DE102007018238A1 - Device for detecting the rotational speed of a rotatable part - Google Patents

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Patrick Calandrini
Martin Gerhaeusser
Kurt Beck
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines rotierbaren Teils, die ein mit dem rotierbaren Teil koppelbares drehbewegliches magnetisches Polrad mit über den Umfang alternierend angeordneten magnetischen Nordpolen und Südpolen und Sensormittel umfasst, die ein magnetfeldempfindliches Sensorelement aufweisen, das das von dem Polrad erzeugte Magnetfeld erfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensormittel zwei in einem Abstand angeordnete magnetfeldempfindliche Sensorelemente und einen ferromagnetischen Flussleiter aufweisen.The invention relates to a device for detecting the rotational speed of a rotatable member comprising a rotatable magnetic coupling wheel rotatable with the rotatable member with circumferentially arranged alternately arranged magnetic north poles and south poles and sensor means having a magnetic field sensitive sensor element, that of the pole wheel detected magnetic field detected. It is proposed that the sensor means comprise two spaced magnetic field sensitive sensor elements and a ferromagnetic flux guide.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines rotierbaren Teils nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.The The invention is based on a device for detecting the rotational speed a rotatable part after the genus of the independent Claim 1.

Vorrichtungen zur Erfassung der Drehzahl von rotierbaren Teilen kommen in der Kraftfahrzeugindustrie in vielfältiger Form beispielsweise als Raddrehzahlsensoren, Nockenwellensensoren oder Kurbelwellensensoren zum Einsatz. Die dabei verwandten Messprinzipien sind vielfältig, wobei sich berührungslos arbeitende Systeme als robust gegenüber hohen Temperaturen und Verschmutzungen und damit als besonders vorteilhaft erwiesen haben. In der Kraftfahrzeugtechnik werden hierzu auch Vorrichtungen eingesetzt, die magnetfeldempfindliche Sensorelemente wie beispielsweise Hallsensorelemente, Feldplattensensoren oder magnetoresistive Sensoren wie AMR- oder GMR-Sensoren verwenden. Das magnetfeldempfindliche Sensorelement wird in der Nähe eines Rotors angeordnet, der mit der Drehzahl desjenigen Teiles rotiert, dessen Drehzahl erfasst werden soll. Neben den überwiegend eingesetzten magnetisch passiven Rotoren, beispielsweise Zahnrädern, werden auch magnetisch aktive Polräder mit alternierend angeordneten Nordpolen und Südpolen als Rotoren verwandt, da aufgrund des eigenen Magnetismus der Polräder das Sensorelement in einem größeren Abstand zum Rotor angeordnet werden kann, was vielfältigere Anwendungen erlaubt. Die Sensoren erfassen die Änderung der magnetischen Flussdichte oder Feldrichtung und ermitteln hieraus eine Drehzahl.devices for detecting the rotational speed of rotatable parts come in the Automotive industry in many forms, for example as wheel speed sensors, camshaft sensors or crankshaft sensors for use. The related measurement principles are manifold, where non-contact systems are robust against high temperatures and soiling and thus have proved to be particularly advantageous. In automotive engineering For this purpose, devices are used which are sensitive to magnetic fields Sensor elements such as Hall sensor elements, field plate sensors or magnetoresistive sensors such as AMR or GMR sensors. The magnetic field-sensitive sensor element is in the vicinity a rotor arranged at the speed of that part rotates whose speed is to be detected. In addition to the predominantly used magnetically passive rotors, for example gears, are also magnetically active Polräder with alternating North Poles and South Poles are used as rotors, because of the magnetism's own magnetism of the sensor element arranged at a greater distance from the rotor can be, which allows more diverse applications. The sensors capture the change in magnetic flux density or Field direction and determine a speed from this.

Eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines rotierbaren Teils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise bekannt aus der Fachzeitschrift „Bosch–Gelbe Reihe, Technische Unterrichtung, Elektrik und Elektronik für Kraftfahrzeuge, Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe, Juni 2001, ISBN-3-7782-2031-4, Seite 47 . Die bekannte Vorrichtung verwendet ein magnetisches Polrad mit alternierend angeordneten Nordpolen und Südpolen und Sensormittel, die ein Hallsensorelement umfassen, das bei einer Drehbewegung des Polrades mit wechselnder Polarität angesteuert wird und ein elektrisches Signal erzeugt, aus dem die Drehzahl des mit dem Polrad drehenden rotierbaren Teiles bestimmt wird. Bei diesen Vorrichtungen zur Erfassung der Drehzahl kann nur eine begrenzte Anzahl von Nord- und Südpolen auf dem Umfang des Polrades angeordnet werden. Da bei einer sehr großen Polzahl die einzelnen Pole immer kleiner werden, schwächt sich das Magnetfeld in Bezug auf die Drehachse des Polrades in radialer Richtung stark ab. Daher müssen die einzelnen Pole ausreichend groß bemessen werden, um in einem Abstand vom Polrad noch ein ausreichend großes Magnetfeld erfassen zu können. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass bei gleicher Drehzahl und einer größer werdenden Anzahl der über den Umfang angeordneten Pole die Frequenz der Magnetfeldänderung am Ort der Sensormittel stark ansteigt. Die üblicherweise verwandten Hallsensorelemente können jedoch sehr hohe Frequenzen nicht mehr ausreichend zuverlässig verarbeiten. Aus diesem Grund wird in der Praxis ein Mindestabstand zwischen der Mitte eines Nordpols und eine benachbarten Südpols des Polrades nicht unterschritten.A device for detecting the rotational speed of a rotatable member having the features of the preamble of claim 1 is known for example from the trade magazine "Bosch Yellow Series, Technical Instruction, Electrical and Electronics for Motor Vehicles, Sensors in Motor Vehicles", 1st edition, June 2001, ISBN-3-7782-2031-4, page 47 , The known device uses a magnetic pole wheel with alternately arranged north poles and south poles and sensor means comprising a Hall sensor element which is driven at a rotational movement of the pole wheel with alternating polarity and generates an electrical signal from which determines the speed of the rotating with the flywheel rotatable member becomes. In these devices for detecting the speed only a limited number of north and south poles can be arranged on the circumference of the flywheel. Since with a very large number of poles, the individual poles are getting smaller, the magnetic field weakens greatly in the radial direction with respect to the axis of rotation of the pole wheel. Therefore, the individual poles must be sized sufficiently large to be able to detect a sufficiently large magnetic field at a distance from the flywheel. Furthermore, it must be considered that at the same speed and an increasing number of circumferentially arranged poles, the frequency of the magnetic field change at the location of the sensor means increases sharply. However, the commonly used Hall sensor elements can not process very high frequencies reliably enough. For this reason, in practice, a minimum distance between the center of a north pole and an adjacent south pole of the pole wheel does not fall below.

Aus der oben zitierten Veröffentlichung sind auch Differentialhallsensoren bekannt, die zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Hallsensorelemente aufweisen, die in Kombination mit einem magnetisch passiven Rotor, insbesondere einem Zahnrad als Drehzahlgeber verwandt werden. Der Abstand der Hallsensoren entspricht dabei dem halben Zahnabstand des Zahnrades. Die hier als Sensormittel eingesetzten Differentialhallsensoren, weisen einen Dauermagneten auf, der mit einem dünnen ferromagnetischen Plättchen homogenisiert wird, das einen Pol des Dauermagneten vollständig abdeckt und auf dessen Oberfläche zwei magnetfeldempfindliche Sensoren angeordnet sind.Out The publications cited above also include differential Hall sensors known, the two spaced apart Hall sensor elements which, in combination with a magnetically passive rotor, in particular a gear as a speed sensor are used. Of the Distance of the Hall sensors corresponds to half the tooth spacing of the gear. The differential Hall sensors used here as sensor means, have a permanent magnet with a thin ferromagnetic Platelet is homogenized, which is one pole of the permanent magnet completely covering and on its surface two magnetic field sensitive sensors are arranged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 kombiniert die Vorteile von Sensormitteln, die zwei magnetfeldempfindlichen Sensorelemente aufweisen, die durch Erfassung des magnetischen Feldstärkenunterschiedes am Ort der beiden Sensorelemente eine zuverlässige Ermittlung der Drehzahl erlauben, mit den Vorteilen eines magnetisch aktiven Polrades, welches eine Magnetfelderfassung in größerem Abstand vom Polrad gestattet. Um das Drehzahlsignal zuverlässig erfassen zu können, ist es erforderlich, dass an am Ort der Sensorelemente eine ausreichend große Feldstärke vorhanden ist. Die Sensormittel werden daher in Bezug auf die Drehachse des Polrades in einem radialen Abstand vom Polrad angeordnet, der mindestens so groß bemessen ist, das eine Berührung des Polrades ausgeschlossen ist, und der höchstens so groß sein darf, dass die Sensorelemente noch eine ausreichend große Feldstärke erfassen. Der maximale Abstand der Sensormittel vom Polrad stellt eine Begrenzung der Gestaltungsfreiheit dar, die dem Entwickler aufgegeben ist.The inventive device with the characterizing Features of independent claim 1 combines the advantages of sensor means comprising two magnetic field-sensitive sensor elements, by detecting the magnetic field strength difference at the location of the two sensor elements a reliable determination allow the speed, with the benefits of a magnetically active pole wheel, which a magnetic field detection at a greater distance allowed by the flywheel. To the speed signal reliable It is necessary to be able to capture on location the sensor elements a sufficiently large field strength is available. The sensor means are therefore in relation to the axis of rotation of the pole wheel is arranged at a radial distance from the pole wheel, the is at least as large, that a touch of the pole wheel is excluded, and the maximum be so large may, that the sensor elements still a sufficiently large Capture field strength. The maximum distance of the sensor means from the pole wheel represents a limitation of the freedom of design, the abandoned to the developer.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verlauf der Feldlinien eines magnetischen Polrades am Ort der beiden Sensorelemente eines Sensormittels, welches nach dem Differentialmessprinzip arbeitet, ohne weitere Maßnahmen nicht optimal ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass einerseits der Abstand einer magnetischen Nordpolmitte von einer benachbarten Südpolmitte auf dem Umfang des Polrades einen durch die Obergrenze der Polanzahl vorgegebenen Mindestabstand von typischerweise 10 mm nicht unterschreiten sollte und andererseits die beiden magnetfeldempfindlichen Sensorelemente nicht in einem beliebig großen Abstand voneinander angeordnet sei können. Letzteres ist darauf zurückzuführen, dass die Sensorelemente preisgünstig auf einem gemeinsamen Chip hergestellt werden, beziehungsweise am Markt erhältliche Sensormittel verwandt werden, die zwei auf einem gemeinsamen Chip, beispielsweise einem Hall-IC-Chip angeordnete Hallsensoren verwenden. Aufgrund der Beschränkung der Chipgröße auf ein wirtschaftlich herstellbares Maximalmaß ist auch der Abstand der beiden Sensorelemente beschränkt. Typische Abstände der magnetfeldempfindlichen Sensorelemente liegen daher in der Größenordung von 2,5 mm und sind deutlich kleiner als der Abstand einer Nordpolmitte von einer benachbarten Südpolmitte des Polrades.The invention is based on the finding that the course of the field lines of a magnetic pole wheel at the location of the two sensor elements of a sensor means, which operates on the differential measuring principle, is not optimal without further measures. This is due to the fact that one on the other hand, the distance between a magnetic north pole center of an adjacent Südpolmitte on the circumference of the pole wheel should not fall below a predetermined by the upper limit of the number of poles minimum distance of typically 10 mm and on the other hand, the two magnetic field sensitive sensor elements can not be arranged at an arbitrarily large distance from each other. The latter is due to the fact that the sensor elements are inexpensively manufactured on a common chip, or on the market available sensor means are used which use two arranged on a common chip, such as a Hall IC chip Hall sensors. Due to the limitation of the chip size to an economically producible maximum dimension and the distance of the two sensor elements is limited. Typical distances of the magnetic field-sensitive sensor elements are therefore in the order of magnitude of 2.5 mm and are significantly smaller than the distance of a north pole center of an adjacent Südpolmitte the pole wheel.

Aus diesem Grund verlaufen die magnetischen Feldlinien in einer Drehstellung des Polrades, in welcher das erste Sensorelemente einem Nordpol gewandt ist und das zweite Sensorelement einen benachbarten Südpol zugewandt ist, relativ flach. Das heißt, die in radialer Richtung verlaufende, senkrecht zur Sensorfläche der Sensorelemente orientierte und daher für die Auswertung relevante Magnetfeldkomponente ist relativ klein, wohingegen die tangential zum Polrad verlaufende Magnetfeldkomponente, die parallel zur Sensorfläche orientiert ist und für die Auswertung weniger relevant ist, relativ groß ist. Da es aus den genannten Gründen nicht möglich ist, die Pole zu verkleinern oder aber die Sensorelement weiter beabstandet voneinander auf dem Chip anzuordnen, so dass die Sensorelemente den Polmitten eines benachbarten Nordpols und Südpols genau gegenüberliegen und die magnetischen Feldlinien senkrecht zu den Sensorflächen verlaufen, ist das von den Sensormitteln ausgewertete Signal nicht optimal, da der tangentiale Feldanteil am Ort der beiden Sensormittel gerade bei derjenigen Drehstellung am größten ist, die für die Signalauswertung eigentlich den größten Signalhub liefern sollte.Out For this reason, the magnetic field lines run in a rotational position of the pole wheel, in which the first sensor elements turned to a north pole and the second sensor element is an adjacent south pole facing, relatively flat. That is, in the radial Direction extending, perpendicular to the sensor surface of the sensor elements oriented and therefore relevant for the evaluation magnetic field component is relatively small, whereas the tangential to the flywheel Magnetic field component oriented parallel to the sensor surface and is less relevant for the evaluation, relatively is great. As it does not for the reasons mentioned it is possible to reduce the poles or continue the sensor element spaced from each other on the chip, so that the sensor elements exactly opposite the pole centers of a neighboring North Pole and South Pole and the magnetic field lines perpendicular to the sensor surfaces run, the signal evaluated by the sensor means is not optimal, since the tangential field share at the location of the two sensor means especially at that rotational position largest is, which is actually the largest for the signal evaluation Signal should deliver.

Es wurde gefunden, dass durch einen an den Sensormitteln angeordneten ferromagnetischen Flussleiter der Feldlinienverlauf vorteilhaft derart veränderbar ist, dass die senkrecht zur Sensorfläche der beiden Sensorelemente verlaufende Magnetfeldkomponente im Vergleich zu einem Sensorsmittel ohne ferromagnetischen Flussleiter deutlich vergrößert ist. Aus diesem Grund liefert ein Sensormittel, das zwei in einem Abstand angeordnete magnetfeldempfindliche Sensorelemente und einen ferromagnetischen Flussleiter aufweist, ein größeres Signal als ohne den ferromagnetischen Flussleiter. Die verbesserte Signalerfassung hat vielfältige vorteilhafte Auswirkungen auf Freiheitsgrade bei der anwendungsspezifischen Ausgestaltung der Vorrichtung.It was found that by one at the sensor means arranged ferromagnetic flux guides the field line course advantageous is variable such that the perpendicular to the sensor surface the two sensor elements extending magnetic field component in comparison to a sensor means without ferromagnetic flux guide clearly is enlarged. For this reason, a sensor means that provides two spaced magnetic field sensitive sensor elements and has a ferromagnetic flux guide, a larger one Signal as without the ferromagnetic flux guide. The improved Signal acquisition has many beneficial effects on degrees of freedom in the application-specific design the device.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.advantageous Training and developments of the invention are by allows the measures specified in the dependent claims.

Vorzugsweise bilden die Sensormittel ein Differenzsignal, insbesondere ein Differenzspannungssignal, der von den beiden Sensorelementen erzeugten Ausgangssignale, wobei die Sensorelemente vorzugsweise Hallsensorelemente sind. Vorteilhaft wird durch die Differenzsignalbildung vermieden, dass Schwankungen des Abstands der Sensormittel vom Polrad zu einer Signalverfälschung führen.Preferably the sensor means form a difference signal, in particular a differential voltage signal, the output signals generated by the two sensor elements, wherein the sensor elements are preferably Hall sensor elements. Advantageous is avoided by the difference signal formation that fluctuations the distance of the sensor means from the pole wheel to a signal distortion to lead.

Besonders vorteilhaft weisen die Sensorelemente jeweils eine dem Polrad zugewandte Sensorfläche auf, wobei das von dem Polrad erzeugte Magnetfeld wenigstens bei einer ersten Drehstellung des Polrades eine senkrecht zu der jeweiligen Sensorfläche verlaufende und eine parallel zu der Sensorfläche verlaufende Magnetfeldkomponente aufweist und wobei durch den ferromagnetischen Flussleiter die senkrecht zu der jeweiligen Sensorfläche verlaufende Magnetfeldkomponente zumindest in der ersten Drehstellung vergrößert wird. Hierdurch wird erreicht, dass der für die Signalauswertung relevante Signalhub vergrößert wird. In der ersten Drehstellung des Polrades ist das erste Sensorelement vorzugsweise einem magnetischen Nordpol und das zweite Sensorelement einem benachbarten magnetischen Südpol des Polrades zugewandt.Especially Advantageously, the sensor elements each have a pole wheel facing Sensor surface, wherein the magnetic field generated by the flywheel at least at a first rotational position of the pole wheel a vertical to the respective sensor surface extending and a parallel has magnetic field component extending to the sensor surface and wherein through the ferromagnetic flux guide perpendicular to the respective magnetic field extending magnetic field component enlarged at least in the first rotational position becomes. This ensures that the signal for the evaluation relevant signal swing is increased. In the first The rotational position of the pole wheel is preferably the first sensor element a magnetic north pole and the second sensor element an adjacent facing south magnetic pole of the pole wheel.

Die Sensormittel umfassen vorteilhaft einen Sensorkörper, beispielsweise einen Chip mit integriertem Schaltkreis, an dem die beiden Sensorelemente angeordnet sind.The Sensor means advantageously comprise a sensor body, for example a chip with integrated circuit, on which the two sensor elements are arranged.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sensorelemente räumlich zwischen dem Polrad und dem Flussleiter angeordnet. Hierdurch werden die Feldlinien nahezu senkrecht durch die Sensorelemente geleitet und die Signalerfassung verbessert. Weiterhin kann der Abstand zwischen Polrad und Sensormitteln vergrößert werden, was eine größere Freiheit bei der konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl erlaubt.In an advantageous embodiment of the invention the sensor elements spatially between the pole wheel and the Arranged flux conductor. As a result, the field lines are almost vertical passed the sensor elements and improves the signal detection. Furthermore, the distance between the rotor and sensor means can be increased What greater freedom in the constructive Design of the device for detecting the speed allowed.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das ferromagnetische Flussleitstück räumlich zwischen dem Polrad und den Sensorelementen angeordnet. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Richtung der Feldlinien relativ zu den Sensorelementen umgekehrt wird. Dadurch kann bei Sensorelementen mit Drehrichtungsausgabe eine Umstellung der Signalauswertung von Linkslauf auf Rechtslauf oder umgekehrt durch Anordnung des ferromagnetischen Flussleitstückes angepasst werden. Eine Drehung der Sensormittel in Bezug auf das Polrad ist hierzu nicht erforderlich.In another embodiment of the invention, the ferromagnetic flux guide is arranged spatially between the pole wheel and the sensor elements. In this way, it is advantageously achieved that the direction of the field lines is reversed relative to the sensor elements. As a result, sensor elements with direction output can have a Conversion of the signal evaluation from left to right rotation or vice versa by arranging the ferromagnetic flux guide to be adjusted. A rotation of the sensor means with respect to the pole wheel is not required for this purpose.

Als besonders geeignet haben sich plattenförmige Flussleiter erwiesen, die in einer zu einer gemeinsamen Ebene der Sensorelemente parallelen Ebene angeordnet ist.When plate-shaped flux conductors are particularly suitable proved in one to a common plane of the sensor elements arranged parallel plane.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description. Show it

1 einen schematisch Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines nicht dargestellten rotierbaren Teils, 1 a schematic structure of a known from the prior art device for detecting the rotational speed of a rotatable part, not shown,

2a zeigt eine Vorrichtung mit einem Polrad und zwei Sensorelementen und dient dem Verständnis der Erfindung, 2a shows a device with a pole wheel and two sensor elements and serves to understand the invention,

2b zeigt Komponenten des Magnetfeldes aus 2a am Ort eines Sensorelementes, 2 B shows components of the magnetic field 2a at the location of a sensor element,

3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, 3 schematically shows a first embodiment of the invention,

4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, 4 schematically shows a second embodiment of the invention,

5 zeigt den Verlauf des Ausgangssignals für die in 2a, 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen. 5 shows the course of the output signal for the in 2a . 3 and 4 illustrated devices.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines rotierbaren Teiles, beispielsweise einer Getriebewelle, Nockenwelle, Radwelle oder Kurbelwelle. Die Vorrichtung umfasst ein magnetisches Polrad 2 mit über den Umfang alternierend angeordneten Nordpolen 4 und Südpolen 5. Das Polrad ist um eine Drehachse 3 drehbeweglich gelagert und mit demjenigen Teil, dessen Drehzahl bestimmt werden soll, gekoppelt. Insbesondere kann das Polrad in Bezug auf das rotierbare Teil fest an diesem angeordnet sein. Als Sensormittel 6 wird ein Hallsensorelement verwandt, das in einem Abstand vom Polrad angeordnet werden wird, der einen Mindestabstand Cmin nicht unterschreiten darf, um das Polrad nicht zu berühren, und einen Maximalabstand Cmax nicht überschreiten darf, damit der Hallsensor noch ein ausreichend großes Magnetfeld erfasst und die Drehzahl fehlerfrei erfasst werden kann. Das Magnetfeld ist in 1 durch Feldlinien 10 angedeutet. Maßgeblich für die Größe des Ausgangssignals des Hallsensorelementes ist derjenige Anteil des Magnetfeldes der senkrecht durch die magnetfeld empfindlichen Flächen des Hallsensorelementes durchtritt. Bei einem einzelnen Hallsensorelement ist dies näherungsweise dann der Fall, wenn das Hallsensorelement der Mitte eines Nordpols oder Südpols genau gegenüberliegt. 1 shows a known from the prior art device for detecting the rotational speed of a rotatable member, such as a transmission shaft, camshaft, wheel shaft or crankshaft. The device comprises a magnetic pole wheel 2 with over the circumference alternately arranged north poles 4 and southern Poland 5 , The pole wheel is about a rotation axis 3 rotatably mounted and coupled with that part whose speed is to be determined. In particular, the pole wheel can be arranged fixedly in relation to the rotatable part. As sensor means 6 a Hall sensor element is used, which is located at a distance from the flywheel, which must not fall below a minimum distance Cmin, so as not to touch the flywheel, and a maximum distance Cmax must not exceed, so that the Hall sensor still detects a sufficiently large magnetic field and the speed can be detected without error. The magnetic field is in 1 through field lines 10 indicated. Decisive for the size of the output signal of the Hall sensor element is that portion of the magnetic field of the perpendicularly through the magnetic field sensitive surfaces of the Hall sensor element passes. For a single Hall sensor element, this is approximately the case when the Hall sensor element is exactly opposite the center of a north pole or south pole.

2a dient dem Verständnis der Erfindung. Dargestellt ist ein Sensormittel 6, welches zwei magnetfeldempfindliche Sensorelemente 7 und 8 aufweist, die in einem Abstand a voneinander angeordnet sind. Die Darstellung ist nur schematisch, weshalb das Polrad der Einfachheit halber nicht gekrümmt dargestellt ist und die senkrecht zur Papierebene gerichtete Drehachse nicht dargestellt ist. Die Sensorelemente 7, 8 des Sensormittels 6 können insbesondere Hallsensorelemente sein. Es kann sich aber auch um andere magnetfeldempfindliche Elemente handeln, beispielsweise Feldplattensensoren. Die Sensorelemente 7, 8 liefern jeweils als Ausgangssignal ein Spannungssignal und weisen jeweils eine erste Sensorfläche 7a, 8a und eine von dieser abgewandte zweite Sensorfläche 7b, 8b auf. Die Sensorelemente 7, 8 sind an einem gemeinsamen Sensorkörper 9 angeordnet, so dass die ersten Sensorflächen 7a, 8a und die zweiten Sensorflächen 7b, 8b in jeweils einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die vorzugsweise parallel zu der Drehachse 3 des Polrades 2 orientiert ist. Die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente sind Spannungssignale, aus denen ein Differenzspannungssignal gebildet wird. Die hierzu benötigte elektronische Schaltung kann in den Sensorkörper 9 beispielsweise in Form eines ICs integriert sein. 2a serves the understanding of the invention. Shown is a sensor means 6 , which two magnetic field sensitive sensor elements 7 and 8th has, which are arranged at a distance a from each other. The illustration is only schematic, which is why the flywheel for the sake of simplicity is not shown curved and the axis of rotation directed perpendicular to the paper plane is not shown. The sensor elements 7 . 8th of the sensor means 6 may be in particular Hall sensor elements. But it may also be other magnetic field sensitive elements, such as field plate sensors. The sensor elements 7 . 8th each deliver a voltage signal as an output signal and each have a first sensor area 7a . 8a and a second sensor surface facing away from this 7b . 8b on. The sensor elements 7 . 8th are on a common sensor body 9 arranged so that the first sensor surfaces 7a . 8a and the second sensor surfaces 7b . 8b are each arranged in a common plane, which are preferably parallel to the axis of rotation 3 of the pole wheel 2 is oriented. The output signals of the two sensor elements are voltage signals, from which a differential voltage signal is formed. The required electronic circuit can in the sensor body 9 for example, be integrated in the form of an IC.

Es wird angenommen, dass das Polrad mit einer Drehzahl φ rotiert. In 2a ist diejenige Drehstellung φ0 des Polrades dargestellt, bei welcher die Sensormittel 6 gerade den Übergangsbereich von einem Nordpol zu einem Südpol erfassen. In dieser Drehstellung ist das erste Sensorelement 7 einem Nordpol und das zweite Sensorelement 8 einem Südpol zugewandt oder umgekehrt. Aufgrund der gegensätzlichen Ausrichtung der magnetischen Feldlinien am Ort des ersten Sensorelementes 7 und des zweiten Sensorelementes 8 wird gerade für diese Drehstellung das größte Differenzspannungssignal, also die Amplitude des Differenzspannungssignals erwartet. Wie in 2a erkennbar ist, verlaufen die Feldlinien 10 am Ort der beiden Sensorelemente 7 und 8 jedoch bei dieser Drehstellung relativ flach. Wie in 2b für das Sensorelement 7 dargestellt ist, weist das Magnetfeld eine Ausrichtung M am Ort des Sensorelementes 7 auf, die eine relativ große tangentiale Komponente Mt und eine relativ kleine senkrechte Komponente Ms besitzt. Für die Größe der Hallspannung ist jedoch die senkrechte Komponente Ms maßgeblich, da nur diese senkrecht durch die magnetfeldempfindlichen Sensorflächen 7a, 7b hindurchtritt.It is assumed that the pole wheel rotates at a speed φ. In 2a the rotational position φ0 of the pole wheel is shown, in which the sensor means 6 just capture the transition area from a north pole to a south pole. In this rotational position, the first sensor element 7 a north pole and the second sensor element 8th facing a south pole or vice versa. Due to the opposite orientation of the magnetic field lines at the location of the first sensor element 7 and the second sensor element 8th is expected for this rotational position, the largest differential voltage signal, ie the amplitude of the differential voltage signal. As in 2a is recognizable, run the field lines 10 at the location of the two sensor elements 7 and 8th but relatively flat at this rotational position. As in 2 B for the sensor element 7 is shown, the magnetic field has an orientation M at the location of the sensor element 7 which has a relatively large tangential component Mt and a relatively small vertical component Ms. However, the vertical component Ms is measured for the magnitude of the Hall voltage bleached, as only these are perpendicular through the magnetic field-sensitive sensor surfaces 7a . 7b passes.

In 5 ist der Verlauf des Differenzspannungssignals des Sensormittels 6 für die in 2a dargestellte Vorrichtung durch den Verlauf der Kurve 20 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate das Differenzspannungssignal ΔU aufgetragen. Der Zeitpunkt t2 entspricht dem Zeitpunkt, an dem das Polrad gerade die in 2 dargestellte Drehstellung 90 in Bezug auf die Sensorelemente 7 und 8 einnimmt. Der Zeitpunkt t1 entspricht einer früher durchlaufenen Drehstellung in der in 2 der dargestellte Nordpol 4 und Südpol 5 vertauscht werden müsste. In 5 ist zu erkennen, dass die Amplitude der Kurve 20 relativ klein ist.In 5 is the course of the differential voltage signal of the sensor means 6 for the in 2a illustrated device through the course of the curve 20 shown. The abscissa represents the time t and the ordinate the differential voltage signal ΔU. The time t2 corresponds to the time at which the flywheel just in 2 illustrated rotational position 90 with respect to the sensor elements 7 and 8th occupies. The time t1 corresponds to a previously traversed rotational position in the in 2 the illustrated North Pole 4 and South Pole 5 would have to be reversed. In 5 it can be seen that the amplitude of the curve 20 is relatively small.

Bei einer Vergrößerung des Abstandsmaßes a der beiden Sensorelemente 7, 8 oder bei einer Verkleinerung des Abstandes b der Mittelpunkte eines benachbarten Nordpols und Südpols in 2a würden die Feldlinien zwar weniger flach durch die Sensorelemente 7 und 8 hindurchtreten, jedoch kann aus den bereits verwähnten Gründen dieses Verhältnis nicht beliebig angepasst werden. In der Praxis beträgt der maximale Abstand der beiden Sensorelemente 7 und 8 etwa 2,5 mm, wohingegen der Abstand von Nordpolmitte zu Südpolmitte 10 mm kaum unterschreitet, und das Sensormittel 8,5 mm vom Polrad entfernt angeordnet werden kann. Bei einer Verkleinerung des Abstandes b der Pole müssten die Sensormittel 6 aufgrund des dann schwächeren Magnetfeldes näher am Polrad 2 angeordnet werden. Eine Vergrößerung des Abstandes a der Sensorelemente ist ebenfalls nicht geeignet, da die Sensormittel auf Halbleiterbasis herstellt werden und eine starke Vergrößerung des Abstandes a die Sensormittel erheblich verteuern würde.With an increase in the distance measure a of the two sensor elements 7 . 8th or by a reduction of the distance b of the centers of an adjacent north pole and south pole in 2a Although the field lines would be less flat by the sensor elements 7 and 8th However, for the reasons already mentioned, this ratio can not be adjusted arbitrarily. In practice, the maximum distance between the two sensor elements 7 and 8th 2.5 mm, whereas the distance from the center of the north pole to the center of the south pole barely drops below 10 mm, and the sensor means can be placed 8.5 mm away from the pole wheel. With a reduction of the distance b of the poles, the sensor means 6 due to the then weaker magnetic field closer to the pole wheel 2 to be ordered. An increase in the distance a of the sensor elements is also not suitable, since the sensor means are produced on a semiconductor basis and a large increase in the distance a would significantly increase the cost of the sensor means.

Erfindungsgemäß wird das Sensormittel 6 mit einem ferromagnetischen Flussleiter 11 versehen. In dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ferromagnetische Flussleiter 11 plattenförmig auf den gemeinsamen Sensorkörper 9 der Sensormittel 6 und in Bezug auf das Polrad 2 hinter den Sensorelementen 7 und 8 aufgebracht, das heißt, die Sensorelemente 7 und 8 sind zwischen dem Polrad 2 und dem Flussleiter 11 angeordnet. Der plattenförmige ferromagnetische Flussleiter 11 aus weichmagnetischen Substrat bedeckt dabei nahezu die gesamte von dem Polrad abgewandte Seite des Sensorkörpers 9. Der Flussleiter 11 ist vorzugsweise in seiner lateralen Ausdehnung so groß ausgebildet, dass er die Sensorelemente 7 und 8 auf der von dem Polrad 2 abgewandte Rückseite des Sensorköpers 9 überdeckt. In 3 ist die gleiche Drehstellung φ0 des Polrads wie in 2a dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die magnetischen Feldlinien 10 durch den plattenförmigen Flussleiter verformt werden. Die aus dem Nordpol 4 austretenden Feldlinien 10 werden am Ort des ersten Sensorelementes 7 zu dem hinter dem Sensorelement 11 angeordneten Flussleiter 11 abgebogen, so dass sie die Sensorflächen 7a und 7b nahe senkrecht durchdringen. Im Flussleiter 11 werden die Feldlinien gebündelt und treten endseitig im Bereich des zweiten Sensorelementes 8 in Richtung Südpol 5 wieder aus, wobei die Sensorflächen 8a und 8b ebenfalls im wesentlichen senkrecht durchdrungen werden. Als Resultat wird die senkrechte Komponente Ms des Magnetfeldes am Ort der Sensorelemente 7 und 8 vergrößert und die tangentiale Komponente Mt verkleinert.According to the invention, the sensor means 6 with a ferromagnetic flux guide 11 Mistake. In the in 3 illustrated first embodiment of the invention is the ferromagnetic flux guide 11 plate-shaped on the common sensor body 9 the sensor means 6 and in relation to the pole wheel 2 behind the sensor elements 7 and 8th applied, that is, the sensor elements 7 and 8th are between the pole wheel 2 and the river conductor 11 arranged. The plate-shaped ferromagnetic flux guide 11 From soft magnetic substrate covers almost the entire side facing away from the pole of the sensor body 9 , The river conductor 11 is preferably formed in its lateral extent so large that it the sensor elements 7 and 8th on the from the pole wheel 2 remote rear side of the sensor body 9 covered. In 3 is the same rotational position φ0 of the pole wheel as in 2a shown. It can be seen that the magnetic field lines 10 be deformed by the plate-shaped flux guide. The from the North Pole 4 exiting field lines 10 be at the location of the first sensor element 7 to the one behind the sensor element 11 arranged flux conductors 11 bent so that they are the sensor surfaces 7a and 7b penetrate vertically. In the river ladder 11 the field lines are bundled and end up in the area of the second sensor element 8th in the direction of the South Pole 5 again off, with the sensor surfaces 8a and 8b are also penetrated substantially perpendicularly. As a result, the perpendicular component Ms of the magnetic field becomes the location of the sensor elements 7 and 8th increases and decreases the tangential component Mt.

Das Ergebnis ist in 5 anhand der Kurve 21 erkennbar. Die Amplitude des Differenzspannungssignals ist um den Betrag d zum Zeitpunkt t2 oder t1, also in zu den für die Signalauswertung relevanten, periodisch wiederkehrenden Zeiten, signifikant vergrößert. Dadurch werden Signalfehler zuverlässiger vermieden. Weiterhin ist es aufgrund des stärkeren Signals möglich, den Maximalabstand Cmax zwischen dem Polrad und den Sensormitteln zu vergrößern, was mehr Freiheiten bei der konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung zur Drehzahlerfassung erlaubt.The result is in 5 based on the curve 21 recognizable. The amplitude of the differential voltage signal is significantly increased by the amount d at the time t2 or t1, ie in the periodically recurring times relevant to the signal evaluation. This avoids signal errors more reliably. Furthermore, it is possible due to the stronger signal to increase the maximum distance Cmax between the flywheel and the sensor means, which allows more freedom in the structural design of the device for speed detection.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der ferromagnetische Flussleiter auf der dem Polrad 2 zugewandten Seite des Sensorkörpers 9 der Sensormittel 6 angeordnet. In diesem Fall ist der Flussleiter 11 räumlich zwischen dem Polrad 2 und den Sensorelementen 7, 8 angeordnet. Wie in dem Ausführungsbeispiel aus 3 ist der ferromagnetische Flussleiter plattenförmig ausgebildet und überdeckt in seiner lateralen Ausdehnung die Sensorelemente 7 und 8. Wie in 4 zu erkennen ist, werden in diesem Fall die Feldlinien 10 so abgebogen, dass die aus dem Nordpol 4 austretenden Feldlinien auf der von dem Polrad 2 abgewandten Seite der Sensormittel in die Sensorfläche 7b des ersten Sensorelementes 7 eintreten und aus der Sensorfläche 7a wieder austreten. Anschließend treten sie durch die Sensorfläche 8a in das Sensorelement 8 ein und durch die Sensorfläche 8b wieder aus und werden schließlich in Richtung Südpol 5 umgebogen. In Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel aus 3 stellt sich daher eine Umkehrung der Richtung ein, in der die Feldlinien die beiden Sensorelemente 7 und 8 durchdringen. Das Ausgangssignal der Sensormittel 6 wird durch die Kurve 22 in 5 angegeben. Man erkennt die Umkehrung des Vorzeichens des Differenzspannungssignals. Dieser Effekt kann beispielsweise bei Drehzahlsensoren mit Drehrichtungsauswertung, die in einem ASIC integriert dargestellt sind, zum Umstellen der Drehrichtungsausgabe verwendet werden, ohne die Notwendigkeit, die gesamten Sensormittel um 180° zu drehen oder zwei Bauvarianten zu bevorraten.A second embodiment of the invention is in 4 shown. In this embodiment, the ferromagnetic flux guide is on the pole wheel 2 facing side of the sensor body 9 the sensor means 6 arranged. In this case, the flux conductor 11 spatially between the pole wheel 2 and the sensor elements 7 . 8th arranged. As in the embodiment of 3 the ferromagnetic flux guide is plate-shaped and covers in its lateral extent the sensor elements 7 and 8th , As in 4 can be seen, in this case, the field lines 10 so bent that from the North Pole 4 exiting field lines on the of the pole wheel 2 remote side of the sensor means in the sensor surface 7b of the first sensor element 7 enter and out of the sensor area 7a exit again. Then they pass through the sensor surface 8a in the sensor element 8th in and through the sensor surface 8b go out again and finally head towards the South Pole 5 bent. In comparison with the embodiment of 3 Therefore, a reversal of the direction sets in which the field lines the two sensor elements 7 and 8th penetrate. The output signal of the sensor means 6 gets through the bend 22 in 5 specified. One recognizes the reversal of the sign of the differential voltage signal. This effect can be used, for example, in rotating direction evaluation rotational speed sensors integrated in an ASIC to change the direction of rotation output, without the need to rotate the entire sensor means 180 ° or to stock two types of construction.

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Claims (10)

Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines rotierbaren Teils umfassend ein mit dem rotierbaren Teil koppelbares drehbewegliches magnetisches Polrad (2) mit über den Umfang alternierend angeordneten magnetischen Nordpolen (4) und Südpolen (5), und mit Sensormitteln (6), die ein magnetfeldempfindliches Sensorelement aufweisen, das das von dem Polrad (2) erzeugte Magnetfeld erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (6) zwei in einem Abstand (a) angeordnete magnetfeldempfindliche Sensorelemente (7, 8) und einen ferromagnetischen Flussleiter (11) aufweisen.Device for detecting the rotational speed of a rotatable part comprising a rotatable magnetic pole wheel which can be coupled to the rotatable part ( 2 ) with magnetic north poles arranged alternately over the circumference ( 4 ) and southern Poland ( 5 ), and with sensor means ( 6 ), which have a magnetic field-sensitive sensor element, that of the pole wheel ( 2 detected magnetic field, characterized in that the sensor means ( 6 ) two magnetic field-sensitive sensor elements arranged at a distance (a) ( 7 . 8th ) and a ferromagnetic flux guide ( 11 ) exhibit. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (6) ein Differenzsignal, insbesondere ein Differenzspannungssignal, der von den beiden Sensorelementen (7, 8) erzeugten Ausgangssignale bilden, wobei die Sensorelemente (7, 8) vorzugsweise Hallsensorelemente sind.Device according to claim 1, characterized in that the sensor means ( 6 ) a difference signal, in particular a differential voltage signal, of the two sensor elements ( 7 . 8th ) generate output signals, wherein the sensor elements ( 7 . 8th ) are preferably Hall sensor elements. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) jeweils eine dem Polrad (2) zugewandte Sensorfläche (7a, 8a) aufweisen und dass das von dem Polrad (2) erzeugte Magnetfeld wenigstens bei einer ersten Drehstellung (φ0) des Polrades eine senkrecht zu der jeweiligen Sensorfläche (7a, 8a) verlaufende Magnetfeldkomponente (Ms) und eine parallel zu der Sensorfläche verlaufende Magnetfeldkomponente (Mt) aufweist und dass durch den ferromagnetischen Flussleiter (11) die senkrecht zu der jeweiligen Sensorfläche verlaufende Magnetfeldkomponente (Ms) zumindest in der ersten Drehstellung (φ0) vergrößert wird.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor elements ( 7 . 8th ) one each the pole wheel ( 2 ) facing sensor surface ( 7a . 8a ) and that of the pole wheel ( 2 ) generated at least at a first rotational position (φ0) of the pole wheel a perpendicular to the respective sensor surface ( 7a . 8a ) and a parallel to the sensor surface extending magnetic field component (Mt) and that by the ferromagnetic flux guide ( 11 ) extending perpendicular to the respective sensor surface magnetic field component (Ms) at least in the first rotational position (φ0) is increased. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Drehstellung (φ0) des Polrades (2) ein erstes Sensorelement (7) einem magnetischen Nordpol (4) zugewandt ist und ein zweites Sensorelement (8) dem magnetischen Südpol (5) des Polrades zugewandt ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that in the first rotational position (φ0) of the pole wheel ( 2 ) a first sensor element ( 7 ) a magnetic north pole ( 4 ) and a second sensor element ( 8th ) the magnetic south pole ( 5 ) facing the pole wheel. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (6) einen Sensorkörper (9), insbesondere einen Hall-IC-Chip aufweisen, an dem die beiden Sensorelemente (7, 8) angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized in that the sensor means ( 6 ) a sensor body ( 9 ), in particular a Hall IC chip, on which the two sensor elements ( 7 . 8th ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) räumlich zwischen dem Polrad (2) und dem Flussleiter (11) angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized in that the sensor elements ( 7 . 8th ) spatially between the pole wheel ( 2 ) and the flux conductor ( 11 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Flussleiter (11) räumlich zwischen dem Polrad (2) und den Sensorelementen (7, 8) angeordnet ist.Device according to Claim 1, characterized in that the ferromagnetic flux guide ( 11 ) spatially between the pole wheel ( 2 ) and the sensor elements ( 7 . 8th ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Flussleiter (11) eine plattenförmige Struktur besitzt.Device according to Claim 1, characterized in that the ferromagnetic flux guide ( 11 ) has a plate-shaped structure. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) mit ihren dem Polrad (2) zugewandten Flächen (7a, 8a) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized in that the sensor elements ( 7 . 8th ) with her the pole wheel ( 2 ) facing surfaces ( 7a . 8a ) are arranged in a common plane. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Flussleiter (11) in einer zu der gemeinsamen Ebene der Sensorflächen (7a, 8a) parallelen Ebene angeordnet ist.Apparatus according to claim 8 and 9, characterized in that the plate-shaped flux guide ( 11 ) in one to the common plane of the sensor surfaces ( 7a . 8a ) parallel plane is arranged.
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