DE19944005A1

DE19944005A1 - Optoelektronischer Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE19944005A1
Application number: DE19944005A
Authority: DE
Inventors: Frank Blaesing
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-03-15
Also published as: AU7287100A; US6501069B2; EP1212586A1; US20020134926A1; WO2001020265A1; JP2003509674A

Abstract

Ein optoelektronischer Drehwinkelsensor, umfassend eine eine mehrspurige digitale Codierung tragende, an die Drehbewegung eines Rotors gekoppelte beleuchtete Codescheibe 1 und ein aus einer Vielzahl einzelner Wandlerelemente bestehendes, bezüglich seiner Längserstreckung quer zur Bewegungsrichtung der Codescheibe 1 angeordnete Sensorarray 2 zum Abtasten der Codierung der Codescheibe 1 ist dadurch bestimmt, daß zumindest einzelne Spuren S 1 -S 6 auf der Codescheibe 1 befindlichen Codierung mehrfach und mit Abstand zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, etwa einen Lenkwinkelsen sor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen optoelektronischen Dreh winkelsensor umfassend eine eine mehrspurige digitale Codierung tra gende, an die Drehbewegung eines Rotors gekoppelte beleuchtete Code scheibe und ein aus einer Vielzahl einzelner Wandlerelemente bestehen des, bezüglich seiner Längserstreckung quer zur Bewegungsrichtung der Codescheibe angeordnetes Sensorarray zum Abtasten der Codierung der Codescheibe.

Drehwinkelsensoren werden vielfach zur automatischen Positionierung und Messung in Werkzeugmaschinen und Koordinatenmeßgeräten einge setzt. Darüber hinaus dienen Drehwinkelsensoren im Kraftfahrzeugbe reich zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades und werden daher auch als Lenkwinkelsensoren bezeichnet. Der Lenkwinkel wird bei Kraftfahrzeugen benötigt, um mit diesem Wert etwa ein Fahrdy namikregelsystem beaufschlagen zu können. Ein solches Fahrdynamikre gelsystem erhält neben dem genannten Lenkwinkelwerten weitere Meß daten, etwa die Raddrehzahl oder die Drehung des Kraftfahrzeuges um seine Hochachse. Benötigt werden zum einen der absolute Lenkwin keleinschlag und zum anderen die Lenkgeschwindigkeit, damit diese Werte zusammen mit den anderen erfaßten Daten durch das Fahrdyna mikregelsystem ausgewertet und zum Steuern von Aktoren, beispielswei se 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 Lenkwinkel sensor besteht aus zwei parallel und mit Abstand zueinander angeordne ten Elementen - einer Lichtquelle und einem Zeilensensor - sowie einer zwischen der Lichtquelle und dem Zeilensensor angeordneten Code scheibe, 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 archimedi sche Spirale vorgesehen. Über die Belichtung entsprechender Wandlere lemente des Zeilensensors bei einem bestimmten Lenkeinschlag kann Aufschluß über die tatsächliche Lenkwinkelstellung gewonnen werden.

Die als Codierung eingesetzte archimedische Spirale ist kontinuierlich verlaufend ausgebildet, so daß diese als analoge Codierung angespro chen werden kann. An einer Erfassung einer Winkelstellung des Lenkra des sind beim Gegenstand dieses Drehwinkelsensors nur ein Bruchteil der in der Sensorzeile zusammengefaßten Wandlerelemente beteiligt, nämlich nur diejenigen, die durch den Lichtschlitz belichtet sind. Die übri gen Wandlerelemente des Sensorarrays sind an der Auswertung der Win kelinformation nur indirekt beteiligt, da die nicht belichteten Wandlerele mente allenfalls die Aussage zulassen, daß sich die Winkelstellung des Lenkrades in diesen, durch die nicht belichteten Wandlerelemente reprä sentierten Winkelbereichen nicht befindet. Problematisch ist bei einer sol chen Codierung, daß bei einer Verunreinigung der als Lichtschlitz ausge bildeten Codierung, beispielsweise durch ein Haar, in diesem Codebe reich eine Lenkwinkeldetektion nicht möglich ist. Durch die Verunreinigung ist die Codierung bereichsweise abgeschattet. Die zur Detektion dieser Winkelstellung zu belichtenden Wandlerelemente bleiben unbelichtet; die se Winkelstellung ist somit nicht definiert.

Eine entsprechende Problematik betrifft Drehwinkelsensoren, die anstelle der beschriebenen analogen Codierung eine digitale Codierung in Form mehrerer, nebeneinander angeordneter Spuren aufweisen. Ist eine oder auch mehrere dieser Spuren in einer Winkelstellung des Rotors zum Sta tor verunreinigt, dann kann diese Winkelstellung nicht mehr mit der ge wünschten Auflösung detektiert werden.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten gattungsgemä ßen optoelektronischen Drehwinkelsensor dergestalt weiterzubilden, daß eine sichere Winkelerfassung auch mit einer zum Teil verunreinigten Co dierung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein zelne Spuren der auf der Codescheibe befindlichen Codierung mehrfach und mit Abstand zueinander angeordnet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor, der insbesondere auch als Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges geeignet ist, ist vorgesehen, daß zumin dest einzelne Spuren, zweckmäßigerweise diejenigen, die im Hinblick auf eine Winkel bezogene Information eine besonders hohe Signifikanz auf weisen, mehrfach in der Codierung der Codescheibe enthalten sind. Zur Verringerung der statistischen Wahrscheinlichkeit, daß die mehrfach in der Codierung enthaltenen Spuren gleichzeitig durch Verunreinigungen in derselben Position in ihrer Funktion beeinträchtigt sind, sind die mehrfach in der Codierung enthaltenen Spuren mit Abstand zueinander angeordnet. Zweckmäßigerweise sind zwischen diesen Spuren andere Spuren mit ei ner geringeren Signifikanz im Hinblick auf die darin enthaltene Winkelin formation angeordnet. Ist bei einem optoelektronischen Drehwinkelsensor eine nur geringe Breite der Codescheibe vorgesehen, kann vorgesehen sein, daß die einzelnen Spuren nur eine minimale Breite aufweisen, bei spielsweise jeweils nur drei Wandlerelemente belichten. Codespuren aus dem vorbekannten Stand der Technik weisen demgegenüber Spuren breiten auf, die in der Regel sechs oder mehr Wandlerelemente des Sen sorarrays belichten. Dies wird beim Stand der Technik als sinnvoll ange sehen, da angenommen wird, daß eine Lichtdurchtrittssperrung durch ei ne Verunreinigung aufgrund der relativ großen Breite der Spuren nicht oder zumindest nicht vollständig eintritt. Beim Gegenstand des erfin dungsgemäßen Drehwinkelsensors ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine Spur der Codierung - zumindest eine hochsignifikante - in einer Winkel stellung wegen einer Verunreinigung überhaupt nicht auf dem Sensorar ray abgebildet wird, dagegen aufgrund des Abstandes zwischen den bei den getrennten gleichartigen Spuren ganz erheblich reduziert. Anstelle einer Mehrfachanordnung von nur einzelnen Spuren in der Codierung der Codescheibe kann ebenfalls vorgesehen sein, sämtliche Spuren mehr fach, beispielsweise zweifach in der Codierung anzuordnen. Bei einer mehrfachen Anordnung sämtlicher Spuren kann aufgrund des Abstands erfordernisses, den die mehrfach angeordneten Spuren zueinander auf weisen sollen, vorgesehen sein, daß alle mehrfach angeordneten Spuren den gleichen Abstand jeweils zueinander aufweisen. Dies entspricht einer parallelen Anordnung der jeweils mehrspurigen Codierung. Ebenfalls kann vorgesehen sein, daß diejenigen Spuren mit gleicher Winkelinformation mit höherer Signifikanz einen größeren Abstand zueinander aufweisen als diejenigen Spuren mit einer geringeren Signifikanz im Hinblick auf eine in dieser Spur enthaltenen Winkel bezogenen Information aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße mögliche Reduzierung der Spurenbreite ei ner einzelnen Spur braucht die Codescheibe des erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors nicht größer ausgebildet zu sein als bei vorbekannten Systemen. Entsprechend kann auch für den erfindungsgemäßen Dreh winkelsensor ein bezüglich seiner Dimensionierung üblicherweise einge setztes Sensorarray, etwa ein Zeilensensor verwendet werden.

Durch die mehrfache Anordnung zumindest einzelner Spuren besteht fer ner die Möglichkeit, die mehrfache Anordnung der einzelnen Spuren bei spielsweise um eine halbe Bitbreite gemessen an der Breite des geringst signifikanten Bits versetzt zueinander anzuordnen. Auf diese Weise kann das Auflösungsvermögen des Drehwinkelsensors erhöht werden; entspre chend kann vorgesehen sein, daß dieser Versatz eine Codespur ersetzen kann, so daß die benötigte Breite der Codescheibe entsprechend redu ziert ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus weiteren Unteransprü chen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigt

Fig. 1 In einer schematischen Darstellung eine erste Codescheibe eines optoelektronischen Drehwinkelsensors,

Fig. 2 eine zweite Codescheibe für einen optoelektronischen Drehwinkelsensor und

Fig. 3 eine dritte Codescheibe für einen optoelektronischen Dreh winkelsensor.

Eine Codescheibe 1 eines nicht näher dargestellten optoelektronischen Drehwinkelsensors, beispielsweise eines Lenkwinkelsensors eines Kraft fahrzeuges zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades ist als rechteckige Scheibe ausgebildet und getrieblich, beispielsweise über einen Gewindetrieb an die rotatorische Bewegung des Rotors ge koppelt. Eine rotatorische Bewegung des Rotors, beispielsweise der Lenkspindel resultiert über die getriebliche Kopplung somit in einer trans latorischen Bewegung der Codescheibe, wie dies durch den Doppelpfeil in Fig. 1 angedeutet ist. Die Codescheibe 1 ist von ihrer einen Seite durch eine nicht näher dargestellte Beleuchtungseinrichtung beleuchtet. Der Beleuchtungseinrichtung gegenüberliegend ist ein Zeilensensor 2 ange ordnet, dessen optoelektronischen Wandlerelemente zur Codescheibe 1 weisend angeordnet sind. Die Codescheibe 1 ist als Lichtschlitzscheibe ausgebildet, wobei die in die Codescheibe 1 eingebrachten Lichtschlitze eine mehrspurige digitale Winkelcodierung darstellen. Bei dem darge stellten Ausführungsbeispiel sind sechs Spuren S₁-S₆ vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel stellt die Codescheibe 1 einen Codierungs ausschnitt aus einer längeren Codescheibe dar. Dieser Codierungsaus schnitt bildet mehrfach aneinandergereiht die gesamte Codierung aus. Die durch die Indizes voneinander unterscheidbaren Spuren S₁-S₆ sind be züglich ihrer Signifikanz numerisch geordnet, wobei der Spur S₁ die größte Signifikanz bezogen auf eine in dieser Spur enthaltene Winkelinformation und die Spur S₆ die geringste Signifikanz aufweist. In einem angrenzen den Codesegment ist die Spur S₁ bzw. S₁' lichtundurchlässig ausgebildet. Die Spuren S₁-S₆ der Codierung bilden eine Spurengruppe G₁ aus. Sämtliche Spuren S₁-S₆ der Spurengruppe G₁ sind ein zweites Mal in der Codierung der Codescheibe 1 und zwar in Form der Spurengruppe G₂ enthalten. Die einzelnen Spuren der Spurengruppe G₂ sind mit dem Be zugszeichen S₁' bis S₆' gekennzeichnet, wobei gleiche Indizes gleichen Spuren der Spurengruppen G₁ und G₂ kennzeichnen. Bei der Anordnung der Spuren S₁-S₆ bzw. S₁'-S₆' ist vorgesehen, daß diejenigen Spuren mit einer höheren Signifikanz einen größeren Abstand zueinander aufwei sen als solche Spuren, denen nur eine geringere Signifikanz zukommt.

Folglich sind die Spuren S₁, S₁' am weitesten voneinander und die Spuren S₆ und S₆' mit dem geringsten Abstand zueinander angeordnet.

Fig. 2 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung eine Codescheibe 3, deren Codierung prinzipiell entsprechend der Codierung der Codescheibe 1 auf gebaut ist. Daher sind die einzelnen Spuren dieser Codescheibe mit ent sprechenden Bezugszeichen ebenso wie die Spurengruppen G₁, G₂ ge kennzeichnet. Die Spurengruppe G₁ mit den Spuren S₁-S₆ entspricht derjenigen der Codescheibe 1 der Fig. 1. Die Spuren S₁-S₆' der Spu rengruppe G₂ sind ebenfalls entsprechend derjenigen, der Codescheibe 1 aufgebaut, jedoch im Gegensatz zur Anordnung in der Codescheibe 1 um eine halbe Bitlänge versetzt zu den Spuren S₁-S₆ der Spurengruppe G₁ angeordnet. Durch diese Maßnahme ist das Auflösungsvermögen des Drehwinkelsensors um diese halbe Bitlänge erhöht.

Eine weitere Codescheibe 4 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Spuren S₁-S₆ der Spurengruppe G₁ entsprechen derjenigen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten. Die Spuren S₁'-S₆' der Spurengruppe G₂ sind bezüglich der Spuren der Spurengruppe G₁ sämtlich mit gleichem Abstand zueinander angeordnet und wie auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 um eine halbe Bitlänge versetzt angeordnet. Bei dieser Codescheibe stellen die Spuren S₁ und S₁' Referenzspuren dar, um Bewegungstoleranzen zwischen der Codescheibe und dem Zeilensensor bei der Auswertung berücksichtigen zu können.

Auch wenn in den Figuren als Codescheibe ein rechteckiger Streifen be schrieben ist, kann diese auch als kreisrunde Scheibe ausgebildet sein. Die in den Figuren dargestellte Form stellt dann eine Abwicklung einer solchen kreisrunden Scheibe dar. In einem solchen Fall ist die Scheibe unmittelbar an die Drehbewegung des Rotors, beispielsweise der Lenk spindel gekoppelt. Die Längserstreckung des Zeilensensors verläuft dann radial zur Drehachse einer solchen Codescheibe.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1

Codescheibe

2

Zeilensensor

3

Codescheibe

4

Codescheibe
S₁

-S₆

Spuren
S₁

'-S₆

' Spuren
G₁

, G₂

Spurengruppe

Claims

1. Optoelektronischer Drehwinkelsensor umfassend eine eine mehr spurige digitale Codierung tragende, an die Drehbewegung eines Rotors gekoppelte beleuchtete Codescheibe (1, 2, 4) und ein aus einer Vielzahl einzelner Wandlerelemente bestehendes, bezüglich seiner Längserstreckung quer zur Bewegungsrichtung der Code scheibe (1, 2, 4) angeordnetes Sensorarray (2) zum Abtasten der Codierung der Codescheibe (1, 2, 4), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Spuren (S₁-S₆) der auf der Codescheibe (1, 2, 4) befindlichen Codierung mehrfach und mit Abstand zuein ander angeordnet sind.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Spuren mit der meisten Signifikanz im Hinblick auf eine Winkel bezogenen Information mehrfach in der Codierung enthalten sind.

3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Codierung aus einer mehrfachen Anordnung von allen einzelnen Spuren (S₁-S₆; S₁'-S₆') aufgebaut ist.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die mehrfach in der Codierung enthaltenen Spuren gleicher Wertigkeit mit einem größtmöglichen Abstand zueinander angeordnet sind.

5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spuren in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Si gnifikanz im Hinblick auf eine in dieser Spur enthaltene Winkel be zogene Information mit größtmöglichen Abstand zueinander ange ordnet sind, wobei diejenigen Spuren mit der größten Signifikanz einen größeren Abstand voneinander aufweisen als Spuren, deren winkelbezogene Information nur einen geringeren Signifikanzgrad aufweisen.

6. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Spur (S₁-S₆) in der Codierung zweifach vorgesehen ist.

7. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die mehrfach in der Codierung enthaltenen Spuren um eine halbe Bitbreite gemessen an der Breite des ge ringst signifikanten Bits versetzt zueinander angeordnet sind.

8. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Drehwinkelsensor als Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist.