EP1216182A1 - Modul mit winkelsensorik, berührungsloser energieübertragung und berührungsloser informationsübertragung - Google Patents

Modul mit winkelsensorik, berührungsloser energieübertragung und berührungsloser informationsübertragung

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Publication number
EP1216182A1
EP1216182A1 EP00960636A EP00960636A EP1216182A1 EP 1216182 A1 EP1216182 A1 EP 1216182A1 EP 00960636 A EP00960636 A EP 00960636A EP 00960636 A EP00960636 A EP 00960636A EP 1216182 A1 EP1216182 A1 EP 1216182A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steering wheel
module according
side component
information transmission
stator
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
EP00960636A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Fischer
Reinhard Seyer
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Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1216182A1 publication Critical patent/EP1216182A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/023—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for transmission of signals between vehicle parts or subsystems
    • B60R16/027—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for transmission of signals between vehicle parts or subsystems between relatively movable parts of the vehicle, e.g. between steering wheel and column
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a module, in particular a steering wheel module, which combines three functional groups, namely an energy transmission, an information transmission and an angle sensor, in a compact two-part component.
  • the basic pattern of inductive position or angle sensors based on the transformer principle consists of at least two conductor loops, one of which is operated as a transmitter or primary coil, while the other conductor loop serves as a receiver or secondary coil. If the secondary coil is guided past the primary coil, a secondary voltage that is dependent on the relative position of the primary coil with respect to the secondary coil is obtained in the transformer with variable coupling formed by the primary coil and secondary coil. Special embodiments of such sensors work with short-circuited secondary coils. The angle-dependent reaction of the short-circuited secondary coil to the primary coil is measured in these sensors. The resistance of the secondary winding, which is very small in the event of a short circuit, is noticeable in the primary circuit with the transmission ratio for resistors modified by the variable mutual inductance.
  • An accelerator pedal transmitter that works according to this principle for use in motor vehicles is known from Hella KG Hueck & Co. and is e.g. in ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100, (1998), issue 10.
  • the object according to the invention is therefore to expand an angle sensor working according to the inductive principle by the additional functions of energy transmission and information transmission. It is also an object of the invention to propose a steering wheel module which combines the three functional groups of energy transmission, information transmission and angle sensor technology in a compact, multi-part, inexpensive component. According to the invention, these objects are achieved by the characterizing features of the independent claims. Further advantageous embodiments are contained in the subclaims.
  • a module according to the invention with angle sensors, energy transmission and information transmission consists of at least two printed circuit boards.
  • One circuit board forms the stator with respect to the angle sensor system and the other circuit board forms the rotor with respect to the angle sensor system.
  • the stator contains an excitation coil for energy transmission and for information transmission.
  • the rotor contains a receiver coil for energy transmission and for information transmission. Excitation coil and receiver coil are arranged in a circle on the respective circuit board in such a way that there is an angle-independent coupling for the excitation coil and the receiver coil. The excitation coil and the receiver coil are used both for energy transmission and for information transmission.
  • the energy transfer typically takes place with a medium frequency of e.g. 25 kHz.
  • a modulation is superimposed on this center frequency for information transmission.
  • Various modulation methods are possible, such as RF modulation (high-frequency modulation), amplitude modulation or phase modulation.
  • a module according to the invention which integrates the angle sensors, the energy transmission and the information transmission in one module, enables the following advantages in combination with the use of modern construction and connection technology:
  • the component size of the module can be kept small for the powers to be transmitted up to about 10 W, in particular ferrite cores for focusing the magnetic flux can be omitted.
  • the module can be expanded and the information transmission system allows a large number of additional functions. • The module works without contact and is therefore wear-free. In particular, the module does not require sliding contacts.
  • the module can be manufactured on a circuit board basis and is therefore suitable for series production, which means that the module can be manufactured inexpensively.
  • the module according to the invention is expediently matched to the requirements of the installation locations provided in each case.
  • the circuit board technology enables the module to be adapted to various motor vehicles in a particularly advantageous manner, such as, for example, trucks with 24 V vehicle electrical systems, passenger cars with 42 V vehicle electrical systems or passenger vehicles with 12 V vehicle electrical systems. Other motor vehicles with further different vehicle electrical systems are also conceivable.
  • the stator-side part of the steering wheel module is permanently installed in the vehicle, e.g. by attachment to the chasis of the motor vehicle or by attachment to the casing tube of the steering spindle.
  • the rotor-side part of the steering wheel module is necessarily installed in the immediate vicinity of the stator.
  • stator-side part of the steering wheel module is fastened to the casing tube of the steering spindle, the rotor-side part of the steering wheel module is therefore fastened to the steering spindle, so that the rotor-side part of the steering wheel module is rotatable relative to the stator-side part of the module.
  • both the primary coils and the secondary coils of the angle sensors as well as the excitation coils and the receiver coils for energy and information transmission are designed as conductor tracks on the surface of the printed circuit boards.
  • the primary coil, secondary coil, excitation coil and receiver coil are designed as a printed circuit.
  • the supply systems for the angle sensors and the energy and information transmission are already integrated on the circuit boards of the module according to the invention.
  • so-called DC / AC converters current converters for converting direct current to alternating current
  • rotor / AC / DC converters are integrated on the stator side.
  • Digital modulators / demodulators are integrated both on the stator side and on the rotor side for information transmission.
  • the modular / demodulators are capable of transmitting multiple transmission channels. In a preferred embodiment, e.g. five channels can be transmitted, in a further embodiment e.g. 10 channels can be transmitted and in another embodiment e.g. 30 channels can be transmitted.
  • the number of channels depends on the number of connected devices that have to be supplied with information independently of one another or that supply information independently of one another.
  • a particularly preferred application of the module according to the invention is in addition to the already mentioned energy supply of steering wheel airbags, the transmission of control commands from actuating elements integrated in the steering wheel to the associated devices, such as switches for regulating and actuating car radios or CD players (compact disc - Saintern).
  • Fig.l is a plan view of the stator-side component of the module according to the invention with excitation coil and Pri ärspule manufactured in circuit board technology or as a printed circuit
  • Fig. 2 is a plan view of the rotor-side component of the module according to the invention with receiver coil and short-circuited secondary coil manufactured in printed circuit board technology or as a printed circuit
  • Fig. 3 shows a schematic structure of the module according to the invention with connected supply devices for energy transmission and for information transmission
  • Fig. 4 is a functional diagram of the module according to the invention with an exemplary application as a steering wheel module
  • FIG. 5 shows a schematic three-dimensional representation of a motor vehicle steering wheel with the built-in module according to the invention
  • Fig.l shows a top view of the stator-side component of the module according to the invention with excitation coil and primary coil made in printed circuit board technology or as a printed circuit.
  • the stator-side component 1 of the module according to the invention contains, on a substrate 3, an excitation coil 4 formed from conductor tracks and two primary coils 5 also formed from conductor tracks.
  • the excitation coil typically consists of 3 to 10 turns and is connected to the supply units shown in FIG connected for energy transmission and for information transmission. In the exemplary embodiment shown, the excitation coil 4 consists of 3 turns. If a larger number of turns, for example 20 turns, are required for the transmission of larger powers, the turns can be provided both on the front side of the substrate and on the back side of the substrate.
  • 10 turns can be made on the front of the substrate and 10 turns on the back of the substrate.
  • the two primary coils 5 are with the connecting eyes 7 connected from the back of the substrate to an evaluation unit, not shown, for determining the angular position.
  • the contacting of the primary coils is shown in broken lines in FIG. 1. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, only two primary coils are shown, each of which covers an angular range of 180 ° in a semicircle.
  • the primary coils are typically operated in a voltage range from 12 V to 50 V with an alternating voltage of typically 10 kHz to 80 kHz.
  • the primary coil can also be operated with an alternating voltage of 1 MHz.
  • the substrate diameter is typically in a range between 60 to 100 mm. Deviations downwards or upwards are also possible.
  • the substrate has a circular recess 8 in the middle, to which a phase 9 indicated by dash-dotted lines is attached.
  • the recess 8 is used for mounting the stator-side component on the casing tube of the steering spindle, as shown by way of example in FIG. 5.
  • Fig. 2 shows a plan view of the rotor-side component of the module according to the invention with receiver coil and short-circuited secondary coil, manufactured in printed circuit board technology or as a printed circuit.
  • the rotor-side component 2 contains, on a substrate 3, a receiver coil 10 which is formed from conductor tracks and which is connected via the eyelets 6 to supply devices for energy and information transmission shown in FIG. 3.
  • the secondary coil is designed as a semicircle which can cover an angular segment of 180 °.
  • a recess 8 ⁇ to which a phase 9 V shown in broken lines is attached serves to fasten the rotor-side component to the steering spindle, as shown by way of example in FIG. 5.
  • the excitation coil typically consists of 3 to 10 turns. The turns can be on both the front and the Be back of the substrate 3 attached. If a transformer ratio other than 1 is not to be selected for the energy transmission, the number of turns of the receiver coil is matched to the number of turns of the excitation coil, or the excitation coil and receiver coil have the same number of turns.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of the module according to the invention with connected supply devices for energy transmission and for information transmission.
  • a DC / AC converter 12 and a digital modulator / demodulator 13 are connected to the connection eyelets 6 shown in FIG. 1 on the substrate 3 on the stator-side component.
  • the DC / AC converter converts the 24 V direct voltage of the vehicle electrical system into a 25 kHz alternating voltage for energy transmission.
  • the modulator / demodulator 13 superimposes a digital signal on the carrier frequency for energy transmission.
  • the digitized signal is used to transmit information between the stator-side component and the rotor-side component 2 in both directions.
  • All known modulation methods can be used to modulate the carrier signal, such as RF modulation, amplitude modulation, phase modulation.
  • the stator-side supply devices 12, 13 find their opposite counterparts 12 ⁇ 13 ⁇ on the rotor-side component 2.
  • An AC / DC converter converts the transmitted AC voltage received by the receiver coil 10 back into a 24 V DC voltage.
  • a demodulator / modulator 13 decodes the signal superimposed on the carrier frequency back into a digital signal, which can be further processed, for example, by the trigger electronics of a connected arm system, as shown by way of example in FIGS. 4 and 5.
  • the supply devices 12, 12, 13, 13 "are arranged on the printed circuit board substrates 3, 3".
  • the supply devices are arranged separately from the substrates 3, 3 '. The latter embodiment is used with advantage if only a very limited installation space is available for the module according to the invention.
  • FIG. 4 shows a functional diagram of the module according to the invention with an exemplary application as a steering wheel module, as shown by way of example in FIG. 5.
  • the module according to the invention is shown schematically as an ellipse and contains the three functions
  • the airbag electronics in the steering wheel housing are activated and supplied with energy from the vehicle electrical system with the aid of energy transmission.
  • the airbag igniter is also biased.
  • a data transmission is established between a crash sensor and the ignition device of the airbag, so that the airbag is ignited when the crash sensor is triggered accordingly.
  • the third function is to determine the current steering wheel position. For this purpose, no information transmission is necessary in the aforementioned sense, since the angle sensor system determines the steering wheel angle exclusively on the primary side via the feedback of the short-circuited secondary coil on the primary coil.
  • a steering wheel lock determined in this way can be converted into control commands for the actuators for the position of the steered wheels.
  • the steering angle of the steering wheels can then be controlled with the module according to the invention by the steering angle of the steering wheel.
  • FIG. 5 shows a schematic three-dimensional representation of a motor vehicle steering wheel with the built-in module according to the invention.
  • the stator-side component 1 is attached to the casing tube 14 of the steering spindle 15, while the rotor-side component 2 is attached to the steering spindle 15 itself.
  • the steering wheel 16 is also attached to the steering spindle.
  • the stator-side and rotor-side components 1, 2 are covered by a steering wheel housing 17 for protection.
  • An airbag 18 and an airbag igniter 19 are also accommodated in the steering wheel housing in a manner known per se.
  • With electrical connecting lines 20, the stator-side component 1 is connected to the vehicle electrical system for the purpose of energy supply and with commu nikationseinnchtitch connected to signal transmission.
  • stator-side component is connected directly or indirectly to so-called crash sensors or other acceleration sensors, which deliver a characteristic trigger signal for igniting the airbag.
  • This signal is transmitted to the rotor-side component 2 via a transmission channel already described in FIG. 3 and passed on to the airbag igniter 19 via connecting lines 21, so that the airbag 18 is triggered and inflated.

Abstract

Ein erfindungsgemässes Modul mit Winkelsensorik, Energieübertragung und Informationsübertragung besteht aus mindestens zwei Leiterplatten (1, 2). Die eine Leiterplatte (1) bildet bezüglich der Winkelsensorik den Stator und die andere Leiterplatte (2) bildet bezüglich der Winkelsensorik den Rotor. Der Stator enthält zusätzlich zur Primärspule für die Winkelsensorik eine Erregerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Der Rotor enthält zusätzlich zur Sekundärspule der Winkelsensorik eine Empfängerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Erregerspule und Empfängerspule sind derart auf der jeweiligen Leiterplatte kreisförmig angeordnet, dass sich für die Erregerspule und die Empfängerspule eine winkelunabhängige Kopplung ergibt. Die Erregerspule und die Empfängerspule werden sowohl für die Energieübertragung als auch für die Informationsübertragung genutzt. Die Energieübertragung erfolgt typischerweise mit einer Mittelfrequenz von z.B. 25 kHz. Zur Informationsübertragung wird dieser Mittelfrequenz eine Modulation überlagert. Es sind hierbei verschiedenene Modulationsverfahren möglich wie z.B. HF-Modulation (Hochfrequenz-Modulation), Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation.

Description

Modul mit Winkelsensorik, berührungsloser Energieübertragung und berührungsloser Informationsübertragung
Die Erfindung betrifft ein Modul, insbesondere ein Lenkradmodul, das drei Funktionsgruppen, nämlich eine Energieübertragung, eine Informationsübertragung und eine Winkelsenso- rik, in einem kompakten zweiteiligen Bauteil vereinigt.
Das Grundmuster induktiver Positions- oder Winkelsensoren nach dem Transformatorprinzip besteht aus mindestens zwei Leiterschleifen, deren eine als Sender oder Primärspule betrieben wird, während die andere Leiterschleife als Empfänger oder Sekundärspule dient. Wird die Sekundärspule an der Primärspule vorbeigeführt, so erhält man in dem durch Primärspule und Sekundärspule gebildeten Transformator mit variabler Kopplung eine von der Relativposition von Primärspule gegenüber der Sekundärspule abhängige Sekundärspannung. Spezielle Ausführungsformen derartiger Sensoren arbeiten mit kurzgeschlossenen Sekundärspulen. In diesen Sensoren wird die winkelabhängige Rückwirkung der kurzgeschlossenen Sekundär- spule auf die Primärspule gemessen. Der im Kurzschlußfall sehr kleine Widerstand der Sekundärwicklung macht sich im Primärkreis mit dem Übertragungsverhältnis für Widerstände modifiziert durch die variable Gegeninduktivität bemerkbar. Ein nach diesem Prinzip arbeitender Fahrpedalgeber für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ist von der Firma Hella KG Hueck & Co. bekannt und z.B. in der ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100, (1998), Heft 10 beschrieben.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, einen nach dem induktiven Prinzip arbeitenden Winkelsensor um die zusätzlichen Funktionen der Energieübertragung und der Informationsübertragung zu erweitern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung ein Lenkradmodul vorzuschla- gen, das die drei Funktionsgruppen Energieübertragung, Informationsübertragung und Winkelsensorik in einem kompakten, mehrteiligen kostengünstigen Bauteil vereinigt. Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Modul mit Winkelsensorik, Energieübertragung und Informationsübertragung besteht aus mindestens zwei Leiterplatten. Die eine Leiterplatte bildet bezüglich der Winkelsensorik den Stator und die andere Leiterplatte bildet bezüglich der Winkelsensorik den Rotor. Der Stator enthält zusätzlich zur Primärspule für die Winkelsensorik eine Erregerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Der Rotor enthält zusätz- lieh zur Sekundärspule der Winkelsensorik eine Empfängerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Erregerspule und Empfängerspule sind derart auf der jeweiligen Leiterplatte kreisförmig angeordnet, daß sich für die Erregerspule und die Empfängerspule eine winkelunabhängige Kopplung ergibt. Die Erregerspule und die Empfängerspule werden sowohl für die Energieübertragung als auch für die Infromationsübertragung genutzt. Die Energieübertragung erfolgt typischerweise mit einer Mittelfrequenz von z.B. 25 kHz. Zur Informationsübertragung wird dieser Mittelfrequenz eine Modulation überlagert. Es sind hierbei verschiedenene Modulationsverfahren möglich wie z.B HF-Modulation ( Hochfrequenz-Modulation), Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation.
Ein erfindungsgemäßes Modul, das die Winkelsensorik, die Energieübertragung und die Informationsübertragung in einem Modul integriert, ermöglicht in Verbindung mit der Nutzung moderner Aufbau- und Verbindungstechnik hauptsächlich die folgenden Vorteile:
• Die Bauteilgrϋße des Moduls kann bei den zu übertragenden Leistungen bis etwa 10 W klein gehalten werden, insbesondere kann auf Ferritkerne zur Fokussierung des magneti- sehen Flusses verzichtet werden.
• Das Modul ist ausbaufähig und das Informations-Übertragungssystem erlaubt eine große Anzahl von Zusatzfunktionen. • Das Modul arbeitet berührungslos und ist damit verschleißfrei. Insbesondere kommt das Modul ohne Schleifkontakte aus.
• Das Modul ist robust.
• Das Modul läßt sich auf Leiterplattenbasis fertigen und ist damit für die Serienfertigung geeignet, wodurch das Modul kostengünstig gefertigt werden kann.
Zweckmäßiger Weise wird das erfindungsgemäße Modul speziell auf die Erfordernisse der jeweils vorgesehenen Einbauorte abgestimmt. Bei der Ausgestaltung des Moduls als integriertes Lenkradmodul in einem Kraftfahrzeug, ermöglicht die Leiterplattentechnologie in besonders vorteilhafter Weise die Adaption des Moduls auf verschiedene Kraftfahrzeuge wie zum Beispiel Lastkraftwagen mit 24 V- Bordnetzen, Personenkraftwagen mit 42 V Bordnetzen oder Personenkraftwagen mit 12 V Bordnetzen. Es sind auch noch andere Kraftfahrzeuge mit weiteren unterschiedlichen Bordnetzen denkbar. Der statorseitige Teil des Lenkradmoduls wird fest im Fahrzeug eingebaut, z.B. durch Befestigung am Chasis des Kraftfahrzeuges oder durch Befestigung am Mantelrohr der Lenkspindel. Der rotorseitige Teil des Lenkradmoduls wird notwendigerweise in unmittelbarer Nachbarschaft zu Stator angebracht. Wenn der statorseitige Teil des Lenkradmoduls am Mantelrohr der Lenkspindel befestigt ist, wird deshalb der rotorseitige Teil des Lenkradmoduls an der Lenkspindel befestigt, so daß der rotorseitige Teil des Lenkradmoduls gegenüber dem statorseitigen Teil des Moduls drehbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls sind sowohl die Primärspulen und die Sekundärspulen der Winkelsensorik als auch die Erregerspulen und die Empfängerspulen der Energie- und Informationsübertragung als Leiterbahnen auf der Oberfläche der Leiterplatten ausgeführt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Primärspule, Sekundärspule, Erregerspule und Empfängerspule als gedruckte Schaltung ausgeführt. Für die Winkelsensorik , d.h. für die Primärspule und die Sekundärspule hat sich diese Technologie bereits bewährt. Zum Zwecke der Leistungs- und Informationsübertragung, also für die Erregerspule und die Empfängerspule hat sich in völlig überraschender Weise in Vorversuchen zur Erfindung gezeigt, daß mit Spulen in Leiterplattentechnologie oder mit Spulen auf der Basis von gedruckten Schaltungen Leistungen bis etwa 10 Watt ohne Probleme übertragen werden können. Dies ist um so überraschender, da entgegen herrschender Meinung für die Leistungsübertragung auf das Magnetfeld fokussierende Ferritkerne verzichtet werden kann. Für die Auslösung z. B. eines in ein Lenkrad eingebauten Airbags ist typischer Weise eine Leistung von ca. 1 bis 2 Watt erforderlich. Die mit gedruckten Schaltungen übertragbare Leistung reicht also aus, um mit dem integrierten Lenkradmodul einen Airbag im Kraftfahrzeug sicher zünden zu können. Die Energieversorgung von Lenkrad- Airbags ist eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Moduls.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Versorgungssysteme für die Winkelsensorik und die Energie- und Informationsübertragung bereits auf den Leiterplatten des erfindungsgemäßen Moduls integriert. In diesem Fall sind auf den Leiterplatten statorseitig insbesondere sogenannte DC/AC- Wandler, Stromwandler zur Umwandlung von Gleichstrom auf Wechselstrom, und rotorseitig AC/DC- Wandler integriert. Zur Informationsübertragung sind sowohl statorseitig als auch rotorseitig digitale Modulatoren/Demodulatoren integriert. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Modultaren/Demodulatoren zur Übertragung von mehreren Übertragungskanälen fähig. In einer bevorzugten Ausführungsform können z.B fünf Kanäle übertragen werden, in einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise 10 Kanäle übertragen werden und in einer anderen Ausführungsform können z.B. 30 Kanäle übertragen werden. Die Anzahl der Kanäle richtet sich hierbei nach der Anzahl der angeschlossenen Vorrichtungen, die unabhängig voneinander mit Informationen versorgt werden müssen, oder die unabhängig voneinander Informationen liefern. Eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Moduls ist hierbei neben der bereits erwähnten Energie- Versorgung von Lenkrad Airbags, die Übertragung von Steuerbefehlen von im Lenkrad integrierten Betätigungselementen zu den zugeordneten Vorrichtungen wie z.B Schaltern zum Regeln und Betätigen von Autoradios oder CD-Spielern ( Compact-Disc-Spielern).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge- stellt und näher erläutert. Es zeigen: Fig.l eine Aufsicht auf den statorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Erregerspule und Pri ärspule gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung
Fig. 2 eine Aufsicht auf den rotorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Empfängerspule und kurzgeschlossener Sekundärspule gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung
Fig. 3 einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls mit angeschlossenen Versorgungvorrichtungen zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung
Fig. 4 ein Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Moduls mit einer beispielhaften Anwendung als Lenkradmodul
Fig.5 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines KFZ-Lenkrads mit dem eingebautem erfindungsgemäßen Modul
Fig.l zeigt eine Aufsicht auf den statorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Erregerspule und Primärspule gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung. Das statorseitige Bauteil 1 des erfindungsgemäßen Moduls enthält auf einem Substrat 3 eine aus Leiterbahnen gebildete Erregerspule 4 und zwei ebenfalls aus Leiterbahnen gebildete Primärspulen 5. Die Erregerspule besteht typischerweise aus 3 bis 10 Windungen und wird über die Anschlußösen 6 an die in Fig. 3 gezeigten Versorgungungseinheiten zur Energie- Übertragung und zur Informationübertragung angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Erregerspule 4 aus 3 Windungen. Falls zur Übertragung größerer Leistungen eine größere Anzahl von Windungen wie z.B. 20 Windungen benötigt werden, können die Windungen sowohl auf der Vorderseite des Substrats als auch auf der Rückseite des Substrats angebracht sein. Z. B können 10 Windungen auf der Vorderseite des Substrats und 10 Win- düngen auf der Rückseite des Substrats angebracht sein. Die beiden Primärspulen 5 sind mit den Anschlußösen 7 von der Rückseite des Substrats an eine nicht gezeigte Auswerteeinheit zur Ermittlung der Winkelstellung angeschlossen. Die Kontaktierung der Primärspulen ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind lediglich zwei Primärspulen gezeigt, die halbkreisförmig jeweils einen Winkelbereich von 180 ° abdecken. Es sind jedoch auch andere aus dem Stand der Technik hinreichend bekannte Anordnungen und Ausführungsfomen für die Primärspulen möglich und vorgesehen. Insbesondere ist eine feinere Unterteilung in mehrere Winkelsegmente möglich. Die Primärspulen werden typischerweise in einem Spannungsbereich von 12 V bis 50 V mit einer Wechselspannung von typischerweise 10 kHz bis 80 kHz betrieben. Prinzipiell kann die Primärspule auch mit einer Wechselspannung von 1 MHz betrieben werden. Der Substratdurchmesser liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 60 bis 100 mm. Abweichungen nach unten oder oben sind jedoch auch möglich. Das Substrat hat in der Mitte eine kreisförmige Ausnehmung 8, an die eine strichpunktiert angedeutete Phase 9 angebracht ist. Die Ausnehmung 8 dient zur Montage des statorseitigen Bauteils an dem Mantelrohr der Lenkspindel, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den rotorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Empfängerspule und kurzgeschlossener Sekundärspule, gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung. Das rotorseitige Bauteil 2 enthält auf einem Substrat 3 eine aus Leiterbahnen gebildete Empfängerspule 10, die über die Anschlußösen 6 an in Fig. 3 gezeigten Versorgungseinrichtungen zur Energie- und Informationsübertragung angeschlossen wird. Eine ebenfalls aus Leiterbahnen gebildete, kurzgeschlossene Sekundärspule 11 bildet den rotorseitigen Anteil des Winkelsensors. In dem gezeigten Ausführungsbeipspiel ist der Einfachheit halber um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu verbessern, die Sekundärspule als Halbkreis ausgebildet, der ein Winkelsegment von 180° zu überdecken vermag. Es sind jedoch auch feinere Einteilungen von Winkelsegmenten, wie sie für induktive Winkelsensoren bekannt, sind möglich und vorgesehen. Eine Ausnehmung 8\ an die eine strichpunktiert dargestellte Phase 9V angebracht ist, dient zur Befestigung des rotorseitigen Bauteils an die Lenkspindel, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Typischerweise besteht die Erregerspule aus 3 bis 10 Windungen. Die Windungen können sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite des Substrats 3 angebracht sein. Falls für die Energieübertragung kein von 1 verschiedenes transformatorisches Übersetzungsverhältnis gewählt werden soll, wird die Windungszahl der Empfängerspule an die Windungszahl der Erregerspule angeglichen, bzw. haben Erregerspule und Empfängerspule die gleiche Windungszahl.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls mit angeschlossenen Versorgungvorrichtungen zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. An dem statorseitigen Bauteill sind an den in Fig. 1 gezeigten Anschlußösen 6 auf dem Substrat 3 ein DC/AC-Wandler 12 und ein digitaler Modulator/Demodulator 13 angeschlossen. Der DC/AC-Wandler wandelt in diesem Ausführungsbeispiel die 24 V Gleichspannung des KFZ- Bordnetzes in eine 25 kHz Wechselspannung zur Energieübertragung um. Der Modulator/Demodulator 13 überlagert der Trägerfrequenz für die Energieübertragung ein digitalisiertes Signal. Mit dem digitalisierten Signal werden Informationen zwischen dem statorseitigen Bauteill und dem rotorseitigen Bauteil 2 in beide Richtungen übertragen. Zur Modulati- on des Trägersignal können alle bekannten Modulationsverfahren eingesetzt werden, wie z.B. HF-Modulation, Amplitudenmodulation, Phasenmodulation. Auf dem rotorseitigen Bauteil 2 finden die statorseitigen Versorgungseinrichtungen 12, 13 ihre gegenüberliegenden Pendants 12\13\ Ein AC/DC-Wandler wandelt die von der Empfängerspule 10 aufgenommene übertragene Wechselspannung wieder in eine 24 V Gleichspannung um. Ein Demodula- tor/Modulator 13 decodiert das der Trägerfrequenz überlagerte Signal wieder in ein digitales Signal, das z.B. von der Auslöseelektronik eines angeschlossenen Aibagsystems weiterverarbeitet werden kann, wie beispielhaft in Fig.4 und Fig. 5 gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Moduls sind die Versorgungseinrichtungen 12, 12\13,13"auf den Leiterplattensubstraten 3, 3" angeordnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Ver- sorgungseinrichtungen getrennt von den Substraten 3, 3 'angeordnet. Die letztere Ausführungsform kommt mit Vorteil zum Einsatz, wenn für das erfindungsgemäße Module lediglich ein sehr beschränkter Bauraum zur Verfügung steht. o
Fig. 4 zeigt ein Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Moduls mit einer beispielhaften Anwendung als Lenkradmodul, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Das erfindungsgemäße Modul ist schematisch als Ellipse dargestellt und enthält die drei Funktionen
• Energieübertragung, symbolisch mit einem Pfeil mit der Bezeichnung Energie dargestellt • Informationsübertragung, symbolisch mit einem zweiseitigen Pfeil mit der Bezeichnung
Information dargestellt
• Lenkwinkelübertragung, symbolisch dargestellt mit einem Pfeil der Bezeichnung Lenkwinkel
Aus dem Bordnetz wird mit Hilfe der Energieübertragung die Airbagelektronik im Lenkradgehäuse aktiviert und mit Energie versorgt. Ebenfalls wird der Airbagzünder vorgespannt. Mit Hilfe der Informationsübertragung wird eine Datenübertragung zwischen einem Crash- Sensor und der Zündvorrichtung des Airbags hergestellt, so daß bei einem entsprechenden Auslösesignal des Crash-Sensors der Airbag gezündet wird. Als dritte Funktion wird die ak- tuelle Lenkradstellung ermittelt. Hierzu ist keine Informationsübertragung im zuvor erwähnten Sinne notwendig, da die Winkelsensorik den Lenkradeinschlag über die Rückkopplung der kurzgeschlossenen Sekundärspule auf die Primärspule ausschließlich primärseitig ermittelt. In sogenannten drive-by-wire oder steer-by-wire Systemen kann ein derart ermittelter Lenkradeinschlag in Steuerbefehle für die Aktoren zur Stellung der gelenkten Räder umge- setzt werden. Der Steuereinschlag der Lenkräder läßt sich dann mit dem erfindungsgemäßen Modul durch den Lenkeinschlag des Lenkrads steuern.
Fig.5 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines KFZ-Lenkrads mit dem eingebauten erfindungsgemäßen Modul. Das statorseitige Bauteil 1 ist an dem Mantelrohr 14 der Lenkspindel 15 befestigt, während das rotorseitige Bauteil 2 an der Lenkspindel 15 selbst befestigt ist. An der Lenkspindel ist ebenfalls das Lenkrad 16 befestigt. Die statorseitigen und rotorseitigen Bauteile 1,2 werden zum Schutz durch ein Lenkradgehäuse 17 abgedeckt. Im Lenkradgehäuse sind weiterhin in an sich bekannter Weise ein Airbag 18 sowie ein Airbagzünder 19 untergebracht. Mit elektrischen Verbindungsleitungen 20 ist das statorseitige Bau- teil 1 mit dem Bordnetz zum Zweck der Energieversorgung und mit nicht gezeigten Kommu- nikationseinnchtungen zur Signalübertragung verbunden. Insbesondere ist das statorseitige Bauteil direkt oder indirekt mit sogenannten Crash-Sensoren oder anderen Beschleunigungssensoren verbunden, die ein charakterisitisches Auslösesignal zur Zündung des Airbags liefern. Dieses Signal wird über einen bereits in Fig. 3 beschriebenen Übertragungskanal auf das rotorseitige Bauteil 2 übertragen und über Verbindungleitungen 21 an den Airbagzünder 19 weitergeleitet, so daß der Airbag 18 ausgelöst und aufgeblasen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Modul mit Winkelsensorik, berührungsloser Energieübertragung und berührungsloser Informationsübertragung
• mit einem statorseitigen Bauelement (1), bei dem auf einem Substrat (3) mindestens eine Primärspule (5) zur Ermittlung einer Winkelstellung angeordnet ist und mindestens eine Erregerspule (4) zur berührungslosen Energieübertragung und Informa- tionsübertragung angeordnet ist,
• und mit einem rotorseitigen Bauteil (2), bei dem auf einem Substrat (3") mindestens eine kurzgeschlossene Sekundärspule zur Ermittlung der Winkelstellung angeordnet ist und mindestens eine Emppfängerspule (10) zur berührungslosen Energieübertragung und Informationsübertragung angeordnet ist.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (4) und die Empfängerspule (10) als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder als gedruckte Schaltung ausgeführt sind.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Substraten (3,3") Versorgungseinrichtungen zur Energieübertragung /12,12") und Versorgungseinrichtungen zur Informationsübertragung (13,13") integriert sind.
4. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtungen (12,12") zur Energieübertragung und die Versorgungeinrichtungen (13,13") zur Informationsübertragung getrennt von den Substraten (3,3") angeordnet sind.
5. Modul nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtun- gen (12,12") zur Energieübertragung statorseitig DC/AC-Wandler und rotorseitig AC/DC- Wandler sind.
6. Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtungen (13,13") zur Informationsübertragung Modulatoren/Demodulatoren sind.
7. Modul nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtungen (13) zur Informationsübertragung über mehrere Kanäle zur Informationsübertragung verfügen.
8. Lenkradmodul für Kraftfahrzeuge mit einem Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statorseitige Bauteil (1) am Mantelrohr (14) der Lenkspindel (15) befestigt ist und der rotorseitige Bauteil (2) an der Lenkspindel (15) befestigt ist.
9. Lenkradmodul für Kraftfahrzeuge mit einem Modul nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der statorseitige Bauteil (1) am Mantelrohr (14) der Lenkspindel (15) befestigt ist und der rotorseitige Bauteil (2) an der Lenkspindel (15) befestigt ist.
10. Lenkradmodul für Kraftfahrzeuge mit einem Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der statorseitige Bauteil (1) am Mantelrohr (14) der Lenkspindel (15) befestigt ist und der rotorseitige Bauteil (2) an der Lenkspindel (15) befestigt ist.
11. Lenkradmodul für Kraftfahrzeuge mit einem Modul nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß der statorseitige Bauteil (1) am Mantelrohr (14) der Lenkspindel (15) befestigt ist und der rotorseitige Bauteil (2) an der Lenkspindel (15) befestigt ist.
12. Lenkradmodul für Kraftfahrzeuge mit einem Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der statorseitige Bauteil (1) am Mantelrohr (14) der Lenkspindel (15) befe- stigt ist und der rotorseitige Bauteil (2) an der Lenkspindel (15) befestigt ist.
13. Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem Airbag (18) und einem Airbagzünder (19), die im Lenkradgehäuse (17) angeordnet sind und mit einem Lenkradmodul nach Anspruch 8 oder 9, wobei das statorseitige Bauteil (1) über Verbindungsleitungen (20) mit einem Bordnetz und ei- nem Crash-Sensor verbunden ist und das rotorseitige Bauteil (2) über Verbindungsleitungen (21) mit dem Airbagzünder (19) verbunden ist.
14. Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem Airbag (18) und einem Airbagzünder (19), die im Lenkradgehäuse (17) angeordnet sind und mit einem Lenkradmodul nach Anspruch
12, wobei, mindestens ein Übertragungskanal zwischen im Lenkrad integrierten Betätigungselementen, insbesondere Schalter, und diesen zugeordneten Vorrichtungen, insbesondere Autoradio oder CD-Spieler, geschaltet ist.
15. Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem Airbag (18) und einem Airbagzünder (19), die im Lenkradgehäuse (17) angeordnet sind und mit einem Lenkradmodul nach Anspruch 12, wobei, ein Übertragungskanal zwischen Crash-Sesnor und Airbagzünder (19) geschaltet ist, und mindestens ein Übertragungskanal zwischen im Lenkrad integrierten Betätigungselementen, insbesondere Schalter, und diesen zugeordneten Vorrichtungen, insbesondere Autoradio oder CD-Spieler, geschaltet ist.
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