DE3132549A1

DE3132549A1 - Vorrichtung zur erfassung der drehzahl von rotierenden teilen

Info

Publication number: DE3132549A1
Application number: DE19813132549
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing.Dr. Neuffer; Karl-Franz Dipl.-Phys. 7000 Stuttgart Reinhart; Manfred Dipl.-Ing. 7521 Kraichtal Rothley; Erich Dr.-Ing. 7513 Stutensee Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-08-18
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1983-03-03
Also published as: JPS6349724Y2; JPS5837567U; DE3132549C2; US4506217A

Description

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2U.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus dem Siemens-Datenbuch 76/77 "Magnetabhängige Halbleiter", Seite 16O, ist ein Feldplatten-Differentialfühler bekannt, der zum Aufnehmen von Drehzahlen geeignet ist. Der Feldplatten-Diffenrential-Fühler besteht aus zwei Feldplatten, die auf einen Weicheisen-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, ange'nähert, so stellt sich eine Widerstandsänderung der Feldplatten ein. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sie stark temperaturabhängig ist. Die Feldplatten werden aufgeklebt, so daß bei hohen Temperaturen die Klebeschicht den Feldplatten-Mäander zerstören kann. Außerdem muß die magnetische Vorspannung sehr hoch sein, so daß ein hochwertiger und damit teurer Magnet nötig wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat.demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr viel kostengünstiger herzustellen ist. Die Permalloy-Widerstandsbahnen können leicht auf ein Substrat aufgedampft werden. Für die magnetische Ansteuerung genügt ein billiger, kleiner Magnet, da die benötigte Vorspannung gering ist. Die Vorrichtung ist für hohe Temperaturen einsetzbar und thermisch sehr stabil. Durch die in dem Unteranspruch angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Anordnung der Widerstandsbahnen ein gleichzeitiges Messen von Zähnen und Bezugsmarken möglich ist.

Zeichnung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 die perspektivische Ansicht eines Teils der Zahnscheibe mit dem Sensor und dem Magneten, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils der Zahnscheibe, des Sensors und des Magneten mit magnetischen Feldlinien und Figur 3 den Kurvenverlauf des Widerstandes über die magnetische Feldstärke.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Die physikalische Grundlage zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem Magnetowiderstandseffekt, 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 ferromagnetIschen Magnetisierung abhängt.

In Figur 1 ist eine Zahnscheibe mit 1 bezeichnet, die auf ihrem. Umfang eine Vielzahl von Zähnen 2 aufweist. Den Zähnen gegenüber liegt der Sensor 3₅ der ein Silizium-Substrat k aufweist, auf das in Dünnschichttechnik eine Viereranordnung von Permalloy-Widerständen 5, 6, T₅ 8 aufgedampft ist. Parallel zum Sensor 3 ist in geringem Abstand ein Magnet 9, vorzugsweise ein Dauermagnet, angeordnet, 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 der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert werden. Der Abstand der Widerstände 5 ^is 8 in der eingezeichneten Laufrichtung 11 ist der Zahngeometrie angepaßt und entspricht der Hälfte des Abstandes von Zahn zu Zahn. Diese Anikas sung ergibt eine maximale Amplitude der Ausgangsapannung. Die Widerstände 5 bis 8 sind bei Abtastung nur der Zähne 2 vorzugsweise als Brückenschaltung zusammengeschaltet und die Ausgangs spannung 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 Ausgangsspannung ergibt sich eine sinusförmige Wechselspannung.

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Die Widerstandsbahnen sind zur Laufrichtung 11 und zur magnetischen Vorspannung, die durch die dicken weißen Pfeile 12 dargestellt sind, unter einem Winkel von ^5 angeordnet. Unter diesem Winkel "besitzt der Widerstand die größte Empfindlichkeit. Der Magnet 9 ist im Abstand von ungefähr 5 mm zum Substrat h positioniert und muß, tangential zur Zahnscheibe 1 gesehen, langer als der Abstand der Widerstände in dieser Richtung sein, z.B. um den Faktor 3, damit die in der Figur 2 mit 13 bezeichneten Feldkomponenten weit genug von den Widerständen 5, 8 bzw. 6, 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 lh, 15 maßgebend sind. Die Breite des Magneten 9 ist so gewählt, daß das Widerstandspaar 5, 6 den Feldkomponenten 1U und das Widerstandspaar Ts 8 den Feldkomponenten 15 ausgesetzt sind. In der in Figur 2 gezeichneten Zahnscheibenstellung werden die Bahnen der Widerstände 5, 8 vorwiegend senkrecht von den durch die dicken schwarzen Pfeile angedeuteten Feldlinien 16 geschnitten, während bei den Widerständen 6, T die Feldlinien 17 mehr in Bahnrichtung 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 Figur 3 ist der Widerstandsverlauf in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke dargestellt. Unter dem Kurvenverlauf sind die Widerstandsbahnen und die Feldstärkerichtungen, wie in Figur 2 gezeigt, dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Widerstand bei Einwirkung der Feldlinien 17 höher ist als der Widerstand bei Einwirkung 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 J, 8 der Bezugsmarke 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 Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5> 6 ist als Ausgangsspannung die sinusförmige Wechselspannung abzunehmen, während an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen T₅ 8 pro Umdrehung ein Spannungsimpuls abgenommen wird, der durch die Änderung des Widerstandswertes der Widerstände T₅ 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 iiuszugleichen, sollen die Widerstände immer paarweise, vorzugsweise als Spannungsteiler betrieben werden. Durch Einspeisung des Spannungsteilers bzw. der Widerstandsbrücke mit Konstant strom wird die Temperaturabhängigkeit des Sensors teilweise kompensiert, so daß der Sensor 3 über einen weiten Temperaturbereich ohne große Ausgangsspannungsänderung betrieben werden. Die obere Temperaturgrenze des Sensors 3 liegt bei über 200 C, so daß er auch hohen Temperaturanforderungen genügt.

Claims

2U.6.198I Bt/Hm ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1 Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen mit einer mit den rotierenden Teilen verbundenen Zahnscheibe, einem die Zähne der Zahnscheibe abtastenden Sensor und einem Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Viereranordnung von ferromagnetischen Widerständen (5, 6, 7, 8) in Form von Bahnen auf ein Substrat (U) aufgebracht ist, das der Zahnscheibe (1) gegenüberliegt und daß der Abstand der Widerstände (5, 6, 7, 8) der Viereranordnung an die Geometrie der Zähne 2 und der Zahnlücken angepaßt ist.

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

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zahnscheibe (1) eine Bezugsmarke (1o) vorgesehen ist und daß zwei Widerstände (5₅ 6) der Viereranordnung die Zähne (2) und die anderen zwei Widerstände (Ts 8) die Bezugsmarke (10) abtasten.

h. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Widerstände (5» 6, 7₉ 8) in axialer Richtung der Zahnscheibe (1) so konzipiert p.aß sowohl die Zähne (2) als auch die Bezugsmarke (10) voll von den jeweiligen Widerständen (5» 6, T, 8) erfaßt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (5 bis 8) als Spannungsteiler bzw. als Widerstandsbriicke geschaltet sind und daß zur Temperaturkompensation ein Konstantstrom eingespeist wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen zur Laufrichtung (11) unter einem Winkel von ^5 angeordnet sind.

7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9) in tangentialer Richtung der Zahnscheibe 1 länger als der Abstand der Widerstände (5 bis 8) in dieser Richtung ist.

8. Vorrichtung nach eiern der Ansprüche 1 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen aus Permalloy "bestehen.