DE19758037A1 - Codierer für Positionssensor und Meßfühler - Google Patents
Codierer für Positionssensor und MeßfühlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Sensoren
auf magnetischer Basis, die ein Codierelement enthalten, das
sich in unmittelbarer Nähe eines Detektorelements bewegt und
zur Erfassung mindestens einer allgemeinen Winkelposition
ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Ausführung eines
Codierers mit mehreren abwechselnd angeordneten Nord- und
Südpolen.
Die Erfindung wird in vorteilhafter Weise besonders im
Automobilbereich verwendet, wo dieser Sensor z. B. im Rahmen
von Zündsystemen verwendet werden kann.
In dem genannten Gebiet ist es bekannt, einen magnetischen
Sensor zur Messung einer Veränderung der Magnetfeldstärke zu
verwenden, wenn ein ferromagnetischer Codierer mit Störfeld
elementen an einem Detektorelement vorbeigeführt wird. Das
Detektorelement, wie z. B. eine Hall- oder magnetoresistive
Sonde, erzeugt ein periodisches sinusförmiges Signal. Das
Detektorelement ist mit einem Hysterese-Pegelkomparator ver
bunden, wie z. B. ein Schmitt-Trigger, um eindeutige Über
gänge der Ausgangsspannung für bestimmte Werte der magneti
schen Induktion zu erhalten, je nachdem, ob sie zu- oder
abnimmt.
Bei einem Drehzahlsensor ist die Verwendung eines Codierers
bekannt, der mit einer erhöhten Anzahl regelmäßig angeordne
ter Zähne versehen ist, um die Auflösung eines solchen Sen
sors zu verbessern. Eine Verbesserung eines solchen Sensors
wird durch einen Codierer aus einem mehrpoligen Ring er
reicht, der auf seinem Umfang mit abwechselnden Nord- und
Südpolen mit gleichmäßigem Schrittabstand versehen ist.
Zur Bestimmung mindestens einer Position, wie z. B. dem obe
ren Totpunkt eines Zylinders, ist es bekannt, eine Markie
rung auf dem magnetischen Codierer herzustellen. Es ist
ebenfalls bekannt, beispielsweise zwei Zähne auf einem Zahn
rad wegzulassen. Bei der Lösung, die einen Codierer mit
abwechselnden Nord- und Südpolen verwendet, können entweder
mehrere magnetische Pole weggelassen werden, so daß ein
Leerraum vorliegt, oder ein bzw. mehrere Pole mit vorgegebe
nem Vorzeichen durch einen oder mehrere Pole mit entgegenge
setztem Vorzeichen ersetzt werden. Es kann somit ein Magnet
pol geschaffen werden, der zwischen zwei angrenzenden Polen
mit entgegengesetzten Vorzeichen einen unterschiedlichen
Abstand im Vergleich zur Abstandsweite der anderen Pole
aufweist.
Die Anmelderin hat gezeigt, daß ein solcher Sensor keine
gute Meßgenauigkeit ermöglicht, insbesondere was die Erfas
sung eines unregelmäßigen Pols anbelangt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beheben,
indem ein Positionssensor vorgeschlagen wird, der eine er
höhte Meßgenauigkeit ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Codierer
vorgeschlagen, der einen magnetischen mehrpoligen Ring mit
abwechselnden Nord- und Südpolen auf seinem Umfang enthält
und zur Vorbeiführung an einem Meßelement bestimmt ist, das
ein periodisches Signal liefert, welches dem Verlauf der
Intensität des Magnetfelds entspricht, das durch die Pole
erzeugt wird, wobei mindestens einer der Pole unregelmäßig
ist und zwischen seinen zwei angrenzenden Polen einen ande
ren Abstand als die Abstandsweite zwischen den anderen Polen
aufweist.
Erfindungsgemäß enthält der Codierer für jeden unregelmäßi
gen Pol eine Korrektureinrichtung für den Wert des Magnet
felds, das durch den unregelmäßigen Pol in der Art erzeugt
wird, daß das Signal, das durch das Vorbeibewegen der zu dem
unregelmäßigen Pol benachbarten Pole geliefert wird,
symmetrisch bezüglich dem Wert Null des Magnetfelds ist.
Die Ausführung eines solchen Codierers ermöglicht es, am
Ausgang des Detektorelements eines Sensors ein Signal zu
erhalten, wobei die Periode im Fall von regelmäßigen Polen
konstant ist. Darauf folgt eine gute Meßgenauigkeit, insbe
sondere für die Erkennung des unregelmäßigen Pols.
In dem vorstehend genannten technischen Gebiet taucht bei
der Verwendung eines Sensors mit variablem Widerstand ein
anderes Problem auf, wobei der magnetische Sensor im allge
meinen am Ausgang der Übertragungswelle angeordnet ist. Ein
solcher Sensor benötigt zusätzlich einen auf die Übertragung
rückgekoppelten Codierer, der einen nicht vernachlässigbaren
Raum erfordert, wodurch der gesamte Raumbedarf für die Über
tragung erhöht wird.
Zur Lösung eines solchen Problems wird erfindungsgemäß vor
geschlagen, den Codierer auf einer Antriebsscheibe am Aus
gang des Kraftfahrzeugmotors anzuordnen. Entsprechend einer
vorteilhaften Ausführung ist der Codierer auf der Kurbelwel
lenscheibe angeordnet, um insbesondere den oberen Totpunkt
zu erkennen. Entsprechend einer anderen vorteilhaften Aus
führung ist der Codierer auf der Nockenscheibe montiert, um
die Position des Zylinders im Motor zu erkennen.
Weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert.
Die Fig. 1 ist eine allgemeine Ansicht, die ein Ausfüh
rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Codierers zeigt.
Die Fig. 2 zeigt Kurven, die die Änderung der magnetischen
Induktion beim Vorbeiführen eines erfindungsgemäßen und
nicht erfindungsgemäßen Codierers zeigen.
Die Fig. 3 ist eine Ansicht eines anderen Ausführungsbei
spiels eines erfindungsgemäßen Codierers.
Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Anbau eines erfin
dungsgemäßen Codierers.
Die Fig. 5 zeigt ein anderes Beispiel für den Anbau eines
erfindungsgemäßen Codierers.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Anwendung eines erfindungsge
mäßen Codierers.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines magnetischen
Codierers 1, der zur Vorbeiführung an einem Detektorelement
ausgebildet und für die Herstellung eines Positionssensors
geeignet ist. Der Codierer 1 wird durch einen ringförmigen
magnetischen Multipol gebildet, der auf seinem Umfang mit
abwechselnden Nordpolen N und Südpolen S versehen ist, die
eine radiale Magnetisierung aufweisen. Im dargestellten
Beispiel enthält der Codierer 1 eine Reihe von Südpolen S
und Nordpolen N, die mit einer gleichmäßigen Teilung zwi
schen benachbarten Polen angeordnet sind. Beispielsweise
beträgt die Winkelbreite jedes Pols 3°.
Erfindungsgemäß weist der Codierer 1 mindestens einen unre
gelmäßigen Pol Pi auf, der zwischen seinen zwei angrenzenden
Polen einen anderen Abstand aufweist als die gleichmäßige
Teilung zwischen den Polen S und N. Im dargestellten Bei
spiel weist der unregelmäßige Pol Pi eine Winkelbreite von
15∘ auf und bildet einen Südpol, der durch zwei Nordpole
eingerahmt ist.
Erfindungsgemäß enthält der Codierer 1 für jeden unregelmäßigen
Pol Pi eine Einrichtung 3 für die Korrektur oder Kom
pensation des Werts des durch den unregelmäßigen Pol Pi
erzeugten Magnetfelds in Bezug auf den Wert des durch die
benachbarten Pole erzeugten Magnetfelds, so daß das durch
den unregelmäßigen Pol erzeugte Magnetfeld nicht das durch
die benachbarten Pole erzeugte Magnetfeld beeinflußt. Die
Korrektureinrichtung 3 ist derart ausgelegt, daß das Signal,
das der Änderung der magnetischen Feldstärke entspricht, die
durch die dem unregelmäßigen Pol Pi benachbarten Pole gelie
fert wird, bezüglich des Nullwerts des Magnetfelds symme
trisch ist.
Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Korrektureinrichtung 3.
Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Veränderung des Ma
gnetfelds I in Gauss in Abhängigkeit von der Winkellage des
Codierers 1 bezüglich der Lage eines Detektorelements zeigt.
Die Kurve A zeigt die Änderung der magnetischen Induktion I
eines Codierers ohne erfindungsgemäße Korrektureinrichtung
3, während die Kurve B die Änderung der magnetischen Induk
tion I eines Codierers 1 mit erfindungsgemäßer Korrekturein
richtung 3 zeigt. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, beein
flußt die Anwesenheit des unregelmäßigen Pols Pi das Ma
gnetfeld der benachbarten Pole. In der Kurve A taucht eine
Drift in der Amplitude und der Phase der Induktion auf, die
umso stärker ist, je näher der regelmäßige Pol dem unregel
mäßigen Pol ist. Es ergibt sich eine Phasenverschiebung des
Induktionssignals. Die Kurve B zeigt, daß die durch den
unregelmäßigen Pol Pi erzeugte magnetische Induktion das
Magnetfeld der benachbarten regelmäßigen Pole nicht beein
flußt. Das die Änderung der Magnetfeldstärke angebende Si
gnal, das durch die dem unregelmäßigen Pol Pi benachbarten
regelmäßigen Pole geliefert wird, ist symmetrisch bezüglich
des Nullwertes des magnetischen Feldes. Ein solches symme
trisches Signal erhält man unabhängig von der Breite des
Luftspalts, d. h. dem Abstand zwischen dem Detektorelement
und dem magnetischen Ring 1. Es erweist sich, daß das Signal
I eine konstante Periode T aufweist, was die zu dem unregel
mäßigen Pol benachbarten regelmäßigen Pole betrifft. Darauf
folgt, daß man eine gute Meßgenauigkeit zur Lokalisierung
des unregelmäßigen Pols erhalten kann.
Durch die Einrichtung 3 kann der Wert der magnetischen In
duktion, der durch den unregelmäßigen Pol Pi erzeugt wurde,
so korrigiert werden, daß er die Induktionen der benachbar
ten Pole nicht beeinflußt, aber durch eine Meßsonde erfaßt
werden kann. Die Einrichtung 3 ist derart ausgebildet, daß
der durch die unregelmäßigen Pole erzeugte Magnetfluß ver
ringert und trotzdem ein ausreichender Wert zur Erfassung
beibehalten wird.
Die Korrektureinrichtung 3 wird durch die Festlegung geome
trischer Merkmale des unregelmäßigen Pols Pi gebildet. Im
Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird die Korrektureinrich
tung 3 durch eine verminderte Dicke des unregelmäßigen Pols
im Vergleich zu den regelmäßigen Polen N und S realisiert.
Eine solche Ausführungsform wird in vorteilhafter Weise
verwendet, wenn der magnetische mehrpolige Ring 1 durch
einen Kranz 4 gebildet wird, der ein Gerüst bildet, auf das
ein aus Elastomeren hergestellter und mit magnetisierten
Partikeln versehener Ring 5 zur Bildung der regelmäßigen
Nord- und Südpole und des unregelmäßigen Pols Pi aufgeklebt
ist. Bei dieser Methode wird der Ring 5 durch Gießen her
gestellt und zur Bildung der magnetischen Pole anschließend
örtlich magnetisiert.
Die Korrektureinrichtung 3 kann durch die Form des unregel
mäßigen Pols verwirklicht werden, beispielsweise seiner
Dicke in Axialrichtung oder durch ein besonderes Profil. Wie
aus Fig. 3 ersichtlich, wird die Korrektureinrichtung 3
durch Festlegung des Dickenprofils des unregelmäßigen Pols
Pi gebildet. Diese Dicke des unregelmäßigen Pols Pi variiert
in Abhängigkeit von seiner Winkelposition α auf dem magneti
schen Ring 1 linear oder nicht linear. Im dargestellten Bei
spiel weist der unregelmäßige Pol Pi in seinem mittleren Be
reich eine konstante Dicke auf, die kleiner als die der an
grenzenden Pole ist. Dieser mittlere Bereich des unregel
mäßigen Pols wird auf beiden Seiten durch einen Verbindungs
bereich verlängert, der ein Profil aufweist, dessen Dicke
bis zu einem Wert zunimmt, der dem der angrenzenden Pole
entspricht.
Außerdem kann die Korrektureinrichtung 3 in der Ausführung
eines unregelmäßigen Pols bestehen, der eine verminderte
axiale Breite im Vergleich zur axialen Breite der regel
mäßigen Pole aufweist.
Der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Codierer 1 kann
auf einer drehbaren Platte angeordnet sein, von der minde
stens eine Position ermittelt werden soll. Entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsge
mäße Codierer 1 auf einer drehbaren Platte montiert, die
durch eine Tragnabe der Kurbelwelle eines Motors gebildet
wird. Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der erfindungsgemäße Codierer 1 auf einer durch eine
Antriebsscheibe gebildeten drehbaren Platte angeordnet, die
am Ausgang des Kfz-Motors, d. h. auf einer Verteilerscheibe
oder auf einer der Hilfsscheiben angeordnet ist. Entspre
chend einer in den Fig. 4 und 5 dargestellten vorteil
haften Ausführung, ist der Codierer 1 auf der Antriebs
scheibe 6 angeordnet, die sich in der Achse der Kurbelwelle
befindet, um den oberen Totpunkt eines Zylinders zu bestim
men. Im dargestellten Beispiel ist der Codierer 1 auf der
radialen inneren Wand oder der Nabe 7 (Fig. 4) oder auf der
äußeren radialen Wand 8 (Fig. 5) einer Antriebsscheibe 6
montiert. Der Ring 5 aus Elastoferrit wird direkt auf die
Scheibe 6, die durch ihre radiale Wand den Stützkranz 4
bildet, oder indirekt durch seinen Stützkranz 4 montiert,
der durch alle geeigneten Mittel auf der Scheibe befestigt
ist. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, wird das
Detektorelement 9, beispielsweise eine Hall- oder magneto
resistive Sonde, in die Aussparung montiert, die durch die
äußeren 8 und inneren 7 radialen Wände der Scheibe begrenzt
wird.
Im oben dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der Po
sitionssensor als Antriebsscheibe eine Kurbelwellenscheibe,
die mit einem magnetischen Ring versehen ist und zur Erfas
sung einer einzigen Position ausgebildet ist. Der Erfin
dungsgegenstand kann allerdings auch bei einem Sensor ver
wendet werden, der einen mit mehreren unregelmäßigen Polen
Pi versehenen magnetischen Ring 1 aufweist, der die Erfas
sung mehrerer Positionen ermöglicht. Vorteilhafterweise
weist der magnetische Ring 1 beispielsweise vier unregel
mäßige Pole Pi auf, die es ermöglichen, die Position der
Zylinder eines Motors zu ermitteln. Der Ring 1 ist mit vier
unregelmäßigen Südpolen Pi ausgestattet, die voneinander
durch vier Nordpole getrennt werden. Jeder unregelmäßige Pol
Pi ist mit einer erfindungsgemäßen Korrektureinrichtung 3
ausgestattet. Im dargestellten Beispiel wird die Korrek
tureinrichtung 3 durch die Wahl eines bestimmten Profils
gebildet, das durch die Dicke jedes unregelmäßigen Pols Pi
bestimmt wird. Ein solcher Ring kann in vorteilhafter Weise
auf eine Scheibe montiert werden, die sich in der Achse der
Nockenwelle des Motors befindet.
Claims (14)
1. Codierer für einen Positionssensor, der einen magneti
schen mehrpoligen Ring (1) mit abwechselnden Nordpolen
(N) und Südpolen (S) auf seinem Umfang aufweist und zur
Vorbeiführung an einem Meßelement bestimmt ist, das ein
periodisches Signal liefert, das dem Verlauf der Inten
sität der magnetischen Feldstärke entspricht, die durch
die Pole erzeugt wird, wobei mindestens einer dieser Po
le unregelmäßig (Pi) ist und einerseits zwischen seinen
beiden angrenzenden Polen einen anderen Abstand als die
Abstandsweite zwischen den anderen Polen aufweist und
andererseits eine Korrektureinrichtung (3) für den Wert
seines Magnetfelds aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrektureinrichtung (3) durch Festlegung der geome
trischen Eigenschaften des unregelmäßigen Pols (Pi) der
art gebildet wird, daß das Signal, das beim Durchlauf
der zu dem unregelmäßigen Pol benachbarten Pole gelie
fert wird, symmetrisch in Bezug auf den Nullwert des
Magnetfelds ist.
2. Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die geometrischen Eigenschaften des unregelmäßigen Pols
(Pi) durch sein Dickenprofil gebildet werden.
3. Codierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die geometrischen Eigenschaften des unregelmäßigen Pols
(Pi) durch seine axiale Breite gebildet werden.
4. Codierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dickenprofil des unregelmäßigen Pols (Pi) in seinem
mittleren Bereich eine konstante Breite aufweist, die
geringer als die der angrenzenden Pole ist.
5. Codierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der unregelmäßige Pol (Pi) in seinem mittleren Bereich
eine im Vergleich zu den angrenzenden Polen kleinere
Dicke aufweist und auf beiden Seiten durch ein Verbin
dungsteil verlängert wird, das ein Profil aufweist, des
sen Dicke bis zur Dicke der angrenzenden Pole zunimmt.
6. Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der magnetische mehrpolige Ring (1) durch einen Trag
kranz (4) gebildet wird, auf dem ein Ring (5) aus Ela
stomeren befestigt ist, der zur Bildung abwechselnder
Nord- und Südpole mit magnetisierten Partikeln versehen
ist.
7. Drehbare Scheibe am Ausgang eines Kfz-Motors, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen Codierer (1) nach einem
der Ansprüche 1 bis 6 enthält.
8. Drehbare Scheibe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß sie durch eine Antriebsscheibe gebildet wird,
die auf ihrer inneren (7) oder äußeren (8) radialen Wand
mit einem Codierer (1) ausgestattet ist.
9. Drehbare Scheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Antriebsscheibe eine radiale Wand aufweist,
die den Tragkranz (4) des Codierers (1) bildet.
10. Drehbare Scheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Antriebsscheibe eine radiale Wand aufweist,
auf der ein Ring angebracht ist, der den Tragkranz (4)
des Codierers (1) bildet.
11. Positionssensor, dadurch gekennzeichnet, daß er eine
drehbare Platte nach einem der Ansprüche 7 bis 10
aufweist und mit einem Codierer (1) ausgestattet ist,
bezüglich dessen ein Detektorelement (9) angeordnet ist.
12. Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß er als drehbare Platte eine Kurbelwellenscheibe
aufweist.
13. Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß er als drehbare Platte eine Nockenscheibe
aufweist, die einen mit mehreren unregelmäßigen Polen
(Pi) versehenen Codierer (1) enthält.
14. Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß er als drehbare Platte eine Tragnabe aufweist.
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