DE4331909A1 - Drehwinkelgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber, vorzugsweise einen Drehwinkelgeber für Kraftfahrzeuganwendungen, insbeson­ dere für Pedalwertgeber und Kupplungssteller, wie er im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Bei einem bekannten Pedalwertgeber (DE 34 11 393 A1) ist zur Erfassung der Schwenkstellung des damit gekoppelten Pedals ein Drehwinkelsensor vorgesehen, der mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten, vom Pedal beaufschlagten Geberwelle zusam­ menwirkt. Als Drehwinkelsensor ist dabei ein Schleifringpoten­ tiometer vorgesehen, das ein elektrisches Drehwinkelsignal entsprechend der Pedalstellung liefert.

Zwar werden mit derartigen Pedalwertgebern, bei denen Poten­ tiometersensoren zur Drehwinkelerfassung eingesetzt werden, die heutigen Anforderungen zum größten Teil noch befriedigend erfüllt, für bestimmte Regelaufgaben ist jedoch die geringe Zuverlässigkeit bei Potentiometern nachteilig.

Als robuste und kostengünstige Weggeber für bei Großserien üblichen Genauigkeitsanforderungen sind seit langem Tauchan­ kergeber, also Spulen mit einem entsprechend dem zu erfassenden Weg darin verschiebbaren Kern oder Anker, bekannt und werden im Kraftfahrzeugbereich z. B. bei der Leuchtweiten­ regelung eingesetzt.

Dabei wird die Änderung der Induktivität einer Spule durch Eintauchen eines ferromagnetischen Kerns ausgewertet. Zur Linearisierung der Kennlinie eines derartigen Sensors werden mehrere in Reihe geschaltete Spulenkammern mit verschiedener Windungszahl verwendet.

Andere auf magnetoresistiven oder induktiven Prinzipien arbei­ tende, berührungslose Sensoren besitzen eine hohe Empfindlich­ keit gegenüber vieler Störgrößen und einen geringen Nutzsig­ nalhub. Kompensationslösungen zur Beseitigung dieser Nachteile erfordern einen sehr hohen Aufwand, so daß derartige Sensoren nicht für die Großserienfertigung geeignet sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehwin­ kelgeber der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem bei kostengünstigem und platzsparendem Aufbau ein Drehwinkel zuverlässig erfaßbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Drehwinkelgeber der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemaß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorspule mit einem damit zusammenwirkenden Kurbelgetriebe wird auf vorteilhafte Weise ein kompakter Drehwinkelgeber mit einem platzsparenden Drehwinkelsensor geschaffen, der genügend vorteilhafterweise robust und genau ist, um auch für sicherheitskritische Anwen­ dungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden zu können.

Durch die gewählte geometrische Anordnung wird also vorteil­ hafterweise ein äußerst platzsparender, genügend genauer und kostengünstiger Einsatz einer berührungslos arbeiten linearen Sensorspule als Drehwinkelsensor ermöglicht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Haupt­ anspruch angegebenen Drehwinkelgebers möglich.

Um die nichtlineare Übertragungscharakteristik des Kurbelge­ triebes zwischen Spulenkern und Geberwelle zu kompensieren, ist die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 vorgesehen.

Um die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers zu erhöhen, sind die Ausgestaltungen nach Anspruch 5 bis 7 vorgesehen. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise die mecha­ nische und elektrische Redundanz des Drehwinkelgebers gewähr­ leistet, ohne daß die Einbaugröße wesentlich vergrößert wird.

Die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 8 bis 10 ermöglichen nicht nur einen besonders einfachen und leicht zu montierenden Aufbau des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers, sondern vorteilhafterweise zusätzlich auch den Einsatz von spröden, aber sowohl von der Funktion als auch von den Kosten her vorteilhaften Materialien wie z. B. Ferrit.

Eine besonders vorteilhafte kompakte Anordnung liefert die Ausgestaltung nach Anspruch 11. Dabei ist es besonders vor­ teilhaft, daß einerseits der Drehwinkelsensor als solcher eine Baueinheit bildet, die für sich geprüft werden kann, und daß andererseits der komplette Drehwinkelgeber zum Ausgleich aller fertigungstechnischen Toleranzen abgeglichen werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Draufsicht auf einen Drehwinkelgeber,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Drehwinkelsensor des Dreh­ winkelgebers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische, perspektivische Darstellung des Drehwinkelsensors nach Fig. 2 mit zugeordneter Kurbel und

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild des Drehwinkel­ sensors nach Fig. 2.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Drehwinkelgeber 10 mit einem Gehäuse 11 dar­ gestellt, in dem eine Geberwelle 12 drehbar gelagert ist. An ihrem aus dem Gehäuse 11 hervorstehenden Ende trägt die Geber­ welle 12 Befestigungsmittel 13, 14 für eine nicht gezeigte Dreh- oder Schwenkeinrichtung, von der sie entsprechend deren Dreh- bzw. Schwenkstellung verdrehbar ist. Z. B. kann der Drehwinkelgeber 10 mit einem Pedal eines Kraftfahrzeugs in geeigneter Weise verbunden sein, so daß die Geberwelle 12 entsprechend der Pedalstellung im Gehäuse 11 verdreht wird.

Im Gehäuse 11 ist eine zur Geberwelle 12 koaxial angeordnete Rückstellfederanordnung 15 vorgesehen, die einen ersten, mit der Geberwelle 12 und einen zweiten, mit dem Gehäuse 11 dreh­ fest verbundenen Federkäfig 16 bzw. 17 aufweist. In den Feder­ käfigen 16, 17 sind zwei parallel wirkende Rückstellfedern 18, 19 aufgenommen, die beim Verdrehen der Geberwelle 12 eine auf die Dreh- oder Schwenkeinrichtung rückwirkende Reaktionskraft erzeugen.

Mit dem anderen, im Gehäuse 11 befindlichen Ende der Geberwel­ le 12 ist ein Drehwinkelsensor 20 gekoppelt, der eine Träger­ platte 21 umfaßt, die beispielsweise an dem mit dem Gehäuse 11 drehfest verbundenen Federkäfig 17 befestigt ist. Auf der von der Rückstellfederanordnung 15 abgewandten Seite der Träger­ platte 21 sind eine oder mehrere, vorzugsweise zwei Sensorspu­ lenanordnungen 22 vorgesehen, während auf der anderen Seite der Trägerplatte 21 eine Auswerteelektronik 23 des Drehwinkel­ sensors 20 angeordnet ist. Über Anschlußfahnen 24, die sich durch die Trägerplatte 21 hindurch erstrecken, ist die Aus­ werteelektronik 23 mit einer elektrischen Leitung 25 verbun­ den, die abgedichtet aus dem Gehäuse 11 herausgeführt und an eine nicht dargestellte Fahrzeugelektronik angeschlossen ist.

Wie die Fig. 2 zeigt, umfaßt jede der vorzugsweise zwei Sen­ sorspulenanordnungen 22 je eine Sensorspule 26 mit einer Viel­ zahl von Spulenkammern 27, wobei die in diesen angeordneten, in Reihe miteinander geschalteten Wicklungsanordnungen 27′ unterschiedliche Windungszahlen aufweisen. Ein in der Sensor­ spule 26 angeordneter Kernträger 28 nimmt einen einen Tauchan­ ker bildenden Spulenkern 29 auf, der beispielsweise aus Ferrit besteht und der vorzugsweise im Spritzgußverfahren mit dem Kernträger 28 umspritzt wird. Der Kernträger 28 wird an seinen beiden aus der Sensorspule 26 vorstehenden Enden von einer Kernträgerführung 30 gehalten, die die Sensorspule 26 etwa C- förmig umgreift und in die er eingeklipst sein kann.

Die Kernträgerführung 30 weist an ihrem im wesentlichen paral­ lel zur Sensorspule 26 angeordneten Stegabschnitt 31 eine zur Trägerplatte 21 hin offene, bügelförmige Aussparung 32 auf, die benachbart zur Trägerplatte 21 von zwei, die Länge der Aussparung 32 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Sensorspule 26 und parallel zur Trägerplatte 21 vergrößernden Vorsprüngen 33 begrenzt ist.

In diese Aussparung 32 greift eine Kurbel 34 eines Kurbelge­ triebes mit einem von zwei Kurbelstiften 35 ein, die einander bezüglich der Kurbeldrehachse diametral gegenüberliegend an einem z. B. topfförmigen Kurbelträger 36 angeordnet sind. Der andere Kurbelstift 35 greift in die entsprechende Aussparung 32 an der Kernträgerführung 30 der anderen Sensorspulenanord­ nung 22 ein. Um die Kurbelbewegung spielfrei auf die beiden Kernträgerführungen 30 übertragen zu können, sind die Kurbel­ stifte 35 vorgespannt in der jeweiligen Aussparung 32 aufgenommen.

Die Vorspannung wird erzielt durch entsprechendes Dimensionie­ ren der Aussparung 32 und des Kurbelstiftes 35. Bei Verwendung eines elastischen, formstabilen, reibungs- und verschleißarmen Werkstoffs, vorzugsweise Kunststoff, für den Stegabschnitt 31, ist eine zuverlässige, spielfreie Übertragung der Drehbewegung der Geberwelle 12 in die Linearbewegung des Spulenkerns 29 auf einfache Weise möglich.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die Kurbel 34 mit ihrem Kurbelträger 36 koaxial auf der Geberwelle 12 befestigt und erstreckt sich durch eine zentrale Öffnung 37 (siehe z. B. Fig. 3) in der Trägerplatte 21 hindurch.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Kernträger 28 vorteilhaf­ terweise so in die Sensorspulen 26 eingesetzt, daß der eine Spulenkern 29 in der Ruhestellung des Drehwinkelgebers 10 sich in der Sensorspule 26 befindet und bei einer Verschiebung der Kernträgerführung 30 infolge einer Drehung der Geberwelle 12 in Richtung des Pfeiles D aus der Sensorspule 26 austaucht, während sich der andere Spulenkern 29 in der Ruhestellung im wesentlichen außerhalb seiner Sensorspule 26 befindet und bei Verschiebung in diese eintaucht.

Wird die Geberwelle 12 durch eine entsprechende Dreh- oder Schwenkeinrichtung gedreht, so werden die Spulenkerne 29 in den Sensorspulen 26 verschoben, wodurch sich deren Induktivi­ tät ändert. Die dabei auftretende, nichtlineare Umsetzung des Drehwinkels in den Verschiebeweg des Spulenkerns 29 durch die mit der Kernträgerführung 30 zusammenwirkende Kurbel 34 wird dabei durch die unterschiedlichen Windungszahlen ausgeglichen, die in den einzelnen Spulenkammern 27 der Sensorspule 26 vor­ gesehen sind.

Die auf der Trägerplatte 21 angeordnete Auswerteelektronik 23 weist entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Spulenanordnun­ gen eine oder mehrere, vorzugsweise zwei integrierte Schalt­ kreise 38 (Fig. 4) mit jeweils einem Meß- und einem Referenz­ oszillator 39 bzw. 40 auf. Das Eingangssignal des Meßoszilla­ tors 39 wird von jeweils einem Sensorschwingkreis 41 gelie­ fert, der neben der Sensorspule 26 einen Kondensator 42 um­ faßt, während der Referenzoszillator 40 mit einem Schwingquarz 43 oder einem anderen geeigneten Schwingungsgeber verbunden ist.

Das Ausgangssignal des Meßoszillators 39 wird über einen f/D-Wandler 44 an eine arithmetische Recheneinheit (ALU) 45 geführt, die mit einem programmierbaren Lesespeicher (PROM) 46 verbunden ist. Das dem erfaßten Drehwinkel entsprechende Aus­ gangssignal der ALU 45 wird über einen Digital/Analog-Wandler 47 als Drehwinkelsignal, z. B. als Pedalwert, an einen Ausgang des integrieten Schaltkreises 38 und zusätzlich direkt an zwei Komparatoren 48, 49 angelegt, die bei Erreichen eines bestimm­ ten, vorgebbaren Drehwinkels ein diesem Drehwinkel entspre­ chendes Ausgangssignal liefern, z. B. ein Kick-Down-Signal für ein automatisches Schaltgetriebe oder dgl.

Die Verwendung der integrierten Auswerteelektronik 23 führt zu niederimpedanten und somit störunempfindlichen Ausgangssig­ nalen.

Durch die platzsparende und kompakte Anordnung der Sensorspu­ lenanordnungen 22 auf der Trägerplatte 21, die gleichzeitig die integrierte Auswerteelektronik 23 trägt, bildet der Dreh­ winkelsensor 20 eine funktionsfähige und auch getrennt voll prüfbare Baueinheit. Der Abgleich des Drehwinkelsensors 20 ermöglicht den kostengünstigen Ausgleich aller Einzeltoleran­ zen und mit dem beschriebenen Schaltungskonzept der Auswerte­ elektronik 23 eine kostengünstige Fertigung.

Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber 10, der z. B. als Pedal­ wertgeber einsetzbar ist, ist voll prüf- und erprobbar, da äußere Einflüsse, wie z. B. Kabelbaumimpedanzen des Kraftfahr­ zeugs und dgl. nicht als Störgröße eingehen.

Nach dem Einbau des Drehwinkelsensors 20 in den Drehwinkel­ geber 10 ist ein Abgleich für Offset und Steigung über eine serielle Schnittstelle und EEPROM möglich. Danach kann das Gehäuse 11 des Drehwinkelgebers 10 z. B. mit einem innenver­ rastbaren Deckel 50 manipulationssicher verschlossen werden.

Claims (11)

1. Drehwinkelgeber, vorzugsweise für Kraftfahrzeuganwendungen, insbesondere für Pedalwertgeber und Kupplungssteller, mit einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Geberwelle (12), die so mit einer Dreh- oder Schwenkeinrichtung ge­ koppelt ist, daß sie von dieser entsprechend deren Dreh­ bzw. Schwenkstellung verdrehbar ist, und die mit einem ein elektrisches Drehwinkelsignal liefernden Drehwinkel­ sensor (20) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehwinkelsensor zumindest eine gegenüber der Drehbewegung der Geberwelle (12) feststehend angeordnete, lineare Sensorspule (26) mit einem darin verschiebbar ge­ haltenen Spulenkern (29) umfaßt,
daß der Spulenkern (29) über ein Kurbelgetriebe (34) von der Geberwelle (12) verschiebbar ist und
daß die der Verschieberichtung des Spulenkerns (29) in der Sensorspule (26) entsprechende Spulenachse quer, vorzugsweise senkrecht zur Drehachse der Geberwelle (12) angeordnet ist.

2. Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenachse einen zu ihr senkrechten Abstand zur Drehachse der Geberwelle (12) aufweist.

3. Drehwinkelgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spulenkern (29) mittels einer Kernträgerführung (30) verschiebbar ist, die einen sich im wesentlichen parallel zur Sensorspule (26) erstreckenden Stegabschnitt (31) aufweist, und
daß die Abtriebsseite (35) des Kurbelgetriebes (34) in der Ruhestellung etwa im Bereich der Längsmitte der Sen­ sorspule (26) an dem Stegabschnitt (31) angreift.

4. Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Abtriebsseite (35) des Kurbelgetriebes (34) bildender, sich vorzugsweise parallel zur Drehachse der Geberwelle (12) erstreckender Kurbelstift (35) vorge­ spannt in eine entsprechende Aussparung (32) der Kern­ trägerführung (30) eingreift.

5. Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule (26) mehrere Spulenkammern (27) mit Wicklungsanordnungen (27′) umfaßt, die miteinander in Reihe geschaltet sind und die verschiedene Wicklungs­ zahlen aufweisen.

6. Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit bezug auf die Drehachse der Geberwelle (12) einander diamtral gegenüber liegende Sensorspulen (26) vorgesehen sind.

7. Drehwinkelgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkerne (29) so in ihren Sensorspulen (26) angeordnet sind, daß der eine Spulenkern (29) bei einer von der Geberwelle (12) bewirkten Verschiebung in die Sensorspule (26) eintaucht, während der andere austaucht.

8. Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (29) in einem Kernträger (28) gehalten ist, der an der Kernträgerführung (30) befestigt ist.

9. Drehwinkelgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (29) mit dem Kernträger (28) im Spritzgußverfahren umspritzt ist.

10. Drehwinkelgeber nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernträger (28) in die Kernträgerführung (30) eingeklipst ist.

11. Drehwinkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspulen (26) auf einer Seite einer senkrecht zur Geberwelle (12) angeordneten Trägerplatte (21) ange­ bracht sind, während eine mit der bzw. den Sensorspulen (26) verbundene, das Drehwinkelsignal liefernde Auswerte­ elektronik (23) auf der anderen Seite an dieser Träger­ platte (21) angeordnet ist.