WO2003008911A1 - Measuring device for contactlessly detecting the rotation angle and the axial position of an object to be measured - Google Patents

Measuring device for contactlessly detecting the rotation angle and the axial position of an object to be measured Download PDF

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WO2003008911A1
WO2003008911A1 PCT/AT2002/000204 AT0200204W WO03008911A1 WO 2003008911 A1 WO2003008911 A1 WO 2003008911A1 AT 0200204 W AT0200204 W AT 0200204W WO 03008911 A1 WO03008911 A1 WO 03008911A1
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WO
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rotation
measurement object
sensor
measuring arrangement
chip
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Application number
PCT/AT2002/000204
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Inventor
Siegfried Rossmann
Colin Steele
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Austriamicrosystems Ag
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    • 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
    • G01D5/12—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 using electric or magnetic means
    • G01D5/14—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 using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage

Definitions

  • the invention relates to a measurement arrangement for contactless detection of the angle of rotation and the axial position of a measurement object, in which magnetic, optical or magneto-optical structures are arranged on the measurement object and at least one sensor is provided for detecting these structures.
  • the known designs include, for example, counting disks whose rotation corresponds to the change in the angle of rotation to be measured. Recesses or teeth are arranged on the circumference of such counting disks, which can be detected by optical sensors or by capacitive or inductive proximity switches.
  • the triggered counting pulses can subsequently be processed electronically, in addition to the possibility of detecting and storing incremental angle changes in such a way.
  • the direction of rotation must also be recorded in such measuring devices, wherein the absolute angle of rotation can also be calculated by summing the incremental angle changes.
  • the invention now aims to provide a measuring arrangement of the type mentioned at the beginning, in which not only the angle of rotation, with little circuitry outlay and without additional mechanical elements, such as, for example, reduction gears or separate markings for detecting the axial displacement of a measurement object, but also the axial position of a measurement object can be reliably detected, such a measurement should give exact values even if the power supply is interrupted in the meantime.
  • the measurement arrangement according to the invention essentially consists in that the structures on the end face of the measurement object are arranged transversely to or outside the axis of rotation of the measurement object and that they are at a distance from the end face in a plane penetrated by the axis of rotation at least one chip is arranged with at least one sensor for detecting the rotational position and the axial distance.
  • sensors are housed in a common chip and the arrangement is such that the chip is arranged at a distance from the end face in a plane through which the axis of rotation of the measurement object passes, sensors can be accommodated in a chip with which on the On the basis of different evaluation algorithms, a statement about the axial distance as well as a statement about the rotational position of the measurement object is made possible.
  • the measurement object thus only requires magnetic, optical or magneto-optical structures on its end face in a manner known per se, which in the simplest case can be formed by a magnet extending transversely to the axis of rotation, with the sensors of the chip both the axial position and the rotational position can be recorded.
  • the design is such that the chip contains an integrated circuit for evaluating at least one sensor signal, so that the circuit complexity for subsequent evaluations is significantly reduced and the respective operating states and, if appropriate, malfunctions can be detected reliably due to incorrect orientation. which significantly improves operational safety.
  • a self-test function of the sensors can also be connected by means of such an integrated circuit in the chip, so that functional diagnosis is also possible at any time.
  • the structures arranged on the end face of the measurement object decode the rotational position in this way, and depending on the choice of the corresponding sensors by means of the same sensor element, a distance measurement is also made possible, for example by evaluating the amplitudes of the signals obtained.
  • the design is such that the integrated circuit has a phase decoder for determining the phase position of a cyclic signal of at least one sensor and a circuit for determining the amplitude of the cyclic signal, wherein advantageously the cyclic signal comprises a sine and a cosine signal and the integrated circuit contains a computing circuit, in particular a quotient.
  • Hall sensors can be used, which can be arranged in the chip in a circle around the axis of rotation, the separate evaluation of the amplitude directly providing information about the axial position of the measurement object.
  • the design according to the invention is advantageously made such that the chip contains at least one Hall probe and the measurement object has at least one magnet which is arranged diametrically transverse to the axis of rotation on the end face, the chip advantageously having a plurality of over one of the axes of rotation of the Measuring object penetrated envelope circle distributed sensors.
  • the design can also be made in a particularly simple manner such that at least one sensor as an optical sensor and at least one further sensor is designed as an inductive or capacitive proximity sensor in the same chip.
  • the additional sensor designed as an inductive or capacitive proximity sensor on the chip for detecting the axial position of the measurement object can be evaluated in a conventional manner and also with the circuit integrated in the chip.
  • the measurement object itself can be formed on a steering column, a spindle or a pressure and rotary switch, it being possible for a plurality of axial displacement positions of the pressure switch to be evaluated separately, for example if they are designed as pressure and rotary switches. In this way, it is possible to detect rotational angle adjustments of such a pressure and rotary switch in different planes and to significantly reduce the mechanical complexity of a switch for a plurality of different switching positions.
  • FIG. 1 shows the measuring arrangement according to the invention for detecting the angle of rotation of a steering column of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows the measuring arrangement for detecting the switching state of a rotary and pressure switch
  • FIG. 3 shows the signal curve of a sensor used.
  • Fig. 1 represents a steering column or a part connected to a steering column with an axis of rotation 2.
  • the steering column 1 is provided with an external thread 3, which is guided in a fixed internal thread 4, so that there is an axial displacement according to arrow 6 during a rotation according to arrow 5.
  • 7 designates the measurement object, the end face 8 of which carries magnetic, optical or magneto-optical structures which can be detected by the chip 9.
  • 7 denotes a first position of the measurement object and 7 ′ denotes a second position.
  • the chip 9 has, for example, a plurality of sensors distributed over a circle traversed by the axis of rotation 2 of the measurement object 7, Hall sensors being able to be used as sensors, for example, so that the signal curve of the sensor arrangement shown in FIG.
  • the signal 10 is sinusoidal, with the rotation of the measurement object 7 in the direction of arrow 5 resulting in a shift of the sinusoidal signal 10 corresponding to arrow 11, so that each angle of rotation of the measurement object within one Range of 0 to 360 ° can be uniquely assigned a phase position of the signal 10.
  • signal 10 results at a rotation angle of 0 ° and signal 10 'at a rotation position of 60 °.
  • the amplitude of the signal 10 is additionally evaluated. Basically, depending on the axial distance of the measurement object 7 from the sensor arrangement, this results in a sinusoidal signal with different amplitudes, as shown on the basis of curves 10 and 12.
  • FIG. Fig. 2a shows schematically a rotary
  • Push button 13 which can be rotated relative to the fixed chip 14 independently of one another according to arrow 15 and pressed or pulled according to arrow 16.
  • 2b shows the rotary and push button in a side view and the displacement positions 13, 13 'and 13' 'are shown.
  • the signals shown in FIG. 2c result, the switch position 13 being the signal
  • Switch position 13 '' corresponds to signal 17 ''.
  • the phase position of the signal is also evaluated in order to determine the respective rotational position of the

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a measuring device for contactlessly detecting the rotation angle and the axial position of an object to be measured. According to the invention, magnetic, optical or magneto-optical structures are placed on the object to be measured and at least one sensor is provided for detecting these structures. The structures on the face (8) of the object to be measured (7) are situated transversal to or outside of the axis of rotation (2) of the object to be measured (7), whereby at least one chip (9) having at least one sensor for detecting the rotational position and the axial distance is placed at a distance from the face (8) in a plane passed through by the axis of rotation (2).

Description

Messanordnunq zum berührungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines MessobjektesMeasuring arrangement for contactless detection of the angle of rotation and the axial position of a measurement object
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zum berüh- rungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines Messobjektes, bei welcher am Messobjekt magnetische, optische oder magnetooptische Strukturen angeordnet sind und wenigstens ein Sensor zur Erfassung dieser Strukturen vorgesehen ist.The invention relates to a measurement arrangement for contactless detection of the angle of rotation and the axial position of a measurement object, in which magnetic, optical or magneto-optical structures are arranged on the measurement object and at least one sensor is provided for detecting these structures.
Zur berührungslosen Erfassung des Drehwinkels einer Welle sind bereits eine Reihe von Vorschlägen bekanntgeworden. Die bekannten Ausbildungen umfassen beispielsweise Zählscheiben, deren Rotation der Änderung des zu messenden Drehwinkels entspricht. Am Umfang derartiger Zählscheiben sind Ausnehmungen bzw. Zähne angeordnet, welche von optischen Sensoren bzw. von kapazitiven oder induktiven Näherungsschaltern erfasst werden können. Die ausgelösten Zählimpulse können in der Folge elektronisch weiterverarbeitet werden, neben der Möglichkeit auf eine derartige Weise inkrementelle Winkelveränderungen zu erfassen und zu speichern. Um eine Information über den absoluten momentanen Drehwinkel zu erhalten, muss bei derartigen Messeinrichtungen zusätzlich auch die Drehrichtung erfasst werden, wobei durch Summation der inkrementellen Winkelveränderungen auch der absolute Drehwinkel errechnet werden kann. Proble- matisch gestaltet sich allerdings die Erfassung von Drehwinkeln von größer als 360° und der Umstand, dass bei Unterbrechung der Stromzufuhr das System die im jeweiligen Ausschaltmoment vorhandene Winkelposition speichern muss, um bei einer neuerlichen Inbetriebnahme diese auf den Referenzpunkt zurückrechnen zu können. Im Ruhezustand erfolgte Drehungen werden bei inkrementeller Winkelmessung überhaupt nicht erfasst, sodass Drehwinkelveränderungen bei abgeschalteter Stromversorgung nicht erfasst werden.A number of proposals have already become known for contactless detection of the angle of rotation of a shaft. The known designs include, for example, counting disks whose rotation corresponds to the change in the angle of rotation to be measured. Recesses or teeth are arranged on the circumference of such counting disks, which can be detected by optical sensors or by capacitive or inductive proximity switches. The triggered counting pulses can subsequently be processed electronically, in addition to the possibility of detecting and storing incremental angle changes in such a way. In order to obtain information about the absolute instantaneous angle of rotation, the direction of rotation must also be recorded in such measuring devices, wherein the absolute angle of rotation can also be calculated by summing the incremental angle changes. Problematic, however, is the detection of angles of rotation greater than 360 ° and the fact that when the power supply is interrupted, the system must save the angular position available at the respective switch-off torque in order to be able to calculate it back to the reference point when starting up again. Rotations made in the idle state are not recorded at all with incremental angle measurement, so that changes in angle of rotation are not recorded when the power supply is switched off.
Für Winkelmesssysteme, bei welchen eine mehrfache Umdrehung der Welle in Betracht kommt, also beispielsweise für Drehwinkel ess- systeme für Lenksäulen, ist die absolute Messung der Winkel- position innerhalb des vorgegebenen Mehrfachumdrehungsbereiches zu jeder Zeit und nach der Einschaltung des Systems unumgänglich. Für die Absolutmessung von Drehwinkeln bei Mehrfachumdrehungen werden daher in der Regel Reduktionsgetriebe in Form von Planetengetrieben eingesetzt, bei denen der Bereich der Mehrfachumdrehung direkt oder stufenweise auf eine volle Umdrehung oder auf eine rückberechenbare Teilumdrehung abgebildet wird. In der DE 44 09 892 ist zu diesem Zweck die Ausbildung so getroffen, dass mehrere Codescheiben vorgesehen sind, welche relativ zueinander in einem bestimmten Verhältnis untersetzt drehbar angeordnet sind, wobei die Signale unterschiedlicher Codescheiben entsprechend verknüpft und mittels eines Mikrocon- trollers ausgewertet werden. Aus der DE 295 20 111 UI ist für die Erfassung kleinerer Drehwinkel die Verwendung von Hallele- menten bekanntgeworden. Einrichtungen, bei welcher die Winkelposition am Umfang eines drehbaren Messobjektes durch Hallsensoren erfasst wird, sind in der EP 575 971 AI beschrieben. In der US 6 212 783 Bl ist eine Messanordnung beschrieben, bei welcher eine Mehrzahl von Sensoren in unterschiedlicher Orien- tierung zum Einsatz gelangt, um zwischen den Winkelbereichen von 0 bis 180° und 180° und 360° der Umdrehung eines Messobjektes unterscheiden zu können.For angle measuring systems in which a multiple rotation of the shaft is possible, for example for angle measuring systems for steering columns, the absolute measurement of the angle Position within the specified multiple rotation range at all times and after switching on the system is essential. Reduction gears in the form of planetary gears are therefore generally used for the absolute measurement of angles of rotation in the case of multiple revolutions, in which the range of the multiple revolutions is mapped directly or stepwise to a full revolution or to a partial revolution that can be calculated back. For this purpose, DE 44 09 892 has been designed so that a plurality of code disks are provided, which are arranged so as to be rotatable relative to each other in a certain ratio, the signals of different code disks being linked accordingly and evaluated by means of a microcontroller. DE 295 20 111 UI has made known the use of Hall elements for the detection of smaller angles of rotation. Devices in which the angular position on the circumference of a rotatable measurement object is detected by Hall sensors are described in EP 575 971 AI. US Pat. No. 6,212,783 B1 describes a measuring arrangement in which a plurality of sensors are used in different orientations in order to be able to differentiate between the angular ranges of 0 to 180 ° and 180 ° and 360 ° of the rotation of a measurement object.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Messanordnung der ein- gangs genannten Art zu schaffen, bei welcher mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand und ohne zusätzliche mechanische Elemente, wie beispielsweise Untersetzungsgetriebe oder gesonderte Markierungen für die Erfassung der axialen Verschiebung eines Messobjektes nicht nur der Drehwinkel, sondern auch die axiale Lage eines Messobjektes sicher erfasst werden kann, wobei eine derartige Messung auch bei einer zwischenzeitlichen Unterbrechung der Stromversorgung exakte Werte geben soll. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Messanordnung im wesentlichen darin, dass die Strukturen an der Stirnfläche des Messobjektes quer zur bzw. außerhalb der Rotationsachse des Messobjektes angeordnet sind und dass in Abstand von der Stirnfläche in einer von der Rotationsachse durchsetzten Ebene wenigstens ein Chip mit wenigstens einem Sensor zum Erfassen der Drehlage und des axialen Abstandes angeordnet ist. Dadurch, dass die Sensoren in einem gemeinsamen Chip untergebracht werden und die Anordnung so getroffen wird, dass der Chip in Abstand von der Stirnfläche in einer von der Rotationsachse des Messobjektes durchsetzten Ebene angeordnet ist, lassen sich in einem Chip Sensoren unterbringen, mit welchen auf der Basis unterschiedlicher Auswertungsalgorithmen sowohl eine Aussage über den axialen Abstand als auch eine Aussage über die Drehlage des Messobjektes ermöglicht wird. Das Messobjekt benötigt somit lediglich an seiner Stirnseite in an sich bekannter Weise magnetische, optische oder magnetooptische Strukturen, welche im einfachsten Fall von einem sich quer zur Rotationsachse erstreckenden Magneten gebildet sein können, wobei mit den Sensoren des Chips sowohl die axiale Lage als auch die Drehlage erfasst werden kann. In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung hierbei so getroffen, dass der Chip eine integrierte Schaltung zur Auswertung wenigstens eines Sensorsignals enthält, sodass der Schaltungsaufwand für nachfolgende Auswertungen wesentlich verringert wird und unmittelbar die jeweiligen Betriebszustände sowie gegebenenfalls Störfälle durch nicht korrekte Orientierung sicher erfasst werden können, wodurch die Betriebssicherheit wesentlich verbessert wird. Mittels einer derartigen integrierten Schaltung im Chip kann auch eine Selbsttestfunktion der Sensoren verbunden sein, sodass auch eine Funktionsdiagnose jederzeit ermöglicht wird. Die an der Stirnfläche des Messobjektes angeordneten Strukturen decodieren auf diese Weise die Drehlage, wobei je nach Wahl der entsprechenden Sensoren mittels des gleichen Sensorelementes auch eine Abstandsmessung beispielsweise durch Auswertung der Amplituden der erhaltenen Signale ermöglicht wird.The invention now aims to provide a measuring arrangement of the type mentioned at the beginning, in which not only the angle of rotation, with little circuitry outlay and without additional mechanical elements, such as, for example, reduction gears or separate markings for detecting the axial displacement of a measurement object, but also the axial position of a measurement object can be reliably detected, such a measurement should give exact values even if the power supply is interrupted in the meantime. To achieve this object, the measurement arrangement according to the invention essentially consists in that the structures on the end face of the measurement object are arranged transversely to or outside the axis of rotation of the measurement object and that they are at a distance from the end face in a plane penetrated by the axis of rotation at least one chip is arranged with at least one sensor for detecting the rotational position and the axial distance. Because the sensors are housed in a common chip and the arrangement is such that the chip is arranged at a distance from the end face in a plane through which the axis of rotation of the measurement object passes, sensors can be accommodated in a chip with which on the On the basis of different evaluation algorithms, a statement about the axial distance as well as a statement about the rotational position of the measurement object is made possible. The measurement object thus only requires magnetic, optical or magneto-optical structures on its end face in a manner known per se, which in the simplest case can be formed by a magnet extending transversely to the axis of rotation, with the sensors of the chip both the axial position and the rotational position can be recorded. In a particularly advantageous manner, the design is such that the chip contains an integrated circuit for evaluating at least one sensor signal, so that the circuit complexity for subsequent evaluations is significantly reduced and the respective operating states and, if appropriate, malfunctions can be detected reliably due to incorrect orientation. which significantly improves operational safety. A self-test function of the sensors can also be connected by means of such an integrated circuit in the chip, so that functional diagnosis is also possible at any time. The structures arranged on the end face of the measurement object decode the rotational position in this way, and depending on the choice of the corresponding sensors by means of the same sensor element, a distance measurement is also made possible, for example by evaluating the amplitudes of the signals obtained.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung zu diesem Zwecke so getroffen, dass die integrierte Schaltung einen Phasendecoder zur Ermittlung der Phasenlage eines zyklischen Signals wenigstens eines Sensors und einen Schaltkreis zur Ermittlung der Amplitude des zyklischen Signals aufweist, wobei mit Vorteil das zyklische Signal ein Sinus- und ein Cosinussignal umfasst und in der integrierten Schaltung eine Rechenschaltung, insbesondere ein Quotientenbildner, enthalten ist. Mittels eines derartigen Chips, welcher die Sensorelemente enthält und die entsprechende Rechenschaltung bereits integriert, ist es in besonders einfacher Weise möglich aus den generierten Sinus- und Cosinussignalen eine Arcus-Tangensfunk- tion abzuleiten, was durch einfache Division der beiden Sinus- und Cosinussignale gelingt, wodurch unmittelbar eine von der Amplitude des Signals unabhängige Information über die Drehlage gewonnen werden kann. Es können Hallsensoren zum Einsatz gelangen, welche kreisförmig um die Drehachse verteilt im Chip angeordnet sein können, wobei die gesonderte Auswertung der Amplitude unmittelbar eine Information über die axiale Lage des Messobjektes ergibt.In a particularly advantageous manner, the design is such that the integrated circuit has a phase decoder for determining the phase position of a cyclic signal of at least one sensor and a circuit for determining the amplitude of the cyclic signal, wherein advantageously the cyclic signal comprises a sine and a cosine signal and the integrated circuit contains a computing circuit, in particular a quotient. By means of such a chip, which contains the sensor elements and already integrates the corresponding arithmetic circuit, it is possible in a particularly simple manner to derive an arc tangent function from the generated sine and cosine signals, which is achieved by simply dividing the two sine and cosine signals. whereby information about the rotational position, which is independent of the amplitude of the signal, can be obtained directly. Hall sensors can be used, which can be arranged in the chip in a circle around the axis of rotation, the separate evaluation of the amplitude directly providing information about the axial position of the measurement object.
Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Ausbildung hiezu so getroffen, dass der Chip wenigstens eine Hallsonde enthält und das Messobjekt wenigstens einen sich diametral quer zur Rota- tionsachse an der Stirnfläche angeordneten Magneten aufweist, wobei mit Vorteil der Chip eine Mehrzahl von über einen von der Rotationsachse des Messobjektes durchsetzten Hüllkreis verteilte Sensoren aufweist.To this end, the design according to the invention is advantageously made such that the chip contains at least one Hall probe and the measurement object has at least one magnet which is arranged diametrically transverse to the axis of rotation on the end face, the chip advantageously having a plurality of over one of the axes of rotation of the Measuring object penetrated envelope circle distributed sensors.
Neben der Möglichkeit die Signale von Hallsensoren gesondert zum Zwecke der Bestimmung des absoluten Drehwinkels und zum Zwecke der Bestimmung der axialen Lage durch Messung der jeweiligen Signalamplitude heranzuziehen, kann in besonders einfacher Weise die Ausbildung aber auch so getroffen sein, dass wenigstens ein Sensor als optischer Sensor und wenigstens ein weiterer Sensor als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor im gleichen Chip ausgebildet ist. Der zusätzliche am Chip als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor ausgebildete Sensor für die Erfassung der axialen Lage des Messobjektes kann hierbei in konventioneller Weise und gleichfalls mit der im Chip integrierten Schaltung ausgewertet werden. Das Messobjekt selbst kann an einer Lenksäule, einer Spindel oder einem Druck- und Drehschalter ausgebildet sein, wobei beispielsweise im Falle der Ausbildung als Druck- und Drehschalter eine Mehrzahl von axialen Verschiebepositionen des Druckschalters gesondert ausgewertet werden können. Auf diese Art und Weise gelingt es Drehwinkelverstellungen eines derartigen Druck- und Drehschalters in unterschiedlichen Ebenen zu erfassen und den mechanischen Aufwand eines Schalters für eine Mehrzahl unterschiedlicher Schaltpositionen wesentlich zu verringern.In addition to the possibility of using the signals from Hall sensors separately for the purpose of determining the absolute angle of rotation and for the purpose of determining the axial position by measuring the respective signal amplitude, the design can also be made in a particularly simple manner such that at least one sensor as an optical sensor and at least one further sensor is designed as an inductive or capacitive proximity sensor in the same chip. The additional sensor designed as an inductive or capacitive proximity sensor on the chip for detecting the axial position of the measurement object can be evaluated in a conventional manner and also with the circuit integrated in the chip. The measurement object itself can be formed on a steering column, a spindle or a pressure and rotary switch, it being possible for a plurality of axial displacement positions of the pressure switch to be evaluated separately, for example if they are designed as pressure and rotary switches. In this way, it is possible to detect rotational angle adjustments of such a pressure and rotary switch in different planes and to significantly reduce the mechanical complexity of a switch for a plurality of different switching positions.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 die erfindungsgemäße Messanordnung zur Drehwinkelerfassung einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges, Fig. 2 die Messanordnung für die Erfassung des Schaltzustandes eines Dreh- und Druckschalters und Fig. 3 den Signalverlauf eines zur Anwendung gelangenden Sensors .The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. 1 shows the measuring arrangement according to the invention for detecting the angle of rotation of a steering column of a motor vehicle, FIG. 2 shows the measuring arrangement for detecting the switching state of a rotary and pressure switch, and FIG. 3 shows the signal curve of a sensor used.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Lenksäule bzw. ein mit einer Lenksäule verbundener Teil mit einer Rotationsachse 2 dargestellt. Die Lenksäule 1 ist mit einem Außengewinde 3 versehen, welches in einem ortsfesten Innengewinde 4 geführt ist, sodass es bei einer Rotation gemäß dem Pfeil 5 zu einer axialen Verschiebung gemäß Pfeil 6 kommt. Mit 7 ist das Messobjekt bezeichnet, dessen Stirnfläche 8 magnetische, optische oder magnetooptische Strukturen trägt, welche von dem Chip 9 erfasst werden können. Mit 7 ist eine erste Position des Messobjektes und mit 7' eine zweite Position bezeichnet. Der Chip 9 weist beispielsweise eine Mehr- zahl von über einen von der Rotationsachse 2 des Messobjektes 7 durchsetzten Kreis verteilte Sensoren auf, wobei als Sensoren beispielsweise Hallsensoren zum Einsatz gelangen können, sodass sich der in Fig. 3 dargestellte Signalverlauf der Sensoranordnung ergibt. Das Signal 10 verläuft sinusförmig, wobei die Rotation des Messobjektes 7 in Richtung des Pfeils 5 eine Verschiebung des sinusförmigen Signals 10 entsprechend dem Pfeil 11 ergibt, sodass jedem Drehwinkel des Messobjektes innerhalb eines Bereiches von 0 bis 360° in eindeutiger Weise eine Phasenlage des Signals 10 zugeordnet werden kann. So ergibt sich beispielsweise bei einem Drehwinkel von 0° das Signal 10 und bei einer Drehlage von 60° das Signal 10'. Um nun auch den absoluten Drehwinkel des Messobjektes 7 bei Mehrfachumdrehungen in eindeutiger Weise zu erfassen, wird zusätzlich die Amplitude des Signals 10 ausgewertet. Grundsätzlich ergibt sich hierbei in Abhängigkeit vom axialen Abstand des Messobjektes 7 von der Sensoranordnung ein sinusförmiges Signal mit unterschiedlicher Amplitude, wie anhand der Kurven 10 und 12 dargestellt. Bei einer Kopplung der Rotationsbewegung gemäß Pfeil 5 und der axialen Verschiebung des Messobjektes 7 gemäß Pfeil 6 aufgrund des Gewindes 3 bzw. 4 ergibt sich naturgemäß eine kontinuierliche Veränderung der Amplitude des Signals . Durch gleichzeitige Auswertung der Phasenlage und der Amplitude des Signals erhält man den absoluten Drehwinkel des Messobjektes 7 auch bei Mehrfachumdrehungen.In Fig. 1, 1 represents a steering column or a part connected to a steering column with an axis of rotation 2. The steering column 1 is provided with an external thread 3, which is guided in a fixed internal thread 4, so that there is an axial displacement according to arrow 6 during a rotation according to arrow 5. 7 designates the measurement object, the end face 8 of which carries magnetic, optical or magneto-optical structures which can be detected by the chip 9. 7 denotes a first position of the measurement object and 7 ′ denotes a second position. The chip 9 has, for example, a plurality of sensors distributed over a circle traversed by the axis of rotation 2 of the measurement object 7, Hall sensors being able to be used as sensors, for example, so that the signal curve of the sensor arrangement shown in FIG. 3 results. The signal 10 is sinusoidal, with the rotation of the measurement object 7 in the direction of arrow 5 resulting in a shift of the sinusoidal signal 10 corresponding to arrow 11, so that each angle of rotation of the measurement object within one Range of 0 to 360 ° can be uniquely assigned a phase position of the signal 10. For example, signal 10 results at a rotation angle of 0 ° and signal 10 'at a rotation position of 60 °. In order to now also unambiguously record the absolute angle of rotation of the measurement object 7 in the case of multiple revolutions, the amplitude of the signal 10 is additionally evaluated. Basically, depending on the axial distance of the measurement object 7 from the sensor arrangement, this results in a sinusoidal signal with different amplitudes, as shown on the basis of curves 10 and 12. With a coupling of the rotational movement according to arrow 5 and the axial displacement of the measurement object 7 according to arrow 6 due to the thread 3 or 4, there is naturally a continuous change in the amplitude of the signal. By simultaneously evaluating the phase position and the amplitude of the signal, the absolute angle of rotation of the measurement object 7 is obtained even with multiple revolutions.
In Fig. 2 ist eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Mess- anordnung dargestellt. Fig. 2a zeigt schematisch einen Dreh- undA further application of the measuring arrangement according to the invention is shown in FIG. Fig. 2a shows schematically a rotary and
Druckknopf 13, welcher relativ zum ortsfesten Chip 14 unabhängig voneinander gemäß Pfeil 15 gedreht und gemäß Pfeil 16 gedrückt bzw. gezogen werden kann. Fig. 2b zeigt den Dreh- und Druckknopf in einer Seitenansicht und es sind die Verschiebelagen 13, 13' und 13'' dargestellt. Dabei ergeben sich die in Fig. 2c dargestellten Signale, wobei der Schalterstellung 13 das SignalPush button 13, which can be rotated relative to the fixed chip 14 independently of one another according to arrow 15 and pressed or pulled according to arrow 16. 2b shows the rotary and push button in a side view and the displacement positions 13, 13 'and 13' 'are shown. The signals shown in FIG. 2c result, the switch position 13 being the signal
17, der Schalterstellung 13' das Signal 17' und der17, the switch position 13 ', the signal 17' and
Schalterstellung 13'' das Signal 17'' entspricht. Zusätzlich zu dieser Amplitudenänderung wird auch die Phasenlage des Signals ausgewertet, um auf diese Weise die jeweilige Drehstellung desSwitch position 13 '' corresponds to signal 17 ''. In addition to this change in amplitude, the phase position of the signal is also evaluated in order to determine the respective rotational position of the
Dreh- und Druckschalters 13 zu ermitteln.Determine rotary and pressure switch 13.
Insgesamt ergibt sich somit eine Messanordnung zum berührungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines Mess- Objektes, welche auch unter rauen Umgebungsbedingungen einwandfrei funktioniert, wobei durch die Integration der erforderlichen Sensoren in einen einzigen von der Stirnfläche des Mess- Objektes beabstandeten Chip eine Weiterverarbeitung und Auswertung der Sensorsignale entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen gelingt, sodass beispielsweise zusätzliche Kompensationsschaltungen, Analog-Digitalwandlungen oder Selbsttest- und Diagnosefunktionen integriert werden können. Overall, this results in a measurement arrangement for contactless detection of the angle of rotation and the axial position of a measurement object, which functions perfectly even under harsh environmental conditions, with the integration of the required sensors in a single one from the end face of the measurement object. Object-spaced chip further processing and evaluation of the sensor signals according to the respective needs succeed, so that, for example, additional compensation circuits, analog-digital conversions or self-test and diagnostic functions can be integrated.

Claims

Ansprüche : Expectations :
1. Messanordnung zum berührungslosen Erfassen des Drehwinkels und der axialen Lage eines Messobjektes, bei welcher am Mess- objekt magnetische, optische oder magnetooptische Strukturen angeordnet sind und wenigstens ein Sensor zur Erfassung dieser Strukturen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen an der Stirnfläche (8) des Messobjektes (7) quer zur bzw. außerhalb der Rotationsachse (2) des Messobjektes (7) ange- ordnet sind und dass in Abstand von der Stirnfläche (8) in einer von der Rotationsachse (2) durchsetzten Ebene wenigstens ein Chip (9) mit wenigstens einem Sensor zum Erfassen der Drehlage und des axialen Abstandes angeordnet ist.1. Measuring arrangement for contactless detection of the angle of rotation and the axial position of a measurement object, in which magnetic, optical or magneto-optical structures are arranged on the measurement object and at least one sensor is provided for detecting these structures, characterized in that the structures on the end face ( 8) of the measurement object (7) are arranged transversely to or outside the axis of rotation (2) of the measurement object (7) and that at a distance from the end face (8) in a plane through which the axis of rotation (2) passes at least one chip ( 9) is arranged with at least one sensor for detecting the rotational position and the axial distance.
2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip ( 9 ) eine integrierte Schaltung zur Auswertung wenigstens eines Sensorsignals enthält.2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the chip (9) contains an integrated circuit for evaluating at least one sensor signal.
3. Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung einen Phasendecoder zur Ermittlung der Phasenlage eines zyklischen Signals wenigstens eines Sensors und einen Schaltkreis zur Ermittlung der Amplitude des zyklischen Signals aufweist.3. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the integrated circuit has a phase decoder for determining the phase position of a cyclic signal of at least one sensor and a circuit for determining the amplitude of the cyclic signal.
4. Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Signal ein Sinus- und ein Cosinussignal umfasst und in der integrierten Schaltung eine Rechenschaltung, insbesondere ein Quotientenbildner, enthalten ist.4. Measuring arrangement according to claim 3, characterized in that the cyclic signal comprises a sine and a cosine signal and a computing circuit, in particular a quotient, is contained in the integrated circuit.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (9) wenigstens eine Hallsonde enthält und das Messobjekt (7) wenigstens einen sich diametral quer zur Rotationsachse (2) an der Stirnfläche (8) angeordneten Magneten aufweist.5. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the chip (9) contains at least one Hall probe and the measurement object (7) has at least one magnet arranged diametrically transverse to the axis of rotation (2) on the end face (8).
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip eine Mehrzahl von über einen von der Rotationsachse (2) des Messobjektes (7) durchsetzten Hüllkreis verteilte Sensoren aufweist.6. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the chip has a plurality of over one of the envelope of rotation (2) of the measurement object (7) has distributed sensors.
7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor als optischer Sensor und wenigstens ein weiterer Sensor als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor im gleichen Chip (9) ausgebildet ist.7. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one sensor is designed as an optical sensor and at least one further sensor as an inductive or capacitive proximity sensor in the same chip (9).
8. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt an einer Lenksäule, einer Spindel oder einem Druck- und Drehschalter ausgebildet ist. 8. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measurement object is formed on a steering column, a spindle or a pressure and rotary switch.
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