DE69806325T2

DE69806325T2 - Winkelsensor der eine multi-pixel optische Vorrichtung verwendet

Info

Publication number: DE69806325T2
Application number: DE69806325T
Authority: DE
Inventors: Zeyad Mohammed Almajed; Roger James Briggs; Chee Greg Chen; Marc Raymond Simon
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Delphi Troy Mich Us
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: DE69806325D1; EP0911610A1; US5900930A; EP0911610B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor zur Bestimmung einer Winkelposition eines sich drehenden Körpers, und insbesondere bezieht sie sich auf einen Winkelsensor, der eine Multi-Pixel-Optikeinrichtung verwendet.

Hintergrund der Erfindung

In vielen Situation ist es wünschenswert die Winkelposition und/oder Winkeldrehung eines sich drehenden Körpers zu kennen. Beispielsweise ist es bei einem Kraftfahrzeug wünschenswert, die Position des Lenkrades zu kennen, so dass Leistungsmerkmale auf einer hohen Ebene ausgeführt werden können, wie beispielsweise eine variable Hilfskraftlenkung und adaptive Aufhängsysteme. Als solche wurden Winkelsensoren zur Bestimmung der Winkelposition eines sich drehenden Körpers in der Vergangenheit entwickelt. Diese Winkelsensoren des Standes der Technik beruhen typischerweise entweder auf mechanischen (einen physischen Kontakt involvierenden), magnetischen oder optischen Sensoren zum Abfühlen der Bewegung des sich drehenden Körpers.
Obwohl solche Sensoren des Standes der Technik in der Vergangenheit relativ gut funktionierten, leiden sie unter vielen Problemen. Ein solches Problem ist es, dass die Sensoren des Standes der Technik nicht Unterschiede in den Winkelpositionen von weniger als 1 Grad auflösen können. Diese Einschränkung bei der Auflösung macht die Geräte des Standes der Technik unbrauchbar für das Erfüllen der Bedürfnisse von komplexen modernen Vorrichtungen, die Auflösungen angenährt von 0,1 Grad erfordern.
Ein anderes Problem ist es, dass die Winkelsensoren des Standes der Technik typischerweise mehrere Sensoren und Verbindungen haben, die eine komplizierte und präzise Einstellung erfordern. Als solche sind die Sensoren des Standes der Technik allgemein schwierig und teuer bei der Herstellung. Des weiteren erschwert auch die komplizierte Natur der Sensoren ihre Wartung.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Winkelsensor, der nicht unter den zuvor erwähnten Problemen leidet.
JP-A-06 347 292 offenbart einen optischen Absolut-Drehdekodierer bei welchem von einem Licht emittierenden Element emittiertes Licht zu einem linearen Bild mit einer zylindrischen Linse geformt wird und auf eine Drehscheibe eingestrahlt wird. Das Licht wird durch Schlitze in Spuren der Drehscheibe und durch Schlitze einer festen Scheibe oder Platte transmittiert und trifft auf eine Fotodetektionsoberfläche eines CCD-Elements auf. Das CCD-Element besteht aus einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlern und die Intensität des Lichts, die mit den einzelnen fotoelektrischen Wandlern empfangen bzw. aufgenommen wird, wird als Pulsamplitudenänderungen einer Zeitserie von gepulsten Ausgangssignalen ausgegeben. Die zeitliche Serie der gepulsten Ausgangssignale wird mit einer Dekodierschaltung dekodiert und die Position der Drehung der Scheibe wird als ein absoluter Wert delektiert.
DE-A-44 08 623 offenbart einen magnetischen Positionssensor zur Detektion der Wickelposition einer Kurbelwelle in einem Verbrennungsmotor. Zwei parallele Spuren aus magnetischen und nicht magnetischen Segmenten sind auf einem Träger positioniert, so dass ein magnetisches Segment auf einer Spur gegenüber einem nicht magnetischen Element in der anderen Spur liegt und umgekehrt. Jede Spur hat ein zugeordnetes Sensorelement zur Detektion eines magnetischen Feldes. Die redundanten Ausgangssignale von beiden Sensorelementen werden ausgewertet, um so die Winkelposition zu delektieren.
EP-A-0 825 420 offenbart einen Absolut-Winkelkodierer, der einen Drehsensor aufweist, und zwar mit einem binärkodierten Zielrad und einem Paar von magnetoresistiven Sensoren, die um den Umfang des Zielrades herum angeordnet sind. Einer der Sensoren sieht ein Signal vor, das anzeigend für den Durchgang eines regulären Winkelintervalls des Zielrades ist, und der andere der Sensoren sieht binäre Zustände vor, die den regulären Winkelintervallen entsprechen.
US-A-5,646,523 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines Lenkrades, das um mehrere Umdrehungen herum drehbar ist, und zwar einschließlich einer Feinkodierungsscheibe, die nicht drehbar an der Lenksäule angebracht ist und mit umfangsmäßig verteilten Kodierungselementen und mit umfangsmäßig verteilten Kodierungselementsensoren versehen ist, und zwar zum Abfühlen der Kodierungselemente zum Erzeugen von Feinsignalen, die sich nach jeder Umdrehung des Lenkrades wiederholen und anzeigend sind für eine relative Winkelposition des Lenkrades während jeder Umdrehung; und eine grobkodierte Scheibe, die zumindest mit drei Kodierungsspuren und zumindest drei Kodierungsspurensensoren versehen ist, und zwar zum Abfühlen von den jeweiligen Kodierungsspuren zum Erzeugen eines fortlaufenden 3-Bit-kodierten Signals, das anzeigend ist für die absolute Winkelposition des Lenkrades über die mehreren Umdrehungen. Die Vorrichtung weist auch eine Zahnradeinrichtung auf für das drehbare Antreiben der Grobkodierungsscheibe, wobei die Feinkodierungsscheibe ein vorbestimmtes Übersetzungs- bzw. Zahnradreduktionsverhältnis hat, und eine Mikrosteuerung zur logischen Kombination und Auswertung der Grob- und Feinsignale zum Bestimmen der absoluten Winkelposition des Lenkrades.
US-A-4,786,870 bezieht sich auf einen magnetischen Sensor zum magnetischen Delektieren der Position eines bewegbaren Körpers. Der magnetische Positionssensor weist ein drehendes, magnetisches Aufnahmemedium auf, das mit einem bewegbaren Körper bewegbar ist, dessen Position delektiert werden soll. Das drehende, magnetische Aufnahmemedium ist unterteilt in eine Vielzahl von Kanälen von denen ein jeder zwei Spuren aufweist. Ein magnetischer Sensor ist hinweisend zum magnetischen Aufnahmemedium angeordnet, und zwar mit einem vorbestimmten Luftspalt dazwischen und er weist zwei Sätze von magnetoresistiven Elementen auf, die um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind, und zwar für jeden Kanal. Jeder Satz der magnetoresistiven Elemente weist zwei Elemente auf, wobei das erste Element der zwei Sätze auf eine der Spuren eines Kanals hinweist und das zweite Element der anderen der zwei Sätze auf die andere Spur hinweist, und wobei die ersten und zweiten Elemente der zwei Sätze als ein Körper ausgebildet sind, und zwar mit benachbarten Enden der ersten und zweiten Elemente miteinander gekoppelt.
JP-A-01 318 920 offenbart einen Absolutkodierer, bei welchem eine erste und eine zweite Spur mit einem Absolutmuster und einem invertierten Muster als Spuren auf einer Kodierplatte vorgesehen sind. Erste und zweite Sensoren mit magnetoresistiven Elementen eines Detektors sind jeweils den Spuren zugeordnet. Die Muster der ersten und zweiten Spuren werden synchron durch den Detektor gelesen. Signale, die an den Ausgangsanschlüssen der zwei Sensoren auftreten, werden einer Differentialverstärkung in einem Differentialverstärker einer Signalverarbeitungsschalung unterzogen, und ein im Wesentlichen als eine Rechteckwelle geformtes Signal wird an einem Ausgangsende erhalten. Dieses Signal wird in eine Rechteckwelle bei einem vorgeschriebenen Vergleichspegel durch einen Vergleicher umgewandelt. Dann wird ein Signal mit einer Rechteckwelle mit scharfen Kanten an einem Ausgangsanschluss der Schaltung erhalten und dieses Signal wird als ein Kodiersignal genommen.
DE-A-40 13 936 bezieht sich auf einen programmierbaren optischen Absolutkodierer für eine digitale Bestimmung von Winkelinkrementen von sich drehenden Teilen.
Schließlich bezieht sich EP-A-0 466 209 auf einen Absolutkodierer vom Mehrfachdrehungstyp. Jede Schlitzspur der Scheibe eines Absolutkodierers vom optischen Typ wird unterteilt in eine Gruppe, die einer Fläche entspricht, auf welche eine LED Licht emittieren kann. Eine Referenzspur aus nur einem transparenten Teil wird in dieser Gruppe vorgesehen. Im Falle einer Umwandlung eines Detektionssignals in eine Rechteckwelle wird das Detektionssignal in einen Rechteckwellenausgang durch Verwendung des Ausgangssignals der Referenzspur als ein Index umgewandelt.
Die vorliegende Erfindung sieht einen verbesserten Winkelsensor vor, der all die zuvor gezeigten Bedürfnisse erfüllt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Winkelsensors der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Musters, das digitale schwarze und weiße Binärmarkierungen aufweist.
Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung eines Musters, das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung eines Musters, das in einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Fig. 5 und 6 zeigen ein Fenster, das von dem Multi-Pixel-Sensor gesehen wird, der in der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für die Programmierung des Mikroprozessors eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine Draufsicht eines Indexrades das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Fig. 9 zeigt eine Vergrößerung des Musters, das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines Musters, das in einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann in jeglicher Einrichtung oder Situation implementiert sein, in welcher das Abfühlen der Winkelposition eines sich drehenden Körpers erforderlich oder von Vorteil ist, und zwar einschließlich, jedoch nicht darauf begrenzt, in Fahrzeuglenkradsystemen, Roboterarmsteuerungen, Drehbegrenzungsschalter bei der Kurbelwellenwinkelpositionierung, bei der Ausrichtung von Plattformen für optische oder Mikrowellensysteme, und beim Positionieren von Suchantennen. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeuglenkradsystem nur zu Zwecken der Erklärung.
Zuerst Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Winkelsensors der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeuglenkradsystem 10 gezeigt. Das System 10 weist eine herkömmliche Lenksäulenwelle 12 auf mit einem Oberende 14, das auf herkömmliche Weise mit einem Lenkrad (nicht gezeigt) verbunden ist. Die Welle 12 dreht sich um eine Drehachse 16, wenn das Lenkrad vom Benutzer des Fahrzeugs gedreht wird. Die Welle 12 hat eine Außenoberfläche 18, um deren Umfang herum ein scheibenähnliches Kodierrad 20 fest positioniert ist. Das Kodierrad 20 kann nahezu aus jeglichem im Wesentlichen steifen bzw. festen Material hergestellt sein, jedoch ist es vorzugsweise aus leichtem Plastik hergestellt, wie beispielsweise Polycarbonat, das seine Dimensionen über Breite, Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiche konsistent beibehält. Obwohl das Kodierrad 20 eines mit vielen Größen sein kann, ist es in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung 3 Zoll (7,6 cm) im Durchmesser. Das Kodierrad 20 weist eine Außenumfangsoberfläche 22 auf, auf welcher eine Vielzahl von Mustern oder Kodierungssymbolen positioniert sind, wie detailliert in der Folge beschrieben wird. Ebenso ist eine optische Einrichtung 24 und eine Beleuchtungseinrichtung 26 gezeigt, die zur Oberfläche 22 des Kodierrades 20 hinweisen und in deren Nähe positioniert sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die optische Einrichtung 24, die Beleuchtungseinrichtung 26 und zumindest die Oberfläche 22 alle in einem Gehäuse (nicht gezeigt) innerhalb der Lenksäule des Fahrzeugs aufgenommen, um die Ansammlung von Staub und Schmutz darauf zu vermeiden, und zwar aus Gründen wie weiter unten beschrieben wird. Vorzugsweise ist das Gehäuse aus einem leichten bzw. leicht gewichtigen Plastikmaterial hergestellt.
Die optische Einrichtung 24 weist einen aktiven bzw. passiven Multi-Pixel-Sensor auf, der ähnlich zu einer Miniaturvideokamera arbeitet. Solch eine optische Einrichtung kann von einer Vielzahl von Vertreibern erworben werden und typischerweise hat sie eine Arbeitsweise und Struktur, wie sie in den U.S. Patenten No. 5,625,210 und 5,471,515 offenbart ist. Kurz gesagt weisen die Multi-Pixel- Sensoren eine Vielzahl von horizontal und vertikal angeordneten Pixeln auf, von denen ein jedes ein Teil des Lichts aufnimmt, das von einem ausgewählten Zielgebiet ausgestrahlt wird, und ein elektrisches Signal repräsentativ dafür erzeugt. Auf diese Weise kann nützliche Information hinsichtlich der visuellen Erscheinung des Ziels erhalten werden. Aus Gründen, die im Folgenden detaillierten diskutiert werden, weist die optische Einrichtung 24 vorzugsweise einen Multi-Pixel-Sensor mit zumindest 57 Vertikalpixeln und 256 Horizontalpixeln auf. Obwohl derzeit kommerziell erhältliche Multi-Pixel-Sensoren größer sein können als diese bevorzugten Dimensionen, kann ein Algorithmus oder ein anderes Verfahren auf einer dem Durchschnittsfachmann bekannten Weise implementiert werden, um einen größeren Sensor auf die bevorzugten Dimensionen herunter zu teilen bzw. "in Fenster zu teilen" ("window").
Der Unterschied zwischen einem aktiven Pixelsensor und einem passiven Pixelsensor ist die Art der elektrischen Signale, die durch die Pixel erzeugt werden. Bei einem aktiven Pixelsensor wird eine Analog-zu-Digital-Umwandlung auf der Pixelebene durchgeführt, so dass Digitalsignale aus dem Sensor ausgegeben werden.
Im Gegensatz dazu erzeugt ein passiver Pixelsensor nur analoge elektrische Signale, die über einen Analog-zu-Digital-Wandler umgewandelt werden müssen, wenn digitale Signale benötigt werden. Obwohl beide in der vorliegenden Erfindung implementiert bzw. verwendet werden können, wird ein passiver Multi-Pixel- Sensor für die Zwecke der Erklärung angenommen.
Die optische Einrichtung 24 weist zur Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20 hin, um so die Muster drauf in einer zuvor beschriebenen Weise zu "lesen". Wenn sich das Kodierungsrad 20 dreht, wird ein unterschiedliches Segment des Musters durch die optische Einrichtung 24 gesehen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Einrichtung 24 2,5 Zentimeter weg von der Oberfläche 22 positioniert. So positioniert, weist die optische Einrichtung 24 auch eine Linse 28 (vorzugsweise weitwinklig) auf, um das Licht von den Mustern auf die Pixel des Multi- Pixelsensonrs zu fokussieren. Es ist klar, dass der Abstand zwischen der optischen Einrichtung 24 und der Oberfläche 22, der die zur Verwendung geeignete Linse bestimmt, abhängig sein kann von dem Ausmaß an Raum, der in der Nachbarschaft des Lenkradmechanismus in einem besonderen Fahrzeug verfügbar ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die optische Einrichtung 24 auch Logikschaltungen und einen Speicher auf, die zur Verarbeitung der elektrischen Signale genutzt werden, die durch die Vielzahl von Pixeln des Multi-Pixel-Sensors erzeugt werden. Alternativ können solch eine Logik und ein Speicher auch außerhalb der Einrichtung 24 in einem anderen Teil des Fahrzeugs lokalisiert sein. Die Logik und der Speicher werden unter anderem dafür genutzt, die elektrischen Signale mit Schwellenwerten zu vergleichen, wodurch eine Quantifizierung des Lichts, das in jedes Pixel eintritt, erreicht wird. Auf diese Weise kann die Winkelposition des Kodierungsrades 20 und somit des Lenkrades, wie in der Folge beschrieben, bestimmt werden. Obwohl die Logik und der Speicher fest verdrahtet sein können, ist es bevorzugt, wenn sie einen Mikroprozessor aufweisen, der die erforderliche Analyse über eine geeignete Programmierung ausführt, wie in der folgenden Verbindung mit Fig. 7 beschrieben wird. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein DSP (Digitalsignalprozessor) mit dem Mikroprozessor kombiniert werden oder anstatt desselben genutzt werden, um Algorithmen mit höherer Leistung aufzunehmen. Des weiteren implementiert die optische Einrichtung 24 vorzugsweise eine CMOS-Technologie, wobei die Logik/der Speicher und der Multi-Pixel-Sensor auf einem einzigen Chip kombiniert werden können, um den Herstellungsprozess zu vereinfachen.
Die Beleuchtungseinrichtung 26 ist an irgendeiner von einer Vielzahl von Stellen positioniert, um die Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20 zu beleuchten, so dass die optische Einrichtung 24 das Muster darauf lesen kann. Die Beleuchtungseinrichtung 26 kann von jeglichem Typ von Beleuchtungsmitteln sein und zwar einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Glühlampenbeleuchtung, einer Infrarotbeleuchtung oder einer LED-Beleuchtung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Beleuchtungseinrichtung 26 zwei standardisierte LEDs auf und ist elektrisch auf eine herkömmliche Weise (nicht gezeigt) mit der Logik der optischen Einrichtung 24 verbunden, die ihre Funktion steuert, wie in der Folge beschrieben wird.
Die Vielzahl von Mustern auf der Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20 weist irgendeinen Typ von Markierungen auf, die durch die optische Einrichtung 24 lesbar sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Muster digitale schwarze und weiße Binärmarkierungen auf, wobei ein Beispiel hierfür in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung eines Musters, das im bevorzugten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung genutzt wird, und zwar mit kastenförmigen Markierungen und mit dazwischen eingefügten Abständen und zwar nur zu Zwecken der Klarheit für die folgende Beschreibung. Wie gezeigt, weisen die Muster Reihen von sechs schwarzen und weißen Markierungen (Bezugszeichen 30) auf, die sich abwechseln mit einer Reihe von sieben weißen und schwarzen Markierungen (Bezugszeichen 32). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die am weitesten linke Markierung der "Kodierungs"-Reihe 32 immer schwarz und wird als eine Referenzmarkierung genutzt, und zwar aus den in der Folge diskutierten Gründen. Die verbleibenden sechs Markierungen am weitesten rechts in den Musterreihen 32 können eine von 64 einzigartigen Binärzahlen identifizieren, die zur eindeutigen Identifizierung einer jeden Drehposition des Kodierungsrades 20 genutzt werden. Wie detailliert in der Folge beschrieben wird, sind die Reihen 30 "Prüf"-Reihen, die als ein Fehlerprüfmechanismus funktionieren, der dabei hilft, die Integrität der durch die optische Einrichtung 24 gelesenen Information sicherzustellen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, das hier beschrieben wird, stehen die Prüfreihen 30 in einer inversen Beziehung zu den Kodierungsreihen 32, wobei jede der sechs Markierungen darin von entgegengesetzter Farbe der Markierung darüber in der Kodierungsreihe 30 ist.
Beruhend auf der Tatsache, dass die Oberfläche 22 eine Positionsdrehung von 360 Grad durchführen kann, kann somit jede Musterreihe 32 ein Segment des Kodierungsrades 20 identifizieren, das leicht mehr als 5,6 Grad abdeckt (360 geteilt durch 64 ist ungefähr 5, 6). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Markierung der Reihen 30 und 32 ungefähr 4 mm hoch und 12 mm breit.
Mit diesen bevorzugten Dimensionen umfassen die Musterreihen 30 und 32 vollständig das Gebiet der Außenumfangsoberfläche 22 des Kodierungsrades 20 mit einem Durchmesser von ungefähr 3 Zoll (ungefähr 7,6 cm).
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Muster auf ein Polycarbonatblatt gedruckt, das eine haftende Rückseite hat, die es ermöglicht, dass es um das Oberflächengebiet 22 herumgewickelt wird. Obwohl ein Polycarbonatmaterial bevorzugt ist, und zwar wegen der geringen Menge an Glanz oder Blendlicht, das zur opti sehen Einrichtung 24 zurück reflektiert wird und wegen der Stabilität hinsichtlich der Dimension des Materials über die Betriebstemperatur- und Feuchtigkeitsbereiche hinweg, sei gewürdigt, dass jegliches Blattmaterial genutzt werden kann, und zwar einschließlich irgendeinem Plastikmaterial wie beispielsweise Phenyl. Vorzugsweise wird ein solches Blattmaterial einspritzgegossen und weist eine Ausrichtkerbe auf für das richtige Positionieren der selben auf der Oberfläche 22. Des weiteren sei gewürdigt, dass viele andere Mittel zum Vorsehen solcher Muster verfügbar sind und im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, wie beispielsweise das Drucken oder Gravieren der Muster direkt auf die Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nach dem Positionieren der Muster auf der Oberfläche 22 ein Blatt aus klarem bzw. durch durchsichtigem Plastik- oder Polymermaterial über die Muster gelegt, um so die Muster dazwischen aufzunehmen bzw. einzuschließen. Das Plastik- oder Polymermaterial ist vorteilhaft, da es verhindert, dass die Muster von der Oberfläche 22 weggekratzt werden, und es ermöglicht das Entfernen von Staub und Schmutz von den Mustern (wie beispielsweise mit einem feuchten Tuch) während der Wartung des Winkelsensors, so dass die Muster genau von der optischen Einrichtung 24 gesehen werden können.
Wie zuvor erwähnt, liest die optische Einrichtung 24 die Muster von der Oberfläche 22. Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Fenster 34 der Musterreihen, das vom Multi- Pixel-Sensor gesehen wird, welches im bevorzugten, dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest 57 Vertikalpixel und 256 Horizontalpixel aufweist, wie zuvor erwähnt wurde. Wie gezeigt, deckt das Fenster 34 ausreichend von der Oberfläche 22 ab, so dass es zumindest eine "Kodierungs"-Reihe und "Prüf"-Reihe 32 sehen kann. Im am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 57 der zumindest 57 Vertikalpixel genutzt zum Betrachten bzw. Sehen einer jeden Gruppierung von einer Kodierungsreihe und einer Prüfreihe, so dass eine Auflösung von 0,1 erreicht werden kann, wie in der Folge beschrieben wird. Über die Analyse des Fensters 34 über den Multi-Pixel-Sensor und die zugeordnete Logik kann die Win kelposition des Kodierungsrades 20 bestimmt werden, wie in der Folge beschrieben wird.
In Fig. 7 ist das Flussdiagramm für die Programmierung des Mikroprozessors im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Programmierung steuert die Analyse durch die optische Einrichtung 24 der Muster auf der Oberfläche 22.
Das Flussdiagramm beginnt mit dem Block 100, der den Beginn des Programms bezeichnet. Als nächstes veranlasst der Block 102 den Multi-Pixel-Sensor zum "Erfassen" oder Lesen des Bildes innerhalb des Fensters 34 von der Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20. Der Block 104 führt dann eine allgemeine Analyse des gelesenen Bildes aus, um zu bestimmen, ob die Summe der elektrischen Signale von all den Pixeln unterhalb eines Minimums eines voreingestellten Schwellenwertes (im Speicher gespeichert) fällt, was anzeigt, dass die Oberfläche 22 nicht ausreichend beleuchtet ist. Solch eine Situation würde anzeigen, dass ein Beleuchtungsproblem bei der Beleuchtungseinrichtung 26 vorliegt, die, wie zuvor erwähnt, aus zwei standardmäßigen LEDs im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nur eine der LEDs zu einer gegebenen Zeit betrieben, wobei die andere als Reserve gehalten wird. Wenn der Block 104 bestimmt, dass das gesamte Bild schwarz ist, dann bewirkt der Block 106, dass das Programm zu Block 108 fortschreitet, der bewirkt, dass die Reserve- (zuvor nicht leuchtende) LED eingeschalten wird und das Programm zieht eine Schleife zurück zu Block 102 der zuvor diskutiert wurde.
Wenn der Block 106 bestimmt, dass die Beleuchtung ausreichend ist, schreitet das Programm fort zu Block 110. Block 110 stellt den Schwellenwertpegel ein (mit welchem das Licht, das in jedes Pixel eintritt, verglichen wird), und zwar für die Auswertung, ob jede Markierung der Reihen 30 und 32 schwarz oder weiß ist.
Solch ein Schwellenwertpegel kann über die Zeit variieren, und zwar basierend auf der Umgebungstemperatur und dem Alter der LEDs. Der Block 110 ist nur von einem solchen Ausführungsbeispiel umfasst, bei welchem ein passiver Multi-Pixel- Sensor genutzt wird, wobei hier keine automatische Analog-zu-Digital- Umwandlung stattfindet. Als nächstes analysiert der Block 112 die Linie von zumindest 57 Vertikalpixeln, die am horizontalen Mittelpunkt der Referenzmarkierung (am weitesten linke Markierung) der Reihe 32 angeordnet sind, und zwar um den Übergangspunkt zwischen der schwarzen der Referenzmarkierungen (der Kodierungsreihe 32) und der weißen der Prüfreihen 30 zu bestimmen. Diese Pixellinie (bezeichnet mit dem Bezugszeichen 36) ist in den Fig. 5 und 6 als eine durchgezogenen schwarze Linie gezeigt. Der Block 112 nutzt diesen bestimmten Übergangspunkt zur Bestimmung der vertikalen Mittelpunkte und somit der Position von sowohl der Kodierungsreihe 32 als auch der Prüfreihe 30. Als nächstes schreitet das Programm zu Block 114 fort, in welchem die Horizontallinie von 256 Pixel, die sich über den vertikalen Mittelpunkt der Kodierungsreihe 32 (mit Bezugszeichen 38 in Fig. 6 bezeichnet) hinweg erstreckt, analysiert wird, um die Farbe (schwarz oder weiß) einer jeden der sechs Markierungen zu bestimmen. Diese Analyse umfasst den Vergleich von elektrischen Signalen mit dem Schwellenwert, der in Block 110 erstellt wurde. Durch Bestimmen der Farbe einer jeden der sechs Markierungen, wird das Muster, oder der digitale Binär-"Wert" der Kodierungsreihe 32 dann identifiziert, was zur eindeutigen Identifizierung einer Drehposition des Kodierungsrades 20 dient. Der Block 114 analysiert auch die Horizontallinie von 256 Pixel, die sich über den vertikalen Mittelpunkt der Prüfreihe 30 erstreckt (mit Bezugszeichen 40 in Fig. 6 bezeichnet), um die Farbe einer jeden der sechs Markierungen zu bestimmen und somit den digitalen "Wert" der Reihe. Wie zuvor erwähnt, dient die Prüfreihe 30 Fehlerprüfzwecken, und zwar mit Markierungen, die in inversen Beziehung zu den entsprechenden Markierungen in der Kodierungsreihe 32 stehen. Diese inverse Beziehung wird berücksichtigt, wenn der Wert der Prüfreihe 30 berechnet wird, so dass ihr Wert gleich zum Wert der Kodierungsreihe 32 in einer normalen Situation ist, in der kein Fehler vorliegt.
Als nächstes bestimmt der Block 116, ob der Wert der Kodierungsreihe 32 zum Wert der Prüfreihe 30 passt. Wenn dem so ist, dann wird ein "guter" (fehlerfreier) Lesevorgang angenommen und das Programm fährt fort zu Block 122, der in der Folge beschrieben wird. Wenn dem nicht so ist, was anzeigt, dass ein Fehler vorliegt, der wahrscheinlich auf einer Staub- oder Schmutzansammlung auf der Oberfläche 22 beruht, dann schreitet das Programm zu Block 118 fort, der bestimmt, ob der korrekte Kodierungswert für diese besondere Fehlpassung bereits über Block 120 während vorangegangener Ausführungszyklen des Programms bestimmt wurde. Wenn nicht, dann schreitet das Programm fort zu Block 120, der den korrekten Wert der Kodierungsreihe 32 basierend auf der gespeicherten Sequenz der Kodierungsreihenwerte bestimmt, die gelesen wurden, als das Kodierungsrad 20 sich gedreht hat. Durch Betrachtung der Kodierungsreihenwerte, die für Drehpositionen berechnet wurden, und zwar vor und nach der Drehposition, die der Fehlpassung entspricht, zeigt deren Sequenz an, welcher der fehlangepassten Kodierungsreihenwerte und der Prüfreihenwerte korrigiert werden soll. Sobald der korrekte Wert bestimmt ist, wird er im Speicher gespeichert, um daraus herausgenommen zu werden, wenn die gleiche Fehlanpassung später bei der Ausführung des Programms auftritt, und das Programm zieht eine Schleife zurück zu Block 102, der zuvor diskutiert wurde.
Wenn der Block 118 bestimmt, dass der korrekte Kodierungswert für die betrachtete bzw. besondere Fehlanpassung bereits bestimmt wurde, dann wird der korrekte Kodierungswert vom Speicher des Mikroprozessors gelesen und das Programm fährt fort zu Block 122. Der Block 122 berechnet und speichert die präzise Winkeldrehung des Kodierungsrades 20 und somit die Winkeldrehung des Lenkrades, und zwar basierend auf dem Wert der Kodierungsreihe und der Position des Übergangspunktes der Referenzmarkierung. Wie zuvor erwähnt, identifiziert jeder Kodierungsreihenwerte eindeutig einen Abschnitt des Kodierungsrades 20, der ungefähr 5,6 Grad abdeckt, und wobei der Speicher des Mikroprozessors die winkelmäßige Versetzung des Kodierungsrades 20 entsprechend zu jedem Kodierungsreihenwert speichert. Die Position des Übergangspunktes der Referenzmarkierung ermöglicht es dem Winkelsensorder vorliegenden Erfindung, eine erhöhte Auflösung innerhalb des 5,6-Grad-Rahmens zu realisieren. Durch Bestimmen der Stelle des Übergangspunktes innerhalb der 57 Vertikalpixel, die für das Betrachten jeder Kodierungsreihen-/Prüfreihengruppierung im Fenster 34 des beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels genutzt werden, kann jeder 5,6-Grad-Abschnitt weiter geteilt werden durch 57, was somit das Erreichen einer Auflösung von 0,1 ermöglicht, wenn die Winkeldrehung des Kodierungsrades 20 berechnet wird.
Nach dem Block 122 berechnet der Block 124 die Winkelgeschwindigkeit des Kodierungsrades 20 basierend auf der Änderung zwischen dem aktuellen Drehwinkel und dem vorangegangenen (gespeicherten) Drehwinkel, und zwar hinsichtlich der dazwischen verstrichenen Zeit. Diese Berechnung der Winkelgeschwindigkeit ist vom bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt, da sie zusätzliche nützliche Information vorsieht, die im Fahrzeug genutzt werden kann. Jedoch ist die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit nicht nötig für den grundlegenden Betrieb des Winkelsensors.
Nach dem Block 124 schreitet das Programm fort zu Block 126, der bewirkt, dass dei Winkel- und die Winkelgeschwindigkeitsinformation an die geeigneten Einrichtungen übertragen werden, die von einer solchen Information Gebrauch machen können. In einem Fahrzeug umfassen solche Einrichtungen die Kraftlenkungssteuerungs- und die Aufhängungssteuerungssysteme. Nach dem Block 126 zieht das Programm eine Schleife zurück zu Block 102, der zuvor diskutiert wurde. Obwohl die Muster und Markierungen die in Fig. 2 gezeigt sind, bevorzugt sind, sei gewürdigt, dass viele Variationen möglich sind und im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen. Beispielsweise kann jegliche Art von digitalen Markierungen anstelle der binären genutzt werden (beispielsweise eine termäre), und jegliche unterscheid bare Farben oder Schattierungen können genutzt werden. Jedoch würden solche Modifikationen der Markierungen komplexere Logikfunktionen für die Analyse erfordern (da mehr Schwellenwerte erforderlich wären), und sie würden es erschweren, Bilder zu delektieren, die aufgrund von Staub- oder Schmutzablagerungen auf der Oberfläche 22 korrumpiert sind. Zusätzlich können abhängig von der Größe des Durchmessers des Kodierungsrades 20 die Reihen der Muster vertikal um variierende Abstände voneinander beabstandet sein. Des Weiteren können die Markierungen selbst nahezu von jeglicher Form anstelle der quadratischen sein und sie können variabel groß sowie abhängig von der Linse 28 und der Größe der optischen Einrichtung 24 sein. Jedoch ist ein wichtiger Gesichtspunkt hinsichtlich der Größe der Markierungen die Auswahl einer Größe, die groß genug ist, so dass die meisten Staub- bzw. Schmutzteilchen kleiner sein werden als die Markierungen, wodurch vermieden wird, dass kleine Mengen an Staub- oder Schmutzteilchen das Ablesen der Markierungen durch die optische Einrichtung 24 beeinflussen.
In vielen Anwendungen für den Winkelsensorder vorliegenden Erfindung kann der drehbare Körper mehr als eine vollständige Umdrehung ausführen. Beispielsweise ermöglichen viele Fahrzeuglenksysteme, dass das Lenkrad zwei komplette Umdrehungen in beide Richtungen gedreht werden kann, was bedeutet, dass die bestimmte Winkelposition irgendeine von 4 Umdrehungen des Kodierungsrades 20 sein kann. In diesen Situationen ist es oft wünschenswert, dass der Winkelsensor bestimmen kann, in welcher Umdrehung sich der drehende Körper befindet (sein "Umdrehungszähler"), so dass seiner Winkelposition eine Bedeutung zugeordnet werden kann.
Fig. 1 zeigt einen Umdrehungszähler der vorliegenden Erfindung, der ein Indexrad 80 aufweist, das eine Vielzahl von Ausnehmungen 82 (Fig. 8) umfasst. Das Indexrad 80 befindet sich nicht im physikalischen Kontakt mit der oberen Oberfläche des Kodierungsrades 20 sondern ist stattdessen mit einer getrennten drehbaren Welle 84 verbunden und dreht sich mit dieser, die eine obere Oberfläche 85 hat, die drehbar an irgendeiner Sicherungsstruktur innerhalb der Lenkmechanismusanordnung angebracht ist. Auf dem äußeren Oberflächengebiet 83 des Indexrades 80, und zwar jenem gegenüberliegend zu den Ausnehmungen 82, ist ein Muster positioniert, dass durch die optische Einrichtung 24 lesbar ist, wie detaillierter in der Folge beschrieben werden wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Muster einen schwarzen, dreieckförmigen Teil auf, der von weiß umgeben ist, wobei eine vergrößerte Ansicht des selben in Fig. 9 gezeigt ist. Ebenso ist ein Zahn oder Vorsprung 86 gezeigt, der sich mit dem Kodierungsrad 20 und der Welle 14 dreht. Der Vorsprung 86 ist zur Vereinfachung bei der Herstellung und dem Einbau vorzugsweise ein integrales Teil des Kodierungsrades 20. Das Indexrad 80 und der Vorsprung 86 stehen in betriebsmäßiger Beziehung zueinander, wobei die vollständige Drehung des Vorsprungs 86 in irgendeine Richtung (die einer vollständigen Umdrehung des Kodierungsrades 20 entspricht) einen Eingriff des Vorsprungs 86 mit einer der Ausnehmungen 82 des Indexrades 80 bewirkt. Dieser Eingriff bewirkt, dass das Indexrad 80 in eine Drehrichtung inkrementiert (in einer schrittweisen Art gedreht) wird, wobei die Richtung entgegengesetzt ist zum Vorsprung 86. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in welchem das Indexrad 80 vier Ausnehmungen 82 (wie in Fig. 8 gezeigt) aufweist, entspricht der Bereich von vier Umdrehungen der Bewegung des Lenkrades den fünf Segmenten mit dreieckigem Muster auf dem Indexrad 80, wobei die vier Ausnehmungen die Bewegung zwischen diesen fünf Segmenten vorsehen. Der Bereich der Bewegung ist unterteilt in fünf Segmente auf dem Indexrad 80, so dass der Vorsprung 86 nicht in Kontakt mit dem Indexrad 80 ist, wenn sich das Fahrzeug geradeaus fortbewegt.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel, dass den Umdrehungszähler umfasst, ist das Fenster 34 der optischen Einrichtung 24 in horizontale Richtung erweitert (vorzugsweise durch Zufügung von zusätzlichen horizontalen Pixeln, um die gleiche Auflösung beizubehalten), so dass die Muster auf sowohl dem Kodierungsrad 20 als auch dem Indexrad 80 gesehen werden. Jedes Inkrementieren des Indexrades 80 bewirkt dann, dass ein unterschiedlicher Abschnitt des dreieckigen Musters darauf von der optischen Einrichtung 24 gesehen wird.
Die Position des Indexrades 80 kann über die Programmierung des Mikroprozessors verarbeitet werden. Ähnlich zum Lesen der Reihen 30 und 32, wie zuvor diskutiert, wird eine horizontale Linie an Pixeln, wie beispielsweise eine Linie 38 oder 40 (Fig. 6) ausgewählt und der Teil, der der Ansicht des Indexrades 80 entspricht, wird analysiert. Basierend auf der Ablesung dieser Pixel (hell oder dunkel) wird die Breite des Abschnitts des schwarzen dreieckigen Musters, das sich im Sichtfeld der optischen Einrichtung 24 befindet, bestimmt. Die berechnete Breite wird dann mit Werten verglichen, die im Speicher des Mikroprozessors gespeichert sind, welche den Bereich der Breiten umfassen, die durch die optische Einrichtung 24 für jede Umdrehungszählung sichtbar sind. Auf diese Weise kann die tatsächliche Umdrehungszählung bzw. Umdrehungsanzahl des Kodierungsrades 20 bestimmt werden. Die Umdrehungszählung kann dann an eine geeignete Einrichtung übertragen werden, um die berechnete Winkelpositionsinformation zu ergänzen, wodurch die Position des Lenkrades in seinem vollständigen Bewegungsbereich vorgesehen wird.
Die mechanische Konstruktion des Umdrehungszählers, der zuvor diskutiert wurde, ist bevorzugt, weil sein Betrieb nicht von einer kontinuierlichen elektrischen Leistungsversorgung des Fahrzeugs abhängt. Daher wird die richtige Umdrehungszählungsinformation für die optische Einrichtung 24 zu allen Zeiten sofort verfügbar sein.
Des Weiteren ist die Konstruktion des zuvor diskutierten Umdrehungszählers von Vorteil dahingehend, dass der physikalische Kontakt zwischen dem Indexrad 80 und dem Vorsprung 86 auf nur ein einziges Mal für jede Umdrehung des Kodierungsrades 20 begrenzt ist. Demgemäß wird die Lebensdauer des Mechanismus erhöht und weniger lose Teilchen werden erzeugt (über Abreibung), die die Muster kontaminieren könnten, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Jedoch kann während der Zeit, in der das Indexrad 80 nicht in Eingriff ist mit dem Vorsprung 86, das Indexrad 80 externen Kräften ausgesetzt sein, wie beispielsweise einer Schwingung, die eine ungewollte Bewegung des selben bewirken. Demgemäß ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Variante eines Genf- bzw. Geneva-Mechanismus auf eine dem Durchschnittsfachmann bekannte Weise implementiert, um eine ungewollte Bewegung des Indexrades 80 zu vermeiden.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Muster, die auf der Oberfläche 22 des Kodierungsrades 20 in Fig. 1 positioniert sind, auf irgendeiner Oberfläche positioniert sein, die es gestattet, dass sich die Muster drehen, wenn der sich drehende Körper dreht, und zwar mit kleineren Modifikationen der Einstellungen bzw. des Aufbaus des Rests des Winkelsensors. Beispielsweise können die Muster stattdessen auf einer Oberfläche positioniert sein, die senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Körpers ist. Als solche, und zwar bezugnehmend auf Fig. 1, können die Muster auf einer oberen Oberfläche des Kodierungsrades 20 positioniert sein (unter der Annahme, dass der Umdrehungszähler nicht genutzt wird oder woanders positioniert wäre). Bei einem solchen Ausführungsbeispiel könnten die Muster kreisförmig sein, und zwar mit einer geometrischen Mitte bei der Drehachse 16 der Welle 12. Ein Beispiel eines sol chen polaren oder kreisförmigen Musters ist in Fig. 10 gezeigt. Vorzugsweise würde ein solches Muster die digitalen Schwarz- und Weiß-Markierungen, wie sie zuvor diskutiert wurden und in den Fig. 2 und 3 in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt wurden, aufweisen obwohl irgendeines einer Vielzahl von Mustern natürlich genutzt werden könnten. Die optische Einrichtung 24 und die Beleuchtungseinrichtung 26 in diesem alternativen Ausführungsbeispiel wären unterschiedlich zu jenen positioniert, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, um ihnen eine geeignete Wechselwirkung mit den unterschiedlich positionierten Muster zu gestatten. Ansonsten wäre die Struktur und der Betrieb dieses Ausführungsbeispieles gleich zu den zuvor diskutierten.
Die Entscheidung hinsichtlich der Platzierung der Muster (und der entsprechenden Positionierung der optischen Einrichtung 24 und der Beleuchtungseinrichtung 26) ist abhängig von der Größe und der Konfiguration des Raumes in der Nähe des sich drehenden Körpers.
Wie zuvor diskutiert, weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein scheibengleiches Kodierungsrad 20 (mit Mustern darauf) auf, das auf der Oberfläche 18 der Welle 12 (Fig. 1) positioniert ist. Solch ein Kodierungsrad ist bevorzugt, da durch Modifizieren seines Innendurchmessers es den leichten Einbau der vorliegenden Erfindung auf sich drehende Körper von verschiedenen Außendurchmessern gestattet. Jedoch sei gewürdigt, dass die vorliegende Erfindung ohne solch ein Kodierungsrad implementiert sein kann. Bei diesen alternativen Ausführungsbeispielen wären die Muster stattdessen auf dem sich drehenden Körper selbst auf irgendeine Weise positioniert, wie beispielsweise zuvor für das Platzieren der Muster auf der Oberfläche 22 beschrieben wurde. In Fig. 1 würde dies die Platzierung der Muster auf der Oberfläche 18 entlang des Umfangs der Welle 12 involvieren. Alternativ könnte, wie in Fig. 11 gezeigt, die Welle 12 einen ausgeschnittenen Abschnitt 90 aufweisen, der eine Oberfläche 92 erzeugt, die senkrecht zur Drehachse ist und auf welcher kreisförmige oder polare Muster positioniert sein könnten. Das Muster könnte durch die optische Einrichtung 24 wie zuvor diskutiert gelesen werden.
Zusätzlich zu der Prüfreihe 30 des bevorzugten Ausführungsbeispieles, wie es zuvor diskutiert wurde, können alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Fehlerüberprüfung durch Einbinden bzw. Aufnehmen eines Paritätsbits in die Kodierungsreihe 32 implementieren (um die Anzahl der Markierungen gerade oder ungerade zu machen), wie es dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Beleuchtungseinrichtung 26 für ein Beleuchten bzw. Bescheinen des Lichts durch ein Muster positioniert sein, im Gegensatz zum Reflektieren des Lichts vom Muster (in Fig. 1 gezeigt). Obwohl es viele solche Wege für die Strukturierung solch eines alternativen Ausführungsbeispieles gibt, würde ein Weg in einem Kodierungsrad 20 mit einem transparenten Material für die Oberfläche 22 bestehen, und zwar mit der Beleuchtungseinrichtung hinter der Oberfläche 22 (innerhalb des Rades 20) positioniert und mit dem Beleuchten des Lichts durch ein opakes Muster und in Richtung auf die optische Einrichtung 24.
In Anwendungen, in denen der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung nicht in einer abgeschlossenen Umgebung ist, sei gewürdigt, dass der Winkelsensor ohne eine Beleuchtungseinrichtung funktionieren könnte, und zwar stattdessen beruhend auf dem Umgebungslicht.
Als eine Alternative zum Kodierungsreihen-/Prüfreihenmuster, das in Fig. 3 gezeigt ist, kann die Prüfreihe auf der selben Reihe wie (und neben) die Kodierungsreihe sein, wie in Fig. 4 gezeigt, oder die Markierungen können jeweils vermischt (abwechselnd) auf der gleichen Reihe sein.
Obwohl mehrere Muster als Muster dargelegt wurden, die beim Winkelsensor der vorliegenden Erfindung funktionieren werden, sei gewürdigt, dass die Multi-Pixel- Sensoren mit nahezu jeglicher Art von Muster, einfach oder komplex, arbeiten können und diese analysieren können. Als solche könne viele verschiedene Variationen beim Mustertyp implementiert werden und fallen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ohne vom Wortlaut der Ansprüche abzuweichen.
Die vorangegangene Beschreibung wird nur als jene für die bevorzugten Ausführungsbeispiele betrachtet. Modifikationen der Erfindung können sich dem Fachmann zeigen und jenen, die die Erfindung nutzen. Demgemäß sei klar, dass die in den Zeichnungen gezeigten und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele nur zu Darstellungszwecken dienen und nicht zur Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt sind, die durch die folgenden Ansprüche, bei deren Interpretation gemäß den Prinzipien des Patentgesetzes, einschließlich der Äquivalenzdoktrin, definiert ist.

Claims

1. Winkelsensor (10) zum Bestimmen der Winkelposition eines sich drehenden Körpers (12), wobei der Winkelsensor (10) folgendes aufweist:

eine Vielzahl von digitalen Mustern (30, 32), die auf einer Oberfläche (18, 22) positioniert sind, welche sich mit dem drehenden Körper (12) dreht;

eine Lichtquelle (96) zum Beleuchten eines Abschnitts (34) der digitalen Muster (30, 32) in einem festgelegten Bezugsbereich;

eine Multi-Pixel-Optikeinrichtung (24), die in dem festgelegten Bezugsbereich angeordnet ist und Licht von dem Abschnitt (34) der digitalen Muster (30, 32) empfängt und das Licht in eine Vielzahl elektrischer Signale umwandelt; und

eine Verarbeitungsschaltung (24), die mit der Multi-Pixel-Optikeinrichtung (24) verbunden ist und die elektrischen Signale empfängt, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) eine Logik und Speicher umfasst zum Analysieren der elektrischen Signale und zum Identifizieren der digitalen Muster (30, 32) in dem festgelegten Bezugsbereich,

wobei die Vielzahl der digitalen Muster (30, 32) einen Satz von ersten Mustern (32) und einen Satz von zweiten Mustern (30) aufweist, wobei jedes der zweiten Muster (30) einem der ersten Muster (32) entspricht und in umgekehrter bzw. inverser Beziehung zu dem entsprechenden ersten Muster (32) steht, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) die elektrischen Signale von jedem der ersten Muster (32) mit den elektrischen Signalen von seinem entsprechenden zweiten Muster (30) vergleicht, um festzustellen, ob ein Fehler vorhanden ist.

2. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die digitalen Muster (30, 32) schwarze und weiße binäre Markierungen (30, 32) sind, die in Zeilen angeordnet sind und einzigartige bzw. eindeutige binäre Zahlen repräsentieren.

3. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von digitalen Mustern (30, 32) auf einer Außenoberfläche (18) des drehenden Körpers (12) angeordnet ist.

4. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei der Winkelsensor ferner ein scheiben-artiges Code-Rad (20) aufweist, das auf dem drehenden Körper (12) angeordnet ist und sich zusammen damit dreht, und wobei die Vielzahl von digitalen Mustern (30, 32) auf einer Außenoberfläche (22, 21) des Code- Rades (20) angeordnet ist.

5. Winkelsensor (10) nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Mustern (30, 32) auf der Außenumfangsoberfläche (22) des Code-Rades (20) angeordnet ist.

6. Winkelsensor (10) nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Mustern (30, 32) kreisförmig ist und auf einer Oberfläche (21) des Code-Rades (20) angeordnet ist, die senkrecht zu der Drehachse des sich drehenden Körpers (12) ist.

7. Winkelsensor (10) nach Anspruch 5, wobei der Winkelsensor ferner einen Umdrehungszähler (80, 82, 83, 84, 85, 86) umfasst, wobei der Umdrehungszähler (80, 82, 83, 84, 85, 86) folgendes aufweist:

einen Vorsprung (86), der sich mit dem drehenden Körper (12) dreht;

eine drehbare Welle (84); und

ein Anzeige- bzw. Index-Rad (80), das mit der drehbare Welle (84) verbunden ist und ein Muster besitzt, das auf einem ersten Teil (83) der Umfangsoberfläche des Index-Rades (80) angeordnet ist, und zwar in körperlicher Nähe zu dem festgelegten Bezugsbereich, wobei das Index-Rad (80) eine Vielzahl von Ausnehmungen (82) besitzt, die in einem zweiten Teil der Umfangsoberfläche des Index-Rades (80) angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen (82) und der Vorsprung (86) in einer Betriebs- bzw. Funktionsbeziehung stehen, so daß bei jeder vollständigen Umdrehung des drehenden Körpers (12) der Vorsprung (86) mit einer der Ausnehmungen (82) in Eingriff kommt, wobei der Eingriff das Index-Rad (80) schrittweise dreht; und

wobei die Lichtquelle (96) einen Abschnitt des Index-Radmusters in dem festgelegten Bezugsbereich beleuchtet, wobei die Multi-Pixel-Optikeinrichtung (24) Licht von dem Abschnitt des Index-Radmusters empfängt und das Licht in elektrische Signale umwandelt, und wobei die Verarbei tungsschaltung (24) die elektrischen Signale analysiert und die abgestufte bzw. schrittweise Position des Index-Rades (80) identifiziert.

8. Winkelsensor (10) nach Anspruch 7, wobei das Index-Radmuster eine dreieckige Form aufweist, die derart positioniert ist, dass die Breite des Abschnitts des Index-Radmusters, welcher von der Lichtquelle (26) beleuchtet wird, für jede abgestufte bzw. schrittweise Drehung des Index-Rades (80) unterschiedlich ist.

9. Winkelsensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Multi-Pixel-Optikeinrichtung (24) ein zweidimensionales Pixel-Gitter (34) umfaßt, und wobei die Verarbeitungsschaltung (24) die elektrischen Signale von einer Linie von vertikalen Pixeln (36) innerhalb des Gitters (34) analysiert und den Übergangspunkt zwischen den Zeilen (30, 32) identifiziert.

10. Winkelsensor (10) nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) den Übergangspunkt verwendet, um den vertikalen Mittelpunkt einer Zeile (30, 32) zu bestimmen, wobei die Verarbeitungsschaltung (24) die Linie aus horizontalen Pixeln (38, 40) an dem vertikalen Mittelpunkt analysiert, um den Binärwert der Zeile (30, 32) zu berechnen, und wobei die Verarbeitungsschaltung (24) den Binärwert und den Übergangspunkt verwendet, um den präzisen Drehwinkel des drehenden Körpers (12) zu bestimmen.

11. Winkelsensor (10) nach Anspruch 2, wobei jede der Zeilen (30, 32) aus binären Markierungen eine Paritätsmarkierung umfasst, und wobei die Verarbeitungsschaltung (24) die Paritätsmarkierung verwendet um zu bestimmen, ob ein Fehler vorhanden ist.

12. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (96) derart positioniert ist, dass die Optikeinrichtung (24) Licht empfängt, das von dem erwähnten Abschnitt (34) der digitalen Muster (30, 32) reflektiert wird.

13. Winkelsensor (10) nach Anspruch 5, wobei die Außenumfangsoberfläche (22) des Code-Rades (20) aus transparentem Material besteht, wobei Teile der Vielzahl von digitalen Mustern (30, 32) aus lichtundurchlässigem Material bestehen, und wobei die Lichtquelle (26) innerhalb des Code-Rades (20) derart angeordnet ist, dass die Optikeinrichtung (24) Licht empfängt, das durch den erwähnten Abschnitt (34) der digitalen Muster (30, 32) hindurchgeht.

14. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (26) eine Glühlampeneinrichtung aufweist.

15. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (26) eine Infrarotlichteinrichtung aufweist.

16. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (26) eine LED aufweist.

17. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (96) Umgebungslicht ist.

18. Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Multi-Pixel-Optikeinrichtung (24) eine Linse (28) umfasst, um das von dem erwähnten Abschnitt (34) der digitalen Muster (30, 32) empfangene Licht zu fokussieren.