DE102016118376A1

DE102016118376A1 - Magnetische Winkelsensorvorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016118376A1
Application number: DE102016118376.8A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: US20180087926A1; US10684141B2; DE102016118376B4

Abstract

Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung ist vorgeschlagen, die Folgendes umfasst: eine Welle, die um eine Drehachse herum drehbar angeordnet ist, wenigstens einen Permanentmagneten, einen Stator und zwei magnetische Winkelsensoren, die an dem Stator befestigt sind, wobei die Welle gegen den Stator drehbar angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Permanentmagnet mit der Welle verbunden ist, und wobei der wenigstens eine Permanentmagnet dazu eingerichtet ist, Magnetfelder an den zwei magnetischen Winkelsensoren mit unterschiedlichen Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten anzulegen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine magnetische Winkelsensoranordnung, die es ermöglicht, eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle zu bestimmen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine erste Ausführungsform betrifft eine magnetische Winkelsensorvorrichtung, die Folgendes umfasst:

– eine Welle, die um eine Drehachse herum drehbar angeordnet ist,
– wenigstens einen Permanentmagneten,
– einen Stator,
– zwei magnetische Winkelsensoren, die an dem Stator befestigt sind,
– wobei die Welle gegen den Stator drehbar angeordnet ist,
– wobei der wenigstens eine Permanentmagnet mit der Welle verbunden ist,
– wobei der wenigstens eine Permanentmagnet dazu eingerichtet ist, Magnetfelder an den zwei magnetischen Winkelsensoren mit unterschiedlichen Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten anzulegen.

Eine zweite Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellendrehung für eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst:

– eine Welle, die um eine Drehachse herum drehbar angeordnet ist,
– wenigstens einen Permanentmagneten,
– einen Stator,
– zwei magnetische Winkelsensoren, die an dem Stator befestigt sind,
– wobei die Welle gegen den Stator drehbar angeordnet ist,
– wobei der wenigstens eine Permanentmagnet mit der Welle verbunden ist,
– wobei der wenigstens eine Permanentmagnet dazu eingerichtet ist, Magnetfelder an den zwei magnetischen Winkelsensoren mit unterschiedlichen Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten anzulegen,
– wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Kombinieren von Ausgabesignalen der zwei magnetischen Winkelsensoren zu einem Gesamtausgabesignal, das eine Drehung der Welle bestimmt, wobei jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein Ausgabesignal bereitstellt, das einen Azimutwinkel der diametrischen Magnetfeldkomponente, die den jeweiligen magnetischen Winkelsensor beeinflusst, umfasst.

Eine dritte Ausführungsform betrifft ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, das Softwarecodeteile zum Durchführen von Schritten des hier beschriebenen Verfahrens umfasst.
Eine vierte Ausführungsform betrifft ein computerlesbares Medium, z. B. einen Speicher einer beliebigen Art, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem das hier beschriebene Verfahren durchführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gezeigt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte veranschaulicht werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen ähnliche Merkmale.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle umfasst, die sich um eine Drehachse herum dreht, wobei ein Ringmagnet an der Welle angebracht ist und sich um eine Sensorkuppel herum dreht, die zwei magnetische Winkelsensoren umfasst;
2 zeigt einen Ringmagneten, der als ein axialer Quadrupol realisiert ist;
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle mit zwei Magneten, die an der Oberseite und an der Unterseite der Welle angeordnet sind, und zwei Winkelsensoren, die in der Nähe der Magneten angeordnet sind, umfasst;
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle mit einer Bohrung umfasst, wobei ein Magnet an der Unterseite der Bohrung angeordnet ist und ein Ringmagnet an dem Ende der Welle angeordnet ist, so dass eine Sensorkuppel, die zwei Winkelsensoren umfasst, durch das Loch des Ringmagneten in die Bohrung der Welle eingefügt werden kann;
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines kombinierten einzigen Magneten, der einen Ringmagnetteil, einen Zylindermagnetteil und einen Kombinationsteil (d.h. Verbindungsteil) umfasst;
6 zeigt beispielhafte Realisierungen der Sensorkuppel aus 4 aus/von verschiedenen Winkeln/Seiten;
7 zeigt ein Diagramm, das visualisiert, wie zwei Winkelsensorelemente in einem definierten axialen Abstand zueinander platziert werden können;
8 zeigt eine beispielhafte Anordnung von zwei Ringmagneten in dem x-y-z-Raum;
9 zeigt ein Diagramm, das die magnetische Flussdichte über der z-Achse für die in 8 dargestellte Anordnung visualisiert;
10 zeigt eine beispielhafte Magnetisierung eines Ringmagneten, der ein Halbach-Muster umfasst;
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ringmagneten;
12 zeigt zwei alternative Ausführungsformen davon, wie vier unterschiedliche Segmente geformt und/oder zusammengebaut werden können, um Ringmagneten zu bauen,
13 zeigt Magnetisierungsmuster für Ringe und Zylinder,
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das einen Ringmagneten mit einer Halbach-Magnetisierung, der an einer drehbaren Welle angebracht ist, und zwei Winkelsensorelemente, die auf einer Achse senkrecht zu der Drehachse angeordnet sind, umfasst;
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Messen von Winkelwegen von weniger als einer vollen Umdrehung;
16 zeigt ein Beispiel für eine außeraxiale magnetische Winkelsensoranordnung, wobei sich ein Zahnrad, das an einer drehbaren Welle befestigt ist, mit Zahnrädern in Eingriff befindet, die Ringmagneten antreiben, die eine Auswirkung auf zwei Winkelsensorelemente aufweisen;
17 zeigt eine Variation von 16, wobei sich das Zahnrad, das an der Welle befestigt ist, mit nur einem Zahnrad in Eingriff befindet, das einen Ringmagneten umfasst, wobei der zusätzliche Ringmagnet mittels der magnetischen Kraft zwischen den Ringmagneten bewegt wird;
18 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das zwei Zahnräder umfasst, die über ein Zahnrad gekoppelt sind, das an einer Welle angebracht ist (ähnlich der in 16 dargestellten Ausführungsform).
19 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Effekte veranschaulicht, die zu einer Aufhebung von Hintergrundmagnetfeldern führen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hier beschriebene Beispiele verweisen insbesondere auf magnetische Winkelsensoren, wobei ein Sensorelement oder ein Sensorchip (auch als Sensor bezeichnet) auf der Drehachse oder außerhalb der Drehachse platziert sein kann.
Es können verschiedene Sensoren verwendet werden, z.B. ein anisotroper Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor), ein Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), ein Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall-Vorrichtungen (z.B. Hall-Platten, vertikale Hall-Vorrichtungen) oder MAG-FETs (z.B. MAG-FETs mit geteiltem Drain).
Magneten aus kurzen, langen Zylindern und Blöcken (Parallelepipede) sind genauso bekannt wie Magneten, die als zylindrische Ringe gebildet sind. Die Sensorelemente können z.B. innerhalb eines solchen Zylinderrings oder auf einer Seite (obere oder untere Oberfläche) des Zylinder- oder Blockmagneten platziert sein.
Magneten können eine diametrische Magnetisierung aufweisen, wobei die Magnetisierung innerhalb der Magneten im Wesentlichen homogen ist und in eine einzige Richtung senkrecht zu einer Drehachse zeigt. Außerdem sind axial magnetisierte Quadrupole bekannt, wobei der Magnet in einen linken und einen rechten Teil mit der Drehachse an der Grenzfläche zwischen beiden Teilen geteilt ist, wobei beide Teile in axialen Richtungen, aber antiparallel magnetisiert sind. Zudem ist eine bogenförmige Magnetisierung als eine Mischung von diametrischer Magnetisierung und axial magnetisierten Quadrupolen bekannt.
Es ist ein beispielhaftes Ziel des hier beschriebenen Ansatzes, einen magnetischen Winkelsensor mit wenigstens einem magnetischen Sensor, der bei oder auf der Drehachse platziert ist und der gegenüber Zusammenbautoleranzen und gegenüber Hintergrundmagnetfeldstörungen robust ist, bereitzustellen. Es ist ein weiteres Ziel, dass die magnetoresistiven Winkelsensoren oder die vertikalen Hall-Vorrichtungen verwendet werden können. Außerdem kann die präsentierte Lösung ebenso auf außeraxiale Sensoren zutreffen. Beide Szenarien werden nachfolgend beschrieben.
Der präsentierte Ansatz bringt insbesondere den Vorteil, dass er gegenüber Versatzfehlern bei dem Zusammenbau des Sensorsystems und gegenüber Hintergrundfeldern robust ist.
Beispiel: Sensorkuppel mit zwei magnetischen Winkelsensoren
Eine hier beschriebene beispielhafte Lösung verwendet wenigstens zwei Winkelsensoren, an die Magnetfelder in unterschiedlichen Richtungen angelegt werden. Der Richtungsunterschied kann vorzugsweise so groß wie möglich, insbesondere in der Größenordnung von 180°, sein. Jedoch können die Magnetfeldrichtungen auch um 150°, 120°, 90°, 45° usw. abweichen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle 101 umfasst, die sich um eine Drehachse 102 herum dreht. Ein Ringmagnet 103 ist an der Welle 101 angebracht und er ist um die Drehachse 102 herum angeordnet.
Eine Sensorkuppel 104 ist eine zylindrische Struktur, die einen Sensorchip 106 auf oder in der Nähe der oberen Oberfläche der zylindrischen Struktur und einen Sensorchip 105 auf oder in der Nähe der unteren Oberfläche der zylindrischen Struktur umfasst. Die Sensorchips 105, 106 können in der Zylinderstruktur eingebettet oder auf seiner Oberfläche platziert sein. Es wird angemerkt, dass „Oberseite“ und „Unterseite“ lediglich zu Veranschaulichungszwecken verwendet werden, um die Positionen der unterschiedlichen Oberflächen der Sensorkuppel 104 anzusprechen: Bei der beispielhaften 1 befindet sich der Sensorchip 106 nahe der Oberseite und befindet sich der Sensorchip 105 nahe der Unterseite der Sensorkuppel 104. Jedoch kann die Sensorkuppel 104 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Verwendungsfallszenario in unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sein.
Der Sensorchip 105 umfasst ein magnetisches Sensorelement 1902 und der Sensorchip 106 kann ein magnetisches Sensorelement 1901 umfassen. Jeder der Sensorchips 105, 106 kann wenigstens ein magnetisches Sensorelement umfassen.
Die Sensorkuppel 104 ist so angeordnet, dass sie in eine Vertiefung 107 der Welle 101 hineinragt. Der Ringmagnet 103 umgibt die Sensorkuppel 104, wobei sich der Sensorchip 106 jenseits des Ringmagneten 103 in die Vertiefung 107 erstreckt und wobei der Sensorchip 105 so angeordnet ist, dass er nicht in den Ringmagneten 103 eingedrungen ist. Bei der in 1 verwendeten Orientierung befindet sich der Sensorchip 106 oberhalb des Ringmagneten 103 und befindet sich der Sensorchip 105 unterhalb des Ringmagneten 103. Ein Zentrum 110 des Ringmagneten 103 und der magnetischen Sensorelemente der Sensorchips 105, 106 kann sich auf der Drehachse 102 befinden. Das Zentrum 110 des Ringmagneten 103 kann im Wesentlichen gleichmäßig von den magnetischen Sensorelementen der Sensorchips 105, 106 entfernt sein.
Die Sensorchips 105, 106 sind mit einer Komponentenplatine 108 verbunden. Dies kann durch Montieren der Sensorkuppel 104 auf die Komponentenplatine 108 und elektrisches Verbinden der Sensorchips 105, 106 über die Sensorkuppel 104 mit der Komponentenplatine 108 erreicht werden.
Der Ringmagnet 103 weist eine Magnetisierung auf, die durch die Pfeile in seinen Schnittflächen angegeben ist. Die Magnetisierung führt zu einem Magnetfeld 109, das die Sensorchips 105 und 106 beeinflusst. Aufgrund der antiparallelen Richtung der Magnetisierung in der linken und rechten Hälfte des Magneten 103 weist das Magnetfeld 109, das auf das/die Sensorelement(e) auf dem Sensorchip 106 einwirkt und das auf das/die Sensorelemente(s) auf dem Sensorchip 105 einwirkt, eine Auswirkung in entgegengesetzten Richtungen auf.
Wie angegeben kann die Sensorkuppel 104 so angeordnet sein, dass ihre Symmetrieachse in der Drehachse 102 liegt, so dass sich die Welle 101 und der Ringmagnet 103 im Wesentlichen symmetrisch um die Sensorkuppel 104 herum drehen. Die Sensorelemente der Sensorchips 105, 106 können so angeordnet sein, dass sie auch in der Drehachse 102 liegen.
Das Loch des Ringmagneten 103 ist groß genug, um Einfügen der Sensorkuppel 104 zu ermöglichen. Die Sensorkuppel 104 ist insbesondere schmal genug, um in die Bohrung oder den Ringmagneten 103 zu passen, ohne anzustoßen. Die Sensorkuppel 104 wird in das Loch des Ringmagneten 103 von der gegenüberliegenden Seite zu der, wo sich die Welle 101 befindet, eingefügt.
Der Ringmagnet 103 kann einen Innendurchmesser von 10 mm, einen Außendurchmesser von 14 mm und eine axiale Dicke von 3 mm aufweisen. Das Material kann ein(e) isotrope(r) oder anisotrope(r), gesinterte(r), gepresste(r) oder spritzgegossene(r) hartmagnetische(r) Ferrit oder Seltenerde (NdFeB oder SmCo mit verschiedenen stöchiometrischen Zusammensetzungen) sein.
Ringmagnet als axialer Quadrupol
2 zeigt den in dem System aus 1 verwendeten Ringmagneten. Dieser Magnet ist ein axial magnetisierter Quadrupol, d.h. die Hälfte 201 des Ringmagneten ist in negativer z-Richtung magnetisiert und die Hälfte 202 des Ringmagneten ist in positiver z-Richtung magnetisiert. Daher ist das Magnetfeld bei einer Symmetrieachse 203 oberhalb des Zentrums des Ringmagneten antiparallel zu dem Feld auf der Symmetrieachse 203 unterhalb des Zentrums des Ringmagneten.
Der Ringmagnet 103 kann ein solcher axialer Quadrupol wie in 2 gezeigt sein. Dementsprechend ist der Sensorchip 106 oberhalb des Zentrums des Ringmagneten 103 platziert und ist der Sensorchip 105 unterhalb des Zentrums des Ringmagneten 103 platziert, wie in 1 gezeigt und mit Bezug auf diese beschrieben ist.
Der in 2 gezeigte Ringmagnet kann durch homogenes Magnetisieren eines Rings in einer positiven z-Richtung, Schneiden des Rings in zwei Hälften, Wenden einer Hälfte und Wiederverbinden beider Hälften des Rings erhalten werden.
Als eine Alternative kann jede Hälfte des Rings gleichzeitig oder sequentiell in dem Spalt zwischen Jochen eines starken Elektromagneten magnetisiert werden, wobei ein schmales Gebiet zwischen den zwei Gebieten mit einer Magnetisierung in +/–z-Richtungen nichtmagnetisiert sein kann oder die Magnetisierung dort diametrisch ist. Eine diametrische Magnetisierung kann minimiert sein, falls das Magnetmaterial anisotrop ist, wobei die einfache Achse parallel zu der z-Richtung ist.
Beispiel: Magnetfeldvektoren B₁ und B₂ sind antiparallel
19 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Effekte veranschaulicht, die zu einer Aufhebung von durch Hintergrundmagnetfelder bewirkten Winkelfehlern führen.
Zwei Sensorelemente 1901 und 1902 sind wie in 1 gezeigt angeordnet. Die Sensorelemente können auch als magnetische Sensoren oder magnetische Sensorelemente bezeichnet werden. 19 zeigt ein Magnetfeld Bm₁, das an das Sensorelement 1901 angelegt wird, und ein Magnetfeld Bm₂, das an das Sensorelement 1902 angelegt wird.
19 zeigt insbesondere die folgenden Komponenten:

Bm₁: ist der Feldvektor des Magneten (d.h. des Magnetfeldes), der das Sensorelement 1901 beeinflusst;
Bm₂: ist der Feldvektor des Magneten (d.h. des Magnetfeldes), der das Sensorelement 1902 beeinflusst;
Bd: ist ein Störungsfeldvektor;
B₁: ist ein Gesamtfeldvektor an dem Sensorelement 1901; daher gilt: B₁ = Bm₁ + Bd;
B₂: ist ein Gesamtfeldvektor an dem Sensorelement 1902; daher gilt: B₂ = Bm₂ + Bd;
φ: ist eine Drehposition (Winkel) des Magneten, die identisch mit der Richtung des Feldes des Magneten an dem Sensorelement 1901 ist;
φ₁': ist die Drehposition (Winkel) des Feldes, das durch das Sensorelement 1901 detektiert wird; und
φ₂': ist die Drehposition (Winkel) des Feldes, das durch das Sensorelement 1902 detektiert wird;

103

1901

1902

Daher gilt das Folgende:
Das System weist die Lesewerte φ₁', φ₂' beider Erfassungselemente auf und folgert die Drehposition der Welle über die Formel
wobei k so gewählt ist, dass die folgende Bedingung erfüllt wird: dφ₁ + k·dφ₂ ≡ 0.
Einsetzen der Gleichungen für dφ₁ und dφ₂ wie oben angegeben ergibt:
Falls k gleich dem Verhältnis des Feldes des Magneten an dem zweiten Winkelsensor zu dem an dem ersten Winkelsensor ist, werden somit in der Formel für die gefolgerte Drehposition der Welle Fehlerterme von dem Störungsfeld aufgehoben und wird die korrekte Drehposition unabhängig von Störfeldern gegeben:
Falls zum Beispiel |Bm₁| = |Bm₂| gilt, dann ist k gleich 1 und gilt:
Gemäß einem beispielhaften Verwendungsfallszenario kann das Feld des Magneten Bm₂, das das Sensorelement 1902 beeinflusst, antiparallel zu dem Feld des Magneten Bm₁ sein, das das Sensorelement 1901 beeinflusst. Das Störungsfeld Bd wird beispielhaft als gleich für beide Sensorelemente 1901 und 1902 angenommen.
Die Vektoraddition des Störungsfeldes Bd und des Feldes des Magneten Bm₁, Bm₂ verschiebt den Feldvektor an einem Sensorelement (in dem Fall aus 19 ist dies B₁ an dem Sensorelement 1901) gegen den Uhrzeigersinn und den Feldvektor an dem anderen Sensorelement (in dem Fall aus 19 ist dies B₂ an dem Sensorelement 1902) im Uhrzeigersinn.
Daher ist der Winkel φ₁' größer als der Winkel φ, wohingegen der Winkel φ₂' kleiner als der wahre Winkel φ + 180° ist.
Falls die Feldvektoren des auf die Sensorelemente 1901 und 1902 angewandten Magneten von gleichem absoluten Wert sind, d.h. |Bm₁| = |Bm₂|, sind ein Winkelfehler dφ₁ des Sensorelements 1901 und ein Winkelfehler dφ₂ des Sensorelements 1902 von gleichem Betrag und umgekehrtem Vorzeichen, d.h.: dφ₁ = –dφ₂.
Falls das System die Winkelausgaben der Sensorelemente 1901 und 1902 produziert, hebt es dementsprechend die Winkelfehler auf, die auf dem Störungsfeld Bd basieren.
Falls die Beträge der Feldvetoren des Magneten Bm₁, Bm₂ nicht an beiden Sensorelementen 1901 und 1902 gleich sind, verwendet ein Sensorelement 1901 oder 1902 den Faktor
wenn die Winkelausgaben der Sensorelemente 1901 und 1902 kombiniert werden, um den Effekt des Störungsfeldes Bd aufzuheben (oder wenigstens zu reduzieren).
Dies gilt insbesondere, falls der Störungsfeldvektor Bd senkrecht zu den Feldvektoren Bm₁ und Bm₂ ist. In der Praxis kann das Feld des Magneten wesentlich größer als das Störungsfeld sein. Zum Beispiel kann das Feld des Magneten größer als 30 mT sein, wohingegen das Störungsfeld weniger als 3 mT betragen kann. Bei diesem Beispiel kann das Störungsfeld mehr als 10-mal kleiner als das Feld des Magneten sein.
Wie in 19 angegeben, kann der Störungsfeldvektor Bd eine Feldvektorkomponente B_∥, die parallel zu dem Feld des Magneten ist, und eine Komponente B_⊥, die orthogonal zu dem Feld des Magneten ist, umfassen.
Da die Störung im Vergleich zu dem Feld des Magneten eher klein sein kann, kann die Komponente B_∥ vernachlässigt werden. Dementsprechend ergibt sich für den Winkelfehler:
Da dφ₁ klein ist, gilt tan dφ₁ ≈ dφ₁, was zu dem folgenden Winkelfehler für den Sensor 1901 führt:
Entsprechend kann der Winkelfehler für den Sensor 1902 wie folgt bestimmt werden:
Die entgegengesetzten Vorzeichen für die Winkelfehler gehen aus der Tatsache hervor, dass die Störung den Magnetfeldvektor in der entgegengesetzten Drehrichtung verschiebt.
Daher sind die Winkelfehler dφ₁ und dφ₂ proportional zu der Störung mit unterschiedlichen Vorzeichen. Falls ein Winkelfehler mit dem Faktor k skaliert und zu dem anderen Winkelfehler addiert wird, können sich diese Winkelfehler aufheben oder können ihre Effekte wenigstens erheblich reduziert werden.
Der Faktor k kann (nur) von dem Verhältnis des Feldes des Magneten an beiden Winkelsensoren abhängen, er kann möglicherweise nicht von dem Störungsfeld abhängen. Dies bringt den Vorteil, dass es für alle Arten von Störungsfeldern funktioniert.
Beispiel: Magnetfeldvektoren B₁ und B₂ sind nicht antiparallel
Bei einem anderen Beispiel sind die Magnetfeldvektoren Bm₁ und Bm₂ an den Sensorelementen 1901 und 1902 möglicherweise nicht antiparallel. Es kann ein Winkel zwischen den Magnetfeldvektoren Bm₁ und Bm₂ vorliegen, der z.B. 150° beträgt. Bei einem solchen Szenario kann die (wenigstens partielle) Kompensation des Störungsfeldes wie folgt funktionieren:
Die Komponente B_⊥, die orthogonal zu dem Feld des Magneten ist, ist für die Sensorelemente 1901 und 1902 verschieden, weil die Magnetfeldvektoren Bm₁ und Bm₂ nicht mehr auf der gleichen Linie liegen. Dies führt zu den folgenden Winkelfehlern für die Sensorelemente 1901 und 1902:
Jedoch ist das Verhältnis
fest und hängt (nur) von dem Winkel zwischen den Magnetfeldvektoren Bm₁ und Bm₂, bei diesem Beispiel 150°, ab.
Daher kann der Faktor k so bestimmt werden, dass er die folgende Voraussetzung erfüllt:
Für kleine Störungsfelder weist der Ausgabewinkel eines einzigen magnetischen Winkelsensors einen Fehler im ungünstigsten Fall auf, der gleich dem Verhältnis des Störungsfeldes zu dem Feld des Magneten (in Radiant) ist. Falls sich das Feld des Magneten an zwei Winkelsensoren um einen Winkel Ψ unterscheidet und die Drehposition durch eine Linearkombination der Ausgabewinkel beider Winkelsensoren hergeleitet wird, dann sind die Fehler im ungünstigsten Fall gleich dem Verhältnis des Störungsfeldes zu dem Feld des Magneten mal dem Kosinus von Ψ/2. Daher reduziert die Kombination von zwei Winkelsensoren den Fehler im ungünstigsten Fall, der durch Störungsfelder verursacht wird, um 1/cos(Ψ/2), was für Ψ = 180° unendlich ist und was für Ψ = 120° gleich 2 ist. Für Ψ = 90° ist dies 1,4 und für kleinere Ψ ist dies zwischen 1,4 und 1,0. Daher kann das System durch Kombinieren der Ausgaben beider Winkelsensoren eine gute Reduzierung von Hintergrundfeldern erzielen, so lange wie die Winkel an beiden Sensoren um 120° oder mehr, bevorzugt um nahe bei 180° abweichen.
Beispiel: Ein axial magnetisierter Quadrupolringmagnet mit 10 mm Innendurchmesser, 20 mm Außendurchmesser, 3 mm Dicke, 200 mT Remanenz (d.h. Spritzgussferrit) kann ein Magnetfeld produzieren, das bei z = 3,5 mm 15 mT beträgt und bei z = –3,5 mm –15 mT beträgt (wobei z = 0 die Symmetrieebene des Magneten ist und die z-Achse die Symmetrieachse des Ringmagneten ist). Die magnetischen Winkelsensorelemente 1901 und 1902 können bei z = +/–3,5 mm, d.h. 7 mm entfernt voneinander, platziert sein. Die Sensorelemente 1901 und 1902 können daher magnetische Induktionen von 15 mT in entgegengesetzten diametrischen Richtungen erfahren. Die Felder können dreimal größer sein, falls der Magnet aus spritzgegossenen NdFeB-Magneten gefertigt ist.
Beispiel: Zwei Magneten an den Enden einer Welle
Es wird angemerkt, dass die hier beschriebene Lösung nicht auf die oben gezeigte und beschriebene Magnetanordnung beschränkt ist. Zum Beispiel können wenigstens zwei Magneten verwendet werden.
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle 301 umfasst, die um eine z-Achse 312 herum drehbar angeordnet ist. Ein Magnet 303 ist an der Oberseite der Welle 301 angeordnet und ein Magnet 302 ist an der Unterseite der Welle angeordnet. Der Magnet 303 weist eine diametrische Magnetisierung 305 in negativer x-Richtung auf und der Magnet 302 weist eine diametrische Magnetisierung 304 in positiver x-Richtung auf.
Ein Package 307 einschließlich eines magnetischen Winkelsensors ist auf einer Komponentenplatine 306 angeordnet, wobei das Package 307 angrenzend an den Magneten 303 und zu diesem zeigend angeordnet ist, so dass ein Magnetfeld 311, das von dem Magneten 303 emittiert wird, eine Auswirkung in positiver x-Richtung auf den magnetischen Winkelsensor des Packages 307 aufweist.
Ein Package 309 einschließlich eines magnetischen Winkelsensors ist auf einer Komponentenplatine 308 angeordnet, wobei das Package 309 angrenzend an den Magneten 302 und zu diesem zeigend angeordnet ist, so dass ein Magnetfeld 310, das von dem Magneten 302 emittiert wird, eine Auswirkung in negativer x-Richtung auf den magnetischen Winkelsensor des Packages 309 aufweist.
Die Magneten 302, 303 können blockförmige oder Zylindermagneten sein. Ein System kann die Lesewerte beider Winkelsensoren der Packages 307 und 309 kombinieren.
Beispiel: Ringmagnet und zusätzlicher an der Welle angebrachter Magnet
Als eine Alternative kann eine Sensorkuppel so in den Ringmagneten eingefügt sein, dass sich ein Sensor im Wesentlichen in dem Zentrum des Ringmagneten befindet.
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle 401 umfasst, die um eine z-Achse 410 herum drehbar angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Welle 401 (einschließlich einer Stützstruktur 401') eine Bohrung mit einem an der Unterseite der Bohrung angeordneten Magneten 406 aufweisen. Ein anderer Ringmagnet 405 ist an der Unterseite der Welle 401 angeordnet.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Welle an der Stützstruktur 401' (die ein von der Welle 401 getrennter Teil ist), die die Magneten 405 und 406 hält, befestigt sein. Diese Stützstruktur 401' kann eine Öffnung, in der sich der Magnet 406 befindet, und ein Ende, an das der Ringmagnet 405 angebracht werden kann (wie in 4 angegeben), aufweisen.
Eine Sensorkuppel umfasst einen magnetischen Winkelsensor 402, ein Abstandselement 404 und einen magnetischen Winkelsensor 403. Der magnetische Winkelsensor 402 ist über das Abstandselement 404 und über den magnetischen Winkelsensor 403 mit einer Komponentenplatine 407 verbunden. Außerdem ist der magnetische Winkelsensor 403 mit der Komponentenplatine 407 verbunden. Die Sensorkuppel ist wenigstens teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet, so dass sich der magnetische Winkelsensor 403 in dem Loch des Ringmagneten 405 befindet. Bei einem solchen Fall befindet sich der magnetische Winkelsensor 402 angrenzend an den Magneten 406 an der Unterseite der Bohrung.
Der Magnet 406 und der Ringmagnet 405 weisen diametrische Magnetisierungen 408, 409 in negativer x-Richtung auf.
Ein Magnetfeld 411, das von dem Magneten 406 emittiert wird, weist eine Auswirkung auf den magnetischen Winkelsensor 402 in positiver x-Richtung auf und das Magnetfeld 412, das von dem Ringmagneten 405 emittiert wird, weist eine Auswirkung auf den magnetischen Winkelsensor 403 in negativer x-Richtung auf.
Der Ringmagnet 405 kann diametrisch magnetisiert sein. Des Weiteren kann der Magnet 406 als ein Zylindermagnet realisiert sein, der so in dem Sackloch der Welle 401 angebracht ist, dass er nahe dem magnetischen Winkelsensor 402 ist. Der Magnet 406 kann auch diametrisch magnetisiert sein.
Falls die diametrischen Richtungen der Magnetisierung 408, 409 für beide Magneten 405, 406 parallel sind, sind die Magnetfelder 412, 411 an den Sensoren 403, 402 antiparallel.
Es wird angemerkt, dass die in 4 gezeigte Anordnung keine Quadrupolanordnung sein muss; die hier beschriebenen Lösungen können insbesondere axial magnetisierte Quadrupole oder Dipolanordnungen benutzen. Beispiele für Letzteres sind in 3 und 4 gezeigt.
Ausführungsformen, die die Magneten 405 und 406 kombinieren
Der Magnet 405 und der Ringmagnet 406 können auch über einen Zwischenrahmen, der beide Magneten hält, aneinander befestigt sein. Dieser Rahmen kann bevorzugt nichtmagnetisch, z.B. Kunststoff, sein. Diese Magneten können auch spritzgegossene Magneten sein, wobei Permanentmagnetpulver, -flocken oder -körner in einer Plastikmatrix eingebettet sind. Dann können der Magnet und der Rahmen kosteneffizient in einem Zweischrittgussprozess hergestellt werden.
Die getrennten Magneten 405 und 406 können in einem einzigen Magneten kombiniert sein, wobei eine Wanddicke des Teils zwischen dem Ring und dem Zylinder klein genug ist, so dass die Magnetfelder, die an beiden magnetischen Winkelsensoren 402, 403 hervorgerufen werden, stark genug sind und in entgegengesetzte oder wenigstens zwei unterschiedliche Richtungen zeigen.
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines kombinierten einzigen Magneten, der einen Ringmagnetteil 501, einen Zylindermagnetteil 502 und einen Kombinationsteil (d.h. Verbindungsteil) 503 umfasst.
Falls die Magneten 405 und 406 in 4 an der Stützstruktur 401' vor der Magnetisierung montiert werden oder falls ein einstückiger Magnet gemäß 5 verwendet wird, ist es vorteilhaft, dass die Magnetisierung über einen einzigen Magnetisierungsimpuls in einem homogenen Magnetisierungsfeld geleitet wird, weil die Magnetisierung dann durch den Magneten hindurch homogen ist. Somit bietet die Kombination eines Block- oder eines Zylindermagneten mit einem Ringmagneten gemäß 4 und 5 den Vorteil des Erzeugens von Magnetfeldern in entgegengesetzten Richtungen an beiden Sensorelementen, während sie mit lediglich einem einzigen homogenen Feldimpuls wirtschaftlich hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele für Sensorkuppeln
6 zeigt beispielhafte Realisierungen der Sensorkuppel aus 4 aus/von verschiedenen Winkeln/Seiten. Die magnetischen Winkelsensoren 402 und 403 sind durch das Abstandselement 404 beabstandet. Bei diesem Beispiel weist der magnetische Winkelsensor 402 mehrere Kontaktelemente 601 auf und weist der magnetische Winkelsensor 403 mehrere Kontaktelemente 602 auf, die elektrisch mit der Komponentenplatine 407 verbunden werden können.
Zu Veranschaulichungszwecken sind die magnetischen Winkelsensoren 402 und 403 als Gusskörper mit eingebetteten magnetischen Winkelsensorelementen gezeigt.
Die Kontaktelemente 601, 602 (Anschlussleitungen) können elektronisch mit den magnetischen Winkelsensorelementen innerhalb der Gusskörper verbunden sein.
Es ist eine Möglichkeit, die Ecken der Gusskörper abzuschneiden, so dass die quadratische Form der Gusskörper in der x-y-Ebene im Wesentlichen Oktagonen ähnlich wird und weniger Platz innerhalb der Bohrung, z.B. der Bohrung des in 5 gezeigten Magneten, benötigt.
Die Halbleiter-Dies können an den Die-Grundplatten der Kontaktelemente 601, 602 angebracht sein, wohingegen die Dies der Sensorelemente oberhalb oder unterhalb der Die-Grundplatten montiert sein können. Zum Beispiel kann der Die des Winkelsensors 403 unterhalb der Die-Grundplatte montiert sein und kann der Die des Winkelsensors 402 oberhalb der Die-Grundplatte montiert sein, so dass die axiale Beabstandung für eine gegebene Größe des Abstandselements 404 maximiert wird. Natürlich kann dieser Ansatz auch umgekehrt sein.
Die axiale Größe des Abstandselements 404 kann in dem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegen. Falls diese axiale Größe ausreichend klein ist, können die Dies beider Winkelsensoren in einem einzigen Package, z.B. mit einem einzigen Leiterrahmen (Leadframe), montiert sein.
7 zeigt ein Diagramm, das visualisiert, wie zwei Winkelsensorelemente 702 und 703 auf einem einzigen Leiterrahmen 706 zusammengebaut werden können. Dann wird der Leiterrahmen 706 so gebogen, dass die Sensorelemente 702 und 703 in einem definierten axialen Abstand 701 zueinander platziert sind und dass sie zur gleichen Zeit elektrisch über den Leiterrahmen 706 verbunden sein können.
Das Winkelsensorelement 702 ist in einem Verguss 704 eingebettet, der an einem Leiterrahmen 706 angebracht ist. Außerdem ist der Winkelsensor 703 in einem Verguss 705 eingebettet, der an dem Leiterrahmen 706 angebracht ist. Der Leiterrahmen 706 kann gebogen werden, um eine axiale Beabstandung 701 zwischen den Winkelsensorelementen 702 und 703 zu erzielen.
Beispiele: Magnetstrukturen
Bei einem weiteren Beispiel kann eine Anordnung zwei Ringmagneten mit diametrischer Magnetisierung umfassen und weisen die zwei Ringmagneten antiparallele Richtungen der Magnetisierung auf. Dies resultiert in einem diametrisch magnetisierten Quadrupol. Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Ringmagnet einen Innendurchmesser von 10 mm, einen Außendurchmesser von 14 mm und eine axiale Dicke von 3 mm aufweisen. Beide Ringe können in einer axialen Richtung 2 mm voneinander beabstandet sein. Die Ringmagneten können parallel zu einer x-y-Ebene angeordnet sein und die Mitte ihrer Löcher liegt innerhalb der z-Achse. Auch sind die zwei Ringmagneten parallel zueinander (um die z-Achse herum) angeordnet.
8 zeigt eine beispielhafte Anordnung von zwei Ringmagneten 801, 802 in dem x-y-z-Raum, wobei der Magnetring 801 in negativer y-Richtung im Wesentlichen homogen magnetisiert ist und der Magnetring 802 in positiver y-Richtung magnetisiert ist, wobei beide eine Remanenz von z.B. 0,2 T aufweisen.
9 zeigt ein Diagramm, das die magnetische Flussdichte über der z-Achse für die in 8 dargestellte Anordnung visualisiert.
Ein Induktionsfeld auf der z-Achse zeigt in die y-Richtung mit Extremen von +/–8 mT bei z-Positionen z = +/–3,7 mm.
Als eine Möglichkeit könnte eine weichmagnetische Hülle um die Magneten herum platziert werden. Zum Beispiel kann ein hohler weichmagnetischer Zylinder verwendet werden und könnten die zwei Magneten innerhalb der Bohrung dieses Zylinders montiert sein. Zwei magnetische Winkelsensoren können nahe den Zentren beider Magneten platziert sein. Dies kann die Stärke des Magnetfeldes an beiden magnetischen Winkelsensoren erhöhen und die weichmagnetische Hülle schirmt einen Teil der extern angelegten Störungsfelder ab. Eine Reduzierung der Störungen um einen Faktor, der sich zwischen 3 und 20 bewegt, kann in Abhängigkeit von der relativen Permeabilität der Hülle, ihres Bohrungsdurchmessers, ihrer Wanddicke und davon, ob der Permanentmagnet die Hülle in eine Sättigung treibt oder nicht, machbar sein. Eine solche Anordnung kann verwendet werden, um das magnetische Winkelerfassungssystem robust gegenüber Störungsfeldern zu machen, selbst wenn sie von beträchtlicher Größe (z.B. in der Größenordnung von 100 mT oder mehr) sind.
Es ist eine weitere Möglichkeit, dass jeder der Ringmagneten in einem Halbach-Muster magnetisiert ist, wobei beide Ringmagneten um 180° gegeneinander gedreht sind, um entgegengesetzte diametrische Felder an den zwei magnetischen Winkelsensoren anzulegen. Jeder Ringmagnet kann unitär oder segmentiert, rund oder gewinkelt sein.
10 zeigt eine beispielhafte Magnetisierung eines Ringmagneten, der ein Halbach-Muster umfasst. Die Pfeile zeigen die Richtung der Magnetisierung. Die z-Achse ist die Symmetrieachse des Magneten und auch die Drehachse.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ringmagneten (siehe auch: http://www.frenergy.com.au/products/D100-Halbach-Array-Ring-(k%3D4)-%252d-Disassembled.html). Die Pfeile zeigen die Richtung des Magnetisierungsvektorfeldes, wobei der Kopf des Pfeils den Nordpol angibt und das Ende des Pfeils den Südpol des Magnetisierungsmoments angibt. Wie in 11 gesehen werden kann, umfasst der Ringmagnet Segmente 1101 bis 1104 mit unterschiedlichen Magnetisierungen. Jedes Segment 1101 bis 1104 kann im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen und der Ringmagnet umfasst insgesamt 12 Segmente. Die Kombination von Segmenten 1101, 1102, 1103 und 1104 wird dreimal wiederholt, um den Ringmagneten zu bauen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Ringmagnet einen Außendurchmesser, der 100 mm beträgt, einen Innendurchmesser, der 60 mm beträgt, und eine Dicke, die 30 mm beträgt, aufweisen. Die Segmente können N45-Magneten sein, die Nickel und/oder Neodym umfassen.
Der in 11 gezeigte Magnet kann einfacher als der in 10 gezeigte Magnet hergestellt werden, weil die Segmente des Magneten aus 11 homogen und getrennt voneinander magnetisiert und anschließend zusammengebaut werden können, wohingegen der Magnet aus 10 in einem einzigen Durchgang inhomogen magnetisiert werden muss, was eine kompliziertere Magnetisierungsspule mit genauer Ausrichtung und Position des Magneten gegen die Spule erfordert.
12 zeigt zwei alternative Ausführungsformen davon, wie vier unterschiedliche Segmente 1201 bis 1204 geformt und/oder zusammengebaut werden können, um Ringmagneten zu bauen (siehe auch: https://simulation.unifreiburg.de/Teaching/projects/OldStuff/Student%20positions/Miniaturized%20Halbach %20magnet%20array).
Die in 11 und 12 dargestellten Magneten sind zwei Ausführungsbeispiele von vielen Möglichkeiten davon, wie das ideale Halbach-Muster aus 10 mit einer endlichen Anzahl an homogen magnetisierten Segmenten anzunähern ist.
Das für die Winkelsensoren verwendete Magnetfeld kann auch durch einen Halbach-Quadrupolmagneten gemäß 13 bereitgestellt werden, die ein Magnetisierungsmuster wie folgt zeigt:

– Eine radiale Magnetisierungskomponente beträgt M_R = M_remcos(2ψ)
– eine Azimutmagnetisierungskomponente beträgt M_ψ = M_remsin(2ψ)

M_rem: die Remanenzmagnetisierung des Magnetmaterials ist, und
ψ: die Azimutkoordinate eines Testpunkts ist, bei dem das Magnetfeld abgetastet wird.

13 zeigt dieses Magnetisierungsmuster für Ringe und Zylinder. Das Magnetisierungsmuster ändert sich nicht entlang der z-Position des Magneten. Mit anderen Worten entspricht 13 einer Schnittansicht durch den Magneten bei einer beliebigen z-Position; d.h. das in 13 gezeigte Muster ändert sich nicht, ungeachtet der z-Position, die als eine Schnittansicht durch den Magneten gewählt ist.
Sensorplatzierung
Die Winkelsensoren könnten unterhalb und/oder oberhalb der Magneten oder – in dem Fall von Ringmagneten – nahe dem Zentrum der Ringmagneten (d.h. bei der Position mit der höchsten Symmetrie) platziert sein. Auf der Drehachse (x = y = 0) verschwindet das Magnetfeld für Halbach-Quadrupolmagneten gemäß 13. Jedoch nimmt das Magnetfeld im Wesentlichen linear mit radialem Abstand von der Drehachse zu.
In einem engeren Sinn weisen die radialen und azimutalen Magnetfeldkomponenten jedoch geringfügig unterschiedliche Amplituden auf. Daher dreht sich die diametrische Magnetfeldkomponente B →_diam = B → – (B →·n →_z)n →_z = (B →·n →_x)n →_x + (B →·n →_y)n →_y die an den ersten magnetischen Winkelsensor (bei einer Position von z.B. x = 1,5 mm, y = 0 mit einer willkürlichen z-Position) angelegt wird, elliptisch, wenn sich der Magnet wendet. Eine solche elliptische Drehung eines Vektors führt dazu, dass sich die Spitze des Vektors entlang einer Ellipse bewegt, wenn sein Ende an dem Ursprung des Referenzrahmens fixiert ist. Mit anderen Worten ist der Winkel der diametrischen Magnetfeldkomponente mit einer fixierten Referenzrichtung nicht identisch mit der Drehposition, sondern weicht er geringfügig gemäß einer so kleinen Elliptizität ab.
Daher ist es vorteilhaft, Elliptizitäten nahe bei 1 aufzuweisen, was bedeutet, dass sich die Spitze des diametrischen Feldvektors, der in einem fixierten Testpunkt abgetastet wird, während einer Drehung des Magneten im Wesentlichen entlang eines Kreises bewegt, während sein Ende fixiert ist. Die Elliptizität kann für Testpunkte nahe dem Zentrum von Ringmagneten vernachlässigbar sein.
Bei einem beispielhaften Szenario können zwei Ringmagneten mit 10 mm Innendurchmesser und 20 mm Außendurchmesser, jedoch mit unterschiedlichen axialen Dicken von 3 mm und 13 mm, verwendet werden. Der lange Magnet weist eine 10-mal kleinere „Elliptizität minus 1“ auf. Je kleiner „Elliptizität minus 1“ ist, desto genauer ist der magnetische Winkelsensor. Für Winkelfehler kleiner als 0,1° weicht die Elliptizität um weniger als 0,25% von 1 ab. Daher erreicht der 13-mm-Ringmagnet diese Anforderung so lange, wie die magnetischen Winkelsensoren in der Mittelebene des Rings (d.h. bei z = 0) und weniger als 1,5 mm von der Achse der Drehsymmetrie entfernt platziert sind.
Jedoch wird die Elliptizität des 13-mm-Ringmagneten für einen größeren radialen und/oder axialen Abstand von dem Zentrum des Rings schlechter.
Des Weiteren kann eine Remanenz angenommen werden, die 200 mT beträgt (z.B. ein Ferritmagnet). Der Ringmagnet erzeugt im Wesentlichen gleich starke Magnetfelder, die gleich stark sind und in entgegengesetzte Richtungen zeigen, d.h. Bm₁ = Bm₂ und ψ = 180°. Der Abstand beider magnetischer Winkelsensoren kann klein genug sein, um beide von ihnen auf demselben Chip oder wenigstens in demselben Sensorpackage (z.B. unter Verwendung von zwei Halbleiterchips nebeneinander) zu platzieren. Der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen von
kann sich auch auf demselben Chip befinden. Dieses System ist robust gegenüber magnetischen Hintergrundfeldern, es verwendet einen einzigen Chip oder mehrere Chips in einem einzigen Package, es weist einen kleinen Formfaktor auf (d.h. sein axialer Raum ist klein) und es ist robust gegenüber Zusammenbautoleranzen.
Beispiel: Sensorplatzierung unter Verwendung eines einzigen Magneten mit Halbach-Muster
Unter Verwendung eines Halbach-Musters in einem Ringmagneten können zwei magnetische Winkelsensoren nebeneinander, d.h. bei identischen axialen Positionen, platziert werden. Eine beispielhafte Anordnung kann wie folgt sein: Das erste Winkelsensorelement ist bei einer Koordinate (x, y) = (1 mm, 0) platziert und das zweite Winkelsensorelement ist bei einer Koordinate (x, y) = (–1 mm, 0) platziert. Daher befinden sich die zwei Winkelsensorelemente auf einer geraden Linie senkrecht durch die Drehachse, wobei die Drehachse in dem Zentrum zwischen beiden Winkelsensorelementen ist. Beide Sensorelemente können sich auf demselben Halbleiter-Die befinden oder sie können auf unterschiedlichen Dies eines einzigen Sensorpackages platziert sein. Zum Beispiel können zwei Dies, die die Sensorelemente umfassen, an einer größeren Die-Grundplatte eines Leiterrahmens innerhalb des Sensorpackages montiert sein. Der Magnet kann entgegengesetzte Magnetfeldrichtungen an beiden Winkelsensorelementen für alle Drehpositionen um die z-Achse herum anlegen. Dementsprechend ist die Periode des Magnetfeldes weniger als 360°, z.B. 180° oder ein ganzzahliger Bruchteil davon. In einem solchen Fall weist das Sensorsystem eindeutige Winkellesewerte in einem 180° Winkelbereich auf.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das einen Ringmagneten 1406 mit einer Halbach-Quadrupolmagnetisierung gemäß 13 umfasst, der an einer drehbaren Welle 1401 angebracht ist. Die Welle 1401 dreht sich um eine z-Achse 1405 herum.
Ein SMD-Sensorpackage 1404 (SMD: Surface Mounted Device – Oberflächenmontagevorrichtung) ist auf einer Komponentenplatine 1403 montiert. Das SMD-Sensorpackage 1404 umfasst einen Sensorchip 1402 mit zwei magnetischen Winkelsensoren 1407 und 1408, die voneinander beabstandet sind, wobei eine Linie durch beide Winkelsensoren 1407 und 1408 senkrecht zu der z-Achse 1405 ist und wobei beide Winkelsensoren 1407 und 1408 gleichmäßig von der z-Achse 1405 beabstandet sind. Jeder Winkelsensor 1407, 1408 detektiert den Winkel zwischen der diametrischen Magnetfeldkomponente und einer diametrischen Referenzrichtung (z.B. x-Richtung).
Das SMD-Sensorpackage 1404 befindet sich angrenzend an den Ringmagneten 1406. Eine Drehung der Welle 1401 dreht auch den Ringmagneten 1406. Dies führt zu einer Änderung des Magnetfeldes, das die Winkelsensoren 1407 und 1408 beeinflusst.
Daher kann der Halbach-Quadrupolferritringmagnet 1406 mit z.B. 10 mm Innendurchmesser, 20 mm Außendurchmesser und 13 mm axialer Länge antiparallele Magnetfelder an den zwei diametrisch entgegengesetzten magnetischen Winkelsensoren 1407 und 1408 bei der gleichen axialen Position bereitstellen. Für radiale Positionen zwischen 1 mm und 1,5 mm sind die Magnetfelder für magnetische Winkelsensoren, die Magnetowiderstände oder Hall-Vorrichtungen sind, stark (45 mT ... 55 mT) und sind sie ausreichend genau (d.h. sie weisen eine ausreichend kleine Elliptizität auf) zur genauen Winkelerfassung mit einem Fehler von weniger als 0,1° bis 0,2°, selbst falls die axiale Platzierung Toleranzen von weniger als 1 mm ausgesetzt ist.
Welle mit begrenzter Winkelbewegung
Es gibt Anwendungen, bei denen sich die Welle nicht frei dreht, sondern sie sich nur innerhalb eines gegebenen begrenzten Winkels, z.B. 100° oder 150°, dreht. Bei solchen Anwendungen können zwei zylindrische Magnete mit einer Klemmstruktur auf der Welle montiert sein, wobei die zwei Magneten eine bestimmte axiale Beabstandung voneinander aufweisen. Ferner können die Winkelsensoren mittels einer Klemmstruktur so in einer ähnlichen axialen Beabstandung montiert sein, dass der erste Sensor näher zu dem ersten Magneten als zu dem zweiten Magneten ist und der zweite Sensor näher zu dem zweiten Magneten als zu dem ersten Magneten ist. Beide Magneten können auf verschiedene Arten magnetisiert werden, um magnetische Felder in signifikant unterschiedlichen Richtungen an beiden Sensoren zu erzielen. Zum Beispiel können beide Magneten diametrisch, aber auch antiparallel zueinander magnetisiert sein.
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Messen von Winkelwegen von weniger als einer vollen Umdrehung.
Eine drehbare Welle 1501 ist um eine z-Achse 1502 herum drehbar angeordnet. Die drehbare Welle 1501 dreht sich jedoch um weniger als 360°. Die drehbare Welle 1501 ist mit einem Rotorrahmen 1503 verbunden, an dem ein Magnet 1504 und ein Magnet 1505 angebracht sind.
Der Magnet 1504 ist so angeordnet, dass er eine Magnetisierung aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der z-Achse 1502 ist (angegeben durch den Pfeil des Magneten 1504). Der Magnet 1504 kann symmetrisch um die z-Achse 1502 herum angeordnet sein.
Der Magnet 1505 ist so angeordnet, dass er eine Magnetisierung aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der z-Achse 1502 (angegeben durch den Pfeil des Magneten 1505), aber in entgegengesetzter Richtung wie die Magnetisierung des Magneten 1504 ist. Der Magnet 1505 kann symmetrisch um die z-Achse 1502 herum angeordnet sein.
Der Rotorrahmen 1503 kann u-förmig sein, so dass eine andere u-förmige Konstruktion verwendet werden kann, um die Sensorelemente 1513 und 1514 auf der z-Achse 1502 und angrenzend an die Magneten 1504 und 1505 anzuordnen.
Diese u-förmige Konstruktion ist wie folgt: ein Stator 1517 ist mit einem Statorrahmen 1518 verbunden, mit dem Komponentenplatinen 1515 und 1516 auf beiden Seiten des Statorrahmens 1518 verbunden sind. Die Komponentenplatinen 1515 und 1516 erstrecken sich zu der z-Achse 1502 hin.
Auf dem Statorrahmen 1518 ist die Komponentenplatine 1515 angeordnet, die in die u-Form des Rotorrahmens 1503 eindringt; ein Sensorpackage 1511, das das Winkelsensorelement 1513 umfasst, ist auf der Komponentenplatine 1515 platziert. Das Sensorpackage 1511 befindet sich in der Nähe des Magneten 1504 und das Winkelsensorelement 1513 liegt auf der z-Achse 1502.
Auf der Unterseite des Statorrahmens 1518 ist die Komponentenplatine 1516 angeordnet. Ein Sensorpackage 1512, das das Winkelsensorelement 1514 umfasst, ist auf der Komponentenplatine 1516 angeordnet. Das Sensorpackage 1512 befindet sich in der Nähe des Magneten 1505 und das Winkelsensorelement 1514 liegt auf der z-Achse 1502.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass jeder Winkelsensor 1513, 1514 einen Winkellesewert bereitstellt, der aufgrund eines Störungsmagnetfeldes ungenau sein kann. Diese Ungenauigkeit beträgt üblicherweise weniger als 5°. Dementsprechend können die Winkelsensoren 1513, 1514 zwei ungenaue, aber redundante Winkellesewerte bereitstellen.
Es ist auch ein Vorteil, dass die Winkelsensoren 1513, 1514 aus unterschiedlichen Technologien bestehen können, so dass die Robustheit und die Diversität des Systems erhöht werden. Zum Beispiel kann einer der Winkelsensoren ein TMR sein und kann der andere ein AMR oder ein vertikaler Hall-Sensor sein. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien schwächt das Risiko ab, dass beide Winkelsensoren unter schwierigen Bedingungen versagen.
Es ist insbesondere eine Möglichkeit, dass ein (in 15 nicht gezeigter) Kombinationsschaltkreis verwendet werden kann, um die Signale zu kombinieren, die durch die Winkelsensoren 1513 und 1514 bereitgestellt werden (und durch ihre Sensorpackages 1511 und 1512 versorgt werden). Eine solche Kombination kann eine Gewichtung der Signale, z.B. Bestimmen eines Mittelwertes, beinhalten. Dies bringt den Vorteil, dass Fehler basierend auf Hintergrundeffekten abgeschwächt werden.
Es wird angemerkt, dass das in 15 gezeigte Beispiel lediglich eine von vielen möglichen Implementierungen ist. Bei einem anderen Beispiel können die Sensorpackages 1511 und 1512 auf der Komponentenplatine 1515, z.B. das Sensorpackage 1511 auf der oberen und das Sensorpackage 1512 auf der unteren Seite der Komponentenplatine 1515, montiert sein. Bei einem solchen Szenario befinden sich die Winkelsensoren 1513 und 1514 beide zwischen den Magneten 1504, 1505.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die zwei Magneten 1504, 1505 zwischen den zwei Sensorpackages 1511, 1512 angeordnet sein.
Weitere Ausführungsformen
Die hier präsentierte Lösung könnte auch für Durch-Welle-, außeraxiale magnetische Winkelsensoren verwendet werden.
16 zeigt ein Beispiel für eine außeraxiale magnetische Winkelsensoranordnung. Eine drehbare Welle 1601 ist um eine z-Achse 1602 herum drehbar angeordnet. Ein Zahnrad 1609 ist an der Welle 1601 angebracht. Das Zahnrad 1609 befindet sich im Eingriff mit einem Zahnrad 1610 und einem Zahnrad 1611.
Das Zahnrad 1610 umfasst einen Ringmagneten 1603, der in dem Zahnrad 1610 eingebettet sein kann. Der Ringmagnet 1603 weist eine Magnetisierung in einer Richtung auf, wie durch die Pfeile innerhalb des Ringmagneten 1603 gezeigt ist.
Das Zahnrad 1611 umfasst einen Ringmagneten 1604, der in dem Zahnrad 1611 eingebettet sein kann. Der Ringmagnet 1604 weist eine Magnetisierung in einer im Vergleich zu dem Ringmagneten 1603 entgegengesetzten Richtung auf; dies ist auch durch die Pfeile innerhalb des Ringmagneten 1604 gezeigt.
Daher treibt die Welle 1601 mittels ihres Zahnrades 1609 das Zahnrad 1610 und das Zahnrad 1611 an, wodurch die eingebetteten Magneten 1603 und 1604 bewegt werden.
Ein Stator 1605 umfasst einen Leiterrahmen 1608, mit dem ein Winkelsensorelement 1606 und ein Winkelsensorelement 1607 verbunden sind. Das Winkelsensorelement 1606 und 1607 können auf der Drehachse der Zahnräder 1610 und 1611 platziert sein. Außerdem können die Winkelsensoren 1606 und 1607 beabstandet sein und gleichmäßig von dem Symmetriezentrum beider Ringmagneten 1603 und 1604 distanziert sein.
Daher ist der Sensor, der die Winkelsensorelemente 1606 und 1607 umfasst, bei dieser Ausführungsform innerhalb des Stators 1605 (d.h. einer Sensorkuppel) montiert, der auch als ein Lager für die zwei drehbaren Ringmagneten 1603 und 1604 mit entgegengesetzten Magnetisierungen (d.h., die Kraft zwischen den Magneten bringt sie in entgegengesetzte Richtung, falls ein Magnet frei drehbar und der andere fixiert angeordnet ist) dienen kann.
Die Ringmagneten 1603 und 1604 können an den Zahnrädern 1610 und 1611 montiert sein, die insbesondere einen identischen Außendurchmesser und eine identische Anzahl an Zähnen aufweisen können.
Die Winkelsensorelemente 1606 und 1607 können in einem Package zusammengebaut sein. Zum Beispiel können die Sensorelemente 1606 und 1607 auf gegenüberliegenden Seiten des Leiterrahmens 1608 platziert sein.
Als eine Alternative können die Winkelsensorelemente 1606 und 1607 in getrennten Packages bereitgestellt sein, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Komponentenplatine, die den Leiterrahmen 1608 ersetzt, montiert sein könnten, wodurch ihr Abstand in axialer Richtung (in Bezug auf die Drehachse der Zahnräder 1610 und 1611) definiert wird.
Es wird angemerkt, dass die Ringmagneten 1603 und 1604 nicht starr aneinander befestigt sein können, sondern sie sich aufgrund der Zahnräder 1610 und 1611 synchron drehen können.
Der Stator 1605 kann Teflon oder Polyethylen oder irgendeinen technischen Kunststoff mit ausreichend kleiner Reibung umfassen. Die Ringmagneten 1603 und 1604 und die Zahnräder 1610 und 1611 können das gleiche Material umfassen (z.B. durch Kunststoffspritzguss), insbesondere, falls die mechanischen und Reibungseigenschaften des Magnetmaterials auch für die Zahnräder 1610 und 1611 genügen. Jedoch ist es auch eine Möglichkeit, dass die Ringmagneten 1603 und 1604 und die Zahnräder 1610 und 1611 unterschiedliche Materialien verwenden. Sie können mittels eines Zweikomponentenspritzgussprozesses hergestellt werden oder sie können getrennt hergestellt und danach zusammengeklebt werden.
Der Innendurchmesser der Ringmagneten 1603 und 1604 kann klein (z.B. 0,5 mm) sein, falls sich der Ringmagnet 1603 oberhalb des Winkelsensors 1606 dreht und sich der Ringmagnet 1604 unterhalb des Winkelsensors 1607 dreht.
Im Gegensatz dazu kann der Innendurchmesser der Ringmagneten 1603 und 1604 auch groß (z.B. 10 mm) sein, so dass das gesamte Sensorpackage innerhalb der Bohrung platziert werden kann.
Die drehbare Welle 1601 kann eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors sein und das Sensormodul kann bei vorbestimmten Winkeln zu der Nockenwelle montiert sein. Das Sensormodul kann eine längliche Form aufweisen, an deren Ende die zwei Winkelsensoren 1606, 1607 und die zwei Ringmagneten 1603, 1604 mit den Zahnrädern 1610, 1611 platziert sind. Ein solches Sensormodul kann weniger als 10 mm Platz in axialer Richtung erfordern, es kann redundant und robust gegenüber Hintergrundinterferenzmagnetfeldern gefertigt werden.
17 zeigt eine Variation von 16. Die drehbare Welle 1601 ist an einem Zahnrad 1702 angebracht, das sich in Eingriff mit dem Zahnrad 1610 befindet.
Statt des in 16 gezeigten Zahnrads 1611 zeigt 17 eine Stützstruktur 1701, in der der Ringmagnet 1604 eingebettet ist. Die Stützstruktur 1701 weist keine Zähne auf und wird nicht durch das Zahnrad 1702 angetrieben.
Daher interagieren die Ringmagneten 1603 und 1604 über eine magnetische Kraft, die ihre Magnetisierung in antiparalleler Richtung ausrichtet. Daher muss das Zahnrad 1702 nicht beide Ringmagneten 1603 und 1604 antreiben. Stattdessen reicht es aus, wenn das Zahnrad 1702 in das Zahnrad 1610 eingreift, während der Ringmagnet 1604 überhaupt kein Zahnrad aufweist. Der Ringmagnet 1604 wird durch die magnetische Kraft zwischen dem Ringmagneten 1603 und dem Ringmagneten 1604 angetrieben.
18 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das zwei Zahnräder 1801 und 1803 umfasst, die mittels eines Zahnrades gekoppelt sind, das an einer Welle angebracht ist (ähnlich zu der in 16 dargestellten Ausführungsform, wobei das Zahnrad 1801 anstelle des Zahnrades 1610 platziert ist und das Zahnrad 1803 anstelle des Zahnrades 1611 platziert ist). Das Zahnrad 1801 weist einen eingebetteten Magneten 1802 auf und das Zahnrad 1803 weist einen eingebetteten Magneten 1804 auf. Pfeile 1805 und 1806 visualisieren die Richtung der Magnetisierung der Magneten 1802 und 1804.
Mit beiden Magneten 1802 und 1804 an den Zahnrädern 1801 und 1803 angebracht, die in das Zahnrad 1609 der drehbaren Welle eingreifen, kann die diametrische Magnetisierung in beiden Magneten 1802, 1804 geringfügig entgegen den Zahnrädern 1801, 1803 gedreht werden: Bei dem in 18 dargestellten Beispiel ist die Magnetisierung 1805 des Magneten 1802 mit den Zähnen des Zahnrades 1801 ausgerichtet und ist die Magnetisierung 1806 des Magneten 1804 mit den Lücken des Zahnrades 1803 ausgerichtet.
Bei dem zusammengebauten System sind die Magneten 1802 und 1804 nahe beieinander, so dass ihre magnetischen Kräfte interagieren; daher wollen sich die Magneten 1802 und 1804 in antiparallelen Richtungen ausrichten. Bei einem solchen Szenario sind die Zähne des Zahnrades 1801 den Lücken des Zahnrades 1803 zugewandt. Da sich beide Zahnräder 1801, 1803 in Eingriff mit demselben Zahnrad 1609 auf der Welle befinden, zwingt dieses gemeinsame Zahnrad 1609 die Magneten 1802, 1804 in eine Position, bei der die Zähne der Zahnräder 1801, 1803 im Wesentlichen ausgerichtet sind. Jedoch sind die Magnetisierungen 1805, 1806 beider Magneten 1802, 1804 nicht genau antiparallel (ψ = 180°), sondern weichen geringfügig ab (ψ = 180° – γ), wobei der Winkel γ (siehe Bezug 1807) einer halben Teilung eines Zahnrades entspricht.
Dies bedeutet, dass die Magneten 1802, 1804 eine anziehende Kraft zu einer antiparallelen Ausrichtung aufweisen. Aufgrund der mechanischen Kopplung und der magnetischen Kraft sind die Zahnräder vorgespannt, was irgendeinem Spiel oder irgendeiner Lockerheit in dem Getriebemechanismus entgegenwirkt. Die Streufeldunterdrückung leidet nicht schwerwiegend unter der geringfügigen Fehlausrichtung, die ψ beträgt.
Die hier vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf mindestens einer der folgenden Lösungen basieren. Insbesondere könnten Kombinationen der folgenden Merkmale benutzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens könnten mit einem oder mehreren beliebigen Merkmalen der Vorrichtung, der Einrichtung oder des Systems kombiniert werden oder umgekehrt.
Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung ist bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

Das Magnetfeld ist ein Vektor an jedem Punkt. Dieser Vektor kann in einen Vektor parallel zu der Drehachse und einen Vektor orthogonal zu der Drehachse zerlegt werden. Die Letztere ist die diametrische Magnetfeldkomponente.
Falls ein Chip mit seiner Hauptoberfläche senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und magnetoresistive Elemente an seine Hauptoberfläche gesputtert sind, reagieren diese Elemente auf diametrische Magnetfeldkomponenten. Im Gegensatz dazu reagieren Hall-Platten, falls sie senkrecht zu der Drehachse orientiert sind, auf die axiale Magnetfeldkomponente.
In der Praxis kann der Chip aufgrund von Zusammenbautoleranzen um wenige Grad geneigt sein. Falls die Hauptoberfläche eines Chips nicht genau senkrecht zu der Drehachse ist, reagieren die magnetoresistiven Elemente auf seiner Hauptoberfläche hauptsächlich auf die diametrische Magnetfeldkomponente, aber auch etwas auf die axiale Magnetfeldkomponente. So lange wie die Normale zu der Hauptchipoberfläche um weniger als 10° von der Richtung der Drehachse abweicht, sehen die magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen immer noch die diametrischen Magnetfeldkomponenten und die axialen Magnetfeldkomponenten nur vernachlässigbar.
Als eine Möglichkeit können vertikale Hall-Vorrichtungen verwendet werden, weil sie auch überwiegend die Magnetfeldkomponenten parallel zu der Hauptchipoberfläche detektieren.
Daher ist die präsentierte Lösung insbesondere gegenüber Störungsmagnetfeldern robust.
Bei einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Permanentmagnet über wenigstens ein Zahnrad mit der Welle verbunden.
Bei einer Ausführungsform:

– ist der wenigstens eine Permanentmagnet wenigstens ein Ringmagnet, der über das wenigstens eine Zahnrad angetrieben wird, und
– befinden sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf einer Drehachse des wenigstens einen Ringmagneten oder senkrecht zu der Drehachse des wenigstens einen Ringmagneten.

Die zwei magnetischen Winkelsensoren können sich insbesondere in einer geraden Linie befinden, die die Drehachse schneidet, wobei die gerade Linie senkrecht zu der Drehachse des wenigstens einen Ringmagneten ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Permanentmagnet einen ersten Permanentmagneten, der in einem ersten Zahnrad eingebettet ist, das sich in Eingriff mit einem Zahnrad befindet, das mit der Welle verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Permanentmagnet einen ersten Permanentmagneten, der in einem ersten Zahnrad eingebettet ist, und einen zweiten Permanentmagneten, der in einem zweiten Zahnrad eingebettet ist, wobei sich das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad in Eingriff mit einem Zahnrad befinden, das mit der Welle verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform ist der wenigstens ein Permanentmagnet an der Welle befestigt.
Bei einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Permanentmagnet einen einzigen Magneten, der unterschiedliche Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten an den zwei magnetischen Winkelsensoren bereitstellt.
Bei einer Ausführungsform:

– befinden sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf zwei unterschiedlichen Substraten,
– ist eine Hauptoberfläche des wenigstens einen Substrats senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse.

Bei einer Ausführungsform befinden sich die zwei Substrate auf der Drehachse der Welle.
Bei einer Ausführungsform sind die zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht.
Bei einer Ausführungsform befinden sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat und ist die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse der Welle.
Es wird angemerkt, dass sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat befinden und dass die Hauptoberfläche dieses Substrats auch parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Drehachse der Welle angeordnet sein kann. Es wird ferner angemerkt, dass das Substrat in einem beliebigen Winkel zwischen parallel und orthogonal zu der Drehachse der Welle angeordnet sein kann.
Bei einer Ausführungsform befinden sich die zwei magnetischen Winkelsensoren bei unterschiedlichen axialen Positionen auf der Drehachse der Welle.
Bei einer Ausführungsform umfasst wenigstens einer der zwei magnetischen Winkelsensoren wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen:

– einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor),
– einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor),
– einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor),
– eine vertikale Hall-Vorrichtung,
– eine Hall-Platte,
– einen MAG-FET.

Es kann vorteilhaft sein, dass die magnetischen Winkelsensoren aus unterschiedlichen Technologien bestehen, so dass die Robustheit und die Diversität des Systems erhöht werden. Zum Beispiel kann einer der Winkelsensoren ein TMR sein und kann der andere ein AMR oder ein vertikaler Hall-Sensor sein. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien schwächt das Risiko ab, dass beide Winkelsensoren unter schwierigen Bedingungen versagen.
Bei einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Permanentmagnet ein Ringmagnet.
Bei einer Ausführungsform ist der Ringmagnet ein axial magnetisierter Quadrupol.
Bei einer Ausführungsform ist der Ringmagnet so angeordnet, dass seine Ringebene senkrecht zu der Drehachse ist und sich einer der zwei Winkelsensoren auf einer Seite der Ringebene befindet, wohingegen sich der andere Winkelsensor auf der gegenüberliegenden Seite der Ringebene befindet.
Die Ringebene ist eine Ebene von axialer Symmetrie des Ringmagneten.
Bei einer Ausführungsform sind beide Winkelsensoren in oder auf einer Sensorkuppel montiert, die in das Loch des Ringmagneten hineinragt.
Bei einer Ausführungsform stellt der wenigstens eine Permanentmagnet diametrische Magnetfeldkomponenten an den zwei Winkelsensoren bereit, die um einen Winkel zwischen 90° und 270°, insbesondere nahe bei oder gleich 180°, abweichen.
Bei einer Ausführungsform stellt der wenigstens eine Permanentmagnet diametrische Magnetfeldkomponenten an den zwei Winkelsensoren bereit, deren Betrag um weniger als 5%, 10% oder 20% abweicht.
Bei einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Permanentmagnet wenigstens zwei Magnetisierungsgebiete mit gleichem Betrag oder im Wesentlichen gleichem Betrag, aber entgegengesetzter Richtung.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Kombinationsschaltkreis,

– wobei jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein Ausgabesignal bereitstellt, das einen Azimutwinkel der diametrischen Magnetfeldkomponente umfasst, die den jeweiligen magnetischen Winkelsensor beeinflusst,
– wobei der Kombinationsschaltkreis dazu eingerichtet ist, die Ausgabesignale der zwei magnetischen Winkelsensoren zu einem Gesamtausgabesignal zu kombinieren, das eine Drehung der Welle bestimmt.

Die Drehung der Welle kann eine Drehposition der Welle, ein Winkel, eine Winkeländerung, eine Positionsänderung oder dergleichen sein.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kombination der Ausgabesignale der zwei magnetischen Winkelsensoren eine Linearkombination.
Bei einer Ausführungsform befindet sich der Kombinationsschaltkreis auf einem der Substrate der zwei magnetischen Winkelsensoren oder auf einem getrennten Substrat.
Der Kombinationsschaltkreis kann auf einem getrennten Substrat, z. B. einem Mikroprozessor, angeordnet sein.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellendrehung für eine Vorrichtung umfasst Folgendes:

Außerdem ist ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist und das Softwarecodeteile zum Durchführen der Schritte des wie hier beschriebenen Verfahrens umfasst.
Des Weiteren ist ein computerlesbares Medium bereitgestellt, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem die Schritte des wie hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
Bei einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen zumindest teilweise in Hardware implementiert sein, wie etwa als spezielle Hardwarekomponenten oder als ein Prozessor. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination von diesen implementiert sein. Falls sie in Software implementiert sind, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder über ein solches übertragen werden und können von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien beinhalten, die einem greifbaren Medium, wie etwa Datenspeichermedien, oder Kommunikationsmedien einschließlich eines beliebigen Mediums entsprechen, das ein Übertragen eines Computerprogramms von einer Stelle zu einer anderen, z. B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll, ermöglicht. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) greifbaren, computerlesbaren Speichermedien, die nicht flüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie etwa einem Signal oder einer Trägerwelle, entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium beinhalten.
Als Beispiel und nicht als Beschränkung können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher-, magnetische Plattenspeicher- oder andere magnetische Speichervorrichtungen, Flash-Speicher oder ein beliebiges anderes Medium, das zum Speichern eines gewünschten Programmcodes in der Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen. Ebenfalls wird eine beliebige Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d.h. als ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Falls zum Beispiel Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen entfernten Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, einer verdrillten Doppelleitung, digitalen Teilnehmerleitung (DSL: Digital Subscriber Line) oder drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, Glasfaserkabel, die verdrillte Doppelleitung, DSL oder die drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, in der Definition von Medium eingeschlossen. Es versteht sich allerdings, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien beinhalten, sondern stattdessen auf nicht transiente, greifbare Speichermedien abzielen. Disk und Disc beinhalten, so wie sie hier verwendet werden, eine Compact Disc (CD), eine Laser Disc, eine optische Disc, eine Digital Versatile Disc (DVD), eine Floppy-Disk und eine Blu-ray Disc, wobei Disks Daten üblicherweise magnetisch reproduzieren, wohingegen Discs Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen des Obigen sollten ebenfalls innerhalb des Umfangs von computerlesbaren Medien enthalten sein.
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa von einer oder mehreren zentralen Verarbeitungseinheiten (Central Processing Units – CPUs), Digitalen Signalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits – ASICs), feldprogrammierbaren Logikarrays (Field Programmable Logic Arrays – FPGAs), oder anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltungen. Dementsprechend kann sich der Ausdruck „Prozessor“, so wie er vorliegend verwendet wird, auf eine beliebige der vorausgehenden Strukturen oder eine beliebige andere für eine Implementation der hier beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Zusätzlich dazu kann die hier beschriebene Funktionalität bei manchen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Software-Module bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren konfiguriert sind oder in einem kombinierten Codec realisiert sind. Auch könnten die Techniken vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen oder Einrichtungen implementiert werden, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, einer integrierten Schaltung (IC: Integrated Circuit) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chip-Sets). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Einrichtungen zu betonen, die dazu konfiguriert sind, die offenbarten Techniken durchzuführen, aber nicht notwendigerweise eine Realisierung durch verschiedene Hardwareeinheiten erfordern. Eher können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardwareeinheit kombiniert oder durch eine Ansammlung von interoperativen Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, einschließlich, wie oben beschrieben, eines oder mehrerer Prozessoren zusammen mit geeigneter Software und/oder Firmware.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, wird es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erreichen werden, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen durchführen, geeignet ersetzt werden können. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt worden ist. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in reinen Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik benutzen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen, erzielt werden. Derartige Modifikationen des erfinderischen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims

Magnetische Winkelsensorvorrichtung, die Folgendes umfasst: – eine Welle, die um eine Drehachse herum drehbar angeordnet ist, – wenigstens einen Permanentmagneten, – einen Stator, – zwei magnetische Winkelsensoren, die an dem Stator befestigt sind, – wobei die Welle gegen den Stator drehbar angeordnet ist, – wobei der wenigstens eine Permanentmagnet mit der Welle verbunden ist, – wobei der wenigstens eine Permanentmagnet eingerichtet ist, Magnetfelder an den zwei magnetischen Winkelsensoren mit unterschiedlichen Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet über wenigstens ein Zahnrad mit der Welle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, – bei der der wenigstens eine Permanentmagnet wenigstens ein Ringmagnet ist, der über das wenigstens eine Zahnrad angetrieben wird, und – bei der sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf einer Drehachse des wenigstens einen Ringmagneten oder senkrecht zu der Drehachse des wenigstens einen Ringmagneten befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet einen ersten Permanentmagneten umfasst, der in einem ersten Zahnrad eingebettet ist, das sich in Eingriff mit einem Zahnrad befindet, das mit der Welle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet einen ersten Permanentmagneten, der in einem ersten Zahnrad eingebettet ist, und einen zweiten Permanentmagneten, der in einem zweiten Zahnrad eingebettet ist, umfasst, wobei sich das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad in Eingriff mit einem Zahnrad befinden, das mit der Welle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet an der Welle befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet einen einzigen Magneten umfasst, der unterschiedliche Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten an den zwei magnetischen Winkelsensoren bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, – bei der sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf zwei unterschiedlichen Substraten befinden, – bei der eine Hauptoberfläche des wenigstens einen Substrats senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der sich die zwei Substrate auf der Drehachse der Welle befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die zwei magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat befinden und die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse der Welle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die zwei magnetischen Winkelsensoren bei unterschiedlichen axialen Positionen auf der Drehachse der Welle befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der wenigstens einer der zwei magnetischen Winkelsensoren wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen umfasst: – einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor), – einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), – einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), – eine vertikale Halleffekt-Vorrichtung, – eine Hall-Platte, – einen MAG-FET.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet ein Ringmagnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Ringmagnet ein axial magnetisierter Quadrupol ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Ringmagnet so angeordnet ist, dass seine Ringebene senkrecht zu der Drehachse ist und sich einer der zwei Winkelsensoren auf einer Seite der Ringebene befindet, wohingegen sich der andere Winkelsensor auf der gegenüberliegenden Seite der Ringebene befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der beide Winkelsensoren in oder auf einer Sensorkuppel montiert sind, die in das Loch des Ringmagneten hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet diametrische Magnetfeldkomponenten an den zwei Winkelsensoren bereitstellt, die um einen Winkel zwischen 90° und 270°, insbesondere nahe bei oder gleich 180°, voneinander abweichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet diametrische Magnetfeldkomponenten an den zwei Winkelsensoren bereitstellt, deren Betrag um weniger als 5%, 10% oder 20% abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Permanentmagnet wenigstens zwei Magnetisierungsgebiete mit gleichem Betrag oder im Wesentlichen gleichen Betrag, aber entgegengesetzter Richtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, – die ferner einen Kombinationsschaltkreis umfasst, – wobei jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein Ausgabesignal bereitstellt, das einen Azimutwinkel der diametrischen Magnetfeldkomponente umfasst, die den jeweiligen magnetischen Winkelsensor beeinflusst, – wobei der Kombinationsschaltkreis dazu eingerichtet ist, die Ausgabesignale der zwei magnetischen Winkelsensoren zu einem Gesamtausgabesignal zu kombinieren, das eine Drehung der Welle bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Kombination der Ausgabesignale der zwei magnetischen Winkelsensoren eine Linearkombination umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der sich der Kombinationsschaltkreis auf einem der Substrate der zwei magnetischen Winkelsensoren oder auf einem getrennten Substrat befindet.
Verfahren zum Bestimmen einer Wellendrehung für eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst: – eine Welle, die um eine Drehachse herum drehbar angeordnet ist, – wenigstens einen Permanentmagneten, – einen Stator, – zwei magnetische Winkelsensoren, die an dem Stator befestigt sind, – wobei die Welle gegen den Stator drehbar angeordnet ist, – wobei der wenigstens eine Permanentmagnet mit der Welle verbunden ist, – wobei der wenigstens eine Permanentmagnet dazu eingerichtet ist, Magnetfelder an den zwei magnetischen Winkelsensoren mit unterschiedlichen Richtungen von diametrischen Magnetfeldkomponenten anzulegen, – wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Kombinieren von Ausgabesignalen der zwei magnetischen Winkelsensoren zu einem Gesamtausgabesignal, das eine Drehung der Welle bestimmt, wobei jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein Ausgabesignal bereitstellt, das einen Azimutwinkel der diametrischen Magnetfeldkomponente, die den jeweiligen magnetischen Winkelsensor beeinflusst, umfasst.
Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungseinrichtung ladbar ist und das Softwarecodeteile zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 24 umfasst.
Computerlesbares Medium, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 24 durchführt.