DE3844294C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur be­ rührungslosen Erfassung von Drehbewegungen ferro­ magnetischer Objekte, insbesondere zur quantitativen Erfassung der motordrehzahlabhängigen Drehbewegung von Zahnrädern in einem Kraftfahrzeug, mit einem in einem Gehäuse eingeschlossenen Meßfühlerelement, welches in unmittelbarer Nähe zu dem sich drehenden ferromag­ netischen Objekt angeordnet ist und Fixiermittel zum Fixieren eines Endes einer Lichtwellenleitung, einen Magneten und eine mit diesem gekoppelte blattförmige Zunge aus einem durch ein Magnetfeld verformbaren Werkstoff aufweist, wobei die Zunge über eine reflek­ tierende Oberfläche verfügt, die der fixierten Endfläche der Lichtwellenleitung gegenüber angeordnet ist und deren Normale im wesentlichen in Richtung der Nabe des drehbaren Objektes verläuft und rechtwinklig auf dessen Achse steht, und wobei die Lichtwellenlei­ tung das Meßfühlerelement mit einem in einer räumlichen Entfernung zu dem Gehäuse angeordneten Lichtsender und Lichtempfänger derart verbindet, daß von dem Lichtsen­ der erzeugbare Strahlung in der Lichtwellenleitung zu dem Meßfühlerelement geleitet wird und daß in der Gegenrichtung dazu vom Meßfühlerelement reflektierte Strahlung zum größten Teil über die Lichtwellenleitung zu dem Lichtempfänger geleitet wird.

Die DE 35 42 042 C1 lehrt eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Drehbewegungen ferromagne­ tischer Objekte, wobei die Zunge des Meßfühlerelements in Gestalt einer ferromagnetischen Folie, Scheibe o. ä. in der Nähe oder an dem Permanentmagneten befestigt ist. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß bei der Herstellung der Meßfühler jede Zunge einzeln manuell justiert werden muß. Die Einstellung der Lage der Zunge zu dem Permanentmagneten und vor allem zu den sie mit Strahlung beaufschlagenden Lichtleitern ist aufwendig und vermindert die ausnutzbare Empfind­ lichkeit der Vorrichtung. Bei einer längeren Betriebs­ zeit weist diese bekannte Vorrichtung weiterhin den Nachteil auf, daß ihre sich bewegenden mechanischen Komponenten nachjustiert werden müssen.

Aus der DE 31 33 401 A1 ist ein faseroptischer Impulsgeber bekannt, bei dem die Signalübertragung von einem Lichtsender zu einem Meßfühlerelement und von dem Meßfühlerelement zu einem Lichtempfänger mit Hilfe einer einen einzigen Verbindungslichtwellenleiter umfassenden Datenleitung geschieht, der in der Nähe des Lichtsenders und des Lichtempfängers in einem Licht­ wellenleiterkoppler mit einem Sendelichtwellenleiter und einem Empfangslichtwellenleiter verbunden ist.

In den Patent Abstracts of Japan, P-475, Vol. 10/ No. 195 (1986) ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl einer rotierenden Scheibe beschrieben, bei der ein im Randbereich dieser Scheibe angeordneter Permanentmagnet eine Spannung in einer nahe an der Scheibe angeordneten Spule induziert. Diese Vorrichtung umfaßt ein einen elektrooptischen Effekt zeigendes Substrat, in dem zwei zum Teil parallel verlaufende Wellenleiter angeordnet sind, von denen einer sich zwischen zwei Endflächen des Substrates erstreckt. Dieser Wellenleiter wird an seiner einen Endfläche mit Strahlung beaufschlagt, deren aus der anderen Endfläche heraustretende transmittierte Intensität von einem Lichtdetektor aufgenommen wird. Die in der Spule durch die rotierende Scheibe induzierte Spannung wird an Elektroden angelegt, die in der Nähe der Wellenleiter auf dem Substrat angeordnet sind. Aus der intensitäts­ modulierten transmittierten Strahlung kann auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe geschlossen werden. Es ist ein Meßfühlerelement mit statischem Aufbau beschrieben, wobei das Ausgangsspannungssignal über einen elektro-optischen Modulator in ein optisches Signal umgewandelt wird.

Die DE 35 18 002 A1 lehrt einen faseroptischen Fabry- Perot-Sensor, bei dem ein Lichtwellenleiter mit einem magnetostriktiven Material umgeben ist.

Aus der Kienzle "Technische Produktinformation" 014/12.84 schließlich ist ein Meßfühlerelement bekannt, das aus einer Induktionsspule mit einem in dem Gehäuse eingearbeiteten Verstärker besteht. Durch die Drehung des ferromagnetischen Getriebezahnrades des Kraftfahr­ zeuges wird in der Spule ein Induktionsstrom erzeugt, dessen Stärke ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Zahnrades ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine höhere Empfindlichkeit bei Vermeidung einer aufwendigen Justage bei der Herstellung und nach einer langen Betriebszeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtwellenleitung aus einem Verbindungslicht­ wellenleiter, einem dem Lichtsender zugeordneten Sende­ lichtwellenleiter, einem dem Lichtempfänger zugeordne­ ten Empfangslichtwellenleiter und einem Lichtwellen­ leiterkoppler besteht, der den Sendelichtwellenleiter und den Empfangslichtwellenleiter mit dem einen Ende des Verbindungslichtwellenleiters verbindet, daß die Fixiermittel aus einem Siliziumquader mit einer Füh­ rungsnut bestehen, in der das andere Ende des Verbin­ dungslichtwellenleiters fixiert ist, und daß die Zunge aus dem Siliziumquader herausgeätzt und schwingfähig ist.

Durch die Verwendung eines Siliziumquaders, in dem eine Führungsnut vorgesehen ist und bei dem die schwingfähi­ ge Zunge aus dem Substrat herausgeätzt ist, befinden sich der in die Nut einzulegende Verbindungswellenlei­ ter und die Zungenoberfläche in der optimal richtigen Lage zueinander. Der Permanentmagnet ist ebenfalls präzise an eine Seitenfläche des geschnittenen Siliziumquaders anbringbar.

Eine faseroptische Messung mit einer Weiterleitung der aufgenommenen Lichtsignale in Lichtwellenleitern verhindert eine elektromagnetische Beeinflussung der Signale auf dem Übertragungsweg durch Übersprechen von parallel verlaufenden Leitungen oder durch sonstige elektromagnetische Einstrahlungen.

Da die faseroptische Messung nicht über die Zähne des Zahnrades erfolgt, dessen Drehgeschwindigkeit auf­ genommen wird, kann der Sensorkopf gekapselt werden und ist somit gegen Schmutz oder Schmierflüssigkeiten des Verbrennungsmotors oder des Getriebes geschützt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit eines Zahn­ rades, und

Fig. 2 einen Sensorkopf einer Vorrichtung zum Erfassen von Drehbewegungen des Zahnrades gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit eines Zahnrades 1. Das Zahnrad 1 ist Teil eines in der Zeichnung nicht dargestellten Getriebes eines Ver­ brennungsmotors eines Kraftfahrzeuges oder des Verbrennungsmotors selber. Im ersten Fall ist die Drehgeschwindigkeit des Zahnrades 1 proportional zur Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, im zweiten Fall ist sie proportional zur Drehzahl des Verbrennungs­ motors.

Das Zahnrad 1 besteht aus einem ferromagnetischen Material. In unmittelbarer räumlicher Nähe zu dem Zahnrad 1 ist ein faseroptischer Sensorkopf 2 an­ geordnet, der die Drehbewegung des Zahnrades 1 erfaßt. Der faseroptische Sensorkopf 2 ist in der Fig. 2 beschrieben.

Der faseroptische Sensorkopf 2 ist über einen Verbin­ dungslichtwellenleiter 3 mit dem gemeinsamen Ein­ gang/Ausgang 31 eines Lichtwellenleiterkopplers 4 verbunden. Der Speiseeingang 32 des Lichtwellenleiter­ kopplers 4 ist über einen Sendelichtwellenleiter 5 mit einem Lichtsender 6 verbunden. Der Signalausgang 33 des Lichtwellenleiterkopplers 4 ist über einen Empfangs­ lichtwellenleiter 7 mit einem Lichtempfänger 8 verbun­ den.

Der Lichtsender 6 ist eine Lumineszenzdiode oder ein Halbleiterlaser mit einer in seinem Strahlengang angeordneten Einkoppeloptik für den Sendelichtwellen­ leiter 5. Die Strahlung des Lichtsenders 6 pflanzt sich in dem Sendelichtwellenleiter 5 bis in den Lichtwellen­ leiterkoppler 4 fort. Dort wird sie in den Verbindungs­ lichtwellenleiter 3 eingekoppelt. In diesem gelangt das Licht des Lichtsenders 6 in den Sensorkopf 2.

Das durch die Erfassung der Drehbewegung des Zahn­ rades 1 im Sensorkopf 2 modulierte Licht, das wegen der Modulation Träger einer Meßinformation ist, gelangt über den Verbindungslichtwellenleiter 3 zurück in den Lichtwellenleiterkoppler 4.

In dem Lichtwellenleiterkoppler 4 wird die in seinem gemeinsamen Eingang/Ausgang 32 eintretende Strahlung zum allergrößten Teil selektiv in den Empfangslicht­ wellenleiter 7 übergekoppelt, durch den das Licht in den Empfänger 8 gelangt. Der Empfänger 8 ist eine Photodiode.

Der Verbindungslichtwellenleiter 3, der Sendelicht­ wellenleiter 5, der Empfangslichtwellenleiter 7 und damit auch die von diesen Lichtwellenleitern 3, 5 und 7 in den Lichtwellenleiterkoppler 4 eingreifenden Abschnitte sind aus Multimodefasern aufgebaut. In Verbindung mit einer Laserdiode als Sender 6 bestehen die Lichtwellenleiter 3, 5 und 7 aus Monomodeglas­ fasern. Diese in den nachfolgenden Ausführungsbei­ spielen beschriebene Kombination erlaubt eine höhere Meßempfindlichkeit.

Die Fig. 2 zeigt den Sensorkopf 2 einer Vorrichtung zum Erfassen von Drehbewegungen des Zahnrades 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das sensorkopfseitige Ende des Verbindungslichtwellen­ leiters 3 ist in einer Führungsnut 19 eines Silizium­ quaders 20 eingeklebt. Die Führungsnut 19 ist aus dem Siliziumquader 20 geätzt. Der Verbindungslichtwellen­ leiter 3 verläuft im wesentlichen rechtwinklig zu zwei Seitenflächen 21 und 22 des Siliziumquaders 20. An der dem in der Fig. 2 nicht dargestellten Zahnrad 1 zuge­ wandten zweiten Seitenfläche 22 ist ein Hohlraum 23 aus dem Siliziumquader 20 derart geätzt worden, daß eine blattförmige Siliziumzunge 24 entsteht, deren bewegli­ ches Zungenende 18 im wesentlichen frei in der Normalen zu den Seitenflächen 21 und 22 schwingen kann.

Eine Glasfaserendfläche 11 erstreckt sich im wesent­ lichen parallel zu den Flächen der blattförmigen Siliziumzunge 24. Eine hohe optische Qualität der Glasfaserendfläche 11 wird entweder durch ein Anritzen ihres Cladding und nachfolgendem Brechen der Glasfaser oder durch Polieren der Glasfaserendfläche 11 erreicht.

Die Normale auf das Blatt der Siliziumzunge 24 weist im wesentlichen auf die Nabe des in der Fig. 2 nicht dargestellten Zahnrades 1 und steht rechtwinklig auf der Achse des Zahnrades 1.

Entlang einer Kante des Siliziumquaders 20 ist ein kleiner Permanentmagnet 16 vorgesehen. Der Permanent­ magnet 16 ist in der Nähe des mit dem Siliziumquader 20 verbundenen Endes der Siliziumzunge 24 angeordnet, wobei die Verbindungslinien zwischen den Polen des Per­ manentmagneten 16 sich rechtwinklig zur Siliziumzun­ ge 24 erstrecken.

Die Siliziumzunge 24 ist an ihrer der Glasfaserend­ fläche 11 zugewandten Seite mit einer Nickelschicht belegt. Zusätzlich kann auch die der Glasfaserend­ fläche 11 abgewandte Seite der Siliziumzunge 24 mit einer Nickelschicht belegt sein. Die Nickelschicht erhöht die Reflektivität der Zungenoberfläche und die magnetische Krafteinwirkung auf die Siliziumzunge 24.

Bei einer Drehung des ferromagnetischen Zahnrades 1 wird das Magnetfeld des Permanentmagneten 16 periodisch moduliert. Dies führt zu erzwungenen Schwingungen der Siliziumzunge 24. Die sich daraus ergebende Modulation der durch den Verbindungslichtwellenleiter 3 geführten Strahlung wird erfaßt und ausgewertet. Dabei kann sowohl die Intensitäts- als auch die Phasenmodulation der reflektierten Strahlung ausgenützt werden.

Das Licht der Lumineszenzdiode wird durch den Ver­ bindungslichtwellenleiter 3 geführt und tritt an der Glasfaserendfläche 11 aus ihm aus. Die Strahlung wird an der spiegelnden Oberfläche der Zunge 24 reflektiert.

Die reflektierte Strahlung koppelt zu einem Teil zurück in den Verbindungslichtwellenleiter 3.

Der Verbindungslichtwellenleiter 3 ist im einfachsten Fall eine Multimodefaser und der Lichtsender 6 eine Lumineszenzdiode. Die erzwungenen Schwingungen des Zungenendes 18 führen zu einer Abstands- und Winkel­ änderung zwischen der Glasfaserendfläche 11 und der Blattoberfläche der Zunge 24.

Die Intensität der in den Verbindungslichtwellen­ leiter 3 zurückgekoppelten Strahlung ist deswegen mit der Schwingung der Zunge 24 moduliert. In einer dem Empfänger 8 nachgeschalteten Auswerteelektronik wird das Lichtsignal ausgewertet.

Der Verbindungslichtwellenleiter 3 ist bei einer interferometrischen Auslegung der Vorrichtung zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit der Drehbewegung des Zahnrades 1 eine Monomodefaser und der Lichtsender 6 eine Laserdiode. Die erzwungenen Schwingungen des Zungenendes 18 führen dann zu einer Modulation der Phase der in die Monomodefaser zurückgekoppelten Strahlung. Der Empfänger 8 umfaßt hier eine Anordnung zum phasenempfindlichen Nachweis des einlaufenden modulierten Lichtsignals. In einer nachgeschalteten Auswerteelektronik wird aus der Phasenmodulation die Drehzahl des Zahnrades 1 ermittelt.

Die Verwendung eines verkapselten Meßwertfühlers, der auf faseroptischem Wege arbeitet, gestattet die hochpräzise Messung einer Drehzahl in elektromagnetisch verseuchter Umgebung. Die Meßwertleitung durch eine Glasfaser verhindert eine externe elektromagnetische Einstrahlung bzw. das Übersprechen von anderen parallel verlaufenden Signalleitungen. Ein Signalverstärker und die Auswerteelektronik kann in einem räumlich großen Abstand von dem Sensor und damit von dem Zahnrad 1 angeordnet sein.

Selbstverständlich ist der Sensor auf Siliziumbasis in einem in der Fig. 2 nicht dargestellten Gehäuse gekap­ selt. Dieses kann aufgrund der Bauform des Sensors sehr klein sein.

Das Zahnrad 1 kann durch ein Rad ersetzt werden, das an seinem Umfang über eine sich periodisch ändernde Verteilung von ferromagnetischem Material verfügt. Dies kann außer in der Form des ferromagnetischen Zahnra­ des 1, bei dem dessen Zähne diese Verteilung bilden, beispielsweise ein Rad aus einem nicht ferromagne­ tischen Werkstoff mit einem kreisförmigen Umfang sein, das in seiner Umfangsfläche in gleichmäßigem oder auch nicht gleichmäßigen Winkelabstand über Löcher verfügt, die mit ferromagnetischem Material gefüllt sind.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Drehbewegungen ferromagnetischer Objekte (1), insbeson­ dere zur quantitativen Erfassung der motordrehzahlab­ hängigen Drehbewegung von Zahnrädern in einem Kraft­ fahrzeug, mit einem in einem Gehäuse (14) einge­ schlossenen Meßfühlerelement (2), welches in un­ mittelbarer Nähe zu dem sich drehenden ferromag­ netischen Objekt (1) angeordnet ist und Fixiermittel (20) zum Fixieren eines Endes einer Lichtwellenleitung (3, 4, 5, 7), einen Magneten (16) und eine mit diesem ge­ koppelte blattförmige Zunge (24) aus einem durch ein Magnetfeld verformbaren Werkstoff aufweist, wobei die Zunge (24) über eine reflektierende Oberfläche verfügt, die der fixierten Endfläche (11) der Lichtwellenleitung (3, 4, 5, 7) gegenüber angeordnet ist und deren Normale im wesentlichen in Richtung der Nabe des drehbaren Objektes (1) verläuft und rechtwinklig auf dessen Achse steht, und wobei die Lichtwellenleitung (3, 4, 5, 7) das Meßfühlerelement (2) mit einem in einer räumlichen Ent­ fernung zu dem Gehäuse (14) angeordneten Lichtsender (6) und Lichtempfänger (8) derart verbindet, daß von dem Lichtsender (6) erzeugbare Strahlung in der Lichtwellenleitung (3, 4, 5, 7) zu dem Meßfühlerelement (2) geleitet wird und daß in der Gegenrichtung dazu vom Meßfühlerelement (2) reflektierte Strahlung zum größten Teil über die Lichtwellenleitung (3, 4, 5, 7) zu dem Lichtempfänger (8) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenlei­ tung (3, 4, 5, 7) aus einem Verbindungslichtwellenleiter (3), einem dem Lichtsender (6) zugeordneten Sende­ lichtwellenleiter (5), einem dem Lichtempfänger (8) zugeordneten Empfangslichtwellenleiter (7) und einem Lichtwellenleiterkoppler (4) besteht, der den Sende­ lichtwellenleiter (5) und den Empfangslichtwellenleiter (7) mit dem einen Ende des Verbindungslichtwellenlei­ ters (3) verbindet, daß die Fixiermittel (20) aus einem Siliziumquader mit einer Führungsnut (19) bestehen, in der das andere Ende des Verbindungslichtwellenleiters (3) fixiert ist, und daß die Zunge (24) aus dem Sili­ ziumquader herausgeätzt und schwingfähig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zunge (24) mindestens auf der dem Verbin­ dungslichtwellenleiter (3) zugewandten Seite mit einer Nickelschicht versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (11) sich im wesent­ lichen parallel zu den Oberflächen der blattförmigen Zunge (24) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinie zwischen den Polen des Magneten (16) rechtwinklig zu der Endfläche (11) verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (6) eine Lumineszenzdiode aufweist und die Lichtwellenleiter (3, 5, 7) aus Multimodefasern bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (6) eine Laserdiode aufweist und die Lichtwellenleiter (3, 5, 7) aus Monomodefasern bestehen.