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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Drehwinkelsensor, der dazu bestimmt ist, auch ein
Signal zur Erfassung der Drehrichtung und/oder der
Anzahl der ausgeführten Umdrehungen zu liefern.
Außerdem bezieht sie sich auf eine Servolenkung eines
Fahrzeugs, die mit einem solchen Sensor ausgerüstet ist.
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Die vorliegende Erfindung kommt vor allem im Bereich
der Hilfskraftlenkung von Fahrzeugen, wie etwa von
Kraftfahrzeugen, zur Anwendung, wo die Steuerung eines
elektronischen Systems es ermöglicht, den auf ein
Lenkeinschlagorgan, wie etwa die Lenksäule des
Fahrzeugs, ausgeübten Kraftaufwand zu unterstützen. Diese
Steuerung ist von dem Einschlagwinkel abhängig, der
über die Betätigung des Lenkrads des Fahrzeugs durch
den Fahrer vorgegeben wird, und kann bei Fahrzeugen
mit Vierradlenkung zwischen Vorderachse und
Hinterachse unterschiedlich ausfallen, wobei die Achse mit
den lenkbaren Hinterrädern einen Einschlagwinkel
aufweist, der sich vom Einschlagwinkel der Vorderräder
unterscheidet.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik wurden bereits
eine Anzahl von Vorrichtungen vorgeschlagen, um die
Drehrichtung, das heißt das Vorzeichen des gemessenen
Drehwinkels, anzugeben und um gegebenenfalls die
Anzahl der ausgeführten Umdrehungen zu zählen.
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So sind nach dem Stand der Technik vor allem
Vorrichtungen bekannt, die eine Scheibe umfassen, deren
Drehung der Veränderung des Drehwinkels folgt, der
gemessen werden soll. Dar Umfang der Scheibe wirkt mit
einem Mittel zur Messung des Drehwinkels zusammen. Ein
derartiger Sensor ist nach dem Stand der Technik vor
allem unter der Bezeichnung Inkrementalwinkelcodierer
bekannt. Bei einer solchen Vorrichtung umfaßt die
Scheibe Einschnitte oder Markierungen, deren Durchgang
vor einem Abtastmittel einer bestimmten Art einen
Impuls auf ein Meßsignal erzeugt, das elektronisch
ausgewertet werden kann, um den absoluten Winkel, die
Geschwindigkeit der Winkeländerung, die Drehrichtung
und gegebenenfalls die Anzahl der ausgeführten
Umdrehungen zu erhalten.
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Bislang sind nach dem stand der Technik für derartige
Vorrichtungen kostenaufwendige Mittel erforderlich, um
die Anzahl der Umdrehungen zu zählen (Speicherung der
Impulszählung, zusätzliche Spuren usw.).
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Im Dokument Patent Abstract of Japan, Vol. 8, Nr. 254
(P-315) (1691) und JP-A-59 126 209 ist beispielsweise
eine große Anzahl von Teilen vorgesehen, wobei der
Winkelsensor mit einem Tachodynamo betrieben wird.
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In der US-A-4 031 386 sind gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 drei erste Räder und zwei zweite Räder
vorgesehen, die jeweils auf einer Halterung angebracht
sind.
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Diese Halterung trägt eine große Anzahl von
optoelektronischen Sensoren, während die ersten Räder eine
Mehrzahl von Reflektoren aufweisen.
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Diese Anordnung ist kostenaufwendig und außerdem nicht
so zuverlässig, wie dies gewünscht wird.
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Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Mittel vorzuschlagen, das es ermöglicht, an einem
Winkelcodierer oder einem Drehwinkelsensor auf eine
sowohl wirtschaftliche als auch zuverlässige Weise ein
repräsentatives Signal für die Ausführung wenigstens
einer vollständigen Umdrehung des Codierers zu
liefern.
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Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch den
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
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Dank der Erfindung liefert die Linearverschiebung des
Schlittens eine Angabe der Drehrichtung und der Anzahl
der durch das erste Rad ausgeführten Umdrehungen, so
daß die Möglichkeit besteht, auf wirtschaftliche und
zuverlässige Weise ein repräsentatives Signal für die
Ausführung wenigstens einer vollständigen Umdrehung
des Codierers zu liefern.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine
Servolenkung eines Fahrzeugs, die einen erfindungsgemäßen
Sensor umfaßt, dessen erstes Rad mechanisch mit einem
Lenkorgan, wie etwa mit der Lenksäule, verbunden ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden
Erfindung ergeben sich deutlicher aus der Beschreibung und
den Figuren, auf denen folgendes dargestellt ist:
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- Figur 1a zeigt eine schematische Darstellung einer
Ausführungsart eines erfindungsgemäßen
Inkrementalcodierers oder Drehwinkelgebers in Form einer
auseinandergezogenen Montagezeichung.
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Bei einer solchen Ausführungsart umfaßt der
Drehwinkelsensor 1 hauptsächlich eine Scheibe oder ein Rad 2,
das mit einer Drehwelle verbunden ist, deren Achse 18
dargestellt ist, und dessen Winkelbewegung gemessen
werden soll. Die Drehwelle mit der Achse 18 ist über
zwei O-Ringe 2a mit der Scheibe bzw. dem Rad 2
verbunden.
Der Sensor 1 umfaßt ein Gehäuse, das aus einer
Abdeckung 1d besteht, die durch drei Schrauben 1a, 1b,
1c auf einem Fußteille 1e befestigt wird. Die Scheibe
bzw. das Rad 2 umfaßt an ihrem/seinem Umfang eine
bestimmte Anzahl von Einschnitten 3, wie dies in der
Technologie der optischen Winkelcodierer bekannt ist.
Die Einschnitte 3 gehören zu mindestens einer Spur,
die durch einen Abtaster abgelesen wird, der mit einem
festen Bezugspunkt des Sensors verbunden ist. Dieser
Abtaster wandelt die auf der Spur 3 erfaßte
Information in elektrische Signale um, die durch eine
geeignete Elektronik verarbeitet werden können, um
mindestens die folgenden Daten zu liefern:
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- eine Messung der Winkelposition des mit der
Drehwelle verbundenen Rads im Verhältnis zu einer
Bezugsposition und/oder
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- eine Messung der Drehgeschwindigkeit des mit der
Drehwelle verbundenen Rads wenigstens zwischen zwei
Messungen der vorgenannten Winkelposition und/oder
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- eine Bestimmung der Drehrichtung des mit der
Drehwelle verbundenen Rads.
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Aus der Verbindung eines optischen Sensors mit einer
Elektronik ergibt sich ein optoelektronischer Sensor.
Eine solche Elektronik ist kostenaufwendig, und die
Erfindung zielt darauf ab, einige der vorstehenden
Messungen oder Bestimmungen in den Sensor selbst zu
verlegen. Vor allem bei bestimmten Anwendungen, wie
etwa bei der Überwachung des Lenkwinkeleinschlags der
lenkbaren Räder eines Fahrzeugs, sind einfache
Informationen erforderlich, wie die Anzahl der durch die
Lenksäule ausgeführten Umdrehungen oder ihre
Drehrichtung, um in Erfahrung zu bringen, ob die Lenkung
in der Nähe des Lenkanschlags der Räder steht oder
nicht oder ob sich der Lenkeinschlag in neutraler
Stellung befindet. Diese Informationen könnten
elektronisch
verarbeitet werden. Ihre Ausführung ist
jedoch kostenaufwendig. Die Erfindung bezweckt die
Herstellung eines zuverlässigen und weniger
kostenaufwendigen Mittels für die Verarbeitung der
vorgenannten Informationen, vor allem für die Anwendung
auf die Massenproduktion von Winkelsensoren für
Kraftfahrzeug-Servolenkungen.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch nicht
auf die Technologie der optischen Sensoren, sondern
sie gilt darüber hinaus auch für andere
Meßtechnologien, vor allem unter Verwendung von Magnetspuren
oder anderen Spuren.
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Dieses erste Rad 2 umfaßt außerdem einen Stift 4, der
in einem bestimmten Abstand vom Drehpunkt der Scheibe
bzw. des Rads 2 befestigt wird un der daher fest mit
einem umlaufenden Punkt der ersten Scheibe bzw. des
ersten Rads 2 verbunden ist. Dieser Stift 4 geht durch
die Dicke der Scheibe 2 hindurch, und seine - in Figur
1a nicht dargestellte - Verlängerung ist für den
Eingriff in eine erste Aufnahme 8 eines zweiten Rads 5
bestimmt, das an einer Welle 6 angebracht ist, die mit
dem Fußteil 1e des Gehäuses des Sensors 1 verbunden
ist, wie dies in Figur 1b dargestellt wird.
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Das zweite Rad 5 kann in einer bevorzugten
Ausführungsart ein winkelmäßig begrenzter Sektor eines
kreisförmigen Zahnrads sein. Das zweite Rad 5 umfaßt
an seinem Umfang einen gezahnten Bereich 7, bei dem
die Form der Zähne an den Umfang des Stifts 4 angepaßt
ist und dessen Aufgabe darin besteht, eine mechanische
Verbindung zwischen der Bewegung des Rads 2 und der
Reaktionsbewegung des zweiten Rads 5 über den Stift
und die Zähne herzustellen. Dabei ist vor allem zu
beachten, daß die Bewegung des zweiten Rads 5 in Figur
1b durch den Pfeil 5a bezeichnet wird, wobei es sich
um die Reaktionsbewegung handelt, wenn sich der Stift
4 entsprechend dem Pfeil 4a bewegt, und durch den
Pfeil 5b, der sich auf die Reaktionsbewegung bezieht,
wenn der Stift 4 sich entsprechend dem Pfeil 4b
bewegt.
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Ein in den Figuren dargestellter Schlitten 15b, der
sich in einer Linearverschiebung bewegen kann, ist mit
dem Zahnrad 5 über einen "Kurbeltrieb" 20 verbunden,
der wie folgt ausgeführt ist: Eine Achse 13, die am
zweiten Rad 5 in einem Abstand x von seiner Drehachse
6 angeordnet ist, greift in ein Schlitzloch oder eine
Öffnung mit länglicher Form 14 des Schlittens 15b ein.
Dieser aus der Achse 13 und dem Zahnrad 5 bestehende
Kurbeltrieb bewirkt die Linearverschiebung des
Schlittens 15b. Die Linearverschiebung des Schlittens 15b
gibt die Richtung und die Anzahl der durch das erste
Rad 2 ausgeführten Umdrehungen an.
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Andererseits ist die im Umfangsbereich 7 des zweiten
Rads 5 vorgesehene Aufnahme 8 konstruktionsmäßig so
ausgeführt, daß die Angabe einer neutralen Stellung
oder Bezugsposition des Sensors geliefert wird. In
einer solchen Neutralstellung, die durch die Richtung
6a vor allem in Figur 1b dargestellt wird, ist der
Stift 4 in der Aufnahme 8 eingesetzt, deren Innenform
an den Umfang des Stifts 4 angepaßt ist. Die Aufnahme
8 ist zwischen zwei Zähnen 9 und 10 ausgebildet, die
den Stift 4 beim Übergang in die Neutralstellung
festhalten. Die Position des Schlittens 15b in einem
Einschub 15a wird dann erfaßt, um ein
Neutralzustandssignal zu liefern, so daß die erste Aufnahme 8 eine
Neutralstellungsaufnahme darstellt.
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Außerdem umfaßt das zweite Rad 5 eine zweite Aufnahme
(Figur 1b) wenigstens auf einer Seite (19 oder 21) der
ersten Aufnahme 8, um die Ausführung mindestens einer
ersten Umdrehung des ersten Rads 2 anzugeben. Diese
zweite Aufnahme befindet sich zwischen einem (9 oder
10) der Zähne, die die erste Aufnahme 8 begrenzen, und
einem anderen Zahn (11 oder 12) des gezahnten Bereichs
7 des zweiten Rads 5.
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Die Figuren 2a bis 2g zeigen flächige Ansichten zur
Darstellung verschiedener charakteristischer
Winkelpositionen des erfindungsgemäßen Sensors. In diesen
Figuren werden die in den Figuren 1a und 1b
dargestellten Elemente nicht immer bezeichnet, damit die
Zeichnung nicht zu unübersichtlich wird.
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Figur 2a bezieht sich auf die Neutralstellung, in der
die Verbindungslinie 6a zwischen der Achse 18 und der
Drehachse 6 des Rads 5 durch den Mittelpunkt der
Aufnahme 8 und den Stift 4 verläuft, der vollständig
darin aufgenommen ist.
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In Figur 2b verläßt der Stift 4 die Neutralstellung.
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Das erste Rad 2 dreht sich entsprechend dem Pfeil A,
während sich das zweite Rad 5 in Richtung des Pfeils B
dreht. Der Hebel, der die Achse 13 mit dem Schlitten
15b verbindet, zieht diesen in einer geradlinigen
Bewegung entlang der Achse 15c (Figur 1b) im Einschub
15a. Wenn das erste Rad 2 fast eine vollständige
Umdrehung um die Achse 18 im Uhrzeigersinn ausgeführt
hat, gelangt der Stift 4 in die in Figur 2c
dargestellte Position. Wenn die Drehnung fortgesetzt wird,
befindet sich das Ende des Zahns 9 mit dem Umfang des
Stifts 4 in Berührung (Figur 2c), und der Schlitten
15b wird erneut verschoben. Von daher kann aufgrund
der zusätzlichen Bewegung des Schlittens, die
weiterhin in der gleichen Verschiebungsrichtung erfolgt, die
Ausführung einer vollständigen Umdrehung der Scheibe
bzw. des ersten Rads 2 angegeben werden. Die Anzahl
der Aufnahmen oder Zähne 8, 9, 10 kann so vervielfacht
werden, daß ein Impuls bei der Erfassung jeder
Verschiebung des Schlitters 15b im Einschub 15a erzeugt
und die Anzahl der aufgeführten Umdrehungen gezählt
wird. Diese Information ist insbesondere im Falle von
Hilfskraftlenkungen bei Fahrzeugen notwendig, damit in
Erfahrung gebracht werden kann, wie groß bei der
Ausführung einer Betätigung der Servolenkung der
Abstand von den Anschlägen der lenkbaren Räder ist,
sowie im Falle von lenkbaren Hinterrädern.
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Andererseits wirkt der Schlitten 15b mit einem Mittel
zur Umsetzung der Drehbewegung und/oder der Ausführung
mindestens einer vollständigen Umdrehung des ersten
Rads zusammen, um ein Meßsignal zu erzeugen, etwa ein
elektrisches, optisches oder sonstiges Signal.
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In der Zeichnung wird ein Umsetzungsmittel für die
Ausführung mindestens einer vollständigen Umdrehung
des Rads 2 dargestellt, bestehend aus dem Schlitten
15b und einem Paar von Sender- und Empfängerdioden 51,
das für die Erzeugung eines Zustandssignals für die
Position des Schlittens 15b bestimmt ist, wobei dieses
Signal die Ausführung einer vollständigen Umdrehung
des Rads 2 abbildet. Bei dieser Ausführungsart erfolgt
die Erfassung der Drehrichtung durch einen Abtaster
von Markierungen, die auf Spuren 3a, 3b aufgezeichnet
sind. Das erste Rad umfaßt, wie in Figur 1b und in den
Figuren 2a bis 2g zu erkennen ist, eine zweite
Einschnittspur 3b mit nur einem Einschnitt 53, wobei der
Einschnitt 53 die Position des mechanischen Nullpunkts
oder die Neutralstellung des Systems angibt.
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In Neutralstellung (Figur 2a) befindet sich der Stift
4 des Rads 2 in der Aufnahme 8 des zweiten Rads 5,
wobei ein optischer Abtaster 52 gegenüber dem
Einschnitt 53 auf der Spur 3a des Rads 2 angeordnet ist.
Es wird ein elektrisches Bezugssignal abgegeben. In
dieser Konfiguration befindet sich der Schlitten 15b
in einer Position, in dar er eine im Einschub 15a
vorgesehene Öffnung 54 verschließt. Der mit dem Schlitten
15b verbundene optische Abtaster 51 empfängt kein
Licht von einer nicht dargestellten Diode, die die
Öffnung 54 beleuchtet. Es wird folglich kein Signal
abgegeben.
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In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die
Erfassung der Drehrichtung und der Anzahl der Umdrehungen
anhand von zwei um 90º phasenverschobenen Abtastern
51, 52 erfolgt, die in den schematischen Zeichnungen
nicht detailliert dargestellt werden.
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Zu Beginn der Drehnung des Rads 2 verläßt der Stift 4
die Neutralstellung (Figur 2b), wobei er den Schlitten
15b leicht in einer Linearverschiebung mitnimmt, und
das Rad 2 setzt seine Drehnung in der Richtung A im
Uhrzeigersinn fort. Der Stift 4 stößt den Zahn 10 des
zweiten Rads 5 zurück.
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Der Einschnitt 53 entfernt sich vom optischen Abtaster
52, der ein logisches Signal mit niedrigem Pegel
abgibt. Im Vergleich zu dem Signal, das durch einen
anderen, nicht dargestellten Abtaster abgegeben wird,
der die Einschnitte abtastet, bei denen es sich um die
auf der anderen Spur 3a aufgezeichneten Markierungen
handelt, liefert das Signal des Markierungsabtasters
die Angabe des Drehwinkels und der Drehrichtung des
Rads 2. Das zweite Rad 5 hat sich hingegen in Richtung
B gegen den Uhrzeigersinn gedreht, und der Schlitten
15b verschiebt sich im Einschub 15a, wobei er stets
die Öffnung 54 verschließt. Die durch die Abtaster 52
und 51 abgegebenen Zustandssignale lauten dann "00".
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Der Stift 4 gelangt in die Position, die in Figur 2c
dargestellt ist. In dieser Konfiguration kommt der
Stift 4 mit dem Zahn 9 des Rads 5 in Berührung. Wenn
die Drehung in Richtung A weitergeht, stößt der Stift
4 das Ende des Zahns 9 zurück, und der Schlitten 15b
wird erneut verschoben. Die zusätzliche Bewegung des
Schlittens 15b, die weiterhin in der gleichen
Verschiebungsrichtung erfolgt, ermöglicht die Freigabe
des Durchgangs 54 für den Lichtstrom zwischen der
Sender- und Empfängerdiode des optischen Abtasters 51.
Es wird ein neues elektrisches Signal abgegeben, mit
dem die Ausführung einer vollständigen Umdrehung der
Scheibe 2 angegeben werden kann, wobei die logischen
Zustandssignale der Abtaster auf "01" stehen.
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Bei der Umkehrung der Drehrichtung entsprechend A'
(Figur 2f) kommt der Stift 4 mit dem Zahn 11 in
Berührung, den er zurückstößt. Der Schlitten 15b verschiebt
sich, wobei er die Öffnung 54 verschließt, und das
System kehrt zur Konfiguration von Figur 2b zurück.
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Für die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn ist das
System symmetrisch (Figuren 2a, d, e, g), wobei der
Durchgang für den Lichtstrom durch den im Einschub 15a
vorgesehenen Einschnitt 54 freigegeben wird.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf
die Erfassung einer einzigen vollständigen Umdrehung,
sondern sie kann vielmehr auch mehrere Paare von
optischen Abtastern umfassen.
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Das in Figur 2 dargestellte Umsetzungsmittel wurde in
optischer Form beschrieben. Bei anderen
Ausführungsarten besteht die Möglichkeit, eine Adressierung eines
durch Schaltglieder aufgezeichneten elektronischen
Speichers vorzunehmen, dessen Adressen Binärwörter,
beispielsweise Acht-Bit-Wörter, enthalten, die für
einen Code stehen, der die Drehrichtung und/oder die
Anzahl der ausgeführten Umdrehungen angibt, was in
Form von elektrisch leitenden Spuren erfolgt, wobei
die Spuren durch die Botätigung des Schlittens
elektrisch verbunden werden.
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Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß die Spur 3a auf
der ersten Scheibe 2 erfindungsgemäß durch einen
herkömmlichen optischen Abtaster abgetastet werden
kann. Dieser Abtaster dient zur Erzeugung des Signals,
das für den momentanen Drehwinkel mit einer
Genauigkeit von mindestens einer Umdrehung (Modulo 360º)
repräsentativ ist. Das Ausgangssignal kann durch eine
geeignete Elektronik verarbeitet werden, die
insbesondere
einen präzisen Wirkel und eine
Geschwindigkeitsinformation über eine Differenzierung des Signals des
Sensors liefert. Die Ausführung einer derartigen
Schaltung ist an sich bekannt. In einer Ausführungsart
wurde diese Schaltung in die Schaltung für die
Verarbeitung der von den optischen Abtastern 51 und 52
stammenden Signale integriert und auf einer in Figur
1a dargestellten Platine 30 angebracht, wobei ein
Verbinder 31 es ermöglicht, die Vorspannung an dieser
Schaltung (in Figur 1a nicht dargestellt)
beispielsweise an zwei der sechs Leiter 32 zu liefern, die zum
Verbinder 31 gelangen, während die übrigen vier Leiter
für die Signale verfügbar sind, die von den drei
optischen Abtastern kommen, aus denen der
erfindungsgemäße Sensor aufgebaut ist.
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Der vorliegende Winkelsensor ist vorteilhafterweise an
einer Fahrzeugservolenkung angeordnet. Bekanntlich
umfaßt eine solche Servolenkung insbesondere ein
Lenkorgan, einen Sensor für die durch den Fahrer
ausgeübten Lenkkräfte und ein Mittel für die
Verbindung des Lenkorgans einerseits mit den lenkbaren
Vorder- und/oder Hinterrädern und andererseits mit
einer mechanischen Energiequelle, die in Abhängigkeit
vom Verlauf des Lenkwinkeleinschlags der lenkbaren
Räder und von den Ausgangssignalen des Sensors für die
Lenkarbeit des Fahrers gesteuert wird. Die Erfassung
der Lenkarbeit des Fabrers kann durch eine Vielzahl
von Meßvorrichtungen erfolgen. Der Erfinder hat jedoch
festgestellt, daß diese Messung in einer sehr großen
Anzahl von Fällen in ausreichender Form durch die
einfache Messung des momentanen Drehwinkels der
Lenksäule erfolgt, sofern zu jedem Zeitpunkt die
Neutralstellung, die Drehrichtung und die Anzahl der
ausgeführten Umdrehungen bekannt sind.
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Von daher ist der erfindungs Drehwinkelsensor
besonders geeignet, die vorgenannte Aufgabenstellung zu
lösen, wenn das erste Rad 5 mit der Drehung der
Lenksäule
verbunden ist, um als Sensor für die Lenkarbeit
des Fahrers zur Steuerung eines Servoantriebs zu
dienen.