DE19941860A1 - Verbesserungen an einem mit Magnetfeld-Sonde arbeitenden Magnetfeldsensor - Google Patents

Abstract

Der Magnetfeldsensor mit differentieller Hall-Sonde (21, 22) hat eine derartige Flußrückführung (34) für den Magnetfluß (35) des Magneten (33), die derart vorzugsweise als Joch (3) ausgeführt ist, daß ein nur durch kleine unvermeidliche Luftspalte (d¶1¶, de¶2¶, d¶3¶) unterbrochener, über das Objekt (11) geschlossener Weg des Magnetflusses (35) erreicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an einem mit Magnetfeld-Sonde, insbesondere mit einer Hall-Sonde arbeitenden Magnetfeldsensor, der vorzugsweise zur Feststel­ lung von Magnetflußänderungen in/an einem Objekt und insbe­ sondere als Sensor für das Messen der Drehzahl und/oder der Winkelstellung von Rotoren und dgl. Verwendung findet.

Bei einem Magnetfeldsensor mit z. B. einer Hall-Sonde sind Mittel zur Erzeugung eines permanenten und/oder elektromagne­ tischen Magnetfeldes vorgesehen. Erzeugt wird dieses Feld mit Hilfe eines Permanentmagneten oder einer stromgespeisten Ma­ gnetspule. Zwischen diesen einerseits und dem z. B. bei der speziellen Anwendung vorgesehenen Laufrad andererseits ist der Hall-Sensor angeordnet. Dabei handelt es sich um einen Hall-Sensor üblicher bekannter Art mit z. B. einem Halblei­ terelement. An der vorzugsweise ruhend positionierten Anord­ nung aus Permanentmagnet/Magnetspule und Hall-Sensor läuft die Reifenoberfläche des Rades in einem vorgebbaren Abstand vorbei. Im Regelfall ist auf dieser Reifenoberfläche ein Mar­ kierungselement, z. B. eine Folge Zähne, Löcher oder anderer Markierungen vorgesehen, die gegenüber ihrer jeweils benach­ barten Umgebung hinsichtlich der Permeabilität unterscheiden­ de Eigenschaft haben. Zum Beispiel können dies Zähne aus ma­ gnetisch permeablem Material sein oder auf der Reifenoberflä­ che des Laufbandes befindet sich ein Band aus Material mit magnetischer Eigenschaft, indem in in Laufrichtung verteil­ ten Abständen Aussparungen vorhanden sind, in denen dort vor­ handenes Medium (z. B. Luft) keine oder andere auf Magnetfeld ansprechende Eigenschaft hat. Aus der pro Zeiteinheit an der Hall-Sonde vorbeilaufenden Anzahl der wirksamen Markierungen, die in der Hall-Sonde ein entsprechendes elektrisches Signal bewirken, kann auf die Drehzahl bzw. Umdrehungen pro Zeitein­ heit des Laufrades geschlossen werden. Werden in Laufrichtung benachbart zwei Hall-Sensoren mit voneinander getrennter Si­ gnalerfassung angeordnet, kann außerdem auch die Drehrichtung des Rades bestimmt werden, nämlich aus der zeitlichen Aufein­ anderfolge der im einen und der im anderen der Hall-Sensoren erzeugten elektrischen Signale.

Solche zumindest dem Prinzip nach bekannten Magnetfeldsenso­ ren mit Hall-Sonde arbeiten aber nur dann optimal, wenn zwi­ schen Permanentmagnet bzw. Magnetspule und Hall-Sensor einer­ seits und der Reifenoberfläche bzw. Markierungen des Laufra­ des andererseits kein zu großer Abstand vorliegt.

Es gibt zwar anderweitige technische Lösungen, mit denen auch bei größerem Abstand zwischen Sensor und Laufrad noch zuver­ lässige Messungen ausgeführt werden können, jedoch bedingen diese Lösungen in der Regel erhöhten technischen Aufwand ver­ gleichsweise zu einer wie voranstehend beschriebenen Anord­ nung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine solche wie voranstehend beschriebene und dergleichen Anordnung Maß­ nahmen zu finden bzw. anzugeben, mit denen auch größere Ab­ stände zwischen Laufrad und Meßanordnung der beschriebenen Art vorgesehen sein können und dennoch eine wie z. B. bei en­ gem Abstand exakte Messung von Drehzahl und/oder aktueller Winkelstellung und/oder Drehrichtung des Laufrades erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt der Lösungsgedanke zugrunde, in der be­ schriebenen oder einer dergl. Anordnung von Permanentmagnet bzw. Magnetspule mit Hall-Sonde zusätzliche eine solche Fluß­ rückführung für das Magnetfeld des Permanentmagneten bzw. der elektromagnetischen Spule vorzusehen, mit der aufgrund von Flußdichteänderungen, die auf der Rotation des wie oben be­ schrieben präparierten Laufrades beruhen, auftretende und auszuwertende Signale mit größerer Signalhöhe erzielt werden können. Diese erfindungsgemäß verwendete Flußrückführung hat auch den weiteren Vorteil, daß das Streufeld in Bezug auf die Sensoranordnung drastisch vermindert ist und damit auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erhöht bzw. verbes­ sert wird.

Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand der zum Offenbarungsinhalt dieser Anmeldung gehörenden Figu­ ren beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt in Aufsicht (a) und zwei Seitenansichten (b und c) eine erste Ausführungsform.

Die Fig. 2 zeigt ebenso eine abgewandelte zweite Ausführungs­ form.

Die Fig. 3 zeigt ebenso eine weitere abgewandelte dritte Ausführungsform.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit variierter Fluß­ führung.

Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht einer Ausführungsform mit an­ derweitig variierter Flußführung und

Fig. 6 zeigt ebenso eine weitere Ausführungsform mit vari­ ierter Kombination von Magnet und Flußführung.

Die voranstehend aufgelisteten Ausführungsformen sind mit Permanentmagneten ausgestattet. Statt dieser können auch Elektromagneten vorgesehen sein. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Permanentmagneten. Diese Ausführungsformen sind auch als differentielle Sensoren mit jeweils zwei in Laufrichtung des Rades bzw. der Markierungen benachbart ange­ ordneten Hall-Sensoren ausgeführt, mit denen in an sich be­ kannter Weise außer der Drehzahl auch Vorwärts- und Rück­ wärtslauf und Winkelposition jeweils quantitativ erfaßt wer­ den können. Es sei darauf hingewiesen, daß die Figuren nicht ausschließlich den Regeln einer Werkstattzeichnung entspre­ chen, insbesondere hinsichtlich der dargestellten Schnitte und Durchdringungen.

Die Fig. 1 zeigt mit der Darstellung a eine (gemäß des Schnittes a-a in der Darstellung b geschnittene) Aufsicht ei­ ner Ausführungsform mit z. B. einem Lochband 11 mit Markie­ rungselementen auf der Reifenoberfläche des (nicht darge­ stellten) Laufrades. Es sei - für die gesamte Anmeldung gül­ tig - darauf hingewiesen, daß die hier benutzten Begriffe, wie Laufrad, Lochband, Aussparung, Volumenanteil u. a. als je­ weilige beispielhafte Ausführungen zu verstehen sind. Anstel­ le des Laufrades und/oder des Lochbandes kann auch ein jewei­ lig anderer Träger für die Markierungen vorgesehen sein. Die­ se Markierungen müssen nicht ausschließlich Aussparungen, Vo­ lumenanteil und dgl. am/im Träger sein. Dieser Träger kann auch ein (wie in den Figuren an sich dargestellt) sich linear erstreckendes Band oder dergl. Objekt sein kann, das an dem Sensor entlangläuft und dessen Lineargeschwindigkeit gemessen werden soll.

Mit 21 und 22 sind die Hall-Sensoren mit ihrer Positionierung bezeichnet.

Mit 12 sind als Markierungselemente Volumenanteile im Loch­ band 11, z. B. vorgesehene Löcher bzw. Ausschnitte, bezeich­ net, in denen ggf. vorhandenes Medium sich hinsichtlich sei­ ner magnetischen Wirkung vom Material des Lochbandes 11 un­ terscheidet. Zum Beispiel ist das Material des Lochbandes 11 para- bzw. ferromagnetisch und das Material im Volumenan­ teil/Ausschnitt 12 ist Luft. Umgekehrt können die Volumenan­ teile 12 magnetisch sein und das Material des Bandes 11 ist schwach- oder besser unmagnetisch.

In der zur Aufsicht a gehörenden gemäß Schnitt b-b in Ansicht a geschnittenen Seitenansicht b der Fig. 1 sind dieselben Einzelheiten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Mit 33 ist ein Permanentmagnet bezeichnet und mit 34 die dazu vorge­ sehene erfindungsgemäße Flußrückführung, die zusammen ein (so bezeichnetes) E-förmiges Joch 3 bilden. Mit 35 ist der Ma­ gnetfluß bezeichnet, der auf dem Vorhandensein des Permanent­ magneten 33 beruht und in der Flußrückführung 34 und im Loch­ band 11 verläuft. Diese Flußrückführung 34 bewirkt bezogen auf den Permanentmagneten 33 einen geschlossenen Magnetfluß mit wie durch die angegebenen Pfeile jeweils ersichtlicher Richtung bzw. Verlauf. In der Ansicht b der Fig. 1 ist nur noch der Hall-Sensor 21 zu sehen. Aus der zweiten Seitenan­ sicht c der Fig. 1 (siehe Schnitt c-c in der Aufsicht A der Fig. 1) ist ersichtlich, wie der Permanentmagnet 33, die Flußrückführung 34 und die Sensoren 21 und 22 zueinander an­ geordnet sind.

Einander benachbarte Markierungen bzw. Volumenbereiche 12 sind durch einen dazwischenliegenden Flächenbereich 112 der Oberfläche des Lochbandes voneinander getrennt.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, befindet sich der Hall- Sensor 21 gerade über Material des Lochbandes 11 und der Hall-Sensor 22 über einer Aussparung 12 des Lochbandes 11. Bei dieser Positionierung liefert der Hall-Sensor 21 ein (größeres) elektrisches Signal, weil der Magnetfluß 35 mit Hilfe der Flußrückführung 34 über das hier magnetische Mate­ rial des Lochbandes 11 besser geschlossen ist als dies für den Bereich mit der Aussparung 12 für die Position des Sen­ sors 22 für diesen der Fall ist.

Obwohl, wie aus der Darstellung der Figur hervorgehend, zwi­ schen Hall-Sensor 21 und Material des Lochbandes 11 ein grö­ ßerer Entfernungsabstand d₁, d₂ besteht, ist dieses Signal des Hall-Sensors 21 infolge des erfindungsgemäßen Vorhanden­ seins der Flußrückführung 34 gemäß der Aufgabe der Erfindung bekannten Anordnungen gegenüber vergrößert und daher besser auswertbar.

Aus den voranstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, daß die jeweiligen Luftspalte d₁ + d₃ bzw. d₂ + d₃ (siehe die Figur) für den Magnetfluß 35 (im jeweiligen Schenkel der Flußrück­ führung 34) klein sind, und zwar verglichen mit dem jeweili­ gen wesentlich größeren Weganteil w₁ bzw. w₂ (siehe wieder die Figur), in denen der (jeweilige Anteil des) Magnetflusses dort durch nicht-magnetisches Material im Volumenanteil bzw. in der Aussparung 12 verläuft.

Die Fig. 2 zeigt, wieder in Ansichten a, b und c, eine ver­ gleichsweise zur Fig. 1 variierte Ausführungsform mit den Permanentmagneten 133 und 133' anstelle des nur einem Perma­ nentmagneten 33 der Fig. 1. Entsprechend dieser Variation unterscheiden sich die Ansichten a und b der Fig. 2 von de­ nen der Fig. 1. Ersichtlich ist aus Fig. 2, wie die Perma­ nentmagneten 133 und 133' sich in Längsrichtung des Lochban­ des über diesem positioniert über den Flächenanteil 12 er­ strecken. Mit 134, 134' und 134" sind die Schenkel des E- förmigen Joches 3 der erfindungsgemäßen Flußrückführung be­ zeichnet.

Die Fig. 3 zeigt in gleicher Art wie die Fig. 1 und 2 mit denselben bzw. analogen Bezugszeichen eine dritte Variante mit Permanentmagneten 233 und 233' in der dargestellten Posi­ tionierung. Die Flußrückführung des Joches 3 ist mit 234 be­ zeichnet.

Gemeinsam ist diesen drei Ausführungsformen, daß der Perma­ nentmagnet 33 bzw. die Permanentmagnet-Paare 133, 133' und 233 und 233' sich über die Bereiche der beiden Sensoren 21 und 22 gleichermaßen erstreckt/erstrecken. Für den Magnetfluß des Permanentmagneten 33 der Fig. 1 bzw. der Permanentmagnet- Paare 133, 233 der Fig. 2 und 3 liegt infolge der erfin­ dungsgemäß vorgesehenen Flußrückführung 35 im Bereich des Lochbandes 11 außerhalb eines nicht-magnetisch wirksamen Vo­ lumenanteils 12 desselben, d. h. im Bereich 112 und dem des Sensors 21, ein nur durch die Abstände d₁ bzw. d₂ und d₃ un­ terbrochener, ein also weitgehend geschlossener Weg für den Magnetfluß 35 durch permeables Material hindurch vor. Im Be­ reich eines Volumenanteils 12 bzw. des Sensors 22 der Fig. 1 bis 3 sind jedoch die flußschwächenden Weganteile w₁ und w₂ wirksam, die der nicht-magnetische Volumenanteil 12 bewirkt. (Bei Vertauschung der magnetischen Wirksamkeit von Volumenan­ teil 12 und Material des Lochbandes 11 kehren sich diese Be­ dingungen und Wirkungen sinngemäß um.)

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Joch 3' mit verlängerten äußeren Schenkeln für die Fluß­ rückführung 434 das Lochband 11 noch seitlich umgreifend aus­ geführt ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist im Sinne der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 3 für den Bereich 112 zwi­ schen zwei Volumenanteilen 12 eine hohe Magnetfluß-Rückfüh­ rung gewährleistet und sind im Gegensatz dazu, wie in Fig. 4b dargestellt, im Bereich des Volumenanteils 12 für den Sen­ sor 22 die flußschwächenden Weganteile w₁ und w₂ vorhanden.

Die Fig. 5 zeigt in zwei 90° Seitenansichten a und b eine Ausführung mit wiederum diffentiellen Hall-Sensoren 21, 22 und mit dem Joch 3' mit Flußrückführung 434 und Permanentma­ gnet 33. Anstelle eines Lochbandes 11 (wie in Fig. 4) ist hier (in Fig. 5a in Seitenansicht) eine Zahnstange 111 ge­ zeigt. Die Darstellung der Zahnstange steht auch für das Bild der Abwicklung des Umfangs eines Zahnrades. Die beiden äuße­ ren Schenkel des Joches 3' reichen seitlich der Zahnstange 111 so weit, daß die Zähne 411, aber nur diese, in den Be­ reich des Magnetflusses 35 zwischen den Enden des Joches 3' hineinreichen. Zwischen den Zähnen 411 befinden sich die Zahnlücken 412, die den oben beschriebenen (nicht magneti­ schen) Volumenanteilen bzw. Aussparungen 12 entsprechen. Er­ sichtlich ist auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 eine hohe Magnetfluß-Rückführung für den Sensor 21 gegeben, der einem Zahn 411 gegenübersteht. Das Gegenteil ist für den Sen­ sor 22 der Fall, der einer Zahnlücke 412 gegenübersteht.

Die Fig. 6 zeigt eine noch weitere abgewandelte Ausführungs­ form für das Prinzip der Erfindung, bei der das hier U-för­ mige Joch 3" mit dem Magneten 33 und den Schenkeln der U- Form als Flußrückführung 534 wiederum einer Zahnstange gegen­ übersteht. Auch hier kann dies ein Zahnrad sein, das abgewic­ kelt als Zahnstange dargestellt ist. Im Zwischenraum zwischen dem einen Schenkel 534 und einem Zahn 411 und einer Zahnlücke 412 befinden sich die beiden Sensoren 21 und 22, wovon nur der Sensor 21 einem Zahn gegenübersteht. Für diesen Sensor 21 ist der Magnetfluß 35 und damit das Signal wesentlich höher als dies für den Sensor 22 mit der Magnetflußschwächung durch die Zahnlücke 412 der Fall ist.

Claims (10)

1. Magnetfeldsensor für Messung von Magnetflußänderungen an/in einem Objekt mittels differentieller Magnetfeldsonde (21, 22), die im Magnetfluß (35) einer Anordnung mit Perma­ nent-/Elektromagnet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flußrückführung (34) aus magnetischem Material in Form eines Joches (3) mit darin enthaltenem Magneten (33) für über das Objekt zu schließenden Magnetfluß (35) vorgesehen ist, wobei diese Flußrückführung (34) in dem Magnetfeldsensor derart angeordnet und ausgebil­ det ist, daß größerer als konstruktiv unvermeidlicher Luft­ spalt (d₁, d₂, d₃) für den Magnetfluß (35) vermieden ist.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die differentielle Magnetfeld­ sonde zwei Hall-Sonden (21, 22) umfaßt.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrückführung (34) und der Magnet (33) zusammen ein E-förmiges Joch (3) bilden und der Magnet (33) wenigstens zu einem Anteil den mittleren Schenkel der E-Form bildet. (Fig. 1)

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrückführung (134, 134', 134") und zwei Magneten (133, 133') zusammen ein E- förmiges Joch (3) bilden und jeweils einer der Magneten zu wenigstens einem Anteil den jeweiligen rückseitigen Teil der E-Form des Joches zwischen jeweils zwei benachbarten Schen­ keln bildet. (Fig. 2)

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrückführung (234) und zwei Magnete (233, 233') zusammen ein E-förmiges Joch (3) bilden und je einer der Magnete zu wenigstens einem Anteil einen der äußeren Schenkel der E-Form bilden. (Fig. 3)

6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äuße­ ren Schenkel des E-förmigen Joches (3') derart verlängert sind, daß sie das Objekt (11, 111) seitlich umgreifend ausge­ führt sind. (Fig. 4, 5)

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch Anordnung in einer Vorrichtung für Drehzahlmessung eines Objekts (11, 111).

8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch Anordnung in einer Vorrich­ tung zur Messung von linearem Bewegungsvorgang eines Objekts (11, 111).

9. Vorrichtung mit einem Magnetfeldsensor nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Son­ denmessung an einem Lochband (11) des Objekts.

10. Vorrichtung mit einem Magnetfeldsensor nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Son­ denmessung an einem Zahnrad oder einer Zahnstange (111) des Objekts.