DE3304440C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein System mit Steuerteilen, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuereinheit, an welche über Lichtleitmittel und opto-elektronische Wandler Steuersignale übertragen werden, und mit mindestens einem Sensorelement zur Messung von Parametern von Steuerteilen und Elementen zur Steuerung der Steuerteile.

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 Motorsystems. 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 Drehmoment-Übertragungseinrichtung 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.

Um 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 optisches Strahls zunächst gemsssen 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.

Aus der DE-OS 28 39 127 ist ein Datenübertragungssystem in Fahrzeugen bekannt, bei dem Lichtleiter zur Übertragung von Nachrichten zu einer Zentralelektronik oder zu Unterstationen vorgesehen sind, um auf diese Weise eine Nachrichtenübertragung gegen magnetische und andere schädliche Einflüsse zu schützen. In eine Zentrale werden Befehle eingegeben, welche die Zuschaltung der jeweiligen Verbraucher über zugeordnete Unterstationen bewirkt.

Die Zentrale hat die Aufgabe, bei der Anschaltung der einzelnen Verbraucher zu koordinieren bzw. den Motor und seine Aggregate zu steuern und zu regeln. Mit Hilfe der Lichtleiter erfolgt daher die Übertragung von Anschaltsignalen z. B. zu einem Scheinwerfer.

Aus der DE-OS 30 47 343 ist ein faseroptisches Meßgerät bekannt, welches eine Elektronikeinheit aufweist, die lichtemittierende und lichtempfangende Elemente aufweist. Diese Elektronikeinheit ist mit einem Geber über eine Lichtleitübertragung verbunden. Der Geber enthält ein luminiszierendes Material, wobei dessen Lage relativ zum Faserende von der Meßgröße beeinflußbar ist, wobei das optische Ausgangssignal des Gebers von der Meßgröße abhängig ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die von elektrischen Störsignalen unbeeinflußbar ist, um Fehlfunktionen auszuschalten.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Sensorelement als mechanisch-optischer Wandler ausgebildet ist, das mechanische Verstellgrößen an den Steuerteilen in entsprechende digitale optische Signale umwandelt.

Auf diese Weise können die physikalischen Größen in eine mechanische Stellgröße umgewandelt werden. Es kann z. B. die Dauer des Lichtdurchtritts durch einen Schlitz dadurch verändert werden, daß die Schlitzöffnung entsprechend dieser Verschiebung vergrößert oder verkleinert wird. Hierdurch ist der Vorteil gegeben, daß die physikalische Größe durch Messen der Durchlaßdauer genauer erfaßt werden kann, ohne daß Schwingungen oder Störsignale nachteilig Einfluß nehmen können.

Gemäß der Erfindung ist ein optischer Sensor geschaffen, mit dessen Hilfe die physikalische Größe, insbesondere eine Verschiebung, digital gemessen werden kann. Diese zu messenden Größen sind selbst nicht auf Verschiebungen begrenzt. Es können auch andere physikalische Größen in eine Verschiebung umgesetzt werden. Als physikalische Größen kommen z. B. Temperaturwerte, die durch Auslenkung eines Bimetallstreifens gemessen werden, Leitungsdrücke, die mit Hilfe eines Bourdon-Rohres oder einer Membran gemessen werden, die Öffnung einer Drosselklappe, die mittels des Auslenkwinkels eines Hebels gemessen wird, die Luftdurchflußmenge an der Auslenkweite eines Flügels oder einer Klappe infrage, wenn ein solcher Sensor in einem Automobil vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

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

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines herkömmlichen Automobilsteuersystems;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines optischen Temperaturfühlers;

Fig. 3 eine Schemadarstellung vom Aufbau eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 4 eine Schemadarstellung vom Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5(a) und 5(b) Vorderansicht und Draufsicht, die die Konstruktion eines Ausführungs­ beispiels eines optischen Sensors gemäß der Erfindung zeigen;

Fig. 6 im Schnitt die wesentlichen Teile dieses optischen Sensors;

Fig. 7 und 8 Wellenformdiagramme des Ausgangs­ signals des optischen Sensors; und

Fig. 9 eine Vorderansicht eines anderen Ausführunsbeispiels eines erfin­ dungsgemäßen optischen Sensors.

Um die erwähnten elektrischen Störsignale in ihrer Wirkung auszuschalten, hat es sich als wirksam erwiesen, keine elek­ trischen Sensoren, in deren Ausgangssignale die Störsignale eingemischt werden können, sondern optische Sensoren zu verwenden. Ein solcher optischer Sensor kann beispielswei­ se 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 um­ schließenden 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 Halb­ leiterblock 9 mit steigender Temperatur zu den längeren Wellenlängen hin verschoben wird, steigt das Maß an Absorp­ tion 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 physika­ lischer Größen sind bisher entwickelt worden und lassen sich wirksam bei der Erfindung einsetzen. Ein im Sinne der Erfindung entwickelter optischer Sensor soll nachfol­ gend im einzelnen beschrieben werden.

Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verschiebungssensors gemäß der Erfindung, der im vor­ liegenden Fall zum Messen eines Druckes eingesetzt wird. Ein zu messender Druck wird durch eine Membran 31 in eine Verschiebung eines mechanischen Übertragungsgliedes 32 um­ gesetzt. In einer Grundplatte 33 ist ein Schlitz 34 ange­ bracht, dessen Öffnungsweite durch einen am Übertragungs­ glied 32 befestigten Verschluß 35 variiert wird. In einer dünnen Scheibe 36 sind dem Schlitz 34 entsprechende Schlit­ ze 37 auf einem Kreis mit zueinander gleichem Abstand ange­ ordnet. Diese Schlitzscheibe 36 wird durch einen Motor 38 mit konstanter Drehzahl (oder wenn nötig, auch mit sich ändernder Drehzahl) angetrieben. Ein Projektor 39 proji­ ziert einen Lichtstrahl, der durch einen Lichtleiter 10 zugeleitet wird derart, daß der Strahl die gesamte Fläche des Schlitzes 34 ausfüllt. Der Projektor 39 kann beispiels­ weise 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 40 kann als konvexe Linse ausgebildet sein, die den von ihr gesammel­ ten Strahl über einen Lichtleiter 11 einem optisch empfind­ lichen Element 43 (Fig. 6) zuleitet.

Wenn in einem Sensor der beschriebenen Art die Schlitzschei­ be 36 durch den Motor 38 in Drehung versetzt wird, wird dem optischen Element 43 ein zerhacktes optisches Signal zuge­ führt und von diesem ein Signal abgegeben, wie es in der Fig. 7 angedeutet ist. In dieser Figur ist für den Verschie­ bungswert 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 Signaleinschaltver­ hältnis des durch die Schlitze 34 und 37 hindurchtretenden Lichtes den Wert von 50%, was in der Fig. 8 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die Veränderung des Signalein­ schaltverhältnisses ist proportional der Änderung der Öff­ nung 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 Mem­ bran 31 zugeführten Druck zurückzuführen ist. Im vorliegen­ den Fall läßt sich das Einschaltverhältnis leicht dadurch messen, daß die Zeitspanne zwischen Anstieg und Abfall des Ausgangsimpulses und die Zeitspanne bis zum nächsten An­ stieg festgestellt werden.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind die Kombinationen aus Schlitz 34 und Verschluß 35, Projektor 39 und Empfänger 40, welche irgendeine beliebige physikalische Größe in eine Verschiebung umwandeln und dabei die Schlitz­ öffnung 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 Übertragungsleitungen aus Lichtleitern unmittelbar einer Steuereinheit zugeführt, in der sie mit Hilfe bekannter photoelektrischer Wandler in elektrische Signale umgesetzt und dann elektrisch ver­ arbeitet werden, wie dies allgemein bekannt ist, um darauf­ hin Stellelemente zu betätigen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie in einem Motorsteuersystem einge­ setzt wird. Die jeweiligen physikalischen Größen wie Kühl­ wassertemperatur, Luftansaugtemperatur, Motordrehzahl, Strömungsmenge und Drosselklappenöffnung werden mit Hilfe von optischen Sensoren 13, 14, 15, 16 und 17 über Licht­ leiter 18 und 19 der Steuereinheit 6 zugeführt. Die Steuereinheit 6 ist von an sich bekannter Art und bei­ spielsweise in der japanischen Anmeldung 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 wer­ den, während über die Lichtleiter 19 die den physikalischen Größen, welche durch die jeweiligen Sensoren erfaßt worden sind, entsprechenden optischen Signale der Steuereinheit 6 zugeführt werden.

In diesem Fall kann die optische Übertragung durch eine Mehrkanalübertragung erfolgen. Fig. 4 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels, in dem eine Mehrkanal­ übertragung 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 je­ weiligen 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.

Claims (10)

1. Steuervorrichtung für ein System mit Steuerteilen, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuereinheit, an welche über Lichtleitmittel und opto-elektronische Wandler Steuersignale übertragen werden, und mit mindestens einem Sensorelement zur Messung von Parametern von Steuerteilen und Elementen zur Steuerung der Steuerteile, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als mechanisch-optischer Wandler (13, 14, 15, 16, 17) ausgebildet ist, das mechanische Verstellgrößen an den Steuerteilen in entsprechende digitale optische Signale umwandelt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitmittel zwischen der Steuereinheit (6) und dem jeweiligen Sensorelement einen ersten Lichtleitkanal (18) zur Zuführung von optischen Strahlen zum Sensorelement und einen zweiten Lichtleitkanal (19) zur Zuführung der vom Sensorelement beeinflußten Lichtstrahlen zur Steuereinheit (6) umfassen.

3. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch-optische Wandler mindestens ein mechanisches Einstellglied zur Beeinflussung der durch die Lichtleitmittel (19) zur Steuereinheit (6) geführten Lichtstrahlen umfaßt.

4. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch-optische Wandler zwei gegeneinander verstellbare Einstellglieder (33, 35) zur Beeinflussung der durch die Lichtleitmittel (19) zur Steuereinheit (6) geführten Lichtstrahlen umfaßt.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere optische Sensoren, von denen wenigstens einer aufgrund einer Verschiebung mißt.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren ein Temperatursensor ist.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl optischer Sensoren (13 bis 17), von denen jeder eine Signalübertragungsleitung hat, eine Steuereinrichtung (6) für den Empfang der Ausgangswerte der Sensoren (13 bis 17) über eine einzige Übertragungsleitung (19) und einen optischen Koppler (21) zum Ankoppeln der Übertragungsleitungen der Sensoren (13 bis 17).

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor 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 aufweist, dessen Einschaltverhältnis proportional zur Verschiebung des Verschlusses (35) ist.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Basisplatte (33) des optischen Sensors 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 Verschiebungen gleichzeitig meßbar sind.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, 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.