DE4114079A1 - Vorrichtung zur erfassung von bewegungszustaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungszuständen eines Bewegungsgebers mittels eines Sensorelements, das von ferromagnetisch wirksamen Teil­ bereichen des Bewegungsgebers beeinflußt wird, wobei das Sensorelement aus einem länglichen, weichmagnetischen, von einer Spule umgebenen Magnetkern sowie mindestens einem diesem zugeordneten Dauermagneten besteht, dessen Wirkung auf den Magnetkern beim Vorbeiführen eines der weichmagnetisch wirksamen Teilbereiche verringert wird. Solche Vorrichtungen werden vorwiegend zur Erfassung der Drehzahl oder des Drehwinkels einer rotierenden Welle eingesetzt.

Derartige Vorrichtungen sind zum Beispiel aus der DE-OS 34 11 773 oder aus der Firmenschrift PS-000, Ausg. 4/90, der Vacuumschmelze GmbH bekannt. Bei den Bewegungsgebern handelt es sich dabei vorwiegend um ein Zahn- oder Blendenrad für rotierende Bewegungen. Die Sensoren bestehen aus einem weichmagnetischen Kern, der mit einer Spulenwicklung umgeben ist. Der bekannte Sensor enthält ferner Dauermagnete, die auf den weichmagnetischen Kern einwirken. Werden nunmehr beispielsweise die Zähne eines Zahnrades als ferromagnetisch wirksame Teile an dem Sensor vorbeibewegt, so ergibt sich eine Verzerrung des Magnetfeldes und damit eine Veränderung der Einwirkung des Dauermagneten auf den weichmagnetischen Kern des Sensorelements. Diese Änderung wird in einer Auswerte­ schaltung registriert und dient beispielsweise zur Er­ mittlung der Drehzahl.

Der in der DE-OS 34 11 773 offenbarte Drehzahlsensor weist einen senkrecht zur Längsachse der Spule magneti­ sierten Dauermagneten auf, der an der Stirnseite des weichmagnetischen Kerns positioniert ist. Durch diese Anordnung ergeben sich nur geringe auswertbare Änderungen der Spuleninduktivität beim Vorbeiführen eines Zahnes des ferromagnetischen Bewegungsgebers, weil sich die magneti­ sche Beeinflussung des Kerns im wesentlichen nur auf den Bereich in der Nähe des Magneten erstreckt.

Bei der in der obengenannten Firmenschrift beschriebenen Anordnung werden zwei gegensinnig gepolte Dauermagnete benutzt, die parallel zu dem dazwischen gelegten weich­ magnetischen Kern mit dazugehöriger Spulenwicklung ange­ ordnet sind. Das Sensorelement wird dabei senkrecht zu den ferromagnetischen Zähnen eines Zahnrades angeordnet. Diese Anordnung hat ebenfalls den Nachteil, daß die magnetische Beeinflussung des weichmagnetischen Kerns hauptsächlich auf den Bereich in der Nähe der Zähne beschränkt ist. Zudem ist bei diesem Sensor der minimale Abstand zwischen den beiden Magneten durch die Dicke der dazwischen liegenden Spule begrenzt. Dies schränkt die Verwendbarkeit der Anordnung für kleine Zahnabstände stark ein. Weiterhin ist die Beeinflussung des Streu­ feldes des Dauermagneten durch die Zähne des Zahnrades wegen der bei dieser Anordnung zwangsläufig größeren Luftwege zwischen den Polflächen und dem Zahnrad relativ gering. Beiden bekannten Vorschlägen gemeinsam ist die kritische Justage der Magnete.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Vor­ richtungen derart zu verbessern, daß einerseits eine hohe Wirkung der Zähne auf das Streufeld der Dauermagneten erreicht wird und andererseits die Justage des Sensor­ elementes einfacher ist. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß der Dauermagnet und der Magnetkern beim Vorbeiführen der weichmagnetisch wirksamen Teilbereiche weitgehend parallel zu diesen angeordnet sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß beispielsweise der aus der obengenann­ ten Firmenschrift bekannte Sensor nunmehr um 90° gedreht wird und parallel zu den Zahnradzähnen angeordnet wird. Durch diese neue Anordnung der Dauermagnete läßt sich deren Streufeld mittels der ferromagnetischen Teil­ bereiche des Bewegungsgebers sehr gut beeinflussen, weil z. B. bei der Annäherung eines Zahnes an einen Magneten ein Großteil des magnetischen Flusses über den Bewegungs­ geber kurzgeschlossen wird. Günstig wirkt sich hier insbesondere der über die gesamte Magnetlänge konstante geringe Luftspalt zum Bewegungsgeber aus. Anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 den weichmagnetischen Kern mit zugehöriger Spule sowie den Kennlinienverlauf bei Wechselstrom­ betrieb;

Fig. 4 die Abhängigkeit des Spannungshubes vom Abstand zwischen Sensorelement und Zahnrad;

Fig. 5 eine Vorrichtung mit magnetischer Einstellung des Arbeitspunktes;

Fig. 6 eine Vorrichtung mit verdoppelter Auflösung;

Fig. 7 Sensorelemente mit verschiedenen Trägeraufbauten.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vor­ richtung enthält zunächst einen hochpermeablen weich­ magnetischen Kern 3, der von einer hier nicht eingezeich­ neten Spule umgeben ist. Die Anordnung von Magnetkern 3 und zugehöriger Spule 11 ist in Fig. 3a dargestellt. Es handelt sich dabei um den prinzipiellen Aufbau des von der Vacuumschmelze GmbH unter der Bezeichnung "Positions­ sensor" angebotenen Elements. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dem Magnetkern 3 Dauermagnete 1, 2 zuge­ ordnet, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 antiparallel zueinander magnetisiert sind. Die Dauer­ magnete 1, 2 und der Magnetkern 3 sind parallel zuein­ ander und parallel zu den ferromagnetisch wirksamen Teilbereichen 10 eines Bewegungsgebers 7 angeordnet, bei dem es sich im dargestellten Fall um eine Zahnstange handelt. Die Dauermagnete 1, 2 und der Magnetkern 3 werden von einem Träger 5 gehalten. Zusätzlich kann eine magnetische Abschirmung 4 zur Abschirmung äußerer Streu­ felder vorgesehen sein. Wird der Bewegungsgeber 7 nunmehr bewegt, so werden die ferromagnetischen Zähne als ferro­ magnetisch wirksame Teilbereiche 10 des Bewegungsgebers 7 an den Dauermagneten nacheinander vorbeigeführt. Beim Vorbeiführen eines Zahns an einem der Dauermagneten verzerrt dieser das magnetische Feld. Hierdurch wird der Einfluß des entsprechenden Dauermagneten auf den Magnet­ kern 3 geschwächt und in der den Magnetkern 3 umgebenden Spule 11 kann eine Induktivitätsänderung detektiert werden.

In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dauermagnete 1, 2 im gleichen Abstand zu dem Magnetkern 3 angeordnet. Da es sich zudem um gleiche Magnete handelt, kompensiert sich das durch die Magnete verursachte Streufeld am Ort des weichmagnetischen Kerns. Erst beim Annähern des ferromagnetischen Zahns an einen dieser beiden Magnete wird somit dessen Feld verzerrt und der weichmagnetische Kern befindet sich hauptsächlich im Streufeld des zweiten Dauermagneten. Diese Änderung der Induktivität der den Magnetkern 3 umgebenden Spule 11 wird vorzugsweise mit der an sich bekannten Wechselstrom- Methode detektiert. Hierzu wird das Sensorelement mit einem Wechselstrom kleiner Amplitude betrieben.

Der prinzipielle Kennlinienverlauf des Sensors bei Betrieb mit der Wechselstrom-Methode ist in Fig. 3b dargestellt. Die gemessene Ausgangsspannung ist bei kleinen einwirkenden Magnetfeldern zunächst konstant, fällt beim Übergng des Kerns in die Sättigung jedoch steil ab. Daher wird durch eine Vormagnetisierung der Arbeitspunkt so eingestellt, daß er auf einer der beiden in Fig. 3b dargestellten Flanken der Kennlinie liegt. Hierdurch wird eine hohe Empfindlichkeit des Sensor­ elementes gewährleistet. Die Einstellung des Arbeits­ punktes kann zum einen dadurch erreicht werden, daß dem Wechselstrom ein Gleichstrom überlagert wird. Anderer­ seits ist eine Einstellung des Arbeitspunktes jedoch auch über die Wahl bzw. die Anordnung der Dauermagnete möglich. Beispielsweise können verschieden starke Dauer­ magnete verwendet werden oder der Abstand der Dauer­ magnete 1, 2 vom Magnetkern 3 wird unterschiedlich gewählt, so daß sich die Wirkung der Magnete auf den Magnetkern 3 nicht völlig kompensiert. Wird der Arbeits­ punkt in den steilen Bereich der Kennlinie verlegt, so hat dies eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit zur Folge. Andererseits reagiert das Sensorelement hierbei aber auch verstärkt auf äußere Störfelder von elektri­ schen Geräten, Leitern und dgl., so daß in diesem Fall eine magnetische Abschirmung 4 vorteilhaft ist. Vorteil­ hafterweise wird der Arbeitspunkt in die Mitte des steilen Teils der Kennlinie gelegt. Hierdurch ergibt sich bei der Annäherung des ferromagnetisch wirksamen Teil­ bereichs an den zweiten Dauermagneten ebenfalls eine Induktivitätsänderung. Bei dieser Betriebsart kann nahezu der gesamte Induktivitätshub genutzt werden.

Ein Verzicht auf eine Vormagnetisierung des Magnetkerns 3 ist bei günstigen Ansteuerbedingungen, wie z. B. bei einem geringen Abstand zwischen den Dauermagneten 1, 2 und den ferromagnetisch wirksamen Teilbereichen 10 möglich.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgt die Ansteue­ rung durch das seitliche Vorbeibewegen der ferromagne­ tisch wirksamen Teilbereiche 10 an den parallel dazu orientierten Dauermagneten 1, 2. Die in der magnetisch sehr empfindlichen Längsrichtung des Magnetkerns 3 wirkenden äußeren Störfelder können deshalb mit einer Abschirmung 4, die auch die Stirnseiten der Anordnung umschließt, sehr gut eliminiert werden. Wegen der guten Flußführung wird vorzugsweise mindestens eine aus einem geschlossenen Rechteckring bestehende Abschirmung 4 ein­ gesetzt. Weitere Verbesserungen sind mit einer wannen­ förmigen Abschirmung 4 erzielbar, wobei jeweils die An­ steuerseite offen zu halten ist. Bei den bereits bekann­ ten Vorrichtungen ist eine vergleichbar vorteilhafte Form der Abschirmung in der magnetisch empfindlichen Richtung des Magnetkerns 3 wegen der stirnseitigen Ansteuerung nicht möglich.

Neben der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungs­ form, bei der zwei gleiche Dauermagnete in gleichem Ab­ stand zum Magnetkern 3 angeordnet sind, wird eine Kompen­ sation der auf den Magnetkern 3 einwirkenden Magnetfelder auch dann erreicht, wenn es sich bei den Magneten 1, 2 um verschiedene Magnete handelt, die dann jedoch in unter­ schiedlichem Abstand voneinander angeordnet sind.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel wurden kommer­ ziell erhältliche Kern-Spulenkombinationen, die unter der Bezeichnung "Positionssensor" von der Vacuumschmelze GmbH hergestellt werden, verwendet. Die durch die Geometrie (Scherung) des weichmagnetischen Kerns 3 bestimmte Sätti­ gungsfeldstärke liegt hierbei bei etwa 13 A/cm. Dieser Kern-Spulenkombination wurden zwei Dauermagnete (Typ CROVAC der Vacuumschmelze GmbH) mit einem Durchmesser von 0,8 mm bis 2 mm beigelegt. Der Abstand der Magnete zuein­ ander wurde von ca. 0 mm bis zu 4,5 mm variiert. Die Vorrichtung enthielt als Bewegungsgeber ein Zahnrad mit dem Modul 2 und einer Breite von 10 mm. Eine deutliche Änderung des Meßsignals konnte mit dieser Vorrichtung insbesondere bei Magnetabständen zwischen 0 und 3 mm registriert werden. Besonders günstige Ergebnisse wurden mit diesem speziellen Zahnrad mit Dauermagneten der Größe Φ 2×13 mm bei einem Magnetabstand von ca. 3 mm erzielt. In Fig. 4 ist der gemessene Spannungshub in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Zahnrad und Sensor­ element für diese Anordnung dargestellt. Mit Hilfe der Gleichstromvormagnetisierung kann der Arbeitspunkt der Elektronik bei den verschiedenen Abständen des Sensors zum ferromagnetischen Zahnrad optimal angepaßt werden, so daß sich ein maximaler Signalhub einstellt. Eine Anpassung des Sensors an die vorhandene Zahnteilung des Zahnrades kann über den Abstand zwischen den beiden Magneten vorgenommen werden. Die Größe und der Abstand der beiden Dauermagnete 1, 2 zueinander ist in Bezug auf die Funktionsfähigkeit des Sensorelementes relativ unkritisch.

Die Anordnung kann auch mit Zahnrädern eingesetzt werden, bei denen die Zähne an der Stirnseite angeordnet sind. Solche Zahnräder, bei denen die Zahnbreite mit dem Abstand vom Mittelpunkt des Geberrades zunimmt, werden beispielsweise für Antiblockiersysteme verwendet. Um auch in diesem Falle eine weitgehend parallele Anordnung der Dauermagnete zu den Zähnen zu erzielen, ist es hierbei in der Regel von Vorteil, die Magnete 1, 2 mit einem sich über die Länge verändernden Abstand zueinander anzuord­ nen. Abhängig von den genauen Dimensionen eines solchen Zahnrades können jedoch auch bei paralleler Ausrichtung der Magnete zueinander u. U. noch gute Meßwerte erzielt werden.

In Fig. 5 ist eine Ausgestaltung dargestellt, bei der die Einstellung des Arbeitspunktes mit Hilfe der Dauermagnete erfolgt. Hierzu werden die beiden gleichen Dauermagnete 1, 2 in unterschiedlichen Abständen zum weichmagnetischen Magnetkern 3 angeordnet. Durch eine Variation dieser Abstände läßt sich die Vormagnetisierung nahezu beliebig einstellen.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausgestaltung dargestellt, bei der drei Dauermagnete zum Einsatz kommen. Die dem Zahnrad zugewandten Dauermagnete 8 sind hierbei in gleicher Rich­ tung magnetisiert. Mit Hilfe des weiter von dem Bewe­ gungsgeber 7 entfernten Dauermagneten 9 wird das Feld der ersten beiden Magnete 8 im durch die ferromagnetischen Teilbereiche 10 symmetrisch beeinflußten Zustand am Ort des Kerns kompensiert. Beim Vorbeibewegen eines der ferromagnetisch wirksamen Teilbereiche (Zahnradzahn) an einem der Dauermagnete 8 wird das magnetische Gleich­ gewicht wiederum gestört, so daß auch in diesem Falle eine Induktivitätsänderung detektiert werden kann. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber den zuvor erläuterten liegt in einer Verdoppelung der Impulszahl.

In Fig. 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Sensor­ elements mit dazugehörigem Träger 5 dargestellt. Der Träger 5 für den Magnetkern 3, die Spule 11 und die Magnete 1, 2 wird vorteilhafterweise als Kunststoff- Spritzgußteil gefertigt. Das Kunststoffteil wird dabei so gestaltet, daß der Magnetkern 3, der insbesondere aus einer amorphen Legierung besteht, in eine wannenförmige Vertiefung eingeklebt wird. Anschließend wird die Spule 11 aufgebracht. An einem der beiden Wicklungsanschläge sind Stifte 12 zum Festlegen der Wicklungsdrähte einge­ spritzt. Außerdem wird hier auch das Anschlußkabel 6 befestigt. Eine Fixierung und Zugentlastung des Kabels erfolgt mit der ebenfalls angespritzten Halterung 5a, in die das Kabel einrastet. Bei einem Sensorelement ohne Anschlußkabel mit herausgeführten Anschlußstiften können diese evtl. auch in beide Wicklungsanschläge eingespritzt werden. Das Kunststoffteil ist weiterhin vorteilhafter­ weise mit Halterungen 5b, 5c versehen, in die die Magnete nach dem Bewickeln eingerastet werden.

In Abhängigkeit von dem Anwendungsfall kann der mit dem Magnetkern 3, der Spule 11, den Magneten 1, 2 und anschließend vergossen werden. Hierbei kann eine evtl. vorgesehene Abschirmung 4 als verlorene Form dienen. Die Abschirmung 4 kann insbesondere als Wanne oder als Recht­ eckring ausgeführt sein, wobei sie so ausgelegt wird, daß sich eine Schirmwirkung gegenüber parallel zum Magnetkern 3 gerichteten Störfeldern ergibt, jedoch gleichzeitig eine Öffnung vorhanden ist, damit die Ansteuerung des Sensors durch den Bewegungsgeber 7 weiterhin möglich ist. Weiterhin kann das mit den Magneten und dem Anschlußkabel versehene Kunststoff-Spritzgußteil mit einem weiteren Kunststoff umspritzt werden. Hierbei besteht die Möglich­ keit, die Abschirmung mit zu umspritzen; alternativ kann diese auch nachträglich montiert werden. Bei dieser Vari­ ante bietet sich der Einsatz einer rechteckigen, geschlossenen Abschirmung ohne Bodenteil an. Die Befesti­ gung beim nachträglichen Aufstecken kann durch einen einfachen Rastmechanismus realisiert werden. In den Fig. 7b und 7c sind entsprechende Ausgestaltungen ersichtlich, bei denen der Vergußraum 14 bzw. der Raum 13 zum Umsprit­ zen mit Kunststoff dargestellt sind. Die angespritzte Einrasthilfe 5d dient zur Fixierung des Spritzgußteils in der Abschirmung 4 und stellt eine definierte Positionie­ rung beim Vergießen sicher.

In den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind im Sensorelement mindestens zwei Dauermagnete angeordnet, jedoch ist es möglich, nur einen Dauermagneten vorzu­ sehen. In diesem Fall sind Größe, Stärke und Abstand des Dauermagneten vorzugsweise so zu wählen, daß der Magnet­ kern noch nicht gesättigt wird. Das Sensorelement muß auch in diesem Fall mit einem Magneten so ausgelegt werden, daß beim Vorbeiführen des ferromagnetisch wirk­ samen Teilbereichs 10 des Bewegungsgebers 7 im Magnetkern 3 noch eine Indduktivitätsänderung erfolgt. Insbesondere ist dann die Einstellung des Arbeitspunktes über eine Gleichstromvormagnetisierung angezeigt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere die Drehzahl oder der Drehwinkel eines rotierenden Kör­ pers bestimmt werden. Bei linearen Bewegungsgebern ist die Bestimmung der Geschwindigkeit bzw. des Weges mög­ lich. Als Bewegungsgeber mit ferromagnetisch wirksamen Teilbereichen kommen insbesondere Zahn- oder Blendenräder bzw. im Falle von linearen Bewegungsgebern Zahn- oder Lochstangen in Frage.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungszuständen eines Bewegungsgebers (7) mittels eines Sensorelements, das von ferromagnetisch wirksamen Teilbereichen (10) des Bewe­ gungsgebers (7) beeinflußt wird, wobei das Sensorelement aus einem länglichen, weichmagnetischen, von einer Spule (11) umgebenen Magnetkern (3) sowie mindestens einem diesem zugeordneten Dauermagneten (1, 2) besteht, dessen Wirkung auf den Magnetkern (3) beim Vorbeiführen eines der ferro­ magnetisch wirksamen Teilbereiche (10) verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (1, 2) und der Magnetkern (3) beim Vorbeiführen der ferromagnetisch wirk­ samen Teilbereiche (10) weitgehend parallel zu diesen angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement mit Wechselstrom betrieben wird, so daß die Induktivitätsänderung ausgewertet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wechselstrom zur Einstellung des Arbeitspunktes ein Gleichstrom überlagert wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen rotierenden Bewegungsgeber (7), insbesondere um ein Zahn- oder Blenden­ rad handelt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen linearen Bewegungsgeber (7), insbesondere um eine Zahn- oder Loch­ stange handelt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Arbeits­ punktes des Sensorelements durch das Magnetfeld der Dauer­ magnete (1, 2 bzw. 8, 9) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zwei Dauermagnete (1, 2) aufweist, deren Wirkung auf den Magnetkern (3) sich kompensiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um gleiche Dauermagnete (1, 2) mit gleichem Abstand zum Magnetkern (3) handelt, die antiparallel zueinander magnetisiert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um verschiedenartige Dauermagnete (1, 2) mit unter­ parallel zueinander magnetisiert sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement drei Dauermagnete (8, 9) aufweist, die so angeordnet sind, daß

• - der dritte Dauermagnet (9) weniger von den ferromagne­ tisch wirksamen Teilen (10) des Gebers (7) beeinflußt wird als die beiden anderen und
• - die Magnetisierungsrichtung des dritten Magneten (9) weitgehend antiparallel zu den Magnetisierungsrich­ tungen der beiden anderen Magneten (8) verläuft.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand mindestens zweier Magnete (1, 2) zur Anpassung an die Gestaltung der ferromagnetisch wirksamen Teile (10) über die Länge ver­ ändert.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement mit einer Abschirmung (4) gegen Störfelder versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Träger (5) ein Kunststoffspritzgußteil aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) mit dem Magnetkern (3), der Spule (11) und den Dauermagneten (1, 2 bzw. 8, 9) zusätzlich vergossen oder mit Kunststoff umspritzt ist.