DE102014116844A1

DE102014116844A1 - Außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren

Info

Publication number: DE102014116844A1
Application number: DE102014116844.5A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104656042B; CN104656042A; US20150137797A1; US9354084B2

Abstract

Ausführungen betreffen Magnetfeld-Winkelmesssysteme und -verfahren. In einer Ausführungsform umfasst ein Magnetfeld-Winkelmesssystem, das konfiguriert ist, um eine Drehposition einer Magnetfeldquelle um eine Achse zu bestimmen, N Sensorvorrichtungen, die in einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zur Achse ist, wobei N > 1 ist und die Sensorvorrichtungen um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises voneinander beabstandet sind, wobei jede Sensorvorrichtung eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung mit einer Empfindlichkeitsebene umfasst, die zumindest eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung gegenüber einer Magnetfeldkomponente in der Empfindlichkeitsebene empfindlich ist und konfiguriert ist, um ein Signal in Bezug auf einen (Ko-)Sinus eines Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene bereitzustellen; und eine Schaltung, die mit den N Sensorvorrichtungen gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ein Signal bereitzustellen, das eine Drehposition einer Magnetfeldquelle um die Achse anzeigt, die durch Kombinieren der Signale von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen der N Sensorvorrichtungen bestimmt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Magnetfeldsensoren und insbesondere außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren.
Hintergrund
Magnetfeldsensoren können eingesetzt werden um einen Drehwinkel einer Welle oder eines anderen Objekts abzutasten. Beispielsweise kann ein Magnet an der Welle montiert sein, sodass er sich mit der Welle dreht, und ein Magnetfeldsensor kann nahe dem Magneten angeordnet sein, um ein Magnetfeld abzutasten, das von dem Magnet induziert wird, wenn er sich mit der Welle dreht. Wenn der Magnetfeldsensor neben der oder angrenzend an die Welle montiert ist, d. h. außerhalb der Drehachse der Welle, kann der Sensor als „außeraxialer” Magnetfeld-Winkelsensor bezeichnet werden. Außeraxiale Magnetfeld-Winkelsensoren werden oft umgesetzt, wenn das Ende der Welle nicht als Position für den Sensor zur Verfügung steht oder einfach kein Platz auf der Welle verfügbar ist.
Bei vielen Anwendungen kann es eine Präferenz für Magnetfeld-Winkelsensoren, einschließlich außeraxialer Magnetfeld-Winkelsensoren, sein, dass sie kostengünstig und nicht komplex sind und gleichzeitig in Bezug auf externe Magnetfelder und andere Störungen robust sind, Anordnungstoleranzen berücksichtigen und mit einer Reihe von Magneten kompatibel sind, einschließlich großer Magnete, die inhomogen magnetisiert sind. Ein Nachteil einiger herkömmlicher Ansätze ist dann, dass zumindest zwei Sensorsubstrate mit Sensorelementen mit derselben magnetischen Empfindlichkeit erforderlich sind. Die erforderliche abgestimmte magnetische Empfindlichkeit ist schwer zu erreichen und in Kombination mit der Notwendigkeit von mehreren Sensorsubstraten teuer in der Produktion.
Es ist daher eine Aufgabe, vergleichsweise einfach zu implementierende Magnetfeld-Winkelerfassungssysteme und entsprechende Verfahren bereitzustellen, bei denen die oben beschriebenen Nachteile beseitigt oder zumindest abgemildert sind.
Kurzzusammenfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 11 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Ausführungsformen betreffen Magnetfeld-Winkelmesssysteme und -verfahren. In einer Ausführungsform umfasst ein Magnetfeld-Winkelmesssystem, das konfiguriert ist, um eine Drehposition einer Magnetfeldquelle um eine Drehachse zu bestimmen, N Sensorvorrichtungen, die in einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zur Drehachse ist, wobei N > 1 ist und die Sensorvorrichtungen um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises voneinander beabstandet sind, wobei jede Sensorvorrichtung eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung mit einer Empfindlichkeitsebene umfasst, die zumindest eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung gegenüber einer Magnetfeldkomponente in der Empfindlichkeitsebene empfindlich ist und konfiguriert ist, um ein Signal in Bezug auf einen (Ko-)Sinus eines Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene bereitzustellen; und eine Schaltung, die mit den N Sensorvorrichtungen gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ein Signal bereitzustellen, das eine Drehposition einer Magnetfeldquelle um die Drehachse anzeigt, die durch Kombinieren der Signale von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen der N Sensorvorrichtungen bestimmt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehposition einer Magnetfeldquelle um eine Drehachse bereitgestellt, welches Anordnen von N > 1 Sensorvorrichtungen in einem Kreis, der konzentrisch zur Drehachse ist, sodass die Sensorvorrichtungen um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises voneinander beabstandet sind; Messen, durch eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung jeder der N > 1 Sensorvorrichtungen, eines (Ko-)Sinus eines Winkels zwischen einer Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und dem Magnetfeld in einer Empfindlichkeitsebene der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung, das durch die Magnetfeldquelle induziert wird, wobei die Empfindlichkeitsebene zumindest eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst; Bereitstellen eines Signals in Bezug auf den (Ko-)Sinus des Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene; und Bereitstellen eines Signals, das eine Drehposition der Magnetfeldquelle um die Drehachse anzeigt, durch Kombinieren der Signale von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen der N > 1 Sensorvorrichtungen umfasst.
Kurze Beschreibung Der Zeichnungen
Die Erfindung wird unter Berücksichtigung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen umfassender verständlich, wobei:
1 ein Grundriss eines Teils eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
2A ein Diagramm einer Halbbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist.
2B ein Blockdiagramm einer Chip- oder Rohchipanordnung gemäß einer Ausführungsform ist.
2C ein Diagramm einer Halbbrückenschaltungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform ist.
2D ein Diagramm einer Vollbrückenschaltung gemäß einer Ausführungsform ist.
3A ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
3B ein Blockdiagramm eines Sensorsystem-Signalflusses gemäß einer Ausführungsform ist.
4A ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
4B ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
4C ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5A eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5B ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5C ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
5D ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
6A ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
6B ein schematischer Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
7A eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
7B eine seitliche Querschnittsansicht des Sensorsystems aus 7A ist.
7C ein Grundriss eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
8A eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
8B eine seitliche Ansicht des Sensorsystems aus 8A ist.
9A eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystemgehäuses gemäß einer Ausführungsform ist.
9B eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystemgehäuses gemäß einer Ausführungsform ist.
10 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist.
Die Erfindung ist zwar für verschiedene Modifikationen und alternativen Formen zugänglich, es werden jedoch spezifische Merkmale davon beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass keineswegs beabsichtigt ist, die Erfindung auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen einzuschränken. Im Gegenteil umfasst die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die unter den Geist und Schutzumfang der Erfindung wie in den Ansprüchen definiert fallen.
Ausführliche Beschreibung
Ausführungsformen betreffen Magnetfeld-Winkelsensoren, Systeme und Verfahren. In manchen Ausführungsformen umfasst ein Magnetfeld-Winkelsensor einen Magnet, der um eine Drehachse drehbar ist, und zumindest ein Magnetfeld-Sensorelement, das außerhalb der (z. B. nicht fluchtend mit), aber nahe der Drehachse angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen kann das zumindest eine Magnetfeld-Winkelsensorelement ein magnetoresistives (XMR) Sensorelement, ein Hall-Effekt-Sensorelement oder ein anderes Magnetfeld-Sensorelement umfassen.
In 1 ist eine Ausführungsform eines Magnetfeld-Winkelmesssystems 100 in einem Grundriss dargestellt. System 100 umfasst eine Magnetfeldquelle, z. B. einen Magnet 110, und zumindest eine Sensorvorrichtung 120. In manchen Ausführungsformen umfasst das System 100N > 1 Sensorvorrichtungen, z. B. N ≥ 3 oder N ≥ 5 in verschiedenen, nachstehend genauer erläuterten Ausführungsformen. Obwohl in der Ausführungsform von 1 die zumindest eine Sensorvorrichtung 120 in einem radialen Abstand angeordnet ist, der größer ist als der Radius von Magnet 110, kann/können die Sensorvorrichtung(en) 120 in anderen Ausführungsformen näher an der Drehachse angeordnet sein als der Radius von Magnet 110.
Magnet 110 ist um eine Drehachse z drehbar, die sich in 1 in das Blatt hinein und aus diesem heraus erstreckt. In manchen Ausführungsformen ist der Magnet 110 um die z-Achse rotationssymmetrisch, z. B. in der dargestellten Ausführungsform. Der Magnet 110 kann im Allgemeinen zylindrisch sein, obwohl der Magnet 110 in anderen Ausführungsformen auch eine Scheibe, einen Torus, einen Kegelstumpf, eine Kugel, ein Rotationsellipsoid oder eine andere rotationssymmetrische Form umfassen kann. In weiteren Ausführungsformen kann der Magnet 110 nicht rotationssymmetrisch sein und z. B. einen Block oder eine andere Form umfassen, obwohl solche Ausführungsformen im Vergleich zu anderen Ausführungsformen verringerte Genauigkeit aufweisen können, was aber in manchen Situationen oder Anwendungen nichtsdestotrotz annehmbar sein kann. In manchen Ausführungsformen ist der Magnet 110 so auf einer Welle (in 1 nicht dargestellt), die in manchen Ausführungsformen eisenhaltig oder nichteisenhaltig sein kann, so dass ihre Permeabilität μr von etwa 1 bis etwa 100.000 reichen kann, montiert oder auf andere Weise befestigt, dass er sich damit dreht.
Der Magnet 110 ist in manchen Ausführungsformen diametrisch magnetisiert, z. B. in die in 1 angezeigte Richtung Ψ₀, die sich mit dem Magnet 110 dreht. Somit kann das vom Magnet 110, der so magnetisiert ist, induzierte Magnetfeld in einer Ausführungsform durch: B_R = B ^_Rcos(ψ – ψ₀) und B_ψ = B ^_ψsin(ψ – ψ₀) beschrieben werden, wobei die Amplituden B ^_R und B ^_ψ, unterschiedliche Werte und/oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen können, je nach der Radialposition R und der Axialposition z des Prüfpunkts, was der Position der Sensorvorrichtung 120 wie in 1 dargestellt entspricht. Die azimutale Koordinate des Prüfpunkts ist ψ.
Allgemeiner gesagt kann der Magnet 110 eine Magnetisierung gemäß: M → = M_S cos(pψ)n →_R – M_S sin(pψ)n →_ψ = M_S cos((p – 1)n →_x – M_S sin((p – 1)n →_y aufweisen, wobei M_S die Größe des Magnetisierungsvektors ist und p die ganze Zahl von Polpaaren ist und negativ sein kann. Für p = 1 ergibt dies eine diametrische Magnetisierung in die x-Richtung. Diese Art von Magnetisierung kann als Halbach-Magnetisierung bezeichnet werden, die ein Magnetfeld mit Sinusvariation über der azimutalen Koordinate erzeugen kann. Wenn die Periode kleiner als 360° ist, können diese Magnete immer noch für Winkelsensoren mit kleineren Winkelbereichen verwendet werden. Für p = 2 ist die Periode beispielsweise 180°, und solch ein Magnet kann für einen Winkelsensor mit einem vollem Bereich von weniger als oder gleich 180° verwendet werden.
Zumindest eine Sensorvorrichtung 120 kann in manchen Ausführungsformen ein oder mehr magnetoresistive (MR) Sensorelemente, Hall-Effekt-Sensorelemente oder andere geeignete Magnetfeld-Sensorelemente umfassen. In manchen Ausführungsformen umfasst eine Sensorvorrichtung 120 zumindest ein Starkfeld-MR-Sensorelement und kann in manchen Ausführungsformen einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), Tunnelmagnetowiderstand (TMR) und/oder Kolossalmagnetowiderstand (CMR) umfassen. Im Allgemeinen sind MRs dünne Strukturen mit zwei seitlichen Abmessungen, die eine Empfindlichkeitsebene definieren und viel größer sind als die dritte Abmessung (Dicke oder Tiefe). MRs sprechen auf die Projektion oder Komponente des Magnetfelds in dieser Empfindlichkeitsebene, das Feld innerhalb der Ebene (in-plane), an. Ein „Starkfeld”-MR ist einer, für den der Widerstrand eine Funktion des Cosinus des Magnetwinkels ist (d. h. des Winkels zwischen dem Feld innerhalb der Ebene und einer Bezugsrichtung parallel zur Empfindlichkeitsebene), und der unabhängig von der Stärke des Magnetfels innerhalb der Ebene ist (d. h. der Projektion des Magnetfeldvektors auf die Empfindlichkeitsebene, die durch Subtraktion der Magnetfeldkomponente orthogonal zur Empfindlichkeitsebene vom Magnetfeldvektor erhalten werden kann), zumindest in großen Bereichen, z. B. etwa 10 mT bis etwa 200 mT. Im Gegensatz dazu sind Schwachfeld-MRs MRs, bei denen sich der Widerstand wesentlich verändert, wenn die Richtung des angelegten Magnetfelds konstant ist und sich nur die Stärke ändert.
Für AMRs ist die Bezugsrichtung dieselbe wie die Richtung des Stromflusses durch den Magnetowiderstand. Somit ist ein AMR mit einer Bezugsrichtung n →_η, die durch Barber-Pole definiert ist, durch:
modelliert, wobei h klein ist, z. B. etwa 0,03 in einer Ausführungsform, und wobei ∠(a →, b →) den Winkel zwischen dem Vektor a → und b → bezeichnet. B ^_Rn →_R + B ^_ψn →_ψ ist das Magnetfeld innerhalb der Ebene. Die Empfindlichkeitsebene ist parallel zu allen drei Vektoren n →_R, n →_ψ, n →_η. Für GMRs, TMRs und CMRs ist die Bezugsrichtung beispielsweise durch die Richtung der Magnetisierung in der harten magnetischen Bezugsschicht definiert, die auch als gepinnte Schicht oder Vormagnetisierung bezeichnet wird. GMRs und TMRs mit einer Bezugsrichtung n →_η können durch
modelliert werden. Für GMRs ist h üblicherweise eine kleine Zahl, z. B. etwa 0,05; für TMRs ist h größer, z. B. etwa 0,5 in einer Ausführungsform.
In Bezugnahme auf 2A umfasst in manchen Ausführungsformen zumindest eine Sensorvorrichtung 120 eine Halbbrückenschaltung 200. Die Halbbrückenschaltung 200 umfasst zwei MR-Elemente 210 und 220 mit jeweils einer gepinnten Schicht, die zwischen einer Versorgungsspannung Vsupply und einer Bezugsspannung, z. B. Erde, in Reihe gekoppelt sind, wodurch eine Spannungsteilerschaltung gebildet wird. MR-Elemente 210 und 220 weisen antiparallele Bezugsrichtungen, –x und +x, auf, wie in 2A dargestellt ist. Hierin wird durchgehend, wenn auf eine Sensorvorrichtung, wie z. B. auf die MR-Elemente 210 und 220, Bezug genommen wird, die Empfindlichkeitsrichtung in Bezug auf das lokale Bezugssystem (x, y, z) beschrieben. Ein anderes globales kartesisches Bezugssystem (x, y, z) oder ein äquivalentes globales kreiszylindrisches Bezugssystem (z. B. R, psi, z) kann verwendet werden, um die Positionen der Prüfpunkte und der Magnetfeldkomponenten, die auf die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen wirken (z. B. die MR-Elemente 210 und 220) zu definieren.
In einer Ausführungsform sind die MR-Elemente 210 und 220 identisch oder fast identisch, indem sie sehr ähnliche elektrische und magnetische Parameter aufweisen, mit Ausnahme ihrer Bezugsrichtungen. Ein Weg, um dies zu erreichen, ist die Elemente 210 und 220 gemeinsam, z. B. gleichzeitig, nach denselben Herstellungsprozessen und -abfolgen herzustellen. So wird in manchen Ausführungsformen und wie auch in 2B dargestellt ist eine Halbbrückenschaltung 200 auf einem einzelnen Chip oder Rohchip 230 angeordnet, nachdem das größere Substrat (z. B. Silicium- oder Glaswafer oder eine andere Struktur) vereinzelt wurde. In manchen Ausführungsformen können auch eine oder mehrere weitere Halbbrückenschaltungen und/oder andere Elemente, z. B. Vorverstärker, Schnittstellenschaltungen oder andere Schaltungen, auf dem Chip oder Rohchip 230 angeordnet werden.
Während des Betriebs wird eine Versorgungsspannung Vsupply an die in Serie gekoppelten Elemente 210 und 220 angelegt, und ein Potenzial am gemeinsamen Knoten zwischen den Elementen 210 und 220 wird als Ausgangsspannung Voutx abgegriffen:
Dann ist es, wieder unter Bezugnahme auf 2C, wenn eine Halbbrücke 200 und ein Spannungsteiler 202 vorhanden sind, ferner möglich, Vsupply/2 von Voutx zu subtrahieren:
Das normalisierte Signal kann ebenfalls verwendet werden:
In manchen Ausführungsformen, wenn ein Sensorsystem mehrere Halbbrückenschaltungen umfasst, ist nur ein Spannungsteiler (z. B. 202) notwendig und dieser muss sich nicht an einem bestimmten Prüfpunkt befinden. Das normalisierte Signal S_x ist zur eindeutigen und zweifelsfreien Bestimmung des Cosinus des Magnetfeldwinkels in der Lage, wobei der Magnetwinkel wie oben als Winkel zwischen dem Magnetfeld in der Ebene B_in–plane und der Bezugsrichtung n →_x definiert ist. Das normalisierte Signal S_x ist jedoch nicht geeignet, den Magnetwinkel eindeutig oder zweifelsfrei zu bestimmen, weil die umgekehrte Funktion des Cosinus über eine volle Drehung von 360 Grad keine eindeutige Funktion ist. Nachstehend wird gezeigt, wie die Signale S_x kombiniert werden, die an mehreren Prüfpunkten um die Drehachse abgetastet wurden, um die Winkelposition des Magneten zu rekonstruieren, obwohl dieser Winkel im Allgemeinen nicht vom Signal S_x ein einem einzelnen Prüfpunkt alleine abgeleitet werden kann.
Dann können, wie in 2D dargestellt, zwei Halbbrücken 200a und 200b kombiniert werden, um eine Vollbrückenschaltung 201 zu bilden, für die Vx gemäß:
bestimmt werden kann. Wiederum kann auch das normalisierte Signal verwendet werden:
Eine Vollbrückenschaltung 201 kann die Ausgangsspannung im Vergleich zu einer einzelnen Halbbrücke verdoppeln, erfordert im Allgemeinen aber auch zweimal so viel Platz und kann zusätzliche Verdrahtung oder Verbindungen erfordern, um ausgelesen zu werden, da eine Vollbrücke 201 zwei Ausgänge, Ausgang(+) und Ausgang(–), aufweist, im Vergleich zu einem einzelnen Ausgang der Halbbrückenschaltung 200, wie z. B. in 2A. Halbbrücken 200a und 200b der Vollbrückenschaltung 201 sind in manchen Ausführungsformen am selben Prüfpunkt angeordnet. Halbbrückenschaltungen können hierin allgemein erläutert werden, mit dem Wissen, dass sie durch Vollbrücken ersetzt oder substituiert werden können, wie Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung erkennen werden.
Zu 1 zurückkehrend ist dort eine Sensorvorrichtung 120 an einem einzelnen Prüfpunkt (z. B. relative Anordnung einer Sensorvorrichtung 120 und eines Magneten 110 um die Achse z) dargestellt, obwohl in manchen Ausführungsformen eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen 120 an einer Vielzahl von Prüfpunkten verwendet wird. Beispielsweise werden, wobei nun auch auf ein Sensorsystem 400 aus 4A Bezug genommen wird, in einer Ausführungsform zumindest drei Prüfpunkte 0, 1 und 2 verwendet, sodass zumindest drei Sensorvorrichtungen 120 umgesetzt werden. Erstere Anordnung, bei der ein Sensorelement 120 an jedem Prüfpunkt angeordnet ist (z. B. ist N eine Anzahl an Prüfpunkten und ist ≥ 3, und das Systemsystem umfasst N = 3 Sensorelemente 120), wird hierin allgemein erläutert und ist in 4 dargestellt, obwohl in anderen Ausführungsformen auch andere Anordnungen verwendet werden können.
In manchen Ausführungsformen wird auch davon ausgegangen, dass das Magnetfeld an MR-Elementen 210 und 220 jeder Sensorvorrichtung 120 im Wesentlichen homogen ist, und zwar aufgrund ihrer geringen Größe und angesichts der Tatsache, dass die Elemente 210 und 220 viel kleiner sind als der Magnet 110. In einer Ausführungsform sind die Elemente 210 und 220 beispielsweise etwa 0,05 mm² groß, während der Magnet 110 (in die Richtung der Rotationsachse z gesehen) zumindest etwa 500-mal größer ist (die Abbildung in 4A und an anderer Stelle ist aufgrund von Veranschaulichungszwecken nicht notwendigerweise maßstabsgetreu). Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen Sensorvorrichtungen 120 signifikant größer als der Abstand zwischen Elementen 210, 220 derselben Halbbrücke, sodass beide Elemente 210, 220 einer Halbbrücke im Allgemeinen dasselbe Magnetfeld erfahren, während Elemente von unterschiedlichen Vorrichtungen 120 unterschiedliche Felder erfahren. Obwohl der geringe Abstand zwischen Elementen 210, 220 einer einzelnen Halbbrücke dazu führen kann, dass diese Elemente leicht unterschiedliche Felder erfahren, können jegliche resultierende Winkelfehler angesprochen werden.
Die Vielzahl von Sensorelementen 120 ist in einer Ausführungsform gleichmäßig und/oder gleichförmig um die z-Achse, z. B. bei 360°/N, angeordnet, und der radiale Abstand von jedem Prüfpunkt (z. B. der Abstand zwischen der Drehachse z und dem Prüfpunkt) ist etwa gleich. Somit ist in einer Ausführungsform, die drei Sensorelemente 120_0, 120_1 und 120_2 umfasst, alle etwa 120° um die z-Achse ein Sensorelement angeordnet, und zwar auf einem Ablesekreis, der konzentrisch zur Rotationsachse ist. Solch eine Konfiguration ist in 4A dargestellt. In manchen Ausführungsformen weist ein Durchmesser des Ablesekreises eine solche Größe auf, dass die Drehachse keinen Chip oder Rohchip von Sensorelementen 120_0, 120_1 und 120_2 kreuzt; mit anderen Worten ist ein Durchmesser der Ablesekreises, auf denen die Prüfpunkte angeordnet sind, größer als ein Durchmesser des Magneten 110. In anderen Ausführungsformen können die Prüfpunkte innerhalb des Außendurchmessers von Magnet 110 liegen und immer noch in einem ausreichenden radialen Abstand angeordnet sein, sodass die Welle an der Drehachse, an welcher der Magnet 110 montiert ist, nicht behindert wird. Mit anderen Worten bleiben die Sensorelemente 120_0, 120_1 und 120_2 im Allgemeinen außeraxiale Sensorelemente und sind keine axialen Sensorelemente.
Außerdem sind in manchen Ausführungsformen die Prüfpunkte 0, 1 und 2 in einer Ebene angeordnet, die orthogonal zur Drehachse z ist. Die Ebene ist eine (R, Y)-Ebene mit einem kreiszylindrischen Bezugssystem oder eine (x, y)-Ebene mit einem kartesischen Koordinatensystem.
Außerdem berechnet in manchen Ausführungsformen das Sensorsystem 400 endliche Summen, wie z. B.:
wobei S ~_a(ψ^(m)) Signale sind, die an äquidistanten entfernten azimutalen Winkeln ψ^(m) = 2πm/N abgetastet wurden, und der Index a bezeichnet die Bezugsrichtung a → der MRs. Allgemein gesagt ist dies eine lineare Kombination mit komplexwertigen Gewichtungsfaktoren exp(2πjmn/N), wobei j der imaginäre Teil ist. Das Ganze kann auch als komplexwertige diskrete Fourier-Transformation der N abgetasteten Daten S ~_a(ψ^(m)) gesehen werden. Anstelle einer einzelnen komplexwertigen Summe kann eine Gruppe von zwei reellwertigen Summen verwendet werden:
In Ausführungsformen, in denen eine große Anzahl von Prüfpunkten verwendet wird, konvergiert dies zum Integral
das numerisch durch eines von vielen Quadraturschemata berechnet werden kann (z. B. unter anderem Simpson-Regel oder Gauß-Quadratur). Beispielsweise kann ein Quadraturschema gewählt mit nicht äquidistanten Probenpunkten gewählt werden, sodass in manchen Ausführungsformen die Prüfpunkte im System 400 nicht äquidistant sein müssen (obwohl sie das in manchen Ausführungsformen sind oder sein können, da regemäßig beabstandete Prüfpunkte die Genauigkeit des Systems verbessern können, einschließlich in Bezug auf Berechnungs- oder andere Anstrengungen). Außerdem kann die Funktion arctan2{x, y} verwendet werden, die allgemein als
definiert ist, wobei ganze Vielfache von 2π addiert werden, bis das Ergebnis im Intervall [0 rad, 2π rad) oder [0°, 360°) liegt. Dies ist äquivalent zum Winkel zwischen n →_x und xn →_x + yn →_y.
Somit umfasst im System 400 jeder Prüfpunkt 0, 1 und 2 eine Halbbrücke 200_0, 200_1 und 200_2 in Bezug auf eine Richtung a → parallel zur (R, Ψ)-Ebene. In manchen Ausführungsformen kann die Bezugsrichtung dieselbe sein wie n →_R oder n →_ψ. Die N 3 Prüfpunkte sind an azimutalen Positionen ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ... wie dargestellt angeordnet. Während des Betriebs tastet das System 400 die Signale S ~_a(ψ^(m)) für m = 0, 1, ..., N – 1, abgeleitet von den Halbbrücken 200_0, 200_1 und 200_2 in Bezug auf die Bezugsrichtungen a →, ab.
In manchen Ausführungsformen kann/können die hierin erläuterten Probe, Bestimmungen und Berechnungen von einer Steuerung oder einer anderen Schaltung, die Teil der Halbbrücken 200_0, 200_1 und 200_2 bildet oder auf andere Weise damit gekoppelt ist, ausgeführt werden. Eine Ausführungsform ist in 3A dargestellt, worin die Schaltung 410 Teil des Systems 400 ist und an zumindest eine Sensorvorrichtung 120_0, 120_1 und 120_n gekoppelt ist, obwohl in manchen Ausführungsformen mehr oder weniger Sensorvorrichtungen und/oder Halbbrücken oder andere Sensorschaltungen im System 400 umgesetzt sein können. Die Schaltung 410 kann Steuerung, Bewertung, Signalkonditionierung umfassen und/oder eine andere Schaltung kann eine gewidmete Sensorsystemschaltung sein, oder sie kann einen Teil eines anderen Systems oder Bauteils (z. B. einer elektronischen Steuereinheit, ECU, bei Automobil- oder anderen Anwendungen) umfassen. Das System 400 kann auf oder in mehreren Chips oder Rohchips oder Gehäusen angeordnet sein, und die verschiedenen Bauteile (von denen nicht alle im vereinfachten Blockdiagramm in 3A dargestellt sind) können elektrisch, kommunikativ und/oder operativ miteinander gekoppelt sein, je nachdem wie für eine gegebene Anwendung oder Ausführungsform passend oder geeignet, und Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass diese Anordnungen variieren.
In manchen Ausführungsformen kann die Schaltung 410 N Signale abtasten, in einer Ausführungsform gleichzeitig. Somit kann die Schaltung 410 N Eingangskanäle mit einer Abtast-Halte-Schaltung umfassen. Sobald die N Signale abgetastet wurden, kann die Schaltung 410 diese unmittelbar verarbeiten oder sie für eine Verarbeitung halten, bis z. B. zum nächsten Taktzyklus, wenn wieder N Signale abgetastet werden. Wenn Systemressourcen begrenzt sind, ist es auch möglich, die N Signale nacheinander abzutasten, in manchen Ausführungsformen beispielsweise in einer Abtastabfolge im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn oder in gemäß einem beliebigen anderen, nichtwillkürlichen Schema, in einer Ausführungsform beispielsweise in Drehrichtung des Magneten.
Gemäß der vorgenannten Abtastung kann die Schaltung 410 Folgendes berechnen, bei dem es sich um eine Summe von komplexen Zahlen handelt, was aber auch als Kürzel von zwei Summen über reellwertige Zahlen gesehen werden kann:
für n = 0, 1, ..., N – 1 mit der imaginären Einheit j = √ –1 . Die Grundfrequenz dieser diskreten Fourier-Transformation, σ_a,1 (n = 1), stellt den dominanten Teil des Felds von Magnet 110 dar, während das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) durch Nichtidealitäten verursacht werden, wie z. B. magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten 110 oder der Sensoren 200 in Bezug zur Drehachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere. Somit berechnet das Sensorsystem 400 im Allgemeinen nur die Grundfrequenz, während das Verhältnis zwischen realen und imaginären Teilen davon die Tangente der geschätzten Drehposition des Magneten 100 gemäß: ψ'_0,a = arctan2{Re{σ_a,1}Im{σ_a,1}} bereitstellt. Hier bezeichnen die gestrichenen Winkel Winkelschätzungen; somit können sie Winkelfehler enthalten. Umgekehrt bezeichnen nichtgestrichene exakte geometrische Winkel.
Mit anderen Worten kann die Schaltung 410 konfiguriert sein, um eine Winkelposition eines Magnets 110 durch Kombinieren von Signalen von den Sensorvorrichtungen in Bezug auf das Magnetfeld, das vom Magnet 110 induziert und von Halbbrückenschaltungen 200 abgetastet wird, zu schätzen. Dadurch kann das Signal jeder Sensorvorrichtung eindeutig und/oder zweifelsfrei den Cosinus des Magnetwinkels an der Position der Sensorvorrichtung bestimmen. Das Kombinieren von Signalen von der Vielzahl von Sensorvorrichtungen umfasst zwei reellwertige gewichtete Summationen über die Signale, wobei die Gewichte einer ersten Summe proportional zum Sinus der azimutalen Positionen der jeweiligen Sensoreinheiten sind und die Gewichte einer zweite Summe proportional zum Cosinus der azimutalen Positionen der jeweiligen Sensoreinheiten sind. Außerdem kann das Kombinieren auch die arctan2-Operation (oben) an beiden Summen umfassen.
Auch unter Bezugnahme auf 3B kann eine Sensorvorrichtung eine Halbbrückenschaltung, z. B. eine GMR-Halbbrückenschaltung, mit einer Ausgangsspannung
wie oben erläutert umfassen. Die Schaltung 410 kann dieses Signal empfangen und in manchen Ausführungsformen zumindest einen Vorkonditionierungsvorgang vor der Bestimmung einer Summe der Signale aus der Vielzahl von Halbbrückenschaltungen oder anderen Sensorvorrichtungen und schlussendlich der Winkelposition des Magneten durchführen. In einer Ausführungsform kann die Schaltung 410 Vsupply/2 subtrahieren, um die große Gleichtaktspannung des Halbbrückenausgangs zu verringern oder entfernen. In der Praxis kann immer noch ein geringer Offset vorhanden sein, die durch eine Fehlanpassung zwischen den MRs in einer beliebigen Halbbrücke verursacht werden können. In manchen Ausführungsformen kann die Schaltung 410 einen Speicher umfassen, in dem dieser Offset gespeichert werden soll, oder die Verschiebung kann während des Betriebs bestimmt werden, z. B. nach einer oder mehr Umdrehungen des Magneten, indem einfach das Mittel der maximalen und der minimalen Ausgangsspannung herangezogen wird. So kann die Verschiebung identifiziert und vom Signal subtrahiert werden.
Die Amplitude des Signals ist h*Vsupply, wobei der Term ”h” Verarbeitungsstreuung und Teil-Teil-Fehlanpassung unterliegt. Dieser Term wird oft auch in einem Speicher gespeichert oder während vorangegangener Umdrehungen beobachtet (d. h. einfach durch Berechnen von maximaler minus minimaler Ausgangsspannung der Ausgangssignale aller Sensoreinheiten). Folglich kann die Schaltung 410 alle Signale von Amplitude h*Vsupply auf 1 normalisieren. Darüber hinaus können die Bezugsrichtungen der Halbbrücken Toleranzen unterliegen, die durch Fluchtungsfehler verursacht werden können, wenn die gepinnten Schichten von MRs während der Produktion magnetisiert werden, aber sie können auch durch Platzierungstoleranzen der Sensor-Chips oder -Rohchips um die Drehachse verursacht werden. Das Sensorsystem kann diese Anordnungsfehler auch aus vorherigen Offline- oder Online-Kalibrierungsdurchläufen kennen und die Signale demgemäß manipulieren.
Schließlich kommt die Schaltung 410 zu einem Satz normalisierter Signale. Die Summen
können dann mit diesen normalisierten Signalen berechnet werden.
Das System 400 in 4A umfasst N = 3 Prüfpunkte, obwohl andere Ausführungsformen mehr oder weniger umfassen können. Manche Ausführungsformen können beispielsweise eine gerade Zahl von Prüfpunkten umfassen, wie z. B. in 4B dargestellt ist, und in diesen Ausführungsformen können zwei diametral entgegengesetzte Halbbrücken 200a und 200b in einem System 401 zusammen gruppiert sein und eine Differenz in den Ausgangsspannungen dazwischen kann abgegriffen werden. Dies ist ähnlich wie bei einer Vollbrücken-Schaltungskonfiguration (siehe z. B. 2D), außer dass sich die Halbbrückenschaltungen 200a und 200b an unterschiedlichen Positionen befinden.
4B zeigt außerdem eine unterschiedliche Bezugsrichtung für die Halbbrückenschaltungen 200a und 200b. Hier ist die Bezugsrichtung parallel und antiparallel zur Tangentialrichtung, während sie in 4A parallel und antiparallel zur Radialrichtung ist. In manchen Ausführungsformen kann die Bezugsrichtung willkürlich sein, und sie könnte auch mit der X-Achse in 4B für alle Sensorvorrichtungen fluchtend ausgerichtet sein. Ein Vergleich von 4A und 4B zeigt, dass die Sensorvorrichtungen Bezugsrichtungen ±n →_R und ±n →_ψ aufweisen.
Aufgrund der Gleichheit cos∠(B →_in-plane, n →_R) = sin∠(B →_in-plane, n →_ψ) sind die normalisierten Signale der Sensoreinheiten in 4A proportional zum Cosinus der Magnetwinkels, während die normalisierten Signale der Sensoreinheiten in 4B proportional zum Sinus der Magnetwinkel sind. Somit können die normalisierten Signale von Sensorvorrichtungen, die proportional zum Sinus oder Cosinus des Magnetwinkels sind, verwendet werden, mit anderen Worten sind die normalisierten Signale von Sensoreinheiten proportional zum (Ko-)Sinus des Magnetwinkels.
Eine weitere Ausführungsform umfasst AMRs. 4C zeigt eine Anordnung mit zwei AMR-Halbbrückenschaltungen 200a und 200b an azimutalen Positionen ψ und ψ + π. AMRs weisen keine gepinnte Magnetisierung auf, und ihre Bezugsrichtung wird durch die Richtung des Stromflusses bestimmt (die oft durch Barber-Pole definiert ist). Da der Widerstand von AMRs nicht von der Polarität des Stroms abhängt, wird dieser in 4C unter Verwendung von bidirektionalen schwarzen Pfeilen dargestellt. Die Ausgangsspannungen sind durch
gegeben. Die Differenz der beiden dividiert durch V_supplyh/(2 + h) ergibt das normalisierte Signal
Wenn diese Signale an N Prüfpunkten an azimutalen Positionen ψ = m × 360°/N mit m = 0, 1,... N – 1 abgetastet werden, kann das System die diskrete Fourier-Transformation
bestimmen, wobei für N = 3 die erste und zweite Harmonische (n = 1, 2) und für N > 4 die zweite und (N – 2)te Harmonische (n = 2 und N-2) die Information über die Drehposition des Magneten 110 tragen, während alle anderen Harmonischen nur Systemstörungen, wie z. B. unterschiedliche Amplituden des radialen und des azimutalen Felds, Anordnungstoleranzen und magnetische Hintergrundstörungen aufzeigen. Für N ≠ 4 ist der Drehwinkel des Magneten durch
gegeben.
Somit umfassen GMR-, TMR- und CMR-Halbbrücken MRs mit antiparallelen Bezugsrichtungen ihrer gepinnten Schichten, während AMR-Halbbrücken MRs mit orthogonalen Bezugsrichtungen umfassen, die durch die Stromflussrichtung definiert sind. Die Ausgangssignale von GMR-, TMR- und CMR-Halbbrücken hängen vom Cosinus oder Sinus des Magnetwinkels ab, während die Ausgangssignale der AMR-Halbbrücken vom Quadrat des Cosinus oder Sinus des Magnetwinkels abhängen. In beiden Fällen schätzt das Sensorsystem die Drehposition des Magneten mittels einer diskreten Fourier-Transformation oder eine andere geeignete Berechnung oder Verarbeitung der Signale der Sensoreinheiten, aber im Falle von GMR, TMR und CMR (d. h. jenen MRs mit gepinnten Schichten) verwendet es die Grundfrequenz n = 1, während es im Falle von AMRs (d. h. MRs ohne gepinnte Schichten) die zweite Harmonischenfrequenz n = 2 verwendet. Die zweite Harmonische ist eindeutig in nur einem Winkelbereich von 180°, sodass ohne weitere Modifikationen des Systems ein außeraxialer AMR-Winkelsensor nicht zwischen Drehposition ψ₀ und ψ₀ + π des Magneten unterscheiden kann, obwohl dies in manchen Ausführungsformen und Anwendungen als geeignet erachtet werden kann.
Wenn eine Ausführungsform eines Sensorsystems N Halbbrücken an N azimutalen Positionen ψ = ψ^(m) mit Ausgangsspannungen V_outx(ψ^(m)) für m = 0, 1, ..., N – 1 aufweist, dann ist es möglich, die Spannungen über z. B. benachbarte Halbbrücken abzugreifen:
Dies ergibt N – 1 Differenzspannungen. Die N-te Spannung kann als absoluter Punkt (und keine der anderen Halbbrückenausgänge) V_outx(ψ⁽⁰⁾) – V_ref bezeichnet werden, um N linear unabhängige Gleichungen zu haben. Alternativ dazu kann das Sensorsystem eine weitere Halbbrücke umfassen, die sich an einer weiteren Position befindet, an die alle anderen Halbbrückenausgänge verwiesen werden. Wenn beispielsweise davon ausgegangen wird, dass die Halbbrücke #N diese weitere Bezugsbrücke ist, kann das die N Differenzspannungen V_outx(ψ⁽⁰⁾) – V_outx(ψ^(N)), V_outx(ψ^(l)) – V_outx(ψ^(N)), ..., V_outx(ψ^(N-1)) – V_outx(ψ^(N)) abgreifen, während die Halbbrücken #0 bis #(N – 1) an den regulären Positionen bis ψ = ψ⁽ ⁰ ⁾ sind, und die weitere Bezugsbrücke ist an einer Position ψ = ψ⁽ ^N ⁾, die sich von allen anderen Positionen unterscheidet. Somit müssen in einer Ausführungsform alle (N + 1) Brücken an unterschiedlichen Positionen sein. Wie zuvor erwähnt kann es in manchen Ausführungsformen von Vorteil sein, dass die N Brücken auf einem regelmäßigen Gitter ψ = ψ + 2πm/N für m = 0, 1, ..., N – 1 angeordnet sind, sodass die weitere Bezugsbrücke an einer unregelmäßigen Position außerhalb des Gitters angeordnet sein kann.
Wenn es kein störendes Magnetfeld gibt und die Größen von B ^_R und B ^_ψ identisch sind, kann solch ein Sensorsystem null Fehlerwinkel für N ≥ 3 aufweisen. Für willkürliche Magnete 110 und willkürliche Positionen des Ablesekreises können sich die Größen von B ^_R und B ^_ψ und auch wenn der Ablesekreis sorgfältig angeordnet ist, sodass beide Magnetfeldgrößen nominell identisch sind, können sie sich aufgrund von Anordnungstoleranzen und Produktionsausbreitung geringfügig unterscheiden. In diesen Fällen kann der Winkelfehler mit größerem N abnehmen, nicht jedoch monoton. Ein System mit N = 4 wird beispielsweise typischerweise einen größeren Winkelfehler aufweisen als ein System mit N = 3. Außerdem kann ein System mit N = 6 den gleichen Fehler aufweisen wie N = 3, obwohl ein System mit N = 5 sogar einen noch kleineren Fehler aufweisen kann. Im Allgemeinen können Systeme mit einer ungeraden N einen kleineren Winkelfehler aufweisen. Ein System mit N = 2*i + 1 kann den gleichen Winkelfehler aufweisen wie ein System mit N = 4*i + 2. Der Winkelfehler kann auch davon abhängen, um wieviel sich das Verhältnis der Größen von B ^_R und B ^_ψ von 1 unterscheidet.
Eine weitere Ausführungsform eines Sensorsystems 500 ist in 5A dargestellt. In System 500 umfasst ein Magnet 110 einen Ringmagnet, der an einer Welle montiert oder auf andere Weise befestigt ist, sodass sich der Magnet 110 während des Betriebs mit der Welle 130 dreht. Die Drehachse z ist mit einem Mittelpunkt der Welle 130 fluchtend ausgerichtet. Der Magnet 110 ist diametrisch magnetisiert, wie durch die Pfeile in 5A dargestellt ist. Zwei Sensorvorrichtungen 120_0 und 120_1 sind dargestellt, die einander diametral entgegengesetzt und mit dem Durchmesser des konzentrischen Ablesekreises angeordnet sind. Weitere Sensorvorrichtungen 120_n können enthalten sein, obwohl sie in 5A nicht dargestellt oder sichtbar sind.
5B umfasst beispielsweise drei Sensorvorrichtungen 230_0, 230_1 und 230_2. Ausführungsformen mit ungeraden N (die Anzahl der Prüfpunkte, an denen eine Sensorvorrichtung 120 angeordnet ist) können effizienter sein. N = 3 kann in vielen Anwendungen ausreichend genau sein und eine angemessene Hintergrundunterdrückung aufweisen. N = 5 kann besser sein als N = 3, und N = 6 kann ähnlich sein wie N = 3. N = 10 kann ähnlich sein wie N = 5. N = 4 kann im Allgemeinen weniger genau sein als N = 3 oder N = 5. Im Allgemeinen kann N gemäß einer bestimmten Anwendung und/oder gewünschten Leistungsmerkmalen ausgewählt werden.
Die Sensorvorrichtungen 120_0 und 120_1 (5A, obwohl dasselbe auch für andere Ausführungsformen gelten kann, z. B. 5B) sind vom Magnet 110 in einem vertikalen (wie in 5A auf dem Blatt angeordnet, wobei die Ausrichtung je nach Ausführungsform variieren kann) Abstand vs beabstandet. Jeder Sensor 120_0 und 120_1 (230_1, 230_2 und 230_3 in 5B) umfasst zwei Halbbrücken (nicht sichtbar) mit Bezugsrichtungen a → und b →, die in manchen Ausführungsformen jeweils parallel zur (R, Ψ)-Ebene sind und die einen dazwischen Winkel aufweisen, der nicht 0° oder 180° ist (d. h. a → und b → sind nicht kollinear). In einer Ausführungsform sind a → und b → orthogonal und entsprechen n →_R und n →_ψ, wovon in dieser beispielhaften Erläuterung ausgegangen wird, was aber in anderen Ausführungsformen variieren kann. Das System 500 weist in einer Ausführungsform N Prüfpunkte an azimutalen Positionen auf: ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ...
Während des Betriebs tastet das System (z. B. 500 oder 501) (z. B. durch eine Steuerschaltung, die analog zur Schaltung 410 aus 3 ist) die Signale S ~_a(ψ^(m ⁾) und S ~_a(ψ^(m ⁾) für m = 0, 1, ..., N – 1 ab, die von Halbbrücken mit Bezugsrichtungen a → und b → abgeleitet sind. Dann berechnet das System
für n = 0, 1, ..., N–1 mit der imaginären Einheit
Wenn die Sensorvorrichtungen MRs mit gepinnten Schichten (z. B. GMRs, TMR und/oder CMRs) verwenden, wie in 5B dargestellt ist, stellen die Grundfrequenzen σ_a,1 und σ_b,1 (n = 1) den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar, der eine Information über die Drehposition des Magneten umfasst, während das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) durch Nichtidealitäten wie magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten oder der Sensoren in Bezug zur Drehachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere verursacht werden. In manchen Ausführungsformen ist σ_a,N–n die Konjugation von σ_a,n, was bedeutet, dass beide dieselbe Information über die Drehposition des Magneten enthalten und daher jedes davon verwendet werden kann. Wenn die Sensorvorrichtungen MRs ohne gepinnte Schichten (z. B. AMRs) verwenden, wie in 5C dargestellt ist, stellen die zweiten Harmonischen σ_a,2 und σ_b,2 (n = 2) den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar. Somit braucht das Sensorsystem in Ausführungsformen mit gepinnten Schichten nur die Grundfrequenz zu berechnen, wobei das Verhältnis zwischen realen und imaginären Teilen davon den Tangens der geschätzten Drehposition des Magneten ergibt:
Sind keine Winkelfehler vorhanden und ist a = n →_R und b = n →_ψ und B ^_R > 0 und B ^_ψ > 0, dann gilt:
Dann kann das System ein vorkonditioniertes Mittel (d. h. Addition oder Subtraktion von ganzzahligen Vielfachen von 360 Grad zu/von Winkelausgängen der Sensorvorrichtungen, bis alle Werte im Uhrzeigersinn gesehen entweder steigen oder fallen) von beiden Winkeln gemäß:
berechnen. Ein vorkonditioniertes Mittel kann genauer sein als ein einzelner Wert einer einzelnen Sensorvorrichtung, da es Fehler in Bezug auf unterschiedliche Größen von B_R- und B_Ψ-Amplituden verringern oder auslöschen kann, Fehler in Bezug auf Anordnungstoleranzen verringern oder eliminieren kann und/oder Magnetfeldstörungen verringern oder auslöschen kann.
Für eine gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundstörungen sollten B ^_R und B ^_ψ so ähnliche wie möglich sein (idealerweise ist in einer Ausführungsform B ^_R = B ^_ψ) und dasselbe Vorzeichen aufweisen. Bei zylindrischen oder ringförmigen Magneten bedeutet dies, dass sich die Ebene, in der sich alle Testpunkte befinden und die orthogonal zur Drehachse z ist, von der Symmetrieebene des Magneten 110 unterscheidet; mit anderen Worten wird sie in eine Axialrichtung so verschoben, dass die Prüfpunkte über oder untere dem Magnet 110 liegen, wie in 5A dargestellt ist. Somit umfasst der Magnet 110 in einer beispielhaften Ausführungsform, die System 500 entspricht, einen Ringmagnet mit einem Innendurchmesser von etwa 5 mm, einem Außendurchmesser von etwa 15 mm und einer Dicke (z. B. in die z-Richtung, wie in 5A dargestellt) von etwa 3 mm. Prüfpunkte 0 und 1 befinden sich bei vs = etwa 1,5 mm unter dem Magnet 110. Der Ablesekreis weist einen Durchmesser von etwa 17,4 mm auf, wenn die Welle 130 nicht eisenhaltig ist (z. B. ist ihre relative Permeabilität nahe bei 1), und wenn die Welle 130 eisenhaltig ist (z. B. ist ihre relative Permeabilität größer als etwa 1.000), dann kann der Ablesekreis einen anderen Durchmesser aufweisen. Die Vorzeichen von B ^_R und B ^_ψ können gleich sein, um gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundfeldern und -störungen zu erreichen, wobei die radialen Prüfpunkte 0 und 1 außerhalb des Außendurchmessers des Magneten 110 liegen, wie dargestellt ist.
Eine Ausführungsform eines Systems 501, das MRs mit gepinnten Schichten umfasst und worin N = 3 ist und für a → = n →_R und b → = n →_ψ und B ^_R > 0 und B ^_W > 0 ist in 5B dargestellt. Das System 501 umfasst drei Prüfpunkte 0, 1 und 2 in regelmäßigen azimutalen Abständen von etwa 120° auf einem Ablesekreis, der zur Drehachse z eines diametral magnetisierten Magnets 110 konzentrisch ist. Jeder Prüfpunkt 0, 1, 2 umfasst eine Sensorvorrichtung 120_0, 120_1 bzw. 120_2, die jeweils zumindest zwei Halbbrücken mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen, wie durch die Pfeile dargestellt, auf oder neben jedem MR-Element umfassen. In Ausführungsformen, in denen AMRs verwendet werden, die keine gepinnten Schichten umfassen, bedeuten die beiden Bezugsrichtungen z. B., dass die AMRs der ersten Halbbrücke Bezugsrichtungen parallel zu ±n →_R und ±n →_ψ aufweisen, während die AMRs der zweite Halbbrücke Bezugsrichtungen parallel zu ±(n →_R + n →_ψ) und ±(n →_R – n →_ψ) aufweisen, wie in 5C dargestellt ist.
In den beispielhaften Ausführungsformen aus 5B und 5C werden die Bezugsrichtungen von benachbarten Prüfpunkten (z. B. 0 und 1, 1 und 2, 2 und 0) auch um etwa 120° gedreht, obwohl dies nicht in allen Ausführungsformen der Fall sein muss, da sie auch identisch sein können (z. B. anstelle von R- und Ψ-Bezugsrichtungen wie dargestellt kann das System 501 auch die gleichen globalen x- und y-Bezugsrichtungen für alle Prüfpunkte verwenden). Der Grund dafür ist, dass die Signale, die von beliebigen zwei Bezugsrichtungen gegeben werden, in einem beliebigen anderen Satz von Bezugsrichtungen erneut berechnet werden können, was äquivalent ist. In einer Ausführungsform sind beide MR-Halbbrücken an jedem Prüfpunkt 0, 1, 2 auf einem einzelnen Chip oder Rohchip 230_0, 230_1 bzw. 230_2 angeordnet. Dies kann die Produktionskosten, die Gesamtflächen der Chips oder Rohchips und Montagetoleranzen der Chips oder Rohchips (z. B. weil die relativen Positionen der beiden MR-Halbbrücken bis auf Mikrometerebene genau sein können, wenn sie auf einem einzelnen Chip oder Rohchip ausgebildet werden, während die relative Position von zwei Chips oder Rohchips üblicherweise im Bereich von 50..150 μm liegt, wenn herkömmliche und wirtschaftliche Beschickungs- und herkömmliche Chip- oder Rohchipanbringungsverfahren für die Anordnung von mikroelektronischen Schaltungen verwendet werden) verringern oder minimieren. Für MRs mit gepinnten Schichten mit Bezugsrichtungen a → = n →_R und b → = n →_ψ sind die Signale an einer azimutalen Position ψ
Folglich kann das System 501 mit ψ⁽ ⁰ ⁾ = 0 gemäß einem ersten Algorithmus z. B. für N = 3 berechnen:
wie zuvor erläutert. Für B ^_R = 1 und B ^_ψ = 0,8 und verschwindende Störungsfelder können die in TABELLE 1 gezeigten Signale für verschiedene Winkelpositionen ψ₀ eines Magnets erhalten werden. TABELLE 1
Alternativ dazu kann das System 501 aus 5B in anderen Ausführungsformen eine(n) andere(n) Methode und/oder Algorithmus verwenden, um die Drehposition des Magneten 100 abzuleiten. Beispielsweise kann das System 501 die Magnetwinkel ψ'_0,m für m = 0, 1... N – 1 bestimmen. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die Prüfpunkte regelmäßige oder unregelmäßige Abstände aufweisen können. In einer solchen Ausführungsform kann das Sensorsystem für a → = n →_R und b → = n →_ψ Folgendes bestimmen:
für m = 0, 1, ..., N – 1. Wie hier ersichtlich ist, tastet die Sensorvorrichtung 120 an jedem Prüfpunkt den Magnetwinkel
(und nicht nur seinen (Ko-)Sinus) ab und subtrahiert seine azimutale Position um eine grobe Winkelschätzung ψ'_0,m zu erhalten. Dies steht im Gegensatz zum System 501 (und z. B. zu den Systemen 400 und 600, die nachstehend erläutert sind), wo die Winkelschätzung nur aus einer Kombination von N Prüfpunkten bestimmt wird.
Dann kann das System N Winkel vorkonditionieren, um eine gleichförmig steigende oder fallende Abfolge von Zahlen zu erhalten:
In manchen Ausführungsformen können andere Winkel als 180° verwendet werden, z. B. Winkel zwischen 90° und 270° oder zwischen 45° und 315°, obwohl die Robustheit der Bestimmung in Bezug auf objektive statistische Winkelfehler (d. h. weder positive noch negative Winkelfehler herrschen vor) in Ausführungsformen mit 180° maximiert werden kann. Es gibt zwei Möglichkeiten: (i) dies wird für m = 0 und l = 1, 2, ..., N – 1 durchgeführt oder (ii) dies wird für m = l – 1 und l = 1, 2, ..., N – 1 durchgeführt. Mit anderen Worten ist es ein Ziel der Vorkonditionierung, zu vermeiden, dass manche der groben Winkelschätzungen sich nahe bei 0° befinden, während andere sich nahe bei 360° befinden, sodass die Vorkonditionierung entweder 360° zu den Werten nahe bei 0° addiert oder 360° von den Werten nahe bei 360° subtrahiert.
Schließlich bestimmt das System das Mittel als vorkonditionierten Winkelschätzungen gemäß
Dieser Ansatz kann im Allgemeinen mit jeder beliebigen Art von magnetischem Winkelsensor eingesetzt werden. Somit kann die Sensorvorrichtung zwei (oder mehr) Halbbrückenschaltungen, die MRs umfassen, verwenden, wie in 5B dargestellt ist, sie kann aber auch andere Sensortechnologien verwenden, einschließlich vertikaler Hall-Vorrichtungen, um die Magnetwinkel an den jeweiligen Prüfpunkten der Sensorvorrichtungen zu messen. Ein Beispiel für solch ein System 501 ist in 5D dargestellt. Jeder Prüfpunktvorrichtung umfasst zwei vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen, die empfindlich gegenüber Magnetfeldern innerhalb der Ebene entlang zweier Richtungen sind, die nicht koplanar sind, z. B. orthogonal, z. B. radial und azimutal, wie in 5D durch die schwarzen Pfeile dargestellt. Vertikale Hall-Vorrichtungen mit drei, vier, fünf oder sogar mehr Kontakten pro Vorrichtung können verwendet werden, und 5D zeigt Vorrichtungen mit drei Kontakten lediglich als Beispiel. Die Figur ist nicht maßstabsgetreu, und in der Praxis kann es von Vorteil sein, die vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtungen so klein wie möglich zu halten und sie so nahe beieinander wie möglich anzuordnen. Außerdem kann in manchen Ausführungsformen eine herkömmliche Schwerpunktausrichtung für die Hall-Vorrichtungen verwendet werden.
Mit zwei orthogonalen vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtungen tasten die Sensorvorrichtungen dann die Komponenten B_R und B_ψ ab, welche dieselbe Information über den Magnetwinkel enthalten wie die Signale
die von zwei orthogonalen Halbbrückenschaltungen mit MRs mit gepinnten Schichten detektiert werden, wie oben erläutert wurde. Der Magnetwinkel ist der Winkel zwischen dem Vektor B ^_Rn →_R + B ^_ψn →_ψ und einer Bezugsrichtung (z. B. n →_x), der identisch mit dem Winkel zwischen dem Vektor
und derselben Bezugsrichtung ist.
Im Allgemeinen und wie in anderen Ausführungsformen kann dieses System optimiert werden, wenn B ^_R und B ^_ψ Vorzeichen aufweisen. Bei zylindrischen Magneten kann dies bei radialen Abständen erreicht werden, die größer sind als die Hälfte des Außendurchmessers des Magneten. Eine optimale Unterdrückung von Hintergrundmagnetfeldern wird erreicht, wenn B ^_R = B ^_ψ ist. Für zylindrische Magneten kann dies in manchen Ausführungsformen bei radialen Abständen erreicht werden, die geringfügig größer sind als die Hälfte des Außendurchmessers des Magneten und bei axialen Positionen, die geringfügig über oder unter dem Magnet liegen.
Sensorsysteme gemäß 5B, 5C und 5D und im Allgemeinen andere Sensorsysteme, die Sensorvorrichtungen verwenden, die den Magnetwinkel und nicht nur seinen (Ko-)Sinus messen, können auch eine geringfügig andere Methode verwenden, um die Drehposition des Magneten zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung 230_0 in 5D befindet sich beispielsweise an einer azimutalen Position ψ⁽⁰⁾, wo sie die Komponenten
misst, die als erste und zweite Koordinate eines Zeigers mit einem Magnetwinkel
Einheitsvektor entlang der Richtung der ersten Koordinaten gesehen werden können (wobei n →₁, n →₂ orthonormale Vektoren sind). Die zweite Sensorvorrichtung 230_1 befindet sich an einer azimutalen Position ψ⁽⁰⁾ –2π/3, und ihr Magnetwinkel ist daher arctan₂(B ^_R cos(ψ⁽⁰⁾ – ψ₀ – 2π/3), B ^_ψ, cos(ψ⁽⁰⁾ – ψ – 2π/3)). Wenn also die Amplituden B ^_R und B ^_ψ identisch sind, wird der Zeiger an der zweiten Sensorvorrichtung 230_1 einfach um 120° gegen den Zeiger der ersten Sensorvorrichtung 230_0 gedreht. Auch wenn B ^_R ≠ B ^_ψ ist, kann das System eine Koordinatendrehung durchführen, um den Zeiger der zweiten Sensorvorrichtung 230_1 zurück in die Nähe des Zeigers der ersten Sensorvorrichtung 230_0 zu drehen:
Auf diese Weise kann das System mit den Signalen aller Sensorvorrichtungen fortschreiten. Für die m-te Sensorvorrichtung an der azimutalen Position –ψ^(m) transformiert das System seine Signale S ~_a, S ~_b durch die Matrixmultiplikation
bei der es sich um einen einfachen Satz von zwei reellwertigen linearen Gleichungen mit konstanten Koeffizienten cos(2πm/N), sin(2πm/N) handelt. Diese Transformation kann auch als Vorkonditionierungsverfahren gesehen werden. In manchen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, die Signale vor dieser Matrixmultiplikation
sodass diese Summation auch als Mittelungsvorgang mal N gesehen werden kann (wobei diese skalare Zahl N im Kontext der Winkelbestimmung irrelevant ist). Schließlich wird die Drehposition des Magneten als Winkel zwischen diesem Zeiger und dem Einheitsvektor entlang der Richtung der ersten Koordinate
angegeben.
Folglich berechnet dieser Algorithmus kein vorkonditioniertes Mittel von Magnetwinkeln, die von den N Sensoreinheiten abgetastet wurden; stattdessen transformiert er den magnetischen Zeiger an jeder Sensorvorrichtung in eine transformierte Winkelposition (die identisch mit der Winkelposition der ersten Sensorvorrichtung sein kann, im Allgemeinen kann jedoch jede beliebige Winkelposition gewählt werden), summiert diese transformierten Zeiger und bestimmt den Winkel dieses Zeigers mit einer Bezugsrichtung. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Transformation weniger Rechenleistung erfordert und das System die arctan-Berechnung nur einmal durchführen muss. Dies kann die Berechnung beschleunigen, weniger Energie verbrauchen und weniger Chipfläche erfordern.
Ein weiteres System 600 ist in 6A dargestellt. Das System 600 umfasst Prüfpunkte auf zwei konzentrischen Ablesekreisen. Der größere und der kleinere Kreis können auf derselben Ebene liegen, wie dargestellt, oder auf unterschiedlichen Ebenen (d. h. unterschiedliche z-Positionen), und sie können größer oder kleiner (oder einer größer und einer kleiner) als ein Durchmesser des Magneten 110 sein. Um die Unterdrückung von magnetischen Hintergrundfeldern zu verbessern, sind die Vorzeichen von B ^_R und B ^_ψ in einer Ausführungsform auf einem Ablesekreis gleich und auf dem anderen Ablesekreis unterschiedlich. Bei jedem Prüfpunkt auf jedem Ablesekreis (N = 3 für jeden Ablesekreis in System 600, obwohl in anderen Ausführungsformen eine andere Anzahl von Prüfpunkten auf jedem Kreis vorhanden sein kann) ist eine Halbbrücke mit einer Bezugsrichtung a →, die parallel zur (R, Y)-Ebene ist und gleich wie n →_R ist, angeordnet. In manchen Ausführungsformen unterscheiden sich die Bezugsrichtungen auf den Ablesekreisen. Folglich weist das System 600 auf jedem Ablesekreis N Prüfpunkte an azimutalen Positionen ψ^(m) = ψ⁽⁰⁾, ψ⁽⁰⁾ + 360°/N, ψ⁽⁰⁾ + 2 × 360°/N, ... auf.
In anderen Ausführungsformen ist, wie erwähnt, N für jeden Ablesekreis unterschiedlich, und ψ⁽ ⁰ ⁾ kann sich für jeden Ablesekreis unterscheiden. Dies kann vorteilhaft sein, z. B. wenn sich Halbbrückenschaltungen für Prüfpunkte auf beiden Ablesekreisen auf demselben Chip oder Rohchip befinden, weil dann die Richtung zwischen den beiden Prüfpunkten zur die Radialrichtung geneigt werden kann, um die Beabstandung mit der Differenz in erforderlichen Ableseradien abzustimmen.
Dies ist in 6B für eine Ausführungsform gezeigt, in der die Richtung zwischen den beiden Prüfpunkten auf einem einzelnen Chip oder Rohchip 230 so geneigt ist, dass sie tangential zum kleineren Ablesekreist ist. Eine exakte tangentiale Ausrichtung ist nicht notwendig, und in der Tat kann auch eine gerade Linie zwischen den beiden Prüfpunkten auf einem Chip oder Rohchip einen willkürlichen Winkel in Bezug auf die Tangentialrichtung aufweisen. Im System 601 werden die Signale S ~₁(ψ^(m)) und S ~₂(ψ^(m)) für m = 0, 1, ..., N – 1, die von Halbbrücken auf dem ersten und zweiten Ablesekreis abgeleitet sind, abgetastet. Das System 601 bestimmt dann
mit der imaginären Einheit j = √ –1 . Die Grundfrequenzen σ_1,1 und σ_2,1 (n = 1) stellen den dominanten Teil des Felds des Magneten 110 dar, während das Mittel (n = 0) und die höheren Harmonischen (n > 1) werden durch Nichtidealitäten, wie z. B. magnetische Hintergrundstörungen, außermittige Montage des Magneten oder der Sensoren in Bezug zur Drehachse, Sensorfehler, Magnetfehler (z. B. Abweichung von räumlichen Sinusfeldern) und andere verursacht. Somit bestimmt das System 601 die Grundfrequenz, wobei das Verhältnis zwischen realen und imaginären Teilen davon die Tangente der geschätzten Drehposition des Magneten 100 ergibt:
Dann kann das System 601 ein vorkonditioniertes Mittel der beiden Winkel gemäß:
bestimmen. Eigenschaften, die variieren können und in anderen Ausführungsformen erwähnt sind können auch auf Ausführungsformen des Systems 601 zutreffen (z. B. Anzahl der Prüfpunkte auf jedem Kreis, relative Durchmesser der Abelesekreise in Bezug zueinander und zu Magnet 110 usw.). Für eine gute Unterdrückung von magnetischen Hintergrundstörungen kann der folgende Ausdruck
die gleiche Größe und entgegengesetzte Vorzeichen auf den beiden Ablesekreisen haben.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Systems 601, in der N = 7 ist, ist B ^_R,1/B ^_ψ,1 = 1,2 (die Zahl 1 bedeutet „auf dem Ablesekreis Nr. 1”) und B ^_R,1/B ^_R,2 = –0,7 (die Zahlen 1 und 2 bedeuten „auf dem Ablesekreis Nr. 1 bzw. Nr. 1”, unabhängig davon, welcher größer oder kleiner ist, solange Konsistenz aufrechterhalten bleibt), wenn das Verhältnis B ^_R,2/B ^_ψ,2 = –0,413463 auf dem zweiten Ableseradius erforderlich ist. Für Störungen, die 10% von |B ^_R,1| sind, beträgt der Winkelfehler etwa 0,1°.
Eine weitere Ausführungsform ist in 7A und 7B dargestellt, in der ein Ringmagnet 110 mit einer durchgehenden Welle 130 verbunden und in Bezug auf eine Leiter- oder Bauelementplatte 140, durch welche die Welle 130 hindurch verläuft, angeordnet ist. In 7A und 7B, wie hierin im Allgemeinen, werden ähnliche Bezugszahlen zum Verweis auf ähnliche Elemente oder Merkmale verwendet, obwohl ähnliche Elemente oder Merkmale in verschiedenen Ausführungsformen sich immer noch auf eine oder mehreren Arten voneinander unterscheiden können, wie dargestellt oder erläutert ist. Drei Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 sind auf einem Ablesekreis (nicht dargestellt), der konzentrisch mit der Welle 130 ist, angeordnet. Die Schaltung 410 ist ebenfalls dargestellt und ist operativ mit den Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 gekoppelt, in einer Ausführungsform z. B. durch Kupfer-Leiterbahnen auf der Oberseite und/oder Unterseite einer Platte 140, und kann eine Steuer-, Beurteilungs-, Signalkonditionierungs- und/oder andere Schaltung umfassen, um in manchen Ausführungsformen Signale von den Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 zu empfangen und verarbeiten und um Schätzungen von Drehpositionen oder Winkeln in Bezug auf den Magnet 110 zu bestimmen oder erhalten.
Die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2 und 120_3 können in manchen Ausführungsformen kleine Chips oder Rohchips (z. B. den Chip oder Rohchip 230) auf der Platte 140 angeordnet umfassen, in einem Beispiel z. B. mit einer Größe im Bereich von 0,5 mm mal etwa 0,5 mm mal etwa 0,2 mm, obwohl diese Abmessungen in anderen Ausführungsformen variieren können. Wie dargestellt ist im Allgemeinen eine Kante jeder Sensorvorrichtung 120_1, 120_2 und 120_3 mit der radialen und azimutalen Richtung der Welle 130 ausgerichtet und gleich weit von der Welle 130 auf der Platte 140, die in einer Ebene orthogonal zur Welle 130 liegt, beabstandet. In einer Ausführungsform ist ein Durchmesser des Ablesekreises, auf dem die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 angeordnet sind, ein Durchmesser von etwa 17,4 mm.
Der Magnet 110 ist homogen in eine diametrische Richtung magnetisiert. In einer Ausführungsform weist der Magnet 110 einen Innendurchmesser von etwa 6 mm (der z. B. im Wesentlichen gleich zu einem Durchmesser der Welle 130 ist), einen Außendurchmesser von etwa 15 mm und eine Dicke oder Tiefe von etwa 3 mm auf. Obwohl sein Material variieren kann, kann er in einer Ausführungsform hartes Ferrit mit einer Remanenz von etwa 220 mT umfassen.
Eine Platte 140 umfasst eine zentrale Bohrung oder Öffnung 150, um die Welle 130 mit einem angemessenen Spiel aufzunehmen, sodass sich die Welle 130 frei drehen kann. Die Öffnung 150 umfasst einen Abschnitt, der sich in einer Ausführungsform nach Innen erstreckt, sodass eine Platte in Bezug auf die Welle 130 montiert werden kann, ohne dass sie über ein Ende der Welle 130 gezogen werden muss. Im Allgemeinen ist eine Breite der Öffnung 150 größer als ein Durchmesser der Welle 130, aber kleiner als ein Abstand zwischen z. B. den Sensorvorrichtungen 120_2 und 120_3. Die Breite muss in manchen Ausführungsformen nicht in allen Abschnitten der Öffnung 150 gleich sein, und in anderen Ausführungsformen können andere Formen und Anordnungen umgesetzt werden.
Die verschiedenen dargestellten Bauteile (z. B. Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, Schaltung 410) sowie andere vom oder im System 700 können auf herkömmlicher Weise auf der Platte 140 montiert werden (d. h. mit ihren Rück- oder Hinterseiten an der Platte 140 befestigt), und elektrische Verbindungen können durch Drahtbonden zwischen den Elementen und Leiterbahnen auf der Platte hergestellt werden, z. B. durch Nail-Sondern oder Wedge-Bonden, und eine oder mehrere der Bonddrähte und Chips oder Rohchips kann zum Schutz mit einer Formmasse oder einem(r) anderen Material oder Struktur bedeckt werden. Bei anderen Bonds können die Chips oder Rohchips (z. B. der Sensoren 120_1, 120_2 und 120_3, Schaltung 410) durch Flip-Chip-Montage mit ihren Vorderseite der Platte 140 entgegengesetzt befestigt werden, wobei elektrische Verbindungen dann durch Lot oder andere Lötstellen, Lötkugeln oder Unterfüllung zwischen der Vorderseite jedes Chips oder Rohchips und der Platte 140 erzeugt werden. Die Chips oder Rohchips können dann wieder mit einer schützenden Formmasse oder einem(r) anderen Material oder Struktur bedeckt werden.
In manchen Ausführungsformen umfasst jede Sensorvorrichtung 120_1, 120_2, 120_3 zumindest eine Halbbrückenschaltung, beispielsweise eine beliebige der in 4A, 4C, 5A, 5B und/oder 6A oder einer anderen Anordnung oder Konfiguration dargestellten oder in Zusammenhang damit erläuterten. Die Drähte und Leiterbahnen zur Kopplung der Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, Schaltung 410 und Platte 410, sowie anderen Elementen, kann von der jeweils umgesetzten Ausführungsform abhängen. Wenn beispielsweise die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 ähnliche Halbbrücken umfassen wie in 4A, was eine einfachere Anordnung ist als andere Möglichkeiten, erfordert jede Sensorvorrichtung 120_1, 120_2, 120_3 typischerweise drei Drähte: zwei Versorgungsanschlüsse und einen Signalanschluss. Andere Halbbrückenkonfigurationen können weitere Kopplungen erfordern, z. B. vier Drähte pro Sensorvorrichtung 120_1, 120_2, 120_3 für 5A, 5B und/oder 6A oder andere (d. h. zwei Signalanschlüsse und zwei Versorgungsanschlüsse). In manchen Ausführungsformen sind alle Drähte auf derselben Seite der Platte 140 als Sensor-Chip oder -Rohchip angeordnet. In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung 120_1 und/oder die Schaltung 410 ein(en) einzelnen(s) Chip oder Rohchip und/oder Gehäuse umfassen, sodass die Verdrahtung aufgrund der geringeren Anzahl an Elementen im System verringert werden kann.
In anderen Ausführungsformen können der Chip oder Rohchip der Sensorvorrichtung 120_1 und die Schaltung 410 gestapelt werden, wobei eines auf dem anderen Flip-Chip-montiert ist. Im Allgemeinen ist praktisch jede beliebige Konfiguration möglich, obwohl immer darauf geachtet werden sollte, konsistente Positionen der Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 beizubehalten (z. B. an denselben z-Positionen). Wie zuvor erwähnt ist es im Allgemeinen vorteilhaft, wenn die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 identisch sind, sodass in einer Ausführungsform ihre Chips oder Rohchips vom selben Wafer stammen, um konsistente Dicke, Herstellungstoleranzen und andere Faktoren aufrecht zu erhalten, die, wenn sie von einem Sensor zum nächsten variieren, Unbeständigkeiten, Unregelmäßigkeiten oder Fehler in das System 800 einführen können.
Eine weitere Überlegung kann in dieser und in anderen Ausführungsformen die Länge von Drähten zur Kopplung der Sensorvorrichtungen 120 und der Schaltung 410 sein. Längere Drähte können anfällig für Störungen, wie z. B. Thermo-EMF, Wärme- und anderes Rauschen und/oder elektromagnetische Interferenz sein, vor allem, wenn Signale schwach sind, z. B. im an der Grenze zu weniger als Millivolt oder Mikroampere. Daher können die Sensorelemente in manchen Ausführungsformen so ausgewählt werden, dass sie die ausgleichen oder vermeiden und ausreichend starke Signale ausgeben, oder eine Signalkonditionierungsschaltung kann hinzugefügt werden. Daher werden in manchen Ausführungsformen TMR-Sensorvorrichtungen verwendet, weil sie große Signalbereiche breitstellen können (z. B. etwa 50% ihrer Versorgungsspannung). Die Größe jedes TMR-Sensorvorrichtungschips oder -rohchips kann minimiert werden, um die Kosten zu reduzieren, z. B. im Bereich von etwa 250 μm auf der Seite, sodass immer noch eine Vielzahl von Halbbrücken auf dem Chip oder Rohchip untergebracht werden kann. Das Material des Chips oder Rohchips kann ebenfalls so gewählt werden, dass die Kosten reduziert werden; beispielsweise kann in manchen Ausführungsformen Glas oder ein anderes geeignetes Material verwendet werden. Andere Eigenschaften und Konfigurationen in Bezug auf die Art des zu verwendenden Sensorelements erfordert, dass in manchen Ausführungsformen eine bestimmte Anwendung oder ein anderer Faktor ausgewählt oder individuell angepasst werden können, wie Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung erkennen werden.
In einer weiteren Ausführungsformen kann die Platte 140 umgekehrt oder umgedreht werden, sodass die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und Schaltung 410 vor dem Magnet 110, der sich bewegt, geschützt sind. In solch einer Ausführungsform kann eine zusätzliche Zwischenplatte zum System 700 hinzugefügt werden; indem sie den Abstand zwischen den Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und dem Magnet 110 erhöhen kann, kann sie die Verlässlichkeit erhöhen, die Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3 und Schaltung 410 vor jeglicher Fehlfunktion schützen, die dazu führen würde, dass der Magnet 110 gegen die Platte 140 und Elemente darauf stößt oder auf andere Weise damit kollidiert.
Die Anzahl an Sensoren kann in verschiedenen Ausführungsformen des Systems 700 variieren. Auf 7C Bezug nehmend umfasst eine Ausführungsform eines Systems 701 fünf Sensorvorrichtungen 120_1, 120_2, 120_3, 120_4 und 120_5. Die Größe oder andere Eigenschaften der Öffnung 150 müssen gegebenenfalls in Ausführungsformen mit mehr Sensoren angepasst werden, um die Sensoren in Bezug dazu und zu den anderen Sensoren anzuordnen. In 7C ist beispielsweise ein Mindestabstand zwischen der Sensorvorrichtung 120_3 oder 120_4 und einer Kante der Öffnung 150 etwa 0,65 mm, während die Öffnung 150 selbst etwa 8 mm breit ist. In manchen Ausführungsformen, in denen die Größe und Beabstandung aufgrund eines Faktors oder eines anderen wichtiger sind, kann die Größe der Sensoren angepasst werden. Sie können beispielsweise kleiner gehalten werden, in einem Beispiel z. B. etwa 0,25 mm mal etwa 0,25 mm mal etwa 0,2 mm.
Ausführungsformen wie die aus 7A–7C, die drei oder fünf Sensorvorrichtungen 120 umfassen, können vorteilhaft sein, indem sie in Bezug auf geringe Winkelfehler und Robustheit gegenüber magnetischen Hintergrundfeldern und -störungen effizienter sind und gleichzeitig eine minimale Anzahl an Sensoren aufweisen, was die Kosten reduzieren kann, und zum einfacheren Zusammenbau mit Platten- und Öffnungsgeometrien kompatibel sind.
In einer Ausführungsform, wie sie in 8 dargestellt ist, in der die Sensorvorrichtungen 120 (N = 6 in einem System 800) relativ zu Mittelebene des Magneten 110 angeordnet sind und nicht darüber oder darunter, kann der Zusammenbau komplizierter sein. In solch einer Ausführungsform ist es gegebenenfalls nicht möglich, die Öffnung ausreichend groß zu machen, sodass der Magnet 110, oder zumindest die Welle 130, hindurchgeführt werden kann, während gleichzeitig ausreichend Raum und Platz auf der Platte 140 für verschiedene anzuordnende Systembauteile freigehalten wird. Daher kann die Platte 140 wie Ausführungsformen wie in 8 relativ zur Welle 130 montiert werden, indem sie über ein Ende der Welle 130 gezogen wird. In solch einer Ausführungsform kann die Öffnung 150 ein einfaches Loch in der Platte 140 umfassen, das ausreicht, um die Platte 140 und den Magnet 110 unterzugbringen, ohne dass sie über eine Seite der Platte 140 hinausstehen.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein einzelnes Sensor„gehäuse” 900, wie es in 9A und 9B dargestellt ist, bereitgestellt werden, in dem alle gewünschten Sensorelemente und Verdrahtungen mit der Platte bereitgestellt sind, was herkömmliche Leiterrahmen für kunststoffverkapselte Gehäuse ersetzen kann. Das Gehäuse 900 kann eine Platte 140 mit geeigneten Verbindungsleiterbahnen, Sensoren 120 und einer Schaltung 410 sowie Anschlüssen 910 umfassen, die sich von dem in 9 dargestellten Beispiel unterscheiden können. Eine Formmasse kann die verschiedenen Bauteile im Gehäuse 900 bedecken, und eine Öffnung 150 kann bereitgestellt sein, um den Magnet 110 und 140 (9B) aufzunehmen. Das Gehäuse 900 kann eine genauere und bessere Platzierung der Sensoren 120 in Bezug zueinander bereitstellen, wenn dies z. B. vom Halbleiterhersteller durchgeführt wird und nicht vom Modulhersteller. Das Gehäuse 900 kann als Leiterplattengehäuse gesehen werden, da es mehrere Chips oder Rohchips auf einer Platte befestigt umfasst, welche die Chips oder Rohchips fixiert und elektrische Kopplungen für den Betrieb bereitstellt. Der jeweilige Aufbau des Gehäuses 900 (z. B. mit einer Öffnung 150) kann für eine(n) bestimmte(n) Magnet, Wellenkonfiguration, Anwendung oder anderen Faktor individuell angepasst werden. Beispielsweise kann das Gehäuse 900 eine Öffnung umfassen, die gleich oder ähnlich ist wie die in 7A dargestellt, was weniger teuer sein könnte, wenn es zu einer geringeren Gesamtgröße des Gehäuses 900 führt, das ansonsten ziemlich groß ausfallen könnte, um den Magnet und die Welle unterzubringen.
Die Konfiguration des Magneten 110 kann in dieser oder einer anderen Ausführungsform auch verändert werden. Beispielsweise kann umfasst der Magnet 110 in einem System 1000 aus 10 Platten 160, die auf der Oberseite und Unterseite des Magneten 110 angeordnet sind. Die Platten 160 weisen in der Ausführungsform aus 10 einen größeren Durchmesser auf als der Magnet 110, können in manchen Ausführungsformen aber auch die gleiche Größe aufweisen oder kleiner sein und können in manchen Ausführungsformen ein eisenhaltiges oder nichteisenhaltiges Material umfassen. In eisenhaltigen Ausführungsformen können die Platten 160 als magnetische „Spiegel” dienen, die das vom Magnet 110 erzeugte Magnetfeld verstärken. Die Platten 160 können auch einfach die Sensor-Chips oder -Rohchips oder andere Bauteile vor der Umgebung schützen. Die Welle 130 kann auch eisenhaltig oder nichteisenhaltig sein, unabhängig von den Platten 160.
Unabhängig von der Sensorsystemkonfiguration kann die Schaltung 410 oder eine andere Schaltung, die mit dem Sensorsystem gekoppelt ist, in manchen Ausführungsformen und während des Betriebs die Magnetwinkelschätzungen von jedem Sensorelement vergleichen. Dies kann z. B. erfolgen, um signifikante Fehler zu detektieren, die einen oder mehrere der Sensoren betreffen (z. B. wenn die Datenkommunikation aufgrund von EMV-Störungen oder Drahtbrüchen fehlerhaft war oder wenn eine einzelne Sensorvorrichtung fehlerhaft war oder wenn der Magnet von der Welle fiel oder in Stücke zerbrach und anderes). So kann die Schaltung die „beste Schätzung” für den Winkelwert gemäß den oben dargelegten Schemata berechnen und in einem nachfolgenden Schritt alle Magnetwinkle mit dieser besten Schätzung vergleichen. Wenn der Unterschied größer als z. B. 45° ist, kann dies anzeigen, dass die jeweilige Sensorvorrichtung oder die Kommunikation mit diesen Sensoreinheiten einen Fehler hatte. Dann kann sie diesen Fehler anzeigen. Sie kann auch versuchen, eine neue beste Schätzung vorzunehmen, welche die von einer oder mehreren Sensoreinheiten erhaltenen Signale verwirft. In manchen Ausführungsformen kann das Sensorsystem daher die Redundanz der mehreren Sensorvorrichtungen verwenden, um die Verlässlichkeit der Gesamtwinkelschätzung zu verbessern. Eine, die besonders robust sein kann, umfasst 2·N Sensorvorrichtungen. Wenn das System meint, aufgrund eines Vergleichs der 2N Winkelablesungen, dass ein oder mehrere Werte wahrscheinlich fehlerhaft sind, kann das System ein neues konditioniertes Mittel unter Verwendung der Werte von z. B. jeder zweiten Sensorvorrichtung bestimmen oder ansonsten zumindest eine Ablesung verwerfen. Die Genauigkeit von N Winkelablesungen ist immer noch relativ oder ausreichend hoch, sodass die Verschlechterung der Leistung gering ist. In einem System mit N = 6 mit Sensorvorrichtungen an ganzzahligen Vielfachen von 60 Grad kann beispielsweise, wenn die Sensorvorrichtung N = 3 sich signifikant von allen anderen unterscheidet, das System die Sensorvorrichtungen N = 2, 4 und 6 verwenden, um ein System mit N = 3 zu bilden und immer noch eine genaue Winkelablesung erhalten.
Wenn die Sensorvorrichtungen Magnetfeldkomponenten detektieren, können sie in manchen Ausführungsformen auch einen adaptiven Lernalgorithmus verwenden. Beim Hochfahren läuft das System wie hierin allgemein erläutert. Es kann die Drehposition des Magneten dementsprechend schätzen und weiß daher auch, wann eine Winkelbewegung von 360° ausgeführt wurde (z. B. durch Speichern des minimalen und maximalen geschätzten Winkels und Setzen einer Markierung, wenn ein Übergang 0°/360° oder 360°/0° stattfindet). Wenn eine volle 360°-Drehung des Magneten detektiert wurde, weiß das System, dass sowohl die Maximal als auch die Minima beider Magnetfeldkomponenten detektiert wurden. Wenn diese Maxima und Minima gespeichert wurden, kann das System den k-Faktor (d. h. ein Amplitudenverhältnis zwischen radialen und azimutalen Magnetfeldkomponenten) durch (max(B1) – min(B1))/(max(B2) – min(B2)), worin B1 und B2 die beiden Magnetfeldkomponenten bezeichnen, berechnen. Dann kann es diesen k-Faktor verwenden, um die Genauigkeit weitere Winkelschätzungen zu verbessern. Wenn solch ein Lernalgorithmus vorhanden ist, können die Sensoreinheiten dies auch an die Steuerung melden. Dann kann die Steuerung entscheiden, ob einige Sensoreinheiten abgeschaltet werden sollen, um Energie zu sparen. In einer Ausführungsform initiiert die Steuerung einen Betriebsmodus, bei dem die Sensoreinheiten intermittierende arbeiten: eine erste Gruppe von Sensoreinheiten arbeitet während eines ersten Zeitraums, und dann arbeitet eine zweite Gruppe von Sensoreinheiten während eines zweiten Zeitraums, und dies kann dann wieder mit der ersten Gruppe starten, etc.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das System die Winkel zwischen den Projektionen der Magnetfelder auf den Ebenen und den Bezugsrichtungen, die an den Positionen jeder Sensoreinheit abgetastet wurden, verwenden, aber die Sensoreinheiten müssen diese Winkel nicht notwendigerweise bereitstellen. Die Sensoren können auch beide Komponenten des Magnetfelds in der Ebene bereitstellen, oder sie können die Information auf viele verschiedene Arten kodieren, z. B. min (abs(B1), abs B2))/max(abs(B1), abs(B2)) (wobei 1 und 2 zwei unterschiedliche Komponenten bezeichnen). In manchen Ausführungsformen können die Sensoreinheiten dann die Rohdaten bereitstellen, aber es kann entweder die Sensoreinheit oder eine Steuerschaltung den Winkel von den Rohdaten ableiten. Die Sensoreinheit kann beispielsweise eine magnetoresistive Vorrichtung sein, wie z. B. ein Starkfeld-GMR oder -TMR oder ein AMR. Solch eine Vorrichtung stellt keine Magnetfeldkomponente bereit – stattdessen stellt sie ein Signal bereit, das proportional zum Cosinus oder Sinus eines Winkels zwischen einer Magnetfeldprojektion auf der Chipoberfläche und einer Bezugsrichtung ist.
Hierin wurden verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben. Diese Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele angegeben und nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung zu verstehen. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, auf verschiedene Arten kombiniert werden können, um zahlreiche weitere Ausführungsformen zu erzeugen. Darüber hinaus wurden zwar verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Positionen zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben, zusätzlich zu den offenbarten können jedoch andere verwendet werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann als einer einzelnen oben beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als umfassende Darstellung der Arten, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können, zu verstehen. Demgemäß schließen die Ausführungsformen keine Kombinationen von Merkmalen aus; die Erfindung kann vielmehr eine Kombination verschiedener einzelner Merkmale umfassen, die aus verschiedenen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt sind, wie Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung verstehen werden. Darüber hinaus können in Bezug auf eine Ausführungsform beschriebene Elemente auch in anderen Ausführungsformen umgesetzt werden, auch wenn sie in solchen Ausführungsformen nicht beschrieben sind, sofern nicht anders angegeben ist. Ein abhängiger Anspruch kann zwar in den Ansprüchen auf eine spezifischen Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen hinweisen, andere Ausführungsformen könne aber 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 sind hierin vorgesehen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht erwünscht ist. Außerdem ist vorgesehen, dass Merkmale eines Anspruchs in jedem beliebigen anderen unabhängigen Anspruch enthalten sind, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängt.
Jede Aufnahme durch Verweis auf Dokumente im Obigen ist so eingeschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der expliziten Offenbarung hierin entgegensteht. Jede Aufnahme durch Verweis auf Dokumente im Obigen ist ferner dadurch eingeschränkt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, durch Verweis hierin aufgenommen sind. Jede Aufnahme durch Verweis auf Dokumente im Obigen ist ferner dadurch eingeschränkt, dass jegliche Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt sind, nicht durch Verweis hierin aufgenommen sind, sofern sie nicht explizit hierin aufgenommen sind.

Claims

Magnetfeld-Winkelerfassungssystem, das eingerichtet ist, um eine Drehposition einer Magnetfeldquelle um eine Drehachse zu bestimmen, umfassend: N Sensorvorrichtungen, die in einem Kreis konzentrisch zur Drehachse angeordnet sind, wobei N > 1 ist und die Sensorvorrichtungen um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises voneinander beabstandet sind, wobei jede Sensorvorrichtung umfasst: eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung mit einer Empfindlichkeitsebene, die zumindest eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung gegenüber einer Magnetfeldkomponente in der Empfindlichkeitsebene empfindlich ist und eingerichtet ist, um ein Signal in Bezug auf einen (Ko-)Sinus eines Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene bereitzustellen; und eine Schaltung, die mit den N Sensorvorrichtungen gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein Signal bereitzustellen, das eine Drehposition der Magnetfeldquelle um die Drehachse anzeigt, die durch Kombinieren der Signale von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen der N Sensorvorrichtungen bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldquelle einen Permanentmagnet mit einer Halbach-Magnetisierung umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die N Sensorvorrichtungen auf einem einzelnen Chip oder Rohchip angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung ein Hall-Effekt-Element oder ein magnetoresistives Element umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung eine Halbbrückenschaltung umfasst, die zwei magnetoresistive Elemente mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen jeder der N Sensorvorrichtungen nominell parallel sind.
System nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Schaltung eingerichtet ist, die Signale als Teil des Kombinierens vorzukonditionieren und zu mitteln.
System nach Anspruch 7, wobei die Schaltung eingerichtet ist, die Signale durch Kombinieren ganzzahliger Vielfacher, die äquivalent zu 360 Grad sind, mit Eingabedaten vorzukonditionieren, um zumindest eine monoton in eine einzige Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn steigende oder fallende Abfolge von Werten von Winkelpositionen von jeweiligen der N Sensorvorrichtungen zu erhalten.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schaltung eingerichtet ist, die Signale durch Interpretieren der Signale von den N Sensorvorrichtungen als Koordinaten eines komplexen Zeigers und Drehen des komplexen Zeigers in eine normalisierte Drehposition, welche dieselbe für alle N Sensorvorrichtungen ist, vorzukonditionieren.
System nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Schaltung eingerichtet ist, eine diskrete Fourier-Transformation auf einen Satz von N Signalen von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen als Teil des Kombinierens anzuwenden.
Verfahren zur Bestimmung einer Drehposition einer Magnetfeldquelle um eine Drehachse, umfassend: Anordnen von N > 1 Sensorvorrichtungen in einem Kreis konzentrisch zur Drehachse, sodass die Sensorvorrichtungen um etwa (360/N) Grad entlang des Kreises voneinander beabstandet sind; Erfassen, durch eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung jeder der N > 1 Sensorvorrichtungen, eines (Ko-)Sinus eines Winkels zwischen einer Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und dem Magnetfeld in einer Empfindlichkeitsebene der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung, das durch die Magnetfeldquelle erzeugt wird, wobei die Empfindlichkeitsebene zumindest eine Bezugsrichtung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst; Bereitstellen eines Signals in Bezug auf den (Ko-)Sinus des Winkels zwischen der Bezugsrichtung und dem Magnetfeld in der Empfindlichkeitsebene; und Bereitstellen eines Signals, das eine Drehposition der Magnetfeldquelle um die Drehachse anzeigt, durch Kombinieren der Signale von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen der N > 1 Sensorvorrichtungen.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Bereitstellen der Magnetfeldquelle umfasst, die einen Magnet mit einer Halbach-Magnetisierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, das ferner Bereitstellen der N > 1 Sensorvorrichtungen auf einem einzelnen Chip oder Rohchip umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung ein Hall-Effekt-Element oder ein magnetoresistives Element umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner Anordnen der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung in einer Halbbrückenschaltung aus zwei magnetoresistiven Elementen mit unterschiedlichen Bezugsrichtungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen jeder der N > 1 Sensorvorrichtungen nominell parallel sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–16, das ferner Vorkonditionieren und Mitteln der Signale als Teil des Kombinierens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Vorkonditionieren ein Kombinieren von ganzzahligen Vielfachen, die äquivalent zu 360 Grad sind, mit Eingabedaten umfasst, um zumindest eine monoton in eine einzige Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn steigende oder fallende Abfolge von Werten von Winkelpositionen von entsprechenden der N Sensorvorrichtungen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Vorkonditionieren Interpretieren der Signale von den N Sensorvorrichtungen als Koordinaten eines komplexen Zeigers und Drehen des komplexen Zeigers in eine normalisierte Drehposition, welche für alle N Sensorvorrichtungen dieselbe ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–19, das ferner Anwenden einer diskreten Fourier-Transformation auf einen Satz von N Signalen von den Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen als Teil des Kombinierens umfasst.