DE4141958A1 - Drehzahlsensor, insbesondere zahnradsensor - Google Patents
Drehzahlsensor, insbesondere zahnradsensorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehzahlsensor,
insbesondere einen Zahnradsensor mit einem Magneten und zwei
damit zusammenwirkenden, im seitlichen Abstand voneinander
angeordneten Hall-Elementen, wobei ein einen unregelmäßigen
Umfang oder mit Unstetigkeitsstellen versehenen Umfang
aufweisendes Bauteil aus ferromagnetischen Material,
insbesondere ein Zahnrad, dessen Drehwinkel oder Drehzahl
ermittelt werden soll, in Richtung des Seitenabstands an den
Hall-Elementen vorbeibewegbar ist.
Mit Hilfe eines solchen Drehzahlsensors kann man die Drehzahl
eines Bauteils oder auch nur seine spezielle Stellung bei
Stillstand ermitteln und in ein entsprechendes Signal
umsetzen, das in einer entsprechenden elektronischen
Einrichtung weiterverarbeitet werden kann. Man verwendet
solche Drehzahlsensoren überall dort, wo es Drehzahlen oder
auch nur Drehwinkel zu erfassen gilt. Ein besonderes
Anwendungsgebiet sind Kraftfahrzeuge und dort im speziellen
das automatische Bremssystem (ABS) oder die
Antischlupfregelung (ASR) für die angetriebenen Räder oder
auch das Motor- und Getriebemanagement.
Solche Drehzahlsensoren sind hochgenaue Einheiten, deren
Elemente nicht nur sehr genau hergestellt, sondern auch
einander zugeordnet werden müssen. Dies gilt insbesondere
hinsichtlich des Magneten und der beiden Hall-Elemente.
Im Falle eines Zahnradsensors laufen an dem Hall-IC mit den
beiden Hall-Elementen, dem Magneten sowie den elektronischen
Einrichtungen, wie bspw. einer Schutzbeschaltung, die Zähne
des Zahnrads nacheinander vorbei. Jeder Zahn ergibt einen
Impuls und durch Zählen der Impulse kann man die Drehzahl
ermitteln. Genauer gesagt ist es allerdings so, daß der
Drehzahlsensor nicht den Zahn als solchen erkennt, sondern
jeweils den Übergang von Zahn zu Zahnlücke oder umgekehrt. Ein
komplettes Signal entsteht somit, wenn am Drehzahlsensor
jeweils ein Zahn und eine Zahnlücke vorbeigegangen sind oder
anders ausgedrückt, wenn das Zahnrad um eine Einheit aus Zahn
und Zahnlücke weitergedreht worden ist.
Der Sensor erfaßt zunächst einmal das sog. Grundfeld des
Magneten. Zu dieser Feldstärke des Grundfelds wird noch ein
aus der Masse des Zahnrads o.dgl. Bauteils herrührende
Feldstärke hinzuaddiert. Wenn dann dem Sensor anstelle einer
Zahnlücke ein Zahn zugeordnet ist, so führt dies für die Dauer
der Zuordnung des Zahns zum Sensor zu einer nochmaligen
Verstärkung des Magnetfelds. Wenn sich also das Zahnrad dreht,
so erfolgt eine Schwankung der Feldstärke in Abhängigkeit vom
Vorbeibewegen der Zähne und Zahnlücken am Sensor.
Weil aber in Drehrichtung des Zahnrads gesehen die beiden
Hall-Elemente des Drehzahlsensors in Umfangsrichtung des
Zahnrads bzw. des Bauteils versetzt sind, kommt der Zahn
zunächst am einen und nach einem gewissen Drehwinkel am
zweiten Hall-Element an. Die hieraus resultierenden
Schwingungen des Magnetfelds der beiden Sensoren sind über die
Zeit gesehen gegeneinander versetzt.
Wenn allerdings ein stillstehender Zahn gleichzeitig beiden
Hall-Elementen gegenübersteht, so ist die Gesamtmangnetstärke
an beiden Hall-Elementen gleich groß. Wenn man nun die
Differenz in einem entsprechenden Differenzverstärker bildet,
ergibt dies den Wert Null. Sofern sich das Zahnrad o.dgl.
Bauteil dreht, sind, wie gesagt, die beiden Schwingungen über
die Zeit gesehen gegeneinander versetzt, weswegen ein
Differenzverstärker ein endliches Signal abgibt. Dabei heben
sich allerdings die Werte für das Grundfeld und die Masse des
Bauteils gegeneinander auf, so daß die Schwingung nur noch die
Erhöhung der magnetischen Feldstärke, welche durch den Zahn
bedingt ist, umfaßt.
Mit Hilfe eines sog. Schmitt-Triggers kann man das analoge
Signal, welches die beiden Hall-Elemente wie gesagt zeitlich
versetzt erhalten und welches aus einem Differenzverstärker
herauskommt in eine digitale Impulsfolge umsetzen. Diese kann
dann an eine entsprechende Elektronik zur Verarbeitung
weitergeleitet werden.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das Differenzsignal
nur dann dem theoretischen Wert entspricht, wenn auch alle
Voraussetzungen korrekt erfüllt sind. Dies ist aber in der
Praxis nicht der Fall, weil die verwendeten Magnete
hinsichtlich ihrer Feldstärke vom idealen Wert mitunter nicht
unbeträchtlich abweichen können. Über die Fläche bspw. des
wirksamen Pols gesehen kann der Verlauf der Feldstärke so
abweichen, daß trotz einer korrekten geometrischen Zuordnung
des Magneten zu den beiden Hall-Elementen diese
unterschiedliche Werte der Magnetfeldstärke des Grundfelds
erfassen. Weil aber die Magnete in aller Regel
Permanentmagnete sind und infolgedessen ihre Struktur
fehlerhaft sein kann, läßt sich bei den vorbekannten
Drehzahlsensoren dieses Problem nicht ausschalten. Ähnliches
gilt für die Fertigungstoleranzen der Auswerteschaltung. Es
ist nicht zu vermeiden, daß Asymmetrien zwischen den
Hall-Elementen oder im Differenzsignal bestehen. Die Folge ist
ein fehlerhaftes Funktionieren des Drehzahlsensors bis hin zu
einem völligen Ausfall.
Es liegt infolgedessen die Aufgabe vor, einen Drehzahlsensor
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Fehler in
der Struktur des Magneten oder der Auswerteschaltung bzw. der
Elemente erfaßt und ausgeglichen werden können um dadurch das
einwandfreie Funktionieren des Drehzahlsensors zu
gewährleisten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß der Drehzahlsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs
ausgebildet ist.
Wenn nun der Magnet oder die Auswerteschaltung bzw. die
Elemente eine fehlerhafte Struktur hat, welche bspw. einen
asymmetrischen Verlauf der magnetischen Feldstärke über die
Fläche gesehen oder auch nur Fehler im Kurvenverlauf zur Folge
hat, welche dazu führt, daß es bei korrekter geometrischer
Ausrichtung des Drehzahlsensors gegenüber dem Bauteil oder
einem Zahn des Zahnrads zu unterschiedlichen Ausgangssignalen
der beiden Hall-Elemente kommt, so läßt sich dies dadurch
korrigieren, daß man innerhalb des Drehzahlsensors den
Magneten in Richtung des Abstands der beiden Hall-Elemente
solange verschiebt bis beide bei stehendem Zahn die gleiche
Gesamtstärke des Magnetfelds feststellen. Nunmehr kann auch
über einen Differenzverstärker ein korrektes Differenzsignal
gebildet werden, welches man dann auswerten oder ggf.
umwandeln und auswerten kann. Über geeignete
Anzeigeinstrumente läßt sich die Gesamtfeldstärke der beiden
Hall-Elemente leicht darstellen, überwachen und korrigieren.
Somit kann die optimale Montageposition des Magneten gegenüber
dem Hall-IC auf einfache Weise genau bestimmt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Hall-IC im
Drehzahlsensor fest montiert und der Magnet gegenüber dem
Hall-IC verschiebbar gelagert ist. Es ist insofern die
vorteilhaftere Lösung gegenüber einer Verschiebung des Hall-IC
als der Magnet keine elektrischen Anschlüsse besitzt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
kennzeichnet sich dadurch, daß der Magnet in einem Halter
befestigt und der Halter verschiebbar in einem Gehäuse des
Drehzahlsensors gehalten ist. Dies ermöglicht eine
herkömmliche Form des Magneten trotz seiner verschiebbaren
Lagerung. In bevorzugter Weise hat der Magnet eine
kreiszylindrische Gestalt.
Eine andere Variante der Erfindung ist durch eine in der Art
einer Nut-Feder-Verbindung ausgebildete Längsführung
gekennzeichnet, wobei sich die Feder vorzugsweise am Halter
des Magneten befindet. Der Halter kann leicht aus Blech o. dgl.
hergestellt werden, wobei er allerdings die magnetischen
Eigenschaften nicht stören darf.
Desweiteren ist es sehr vorteilhaft, daß der Magnethalter nach
dem Justieren des Drehzahlsensors fixiert wird, insbesondere
durch Verstemmen. Gerade im letzteren Falle ist die
aufgefundene optimale Position mit geringsten Mitteln zu
sichern.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei stellen dar:
Fig. 1 in der Seitenansicht eine erste
Ausführungsform, teilweise in Längsrichtung
geschnitten;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung mit
angedeutetem Zahnrad;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Fig. 2 zusammen mit
einem Zahnrad;
Fig. 4 in perspektivischer und explosionsartiger
Darstellung eine dritte Variante der
Erfindung.
Nachfolgend wird davon ausgegangen, daß es sich in allen
Fällen um einen Zahnradsensor handelt, der in Verbindung mit
einem Zahnrad 1 verwendet werden soll. Der den Hall-IC 2 und
den Magneten 3 aufweisende Bereich wird den Zähnen 6 des
Zahnrads 1 in der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise
zugeordnet. Der Hall-IC 2 ist mit zwei Hall-Elementen 4 und 5
ausgestattet, die gemäß Fig. 3 etwa in Umfangsrichtung des
Zahnrads 1 gesehen seitlich gegeneinander versetzt sind, so
daß jeder Zahn 6 zunächst das Hall-Element 5 und anschließend
das Hall-Element 4 erreicht, wenn sich das Zahnrad im Sinne
des Pfeils 7 dreht.
Gemäß Fig. 4 ist jeder Sensor mit einer Platine 8
ausgestattet, welche eine Reihe von elektronischen
Bauelementen, insbesondere eine Schutzbeschaltung aufweist.
Hinzu kommen innere elektrische Anschlußelemente 9, ein
Grundkörper 10, zwei Abdeckungen 11, 12 - beim
Ausführungsbeispiel der Fig. 4 - sowie ein Anschlußkabel 13.
Weitere nicht näher beschriebene Elemente können von bekannter
Art sein.
Aus den Fig. 2 und 3 ersieht man, daß zwischen dem Zahnrad
1 und dem Sensor im Bereich des Hall-IC 2 und des Magneten 3
ein vorgegebener Spaltabstand 14 ist, und daß die beiden
Hall-Elemente 4 und 5 einem bspw. auf der Y-Achse 16 stehenden
Zahn so zugeordnet sind, daß sie in Drehrichtung gesehen oder
seitlich betrachtet von dieser Y-Achse den gleichen
Seitenabstand aufweisen.
Wenn der Magnet 3 nicht fehlerfrei ist, oder die Hall-Elemente
4 und 5 bzw. deren Auswerteschaltung elektrisch nicht völlig
symmetrisch ausgeführt sind, was in der Praxis häufig
vorkommt, so bedeutet dies, daß in der Konfiguration gemäß
Fig. 3 die Hall-Elemente 4 und 5 ein unterschiedliches
Gesamtmagnetfeld feststellen, obwohl es theoretisch genau
gleich sein müßte. Das liegt vor allen Dingen daran, daß das
Magnetfeld bezüglich bspw. dieser Y-Achse 16 asymmetrisch
verläuft oder eines der Elemente eine größere Empfindlichkeit
besitzt. Dieses kann sich so auswirken, daß bspw. die
Feldstärke aus dem Magneten am Hall-Element 5 einen größeren
Wert ergibt als am Hall-Element 4 oder umgekehrt.
Um nun hier eine Grundeinstellung zu ermöglichen, welche
solche "Fehler" des Magneten korrigiert, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß der Magnet 3 gemäß Fig. 4 in einen Halter
16 eingesetzt wird, der im Sinne des Doppelpfeils 17 im Innern
des Drehzahlsensors bzw. gegenüber dem Grundkörper 10
verschiebbar und in der endgültigen Verschiebestellung
arretierbar gehalten ist. Bei einem kreiszylindrischen
Magneten 3 kann der Halter bspw. aus zwei bogenförmigen
Haltelappen bestehen, die über einen Bodensteg 18 des Halters
16 miteinander verbunden sind. An der vom Magneten 3
wegweisenden Seite des Bodenstegs 18 befindet sich eine Feder
19, die mit einer Nut 20 des Grundkörpers 10 eine
Nut-Feder-Verbindung bildet, welche die einwandfreie
Verschiebung des Halters 16 und damit auch des Magneten 3 in
Richtung des Doppelpfeils 17, d. h. in Richtung des
Seitenabstands der beiden Hall-Elemente 4 und 5 ermöglicht. In
Fig. 3 ist zur Verdeutlichung der Doppelpfeil 17 nochmals
eingetragen. Außerdem ist in Fig. 1 die Nut-Feder-Verbindung
19, 20 angedeutet. Die Verschiebung verläuft demnach in Fig. 1
senkrecht zur Blattebene. Nach dem Einstellen des Magneten
gegenüber dem Hall-IC 2 bzw. seinen beiden Hall-Elementen 4
und 5 wird der Halter 16 im Grundkörper 10 durch Verstemmen
fixiert. Im übrigen ergibt sich aus Fig. 4, daß man den
Halter 16 bspw. in einer tunnelartigen Aufnahme 21 des
Grundkörpers 10 verschieben kann. Er ist dadurch aushebesicher
geführt.
Die Wirkungsweise dieses Drehzahlsensors ist bekannt und
braucht deshalb nicht näher erläutert zu werden. Der Hall-IC 2
gibt jedesmal einen Impuls an eine Steuerung bspw. für ABS,
ASR oder Motormanagement eines Kraftfahrzeugs ab, wenn eine
Signalperiode aus Zahn und Zahnlücke beendet ist. Aus der Zahl
der Zähne und der Zahl der Impulse kann man auf die Drehzahl
des Zahnrads 1 und damit drehverbundener Elemente schließen.
Claims (5)
1. Drehzahlsensor, insbesondere Zahnradsensor, mit einem
Magneten (3) und zwei damit zusammenwirkenden, im
seitlichen Abstand voneinander angeordneten Hall-Elementen
(4, 5), wobei ein einen unregelmäßigen Umfang oder mit
Unstetigkeitsstellen versehenen Umfang aufweisendes
Bauteil aus ferromagnetischem Material, insbesondere ein
Zahnrad (1), dessen Drehwinkel (7) oder Drehzahl ermittelt
werden soll, in Richtung des Seitenabstands an den
Hall-Elementen (4, 5) vorbeibewegbar ist, gekennzeichnet
durch eine relativverschiebliche Anordnung in Richtung des
Seitenabstands der Hall-Elemente (4, 5) eines die
Hall-Elemente aufweisende Hall-IC (2) und des Magneten (3)
im Drehzahlsensor.
2. Drehzahlsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hall-IC (2) im Drehzahlsensor fest montiert und
der Magnet (3) gegenüber dem Hall-IC (2) verschiebbar
gelagert ist.
3. Drehzahlsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnet (3) in einem Halter (16) befestigt und der
Halter verschiebbar in einem Gehäuse (10, 11, 12) des
Drehzahlsensors gelagert ist.
4. Drehzahlsensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine
in der Art einer Nut-Feder-Verbindung (19, 20) ausgebildete
Längsführung, wobei sich die Feder (19) vorzugsweise am
Halter (16) des Magneten (3) befindet.
5. Drehzahlsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet-Halter (16) nach dem
Justieren im Gehäuse (10, 11, 12) des Drehzahlsensors
fixiert wird, insbesondere durch Verstemmen.
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