DE19918313A1 - Angle sensing instrument for monitoring position of shaft with limited rotation has codes printed or inscribed on disc and read by optical detector - Google Patents
Angle sensing instrument for monitoring position of shaft with limited rotation has codes printed or inscribed on disc and read by optical detectorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor zur Erfassung der Stellung einer Welle, die in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist, mit einem Codeelement, das mit der Welle verbunden ist und dessen Position abhängig von der Stellung der Welle ist, und mit einem Detektor, der die Stellung des Codeelementes erfaßt.The invention relates to an angle sensor for detecting the position of a Shaft that can be rotated within a limited angular range with a code element, which is connected to the shaft and its position depending on the position of the Wave and with a detector that detects the position of the code element.
Winkelsensoren dienen unter anderem zur Erfassung der Stellung, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Lenkrades von Fahrzeugen. Sie werden im Fahrzeugbau in zunehmendem Maße verwendet, um Eingangsgrößen für elektronische Stabilitätsprogramme zu ermitteln, die durch ungeeignete Lenkbewegungen verursachte kritische Fahrsituationen mittels aktiver Gegenwirkung vermeiden.Angle sensors are used, among other things, to record the position, direction of rotation and Speed of rotation of the steering wheel of vehicles. They are in vehicle construction in increasingly used to input variables for electronic Determine stability programs caused by inappropriate steering movements Avoid critical driving situations caused by active counteraction.
Im Stande der Technik gebräuchliche Winkelsensoren umfassen eine Codescheibe, die an der Lenkwelle fixiert ist und sich mit ihr dreht. Die Scheibe ist mit einer Anzahl von Markierungen versehen, die jeweils einer bestimmten Winkelstellung zugeordnet und mit einem Detektor erfaßbar sind, der ortsfest im Fahrzeug angeordnet ist. Aus der jeweiligen Markierung sowie dem Zeitraum und der Abfolge aufeinanderfolgender Markierungen lassen sich notwendige Eingangsgrößen für ein Stabilitätsprogramm bestimmen.Angle sensors customary in the prior art include a code disk, which is fixed to the steering shaft and rotates with it. The disc is with a number provided by markings, each associated with a specific angular position and can be detected with a detector which is arranged in a stationary manner in the vehicle. Out the respective marking as well as the period and the sequence of successive Markings can be necessary input variables for a stability program determine.
Problematisch ist jedoch, daß der Drehbereich eines Lenkrades und seiner Lenkwelle einige, üblicherweise etwa 4 bis 8 Umdrehungen beträgt. Daher entspricht eine bestimmte Stellung der Codescheibe mehreren Positionen der Lenkwelle. Die Anzahl ist gleich der Zahl der möglichen Umdrehungen. Entsprechend ist es notwendig zu erfassen, in welcher Umdrehung sich die Lenkwelle jeweils befindet, um ihre tatsächliche Position aus dem Detektorsignal zu bestimmen.The problem, however, is that the range of rotation of a steering wheel and its steering shaft is a few, usually about 4 to 8 turns. Therefore one corresponds certain position of the code disk several positions of the steering shaft. The number is equal to the number of revolutions possible. Accordingly, it is necessary to detect in which revolution the steering shaft is at their to determine the actual position from the detector signal.
Eine Möglichkeit dazu besteht darin, die Umdrehungen der Welle von einer Anfangsposition (Nullstellung) ausgehend mit einer Datenverarbeitungseinheit zu zählen. Dies erfordert jedoch einen Permanentspeicher, dessen Inhalt beim Abschalten des Fahrzeuges, einem Ausfall des Bordnetzes oder dem Austausch der Fahrzeugbatterie erhalten bleibt. Eine netzunabhängige Spannungsversorgung des Speichers, die über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges betriebsfähig bleibt, ist aufwendig. Andernfalls ist eine erneute Bestimmung der Nullstellung nach jedem Ausfall der Versorgungsspannung erforderlich. Denkbar ist, daß die Datenverarbeitungseinheit die Nullstellung aus den vorgenommenen Lenkbewegungen selbsttätig ermittelt. Dies erhöht jedoch den Aufwand für den Winkelsensor erheblich und hat zudem die nachteilige Folge, daß der Sensor während des Zeitraumes zur Ermittlung der Nullstellung nicht funktionsfähig ist.One way to do this is to turn the shaft by one Starting position (zero position) starting with a data processing unit counting. However, this requires permanent storage, the content of which is stored in Switching off the vehicle, a failure of the vehicle electrical system or the exchange of Vehicle battery is retained. A mains-independent power supply for the Memory that remains operational over the entire life of the vehicle, is complex. Otherwise there is a new determination after each Failure of the supply voltage required. It is conceivable that the Data processing unit the zero from the made Steering movements automatically determined. However, this increases the effort for the Angle sensor significantly and also has the disadvantageous consequence that the sensor is not functional during the period for determining the zero position.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen einfachen Winkelsensor für eine Welle mit begrenztem Drehbereich zu entwickeln.Proceeding from this, the task of the invention is simple To develop an angle sensor for a shaft with a limited range of rotation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindung von Codeelement und Welle mittels einer Übersetzung erfolgt, die jeder Stellung der Welle eine eindeutige Position des Codeelementes zuordnet.This object is achieved in that the connection of Code element and wave is done by means of a translation that each position of the Wave assigns a unique position of the code element.
Die Stellung des Codeelementes repräsentiert somit die absolute Winkelstellung der Welle, d. h. es entfällt das Problem, daß eine Stellung des Codeelementes mehreren Stellungen der Welle entspricht. Der Aufbau der Datenverarbeitungseinheit zur Auswertung des Sensorsignals vereinfacht sich folglich erheblich. Die Gefahr einer fehlerhaften Bestimmung der Umdrehung des Lenkrades ist ausgeschlossen. Da jede Stellung des Codeelementes durch den an der jeweiligen Position angebrachten Code definiert ist, erübrigt sich eine Speicherung der jeweiligen Lenkradstellung für den Fall einer Unterbrechung der Versorgungsspannung des Sensors. Nach einem erneuten Einschalten der Spannung ist der Sensor unmittelbar ohne erneute Festlegung seiner Nullstellung betriebsbereit.The position of the code element thus represents the absolute angular position of the Wave, d. H. there is no problem that one position of the code element has several Positions of the shaft. The structure of the data processing unit for Evaluation of the sensor signal is consequently considerably simplified. The danger of one incorrect determination of the rotation of the steering wheel is excluded. Because everyone Position of the code element by the one attached to the respective position Code is defined, there is no need to save the respective steering wheel position for the case of an interruption of the sensor supply voltage. After one If the voltage is switched on again, the sensor is immediately without renewed Determination of its zero position ready for operation.
Das Codeelement ist mit Markierungen versehen, die mit dem Detektor erfaßbar sind. Zweckmäßig handelt es sich dabei um digitale Markierungen, für die beispielsweise Bitmuster in Form eines Gray-Codes geeignet sind.The code element is provided with markings which can be detected by the detector. These are expediently digital markings for which, for example Bit patterns in the form of a gray code are suitable.
Grundsätzlich reduziert eine Untersetzung die Auflösung bei der Messung des Lenkwinkels, da die Positionen des gesamten zulässigen Drehbereichs der Welle durch jeweils eindeutige Positionen des Codeelements repräsentiert werden. Dies läßt sich durch einen Code mit geringeren geometrischen Abmessungen und vergrößerter Auflösung ausgleichen, z. B. durch einen Gray-Code mit erhöhter Bitanzahl. Zudem weist das Lenkrad von Fahrzeugen in der Regel ein geringes Spiel auf, das eine untere Grenze für die notwendige Auflösung darstellt.Basically, a reduction reduces the resolution when measuring the Steering angle because the positions of the total allowable range of rotation of the shaft can be represented by unique positions of the code element. This leaves a code with smaller geometric dimensions and enlarged Compensate resolution, e.g. B. by a Gray code with an increased number of bits. In addition the steering wheel of vehicles usually has a slight play, the one represents the lower limit for the necessary resolution.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Übersetzung ein mechanisches Untersetzungsgetriebe. Durch die mechanische Untersetzung ist ein besonders einfacher Aufbau des Winkelsensors erzielbar.In an advantageous embodiment of the invention, the translation is a mechanical reduction gear. Due to the mechanical reduction is a particularly simple construction of the angle sensor can be achieved.
Grundsätzlich sind beliebige Getriebe für die Untersetzung geeignet. Ist das Getriebe ein Planetengetriebe, läßt sich ein zweckmäßiger, einfacher und kompakter Aufbau des Winkelsensors mit geringen Abmessungen erreichen. Dies ist speziell für den Einsatz als Lenkwinkelsensor in Fahrzeugen von Vorteil, da der Bauraum im Bereich der Lenkwelle eines Fahrzeuges meist eng begrenzt ist.In principle, any gear is suitable for the reduction. Is the gear a planetary gear, can be a convenient, simple and compact structure of the angle sensor with small dimensions. This is especially for the Use as a steering angle sensor in vehicles is advantageous because of the installation space in the area the steering shaft of a vehicle is usually narrowly limited.
Bevorzugt ist das Codeelement um eine Achse drehbar. Gegenüber einem beispielsweise translatorisch bewegten Codeelement wird der erforderliche Bauraum des Sensors reduziert, speziell bei koaxialer Anordnung der Achse zur Welle. Möglich sind jedoch auch andere relative Anordnungen von Achse und Welle, beispielsweise eine parallele, schiefwinklige oder rechtwinklige Anordnung zueinander. Die Übersetzung beschränkt den Drehwinkel des Codeelements in allen Fällen auf unter 360°, so daß jede mögliche Stellung genau einer Position der Welle entspricht.The code element is preferably rotatable about an axis. Opposite one for example, the translatory code element becomes the required installation space of the sensor is reduced, especially if the axis is coaxial to the shaft. Possible are other relative arrangements of axis and shaft, for example a parallel, oblique or rectangular arrangement to each other. The Translation limits the angle of rotation of the code element to under in all cases 360 ° so that every possible position corresponds exactly to one position of the shaft.
Ein vorteilhaftes Codeelement ist aufgrund der geringen Abmessungen und der guten erzielbaren Winkelauflösung bei Anbringung der Markierungen nahe des Umfangs eine Scheibe.An advantageous code element is due to the small dimensions and the good achievable angular resolution when applying the markings close to the circumference a disk.
Bevorzugt weist das Codeelement optische Markierungen auf, etwa reflektierende oder absorbierende Elemente auf der Oberfläche, Öffnungen oder Fenster. Sie lassen sich auf einfache Weise abtasten und sind dauerhaft beständig. Alternativ sind auch andere Markierungen, etwa ein magnetisches Bitmuster, zur Codierung der Winkelstellung denkbar.The code element preferably has optical markings, for example reflective ones or absorbent elements on the surface, openings or windows. she can be easily scanned and are permanently stable. Alternatives are other markings, such as a magnetic bit pattern, for coding the Angular position conceivable.
Ein für die optische Abtastung des Codeelementes geeigneter Detektor umfaßt zumindest einen optischen Sender und einen optischen Empfänger. Denkbar ist sowohl die Anordnungen von Sender und Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten der Codescheibe nach Art einer Lichtschranke als auch die Anordnung auf der gleichen Seite der Scheibe, wobei der Empfänger an der Scheibe reflektierte Strahlung detektiert.A detector suitable for the optical scanning of the code element comprises at least one optical transmitter and one optical receiver. Is conceivable both the arrangements of transmitter and receiver on opposite sides the code disk in the manner of a light barrier as well as the arrangement on the same side of the pane, with the receiver reflecting on the pane Radiation detected.
Der vorgeschlagene Winkelsensor ist grundsätzlich für beliebige Wellen mit begrenztem Drehbereich geeignet. Vorzugsweise ist die Welle jedoch die Lenkwelle eines Fahrzeuges.The proposed angle sensor is basically for any wave limited range of rotation suitable. However, the shaft is preferably the steering shaft of a vehicle.
Meist weisen die Lenkräder von Fahrzeugen Vorrichtungen auf, die über elektrische und/oder optische Leitungen mit ortsfesten Komponenten im Fahrzeug verbunden sind. Insbesondere ist das Lenkrad in aller Regel mit einem Airbag und einem Hupenschalter versehen und weist gegebenenfalls Bedienelemente oder Anzeigen für weitere Vorrichtungen im Fährzeug auf. Die Leitungen verlaufen in diesem Fall über einen Drehverbinder, der eine durchgehende Signalübertragung zwischen dem drehbaren Lenkrad und dem Fahrzeugrumpf sicherstellt. Eine gebräuchliche Bauform derartiger Drehverbinder besteht in einem Gehäuse aus gegeneinander drehbaren Teilen, zwischen denen ein in Windungen verlaufender Leitungsabschnitt die Drehbewegung ermöglicht. Bevorzugt bildet der Winkelsensor eine Baueinheit mit dem Drehverbinder, so daß ein einfacher und kompakter Aufbau entsteht und bei der Montage des Fahrzeugs lediglich ein Bauelement einzubauen ist.Mostly, the steering wheels of vehicles have devices that are electrical and / or optical lines connected to stationary components in the vehicle are. In particular, the steering wheel is usually with one airbag and one Horn switch provided and optionally controls or displays for other devices in the vehicle. In this case, the lines run over a rotary connector that provides continuous signal transmission between the rotatable steering wheel and the vehicle body. A common design Such a rotary connector consists in a housing of mutually rotatable Divide between which a section of line running in turns Allows rotary movement. The angle sensor preferably forms a structural unit the rotary connector, so that a simple and compact structure is created and at Assembly of the vehicle is only a component to be installed.
Im folgenden Beschreibungsteil werden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Winkelsensoren anhand der prinzipienhaften Zeichnung näher erläutert. Sie zeigtIn the following part of the description, exemplary embodiments of Angle sensors according to the invention with reference to the principle drawing explained. she shows
Fig. 1 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit Planetengetriebe; Figure 1 cross section through an angle sensor with planetary gear.
Fig. 2 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit gegenüber der Welle versetzter Achse der Codescheibe; Fig. 2 is cross sectional view of an angle sensor with respect to the shaft axis offset of the code disc;
Fig. 3 Querschnitt durch einen Winkelsensor mit rechtwinklig zur Welle ausgerichteter Achse der Codescheibe. Fig. 3 cross section through an angle sensor with the axis of the code disk aligned at right angles to the shaft.
Die Zeichnung gibt unterschiedliche Ausgestaltungen von Winkelsensoren wieder, die jeweils in Verbindung mit einem Drehverbinder an einer Welle (1), bei der es sich um die Lenkwelle eines Fahrzeugs handelt, angeordnet sind. Der Drehverbinder ist durch sein Gehäuse (2) angedeutet, das aus einem mit der Welle (1) drehbaren und einem raumfesten Teil besteht, zwischen denen eine Leitung in Windungen verläuft.The drawing shows different configurations of angle sensors, each of which is arranged in connection with a rotary connector on a shaft ( 1 ), which is the steering shaft of a vehicle. The rotary connector is indicated by its housing ( 2 ), which consists of a part rotatable with the shaft ( 1 ) and a fixed part, between which a line runs in turns.
Die Winkelstellung der Welle (1) wird mittels einer Codescheibe (3) erfaßt, deren Oberfläche mit Graycodes versehen ist, die jeweils einer Winkelstellung der Codescheibe (3) zugeordnet sind. Die Codes werden mit einem Detektor (4) registriert, der mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit in Verbindung steht. Der Detektor (4) umfaßt einen oder mehrere Empfänger mit jeweils einer nach Art einer Lichtschranke zugeordneten Lichtquelle, etwa einer Leuchtdiode, oder mit einer gemeinsamen Lichtquelle für sämtliche Empfänger. Zwischen Lichtquelle und Empfänger befindet sich die Codescheibe (3), wobei der Code durch optisch durchlässige und undurchlässige Bereiche der Codescheibe (3) definiert ist.The angular position of the shaft ( 1 ) is detected by means of a code disk ( 3 ), the surface of which is provided with gray codes which are each assigned to an angular position of the code disk ( 3 ). The codes are registered with a detector ( 4 ) which is connected to an evaluation unit (not shown). The detector ( 4 ) comprises one or more receivers, each with a light source assigned to it in the manner of a light barrier, such as a light emitting diode, or with a common light source for all receivers. The code disc ( 3 ) is located between the light source and the receiver, the code being defined by optically transparent and opaque areas of the code disc ( 3 ).
Codescheibe (3) und Welle (1) sind durch eine mechanische Übersetzung derart gekoppelt, daß die Codescheibe im gesamten Drehbereich der Welle, der beispielsweise vier bis acht Umdrehungen umfaßt, maximal eine Umdrehung um ihre Drehachse (5) ausführt, d. h. der Drehbereich der Codescheibe (3) ist kleiner als 360°. Damit entspricht jede Position der Codescheibe (3) einer definierten Position der Welle (1), so daß sich die Auswertung des Detektorsignals wesentlich vereinfacht.Code disk ( 3 ) and shaft ( 1 ) are coupled by a mechanical translation in such a way that the code disk executes a maximum of one revolution about its axis of rotation ( 5 ) in the entire range of rotation of the shaft, for example four to eight revolutions, ie the range of rotation of the code disk ( 3 ) is less than 360 °. Each position of the code disc ( 3 ) thus corresponds to a defined position of the shaft ( 1 ), so that the evaluation of the detector signal is considerably simplified.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Abstände der Bauelemente in allen Figuren in Richtung der Welle (1) überhöht gezeichnet. Bevorzugt sind die Abstände möglichst gering um einen kompakten Aufbau zu erreichen. Insbesondere ist es oft zweckmäßig, den Detektor (4) sowie Lager beweglicher Bauelemente wie der Drehachse (5) am raumfesten Teil des Gehäuses (2) zu befestigen.In order to simplify the illustration, the distances between the components in all the figures are shown exaggerated in the direction of the shaft ( 1 ). The distances are preferably as small as possible in order to achieve a compact structure. In particular, it is often expedient to fasten the detector ( 4 ) and the bearing of movable components such as the axis of rotation ( 5 ) to the fixed part of the housing ( 2 ).
In Fig. 1 ist die Übersetzung durch ein Planetengetriebe realisiert, dessen zentrales Sonnenrad (6) auf der Welle (1) angebracht ist. Die ortsfesten Planetenräder (7) übertragen die Drehung des Sonnenrades (6) auf die Codescheibe (3), deren innerer Rand durch das äußere Hohlrad (8) des Getriebes gebildet wird. Durch geeignete Abstimmung der Räder (6-8) des Getriebes wird der Drehbereich der Codescheibe (3) begrenzt.In Fig. 1 the translation is realized by a planetary gear, the central sun gear ( 6 ) is mounted on the shaft ( 1 ). The stationary planet gears ( 7 ) transmit the rotation of the sun gear ( 6 ) to the code disc ( 3 ), the inner edge of which is formed by the outer ring gear ( 8 ) of the transmission. The range of rotation of the code disk ( 3 ) is limited by suitable coordination of the wheels ( 6-8 ) of the gearbox.
Fig. 2 zeigt eine alternative Übersetzung mit einem einstufigen Untersetzungsgetriebe, das von zwei Zahnrädern (9, 10) gebildet wird. Das kleinere Zahnrad (9) ist dabei an der Welle (1) und das größere Zahnrad (10) an der Achse (5) der Codescheibe (3) befestigt. Achse (5) und Welle (1) sind in diesem Fall parallel gegeneinander versetzt. Fig. 2 shows an alternative translation with a one-stage reduction gear, which is formed by two gears ( 9 , 10 ). The smaller gear ( 9 ) is attached to the shaft ( 1 ) and the larger gear ( 10 ) to the axis ( 5 ) of the code disc ( 3 ). In this case, the axis ( 5 ) and shaft ( 1 ) are offset parallel to each other.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 stehen die Welle (1) und die Achse (5) rechtwinklig zueinander, wobei die Kopplung ihrer Bewegungen beispielsweise mittels einer Kegelverzahnung (11) erfolgt. Neben der gezeigten Anordnung sind auch beliebige andere Winkel zwischen der Welle (1) und der Achse (5) möglich. Ein erfindungsgemäßes Übersetzungsverhältnis ist durch die Zahnräder der Kegelverzahnung (11) und ein Planetengetriebe aus den Zahnrädern (6-5) gegeben.In the embodiment of FIG. 3, the shaft ( 1 ) and the axis ( 5 ) are at right angles to one another, their movements being coupled, for example, by means of a bevel gear ( 11 ). In addition to the arrangement shown, any other angle between the shaft ( 1 ) and the axis ( 5 ) is also possible. A gear ratio according to the invention is given by the gears of the bevel gear ( 11 ) and a planetary gear from the gears ( 6-5 ).
Im Ergebnis entstehen auf diese Weise Winkelsensoren, die bei einfachem und kompaktem Aufbau die eindeutige Bestimmung der Wellenstellung gestatten. Die unterschiedlichen Ausgestaltungen ermöglichen eine gute Ausnutzung des Bauraumes, der im Bereich einer Lenkwelle in der Regel eng begrenzt ist.The result is angle sensors that are simple and compact structure allow the clear determination of the shaft position. The different configurations allow good utilization of the Space that is usually narrowly limited in the area of a steering shaft.
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