DE102015117064A1 - Positionsdetektor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Positionsdetektor aufweisend: ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist; ein Messsubstrat, auf dem ein erstes Hallelement und ein zweites Hallelement angeordnet sind; eine das erste und zweite Hallelement aufweisende Verarbeitungselektronik, die eingerichtet ist, ein von dem ersten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal und ein von dem zweiten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal auszuwerten; und eine Permanentmagnetanordnung, die relativ zu dem Wiegandmodul und dem ersten und zweiten Hallelement in einer Richtung sowie einer entgegengesetzten Richtung bewegbar ist; wobei bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer zweiten Position befindet, in einem autonomen Modus das erste und zweite Hallelement und die Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt werden, die von dem Wiegandmodul geliefert wird, und das erste Hallelement und das zweite Hallelement derart angeordnet sind, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements zumindest redundante Informationen darüber erhält, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionsdetektor, einen mit einem solchen Positionsdetektor ausgestatteten Zählsensor und einen mit dem Zählsensor ausgestatteten absoluten Positionssensor.
  • Im Stand der Technik ist ein Positionsdetektor aus dem Patentdokument DE 102 59 223 B3 bekannt. Der dort beschriebene Positionsdetektor umfasst ein Wiegandmodul sowie ein zusätzliches Sensorelement und ist dazu eingerichtet, eine Position eines rotierenden Permanentmagneten bzw. einer mit dem Permanentmagneten ausgestatteten rotierenden Welle zu detektieren.
  • Das Wiegandmodul ist aus einem Wieganddraht mit einer entsprechenden um den Wieganddraht gewickelten Spule aufgebaut, wobei die Spule dann einen Spannungsimpuls ausgibt, wenn der rotierende Permanentmagnet eine bestimmte Stellung bzw. Position einnimmt. Das zusätzliche Sensorelement, das mit der von dem Wiegandmodul gelieferten Energie versorgt wird, ist so angeordnet, dass es in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Permanentmagneten nach Feststellung des Spannungsimpulses entweder ein oder kein Ausgangssignal ausgibt, was einen eindeutigen Rückschluss auf die Position und Drehrichtung des Permanentmagneten zulässt.
  • Die Information über die Position des Nord- oder Südpols des Permanentmagneten wird aus der Polarität des von der Spule des Wiegandmoduls ausgegebenen Spannungsimpulses gewonnen.
  • In vielen Anwendungsfällen wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit gefordert, die durch den im Stand der Technik bekannten Positionsdetektor deshalb nicht geliefert werden kann, weil in einem solchen Fall, in dem das zusätzliche Sensorelement kein Ausgangssignal liefert, kein dahingehender Rückschluss möglich ist, ob sich der Permanentmagnet bzw. die Welle in der einen Richtung dreht oder das zusätzliche Sensorelement eine Fehlfunktion aufweist.
  • Darüber hinaus ist es bei dem im Stand der Technik bekannten Positionsdetektor nicht möglich, durch Störfelder auftretende Beeinträchtigungen zu eliminieren, weshalb neben der Zuverlässigkeit auch die Betriebssicherheit nicht ausreichend hoch ist.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Positionsdetektor mit höherer Zuverlässigkeit zu schaffen.
  • Zusätzlich zu dieser Hauptaufgabe ist es Ziel der Erfindung, einen Positionsdetektor zu schaffen, der neben einer erhöhten Zuverlässigkeit auch eine höhere Betriebssicherheit aufweist.
  • Diese Hauptaufgabe wird mit einem Positionsdetektor gemäß Patentanspruch 1, mit einem Zählsensor gemäß Patentanspruch 8 und einem absoluten Positionssensor gemäß Patentansprüchen 9 oder 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Ein Positionsdetektor gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet (i) ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist, (ii) ein Messsubstrat, das eine Messebene definiert und auf dem ein erstes Hallelement und ein zweites Hallelement angeordnet sind, wobei die Hallelemente auf dem Messsubstrat derart angeordnet sind, dass deren magnetfeldempfindlichen Flächen sich in der Messebene erstrecken bzw. einen Teil der Messebene bilden, (iii) eine das erste und zweite Hallelement aufweisende Verarbeitungselektronik, die eingerichtet ist, ein von dem ersten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal und ein von dem zweiten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal auszuwerten, und (iv) eine Permanentmagnetanordnung, die relativ zu dem Wiegandmodul und dem ersten und zweiten Hallelement in einer Richtung sowie einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegbar ist, wobei bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Position befindet.
  • Die Ausrichtung des Messsubstrates und der magnetfeldempfindlichen Flächen der Hallelemente ist mathematisch zu sehen. Zwei Vektoren gleichen Ursprungs spannen die Messebene auf. Eine Ebene, die durch jeweils zwei in unterschiedliche Richtungen weisende Umlaufkanten der magnetfeldempfindlichen Flächen der Hallelemente aufgespannt wird, ist mit der Messebene identisch. D. h. alle magnetfeldempfindlichen Flächen der Hallelemente erstrecken sich in der Messebene bzw. bilden einen Teil der Messebene. Gleichermaßen liegt eine Substratoberfläche, auf der die Hallelemente angeordnet sind, zumindest parallel zu der Messebene.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor handelt es sich entweder um einen solchen, der eine rotierende oder lineare Bewegung der Permanentmagnetanordnung detektieren kann.
  • In dem Fall, dass lineare Bewegungen durch den Positionsdetektor festzustellen sind, beinhaltet die Permanentmagnetanordnung mindestens zwei Magnete bzw. vier Magnetpole – allgemein ausgedrückt 2n Magnete (mit n = 1, 2, 3, ..., m) –, wohingegen in dem Fall, dass rotierende Bewegungen durch den Positionsdetektor festzustellen sind, die Permanentmagnetanordnung mit auch nur einem einzigen Magneten auskommt. Die Permanentmagnetanordnung kann allerdings auch in dem Fall, dass rotierende Bewegungen durch den Positionsdetektor festzustellen sind, mehrere Magnete – wiederum allgemein ausgedrückt 2n Magnete (mit n = 1, 2, 3, ..., m) – aufweisen.
  • Das erste Hallelement und das zweite Hallelement sind mit ihren magnetfeldempfindlichen Flächen einen Teil der Messebene bildend bzw. mit ihren magnetfeldempfindlichen Flächen sich in der Messebene erstreckend insbesondere so auf dem Messsubstrat angeordnet, dass sich die Messebene parallel zu einer Bewegungsebene erstreckt, in der sich die Permanentmagnetanordnung in der einen oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
  • Durch die Relativbewegung der Permanentmagnetanordnung bezüglich des Wiegandmoduls kommt es zu einer Änderung des von dem Wiegandmodul wahrgenommenen Magnetfeldes der Permanentmagnetanordnung. Der Wieganddraht, bevorzugt aus Vicalloy gefertigt, ist insbesondere aus einem weichmagnetischen Kern mit einer hartmagnetischen Schale ausgebildet. Diese Ausbildung führt zu einer dahingehenden physikalischen Charakteristik des Wiegandmoduls bzw. des Wieganddrahtes, dass es ab einer bestimmten Amplitude des Magnetfeldes zu einer schlagartigen Änderung der Ausrichtung der Weißschen Bezirke des Wieganddrahtes kommt. Diese Änderung führt wiederum zu der Erzeugung des Spannungsimpulses in der Spule des Wiegandmoduls.
  • In Abhängigkeit davon, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, d. h. in der einen Richtung oder in der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung, befindet sich der Nord- oder Südpol der Permanentmagnetanordnung an der genannten ersten oder zweiten Position.
  • Die Hallelemente und die Verarbeitungselektronik sind bevorzugt zusammen in einer gemeinsamen integrierten Schaltung integriert, die entweder auf einer einheitlichen Integrationstechnologie, beispielsweise der CMOS-Technologie, oder unterschiedlichen Integrationstechnologien, beispielsweise der CMOS- und der FRAM-Technologie, basiert.
  • In einem autonomen Modus, in dem der Positionsdetektor nicht mit Fremdenergie versorgt wird, werden das erste und zweite Hallelement und die Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt, die von dem Wiegandmodul geliefert wird.
  • Das erste Hallelement und das zweite Halselement sind derart angeordnet, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements zumindest redundante Informationen darüber erhält, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
  • Wie erwähnt werden in dem autonomen Modus die Hallelemente und die Verarbeitungselektronik mit der entsprechend von dem Wiegandmodul gelieferten Energie versorgt und die Ausgangssignale der Hallelemente durch die Verarbeitungselektronik ausgewertet. Unabhängig davon, in welchem Abstand und wie die Hallelemente zueinander angeordnet sind, erhöht die Auswertung der Ausgangssignale beider Hallelemente die Zuverlässigkeit.
  • Das gilt selbst für den Sonderfall, dass das erste Hallelement und das zweite Hallelement so angeordnet sind, dass sie nach Feststellen des Spannungsimpulses gleichzeitig betragsmäßig identische Signale ausgeben. Sind beispielsweise die Hallelemente so angeordnet, dass (i) bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung das erste Hallelement zu demselben Zeitpunkt den einen Pol der Permanentmagnetanordnung detektiert wie das zweite Hallelement den entsprechend anderen Pol der Permanentmagnetanordnung und (ii) bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung keines der beiden Hallelemente einen Pol der Permanentmagnetanordnung detektiert, kann nach Feststellen des Spannungsimpulses mit erhöhter Wahrscheinlichkeit ein Rückschluss auf die Position und damit die Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung geschlossen werden. Dies deshalb, weil das Eintreten des Ereignisses des gleichzeitigen Ausfalls beider Hallelemente gegenüber der Benutzung nur eines Hallelementes sehr viel geringer ist.
  • Die Verarbeitungselektronik wertet die Ausgangssignale der Hallelemente für den Erhalt der redundanten Informationen bevorzugt aus, indem die Ausgangssignale bzw. Ausgangsspannungen der Hallelemente mit entsprechend festgelegten Spannungsschwellen verglichen werden.
  • Bevorzugt sind das erste Hallelement und das zweite Hallelement derart angeordnet, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Spannungsimpulses, des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements redundante Informationen darüber erhält, ob sich der Nord- oder Südpol an der ersten oder zweiten Position befindet und ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
  • Die genannten redundanten Informationen werden insbesondere von der Verarbeitungselektronik dann erhalten, wenn das erste Hallelement und das zweite Hallelement so angeordnet sind, dass sie in Abhängigkeit davon, ob sich der Nord- oder Südpol nach Feststellen des Spannungsimpulses an der ersten oder zweiten Position befindet, (betragsmäßig, in der Signalstärke) unterschiedlich hohe Ausgangssignale ausgeben.
  • Besonders bevorzugt ist das erste Hallelement der ersten Position entsprechend und das zweite Hallelement der zweiten Position entsprechend angeordnet, sodass sie in Bezug auf die Bewegungsrichtung des vom Wiegandmodul wahrgenommenen Magnetfeldes der Permanentmagnetanordnung um 25% der Gesamtlänge einer sich wiederholenden Bewegung der Permanentmagnetanordnung versetzt zueinander angeordnet sind.
  • Anders ausgedrückt gibt das erste Hallelement bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung ein dem Nord- oder Südpol entsprechendes Ausgangssignal bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses aus, wobei das zweite Hallelement bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses kein Ausgangssignal ausgibt. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung, d. h. wenn sich die Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung bewegt, gibt das zweite Hallelement ein dem Nord- oder Südpol entsprechendes Ausgangssignal bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses aus, wobei das erste Hallelement bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses kein Ausgangssignal liefert.
  • Wiederum anders ausgedrückt sind die Hallelemente bei einem Positionsdetektor zur Feststellung einer Rotationsbewegung spiegelsymmetrisch zu einer durch den Wieganddraht gebildeten und in der Messebene liegenden Symmetrieachse angeordnet oder spiegelsymmetrisch zu einer in der Messebene liegenden und senkrecht zu dem Wieganddraht verlaufenden Symmetrieachse angeordnet.
  • Bei einem Positionsdetektor zur Feststellung einer linearen Bewegung/Versetzung entspricht diese Anordnung der Hallelemente einer spiegelsymmetrischen Anordnung in Bezug auf eine dem Wieganddraht entsprechende und in der Messebene liegende Symmetrieachse.
  • Die redundanten Informationen bezüglich der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung können von der Verarbeitungselektronik durch Auswertung der unterschiedlichen Ausgangssignale der Hallelemente gewonnen werden, wohingegen die redundanten Informationen bezüglich der Polarität der Permanentmagnetanordnung, d. h. ob Nord- oder Südpol sich an der ersten oder zweiten Position befindet, von der Verarbeitungselektronik durch das Ausgangssignal des der entsprechenden Position zugeordneten Hallelements und der Polarität des von dem Wiegandmodul ausgegebenen Spannungsimpulses erhalten werden.
  • Bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik eingerichtet, die redundanten Informationen dadurch zu erhalten, dass sie zum einen das Ausgangssignal des ersten Hallelements mit dem Ausgangssignal des zweiten Hallelements in Relation setzt und zum anderen eine Polarität des von der Spule erzeugten Spannungsimpulses mit zumindest einem der Ausgangssignale der Hallelemente in Relation setzt.
  • Weiterhin bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik eingerichtet, die redundanten Informationen dadurch zu erhalten, dass sie die Polarität des von der Spule erzeugten Spannungsimpulses jeweils mit dem Ausgangssignal des ersten und zweiten Hallelements in Relation setzt.
  • Die Verarbeitungselektronik ist ferner bevorzugt dazu eingerichtet, ein Fehlersignal auszugeben, wenn eine der redundanten Informationen nicht erhalten werden kann.
  • Beispielsweise setzt die Verarbeitungselektronik (i) die Ausgangssignale der Hallelemente in Relation zueinander, (ii) das Ausgangssignal des ersten Hallelements in Relation zu der Polarität des Spannungsimpulses, und (iii) das Ausgangssignal des zweiten Hallelements in Relation zu der Polarität des Spannungsimpulses. Hierbei erkennt die Verarbeitungselektronik einen fehlerfreien Betrieb daran, dass die Auswertungen (i)–(iii) konsistente redundante Informationen über Polarität und Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung angeben. Ist nur eine der Auswertungen (i)–(iii) bzw. eine der erhaltenen Informationen zu den anderen widersprüchlich, gibt die Verarbeitungselektronik das Fehlersignal aus.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Positionsdetektor eingerichtet, in einen nicht-autonomen Betrieb umgeschaltet zu werden bzw. überzugehen, in dem der Positionsdetektor mit Fremdenergie versorgt und ein zur Speicherung von elektrischer Energie eingerichteter Energiespeicher des Positionsdetektors mit der Fremdenergie geladen wird. Der Energiespeicher ist insbesondere mit der Verarbeitungselektronik derart verbunden, dass er nach Übergehen des Positionsdetektors in den autonomen Modus die Verarbeitungselektronik innerhalb eines Mindestzeitraums nach dem Übergehen mit der gespeicherten Energie versorgen kann, wenn das Wiegandmodul zu einem Zeitpunkt innerhalb des Mindestzeitraumes nicht ausreichend Energie liefert.
  • In dem nicht-autonomen Modus ist an den Positionsdetektor eine externe Energieversorgung angeschlossen, die den Positionsdetektor mit der Fremdenergie versorgt. Die gelieferte Fremdenergie wird in dem Energiespeicher, der beispielsweise ein Kondensator ist, zwischengespeichert und während des Betriebes des Positionsdetektors dazu verwendet, das erste Hallelement und das zweite Hallelement sowie die Verarbeitungselektronik zu versorgen.
  • Geht der Positionsdetektor von dem nicht-autonomen Modus in den autonomen Modus über bzw. wird umgeschaltet und liefert das Wiegandmodul durch einen verringerten Spannungsimpuls – was durch bestimmte Bewegungsabläufe des Permanentmagneten der Fall sein kann – nicht ausreichend Energie, können das erste und zweite Hallelement sowie die Verarbeitungselektronik mit in dem Energiespeicher gespeicherter (Rest)Energie zur Erkennung der Polarität und Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung versorgt werden. Bevorzugt wird der Energiespeicher nicht nur in dem nicht-autonomen Modus mit Fremdenergie sondern auch in dem autonomen Modus mit von dem Wiegandmodul gelieferter Energie geladen. Der Energiespeicher kann bevorzugt aus einem oder mehreren Kondensatoren gleicher oder unterschiedlicher Größe/Kapazität aufgebaut sein. Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher aus einem Kondensator kleiner Größe, der in dem autonomen Modus von dem Wiegandmodul geladen wird und der die Verarbeitungselektronik versorgt, und einem größeren Kondensator, der nur in dem nicht-autonomen Modus geladen wird und der seine gespeicherte Energie in dem autonomen Modus auf den kleineren Kondensator überträgt, wenn das Wiegandmodul zu einem Zeitpunkt innerhalb des Mindestzeitraumes nicht ausreichend Energie liefert, aufgebaut.
  • Bevorzugt beinhaltet der erfindungsgemäße Positionsdetektor weiterhin ein drittes auf dem Messsubstrat angeordnetes Hallelement, das zu dem ersten Hallelement derart antiseriell verschaltet ist, dass deren eine Magnetfeldstärke angebenden Ausgangssignale zu einem Summensignal addiert werden, wobei das erste und dritte Hallelement derart angeordnet sind, dass, wenn sich der Nordpol in dem autonomen Modus bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses an der ersten Position befindet, das Ausgangssignal des ersten Hallelements dem Nordpol und das Ausgangssignal des dritten Hallelements dem Südpol entspricht; und
    ein viertes auf dem Messsubstrat angeordnetes Hallelement, das zu dem zweiten Hallelement derart antiseriell verschaltet ist, dass deren eine Magnetfeldstärke angebenden Ausgangssignale zu einem Summensignal addiert werden, wobei das zweite und vierte Hallelement derart angeordnet sind, dass, wenn sich der Nordpol in dem autonomen Modus bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses an der zweiten Position befindet, das Ausgangssignal des zweiten Hallelements dem Nordpol und das Ausgangssignal des vierten Hallelements dem Südpol entspricht.
  • Die vier Hallelemente sind insbesondere so angeordnet, dass sie ein virtuelles Quadrat oder Rechteck aufspannen, an dessen Ecken die Hallelemente angeordnet sind.
  • Wenn der erfindungsgemäße Positionsdetektor dazu eingerichtet ist, eine Rotationsbewegung der Permanentmagnetanordnung festzustellen, sitzen das erste und dritte Hallelement bzw. das zweite und vierte Hallelement an jeweils diagonal gegenüberliegenden Ecken des virtuellen Quadrats/Rechtecks. In dem anderen Fall, dass der erfindungsgemäße Positionsdetektor dazu eingerichtet ist, eine lineare Bewegung/Versetzung festzustellen, befinden sich das erste und dritte Hallelement bzw. das zweite und vierte Hallelement an nebeneinanderliegenden Ecken des virtuellen Quadrats/Rechtecks.
  • Durch die antiserielle Verschaltung der Hallelemente werden die entsprechenden Ausgangssignale der Hallelemente paarweise nach dem Differenzprinzip ausgewertet, wodurch der Einfluss von Störfeldern eliminiert und folglich eine höhere Betriebssicherheit erzielt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Zählsensor zur Zählung der Anzahl von Umdrehungen oder linearen Versetzungen eines Gegenstandes, wobei der Zählsensor einen Positionsdetektor gemäß vorangehender Beschreibung aufweist, wobei die Permanentmagnetanordnung eingerichtet ist, an dem Gegenstand derart angeordnet zu werden, dass die Permanentmagnetanordnung die Umdrehungen oder linearen Versetzungen zusammen mit dem Gegenstand durchführt.
  • Zusätzlich beinhaltet der erfindungsgemäße Zählsensor einen Datenspeicher, beispielsweise einen FRAM oder einen EEPROM, zur Speicherung eines Wertes, der die Anzahl der Umdrehungen oder der linearen Versetzungen angibt.
  • Die Verarbeitungselektronik ist dazu eingerichtet, auf Basis der redundanten Informationen, die Anzahl der Umdrehungen oder der linearen Versetzungen des Gegenstandes zu zählen und den entsprechenden Wert in dem Datenspeicher abzuspeichern.
  • Wie im Vorhergehenden erläutert wurde, kann der Positionsdetektor die Position – und damit die Bewegungsrichtung – der Permanentmagnetanordnung sowie die Polarität der Permanentmagnetanordnung insbesondere durch Auswerten zumindest der Ausgangssignale der Hallelemente ermitteln. In dem Fall, dass die Permanentmagnetanordnung n = 1 Magnete aufweist, liegt die Auflösung des Zählsensor bei 0,5 Umdrehungen.
  • Der bereits erläuterte Energiespeicher, insbesondere der größere Kondensator, ist so ausgestaltet, dass er seine gespeicherte Energie in dem autonomen Modus auf den kleineren Kondensator überträgt, wenn das Wiegandmodul zu einem Zeitpunkt nicht ausreichend Energie liefert, und damit innerhalb des Mindestzeitraumes eine Abspeicherung des Wertes sicherstellt.
  • Bei dem ermittelten Wert, der die Anzahl an Umdrehungen oder linearen Versetzungen angibt, kann es sich um den Wert handeln, der den (richtungsunabhängigen) Betrag der Anzahl angibt, oder um den (richtungsabhängigen) absoluten Wert der Anzahl.
  • Die Erfindung betrifft auch einen absoluten Positionssensor, der aufweist:
    einen im Vorhergehenden erläuterten Zählsensor, wobei der Zählsensor den Positionsdetektor mit vier Hallelementen aufweist; und
    einen Mikrocontroller; wobei
    in dem nicht-autonomen Modus die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, die Ausgangssignale des ersten bis vierten Hallelementes an den Mikrocontroller auszugeben, der dazu eingerichtet ist, auf Basis der Ausgangssignale der vier Hallelemente einen präzisen Grad der Umdrehung in Bezug auf eine Referenzstellung, insbesondere eine Winkelstellung, oder einen präzisen Grad der linearen Versetzung in Bezug auf die Referenzstellung, insbesondere eine die Versetzung angebende Strecke, des Gegenstandes auf Basis der Ausgangssignale der Hallelemente zu ermitteln.
  • Alternativ hierzu weist der erfindungsgemäße absolute Positionssensor den Positionsdetektor mit vier Hallelementen auf, der bevorzugt mit vier zusätzlichen Hallelementen ausgestattet ist. Insgesamt beinhaltet der Positionsdetektor folglich acht Hallelemente.
  • Die Verarbeitungselektronik ist dazu eingerichtet, in dem nicht-autonomen Modus die Ausgangssignale der zusätzlichen vier Hallelemente an den Mikrocontroller auszugeben, der dazu eingerichtet ist, auf Basis der Ausgangssignale der vier zusätzlichen Hallelemente einen präzisen Grad der Umdrehung in Bezug auf eine Referenzstellung, insbesondere eine Winkelstellung, oder einen präzisen Grad der Versetzung in Bezug auf die Referenzstellung, insbesondere eine die Versetzung angebende Strecke, des Gegenstandes auf Basis der Ausgangssignale der vier zusätzlichen Hallelemente zu ermitteln.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der absolute Positionssensor einen erfindungsgemäßen Positionsdetektor und einen erfindungsgemäßen Zählsensor aufweist und so ausgestaltet ist, dass er eine absolute Position eines rotierenden Permanentmagneten detektieren kann;
  • 2A bis 2C zeigen bevorzugte Varianten eines Messsubstrates, die bei dem absoluten Positionssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform eingesetzt werden können;
  • 3 zeigt einen absoluten Positionssensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der absolute Positionssensor dazu eingerichtet ist, eine lineare Versetzung einer aus zwei Permanentmagneten aufgebauten Permanentmagnetanordnung festzustellen; und
  • 4 zeigt den schematischen Aufbau der gesamten Elektronik, die bei dem absoluten Positionssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform und der zweiten bevorzugten Ausführungsform zum Einsatz kommen kann.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors 1000, der einen erfindungsgemäßen Zählsensor und einen Positionsdetektor beinhaltet.
  • Der Positionssensor 1000 beinhaltet ein Wiegandmodul 1100, das zum einen einen Wieganddraht 1101 und zum anderen eine nicht dargestellte um den Wieganddraht 1101 gewickelte Spule aufweist, und eine Permanentmagnetanordnung 1200, die in dieser ersten bevorzugten Ausführungsform aus einem quaderförmigen Permanentmagneten 1201 aufgebaut ist. Der Permanentmagnet 1201 kann auch zylinderförmig sein oder Jede andere regelmäßige Form aufweisen.
  • Die Permanentmagnetanordnung 1200 ist derart drehbar gelagert, dass sich ein Nordpol N und ein Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 um eine Drehachse DA drehen können. Die Drehrichtung kann entweder in einer Richtung, beispielsweise dem Uhrzeigersinn, oder in einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung, dem Gegenuhrzeigersinn, erfolgen.
  • Die Permanentmagnetanordnung 1200 wird bei bestimmungsgemäßem Einsatz des absoluten Positionssensors 1000 an einem zu überwachenden rotierenden Gegenstand so befestigt, dass die Drehachse DA der Permanentmagnetanordnung 1200 der Drehachse des Gegenstandes entspricht und sich somit die Permanentmagnetanordnung 1200 zusammen mit dem zu überwachenden Gegenstand dreht.
  • Der Wieganddraht 1101 ist aus einem weichmagnetischen Kern und einer hartmagnetischen Schale aufgebaut. Bei Rotation der Permanentmagnetanordnung 1200 ändern die Domänen bzw. Weißschen Bezirke des Wieganddrahtes 1101 ab einer bestimmten Änderung bzw. Drehung des Magnetfeldes ihre Orientierung schlagartig, wodurch es als Folge hieraus zu einem Spannungsimpuls, der von der um den Wieganddraht 1101 gewickelten bzw. den Wieganddraht umgebenden Spule abgegeben wird, kommt. Aufgrund der Ausbildung des Wieganddrahtes 1101 aus weich- und hartmagnetischen Bereichen (Kern und Schale) erfolgt die schlagartige Änderung der Orientierung der Domänen in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Permanentmagnetanordnung 1200 in verschiedenen Stellungen der Permanentmagnetanordnung 1200.
  • Dreht sich die Permanentmagnetanordnung 1200 ausgehend von einer Stellung, in der eine Längsachse des quaderförmigen Permanentmagneten parallel zu einer Längsachse LAW des Wiegandmoduls 1100 ausgerichtet ist, beispielsweise im Uhrzeigersinn, kommt es zu der schlagartigen Änderung der Orientierung der Domänen nach Drehung des quaderförmigen Permanentmagneten 1201 um ca. 135°. In dieser Stellung des Permanentmagneten 1201 befindet sich entweder der entsprechende Nordpol N oder der Südpol S an einer ersten Position.
  • Dreht sich die Permanentmagnetanordnung 1200 im Gegensatz hierzu ausgehend von der erläuterten Ausgangsstellung im Gegenuhrzeigersinn, kommt es wiederum zu der schlagartigen Änderung der Orientierung der Domänen nach Drehung des quaderförmigen Permanentmagneten 1201 um ca. 135°, wobei in dieser Stellung des Permanentmagneten 1201 sich der Nordpol N oder der Südpol S an einer zweiten Position befindet, die von der ersten Position unterschiedlich ist.
  • Der erfindungsgemäße absolute Positionssensor 1000 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet neben dem Wiegandmodul 1100 und der Permanentmagnetanordnung 1200 noch ein Messsubstrat 1300, das bevorzugt eine quadratische Form aufweist. Das Messsubstrat 1300 befindet sich, wie aus 1 ersichtlich ist, zwischen dem Wiegandmodul 1100 und der Permanentmagnetanordnung 1200, wobei das Messsubstrat 1300 eine Messebene definiert, die sich parallel zu der Bewegungsebene erstreckt, in der der quaderförmige Permanentmagnet 1201 rotiert.
  • Auf dem Messsubstrat 1300 sind eine Vielzahl von Hallelementen A bis D und a bis d angeordnet. Die Vielzahl von Hallelementen ist sowohl in der perspektivischen Ansicht gemäß 1 als auch in der in 2A gezeigten Draufsicht des Messsubstrates 1300 gut ersichtlich. 2A entspricht einer Ansicht des Messsubstrates 1300 senkrecht zur Drehachse DA, die das Messsubstrat 1300 in seinem Mittelpunkt durchstößt.
  • Die vier dargestellten Hallelemente a bis d bilden Teil des erfindungsgemäßen Positionsdetektors, wobei deren Ausgangssignale in einem noch erläuterten autonomen Modus zur Ermittiung der Position und Drehrichtung der Permanentmagnetanordnung 1200 ausgewertet werden.
  • Die zusätzlichen vier Hallelemente A bis D dienen zur Feinauflösung der Stellung der Permanentmagnetanordnung 1200 in einem noch erläuterten nicht-autonomen Modus.
  • Alle Hallelemente sind auf dem Messsubstrat 1300 derart angeordnet, dass sich deren magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen in der Messebene erstrecken.
  • Jedes der zusätzlichen Hallelemente A bis D befindet sich jeweils sowohl an einer Außenkante des Messsubstrates 1300 als auch an einer Kantenmitte der entsprechenden Außenkante des Messsubstrates 1300.
  • Zusätzlich sind die viereckig ausgebildeten Hallelemente A bis D an der Kantenmitte noch so gedreht angeordnet, dass eine zwei Ecken des jeweiligen Hallelementes verbindende Diagonale senkrecht auf die entsprechende Außenkante steht. Diese Anordnung der Hallelemente A bis D wird insbesondere deshalb gewählt, weil die mechanischen Spannungen an diesen Positionen sehr gering sind, insbesondere viel geringer sind, als an den entsprechenden Ecken des viereckigen Messsubstrates 1300.
  • Die zusätzlichen Hallelemente A bis D weisen jeweils vier Anschlüsse auf, wobei zwei der Anschlüsse die Stromkontakte und die anderen zwei Anschlüsse die Hallspannungskontakte des entsprechenden Hallelementes bilden.
  • Alternativ können die Hallelemente A bis D auch achteckige Hallelemente mit jeweils acht Anschlüssen sein, wobei in diesem Fall ebenfalls jeweils eine zwei gegenüberliegende Ecken des entsprechenden achteckigen Hallelementes verbindende Diagonale senkrecht auf die entsprechende Außenkante steht. In diesem Fall bilden jeweils zwei gegenüberliegende Anschlüsse die Stromkontakte und die jeweils zwei orthogonal zu den Stromkontakten liegenden Anschlüsse die Hallspannungskontakte.
  • Die vier zusätzlichen Hallelemente A bis D werden insbesondere in dem nicht-autonomen Modus des Positionssensors 1000, in dem der Positionssensor 1000 mit Fremdenergie versorgt wird, betrieben und deren Ausgangssignale an einen im Folgenden noch erläuterten Mikrocontroller 3100 ausgegeben, der hieraus z. B. die präzise Winkelstellung der Permanentmagnetanordnung 1200 bzw. des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung berechnen kann. Insoweit werden die vier zusätzlichen Hallelemente A bis D zur Feinauflösung eingesetzt.
  • In dem erwähnten nicht-autonomen Modus kann aus den Ausgangssignalen auch der Wert, der die Anzahl an Rotationen der Permanentmagnetanordnung 1200 wiedergibt, ermittelt werden.
  • Zur Eliminierung von Störfeldern und Störgrößen in den Ausgangssignalen werden die entsprechenden Ausgangssignale der zusätzlichen Hallelemente A bis D paarweise nach dem Differenzprinzip ausgewertet. In diesem Zusammenhang werden die Ausgangssignale der Hallelemente A und C so ausgewertet, dass sich Anteile der Ausgangssignale, die auf entgegengesetzt ausgerichteten und die Hallelemente A und C durchsetzenden Magnetfeldkomponenten basieren, addieren, wohingegen sich Anteile der Ausgangssignale, die auf gleichgerichteten und die Hallelemente A und C durchsetzenden Magnetfeldkomponenten basieren, subtrahieren und sich damit aufheben. Die Ausgangssignale der anderen beiden Hallelemente B und D werden gleichermaßen ausgewertet.
  • Neben den erläuterten zusätzlichen Hallelementen A bis D sind auf dem Messsubstrat 1300 noch die erwähnten vier Hallelemente a bis d angeordnet, die z. B. jeweils leicht versetzt zu den Hallelementen A bis D angeordnet sind. Da die Ausgangssignale dieser Hallelemente a bis d lediglich mit einer Spannungsschwelle verglichen werden, sind sie so ausgestaltet, dass sie wesentlich weniger Ladung als die zusätzlichen Hallelemente A bis D benötigen. Die vier Hallelemente a bis d spannen ein virtuelles Rechteck auf, das bezüglich zu dem von den zusätzlichen Hallelementen A bis D aufgespannten virtuellen Quadrat so angeordnet ist, dass die Diagonalen des Messsubstrates 1300 die jeweiligen Seiten des virtuellen Quadrats und des virtuellen Rechtecks in deren Mittelpunkten schneiden.
  • Die Hallelemente a bis d werden insbesondere in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor 1000 nicht mit Fremdenergie versorgt wird, zur Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an Rotationen bzw. Umdrehungen der Permanentmagnetanordnung 1200 wiederspiegelt, benötigt. Die Ausgangssignale der Hallelemente a bis d können allerdings auch in dem nicht-autonomen Modus zur Ermittlung der Anzahl an Rotationen bzw. Umdrehungen der Permanentmagnetanordnung verwendet werden.
  • Die Ausgangssignale der Hallelemente a bis d werden, wie bei den anderen zusätzlichen Hallelementen A bis D, bevorzugt paarweise nach dem Differenzprinzip ausgewertet.
  • In 2A entspricht die horizontale Diagonale D1 des Messsubstrates 1300 der Ausrichtung der Längsachse LAW des Wiegandmoduls 1100. Wenn sich der Permanentmagnet 1201 der Permanentmagnetanordnung 1200 um die Drehachse DA im Uhrzeigersinn dreht, kommt es, wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, zu der schlagartigen Änderung der Domänen des Wieganddrahtes 1101, wenn sich der Nordpol N oder der Südpol S an der erläuterten ersten Position befindet.
  • Diese erste Position entspricht in der Messebene, wie aus 1 und 2 ersichtlich wird, ungefähr der Position des Hallelementes B. Anders ausgedrückt befinden sich die erste Position und die des Hallelementes B in Richtung der Drehachse DA hintereinander bzw. übereinander.
  • Der Wieganddraht 1101 aus den weich- und hartmagnetischen Bereichen kann auch so ausgebildet werden, dass die genannte erste Position, an der sich der Nordpol N oder Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 bei Auslösung des Spannungsimpulses befindet, in Bezug auf die Messebene der Position des Hallelementes b entspricht. Anders ausgedrückt befindet sich der Nordpol N oder Südpol S des Permanentmagneten 1201 in der ersten Position über dem Hallelement b.
  • Wenn die Permanentmagnetanordnung 1200 in der Stellung angeordnet ist, in der sich einer der Pole an der ersten Position befindet, steht der jeweils andere Magnetpol in derselben räumlichen Beziehung zu dem Hallelement d. In dieser Stellung durchsetzt das von der Permanentmagnetanordnung 1200 erzeugte Magnetfeld die magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen der Hallelemente b und d jeweils in entgegengesetzter Orientierung, sodass die nach dem Differenzprinzip ausgewerteten Ausgangssignale sich addieren. Das andere Paar von Hallelementen a und c nimmt aufgrund ihrer räumlichen Versetzung in dieser Stellung der Permanentmagnetanordnung 1200 das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung 1200 kaum wahr, weshalb deren Ausgangssignale (schon wegen des Differenzprinzips) gegen Null gehen, wenn sich der Nordpol N oder Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 an der ersten Position befindet und die Spule des Wiegandmoduls 1100 den Spannungsimpuls abgibt.
  • Bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung 1200 in der entgegengesetzten Richtung, d. h. bei Drehung des quaderförmigen Magnets 1201 im Gegenuhrzeigersinn, kommt es auf äquivalente Art und Weise zur schlagartigen Änderung der Ausrichtung der Domänen des Wieganddrahtes 1101, wenn sich der Nordpol N oder Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 in einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Position befindet.
  • Die zweite Position entspricht je nach Ausgestaltung des Wieganddrahtes 1101 entweder dem Hallelement c oder C. Wenn sich der Nordpol N oder Südpol S in der zweiten Position befindet, steht der jeweils andere Magnetpol in der gleichen räumlichen Beziehung zu dem Hallelement A oder a. Die Ausgangssignale der Hallelemente a und c werden auf gleiche Art und Weise wie die der Hallelemente b und d ausgewertet.
  • In Abhängigkeit davon, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 dreht, kann im Normalfall aus den Ausgangssignalen der Paare der Hallelemente a, c und b, d der Rückschluss darauf gezogen werden, ob sich die Permanentmagnetanordnung 1200 in der einen Richtung – dem Uhrzeigersinn – oder in der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung – dem gegen Uhrzeigersinn – dreht.
  • Aus der Polarität der Ausgangssignale der Hallelemente a, c und b, d kann darüber hinaus noch die Positionen der Magnetpole detektiert werden, d. h. festgestellt werden, ob sich der Nordpol N oder der Südpol S an der ersten oder zweiten Position befindet. Insoweit beträgt die Auflösung des erfindungsgemäßen Positionsdetektors in dem autonomen Modus eine halbe Umdrehung.
  • Theoretisch kann die Anzahl der Hallelemente a bis d reduziert werden. Beispielsweise könnte eines der Paare von Hallelementen a, c und b, d weggelassen werden. Der Rückschluss auf die Drehrichtung der Permanentmagnetanordnung 1200 kann aus den Ausgangssignalen des verbleibenden Paares von Hallelementen bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls 1100 gezogen werden. Liefert nämlich das Paar von Hallelementen bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses keine Ausgangssignale, ist davon auszugehen, dass sich die Permanentmagnetanordnung 1200 in der Richtung dreht, für die kein Paar von Hallelementen vorgesehen ist. Die Information darüber, wie die Polaritäten des Permanentmagneten 1201 in diesem Zustand ausgerichtet sind, lässt sich aus der Polarität des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls ermitteln.
  • Liefert im Gegensatz hierzu das Paar von Hallelementen Ausgangssignale, so ist davon auszugehen, dass sich die Permanentmagnetanordnung 1200 in der entsprechenden Richtung dreht.
  • 2B zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Messsubstrates 1300', das bei dem erfindungsgemäßen absoluten Positionssensor 1000 zum Einsatz kommen kann.
  • Das Messsubstrat 1300' unterscheidet sich von dem aus 2A dadurch, dass lediglich drei zusätzliche Hallelemente A bis C für die präzise Ermittlung der Winkelstellung der Permanentmagnetanordnung 1200, d. h. für die Feinauflösung, und lediglich zwei Hallelemente a, b für die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an Umdrehungen der Permanentmagnetanordnung 1200 angibt, vorgesehen sind.
  • Die zusätzlichen Hallelemente A bis C spannen ein virtuelles gleichseitiges Dreieck auf, wobei das Hallelement A an der entsprechenden in 2B gezeigten oberen Kante des Messsubstrates 1300' und der entsprechenden Kantenmitte angeordnet ist.
  • Der Flächenschwerpunkt des gleichseitigen Dreieckes ist mit dem Mittelpunkt des quadratischen Messsubstrats 1300' identisch.
  • Die Hallelemente a, b befinden sich in den Ecken des Messsubstrates 1300' auf der entsprechenden Diagonale. Die Ausgangssignale der Hallelemente a, b werden nach dem bereits erläuterten Differenzverfahren ausgewertet.
  • 2C zeigt wiederum eine alternative Ausgestaltung eines Messsubstrates 1300'', wobei auf diesem Messsubstrat 1300'' lediglich vier Hallelemente angeordnet sind, die sowohl Teil des erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors und des erfindungsgemäßen Positionsdetektor bzw. des erfindungsgemäßen Zählsensors sind.
  • In dem autonomen Modus werden zur Ermittlung der Position der Magnetpole bzw. Drehrichtung der Permanentmagnetanordnung 1200 bzw. der Anzahl an Umdrehungen die Ausgangssignale des Paares der Hallelemente a, c nach dem Differenzprinzip ausgewertet und die Ausgangssignale des Paares der Hallelemente b, d ebenfalls nach dem Differenzprinzip ausgewertet.
  • In dem anderen Modus, dem nicht-autonomen Modus, werden die Ausgangssignale der Hallelemente a bis d nach dem Differenzprinzip für die Feinauflösung verwendet. Insoweit übernehmen die Hallelemente a bis d in dem nicht-autonomen Modus auch die Funktion der im Vorhergehenden erläuterten zusätzlichen Hallelemente A bis D.
  • 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors 2000, der ebenfalls einen erfindungsgemäßen Zählsensor und einen Positionsdetektor beinhaltet.
  • Der Unterschied zu dem Positionssensor 1000 der ersten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass der Positionssensor 2000 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform keine Rotationen sondern lineare Versetzungen erkennen kann.
  • Der Positionssensor 2000 beinhaltet ein Wiegandmodul 1100 das identisch ist mit dem der ersten bevorzugten Ausführungsform, weshalb auf entsprechende Ausführungen verwiesen wird.
  • Darüber hinaus besitzt der Positionssensor 2000 ebenfalls eine Permanentmagnetanordnung 2200, die in dieser Ausführungsform aus zwei zylinderförmigen Permanentmagneten 2201, 2202 aufgebaut ist. Die Permanentmagnete 2201, 2202 können allerdings auch andere Formen aufweisen.
  • Bestimmungsgemäß wird die Permanentmagnetanordnung 2200 entlang der gezeigten Bewegungsrichtung BR linear versetzt. Die Bewegung kann hierbei in der einen Richtung, positive Bewegungsrichtung BR, oder in der hierzu entgegengesetzten Richtung, negative Bewegungsrichtung BR, erfolgen. Die Permanentmagnete 2201, 2202 sind entgegengesetzt polarisiert so ausgerichtet, dass deren Nordpol-Südpol-Achsen senkrecht zu der Bewegungsrichtung BR ausgerichtet sind.
  • Der Positionssensor 2000 beinhaltet ebenfalls ein Messsubstrat 2300, auf dem ebenfalls eine Vielzahl von Hallelementen und eine Verarbeitungselektronik angeordnet sind.
  • Die Messebene, in der das Messsubstrat 2300 liegt, und die Bewegungsebene, in der sich die Permanentmagnetanordnung 2200 bewegt, erstrecken sich wiederum bevorzugt parallel zueinander.
  • Das Messsubstrat 2300 ist mit dem der ersten Ausführungsform identisch bis auf den Unterschied, dass nicht die Ausgangssignale der Hallelemente, die auf Diagonalen des virtuellen Quadrats bzw. Rechtecks liegen, gemeinsam ausgewertet werden, sondern die der Hallelemente, die in Bezug auf die Diagonale D2 auf einer Seite des Messsubstrates 2300 liegen, gemeinsam ausgewertet werden. Im Hinblick auf 2A, 2C und 3 bedeutet dies, dass die Ausgangssignale der Hallelemente B, C für die Ermittlung der Stellung der Permanentmagnetanordnung 2200 (Feinauflösung) und die Ausgangssignale der Hallelemente b, c für die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an sich wiederholenden linearen Versetzungen angibt, gemeinsam und/oder gleichzeitig ausgewertet werden.
  • Für die Auswertung der Ausgangssignale der Hallelemente A, D bzw. a, d gilt selbiges.
  • Die Diagonale D1 des Messsubstrates 2300, die senkrecht zu der Diagonale D2 verläuft, ist aus der Richtung senkrecht zum Messsubstrat 2300 gesehen deckungsgleich mit der Symmetrieachse der Permanentmagnete 2201, 2202, die in der Bewegungsrichtung BR verläuft. Anders ausgedrückt steht die Ebene, in der die in Bewegungsrichtung BR weisende Symmetrieachse der Permanentmagnete 2201, 2202 und die Diagonale D1 liegen, senkrecht zur Messebene.
  • Wenn sich die Permanentmagnetanordnung 2200 in 3 in der einen Richtung oder der hierzu entgegengesetzten Richtung (positive oder negative BR-Richtung) bewegt, führt das zu einer Änderung/Umpolung des durch das Wiegandmodul 1100 wahrgenommen Magnetfeldes. Diese Änderung des Magnetfeldes führt ab einer bestimmten Amplitude zu der bereits erläuterten schlagartigen Änderung der Orientierung der Domänen des Wieganddrahtes 1101 und damit zu der Erzeugung des Spannungsimpulses durch die Spule des Wiegandmoduls 1100. Aufgrund der Ausbildung des Wieganddrahtes 1101 aus weichmagnetischen und hartmagnetischen Bereichen, erfolgt die Auslösung des Spannungsimpulses in solchen unterschiedlichen Stellungen der Permanentmagnetanordnung 2200 (erste und zweite Position), dass aus den Ausgangssignalen der Hallelemente b, c bzw. a, d im Normalfall ein Rückschluss auf die Bewegungsrichtung BR der Permanentmagnetanordnung 2200 und die Ausrichtung des festgestellten Permanentmagneten 2201 oder 2202 gezogen werden kann.
  • Bewegt sich die Permanentmagnetanordnung 2200 beispielsweise in der in 4 gezeigten positiven Richtung befinden sich bei Auslösung des Spannungsimpulses die Hallelemente b, c über dem Nordpol und Südpol des Permanentmagneten 2201 (erste Position) und geben ein entsprechendes Signal ab, wohingegen sich die Hallelemente a, d in diesem Zustand ungefähr zwischen den Permanentmagneten 2201, 2202 befinden und entsprechend keine bzw. sehr geringe Ausgangssignale ausgeben.
  • 4 zeigt schematisch den Aufbau der gesamten Elektronik des absoluten Positionssensors gemäß der ersten oder zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die gesamte Elektronik beinhaltet eine Verarbeitungselektronik 3200, die mit einem Mikrocontroller 3100, dem Wiegandmodul 1100 und einem Energiespeicher 3300 elektrisch verbunden ist. Alle Elemente die in 4 in dem mit MIC bezeichneten Quadrat enthalten sind, befinden sich auf dem jeweiligen Messsubstrat und bilden die Verarbeitungselektronik. Bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik auf dem Messsubstrat integriert. Das Wiegandmodul 1100 ist auf einer Platine angeordnet, auf dem sich auch beispielsweise das Messsubstrat, der Energiespeicher 3300, und der Mikrocontroller 3100 befinden.
  • Die Verarbeitungselektronik ist vollständig auf dem Messsubstrat 1300, 1300', 2300 angeordnet, wobei alle Elemente bevorzugt auf einer identischen Integrationstechnologie basieren. Bevorzugt handelt es sich bei dem Messsubstrat um ein Siliziumsubstrat, auf dem alle Elemente beispielsweise in der CMOS-Integrationstechnologie realisiert sind.
  • Im Folgenden wird die gesamte Elektronik unter der Annahme beschrieben, dass der Positionssensor ein Messsubstrat mit vier zusätzlichen Rollelementen A bis D für die Feinauflösung und vier Hallelementen a bis d für die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an Umdrehungen bzw. an linearen Versetzungen angibt, aufweist.
  • In 4 symbolisieren die kurz-gestrichelten Linien/Pfeile den Verlauf der Eigenenergieversorgung, die lang-gestrichelten Linien/Pfeile den der Fremdenergieversorgung, die dünn-durchgezogenen Linien/Pfeile den Verlauf der Versorgung durch den Energiespeicher 3300 und die dick-durchgezogenen Linien/Pfeile den Verlauf der Signale.
  • Der Positionssensor gemäß der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform kann entweder in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Fremdenergie versorgt wird, oder in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Energie, die in dem Energiespeicher 3300 gespeichert ist, versorgt wird, betrieben werden.
  • Die auf dem Messsubstrat 1300, 1300', 2300 angeordnete Verarbeitungselektronik 3200 beinhaltet eine Steuerelektronik SE, die für die Feinauflösung mit den Hallelementen (A bis D) HF und über einen Multiplexer MX mit einem ersten Verstärker V0 verbunden ist.
  • (nicht-autonomer Modus)
  • In dem nicht-autonomen Modus erfolgt die Fremdenergieversorgung über den Mikrocontroller 3100, der hierfür mit der Steuerelektronik SE elektrisch verbunden ist. Die Steuerelektronik SE versorgt wiederum die Hallelemente HF, den Multiplexer MX und den ersten Verstärker V0 mit der erhaltenen Fremdenergie und lädt darüber hinaus den Energiespeicher ES 3300, der bevorzugt aus einem oder mehreren Kondensatoren aufgebaut ist, mit der Fremdenergie auf. Ganz besonders bevorzugt ist der Energiespeicher ES 3300 aus mindestens zwei Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten aufgebaut, wobei ein kleiner Kondensator mit kleinerer Kapazität und ein großer Kondensator mit größerer Kapazität vorgesehen ist, die beide in dem nicht-autonomen Modus mit der erhaltenen Fremdenergie geladen werden.
  • Die Steuerelektronik SE erhält in dem nicht-autonomen Modus 16 Signale von den zusätzlichen Hallelementen A bis D, die in dieser Variante der in 4 gezeigten Elektronik mit jeweils zwei Stromkontakten und zwei Hallspannungskontakten ausgestattet sind. Die 16 Signale resultieren daraus, dass die Hallelemente A bis D in einem „spinning current”-Verfahren betrieben werden, in dem sowohl die Stromkontakte und die Hallspannungskontakte für jedes Hallelement einmal vertauscht werden als auch jeweils einmal deren Polarität geändert werden. Insoweit ergeben sich pro Hallelement vier Ausgangssignale, die an die Steuerelektronik SE übergeben werden.
  • Die Steuerelektronik SE gibt die 16 Signale an den Eingang des Multiplexers MX aus, der die erhaltenen Signale in einer bestimmten Reihefolge jeweils ausgewählt an seinen Ausgang durchschaltet und über eine einzige Leitung an den ersten Verstärker V0 ausgibt. Die bestimmte Reihenfolge kann flexible gewählt werden in Abhängigkeit davon, ob es sich bei dem Positionssensor um den der ersten oder zweiten bevorzugten Ausführungsform handelt.
  • Der erste Verstärker V0 verstärkt das erhaltene Signal und gibt dieses nach Verstärkung an den Mikrocontroller 3100 aus. Das Signal ist in diesem Zustand noch ein analoges Signal, wobei der Mikrocontroller 3100 das Signal analog-digital-wandelt und zur Weiterverarbeitung über einen Demultiplexer wiederum 16 Signale erhält.
  • Der Mikrocontroller 3100 kann auf Basis der erhaltenen Signale die präzise momentane Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf eine Referenzstellung, d. h. im Falle des Positionssensors 1000 der ersten bevorzugten Ausführungsform die Winkelstellung des Permanentmagneten 1201 und im Falle des Positionssensors 2000 der zweiten bevorzugten Ausführungsform den Grad der linearen Versetzung der Permanentmagnetanordnung 2200, berechnen.
  • Die vier Hallelemente a bis d, die in 4 mit HZ bezeichnet sind, werden mit Energie aus dem Energiespeicher ES versorgt. Da zumindest in dem nicht-autonomen Modus der Energiespeicher ES mit Fremdenergie geladen wird, werden die Hallelemente HZ mittelbar mit der Fremdenergie versorgt, sodass alle Hallelemente in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung der Reihe nach den Magnetpolen entsprechende Ausgangssignale ausgeben.
  • Die vier Hallelemente HZ sind mit der Steuerelektronik SE verbunden und geben jeweils ihre vier Ausgangssignale an die Steuerelektronik SE aus, die die jeweils zwei Ausgangssignale der Paare der Hallelemente nach dem Differenzprinzip verarbeitet und somit pro Paar an Hallelementen ein Signal im Ergebnis erhält.
  • Die zwei im Ergebnis für beide Paare erhaltenen Signale werden blockweise über einen zweiten Verstärker V1 an zwei Komparatoren K1/2 und blockweise über einen dritten Verstärker V2 an zwei Komparatoren K3/4 ausgegeben. Zwei der Komparatoren führen einen Vergleich mit einer negativen Spannungsschwelle durch und die anderen zwei der Komparatoren führen einen Vergleich mit einer positiven Spannungsschwelle durch, so dass jedes nach dem Differenzprinzip im Ergebnis erhaltene Signal mit einer positiven und einer negativen Spannungsschwelle verglichen wird.
  • Die vier erhaltenen Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 werden zum einen an die Steuerelektronik SE zurückgegeben und zum anderen an den Mikrocontroller 3100 ausgegeben. Die vier erhaltenen Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 erlauben eine dahingehende Interpretation, in welcher Stellung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 befindet bzw. wie die Magnetpole orientiert sind. Die kontinuierliche Auswertung der der Reihe nach auftretenden Ausgangssignale der Hallelemente lässt auch einen Rückschluss zu, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 (Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn) oder 2200 (lineare Versetzung in positiver oder negativer Bewegungsrichtung) bewegt.
  • Hieraus lässt sich der Wert an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen oder Anzahl an vollständigen linearen Versetzungen) der Permanentmagnetanordnung ermitteln. Diese Ermittlung erfolgt zum einen im Mikrocontroller 3100, der aus diesem Wert und aus der präzisen momentanen Stellung der Permanentmagnetanordnung (Winkelstellung oder Grad an linearer Versetzung) die absolute Position der Permanentmagnetanordnung ermittelt und an eine Anwendung ausgibt, und zum anderen in der Steuerungselektronik SE, die diesen Wert in einem flüchtigen Datenspeicher FD und/oder in einem nicht flüchtigen Datenspeicher NFD abspeichert.
  • Die vier Hallelemente HZ, die Verstärker V1, V2, die vier Komparator K1 bis K4 sowie die Datenspeicher (flüchtiger Datenspeicher FD und nicht flüchtiger Datenspeicher NFD) werden ebenfalls mit Energie aus dem Energiespeicher 3300 versorgt.
  • Der flüchtige Datenspeicher FD ist beispielsweise ein auf der CMOS Technologie basierendes Register. Der nicht flüchtige Datenspeicher NFD ist beispielsweise ein ebenfalls auf der CMOS Technologie basierender EEPROM. Die Verarbeitungselektronik ist so ausgestaltet, dass sie bei Temperaturen über 140°C, insbesondere bei 160°C noch problemlos arbeitet. Beide Datenspeicher sind hierbei insbesondere so ausgestaltet, dass sie bei Temperaturen über 140°C, insbesondere bei 160°C noch problemlos arbeiten und ihre Speicherwerte erhalten.
  • Die im Vorhergehenden erläuterte und in dem nicht-autonomen Modus realisierte Funktion der Feinauflösung ist eine rein bevorzugte Ausgestaltung und Erweiterung des erfindungsgemäßen Positionsdetektors bzw. Zählsensors.
  • Zu den Elementen des erfindungsgemäßen Positionsdetektors gehört die Verarbeitungselektronik umfassend die Hallelemente HZ, die Verstärker V1, V2, die Komparatoren K1 bis K4, sowie die Steuerelektronik SE mit ihrer Funktion, auf Basis der Ausgangssignale der Hallelemente HZ die Ausrichtung der Permanentmagnetanordnung zu ermitteln.
  • Zu den Elementen des erfindungsgemäßen Zählsensors gehören die des erfindungsgemäßen Positionsdetektors und die zusätzliche Funktion der Steuerelektronik SE, den Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen angibt, zu ermitteln und in dem flüchtigen Datenspeicher und/oder dem nicht flüchtigen Datenspeicher abzuspeichern.
  • Wenn die Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 im Mikrocontroller 3100 nicht benötigt werden, d. h. dass es sich bei der Erfindung ausschließlich um den erfindungsgemäßen Zählsensor handelt, ist die Ausgabe der Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 an den Mikrocontroller 3100 nicht notwendig. Dieser hat in diesem Fall lediglich Zugriff auf den flüchtigen Datenspeicher und/oder nicht-flüchtigen Datenspeicher und kann den entsprechend ausgelesenen Wert an eine Anwendung nach Außen ausgeben.
  • (autonomer Modus)
  • Bei einigen Anwendungen kann der Fall auftreten, dass die Fremdenergieversorgung zusammenbricht oder zeitweise nicht zur Verfügung steht. In diesen Situationen ist die präzise momentane Stellung der Permanentmagnetanordnung, d. h. die Winkelstellung oder der Grad der linearen Versetzung, von untergeordneter Bedeutung. Allerdings muss in dieser Situation dafür Sorge getragen werden, dass der Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen bzw. Anzahl an ganzen linearen Versetzungen) angibt, kontinuierlich erfasst und abgespeichert wird, damit der Wert bei Wiederherstellung der Fremdenergieversorgung zur Verfügung steht.
  • Wenn die Fremdenergieversorgung zusammenbricht bzw. nicht zur Verfügung steht, werden die vier Hallelemente HF, der Multiplexer MX und der Verstärker V0 nicht betrieben. Wenn die Funktion der Feinauflösung nicht vorgesehen ist bzw. es sich um einen reinen Zählsensor oder Positionsdetektor handelt, sind insbesondere die vier Hallelemente HF, der Multiplexer MX und der Verstärker V0 ohnehin nicht vorgesehen.
  • In dem autonomen Modus übernimmt die Energieversorgung das Wiegandmodul 1100, das in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Permanentmagnetanordnung in einer entsprechenden Frequenz Spannungsimpulse liefert.
  • Die Steuerelektronik SE übernimmt in dem autonomen Modus die Steuerung und Verwaltung der Energieversorgung der Verarbeitungselektronik, indem sie beispielsweise die von dem Wiegandmodul 1100 gelieferten Spannungsimpulse gleichrichtet und zum Laden des kleinen Kondensators des Energiespeichers ES 3300 ausgibt. Der große Kondensator wird in dem autonomen Modus nicht geladen, sondern gibt lediglich seine Energie beispielsweise über eine Diode an den kleinen Kondensator bei Bedarf ab.
  • Der aus dem kleinen und großen Kondensator aufgebaute Energiespeicher ES ist anfänglich nach Wegfall der Fremdenergieversorgung vollständig bzw. sehr stark geladen.
  • Der kleine Kondensator versorgt in dem autonomen Modus die Hallelemente HZ, die Verstärker V1/V2, die Komparatoren K1 bis K4, die Datenspeicher FD/NFD und wird in dem autonomen Modus durch den entsprechenden Energiebedarf entladen. Das Wiegandmodul 1100 liefert, wie bereits erläutert, die Spannungsimpulse, die zum Aufladen des kleinen Kondensators verwendet werden.
  • Die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen bzw. ganze lineare Versetzungen) angibt, erfolgt ähnlich wie in dem nicht-autonomen Modus durch Auswertung der Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4. Unterschiedlich ist lediglich, dass die Ausgangssignale der Hallelemente und damit der Komparatoren nur dann erfolgt, wenn ein Spannungsimpuls des Wiegandmoduls festgestellt wird. Die Ermittlung, ob ein auswertbares Spannungssignal vorliegt oder nicht, wird über einen Komparator K5 durchgeführt, der, wie aus 4 ersichtlich ist, direkt an den Ausgang der Spule des Wiegandmoduls 1100 angeschlossen ist und der Steuerelektronik SE signalisiert, ob ein auswertbares Spannungssignal bzw. ein Spannungsimpuls vorliegt oder nicht. Der Komparator K5 vergleicht in diesem Zusammenhang die von der Spule des Wiegandmoduls 1100 ausgegebene Spannung mit einer Spannungsschwelle und signalisiert der Steuerelektronik SE, dass ein auswertbares Spannungssignal bzw. ein Spannungsimpuls vorliegt, wenn die von der Spule des Wiegandmoduls 1100 ausgegebene Spannung die Spannungsschwelle übersteigt.
  • Wie bereits im Vorhergehenden ausführlich erläutert wurde, wird der Spannungsimpuls des Wiegandmoduls 1100 in Abhängigkeit von der Richtung, in der sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, ausgelöst, wenn sich der Nordpol oder Südpol der Permanentmagnetanordnung an der ersten oder zweiten Position befindet. Aus den Ausgangssignalen der Komparatoren K1 bis K4 lässt sich demnach sowohl die Ausrichtung der Permanentmagnetanordnung als auch deren Bewegungsrichtung ermitteln. Basierend hierauf wird der Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen angibt, ermittelt, in dem flüchtigen Speicher gespeichert und bei Bedarf in den nicht-flüchtigen Speicher übertragen.
  • Während des Betriebes kann der Fall eintreten, dass das Wiegandmodul 1100 bzw. seine Spule einen „verkümmerten” Spannungsimpuls ausgibt, der zwar die Spannungsschwelle des Komparators K5 übersteigt, allerdings nicht ausreichend Energie liefert, um den Speichervorgang des Wertes, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen angibt, in dem flüchtigen Speicher und/oder nicht-flüchtigen Speicher durchführen zu können. In diesem Fall übernimmt der große Kondensator die überbrückende Energieversorgung, indem er die fehlende Energie auf den kleinen Kondensator überträgt, Beispielsweise können das Wiegandmodul 1100 und der kleine Kondensator so ausgebildet sein, dass das Wiegandmodul 1100 den kleinen Kondensator mit jedem Spannungsimpuls auf 8–9 V auflädt. Der große Kondensator kann hingegen so ausgebildet sein, dass er in seinem stark geladenen Zustand eine Spannung von beispielsweise 5 V aufweist bzw. ausgibt. D. h., dass der große Kondensator Energie auf den kleinen Kondensator überträgt, wenn die Spannung des kleinen Kondensators unter 4,4 bis 4,6 V fällt (Diode berücksichtigt), und damit die Ausführung des Speichervorgangs sicherstellt.
  • Der große Kondensator kann bevorzugt so ausgestaltet werden, dass er unter Berücksichtigung von Leckströmen diese überbrückende Energieversorgung ab Wegfall der Fremdenergieversorgung für einen Mindestzeitraum von 20 min, 30 min, 1 Std, 5 Std, 1 Tag oder mehrere Tage übernehmen kann.
  • Eine Ausgabe des gespeicherten Wertes an den Mikrocontroller erfolgt verständlicherweise in dem autonomen Modus nicht.
  • An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die Zuverlässigkeit (Überlebenswahrscheinlichkeit) des erfindungsgemäßen Positionsdetektors und des erfindungsgemäßen Zählsensors insbesondere in dem autonomen Modus stark erhöht ist.
  • Der Grund hierfür ist, dass die Ermittlung der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung immer auf Basis der Ausgangssignale von mehreren Hallelementen erfolgt.
  • In der vorliegenden Ausführung der Elektronik werden die nach dem Differenzprinzip erhaltenen zwei Signale den vier Komparatoren K1 bis K4 übergeben und die entsprechenden erhaltenen vier Ausgangssignale der Komparatoren zusammen ausgewertet bzw. in Relation zueinander gesetzt. Die von den Komparatoren ausgegebenen Signale enthalten bei richtiger Funktionsweise aller Elemente redundante Informationen bezüglich der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung, da in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung zwangsläufig eines der Paare von Hallelementen (bei Rotationen der Permanentmagnetanordnung a, c oder b, d; bei linearer Versetzung der Permanentmagnetanordnung a, d oder b, c) nach Feststellen des Spannungsimpulses Ausgangssignale ausgibt, die zu einem Übersteigen der verwendeten Spannungsschwellen der Komparatoren K1 bis K4 führen, wohingegen das andere Paar keine Ausgangsignale ausgeben sollte.
  • Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit in dem autonomen Modus bevorzugt auch noch dadurch erhöht werden, dass nicht nur redundante Informationen bezüglich der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung über die Komparatoren K1 bis K4 erhalten werden, sondern auch bezüglich der Ausrichtung der Pole der Permanentmagnetanordnung. Die Auswertung der von den Komparatoren K1 bis K4 erhaltenen Signale gibt Aufschluss darüber, ob sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an der ersten oder zweiten Position befindet. Dieselbe Information kann darüber hinaus noch redundant erhalten werden, indem die Polarität des von dem Wiegandmodul 1100 ausgegebenen Spannungsimpulses ausgewertet und mit den zwei für beide Paare an Hallelementen nach dem Differenzprinzip erhaltenen Signalen oder den entsprechenden Ausgangssignalen der Komparatoren K1 bis K4 jeweils in Relation gesetzt wird.
  • Die Steuerelektronik SE ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sie beispielsweise eine Fehlermeldung speichert oder im nicht autonomen Betrieb als Leuchtsignal ausgibt, wenn nicht alle redundanten Informationen bezüglich Bewegungsrichtung und/oder Ausrichtung der Polaritäten erhalten werden können.
  • Letztendlich wird die Zuverlässigkeit auch durch den großen Kondensator des Energiespeichers ES 3300 erhöht, da nach Wegfall der Fremdenergieversorgung die Wahrscheinlichkeit fehlerhafter Speichervorgänge in dem genannten Mindestzeitraum vermindert werden kann.
  • Neben der Erhöhung der Zuverlässigkeit, die aufgrund der Auswertung redundanter Informationen erzielt wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor und Zählsensor zusätzlich die Betriebssicherheit erhöht, weil die Ausgangssignale der Hallelemente nach dem Differenzprinzip ausgewertet und damit Störgrößen eliminiert werden.
  • (Alternativen)
  • Im Vorhergehenden wurde bereits erläutert, dass auf dem Messsubstrat eines der Paare von Hallelementen (in 1 entweder a, c oder b, d; in 4 a, d oder b, c) weggelassen werden kann. Bei dieser Ausgestaltung des Messsubstrates sind lediglich zwei Komparatoren vorhanden. Selbst in diesem Fall bleibt die Betriebssicherheit erhalten und die Zuverlässigkeit erhöht, weil in diesem Fall die Steuerungselektronik eine zu niedrige Signalstärke des nach dem Differenzprinzip erhaltenen Signals, die auf den Defekt eines der Hallelemente hinweist, erkennen kann.
  • Wenn die Zuverlässigkeit im Vordergrund steht und die Betriebssicherheit untergeordnete Bedeutung hat, d. h. dass das Differenzprinzip nicht durchgeführt werden muss, kann das Messsubstrat auch mit nur zwei Hallelementen ausgestattet sein, die in Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung versetzt zueinander angeordnet sind.
  • Bei dem Messsubstrat aus 1, 2A und 2C wären in diesem Fall entweder nur die Hallelemente b, c oder a, d vorhanden, und bei dem Messsubstrat aus 3 entweder die Hallelemente a, b oder c, d. Die Ausgangssignale werden in diesem Fall wieder den vier Komparatoren K1 bis K4 zugeführt, weshalb wieder redundante Informationen bezüglich der Bewegungsrichtung erhalten werden. Nimmt man die Auswertung der Polarität des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls wiederum bevorzugt hinzu, werden auch redundante Informationen bezüglich der Ausrichtung der Polaritäten der Permanentmagnetanordnung gewonnen.
  • Wie aus den Alternativen ersichtlich ist, sind erfindungsgemäß nur mindestens zwei Hallelemente erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Bevorzugt ist allerdings die Ausgestaltung des Positionsdetektors bzw. Zählsensors mit vier Hallelementen, um neben der Zuverlässigkeit auch die Betriebssicherheit zu erhöhen.
  • Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich wird, stellt die Erfindung einen absoluten Positionssensor, Positionsdetektor und Zählsensor zur Verfügung, der eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10259223 B3 [0002]

Claims (10)

  1. Positionsdetektor aufweisend: ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist; ein Messsubstrat, das eine Messebene definiert und auf dem ein erstes Hallelement und ein zweites Hallelement angeordnet sind, wobei die Hallelemente auf dem Messsubstrat derart angeordnet sind, dass deren magnetfeldempfindlichen Flächen sich in der Messebene erstrecken bzw. einen Teil der Messebene bilden; eine das erste und zweite Hallelement aufweisende Verarbeitungselektronik, die eingerichtet ist, ein von dem ersten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal und ein von dem zweiten Hallelement ausgegebenes Ausgangssignal auszuwerten; und eine Permanentmagnetanordnung, die relativ zu dem Wiegandmodul und dem ersten und zweiten Hallelement in einer Richtung sowie einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegbar ist; wobei bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Position befindet, in einem autonomen Modus, in dem der Positionsdetektor nicht mit Fremdenergie versorgt wird, das erste und zweite Hallelement und die Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt werden, die von dem Wiegandmodul geliefert wird, und das erste Radelement und das zweite Hallelement derart angeordnet sind, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements zumindest redundante Informationen darüber erhält, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
  2. Positionsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei das erste Hallelement und das zweite Hallelement derart angeordnet sind, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Spannungsimpulses, des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements redundante Informationen darüber erhält, ob sich der Nord- oder Südpol an der ersten oder zweiten Position befindet und ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
  3. Positionsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei die Verarbeitungselektronik eingerichtet ist, die redundanten Informationen dadurch zu erhalten, dass sie zum einen das Ausgangssignal des ersten Hallelements mit dem Ausgangssignal des zweiten Hallelements in Relation setzt und zum anderen eine Polarität des von der Spule erzeugten Spannungsimpulses mit zumindest einem der Ausgangssignale der Hallelemente in Relation setzt.
  4. Positionsdetektor gemäß Anspruch 3, wobei die Verarbeitungselektronik eingerichtet ist, die redundanten Informationen dadurch zu erhalten, dass sie die Polarität des von der Spule erzeugten Spannungsimpulses jeweils mit dem Ausgangssignal des ersten und zweiten Hallelements in Relation setzt.
  5. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Verarbeitungselektronik eingerichtet ist, ein Fehlersignal auszugeben, wenn eine der redundanten Informationen nicht erhalten werden kann.
  6. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Positionsdetektor eingerichtet ist, in einen nicht-autonomen Betrieb überzugehen, in dem der Positionsdetektor mit Fremdenergie versorgt und ein zur Speicherung von elektrischer Energie eingerichteter Energiespeicher des Positionsdetektors mit der Fremdenergie geladen wird; und der Energiespeicher mit der Verarbeitungselektronik derart verbunden ist, dass er nach Übergehen des Positionsdetektors in den autonomen Modus die Verarbeitungselektronik innerhalb eines Mindestzeitraums nach dem Übergehen mit der gespeicherten Energie versorgen kann, wenn das Wiegandmodul zu einem Zeitpunkt innerhalb des Mindestzeitraumes nicht ausreichend Energie liefert.
  7. Positionsdetektor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, weiterhin aufweisend: ein drittes auf dem Messsubstrat angeordnetes Hallelement, das zu dem ersten Hallelement derart antiseriell verschaltet ist, dass deren eine Magnetfeldstärke angebenden Ausgangssignale zu einem Summensignal addiert werden, wobei das erste und dritte Hallelement derart angeordnet sind, dass, wenn sich der Nordpol in dem autonomen Modus nach Feststellen des Spannungsimpulses an der ersten Position befindet, das Ausgangssignal des ersten Hallelements dem Nordpol und das Ausgangssignal des dritten Hallelements dem Südpol entspricht; und ein viertes auf dem Messsubstrat angeordnetes Hallelement, das zu dem zweiten Hallelement derart antiseriell verschaltet ist, dass deren eine Magnetfeldstärke angebenden Ausgangssignale zu einem Summensignal addiert werden, wobei das zweite und vierte Hallelement derart angeordnet sind, dass, wenn sich der Nordpol in dem autonomen Modus nach Feststellen des Spannungsimpulses an der zweiten Position befindet, das Ausgangssignal des zweiten Hallelements dem Nordpol und das Ausgangssignal des vierten Hallelements dem Südpol entspricht.
  8. Zählsensor zur Zählung der Anzahl von Umdrehungen oder linearen Versetzungen eines Gegenstandes, wobei der Zählsensor aufweist: einen Positionsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Permanentmagnetanordnung eingerichtet ist, an dem Gegenstand derart angeordnet zu werden, dass die Permanentmagnetanordnung die Umdrehungen oder linearen Versetzungen zusammen mit dem Gegenstand durchführt; und einen Datenspeicher zur Speicherung eines Wertes, der die Anzahl der Umdrehungen oder der linearen Versetzungen angibt; wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, auf Basis der redundanten Informationen, die Anzahl der Umdrehungen oder der linearen Versetzungen des Gegenstandes zu zählen und den entsprechenden Wert in dem Datenspeicher abzuspeichern.
  9. Absoluter Positionssensor aufweisend: einen Zählsensor gemäß Anspruch 8, wobei der Zählsensor den Positionsdetektor gemäß Anspruch 7 aufweist; und einen Mikrocontroller; wobei in dem nicht-autonomen Modus die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, die Ausgangssignale des ersten bis vierten Hallelementes an den Mikrocontroller auszugeben, der dazu eingerichtet ist, auf Basis der Ausgangssignale der vier Hallelemente einen Grad der Umdrehung, insbesondere eine Winkelstellung, oder einen Grad der linearen Versetzung, insbesondere eine die Versetzung angebende Strecke, jeweils bezüglich einer Referenzstellung des Gegenstandes, auf Basis der Ausgangssignale der Hallelemente zu ermitteln.
  10. Absoluter Positionssensor aufweisend: einen Zählsensor gemäß Anspruch 8, wobei der Zählsensor den Positionssensor gemäß Anspruch 7 aufweist; vier zusätzliche Hallelemente, die auf dem Messsubstrat derart angeordnet sind, dass deren magnetfeldempfindlichen Flächen sich in der Messebene erstrecken bzw. einen Teil der Messebene bilden; und einen Mikrocontroller; wobei in dem nicht-autonomen Modus die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, die Ausgangssignale der zusätzlichen vier Hallelemente an den Mikrocontroller auszugeben, der dazu eingerichtet ist, auf Basis der Ausgangssignale der vier zusätzlichen Hallelemente einen Grad der Umdrehung, insbesondere eine Winkelstellung, oder einen Grad der Versetzung, insbesondere eine die Versetzung angebende Strecke, jeweils bezüglich einer Referenzstellung des Gegenstandes auf Basis der Ausgangssignale der vier zusätzlichen Hallelemente zu ermitteln.
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