DE19622032C2 - Hallsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hallsensor mit einem Dauermag­ neten und im Magnetfeld des Dauermagneten angeordneten Hall­ elementen, wie beispielweise aus der US 5 045 920 bekannt.

Hallsensoren dieser Art werden unter anderem auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik zur Messung von Radgeschwindigkeiten in Antiblockier- und Antischlupfsystemen oder als Drehzahlgeber eingesetzt.

Die bekannten, auf dem Markt erhältlichen Hallsensoren mit dem oben beschriebenen Aufbau sind jedoch insofern nachteilig, als bei kleinem Luftspalt zwischen den Hallelementen und den Geberrädern, deren Geschwindigkeit oder Drehzahl zu messen ist, und einer Ausbildung der Geberräder als Lochräder mit axialen Bohrungen Fehlfunktionen infolge von Signalüberschwingern auftreten, während bei einem großen Luftspalt die Signalamplitude des von den Hallelementen kommenden und in der zugehörigen elektronischen Schaltung gebildeten Analogsignals zu wünschen übrig läßt. Das führt dazu, daß bei kleinem Luftspalt im Analogsignal auftretende Überschwinger mit relativ hoher Amplitude Fehlschaltungen bei der Digitalisierung verursachen können und der Luftspalt zum Geberrad eng toleriert werden muß.

Unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen und der Materialstreuungen ist ein Erreichen der Schaltschwellen der Hallelemente sowohl bei kleinem als auch bei großem Luftspalt zum Geberrad ohne Auftreten von Überschwingern nicht möglich, deren Amplitude die Schaltschwelle der Hallelemente überschreitet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, einen Hallsensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen Signalverlauf ohne Überschwinger bei kleinem Luftspalt hat und gleichzeitig eine ausreichend hohe, über der Schalt­ schwelle liegende Signalamplitude bei großem Luftspalt liefert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine zwischen den Hallelementen und dem Dauermagneten angeordnete Platte aus einem Werkstoff mit einer Permeabilität größer 1 gelöst.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hallsensors sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hallsensors,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Hallsensors und

Fig. 3 in einem Diagramm den Signalverlauf bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gegenüber dem Signalverlauf bei dem in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Hallsensor.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, besteht ein herkömmlicher Hallsensor aus einem Hall-IC 4 mit Hallelementen 3, der im Magnetfeld eines Dauermagneten 6 angeordnet ist. Der Hall-IC 4, der Dauermagnet 6 sowie eine Elektronik 8 sind in einem Gehäuse 7 aufgenommen. An der Elektronik 8 liegt das Analogsignal vom Hall-IC 4.

Ein Hallsensor mit einem derartigen Aufbau wird an einem Geberrad 1 angeordnet, dessen Geschwindigkeit oder Drehzahl zu messen ist. Am Geberrad 1 ist eine Bohrung 2 oder ein Stift vorgesehen, die bzw. der beim Drehen des Geberrades 1 an der Kopfseite des Hallsensors vorbeiläuft.

Der Hallsensor ist mit einem gewissen Luftspalt dem Geberrad 1 gegenüber angeordnet.

Wenn das Geberrad 1 keine Bohrung 2 oder keinen Stift aufweisen würde, würde sich das Magnetfeld des Dauermagneten 6 symmetrisch aufbauen. Aufgrund der Ausbildung der Bohrung 2 oder eines Stiftes tritt jedoch eine Asymmetrie des Magnetfeldes zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Geberrad 1 und somit eine Flußdichtendifferenz in den Hallelementen 3 auf, wenn das Geberrad mit seiner Bohrung 2 oder seinem Stift am Hallsensor entlang fährt. Das vom Hall-IC 4 gelieferte Analogsignal ist zu dieser Flußdichtendifferenz in den Hallelementen proportional.

Bei großen Abständen zwischen den Hallelementen 3 und dem Geberrad 1 werden üblicherweise starke Co-Seltenerdenmagnete verwandt, um für eine ausreichend hohe Flußdichtendifferenz in den Hallelementen 3 zu sorgen. Wenn der Abstand der Hallelemente 3 zum Geberrad 1 kleiner wird, nimmt die magnetische Feldstärke zwischen dem Geberrad 1 und dem Dauermagneten 6 und damit auch die Flußdichtendifferenz zu, und tritt wegen der senkrechten bzw. axialen Bohrungen und der Randrandschürze ein zweites Amplituden­ maximum des Analogsignals des Hallsensors auf.

Wenn daher ein üblicher Hallsensor mit einem starken Dauermagneten 6 bei kleinem Abstand, das heißt kleinem Luftspalt zum Geberrad 1 verwandt wird, dann können die im Analogsignal auftretenden Überschwinger die Schaltpegel des Hall-IC 4 überschreiten, was zu Fehlfuntionen führt.

Es gibt daher einen unteren Grenzwert für den minimalen Abstand zum Geberrad 1, der von den Werkstoffeigenschaften für den Dauermagneten 6 und das Geberrad 1 abhängt und ab dem die Amplitude der Überschwinger die Schaltschwelle des jeweils gewählten Hall-IC 4 mit Sicherheit überschreitet. Unter diesem unteren Grenzwert des Abstandes ist der Betrieb unzuverlässig.

Hall-ICs haben allerdings keine konstante Schaltschwelle, sondern ein sogenanntes Schaltschwellenfeld mit minimalen Schaltschwellen von z. B. +5 Gauss und maximalen Schaltschwellen von z. B. ±35 Gauss. Bei Flußdichtendifferenzen zwischen dem minimalen und dem maximalen Schaltwert schaltet der Hall-IC zuverlässig. Das hat zur Folge, daß die Amplitude des Analogsi­ gnals des Hall-IC bei jedem Abstand zum Geberrad größer als der Maximalwert der Schaltschwelle sein muß, während gleichzeitig die maximale Amplitude der Überschwinger kleiner als der Minimalwert der Schaltschwelle des Hall-IC sein muß.

Um einen derartigen Signalverlauf des Analogsignals des Hall-ICs zu erreichen, ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Platte 5 aus einem Werkstoff mit einer Permeabilität größer 1 zwischen dem Dauerma­ gneten 6 und dem Hall-IC 4 angeordnet.

Bei einer derartigen Ausbildung wird die Induktionsdiffe­ renzbildung in einem wesentlich schwächeren Magnetfeld bei gleichem Dauermagneten 6 erzeugt, was bedeutet, daß die absoluten Induktionswerte in den einzelnen Hallelementen 3 verringert werden und somit keine Signalüberschwinger bei kleinem Luftspalt von beispielsweise 2 mm auftreten und gleichzeitig die Differenz der Induktionswerte bei großem Luftspalt von beispielsweise 4 mm immer noch einen ausreichenden Spitzenwert erreicht. Die Platte 5 vergrößert nämlich künstlich den Abstand zwischen dem Dauermag­ neten 6 und dem Geberrad 1 und verringert dadurch die Feldstärke zwischen dem Geberrad 1 und dem Dauermagneten 6. Die Flußdichten­ differenz zwischen den Hallelementen 3 nimmt durch den Einbau der Platte 5 gleichfalls ab. Die Verringerung der Amplitude bei großem Luftspalt von beispielsweise 4 mm ist aber nicht mehr so ausgeprägt, wie es bei einem Hallsensor der Fall ist, bei dem eine derartige Platte 5 nicht vorgesehen ist.

Die Größe der Überschwinger wird durch die Dicke der Platte 5 beeinflußt. Ab einer bestimmten Plattendicke werden die Überschwinger komplett eliminiert. Ein Hallsensor mit diesem Aufbau kann bei demselben Dauermagneten 6 sowohl bei kleinen als auch bei großen Abständen zwischen den Hallelementen 3 und dem Geberrad 1 zuverlässig funktionieren, ohne daß eine wesentlich kompliziertere Elektronik notwendig wäre.

Ein Hallsensor mit der oben beschriebenen Platte 5 wird in der Praxis für einen größeren Luftspalt von 4 mm so ausgelegt, daß die Amplitude des Analogsignals die Schaltschwelle des Hall- IC 4 überschreitet, während bei kleinem Luftspalt von beispiels­ weise 2 mm das Analogsignal keine Überschwinger oder höchstens Überschwinger aufweist, deren Amplitude kleiner als die Schalt­ schwelle des Hall-IC 4 ist.

Die Dicke der Platte 5 liegt in Abhängigkeit von der verwendeten Qualität des Dauermagneten 6 zwischen 1 und 2 mm. Durchmesser oder Breite der Platte 5 überschreitet den Durch­ messer oder die Breite des Dauermagneten 6 nicht. Sie können den Durchmesser oder die Breite des Dauermagneten 6 leicht unter­ schreiten, beispielsweise bei einem Durchmesser des Magneten von 6 mm diesen Wert um maximal 1 mm unterschreiten. Vorzugsweise hat die Platte 5 den gleichen Durchmesser wie der Dauermagnet 6.

In Fig. 3 sind die Signalverläufe für Hallsensoren mit und ohne Platte 5 sowohl für einen kleinen als auch für einen großen Luftspalt dargestellt. Die Schaltschwellenbereiche des Hall-IC 4 sind schraffiert wiedergegeben.

Bei dem Vergleich der Hallsensoren mit und ohne Platte 5 ist unter dem Luftspalt immer der Abstand des Geberrades 1 entweder zum Dauermagneten 6 bei einer Ausbildung ohne Platte oder zur Platte 5 zu verstehen.

Wie es sich aus Fig. 3 ergibt, wird bei einem Hallsensor mit Platte 5 bei einem kleinen Luftspalt von beispielsweise 2 mm der Schaltschwellenbereich des Hall-ICs 4 durch das zweite Am­ plitudenmaximum, d. h. den Überschwinger nicht erreicht, während bei großem Luftspalt von beispielsweise 4 mm die erste Amplitude des Analogsignals den ganze Bereich überschreitet.

Da weiterhin die Dämpfung der ersten Amplitude mit zunehmen­ dem Luftspalt bei einem Aufbau mit Platte 5 der beschriebenen Art weniger ausgeprägt als ohne diese Platte 5 ist, besteht dar­ überhinaus ein größerer Spielraum für die Auslegung.

Daraus ergibt sich, daß ein Hallsensor mit einer zwischen dem Dauermagneten 6 und den Hallelementen 3 angeordneten Platte aus einem Werkstoff mit einer Permeabilität größer 1 ein Analogsignal liefert, das frei von Überschwingern ist und eine ausreichend hohe Amplitude hat, und zwar sowohl bei einem relativ kleinen Luftspalt von etwa 2 mm als auch bei einem relativ großen Luftspalt von etwa 4 mm zwischen der Platte 5 und dem Geberrad 1. Dadurch ist ein großzügiges Toleranzfeld für den Radabstand möglich und kann das Analogsignal ohne Mehraufwand für die Elektronik digitalisiert werden.

Claims (4)

1. Hallsensor mit einem Dauermagneten und im Magnetfeld des Dauermagneten angeordneten Hallelementen, gekennzeichnet durch eine zwischen den Hallelementen (3) und dem Dauermagneten (6) angeordnete Platte (5) aus einem Werkstoff mit einer Permeabili­ tät größer 1.

2. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte (5) 1 bis 2 mm beträgt.

3. Hallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser oder Breite der Platte (5) den Durchmesser oder die Breite des Dauermagneten (6) nicht überschreitet und den Durchmesser oder die Breite der Platte bis zu maximal 15% unterschreitet.

4. Hallsensor nach Anspruch (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Platte (5) gleich dem Durchmesser des Dauermagneten (6) ist.