DE4418539A1 - Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß zur Messung der Relativlage zweier gegeneinander verschiebbarer Teile bzw. zur Abtastung eines Impulsrades Sensoren eingesetzt werden, die an ihnen vorbei laufende Oberflächen abtasten oder sich selbst bezüglich feststehender Körper bewegen. Solche Sensoren sind beispielsweise magnetoresistive Differentialsensoren, dies sind sogenannte Feldplattendifferentialsensoren oder Sensoren, die aus wenigstens zwei Hallelementen bestehen. Diese Differentialsensoren werden eingesetzt, damit mittels Differenzbildung zuverlässigere Auswertungen möglich sind.

Mit solchen Differentialsensoren, die ein Impulsrad abtasten läßt sich beispielsweise die Drehzahl eines Motors bzw. die Stellung der Kurbel- bzw. Nockenwelle ermitteln. Dazu ist auf der Kurbel- oder Nockenwelle eine Scheibe befestigt, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Markierungen bzw. Zähnen aufweist. Diese Schreibe dreht sich mit derselben Drehzahl wie die zugehörige Welle. Sie wird mit Hilfe des Differentialsensors abgetastet, dieser liefert dann ein Ausgangssignal, das Oszillationen aufweist, die direkt proportional zur Drehzahl sind.

Solche Differentialsensoren sind beispielsweise aus der DE-OS 35 10 651 bekannt. Bei all diesen Sensoren besteht prinzipiell das Problem, daß die Auflösung durch den Abstand der beiden Sensorelemente, also bei Differenz-Hall-Sensoren durch den Abstand der beiden Hallelemente festgelegt wird. Wird mit einem solchen Sensor beispielsweise ein Zahnrad abgetastet, muß an die Zahnteilung, also die Strecke Zahn plus Zwischenraum die Anforderung gestellt werden, daß diese Zahnteilung größer ist als der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen. Da dieser Abstand bei herkömmlichen Sensoren relativ groß und vor allem kaum beeinflußbar ist, kann die Auflösung des bekannten Sensors bzw. der bekannten Sensoren nicht in erforderlicher Weise erhöht werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile weist demgegenüber den Vorteil auf, daß eine deutliche Steigerung der Auflösung erzielt werden kann. Es ist somit eine genauere Bestimmung der Relativlage bzw. in Verbindung mit einer Drehzahl oder Positionserfassung eine Steigerung der Genauigkeit gegenüber den herkömmlichen Sensoren möglich.

Erzielt werden diese Vorteile, indem die Sensorelemente gegenüber der abzutastenden Spur von Markierungen um einen bestimmten Winkel verdreht werden, so daß letztendlich der die Auflösung bestimmende Abstand zwischen den Sensorelementen bezogen auf das abzutastende Teil verringert wird.

Eine weitere Möglichkeit, diese Vorteile zu erzielen besteht darin, daß das abzutastende Teil zwei gegeneinander verschobene Spuren aufweist, die so gegeneinander verschoben sind, daß die Verschiebung gleich der Hälfte der Summe aus der Markierungslänge und dem Markierungsabstand ist. Es sind dabei die beiden Sensorelemente so angeordnet, daß die eine Spur mit dem einen und die andere Spur mit dem anderen Sensorelement zusammenwirkt, so daß die für die Auflösung der Anordnung wesentliche Strecke die Sensorelementausdehnung ist und nicht der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen.

Weitere Vorteile der Erfindung bzw. weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung werden mit Hilfe der in den Unteransprüchen angegebenen Ausgestaltungen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß sich je nach Erfordernissen entweder ein Verdrehen des Sensors oder der Einsatz einer zweiten Spur von Markierungen vornehmen läßt. Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung im Zusammenhang mit der Abtastung von Impulsrädern einsetzen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen Fig. 1 eine beispielsweise aus der DE-OS 35 10 651 bekannte Anordnung, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit gedrehten Sensorelementen und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei getrennten Markierungsspuren, die mit Hilfe zweier Sensorelemente abgetastet werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein Teil eines Impulsrades in Seitenansicht dargestellt, die Bewegungsrichtung ist durch einen Pfeil 11 markiert. An der Oberfläche des Impulsrades befinden sich eine Anzahl A von Markierungen 12 und Zwischenräume 13, wobei die Länge der Markierungen mit a und die Zwischenräume mit b bezeichnet sind. Mit t ist eine Strecke bezeichnet, die der Länge einer Markierung und eines Zwischenraumes entspricht. Das Impulsrad 10 bzw. seine Oberfläche mit den Markierungen 12 und den Zwischenräumen 13 wird mit Hilfe zweier Sensorelemente 14, 15 abgetastet, die bei diesem Beispiel feststehend sind. Der Mitte-Mittel-Abstand der beiden Sensorelemente beträgt s, die beiden Sensorelemente sind in einem integrierten Schaltkreis 16 integriert. Die Kantenlänge eines Sensorelementes ist mit k bezeichnet. Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung.

Bewegt sich das Impulsrad 10 an den magnetfeldempfindlichen Sensorelementen vorbei, erfahren diese eine Modulation des Magnetfeldes ΔB und generieren dabei am Sensorausgang ein Signal, das die Bewegung und die Oberfläche des Impulsrades 10 wiedergibt. Das Entstehen des Signals weist daher eine drehzahlabhängige Frequenz auf. Die realisierbare Zahnteilung t des Impulsrades wird beschränkt durch den Abstand s der beiden Sensorelemente und damit auch die Auflösung des Systems. Bei einer optimalen Anpassung ist eine Zahnteilung von t = 2s möglich.

Mit den in den Fig. 2 und 3 angegebenen Anordnungen lassen sich Zahnteilungen von t kleiner 2s auswerten. Bei diesen Ausführungsformen ist die Zahnteilung des Impulsrades bzw. die Summe der Strecken a+b nicht durch den Abstand 2s begrenzt.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, dabei sind die einzelnen Elemente entsprechend Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 ist dabei die Darstellung nach Fig. 1 von unten zu sehen, im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 1 ist in Fig. 2 die Sensoranordnung mit den beiden Sensorelementen 14 und 5 nicht in einer Linie zur Markierungsspur auf dem Impulsrad 10 sondern um einen Winkel α gedreht. Es wird bei einer solchen Anordnung für die Auflösung nicht der Abstand s zwischen den beiden Sensorelementen wirksam sondern der verkleinerte Abstand s1. Je größer der Winkel α ist, desto kleiner kann s1 gemacht werden. Es ist dazu lediglich erforderlich, daß die Dicke d1 des Impulsrades 10 bzw. der Markierungen 12 und der Zwischenräume 13 größer ist als der Abstand s zwischen den beiden Sensorelementen 14 und 15.

Das in Fig. 2 erkennbare Verdrehen des Impulsrades bezüglich der Sensorelemente setzt voraus, daß die Kantenlänge der Sensorelemente k viel kleiner als s ist. Es wird dann der wirksame Systemabstand von s auf s1 reduziert. Damit wird die Zahnteilung t des Impulsrades nicht durch 2s oder 2s1 begrenzt, sondern durch die Sensorkantenlänge k und zwar gilt, daß t_min = 2k.

Um ein Impulsrad mit kleiner Zahnteilung an einen Sensor mit großem Abstand der Einzelelemente anzupassen kann ein System entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 aufgebaut werden. Es wird dabei der Sensor 14 gegenüber der bekannten Anordnung nach Fig. 1 um 90° gedreht. Zur Modulation des zweiten Sensorelementes wird ein zweites Impulsrad 18 mit Markierungen bzw. Zähnen 12a und Zwischenräumen 13a eingesetzt. Die Längen der Markierungen 12a bzw. der Zwischenräume 13a sind vorzugsweise gleich wie beim Impulsrad 10. Die beiden Impulsräder 10 und 18 werden dabei um eine halbe Zahnteilung t/2 gegeneinander verdreht. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im übrigen gleiche Bestandteile wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 oder 2 versehen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Zahnteilung t nicht durch den Systemabstand s des Sensors sondern durch die Kantenlänge k der einzelnen Bauelemente bestimmt, es gilt dabei t_min = 2k. Dieser Wert ist bei herkömmlichen Sensoren wesentlich kleiner als s.

Die beiden Impulsräder 10, 18 sind vorzugsweise durch einen Distanzring 19 voneinander getrennt. Die Dicke d2 dieses Rings hängt vom Systemabstand s, der Kantenlänge k des Sensors und von der Breite bzw. Dicke der Impulsräder d1, d1a ab. Der Ring besteht vorzugsweise aus unmagnetischem Material, welches die beiden Impulsräder entkoppelt, so daß die wirksame Magnetfeldänderung AB vergrößert wird. Der nicht magnetische Distanzring 19 bewirkt somit eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit.

Mit den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen können Impulsräder mit kleiner Zahnteilung t an Sensoren mit großem Systemabstand s bzw. großem Abstand zwischen den einzelnen Sensorelementen eingesetzt werden. Insbesondere im Zusammenhang mit der Erfassung von Drehzahlen der Kurbel- oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine und der daraus abgeleiteten Ermittlung von Einspritzzeitpunkten und Zündzeitpunkten lassen sich gegenüber herkömmlichen Systemen deutliche Verbesserungen erzielen.

Zur Minimierung von Bauraum und Verbesserung der Auflösung bei der Drehzahlerfassung können Impulsräder mit einer großen Anzahl von Zähnen bei gleichzeitig kleinem äußeren Durchmesser des Impulsrades eingesetzt werden. Der Systemabstand des Sensors ist üblicherweise fest vorgegeben und der Sensor in seinen äußeren geometrischen Abmessungen begrenzt.

Auch wenn sich die beiden Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 und Fig. 3 auf Impulsräder mit einer inkrementalen Oberfläche beschränken, kann die Erfindung für beliebige Systeme, also auch lineare Positionsbestimmungen eingesetzt werden. Es kann sich dabei entweder der Körper mit den Markierungen oder der Körper, der den Sensor mit den beiden Sensorelementen trägt bewegen.

Bei der Abtastung einer Oberfläche mit einer Singularität läßt sich mit Hilfe der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Sensoranordnungen eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Festlegung der Singularität erzielen, da auch bei der Abtastung nur einer Zahnflanke diese durch die Schrägstellung der Sensoranordnung innerhalb eines geringeren Winkelintervalles von beiden Sensorelementen abgetastet wird.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile, mit einem ersten Teil, das eine Spur mit einer Anzahl (A) von Markierungen der Länge (a) mit einem Abstand (b) voneinander aufweist und einem zweiten Teil, das mit einem Sensor mit wenigstens zwei Sensorelementen, die voneinander einen Abstand (s) aufweisen, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente bezogen auf die Anordnung der Markierungen des ersten Teils um einen Winkel (α) verdreht sind, so daß sich bezogen auf das erste Teil ein die Auflösung bestimmender Abstand (s1) zwischen den Sensorelementen (14, 15) ergibt.

2. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile, mit einem ersten Teil, das eine Spur mit einer Anzahl (A) von Markierungen der Länge (a) mit einem Abstand (b) voneinander aufweist und einem zweiten Teil, das mit einem Sensor mit wenigstens zwei Sensorelementen, die voneinander einen Abstand (s) aufweisen verbunden ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil zwei gegeneinander um eine Strecke, die der Hälfte der Summe aus Markierungslänge (a) und Markierungsabstand (b) entspricht, verschobene Spuren aufweist und der Sensor so ausgerichtet wird, daß eine Spur mit dem einen und die andere Spur mit dem anderen Sensorelement (14, 15) zusammenwirkt, so daß der die Auflösung bestimmende Abstand die Sensorelementausdehnung (k) ist.

3. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil ein Impulsrad ist, das mit einer rotierenden Welle einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht.

4. Einrichtung zum Messen der Relativlage zweier Teile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit dem Steuergerät der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und dieses in Abhängigkeit von den vom Sensor gelieferten Meßwerten die für die Regelung der Brennkraftmaschine erforderlichen Größen wie Zündzeitpunkt und Einspritzzeitpunkt bzw. Dauer ermittelt.

5. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Feldplatten-Differentialsensor oder ein Hall-Differentialsensor verwendet wird.

6. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Impulsrad vom ersten Impulsrad durch einen Distanzring getrennt ist.

7. Einrichtung zur Messung der Relativlage zweier Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Impulsräder aus magnetischem Material und der Ring aus unmagnetischem Material gefertigt sind.