DE102009054694A1

DE102009054694A1 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE102009054694A1
Application number: DE102009054694A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2010-07-15
Also published as: US20100176803A1

Abstract

Ein Winkelsensor umfasst eine erste und eine zweite Flussführung, die in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind, um einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum zwischen sich zu definieren. Die erste und die zweite Flussführung definieren eine Mittelöffnung, wobei ein Magnet in der Mittelöffnung angeordnet ist. Der Magnet ist diametral magnetisiert und relativ zu den Flussführungen drehbar. Ein Magnetsensor, der in einem der Flussführungsluftzwischenräume angeordnet ist, ist konfiguriert, um ansprechend auf eine empfangene Magnetflussdichte Signale auszugeben.

Description

Vorrichtungen, wie z. B. elektronische Gaspedalpositionssensoren oder Drosselventilpositionssensoren in Automobilanwendungen, umfassen typischerweise einen Winkelpositionsdetektor zur Bestimmung der Position der zugeordneten Vorrichtung. Einige Systeme zum Winkelpositionserfassen, z. B. in dem Bereich von +/–70°, umfassen eine Magnetschaltung, die die Flussdichte eines Magneten formt. Der Magnet ist an dem sich drehenden Bauteil in einer derartigen Weise angebracht, dass die Flussdichte allgemein linear proportional zu der Winkelposition des Magneten und so des Bauteils ist, an dem derselbe angebracht ist. So wird die Magnetfeldstärke verwendet, um die Winkelposition des bewegbaren Bauteils zu bestimmen. Die Flussdichte wird in einer beliebigen geeigneten Weise, wie z. B. durch einen linearen Hall-Sensor, gemessen.
Derartige Systeme verwenden typischerweise einen Magneten in der Form eines Rings. Im Inneren des Rings befinden sich zwei Flussführungen bzw. -pfade in der Form halber Scheiben, die durch einen Luftzwischenraum getrennt sind, in dem sich die Hall-Sensoren befinden. Der Ringmagnet ist in einer gesamten Hälfte in einer Radialrichtung magnetisiert und in der gegenüberliegenden Hälfte in einer Anti-Radialrichtung. Die Flussführungen sammeln alle Flusslinien, die von dem Magneten ausgehen, und richten diese zu den Hall-Sensoren. Wenn sich der Magnet dreht, bewegen sich die Flusslinien von einer Flussführung zu der anderen, wobei so die Summe der Flusslinien, die durch jede Flussführung gesammelt wird, variiert. Dies führt zu einer allgemein linearen Beziehung von Flussdichte gegenüber Rotationswinkel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Winkelsensor und ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Winkelsensors umfasst eine erste und eine zweite Flussführung bzw. einen ersten und einen zweiten Flusspfad, die sich in einer beabstandeten Beziehung befinden, um einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum zwischen sich zu definieren. Die erste und die zweite Flussführung definieren eine Mittelöffnung, wobei sich in der Mittelöffnung ein Magnet befindet. Der Magnet ist diametral magnetisiert und ist relativ zu den Flussführungen drehbar. Ein Magnetsensor befindet sich in einem der Flussführungsluftzwischenräume und ist konfiguriert, um ansprechend auf eine empfangene Magnetflussdichte Signale auszugeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Winkelerfassungssystems;
2A–2C Flusslinien, die an verschiedenen Winkelpositionen durch ein Ausführungsbeispiel eines Winkelerfassungssystems erzeugt werden;
3A und 3B Diagramme, die Flussdichte gegenüber Winkelposition bzw. Integral-Nichtlinearität für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel darstellen;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelerfassungssystems;
5 ein Diagramm, das eine Integral-Nichtlinearität für das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel darstellt;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Winkelerfassungssystems; und
7 ein Diagramm, das Flussdichten gegenüber Winkelposition für das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel darstellt.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden, und in denen mittels Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In Bezug auf offenbarte Ausführungsbeispiele soll der Ausdruck „exemplarisch” lediglich ein Beispiel, und nicht das Beste oder Optimale bedeuten. Diesbezüglich wird Richtungsterminologie wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderer”, „hinterer” usw. unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Darstellungszwecken verwendet und ist auf keinen Fall einschränkend. Es wird darauf verwiesen, dass andere Ausführungsbeispiele eingesetzt und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden könnten, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zusätzlich könnte, während ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt eines Ausführungsbeispiels unter Umständen in Bezug auf nur eine mehrerer Implementierungen offenbart wurde, dieses Merkmal oder dieser Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie dies für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und von Vorteil wäre. Die folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb in keinem einschränkenden Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert.
1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Winkelerfassungssystems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Das dargestellte Erfassungssystem 100 ist z. B. in Automobilanwendungen, wie z. B. einem elektronischen Gaspedalpositionssensor, geeignet. Das System 100 umfasst einen Magneten 102, der drehbar ist. Bei einigen Implementierungen ist der Magnet 102 z. B. angebracht, um sich mit einem drehbaren Bauteil, wie z. B. einer Welle, zu bewegen. Der Magnet 102 ist diametral magnetisiert – bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt die Magnetisierung in die Richtung, die durch den Pfeil 106 angezeigt ist.
Eine erste und eine zweite Flussführung 110, 112 befinden sich in einer beabstandeten Beziehung, um einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum 114, 116 zwischen sich zu definieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Flussführungen aus magnetisch weichem Eisen hergestellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite Flussführung 110, 112 allgemein halbkreisförmig und bilden, wenn sie zusammen positioniert sind, allgemein einen Kreis mit einer Mittelöffnung oder -bohrung 104. Mit den halbkreisförmigen Flussführungen 110, 112 sind die Flussführungsluftzwischenräume 114, 116 entsprechend etwa 180° auseinander. Der Magnet 102 befindet sich in der Mittelöffnung 104, um so einen Luftzwischenraum 108 zwischen den Flussführungen 110, 112 und dem Magneten 102 zu definieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenumriss der Flussführungen 110, 112 ebenso kreisförmig, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen andere Formen für den Außenumriss verwendet werden können, z. B. rechteckig, wenn dies für die Zusammenbauvorgänge besser passt. Wie oben angemerkt wurde, ist der Magnet 102 in der Mittelöffnung 104 relativ zu den Flussführungen 110, 112 drehbar.
Die Flussführungen 110, 112 wirken, um die Magnetflusslinien von dem Magneten 102 zu den Flussführungsluftzwischenräumen 114, 116 zu richten. Ein Magnetsensor 120 ist in einem der Flussführungsluftzwischenräume 114, 116 angeordnet und bei einigen Ausfüh rungsbeispielen sind ein erster und ein zweiter Magnetsensor 120, 122 in dem ersten bzw. zweiten Flussführungsluftzwischenraum 114, 116 angeordnet. Hall-Sensoren sind z. B. geeignete Vorrichtungen für die Magnetsensoren 120, 122. Wenn sich der Magnet 102 in der Mittelöffnung 104 dreht, variiert die Magnetflussdichte, die die Flussführungsluftzwischenräume 114, 116 und so die Magnetsensoren 120, 122 erreicht, mit der Winkelposition des Magneten 104.
Die Magnetsensoren 120, 122 stellen ansprechend auf die empfangene Flussdichte ein Ausgangssignal bereit, die durch eine Verarbeitungsvorrichtung 130 empfangen wird, die die Winkelposition des Magneten 104 ansprechend auf die Flussdichte bestimmt. Im Allgemeinen kann die Verarbeitungsvorrichtung 130 durch eine oder mehrere Hardware- und/oder Firmwarekomponenten, wie z. B. einen Mikroprozessor, eine ASIC (applicationspecific integrated circuit – anwendungsspezifische integrierte Schaltung), einen DSP (Digitalsignalprozessor) usw., zusammen mit einem geeigneten Speicher und anderen nötigen Vorrichtungen implementiert sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen z. B. umfasst die Verarbeitungsvorrichtung 130 einen Speicher, der eine Nachschlagtabelle speichert, die Flussdichte mit Winkelposition korreliert.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Magnet 102 einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist der Magnet 102 andere Querschnitte auf. Die 2A bis 2C stellen Flusslinien 140 für verschiedene Positionen des Magneten 102 bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Magnet 102 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wie in 1, dar. In 2A ist der Magnet 102 derart positioniert, dass die Magnetisierungsrichtung im Allgemeinen horizontal und mit den Flussführungsluftzwischenräumen 114, 116 ausgerichtet ist, und in 2C ist der Magnet 102 um 90° aus der in 2A dargestellten Position gedreht. 2B stellt den Magneten 102 in einer Zwischenposition dar.
3A ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Flussdichte und Winkelposition (Alpha) für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel darstellt, und 3B stellt die entsprechende Integral-Nichtlinearität (INL) dar. Für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unter Beinhaltung des Magneten 102 mit einem kreisförmigen Querschnitt beginnt die Beziehung zwischen Flussdichte und Winkelposition bei etwa Alpha = 35° deutlich von einer linearen Beziehung abzuweichen. So ist das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hauptsächlich für Winkelpositionen von etwa –35° bis +35° – etwa einen 70°-Bereich – nützlich.
4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei dem ein Magnet 102a, der einen elliptischen Querschnitt definiert, eingesetzt wird. Der Rest der Struktur ist im Wesentlichen der gleiche wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Bei einigen Ausführungsbeispielen mit einem elliptischen Magneten, wie z. B. in 4 dargestellt ist, erstreckt sich die Magnetisierung in der Richtung der Hauptachse der Ellipse. Die Abmessungen der Ellipse sind ausgewählt, um eine Linearität von Ausgangssignal gegenüber Rotationswinkel zu optimieren. 5 stellt die INL für ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem der Magnet 102a einen elliptischen Querschnitt mit einer Nebenachse von etwa 16 mm und einer Hauptachse von etwa 25 mm aufweist. Die Beziehung zwischen Flussdichte und Alpha bleibt bis etwa +/–75° linear, was zu einem Bereich von etwa 150° führt.
6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar. Bei der dargestellten Version definiert der Magnet 102a einen elliptischen Querschnitt. Eine dritte und eine vierte Flussführung 150, 152 sind zusätzlich zu der ersten und der zweiten Flussführung 110, 112 beinhaltet. Jede der Flussführungen 110, 112, 150, 152 definiert etwa einen Viertelkreis, so dass die Flussführungen zusammen im Allgemeinen einen Kreis mit der Mittelöffnung 104 bilden, in der sich der Magnet 102 befindet.
Die Flussführungen 110, 112, 150, 152 sind etwas voneinander beabstandet, um einen ersten, zweiten, dritten und vierten Flussführungsluftzwischenraum 114, 116, 154, 156 zu definieren. Die Magnetsensoren 120, 122 sind in benachbarten Flussführungsluftzwischenräumen angeordnet, z. B. dem ersten und dem zweiten Flussführungsluftzwischenraum 114, 116, die etwa 90° auseinander sind, da jede Flussführung etwa einen Viertelkreis ausmacht.
7 stellt Flussdichten gegenüber Rotationswinkel für den ersten und den zweiten Sensor 120, 122 dar. Für Winkelpositionen von etwa –45° bis etwa +45° ist der erste Sensor 120 stark linear, während der zweite Sensor 122 weniger genau ist. Für Winkelpositionen von etwa 45° bis etwa 135° und etwa –135° bis etwa –45° ist der zweite Sensor 122 stark linear und der erste Sensor 120 weniger genau. So deckt, wenn einer der beiden Sensoren ausfällt, der verbleibende Sensor dennoch den gesamten Winkelbereich ab (wenn auch mit weniger Genauigkeit), was dem System Redundanz liefert.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, ist für durchschnittliche Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen, dass eine Vielzahl anderer und/oder äquivalenter Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll mögliche Anpassungen oder Abänderungen der hierin erläuterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Deshalb soll diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt sein.

Claims

Winkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: eine erste und eine zweite Flussführung (110, 112), die in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind, um einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum (114, 116) zwischen sich zu definieren, wobei die erste und die zweite Flussführung eine Mittelöffnung (104) definieren; einen Magneten (102; 102a), der in der Mittelöffnung angeordnet ist, wobei der Magnet diametral magnetisiert und relativ zu den Flussführungen drehbar ist; und einen ersten Magnetsensor (120), der in dem ersten Flussführungsluftzwischenraum angeordnet ist, wobei der Magnetsensor konfiguriert ist, um ansprechend auf eine empfangene Magnetflussdichte Signale auszugeben.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 1, der ferner einen zweiten Magnetsensor (122) aufweist, der in dem zweiten Flussführungsluftzwischenraum angeordnet ist, wobei der zweite Magnetsensor konfiguriert ist, um ansprechend auf eine empfangene Magnetflussdichte Signale auszugeben.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Magnet (102) einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Magnet (102a) einen allgemein elliptischen Querschnitt aufweist.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Flussführungen aus magnetisch weichem Eisen gebildet sind.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Flussführungen in etwa kreisförmig sind, derart, dass die erste und die zweite Flussführung zusammen allgemein einen Kreis bilden.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner folgende Merkmale aufweist: eine dritte und eine vierte Flussführung (150, 152); wobei jede der Flussführungen in etwa einen Viertelkreis definiert, derart, dass die Flussführungen zusammen allgemein einen Kreis bilden; wobei die Flussführungen in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind, um einen ersten, zweiten, dritten und vierten Flussführungsluftzwischenraum zu definieren; wobei der erste Magnetsensor und ein zweiter Magnetsensor in dem ersten bzw. zweiten Flussführungsluftzwischenraum angeordnet sind; und wobei der erste und der zweite Flussführungsluftzwischenraum etwa 90° auseinander sind.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste und der zweite Magnetsensor (120, 122) Hall-Sensoren sind.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der erste und der zweite Flussführungsluftzwischenraum etwa 180° auseinander sind.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der erste und der zweite Flussführungsluftzwischenraum etwa 90° auseinander sind.
Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, der ferner eine Verarbeitungsvorrichtung (130) aufweist, die konfiguriert ist, um die Ausgangssignale von dem ersten Magnetsensor zu empfangen und eine Winkelposition des Magneten ansprechend auf die Ausgangssignale zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition, das folgende Schritte aufweist: Anordnen einer ersten und einer zweiten Flussführung (110, 112) in einer beabstandeten Beziehung, um einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum (114, 116) zwischen denselben zu definieren, wobei die erste und die zweite Flussführung eine Mittelöffnung (104) definieren; Anordnen eines ersten Magnetsensors (120) in dem ersten Flussführungsluftzwischenraum, wobei der erste Magnetsensor konfiguriert ist, um eine empfangene Magnetflussdichte zu messen; Drehen eines Magneten (102; 102a) in der Mittelöffnung, wobei der Magnet diametral magnetisiert und relativ zu den Flussführungen drehbar ist; und Bestimmen der Winkelposition des Magneten ansprechend auf die gemessene Flussdichte.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner ein Anordnen eines zweiten Magnetsensors (122) in dem zweiten Flussführungsluftzwischenraum aufweist, wobei der zweite Magnetsensor konfiguriert ist, um eine empfangene Magnetflussdichte zu messen.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, das ferner folgende Schritte aufweist: Anordnen einer dritten und einer vierten Flussführung (150, 152) in einer beabstandeten Beziehung zu einem dritten und einem vierten Flussführungsluftzwischenraum, wobei jeder des ersten, zweiten, dritten und vierten Flussführungsluftzwischenraums um etwa 90° getrennt ist; und Anordnen des ersten Magnetsensors (120) und eines zweiten Magnetsensors (122) in dem ersten bzw. zweiten Flussführungsluftzwischenraum, wobei der erste und der zweite Flussführungsluftzwischenraum etwa 90° auseinander sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Drehen des Magneten ein Drehen eines Magneten (102) mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Drehen des Magneten ein Drehen eines Magneten (102a) mit einem allgemein elliptischen Querschnitt aufweist.
Winkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: vier Flussführungen (110, 112, 1150, 152), die in einer allgemein kreisförmigen Konfiguration angeordnet sind, die eine Mittelöffnung (104) definiert; einen ersten und einen zweiten Flussführungsluftzwischenraum, die durch die Flussführungen definiert und um etwa 90° getrennt sind; einen Magneten (102; 102a), der in der Mittelöffnung (104) angeordnet ist, wobei der Magnet diametral magnetisiert und relativ zu den Flussführungen drehbar ist; und einen ersten und einen zweiten Magnetsensor (120, 122), die in dem ersten bzw. zweiten Flussführungsluftzwischenraum angeordnet sind, wobei der Magnetsensor konfiguriert ist, um ansprechend auf eine empfangene Magnetflussdichte Signale auszugeben.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 17, bei dem der erste und der zweite Magnetsensor (120, 122) Hall-Sensoren sind.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 17 oder 18, der ferner eine Verarbeitungsvorrichtung (130) aufweist, die konfiguriert ist, um die Ausgangssignale von den Magnetsensoren zu empfangen und eine Winkelposition des Magneten ansprechend auf die Ausgangssignale zu bestimmen.
Winkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: eine erste Einrichtung zum Richten eines Magnetflusses zu einem ersten und einem zweiten Luftzwischenraum; eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetflusses, der variiert, wenn die zweite Einrichtung relativ zu der ersten Einrichtung gedreht wird; und einen ersten Magnetsensor, der in dem ersten Luftzwischenraum angeordnet ist, wobei der Magnetsensor konfiguriert ist, um ansprechend auf einen empfangenen Magnetfluss Signale auszugeben.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 20, der ferner einen zweiten Magnetsensor aufweist, der in dem zweiten Luftzwischenraum angeordnet ist, wobei der zweite Magnetsensor konfiguriert ist, um ansprechend auf einen empfangenen Magnetfluss Signale auszugeben.
Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 20 oder 21, der ferner eine Verarbeitungsvorrichtung (130) aufweist, die konfiguriert ist, um die Ausgangssignale von dem ersten Magnetsensor zu empfangen und ansprechend auf die Ausgangssignale eine Winkelposition der zweiten Einrichtung zu bestimmen.