DE4209212A1 - Anordnung zur erzielung von hohen orts-/winkelaufloesungen mit digitalen hallsensoren in inkrementalen weg-/winkelgebern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungsfreien Erfassung von Orts-/Winkelauflösungen an einem inkremen­ talen Weg-/Winkelgeberelement mit einer magnetischen Tei­ lung, insbesondere einem rotierenden Zahnrad, mit min­ destens zwei gleichartigen Hallsensoren, welche in einem festen Sensormittenabstand zueinander innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und deren Ausgänge mit einer Differenzauswerteelektronik zur Ermittlung eines störun­ empfindlichen Ausgangssignals verbunden sind.

Die Verwendung von Hallsensoren zur Detektion von Zähnen und Zahnzwischenräumen für Inkrementalgebern ist seit langem bekannt. Zur Reduktion von magnetischen Störfeldern und Temperatureinflüssen wird darüber hinaus eine Diffe­ renzschaltung angewendet, die es ermöglicht, Störspannun­ gen herauszufiltern, die auf beide Hallsensoren einwirken. Zur weiteren Reduzierung von Störungen werden die beiden Hallsensoren und die entsprechende Auswerteelektronik mit der Stromversorgung der Sensoren und unter Umständen auch mit der Impulsformergruppe zur besseren Wärmeverteilung zwischen den Hallsensoren angeordnet. Aus diesem Grund und um große Abstände zwischen Zahn und Zahnlücke noch messen zu können, wird üblicherweise für den Sensorabstand in etwa die halbe Zahnteilung gewählt.

Aus der EP-03 63 512 A1 ist es beispielsweise bekannt, zur berührungsfreien Erfassung der Drehzahl eines Zahn­ rades eine Schaltungsanordnung zu verwenden, welche aus zwei fest angebrachten und magnetisch vorgespannten Hall­ sensoren besteht, wobei jeder Hallsensor aus zwei gleich­ artigen Hallgeneratoren besteht und mit einem eingeprägten Steuerstrom oder eingeprägter Steuerspannung beaufschlagt wird. An die Ausgänge der Hallgeneratoren sind Spannungs- Stromwandler angeschlossen, deren Ausgänge wiederum durch eine Auswerteschaltung miteinander verbunden sind. Um eine größtmögliche Störungsunempfindlichkeit gegenüber Fremd­ spannungen zu erreichen, wird für die Zahnteilung des Zahnrades der doppelte Mittenabstand der beiden Hallsen­ soren gewählt. Zur Erzielung einer wesentlich verbesserten Ortsauflösung ist es notwendig, daß mehrere digitale Hall­ sensoren verschaltet werden oder der Sensorabstand ent­ sprechend verkleinert werden muß. Dadurch, daß die Sen­ soren in einem Gehäuse gemeinsam mit weiteren elektro­ nischen Bauelementen integriert sind und einen festen Abstand aufweisen, ist es erforderlich, daß entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck (Zahnteilung) ein entsprechender Schaltkreis mit Hallsensoren gefertigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungsfreien Erfassung von Orts-/ Winkelauflösungen an einem Geberelement zu schaffen, welche eine höhere Orts- bzw. Winkelauflösung ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß für den Sensormittenabstand der Hallsensoren und die magnetische Teilung des Geberelementes eine ungerade Anzahl größer eins von halben Teilungen als Teilungsverhältnis auf den Sensorabstand gilt.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Teilungsver­ hältnisses besteht die Möglichkeit, ein größtmögliches und störungsunempfindliches Ausgangssignal zu erzielen.

Vorzugsweise bestehen die Hallsensoren aus jeweils zwei Hallgeneratoren.

In Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß der Differential-Hallsensor in einem externen Magnetfeld des Geberelements angeordnet ist oder eine magnetische Vorspan­ nung durch die Magnetisierung eines Permanentmagneten aufweist, wenn ein passives Geberelement, d. h. ein Geberelement ohne eigenes Magnetfeld, verwendet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorge­ sehen, daß in einem inhomogenen Magnetfeld für das Tei­ lungsverhältnis zwischen Sensormittenabstand und mag­ netischer Teilung folgende Ungleichung gilt:

wobei n=1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist, sofern ein Hallsensor ohne magnetische Vorspannung verwendet wird.

Bei der Verwendung eines Differential-Hallsensors mit einer magnetischen Vorspannung ist für den Sensor­ mittenabstand und die magnetische Teilung folgende Ungleichung zu verwenden:

wobei n = 1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist.

Für einen Differential-Hallsensor mit homogener magnetischer Vorspannung (homogenes Magnetfeld) hingegen gilt folgende Gleichung:

wobei n=1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist.

Die Beachtung dieser Formel bei der Verwendung eines Differential-Hallsensors in einem homogenen Magnetfeld führt dazu, daß das Signal der Differenzauswerteelektronik am größten und störunempfindlichsten ist. Die Empfindlich­ keit entspricht bei gleicher Zahnteilung jener, welche mit dem Verhältnis A = B/2 zu erzielen ist. Bei geringer Abweichung von der erfindungsgemäßen Formel steigt die Störempfindlichkeit des Ausgangssignals und die Amplitude sinkt. Ist dieses über ein bestimmtes Maß nicht mehr tolerierbar, so kann man das Signal durch einen gezielten inhomogenen Magnetfeldverlauf verbessern, wie er bei den erstgenannten Ausführungsbeispielen verwendet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hallsensoren aus jeweils zwei um 90° zueinander verdreht angeordnete Hallgeneratoren bestehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die durch innere mechanische Spannungen der Hallgeneratoren erzeugten Fehlspannungen, ähnlich wie beim Piezoeffekt, kompensiert werden. Hierbei besteht alternativ die Möglichkeit, daß die Hallgenera­ toren mit einem Steuerstrom oder einer Steuerspannung beaufschlagt werden.

Zur weiteren Verringerung von Störspannungseinflüssen sind die Hallsensoren und die Differenzauswerteelektronik in einem integrierten Schaltkreis zusammengefaßt, so daß die Störempfindlichkeit auf ein geringstmögliches Maß einge­ schränkt wird.

Die Erfindung wird im weiteren anhand der nachstehend aufgeführten Figuren erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Anordnung der Hallsensoren gegenüber einem magnetischen Geberelement mit einem Teilungsverhältnis von B = 2/3 A,

Fig. 2 eine weitere Anordnung entsprechend Fig. 1, jedoch mit einem Teilungsverhältnis von B = 2/5 A,

Fig. 3 eine weitere Anordnung gemäß Fig. 1 mit einem Teilungsverhältnis von B = 2/7 A,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung eines Differential-Hallsensors bestehend aus zwei Hallsensoren, deren Differenzsignal ausgewertet wird und

Fig. 5 eine Anordnung eines Hallsensors bestehend aus zwei Hallgeneratoren mit einer Addition der Signalspannungen.

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils eine schematische Anordnung des Differential-Hallsensor-Schaltkreises 3 gegenüber einem Geberelement, beispielsweise in Form eines Zahnrades 2 gezeigt. Die Hallsensoren 1 sind in einem Sensormittenabstand A im Gehäuse eines Hallsenor-Schalt­ kreises 3, in Form eines integrierten Schaltkreises, dem Differential-Hallsensor, angeordnet, welches zusätzlich auch die Differenzauswerteelektronik 4 enthält. Dieser Differential-Hallsensor ist mit einem eine magnetische Vorspannung erzeugenden Hilfsmittel ausgestattet, wenn ein passives Geberelement eingesetzt wird. Passives Geber­ element bedeutet hierbei, daß das Geberelement zwar eine Feldstärkenänderung herbeiführen kann, jedoch kein eigenes Magnetfeld erzeugt. Dabei sind die Hallsensoren 1 gleich­ artig aufgebaut und bestehen aus jeweils zwei Hallgenera­ toren 6, welche grundsätzlich in verschiedenen Auswerte­ schaltungen miteinander verschaltet sein können (Fig. 4 und 5). Eine magnetische Vorspannung wird z. B. durch einen Permanentmagneten 7 mit einer Magnetisierung 5 erzielt, der ebenfalls im Gehäuse der Hallsensoren angeordnet oder auf das Gehäuse aufgesetzt ist und mit einem "Süd"- oder "Nord"-Pol zu den Hallsensoren 1 hin und der entsprechende Gegenpol von den Hallsensoren 1 weg orientiert ist.

Gegenüber dem Schaltkreis 3 ist das Geberelement so ange­ ordnet, daß die Hallsensoren 1 zwischen der Stirnseite des rotierenden Geberelementes und dem Permanentmagneten 7 oder dem externen Magnetfeld zu liegen kommen. Wie bereits aufgeführt, kann das passive Geberelement beispielsweise aus einem rotierenden. Zahnrad 2 bestehen, welches magnetisierbar sein muß und auf der Stirnfläche 8 Zähne 9 in einer bestimmten Teilung B aufweist. Die Teilung B wird hierbei von der ersten ansteigenden Fläche zwischen Zahn­ fuß 10 und Zahnkopf 11 des ersten dargestellten Zahnes 9 bis zur nächsten ansteigenden Fläche des unmittelbar folgenden Zahnes 9 an gerechnet, wobei die Teilung erfindungsgemäß in einem bestimmten Verhältnis, z. B. im homogenen Magnetfeld von

im Sensormittenabstand A steht und wobei n=1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist. Das Teilungsverhältnis in Fig. 1 beträgt B = 2/3 A, in Fig. 2 B = 2/5 A und in Fig. 3 B = 2/7 A. Durch die gewählten Teilungsverhältnisse wird ein Ausgangssignal der Differenzauswerteelektronik 4 erzielt, welches am größten und störungsunempfindlichsten ist.

Die Beeinflussung der Hallsensoren 1 in den Fig. 1 bis 3 erfolgt hierbei durch eine Veränderung der Feldstärke zwischen dem Permanentmagneten 7 oder dem externen Magnet­ feld und dem Geberelement dadurch, daß der Luftspalt 12 zwischen Hallsensor-Schaltkreis 3 und Geberelement durch die Zähne 9 unterschiedlich ausgebildet ist. Das Geber­ element muß hierbei, wie bereits aufgeführt magnetisierbar sein. In Fig. 1 bis 3 ist das unterschiedliche magnetische Feld zwischen Geberelement 2 und Schaltkreis durch eine unterschiedliche Anzahl von Feldlinien, d. h. Dichte der Feldlinien 13, dargestellt. Durch die gewählte Teilung B gegenüber dem Sensormittenabstand A ist hierbei gewähr­ leistet, daß durch das rotierende Zahnrad 2 in den beiden Hallsensoren 1 phasenverschobene periodische Signale erzeugt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, daß auf eine magnetische Vorspanung der Hallsensoren 1 verzichtet wird und daß ein aktives Geberelement mit einem eigenen Magnetfeld, beispielsweise einzelner Permanent­ magnete oder Magnetspulen verwendet wird.

In Fig. 4 ist ein an sich bekanntes Blockschaltbild gezeigt, welches einer Standardausführung der Differentialauswerteschaltung entspricht und von zwei Hallsensoren 1 mit jeweils zwei Hallgeneratoren 6 ausgeht. Die Hallgeneratoren 6 werden hierbei aus einer gemeinsamen Ansteuerschaltung 14 mit einer Steuerspannung beauf­ schlagt. Alternativ besteht die Möglichkeit, daß die Hallgeneratoren 6 mit einem gemeinsamen Steuerstrom gespeist werden. An die Ausgänge der Hallgeneratoren 6 sind jeweils Spannungs-Strom-Wandler 15, 16, 17, 18 angeschlossen, deren Ausgänge zusammengeschaltet und auf den Eingang eines Hochpasses 19 geführt sind. Durch den Hochpaß 19 wird ein Teil der Störsignale herausgefiltert. Für statische Anwendungen kann der Hochpaß auch entfallen.

Dem Hochpaß 19 ist ein Komparator 20 und ein Verstärker 21 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Ausgang des Schalt­ kreises 3 verbunden ist. Die beiden Hallsensoren 1 werden in Differenzschaltung betrieben, so daß am Eingang des Hochpasses 19 die Differenz der von den beiden Hallsensoren 1 ausgehenden Signale anliegt. Hierdurch wird die Amplitude des Ausgangssignales verdoppelt, und die Störsignale, die auf beide Hallsensoren 1 gleichzeitig einwirken, werden unterdrückt. Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, sind die beiden Hallgeneratoren 6 jedes Hallsensors 1 um 90° zueinander verdreht angeordnet, so daß beispielsweise durch mechanische Spannungen hervorge­ rufene störende Piezoeffekte bei einem Hallsensor 1 kompensiert werden.

In Fig. 5 ist ein Hallsensor 1 mit zwei in Reihe geschalteten Hallgeneratoren 6 abgebildet, wobei die beiden Hallgeneratoren 6 um 90° verdreht angeordnet sind, wie bereits erwähnt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der Spannungs-Strom-Wandler verzichtet. Durch die Reihenschaltung der beiden Hallgene­ ratoren 6 erfolgt eine Addition der Ausgangsspannungen, wobei die Anschlüsse 22, 23 zur Beaufschlagung mit einem Steuerstrom oder einer Steuerspannung vorgesehen sind, während an den Anschlüssen 24, 25 die resultierende Aus­ gangsspannung anliegt und abgegriffen werden kann. Es ist auch möglich, die beiden Hallgeneratoren parallel zu schalten und somit eine Addition der Ausgangsströme zu erreichen.

Bezugszeichenliste

 1 Hallsensor
 2 Zahnrad
 3 Hallsensor-Schaltkreis
 4 Differenzauswerteelektronik
 5 Magnetisierung
 6 Hallgenerator
 7 Permanentmagnet
 8 Stirnfläche
 9 Zahn
10 Zahnfuß
11 Zahnkopf
12 Luftspalt
13 Feldlinie
14 Ansteuerschaltung
15, 16, 17, 18 Spannungs-Strom-Wandler
19 Hochpaß
20 Komparator
21 Verstärker
22, 23, 24, 25 Anschlüsse des Hallsensors
A Sensormittenabstand
B Zahnteilung

Claims (10)

1. Anordnung zur berührungsfreien Erfassung von Orts-/ Winkelauflösungen an einem inkrementalen Weg-/Winkel­ geberelement mit einer magnetischen Teilung (B), insbesondere einem rotierenden Zahnrad (2), mit min­ destens zwei gleichartigen Hallsensoren (1), welche in einem festen Sensormittenabstand (A) zueinander inner­ halb eines Gehäuses (3) angeordnet sind und deren Aus­ gänge mit einer Differenzauswerteelektronik (4) zur Ermittlung eines störunempfindlichen Ausgangssignals verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sensormittenabstand (A) der Hallsensoren (1) und die magnetische Teilung (B) des Geberelementes (2) eine ungerade Anzahl größer eins von halben Teilungen (B) als Teilungsverhältnis auf den Sensor­ abstand (A) gilt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1) aus jeweils zwei Hallgene­ ratoren (6) bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1) in einem externen Magnetfeld angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1) Mittel zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung aufweisen.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem inhomogenen Magnetfeld für das Teilungs­ verhältnis zwischen Sensormittenabstand (A) und magnetischer Teilung (B) folgende Ungleichung gilt: wobei n = 1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem inhomogenen Magnetfeld für den Sensor­ mittenabstand (A) und die magnetische Teilung (B) folgende Ungleichung gilt: wobei n = 1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem homogenen Magnetfeld für den Sensor­ mittenabstand (A) und die magnetische Teilung (B) folgende Gleichung gilt: wobei n = 1, 2, 3 . . . eine natürliche Zahl ist.

8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1) aus jeweils zwei um 90° zueinander verdreht angeordneten Hallgeneratoren (6) bestehen.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallgeneratoren (6) mit einem Steuerstrom- oder einer Steuerspannung beaufschlagbar sind.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1) und die Differenzauswerte­ elektronik (4) in einem integrierten Schaltkreis (3) zusammengefaßt sind.