten Schleifkontakte 3, 4 an den Schleifbahnen der der Rotorscheibe 5 zugeordneten Oberfläche der Statorscheibe 6 zur Anlage kommen. Dabei sind sowohl die Rotorscheibe 5 als auch die Statorscheibe 6 im Innenraum des Sensorgehäuses 1 angeordnet.
Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, sind direkt auf der der Rotorscheibe 5 abgewandten Oberfläche der Statorscheibe 6 mehrere zum Teil über Leiterbahnstrukturen in Verbindung stehende elektrische/elektronische Bauelemente 13 angeordnet. Die elektrischen/elektronischen Bauelemente 13 der auf der Statorscheibe 6 befindlichen Schaltungsanordnung sind dabei zu einem Teil zur Signalauswertung bzw. Signalaufbereitung der Sensorsignale und zu einem anderen Teil zur Realisierung einer Busanbindung an den Datenbus des Kraftfahrzeugbordnetzes vorgesehen.
Wie insbesondere aus Fig. 3 und Fig. 4 hervorgeht, weist die der Rotorscheibe 5 zugewandte Oberfläche der Statorscheibe 6 drei kreisförmige Schleifbahnen auf. Eine der drei Schleifbahnen ist als Widerstandsbahnen 14 ausgebildet, dessen Widerstandswert im Bereich von fünf Kiloohm liegt. Die beiden anderen Schleifbahnen stellen eine erste Kontaktbahn 15 und eine zweite Kontaktbahn 16 dar, deren Widerstandswerte jeweils im Bereich von Null Ohm liegen. Die Widerstandsbahn 14 ist mit Abstand zwischen der ersten Kontaktbahn 15 und der zweiten Kontaktbahn 16 angeordnet. Die beiden an der Rotorscheibe 5 angebrachten Schleifkontakte 3, 4 sind derart angeordnet, so daß der erste Schleifkontakt 3 die erste Kontaktbahn 15 und die Widerstandsbahn 14 und der zweite Schleifkontakt 4 die zweite Kontaktbahn 16 und die Widerstandsbahn 14 überbrückt. Um einen sicheren Abgriff zu gewährleisten, sind die beiden Schleifkontakte 3, 4 jeweils als sogenannte Mehrfingerschleifer ausgebildet, wobei der erste und der zweite Kontaktarm eines jeden Schleifkontaktes 3, 4 mit vier Fingern auf der Widerstandsbahn 14 und der ersten Kontaktbahn 15 bzw. auf der zweiten Kontaktbahn 16 zu liegen kommen. Um eine Phasenverschiebung zwischen den Sensorsignalen des Drehwinkelsensors zur Drehrichtungserkennung zu erreichen, sind die beiden Schleifkontakte 3, 4 außerdem um einen Winkel von 90° versetzt zueinander an der Rotorscheibe 5 befestigt.
Die Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Drehwinkelsensors, wobei die Widerstandsbahn 14 über eine ersten Anbindungsstelle 17 an Plus und über eine zweite Anbindungsstelle 18 an Masse angebunden ist. Die erste Anbindungsstelle 17 und die zweite Anbindungsstelle 18 sind um einen Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet und stehen über die Leiterbahnstrukturen direkt mit der auf der Statorscheibe 6 angebrachten Schaltungsanordnung in Verbindung. Die abgegriffenen Potentialwerte der beiden Schleifkontakte 3, 4 werden über eine Anbindungsstelle 19 der ersten Kontaktbahn 15 und über eine Anbindungsstelle 20 der zweiten Kontaktbahn 16 der Schaltungsanordnung zugeführt. Dabei sind die beiden Kontaktbahnen 15, 16 jeweils an einen A/D-Eingang eines zur Schaltungsanordnung gehörigen Mikrocomputers angeschlossen. Die erreichte Auflösung des Drehwinkelsensors beträgt bei einem 8 bit A/D-Wandler 180°/255 digit = 0,706°/digit. Der Meßbereich des Drehwinkelsensors beträgt absolut einen Winkel von 360°.
Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Drehwinkelsensors, wobei die Widerstandsbahn über vier Anbindungsstellen 21 an die auf der Statorscheibe 6 angeordnete Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Die vier Anbindungsstellen 21 sind um einen Winkel von 90° versetzt zueinander angeordnet, wobei jede der Anbindungsstellen 21 zur Positionserfassung mit einem A/D-Eingang eines zur Schaltungsanordnung gehörigen Mikrocomputers in Verbindung steht. Die erste Kontaktbahn 15 ist über die Schaltungsanordnung und ihre Anbindungsstelle 22 an Plus die zweite Kontaktbahn 16 ist über die Schaltungsanordnung und ihre Anbindungsstelle 23 an Masse angeschlossen. Die Bestromung der Widerstandsbahn 14 erfolgt somit über die beiden jeweils eine Brückung bewirkenden Schleifkontakte 3, 4. Die im Mikrocomputer abgelegte Software ermittelt anhand der Signalverläufe den jeweiligen Sensorquadranten in dem das Sensorsignal mit der größten Steilheit anliegt. Von diesem wird dann das zur Position gehörige Sensorsignal abgeleitet. Die erreichte Auflösung beträgt bei einem 8 bit A/D-Wandler von 90°/255 digit = 0,353°/digit. Der Meßbereich des Drehwinkelsensors beträgt absolut einen Winkel von 360°.

Claims (11)

1. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln, mit einer drehfest mit der Sensorwelle verbundenen, zumindest einen Schleifkontakt aufweisenden Rotorscheibe und einer drehfest am Sensorgehäuse fixierten, mit zumindest zwei kreisförmigen Schleifbahnen versehenen Statorscheibe, welche mit Abstand derart parallel zueinander ausgerichtet sind, daß der Schleifkontakt der Rotorscheibe kontaktgebend an zumindest einer der beiden Schleifbahnen der Statorscheibe zur Anlage kommt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Schleifbahnen als relativ hochohmige Widerstandsbahn (14) und die zumindest eine weitere Schleifbahn als eine einen vernachlässigbar geringen Widerstandswert aufweisende Kontaktbahn (15, 16) ausgebildet ist und daß sowohl die Widerstandsbahn (14) als auch die Kontaktbahn (15, 16) über jeweils zumindest eine Anbindungsstelle (17-23) direkt an eine Schaltungsanordnung angeschlossen sind, dessen Leiterbahnstrukturen und elektrische/elektronische Bauelemente (13) direkt auf der der Rotorscheibe (5) abgewandten Oberfläche der Statorscheibe (6) angeordnet sind und daß der zumindest eine Schleifkontakt (3, 4) überbrückend an der Widerstandsbahn (14) und der Kontaktbahn (15, 16) zur Anlage kommt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorscheibe (5) zwei um einen Winkel von max. 135° bis minimal 45° zueinander versetzt angeordnete Schleifkontakte (3, 4) angebracht sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schleifkontakte (3, 4) um einen Winkel zueinander versetzt an der Rotorscheibe (5) angebracht sind, der etwa dem größten oder dem kleinsten Extremwert entspricht.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Statorscheibe (6) eine hochohmige, einen Widerstandswert von mehreren Kiloohm aufweisende Widerstandsbahn (14), sowie eine erste und eine zweite jeweils einen bei Null liegenden Widerstandswert aufweisende Kontaktbahn (15, 16) vorhanden sind, die jeweils über eine Anbindungsstelle (19, 20; 22, 23) direkt mit den Leiterbahnstrukturen der Schaltungsanordnung in Verbindung stehen.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (14) mit Abstand zwischen der ersten Kontaktbahn (15) und der zweiten Kontaktbahn (16) angeordnet ist und daß der erste der beiden Schleifkontakte (3) die erste Kontaktbahn (15) und die Widerstandsbahn (14) und der zweite der beiden Schleifkontakte (4) die zweite Kontaktbahn (16) und die Widerstandsbahn (14) überbrückt.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Statorscheibe (6) vorhandene Widerstandsbahn (14) über eine erste Anbindungsstelle (17) zumindest einmal an Plus und über eine zweite Anbindungsstelle (18) zumindest einmal an Masse angebunden ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für Plus vorgesehene erste Anbindungsstelle (17) und die für Masse vorgesehene zweite Anbindungsstelle (18) der Widerstandsbahn (14) um einen Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
8. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für Masse und Plus vorgesehenen Anbindungsstellen (17, 18) der Widerstandsbahn (14) um einen Winkel von 90° versetzt zueinander angeordnet sind und daß die Widerstandsbahn (14) über zwei erste Anbindungsstellen (17) zweimal an Plus und über die zweite Anbindungsstelle (18) zweimal an Masse angebunden ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktbahn (15) über ihre Anbindungsstelle (22) und die Schaltungsanordnung an Plus und die zweite Kontaktbahn (16) über ihre Anbindungsstelle (23) und die Schaltungsanordnung an Masse angeschlossen ist und daß die Widerstandsbahn (14) über zumindest zwei zueinander versetzt angebrachte Anbindungsstellen (21) direkt mit den Leiterbahnstrukturen der Schaltungsanordnung in Verbindung steht.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (14) über vier jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnete Anbindungsstellen (21) direkt mit den Leiterbahnstrukturen der Schaltungsanordnung in Verbindung steht.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schleifkontakt (3, 4) als sogenannter Mehrfingerschleifer ausgebildet ist und sowohl die Widerstandsbahn (14), als auch eine Kontaktbahn (15, 16) über zumindest zwei Kontaktfinger abgreift.
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