DE19832256A1 - Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen relativ zueinander drehbaren Komponenten, insbesondere in einem Lenkrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen relativ zueinander drehbaren Komponenten. Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfin­ dung ist die Automobiltechnik, nämlich die kontaktlose Über­ tragung elektrischer Signale zwischen drehendem und festste­ hendem Teil des Lenkrads, jedoch ist die Erfindung in glei­ cher Weise auch auf allen anderen denkbaren technischen Ge­ bieten einsetzbar, wo elektrische Signale kontaktlos, das heißt ohne galvanische Verbindung durch elektrische Leiter, Schleifkontakte oder dergl., zwischen einem Signalgeber und einem relativ dazu drehbaren Signalempfänger übertragen wer­ den sollen, wobei die beiden relativ zueinander drehbaren Komponenten selbstverständlich zur Übertragung von Signalen in der einen oder anderen Richtung beide sowohl Signalgeber als auch Signalempfänger sein können.

Im Lenkrad von Kraftfahrzeugen können elektrische Bedienungs­ elemente, insbesondere Huptasten, aber auch andere Funktions­ schalter zur bequemen Steuerung aller möglichen Funktionen vom Lenkrad aus, beispielsweise zur Betätigung von Scheiben­ wischer, Licht, Tempomat, Radio und dergleichen mehr, sowie auch elektrisch gesteuerte oder gespeiste Funktionselemente wie beispielsweise Airbag überwachen und zünden und Lenkrad­ heizung integriert sein.

Die elektrischen Verbindungen zwischen den am drehfesten Lenkstock angeordneten elektrischen Zu- und Ableitungen und den am drehbaren Lenkrad befindlichen Bedienungs- und Funk­ tionselementen müssen also so ausgebildet sein, daß die Über­ tragung der elektrischen Signale unter Berücksichtigung des möglichen Drehwinkelbereichs des Lenkrads mit Bezug auf den drehfesten Lenkstock mit der notwendigen Funktionssicherheit stattfinden können.

Bisher sind die für solche Signalübertragungen notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen dem drehbaren Lenkradbe­ reich und dem drehfesten Lenkstockbereich über dazwischen an­ geordnete, spiralfederförmige elektrische oder durch Schleif­ ringlösungen Leiter hergestellt. Eine Möglichkeit zur kon­ taktlosen Signalübertragung liegt bisher nicht vor. Die herkömmlichen, mit Flachbandkabel ausgeführten spiralfeder­ förmigen Leiterverbindungen, die als Wickelfedersysteme bezeichnet werden, bilden ununterbrochene, schleifkontakt­ freie galvanische Verbindungen, die bei Drehungen des Lenk­ rads in der einen oder anderen Richtung sich entsprechend etwas enger zu- oder etwas weiter aufwickeln. Schleifring­ lösungen arbeiten mit Schleifringen und damit zusammenwir­ kenden Schleifkontakten.

Die bekannten Techniken mit Wickelfedersystemen bzw. Schleif­ kontaktsystemen lassen systembedingt nur eine begrenzte Anzahl möglicher Signalübertragungskanäle zu, bedingten montagetechnische Probleme, erfordern einen ziemlichen Platzbedarf und weisen nur eine begrenzte Dauerstandfestig­ keit auf. Wickelfedersysteme haben insbesondere das Problem, daß sie gegen Zerstörung durch Überdrehen empfindlich sind, und außerdem können durch Scheuern der Flachbandkabel an Ge­ häuseteilen beim Drehen des Lenkrads mechanisch bedingte Ge­ räusche entstehen. Schleifringsysteme leiden an dem Problem, daß durch Verschleiß von Schleifbahnen und Schleifkontakten oder ermüdungsbedingtes Nachlassen der Andrückfederkraft der Schleifkontakte Aussetzer und Unterbrechungen entstehen, die sicherheitstechnisch problematisch sind. Alle diese Nachteile der herkömmlichen Techniken lassen es wünschenswert erscheinen, eine bessere, vielseitigere und sich durch hohe Störungs­ freiheit auszeichnende Einrichtung zur Übertragung elektri­ scher Signale zwischen dem drehbaren Lenkrad und dem drehfe­ sten Lenkstock oder, ganz allgemein gesagt, zwischen relativ zueinander drehbaren Komponenten zu entwickeln. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine solche Einrichtung zu schaffen und damit auf die bisher gebräuchlichen Wickelfedersysteme verzichten zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine kontakt- und leiterlose Einrichtung zur Übertragung elektrischer Signale zwischen relativ zueinander drehbaren Komponenten wie bei­ spielsweise Lenkstock und Lenkrad gelöst, wie sie im Patent­ anspruch 1 angegeben und in den Unteransprüchen vorteilhaft weiter ausgestaltet ist. Demgemäß besteht die erfindungsge­ mäße Lösung in einer Übertragungseinheit, die statorseitig (lenkstockseitig) und rotorseitig (lenkradseitig) jeweils einen elektrischen Schaltungsträger (Leiterplatte o. ä.) mit Signalsende- und Signalempfangsorganen aufweist, die eine bidirektionale Signalübertragung von Stator zum Rotor sowie umgekehrt ermöglichen.

Das erfindungsgemäße System hat folgende wesentliche Vorteile:
Statorseitiger und rotorseitiger Schaltungsträger mit zugehö­ rigen Anschlüssen usw. können völlig unabhängig voneinander im Statorteil (Lenkstock) bzw. im Rotorteil (Lenkrad) mon­ tiert werden, was die Montage wesentlich vereinfacht, und erst nach der Lenkradmontage, wenn stator- und rotorseitige Leiterplatte miteinander durch die einander angenäherte vor­ gesehene Einbaulage, jedoch ohne gegenseitige Berührung, in Wirkungsverbindung kommen, ist die Übertragungseinrichtung funktionsfähig. Das erfindungsgemäße System erlaubt die Übertragung von wesentlich mehr Schaltsignalen u. dergl. als dies bei den herkömmlichen Systemen möglich ist. Zugleich ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Einrichtung deutlich geringer, und es sind auch keine kleinen Einbautoleranzen notwendig. Zuverlässigkeit und Sicherheit der Signalübertra­ gung sind erhöht, die Entstehung irgendwelcher mechanisch be­ dingter Laufgeräusche bei der Lenkraddrehung ist ausgeschlos­ sen.

Für die praktische Umsetzung der erfindungsgemäßen Einrich­ tung sind mehrere Varianten denkbar. Zwei derartige Varianten werden als repräsentative Beispiele nachstehend unter Bezug­ nahme auf die anliegenden Zeichnungen als Ausführungsbeispie­ le mehr im einzelnen beschrieben, wobei allerding aus Verein­ fachungsgründen die Zeichnungen sehr schematisch gehalten sind und nur das Wesentliche unter Weglassung unnötiger Ein­ zelheiten zeigen, um die Erfindung möglichst verständlich zu machen. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 in auseinandergezogener perspek­ tivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Übertra­ gungseinrichtung nach der Erfin­ dung, und

Fig. 2 in Form eines Axialschnitts eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform arbeitet mit elek­ trischen Antennen zwischen Stator- und Rotorseite bzw. Lenk­ stockseite und Lenkradseite.

Diese rein elektronische Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Übertragungseinrichtung weist eine lenkradseitige Bau­ gruppe 10 und eine lenkstockseitige Baugruppe 20 auf.

Die lenkradseitige Baugruppe 10 besteht aus einem oberen Schaltungsträger 11, einem oberen Deckel 12 und einer oberen Abschirmung 13. Die lenkstockseitige Baugruppe 20 besteht in entsprechender Weise aus einem unteren Schaltungsträger 21, einem unteren Deckel 22 und einer unteren Abschirmung 23.

Die Schaltungsträger 11 und 21 der lenkradseitigen Baugruppe 10 und der lenkstockseitigen Baugruppe 20 tragen jeweils als planare Strukturen ausgebildete Antennen, die nicht im ein­ zelnen dargestellt sind, und zwischen denen die Signalüber­ tragung mittels Hochfrequenz stattfindet. Der genutzte Fre­ quenzbereich liegt dabei im Megaherzbereich. Die Lenkstock­ seite bildet dabei die Primärseite und die Lenkradseite bil­ det die Sekundärseite, wobei diese Zuordnung natürlich für in umgekehrter Richtung zu übertragende Signale auch umgekehrt sein kann.

Der untere Schaltungsträger 21 der Lenkstockseite ist in den unteren Deckel 22 eingelassen, und der obere Schaltungsträger 11 ist in den oberen Deckel 12 der Lenkradseite eingelassen. Die durch die untere Abschirmung 23 und die obere Abschirmung 13 auf beiden Seiten gebildeten Schirmungen vermeiden Fehl­ funktionen und gewährleisten die elektromagnetische Verträg­ lichkeit bei der Signalübertragung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, nämlich aus der Darstellung des unteren Deckels 22 der Lenkstockseite, der mit Blick in sein Inneres dargestellt ist, sind der untere Deckel und der obere Deckel 12 der Lenkradseite so ausgebildet, daß diese im montierten Zustand mit ihren zylindrischen Außenwänden schachtelartig ineinander greifen. Die beiden Schaltungsträ­ ger in den beiden Deckeln stehen dann mit geringem Abstand einander gegenüber, und die Signalübertragung erfolgt draht­ los über den Luftspalt zwischen den beiden Antennen auf den beiden Schaltungsträgern unabhängig von der jeweiligen rela­ tiven Drehstellung der Schaltungsträger zueinander, weil die beiden Antennen in ihrer umfangsmäßigen Ausdehnung auf den Schaltungsträgern so ausgelegt sind, daß die Signalübertra­ gung zwischen den beiden Antennen in jeder relativen Dreh­ stellung der beiden Schaltungsträger gewährleistet ist. Eben­ so greifen, wie Fig. 1 erkennen läßt (die obere Abschirmung 13 hat einen höheren Randteil als die untere Abschirmung 23) die beiden Abschirmungen 13 und 23 im montierten Zustand der Übertragungseinheit mit ihren zylindrischen Seitenwänden so ineinander, daß sich eine Vollabschirmung der Übertragungs­ einheit ergibt, die Störeinstrahlungen von außen vollständig abblockt, ebenso aber auch den Austritt von Signalen aus dem Inneren abblockt.

Basis der bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung zum Einsatz kommenden Schaltung ist ein Schwingkreis, der beispielsweise (bei der hier als Beispiel angeführten Airbagfunktion) aus einem mit der Zünd­ pille des im Lenkrad integrierten Airbags in Reihe geschal­ teten Kondensator (Sekundärseite) und zwei durch die beiden Antennen (Primär- und Sekundärseite) gebildeten Spulen be­ steht. Zum Testen des Airbag-Zündkreises wird ein Dauersignal mit kleiner Amplitude von der Primär- zur Sekundärseite über­ tragen. Bei Fehlfunktion wird dem Fahrzeugführer ein opti­ sches bzw. akustisches Signal gegeben. Für die Auslösung des Airbags wird die Amplitude des Testsignals auf das entspre­ chend erforderliche Maß erhöht.

Eine Mehrzahl von Signalübertragungskanälen wird durch unter­ schiedliche Frequenzmodulation eines Basissignals realisiert. Das Airbag-Testsignal kann beispielsweise das Basissignal bilden, durch dessen Frequenzmodulation diverse weitere Sig­ nale definiert und identifiziert werden können. Die elektro­ nische Übertragungseinrichtung kann also zur kontakt- und leiterlosen Übertragung einer Vielzahl von Signalen von und zum Lenkrad entsprechend einer Vielzahl von Bedienungsfunk­ tionen und Komponentenfunktionen dienen. Auch ein Multiplex­ betrieb ist selbstverständlich möglich. Die dazu erforder­ lichen elektronischen Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen erläutert zu werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Übertragungseinrichtung arbeitet mit Lichtübertra­ gung.

In Fig. 2 sind für gleiche bzw. entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.

Auch die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform besteht aus einer lenkradseitigen Baugruppe 10 und einer lenkstockseiti­ gen Baugruppe 20, wobei diese allerdings in Fig. 2 jeweils im Axialschnitt und in ihrer richtigen gegenseitigen Einbaulage montiert sind. Der Lenkstock selbst und das Lenkrad sind, ebenso wie in Fig. 1, aus Gründen der Vereinfachung wegge­ lassen.

Die lenkradseitige Baugruppe 10 besteht wiederum aus einem oberen Schaltungsträger 11 und einem oberen Deckel 12, in welchem der obere Schaltungsträger 11 gehaltert ist. Die lenkstockseitige Baugruppe 20 besteht in entsprechender Weise aus einem unteren Schaltungsträger 21 und einem unteren Deckel 22, auf welchem der untere Schaltungsträger 21 gehal­ tert ist. Besondere Abschirmbauteile sind in Fig. 2 nicht dargestellt, sie können aber vorgesehen sein. Abschirmungen können allerdings auch durch metallische Beschichtungen auf dem oberen Deckel 12 und dem unteren Deckel 22 hergestellt sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 trägt der obere Schal­ tungsträger außer der eigentlichen Elektronik 14 mindestens ein Licht aussendendes und Licht empfangendes Element 15 in Verbindung mit einem Lichtverteiler bzw. Lichtleiter 16, der sich umfangsmäßig erstreckt und von dem Element 15 ausgesen­ detes Licht leitet und umfangsmäßig verteilt bzw. an irgend­ einer Stelle der umfangsmäßigen Ausdehnung empfangenes Licht zu dem Element 15 leitet. Das Element bzw. die Elemente 15 werden von der Elektronik 14 gespeist und angesteuert, um Lichtsignale auszusenden, bzw. die Elektronik wird von dem Element bzw. den Elementen 15 aufgrund empfangener Licht­ signale gespeist.

Der untere Schaltungsträger 21 trägt außer der eigentlichen Schaltungselektronik 24 ebenfalls mindestens ein Licht aus­ sendendes und Licht empfangendes Element 25. Das Element bzw. die Elemente 25 sind relativ zum Lichtverteiler bzw. Licht­ leiter 16 so angeordnet, daß sie diesen gegenüberstehen und eine Lichtsignalübertragung von dem Element bzw. den Elemen­ ten 25 und dem Lichtverteiler bzw. Lichtleiter 16 und somit über diesen mit dem Element bzw. den Elementen 15 stattfin­ det.

Zur Ausführung der Lichts ende- und Lichtempfangsfunktion können jeweils verschiedene Elemente, nämlich lichtaus­ sendende Dioden und Fotodioden, vorgesehen sein.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lichtverteiler bzw. Lichtleiter 16 dem oberen Schaltungsträ­ ger 21 zugeordnet. Es versteht sich von selbst, daß die An­ ordnung auch umgekehrt sein kann, indem der Lichtverteiler bzw. Lichtleiter dem unteren Schaltungsträger 21 zugeordnet ist. Es können auch beide Schaltungsträger mit je einem Lichtleiter bzw. Lichtverteiler versehen sein, was aber den Platzbedarf vergrößert und daher weniger wünschenswert er­ scheint.

Durch die Signalübertragung mittels Licht und der Lichtver­ teilung des Sendelichts bzw. der Lichtsammlung des Empfangs­ lichts durch den Lichtverteiler bzw. Lichtleiter ist in jeder möglichen Drehstellung eine Signalübertragung möglich, wobei ein einziges Licht aussendendes und Licht empfangendes Ele­ ment an jedem Schaltungsträger grundsätzlich genügt, aber natürlich auch eine gewisse Anzahl solcher Elemente am Umfang verteilt angeordnet sein kann. Damit ist eine berührungs­ freie, kontakt- und leiterlose Signalübertragung ohne Erzeu­ gung elektrischer Felder für die Signalübertragung möglich, so daß auch die Signalübertragung nicht durch elektrische Störeinstrahlungen störanfällig ist.

Das Lichtübertragungssystem kann mit hoher Brandbreite Signale vom Stator und Rotor und umgekehrt übertragen und er­ möglicht die Realisierung einer Vielzahl von Signalübertra­ gungskanälen zwischen Stator und Rotor, um eine Vielzahl von Schalt- oder Kontrollfunktionen vom Lenkrad aus bzw. über das Lenkrad zu ermöglichen.

Am oberen und unteren Schaltungsträger 11 bzw. 21 kann je­ weils ein Stecker 17 bzw. 27 zur elektrischen Verbindung mit Schaltern und Anzeigen im Lenkrad bzw. den elektrischen Komponenten vorgesehen sein; alternativ dazu kann auch eine direkte Leitungsverbindung vorgesehen sein.

Zur elektrischen Spannungsversorgung der elektronischen Schaltung auf dem oberen, der Lenkradseite zugeordneten Schaltungsträger 11 sind auf den beiden Schaltungsträgern miteinander zusammenwirkende Streifenleiterantennen 18 bzw. 28 angeordnet, die bei einem Frequenzbereich von beispiels­ weise 1 MHz bis 10 MHz arbeiten. Hierdurch wird die auf der Lenkradseite benötigte Energie für die Schaltungselektronik, zum Laden von Speicherkondensatoren, aber auch zur Hinter­ leuchtung von im Lenkrad angeordneten Schaltern bzw. zum Be­ trieb von im Lenkrad angeordneten Anzeigeelementen drahtlos von der Lenkstockseite her übertragen. Eine derartige Anord­ nung der Speisespannungsübertragung kann selbstverständlich auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 Anwendung finden, obwohl dies dort nicht eigens dargestellt und beschrieben wurde.

Schließlich zeigt Fig. 2 auch noch ein Ausführungsbeispiel für die Realisierung einer Lenkradheizung. Diese kann bei­ spielsweise eine Heizleistung von 100 Watt haben. Dazu ist auf der Lenkstockseite eine Übertragerspule 31 und auf der Lenkradseite eine Empfängerspule 32 angeordnet, die als Heiz­ wicklung im Lenkrad dient. Übertragerspule 31 und Empfänger­ spule 32 bilden miteinander einen elektrischen Transformator. Auf diese Weise kann auch die Heizleistung drahtlos von der Lenkstockseite auf die Lenkradseite übertragen werden.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist selbstverständ­ lich eine Lenkradheizung entsprechend der Darstellung im Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 2 möglich.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, in welcher Weise die Erfindung praktisch realisiert werden kann, und sie zeigen auch die Vorteile auf, die mit diesem erfindungsge­ mäßen Übertragungssystem erreicht werden. Der geringe Raumbe­ darf des erfindungsgemäßen Übertragungssystems läßt genügend Bauraum frei, um, wie in Fig. 2 dargestellt, eine kontakt- und leiterlos betriebene Lenkradheizung im Lenkrad zu instal­ lieren.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 hat den besonderen Vorteil, daß die bidirektionale Signalübertragung durch Licht erfolgt und damit eine extrem zuverlässige Übertragung ergibt. Elektromagnetische oder elektrostatische Störungen haben keinen Einfluß auf das System und die Übertragungsqualität, da der kritische Bereich, nämlich die Sendestrecke, mit Licht realisiert wird.

Claims (10)

1. Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Sig­ nale zwischen relativ zueinander drehbaren Komponenten, ins­ besondere in einem Lenkrad zwischen Lenkstockseite und Lenk­ radseite, mit folgenden Merkmalen:

• a) einem statorseitigen (lenkstockseitigen) elektrischen Schaltungsträger (21) mit Signalsende- und Signalempfangs­ organen,
• b) einem rotorseitigen (lenkradseitigen) elektrischen Schal­ tungsträger (11) mit Signalsende- und Signalempfangsorga­ nen,
• c) die statorseitigen und rotorseitigen elektrischen Schal­ tungsträger sind mit ihren Signalsende- und Signalemp­ fangsorganen einander axial oder radial benachbart, und
• d) die Signalsende- und Signalempfangsorgane der benachbarten statorseitigen und rotorseitigen Schaltungsträger sind re­ lativ zueinander und mit ihrer umfangsmäßigen Ausdehnung so angeordnet, daß eine bidirektionale Signalübertragung zwischen statorseitigem Schaltungsträger und rotorseitigem Schaltungsträger in jeder möglichen relativen Drehstellung des rotorseitigen Schaltungsträgers (11) mit Bezug auf den statorseitigen Schaltungsträger (21) erfolgen kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalsende- und Signalempfangsorgane als auf dem statorseitigen Schaltungs­ träger (21) und dem rotorseitigem Schaltungsträger in Form planarer Strukturen angeordnete Antennen ausgebildet sind, zwischen denen die Signalübertragung mittels Hochfrequenz stattfindet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Frequenzbereich der Signalübertragung im Megahertzbereich liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der statorseiti­ ge Schaltungsträger (21) von einer statorseitigen elektri­ schen Abschirmung (23) und der rotorseitige Schaltungsträger (11) von einer rotorseitigen elektrischen Abschirmung (13) umgriffen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die statorseitigen und rotorseitigen Abschirmungen (23, 13) mit zylindrischen Sei­ tenwänden ineinander greifen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der statorseitige Schaltungsträger (21) und der rotorseitige Schaltungsträger (11) jeweils außer der eigentlichen Schaltungselektronik (24, 14) mindestens ein als Signalsende- und Signalempfangsorgan dienendes Licht aussendendes und Licht empfangendes Element (25, 15) tragen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei an mindestens einem der beiden stator- und rotorseitigen Schaltungsträger ein sich umfangsmäßig erstreckender Lichtverteiler bzw. Lichtleiter (16) vorgesehen ist, der mit dem betreffenden lichtaussenden­ den und lichtempfangenden Element (15) in Verbindung steht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Signalübertragung durch Frequenzmodulation eines Basissignals oder durch Multiplexbetrieb mehrkanalig erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Spannungsversorgung der elektronischen Schaltung auf dem rotorseitigen Schaltungsträger (11) über miteinander zusammenwirkende, auf den beiden stator- und rotorseitigen Schaltungsträgern angeordnete Streifenleiterantennen (18, 28) leiter- und kontaktlos von der Statorseite zur Rotorseite übertragen wird.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Lenkrad, wobei außerdem eine kontaktlos betriebene Lenkrad­ heizung vorgesehen ist, die aus einer lenkstockseitigen Über­ tragerspule (31) und einer lenkradseitigen, zugleich als Heizwicklung im Lenkrad dienenden Empfängerspule (32) be­ steht, die nach Art eines elektrischen Transformators mitein­ ander zusammenwirken.