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Title:
MAGNETIC FIELD SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/031371
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a magnetic field sensor, particularly for measuring the rotational speed of a rotating gear component, comprising a Hall probe (3), at least one permanent magnet (4) and a housing (2), said Hall probe (3) being arranged in the influence area of the magnetic field of the permanent magnet (4). The aim of the invention is to provide a magnetic field sensor which can be produced in a less complex manner. This is achieved by virtue of the fact that the permanent magnet (4) is secured to the housing (2). One particular advantage of the device is that it is extraordinarily robust and is only slightly sensitive to vibrations.

Inventors:
MODEST OTMAR (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/051867
Publication Date:
April 07, 2005
Filing Date:
August 20, 2004
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MODEST OTMAR (DE)
International Classes:
G01D5/14; G01D11/24; G01P1/02; F16H59/38; (IPC1-7): G01P1/02; G01D11/24
Domestic Patent References:
WO2003040659A12003-05-15
Foreign References:
DE29516373U11995-12-07
US6291990B12001-09-18
DE10146157A12002-04-04
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Magnetfeldsensor, insbesondere zur Messung der Drehzahl eines rotierenden Getriebebauteils, mit einer Hallsonde (3), mit mindestens einem Permanentmagneten (4), wobei sich die Hallsonde (3) in dem Einflussbereich des Mag netfeldes des Permanentmagneten (4) befindet, mit einem Gehäuse (2), welches die Hallsonde (3) umgibt, d a d u r c h gekennzeichnet, dass der Perma nentmagnet (4) an dem Gehäuse (2) befestigt ist.
2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Permanentmagnet (4) als Ring oder Hohlzylinder ausgebildet ist.
3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Längsachse (13) des Permanentmagneten (4) und eine Induktionsachse (12) des Hallsensors, welche Induktionsachse (12) senkrecht zu der elektrischen Feldrichtung der Hallspannung und der elektrischen Hauptstromrichtung in der Hallsonde (3) orientiert ist, im Wesentlichen zusammenfallen.
4. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise aus Kunststoff besteht.
5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kunststoff hochtempe raturbeständig ist.
6. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass der Magnetfeldsensor (1) einen Stecker oder eine Steckerbüchse aufweist, welche als Kunst stoffteil mit umspritzten Kontakten (30) ausgebildet ist.
7. Magnetfeldsensor nach den Ansprüchen 4 und 6, d a d u r c h gekennzeichnet dass Gehäuse (2) einen verschließbaren Gehäusegrundkörper (6) aufweist, die Steckerbüchse und der Gehäusegrundkörper (6) mit einander verschweißt sind.
8. Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steckerbüchse und der Gehäusegrundkörper (6) mittels einer Ultraschallschwei ßung, einer Vibrationsschweißung oder einer Rotations schweißung miteinander verbunden sind.
9. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Gehäuse (2) einen verschließbaren Gehäu segrundkörper (6) aufweist, welcher als einseitig, hül senartig geschlossener Zylinder ausgebildet ist, wobei in dem geschlossenen Ende (8) die Hallsonde (3) ange ordnet ist.
10. Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich die Induktionsachse (12) der Hallsonde (3) parallel zu der Zylinderlängs achse (10) des Gehäuses (2) erstreckt.
11. Magnetfeldsensor nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h gekennzeichnet, dass der Gehäu segrundkörper (6) gegenüber dem geschlossenen Ende (8) ein offenes Ende (9) aufweist und das offene Ende (9) des Gehäuses (2) mittels eines als Steckerbuchse oder Steckers ausgebildeten Formstücks (7) verschlossen ist.
12. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass das Gehäuse (2) oder der Gehäusegrundkör per (6) als Spritzgussbauteil ausgebildet ist und der Permanentmagnet (4) in das Gehäuse (2) eingespritzt ist.
13. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hallsonde (3) an einer Leiterplatte (5) befestigt und mit dieser elektrisch kontaktiert ist.
14. Magnetfeldsensor nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen der Hallsonde (3) und dem umge benden Gehäuse (2) verbleibender Raum zumindest zum Teil mit einer dämpfenden Substanz, insbesondere einem Gel (20) gefüllt ist, insbesondere mit einem 2Kompo nenten Silikonkautschuk mit einer ShoreHärte von etwa A30.
Description:
Bezeichnung Magnetfeldsensor Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor, insbesondere zur Messung der Drehzahl eines rotierenden Getriebebauteils, mit einer Hallsonde, mit mindestens einem Permanentmagneten, wobei sich die Hallsonde in dem Einflussbereich des Magnet- feldes des Permanentmagneten befindet, mit einem Gehäuse, welches die Hallsonde umgibt.

Magnetfeldsensoren der vorgenannten Art finden bevorzugt zur Drehzahlüberwachung in Nutzfahrzeugen Anwendung, weil die Signalgeber, bei denen als aktive Elemente Feldplatten oder Hallgeneratoren verwendet werden, im Gegensatz zu Induktions- gebern den Vorzug aufweisen, dass relativ niedrige Drehzahlen bzw. Bewegungen im Stillstandsbereich erfasst werden können.

Neben dem Einsatz zur Drehzahlmessung in einem Kraftfahrzeug- getriebe können Magnetfeldsensoren gemäß der Erfindung auch zur Überwachung sonstiger Bewegungen, beispielsweise rotie- renden Bewegungen oder Translationen eingesetzt werden.

Ein Magnetfeldsensor herkömmlicher Bauweise ist bereits aus der EP 0 546 355 B1 bekannt. Die außerordentlich akkurate Funktion dieses Bauteils lässt sich nur aufgrund eines sehr aufwendigen Fertigungs-und Montageprozesses erreichen. Die vielen Arbeitsschritte umfassen unter anderem die Befestigung des Permanentmagneten an einem Halter, der zu dem Permanent- magneten eine Presspassung aufweist, mittels eines UV-aushär- tenden Klebers nach vorhergehender genauer Justierung der Po- sition der Hallsonde zu dem Permanentmagneten. Die regelmäßig außerordentlichen Betriebsbedingungen dieser Magnetfeldsenso- ren, insbesondere hinsichtlich beträchtlicher Temperatur- schwankungen von-40°C bis + 150°C und hinsichtlich mechani- scher Vibrationen und Schockbeanspruchungen erfordern eine Befestigung des Permanentmagneten in dem Magnetfeldsensor von außerordentlicher Stabilität. Eine hinreichende Festigkeit

der Verbindung des schweren Permanentmagneten an dem dafür vorgesehenen Halter kann beispielsweise dadurch erreicht wer- den, dass die Kontaktstellen mittels eines Primers aktiviert werden, bevor der UV-aushärtende Kleber aufgetragen wird.

Nach der UV-Aushärtung muss eine zusätzliche thermische Aus- härtung bei Raumtemperaturen von mindestens drei Stunden er- folgen, damit die erforderliche Güte der Verbindung gewähr- leistet werden kann. Damit die Impulsbreite der von der Hall- sonde generierten Signale bei Vorbeistreichen eines Zahnrades oder eines ähnlichen Magnetfeldkonzentrierers, die gewünschte Impulsbreite aufweisen, ist die Hallsonde, die regelmäßig als Hall-IC ausgebildet ist, zu dem bevorzugt als Ringmagnet aus- gebildeten Patentmagneten exakt auszurichten. Aus der Viel- zahl der hier unvollständig aufgeführten, mit höchster Präzi- sion zu verrichtender Arbeitsschritte lässt sich der Nachteil des hohen Aufwandes der Montage und Fertigung herkömmlicher Magnetfeldsensoren erahnen.

Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, einen Magnetfeldsensor zu schaffen, welcher mit weniger Aufwand und niedrigerer Fehleranfälligkeit herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Permanentmagnet des eingangs beschriebenen Magnetfeldsensors an dem Gehäuse befestigt ist.

Die Befestigung des Permanentmagneten an dem Gehäuse bietet gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen. Da das Gehäuse regelmäßig zum Schutz der Hallsonde robust und starr ausgebildet ist, weist es eine besondere Eignung auf, den regelmäßig gewichtigen Permanentmagneten zu haltern.

Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das Gehäuse in seiner Form an diese Aufgabe leicht angepasst wer- den kann. Ein entscheidender Vorteil liegt in der Tatsache begründet, dass der Permanentmagnet nicht mehr aufwendig an einen Halter, welcher im Stand der Technik regelmäßig an ei-

ner Leiterplatte befestigt war, mittels Klebung befestigt werden muss.

Eine besonders gute Verankerung und hervorragende elektrische und elektronische Eigenschaften des Magnetfeldsensors ergeben sich, wenn der Permanentmagnet als Ring oder Hohlzylinder ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Gehäuse dem Perma- nentmagneten besonders einfach eine zusätzliche formschlüssi- ge Halterung bieten. Bei einer Ausrichtung der Längsachse des Permanentmagneten in Richtung der Induktionsachse des Hall- sensors ergeben sich unter fast sämtlichen Betriebsbedingun- gen besonders gut auswertbare Impulse des Magnetfeldsensors.

Die Induktionsachse ist hierbei als senkrecht zu der elektri- schen Feldrichtung der Hallspannung und der elektrischen Hauptstromrichtung in der Hallsonde orientiert, definiert.

Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Induktionsach- se mit der Zylinderlängsachse des Permanentmagneten zusammen- fällt.

Mit Vorteil hinsichtlich der Fertigung aber auch hinsichtlich der EMV-Eigenschaften kann das Gehäuse zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen. Eine Optimierung hinsichtlich-der EMV-Eigenschaften ergibt sich vor allen dann, wenn das Gehäu- se keinen für Einkopplungen anfälligen Kondensator mit der Hallsonde bzw. dem Hall-IC bildet. Zuverlässig kann dies ver- mieden werden, wenn das Gehäuse vollständig aus Kunststoff besteht. Für den bevorzugten Einsatzbereich des erfindungsge- mäßen Magnetfeldsensors ist es besonders zweckmäßig, wenn der Kunststoff hochtemperaturbeständig ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Magnetfeldsensor einen Stecker oder eine Steckerbüchse aufweist, welcher als Kunststoffteil mit umspritzten Kontak- ten ausgebildet ist. Eine derartige Ausführung dient vor al- lem dem modularen Aufbau des Sensors und der daran anschlie- ßenden elektrischen Leitungen. Daneben eröffnet sich auf die- se Weise aber auch eine vorteilhafte Ausbildung des erfin-

dungsgemäßen Magnetfeldsensors, bei welcher das Gehäuse einen verschließbaren Gehäusegrundkörper aufweist und die Stecker- büchse bzw. der Stecker und der Gehäusegrundkörper miteinan- der verschweißbar sind, wenn der Gehäusegrundkörper ebenfalls aus einem entsprechenden Kunststoff gefertigt ist. Als Schweißverfahren für diese beiden Bauteile bietet sich bevor- zugt das Ultraschallschweißen, das Vibrationsschweißen oder Rotationsschweißen an.

Bevorzugt werden erfindungsgemäß das Gehäuse oder der Gehäu- segrundkörper als Spritzgussbauteil ausgebildet und der Per- manentmagnet in das Gehäuse eingespritzt. Auf diese Weise kann eine hervorragende Anbindung des Permanentmagneten an das Gehäuse in nur einem Arbeitsgang erreicht werden. Eine derartige Ausbildung eröffnet darüber hinaus die bevorzugte Formgebung des Gehäusegrundkörpers als verschließbaren, ein- seitig geschlossenen, hülsenartigen Zylinder, wobei die Hall- sonde bevorzugt in dem geschlossenen Ende des Zylinders ange- ordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders stabi- ler Schutz aufgrund des geschlossenen Endes des Gehäuses für die Hallsonde und eine besonders robuste Halterung des Perma- nentmagneten in dem Gehäusegrundkörper. Insbesondere bei ei- ner Ausbildung des Permanentmagneten als Ring oder Hohlzylin- der empfiehlt es sich, die Hallsonde so anzuordnen, dass sich die Induktionsachse parallel zu der Zylinderlängsachse des Gehäuses erstreckt.

Mit Vorteil hinsichtlich der Funktion und der Montagefreund- lichkeit kann der Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung derart ausgebildet sein, dass der Gehäusegrundkörper gegenüber dem geschlossenen Ende ein offenes Ende aufweist und das offene Ende des Gehäuses mittels eines als Steckerbuchse oder Ste- cker ausgebildeten Formstücks verschlossen ist. Dieser Ver- schluss kann zum Zweck der Reparatur oder Wartung als zu öff- nender Verschluss ausgebildet sein. Da der Reparaturfall er- fahrungsgemäß nur selten auftritt und ein besonderes Interes- se an der Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors

besteht, ist dieser Verschluss bevorzugt mit dem Gehäuse- grundkörper zu verkleben oder zu verschweißen.

Die verhältnismäßig leichte Hallsonde, welche regelmäßig als Hall-IC ausgebildet ist, ist bevorzugt an einer in dem Gehäu- se ebenfalls angeordneten Leiterplatte befestigt und mit die- ser elektrisch kontaktiert. Zur Beseitigung eines negativen Einflusses etwaiger an der Hallsonde auftretender Schwingun- gen ist es zweckmäßig, wenn zwischen der Hallsonde und dem umgebenden Gehäuse verbleibender Raum zumindest zum Teil mit einer dämpfenden Substanz, insbesondere einem Gel gefüllt ist, insbesondere mit einem Zwei-Komponenten-Silikon- Kautschuk mit einer Shorehärte von etwa A30.

Im Folgenden ist die Erfindung zur Verdeutlichung anhand ei- nes Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung ohne Einschränkung auf dieses Ausführungsbeispiel näher be- schrieben.

Es zeigt : Figur l : einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Magnetfeldsensor 1 mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Wesentliche Bestandteile des Magnetfeldsensors 1 sind ein Gehäuse 2, eine Hallsonde 3, ein Permanentmagnet 4, wobei die Hallsonde 3 an einer Leiterplat- te 5 befestigt ist.

Das zylindrische Gehäuse 2 weist einen Gehäusegrundkörper 6 und einen als Verschluss ausgebildetes Formstück 7 auf. Das Gehäuse 2 ist von zylindrischer Form, wobei der Gehäusegrund- körper 6 als Spritzgussbauteil aus Kunststoff gefertigt ist, ein geschlossenes Ende 8 und ein offenes Ende 9 aufweist.

Entlang einer Zylinderlängsachse 10 des Gehäuses 2 erstreckt sich die Leiterplatte 5. Im Bereich des geschlossenen Endes 8

des Gehäuses 2 ist der als Hohlzylinder ausgebildete Perma- nentmagnet 4 in dem Gehäusegrundkörper 6 eingegossen.

Auf der Seite des geschlossenen Endes 8 des Gehäusegrundkör- pers 6 befindet sich an einer Stirnseite 11 der Leiterplatte 5 die als Hall-IC ausgebildete Hallsonde 3. Eine Induktions- achse 12 der Hallsonde 3 erstreckt sich in Richtung der Zy- linderlängsachse 10 des Gehäuses 2, welcher mit der Längsach- se 13 des Permanentmagneten 4 zusammenfällt. Die Hallsonde 3 reicht bis zu 0,2 mm an diejenige Stirnseite 15 des Perma- nentmagneten 4 heran, welche sich auf der Seite des geschlos- senen Endes 8 des Gehäuses 2 befindet. Der zwischen der Hall- sonde 3 und dem Gehäusegrundkörper 6 bzw. dem Permanentmagne- ten 4 verbleibende Raum ist mit einem Gel 20 zum Teil ge- füllt, welches Bewegungen zwischen den Bauteilen dämpft.

Das Formstück 7, welches den Gehäusegrundkörper 6 dicht ver- schließt, ist an dem Gehäusegrundkörper 6 mittels Ultra- schallschweißung befestigt. Das Formstück 7 ist ebenfalls als Kunststoffspritzgussbauteil ausgebildet und haltert einer- seits die Leiterplatte 5, ist andererseits als Steckerbuchse ausgebildet, wobei Kontakte 30 in das Formstück 7 eingegossen bzw. umspritzt sind.