CN113396336A

CN113396336A - 磁场传感器设备

Info

Publication number: CN113396336A
Application number: CN201980091186.7A
Authority: CN
Inventors: M.勒肯
Original assignee: Fraba BV
Current assignee: Fraba BV
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2021-09-14
Also published as: EP3921662B1; WO2020160766A1; US11674973B2; JP7289359B2; US20220107336A1; JP2022519668A; EP3921662A1

Abstract

本发明涉及一种磁场传感器设备(10；10’)，其具有至少两个脉冲线(12a‑c)；线圈装置(13；13’)，线圈装置径向包围至少两个脉冲线(12a‑c)，其中，线圈装置(13；13’)形成传感器元件(14；14’)和反馈元件(16；16’)，通过反馈元件可以产生辅助磁场；与线圈装置(13；13’)电连接的能量存储器(18)；和与能量存储器(18)和反馈元件(16；16’)电连接的开关元件(22)。为了实现不需要外部的能量供应并且特别节能地进行工作的磁场传感器设备(10；10’)提出了，设置控制单元(24)，通过控制单元可以对开关元件(22)进行电气控制。在此，控制单元(24)能够实现根据需要控制地在线圈装置(13；13’)的反馈元件(16、30)中产生辅助磁场。

Description

磁场传感器设备

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器设备，该磁场传感器设备具有至少两个脉冲线；线圈装置，其径向包围至少两个脉冲线，其中，线圈装置形成传感器元件和反馈元件，通过反馈元件可以产生辅助磁场；与线圈装置电连接的能量存储器；和与能量存储器和反馈元件电连接的开关元件。

背景技术

磁场传感器设备例如在转动角度测量系统中用于检测轴的转动运动。通常，至少一个永磁体固定在轴上，由磁场传感器设备检测永磁体的磁场。为此，磁场传感器设备具有至少一个磁性双稳态的脉冲线(也被称为韦根线)，一旦超过特定的触发场强，则脉冲线的磁化方向在外部磁场的影响下突然反转。由此，在径向上包围脉冲线并且形成线圈装置的传感器元件的传感器线圈中，产生短的电压脉冲，其可以由下游电子设备进行评估。所产生的电压脉冲的电能在此可以至少部分用于给磁场传感器设备供能。脉冲线的磁化方向的反转随后也被称为脉冲线的“触发”。

从DE 199 25 884 C2已知了一种磁场传感器设备，其具有多个脉冲线。在此，通过多个脉冲线在线圈装置中产生足够的电能，以便能够实现磁场传感器设备的能量自给自足的运行。因此，针对磁场传感器设备不需要设置外部的能量供应。

受制造的限制，多个脉冲线可以具有不同的触发场强，从而在外部磁场的不同的局部的场强中，并且因此在轴的稍微不同的转动角位置中触发脉冲线。由此可能导致，在轴的定义的转动角位置处触发至少一个第一脉冲线，而没有触发至少一个第二脉冲线。这一方面可能歪曲磁场传感器设备的测量结果，并且另一方面这也可能导致，在没有外部的能量供应的磁场传感器设备中，没有产生足够的用于下游电子设备的正常运行的电能。

为了确保，一旦超过至少一个脉冲线的触发阈值，就触发所有脉冲线，公开的磁场传感器设备具有能量存储器、带有反馈元件的线圈装置和开关元件。线圈装置在此可以具有单独的反馈线圈，反馈线圈形成反馈元件，或反馈元件可以通过传感器线圈形成。由具有相对小触发阈值的第一脉冲线在线圈装置的传感器元件中产生的电能暂时存储在能量存储器中。所存储的能量随后用于，在反馈装置的反馈元件中产生辅助磁场，辅助磁场与外部磁场同时出现，并且与外部磁场相同定向。总磁场、即由外部磁场和辅助磁场构成的总和在此超过所有其余的脉冲线的触发场强。由此确保了，一旦超过至少一个脉冲线的触发阈值，就触发磁场传感器设备的所有脉冲线。

根据DE 199 25 884 C2的描述，开关元件优选地是简单的电容器，其一方面阻止能量存储器经由线圈装置的反馈元件的连续放电，并且另一方面在线圈装置的传感器元件中出现电压脉冲时，能够实现能量存储器经由线圈装置的反馈元件的脉冲式的放电。在磁场传感器设备的这种结构中，在每次触发第一脉冲线时，能量存储器经由线圈装置的反馈元件放电，并且因此产生辅助磁场。这与其余的脉冲线是否已经通过外部磁场触发无关。在已经通过外部磁场触发所有脉冲线的情况下，电能因此在反馈线圈中被不必要地消耗，电能因此不再能够用于磁场传感器设备的能量供应。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种磁场传感器设备，其不需要外部的能量供应，并且特别节能地进行工作。

该技术问题通过具有独立权利要求1的特征的磁场传感器设备解决。

根据本发明，控制单元设置用于对开关元件进行电气控制。控制单元能够实现对开关元件的开关状态的有针对性的控制，并且因此能够实现有针对性地并且根据需要产生辅助磁场。控制单元可以被设置为单独的结构组件，然而备选地也可以集成在磁场传感器设备的电子结构组件中。例如，磁场传感器设备可以具有数字电路、如微控制器或所谓的现场可编程门阵列(FPGA)，其不仅形成用于确定转动角的评估单元，而且形成控制单元。在此完全可想到的是，将控制单元实现为编程到数字电路中的算法或程序。

控制单元例如能够实现根据在线圈装置的传感器元件中通过脉冲线产生的总电能有针对性地产生辅助磁场。在此，仅当在线圈装置中产生的电能低于特定的最小能量值时，才产生辅助磁场。最小能量值在此可以是预定义的固定的值，或者备选地可以是可变的值，该可变的值可以与磁场传感器设备的当前的能量需求相匹配。在这两种情况下，基于通过控制单元有针对性地控制开关元件确保了，仅当外部磁场不足以触发所有的脉冲线时，才产生辅助磁场。由此，辅助磁场产生所需的能量消耗是最小的，从而在线圈装置中通过触发脉冲线产生的电能大部分可用于磁场传感器设备的能量供应。

此外，控制单元还能够实现对辅助磁场产生的时间点进行调整，以便与外部磁场的时间走向同步。例如可以有针对性地在外部磁场最大的时间点产生辅助磁场，从而相对较小的辅助磁场足以触发所有脉冲线。控制单元在此尤其也能够实现例如根据当前的轴转速连续调整辅助磁场产生时间点。

通过根据本发明的控制单元，辅助磁场产生所需的电能是最小的，并且因此，在脉冲线中产生的电能的可用于能量供应的份额是最大的。根据本发明的磁场传感器设备因此不需要外部的能量供应，并且特别节能地进行工作。

在本发明的优选的实施方案中，控制单元具有延迟模块。延迟模块直接或间接与线圈装置连接，从而可以通过线圈装置的传感器元件中的电压脉冲来控制延迟模块。延迟模块被设计为，使得当通过线圈装置的传感器元件中的电压脉冲来控制延迟模块时，延迟模块在预先确定的延迟时间之后提供触发信号。延迟模块能够实现有针对性地设计和/或调整对开关元件进行控制以产生辅助磁场的时间点。延迟模块可以完全由简单的和低成本的类似的结构元件、例如电阻、电容器和/或线圈构建，其中，延迟时间与所使用的结构元件的特性和其电气互连有关。备选地，延迟模块也可以通过数字电路、例如通过微控制器或FPGA形成，其中，延迟时间优选地是可电子调节的。

有利地，控制单元具有充电状态检测模块，通过充电状态检测模块可以检测能量存储器的当前的充电状态。在此，用于充电状态检测的充电状态检测模块不必强制性地直接与能量存储器电连接。例如，充电状态检测模块也还可以检测电气特征值，其直接与能量存储器的充电状态成比例。例如可以以简单的方式通过评估在能量存储器上存在的电压来检测能量存储器充电状态。控制单元此外设计用于，根据由充电状态检测模块检测的能量存储器充电状态来控制开关元件。因为能量存储器充电状态一方面与在脉冲线中产生的电能有关，另一方面与磁场传感器设备的能量消耗有关，所以根据充电状态对开关元件的控制能够实现对辅助磁场产生的特别有效的控制，并且因此能够实现特别节能的磁场传感器设备。

基于受制造限制的脉冲线的特性的变化，在各个脉冲线的触发时间点之间可能出现时间延迟。因此，在本发明的特别有利的实施方案中，控制单元设计用于，作为对延迟模块的触发信号的反应，通过充电状态检测模块触发充电状态检测。因此，限定地、相对于第一脉冲线的触发时间点时间延迟地进行充电状态检测。通过延迟的充电状态检测，在产生辅助磁场之前确保了，其余的脉冲线不会被外部磁场触发。由此，特别可靠地阻止了不必要的辅助磁场产生，并且因此实现了节能的磁场传感器设备。

特别优选地，控制单元设计用于，在检测到的充电状态小于充电状态阈值时，控制开关元件以产生辅助磁场。在此优选地，充电状态阈值被设计为，使得在充电状态阈值以上，存储在能量存储器中的电能足以确保磁场传感器设备的可靠运行。在该设计中，为了确保磁场传感器设备的能量供应，仅当存储在能量存储器中的能量太小时，才产生辅助磁场(与是否已经触发所有的脉冲线无关)。为了确保总是触发所有的脉冲线，充电状态阈值备选地也可以被设计为，一旦没有触发所有的脉冲线，就降低该充电状态阈值。由此，产生具有相对恒定的幅度的传感器信号，由此，能够实现特别简单和可靠地确定转动角。

有利地，线圈装置具有唯一的线圈，该线圈径向包围脉冲线，并且不仅形成传感器元件，而且还形成反馈元件。这能够实现特别紧凑的和低成本的磁场传感器设备。此外，在该结构中，与具有传感器线圈和单独的反馈线圈的线圈装置相比，在触发脉冲线时，在线圈装置的传感器元件中产生更高的电压和因此更多的电能。

在本发明的优选的实施方案中，能量存储器是简单的和低成本的电容器。

优选地，开关元件是半导体开关，该半导体开关是低成本的，并且同时可以以简单的方式通过控制单元进行电气控制。

附图说明

随后根据附图描述根据本发明的磁场传感器设备的两个实施例，其中，

图1示出了根据本发明的磁场传感器设备的第一实施例的示意图，其中，线圈装置具有传感器线圈和单独的反馈线圈，并且

图2示出了根据本发明的磁场传感器设备的第二实施例的示意图，其中，线圈装置具有唯一的线圈，该线圈不仅形成传感器元件，而且还形成反馈线圈。

具体实施方式

图1示出了一种磁场传感器设备10，磁场传感器设备具有三个脉冲线12a-c，脉冲线在径向上被线圈装置13包围。线圈装置13包括传感器线圈15，其形成传感器元件14，并且包括单独的反馈线圈17，其形成反馈元件16。反馈线圈17在此具有和传感器线圈15相同的缠绕方向。三个脉冲线12a-c基本上相互平行延伸。三个脉冲线12a-c由磁性双稳态的材料制成，一旦外部磁场超过特定的触发场强，则该材料的磁化方向在外部磁场的影响下突然反转。这种脉冲线也被称为韦根线。在此，每根脉冲线12a-c的磁化方向的反转分别在传感器元件14中感应出电压脉冲。

通过给反馈元件16通电，可以产生对脉冲线12a-c产生影响的辅助磁场。在此，辅助磁场与外部磁场相同定向，使得在给反馈元件16通电的情况下，比外部磁场强的总磁场对脉冲线12a-c产生影响。

磁场传感器设备10此外包括能量存储器18，能量存储器在当前的实施例中通过简单的电容器形成。能量存储器18的第一接头与传感器元件14的第一端部电连接，并且能量存储器18的第二接头通过二极管20与传感器元件14的第二端部电连接。二极管20在此被布置为，使得电流可以从传感器元件14的第二端部向能量存储器18的第二接头的方向流动，然而阻止从能量存储器18的第二接头向传感器元件14的第二端部的方向的相反的电流流动。因此，二极管20能够实现通过在传感器元件14中由脉冲线12a-c产生的电压脉冲给能量存储器18充电，然而当传感器元件14无电压时，阻止能量存储器18经由传感器元件14放电。

磁场传感器设备10此外包括可电气控制的开关元件22和用于电气控制开关元件22的控制单元24。在当前的实施例中，开关元件22是半导体开关、例如双极性晶体管或场效应晶体管。开关元件22的第一接头与能量存储器18的第二接头电连接，并且开关元件22的第二接头与反馈元件16的第一接头电连接。反馈元件16的第二端部与能量存储器18的第一端部电连接。开关元件22的控制接头与控制单元24连接，通过控制接头可以控制开关元件22的开关状态，从而可以控制通过开关元件22的电流流动。因此，经由开关元件22的控制接头，可以通过控制单元24对反馈元件16的通电并且因此对辅助磁场产生进行电气控制。

控制单元24包括延迟模块26，延迟模块直接或间接与传感器元件14连接，从而可以通过传感器元件14中的电压脉冲控制延迟模块26。延迟模块26被设计为，使得延迟模块在定义的延迟时间后向控制单元24提供触发信号。因此，以相对于传感器元件14中的电压脉冲的、定义的时间延迟提供触发信号。在当前的实施例中，延迟模块26的延迟时间在此可以由控制单元24电子调节。

控制单元24此外包括充电状态检测模块28，通过充电状态检测模块可以检测能量存储器18的当前的充电状态。在此，在当前的实施例中，充电状态检测模块28检测电压，该电压与能量存储器18上的电压相同，或至少直接与其成比例，并且根据检测的电压确定能量存储器充电状态。检测的能量存储器充电状态被提供给控制单元24。

在当前的实施例中，控制单元24被设计为，使得作为对延迟单元26的触发信号的反应，触发通过充电状态检测模块28对能量存储器充电状态的检测。由控制单元24评估检测到的能量存储器充电状态。如果检测到的能量存储器充电状态低于定义的充电状态阈值，则控制单元24短时间地控制开关元件22，以便短时间地给反馈元件16通电并且由此产生辅助磁场。在当前的实施例中，控制单元24在此可以将充电状态阈值与由磁场传感器设备10的下游电子设备30确定的轴转速相匹配。

图2示出了备选的根据本发明的磁场传感器设备10’。磁场传感器设备10’与图1中所示的磁场传感器设备10的不同之处主要在于，线圈装置13仅具有唯一的多用途线圈32，其不仅形成传感器元件14’，而且还形成反馈元件16’。

多用途线圈32的第一端部与能量存储器18的第一端部连接。多用途线圈32的第二端部不仅与二极管20，而且与开关元件22电连接。经由二极管20，可以通过在触发多用途线圈32中的脉冲线时产生的电压脉冲给能量存储器18充电。此外，多用途线圈32可以通过控制开关元件22、借助存储在能量存储器18中的电能通电，以便产生对脉冲线12a-c产生影响的辅助磁场。

应该清楚的是，本申请的保护范围并不局限于所描述的实施例。保护范围尤其并不局限于在实施例中示出的部件的电气互连。此外，根据本发明的磁场传感器设备也可以具有不同数量的脉冲线。同样可想到的是，通过唯一的电路形成控制单元和下游电子设备。

附图标记列表

10；10’ 磁场传感器设备

12a-c 脉冲线

13；13’ 线圈装置

14；14’ 传感器元件

15 传感器线圈

16；16’ 反馈元件

17 反馈线圈

18 能量存储器

20 二极管

22 开关元件

24 控制单元

26 延迟模块

28 充电状态检测模块

30 下游电子设备

32 多用途线圈

Claims

1.一种磁场传感器设备(10；10’)，具有：

-至少两个脉冲线(12a-c)，

-线圈装置(13；13’)，所述线圈装置径向包围至少两个脉冲线(12a-c)，其中，所述线圈装置(13；13’)形成

传感器元件(14；14’)，和

反馈元件(16；16’)，通过所述反馈元件能够产生辅助磁场，

-能量存储器(18)，所述能量存储器(18)与所述线圈装置(13；13’)电连接，和

-开关元件(22)，所述开关元件(22)与能量存储器(18)和反馈元件(16；16’)电连接，

其特征在于，控制单元(24)设置用于对所述开关元件(22)进行电气控制。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中所述控制单元(24)具有延迟模块(26)，能够通过所述线圈装置(13；13’)的传感器元件(14；14’)中的电压脉冲来控制所述延迟模块，并且所述延迟模块被设计为，在预先确定的延迟时间之后提供触发信号。

3.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中，所述控制单元(24)具有充电状态检测模块(28)，通过所述充电状态检测模块能够检测所述能量存储器(18)的当前的充电状态，并且其中，所述控制单元(24)被设计为，根据由所述充电状态检测模块(28)检测到的充电状态来控制所述开关元件(22)。

4.根据权利要求2和3所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中，所述控制单元(24)被设计为，作为对所述延迟模块(26)的触发信号的反应，通过充电状态检测模块(28)触发充电状态检测。

5.根据权利要求3或4所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中，所述控制单元(24)被设计为，在检测到的充电状态小于充电状态阈值时，对所述开关元件(22)进行控制。

6.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器设备(10’)，其中，所述线圈装置(13’)具有唯一的线圈(32)，所述线圈不仅形成传感器元件(14’)，而且形成反馈元件(16’)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中，所述能量存储器(18)是电容器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器设备(10；10’)，其中，所述开关元件(22)是半导体开关。