DE102016218530A1

DE102016218530A1 - Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position, Herstellungsverfahren für eine Magnetfeldsensoranordnung und Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102016218530A1
Application number: DE102016218530.6A
Authority: DE
Inventors: Eric Hoffmann; Simon Scherner; Oliver Steeg; Jochen Zachow
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-03-29
Also published as: EP3519777A1; EP3578927B1; US20190219421A1; WO2018060149A1; EP3578927A1; EP3519777B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und einer Magnetfeldsensoranordnung in Bezug aufeinander. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein entsprechendes Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Magnetfeldsensoranordnung sowie auf einen zugehörigen Magnetfeldsensor. Die Magnetfeldsensoranordnung (106) umfasst einen ersten Magnetfeldsensor (108) zum Erzeugen eines ersten Positionssignals und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensor (110) zum Erzeugen eines zweiten Positionssignals. Jeder der Magnetfeldsensoren (108, 110) umfasst mindestens eine Magnetfeldsonde (118) zum Erfassen einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes, eine Auswerteeinheit zum Auswerten eines Ausgangssignals der Magnetfeldsonde und eine Kommunikationsschnittstelle zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen, wobei der erste und der zweite Magnetfeldsensor über einen Datenbus (112) zum Übertragen der Kommunikationssignale miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und einer Magnetfeldsensoranordnung in Bezug aufeinander. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein entsprechendes Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Magnetfeldsensoranordnung sowie auf einen zugehörigen Magnetfeldsensor.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Weggebers sollen insbesondere lineare Bewegungen berührungslos mittels magnetischer Wechselwirkung zwischen einem oder mehreren Permanentmagneten und einer auf einem magnetoresistiven Effekt oder dem Halleffekt basierenden magnetischen Sensoranordnung erfasst und ausgewertet werden. Eine relative Bewegung entlang gekrümmter Bahnen (und damit z. B. eine Winkeldetektion) ist jedoch auch vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Die Messung linearer Bewegungen findet z. B. für die Steuerung von Werkzeugmaschinen, in der Pneumatik, in der Automatisierungstechnik und Robotik sowie im Automobilbereich Anwendung. Eine berührungslose Erfassung von Bewegungen bietet u. a. den Vorteil der Verschleißfreiheit. Unter den berührungslosen Messverfahren sind die optischen und magnetischen am Weitesten verbreitet. Während die optischen Verfahren aufgrund der kleinen Wellenlänge des Lichts eine sehr hohe Genauigkeit garantieren, sind magnetische Verfahren weit weniger empfindlich gegenüber Verschmutzung und Beschädigung, insbesondere dadurch, dass Magnete und Sensorkomponenten in einer nicht-magnetischen hermetischen Hülle vollständig gekapselt werden können.
Von diversen Herstellern werden Weggebersysteme angeboten, bei denen die Position eines verschieblichen Permanentmagneten z. B. mit Hilfe eines zwei- oder dreidimensionalen Hallsensors ermittelt wird.
Dabei werden zur Erfassung der linearen Relativbewegungen an einem Ort zwei zueinander senkrecht stehende Magnetfeldkomponenten gemessen und ihr Quotient wird zur Lageerkennung ausgewertet. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass jeweils in Bereichen, in denen eine Feldkomponente einen Extremwert annimmt und daher kleine Verschiebungen nicht detektiert, die andere Feldkomponente auf Verschiebungen umso stärker reagiert, so dass im gesamten Messbereich eine annähernd gleich hohe Messgenauigkeit gegeben ist.
Weiterhin hat dieses Prinzip den Vorteil, dass es vergleichsweise wenig empfindlich gegenüber einer Veränderung der absoluten magnetischen Feldstärke ist, da Verhältniszahlen zwischen den Feldkomponenten zur Positionserfassung genutzt werden.
13 zeigt eine Anordnung, bei der zur berührungslosen Erfassung einer Linearbewegung ein Magnetfeldsensor 100, insbesondere ein Hallsensor ortsfest beispielsweise an einer Gehäusewandung montiert ist und das Magnetfeld eines beweglichen Permanentmagneten 102 erfasst. Entsprechend der Nord-Süd-Polarisierung entlang der Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 102 wird nachfolgend das entlang der Bewegungsrichtung verlaufende Magnetfeld als Magnetfeldkomponente Bz und die quer dazu verlaufende Komponente als By bezeichnet. Der gesamte Messbereich in z-Richtung, der durch den Hallsensor 100 abgedeckt wird, ist mit dem Bezugszeichen 104 angedeutet.
14 zeigt den Verlauf der Komponenten By und Bz der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von dem Ort z, an dem sich der Permanentmagnet 102 befindet. Dabei ist die Nulllage die Position, in der sich der Permanentmagnet 102 und der Sensor 100 unmittelbar gegenüberstehen.
Der Winkel α, der sich gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) berechnen lässt, wird dabei als Messsignal verwendet. α = arctan( Bz / By) (1)
Der Verlauf des Betrags |B ⇀| der magnetischen Flussdichte ist in 15 als Funktion des Ortes z gezeigt. Dabei berechnet sich der vektorielle Betrag |B ⇀| der magnetischen Flussdichte in bekannter Weise aus den einzelnen Komponenten By und Bz gemäß der nachfolgenden Gleichung (2). Entsprechende Berechnungsvorschriften gelten, wie dies einem Fachmann geläufig ist, bei Verwendung anderer Koordinatensysteme und auch bei Hinzunahme einer dritten Magnetfeldkomponente Bx.
Wie in 16 dargestellt, hängt der Winkel α bis zu einem gewissen Grenzwert vergleichsweise linear von der Position des Permanentmagneten 102 mit Bezug auf den Hallsensor 100 ab. Meist wird die aktuell gemessene Kennlinie weiter linearisiert, wie dies in 16 mittels der Kurve α_lin dargestellt ist. Diese linearisierte Kurve α_lin bildet dann die Ausgangskennlinie des Sensors. 17 zeigt den Verlauf des von dem Sensor ausgegebenen Positionssignals OUT.
Die meisten marktüblichen 3D-Hallsensoren können nur in Anwesenheit eines ausreichend starken Magnetfeldes betrieben werden. Falls der Permanentmagnet sich außerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors befindet, ist kein Sensorsignal mehr verfügbar. Daher wird in dem deutschen Patent DE 10 2012 205 903 B4 vorgeschlagen, dass der Magnetfeldsensor, der die Position der Magnetfeldquelle erfasst, eine Vielzahl von Magnetfeldsonden aufweist. Jede der Magnetfeldsonden gibt ein Positionssignal aus und dieses Positionssignal basiert auf mindestens zwei Raumkomponenten der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes. Eine externe Steuer- und Berechnungseinheit ist vorgesehen, die ein Gesamtausgangssignal des Weggebers basierend auf der Vielzahl von Positionssignalen ausgibt. Weiterhin ist eine Speichereinheit vorgesehen, welche die einzelnen Positionssignale abspeichert. Die Steuer- und Berechnungseinheit entscheidet basierend auf einem berechneten Betrag der magnetischen Flussdichte, die am Ort der jeweiligen Magnetfeldsonde gemessen wird, ob als Positionssignal ein aktuelles Positionssignal ausgegeben wird, oder ob das vorhergehende gespeicherte Positionssignal ausgegeben und der weiteren Berechnung zugrunde gelegt werden soll.
Für manche Anwendungen ist jedoch das Vorsehen einer separaten Steuer- und Berechnungseinheit nicht praktikabel, weil der gesamte Weggeber in diesem Fall zu unhandlich und störungsanfällig wird.
Insbesondere besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, einen Weggeber zur berührungslosen Positionserfassung so zu verbessern, dass der Messbereich wesentlich erweitert werden kann, gleichzeitig ein kleinerer Magnet als Magnetfeldquelle eingesetzt werden kann und darüber hinaus eine kompakte, kostengünstige Magnetfeldsensoreinheit bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, einen Weggeber zum berührungslosen Erfassen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und einer Magnetfeldsensoranordnung in Bezug aufeinander anzugeben, wobei die Magnetfeldquelle und die Magnetfeldsensoranordnung relativ zueinander beweglich sind. Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst einen ersten Magnetfeldsensor zum Erzeugen eines ersten Positionssignals und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensor zum Erzeugen eines zweiten Positionssignals wobei jeder der Magnetfeldsensoren mindestens eine Magnetfeldsonde zum Erfassen einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes, eine Auswerteeinheit zum Auswerten eines Ausgangssignals der Magnetfeldsonde und eine Kommunikationsschnittstelle zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen umfasst, und wobei der erste und der zweite Magnetfeldsensor über einen Datenbus zum Übertragen der Kommunikationssignale miteinander verbunden sind.
Dabei werden nachfolgend werden die folgenden Begriffe und Definitionen verwendet.
Der erfindungsgemäße berührungslose Weggeber umfasst eine Magnetfeldquelle, vorzugsweise einen Permanentmagneten, und eine damit zusammenwirkende Magnetfeldsensoranordnung. Unter der Magnetfeldsensoranordnung wird nachfolgend ein Array aus miteinander kommunizierenden Magnetfeldsensoren verstanden. Die Magnetfeldsonde bezeichnet das Transducerelement, welches die physikalische Wandlung von der magnetischen Eingangsgröße in ein elektrisches Signal vornimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kommen hierfür neben den auf dem Halleffekt basierenden zwei- und dreidimensionalen Hallsensoren auch magnetoresistive(MR-)Messwandler infrage. Der Begriff MR-Sensor ist ein Sammelbegriff für Sensoren, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien basieren. Alle MR-Prinzipien haben gemeinsam, dass sich der elektrische Widerstand des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert. Durch geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können sehr unterschiedliche Sensoren konstruiert werden, um beispielsweise einen Magnetfeld-Winkel, eine Magnetfeldstärke oder einen Magnetfeld-Gradienten zu erfassen.
Der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) tritt in ferromagnetischen Materialien auf, deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert. Die Widerstandsänderung beträgt wenige Prozent und ist schon bei schwachen Magnetfeldern nutzbar. Beim TMR-Effekt (Tunnel Magneto Resistive) ändert sich der Tunnelwiderstand zwischen zwei ferromagnetischen Schichten in Abhängigkeit des Winkels der Magnetisierung der beiden Lagen. Der Giant Magneto Resistive Effekt (GMR) wurde erst 1988 entdeckt. Der elektrische Widerstand von zwei dünnen ferromagnetischen Schichten, getrennt durch eine dünne nicht-magnetische Schicht, ändert dabei sich in Abhängigkeit vom Winkel der Magnetisierung in den beiden ferromagnetischen Schichten zueinander und liefert Widerstandsänderungen bis zu 50 %. Bei einer antiparallelen Magnetisierung ist der elektrische Widerstand am höchsten. Die Widerstandsänderung ist dabei nicht abhängig von der Stromrichtung. Durch eine Stapelung von mehreren Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Magnetisierungen werden die Kennlinien von GMR-Sensoren durch ihre Konstruktion bestimmt. Dies erlaubt eine gezielte Anpassung der Kennlinien an die Anforderungen einer speziellen Messapplikation.
Die erfindungsgemäße Verbindung der Magnetfeldsensoren über einen Datenbus hat den Vorteil, eine gegebenenfalls flexibel wählbare Anzahl von Magnetfeldsensoren ohne die Notwendigkeit einer separaten Steuer- und Berechnungseinheit zu einer hochintegrierten Magnetfeldsensoranordnung zusammenschließen zu können, um so einen erweiterten Messbereich abzudecken. Die Magnetfeldsensoranordnung kann auf einfache und kostengünstige Weise an spezielle Anwendungserfordernisse, insbesondere bezüglich der zu erfassenden Weglänge, angepasst werden. Dadurch, dass jeder Magnetfeldsensor alle erforderlichen Komponenten für seinen Betrieb und die Erfüllung der EMC/ESD- sowie der elektrischen Anforderungen beinhaltet, sind keine weiteren Komponenten erforderlich, so dass die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung ohne ein Printed Circuit Board (PCB) auskommt. Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung ist im Vergleich zu bekannten Sensorplattformen verlässlicher, robuster, benötigt weniger Teile, ist kostengünstiger in der Produktion und erfordert einen geringeren Bauraum.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der erste Magnetfeldsensor als Master konfiguriert und der mindestens eine zweite Magnetfeldsensor ist als Slave konfiguriert. Beispielsweise können bis zu sieben als Slave konfigurierte zweite Magnetfeldsensoren seriell über die Datenbusverbindung hintereinander geschaltet werden. Als Datenbusprotokoll kommen dabei alle gängigen Formate infrage, die üblicherweise für die Verbindung von Sensoren eingesetzt werden. Beispielsweise kann es sich um ein SPI (Serial Peripheral Interface)-, I²C (Inter-Integrated Circuit)- oder SENT(Single Edge Nibble Transmission)-Protokoll handeln. Vorzugsweise handelt es sich um eine bidirektionale Datenbusverbindung.
SENT (ein offener Standard, der 2008 von der Society of Automotive Engineers (SAE) freigegeben wurde, SAE J2716) ist eine relativ neue serielle Schnittstelle, die ursprünglich für den Einsatz in Automobilen vorgesehen war, sich aber auch für andere Anwendungen eignet. Zu beachten ist, dass das SENT-Protokoll als unidirektionales Ausgabeprotokoll definiert ist. Typischerweise müssen Sensoren ihre Daten in sicherheitsrelevanten Einsatzbereichen nämlich mit konstanter Datenrate ausgeben. Eine bidirektionale Kommunikation mit Bestätigungspaketen und Paketwiederholungen könnte hier zu Unterbrechungen führen. Zur Kommunikation zwischen dem als Master konfigurierten Magnetfeldsensor und dem (oder den) als Slave konfigurierten Magnetfeldsensor(en) ist daher eine zweite, bidirektionale Schnittstelle für die Kommunikation erforderlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von zweiten Magnetfeldsensoren vorgesehen sein, die seriell entlang eines Verschiebungswegs der Magnetfeldquelle angeordnet sind. Somit kann der erfindungsgemäße Weggeber an die verschiedensten räumlichen Gegebenheiten flexibel angepasst werden. Dabei können nicht nur lineare Bewegungen entlang vergleichsweise langer gerader Strecken erfasst werden, sondern auch Drehbewegungen, indem die Magnetfeldsensoren entlang eines Radius um die Drehachse eines bewegten Teils angeordnet werden.
Neben einer Master-Slave-Architektur umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Multimaster-Architektur. Der Vorteil der letztgenannten Architektur besteht darin, dass eine wechselseitige Signalauswertung stattfinden und somit ein redundantes Ausgabesignal erzeugt werden kann. Damit ist die Zuverlässigkeit des Weggebers beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungsbereiche wesentlich erhöht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der zweite Magnetfeldsensor betrieben werden kann, um ein zu dem Ausgabesignal redundantes komplementäres Ausgabesignal auszugeben.
Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich besonders leicht erreichen, wenn die Magnetfeldquelle mindestens einen Permanentmagneten umfasst.
Damit ein für externe Komponenten, beispielsweise die zentrale Steuerung eines Kraftfahrzeugs, verwertbares elektrisches Ausgabesignal ausgegeben werden kann, weist der erste Magnetfeldsensor in vorteilhafter Weise eine Ausgangstreibereinheit auf, die betrieben werden kann, um basierend auf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Positionssignal ein Ausgabesignal auszugeben.
Um eine mechanisch robuste und einfach herstellbare Verbindung der Magnetfeldsensoren untereinander zu realisieren, sind der erste Magnetfeldsensor und der mindestens eine zweite Magnetfeldsensor gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform über ein Leadframe miteinander verbunden. Dabei bezeichnet ein Leadframe eine elektrisch leitfähige, ebene oder dreidimensionale Leiterbahnstruktur, die vorzugsweise durch Stanzen und Biegen aus Metall hergestellt ist.
Zum Schutz der Magnetfeldsensoranordnung vor Umwelteinflüssen ist vorteilhafterweise ein Gehäuse vorgesehen, das alle Magnetfeldsensoren umschließt. Dieses Gehäuse kann insbesondere hermetisch dicht sein, um das Eindringen von Schmutz, Gasen und Feuchtigkeit zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensoranordnung für einen Weggeber zum berührungslosen Erfassen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und der Magnetfeldsensoranordnung in Bezug aufeinander, wobei die Magnetfeldquelle und die Magnetfeldsensoranordnung relativ zueinander beweglich sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Herstellen eines Leadframes;
Umspritzen des Leadframes mit einem Kunststoff zum Ausbilden eines Trägers;
Montieren eines ersten Magnetfeldsensors und mindestens eines zweiten Magnetfeldsensors, so dass der Leadframe einen Anschluss nach außen sowie eine bidirektionale Datenbusverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensor herstellt;
Umschließen der Magnetfeldsensoranordnung mit einem Gehäuse.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können auf einfache und kostengünstige Weise Magnetfeldsensoreinheiten produziert werden, die ganz ohne PCB auskommen, robust und präzise sind und mit vergleichsweise geringem fertigungstechnischem Aufwand an geänderte Messbereichsanforderungen angepasst werden können.
Die Verwendung von Leadframes erlaubt eine geometrisch präzise Ausrichtung der Magnetfeldsensoren mit Bezug aufeinander und mit Bezug auf äußere Gehäusestrukturen (z. B. Befestigungsmittel), die beim späteren Einbau in der Anwendungsumgebung bestimmend für die Positionsgenauigkeit sind. Alle elektrischen Verbindungen innerhalb der Magnetfeldsensoranordnung können durch thermisch und mechanisch äußerst stabile Kontaktierungsverfahren, wie zum Beispiel Schweiß- oder Lötverbindungen, gebildet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können auf dem durch den umspritzten Leadframe gebildeten Träger vollständig gehäuste Magnetfeldsensorelemente montiert werden. Dies hat den Vorteil, dass vorkonfektionierte, gegebenenfalls so als Einzelsensoren auf dem Markt befindliche, Magnetfeldsensoren ohne weitere Modifikationen eingesetzt werden können. Selbstverständlich können aber auch ungehäuste Magnetfeldsensorbauelemente auf dem umspritzten Leadframe montiert werden.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bietet schließlich außerdem den Vorteil, dass die gesamte Anordnung hermetisch abgedichtet und somit gegen das Eindringen von Schmutzgasen und Flüssigkeiten geschützt werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Weggebers, das die folgenden Schritte umfasst:
Erzeugen des ersten und mindestens einen zweiten Positionssignals durch den ersten und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensor in Abhängigkeit von einer Position der Magnetfeldquelle in Bezug auf die Magnetfeldsensoranordnung;
Übertragen des mindestens einen zweiten Positionssignals über den bidirektionalen Datenbus an den ersten Magnetfeldsensor, wobei der erste Magnetfeldsensor als Master konfiguriert ist;
Berechnen eines Ausgabesignals basierend auf dem ersten und dem zweiten Positionssignal durch den ersten Magnetfeldsensor;
Ausgeben des Ausgabesignals durch den ersten Magnetfeldsensor.
Dadurch, dass der erste Magnetfeldsensor Intelligenz besitzt, dass er die Signalverarbeitung für seine eigene Magnetfeldsonde sowie für die Magnetfeldsonde mindestens eines weiteren Magnetfeldsensors vornehmen kann, entfällt die Notwendigkeit, einen externen Master bereitzustellen, und die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung wird als kompakte Einheit universell einsetzbar für eine Vielzahl von Anwendungsumgebungen.
Eine sichere und schnelle Datenübertragung auf dem vorzugsweise bidirektionalen Datenbus zwischen den Magnetsensoren kann, wie oben bereits ausgeführt, gemäß einer Vielzahl von üblichen Protokollen erfolgen. Beispielsweise kann die Kommunikation nach einem SPI-, I²C- oder SENT-Protokoll durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin vorsehen, dass ein komplementäres Ausgabesignal durch den zweiten Magnetfeldsensor berechnet und das komplementäre Ausgabesignal zusammen mit dem eigentlichen Ausgabesignal ausgegeben wird. Auf diese Weise kann eine Redundanz erreicht werden. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungsbereichen erhöht dies die Zuverlässigkeit und Möglichkeit der Fehlererkennung.
Insbesondere, wenn nicht nur der erste Magnetfeldsensor, sondern auch der zweite Magnetfeldsensor als Master konfiguriert sind, können beide Magnetfeldsensoren eine Messung vornehmen und ihre Messsignale jeweils an den anderen Magnetfeldsensor übertragen. Beide Magnetfeldsensoren berechnen dann ein Positionssignal, indem sie beide Messsignale kombinieren. Der erste Magnetfeldsensor stellt das Ausgabesignal bereit, während der zweite Magnetfeldsensor das hierzu komplementäre Ausgabesignal erzeugt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich schließlich auch auf einen Magnetfeldsensor für einen erfindungsgemäßen Weggeber. Der Magnetfeldsensor weist dabei mindestens eine Magnetfeldsonde zum Erfassen einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes und eine Auswerteeinheit zum Auswerten eines Ausgangssignals der Magnetfeldsonde auf. Erfindungsgemäß ist mindestens eine vorzugsweise bidirektionale Kommunikationsschnittstelle zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen über eine Datenbusverbindung vorgesehen. Ein derartiger Magnetfeldsensor kann flexibel sowohl als Master wie auch als Slave konfiguriert werden. Zusätzliche externe Steuer- und Berechnungseinheiten erübrigen sich. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor auch als Einzelsensor eingebunden in eine externe Datenbusarchitektur betrieben werden und liefert in diesem Fall bereits die dem jeweiligen Kommunikationsprotokoll angepassten Signale.
In vorteilhafter Weise kann ein solcher Magnetfeldsensor als zugrundeliegendes physikalisches Prinzip entweder den Halleffekt oder einen der oben beschriebenen magnetoresistiven Effekte nutzen.
Zum Ankoppeln des Magnetfeldsensors an externe Komponenten ist in vorteilhafter Weise weiterhin ein Ausgangsanschluss, der ein Ausgabesignal ausgibt, vorgesehen. Insbesondere ist das Ausgabesignal ein pulsweitenmoduliertes (PWM), ein analoges oder ein binär kodiertes Signal, das in Antwort auf die erfasste magnetische Flussdichte des Magnetfeldes erzeugt wird. Somit kann der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor an die jeweilige Anwendungsumgebung angepasst werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Es zeigen:
1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Weggebers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeldsensors aus 1;
3 eine schematische Prinzipdarstellung einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Prinzipdarstellung einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 eine schematische Prinzipdarstellung einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine perspektivische Darstellung einer Magnetfeldsensoranordnung mit zwei Magnetfeldsensoren;
7 eine perspektivische Darstellung eines Leadframes für die Magnetfeldsensoranordnung aus 6;
8 eine perspektivische Darstellung des Leadframes aus 7 nach dem Umspritzen mit Kunststoff;
9 eine perspektivische Darstellung des umspritzten Leadframes aus 8 nach der Montage der Magnetfeldsensoren;
10 eine perspektivische Darstellung der vollständig montierten Magnetfeldanordnung;
11 ein schematisches Flussdiagramm des Messvorganges bei einer Multimaster-Architektur;
12 den Verlauf der Messsignale für eine Magnetfeldsensoranordnung mit zwei Magnetfeldsensoren, die auf dem Hallsondenprinzip basieren;
13 eine schematische Darstellung einer 3D-Hallsonde;
14 den Verlauf der erzeugten Magnetfeldkomponenten in Abhängigkeit von der Position des Permanentmagneten bezüglich einer einzelnen Hallsonde;
15 den Verlauf des aus den erzeugten Magnetfeldkomponenten berechneten Betrags des magnetischen Flusses am Ort der Hallsonde aus 13;
16 den Verlauf des aus den erzeugten Magnetfeldkomponenten berechneten Winkels α sowie den Verlauf eines linearisierten Winkels;
17 den Verlauf des Ausgangssignals der Hallsonde aus 13.
Die Erfindung soll nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden.
Vom Grundprinzip her funktioniert eine Weggeberanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wie mit Bezug auf 13 erläutert: Ein Magnetfeldsensor 100 ist ortsfest montiert, während ein Permanentmagnet 102 linear (oder entlang einer gekrümmten Bahn) beweglich mit Bezug auf den Magnetfeldsensor 100 gelagert ist. Der Permanentmagnet 102 ist beispielsweise so gepolt, dass seine Nord/Süd-Achse parallel zu der Bewegungsrichtung orientiert ist. Grundsätzlich lassen sich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung aber auch für Anordnungen anwenden, bei denen der Permanentmagnet 102 so gepolt ist, dass seine Nord/Süd-Achse quer zur Bewegungsrichtung verläuft. Der Permanentmagnet 102 kann aus der in 1 gezeigten Nulllage heraus in zwei Richtungen um einen von der jeweiligen Anwendung bestimmten Verfahrweg 104 verschoben werden.
Dabei detektiert der Magnetfeldsensor 100 im Falle, dass er durch einen Hallsensor gebildet ist, mindestens zwei orthogonale Magnetfeldkomponenten – eine, die entlang der Bewegungslinie verläuft, und eine, die quer dazu verläuft (siehe 14). Die vektorielle Addition der beiden Komponenten liefert den Betrag des Magnetfeldes |B ⇀|, wie er ins 15 dargestellt ist. Der Winkel α ist als derjenige Winkel definiert, der von dem Gesamtmagnetfeldvektor |B ⇀| mit der Senkrechten zur Bewegungsrichtung eingeschlossen wird.
Wie bereits erwähnt, berechnet sich der Winkel α aus den Magnetfeldkomponenten entlang bzw. quer zu der Bewegungsrichtung gemäß Gleichung (1): α = arctan( Bz / By) (1)
Der berechnete Winkel α wird linearisiert, um als wegproportionales Ausgangssignal OUT zur Verfügung zu stehen, wie dies in den 16 und 17 dargestellt ist.
Selbstverständlich lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf andere Magnetfeldquellen, z. B. Elektromagnete, und auf andere Magnetfeldsensoren, wie magnetoresistive Sensoren oder induktive Sensoren, übertragen.
In der vorliegenden Beschreibung werden als Magnetfeldkomponenten, die in Abhängigkeit von der Position des Permanentmagneten 102 im Magnetfeldsensor, hier einem Hallsensor 100, gemessen werden, zum Einen die Werte des Magnetfeldes entlang der Bewegungsrichtung Bz und zum Anderen die Werte des Magnetfeldes quer zur Bewegungsrichtung By verwendet. Selbstverständlich können auch die orthogonal zu By verlaufenden Werte Bx für die Berechnung verwendet werden.
Um einen erweiterten Messbereich mithilfe einer kompakten und autarken Magnetfeldsensoranordnung 106 abdecken zu können, ist gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, einen als Master konfigurierten ersten Magnetfeldsensor 108 (nachfolgend auch nur als „Master“ bezeichnet) sowie einen oder mehrere als Slave konfigurierte zweite Magnetfeldsensoren 110 (nachfolgend auch nur als „Slave“ bezeichnet) über einen Datenbus 112 miteinander zu verbinden. Wenn mehrere zweite Magnetfeldsensoren 110-1 bis 110-N vorgesehen sind, können diese, wie in 1 dargestellt, seriell miteinander verbunden werden. So sind gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sieben als Slave konfigurierte Magnetfeldsensoren 110-1 bis 110-7 kaskadiert miteinander verbunden, wobei ein Signalpfad sowohl vom Master zu den Slaves wie auch von den Slaves zum Master vorgesehen ist.
Wie dies in 1 schematisch angedeutet ist, werden die Magnetfeldsensoren 108, 110 direkt über ein Leadframe, das einzelne Leitungen 116 des Datenbusses 112 ausbildet, miteinander verbunden. Daher ist kein PCB mehr erforderlich und die Magnetfeldsensoranordnung 106 ist besonders robust und weitgehend miniaturisierbar.
Mit jedem einzelnen Magnetfeldsensor 108, 110 lässt sich ein Messbereich von etwa 30 mm abdecken. Durch Kaskadieren einer Vielzahl von Einzelsensoren kann ein entsprechend größerer erfassbarer Messbereich erzielt werden. Beispielsweise kann bei Verwendung von einem ersten Magnetfeldsensor 108 und sieben zweiten Magnetfeldsensoren 110-1 bis 110-7 ein maximaler Messbereich von etwa 240 mm überdeckt werden.
Die Magnetfeldsensoranordnung 106 hat eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 114, die der Anbindung der Magnetfeldsensoranordnung an externe Komponenten dient (in den Figuren nicht dargestellt). Wie noch mit Bezug auf 2 deutlicher wird, dient die Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 zum einen der Verbindung der Magnetfeldsensoranordnung 106 mit Masse und einer externen Leistungsversorgung, zum anderen der Ausgabe eines die Position des Magneten 102 widerspiegelnden Ausgabesignals. Das Ausgabesignal kann dabei, wie dies auch bei herkömmlichen Weggebern üblich ist, entweder ein analoges Signal, ein PWM-Signal, oder ein binärkodiertes Signal (zum Beispiel nach dem SENT-Protokoll) sein. Die Leistungsversorgung erfolgt beispielsweise durch Einspeisung einer 4 V bis 16 V Gleichspannung.
Für einen Fachmann ist aber einsichtig, dass die Übertragung der Messdaten nach außen selbstverständlich auch mithilfe von drahtlosen Techniken, z. B. einer Funkverbindung, erfolgen kann. Die für den Betrieb der Magnetfeldsensoren erforderliche Energie kann ebenfalls berührungslos (z. B. durch induktive Kopplung oder Energy Harvesting) bereitgestellt werden.
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform sind alle Magnetfeldsensoren 108, 110 gleich aufgebaut, wobei der erste Magnetfeldsensor 108 als Master und die zweiten Magnetfeldsensoren 110 als Slave konfiguriert sind. Jeder Magnetfeldsensor hat eine das Magnetfeld detektierende Magnetfeldsonde 118, die auf einem anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 120 angeordnet ist. Der ASIC 120 ist außerdem mit weiteren elektronischen Schaltungen, beispielsweise einer Steuereinheit, einer Kommunikationseinheit, Speichereinheiten und gegebenenfalls mit Spannungswandlern und Stabilisierungsschaltungen ausgestattet. Diskrete Bauelemente, wie z. B. Kondensatoren 122, können ebenfalls vorgesehen sein.
In der speziellen Ausführungsform der 1 sind drei Verbindungsleitungen 116 vorgesehen, die den Datenbus 112 ausbilden. Die Anzahl der Verbindungsleitungen 116 kann aber selbstverständlich an die speziellen Erfordernisse des Busformats und –Protokolls angepasst werden, so dass mehr oder weniger Leitungen 116 ebenfalls möglich sind. Die Magnetfeldsensoren sind erfindungsgemäß seriell kaskadiert miteinander verbunden, so dass die auf dem Bus übertragenen Daten jeweils durch alle Busteilnehmer hindurch geschleift werden. Allerdings kann durch Vorsehen entsprechender parallel verlaufender Leitungen 116 an dem Leadframe auch erreicht werden, dass ein paralleler oder ein kombinierter seriell/paralleler Bus 112 die als Slave konfigurierten Magnetfeldsensoren 110-1 bis 110-N miteinander und mit dem als Master konfigurierten Magnetfeldsensor 108 verbindet. Mögliche Datenbusprotokolle sind wie erwähnt z. B. das SPI(Serial Peripheral Interface)-, I²C(Inter-Integrated Circuit)- oder SENT(Single Edge Nibble Transmission)-Protokoll.
Wie oben bereits ausgeführt, kann die Magnetfeldsonde 118 auf jedem üblichen und zur Erfassung des Magnetfeldes geeigneten physikalischen Prinzip basieren. Beispielsweise kann ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver(MR-)Sensor, z. B. ein anisotroper magnetoresistiver(AMR-)Sensor, ein Tunnel Magneto Resistive(TMR-)Sensor oder ein Giant Magneto Resistive(GMR-)Sensor, vorteilhaft als Magnetfeldsonde 118 eingesetzt werden.
Für den Fall, dass die GMR-Technologie verwendet wird, kann auf Magnete aus seltenen Erden verzichtet werden, weil bei Verwendung einer GMR-Sonde bereits für einen Standardferromagneten ein hohes Maß an Genauigkeit gewährleistet werden kann.
Wie bereits erwähnt, können der Master und die Slaves durch identische Magnetfeldsensoren 100 gebildet werden. Die Konfiguration als Master oder Slave erfolgt erfindungsgemäß automatisch, indem während eines Konfigurierungsschritts bestimmt wird, ob die jeweiligen Verbindungsleitungen 116 offen oder angeschlossen sind. Wenn z. B. entsprechend der Anordnung in 1 für einen Magnetfeldsensor bestimmt wird, dass die auf seiner von oben gesehen linken Seite befindlichen Anschlüsse offene Anschlüsse 124 sind, wird festgelegt, dass es sich um einen Master handeln soll. Wenn die auf der linken Seite befindlichen Anschlüsse dagegen Verbindungsleitungen 116 darstellen, wird der entsprechende Magnetfeldsensor als Slave konfiguriert.
Bei einer automatischen Adressierungsroutine kann dem Master die Adresse „0x0“ zugewiesen werden. Die weiteren Magnetfeldsensoren erhalten dann die Adresse des benachbarten Magnetfeldsensors + „0x1“.
Der Master umfasst eine Signalverarbeitungseinheit, die in der Lage ist, die Signale aller Magnetfeldsonden des Arrays, d. h. der Sonden in den Slaves und seiner eigenen Sonde, zu verarbeiten und daraus ein Ausgabesignal zu erzeugen, das die Position des Permanentmagneten widerspiegelt. Die Kommunikation zwischen dem Master 108 und den Slaves 110 erfolgt über den die ICs verbindenden Kommunikationsbus 112. Die Slaves 110 müssen mindestens eine Magnetfeldsonde 118, Mittel zur Analog-Digital-Wandlung und eine digitale Kommunikationsschnittstelle für die interne Kommunikation aufweisen. Der Master 108 enthält neben der Magnetfeldsonde 118, den Mitteln zur Analog-Digital-Wandlung und der digitalen Kommunikationsschnittstelle außerdem eine Signalverarbeitungseinheit zum Kombinieren aller Sensorsignale und einen robusten Ausgangstreiber, um das berechnete Ausgabesignal an eine externe Steuereinheit auszugeben. Weiterhin umfasst der Master 108 Mittel zur Verbindung der Magnetfeldsensoranordnung 106 mit einer externen Leistungsversorgungseinheit.
Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung 106 kommt allein mit den Magnetfeldsensoren 108, 110 aus und benötigt keinerlei externe Auswerteeinheiten. Auch externe Mittel für den Überspannungsschutz, zur Signalstabilisierung, zur Sicherung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) oder zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) sind nicht erforderlich, da die erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren 108, 110 alle benötigten Komponenten beinhalten.
Obwohl die erfindungsgemäßen Prinzipien auch unter Verwendung von handelsüblichen Magnetfeldsensoren verwirklicht werden können (siehe die Ausführungsformen der 3 bis 10), schlägt die Erfindung einen für die Anordnung in einem Array besonders geeigneten Magnetfeldsensor 100 vor, der in 2 dargestellt ist.
Der Magnetfeldsensor 100 weist einen ASIC 120 auf, der als Magnetfeldsonde 118 vorzugsweise ein magnetoresistives(MR-)Sensorelement beinhaltet. Zur Verbindung mit weiteren Magnetfeldsensoren über den Datenbus 112 sind gemäß der vorliegenden Erfindung Anschlüsse 126 vorgesehen, die z. B. mit einem Leadframe verschweißt werden können. Weitere Bauelemente, z. B. Kondensatoren 122 oder Widerstände, können je nach Bedarf in dem Magnetfeldsensor 100 integriert sein. Die Magnetfeldsonde und die weiteren elektronischen Komponenten können dabei auf demselben Halbleiterbaustein angeordnet sein oder auf separaten, miteinander verbundenen Bausteinen.
Weiterhin ist der Magnetfeldsensor 100 mit einer Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 ausgestattet. Beispielsweise umfasst diese Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 vier Anschlüsse. Ein Leistungsversorgungsanschluss 128 kann mit einer externen Leistungsversorgungseinheit verbunden werden. Ein Masseanschluss 130 erlaubt die Verbindung zu einem externen Referenzpotenzial und ein Ausgabeanschluss 132 gibt das in dem Magnetfeldsensor 100 berechnete Ausgabesignal aus. Das Ausgabesignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes(PWM-)Signal sein, bei dem das Tastverhältnis die auszugebende Information über das gemessene Magnetfeld codiert. Alternativ kann auch ein analoges Signal, zum Beispiel ein analoges Spannungssignal, oder ein digitales Signal, zum Beispiel ein Signal nach dem bereits erwähnten SENT-Protokoll, ausgegeben werden. Der Anschluss Comp. Output 134 liefert ein zu dem Ausgabesignal komplementäres Ausgangssignal (z. B. ein invertiertes Ausgabesignal).
Wie bereits mit Bezug auf 1 erwähnt, kann der in 2 gezeigte Magnetfeldsensor 100 zum Aufbau eines Arrays mit erweitertem Messbereich sowohl als Master 108 wie auch als Slave 110 konfiguriert werden. Diese Konfigurierung erfolgt rein softwaremäßig, es sind keine Hardwaremodifikationen nötig. Die jeweils nicht benötigten Anschlüsse 126 oder 114 bleiben offen.
Mit Bezug auf 3 wird nachfolgend eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Weggebers gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der Weggeber einen Permanentmagneten 102 und eine Magnetfeldsensoranordnung 106 mit einem ersten Magnetfeldsensor 108 und einem zweiten Magnetfeldsensor 110. Der erste Magnetfeldsensor 108 und der zweite Magnetfeldsensor 110 sind durch identische Bauelemente, beispielsweise Hallsensoren, gebildet. Jeder der beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 besitzt fünf Anschlüsse: einen Versorgungsanschluss (Supply) und einen Masseanschluss (GND), einen Ausgangsanschluss (Output) sowie zwei Testanschlüsse (Test1 und Test2), die sowohl eine Eingabe wie auch eine Ausgabe von Signalen erlauben. Als Magnetfeldsonde 118 kann zum Beispiel ein dreidimensionaler Hallsensor verwendet werden.
Die Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 umfasst bei der gezeigten Ausführungsform nur drei Anschlüsse, nämlich den Leistungsversorgungsanschluss 128, den Masseanschluss 130 und den Ausgabeanschluss 132. Die beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 sind gemäß der in 3 gezeigten Anordnung so verschaltet, dass der erste Magnetfeldsensor 108 als Master konfiguriert ist, während der zweite Magnetfeldsensor 110 als Slave konfiguriert ist.
Wie aus 3 ersichtlich, werden die Messsignale vom Ausgang des Magnetfeldsensors 110 über den Kommunikationsbus 112 beispielsweise nach einem SENT-Protokoll an den als Master fungierenden Magnetfeldsensor 108 übertragen.
Die in 3 gezeigte Anordnung hat den Vorteil, dass der Master 108 die Daten des Slaves 110 zusammen mit den Daten seiner eigenen Magnetfeldsonde 118 auswertet und somit ein im Vergleich zu einem Einzelsensor verdoppelter Messbereich erreicht werden kann. Weiterhin können die Verbindungen zwischen den beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 und zur Ein-/Ausgabeschnittstelle als Leadframe ausgestaltet werden. Wenn beide Magnetfeldsensoren 108, 110 jeweils integrierte EMC/ESD-Schutzschaltungen beinhalten, ist in vorteilhafter Weise kein PCB erforderlich.
Die in 3 gezeigte Master-Slave-Anordnung kann mechanisch auch so gelöst werden, wie in 4 dargestellt. Dabei sind die beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 so angeordnet, dass ihre Anschlüsse einander gegenüberstehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Bei dieser Anordnung sind der erste Magnetfeldsensor 108 und der zweite Magnetfeldsensor 110 zu einer Multimaster-Architektur verschaltet. Insbesondere fungiert bei dieser Anordnung jeder der beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 sowohl als Master wie auch als Slave. Wie aus 5 erkennbar, führen beide Magnetfeldsensoren 108, 110 eine Magnetfeldmessung durch. Die erzeugten Messsignale werden über die Datenbusleitungen 112 zum jeweils anderen Magnetfeldsensor übertragen. Jeder der beiden Magnetfeldsensoren beinhaltet eine Berechnungseinheit, die aus der Kombination der beiden Messsignale die Position des Permanentmagneten 102 berechnet und ein entsprechendes Ausgabesignal erzeugt.
Dabei ist die erfindungsgemäße Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 so ausgeführt, dass auf dem Ausgabeanschluss 132 das eigentliche Positionssignal ausgegeben wird, während auf dem komplementären Ausgang 134 das hierzu komplementäre Ausgangssignal anliegt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch die gewonnene Redundanz eine zusätzliche Fehlerüberwachungsmöglichkeit geschaffen ist.
Es ist anzumerken, dass die 1 bis 5 nicht maßstäblich sind und insbesondere nicht die Größenverhältnisse zwischen dem Permanentmagneten 102 und den einzelnen Magnetfeldsensoren sowie den Anschlüssen und Schnittstellen wiedergeben.
6 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Beispiel für eine vorteilhafte Ausführungsform der mechanischen Realisierung einer Magnetfeldsensoranordnung 106. Die Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 ist hier als so genannter NanoMQS-Steckverbinder ausgeführt. Befestigungsmittel 136 erlauben das Fixieren der Magnetfeldsensoranordnung 106 an einer weiteren Komponente, zum Beispiel mithilfe einer Schraubverbindung. In vorteilhafter Weise ist die Magnetfeldsensoranordnung 106 hermetisch in einem elektrisch isolierenden Gehäuse 138 geschützt.
Die erfindungsgemäße Herstellung der Magnetfeldsensoranordnung 106 soll nachfolgend mit Bezug auf die 7 bis 10 im Detail erläutert werden.
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für eine Magnetfeldsensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beginnt mit der Bereitstellung eines Leadframes 140. Dieser wird beispielsweise durch Stanzen und Biegen aus Metall hergestellt. In der gezeigten Ausführungsform hat der Leadframe eine dreidimensionale Gestalt und beinhaltet sowohl die internen Verbindungsleitungen wie auch die nach außen geführten Anschlüsse der Ein-/Ausgabeschnittstelle 114. Ein zusätzlicher Versteifungsbügel 142 sorgt für erhöhte mechanische Stabilität. Noch sind die eigentlich getrennten Leiterbahnen durch Verbindungsstege 148 miteinander verbunden.
In einem nächsten Arbeitsschritt wird der Leadframe 140 mit Kunststoff umspritzt, so dass ein Träger 144 ausgebildet wird. Dieses Stadium zeigt 8. An dem Träger 144 sind bereits der vollständige Steckverbinder für die Ein-/Ausgabeschnittstelle 114 und die Befestigungsmittel 136 implementiert. Aufnahmen 146 erlauben die anschließende Montage der Magnetfeldsensoren 100. Der Versteifungsbügel 142 bindet mit dem ihn umgebenden Kunststoffmaterial eine Versteifungsrippe 150. Nach dem Umspritzen des Leadframes 140 werden die Verbindungsstege 148 (siehe 7) entfernt. Die einzelnen Leitungen des Leadframes sind damit elektrisch und mechanisch voneinander getrennt.
9 zeigt den Träger 144 nach der Montage der Magnetfeldsensoren 100. Die einzelnen Kontakte der Magnetfeldsensoren werden mit Anschlüssen des Leadframes 140 in vorteilhafter Weise verschweißt, zum Beispiel über eine Laserschweißung. Andere Möglichkeiten der elektrischen Verbindung, wie zum Beispiel Löten, sind selbstverständlich auch verwendbar.
Zum Abschluss des Herstellungsprozesses wird der Sensor hermetisch mithilfe einer Abdeckkappe 138, die das Gehäuse bildet, versiegelt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Träger 144 und der Abdeckkappe kann beispielsweise über eine Laserschweißung oder Ultraschallschweißung erfolgen. Andere Möglichkeiten, wie beispielsweise eine Klebung, sind selbstverständlich auch verwendbar.
11 zeigt schematisch in Form eines Signalflussplanes die Auswertung der Sensorarchitektur aus 5 den Fall, dass der erste Magnetfeldsensor 108 und der zweite Magnetfeldsensor 110 jeweils eine 3D-Hallsonde als Magnetfeldsonde 118 haben.
In einem ersten Schritt (S1101) erfasst jede Hallsonde die drei Komponenten Bx, By und Bz des Magnetfelds, das durch den Permanentmagneten 102 erzeugt wird. Im nächsten Schritt S1102 wird durch jeden der beiden Magnetfeldsensoren 108, 110 eine Korrektur der Verstärkung und des Offset vorgenommen. In Schritt S1103 wird für eine Fehlerdiagnose das erzeugte Signal zum jeweils anderen Magnetfeldsensor übertragen und es wird bestimmt, ob ein Fehler vorliegt (S1104). Falls kein Fehler detektiert wird oder aber der Fehler darauf beruht, dass genau einer der beiden Magnetfeldsensoren den Magneten nicht mehr erfassen kann (Schritte S1105 und S1106), werden die beiden in Schritt S1102 erzeugten Hallsignale in jedem der Magnetfeldsensoren 108, 110 kombiniert (Schritt S1107) und das Signal wird linearisiert (S1110). Der erste Magnetfeldsensor 108 gibt schließlich in Schritt S1108 das Ausgangssignal aus. Der zweite Magnetfeldsensor 110 führt dagegen noch eine Invertierung des Signals durch (S1109), so dass durch den zweiten Magnetfeldsensor 110 das komplementäre Ausgangssignal ausgegeben wird. Diese beiden redundanten Signale können zur Fehlerüberwachung ausgewertet werden.

Die erfindungsgemäße Kombination der Signale von zwei Hallsensoren bietet, wie aus 12 ersichtlich ist, den Vorteil, dass über einen größeren Positionsbereich hinweg in annähernd lineares Signal erzeugt werden kann. In 12 bedeutet die Kurve 1201 das Ausgangssignal des ersten Magnetfeldsensors 108, während die Kurve 1202 das Ausgangssignal des zweiten Magnetfeldsensors 110 bezeichnet. Durch die Kombination der beiden Signale 1201 und 1202 wird das Gesamtsignal 1203 gewonnen. In vorteilhafter Weise berechnet sich dieses Gesamtsignal 1203 durch die Summe der beiden Einzelsignale, dividiert durch 2. BEZUGSZEICHEN

100	Magnetfeldsensor
102	Permanentmagnet
104	Verfahrweg
106	Magnetfeldsensoranordnung
108	Erste Magnetfeldsensor (Master)
110, 110-1 ... 110-N	Zweite Magnetfeldsensor (Slave)
112	Datenbus
114	Ein-/Ausgabeschnittstelle
116	Elektrische Leitungen
118	Magnetfeldsonde
120	ASIC
122	Kondensator
124	Offener Anschluss
126	Anschluss
128	Leistungsversorgungsanschluss
130	Masseanschluss
132	Ausgabeanschluss
134	Komplementärer Ausgabeanschluss
136	Befestigungsmittel
138	Gehäuse
140	Leadframe
142	Versteifungsbügel
144	Träger
146	Aufnahme für Magnetfeldsensor
148	Verbindungssteg
150	Versteifungsrippe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012205903 B4 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard, der 2008 von der Society of Automotive Engineers (SAE) freigegeben wurde, SAE J2716 [0022]

Claims

Weggeber zum berührungslosen Erfassen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle (102) und einer Magnetfeldsensoranordnung (106) in Bezug aufeinander, wobei die Magnetfeldquelle (102) und die Magnetfeldsensoranordnung (106) relativ zueinander beweglich sind, wobei die Magnetfeldsensoranordnung (106) einen ersten Magnetfeldsensor (108) zum Erzeugen eines ersten Positionssignals und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensor (110) zum Erzeugen eines zweiten Positionssignals umfasst; wobei jeder der Magnetfeldsensoren (108, 110) mindestens eine Magnetfeldsonde (118) zum Erfassen einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes, eine Auswerteeinheit zum Auswerten eines Ausgangssignals der Magnetfeldsonde und eine Kommunikationsschnittstelle zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen umfasst, und wobei der erste und der zweite Magnetfeldsensor über einen Datenbus (112) zum Übertragen der Kommunikationssignale miteinander verbunden sind.
Weggeber nach Anspruch 1, wobei der erste Magnetfeldsensor (108) als Master konfiguriert ist und der mindestens eine zweite Magnetfeldsensor (110) als Slave konfiguriert ist.
Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vielzahl von zweiten Magnetfeldsensoren (110-1 bis 110-N) vorgesehen ist, die seriell entlang eines Verschiebungswegs der Magnetfeldquelle (102) angeordnet sind.
Weggeber nach Anspruch 1, wobei der erste Magnetfeldsensor (108) als Master konfiguriert ist und genau ein zweiter Magnetfeldsensor (110) vorgesehen ist, der identisch zu dem ersten Magnetfeldsensor ist.
Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldquelle einen Permanentmagneten (102) aufweist.
Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldsonden des ersten und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensors einen zwei- oder dreidimensionalen Hallsensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfasst.
Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfeldsensor (108) eine Ausgangstreibereinheit aufweist, die betrieben werden kann, um basierend auf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Positionssignal ein Ausgabesignal auszugeben.
Weggeber nach Anspruch 4 und 7, wobei der genau eine zweite Magnetfeldsensor (110) betrieben werden kann, um ein zu dem Ausgabesignal redundantes komplementäres Ausgabesignal auszugeben.
Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfeldsensor und der mindestens eine zweite Magnetfeldsensor über ein Leadframe (140) miteinander verbunden sind.
Weggeber nach Anspruch 8, wobei die Magnetfeldsensoranordnung ein Gehäuse (138) aufweist, das alle Magnetfeldsensoren (108, 110) umschließt.
Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensoranordnung für einen Weggeber zum berührungslosen Erfassen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und der Magnetfeldsensoranordnung in Bezug aufeinander, wobei die Magnetfeldquelle und die Magnetfeldsensoranordnung relativ zueinander beweglich sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines Leadframes; Umspritzen des Leadframes mit einem Kunststoff zum Ausbilden eines Trägers; Montieren eines ersten Magnetfeldsensors und mindestens eines zweiten Magnetfeldsensors, so dass der Leadframe einen Anschluss nach außen sowie eine bidirektionale Datenbusverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensor herstellt; Umschließen der Magnetfeldsensoranordnung mit einem Gehäuse.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste und der mindestens eine zweite Magnetfeldsensor durch ein gehäustes Sensorelement gebildet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Weggebers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen des ersten und mindestens einen zweiten Positionssignals durch den ersten und mindestens einen zweiten Magnetfeldsensor in Abhängigkeit von einer Position der Magnetfeldquelle in Bezug auf die Magnetfeldsensoranordnung; Übertragen des mindestens einen zweiten Positionssignals über den bidirektionalen Datenbus an den ersten Magnetfeldsensor, wobei der erste Magnetfeldsensor als Master konfiguriert ist; Berechnen eines Ausgabesignals basierend auf dem ersten und dem zweiten Positionssignal durch den ersten Magnetfeldsensor; Ausgeben des Ausgabesignals durch den ersten Magnetfeldsensor.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei über den bidirektionalen Datenbus eine Kommunikation nach einem SPI-, I²C- oder SENT-Protokoll durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, weiterhin umfassend die Schritte: Berechnen eines komplementären Ausgabesignals; Ausgeben des komplementären Ausgabesignals durch den zweiten Magnetfeldsensor.
Magnetfeldsensor für einen Weggeber, wobei der Magnetfeldsensor (100, 108, 110) aufweist: eine Magnetfeldsonde (118) zum Erfassen einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes, eine Auswerteeinheit zum Auswerten eines Ausgangssignals der Magnetfeldsonde und mindestens eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle (112) zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen über eine Datenbusverbindung.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 16, wobei die Magnetfeldsonde einen zwei- oder dreidimensionalen Hallsensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfasst.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 16 oder 17, wobei weiterhin ein Ausgangsanschluss (132) zum Ausgeben eines Ausgabesignals vorgesehen ist und das Ausgabesignal ein pulsweitenmoduliertes, analoges oder binär kodiertes Signal ist, das in Antwort auf die erfasste magnetische Flussdichte des Magnetfeldes erzeugt wird.