WO2001019665A1 - Optoelektronischer lenkwinkelsensor - Google Patents

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WO2001019665A1
WO2001019665A1 PCT/EP2000/008894 EP0008894W WO0119665A1 WO 2001019665 A1 WO2001019665 A1 WO 2001019665A1 EP 0008894 W EP0008894 W EP 0008894W WO 0119665 A1 WO0119665 A1 WO 0119665A1
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WO
WIPO (PCT)
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steering angle
light
angle sensor
light source
light guide
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/008894
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Böbel
Harald Donner
Original Assignee
Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg filed Critical Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
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Publication of WO2001019665A1 publication Critical patent/WO2001019665A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
    • G01D5/34723—Scale reading or illumination devices involving light-guides

Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronic rotation angle sensors.
  • the invention relates to an optoelectronic steering angle sensor for determining the angular position of the steering wheel of a motor vehicle with a code disc coupled to the rotary movement of the steering wheel and carrying an optical coding, with a light source irradiating the coding and with a photosensitive line sensor, the light source and the radially oriented line sensor are arranged on the same side of the code disk, and a light guide for deflecting the light beams emitted by the light source is provided for the intended lighting of the side of the code disk facing away from the line sensor.
  • Rotation angle sensors are used in the motor vehicle sector to determine the absolute angular position of the steering wheel and are therefore also referred to as steering angle sensors.
  • the steering angle or the steering angle is required in motor vehicles in order to be able to apply this value to a vehicle dynamics control system, for example.
  • a driving dynamics control system receives further measurement data, such as the wheel speed or the rotation of the motor vehicle about its vertical axis.
  • the absolute steering angle and the steering speed are required so that these values can be evaluated together with the other data recorded by the driving dynamics control system and implemented to control actuators, for example the brakes and / or the engine management.
  • An optoelectronic steering angle sensor is known for example from DE 40 22 837 A1.
  • the steering angle sensor described in this document consists of two parallel and spaced elements - a light source and a line sensor - and a code disc arranged between the light source and the line sensor, which rotates with the
  • a CCD sensor line serves as the line sensor.
  • Coding is provided in this code disk, an Archimedean spiral extending over 360 ° and designed as a light slot. The exposure of corresponding transducer elements of the line sensor at a certain steering angle can provide information about the actual steering angle position.
  • Another optoelectronic steering angle sensor has become known from DE 36 09 211 A1, in which, in order to simplify an arrangement of the electrical feed lines, the receiver or the sensor array and the light source are arranged on the same side of the code disk.
  • a light guide body is arranged on the opposite side of the code disk, which deflects the light beams emitted by the light source in order to properly illuminate the top side of the code disk opposite the sensor array.
  • the code disk comprises a translucent circular track through which the light emitted by the light source is brought to the opposite side of the code disk.
  • the light guide is designed to scatter the coupled light, since the width of the circular track of the code disk acts as a slit diaphragm and thus only a small section of the light lobe is coupled into the light guide body.
  • the coupling surface of the light-guiding body is concavely curved, the radius of the curvature corresponding approximately to the distance of the coupling surface from the light source.
  • the coupling-out surface of the light-guiding body for the parallelization of the light is convex.
  • the arrangement of the sensor array and the light source on one On the side of the code disk an arrangement of the electrical connecting lines is facilitated, the arrangement of the individual elements with respect to one another, namely between the light source, sensor array on the one hand and the light guide body on the other hand, is not unproblematic, since an accurate position to ensure the intended lighting of the code disk is subject to the fluctuations in the tolerances.
  • the light source and the receiver on the one hand and the light guide body on the other hand are located in different housing parts, so that not only the tolerances when assembling the elements in the respective housing part but also the tolerances when assembling the housing parts are met.
  • rotation angle sensor If such a rotation angle sensor is used as a steering angle sensor in a motor vehicle, it can only be checked with regard to its functionality after it has been installed in a steering column module. However, this is felt to be impractical; It is desirable for steering angle sensors that these have been checked before they are installed in the motor vehicle.
  • the invention is therefore based on the object of developing an optoelectronic angle sensor of the generic type mentioned at the outset in such a way that it not only optimizes its possible tolerances, but also before it is installed in a motor vehicle with regard to functionality can be checked.
  • This object is achieved in that the light source, the line sensor and the light guide are arranged on a common carrier.
  • the optoelectronic steering angle sensor according to the invention comprises a detection module consisting of the light source, the line sensor and the light guide body, which are all arranged on a common carrier.
  • This arrangement means that not only the light source and the line sensor are on the same side of the code disk is provided, whereby an electrical contact can also be made in the steering angle sensor according to the invention from one side of the code disk, but also the light guide is attached to this carrier.
  • the light guide body reaches over the edge of the code disk, so that a movement gap remains between the light guide body and the line sensor, in which the code disk can be moved.
  • the light-guiding body is expediently supported on the support via feet, wherein different means can be used for fastening, for example screws, snap-in connections or the like.
  • the coupling-in surface of the light-guiding body is aspherically curved and the coupling-out surface is flat.
  • the aspherical curvature of the coupling surface serves to parallelize the light beams emitted divergently by the light source already at the coupling surface.
  • the focal length of the aspherical curvature is matched to the position of the light source, which can be designed, for example, as an LED.
  • the aspherical curvature of the coupling surface serves in particular to reduce the thinning of the edges, which could otherwise take place as a result of reflection of the light rays on the coupling surface.
  • the light-guiding body itself is designed in the manner of a deflecting prism and comprises two flat reflection surfaces which are arranged at an angle of 90 ° to one another.
  • the coupling-out surface of the light guide body is flat and arranged parallel to the surface of the code disk. The coupled-in light beams are coupled out from this area parallel to the illumination of the code disk on its side facing away from the sensor array.
  • Another advantage of this arrangement is that the sensor head can be tested with its own light, so that test inaccuracies due to the use of external light sources are avoided.
  • the light-guiding body designed in the manner of a deflection prism is deflected in part in a plane parallel to the code disk.
  • feet can be provided which have a flat contact surface on the underside and of which
  • Project positioning domes which engage in corresponding fitting openings of the carrier, with an arrangement of the light source and the light guide body lying on an optical axis with respect to its aspherical coupling surface.
  • the feet of the light-guiding body are expediently part of the light-guiding body and thus molded onto it.
  • the light guide body can be produced as an injection molded plastic part. Due to its configuration, the light guide body of the steering angle sensor according to the invention, including its feet, is particularly suitable for being produced as a plastic injection molded part, since only a curved surface, namely the coupling surface, is provided. All other surfaces can be flat.
  • the sensor head is aligned radially, i.e. the line sensor and the plane of the light guide body are aligned radially to the code disk.
  • Fig. 1 A schematic three-dimensional view of a
  • Fig. 3 a three-dimensional view of the light guide of the
  • An optoelectronic steering angle sensor 1 is provided for determining the absolute angular position of the steering wheel of a motor vehicle.
  • the steering angle sensor 1 comprises a code disk 2, which is connected in a rotationally fixed manner to a steering spindle, not shown in this figure, which engages in the central opening 3.
  • the code disc 2 carries an optical coding, which is scanned with a sensor head 4 to determine the current angular position of the code disc relative to the sensor head arranged stationary to the code disc 2 and thus to determine the steering angle.
  • FIG. 2 shows a cross section through the sensor head 4 and the elements involved in the construction of the sensor head 4.
  • the sensor head 4 consists of a photosensitive line sensor 5, for example a PDA line, a light source 6, for example an LED and a light guide body 7, all of which are fastened together on a carrier 8.
  • the carrier 8 in the exemplary embodiment shown is a printed circuit board via its conductor tracks both the line sensor 5 and the light source 6 are electrically contacted.
  • the line sensor 5 and the light source 6 are located on one side of the code disk 2; the light guide body 7 is located on the opposite side of the code disk 2. Between the light guide body 7 and the line sensor 5 there is a movement gap 9, in which the code disk 2 engages.
  • the light-guiding body 7 is supported on the support 8 by two feet 10, 10 '- as can be seen in FIG. 3.
  • the feet 10, 10 ' have a flat contact surface 11, 11' on the underside, which is dimensioned sufficiently large that the light guide body can be attached to the support 8 without tilting.
  • a light shaft 12 is arranged around the light source 6 between the feet 10, 10 ′, so that scattered radiation and undefined reflections are largely avoided.
  • the feet 10, 10 ' have positioning domes 13, 13' projecting downwards into the carrier 8 for the positionally correct arrangement of the light-guiding body 7 to the light source 6 and to the photosensitive surface of the line sensor 5.
  • the light guide body 7 inserted into the carrier 8 with its positioning domes 13, 13 ' is fastened to the carrier 8 by screws 14.
  • the light guide body 7 and the feet 10, 10 ' are in one piece and designed as a plastic injection molded part.
  • the optically effective section of the light guide body 7 is designed in the manner of a deflecting prism and comprises an aspherically curved coupling surface 15.
  • the light guide body 7 comprises two reflection surfaces 16, 17, on which the coupled light beams are each reflected by 90 °, so that ultimately the coupled light beams are deflected to the surface of the code disk 2 facing away from the sensor array 5.
  • the coupling-out surface 18 of the light guide body 7 is flat and runs parallel to the surface of the code disk 2.
  • Code disc 2 can be guided through the movement gap 9 without contact and thus without noise, even in the case of undesired warping.
  • the assembly of the three elements - the line sensor 5, the light source 6 and the light guide body 7 - on a common support makes it possible for the sensor head 4 to be tested for its functionality before being installed in a steering angle sensor.
  • the common arrangement of the light guide body 7 with the two other elements 5, 6 on the common carrier 8 also makes it possible that the clear width of the movement gap 9 can be dimensioned relatively large, since the tolerance chain with respect to a positionally accurate arrangement between the coupling-out surface 18 and the Photosensitive top of the line sensor 5 is only small.
  • the light-guiding body 7 is expediently metallized on the outside in order to avoid scattered radiation or an undesired coupling-out of light beams on the reflection surfaces 16, 17 under certain conditions. It can be provided that the metallization serves at the same time for tempering the light guide body 7.
  • FIG. 4 shows a further light-guiding body 19, which is constructed in accordance with the light-guiding body 7 and, in contrast to the light-guiding body 7, has a deflecting prism 20, the plane of which is arranged parallel to the plane of the code disk 2 and can thus be described as folded down relative to the deflecting prism of the light-guiding body 7 ,
  • this light guide body 19 there is a further reflection surface 21 for reflecting the injected
  • Light rays are provided in the plane of the deflection prism 20.
  • Such a Light guide body 19 is preferably used in steering angle sensors which are said to have only a very small overall height.
  • the steering angle sensor according to the invention has particular advantages with regard to the sensor head and its independent testability.
  • This modular structure also has advantages in the case of a possible exchange, since the entire unit can be exchanged for another and for this purpose only a single element, namely the sensor head 4, has to be removed.
  • the steering angle sensor shown is also distinguished by the simple configuration of its light guide body, so that it can be produced in a cost-effective manner as a plastic injection molded part.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor (1) mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe (2), mit einer Lichtquelle (6) und mit einem photosensitiven Zeilensensor (5), wobei die Lichtquelle (6) und der radial ausgerichtete Zeilensensor (5) auf der gleichen Seite der Codescheibe (2) angeordnet sind, und ein Lichtleitkörper (7, 19) zum Umlenken der von der Lichtquelle (6) emittierten Lichtstrahlen zum bestimmungsgemässen Beleuchten der von dem Zeilensensor (5) abgewandten Seite der Codescheibe (6) vorgesehen ist. Bei einem solchen Lenkwinkelsensor (1) soll das technische Problem gelöst werden, diesen dergestalt weiterzubilden, dass er nicht nur hinsichtlich seiner möglichen Toleranzen optimiert, sondern auch vor seinem Einbau in ein Kraftfahrzeug im Hinblick auf eine Funktionstauglichkeit geprüft werden kann. Dies gelingt dadurch, dass die Lichtquelle (6), der Zeilensensor (5) und der Lichtleitkörper (7, 19) auf einem gemeinsamen Träger (8) angeordnet sind.

Description

Optoelektronischer Lenkwinkelsensor
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet optoelektronischer Drehwinkelsensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs mit einer an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe, mit einer die Codierung bestrahlenden Lichtquelle und mit einem photosensitiven Zeilensensor, wobei die Lichtquelle und der radial ausgerichtete Zeilensensor auf der gleichen Seite der Codescheibe angeordnet sind, und ein Lichtleitkörper zum Umlenken der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen zum bestimmungsgemäßen Beleuchten der von dem Zeilensensor abgewandten Seite der Codescheibe vorgesehen ist.
Drehwinkelsensoren dienen im Kraftfahrzeugbereich zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades und werden daher auch als Lenkwinkel- sensoren bezeichnet. Der Lenkwinkel bzw. der Lenkwinkeleinschlag wird bei Kraftfahrzeugen benötigt, um mit diesem Wert etwa ein Fahrdynamikregelsystem beaufschlagen zu können. Ein solches Fahrdynamikregelsystem erhält neben dem genannten Lenkwinkelwerten weitere Meßdaten, etwa die Raddrehzahl oder die Drehung des Kraftfahrzeuges um seine Hochachse. Benötigt werden zum einen der absolute Lenkwinkeleinschlag und zum anderen die Lenkgeschwindigkeit, damit diese Werte zusammen mit den anderen erfaßten Daten durch das Fahrdynamikregelsystem ausgewertet und zum Steuern von Aktoren, beispielsweise der Bremsen und/oder des Motormanagements umgesetzt werden können.
Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist beispielsweise aus der DE 40 22 837 A1 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Lenkwinkelsensor besteht aus zwei parallel und mit Abstand zueinander angeordneten Elementen - einer Lichtquelle und einem Zeilensensor - sowie einer zwischen der Lichtquelle und dem Zeilensensor angeordneten Codescheibe, die drehfest mit der
Lenkspindel verbunden ist. Als Zeilensensor dient eine CCD-Sensorzeile. Als Codierung ist bei dieser Codescheibe eine sich über 360° erstreckende, als Lichtschlitz ausgebildete archimedische Spirale vorgesehen. Über die Belichtung entsprechender Wandler-elemente des Zeilensensors bei einem bestimmten Lenkeinschlag kann Aufschluß über die tatsächliche Lenkwinkelstellung gewonnen werden.
Ein weiterer optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist aus der DE 36 09 211 A1 bekannt geworden, bei dem zur Vereinfachung einer Anordnung der elektrischen Zuleitungen der Empfänger bzw. das Sensorarray und die Lichtquelle auf der gleichen Seite der Codescheibe angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Codescheibe ist ein Lichtleitkörper angeordnet, der die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen umlenkt, um die dem Sensorarray gegenüberliegende Oberseite der Codescheibe bestimmungsgemäß zu beleuchten. Zu diesem Zweck umfaßt die Codescheibe eine lichtdurchlässige Kreisspur, durch die das von der Lichtquelle emittierte Licht auf die gegenüberliegende Seite der Codescheibe gebracht wird. Damit die Codescheibe auf ihrer dem Sensorarray gegenüberliegenden Seite in einem Streifen mit möglichst gleichmäßiger Lichtintensität beleuchtet wird, ist der Lichtleitkörper ausgebildet, um das eingekoppelte Licht zu streuen, da die Breite der Kreisspur der Codescheibe quasi als Schlitzblende wirkt und somit nur ein kleiner Ausschnitt der Lichtkeule in den Lichtleitkörper eingekoppelt wird. Die Einkoppelfläche des Lichtleitkörpers ist aus diesem Grunde konkav gewölbt, wobei der Radius der Wölbung etwa dem Abstand der Einkoppelfläche von der Lichtquelle entspricht. Infolge dieser Streulinsenausbildung der Einkoppelfläche wird der Weg der Lichtstrahlen durch den als Umlenkprisma ausgebildeten
Lichtleitkörper gestreut, damit die gesamte Auskoppelfläche des Lichtleitkörpers beleuchtet ist. Um die auf der Codescheibe befindlichen Spuren möglichst scharf auf den Sensorarray abzubilden, ist die Auskoppelfläche des Lichtleitkörpers zur Parallelisierung des Lichtes konvex gewölbt ausgebildet.
Auch wenn durch die Anordnung des Sensorarrays und der Lichtquelle auf einer Seite der Codescheibe eine Anordnung der elektrischen Anschlußleitungen erleichtert ist, ist die Anordnung der Einzelelemente zueinander, nämlich zwischen Lichtquelle, Sensorarray einerseits und dem Lichtleitkörper anderseits nicht unproblematisch, da eine lagegenaue Anordnung zur Gewährleistung der bestimmungsgemäßen Beleuchtung der Codescheibe den Schwankungen der Toleranzen unterworfen ist. Bei diesem Lenkwinkelsensor befinden sich die Lichtquelle und der Empfänger einerseits und der Lichtleitkörper andererseits in unterschiedlichen Gehäuseteilen, so daß nicht nur die Toleranzen bei einer Montage der Elemente in dem jeweiligen Gehäuseteil sondern auch die Toleranzen bei einer Montage der Gehäuseteile zueinander eingehen. Bei einem Einsatz eines solchen Drehwinkelsensors als Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug kann dieser erst nach seiner Montage in einem Lenksäulenmodul im Hinblick auf seine Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Dies wird jedoch als unpraktisch empfunden; erwünscht ist bei Lenkwinkelsensoren, daß diese vor ihrem Einbau in das Kraftfahrzeug geprüft worden sind.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Winkelsensor der eingangs genannten, gattungsgemäßen Art dergestalt weiterzubilden, daß dieser nicht nur hinsichtlich seiner möglichen Toleranzen optimiert, sondern auch vor seinem Einbau in ein Kraftfahrzeug im Hinblick auf eine Funktionstauglichkeit geprüft werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle, der Zeilensensor und der Lichtleitkörper auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
Der erfindungsgemäße optoelektronisch arbeitende Lenkwinkelsensor umfaßt ein Detektionsmodul, bestehend aus der Lichtquelle, dem Zeilensensor und dem Lichtleitkörper, die sämtlich auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Durch diese Anordnung sind nicht nur die Lichtquelle und der Zeilensensor auf der gleichen Seite der Codescheibe vorgesehen, wodurch auch eine elektrische Kontaktierung bei dem erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensor von einer Seite der Codescheibe her erfolgen kann, sondern auch der Lichtleitkörper ist an diesem Träger befestigt. Der Lichtleitkörper greift randlich über die Codescheibe, so daß zwischen dem Lichtleitkörper und dem Zeilensensor ein Bewegungsspalt verbleibt, in dem die Codescheibe bewegt werden kann. Zweckmäßigerweise ist der Lichtleitkörper über Füße auf dem Träger abgestützt gehalten, wobei zur Befestigung unterschiedliche Mittel eingesetzt sein können, beispielsweise Schrauben, Rastverbindungen oder dergleichen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands ist die Einkoppelfläche des Lichtleitkörpers asphärisch gekrümmt und die Auskoppelfläche eben ausgeführt. Die asphärische Krümmung der Einkoppelfläche dient zum Parallelisieren der divergent von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen bereits an der Einkoppelfläche. Die Brennweite der asphärischen Krümmung ist auf die Position der Lichtquelle abgestimmt, die beispielsweise als LED ausgebildet sein kann. Die asphärische Krümmung der Einkoppelfläche dient insbesondere zur Reduzierung der Randausdünnung, die ansonsten infolge einer Reflexion der Lichtstrahlen an der Einkoppelfläche erfolgen könnte. Verglichen mit dem Gegenstand der DE 36 09 211 A1 kann ein sehr viel breiterer Ausschnitt der Lichtkeule der Lichtquelle in den Lichtleitkörper eingekoppelt werden. Da in dem Lichtleitkörper selbst keine Divergenz herbeigeführt werden muß, kann auch die Bauhöhe dieses Lichtleitkörpers reduziert sein. Der Lichtleitkörper selbst ist nach Art eines Umlenkprismas ausgebildet und umfaßt zwei ebene Reflexionsflächen, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Die Auskoppelfläche des Lichtleitkörpers ist eben und parallel zur Oberfläche der Codescheibe angeordnet. Aus dieser Fläche werden die eingekoppelten Lichtstrahlen parallel zum Beleuchten der Codescheibe an ihrer von dem Sensorarray abgewandten Seite ausgekoppelt.
Die modulartige gemeinsame Anordnung von Lichtquelle, Zeilensensor und Lichtleitkörper, die auf dem Träger befestigt und somit bezüglich ihrer Anordnung zueinander fixiert sind, erlaubt, daß dieses als Sensorkopf bezeichnete Modul vor seinem Einbau in ein Kraftfahrzeug oder in ein Lenksäulenmodul hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit geprüft werden kann, ohne daß zu befürchten wäre, daß die Anordnung der Einzelelemente zueinander in einem späteren Zeitpunkt geändert werden würde. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist ferner, daß die Prüfung des Sensorkopfes mit dem eigenen Licht erfolgen kann, so daß Prüfungenauigkeiten infolge des Einsatzes fremder Lichtquellen vermieden sind.
Bei Lenkwinkelsensoren mit einer besonders flachen Ausgestaltung, kann vorgesehen sein, daß der nach Art eines Umlenkprismas ausgebildete Lichtleitkörper zum Teil in eine Ebene parallel zur Codescheibe umgelenkt ist.
Zur Befestigung des Lichtleitkörpers können Füße vorgesehen sein, die unterseitig eine ebene Aufstandsfläche aufweisen und von denen
Positionierdome abragen, die in entsprechende Paßöffnungen des Trägers eingreifen, wobei eine Anordnung von Lichtquelle und Lichtleitkörper bezüglich seiner asphärischen Einkoppelfläche auf einer optischen Achse liegen. Die Füße des Lichtleitkörpers sind zweckmäßigerweise Teil des Lichtleitkörpers und somit an diesem angeformt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Lichtleitkörper als Kunststoffspritzgußteil hergestellt sein. Der Lichtleitkörper des erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensors samt seinen Füßen ist aufgrund seiner Konfigurierung besonders geeignet als Kunststoffspritzgußteil hergestellt zu werden, da nur eine gekrümmte Fläche, nämlich die Einkoppelfläche vorgesehen ist. Alle anderen Flächen können eben ausgebildet sein.
Bezüglich der als kreisrunde Scheibe ausgeführten Codescheibe ist der Sensorkopf radial ausgerichtet, d.h. der Zeilensensor sowie die Ebene des Lichtleitkörpers sind radial zur Codescheibe ausgerichtet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 : Eine schematisierte dreidimensionale Ansicht eines
Lenkwinkelsensors eines Kraftfahrzeuges,
Fig. 2: einen Querschnitt, insbesondere durch den Sensorkopf des Lenkwinkelsensors der Figur 1 ,
Fig. 3: eine dreidimensionale Ansicht des Lichtleitkörpers des
Sensorkopfes der Figuren 1 und 2 und
Fig. 4: eine dreidimensionale Ansicht eines weiteren Lichtleitkörpers.
Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor 1 ist zur Bestimmung der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Der Lenkwinkelsensor 1 umfaßt eine Codescheibe 2, die drehfest mit einer in dieser Figur nicht dargestellten Lenkspindel verbunden ist, die in die zentrale Öffnung 3 eingreift. Die Codescheibe 2 trägt eine optische Codierung, die mit einem Sensorkopf 4 zur Bestimmung der aktuellen Winkelstellung der Codescheibe zum stationär zur Codescheibe 2 angeordneten Sensorkopf und somit zur Bestimmung des Lenkwinkels abgetastet wird.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Sensorkopf 4 und die am Aufbau des Sensorkopfes 4 beteiligten Elemente. Der Sensorkopf 4 besteht aus einem photosensitiven Zeilensensor 5, beispielsweise einer PDA-Zeile, einer Lichtquelle 6, beispielsweise einer LED und einem Lichtleitkörper 7, die alle gemeinsam auf einem Träger 8 befestigt sind. Bei dem Träger 8 handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Leiterplatte, über deren Leiterbahnen sowohl der Zeilensensor 5 als auch die Lichtquelle 6 elektrisch kontaktiert sind. Der Zeilensensor 5 und die Lichtquelle 6 befinden sich auf der einen Seite der Codescheibe 2; der Lichtleitkörper 7 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Codescheibe 2. Zwischen dem Lichtleitkörper 7 und dem Zeilensensor 5 befindet sich ein Bewegungsspalt 9, in den die Codescheibe 2 eingreift.
Der Lichtleitkörper 7 stützt sich über zwei Füße 10, 10' - in Figur 3 erkennbar - auf dem Träger 8 ab. Die Füße 10, 10' weisen unterseitig eine ebene Aufstandsfläche 11 , 11' auf, die ausreichend groß bemessen ist, daß der Lichtleitkörper ohne zu kippen auf dem Träger 8 befestigt werden kann. Bei dem in Figur 2 gezeigten Querschnitt durch den Sensorkopf 4 ist zwischen den Füßen 10, 10' ein Lichtschacht 12 um die Lichtquelle 6 angeordnet, damit Streustrahlungen und Undefinierte Reflexe weitestgehend vermieden sind. Die Füße 10, 10' weisen nach unten in den Träger 8 hineinragende Positionierdome 13, 13' zur lagegenauen Anordnung des Lichtleitkörpers 7 zu der Lichtquelle 6 und zur photosensitiven Oberfläche des Zeilensensors 5 auf. Der mit seinen Positionierdomen 13, 13' in den Träger 8 eingesetzte Lichtleitkörper 7 ist an dem Träger 8 durch Schrauben 14 befestigt. Der Lichtleitkörper 7 und die Füße 10. 10' sind einstückig und als Kunststoffspritzgußteil ausgebildet.
Der lichttechnisch wirksame Abschnitt des Lichtleitkörpers 7 ist nach Art eines Umlenkprismas ausgebildet und umfaßt eine asphärisch gewölbte Einkoppelfläche 15. Durch die asphärische Krümmung der Einkoppelfläche 15, deren Brennweite auf den Abstand zur Lichtquelle 6 abgestimmt ist, werden die divergent von der Lichtquelle 6 emittierten Lichtstrahlen parallelisiert. Der Lichtleitkörper 7 umfaßt zwei Reflexionsflächen 16, 17, an denen die eingekoppelten Lichtstrahlen jeweils um 90° reflektiert werden, so daß letztendlich die eingekoppelten Lichtstrahlen zur von dem Sensorarray 5 abgewandten Oberfläche der Codescheibe 2 umgelenkt werden. Die Auskoppelfläche 18 des Lichtleitkörpers 7 ist eben ausgebildet und verläuft parallel zur Oberfläche der Codescheibe 2. Aus der Darstellung der Figur 2 wird deutlich, daß infolge des parallel ausgekoppelten Lichtes, ohne eine Einbuße im Hinblick auf die Abbildungsgenauigkeit hinnehmen zu müssen, die lichte Weite des Bewegungsspaltes 9 relativ groß bemessen sein kann. Daher kann die
Codescheibe 2 auch bei unerwünschten Verwölbungen berührungslos und somit geräuschfrei durch den Bewegungsspalt 9 geführt werden.
Die Montage der drei Elemente - des Zeilensensors 5, der Lichtquelle 6 sowie des Lichtleitkörpers 7 - auf einem gemeinsamen Träger macht es möglich, daß der Sensorkopf 4 vor seiner Montage in einem Lenkwinkelsensor hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit geprüft werden kann. Die gemeinsame Anordnung des Lichtleitkörpers 7 mit den beiden anderen Elementen 5, 6 auf dem gemeinsamen Träger 8 macht es ferner möglich, daß die lichte Weite des Bewegungsspaltes 9 relativ groß bemessen sein kann, da die Toleranzkette bezüglich einer lagegenauen Anordnung zwischen der Auskoppelfläche 18 und der photosensitiven Oberseite des Zeilensensors 5 nur klein ist.
Der Lichtleitkörper 7 ist zweckmäßigerweise mit Ausnahme der Einkoppelfläche 15 und der Auskoppelfläche 18 außenseitig metallisiert, um Streustrahlungen oder ein unerwünschtes Auskoppeln von Lichtstrahlen an den Reflexionsflächen 16, 17 bei bestimmten Bedingungen zu vermeiden. Dabei kann vorgesehen sein, daß das Metallisieren gleichzeitig zur Temperierung des Lichtleitkörpers 7 dient.
Figur 4 zeigt einen weiteren Lichtleitkörper 19, der entsprechend dem Lichtleitkörper 7 aufgebaut ist und im Gegensatz zum Lichtleitkörper 7 ein Umlenkprisma 20 aufweist, dessen Ebene parallel zur Ebene der Codescheibe 2 angeordnet ist und somit gegenüber dem Umlenkprisma des Lichtleitkörpers 7 quasi als abgeklappt bezeichnet werden kann. Bei diesem Lichtleitkörper 19 ist eine weitere Reflexionsfläche 21 zum Reflektieren der eingekoppelten
Lichtstrahlen in die Ebene des Umlenkprismas 20 vorgesehen. Ein solcher Lichtleitkörper 19 wird bevorzugt bei Lenkwinkelsensoren eingesetzt, die nur eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen sollen.
Aus der Beschreibung der Erfindung wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor insbesondere Vorteile im Hinblick auf den Sensorkopf und seine unabhängige Prüfbarkeit aufweist. Dieser modulartige Aufbau bringt auch Vorteile bei einem möglichen Austauschen mit sich, da die gesamte Einheit gegen eine andere ausgetauscht werden kann und zu diesem Zweck auch nur ein einziges Element, nämlich der Sensorkopf 4 demontiert werden muß. Der dargestellte Lenkwinkelsensor zeichnet sich jedoch auch durch die einfache Konfigurierung seines Lichtleitkörpers aus, so daß dieses auf kostengünstige Weise als Kunststoffspritzgußteil hergestellt werden kann.
Zusammenstellung der Bezugszeichen
1 Lenkwinkelsensor
2 Codescheibe
3 Öffnung
4 Sensorkopf
5 Zeilensensor
6 Lichtquelle
7 Lichtleitkörper
8 Träger
9 Bewegungsspalt
10, 10' Fuß
11 , 11 ' Aufstandsfläche
12 Lichtschacht
13, 13' Positionierdom
14 Schraube
15 Einkoppelfläche
16 Reflexionsfläche
17 Reflexionsfläche
18 Auskoppelfläche
19 Lichtleitkörper
20 Umlenkprisma
21 Reflexionsfläche

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs mit einer an die Drehbewegung des
Lenkrades gekoppelten, eine optische Codierung tragenden Codescheibe (2), mit einer die Codierung bestrahlenden Lichtquelle (6) und mit einem photosensitiven Zeilensensor (5), wobei die Lichtquelle (6) und der radial ausgerichtete Zeilensensor (5) auf der gleichen Seite der Codescheibe (2) angeordnet sind, und ein Lichtleitkörper (7, 19) zum Umlenken der von der
Lichtquelle (6) emittierten Lichtstrahlen zum bestimmungsgemäßen Beleuchten der von dem Zeilensensor (5) abgewandten Seite der Codescheibe (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6), der Zeilensensor (5) und der Lichtleitkörper (7, 19) auf einem gemeinsamen Träger (8) angeordnet sind.
2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelfläche des Lichtleitkörpers (7, 19) zur Parallelisierung der einzukoppelnden Lichtstrahlen asphärisch gekrümmt und die Auskoppelfläche (18) eben ist.
3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7, 19) sich über Füße (10, 10') auf dem gemeinsamen Träger (8) abstützt und die Füße (10, 10') an dem Lichtleitkörper (7, 19) angeformt sind.
4. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füße (10, 10') unterseitig abragende, in den Träger (8) eingreifende Positionierdome (13, 13') zur lagegenauen Anordnung des Lichtleitkörpers (7, 19) mit seiner Einkoppelfläche (15) zur Lichtquelle (6) sowie seiner
Auskoppelfläche (18) zum Zeilensensor (5) tragen.
5. Lenkwinkelsensor nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7, 19) nach Art eines Umlenkprismas ausgestaltet ist.
6. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene des Umlenkprismas rechtwinklig zur Ebene des gemeinsamen Trägers (8) angeordnet ist.
7. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene des Umlenkprismas parallel zur Ebene des gemeinsamen Trägers (8) angeordnet ist.
8. Lenkwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7, 19) ein zweckmäßigerweise als Spritzgußteil gefertigtes Kunststoffteil ist.
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