DE4408623A1 - Magnetischer Positionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Zur genau dosierten Treibstoffzufuhr für Verbrennungsmotoren ist eine exakte Kenntnis der jeweiligen Kolbenposition erforderlich. Man ermittelt diese anhand der jeweiligen Stellung der Kurbelwelle oder der Nockenwelle(n). Hierzu sitzt auf der Welle ein ggf. mit mehreren Zähnen ausgerüstetes Zahnrad, dessen Zähne an einem Magnetsensor vorbeilaufen. Die Zähne können in Umfangsrichtung untereinander gleichen oder unterschiedlichen Abstand haben. Die Abtastung der Motorwellen-Winkelposition ist zwar ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung, diese kann jedoch genauso zur Abtastung der Drehwinkelposition beliebiger anderer Maschinen oder Maschinenteile und auch zur Abtastung sich geradlinig an dem magnetfeldabhängigen Fühlerelement vorbeibewegender Kennzeichenspuren dienen, die aus abwechselnd magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten oder Abschnitten bestehen. Als magnetfeldabhängige Fühlerelemente haben sich insbesondere Halleffektelemente bewährt. Sie liefern ein der das Hallelement durchsetzenden magnetischen Feldstärke entsprechendes Ausgangssignal, anhand dessen sich feststellen läßt, ob im Falle eines Zahnrades gerade ein Zahn oder eine Zahnlücke dem Hallelement gegenübersteht. Derartige Positionssensoren sind beispielsweise aus US-A 5 140 262, 5 164 668 und 5 159 268 bekannt.

Bei bestimmten Sensoranwendungen ist das am Sensor geradlinig oder im Zuge einer Drehbewegung vorbeibewegte Objekt mit abwechselnd magnetischen und unmagnetischen Zähnen oder Bereichen versehen, deren gegenseitiger Abstand unterschiedlich ist. Die Verwendung solcher ungleichmäßig verteilter magnetischer Segmente ermöglicht eine Codierung der Objektposition. Sind beispielsweise bestimmte Zähne oder Segmente größer als andere, so können diese Segmente unterschiedlicher Größe in einem bestimmten Muster angeordnet sein, um die jeweilige Objektposition noch genauer bestimmen zu können, ohne hierfür einen vollen Umlauf eines beispielsweise rad- oder glockenförmigen Kennzeichenträgers zu benötigen.

Die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung führt zu einer verbesserten Positionssignal­ erzeugung, insbesondere zu einem erhöhten Signal/Rauschverhältnis. Die beiden Kenn­ zeichenspuren erstrecken sich parallel zueinander in Bewegungsrichtung des Kennzeichen­ spurträgers. Durch geeignete Verarbeitung der redundanten Ausgangssignale beider Hallelemente oder sonstiger magnetfeldabhängiger Fühlerelemente erhält man eine starke Signalüberhöhung und damit eine verbesserte Positionsangabe. Neben einer Signaldifferenzbildung bestehen andere Möglichkeiten zur Besserung der Signalausbeute, beispielsweise die Bildung eines Quotienten aus den beiden Signalen. Zusätzlich kann das Ausgangssignal durch Differenzieren und andere bekannte Maßnahmen der Impulstechnik in seinem Kurvenverlauf verbessert werden. Die beiden Fühlerelemente sind quer zur Bewegungsrichtung des Kennzeichenspurträgers derart nebeneinander angeordnet, daß sich vor dem ersten Fühlerelement ein Magnetsegment der ersten Spur befindet, wenn gleichzeitig vor dem zweiten Fühlerelement ein nicht-magnetisches Segment der zweiten Spur liegt und umgekehrt. Man erhält also eine besonders große Differenz der Ausgangssignale beider Fühlerelemente.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen beweglichen Träger mit zwei parallelen Kennzeichenspuren;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II durch diesen Träger mit einer Ansicht des auf den Träger gerichteten Magnetsensors;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform, bei der die beiden parallelen Kennzeichenspuren nicht auf einem langgestreckten, sondern auf einem rotierenden Träger angebracht sind;

Fig. 4 Kurven eines ersten Ausgangssignals;

Fig. 5 Kurvenverläufe eines zweiten Ausgangssignals;

Fig. 6 verschiedene Kurvenverläufe als Vergleich zwischen den ersten und zweiten Ausgangssignalen sowie ein als Funktion vom ersten und zweiten Ausgangssignal abgeleitetes drittes Ausgangssignal;

Fig. 6B eine vergrößerte Darstellung der Kurven im unteren Teil von Fig. 6;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung des dritten Ausgangssignals als Funktion des ersten und zweiten Ausgangssignals; und

Fig. 8 ein aus dem dritten Ausgangssignal abgeleitetes Rechtecksignal.

In Fig. 1 ist der bewegliche Träger 10 mit einer ersten Kennzeichenspur 12 und einer zweiten Kennzeichenspur 14 ausgestattet. Die erste Kennzeichenspur 12 ist durch gestrichelte Linien 16 und 18 begrenzt, die zweite Kennzeichenspur 14 durch gestrichelte Linien 20 und 22. Die erste Spur 12 enthält eine Vielzahl magnetischer Segmente 28 und dazwischen liegender, nicht-magnetischer Segmente 26. Letztere bestehen aus Löchern im Träger 10, während die magnetischen Segmente 28 durch das magnetische Material des Trägers 10 gebildet sind.

Dementsprechend sind in der parallelen zweiten Spur 14 die magnetischen Segmente 30 und die nicht-magnetischen Segmente 32 vorgesehen. Auch hier bestehen die nicht-magnetischen Segmente 32 aus Durchgangsöffnungen im Träger 10. Beide Spuren erstrecken sich parallel zueinander. Sie können, wie in Fig. 1 angegeben, als flacher Streifen aus Magnetmaterial ausgebildet oder kreisförmig in Form eines Ringes geschlossen sein. Dabei sind die beiden Spuren derart auf dem Träger 10 angebracht, daß - quer zur Bewegungsrichtung des Trägers 10 gesehen - jeweils ein nicht-magnetisches Segment 32 der zweiten Spur 14 einem magnetischen Segment 28 der ersten Spur 12 gegenübersteht und umgekehrt ein nicht­ magnetisches Segment 26 der ersten Spur 12 einem nicht-magnetischen Segment 30 der zweiten Spur gegenübersteht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den beweglichen Träger 10 in Höhe der Schnittlinie II-II in Fig. 1 sowie einen magnetischen Positionssensor der im Abstand G oberhalb des Trägers 10 vorgesehen ist. Der Träger 10 ist an einer Stelle geschnitten, an der auf der zweiten Spur 14 gerade ein nicht-magnetisches Segment 38 dem Sensor gegenübersteht, während in der ersten Spur 12 ein magnetisches Segment 28 vor dem Sensor liegt. Das nicht-magnetische Segment 38 ist eine Durchgangsöffnung im Träger 10. Ein erster magnetfeldempfindlicher Fühler 46 ist oberhalb der ersten Spur 12, und ein zweiter magnetfeldempfindlicher Fühler 48 ist dicht oberhalb der zweiten Spur 14 angeordnet. Beide Fühler sind vorzugsweise Halleffektelemente oder bestehen aus Permalloy (eingetragenes Warenzeichen). Der Abstand G ist der Deutlichkeit halber stark vergrößert. Die Fühlerelemente 46 und 48 befinden sich zusammen mit dem Magneten 52 möglichst dicht über dem Träger 10. Die Halleffektelemente 46 und 48 werden von einem Substrat 50, beispielsweise einem Keramiksubstrat oder einer Leiterplatte mit gedruckter Schaltung, getragen. Das Substrat 50 ist an einer Magnetfeldquelle, beispielsweise einem Permanentmagneten 52, befestigt. Er erzeugt ein beide Hallelemente 46 und 48 sowie den Träger 10 durchsetzendes Magnetfeld. Dabei ist das eines der Hallelemente durchsetzende Magnetfeld jeweils davon abhängig, ob ihm ein nicht-magnetisches Segment 38 oder ein magnetisches Segment 28 gegenübersteht. Die sich hieraus ergebende Differenz in der das betreffende Hallelement durchsetzenden magnetischen Feldstärke liefert eine Anzeige dafür, ob sich gerade ein nicht-magnetisches oder ein magnetisches Segment unter dem betreffenden Hallelement befindet.

Da der Träger kontinuierlich unter dem Positionssensor vorbeibewegt wird, ergeben sich an den Kanten der einzelnen magnetischen und nicht-magnetischen Segmente Übergangsbereiche, in denen sich die das betreffende Hallelement durchsetzende magnetische Feldstärke kontinuierlich von einem hohen auf einen niedrigen Wert oder umgekehrt ändert. Dies ist einer exakten Bestimmung der jeweiligen Kantenposition abträglich. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem sie durch Verwendung einer zweiten, jeweils im entgegengesetzten Sinne mit magnetischen und nicht magnetischen Segmenten versehenen Spur ein zweites Signal erzeugt, welches dann im Bereich der Kanten einen in entgegengesetzter Richtung ansteigenden bzw. abfallenden Verlauf hat. Durch Überlagerung dieser beiden Signale läßt sich die jeweilige Kantenposition der Segmente exakt bestimmen. Dies ist gerade bei der Steuerung von Verbrennungsmotoren besonders wichtig, damit die Treibstoffeinspritzung genau im optimalen Zeitpunkt, d. h. bei optimaler Kolbenstellung erfolgt. Man erhält auch dann eine genaue Positionsaussage, wenn, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel die einzelnen magnetischen und nicht-magnetischen Segmente in Bewegungsrichtung gesehen unterschiedlich lang sind. Die durch die Verwendung der Ausgangssignale beider Fühlerelemente 46 und 48 erhöhte Differenz zwischen den Ausgangssignalen bei einem magnetischen und einem nicht magnetischen Segment erleichtert die Unterscheidung zwischen der Anwesenheit und Abwesenheit magnetischer Segmente, wodurch auch die relative Länge der Segmente leichter bestimmt werden kann. Man kann ein Muster aus kleinen und großen magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten verwenden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Dies führt zu einer genaueren Positionsbestimmung als bei der Verwendung nur einer einzigen Kennzeichenspur.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die beiden Kennzeichenspuren kreisförmig einen Träger 10′ umschließen. Durch die Verwendung gleicher Bezugszeichen, wie in Fig. 1, sind die einzelnen magnetischen und nicht-magnetischen Segmente der beiden Spuren wie zuvor bezeichnet. Der Träger 10′ sitzt auf einer um die Achse 62 drehbaren Welle 60, beispielsweise der Kurbel- oder Nockenwelle eines Verbrennungsmotors 70.

Das erste Hallelement 46 steht wiederum der ersten Spur 12 mit den magnetischen Segmenten 28 und den nicht-magnetischen Segmenten 26 gegenüber, während das zweite Hallelement 48 die zweite Spur mit den magnetischen Segmenten 30 und den nicht- magnetischen Segmenten 32 abtastet, wenn sich die Welle 60 in Richtung des Pfeils A dreht. Die beiden Hallelemente stehen jeweils Segmenten entgegengesetzter magnetischer Eigenschaften gegenüber. Mit der Erfindung kann die jeweilige Winkelposition der Welle 60 genau bestimmt werden.

In Fig. 1 bezeichnen die gestrichelten Linien 80 und 82 ein bestimmtes Segment des beweglichen Trägers 10. Obwohl der Magnet 52, das Substrat 50 und die ersten und zweiten Fühlerelemente 46 und 48 in Fig. 1 nicht dargestellt sind, kann man sich leicht vorstellen, daß sich diese Fühlerelemente dicht über den ersten und zweiten Kennzeichenspuren 12 und 14 befinden und zwar in Höhe der Linie 80. Bewegt sich der Träger 10 von rechts nach links, so wandern die zwischen den Linien 80 und 82 wiedergegebenen Segmente der beiden Spuren nacheinander in Positionen unmittelbar unterhalb der beiden Fühlerelemente. Bei dieser Bewegung liefert das erste Fühlerelement 46 ein Ausgangssignal gemäß Fig. 4. Die beiden Kurven in Fig. 4 zeigen das Ausgangssignal des Fühlers 46 bei zwei verschiedenen Betriebszuständen. Die obere Kurve gibt die Signalamplitude wieder, wenn der Zwischenraum G zwischen dem Fühler und dem Träger 10 gleich Null ist. Obwohl dies kaum zu realisieren ist, soll die Kurve 90 diesen theoretischen Fall wiedergeben. Zum Vergleich zeigt die Kurve 92 das Ausgangssignal des Fühlers 46, wenn der Abstand G gleich 0,508 mm (0,02′′) beträgt. Wie man sieht, lassen sich die relativen Amplitudenänderungen des Ausgangssignales in der Kurve 90 wesentlich leichter unterscheiden als in der Kurve 92. Schon aus diesem Grunde sollte der Luftspalt zwischen den Fühlerelementen einerseits und dem Träger 10 andererseits möglichst klein gewählt werden.

Der Signalverlauf in Fig. 4 zeigt, daß bei Anordnung des Fühlerelements 46 in Höhe der Linie 80 ein relativ hohes Ausgangssignal ansteht, welches etwas mehr als 2,200 Gauß entspricht, weil unmittelbar vor dem ersten Fühlerelement ein magnetisches Segment 28 liegt. Bei der Bewegung des Trägers 10 von rechts nach links läuft unter dem Fühler 46 ein schmales, nicht-magnetisches Element 26 hindurch, wodurch das Ausgangssignal vom vorherigen Wert entsprechend dem Kurventeil 91 auf den Wert des Kurventeils 94 der Kurve 90 absinkt. Anschließend folgt ein kurzes magnetisches Segment 96, während dessen das Signal wieder bis in die Höhe des Kurventeils 91 ansteigt. Hieran schließt sich ein längeres, nicht-magnetisches Segment 98 an, bei dem die Magnetisierung entsprechend dem Kurventeil 98 noch weiter absinkt als während des kurzen, nicht-magnetischen Segments 94. Hiernach steigt die Kurve im Bereich 99 wieder an, wenn das nächste kurze magnetische Segment 99 folgt. Die übereinstimmende Benutzung der Bezugszeichen 91, 94, 96, 98 und 99 in den Fig. 1 und 4 kennzeichnet die Zuordnung der einzelnen Kurventeile zu den entsprechenden Segmenten der ersten Kennzeichnungsspur 12. Damit ergibt sich die Kurve 90 in Fig. 4. Die gleiche Beschreibung des Kurvenverlaufs trifft auf die Kurve 92 zu, welche sich ergibt, wenn der Abstand G etwa 0,508 mm beträgt. Wie man sieht, sind jedoch die Signaländerungen zwischen magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten geringer, d. h. die Signalamplituden kleiner.

In Fig. 5 stellen die Kurven 100 und 102 den Signalverlauf am Fühlerelement 48 dar, wenn der Kennzeichenträger 10 mit seiner Spur 14 unter dem in Höhe der Linie 80 angeordneten Fühlerelement hindurchläuft. Wiederum zeigt die Kurve 100 den Verlauf der magnetischen Feldstärke bei einem Luftspalt Null und die Kurve 102 den Signalverlauf bei einem Luftspalt G = 0,508 mm. Die verringerte Magnetfeldstärke im Bereich des Kurventeils 104 tritt auf, wenn das nicht-magnetische Segment 32, wie in Fig. 1 dargestellt, direkt vor dem in Höhe der Linie 80 angeordneten Fühlerelement 48 liegt. Wird anschließend das magnetische Segment 30 vor das Fühlerelement 48 bewegt, so steigt das Signal bis zum Kurventeil 106 an und fällt hiernach auf den Wert des Kurventeils 108 ab, sobald das nächste nicht-magnetische Segment in den Meßbereich des Fühlerelements 48 gelangt. Läuft ein langgestrecktes magnetisches Segment 110 unter dem Fühlerelement 48 hindurch, so zeigt der entsprechende Kurventeil 110 wiederum einen hohen Wert der magnetischen Feldstärke, welche anschließend im Kurvenbereich 112 auf etwa den Wert im Bereich 108 absinkt, weil das magnetische Segment am Fühler vorbeigelaufen ist und dieser nunmehr wieder einem schmalen, nicht-magnetischen Segment 38 gegenübersteht. Wiederum sind die Kurventeile 104, 106, 108, 110 und 112 den entsprechenden Teilen der Kennzeichenspur 14 in Fig. 1 zugeordnet.

Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung der Signale gemäß den Fig. 4 und 5, um als Funktion dieser ersten und zweiten Ausgangssignale ein besonders deutlich unterscheidbares Signal zu erzeugen. Im oberen Teil von Fig. 6 sind die Signale 90 und 92 aus Fig. 4 und im mittleren Teil von Fig. 6 die Signale 100 und 102 aus Fig. 5 wiedergegeben. Das untere Diagramm in Fig. 6 mit den Signalen 120 und 122 zeigt ein drittes Ausgangssignal, und zwar das Signal 120 im Falle eines Luftspalts Null und das Signal 122 im Falle eines Luftspalts von 0,508 mm. Das Signal 120 ist die algebraische Differenz zwischen Signal 90 und 100 entstanden durch Subtraktion des Signals 100 vom Signal 90. Dementsprechend ergibt sich durch Subtraktion des Signals 102 vom Signal 92 das Signal 122. In Fig. 6 sind einige gestrichelte Linien eingezeichnet, um einen Vergleich der Kurven zu ermöglichen. Die Linien 130 und 132 dienen der zeitlichen Ausrichtung der drei Diagramme untereinander bezogen auf den Weg des Trägers 10. Die Linien 130 und 133 sind willkürlich ausgewählt. Sie verlaufen jeweils durch den Nulldurchgang der Kurven 120 und 122. Die Linie 140 bezeichnet die Stärke von 2.000 Gauß für die Kurven 90 und 92, während die Linie 142 den Wert von 2.000 Gauß für die Kurven 100 und 102 angibt.

Wie Fig. 6 erkennen läßt, zeigt das dritte Ausgangssignal 120 bzw. 122, d. h. die algebraische Differenz zwischen den Signalen 90 und 100 bzw. 92 und 102 in den Nulldurchgängen wesentlich steilere Kurvenverläufe als die beiden Ausgangssignale der Hallelemente, so daß die Kanten der einzelnen Segmente bei ihrem Vorbeilauf unter den Fühlerelementen wesentlich besser erkennbar sind. Man kann die Nulldurchgänge zur Identifizierung ausgewählter Positionen auf den beiden Kennzeichenspuren benutzen.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe aus den Ausgangssignalen der beiden Fühlerelemente 46 und 48 ein Rechteck-Schaltsignal auf der Leitung 172 gewonnen werden kann. Die Fühlerelemente 46 und 48 sind über Leitungen 150 und 152 mit den beiden Eingängen eines Vergleichers 160 verbunden, dessen Ausgang über die Leitung 164 an einen zweiten Vergleicher 170 angeschlossen ist. Das Rechteck- Ausgangssignal auf der Leitung 172 zeigt einen Impuls, wenn das erste Ausgangssignal auf der Leitung 150 größer ist als das zweite Ausgangssignal auf der Leitung 152. Sind die Verhältnisse umgekehrt, so ergibt sich auf der Leitung 172 eine Impulspause. Dieses Rechtecksignal 200 ist bezogen auf die Kurve 120 in Fig. 8 wiedergegeben. Der obere Teil von Fig. 8 zeigt aus der Darstellung gemäß Fig. 6B nur die Kurve 120. Wie man sieht, hat das Rechtecksignal 200 jeweils dann den Wert 1, wenn, wie zwischen dem Anfang der Kurve und dem Nulldurchgang 180 sowie zwischen den Nulldurchgängen 182 und 184 das Signal 120 positiv ist. Das Signal 200 hat den Wert 0, wenn das Signal 120, wie zwischen den Nulldurchgängen 180 und 182 einerseits sowie den Nulldurchgängen 184 und 186 andererseits negative Werte annimmt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 stellt nur eine der zahlreichen Möglichkeiten zur Ableitung eines dritten Ausgangssignals aus den beiden Fühlerausgangssignalen dar. Im vorliegenden Fall entspricht es der algebraischen Differenz zwischen den Fühlerausgangssignalen. Statt dessen könnte man das Verhältnis der beiden ersten und zweiten Ausgangssignale bilden und darüber hinaus eine weitere Versteilerung der Kurve 120 im Bereich ihrer Nulldurchgänge mit Hilfe von Differenzierschaltungen und anderen Impulsformerschaltkreisen vornehmen.

Claims (4)

1. Magnetischer Positionssensor zum Abtasten einer langgestreckten oder gekrümmten, z. B. kreisförmig geschlossenen Kennzeichenspur aus abschnittsweise magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten, mit einem der Kennzeichenspur gegenüberstehenden Magneten und vom Feld des Magneten durchsetzten magnetfeldabhängigen Fühlerelementen im Raum zwischen Magnet und Kennzeichenspur, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) parallel nebeneinander eine erste und eine zweite Kennzeichenspur (12, 14) vorgesehen sind, wobei jeweils einem magnetischen Segment (28) der ersten Spur (12) ein nicht-magnetisches Segment (32) der zweiten Spur (14) gegenübersteht und umgekehrt;
• b) jeder Spur (12, 14) ein gesondertes Fühlerelement (46, 48) zugeordnet ist; und
• c) die Ausgangssignale beider Fühlerelemente (46, 48) zur Positionsbestimmung ausgewertet werden.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Ausgangssignale (150, 152) der beiden Fühlerelemente (46, 48) eine Schaltungsanordnung (160) zum Bilden der algebraischen Differenz der beiden Fühlerausgangssignale (92, 102) vorgesehen ist.

3. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Ausgangssignale der beiden Fühlerelemente (46, 48) eine Schaltungsanordnung zum Bilden des Quotienten aus den beiden Fühlerausgangssignalen (92, 102) vorgesehen ist.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Fühlerelemente (46, 48) als Halleffektelemente ausgebildet sind.