DE102015112464A1 - Maximierung des zielsignals und eliminierung dervormagnetisierungskomponente für einen differentiellenaufrechten positionssensor - Google Patents

Abstract

Die Ausführungsformen beziehen sich auf Sensorvorrichtungskonfigurationen. In einer Ausführungsform umfasst eine Sensorvorrichtung einen Vormagnetisierungsmagneten, einen Feldsensor-Die, einen ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, einen zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, einen Speicher und eine Schaltungsanordnung. Die Sensorvorrichtung ist konfiguriert, die abgetasteten Größen von jedem der Magnetfeld-Sensorelemente des ersten Satzes zu kombinieren, um eine Ausgabe des ersten Satzes zu erhalten, die abgetasteten Größen von jedem des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des zweiten Satzes mit einem aus dem Satz von Abgleichswerten abzugleichen, um eine Ausgabe des zweiten Satzes zu erhalten, und die Ausgabe des zweiten Satzes mit der Ausgabe des ersten Satzes zu kombinieren, um ein Ausgangssignal bereitzustellen.

Description

• Die Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Magnetfeldsensoren und insbesondere auf Konfigurationen und Anordnungen aufrechter Magnetfeld-Positionssensoren und die zugehörigen Verfahren.
• Verschiedene herkömmliche Sensoren messen die Größe eines Magnetfelds. Einige derartige Sensoren messen das Magnetfeld senkrecht zum Körper des Sensors (z. B. Hall-Effekt-Sensoren), während andere das Magnetfeld in der Ebene messen (z. B. magnetoresistive Sensoren). Magnetoresistive Sensoren (xMR-Sensoren) enthalten unter anderem anisotrope magnetoresistive Sensoren (AMR-Sensoren), Riesenmagnetowiderstands-Sensoren (GMR-Sensoren), Kolossalmagnetowiderstands-Sensoren (CMR-Sensoren) und Tunnelmagnetowiderstands-Sensoren (TMR-Sensoren). Oft sind die xMR-Sensoren mehrschichtige Vorrichtungen, die eine sensitive Schicht enthalten, die empfindlich auf die Magnetisierung durch ein äußeres Magnetfeld sind, die aber eine derartige Magnetisierung nicht halten, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird. Ein Widerstand des xMR-Sensors ändert sich, wenn die Magnetisierung der sensitiven Schicht durch das Magnetfeld ausgerichtet wird.
• Lineare Positionssensoren verwenden oft einen Vormagnetisierungsmagneten und eine Sensorvorrichtung, die in der Nähe eines Ziels angeordnet sind. Der Vormagnetisierungsmagnet erzeugt ein Magnetfeld durch die Sensorvorrichtung und das Ziel. Das weichmagnetische Ziel weist eine große relative magnetische Permeabilität auf (oft größer als 300, vorzugsweise größer als 1500 oder 4000), so dass es durch das Magnetfeld des Vormagnetisierungsmagneten effektiv magnetisiert wird und ein reagierendes Magnetfeld mit einer Feldstärke, die zu der Nähe zu dem Vormagnetisierungsmagneten proportional ist, erzeugt. Diese Sensorvorrichtung kann xMR-Sensoren enthalten, wie z. B. jene, die oben beschrieben worden sind. Das Ziel weist oft einen verzahnten oder gezahnten äußeren Rand auf, so dass das durch das Ziel erzeugte Magnetfeld fluktuiert, wenn die Zähne und die Lücken auf der Oberfläche des Ziels unter dem Vormagnetisierungsmagneten vorbeigehen. Wenn der Zahnabstand des Ziels bekannt ist, kann die Drehzahl des Ziels durch das Messen der Frequenz der Fluktuationen in dem durch die Sensoreinheit gemessenen Magnetfeld bestimmt werden.
• Herkömmliche Positionssensoren müssen zwischen einem Magnetfeld, das durch die Quelle des Vormagnetisierungsfeldes verursacht wird, und dem Feld, das mit der Position des Ziels in Beziehung steht, unterscheiden. Oft ist das Vormagnetisierungsfeld viel größer als das Zielfeld, wobei die Fluktuationen in dem Magnetfeld von den umgebenden Vorrichtungen eine genaue Messung der Zielposition verkomplizieren können. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Sensor oder ein verbessertes Sensorsystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Sensorsystem nach Anspruch 1, das Magnetfeld-Messsystem nach Anspruch 8 oder das Verfahren zum Eichen eines Magnetsensors nach Anspruch 11 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und weitere Entwicklungen sind durch die abhängigen Ansprüche eingeschlossen.
• Die Ausführungsformen beziehen sich auf Sensorvorrichtungen und Verfahren für die Verwendung der Sensorvorrichtungen. In einer Ausführungsform umfasst ein Sensorsystem einen Vormagnetisierungsmagneten, der konfiguriert ist, einen Beitrag des Vormagnetisierungsmagnetfeldes zu einem Gesamtmagnetfeld zu erzeugen, und wenigstens einen Sensor-Die, der mechanisch an den Vormagnetisierungsmagneten gekoppelt ist. Das Sensorsystem umfasst einen ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf dem wenigstens einen Sensor-Die angeordnet ist, wobei jedes der einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des ersten Satzes konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in einer ersten Richtung zu messen. Das Sensorsystem umfasst ferner einen zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf dem wenigstens einen Sensor-Die angeordnet ist und von den Magnetfeld-Sensorelementen des ersten Satzes um einen Abstand getrennt ist, wobei jedes der einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des zweiten Satzes konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in der ersten Richtung zu messen. Ein Speicher ist konfiguriert, einen Satz von Abgleichswerten zu speichern, und eine Schaltungsanordnung ist konfiguriert, ein Ausgangssignal bereitzustellen.
• In einer Ausführungsform enthält ein Magnetfeld-Messsystem wenigstens einen Sensor-Die, einen Vormagnetisierungsmagneten, einen ersten und einen zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, einen Speicher, eine Schaltungsanordnung und ein Ziel. Der Vormagnetisierungsmagnet ist konfiguriert, einen Beitrag des Vormagnetisierungsmagnetfeldes zu einem Gesamtmagnetfeld zu erzeugen. Der Vormagnetisierungsmagnet und der wenigstens eine Sensor-Die sind mechanisch gekoppelt. Der erste Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen ist auf einer ersten Oberfläche des wenigstens einen Sensor-Dies angeordnet, wobei jedes des ersten Satzes von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in einer ersten Richtung zu messen. Der zweite Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen ist auf einer zweiten Oberfläche des wenigstens einen Sensor-Die angeordnet und von den Magnetfeld-Sensorelementen des ersten Satzes beabstandet, wobei jedes von dem zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in der ersten Richtung zu messen. Der Speicher ist konfiguriert, einen Satz von Abgleichswerten zu speichern. Die Schaltungsanordnung ist konfiguriert, die abgetasteten Magnetfelder von jedem der einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des ersten Satzes zu kombinieren, um eine Ausgabe des ersten Satzes zu bilden, und die abgetasteten Magnetfelder von wenigstens einem des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des zweiten Satzes mit wenigstens einem aus dem Satz von Abgleichswerten zu multiplizieren und daraus eine Ausgabe des zweiten Satzes abzuleiten. Das Ziel ist von dem wenigstens einen Feldsensor-Die um einen Abstand getrennt, so dass das abgetastete Magnetfeld, das mit dem Ziel in Beziehung steht, an dem ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen einen ersten Feldwert aufweist und an dem zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen einen zweiten Feldwert aufweist.
• In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Eichen eines Magnetsensors das Erzeugen eines Signals eines ersten Sensorsatzes durch das Messen eines Gesamtmagnetfeldes an jedem des wenigstens einen Sensors eines ersten Sensorssatzes. Das Verfahren enthält ferner das Kombinieren der abgetasteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des ersten Sensorsatzes, um das Signal des ersten Sensorsatzes zu bilden. Das Verfahren enthält ferner das Erzeugen eines Signals eines zweiten Sensorsatzes durch das Messen des Gesamtmagnetfeldes an jedem des wenigstens einen Sensorelements eines zweiten Sensorsatzes, das Gewichten jedes der abgetasteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des zweiten Sensorsatzes durch einen aus dem Satz von Abgleichswerten und das Kombinieren der gewichteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des zweiten Sensorsatzes, um das Signal des zweiten Sensorsatzes zu bilden.
• Das Verfahren enthält ferner das Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Die Erfindung kann in Anbetracht der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verstanden werden, worin:
• 1 eine perspektivische Ansicht eines Zielrades und einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist;
• 2A–2E perspektivische Ansichten von Zielrädern sind;
• 3 eine teilweise Querschnittsansicht eines Zielrades des Standes der Technik und einer herkömmlichen Magnetfeld-Sensorvorrichtung ist;
• 4 eine teilweise Querschnittsansicht eines Zielrades und einer Sensorvorrichtung, die untere und obere Feldsensoren aufweist, gemäß einer Ausführungsform ist;
• 5 eine teilweise Querschnittsansicht eines Zielrades und einer Sensorvorrichtung, die untere, mittlere und obere Feldsensoren aufweist, gemäß einer Ausführungsform ist;
• 6 eine schematische Figur eines Verfahrens zum Berechnen des Magnetfeldbeitrags von einem Zielrad und einer Sensorvorrichtung, die viele Feldsensoren aufweist, gemäß einer Ausführungsform ist;
• 7 eine graphische Darstellung ist, die die magnetische Feldstärke in der z-Richtung B nach 5 als eine Funktion der Position entlang der z-Achse gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
• 8 eine perspektivische Ansicht einer verdrehungsunempfindlichen Sensorvorrichtungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform ist;
• 9A–9C graphische Darstellungen der Magnetfelder von verdrehungsunempfindlichen Sensorvorrichtungskonfigurationen gemäß drei Ausführungsformen sind; und
• 10 eine teilweise Querschnittsansicht eines Zielrades und einer Sensorvorrichtung, die fingerartig ineinandergreifende Feldsensoren aufweist, gemäß einer Ausführungsform ist.
• Während die Ausführungsformen für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich sind, sind deren Einzelheiten beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch erkannt werden, dass es nicht die Absicht ist, auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen eingeschränkt zu sein. Die Absicht ist im Gegenteil, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen, einzuschließen.
• In den Ausführungsformen sind ein Satz oder mehrere Sätze von Sensoren in variierenden Abständen von einem Ziel angeordnet. Die Ausgaben der Sensoren können abgeglichen und kombiniert werden, um einen Vormagnetisierungsbeitrag zu dem Magnetfeldsignal zu unterdrücken, während ein Zielbeitrag maximiert wird. In einigen Ausführungsformen sind die Sensoren außerdem in einer verdrehungsunempfindlichen Montagekonfiguration angeordnet. Um die Verdrehungsunempfindlichkeit zu erreichen, sind die Sensoren so positioniert, dass in jedem gegebenen Abstand von dem Ziel die relative Verdrehung in einer Richtung orthogonal zu diesem Abstand den endgültigen Messwert des Signals nicht beeinflusst.
• Überall in der Anmeldung einschließlich der Zeichnungen wird ein kartesisches Koordinatensystem, das die x-, die y- und die z-Achse enthält, verwendet. Als Konvention überall in dieser Anmeldung ist die z-Richtung als die Richtung definiert, entlang der der (die) Sensor-Chip(s) und das Ziel voneinander beabstandet sind. Die x-Richtung ist oft als die Richtung definiert, in der sich das Ziel bewegt, wenn es an dem Sensor vorbeigeht. Die Magnetfeldkomponente B ist die primäre Größe von Interesse, die durch jeden der Magnetfeldsensoren in den im Folgenden beschriebenen Systemen gemessen wird. Dadurch bezeichnet B eine Komponente, die B_x oder B_y oder B_z oder irgendeine Kombination daraus sein kann. In einigen Ausführungsformen wird B_z gemessen, weil es für einen verdrehungsunempfindlichen Sensor ideal ist. Falls ein verdrehungsunempfindlicher Sensor um die z-Achse gedreht wird, bleibt B_z konstant, während sich B_x und B_y gemäß den Projektionsgesetzen ändern. Wenn eine verdrehungsunempfindliche Bauform gewünscht ist, dann sollte die Geometrie des verwendeten derartigen Vormagnetisierungsmagneten außerdem eine Rotationssymmetrie aufweisen. Das gezeigte Koordinatensystem wird nur für die Zwecke der Klarheit verwendet, wobei es nicht als in irgendeiner Weise einschränkend ausgelegt werden sollte. Es sollte selbstverständlich sein, dass verschiedene alternative Koordinatensysteme oder Anordnungen verwendet werden können, um die gleichen oder ähnlichen Systeme wie jene, die hier beschrieben sind, zu beschreiben.
• 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Magnetfeld-Sensorsystems 8, das ein Zielrad 10 und eine Sensorvorrichtung 12 enthält. Das Magnetfeld-Sensorsystem 8 erzeugt eine Signalausgabe Sig, die den Abstand zwischen dem Zielrad 10 und der Sensorvorrichtung 12 repräsentiert. Die Frequenz der Fluktuationen in Sig ist die gleiche wie die Frequenz, mit der die Zähne 14T an der Sensorvorrichtung 12 vorbeigehen (d. h., Sig ist eine Funktion der Drehposition des Zielrades 10 bezüglich der Sensorvorrichtung 12). Diese Frequenz kann verwendet werden, um die Drehzahl und/oder die Drehposition des Zielrads 10 zu ermitteln.
• Das Zielrad 10 enthält mehrere Zähne 14T, die die regelmäßig beabstandeten Zähne 14T _R und die unregelmäßigen Zähne 14T _I enthalten. Die Sensorvorrichtung 12 kann ein Gehäuse 16 und wenigstens eine Anschlussleitung 18 enthalten. Ein Luftspalt 20 ist der Abstand entlang der z-Achse zwischen dem Zielrad 10 und der Sensorvorrichtung 12. Eine Rotationsachse A_y erstreckt sich nur in der y-Richtung und geht etwa durch den Schwerpunkt des Zielrades 10. In einigen Ausführungsformen ist das Zielrad 10 einem Nockenwellensensor zugeordnet. Ein Zahn-Kerbe-Übergang kann eine spezifische Position des Zylinderkopfs angeben und eine Angabe bereitstellen, ein Einlass-/Auslassventil für den Kraftstoff zu schließen oder zu öffnen, den Funken für die Zündung auszulösen usw. Die Anzahl der Zähne kann der Anzahl der Zylinder des Motors entsprechen.
• Das Zielrad 10 ist eine sich drehende Komponente, wie z. B. ein Ring, der an der Nockenwelle oder der Kurbelwelle befestigt ist. Das Zielrad 10 ist in der x-z-Ebene um die Rotationsachse A_y drehbar. Das Zielrad 10 kann aus einem magnetisch weichen Material, wie z. B. einer ferromagnetischen Metalllegierung, hergestellt sein. Das Zielrad 10 als solches weist in einigen Ausführungsformen eine relativ hohe magnetische Suszeptibilität auf. In alternativen Ausführungsformen kann das Zielrad 10 ein hartmagnetisches Material mit abwechselnden Nord- und Südpolen, die entlang seinem Umfang angeordnet sind, sein. In diesen Ausführungsformen muss die Sensorvorrichtung 12 kein Magnetfeld erzeugen, weil das Zielrad 10 sein eigenes Feld erzeugt. In dem Fall eines permanent magnetisierten Ziels kann ein Vormagnetisierungsmagnet verwendet werden, um die Magnetfeld-Sensorelemente vorzumagnetisieren, insbesondere falls sie Magnetowiderstände sind. In alternativen Ausführungsformen können verschiedene andere Ziele verwendet werden, die keine Zielräder sind. Die Ziele können z. B. Walzen, Scheiben oder lineare Geometrien wie Maßstäbe oder Zahnstangen sein.
• Der Vormagnetisierungsmagnet erzeugt ein Vormagnetisierungsfeld, das überall in dieser Anmeldung als B_b bezeichnet wird, das durch die Bewegung eines magnetisch suszeptiblen Ziels moduliert oder beeinflusst werden kann. Diese Modulation, die überall in dieser Anmeldung als der Zielbeitrag B_t bezeichnet wird, kann abgetastet und analysiert werden, um die Position des Ziels selbst zu bestimmen. Der Vormagnetisierungsmagnet erzeugt ein Vormagnetisierungsfeld (B_b), das ein weichmagnetisches Ziel, das sich in der Nähe des Sensors bewegt, magnetisiert. Dieses magnetisierte Ziel erzeugt ein Zielfeld (B_t). Dadurch ist B_t eine indirekte Folge von B_b, die sich von dem unmittelbaren/direkten Vormagnetisierungsfeld B_b unterscheidet. Ein zusätzliches Hintergrundfeld kann außerdem das Gesamtfeld an irgendeinem Punkt beeinflussen. Meistens sind diese Hintergrundfelder überall in den Sensorsystemen im Wesentlichen homogen. Ein Hintergrundfeld kann irgendein Feld sein, das durch die Umgebung außerhalb des Sensorsystems erzeugt wird und das als eine Störung wirkt und eine mögliche Quelle eines Fehlers in der Sensorausgabe ist.
• Der Vormagnetisierungsmagnet regt nicht nur das Ziel an, sondern kann außerdem den Arbeitspunkt der Elemente innerhalb der Sensorvorrichtung 12 stabilisieren – d. h., der Vormagnetisierungsmagnet kann ein ausreichendes Feld bereitstellen, um die magnetoresistiven Elemente zu aktivieren. Konventionell wurde ein Rückwärts-Vormagnetisierungsmagnet verwendet, um ein sich bewegendes Zielrad zu magnetisieren. Für diesen Zweck umfasste das Zielrad oft ein weichmagnetisches Material, das eine relative magnetische Permeabilität von 300 oder mehr (oft 1500 oder mehr) aufweist. Herkömmliche Zielräder könnten z. B. aus Eisen(II)-Materialien hergestellt sein. Ein herkömmlicher Rückwärts-Vormagnetisierungsmagnet könnte außerdem verwendet werden, um das Sensorelement vorzumagnetisieren, z. B. im Fall eines Magneto-Widerstands. Der Rückwärts-Vormagnetisierungsmagnet als solcher würde den Hauptteil des Feldes an dem Sensorelement bereitstellen und dadurch den magnetischen Arbeitspunkt des Sensorelements definieren. Das Zielrad könnte dann kleine Fluktuationen des Feldes um dieses Rückwärts-Vormagnetisierungsfeld verursachen. Obwohl dies ähnlich ist, können relativ permeable Zielräder im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Systemen verwendet werden, wobei ein Vormagnetisierungsmagnet (nicht notwendigerweise ein Rückwärts-Vormagnetisierungsmagnet, weil er nicht hinter dem Sensor positioniert sein muss) bezüglich dieser Systeme verwendet werden kann.
• Die Sensorvorrichtung 12 kann Elemente enthalten, die Magnetfelder erzeugen, wobei sie außerdem Elemente enthalten kann, die diese Magnetfelder mit den Beiträgen von einer oder mehreren Quellen messen können. Das Vormagnetisierungs-Magnetfeld B_b geht von der Sensorvorrichtung 12 aus, die einen Vormagnetisierungsmagneten enthält. Das Vormagnetisierungs-Magnetfeld B_b kann z. B. durch das Orientieren eines Permanentmagneten erzeugt werden, um ein Magnetfeld, das eine Komponente in einer spezifischen Richtung (wie z. B. der z-Richtung) aufweist, an verschiedenen Sensorelementen zu erzeugen, wie bezüglich der 4–5 ausführlicher beschrieben wird.
• Wie vorher beschrieben worden ist, können magnetoresistive Sensorelemente (xMR-Sensorelemente), einschließlich aber nicht eingeschränkt auf AMR-Sensoren, GMR-Sensoren, CMR-Sensoren und TMR-Sensoren, verwendet werden, um die Magnetfelder zu messen. Die Messung der Magnetfeldkomponente B durch die Sensorvorrichtung 12 kann durch wenigstens ein (in 1 nicht gezeigtes) xMR-Sensorelement ausgeführt werden, das innerhalb des Gehäuses 16 enthalten ist. In Abhängigkeit von dem Sensortyp und der Bezugs-Magnetisierungsrichtung können verschiedene Konfigurationen und Orientierungen der xMR-Sensoren verwendet werden, um das Magnetfeld entlang der interessierenden Richtung zu messen. Außerdem kann die Magnetfeldkomponente B durch andere Magnetfeldsensoren, wie z. B. Hall-Sensoren, gemessen werden.
• Die Zähne 14T sind an dem äußeren Umfangsrand des Zielrades 10 angeordnet. Zwischen den Zähnen 14T entlang dem Umfang des Zielrades 10 befinden sich die Lücken 14G. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Zähne 14T einteilig mit dem Zielrad 10 ausgebildet, wobei sie sich von der Rotationsachse A_y radial nach außen erstrecken, obwohl dies nicht die Konfiguration anderer Zielräder in anderen Ausführungsformen sein muss. Die regelmäßig beabstandeten Zähne 14T _R sind mit regelmäßigem Abstand und regelmäßiger Größe um den äußeren Umfangsrand des Zielrades 10 positioniert. Im Gegensatz sind die unregelmäßig beabstandeten Zähne 14T _I nicht gleichmäßig dimensioniert oder gleichmäßig voneinander beabstandet. Die unregelmäßig geformten Zähne 14T _I erzeugen eindeutige Signalmuster in dem Magnetfeld B, die verwendet werden können, um die Drehposition des Zielrades 10 zu bestimmen. In alternativen Ausführungsformen, z. B. in jenen, in denen die absolute Drehposition des Zielrades 10 unwichtig ist, können alle Zähne 14T regelmäßig beabstandete Zähne 14T _R sein. Bezüglich der 2A–2E sind einige zusätzliche Verzahnungsanordnungen gezeigt, wobei sie im Folgenden ausführlicher erörtert werden.
• Wenn sich ein Zielrad 10 dreht (was durch den Pfeil angegeben ist), gehen die Zähne 14T an der Sensorvorrichtung 12 vorbei, wobei sie sich in der positiven x-Richtung bewegen. Das Zielrad 10 und die Sensorvorrichtung 12 sind durch den Luftspalt 20 getrennt, der am kleinsten ist, wenn einer der Zähne 14T auf der z-Achse positioniert ist, und der am größten ist, wenn eine der Lücken 14G auf der z-Achse positioniert ist. Die Sensorvorrichtung 12 erzeugt ein Vormagnetisierungs-Magnetfeld, B_b. In einigen Ausführungsformen ist das Zielrad 10 (einschließlich der Zähne 14T) magnetisch weich, so dass das durch die Sensorvorrichtung 12 erzeugte Vormagnetisierungs-Magnetfeld das Zielrad 10 magnetisiert, was ein induziertes Magnetfeld erzeugt. Das induzierte Feld wird hier als der Zielbeitrag, B_t, bezeichnet, wobei seine Komponente in der z-Richtung an jedem der verschiedenen Sensoren der Sensoreinheit 8 gemessen werden kann, um die Drehposition des Zielrades 10 zu ermitteln. Das Magnetfeld B, wie es durch die Magnetfeldsensoren der Sensorvorrichtung 12 gemessen wird, enthält sowohl den Zielbeitrag B_t und den Vormagnetisierungsbeitrag B_b als auch irgendein Hintergrund-Magnetfeld entlang der empfindlichen Richtung der Sensorvorrichtung 12.
• Der Zielbeitrag B_t ist von der Stärke des Vormagnetisierungsbeitrags B_b, der magnetischen Suszeptibilität des Zielrades 10 und der Größe des Luftspalts 20 abhängig. Der Zielbeitrag B_t ist eine Reaktion des Ziels, wenn es durch den Vormagnetisierungsbeitrag B_b angeregt wird. Durch das Messen des Zielbeitrags B_t, wenn sich das Zielrad 10 um die Achse A_y dreht, ist es möglich, die Drehzahl und/oder die Position des Zielrades 10 basierend auf den Änderungen des Zielbeitrags B_t, die durch die Bewegung der Zähne 14T und der Lücken 14G entlang der x-Richtung verursacht werden, zu ermitteln. Der Vormagnetisierungsbeitrag B_b und irgendein Hintergrund-Magnetfeld stellen nicht direkt Informationen hinsichtlich der Bewegung des Zielrades 10 bereit. Deshalb misst das Magnetfeld-Sensorsystem 8 das Gesamtmagnetfeld B in einer derartigen Weise, dass es den Vormagnetisierungsbeitrag B_b und/oder irgendwelche andere Beiträge des Hintergrundfeldes aus dem Ausgangssignal Sig entfernt. Die verschiedenen Sensorelemente innerhalb der Sensorvorrichtung 12 sind angeordnet und abgeglichen, um ein Ausgangssignal Sig zu erzeugen, das nur den Zielbeitrag B_t repräsentiert, wie später bezüglich der 4–6 beschrieben wird.
• Das Magnetfeld-Sensorsystem 8 ist ein teilweise verdrehungsunempfindlich angebrachtes System, falls der Magnet entlang der Verdrehungsachse (z. B. der z-Achse) magnetisiert ist und falls er keine Rotationsform aufweist. Für ein vollständig verdrehungsunempfindliches System würde der Vormagnetisierungsmagnet rotationssymmetrisch um die z-Achse sein müssen. In einem teilweise verdrehungsunempfindlichen System ändern sich die Größe und die Richtung des Zielbeitrags B_t nicht über einen Sollbetrag, wenn die Sensorvorrichtung 12 um die z-Achse gedreht wird.
• Die 2A–2E sind perspektivische Ansichten jeweils der Zielräder 110A–110E, die verschiedene Geometrien aufweisen. Ein Magnetfeld kann eine Magnetisierung irgendeines der Zielräder 110A–110E nach den 2A–2E induzieren, die wiederum eine Zielkomponente des Magnetfeldes an einem nahe gelegenen Sensorelement erzeugen kann. In den verschiedenen gezeigten Ausführungsformen können die Sensorsysteme entlang dem äußeren radialen Rand, entlang einem longitudinalen Rand oder in irgendeiner anderen Orientierung, die es dem Sensorsystem ermöglicht, das Vorhandensein des Zielrads, das Fehlen des Zielrads oder den relativen Abstand zu dem Zielrad (z. B. 110A–110E) als eine Funktion der Drehposition dieses Zielrades zu detektieren, angeordnet sein.
• Konventionell sind die Sensorvorrichtungen auf Sensor-Dies, die ihrem Ziel zugewandt sind, angeordnet worden und ist ein Rückwärts-Vormagnetisierungsmagnet von dem Ziel den Sensoren gegenüberliegend positioniert worden. 3 veranschaulicht eine derartige herkömmliche Anordnung. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, weist dieses herkömmliche System das Potential sowohl für mechanische Fehler als auch für Messfehler auf.
• Gemäß der in 3 gezeigten teilweisen Querschnittsansicht enthält ein herkömmliches Magnetfeld-Sensorsystem 208 ein Zielrad 210 und eine Sensorvorrichtung 212. Die Sensorvorrichtung 212 ist konfiguriert, das Magnetfeld in der z-Richtung zu messen, das sich in Abhängigkeit von dem Ort der Zähne 214T und der Lücken 214G ändert. Die Sensorvorrichtung 212 enthält ein Gehäuse 216 und die Anschlussleitungen 218. Das Zielrad 210 ist durch einen Luftspalt 220 von der Sensorvorrichtung 212 getrennt. Der Querschnitt der Sensorvorrichtung 212, der in 3 gezeigt ist, veranschaulicht ferner die inneren Komponenten, einschließlich eines Rückwärts-Vormagnetisierungs-Permanentmagneten 224, eines Feldsensor-Dies 226 und eines Magnetsensorelements S1. Der Feldsensor-Die 226 definiert eine Stirnfläche 226F, eine Oberfläche, entlang der das Magnetsensorelement S1 angeordnet ist.
• Herkömmliche Magnetfeld-Sensorsysteme, wie z. B. das Magnetfeld-Sensorsystem 208, erzeugen mit dem Permanentmagneten 224 ein Magnetfeld in der z-Richtung, das die Magnetisierung des Zielrades 210 induziert. Die Magnetisierung des Zielrades 210 kann basierend auf den Änderungen des Magnetfeldes in der z-Richtung detektiert werden. Der Magnetfeldsensor-Die 226 ist zwischen dem Permanentmagneten 224 und dem Zielrad 210 angeordnet. Der Feldsensor-Die 226 kann z. B. ein Halbleiter-Chip sein. Das Magnetsensorelement S1 ist an der Stirnfläche 226F des Feldsensor-Dies 226 positioniert, die sich orthogonal zu der z-Achse erstreckt.
• Die in 3 gezeigte Anordnung mit der zu der z-Achse orthogonalen Stirnfläche 226F unter dem Permanentmagneten 224 erfordert, dass die Anschlussleitungen 218 um den Permanentmagneten 224 gebogen sind, was zu Zuverlässigkeitsrisiken für die Sensorvorrichtung 212 führt. Das Magnetsensorelement S1 detektiert die Magnetfelder in der z-Richtung, die durch irgendeine Quelle verursacht werden, einschließlich des Zielrades 210, des Permanentmagneten 224 und irgendeines anderen Hintergrundfeldes, das eine Komponente in z-Richtung aufweist. Oft erzeugt die Quelle des Rückwärts-Vormagnetisierungs-Magnetfeldes (in diesem Fall der Permanentmagnet 224) einen Rückwärts-Vormagnetisierungsbeitrag B_backbias von einigen Hundert mT, wohingegen der von dem Zielrad 210 erzeugte Zielbeitrag B_t oft nur einige mT beträgt. Einige alternative herkömmliche Systeme enthalten Magnetanordnungen, die das Magnetfeld in einer derartigen Weise formen, dass der Vormagnetisierungsbeitrag B_backbias in der Nähe des Magnetsensorelements S1 klein oder null ist, aber an dem Zielrad 210 immer noch groß ist, um den Zielbeitrag B_t zu maximieren. Die Anordnung nach 3 ist insofern verdrehungsunempfindlich um die z-Achse, als (i) sich der Sensorort auf der z-Achse befindet, (ii) die empfindliche Richtung der Sensorelemente entlang z ist und sich deshalb nicht ändert, wenn der Sensor um die z-Achse verdreht wird, (iii) der Magnet entlang der z-Richtung magnetisiert ist und sich deshalb das Feld, das auf das Ziel wirkt, nicht ändert, wenn die Sensoreinheit um die z-Achse verdreht wird, und (iv) der Magnet eine Rotationssymmetrie um die z-Achse aufweist, so dass sich das Feld, das auf das Ziel wirkt, nicht ändert, wenn die Sensoreinheit um die z-Achse verdreht wird.
• 4 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Magnetfeld-Sensorsystem 308, das ein Zielrad 310 und eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung 312 enthält. Das Zielrad 310 enthält die Zähne 314T und die Lücken 314G, die sich in der positiven x-Richtung bewegen, wenn sich das Rad 310 in Bewegung befindet. In alternativen Ausführungsformen und in Abhängigkeit von der verwendeten Koordinatensystem-Konvention könnten sich die Zähne 314T und die Lücken 314G während irgendeines gegebenen Zeitraums ausschließlich in der positiven x-Richtung, ausschließlich in der negativen x-Richtung oder sowohl in der positiven als auch in der negativen x-Richtung bewegen.
• Die Magnetfeld-Sensorvorrichtung 312 nach 4 enthält ein Gehäuse 316, das mechanisch an die Anschlussleitungen 318 gekoppelt ist, die ein Signal Sig(S2, S3), das von einer Kombination aus den Sensorausgangssignalen der Sensoren S2 und S3 abgeleitet ist, zu einer entfernten Vorrichtung, wie z. B. einem (nicht gezeigten) Controller, übertragen. Das Gehäuse 316 ist entlang der z-Achse um den Luftspalt 320 von dem Zielrad 310 getrennt. Die Größe des Luftspalts 320 ist relativ am kleinsten, wenn das Gehäuse 316 einem der Zähne 314T benachbart positioniert ist, und ist relativ am größten, wenn das Gehäuse 316 einer der Lücken 314G benachbart positioniert ist.
• Die Magnetfeld-Sensorvorrichtung 312 enthält ferner einen Vormagnetisierungsmagneten 324, einen Magnetfeldsensor-Die 326, ein unteres Magnetfeld-Sensorelement S2, ein oberes Magnetfeld-Sensorelement S3 und die Bonddrähte 328. Der Vormagnetisierungsmagnet 324 kann dem Gehäuse 316 benachbart angeordnet sein, wobei er in dieser Ausführungsform entlang der z-Achse wenigstens teilweise magnetisiert ist. Das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 und das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 sind entlang der Stirnfläche 326F angeordnet, einer Oberfläche des Feldsensor-Dies 326, die sich entlang der z-Achse erstreckt. Das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 ist näher an dem Zielrad 310 als das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 angeordnet. Sowohl das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 als auch das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 sind durch die Bonddrähte 328 mit den Anschlussleitungen 318 verbunden.
• Obwohl die Magnetfeld-Sensorelemente S2 und S3 bezüglich der in 4 veranschaulichten Ausführungsform als "oberes" und "unteres" bezeichnet sind, könnten in alternativen Ausführungsformen irgendwelche erste und zweite Sensorelemente verwendet werden. Die Bezeichnungen "oberes" und "unteres" werden lediglich zur Erleichterung des Vergleichs mit der Veranschaulichung verwendet, wobei durch einen Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird, dass irgendwelche erste und zweite Magnetsensorelemente, die in relativ nahe gelegenen und entfernten Positionen von einem Ziel oder Zielen angeordnet sind, für die gleiche Wirkung verwendet werden können.
• Der Vormagnetisierungsmagnet 324 erzeugt ein Vormagnetisierungs-Magnetfeld B_b. Der Vormagnetisierungsmagnet 324 kann ein Permanentmagnet sein, wie z. B. ein Seltene-Erden-Magnet, oder der Vormagnetisierungsmagnet 324 kann alternativ ein Elektromagnet oder irgendein anderer geeigneter Magnet oder irgendeine andere Magnetfeldquelle sein. Das Zielrad 310 wird durch das Vormagnetisierungs-Magnetfeld B_b magnetisiert, wobei es im Ergebnis den Zielbeitrag B_t erzeugt. Das Ausgangssignal Sig(S2, S3), das oft nur den Zielbeitrag B_t repräsentiert, wird über die Anschlussleitungen 318 zu einer entfernten Vorrichtung, wie z. B. einem Controller, übertragen. Der Zielbeitrag B_t ist zu der Größe des Luftspaltes 320 proportional. Der Zielbeitrag B_t kann z. B. exponentiell mit der Größe des Luftspalts 320 zerfallen. Der Wert des Zielbeitrags B_t als solcher hängt davon ab, ob ein Zahn 314T oder eine Lücke 314G der Magnetfeld-Sensorvorrichtung 312 benachbart positioniert ist. Wenn sich das Zielrad 310 dreht, bewegen sich die Zähne 314T und die Lücken 314G in der positiven x-Richtung, wobei die Sensorvorrichtung 312 im Ergebnis des abwechselnden Vorbeizugs der Zähne 314T und der Lücken 314G abwechselnd ein hohes und ein tiefes B_t detektiert.
• In der gezeigten Ausführungsform ist der Vormagnetisierungsmagnet 324 an dem Sensor-Die befestigt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Magnet in verschiedenen alternativen Weisen an den Sensor-Die gekoppelt sein, einschließlich der Ausführungsformen, in denen sowohl der Magnet als auch der Sensor-Die nebeneinander an einem gemeinsamen Gehäuserahmen auf derselben Seite des Gehäuserahmens oder auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserahmens befestigt sind, oder der Sensor-Die kann durch eine Form abgedeckt sein und der Magnet kann an dem Formkörper befestigt sein, oder der Magnet kann außerdem entweder auf der Seite, die von dem Gehäuserahmen abgewandt ist, oder auf der Seite, die dem Gehäuserahmen zugewandt ist, an dem Sensor-Die befestigt sein.
• Der Feldsensor-Die 326 ist ein Substrat oder eine andere Struktur, die sowohl das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 als auch das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 stützt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Feldsensor-Die 326 ein Substrat, einen Halbleiter-Die, einen Gehäuserahmen, der mit einem oder mehreren Halbleiter-Dies gekoppelt ist, eine Komponentenplatte, eine Kombination daraus oder irgendeine andere Stützstruktur, die eine genaue oder relative Anordnung der Sensoren S2 und S3 in Bezug aufeinander und/oder wenigstens eine andere Komponente herstellen und/oder aufrechterhalten kann, umfassen. Das Feldsensorelement umfasst oft einen ersten und einen zweiten Satz von Sensorelementen und kann außerdem einen Speicher und/oder eine Schaltungsanordnung enthalten oder nicht enthalten. Die Sensorelementsätze, der Speicher und die Schaltungsanordnung können auf Wunsch zwischen irgendeiner Anzahl von Dies verteilt sein. In einigen Ausführungsformen kann z. B. ein Sensor-Die verwendet werden, der eine große Merkmalsgröße aufweist, die große Dies (und folglich einen großen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Satz von Sensorelementen) ermöglicht. In diesen Ausführungsformen kann der zweite Die irgendeinen gewünschten Speicher oder irgendeine gewünschte Schaltungsanordnung enthalten. Zum Beispiel und für die Einfachheit wird hier überall der Begriff "Feldsensor-Die" im Allgemeinen verwendet, wobei er aber nicht bezüglich aller Ausführungsformen und/oder des Schutzumfangs der Ansprüche einschränkend ist.
• In alternativen Ausführungsformen könnten das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 und das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 auf separaten Dies oder Substraten positioniert sein. Das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 und das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 können xMR-Sensoren sein, die entlang der y-z-Ebene angeordnet sind, so dass das Magnetfeld B einschließlich der Beiträge des Vormagnetisierungsbeitrags B_b und des Zielbeitrags B_t detektiert werden kann. In alternativen Ausführungsformen könnten die Magnetfeld-Sensorelemente S2 und S3 entlang der x-z-Ebene oder in irgendeiner anderen Orientierung angeordnet sein. Die Sensorelemente S2 und S3 können alternativ außerdem Hall-Platten sein, die die x-Komponente oder die y-Komponente des Zielmagnetfeldes oder irgendeine Kombination daraus detektieren. In diesem Fall kann der Sensor nicht verdrehungsunempfindlich sein.
• Falls der Vormagnetisierungsbeitrag B_b durch das Kombinieren der Sensorelementausgaben entfernt wird, kann der Zielbeitrag B_t direkt berechnet werden, wie in den Gln. 1–3 im Folgenden beschrieben ist. Der Unterschied in dem Zielbeitrag am unteren Magnetfeldsensor, B_t(S2), und dem Zielbeitrag am oberen Magnetfeldsensor, B_t(S3), ist vom Abstand des unteren und des oberen Magnetfeld-Sensorelements S2 und S3 abhängig. Wenn der Vormagnetisierungsbeitrag B_b über dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S2 und dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S3 völlig gleich ist, dann kann das Ausgangssignal Sig(S2, S3), das diesen Unterschied B_t(S2) – B_t(S3) repräsentiert, durch das Subtrahieren der gemessenen Komponenten der beiden Sensorelement direkt berechnet werden. B(S2) – B(S3) = [B_t(S2) + B_b(S2)] – [B_t(S3) + B_b(S3)] [1] und B_b(S2) = B_b(S3), [2] deshalb B(S2) – B(S3) = B_t(S2) – B_t(S3) = Sig(S2, S3). [3]
• Weil sich das untere Magnetfeld-Sensorelement S2 und das obere Magnetfeld-Sensorelement S3 in verschiedenen Abständen von dem Zielrad 310 befinden, messen sie verschiedene Zielbeiträge B_t, wobei Sig(S2, S3) nicht null ist. Der Unterschied zwischen den abgetasteten Feldkomponenten bei S2 und S3 verändert sich basierend auf der Nähe eines Zahns oder einer Lücke.
• Diese Kombinationen des abgetasteten Magnetfeldes können durch eine (nicht gezeigte) Schaltungsanordnung ausgeführt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kombination der Ausgaben der einzelnen Sensorelemente (z. B. S2, S3) einfach durch das direkte Subtrahieren der analogen Ausgaben der beiden Elemente voneinander ausgeführt werden. In anderen Ausführungsformen können Vorkonditionierungsschritte, die durch die Fachleute auf dem Gebiet leicht verstanden werden, implementiert sein, um die Kombination der Ausgaben der einzelnen Sensorelemente miteinander in eine nützliche Ausgabe zu fördern. In den Ausführungsformen, die viele Sensorelemente aufweisen, die kombiniert werden, können z. B. verschiedene Unterkombinationen zwischen kleineren Teilmengen der Sensorelemente gebildet werden. Außerdem können in einigen Ausführungsformen die Ausgaben der einzelnen Sensorelemente in irgendeine andere Form umgesetzt werden, um kombiniert zu werden, z. B. durch das Senden jener abgetasteten Magnetfeldsignale von den einzelnen Sensorelementen an einen Analog-Digital-Umsetzer. Die digitalen Ausgaben in diesen Ausführungsformen können leicht verglichen, addiert, subtrahiert oder in anderen Weisen kombiniert werden, um eine nützliche Ausgabe zu bilden. Wie in den Ausführungsformen, die in den späteren Figuren gezeigt sind, gesehen wird, sind oft mehrere Sensorelemente in Sensorsätzen kombiniert, die vor den Kombinationen zwischen den Sätzen in ähnlichen Weisen vorkonditioniert werden können.
• Zusätzlich zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das nur von dem Zielbeitrag B_t abhängig ist, kann das in 4 gezeigte System die Zuverlässigkeitsrisiken eliminieren, die mit den gebogenen Anschlussleitungsdrähten in Verbindung stehen, die vorher bezüglich des in 3 gezeigten herkömmlichen Systems beschrieben worden sind.
• In alternativen Ausführungsformen kann der Vormagnetisierungsmagnet 324 innerhalb des Gehäuses 316 angeordnet sein. Der Vormagnetisierungsmagnet 324 kann eine komplexe Geometrie aufweisen, um verschiedene Soll-Feldmuster zu erzeugen. Der Vormagnetisierungsmagnet 324 kann z. B. in einer verdrehungsunempfindlichen Weise angebracht sein, wie bezüglich der 8A–8C ausführlicher beschrieben wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Vormagnetisierungsmagnet 324 konfiguriert sein, einen Magnetfeldgradienten über dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S2 und dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S3 zu erzeugen, wie bezüglich der 7 und 9A–9C ausführlicher beschrieben wird. Ein derartiger Feldgradient könnte jedoch ein Versagen der Gl. 2 verursachen und eine Eichung des oberen und des unteren Magnetfeld-Sensorelements S2 bzw. S3 erfordern. In der Praxis ist das Feld aufgrund verschiedener Toleranzen sowohl an dem oberen als auch dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S2 bzw. S3 stark und verschieden, so dass der Unterschied Sig(S2, S3) einen großen Rest-Vormagnetisierungsbeitrag B_b von dem Vormagnetisierungsmagneten 324 und einen relativ kleineren Zielbeitrag B_t von dem Zielrad 310 aufweist. Folglich kann es für das Magnetfeld-Sensorsystem 308 schwierig sein, den Zielbeitrag B_t von dem Vormagnetisierungsbeitrag B_b für alle außer den am sorgfältigsten gesteuerten Vormagnetisierungsfeldbeiträgen B_b zu unterscheiden.
• 5 ist eine teilweise Querschnittsansicht des Magnetfeld-Sensorsystems 408, das ein Zielrad 410 und eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung 412 enthält. Das in 5 gezeigte System 408 ist im Wesentlichen zu dem System ähnlich, das bezüglich 4 vorher beschrieben worden ist, mit Ausnahme, dass die Sensorvorrichtung 412 anstatt zwei Sensorelementen drei Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 enthält, die entlang der z-Richtung beabstandet sind. Die drei Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 des Systems 408 können in den Ausführungsformen den Zielbeitrag B_t genauer von dem Vormagnetisierungsbeitrag B_b unterscheiden. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist das Sensorelement S4 im Wesentlichen zu dem Sensorelement S2 nach 4 ähnlich. Gleichermaßen ist in der in 5 gezeigten Ausführungsform das Sensorelement S6 im Wesentlichen zu dem Sensorelement S3 nach 4 ähnlich. Folglich ist ein beachtenswerter Unterschied zwischen den in diesen beiden Figuren gezeigten Ausführungsformen, dass die in 4 gezeigte Ausführungsform ein zusätzlicher Sensorelement, S5, enthält, das zwischen den Sensorelementen S4 und S6 positioniert ist.
• Die Sensorvorrichtung 412 enthält ein Gehäuse 416 und die Zuleitungen 418. Das Gehäuse 416 ist durch einen Luftspalt 420 von dem Zielrad 410 beabstandet. Der Luftspalt 420 ändert sich bezüglich der Zeit, wenn sich die Zähne 414T und die Lücken 414G in der positiven x-Richtung an der Magnetfeld-Sensorvorrichtung 412 vorbeibewegen. Der Vormagnetisierungsmagnet 424 erzeugt einen Beitrag B_b des Vormagnetisierungs-Magnetfelds, der wiederum den Zielbeitrag B_t erzeugt. Die Stirnfläche 426F des Magnetfeldsensor-Dies 426 erstreckt sich entlang der z-Achse, wobei das untere Magnetfeld-Sensorelement S4, das mittlere Magnetfeld-Sensorelement S5 und das obere Magnetfeld-Sensorelement S6 entlang der Stirnfläche 426F angeordnet sind. Jedes von dem unteren, dem mittleren und dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S4–S6 ist gegen Magnetfelder in der gleichen Richtung (z. B. der z-Richtung) empfindlich.
• Jedes der Magnetfeld-Sensorelemente S4–S6 misst die Gesamtmagnetfeldkomponente B, z. B. in der z-Richtung. Sig(S4, S5, S6) ist ein Ausgangssignal, das ausschließlich von dem Zielbeitrag B_t abhängig ist. Sig(S4, S5, S6) ist eine Funktion der Feldkomponente B, die an jedem von dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S4, dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 und dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S6 beobachtet wird.
• Jede der gemessenen Feldkomponenten B(S4), B(S5) und B(S6) weist einen Vormagnetisierungsbeitrag B_b und einen Zielbeitrag B_t auf:

  
• Das Ausgangssignal Sig(S4, S5, S6) kann folglich als Folgendes geschrieben werden: Sig(S4, S5, S6) = Sig_t(S4, S5, S6) + Sig_b(S4, S5, S6) = B(S4) – xB(S5) – (1 – x)B(S6).
• Es werden Abgleichswerte verwendet, um die Ausgabe der verschiedenen Sensoren S5–S6 einzustellen. Tatsächlich führt das Abgleichen der Ausgaben der Sensorelemente S5 und S6 und das Kombinieren dieser zu einer Ausgabe, die einer Komponente des Feldes irgendwo zwischen diesen beiden Sensoren entspricht. Das Einstellen des auf jedes Sensorelement angewendeten Abgleichsfaktors verschiebt den Schwerpunkt der Gruppe, die aus S5 und S6 besteht, so dass das Vormagnetisierungsfeld B_b und irgendein Hintergrundfeld aufgehoben werden, wenn sie mit der ersten Gruppe kombiniert werden. Es sei angegeben, dass andere Teilmengen der Sensoren in eine abgeglichene Gruppe kombiniert werden können. Die Sensorelemente S4 und S5 können z. B. eine abgeglichene Gruppe bilden. Viele Sensorelemente, von denen jedes einen zugeordneten Abgleichswert aufweist, können eine Gruppe bilden.
• Die Abgleichswerte können verwendet werden, um jeden Sensor (z. B. S5 oder S6) einzeln einzustellen, um seine Leistung zu modifizieren, wobei der Abgleichswert diesem Sensor permanent zugeordnet werden kann. Das Abgleichen kann in verschiedenen Ausführungsformen in einer digitalen oder in einer binären Weise durch das Schneiden von Laser-Sicherungen oder das Löschen von Zener-Dioden oder das Schmelzen von Hohlraumsicherungen oder das Programmieren eines Flash oder eines EEPROM ausgeführt werden. Das Abgleichen kann außerdem in einer analogen Weise durch das Lasern von Widerstands-Mäandern oder das Verbinden von Widerständen mit angemessen gewählten Widerstandswerten mit den Anschlüssen einer Schaltung ausgeführt werden. In alternativen Ausführungsformen können die Abgleichswerte anstatt als ein Widerstand als eine Kapazität gespeichert sein. Oft ist der Abgleichswert physisch in einem Speicher gespeichert, der ein Teil des Systems ist. Der Speicher kann durch das System während des Betriebs lesbar sein und kann außerdem während einer Eichprozedur programmierbar sein. Falls die Optimierung der Sensorvorrichtung durch das Einstellen der Sensorelemente für einen Vormagnetisierungsmagneten ausgeführt wird, kann das Abgleichen ausgeführt werden, nachdem der Vormagnetisierungsmagnet an die Sensorelemente mechanisch gekoppelt worden ist.
• Ein Abgleichsfaktor x kann gewählt werden, wobei das gemessene Signal von den Magnetfeld-Sensorelementen S4–S6 in einer derartigen Weise kombiniert werden kann, dass der Vormagnetisierungsanteil des Ausgangssignals Sig_b(S4, S5, S6) null ist: Sig_b(S4, S5, S6) = B_b(S4) – xB_b(S5) – (1 – x)B_b(S6) = 0, [5] was dem Messen des Magnetfeldes an irgendeinem Zwischenpunkt zwischen S5 und S6 entspricht. Die Subtraktion des Signals S4 und die Kombination der abgeglichenen Signale von S5, S6 hat die Wirkung des Aufhebens irgendwelcher homogenen Hintergrund-Magnetstörungen. In einer Eichprozedur kann x eingestellt werden, um die Gleichung [5] zu erfüllen. Oft ist der Vormagnetisierungsmagnet konfiguriert, die Vormagnetisierungs-Magnetfelder B_b an den Sensorelementen S4, S5, S6 zu erreichen, die einen x-Wert nahe bei null erzeugen. Der Wert x = 0 kann vorteilhaft sein, weil gemäß Gleichung [5] der Abstand zwischen den beiden aktiven Sensoren S4 und S6 maximiert ist und die beste Empfindlichkeit für das Ziel ergeben kann. In den Situationen, in denen das Vormagnetisierungs-Magnetfeld eine gerade Symmetrie aufweist, so dass B_b(S4) = B_b(S6) gilt, ist dann x = 0. In diesen Ausführungsformen kann der mittlere Magnetfeldsensor S5 ausgeschaltet sein, was Stromaufnahme eingespart. In anderen Verwendungen weist das Vormagnetisierungs-Magnetfeld eine ungerade Symmetrie auf, wobei alle 3 Sensorelemente S4–S6 benötigt werden, um den Vormagnetisierungsbeitrag in dem Gesamtsignal aufzuheben. Dies geschieht in der Praxis für gewöhnlich aufgrund der Herstellungs- und Zusammenbautoleranzen des Magneten und des Sensors.
• Durch das Umordnen der Gl. 5 kann gesehen werden, dass

  

  gilt, wobei der Abgleichsfaktor x null ist, wenn die Vormagnetisierungsbeiträge B_b(S4) = B_b(S6) sind, und unendlich ist, wenn der Vormagnetisierungsbeitrag B_b(S6) sich dem Vormagnetisierungsbeitrag B_b(S5) nähert. In dem Fall, in dem der Abgleichsfaktor x = 0 ist, messen das untere und das obere Magnetfeld-Sensorelement S4 und S6 die gleiche Größe des Vormagnetisierungsmagnetfeldes, wobei das mittlerer Magnetfeld-Sensorelement S5 nicht notwendig ist, um das Vormagnetisierungsfeld B_b aufzuheben.
• Der Abgleichsfaktor x kann in einem digitalen oder einem analogen Speicher der Sensorvorrichtung 412 gespeichert sein. Nachdem der Magnet (z. B. der Magnet 424 nach 5) an der Sensorvorrichtung (z. B. der Sensorvorrichtung 412 nach 5) befestigt ist, kann der Abgleichsfaktor x in einem Test am Ende der Fertigungsstraße als Teil des Herstellungsprozesses bestimmt werden und in einen Chip (der nicht gezeigt ist, wobei aber in einigen Ausführungsformen der Chip ein Teil der Sensorvorrichtung 412 sein könnte) programmiert werden. Alternativ kann der Abgleichswert x in den Sensor-Die 426 programmiert werden, bevor er vor einem Ziel angebracht wird. Der Widerstand zwischen den beiden Knoten an dem Sensor-Die 426 kann z. B. durch Lasern modifiziert werden, um einen Abgleichswert als einen Widerstand zu speichern. In anderen Fällen kann der Abgleichswert x nach dem Anbringen der Sensorvorrichtung 412 vor einem Ziel bestimmt werden. In diesem Fall kann das Ziel zu einer Eichposition gedreht werden, wobei der Abgleichsfaktor x so festgelegt wird, dass in dieser Position das Ausgangssignal Sig(S4, S5, S6) = 0 ist. Die Eichposition kann z. B. eine sein, in der die Mitte eines Zahns oder die Mitte einer Lücke entlang der z-Achse der Sensorvorrichtung benachbart positioniert ist.
• Zusätzlich zu dem Aufheben des Vormagnetisierungsfeldes B_b kann es erwünscht sein, den Zielbeitrag B_t zu maximieren, der in vielen Fällen der wirkliche Wert von Interesse ist. Der Zielbeitrag B_t ist von dem Abstand jedes der Magnetfeld-Sensorelemente S4–S6 von dem Zielrad 410 abhängig. Der Zielbeitrag B_t kann aufgrund des Zerfalls des Magnetfeldes mit dem Abstand von dem Zielrad 410 an dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 kleiner als an dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S4 sein und an dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S6 kleiner als an dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 sein. Der Zielbeitrag bei S6 kann jedoch außerdem so stark wie bei S5 sein, insbesondere falls sie in dem gleichen Abstand von einem Ziel angeordnet sind. Einige Sensorelemente müssen sich nicht in anderen Abständen von dem Ziel als andere befinden – stattdessen müssen die Sensorelemente nur in drei oder mehr Abständen von dem Ziel positioniert sein. Die Zielbeiträge B_t an jedem Sensor können durch die Gl. 7 im Folgenden in Beziehung gesetzt werden:

  

  wobei 1 > ε_S5 > ε_S6 > 0 gilt. Die Komponente des Ausgangssignals, die dem Zielbeitrag B_t zuzuschreiben ist, Sig(S4, S5, S6), kann als Folgendes geschrieben werden: Sig(S4, S5, S6) = B_t(S4) – xB_t(S5) – (1 – x)B_t(S6) = B_t(S4)[1 – ε_S6 – x(ε_S5 – ε_S6)]. [8]
• Aus Gl. 8 ist es offensichtlich, dass das Signal, das dem Zielbeitrag zuschreibbar ist, Sig(S4, S5, S6), maximiert ist, wenn der Abgleichsfaktor x null ist.
• Durch das geeignete Beabstanden der drei Magnetfeld-Sensorelemente S4–S6 und das geeignete Abgleichen von S5 und S6 kann ein Ausgangssignal Sig(S4, S5, S6), das nur von den Zielbeitrag B_t an jedem Sensor abhängig ist, erzeugt werden. Das richtige Abgleichen minimiert oder eliminiert nicht nur den Vormagnetisierungsbeitrag B_b des Magnetfelds, sondern maximiert das Signal Sig, das von dem Zielbeitrag B_t abhängig ist.
• In alternativen Ausführungsformen kann der Magnet 424 aus mehreren Unterabschnitten bestehen. Die mehreren Unterabschnitte können in verschiedenen Richtungen magnetisiert sein, um das Vormagnetisierungsfeld B_b an spezifischen Orten zu verringern. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorvorrichtung 412 durch irgendeine magnetische Formmasse umgossen sein, so dass die Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5, S6 innerhalb eines Magneten untergebracht sind. Zusätzlich oder alternativ kann der Magnet 424 die Form eines allgemeinen Zylinders aufweisen, wobei die Zylinderachse mit der z-Achse übereinstimmend ist. Es können Flussführungen verwendet werden, um das Magnetfeld in der Nähe der Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 zu formen. Der Magnet 424 muss kein Permanentmagnet sein, sondern könnte stattdessen ein Elektromagnet sein. In noch weiteren Ausführungsformen müssen die Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 keine xMR-Sensoren sein. Die Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 könnten z. B. horizontale Hall-Platten sein, die die Felder senkrecht zu ihren Hauptflächen detektieren, wobei diese Hall-Platten so angeordnet sein können, dass ihre Hauptflächen auf die z-Achse ausgerichtet sind. In noch anderen Ausführungsformen können die Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen sein.
• 6 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Berechnen des Zielbeitrags B_t und zum Eliminieren des Vormagnetisierungsbeitrags B_b unter Verwendung der Koeffizienten a₁, a₂, ..., a_m und der Abgleichskoeffizienten b₁, b₂, ..., b_n. 6 zeigt ein verallgemeinertes System, das einen ersten Sensorsatz A, wobei jeder Sensor von diesem die Feldkomponente B misst und mit einem Koeffizienten a multipliziert wird, so dass sich eine Kombination der gemessenen Feldkomponenten des ersten Sensorsatzes auf eine Magnetfeldkomponente an einem ersten Ort bezieht, und einen zweiten Sensorsatz B, wobei jeder Sensor von diesem die Feldkomponente B misst und mit einem Abgleichskoeffizienten b multipliziert wird, so dass sich eine Kombination der gemessenen Feldkomponenten des abgeglichenen zweiten Sensorsatzes auf dieselbe Magnetfeldkomponente an einem zweiten Ort, der von dem ersten Ort verschieden ist, bezieht. Es wird angegeben, dass die Kombination eine Summation sein kann, wie durch den Großbuchstaben Sigma in 6 angegeben ist, wobei aber in komplizierteren Systemen die Kombination eine größere Anzahl von verschiedenen Berechnungen umfassen kann, wie z. B. die Addition konstanter Terme und die Multiplikation mit konstanten Termen oder Multiplikationen, Wurzeln, Exponentialgrößen, goniometrische Formeln und alle Arten von Funktionsbeziehungen zwischen den einzelnen Sensorsignalen; wobei die vollständige Folge von Berechnungen zu einem Algorithmus äquivalent sein kann.
• Wie durch die Legende angegeben ist, kann sich der obere Sensorsatz B weiter in der positiven z-Richtung als der untere Sensorsatz A befinden. Nachdem die abgetasteten Magnetfelder mit ihren Gewichtungskoeffizienten multipliziert worden sind, werden sie kombiniert, um die Satzsignale Sig(A) und Sig(B) zu erzeugen, die die durch die Sensoren jedes Satzes gemessene Gesamtfeldkomponente repräsentieren, wie in der Gl. 9 gezeigt ist.

  
• Jeder der Sensorsätze A und B enthält eine Gruppe aus einer beliebigen Anzahl von Sensoren. Um die homogenen Magnetfelder in dem Gesamtsignal Sig(A, B) = Sig(A) – Sig(B) aufzuheben, können die Gewichtungskoeffizienten so gewählt sein, das a₁ + a₂ + ... + a_m = b₁ + b₂ + ... + b_n [10] gilt. Um das Gesamtsignal zu maximieren, weist außerdem die gewichtete Ausgabe von jedem Feldsensor innerhalb jedes Satzes vorzugsweise, aber nicht immer das gleiche Vorzeichen auf, wie in Gl. 11 gezeigt ist.

  
• Für einige Sensoren werden die Gewichtungskoeffizienten einfach mit der Ausgabe des Magnetfeldssensors multipliziert. In alternativen Ausführungsformen kann jedoch außerdem die Versorgungsspannung/der Versorgungstrom des Sensorelements durch den Gewichtungsfaktor geändert werden. Viele Sensorelemente (wie z. B. Hall-Platten und die Wheatstone-Brückenschaltungen der MR-Sensoren) weisen ein Ausgangssignal auf, das zunimmt, wenn die Versorgung zunimmt. Folglich kann das Ausgangssignal jedes Sensorelements unter Verwendung einer Änderung der Eingangsspannung oder des Eingangsstroms, sei es linear oder nichtlinear, oder eine nachträgliche Einstellung des abgetasteten Feldsignals eingestellt werden.
• Es gibt mehrere Konfigurationen der Gewichtungskoeffizienten, die zur Aufhebung des Anteils der Signale von dem Sensorsatz A und dem Sensorsatz B aufgrund der Vormagnetisierung führen (d. h., es gibt mehrere Lösungen, die zu Sig_b(A) – Sig_b(B) = 0 führen). Folglich können zwei Folgen von Gewichtungskoeffizienten {a₁, a₂, ..., a_m} und {b₁, b₂, ..., b_n} gewählt werden, die nicht nur die Vormagnetisierungsbeiträge aufheben, sondern außerdem den Rauschabstand (SNR) der Signalausgabe Sig maximieren. Die Gewichtungskoeffizienten können außerdem konfiguriert sein, die Wirkungen des Jitter zu minimieren. Ein Rad, das mit einer konstanten Drehzahl läuft, gibt ein Muster von Hochs und Tiefs aus, das nach einer Umdrehung periodisch ist. Aufgrund mechanischer Schwingungen kann die periodische Art um einen bestimmten Fehler versetzt sein, der als Jitter bekannt ist. Es können Gewichtungskoeffizienten gewählt werden, die die Wirkung des Jitters durch das Maximieren des SNR minimieren.
• Die Ausgaben von jedem Sensor innerhalb der Sätze werden kombiniert, um Sig(A) und Sig(B) zu erzeugen. Der Unterschied zwischen diesen durch Vormagnetisierung gewichteten Ausgangssignalen der Sensorsätze A und B, Sig(A) – Sig(B), ist bei geeignetem Abgleichen null und ändert sich mit der Bewegung des Ziels nicht wesentlich. Der Zielbeitrag B_t ändert sich jedoch, wenn sich das Ziel bewegt. Folglich wird Sig(A) – Sig(B) nur basierend auf dem Zielbeitrag B_t ein von null verschiedenes Signal Sig(A, B).
• Das bezüglich 4 beschriebene System ist eine Ausführungsform des abstrakten Systems, das schematisch bezüglich 6 beschrieben worden ist, in dem jeder der Sätze A und B nur einen Sensor enthält (das Magnetfeld-Sensorelement S2 ist das einzige Element des ersten Satzes A, das Magnetfeld-Sensorelement S3 ist das einzige Element des oberen Satzes B und für die Gewichtungskoeffizienten gilt a₁ = b₁ = 1). In einer alternativen Ausführungsform kann der Gewichtungskoeffizient b₁ abgeglichen werden (z. B. zwischen 0 und 2), um die Beiträge des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes in dem Signal Sig(A, B) aufzuheben. Falls b₁ von 1 verschieden ist, führt dies zu einer schlechten Unterdrückung der homogenen Hintergrund-Magnetstörungen, dieser Nachteil kann jedoch akzeptiert werden, um von der verbesserten Aufhebung des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes zu profitieren, was für einige Arten der Anwendungen wichtiger sein kann. Das bezüglich 5 beschriebene System ist eine verbesserte Ausführungsform, die es ermöglicht, sowohl die Hintergrund-Magnetstörungen als auch die Beiträge des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes trotz der Zusammenbau- und Herstellungstoleranzen aufzuheben. Der Satz A enthält einen Sensor (das Magnetfeld-Sensorelement S4 mit dem festen Koeffizienten a₁ = 1), während der Satz B Sensoren an zwei Orten enthält (das Magnetfeld-Sensorelement S5 mit dem Abgleichskoeffizienten b₁ = x und das Magnetfeld-Sensorelement S6 mit dem Abgleichskoeffizienten b₂ = 1 – x). Es wird angegeben, dass die Abgleichskoeffizienten so entworfen sind, das ungeachtet des Abgleichswertes x der Beitrag der homogenen Hintergrund-Magnetstörungen in dem Ausgangssignal Sig(A, B) verschwindet. Dies wird durch die Beziehung a₁ – b₁ – b₂ = 0 für alle x erreicht. Deshalb kann x beliebig abgeglichen werden, um die Beiträge des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes in dem Ausgangssignal Sig(A, B) aufzuheben, ohne den Wirkungsgrad der Aufhebung des homogenen Hintergrund-Magnetfeldes in dem Ausgangssignal Sig(A, B) zu verringern. Es können zunehmend komplexe Systeme mit beliebig großen Anzahlen von Sensoren sowohl in dem ersten Sensorsatz A als auch in dem zweiten Sensorsatz B nach dem Abgleichs- und Kombinationssystem, das bezüglich 6 schematisch beschrieben worden ist, erzeugt werden. Bei zunehmenden Anzahlen von Sensoren in jedem Satz wird der Vormagnetisierungsbeitrag B_b vollständiger und genauer aus dem Ausgangssignal Sig eliminiert, wobei der Zielbeitrag B_t genauer gemessen wird.
• 7 ist eine graphische Darstellung, die die Magnetfeldkomponente B eines Magnetfeld-Messsystems als eine Funktion der z-Position des Testpunkts veranschaulicht. Für die Erleichterung der Bezugnahme veranschaulicht 7 die Magnetfeldkomponente B für das vorher in 5 gezeigte System. 7 zeigt die Magnetfeldkomponente B in dem Luftspaltbereich AG, dem Magnetbereich M und dem Anschlussleitungsbereich L. Die Zahnlinie T repräsentiert die Magnetfeldkomponente B, wenn der Zahn 414T nach 5 auf der z-Achse einer Sensorvorrichtung 412 benachbart positioniert ist. Die Lückenlinie G repräsentiert die Magnetfeldkomponente B, wenn die Lücke 414G nach 5 auf der z-Achse der Sensorvorrichtung 412 benachbart positioniert ist.
• Wie in der Gl. 4 beschrieben ist, weist die Magnetfeldkomponente B einen Vormagnetisierungsbeitrag B_b und einen Zielbeitrag B_t auf. Der Vormagnetisierungsbeitrag B_b ist oft Größenordnungen größer als der Zielbeitrag B_t. Der Zielbeitrag B_t weist seine größte Größe auf, wenn der Zahn 414T entlang der z-Achse der Sensorvorrichtung 412 benachbart positioniert ist. Gleichermaßen tritt die kleinste Größe des Zielbeitrags B_t auf, wenn eine der Lücken 414G entlang der z-Achse der Sensorvorrichtung 412 benachbart positioniert ist.
• In einem Luftspaltbereich AG steigt die Feldkomponente B steil mit z an. Im Magnetbereich M weist die Feldkomponente B eine Abhängigkeit von z auf, die größtenteils durch die Form des Vormagnetisierungsmagneten 424 nach 5 definiert ist. Die z-Positionen der Magnetfeld-Sensorelemente S4, S5 und S6 sind innerhalb des Magnetbereichs M angegeben. Die Sensoren S4, S5 und S6 sind so angeordnet, dass das durch den Vormagnetisierungsmagneten bei S4 erzeugte Magnetfeld etwa das gleiche wie das durchschnittliche Feld bei S5 und S6 ist. In der Praxis gibt es Montagetoleranzen und Toleranzen des Magneten, so dass B_b(S4) – 0,5·(B_b(S5) + (B_b(S6)) von null abweicht. Geeignete Abgleichswerte können so festgelegt werden, dass B_b(S4) – x·B_b(S5) – (1 – x)·B_b(S6)) null wird. Diese Abgleichswerte können während eines Tests am Ende der Fertigungsstraße gefunden werden, nachdem der Magnet an das Sensorsubstrat gekoppelt worden ist.
• Außerdem unterscheidet sich die Feldkomponente des Magneten auf S5 und S6 in vielen Ausführungsformen, so dass eine Änderung in x einer Änderung des Gesamtsignals entspricht. Folglich sind der Magnet und die Sensoren S5 und S6 oft so angeordnet, dass sie verschiedene Feldkomponenten von dem Vormagnetisierungsmagneten erfahren. In vielen Ausführungsformen sollte sich die Feldkomponente des Vormagnetisierungsmagneten bei S4 zwischen den Feldkomponente des Vormagnetisierungsmagneten bei den Feldsensoren S5 und S6 befinden, weil es theoretisch möglich ist, x abzugleichen, um eine perfekte Unterdrückung des Vormagnetisierungsfeldes in dem Signal aufzuweisen.
• Weil der Zielbeitrag B_t zerfällt, wenn ein Abstand zwischen den Zielrad 410 und der Sensorvorrichtung 412 zunimmt, ist der Unterschied der Stärke des Magnetfeldes B zwischen der Zahnlinie T und der Lückenlinie G an dem unteren Magnetfeld-Sensorelement S4 größer als an dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 und außerdem an dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 größer als an dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S6. In dem Anschlussleitungsbereich L fällt die Feldstärke B ab.
• Um die Magnetfeld-Sensorelemente S4–S6 abzugleichen, um den Vormagnetisierungsbeitrag B_b aus dem Ausgangssignal Sig(S4, S5, S6) zu eliminieren, sollten das gemessene Feld an dem mittleren Magnetfeld-Sensorelement S5 und an dem oberen Magnetfeld-Sensorelement S6 voneinander verschieden sein. Andernfalls führt irgendeine Änderung des Abgleichsfaktors x nicht zu einer Änderung des Ausgangssignals Sig(S4, S5, S6), wie aus Gl. 8 ersichtlich ist. In einer Ausführungsform befindet sich die Feldstärke B(S4) zwischen den Feldstärken B(S5) und B(S6), wenn der Abgleichsfaktor x bestimmt wird. Dies ist in 7 in der Lückenlinie G gezeigt, in der für die Feldstärke B(S5) < B(S4) < B(S6) gilt.
• Obwohl 7 eine Magnetfeldverteilung zeigt, in der B(S5) < B(S4) < B(S6) gilt, sollte erkannt werden, dass ein gleichermaßen zufriedenstellendes System erzeugt werden kann, in dem B(S6) < B(S4) < B(S5) gilt. In dieser Situation befindet sich die Feldstärke B(S4) immer noch zwischen den Feldstärken B(S5) und B(S6), wobei die Vorteile des in 7 gezeigten Systems bewahrt sind.
• 8 ist eine perspektivische Ansicht eines verdrehungsunempfindlichen Magnetfeldsensorsystems 508. Das Sensorsystem 508 enthält ein Zielrad 510 und eine verdrehungsunempfindliche Sensorvorrichtung 512. Das Zielrad 510 enthält die Zähne 514T, die sich in der positiven x-Richtung bewegen, wenn sich das Zielrad 510 dreht. Die verdrehungsunempfindliche Sensorvorrichtung 512 enthält zwei Magneten 524A und 524B, die den Feldsensor-Die 526 umgeben. Der Feldsensor-Die 526 definiert eine Stirnfläche 526F, entlang der der untere Sensorsatz S7 und der obere Sensorsatz S8 angeordnet sind. Die Bonddrähte 528 verbinden den unteren Sensorsatz S7 und den oberen Sensorsatz S8 mit den Anschlussleitungsdrähten 518 elektrisch. Jeder der Sensoren des unteren Sensorsatzes S7 ist von den Sensoren des oberen Sensorsatzes S8 um einen minimalen Zwischenraumabstand getrennt. In einigen Ausführungsformen kann der minimale Abstand zwischen irgendeinem Paar von Sensoren, einem in dem unteren Sensorsatz S7 und dem anderen in dem oberen Sensorsatz S8, z. B. 300 µm betragen.
• Wenn sich das Zielrad 510 dreht, ändert der Luftspalt 520 die Größe in Abhängigkeit davon, ob sich einer der Zähne 514T oder eine der Lücken 514G zu der Sensorvorrichtung 512 benachbart befindet. Insbesondere kann die verdrehungsunempfindliche Sensorvorrichtung 512 um die z-Achse gedreht werden, ohne den Luftspalt 520 zu ändern. Dieser Typ der Verdrehungsunempfindlichkeit stellt mehr Vielseitigkeit für die Montage bereit.
• Es sind verschiedene alternative Ausführungsformen von verdrehungsunempfindlichen Baugruppen möglich. Die 9A–9C sind graphische Darstellungen des Magnetfeldes von drei derartigen verdrehungsunempfindlichen Baugruppen. Jedes der drei Kennfelder der Niveaulinien zeigt mehrere Sensoren und einen Magneten, die in einer verdrehungsunempfindlichen Weise angeordnet sind. Jede der 9A–9C ist eine Querschnittsansicht durch die Mitte eines Magneten, die eine mögliche innere Magnetform gemäß drei Ausführungsformen zeigt.
• 9A zeigt einen unteren Sensorsatz S9 und einen oberen Sensorsatz S10, von denen jeder mehrere Magnetfeld-Sensorelemente mit Ausgaben enthalten kann, die z. B. unter Verwendung des vorher bezüglich 7 beschriebenen Systems kombiniert werden. Der untere Sensorsatz S9 und der obere Sensorsatz S10 sind entlang einer Mittellinie C_L positioniert. Der Magnet 624A erzeugt ein Magnetfeld in der negativen z-Richtung, wobei der Magnet 524A um die Mittellinie C_L radialsymmetrisch ist. Folglich ist das Magnetfeld in der negativen z-Richtung unverändert, wenn der Magnet 624A um die Mittellinie C_L gedreht wird.
• 9B ist eine alternative Ausführungsform einer verdrehungsunempfindlichen Sensor- und Magnetkombination. Obwohl der Magnet 624B anders als der Magnet 624A nach 9A geformt ist, ist der Magnet 624B rotationssymmetrisch um die Mittellinie C_L, wobei sich folglich das in der negativen z-Richtung erzeugte Feld nicht ändert, wenn der Magnet 624B um die Mittellinie C_L verdreht wird. Wie in 9B gezeigt ist, sind ein unterer Sensorsatz S10, ein mittlerer Sensorsatz S11 und ein oberer Sensorsatz S12 nicht entlang der Mittellinie C_L angeordnet. Stattdessen sind die Sensorsätze S10–S12 an dem Rand des Magneten 624B angeordnet. Nicht alle Sensorsätze S10–S12 müssen das Feld in der z-Richtung messen. Falls z. B. die Sensorsätze S10–S12 sowohl xMR- als auch planare Hall-Sensoren enthalten, kann die Differentialsignalerzeugung in den Hall-Sensoren verwendet werden, um die Richtung der Bewegung einer benachbarten Magnetkomponente in einer Richtung orthogonal zu der z-Richtung zu bestimmen.
• 9C ist eine weitere alternative Ausführungsform einer verdrehungsunempfindlichen Sensor- und Magnetkombination. Hier ist der Magnet 624C geformt, um nicht nur um die Mittellinie C_L rotationssymmetrisch zu sein, sondern um außerdem verschiedene Felder in der negativen z-Richtung bei dem unteren Sensorsatz S13 und dem oberen Sensorsatz S14 zu erzeugen. Der obere Sensorsatz S14 erfährt ein viel höheres Magnetfeld in der negativen z-Richtung als der untere Sensorsatz S13. In einigen Ausführungsformen, wie z. B. dem bezüglich 6 beschriebenen System, kann dieser Unterschied in dem Vormagnetisierungsfeld für das Abgleichen der Sensorausgabe vorteilhaft sein, um das Vorhandensein eines benachbarten Magnetmaterials zu detektieren.
• Es sollte erkannt werden, dass die bezüglich der 9A–9C beschriebenen Ausführungsformen nur drei von einer unbegrenzten Anzahl anderer verdrehungsunempfindlicher Magnet- und Sensoranordnungen sind.
• 10 stellt ein fingerartig ineinandergreifendes Feldsensorsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform dar. Gemäß der in 10 gezeigten Ausführungsform sind die Sensorelemente S15–S22 an verschiedenen Orten (L1, L2 und L3) an dem Sensor-Die 1026 angeordnet. Die Orte L1, L2 und L3 können jeder einen anderen Luftspalt oder einen anderen Abstand zwischen jedem der Sensorelemente S15–S22 und einem Ziel aufweisen, der einen Zielbeitrag zu dem Magnetfeld B verursacht. Insbesondere veranschaulicht die in 10 gezeigte Ausführungsform das Sensorelement S15 an einem ersten Ort L1, das Sensorelement S16 an einem zweiten Ort L2 und die Sensorelemente S17 und S18 an einem dritten Ort L3. Gleichermaßen veranschaulicht 10 das Sensorelement S19 am ersten Ort L1, das Sensorelement S20 am zweiten Ort L2 und die Sensorelemente S21 und S22 am dritten Ort L3.
• 10 veranschaulicht ferner eine Schaltungsanordnung, die konfiguriert ist, die Sensorelemente S15–S22 in einer derartigen Weise zu verbinden, dass die Stärke des Magnetfeldes B in der angegebenen Richtung ermittelt werden kann. Die Sensorelemente S15–S22 sind in einer derartigen Weise konfiguriert, den Gradienten einer Magnetfeldkomponente entlang den Richtungen L1–L3 und L2–L3 zu detektieren. L1, L2 und L3 müssen sich in anderen Ausführungsformen nicht entlang einer Geraden befinden, wobei die Anordnung dieser Sensoren bezüglich ihrer Bezugs-Magnetisierungsrichtungen abgewinkelt sein kann.
• Sowohl die Eingangsspannungen V1 und V2 als auch die Verbindung zur Masse sind bereitgestellt, um Strom durch die Sensorelemente S15–S22 anzutreiben. Die abgetasteten Spannungen (S₁₃ und S₂₃) entsprechen der relativen Stärke des Magnetfeldes B an den Zweigen der Brückenschaltung und können durch einen Gewichtungskoeffizienten eingestellt werden. Insbesondere gilt für die in 10 gezeigte Ausführungsform S₁₃ = V1k₁₃(B(L1) – B(L3)) und S₂₃ = V2k₂₃(B(L2) – B(L3)), wobei k₁₃ und k₂₃ Skalierungsfaktoren sind, die der magnetischen Empfindlichkeit der Sensorelemente Rechnung tragen. k₁₃ und k₂₃ können völlig gleich sein, wobei aber, falls sich die Sensorelemente in der Anordnung, der Dotierung, der Größe oder dem Typ der Technik unterscheiden, es erwünscht sein kann, k₁₃ und k₂₃ so festzulegen, dass sie voneinander verschieden sind. Durch das Definieren eines Abgleichskoeffizienten x, so dass

  

  gilt, wird dann der Unterschied der Brückenausgangsspannungen zur Gleichung [8] völlig gleich, nämlich S₁₃ – S₂₃ = V1k₁₃(B(L1) – xB(L2) – (1 – x)B(L3).
• In alternativen Ausführungsformen können die Eingangsspannungen V1 und V2 auf dem Chip positioniert sein (d. h., innerhalb des oder auf der Oberfläche des Sensor-Dies 1026).
• Hier sind verschiedene Ausführungsformen der Systeme, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben worden. Diese Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft angegeben und sind nicht vorgesehen, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken. Es sollte außerdem erkannt werden, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, in verschiedenen Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen zu erzeugen. Während außerdem verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte usw. für die Verwendung mit den offenbarten Ausführungsformen beschrieben worden sind, können andere neben den offenbarten verwendet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu überschreiten.
• Die Durchschnittsfachleute auf den relevanten Gebieten erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in irgendeiner einzelnen Ausführungsform, die oben beschrieben worden ist, veranschaulicht sind. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als eine erschöpfende Darstellung der Weisen gemeint, in denen die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Entsprechend sind die Ausführungsformen nicht wechselseitig ausschließende Kombinationen der Merkmale; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination verschiedener einzelner Merkmale umfassen, die aus verschiedenen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt sind, wie durch die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet erkannt wird. Außerdem können die bezüglich einer Ausführungsform beschriebenen Elemente in anderen Ausführungsformen implementiert sein, selbst wenn sie nicht in derartigen Ausführungsformen beschrieben sind, es sei denn, dass es anders angegeben ist. Obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen außerdem 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 enthalten. Derartige Kombinationen sind hier vorgeschlagen, es sei denn, dass dargelegt ist, dass eine spezifische Kombination nicht vorgesehen ist. Außerdem ist vorgesehen, die Merkmale eines Anspruchs in jeden anderen unabhängigen Anspruch einzubeziehen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.

Claims (18)

1. Sensorsystem, das Folgendes umfasst: einen Vormagnetisierungsmagneten, der konfiguriert ist, einen Beitrag des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes zu einem Gesamtmagnetfeld zu erzeugen; wenigstens einen Sensor-Die, der mechanisch an den Vormagnetisierungsmagneten gekoppelt ist; einen ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf dem wenigstens einen Sensor-Die angeordnet ist, wobei jedes des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des ersten Satzes konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in einer ersten Richtung zu messen; und einen zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf dem wenigstens einen Sensor-Die angeordnet ist und von den Magnetfeld-Sensorelementen des ersten Satzes um einen Abstand getrennt ist, wobei jedes des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des zweiten Satzes konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in der ersten Richtung zu messen; einen Speicher, der konfiguriert ist, einen Satz von Abgleichswerten zu speichern; und eine Schaltungsanordnung, die konfiguriert ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei der Vormagnetisierungsmagnet radialsymmetrisch ist.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abgleichswerte konfiguriert sind, eine Wirkung des Beitrags des Vormagnetisierungs-Magnetfeldes zu dem Ausgangssignal zu minimieren.
4. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abgleichswerte ferner konfiguriert sind, eine Wirkung eines Beitrags eines homogenen Magnetfeldes zu dem Ausgangssignal zu minimieren.
5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Satz von Abgleichswerten so konfiguriert ist, dass sich das Ausgangssignal im Wesentlichen bei einem Extremum oder bei null befindet, wenn sich die Sensorvorrichtung in einer Eichposition befindet.
6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Speicher einen Satz von Widerständen, die Widerstände aufweisen, die dem Satz von Abgleichswerten entsprechen, oder einen digitalen Speicher umfasst.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltungsanordnung konfiguriert ist, wenigstens eines der abgetasteten Magnetfelder von den Magnetfeld-Sensorelementen des ersten und des zweiten Satzes mit den Abgleichswerten abzugleichen, um eine Ausgabe des ersten Satzes und eine Ausgabe des zweiten Satzes zu erhalten, und die Ausgabe des ersten Satzes mit der Ausgabe des zweiten Satzes zu kombinieren, um das Ausgangssignal bereitzustellen.
8. Magnetfeld-Sensorsystem, das Folgendes umfasst: wenigstens einen Sensor-Die; einen Vormagnetisierungsmagneten, der konfiguriert ist, einen Beitrag eines Vormagnetisierungs-Magnetfeldes zu einem Gesamtmagnetfeld zu erzeugen, wobei der Vormagnetisierungsmagnet und der wenigstens eine Sensor-Die mechanisch gekoppelt sind; einen ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf einer Oberfläche des wenigstens einen Sensor-Dies angeordnet ist, wobei jedes des ersten Satzes von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in einer ersten Richtung zu messen; und einen zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen, der auf der Oberfläche des wenigstens einen Sensor-Dies angeordnet ist und von den Magnetfeld-Sensorelementen des ersten Satzes beabstandet ist, wobei jedes des zweiten Satzes von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen konfiguriert ist, das Gesamtmagnetfeld in der ersten Richtung zu messen; einen Speicher, der konfiguriert ist, einen Satz von Abgleichswerten zu speichern; und eine Schaltungsanordnung, die konfiguriert ist: die abgetasteten Magnetfelder von jedem des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des ersten Satzes zu kombinieren, um eine Ausgabe des ersten Satzes zu bilden; und die abgetasteten Magnetfelder von wenigstens einem des einen oder der mehreren Magnetfeld-Sensorelemente des zweiten Satzes mit wenigstens einem aus dem Satz von Abgleichswerten zu multiplizieren und davon eine Ausgabe des zweiten Satzes abzuleiten; und ein Ziel, das von dem wenigstens einen Feldsensor-Die um einen Abstand getrennt ist, so dass das auf das Ziel bezogene abgetastete Magnetfeld an dem ersten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen einen ersten Feldwert aufweist und an dem zweiten Satz von einem oder mehreren Magnetfeld-Sensorelementen einen zweiten Feldwert aufweist.
9. Magnetfeld-Sensorsystem nach Anspruch 8, wobei das Ziel Abschnitte umfasst, die eine relative magnetische Permeabilität aufweisen, die 300 übersteigt.
10. Magnetfeld-Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Ziel abwechselnde magnetische Nord- und Südpole um seinen Umfang aufweist.
11. Verfahren zum Eichen eines Magnetsensors, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines Signals eines ersten Sensorsatzes, das Folgendes umfasst: Messen eines Gesamtmagnetfeldes an jedem des wenigstens einen Sensors eines ersten Sensorsatzes; und Kombinieren der abgetasteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des ersten Sensorsatzes, um das Signal des ersten Sensorsatzes zu bilden; Erzeugen eines Signals eines zweiten Sensorsatzes, das Folgendes umfasst: Messen des Gesamtmagnetfeldes an jedem von wenigstens einem Sensorelement eines zweiten Sensorsatzes; Gewichten jedes der abgetasteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des zweiten Sensorsatzes mit einem aus einem Satz von Abgleichswerten; und Kombinieren der gewichteten Magnetfelder des wenigstens einen Sensorelements des zweiten Sensorsatzes, um das Signal des zweiten Sensorsatzes zu bilden; und Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes das Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes, um einen Beitrag eines homogenen Magnetfeldes zum Ausgangssignal zu verringern, umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes das Kombinieren des Signals des ersten Sensorsatzes und des Signals des zweiten Sensorsatzes, um einen direkten Magnetfeldbeitrag von einem Vormagnetisierungsmagneten zu verringern, umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Sensorsatz eine andere Anzahl von Sensorelementen als der zweite Sensorsatz enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das ferner das Speichern des Satzes von Abgleichswerten in einem Speicher umfasst.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner das Speichern des Satzes von Abgleichswerten als einen Satz von Widerstandswerten umfasst.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei ein Beitrag des Vormagnetisierungsmagneten zu dem Gesamtmagnetfeld an wenigstens zwei Sensorelementen des zweiten Sensorsatzes einen anderen Wert aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei: der erste Sensorsatz eine erste Magnetfeldkomponente B1 des Gesamtmagnetfeldes an einer ersten Position detektiert; der zweite Sensorsatz eine zweite Magnetfeldkomponente B2 des Gesamtmagnetfeldes an einer zweiten Position detektiert; und ein dritter Sensorsatz eine dritte Magnetfeldkomponente B3 an einer dritten Position detektiert; die erste, die zweite und die dritte Magnetfeldkomponente zueinander parallel sind; wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Definieren eines Abgleichswertes x; und Kombinieren der ersten, der zweiten und der dritten Magnetfeldkomponente gemäß der Funktion B1 – xB2 – (1 – x)B3.

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