DE3605178A1 - Bewegungssensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor
zur Erfassung der Bewegung eines gezahnten Gegenstandes
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Sensor zur Erfassung der Drehbewe
gung eines ferromagnetischen Zahnrades besteht dieser
aus einer Spule mit Eisenkern, der mit seiner einen
freien Stirnkante gegen die Zähne gerichtet ist.
Beim Vorbeibewegen der Zähne wird die Induktivität
der Spule verändert. Diese Veränderung dient als
Kriterium zur Auswertung in einer Auswerteschaltung.
Es sind auch Sensoren auf optoelektrischer Basis
zur Feststellung der Drehzahl und Drehrichtung eines
Rades bekannt, die mit zwei eventuell gegeneinander
versetzten optoelektrischen Sende-Empfängern arbeiten.
Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe der Bewegungs-,
insbesondere Drehzahlerkennung, ggf. auch nach Geschwindig
keit und/oder Bewegungsrichtung mit einfachen robusten
Bauteilen, die zu einem kompakten Sensor zusammenfaß
bar sind und eine hohe Genauigkeit der Bewegungser
kennung, insbesondere auch bei langsamen Bewegungsab
läufen ermöglicht. Zugleich soll die Möglichkeit einer
Bezugspunkterkennung gegeben sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die magnetfeldabhän
gigen Widerstände sind in den Abmessungen klein, sehr
stabil gegen Schockbeanspruchung und sie sind kosten
günstig herstellbar. Außerdem ist durch die einfache
Maßnahme der Lückenausfüllung oder Zahnverkürzung bzw.
Zahnentfernung eine einfache Positionserkennung möglich.
Ein derart kompakter Aufbau durch Zusammenbau von zwei
der eingangs genannten Induktivitäten als Sensoren ist
wegen der möglichen gegenseitigen Verkopplung nicht
tragbar.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben und nachfolgend anhand der
in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele
beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt einer Zahnstange mit einem Posi
tionserkennungsbereich in perspektivischer An
sicht,
Fig. 2 den Abschnitt von oben in einem in geringem Ab
stand von der Oberfläche vorgenommenen Schnitt,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung
zur Signalerkennung für einen oder mehrere
je einer Seite zugeordneten magnetfeldabhän
gigen Widerstände,
Fig. 4 eine Ausführung mit einem um eine halbe Zahn
breite versetzten magnetfeldabhängigen Wider
stand, die
Fig. 5, 6 und 7, 8 je eine den Fig. 1 und 2 ent
sprechende Darstellung einer Version mit fehlen
dem bzw. verkürzten Zahn,
Fig. 9 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung
für Vor-Rück-Erkennung und Impulszählung,
Fig. 10 ein Prinzipschaltbild zur Nullpunkterkennung
bei phasengleichen Signalen und
Fig. 11 ein Prinzipschaltbild der Nullpunkterkennung
bei phasenversetzten Signalen.
Mit 1 ist ein mit Zähnen 2 und Zahnlücken 3 versehener
bewegbarer Gegenstand bezeichnet. Dieser besteht ganz
oder zumindest im Bereich der Zähne 2 aus ferromagne
tischem Material. Anstelle von Zähnen 2 und Zahnlücken 3
können auch unterschiedliche permanentmagnetische Be
reiche vorgesehen sein, beispielsweise in bestimmten
Abständen vorgesehene Nord- oder Süd- oder Nord- und
Südpole. Der Gegenstand 1 kann als Rad oder Stange oder
in anderer Kurvenform ausgebildet sein. Die Zähne 2 und
Zahnlücken 3 können wie dargestellt auf der Umfangsfläche
oder aber seitlich oder zusätzlich seitlich angeordnet
sein.
In geringem Abstand oberhalb der Zähne 2 ist ein Substrat 4
aus elektrisch isolierendem Material mit zwei als Streifen
ausgebildeten, in Streifenrichtung hintereinander im Ab
stand voneinander angeordneten magnetfeldabhängigen Wider
ständen 5 und 6 vorgesehen. Die magnetfeldabhängigen Wider
stände 5, 6 bestehen vorzugsweise aus einer in Form von
Streifen aufgebrachten, z.B. aufgedampften oder aufge
sputterten Schicht aus NiFe oder CoFeB oder FeB und einer
Dicke von maximal 0,5 µm. Während oder nach dem Beschichtungs
prozeß der Streifen wird diese Schicht einem derartigen
Magnetfeld ausgesetzt, daß sie eine einachsige Anisotropie
mit der leichten Richtung parallel zu den Streifen
aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, daß jede unter
schiedliche Magnetfeldkomponente H, d.h. jede Änderung,
die senkrecht zur Streifenlängsachse L auftritt, eine Ände
rung des Wertes des magnetfeldabhängigen Widerstandes bzw.
der magnetfeldabhängigen Widerstände im gleichen Sinn be
wirkt. Zweckmäßig können jeweils bis zu vier Streifen vor
gesehen und zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet
sein.
Das Magnetfeld H wird beispielsweise durch ein Streufeld
eines Permanentmagneten 7 erzeugt, dessen einer Pol über
den magnetfeldabhängigen Widerständen 5, 6 vorgesehen ist.
Die magnetfeldabhängigen Widerstände 5, 6 und der Magnet
7 sowie Anschlüsse sind in einem nicht dargestellten Ge
häuse untergebracht und bilden einen kompakten kleinen
Sensor 8.
Die streifenförmigen magnetfeldabhängigen Widerstände 5,
6 erstrecken sich in Richtung der Zähne 2 bzw. der Zahn
lücken 3 und sie sind wesentlich schmaler als diese. Da
durch wird an jeder Zahnflanke eine Widerstandsänderung
derselben erzeugt.
Die Länge der magnetfeldabhängigen Widerstände 5, 6 und
die Breite B der Zähne 2 ist so bemessen, daß je ein
magnetfeldabhängiger Widerstand 5 oder 6 eine Seite 9
bzw. 10 der Zahnbreite B abtasten kann. Anstelle eines
einzigen magnetfeldabhängigen Widerstandes 5 oder 6 können
jeweils mehrere parallel zueinander vorgesehen und in
Brückenschaltung zusammengeschaltet sein.
Auf der Seite 10 ist erfindungsgemäß zur Positionser
kennung eine Zahnlücke 3.1 durch einen ferromagnetischen
Teil 11 ausgefüllt. Beim Vorbeibewegen dieses Teils 11
entsteht daher im magnetfeldabhängigen Widerstand 6
keine Widerstandsänderung, wohl aber im magnetfeldab
hängigen Widerstand 5, da für diesen die Zahnlücke 3.1
erhalten bleibt. In einer Auswerteschaltung kann daher
die Vorbeibewegung dieser Stelle bzw. des Teils 11
festgestellt werden.
Eine Schaltung zur Erzeugung eines Impulses bei negativer
Flanke ist im Prinzip in Fig. 3 dargestellt. Der
magnetfeldabhängige Widerstand 5 (oder 6) liegt in einem
Brückenkreis einer Meßbrücke 12 mit den Brückenwider
ständen 12.1, 12.2, 12.3. Die Brückenpunkte M 1, M 2 sind
an die beiden Eingänge eines Komparators 13 angeschlossen.
Bei jeder negativen Flanke des durch den magnetfeldabhän
gigen Widerstand 5 erzeugten Signals gibt der Komparator 13
beispielsweise ein positives Signal A, der magnetfeldab
hängige Widerstand 6 ein positives Signal B aus, wie
später noch anhand der Fig. 9 beschrieben wird.
Mit einer derartigen Anordnung kann die Zahl der Zähne,
die Geschwindigkeit der Bewegung derselben und damit des
Gegenstandes 1 und die den magnetischen Teil 11 entsprechen
de Positionsmarke erkannt werden.
Um noch die Bewegungsrichtung, beispielsweise die Dreh
richtung eines Rades, feststellen zu können, können ge
mäß Fig. 5 die magnetfeldabhängigen Widerstände 5 und 6
gegeneinander versetzt, insbesondere um eine halbe Zahn
breite Z versetzt, die Signalkurve also um 90° phasen
verschoben sein. Diese Anordnung wird später als Vor-
Rück-Schaltung beschrieben.
Anstelle eines magnetischen Teils 11 kann auch der Zahn 2.1
auf der Seite 10 des bzw. der magnetfeldabhängigen Wider
stände 6 zum Teil oder ganz abgetragen sein, so daß auch
dadurch eine Positionserkennung infolge Ausbleibens eines
Signals möglich ist. Die Ausführung ohne Zahn 2.11 ist in
den Fig. 5 und 6, eine solche mit verkürztem Zahn 2.12
in den Fig. 7 und 8 dargestellt.
Die Funktion des Sensors 8 mit einer Auswerteschaltung 14,
einer Vor-Rück-Erkennung und einer Positionserkennung
ist in Fig. 9 als Prinzipschaltbild dargestellt. Wie
bereits erwähnt, ist jeder magnetfeldabhängige Widerstand
5 bzw. 6 je einer Seite 9 bzw. 10 an einem Komparator 13 a
bzw. 13 b angeschlossen, die ein entsprechendes Pulsdiagramm
A bzw. B ausgeben, wie in Fig. 10 für nicht versetzte
bzw. in Fig. 11 für versetzte magnetfeldabhängige Wider
stände 5, 6 dargestellt ist. Für den letzteren Fall ist
das Signal B durch einen Inverter 15 invertiert.
Wie in Fig. 10 veranschaulicht, können die beiden Sig
nale A und B den beiden Eingängen eines XOR-Bausteins 16
eingegeben werden. Dieser gibt nur im Fall des Fehlens
eines Impulses infolge Auftretens des magnetischen Teils
11 bzw. des Fehlens eines Zahnes 2.1 einen Impuls 17 aus.
Dieser dient dann als Positionsmarke des beweglichen Ge
genstandes 1.
Bei zusätzlicher Versetzung der magnetfeldabhängigen
Widerstände 5 und 6 um z.B. eine halbe Zahnbreite Z
wird das Signal A und das invertierte Signal einem
JK-Flipflop 18 eingegeben, der je nach Bewegungsrichtung
des beweglichen Gegenstandes 1 am Ausgang ein H- oder
L-Signal liefert.
Die Impulse des magnetfeldabhängigen Widerstandes 5, die
alle pro Längeneinheit oder Umdrehung eines Rades voll
ständig vorhanden sind, können direkt oder über eine Ver
zögerungsschaltung 19 einem Zähler 20 zugeleitet werden,
dem noch eine Schaltung zur Messung der Zeit t und der
Geschwindigkeit V nachgeschaltet sein können.
Claims (9)
1. Sensor mit wenigstens zwei im Streufeld eines Per
manentmagneten angeordneten magnetfeldabhängigen Wider
ständen und einer zugeordneten elektronischen Auswerte
schaltung, zur Erfassung der Bewegung eines mit Zähnen
versehenen Gegenstandes, wobei zumindest die Zähne aus
ferromagnetischem Material bestehen, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei oder jeweils
zwei oder mehr magnetfeldabhängige Widerstände (5; 6)
in Form von Streifen auf einem Träger (4) und hinter
einander in Richtung der Zähne (2) bzw. der Zahnlücken
(3) angeordnet sind, und daß die oder wenigstens eine
Zahnlücke (3.1) auf der Seite (10) des einen magnet
feldabhängigen Widerstandes (6) durch ferromagnetisches
Material (11) ausgefüllt oder ein Zahn (2.1; 2.11; 2.12)
ausgelassen oder verkürzt ausgebildet ist, und daß dem
Sensor (8) eine Auswerteschaltung zugeordnet ist, die
bei Abtastung der ausgefüllten Zahnlücke (3.1) oder
des ausgelassenen oder verkürzten Zahnes (2.1; 2.11; 2.12)
ein Steuersignal (A; B) ausgibt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zwei hintereinander angeordneten magnetfeldabhängigen
Widerstände (5, 6) seitlich gegeneinander versetzt ange
ordnet sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände (5, 6) um
eine halbe Zahnteilung (Z) gegeneinander versetzt ange
ordnet sind.
4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein magnetfeldabhängiger Wider
stand (5; 6) als Brückenwiderstand im einen Zweig einer
Meßbrücke (12) eingeschaltet ist und jeder Brückenmeßpunkt
(M 1, M 2) an je einem Eingang eines Komparators (13)
angeschlossen ist, dessen Ausgang in Abhängigkeit von
gleichem und ungleichem Widerstandswert des magnetfeld
abhängigen Widerstandes (5; 6) ein entsprechend unter
schiedliches Ausgangssignal (A; B) ausgibt.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß je ein magnetfeldabhängiger Widerstand (5
oder 6) und ein Meßwiderstand (12.1) je einen Brücken
zweig bilden.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zähne (2) auf einem Rad angeordnet
sind.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zähne (2) auf einer Stange ange
ordnet sind.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Impulszäh
ler enthält.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor (8) und die Auswerteschal
tung (14) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht
sind.
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