DE4437941A1 - Position sensor for determining rotational settings of 2 parts moving relative to each other - Google Patents

Position sensor for determining rotational settings of 2 parts moving relative to each other

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Abstract

The electrical inductance of the spring (22) is used for the prodn. of a signal representing the rotational settings. A shaft (20) fitted in a flat housing (17) accessible from the outside, is rotationally located at one at least of the housing walls (18,19), extending at right angles to the axis of the shaft (20). The spiral spring (22) is held at one side at the shaft (20), and on the other side at one of the housing walls (18,19) or at a carrying plate part (21) arranged at this housing wall. The spiral spring (22) is connected electrically with a cable connection or a plug (23), arranged at this housing wall (18).

Description

Die Erfindung betrifft einen Geber zur Erfassung von Drehstellungen zweier relativ zueinander drehbarer Teile, mit einer zwischen den Teilen angeordneten und sich bei Relativdrehungen verformenden spiraligen Feder, die elek­ trisch leitfähig ist und deren formabhängige elektrische Induktivität zur Erzeugung eines die Drehstellungen wiedergebenden Signales ausgenutzt wird.The invention relates to a sensor for detecting Rotational positions of two parts which can be rotated relative to one another, with one arranged between the parts and at Relative rotations deforming spiral spring, the elek is tric conductive and their shape-dependent electrical Inductance for generating the rotary positions reproducing signals is used.

Ein derartiger Geber geht aus der DE 32 05 705 A1 hervor. Die sich bei Relativdrehungen der Teile verformende Feder ist elektrisch als frequenzbestimmender Teil eines Oszilators geschaltet, so daß dessen Frequenz ein zur jeweiligen Drehstellung der Teile analoges Signal bildet und Frequenzänderungen den jeweiligen Drehhub zwischen den Teilen wiedergeben.Such an encoder is shown in DE 32 05 705 A1. The spring deforming when the parts rotate relative to one another is electrical as a frequency determining part of a Oszilators switched so that its frequency one to forms the respective rotational position of the parts analog signal and frequency changes the respective rotary stroke between play the parts.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine konstruktiv besonders vorteilhafte Konstruktion für einen Geber der eingangs an­ gegebenen Art aufzuzeigen.The object of the invention is now, a constructively special advantageous construction for an encoder at the beginning given type.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einem flachen Gehäuse eine von außen zugängliche Welle an zumindest einer quer zur Wellenachse erstreckten Gehäusewand drehgelagert und die spiralige, konzentrisch zur Welle angeordnete Feder einerseits an der Welle und andererseits an der genannten oder der gegenüberliegenden Gehäusewand bzw. einem daran gehalterten Trägerplattenteil befestigt und elektrisch mit einem an dieser Gehäusewand angeordneten Kabelanschluß bzw. Stecker verbunden ist.For this purpose, the invention provides that in a flat Housing an externally accessible shaft on at least one Housing wall extending transversely to the shaft axis and supported in a rotating manner and the spiral spring arranged concentrically to the shaft  on the one hand on the shaft and on the other hand on the named or the opposite housing wall or one of them mounted carrier plate part attached and electrical with a cable connection arranged on this housing wall or plug is connected.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Geber als komplett vorgefertigten Modul auszubilden, welcher mittels seines Gehäuses leicht an einem relativ stationären Teil gehaltert und über die am bzw. im Gehäuse gelagerte Welle leicht mit dem relativ zum stationären Teil drehbaren Teil gekuppelt werden kann.The invention is based on the general idea that Train the encoder as a completely prefabricated module, which one by means of its housing easily on a relatively stationary one Part held and over the stored on or in the housing Shaft easily with the rotatable relative to the stationary part Part can be coupled.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist vorgesehen, die Welle als Hohlwelle auszu­ bilden so daß der Geber mittels dieser Hohlwelle auf ein Wellenteil od. dgl. aufgeschoben werden kann, dessen Dreh­ bewegungen gegenüber einem stationären Teil, an dem das Gehäuse des Gebers drehfest gehaltert wird, erfaßt werden sollen. Durch zueinander passende Mitnehmer an der Hohl­ welle und dem Wellenteil, beispielsweise durch komplemen­ täre Unrundheiten, lassen sich Hohlwelle und Wellenteil ohne nennenswerten bzw. zusätzlichen Arbeitsaufwand koppeln.According to a particularly preferred embodiment of the Er The invention provides for the shaft to be designed as a hollow shaft form so that the encoder by means of this hollow shaft Shaft part or the like. Can be pushed on, the rotation of which movements relative to a stationary part on which the Housing of the encoder is held rotatably, can be detected should. By matching drivers on the hollow shaft and the shaft part, for example by complemen non-roundness, hollow shaft and shaft part without any noteworthy or additional work couple.

Des weiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß die spiralige Feder zwei zueinander konzentrische, elektrisch in Reihe geschaltete Federabschnitte mit zueinander entgegenge­ setztem Windungssinn besitzt. Bei einer Relativdrehung zwischen Welle und Gehäuse wird dann der Durchmesser des einen Federabschnittes vergrößert und der Durchmesser des anderen Federabschnittes verkleinert. Dementsprechend wird eine besonders ausgeprägte Änderung der Induktivität der Feder erreicht.Furthermore, it is preferably provided that the spiral Spring two concentric to each other, electrically in series switched spring sections with opposite to each other has a set sense of twist. With a relative rotation between the shaft and the housing is then the diameter of the a spring section enlarged and the diameter of the other spring section reduced. Accordingly  a particularly pronounced change in the inductance of the Spring reached.

Außerdem ist vorteilhaft, daß die elektrischen Anschlüsse der Feder bei dieser Federform zwangsläufig an der gleichen Gehäusewand liegen.It is also advantageous that the electrical connections the spring inevitably on the same with this spring form Housing wall lie.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Er­ findung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.Incidentally, the Er Find on the claims and the following explanation referred to the drawing, based on the particularly advantageous Embodiments of the invention are described.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 ein schematisiertes Schnittbild einer Zahnstangen­ lenkung für Kraftfahrzeuge mit einem erfindungsge­ mäßen Geber, der hier als Lenkwinkelsensor arbeitet, Fig. 1 is a schematic sectional view of a rack and pinion steering system for motor vehicles with a erfindungsge MAESSEN encoder, works here as a steering angle sensor,

Fig. 2 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform des Gebers und Fig. 2 is an axial section of a first embodiment of the encoder and

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform. Fig. 3 a of Fig. 2 corresponding axial section of a second embodiment.

Die in Fig. 1 dargestellte Zahnstangenlenkung besitzt in grundsätzlich bekannter Weise eine in einem Gehäuse 1 verschiebbar geführte Zahnstange 2, in deren Verzahnung 2′ ein Ritzel 3 eingreift, welches mit einem Wellenstück 4 antriebsmäßig verbunden ist, das seinerseits in nicht dargestellter Weise über eine Lenksäule od. dgl. mit einem Lenkhandrad eines Kraftfahrzeuges antriebsverbunden ist. In Abhängigkeit von dem zwischen Ritzel 3 und Wellenstück 4 auftretenden Drehmoment bzw. den zwischen Ritzel 3 und Verzahnung 2′ der Zahnstange 2 auftretenden Verzahnungs­ kräften wird ein Servoventil gesteuert, welches über Leitungen 6 und 7 mit einer fluidischen Druckquelle sowie einem relativ drucklosen Reservoir und über Leitungen 8 und 9 mit je einer Kammer eines doppeltwirkenden Kolben- Zylinder-Aggregates 10 verbunden ist, dessen Kolben 10′ fest auf einem die Zahnstange 2 gleichachsig fortsetzenden Stangenteil 11 angeordnet ist. Die freien Enden der Zahn­ stange 2 bzw. des Stangenteiles 11 sind gelenkig, bei­ spielsweise mittels Kugelgelenke 12, mit Spurstangen 13 verbunden, die den Stellhub der Zahnstange 2 bzw. des Stangenteiles 11 in bekannter Weise auf die nicht darge­ stellten Lenkräder eines Fahrzeuges übertragen.In a basically known manner, the steering rack shown in FIG. 1 has a displaceably guided in a housing 1 rack 2, in the teeth 2 'a pinion 3 engages which is drivingly connected with a shaft portion 4 which, in turn, in a manner not shown via a steering column or the like. Drive-connected to a steering handwheel of a motor vehicle. Depending on the torque occurring between pinion 3 and shaft piece 4 or the forces occurring between pinion 3 and toothing 2 'of toothed rack 2 ', a servo valve is controlled which is connected via lines 6 and 7 to a fluid pressure source and a relatively depressurized reservoir and via Lines 8 and 9 are each connected to a chamber of a double-acting piston-cylinder unit 10 , the piston 10 'is fixedly arranged on a rack part 2 continuing coaxially rod part 11 . The free ends of the rack 2 and the rod member 11 are pivotally connected at play, by means of ball joints 12 to tie rods 13 which transmit the actuating stroke of the rack 2 and the rod member 11 in a known manner to the non-presented Darge steering wheels of a vehicle.

Um die Gelenke 12 gegen Verschmutzungen zu schützen, sind zwischen den gelenkseitigen Enden der Spurstangen 13 und dem Gehäuse 1 der Zahnstange 2 bzw. des Kolben-Zylinder- Aggregates 10 Bälge 14 angeordnet.In order to protect the joints 12 against dirt, bellows 14 are arranged between the joint-side ends of the tie rods 13 and the housing 1 of the rack 2 or the piston-cylinder unit 10 .

Zur Ermittlung des Lenkwinkels können das Ritzel 3 oder das Wellenstück 4 mit einem Geber 15 bzw. 16 zusammenwirken, dessen Konstruktion anhand der Fig. 2 und 3 erläutert wird.To determine the steering angle, the pinion 3 or the shaft piece 4 can cooperate with an encoder 15 or 16 , the construction of which is explained with reference to FIGS. 2 and 3.

Der in Fig. 2 dargestellte Geber 15 besitzt ein flaches, beispielsweise kreisscheibenförmiges Gehäuse 17 mit zwei einander gegenüberliegenden großen Gehäusewänden 18 und 19. An diesen Gehäusewänden 18 und 19 ist eine die Gehäusewand 19 durchsetzende Welle 20 drehgelagert, deren aus dem Gehäuse 17 herausragendes Ende einen Mitnehmer bzw. eine Unrundheit aufweist, mit dem bzw. der die Welle 20 in eine entsprechend angepaßte, stirnseitige Ausnehmung des Ritzels 3 in Fig. 1 drehfest eingreifen kann.The sensor 15 shown in FIG. 2 has a flat, for example circular disk-shaped housing 17 with two large housing walls 18 and 19 lying opposite one another. On these housing walls 18 and 19 , a shaft 20 passing through the housing wall 19 is rotatably supported, the end of which protrudes from the housing 17 has a driver or a non-roundness, with which the shaft 20 is inserted into a correspondingly adapted, front-side recess of the pinion 3 in Fig. 1 can engage non-rotatably.

Innerhalb des Gehäuses 17 ist auf der in Fig. 2 linken Gehäusewand eine zur Welle 20 konzentrische Trägerscheibe 21 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet, auf der eine spiralige Feder 22 befestigt ist.Arranged within the housing 17 on the housing wall on the left in FIG. 2 is a support disk 21 made of electrically insulating material and concentric with the shaft 20 , on which a spiral spring 22 is fastened.

Diese Feder 22 besitzt im dargestellten Beispiel einen außen­ liegenden Federabschnitt 22′ sowie einen dazu konzentrischen innenliegenden Federabschnitt 22′′ mit zum Federabschnitt 22′ entgegengesetztem Windungungssinn.This spring 22 has in the example shown an outer spring section 22 'and a concentric inner spring section 22 ''with the spring section 22 ' opposite winding sense.

Die Federabschnitte 22′ und 22′′ sind je für sich mit einem Kontaktstift eines an der Gehäusewand 18 angeordneten, von außen zugänglichen Kabelsteckers 23 elektrisch verbunden. Die jeweils anderen Enden der Federabschnitte 22′ und 22′′ gehen einstückig ineinander über bzw. sind elektrisch mit­ einander verbunden und an einer weiteren Trägerscheibe 24 aus elektrisch isolierendem Material befestigt, welche ihrerseits drehfest auf der Welle 20 gehaltert ist.The spring sections 22 'and 22 ''are each electrically connected to a contact pin of an arranged on the housing wall 18 , externally accessible cable connector 23 . The respective other ends of the spring sections 22 'and 22 ''go in one piece into one another or are electrically connected to each other and attached to a further carrier plate 24 made of electrically insulating material, which in turn is rotatably supported on the shaft 20 .

Wenn sich die Welle 20 relativ zum Gehäuse 17 dreht, ver­ formt sich zwangsläufig die spiralige Feder 22, wobei einer der Federabschnitte 22′ und 22′′ seinen Durchmesser vergrößert, während der jeweils andere Federabschnitt seinen Durchmesser verkleinert. Wird nun über ein mit dem Kabel­ stecker 23 verbindbares Kabel (nicht dargestellt) ein elektrischer Strom durch die Feder 22, d. h. durch die elek­ trisch in Reihe liegenden Federabschnitte 22′ und 22′′ geleitet, so tritt aufgrund der Formänderung der Feder 22 bei Relativdrehungen zwischen Gehäuse 17 und Welle 20 eine deutliche Änderung der Induktivität der Feder 22 auf, d. h. die Induktivität der Feder 22 hat zur relativen Drehstellung von Gehäuse 17 und Welle 20 analoge Werte. When the shaft 20 rotates relative to the housing 17 , the spiral spring 22 inevitably forms, one of the spring sections 22 'and 22 ''increasing its diameter, while the other spring section reduces its diameter. Is now via a connectable to the cable connector 23 cable (not shown) an electrical current through the spring 22 , that is, through the elec trically in series spring sections 22 'and 22 ''passed, occurs due to the change in shape of the spring 22 at relative rotations a significant change in the inductance of the spring 22 between the housing 17 and the shaft 20 , ie the inductance of the spring 22 has values analogous to the relative rotational position of the housing 17 and the shaft 20 .

Wenn die Feder 22 elektrisch als frequenzbestimmendes Bau­ teil eines Oszilators geschaltet ist, so ist dessen Frequenz ein zur jeweiligen Drehstellung der Welle 20 im Gehäuse 17 analoges Signal. Wenn der Geber 15 gemäß Fig. 1 angeordnet wird, d. h. wenn die Welle 20 mit dem Ritzel 3 oder einem ähnlichen Bauteil gekuppelt und das Gehäuse 17 am Gehäuse 1 der Zahnstange 2 drehfest gehaltert wird, gibt die Frequenz des Oszilators den Lenkwinkel des Fahrzeuges wieder.If the spring 22 is electrically connected as a frequency-determining construction part of an oscillator, its frequency is an analog signal to the respective rotational position of the shaft 20 in the housing 17 . If the encoder 15 is arranged according to FIG. 1, that is, when the shaft 20 with the pinion 3, or a similar component coupled and the housing 17 of the tooth bar 2 is supported rotatably on the housing 1, the frequency of the Oszilators is the steering angle of the vehicle again.

Bei der Herstellung des Fahrzeugs kann nach dessen Fertig­ stellung die Lenkung in Geradeausstellung gebracht und die sich dann ergebende Frequenz des Oszilators als "Nullwert" in einem Steuergerät abgespeichert werden, welches den Lenkwinkel als Eingangssignal zur Steuerung fahrzeugseitiger Systeme, beispielsweise Schlupfregel­ systeme, heranzieht.When the vehicle is manufactured, it can be finished position brought the steering straight ahead and the resulting frequency of the oscillator as "Zero value" can be stored in a control unit, which uses the steering angle as an input signal to the controller vehicle-side systems, for example slip rules systems.

Der in Fig. 3 dargestellte Geber 16 unterscheidet sich vom Geber 15 der Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch, daß die Welle 20 als Hohlwelle ausgebildet ist und beide Gehäusewände 18 und 19 durchsetzt. Damit kann der Geber 16 gemäß Fig. 1 einfach auf das Wellenstück 4 axial aufge­ schoben werden, wobei durch gegengleiche Mitnehmer bzw. Unrundheiten am Innenumfang der Welle 20 bzw. am Außen­ umfang des Wellenstückes 4 eine drehfeste Kupplung von Wellenstück 4 und Welle 20 gewährleistet wird. Das Gehäuse 17 kann mittels einer gehäuseseitigen Halterung 25 am Gehäuse 1 der Zahnstange 2 bzw. des Servoventiles 5 undrehbar gehalten werden. The encoder 16 shown in FIG. 3 differs from the encoder 15 of FIG. 2 essentially only in that the shaft 20 is designed as a hollow shaft and passes through both housing walls 18 and 19 . Thus 1, the transmitter 16 of FIG. Easily on the shaft portion 4 is axially pushed, whereby, or on the outer of the shaft piece 4 circumferentially, a rotationally fixed coupling of the shaft portion 4 and the shaft 20 ensures against same driver or roundness at the inner periphery of the shaft 20 . The housing 17 can be held non-rotatably on the housing 1 of the toothed rack 2 or the servo valve 5 by means of a housing-side bracket 25 .

Bei entsprechender Signalverarbeitung kann aus den Dreh­ stellungssignalen auch die Drehgeschwindigkeit oder Drehbeschleunigung ermittelt werden.With appropriate signal processing can turn position signals also the rotational speed or Spin acceleration can be determined.

Claims (3)

1. Geber zur Erfassung von Drehstellungen zweier relativ zueinander drehbarer Teile, mit einer zwischen den Teilen angeordneten und sich bei deren Relativdrehungen verformen­ den spiraligen Feder, die elektrisch leitfähig ist und deren formabhängige elektrische Induktivität zur Erzeugung eines die Drehstellungen wiedergebenden Signales ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem flachen Gehäuse (17) eine von außen zugängliche Welle (20) an zumindest einer der quer zur Wellenachse erstreckten Gehäusewände (18, 19) drehgelagert und die spiralige Feder (22) einerseits an der Welle (20) und andererseits an einer der vorgenannten Gehäusewände (18, 19) bzw. an einem daran angeordneten Trägerplattenteil (21) gehaltert und elektrisch mit einem an dieser Gehäusewand angeordneten Kabelanschluß bzw. Stecker (23) verbunden ist.1. Encoder for detecting the rotational positions of two parts that can be rotated relative to one another, with one arranged between the parts and deforming during their relative rotations, the spiral spring, which is electrically conductive and whose shape-dependent electrical inductance is used to generate a signal representing the rotational positions, characterized that in a flat housing (17) accessible from the outside shaft (20) on at least one of the transverse to the shaft axis extending housing walls (18, 19) mounted for rotation and the spiral spring (22) on the one hand on the shaft (20) and on the other hand at a the aforementioned housing walls ( 18 , 19 ) or on a carrier plate part ( 21 ) arranged thereon and is electrically connected to a cable connection or plug ( 23 ) arranged on this housing wall. 2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralige Feder (22) zwei zueinander konzentrische, elektrisch in Reihe geschaltete Federabschnitte mit zuein­ ander entgegengesetztem Windungssinn besitzt. 2. Encoder according to claim 1, characterized in that the spiral spring ( 22 ) has two mutually concentric, electrically connected in series spring sections with one another opposite winding sense. 3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (20) als Hohlwelle ausgebildet ist.3. Encoder according to claim 1 or 2, characterized in that the shaft ( 20 ) is designed as a hollow shaft.
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