DE3304440A1

DE3304440A1 - Steuersystem fuer ein automobil unter verwendung optischer sensoren

Info

Publication number: DE3304440A1
Application number: DE19833304440
Authority: DE
Inventors: Yasuya Himeji Hyogo Kajiwara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-02-09
Filing date: 1983-02-09
Publication date: 1983-09-08
Also published as: FR2521081B1; FR2521081A1; DE3304440C2

Description

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MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN

Steuersystem für ein Automobil unter Verwendung optischer Sensoren 10

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem, mit dem verschiedenste Steuerfunktionen bei Automobilen durchgeführt werden können, wie beispielsweise die Steuerung des Motors, des Getriebes, der Fahrkontrolle, usw., sowie einen dafür zu benutzenden Sensor.

Bei einem in Automobilen für diesen Zweck bisher verwendeten Steuersystem werden verschiedenste physikalische Grössen ausschließlich als elektrische Signale ermittelt, die dann über elektrische Leitungen dem Steuersystem zugeleitet werden.

Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Schemadarstellung eines herkömmlichen Motorsteuersystems. Danach werden physikalische Größen auf elektrischem Wege ermittelt, z. B. mittels eines Luftströmungsmengensensors 1, eines Kühlwassersensors 2, eines Temperatursensors 3 für die Ansaugluft, eines Motordrehzahlsensors 4, eines Drosselklappenstellungssensors 5, usw., und diese Werte werden als elektrische Signale einer Steuereinheit 6 zugeleitet. Die Steuereinheit 6 führt aufgrund der Signale von den genannten Sensoren arithmetische und logische Operationen durch, um mit Hilfe einer Einspritzeinrichtung 7 die für den Motor 8 geeignetste Treibstoffzuführmenge zu ermitteln und somit den Betriebszustand des Motors richtig zu steuern.

Ähnlich werden in einem Steuersystem für die Drehmomentübertragungseinrichtung die Drehzahl und das Drehmoment des Motors und die am Motor anhängende Last ermittelt, um so die Getriebeübersetzung zu bestimmen, die sich am besten eignet, oder für einen sanften Fahrbetrieb den Schlupf einer Kupplung zu steuern. Bei einer Bremssteuereinrichtung werden Geschwindigkeit über der Fahrbahn, die Radgeschwindigkeit und die Beschleunigung ermittelt, und die Bremskraft wird dementsprechend gesteuert, um den bestgeeigneten Wert zu erhalten, damit beim Treten des Bremspedals die Räder nicht blockieren. Bei einer Reisesteuereinrichtung wird die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt, um einen Fahrbetrieb mit konstanter Geschwindigkeit sicherzustellen. Diese Systeme haben alle gemeinsam, daß physikalische Größen auf elektrischem Wege festgestellt und die dadurch erhaltenen Signale als elektrische Signale an die jeweiligen Steuersysteme übertragen werden.

Daraus ergibt sich, daß die Steuersysteme auf Einflüsse durch elektrische Störsignale reagieren, besonders wenn die festgestellten Signale niedrig sind. Andererseits sollen diese Systeme außerordentlich hohe Zuverlässigkeit haben, da Fehlfunktionen aufgrund elektrischer Störsignale zu Unfällen führen können.

Dm den Einfluß von elektrischen Störsignalen zu vermindern, wurde bereits der Einsatz optischer Fasern als Übertragungsleitungen anstelle der elektrischen Drähte vorgeschlagen. Da jedoch die physikalischen Größen an den Sensoren auf elektrischem Wege festgestellt werden, werden die elektromagnetischen Störsignale, die auf die Sensoren treffen, in optische Störgrößen umgewandelt und ausgesendet, auch wenn die elektrischen Signale mit Hilfe von elektrooptischen Wandlern in optische Signale umgewandelt werden. Der genannte Vorschlag stellt somit noch keine wirksame Lösung des Problems dar.

Allgemein gesagt, ist ein optischer Sensor, der die physikalische Größe optisch feststellt, vorteilhafter gegenüber einem solchen, der die physikalische Größe elektromagnetisch ermittelt und ein elektrisches Signal entsprechend der Größe hervorbringt, da durch Störsignale weniger leicht Verfälschungen auftreten können. Gerade in einem Automobil, das einen Bereich darstellt, welcher verschiedensten Störsignalen ausgesetzt ist, könnte ein optischer Sensor wesentlich wirksamer sein.

Die im Stand der Technik bekannten optischen Sensoren arbeiten vielfach nach dem Analogprinzip, bei dem die Durchlässigkeit oder Reflexion eines optischen Strahls zunächst gemessen wird, und ein derartiger, analog arbeitender optischer Sensor wird häufig besonders für Messung von Verschiebungen oder Verlagerungen eingesetzt. In diesem Fall ist außerdem das System für die Messung einer absoluten optischen Größe wegen der sich ändernden Drift und/oder der Kopplungsverluste nicht stabil. Ein analog arbeitender Sensor sollte deshalb durch ein System ersetzt werden, das einen Vergleich mit einer optischen Bezugsgröße durchführt. Aber auch ein derartiger optischer Sensor hat nur verminderte Genauigkeit, wenn er dort verwendet wird, wo Vibrationen oder Schwingungen herrschen, wie beispielsweise in einem Automobil, und er ist deshalb für den Einsatz im Motorraum eines Automobils zum Steuern des Motors ungeeignet.

Eingedenk vorstehender Ausführungen liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Steuersystem für ein Automobil zu schaffen, das von elektrischen Störsignalen unbeeinflußt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei der Erfindung sowohl von Sensoren, die physikalische Größen optisch messen, als auch von Signalübertragungsleitungen, die diesen Sensoren ange-

paßt sind und aus optischen Fasern bestehen, Gebrauch gemacht.

Genauer gesagt, wird erfindungsgemäß ein optischer Sensor geschaffen, mit dem eine physikalische Größe, insbesondere eine Verschiebung, digital gemessen werden kann. Die zu messenden Größen sind selbst nicht auf Verschiebungen begrenzt, sondern es kann jede andere physikalische Größe, die in eine Verschiebung umgesetzt werden kann, gemessen werden, z. B. Temperaturen wie Wasser-oder Lufttemperatur, die eine Verschiebung oder Verlagerung eines Bimetalls hervorrufen, Leitungsdrücke, die mit Hilfe eines. Bourdon-Rohres eine Verschiebung einer Membran erzeugen, eine Drosselklappenöffnung in Größen eines Auslenkwinkels eines Hebels, eine Luftdurchflußmenge an der Auslenkweite eines Flügels oder einer Klappe, wenn ein solcher Sensor an einem Automobil eingesetzt wird.

Ausführungsformen der Erfindung sind· in der Zeichnung wiedergegeben, die folgende Einzelheiten zeigt:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines herkömm

lichen Automobilsteuersystems;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines optischen

Temperaturfühlers;

Fig. 3 eine Schemadarstellung vom Aufbau

eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine Schemadarstellung vom Aufbau

eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 35

Fig. 5(a) und 5(b) Vorderansicht und Draufsicht, die

die Konstruktion eines Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors gemäß der Erfindung zeigen; 5

Fig. 6 im Schnitt die wesentlichen Teile

dieses optischen Sensors;

Fig. 7 und 8 Wellenformdiagramme des Ausgangssignals des optischen Sensors; und

Fig. 9 eine Vorderansicht eines anderen

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.

Um die erwähnten elektrischen Störsignale in ihrer Wirkung auszuschalten, hat es sich als wirksam erwiesen, keine elektrischen Sensoren, in deren Ausgangssignale die Störsignale eingemischt werden können, sondern optische Sensoren zu verwenden. Ein solcher optischer Sensor kann beispielsweise als Temperaturfühler Einsatz finden, der gemäß Fig. 2 einen Halbleiterblock 9 aufweist, der zwischen optische Fasern 10 und 11 eingesetzt ist und mit Hilfe eines umschließenden Gehäuses 12 gehalten wird. Wenn ein geeigneter optischer Strahl über den Lichtleiter 10 zugeleitet wird, wird er zum Teil im Halbleiterblock 9 absorbiert, während der Rest in den Lichtleiter 11 eintritt. Da in diesem Fall die Absorption des optischen Strahls durch den Halbleiterblock 9 mit steigender Temperatur zu den längeren Wellenlängen hin verschoben wird, steigt das Maß an Absorption als Ganzes mit Temperaturanstieg an. Die Temperatur kann also durch Messung der Durchlaßfähigkeit für den Strahl vom Lichtleiter 10 zum Lichtleiter 11 hin aufgrund der Intensität, mit der der Strahl aus dem Lichtleiter 11 austritt, gemessen werden.

Verschiedene optische Sensoren zum Messen anderer physikalischer Größen sind bisher entwickelt worden und lassen sich wirksam bei der Erfindung einsetzen. Ein im Sinne der Erfindung entwickelter optischer Sensor soll nachfolgend im einzelnen beschrieben werden.

Die Figuren 5(a) und 5(b) zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verschiebungssensors gemäß der Erfindung, der im vorliegenden Fall zum Messen eines Druckes eingesetzt wird.

Ein zu messender Druck wird durch eine Membran 31 in eine Verschiebung eines mechanischen Ubertragungsgliedes 32 umgesetzt. In einer Grundplatte 33 ist ein Schlitz 34 angebracht, dessen öffnungsweite durch einen am übertragungsglied 32 befestigten Verschluß 35 variiert wird. In einer dünnen Scheibe 36 sind dem Schlitz 34 entsprechende Schlitze 37 auf einem Kreis mit zueinander gleichem Abstand angeordnet. Diese Schlitzscheibe 36 wird durch einen Motor 38 mit konstanter Drehzahl (oder wenn nötig, auch mit sich ändernder Drehzahl) angetrieben. Ein Projektor 39 projiziert einen Lichtstrahl, der durch einen Lichtleiter 10 zugeleitet wird derart, daß der Strahl die gesamte Fläche des Schlitzes 34 ausfüllt. Der Projektor 39 kann beispielsweise eine Konkavlinse sein, wie in Fig. 6 angedeutet. Ein mit 40 bezeichneter Empfänger nimmt den optischen Strahl auf, der vom Projektor 39 durch die Schlitze 34 und 37 hindurch abgegeben worden ist. Der Empfänger 4 0 kann als konvexe Linse ausgebildet sein, die den von ihr gesammelten Strahl über einen Lichtleiter 11 einem optisch empfindlichen Element 43 (Fig. 6) zuleitet.

Wenn in einem Sensor der beschriebenen Art die Schlitzscheibe 36 durch den Motor 38 in Drehung versetzt wird, wird dem optischen Element 4 3 ein zerhacktes optisches Signal zugeführt und von diesem ein Signal abgegeben, wie es in der Fig. 7 angedeutet ist. In dieser Figur ist für den Verschiebungswert Null der Membran 31 eine Signaleinschaltdauer von

50 % angenommen. Wenn an der Membran 31 ein Druck wirkt, der über das Verschlußglied 35 eine Öffnung des Schlitzes 34 zur Folge hat, dann übersteigt das Signaleinschaltverhältnis des durch die Schlitze 34 und 37 hindurchtretenden Lichtes des Wert von 50 %, was in der Fig. 8 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die Veränderung des Signaleinschaltverhältnisses ist proportional der Änderung der Öffnung des Schlitzes 34. Da das Einschaltverhältnis sich nicht mit der Drehzahl des Motors 38 ändert, bedeutet die Messung einer Veränderung des Einschaltverhältnisses, daß eine Verschiebung stattgefunden hat, die auf den der Membran 31 zugeführten Druck zurückzuführen ist. Im vorliegenden Fall läßt sich das Einschaltverhältnis leicht dadurch messen, daß die Zeitspanne zwischen Anstieg und Abfall des Ausgangsimpulses und die Zeitspanne bis zum nächsten Anstieg festgestellt werden.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind die Kombinationen aus Schlitz 34 und Verschluß 35, Projektor und Empfänger 40, welche irgendeine beliebige physikalische Größe in eine Verschiebung umwandeln und dabei die Schlitzöffnung proportional dieser Verschiebung verändern können, an mehreren Positionen über den allen gemeinsamen Umfang der Schlitzbahn der Schlitzscheibe 36 angeordnet, so daß dadurch eine Sensorgruppe entsteht. Diese Ausführungsform kann mehrere Verschiebungswerte in gleicher Weise messen. Auf diese Weise kann eine gemeinsame Meßschaltung verwendet werden.

Die durch die verschiedenen optischen Sensoren erfaßten optischen Signale werden über Ubertragungsleitungen aus Lichtleitern unmittelbar einer Steuereinheit zugeführt, in der sie mit Hilfe bekannter photoelektrischer Wandler in elektrische Signale umgesetzt und dann elektrisch verarbeitet werden, wie dies allgemein bekannt ist, um daraufhin Stellelemente zu betätigen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie in einem Motorsteuersystem eingesetzt wird. Die jeweiligen physikalischen Größen wie Kühlwassertemperatur, Luftansaugtemperatur, Motordrehzahl, Strömungsmenge und Drosselklappenöffnung werden mit Hilfe von optischen Sensoren 13, 14, 15, 16 und 17 über Lichtleiter 18 und 19 der Steuereinheit 6 zugeführt. Die Steuereinheit 6 ist von an sich bekannter Art und beispielsweise in der japanischen Anmeldung Nr. 66 631/1980 beschrieben. Die Lichtleiter 18 stellen im vorliegenden Fall die Kanäle dar, über die die optischen Strahlen von der Steuereinheit 6 zu den optischen Sensoren geleitet werden, während über die Lichtleiter 19 die den physikalischen Größen, welche durch die jeweiligen Sensoren erfaßt worden sind, entsprechenden optischen Signale der Steuereinheit zugeführt werden.

In diesem Fall kann die optische übertragung durch eine Mehrkanalübertragung erfolgen. Fig. 4 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels, in dem eine Mehrkanalübertragung angewendet wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel leiten die optischen Fasern 18 den optischen Strahl zu mehreren Sensoren und sind zu einer Leitung gebündelt, wobei die Verteilung zu den jeweiligen Sensoren mit Hilfe eines Verteilers 20 erfolgt. Die von den einzelnen Sensoren kommenden Signale werden über einen optischen Koppler 21 übertragen und dann durch ein optisches Faserbündel 19 der Steuereinheit 6 zugeführt.

Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele erfolgte für Anwendungen bei einer Steuereinrichtung für Automobile. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt, sondern läßt sich mit gleichen Wirkungen bei verschiedenen Steuersystemen einsetzen.

Es wurde beschrieben, daß mit der Erfindung die Möglichkeit eröffnet wird, auf elektrische Störsignale zurückzuführende Fehlfunktionen auszuschalten, da das Erfassen der physikalischen Größen und die übertragung der darauf zurückgeführten Signale zur Steuereinheit ohne Elektrizität erfolgt. So können die physikalischen Größen in eine Verschiebung umgewandelt werden, und es kann die Dauer des Lichtdurchtritts durch einen Schlitz dadurch variiert werden, daß die Schlitzöffnung entsprechend dieser Verschiebung vergrößert oder verkleinert wird, was zu dem günstigen Ergebnis führt, daß die physikalische Größe durch Messen der Durchlaßdauer genau erfaßt werden kann, ohne daß Schwingungen oder Störsignale nachteilig Einfluß nehmen können.

Leerseite

Claims

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MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN

Steuersystem für ein Automobil unter Verwendung optischer Sensoren

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Patentansprüche

1 .] Steuersystem für ein Automobil mit wenigstens einem "Zensor und einer Signalübertragungsleitung für den Sensor, mit dessen Hilfe Betriebszustände von Teilen des Automobils entsprechend den vom Sensor festgestellten Signalen steuerbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens ein Sensor auf optischem Wege eine physikalische Größe mißt und daß die Übertragungsleitung ein Lichtleiter ist.
2. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

mehrere optische Sensoren, von denen wenigstens einer aufgrund einer Verschiebung mißt.
3. System nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens einer der Sensoren ein Temperatursensor ist
4. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

Mittel zum Umsetzen der optischen Ausgangsgrößen des wenigstens einen Sensors in elektrische Ausgangswerte und Steuermittel, die durch Verarbeitung der elektrischen Ausgangswerte Steuersignale erzeugen, wobei die Umsetzer an dem vom Sensor entfernten Ende der Signalübertragungsleitung angeordnet sind.
5. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

eine Vielzahl optischer Sensoren (13 - 17) und eine Steuereinrichtung (6), die die Ausgangswerte der Sensoren aufnimmt, wobei jeder Sensor (13 - 17) eine sich bis zur Steuereinrichtung (6) erstreckende Signalübertragungsleitung (19) aufweist.
6. System nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch eine Vielzahl optischer Sensoren (13 17), von denen jeder eine Signalübertragungsleitung hat, eine Steuereinrichtung (6) für den Empfang der Ausgangswerte der Sensoren (13 - 17) über eine einzige Ubertragungsleitung (19) und einen optischen Koppler (21) zum Ankoppeln der Übertragungsleitungen der Sensoren (13 - 17)
7. Optischer Sensor,

gekennzeichnet durch

einen in der Fläche einer Basisplatte (33) angeordneten Schlitz (34), einen die Schlitzöffnung abhängig von seiner Verschiebung verändernden Verschluß (35), eine umlaufende Scheibe (36) mit wenigstens einem dem Schlitz (34) in der Basisplatte (33) entsprechenden Schlitz (37), Mittel (10, 39), um durch den Schlitz (37) der umlaufenden Scheibe

(36) und den Schlitz (34) der Basisplatte (33) einen Lichtstrahl hindurchzusenden, und einen Empfänger (40) zum Empfangen des durch den Schlitz (37) der Scheibe (36) hindurchgetretenen Strahls zum Erzeugen eines Impulssignals, dessen Einschaltverhältnis proportional zur Verschiebung des Verschlusses (35) ist.
8.' Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der in der Basisplatte (33) eingeformte Schlitz (34) und der Verschluß jeweils mehrfach auf einer Umfangsbahn, auf welcher der Schlitz.(37) der umlaufenden Scheibe (36) rotiert, verteilt angeordnet sind, wodurch mehrere Ver-Schiebungen gleichzeitig meßbar sind.
9. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der die Verschiebung messende Sensor folgende Merkmale aufweist:

einen in der Fläche einer Basisplatte (33) angeordneten Schlitz (34), einen die Schlitzöffnung abhängig von seiner Verschiebung verändernden Verschluß (35), eine umlaufende Scheibe (36) mit wenigstens einem dem Schlitz (34) in der Basisplatte (33) entsprechenden Schlitz (37), Mittel (10, 39), um durch den Schlitz (37) der umlaufenden Scheibe (36) und den Schlitz (34) der Basisplatte (33) einen Lichtstrahl hindurchzusenden, und einen Empfänger (40) zum Empfangen des durch den Schlitz (37) der Scheibe (36) hindurchgetretenen Strahls zum Erzeugen eines Impulssignals, dessen Einschaltverhältnis proportional zur Verschiebung des Verschlusses (35) ist.