DE102015112895A1

DE102015112895A1 - Phasentreuer Zweidimensionaler Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102015112895A1
Application number: DE102015112895.0A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-02-11
Also published as: CN105371874A; CN105371874B; US20160041006A1; US10466071B2

Abstract

Ausführungsformen betreffen Magnetfeldsensorvorrichtungen, -systeme und -verfahren, welche Ränder eines Zielobjektes genauer detektieren können. In einer Ausführungsform umfasst eine Sensorvorrichtung ein erstes Magnetfeldsensorelement und ein zweites Magnetfeldsensorelement in der Nähe eines Zielobjektes wie z.B. eines Zahnrades, um die Drehung des Zielobjektes abzufühlen. Die Sensorvorrichtung kann in Ausführungsformen insofern als ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor betrachtet werden, als das erste Magnetfeldsensorelement gegenüber einer ersten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bx-Komponente) empfindlich sein kann und das zweite Magnetfeldsensorelement gegenüber einer zweiten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bz-Komponente) empfindlich sein kann. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 600 ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor sein. Die Sensorvorrichtung kann in Bezug auf das Ziel so angeordnet sein, dass das Signal von einem oder dem anderen aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensorelement verwendet werden kann, um eine Umschaltschwelle zu bestimmen, die davon abhängt, ob ein detektierter Rand steigt (d.h. von einem Spalt zu einem Zahn des Zahnrads übergeht) oder sinkt (d.h. von einem Zahn zu einem Spalt des Zahnrads übergeht).

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Magnetfeldsensoren und insbesondere Magnetfeldpositionssensorsysteme und Verfahren zur Positionsbestimmung einer Zielobjektvorrichtung (z.B. einer Nockenwelle) mit hoher Phasengenauigkeit.
Hintergrund
Positionssensoren, welche die Drehbewegung eines Zielobjekts wie z.B. einer Nockenwelle oder Kurbelwelle detektieren, sind auf dem Gebiet der Erfindung bekannt. Die Sensoren können Magnetfeldsensoren umfassen, die dazu verwendet werden können, um eine Position des sich drehenden Zielobjekts auf Grundlage eines gemessenen Magnetfeldes abzuleiten, das von den Sensoren detektiert wird. Die Magnetfeldsensoren können verschiedene Arten von Sensorelementen einsetzen, einschließlich Halleffektsensorelementen (z.B. herkömmlichen Hallplatten und/oder vertikalen Halleffektvorrichtungen), magnetoresistiven (MR-)Sensorelementen wie z.B. anisotropen MR-(AMR-), Riesen-MR-(GMR-), Tunnel-MR-(TMR-), kolossalen MR-(CMR-) oder anderen Elementen.
Herkömmliche Magnetfeldpositionssensoren können auch torsionsunempfindliche oder torsionsempfindliche Sensoren sein. Torsionsunempfindliche Sensoren sind im Allgemeinen Magnetfeldsensoren, die empfindlich gegenüber Magnetfeldkomponenten in einer Luftspaltrichtung (z.B. der z-Richtung oder der Richtung, die den Abstand zwischen einem Sensorelement und dem Zielobjekt definiert) sind, und bei denen sich die Sensorausgabe in Reaktion auf eine Drehung des Sensors um einen beliebigen Winkel um die z-Achse (d.h. Luftspaltachse) nicht verändern sollte. Andererseits sind torsionsempfindliche Sensoren Magnetfeldsensoren, die empfindlich gegenüber Magnetfeldkomponenten in einer Bewegungsrichtung (z.B. der x-Richtung) eines Zielobjekts wie z.B. einer weichmagnetischen Zielobjektvorrichtung sind.
Herkömmliche Positionssensoren leiden unter mehreren Nachteilen. Im Allgemeinen sind sie nicht robust in Bezug auf magnetische Hintergrundstörung. Darüber hinaus können sie Schwierigkeiten dabei haben, ein Vormagnetisierungsfeld von der abzufühlenden Feldmodulation zu unterscheiden. Zudem können herkömmliche Positionssensoren auch durch die Definition einer magnetischen Schwelle herausgefordert werden, oder genauer gesagt dann, wenn das Signal zwischen hoch und niedrig umschalten sollte (z.B. bei einem Übergang von Spalt zu Zahn, wenn ein Zahnrad verwendet wird) oder umgekehrt, während das Zahnrad sich dreht. Kalibrierungsmethoden sind bekannt und können verwendet werden, um die Definition der magnetischen Schwelle zu verbessern; sie können jedoch verzögert (d.h. nicht sofort beim Einschalten betreibbar) sein.
Es ist daher eine Aufgabe, Sensorsysteme und entsprechende Verfahren bereitzustellen, mit denen die obigen Nachteile ganz oder teilweise überwunden oder zumindest abgemildert werden.
Zusammenfassung
Es werden ein Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 12 und ein Sensorsystem nach Anspruch 20 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Ausführungsformen betreffen Magnetfeldpositionssensorsysteme und -verfahren zum Bestimmen der Position einer Zielobjektvorrichtung (z.B. einer Nockenwelle) mit hoher Phasengenauigkeit.
In einer Ausführungsform ist ein Magnetfeldsensorsystem konfiguriert, um durch einen Luftspaltabstand von einem Zielobjekt beabstandet angeordnet zu werden, wobei das System umfasst: ein Substrat; ein erstes Sensorelement, das auf dem Substrat angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung empfindlich ist; ein zweites Sensorelement das auf dem Substrat angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung empfindlich ist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet; sowie eine Schaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine abgefühlte Position des Zielobjekts anzeigt, indem sie ein Signal, das vom ersten Sensorelement abgeleitet wird, mit einer ersten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von einer ersten Position an eine zweite Position bewegt, und indem sie ein Signal, das vom zweiten Sensorelement abgeleitet wird, mit einer zweiten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von der zweiten Position an die erste Position bewegt.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Magnetfeldsensorsystems, das konfiguriert ist, um durch einen Luftspaltabstand von einem Zielobjekt beabstandet angeordnet zu werden, wobei das System umfasst: einen Nacktchip, ein erstes Sensorelement, das auf dem Nacktchip angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung empfindlich ist, ein zweites Sensorelement, das auf dem Nacktchip angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung empfindlich ist, und eine Schaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Ausgabesignal bereitstellt, das eine abgefühlte (d.h. erfasste) Position des Zielobjekts anzeigt; sowie das Konfigurieren der Schaltung, sodass diese: ein Signal, das vom ersten Sensorelement abgeleitet wird (d.h. ein Signal, das auf einem Ausgangssignal des ersten Sensorelements basiert, wobei das Basieren auch bedeuten kann, dass das Signal dem Ausgangssignal entspricht), mit einer ersten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von einer ersten Position an eine zweite Position bewegt, und ein Signal, das vom zweiten Sensorelement abgeleitet wird (d.h. ein Signal, das auf einem Ausgangssignal des zweiten Sensorelements basiert, wobei das Basieren auch bedeuten kann, dass das Signal dem Ausgangssignal entspricht), mit einer zweiten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von der zweiten Position an die erste Position bewegt.
In einer Ausführungsform ist ein Sensorsystem so konfiguriert, dass es ein Ausgabesignal bereitstellt, wenn ein Zielobjekt eine Position passiert, wobei das Zielobjekt entlang eines Pfades beweglich ist, der die Position umfasst, wobei das Sensorsystem umfasst: zumindest ein Sensorelement, das so konfiguriert ist, dass es ein die Zielobjektposition betreffendes Signal ausgibt, das ein relatives Extremum aufweist; sowie eine Schaltung, die an das zumindest eine Sensorelement gekoppelt ist und so konfiguriert ist, dass sie eine Schwelle auf Grundlage des Signals von dem zumindest einen Sensorelement ableitet und das Sensorsystemausgabesignal bereitstellt, wenn das Signal von dem zumindest einen Sensorelement entweder unter die Schwelle sinkt, falls das relative Extremum ein relatives Maximum war, oder über die Schwelle steigt, falls das relative Extremum ein relatives Minimum war.
Kurzbeschreibung Der Zeichnungen
Die Erfindung kann unter Berücksichtigung der folgenden Detailbeschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:
1 ein Seitenansichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjektes gemäß einer Ausführungsform ist.
2A ein semitransparentes Draufsichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
2B ein semitransparentes Draufsichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
2C ein semitransparentes Draufsichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
3A ein Seitenansichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
3B ein semitransparentes Draufsichtsdiagramm des Sensorsystems und des Zielobjekts aus 3A ist.
4 ein semitransparentes Draufsichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
5 ein Seitenansichtsdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
6A ein Blockdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
6B ein Blockdiagramm eines Sensorsystems und eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform ist.
7A eine Grafik mit Simulationsergebnissen ist, die eine Ausführungsform ähnlich wie 4 betreffen.
7B eine Grafik mit Simulationsergebnissen ist, die eine Ausführungsform ähnlich wie 4 betreffen.
8 eine Grafik mit Simulationsergebnissen ist, die eine Ausführungsform ähnlich wie 4 betreffen.
9 ein Blockdiagramm eines eine Ausführungsform betreffenden Verfahrens ist.
Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, wurden Einzelheiten davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden detailliert beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die konkreten, beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein soll. Im Gegenteil sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen einbezogen werden, die unter den Geist und Schutzumfang der in den beiliegenden Ansprächen definierten Erfindung fallen.
Detailbeschreibung
Ausführungsformen betreffen Magnetfeldsensorvorrichtungen, -systeme und -verfahren, welche die Ränder eines Zielobjekts genauer detektieren können. In einer Ausführungsform umfasst eine Sensorvorrichtung ein erstes Magnetfeldsensorelement und ein zweites Magnetfeldsensorelement in der Nähe eines Zielobjekts wie z.B. eines Zahnrads oder Polrads, um die Drehung des Zielobjekts abzufühlen. Die Sensorvorrichtung kann in Ausführungsformen insofern als ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor betrachtet werden, dass das erste Magnetfeldsensorelement gegenüber einer ersten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bx-Komponente) empfindlich sein kann und das zweite Magnetfeldsensorelement gegenüber einer zweiten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bz-Komponente) empfindlich sein kann. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 600 ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor sein. Die Sensorvorrichtung kann in Bezug auf das Zielobjekt so angeordnet sein, dass das Signal von entweder dem ersten oder dem zweiten Magnetfeldsensorelement verwendet werden kann, um eine Schaltschwelle abhängig davon zu bestimmen, ob ein detektierter Rand steigt (d.h. von einem Spalt zu einem Zahn des Zahnrads übergeht) oder sinkt (von einem Zahn zu einem Spalt des Zahnrads übergeht). In Ausführungsformen kann die Anordnung der Sensorvorrichtung in Bezug auf das Zielobjekt torsionsunempfindlich sein, und die Verwendung verschiedener aus den ersten und zweiten Magnetfeldsensorelementen zum Bestimmen steigender oder sinkender Ränder kann eine genauere und/oder konsistentere Randdetektion und andere Vorteile bereitstellen.
Obwohl konkrete Komponenten und Richtungen (z.B. die x-Komponente, z-Richtung etc.) hier zum Zweck der Diskussion und Illustration verwendet werden, sind sie nicht beschränkend in Bezug auf irgendeine besondere Konfiguration oder Anordnung einer beliebigen Ausführungsform oder in Bezug auf die Ansprüche. Die x-Komponente kann zum Beispiel als eine erste Komponente betrachtet werden, wobei das Magnetfeld auch eine zweite (z.B. y-) und dritte (z.B. z-)Komponente aufweist.
In Bezug auf 1 wird eine Ausführungsform eines Sensorsystems 100 dargestellt. Das Sensorsystem 100 umfasst eine Sensorvorrichtung 102 und ist in der Nähe eines Zielobjekts 104 angeordnet. In 1 umfasst das Zielobjekt 104 ein Zahnrad, obwohl in anderen Ausführungsformen ein Polrad oder eine andere Zielobjektvorrichtung verwendet werden kann. Ein Zahnrad umfasst eine Reihe abwechselnder Zähne und dazwischenliegenden Spalten, die regelmäßig (wie allgemein in 1 dargestellt) oder unregelmäßig (d.h. mit Zähnen und/oder Spalten unterschiedlicher Größe oder Konfigurationen) sein kann. Das Zielobjekt 104, oder zumindest dessen Zähne, umfasst/umfassen in Ausführungsformen ein eisenhaltiges oder ein anderes magnetisches Material und ist/sind permeabel, mit einer relativen Permeabilität µr von zumindest 1000 in Ausführungsformen. Die Zielobjektvorrichtung 150 kann so konfiguriert sein, dass sie sich im Uhrsinn oder gegen den Uhrsinn in einer tangentialen Richtung dreht, die senkrecht auf die Luftspaltrichtung (z.B. x-Richtung, wie durch den Pfeil in 1 angezeigt) ist, welche hier im Allgemeinen als eine „Bewegungsrichtung“ bezeichnet wird. Sofern nicht anders angegeben, beschrieben oder beansprucht, umfasst das Zielobjekt üblicherweise keinen Teil des Sensorsystems, obwohl diese während des Betriebs gemeinsam verwendet werden.
Die Sensorvorrichtung 102 kann einen Sensornacktchip 106 umfassen, der eine erste Oberfläche 108 aufweist, die so angeordnet ist, dass sie vom Zielobjekt 104 durch einen Luftspalt beabstandet ist. In Ausführungsformen können die Sensorvorrichtung 102 und das Zielobjekt 104 in einer ersten Richtung voneinander beabstandet sein, welche als eine Luftspaltrichtung bezeichnet werden kann. Der Nacktchip 106 kann so angeordnet sein, dass die erste Oberfläche 108, d.h. die Oberfläche in der xy-Ebene, die nach unten hin zum Zielobjekt 104 gerichtet ist, senkrecht in Bezug auf die Luftspaltrichtung zwischen der Sensorvorrichtung 102 und dem Zielobjekt 104 ist. In anderen Ausführungsformen kann der Nacktchip 106 zum Beispiel so angeordnet sein, dass die erste Oberfläche 108 parallel zur Luftspaltrichtung ist. Obwohl hier im Allgemeinen als Nacktchip bezeichnet, ist der Begriff „Nacktchip“ nicht beschränkend in Bezug auf alle Ausführungsformen und/oder den Schutzumfang der Ansprüche. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Nacktchip 106 ein Substrat, einen Halbleiternacktchip, einen Leitungsrahmen, eine Hauptplatine, eine Leiterplatte oder eine Kombination daraus umfassen, oder eine beliebige andere Stützstruktur, die dazu fähig ist, eine genaue oder relative Platzierung der Sensorelemente 110 und 112 zueinander und/oder in Bezug auf zumindest einen anderen Bauteil des Systems 100 herzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann, obwohl der Nacktchip 106 hier im Allgemeinen im Singular erwähnt wird, der Nacktchip 106 oder eine beliebige andere Stützstruktur einer anderen Ausführungsform eine Anordnung einer Vielzahl von Nacktchips oder anderen Strukturen oder Substrukturen umfassen.
Die Sensorvorrichtung 102 kann auch ein erstes Magnetfeldsensorelement 110 und ein zweites Magnetfeldsensorelement 112 umfassen. In einer Ausführungsform sind die Sensorelemente 110 und 112 nahe aneinander und voneinander beabstandet auf einer ersten Oberfläche 108, die dem Zielobjekt entgegengesetzt ist, angeordnet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Sensorelemente 110 und 112 in der x-Richtung voneinander beabstandet und vom Zielobjekt 104 durch einen Luftspalt mit einem Abstand d in der z-Richtung beabstandet. Die in 1 dargestellte konkrete Achse und Orientierung werden hier als ein Beispiel in Bezug darauf verwendet, wie die Zeichnung auf dem Blatt angeordnet ist und beschränken nicht, wie das System 100 in anderen Ausführungsformen oder in der Praxis angeordnet sein kann oder darf.
In Ausführungsformen kann das Sensorsystem 100 ein „Monozellen“-Sensorsystem umfassen, das im Allgemeinen ein System betrifft, in dem die Sensorelemente 110 und 112 so angeordnet sind, dass sie eine Magnetfeldkomponente an einem einzigen Ort detektieren (d.h. absolute Magnetfeldmessung). In anderen Ausführungsformen kann das System 100 ein „Differential“-Sensorsystem umfassen, das im Allgemeinen ein System betrifft, in dem die Sensorelemente 110 und 112 so angeordnet sind, dass sie einen Gradienten einer Magnetfeldkomponente an zwei oder mehr Orten detektieren (d.h. eine Differenz einer Magnetfeldkomponente an zwei oder mehr Orten). Hier werden Differentialsensorsystemausführungen unten beschrieben und können Gradiometer umfassen. Gradiometer umfassen im Allgemeinen ein oder mehrere Sensorelemente, die so konfiguriert sind, dass sie einen Gradienten eines Magnetfeldes in einer Richtung detektieren (z.B. können zwei Sensorelemente, die ein Gradiometer bilden, in der x-Richtung voneinander beabstandet sein und eine gradiometrische Richtung in der x-Richtung aufweisen, sodass sie einen Gradienten einer Magnetfeldkomponente in x-Richtung detektieren. Es können Ausführungsformen von Systemen gebildet werden, die eine Vielzahl von Gradiometern umfassen, und in solchen Systemen können die Gradiometer dieselbe oder parallele gradiometrische Richtungen aufweisen, oder die Gradiometer können unterschiedliche oder antiparallele gradiometrische Richtungen aufweisen.
In einer Ausführungsform kann das Sensorelement 110 die z-Komponente des Magnetfelds abfühlen, das vom Zielobjekt 104 induziert oder beeinflusst wurde, und das Sensorelement 112 kann die x-Komponente desselben Feldes abfühlen. Anders gesagt ist das Sensorelement 110 gegenüber dem Magnetfeld empfindlich, das senkrecht auf die Oberfläche 108 des Nacktchips 106 ist, und das Sensorelement 112 ist gegenüber der Magnetfeldkomponente empfindlich, die in der Hauptebene, parallel zur Oberfläche 108 ist. Diese können in anderen Ausführungsformen umgekehrt werden und/oder andere Magnetfeldkomponenten können von einem, beiden oder anderen Sensorelementen abgefühlt werden. Daher können in verschiedenen Ausführungsformen zumindest zwei Sensorelemente in einer beliebigen Sensorsystemausführung Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen, die im Wesentlichen gleich oder parallel sind, oder die im Wesentlichen antiparallel sind. Bei antiparallelen Empfindlichkeitsrichtungsausführungen können die Richtungen sich zum Beispiel kreuzen, um einen Winkel zu bilden, der sich von etwa 0 Grad oder etwa 180 Grad unterscheidet. In anderen Ausführungsformen können die Richtungen senkrecht oder orthogonal aufeinander sein. In Ausführungsformen kann zumindest eine der Richtungen dieselbe wie die Luftspaltrichtung (z.B. die z-Richtung in 1) sein, obwohl sich beide Richtungen in anderen Ausführungsformen von der Luftspaltrichtung unterscheiden können.
Im Allgemeinen wird jeder Magnetfeldsensor in jeder Richtung von jeder Magnetfeldkomponente beeinflusst, die auf ihn wirkt. Wie hier allgemein in Bezug auf Sensorelemente beschrieben, die eine bestimmte Magnetfeldkomponente oder Richtung abfühlen oder gegenüber dieser empfindlich sind, ist eine Klasse von Sensoren gemeint, die hauptsächlich gegenüber einer ersten Magnetfeldrichtung empfindlich sind und lediglich marginal gegenüber den anderen Magnetfeldrichtungen empfindlich sind. Zum Beispiel ist eine Hallplatte hauptsächlich gegenüber der Magnetfeldkomponente empfindlich, die senkrecht zur Platte ist; sie reagiert jedoch auch leicht auf Magnetfeldkomponenten, die parallel zur Platte und entlang der Richtung des Stromflusses sind, was als „planarer Halleffekt“ bekannt ist. Darüber hinaus kann eine Hallplatte eine von etwa 50 mV/V/T Empfindlichkeit gegenüber rein senkrecht auf die Platte stehenden Feldern aufweisen; dies kann sich jedoch auf etwa 51 mV/V/T ändern, wenn ein zusätzliches Feld von 1 T parallel zur Platte angelegt wird. Ähnliche Effekte sind bei Feldplatten bekannt. Daher betrifft die Aussage, dass ein Sensorelement gegenüber einem Magnetfeld in einer ersten Richtung empfindlich ist, im Allgemeinen die Hauptempfindlichkeitsrichtung, die zumindest eine oder zwei Größenordnungen stärker als andere Restempfindlichkeiten oder ein Übersprechen ist.
Die Sensorelemente 110 und 112 können dieselben oder unterschiedliche Typen von Magnetfeldsensoren umfassen, wie zum Beispiel Halleffektsensorelemente (herkömmliche Hallplatten oder vertikale Halleffektelemente), magnetoresistive Sensorelemente, MAGFETs oder andere magnetfeldempfindliche Vorrichtungen. In einer Ausführungsform, in der das Sensorelement 110 die z-Komponente abfühlt und das Sensorelement 112 die x-Komponente abfühlt, kann das Sensorelement 110 eine herkömmliche Hallplatte umfassen, und das Sensorelement 112 kann ein vertikales Halleffektelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfassen. In anderen Ausführungsformen können noch andere Sensorelemente für eines oder beide Sensorelemente 110 und 112 verwendet werden.
Die Sensorvorrichtung 102 kann zumindest eine Leitung 114 umfassen oder an diese gekoppelt sein, die an die Sensorelemente 110 und 112 und/oder den Nacktchip 106 gekoppelt sein kann, um Signale von und/oder an den/die Sensorelemente/n 110 und 112, dem/den Nacktchip 106 und oder andere/n Elemente/n, die mit der Sensorvorrichtung 102 in Kommunikation stehen, zu kommunizieren. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform zumindest eine Leitung 114 an den Nacktchip 106 gekoppelt, um Signale von den Sensorelementen 110 und 112 nach außerhalb des Sensorsystems 100 zu kommunizieren, wie z.B. an eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder eine andere Vorrichtung oder Schaltung. In der Ausführungsform in 1 ist zumindest eine Leitung 114 in einer gekrümmten Leitungskonfiguration angeordnet, obwohl andere Konfigurationen der Leitung 114 und/oder relative Anordnungen der Leitung 114 zum Nacktchip 106 und/oder einem Vormagnetisierungsmagneten 116 (unten beschrieben) in anderen Ausführungsformen implementiert werden können.
Die Sensorvorrichtung 102 umfasst in Ausführungsformen auch einen Vormagnetisierungsmagneten 116. In anderen Ausführungsformen ist der Vormagnetisierungsmagnet 116 nicht Teil einer Sensorvorrichtung 102 oder eines Sensorsystems 100 und ist stattdessen konfiguriert, um im Bereich der Vorrichtung 102 angeordnet oder an diese gekoppelt zu werden. Im Allgemeinen kann der Vormagnetisierungsmagnet 116 so konfiguriert sein, dass er das Zielobjekt 104 magnetisiert und eine Änderung eines Magnetfeldes des Zielobjekts 104 bewirkt, wenn sich das Zielobjekt 104 relativ zum Vormagnetisierungsmagneten 116 bewegt. Der Vormagnetisierungsmagnet 116 kann einen Permanentmagneten umfassen, der wie durch die Pfeile in 1 magnetisiert ist (d.h. vertikal oder in der z-Richtung in Bezug auf die Orientierung der Zeichnung auf dem Blatt und das verwendete Koordinatensystem, das in anderen Ausführungsformen oder relativen Konfigurationen des Sensorsystems 100 und des Zielobjekts 104 variieren kann). In Ausführungsformen kann der Vormagnetisierungsmagnet 116 ein Magnetfeld induzieren, das parallel zur z-Achse und Luftspaltrichtung ist. In anderen Ausführungsformen kann der Vormagnetisierungsmagnet 116 in zwei Richtungen magnetisiert sein, in eine Richtung, die sich von der in 1 dargestellten unterscheidet, oder einen anderen Magnettypen umfassen.
Die Geometrie des Vormagnetisierungsmagneten 116 kann ebenfalls in Ausführungsformen variieren, wobei 1 lediglich eine beispielhafte Ausführungsform ist. Zum Beispiel kann der Vormagnetisierungsmagnet 116 eine im Allgemeinen rechteckige Form, eine zylindrische Form, einen Ringmagneten, eine Vielzahl von Magnetelementen oder irgendeine andere geeignete Form, Konfiguration oder Struktur umfassen, die charakteristisch für eine Anwendung oder Systemanforderung ist. In Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, dass der Magnet 116 symmetrisch dimensioniert ist, sodass eine Symmetrieachse (d.h. die in 1 gezeigte z-Achse) des Magnets 116 koaxial mit einem Mittelpunkt des Zielobjektes 104 ist. Wie in 1 dargestellt sind die Sensorelemente 110 und 112 zwischen dem Vormagnetisierungsmagneten 116 und dem Zielobjekt 104 angeordnet, jedoch können in anderen Ausführungsformen andere Anordnungen implementiert werden. Allgemein gesagt kann es von Vorteil sein, dass die Sensorelemente 110 und 112 so nahe wie möglich am Zielobjekt 104 sind, sodass Ausführungsformen, in denen der Vormagnetisierungsmagnet 116 zwischen ihnen positioniert ist, weniger anziehend wirken kann.
Die Sensorvorrichtung 102 kann ferner ein Gehäuse 118 umfassen, welche eine Schutzabdeckung, eine Verkleidung oder eine andere integrierte Schaltkreisstruktur umfassen kann, die allgemein zum Schutz der Sensorvorrichtung 102 und Komponenten davon und gegebenenfalls der Pressmasse 122 darin konfiguriert ist. Die Leitung 114 und andere Leitungen, Drähte, Kontakte oder Strukturen zum Koppeln der Sensorvorrichtung 102 mit externen Stromversorgungen, Schaltungen und anderen Vorrichtungen können sich ebenfalls von dem Gehäuse 118 weg erstrecken oder auf oder in dem Gehäuse 118 ausgebildet sein.
Wie bereits beschrieben können sich andere Ausführungsformen von der in 1 dargestellten, beispielhaften Ausführungsform des Systems 100 unterscheiden, und einige dieser Ausführungsformen werden hier an anderer Stelle beispielhaft beschrieben und dargestellt. Zum Beispiel kann die Sensorvorrichtung 102 zwei Sensorelemente 110 und 112 umfassen, wie in 1, oder die Sensorvorrichtung 102 kann in anderen Ausführungsformen mehr als zwei Sensorelemente umfassen, oder eines oder beide Sensorelemente 110 und 112 können eine Vielzahl von Sensorelementen umfassen.
In Bezug auf 2A, umfasst eine weitere Ausführungsform eines Sensorsystems 200, welches dem Sensorsystem 100 ähnlich ist, ein erstes Sensorelement 210 und ein zweites Sensorelement 212, das zweite Sensorelementabschnitte 212a und 212b umfasst, die auf einem Nacktchip 206 angeordnet sind. Der hier verwendete Begriff „Abschnitt“ soll nicht implizieren, dass die Sensorelementabschnitte selbst keine vollständigen physikalische oder funktionalen Sensorelemente sind; vielmehr soll er bedeuten, dass diese Abschnitte Sensorelemente sind, die gemeinsam mit einem oder mehreren anderen Sensorelementen als Teil einer Sensorelementgruppierung betrachtet werden können, die ein gemeinsames Merkmal aufweist, wie z.B. das Abfühlen derselben Komponente eines Magnetfeldes und wobei, in einigen Ausführungsformen, ihre jeweiligen Signale kombiniert werden, um ein/e mittlere/s, differentielle/s oder irgendein/e andere/s resultierende/s Signal oder Abschätzung zu bestimmen. Beispiele von verschiedenen Sensorelementabschnitten werden hier in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben.
Obwohl andere Anordnungen in anderen Ausführungsformen möglich sind, ist das Sensorelement 210 in 2A zwischen den und beabstandet von den Abschnitten 212a und 212b des zweiten Sensorelements auf dem Nacktchip 206 in einer Richtung senkrecht zur Luftspaltrichtung angeordnet. Wie dargestellt sind die Sensorelementabschnitte 212a und 212b im Allgemeinen symmetrisch in Bezug auf das Sensorelement 210 und einander, jedoch nicht notwendigerweise dem Sensorelement 210, in Größe und Form ähnlich. Daher sind die Schwerpunkte der Sensorelemente 210 und 212 in Ausführungsformen im Allgemeinen in einer Linie mit oder an dem selben Punkt angeordnet (d.h. der Schwerpunkt der Sensorelementabschnitte 212a und 212b ist zwischen den beiden, an im Wesentlichen derselben Stelle des Schwerpunktes des einzelnen Sensorelements 210, der an dessen geometrischem Mittelpunkt ist), sodass angenommen werden kann, dass sie das Magnetfeld an derselben Stelle abfühlen. Dies gilt auch in anderen Ausführungsformen wie z.B. in 2B und 2C, 3A, 4 und 5, sowie für andere mögliche Ausführungsformen, die hier nicht speziell dargestellt sind.
Die Sensorelementabschnitte 212a und 212b können die Bx-Komponente abfühlen, während das Sensorelement 210 die Bz-Komponente abfühlen kann. Anders gesagt weisen die Sensorelemente 210 und 212 unterschiedliche Empfindlichkeitsrichtungen auf, und – wie zuvor in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben – diese Richtungen können antiparallel sein (sich z.B. mit einem Winkel kreuzen, der sich von etwa 0 Grad oder etwa 180 Grad unterscheidet) und z.B. senkrecht aufeinander stehen. Dies ist in anderen Ausführungsformen im Allgemeinen der Fall, solange nichts Anderes erwähnt wird.
Wenn das Sensorelement 210 auf der z-Achse zentriert angeordnet ist, welche sich bei der Orientierung in 2A in das Blatt hinein erstreckt, wobei die Sensorelementabschnitte 212a und 212b symmetrisch auf jeder Seite davon in den +/–x-Richtungen angeordnet sind, kann ein Mittel der Signale der Sensorelementabschnitte 212a und 212b eine Abschätzung von Bx auf der z-Achse bereitstellen (d.h. an der Position, an der das Sensorelement 210 Bz abfühlt), wie oben im Kontext der Schwerpunkte beschrieben. Ähnlich wie die Sensorelemente 110 und 112 kann das Sensorelement 110 eine herkömmliche Hallplatte umfassen, während das Sensorelement 112 in einer Ausführungsform eine vertikale Halleffektvorrichtung oder eine Feldplatte umfassen kann.
2A ist eine semitransparente Draufsicht des Systems 200, sodass die allgemeine, relative Anordnung des Zielobjektes 204, des Nacktchips 206 und der Sensorelemente 210 und 212 ähnlich wie das in 1 ist, sogar wenn es in 2A so scheint, als ob der Nacktchip 206 stattdessen zwischen den Sensorelementen 210 und 212 und dem Zielobjekt 204 angeordnet ist (obwohl dies nicht heißen soll, dass eine derartige Anordnung nicht in anderen Ausführungsformen implementiert werden könnte). Darüber hinaus kann das System 200 andere Elemente umfassen, die denen des Systems 100 ähnlich sind oder die ansonsten nicht speziell dargestellt sind (z.B. einen Vormagnetisierungsmagneten, ein Gehäuse, Leitungen etc.). Hier und in der gesamten Anmeldung werden ähnliche Bezugszahlen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen (z.B. Nacktchip 106 und 206, Zielobjekt 104 und 204 etc.), obwohl die ähnlichen Elemente nicht in jeder Ausführungsform identisch sein können. Zum Beispiel umfasst das Ziel 104 im Allgemeinen regelmäßige und ähnlich beabstandete Zähne und Spalten, wie dargestellt, während das Zielobjekt 204 zumindest einen Zahn umfasst, der breiter als ein angrenzender Spalt ist, wie in 2 dargestellt. Andere Zähne und Spalten des Zielobjekts 204 können regelmäßige oder unregelmäßige Größen und Formen haben. Ferner sind die relativen Größen von z.B. Sensorvorrichtung 202 und Zielobjekt 204, sowie allgemeiner die Zeichnungen, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei Anpassungen zu Zwecken der Beschreibung und Veranschaulichung von Beispielen und Merkmalen gemacht wurden und die Ansprüche nicht beschränken.
Eine weitere Ausführungsform des Sensorsystems 200 wird in 2B dargestellt, in der das Sensorelement 212 vier Sensorelementabschnitte 212a, 212b, 212c und 212d umfasst. Die Sensorelementabschnitte 212a und 212 sind, wie in der Ausführungsform in 2A, voneinander beabstandet entlang der x-Achse angeordnet. Die Sensorelementabschnitte 212c und 212d sind voneinander beabstandet entlang der y-Achse angeordnet, die sowohl auf die Luftspaltrichtung als auch die x-Achse senkrecht ist. In beiden Richtungen sind die Paare aus den Sensorelementabschnitten 212a und 212b sowie aus den Sensorelementabschnitten 212c und 212d gleich voneinander und vom Sensorelement 210 beabstandet. Jedes Paar aus Sensorelementabschnitten 212a–212b und 212c–212d kann so konfiguriert sein, dass es Magnetfeldkomponenten entlang einer ersten beziehungsweise zweiten Richtung detektiert, wobei die erste und zweite Richtung aufeinander orthogonale Magnetfeldkomponentenrichtungen und auch orthogonal auf die Empfindlichkeitsrichtung des Sensorelements 210 sind.
Die Zusammensetzung und relative Anordnung des Systems 200 in 2B ist so, dass das System 200 ein „torsionsunempfindliches“ Sensorsystem ist. Anders gesagt kann das System 200 um einen beliebigen Winkel um die Torsionsachse (d.h. die z-Achse in 2B) gedreht werden, ohne das Magnetfeld zu beeinflussen, das vom ersten oder zweiten Sensorelement 210 und 212 detektiert wird (wobei sich 212 auf die Sensorelementabschnitte 212a–d bezieht). In einigen Anwendungen, zum Beispiel in Automobilanwendungen, kann dies eine höhere Flexibilität bei der Befestigung eines Sensorsystems relativ zum Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors ermöglichen.
Daher, und unter Bezugnahme auf 2C, können die Sensorelemente 210 und 212, falls das Substrat 206 um einen beliebigen Torsionswinkel ϑ (z.B. ϑ = 20 Grad, wie in 2C dargestellt) um die Torsionsachse verdrillt oder gedreht wird, kombiniert werden, um die Magnetfeldkomponente entlang der Bewegungsrichtung (d.h. Bx) zu repräsentieren. Das Sensorsystem 200 kann daher einen dreidimensionalen (3D-)Sensor umfassen. Aus der Anordnung in 2C mit ϑ = 20 Grad kann Bx rekonstruiert werden, weil es proportional zu: S_2xcosϑ – S_2ysinϑ ist, wobei S_2x das Sensorelementpaar 212a und 212b betrifft und S_2y das Sensorelementpaar 212c und 212d betrifft.
3A (Seitenansicht) und 3B (Drauf- oder Aufsicht) stellen eine Ausführungsform eines Sensorsystems 300 dar, das dem Sensorsystem 200 in 2C ähnlich, aber in einer aufrechten Positionskonfiguration ist. Das System 300 kann ebenfalls ein torsionsunempfindliches Sensorsystem sein, das hier wieder um die z-Achse (wie am einfachsten aus 3B ersichtlich) verdreht ist. Im System 300 umfasst das Sensorelement 310 zum Abfühlen der Bz-Komponente zwei Sensorelementabschnitte 310a und 310b, und das Sensorelement 312 zum Abfühlen der Bx-Komponente umfasst drei Sensorelementabschnitte 312a, 312b und 312c, wobei die Sensorelementabschnitte 312b und 312c äquidistant vom Sensorelementabschnitt 312a entlang der z-Achse beabstandet sind. Die Sensorelementabschnitte 310a und 310b sind ebenfalls äquidistant vom Sensorelementabschnitt 312a beabstandet, jedoch entlang der x-Achse. Wie aus 3B ersichtlich ist, sind die Sensorelemente 310 und 312 im Allgemeinen in der y-Richtung koplanar.
Das Sensorelement 310 kann eine vertikale Hallvorrichtung oder eine magnetoresistive Vorrichtung umfassen, während das Sensorelement 312 unterschiedliche Arten von Sensorelementen umfassen kann. Zum Beispiel umfasst der Sensorelementabschnitt 310a in einer Ausführungsform eine herkömmliche Hallplatte, und die Sensorelementabschnitte 310b und 310c umfassen vertikale Hallvorrichtungen oder magnetoresistive Vorrichtungen. Daher ist der Sensorelementabschnitt 312a empfindlich gegenüber Magnetfeldkomponenten, die senkrecht auf die Hauptoberfläche des Nacktchips 306 sind (d.h. die Oberfläche, auf der die Sensorelemente 310 und 312 befestigt sind und die im Allgemeinen unter einem Torsionswinkel ϑ um die z-Achse aus der Zeichnung hinaus gerichtet ist, wie in 3B dargestellt), während die anderen Sensorelementabschnitte 310a, 310b, 312b und 312c empfindlich gegenüber Magnetfeldkomponenten in der Hauptebene sind, im Allgemeinen entlang den kurzen Rändern der Rechtecke dieser Sensorelementabschnitte, wie – solange hier nicht anders beschrieben – in den Zeichnungen dargestellt.
Obwohl dieses nicht konkret dargestellt wird, kann das Sensorsystem 300 andere Bauteile umfassen, einschließlich der Bauteile, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben wurden. Zum Beispiel kann die Sensorvorrichtung 300 eines oder mehrere aus einem Vormagnetisierungsmagneten, ein Gehäuse, Leitungen und andere Bauteile umfassen. Zu dem Zweck, lediglich Merkmale hervorzuheben, die sich von System zu System oder Ausführungsform zu Ausführungsform unterscheiden können, können einige dieser und/oder andere Merkmale und Bauteile aus einer oder mehreren Zeichnungen weggelassen werden, ohne eine beliebige Zusammensetzung eines/einer beliebigen beanspruchten Sensorsystems oder Sensorvorrichtung zu beschränken. Daher können verschiedene Ausführungsformen zu Kombinationen und/oder Variationen von Merkmalen und Bauteilen angeordnet werden, die hierin an anderer Stelle unter Bezugnahme auf eine andere spezielle Ausführungsform dargestellt und/oder beschrieben werden.
Wie zuvor erwähnt, können Ausführungsformen Monozellen- oder Differentialsensorvorrichtungen umfassen. Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Ausführungsform eines Differentialsensorsystems 400 dargestellt. Das Sensorsystem 400 umfasst Bauteile und Merkmale, die denen von Ausführungsformen der Sensorsysteme 200, 300 und 400 ähnlich sind, wobei eine weitere Anordnung der Sensorelemente 410 und 412 das Abfühlen des Gradienten der Magnetfeldkomponente entlang der Bewegungsrichtung (x) des Zielobjekts 404 ermöglicht. In solch einer Ausführungsform kann ein Schwerpunkt der Sensorelemente 410 und 412 einen präziseren Punkt definieren, an dem die Sensorvorrichtung 400 umschaltet. In 4 ist der Schwerpunkt die z-Achse, auf der das Sensorelement 410 angeordnet ist und die einen Schwerpunkt der Vielzahl von Sensorelementabschnitten (die mehr oder weniger sein können als die in 4 dargestellte Anzahl) des Sensorelements 412 definiert. Die Vielzahl von Sensorelementabschnitten 412 in 4 ist im Allgemeinen entlang eines Kreises, dessen Mittelpunkt auf der z-Achse liegt, angeordnet, wobei die Vielzahl von Abschnitten des Sensorelements 412 im Allgemeinen äquidistant von der z-Achse und durch gleiche Winkel voneinander beabstandet sind. Das Sensorsystem 400 ist ebenfalls ein torsionsunempfindliches System und unter einem Torsionswinkel ϑ von der z-Achse angebracht.
Während des Betriebs kann die Schaltung des Sensorsystems 400 oder die daran gekoppelte Schaltung diametral entgegengesetzte der Vielzahl von Sensorelementabschnitten des Sensorelements 412 identifizieren, die auf einer Linie liegen, die am genauesten mit der Bewegungsrichtung des Zielobjektes 404 übereinstimmt. In 4 könnten die beiden Sensorelementabschnitte, die in weiß oder nicht schattiert gezeigt werden, diese diametral entgegengesetzten Sensorelemente sein, da beide im Allgemeinen auf der x-Achse liegen. In der Praxis kann die Identifizierung dieser Sensorelemente nach dem Anbringen oder Installieren des Sensorsystems 400 stattfinden, da die relative Anordnung des Sensorsystems 400 und des Zielobjektes 404 erst bekannt ist, nachdem dies stattgefunden hat. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 400 oder die daran gekoppelte Schaltung zwischen zwei oder mehreren Sensorelementen interpolieren, die in der Nähe der Linie positioniert sind, die mit der Bewegungsrichtung des Zielobjektes 404 übereinstimmt. Hier werden Simulationsergebnisse in Bezug auf den Betrieb eines beispielhaften Sensorsystems wie des Sensorsystems 400 unten beschrieben.
Ein aufrechtes, torsionsunempfindliches Differentialsensorsystem stellt zusätzliche Herausforderungen dar, weil die Orientierung der Hauptoberfläche des Nacktchips (d.h. die Oberfläche, auf der die Sensorelemente angeordnet sind) willkürlich ist und im Allgemeinen nicht geändert werden kann. Daher würden beliebige Sensorelemente, die nicht auf der Torsionsachse liegen, aufgrund des willkürlichen Torsionswinkels nicht auf der x-Achse liegen (d.h. der Bewegungsrichtung des Zielobjektes). Trotzdem, und unter Bezugnahme auf 5, wird eine Ausführungsform eines torsionsunempfindlichen Differentialsensorsystems 500 dargestellt. Das Sensorsystem 500 umfasst eine aufrechte Orientierung, die ähnlich wie die des Sensorsystems 300 in den 3A und 3B ist. Das Sensorsystem 500 umfasst zwei Sensorelemente 510 und 512. Das Sensorelement 510 umfasst zwei Sensorelementabschnitte 510a und 510b, wobei der Sensorelementabschnitt 510a näher am Zielobjekt 504 angeordnet ist als das Sensorelement 510b, wobei sie entlang der z-Achse voneinander beabstandet sind. Das Sensorelement 512 umfasst zwei Sensorelementabschnitte 512a und 512b. Der Sensorelementabschnitt 512a ist näher am Zielobjekt 504 angeordnet als der Sensorelementabschnitt 512b, wobei die gleichen Sensorelementabschnitte 510a und 510b entlang der z-Achse voneinander beabstandet und zwischen den Sensorelementabschnitten 510a und 510b angeordnet sind (d.h. der Sensorelementabschnitt 510a ist am nächsten zum Zielobjekt 504 angeordnet, und der Sensorelementabschnitt 510b ist am weitesten vom Zielobjekt 504 entfernt angeordnet, wobei die Sensorelementabschnitte 512a und 512b zwischen ihnen angeordnet sind).
Jeder der Sensorelementabschnitte 512a und 512b umfasst drei Sensorelementabschnitte, die entlang der x-Achse voneinander beabstandet sind. Die mittigen Sensorelementabschnitte können in Ausführungsformen jeweils herkömmliche Hallplatten umfassen, während die beiden Sensorelementabschnitte auf jeder Seite der mittigen Sensorelementabschnitte in Ausführungsformen vertikale Halleffektsensorvorrichtungen oder magnetoresistive Vorrichtungen umfassen können. Die Sensorelementabschnitte 510a und 510b können in Ausführungsformen ebenfalls vertikale Halleffektsensorvorrichtungen oder magnetoresistive Vorrichtungen umfassen.
In 5 wird das Sensorsystem 500 unter einem Torsionswinkel ϑ auf der z-Achse dargestellt (wobei die Orientierung des Torsionswinkels ϑ am leichtesten aus 4 ersichtlich ist). Wenn der Torsionswinkel ϑ = 0°, ist die Oberfläche des Nacktchips 506 (d.h., die Oberfläche, die in 5 nach außen zeigt und auf der die Sensorelemente 510 und 512 angebracht sind) parallel zur x-Achse. Dann kann das Sensorsystem 500 so konfiguriert werden, dass es beide Gradienten von Bx und Bz bezüglich der x-Richtung, d.h. ∂B_x/∂x und ∂B_z/∂x. Dies wird erreicht, indem die beiden Bx-empfindlichen Elemente der Sensorelementabschnitte 512a und 512b an unterschiedlichen x-Positionen, jedoch an denselben y- und z-Positionen platziert und subtrahiert werden: dx × ∂B_x/∂x ≅ B_x(x + dx/2) – B_x(x – dx/2)
Dasselbe wird für die z-Komponente gemacht: dx × ∂B_z/∂x ≅ B_z(x + dx/2) – B_z(x – dx/2)
Da die Rotation des Magnetfeldes verschwindet, gilt ∂B_z/∂x = ∂B_x/∂z, was gemessen werden kann, indem die beiden Bx-Sensorelemente der Sensorelementabschnitte 512a und 512b an unterschiedliche z-Positionen, aber identischen x- und y-Positionen platziert werden. Wenn die Sensorelementabschnitte 512a und 512b auf der Torsionsachse (d.h. der z-Achse) sind, kann der Nacktchip 506 verdreht werden, ohne das Signal zu ändern. Das Sensorsystem 500 benötigt auch Sensorelemente, die zwei aufeinander orthogonale Komponenten messen, die beide senkrecht auf die Torsionsachse sind, und das Bx-Feld gemäß S_2xcosϑ – S_2ysinϑ wie oben beschrieben rekonstruieren.
Für den zweiten Gradienten kann die Tatsache verwendet werden, dass die Divergenz des Magnetfeldes verschwindet, wodurch: ∂B_x/∂x = –∂B_y/∂y – ∂B_z/∂z.
Das gesamte Magnetfeld kann in ein vom Vormagnetisierungsmagnet erzeugtes Feld und die Rückstreuung des Zielobjektes 504 zerlegt werden. Zum Beispiel gilt für die y-Komponente: B_y = B_y ^(T) + B_y ^(M), wobei das hochgestellte (T) die Zielstruktur und das hochgestellte (M) den Magneten bezeichnet. Wenn das Sensorsystem 500 in der Symmetrieebene des Zielobjektes 504 platziert wird, gilt B_y ^(T) = 0. Ferner kann der Vormagnetisierungsmagnet für einen beliebigen Sensor, der einen Gradienten in x-Richtung aufweist, so ausgelegt werden, dass ∂B_x ^(M)/∂x = 0. Im Falle eines torsionsunempfindlichen Systems kann der Vormagnetisierungsmagnet in Ausführungsformen eine rotationssymmetrische Geometrie aufweisen, sodass auch gilt, dass ∂B_y ^(M)/∂y = 0. Dadurch erhalten wir ∂B_y/∂y = 0, was bedeutet, dass ∂B_x/∂x = –∂B_z/∂z.
Daher kann das Sensorsystem 500 so betrachtet werden, dass es zwei 3D-Sensoren umfasst (d.h., der erste ist 510a und 510b, und der zweite ist 512a und 512b), wobei jeder Sensor so konfiguriert ist, dass er die beiden orthogonalen Magnetfeldkomponenten in derselben Ebene und die Magnetfeldkomponente senkrecht auf die Hauptoberfläche des Nacktchips 506 misst. Jeder 3D-Sensor ist in einem anderen Abstand (d1 bzw. d2) entlang der Luftspaltrichtung (d.h. der z-Richtung) vom Zielobjekt 504 angeordnet, und die Differenzen der Magnetfelder werden bestimmt, um zwei Signale bereitzustellen: Eines kann dazu verwendet werden, um eine genauere Position der steigenden Ränder des Zielobjektes 504 zu detektieren, und das andere kann dazu verwendet werden, um eine genauere Position der sinkenden Ränder des Zielobjektes 504 zu detektieren.
Wenn die beiden z-Positionen d1 und d2 genannt werden, die Magnetfeldkomponente, die sich nicht in der Hauptebene befindet, von einer herkömmlichen Hallplatte (HHall) detektiert wird und die beiden Komponenten in der Hauptebene von vertikalen Hallvorrichtungen VHallx‘ und Vhallz detektiert werden (wobei erstere anzeigt, dass die x‘-Richtung sich aufgrund des Torsionswinkels von der x-Richtung unterscheidet), dann ist das erste Signal Sig1: Sig1 = Signal(VHallz bei d2) – Signal(VHallz bei d1).
Das zweite Signal ist: Sig2 = Signal(VHallx‘ bei d2)·cos(theta) – Signal(HHall bei d2)·sin(theta) – Signal (VHallx‘ bei d1)·cos(theta) + Signal(HHall bei d1)·sin(theta).
Im Allgemeinen kann der Monozellenansatz einfacher zu implementieren sein, weniger Platz auf dem Chip verwenden und einen geringeren Stromverbrauch aufweisen, obwohl er weniger robust gegenüber magnetischer Störung sein kann als ein Differentialansatz. Der Differentialsensoransatz kann einen bedeutenden Anteil der Hintergrundmagnetfeldstörungen auslöschen, sodass er robuster ist, allerdings hat er den Nachteil, dass er nicht gleich gut für alle möglichen Torsionswinkel funktioniert: Wenn die Linien, entlang welcher die Gradienten detektiert werden, entlang der Richtung der Breite des Zielobjektes sind, kann dieser Sensortyp eine schlechte Phasengenauigkeit aufweisen – jedoch kann diese wesentlich verbessert werden, wenn man die Gradienten entlang der x-Richtung wie oben beschrieben durch Gradienten entlang der z-Richtung bildet.
Daher können in Ausführungsformen Magnetfeldsensorvorrichtungen, -systeme und -verfahren die Ränder eines Zielobjektes genauer detektieren. In Ausführungsformen und im Allgemeinen unter Bezugnahme auf 6A und 6B, umfasst ein Sensorsystem 600 eine Vielzahl von Magnetfeldsensorelementen 610/612 (wie in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen in 1–5 beschrieben), die in der Nähe eines Zielobjektes 604 wie z.B. eines Zahnrades angeordnet sind, um die Drehung des Zielobjektes 604 abzufühlen. Das Sensorsystem 600 kann ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor sein, indem ein erstes Magnetfeldsensorelement empfindlich gegenüber einer ersten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bx-Komponente) ist und ein zweites Magnetfeldsensorelement gegenüber einer zweiten Magnetfeldkomponente (z.B. der Bz-Komponente) empfindlich sein kann. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 600 ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor sein. In Ausführungsformen kann die Anordnung des Sensorsystems 600 in Bezug auf das Zielobjekt 604 torsionsunempfindlich sein, und die Verwendung verschiedener aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensorelement zur Detektierung steigender oder sinkender Ränder kann eine genauere und/oder konsistentere Randdetektion sowie andere Vorteile bereitstellen.
Das Sensorsystem 600 kann in Bezug auf das Zielobjekt 604 so angeordnet sein, dass das Signal von einem oder dem anderen aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensorelement von der Schaltung 601 verwendet werden kann, um eine Umschaltschwelle zu bestimmen, die davon abhängt, ob ein detektierter Rand steigt (d.h. von einem Spalt zu einem Zahn des Zahnrades übergeht) oder sinkt (von einem Zahn zu einem Spalt des Zahnrads übergeht). Die Schaltung 601 kann Teil des Sensorsystems 600 (6A) oder separat von, aber kommunikativ an das Sensorsystem 600 gekoppelt sein (6B). In der Ausführungsform in 6A, kann die Schaltung 601 mit zusätzlichen Schaltelementen wie z.B. einer elektronischen Steuereinheit (ECU) kommunizieren, die außerhalb des Systems 600 liegen. In der Ausführungsform in 6B kann die Schaltung 601 ebenfalls mit zusätzlichen Schaltelementen wie z.B. einer ECU kommunizieren, die außerhalb des Systems 600 liegen, oder die Schaltung 601 kann eine ECU oder eine/n andere/n Bauteil oder Vorrichtung umfassen. In jeder Ausführungsform kann die Schaltung 601 einen Speicher und andere Schaltelemente umfassen.
In Ausführungsformen kann die Schaltung 601 einen Schwellenwert oder andere Daten speichern und kann so konfiguriert sein, dass sie Ausgabesignale von den Sensorelementen 610/612 verarbeitet, um z.B. Spitzenwerte zu bestimmen, welche dem jeweiligen Magnetfeld vor und nach einem steigenden Rand (d.h. Spalt-zu-Zahn-Übergang) beziehungsweise einem sinkenden Rand (d.h. Zahn-zu-Spalt-Übergang) entsprechen, und um eine Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzenwerten zu bestimmen, um einen genaueren Übergang oder Umschaltpunkt zu bestimmen. Der zweite Wert kann zum Beispiel eine unveränderliche Konstante, die während der Kalibrierung des Systems 600 bestimmt wurde, oder ein während eines vorhergehenden Betriebs gemessener und in der Schaltung 601 gespeicherter Wert sein. In Ausführungsformen kann die Differenz zwischen den Spitzenwerten dazu verwendet werden, um einen Schwellenwert abzuleiten, der sich auf eine Position des Zielobjektes 604 bezieht, an der ein nächster Übergang (d.h. ein steigender oder ein sinkender Rand) auftreten wird.
Es wurde eine finite Elementsimulation eines dem System 400 in 4 ähnlichen Sensorsystems durchgeführt. Im 3D-Modell war das Zielobjekt in der y-Richtung 10 mm breit. Jegliche Krümmung des Zielobjektes (d.h. falls das Zielobjekt ein Zielrad war) wurde vernachlässigt, und das Zielobjekt wurde als ein rechteckiges, in der x-Richtung 52 mm langes Element modelliert. Das Material des Zielobjektes war magnetischer Stahl mit µr = 1700. Das Zielobjekt umfasste einen Zahn, der von links nach rechts lief (d.h. in die positive x-Richtung). Die Position des sinkenden Randes „Zahn → Spalt“ trat bei x = x0 auf. Das obere Ende des Zahnes war bei z = 0, und der Spalt war bei z = –10 mm. Das rechteckige, ziegelförmige Zielobjekt, welches ein Zielrad nachbildete, reichte bis z = –20 mm nach unten, wo die Randbedingung „magnetische Isolierung“ angewendet wurde.
Der Vormagnetisierungsmagnet war ein Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Achsenlänge von 5 mm. Das untere Ende des Magneten war bei z = 0,5 mm, was einem Luftspalt von 0,5 mm entspricht. Die Magnetisierung war eine Mischung aus radialer und axialer Magnetisierung gemäß: Brem, x = x/sqrt(x^2 + y^2)·cos(theta) Brem, y = y/sqrt(x^2 + y^2)·cos(theta) Brem, z = sin(theta), wobei theta = 55°.
Die ziegelförmige Struktur, die das Rad nachbildete, bestand aus mehreren Blöcken, die es leichter machten, einen beweglichen Zahn zu simulieren. Ein Magnet- und Chipgehäuse wurde von nicht magnetischem Material mit einem Außendurchmesser von 5 mm umgeben, welches die Position des Sensorgehäuses innerhalb des Magneten definierte. Der Zahn war bei –15 mm und 4,6 mm und hatte eine hohe magnetische Permeabilität von µr = 1700.
7 zeigt Simulationsergebnisse des Bx-Feldes, welches an einem Testpunkt (x, y, z) = (0, 0, 1,09 mm) gegenüber der Position des Zahnes abgetastet wurde. Das Bx-Feld verschwindet, falls das Sensor- und Magnetgehäuse oberhalb eines großen Zahns oder Spalts zentriert ist, wogegen ein Spitzenwert in der Nähe eines Übergangs von Zahn zu Spalt oder Spalt zu Zahn auftritt. Ein wichtiger Punkt ist, dass der Spitzenwert bei negativen x0-Positionen auftritt, was bedeutet, dass der Spitzenwert auftritt, bevor der Zahn-Spalt-Übergang direkt unterhalb oder in unmittelbarer Nähe des Sensors ist. In dieser Simulation ist eine ideale Schwelle bei x0 = 0 bei 82,2% des Maximums, mit dem Maximum = 107,3 mT bei x0 = –0,8 mm.
Im Gegensatz dazu und unter Bezugnahme auf 7B trat der Spitzenwert des Bz-Feldes auf, kurz nachdem der Zahn-Spalt-Übergang direkt unterhalb des Sensors vorbeilief. Dies bedeutet auch, dass der Spitzenwert auftrat, bevor der Zahn-Spalt-Übergang direkt unterhalb des Sensors vorbeilief.
Daher weist das Bz-Feld einen Spitzenwert auf, bevor der Rand den Sensor passiert, falls ein steigender Rand (d.h. ein Spalt-Zahn-Übergang) unterhalb des Sensors vorbeiläuft. Falls ein sinkender Rand (d.h. ein Zahn-Spalt-Übergang) unterhalb des Sensors vorbeiläuft, weist das Bx-Feld einen Spitzenwert auf, bevor der Rand den Sensor passiert. Deshalb kann der Sensor in beiden Fällen den Spitzenwert detektieren und eine Schwelle für den nächsten Rand bestimmen, die während des Vorrückens eine immer genauere Randdetektion bereitstellt.
Obwohl es viele Anwendungen für die hier beschriebenen Sensorsysteme, -vorrichtungen und -verfahren gibt, ist eine beispielhafte Anwendung ein Automobilnockenwellensensor. Ein üblicher, aber nicht ausschließlicher Außendurchmesser eines Nockenrads ist 50 mm. Daher kann mittels Ausführungsformen der hier beschriebenen Sensorsysteme bestimmt werden, dass der Spitzenwert zumindest 0,6 mm vor dem Rand des Zahns auftritt. Dies ist äquivalent zu 1,375°. Wenn sich die Nockenwelle mit einer maximalen Drehzahl von 400 U/min dreht, ist das äquivalent zu 66,7·360 Grad pro Sekunde, sodass 57 µs für 1,375° benötigt werden. Daher muss der Sensor in Ausführungsformen innerhalb von 57 µs das Maximum erkennen, die Schwelle berechnen und den Komparator aktivieren. Während des Starts ist die Drehzahl der Nockenwelle viel geringer, sodass die Schwellenbestimmung dann ausgeführt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 8 wurde eine weitere finite Elementsimulation durchgeführt. In dieser Simulation wurde ein vollzylindrischer Magnet mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Höhe von 5 mm 2,5 mm oberhalb eines Zahnrads positioniert. Der Vormagnetisierungsmagnet wurde in der z-Richtung mit Brem, z = 1 T magnetisiert, und der Magnet hatte eine Permanenz von µr = 1,1. Das Zielrad war 10 mm breit, wobei das obere Ende der Zähne bei z = 9 und das obere Ende der Spalte bei z = –7 mm war, und das Zielrad hatte eine Permeabilität von µr = 1700. Ein Spalt lief in die positive x-Richtung, sodass das Spalt-Zahn-Ende auf der Abszisse des Graphs in 8 als „Position des steigenden Randes“ angegeben wurde.
Das Sensorsystem umfasste zwei, auf Bx-Felder reagierende Sensorelemente an den Stellen x = +0,75 mm und x = –0,75 mm. Die Sensorschaltung kombinierte ihre Signale, um ein zu Bx(x = 0,75 mm) – Bx(x = –0,75 mm) proportionales Signal zu erhalten, was ein Gradiometer in der x-Richtung ist, das auf Bx-Feldgradienten reagiert. Das Sensorsystem umfasste auch zwei, auf Bz-Felder reagierende Sensorelemente an den Stellen x = +0,75 mm und x = –0,75 mm. Die Sensorschaltung kombinierte ihre Signale, um ein zu Bz(x = 0,75 mm) – Bz(x = –0,75 mm) proportionales Signal zu erhalten, was ein Gradiometer in der x-Richtung ist, das auf Bz-Feldgradienten reagiert. Alle Sensorelemente waren bei z = 2,2 mm positioniert, was 0,3 mm tiefer als die unterste Oberfläche des Magnets ist.
Das Sensorsystem wurde an die unterste Fläche des Vormagnetisierungsmagneten angebracht, wobei eine Hauptoberfläche parallel zur untersten Oberfläche des Magneten (d.h. parallel zur x-y-Ebene) war. In einer solchen Ausführungsform können die Bz-Sensorelemente MAGFETs oder herkömmliche Hallplatten sein, und die Bz-Sensorelemente können vertikale Halleffekt-Vorrichtungen oder magnetoresistive Sensorelemente (z.B. AMRs, GMRs, TMRs etc.) sein.
Es ist auch möglich, das Sensorsystem in einer Konfiguration zur Abfühlung von oben angeordnet sein, sodass eine Hauptoberfläche parallel zur x-z-Ebene ist. Dann kann der Vormagnetisierungsmagnet leicht modifiziert werden, um einen Hohlraum zu umfassen, in dem der Sensor liegt. Dies kann das Magnetfeld leicht verändern, jedoch kann dies kompensiert werden, indem eine Geometrie und/oder ein Magnetisierungsmuster des Magneten modifiziert wird. In diesem Fall können die Bx-Sensorelemente und die By-Sensorelemente zum Beispiel vertikale Halleffektvorrichtungen oder magnetoresistive Sensorelemente sein.
Ein signifikanter Unterschied zwischen der ersten Simulation und dieser zweiten Simulation ist, dass erstere absolute Feldsensoren für die Bx- und Bz-Komponente umfasste, während letztere Differentialfeldsensoren (oder Gradiometer) für Bx und Bz umfasste.
Die Gradiometersignale werden in der Graphik in 8 dargestellt. Es ist zu beachten, dass beide Signale einen Spitzenwert aufwiesen, wenn der Rand direkt unterhalb des Mittelpunkts des Sensors vorbeilief, jedoch mit dem Unterschied, dass das Bx-Gradiometer (mit der Bezeichnung dBx) den Spitzenwert erreichte, bevor der Rand den Sensor passierte, während das Bz-Gradiometer (mit der Bezeichnung dBz) den Spitzenwert erreichte, nachdem der Rand den Sensor passierte. Daher kann das dBx-Signal dazu verwendet werden, um die Position eines steigenden, in die positive x-Richtung laufenden Randes zu bestimmen (d.h. einen Übergang von Spalt zu Zahn entlang der positiven x-Richtung), während das dBz-Signal dazu verwendet werden kann, um die Position eines sinkenden, in die positive x-Richtung laufenden Randes zu bestimmen (d.h. einen Übergang von Zahn zu Spalt entlang der positiven x-Achse).
Wenn die Bewegungsrichtung des Zielrads die umgekehrte Richtung ist, müssen die Rollen der dBx- und dBz-Signale vertauscht werden: Wenn sich ein steigender Rand (d.h. ein Übergang von Spalt zu Zahn entlang der positiven x-Richtung) in die negative x-Richtung bewegt, kann das Sensorsystem unter Verwendung des dBz-Signals den Zeitpunkt bestimmen, wenn der Rand direkt unterhalb des Sensors vorbeiläuft.
Es ist zu beachten, dass dBz bei 0 mT einen wohldefinierten, niedrigen Pegel aufweist, während dBx bei etwa –0,067 T einen niedrigen Pegel aufweist, wenn ein Zahn unterhalb des Sensors ist, und bei etwa –0,085 T, wenn ein Spalt unterhalb des Sensors ist. Der Grund besteht darin, dass der in der Simulation modellierte Magnet sehr einfach war, sodass seine Flusslinien divergierten, wenn sie die Sensorelemente passierten; dies ergibt ein negatives Bx an einer negativen x-Position und ein positives Bx an einer positiven x-Position, sodass sich dBx von null unterscheidet. Die Gegenwart des Zahns zwangen die Flusslinien, bei ihrem Eintritt in das Eisen zu konvergieren, was die Größe von dBx über dem Zahn im Vergleich zur Position über dem Spalt reduzierte. Es ist jedoch möglich, den Magneten so zu formen, dass dBx über den Zähnen und den Spalten null ist und das dBx-Signal bei der Nulllinie genau wie das dBz-Signal auch 0 mT aufweist. Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, einen Hohlraum oder ein Stiftloch an der untersten Oberfläche in der Nähe der Symmetrieachse des Magneten auszuschneiden.
Wenn sich ein Rand dem Sensor nähert, steigen beide Signale dBx und dBz. Das Signal, das den Spitzenwert zuerst erreicht, ist bei der Randdetektion zu verwenden. Wenn zum Beispiel das dBx-Signal den Spitzenwert vor dem dBz-Signal erreicht, hat entweder ein steigender Rand, der sich in die positive x-Richtung bewegt, den Sensor passiert, oder ein sinkender Rand, der sich in die negative x-Richtung bewegt, hat den Sensor passiert.
Während des Betriebs, und unter Bezugnahme auf 9 kann ein Verfahren 900 implementiert werden. Ausführungsformen des Verfahrens 900 können mehr oder weniger der in 9 dargestellten Arbeitsschritte umfassen, wobei das Verfahren 900 ein beispielhaftes Verfahren ist. Im Allgemeinen kann es ein Ansatz sein, Sensorsignale mit den folgenden Merkmalen zu identifizieren: (1) einen ersten Wert, wie z.B. einen positiven oder negativen Spitzenwert (z.B. ein Extremum), bevor ein Rand des Zielobjekts das Sensorsystem passiert; (2) einen anderen, zweiten Wert, nachdem der Rand das Sensorsystem passiert hat; (3) ein Monotonieverhalten (d.h. ein Steigen oder Sinken) in einem ausreichend großen Intervall um die Position, an der der Rand des Zielobjekts exakt unterhalb des Mittelpunkts des Sensorsystems ist; (4) der erste Wert hängt signifikant von einer Größe des Luftspalts und Stärke des Magneten ab; und (5) der zweite Wert hängt nicht von der Größe des Luftspalts oder der Stärke des Magneten 108 ab, oder vielmehr ist seine Abhängigkeit zumindest viel geringer als die des ersten Werts. Unter diesen Randbedingungen kann das Sensorsystem den exakten Zeitpunkt detektieren, wenn der Rand unterhalb des Mittelpunkts des Sensorsystems in 9 vorbeiläuft.
Bei 902 identifiziert das Sensorsystem Ausgabesignale, die einen Spitzenwert aufweisen, der dem jeweiligen Magnetfeld entspricht, zum Beispiel durch das Verwenden einer Spitzenwertdetektorschaltung. Bei 904 misst das Sensorsystem den Wert der Spitze, worin der Spitzenwert von einer Größe des Luftspalts und einer Stärke des Magneten abhängt. Die Luftspaltabhängigkeit kann dominieren, weil der Magnet stationär ist und sich im Allgemeinen nur aufgrund von Temperatur- und lebenszeitbedingten Abweichungen verändert (welche in Ausführungsformen durch eine Temperaturmessung des Sensorsystems mit hinreichender Genauigkeit geschätzt werden können). Daher stellt der Spitzenwert eine ziemlich gute Schätzung der Größe des Luftspalts dar.
Bei 906 bestimmt das Sensorsystem eine Differenz zwischen dem gemessenen Spitzenwert (d.h. einem ersten Spitzenwert) und einem zweiten Wert, nachdem der Rand vorbeigelaufen ist, wie oben beschrieben. Der zweite Wert kann ein Festwert sein (d.h. nur durch die Bauweise bestimmt) oder ein gemessener Wert (d.h. ein Wert, der bei einem vorhergehenden Betrieb gemessen und gespeichert wurde) sein. In Ausführungsformen ist die Konfiguration des Magneten und des Sensorsystems jedoch so, dass der zweite Wert annähernd null ist. In einer solchen Konfiguration kann der Arbeitsschritt 906 ausgelassen werden, und der erste Spitzenwert kann ausschließlich verwendet werden, was auch eine höhere Phasengenauigkeit bereitstellen kann.
Bei 908 leitet das Sensorsystem einen Schwellenwert auf Basis der bestimmten Differenz ab. Der Schwellenwert kann in Ausführungsformen bestimmt werden, indem eine Formel verwendet wird, welche den Schwellenwert als eine Funktion der bestimmten Differenz ausgibt. Der Schwellenwert kann auch mittels einer Wertetabelle bestimmt werden. Sowohl die Wertetabelle als auch die Formel können durch numerische Simulation oder durch die Charakterisierung während der Entwicklung oder Herstellung abgeleitet werden; im Allgemeinen können Sie während der Entwicklung des Sensorsystems abgeleitet werden, um systematische Abhängigkeiten zwischen dem Magneten 108, dem Sensorsystem und dem voraussichtlichen Zielobjekt sowie Umwelteinflüssen wie z.B. der Temperatur zu berücksichtigen. Im Fall der Temperatur können zum Beispiel sowohl die bestimmte Differenz als auch die Temperatur als Eingabewerte bei der Ableitung des Schwellenwertes verwendet werden. Das Sensorsystem kann die bestimmte Differenz mit Werten von bestimmten Differenzen kombinieren, die in einer Speicherschaltung gespeichert sind oder die während eines Kalibrierungslaufs in die Speicherschaltung programmiert wurde. Ein alternativer Ansatz besteht darin, die bestimmte Differenz mit Werten der bestimmten Differenz zu kombinieren, die während eines vorhergehenden Betriebs erhalten wurden, wobei eine solche Kombination ein bewegliches mittel oder eine Art Filterung sein kann. Diese Kombination kann zum Beispiel das Ziel haben, den Schwellenwert robuster gegenüber Rauschen und Interferenz, Störungen oder mechanischen Schwingungen zu machen, die einzelne Messungen verfälschen können.
Bei 910 vergleicht das Sensorsystem den Schwellenwert mit anderen detektierten Werten. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem der abgeleitete Schwellenwert an einen Komparator übertragen wird, was dann den Komparator aktiviert. Das Sensorsystem wartet dann, bis der Komparator umschaltet, oder bis es bei 912 einen neuen gemessenen Spitzenwert detektiert (d.h. wenn die Drehrichtung des Ziels umgekehrt ist, sodass das Zielobjekt statt eines Übergangs von einer ersten Position zu einer zweiten Position von einer zweiten Position zu einer ersten Position übergeht). In letzterem Fall kann das Sensorsystem den Komparator deaktivieren und einen neuen Schwellenwert für den neuen, gemessenen Spitzenwert bestimmen.
Daher kann in einer Ausführungsform ein Sensorsystem so konfiguriert werden, dass es ein Ausgabesignal bereitstellt, wenn ein Zielobjekt eine Position passiert, wobei das Zielobjekt entlang eines Pfades beweglich ist, welcher die Position umfasst. Das Sensorsystem kann zumindest ein Sensorelement umfassen, das so konfiguriert ist, dass es ein die Position des Zielobjekts betreffendes Signal ausgibt, welches einen relativen Spitzenwert oder ein Extremum aufweist. Eine Schaltung, die an das zumindest eine Sensorelement gekoppelt ist, kann so konfiguriert sein, dass sie eine Schwelle ableitet, die auf dem Signal von dem zumindest einen Sensorelement basiert, und das Sensorsystemausgabesignal bereitstellt, wenn das Signal von dem zumindest einen Sensorelement entweder unter die Schwelle sinkt, falls das relative Extremum ein relatives Maximum war, oder über die Schwelle ansteigt, falls das relative Extremum ein relatives Minimum war.
Die hier beschriebenen Vorteile von Ausführungsformen des Sensorsystems, der Verfahren und Vorrichtungen umfassen eine genauere Randdetektion, sogar für den ersten Rand, der nach dem Einschalten des Sensors auftritt. Herkömmliche Sensoren verwenden feste Schwellen kurz nach dem Einschalten, oder sogar fortwährend, und diese Schwellen sind nicht so genau, weil sie anfällig für Änderungen des Luftspalts und Abweichungen der magnetischen Parameter sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Ausführungsformen die genaue Phase der Zielvorrichtung (z.B. einer Nockenwelle) detektieren können, was bedeutet, dass Ausführungsformen exakt umschalten können, wenn der Übergang zwischen Zahn und Spalt (d.h. ein sinkender Rand) oder von Spalt zu Zahn (d.h. ein steigender Rand) den Mittelpunkt der Sensorsysteme passiert. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche Systeme kleine Abweichungen; ihre Schwellen bewirken, dass die Sensorausgabe kurz vor einem steigenden Rand und kurz nach einem sinkenden Rand hin- und herschaltet, wobei „kurz“ etwa 0,5 Grad bis etwa 1,5 Grad einer Nockenwellenposition bedeuten kann.
In der Praxis kann eine spezielle Magnetfeldkomponente, z.B. Bz, nicht alle Anforderungen für sowohl steigende als auch sinkende Ränder erfüllen; zum Beispiel kann sie die Anforderungen lediglich für steigende Eisenränder erfüllen. Eine andere Magnetfeldkomponente wie z.B. Bx kann jedoch die Anforderungen nur für sinkende, nicht aber für steigende Ränder erfüllen. Daher können Ausführungsformen eine Magnetfeldkomponente für steigende Ränder und eine andere für sinkende Ränder verwenden.
In Ausführungsformen können Magnetfeldsensorsysteme oder Abschnitte davon integrierte Schaltkreise umfassen, bei denen die Sensorelemente, die Schaltung und andere Bauteile in, auf oder aus einem Abschnitt oder „Chip“ eines Halbleitermaterials ausgebildet sein können. Integrierte Schaltkreise können auf einem Nacktchip ausgebildet sein, und der Nacktchip und andere Bauteile können in Ausführungsformen in einem Gehäuse angeordnet sein. Daher können hier beschriebene Ausführungsformen Vorteile haben, die integrierten Schaltkreisen zugeordnet werden, einschließlich einer kleinen und kompakten Größe, einer erhöhten Leistung gegenüber diskreten Bauteilen und/oder einer verbesserten Kosteneffizienz.
Hier wurden verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben. Diese Ausführungsformen werden lediglich beispielhaft zur Verfügung gestellt und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken. Es ist vielmehr anzunehmen, dass die verschiedenen Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen zu erzeugen. Darüber hinaus, während verschiedene Materialien, Dimensionen, Formen, Konfigurationen und Positionen etc. zur Verwendung der offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch andere neben den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Durchschnittliche Fachleute in den relevanten Gebieten werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann als in einer beliebigen, oben beschriebenen, einzelnen Ausführungsform dargestellt wurde. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen keine vollständige Präsentation der Möglichkeiten sein, wie die die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; die Erfindung kann vielmehr eine Kombination unterschiedlicher, einzelner Merkmale umfassen, die aus unterschiedlichen, einzelnen Ausführungsformen ausgewählt wurden, wie von Durchschnittsfachleuten verstanden wird. Ferner können Elemente, die in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurden, in anderen Ausführungsformen implementiert werden, auch wenn sie nicht in solchen Ausführungsformen beschrieben wurden, solange nichts Anderes angemerkt wird. Obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezielle Kombination aus einem oder mehreren Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsform ebenfalls eine Kombination des abhängigen Anspruchs und dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder oder eine Kombination eines oder mehrerer Merkmale mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen werden hier beabsichtigt sofern nicht angegeben wird, dass eine spezielle Kombination nicht intendiert ist. Ferner sollen ebenfalls Merkmale eines Anspruchs in jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst sein, sogar wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Jegliche Aufnahme der obigen Dokumente mittels Verweis ist begrenzt, sodass kein Gegenstand aufgenommen wird, der mit der hier expliziten Offenbarung unvereinbar ist. Jegliche Aufnahme der obigen Dokumente mittels Verweis ist ferner begrenzt, sodass hier keine von den Dokumenten umfassten Ansprüche mittels Verweis aufgenommen werden. Jegliche Aufnahme der obigen Dokumente mittels Verweis ist noch weiter begrenzt, sodass beliebige Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt sind, hier nicht mittels Verweis aufgenommen werden, solange diese nicht ausdrücklich hier aufgenommen werden.

Claims

Magnetfeldsensorsystem, das eingerichtet ist, von einem Zielobjekt durch einen Luftspaltabstand beabstandet angeordnet zu werden, wobei das System Folgendes umfasst: ein Substrat; ein erstes Sensorelement, das auf dem Substrat angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung empfindlich ist; ein zweites Sensorelement, das auf dem Substrat angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung empfindlich ist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet; sowie eine Schaltung, die eingerichtet ist, eine erfasste Position des Zielobjekts anzuzeigen, indem sie ein erstes Signal, das auf einem Ausgangssignal des ersten Sensorelements basiert, mit einer ersten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt, und indem sie ein zweites Signal, das auf einem Ausgangssignal des zweiten Sensorelements basiert, mit einer zweiten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von der zweiten Position zu der ersten Position bewegt.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei sich die erste Richtung und die zweite Richtung kreuzen, um einen Winkel zu bilden, der sich von 0 Grad oder 180 Grad unterscheidet.
Sensorsystem nach Anspruch 2, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht aufeinander sind.
Sensorsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste und das zweite Sensorelement eine vertikale Hallsensorvorrichtung und/oder eine magnetoresistive Sensorvorrichtung umfasst, und wobei das erste Sensorelement eine Hallplattenvorrichtung umfasst.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement eine Vielzahl von Sensorelementabschnitten umfasst, die eine Vielzahl von Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–5, welches ferner einen Vormagnetisierungsmagneten umfasst, der an das Substrat gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein Vormagnetisierungsfeld bereitzustellen, um das Zielobjekt zu magnetisieren und eine Änderung eines Magnetfelds des Zielobjekts zu bewirken, wenn sich das Zielobjekt relativ zum Vormagnetisierungsmagneten bewegt.
Sensorsystem nach Anspruch 6, wobei der Luftspaltabstand geringer als oder genauso groß wie ein Abstand zwischen dem Zielobjekt und dem Vormagnetisierungsmagneten ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das erste Sensorelement einen ersten Sensorelementabschnitt und einen zweiten Sensorelementabschnitt umfasst, die ein erstes Gradiometer mit einer ersten gradiometrischen Richtung bilden.
Sensorsystem nach Anspruch 8, wobei das zweite Sensorelement einen dritten Sensorelementabschnitt und einen vierten Sensorelementabschnitt umfasst, die ein zweites Gradiometer mit einer zweiten gradiometrischen Richtung bilden.
Sensorsystem nach Anspruch 9, wobei die erste gradiometrische Richtung und die zweite gradiometrische Richtung parallel sind.
Sensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Sensorelementabschnitt eine Hallplattenvorrichtung umfasst und wobei der zweite, dritte, vierte und/oder ein fünfter Sensorelementabschnitt eine vertikale Hallsensorvorrichtung und/oder eine magnetoresistive Sensorvorrichtung umfassen.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Magnetfeldsensorsystems, das eingerichtet ist, durch einen Luftspaltabstand von einem Zielobjekt beabstandet zu sein, wobei das System umfasst: einen Chip, insbesondere Roh- bzw. Nacktchip; ein erstes Sensorelement, das auf dem Chip angeordnet ist und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung empfindlich ist, ein zweites Sensorelement, das auf dem Chip angeordnet ist, und gegenüber einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung empfindlich ist, sowie eine Schaltung, die eingerichtet ist, ein Ausgabesignal bereitzustellen, das eine erfasste Position des Zielobjekts anzeigt; und Konfigurieren der Schaltung, sodass sie: ein erstes Signal, das auf einem Ausgangssignal des ersten Sensorelements basiert, mit einer ersten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von einer ersten Position an eine zweite Position bewegt, und ein zweites Signal, das auf einem Ausgangssignal des zweiten Sensorelements basiert, mit einer zweiten Schwelle vergleicht, falls sich das Zielobjekt von der zweiten Position zur ersten Position bewegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Konfigurieren der Schaltung ferner umfasst: Konfigurieren der Schaltung, um einen ersten Spitzenwert im ersten Signal und/oder im Ausgangssignal des ersten Sensorelements zu identifizieren; und Konfigurieren der Schaltung, um eine erste Schwelle aus dem ersten Spitzenwert zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Konfigurieren der Schaltung ferner umfasst: Konfigurieren der Schaltung, um einen zweiten Spitzenwert im zweiten Signal und/oder im Ausgangssignal des zweiten Sensorelements zu identifizieren; und Konfigurieren der Schaltung, um eine zweite Schwelle aus dem zweiten Spitzenwert zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Konfigurieren der Schaltung ferner das Aktualisieren der ersten oder zweiten Schwelle umfasst, falls eine neue erste beziehungsweise zweite Schwelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Bereitstellen eines Magnetfeldsensorsystems ferner ein Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Sensorelementabschnittes umfasst, welche zumindest eine vertikale Hallsensorvorrichtung und/oder magnetoresistive Sensorvorrichtung umfassen, wobei das erste Sensorelement eine Hallplattenvorrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–16, wobei das Bereitstellen eines Magnetfeldsensorsystems ferner ein Bereitstellen des ersten Sensorelements und/oder des zweiten Sensorelements derart umfasst, dass dieses eine Vielzahl von Sensorelementabschnitten umfasst, die eine Vielzahl von Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–17, wobei sich die erste Richtung und die zweite Richtung kreuzen, um einen Winkel zu bilden, der sich von 0 Grad oder 180 Grad unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht aufeinander sind.
Sensorsystem, das eingerichtet ist, ein Ausgabesignal bereitzustellen, wenn ein Zielobjekt eine Position passiert, wobei das Zielobjekt entlang eines Pfades beweglich ist, der die Position umfasst, wobei das Sensorsystem umfasst: zumindest ein Sensorelement, das eingerichtet ist, ein die Zielobjektposition betreffendes Signal auszugeben, das ein relatives Extremum aufweist; und eine Schaltung, die an das zumindest eine Sensorelement gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine Schwelle auf Grundlage des Signals vom zumindest einen Sensorelement zu bestimmen und das Sensorsystemausgabesignal bereitzustellen, wenn das Signal von dem zumindest einen Sensorelement entweder unter die Schwelle sinkt, falls das relative Extremum ein relatives Maximum war, oder über die Schwelle steigt, falls das relative Extremum ein relatives Minimum war.