DE3902887A1 - Device for obtaining electrical motion and/or position signals in the case of relative movements between two components - Google Patents

Abstract

A device with magnetic asymmetries (teeth 2) which move relative to a permanent magnet (4) which forms a component of a mechanical clamping of a piezoelectric element (6) is used for generating accurate electrical voltage signals for the rotational-speed and/or angular position which are virtually independent of environmental influences; their piezoelectric element (6) is subjected to different mechanical stresses in dependence on the magnitude of the respective air gap (5) in the magnetic flux generated in this manner and closing over the magnetic asymmetry (2), so that this element supplies a pulse-shaped signal voltage (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der bevorzugte Einsatzfall der Erfindung ist derjenige als Drehzahlsensor für die Kurbelwelle einer Brenn­ kraftmaschine.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1. The preferred application of the invention is the one as a speed sensor for the crankshaft of a burner engine.

Unter magnetischen Unsymmetrien ist eine periodische, sich in Richtung der Relativbewegung erstreckende Folge von magnetisch gut und magnetisch weniger gut leitenden Bereichen zu verstehen, in der Regel eine Folge von Zähnen aus ferromagnetischem Material mit dazwischenliegenden Zahnlücken, die aber auch mit einem magne­ tisch weniger gut leitenden Material ausgefüllt sein können. Der­ artige magnetische Unsymmetrien sind beispielsweise in Gestalt von mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Zahnkränzen bekannt, wobei bei den üblicherweise verwendeten induktiven Sensoren während der Relativbewegung zwischen diesen Zahnkränzen einerseits und einem ortsfesten Bauteil andererseits in einer ortsfest angeordneten Spule Spannungsimpulse induziert werden, deren Anzahl je Zeiteinheit ein Maß für die Drehzahl der Kurbelwelle ist.Under magnetic asymmetries is a periodic, in Direction of the relative movement extending sequence of magnetic to understand good and magnetically less conductive areas usually a series of teeth made of ferromagnetic material with gaps in between, but also with a magne table less conductive material can be filled. The like magnetic asymmetries are in shape, for example known from sprockets rotatably connected to the crankshaft, with the commonly used inductive sensors during the relative movement between these sprockets on the one hand and a stationary component on the other hand arranged in a stationary Coil voltage pulses are induced, their number per unit of time is a measure of the speed of the crankshaft.

Betrachtet man weiter den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich zur Messung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraft­ maschine (wobei über die Lage ausgezeichneter magnetischer Unsymme­ trien auch der jeweilige Kurbelwinkel erfaßt werden kann), so muß die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß sie in dem relativ großen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine - bei als Antriebs­ motoren für Kraftfahrzeuge dienenden Brennkraftmaschinen liegen die Drehzahlwerte etwa zwischen 0 und 10 000 U/min - eine hohe Winkelauflösung und damit eine hohe Genauigkeit garantiert. Üblicher­ weise verwendet man hier bei den Zahnkränzen Zähnezahlen bei 120 und erzeugt Spannungsimpulse mit einer Frequenz zwischen 0 und 20 kHz.If one further considers the preferred application of the invention, namely for measuring the speed of the crankshaft of an internal combustion engine (whereby the position of excellent magnetic asymmetries can also be used to detect the respective crank angle), the device must be designed in such a way that it is relative Large speed range of the internal combustion engine - for internal combustion engines serving as drive motors for motor vehicles, the speed values are between approximately 0 and 10,000 rpm - a high angular resolution and thus a high degree of accuracy are guaranteed. Usually, the number of teeth at 120 is used for the sprockets and voltage pulses are generated with a frequency between 0 and 20 kHz.

Betrachtet man die heute für derartige Einsatzfälle bekannten Vorrichtungen bzw. Sensoren, so besitzen sie entweder nicht über den gesamten Drehzahl- bzw. Frequenzbereich die erforderliche Amplitudenkonstanz des Signals oder sie erfüllen andere Grundvoraus­ setzungen, wie mechanische Robustheit, ausreichend großer Temperatur­ arbeitsbereich, elektrische und magnetische Störunempfindlichkeit, Großserienfreundlichkeit hinsichtlich Aufwand und Kosten, nicht:
Hervorstechender Nachteil von nach dem induktiven Prinzip arbeitenden Vorrichtungen bzw. Sensoren ist die in unerwünschtem Ausmaß vorlie­ gende Frequenz- bzw. Drehzahlabhängigkeit der Amplitude der elektri­ schen Signale, so daß Schwierigkeiten bei der Toleranzeinhaltung auftreten und eine aufwendige Signalaufbereitungselektronik erforder­ lich ist.If you consider the devices or sensors known for such applications today, they either do not have the required amplitude constancy of the signal over the entire speed or frequency range or they meet other basic requirements, such as mechanical robustness, sufficiently large temperature working range, electrical and magnetic Immunity to interference, ease of mass production in terms of effort and costs, not:
The main disadvantage of devices or sensors working on the inductive principle is the undesired extent of the frequency or speed dependency of the amplitude of the electrical signals, so that difficulties with tolerance compliance occur and complex signal conditioning electronics is required.

Ebenfalls bekannte optoelektronische Vorrichtungen besitzen nicht die erforderliche Signalsicherheit und scheiden bisher wegen des elektronischen und platzmäßigen Aufwandes aus.Also known optoelectronic devices do not have the required signal security and so far divorced because of electronic and space-consuming.

Nach dem Wiegand-Effekt arbeitende Sensoren sind zwar technisch vorteilhaft, jedoch für die Großserienanwendung beispielsweise bei Kraftfahrzeugmotoren noch zu teuer. Sensors working according to the Wiegand effect are technical advantageous, but for example for large series applications still too expensive for motor vehicle engines.  

Die Entwicklung bei Hallsensoren ist noch nicht zu einem Abschluß gekommen. Nach wie vor ist der Gesamtaufwand für die zur Signaler­ stellung erforderlichen Komponenten einschließlich Signalaufbereitung und Spannungsversorgung groß.The development of Hall sensors is not yet complete came. The total effort for the signalers is still necessary components including signal processing and power supply great.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die bei kleinem Aufwand in einem vorgegebenen Drehzahl- bzw. Fre­ quenzbereich, wie er beispielsweise in dem mehrfach beschriebenen bevorzugten Einsatzfall an der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine vorliegt, die erforderliche Genauigkeit und Unabhängigkeit der Signalamplitude bei minimalem Aufwand sicherstellt.The invention is therefore based on the object of a device to create the type mentioned in the preamble of claim 1, the with little effort in a predetermined speed or Fre frequency range, as described, for example, in the multiple description preferred application on the crankshaft of an internal combustion engine is present, the required accuracy and independence of the Ensures signal amplitude with minimal effort.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeich­ nenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The inventive solution to this problem consists in the character nenden features of claim 1, advantageous training the invention describe the subclaims.

Die Erfindung löst die definierte Aufgabe also in bestechend ein­ facher Weise dadurch, daß ein piezokeramisches Element, das eine beliebige Form, beispielsweise als Plättchen oder Stäbchen in runder oder eckiger Form, besitzen kann, über ein Magnetfeld pul­ sierende Krafteinwirkungen erfährt, wobei dieses Magnetfeld in seiner Stärke gleichsam rhythmisch durch die beschriebenen magneti­ schen Unsymmetrien bei den Relativbewegungen verändert wird. Wie sich gezeigt hat, geben die dabei an den Ausgangsklemmen des Piezo­ elements abgegriffene Spannungsimpulse Lage und Anzahl der magneti­ schen Unsymmetrien (Zähne) genau wieder, so daß sie beispielsweise zum Ansteuern elektronischer Steuer- und Regeleinrichtungen verwen­ det werden können. Dabei bleibt es dem Fachmann für den jeweiligen Anwendungsfall überlassen, ob er die konstruktive Ausbildung so trifft, daß Druck, Zug oder Biegebeanspruchungen auf das Piezoele­ ment ausgeübt werden. The invention solves the defined problem in an impressive manner multiple ways in that a piezoceramic element, the one any shape, for example as a plate or stick in round or square shape, can have a magnetic field pul experiencing forces, this magnetic field in its strength, as it were, rhythmically through the described magneti asymmetries in the relative movements is changed. How has shown that they give at the output terminals of the piezo elements tapped voltage pulses position and number of magneti asymmetries (teeth) exactly again, so that they, for example Use to control electronic control and regulating devices can be detected. It remains the specialist for each Use case whether he did the constructive training like that hits that pressure, tension or bending stresses on the Piezoele ment can be exercised.  

Wie bei jeder Sensoranordnung, die mit Magneten bzw. Magnetfeldern arbeitet, bestimmen die schon im Hinblick auf die berührungslose Relativbewegung erforderlichen Luftspalte die Signalamplitude und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung. Praktisch nicht beeinflußt wird jedoch die Signalamplitude durch die jeweils vorlie­ gende Drehzahl bzw. Frequenz.As with any sensor arrangement that uses magnets or magnetic fields works, they already determine with regard to the contactless Relative movement required air gaps the signal amplitude and thus the sensitivity of the device. Practically not However, the signal amplitude is affected by the respective speed or frequency.

Zu beachten ist in jedem Fall, daß zwecks Vermeidung von Störein­ flüssen auf die so erzeugten Spannungssignale die Vorrichtung in allen Bauteilen möglichst leicht und steif ausgeführt sein muß, damit die Eigenfrequenz deutlich über der höchsten Arbeitsfre­ quenz bzw. über kritischen harmonischen Frequenzen liegt.In any case, it should be noted that in order to avoid interference flow on the voltage signals thus generated, the device be as light and stiff as possible in all components must, so that the natural frequency well above the highest Arbeitsfre frequency or above critical harmonic frequencies.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung für den bevorzugten Einsatzfall (Messung der Drehzahl einer Kurbelwelle) werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Several embodiments of the invention for the preferred Application (measurement of the speed of a crankshaft) are in the following explained with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 in Achsrichtung der Kurbelwelle bzw. des mit dieser drehfest verbundenen Zahnkranzes ein erstes Ausführungsbei­ spiel und Fig. 1 in the axial direction of the crankshaft or the sprocket connected to it in a rotationally fixed manner, a first embodiment and

Fig. 2 in derselben Richtung ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 2 in the same direction a second embodiment and

Fig. 3 perspektivisch ein drittes Ausführungs­ beispiel. Fig. 3 perspective, a third embodiment example.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist allgemein mit 1 ein Zahnkranz bezeichnet, der drehfest und konzentrisch mit der Kurbelwelle, die figürlich nicht wiedergegeben ist, verbunden ist. Die wesent­ lichen Bestandteile dieses Zahnkranzes, also gleichsam die magneti­ schen Unsymmetrien, sind die Zähne 2, zwischen denen sich in diesem Ausführungsbeispiel mit Luft gefüllte Abstände 3 befinden. Der ortsfest angeordnete Permanentmagnet 4 erzeugt ein magnetisches Feld, das sich über den Zahnkranz 1 schließt, wobei der magnetische Fluß umso größer ist, je kleiner der Luftspalt 5 zwischen dem Magneten 4 einerseits und dem rotierenden Zahnkranz 1 andererseits jeweils ist. Befindet sich also, wie dargestellt, unter dem Perma­ nentmagneten 4 gerade ein Zahn 2 aus ferromagnetischem Material, so ist der Fluß relativ groß; umgekehrte Verhältnisse liegen vor, wenn eine Zahnlücke 3 unter dem Magneten 4 steht.Referring first to Fig. 1, as is indicated generally at 1, a gear referred to, which is rotatably and concentrically connected to the crankshaft, which is not figured reproduced. The wesent union components of this ring gear, so to speak the magnetic asymmetries rule, are the teeth 2 , between which there are air-filled distances 3 in this embodiment. The permanently arranged permanent magnet 4 generates a magnetic field which closes via the ring gear 1 , the magnetic flux being greater the smaller the air gap 5 between the magnet 4 on the one hand and the rotating ring gear 1 on the other hand. So, as shown, under the permanent magnet 4 just a tooth 2 made of ferromagnetic material, the flow is relatively large; the opposite is true if there is a tooth gap 3 under the magnet 4 .

Der Permanentmagnet 4 bildet einen Bestandteil einer Einspannung für das Piezoelement 6, dessen von der mechanischen Beanspruchung des Elements 6 abhängige Ausgangsspannung mittels der Signalleitung 7 einer hier nicht interessierenden Auswerteschaltung zugeführt wird. Das einen ortsfesten Bestandteil der gesamten Vorrichtung bildende Gehäuse 8 befindet sich auf Massepotential; es kann auch die Auswerteschaltung (Microchips) aufnehmen.The permanent magnet 4 forms part of a clamping for the piezo element 6 , the output voltage of which is dependent on the mechanical stress on the element 6 is fed via the signal line 7 to an evaluation circuit that is not of interest here. Housing 8 , which forms a fixed part of the entire device, is at ground potential; it can also accommodate the evaluation circuit (microchips).

Sobald also der Luftspalt 5 - wie dargestellt - seinen Minimalwert besitzt, ist die durch das magnetische Feld des Permanentmagneten 4 hervorgerufene mechanische Beanspruchung des Piezoelements 6 relativ groß, so daß eine relativ hohe Spannung als Signal mittels der Leitung 7 abgegriffen wird, während bei großem Luftspalt 5, also Lage einer Zahnlücke 3 unter dem Magneten 4, die mechanische Bean­ spruchung des Piezoelements 6 und damit die von diesem erzeugte Spannung einen Minimalwert besitzt. Demgemäß ergibt sich eine drehzahlabhängige Folge von Spannungsimpulsen, die zur Gewinnung einer Aussage über Drehzahl und/oder Winkellage des Zahnkranzes 1 ausgewertet werden können.As soon as the air gap 5 - as shown - has its minimum value, the mechanical stress on the piezo element 6 caused by the magnetic field of the permanent magnet 4 is relatively large, so that a relatively high voltage is picked up as a signal by means of the line 7 , while a large air gap 5 , ie position of a tooth gap 3 under the magnet 4 , the mechanical stress on the piezo element 6 and thus the voltage generated by it has a minimum value. This results in a speed-dependent sequence of voltage pulses, which can be evaluated to obtain information about the speed and / or angular position of the ring gear 1 .

Auch in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erkennt man einen Zahnkranz 10, der zusammen mit der Kurbelwelle rotiert, und im ortsfesten Teil der Anordnung ein Piezoelement 11, das sich auf dem geerdeten Gehäuse 12 abstützt. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die mechanische Belastung des Piezoelements 11 über die ferromagnetische Brücke 13, die beiderseits des Piezoelements 11, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel in der Ebene des Zahnkran­ zes 10 gegeneinander versetzt, jeweils einen Permanentmagneten 14 und 15 trägt. Die Signalleitung ist mit 16 bezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden Permanentmagneten 14 und 15 ist, wie aus der Figur unmittelbar ersichtlich, gleich dem Abstand zwischen zwei Zähnen des Zahnkranzes 10 gewählt.Also in the embodiment according to FIG. 2, a ring gear 10 can be seen which rotates together with the crankshaft, and in the fixed part of the arrangement a piezo element 11 which is supported on the grounded housing 12 . In this exemplary embodiment, the mechanical loading of the piezo element 11 takes place via the ferromagnetic bridge 13 , which is offset on both sides of the piezo element 11 , specifically in this exemplary embodiment in the plane of the tooth crane 10 , each carries a permanent magnet 14 and 15 . The signal line is designated 16 . The distance between the two permanent magnets 14 and 15 is, as can be seen directly from the figure, equal to the distance between two teeth of the ring gear 10 .

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel mit dem hier perspek­ tivisch angedeuteten Zahnkranz 20 verwendet wiederum nur einen Permanentmagneten 21 in dem ortsfesten Gehäuse 22, der brückenartig in Richtung jeweils eines Zahnes, also quer zur Ebene des Zahnkran­ zes 20, ausgerichtet ist. Er ist etwa U-förmig gestaltet und stützt sich auf dem Piezoelement 23 ab, das demgemäß in den Bewegungsphasen, in denen ein Zahn unter den Magnetpolen des Magneten 21 steht, einer maximalen Druckbeaufschlagung, dagegen bei Lage einer Zahnlücke unter den Magnetpolen einer minimalen Druckbeaufschlagung unterworfen ist. Entsprechend greift man über die Signalleitung 24 wiederum eine von der jeweiligen Drehzahl abhängige Folge von Spannungsimpul­ sen ab.The embodiment shown in FIG. 3 with the sprocket 20 indicated perspectively here in turn uses only a permanent magnet 21 in the stationary housing 22 , which is oriented like a bridge in the direction of one tooth, that is to say transversely to the plane of the toothed crane 20 . It is approximately U-shaped and is supported on the piezo element 23 , which is accordingly subjected to a maximum pressure during the movement phases in which a tooth is under the magnetic poles of the magnet 21 , but is subjected to a minimal pressure when there is a tooth gap under the magnetic poles is. Correspondingly, one seizes a sequence of voltage pulses dependent on the respective speed in turn from signal line 24 .

Mit der Erfindung ist demgemäß eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geschaffen, die bei minimalem Aufwand in einem großen Drehzahl- bzw. Frequenzbereich mit geringen Toleranzen und bei geringer Störempfindlichkeit die Erzeugung impulsförmiger elektrischer Signale für Drehzahl und/oder Winkelstellung ermöglicht.Accordingly, the invention is a device according to the preamble of claim 1 created in with minimal effort a large speed or frequency range with small tolerances and with low sensitivity to interference the generation of pulses electrical signals for speed and / or angular position.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Bewegungs- und/oder Stellungssignale bei Relativbewegungen zwischen zwei Bauteilen, von denen eines in Richtung der Relativbewegungen eine definierte Folge magnetischer Unsymmetrien in einem in dem anderen Bauteil erzeugten Magnetfeld besitzt, wobei das andere Bauteil mit einem Wandler zum Umsetzen der durch die Unsymmetrien hervor­ gerufenen zeitlichen magnetischen Flußänderungen in die elektri­ schen Signale bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Piezoelement (6) in einer vom magnetischen Fluß durchsetzten Einspannung enthält.1. An apparatus for obtaining electrical movement and / or position signals in the case of relative movements between two components, one of which has a defined sequence of magnetic asymmetries in a magnetic field generated in the other component in the direction of the relative movements, the other component having a transducer for implementing the is caused by the asymmetries caused temporal magnetic flux changes in the electrical signals, characterized in that the transducer contains a piezo element ( 6 ) in a clamping penetrated by the magnetic flux. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannung einen das Magnetfeld erzeugenden Permanentmagne­ ten (4) enthält, der sich an dem Piezoelement (6) abstützt.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the clamping contains a permanent magnet generating the magnetic field ten ( 4 ) which is supported on the piezo element ( 6 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannung eine sich an dem Piezoelement (11) abstützende ferromagnetische Brücke (13) enthält, die beiderseits des Piezoelements (11) Permanentmagnete (14, 15) zur Erzeugung des Magnetfeldes trägt. That the clamping contains 3. Device according to claim 1, characterized in that one at the piezo element (11) supporting ferromagnetic bridge (13) on either side of the piezoelectric element (11) permanent magnets (14, 15) contributes to the generation of the magnetic field. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Permanentmagnete (14, 15) gleich den Abständen zwischen magnetischen Unsymmetrien gewählt sind.4. The device according to claim 3, characterized in that the distances between the permanent magnets ( 14 , 15 ) are chosen equal to the distances between magnetic asymmetries. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Unsymmetrien durch Zähne (2) aus ferromagnetischem Material gebildet sind und sich der Permanentmagnet als Brücke (21) parallel zu den einzelnen Zahnköpfen erstreckt.5. The device according to claim 3, characterized in that the magnetic asymmetries are formed by teeth ( 2 ) made of ferromagnetic material and the permanent magnet extends as a bridge ( 21 ) parallel to the individual tooth tips.