DE4435678A1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Viele verschiedene Arten von Magnetfeldsensoren sind dem Fachmann bekannt. Unter den vielen Arten von Sensoren, die eine magnetisch empfindliche Komponente aufweisen, wird ein spezieller Sensortyp dazu benutzt, das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines magnetischen Materials festzustellen. Beispielsweise werden Einrichtungen dieser Art manchmal dazu verwendet, den Vorbeilauf von Zähnen und Lücken eines Zahnrades durch eine Detektorzone festzustellen. Diese Art der Detektion gestattet der zugeordneten Ausrüstung die Verwendung von Signalen, die durch den Sensor geliefert werden, um die Position eines drehbaren Zahnrades festzustellen oder seine Rotationsgeschwindigkeit zu messen.

Wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben wird, umfassen diese Arten von Sensoren oftmals einen Permanentmagneten und ein Halleffekt-Element. Der Permanentmagnet gibt ein magnetisches Feld vor, in dem die magnetisch empfindliche Komponente, wie beispielsweise ein Halleffekt-Element, angeordnet ist. Ein Halleffekt- Element besitzt eine Sensorebene und liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Stärke einer magnetischen Feldkomponente senkrecht zu der Sensorebene. Wenn ein magnetisches Objekt, wie beispielsweise ein Zahnrad, die Detektorzone in der Nähe des Halleffekt- Elementes durchläuft, so wird das magnetische Feld in einer solchen Weise beeinflußt, daß die Flußlinien durch die Ebene des Halleffekt-Elements in einer Weise hindurchlaufen, die unterschiedlich zu dem Zustand ist, bevor die magnetische Komponente in die Detektorzone in der Nähe der magnetisch empfindlichen Komponente bewegt worden ist. Dieser Effekt resultiert in einer Veränderung der Feldkomponente senkrecht zu der Sensorebene, und diese Änderung in der senkrechten Komponente wird durch die magnetisch empfindliche Komponente festgestellt, und die zugeordnete Einrichtung ist daher in der Lage, die Gegenwart oder die Abwesenheit eines Zahnes in der Detektorzone festzustellen.

Wenn sich die Signalstärke des Halleffekt-Elementes aufgrund der Bewegung der Zähne und Lücken verändert, so verwendet ein bekanntes Zahn-Feststellverfahren den Minimalwert des erfaßten magnetischen Feldes als eine Bezugsgröße. Typischerweise wird ein Abtast- und Halteschaltkreis verwendet, um kontinuierlich den Minimalwert des Signales von dem Halleffekt-Element zu speichern und sodann den Momentanwert des Signales mit dem gespeicherten Minimalwert zu vergleichen. In vielen Anwendungsfallen arbeitet diese Art von Detektorschaltkreis sehr gut, obgleich er nicht sehr empfindlich auf radiale Abweichungen des drehenden Zahnrades reagiert. Diese Art von Schaltkreis macht jedoch Probleme beim Betrieb in bestimmten Anwendungsfällen. Wenn das drehbare Zahnrad ein unregelmäßiges Lückenmuster aufweist, d. h. wenn es beispielsweise schmale und breite Lücken besitzt, so kann dies zu einem niedrigeren Ausgangssignal für eine breite Lücke gegenüber einer engen Lücke führen. Wenn das Minimumsignal, das während des Vorbeilaufs einer breiten Lücke auftritt, als Referenz verwendet wird, so können die engen Lücken nicht in zuverlässiger Weise detektiert werden, wenn das Minimum für eine breite Lücke verwendet wird.

Die US-PS 4 970 463 beschreibt einen temperaturstabilen Annäherungssensor, der den magnetischen Fluß erfaßt, der aus der seitlichen Oberfläche eines Magneten austritt. Die Sensoranordnung für ein eisenhaltiges Objekt ist in der Lage, die Gegenwart oder Abwesenheit eines Objektes mit hoher magnetischer Permeabilität, wie beispielsweise einen Zahn oder eine Lücke eines rotierbar gelagerten Eisenrades zu erfassen, wobei dies auch bei der Geschwindigkeit von Null und bei der unmittelbaren Spannungseinschaltung geschehen kann. Die Sensoranordnung umfaßt einen Permanentmagneten und einen auf den magnetischen Fluß ansprechenden Sensor mit einer Sensorebene, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches in Abhängigkeit von der Änderung der magnetischen Flußdichte variiert. Die Sensoranordnung für den eisenhaltigen Körper stützt sich nicht auf den Polflächenmagnetismus, wie einige herkömmliche Sensoren. Statt dessen stützt sie sich auf die radiale Komponente einer magnetischen Flußdichte, die aus einer seitlichen Oberfläche des Magneten austritt. Da sich die Sensoranordnung nicht auf dem Polflächenmagnetismus abstützt, ist ihr elektrisches Ausgangssignal relativ stabil über einen relativ breiten Temperaturbereich.

Die US-PS 4 926 122 offenbart einen magnetischen Schaltkreis hoher Empfindlichkeit. Ein stationärer Teil des Schaltkreises umfaßt einen Permanentmagneten, dessen Breite ungefähr dem 1,5-fachen der Zahnteilung des Anregungsteils des Sensors entspricht und die magnetische Fläche in der Nähe des Anregungsteiles umfaßt eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material, über der ein schmales magnetisches Sensorelement, wie beispielsweise ein Magnetfeldwiderstand zentriert ist. Das Sensorelement besitzt eine Breite, die typischerweise geringer als die Zahnbreite ist und sich zwischen dem 0,17- und 0,37-fachen der Zahnteilung bewegt. Die erforderliche Flußdichte ist typischerweise verfügbar infolge einer geeigneten Magnetdicke oder einer Wahl des Magnetmaterials, ohne daß es einer Flußführung bedarf.

Die US-PS 4 992 731 offenbart einen Drehgeschwindigkeitssensor mit einer Grundkompensation eines Hallzellen-Ausgangssignales, wobei die Hallzelle auf die sich ändernde tangentiale Komponente des magnetischen Feldes anspricht, die durch das unterbrochene Oberflächenprofil eines Drehelementes hervorgerufen wird. Um die Hallzelle empfindlich für die Tangentialkomponente des magnetischen Feldes zu machen, ist die Sensorebene der Hallzelle parallel zu der zentralen Achse eines Magneten angeordnet, wobei sich die Achse zwischen dem Nord- und Südpol des Magneten erstreckt. Der Ausgang eines durch die Hallzelle gespeisten Differentialverstärkers ist mit einem Schaltkreis verbunden, der die Mittelwertspannung des Ausganges auf einem einzigen Kondensator speichert. Der Ausgang des Differentialverstärkers und die Spannung über dem Kondensator werden an die Differentialeingänge eines Schmitt-Triggers mit Hysterese angeschlossen. Der Schmitt-Trigger gibt hierdurch Arbeits- und Freigabepunkte bezogen auf das mittlere Spannungssignal vor. Der Schaltkreis für die Mittelwertbildung der Spannung ist ein nicht-linearer Schaltkreis, bei dem die Spannung über dem Kondensator auf den negativen Eingang eines Operationsverstärkers zurückgeführt wird. Ein Einschalt- Schaltkreis ist ferner vorgesehen, um den Kondensator anfänglich rasch auf einer Größe aufzuladen, die ungefähr der mittleren Spannung entspricht.

Die US-PS 4 853 632 beschreibt eine Vorrichtung zur magnetischen Feststellung einer Position eines beweglichen magnetischen Körpers. Die Vorrichtung umfaßt eine Sensorstruktur für die magnetische Feldintensität mit drei Anschlüssen, die durch ein Paar von Magnetfeldwiderständen gebildet wird, wobei die Sensorstruktur gegenüber einem magnetischen Körper angeordnet ist, der relativ zu ihr in einem magnetischen Feld bewegt werden kann, und ein erstes elektrisches Signal mit Sinusform aufgrund einer Änderung der Intensität des magnetischen Feldes bei der Relativbewegung des magnetischen Körpers erzeugt. Dieses erste elektrische Signal tritt an der Vorrichtung als ein zweites elektrisches Signal mit Rechteck- oder Sinusform auf und besitzt eine verstärkte Größe. Komponenten für die Signalformung bzw. die Verstärkung seiner Größe sind integral zusammen mit Magnetfeldwiderständen auf einem Substrat angeordnet.

Die US-PS 4 821 560 offenbart einen magnetischen Sensor mit zwei Ausgängen, der einen Magneten mit einem ersten und einem zweiten Pol und ein Paar von magnetischen Sensoren verwendet. Einer der magnetischen Sensoren ist in der Nähe eines ersten der beiden Pole angeordnet, und der andere Sensor ist in einem Abstand von dem zweiten der beiden Pole angeordnet, um eine Lücke zu bilden. Die ersten und zweiten, das magnetische Feld überbrückenden Elemente sind betätigbar, um sie in Positionen weg und zu den Sensoren zu bewegen. Eines der Elemente verläuft in der Nähe, aber außerhalb des ersten magnetischen Sensors, und das zweite Element verläuft durch die Lücke.

Die US-PS 4 992 730 beschreibt ein Verfahren zur Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers basierend auf einer Impuls-Signalfolge von einem Drehgeschwindigkeitssensor. Das Verfahren umfaßt die Schritte der Einstellung von auf die Geschwindigkeitsberechnung bezogenen Zeitperioden im Hinblick auf eine Impuls-Signalfolge, die von dem Ausgang eines Drehgeschwindigkeitssensors erhalten wird und sodann das Messen der zeitlichen Länge von der letzten Impulskante der vorangegangenen Referenzzeitperiode bis zu der letzten Impulskante der laufenden Referenzzeitperiode bei der Geschwindigkeitsberechnung. Zusätzlich umfaßt das Verfahren den Schritt der Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit des drehenden Körpers auf der Basis des Ergebnisses der zeitlichen Längenmessung. Der Zeitpunkt, an dem die vorangegangene Geschwindigkeitsberechnung endet, entspricht dem Zeitpunkt, wo die laufende Geschwindigkeitsberechnung beginnt, wodurch es möglich wird, kontinuierlich die Geschwindigkeit zu berechnen. Eine verbesserte Genauigkeit kann bei der Geschwindigkeitsmessung in einem Bereich niedriger Geschwindigkeit erzielt werden. Dies führt zu einer verbesserten Leistung bei einer Schlupfregelung und Traktionsregelung im niedrigen Geschwindigkeitsbereich.

Die US-PS 4 972 332 offenbart eine Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit, der Winkelposition und der Richtung der Drehung einer drehbaren Welle. Die Einrichtung ist zur Verwendung im Zusammenhang mit einem elektronisch gesteuerten Kraftstoff- Einspritzsystem vorgesehen. Sie verwendet einen einzelnen Halleffekt-Sensor. Ein Scheibenelement ist mit der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors verbunden und rotiert mit dieser. Das Element umfaßt mehrere, auf einem Kreis angeordnete Zonen von im wesentlichen gleicher Länge, wobei jede Zone erste und zweite Bereiche besitzt. Ein erster Teil dieser auf einem Umfang angeordneter Zonen besitzt erste und zweite Bereiche, die gegenüber den ersten und zweiten Bereichen eines zweiten Teiles der Umfangszonen eine wesentlich unterschiedliche Länge aufweisen. Dementsprechend liefert der Sensor ein Signal mit einer Frequenz, die direkt auf die momentane Geschwindigkeit des Scheibenelementes bezogen ist, die aber in der Impulsbreite aufgrund der ersten und zweiten Teile der Umfangszonen variiert. Ein durch entsprechende Software gesteuerter Mikroprozessor detektiert die momentane Winkelposition und Drehrichtung des Scheibenelementes durch Lokalisierung des zweiten Teils der Umfangszonen und die Reihenfolge, in der diese empfangen werden.

Die US-PS 4 841 243 beschreibt einen nach der Seite schauenden Geschwindigkeitssensor. Der umfaßt eine längliche, im allgemeinen zylindrische Geschwindigkeits-Sensoreinrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Zahnrades auf einer Seite der Einrichtung. Die Achse der Einrichtung verläuft quer zu der Zahnradachse, und die Einrichtung ist allgemein tangential zu dem Zahnrad angeordnet. Ein längliches, weichmagnetisches Polstück ist von einer Spule umgeben, die koaxial zu dem Polstück verläuft. Ein sich seitlich erstreckender kreisförmiger symmetrischer Polstückansatz erstreckt sich über ein Ende der Spule bis zu einem Durchmesser, der wenigstens dem Außendurchmesser der Spule entspricht. Ein axial magnetisierter Permanentmagnet stößt gegen ein Ende des länglichen Polstücks. Das Gehäuse der Einrichtung besitzt rotationssymmetrische Montageflächen, die koaxial zu der magnetischen Achse sind, so daß eine Winkelausrichtung bei der Installierung nicht erforderlich ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldsensor anzugeben, der auch dann ein zuverlässiges Ausgangssignal liefert, wenn das das Magnetfeld beeinflussende Objekt Unregelmäßigkeiten aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Erfindung ordnet einen Magneten in der Nähe einer magnetisch empfindlichen Komponente an, wobei die Sensorebene der magnetisch empfindlichen Komponente senkrecht zu der zentralen Achse des Magneten steht, die sich zwischen seinem Nord- und Südpol erstreckt. Diese Anordnung liefert eine wesentliche Magnetfeldkomponente senkrecht zu der Sensorebene. Abweichungen des magnetischen Feldes, die durch den Vorbeilauf eines magnetischen Materials durch die Detektorzone verursacht werden, können als eine prozentuale Änderung der Größe der Feldkomponente erfaßt werden, die sich in einer Richtung zwischen dem Magneten und dem magnetischen Material in der Detektorzone erstreckt. Durch Verwendung eines mittelwertbildenden Schaltkreises anstelle eines Abtast- und Halteschaltkreises und durch Umschaltung bei einem festgelegten Wert oberhalb und unterhalb des Referenzsignales werden die Probleme beträchtlich vermindert, die den bekannten Schaltkreisen anhaften. Die vorliegende Erfindung ist daher weniger empfindlich auf Zeitfehler, die durch Veränderungen in der Signalamplitude hervorgerufen werden, welche auf Änderungen des Luftspaltes zwischen dem Zahn eines Zahnrades und dem Sensor beruhen. Ferner ist die vorliegende Erfindung weniger empfindlich bei Objekten, die unregelmäßige Lückenmuster aufweisen und die Zähne bzw. Lücken umfassen, die in der Breite variieren.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gibt einen Sensor vor, der eine magnetisch empfindliche Komponente umfaßt, welche ihrerseits ein erstes Signal liefert, das repräsentativ für die Magnetfeldstärke ist, die der magnetisch empfindlichen Komponente auferlegt wird. Die Sensorebene der magnetisch empfindlichen Komponente, die ein Hallelement sein kann, ist senkrecht zu der zentralen Achse des Magneten angeordnet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Vorgabe eines zweiten Signales, das dem Mittelwert des ersten Signales über eine vorbestimmte Zeitperiode entspricht. Der Sensor der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zum Vergleich des ersten Signales mit dem zweiten Signal und zur Abgabe eines Ausgangssignales entsprechend der relativen Größe der ersten und zweiten Signale. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Permanentmagnet in der Nähe der magnetisch empfindlichen Komponente angeordnet, um das magnetische Feld vorzugeben, in dem die magnetisch empfindliche Komponente angeordnet ist. Ferner ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die magnetisch empfindliche Komponente ein Halleffekt-Element. Das Ausgangssignal des Halleffekt-Elementes kann verstärkt werden, bevor dieses Signal weiter verarbeitet wird.

Obgleich es möglich ist, das erste Signal direkt mit dem zweiten Signal zu vergleichen, ist es vorzuziehen, zwei getrennte Verschiebesignale vorzusehen, die in bezug auf das zweite Signal festgelegt sind. Das erste Signal kann sodann mit den zwei Verschiebesignalen vergleichen werden, um die Ein- und Ausschaltzeiten festzulegen, die die Hysteresecharakteristik besitzen, was bei vielen Arten von Sensoranwendungen vorzuziehen ist.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden der Stand der Technik und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekannter Zahnradsensor;

Fig. 2 den bekannten Zahnradsensor in spezieller Zuordnung zu einem drehbaren Zahnrad;

Fig. 3 den bekannten Zahnradsensor in einer alternativen Anordnung zu einem drehbaren Zahnrad;

Fig. 4 einen bekannten Schaltkreis zur Verwendung im Zusammenhang mit einem magnetischen Sensor;

Fig. 5 einen Signalverlauf zur Beschreibung der Wirkungsweise des bekannten Zahnradsensors;

Fig. 6 einen Teil des Signalverlaufes gemäß Fig. 5;

Fig. 7 den Signalverlauf gemäß Fig. 6 mit zwei zugeordneten Verschiebewerten;

Fig. 8 als Beispiel den Ausgang eines Halleffekt-Elementes in Zuordnung zu einem Zahnrad mit ungleich beabstandeten Zähnen;

Fig. 9 den Signalverlauf entsprechend dem Minimalwert des Signalverlaufes gemäß Fig. 8;

Fig. 10A einen Schaltkreis gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10B eine alternative Form eines Teiles des Schaltkreises gemäß Fig. 10A; und

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Betriebsweise der vorliegenden Erfindung.

Während der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles werden gleiche Komponenten durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.

Verschiedene unterschiedliche Arten von magnetischen Sensoren umfassen eine magnetisch empfindliche Komponente wie beispielsweise ein Halleffekt-Element und einen Permanentmagneten. Diese Arten von Sensoren werden manchmal als vorgespannte Halleffekt-Wandler bezeichnet. Eine spezielle Art von Sensor wird verwendet, um den Vorbeilauf von Zähnen und Lücken eines Zahnrades festzustellen und wird als Zahnradsensor bezeichnet. Fig. 1 veranschaulicht einen Zahnradsensor bekannter Art, der ein Gehäuse 10 aufweist, in welchem ein Permanentmagnet 12 in der Nähe eines Halleffekt- Elementes 14 angeordnet ist. Geeignete Schaltkreise sind im Zusammenhang mit dem Halleffekt-Element 14 vorgesehen, um das Signal für die Verwendung durch eine zugeordnete Einrichtung zu behandeln. Fig. 1 zeigt das Halleffekt-Element in Verbindung mit einer Schaltkreisplatine 15. Das Halleffekt-Element besitzt eine Sensorebene, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist, und es ist für die Komponente eines magnetischen Feldes empfindlich, das senkrecht zu der Sensorebene gerichtet ist. In einer Einrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Sensorebene parallel zu der Ebene der Schaltkreisplatine 15. Der Magnet 12 besitzt einen Nord- und Südpol. Die zentrale Achse des Magneten 12, die sich zwischen dem Nord- und Südpol erstreckt, ist senkrecht zu der Sensorebene des Halleffekt- Elementes 14. Bei Einrichtungen, die auf die Tangentialkomponente des magnetischen Feldes empfindlich sein sollen, wie dies in der zuvor erwähnten US-PS 4 992 731 offenbart ist, ist die Sensorebene des Halleffekt-Elementes parallel zu der zentralen Achse des Magneten angeordnet und soll ein Signal entsprechend Abweichungen des magnetischen Feldes von einer parallelen Zuordnung zu der zentralen Achse liefern. Einrichtungen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, ordnen andererseits das Halleffekt-Element kontinuierlich in einem magnetischen Feld an, welches eine relativ bedeutende Komponente senkrecht zu der Sensorebene liefert. Abweichungen in dem magnetischen Feld resultieren in einer prozentualen Veränderung in der senkrechten Komponente des Feldes statt in Richtungsänderungen in der tangentialen Feldkomponente, wie dies in der US-PS 4 992 731 beschrieben ist.

Fig. 2 veranschaulicht den Zahnradsensor gemäß Fig. 1, der mit dem Halleffekt-Element 14 in der Nähe der Wegstrecke mehrerer Zähne 16 eines drehbaren Zahnrades 18 angeordnet ist. Der Durchlauf der Zähne 16 durch eine Detektorzone in der Nähe des Halleffekt-Elements 14 stört das magnetische Feld, das durch den Permanentmagneten 12 vorgegeben wird, in einer solchen Weise, daß die Störung durch eine Änderung des Ausgangssignales festgestellt werden kann, das durch das Halleffekt-Element 14 vorgegeben wird. Die für die Abfrage der Signale, die durch das Halleffekt-Element 14 vorgegeben werden, verwendeten Techniken sind dem Fachmann wohl bekannt und werden hier nicht in Einzelheiten beschrieben. Fig. 2 veranschaulicht die Verwendung eines Zahnradsensors, der mit der zentralen Achse des Gehäuses 10 und der zentralen Achse des Magneten 12 parallel zu der Achse 20 des drehbaren Zahnrades 18 angeordnet ist. Wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, ist die zentrale Achse des Magneten senkrecht zu der Sensorebene des Halleffekt-Elementes angeordnet, welche parallel zu der Schaltkreisplatine 15 liegt. Fig. 3 veranschaulicht andererseits einen Zahnradsensor, bei dem die zentrale Achse des Gehäuses 10 senkrecht zu der Drehachse eines drehbaren Zahnrades 18 verläuft. In beiden Anwendungsfällen gemäß den Fig. 2 und 3 ist die zentrale Achse des Magneten 12 senkrecht zu der Sensorebene des Halleffekt-Elementes gerichtet. Fig. 3 veranschaulicht eine typische Anwendung eines Zahnradsensors in Zuordnung zu dem Zahnrad 18 eines Motors. Der Zahnradsensor kann verwendet werden, um Signale entsprechend dem Vorbeilauf von Zähnen 16 oder Lücken 24 an seiner Oberfläche vorzugeben. Diese Art von Sensoren kann verwendet werden, um die Winkelposition einer Welle eines Verbrennungsmotors vorzugeben oder um alternativ die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit zu gestatten. Es versteht sich, daß Zahnradsensoren dieses allgemeinen Typs ebenfalls in Antiblockier-Bremsanwendungen verwendet werden können.

Fig. 4 zeigt einen typischen Schaltkreis zur Verwendung mit einem Zahnradsensor, wie er beispielsweise in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist. Eine magnetisch empfindliche Komponente, wie beispielsweise das Halleffekt-Element 30, ist mit einem Verstärker 32 versehen, der ein verstärktes Signal auf der Leitung 34 liefert. Obgleich in Fig. 4 nicht speziell gezeigt, kann ein Temperatur-Kompensationsschaltkreis für das Hallelement entweder mittels eines Thermistor-Schaltkreises oder eines Stromquellen- Anregungsschaltkreises in einer Weise vorgesehen sein, wie es dem Fachmann wohl bekannt ist. Die Temperaturkompensation des Hallelementes steht nicht direkt mit dem Betrieb der vorliegenden Erfindung in Beziehung. In gleicher Weise kann der Schaltkreis gemäß Fig. 10A typischerweise einen Temperatur-Kompensationsschaltkreis im Zusammenhang mit dem Hallelement aufgrund des temperaturempfindlichen Koeffizienten verwenden. Wie dies jedoch der Fachmann wohl versteht, können viele alternative Temperatur- Kompensationsschemen im Zusammenhang entweder mit dem Stand der Technik oder mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die momentane Größe des verstärkten Ausgangssignales des Hallelementes 30 wird auf einer Leitung 34 an einen Komparator 38 abgegeben. Die Kombination der Diode 40 und des Kondensators 42 bildet eine Anschlußeinrichtung, um einen Puffer 46 mit dem Minimalwert des Ausganges des Verstärkers 32 zu verbinden. Der Kondensator 42 behält diesen Wert über eine ausgewählte Zeitperiode bei, die durch den Kondensator 42 festgelegt ist. Tatsächlich geben die Diode 40 und der Kondensator 42 eine Einrichtung zur Feststellung und Speicherung des Minimalwerts des Signals auf der Leitung 34 für eine vorbestimmte Zeitperiode vor. Der Ausgang des Puffers 46 auf der Leitung 50 wird dem Komparator 38 zugeführt. Der Komparator 38 vergleicht den momentanen Wert des Ausgangssignales des Hallelementes auf der Leitung 34 mit dem Minimalwert des Ausgangssignales des Hallelementes, der über eine vorbestimmte Zeitperiode festgestellt wird. Ein Ausgang des Komparators auf der Leitung 54 liefert ein Binärsignal, welches die relativen Größen der Signale auf den Leitungen 34 und 50 anzeigt. Ein Schaltkreis, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, arbeitet für die meisten Anwendungsfälle von Zahnradsensoren hinreichend gut.

Fig. 5 zeigt zwei Signalverläufe, die die Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Fig. 4 veranschaulichen. In Fig. 5 repräsentiert der Sinusverlauf 56 ein beispielhaftes Ausgangssignal des Verstärkers 32 auf der Leitung 34. Beginnend an dem Punkt, der durch den Bezugsbuchstaben A in Fig. 5 bezeichnet ist, liefert der Abtast- und Speicherschaltkreis gemäß Fig. 4 ein Signal auf der Leitung 58, das durch die ausgezogene Linie in Fig. 5 repräsentiert wird. Wie durch Vergleich der ausgezogenen Linie 60 mit dem gestrichelten Sinusverlauf 56 ersichtlich, repräsentiert die ausgezogene Linie fortwährend die Minimalgröße des Sinusverlaufs 56 und dieser Minimalwert wird für eine Zeitperiode gespeichert, die durch den Wert des Kondensators 42 festgelegt ist. Wenn der Sinusverlauf 56 seinen Minimalwert in dem Punkt erreicht, der durch den Bezugsbuchstaben B bezeichnet ist, so verbleibt das Signal auf der Leitung 58 annähernd auf diesem Minimalwert mit einem leichten Zuwachs des Wertes in Abhängigkeit von der Zeitkonstante, die durch den Kondensator 42 vorgegeben wird. Fig. 6 zeigt die ausgezogene Linie 60 gemäß Fig. 5 ohne den gestrichelten Sinusverlauf 56.

Fig. 7 veranschaulicht die ausgezogene Linie 60 gemäß den Fig. 5 und 6. Zusätzlich sind zwei Referenz-Verschiebegrößen 71 und 72 dargestellt. Wie erkennbar, sind die zwei Referenzsignale konstante Verschiebungen gegenüber dem Signal 60 und sie können verwendet werden, um festzustellen, wann der Sinusverlauf 56 größer als der höhere Referenzwert 72 oder geringer als der niedrigere Referenzwert 71 ist. Beispielsweise kann, wenn ein ansteigendes Sinussignal 56 die Größe des Referenzsignales 72 überschreitet, der Ausgang des Komparators 38 auf der Leitung 54 ein Signal mit hohem Pegel ausgeben. Wenn sodann der Sinusverlauf 56 auf einen Wert unterhalb des Referenzwertes 71 fällt, so wird das Ausgangssignal auf der Leitung 54 auf einen niedrigen Pegel gesetzt. Diese Art von Anordnung liefert ein Binärsignal, welches die Zeiten repräsentiert, in denen der Sinusverlauf 56 größer als der Referenzwert 72 und kleiner als der Referenzwert 71 ist, wobei aufgrund der Differenz zwischen den Größen der zwei Bezugssignale 71 und 72 eine Hysterese vorgegeben wird. Das zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 4, 5, 6 und 7 beschriebene System arbeitet zufriedenstellend, wenn das Zahnrad Zähne mit gleichem Abstand aufweist. Wenn jedoch Zähne mit ungleichem Abstand entlang des Zahnrades vorgesehen sind, so verändert sich das Ausgangssignal des Halleffekt-Elementes sowohl in Abhängigkeit von der Zeit als auch im Hinblick auf den erzielten Minimalwert. Fig. 8 zeigt beispielsweise das Ausgangssignal des Halleffekt-Elementes, wenn das Zahnrad einen ungleichen Zahnabstand aufweist. Das Signal 80, das normalerweise zwischen einer minimalen Größe 82 und einer maximalen Größe 84 variiert, wenn die Zähne und Lücken gleiche Abstände aufweisen und diese an der Detektorzone eines Halleffekt-Elementes vorbeilaufen, kann eine wesentlich kleinere Größe 86 aufweisen, wenn eine erweiterte Lücke zwischen den Zähnen an der Detektorzone vorbeiläuft. Die beispielhafte Darstellung in Fig. 8 repräsentiert einen fehlenden Zahn oder eine breite Lücke an einem Zahnrad mit einer Mehrheit von gleich beabstandeten Zähnen und Zwischenlücken. Viele Anwendungsfalle, in denen ein Zahnradsensor verwendet werden kann, verwenden Zahnräder mit fehlenden Zähnen oder Zahnräder mit Zähnen und Zwischenlücken veränderlicher Länge.

Fig. 9 zeigt ein Problem, das angetroffen werden kann, wenn ein Schaltkreis, wie der in Fig. 4 zusammen mit einem Zahnrad verwendet wird, das fehlende Zähne oder Lücken ungleicher Größe aufweist. Der gestrichelte Signalverlauf 80 ist identisch zu dem Signalverlauf 80, wie er durch eine gestrichelte Linie in Fig. 8 veranschaulicht ist. In Fig. 9 repräsentiert die ausgezogene Linie 90 den Minimalwert, der auf der Leitung 58 in Fig. 4 vorgegeben wird, wenn der Schaltkreis gemäß Fig. 4 zusammen mit einem Zahnrad verwendet wird, der fehlende Zähne oder Zähne und Zwischenlücken von veränderlicher Breite aufweist. Wie erkennbar folgt der durch die ausgezogene Linie 90 repräsentierte Minimalwert der abnehmenden gestrichelten Linie, welche nach dem Punkt C dramatisch unter ihren normalen Minimalwert abfällt. Die ausgezogene Linie 90 folgt dem Minimalwert der gestrichelten Linie 80 bis der Sinusverlauf im Punkt D wieder ansteigt. Jedoch wird der Minimalwert nach dem Punkt D auf einem übertriebenen geringen Wert beibehalten aufgrund des normalen und erwarteten Betriebs des Kondensators 42 zusammen mit der Diode 40. Wie in Fig. 9 erkennbar, ist die ausgezogene Linie 90 nach dem Punkt D im wesentlichen nutzlos bei der Feststellung des Vorbeilaufs von Zähnen und Lücken bis sie erneut eine Größe entsprechend den Minimalwerten des Sinusverlaufs 80 erreicht, wie dies durch die gestrichelte Linie 82 in Fig. 8 repräsentiert wird. Es liegt daher auf der Hand, daß ein Schaltkreis, wie beispielsweise der in Fig. 4, der sich auf den Minimalwert des augenblicklichen Wertes abstützt, um ein Referenzsignal vorzugeben, nicht geeignet ist für die Verwendung in Anwendungsfällen, in denen Zahnräder mit ungleich beabstandeten Zähnen verwendet werden.

Fig. 10A veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile des Schaltkreises sind im wesentlichen gleich zu dem in Fig. 4 gezeigten Schaltkreis. Der Ausgang eines Halleffekt-Elementes 30 wird durch einen Verstärker 32 verstärkt, um einen momentanen Wert des Hall-Ausgangssignales auf der Leitung 34 vorzugeben. Dieser verstärkte momentane Wert des Hall-Ausgangssignales wird ebenfalls einem Komparator 100 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 32 ist ferner an einen Widerstand 104 angeschlossen, dem ein Kondensator 106 zugeordnet ist. Der Widerstand 104 und der Kondensator 106 bilden ein RC-Netzwerk, welches seinerseits einen Mittelwert des momentanen Signales auf der Leitung 34 an den nicht-invertierenden Eingang des Puffers 46 liefert. Der Mittelwert des momentanen Wertes über eine vorbestimmte Zeitperiode, der in Abhängigkeit von den Größen des Widerstandes 104 und des Kondensators 106 bestimmt wird, wird auf der Leitung 50 an den Komparator 100 ausgegeben.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 10A versteht es sich, daß das Halleffekt-Element 30 ein Signal liefert, welches der magnetischen Feldstärke proportional ist, die ihm durch einen Permanentmagneten auferlegt wird. Dieses Ausgangssignal des Halleffekt-Elementes 30 wird durch den Verstärker 32 verstärkt und an ein RC-Tiepaßfilter angeschlossen, welches eine ausreichend lange Zeitkonstante im Hinblick auf die minimale zu erfassende Objektgeschwindigkeit aufweist, so daß es einen Mittelwert an dem nicht-invertierenden Eingang des Puffers 46 liefert. Der Ausgang des RC-Tiefpaßfilters wird dem Puffer aufgeschaltet, um eine Belastung des Kondensators zu vermeiden. Der Puffer 46 besitzt einen Ausgang, der mit einem Eingang des Komparators verbunden ist. Der andere Eingang des Komparators 100 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 32 verbunden. Der Komparator 100 beinhaltet eine Hysterese, so daß er auf einen hohen Pegel auf der Leitung 120 schaltet, wenn das Signal auf der Leitung 34 größer als das Signal auf der Leitung 50 plus einen Pegelwert ist. Ferner schaltet der Komparator 100 auf ein Ausgangssignal mit niedrigem Pegel, wenn das Signal auf der Leitung 34 kleiner oder gleich dem Signal auf der Leitung 50 minus einem Verschiebewert ist.

Während des Anlaufs ist es manchmal wichtig, dem Schaltkreis gemäß Fig. 10A das Ansprechen auf Differenzen zwischen dem momentanen Wert auf der Leitung 34 und dem Mittelwert auf der Leitung 50 zu gestatten, bevor eine ausreichende Zeit verstrichen ist, um dem Schaltkreis die Feststellung des Mittelwertes an dem nicht-invertierenden Eingang des Puffers 46 zu gestatten. Um diesen Anlauf zu erleichtern, ist ein Schalter 126 vorgesehen, der direkt die Leitung 34 mit dem nicht-invertierenden Eingang des Puffers 46 verbinden kann. Der Schalter 26 kann momentan während des anfänglichen Betriebszustandes geschlossen werden, so daß der Puffer 46 den momentanen Wert auf der Leitung 34 als Mittelwert an seinem nicht-invertierenden Eingang benutzt. Obgleich vermerkt sei, daß diese Zweckmäßigkeit in geringen Ungenauigkeiten im Ausgangssignal auf der Leitung 120 resultieren kann, ist der erwartete Bereich des Sinussignales hinreichend vorhersagbar und kann als in einem bekannten Bereich verbleibend erwartet werden, um die momentane Verwendung seines augenblicklichen Wertes als Mittelwert für diesen Zweck während des anfänglichen Betriebszustandes zu gestatten. Es versteht sich, daß diese zeitweilige Zweckmäßigkeit bezüglich der Verwendung des Schalters 126 nur während des anfänglichen Anlaufzustandes gegeben ist und nur die ersten wenigen Zähne beeinflußt, die an der Detektorzone des Sensors vorbeilaufen. Fig. 10B zeigt eine alternative Form eines Teiles eines Schaltkreises in Fig. 10A. Der Kondensator 106 ist durch das Schaltkreissegment gemäß Fig. 10B ersetzt. Der Ort des Widerstandes 104, des Puffers 46 und der Leitung 50 geben vor, wo die zusätzlichen Komponenten in Fig. 10B in dem Schaltkreis von Fig. 10A angeordnet werden. Der Puffer 51, die Widerstände R1 und R2 und der Kondensator C1 werden anstelle des Kondensators 106 angeordnet. Dieser Schaltkreis multipliziert die Kapazität des Kondensators C1 mit dem Verhältnis von R1/R2, so daß der Widerstand 104 einen kleineren Wert als der in Fig. 10A benutzte Widerstand haben kann. Obgleich die Fig. 10A und 10B zwei Ausführungsbeispiele eines Schaltkreises veranschaulichen, die bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Einrichtung zur Feststellung des Mittelwertes des Signales auf der Leitung 34 über eine vorbestimmte Zeitperiode beschränkt ist. Andere Schaltkreise können verwendet werden um diese Funktion vorzugeben.

Fig. 11 veranschaulicht die Reaktion der vorliegenden Erfindung auf den Signalverlauf 80, wie er in Fig. 8 veranschaulicht ist. Die gestrichelte Linie 130 repräsentiert den Mittelwert des Signalverlaufs 80 über eine vorgewählte Zeitperiode, der durch die Kombination des Widerstandes 104 und des Kondensators 106 festgelegt ist. Wenn gleich beabstandete Zähne durch die Detektorzone des Sensors verlaufen, so liegt die gestrichelte Linie 130 ungefähr in der Mitte zwischen den Minimal- und Maximalwerten des Signalverlaufs 80. Wenn eine vergrößerte Lücke durch die Detektorzone verläuft, wie beispielsweise die, die zwischen den gestrichelten Linien 140 und 141 angezeigt ist, so nimmt der Mittelwert an dem nicht-invertierenden Eingang des Puffers 46 ab, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Diese Abnahme des Mittelwertes ist das Ergebnis der beträchtlichen Abnahme des Momentanwertes des Signalverlaufes 80 zwischen den Linien 140 und 141. Die obere gestrichelte Linie 143 entspricht einer Größe, die durch Addition einer konstanten Verschiebespannung zu der Größe des Mittelwertes 130 festgelegt wird. In gleicher Weise wird die untere gestrichelte Linie 145 durch Subtraktion einer konstanten Verschiebung gegenüber dem Mittelwert 130 festgelegt. Diese zwei durch die gestrichelten Linien 143 und 145 repräsentierten Größen werden durch den Komparator 100 vorgegeben und bilden ihrerseits die Vorrichtung, durch die der Komparator 100 feststellt, ob sein binärer Ausgang auf der Leitung 120 den hohen oder niedrigen Pegel aufweist.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 11 ist erkennbar, daß das Ausgangssignal 150, welches binär ist und im unteren Teil von Fig. 11 dargestellt ist, durch den Komparator 100 festgelegt wird, indem er den Signalverlauf 80 mit den Größen 143 und 145 vergleicht. Wenn der Wert des Signalverlaufes 80 die gestrichelte Linie 143 übersteigt, so besitzt das Ausgangssignal 150 den hohen Pegel. Wenn der Wert des Signalverlaufes 80 unter der gestrichelten Linie 145 liegt, so besitzt die Größe den niedrigen Pegel. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, beeinträchtigt die bedeutende Abweichung des Signalverlaufes 80 zwischen den Linien 140 und 141 nicht wesentlich den Betrieb des Schaltkreises. Statt dessen weichen die gestrichelten Linien 130, 143 und 145 nur geringfügig von ihren normalen Größen ab. Ferner versteht es sich klar, daß die Größen des Widerstandes 104 und des Kondensators 106 leicht ausgewählt werden können, um die Größen dieser gestrichelten Linien auf einem relativ konstanten Pegel in bezug auf die Geschwindigkeit bzw. die Rotation des Zahnrades zu halten. Die Änderungen der Größen der gestrichelten Linien in Fig. 11 zwischen den Linien 140 und 141 sind übertrieben dargestellt, um die Möglichkeit zu veranschaulichen, daß sie sich aufgrund der beträchtlichen Änderung in der Größe des Signalverlaufes 80 verändern können.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 11 ist erkennbar, daß ein hoher Pegel des Signales 150 die Gegenwart eines Zahnes in der Nähe der Detektorzone des Sensors repräsentiert und daß ein niedriger Pegel des Signales 150 die Gegenwart einer Lücke in dieser Detektorzone anzeigt.

Claims (9)

1. Magnetfeldsensor, welcher aufweist:
eine magnetisch empfindliche Komponente (14; 30), die ein erstes Signal entsprechend der Stärke einer Magnetfeldkomponente liefert, die senkrecht zu einer Sensorebene der magnetisch empfindlichen Komponente verläuft;
einen Magneten (12) mit einem magnetischen Nord- und Südpol und einer sich dazwischen erstreckenden zentralen Achse, die senkrecht zu der Sensorebene verläuft;
eine Einrichtung (46) zur Vorgabe eines aus dem ersten Signal abgeleiteten zweiten Signales;
eine Vergleichseinrichtung (38; 100) zum Vergleich des ersten und zweiten Signales und zur Abgabe eines Ausgangssignales entsprechend der relativen Größe des ersten und zweiten Signales, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vorgabe des zweiten Signales eine den Mittelwert des ersten Signales über eine vorbestimmte Zeitperiode bildende Einrichtung (104, 106, 46; 104, R1, R2, C1, 51, 46) ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Permanentmagnet (12) ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch empfindliche Komponente ein Halleffekt-Element (14; 30) ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (100) das erste Signal (34) mit einem gegenüber dem zweiten Signal (50) um eine erste Größe verschobenen Wert vergleicht, um eine erste Größe des Ausgangssignales zu bilden, und das erste Signal (34) mit einem gegenüber dem zweiten Signal (50) um eine zweite Größe verschobenen Wert vergleicht, um eine zweite Größe des Ausgangssignales zu bilden.

5. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (126) um das zweite Signal zur Annahme der Größe des ersten Signales zu veranlassen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Schalter (126) ist, der den Ausgang der magnetisch empfindlichen Komponente (30) mit der Einrichtung zur Vorgabe des zweiten Signales verbindet.

7. Sensor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch empfindlichen Komponente (30) ein Verstärker (32) nachgeschaltet ist.

8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittelwertbildende Einrichtung aus einem einem Verstärker (46) vorgeschalteten RC-Tiefpaßfilter (104, 106) besteht.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) des RC-Tiefpaßfilters in einem seinen Wert erhöhenden Verstärkerschaltkreis (51, R1, R2) betrieben wird.