DE102013000430A1

DE102013000430A1 - Messsystem

Info

Publication number: DE102013000430A1
Application number: DE102013000430.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Ritter; Jörg Franke
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-17
Also published as: US20140197820A1; EP2754996A3; EP2754996B1; EP2754996A2; US9341463B2

Abstract

Messsystem mit einer Magnetfeldsensoranordnung (10), die einen in einem Halbeiterchip integrierten ersten Magnetfeldsensor (11) zur Messung einer ersten Komponente (Bx) eines Magnetfeldvektors (B) in einer ersten Raumrichtung (x) und einen im Halbeiterchip integrierten zweiten Magnetfeldsensor (12) zur Messung einer zweiten Komponente (Bz) des Magnetfeldvektors (B) in einer zweiten Raumrichtung (z) und einen im Halbeiterchip integrierten dritten Magnetfeldsensor (13) zur Messung einer dritten Komponente (By) des Magnetfeldvektors (B) in einer dritten Raumrichtung (y) aufweist, mit einem Geber (30), der ausgebildet ist, in Abhängigkeit von seiner rotatorischen und/oder translatorischen Bewegung den Magnetfeldvektor (B) in der ersten Raumrichtung (x) und in der zweiten Raumrichtung (z) und in der dritten Raumrichtung (y) zu ändern, wobei die durch die Bewegung des Gebers (30) bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors (B) in der ersten Raumrichtung (x) und in der zweiten Raumrichtung (z) einer erste Periodizität (T1) aufweist, wobei die durch die Bewegung des Gebers (30) bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors (B) in der dritten Raumrichtung (y) eine zweite Periodizität (T2) aufweist, wobei eine erste Periode der ersten Periodizität (T1) und eine zweite Periode der zweiten Periodizität (T2) unterschiedlich sind, mit einer Auswertungsschaltung (20), an die der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) und der dritte Magnetfeldsensor (13) angeschlossen sind, wobei die Auswertungsschaltung (20) eine Logik (25) aufweist, die eingerichtet ist, die Position des Gebers (30) basierend auf einem ersten Messsignal (A) des ersten Magnetfeldsensors (11) und einem zweiten Messsignal (B) des zweiten Magnetfeldsensors (12) und einem dritten Messsignal (C) des dritten Magnetfeldsensors (13) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem.
Aus der EP 2 354 769 A1 sind ein Winkelgeber und ein Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einer Sensoranordnung und einem Magnetfeld bekannt. Der Winkelgeber weist einen das Magnetfeld erzeugenden, bezüglich einer Drehachse in unterschiedliche Drehlagen relativ zu der Sensoranordnung verstellbaren Magneten auf. Die Sensoranordnung weist einen ersten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer quer zur Drehachse orientierten ersten Magnetfeldkomponente und einen zweiten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer zweiten Magnetfeldkomponente auf, die quer zu einer von der Drehachse und der ersten Magnetfeldkomponente aufgespannten Ebene angeordnet ist. Die Sensoranordnung weist einen dritten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer in Richtung der Drehachse orientierten dritten Magnetfeldkomponente auf.
Aus der DE 10 2008 059 401 A1 ist ein Halbleiterchip und ein Verfahren zum Erzeugen von Impulsflanken bekannt, die der Bewegung eines mechanischen Teils synchron zugeordnet sind. Ein Magnetfeld wird erzeugt und mindestens zwei Messsignale werden für das Magnetfeld erfasst. Das Magnetfeld wird derart in Abhängigkeit von der Bewegung des mechanischen Teils verändert, dass die Messsignale zueinander phasenverschoben moduliert werden. Ein erstes Messsignal wird mit einem ersten Referenzwert verglichen. Ein zweites Messsignal wird mit einem zweiten Referenzwert verglichen. Der Betrag des ersten Messsignals wird mit dem Betrag des zweiten Messsignals verglichen. Eine Impulsflanke wird erzeugt, wenn mindestens einer dieser Vergleiche eine Übereinstimmung ergibt oder das Ergebnis des betreffenden Vergleichs sein Vorzeichen ändert.
Aus der EP 1 111 392 A1 ist ein Erfassen der Drehzahl und Winkelstellung eines rotierenden Rades mit anpassbarer Schaltschwelle zur Driftkompensation bekannt. Das Erfassen der Drehzahl und der Winkelstellung eines Rades erfolgt mittels eines berührungslos das Rad abtastenden Sensors, der eine Impulsfolge erzeugt. Die Amplitude der Impulse wird in einem Vergleicher mit einer variablen Schaltschwelle verglichen. Die Schaltschwelle wird so angepasst, dass der Betrag der Differenz zwischen den Amplituden der Impulse und der Schaltschwelle einen vorgebbaren Höchstwert nicht überschreitet.
Aus ELEKTRONIK PRAXIS, Nr. 18, 17. Sept. 2008, Seite 22, J. Quasdorf ist ein optisches Nonius-System bekannt. Die Interpolation analoger Sinussignale ist eine Auswertefunktion bei Positionssensoren. Mit einem speziellen Verfahren ist es möglich, mehrere Messskalen auszuwerten und zu einem Positionswert zu kombinieren. Damit sind Messsysteme möglich, die eine hohe integrale Genauigkeit oder sehr hohe Auflösungen mit guter differenzieller Genauigkeit bieten. Für die Abtastung genügt ein kleiner optischer Sensor.
Aus der EP 1 503 182 B1 ist ein Drehwinkelsensor bekannt. Der Drehwinkelsensor weist eine drehbare Welle, einen mit der drehbaren Welle gekoppelten Magneten und ein magnetempfindliches Sensorelement auf. Das Sensorelement erzeugt in Abhängigkeit vom relativen Drehwinkel zwischen dem Magneten und dem Sensor ein sinusförmiges und ein kosinusförmiges Ausgangssignal. Der Drehwinkelsensor weist eine Auswerteeinheit auf, die aus den Ausgangssignalen ein dem Drehwinkel entsprechendes Signal erzeugt. Die Welle ist längs einer Führungsbahn bei ihrer Drehung um ihre Achse zusätzlich linear parallel zu ihrer Achse verschieblich geführt, so dass sich der Abstand zwischen Magnet und Sensor entsprechend einer Steigung der Führungsbahn verändert. Die Auswerteeinheit ermittelt aus Ausgangssignalen des Sensorelementes ein Signal, aus welchem der Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Magneten und damit die Anzahl der vollen Umdrehungen der Welle ermittelbar ist. Aus den sinusförmigen und kosinusförmigen Ausgangssignalen wird ein Feinsignal innerhalb einer vollen Umdrehung ermittelt und dieses Feinsignal wird zu dem Wert der vollen Umdrehung multipliziert mit 360° hinzuaddiert.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messsystem anzugeben, das den Stand der Technik weiterbildet.
Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Messsystem mit einer Magnetfeldsensoranordnung und einem Geber und einer Auswertungsschaltung vorgesehen.
Die Magnetfeldsensoranordnung weist einen in einem Halbeiterchip integrierten ersten Magnetfeldsensor zur Messung einer ersten Komponente eines Magnetfeldvektors in einer ersten Raumrichtung und einen im Halbeiterchip integrierten zweiten Magnetfeldsensor zur Messung einer zweiten Komponente des Magnetfeldvektors in einer zweiten Raumrichtung und einen im Halbeiterchip integrierten dritten Magnetfeldsensor zur Messung einer dritten Komponente des Magnetfeldvektors in einer dritten Raumrichtung auf. Die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung und die dritte Raumrichtung sind senkrecht zueinander.
Der Geber ist ausgebildet, in Abhängigkeit von seiner rotatorischen und/oder translatorischen Bewegung relativ zur Magnetfeldsensoranordnung den Magnetfeldvektor in der ersten Raumrichtung und in der zweiten Raumrichtung und in der dritten Raumrichtung zu ändern.
Die durch die Bewegung des Gebers bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors weist in der ersten Raumrichtung und in der zweiten Raumrichtung eine erste Periodizität auf.
Die durch die Bewegung des Gebers bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors weist in der dritten Raumrichtung eine zweite Periodizität auf.
Eine erste Periode der ersten Periodizität und eine zweite Periode der zweiten Periodizität sind unterschiedlich.
An die Auswertungsschaltung sind der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor und der dritte Magnetfeldsensor angeschlossen.
Die Auswertungsschaltung ist eingerichtet, die Position des Gebers basierend auf einem ersten Messsignal des ersten Magnetfeldsensors und einem zweiten Messsignal des zweiten Magnetfeldsensors und einem dritten Messsignal des dritten Magnetfeldsensors zu bestimmen.
Durch konkrete Umsetzungen gemäß den Ausführungsbeispielen der Figuren wird entsprechend des zuvor erläuterten Erfindungsgedankens eine Vielzahl von Vorteilen erzielt. Obwohl lediglich eine einzige integrierte Magnetfeldsensoranordnung verwendet wird, können unterschiedliche Anforderungen erfüllt werden, die üblicherweise nur mit einer Mehrzahl getrennter Sensoren erreichbar sind. So wird sowohl eine hochauflösende Messung mit beispielsweise einer Vielzahl von Pohlpaaren als auch eine Bestimmung der Absolutposition über die Vielzahl von Pohlpaaren hinweg erreicht, indem die Modulation der dritten Komponente des Magnetfeldvektors in der dritten Raumrichtung zusätzlich ausgewertet werden kann. Entsprechend können einfache Geber realisiert werden, die die Komponente in der dritten Raumrichtung modulieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Periodizität größer als die erste Periodizität. Wird beispielsweise ein Magnetrad verwendet, entspricht die Periode der zweiten Periodizität beispielsweise einer Umdrehung des Magnetrades. Ist der Geber hingegen stabförmig, kann eine Linearbewegung entlang einer Bahn bestimmt werden, wobei eine Periode der zweiten Periodizität einer Wegstrecke zwischen Endpunkten der Bahn entspricht.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Magnetfeldvektors der Geber eine Anzahl von Magneten und/oder eine Anzahl von Spulen aufweist.
In einer anderen auch kombinierbaren Weiterbildung weist die Magnetfeldsensoranordnung zur Erzeugung des Magnetfeldvektors eine Anzahl von Magneten und/oder eine Anzahl von Spulen auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der rotatorisch bewegliche Geber eine Mehrzahl von ersten Magneten und eine Anzahl von zweiten Magneten auf. Die Mehrzahl von ersten Magneten erzeugt mit jeder Umdrehung des Gebers mittels einer Mehrzahl von Pohlpaaren die drehwinkelabhängige erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der ersten Raumrichtung und zweiten Raumrichtung. Die Anzahl von zweiten Magneten erzeugt mit jeder Umdrehung des Gebers die drehwinkelabhängige zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der dritten Raumrichtung.
In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der entlang einer Bahn bewegliche Geber eine Mehrzahl von ersten Magneten und eine Anzahl von zweiten Magneten aufweist. Die Bahn erstreckt sich beispielweise entlang einer Geraden. Auch ist es möglich, dass die Bahn eine oder mehrere Krümmungen aufweist.
Die Mehrzahl von ersten Magneten erzeugt mit einer Bewegung des Gebers entlang der Bahn mittels einer Mehrzahl von Pohlpaaren die wegabhängige erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der ersten Raumrichtung und in der zweiten Raumrichtung.
Die Anzahl von zweiten Magneten erzeugt mit der Bewegung des Gebers entlang der Bahn die wegabhängige zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der dritten Raumrichtung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung weist der rotatorisch bewegliche Geber eine Mehrzahl von Zähnen auf. Ein Material der Zähne beeinflusst ein Magnetfeld eines Magneten der Magnetfeldsensoranordnung. Die Zähne des Gebers sind ausgebildet, mit jeder Umdrehung des Gebers die drehwinkelabhängige erste Magnetfeldänderung des Magnetfeldvektors in der Magnetfeldsensoranordnung mit der ersten Periodizität in der ersten Raumrichtung und zweiten Raumrichtung zu erzeugen. Der Geber ist ausgebildet, mit jeder Umdrehung die drehwinkelabhängige zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der dritten Raumrichtung zu erzeugen.
In einer anderen Weiterbildung weist der entlang einer Bahn bewegliche Geber eine Mehrzahl von Zähnen auf. Ein Material der Zähne beeinflusst ein Magnetfeld eines Magneten der Magnetfeldsensoranordnung. Die Zähne des Gebers sind ausgebildet, bei einer Bewegung des Gebers entlang der Bahn die wegabhängige erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung zu erzeugen. Der Geber ist ausgebildet, entlang der Bahn die wegabhängige zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der dritten Raumrichtung zu erzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswertungsschaltung eingerichtet zur Erzeugung des ersten Signals mit der ersten Periodizität aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal entsprechend einer ersten Funktion. Die erste Funktion ist vorteilhafterweise eine Arcustangens-Funktion: D = arctan (A/B) (1)
Dabei ist D das erste Signal, A ist das erste Messsignal und B ist das zweite Messsignal.
Die Auswertungsschaltung ist vorzugsweise eingerichtet, ein zweites Signal mit der zweiten Periodizität aus dem dritten Messsignal des dritten Magnetfeldsensors entsprechend einer zweiten Funktion zu erzeugen.
Die zweite Funktion lautet zum Beispiel: E = √/(A² + B² + C²) (2)
Dabei ist E das zweite Signal, A ist das erste Messsignal und B ist das zweite Messsignal und C ist das dritte Messsignal. Die zuvor genannte zweite Funktion kann dann besonders vorteilhaft verwendet werden, wenn eine Amplitudenmodulation in zumindest der dritten Raumrichtung erfolgt.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert. Funktionsgleiche Elemente sind durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Messsystems,
2 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels,
3 einen Blockschaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Auswertungsschaltung,
4 einen Blockschaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Auswertungsschaltung,
5 einen Blockschaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Auswertungsschaltung,
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Gebers,
7 ein schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels,
8a eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gebers,
8b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gebers,
8c ein schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels,
9a und 9b schematische Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gebers,
9c ein schematisches Diagramm zu den Ausführungsbeispielen der 9a und 9b,
10a eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gebers, und
10b ein schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Messsystem schematisch dargestellt. Das Messsystem weist eine Magnetfeldsensoranordnung 10 eine Auswertungsschaltung 20 und einen Geber 30 auf. Der Geber 30 ist relativ zur Magnetfeldsensoranordnung 10 rotatorisch und/oder translatorisch beweglich. Mittels des Messsystems soll die Position und/oder Bewegung des Gebers 30 erfasst werden. Grundsätzlich kann als Geber 30 ein Magnetrad oder eine Magnetstange mit mehreren Polpaaren verwendet werden. Das Magnetrad erlaubt die Winkelmessung einer Drehung. Die Magnetstange erlaubt eine Wegmessung. die Magnetstange muss nicht notwendigerweise gerade sein, eine den Anforderungen entsprechend gekrümmte Magnetstange erlaubt auch nicht geradlinige Wegmessungen.
Die Magnetfeldsensoranordnung 10 weist einen ersten Magnetfeldsensor 11 und einen zweiten Magnetfeldsensor 12 und einen dritten Magnetfeldsensor 13 auf, die in genau einem Halbeiterchip integriert sind. Die Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 sind zur Messung von Komponenten B_x, B_z, B_y eines Magnetfeldvektors B angeordnet. In 1 ist ein Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y und z schematisch dargestellt. Der Ursprung des Koordinatensystems ist in der Mitte der Magnetfeldsensoranordnung 10, jedoch für eine bessere Sichtbarkeit in 1 versetzt dargestellt.
Der erste Magnetfeldsensor 11 ist zur Messung einer ersten Komponente B_x des Magnetfeldvektors B in einer ersten Raumrichtung x angeordnet. Der zweite Magnetfeldsensor 12 ist zur Messung einer zweiten Komponente B_z des Magnetfeldvektors B in einer zweiten Raumrichtung z angeordnet. Der dritte Magnetfeldsensor 13 ist zur Messung einer dritten Komponente B_y des Magnetfeldvektors B in einer dritten Raumrichtung angeordnet. Die Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 sind beispielsweise Hallplatten, die zueinander rechtwinklig im Halbleiterchip integriert sind.
Der Geber 30 im Ausführungsbeispiel der 1 ist ausgebildet in Abhängigkeit von seiner rotatorischen Bewegung den Magnetfeldvektor B in allen drei Raumrichtungen x, y, z zu ändern.
In 2 ist in einem Diagramm schematisch dargestellt, dass die Bewegung des Gebers 30 eine Änderung des Magnetfeldvektors B in der ersten Raumrichtung x – dargestellt durch die erste Magnetfeldkomponente B_x – und in der zweiten Raumrichtung z – dargestellt durch die zweite Magnetfeldkomponente B_z – mit einer ersten Periodizität T₁. bewirkt.
Ebenfalls ist in 2 dargestellt, dass die Bewegung des Gebers 30 eine Änderung des Magnetfeldvektors B in der dritten Raumrichtung y – dargestellt durch die Messsignale C1, C2, C3 – mit einer zweiten Periodizität T₂ bewirkt. Eine erste Periode der ersten Periodizität T₁ und eine zweite Periode der zweiten Periodizität T₂ sind unterschiedlich. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die zweite Periode dreimal so lang wie die erste Periode. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel der 1 ist die zweite Periode der zweiten Periodizität T₂ beispielsweise gleich einer Umdrehung des Gebers 30. Hingegen ermöglicht die kleinere erste Periode der ersten Periodizität T₁ eine besonders hohe Auflösung des Drehwinkels φ.
Ausführungsbeispiele für die Auswertungsschaltung 20 sind in den 3, 4 und 5 als Blockschaltplan schematisch dargestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3, 4 und 5 sind an die Auswertungsschaltung 20 der erste Magnetfeldsensor 11 und der zweite Magnetfeldsensor 12 und der dritte Magnetfeldsensor 13 angeschlossen.
Die Auswertungsschaltung 20 des Ausführungsbeispiels der 3 weist eine Anzahl von Analog-Digital-Umsetzer 21, 22, 23' auf. Ein Analogeingang eines Analog-Digital-Umsetzers 21, 22, 23' ist jeweils mittels eines Multiplexers 24 mit einem der angeschlossenen Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 verbindbar. Im Folgenden wird die Schalterstellung der Multiplexer 24 für den Fall angenommen, dass der erste Magnetfeldsensor 11 mit dem ersten Analog-Digital-Umsetzer 21, der zweite Magnetfeldsensor 12 mit dem zweiten Analog-Digital-Umsetzer 22 und der dritte Magnetfeldsensor 13 mit dem dritten Analog-Digital-Umsetzer 23' verbunden ist. Je nach Orientierung der Magnetfeldsensoranordnung 10 im Raum kann auch eine andere Verbindung durch die Multiplexer 24 geschaltet sein, so dass eine hohe Flexibilität der räumlichen Anordnung der Magnetfeldsensoranordnung 10 gegeben ist.
Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 3 kann für jeden Magnetfeldsensor 11, 12, 13 ein Analog-Digital-Umsetzer vorgesehen sein. In diesem Fall würden auf der digitalen Seite die Signale ausgewählt werden und die Multiplexer 24 könnten entfallen. Alternativ könnte auch ein einziger schneller Analog-Digital-Umsetzer verwendet werden, und die Analogsignale der Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 werden in schneller Folge zyklisch auf den Eingang des einzigen Analog-Digital-Umsetzers mittels eines Multiplexers geschaltet.
Im Ausführungsbeispiel der 3 gibt der erste Analog-Digital-Umsetzer 21 das digitale Messsignal A, der zweite Analog-Digital-Umsetzer 22 das digitale Messsignal B und der dritte Analog-Digital-Umsetzer 23' das digitale Messsignal C1 aus. Der dritte Analog-Digital-Umsetzer 23' ist dabei als Komparator ausgebildet und gibt als Messsignal C1 lediglich ein Bit aus. Der dritte Analog-Digital-Umsetzer 23' ist somit durch genau einen Schwellwertschalter gebildet.
Die Auswertungsschaltung 20 der 3 ist eingerichtet, die Position des Gebers 30 basierend auf dem ersten Messsignal A des ersten Magnetfeldsensors 11 und dem zweiten Messsignal B des zweiten Magnetfeldsensors 12 und dem dritten Messsignal C1 des dritten Magnetfeldsensors 13 zu bestimmen und als Positionssignal P auszugeben. Beispielsweise enthält das Positionssignal P für jedes Grad des Winkels φ gemäß 1 einen Wert. Zur Ermittlung der Position weist die Auswertungsschaltung 20 eine Logik 25 auf. In den 3, 4 und 5 sind Funktionen der Logik 25 als Funktionsblöcke 26, 27, 28 schematisch dargestellt. Die Logik 25 kann durch eine festverdrahtete Hardware oder durch einen programmierbaren Prozessor und der Funktion entsprechende Software realisiert sein.
Das erste Messsignal A und das zweite Messsignal B stellen beispielsweise die Grundfrequenz – also eine magnetische Umdrehung oder ein Polpaar – dar. Das dritte Messsignal C1 erlaubt das unterscheiden mehrerer Umdrehungen oder Polpaare innerhalb einer mechanischen Umdrehung. Der Funktionsblock 26 beschreibt eine Arkustangensfunktion der Messsignale A und B: D = arctan (A/B) (3)
Das erste Signal D ermöglicht daher innerhalb eines Polpaares des Gebers 30 eine besonders feine Auslösung der Position. Die Logik 25 ist mittels des Funktionsblocks 28 eingerichtet, aus dem ersten Signal D und dem dritten Messsignal C1 das Positionssignal P zu bilden. Der Funktionsblock 28 ist beispielsweise eine Zähllogik, ein Algorithmus und/oder eine Tabelle (LUT – engl. Look Up Table).
Der Verlauf des dritten Messsignals C1 ist schematisch in 2 dargestellt. Demzufolge übersteigt das analoge Ausgangssignal des dritten Magnetfeldsensors 13 innerhalb der ersten Periode des ersten/zweiten Messsignals A, B die Schwelle L. Ausgehend von dieser Initialisierung können die weiteren Perioden des ersten/zweiten Messsignals A, B gezählt und das Positionssignal P aus dem Zählwert der Zählung und dem ersten Signal D bestimmt werden. Die Schwelle L ist vorteilhafterweise einstellbar, insbesondere programmierbar.
In 4 ist eine Auswertungsschaltung 20 eines weiteren Ausführungsbeispiels anhand eines Blockschaltplans schematisch dargestellt. Der dritte Analog-Digital-Umsetzer 23 in 4 ermöglicht ein höher aufgelöstes digitales Messsignal C2, C3. Dabei weist der dritte Analog-Digital-Umsetzer 23 eine kleinere Auflösung auf als der erste Analog-Digital-Umsetzer 21 und der zweite Analog-Digital-Umsetzer 22.
In 2 sind zwei unterschiedliche dritte Messsignale C2, C3 in dem Diagramm dargestellt. Das Messsignal C2 weist vier Werte einer Treppenfunktion auf, durch die drei Perioden des ersten/zweiten Messsignals A, B sicher unterschieden werden können. Durch die Treppenfunktion werden eine hohe Störsicherheit und ein hoher Signalabstand erzielt. Die Drift über die Temperatur und Alterung von Magneten des Gebers bzgl. der Komponenten B_x, B_z des Magnetfeldvektors B müssen nicht kompensiert werden. Eine Kompensation für die Komponente B_y kann vorgesehen sein. Das Messsignal C3 weist eine höhere Auflösung auf, so dass eine überwiegend linear fallende Funktion ausgewertet werden kann. Darüber hinaus sind auch andere Stufungen und Auslösungen durch den dritten Analog-Digital-Umsetzer 23 möglich. Beispielsweise ist das dritte Messsignal ein Sinussignal mit kleinerer Periodizität. Hier ist ebenfalls die Verwendung einer Noniusspur möglich.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auswertungsschaltung 20 ist in 5 als Blockschaltplan dargestellt. Ein zusätzlicher Funktionsblock 27 ermöglicht es, zusätzlich zur ersten Funktion F1 eine zweite Funktion F2 und ggf. eine dritte Funktion F3 zu verwenden. Der Funktionsblock 27 gibt die Auswertungsergebnisse als Signal E aus, das zusammen mit dem Signal D durch den Funktionsblock 28 auswertet und das Positionssignal P ausgegeben wird. Durch den Multiplexer 24 ist eingangsseitig am Funktionsblock 27 das erste Messsignal A und/oder das zweite Messsignal B wahlweise anlegbar. Das Ausführungsbeispiel der 5 ermöglicht daher auch eine Auswertung komplexerer Änderungen des Magnetfeldvektors B, wie in den Ausführungsbeispielen der 6 bis 10b beschrieben.
In einem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die erste Funktion F1: F1(B_x, B_z) = arctan (B/A) (4)
Die zweite Funktion F2 ist beispielsweise: F2(B_y, B_z) = arctan (B/C) (5)
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Vorteil verbesserter Störsicherheit und verbessertem Signalabstand erzielt. Temperaturgang und Alterung von B_x, B_y, B_z müssen nicht zwingend kompensiert werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die erste Funktion F1: F1(B_x, B_z) = arctan (B/A) (6)
Die zweite Funktion F2 ist beispielsweise: F2(B_x, B_y, B_z) = y/(A² + B² + C²) (7)
Demzufolge wird in diesem Ausführungsbeispiel mit jeder Messung ein Winkelwert und ein Betragswert bestimmt.
In einem Ausführungsbeispiel mit der Auswertung mittels dreier Funktionen F1, F2 und F3 gilt für F1: F1(B_x, B_z) = arctan (B/A) (8)
Die zweite Funktion F2 ist beispielsweise: F2(B_y, B_z) = arctan (B/C) (9)
Zudem ist die dritte Funktion F3 beispielsweise: F2(B_x, B_y, B_z) = √(A² + B² + C²) (10)
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Messsignale A, B, C mittels anderer Funktionen F1, F2, F3 ausgewertet: F1(B_x, B_z) = arctan (B/A) (11) F2(B_x, B_z) = √(A² + B²) (12) F3(B_y) = C (13)
Demzufolge werden ein Winkel, ein Betrag und die Modulation in y-Richtung separat ausgewertet.
Die 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Geber 30, der eine Anzahl erster Magnete 31 und genau einen zweiten Magneten 32 aufweist. Wie in 6 dargestellt, werden erste Magnete 31 und der zweite Magnet 32 räumlich nah zueinander angeordnet. Beispielsweise werden die ersten Magnete 31 auf den zweiten Magneten 32 geklebt. Die resultierenden Komponenten B_x, B_y, B_z des Magnetfeldvektors B in Abhängigkeit von einer Bewegung der Magnetfeldsensorsanordnung 10 entlang des Gebers 30 ist in der 7 schematisch dargestellt.
Andere Ausführungsbeispiele von Messsystemen sind in den 8a und 8b schematisch dargestellt. In beiden Ausführungsbeispielen weist der Geber 30 erste Magneten 31 und genau einen zweiten Magneten 32 auf. Erste und zweite Magneten 31, 32 sind quer zur Bewegungsrichtung (x-Richtung) versetzt angeordnet, um die y-Komponente B_y, des Magnetfeldvektors B entlang des Bewegungsweges zu modulieren. Die Änderungen der Komponenten B_x, B_y, B_z des Magnetfeldvektors B sind in 8c schematisch dargestellt.
9a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems. Die Modulation des Magnetfeldvektors B in der dritten Raumrichtung z kann auch mittels eines Back-Bias-Magneten 19, welcher hinter den Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 platziert ist, erfolgen. Hierzu weist der Geber 30 ein geeignet geformtes Metallrad oder geformte Metallstange auf. Dabei kann der Geber 30 oder die Magnetfeldsensoranordnung 10 oder beide bewegt werden. Im Ausführungsbeispiel der 9a weist der Geber 30 Zähne 33 auf. Die Zähne 33 weisen ein Material auf, das ein Magnetfeld des Back-Bias-Magneten 19 beeinflusst. Der Back-Bias-Magnet 19 bewegt sich zusammen mit den Magnetfeldsensoren 11, 12, 13 relativ zur Struktur des Gebers 30. Die Struktur kann das Magnetfeld verbiegen, indem die Struktur z. B. Eisen aufweist. Hierdurch können wegabhängige Messsignale in der Magnetfeldsensoranordnung 10 erzeugt werden. Allerdings gibt es in diesem Fall keinen Nulldurchgang der Komponenten B_x, B_y, B_z des Magnetfeldvektors B, wie in 9c schematisch dargestellt ist.
Die Zähne 33 des Gebers 30 in den 9a und 9b sind ausgebildet, bei einer Bewegung des Gebers 30 entlang einer Bahn relativ zur Magnetfeldsensoranordnung 10 die wegabhängige erste Magnetfeldänderung mit einer ersten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung 10 in der ersten Raumrichtung x und der zweiten Raumrichtung z zu erzeugen. Diese Relativbewegung vom Geber 30 zur Magnetfeldsensoranordnung 10 ermöglicht es, beispielsweise den Geber 30 gehäusefest zu positionieren und den Magnetfeldsensoranordnung 10 zum Gehäuse verschieblich zu lagern. Durch die wegabhängige erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität wird eine hohe Auflösung erzielt. So können selbst kleine Bewegungen entlang der Bahn ermittelt werden.
Zudem ist der Geber 30 ausgebildet, entlang der Bahn die wegabhängige zweite Magnetfeldänderung mit einer zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung 10 in der dritten Raumrichtung y zu erzeugen. In 9b ist hierzu dargestellt, dass ein Metallelement 34 – z. B. aus Eisen – unterhalb der Zähne 33 angeordnet ist und das Magnetfeld des Back-Bias-Magneten 19 in y-Richtung verschiebt. Das Metallelement 34 kann daher auch als Verschiebelement oder Verlagerungselement bezeichnet werden. Die Form des Verschiebelements 34 ändert sich dabei in y-Richtung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung, im Ausführungsbeispiel der 9b der x-Richtung. Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 9a und 9b kann der Back-Bias-Magneten 19 eine andere Orientierung aufweisen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems ist in den 10a und 10b schematisch dargestellt. Der Geber 30 weist eine Anzahl erster Magneten 31 und eine Anzahl zweiter Magneten 32a und 32b auf. Die ersten Magneten 31 erzeugen in der x-z-Ebene in einem geeigneten Abstand in der Bewegung ein sinusförmiges Magnetfeld. Zwei um 90° versetzten Magnetfeldsensoren ermöglichen die Erfassung der x-Komponente B_x und der z-Komponenten B_z des Feldes. Aus den zugehörigen Messsignalen wird der Winkel gemäß der Arkustangens-Funktion berechnet.
Eine Modulation des Magnetfeldes in y-Richtung wird durch die seitlichen Magnetpole der zweiten Magneten 32a, 32b erzeugt. Damit kann in der y-Richtung eine zusätzliche Feldkomponenten B_y erzeugt werden, welche es erlaubt mehrere Polpaare der ersten Magnete 31 zu unterscheiden. Im Ausführungsbeispiel der 10b wird ein kontinuierlicher, rampenförmiger Verlauf angedeutet. Ein geeigneter zweiter Magnet könnte auch eine sich treppenförmig ändernde y-Komponente B_y erzeugen. Ebenfalls ist es in einem von den 10a und 10 abweichenden Ausführungsbeispiel möglich, die zweiten Magneten als Noniusspur auszubilden, z. B.: F1(B_x, B_z) = sin (10/10) (14) F2(B_y) = sin (9/10) (15)
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 10b beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, eine andere Anordnung der Magnete zu verwenden. Auch ist es möglich, dass sowohl der Geber 30 als auch die Magnetfeldsensoranordnung 10 jeweils eine Anzahl Magnete aufweist. Die Funktionalität des Messsystems gemäß 1 kann besonders vorteilhaft für ein Verstellsystem verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Magnetfeldsensoranordnung
11, 12, 13: Magnetfeldsensor
19, 31, 32, 32a, 32b: Magnet
20: Auswertungsschaltung
21, 22, 23, 23': Analog-Digital-Umsetzer
24: Multiplexer
25: Logik, Prozessor
26, 27, 28: Funktionsblock
30: Geber
33: Zahn
34: Verschiebungselement, Verlagerungselement
B: Magnetfeldvektor
B_x, B_x, B_z: Komponente des Magnetfeldvektors
x, y, z: Raumrichtung
φ: Drehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2354769 A1 [0002]
DE 102008059401 A1 [0003]
EP 1111392 A1 [0004]
EP 1503182 B1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ELEKTRONIK PRAXIS, Nr. 18, 17. Sept. 2008, Seite 22, J. Quasdorf [0005]

Claims

Messsystem, mit einer Magnetfeldsensoranordnung (10), die einen in einem Halbeiterchip integrierten ersten Magnetfeldsensor (11) zur Messung einer ersten Komponente (B_x) eines Magnetfeldvektors (B) in einer ersten Raumrichtung (x) und einen im Halbeiterchip integrierten zweiten Magnetfeldsensor (12) zur Messung einer zweiten Komponente (B_z) des Magnetfeldvektors (B) in einer zweiten Raumrichtung (z) und einen im Halbeiterchip integrierten dritten Magnetfeldsensor (13) zur Messung einer dritten Komponente (B_y) des Magnetfeldvektors (B) in einer dritten Raumrichtung (y) aufweist, mit einem Geber (30), der ausgebildet ist, in Abhängigkeit von seiner rotatorischen und/oder translatorischen Bewegung den Magnetfeldvektor (B) in der ersten Raumrichtung (x) und in der zweiten Raumrichtung (z) und in der dritten Raumrichtung (y) zu ändern, wobei die durch die Bewegung des Gebers (30) bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors (B) in der ersten Raumrichtung (x) und in der zweiten Raumrichtung (z) eine erste Periodizität (T1) aufweist, wobei die durch die Bewegung des Gebers (30) bewirkte Änderung des Magnetfeldvektors (B) in der dritten Raumrichtung (y) eine zweite Periodizität (T2) aufweist, wobei eine erste Periode der ersten Periodizität (T1) und eine zweite Periode der zweiten Periodizität (T2) unterschiedlich sind, mit einer Auswertungsschaltung (20), an die der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) und der dritte Magnetfeldsensor (13) angeschlossen sind, wobei die Auswertungsschaltung (20) eingerichtet ist, die Position des Gebers (30) basierend auf einem ersten Messsignal (A) des ersten Magnetfeldsensors (11) und einem zweiten Messsignal (B) des zweiten Magnetfeldsensors (12) und einem dritten Messsignal (C) des dritten Magnetfeldsensors (13) zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Magnetfeldvektors (B) der Geber (30) eine Anzahl von Magneten (31, 32, 32a, 32b) und/oder eine Anzahl von Spulen aufweist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Magnetfeldvektors (B) die Magnetfeldsensoranordnung (10) eine Anzahl von Magneten (19) und/oder eine Anzahl von Spulen aufweist.
Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rotatorisch bewegliche Geber (30) eine Mehrzahl von ersten Magneten (31) und eine Anzahl von zweiten Magneten aufweist, wobei die Mehrzahl von ersten Magneten mit jeder Umdrehung des Gebers (30) mittels einer Mehrzahl von Pohlpaaren die (drehwinkelabhängige) erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität (T₁) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der ersten Raumrichtung (x) und zweiten Raumrichtung (z) erzeugt, und wobei die Anzahl von zweiten Magneten mit jeder Umdrehung des Gebers (30) die (drehwinkelabhängige) zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität (T₂) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der dritten Raumrichtung (y) erzeugt.
Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang einer Bahn relativ zur Magnetfeldsensoranordnung (10) bewegliche Geber (30) eine Mehrzahl von ersten Magneten (31) und eine Anzahl von zweiten Magneten (32, 32a, 32b) aufweist, wobei die Mehrzahl von ersten Magneten (31) mit einer Bewegung des Gebers (31) entlang der Bahn mittels einer Mehrzahl von Pohlpaaren die (wegabhängige) erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität (T₁) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der ersten Raumrichtung (x) und in der zweiten Raumrichtung (z) erzeugt, wobei die Anzahl von zweiten Magneten (32, 32a, 32b) mit der Bewegung des Gebers (30) entlang der Bahn die (wegabhängige) zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität (T₂) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der dritten Raumrichtung (y) erzeugt.
Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rotatorisch bewegliche Geber eine Mehrzahl von Zähnen aufweist, wobei ein Material der Zähne ein Magnetfeld eines Magneten der Magnetfeldsensoranordnung beeinflusst, wobei die Zähne des Gebers ausgebildet sind, mit jeder Umdrehung des Gebers die (drehwinkelabhängige) erste Magnetfeldänderung des Magnetfeldvektors in der Magnetfeldsensoranordnung mit der ersten Periodizität in der ersten Raumrichtung und zweiten Raumrichtung zu erzeugen, und wobei der Geber ausgebildet ist, mit jeder Umdrehung die (drehwinkelabhängige) zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität in der Magnetfeldsensoranordnung in der dritten Raumrichtung zu erzeugen.
Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang einer Bahn relativ zur Magnetfeldsensoranordnung (10) bewegliche Geber (30) eine Mehrzahl von Zähnen (33) aufweist, wobei ein Material der Zähne (33) ein Magnetfeld eines Magneten (19) der Magnetfeldsensoranordnung (10) beeinflusst, wobei die Zähne (33) des Gebers (30) ausgebildet sind, bei einer Bewegung des Gebers (30) entlang der Bahn die (wegabhängige) erste Magnetfeldänderung mit der ersten Periodizität (T₁) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der ersten Raumrichtung (x) und der zweiten Raumrichtung (z) zu erzeugen, und wobei der Geber (30) ausgebildet ist entlang der Bahn die (wegabhängige) zweite Magnetfeldänderung mit der zweiten Periodizität (T₂) in der Magnetfeldsensoranordnung (10) in der dritten Raumrichtung (y) zu erzeugen.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung (20) eingerichtet ist, zur Erzeugung des ersten Signals (D) mit der ersten Periodizität (T₁) aus dem ersten Messsignal (A) und dem zweiten Messsignal (B) entsprechend einer ersten Funktion, insbesondere einer Arcustangens-Funktion (arctan (A/B)).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung (20) eingerichtet ist, ein zweites Signal (E) mit der zweiten Periodizität (T₂) aus dem dritten Messsignal (C) des dritten Magnetfeldsensors (13) entsprechend einer zweiten Funktion zu erzeugen.