DE19581628C2 - Winkelpositionssensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionssensor, wie er
beispielsweise aus der EP 0 496 918 A1 bekannt ist, wobei zwei komplementäre Targets
durch zwei gezahnte, nebeneinanderliegende Scheiben vorgegeben werden, welche durch
zwei nebeneinanderliegende Sensoren bei ihrer Drehung abgetastet werden Die beiden
gezahnten Scheiben können z. B. mit einer Nockenwelle verbunden sein.
Viele unterschiedliche Arten von Zahnradsensoren sind dem Fachmann bekannt. Einige
Zahnradsensoren verwenden ein Halleffekt-Element, dem ein Vorspann-Permanentmagnet
zugeordnet ist. Andere enthalten ein magnetoresistives Element, wie beispielsweise
Permalloy kombiniert mit einem Permanentmagneten, der ein Vorspannfeld liefert. In
bestimmten Anwendungsfällen umfaßt ein einzelnes drehendes Target mehrere Zähne und
Zwischenschlitze. Ein Nachteil vieler Einzeltarget-Zahnradsensoren liegt darin, daß die
Einrichtung Änderungen in einem magnetischen Feld erfaßt und nicht in der Lage ist,
genau festzustellen, ob ein Zahn oder ein Schlitz sich beim Anlauf in der Nähe des Sensors
befindet. Um diesen Nachteil zu vermeiden, enthalten einige Zahnradsensoren zwei
drehbare Targets, wobei jedes Target mehrere Zähne und Schlitze umfaßt. Es ist besonders
vorteilhaft, wenn die zwei Targets ihrer Natur nach zueinander komplementär sind. In
dieser Bechreibung werden Targets als komplementär beschrieben, wenn die Zähne eines
Targets in Umfangsausrichtung auf die Schlitze des anderen Targets und umgekehrt
ausgerichtet sind. In einer Anordnung dieses Typs beeinflussen die komplementären
Targets den Zahnradsensor in entgegengesetzter Weise, so daß der Zahn eines Targets das
magnetische Feld des Vorspannmagneten in einer speziellen Weise stört, welche im
allgemeinen entgegengesetzt zu der Störung ist, wenn sich der Zahn des anderen Targets in
eine Position in der Nähe des Sensors bewegt. Diese komplementäre Natur der Targets
gestattet ihre Erkennung bei der Spannungseinschaltung und erleichtert die genaue
Bestimmung der Winkelposition einer drehbaren Welle, mit der die komplementären
Targets befestigt sind.
US-Patent 4 789 826 offenbart ein System zur Erfassung der Winkelposition eines
drehbaren Elementes unter Verwendung eines Halleffekt-Wandlers Die Winkelposition
des Elementes, wie beispielsweise die Welle einer Spannungsarmanordnung wird erfaßt
durch die Kombination eines kreisförmigen Magneten, der mit dem drehbaren Element
befestigt ist und selektiv in Bezug auf seinen Durchmesser polarisiert ist, um ein
magnetisches Nord/Südpol-Paar zu definieren und eine stationäre Halleffekt-
Wandlereinrichtung, die in enger und konstanter Nachbarschaft zu dem Ringmagneten
angeordnet ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung ist die
Halleffekt-Wandlereinrichtung im Bereich eines magnetischen Nulldurchganges des Feldes
angeordnet, das durch die magnetischen Pole erzeugt wird, wenn sich das drehbare
Element in einer ausgewählten Winkelposition befindet.
US-Patent 4 785 242 offenbart eine Positions-Feststellvorrichtung, welche mehrfache
magnetische Sensoren für die Bestimmung der relativen und absoluten Winkelposition
einer rotierenden Welle verwendet. Eine Positions-Feststellvorrichtung verwendet eine
erste magnetische Sensoreinrichtung für die genaue Bestimmung der Winkelposition eines
Rotors und eine zweite magnetische Sensoreinrichtung für die absolute Bestimmung der
Winkelposition des Rotors. Die erste Sensoreinrichtung umfaßt ein erstes Target, das
operativ dem Rotor zugeordnet ist, um mit diesem zu rotieren und sie umfaßt ebenfalls
einen ersten Sensor, der in einem festen Abstand von dem ersten Target unabhängig von
der absoluten Winkelposition des Rotors angeordnet ist, um einen ersten Luftspalt
dazwischen zu definieren, und ein erster Magnet ist in Nachbarschaft zu dem ersten Target
angeordnet, um ein erstes magnetisches Feld in dem ersten Luftspalt zu bilden.
US-Patent 4 506 217 beschreibt einen Getriebezahn-Positions- und Geschwindigkeits
sensor mit vier in einem Brückenschaltkreis verbundenen magnetischen
Widerstandsspuren. Vier mäanderförmig angeordnete Permalloy-Widerstandsspuren sind
auf einem Substrat in den Ecken eines Rechteckes angeordnet. Sie sind in einer
Umfangsrichtung um ungefähr die Hälfte des Teilungsabstandes der Zähne eines Start-
Zahnrades beabstandet. Die Widerstände sind in einer Spannungsteilerkonfiguration oder
in der Form eines Brückenschaltkreises miteinander verbunden, der aus einer
Konstantstromquelle gespeist wird.
US-Patent 4 570 118 offenbart einen Winkelpositions-Wandler, welcher
Permanentmagnete und eine Halleffekt-einrichtung umfaßt. Der Wandler zur Bildung eines
elektrischen Signales proportional zu der Winkelposition eines auf einer vorgegebenen
Achse schwenkbar gelagerten Elementes umfaßt ein Element, das direkt durch das Element
geschwenkt wird und enthält eine Einrichtung zur Bildung eines Feldflusses der liniear in
der Intensität entlang einer vorgegebenen Betätigungslinie variiert, die sich in einem
Luftspalt zwischen beabstandeten Teilen erstreckt und eine vorgewählte Bogenform
besitzt. Eine lineare Halleffekt-Einrichtung mit einer Ausgangsspannung proportional zu
der Intensität des Feldflusses, in welchem die Einrichtung angeordnet ist, ist in einer festen
Position auf der Betriebslinie und in dem Luftspalt angeordnet. Wenn demzufolge das
Element durch das überwachte Element geschwenkt wird, variiert die Ausgangsspannung
der Halleffekt-Einrichtung proportional zu der Position der Halleffekt-Einrichtung entlang
der Betriebslinie.
US-Patent 5 041 784 beschreibt einen magnetischen Sensor mit einer rechteckförmigen,
das Feld störenden Flußstange. Der Sensor dient der Messung der Position,
Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Objektes mit abwechselnden Zonen
magnetischer Leitfähigkeit, wobei ein Permanentmagnetglied eine Polfläche gegenüber
dem beweglichen Objekt und einer Achse besitzt, die quer zu der Bewegungsrichtung steht.
Ein ferromagnetischer Streifen hoher Permeabilität ist auf der Fläche des Magneten koaxial
zu diesem angeordnet und besitzt eine Längenabmessung in Bewegungsrichtung des
Objektes größer als die Breitenabmessung senkrecht zu der Bewegungsrichtung. Der
ferromagnetische Streifen stört das Feld des Permanentmagnetelementes im Bereich eines
Paares der Sensorelemente, so daß die Flußlinien im Bereich eines jeden Sensors in eine
Querrichtung relativ zu der Bewegungsrichtung des Objektes gezwungen werden, wobei
der Feldfluß im Bereich eines jeden Sensors gleichförmig ist.
In der DE 44 26 267 A1 wird ein magnetoresistives Element zusammen mit einer
komplementären Targetanordnung verwendet, um eine Erkennung bei der
Spannungseinschaltung in einem Winkelpositionssensor vorzugeben. Fig. 2A und 2B,
die in näheren Einzelheiten unten beschrieben werden, veranschaulichen diese Anordnung,
welche zwei drehbare Targets umfaßt, die voneinander beabstandet sind, um eine Lücke
dazwischen zu definieren. Die drehbaren Targets sind geeignet für die Befestigung mit
einer drehbaren Welle, so daß sie um eine zentrale Achse zusammen mit der Welle
rotieren. Die Anwendung von magnetoresistiven Getriebezahn-Sensoren gestattet die
Überwachung der Winkelposition der Welle. Wenn die zwei drehbaren Targets sich um die
zentrale Achse drehen, so läuft ein Zahn eines Targets des magnetoresistiven
Sensorelements gleichzeitig mit einem Schlitz des anderen Targets und umgekehrt vorbei.
Diese koordinierte Bewegung der Zähne eines Targets mit den Schlitzen des anderen
Targets stört vorteilhaft das magnetische Feld eines Vorspannmagneten, um die genaue
Bestimmung der Position beider drehbaren Targets zu erleichtern. Die Zähne bilden
ferromagnetische Segmente, welche das magnetische Feld stören und dem
magnetoresistiven Element gestatten, die Bewegung der Targets festzustellen.
Obgleich die zuvor beschriebenen Zahn-Sensoren eine Einrichtung für die Überwachung
der Winkelposition einer drehbaren Welle vorgeben, besitzen sie in bestimmten
Anwendungsfällen einen Nachteil. Die drehbaren Targets sind individuell bearbeitbar, um
die Zähne und Schlitze zu definieren und sie werden nachfolgend miteinander und mit der
Welle befestigt, um die Drehung der Welle mit der Drehung der zwei Targets zu
koordinieren. In bestimmten Anwendungsfällen ist es jedoch nachteilig, die Targets
individuell herstellen zu müssen und zusätzlich die Targets miteinander und mit der Welle
zu befestigen. Es wäre daher von ökonomischem Nutzen, wenn ein komplementäres Target
als ein integraler Teil der drehbaren Welle hergestellt werden könnte.
Ein Winkelpositionssensor gemäß der Erfindung weist diesen ökonomischen Nutzen auf
und ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die vorliegende Erfindung gibt einen Winkelpositionssensor vor, der ein integral
gebildetes komplementäres Target einschließt, das Teil einer Welle ist, dessen
Winkelposition zu überwachen ist. Die Winkelpositions-Sensoranordnung der
vorliegenden Erfindung umfaßt eine Welle mit einer zentralen Achse, um welche die Welle
rotiert. Sie umfaßt ebenfalls einen ersten radial vergrößerten integralen Teil der Welle,
welcher ein erstes Segment und ein zweites Segment besitzt. Das erste Segment besitzt
eine erste Oberfläche, die in einem ersten radialen Abstand von der zentralen Achse der
Welle angeordnet ist und das zweite Segment besitzt eine zweite Oberfläche in einem
zweiten radialen Abstand von der zentralen Achse der Welle. In einem speziellen
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung repräsentiert das erste Segment einen
Zahn, welcher sich ungefähr über die Hälfte der Umfangsabmessung des ersten radial
vergrößerten integralen Teiles der Welle erstreckt und das zweite Segment repräsentiert
einen Schlitz. Obgleich ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein
drehbares Target mit einem einzigen Zahn umfaßt, versteht es sich, daß die
Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung leicht erweitert werden können, um ein
drehbares Target mit mehrfachen Zähnen und mehrfachen Schlitzen zu definieren.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner einen zweiten radial vergrößerten integralen Teil
der Welle, der ein drittes Segment und ein viertes Segment besitzt. Das dritte Segment
besitzt eine dritte Oberfläche in einem dritten radialen Abstand von der zentralen Achse der
Welle und das vierte Segment besitzt eine vierte Oberfläche in einem vierten radialen
Abstand von der zentralen Achse der Welle.
Die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der Welle sind in axialer
Nachbarschaftsbeziehung zueinander angeordnet und sind in einem höchst bevorzugten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einen einzigen radial vergrößerten Teil
der Welle eingearbeitet. Die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der
Welle umfassen jeweils ferromagnetisches Material und die zwei radial vergrößerten
integralen Teile der Welle sind so angeordnet, daß die größeren radialen Abmessungen
eines Teiles den geringeren radialen Abmessungen des anderen Teiles benachbart sind und
umgekehrt. In seiner Grundform umfaßt jeder Teil einen einzigen Zahn und einen einzigen
Schlitz, wobei der einzige Zahn eines Teiles in Umfangsrichtung auf den einzigen Schlitz
des anderen Teiles ausgerichtet ist und umgekehrt. Wie zuvor beschrieben, sollte es jedoch
klar sein, daß die vorliegende Erfindung leicht erweitert werden kann, um mehrere Zähne
und Schlitze in beiden radial erweiterten integralen Teilen zu umfassen, wobei die Zähne
eines Teils in Umfangsrichtung auf die Schlitze des anderen Teils und umgekehrt
ausgerichtet sind, um ein komplementäres Target zu bilden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner eine magnetisch empfindliche Einrichtung, die in
der Nähe der ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der Welle angeordnet
ist und allgemein auf eine Ebene ausgerichtet ist, welche sich zwischen den ersten und
zweiten radial erweiterten integralen Teilen der Welle erstreckt, wobei die Ebene im
allgemeinen senkrecht zu der zentralen Achse der Welle steht.
In einem speziell bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt die
magnetisch empfindliche Einrichtung eine magnetoresistive Komponente, die aus einem
Permalloymaterial hergestellt ist. Die Welle kann mehrere auf ihr gebildete Nocken
aufweisen Obgleich andere Anwendungsbeispiele möglich sind, liegt eine spezielle
Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem Automobilmotor, wobei die Welle eine
Nockenwelle des Automobilmotors ist.
Die vorliegende Erfindung wird besser und vollständig verständlich beim Lesen der
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den
Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 zwei komplementäre Targets veranschaulicht, die relativ zueinander mit
einer Lücke dazwischen angeordnet sind;
Fig. 2 eine alternative Ansicht von Fig. 2 ist;
Fig. 3 eine Nockenwelle zeigt, die einem Zahnrad-Sensor zugeordnet ist;
Fig. 4, 5 und 6 drei Ansichten eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung zeigen;
Fig. 7, 8 und 9 drei Ansichten eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispieles der
vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 10, 11 und 12 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigen;
Fig. 13, 14 und 15 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigen; und
Fig. 16 und 17 die Charakteristik der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die
negativen und positiven Kantenwinkelverschiebungen zeigen, die in
Abhängigkeit des Auslaufs gemessen werden.
Während der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles werden gleiche
Komponenten mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Fig. 1 veranschaulicht ein Paar von komplementären drehbaren Targets, wie
beispielsweise jene, die in der Patentanmeldung mit DE 44 26 367 A1
beschrieben sind, die zuvor beschrieben wurde.
Die komplementäre Targetanordnung umfaßt ein erstes drehbares Target 10 und ein
zweites drehbares Target 12. Das erste drehbare Target 10 umfaßt mehrere Zähne 14 und
Schlitze 16, die zwischen den Zähnen 14 angeordnet sind. Das zweite drehbare Target 12
umfaßt in gleicher Weise mehrere Zähne 18 und Schlitze 20. Wie aus Fig. 1 erkennbar,
sind die Zähne 14 des ersten drehbaren Targets 10 in Umfangsrichtung auf die Schlitze 20
des zweiten drehbaren Targets 12 ausgerichtet. Mit anderen Worten ist jeder Zahn eines der
zwei drehbaren Targets in Umfangsrichtung auf einen Schlitz des anderen drehbaren
Targets ausgerichtet. Die zwei Targets sind um eine Lücke 24 beabstandet und beide
Targets sind starr mit einer drehbaren Welle 28 befestigt. Wenn sich die Welle 28 um ihre
zentrale Achse 30 dreht, so drehen die zwei drehbaren Targets zusammen mit der Welle.
Die Fig. 1 und 2A zeigen die ersten und zweiten drehbaren Targets 10 und 12 in
Zuordnung zu einem magnetoresistiven Sensor 36. Die Arbeitsweise des magnetoresistiven
Sensors 36 mit den zwei komplementären Targets 10 und 12 ist in Einzelheiten in der
angezogenen Patentanmeldung beschrieben und wird von dem Fachmann auf dem Gebiet
der magnetoresistiven Sensoren wohlverstanden. Fig. 2A ist eine Seitenansicht von Fig.
2B. Ein Substrat 37 wird verwendet, um die magnetoresistiven Elemente 39 abzustützen.
Wie zuvor erläutert, bieten doppelte komplementäre drehbare Targets einen beträchtlichen
Vorteil gegenüber Einzeltargets, indem sie dem Sensor gestatten, die Winkelposition einer
Welle bei der Spannungseinschaltung festzustellen. Viele Anwendungen von
komplementären Targets gestatten jedoch nicht die mechanische Befestigung der drehbaren
Targets mit der Welle. Wenn beispielsweise die komplementären Targets im
Zusammenhang mit einer Nockenwelle eines Automobilmotors benutzt werden sollen, ist
es nachteilig, wenn die komplementären Targets mechanisch mit der Welle befestigt
werden. Wenn die Targets außerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind, so erfordert eine
nachfolgende Befestigung der Targets zusätzliche Operationen, die die Gesamtkosten der
Einrichtung erhöhen. Wenn andererseits die komplementären Targets innerhalb des
Motorgehäuses anzuordnen sind, so ist es nachteilig, einen befestigten Teil mit der
Nockenwelle rotieren zu lassen. Statt dessen ist es höchst bevorzugt, die Nockenwelle und
alle ihre rotierenden Komponenten in einer einzigen Welle zu bilden.
Fig. 3 veranschaulicht eine beispielhafte Nockenwelle 50, die einem magnetoresistiven
Getriebezahn-Sensor 52 zugeordnet ist. Die Nockenwelle 50 ist zur Drehung um eine
zentrale Achse 56 angeordnet. Zwei Lagerflächen 60 und 62 sind vorgesehen, um eine
adäquate Abstützung der Nockenwelle 50 innerhalb der Struktur eines Automobilmotors zu
gestatten. Mehrere Nocken 70, 72, 74 und 76 sind als Teil der Nockenwelle 50 gebildet.
Ein erster radial vergrößerter integraler Teil 80 und ein zweiter radial vergrößerter
integraler Teil 82 der Nockenwelle 50 sind in Fig. 3 in Nachbarschaft zu dem operativen
Ende des Getriebezahn-Sensors 52 angeordnet. Die spezielle Struktur der ersten und
zweiten radial vergrößerten integralen Teile der Welle wird unten in näheren Einzelheiten
beschrieben.
Fig. 3 zeigt die allgemeine Konfiguration der Nockenwelle gemäß der vorliegenden
Erfindung und veranschaulicht ebenfalls einen ihrer signifikantesten Vorteile. Auf Grund
der axialen Position der komplementären Targets zwischen den Lagerabstützungen der
Welle ist es nahezu unmöglich, die ersten und zweiten drehbaren Targets getrennt
herzustellen und sodann mit den anderen Teilen der Nockenwelle 50 zu befestigen. Die
strukturelle Integrität des gesamten Nockenwellenentwurfs wird beträchtlich beeinträchtigt
und die erforderliche Operation, die benötigt wird, um die zwei drehbaren Targets mit den
anderen Komponenten der Welle zu verbinden, würde nachteilig die Kosten der Welle und
des Automobilmotors erhöhen.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen drei Ansichten der ersten und zweiten radial vergrößerten
integralen Teile der Welle 80 und 82, die in Fig. 3 veranschaulicht sind. Der erste radial
vergrößerte integrale Teil 80 der Welle umfaßt ein erstes Segment 90 und ein zweites
Segment 92. Das erste Segment 90 besitzt eine erste Oberfläche 100, die in einem ersten
radialen Abstand von der zentralen Achse 56 angeordnet ist und eine zweite Oberfläche
102, die in einem zweiten radialen Abstand von der zentralen Achse 56 angeordnet ist. Der
zweite radial vergrößerte integrale Teil 82 der Welle umfaßt ein drittes Segment 110 und
ein viertes Segment 112. Das dritte Segment 110 umfaßt eine dritte Oberfläche 114, die in
einem dritten Abstand von der zentralen Achse 56 angeordnet ist. Zusätzlich umfaßt das
vierte Segment 112 eine vierte Oberfläche 118, die in einem vierten Abstand von der
zentralen Achse 56 angeordnet ist. Ein magnetoresistives Element 120, wie beispielsweise
das das durch die obigen Bezugsziffern 37 und 39 bezeichnet ist, ist einem
Permanentmagneten 124 zugeordnet, um einen Getriebezahnsensor zu definieren, wie er
durch die Bezugsziffer 52 in Fig. 3 bezeichnet ist. Die Segmente der ersten und zweiten
radial vergrößerten integralen Teile der Welle sind einander in einer komplementären
Weise zugeordnet, so daß das zweite Segment 92 sich in Nachbarschaft der
magnetoresistiven Komponente 120 gleichzeitig mit dem dritten Segment 110 bewegt.
Wenn die Welle um ihre zentrale Achse 56 rotiert, so bewegt sich in gleicher Weise das
erste Segment 90 gleichzeitig mit dem vierten Segment 112 in der Nähe der
magnetoresistiven Elemente.
Die Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen, wie die verschiedenen Oberflächen 100, 102, 114
und 118 in komplementärer Weise einander zugeordnet sind, um sicherzustellen, daß die
Oberflächen der ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der Welle in einer
komplementären Weise an dem magnetoresistiven Element 120 vorbeilaufen. Wenn mit
anderen Worten die radial größer dimensionierte Oberfläche eines Teils sich an dem
Sensor vorbeibewegt, so bewegt sich die radial geringer dimensionierte Oberfläche des
anderen Teils an dem Sensor vorbei und umgekehrt. Diese komplementäre Zuordnung der
zwei drehbaren Targets stellt sicher, daß das magnetische Feld des Permanentmagneten
124 immer in einer vorteilhaften Weise gestört wird, um eine genaue Festlegung der
Position der Welle zu gestatten. Obgleich das in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigte
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen einzigen Zahn und einen einzigen
Schlitz in beiden radial erweiterten integralen Teilen der Welle umfaßt, versteht es sich,
daß mehrere Zähne und Schlitze durch die grundlegenden Konzepte der zuvor
beschriebenen vorliegenden Erfindung vorgesehen werden können.
Wenn eine Einrichtung, wie sie in den Fig. 3, 4, 5 und 6 veranschaulicht ist,
herzustellen ist, ohne daß eine im voraus hergestellte Komponente mit einer anderen im
voraus hergestellten Komponente befestigt werden muß, muß irgendein Verfahren
vorgesehen sein, welches die Bearbeitung einer einzelnen Welle in einer Weise gestattet,
die die erforderlichen Formen definiert, welche erforderlich sind, um die komplementären
Targets zu erzeugen, wie sie in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt sind. Bekannte
Bearbeitungstechniken gestatten nicht die leichte Bearbeitung der in den Fig. 4, 5 und 6
dargestellten Einrichtung in einer ökonomischen Weise. Obgleich die scharfen Ecken und
flachen Oberflächen, die in den Fig. 4, 5 und 6 veranschaulicht sind, von
beträchtlichem Vorteil beim Betrieb eines komplementären Targets sind, können diese
scharfen Ecken und flachen Oberflächen nur extrem schwierig hergestellt werden und
erhöhen nachteilig die Kosten der Welle. Die vorliegende Erfindung gibt eine
komplementäre Targetanordnung vor, die leichter herstellbar ist, während sie die
anhaftende Herabminderung des Getriebezahnsensors vermeidet, die normalerweise
erwartet werden kann, wenn komplementäre Targets aus einer einzigen Welle heraus
bearbeitet werden. Drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung seien unten im
Zusammenhang mit ihren Herstellverfahren beschrieben.
Fig. 7 veranschaulicht eine Welle 130 mit einem Paar von radial vergrößerten integralen
Teilen, die sich von dieser erstrecken. Die Segmente werden durch mit Strichen versehene
Bezugsziffern bezeichnet, die allgemein gleichbedeutend mit jenen sind, die zuvor in den
Fig. 4, 5 und 6 verwendet wurden. Fig. 8 ist eine Seitenansicht der perspektivischen
Darstellung von Fig. 7. Wie aus der Form der bearbeiteten Oberflächen in Fig. 7
erkennbar, kann die zweite Oberfläche 102 durch einen Endfräser gebildet werden, der
durch gestrichelte Linien in Fig. 8 repräsentiert ist. Ein Fräser 140 mit flachem
Bodenende kann positioniert werden, um um seine Rotationsachse 140 zu rotieren und
sodann relativ zu der Welle 130 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 8 bewegt werden. Diese
Bearbeitung führt zu der Form der Oberflächen, wie sie in der perspektivischen Ansicht
von Fig. 7 veranschaulicht ist. Fig. 9 ist eine Endansicht von Fig. 8 und zeigt die Alt
und Weise wie die Schneidfräse 140 mit flachem Boden bzw. flachem Ende zu der Form
der Oberflächen führt, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind.
Die Fig. 10, 11 und 12 veranschaulichen das Ergebnis der Verwendung einer
Schneidfräse, die so angeordnet ist, wie dies durch die gestrichelten Linien in den Fig.
11 und 12 gezeigt ist. Wie ersichtlich, ist die Drehachse der Schneidfräse 140 senkrecht zu
derjenigen, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 8 und 9 beschrieben wurde. Die
Formen der Oberflächen 102' und 118' sind merkbar unterschiedlich gegenüber den
entsprechenden Formen, die in Fig. 7 gezeigt sind. Es hat sich herausgestellt, daß die in
Fig. 10 gezeigte Konfiguration sowohl vorteilhaft gegenüber der in Fig. 7 gezeigten, als
auch gegenüber der Konfiguration ist, die unten im Zusammenhang mit Fig. 13
beschrieben wird. Die zueinander komplementären Positionen des Zahnes und des
Schlitzes in Fig. 10 geben eine unterscheidbare Änderung von dem ferromagnetischen
Material zu dem nicht-ferromagnetischen Material vor und diese unterscheidbare Änderung
ist vorteilhaft, da sie dem magnetoresistiven Sensor gestattet, sehr genau den Übergang von
einem Zahn zu einem Schlitz in der Nähe seiner wirksamen Detektionszone festzustellen.
Die Fig. 13, 14 und 15 veranschaulichen die Ergebnisse bei Verwendung eines
Schneidfräsers mit einem sphärischen Endteil. Der Schneidfräser mit Kugelende wird
durch die gestrichelten Linien 140 in Fig. 14 dargestellt. Fig. 13 veranschaulicht die
Ergebnisse dieser Art von Bearbeitung. Das in den Fig. 13, 14 und 15 gezeigte Target
kann ebenfalls hergestellt werden durch Positionieren der Achse des Fräsers mit Kugelende
unter verschiedenen Winkeln zwischen der axialen und radialen Richtung.
Es versteht sich, daß, obgleich die in den Fig. 7, 10 und 13 dargestellten
Ausführungsbeispiele jeweils Signale vorgeben, die geeignet sind, die Winkelposition der
Welle 130 zu bestimmen, diese einen verschiedenen Grad der Genauigkeit repräsentieren.
Wenn ein Schneidfräser positioniert werden kann, wie in Fig. 11 gezeigt, so erweisen sich
die Oberflächenformen gemäß Fig. 10 als bevorzugt gegenüber jenen in den Fig. 7
und 13. In vielen Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch unmöglich,
einen Schneidfräser mit seiner Rotationsachse parallel zu der zentralen Achse der Welle
130 zu positionieren. Die in Fig. 7 und Fig. 13 gezeigten Vorrichtungen sind
Kompromisse gegenüber der am meisten bevorzugten Konfiguration gemäß Fig. 10.
Wenn ein Schneidfräser mit flacher Endfläche mit seiner Drehachse senkrecht zu der
zentralen Achse der Welle positioniert werden muß, wie dies in den Fig. 8 und 9
gezeigt ist, so sind die Oberflächenformen gemäß Fig. 7 geeignet, die Winkelposition der
Welle zu bestimmen aber nicht so genau wie jene in Fig. 10. In gleicher Weise sind, wenn
ein Spiral-Schneidfräser verwendet wird wie in Fig. 14 dargestellt, die Oberflächen
formen von Fig. 13 zwar geeignet aber nicht so genau wie jene von Fig. 10.
Tests sind ausgeführt worden mit Targets wie jenen, die in den Fig. 7, 10 und 13
dargestellt sind, um die Winkelverschiebung in den Signalen zu bestimmen, die von einem
Getriebezahnsensor in Abhängigkeit vom Auslauf empfangen werden. Fig. 16
repräsentiert die negative Kantenwinkelverschiebung gemessen in Grad und gemessen in
Abhängigkeit von dem in Zoll gemessenen Auslauf Drei Kurven sind in Fig. 16 gezeigt,
welche den Targetformen entsprechen, die in den Fig. 7, 10 und 13 gezeigt sind. Die
komplementären Targets gemäß Fig. 7 werden durch die Kurve 160 repräsentiert, die
komplementären Targets gemäß Fig. 10 werden durch die Kurve 162 repräsentiert und die
komplementären Targets gemäß Fig. 13 werden durch die Kurve 164 repräsentiert. Wie
erkennbar, repräsentiert die Kurve 162 die vorteilhaftesten Resultate, da die
komplementären Targets gemäß Fig. 10 zu der geringsten negativen Kantenwinkel
verschiebung in Abhängigkeit vom Auslauf führen. In gleicher Weise zeigt Fig. 17 die
positive Kantenwinkelverschiebung in Grad in Abhängigkeit von dem Auslauf in Zoll. Das
komplementäre Target von Fig. 7 führt zu der Kurve 170, das komplementäre Target in
Fig. 10 führt zu der Kurve 172 und das komplementäre Target in Fig. 13 führt zu der
Kurve 174. Erneut ist erkennbar, daß das komplementäre Target in Fig. 10, das durch die
Kurve 172 repräsentiert wird, vorteilhaft gegenüber den anderen zwei Targets ist, da es die
minimale positive Kantenwinkelverschiebung in Abhängigkeit von dem Auslauf liefert.
Obgleich die Fig. 16 und 17 relative Vergleiche zwischen den drei
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigen, die in den Fig. 7, 10 und 13
gezeigt sind, versteht es sich klar, daß alle drei Ausführungsbeispiele in bestimmten
Situationen anwendbar sind. Die in den Fig. 16 und 17 gezeigten Vergleiche werden
nur für den Zweck gegeben, um zu zeigen, daß bestimmte Formen in bestimmten Fällen
vorzuziehen sind und wie zuvor beschrieben, sind die in Fig. 10 gezeigten Formen
bezüglich der Charakteristik der minimalen positiven und negativen
Kantenwinkelverschiebung in Abhängigkeit vom Auslauf vorzuziehen. Alle
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gestatten jedoch die Bildung eines
komplementären Targets als integraler Teil einer Nockenwelle und bieten beträchtliche
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Obgleich die vorliegende Erfindung in beträchtlichen Einzelheiten beschrieben worden ist
und besonders speziell veranschaulicht worden ist, um die drei bevorzugten
Ausführungsbeispiele zu zeigen, versteht es sich, daß alternative Ausführungsbeispiele
innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.
Claims (5)
1. Winkelpositionssensor, aufweisend:
eine drehbare Nockenwelle (50) mit einer zentralen Achse (56),
zwei drehbare komplementäre Targets (10, 12) auf dieser Achse; und
eine magnetisch empfindliche Einrichtung (52; 120, 124) in der Nähe der zwei drehbaren Targets und ausgerichtet zu einer Ebene, die sich zwischen den zwei drehbaren Targets erstreckt, wobei die Ebene im wesentlichen senkrecht zu dieser zentralen Achse ist und die drehbaren komplementären Targets einen integralen Teil dieser Nockenwelle (50) bilden, wobei
das erste drehbare Target einen ersten radial vergrößerten integralen Teil (80) der drehbaren Welle (50) mit einem ersten Segment (90) und einem zweiten Segment (92) umfaßt, das erste Segment eine erste Oberfläche in einem ersten radialen Abstand von der zentralen Achse und das zweite Segment eine zweite Oberfläche in einem zweiten radialen Abstand von der zentralen Achse besitzt; und
das zweite drehbare Target einen zweiten radial vergrößerten integralen Teil (82) der drehbaren Welle (50) mit einem dritten Segment (110) und einem vierten Segment (112) umfaßt, das dritte Segment eine dritte Oberfläche in einer dritten radialen Entfernung von der zentralen Achse und das vierte Segment eine vierte Oberfläche in einer vierten radialen Entfernung von der zentralen Achse besitzt, die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der drehbaren Welle in axial benachbarter Beziehung zueinander angeordnet sind und die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der drehbaren Welle jeweils ferromagnetisches Material umfassen.
eine drehbare Nockenwelle (50) mit einer zentralen Achse (56),
zwei drehbare komplementäre Targets (10, 12) auf dieser Achse; und
eine magnetisch empfindliche Einrichtung (52; 120, 124) in der Nähe der zwei drehbaren Targets und ausgerichtet zu einer Ebene, die sich zwischen den zwei drehbaren Targets erstreckt, wobei die Ebene im wesentlichen senkrecht zu dieser zentralen Achse ist und die drehbaren komplementären Targets einen integralen Teil dieser Nockenwelle (50) bilden, wobei
das erste drehbare Target einen ersten radial vergrößerten integralen Teil (80) der drehbaren Welle (50) mit einem ersten Segment (90) und einem zweiten Segment (92) umfaßt, das erste Segment eine erste Oberfläche in einem ersten radialen Abstand von der zentralen Achse und das zweite Segment eine zweite Oberfläche in einem zweiten radialen Abstand von der zentralen Achse besitzt; und
das zweite drehbare Target einen zweiten radial vergrößerten integralen Teil (82) der drehbaren Welle (50) mit einem dritten Segment (110) und einem vierten Segment (112) umfaßt, das dritte Segment eine dritte Oberfläche in einer dritten radialen Entfernung von der zentralen Achse und das vierte Segment eine vierte Oberfläche in einer vierten radialen Entfernung von der zentralen Achse besitzt, die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der drehbaren Welle in axial benachbarter Beziehung zueinander angeordnet sind und die ersten und zweiten radial vergrößerten integralen Teile der drehbaren Welle jeweils ferromagnetisches Material umfassen.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetisch empfindliche Einrichtung ein magnetoresistives Element (120)
umfaßt.
3. Sensor nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch mehrere
Nocken (70-76), die als Teil der drehbaren Nockenwelle (50) gebildet sind.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und
vierte Segmente (90, 112) auf einem Kreisumfang zueinander in komplementärer
Zuordnung ausgerichtet sind.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zweite und
dritte Segmente (92, 110) auf einem Kreisumfang zueinander in einer
komplementären Zuordnung ausgerichtet sind.
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Legal Events
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D2 | Grant after examination | ||
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