DE10044741A1 - Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der momentanen Drehstellung einer Welle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur berührungslosen Erfassung der momentanen Drehstellung einer Welle, umfassend einen Permanentmagneten (2) und ein magnetfeldempfindliches Element (3). Die Welle weist ein ferromagnetisches Geberrad (4) auf. Dem ferromagnetischen Geberrad (4) gegenüberliegend ist das magnetfeldempfindliche Element (3) positioniert. Schließlich ist der Permanentmagnet (2) auf der Rückseite des magnetfeldempfindlichen Elements (3) angeordnet.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der momentanen Drehstellung einer Welle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Phasengeber mit True-Power-On.

Messvorrichtungen sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zur berührungslosen Erfassung sind beispielsweise magnetische Sensoren offenbart. Die DE-199 17 939.5 be­ schreibt etwa eine Messvorrichtung zur berührungslosen Er­ fassung eines Drehwinkels, welcher aus einer, aus magnetisch nicht leitendem Material bestehender Trägerplatte besteht, die als Rotor dient. Auf der Trägerplatte ist ein Permanent­ magnet angeordnet, der planar ausgebildet und dessen Polari­ sationsrichtung diametral zur Achse ausgerichtet ist. Weiter ist ein Hallelement unsymmetrisch positioniert, sodass eine elliptische Drehbewegung des Hallelementes relativ zum Per­ manentmagneten erfolgt. Dadurch ergibt sich bei der Kurve des Ausgangssignals ein steil abfallender und ein flacher Bereich, welche für die Lageorientierung herangezogen werden können.

Derartige Messvorrichtungen werden etwa zur genauen Bestim­ mung der Nockenwelleneinstellung verwendet, um daraus resul­ tierend die Stellung der Ventile eines Motors zu ermitteln. Der technische Hintergrund besteht in der Senkung der Fahr­ zeugemission beim Anlassen (Schnellstart) eines Motors.

Bei den bekannten Messvorrichtungen hat es sich jedoch als problematisch herauskristallisiert, dass erst nach dem An­ lassen des Motors die genauen Nockenwellenstellungen und da­ mit die der Ventile erkennbar sind. Hierdurch ist keine Op­ timierung der Fahrzeugemission möglich. Es wäre jedoch wün­ schenswert, die Stellung der Nockenwelle schon beim Ein­ schalten der Motorelektrik zu erfassen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur berührungslosen Er­ fassung der momentanen Drehstellung einer Welle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat dem gegenüber den Vor­ teil; dass bereits beim Einschalten der Zündung ohne Drehung der Nockenwelle die Stellung von Sensoren erfasst wird. Dies wird auch als True-Power-On bezeichnet. Hierbei wird durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung beim Anschalten der Elektrik zwischen Zahn und Lücke eines an einer Welle ange­ ordneten magnetischen Geberrades unterschieden und somit die momentane Drehstellung einer Welle ermittelt. Diese Unter­ scheidung beruht darauf, dass ein zwischen einem Magneten und dem Geberrad angeordnetes magnetfeldempfindliches Ele­ ment die Veränderung bzw. Verzerrung des Magnetfeldes durch das vorbeibewegende Geberrad bzw. dessen Zähne und Lücken erfasst.

Vorzugsweise ist das magnetfeldempfindliche Element ein ma­ gnetoresistives Sensorelement. Durch diese Ausgestaltung des magnetfeldempfindlichen Elementes kann auf einfache und ko­ stengünstige Sensoren zurückgegriffen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Er­ findung ist das magnetfeldempfindliche Element als Wheatsto­ ne'sche Brücke verschaltet. Hierdurch kann in einfacher Form durch eine Art Differenzschaltung des magnetfeld­ empfindlichen Elementes eine Verzerrung des Magnetfeldes am magnetfeldempfindlichen Element bereits beim Einschalten der Zündung ohne Drehung der Welle festgestellt werden.

Um die Erfassung der momentanen Drehstellung einer Welle zu verbessern, werden die Halbbrückensignale bei der erfin­ dungsgemäßen Messvorrichtung einzeln gegenüber zwei Referen­ zwiderständen abgegriffen. Hierbei hat es sich als vorteil­ haft herausgestellt, wenn die Halbbrücken symmetrisch an den beiden Enden des Magneten angebracht sind.

Alternativ kann die Wheatstone'sche Brücke aus sechs Elemen­ ten bestehen, wobei die mittleren beiden Elemente entweder durch eine Zusatzschicht vom Magnetfeld abgeschirmt oder mittig unterhalb des Magneten angeordnet sind. Diese Brücke aus sechs Elementen ermöglicht gegenüber einer normalen Wheatstone'schen Brücke aus vier Elementen eine bessere Störfeldfestigkeit, da wiederum nur Feldänderungen detek­ tiert werden. Des Weiteren birgt diese sechselementrige An­ ordnung den Vorteil eines geringeren Offsets und Temperatur­ drifts, insbesondere wenn alle Brückenelemente aus dem glei­ chen Material gefertigt sind und örtlich nah beieinander liegen.

Um noch einen geringeren Offset und noch einen geringeren Temperaturdrift zu erzeugen, kann die Wheatstone'sche Brücke auch aus zwei Vollbrücken mit jeweils Halbbrücken in der Mitte des Magneten bestehen.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das magnetfeldempfindliche Element aus AMR- oder GMR- Material besteht. Hierbei steht die Abkürzung AMR für "Ani­ sotropic Magnetoresistance" sowie die Abkürzung GMR für "Giant Magnetoresistance".

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2A grafisch den Magnetfeldverlauf zwischen Magnet und magnetfeldempfindlichem Element einerseits sowie einer Lücke, einer Flanke bzw. eines Zahnes eines Geberrades andererseits nebst anliegender Spannung an Voll- und Halbbrücke einer Wheatstone'schen Brückenschaltung,

Fig. 2B schematisch einen Signalhub, welcher bei der Auf­ nahme der Magnetfeldverzerrung durch das magnet­ feldempfindliche Element umgesetzt wird,

Fig. 3 Ergebnisse einer Magnetkreisberechnung bei zweidi­ mensionaler FEM-Simulation und

Fig. 4 eine Wheatstone'sche Brückenschaltung aus vier Elementen mit zwei externen Widerständen.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darge­ stellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Messvorrichtung 1 einen Permanentmagneten 2 und ein an einer nicht darge­ stellten Welle angeordnetes ferromagnetisches Geberrad 4. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist zwischen dem ferromagneti­ schen Geberrad 4 und dem Permanentmagneten 2 ein magnetfel­ dempfindliches Element 3 positioniert, sodass sich der Per­ manentmagnet 2 auf der Rückseite des magnetfeldempfindlichen Elementes 3 sowie des ferromagnetischen Geberrades 4 dem ma­ gnetfeldempfindlichen Element 3 gegenüberliegend befindet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungegemäßen Messvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 besteht das magnetfeldemp­ findliche Element 3 aus magnetresistiven Sensor-elementen 5 in Form von Halbbrücken. Mit anderen Worten, das magnetfel­ dempfindliche Element 3 ist als Wheatstone'sche Brücke, wie in Fig. 4 dargestellt, aufgebaut, wobei die Brücke aus vier Elementen 8 mit zwei externen Widerständen 7 besteht. In Fig. 1 stellen das linke und rechte magnetoresistive Senso­ relement 5 jeweils ein Elementenpaar der Brückenschaltung sowie das mittlere magnetoresistive Sensorelement 5 die bei­ den externen Widerstände dar.

In Fig. 2A ist schematisch der Magnetfeldverlauf des Perma­ nentmagneten 2 in Verbindung mit dem ferromagnetischen Ge­ berrad in drei Stellungen a, b und c dargestellt. Zwischen dem Permanentmagneten 2 sind magnetoresistive Sensor­ elemente 5 dargestellt, welche jeweils eine Halbbrücke einer Wheatstone'sche Brückenschaltung 6 aus vier Elementen reprä­ sentieren. Wie sich aus Fig. 2A ergibt, findet im Falle des Gegenüberliegens einer Lücke des ferromagnetischen Geberra­ des 4 zum Permanentmagneten 2 - Position a - eine symmetri­ sche Feldverzerrung statt, sodass, wie in Fig. 2A, Position a, angegeben, die Halbbrückenspannung (UHB) an dem linken und rechten magnetoresistiven Sensorelementen 5, 5 zwar un­ gleich Null sind, jedoch die resultierende Spannung der Vollbrücke (U_VB) gleich Null ist. Das heißt, die an der je­ weiligen Halbbrücke anliegenden Spannungen sind gleich groß, weisen jedoch ein unterschiedliches Vorzeichen auf.

Dem gegenüber zeigt sich in Position b von Fig. 2A, d. h. bei der Zuordnung einer Zahnflanke zum Permanentmagneten 2 eine Magnetfeldverzerrung im dargestellten Ausführungsbei­ spiel in Fig. 2A hin zum rechten magnetoresistiven Sensor­ element 5, sodass sowohl die beiden Halbbrückenspannungen UHB als auch die resultierende Vollbrückenspannung U_VB un­ gleich Null sind. Dies wird in Fig. 2A Position b durch die unterschiedlichen Längen der zugeordneten beiden Pfeile be­ zeichnet, welche die jeweilige Feldstärke bezeichnen.

Schließlich zeigt Position c von Fig. 2A, dass über einem Zahn das ferromagnetische Material des Geberrades 4 wie über der Lücke - Position a - symmetrisch um den Permanentmagne­ tat 2 verteilt ist und beide Halbbrücken UHB liefern ein gleich großes Signal, jedoch mit unterschiedlichem Vorzei­ chen. Entsprechend ist auch das Vollbrückensignal und U_VB gleich Null. Da sich aber der Abstand zum ferromagnetischen Geberrad 4 in dieser Position um die Höhe des Zahnes verrin­ gert hat, werden die Feldlinien stärker zum Zahn hin ver­ zerrt. Entsprechend verringert sich die Feldkomponente in Richtung der empfindlichen Sensorelementachse.

In der nachfolgenden Tabelle sind die einzelnen Signale, die man an den drei Positionen erhält, zusammengefasst:

In Fig. 2B ist lediglich schematisch ein Signalhub darge­ stellt, welcher bei Aufnahme einer Verzerrung durch die ma­ gnetoresistiven Sensorelemente 5 umgesetzt wird. Die magne­ toresistiven Sensorelemente 5 detektieren typischerweise die Feldkomponente in der Ebene parallel zum Permanentmagneten 2 (tangential zum ferromagnetischen Geberrad 4).

Die Fig. 3 zeigt nunmehr Ergebnisse einer Magnetkreisbe­ rechnung bei zweidimensionaler FEM-Simulation. Wie Fig. 3 entnehmbar, wurde in 35 Schritten ein Permanentmagnet über die Lücke und den Zahn eines ferromagnetischen Geberrades, wie Fig. 2 zeigt, geführt. In jedem Schritt wurde der ma­ gnetische Fluss an den Stellen der beiden Halbbrücken (Qua­ drate: links, Dreiecke: rechts) berechnet, deren Signal pro­ portional zum Magnetfluss ist. Es sind deutlich zwei Schwel­ len zu erkennen, die die beiden Positionen Lücke und Zahn repräsentieren. Die untere Kurve in Fig. 3 zeigt den Ver­ lauf des entsprechenden Vollbrückensignals (Vollkreis). Bei­ de Signale zusammen, also Vollbrücken und Halbbrückensigna­ le, erlauben also die Flankendetektion sowie die Diskrimi­ nierung der Zahn-/Lücke-Stellung. Die Überschwinger in den Simulationsergebnissen rühren von Induktionserhöhungen an kleinen Radien, also den Zahnkanten.

Schließlich ist in Fig. 4 eine Wheatstone'sche Brücken­ schaltung 6 aus vier Elementen 8 mit zwei externen Wider­ ständen 7 dargestellt. Hierbei sind die Halbbrücken symme­ trisch an den beiden Enden des Permanentmagneten, wie auch schon in Fig. 1 dargestellt, angeordnet.

Obgleich nicht dargestellt, kann die Brückenschaltung natür­ lich aus sechs Elementen bestehen, wobei die mittleren bei­ den Elemente entweder durch eine Zusatzschicht vom Magnet­ feld abgeschirmt oder mittig unterhalb des Permanentmagneten angebracht werden. Natürlich kann die Brücke auch aus acht Elementen, also zwei Vollbrücken mit jeweils zwei Halbbrüc­ ken in der Mitte des Permanentmagneten, zusammengesetzt sein.

Grundsätzlich bietet die Brückenschaltung den Vorteil der Störfeldfestigkeit, da nur Feldänderungen detektiert werden. Die Brückenschaltungen mit sechs oder acht Elementen bieten darüberhinaus den Vorteil, geringen Offset und Temperatur­ drift zu zeigen, insbesondere wenn alle Brückenelemente aus dem gleichen Material gefertigt sind und örtlich nah beiein­ ander liegen.

Schließlich können die magnetoresistiven Sensorelemente 5 entweder aus AMR- oder GMR-Material sein, wobei die Abkür­ zung AMR für "Anisotropic Magnetoresistance" sowie die Ab­ kürzung GMR für "Giant Magnetosresistance" stehen.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels ge­ mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zweck der Beschränkung der Erfindung und im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Schutzumfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (8)

1. Messvorrichtung (1) zur berührungslosen Erfassung der mo­ mentanen Drehstellung einer Welle, umfassend einen Perma­ nentmagneten (2) und ein magnetfeldempfindliches Element (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle ein ferroma­ gnetisches Geberrad (4) aufweist, dass das ferromagneti­ schen Geberrad (4) gegenüber liegend dem magnetfeldemp­ findlichen Element (3) positioniert ist und dass der Per­ manentmagnet (2) auf der Rückseite des magnetfeldempfind­ lichen Elementes (3) angeordnet ist.

2. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der momen­ tanen Drehstellung einer Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Element (3) magnetoresistive Sensorelemente (5) aufweist.

3. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Element (3) als Wheatstone'sche Brücke verschaltet ist.

4. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückensignale einzeln ge­ genüber zwei Referenzwiderständen (7) abgreifbar sind.

5. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken symmetrisch an beiden Enden des Permanentmagneten (2) angebracht sind.

6. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wheatstone'sche Brücke (6) aus sechs Elementen besteht, wobei die mittleren beiden Ele­ mente entweder durch eine Zusatzschicht vom Magnetfeld abgeschirmt oder mittig unterhalb des Permanentmagneten (2) angeordnet sind.

7. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wheatstone'sche Brücke (6) aus zwei Vollbrücken mit jeweils zwei Halbbrücken in der Mit­ te des Permanentmagneten (2) besteht.

8. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der moment­ anten Drehstellung einer Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldemp­ findliche Element (3) aus AMR- oder GMR-Material besteht.