DE102015107711A1

DE102015107711A1 - Außermittiges Winkelmesssystem

Info

Publication number: DE102015107711A1
Application number: DE102015107711.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Wolfgang Granig; Dirk Hammerschmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Ein Verfahren zum Messen einer Winkelposition einer Drehwelle, das Verfahren umfassend das Bereitstellen eines Magnetfeldes, das sich mit der Welle um eine Drehachse dreht, Positionieren einer integrierten Schaltung mit einer ersten und zweiten Magneterfassungsbrücke innerhalb des Magnetfeldes an einer radial außermittigen Position von der Drehachse, wobei die erste und zweite Magneterfassungsbrücke jeweils ein erstes und zweites Signal bereitstellen, die repräsentativ für die erste und zweite Magnetfeldrichtung sind, wobei die integrierte Schaltung einen Satz aus Einstellparametern zum Modifizieren von Attributen des ersten und zweiten Signals aufweist, das Modifizieren von Werten des Satzes der Einstellparameter, bis Fehler in dem ersten und zweiten Signal im Wesentlichen minimiert sind und das Bestimmen einer Winkelposition der Welle basierend auf dem ersten und zweiten Signal.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzungsanmeldung der Patentanmeldung Seriennummer 13/267,534, eingereicht am 6. Oktober 2011, die eine Fortsetzung der Patentanmeldung Seriennummer 12/206,410 ist, eingereicht am 8. September 2008, jetzt US-Patent Nummer 8,058,866 , wobei beide hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Hintergrund
Magneterfassungsvorrichtungen, wie zum Beispiel Riesenmagnetowiderstandssensoren (GMR-Sensoren, GMR = Giant Magnetoresistance) werden zum Beispiel bei einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet. Zum Beispiel werden GMR-Sensoren häufig zum Erfassen der Winkelposition eines Drehbauglieds verwendet, wie zum Beispiel einer Motorwelle. Bei solchen Anwendungen ist ein Permanentmagnet, der manchmal als „Pille” bezeichnet wird, befestigt an einem oder eingebettet in ein Ende der Motorwelle und ist auf der Drehachse zentriert. Die GMR-Elemente oder -Widerstände, die üblicherweise verbunden sind, um eine oder mehrere Brücken zu bilden, sind ebenfalls positioniert, um auf der Drehachse zentriert zu sein, wobei die resultierenden Ausgangssignale, die durch die GMR-Widerstände erzeugt werden, die Winkelposition der Drehwelle anzeigen.
Jedoch kann es aus zahlreichen Gründen, wie zum Beispiel Platzmangel, nicht immer möglich oder wünschenswert sein, einen Winkelsensor, wie zum Beispiel einen GMR-Sensor, am Ende der Drehwelle zu positionieren. In solchen Fällen sind manchmal Zahnräder oder Polräder an der Drehwelle befestigt und ein Magnetsensor (zum Beispiel ein Hall-Effekt-Sensor) ist in der Nähe zu dem Rad positioniert und erfasst das Vorbeibewegen bzw. Passieren jedes Zahns oder Pols, um die Winkelposition der Drehwelle zu bestimmen. Während jedoch Zahnräder und Polräder üblicherweise sehr genau sind, können sie relativ kostspielig sein und nur diskrete (nicht kontinuierliche) Ortsmessungen im Vergleich zu auf Magnetowiderstand basierenden Winkelsensoren, wie zum Beispiel Winkelsensoren vom GMR-Typ, bereitstellen.
Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Bedarf nach den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
Zusammenfassung
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für eine integrierte Schaltung.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem oder mehreren beliebigen der Ansprüche erfüllt werden.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Messen einer Winkelposition einer Drehwelle. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Magnetfeldes, das sich mit der Welle um eine Drehachse dreht, das Positionieren einer integrierten Schaltung mit einer ersten und zweiten Magneterfassungsbrücke innerhalb des Magnetfeldes an einer radial außermittigen Position von der Drehachse, wobei die erste und zweite Magneterfassungsbrücke jeweils ein erstes und zweites Signal bereitstellen, die repräsentativ für die erste und zweite Magnetfeldrichtung sind, wobei die integrierte Schaltung einen Satz aus Einstellparametern zum Modifizieren von Attributen des ersten und zweiten Signals aufweist, das Modifizieren von Werten des Satzes der Einstellparameter, bis Fehler in dem ersten und zweiten Signal im Wesentlichen minimiert sind und das Bestimmen einer Winkelposition der Welle basierend auf dem ersten und zweiten Signal.
Ein anderes Ausführungsbeispiel schafft eine integrierte Schaltung zum Messen einer Winkelposition eines Magnetobjekts, das sich um eine Achse dreht, aus einer außeraxialen Position. Die integrierte Schaltung kann eine Mehrzahl von Magneterfassungselementen und eine Mehrzahl von Schaltern umfassen. Die Mehrzahl von Schaltern kann ausgebildet sein, um einen ersten Teilsatz aus einem oder mehreren Erfassungselementen aus der Mehrzahl von Magneterfassungselementen auszuwählen. Der Teilsatz aus Erfassungselementen ein erstes Signal bereitstellt, das repräsentativ für eine erste Richtungskomponente eines Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Optional stellt der erste Teilsatz der Magneterfassungselemente ferner ein zweites Signal bereit, das repräsentativ für eine zweite Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Wiederum optional ist der erste Teilsatz aus Erfassungselementen ausgebildet, eine erste Erfassungsbrücke zu bilden, die das erste und zweite Signal bereitstellt, wenn sie durch die Mehrzahl von Schaltern ausgewählt wird.
Optional ist die zweite Richtungskomponente des Magnetfeldes im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Richtungskomponente des Magnetfeldes.
Wiederum optional ist individuelle einzelne der Mehrzahl von Magneterfassungselementen aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus GMR-Erfassungselementen, TMR-Erfassungselementen und AMR-Erfassungselementen, horizontalen Hall-Erfassungselementen und vertikalen Hall-Erfassungselementen.
Optional verursacht das Schalten von zumindest einem ausgewählten einen aus der Mehrzahl von Schaltern ein Schalten von dem ersten Teilsatz aus Erfassungselementen zu einem zweiten Teilsatz aus Erfassungselementen der Mehrzahl von Magneterfassungselementen, wobei der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen ein drittes Signal bereitstellt, das eine dritte Richtungskomponente des Magnetfeldes darstellt, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Wiederum optional ist die dritte Richtungskomponente im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtungskomponente oder der zweiten Richtungskomponente des Magnetfeldes, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Optional verwenden der erste Teilsatz aus Erfassungselementen und der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen eine gemeinsame Masseebene gemeinschaftlich.
Wiederum optional stellt der zweite Teilsatz von Magneterfassungselementen ein viertes Signal bereit, das repräsentativ für eine weitere Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird, wobei die weitere Richtungskomponente im Wesentlichen senkrecht zu der dritten Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Optional ist der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen ausgebildet ist, um eine zweite Erfassungsbrücke zu bilden, die das dritte und vierte Signal bereitstellt, wenn sie durch die Mehrzahl von Schaltern ausgewählt wird.
Wiederum optional sind die erste Erfassungsbrücke und die zweite Erfassungsbrücke zumindest teilweise überlappend angeordnet.
Optional verwenden individuelle einzelne des ersten Teilsatzes aus Erfassungselementen eine gemeinsame Masseplatte gemeinschaftlich.
Wiederum optional umfasst die integrierte Schaltung ferner eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die mit einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, wobei die spannungsgesteuerte Stromquelle ausgebildet ist, eine Spannung über den ersten Teilsatz aus Erfassungselementen zu steuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen und sind aufgenommen in und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen stellen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung sind ohne Weiteres erkennbar, wenn sie durch Bezugnahme auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
1 ist eine Endansicht eines außermittigen Winkelmesssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Seitenansicht des außermittigen Winkelmesssystems von 1.
3 ist ein Blockdiagramm, das im Allgemeinen ein Ausführungsbeispiel eines GMR-Winkelsensors darstellt, der zur Verwendung mit dem außermittigen Winkelmesssystem von 1 geeignet ist.
4 ist ein schematisches Diagramm, das allgemein eine GMR-Widerstandskonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
5 ist ein Graph, der Beispiele von Ausgangskurven darstellt, die durch den GMR-Winkelsensor von 3 bereitgestellt werden.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines GMR-Sensors darstellt, der an einer Drehmitte eines Magneten gemäß einem Ausführungsbeispiel positioniert ist.
7 ist ein Graph eines Winkelfehlers aus einem nicht-uniformen Magnetfeld.
8 ist ein Graph eines simulierten Fehlers, der durch Einstellen von Amplitudenparametern verursacht wird.
9 ist ein Graph eines simulierten Fehlers, der durch Einstellen von Orthogonalitätsparametern verursacht wird.
10 ist ein Graph eines Fehlers, der durch eine radiale Position relativ zu dem Magneten verursacht wird.
11 ist ein schematisches Diagramm eines Arrays aus GMR-Widerständen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
12A bis 12C stellen Beispiele von GMR-Sensorbrückenkonfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine Betriebs- und Kalibrierungs-Prozedur gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
14 stellt ein Beispiel einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
15 stellt ein Beispiel einer integrierten Schaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dar.
16 stellt ein Beispiel von integrierten Schaltungen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dar.
Detaillierte Beschreibung
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen auf darstellende Weise spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird eine Richtungsterminologie wie zum Beispiel „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorder”, „hinter” etc. bezugnehmend auf die Ausrichtung der einen oder mehreren Figuren verwendet, die beschrieben werden. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Reihe von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinn genommen werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche definiert.
1 und 2 stellen eine End- bzw. Seiten-Ansicht eines außermittigen GMR-Winkelmesssystems 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar, das, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, eine Mehrzahl von einstellbaren GMR-Parametern verwendet, um Winkelmessfehler zu korrigieren, die durch nicht-lineare Magnetfeldlinien verursacht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Sensoren vom GMR-Typ innerhalb dieser Offenbarung nur als Beispiel für Magnetsensoren erwähnt werden, insbesondere Winkelsensoren. Daher sollen die Ausdrücke GMR-Sensor, GMR-Winkelsensor und ähnliche derart ausgelegt werden, dass sie jeglichen bekannten Typ von Magnetsensor oder Winkelsensor darstellen, der TMR-Sensoren, AMR-Sensoren, Hall-Sensoren, vertikale Hall-Sensoren und horizontale Hall-Sensoren umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Auf ähnliche Weise sollen Ausdrücke wie zum Beispiel GMR-Widerstandsregion, GMR-Sensorbrücke, GMR-Amplitudenparameter, GMR-Winkelmesssystem oder GMR-Parameter derart ausgelegt werden, dass sie die entsprechende Widerstandsregion, Sensorbrücke, Amplitudenparameter, Winkelmesssystem oder Parameter von jeglichem bekannten Typ eines Magnetsensors oder jeglichem bekannten Typ eines Winkelsensors darstellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das außermittige Winkelmesssystem 30 einen Permanentringmagneten 32, der gleichmäßig in einen Nordpol 34 (angezeigt durch den „gefüllten” Bereich) und einen Südpol (angezeigt durch den „schraffierten” Bereich) unterteilt ist, und an einem Drehbauglied 38 befestigt ist, wie zum Beispiel einer Drehmotorwelle, und einen GMR-Winkelsensor 40. Ein Magnetfeld des Ringmagneten 32 erstreckt sich von dem Nordpol 34 zu dem Südpol 36, wie durch Magnetfeldlinien 42a bis 42d angezeigt ist.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird ohne Weiteres erkennen, dass mehr als ein Paar eines Nordpols und eines Südpols entlang einer Umfangsrichtung des Permanentringmagneten 32 angeordnet sein kann. Eine solche Anordnung würde jedoch zu mehr als einer Periode von Sinus- oder Kosinus-Signalen für eine volle Drehung des Permanentmagneten 32 führen, was eine höhere Winkelauflösung im Hinblick auf eine Änderung der Winkelposition bereitstellt. Als Kompromiss würde man die Option verlieren, eine absolute Winkelposition über eine volle Drehung des Drehobjekts zu unterscheiden. Dies ist jedoch bei einigen Anwendungen möglicherweise nicht erforderlich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein GMR-Winkelsensor 40 einen Halbleiterchip mit einer GMR-Widerstandsregion 44 (d. h. einer „empfindlichen” Region) auf, die auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB; printed circuit board) 46 befestigt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die PCB 46 und somit der GMR-Winkelsensor 40 in einer Ebene 47 parallel zu einer Oberfläche 48 des Ringmagneten 32 derart positioniert, dass die Widerstandsregion 44 im Wesentlichen entlang einer x-Achse 50 zentriert ist, die sich durch eine Drehachse 52 der Drehwelle 38 und zwischen einem Innenradius (Ri) 54 und einem Außenradius (Ro) 56 des Ringmagneten 32 erstreckt. Zu Zwecken der Beschreibung hierin ist eine 0-Grad-Winkelposition der Drehwelle 38 derart definiert, dass sie entlang der x-Achse 50 liegt, wie bei 58 angezeigt ist, eine 90-Grad-Position ist derart definiert, dass sie entlang der y-Achse 60 liegt (senkrecht zu und sich erstreckend durch die Drehachse 52), wie bei 62 angezeigt ist, usw. Eine Drehrichtung der Drehwelle ist durch den Drehpfeil 64 angezeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das im Allgemeinen ein Ausführungsbeispiel eines GMR-Winkelsensors 40 darstellt, wenn dieser als ein Halbleiterchip ausgebildet ist. Wie dargestellt ist, umfasst der GMR-Winkelsensor 40 zusätzlich zu der GMR-Widerstandsregion 44 ferner eine Steuerung 70 und einen Speicher 72, wobei der Speicher 72 Werte für eine Mehrzahl von GMR-Parametern 74 speichert, was nachfolgend detaillierter erklärt wird. Der GMR-Winkelsensor 40 umfasst ferner eine Mehrzahl von Stiften (PINs), wie zum Beispiel einen Versorgungsspannungsstift (V_DD-Stift) 76, einen Massestift 78 und einen Daten-I/O-Stift (I/O = Eingabe/Ausgabe) 80.
4 ist ein schematisches Diagramm, das allgemein die GMR-Widerstandsregion 44 gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. Wie dargestellt ist, umfasst die GMR-Widerstandsregion 44 ein Paar aus GMR-Sensorbrücken 90 und 92, wobei die Sensorbrücke 90 durch vier GMR-Widerstände 94a–94d gebildet ist und die Sensorbrücke 92 durch vier GMR-Widerstände 96a–96d gebildet ist. Gemäß der Brückenimplementierung von 4 sind GMR-Sensorbrücken 90 und 92 orthogonal zueinander angeordnet und jeweils ausgebildet, um eine x-Komponente und eine y-Komponente eines Drehmagnetfeldes zu erfassen, wie zum Beispiel des Magnetfeldes, das durch die gestrichelten Linien bei 98 angezeigt ist.
Eine Versorgungsspannung V_DD 100 ist an einen Anschluss 102 über den Stift 76 angelegt und Spannungssignale V_X+ and V_X– der GRM-Sensorbrücke 90 werden an den Anschlüssen 104 und 106 gemessen und Spannungssignale V_Y+ und V_Y– der GMR-Sensorbrücke 92 werden an Anschlüssen 108 und 110 gemessen. Ansprechend auf ein externes Magnetfeld, wie zum Beispiel das Magnetfeld 98, ändern einer oder mehrere der GMR-Widerstände 94a–94d und 96a–96d ihren elektrischen Widerstandswert, was Änderungen bei den Spannungssignalen V_X+ und V_X– an den Anschlüssen 104 und 106 und den Spannungssignalen V_Y+ und V_Y– an den Anschlüssen 108 und 110 verursacht, die repräsentativ für eine Winkelposition des Magnetfeldes 98 relativ zu einem Referenzvektor sind (z. B. 0 Grad).
5 ist ein Graph 120, der ”ideale” Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 darstellt, die durch den GMR-Winkelsensor 40 bereitgestellt werden, und jeweils auf den Spannungssignalen V_X+ und V_X– und den Spannungssignalen V_Y+ und V_Y– basieren, wenn sich das Magnetfeld 98 von 0–360 Grad dreht, wie durch den Winkel α bei 128 angezeigt ist. Wie durch den Graphen bei 130 dargestellt ist, stellen die Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 jeweils x- und y-Komponenten eines Vektors 132 dar, die anzeigend für die Winkelposition des Magnetfeldes 98 sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 an eine externe Vorrichtung bereitgestellt, die die Winkelposition des Magnetfeldes 98 basierend auf der obigen Beziehung bestimmt.
Wie oben erwähnt wurde, stellt der Graph 120 die Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 unter idealen Bedingungen dar. Unter solchen idealen Bedingungen sind alle der GMR-Widerstände 94a–94d und 96a–96d identisch, und die GMR-Sensorbrücken 90 und 92 sind vollständig orthogonal zueinander, und zum Beispiel stellen die Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 eine exakte Darstellung der Winkelposition des Magnetfeldes 98 bereit. In der Realität jedoch bestehen aufgrund von Herstellungstoleranzen üblicherweise inhärente Abweichungen zwischen jedem der GMR-Widerstände 94a–94d und 96a–96d, die zu einer Amplituden- und Versatz-Abweichung zwischen den Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 führen können. Zusätzlich dazu ist es nicht wahrscheinlich, dass die Richtungen von festen Magnetfeldabschnitten der GMR-Widerstände 94a–94d und 96a–96d vollständig orthogonal zueinander sind, was Phasenfehler zwischen den Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 verursachen kann. Diese Amplituden-, Versatz- und Phasen-Fehler ihrerseits führen zu Fehlern bei der bestimmten Winkelposition des Magnetfeldes, wie zum Beispiel des Magnetfeldes 98.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der GMR-Sensor 40 eine Mehrzahl von GMR-Parametern, die eingesetzt werden, wie zum Beispiel durch die Steuerung 70 (siehe 3), um Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 einzustellen und zu korrigieren, um solche Abweichungen zu kompensieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind solche GMR-Parameter dynamisch einstellbar, wie zum Beispiel über einen Eingangsstift des GMR-Sensors 40, und Werte von GMR-Parametern 74 sind in dem Speicher 72 gespeichert. Solche GMR-Parameter umfassen einstellbare Amplituden- und Versatz-Parameter für jedes der Ausgangssignale V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 und einen Orthogonalitätsparameter, um die Phase von entweder V_X(COS) 122 oder V_Y(SIN) 124 einzustellen. Die Amplituden- und Versatz-Parameter werden eingesetzt, um die Amplituden von V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 im Wesentlichen auszugleichen und der Orthogonalitätsparameter ist eingestellt, um eine im Wesentlichen 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 beizubehalten.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Schwierigkeit, die dem Positionieren des GMR-Winkelsensors 40 außermittig von dem Permanentringmagneten 32 zugeordnet ist, dass Magnetfeldlinien an dem Umfang des Magneten gebogen oder gekrümmt sind. Im Gegensatz dazu, wie durch 6 dargestellt ist, wenn die GMR-Widerstandsregion 44 des GMR-Sensors 40 an einer Drehachse eines Permanentmagneten zentriert ist, wie zum Beispiel der eines beispielhaften Pillen-Typ-Permanentmagneten 32, der in ein Ende einer Drehwelle eingebettet ist, wie zum Beispiel Drehwelle 38, sind die Magnetfeldlinien, die durch die GMR-Widerstandsregion 44 verlaufen, im Wesentlichen linear und uniform. Wie jedoch durch 1 dargestellt wird, wenn die GMR-Widerstandsregion 44 des GMR-Sensors außermittig von der Drehachse eines Permanentmagneten positioniert ist, wie zum Beispiel durch 1 dargestellt ist, sind Magnetfeldlinien, die durch die GMR-Widerstandsregion 44 verlaufen, wie zum Beispiel die Magnetfeldlinie 42a, gekrümmt und nicht einheitlich beabstandet. Diese Nicht-Uniformität bzw. Nicht-Einheitlichkeit des Magnetfeldes kann Fehler in den Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 verursachen, die durch den GMR-Winkelsensor 40 erzeugt werden, die ihrerseits Fehler bei dem gemessenen Winkel der Drehwelle verursachen, an die der Permanentmagnet angebracht ist, wie zum Beispiel der Drehwelle 38, mit der der Permanentringmagnet 32 gekoppelt ist.
7 ist ein Graph 140, der ein Beispiel eines Winkelfehlers in der Winkelposition der Drehwelle 38 darstellt, gemessen durch den GMR-Winkelsensor 40 aus 1 und verursacht durch die Nicht-Uniformität des Magnetfeldes an dem Umfang des Permanentringmagneten 32. Wie aus Graph 140 ersichtlich ist, ist der resultierende Winkelfehler der Kurve ungefähr sinusförmig in der Form über eine 360-Grad-Drehung der Drehwelle. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Fehler bei der gemessenen Winkelposition der Drehwelle 38 durch den GMR-Winkelsensor 40 aufgrund von inhärenten Amplituden- und Orthogonalitäts-Abweichungen zwischen GMR-Sensorbrücken, wie zum Beispiel GMR-Sensorbrücken 90 und 92 (und aufgrund von Abweichungen bei dem physischen Aufbau des GMR-Winkelsensors) in ihrem Wesen sinusförmig sind.
Zum Beispiel ist 8 ein Graph 150 eines simulierten Fehlers, der aus einer Amplitudendifferenz zwischen den Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 resultiert. Die Simulation wurde ausgeführt durch Einstellen der GMR-Amplitudenparameter auf Werte, die eine 1%-Differenz bei der Amplitude zwischen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 erzeugen ohne Versatz oder Orthogonalitätsabweichungen. Wie durch Graph 150 dargestellt wird, ist der resultierende Fehler bei dem Winkel, der durch den GMR-Winkelsensor 40 gemessen wird, in seinem Wesen über eine 360°-Grad-Drehung des Magnetfeldes sinusförmig, wobei eine 1%-Amplitude zu einem Fehler führt, der zwischen 0 und 0,3% variiert.
Auf ähnliche Weise ist 9 ein Graph 160 eines simulierten Fehlers, der aus einem Phasenfehler zwischen den Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 resultiert. Die Simulation wurde ausgeführt durch Einstellen des Orthogonalitätsparameters auf einen Wert, der eine 0,5-Grad-Abweichung von einer 90-Grad-Phasendifferenz zwischen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 verursacht, ohne Amplituden- oder Versatz-Abweichungen. Wie wiederum durch Graph 160 dargestellt wird, ist der resultierende Fehler bei dem Winkel, der durch den GMR-Winkelsensor 140 gemessen wird, in seinem Wesen über eine 360-Grad-Drehung des Magnetfeldes sinusförmig, wobei ein 0,5-Grad-Orthogonalitätsfehler zu einem Fehler führt, der zwischen 0 und 0,5% variiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, basierend auf dem ähnlichen sinusförmigen Wesen des Fehlers bei dem Winkel, gemessen durch den GMR-Winkelsensor 40, der aus physischen Abweichungen zwischen den GMR-Widerständen und GMR-Sensorbrücken und aus der Nicht-Uniformität des Magnetfeldes resultiert, werden während eines Kalibrierungsverfahrens die GMR-Parameter eines GMR-Winkelsensors eines außermittigen GMR-Winkelmesssystems, wie zum Beispiel des GMR-Winkelsensors 40 des außermittigen GMR-Winkelmesssystems 30 aus 1 eingestellt, um Fehler zu kompensieren, die aus der Nicht-Uniformität des außermittigen Magnetfeldes resultieren, sowie Fehler aufgrund von Amplituden- und Orthogonalitäts-Abweichungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird während eines solchen Kalibrierungsverfahrens eines außermittigen Winkelmesssystems, wie zum Beispiel des außermittigen GMR-Winkelmesssystems 30 aus 1, die Drehwelle 38 so getrieben, dass die Winkelposition der Drehwelle 38 während der Drehung an einer bekannten oder realen Position ist, wie zum Beispiel durch Verwendung eines auf einem Zahnrad oder Polrad basierenden Winkelmesssystems, das temporär mit der Drehwelle 38 gekoppelt ist. Die Winkelposition der Drehwelle 38, wie sie durch den GMR-Winkelsensor 40 gemessen wird, wird dann mit der tatsächlichen Position verglichen und die Werte der GMR-Parameter 74 werden eingestellt, bis ein Fehler zwischen der Winkelposition der Drehwelle 38, wie sie durch den GMR-Winkelsensor 40 gemessen wird, und der tatsächlichen Position im Wesentlichen minimiert ist. Wiederum werden durch Einstellen der GMR-Parameter des GMR-Winkelsensors 40 auf diese Weise Fehler bei den Winkelpositionen, wie sie durch den GMR-Winkelsensor 40 gemessen werden, die sowohl aus physischen Abweichungen der GMR-Widerstände und GMR-Sensorbrücken als auch aus Abweichungen aufgrund der Nicht-Uniformität des außermittigen Magnetfeldes resultieren, im Wesentlichen korrigiert.
Aufgrund der außermittigen Abweichungen bei dem Magnetfeld des Magneten, wie zum Beispiel des Ringmagneten 32, wird die Genauigkeit der Winkelposition der Drehwelle 38, wie sie durch den GMR-Winkelsensor 40 gemessen wird, ebenfalls durch die Position des GMR-Winkelsensors 40 zwischen dem Innenradius 56 und dem Außenradius 58 des Permanentringmagneten 32 beeinflusst. 10 ist ein Graph, der Beispiele der Größe des Ausgangsvektors 142 darstellt, die aus Ausgangssignalen V_X(COS) 122 und V_Y(SIN) 124 des GMR-Winkelsensors 40 resultieren, wenn dieser an unterschiedlichen Positionen entlang der x-Achse 50 zwischen dem Innenradius 56 und dem Außenradius 58 angeordnet ist, wenn sich die Welle 38 über einen Bereich 90 Grad (d. h. 0–90 Grad) dreht. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel weist der Ringmagnet 32 einen Innenradius 56 von 3 mm und einen Außenradius von 8 mm und eine Dicke von 3 mm auf, wobei der GMR-Winkelsensor 1,5 mm von der Oberfläche 48 entfernt positioniert ist.
Kurven 172, 174, 176, 178, 180, 182 und 184 stellen jeweils die Größe des Ausgangsvektors 142 dar, wenn der GMR-Winkelsensor 40 an Radien von 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm und 10 mm von einer Mitte des Ringmagneten 32 positioniert ist. Wie durch die Kurven von Graph 170 dargestellt ist, variiert die Größe des Ausgangsvektors 142, wenn sich der Ringmagnet 32 mit der Welle 38 dreht, was Fehler bei der Winkelmessung verursachen kann, die durch den GMR-Winkelsensor 40 bereitgestellt wird. Die Fehler bei der Winkelmessung, die durch den GMR-Winkelsensor 40 bereitgestellt wird, können reduziert werden durch Positionieren des GMR-Winkelsensors an der radialen Position, die zu der geringsten Abweichung bei der Größe des Ausgangsvektors 142 führt. Bei dem durch 10 dargestellten Beispiel stellt eine radiale Position von 7 mm von einer Mitte des Ringmagneten 32 den geringsten Betrag einer Abweichung bei der Größe des Ausgangsvektors 142 bereit und stellt die beste radiale Position dar, an der der GMR-Winkelsensor 40 positioniert werden kann.
In Bezug auf das oben Genannte wird gemäß einem Ausführungsbeispiel während eines Kalibrierungsverfahrens eines außermittigen Winkelmesssystems, wie zum Beispiel des außermittigen GMR-Winkelmesssystems 30 aus 1, eine radiale Position des GMR-Winkelsensors 40 relativ zu dem Ringmagneten 32 eingestellt, um die Position zu bestimmen, die den geringsten Abweichungsbetrag bei dem Ausgangsvektor 142 bereitstellt. Eine solche Position entspricht der Position zwischen Innenradius 54 und Außenradius 56, an der das Magnetfeld des Ringmagneten 32 am uniformsten ist.
Wie durch 11 dargestellt wird, umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel die GMR-Widerstandsregion 44 eine erste Mehrzahl von GMR-Widerständen 190, die die GMR-Widerstände 194a–194h umfassen, die feste Magnetfeldabschnitte aufweisen, die fest entlang einer x-Achse 192 sind, (wie durch die horizontalen Pfeile in 11 angezeigt wird), und eine zweite Mehrzahl von GMR-Widerständen 192, die GMR-Widerstände 196a–196h umfassen, die feste Magnetfeldabschnitte aufweisen, die fest zum Beispiel entlang einer y-Achse 193 sind (wie durch die vertikalen Pfeile in 11 angezeigt ist). Die erste Mehrzahl aus GMR-Widerständen 190 kann selektiv miteinander durch eine zugeordnete Mehrzahl von extern steuerbaren Schaltern verbunden sein, wie durch den Schalter 200 dargestellt ist, und die zweite Mehrzahl von GMR-Widerständen 192 kann selektiv miteinander durch eine zugeordnete Mehrzahl von extern steuerbaren Schaltern verbunden sein, wie durch den Schalter 202 dargestellt ist, um unterschiedliche GMR-Sensorbrücken-Konfigurationen (zum Beispiel GMR-Sensorbrücken 90 und 92 von 4) an unterschiedlichen Positionen entlang der x-Achse 191 zu bilden.
Wie zum Beispiel durch 12A dargestellt ist, sind die GMR-Widerstände 194a–194d und 196a–196d, die die Spalten am weitesten links der GMR-Widerstandsregion 44 bilden, jeweils über die zugeordneten, extern steuerbaren Schalter miteinander verbunden, um GMR-Sensorbrücken 204a und 206a an einer Position am weitesten links entlang der x-Achse 190 innerhalb des GMR-Winkelsensors 40 zu bilden. Auf ähnliche Weise, wie durch 12B dargestellt ist, sind GMR-Widerstände 194b, 194d, 194e und 194f sowie 196b, 196d, 196e und 196f, die die mittigsten Spalten der GMR-Widerstandsregion 44 bilden, jeweils miteinander über die zugeordneten, extern steuerbaren Schalter verbunden, um GMR-Sensorbrücken 204b und 206b an einer mittigen Position entlang der x-Achse 190 innerhalb des GMR-Winkelsensors 40 zu bilden. Wie ebenfalls durch 12C dargestellt ist, sind GMR-Widerstände 194e–194h und 196e–196h, die die Spalten am weitesten rechts der GMR-Widerstandsregion 44 bilden, jeweils über die zugeordneten, extern steuerbaren Schalter verbunden, um GMR-Sensorbrücken 204c und 206c an einer Position am weitesten rechts entlang der x-Achse 190 innerhalb des GMR-Winkelsensors 40 zu bilden.
Durch Auswählen, welche GMR-Widerstände 94a–94h und 96a–96h verbunden sind, um die GMR-Sensorbrücken zu bilden, kann die radiale Position der GMR-Sensorbrücken des GMR-Winkelsensors 40 relativ zu dem Ringmagneten 32 weiter und feiner eingestellt werden, um eine Position zu bestimmen, die den geringsten Abweichungsbetrag bei der Größe des Ausgangsvektors 142 bereitstellt.
13 ist ein Flussdiagramm, das im Allgemeinen einen Prozess 220 zum Kalibrieren und Betreiben eines außermittigen Winkelmesssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. Der Prozess 220 beginnt bei 222 mit dem Befestigen eines Magneten an einer Drehwelle, wie zum Beispiel der Drehwelle 38, wobei der Magnet ein Magnetfeld bereitstellt, das sich mit der Welle um eine Drehachse der Welle dreht. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Magnet einen Ringmagneten auf, wie zum Beispiel den Ringmagneten 32, der um die Welle entfernt von den Enden der Welle befestigt ist.
Bei 224 ist ein magnetoresistiver Winkelsensor einer integrierten Schaltung, wie zum Beispiel ein GMR-Winkelsensor 40 in dem Magnetfeld an einer radial außermittigen Position im Hinblick auf die Drehachse positioniert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der magnetoresistive Winkelsensor der integrierten Schaltung eine erste und zweite magnetoresistive Erfassungsbrücke, die jeweils ein erstes und zweites Signal bereitstellen, die eine orthogonale erste und zweite Richtungskomponente des Magnetfelds darstellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Winkelsensor der integrierten Schaltung einen Satz aus Einstellparametern zum Einstellen von Attributen des ersten und zweiten Signals. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Satz aus Einstellparametern einen ersten und einen zweiten Amplitudenparameter und einen ersten und einen zweiten Versatzparameter zum entsprechenden Einstellen einer Amplitude und eines Versatzes des ersten und zweiten Signals. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Satz aus Einstellparametern ferner einen Versatzparameter für entweder das erste oder das zweite Signal, um eine Phase des einen des ersten und des zweiten Signals einzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die erste und zweite magnetoresistive Erfassungsbrücke Riesenmagnetowiderstandselemente auf Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die erste und die zweite magnetoresistive Erfassungsbrücke anisotrope magnetoresistive Elemente auf.
Bei 226 wird eine „bekannte” Winkelposition der Welle gemessen, wie zum Beispiel durch Verwenden eines Winkelsensors vom diskreten Typ, wie zum Beispiel eines herkömmlichen Zahnrad- oder Polrad-basierten Winkelsensors, der zum Beispiel temporär mit der Drehwelle gekoppelt ist. Bei 228 wird die Winkelposition der Drehung, wie sie durch den magnetoresistiven Winkelsensor der integrierten Schaltung gemessen wird, die „gemessene” Winkelposition, aus dem ersten und zweiten Signal bestimmt.
Bei 230 werden die Werte des Satzes aus Einstellparametern eingestellt, um Attribute des ersten und zweiten Signals zu modifizieren, um Fehler bei der gemessenen Winkelposition zu kompensieren, die aus strukturellen Ungenauigkeiten zwischen den magnetoresistiven Elementen der ersten und zweiten Brücke und aus einer Nicht-Uniformität des Magnetfeldes an der außermittigen Position resultieren, bis ein Fehler zwischen der „bekannten” Winkelposition, die bei 226 bestimmt wird, und der „gemessenen” Winkelposition, die aus der integrierten Schaltung bei 228 bestimmt wird, im Wesentlichen minimiert ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Prozess 220 dann abgeschlossen, wie bei 232 angezeigt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel jedoch, wie durch die gestrichelten Linien bei 234 dargestellt ist, umfasst der Prozess 220 zusätzlich das Einstellen der radialen Position der integrierten Schaltung, bis Abweichungen bei einer Größe eines Vektors basierend auf dem ersten und zweiten Signal im Wesentlichen minimiert sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie zum Beispiel oben durch 11 und 12A–12C beschrieben ist, umfasst der magnetoresistive Winkelsensor der integrierten Schaltung einen ersten Satz aus magnetoresistiven Elementen und eine zugeordnete erste Mehrzahl von Schaltern, die betrieben werden können, um selektiv unterschiedliche Teilsätze des ersten Satzes aus magnetoresistiven Elementen zu verbinden, um die erste, magnetoresistive Erfassungsbrücke an unterschiedlichen Positionen innerhalb der integrierten Schaltung zu bilden, und einen zweiten Satz aus magnetoresistiven Elementen und eine zugeordnete zweite Mehrzahl von Schaltern, die betrieben werden können, um selektiv unterschiedliche Teilsätze des zweiten Satzes aus magnetoresistiven Elementen zu verbinden, um die zweite, magnetoresistive Erfassungsbrücke an unterschiedlichen Position innerhalb der integrierten Schaltung zu bilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie durch die gestrichelten Linien bei 236 dargestellt ist, umfasst der Prozess 220 das Einstellen der radialen Position durch Betreiben der ersten und zweiten Mehrzahl von Schaltern derart, dass die resultierende erste und zweite magnetoresistive Erfassungsbrücke an Positionen innerhalb der integrierten Schaltung sind, derart, dass die Abweichungen bei der Größe des Vektors im Wesentlichen minimiert sind.
14 stellt ein Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung zum Messen einer Winkelposition eines magnetischen Objekts dar, das sich um eine Achse dreht. Die in 14 dargestellte integrierte Schaltung ist zum Messen der Winkelposition aus einer Außerachsenposition ausgebildet; das heißt, dass die integrierte Schaltung gemäß 14 nicht mit ihren Sensorelementen an einer Position entlang der Drehachse platziert sein muss. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird ohne Weiteres erkennen, dass oben beschriebene Verfahren und Techniken ebenfalls unter Verwendung der integrierten Schaltung gemäß der Erfindung implementiert sein können, wie sie in 14 dargestellt ist.
Die integrierte Schaltung von 14 stellt eine Mehrzahl von Schaltelementen 112-1, 112-2, ... 112-N; 114-1, 114-2, ..., 114-N dar; und 116-1, 116-N in Kombination mit einer Mehrzahl von Erfassungselementen Sxy, wie nachfolgend detaillierter erklärt wird.
Von einer Versorgungsschiene 100 stellen individuelle Schaltelemente 112-1, 112-2, ... 112-N aus der Mehrzahl von Schaltelementen eine schaltbare Verbindung zu individuellen einzelnen der Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN bereit. Obwohl die Versorgungsschiene 100 als eine gemeinsame Versorgungsschiene 100 angezeigt ist, können stattdessen ohne Einschränkung individuelle Versorgungsschienen vorhanden sein.
Die individuellen Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN werden durch Erfassungselemente Sxy gebildet. 14 zeigt vier Beispiele von individuellen Erfassungsbrücken mit den individuellen Erfassungselementen Sxy, für die der Index x von 1 bis N geht. Jede der individuellen Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN weist vier individuelle Erfassungselemente auf, wie durch den Index y angezeigt ist, der von 1 bis 4 geht. Daher ist die erste, individuelle Erfassungsbrücke B1 durch ein erstes, individuelles Erfassungselement S11, ein zweites individuelles Erfassungselement S12, ein drittes individuelles Erfassungselement S13 und ein viertes individuelles Erfassungselement S14 gebildet. Die anderen Erfassungsbrücken B2, B3, ..., BN sind entsprechend gekennzeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 14 verwenden die individuellen Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN eine gemeinsame Masse. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass dies eine optionale Wahl ist und in keiner Weise einschränkend für die vorliegende Erfindung ist.
Zwischen dem ersten Erfassungselement Sx1 und dem zweiten Erfassungselement Sx2 jeder individuellen Erfassungsbrücke B1, B2, ..., BN kann ein erstes Signal Sig1 unter Verwendung eines ersten Signalschalters 114-1, 114-2, ..., 114-N abgegriffen werden. Das soll heißen, die ersten Signalschalter 114-1, 114-2, ..., 114-N stellen eine schaltbare Verbindung von jeder der individuellen Erfassungsbrücken B1, B2, ..., BN zu einem Vorverstärker (nicht gezeigt) bereit. Das erste Signal Sig1 kann repräsentativ für eine erste Richtungskomponente des Magnetfeldes sein, erfasst durch eine der individuellen Erfassungsbrücken B, B2, B3, ..., BN aufgrund des Drehobjekts, wie zum Beispiel des Ringmagneten 32, ist aber nicht darauf beschränkt. Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Richtungskomponente, die durch das erste Signal dargestellt ist, jedoch von einer Erfassungsbrücke zu einer anderen der Erfassungsbrücken abweichen kann.
Es ist ferner denkbar, die ersten Signalschalter 114-1, 114-2, ..., 114-N durch eine nicht-schaltbare Verbindung zu ersetzen, bzw. durch die Leitung, die das erste Signal Sig1 zu einem Vorverstärker (nicht gezeigt) liefert. Für einen solchen Aufbau wäre es von Interesse, individuelle der Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN durch EIN-Schalten von einem der Schalter 112-1, 112-2, 112-3, ..., 112-N auszuwählen, während die anderen in einen AUS-Zustand gesetzt sind.
Ähnlich zu den ersten Signalschaltern, wie oben erklärt wurde, stellt 14 zweite Signalschalter 116-1, 116-2, 116-3, ..., 116-N dar, die eine schaltbare Verbindung von einer individuellen der Erfassungsbrücken B1, B2, B3, ..., BN zu einer Leitung bereitstellen, die ein zweites Signal Sig2 zu einem weiteren Vorverstärker (nicht gezeigt) weiterleitet. Es ist vorteilhaft, das zweite Signal Sig2 zwischen dem dritten Erfassungselement Sx3 und dem vierten Erfassungselement Sx4 einer individuellen Erfassungsbrücke B1, B2, B3, ..., BN abzugreifen, die durch eines der Schaltelemente 112-1, 112-2, 112-3, ..., 112-N ausgewählt wird. Das zweite Signal Sig2 ist üblicherweise repräsentativ für eine zweite Richtungskomponente des Magnetfeldes, das durch das Drehobjekt erzeugt wird, wie bereits oben im Hinblick auf die anderen Ausführungsbeispiele erklärt wurde. Die zweite Richtungskomponente kann ohne Einschränkung senkrecht zu der ersten Richtungskomponente sein, für die das erste Signal Sig1 repräsentativ ist. Wie vorangehend erklärt wurde, wird darauf hingewiesen, dass die zweite Richtungskomponente, die durch das zweite Signal Sig2 dargestellt ist, jedoch von einer Erfassungsbrücke zu einer anderen der Erfassungsbrücken variieren kann. Es kann vorteilhaft sein, das erste Signal Sig1 und das zweite Signal Sig2, die im Wesentlichen orthogonale Richtungskomponenten des Magnetfeldes darstellen, innerhalb einer individuellen der Erfassungsbrücken bereitzustellen.
Wie bereits für die ersten Signalschalter erklärt wurde, können die zweiten Signalschalter 116-1, 116-2, 116-3, ..., 116-N alternativ oder zusätzlich durch eine nicht-schaltbare Verbindung von der individuellen Erfassungsbrücke B1, B2, B3, ..., BN zu der Leitung ersetzt werden, die das zweite Signal Sig2 zu dem Vorverstärker (nicht dargestellt) weiterleitet.
Die integrierte Schaltung von 14 ist unterschiedlich zu dem Ausführungsbeispiel, das sich auf 11 bezieht, im Hinblick darauf, dass ein RDS EIN (RDS ON) von individuellen Schaltern innerhalb der Erfassungsbrücken von 11 das Verhalten der Erfassungsbrücken beeinflussen und folglich eine Empfindlichkeit der integrierten Schaltung beeinflussen kann. Die in 14 offenbarte, integrierte Schaltung enthält jedoch keine Schaltelemente innerhalb einer individuellen Erfassungsbrücke S1, S2, S3, ..., SN, so dass das RDS EIN der individuellen Schalter das Verhalten der Erfassungsbrücken nicht beeinträchtigen sollte.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die individuellen Erfassungsbrücken S1, S2, S3, ..., SN über die integrierte Schaltung auf geeignete Weise verteilt sein können. Die interdigitale Anordnung von Erfassungsbrücken S1, S2 und S3, dargestellt in 14, sollen daher als nicht einschränkendes Beispiel betrachtet werden. Als weiteres Beispiel der Verteilung der Erfassungsbrücken ist die Erfassungsbrücke SN rechts in 14 gezeigt, während die Erfassungsbrücken S1, S2 und S3 auf der linken Seite von 14 gezeigt sind. Das Verteilen der individuellen Erfassungsbrücken S1, S2, S3, ..., SN kann von Interesse sein, um Fehler zu minimieren, die durch eine Nicht-Einheitlichkeit des Magnetfeldes an der außeraxialen Position verursacht werden können. Andere räumlich variierende Fehler des erfassten Magnetfeldes können durch Verwenden einer ausgewählten der Erfassungsbrücken S1, S2, S3, ..., SN minimiert werden. Somit können alle Techniken und Verfahren zum Minimieren von Fehlern, die oben erklärt wurden, im Hinblick auf die integrierte Schaltung von 14 ebenfalls implementiert werden.
15 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung 200 dar. Die integrierte Schaltung, die in 15 dargestellt ist, kann in einem Strommodus betrieben werden, was sich von den oben beschriebenen integrierten Schaltungen unterscheidet, die die integrierte Schaltung von 14 umfassen, die in dem Spannungsmodus betrieben wird.
Ein individueller Schalter 112-1, 112-2, 112-3, 112-N einer Mehrzahl von Schaltern ist bereitgestellt, um ein individuelles Erfassungselement einer Mehrzahl von Erfassungselementen S1, S2, S3, ... SN auszuwählen. Eine spannungsgesteuerte Stromquelle, zum Beispiel die Betriebs-Transkonduktanz-Stufe OTA (operational transductance stage) kann in Kombination mit einem Regelschalter 110 zum geregelten Koppeln eines Stroms Iout1 mit dem ausgewählten einen der individuellen Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN verwendet werden. Andere Mittel einer (geregelten) Kopplung des Stroms Iout1 mit dem ausgewählten einen der individuellen Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN sind denkbar.
Eine Rückkopplungsschleife für jedes der individuellen Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN kann bereitgestellt sein, um eine Spannung über das ausgewählte eine der Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN zu regeln. Bei dem Ausführungsbeispiel von 15 ist die Rückkopplungsschleife durch zweite Schalter 111-1, 111-2, 111-3, ..., 111-N gebildet, die schaltbar mit einem Rückkopplungsweg koppeln, der zu einem (invertierten) Eingang der Betriebstransduktanzstufe OTA führt. Mit einem solchen Aufbau ist es vorteilhaft, die Spannung über das ausgewählte eine der Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN zu regeln. Es gibt verschiedene andere denkbare Rückkopplungsszenarien, um die Spannung und/oder einen Strom durch das ausgewählte eine der Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN zu regeln.
Die Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN verwenden eine gemeinsame Masseplatte bei dem Aufbau von 16 gemeinschaftlich, dies ist jedoch eine Entwurfswahl, die für das Funktionieren der vorliegenden Erfindung nicht relevant ist.
16 stellt einen Aufbau dar, der verschiedene der integrierten Schaltungen verwendet, die im Hinblick auf 15 erklärt wurden. Es kann von Interesse sein, die Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN der ersten, integrierten Schaltung 200 auszuwählen (zum Beispiel die oberste in 16), um ein erstes Signal Iout1 bereitzustellen. Die zweite integrierte Schaltung von 16 kann stattdessen einen Strom Iout2 bereitstellen. Wenn eine Subtraktion dieser Signale ausgeführt wird, wie in 16 angezeigt ist, kann ein unterschiedliches Erfassungsverhalten der integrierten Schaltungen 200 implementiert werden.
Zusätzlich oder alternativ können die Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN der ersten integrierten Schaltung 200 (die obere in 16) derart angeordnet sein, dass das erste Signal Iout1 einer ersten räumlichen Komponente des Magnetfeldes entspricht, das durch das Magnetfeld des Drehobjekts verursacht wird, wie oben erklärt wurde. Die Erfassungselemente S1, S2, S3, ..., SN der zweiten, integrierten Schaltung 200 (die untere in 16) können stattdessen ein Signal Iout2 bereitstellen, das einem zweiten Signal entspricht, wie vorangehend erklärt wurde, d. h. einer zweiten räumlichen Komponente des Magnetfeldes entspricht, verursacht durch das Magnetfeld des Drehobjekts.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die Techniken und Verfahren, die im Hinblick auf die anderen Ausführungsbeispiele offenbart wurden, auch unter Verwendung der integrierten Schaltung implementiert werden können, wie in 15 und 16 dargestellt ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann, die gezeigt und beschrieben wurden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Abweichungen der spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken, die hierin erörtert wurden. Es ist daher die Absicht, dass die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Entsprechungen eingeschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8058866 [0001]

Claims

Eine integrierte Schaltung zum Messen einer Winkelposition eines Magnetobjekts, das sich um eine Achse dreht, aus einer außeraxialen Position, die integrierte Schaltung umfassend: eine Mehrzahl von Magneterfassungselementen; und eine Mehrzahl von Schaltern, die ausgebildet sind, um einen ersten Teilsatz aus einem oder mehreren Erfassungselementen aus der Mehrzahl von Magneterfassungselementen auszuwählen, wobei der Teilsatz von Erfassungselementen ein erstes Signal bereitstellt, das repräsentativ für eine erste Richtungskomponente eines Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Teilsatz aus Magneterfassungselementen ferner ein zweites Signal bereitstellt, das repräsentativ für eine zweite Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Teilsatz aus Erfassungselementen ausgebildet ist, eine erste Erfassungsbrücke zu bilden, die das erste und zweite Signal bereitstellt, wenn sie durch die Mehrzahl von Schaltern ausgewählt wird.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die zweite Richtungskomponente des Magnetfeldes im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Richtungskomponente des Magnetfeldes ist.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei individuelle einzelne der Mehrzahl von Magneterfassungselementen aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus GMR-Erfassungselementen, TMR-Erfassungselementen und AMR-Erfassungselementen, horizontalen Hall-Erfassungselementen und vertikalen Hall-Erfassungselementen.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schalten von zumindest einem ausgewählten aus der Mehrzahl von Schaltern ein Schalten von dem ersten Teilsatz aus Erfassungselementen zu einem zweiten Teilsatz aus Erfassungselementen der Mehrzahl von Magneterfassungselementen verursacht, wobei der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen ein drittes Signal bereitstellt, das eine dritte Richtungskomponente des Magnetfeldes darstellt, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 6, wobei die dritte Richtungskomponente im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtungskomponente oder der zweiten Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 und 7, wobei der erste Teilsatz aus Erfassungselementen und der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen eine gemeinsame Masseebene gemeinschaftlich verwenden.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der zweite Teilsatz aus Magneterfassungselementen ein viertes Signal bereitstellt, das repräsentativ für eine weitere Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird, wobei die weitere Richtungskomponente im Wesentlichen senkrecht zu der dritten Richtungskomponente des Magnetfeldes ist, das durch das sich drehende Magnetobjekt verursacht wird.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der zweite Teilsatz aus Erfassungselementen ausgebildet ist, um eine zweite Erfassungsbrücke zu bilden, die das dritte und vierte Signal bereitstellt, wenn sie durch die Mehrzahl von Schaltern ausgewählt wird.
Die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 10, wobei die erste Erfassungsbrücke und die zweite Erfassungsbrücke zumindest teilweise überlappend angeordnet sind.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei individuelle einzelne des ersten Teilsatzes von Erfassungselementen eine gemeinsame Masseplatte gemeinschaftlich verwenden.
Die integrierte Schaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine spannungsgesteuerte Stromquelle aufweist, die mit einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, wobei die spannungsgesteuerte Stromquelle ausgebildet ist, eine Spannung über den ersten Teilsatz aus Erfassungselementen zu steuern.