DE102008056699A1

DE102008056699A1 - Aufbau eines induktiven Drehzahlsensors

Info

Publication number: DE102008056699A1
Application number: DE200810056699
Authority: DE
Inventors: Matthias Schunk
Original assignee: ZF Electronics GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein induktiver Sensor, der insbesondere für einen Drehzahlmesser mit einem nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Betätiger einsetzbar ist. Der induktive Sensor umfasst einen Kern und mindestens zwei Wicklungen. Eine Besonderheit besteht darin, dass der Kern an einem seiner Enden durch mindestens einen Querschlitz geteilt ist. Im Bereich dieses gespaltenen Kernendes ist eine Wicklung auf je einem Kernteil aufgebracht. Bevorzugt ist eine transformatorische Kopplung, für welche in der Nachbarschaft des gespaltenen Kernendes eine weitere Wicklung auf dem gesamten Umfang des Kernes aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung geht von induktiven Sensoren aus, bei denen mit Hilfe von Planarspulen bzw. Flachspulen Bewegungsgrößen gemessen werden. Beispielsweise können durch induktive Sensoren linearer Art Positionen oder Orte längs einer linearen Skala gemessen werden; die bekannten induktiven Sensoren können jedoch auch als Winkelmesser aufgebaut sein.
Eine spezielle Art von Winkelsensoren stellen Drehzahlmesser dar. In dieser Technik dreht sich ein mit der zu messenden Rotation verbundenes Geberrad an dem induktiven Sensor vorbei. Das Geberrad weist Zähne mit bestimmten magnetischen oder elektrischen Eigenschaften auf, so dass jeder vorbeigleitende Zahn einen Impuls in dem induktiven Sensor auslöst.
Als Dimensionierungsregel gilt, dass der effektive Durchmesser des induktiven Sensors etwa proportional zum Abstand des Geberrads sein soll, um auswertbare Messsignale zu erhalten. In der Praxis kann der induktive Sensor häufig nicht sehr nahe an das Geberrad herangeführt werden, beispielsweise weil der Messort mit hohen Umgebungstemperaturen belastet ist. Der dann relativ große Abstand erfordert einen relativ großen Durchmesser des induktiven Sensors. Diese Forderung kollidiert nicht selten mit einem geringen Einbauraum, den das System, an dem die genannte Drehzahl zu messen ist, zur Verfügung hat.
Die vorliegende Erfindung findet bevorzugt Anwendung in einem Drehzahlmesser gemäß der deutschen Anmeldung DE ............... der Anmelderin, die unter unserem Anwaltszeichen C83570DE beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde. Auf den Inhalt dieser Anmeldung wird voll umfänglich Bezug genommen; alle in dieser verwandten Anmeldung offenbarten Merkmale sind in der vorliegenden Anmeldung als mitoffenbart anzusehen.
In dieser Anordnung beeinflussen die Zähne des Geberrads den induktiven Sensor nach dem Transformatorprinzip. Auf der Primärseite des Transformators erzeugt ein Oszillator ein magnetisches Wechselfeld, das auf der Sekundärseite eine Wechselspannung induziert. Das koppelnde Magnetfeld, also die Gegeninduktivität des Transformators, wird durch einen Betätiger beeinflusst, insbesondere, aber nicht ausschließlich, durch einen nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Zahn des Geberrads. Dieser Impuls erscheint als Amplitudenmodulation des Oszillator signals an der Sekundärseite des Transformators und kann mit Hilfe einer Elektronikplatine ausgewertet werden.
Häufig, und so auch der Anordnung gemäß DE .................. ( C83570DE ), werden zwei in Laufrichtung der Zähne des Geberrads hintereinander angeordnete Empfangsspulen verwendet. Hierdurch wird nicht nur eine aus Sicherheitsgründen erforderliche Redundanz bereitgestellt, weil bei Ausfall einer Empfangsspule die andere Empfangsspule immer noch die Drehzahl messen kann. Ein weiterer Vorteil einer zweiten Empfangsspule liegt darin, dass zusätzlich zur Drehzahl auch noch die Drehrichtung bestimmt werden kann, ohne dass die Zähne des Geberrads in irgendeiner Weise (magnetisch oder elektrisch oder mechanisch) kodiert sein müssen. Der induktive Sensor nach der Erfindung ist bevorzugt in einem derartigen Drehzahlmesser einsetzbar.
In solchen Drehzahlmessern ist der induktive Sensor bisher mit Flachspulen aufgebaut, weist also eine planare Sendespule und zwei planare Empfangsspulen auf. In diesem Fall benötigt man eine Leiterplatte in Multilayertechnik, auf der diese Spulen in zwei Schichten aufgebracht sind. An Hand der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird erläutert, dass diese Technologie Nachteile bezüglich des Platzbedarfs und der Temperaturbeständigkeit aufweisen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine induktive Sensoranordnung anzugeben, die auch bei beengten Platzverhältnissen verwendet werden kann sowie temperaturbeständig und robust ist.
Die Lösung ergibt sich aus einem Sensoraufbau, wie er im Anspruch 1 angegeben ist. Diese Struktur greift auf einen Kern mit mehreren Wicklungen zurück, wobei der Kern an einem seiner Enden durch mindestens einen Querschlitz geteilt ist und im Bereich dieses gespalteten Kernendes die Kernteile mindestens zwei Wicklungen tragen.
Zwar ist es weitverbreiteter Stand der Technik, eine oder mehrere Spulen auf einen Kern zu wickeln. Üblicherweise ist dann jedoch der Kern komplett mit einer Spule umwickelt, die sehr viele Windungen, zum Teil bis zu 1000 Windungen, aufweist. Oder es geht im Falle eines Übertragers um einen geschlossenen Kern mit mehreren Windungen. Bei der Erfindung handelt es sich hingegen um einen länglichen, nicht geschlossenen Kern mit einer speziell strukturierten Endfläche. Der Kern ist an dem Ende, das als induktiver Sensor wirkt, geteilt. In diesem gespaltenen Bereich wird jeweils eine Empfangsspule um einen, beispielsweise halbkreisförmigen, Teilkern gewickelt.
Eine weitere Wicklung kann auf dem gesamten Umfang des Kern aufgebracht sein, beispielsweise die Senderspule des induktiven Sensors in der unmittelbaren Nachbarschaft des gespaltenen Kernendes. Dadurch ist ein Transformator mit einer primärseitigen Sendespule und zwei sekundärseitigen Empfangsspulen realisierbar.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel teilt ein geradliniger Querschlitz die Endfläche des Kerns in zwei etwa halbkreisförmige Kernteile.
Als Material für den erfindungsgemäßen Kern eignet sich Ferrit oder auch ein wärmebeständiger Kunststoff. Die Wicklungen können in kleinen Einkerbungen auf den Umfang des Kerns aufgebracht sein oder auch direkt auf den Außenumfang des Kerns bzw. Teilkerns gewickelt sein.
Die Enden des Drahts, der zum Wickeln der Spule verwendet wird, können direkt mit derjenigen elektrischen Schaltung, die in der Regel auf einer Elektronikplatine angeordnet ist, verbunden sein, mit deren Hilfe die Signale des induktiven Sensors ausgewertet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen
1a und 1b Planarspulen gemäß dem Stand der Technik, von denen die Erfindung ausgeht;
2 den Aufbau eines induktiven Sensors nach der Erfindung.
In 1a ist ein als Planarspule ausgeführter induktiver Sensor dargestellt. Es kann sich um eine Empfangsspule eines Drehzahlmessers handeln. Die in Spiralform aufgebrachte Kupferbahn umfasst drei Windungen und ist mit einer bekannten Technik auf einer rechteckförmigen Platine angeordnet. Häufig ist diese Spulenplatine aus Temperaturgründen abgetrennt von einer Elektronikplatine, mit der sie dann elektrisch verbunden werden muss. Bereits diese elektrische Verbindung zur Auswerteschaltung nimmt viel Platz in Anspruch.
Ferner kann bei Planarspulen, wie 1a zeigt, nicht die gesamte Fläche der Spulenplatine ausgenutzt werden. Es bleibt ein gewisser Randbereich übrig, der Platz kostet. Dies gilt sogar dann, wenn – wie in 1b – die Geometrie der Spulenplatine an die spiralförmige Planarspule angepasst ist. Auch dann verbleibt ein von der Isolationsbreite herrührender Randbereich, der den Durchmesser des induktiven Sensors vergrößert, ohne nutzbar zu sein.
Ein weiterer Nachteil kommt hinzu, wenn der planare Sensor unter ungünstigen Temperaturbedingungen eingesetzt werden muss. Die Leiterplatte gemäß 1a oder 1b besteht ge wöhnlich aus FR4-Material, das nur bis 110°C temperaturbeständig ist. Jenseits einer Glasübergangstemperatur von 110°C können sich die Eigenschaften dieses preisgünstigen Platinenmaterials ändern. Bei höheren Temperaturen lassen sich zwar Leiterplatten aus Spezialmaterial einsetzen; diese Materialien sind jedoch wesentlich teurer als Standard FR4-Material.
Diese Nachteile der bekannten Planarspulentechnik vermeidet der erfindungsgemäße Sensor gemäß 2. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Körper des Kerns zylindrisch und weist an dem Kernende, das als induktiver Sensor ausgebildet ist, einen geradlinigen Schlitz auf, der das Kernende in zwei etwa halbkreisförmige Kernteile aufspaltet. Jeder der halbkreisförmigen Kernteile trägt eine Wicklung, die sich gut als Empfangsspule des induktiven Sensors eignet. In dem nicht ausgefrästen Nachbarbereich ist die zugehörige Sendespule auf den gesamten Kernumfang aufgewickelt. Die Enden der Drähte, die zum Wickeln der Spulen verwendet werden, können gleichzeitig als Verbindung zur Elektronikplatine dienen. Dies ist platzsparender als ein Anschluss der Spulenplatinen gemäß 1a und 1b.
In der Anordnung nach 2 wird ferner die gesamte Fläche des induktiven Sensors zur Signalerzeugung genutzt. Bei gleicher elektromagnetischer Funktion von Geberrad und Sensor benötigt die Anordnung nach 2 weniger Bauraum als die Anordnung nach 1b bzw. bei gleichem Bauraum können mit der Anordnung nach 2 größere, stärker temperaturgeschützte Abstände vom Geberrad realisiert werden.
Weil bei dem Kern nach 2 eine andere Materialauswahl getroffen werden kann als bei einer Trägerplatine gemäß 1, kann der erfindungsgemäße Sensor auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Auf die Beispiele Ferrit und wärmebeständiger Kunststoff wurde bereits hingewiesen.
Schließlich ist ein Kern mit einem in zwei Schichtebenen gewickelten Draht auch kostengünstiger als die Multilayertechnik bei Leiterplatten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 83570 C [0004, 0006]

Claims

Induktiver Sensor, insbesondere für einen Drehzahlmesser mit einem nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Betätiger, umfassend einen Kern und mindestens zwei Wicklungen mit Drahtenden, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kern an einem seiner Enden durch mindestens einen Querschlitz geteilt ist, und – dass im Bereich dieses gespaltenen Kernendes eine Wicklung auf je einen Kernteil aufgebracht ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Wicklung in der Nachbarschaft des gespaltenen Kernendes auf den gesamten Umfang des Kerns aufgebracht ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen im Bereich des gespaltenen Kernendes Sekundärseiten oder Empfangsspulen eines Transformators darstellen und dass die weitere Wicklung im benachbarten Kernbereich eine Primärseite oder Sendespule dieses Transformators darstellt.
Induktiver Sensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei Empfangsspulen auf dem gespaltenen Kernende, wobei der Kern durch genau einen Querschlitz in zwei etwa gleich große Hälften geteilt ist.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschlitz oder die Querschlitze geradlinige Anteile aufweisen.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass das gespaltene Kernende, wenn es durch genau einen Querschnitt geradlinig geteilt ist, zwei etwa halbkreisförmige Kernteile aufweist.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Ferrit oder einem ähnlichen ferromagnetischen oder paramagnetischen Material besteht.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem wärmebeständigen Kunststoff besteht.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen in kleinen Einkerbungen auf den Umfang des Kerns aufgebracht sind.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen direkt, ohne Einkerbungen, auf den Umfang des Kerns aufgebracht sind.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtenden der Wicklungen direkt mit einer Elektronikplatine verbunden sind, mit deren Hilfe Signale des induktiven Sensors ausgewertet werden.