DE19929435C2 - Vorrichtung zur Positionserkennung eines beweglichen Glieds in einem bei Fahrzeugen anwendbaren Verschluss - Google Patents

Vorrichtung zur Positionserkennung eines beweglichen Glieds in einem bei Fahrzeugen anwendbaren Verschluss

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DE19929435C2 DE1999129435 DE19929435A DE19929435C2 DE 19929435 C2 DE19929435 C2 DE 19929435C2 DE 1999129435 DE1999129435 DE 1999129435 DE 19929435 A DE19929435 A DE 19929435A DE 19929435 C2 DE19929435 C2 DE 19929435C2
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Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Positionserkennung eines beweglichen Gliedes in einem bei Fahrzeugen anwendbaren Verschlusses ist eine wichtige Anwendung die Überwachung eines Sperrbolzens einer elektronischen Lenkungsverriegelung bei einem Kraftfahrzeug. Am Sperrbolzen sitzt ein Permanentmagnet, in dessen Wirkfeld wenigstens zwei Hallsensoren angeordnet sind. Der eine überwacht die Verriegelungsposition und der andere die Entriegelungsposition des Sperrbolzens. Die Hallsensoren sind mit dem Auswerter verbunden. Um eine redundante Positionserkennung zu erhalten, wird vorgeschlagen, wenigstens den zweiten Hallsensor analog wirksam zu machen. Dadurch ergibt sich hier ein verhältnismäßig großer Ansprechbereich. Zur Überwachung der einen Position des Sperrbolzens, insbesondere seiner Entriegelungsposition werden nun beide Hallsensoren benutzt. Der Auswerter erfasst nicht nur die Signale des ersten Hallsensors sondern beobachtet auch den zeitlichen Verlauf der am zweiten Analog-Hallsensor anfallenden Signale. Die gmeinsame Auswertung dieser Signale liefert das redundante Überwachungsergebnis.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet dieser Vorrichtung ist die elektronische Lenkungsverriegelung bei Kraftfahrzeugen. Die Erfindung richtet sich aber auch, ganz allgemein auf Vorrichtungen zur Positionserkennung eines beweglichen Glieds in einem Verschluss, und wäre daher ohne weiteres auch bei einem elektronischen Zündschalter anwendbar, wo es darauf ankommt eine oder mehrere Schlüsseldrehstellungen zu kontrollieren. Im vorliegenden Fall soll die Erfindung anhand der Lenkungsverriegelung näher erläutert werden.
Früher hat zur Positionserkennung des Sperrbolzens einer Lenkungsverriegelung Mikroschalter eingesetzt, um einerseits die Verriegelungsposition und andererseits die Entriegelungsposition des Sperrbolzens bezüglich der Lenkspindel in einem Kraftfahrzeug zu überwachen.
Die Druckschrift DE 196 50 751 C1 beschreibt einen solchen Mikroschalter. Im Entriegelungsfall des Sperriegels greift ein Sicherungselement in eine Rastnut der Antriebswelle ein. Über einen Anschlag am Sicherungselement wird der Schalter betätigt und dadurch der Antrieb des Sperriegels mittels einer elektronischen Schaltungsvorrichtung abgeschaltet.
Bei modernen Lenkungsverriegelungen verwendet man dafür Hallsensoren, die mit einem Permanentmagneten zusammenwirken, welcher bei der Versteilung des Sperrbolzens zwischen den beiden Positionen mitbewegt wird. Bei Annäherung des mitbeweglichen Permanentmagneten auf eine bestimmte, kleine Distanz schaltet der digital wirksame Hallsensor um und meldet einem Auswerter die entsprechende Endposition des Sperrbolzens.
Eine solche Vorrichtung zur Positionserkennung wird in der Druckschrift US 5,551,267 für ein Zündschloß beschrieben. Ein bewegliches Teil trägt mittelbar einen mitbeweglichen Permanentmagneten. Im Wirkfeld des bewegten Permanentmagneten sind zwei Hallsensoren mit unterschiedlichen Orientierungen und unterschiedlichen Auslöseniveau angeordnet, wobei ein Hallsensor bei Aktivierung ein Startsignal zur Entriegelung des Zündschlosses gibt. Der zweite Hallsensor unterstützt ein Deaktivierungssignal zum Zündschloß als Antwort auf einen unerlaubten, äußeren Magnetfluß. Eine Vorrichtung zur Positionserkennung bei einer Kraftfahrzeug-Schließvorrichtung ist des weiteren aus der DE 197 43 129 C2 bekannt. Zur Positionserkennung wird ein Hallsensor verwendet, der magnetische Polzonen auf dem beweglichen Stellglied erkennen kann und entsprechende Signale an eine nachgeordnete Steuerung abgibt.
Beim Betrieb derartiger Vorrichtungen kann es zu verschiedenen Störungen kommen. Der Sperrbolzen kann sich z. B. in einer seiner Endpositionen verklemmen, einer oder beide Hallsensoren können defekt werden, oder der Permanentmagnet kann seine Lage verändern. Um die Sicherheit einer solchen Vorrichtung zu erhöhen, wird man eine sogenannte "Redundanz" anstreben, wo die zu überwachende Endposition auf zwei Wegen überwacht wird. Dazu müsste man bei der bekannten Vorrichtung einen zweiten Permanentmagneten und/oder weitere Hallsensoren verwenden, was den Bauaufwand und/oder den Platzbedarf erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte, raumsparende Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, die sich durch eine hohe Sicherheit in der Positionserkennung des beweglichen Glieds auszeichnet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.
Auch bei der Erfindung werden nur zwei Hallsensoren verwendet, von denen der eine bei Anwendung auf eine Lenkungsverriegelung zur Überwachung der Verriegelungsposition und der andere zur Überwachung der Entriegelungsposition des Sperrbolzens verwendet, doch wird dem zweiten, z. B. zur Überwachung der Verriegelungsposition dienenden Hallsensor die zusätzliche Funktion gegeben, auch die Entriegelungsposition des Sperrbolzens zu überwachen. Dies geschieht, indem die Erfindung beim zweiten Hallsensor statt der digitalen eine analoge Wirksamkeit benutzt, weil auf dieser Weise der Ansprechbereich dieses zweiten Hallsensors sich über eine große Distanz erstreckt. Gegenüber dem Wirkbereich eines digitalen Hallsensors ist diese Distanz erheblich größer. Durch diesen über ein weites Feld sich erstreckenden Ansprechbereich kann dieser zweite Analog- Hallsensor dem Auswerter den zeitlichen Verlauf der anfallenden Signale mitteilen, und zwar mindestens in jenem Wegabschnitt im Bewegungspfad des Permanentmagneten, wo sich die vom ersten Hallsensor bereits überwachte erste Endposition des Sperrbolzens befindet. Der zweite Analog-Hallsensor ist also redundant zu dem ersten Hallsensor wirksam. Aus dem zeitlichen Verlauf der Signale kann der Auswerter die verschiedenen möglichen Störfälle unterscheiden und dadurch die jeweils spezifische Funktion im Fahrzeug auslösen. Dazu gehört z. B. eine Wiederholung der Sperrbolzenbewegung, oder eine entsprechende Störungsmeldung an die Master-Elektronik, oder eine Fehlermeldung, oder eine Alarmauslösung, oder eine Abschaltung des Motorbetriebs im Kraftfahrzeug.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, einige Bauteile der als Anwendung für die Erfindung gewählten elektronischen Lenkungsverriegelung,
Fig. 2 schematisch, den mechanischen Aufbau und das elektrische Blockschaltbild einer solchen Lenkungsverriegelung,
Fig. 3 eine Abwicklung einer teilkreisförmig gekrümmten Hubkurve für den Sperrbolzens dieser Vorrichtung mit angedeutetem Ansprechbereich der beiden Hallsensoren und
Fig. 4 die dem Auswerter zugehenden Signale der beiden Hallsensoren dieser Vorrichtung beim Hub des Sperrbolzens zwischen dessen beiden Endpositionen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in den Zeichnungen als elektronische Lenkungsverriegelung 10 dargestellt, die ihrerseits Teil eines Fahrzeug­ berechtigungssystems sein kann. Diese Vorrichtung soll kurz "ELV" bezeichnet werden. Die ELV 10 ist eine integrierte Lösung aus Mechanik, Elektrik und Aktuatorik, die grundsätzlich den aus Fig. 1 und 2 ersichtlichen Aufbau hat.
Durch die ELV 10 soll ein Sperrbolzen 11 zwischen zwei in Fig. 2 ausgezogen bzw. strichpunktiert verdeutlichten Positionen 11, 11' bewegt werden. In der ausgezogen gezeichneten Position 11 befindet sich der Sperrbolzen in seiner aus Fig. 2 erkennbaren Verriegelungsposition, wo er mit seinem Sperrende eine Lenksäule 12 des Fahrzeugs blockiert, so dass eine Drehung der Lenksäule 12 im Sinne des Pfeiles 13 nicht möglich ist. In der strichpunktiert verdeutlichten Stellung 11' befindet sich der Sperrbolzen dagegen in seiner Entriegelungsposition. Dann ist der Sperrbolzen 11' aus der Sperröffnung 14 der Säule 12 herausgezogen werden und die vorerwähnte Lenksäulendrehung 13 ist möglich.
Der Sperrbolzen 11 ist mit einem Hubglied 15 baueinheitlich verbunden. Das Hubglied ist folglich seinerseits um die gleiche Hubstrecke 16, wie der Sperrbolzen, zwischen den ebenfalls ausgezogen und gestrichelt in Fig. 2 verdeutlichen Hubpositionen 15, 15' verstellbar. Das Hubglied 15 steht, wie der Ausbruch in Fig. 2 zeigt, unter der Wirkung einer Feder 17. Wenn das Hubglied sich in der ausgezogenen Position 15 von Fig. 2 befindet, ist die Feder 17 bestrebt den Sperrbolzen aus dem Hubglied 15 in die Sperröffnung 14 der Lenksäule 13 eingedrückt zu halten. Wenn jedoch aufgrund einer Lenksäulenverdrehung 13 die Spitze des Sperrbolzens 11 nicht mit der Sperröffnung ausgerichtet sein sollte, stützt sich der Sperrbolzen zunächst an der Umfangsfläche der Lenksäule 12 ab, um bei einer nachfolgenden Drehung 13 in die dann ausgerichtete Sperröffnung 14 einzufallen. Die Bauteile 11, 15, 17 bilden folglich eine gemeinsam bewegliche Baueinheit.
Die durch den Pfeil 18 in Fig. 2 verdeutlichte Hubbewegung der Baueinheit aus 11, 15 und 17 geht von einer Steuerelektronik ausgelösten Bestromung eines Elektromotors 20 aus. Dieser Motor 20 wirkt über ein, z. B. aus einer Schnecke 21 und einem Schneckenrad 22 bestehendes Getriebe auf ein Hubrad 23 ein. Dieses Hubrad 23 besitzt im Radinneren zwei kreisförmige, axial weisende Hubkurven 24, auf denen sich das Hubglied 15 mit zwei diametralen Führungsarmen 25 abstützt. Das Hubglied 15 steht unter der Wirkung einer Rückstellkraft 26, die von einer Rückstellfeder 27 ausgeht. Am Hubglied ragt ein Arm 28 radial ab, an welchem ein Permanentmagnet 30 befestigt ist. Die Hubbewegung 18 wirkt sich folglich in einer entsprechenden Mitnahmebewegung des Permanentmagneten 30 aus.
Im Gehäuse 19 der ELV 10 sind verschiedene elektronische Bauteile auf einer Leiterplatte 29 befestigt, darunter zwei Hallsensoren 31, 32, die zueinander unterschiedlich wirksam sind. Sie stehen zunächst in einem aus Fig. 1 erkennbaren Abstand 33 zueinander, welcher der Hubstrecke 16 der genannte Hubbaueinheit 11, 15, 17 entspricht. Wenn beide Hallsensoren 31, 32 digital wirksam wären, dann würde der eine Hallsensor 31 nur dann auf das Wirkfeld des Permanentmagneten ansprechen, wenn die Hubbaueinheit mit ihrem Sperrbolzen in der bereits beschriebenen strichpunktierten Entriegelungsposition 11' sich befindet. Dagegen würde der andere Hallsensor 32 dann vom Permanentmagneten 30 wirksam gesetzt werden, wenn die ausgezogene Verriegelungsposition vom Sperrbolzen 11 vorliegt. Die beiden Hallsensoren 31, 32 detektieren also die beiden Hubpositionen 15, 15' des Hubglieds.
Die an den Ausgängen der beiden Hallsensoren anfallenden Signale werden schließlich über eine Leitung 34 einem elektronischen Auswerter 45 zugeleitet, der auf diesem Wege die Position des Hubglieds 15 überwacht und detektiert. Der eine Hallsensor 31 ist digital wirksam und so positioniert, dass er nur in der Entriegelungsposition 11' bzw. 15' aktiviert ist, weshalb er als "Entriegelungs- Hallsensor" bezeichnet werden kann. In Fig. 3 ist die Hubkurve 24 vom Hubrad 23 in ebener Abwinklung dargestellt. Auf der Ordinate der Kurve in Fig. 3 ist die Hubstrecke 16 zwischen den beiden Hubpositionen 15 und 15' eingetragen. Auf der Ordinate ist der Verlauf der Abstützung des Führungsarms 25 auf der Kurve 24 eingetragen, wobei die mit 35 gekennzeichnete Abstützstelle die Verriegelungsposition und die mit 36 markierte Abstützstelle die Entriegelungsposition des Sperrbolzens bestimmen. Der Wirkbereich des Entriegelungs-Hallsensors 31 ist im Randbereich der Fig. 3 durch die Klammer 37 verdeutlicht. Dies geht auch aus Fig. 4 hervor. Dort ist auf der Ordinate die Flußdichte in mT angegeben, während auf der Abszisse der Messweg verdeutlicht ist. Für den Entriegelungs-Hallsensor 31 gilt die obere, mit 41 gekennzeichnete Signalkurve. Daraus ergibt sich der folgende Wirkverlauf.
Man geht bei Fig. 3 und 4 von der Verriegelungsposition des Hubglieds 35 aus, die, wie gesagt, bei 35 vorliegt. Bei Aktivierung des Motors bewegt sich das Hubglied auf der Hubkurve 24 bis zu einem ersten mit 38 gekennzeichneten Plateau, wo der Entriegelungs-Hallsensor 31 noch nicht aktiviert ist. Seine Aktivierung erfolgt vielmehr erst im sich danach anschließenden letzten, mit 39 gekennzeichneten Anstieg, wenn das obere Plateau die mit 36 gekennzeichneten Entriegelungsposition erreicht hat. Dies wirkt sich, ausweislich der zugehörigen Messkurve 41 in Fig. 4, dadurch aus, dass am Ausgang des Hallsensors ein Signal erscheint; die Kurve 41 macht einen Sprung 43. Die Lage 43 bezüglich des Weges bestimmt den Wirkbereich 37. Je nach Betätigungsrichtung des Sperrbolzens zwischen 11 und 11' ergibt sich, wie Fig. 3 zeigt, ein "Hysteresis-Effekt" an der Messkurve 41.
Der andere Hallsensor 32 dagegen ist analog wirksam und hat daher einen in Fig. 3 mit 40 gekennzeichneten Ansprechbereich, der über eine wesentlich größere Distanz sich erstreckt, als der vorbeschriebene Wirkbereich 37 des Entriegelungs- Hallsensors. Dieser Sensor 32 soll daher nachfolgend kurz "Analog-Hallsensor" bezeichnet werden. Dieser Analog-Hallsensor 32 detektiert aber nicht nur die Verriegelungsposition sondern teilt den bereits erwähnten elektronischen Auswerter 45 auch den zeitlichen Verlauf der dort anfallenden Signale während der Hubbewegung mit. Die sich daraus ergebende Signalkurve 42 ist ebenfalls in Fig. 4 eingezeichnet. Sie erstreckt sich praktisch über den gesamten Verfahrweg des Hubglieds 15 zwischen den beiden Endpositionen 35, 36. Dieser Verfahrweg des Hubglieds 15 wird in einem skalierten analogen Spannungswert umgewandelt und von einem Mikrocontroller im Auswerter 45 über einen A/D-Wandler eingelesen. Der Wirkbereich dieses Analog-Hallsensors 32 schließt also auch die Entriegelungsposition 36 ein, weshalb die Entriegelungsposition redundant erkannt wird.
Wird die Entriegelungsposition nicht zweifelsfrei über beide Hallsensoren 31, 32 ermittelt, so wird dies vom Auswerter 45 festgestellt und die entsprechende Funktion im Fahrzeug ausgelöst. Es gibt verschiedene Fehler, die unterschiedliche Reaktionen zur Folge haben. Dies ist in Fig. 2 durch einige Funktionsblöcke 47, 48, 49 veranschaulicht, die über Leitungen 46 an den Auswerter 45 angeschlossen sind. In einem Fall, wenn z. B. keiner der beiden Hallsensoren 31, 32 ein Signal abgibt, kann ein schwerwiegender Defekt vorliegen, weshalb dann, wie im Display 44 des Funktionsblock 48 angegeben ist, Alarm ausgelöst werden. Der Alarm kann auf optische und/oder akustische Weise erfolgen. Im schwerwiegenden Fall kann auch der Motorantrieb des Kraftfahrzeugs ganz abgeschaltet werden.
Fallweise könnte auch der Entriegelungs-Hallsensor 31 eine analoge Arbeitsweise aufweisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in anderen Anwendungsfällen benutzt werden. Ein weiteres geeignetes Anwendungsfeld wären z. B. elektronische Zündstartschalter.
Bezugszeichenliste
10
elektrische Lenkverriegelung, ELV
11
Sperrbolzen (Verriegelungsposition)
11
' Entriegelungsposition von
11
12
Lenksäule
13
Drehpfeil für
12
14
Sperröffnung von
12
15
Hubglied (erste Hubposition)
15
' zweite Hubposition von
15
16
Hubstrecke von
15
17
Feder für
11
18
Hubbewegungspfeil von
15
19
Gehäuse
20
Motor
21
Getriebe, Schnecke
22
Getriebe, Schneckenrad
23
Hubrad
24
Hubkurve in
23
25
Führungsarm an
15
für
24
26
Rückstellkraft für
15
27
Rückstellfeder für
26
28
Arm an
15
29
Leiterplatte für
31
,
32
30
Permanentmagnet an
28
31
erster Hallsensor, Entriegelungs-Hallsensor
32
zweiter Hallsensor, Analog-Hallsensor
33
Abstand zwischen
31
,
32
34
Leitung
35
erste Abstützstelle von
25
(Verriegelungsposition)
36
zweite Abstützstelle von
25
(Entriegelungsposition)
37
Wirkbereich von
31
(
Fig.
3
)
38
erstes Plateau in
24
(
Fig.
3
)
39
Anstieg von
24
(
Fig.
3
)
40
Ansprechbereich von
32
(
Fig.
3
)
41
Signalkurve für
31
42
Signalkurve für
32
43
Sprung in
41
(
Fig.
4
)
44
Display in
48
45
Auswerter
46
Leitung
47
erster Funktionsblock an
45
48
zweiter Funktionsblock
49
dritter Funktionsblock

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Positionserkennung eines beweglichen Gliedes in einem bei Fahrzeugen anwendbaren Verschluss, insbesondere eines Sperrbolzens (11) einer elektronischen Lenkungsverriegelung (10) bei einem Kraftfahrzeug,
wobei der Sperrbolzen (11) unmittelbar oder mittelbar einen mitbeweglichen Permanentmagneten (30) trägt
und im Wirkfeld des bewegten Permanentmagneten (30) wenigstens zwei Hallsensoren (31, 32) angeordnet sind, von denen der eine auf die erste Position des beweglichen Gliedes (11), wie die Verriegelungsposition des Sperrbolzens (11) und der andere auf die zweite Position, wie die Entriegelungsposition des Sperrbolzens (11) ansprechen,
und die Ausgänge der beiden Hallsensoren (31, 32) mit einem elektronischen Auswerter (45) verbunden sind, der - entsprechend den eingehenden Signalen - bestimmte Funktionen (47, 48, 49) im Fahrzeug auslöst,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens der zweite Hallsensor (32) analog wirksam ist und daher einen über eine verhältnismäßig große Distanz sich erstreckenden Ansprechbereich (37) aufweist,
dass der Auswerter (45) zusätzlich zu der Überwachung der ersten Position des beweglichen Glieds (11) durch den ersten Hallsensor (31), auch den zeitlichen Verlauf der an dem zweiten Analog-Hallsensor (32) anfallenden Signale (42) mindestens in jenem Wegabschnitt des Bewegungswegs vom Permanentmagneten (30) überwacht,
wo sich die bereits vom ersten Hallsensor (31) überwachte erste Position (11) befindet,
und dass die vom Auswerter (45) bei dieser ersten Position des beweglichen Glieds auszulösende Funktion (47, 48, 49) im Fahrzeug sowohl vom Signal (41) des ersten Hallsensors (31) als auch von dem am zweiten Analog- Hallsensor (32) anfallenden zeitlichen Signalverlauf (42) bestimmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerter (45) zusätzlich zu der Überwachung der Entriegelungsposition (11') des Sperrbolzens durch den ersten Hallsensor (31) auch den zeitlichen Verlauf der in dem zweiten Analog-Hallsensor (32) anfallenden Signale (42) mindestens in jenem Wegabschnitt des Bewegungsweges vom Permanentmagneten (30) überwacht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hallsensor (31) digital wirksam ist und daher einen über eine verhältnismäßig kleine Distanz sich erstreckenden Ansprechbereich aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch der erste Hallsensor (31) analog wirksam ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerter (45) mit dem Analog-Hallsensor (32) praktisch die gesamte Wegstrecke des Permanentmagneten (30) zwischen den beiden Positionen (11, 11') des beweglichen Gliedes überwacht.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerter (45) mit dem Analog-Hallsensor (32) praktisch die gesamte Wegstrecke des Permanentmagneten (30) zwischen der Verriegelungsposition (11) und der Entriegelungsposition (11') des Sperrbolzens überwacht.
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