DE4133837C2 - Sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem relevanten Stand der Technik konzipierten, eine Auswertschaltung umfassenden Sensoreinrichtung aus.

Eine derartige Sensoreinrichtung ist dafür vorgesehen, um die Bewegung eines mit einer Anzahl von vorzugsweise in regelmäßigem Abstand voneinander in einer Reihe angeordneten Zähnen oder dergl. versehenen Maschinenteils z. B. eines Zahnrades zu erfassen.

Es ist allgemein bekannt, solchen sich bewegenden Maschinenteilen zur Erfassung der Bewegung einen magnetisch vorgespannten Hallgenerator und eine damit verbundene Auswertschaltung zuzuordnen, wobei die Auswertschaltung im wesentlichen aus einem mit dem Hallgenerator verbundenen Operationsverstärker und einem daran angeschlossenen Komparator besteht, dem eine ein Steuersignal liefernde Endstufe nachgeschaltet ist.

Bei diesen allgemein bekannten Ausführungsformen besteht das Problem, daß infolge der dort vorhandenen festen Schaltschwelle des Komparators eine Abstimmung des magnetischen Bauteils auf das als Geber wirkende Maschinenteil nur sehr schwierig durchzuführen ist und daß die Einflüsse des Temperaturgangs und der Exemplarstreuung der einzelnen Bestandteile der Sensoreinrichtung - wenn überhaupt - dann nur mit großem Aufwand auszugleichen sind.

Darüber hinaus ist durch die US-PS 4 992 731 eine zur Erfassung der Bewegung eines mit einer Anzahl von im Abstand voneinander in einer Reihe angeordneten ferromagnetischen Zähnen oder dergleichen versehenen Maschinenteils vorgesehene Sensoreinrichtung bekanntgeworden, bei der an einer in relativ geringem Abstand vom Maschinenteil angeordneten Halterung ein auf die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Zahnes reagierender analoger Hallgenerator und ein demselben zugeordnetes magnetisches Bauteil befestigt sind, wobei der an einer Konstant-Spannungsquelle angeschlossene, eine als Gleichspannung mit aufmodulierter Wechselspannung anzusehende Hallspannung liefernde Hallgenerator mit einer Auswertschaltung verbunden ist, die im wesentlichen mit einem dem Hallgenerator nachgeschalteten Operationsverstärker und einem demselben zugeordneten Komparator versehen ist, und an die eine ausgangsseitig zumindest ein Steuersignal liefernde Endstufe angeschlossen ist, und wobei an dem Ausgang des Operationsverstärkers der eine Eingang des Komparators direkt und der andere Eingang über ein zu Anfang einer jeden Inbetriebnahme der Sensoreinrichtung nur einmal kurzfristig von einer Ladeschaltung beeinflußtes tiefpaßartiges RC-Glied angeschlossen ist.

Bei dieser Ausführungsform lassen sich aber nicht ohne weiteres eindeutige Verhältnisse am Ausgang der zugehörigen Auswertschaltung realisieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, daß mit relativ einfachen Mitteln eine schnelle Funktionsbereitschaft, und zwar auch bis quasi in den statischen Bewegungszustand gewährleistet ist, wobei selbst Störeinflüsse, wie Temperaturgang und Exemplarstreuung der beteiligten Bauelemente automatisch ausgeglichen und eindeutige Verhältnisse am Ausgang der Auswertschaltung realisiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die durch das tiefpaßartige RC-Glied gebildete variable Schaltschwelle infolge der Zuordnung zu einer aus einem Transistor bestehenden Kurzzeit-Ladeschaltung sehr schnell eine Funktionsbereitschaft der Sensoreinrichtung sicherstellt, wobei die Basis des Transistors über eine hochpaßartige RC-Kombination mit der Konstant-Spannungsquelle derart verbunden ist, daß beim Einschalten der Versorgungsspannung der Transistor nur einmal kurzfristig durchgesteuert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Ausschnitt eines mehr oder minder schematisch dargestellten Maschinenteils mit zugeordnetem, der Sensoreinrichtung zugehörigen Sensorelement,

Fig. 2 eine das Sensorelement umfassende Schaltungsanordnung der Sensoreinrichtung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist einem als Zahnrad ausgebildeten, d. h. an seinem Umfang eine Anzahl von in gleichem Abstand neben- bzw. hintereinander angeordneten ferromagnetischen Zähnen Z1, Z2, Z3 . . Zn-1 aufweisenden Maschinenteil MT ein Sensorelement SE zugeordnet. Das Sensorelement SE besteht aus einem ortsfest angeordneten, vorzugsweise aus Kunststoff hergestellten Träger T, in dem in relativ geringem Abstand von den jeweils damit in Wechselwirkung tretenden Zahnköpfen ein Hallgenerator H sowie ein vorzugsweise aus einem Ferrit-Magneten bestehendes magnetisches Bauteil MB gehalten sind. Das magnetische Bauteil MB ist auf der von den Zahnköpfen abgewandten Seite des Hallgenerators H angeordnet und spannt durch seine definiert ausgerichtete Polarität S/N den Hallgenerator H magnetisch vor.

In der die Schaltungsanordnung der Sensoreinrichtung darstellenden Fig. 2 ist die den Hallgenerator H aufweisende Schaltungsstufe mit III bezeichnet. Der als IC ausgebildete Hallgenerator ist dabei mit seinem einen Eingang 1 über einen zur Stromeinstellung vorgesehenen Vorwiderstand R₄ an einer von einer vorgeschalteten Schaltungsstufe II bereitgestellten Konstantspannung U_V angeschlossen und mit seinem anderen Eingang 3 an Masse gelegt.

Die Schaltungsstufe II besteht aus einem ebenfalls als IC ausgebildeten Spannungsregler II₁, dessen Eingang 8 an einer Eingangsstufe I angeschlossen ist und dessen Eingang 4 an Masse liegt. An den Ausgängen 1, 7 des Spannungsreglers II₁ sind Widerstände R₂, R₃ angeschlossen, über die die Ausgangsspannung auf die für den Hallgenerator H erforderliche Konstantspannung U_V z. B. = 8 V eingestellt und durch die Kondensatoren C₂, C₃ in ihrem Arbeitsbereich stabilisiert wird. Die an der Versorgungsspannungsquelle U_B angeschlossene Eingangsstufe I ist als Schutzbeschaltung anzusehen, d. h. es ist dort eine als Verpolschutz dienende Diode D₁ sowie ein als Störspannungsschutz dienendes, aus dem Widerstand R₁ und der Z-Diode D₂ sowie dem Transistor T₁ und dem Kondensator C₁ bestehendes Netzwerk vorhanden.

Dem Hallgenerator H ist eine Auswertschaltung IV nachgeschaltet, wobei der Ausgang 2 des Hallgenerators H über einen Widerstand R₅ mit dem negativen Eingang 2 eines ebenfalls als IC ausgebildeten Operationsverstärkers IV₁ verbunden ist, während der andere Eingang 4 des Hallgenerators H an einem aus den Widerständen R₆ und R₈ gebildeten Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Teilerpunkt mit dem positiven Eingang 3 des Operationsverstärkers IV₁ verbunden ist. Außerdem besteht zwischen dem Ausgang 1 des mit seinen Versorgungseingängen einerseits an der Konstantspannung U_V und andererseits an Masse liegenden Operationsverstärkers IV₁ und dem negativen Eingang 2 desselben über den Widerstand R₇ eine Rückkopplung, so daß sich am Ausgang des Operationsverstärkers IV₁ eine definierte Verstärkung der Hallspannung einstellt. Weiterhin ist der Ausgang 1 des Operationsverstärkers IV₁ einerseits über einen Vorwiderstand R₁₆ direkt mit dem positiven Eingang 5 eines über seinen Eingang 8 an der Konstantspannung U_V und mit seinem Eingang 8 an der Konstantspannung U_V und mit seinem Eingang 4 auf Masse liegenden Komparators IV₂ verbunden und andererseits an einem aus den Widerständen R₁₂, R₁₃ bestehenden Spannungsteiler angeschlossen, dessen Teilerpunkt über ein aus dem Widerstand R₁₄ und dem Kondensator C₅ gebildetes tiefpaßartiges RC-Glied und einen Vorwiderstand R₁₅ mit dem negativen Eingang 6 des Komparators IV₂ verbunden ist. Der aus den Widerständen R₁₂, R₁₃ gebildete Spannungsteiler ist dafür vorgesehen, um ein definiertes Schalten des Komparators dadurch sicherzustellen, daß an dem negativen Komparatoreingang 6 eine um etwa 5% verringerte Spannung angelegt wird.

Bei einer solchen Anbindung des Komparators an den Operationsverstärker erhält der Komparator eine variable Schaltschwelle, womit Temperatureinflüsse als auch Exemplarstreuungen der Schaltungsbestandteile und Differenzen des Abstandes des Hallgenerators vom Maschinenteil in weitem Umfang ausgeglichen werden.

Um bei Inbetriebnahme der Sensoreinrichtung eine sehr schnelle Funktion derselben zu gewährleisten, ist dem tiefpaßartigen RC-Glied eine bei jeder Inbetriebnahme der Sensoreinrichtung sofort und nur einmal in Funktion tretende Ladeschaltung zugeordnet. Diese besteht aus einem einerseits über einen Begrenzungswiderstand R₉ an dem Ausgang 1 des Operationsverstärkers IV₁ und andererseits an die Verbindung des Widerstandes R₁₄ mit dem Kondensator C₅ angeschlossenen Transistor T₂, dessen Basis über eine aus dem Kondensator C₄ und den Widerständen R₁₀, R₁₁ gebildete hochpaßartige RC-Kombination an der Konstantspannung U_V liegt. Der Ausgang 7 des über einen Widerstand R₁₇mitgekoppelten Komparators IV₂ ist mit einer an ihrem Ausgang ein Steuersignal U_A liefernden Steuerstufe V verbunden. Im einzelnen bedeutet dies, daß der Ausgang 7 des Komparators IV₂ über einen Basisvorwiderstand R₁₈ an der Basis eines Transistors T₃ angeschlossen ist, der einerseits mit seinem Kollektor über einen Begrenzungswiderstand R₂₀ an der Versorgungsspannung U_B und andererseits mit seinem Emitter an Masse liegt. Um den Transistor T₃ schnell durchsteuern zu können, ist parallel zum Basisvorwiderstand R₁₈ ein Kondensator C₆ vorhanden. Außerdem ist zwecks definierter Durchsteuerung des Transistors T₃ an der Basis desselben ein Widerstand R₁₉ einerseits angeschlossen, der andererseits mit Masse verbunden ist.

An dem das Steuersignal U_A liefernden Ausgang des Transistors T₃ ist schließlich noch ein aus einem Widerstand R₂₁ und einer Z-Diode D₃ gebildeter Schaltungsteil vorhanden, der zum Störspannungsschutz und zwecks Kurzschlußfestigkeit vorgesehen ist.

Natürlich ist es auch möglich, mittels einer der einen Transistorstufe nachgeschalteten zweiten Transistorstufe ein invertiertes Ausgangssignal _A zu erzielen.

Bei Zuordnung einer solchen Sensoreinrichtung zu einem in einem Kraftfahrzeug befindlichen Maschinenteil (Zahnrad eines Fahrzeuggetriebes) kann es erforderlich sein, diese gegen von außen eingestrahlte Störungen zu schützen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, daß die Sensoreinrichtung mit Abschirmmitteln und/oder mit Entstörkondensatoren versehen und/oder mit einer hohen Integrationsdichte der Schaltungsbestandteile hergestellt wird.

Claims (5)

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung der Bewegung eines Maschinenteils (MT), das mit einer Anzahl von im Abstand voneinander in einer Reihe angeordneten ferromagnetischen Zähnen (Z1 bis Zn) versehen ist, wobei an einer in relativ geringem Abstand vom Maschinenteil (MT) angeordneten Halterung (T) ein auf die Bewegung der Zähne (Z1 bis Zn) reagierender analoger Hallgenerator (H) und ein demselben zugeordnetes magnetisches Bauteil (MB) befestigt sind, wobei der Hallgenerator (H) an eine Konstant-Spannungsquelle (II₁) angeschlossen ist und bei der Bewegung der Zähne (Z1 bis Zn) eine Gleichspannung mit aufmodulierter Wechselspannung als Hallspannung liefert, wobei dem Hallgenerator (H) ein Operationsverstärker (IV₁) nachgeschaltet ist, wobei an dem Ausgang (1) des Operationsverstärkers (IV₁) der eine Eingang (5) eines Komparators (IV₂) direkt und der andere Eingang (6) über eine Kurzzeit-Ladeschaltung und ein tiefpaßartiges RC-Glied (R₁₄, C₅) angeschlossen ist, wobei die Kurzzeit-Ladeschaltung aus einem einerseits mit dem RC-Glied (R₁₄, C₅) verbundenen und andererseits über einen Begrenzungswiderstand (R₉) an dem Ausgang (1) des Operationsverstärkers (IV₁) angeschlossenen Transistor (T₂) besteht, dessen Basis über eine hochpaßartige RC-Kombination (R₁₀, R₁₁, C₄) mit der Konstant-Spannungsquelle (II₁) so verbunden ist, daß beim Einschalten der Versorgungsspannung (U_B) der Transistor (T₂) nur einmal kurzfristig durchgesteuert wird, wobei dem einen Komparator-Eingang (5) und/oder dem an dem anderen Komparator-Eingang (6) angeschlossenen RC-Glied (R₁₄, C₅) Mittel zur geringfügigen, in ihrer Auslegung etwas größer als die Mitkopplung des Komparators (IV₂) gewählten Reduktion der dem Komparator (IV₂) zugeführten Spannung zugeordnet sind, und wobei an dem Ausgang (7) des Komparators (IV₂) eine ausgangsseitig zumindest ein Steuersignal liefernde Endstufe (V) angeschlossen ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einem die dem Komparator (IV₂) zugeführte Spannung um etwa 5% vermindernden, aus zwei Widerständen (R₁₂, R₁₃) gebildeten Spannungsteiler bestehen.

3. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe (V) einen das Steuersignal liefernden Transistor (T₃) aufweist, zu dessen am Komparator (IV₂) angeschlossenen Basisvorwiderstand (R₁₈) ein Kondensator (C₆) zum schnelleren Durchsteuern des Transistors (T₃) parallel geschaltet ist.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Basis des Transistors (T₃) zur definierten Durchsteuerung desselben ein Widerstand (R₁₉) einerseits angeschlossen ist, der andererseits mit Masse verbunden ist.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Hallgenerator (H) magnetisch vorspannende Bauteil (MB) aus einem Ferrit-Magneten besteht.