DE102016120242A1

DE102016120242A1 - Redundanter magnetischer winkelsensor mit verbesserter genauigkeit

Info

Publication number: DE102016120242A1
Application number: DE102016120242.8A
Authority: DE
Inventors: Akos HEGEDUS; Jürgen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2017-05-11
Also published as: CN107063310A; CN107063310B; US10048328B2; US20170131367A1

Abstract

Ein Winkelsensor kann ein erstes primäres Erfassungselement und ein zweites primäres Erfassungselement umfassen. Das erste primäre Erfassungselement kann benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement in einer Ebene im Wesentlichen parallel im Hinblick auf eine Fläche eines Magneten positioniert sein. Der Winkelsensor kann ein erstes Hilfserfassungselement und ein zweites Hilfserfassungselement umfassen. Das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement können zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement in der Ebene im Wesentlichen parallel zu der Fläche des Magneten positioniert sein.

Description

Hintergrund
Ein magnetischer Winkelsensor kann verwendet werden, um eine Orientierung eines Magnetfeldes (z. B. einen Winkel zwischen Null Grad und dreihundertsechzig Grad) zu bestimmen, das durch einen Magneten erzeugt wird. Der magnetische Winkelsensor kann ein Hall-Effekt-Sensor, ein magnetoresistiver (MR) Sensor, ein variabler Reluktanzsensor (VRS; variable reluctance sensor), ein Fluxgate-Sensor oder ähnliches sein.
Zusammenfassung
Es kann ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzeptes für einen Winkelsensor, einen magnetischen Sensor und einen magnetischen Winkelsensor bestehen.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein Winkelsensor folgendes umfassen: ein erstes primäres Erfassungselement und ein zweites primäres Erfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement in einer Ebene im Wesentlichen parallel im Hinblick auf eine Fläche eines Magneten positioniert sein kann; und ein erstes Hilfserfassungselement und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement in der Ebene im Wesentlichen parallel im Hinblick auf die Fläche des Magneten positioniert sein können.
Optional ist eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement.
Wiederum optional sind das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Optional sind das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Wiederum optional umfasst das erste primäre Erfassungselement eine erste Wheatstone-Brücke, das zweite primäre Erfassungselement umfasst eine zweite Wheatstone-Brücke, das erste Hilfserfassungselement umfasst eine dritte Wheatstone-Brücke und das zweite Hilfserfassungselement umfasst eine vierte Wheatstone-Brücke.
Optional erfassen das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld, das durch einen Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Wiederum optional sind das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten positioniert, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein magnetischer Sensor folgendes umfassen: ein erstes primäres Erfassungselement und ein zweites primäres Erfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu einer Fläche eines Magneten positioniert sein kann, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz von einer Rotationsachse des Magneten sein können; und ein erstes Hilfserfassungselement und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement in der Ebene im Wesentlichen parallel zu der Fläche des Magneten positioniert sein können, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz von der Rotationsachse des Magneten sein können.
Optional ist eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement.
Wiederum optional sind das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Optional sind das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Wiederum optional umfasst das erste primäre Erfassungselement eine erste Voll-Brücke, das zweite primäre Erfassungselement umfasst eine zweite Voll-Brücke, das erste Hilfserfassungselement umfasst eine dritte Voll-Brücke und das zweite Hilfserfassungselement umfasst eine vierte Voll-Brücke.
Optional erfassen das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld, das durch den Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Gemäß einigen möglichen Implementierungen kann ein magnetischer Winkelsensor folgendes umfassen: ein erstes primäres Erfassungselement; ein zweites primäres Erfassungselement; ein erstes Hilfserfassungselement; und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement positioniert sein kann, wobei das erste Hilfserfassungselement benachbart zu dem ersten primären Erfassungselement positioniert sein kann, wobei das zweite Hilfserfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement positioniert sein kann, und wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersteh Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement positioniert sein können.
Optional ist eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement.
Wiederum optional sind das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen auf einer Rotationsachse eines Magneten zentriert, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu einer Fläche des Magneten ist.
Optional sind das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse eines Magneten.
Wiederum optional umfasst das erste primäre Erfassungselement eine erste Wheatstone-Brücke, das zweite primäre Erfassungselement umfasst eine zweite Wheatstone-Brücke, das erste Hilfserfassungselement umfasst eine dritte Wheatstone-Brücke und das zweite Hilfserfassungselement umfasst eine vierte Wheatstone-Brücke.
Optional erfassen das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld, das durch einen Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Wiederum optional sind das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse eines Magneten positioniert, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu einer Fläche des Magneten ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind Diagramme einer Übersicht einer hierin beschriebenen beispielhaften Implementierung;
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Umgebung, in der hierin beschriebene Vorrichtungen implementiert sein können;
3 ist ein Diagramm von beispielhaften Komponenten eines Winkelsensors, der in der beispielhaften Umgebung von 2 umfasst ist;
4 ist ein Diagramm einer beispielhaften zentrischen Anordnung von Erfassungselementen, die in dem Winkelsensor von 3 umfasst sind;
5A und 5B sind graphische Darstellungen, die Vergleiche von beispielhaften Winkelgenauigkeiten zwischen einer zentrischen Anordnung von Erfassungselementen innerhalb eines Winkelsensors und einer verschobenen Anordnung von Erfassungselementen innerhalb des Winkelsensors zeigen, mit einer Exzentrizität von Null im Hinblick auf eine Rotationsachse; und
6A und 6B sind graphische Darstellungen, die zusätzliche beispielhafte Vergleiche von beispielhaften Winkelgenauigkeiten zwischen einer zentrischen Anordnung von Erfassungselementen innerhalb eines Winkelsensors und einer verschobenen Anordnung von Erfassungselementen innerhalb des Winkelsensors zeigen, mit einer Exzentrizität im Hinblick auf eine Rotationsachse.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung von beispielhaften Implementierungen bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen. Die gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Zeichnungen können die gleichen oder ähnliche Elemente identifizieren.
Funktionssicherheit stellt einen Differentiator für gegenwärtige und zukünftige Produkte dar, die z. B. der Automobilindustrie zugeordnet sind. Als solches müssen Konzepte entwickelt werden, um ein Funktionssicherheitsziel zu erreichen, wie z. B. ein Automobilsicherheitsintegritätslevel (ASIL). Um ein bestimmtes ASIL-Level zu erreichen, müssen unterschiedliche Parameter (z. B. Rate der Ausfälle pro Zeit (FIT; failure-in-time), Diagnosedeckungsgrad, Einzelpunkt-Fehlermetrik (SPFM; single point faults metric), Latentfehlermetrik (LPFM; latent fault metrics), etc.) Zielwerte erreichen (z. B. basierend auf dem gewünschten ASIL-Level).
Für einen magnetischen Winkelsensor (hierin nachfolgend bezeichnet als Winkelsensor) kann das Funktionssicherheitsziel sein, ein bestimmtes Level einer Winkelgenauigkeit innerhalb einer Schwellenzeit sicherzustellen. Zum Beispiel kann das Funktionssicherheitsziel sein, sicherzustellen, dass eine Abweichung von fünf oder mehr Grad von einem tatsächlichen Winkel eines Magnetfeldes (z. B. im Vergleich zu einem Winkel des Magnetfeldes, das durch den Winkelsensor erfasst wird) in fünf Millisekunden (ms) oder weniger erfasst wird. Um jedoch dieses Sicherheitsziel zu erreichen, muss der Winkelsensor ausgebildet sein, eine Redundanz für den Winkel bereitzustellen, wie er durch den Winkelsensor erfasst wird.
In einem typischen Fall kann ein Paar räumlich getrennter Winkelsensoren verwendet werden, um eine Redundanz bereitzustellen. Zum Beispiel können Signale (z. B. ein Sinussignal und ein Cosinussignal), die dem Magnetfeld zugeordnet sind, das durch einen primären Winkelsensor erfasst wird, mit Signalen verglichen werden, die dem Magnetfeld zugeordnet sind, das durch einen Hilfswinkelsensor erfasst wird. Hier können die Signale, die dem primären Winkelsensor zugeordnet sind, validiert werden, wenn zum Beispiel eine Differenz zwischen den primären Signalen und den Hilfssignalen zu einem berechneten Winkel führt, der eine Schwelle erfüllt (z. B. kleiner oder gleich drei Grad, kleiner als fünf Grad, etc.). In einem solchen Fall sollten sowohl der primäre Winkelsensor als auch der Hilfswinkelsensor einen identischen oder annähernd identischen Winkelfehler über den Messbereich zeigen.
Aufgrund der räumlichen Trennung jedoch können die primären Erfassungselemente des primären Winkelsensors unterschiedlichen Magnetfeldbedingungen ausgesetzt sein als Hilfserfassungselemente des Hilfswinkelsensors. Als solches kann sich der Magnetfeldwinkel, dem der primäre Winkelsensor ausgesetzt ist, von dem Magnetfeldwinkel unterscheiden, dem der Hilfswinkelsensor ausgesetzt ist. Zum Beispiel können in solchen Fällen die primären Erfassungselemente in einer idealen Position im Hinblick auf das Magnetfeld positioniert sein, wie zum Beispiel einer Position, die erlaubt, dass die primären Erfassungselemente im Wesentlichen (z. B. innerhalb von einem Millimeter, innerhalb von zehn Millimeter, etc.) auf einer Rotationsachse des Magneten zentriert sind, während die Hilfserfassungselemente in einer nicht idealen Position positioniert sein können, wie z. B. einer Position, die verursacht, dass jedes der Hilfserfassungselemente in einer unterschiedlichen Distanz von der Rotationsachse des Magneten ist (d. h. im Wesentlichen nicht auf der Rotationsachse zentriert). In einem solchen Fall, aufgrund der unterschiedlichen Magnetfeldbedingungen, kann der Hilfswinkelsensor eine schlechtere Winkelgenauigkeit im Vergleich zu einer Winkelgenauigkeit des primären Winkelsensors zeigen.
Folglich kann eine Differenz bei dem Verhalten zwischen dem primären Winkelsensor und dem Hilfswinkelsensor bestehen, wodurch die Zuverlässigkeit einer Signalvalidierung reduziert wird, die dem Paar aus Winkelsensoren zugeordnet ist. Ferner kann die Zuverlässigkeit einer Signalvalidierung in einem Fall sogar schlechter sein, in dem eine Fehlausrichtung zwischen den primären Erfassungselementen und der Rotationsachse (z. B. eine Exzentrizität) existiert. Ferner, wenn die räumliche Trennung des primären Winkelsensors und des Hilfswinkelsensors durch Verwenden eines Paares aus separaten Substraten erreicht wird, wobei jedes Substrat eine Winkelsensorstruktur und optional eine integrierte Schaltung umfasst, kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Paar aus separaten Substraten durch Drahtbonden realisiert werden, was aus Kosten- und Zuverlässigkeitsperspektive nachteilhaft sein kann.
Hierin beschriebene Implementierungen können einen Winkelsensor bereitstellen, der einen primären Winkelsensor und einen Hilfswinkelsensor (z. B. auf einem einzelnen Substrat) integriert. Der integrierte Winkelsensor kann einen Satz aus primären Erfassungselementen (z. B. ein erstes Paar aus Voll-Wheatstone-Brücken) umfassen, der dem Bestimmen einer primären Winkelmessung eines Magnetfeldes zugeordnet ist, das durch einen Magneten erzeugt wird, und einen Satz aus Hilfserfassungselementen (z. B. ein zweites Paar aus Voll-Wheatstone-Brücken), die dem Bestimmen einer Hilfswinkelmessung des Magnetfeldes zugeordnet sind, das durch den Magneten erzeugt wird. Bei einigen Implementierungen kann der Winkelsensor einen diskreten Winkelsensor umfassen (der z. B. Wheatstone-Brücken umfasst, wie oben beschrieben ist). Zusätzlich oder alternativ kann der Winkelsensor eine (monolithisch integrierte) integrierte Schaltung (z. B. für Signal-Erfassung und -Konditionierung) umfassen.
Innerhalb des integrierten Winkelsensors kann der Satz aus Hilfserfassungselementen räumlich derart getrennt sein, dass der Satz aus primären Erfassungselementen zwischen dem Satz aus Hilfserfassungselementen positioniert ist. Eine solche Anordnung kann eine verbesserte Winkelgenauigkeit erlauben, die einem Winkel zugeordnet ist, wie er durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfasst wird und/oder kann einen reduzierten Effekt auf eine Winkelgenauigkeit für den Hilfssensor erlauben, wenn der Satz aus primären Erfassungselementen exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten positioniert ist. Als solches kann die Redundanz des integrierten Winkelsensors derart verbessert werden (z. B. im Vergleich zu dem räumlichen Trennen des primären Winkelsensors und des Hilfswinkelsensors), dass ein Funktionssicherheitsziel erreicht werden kann.
1A und 1B sind Diagramme einer Übersicht einer hierin beschriebenen beispielhaften Implementierung 100. 1A zeigt eine beispielhafte Anordnung eines primären Winkelsensors und eines Hilfswinkelsensors, die dem Erreichen einer Redundanz für eine Winkelmessung für ein Magnetfeld zugeordnet ist, das durch einen Magneten erzeugt wird, der sich um eine Achse dreht.
Wie in 1A gezeigt ist, kann der primäre Winkelsensor räumlich von dem Hilfswinkelsensor getrennt sein (z. B. können der primäre Winkelsensor und der Hilfswinkelsensor auf zwei unterschiedlichen Substraten sein, der primäre Winkelsensor und der Hilfswinkelsensor können räumlich auf demselben Substrat getrennt sein, etc.). Wie gezeigt ist, kann der primäre Winkelsensor einen Satz aus primären Erfassungselementen umfassen (z. B. primäres Erfassungselement 1 und primäres Erfassungselement 2). Wie ferner gezeigt, kann der Satz aus primären Erfassungselementen derart positioniert sein, dass der Satz aus primären Erfassungselementen im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert ist.
Wie ferner gezeigt ist, kann der Hilfswinkelsensor einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfassen (z. B. Hilfserfassungselement 1 und Hilfserfassungselement 2). Wie ferner gezeigt, kann der Satz aus Hilfserfassungselementen derart positioniert sein, dass jedes der Hilfserfassungselemente in einer unterschiedlichen Distanz weg von der Rotationsachse des Magneten ist. Anders ausgedrückt, die Hilfserfassungselemente sind möglicherweise nicht wesentlich auf der Rotationsachse zentriert. Bei einigen Implementierungen kann eine solche Anordnung der primären Erfassungselemente und der Hilfserfassungselemente als eine verschobene Anordnung beschrieben werden. In einem solchen Fall kann der Satz aus Hilfserfassungselementen unterschiedlichen Magnetfeldbedingungen ausgesetzt sein als den Magnetfeldbedingungen, denen der Satz aus primären Erfassungselementen ausgesetzt ist.
Als ein Ergebnis und wie in 1A erwähnt wurde, kann die Genauigkeit einer Winkelmessung, berechnet basierend auf Signalen, die durch den Satz aus Hilfserfassungselementen bereitgestellt werden, schlechter sein als eine Genauigkeit einer Winkelmessung berechnet basierend auf Signalen, die durch den Satz aus primären Erfassungselementen bereitgestellt werden. Dies kann zu einer reduzierten Zuverlässigkeit einer Signalvalidierung führen, die dem Erreichen der gewünschten Redundanz zugeordnet ist. Wie ferner erwähnt wird, kann die Zuverlässigkeit der Signalvalidierung ferner in einem Fall leiden, in dem der Satz aus primären Erfassungselementen nicht im Wesentlichen auf der Rotationsachse zentriert ist (z. B. wo eine Exzentrizität derart existiert, dass die Rotationsachse nach rechts von dem primären Erfassungselement 2 aus 1A verschoben wird).
1B zeigt eine Beispielanordnung eines integrierten Winkelsensors, die dem Erreichen eines Hilfswinkelsensors mit verbesserter Genauigkeit für die Winkelmessung des Magnetfeldes zugeordnet ist, das durch den Magneten erzeugt wird, der sich um die Achse dreht (z. B. im Vergleich zu der Anordnung, die in 1A gezeigt ist).
Wie in 1B gezeigt ist, kann der integrierte Winkelsensor den Satz aus primären Erfassungselementen und den Satz aus Hilfserfassungselementen umfassen. Wie ferner gezeigt, und ähnlich zu 1A, kann der Satz aus primären Erfassungselementen derart positioniert sein, dass der Satz aus primären Erfassungselementen im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert ist.
Wie ferner gezeigt kann der Satz aus Hilfserfassungselementen innerhalb des integrierten Winkelsensors räumlich getrennt sein. Zum Beispiel, wie gezeigt ist, kann ein erstes Hilfserfassungselement (z. B. Hilfserfassungselement 1) auf einer ersten Seite des Satzes aus primären Erfassungselementen positioniert sein (z. B. benachbart zu dem primären Erfassungselement 1 auf einer linken Seite, wie in 1B gezeigt ist). Wie ferner gezeigt ist, kann ein zweites Hilfserfassungselement (z. B. Hilfserfassungselement 2) auf einer zweiten (gegenüberliegenden) Seite des Satzes aus primären Erfassungselementen von dem ersten Hilfserfassungselement positioniert sein (z. B. benachbart zu dem primären Erfassungselement 2 auf einer rechten Seite, wie in 1B gezeigt ist).
Erwähnenswerter Weise kann eine Distanz von dem ersten Hilfserfassungselement zu der Rotationsachse ungefähr gleich zu einer Distanz von dem zweiten Hilfserfassungselement zu der Rotationsachse sein. Als solches kann der Satz aus Hilfserfassungselementen im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten auf dieselbe Weise zentriert sein wie der Satz aus primären Erfassungselementen. Bei einigen Implementierungen kann diese Anordnung der primären Erfassungselemente und der Hilfserfassungselemente als eine zentrische Anordnung beschrieben werden. In einem solchen Fall kann der Satz aus Hilfserfassungselementen Magnetfeldbedingungen ausgesetzt sein, die näher an den Magnetfeldbedingungen sind, denen der Satz aus primären Erfassungselementen ausgesetzt ist, im Vergleich zu der verschobenen Anordnung.
Als ein Ergebnis dieser zentrischen Anordnung und wie in 1B erwähnt wurde, kann die Genauigkeit einer Winkelmessung berechnet basierend auf Signalen, die durch den Satz aus Hilfserfassungselementen bereitgestellt werden, verbessert werden (z. B. im Vergleich zu der Genauigkeit der Winkelmessung, die basierend auf Signalen berechnet wird, die durch den Satz aus Hilfserfassungselementen in der verschobenen Anordnung bereitgestellt werden), derart, dass der Winkelfehler über den Messbereich im Wesentlichen identisch zu dem Winkelfehler der primären Erfassungselemente über den Messbereich ist. Dies kann zu einer erhöhten Zuverlässigkeit einer Signalvalidierung führen, die dem Erreichen der gewünschten Redundanz zugeordnet ist. Wie weiter in 1B erwähnt wird, kann in dem Fall, in dem die Sätze aus Erfassungselementen nicht im Wesentlichen auf der Rotationsachse zentriert sind, die Zuverlässigkeit der Signalvalidierung im Vergleich zu der verschobenen Anordnung von 1A verbessert sein.
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Umgebung 200, in der hierin beschriebene Vorrichtungen implementiert sein können. Wie in 2 gezeigt, kann die Umgebung 200 einen Magneten 210, der sich um eine Achse 215 drehen kann, einen Winkelsensor 220 und eine Steuerung 230 umfassen.
Der Magnet 210 kann einen oder mehrere Magneten umfassen, die positioniert sind, um sich um die Achse 215 (z. B. eine imaginäre Linie) zu drehen. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 210 (z. B. mechanisch) mit einem drehbaren Objekt (nicht gezeigt) derart verbunden sein, dass ein Rotationswinkel des Magneten 210 einem Rotationswinkel des drehbaren Objekts entspricht (z. B. wenn eine rutschfeste Beziehung zwischen einer Endfläche des drehbaren Objekts und dem Magneten 210 existiert).
Bei der beispielhaften Umgebung 200, die in 2 gezeigt ist, umfasst der Magnet 210 eine erste Hälfte, die einen Nordpol (N) bildet, und eine zweite Hälfte, die einen Südpol (S) bildet, sodass der Magnet 210 ein Polpaar aufweist. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 210, ohne Einschränkung, mehr als ein Polpaar aufweisen. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 210 einen Scheibenmagneten umfassen, der konzentrisch um die Achse 215 positioniert ist, die durch die Mitte des Magneten 210 verläuft, wie in 2 gezeigt ist. Während der Magnet 210 in 2 als kreisförmig gezeigt ist, kann der Magnet 210 auch eine andere Form sein, wie z. B. ein Quadrat, ein Rechteck, eine Ellipse oder Ähnliches. Zum Beispiel kann der Magnet 210 von einer elliptischen Form sein, in einem Fall, in dem ein Winkel zwischen einer Ebene, die einer Oberfläche des Magneten 210 entspricht, und der Achse 210 von einer im Wesentlichen senkrechten Beziehung abweicht. Die Ebene kann eine Ebene umfassen, die symmetrisch durch den Magneten 210 schneidet und eine Magnetmitte des Magneten 210 umfasst. In den meisten praktischen Fällen kann die Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 215 sein. Als ein anderes Beispiel kann der Magnet 210 einen Ringmagneten umfassen, der positioniert ist, um sich um die Achse 215 zu drehen (zusammen mit dem drehbaren Objekt). Ein Ringmagnet kann von Interesse für eine Anordnung des Magneten 210 an einem Ende des drehbaren Objektes sein.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 210 zwei alternierende Pole an zwei Abschnitten des Magneten umfassen (z. B. einen Nordpol an einer ersten Hälfte des Magneten 210 und einen Südpol an einer zweiten Hälfte des Magneten 210). Zusätzlich oder alternativ kann der Magnet 210 einen Dipolmagneten (z. B. einen Dipolstabmagneten, einen kreisförmigen Dipolmagneten, einen elliptischen Dipolmagneten, etc.), einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten, ein Magnetband oder Ähnliches umfassen. Der Magnet 210 kann aus einem ferromagnetischen Material (z. B. Hart-Ferrit) bestehen und kann ein Magnetfeld erzeugen. Der Magnet 210 kann ferner ein Seltenerdmagnet sein, der aufgrund einer intrinsisch hohen Magnetfeldstärke von Seltenerdmagneten von Vorteil sein kann. Wie oben beschrieben wurde, kann bei einigen Implementierungen der Magnet 210 an ein drehbares Objekt angebracht oder mit diesem gekoppelt sein, für das ein Rotationswinkel basierend auf einem Rotationswinkel eines Magneten bestimmt werden kann (z. B. durch einen Winkelsensor 220, durch die Steuerung 230).
Der Winkelsensor 220 kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Detektieren von Komponenten eines Magnetfeldes zur Verwendung beim Bestimmen eines Rotationswinkels umfassen (z. B. von Magnet 210, von einem drehbaren Objekt mit dem der Magnet 210 verbunden ist, etc.). Zum Beispiel kann der Winkelsensor 220 eine oder mehrere Schaltungen (z. B. eine oder mehrere integrierte Schaltungen) umfassen. Bei einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 an einer Position relativ zu dem Magneten 210 derart platziert sein, dass der Winkelsensor 220 Komponenten des Magnetfeldes detektieren kann, das durch den Magneten 210 erzeugt wird. Bei einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 eine integrierte Schaltung umfassen, die eine integrierte Steuerung 230 umfasst (z. B. derart, dass ein Ausgang des Winkelsensors 220 eine Information umfassen kann, die einen Rotationswinkel des Magneten 210 und/oder des drehbaren Objekts beschreibt).
Bei einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 eine Gruppe von Erfassungselementen umfassen, die ausgebildet sind, um Amplituden von Komponenten des Magnetfeldes zu erfassen, das durch den Magneten 210 erzeugt wird, die an dem Winkelsensor 220 vorliegen. Zum Beispiel kann der Winkelsensor 220 einen Satz aus primären Erfassungselementen und ein Paar aus Hilfserfassungselementen umfassen. Zusätzliche Details im Hinblick auf den Winkelsensor 220 werden nachfolgend im Hinblick auf 3 beschrieben.
Die Steuerung 230 kann eine oder mehrere Schaltungen umfassen, die dem Bestimmen eines Rotationswinkels des Magneten 210 zugeordnet sind, und dem Bereitstellen von Informationen, die dem Rotationswinkel des Magneten 210 zugeordnet sind, und somit dem Rotationswinkel des drehbaren Objekts, mit dem der Magnet 210 verbunden ist. Zum Beispiel kann die Steuerung 230 eine oder mehrere Schaltungen (z. B. eine integrierte Schaltung, eine Steuerschaltung, eine Rückkopplungsschaltung etc.) umfassen. Die Steuerung 230 kann Eingangssignale von einem oder mehreren Sensoren, z. B. einem oder mehreren Winkelsensoren 220, empfangen, kann die Eingangssignale (z. B. unter Verwendung eines analogen Signalprozessors, eines digitalen Signalprozessors etc.) verarbeiten, um eine Ausgangssignal zu erzeugen, und kann das Ausgangssignal an ein oder mehrere andere Vorrichtungen oder Systeme bereitstellen. Zum Beispiel kann die Steuerung 230 ein oder mehrere Eingangssignale von dem Winkelsensor 220 empfangen und kann das eine oder die mehreren Eingangssignale verwenden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Winkelposition des Magneten 210 und/oder des drehbaren Objekts umfasst, mit dem der Magnet 210 verbunden ist.
Die Anzahl und Anordnung von in 2 gezeigten Bauelementen sind als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis können zusätzliche Vorrichtungen, weniger Vorrichtungen, unterschiedliche Vorrichtungen oder unterschiedlich angeordnete Vorrichtungen als jene vorhanden sein, die in 2 gezeigt sind. Ferner können zwei oder mehr Vorrichtungen, die in 2 gezeigt sind, innerhalb einer einzelnen Vorrichtung implementiert sein, oder eine einzelne Vorrichtung gezeigt in 2 kann als mehrere, verteilte Vorrichtungen implementiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine Satz aus Vorrichtungen (z. B. eine oder mehrere Vorrichtungen) der Umgebung 200 eine oder mehrere Funktionen ausführen, die als durch einen anderen Satz von Vorrichtungen der Umgebung 200 ausgeführt beschrieben sind.
3 ist ein Diagramm von beispielhaften Komponenten des Winkelsensors 220, der in der beispielhaften Umgebung 200 von 2 umfasst ist. Wie gezeigt ist, kann der Winkelsensor 220 eine Gruppe aus Erfassungselementen 310, einen Analog-Digital-Wandler (ADC; analog-to-digital converter) 320, einen digitalen Signalprozessor (DSP; digital signal processor) 330, eine optionale Speicherkomponente 340 und eine digitalen Schnittstelle 350 umfassen.
Das Erfassungselement 310 kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Erfassen einer Amplitude einer Komponente eines Magnetfeldes umfassen, das an dem Winkelsensor 220 vorhanden ist (z. B. das Magnetfeld, das durch den Magneten 210 erzeugt wird). Zum Beispiel kann das Erfassungselement 310 einen Hall-Sensor umfassen, der basierend auf einem Hall-Effekt arbeitet. Als ein anderes Beispiel kann das Erfassungselement 310 einen MR-Sensor umfassen, umfassend ein magnetoresistives Material (z. B. Nickel-Eisen (NiFe)), wo der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Materials von einer Stärke und/oder einer Richtung des Magnetfeldes abhängen kann, das an dem magnetoresistiven Material vorliegt. Hier kann das Erfassungselement 310 einen Magnetowiderstandswert basierend auf einem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt), einem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) oder dergleichen messen. Als ein zusätzliches Beispiel kann das Erfassungselement 310 einen VR-Sensor (VR = variable Reluktanz) umfassen, der basierend auf Induktion arbeitet.
Bei einigen Implementierungen kann das Erfassungselement 310 eine Voll-Brücke (z. B. eine Wheatstone-Brücke) umfassen. Als solches kann bei einigen Implementierungen die Gruppe aus Erfassungselementen 310 eine Gruppe aus Voll-Brücken umfassen. Jede Voll-Brücke kann ausgebildet sein, um Signale auszugeben (z. B. Sinussignale, Cosinussignale, etc.), die der Amplitude der Komponente des Magnetfeldes entsprechen, das an der Position der entsprechenden Voll-Brücke vorhanden ist. Bei einigen Implementierungen können die Ausgangssignale verwendet werden (z. B. durch den Winkelsensor 220 und/oder die Steuerung 230), um einen Rotationswinkel des Magneten 210 zu bestimmen und somit einen Rotationswinkel eines drehbaren Objekts, mit dem der Magnet 210 verbunden ist.
Bei einigen Implementierungen kann die Gruppe aus Erfassungselementen 310 des Winkelsensors 220 Erfassungselemente umfassen, die dem Erreichen einer Redundanz für den Winkel zugeordnet sind, wie er durch den Winkelsensor 220 erfasst wird. Zum Beispiel kann die Gruppe aus Erfassungselementen 310 einen Satz aus primären Erfassungselementen und einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfassen. Der Satz aus primären Erfassungselementen kann einen Satz aus Erfassungselementen 310 umfassen, die positioniert sind, um die Komponenten des Magnetfeldes derart zu erfassen, dass der Winkelsensor 220 und/oder die Steuerung 230 eine primäre Messung des Rotationswinkels des Magneten 210 bestimmen können. Der Satz aus Hilfserfassungselementen kann einen Satz aus Erfassungselementen 310 umfassen, die positioniert sind, um die Komponenten des Magnetfeldes derart zu erfassen, dass der Winkelsensor 220 und/oder die Steuerung 230 eine Hilfs-Messung (z. B. redundant, backup, etc.) des Rotationswinkels des Magneten 210 bestimmen können.
Als ein Beispiel kann die Gruppe aus Erfassungselementen 310 ein erstes primäres Erfassungselement (z. B. eine erste Voll-Brücke), ein zweites primäres Erfassungselement (z. B. eine zweite Voll-Brücke), ein erstes Hilfserfassungselement (z. B. eine dritte Voll-Brücke) und ein zweites Hilfserfassungselement (z. B. eine vierte Voll-Brücke) umfassen. Das erste primäre Erfassungselement kann ausgebildet sein, um die Sinussignale bereitzustellen, die der Sinuskomponente des Magnetfeldes an der Position des ersten primären Erfassungselements entsprechen. Das zweite primäre Erfassungselement kann ausgebildet sein, um die Cosinussignale bereitzustellen, die der Cosinuskomponente des Magnetfeldes an der Position des zweiten primären Erfassungselements entsprechen. Das erste Hilfserfassungselement kann ausgebildet sein, um Signale bereitzustellen, die der Sinuskomponente des Magnetfeldes an der Position des ersten Hilfserfassungselements entsprechen, und das zweite Hilfserfassungselement kann ausgebildet sein, um Signale bereitzustellen, die der Cosinuskomponente des Magnetfeldes an der Position des zweiten Hilfserfassungselements entsprechen.
Bei einigen Implementierungen kann die Gruppe aus Erfassungselementen 310 in einem zentrischen Layout im Hinblick auf die Achse 215 angeordnet sein, um die sich der Magnet 210 dreht, um die Winkelgenauigkeit und/oder Zuverlässigkeit der Signalvalidierung zu verbessern, die dem Winkelsensor 220 zugeordnet ist. Zusätzliche Details im Hinblick auf die Anordnung der Gruppe aus Erfassungselementen 310 werden nachfolgend im Hinblick auf 4 beschrieben. Der ADC 320 kann einen Analog-Digital-Wandler umfassen, der ein analoges Signal aus dem einen oder den mehreren Erfassungselementen 310 in ein digitales Signal umwandelt. Zum Beispiel kann der ADC 320 analoge Signale, die von dem einen oder den mehreren Erfassungselementen 310 empfangen werden, in digitale Signale umwandeln, die durch den DSP 330 verarbeitet werden sollen. Der ADC 320 kann die digitalen Signale an den DSP 330 bereitstellen. Bei einigen Implementierungen kann der Winkelsensor 220 einen oder mehrere ADCs 320 umfassen.
Der DSP 330 kann eine digitale Signalverarbeitungs-Vorrichtung oder eine Ansammlung aus digitalen Signalverarbeitungs-Vorrichtungen umfassen. Bei einigen Implementierungen kann der DSP 330 digitale Signale von dem ADC 320 empfangen und kann die digitalen Signale verarbeiten, um Ausgangssignale zu bilden (z. B. gedacht für die Steuerung 230, wie in 2 gezeigt ist), wie z. B. Ausgangssignale, die dem Bestimmen des Rotationswinkel des Magneten 210 zugeordnet sind, der sich mit einem drehbaren Objekt dreht.
Die optische Speicherkomponente 340 kann einen Nurlesespeicher (ROM – Read Only Memory) (z. B. einen EEPROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM – Random Access Memory) und/oder einen anderen Typ eines dynamischen oder statischen Speicherbauelements umfassen (z. B. einen Flash-Speicher, einen Magnetspeicher, einen optischen Speicher, etc.), der Informationen und/oder Anweisungen zur Verwendung durch den Winkelsensor 220 speichert. Bei einigen Implementierungen kann die optionale Speicherkomponente 340 Informationen speichern, die der Verarbeitung zugeordnet sind, die durch den DSP 330 ausgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die optionale Speicherkomponente 340 Konfigurationswerte oder -Parameter für Erfassungselemente 310 und/oder Informationen für eine oder mehrere andere Komponenten des Winkelsensors 220 speichern, wie z. B. den ADC 320 oder die digitale Schnittstelle 350.
Die digitale Schnittstelle 350 kann eine Schnittstelle umfassen, über die der Winkelsensor 220 Informationen von einem anderen Bauelement empfangen und/oder an dieses bereitstellen kann, wie z. B. die Steuerung 230 (siehe 2). Zum Beispiel kann die digitale Schnittstelle 350 das Ausgangssignal bereitstellen, bestimmt durch den DSP 330, an die Steuerung 230, und kann ferner Informationen von der Steuerung 230 empfangen.
Die Anzahl und Anordnung von in 3 gezeigten Komponenten sind als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann der Winkelsensor 220 zusätzliche Komponenten, weniger Komponenten, unterschiedliche Komponenten oder unterschiedlich angeordnete Komponenten als jene umfassen, die in 3 gezeigt sind. Zusätzlich oder alternativ kann ein Satz aus Komponenten (z. B. ein oder mehrere Komponenten) des Winkelsensors 220 eine oder mehrere Funktionen ausführen, die als durch einen anderen Satz aus Komponenten des Winkelsensors 220 ausgeführt beschrieben sind.
4 ist ein Diagramm einer beispielhaften zentrischen Anordnung 400 von Erfassungselementen 310, die in dem Winkelsensor 220 umfasst sind. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Gruppe von Erfassungselementen 310 einen Satz aus primären Erfassungselementen (z. B. ein erstes Paar aus Wheatstone-Brücken), identifiziert als primäres Erfassungselement 410-1 und primäres Erfassungselement 410-2, und einen Satz aus Hilfserfassungselementen (z. B. ein zweites Paar aus Wheatstone-Brücken), identifiziert als Hilfserfassungselement 420-1 und Hilfserfassungselement 420-2 umfassen. Wie oben beschrieben wurde, um eine Redundanz zu erreichen, kann der Satz aus primären Erfassungselementen ausgebildet sein, um Signale bereitzustellen, die dem Bestimmen einer primären Messung eines Rotationswinkels des Magneten 210 zugeordnet sind, und der Satz aus Hilfserfassungselementen kann ausgebildet sein, um Signale bereitzustellen, die dem Bestimmen einer Hilfsmessung des Rotationswinkels des Magneten 210 zugeordnet sind.
Wie gezeigt kann jeder des Satzes aus primären Erfassungselementen und des Satzes aus Hilfserfassungselementen eine Gruppe aus vier Widerständen 430 umfassen. 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung für eine Implementierung, bei der Spin-Ventil-Strukturen, basierend auf einer GMR- oder TMR-Technik, verwendet werden. Die Spin-Ventil-Strukturen können eine Sensor-(Frei-)Schicht aufweisen, wo eine Magnetisierung der Sensorschicht durch das externe Magnetfeld beeinflusst wird, und eine Referenzschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung. Hier können die Richtungen der Pfeile innerhalb der Widerstände 430 eine Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht anzeigen, die jedem entsprechenden Widerstand 430 zugeordnet ist. Für eine Implementierung, bei der die AMR-basierte Technik verwendet wird, können unterschiedliche Richtungen von Pfeilen innerhalb der Widerstände 430 unterschiedliche Stromrichtungen anzeigen. Bei der AMR-Implementierung können die Pfeile bei einem bestimmten Erfassungselement 310 90 Grad auseinander gerichtet sein (z. B. anstatt 180 Grad) und können auch um 45 Grad gedreht sein. Unabhängig von der verwendeten Technik können Positionen von Paaren von Widerständen 430 variieren (z. B. kann ein Paar aus Widerständen 430 basierend auf Referenzrichtungen definiert sein). Anders ausgedrückt können bei einigen Implementierungen Positionen von Widerständen 430 und/oder Paaren von Widerständen 430, die in einem oder mehreren Erfassungselementen 310 umfasst sind, ausgetauscht werden.
Wie ferner in 4 gezeigt ist, kann jeder des Satzes aus primären Erfassungselementen und des Satzes aus Hilfserfassungselementen in einer zentrischen Anordnung im Hinblick auf die Achse 215 positioniert sein.
Wie gezeigt kann das primäre Erfassungselement 410-1 in einer ersten Distanz von der Achse 215 positioniert sein, identifiziert als d_P1. Wie gezeigt kann das primäre Erfassungselement 410-2 in einer zweiten Distanz von der Achse 215 positioniert sein, identifiziert als d_P2. Bei einigen Implementierungen kann d_P1 ungefähr gleich d_P2 sein. Wie ferner gezeigt können das primäre Erfassungselement 410-1 und das primäre Erfassungselement 410-2 auch derart positioniert sein, dass das primäre Erfassungselement 410-1 und das primäre Erfassungselement 410-2 auf einer Ebene liegen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 215 ist (z. B. einer Achse, die einer Oberfläche des Magneten 210 entspricht). Anders ausgedrückt, kann der Satz aus primären Erfassungselementen im Wesentlichen auf der Achse 215 zentriert sein.
Wie ferner gezeigt ist, kann der Satz aus Hilfserfassungselementen räumlich derart getrennt sein, dass der Satz aus primären Erfassungselementen zwischen dem Satz aus Hilfserfassungselementen positioniert ist. Wie zum Beispiel gezeigt ist, kann das Hilfserfassungselement 420-1 in einer dritten Distanz von der Achse 215 positioniert sein, identifiziert als d_A1. Wie gezeigt kann das Hilfserfassungselement 420-2 in einer vierten Distanz von der Achse 215 positioniert sein, identifiziert als d_A2. Bei einigen Implementierungen kann d_A1 ungefähr gleich d_A2 sein. Wie ferner gezeigt können bei einigen Implementierungen das Hilfserfassungselement 420-1 und das Hilfserfassungselement 420-2 ebenfalls entlang der Achse positioniert sein, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 215 ist. Zum Beispiel kann das Hilfserfassungselement 420-1 benachbart zu dem primären Erfassungselement 410-1 positioniert sein (z. B. auf einer linken Seite in einer Richtung weg von der Achse 215), während das Hilfserfassungselement 420-2 benachbart zu dem primären Erfassungselement 410-2 positioniert sein kann (z. B. auf einer rechten Seite in einer Richtung weg von der Achse 215). Anders ausgedrückt kann der Satz aus Hilfserfassungselementen auch im Wesentlichen auf der Achse 215 zentriert sein, während er räumlich derart getrennt ist, dass der Satz aus primären Erfassungselementen zwischen dem Satz aus Hilfserfassungselementen liegt.
Auf diese Weise kann die zentrische Anordnung von Erfassungselementen 310 erreicht werden. Wie oben angezeigt, ist jedoch 4 lediglich als ein Beispiel bereitgestellt. Anders ausgedrückt werden alle Anordnungen, Positionen, Ausrichtungen oder Ähnliches, die der beispielhaften zentrischen Anordnung 400 zugeordnet sind, nur als Beispiele bereitgestellt, um ein Verständnis dafür zu ermöglichen, wie Erfassungselemente 310 angeordnet sein können. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem, was in Bezug auf 4 beschrieben ist, unterscheiden.
5A und 5B sind graphische Darstellungen 500 und/oder 550, die Vergleiche von beispielhaften Winkelgenauigkeiten zwischen einer zentrischen Anordnung von Erfassungselementen 310 innerhalb des Winkelsensors 220 und einer verschobenen Anordnung von Erfassungselementen 310 innerhalb des Winkelsensors 220 zeigen. Zum Zwecke von 5A und 5B ist der Magnet 210 ein Scheibenmagnet mit einer Dicke von 3,0 Millimeter (mm) und einem Durchmesser von 6,0 mm und ist ausgebildet, um sich um die Achse 215 zu drehen. Ferner ist der Winkelsensor 220 positioniert, um ein Magnetfeld zu erfassen, erzeugt durch den Magneten 210, zu Zwecken des Bestimmens eines Rotationswinkels des Magneten 210.
Zum Zwecke von 5A sei angenommen, dass der Winkelsensor 220 einen Satz aus primären Erfassungselementen und einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfasst, die in einer zentrischen Anordnung positioniert sind, wie oben im Hinblick auf 1B und 4 beschrieben ist. Ferner sei angenommen, dass die primären Erfassungselemente derart positioniert sind, dass der Satz aus primären Erfassungselementen und der Satz aus Hilfserfassungselementen auf der Achse 215 zentriert sind (d. h., dass keine Exzentrizität besteht, wie in dem oberen Abschnitt von 5A erwähnt wurde). Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „P” in 5A), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus primären Erfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,10 Grad und ungefähr –0,05 Grad für einen Rotationswinkel (z. B. von 0 Grad bis 360 Grad) des Magneten 210 variieren. Wie durch die durchgezogene Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „A” in 5A), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,25 Grad und ungefähr –0,25 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren.
Zum Zwecke von 5B sei angenommen, dass der Winkelsensor 220 einen Satz aus primären Erfassungselementen und einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfasst, die in einer verschobenen Anordnung positioniert sind, wie im Hinblick auf 1A gezeigt ist. Ferner sei angenommen, dass die primären Erfassungselemente derart positioniert sind, dass der Satz aus primären Erfassungselementen und der Satz aus Hilfserfassungselementen auf der Achse 215 zentriert sind (d. h., dass keine Exzentrizität besteht, wie in dem oberen Abschnitt von 5B erwähnt wurde). Wie durch die gepunktete Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „P” in 5B), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus primären Erfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,10 Grad und ungefähr –0,05 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren (d. h. das Verhalten des Satzes aus primären Erfassungselementen kann dasselbe sein wie in 5A). Wie jedoch durch die durchgezogene Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „A” in 5B), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,50 Grad und ungefähr –0,50 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren.
Wie durch Vergleichen der 5A und 5B dargestellt wird kann ein Winkelfehler (d. h. eine Reduktion der Winkelgenauigkeit), der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, die in der verschobenen Anordnung positioniert sind, mindestens ungefähr zwei Mal größer sein als der Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, die in der zentrischen Anordnung positioniert sind. Wie oben beschrieben wurde, kann diese Reduktion der Winkelgenauigkeit eine reduzierte Zuverlässigkeit der Signalvalidierung verursachen, wodurch das Erreichen einer Redundanz für den Winkelsensor 220 negativ beeinflusst wird.
Wie oben angezeigt ist, sind 5A und 5B lediglich als Beispiele bereitgestellt. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem, was in Bezug auf 5A und 5B beschrieben ist, unterscheiden.
6A und 6B sind graphische Darstellungen 600 und/oder 650, die zusätzliche beispielhafte Vergleiche von beispielhaften Winkelgenauigkeiten zwischen einer zentrischen Anordnung von Erfassungselementen 310 innerhalb des Winkelsensors 220 und einer verschobenen Anordnung von Erfassungselementen 310 innerhalb des Winkelsensors 220 zeigen. Zum Zwecke von 6A und 6B ist der Magnet 210 ein Scheibenmagnet mit einer Dicke von 3,0 Millimeter (mm) und einem Durchmesser von 6,0 mm und ist ausgebildet, um sich um die Achse 215 zu drehen. Ferner ist der Winkelsensor 220 positioniert, um ein Magnetfeld zu erfassen, erzeugt durch den Magneten 210, zu Zwecken des Bestimmens eines Rotationswinkels des Magneten 210.
Zum Zwecke von 6A sei angenommen, dass der Winkelsensor 220 einen Satz aus primären Erfassungselementen und einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfasst, die in einer zentrischen Anordnung positioniert sind, wie oben im Hinblick auf 1B und 4 beschrieben ist. Ferner sei angenommen, dass die primären Erfassungselemente derart positioniert sind, dass der Satz aus primären Erfassungselementen und der Satz aus Hilfserfassungselementen nicht auf der Achse 215 zentriert sind (d. h., dass eine Exzentrizität von 0,2 mm besteht, wie in dem oberen Abschnitt von 6A erwähnt wurde). Wie durch die gestrichelte Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „P” in 6A), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus primären Erfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,20 Grad und ungefähr –0,10 Grad für einen Rotationswinkel (z. B. von 0 Grad bis 360 Grad) des Magneten 210 variieren. Wie durch die durchgezogene Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „A” in 6A), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,55 Grad und ungefähr –0,55 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren.
Zum Zwecke von 6B sei angenommen, dass der Winkelsensor 220 einen Satz aus primären Erfassungselementen und einen Satz aus Hilfserfassungselementen umfasst, die in einer verschobenen Anordnung positioniert sind, wie im Hinblick auf 1A gezeigt ist. Ferner sei angenommen, dass die primären Erfassungselemente derart positioniert sind, dass der Satz aus primären Erfassungselementen nicht auf der Achse 215 zentriert ist (d. h., dass eine Exzentrizität von 0,2 mm besteht, wie in dem oberen Abschnitt von 6B erwähnt wurde). Wie durch die gepunktete Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „P” in 6B), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus primären Erfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 0,20 Grad und ungefähr –0,10 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren (d. h. das Verhalten des Satzes aus primären Erfassungselementen kann dasselbe sein wie in 6A). Wie jedoch durch die durchgezogene Linie gezeigt wird (z. B. gekennzeichnet als Linie „A” in 6B), kann ein Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, zwischen ungefähr 1,10 Grad und ungefähr –1,10 Grad für einen Rotationswinkel des Magneten 210 variieren.
Wie durch Vergleichen der 6A und 6B dargestellt wird kann ein Winkelfehler (d. h. eine Reduktion der Winkelgenauigkeit), der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, die in der verschobenen Anordnung positioniert sind, mindestens ungefähr zwei Mal größer sein als der Winkelfehler, der durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfahren wird, die in der zentrischen Anordnung positioniert sind. Wie oben beschrieben wurde, kann diese Reduktion der Winkelgenauigkeit eine reduzierte Zuverlässigkeit der Signalvalidierung verursachen, wodurch das Erreichen einer Redundanz für den Winkelsensor 220 negativ beeinflusst wird. Ferner, wie dargestellt wird durch Vergleichen von 6A und 6B, kann das Positionieren des primären Erfassungselements und der Hilfserfassungselemente in der zentrischen Anordnung eine Auswirkung auf die Winkelgenauigkeit reduzieren, wenn der Satz aus primären Erfassungselementen und/oder der Satz aus Hilfserfassungselementen exzentrisch im Hinblick auf die Achse 215 positioniert sind.
Wie oben angezeigt ist, sind 6A und 6B lediglich als Beispiele bereitgestellt. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem, was in Bezug auf 6A und 6B beschrieben ist, unterscheiden.
Hierin beschriebene Implementierungen können einen Winkelsensor bereitstellen, der einen primären Winkelsensor und einen Hilfswinkelsensor (z. B. auf einem einzelnen Substrat) integriert. Innerhalb des integrierten Winkelsensors kann ein Satz aus Hilfserfassungselementen räumlich derart getrennt sein, dass ein Satz aus primären Erfassungselementen zwischen dem Satz aus Hilfserfassungselementen positioniert ist. Eine solche Anordnung kann eine verbesserte Winkelgenauigkeit erlauben, die einem Winkel zugeordnet ist, wie er durch den Satz aus Hilfserfassungselementen erfasst wird und/oder kann einen reduzierten Effekt auf eine Winkelgenauigkeit erlauben, wenn der Satz aus primären Erfassungselementen exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten positioniert ist. Als solches kann die Redundanz des integrierten Winkelsensors derart verbessert werden (z. B. im Vergleich zu dem räumlichen Trennen des primären Winkelsensors und des Hilfswinkelsensors), dass ein Funktionssicherheitsziel erreicht werden kann.
Die vorstehende Offenbarung stellt eine Veranschaulichung und Beschreibung bereit, soll aber nicht vollständig sein oder die Implementierungen auf die bestimmte offenbarte Form begrenzen. Modifikationen und Variationen sind unter Berücksichtigung der obigen Offenbarung möglich und können aus der Praxis der Implementierungen gewonnen werden.
Obgleich bestimmte Kombinationen von Merkmalen in den Ansprüchen wiedergegeben und/oder in der Beschreibung offenbart sind, sollen diese Kombinationen die Offenbarung möglicher Implementierungen nicht begrenzen. Tatsächlich können viele dieser Merkmale auf eine Art und Weise kombiniert werden, die in den Ansprüchen nicht eigens wiedergegeben und/oder in der Beschreibung offenbart ist. Obwohl jeder nachfolgend aufgeführte abhängige Anspruch direkt von nur einem Anspruch abhängen kann, umfasst die Offenbarung möglicher Implementierungen jeden abhängigen Anspruch in Kombination mit jedem anderen Anspruch in dem Anspruchssatz.
Kein hierin verwendetes Element, Schritt oder Anweisung sollte als entscheidend oder wesentlich ausgelegt werden, sofern es nicht explizit als solches beschrieben ist. Ferner sollen gemäß hiesiger Verwendung die Artikel „ein, eine” ein oder mehrere Elemente umfassen und können synonym mit „ein oder mehrere” verwendet werden. Ferner sollen gemäß hiesiger Verwendung die Begriffe „Gruppe” und „Menge” einen oder mehrere Gegenstände (z. B. zugehörige Gegenstände, nicht zugehörige Gegenstände, eine Kombination von zugehörigen Gegenständen und nicht zugehörigen Gegenständen etc.) umfassen, und können synonym mit „ein oder mehrere” verwendet werden. In den Fällen, in denen nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein” oder eine ähnliche Sprache verwendet. Ferner sollen gemäß hiesiger Verwendung die Begriffe „aufweist”, „aufweisen”, „aufweisend” oder dergleichen offene Begriffe sein. Ferner soll der Ausdruck „basierend auf” bedeuten „basierend, zumindest teilweise, auf”, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

Claims

Ein Winkelsensor, umfassend: ein erstes primäres Erfassungselement und ein zweites primäres Erfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement in einer Ebene im Wesentlichen parallel im Hinblick auf eine Fläche eines Magneten positioniert ist; und ein erstes Hilfserfassungselement und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement in der Ebene im Wesentlichen parallel im Hinblick auf die Fläche des Magneten positioniert sind.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 1, wobei eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement ist.
Der Winkelsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Der Winkelsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Der Winkelsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste primäre Erfassungselement eine erste Wheatstone-Brücke umfasst, das zweite primäre Erfassungselement eine zweite Wheatstone-Brücke umfasst, das erste Hilfserfassungselement eine dritte Wheatstone-Brücke umfasst und das zweite Hilfserfassungselement eine vierte Wheatstone-Brücke umfasst.
Der Winkelsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld erfassen, das durch den Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Der Winkelsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse des Magneten positioniert sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Ein Magnetsensor, umfassend: ein erstes primäres Erfassungselement und ein zweites primäres Erfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu einer Fläche eines Magneten positioniert ist, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz von einer Rotationsachse des Magneten sind; und ein erstes Hilfserfassungselement und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement in der Ebene im Wesentlichen parallel zu der Fläche des Magneten positioniert sind, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz von der Rotationsachse des Magneten sind.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 8, wobei eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich zu einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement ist.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen auf der Rotationsachse des Magneten zentriert sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Magneten ist.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das erste primäre Erfassungselement eine erste Voll-Brücke umfasst, das zweite primäre Erfassungselement eine zweite Voll-Brücke umfasst, das erste Hilfserfassungselement eine dritte Voll-Brücke umfasst und das zweite Hilfserfassungselement eine vierte Voll-Brücke umfasst.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld erfassen, das durch den Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Ein magnetischer Winkelsensor, umfassend: ein erstes primäres Erfassungselement; ein zweites primäres Erfassungselement; ein erstes Hilfserfassungselement; und ein zweites Hilfserfassungselement, wobei das erste primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement positioniert ist, wobei das erste Hilfserfassungselement benachbart zu dem ersten primären Erfassungselement positioniert ist, wobei das zweite primäre Erfassungselement benachbart zu dem zweiten primären Erfassungselement positioniert ist, und wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem zweiten Hilfserfassungselement positioniert sind.
Der magnetische Winkelsensor gemäß Anspruch 14, wobei eine Distanz zwischen dem ersten Hilfserfassungselement und dem ersten primären Erfassungselement im Wesentlichen gleich einer Distanz zwischen dem zweiten Hilfserfassungselement und dem zweiten primären Erfassungselement ist.
Der magnetische Winkelsensor gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das erste primäre Erfassungselement und das zweite primäre Erfassungselement im Wesentlichen auf einer Rotationsachse eines Magneten zentriert sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu einer Fläche des Magneten ist.
Der magnetische Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement im Wesentlichen gleich in ihrer Distanz im Hinblick auf eine Rotationsachse eines Magneten sind.
Der magnetische Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das erste primäre Erfassungselement eine erste Wheatstone-Brücke umfasst, das zweite primäre Erfassungselement eine zweite Wheatstone-Brücke umfasst, das erste Hilfserfassungselement eine dritte Wheatstone-Brücke umfasst und das zweite Hilfserfassungselement eine vierte Wheatstone-Brücke umfasst.
Der magnetische Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das erste primäre Erfassungselement, das zweite primäre Erfassungselement, das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement ein Magnetfeld erfassen, das durch einen Magneten basierend auf einem Hall-Effekt, einem Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR; tunnel magnetoresistance), einem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR; giant magnetoresistance) oder einem anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR; anisotropic magnetoresistance) erzeugt wird.
Der magnetische Winkelsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das erste Hilfserfassungselement und das zweite Hilfserfassungselement exzentrisch im Hinblick auf eine Rotationsachse eines Magneten positioniert sind, wobei die Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu einer Fläche des Magneten ist.