DE19630108A1 - Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Geschwindigkeit oder Position eines ferromagnetischen Geberteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Geschwindigkeit oder Position eines ferromagne­ tischen Geberteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Geschwin­ digkeit eines ferromagnetischen Zahnradgebers mittels eines Hallsensors oder eines magnetoresistiven Sensors ist aus der US 3,636,767 bekannt.

Hallelemente und magnetoresistive Elemente messen die Feld­ stärke eines angelegten Magnetfeldes. Zur Ermittlung der Drehzahl oder des Drehwinkels einer Welle wird die Feldstärke eines den Sensor durchdringenden Magnetfeldes durch die Zähne und Lücken eines ferromagnetischen Zahnradgebers variiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl oder des Drehwinkels eines ferro­ magnetischen Geberteils zu schaffen, die eine weniger genaue Justierung des Sensorelements gegenüber dem Geberteil als bei Hall- oder magnetoresistiven Sensoren zuläßt und trotzdem ei­ ne größere Empfindlichkeit aufweist als diese.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Diese Lösung hat den Vorteil, daß GMR-Sensoren (GMR: Giant Magneto-Resistive) gegenüber Hall- oder magnetoresistiven Sensoren eine wesentlich größere Emp­ findlichkeit für das Meßsignal aufweisen und deshalb ein we­ nigstens doppelt so großer Abstand (bis etwa 20 mm) zwischen Sensor und Geberteil möglich ist und auch größere Magnetfel­ der eingesetzt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem GMR-Sensor und einem Geberteil mit einem Zahnrad;

Fig. 2 ein mit zusätzlichen Elementen versehenes Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem GMR-Sen­ sor und einem Geberteil mit zwei Zahnrädern in ver­ schiedenen Ansichten, und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit zwei GMR-Sen­ soren und einem Geberteil mit einem Zahnrad.

Gleiche Elemente sind figurenübergreifend mit gleichen Be­ zugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehzahl­ gebers nach der Erfindung dargestellt. Den Zähnen eines fer­ romagnetischen, als drehbares Zahnrad ausgebildeten Geber­ teils 1, von dem nur zwei Zähne 2 dargestellt sind, steht stirnseitig ein feststehender Sensor 3 mit einem GMR-Element gegenüber, an dessen dem Geberteil 1 abgewandter Seite ein Permanentmagnet 4 angeordnet ist.

GMR-Elemente sind Mehrschichtsysteme, die wenigstens eine hartmagnetische Blasschicht beinhalten, durch deren Magneti­ sierungsrichtung eine Bezugsrichtung vorgegeben ist, und die wenigstens eine weichmagnetische Meßschicht beinhalten, deren Magnetisierungsrichtung sich nach einem extern angelegten Ma­ gnetfeld (bzw. deren Projektion auf die Meßschicht, in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet) ausrichtet. Der Widerstand des GMR-Elements hängt von der relativen Orientierung der Magne­ tisierungen dieser beiden Schichten ab.

Um ein signifikantes Sensorsignal eines Geschwindigkeits- oder Positionsgebers zu erhalten, ist demnach beim Vorbeilauf der Zähne und Lücken des Geberteils 1 am Sensor 3 - die Bewe­ gungsrichtung ist als Pfeil 5 angedeutet - eine möglichst große Variation der Magnetisierungsrichtung des angelegten Magnetfeldes in der Meßschicht, d. h., seines in die Ebene der Meßschicht projektierten Feldvektors, anzustreben. Die da­ durch hervorgerufene Widerstandsänderung des Sensors kann man dazu benutzen, die Richtung des angelegten Magnetfeldes zu bestimmen. Auf diese Weise ist die Drehzahl bzw. die Position des Geberteils 1 oder einer mit ihm verbundenen Welle zu er­ mitteln.

Während einer Periode des Geberteils (ein Zahn 2 und eine Lücke) durchläuft der Sensor einmal seine Kennlinie ganz oder teilweise. Sein Ausgangssignal kann beispielsweise durch ei­ nen Schmitt-Trigger digitalisiert werden. Durch Abzählen der Perioden des des Sensorsignals kann die relative Position des Zahnradgebers bestimmt werden. Ist ein Zahn oder eine Lücke (beispielsweise durch Verbreiterung) auf dem Geberteil mar­ kiert, kann man die Position relativ zu dieser Markierung, also die absolute Drehposition eines Zahnradgebers bzw. der Achse, auf der er angeordnet ist, bestimmen. Durch analoge Auswertung der Kennlinien ist auch eine noch genauere Auflö­ sung der Position möglich. Mit entsprechender elektronischer Auswertung des Sensorsignals ist auch sog. "Power-On" mög­ lich, d. h., eine Erkennung der Sensorposition relativ zu ei­ nem Zahn oder einer Lücke beim Einschalten der Stromversor­ gung bei Stillstand des Geberteils.

Um die volle Amplitude der Sensorkennlinie zu durchlaufen, muß die weichmagnetische Schicht des GMR-Sensors vollständig magnetisch gesättigt sein. Dazu muß die magnetische Feldstär­ ke (ihre Projektion) in der Ebene des Sensors die Sättigungs­ feldstärke überschreiten. Für niedrige Feldstärken ist die Amplitude der Kennlinie entsprechend kleiner.

Um eine möglichst große Amplitude der Sensorkennlinie zu er­ reichen, kann die weichmagnetische Meßschicht im Sensor durch Auswahl der Materialien (z. B. Fe, Co, Ni oder Verbindungen hieraus oder mit anderen Metallen) oder durch Aufbau der Schichten (Herstellungsbedingungen, Schichtenfolge, Struktu­ rierung) so verändert werden, daß sie eine möglichst geringe Koerzitivfeldstärke aufweist, d. h., magnetisch möglichst weich ist.

Um die Projektion des Magnetfeldes in der Meßschichtebene zu vergrößern, können in der Bewegungsrichtung des Geberteils 1 vor und/oder hinter dem GMR-Sensor 3 ferromagnetische Fluß­ führungsstücke 6 und 7 angeordnet werden (Fig. 2).

Wenn ein Zahn 2 des ferromagnetischen Geberteils 1 in die Nä­ he eines dieser Joche 6, 7 gelangt, so verläuft ein Großteil des Magnetflusses durch dieses Joch zum Zahn. Dadurch werden die durch Pfeile angedeuteten Feldlinien des Magneten 4 so gekrümmt, daß sie fast vollständig in der Schichtebene des Sensors 3 liegen und die Projektion des Magnetfeldes mög­ lichst groß ist. Dadurch läßt sich die Amplitude der Sensor­ kennlinie erhöhen und über einen bestimmten Abstandsbereich zwischen Sensor und Zahnradgeber nahezu konstant halten, so­ lange diese Projektion größer ist als die Sättigungsfeldstär­ ke der weichmagnetischen Schicht im Sensor.

Um die Projektion des Magnetfeldes in der Meßschichtebene zu vergrößern, kann der Sensor zwischen den Zähnen 21, 22 zweier auf einer Welle 8 angeordneten und um einen bestimmten Betrag gegeneinander versetzter Zahnräder 1a und 1b des Geberteils angeordnet sein, wie in den Fig. 3a, 3b, 3c dargestellt.

Ein differentieller Aufbau wenigstens zweier Sensoren 3a und 3b, in einer normal zum Radius des Geberteils 1 verlaufenden Ebene in Bewegungsrichtung 5 des Geberteils hintereinander angeordnet, Fig. 4, kann zu einem besseren, rauschfreieren Sensorsignal führen.

Anstelle von Zahnradgebern kann auch jede andere Aufeinander­ folge von ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Tei­ len vorgesehen sein, z. B. Lochblech oder Wellblech. Die An­ ordnung der ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Ab­ schnitte muß auch nicht periodisch sein und nicht um eine Achse rotieren, sie kann vielmehr auch linear als Längenmaß­ stab angeordnet sein. Anstelle einzelner Sensoren können auch Brückenanordnungen vorgesehen sein.

Zur genauen Positionsbestimmung oder zur Ermittlung der Dreh- oder Bewegungsrichtung eines ferromagnetischen Gebers können mehrere GMR-Sensoren oder Brückenanordnungen so miteinander kombiniert werden, daß die Magnetisierungsrichtungen der ma­ gnetisch harten Blasschichten in verschiedene Richtungen wei­ sen, beispielsweise normal zueinander sind. Es können auch mehrere Sensoren oder Sensoranordnungen in bestimmten Winkeln um einen Zahnradgeber verteilt angeordnet sein oder in be­ stimmtem Abstand linear voneinander entfernt sein.

Claims (6)

1. Anordnung zur berührungsfreien Erfassung der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit oder der Position eines mit Zähnen (2) und Lücken versehenen, um eine Achse (8) drehbaren oder linear verschiebbaren Geberteils (1) aus ferromagnetischem Material,
mit wenigstens einem feststehenden Sensor (3), der wenigstens ein GMR-Element mit wenigstens einer hartmagnetischen Blas­ schicht und wenigstens einer weichmagnetischen Meßschicht enthält, dessen magnetische Schichten in zu der auf den Sen­ sor bezogenen Bewegungsrichtung (5) des Geberteils (1) paral­ lelen Schichtebenen liegen, und
mit einem auf der dem Geberteil abgewandten Seite des Sensors angeordneten Permanentmagneten (4), dessen Feldlinien durch den Sensor zu den Zähnen und Lücken des Geberteils verlaufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schichtebene, in Bewegungsrichtung (5) des Geberteils vor oder hinter dem Sensor (3) angeordnete ferromagnetische Fluß­ führungsstücke (6, 7) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Geberteil (1) aus zwei parallel zueinander derart angeordne­ ten Zahnrädern (1a, 1b) oder Zahnstangen besteht, daß jeweils einem Zahn (21, 22) des einen Zahnrades (1a, 1b) oder der ei­ nen Zahnstange eine Lücke des anderen Zahnrades oder der an­ deren Zahnstange gegenübersteht, und
daß der Sensor (3) zwischen diesen beiden Zahnrädern oder Zahnstangen derart angeordnet ist, daß seine Schichtebene die Zahnräder (1a, 1b) im Bereich deren Kopfkreise oder die Zahn­ stangen im Bereich deren Kopflinien durchdringt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) als Differentialsensor mit zwei in Bewegungsrich­ tung (5) des Geberteils (1) hintereinander angeordneten GMR-Elementen (3a, 3b) ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je­ des GMR-Element des Sensors (3) durch eine Brückenschaltung von GMR-Elementen ersetzt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hartmagnetischen Blasschichten der GMR-Elemente oder deren Brückenschaltungen des Sensors (3) in verschiedene Richtungen weisen.