DE10357147A1

DE10357147A1 - Magnetsensoranordnung

Info

Publication number: DE10357147A1
Application number: DE2003157147
Authority: DE
Inventors: Rasmus Rettig; Joachim Vom Dorp; Christian Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2005-06-30
Also published as: FR2863354A1

Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements (3) vorgeschlagen, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement (2) verursachten Magnetfeldänderungen auswertbar sind. Es ist ein Geberelement (2) vorhanden, das mindestens einen Permanentmagneten (5) aufweist, dessen Feldverlauf bei einer Vorbeibewegung des Geberelements (2) am ortsfesten Sensorelement (3) im Sensorelement (3) ein Ausgangssignal zur Erzeugung von Schaltflanken bewirkt und es ist ein Feldverstärker (6) an der dem Geberelement (2) abgewandten Seite des Sensorelements (3) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur magnetischen Erfassung und Auswertung der Bewegung eines Geberrades oder eins linear bewegten Geberelements, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bekannt sind hierbei sogenannte aktive Weg-, Drehzahl- oder Positionssensoren, wie sie zum Beispiel zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen zu Messzwecken eingesetzt werden. Mittels eines magnetfeldempfindlichen Elementes wird die Amplitude des durch ein Geberelement veränderten Magnetfeldes bestimmt und abhängig von diesem Magnetfeld beispielsweise ein Komparator geschaltet, der zu einer Änderung des elektrischen Ausgangssignals führt.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 100 09 173 A1 (WO 2001 63213 A1) bekannt, bei der ein Permanentmagnet darüber hinaus noch mit einem zusätzlichen weichmagnetischen Bauteil versehen ist und die Bewegung eines ferromagnetischen Geberelements mit einem zwischen dem Permanentmagneten und dem Geberelement angeordneten magnetfeldempfindlichen Element erfasst wird. Das magnetfeldempfindliche Element kann ein einfacher oder ein differenzieller Sensor sein und auf einer Hall- oder einer anderen Magnetfeldsensor-Technologie, wie zum Beispiel AMR, GMR oder TMR, beruhen.

Es ist an sich auch bekannt, dass bei einer besonderen Form der Magnetsensoren der Permanentmagnet relativ zum magnetfeldempfindlichen Element bewegt werden kann. Der Magnet kann hierbei ein einfacher Permanentmagnet mit einem Nord- und Südpol oder auch ein sogenannter Multipol sein, d.h. er besitzt eine bestimmte Anzahl von einzelnen Magneten, die zum Beispiel hintereinander linear angeordnet sind oder auch auf einem Ring liegen.

Der bzw. die Magneten werden dann relativ zum magnetfeldempfindlichen Element bewegt, so dass das magnetfeldempfindliche Element abwechselnd von Magnetfeldern entgegengesetzter Richtung überstrichen wird. Mittels des Komparators wird dann beispielsweise bei jedem Nulldurchgang des Magnetfeldes eine elektrische Flanke im Ausgangssignal erzeugt.

Voraussetzung für die Funktion der zuvor beschriebenen Magnetsensoranordnungen ist die Bereitstellung einer ausreichenden Amplitude des magnetischen Feldes für alle möglichen Betriebsbedingungen und Toleranzen der Anwendung. Die Funktion muss insbesondere auch für hohe Temperaturen und einen großen Abstand zwischen dem oder den Magneten und dem magnetfeldempfindlichen Element gewährleistet sein.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements, bei dem in der eingangs erwähnten Art die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Magnetfeldänderungen und die dadurch bewirkten Schaltflanken auswertbar sind, wird bei einer Vorbeibewegung des mit Permanentmagneten versehenen Geberelements am ortsfesten Sensorelement ein Ausgangssignal zur Erzeugung der Schaltflanken bewirkt. In vorteilhafter Weise wird dabei mit einem Feldverstärker, vorzugsweise ein weichmagnetisches Element, das an der dem Geberelement abgewandten Seite, also hinter dem Sensorelements angeordnet ist, am Ort der Messung die Messempfindlichkeit durch Fokussierung des Feldes erhöht.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dabei durch einen sehr einfachen Aufbau und die Möglichkeit einer besonders kostengünstigen Realisierung aus. Eine Integration in einen Halter für einen Halbleiterschaltkreis ist insbesondere bei einem Drehzahlsensor auf einfache Weise möglich. Vor allem bei kostengünstigen, hallbasierten Differentialsensoren auf der Basis von an sich bekannten AMR-, GMR- oder TMR-Technologien, wie sie zum Beispiel häufig in Drehzahlsensoren an Rädern eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, lässt sich die Reichweite des zu erfassenden Magnetfeldes mit geringem Aufwand verbessern, was insbesondere für die erwähnten Hall-Sensoren aufgrund ihrer begrenzten Empfindlichkeit von großem Vorteil ist.

Wenn das Geberelement zum Bespiel ein Geberrad ist, so können auf dessen Umfang eine Anzahl von Permanentmagneten zur Bildung eines sogenannten Multipoles angeordnet werden, die mit jeweils abwechselnder Polarität am Sensorelement vorbeiführbar sind. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem linear bewegten Geberelemente vorteilhaft anwendbar.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines mit einem Multipolring versehenen Geberrades als Geberelement für eine Magnetsensoranordnung mit einem Feldverstärker,
2 eine Schnittdarstellung der Magnetsensoranordnung nach der 1,
3 eine Darstellung von Verläufen des Magnetfeldes am Sensorelement in Abhängigkeit vom Winkel des Geberrades mit und ohne Feldverstärker,
4 eine Darstellung von Verläufen des Magnetfeldes am Sensorelement in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen dem Geberrades und dem Sensorelement und
5 ein Detail der Kurvenverläufe nach der 4 im Grenzbereich des Luftspaltes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist eine Magnetsensoranordnung 1 zur Erfassung der Drehbewegung eines Geberrades 2, zum Beispiel zur Erzeugung von Impulsen für vorgegebene Drehwinkel, relativ zu einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement 3, vorzugsweise ein Hallelement, gezeigt.
Die Magnetsensoranordnung 1 funktioniert in der Weise, dass auf dem Geberrad 2 ein sogenannter Multipolring 4 angebracht ist und die einzelnen Permanentmagneten 5 des Multipolrings 4 somit relativ zum magnetfeldempfindlichen Sensorelement 3 beweglich angeordnet sind, wobei rückseitig auf dem Sensorelement 3 ein Feldverstärker 6 positioniert ist.
Im Detail ist die zuvor beschriebene Anordnung auch aus 2 im Schnitt zu erkennen. Der Feldverstärker 6 besteht aus einem weichmagnetischen Material und erzeugt am Ort des Sensorelements 3 ein erhöhtes magnetisches Feld. Die Form des Feldverstärkers 6 richtet sich nach dem eingesetzten Sensorelement 3. Für einen Hall-Sensor als Sensorelement 3 mit einem oder mehreren magnetfeldempfindlichen Einzelelementen bietet sich hier eine Scheiben-, Zylinder oder Quaderform an, die zur eine Erhöhung der senkrechten Feldkomponente führt.
Kurvenverläufe des magnetischen Feldes am Ort des Sensorelements 3 sind jeweils aus 3 bis 5 zu entnehmen, die aus einer Simulation einer erfindungsgemäßen Anordndung verglichen mit einem Aufbau ohne eine Verwendung des Feldverstärkers 6 gewonnen worden sind. In der 3 ist eine Darstellung eines Verlaufs 10 ohne den Feldverstärker 6 und eines Verlaufs 11 mit dem Feldverstärker 6 in Abhängigkeit vom Drehwinkel gezeigt, wobei erkennbar ist, dass mit dem Feldverstärker 6 eine Erhöhung der Feldstärke um ca. 20% erreichbar ist und somit auch der maximale Grenzluftspalt zum Beispiel eines Raddrehzahlsensors ebenfalls erhöht werden kann.
In der 4 sind Verläufe des Magnetfeldes am Sensorelement 3 in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen dem Geberrad 2 und dem Sensorelement 3 dargestellt, wobei ein Verlauf 12 das magnetische Feld ohne den Feldverstärker 6 und ein Verlauf 13 das Feld mit dem Feldverstärker 6 zeigt. Die 5 zeigt ein Detail der Kurvenverläufe 12 und 13 nach der 4 im Grenzbereich des Luftspaltes zwischen 2,5 mm und 3,5 mm.
Für dieses ausgewählte Beispiel beträgt für eine maximal erforderliche Amplitude am Ort der Messung des magnetischen Feldes von ca. 2,5 mT die Erhöhung des Grenzluftspaltes circa 0,2 mm, wie aus den Kurvenverläufen 12 und 13 nach der 5 zu entnehmen ist. Während der herkömmliche Aufbau einer Magnetsensoranordnung ohne Feldverstärker einen maximalen Luftspalt von 2,76 mm zulässt, beträgt dieser mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Magnetsensoranordnung 1 hier 2,94 mm.

Claims

Magnetsensoranordnung, – zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements (3), bei dem die durch ein bewegtes Geberelement (2) verursachten Magnetfeldänderungen auswertbar sind, mit – einem Geberelement (2), das mindestens einen Permanentmagneten (5) aufweist, dessen Feldverlauf bei einer Vorbeibewegung des Geberelements (2) am ortsfesten Sensorelement (3) im Sensorelement (3) ein Ausgangssignal zur Erzeugung von Schaltflanken bewirkt und mit – einem Feldverstärker (6), der an der dem Geberelement (2) abgewandten Seite des Sensorelements (3) angeordnet ist.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Feldverstärker (6) ein fest auf dem Sensorelement (3) montiertes weichmagnetisches Element ist.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Feldverstärker (6) an einem Halter montiert ist, der zusammen mit dem Sensorelement (3) und Halbleiterschaltkreisen Bestandteil einer integriertem Sensoranordnung ist.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorelement (3) aus einem hallbasierten Differentialsensor aufgebaut ist.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Geberelement ein Geberrad (2) ist, auf dessen Umfang eine Anzahl von Permanentmagneten (5) angeordnet sind, die mit jeweils abwechselnder Polarität am Sensorelement (3) vorbeiführbar sind.