DE102014116826A1

DE102014116826A1 - Rechtwinklige gradiometrische Winkelsensoren, Systeme und Verfahren

Info

Publication number: DE102014116826A1
Application number: DE102014116826.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-05-21
Also published as: US20150142376A1; CN104656043B; CN104656043A; US9915552B2

Abstract

Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldsensoren, wie gradiometrische Magnetfeld-Winkelsensoren mit allgemein axialen Anordnungen von Sensorelementen relativ zu einer Drehachse eines Magneten. In einer Ausführungsform ist ein Winkelsensor axial in Bezug auf die Drehachse eines Magneten angeordnet, der ein Magnetfeld generiert, das vom Winkelsensor detektiert und analysiert werden kann, um eine Winkelposition des Magneten zu bestimmen. Der Sensor kann eine Vielzahl von Sensorelementen, wie zwei Sensorelemente, umfassen, die auf einem Substrat oder einem Chip in einer Sensorpackung angeordnet sind. Während er sich dreht, generiert der Magnet ein Magnetfeld, wie ein inhomogenes Magnetfeld, das eine Komponente rechtwinklig zur Drehachse aufweist und auf den Winkelsensor wirkt. Die Vielzahl von Sensorelementen kann diese und andere Komponenten, wie beispielsweise als gradiometrischer Sensor, detektieren, wobei jedes Element wenigstens eine Komponente an ihrem jeweiligen Ort erfasst, und die Signale von den Elementen verglichen werden, um eine Winkelposition oder einen Bewegungsgrad des Magneten zu schätzen oder zu bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetfeldsensoren, und insbesondere auf gradiometrische Magnetfeld-Winkelsensoren (z. B. Sensoren zur magnetfeldbasierten Bestimmung eines Winkels wie eines Drehwinkels), die wenigstens zwei Gradienten von Magnetfeldkomponenten auf der Drehachse abtasten, wobei die Magnetfeldkomponenten allgemein rechtwinklig zur Drehachse sind.
HINTERGRUND
Magnetfeldsensoren können verwendet werden, um einen Drehwinkel einer Welle oder eines anderen Objekts zu erfassen. Beispielsweise kann ein Magnet auf der Welle montiert sein, und ein Magnetfeldsensor kann in der Nähe des Magneten angeordnet sein, um ein Magnetfeld zu erfassen, das vom Magneten induziert wird, während er sich mit der Welle dreht. Wenn der Magnetfeldsensor nahe bei der oder angrenzend an die Welle montiert ist, d. h. außerhalb der Drehachse der Welle, wird der Sensor oft als „außeraxialer” Magnetfeld-Winkelsensor bezeichnet. Außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren werden oft implementiert, wenn das Ende der Welle als Ort für den Sensor nicht zur Verfügung steht oder es einfach keinen verfügbaren Raum auf der Welle gibt. Allgemein ist ein „axialer” Magnetfeldsensor dann einer, bei dem der Sensor am oder nahe beim Ende der Welle, allgemein in Übereinstimmung mit oder auf der Drehachse, montiert ist. In einigen Ausführungsformen können axiale Magnetfeld-Winkelsensoren Gradiometer umfassen, so dass ein axialer Magnetfeld-Gradientensensor einen Gradienten des Magnetfelds auf der Drehachse misst. Der Gradient kann in einigen Anwendungen mit ausreichender Approximation gemessen werden, indem das Magnetfeld an Abtastpunkten nahe bei und auf gegenüberliegenden Seiten der Achse abgetastet und die Abtastwerte kombiniert werden, wie durch Subtraktion.
In vielen Anwendungen besteht eine allgemeine Präferenz, dass Magnetfeld-Winkelsensoren, egal ob außeraxial oder axial, kostengünstig sind, während sich auch in Bezug auf externe Magnetfelder und andere Störungen robust sind. Ein Nachteil einiger herkömmlicher Ansätze ist dann eine Anforderung von wenigstens zwei Sensorsubstraten mit Sensorelementen, welche dieselbe Magnetempfindlichkeit aufweisen und hochlinear sind. Obwohl einige Ansätze die Linearitätsanforderung unter Verwendung von Hall-Effekt-Sensorelementen behandeln, könnte es Möglichkeiten für andere, Nicht-Hall-Ansätze geben, falls die Linearitätsanforderung reduziert oder eliminiert wird. Viele herkömmliche Ansätze verwenden stärkere und daher teurere Magneten, was ein weiterer Nachteil ist, wenn Kosten eine Überlegung sind. Zusätzlich kann die Genauigkeit vieler herkömmlicher Magnetfeld-Winkelsensoren verringert werden, falls Montagetoleranzen nicht genauestens gesteuert werden. Noch ein weiterer Nachteil vieler herkömmlicher axialer Magnetfeld-Winkelsensoren sind Fehler, die durch Hintergrundmagnetfelder verursacht werden. Allgemein bestehen daher zahlreiche Nachteile im Zusammenhang mit herkömmlichen Magnetfeld-Winkelsensoren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, verbesserte Sensoren und entsprechende Verfahren bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden ein Magnetfeld-Winkelsensor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldsensoren, wie gradiometrische Magnetfeld-Winkelsensoren, mit allgemein axialen Anordnungen von Sensorelementen relativ zu einer Drehachse eines Magneten.
In einer Ausführungsform umfasst ein Magnetfeld-Winkelsensor, der ausgelegt ist, eine Drehposition einer Magnetfeldquelle in Bezug auf eine Drehachse zu bestimmen: einen Chip, der eine erste Fläche umfasst und in einer Linie mit der Drehachse so angeordnet ist, dass sich eine Projektion der Drehachse durch den Chip im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Fläche erstreckt; wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente, die auf der ersten Fläche des Chips rund um die Projektion der Drehachse angeordnet sind, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente ausgelegt sind, wenigstens zwei Gradienten eines Magnetfelds zu erfassen, das von der Magnetfeldquelle erzeugt wird, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente für Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse und parallel zur ersten Fläche sind; und Schaltungen, die ausgelegt sind, die Drehposition der Magnetfeldquelle durch eine Bestimmung wenigstens einer Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten zu bestimmen und die Drehposition von der wenigstens einen Linearkombination abzuleiten.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehposition einer Magnetfeldquelle in Bezug auf eine Drehachse: Vorsehen von wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelementen, die auf einer Fläche rund um eine Projektion der Drehachse auf die Fläche angeordnet sind, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente ausgelegt sind, wenigstens zwei Gradienten einer Magnetfeldkomponente eines Magnetfelds zu erfassen, das von der Magnetfeldquelle induziert wird, wobei die Magnetfeldkomponente im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse und parallel zur Fläche ist; und Vorsehen von Schaltungen, die mit den wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelementen gekoppelt sind, um die Drehposition der Magnetfeldquelle betreibbar zu bestimmen, indem wenigstens eine Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten bestimmt wird, und die Drehposition von der wenigstens einen Linearkombination abgeleitet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigeschlossenen Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1A eine perspektivische Ansicht eines axialen Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
1B ein Blockbild eines Teils des Sensorsystems von 1A ist;
2 eine seitliche Schnittansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
3 eine Draufsicht eines Sensorchips gemäß einer Ausführungsform ist;
4 eine Draufsicht eines Sensorchips gemäß einer Ausführungsform ist;
5A eine Seitenansicht eines Magneten und Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
5B eine Draufsicht von 5A ist;
6A eine Seitenansicht eines Magneten und Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
6B eine Draufsicht von 6A ist;
7 eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
8 eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
9 eine perspektivische Ansicht eines Magneten und Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
10A eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
10B eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
10C eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
10D eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
10E eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
10F eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
11A eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
11B eine perspektivische Ansicht eines Sensors und des Magneten von 11A ist;
11C eine perspektivische Ansicht des Sensors und Magneten von 11B ist;
11D eine Draufsicht des Sensors und Magneten von 11B ist;
11E eine perspektivische Ansicht des Sensors und Magneten von 11B ist;
11F eine seitliche Schnittansicht des Sensors und Magneten von 11B ist;
12A eine Draufsicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
12B eine perspektivische Ansicht des Magneten von 12A ist;
13 eine perspektivische Ansicht eines Magneten gemäß einer Ausführungsform ist;
14A eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
14B ein Blockbild einer Halbbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist;
14C eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
14D eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
15 ein Blockbild einer Halbbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist;
16 ein Blockbild einer Halbbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist;
17 eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
18 eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
19 eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist;
20 eine Draufsicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform ist.
Obwohl verschiedene Modifikationen und alternative Formen der Erfindung möglich sind, werden spezifische Details davon als Beispiele in den Zeichnungen gezeigt und werden genau beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung die Erfindung nicht auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen begrenzen soll. Im Gegensatz dazu soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Grundgedanken und Umfang der Erfindung fallen, wie durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldsensoren, wie gradiometrische Magnetfeld-Winkelsensoren, mit allgemein axialen Anordnungen von Sensorelementen relativ zu einer Drehachse eines Magneten. In einer Ausführungsform ist ein Winkelsensor axial in Bezug auf die Drehachse eines Magneten angeordnet, der ein Magnetfeld generiert, das vom Winkelsensor detektiert und analysiert werden kann, um eine Winkelposition des Magneten zu bestimmen. Der Sensor kann eine Vielzahl von Sensorelementen, wie zwei Sensorelemente, umfassen, die auf einem Substrat oder Chip in einer Sensorpackung angeordnet sind. Während sich der Magnet dreht, erzeugt er ein Magnetfeld, wie ein inhomogenes Magnetfeld, das eine Komponente rechtwinklig zur Drehachse aufweist und auf den Winkelsensor wirkt. Die Vielzahl von Sensorelementen kann diese und andere Komponenten detektieren, beispielsweise als gradiometrischer Sensor, bei dem jedes Element wenigstens eine Komponente an ihrem jeweiligen Ort erfasst, und die Signale von den Elementen werden verglichen, um eine Winkelposition oder einen Bewegungsgrad des Magneten zu schätzen oder zu bestimmen. Ausführungsformen sehen dadurch zahlreiche Vorteile, die eine Robustheit gegen homogene Magnetstörfelder umfassen, angesichts der gradiometrischen Auslegung vor.
Mit Bezugnahme auf 1A ist ein Beispiel eines axialen Winkelsensorsystems 100 dargestellt. Das Sensorsystem 100 umfasst einen Magneten 102, der an einer Welle 104 so montiert oder auf andere Weise befestigt ist, dass sich der Magnet 102 mit der Welle 104 dreht. Der Magnet 102 kann einen Permanentmagneten in einer Ausführungsform oder eine andere Magnetfeldquelle in anderen Ausführungsform, wie einen Elektromagneten, einfache Spulen (z. B. von Drähten oder anderen Leitern), umfassen, die ein Magnetfeld generieren, wenn Strom durch diese fließt. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Magnetfeldquelle (z. B. Magnet 102) von der Welle 104 entkoppelt oder auf andere Weise in einer festen Position gemeinsam mit einem Sensor 105 angeordnet werden, und eine andere Magnetkomponente, wie ein Eisenteil, dreht sich und bewirkt Änderungen in dem Magnetfeld, die vom Sensor 105 erfasst werden können.
Mit weiterer Bezugnahme auf 1A umfasst der Sensor 105 ein Substrat oder einen Chip 106 und ist in der Nähe des Magneten 102 und der Welle 104 angeordnet. Im System 100 ist der Sensor 105 allgemein koaxial mit der Welle 104 angeordnet, wobei der Chip 106 rechtwinklig dazu ausgerichtet ist. Obwohl er hier allgemein als Chip bezeichnet wird, kann der Chip 106 ein Substrat, einen Chip, eine Leiterplatte oder andere Struktur umfassen, die ein Halbleitermaterial, Keramik, Glas, Epoxy (z. B. Glasfaser-verstärktes Epoxy, wie FR4) oder ein anderes geeignetes Material, mit oder ohne Packung, in verschiedenen Ausführungsformen umfassen, und die Verwendung des Ausdrucks ist hier nicht als einschränkend für irgendeine bestimmte Ausführungsform oder in Bezug auf die Ansprüche anzusehen.
Eine Hauptebene des Chips 106, d. h. die xy-Ebenenfläche, die in der Orientierung von 1A nach oben weist und auf der Magnetfeld-Sensorelemente 108 montiert sind, ist rechtwinklig zur Drehachse der Welle 104 angeordnet, wie veranschaulicht. In anderen Ausführungsformen kann der Chip 106 umgedreht oder gekippt sein, so dass dieselbe xy-Fläche nach unten weist, oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise angeordnet sein. In einer Ausführungsform sind zwei Magnetfeld-Sensorelemente 108 auf dem Chip 106 angeordnet, obwohl in anderen hier diskutierten Ausführungsformen allgemein mehr oder weniger Sensorelemente 108 verwendet werden können. Die relativen Positionen des Chips 106, des Magneten 102 und/oder der Welle 104 können in Ausführungsformen variieren, ebenso wie die relative Anordnung und Orientierungen von Sensorelementen 108 dies können, wobei 1A nur ein Beispiel einer Ausführungsform ist. Beispielsweise kann in anderen Ausführungsformen eine Vielzahl von Sensoren 105 mit mehr oder weniger Sensorelementen 108 verwendet werden, und/oder der Sensor 105 kann allgemein über anstatt unter der Welle 104 und dem Magneten 102 oder in irgendeiner anderen Auslegung angeordnet sein. Außerdem ist 1A nicht maßstabgetreu und ist eine vereinfachte Konzeptdarstellung, um grundlegende Komponenten und Merkmale einer Ausführungsform des Systems 100 zu veranschaulichen.
Der Magnet 102 ist in Ausführungsformen axial magnetisiert, z. B. in der –z-Richtung in der Ausführungsform von 1A. In anderen Ausführungsformen kann der Magnet 102 diametral oder in anderer Weise magnetisiert sein. Die Sensorelemente 108 sind für Magnetfeldkomponenten empfindlich, die in der oder parallel zur (x, y)-Ebenenfläche des Chips 106 sind, und können in Ausführungsformen Magnetowiderstands-(MR-)Elemente (z. B. AMR, GMR, TMR, CMR und andere), Riesen-Magnetoimpedanz-(GMI-)Elemente, Sensorelemente, Hall-Effekt-Sensorelemente (z. B. vertikale Hall-Vorrichtungen, Hall-Platten und andere), MAGFET und andere Magnetfeld-Sensorelemente und Kombinationen davon umfassen.
Die Form und Auslegung des Magneten 102 können in Ausführungsformen variieren, wobei die Auslegung von 1A nur zur Veranschaulichung einer allgemeinen relativen Anordnung von Elementen verwendet wird und in Bezug auf andere Ausführungsformen oder Auslegungen nicht einschränkend ist. Obwohl in 1A der Magnet 102 als zentriert auf der Welle 104 gezeigt ist, beschreiben andere hier diskutierte Ausführungsformen andere Anordnungen, wie jene, in denen der Magnet 102 nicht auf der Drehachse zentriert ist, die durch die Welle 104 verläuft (siehe z. B. 2), und/oder eine andere Form umfasst. In einer Ausführungsform, wie in jener der nachstehenden 2, ist der Magnet 102 allgemein zylindrisch, wobei eine Symmetrieachse mit der Drehachse nicht ausgerichtet ist oder zusammenfällt, sondern parallel dazu ist, welche hier gleich wie die z-Achse (und z. B. um eine Distanz ε_R beabstandet) ist, und weist einen allgemein kreisförmigen Querschnitt in der (x, y)-Ebene auf, in Bezug auf die Orientierung und den Referenzrahmen von 2, was in anderen Ausführungsformen variieren kann. In Ausführungsformen ist der Magnet axial magnetisiert, wie veranschaulicht, obwohl andere Magnetisierungsrichtungen und -typen in anderen Ausführungsformen implementiert werden können.
Mit dieser Symmetrie und Auslegung hat die Projektion eines Magnetfelds, das durch einen axial magnetisierten Magneten 102 induziert wird, in einer beliebigen Ebene „z = konstant” nur eine radiale Komponente und keine azimutale Komponente in einem zylindrischen Referenzrahmen, der mit der Symmetrie des Magneten zentriert ist. Außerdem kann dieses Feld eine konstante Größe entlang konzentrischer Kreise aufweisen. Wenn die radiale Distanz des Testpunkts vom Zentrum des Magneten 102 R ist, kann daher die Projektion des Felds durch B_R = f(R) beschrieben werden, wobei f(R) irgendeine willkürliche Funktion gegenüber der radialen Distanz ist, die über große Distanzen langsam verschwindet. Demgemäß sind die x- und y-Komponente dieses Felds B_x = xf(R)/R and B_y = yf(R)/R. Wenn das Zentrum des Magneten 102 zur Position (x, y) = (ε_Rcosφ, ε_Rsinφ) in einem auf der Drehachse zentrierten Referenzrahmen verschoben wird, wobei ε_R die Exzentrizität ist, und φ die Drehposition der Symmetrieachse des Magneten 102, wird das Magnetfeld in diesem Referenzrahmen:
Wenn ein gradiometrischer Sensor (z. B. Sensor 105) bei (x, y) = (0, 0) positioniert ist, kann er die folgenden vier Gradienten auf der Drehachse detektieren:
wobei f'(R) die Ableitung von f(R) gegenüber der exzentrischen radialen Position ε_R ist. Die Umgruppierung ergibt zwei sinusförmige Signale, welche dieselbe Amplitude und eine 90° Phasenverschiebung aufweisen:
Der Drehwinkel φ des Magneten 102 kann von diesen beiden sinusförmigen Signalen abgeleitet werden, z. B. unter Verwendung der Arkustangens-Funktion eines Verhältnisses der Signale und Dividieren durch zwei. Alternativ dazu kann das System den Zeiger
in der komplexen Ebene unter Verwendung der imaginären Einheit j = √–1 bestimmen. Dies ist gleich wie der Ausdruck ( ∂ / ∂x + j ∂ / ∂y)(B_x + jB_y) , der als komplexwertiger Gradient ( ∂ / ∂x + j ∂ / ∂y) interpretiert werden kann, welcher an einem komplexwertigen Magnetfeld (B_x + jB_y) operiert. Dadurch ist ein komplexwertiger Gradient äquivalent zu zwei reellwertigen Gradienten, die der reelle und imaginäre Teil des komplexwertigen Gradienten sind. Die Drehposition des Magneten ist die Hälfte des Winkels dieses Zeigers mit der positiven reellen Achse in der komplexen Ebene. In Ausführungsformen kann der Sensor 105 nur für eine halbe Drehung (z. B. über 180°) arbeiten. In einer Ausführungsform kann ein Magnet 102 vorteilhaft sein, für den gilt f'(ε_R) – f(ε_R)/ε_R ≠ 0, wie einer, für den die Größe dieses Terms maximiert wird, um ein starkes, robustes Signal zu liefern.
In Ausführungsformen können die hier diskutierten Kalkulationen, Bestimmungen und Berechnungen durch Steuer- oder andere Schaltungen durchgeführt werden, die einen Teil der Sensorelemente 108 (z. B. 108_1, 108_2, 108_n) bilden oder auf andere Weise mit diesen gekoppelt sind. Eine Ausführungsform ist in 1B gezeigt, bei der die Schaltungen 101 ein Teil des Systems 100 sind und mit den Sensoren 108 gekoppelt sind, obwohl in Ausführungsformen mehr oder weniger Sensoren im System 100 implementiert sein können. Die Schaltungen 101 können Steuer-, Schätz-, Signalkonditionierungs- und/oder andere Schaltungen umfassen und dedizierte Sensorsystemschaltungen sein, oder sie können einen Teil eines anderen Systems oder einer Komponente umfassen (z. B. eine elektronische Steuerschaltung, ECU, bei Automobil- oder anderen Anwendungen). Das System 100 kann auf einem einzelnen Chip oder einem Board in einer einzelnen Packung oder in oder auf mehreren Chips und/oder Packungen angeordnet sein, und die verschiedenen Komponenten (nicht alle von welchen im vereinfachten Blockbild von 1B dargestellt sind) können elektrisch, kommunikativ und/oder operativ miteinander gekoppelt sein, wie für eine beliebige gegebene Anwendung oder Implementierung geeignet oder angemessen, da Fachleuten klar ist, dass diese Anordnungen variieren können.
Mit Bezugnahme auf 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Sensorsystems 200 dargestellt. Hier werden durchgehend ähnliche Bezugszahlen (z. B. Magnet 102 und Magnet 202) verwendet, um sich auf ähnliche Elemente zu beziehen, obwohl diese Elemente nicht identisch sein müssen, wenn sie nicht als solche beschrieben werden. Das System 200 umfasst einen Magneten 202, der mit einer Welle 204 gekoppelt und drehbar ist. In 2 ist der Magnet 202 mit der Welle 204 durch eine optionale Rückwand 210 gekoppelt, die in Ausführungsformen Eisen oder ein anderes eisenhaltiges oder nicht-eisenhaltiges Material umfassen kann und die sich mit der Welle 204 dreht. Der Magnet 202 kann exzentrisch mit der Rückwand 210 in Bezug auf die z-Achse (d. h. die Drehachse) und das Zentrum der Welle 204 und die Rückwand 210 gekoppelt sein, wie in 2 gezeigt, oder an irgendeinem anderen Ort oder in anderer Weise montiert sein. Der Magnet 202 umfasst in Ausführungsformen einen axial magnetisierten Ringmagneten. In 2 ist der Magnet 202 axial magnetisiert in der –z-Richtung, obwohl er in einer +z-Richtung montiert sein kann, oder in anderen Ausführungsformen in einer anderen Weise als axial magnetisiert sein kann.
In der Nähe des Magneten 202 und axial in Bezug auf die Drehachse ist ein Sensor 205 angeordnet. Der Sensor 205 umfasst eine Sensorpackung 220, in der wenigstens zwei Sensorelemente 208 auf einem Chip 206 angeordnet sind. Die Packung 220 ist mit einer Leiterplatte (PCB) 230 oder anderen Struktur durch einen Anschlussrahmen 222 gekoppelt. Eine optionale Rückwand 232 ist mit der PCB 230 gekoppelt und kann in Ausführungsformen, wie die Rückwand 210, Eisen oder ein anderes eisenhaltiges oder nicht-eisenhaltiges Material umfassen.
Eine detailliertere Draufsicht einer Ausführungsform eines Sensors 205 ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Sensor 205 wenigstens ein Gradiometer in zwei unterschiedlichen Richtungen: der x-Richtung und der y-Richtung. Beispielsweise, wie dargestellt, umfasst der Sensor 205 acht Sensorelemente 208 (Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3), die auf dem Chip 206 relativ zu einer Projektion der Drehachse (PRA) darauf angeordnet sind. PRA ist als geometrisches Zentrum des Chips 206 in der Ausführungsform von 3 gezeigt, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auf andere Weise relativ zum Chip 206 positioniert sein. PRA ist auch als Zentrum eines Kreises dargestellt, auf dem die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 angeordnet sind, so dass die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 in einer Ausführungsform allgemein in gleichem Abstand von PRA angeordnet sind.
Die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 können in Ausführungsformen Hall-Effekt-Sensorelemente (z. B. gewöhnliche Hall-Vorrichtungen oder vertikale Hall-Vorrichtungen), Magnetowiderstands-(XMR-)Sensorelemente (z. B. AMR, GMR, TMR, CMR, etc.) oder irgendwelche anderen geeigneten Magnetfeld-Erfassungselemente umfassen. In Ausführungsformen können die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 vertikale Hall-Vorrichtungen oder XMR-Elemente umfassen, die allgemein auf Projektionen des Magnetfelds auf gleicher Ebene reagieren. In anderen Ausführungsformen können andere Magnetfeld-Erfassungselemente verwendet werden, die geeignet angeordnet und positioniert sind, um auf eine gewünschte Magnetfeldkomponente anzusprechen.
Die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 sind in Paaren angeordnet (z. B. Mx0 und My0), wobei ein Sensorelement Mx0 von jedem Paar auf Bx (d. h. die x Komponente des Magnetfelds B) anspricht, und das andere Sensorelement des Paars auf By (d. h. die y Komponente des Magnetfelds B) anspricht. Der Pfeil auf jedem Sensorelement Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 in 3 zeigt die Richtung der Magnetfeldkomponente an, auf die das Sensorelement anspricht. Präziser kann angenommen werden, dass das Ausgangssignal Mx0 steigt, falls eine Größe des Magnetfelds, das in die Richtung des am Element Mx0 in 3 gezeigten Pfeils zeigt, zunimmt (d. h. das Ausgangssignal von Mx0 ist größer für Bx = –10 mT als für Bx = –5 mT). Andere Layouts und Anordnungen als die in 3 als Beispiel gezeigte sind möglich, z. B. durch das Drehen jedes Sensorelements um 180°. Wie in 3 angeordnet, können die folgenden vier Gradienten abgeleitet werden:
In der Praxis können Sensoren wie der Sensor 205 Gradienten nur näherungsweise bestimmen, indem die Feldkomponente an zwei unterschiedlichen Orten gemessen und eine Differenz dazwischen bestimmt wird. Genau genommen, ist der Gradient der mathematische Grenzwert für einen verschwindenden Abstand zwischen den beiden Orten, obwohl in der Praxis dieser Abstand zwischen Orten auf dem Chip 206 ziemlich klein sein kann (z. B. in der Größenordnung von etwa 100 Mikrometern oder etwa 500 Mikrometern in einigen Ausführungsformen, und allgemein weniger als etwa 4 mm) verglichen mit der Größe des Magneten 202 (z. B. in der Größenordnung von etwa 10 mm im Durchmesser). So können die Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 (oder damit gekoppelte Schaltungen), wie in 3 angeordnet, die Gradienten näherungsweise bestimmen gemäß:
Obwohl das Magnetfeld geringfügig außeraxial abgetastet wird, kann angesichts der relative Anordnung der Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 und von PRA der Sensor 205 die Gradienten dBx/dx, dBy/dx, dBx/dy and dBy/dx axial bestimmen, da der Gradient auf der Achse angeordnet ist, falls die Feldkomponenten symmetrisch und geringfügig außeraxial abgetastet werden.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Sensors 205 ist in 4 gezeigt, die auch acht Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 umfasst, welche in einer anderen Auslegung auf dem Chip 206 angeordnet sind. In 4 sind die Gradiometersignale
Sowohl in 3 als auch 4 wird angenommen, dass die Größe der Sensorelemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 allgemein klein ist verglichen mit dem Abstand s, wie in jeder Zeichnung gezeigt. Diese Annahme macht es irrelevant, falls das Mx Sensorelement links, rechts, oberhalb oder unterhalb vom entsprechenden My Sensorelement ist. Falls in Ausführungsformen die Größe der Elemente Mx0, My0, Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 nicht vernachlässigbar ist, gibt es einige unterschiedliche Wege, in denen die Elemente eines beliebigen bestimmten Paars (z. B. Sensorelemente Mx0 und My0) angeordnet werden können. In einer Ausführungsform können beide am in 3 und 4 veranschaulichten Kreis (dessen Zentrum PRA ist) an geringfügig unterschiedlichen azimutalen Positionen platziert werden, wobei das My Sensorelement so nahe wie möglich beim Mx Sensorelement angeordnet ist, jedoch geringfügig im Uhrzeigersinn (oder im Gegenuhrzeigersinn) verschoben für jedes Paar. In einer anderen Ausführungsform können die Sensorelement eines beliebigen Paars an derselben azimutalen Position, jedoch auf unterschiedlichen Kreisen angeordnet sein, wodurch die unterschiedlichen Kreise jeweils auf PRA zentriert und konzentrisch mit unterschiedlichen Radien angeordnet sind, und alle der x-Elemente auf einem Kreis angeordnet sind, und alle der y-Elemente auf einem anderen Kreis. In noch einer weiteren Ausführungsform können die Sensorelemente jedes Paars in Subelemente geteilt werden, die auf einer gemeinsamen Zentroidanordnung angeordnet sind, z. B. wie einer, die für abgestimmte Transistorpaare bekannt ist, so dass innerhalb eines Paars von Mx und My Sensorelementen der Schwerpunkt des Mx Sensorelements gleich ist wie der Schwerpunkt des My Sensors. Andere Auslegungen und Anordnungen können in anderen Ausführungsformen implementiert werden.
In der oben angegebenen mathematischen Grenze können beide Sensorelementsignale eines beliebigen Paars sinusförmig mit dem Drehwinkel des Magneten 202 variieren, die gleichen Amplituden haben und eine 90 Grad-Phasenverschiebung aufweisen (d. h. sind in Quadratur). So kann die Drehposition des Magneten 202 auf zahlreichen Wegen abgeleitet werden, wie:
In der Praxis sind die Sensorelemente jedes Gradiometers durch irgendeine nicht-verschwindende Distanz beabstandet. Dies kann kleine Winkelfehler mit einer Periode von 90 Grad einbringen, obwohl diese Fehler reduziert werden können, falls das System 200 zwei Subsysteme umfasst, wobei das erste Subsystem z. B. jenes umfasst, das in 3 dargestellt ist, und das zweite Subsystem gleich ist, aber um PRA in Bezug darauf um 45 Grad gedreht ist. Das gesamte Subsystem kann gedreht werden, oder nur die Positionen der Sensorelemente, während ihre Richtungen und Ausrichtungen in Bezug auf einen Rand des Chips 206 konstant gehalten werden.
Gemäß dieser Gleichung, die sich aus Maxwell-Gleichungen ergibt, verschwindet die Rotation des Magnetfelds:
So kann der Sensor 205 nur eines von jedem dBx/dy und dBy/dx detektieren und dann dieses Ergebnis mit zwei multiplizieren. Da die Divergenz des Magnetfelds gemäß Maxwell-Gleichungen auch verschwinden muss, ist es möglich, einen von jedem Gradienten dBx/dx und dBy/dy zu messen. Falls der Magnet 202 so ist, dass dBz/dz = 0 auf der Fläche des Chips 206, dann folgt, dass
so dass das System 200 nur einen messen muss und ihn mit zwei multiplizieren muss. Diese Bedingung, dBz/dz = 0, kann erhalten werden, z. B. innerhalb einer Bohrung des Magneten 202 nahe bei der Mittenebene. Anstatt alle vier Gradienten
abtasten zu müssen, kann es daher in Ausführungsformen ausreichend sein, nur drei abzutasten (z. B.
und für spezielle Anordnungen, die dBz/dz = 0 auf der Fläche des Chips 206 vorsehen, kann das Sensorsystem auch nur mit zwei Gradienten arbeiten, z. B.
Auch mit Bezugnahme auf 5A und 5B ist ein Beispiel einer Auslegung eines Magneten 202 und Sensors 205 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst der Magnet 202 zwei Teile 202a und 202b, die in Bezug auf die Drehachse z' angeordnet sind, und den Sensor 205, der axial ist. In Ausführungsformen mit einer langen axialen Länge entspricht eine solche Auslegung dBz/dz = 0 und kann die Magnetfelder und ihre Gradienten maximieren. In Ausführungsformen haben die Magneten 202a und 202b eine „unendliche” Länge, d. h. eine ausreichende axiale Länge verglichen mit lateralen Abmessungen. Falls die Magneten 202a und 202b an ihren oberen Flächen (mit Bezugnahme auf die beispielhafte Orientierung, die in 5A gezeigt ist) mit einem eisenhaltigen Element, wie einer Rückwand wie in 2, gekoppelt sind, sind axiale Längen gleich einer maximalen radialen Distanz ausreichend, um „unendlich” zu sein, obwohl ohne das eisenhaltige Element die Länge der Magneten 202a und 202b wenigstens etwa das Doppelte einer lateralen Abmessung (z. B. Durchmesser in der Ausführungsform von 5A und 5B) betragen sollte.
In einem Sensorsystem, das die Magneten 202a und 202b in einer Auslegung wie der in 5A und 5B gezeigten umfasst, stammt das von den Magneten 202a und 202b induzierte Magnetfeld aus einer hypothetischen Magnetladung an den Polflächen der Magneten 202a und 202b. So werden die Magnetfelder und ihre Gradienten maximiert, wenn die Ladungen mit einer Polarität (z. B. an den Bodenflächen der Magneten 202a und 202b) so nahe wie möglich an den Sensorelementen des Sensors 205 liegen. Dies kann bedeuten, dass sie in Ausführungsformen in der gleichen Ebene angeordnet sind. Die Ladungen mit entgegengesetzter Polarität (z. B. an den oberen Flächen der Magneten 202a und 202b) schwächen das Feld, daher die „unendliche” Länge der Magneten 202a und 202b, so dass die oberen Flächen so weit wie möglich oder durchführbar entfernt sind.
Auch mit Bezugnahme auf 6A und 6B können diese Felder durch das Hinzufügen von zwei zusätzlichen Magneten 202c und 202d mit entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen erhöht werden, wie gezeigt. In Ausführungsformen sind die oberen (202a, 202b) und die unteren (202c, 202d) Magneten parallel mit der Drehachse angeordnet, obwohl diese Notwendigkeit nicht in jeder Ausführungsform der Fall sein muss. Wenn sie, wie in 6A und 6B dargestellt, parallel angeordnet sind, steigt jedoch die Magnetladung in der Ebene des Sensors 205. Die Drehachse ist wiederum z'.
Zusätzliche Formen und Auslegungen des Magneten 202 können in anderen Ausführungsformen implementiert werden. Vorteilhafte Ausbildungen können in Ausführungsformen unter Verwendung des Prinzips der linearen Überlagerung oder in irgendeiner anderen Weise abgeleitet werden. Falls beispielsweise der Magnet 202 exzentrisch in Bezug auf die Drehachse montiert ist (z. B. wie in 2 gezeigt, wobei x > 0), kann ein identischer zweiter Magnet hinzugefügt und in einer diametral entgegengesetzten Position so montiert werden, dass die gesamte Magnetanordnung eine Symmetrieebene von x = 0 aufweist. Mit anderen Worten hat die gesamte Magnetanordnung eine gerade Symmetrie in Bezug auf x = 0, so dass ein beliebiges magnetisiertes Volumen an der Position (x, y, z) ein identisches Gegenstück an der Position (–x, y, z) aufweist. Dies führt zu einer ungeraden Symmetrie des Bx-Felds, oder Bx(x, y, z) = –Bx(-x, y, z).
Ein axial magnetisierter Magnet mit einer Drehform und zentriert an der Drehachse erzeugt kein Signal. So kann in Ausführungsformen ein solcher Magnet mit oder von einem anderen verwendbaren Magneten addiert oder subtrahiert werden, um einen weiteren, anderen verwendbaren Magneten zu erhalten. In Ausführungsformen kann er jedoch weiterhin, und auch wenn ein axial magnetisierter Magnet keine perfekte Drehform aufweist, kein verwendbares oder messbares Signal erzeugen. Dies kann der Fall sein, falls z. B. beliebige geometrische Merkmale des Magneten, die keine Rotationssymmetrie aufweisen, weit genug weg von der Drehachse positioniert sind. Falls beispielsweise der Magnet quadratisch geformt und sehr groß ist, erzeugt sein Außenumfang ein sehr kleines Signal gegenüber dem Drehwinkel, das vernachlässigbar ist (z. B. falls der Magnet etwa 30 mm mal etwa 30 mm mal etwa 5 mm ist, und der Sensor 205 nur etwa 2 mm von der Fläche entfernt ist – d. h. der 30 mm mal 30 mm Hauptfläche – dann sieht der Sensor 205, in lateralen Richtungen, eine unendlich große Fläche hypothetischer Magnetladungen, und die Abweichungen von der Rotationssymmetrie sind so weit weg, dass sie keinen merkbaren Beitrag leisten).
In einigen Ausführungsformen, wie jener von 2, in welcher der Magnet 202 einen ringförmigen Magneten umfasst, kann der Magnet eine Bohrung oder ein Loch umfassen. Ein Loch im Magneten kann gleich sein wie eine Überlagerung des Magneten ohne ein Loch und eines mit dem Loch identischen Magneten mit einer Magnetisierung mit gleicher Größe und entgegengesetzter axialer Richtung. In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Bohrung oder ein Loch im Magneten mit einem Magneten oder Magnetmaterial gefüllt sein, das eine entgegengesetzte axiale Magnetisierungsrichtung aufweist.
Ein beispielhafter Magnet 702 ist in 7 gezeigt und umfasst zwei gekoppelte Ringe 702a und 702b, die diametral entgegengesetzt und exzentrisch in Bezug auf PRA montiert sind. Obwohl die Ringe 702a und 702b so gezeigt sind, dass sie im Wesentlichen eine gleiche Größe, Form und Auslegung haben, müssen sie dies in anderen Ausführungsformen nicht haben. Beispielsweise können die Ringe 702a und 702b (oder was für eine andere Form auch immer einer oder mehrere Teile des Magneten 702 in anderen Ausführungsformen umfassen können) eine unterschiedliche Größe oder Dicke aufweisen, unter anderen möglichen Charakteristiken. Es kann jedoch vorteilhaft sein, dass die Ringe 702a und 702b identisch oder nahezu identisch sind, da es für nur einen Gradienten, und kein absolutes Feld, vorteilhaft sein kann, am Sensorort vorzuliegen. So sollte zur Messung von dBx/dx Bx gleich 0 sein. Der Grund ist eine Fehlanpassung von Sensorelementen im Sensor 205. dBx/dx wird gemessen durch das Signal (S1·Bx1 – S2·Bx2)/dx wobei Bx1 = Bx bei x = dx/2 und Bx2 = Bx bei x = –dx/2, und S1, S2 die Magnetempfindlichkeiten der Sensorelemente des Sensors 205 an Orten –/+dx/2 sind. Bx1 = B0 + dBx/2 und Bx2 = B0 – dBx/2 können aufgelöst werden mit B0 = (Bx1 + Bx2)/2 und dBx = Bx1 – Bx2 und S1 = S0·(1 + MM/2) und S2 = S0·(1 – MM/2), wobei MM die Fehlanpassung zwischen den Empfindlichkeiten ist. Dann wird das Signal für dBx/dx S0·(dBx + MM·B0). So umfasst das Signal den gewünschten Teil S0·dBx, aber es enthält auch einen Fehlerterm S0·MM·B0. Der Fehlerterm ist proprotional zur unvermeidbaren Fehlanpassung zwischen den Sensorelementen und zum mittleren Feld an beiden Sensorelementen. Es ist zweckmäßig, dass dieses Feld verschwindet, um den Fehlanpassungsterm zu minimieren. Ein Weg, dies zu erzielen, ist durch die Symmetrie des Magneten 702: falls der Magnet zur x = 0 Ebene spiegelsymmetrisch ist, hat das Bx-Feld eine ungerade Symmetrie gegenüber x und folglich B0 = 0. Dies kann ein primärer Grund für den Magneten 702 sein, wie gezeigt ausgelegt zu sein, oder ähnlich mit zwei gleichen entgegengesetzten Löchern, als nur ein einzelnes Loch oder zwei unterschiedliche Löcher zu haben. Falls die Löcher verschieden sind, verschiebt sich alternativ dazu der Symmetrieort B0 = 0 aus dem Zentrum zwischen beiden, so dass dieser B0 = 0 Ort als Drehachse verwendet werden könnte.
Statt der Verwendung von zwei hohlen Zylindern kann auch ein großer Zylinder 802 verwendet werden, der zwei Löcher 803a und 803b umfasst, wie in 8 gezeigt. Der Zylinder 802, wobei die Löcher 803a und 803b weggelassen werden, ist rotationssymmetrisch rund um die Drehachse, so dass er kein Gradientensignal erzeugt. Die Löcher 803a und 803b stören diese Symmetrie in gleicher Weise wie die beiden hohlen Zylinder von 7. Statt der zwei Löcher 803a und 803b können die Löcher mit entgegengesetzt magnetisierten Magneten oder Materialen gefüllt werden, wie vorstehend angegeben. In der Praxis kann dies einfach herzustellen sein und eine größere mechanische Stabilität aufweisen, da in einer solchen Ausführungsform der gesamte Magnet 802 einen einzelnen großen Zylinder mit homogener Magnetisierung in der +z-Richtung umfassen kann, und in einem späteren Verarbeitungsschritt die Magnetisierung zur –z-Richtung innerhalb der beiden Löcher 803a und 803b umgekehrt wird.
Auch mit Bezugnahme auf 9 können die Positionen der Löcher verändert werden, z. B. so, dass die Löcher einen Umfang des Magnetzylinders schneiden, wie es für Teile 903a und 903b im Magneten 902 der Fall ist. Der Magnet 902 ist an einer Platte 910 montiert, die mit der Welle 904 gekoppelt ist oder einen Teil davon bildet. Sowohl die Welle 904 als auch die Platte 902 können in Ausführungsformen ein eisenhaltiges Material umfassen, wie Weichstahl mit einer relativen Magnetpermeabilität von μr = 1.700. In einem Beispiel hat die Welle 902 einen Durchmesser von etwa 6 mm, und die Platte 910 hat einen Durchmesser von etwa 12 mm und ist 1 mm dick. Der Magnet 902 hat einen Durchmesser von etwa 12 mm und ist 3 mm dick und umfasst Teile 903a und 903b, die (–1)·Brem magnetisiert sind, was das Gegenteil der Magnetisierung des Körpers des Magneten 902 ist, der (+1)·Brem ist. Die Magnetisierungen sowohl des Körpers des Magneten 902 als auch der Teile 903a und 903b können in Ausführungsformen umgekehrt werden. Der Sensor 905 ist auch gezeigt und liegt in einer Ausführungsform in einem Abstand von etwa 1,5 mm vom Magneten 902 vor.
Die Ausführungsform von 9 ist nur ein Beispiel. Weitere Beispiele sind in 10A bis 10F im Schnitt gezeigt. In jeder beispielhaften Ausführungsform ist ein Magnet 1002 gezeigt, der einen N-Polteil und zwei S-Polteile umfasst, obwohl die Bezeichnungen N und S für die jeweiligen Teile in Ausführungsformen umgekehrt werden können. Der Magnet 1002 ist in Ausführungsformen in der axialen (z-)Richtung magnetisiert, und obwohl eine Draufsicht oder Ansicht von oben in jeder von 10A bis 10F gezeigt ist, sind die gezeigten Magnetisierungen allgemein am Boden oder entgegengesetzten z-Ende des Magneten 1002 umgekehrt. Zusätzlich können die S-Polteile in Ausführungsformen auch unmagnetisiert sein. Der Magnet 1002 kann in Ausführungsformen auch in Bezug auf die in 10A bis 10F gezeigte Orientierung gedreht sein (z. B. 90 Grad in beiden Richtungen).
Noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist in 11A gezeigt, welcher Magnet 1102 vier Zylinder 1102a, 1102b, 1102c, 1102d umfasst. Die Zylinder 1102a, 1102b, 1102c, 1102d können wie in 11A abgebildet entkoppelt werden, oder in anderen Ausführungsformen miteinander oder in Paaren gekoppelt werden. Zwei Zylinder 1102a und 1102c haben dieselbe Magnetisierungspolarität, und die anderen zwei Zylinder 1102b und 1102d haben dieselbe Polarität, die zu den Zylindern 1102a und 1102c entgegengesetzt ist. Die Bezeichnungen S und N in 11A können in anderen Ausführungsformen umgekehrt werden.
Für den Zylinder 1102d:
Für den Zylinder 1102b kann in den obigen Gleichungen φ einfach durch φ + 180 ersetzt werden. Für den Zylinder 1102a wird φ durch φ – 90 ersetzt, und die Felder werden multipliziert mit (–1):
Der Zylinder 1102c liefert dieselben Magnetfeldgradienten wie der Zylinder 1102a. So können komplette Signale für die Ausführungsform von 11A sein:
Mit anderen Worten sind die Feldgradienten für die Ausführungsform von 11A viermal größer als für einen einzelnen Magneten.
Der Magnet 1102 ist mit einem Sensor 1105 gezeigt, der Basis- 1107 und Kappen- 1109 Teile der Sensorpackung umfasst, als Teil eines Sensorsystems 1100 in 11B, 11C, 11D, 11E und 11F. 11C umfasst eine Welle 1104 und eine Platte 1110, die in 11B weggelassen sind. Zylinder 1102a, 1102b, 1102c, 1102d sind in einem Abstand von etwa 1 mm vom Sensor 1105 angeordnet, wie gezeigt, wobei der Sensor 1105 einen Durchmesser von etwa 6 mm hat. In 11D ist die Kappe 1109 weggelassen, so dass der Chip 1106 ersichtlich ist, und in 11D und 11E sind vier Anschlüsse 1140 gezeigt, die sich vertikal durch die Basis 1107 und entsprechende Löcher im Komponenten-Board 1130 erstrecken. In einer Ausführungsform sind die Anschlüsse 1140 etwa 700 μm dick. An der Unterseite des Boards 1130, ersichtlich in 11E, können Anschlüsse mit Kupferleiterbahnen verlötet oder auf andere Weise gekoppelt sein, um den Sensor 1105 festzuhalten und einen elektrischen Kontakt vorzusehen. In 11F sind die relativen z-Positionen des Chips 1106 und der Zylinder 1102 ersichtlich und sind allgemein gleich. Eine Distanz d zwischen der Oberseite der Kappe 1109 und der Platte 1110 ist auch in 11F ersichtlich und beträgt etwa 2 mm in einer Ausführungsform.
Noch eine weitere Ausführungsform ist in 12A–B gezeigt. In 12A ist ein Magnet 1202 ein axial magnetisierter multipolarer Ringmagnet, der alternierende Abschnitte von N- und S-Polen umfasst, die gegenüber den in 12A gezeigten bestimmten Orientierungen umgekehrt werden können. Der Magnet 1202, wie er mit der Welle 1204 gekoppelt werden kann, ist in 12B gezeigt und kann eine äußere Manschette 1231 umfassen. Falls der Magnet 1202 eine äußere Manschette umfasst, die in Ausführungsformen ein weiches magnetisches Material umfassen kann, kann der Magnet 1202 radial magnetisiert werden, anstatt axial magnetisiert zu werden, wobei in den S-Polregionen der Magnet 1202 zum Zentrum hin magnetisiert sein kann, und die N-Polregionen radial nach außen (oder umgekehrt). So kann der Magnet 1202 von 12A axial oder radial magnetisiert werden, wohingegen der Magnet 1202 von 12B allgemein radial magnetisiert wird, falls die Manschette 1231 ein eisenhaltiges Material umfasst, oder in Ausführungsformen radial oder axial magnetisiert wird, in denen die Manschette 1231 nicht magnetisch ist. In einem Beispiel umfasst die Manschette 1231 Eisen und hat einen Außendurchmesser von etwa 14 mm, während der Magnet 1202 selbst einen Außendurchmesser von etwa 12 mm und einen Innendurchmesser von etwa 8 mm haben kann.
In einer Ausführungsform ist der Magnet 1202 axial magnetisiert, obwohl der Magnet 1202 in anderen Ausführungsformen radial oder in anderer Weise magnetisiert sein kann. Beispielsweise können zwei der Teile des Magneten 1202 radial einwärts magnetisiert sein, während die anderen zwei Teile radial auswärts magnetisiert sein können. In einem weiteren Beispiel kann der Magnet 1202 Halbach-magnetisiert sein mit zwei oder mehreren Polpaaren gemäß dem Magnetisierungsmuster M → = M_scos(pψ)n →_R – M_ssin(pψ)n →_ψ = = M_scos((p – 1)ψ)n →_x – M_ssin((p – 1)ψ)n →_y , wobei M_s der Betrag des Magnetisierungsvektors ist, und p die Anzahl von Polpaaren und eine ganze Zahl ist und negativ sein kann.
Noch ein weiterer Magnet 1302 ist in 13 gezeigt und umfasst einen zylinderförmigen Magneten. Der Magnet 1302 kann einen multipolaren diametral magnetisierten Magneten mit zwei Hälften 1302a und 1302b umfassen. In einer Ausführungsform ist der Magnet 1302 etwa 3 mm dick und hat einen Durchmesser von etwa 12 mm. Die Hälfte 1302a ist in der +x-Richtung magnetisiert, und die Hälfte 1302b ist in der –x-Richtung magnetisiert, wobei die x-Achse rechtwinklig zur Drehachse ist, wie in 13 angezeigt.
Obwohl der Magnet 1302 allgemein rund ist, kann er in anderen Ausführungsformen auch elliptisch geformt sein. Er kann einen einzelnen oder mehrere Teile umfassen (z. B. wie die zwei Teile des Magneten 1302), und er kann entlang der langen oder kurzen Achse der Ellipse magnetisiert sein. Noch weitere Formen, Teilauslegungen, Magnetisierungsschemata und andere Charakteristiken können in anderen Ausführungsformen variieren.
In vielen der zu diesem Punkt gegebenen Beispielen umfasst der Sensor einen Hall-Sensor, wie einen vertikalen Hall-Sensor, obwohl, wie angegeben, andere Sensortypen verwendet werden können. Ein weiterer geeigneter Sensortyp, der vorher angegeben wurde, ist ein Magnetowiderstand oder XMR. In einer beispielhaften Ausführungsform, und mit Bezugnahme auf 12A, 12B, 14A und 14B, umfasst ein Sensorsystem einen Magneten 1202 (in diesem Beispiel axial magnetisiert) und einen Magnetowiderstandssensor 1405. Der Magnet 1202 kann wie der Magnet 202 von 2 ausgelegt sein, und das Zentrum des Zylinders des so ausgelegten Magneten 1202 kann bei (x, y) = (ε_Rcosφ, ε_Rsinφ) positioniert werden. XMR-Sensorelemente 1408 des Sensors 1405 können auf einem Lesekreis angeordnet sein, der auf der Drehachse zentriert ist und einen Durchmesser von 2R aufweist. Das Magnetfeld kann in eine McLaurin-Serie rund um das Zentrum von (x, y) = (0, 0) entwickelt werden.
mit dx ≅ Rcosψ und dy ≅ Rsinψ, wobei (R, ψ) radiale und azimutale Koordinaten des XMR-Sensorelements 1408 sind (das z. B. eine Halbbrücke umfasst, wie in 14B gezeigt) und
Dann gilt:
An der Position (R, ψ) ist eine Halbbrücke 1408, in welcher der Widerstand 1454 auf einem niedrigeren Potential eine +x-Referenzrichtung aufweist, und der Widerstand 1452 auf einem höheren Potential eine –x-Referenzrichtung aufweist. Jeder Widerstand 1452 und 1454 umfasst einen Magnetowiderstand oder ein XMR-Element. Die Widerstände 1452 und 1454 können GMRs, TMRs, CMRs oder andere geeignete XMR-Elemente umfassen (z. B. allgemein jene mit einer fixierten Schicht, die eine hartmagnetische Schicht ist, welche eine Magnetreferenzrichtung für das Sensorelement definiert). In einer Ausführungsform, in der die Widerstände 1452 und 1454 GMRs, TMRs oder CMRs umfassen, ist die Ausgangsspannung der Halbbrücke 1408
wobei h = 0,05 für GMR und 0,5 für TMR. Bei kleinem R:
Falls eine zweite Halbbrücke 208 bei (R, ψ + 180°) angeordnet ist, können die beiden Halbbrücken eine diametrale Vollbrücke umfassen, die in 14A gezeigt ist. Die Differentialausgangsspannung ist die Differenz der Ausgangsspannungen beider Halbbrücken 208:
Dies ist gleich wie der Gradient der folgenden Größe, die als normalisierte B_x Komponente bezeichnet wird:
gemessen an zwei Orten (x, y) = (Rcosψ, Rsinψ) und (x, y) = (Rcos(ψ + 180°), Rsin(ψ + 180°)), und subtrahiert voneinander. Analog gilt, dass
mit
Zusätzlich ist S_y proportional zum Gradienten von
gemessen an zwei Orten (x, y) = (Rcosψ, Rsinψ) und (x, y) = (Rcos(ψ + 180°), Rsin(ψ + 180°)), und subtrahiert voneinander, wie in 14C gezeigt, und in der die Referenzrichtungen der Widerstände 1452 und 1454 gegenüber jenen von 14A geändert sind, wie gezeigt. So detektieren die Ausführungsformen von 3 und 4 die Gradienten der Magnetfeldkomponenten B_x und B_y entlang x- und y-Richtungen, wohingegen die Ausführungsformen von 14A und C die Gradienten der normalisierten Feldkomponenten q_x und q_y entlang der willkürlichen ψ-Richtung detektieren. In beiden Fällen sind die detektierten Gradienten gültig bei PRA, das eine Projektion der Drehachse und daher „axial” ist.
So sind in einer Ausführungsform zwei diametrale Vollbrücken an den gleichen Orten angeordnet, wobei eine Vollbrücke eine +/–x-Referenzrichtung aufweist, und die andere eine +/–y-Referenzrichtung aufweist. Das Verhältnis zwischen ihnen ist gleich der Tangente des Drehwinkels des Magneten: tanφ = S_x(ψ)/S_y(ψ) was ergibt φ = arctan(S_x(ψ)/S_y(ψ)) obwohl dies nur funktioniert, falls φ ≠ ψ, da für φ = ψ beide Signale verschwinden S_x(ψ) = S_y(ψ) = 0.
In einer weiteren Ausführungsform sind dann, und mit Bezugnahme auf 14D, vier diametrale Vollbrücken auf dem Chip 1406 angeordnet, wie gezeigt, und ergeben: S_x(ψ), S_y(ψ), S_x(ψ + 90°), S_y(ψ + 90°) wodurch S_y(ψ + 90°) = –sgn(f)(R/ε_R)sinφcos(φ – ψ) und S_y(ψ + 90°) = sgn(f)(R/ε_R)cosφcos(φ – ψ)
Dann gilt, für ψ = 0° S_x(0°) = sgn(f)(R/ε_R)sin²φ S_y(0°) = –sgn(f)(R/ε_R)cosφsinφ S_x(90°) = –sgn(f)(R/ε_R)sinφcosφ S_y(90°) = sgn(f)(R/ε_R)cos²φ
So können die Signale konstruiert werden: S_y(90°) – S_x(0°) = sgn(f)(R/ε_R)cos(2φ) – S_y(0°) – S_x(90°) = sgn(f)(R/ε_R)sin(2φ)
Woraus sich ergibt: φ = 1 / 2arctan₂{sgn(f)[S_y(90°) – S_x(0°)]; sgn(f)[–S_y(0°) – S_x(90°)]}
So misst der Sensor 1405 die Signale der vier diametralen Vollbrücken, addiert und subtrahiert sie gemäß der obigen Formel, bestimmt einen Arkustangens und teilt dann das Ergebnis durch zwei. Dies kann mit einem hypothetischen Zeiger in der komplexen Ebene interpretiert werden, dessen reeller Teil gleich S_y(90°) – S_x(0°) ist, und dessen imaginärer Teil gleich –S_y(90°) – S_x(0°) ist, wodurch der Winkel zwischen dem Zeiger und der positiven reellen Achse der komplexen Ebene 2φ ist. Allgemein ausgedrückt bestimmt das Sensorsystem die Hälfte des Winkels zwischen dem Zeiger und der positive reellen Achse (entweder durch eine Arkustangens-Operation oder auf zahlreichen anderen bekannten Wegen).
Anstelle von Magnetowiderständen mit einer fixierten Schicht (z. B. GMR, TMR, CMR) kann ein System auch anisotrope Magnetowiderstände (AMR) verwenden, die keine fixierte Schicht aufweisen, und bei denen die Magnetreferenzrichtung durch die Richtung des Stromflusses durch den AMR definiert wird, was oft mit Barber-Polen vorgenommen wird. Ein solcher AMR-Widerstand hat einen Widerstandswert gemäß Rref·(1 + h·cos²(α)), wobei α der Winkel zwischen der Projektion des Magnetfelds auf gleicher Ebene und der Referenzrichtung ist. Wenn eine Halbbrückenschaltung 1408, wie in 15 gezeigt, AMRs 1452 und 1454 umfasst, ist die Referenzrichtung des AMR 1454 parallel zur x-Richtung, und die Referenzrichtung des AMR 1452 ist parallel zur y-Richtung. Diese Richtungen sind im Widerstandssymbol in 15 durch die horizontale und vertikale Gerade bezeichnet.
Die Ausgangsspannung einer solchen Halbbrücke 1408 ist gegeben durch:
wobei h = 0,03.
Eine zweite Halbbrückenschaltung, die in 16 gezeigt ist, kann AMRs 1452 und 1454 aufweisen, wobei die Referenzrichtungen um 45° in Bezug auf die Referenzrichtungen der AMRs 1452 und 1454 in 15 gedreht sind, so dass die Referenzrichtung des AMR 1454 parallel zur Richtung n →_x + n →_y ist, während die Referenzrichtung des AMR 1452 parallel zu n →_x – n →_y ist. So ist der Ausgang der Halbbrücke 1408 von 16:
Eine oder beide derartigen Halbbrückenschaltungen kann oder können auf einem Kreis mit dem Radius 2 R angeordnet sein, konzentrisch zur Drehachse und an regelmäßigen azimutalen Positionen ψ^(m) = 2πm/N, wobei m = 0, 1, 2...(N – 1). Das System kann dann die diskreten Fourier-Transformationen bestimmen:
Dann kann das System das Folgende bestimmen, wobei n = N – 1 und für willkürlich N > 2:
Mit anderen Worten, ist der Term
ein komplexer Zeiger, und der Drehwinkel des Magneten ist der Winkel zwischen diesem Zeiger und der positive reellen Achse der komplexen Ebene.
Das System kann auch bestimmen, wobei n = 1 und für willkürlich N > 2:
Mit anderen Worten ist der Term
ein Komplexer Zeiger, und der Drehwinkel des Magneten beträgt ein Drittel des Winkels zwischen diesem Zeiger und der positiven reellen Achse.
Noch eine weitere XMR-Ausführungsform, die in 17 gezeigt ist, umfasst N ≥ 3 diametrale Vollbrücken, jeweils mit derselben Referenzrichtung (z. B. die x-Richtung) und angeordnet an Positionen ψ^(m)= 2πm/N, wobei m = 0, 1, 2...(N – 1). Die erste diametrale Vollbrücke mit dem Ausgangssignal S_x(ψ⁽⁰⁾) = V_out,x(ψ) – V_out,x(ψ + 180°) umfasst zwei Halbbrücken 1408_0 und 1408_0', die zweite Vollbrücke hat das Ausgangssignal
und umfasst 1408_1 und 1408_1', und die dritte hat das Ausgangssignal S_x(ψ⁽²⁾) = V_out,x(ψ + 240°) – V_out,x(ψ + 60°) und umfasst 1408_2 und 1408_2'. Die Signale können gemäß einer diskreten Fourier-Transformation transformiert werden:
mit
j = √–1
Dann kann der Arkustangens des Verhältnisses reeller und imaginärer Teile bestimmt werden, um den Drehwinkel zu erhalten. Für φ = 0° oder φ = 180° funktioniert dies nicht, da alle Signale S_x(ψ^(m)) verschwinden. In diesem Fall kann das Sensorsystem diese genau gleiche Anordnung mit einer y-Referenzrichtung anstelle von x haben und bestimmen:
Falls beide Referenzrichtungen verfügbar sind, gibt es immer eine mit nicht-verschwindenden Signalen, so dass dies für alle Drehpositionen funktioniert.
Alternativ dazu kann das System bestimmen: Re{σ_y,1} + Im{σ_x,1} = –(R/ε_R)sgn(f(ε_R))sin2φ Re{σ_x,1} – Im{σ_y,1} = –(R/ε_R)sgn(f(ε_R))sin2φ wobei n = 1 oder n = N – 1. Diese beiden Gleichungen repräsentieren die reellen und imaginären Teile eines Zeigers in der komplexen Ebene: dieser Zeiger ist gleich σ_x,1 + jσ_y,1 = (–R/ε_R)sgn(f(ε_R))exp(2jφ), und der Winkel zwischen diesem Zeiger und der positive reellen Achse ist 2φ, was das Doppelte der Drehposition des Magneten ist.
Anstelle der Verwendung diametraler Vollbrücken wie in 17 ist es auch möglich, nur Halbbrücken wie in 18 zu verwenden, da sich die Gleichtaktspannung für n = 1 und n = N – 1 in der diskreten Fourier-Transformation aufhebt. Sogar in diesem Fall ist der komplexe Zeiger eine lineare Überlagerung von Gradienten, die auf der Drehachse abgetastet werden, wie als Nächstes gezeigt wird. Mit B_x(R, ψ) = B_x(0, 0) + ∂B_x(0, ψ)/∂R × R + O(R²) und B_y(R, ψ) = B_y(0, 0) + ∂B_y(0, ψ)/∂R × R + O(R²) eingesetzt in
folgt, dass
Auf der linken Seite dieser Gleichung ist der komplexe Zeiger, von dem der Drehwinkel φ abgeleitet wird, und auf der rechten Seite ist eine Linearkombination von Gradienten ∂B_x(R, ψ)/∂R und ∂B_y(R, ψ)/∂R, abgetastet auf der Drehachse R = 0.
Anstatt der z. B. in 17 und 18 gezeigten Layouts ist es auch möglich, eine Vielzahl von N ≥ 3 Bx oder By Sensorelementen in einem regelmäßigen azimutalen Gitter mit einem Abstand von 360/N auf einem Lesekreis mit einem Durchmesser von 2 R anzuordnen (konzentrisch zur Drehachse wie in anderen Ausführungsformen), eine Fourier-Transformation vorzunehmen und den Drehwinkel abzuleiten. Dies ist in 19 für N = 3 gezeigt, kann jedoch für ein willkürliches N generalisiert werden, wie hier mathematisch bewiesen wird:
wobei x = R·cos(psi) und y = R·sin(psi). Dann können Bx(R, psi) – Bx(R, psi + 180°) und By(R, psi) – By(R, psi + 180°) bestimmt und in eine McLaurin-Serie bis zur ersten Ordnung in R expandiert werden:
Die Grundfrequenz einer kontinuierlichen Fourier-Transformation (die für ein großes N gilt) ist:
woraus das Folgende erhalten wird: Re{σ_y,1} + Im{σ_x,1} = {ε_Rf'(ε_R) – f(ε_R)}sin2φ Re{σ_x,1} – Im{σ_y,1} = {ε_Rf'(ε_R) – f(ε_R)}cos2φ
Ein Vergleich dieser letzten beiden Gleichungen mit den Gleichungen, die oben in Bezug auf 1A diskutiert wurden, zeigt, dass diese beiden Systeme äquivalent sind:
Die kontinuierliche Fourier-Transformation kann vom System in einer Ausführungsform durchgeführt werden, indem Sensorelemente auf ein regelmäßiges Gitter auf dem Lesekreis mit einem Durchmesser von 2·R platziert werden und eine Linearkombination ihrer Signale gemäß einer diskreten Fourier-Transformation bestimmt wird:
wobei ψ^(m) = 2πm/N für m = 0, 1, 2, ..., N – 1. Das Einbringen von B_x-Feldern von oben beweist, dass kontinuierliche und diskrete Fourier-Transformationen genau gleiche Ergebnisse erzeugen. In 19 sind B_x- and B_y-Sensorelemente in Paaren angeordnet (durch ein Rechteck um diese angezeigt). Alternativ dazu könnten nur die B_x-Sensorelemente an azimutalen Positionen ψ^(m) = 2πm/N platziert werden, wohingegen die B_y-Sensorlemente an azimutalen Positionen ψ^(m) = 2πm/N + Δψ platziert werden könnten, wobei Δψ irgendein willkürlicher Winkel ist, der z. B. auf einen zweckmäßigen Wert eingestellt werden kann, so dass die B_x- and B_y-Sensoren einander im Layout nicht überlappen.
In Ausführungsformen sind alle Sensorelemente auf demselben Chip angeordnet, so dass die relativen Positionen zwischen ihnen sehr genau sind (z. B. in der Größenordnung von Mikrometern). Wie mit XMR-Sensoren, wo es möglich ist, diametrale Vollbrücken oder nur Halbbrücken zu verwenden, gilt das Gleiche hier: es ist auch möglich, nur B_x(ψ) anstelle von B_x(ψ) – B_x(ψ + 180°) und B_y(ψ) anstelle von B_y(ψ) – B_y(ψ + 180°) heranzuziehen, was die Grundfrequenz der Fourier-Transformation nicht ändert.
Bis zu diesem Punkt haben die diskutierten Ausführungsformen allgemein Sensoranordnungen umfasst, bei denen die Referenzrichtungen alle gleich sind an allen azimutalen Positionen der Sensorelemente. Es ist jedoch auch möglich, die Referenzrichtungen an den verschiedenen Sensorelementpositionen zu drehen, wovon ein Beispiel in 20 gezeigt ist. Das System 1405 umfasst Sensorelemente 1408_0, 1408_1 und 1408_2, die AMR-Element umfassen, obwohl in anderen Ausführungsformen GMRs, TMRs oder vertikale Hall-Vorrichtungen verwendet werden könnten, da dieselben Prinzipien gelten. Die Sensorelemente 1408_0, 1408_1 und 1408_2 sind in drei Paaren orthogonaler Halbbrückenschaltungen in azimutalen Abständen von 120 Grad angeordnet.
Mit Rref·(1 + h·cos²(alpha)) ergibt sich
für den Widerstand auf einem höheren Potential in der x ~ Halbbrückenschaltung und
für den Widerstand auf einem niedrigeren Potential in der x ~ Halbbrückenschaltung. Analog ist
für den Widerstand auf einem höheren Potential in der y ~ Halbbrückenschaltung und
für den Widerstand auf einem niedrigeren Potential in der y ~ Halbbrückenschaltung. Das System 1408 bestimmt die diskreten Fourier-Transformationen:
Dann konstruiert das System 1408 einen komplexen Zeiger alsLinearkombination der beiden diskreten Fourier-Transformationen. Wie in anderen Ausführungsformen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, z. B. wird für N = 3 und n = 1 das Folgende erhalten
Daher ist das Argument des komplexen Zeigers
gleich der Drehposition des Magneten. Alternativ dazu kann das System 1408 den Zeiger konstruieren:
wobei z* das Konjugat (konjugiert Komplexe) von z bezeichnet. Daher ist das Argument des komplexen Zeigers
das Doppelte des Drehwinkels des Magneten.
Im Allgemeinen beziehen sich hier diskutierte Ausführungsformen auf Winkelsensorsysteme, die eine Vielzahl von Magnetfeld-empfindlichen Elementen umfassen, welche auf Komponenten des Magnetfelds rechtwinklig zur Drehachse ansprechen. Die Magnetfeld-empfindlichen Elemente sind in der Nähe der Drehachse angeordnet, so dass sie zur Messung der Gradienten des Magnetfelds auf der Drehachse verwendet werden können. In Ausführungsformen können die Magnetfeld-empfindlichen Elemente in einer Ebene allgemein rechtwinklig zur Drehachse und auf einem Kreis konzentrisch zur Drehachse in regelmäßigen azimutalen Abständen von 360°/N mit N > 2 angeordnet werden. Lineare Kombinationen gemessener Gradienten können bestimmt und als komplexe Zeiger interpretiert werden. Die Koeffizienten der Linearkombinationen sind von den Orten ψ^(m) = 2πm/N der jeweiligen feldempfindlichen Elemente abhängig, die zur Ableitung der Gradienten verwendet werden. Diese Koeffizienten umfassen Terme exp(jnψ^(m)) oder cos(nψ^(m)) oder sin(nψ^(m)) mit der ganzen Zahl n, wie n = 1 oder n = N – 1. Die Größen der Koeffizienten sind identisch. Die Systeme verwenden entweder eine komplexwertige Linearkombination oder einen mathematisch äquivalenten Satz von zwei reellwertigen Linearkombinationen. Die Drehposition der Magnetfeldquelle ist linear proportional zum Argument des komplexen Zeigers, was bedeutet, dass, falls der Zeiger repräsentiert werden kann durch z = |z|exp(jζ), wobei |z| eine nicht-negative reelle Zahl ist und ζ eine reelle Zahl ist, das Argument des Zeigers dann ζ ist und der Drehwinkel φ = cζ ist, wodurch c eine reelle Zahl ist.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden hier beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel angegeben und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Es ist außerdem klar, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, in verschiedener Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen zu bilden. Obwohl verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Auslegungen und Orte, etc., zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, können ferner andere neben den offenbarten eingesetzt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Durschschnittsfachleute auf den relevanten Gebieten werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale als veranschaulicht in einer beliebigen einzelnen oben beschriebenen Ausführungsform umfassen kann. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Präsentation der Weisen sein, in denen die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Demgemäß sind die Ausführungsformen nicht einander gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale umfassen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt werden, wie für gewöhnliche Fachleute klar ist. Außerdem können Elemente, die in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurden, in anderen Ausführungsformen implementiert werden, auch wenn sie in solchen Ausführungsformen nicht beschrieben werden, wenn nichts anderes angegeben ist. Obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination eines oder mehrerer Merkmale mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, außer es ist angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist es beabsichtigt, Merkmale eines Anspruchs in einen beliebigen anderen unabhängigen Anspruch einzuschließen, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Jeder obige Einschluss von Dokumenten durch Bezugnahme ist so eingeschränkt, dass kein Gegenstand eingeschlossen wird, welcher der expliziten Offenbarung hier entgegensteht. Jeder obige Einschluss von Dokumenten durch Bezugnahme ist ferner so eingeschränkt, dass keine in den Dokumenten enthaltenen Ansprüche hier durch Bezugnahme eingeschlossen werden. Jeder obige Einschluss von Dokumenten durch Bezugnahme ist noch weiter so eingeschränkt, dass keine in den Dokumenten eingeschlossenen Definitionen hier durch Bezugnahme eingeschlossen werden, außer ausdrücklich hier umfasst.

Claims

Magnetfeld-Winkelsensor, der eingerichtet ist, eine Drehposition einer Magnetfeldquelle in Bezug auf eine Drehachse zu bestimmen, umfassend: einen Chip, der eine erste Fläche umfasst und in einer Linie mit der Drehachse so angeordnet ist, dass sich eine Projektion der Drehachse durch den Chip im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten Fläche erstreckt; wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente, die auf der ersten Fläche des Chips rund um die Projektion der Drehachse angeordnet sind, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente eingerichtet sind, wenigstens zwei Gradienten eines Magnetfelds zu erfassen, das von der Magnetfeldquelle erzeugt wird, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente für Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse und parallel zur ersten Fläche sind; und eine Schaltung, die eingerichtet ist, die Drehposition der Magnetfeldquelle durch eine Bestimmung wenigstens einer Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten zu bestimmen und die Drehposition von der wenigstens einen Linearkombination abzuleiten.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente auf der ersten Fläche in einem Kreis angeordnet sind, der zur Projektion der Drehachse konzentrisch ist, wobei der Kreis einen Durchmesser von weniger als etwa 4 Millimetern aufweist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 2, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente N Sensorelemente umfassen, die im Kreis durch regelmäßige azimutale Abstände von 360 Grad/N beabstandet sind.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die wenigstens zwei Gradienten einen Gradienten einer ersten Magnetfeldkomponente entlang einer ersten Richtung und einen Gradienten einer zweiten Magnetfeldkomponente entlang einer zweiten Richtung, wobei die erste und zweite Magnetfeldkomponente und die erste und zweite Magnetfeldrichtung verschieden sind, umfassen, und des weiteren einen Gradienten der ersten Magnetfeldkomponente entlang der zweiten Richtung und/oder einen Gradienten der zweiten Magnetfeldkomponente entlang der ersten Richtung umfassen.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die wenigstens eine Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten gleich ist einer Summe über Terme, die gleich Koeffizienten, multipliziert mit gemessenen Gradienten sind, wobei die Koeffizienten von einer Drehposition der Magnetfeldquelle unabhängig sind, und wobei die Koeffizienten dieselbe Größe haben.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die wenigstens eine Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten Koeffizienten umfasst, multipliziert mit den wenigstens zwei Gradienten, wobei die Koeffizienten auf azimutale Positionen der wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente bezogen sind, wo die wenigstens zwei Gradienten erfasst werden.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die wenigstens eine Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten komplexe Koeffizienten, multipliziert mit gemessenen Gradienten aufweist, wobei die Schaltung eingerichtet ist, die Drehposition von einem Argument der komplexen Linearkombination abzuleiten.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 7, wobei ein k-facher Drehwinkel gleich ist dem Argument der komplexen Linearkombination, wobei k eine ganze Zahl ist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 8, wobei eine Größe von k 1, 2 oder 3 ist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente Hall-Platten, vertikale Hall-Elemente, MAGFETs, anisotrope Magnetowiderstände und/oder Magnetowiderstände, die wenigstens eine fixierte Schicht umfassen, umfassen.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente zwei Gruppen von Magnetfeld-Sensorelementen umfassen, wobei eine erste Gruppe der beiden Gruppen Magnetfeld-Sensorelemente umfasst, die für eine erste Richtung mit willkürlicher Polarität empfindlich sind, und eine zweite Gruppe der beiden Gruppen Magnetfeld-Sensorelemente umfasst, die für eine zweite Richtung mit einer willkürlichen Polarität empfindlich sind, und wobei die erste und zweite Richtung rechtwinklig zueinander und zur Drehachse sind.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–11, wobei jedes der wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente zwei Halbbrückenschaltungen umfasst, wobei jede Halbbrückenschaltung an einem anderen Ort ist und zwei Magnetowiderstände umfasst.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 12, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente N ≥ 3 Vollbrückenschaltungen umfassen, die auf dem ersten Substrat in gleichem Abstand von der Drehachse in im Wesentlichen regelmäßigen azimutalen Abständen von 360 Grad/N angeordnet sind.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–13, wobei die Schaltung eingerichtet ist, die Drehposition der Magnetfeldquelle aus einem Winkel zwischen einem Zeiger in einer komplexen Ebene und einer positiven reellen Achse zu bestimmen, wobei ein Realteil des Zeigers zu einer Linearkombination von dBy/dx und dBx/dy äquivalent ist, und wobei ein Imaginärteil des Zeigers zu einer Linearkombination von dBx/dx und dBy/dy äquivalent ist, wobei dBy/dx ein Gradient der Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung entlang einer ersten Richtung ist, dBx/dy ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung entlang der zweiten Richtung ist, dBx/dx ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung entlang der ersten Richtung ist, und dBy/dy ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der zweiten Richtung entlang der zweiten Richtung ist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1–14, wobei die Magnetfeldquelle einen Magneten umfasst, der in wenigstens einer Richtung axial magnetisiert ist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 15, wobei der Magnet ein Magnetisierungsmuster aufweist, das drehungsasymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ist.
Magnetfeld-Winkelsensor nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Magnet ein Magnetisierungsmuster vom Halbach-Typ aufweist.
Verfahren zur Bestimmung einer Drehposition einer Magnetfeldquelle in Bezug auf eine Drehachse, umfassend: Bereitstellen von wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelementen, die auf einer Fläche rund um eine Projektion der Drehachse auf die Fläche angeordnet sind, wobei die wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente eingerichtet sind, wenigstens zwei Gradienten einer Magnetfeldkomponente eines Magnetfelds zu erfassen, das von der Magnetfeldquelle erzeugt wird, wobei die Magnetfeldkomponente im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse und parallel zur Fläche ist; und Bereitstellen einer Schaltung, die mit den wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelementen gekoppelt ist und eingerichtet ist, die Drehposition der Magnetfeldquelle betreibbar zu bestimmen, indem wenigstens eine Linearkombination der wenigstens zwei Gradienten bestimmt wird, und die Drehposition von der wenigstens einen Linearkombination abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bereitstellen der Schaltung ferner ein Bereitstellen der Schaltung umfasst, welche eingerichtet ist, um die Drehposition der Magnetfeldquelle aus einem Winkel zwischen einem Zeiger in einer komplexen Ebene und einer positiven reellen Achse zu bestimmen, wobei ein Realteil des Zeigers zu einer Linearkombination von dBy/dx und dBx/dy äquivalent ist, und wobei ein Imaginärteil des Zeigers zu einer Linearkombination von dBx/dx und dBy/dy äquivalent ist, wobei dBy/dx ein Gradient der Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung entlang einer ersten Richtung ist, dBx/dy ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung entlang der zweiten Richtung ist, dBx/dx ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung entlang der ersten Richtung ist, und dBy/dy ein Gradient der Magnetfeldkomponente in der zweiten Richtung entlang der zweiten Richtung ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Bereitstellen der wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelemente ein Bereitstellen von wenigstens drei Magnetfeld-Sensorelementen umfasst, die Hall-Platten, vertikale Hall-Elemente, MAGFETs, anisotrope Magnetowiderstände und/oder Magnetowiderstände, die wenigstens eine fixierte Schicht umfassen, umfassen.