DE10357147A1 - The magnetic sensor system - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements (3) vorgeschlagen, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement (2) verursachten Magnetfeldänderungen auswertbar sind. Es ist ein Geberelement (2) vorhanden, das mindestens einen Permanentmagneten (5) aufweist, dessen Feldverlauf bei einer Vorbeibewegung des Geberelements (2) am ortsfesten Sensorelement (3) im Sensorelement (3) ein Ausgangssignal zur Erzeugung von Schaltflanken bewirkt und es ist ein Feldverstärker (6) an der dem Geberelement (2) abgewandten Seite des Sensorelements (3) angeordnet.A magnetic sensor arrangement for evaluating the signals of a magnetic field-sensitive sensor element (3) is proposed, in which the magnetic field changes caused by a moving transmitter element (2) can be evaluated. There is a donor element (2) which has at least one permanent magnet (5) whose field profile causes an output signal for generating switching edges during a passing movement of the donor element (2) on the stationary sensor element (3) in the sensor element (3) and it is a Field amplifier (6) on the side facing away from the transmitter element (2) side of the sensor element (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur magnetischen Erfassung und Auswertung der Bewegung eines Geberrades oder eins linear bewegten Geberelements, nach der Gattung des Hauptanspruchs.The The invention relates to a magnetic sensor arrangement, in particular for magnetic detection and evaluation of the movement of a sensor wheel or a linearly moving donor element, according to the preamble of the main claim.

Bekannt sind hierbei sogenannte aktive Weg-, Drehzahl- oder Positionssensoren, wie sie zum Beispiel zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen zu Messzwecken eingesetzt werden. Mittels eines magnetfeldempfindlichen Elementes wird die Amplitude des durch ein Geberelement veränderten Magnetfeldes bestimmt und abhängig von diesem Magnetfeld beispielsweise ein Komparator geschaltet, der zu einer Änderung des elektrischen Ausgangssignals führt.Known Here are so-called active way, speed or position sensors, as they are for Example for controlling motors or in transmission or vehicle dynamics controls used in motor vehicles for measurement purposes. By means of a magnetic field sensitive element is the amplitude of a through Encoder element changed Magnetic field determined and dependent switched by this magnetic field, for example, a comparator, to a change the electrical output signal leads.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 100 09 173 A1 (WO 2001 63213 A1) bekannt, bei der ein Permanentmagnet darüber hinaus noch mit einem zusätzlichen weichmagnetischen Bauteil versehen ist und die Bewegung eines ferromagnetischen Geberelements mit einem zwischen dem Permanentmagneten und dem Geberelement angeordneten magnetfeldempfindlichen Element erfasst wird. Das magnetfeldempfindliche Element kann ein einfacher oder ein differenzieller Sensor sein und auf einer Hall- oder einer anderen Magnetfeldsensor-Technologie, wie zum Beispiel AMR, GMR oder TMR, beruhen.Such an arrangement is for example from the DE 100 09 173 A1 (WO 2001 63213 A1) known, in which a permanent magnet is also provided with an additional soft magnetic component and the movement of a ferromagnetic donor element is detected with a arranged between the permanent magnet and the donor element magnetic field-sensitive element. The magnetic field sensitive element may be a single or a differential sensor based on a Hall or other magnetic field sensor technology such as AMR, GMR or TMR.

Es ist an sich auch bekannt, dass bei einer besonderen Form der Magnetsensoren der Permanentmagnet relativ zum magnetfeldempfindlichen Element bewegt werden kann. Der Magnet kann hierbei ein einfacher Permanentmagnet mit einem Nord- und Südpol oder auch ein sogenannter Multipol sein, d.h. er besitzt eine bestimmte Anzahl von einzelnen Magneten, die zum Beispiel hintereinander linear angeordnet sind oder auch auf einem Ring liegen.It It is also known that in a special form of magnetic sensors the permanent magnet relative to the magnetic field sensitive element can be moved. The magnet can be a simple permanent magnet with a north and south pole or a so-called multipole, i. he owns a certain Number of individual magnets, for example, one behind the other linear are arranged or lie on a ring.

Der bzw. die Magneten werden dann relativ zum magnetfeldempfindlichen Element bewegt, so dass das magnetfeldempfindliche Element abwechselnd von Magnetfeldern entgegengesetzter Richtung überstrichen wird. Mittels des Komparators wird dann beispielsweise bei jedem Nulldurchgang des Magnetfeldes eine elektrische Flanke im Ausgangssignal erzeugt.Of the or the magnets then become relative to the magnetic field sensitive Element moves so that the magnetic field sensitive element alternately is swept by magnetic fields of opposite direction. By means of the Comparator then becomes, for example, every zero crossing of the magnetic field generates an electrical edge in the output signal.

Voraussetzung für die Funktion der zuvor beschriebenen Magnetsensoranordnungen ist die Bereitstellung einer ausreichenden Amplitude des magnetischen Feldes für alle möglichen Betriebsbedingungen und Toleranzen der Anwendung. Die Funktion muss insbesondere auch für hohe Temperaturen und einen großen Abstand zwischen dem oder den Magneten und dem magnetfeldempfindlichen Element gewährleistet sein.requirement for the Function of the magnetic sensor arrangements described above is the Providing a sufficient amplitude of the magnetic field for all potential Operating conditions and tolerances of the application. The function must especially for high temperatures and a big one Distance between the magnet or magnets and the magnetic field sensitive Element guaranteed be.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Bei einer Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements, bei dem in der eingangs erwähnten Art die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Magnetfeldänderungen und die dadurch bewirkten Schaltflanken auswertbar sind, wird bei einer Vorbeibewegung des mit Permanentmagneten versehenen Geberelements am ortsfesten Sensorelement ein Ausgangssignal zur Erzeugung der Schaltflanken bewirkt. In vorteilhafter Weise wird dabei mit einem Feldverstärker, vorzugsweise ein weichmagnetisches Element, das an der dem Geberelement abgewandten Seite, also hinter dem Sensorelements angeordnet ist, am Ort der Messung die Messempfindlichkeit durch Fokussierung des Feldes erhöht.at a magnetic sensor arrangement for evaluating the signals of a magnetic field-sensitive sensor element, in the in the aforementioned type the magnetic field changes caused by a moving donor element and the resulting switching edges are evaluated, is at a passing movement of the sensor element provided with permanent magnets at the stationary sensor element, an output signal for generating the Switching edges causes. Advantageously, in this case with a field amplifier, preferably a soft magnetic element facing away from the donor element Side, that is arranged behind the sensor element, at the place of Measurement increases the measuring sensitivity by focusing the field.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dabei durch einen sehr einfachen Aufbau und die Möglichkeit einer besonders kostengünstigen Realisierung aus. Eine Integration in einen Halter für einen Halbleiterschaltkreis ist insbesondere bei einem Drehzahlsensor auf einfache Weise möglich. Vor allem bei kostengünstigen, hallbasierten Differentialsensoren auf der Basis von an sich bekannten AMR-, GMR- oder TMR-Technologien, wie sie zum Beispiel häufig in Drehzahlsensoren an Rädern eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, lässt sich die Reichweite des zu erfassenden Magnetfeldes mit geringem Aufwand verbessern, was insbesondere für die erwähnten Hall-Sensoren aufgrund ihrer begrenzten Empfindlichkeit von großem Vorteil ist.The inventive arrangement characterized by a very simple structure and the possibility a particularly cost-effective Realization off. An integration into a holder for one Semiconductor circuit is particularly in a speed sensor in a simple way possible. Especially at low cost, Hall-based differential sensors based on known AMR, GMR or TMR technologies, such as those often used in Speed sensors on wheels a motor vehicle can be used, the range of the improve the magnetic field to be detected with little effort, which especially for the mentioned Hall sensors are of great advantage because of their limited sensitivity is.

Wenn das Geberelement zum Bespiel ein Geberrad ist, so können auf dessen Umfang eine Anzahl von Permanentmagneten zur Bildung eines sogenannten Multipoles angeordnet werden, die mit jeweils abwechselnder Polarität am Sensorelement vorbeiführbar sind. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem linear bewegten Geberelemente vorteilhaft anwendbar.If For example, the donor element is a donor wheel, so you can whose circumference is a number of permanent magnets to form a so-called multipoles are arranged, each with alternating polarity can be guided past the sensor element are. However, the invention is also in a linearly moving encoder elements advantageous applicable.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:One embodiment The invention will be explained with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Ansicht eines mit einem Multipolring versehenen Geberrades als Geberelement für eine Magnetsensoranordnung mit einem Feldverstärker, 1 a schematic view of a provided with a multi-pole donor gear as a donor element for a magnetic sensor assembly with egg a field amplifier,

2 eine Schnittdarstellung der Magnetsensoranordnung nach der 1, 2 a sectional view of the magnetic sensor assembly according to the 1 .

3 eine Darstellung von Verläufen des Magnetfeldes am Sensorelement in Abhängigkeit vom Winkel des Geberrades mit und ohne Feldverstärker, 3 a representation of courses of the magnetic field at the sensor element as a function of the angle of the encoder wheel with and without field amplifier,

4 eine Darstellung von Verläufen des Magnetfeldes am Sensorelement in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen dem Geberrades und dem Sensorelement und 4 a representation of courses of the magnetic field at the sensor element in dependence on the air gap between the encoder wheel and the sensor element and

5 ein Detail der Kurvenverläufe nach der 4 im Grenzbereich des Luftspaltes. 5 a detail of the curves after the 4 in the border region of the air gap.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

In 1 ist eine Magnetsensoranordnung 1 zur Erfassung der Drehbewegung eines Geberrades 2, zum Beispiel zur Erzeugung von Impulsen für vorgegebene Drehwinkel, relativ zu einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement 3, vorzugsweise ein Hallelement, gezeigt.In 1 is a magnetic sensor arrangement 1 for detecting the rotational movement of a sensor wheel 2 for example, for generating pulses for given angles of rotation, relative to a magnetic field sensitive sensor element 3 , preferably a Hall element shown.

Die Magnetsensoranordnung 1 funktioniert in der Weise, dass auf dem Geberrad 2 ein sogenannter Multipolring 4 angebracht ist und die einzelnen Permanentmagneten 5 des Multipolrings 4 somit relativ zum magnetfeldempfindlichen Sensorelement 3 beweglich angeordnet sind, wobei rückseitig auf dem Sensorelement 3 ein Feldverstärker 6 positioniert ist.The magnetic sensor arrangement 1 works in the way that on the sender wheel 2 a so-called multipole ring 4 is attached and the individual permanent magnets 5 of the multipole ring 4 thus relative to the magnetic field sensitive sensor element 3 are movably arranged, being on the back of the sensor element 3 a field amplifier 6 is positioned.

Im Detail ist die zuvor beschriebene Anordnung auch aus 2 im Schnitt zu erkennen. Der Feldverstärker 6 besteht aus einem weichmagnetischen Material und erzeugt am Ort des Sensorelements 3 ein erhöhtes magnetisches Feld. Die Form des Feldverstärkers 6 richtet sich nach dem eingesetzten Sensorelement 3. Für einen Hall-Sensor als Sensorelement 3 mit einem oder mehreren magnetfeldempfindlichen Einzelelementen bietet sich hier eine Scheiben-, Zylinder oder Quaderform an, die zur eine Erhöhung der senkrechten Feldkomponente führt.In detail, the arrangement described above is also off 2 to recognize on average. The field amplifier 6 consists of a soft magnetic material and generated at the location of the sensor element 3 an elevated magnetic field. The shape of the field amplifier 6 depends on the sensor element used 3 , For a Hall sensor as a sensor element 3 With one or more magnetic-field-sensitive individual elements, a disk, cylinder or cuboidal shape lends itself here, which leads to an increase in the vertical field component.

Kurvenverläufe des magnetischen Feldes am Ort des Sensorelements 3 sind jeweils aus 3 bis 5 zu entnehmen, die aus einer Simulation einer erfindungsgemäßen Anordndung verglichen mit einem Aufbau ohne eine Verwendung des Feldverstärkers 6 gewonnen worden sind. In der 3 ist eine Darstellung eines Verlaufs 10 ohne den Feldverstärker 6 und eines Verlaufs 11 mit dem Feldverstärker 6 in Abhängigkeit vom Drehwinkel gezeigt, wobei erkennbar ist, dass mit dem Feldverstärker 6 eine Erhöhung der Feldstärke um ca. 20% erreichbar ist und somit auch der maximale Grenzluftspalt zum Beispiel eines Raddrehzahlsensors ebenfalls erhöht werden kann.Curves of the magnetic field at the location of the sensor element 3 are each out 3 to 5 to be taken from a simulation of a device according to the invention compared with a structure without a use of the field amplifier 6 have been won. In the 3 is a representation of a course 10 without the field amplifier 6 and a course 11 with the field amplifier 6 shown as a function of the angle of rotation, wherein it can be seen that with the field amplifier 6 An increase of the field strength can be achieved by about 20% and thus also the maximum limit air gap, for example, of a wheel speed sensor can also be increased.

In der 4 sind Verläufe des Magnetfeldes am Sensorelement 3 in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen dem Geberrad 2 und dem Sensorelement 3 dargestellt, wobei ein Verlauf 12 das magnetische Feld ohne den Feldverstärker 6 und ein Verlauf 13 das Feld mit dem Feldverstärker 6 zeigt. Die 5 zeigt ein Detail der Kurvenverläufe 12 und 13 nach der 4 im Grenzbereich des Luftspaltes zwischen 2,5 mm und 3,5 mm.In the 4 are courses of the magnetic field at the sensor element 3 depending on the air gap between the sender wheel 2 and the sensor element 3 shown, with a course 12 the magnetic field without the field amplifier 6 and a course 13 the field with the field amplifier 6 shows. The 5 shows a detail of the curves 12 and 13 after 4 in the boundary region of the air gap between 2.5 mm and 3.5 mm.

Für dieses ausgewählte Beispiel beträgt für eine maximal erforderliche Amplitude am Ort der Messung des magnetischen Feldes von ca. 2,5 mT die Erhöhung des Grenzluftspaltes circa 0,2 mm, wie aus den Kurvenverläufen 12 und 13 nach der 5 zu entnehmen ist. Während der herkömmliche Aufbau einer Magnetsensoranordnung ohne Feldverstärker einen maximalen Luftspalt von 2,76 mm zulässt, beträgt dieser mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Magnetsensoranordnung 1 hier 2,94 mm.For this selected example, for a maximum required amplitude at the location of the magnetic field measurement of approximately 2.5 mT, the increase in the limit air gap is approximately 0.2 mm, as shown in the graphs 12 and 13 after 5 can be seen. While the conventional construction of a magnetic sensor arrangement without a field amplifier permits a maximum air gap of 2.76 mm, with the structure according to the invention it is the magnetic sensor arrangement 1 here 2,94 mm.

Claims (5)

Magnetsensoranordnung, – zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements (3), bei dem die durch ein bewegtes Geberelement (2) verursachten Magnetfeldänderungen auswertbar sind, mit – einem Geberelement (2), das mindestens einen Permanentmagneten (5) aufweist, dessen Feldverlauf bei einer Vorbeibewegung des Geberelements (2) am ortsfesten Sensorelement (3) im Sensorelement (3) ein Ausgangssignal zur Erzeugung von Schaltflanken bewirkt und mit – einem Feldverstärker (6), der an der dem Geberelement (2) abgewandten Seite des Sensorelements (3) angeordnet ist.Magnetic sensor arrangement, - for evaluating the signals of a magnetic field-sensitive sensor element ( 3 ), in which by a moving donor element ( 2 ) magnetic field changes are evaluable, with - a donor element ( 2 ), the at least one permanent magnet ( 5 ) whose field profile during a passing movement of the encoder element ( 2 ) on the stationary sensor element ( 3 ) in the sensor element ( 3 ) causes an output signal for generating switching edges and with - a field amplifier ( 6 ) connected to the encoder element ( 2 ) facing away from the sensor element ( 3 ) is arranged. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Feldverstärker (6) ein fest auf dem Sensorelement (3) montiertes weichmagnetisches Element ist. Magnetic sensor arrangement according to claim 1, characterized in that - the field amplifier ( 6 ) firmly on the sensor element ( 3 ) mounted soft magnetic element. Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Feldverstärker (6) an einem Halter montiert ist, der zusammen mit dem Sensorelement (3) und Halbleiterschaltkreisen Bestandteil einer integriertem Sensoranordnung ist.Magnetic sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that - the field amplifier ( 6 ) is mounted on a holder, which together with the sensor element ( 3 ) and semiconductor circuits is part of an integrated sensor arrangement. Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorelement (3) aus einem hallbasierten Differentialsensor aufgebaut ist.Magnetic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the sensor element ( 3 ) is constructed from a hall-based differential sensor. Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Geberelement ein Geberrad (2) ist, auf dessen Umfang eine Anzahl von Permanentmagneten (5) angeordnet sind, die mit jeweils abwechselnder Polarität am Sensorelement (3) vorbeiführbar sind.Magnetic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the encoder element is a transmitter wheel ( 2 ), on whose circumference a number of permanent magnets ( 5 ) are arranged, each with alternating polarity on the sensor element ( 3 ) are passable.
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