WO2006122945A1

WO2006122945A1 - Anordnung zur eigensicheren raddrehzahlerfassung

Info

Publication number: WO2006122945A1
Application number: PCT/EP2006/062375
Authority: WO
Inventors: Peter Lohberg; Wolfgang Fritz; Klaus Rink
Original assignee: Continental Teves Ag & Co. Ohg
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2006-11-23
Also published as: EP1883825A1; KR20080007616A; DE102005022596A1; US20120092000A1; JP4972086B2; CN101176002A; KR101354735B1; CN101176002B; JP2008541116A; US8698488B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mit einem Sensor (1, 6), insbesondere aktiven Sensor (1), der über ein magnetisches Feld mit einem Encoder (23) gekoppelt ist, der sich mit dem rotierenden Körper dreht, insbesondere für den Kfz Bereich. Wird bei den bekannten Anordnungen der Spalt zwischen Sensoreinrichtung (S1, S2) und Encoder (23) zu gering, so kann es zum Flippen und damit zu einer Verdoppelung der gemessenen Drehzahl des Rades kommen. Dies führte zu Problemen bei Sicherheitseinrichtungen des Fahrzeugs, die zu ihrer ordnungsgemäßen Arbeitsweise eine korrekte Angabe der Raddrehzahl benötigen. Um die Toleranz hinsichtlich der Einbaulage der bekannten Anordnungen zu verbessern wird die Anwendung zweier getrennter Signalpfade (S1, f1; S2, f2) vorgeschlagen, die mit Sensoreinrichtungen (S1, S2) unterschiedlicher Sensitivität versehen sind. Die Signalpfade (S1, f1; S2, f2) werden dabei derart ausgelegt, dass stets ein Signalpfad (S1, f1) vorhanden ist, der über maximale Sensitivität verfügt, so dass im ungestörten Normalfall minimale Abbildungsfehler der Encoderspur (13) bei gleichzeitig maximalen Luft- spalten erreicht werden, während gleichzeitig stets ein beobachtender Signalpfad (S2, f2) vorhanden ist, dessen Sensiti- vität so ausgelegt ist, das ein Flippen unter allen magnetischen Bedingungen sicher verhindert ist.

Description

Anordnung zur eigensicheren Raddrehzahlerfassung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlerfassung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, eine Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers entsprechend Oberbegriff von Anspruch 3 und ein Sensormodul zur Vermeidung oder Unterdrückung der Messung störender Magnetfeldkomponenten gemäß Anspruch 15.

Aktive Sensoren für den Kfz-Bereich sind mehrfach bekannt. Es gibt sie in 2-Draht-Ausführung und in 3-Draht-Ausführung. Die Beschreibung der Erfindung erfolgt am Beispiel der 2-Draht- Ausführung, wie sie für Bremssysteme üblich sind. Es ist jedoch im Sinn der Erfindung, den Grundgedanken auch auf 3- Draht-Aus-führungen anzuwenden, die z.B. bei Motor- und / o- der Getriebean-wendungen verbreitet ist.

Dieser Stand der Technik ist in Fig.l schematisch dargestellt. In Fig. Ia sind ein Sensor 1 und eine ECU (Elektronisches Steuer-Gerät des ABS-Reglers, bzw. allgemein eine e- lektronische Kontrolleinheit) 2 über eine Zweidrahtleitung 3, 4 elektrisch miteinander verbunden. Zum Betrieb des Sensors ist eine Betriebsspannung VB erforderlich, die von der ECU an den Klemmen Ki, K2 bereitgestellt wird. Über den Sensor fließt ein Signalstrom Is zur ECU zurück, dessen Stärke sich im Takt einer Drehzahlinformation verändert, die von einem Encoder 5 erzeugt und in der ECU dekodiert wird. In Fig. Ib sind ein Sensor 6 und eine ECU 7 über eine 3-Drahtleitung 8, 9, 10 miteinander elektrisch verbunden. Zum Betrieb des Sensors ist auch hier eine Betriebsspannung VB erforderlich, die von der ECU an den Klemmen Ki', K2 ' bereitgestellt wird. Der Sensor liefert über die Klemme K3 eine Signalspannung Vs an die ECU zurück, die die sensorische Information enthält.

Fig.2 zeigt den inneren Systemaufbau zweier typischer Varianten von aktiven Raddrehzahlsensoren mit 2-Draht- Schnittstelle . Sensoren zur unidirektionalen Drehzahlerfassung ohne zusätzliche Funktionalitäten lassen sich nach Fig.2a schematisieren. Der Raddrehzahlsensor 1 enthält ein Sensormodul bestehend aus dem magnetoresisitven Sensorelement S, welches mit einer elektronischen Signalaufbereitungsstufe SC verbunden ist. Das Sensorelement ist über ein magnetisches Feld H mit dem Encoder E gekoppelt. Der mit Raddrehzahl rotierende Encoder moduliert das Luftspaltfeld H mit einem in- krementalen Muster, das die Raddrehzahlinformation enthält. Sensorelement S und die Signalaufbereitungsstufe SC erzeugen aus dieser Luftspaltfeldmodulation eine Signalspannung zur Steuerung einer Modulatorstufe M, die ihrerseits eine Stromquelle 11 steuert, so dass das inkrementale Muster des Encoders als eingeprägter Signalstrom IsI abgebildet wird. Sensoren zur bidirektionalen Erfassung von Raddrehzahlen und / o- der Übertragung zusätzlicher (Diagnose) - Parameter lassen sich nach Fig.2b schematisieren. Im Unterschied zu vorher ist hier die Signalaufbereitungsstufe in die Pfade WS und ZI zweigeteilt. Die Stufe WS dient der Aufbereitung der Raddrehzahlinformation aus dem Encodersignal, während ZI der separaten Aufbereitung von Zusatzinformationen aus der Sensor/Encoder-Schnittstelle dient. Eine solche Zusatzinformati- on können z.B. Drehrichtung und Luftspaltmaß sein. In einer Signalstufe SL werden die von WS und ZI aufbereiteten Signale zu einem Steuersignal für die Modulatorstufe M zusammengefügt, die ihrerseits eine Stromquelle 11 steuert, so dass das in dem Steuersignal enthaltene Protokoll von Raddrehzahl- und Zusatzfunktionen als eingeprägter Signalstrom Is2 abgebildet wird. Nach dem Stand der Technik werden gegenwärtig ein 3- Pegel-Protokoll oder ein PWM-Protokoll (Puls Weiten Modulation) angewendet.

Als Encoder können zum einen ferromagnetische Zahnräder oder Lochscheiben dienen, die in Kombination mit einem Permanentmagneten einen veränderlichen magnetischen Luftspalt erzeugen, zum anderen können es permanent magnetisierte Nord/Südpol-Areale sein, die in alternierender Folge in z.B. eine Radlagerdichtung eingebracht sind. Die erforderlichen Hilfsmagnete sind als mechanischer Bestandteil des Sensormoduls in den Sensor integriert. Die Erläuterung der Erfindung beschränkt sich im weiteren auf die wesentliche technische Anwendung, nämlich die Kombination magnetoresistiver Sensoren mit permanent magnetisierten Encodern, jedoch ist es dem Fachmann möglich, die Prinzipien der Erfindung direkt auf Kombinationen mit ferromagnetischen Encodern anzuwenden, was ebenso im Sinn der Erfindung ist.

Fig.3 zeigt hier verwendete Bezugsrichtungen und Kennlinien zur Erläuterung spezifischer physikalischer Gegebenheiten magnetoresisitiver Sensorelemente in Zusammenhang mit den angestrebten erfindungsgemäßen Verbesserungen. Fig.3a zeigt ein magnetoresistives spezielles Sensormodul 12 nach Fig.2a in seiner geometrischen Ausrichtung zu einer permanent magneti- sierten Encoderspur 13 bei Raddrehzahlbetrieb. Die Encoderspur liegt flächig in der XY-Ebene und bewegt sich relativ zum Sensorelement in Y-Richtung. Teil 14 des Sensormoduls enthält eine Brückenschaltung 16 aus vier magnetoresistiven Permalloy- (Barberpole) -Widerständen 17, wie sie in Fig.3b dargestellt sind. Die Ebene der Widerstandsschichten verläuft wie die des Encoders parallel zur XY-Ebene. Fig.3c zeigt die Arbeitskennlinie Signalspannung Vss als Funktion der magnetischen Luftspaltfeldstärken Hy, HxI und Hy,Hx2. Hierbei ist Hy die magnetische Feldkomponente in Laufrichtung der Encoderspur und Hx eine magnetische Feldkomponente des Encoders in Querrichtung hierzu. HxI und Hx2 sind hierbei zueinander entgegen gesetzt orientierte Feldkomponenten in x-Richtung. Fig.3c zeigt, dass wechselnde HXl, HX2 - Komponenten der Encodermagnetisierung zu spiegelbildlichen Kennlinien 18, 19 führen. Das mit den wechselnden Vorzeichen der Hx-Komponenten verbundene Wechseln der Kennlinie geschieht sprunghaft und wird als ,Flipping' oder , Flippen' bezeichnet. Flippen führt zu einer unerwünschten Verfälschung (Verdopplung) des Encodersignals und ist für die Raddrehzahlerfassung störend. In der gegenwärtigen Praxis wird das Flippen dadurch vermieden, dass ein so genannter Bias-Magnet 15 mit Polarisation in X- Richtung ein so genanntes Stützfeld erzeugt, dass größer als die Komponenten HxI, Hx2 ist und das deshalb eine der beiden Kennlinien, z.B. 18 fixiert.

Fig.4 dient der Erläuterung der Ursachen für das Auftreten magnetischer Komponenten des Encoders in X-Richtung. Fig.4a zeigt einen Encoder aus der XZ-Ebene betrachtet mit seinem magnetischen Feld 20, austretend aus der magnetischen Spur 21 zu einem ferromagnetischen Rückschluss aus Blech 22. Die Feldlinien der Encoderspur treten in einem breiten mittleren Bereich parallel in Z-Richtung aus. In den Randzonen neigt sich die Austrittsrichtung zusätzlich in X-Richtung. Diese Hx-Komponenten haben inhomogenen Charakter und sind bezüglich der Drehzahlmessung nicht erwünscht. Bei einem nur geringen Versatz des Sensormoduls 12 gegenüber der Mittellinie wird, wie in Fig.4a veranschaulicht, keine nennenswerte Hx- Komponente wirksam, so dass die Feldstärke des Bias-Magnets 15 stets überwiegt und die Kennlinie 18 stabil eingeprägt wird.

Bei einem Encoder nach Fig.4b gelangt der Sensor bei gleichem Versatz gegenüber der Mittellage in einen Feldlinienbereich, der bereits erhebliche Hx-Komponenten enthält, so dass die Kennlinienstabilität gefährdet ist. Die Gefährdung wird dann kritisch, wenn der Encoder nur eine schmale magnetische Lesespur besitzt und/oder eine starke Magnetisierung besitzt und/oder das Sensormodul relativ weit außerhalb der Mitte der Lesespur positioniert ist und/oder das Sensormodul sehr nahe an der Encoderoberfläche positioniert wird. Durch den sehr starken Einfluß eines dieser Parameter oder durch die Kombination mehrerer dieser Parameter kann daher ein kritischer Fall auftreten, bei welchem das weiter oben erläuterte Flippen auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, dem Auftreten des oben beschriebenen Flippens entgegenzuwirken oder dieses zu verhindern oder allgemein eine Technologie vorzuschlagen, welche die Eigensicherheit eines Sensormoduls so erhöht, dass ein ungewolltes Flippen verhindert, bzw. unterdrückt wird o- der selbsttätig erkannt wird und das Sensormodul diesen Zustand an die ECU signalisiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Drehzahlerfassung gemäß Anspruch 1, eine Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers entsprechend Anspruch 3 und ein Sensormodul zur Vermeidung oder Unterdrückung der Messung störender Feldkomponenten gemäß Anspruch 15.

Der Erfindung liegt der Gedanke zur Grunde, zwei Signalpfade mit jeweils mindestens einem Sensor zu verwenden, wobei diese Signalpfade eine messtechnisch unterschiedliche Auslegung bezüglich der Erfassung von durch einen sich bewegenden Magnetencoder modulierten Magnetfeldern aufweisen.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung besteht im wesentlichen darin, dass regelmäßig (bei Gleichheit der Ausgangssignale) das Ausgangssignal des einen Signalpfades durch die elektronische Steuereinheit ausgewertet wird, während bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade das Ausgangssignal des anderen Signalpfades ausgewertet wird. Für den Fall, dass beide Ausgangssignale, die beispielsweise eine Aussage über die Drehzahl des überwachten Rades machen können, gleich sind, erhält man durch die erfindungsgemäße Anordnung eine erhöhte Sicherheit über die Richtigkeit der ermittelten Drehzahl. Sinnvollerweise wird man bei Ungleichheit der Ausgangsignale den Signalpfad mit der Steuereinheit ver- binden, welcher mit größerer Wahrscheinlichkeit die richtige Information liefert.

Unter einem Biasmagnet wird sowohl ein Permanentmagnet, als auch ein Elektromagnet verstanden, der zur Erzeugung einer definierten Off-Set-Magnetfeldstärke verwendet wird.

Unter einem Magnetfeldsensorelement wird ein Sensorelement verstanden, welches Magnetfelder erfassen kann und definierte Größen dieser Felder in eine geeignete Messgröße umwandeln und ausgeben kann, also insbesondere magneto-elektrische Wandlerelemente, wie z.B. GMR-Sensorelemente oder Hallbrücken.

Die im Rahmen dieser Anmeldung vorgeschlagenen und beanspruchten Richtungs- und Abstandsangaben sind unter der Prämisse zu verstehen, dass mit diesen Abgaben auch Ausführungen umschlossen sind, welche definierten Toleranzen unterliegen oder auf welche die Angaben im Wesentlichen zutreffen.

Unter einem Sensormodul wird ein Modul verstanden, welches mindestens ein Sensorelement aufweist, aber nicht notwendigerweise eine elektronische Schaltung zur Signalauswertung und nicht notwendigerweise eine elektronische Schaltung zur digitalen Datenverarbeitung. Es ist aber möglich und vorgesehen, dass in ein Sensormodul sowohl eine elektronische Schaltung zur Signalauswertung, als auch optional eine elektronische Schaltung zur digitalen Datenverarbeitung integriert sein kann. Das Sensormodul kann Teil einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung sein. Vorzugsweise besitzt der erste Signalpfad eine erheblich größere Empfindlichkeit als der zweite Signalpfad. Damit spricht er einerseits zwar auch auf schwache Signale des Encoders an, aber andererseits können auch leichter Störsignale das Ergebnis verfälschen. In diesem Falle wird dann auf den zweiten Signalpfad umgeschaltet, der weniger störanfällig ist. Praktisch lässt sich durch diese Kombinationen die Toleranz der Anordnung hinsichtlich ihrer Einbaulage erheblich steigern. Wird der Abstand etwa zwischen dem Sensorelement des ersten Signalpfades und dem Encoder sehr gering, so sind fehlerhafte Informationen des ersten Signalpfades nicht auszuschließen. Bei diesem geringen Abstand wird aber der zweite Signalpfad mit großer Wahrscheinlichkeit die richtige Information ausgeben.

Es ist zweckmäßig, dass eine durch Flippen auf dem ersten Signalpfad falsche Information über die Drehzahl eines Rades durch Umschalten auf den zweiten Signalpfad umgehend korrigiert.

Um eine besonders große Toleranz hinsichtlich der Einbaulage der Anordnung zu erhalten empfiehlt sich die Verwendung der Merkmale nach Anspruch 5. Hierdurch wird sichergestellt, dass es eine Einbaulage gibt, bei der die Anordnung redundant und damit mit großer Sicherheit arbeitet. Wird der Luftspalte dann noch weiter verringert, so wächst die Sensitivität der beiden Signalpfade. Das kann zwar letztlich zum Flippen auf dem ersten Signalpfad führen, gleichzeitig wird aber auch die Empfindlichkeit des zweiten Signalpfades verbessert, so dass dieser mit großer Wahrscheinlichkeit die richtige Drehzahl angibt.

Es ist bevorzugt, dass die Sensorelemente der beiden Signalpfade in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und vorzugsweise einen gemeinsamen Bias-Magnet besitzen

Es wird ein Sensormodul, zur Vermeidung oder Unterdrückung der Messung störender Magnetfeldkomponenten, welche durch Bewegungen eines Magnetencoders moduliert werden, vorgeschlagen. Dieses Sensormodul besteht aus mindestens einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensorelement und mindestens einem Biasmagneten, wobei in Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem der Magnetencoder bezüglich seiner Codierfläche, welche durch seine Radien aufgespannt wird, im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene angeordnet ist, dass der Biasmagnet bezüglich seiner Magnetisierungsrichtung und die Magnetfeldsensorelemente bezüglich ihrer jeweiligen Sensorfläche im Wesentlichen parallel zur Codierfläche des Magnetencoders und damit parallel zur x-Achse ausgerichtet sind und dass das erste Magnetfeldsensorelement und das zweite Magnetfeldsensorelement bezüglich ihrer Beabstandung in z-Richtung zum Magnetencoder unterschiedlich angeordnet sind.

Vorzugsweise weisen die, insbesondere beiden, Magnetfeldsensoren des Sensormoduls unterschiedliche Empfindlichkeiten auf.

Es ist zweckmäßig, dass die Magnetfeldsensorelemente und der Biasmagnet des Sensormoduls relativ zueinander und bezüglich des Magnetencoders so angeordnet sind, dass das erste Magnetfeldsensorelement die Magnetfeldkomponenten in z-Richtung, welche durch den Magnetencoder moduliert werden, mit einem höheren Pegel erfasst, als das mindestens eine andere Magnetfeldsensorelement und dass das zweite Magnetfeldsensorelement Magnetfeldkomponenten in x-Richtung hervorgerufen durch den Biasmagneten mit mindestens einem definierten Pegel stärker erfasst, als Magnetfeldkomponenten in x-Richtung moduliert durch den Magnetencoder.

Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Anordnung ist nicht auf sich drehende Räder beschränkt sondern kann auch bei linearen Bewegungen wirkungsvoll analog eingesetzt werden. Mit besonderem Vorteil wird aber die Erfindung entsprechend der Merkmale nach Anspruch 6 angewendet.

Vorzugsweise werden durch die Anordnung Signale abgeleitet, die den Zustand der Anordnung beschreiben und damit bei der Auswertung der von der Anordnung abgegebenen Informationen die Möglichkeit geschaffen, den Zustand dieser Anordnung zu berücksichtigen .

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von schematischen Figuren.

Die vorgeschlagene Anordnung wird bevorzugt zur eigensicheren Raddrehzahlerfassung mit so genannten aktiven Sensoren mit Sensorelementen auf Basis des, insbesondere anisotropen, magnetoresistiven Effektes verwendet. Die Erfindung kann im gesamten Bereich des Anlagen- und Maschinenbaus angewendet werden, insbesondere jedoch im Kfz-Bereich, hierbei wiederum vorwiegend im Bereich elektronisch geregelter Bremssysteme. Dabei kann jeweils sowohl das vorgeschlagene Verfahren, als auch die erfindungsgemäße Anordnung, als auch das erfindungsgemäße Sensormodul einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.

Zur Erläuterung des Standes der Technik, verwendeter Bezugsrichtungen und der Erfindung mit verschiedenen Ausführungsformen dienen folgende Figuren. Darin zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau zweier Raddrehzahlerfassungssysteme,

Fig. 2 den schematischen Aufbau typischer Sensormodule,

Fig. 3 die der vorliegenden Beschreibung zugrunde liegenden Bezugsrichtungen und Kennlinien,

Fig. 4 den schematischen Feldlinienverlauf an einem magnetischen Polrad

Fig. 5 in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 6 die bei bekannten Radrehzahlerfassungssystemen angewandten Signalprotokolle

Fig. 7 das Prinzip der räumlichen Trennung der Sensorelemen- te

Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel für die räumlich getrennten Signalpfade

Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel für die räumlich getrennten Signalpfade

Fig. 10 das Prinzip der Trennung durch unterschiedliche Eigenanisotropie

Fig. 11 Parameter zur Beeinflussung der Eigenanisotropie

Fig. 12 Schemata bei der Erfindung anwendbarer sensitiver Brückenstrukturen

Fig. 13 bei der Erfindung anwendbare geometrische Varianten von Brückenstrukturen

Fig.5 zeigt eine beispielgemäße Anordnung, bestehend aus einem Encoder 23 dem eigensicheren Sensor 24, verbunden mit der ECU 25. Der Sensor 24 enthält zwei magnetoresisitive Sensorelemente Sl und S2, die durch geeignete konstruktive Maßnahmen mit dem Encoder, im allgemeinen Fall über zwei magnetische Luftspalte unterschiedliche Luftspaltfeldstärken Hl und H2, magnetisch gekoppelt sind, wobei der Sonderfall Hl = H2 durch die Erfindung berücksichtigt ist und auch als Ausführungsbeispiel genutzt, vorgestellt wird. Aus jedem der Sensorelemente wird über eine zugehörige Signalaufbereitungsstufe 26, 27 ein Raddrehzahlsignal aufbereitet. Für den Fall ei- nes Raddrehzahlsensors vom Typ gemäß Fig.2b, wie er hier als übergreifendes Beispiel dargestellt ist, wird aus dem Sensorelement Sl eine Zusatzinformation ZIl abgeleitet, die in ihrer Funktionalität derjenigen unter ZI in Fig.2b geschriebenen entspricht. Die Signalfrequenzen der Stufen 26 und 27 werden in einer Frequenz-Komparatorstufe 28 auf Übereinstimmung verglichen. Die Komparatorstufe 28 erzeugt als Ergebnisprotokoll ein Zustands-Bit bezüglich der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Signalfrequenzen. Gleichzeitig steuert die Komparatorstufe 28 einen elektronischen Umschalter 29, der alternativ den von Sl, 26 oder den von S2, 27 kommenden Signalpfad mit einer Signallogik 30 verbindet, während die Signalpfade der Zusatzinformationen ZIl, ZI2 stets mit dieser Signallogik 30 verbunden sind. Die Signallogik erzeugt daraus ein Signalprotokoll, dass über den Modulator M und die Stromquelle 11 als Signalstrommuster abgebildet wird und zur ECU 25 gelangt.

Es ist also stets ein Signalpfad vorhanden der über maximale Sensitivität verfügt, so dass im ungestörten Normalfall minimale Abbildungsfehler der Encoderspur bei gleichzeitig maximalen Luftspalten erreicht werden, während gleichzeitig stets ein beobachtender Signalpfad vorhanden ist, dessen Sensitivität so ausgelegt ist, das ein Flippen unter allen magnetischen Bedingungen sicher verhindert ist. Hierbei wird folgende Auslegungsrichtlinie vorgeschlagen:

Eine beispielhafte Bedingung für die Auslegung der sensorischen Empfindlichkeit des sensitiveren Pfades ist dadurch gegeben dass der sensitivere Pfad mit (z.B. 6dB) Sicherheit nicht mehr durch Flippen gefährdet sein darf, wenn eine Luftspaltlänge erreicht ist, bei der das Signal des unempfindlichen Pfades mit (z.B. 6dB) Sicherheit über dem Rauschen erkannt werden kann.

Die technischen Prinzipien der später beschriebenen beispielgemäßen Ausführungsvarianten und ihre Kombination ermöglichen eine breite Auslegungsvielfalt.

Es werden folgende Varianten der Signalauswertung zur Erhöhung der Eigensicherheit des Raddrehzahlsensors gegen Flippen vorgeschlagen :

1. Fall:

Frequenz (sensitiver Pfad) gleich Frequenz (beobachtender

Pfad) o Redundanzaussage o Hohe Eigensicherheit o Nur der sensitive Pfad wird genutzt

2. Fall

Frequenz (sensitiver Pfad) ungleich Frequenz (beobachtender

Pfad) o Diagnoseaussage über Flippzustand im Signalprotokoll ausweisbar o Nur der beobachtende Pfad wir genutzt o Verfügbarkeit der Raddrehzahlinformation bleibt für Notlauf erhalten

Fig.6 zeigt gegenwärtig gebräuchliche Signalprotokolle und Möglichkeiten zur Übertragung von Diagnoseinformation bezüglich des Flippens an die ECU.

Fig.6a zeigt das 2-Pegel-Protokoll, das sich als Standard für unidirektionale Raddrehzahlerfassung etabliert hat. Hier wird als Beispiel der Zustand des Flippens gegenüber der ECU durch einen konstanten Ruhepegel ausgewiesen.

Fig.6b zeigt ein 3-Pegel-Protokoll, das von der Automobilindustrie ebenfalls verwendet wird. Während die Drehzahlinformation über den Pegel Ih erkannt wird, werden verschiedene Zusatzinformationen wie Drehrichtung, Luftspaltmaß in einer seriellen Folge von Bits im Pegelbereich Im und Il kodiert. Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit eines dieser Bits zur Kodierung des Flippzustandes zu nutzen. In Verbindung mit der bereits vorhandenen Luftspaltdiagnose lässt sich eine wesentlich verbesserte Einbausicherheit kontrollieren.

Fig.6c veranschaulicht ein PWM-Protokoll, das von der Automobilindustrie ebenfalls genutzt wird. Hier kann der Zustand des Flippens über ein bestimmtes Pulsweitenverhältnis gegenüber der ECU ausgewiesen werden.

Zur Realisierung der Eigenschaften des sensitiven und des beobachtenden Signalpfades werden zwei technische Konzepte vorgeschlagen, die sowohl alternativ zueinander als auch in Kombination miteinander genutzt werden können. Das erste alternative Konzept beruht auf der Nutzung eines zueinander räumlichen Versatzes zweier gleich empfindlicher sensorischer Strukturen (z.B. Brücken) in Z-Richtung gegenüber der XY- Ebene des Encoders. Das zweite alternative Konzept beruht auf der Verwendung zweier unterschiedlich empfindlicher sensorischer Strukturen in einer zur XY-Ebene des Encoders parallelen Ebene. Das dritte Konzept ist die Kombination zweier unterschiedlich empfindlicher sensorischer Strukturen mit zueinander räumlichem Versatz in Z-Richtung gegenüber der XY- Ebene des Encoders. Aus diesen Konzepten resultieren die unterschiedlichen Ausführungsformen der Sensormodule.

Fig.7 zeigt das Konzept eines beispielgemäßen Sensormoduls, in dem zwei in Z-Richtung zueinander versetzte sensorischen Strukturen, vorwiegend Brückenstrukturen, die erfindungsgemäß sowohl gleiche als auch ungleiche sensorische Empfindlichkeiten gegenüber einer gleichen magnetischen Bezugsfeldstärke aufweisen können. In ein Gehäuse aus Kunststoff 31 sind zwei Siliziumträger 32, 33 mit sensitiven Brückenstrukturen, bzw. Magnetfeldsensorelementen 34, 35 eingebracht. Der räumliche Versatz in Z-Richtung entsteht durch die , Rücken-an-Rücken- Anordnung' dieser beiden Chips. Ein separater Biasmagnet 36 mit Polarisation in X-Richtung spannt die beiden sensorischen Schichten auf Grund ihres räumlichen Versatzes in Z-Richtung mit unterschiedlichen Feldstärken Hx gegenüber den Feldkomponenten eines Encoders 37, mit magnetischer Schicht 21 und Eisenrückschluß 22 magnetisch vor. Die Lesespur des Sensors ist gegenüber der Mittelspur des Encoders in X-Richtung versetzt, so dass eine störende Hx-Komponente 38 den Bias-Feldern entgegenwirkt, die zu Flippen führen könnte. Das beispielgemäße Sensormodul nutzt nun folgende technischen Gegenläufigkeiten, um sowohl den geforderten maximal empfindlichen Pfad als auch gleichzeitig den maximal gegen Flippen resistenten beobach- tenden Pfad zu realisieren: Bezogen auf Sensorstruktur 35 ist der Abstand L3 zum Bias-Magneten relativ groß während der Abstand L4 zur Oberfläche des Encoders relativ klein ist, d.h. bei einer relativ schwachen Bias-Komponente Hx wirkt eine relativ starke magnetische Komponente Hy des Encoders. Die Struktur/Magnetfeldsensorelement 35 ist damit hoch sensitiv, wie gefordert. Das Gegenteil ist bei der Sensorstruktur/ Magnetfeldsensorelement 34 der Fall. Der Abstand Ll zum Bias- Magneten ist relativ gering während der Abstand L2 zur Oberfläche des Encoders relativ groß ist, d.h. bei einer relativ starken Bias-Komponente Hx wirkt nur eine relativ schwache störende Gegenkomponente des Encoders, die kein Flippen mehr auslösen kann. Zur weiterführenden Anpassung an eine vorgegebene Sensor-Encoder-Luftspalt-Schnittstelle kann die technisch günstigste Kombination folgender Parametervariationsmöglichkeiten genutzt werden:

• Wahl der Dicke der Siliziumträgerschichten zur Anpassung eines gegenseitigen Abstandes der Magnetfeldsensorelemente 34, 35 in Z-Richtung

• Wahl des Abstandes des Siliziumträgerschicht-Pakets zur Encoderoberfläche durch Wahl der Einlagetiefe im Gehäuse 31

• Anpassung der Stärke des vom Bias-Magneten verursachten magnetischen Feldes

• Anpassung des geometrischen Abstandes des Bias Magneten zum Siliziumträgerschicht-Paket durch Wahl der dazwischen liegenden Gehäuseschichtdicke

• Wahl der individuellen Sensitivität jeder der beiden Magnetfeldsensorelemente bzw. magnetoresistiven Strukturen 34, 35

Fig.8 zeigt das Schema einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Sensormoduls nach dem Konzept von Fig.7. Fig.8a ist eine räumliche Darstellung zur Schnittskizze Fig.8b. Der Bias-Magnet 39 ist hier als magnetische Schicht (z.B. als SmCo ausgeführt) auf das Leadframe 40 aufgebracht. Der Leadframe-Ausläufer 41 und ein Leadframe-Gegenstück 42 bilden die 2-Drahtanschlüsse eines Sensormoduls (der erforderliche Gehäuseverguss 47 ist nicht dargestellt) . Über der Magnetschicht ist ein Silizium-Chip 43 mit ASIC 44 angeordnet, der zur Signalkonditionierung bis zur Signalstromerzeugung gemäß Fig.2 dient. Auf diesem ASIC sind in seitlichem Abstand zueinander zwei Siliziumträger 433, 444 mit magnetoresistiven Brücken 45, 46 vorhanden, wobei die Brücke 46 in FlipChip- Technologie und die Brücke 45 in Bond-Technologie mit dem ASIC elektrisch verbunden sind. Gegenüber einer Encoderspur 48 dient 45 als Magnetfeldsensorelement des empfindlichen Pfades und 46 als flipresistentes Magnetfeldsensorelement des beobachtenden Pfades.

Fig.9 zeigt zwei andere Varianten von Sensormodulen. Beiden Varianten gemeinsam ist die Schichtung eines Leadframes 40, eines Biasmagneten 39, eines Silizium-Chips 43 mit ASIC 44, wie von Fig.8 her bereits bekannt, mit dem Unterschied, dass hier die Magnetschicht nicht auf das Leadframe sondern auf die Rückseite des Silizium-Chips 43 aufgebracht ist. In Fig.9a wird ein Stapel aus zwei Silizium-Chips 49, 51 die ,Rücken-an-Rücken' miteinander mechanisch fixiert sind, über das Magnetfeldsensorelement 52 mittels FlipChip-Technik mit dem ASIC elektrisch kontaktiert während Magnetfeldsensorelement 50 über Bond-Verbindungen mit dem ASIC verbunden ist. Die gesamte Anordnung nach Fig.9a hat die Funktionselemente eines Sensormoduls. In einer Variante nach Fig.9b ersetzt ein einzelnes Silizium-Chip 53 als Träger von zwei magnetore- sistiven Sensorelementen 54, 55 den Stapel 49, 51 nach Fig.9a bei sonst identischer Funktionalität.

Fig.10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des alternativen Konzepts zweier in gleicher XY-Ebene zueinander versetzter sensorischer Strukturen, vorwiegend Brückenstrukturen, die ungleiche sensorische Empfindlichkeiten gegenüber einer gleichen magnetischen Bezugsfeldstärke aufweisen. In ein Gehäuse aus Kunststoff 56 ist ein Siliziumträger 57 mit sensitiven Brückenstrukturen, bzw. Magnetfeldsensorelementen 58, 59 eingebracht. Der räumliche Versatz dieser beiden Brückenstrukturen bzw. Sensorelemente geschieht in der Ebene des Siliziumträgers parallel zur XY-Ebene des Encoders 37. Ein separater Biasmagnet 36 mit Polarisation in X-Richtung spannt die beiden sensorischen Schichten auf Grund ihres räumlichen Versatzes in X und/oder Y-Richtung mit unterschiedlichen Feldstärken Hx gegenüber den Feldkomponenten eines Encoders 37, mit magnetischer Schicht 21 und Eisenrückschluß 22 magnetisch vor. Die Lesespur des Sensormoduls ist gegenüber der Mittelspur des Magnetencoders in X-Richtung versetzt, so dass eine störende Hx-Komponente 38 den Bias-Feldern entgegenwirkt, die zu Flippen führen könnte. Die beispielhafte Ausführungsform nutzt nun eine in Fig.11 veranschaulichte technische Möglichkeit, die Eigenanisotropie einer magnetoresistiven Struktur in weiten Bereichen zu verändern, um sowohl den geforderten maximal empfindlichen Pfad als auch den maximal gegen Flippen resistenten beobachtenden Pfad gleichzeitig zu realisieren. Es ist bekannt, dass die Höhe der Eigenanisotropie HO eines Streifenwiderstandes 60 aus Permalloy (als wichtigstem magne- toresisitivem Material) im Wesentlichen von dem Verhältnis der Streifenbreite zur Schichtdicke abhängt wie in der Formel für HO angegeben und damit in weiten Grenzen veränderbar ist. Der sensitive Pfad erfordert einen Sensor mit niedriger Eigenanisotropie, d.h. mit relativ dünnen, breiten Streifen, der beobachtende Pfad erfordert dagegen einen Sensor mit hoher Eigenanisotropie, d.h. mit relativ dicken, schmalen Streifen. In Verbindung mit einer geeignet dimensionierten Bias- Magnetisierung, welche die Eigenanisotropie der flipresisten- ten Sensorstruktur ausreichend unterstützt und zugleich die Sensitivität des empfindlichen Pfades nicht zu stark einschränkt, lässt sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung auf einfache Weise beispielhaft lösen.

Fig.12 zeigt elektrische Verschaltungen sensorischer Elemente für die beiden Signalpfade. In Fig. 12a erhält der sensitive Pfad eine magnetoresistive Vollbrücke Rl, R2, R3, R4 mit der potentialfreien Signalspannung VsI und der flipresistente, beobachtende Pfad eine Halbbrücke R5, R6 mit der (Erd-) potentialbezogenen Spannung Vs2. In Fig.12b enthalten beide Pfade eine Vollbrücke A, B, C, D und A', B', C, D' mit den zugehörigen potentialfreien Signalspannungen Vs4, Vs3. Den magnetoresistiven Streifenwiderständen ist zur Linearisierung der Operationskennlinie eine Barberpolestruktur überlagert oder aber die Streifen selbst sind in Barberpolemuster geo- metrisch ausgerichtet, wobei dann auf eine zusätzliche Überstruktur verzichtet werden kann.

Fig.13 zeigt verschiedene vorteilhafte Formen einer geometrischen Anordnung magnetoresisitiver Brückenwiderstände nach Fig.12b unter Bezug auf ihre Ausrichtung parallel zur XY- Chipebene ihres Siliziumträgers. Der darunter dargestellte Pfeil symbolisiert die Y-Laufrichtung einer bewegten Encoderspur relativ zu den Brückenwiderständen. In Fig.13a umschließen die beiden Brückenzweige des beobachtenden Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des sensitiven Pfades in Laufrichtung der Encoderspur. In Fig.13b umschließen die beiden Brückenzweige des sensitiven Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des beobachtenden Pfades. In Fig.13c umschließen die beiden Brückenzweige des beobachtenden Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des sensitiven Pfades in Richtung des Bias-Feldes. In Fig.l3d umschließen die beiden Brückenzweige des sensitiven Pfades die zentrisch angeordnete Brücke des beobachtenden Pfades in Richtung des Bias-Feldes. In Fig.l3e umschließen die Brückenelemente des beobachtenden Pfades zentrisch die zentrisch angeordneten Brückenelemente des sensitiven Pfades, während es in Fig.l3f genau umgekehrt ist. In Fig.13g wechseln die Brückenzweige des sensitiven und des beobachtenden Pfades in Y-Laufrichtung einander ab.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mittels eines Sensors, der über ein magnetisches Feld mit einem Encoder (5, 13, 23) gekoppelt ist, welcher sich mit dem rotierenden Körper dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale mindestens zweier getrennter, wenigstens ein eigenes Sensorelement (S, Sl, S2) aufweisender Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) miteinander verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis einer der beiden Signalpfade mit einer nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (ECU) (25) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalpfad (Sl, fl) über eine von dem zweiten Signalpfad (S2, f2) abweichende Sensitivität verfügt.

3. Anordnung zur Drehzahlerfassung eines Rades oder eines anderen rotierenden Körpers mit einem Sensor

(24), der über ein magnetisches Feld (Hl, H2) mit einem Encoder (23) gekoppelt ist, der sich mit dem rotierenden Körper dreht, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (24) zwei voneinander getrennte Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) mit zumindest einem eigenen Sensorelement (Sl, S2) und vorzugsweise eigener Signalaufbereitungsstufe (26, 27) besitzt, deren Ausgangsignale in einem Kompara- tor (28) miteinander verglichen werden und dass abhängig von dem Vergleichsergebnis des Komparators

(28) der erste Signalpfad (Sl, fl) oder der zweite Signalpfad (S2, f2) der beiden Signalpfade mit einer nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (ECU)

(25) verbindbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalpfad (Sl, fl) eine um einen definierten Wert größere Sensitivität besitzt als der zweite Signalpfad (S2, f2)und dass der erste Signalpfad (Sl, fl) derart aufgebaut und/oder angeordnet ist, dass ein Flippen nicht ausgeschlossen ist und dass der zweite Signalpfad (S2, f2) derart aufgebaut und/oder angeordnet ist, dass ein Flippen ausgeschlossen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Signalpfad (Sl, fl; S2, f2) derart aufgebaut und/oder angeordnet sind, dass der erste Signalpfad (Sl, fl) nicht mehr durch Flippen gefährdet ist, wenn eine Luftspaltlänge erreicht ist, bei der das Signal des zweiten Signalpfades (S2, f2) über dem Rauschen erkennbar ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsig- nale der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) die Drehzahl des Encoders und damit des rotierenden Körpers beschreiben, dass bei Gleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) am Komparator der erste Signalpfad mit der nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (ECU) (25) verbunden ist und dass bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) der zweite Signalpfad (S2, f2) mit der nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit (ECU) (25) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) durch den Sensor eine Information ausgebbar ist, welche eine Redundanz- Aussage macht und/oder die hohe Eigensicherheit des Sensors beschreibt und dass bei Ungleichheit der Ausgangsignale der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) durch den Sensor eine Information ausgebbar ist, welche eine Diagnoseaussage über den Fehler-Zustand des ersten Signalpfades macht.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verbindung des zweiten Signalpfades (S2, f2) mit der elektronischen Steuereinheit

(25) für diese die Raddrehzahlinformation für den Notlauf verfügbar ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) ungefähr die gleiche Empfindlichkeit besitzen und in Z-Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders (23) gegeneinander räumlich versetzt sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelemente (Sl) des ersten Signalpfades (Sl, fl) eine größere Empfindlichkeit als das Sensorelement (S2) des zweiten Signalpfades (S2, f2) besitzt und dass die beiden Sensorelemente (Sl, S2) im wesentlichen in einer zur XY-Ebene des Encoders (23) parallelen Ebene angeordnet sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement des ersten Signalpfades (Sl, fl) eine größere Empfindlichkeit als das Sensorelement des zweiten Signalpfades (S2, f2) besitzt und dass die beiden Sensorelemente in Z- Richtung gegenüber der XY-Ebene des Encoders gegeneinander räumlich versetzt sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zum ersten Signalpfad (Sl, fl) gehörende Sensorelement (Sl) mit einer magneto- resistiven Vollbrücke versehen ist und das zum zweiten Signalpfad (S2, f2) gehörende Sensorelement vorzugsweise mit einer magnetoresistiven Halbbrücke versehen ist .

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente der beiden Signalpfade (Sl, fl; S2, f2) auf einem gemeinsamen Silizium-Chip (43) vorzugsweise übereinander geschichtet oder nebeneinander liegend angeordnet sind und dass der Silizium-Chip mit einem ASIC versehen ist, in welchen zumindest wesentliche Teile der zu den Signalpfaden (Sl, fl; S2, f2) gehörenden elektrischen Schaltungen integriert sind.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bias-Magnetschicht, ein Silizium-Chip (43) mit ASIC in Verbindung mit einem Leadframe (40) übereinander geschichtet sind.

15. Sensormodul, zur Vermeidung oder Unterdrückung der Messung störender Magnetfeldkomponenten, welche durch Bewegungen eines Magnetencoders (5, 13, 23, 37) moduliert werden, bestehend aus mindestens einem ersten (35, 45, 50, 54) und einem zweiten Magnetfeldsensorelement (34, 46, 52, 55) und mindestens einem Biasmagneten (36, 39) , dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem der Magnetencoder (5, 13, 23, 37) bezüglich seiner Codierfläche, welche durch seine Radien aufgespannt wird, im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene angeordnet ist, dass der Biasmagnet (36, 39) bezüglich seiner Magnetisierungsrichtung und die Magnetfeld- sensorelemente (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55) bezüglich ihrer jeweiligen Sensorfläche im Wesentlichen parallel zur Codierfläche des Magnetencoders (5, 13, 23, 37) und damit parallel zur x-Achse ausgerichtet sind und dass das erste Magnetfeldsensorelement (35, 45, 50, 54) und das zweite Magnetfeldsensorelement (34, 46, 52, 55) bezüglich ihrer Beabstandung in z-Richtung zum Magnetencoder (5, 13, 23, 37) unterschiedlich angeordnet sind.

16. Sensormodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens beiden Magnetfeldsensorelemente (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55, 58, 59) eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen.

17. Sensormodul nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorelemente (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55, 58, 59) und der Biasmag- net (36, 39) relativ zueinander und bezüglich des Magnetencoders (5, 13, 23, 37) so angeordnet sind, dass das erste Magnetfeldsensorelement (35, 45, 50, 54) die Magnetfeldkomponenten in z-Richtung, welche durch den Magnetencoder 5, 13, 23, 37) moduliert werden, mit einem höheren Pegel erfasst, als das mindestens eine andere Magnetfeldsensorelement (34, 46, 52, 55) und dass das zweite Magnetfeldsensorelement (34, 46, 52, 55) Magnetfeldkomponenten in x- Richtung hervorgerufen durch den Biasmagneten (36, 39) mit mindestens einem definierten Pegel stärker erfasst, als Magnetfeldkomponenten in x-Richtung mo- duliert durch den Magnetencoder (5, 13, 23, 37)