DE102015117080A1

DE102015117080A1 - Magnetischer absoluter Positionssensor

Info

Publication number: DE102015117080A1
Application number: DE102015117080.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Theil; Walter Mehnert
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: US20170089725A1; US10222236B2; DE102015117080B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen absoluten Positionssensor aufweisend: ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist; ein Messsubstrat, das eine Messebene definiert und eine Vielzahl von Hallelementen aufweist; eine Permanentmagnetanordnung, die relativ zu dem Wiegandmodul und dem Messsubstrat in einer Richtung sowie einer entgegengesetzten Richtung bewegbar ist; einen Mikrocontroller; und eine auf dem Messsubstrat angeordnete Verarbeitungselektronik, die zumindest einen flüchtigen Datenspeicher und einen nicht-flüchtigen Datenspeicher, die auf Basis identischer Integrationstechnologien realisiert sind, aufweist; wobei die Steuerelektronik eingerichtet ist, (i) in einem nicht-autonomen Modus Ausgangssignale einer Gruppe der Hallelemente an den Mikrocontroller zur Ermittlung einer präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf eine Referenzstellung zu übergeben und einen Wert, der einer Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, zur Speicherung in dem flüchtigen und/oder nichtflüchtigen Datenspeicher zu erhalten, und (ii) in einem autonomen Modus den Wert, der der Anzahl entspricht, auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines der Hallelemente zu ermitteln sowie den Wert in dem flüchtigen Datenspeicher abzuspeichern und den in dem flüchtigen Datenspeicher abgespeicherten Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wenn die in dem autonomen Modus zur Verfügung stehende Energie einen Schwellenwert unterschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen absoluten Positionssensor.
Aus dem Stand der Technik ist ein magnetischer absoluter Positionssensor aus dem Dokument DE 10 2007 039 051 A1 bekannt.
Der dort beschriebene Sensor ist in der Lage dazu, zum einen eine Winkelstellung eines Permanentmagneten zu bestimmen und zum anderen eine Anzahl von Umdrehungen des Permanentmagneten zu zählen sowie einen der Anzahl entsprechenden Wert in einem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen. Aus dem der Anzahl entsprechenden Wert und der aktuellen Winkelstellung kann die absolute Position des Permanentmagneten ermittelt werden.
Der bekannte Sensor wird unter Verwendung unterschiedlicher Technologien, nämlich der CMOS- und der für den nicht-flüchtigen Datenspeicher eingesetzten FRAM-Technologie, in einer integrierten Schaltung realisiert. Der nicht-flüchtige Datenspeicher ist insbesondere deshalb ein FRAM-Datenspeicher, weil dieser im Gegensatz zu Datenspeichern, die auf anderen Technologien, beispielsweise der CMOS-Technologie, basieren, eine sehr hohe Anzahl von Speicherzyklen zulässt und damit in dieser Hinsicht eine ausreichende Lebensdauer des Sensors gewährleistet.
Die Realisierung einer integrierten Schaltung auf Basis beider Technologien ist allerdings aufwendig und teuer.
Der alternative Einsatz zweier getrennter integrierter Schaltungen ist nicht immer möglich, weil der Datenverkehr zwischen beiden integrierten Schaltungen aufwendiger – damit langsamer – und energieintensiver ist. Bei Anwendungen ohne Fremdenergieversorgung, in denen ein hoher Datenverkehr schnell sein muss und nicht ausreichend Energie für den Datenverkehr zwischen zwei getrennten integrierten Schaltungen zur Verfügung steht, wird man folglich auf die Ausbildung einer einzigen integrierten Schaltung auf Basis zweier Technologen nicht verzichten können, auch wenn diese aufwendiger und teurer ist.
Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Einsatzmöglichkeiten des FRAM-Speichers im Hinblick auf seine Temperaturbeständigkeit beschränkt sind, so dass in Anwendungen mit höheren Temperaturen der Einsatz der bekannten Sensoren nicht möglich ist.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Positionssensor zu schaffen, der eine ausreichend hohe Lebensdauer aufweist und ein größeres Spektrum an Einsatzmöglichkeiten zulässt.
Diese Aufgabe wird mit einem Positionssensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein magnetischer absoluter Positionssensor 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 eine Vielzahl von Hallelementen aufweist, wobei die Hallelemente auf dem Messsubstrat derart angeordnet sind, dass deren magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen sich in der Messebene erstrecken bzw. einen Teil der Messebene bilden; (III) eine Permanentmagnetanordnung, die in einer zu der Messebene parallelen Bewegungsebene relativ zu dem Wiegandmodul und dem Messsubstrat 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 abgibt, 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 abgibt, 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 ist eine Substratoberfläche, auf der die Hallelemente angeordnet sind, zumindest parallel zu der Messebene.
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 einer hartmagnetischen Schale und einem weichmagnetischen Kern aufgebaut und kann durch bestimmte Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung „vorgespannt” werden. Aufgrund dieses Aufbaus und der damit einhergehenden physikalischen Charakteristik des Wiegandmoduls bzw. des Wieganddrahtes erfolgt ab einer bestimmten Amplitude des Magnetfeldes, die bei ungefähr 135° Drehung des Magnetfeldes erreicht wird, eine schlagartige Änderung der Ausrichtung der Weißschen Bezirke des Wieganddrahtes. Diese Änderung führt wiederum zur 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.
Der erfindungsgemäße Positionssensor beinhaltet darüber hinaus
(IV) einen Mikrocontroller; und (V) eine auf dem Messsubstrat angeordnete Verarbeitungselektronik, die zumindest eine Steuerelektronik, einen flüchtigen Datenspeicher und einen nicht-flüchtigen Datenspeicher sowie die Hallelemente aufweist, die auf dem Messsubstrat in einer gemeinsamen integrierten Schaltung auf Basis identischer Integrationstechnologie realisiert sind; wobei
die Steuerelektronik eingerichtet ist,

(i) in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Fremdenergie versorgt wird, Ausgangssignale einer Gruppe der Hallelemente an den Mikrocontroller zur Ermittlung einer präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf eine Referenzstellung zu übergeben und einen Wert, der einer Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, zur Speicherung in dem flüchtigen und/oder nichtflüchtigen Datenspeicher entweder auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines der Hallelemente zu ermitteln oder von dem Mikrocontroller zu erhalten, und
(ii) in einem autonomen Modus, in dem keine Fremdenergie zur Verfügung steht und der Positionssensor mit Energie, die von dem Wiegandmodul geliefert wird, versorgt wird, den Wert, der der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines der Hallelemente zu ermitteln sowie den Wert in dem flüchtigen Datenspeicher abzuspeichern und den in dem flüchtigen Datenspeicher abgespeicherten Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wenn die in dem autonomen Modus zur Verfügung stehende Energie einen Schwellenwert unterschreitet.

Bei den sich wiederholenden Bewegungsabläufen der Permanentmagnetanordnung kann es sich entweder um eine Rotation oder eine lineare Versetzung handeln. Der erfindungsgemäße Positionssensor kann insoweit so ausgestaltet sein, dass er den Wert, der die Anzahl von Rotationen oder linearen Versetzungen der Permanentmagnetanordnung angibt, feststellen kann.
Der erfindungsgemäße Positionssensor ist deshalb als absoluter Positionssensor zu betrachten, weil er selbst bei Ausfall der Fremdenergieversorgung in dem autonomen Modus den Wert dieser Anzahl weiter ermitteln kann und, nachdem die Fremdversorgung wieder zur Verfügung steht, aus dem Wert der Anzahl und der aktuell ermittelten präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf die Referenzstellung die absolute Position der Permanentmagnetanordnung ermitteln kann. Der abgespeicherte Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen der Permanentmagnetanordnung angibt, kann entweder ein Wert sein, der den Betrag der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen angibt, d. h. der den Wechsel der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung nicht berücksichtigt, oder ein Wert sein, der den Wechsel der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung berücksichtigt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, dass der flüchtige und nicht-flüchtige Datenspeicher sowie die Steuerelektronik und die Hallelemente in einheitlicher Integrationstechnologie in einer gemeinsamen integrierten Schaltung realisiert sind und dass durch Zusammenspiel der Datenspeicher und Steuerelektronik sich die Anzahl von Schreibzyklen einzelner Speicherzellen des nicht-flüchtigen Datenspeichers stark reduziert, ergeben sich folgende Vorteile:
Die Datenspeicher können zum einen ohne Probleme und kostengünstig zusammen realisiert werden und zum anderen kann flexibel eine für bestimmte Anwendungen optimale Integrationstechnologie gewählt werden, ohne durch beispielsweise begrenzte Anzahlen möglicher Speicherzyklen und Temperaturanforderungen eingeschränkt zu sein.
Die Realisierung einer integrierten Schaltung, in der zumindest beide Datenspeicher und die Steuerelektronik realisiert sind, führt auch zu einem energieärmeren und schnelleren Betrieb des Positionssensors und hierdurch nicht zuletzt dazu, dass die Energieversorgung in dem autonomen Modus sicher von dem Wiegandmodul übernommen werden kann.
Die Hallelemente des erfindungsgemäßen Positionssensors basieren bevorzugt ebenfalls auf der Integrationstechnologie, in der die Verarbeitungselektronik sowie beide Datenspeicher realisiert sind.
Die in dem autonomen Modus vom Wiegandmodul gelieferte Energie wird bevorzugt in einem Energiespeicher, beispielsweise einem Kondensator, zwischengespeichert, weil der vom Wiegandmodul gelieferte Spannungsimpuls nur etwa 20 μs lang ist. Der Energiespeicher wiederum versorgt die Verarbeitungselektronik mit der entsprechend gespeicherten Energie. Der Zeitpunkt, wann der in dem flüchtigen Datenspeicher gespeicherte Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher übertragen werden muss, hängt von der möglichen Versorgungsdauer der Verarbeitungselektronik durch den Energiespeicher bzw. Kondensator und damit sowohl von der von dem Wiegandmodul gelieferten Energie und dem Gesamtenergiebedarf des Positionssensor ab. Solange die in dem Energiespeicher bzw. Kondensator gespeicherte Energie, die durch einen bestimmten Spannungswert der Spannung des Energiespeichers charakterisiert ist, ausreichend ist, den gespeicherten Wert von dem flüchtigen Datenspeicher in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wird der Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen widerspiegelt, nur in dem flüchtigen Datenspeicher verändert, d. h. erhöht oder vermindert. Der nicht-flüchtige Datenspeicher bleibt, solange die in dem Energiespeicher bzw. Kondensator gespeicherte Energie ausreichend ist, unberührt.
Die Überwachung, ob die in dem Energiespeicher gespeicherte/enthaltene Energie den Schwellenwert unterschreitet, kann direkt durch Messung einer Spannung des vom Wiegandmodul versorgten bzw. geladenen Kondensators oder durch Bestimmung, ob eine Zeitdauer nach Auftreten des Spannungsimpulses eine Grenzzeitdauer überschreitet, erfolgen.
Wenn sich der magnetische Positionssensor in einem Betriebszustand befindet, in dem jeder von der Verarbeitungselektronik ermittelte Wert der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen in dem nicht-flüchtigen Datenspeicher abgespeichert werden muss, kann der Speichervorgang in dem nicht-flüchtigen Datenspeicher entweder mittelbar über den flüchtigen Datenspeicher oder unmittelbar erfolgen.
Das zumindest eine Hall-Element, auf Basis dessen Ausgangssignals die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe ermittelt wird, ist bevorzugt so angeordnet, dass es bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen oder der hierzu entgegengesetzten Richtung nach Feststellung des Spannungsimpulses und bei Vorhandensein ausreichender Energie ein den Nord- oder Südpol der Permanentmagnetanordnung angebendes Ausgangssignal ausgibt und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der jeweils anderen Richtung nach Feststellung des Spannungsimpulses und bei Vorhandensein ausreichender Energie kein Ausgangssignal ausgibt. Bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der Richtung, in der das Hallelement während des Spannungsimpulses kein Ausgangssignal liefert, kann die Information darüber, ob sich der Nord- oder Südpol an der entsprechenden Position befindet, aus der Polarität des Spannungsimpulses gewonnen werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen aus den Ausgangssignalen mehrerer Hallelemente zu ermitteln, die in der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung versetzt zueinander angeordnet sind.
Zusätzlich kann jedes der Hallelemente auch mit einem jeweils anderen Hallelement gepaart sein, wobei die Ausgangssignale der gepaarten Hallelemente nach dem Differenzprinzip zur Eliminierung von Störfeldern zusammen ausgewertet werden.
Die Verarbeitungselektronik beinhaltet für die Ermittlung der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen beispielsweise einen Komparator für den Vergleich einer Spannungsschwelle mit einer von dem/den Hallelement(en) ausgegebenen Spannung.
Die Steuerelektronik übernimmt bevorzugt auch die Energieverwaltung der Verarbeitungselektronik und beinhaltet hierfür beispielsweise einen Gleichrichter zum Gleichrichten des vom Wiegandmodul ausgegebenen Spannungsimpulses.
Die identische Integrationstechnologie ist bevorzugt eine CMOS Integrationstechnologie, wobei der flüchtige Datenspeicher beispielsweise ein Register und der nichtflüchtige Datenspeicher beispielsweise ein EEPROM ist.
Die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Datenspeicher sind so ausgebildet, dass sie bei oder über 160°C betrieben werden können, wobei der nicht-flüchtige Datenspeicher insbesondere so ausgebildet ist, dass er selbst bei dieser Temperatur 10⁹ Speicherzyklen zulässt und den Speicherwert halten kann.
Vorteilhaft an der CMOS Integrationstechnologie ist auch, dass auftretende Leckströme extrem niedrig sind.
Bevorzugt weist der flüchtige Datenspeicher n Bits auf, und der nicht-flüchtige Datenspeicher m Speicherblöcke mit jeweils mindestens n Bits. Die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik, ist bevorzugt dazu eingerichtet, den abgespeicherten Wert von dem flüchtigen Datenspeicher in einen der m Speicherblöcke zu übertragen und – bei Bedarf – den einen der m Speicherblöcke zu wechseln.
Der flüchtige Datenspeicher ist besonders bevorzugt so ausgestaltet, dass die Anzahl der Bits zwischen n >= 40 und n <= 100 liegt und der nicht-flüchtige Datenspeicher zwischen m >= 100 und m <= 1000 Speicherblöcke aufweist.
Die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik, ist weiterhin bevorzugt dazu eingerichtet, den abgespeicherten Wert von dem flüchtigen Datenspeicher solange in einen der m Speicherblöcke zu übertragen, bis eine Überprüfung des einen der m Speicherblöcke ergibt, dass mindestens eine einem der n Bits entsprechende Speicherzelle des Speicherblockes eine Fehlfunktion, die beispielsweise dazu führt, dass die Speicherzelle nicht mehr beschrieben werden kann, aufweist, und anschließend den einen der m Speicherblöcke zu wechseln.
Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Positionssensors, die Speicherblöcke wechseln zu können, führt insbesondere dazu, dass die Anzahl der möglichen Speicherzyklen stark erhöht wird und auch nicht-flüchtige Datenspeicher eingesetzt werden können, die auf derselben Integrationstechnologie, beispielsweise der CMOS Technologie, wie der flüchtige Datenspeicher basieren.
Weiterhin bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik, in diesem Zusammenhang alternativ dazu eingerichtet ist, eine Überprüfung des einen der m Speicherblöcke dahingehend durchzuführen, ob mindestens eine einem der n Bits entsprechende Speicherzelle des einen der m Speicherblöcke eine Fehlfunktion aufweist, und anschließend die Speicherzelle, die die Fehlfunktion aufweist, durch eine Reservespeicherzelle des einen der m Speicherblöcke zu ersetzen und den einen der m Speicherblöcke zu wechseln, wenn eine bestimmte Anzahl von Speicherzellen des Speicherblockes die Fehlfunktion aufweist.
Jeder der m Speicherblöcke beinhaltet mindestens n Bits, wobei jedem Bit eine Speicherzelle zugeordnet ist. Bevorzugt beinhaltet jeder der m Speicherblöcke eine Vielzahl von Reservespeicherzellen, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, bei einer Fehlfunktion einer Speicherzelle diese durch eine Reservespeicherzelle zu ersetzen bzw. dem entsprechenden Bit die Reservespeicherzelle zuzuordnen. Erst wenn eine Anzahl von Speicherzellen des entsprechenden Speicherblockes eine Fehlfunktion aufweist und durch entsprechende Reservespeicherzellen ersetzt wurde, wird der gesamte Speicherblock gewechselt bzw. durch einen anderen der m Speicherblöcke ersetzt.
Hierdurch wird erreicht, dass nicht bei einer einzigen Fehlfunktion einer Speicherzelle des Speicherblockes bereits der gesamte Speicherblock gewechselt wird, sondern erst dann, wenn eine Anzahl von Speicherzellen eine Fehlfunktion aufweist und durch entsprechende Reservespeicherzellen ersetzt wurde. Insbesondere lässt sich durch diese Ausgestaltung die Anzahl von möglichen Speicherzyklen bzw. Schreibzyklen weiter erhöhen.
Weiterhin bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik, dazu eingerichtet, in dem autonomen Modus ein Vorliegen und Nicht-Vorliegen des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls zu erkennen und erst bei Vorliegen des Spannungsimpulses zumindest solche Elektronikelemente, die für die Ermittlung und Abspeicherung des Wertes, der der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufe entspricht, notwendig sind, einzuschalten.
Für die Erkennung des Spannungsimpulses beinhaltet die Verarbeitungselektronik bevorzugt einen Komparator, der direkt an den Ausgang der Spule angeschlossen und so verschaltet ist, dass er das Ausgangssignal der Spule des Wiegandmoduls mit einem Referenzwert bzw. Schwellenwert vergleichen kann.
Bei den Elektronikelementen, die zur Ermittlung und Abspeicherung des Wertes notwendig sind, kann es sich um alle Elemente bis auf den zur Erkennung des Spannungsimpulses vorgesehenen Komparator und solche Teile der Steuerelektronik, die zur Auswertung des Ausgangssignals des Komparators vorgesehen sind, handeln. Hierzu zählen beispielsweise auch die Hallelemente.
Weiterhin bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik dazu eingerichtet, nach Abspeicherung des Wertes, der der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen entspricht, die Elektronikelemente wieder abzuschalten.
Weiterhin bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik, insbesondere die Steuerelektronik dazu eingerichtet, den in dem flüchtigen Datenspeicher gespeicherten Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wenn eine Zeitdauer nach Auftreten des Spannungsimpulses eine Grenzzeitdauer überschreitet.
Diese Grenzzeitdauer ist abhängig von dem Gesamtenergiebedarf des Positionssensors im autonomen Betrieb. Der erfindungsgemäße Positionssensor kann insbesondere durch die Erfindung so entworfen werden, dass die Grenzzeitdauer zwischen 5 ms und 10 ms liegt.
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 Positionssensor so ausgestaltet ist, dass er eine absolute Position eines rotierenden Permanentmagneten detektieren kann;
2A und 2B zeigen bevorzugte Varianten eines Messsubstrates, die bei dem Positionssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform eingesetzt werden können;
3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des absoluten Positionssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, wobei der Positionssensor an einer zu überwachenden Welle angeordnet ist und eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, die an einem sich mit der Welle drehenden Rückschlusskörper befestigt sind;
4 zeigt einen absoluten Positionssensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Positionssensor dazu eingerichtet ist, eine lineare Versetzung einer aus zwei Permanentmagneten aufgebauten Permanentmagnetanordnung festzustellen;
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des absoluten Positionssensors gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform; und
6 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 Positionssensors 1000.
Der Positionssensor 1000 beinhaltet ein Wiegandmodul 1100, das zum einen einen Wieganddraht 1101 und zum anderen eine nicht dargestellte um den Wieganddraht 1101 verlaufende bzw. 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 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 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 Spule erzeugt 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 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 in einer Messebene liegt, die sich parallel zu der Bewegungsebene erstreckt, in der der quaderförmige Permanentmagnet 1201 rotiert bzw. die senkrecht zur Rotationsachse steht.
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 2 gezeigten Draufsicht des Messsubstrates 1300 gut ersichtlich. 2 entspricht einer Ansicht des Messsubstrates 1300 senkrecht zur Drehachse DA, die das Messsubstrat 1300 in seinem Mittelpunkt durchstößt.
Alle Hallelemente sind derart angeordnet, dass sich deren magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen in der Messebene erstrecken.
Jedes der 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 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 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 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 Hallelemente A bis D werden insbesondere in einem 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 die präzise Winkelstellung der Permanentmagnetanordnung 1200 bzw. des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung berechnen kann. Insoweit werden die vier 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 Hallelemente A bis D paarweise nach dem Differenzprinzip ausgewertet. In diesem Zusammenhang werden die Ausgangssignale der Hallelemente A und C so ausgewertet, dass sich die 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 Hallelementen A bis D sind auf dem Messsubstrat 1300 noch vier zusätzliche Hallelemente a bis d angeordnet, die jeweils leicht versetzt zu den Hallelementen A bis D angeordnet sind. Da die Ausgangssignale dieser zusätzlichen Hallelemente a bis d lediglich mit einer Spannungsschwelle verglichen werden, sind sie so ausgestaltet/aufgebaut, dass sie wesentlich weniger Ladung als die Hallelemente A bis D benötigen. Die vier zusätzlichen Hallelemente a bis d spannen beispielsweise ein virtuelles Rechteck auf, das bezüglich zu dem von den 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 zusätzlichen 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 zusätzlichen Hallelemente a bis d werden, wie bei den anderen Hallelemente 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 kann aus den weich- und hartmagnetischen Bereichen 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 der 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 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 festgestellt werden, ob sich der Nordpol N oder der Südpol S an der ersten oder zweiten Position befindet. Insoweit beträgt die Auflösung des erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors 1000 in dem autonomen Modus eine halbe Umdrehung.
Theoretisch kann die Anzahl der zusätzlichen 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 nach Feststellen/Detektion des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls 1100 gezogen werden. Liefert nämlich das Paar von Hallelementen bei/nach Detektion 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.
Wird der erfindungsgemäße absolute Positionssensor 1100 darüber hinaus in einer Umgebung eingesetzt, in der keine Störmagnetfelder auftreten, kann die Anzahl an zusätzlichen Hallelementen a bis d auf ein einziges Hallelement reduziert werden. In dem autonomen Modus kann die Drehrichtung folglich auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines einzigen Hallelementes ermittelt werden.
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 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 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 weiteren Hallelemente a, b befinden sich in den Ecken des Messsubstrates 1300' auf der entsprechenden Diagonale. Die Ausgangssignale der weiteren Hallelemente a, b werden nach dem bereits erläuterten Differenzverfahren ausgewertet.
3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Positionssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform. Diese Ausgestaltung genügt höchsten Genauigkeitsanforderungen.
Der Positionssensor 1000 wird in der gezeigten Ausgestaltung zur Überwachung der absoluten Position einer Welle W eingesetzt. Das Messsubstrat 1300, 1300' ist an der Stirnseite der Welle W angeordnet, wobei das Wiegandmodul 1100 auf der der Stirnseite abgewandten Seite des Messsubstrates 1300, 1300' angeordnet ist. Bei dem Messsubstrat kann es sich entweder um das in 2A oder 2B gezeigte handeln.
Die Permanentmagnetanordnung 1200 beinhaltet in dieser Ausgestaltung nicht nur einen einzigen Permanentmagneten sondern zwei Permanentmagnete 1202, 1203, die jeweils an einem Rückschlusskörper 1204 der Permanentmagnetanordnung 1200 befestigt sind.
Der Rückschlusskörper 1204 ist darüber hinaus mit der Welle W so verbunden, dass er sich zusammen mit der Welle W um die Drehachse DA dreht, wobei diese Drehung zu einer Relativbewegung zwischen Rückschlusskörper 1204/Permanentmagneten 1202, 1203 und Wiegandmodul 1100 bzw. Messsubstrat 1300, 1300' führt.
Die Permanentmagnete 1202, 1203 sind an dem Rückschlusskörper 1204 so befestigt, dass deren den entsprechenden Nordpol und Südpol verbindenden Achsen senkrecht zur Drehachse DA verlaufen und entgegengesetzte Pole einander zugewandt sind; in 3 ist der rechte Permanentmagnet 1202 so angeordnet, dass sein Nordpol N in Richtung der Drehachse DA weist, wohingegen der Permanentmagnet 1203 so angeordnet ist, dass sein Südpol S in Richtung der Drehachse DA weist.
Die Welle W bzw. ihre Stirnseite ist bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet, weshalb sie in dieser Ausgestaltung als Feldkonzentrator wirkt. In dem Fall, in dem eine Welle W zu überwachen ist, die nicht aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist, kann der Rückschlusskörper 1204 alternativ so ausgestaltet sein, dass er zum einen an der Stirnseite der Welle W befestigt ist und zum anderen eine Erhöhung/Vorsprung in Richtung des Messsubstrates 1300, 1300' aufweist und auf Grund seiner Ausbildung aus einem ferromagnetischen Material hierdurch die Funktion des Feldkonzentrator übernimmt.
Die als Feldkonzentrator wirkende Welle W bewirkt, dass Feldkomponenten des senkrecht zur Drehachse DA verlaufenden Magnetfeldes in Richtung der Stirnseite der Welle abgelenkt werden und das Messsubstrat 1300, 1300' im Bereich der Vielzahl an Hallelementen A bis D und a bis d bzw. A bis C und a, b zumindest teilweise senkrecht durchsetzen. Im Detail verläuft das in 3 gezeigte Magnetfeld von dem rechten Permanentmagneten 1202 in Richtung des anderen Permanentmagneten 1203, wobei der Stirnseite der Welle zugewandte Magnetfeldkomponenten abgelenkt werden und hierbei das Messsubstrat 1300, 1300' ein erstes Mal durchsetzen, die Welle durchlaufen und aus der Welle so austreten, dass sie das Messsubstrat 1300, 1300' ein zweites Mal durchsetzen und in Richtung des zweiten Permanentmagneten 1203 weiterverlaufen. Wie hieraus verständlich wird, werden die ein Paar bildende Hallelemente A, C bzw. B, D und a, c bzw. b, d von entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldkomponenten durchsetzt, was nach dem Differenzprinzip zu sich addierenden Ausgangssignalen führt.
Da sich in dieser Ausgestaltung des Positionssensors 1000 der Feldkonzentrator zusammen mit den Permanentmagneten 1202, 1203 dreht, treten keine die Genauigkeit herabsetzenden Hysteresesprünge in den Ausgangssignalen der Hallelemente auf.
4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors 2000. 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 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 und 4 bedeutet dies, dass die Ausgangssignale der Hallelemente B, C für die Ermittlung der präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung 2200 in Bezug auf die Referenzstellung (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, die senkrecht zu der Diagonale D2 verläuft, liegen, senkrecht zur Messebene.
Wenn sich die Permanentmagnetanordnung 2200 in 4 in der einen Richtung oder der hierzu entgegengesetzten Richtung bewegt, führt das zu einer Änderung/Umpolung des Magnetfeldes, das durch das Wiegandmodul 1100 wahrgenommen wird. Diese Änderung des Magnetfeldes führt ab einer bestimmten Amplitude des Magnetfeldes zu der bereits erläuterten schlagartige 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), wohingegen sich die Hallelemente a, d in diesem Zustand ungefähr zwischen den Permanentmagneten 2201, 2202 befinden und entsprechend keine bzw. sehr geringe Ausgangssignale ausgeben.
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des absoluten Positionssensors gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Ansicht der 5 entspricht einer Ansicht senkrecht zu einer Normalen des Messsubstrates 2300 bzw. der Messebene.
Die 5 ist ein Äquivalent zur 3.
In dieser Ausgestaltung werden vier Permanentmagnete 2203, 2206, 2207, 2208 von den Schenkeln eines U-förmigen Rückschlusskörpers 2204 getragen, wobei der Rückschlusskörper 2204 entlang der Bewegungsrichtung BR linear und relativ zu dem Messsubstrat 2300 und dem in 5 nicht gezeigten Wiegandmodul 1100 versetzbar gelagert ist. Der Rückschlusskörper 2204 bildet einen Feldkonzentrator 2205 aus, der sich in 5 unterhalb des Messsubstrates 2300 befindet. Der Feldkonzentrator 2205 bewirkt eine Ablenkung des zwischen den Permanentmagneten 2203, 2207 bzw. den Permanentmagneten 2206, 2208 verlaufenden Magnetfeldes senkrecht zur Zeichenebene. Dies führt dazu, dass die Bereiche des Messsubstrates 2300, in denen die Hallelemente A bis D bzw. a bis d angeordnet sind, zumindest teilweise senkrecht von den Magnetfeldern durchsetzt werden.
6 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 6 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 zum Beispiel auch das Messsubstrat 3200, der Energiespeicher 3300, und der Mikrocontroller 3100 befinden.
Die Verarbeitungselektronik ist vollständig auf dem Messsubstrat 1300, 1300', 2300 angeordnet, wobei alle Elemente 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 Hallelementen 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 6 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, der bevorzugt aus einem oder mehreren Kondensatoren aufgebaut ist, mit der Fremdenergie auf.
Die Steuerelektronik SE erhält in dem nicht-autonomen Modus 16 Signale von den Hallelementen A bis D, die in dieser Variante der in 6 gezeigten Elektronik mit jeweils zwei Stromkontakten und zwei Hallspannungskontakten ausgestattet sind. Die 16 Signale resultieren daraus, dass die Hallelemente A bis D in einen „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 der Reihe nach jeweils ausgewählt an seinen Ausgang durchschaltet und über eine einzige Leitung an den ersten Verstärker V0 ausgibt.
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 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 zusätzlichen Hallelemente a bis d, die in 6 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.
Die vier Hallelemente HZ geben 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 Komparator und 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 bezüglich der Referenzstellung 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 erhaltenen präzisen 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 Steuerelektronik 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. Beide Speicher sind insbesondere so ausgestaltet, dass sie bei Temperaturen über 140°C, insbesondere bei 160°C noch problemlos arbeiten und ihre Speicherwerte erhalten.
(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 Stellung der Permanentmagnetanordnung, d. h. die Winkelstellung oder der Grad der linearen Versetzung, von untergeordneter Bedeutung. Allerdings muss in diesen Situationen 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 wieder 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.
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 Energiespeichers ES ausgibt.
Der Energiespeicher ES ist anfänglich nach Wegfall der Fremdenergieversorgung vollständig bzw. sehr stark geladen.
Der Energiespeicher ES 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 Energiespeichers ES 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. 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 Spannungssignal vorliegt oder nicht, wird über einen im Folgenden noch erläuterten Komparator K5 durchgeführt.
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 und in dem flüchtigen Speicher gespeichert.
Eine Ausgabe an den Mikrocontroller erfolgt verständlicherweise nicht.
In dem autonomen Modus kann der Fall eintreten, dass die Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung so langsam ablaufen, dass die Gefahr besteht, den in dem flüchtigen Datenspeicher FD gespeicherten Wert zu verlieren. Um den Datenverlust zu verhindern, wird der in dem flüchtigen Speicher gespeicherte Wert in den nicht flüchtigen Datenspeicher NFD übertragen.
Solange ausreichend Energie zur Verfügung steht, d. h. der Energiespeicher ES ausreichend geladen ist, wird in dem autonomen Modus der Wert an sich wiederholenden Bewegungsabläufen ausschließlich in dem flüchtigen Datenspeicher FD abgespeichert. Insoweit erfolgt in dem autonomen Modus eine sehr starke Schonung des nicht-flüchtigen Datenspeichers NFD im Hinblick auf die zur Verfügung stehenden möglichen Speicherzyklen.
Für die Entscheidung, ob der ermittelte Wert in den nicht flüchtigen Datenspeicher NFD übertragen werden muss oder weiterhin in dem flüchtigen Datenspeicher FD bleibt bzw. gehalten werden kann, dient ein Schwellenwert, der mit der im Energiespeicher enthaltenen Energie verglichen wird. Für diesen Vergleich dient ein bevorzugt in der Steuerelektronik SE sitzender Komparator (nicht gezeigt), der beispielsweise eine von dem Energiespeicher gelieferte Spannung mit einer Spannungsschwelle vergleicht. Fällt die gespeicherte Energie unter den Schwellenwert, muss der ermittelte Wert in den nicht-flüchtigen Speicher NFD übertragen werden.
Alternativ wird hierbei eine Zeitdauer nach Auftreten eines Spannungsimpulses bzw. die seit dem letzten Spannungsimpuls verstrichene Zeitdauer herangezogen. Übersteigt diese Zeitdauer eine bestimmte Grenzdauerwert, bedeutet das, dass die im Energiespeicher 3300 gespeicherte Energie gleich dem Schwellenwert ist oder den Schwellenwert unterschreitet, aber gerade noch ausreichend ist, den Wert von dem flüchtigen in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen.
Für die Bestimmung, ob ein Spannungsimpuls vorliegt oder nicht, beinhaltet die Verarbeitungselektronik einen Komparator K5, der an den Ausgang der Spule des Wiegandmoduls 1100 angeschlossen ist und von diesem versorgt wird. Der Komparator K5 kann feststellen, ob das Wiegandmodul bzw. seine Spule einen verarbeitbaren Spannungsimpuls liefert.
Die Grenzzeitdauer ist anders ausgedrückt eine Zeitspanne zwischen Auftreten eines Signals aus dem Komparator K5 und dem Zeitpunkt, zu dem der in dem flüchtigen Datenspeicher gehaltene Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher übertragen werden muss. Die Grenzzeitdauer hat erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer des nicht flüchtigen-Datenspeichers. Je weniger Verbraucher das Wiegandmodul versorgen muss, desto größer ist die Grenzzeitdauer.
Zur Erhöhung der Grenzzeitdauer kann die Verarbeitungselektronik 3200 bevorzugt so eingerichtet sein, dass sie solche Elektronikelemente, die für die Ermittlung und Abspeicherung des Wertes in dem flüchtigen Datenspeicher notwendig sind, nur dann einschaltet, wenn das Vorliegen eines Spannungsimpulses der Steuerelektronik durch den Komparator K5 signalisiert wird. Zu diesen Elektronikelementen zählen insbesondere die beiden Verstärker V1, V2, die Hallelemente und die Komparatoren K1 bis K4 sowie Teile der Steuerelektronik bis auf solche zur Erkennung der Signale aus dem Komparator K5. Nach Abspeicherung des Wertes schaltet die Verarbeitungselektronik die Elektronikelemente wieder ab.
Beispielhafte Rechnungen haben ergeben, dass die Grenzzeitdauer bei entsprechender Dimensionierung der Verarbeitungselektronik bei ca. 5 ms liegen kann. Das entspricht einer Grenzfrequenz des sich wiederholenden Bewegungsablaufes der Permanentmagnetanordnung von 100 Hz. Das bedeutet, dass solange die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen geringer als 5 ms ist, der entsprechend ermittelte Wert nur in dem flüchtigen Datenspeicher FD abgespeichert werden muss.
Da es Anwendungen gibt, in denen in der meisten Zeit Fremdenergie zur Verfügung steht und bei denen selbst bei Ausfall der Fremdenergieversorgung die Frequenz der sich wiederholenden Bewegungsabläufe sehr hoch ist, wird der flüchtige Datenspeicher FD bevorzugt so ausgestaltet, dass er mindestens n = 40 Bit für den ermittelten Wert zur Verfügung stellt. Das entspricht einem ermittelten Wert von 10¹². Mit Reserve- und Überprüfungsbits liegt die Gesamtanzahl der von dem flüchtigen Speicher FD zur Verfügung gestellten Bits bei n = 100.
Wird in einer bestimmten Anwendung der Schwellenwert oder die Grenzfrequenz unterschritten bzw. die Grenzzeitdauer überschritten, werden diese 100 Bits aus dem flüchtigen Datenspeicher FD in den nicht flüchtigen Datenspeicher NFD übertragen.
Um bevorzugt die Anzahl der möglichen Schreibzyklen des nicht flüchtigen Datenspeichers NFD zu erhöhen, wird dieser bevorzugt so ausgestaltet, dass er m Speicherblöcke mit jeweils n Bits aufweist. Die Anzahl der m Speicherblöcke beträgt bevorzugt m = 1000.
Die Steuerelektronik SE ist so ausgestaltet, dass sie Fehlfunktionen einer Speicherzelle des nicht flüchtigen Datenspeichers NFD, die einem der n Bits entspricht, feststellen kann. Solange die Steuerelektronik SE keine Fehlfunktion einer Speicherzelle des gegenwärtig verwendeten m-ten Speicherblockes feststellt, wird bei Unterschreiten des Schwellenwertes bzw. der Grenzfrequenz oder Überschreiten der Grenzzeitdauer der in dem flüchtigen Datenspeicher FD gespeicherte Wert bevorzugt in einen einzigen ausgewählten Speicherblock der m Speicherblöcke übertragen.
Wird hingegen eine Fehlfunktion einer Speicherzelle des gegenwärtig verwendeten m-ten Speicherblockes festgestellt, wechselt die Steuerelektronik den in dem nicht flüchtigen Speicher verwendeten Speicherblock zu einem noch nicht verwendeten bzw. funktionsfähigen Speicherblock.
Der nicht flüchtige Speicher NFD kann beispielhaft so ausgebildet sein, dass er 10⁹ Speicherzyklen je Speicherzelle zulässt, bevor die entsprechende Speicherzelle eine Fehlfunktion aufweist. Hieraus lässt sich ermitteln, dass selbst bei Anwendungen, in denen die Grenzzeitdauer nie unterschritten wird und nach 10⁹ Speicherzyklen die erste Fehlfunktion auftritt, durch die m-fache Vervielfachung der notwendigen n Bits ausreichend hohe Anzahlen von Speicherzyklen möglich sind.
Zur weiteren Erhöhung der möglichen Speicherzyklen des gesamten nicht-flüchtigen Speichers kann die Steuerelektronik alternativ dazu eingerichtet sein, bei einer einzigen Fehlfunktion nicht sofort den gesamten Speicherblock zu wechseln, sondern lediglich die die Fehlfunktion aufweisende Speicherzelle durch eine Reservespeicherzelle zu ersetzen bzw. das entsprechende Bit durch ein Reservebit zu ersetzen. Ein Wechsel des gesamten Speicherblockes erfolgt erst dann durch die Steuerelektronik, wenn eine Anzahl von Speicherzellen/Bits des verwendeten Speicherblockes eine Fehlfunktion aufweist und durch entsprechende Reservespeicherzellen/Reservebits ersetzt wurde.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich wird, stellt die Erfindung einen absoluten Positionssensor zur Verfügung, der ausreichend Speicherzyklen in dem nicht flüchtigen Datenspeicher zulässt und die Nachteile der FRAM-Technologie nicht aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007039051 A1 [0002]

Claims

Absoluter Positionssensor aufweisend: ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist; ein Messsubstrat, das eine Messebene definiert und eine Vielzahl von Hallelementen aufweist, wobei die Hallelemente auf dem Messsubstrat derart angeordnet sind, dass deren magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen sich in der Messebene erstrecken bzw. einen Teil der Messebene bilden; eine Permanentmagnetanordnung, die in einer zu der Messebene parallelen Bewegungsebene relativ zu dem Wiegandmodul und dem Messsubstrat 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; einen Mikrocontroller; und eine auf dem Messsubstrat angeordnete Verarbeitungselektronik, die zumindest eine Steuerelektronik, einen flüchtigen Datenspeicher und einen nicht-flüchtigen Datenspeicher sowie die Hallelemente, die auf dem Messsubstrat in einer gemeinsamen integrierten Schaltung auf Basis identischer Integrationstechnologie realisiert sind, aufweist; wobei die Steuerelektronik eingerichtet ist, (i) in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Fremdenergie versorgt wird, Ausgangssignale einer Gruppe der Hallelemente an den Mikrocontroller zur Ermittlung einer präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf eine Referenzstellung zu übergeben und einen Wert, der einer Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, zur Speicherung in dem flüchtigen und/oder nichtflüchtigen Datenspeicher entweder auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines der Hallelemente zu ermitteln oder von dem Mikrocontroller zu erhalten, und (ii) in einem autonomen Modus, in dem keine Fremdenergie zur Verfügung steht und der Positionssensor mit Energie, die von dem Wiegandmodul geliefert wird, versorgt wird, den Wert, der der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, auf Basis eines Ausgangssignals zumindest eines der Hallelemente zu ermitteln sowie den Wert in dem flüchtigen Datenspeicher abzuspeichern und den in dem flüchtigen Datenspeicher abgespeicherten Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wenn die in dem autonomen Modus zur Verfügung stehende Energie einen Schwellenwert unterschreitet.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei die identische Integrationstechnologie eine CMOS Integrationstechnologie ist.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüchtige Datenspeicher ein Register und der nichtflüchtige Datenspeicher ein EEPROM ist.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüchtige Datenspeicher n Bits aufweist, und der nichtflüchtige Datenspeicher m Speicherblöcke mit jeweils mindestens n Bits aufweist; und die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, den abgespeicherten Wert von dem flüchtigen Datenspeicher in einen der m Speicherblöcke zu übertragen und den einen der m Speicherblöcke zu wechseln.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, den abgespeicherten Wert von dem flüchtigen Datenspeicher solange in einen der m Speicherblöcke zu übertragen bis eine Überprüfung des einen der m Speicherblöcke ergibt, das mindestens eine einem der n Bits entsprechende Speicherzelle des Speicherblockes eine Fehlfunktion aufweist und anschließend den einen der m Speicherblöcke zu wechseln.
Positionssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, eine Überprüfung des einen der m Speicherblöcke dahingehend durchzuführen, ob mindestens eine einem der n Bits entsprechende Speicherzelle des einen der m Speicherblöcke eine Fehlfunktion aufweist, und anschließend die Speicherzelle, die die Fehlfunktion aufweist, durch eine Reservespeicherzelle des einen der m Speicherblöcke zu ersetzen und den einen der m Speicherblöcke zu wechseln, wenn eine bestimmte Anzahl von Speicherzellen des Speicherblockes die Fehlfunktion aufweist.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, ein Vorliegen und Nicht-Vorliegen des Spannungsimpuls des Wiegandmoduls zu erkennen und erst bei Vorliegen des Spannungsimpulses zumindest solche Elektronikelemente, die für die Ermittlung und Abspeicherung des Wertes, der der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen entspricht, notwendig sind, einzuschalten.
Positionssensor gemäß Patentanspruch 7, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, nach Abspeicherung des Wertes, der der Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen entspricht, die Elektronikelemente wieder abzuschalten.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet ist, den in dem flüchtigen Datenspeicher gespeicherten Wert in den nicht-flüchtigen Datenspeicher zu übertragen, wenn eine Zeitdauer nach Auftreten des Spannungsimpulses eine Grenzzeitdauer überschreitet.