DE69631143T2

DE69631143T2 - Zahnradbewegungssensor mit verbesserter stabilität und auflösung

Info

Publication number: DE69631143T2
Application number: DE69631143T
Authority: DE
Inventors: J. Ronald WOLF; Larry Hedeen
Original assignee: American Electronic Components Inc
Current assignee: American Electronic Components Inc
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: EP0842392B1; DE842392T1; WO1997006404A3; US6064198A; EP0842392A2; DE69631143D1; WO1997006404A2; AU6522896A; EP0842392A4

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für eisenhaltige Ziele gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Sensoren für eisenhaltige Ziele, insbesondere in Form von Zahnradzahnsensoren, sind im Stand der Technik im Allgemeinen bekannt. Normalerweise enthalten sie ein auf magnetischen Fluss ansprechendes Element wie z. B. ein Halleffektelement zusätzlich zu einem Magnet und möglicherweise einen oder mehrere Flusskonzentratoren, die alle nebeneinander starr angeordnet sind. Bei der Konfiguration eines solchen Sensors, wie er in der US-A-4,970,463 offenbart ist, verläuft eine senkrecht zu gegenüberliegenden Nord- und Südpolflächen des Magnets angeordnete Achse, die im Folgenden als "magnetische Achse" bezeichnet wird, in dem Augenblick, in dem sich das Zahnrad neben dem Magnet befindet, im Allgemeinen senkrecht zum Bewegungsweg des Zahnradzahns am Zielrad. Bei einer solchen Konfiguration ist die Empfindlichkeit des Sensors relativ niedrig, wobei verhältnismäßig große eisenhaltige Ziele für einen einwandfreien Betrieb erforderlich sind, die für verschiedene kompakte Anwendungen wie dem Abfühlen der Drehung eines Nockenwellen-Antriebsrads eines Kraftfahrzeugs ungeeignet sind. Insbesondere ist in verhältnismäßig kompakten Anwendungen der Abstand zwischen Zahnlücken (d. h. der Abstand zwischen benachbarten Zähnen eines eisenhaltigen Zielrads) häufig auf beispielsweise 6 mm oder weniger beschränkt. Folglich vermag ein wie in der US-A-4,970,463 offenbarter Sensor keine eisenhaltigen Ziele mit einem solchen Abstand zwischen Zahnlücken an dem eisenhaltigen Zielrad abzufühlen.
Bei solchen kompakten Anwendungen nutzen andere bekannte Zahnradzahnsensoren, wie sie z. B. in der US-A-4,859,941 offenbart sind, normalerweise ein gegen magnetischen Fluss empfindliches Differenzeingangselement, wie z. B. eine integrierte Schaltung (integrated circuit – IC) Allegro Modell Nr. 3056. Solche Differenz-IC's sind normalerweise ungefähr zweimal so groß wie ein Ein-Eingang-IC, wie z. B. die Ein-Eingang-IC's Allegro Modell-Nummern 3131 oder 3134, wie sie normalerweise bei Zahnradzahnsensoren der in der US-A-4,970,463 offenbarten Art verwendet werden. Außerdem ist der Preis eines Differenz-IC wesentlich höher als der eines Ein-Eingang-IC.
Abgesehen davon, dass sie kostspieliger sind, gibt es bei solche Differenz-Halleffekt-ICs nutzenden Sensoren Probleme. Das Allegro Modell Nr. 3056 wird z. B. normalerweise auf einem relativ großen Halbleiterplättchen (die) gebildet, wobei zwei auf den Halleffekt empfindliche Anordnungen nahe gegenüberliegenden Enden des Halbleiterplättchens, z. B. im Abstand von 2 mm von Mittellinie zu Mittellinie, angeordnet sind. Die Differenz-IC's nutzen zwei Halleffektelemente, die etwa den doppelten Temperaturdriftfehler erfahren können wie ein IC mit einem einzigen Halleffektelement.
Es gibt noch weitere Probleme bei bekannten Zahnradzahnsensoren. Insbesondere arbeiten bekannte Zahnradzahnsensoren normalerweise mit einer verhältnismäßig großen Toleranz bezüglich der physischen Position des Zahnradzahns. Bei einer Anwendung, bei der beispielsweise der Sensor zum Anzeigen des Vorbeibewegens einer Zielkante verwendet wird, wirken solche bekannten Sensoren normalerweise nicht genau an der Zielkante, sondern vielleicht mehrere Grad vor oder nach dem Vorbeibewegen der Zielkante, z. B. ±2°. Bei vielen Anwendungen ist eine solche verhältnismäßig breite Toleranz unannehmbar. Bei einigen Anwendungen wie z. B. einem Nockenwellensensor können engere Toleranzen erforderlich sein, wie z. B. plus oder minus 1°. Bei solchen Anwendungen wären solche bekannten Zahnradzahnsensoren nicht brauchbar.
Ein anderes bekanntes Problem bei Zahnradzahnsensoren besteht darin, dass jeder Zahnradzahnsensor normalerweise für eine einzige Anwendung konfiguriert und nicht zur Verwendung in einer anderen Anwendung ausgeführt ist.
Wie oben besprochen, ist z. B. der in der US-A-4,970,463 offenbarte Zahnradzahnsensor zur Verwendung für nur eine einzige Anwendung ausgeführt, wobei die magnetische Achse im Allgemeinen senkrecht zur Bewegungsrichtung des eisenhaltigen Ziels angeordnet ist. Als solche sind verschiedene bekannte Zahnradzahnsensoren, wie z. B. der in der US-A-4,970,463 offenbarte, nur beschränkt brauchbar. Folglich müssen die verschiedenen Kunden und Hersteller von Originalausrüstung für jede ihrer verschiedenen Anwendungen andere Sensoren erwerben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb in der Bereitstellung eines Sensors für eisenhaltige Ziele, der zum Einsatz in verschiedenen und verhältnismäßig kompakten Anwendungen geeignet ist, der trotzdem bei verhältnismäßig kleinen eisenhaltigen Zielen verwendet werden kann, der sich kostengünstig herstellen lässt und der verhältnismäßig enge Toleranzen des Betriebspunkts bezüglich des Vorbeibewegens eines Zahnradzahns, insbesondere Temperaturtoleranzen, aufweist.
Diese Mehrfachaufgabe wird erfindungsgemäß durch den in Anspruch 1 definierten Sensor für eisenhaltige Ziele gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren zusätzlich vorteilhafte Ausführungsformen.
Im Folgenden wird die Erfindung in Zusammenhang mit zwei spezifischen Ausführungsformen detaillierter erläutert, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufriss einer ersten Ausführungs form der Erfindung;
2 eine Draufsicht derselben Ausführungsform;
3 eine der 1 ähnliche Ansicht, die aber zusätzlich ein eisenhaltiges Zielrad zeigt;
4 einen Aufriss einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine der 1 ähnliche Ansicht, die jedoch die magnetischen Flusslinien und keinen Flusskonzentrator zeigt.
Bei jeder Ausführungsform ist ein auf magnetischen Fluss ansprechendes Element 106 mit einer vorgegebenen Abfühlebene 108, wie z. B. ein Halleffektgerät, bezüglich eines Magnets 100 so angeordnet, dass die Abfühlebene 108 in einem nicht angeregten Zustand (d. h. kein Zahnradzahn vorhanden) in einem Feld angeordnet ist, das sich wesentlich bzw. im Wesentlichen unter dem zum Einschalten erforderlichen Gauß-Pegel befindet. Der Magnet 100 hat gegenüberliegende Polflächen 102 und 104, die eine dazwischen verlaufende magnetische Achse 105 definieren. Wie in 5 dargestellt, tritt der magnetische Fluss von einer Nordpolfläche 104 aus und kehrt zu einer Südpolfläche 102 zurück.
Das auf magnetischen Fluss ansprechende Element 106 ist so positioniert, dass seine Abfühlebene 108 im Allgemeinen senkrecht zur magnetischen Achse 105 angeordnet ist und ein Abschnitt des auf magnetischen Fluss ansprechenden Elements 106 eine oder die andere der Nord- und Südpolflächen 104 bzw. 102 teilweise überlappt. Das Ausmaß der Überlappung wird durch Einstellung bestimmt.
Bei der in jeder der 1 bis 5 dargestellten Konfiguration ist die Abfühlebene 108 des auf magnetischen Fluss ansprechenden Elements 106 im Allgemeinen einem niedrigeren Flusspegel als dem Einschaltpegel ausgesetzt, wenn kein Ziel vorhanden ist, obwohl das auf magnetischen Fluss ansprechende Element eine der Polflächen 102 und 104 teilweise überlappt. Insbesondere sind die vertikalen Komponenten des magnetischen Flusses an der in 5 allgemein dargestellten Stelle des auf magnetischen Fluss ansprechenden Elements 106 geringer als dann, wenn ein Ziel vorhanden ist. Während eines Zustandes, bei dem kein Ziel wie z. B. ein Zahnradzahn 36 (3) vorhanden ist, ist die Abfühlebene 108 des auf magnetischen Fluss ansprechenden Elements 106 tatsächlich hauptsächlich horizontalen Komponenten der magnetischen Flusslinien ausgesetzt. Durch derartiges Positionieren des auf magnetischen Fluss ansprechenden Elements 106 werden die Flusslinien in Gegenwart eines eisenhaltigen Ziels wie z. B. eines Zahnradzahns 36 auf eine solche Weise verschoben, dass die Abfühlebene 108 des auf Fluss ansprechenden Elements 106 im Wesentlichen vertikalen Komponenten bezüglich der Abfühlebene 108 ausgesetzt ist.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsformen der Erfindung nach den allgemeinen Grundsätzen der Funktionsweise nach 5 eingehender betrachtet. Die in den 1 bis 3 dargestellte und allgemein mit Bezugszeichen 110 gekennzeichnete erste Ausführungsform ist der 5 ähnlich und weist einen Magnet 100 mit gegenüberliegenden Nord- und Südpolflächen 104 und 102 auf, die eine dazwischen verlaufende magnetische Achse 105 festlegen. Ein auf magnetischen Fluss ansprechendes Element 106 ist so angebracht, dass seine Abfühlebene 108 im Allgemeinen senkrecht zur magnetischen Achse 105 angeordnet ist und das auf Fluss ansprechende Element 106 eine oder die andere der jeweiligen Nord- und Südpolfläche 104 und 102 teilweise überlappt. Ein z. B. aus einem weichmagnetischen Material hergestellter Flusskonzentrator 112 ist bezüglich einer Seitenfläche 114 des Magnets 100 starr angeordnet. Der Flusskonzentrator 112 kann in einer im Allgemeinen rechteckigen Form, die eine Längsachse 113 definiert und einen rechteckigen Querschnitt aufweist, hergestellt sein.
Die Kombination des Flusskonzentrators 112 und des Magnets 100 bildet eine Unterbaugruppe 116. Das auf magnetischen Fluss ansprechende Element 106 wird so angeordnet, dass es eine obere Fläche 118 des Flusskonzentrators 112 sowie eine der gegenüberliegenden Polflächen 102 und 104 des Magnets 100 wenigstens teilweise überlappt.
Die so ausgelegte Baugruppe 110 wird dann bezüglich eines eisenhaltigen Ziels wie z. B. eines Zahnrads 120 (2 und 3) so angeordnet, dass die magnetische Achse 105 und die Längsachse 113 des Flusskonzentrators 112 allgemein senkrecht zur Drehachse 122 des Zahnrads 120 verlaufen und die Abfühlebene 108 des auf Fluss ansprechenden Elements 106 allgemein parallel zur Drehachse 122 angeordnet ist. Daraufhin wird die Unterbaugruppe 116 zur Einstellung in Richtung des Pfeils 117 bewegt.
Eine andere mit dem Bezugszeichen 134 gekennzeichnete Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Die Ausführungsform 134 ähnelt der Ausführungsform 110 der 1 bis 3 mit der Ausnahme, dass sie einen zusätzlichen Flusskonzentrator 136 enthält. Der Flusskonzentrator 136 ähnelt dem Flusskonzentrator 112, außer dass er neben einer Polfläche angeordnet ist, d. h. der Polfläche 104, die der vom auf Fluss ansprechenden Element 106 teilweise überlappten Polfläche 102 gegenüberliegt. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel ist der Flusskonzentrator 136 neben der Nordpolfläche 104 angeordnet und erstreckt sich über die Seitenfläche 114 des Magnets 100 hinaus, um eine untere Fläche 138 des Flusskonzentrators 112 zumindest teilweise zu überlagern. Bei einer solchen Konfiguration verläuft eine Längsachse 137 des Flusskonzentrators 136 zur Abfühlebene 108 und einer Ebene, die die Drehachse 122 des eisenhaltigen Zielrads 120 einschließt, im Allgemeinen paral lel, wogegen sie zur Magnetachse 105 und zur Längsachse 113 des Flusskonzentrators 112 im Allgemeinen senkrecht verläuft.
Bei dieser Ausführungsform bilden der Magnet 100 und die Flusskonzentratoren 112 und 136 eine Unterbaugruppe 140. Die Unterbaugruppe 140 kann zur Einstellung des Wirk- und des Freigabepunkts des Sensors in Richtung des Pfeils 142 bezüglich des auf Fluss ansprechenden Elements 106 bewegt werden.
Es ist zu beachten, dass die in den 1 bis 5 dargestellten Sensoren Nullgeschwindigkeitssensoren sind. Darüber hinaus sind sie im Sinne dessen, dass sie nach dem Einschalten ein eisenhaltiges Ziel wie z. B. einen Zahnradzahn in jeder Richtung und bei Nullgeschwindigkeit abfühlen können, im Wesentlichen omnidirektional. Ferner sprechen die Sensoren auf Zahnradzähne an, die kleinere Zahnlücken haben. Insbesondere sprechen diese Sensoren auf Zahnradzähne mit Zahnlücken von nur 2 mm an. Eine solche Eigenschaft ermöglicht den Sensoren, auf relativ kleinere eisenhaltige Zielräder, die wiederum in ziemlich kompakten Anwendungen verwendet werden können, anzusprechen.
Bei den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen betragen beispielhafte Abmessungen der Flusskonzentratoren 112 und 136 ungefähr 4,3 × 5 × 2 mm. Der Magnet 100 kann ein Seltenerdmagnet sein, wie z. B. ein aus einem 4 mm-Würfel oder 4 × 4 × 6 mm-Block hergestellter Samarium-Kobalt- oder Neodym-Magnet mit einem typischen magnetischen Leistungsprodukt von ungefähr 26 Millionen Gauß-Oersted oder sogar noch weniger. Das magnetische Abfühlelement 106 kann ein Ein-Eingang-Halleffekt-IC sein, wie oben besprochen. Außerdem kann ein MRE (magnetoresistives Element) sowie ein beliebiges anderes der in der US-A-4,970,463 offenbarten auf magnetischen Fluss ansprechenden Elemente verwendet werden. In jedem Fall wird das auf Fluss ansprechende Element so positioniert, dass sich seine Abfühlebene im Allgemeinen senkrecht zur magnetischen Achse erstreckt, wie oben erläutert.

Claims

Sensor für eisenhaltige Ziele, zum Abfühlen wenigstens eines eisenhaltigen Zieles (36), wie zum Beispiel eines Zahnradzahnes, auf einem eisenhaltigen Zielrad (120), mit einem Magnet (100), einem auf Fluß ansprechenden Element (106) mit einer vorgegebenen Abfühlebene (108) zum Abfühlen von magnetischem Fluß, und einem Flußkonzentrator (112) mit einer Längsachse (113), wobei der Magnet (100) gegenüberliegende Nord- und Südpolflächen (102, 104) aufweist, die zwischen sich eine magnetische Achse (105) definieren und gegenüberliegende Seitenflächen (114) zwischen den gegenüberliegenden Nord- und Südpolflächen (102, 104) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußkonzentrator (112) nahe einer der gegenüberliegenden Seitenflächen (114) des Magnets (100) angeordnet ist, wobei die Längsachse (113) parallel zur magnetischen Achse (105) verläuft, daß eine Endfläche (118) des Flußkonzentrators (112) koplanar mit einer (102) der gegenüberliegenden Polflächen (102, 104) ist, daß die Abfühlebene (108) des auf magnetischen Fluß ansprechenden Elements (106) allgemein senkrecht zu der magnetischen Achse (105) verläuft, und daß das auf Fluß ansprechende Element (106) so angeordnet ist, daß es wenigstens teilweise die Endfläche (118) des Flußkonzentrators (112) überlappt sowie teilweise die magnetische Polfläche, die koplanar mit der Endfläche (118) ist, überlappt.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem das auf magnetischen Fluß ansprechende Element (106) ein integrierter Halleffekt-Schaltkreis ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die magnetische Achse (105) allgemein senkrecht zu der Drehachse (102) des eisenhaltigen Zielrades (120) verläuft.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit Einstellmitteln (140) zum Einstellen der Empfindlichkeit des auf Fluß ansprechenden Elements (106).
Sensor nach Anspruch 4, bei dem die Einstellmittel (140) beinhalten, daß das auf Fluß ansprechende Element (106) einstellbar ist in bezug auf die den Flußkonzentrator (112) und dem Magnet (100) aufweisende Baugruppe.
Sensor nach Anspruch 5, bei dem das auf Fluß ansprechende Element (106) einstellbar ist in einer Ebene, die im wesentlichen parallel zu der benachbarten Polfläche (102) verläuft.
Sensor nach Anspruch 6, bei dem der Flußkonzentrator (112) eine allgemein rechteckige Form aufweist.
Sensor nach Anspruch 7, bei dem die Länge des Flußkonzentrators (112) so gewählt ist, daß sie im wesentlichen dem Abstand zwischen den gegenüberliegenden Polflächen (102, 104) entspricht.
Sensor nach Anspruch 8, bei dem ein zweiter Flußkonzentrator (136) an der Polfläche (104) befestigt ist, die dem auf magnetischen Fluß ansprechenden Element (106) gegenüberliegt, zusammen mit dem ersten Flußkonzentrator (112), um einen L-förmigen Flußkonzentrator zu bilden.
Sensor nach Anspruch 9, bei dem der zweite Flußkonzentrator ebenfalls eine allgemein rechteckige Form aufweist.
Sensor nach Anspruch 10, bei dem die Länge des zweiten Flußkonzentrators so gewählt ist, daß sie mit dem Abstand zwischen der äußeren Seitenfläche (114) des Magnets (100) und der äußeren Seitenfläche des ersten Flußkonzentrators (112) übereinstimmt.