DE102005022596A1

DE102005022596A1 - Anordnung zur eigensicheren Raddrehzahlerfassung

Info

Publication number: DE102005022596A1
Application number: DE102005022596A
Authority: DE
Inventors: Peter Lohberg; Klaus Rink; Wolfgang Fritz
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-23
Also published as: KR20080007616A; US20120092000A1; CN101176002B; EP1883825A1; KR101354735B1; US8698488B2; JP4972086B2; CN101176002A; WO2006122945A1; JP2008541116A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mit einem Sensor (1, 6), insbesondere aktiven Sensor (1), der über ein magnetisches Feld mit einem Encoder (23) gekoppelt ist, der sich mit dem rotierenden Körper dreht, insbesondere für den Kfz-Bereich. Wird bei den bekannten Anordnungen der Spalt zwischen Sensoreinrichtung (S1, S2) und Encoder (23) zu gering, so kann es zum Flippen und damit zu einer Verdoppelung der gemessenen Drehzahl des Rades kommen. Dies führte zu Problemen bei Sicherheitseinrichtungen des Fahrzeugs, die zu ihrer ordnungsgemäßen Arbeitsweise eine korrekte Angabe der Raddrehzahl benötigen. Um die Toleranz hinsichtlich der Einbaulage der bekannten Anordnungen zu verbessern, wird die Anwendung zweier getrennter Signalpfade (S1, f1; S2, f2) vorgeschlagen, die mit Sensoreinrichtungen (S1, S2) unterschiedlicher Sensitivität versehen sind. Die Signalpfade (S1, f1; S2, f2) werden dabei derart ausgelegt, dass stets ein Signalpfad (S1, f1) vorhanden ist, der über maximale Sensitivität verfügt, so dass im ungestörten Normalfall minimale Abbildungsfehler der Encoderspur (13) bei gleichzeitig maximalen Luftspalten erreicht werden, während gleichzeitig stets ein beobachtender Signalpfad (S2, f2) vorhanden ist, dessen Sensitivität so ausgelegt ist, dass ein Flippen unter allen magnetischen Bedingungen sicher verhindert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mit einem Sensor, insbesondere aktiven Sensor, der über ein magnetisches Feld mit einem Encoder gekoppelt ist, der sich mit dem rotierenden Körper dreht, insbesondere für den Kfz Bereich.

Aktive Sensoren für den Kfz-Bereich sind mehrfach bekannt. Es gibt sie in 2-Draht-Ausführung und in 3-Draht-Ausführung. Die Beschreibung der Erfindung erfolgt am Beispiel der 2-Draht-Ausführung, wie sie für Bremssystem üblich ist. Es ist jedoch im Sinn der Erfindung, den Grundgedanken auch auf 3-Draht-Ausführungen anzuwenden, die z.B. bei Motor- und/oder Getriebeanwendungen verbreitet ist.

Dieser Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt. In 1a sind ein Sensor 1 und eine ECU (Elektronisches Steuergerät des ABS-Reglers) 2 über eine Zweidrahtleitung 3, 4 elektrisch miteinander verbunden. Zum Betrieb des Sensors ist eine Betriebsspannung V_B erforderlich, die von der ECU an den Klemmen K₁, K₂ bereitgestellt wird. Über den Sensor fließt ein Signalstrom I_S zur ECU zurück, dessen Stärke sich im Takt einer Dreh zahlinformation verändert, die von einem Encoder 5 erzeugt und in der ECU dekodiert wird. In 1b sind ein Sensor 6 und eine ECU 7 über eine 3-Drahtleitung 8, 9, 10 miteinander elektrisch verbunden. Zum Betrieb des Sensors ist auch hier eine Betriebsspannung V_B erforderlich, die von der ECU an den Klemmen K₁', K₂' bereitgestellt wird. Der Sensor liefert über die Klemme K3 eine Signalspannung Vs an die ECU zurück, die die sensorische Information enthält.

2 zeigt den inneren Systemaufbau zweier typischer Varianten von aktiven Raddrehzahlsensoren mit 2-Draht-Schnittstelle. Sensoren zur unidirektionalen Drehzahlerfassung ohne zusätzliche Funktionalitäten lassen sich nach 2a schematisieren. Der Raddrehzahlsensor 1 enthält einen Sensormodul bestehend aus dem magnetoresisitven Sensorelement S in Kette mit einer elektronischen Signalaufbereitungsstufe SC. Das Sensorelement ist über ein magnetisches Feld H an den Encoder gekoppelt. Der mit Raddrehzahl rotierende Encoder moduliert das Luftspaltfeld H mit einem inkrementalen Muster, das die Raddrehzahlinformation enthält. Sensorelement S und die Signalaufbereitungsstufe SC erzeugen aus dieser Luftspaltfeldmodulation eine Signalspannung zur Steuerung einer Modulatorstufe M, die ihrerseits eine Stromquelle 11 steuert, so dass das inkrementale Muster des Encoders als eingeprägter Signalstrom Is1 abgebildet wird. Sensoren zur bidirektionalen Erfassung von Raddrehzahlen und/oder Übertragung zusätzlicher (Diagnose)-Parameter lassen sich nach 2b schematisieren. Im Unterschied zu vorher ist hier die Signalaufbereitungsstufe in die Pfade WS und ZI zweigeteilt. Die Stufe WS dient der Aufbereitung der Raddrehzahlinformation aus dem Encodersignal, während ZI der separaten Aufbereitung von Zusatzinformationen aus der Sensor/Encoder-Schnittstelle dient. Eine solche Zusatzinformation können z.B. Drehrichtung und Luftspaltmaß sein. In einer Signalstufe SL werden die von WS und ZI aufbereiteten Signale zu einem Steuersignal für die Modulatorstufe M zusammengefügt, die ihrerseits eine Stromquelle 11 steuert, so dass das in dem Steuersignal enthaltene Protokoll von Raddrehzahl- und Zusatzfunktionen als eingeprägter Signalstrom Is2 abgebildet wird. Nach dem Stand der Technik werden gegenwärtig ein 3-Pegel-Protokoll oder ein PWM-Protokoll (Puls Weiten Modulation) angewendet.

Als Encoder können zum einen ferromagnetische Zahnräder oder Lochscheiben dienen, die in Kombination mit einem Permanentmagneten einen veränderlichen magnetischen Luftspalt erzeugen, zum anderen können es permanent magnetisierte Nord/Südpol-Areale sein, die in alternierender Folge in z.B. eine Radlagerdichtung eingebracht sind. Die erforderlichen Hilfsmagneten sind als mechanischer Bestandteil des Sensormoduls in den Sensor integriert. Die Erläuterung der Erfindung beschränkt sich im weiteren auf die wesentliche technische Anwendung, nämlich die Kombination magnetoresistiver Sensoren mit permanent magnetisierten Encodern, jedoch ist es dem Fachmann möglich, die Prinzipien der Erfindung direkt auf Kombinationen mit ferromagnetischen Encodern anzuwenden, was ebenso im Sinn der Erfindung ist.

3 zeigt hier verwendete Bezugsrichtungen und Kennlinien zur Erläuterung spezifischer physikalischer Gegebenheiten magnetoresisitiver Sensorelemente in Zusammenhang mit den angestrebten erfindungsgemäßen Verbesserungen. 3a zeigt ein magnetoresistives Sensormodul 12 nach 2a in der Ausführung KMI20/2 (Firma PHILIPS) in seiner geometrischen Ausrichtung zu einer permanent magnetisierten Encoderspur 13 bei Raddrehzahlbetrieb. Die Encoderspur liegt flächig in der XY-Ebene und bewegt sich relativ zum Sensorelement in Y-Richtung. Teil 14 des Sensorelements enthält eine Brückenschaltung 16 aus vier magnetoresistiven Permalloy-(Barberpole)-Widerständen 17, wie sie in 3b dargestellt sind. Die Ebene der Widerstandsschichten verläuft wie die des Encoders parallel zur XY-Ebene. 3c zeigt die Arbeitskennlinie Signalspannung Vss als Funktion der magnetischen Luftspaltfeldstärken Hy, Hx1l und Hy, Hx2. Hierbei ist Hy die magnetische Feldkomponente in Laufrichtung der Encoderspur und Hx eine magnetische Feldkomponente des Encoders in Querrichtung hierzu. Hx1 und Hx2 sind hierbei zueinander entgegen gesetzte Koordinatenrichtungen. 3c zeigt, dass wechselnde HX1, HX2-Komponenten der Encodermagnetisierung zu spiegelbildlichen Kennlinien 18, 19 führen. Das mit den wechselnden Vorzeichen der Hx-Komponenten verbundene Wechseln der Kennlinie geschieht sprunghaft und wird als ,Flipping' oder ,Flippen' bezeichnet. Flippen führt zu einer unerwünschten Verfälschung (Verdopplung) des Encodersignals und ist für die Raddrehzahlerfassung störend. In der gegenwärtigen Praxis wird das Flippen dadurch vermieden, dass ein so genannter Bias-Magnet 15 mit Polarisation in X-Richtung ein so genanntes Stützfeld erzeugt, dass größer als die Komponenten Hx1, Hx2 ist und das deshalb eine der beiden Kennlinien, z.B. 18 fixiert.

4 dient der Erläuterung der Ursachen für das Auftreten magnetischer Komponenten des Encoders in X-Richtung. 4a zeigt einen Encoder aus der XZ-Ebene betrachtet mit seinem magnetischen Feld 20, austretend aus der magnetischen Spur 21 zu einem ferromagnetischen Rückschluss aus Blech 22. Die Feldlinien der Encoderspur treten in einem breiten mittleren Bereich parallel in Z-Richtung aus. In den Randzonen neigt sich die Austrittsrichtung zusätzlich in X-Richtung. Dadurch entstehen die Hx-Komponenten. Bei einem geringen Versatz des Sensormoduls 12 gegenüber der Mit tellinie wird in 4a keine nennenswerte Hx-Komponente wirksam, so dass die Feldstärke des Bias-Magnet 15 stets überwiegt und die Kennlinie 18 stabil eingeprägt wird.

Bei einem Encoder nach 4b gelangt der Sensor bei gleichem Versatz gegenüber der Mittellage in einen Feldlinienbereich, der bereits erhebliche Hx-Komponenten enthält, so dass die Kennlinienstabilität gefährdet ist. Die Gefährdung wird dann kritisch, wenn der Encoder nur eine schmale magnetische Lesespur besitzt und/oder eine starke Magnetisierung besitzt und/oder das Sensormodul relativ weit außerhalb der Mitte der Lesespur positioniert ist und/oder das Sensormodul sehr nahe an der Encoderoberfläche positioniert wird. Durch den sehr starken Einfluß eines dieser Parameter oder durch die Kombination mehrerer dieser Parameter kann es daher zu einem kritischen Extremfall kommen, bei welchem das weiter oben erläuterte Flippen auftritt.

Die Erfindung geht daher aus von einer Anordnung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung und stellt sich die Aufgabe, diesem kritischen Extremfall ein Verfahren und eine technische Anordnung entgegen zu setzen, die die Eigensicherheit eines Sensormoduls so erhöht, dass ein ungewolltes Flippen selbsttätig erkannt wird und das Sensormodul diesen Zustand an die ECU signalisiert.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch das durch die Merkmale nach Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren sowie durch die durch die Merkmale nach Anspruch 3 sich ergebende Anordnung. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung besteht im wesentlichen darin, daß regelmäßig (bei Gleichheit der Ausgangssignale) das Ausgangssignal des einen Signalpfades durch die elektronische Steuereinheit ausgewertet wird, während bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade das Ausgangssignal des anderen Signalpfades ausgewertet wird. Für den Fall, daß beide Ausgangssignale, die beispielsweise eine Aussage über die Drehzahl des überwachten Rades machen können, gleich sind, erhält man durch die erfindungsgemäße Anordnung eine erhöhte Sicherheit über die Richtigkeit der ermittelten Drehzahl. Sinnvollerweise wird man bei Ungleichheit der Ausgangsignale den Signalpfad mit der Steuereinheit verbinden, welcher mit größerer Wahrscheinlichkeit die richtige Information liefert.

Die erfindungsgemäßen Anordnung besitzt eine besonders vorteilhafte Wirkung, wenn ihre Merkmale mit den Merkmalen nach Anspruch 4 in Weiterbildung der Erfindung kombiniert werden. Hierbei besitzt der erste Signalpfad eine erheblich größere Empfindlichkeit als der zweite Signalpfad. Damit spricht er zwar auch auf schwache Signale des Encoders an, es können aber auch leichter Störsignale das Ergebnis verfälschen. In diesem Falle wird dann auf den zweiten Signalpfad umgeschaltet, der weniger störanfällig ist. Praktisch läßt sich durch diese Kombinationen die Toleranz der Anordnung hinsichtlich ihrer Einbaulage erheblich steigern. Wird der Abstand etwa zwischen dem Sensorelement des ersten Signalpfades und dem Encoder sehr gering, so sind fehlerhafte Informationen des ersten Signalpfades nicht auszuschließen. Bei diesem geringen Abstand wird aber der zweite Signalpfad mit großer Wahrscheinlichkeit die richtige Information ausgeben.

Besonders wirkungsvoll wird die erfindungsgemäße Anordnung in Kombination mit den Merkmalen nach Anspruch 5. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine durch Flippen auf dem ersten Signalpfad falsche Information über die Drehzahl eines Rades durch Umschalten auf den zweiten Signalpfad umgehend korrigiert.

Um eine besonders große Toleranz hinsichtlich der Einbaulage der Anordnung zu erhalten empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Verwendung der Merkmale nach Anspruch 6. Hierdurch wird sichergestellt, daß es eine Einbaulage gibt, bei der die Anordnung redundant und damit mit großer Sicherheit arbeitet. Wird der Luftspalte dann noch weiter verringert, so wächst die Sensitivität der beiden Signalpfade. Das kann zwar letztlich zum Flippen auf dem ersten Signalpfad führen, gleichzeitig wird aber auch die Empfindlichkeit des zweiten Signalpfades verbessert, so daß dieser mit großer Wahrscheinlichkeit die richtige Drehzahl angibt.

Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Anordnung ist nicht auf sich drehende Räder beschränkt sondern kann auch bei linearen Bewegungen wirkungsvoll analog eingesetzt werden. Mit besonderem Vorteil wird aber die Erfindung entsprechend der Merkmale nach Anspruch 7 angewendet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung empfiehlt sich auch die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 8. Hierbei werden durch die Anordnung Signale abgeleitet, die den Zustand der Anordnung beschreiben und damit bei der Auswertung der von der Anordnung abgegebenen Informationen die Möglichkeit geschaffen, den Zustand dieser Anordnung zu berücksichtigen. Zusätzliche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Erfindung betrifft somit eine Anordnung zur eigensicheren Raddrehzahlerfassung mit so genannten aktiven Sensoren mit Sensorelementen auf Basis des anisotropen magnetoresistiven Effektes. Die Erfindung kann im gesamten Bereich des Anlagen- und Maschinenbaus angewendet werden, insbesondere jedoch im Kfz-Bereich, hierbei wiederum vorwiegend im Bereich elektronisch geregelter Bremssysteme.

Zur Erläuterung des Standes der Technik, verwendeter Bezugsrichtungen und der Erfindung mit verschiedenen Ausführungsformen dienen folgende Figuren. Darin zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau zweier Raddrehzahlerfassungssysteme,
2 den schematischen Aufbau typischer Sensormodule,
3 die der vorliegenden Beschreibung zugrundeliegenden Bezugsrichtungen und Kennlinien,
4 den schematischen Feldlinienverlauf an einem magnetischen Polrad
5 in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung
6 die bei bekannten Radrehzahlerfassungssystemen angewandten Signalprotokolle
7 das erfindungsgemäße Prinzip der räumlichen Trennung der Sensorelemente
8 ein erstes Ausführungsbeispiel für die räumlich getrennten Signalpfade
9 ein zweites Ausführungsbeispiel für die räumlich getrennten Signalpfade
10 das erfindungsgemäße Prinzip der Trennung durch unterschiedliche Eigenanisotopie
11 Parameter zur Beeinflussung der Eigenanisotropie
12 Schemata bei der Erfindung anwendbarer sensitiver Brückenstrukturen
13 bei der Erfindung anwendbare geometrische Varianten von Brückenstrukturen
5 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einem Encoder 23 dem eigensicheren Sensormodul 24, verbunden mit der ECU 25. Das Sensormodul enthält zwei magnetoresisitive Sensoren S1 und S2, die durch geeignete konstruktive Maßnahmen an den Encoder im allgemeinen Fall über zwei unterschiedliche Luftspaltfeldstärken H1 und H2 magnetisch gekoppelt sind, wobei der Sonderfall H1 = H2 erfindungsgemäß als eingeschlossen betrachtet wird und auch als Ausführungsbeispiel genutzt, vorgestellt wird. Aus jedem der Sensoren wird über eine zugehörige Signalaufbereitungsstufe 26, 27 ein Raddrehzahlsignal aufbereitet. Für den Fall eines Raddrehzahlsensors vom Typ gemäß 2b, wie er hier als übergreifendes Beispiel dargestellt ist, wird aus dem Sensor S1 eine Zusatzinformation ZI1 abgeleitet, die in ihrer Funktionalität derjenigen unter ZI in 2b geschriebenen entspricht. Die Signalfrequenzen der Stufen 26 und 27 werden in einer Frequenz-Komparatorstufe 28 auf Übereinstimmung verglichen. Die Komparatorstufe 28 erzeugt als Ergebnisprotokoll ein Zustands-Bit bezüglich der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Signalfrequenzen. Gleichzeitig steuert die Komparatorstufe 28 einen elektronischen Umschalter 29, der alternativ den von S1, 26 oder den von S2, 27 kommenden Signalpfad mit einer Signallogik 30 verbindet, während die Signalpfade der Zusatzinformationen ZI1, ZI2 stets mit dieser Signallogik 30 verbunden sind. Die Signallogik erzeugt daraus ein Signalprotokoll, dass über den Modulator M und die Stromquelle 11 als Signalstrommuster abgebildet wir und zur ECU 25 gelangt.
Erfindungsgemäß ist also stets ein Signalpfad vorhanden der über maximale Sensitivität verfügt, so dass im ungestörten Normalfall minimale Abbildungsfehler der Encoderspur bei gleichzeitig maximalen Luftspalten erreicht werden, während gleichzeitig stets ein beobachtender Signalpfad vorhanden ist, dessen Sensitivität so ausgelegt ist, das ein Flippen unter allen magnetischen Bedingungen sicher verhindert ist. Hierbei wird folgende Auslegungsrichtlinie vorgeschlagen:
Die Bedingung für die Auslegung der sensorische Empfindlichkeit des sensitiveren Pfades ist dadurch gegeben dass der sensitivere Pfad mit (z.B. 6dB) Sicherheit nicht mehr durch Flippen gefährdet sein darf, wenn eine Luftspaltlänge erreicht ist, bei der das Signal des unempfindlichen Pfades mit (z.B. 6dB) Sicherheit über dem Rauschen erkannt werden kann.
Die technischen Prinzipien der später beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten und ihre Kombination ermöglichen eine breite Auslegungsvielfalt, die jeder Anforderung gerecht wird.
Erfindungsgemäß wird folgende Vielfalt der Signalauswertung zur Erhöhung der Eigensicherheit des Raddrehzahlsensors gegen Flippen vorteilhaft genutzt:
1. Fall:
Frequenz (sensitiver Pfad) gleich Frequenz (beobachtender Pfad)

– Redundanzaussage
– Hohe Eigensicherheit
– Nur der sensitive Pfad wird genutzt

2. Fall
Frequenz (sensitiver Pfad) ungleich Frequenz (beobachtender Pfad)

– Diagnoseaussage über Flippzustand im Signalprotokoll ausweisbar
– Nur der beobachtende Pfad wir genutzt
– Verfügbarkeit der Raddrehzahlinformation bleibt für Notlauf erhalten

6 zeigt gegenwärtig gebräuchliche Signalprotokolle und Möglichkeiten zur Übertragung von Diagnoseinformation bezüglich des Flippens an die ECU.
6a zeigt das 2-Pegel-Protokoll, das sich als Standard für unidirektionale Raddrehzahlerfassung etabliert hat. Hier wird als Beispiel der Zustand des Flippens gegenüber der ECU durch einen konstanten Ruhepegel ausgewiesen.
6b zeigt ein 3-Pegel-Protokoll, das von der Automobilindustrie ebenfalls verwendet wird. Während die Drehzahlinformation über die Pegel Jh erkannt wird, werden verschiedene Zusatzinformationen wie Drehrichtung, Luftspaltmaß in einer seriellen Folge von Bits im Pegelbereich Im und Jl kodiert. Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit eines dieser Bits zur Kodierung des Flippzustandes zu nutzen. In Verbindung mit der bereits vorhandenen Luftspaltdiagnose lässt sich eine wesentlich verbesserte Einbausicherheit kontrollieren.
6c ein PWM-Protokoll, das von der Automobilindustrie ebenfalls genutzt wird. Hier kann der Zustand des Flippens über ein bestimmtes Pulsweitenverhältnis gegenüber der ECU ausgewiesen werden.
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Eigenschaften des sensitiven und des beobachtenden Signalpfades werden zwei technische Konzepte vorgeschlagen, die sowohl alternativ zueinander als auch in Kombination miteinander genutzt werden können. Das erste alternative Konzept beruht auf der Nutzung eines zueinander räumlichen Versatzes zweier gleich empfindlicher sensorischer Strukturen (z.B. Brücken) in Z-Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders. Das zweite alternative Konzept beruht auf der Verwendung zweier ungleich empfindlicher sensorischer Strukturen in einer zur XY-Ebene des Encoders parallel Ebene. Das dritte Konzept ist die Kombination zweier ungleich empfindlicher sensorischer Strukturen mit zueinander räumlichem Versatz in Z-Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders.
7 zeigt das Konzept zweier in Z-Richtung zueinander versetzten sensorischen Strukturen, vorwiegend Brückenstrukturen, die erfindungsgemäß sowohl gleiche als auch ungleiche sensorische Empfindlichkeiten gegenüber einer gleichen magnetischen Bezugsfeldstärke aufweisen können. In ein Gehäuse aus Kunststoff 31 sind zwei Siliziumträger 32, 33 mit sensitiven Brückenstrukturen 34, 35 eingebracht. Der räumliche Versatz in Z-Richtung entsteht durch die ,Rücken-an Rücken-Anordnung' dieser beiden Chips. Ein separater Bias-Magnet 36 mit Polarisation in X-Richtung spannt die beiden sensorischen Schichten auf Grund ihres räumlichen Versatzes in Z-Richtung mit unterschiedlichen Feldstärken Hx gegenüber den Feldkomponenten eines Encoders 37, mit magnetischer Schicht 21 und Eisenrückschluß 22 magnetisch vor. Die Lesespur des Sensors ist gegenüber der Mittelspur des Encoders in X-Richtung versetzt, so dass eine störende Hx-Komponente 38 den Bias-Feldern entgegenwirkt, die zu Flippen führen könnte. Die Erfindung nutzt nun folgende technischen Gegenläufigkeiten, um sowohl den geforderten maximal empfindlichen Pfad als auch den maximal gegen Flippen resistenten beobachtenden Pfad gleichzeitig zu realisieren: Bezogen auf Sensorstruktur 35 ist der Abstand L3 zum Bias-Magneten relativ groß während der Abstand L4 zur Oberfläche des Encoders relativ klein ist, d.h. bei einer relativ schwachen Bias-Komponente Hx wirkt eine relativ starke magnetische Komponente Hy des Encoders. Die Struktur 35 ist damit hoch sensitiv, wie gefordert. Das Gegenteil ist bei der Sensorstruktur 34 der Fall. Der Abstand L1 zum Bias-Magneten ist relativ gering während der Abstand L2 zur Oberfläche des Encoders relativ groß ist, d.h. bei einer relativ starken Bias-Komponente Hx wirkt nur eine relativ schwache störende Gegenkomponente des Encoders, die kein Flippen mehr auslösen kann. Zur perfekten Anpassung an eine vorgegebene Sensor/Encoder-Luftspalt-Schnittstelle in er findungsgemäßer Aufgabenstellung soll die technisch günstigste Kombination folgender Parametervariationsmöglichkeiten genutzt werden:
Wahl der Dicke der Siliziumträgerschichten zur Anpassung eines gegenseitigen Abstandes der Schichten 34, 35 in Z-Richtung
Wahl des Abstandes des Siliziumträgerschicht-Pakets zur Encoderoberfläche durch Wahl der Einlagetiefe im Gehäuse 31 Anpassung der Stärke des aus dem Bias-Magneten austretenden magnetischen Feldes
Anpassung des geometrischen Abstandes des Bias Magneten zum Siliziumträgerschicht-Paket durch Wahl der dazwischen liegenden Gehäuseschichtdicke
Wahl der individuellen Sensitivität jeder der beiden magnetoresistiven Strukturen 34, 35
8 zeigt das Schema einer Ausführungsform nach dem Konzept von 7. Hierbei ist 8a eine räumliche Darstellung zur Schnittskizze 8b. Der Bias-Magnet 39 ist hier als magnetische Schicht (z.B SmCo) auf das Leadframe 40 aufgebracht. Der Leadframe-Ausläufer 41 und ein Leadframe-Gegenstück 42 bilden die 2-Drahtanschlüsse eines Sensormoduls (der erforderliche Gehäuseverguß 47 ist nicht dargestellt). Über der Magnetschicht ist ein Silizium-Chip 43 mit Asic 44 angeordnet, das der Signalkonditionierung bis zur Signalstromerzeugung gemäß 2 dient. Auf dieses Asic sind in seitlichem Abstand zueinander zwei Siliziumträger 433, 444 mit magnetoresistiven Brücken 45, 46 vorhanden, wobei die Brücke 46 in FlipChip-Technologie und die Brücke 45 in Bond-Technologie mit dem Asic elektrisch verbunden sind. Gegenüber einer Encoderspur 48 dient 45 als Sensor des empfindlichen Pfades und 46 als flipresistenter Sensor des beobachtenden Pfades.
9 zeigt zwei andere Varianten des Konzeptes von 7. Beiden Varianten gemeinsam ist die Schichtung eines Leadframes 40, einer Bias-Magnetschicht 39, eines Silizium-Chips 43 mit Asic 44, wie von 8 her bereits bekannt, mit dem Unterschied, dass hier die Magnetschicht nicht auf das Leadframe sondern auf die Rückseite des Silizium-Chips 43 aufgebracht ist. In 9a wird ein Stapel aus zwei Silizium-Chips 49, 51 die ,Rücken-an-Rücken' miteinander mechanisch fixiert sind, über den Sensor 52 mittels FlipChip-Technik mit dem Asic elektrisch kontaktiert während Sensor 50 über Bond-Verbindungen mit dem Asic verbunden ist. Die gesamte Anordnung nach 9a hat die Funktionselemente eines Sensormoduls. In einer Variante nach 9b ersetzt ein einzelnes Silizium-Chip 53 als Träger von zwei magnetoresistiven Sensoren 54, 55 den Stapel 49, 51 nach 9a bei sonst identischer Funktionalität.
10 zeigt das alternative erfindungsgemäße Konzept zweier in gleicher XY-Ebene zueinander versetzter sensorischer Strukturen, vorwiegend Brückenstrukturen, die ungleiche sensorische Empfindlichkeiten gegenüber einer gleichen magnetischen Bezugsfeldstärke aufweisen. In ein Gehäuse aus Kunststoff 56 ist ein Siliziumträger 57 mit sensitiven Brückenstrukturen 58, 59 eingebracht. Der räumliche Versatz dieser beiden Brückenstrukturen geschieht in der Ebene des Siliziumträgers parallel zur XY-Ebene des Encoders 37. Ein separater Bias-Magnet 36 mit Polarisation in X-Richtung spannt die beiden sensorischen Schichten auf Grund ihres räumlichen Versatzes in X und/oder Y-Richtung mit unterschiedlichen Feldstärken Hx gegenüber den Feldkomponenten eines Encoders 37, mit magnetischer Schicht 21 und Eisenrückschluß 22 magnetisch vor. Die Lesespur des Sensors und ist gegenüber der Mittelspur des Encoders in X-Richtung versetzt, so dass eine störende Hx-Komponente 38 den Bias-Feldern entgegenwirkt, die zu Flippen führen könnte. Die Erfindung nutzt nun eine in 11 angegebene technische Möglichkeit, die Eigenanisotropie einer magnetoresistiven Struktur in weiten Bereichen zu verändern, um sowohl den geforderten maximal empfindlichen Pfad als auch den maximal gegen Flippen resistenten beobachtenden Pfad gleichzeitig zu realisieren. Es ist bekannt, dass die Höhe der Eigenanisotropie H0 eines Streifenwiderstandes 60 aus Permalloy (als wichtigstem magnetoresisitivem Material) im wesentlichen von dem Verhältnis der Streifenbreite zur Schichtdicke abhängt wie in der Formel für H0 angegeben und damit in weiten Grenzen veränderbar ist. Der sensitive Pfad erfordert einen Sensor mit niedriger Eigenanisotropie, d.h. mit relativ dünnen, breiten Streifen, der beobachtende Pfad erfordert dagegen einen Sensor mit hoher Eigenanisotropie, d.h. mit relativ dicken, schmalen Streifen. In Verbindung mit einer geeignet dimensionierten Bias-Magnetisierung, die die Eigenanisotropie der flipresistenten Sensorstruktur ausreichend unterstützt und zugleich die Sensitivität des empfindlichen Pfades nicht zu stark einschränkt lässt sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung auf einfache Weise lösen.
12 zeigt elektrische Verschaltungen sensorischer Elemente für die beiden Signalpfade. In 12a erhält der sensitive Pfad eine magnetoresistive Vollbrücke R1, R2, R3, R4 mit der potentialfreien Signalspannung Vs1 und der flipresistente beobachtende Pfad eine Halbbrücke R5, R6 mit der (Erd-) potentialbezogenen Spannung Vs2. In 12b enthalten beide Pfade eine Vollbrücke A, B, C, D und A', B', C', D' mit den zugehörigen potentialfreien Signalspannungen Vs4, Vs3. Den magnetoresistiven Streifenwiderständen ist zur Linearisierung der Operationskennlinie eine Barberpolestruktur überlagert oder aber die Streifen selbst sind in Barberpolemuster geometrisch ausgerichtet, wobei dann auf eine zusätzliche Überstruktur verzichtet werden kann.
13 zeigt verschiedene vorteilhafte Formen einer geometrischen Anordnung der magnetoresisitiven Brückenwiderstände nach 12b unter Bezug auf ihre Ausrichtung parallel zur XY-Chipebene ihres Siliziumträgers. Der darunter dargestellte Pfeil symbolisiert die Y-Laufrichtung einer bewegten Encoderspur relativ zu den Brückenwiderständen. In 13a umschließen die beiden Brückenzweige des beobachtenden Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des sensitiven Pfades in Laufrichtung der Encoderspur. In 13b umschließen die beiden Brückenzweige des sensitiven Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des beobachtenden Pfades.
In 13c umschließen die beiden Brückenzweige des beobachtenden Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des sensitiven Pfades in Richtung des Bias-Feldes. In 13d umschließen die beiden Brückenzweige des sensitiven Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des beobachtenden Pfades in Richtung des Bias-Feldes. In 13e umschließen die Brückenelemente des beobachtenden Pfades zentrisch die zentrisch angeordneten Brückenelemente des sensitiven Pfades, während es in 13f genau umgekehrt ist. In 13g wechseln die Brückenzweige des sensitiven und des beobachtenden Pfades in Y-Laufrichtung einander ab.

Claims

Verfahren zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mittels eines Sensors, der über ein magnetisches Feld mit einem Encoder (5, 13, 23) gekoppelt ist, welcher sich mit dem rotierenden Körper dreht, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale mindestens zweier getrennter, wenigstens ein eigenes Sensorelement (S, S1, S2) aufweisender Signalpfade (S1, f1; S2, f2) miteinander verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis einer der beiden Signalpfade mit einer nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (25) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalpfad (S1, f1) über eine von dem zweiten Signalpfad (S2, f2) abweichende Sensitivität verfügt.
Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mit einem Sensor (24), der über ein magnetisches Feld (H1, H2) mit einem Encoder (23) gekoppelt ist, der sich mit dem rotierenden Körper dreht, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (24) zwei voneinander getrennte Signalpfade (S1, f1; S2, f2) mit zumindest einem eigenen Sensorelement (S1, S2) und vorzugsweise eigener Signalaufbereitungsstufe (26, 27) besitzt, deren Ausgangsignale in einem Komparator (28) miteinander verglichen werden und daß abhängig von dem Vergleichsergebnis des Komparators (28) der erste Signalpfad (S1, f1) oder der zweite Signalpfad (S2, f2) der beiden Signalpfade mit einer nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (25) verbindbar ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß der erste Signalpfad (S1, f1) eine sehr viel größere Sensitivität besitzt als der zweite Signalpfad (S2, f2).
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalpfad (S1, f1) derart aufgebaut und/oder angeordnet ist, daß ein Flippen nicht ausgeschlossen ist und daß der zweite Signalpfad (S2, f2) derart aufgebaut und/oder angeordnet ist, daß ein Flippen ausgeschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Signalpfad (S1, f1; S2, f2) derart aufgebaut und/oder angeordnet sind, daß der erste Signalpfad (S1, f1) nicht mehr durch Flippen gefährdet ist, wenn eine Luftspaltlänge erreicht ist, bei der das Signal des zweiten Signalpfades (S2, f2) über dem Rauschen erkennbar ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsignale der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) die Drehzahl des Encoders und damit des rotierenden Körpers beschreiben, daß bei Gleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) am Komparator der erste Signalpfad mit der nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit verbunden ist und daß bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) der zweite Signalpfad (S2, f2) mit der nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (S1, f1; 52, f2) durch den Sensor eine Information ausgebbar ist, welche eine Redundanz-Russage macht und/oder die hohe Eigensicherheit des Sensors beschreibt und daß bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) durch den Sensor eine Information ausgebbar ist, welche eine Diagnoseaussage über Fehler-Zustand des ersten Signalpfades macht.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbindung des zweiten Signalpfades (S2, f2) mit der elektronischen Steuereinheit (25) für diese die Raddrehzahlinformation für den Notlauf verfügbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) ungefähr die gleiche Empfindlichkeit besitzen und in Z-Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders (23) gegeneinander räumlich versetzt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelemente (S1) des ersten Signalpfades (S1, f1) eine größere Empfindlichkeit als das Sensorelement (S2) des zweiten Signalpfades (S2, f2) besitzt und daß die beiden Sensorelemente (S1, S2) im wesentlichen in einer zur XY-Ebene des Encoders (23) parallelen Ebene angeordnet sind (10).
Anordnung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement des ersten Signalpfades (S1, f1) eine größere Empfindlichkeit als das Sensorelement des zweiten Signalpfades (S2, f2) besitzt und daß die beiden Sensorelemente in Z-Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders gegeneinander räumlich versetzt sind (7, 8, 9).
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zum ersten Signalpfad (S1, f1) gehörende Sensorelement (S1) mit einer magnetoresistiven Vollbrücke versehen ist und das zum zweiten Signalpfad (S2, f2) gehörende Sensorelement vorzugsweise mit einer magnetoresistiven Halbbrücke versehen ist (12a).
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und vorzugsweise einen gemeinsamen Bias-Magnet besitzen (8).
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente der beiden Signalpfade (S1, f1; S2, f2) auf einem gemeinsamen Silizium-Chip (43) vorzugsweise übereinander geschichtet oder nebeneinander liegend angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Chip mit einem ASIC versehen ist, in welchen zumindest wesentliche Teile der zu den Signalpfaden (S1, f1; S2, f2) gehörenden elektrischen Schaltungen integriert sind (8b, 9).
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bias-Magnetschicht, ein Silizium-Chip (43) mit ASIC in Verbindung mit einem Leadframe (40) übereinander geschichtet sind.