DE2614328C2

DE2614328C2 - Einrichtng zur Messung des Drehwinkels und der Drehzahl eines sich drehenden Bauteils

Info

Publication number: DE2614328C2
Application number: DE2614328A
Authority: DE
Inventors: Minoru Tokio/Tokyo Higurashi; Toru Yokohama Kita; Takao Chiyoda Sugizaki; Kiyoshi Fujisawa Wazawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-04-04
Filing date: 1976-04-02
Publication date: 1984-11-15
Also published as: JPS562883B2; US4053826A; JPS51115852A; DE2614328A1; GB1511118A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, aus der DE-OS 22 26 639 bekannten Einrichtung kann die Drehzahl und/oder der Drehwinkel einer sich drehenden Scheibe mit Hilfe eines Fühlers erfaßt werden, wobei das Prinzip der sogenannten parametrischen Erregung ausgenutzt wird. Diese bekannte Einrichtung erfaßt dabei jedoch nur ein einziges Magnetfeld, das durch die Gruppe von magnetisehen Bereichen bildende Einzelmagnete erzeugt wird, die in radialer Richtung der Scheibe ausgerichtet, an deren Umfang angeordnet sind und bei Drehung der Scheibe an dem mit seiner Hauptachse ebenfalls in radialer Richtung der Scheibe angeordneten Kern des Fühlers vorbeibewegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß zur Erfassung einer weiteren Information über die Drehbewegung der Scheibe, z. B. zur Erfassung einer bestimmten Be/ugsmarkicrung, auch ein /weites Magnetfeld in unmittelbarer Nähe des ersten Magnetfeldes, jedoch unbeeinflußt von diesem, genau und zuverlässig erfaßt werden kann.

Bei einer Einrichtung der genannten Art ist diese Aufgäbe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich durch einen zweiten Fühler gleicher Bauart wie der erste Fühler aus, dessen Kern so ausgerichtet ist, daß er ein weiteres Magnetfeld erfassen kann, das rechtwinklig zum ersten Magnetfeld ausgerichtet ist. Um eine sehr empfindliche und selektive Erfassung der beiden Magnetfelder unabhängig voneinander zu ermöglichen, haben die beiden Kerne eine angenäherte C-Form, wobei die Endberciche eines jeden solchen C-förmigen Kerns einen Luftspalt bilden, an dem die jeweiligen magnetisieren Bereiche der Scheibe vorbeibewegt werden, um den magnetischen Widerstand innerhalb des Luftspaltcs

beim Vorbeibewegen eines jeden inagnetisierten Bereiches zu verringern. Um die gegenseitig unbeeinflußte Erfassung beider Magnetfelder weiter zu verbessern, ist eine magnetische Abschirmung vorgesehen, die die beiden Fühler und insbesondere deren beide Kerne voneinander magnetisch trennt. Mit Hilfe der erfindungsgemä-Qen Einrichtung ist daher in einer relativ einfachen aber höchst zuverlässigen Weise der augenblickliche Drehwinkel, die Drehzahl und auch eine bestimmte Bezugsdrehstellung, z. B. der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu erfassen, wobei mit der das sich drehende Bauteil bildenden Kurbelwelle die Scheibe drehfest verbunden ist

Die selektive Erfassung der beiden unterschiedlichen Magnetfelder erfolgt dabei nicht nur hinsichtlich der Trennung der beiden Magnetfelder voneinander sehr zuverlässig, sondern auch gegenüber Slörsignalen sicher, die besonders bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeug von einer Vielzahl von Störquellen erzeugt werden können.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. I eine Seitenansicht eines magnetischen Fühlers der Einrichtung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht beider magnetischer Fühler,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines als magnetische Abschirmung dienenden Gehäuses, wobei die magnetischen Fühler rechtwinklig zueinander angebracht sind,

F i g. 4 die Anordnung des Gehäuses in bezug auf die Umfangsoberfläche einer sich drehenden Scheibe,

F i g. 5 eine Se'tenansicht der Scheibe, die z. B. mit der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges gedreht werden kann,

F i g. 6 eine Ansicht auf die Umfangsfläche der Scheibe nach F i g. 5 und

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der magnetischen Unempfindlichkeit der Einrichtung gegen unerwünschte äußere Magnetfelder.

In Fi g. 1 ist ein Fühler to für den magnetischen Fluß dargestellt, der einen angenähert C-förmigen Kern mit einer Metallstange !1 sowie ein Paar von L-förmigen Ferrit-Jochen 13 aufweist. Die Metallstange 11 wird beispielsweise aus Phosphorbronze hergestellt, die ein Mikron dick mit einem Dünnfilm 12 aus einer Eiscn-Nikkcl-Legierung mit 36 bis 81% Ni von hoher magnetischer Suszeptibilität bei geringen Feldstärken und niedrigem Hysterese-Verlust beschichtet ist. Ein Ende eines jeden Jochs ist an der Oberfläche dieser Beschichtung 12 angebracht, während ihre entgegengesetzten Enden einander gegenüber so angeordnet sind, daß sich ein Luftspalt 14 zwischen ihnen befindet. Zwischen den Jochen 13 ist die Beschichtung 12 mit einer Wicklung versehen, also spulenartig durch eine Wicklung umgeben, wobei die Spulenanschlüsse der Wicklung 15 mit einem Kondensator 16 verbunden sind. Die gegenüberliegenden Enden der Stange 11 sind an einer Quelle 17 für eine Wechselspannung angeschlossen. Die Beschichtung 12 ist so auf der Stange 11 aufgebracht, daß die Achse der harten Magnetisierung parallel zu der Längsachse der Stange verläuft, während d'e Achse der weichen Magnetisierung tangential zum Umfang der Stange verläuft. Die Joche 13 des Ferritkerns und die Beschichtung !2 bilden einen magnetischen Kreis, wobei die Achse der harten Magnetisierung der Beschichtung 12 parallel zu den darin auftretenden Flußlinien verläuft. Die Wicklung 15 und der Kondensator 16 schwingen in Resonanz mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die des durch die Stange 11 fließenden Stroms ist. Wenn ein Permanentmagnet 18 in die Nähe des Luftspaltes 14 gebracht wird, um Flußlinien durch den .magnetischen Kreis zu erzeugen, tritt an den Ausgangsleitungen 19 eine Wechselspannung auf, deren Frequenz doppelt so

ίο groß wie die Eingangsfrequenz ist. Auf diese Weise spricht also der magnetische Fühler 10 auf die Flußlinien an, die parallel zur Stange 11 verlaufen.

In Fig.2 ist ein Paar von magnetischen Fühlern 10 und tO' dargestellt, die so angebracht sind, daß ihre Joche im rechten Winkel zueinander angeordnet und ihre Stangen in Reihenschaltung durch Verbindungen 20 an die Spannungsquelle 17 angeschlossen sind. Um die beiden Fühler 10, 10' magnetisch voneinander zu trennen, wird jeder Fühler in einem Gehäuse 21 aus einem magnetischen Material angebracht. Wie es in F i g. 3 dargestellt ist, weist das Gehäuse 21 eine Vorderwand 22 und eine Rückwand 23 auf. Die Vorderwand 22 ist mit einem vertikalen Fenster 24 und einem horizontalen Fenster 25 versehen, wobei die Mitte bzw. der Mittelpunkt eines jeden Fensters in einer gemeinsamen, horizontalen Ebene liegt, die parallel zu der Bodenwand des Gehäuses 21 verläuft. Die Fühler 10,10' sind in dem Gehäuse 21 so angebracht, daß die Luftspalte 14 und 14' zu der Mitte der Fenster 24 bzw. 25 angeordnet sind, um

jo die magnetische Kopplung der Fühler mit äußeren Magnetfeldern durch die Fenster zu ermöglichen. Das Gehäuse 21 enthält weiterhin eine magnetische Trennwand 26, die die Fühler 10,10' voneinander trennt, um magnetische Störungen bzw. Interferenzen zu vermeiden.

J5 F i g. 4 zeigt die Befestigung der Fühler 10,10' in dem Gehäuse 21 und die Positionierung des Gehäuses relativ zu der Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe 42. Die obere Wand und die untere Wand des Gehäuses 21 sind mit zwei Paaren von ausgerichteten Nuten 31 und 36 ausgebildet, während in seiner Seitenwand eine Nut 34 ausgebildet ist. Der Fühler 10 ist auf einer isolierenden Tragplatte 30 angebracht, die so zwischen die Nuten 31 eingepaßt ist. daß der Luftspalt 14 des so in dem Gehäuse angebrachten Fühlers 10 durch das Fenster 24 an der Frontwand 22 nach außen frei liegt. Die als magnetische Abschirmung dienende Trennwand 26 ist mit einer Nut 35 ausgebildet, die parallel zu der Nut 34 an der Seitenwand des Gehäuses verläuft. Die Trennwand 26 wird zwischen die Nuten 36 eingepaßt, um das Innere des

V) Gehäuses in zwei magnetisch getrennte Abteilungen zu unterteilen. Der Fühler 10' ist andererseits auf einer isolierenden Tragplatte 32 angebracht, die der Tragplatte 30 ähnelt. Die Tragplatte 32 wird zwischen die Nuten 34 und 35 so eingepaßt, daß der Luftspalt 14' des so in dem Gehäuse angebrachten Fühlers 10' durch das Fenster 25 an der Vorderwand 22 nach außen frei liegt.

Wie in F i g. 5 dargestellt ist, ist die rotierende Scheibe 42 an einer Kurbelwelle 43 eines Kraftfahrzeugs so angebracht, daß sie sich mit der Kurbelwelle dreht. Die

to Scheibe 42 ist mit zwei unterschiedlichen Umfangsflächer 40 und 41 ausgebildet, die Seite an Seite liegen (F i g. 4 und F i g. 6). Mehrere die erste Gruppe von Bereichen bildende Permanentmagnete 44 sind so auf der Oberfläche 40 der Scheibe 42 angeordnet, daß die Ma-

b^r> gnetisicrungsrichtung eines jeden Magneten senkrecht zu der Längsachse der Kurbelwelle 43 liegt. Auf der Oberfläche 41 ist ein die zweite Gruppe von Bereichen bildender Permanentmagnet 45 angeordnet, dessen Ma-

gnetisierungsrichtung parallel zur Längsachse der Kurbelwelle liegt. Dieses bedeutet, daß die Magnelisicrungsrichtungen der Magnete 44 und 45 im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

Wie sich aus F i g. 4 ergibt, ist das Gehäuse 21 mit den darin befestigten Fühlern 10, 10' in bezug auf die Oberfläche der Scheibe 42 so angebracht, daß sich die Fenster 24 und 25 nahe bei den Umfangsflächcn 40 bzw. 41 der Scheibe 42 befinden. Da der Fühler 10 vertikal angc-Absiand von der Quelle des Magnetfeldes mit einer Intensität von 2 Kilogaull zu der Vorderwand des Gehäuses 21 dargestellt wurde. Die Untersuchungen zeigen, daß die Einrichtung, bei der ein Gehäuse aus der genannten Eiscn-Nickel-Legicrung verwendet wird, nur dann fehlerhaft arbeitel bzw. Störungen unterworfen ist, wenn sich die Quelle für das Magnetfeld in dem schmalen, schraffierten Bereich bzw. der schraffierten Fläche befindet, die durch den gestrichelten Halbkreis

ordnet ist, um mit den Linien des von den Magneten 44 to umgeben wird. Außerdem ergaben Messungen, daß der

auf der Oberfläche 40 erzeugten magnetischen Flusses ausgerichtet zu sein, während der Fühler 10' horizontal angeordnet ist, um mit den Linien des von dem Magneten 45 auf der Oberfläche 41 erzeugten magnetischen Flusses ausgerichtet zu sein, spricht der Fühler i0 nur ts auf die sich ändernden Magnetfelder der Magnete 44 an, während der Fühler 10' nur auf die sich ändernden Magnetfelder des Magneten 45 anspricht, wenn die Scheibe 42 mit der Kurbelwelle gedreht wird.

Auf diese Weise werden also die Fühler 10,10' durch die Fenster 24 und 25 magnetisch mit dem jeweils benachbarten Magneten der Magnete 44 bzw. dem Magneten 45 gekoppelt. Bei einer Drehung der Scheibe 42 ändern sich die Magnetfelder an den Luflspallen 14 und 14' mit der Drehzahl der Scheibe 42. so daß die Fühler 10,10' Ausgangssignale erzeugen, deren Amplitude sich entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit der Magnetfelder ändert. Wie oben beschrieben wurde, wird als Ausgangssignal eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz doppelt so hoch wie die Eingangsfrequenz jo ist. Der Maximalwert der Ausgangsspannung wird durch die Intensität der Magnetfelder bestimmt. Dadurch wird die Amplitude des Ausgangssignais nicht durch die Drehzahl beeinflußt, wie es bei den herkömmlichen elektromagnetischen Fühlern der Fall war. deren η Ausgangsspannung proportional zu der Geschwindigkeitsänderung des Magnetfeldes ist.

Für den praktischen Einsatz wird der Magnet 45 in einem Bezugspunkt der Drehung der Kurbelwelle 43 angeordnet, während die Magnete 44 sich in einem Winkelabstand von 1° auf dem Umfang der Scheibe 42 befinden. Um den Drehwinkel der Kurbelwelle 43 mit einer Genauigkeit von 1° bestimmen zu können, werden die Ausgangssignale von den Fühlern 10,10' an eine hier nicht dargestellte Verarbcitungsschaltung gegeben.

Damit sie bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, muß die Einrichtung unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung mit hoher Intensität sein, wie sie sich insbesondere bei der Lichtbogenbildung während der Zündung ergibt. Aus diesem Grund ■>(> sind die Fühler 10, 10' in dem als magnetische Abschirmung dienenden Gehäuse 21 untergebracht, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Empfindlichkeit bzw. Unempfindlichkeit der Einrichtung wurde untersucht Dabei wurde festgestellt, daß die Verwendung eines Gehäuses 21 aus der zuvor genannten Eisen-Nickel-Legierung als magnetische Abschirmung die Fühler tO, 10' unempfindlich gegen ein Magnetfeld eines Permanentmagneten mit einer magnetischen Intensität von 2 KiIogauß macht, der sich in einem Abstand von ungefähr bo 20 mm hinter dem Gehäuse 21 befindet. Dieser Abstand wird von der Vorderwand des Gehäuses gemessen. Fig.7 stellt graphisch die Kennlinie der magnetischen Unempfindlichkeit der Einrichtung mit und ohne ein Gehäuse dar, dessen Abmessungen hs

10 mm χ 3 mm χ 10 mm betragen. Ob die Einrichtung befriedigend arbeitete oder nicht, wurde als Funktion der magnetischen Intensität aufgetragen, die durch den Bereich der Störfläche zunimmt, wie es durch die größere schraffierte, durch den sirich-punktierten Halbkreis eingeschlossene Fläche angedeutet ist. wenn eine Einrichtung ohne das Gehäuse verwendet wird.

Die Widerstandsfähigkeit der Einrichtung gegen mechanische Erschütterungen kann wesentlich erhöht werden, indem ein thermoplastisches Material in das Innere des Gehäuses 21 eingespritz oder eingegossen wird, um die Fühler 10, 10' durch eine Formmasse zu umgeben und in dieser Masse einzuschließen, die der gesamten Einheit eine hohe strukturelle Festigkeit verleiht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung des Drehwinkels und der Drehzahl eines sich drehenden Bauteils mil einer drehbar mit diesem gelagerten Scheibe, die eine Gruppe von magnetischen Bereichen hat, die an einer Umfangsfläche der Scheibe mit einem bestimmten Abstand in Richtung der in einer Richtung ausgerichteten Magnetisierung angeordnet sind, und einem magnetischen Fühler, der einen Kern mit einem einachsigen, anisotropen Abschnitt hat, wobei die Richtung der harten Magnetisierung in der einen Richtung ausgerichtet ist, eine Induktion.swicklung, die um den anisotropen Abschnitt des Kerns gewikkelt ist, einen der Wicklung parallel geschalteten Kondensator und eine Quelle eines Wechselstroms hat, der durch einen Teil des Kerns fließt, der parallel zu der Richtung der harten Magnetisierung verläuft, wobei die Resonanzfrequenz des aus der Wicklung und dem Kondensator gebildeten Schwingkreises ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Wechselstroms ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (42) eine zweite Gruppe magnetisierter Bereiche (45) hat, die auf einer der ersten Umfangsfläche (40) nächstliegcnden zweiten Umfangsfläche (41) der Scheibe (42) mit einem bestimmten Abstand in Richtung der Magnetisierung angeordnet sind, die in einer zur einen Richtung rechtwinkligen anderen Richtung ausgerichtet ist, daß ein jo zweiter magnetischer Fühler (10') gleicher Bauart wie der erste Fühler (10) einen Kern (H') mit einem einachsigen anisotropen Abschnitt hat, wobei die Richtung der harten Magnetisierung in der anderen Richtung ausgerichtet ist, daß jeder der Kerne (11, η 11') der ersten und zweiten Fühler (10,10') eine angenäherte C-Form hat, die einen Luftspalt (14, 14') zwischen jedem Endbereich bildet, und daß eine magnetische Abschirmung (26) zum gegenseitigen Abschirmen der ersten und zweiten Fühler (10, 10') voneinander vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt (14) begrenzenden Endbereiche des Kerns (11) des ersten Fühlers (10) parallel zu der Orientierung des ersten magneli- 4^Λ> sehen Feldes ausgerichtet sind und daß die Endbereiche des Kerns (1Γ) des zweiten Fühlers (10') parallel zu der Orientierung des zweiten magnetischen Feldes ausgerichtet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung der ersten Gruppe von Bereichen (44) parallel und die Magnetisierungsrichtung der zweiten Gruppe von Bereichen (45) senkrecht zur Drehachse der Scheibe (42) verlaufen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung ein magnetisches Gehäuse (21) mit einer ersten und einer /weiten magnetisch abgeschirmten Abteilung aufweist, die jeweils ein Fenster (24, 25) bo haben, und daß die L'ndbereiche des Kerns (11) des ersten Fühlers (10) in der Nähe des Fensters (24) der ersten Abteilung angeordnet sind, wahrend die l'ndbereiche des Kerns des zweiten Fühlers (10') in der Nähe des Fensters (25) der /weiten Abteiking ange- b^r> ordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, däti das magnetische Gehäuse (21) aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 36 bis 81% Ni von hoher magnetischer Suszeptibilität bei geringen Feldstärken und niedrigem Hysterese-Verlust besteht.

b. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einachsige, anisotrope Abschnitt des Kerns eine Metallstange (11) aufweist, die mit einem dünnen Film aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 36 bis 81% Ni von hoher magnetischer Suszeptibilität bei geringen Feldstärken und niedrigem Hysterese-Verlust beschichtet ist, und daß der Wechselstrom durch die Metallstange in ihrer Längsrichtung geführt ist

7 Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (21) ein thermoplastisches Material eingespritzt bzw. eingegossen ist

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daQ die Endbereiche des Kerns eines jeden Fühlers (10,10') aus Ferrit bestehen.

9. Eini ichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (11, 11') der ersten und zweiten Anordnung (10, 10') in einer Reihenschaltung mit der Wechsclspannungsquelle (J7) verbunden sind.