DE19758037A1 - Codierer für Positionssensor und Meßfühler - Google Patents

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.