DE3132549C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs. Aus dem Siemens-Datenbuch 76/77 "Magnetabhängige Halbleiter", Seite 160, ist ein Feld­ platten-Differentialfühler bekannt, der zum Aufnehmen von Drehzahlen geeignet ist. Der Feldplatten-Differential- Fühler besteht aus zwei Feldplatten, die auf einen Weich­ eisen-Polschuh montiert sind. An der Unterseite des Fühlerkopfes ist ein Permanentmagnet befestigt, der die magnetische Vorspannung liefert. Wird diesem Fühler stirnseitig ein weichmagnetischer Werkstoff, z. B. ein Zahnrad, angenähert, so stellt sich eine Widerstands­ änderung der Feldplatten ein. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sie stark temperaturabhängig ist. Die Feldplatten werden aufgeklebt, so daß bei hohen Tempe­ raturen die Klebeschicht den Feldplatten-Mäander zer­ stören kann. Außerdem muß die magnetische Vorspannung sehr hoch sein, so daß ein hochwertiger und damit teurer Magnet nötig wird.

In der DE-OS 29 15 461 wird eine Vorrichtung zur Drehrichtungs­ erkennung eines rotierenden Teils beschrieben. Hier werden mehrere unter einem Winkel von 45 Grad zueinander angeordnete Meßwiderstände verwendet, wobei aber stets ein Widerstandselement in Laufrichtung, d. h. unter einem Winkel von 0 Grad bzw. 180 Grad angeordnet ist. Dadurch wird angestrebt, wenigstens zwei Widerstandselemente so anzuordnen, daß sie elektrische Widerstandsänderungen abgeben, die sich bezüglich des Magnetfeldes in der Phase voneinander unter­ scheiden. Diese Anordnung der Widerstandselemente ist deshalb not­ wendig, um eine Drehrichtungserkennung zu ermöglichen.

In der DE-OS 30 47 809 ist ein Magnetkopf zur Verwendung in Dreh­ gebern beschrieben, dessen Widerstände in Laufrichtung hintereinan­ der und im Abstand eines Vielfachen von λ/4 angeordnet sein müssen. Dabei erhält man keine sinusförmige Meßkurve sondern auf­ einanderfolgend eine Anzahl von positiven und negativen peaks, so daß eine Codierung bzw. Decodierung der Drehung rotierender Teile möglich ist.

Aus der Schrift "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 11, Nr. 7, Dec. 1968, Seiten 746, 747 ist ein Drehzahlsensor bekannt, der ein auf einer Welle aufgesetztes Zahnrad aufweist. Mit Hilfe eines Permanentmagneten wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen während der Drehung durch die Zähne bzw. Zahnlücken hervorgerufene Luftspalt­ änderung von einem Hallelement abgegriffen wird. Da die Meßsignale abhängig sind vom Luftspalt zwischen dem Hallelement und dem Zahnrad beeinflussen die Einbautoleranzen in unkontrolliertem Maß das Meß­ signal. Ferner ist das Meßsignal temperaturabhängig.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Vorrichtung über einen weiten Temperaturbereich ohne große Ausgangsspannungs­ änderung betrieben werden kann. Die obere Temperaturgrenze des Auf­ nahmesensors liegt bei über 200°C, so daß er auch hohen Temperatur­ anforderungen genügt. Werden die Widerstände in der angegebenen Bauweise, z. B. als Spannungsteiler betrieben, so wird ein Sensor mit geringer Temperaturempfindlichkeit erreicht. Ferner können dadurch, obwohl Permalloy-Widerstände eine relativ starke Tempera­ turabhängigkeit und einen positiven Temperaturkoeffizienten auf­ weisen, diese relativ preisgünstigen Widerstandselemente verwendet werden. Die Temperaturabhängigkeit des Sensors wird wenigstens teilweise kompensiert. Die Vorrichtung kann sehr kostengünstig hergestellt werden. Die Permalloy-Widerstandsbahnen sind leicht auf das Substrat aufdampfbar. Für die magnetische Ansteuerung selbst genügt ein billiger, kleiner Magnet, da die benötigte Vorspannung gering ist. Die Vorrichtung selbst ist für hohe Temperaturen ein­ setzbar und thermisch sehr stabil.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vor­ richtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Anordnung der Widerstandsbahnen ein gleichzeitiges Messen von Zähnen und Bezugsmarken möglich ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Teils der Zahnscheibe mit dem Sensor und dem Mag­ neten,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils der Zahnscheibe, des Sensors und des Magneten mit mag­ netischen Feldlinien und

Fig. 3 den Kurvenverlauf des Widerstandes über die magnetische Feldstärke.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Die physikalische Grundlage zur Realisierung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem Magnetowider­ standseffekt, der in ferromagnetischen Metallegierungen auftreten kann. Es geht hierbei um die Erscheinung, daß der Wert des elektrischen Widerstandes von dem Winkel zwischen der Richtung des Stromes und der der ferromagne­ tischen Magnetisierung abhängt.

In Fig. 1 ist eine Zahnscheibe mit 1 bezeichnet, die auf ihrem Umfang eine Vielzahl von Zähnen 2 aufweist. Den Zähnen gegenüber liegt der Sensor 3, der ein Silizium- Substrat 4 aufweist, auf das in Dünnschichttechnik eine Viereranordnung von Permalloy-Widerständen 5, 6, 7, 8 aufgedampft ist. Parallel zum Sensor 3 ist in geringem Abstand ein Magnet 9, vorzugsweise ein Dauermagnet, an­ geordnet, der die nötige magnetische Vorspannung liefert. Zusätzlich ist seitlich an der Zahnscheibe ein weiterer Zahn oder Stift angebracht, der als Bezugsmarke 10 dient. Die äußere Stirnfläche der Bezugsmarke liegt auf dem gleichen Umfang wie die Zähne 2 der Zahnscheibe 1. Die Bezugsmarke 10 kann auch anders ausgeführt sein, z. B. kann ein Zahn in axialer Richtung auf die Hälfte abgenommen sein.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung kann anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert werden. Der Abstand der Widerstände 5 bis 8 in der eingezeichneten Laufrichtung 11 ist der Zahngeometrie angepaßt und ent­ spricht der Hälfte des Abstandes von Zahn zu Zahn. Diese Anpassung ergibt eine maximale Amplitude der Ausgangs­ spannung. Die Widerstände 5 bis 8 sind bei Abtastung nur der Zähne 2 vorzugsweise als Brückenschaltung zusammengeschaltet und die Ausgangsspannung kann als Brückenspannung erfaßt werden. Die Zahnscheibe 1 wird an dem Sensor 3 vorbeigeführt, wobei sich der Widerstandswert der Brücke in Abhängigkeit von den Zähnen und den Zahnlücken ändert. Als Ausgangs­ spannung ergibt sich eine sinusförmige Wechselspannung.

Die Widerstandsbahnen sind zur Laufrichtung 11 und zur magnetischen Vorspannung, die durch die dicken weißen Pfeile 12 dargestellt sind, unter einem Winkel von 45° angeordnet. Unter diesem Winkel besitzt der Widerstand die größte Empfindlichkeit. Der Magnet 9 ist im Abstand von ungefähr 5 mm zum Substrat 4 positioniert und muß, tangential zur Zahnscheibe 1 gesehen, länger als der Abstand der Widerstände in dieser Richtung sein, z. B. um den Faktor 3, damit die in der Fig. 2 mit 13 bezeichneten Feld­ komponenten weit genug von den Widerständen 5, 8 bzw. 6, 7 entfernt sind, so daß sie sich nicht mehr auf diese auswirken können. Die Widerstände 5 bis 8 sind, in axialer Richtung der Zahnscheibe gesehen, jeweils an den Randbezirken des Magneten positioniert, damit für die Ansteuerung der Widerstände 5 bis 8 nur die Feldkomponenten 14, 15 maßgebend sind. Die Breite des Magneten 9 ist so gewählt, daß das Wider­ standspaar 5, 6 den Feldkomponenten 14 und das Wider­ standspaar 7, 8 den Feldkomponenten 15 ausgesetzt sind. In der in Fig. 2 gezeichneten Zahnscheibenstellung werden die Bahnen der Widerstände 5, 8 vorwiegend senk­ recht von den durch die dicken schwarzen Pfeile ange­ deuteten Feldlinien 16 geschnitten, während bei den Widerständen 6, 7 die Feldlinien 17 mehr in Bahnrich­ tung verlaufen. Dies bewirkt, daß die Widerstände 5, 8 kleiner werden als die Widerstände 6, 7. Dreht sich die Zahnscheibe 1 weiter, ändert sich dieses Verhalten und die Widerstände 5, 8 werden größer als die Widerstände 6, 7. Die Änderung der Feldlinien von der mit 12 angebenen Richtung auf die mit 16 bzw. 17 angegebenen Richtung erfolgt durch die unmittelbare Nähe der jeweiligen Zähne 2.

In Fig. 3 ist der Widerstandsverlauf in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke dargestellt. Unter dem Kurvenverlauf sind die Widerstandsbahnen und die Feld­ stärkerichtungen, wie in Fig. 2 gezeigt, dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Widerstand bei Einwirkung der Feldlinien 17 höher ist als der Widerstand bei Ein­ wirkung der Feldlinien 16.

Soll zusätzlich die Bezugsmarke 10 erkannt werden, so ist der Sensor 3 in der Weise zu positionieren, daß die Widerstände 5, 6 direkt unter den Zähnen 2 angeordnet sind und damit die Zähne 2 erfassen, während die Widerstände 7, 8 der Bezugs­ marke 10 gegenüberstehen. Die Widerstände 5, 6 und 7, 8 sind dann nicht als Brücke geschaltet sondern das jeweilige Paar bildet einen Spannungsteiler (Halbbrücke) . An dem Ver­ bindungspunkt zwischen den Widerständen 5, 6 ist als Ausgangs­ spannung die sinusförmige Wechselspannung abzunehmen, während an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 7, 8 pro Umdrehung ein Spannungsimpuls abgenommen wird, der durch die Änderung des Widerstandswertes der Widerstände 7, 8 beim Vorbeiwandern der Bezugsmarke 10 hervorgerufen wird.

Normalerweise zeigt ein Permalloy-Widerstand eine relativ starke Temperaturabhängigkeit und besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Um die Temperaturabhängigkeit auszugleichen, sollen die Widerstände immer paarweise, vorzugsweise als Spannungsteiler betrieben werden. Durch Einspeisung des Spannungsteilers bzw. der Widerstands­ brücke mit Konstantstrom wird die Temperaturabhängigkeit des Sensors teilweise kompensiert, so daß der Sensor 3 über einen weiten Temperaturbereich ohne große Ausgangs­ spannungsänderung betrieben werden. Die obere Temperatur­ grenze des Sensors 3 liegt bei über 200°C, so daß er auch hohen Temperaturanforderungen genügt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen mit einer mit diesen verbundenen Zahnscheibe, einem die Zähne der Zahnscheibe abtastenden Sensor und einem Magneten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (3) eine Viereranordnung von ferro­ magnetischen Widerständen (5, 6, 7, 8) aufweist, die in Form von Bahnen auf ein der Zahnscheibe (1) gegenüberliegendes Substrat (4) aufgebracht ist, daß je einer der vier Widerstände in den ver­ schiedenen Ecken eines Rechtecks unter einem Winkel von ungefähr 45° zur tangentialen Richtung der Zahnscheibe (1) angeordnet ist, und daß der Magnet (9) dem Substrat (4) gegenüberliegend und in tangentialer Richtung der Zahnscheibe (1) länger als der Abstand der Widerstände (5, 6, 7, 8) in dieser Richtung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Widerstände (5, 6, 7, 8) in tangentialer Richtung (11) der Zahnscheibe (1) ungefähr die Hälfte des Abstandes von Zahn (2) zu Zahn (2) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Zahnscheibe (1) eine Bezugsmarke (10) vor­ gesehen ist und daß zwei Widerstände (5, 6) der Viereranordnung die Zähne (2) und die anderen zwei Widerstände (7, 8) die Bezugsmarke (10) abtasten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Widerstände (5, 6, 7, 8) in axialer Richtung der Zahn­ scheibe (1) so konzipiert ist, daß sowohl die Zähne (2) als auch die Bezugsmarke (10) voll von den jeweiligen Widerständen (5, 6, 7, 8) erfaßt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Widerstände (5, 6, 7, 8) als Spannungsteiler bzw. als Widerstandsbrücke geschaltet sind und daß zur Temperaturkompen­ sation ein Konstantstrom eingespeist wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Widerstandsbahnen aus Permalloy bestehen.