WO1998021070A1 - Vorrichtung zur ermittlung der winkelstellung des lenkrades in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur ermittlung der winkelstellung des lenkrades in einem kraftfahrzeug Download PDF

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WO1998021070A1
WO1998021070A1 PCT/DE1997/002675 DE9702675W WO9821070A1 WO 1998021070 A1 WO1998021070 A1 WO 1998021070A1 DE 9702675 W DE9702675 W DE 9702675W WO 9821070 A1 WO9821070 A1 WO 9821070A1
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steering angle
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Helmut Bonn
Gerhard HÖSSBACHER
Ulrich Zawidzki
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Petri Ag
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    • 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
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the angular position of the steering wheel in a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • Inductive and optical steering angle sensors are known for determining the angular position of the steering wheel.
  • the measured values determined with the aid of these are fed to a downstream electronic circuit for determining the steering angle.
  • the known steering angle sensors are attached as a separate part below the steering column switch in the motor vehicle. The disadvantage of this arrangement is that additional installation space is required for the steering angle sensor and additional costs are incurred.
  • the invention has for its object to enable the determination of the steering angle without additional space and with lower costs.
  • the steering angle sensor is, according to the invention, in a contact unit for transmitting energy and data from stationary assemblies Integrate motor vehicle to the steering wheel and in the opposite direction.
  • the steering angle sensor is arranged in a non-contact contact unit having a stator and rotor as part of the stator and rotor.
  • This integration of the steering angle sensor into the contact unit which is present anyway, achieves both the desired reduction in installation space and a reduction in costs.
  • the steering angle sensor and the different types of contact units are combined into one system and can thus be supplied to the automotive industry as a single unit.
  • an optical steering angle sensor which has a bar code on the rotor or stator representing the angular position of the steering wheel, to which a module on the stator or rotor is assigned for detecting and transmitting the angular position determined by means of the bar code.
  • the bar code can be molded onto the rotor or stator using the 2-component technology.
  • a pulsed light source is expediently assigned to the bar code, so that the unilluminated bar code is illuminated in a pulsed manner during operation, thereby saving energy.
  • the optical steering angle sensor is arranged in an optical contact unit, the bar code is also illuminated by LEDs provided for the energy transmission, so that additional lighting is not required.
  • At least one transmitter and receiver is provided as an assembly for recording and transmission, which are arranged in a ring at a radial distance from one another on the stator, and between which an intermediate wall is provided, on which the bar code is attached.
  • Transmitter, receiver and partition are preferably arranged concentrically to one another or face each other in the axial direction.
  • the transmitter and receiver preferably work in the infrared wavelength range.
  • the signals are transmitted from the infrared transmitter via the code track to the infrared receiver.
  • the steering angle is measured incrementally in a known manner, i.e. a microcontroller counts the impulses of the reflex light barriers and forms the steering angle from them. This creates a dependency on the permissible rotational speed and the microcontroller contact.
  • a CCD element with a magnifying glass is provided as the assembly for acquisition and transmission.
  • the resulting focusing allows larger axial and radial tolerances to be compensated for.
  • the bar code therefore contains the information about the angular position of the steering wheel. This information is detected by means of the diodes or the CCD element and transmitted to the downstream electronics known per se. The angular position is calculated there from the coded measured value.
  • the bar code is attached to an annular carrier, to which the CCD elements are assigned in the radial direction.
  • the bar code is also possible to provide the bar code on a data ring for the multi-functions in the steering wheel, to which the CCD elements are assigned.
  • the bar code is attached to the steering wheel and the CCD elements are attached axially to the stator.
  • a telemetric steering angle sensor which on the stator or rotor has an annular transmitting antenna, which is assigned an annular receiving antenna on the rotor or stator, the axes of the rings running in different directions.
  • the transmitting antenna is attached to the stator and its axis extends in the direction of the steering column axis
  • the receiving antenna is attached to the rotor and its axis extends at an angle to the steering column axis.
  • the ring-shaped transmitting and receiving antennas are at different distances over their circumference.
  • the receiving antenna attached to the rotor executes a wobbling movement with respect to the transmitting antenna. Rotating the rotor creates a rising magnetic field from a zero point, which is converted into degrees by the connected electronics.
  • an inductive steering angle sensor which has on the stator or rotor a resistance track connected to an AC voltage source and a collector track running in the same direction, to which a probe on the rotor or stator is assigned for transmitting the data from the resistance track to the collector track is.
  • a probe is provided for the capacitive decrease of the displacement current.
  • the displacement current is transmitted to the collector path and from there to the evaluation electronics.
  • the resistance path and the collector path are arranged on the inside of the ring-shaped stator and the probe is provided on the outside of the rotor which is concentric to the stator.
  • the probe is mounted directly on the steering wheel hub or on an artificial plastic attached to the steering wheel. ring attached and the resistance and collector tracks are attached axially opposite to the stator.
  • a further embodiment of the steering angle sensor is characterized in that a metal ring is arranged in the rotor part of the contact unit, to which a Hall sensor in the stator part of the contact unit is assigned, the metal ring having a continuously increasing width and being designed as a magnetic ring.
  • the changing width of the metal ring is preferably achieved by an obliquely running lower edge.
  • Inductive or telemetric or optical contact units are preferably provided as contact units in which the steering angle sensor is arranged, the steering angle sensors being provided in particular in the same type of contact units. But it is also possible e.g. provide optical steering angle sensors in inductive or telemetric contact units or inductive or telemetric steering angle sensors in the other contact units mentioned.
  • a moisture removal means or metal ring can be provided on the optical transmission path. These can be provided directly on the optical transmission path or in a labyrinth that surrounds the optical transmission path.
  • Fig. La shows a section of the steering wheel assembly with a second embodiment of the steering angle sensor
  • Fig. Lb shows a section of the steering wheel assembly with a third embodiment of the steering angle sensor
  • FIG. 2 shows a steering wheel arrangement with a telemetric contact unit and a separate telemetric steering angle sensor integrated therein;
  • FIG. 3 shows a steering wheel arrangement with a telemetric contact unit with an integrated steering angle sensor
  • FIG. 4 shows a steering wheel arrangement with an inductive contact unit and an integrated steering angle sensor
  • FIG. 4a shows a section through a second embodiment of the steering angle sensor according to FIG. 4;
  • FIG. 4b shows a section through a third embodiment of the steering angle sensor according to FIG. 4;
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the steering angle sensor with radial signal transmission
  • FIG. 6 shows the signal obtained with the steering angle sensor according to FIG. 5 after one revolution of the steering wheel.
  • FIG. 1 shows a multifunction steering wheel 1 and a stationary steering column cover 2, which have assemblies. between which energy and data are to be transferred.
  • LED light emitter diodes
  • the stator 3 is fastened to the steering column cover 2 by means of fastening hooks 3a.
  • the stator 3 is assigned a rotor 5, on which photocells 6 are arranged in a ring as a receiver.
  • the LED 4 of the stator 3 and the photocells 6 of the rotor 5 form a transmission path in a first circuit in which energy and data are transmitted from stationary assemblies of the motor vehicle to the steering wheel.
  • the rotor 5 is fastened to the steering wheel by means of fastening hooks 5a.
  • the stator 3 and rotor 5 are circular and have an outer edge 7 and 8, respectively.
  • a light-emitting diode 9 is provided on the rotor 5 as a transmitter, which is embedded in a crystal-clear plastic ring 10, which is also attached to the rotor 5.
  • a photocell 11 is assigned to the light emitting diode 9 on the stator 3 as a receiver. The light-emitting diode 9 with the plastic ring 10 and the photocell 11 form the transmission links in a second circuit in which data is transmitted from the steering wheel to stationary assemblies.
  • the assemblies described above represent the contact unit, by means of which contactlessly energy and data are transmitted from stationary assemblies to the steering wheel and data from the steering wheel to the stationary assemblies.
  • the steering angle sensor is provided in the contact unit.
  • FIG. 1 in a first embodiment there is an intermediate wall 12 which runs parallel to the outer edge 7 and which is provided with a bar code.
  • This code contains the information about the different angular positions of the steering wheel. This information is recorded by means of a CCD element 13, which is equipped with a magnifying glass and is attached to the stator 3.
  • the lighting The LED 4 available for the energy transfer to the steering wheel provides the bar code.
  • the steering angle is then determined by means of a known electronic circuit with a computer.
  • the bar code can also be applied to the plastic ring 10, the CCD element then being arranged in the position shown in broken lines.
  • Reflection light barriers are provided in the second embodiment according to FIG.
  • an intermediate wall 14 running parallel to the edge 7, which is also provided with a bar code and is transparent to the radiation used, preferably infrared radiation.
  • This bar code is associated with a transmitter 15 and a receiver 16, which are attached to the stator 3 and are located on opposite sides of the intermediate wall 14, i.e. the bar code lies between the transmitter and receiver diodes.
  • the infrared transmitter diode transmits the signals via the coding to the infrared receiver diode. This is connected to a known electronic circuit with a computer in which the angular position of the steering wheel is determined.
  • a multifunction steering wheel 1 and a stationary steering column cover 2 are shown, between which energy and data are generated by means of a Contact unit are transmitted in the form of a near field telemetry system.
  • This has a transmitter module 21 and a receiver module 22.
  • the transmission module is connected to control electronics 23, which are fastened in the steering column cover 2.
  • the transmitter module 21 consists of an open annular brass stamped part which has on its open side connecting tabs 24, 25 which are bent by 90 ° with respect to the annular surface and are connected to plug contacts 26, 27.
  • the transmission module 21 is connected to the control electronics 23 by means of these plug contacts.
  • the receiver module 22 which also consists of an open, ring-shaped brass stamped part, carries on its open side an evaluation electronics 28, which is provided with a socket 29 for connection to a plug, not shown, in the steering wheel 1.
  • These modules in the contact unit transmit data and energy for the airbag and other functional modules.
  • the steering angle sensor is additionally arranged in this contact unit.
  • This has a transmitter module 30 and a receiver module 31.
  • the transmitter module 30 and the receiver module 31 are inclined towards one another.
  • the axis AI of the transmitter module 30 extends in this embodiment in the direction of the axis of the steering column, while the axis A2 of the receiver module 31 deviates from the direction of the axis of the steering column.
  • the receiver module 31 therefore executes a wobbling movement and, starting from the zero point, an increasing magnetic field arises which characterizes the angle of rotation of the steering wheel.
  • the transmission module 30 as part of the stator of the contact unit transmits the data to the receiver module 31 of the rotor of the contact unit in a contactless manner. That varies depending on the steering angle Magnetic field is converted into angular degrees using a known electronics with a computer.
  • FIG. 3 shows a variant of the embodiment in FIG. 2.
  • only one transmitter module 34 and one receiver module 35 are provided, which are provided both for general energy and data transmission and also serve as a steering angle sensor.
  • a coil system is provided for the transmission of energy and data from stationary assemblies of the vehicle to the steering wheel and of data from the latter to the stationary assemblies.
  • a first circuit with a first coil 32 is arranged in a stationary manner in the steering column covering 2 and this coil 32 is assigned a second coil 33 on the steering wheel 1. These coils form the contact unit that works without contact.
  • the steering angle sensor is integrated in this contact unit. It has a stationary assembly 34, which is also attached to the steering column cover 2. This stationary assembly is associated with an assembly 35 which is attached to the steering wheel 1.
  • the stationary assembly 34 has an annular resistance track 36 and concentrically to it an annular collector track 37, which has a smaller diameter than the resistance track.
  • the assembly 35 attached to the steering wheel consists of a plastic ring 38 to which a probe 39 is attached.
  • the resistance track 36 is supplied with an AC voltage.
  • the position of the probe is changed when the steering wheel rotates relative to the resistance and collector path and with the aid of the probe a displacement current is capacitively taken, the size of which depends on the respective position of the probe in the displacement direction.
  • the displacement current is transferred by the probe to the collector track 37 and then evaluated.
  • the one The cumulative charge displacements defined in the defined period are a measure of the position of the probe.
  • the structure of the steering angle sensor shown in FIG. 4a differs from its structure in FIG. 4 in that the steering wheel hub 18 is designed such that the probe 39 is attached directly to the steering wheel hub 18. This saves the additional plastic ring 38.
  • an annular rotor 40 made of plastic is attached to the part of the contact unit provided on the steering wheel 1 by means of hooks 41.
  • a probe 42 is provided on the outside of the rotor 40.
  • An annular stator 43 made of plastic is provided on the stationary part of the contact unit and concentrically surrounds the rotor 40.
  • a resistance track 44 and a collector 45 are provided on the inside of the stator 43.
  • the stator 43 is fastened to the contact unit by means of hooks 46.
  • the mode of operation corresponds to that of the previous embodiments.
  • the additional advantage of this embodiment is that the steering angle sensor can be easily replaced in the event of a system failure.
  • a steering angle sensor for radial signal transmission is shown.
  • a metal ring 47 is arranged in the rotor part of the contact unit, to which a Hall sensor 48 in the stator part of the contact unit is assigned.
  • the metal ring has a continuously increasing width, which is achieved in the present exemplary embodiment by an obliquely running lower edge 49.
  • the metal ring is designed as a magnetic ring forms, so that the Hall sensor 48 is penetrated by a continuously changing magnetic field upon rotation of the metal ring.
  • the Hall voltage generated in the Hall sensor therefore also changes depending on the angle of rotation.
  • 6 shows the course of the Hall voltage for a full revolution of the steering wheel.
  • the Hall voltage is picked up at the connections 50, 51 by the Hall sensor and processed in a manner known per se to represent the steering angle.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung eines Lenkwinkelsensors und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung. Erfindungsgemäß ist der Lenkwinkelsensor in einer Kontakteinheit zur Übertragung von Energie und Daten von stationären Baugruppen des Kraftfahrzeuges zum Lenkrad und in umgekehrter Richtung integriert. Vorzugsweise ist der Lenkwinkelsensor in einer einen Stator (3) und Rotor (5) aufweisenden berührungslos arbeitenden Kontakteinheit als Bestandteil des Stators und Rotors angeordnet. Dadurch wird für den Lenkwinkelsensor kein zusätzlicher Bauraum benötigt und Kosten werden eingespart.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades in einem Kraftfahrzeug
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades sind induktive und optische Lenkwinkelsensoren bekannt. Die mit deren Hilfe ermittelten Meßwerte werden einer nachgeordneten elektronischen Schaltung zur Ermittlung des Lenkwinkels zugeführt. Die bekannten Lenkwinkelsensoren sind als separates Teil unterhalb des Lenkstockschalters im Kraftfahrzeug befestigt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß für den Lenkwinkelsensor zusätzlich Bauraum benötigt wird und zusätzliche Kosten verursacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung des Lenkwinkels ohne zusätzlichen Bauraum und mit geringeren Kosten zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Bei einer Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung eines Lenkwinkelsensors und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung ist erfindungsgemäß der Lenkwinkelsensor in einer Kontakteinheit zur Übertragung von Energie und Daten von stationären Baugruppen des Kraftfahrzeuges zum Lenkrad und in umgekehrter Richtung integrier .
Insbesondere ist der Lenkwinkelsensor in einer einen Stator und Rotor aufweisenden berührungslos arbeitenden Kontakteinheit als Bestandteil des Stators und Rotors angeordnet . Durch diese Integration des Lenkwinkelsensors in die ohnehin vorhandene Kontakteinheit wird sowohl die angestrebte Bauraumverkleinerung als auch eine Kostenreduzierung erreicht. Der Lenkwinkelsensor und die unterschiedlichen Arten von Kontakteinheiten sind zu einem System zusammengefaßt und können somit als Baueinheit an die Autoindustrie geliefert werden.
In einer ersten Ausführungsform ist ein optischer Lenkwinkelsensor vorgesehen, der am Rotor oder Stator einen die Winkelstellung des Lenkrades darstellenden Strichcode aufweist, dem am Stator oder Rotor eine Baugruppe zur Erfassung und Übertragung der mittels des Strichcodes ermittelten Winkelstellung zugeordnet ist. Der Strichcode kann mittels der 2 Komponenten-Technik am Rotor oder Stator angespritzt sein. Dem Strichcode ist zweckmäßig eine gepulste Lichtquelle zugeordnet, so daß der unbeleuchtete Strichcode im Betrieb gepulst angeleuchtet wird, wodurch Energie eingespart wird. Bei Anordnung des optischen Lenkwinkelsensors in einer optischen Kontakteinheit wird der Strichcode durch für die Energieübertragung vorgesehene LEDs mitbeleuchtet, so daß eine zusätzliche Beleuchtung nicht erforderlich ist.
Als Baugruppe zur Erfassung und Übertragung ist mindestens ein Sender und Empfänger vorgesehen, die im radialen Abstand zueinander ringförmig am Stator angeordnet sind, und zwischen denen eine Zwischenwand vorgesehen ist, auf der der Strichcode angebracht ist. Sender, Empfänger und Zwischenwand sind vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet oder liegen sich in axialer Richtung gegenüber. Sender und Empfänger arbeiten vorzugsweise im infraroten Wellenlängenbereich. Die Signale werden vom Infrarotsender über die Codespur zum Infrarotempfänger übertragen.
Der Lenkwinkel wird in bekannter Weise inkrementell gemessen , d.h. ein Mikrokontroller zählt die Impulse der Reflexlichtschranken und bildet daraus den Lenkwinkel . Damit entsteht eine Abhängigkeit zur zulässigen Drehgeschwindigkeit und dem Mikrokontrollerkontakt .
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß als Baugruppe zur Erfassung und Übertragung ein CCD-Element mit Lupe vorgesehen ist . Durch die dadurch erreichte Fokussierung können größere axiale und radiale Toleranzen ausgeglichen werden.
Bei diesem optischen Lenkwinkelsensor enthält also der Strichcode die Information über die Winkelstellung des Lenkrades. Mittels der Dioden oder des CCD-Elementes wird diese Information erfaßt und an die nachgeordnete an sich bekannte Elektronik übertragen. Dort wird aus dem codierten Meßwert die Winkelstellung errechnet.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Strichcode auf einem ringförmigen Träger angebracht ist, dem in radialer Richtung die CCD-Elemente zugeordnet sind. Es ist aber auch möglich, den Strichcode auf einem Datenring für die Multifunktionen im Lenkrad vorzusehen, dem die CCD-Elemente zugeordnet sind.
Neben der radialen Zuordnung des Strichcodes und der CCD- Elemente ist auch eine axiale Zuordnung möglich. So ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, daß der Strichcode am Lenkrad und die CCD-Elemente axial am Stator angebracht sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein telemetrischer Lenkwinkelsensor vorgesehen, der am Stator oder Rotor eine ringförmige Sendeantenne aufweist, der am Rotor oder Stator eine ringförmige Empfangsantenne zugeordnet ist, wobei die Achsen der Ringe in unterschiedliche Richtungen verlaufen. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Sendeantenne am Stator befestigt ist und ihre Achse in Richtung der Lenksäulenachse verläuft, und daß die Empfangsantenne am Rotor befestigt ist und ihre Achse unter einem Winkel zur Lenksäulenachse verläuft .
Bei dieser Ausführungsform weisen also die ringförmige Sende- und Empfangsantenne über ihren Umfang einen unterschiedlichen Abstand auf. Insbesondere bei der letztgenannten Ausgestaltung führt die am Rotor befestigte Empfansan- tenne gegenüber der Sendeantenne eine Taumelbewegung aus. Durch Drehung des Rotors entsteht von einem Nullpunkt aus ein ansteigendes magnetisches Feld, das durch die angeschlossene Elektronik in Winkelgrade umgerechnet wird.
In einer dritten Ausführungsform ist ein induktiver Lenkwinkelsensor vorgesehen, der am Stator bzw. Rotor eine an eine Wechselspannungsquelle angeschlossene Widerstandsbahn sowie eine in die gleiche Richtung verlaufende Kollektorbahn aufweist, denen eine Sonde am Rotor bzw. Stator zur Übertragung der Daten von der Widerstandsbahn zur Kollektorbahn zugeordnet ist. Als Sonde ist eine solche zur kapazitiven Abnahme des Verschiebestromes vorgesehen. Der Verschiebestrom wird bei dieser Ausführungsform auf die Kollektorbahn übertragen und von dort der Auswerteelektronik zugeführt .
In einer ersten Ausgestaltung sind die Widerstands- und die Kollektorbahn innen auf dem ringförmigen Stator angeordnet und die Sonde ist außen auf dem konzentrisch zum Stator liegenden Rotor vorgesehen.
In einer zweiten Ausgestaltung ist die Sonde direkt an der Lenkradnabe oder an einem am Lenkrad befestigten Kunst- stoffring angebracht und die Widerstands- und die Kollektorbahn sind axial gegenüberliegend am Stator befestigt.
Eine weitere Ausführungsform des Lenkwinkelsensors ist dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorteil der Kontakteinheit ein Metallring angeordnet ist, dem ein Hallsensor im Statorteil der Kontakteinheit zugeordnet ist, wobei der Metallring eine kontinuierlich ansteigende Breite aufweist und als Magnetring ausgebildet ist . Bei Drehung des Lenkrades und damit des Metallringes wird in Abhängigkeit vom Drehwinkel eine unterschiedlich große Hallspannung erzeugt, die als Maß für den Drehwinkel benutzt wird.
Die sich verändernde Breite des Metallringes wird vorzugsweise durch eine schräg verlaufende Unterkante erreicht .
Als Kontakteinheiten, in denen der Lenkwinkelsensor angeordnet ist, sind vorzugsweise induktive oder telemetrische oder optische Kontakteinheiten vorgesehen, wobei die Lenkwinkelsensoren insbesondere in den gleichartigen Kontakteinheiten vorgesehen sind. Es ist aber durchaus auch möglich z.B. optische Lenkwinkelsensoren in induktiven oder teleme- trischen Kontakteinheiten bzw. induktive oder telemetrische Lenkwinkelsensoren in den anderen genannten Kontakteinheiten vorzusehen.
Um bei einem optischen Lenkwinkelsensor oder bei einer Anordnung des Lenkwinkelsensors in einer elektrischen Kontakteinheit das Beschlagen der optischen Bauteile mit Sicherheit zu verhindern, kann an der optischen Übertragungsstrecke ein Feuchteentzugsmittel oder Metallring vorgesehen sein. Diese können unmittelbar an der optischen Übertragungsstrecke oder in einem Labyrinth vorgesehen sein, das die optische Übertragungsstrecke umgibt. Die Erfindung soll in Ausfuhrungsbespielen anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Lenkradanordnung mit optischem Lenkwinkelsensor;
Fig. la einen Ausschnitt der Lenkradanordnung mit einer zweiten Ausführungsform des Lenkwinkelsensors;
Fig. lb einen Ausschnitt der Lenkradanordnung mit einer dritten Ausführungsform des Lenkwinkelsensors;
Fig. 2 eine Lenkradanordnung mit einer telemetrischen Kontakteinheit und darin integriertem gesonderten telemetrischen Lenkwinkelsensor;
Fig. 3 eine Lenkradanordnung mit einer telemetrischen Kontakteinheit mit integriertem Lenkwinkelsensor;
Fig. 4 eine Lenkradanordnung mit induktiver Kontakteinheit und integriertem Lenkwinkelsensor;
Fig. 4a einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Lenkwinkelsensors nach Fig. 4 ;
Fig. 4b einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des Lenkwinkelsensors nach Fig. 4;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Lenkwinkelsensors mit radialer Signalübertragung;
Fig. 6 das mit dem Lenkwinkelsensor nach Fig. 5 erzielte Signal nach einer Umdrehung des Lenkrades.
Die Fig. 1 zeigt ein Multifunktionslenkrad 1 und eine stationäre Lenksäulenverkleidung 2, die Baugruppen aufwei- sen, zwischen denen Energie und Daten übertragen werden sollen. Zu diesem Zweck sind an einem Stator 3 einer Kontakteinheit Lichtemitterdioden (LED) 4 als Sender ringförmig angeordnet. Der Stator 3 ist an der Lenksäulenverkleidung 2 mittels Befestigungshaken 3a befestigt.
Dem Stator 3 ist ein Rotor 5 zugeordnet, an dem Fotozellen 6 als Empfänger ringförmig angeordnet sind. Dabei bilden die LED 4 des Stators 3 und die Fotozellen 6 des Rotors 5 eine Übertragungsstrecke in einem ersten Stromkreis, in dem Energie und Daten von stationären Baugruppen des KFZ zum Lenkrad übertragen werden. Der Rotor 5 ist mittels Befestigungshaken 5a am Lenkrad befestigt. Der Stator 3 und Rotor 5 sind kreisförmig und weisen einen Außenrand 7 bzw. 8 auf.
Weiterhin ist am Rotor 5 eine Leuchtdiode 9 als Sender vorgesehen, die in einem glasklaren Kunststoffring 10 eingebettet ist, der ebenfalls am Rotor 5 befestigt ist. Der Leuchtdiode 9 ist am Stator 3 eine Fotozelle 11 als Empfänger zugeordnet. Die Leuchtdiode 9 mit dem Kunststoff- ring 10 und die Fotozelle 11 bilden die Übertragungsstecke in einem zweiten Stromkreis, in dem Daten vom Lenkrad zu stationären Baugruppen übertragen werden.
Die vorher beschriebenen Baugruppen stellen die Kontakteinheit dar, mittels derer berührungslos Energie und Daten von stationären Baugruppen auf das Lenkrad und Daten vom Lenkrad auf die stationären Baugruppen übertragen werden. Zusätzlich ist in der Kontakteinheit der Lenkwinkelsensor vorgesehen. In der Fig. 1 ist in einer ersten Ausführungsform eine parallel zum Außenrand 7 verlaufende Zwischenwand 12 vorhanden, die mit einem Strichcode versehen ist. Dieser Code enthält die Information über die unterschiedlichen Winkelstellungen des Lenkrades. Diese Information wird mittels eines CCD-Elementes 13, das mit einer Lupe ausgestattet ist und am Stator 3 befestigt ist, erfaßt. Die Beleuch- tung für den Strichcode liefern die für die Energieübertragung zum Lenkrad vorhandenen LED 4. Mittels einer an sich bekannten elektronischen Schaltung mit Rechner wird anschließend der Lenkwinkel bestimmt.
Bei dieser Ausführungsform kann der Strichcode auch auf dem Kunststoffring 10 aufgebracht sein, wobei das CCD-Element dann in der gestrichelt gezeichneten Position angeordnet is .
In der zweiten Ausführungsform nach Fig. la sind Reflexionslichtschranken vorgesehen. Es ist eine parallel zum Rand 7 verlaufende Zwischenwand 14 vorhanden, die ebenfalls mit einem Strichcode versehen ist und für die verwendete Strahlung, vorzugsweise Infrarotstrahlung, durchlässig ist. Diesem Strichcode sind ein Sender 15 und ein Empfänger 16 zugeordnet, die auf dem Stator 3 befestigt sind und an entgegengesetzten Seiten der Zwischenwand 14 liegen, d.h., der Strichcode liegt zwischen der Sende- und der Empfangsdiode. Die Infrarot-Sendediode überträgt die Signale über die Codierung zur Infrarot-Empfangsdiode. Diese ist an eine an sich bekannte elektronische Schaltung mit Rechner angeschlossen, in der die Winkelstellung des Lenkrades ermittelt wird.
Während in den bisherigen Ausführungsformen der Strichcode einerseits und die CCD-Elemente bzw. Sender und Empfänger andererseits radial gegenüberliegen, ist bei der dritten Ausführungsform nach Fig. lb eine axiale Anordnung vorgesehen. So ist ein ringförmiger Strichcode 17 auf der Unterseite der Lenkradnabe 18 aufgebracht. Auf einem Stator 19 ist axial dem Strichcode gegenüberliegend ein CCD-Element 20 angeordnet .
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein Multifunktions- lenkrad 1 und eine stationäre Lenksäulenverkleidung 2 dargestellt, zwischen denen Energie und Daten mittels einer Kontakteinheit in Form eines Nahfeldtelemetrie-Systems übertragen werden. Dieses weist ein Sende-Modul 21 und ein Empfänger-Modul 22 auf. Das Sende-Modul ist mit einer Steuer-Elektronik 23 verbunden, die in der Lenksäulenverkleidung 2 befestigt ist. Das Sende-Modul 21 besteht aus einem offenen ringförmigen Messing-Stanzteil, das an seiner offenen Seite Verbindungslaschen 24, 25 aufweist, die gegenüber der Ringfläche um 90° abgebogen sind und mit Steckkontakten 26, 27 verbunden sind. Mittels dieser Steckkontakte ist das Sende-Modul 21 mit der Steuer-Elektronik 23 verbunden.
Das Empfängermodul 22, das ebenfalls aus einem offenen ringförmigen Messing-Stanzteil besteht, trägt an seiner offenen Seite eine Auswerte-Elektronik 28, die mit einer Buchse 29 für die Verbindung mit einem nicht dargestellten Stecker im Lenkrad 1 versehen ist. Mittels dieser Module in der Kontakteinheit werden Daten und Energie für den Airbag und andere Funktionsbaugruppen übertragen.
In dieser Kontakteinheit ist zusätzlich der Lenkwinkelsensor angeordnet. Dieser weist ein Sende-Modul 30 und ein Empfänger-Modul 31 auf. Abweichend zum Sende-Modul 21 und zum Empfänger-Modul 22, die über den gesamten Umfang in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind, sind das Sende-Modul 30 und das Empfänger-Modul 31 gegeneinander geneigt. Dabei verläuft die Achse AI des Sende-Moduls 30 in dieser Ausführungsform in Richtung der Achse der Lenksäule, während die Achse A2 des Empfänger-Moduls 31 von der Richtung der Achse der Lenksäule abweicht . Bei Drehung des Lenkrades führt das Empfänger-Modul 31 deshalb eine taumelnde Bewegung aus und es entsteht vom Nullpunkt ausgehend ein ansteigendes magnetisches Feld, das den Drehwinkel des Lenkrades charakterisiert. Das Sende-Modul 30 als Bestandteil des Stators der Kontakteinheit überträgt berührungslos die Daten zum Empfänger-Modul 31 des Rotors der Kontakteinheit. Das in Abhängigkeit vom Lenkwinkel unterschiedliche Magnetfeld wird mittels einer an sich bekannten Elektronik mit Rechner in Winkelgrade umgerechnet .
In der Fig. 3 ist eine Variante der Ausführungsform der Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Variante sind lediglich ein Sende-Modul 34 und eine Empfänger-Modul 35 vorgesehen, die sowohl für die allgemeine Energie- und Datenübertragung vorgesehen sind als auch als Lenkwinkelsensor dienen.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist ein Spulensystem zur Übertragung von Energie und Daten von stationären Baugruppen des Fahrzeugs zum Lenkrad und von Daten von diesem zu den stationären Baugruppen vorgesehen. Hierfür ist ein erster Stromkreis mit einer ersten Spule 32 in der Lenksäulenverkleidung 2 stationär angeordnet und dieser Spule 32 ist eine zweite Spule 33 am Lenkrad 1 zugeordnet. Diese Spulen bilden die berührungsfrei arbeitende Kontakt- einheit .
In dieser Kontakteinheit ist der Lenkwinkelsensor integriert. Er weist eine stationäre Baugruppe 34 auf, die ebenfalls an der Lenksäulenverkleidung 2 befestigt ist. Dieser stationären Baugruppe ist eine Baugruppe 35 zugeordnet, die am Lenkrad 1 befestigt ist. Die stationäre Baugruppe 34 weist eine ringförmige Widerstandsbahn 36 und konzentrisch dazu eine ringförmige Kollektorbahn 37 auf, die einen kleineren Durchmesser als die Widerstandsbahn aufweist. Die am Lenkrad befestigte Baugruppe 35 besteht aus einem Kunststoffring 38, an dem eine Sonde 39 befestigt ist. Die Widerstandsbahn 36 wird mit einer Wechselspannung gespeist. Die Position der Sonde wird bei Drehung des Lenkrades gegenüber der Widerstands- und Kollektorbahn verändert und mit Hilfe der Sonde wird kapazitiv ein Verschiebestrom abgenommen, dessen Größe von der jeweiligen Position der Sonde in Verschieberichtung abhängig ist. Der Verschiebestrom wird durch die Sonde auf die Kollektorbahn 37 übertragen und anschließend ausgewertet. Die in einem definierten Zeitraum aufsummierten Ladungsverschiebungen sind ein Maß für die Stellung der Sonde.
Der in der Figur 4a dargestellte Aufbau des Lenkwinkelsensors unterscheidet sich von dessen Aufbau in der Fig. 4 dadurch, daß die Lenkradnabe 18 so gestaltet ist, daß die Sonde 39 unmittelbar an der Lenkradnabe 18 befestigt ist. Dadurch wird der zusätzliche Kunststoffring 38 eingespart.
Während bei den bisherigen Ausführungsformen des Lenkwinkel- sensors der Sensor einerseits und die Widerstands- sowie die Kollektorbahn andererseits axial gegenüberlagen, liegen diese bei der in Fig. 4b dargestellten dritten Ausführungsform des Lenkwinkelsensors radial gegenüber. Bei dieser Ausführungsform ist an dem am Lenkrad 1 vorgesehenen Teil der Kontakteinheit ein ringförmiger Rotor 40 aus Kunststoff mittels Haken 41 befestigt. Eine Sonde 42 ist auf der Außenseite des Rotors 40 vorgesehen.
Am stationären Teil der Kontakteinheit ist ein ringförmiger Stator 43 aus Kunststoff vorgesehen, der den Rotor 40 konzentrisch umgibt. An der Innenseite des Stators 43 sind eine Widerstandsbahn 44 und ein Kollektor 45 vorgesehen. Der Stator 43 ist an der Kontakteinheit mittels Haken 46 befestigt. Die Wirkungsweise entspricht der der vorhergehenden Ausführungsformen. Der zusätzliche Vorteil dieser Aus- führungsform besteht darin, daß der Lenkwinkelsensor bei einem Systemausfall leicht ausgetauscht werden kann.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist ein Lenkwinkelsensor zur radialen Signalübertragung dargestellt. Bei diesem ist im Rotorteil der Kontakteinheit ein Metallring 47 angeordnet, dem ein Hallsensor 48 im Statorteil der Kontakteinheit zugeordnet ist. Der Metallring weist eine kontinuierlich ansteigende Breite auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine schräg verlaufende Unterkante 49 erzielt wird. Der Metallring ist als Magnetring ausge- bildet, so daß der Hallsensor 48 bei Drehung des Metallringes von einem sich kontinuierlich änderndem Magnetfeld durchsetzt wird. Die im Hallsensor generierte Hallspannung ändert sich demzufolge in Abhängigkeit vom Drehwinkel ebenfalls. In der Fig. 6 ist der Verlauf der Hallspannung für eine volle Umdrehung des Lenkrades dargestellt. Die Hallspannung wird an den Anschlüssen 50, 51 vom Hallsensor abgenommen und in an sich bekannter Weise zur Darstellung des Lenkwinkels weiterverarbeitet.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung des Lenkrades in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung eines Lenkwinkelsensors und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Winkelstellung,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lenkwinkelsensor in einer Kontakteinheit zur Übertragung von Energie und Daten von stationären Baugruppen des Kraftfahrzeuges zum Lenkrad und in umgekehrter Richtung integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwinkelsensor in einer einen Stator (3) und Rotor (5) aufweisenden berührungslos arbeitenden Kontakteinheit als Bestandteil des Stators und Rotors angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der am Rotor (5) oder Stator (3) einen die Winkelstellung des Lenkrades (1) darstellenden Strichcode (17) aufweist, dem am Stator oder Rotor eine Baugruppe zur Erfassung und Übertragung der mittels des Strichcodes ermittelten Winkelstellung zugeordnet ist .
Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Strichcode (17) mittels der 2-Komponenten-Technik gespritzt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strichcode (17) eine gepulste Lichtquelle zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Baugruppe zur Erfassung und Übertragung mindestens ein Sender (15) und Empfänger (16) vorgesehen ist, die im Abstand zueinander am Stator angeordnet sind, und zwischen denen eine Zwischenwand (14) vorgesehen ist, auf der der Strichcode angebracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß Sender (15) , Empfänger (16) und Zwischenwand (14) konzentrisch zueinander angeordnet sind oder in axialer Richtung gegenüberliegen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Baugruppe zur Erfassung und Übertragung mindestens ein CCD- Element (13) mit Lupe vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichcode auf einem ringförmigen Träger (12) vorgesehen ist, dem in radialer Richtung das CCD-Element (13) zugeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichcode auf einem Datenring für die Multi unktionen im Lenkrad vorgesehen ist, dem die CCD-Elemente zugeordnet sind.
11. Vorrichung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichcode (17) am Lenkrad und das CCD- Element (20) axial am Stator (19) angebracht sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein telemetrischer Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der am Stator oder Rotor eine ringförmige Sendeantenne (30) aufweist, der am Rotor oder Stator eine ringförmige Empfangsantenne (31) zugeordnet ist, wobei die Achsen (AI, A2) der Ringe in unterschiedliche Richtungen verlaufen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne (30) am Stator befestigt ist und ihre Achse (AI) in Richtung der Lenksäulenachse verläuft, und daß die Empfangsantenne (31) am Rotor befestigt ist und ihre Achse (A2) unter einem Winkel (alpha) zur Lenksäulenachse verläuft.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein induktiver Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der am Stator bzw. Rotor eine an eine Wechselspannungsquelle angeschlossene Widerstandsbahn (36, 44) sowie eine in die gleiche Richtung verlaufende Kollektorbahn (37, 45) aufweist, denen eine Sonde (39, 42) am Rotor bzw. Stator zur Übertragung der Daten von der Widerstandsbahn (36, 44) zur Kollektorbahn (37, 45) zugeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sonde (39, 42) zur kapazitiven Abnahme des Verschiebestromes vorgesehen ist .
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands- und die Kollektorbahn (44, 45) innen auf dem ringförmigen Stator (43) angeordnet sind und daß die Sonde (42) außen auf dem konzentrisch zum Stator (43) liegenden Rotor (40) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (39) direkt an der Lenkradnabe (18) oder an einem am Lenkrad befestigten Kunstoffring (38) befestigt ist und daß die Widerstands- und die Kollektorbahn (36, 37) axial gegenüberliegend am Stator befestigt sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorteil der Kontakteinheit ein Metallring (47) angeordnet ist, dem ein Hallsensor (48) im Statorteil der Kontakteinheit zugeordnet ist, wobei der Metallring eine kontinuierlich ansteigende Breite aufweist und als Magnetring ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring eine schräg verlaufende Unterkante aufweist .
20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkwinkelsensor in einer induktiven oder telemetrischen oder optischen Kontakteinheit angeordnet ist .
21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an der optischen Übertragungsstrecke ein Feuchteentzugsmittel oder Metallring vorgesehen ist .
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuchteentzugsmittel oder der Metallring in einem Labyrinth vorgesehen sind, das die optische Übertragungsstrecke umgibt.
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