DE102017203676B4

DE102017203676B4 - Magnetischer absoluter Positionssensor

Info

Publication number: DE102017203676B4
Application number: DE102017203676.1A
Authority: DE
Inventors: Walter Mehnert; Thomas Theil
Original assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2037-03-08
Also published as: DE102017203676A1; US10295373B2; US20170343385A1

Abstract

Positionssensor (1000) zum Bestimmen der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe eines Gegenstandes und der präzisen Stellung des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung, wobei der Positionssensor (1000) aufweist:ein Wiegandmodul (1100), das aus einem Wieganddraht (1101) mit einer den Wieganddraht (1101) umschließenden Spule aufgebaut ist;einen magnetischen Zwischenspeicher (MZ);ein erstes Sensorelement (a bis d);eine Verarbeitungselektronik (3100, 3200), die eingerichtet ist, ein von dem ersten Sensorelement (a bis d) ausgegebenes Ausgangssignal und eine in dem magnetischen Zwischenspeicher (MZ) gespeicherte Information auszuwerten oder zu bestimmen, wobei der magnetische Zwischenspeicher (MZ) durch ein mit der Verarbeitungselektronik (3100, 3200) verbundenes Hallelement (HM) ausgelesen wird; undeine Permanentmagnetanordnung (1200), die relativ zu dem Wiegandmodul (1100) in einer Richtung sowie einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegbar ist, wobei die Permanentmagnetanordnung (1200) eingerichtet ist, an dem Gegenstand derart angeordnet zu werden, dass die Permanentmagnetanordnung (1200) die sich wiederholenden Bewegungsabläufe zusammen mit dem Gegenstand durchführt; wobeibei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls (1100) einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls (1100) den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) an einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Position befindet;bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) die Magnetpole der Permanentmagnetanordnung (1200) den magnetischen Zwischenspeicher (MZ) passieren, sodass der magnetische Zwischenspeicher (MZ) Information speichert, die angibt, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) den magnetischen Zwischenspeicher (MZ) zuletzt passiert hat;in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor (1000) nicht mit Fremdenergie versorgt wird, die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) mit Energie versorgt wird, die von dem Wiegandmodul (1100) geliefert wird;die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) eingerichtet ist, nach Feststellen des von dem Wiegandmodul (1100) ausgegebenen Spannungsimpulses, durch das Auswerten des Ausgangsignals des ersten Sensorelementes (a bis d) einen Wert, der der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung (1200) entspricht, zu ermitteln;in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor (1000) mit Fremdenergie versorgt wird, die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) ferner eingerichtet ist, durch das Auswerten des Ausgangssignals entweder des ersten Sensorelementes (a bis d) oder eines zweiten Sensorelementes (A bis D), welches unterschiedlich ist zu dem ersten Sensorelement (a bis d), kontinuierlich Stellungsinformation über die präzise Stellung der Permanentmagnetanordnung (1200) in Bezug auf die Referenzstellung zu erhalten, die Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert zu kombinieren und die kombinierte Information auszugeben; undwenn die Fremdenergieversorgung nach einem Wegfall wieder hergestellt wird, das Kombinieren der Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert unter Berücksichtigung der in dem magnetischen Zwischenspeicher (MZ) gespeicherten Information erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen absoluten Positionssensor, insbesondere einen Positionssensor zum Bestimmen der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe eines Gegenstandes und der präzisen Stellung des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung.
Aus dem Stand der Technik ist ein magnetischer absoluter Positionssensor aus den Dokumenten DE 10 2007 039 051 A1 und DE 10 2011 002 179 A1 bekannt.
WO 2013 / 164 361 A1 betrifft einen energieautarken Multiturn-Drehgeber und Verfahren zur Ermittlung einer eindeutigen Position einer Geberwelle mit dem Multiturn-Drehgeber.
EP 2 221 587 A2 betrifft einen absoluten magnetischen Positionsgeber.
DE 10 2007 039 050 A1 offenbart einen Linearsegment- oder Umdrehungszähler mit einem ferromagnetischen Element.
WO 2004 / 046 735 A1 betrifft einen Positionsdetektor.
EP 2 515 084 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung für das Erfassen von Bewegungen eines Körpers mittels eines Segmentzählers und eines Feinpositionssensors.
Das Dokument DE 10 2007 039 051 A1 beschreibt einen rotatorischen absoluten Positionssensor, der in der Lage dazu ist, zum einen eine Winkelstellung eines Permanentmagneten zu bestimmen und zum anderen eine Anzahl von Umdrehungen des Permanentmagneten zu zählen sowie einen der Anzahl entsprechenden Wert in einem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen. Aus dem der Anzahl entsprechenden Wert und der aktuellen Winkelstellung kann die absolute Position des Permanentmagneten ermittelt werden.
Steht eine Fremdenergieversorgung zumindest zeitweise nicht zur Verfügung ist der beschriebene Sensor in der Lage dazu, die Anzahl von Umdrehungen kontinuierlich weiterzuzählen und in dem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen. Die hierfür notwendige Energie erhält der Sensor aus einem Wiegandmodul, das in Abhängigkeit von der Frequenz der Umdrehungen des Permanentmagneten in bestimmten zeitlichen Abständen Spannungsimpulse liefert, die neben der Energieversorgung zur Zählung der Umdrehungen verwendet werden.
Solange die Fremdenergieversorgung nicht zur Verfügung steht, wird die Winkelstellung des Permanentmagneten nicht bestimmt.
Wird die Fremdenergieversorgung wieder eingeschaltet bzw. steht diese wieder zur Verfügung, kann die Winkelstellung des Permanentmagneten sofort bestimmt werden.
Um die absolute Position des Permanentmagneten wieder zu erhalten, ist es notwendig, den in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegten Wert mit der Winkelstellung zu synchronisieren.
Hierbei besteht die folgende Problematik.
Kommt es nach Erzeugung des Spannungsimpulses durch das Wiegandmodul unmittelbar zu einer Änderung der Bewegungsrichtung des Permanentmagneten besteht die Gefahr, dass der nächste Spannungsimpuls, der regulär auftreten müsste, verkümmert ist, und deshalb nicht erkannt wird. Wenn der Sensor bzw. der Permanentmagnet anschließend in einem bestimmten (ungünstigen) Winkelbereich zum Stehen kommt und die Fremdenergie abgeschaltet wird, kann eine Synchronisation bei Wiederherstellung der Fremdenergieversorgung und Wiederaufnahme des Betriebes des Sensors nicht zuverlässig durchgeführt werden, weil keine Eindeutigkeit darüber besteht, auf welchem Weg der Permanentmagnet in seine letzte Stellung gekommen ist.
Die entstandene Ungewissheit könnte durch Weiterbewegen des Permanentmagneten und durch Erfassen des nächsten durch das Wiegandmodul erzeugten Spannungsimpulses aufgehoben werden. Jedoch ist es nicht immer möglich, den Permanentmagneten weiter zu bewegen. In diesem Fall ist es notwendig, auf andere Weise herauszufinden, über welchen Weg der Permanentmagnet in seine aktuelle Stellung gekommen ist, um einen fehlerfreien Positionssensor zu schaffen.
In diesem Zusammenhang schlägt das Patentdokument DE 10 2011 002 179 A1 vor, die Magnetisierungsrichtung des Wieganddrahtes auszuwerten, um die Information über den Bewegungsweg zu erhalten.
Dies wird zum einen durch einen die Magnetisierungsrichtung des Wieganddrahtes detektierenden Magnetsensor, der in der Nähe des Wieganddrahtes angeordnet ist, durchgeführt.
Zum anderen besteht die Möglichkeit, die um den Wieganddraht gewickelte Spule zur Ummagnetisierung des Wieganddrahtes zu bestromen und die hierfür notwendige Stromstärke auszuwerten.
Beide Varianten haben allerdings Nachteile.
Die Remanenz des Wieganddrahtes ist sehr klein, so dass der Magnetsensor sehr genau sein muss, um die Magnetisierungsrichtung des Wieganddrahtes detektieren zu können.
Das Bestromen der um den Wieganddraht gewickelten Spule hingegen bedingt zusätzliche Bauteile und damit Kosten.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen absoluten Positionssensor zu schaffen, der einfach und effizient synchronisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem absoluten Positionssensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein erfindungsgemäßer Positionssensor zum Bestimmen der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe eines Gegenstandes und der präzisen Stellung des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung :

ein Wiegandmodul, das aus einem Wieganddraht mit einer den Wieganddraht umschließenden Spule aufgebaut ist,
einen zu dem Wiegandmodul zusätzlichen magnetischen Zwischenspeicher;
ein erstes Sensorelement,
eine Verarbeitungselektronik, die eingerichtet ist, ein von dem ersten Sensorelemente ausgegebenes Ausgangssignal und eine in dem magnetischen Zwischenspeicher gespeicherte Information auszuwerten oder zu bestimmen; und
eine Permanentmagnetanordnung, die relativ zu dem Wiegandmodul in einer Richtung sowie einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegbar ist, wobei die Permanentmagnetanordnung eingerichtet ist, an dem Gegenstand derart angeordnet zu werden, dass die Permanentmagnetanordnung die sich wiederholenden Bewegungsabläufe zusammen mit dem Gegenstand durchführt; wobei
bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Position befindet.

Die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe des Gegenstandes, die durch den Positionssensor bestimmt wird, entspricht vorzugsweise der Anzahl von sich wiederholenden Umdrehungen des Gegenstandes.
Die Permanentmagnetanordnung kann einen oder mehrere Magnete - allgemein ausgedrückt 2n Magnete (mit n=1,2,3,...,m) - aufweisen.
Durch die Relativbewegung der Permanentmagnetanordnung bezüglich des Wiegandmoduls kommt es zu einer Änderung des von dem Wiegandmodul wahrgenommenen Magnetfeldes der Permanentmagnetanordnung. Der Wieganddraht, bevorzugt aus Vicalloy gefertigt, ist insbesondere/vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Kern mit einer hartmagnetischen Schale ausgebildet. Diese Ausbildung führt zu einer dahingehenden physikalischen Charakteristik des Wiegandmoduls bzw. des Wieganddrahtes, dass es ab einer bestimmten Amplitude des Magnetfeldes zu einer schlagartigen Änderung der Ausrichtung der Weißschen Bezirke/magnetischen Domänen des Wieganddrahtes kommt (makroskopischer Barkhauseneffekt). Diese Änderung führt wiederum zu der Erzeugung des Spannungsimpulses in der Spule des Wiegandmoduls. In Abhängigkeit davon, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, d.h. in der einen Richtung oder in der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung, befindet sich der Nord- oder Südpol der Permanentmagnetanordnung bei Erzeugung des Spannungsimpulses an der genannten ersten oder zweiten Position. Der genannte Spannungsimpuls wird insbesondere/vorzugsweise dann erhalten, wenn - ausgehend von dem Zustand, dass Kern und Schale die gleiche magnetische Ausrichtung haben - die Weißschen Bezirke/magnetischen Domänen des weichmagnetischen Kerns bei Erreichen der Amplitude des Magnetfeldes ihre Ausrichtung schlagartig ändern. Bei weiterer Bewegung der Permanentmagnetanordung in der gleichen Richtung kommt es durch die weitere Zunahme der Amplitude auch zu einer entsprechenden Änderung der Weißschen Bezirke/magnetischen Domänen der hartmagnetischen Schale. Der dabei erzeugte Impuls ist allerdings sehr viel kleiner und wird vorzugsweise nicht ausgewertet.
Allgemein ausgedrückt ist unter dem Wieganddraht vorzugsweise ein Draht mit einer hartmagnetischen Schale und einem weichmagnetischen Kern oder vorzugsweise einer weichmagnetischen Schale und einem hartmagnetischen Kern zu verstehen, der in dem bestimmungsgemäßen Betrieb des erfindungsgemäßen Positionssensor bevorzugt bipolar/symmetrisch betrieben wird, d.h. die Weißschen Bezirke/magnetischen Domänen sowohl der Schale als auch des Kerns ändern ihre Ausrichtung durch Änderung der Amplitude und Ausrichtung des Magnetfeldes der Permanentmagnetanordung.
Bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung passieren die Magnetpole der Permanentmagnetanordnung den magnetischen Zwischenspeicher, sodass der magnetische Zwischenspeicher Information speichert, die angibt, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung den magnetischen Zwischenspeicher zuletzt passiert hat.
In einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor nicht mit Fremdenergie versorgt wird, wird die Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt, die von dem Wiegandmodul geliefert wird.
Die von dem Wiegandmodul gelieferte Energie wird in einem Energiespeicher, bevorzugt in einem Kondensator, zwischengespeichert. Der Energiespeicher wiederum versorgt die Verarbeitungselektronik mit der entsprechend gespeicherten Energie.
Die Verarbeitungselektronik ist eingerichtet, nach Feststellen des von dem Wiegandmodul ausgegebenen Spannungsimpulses, durch das Auswerten des Ausgangsignals des ersten Sensorelementes einen Wert, der der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung entspricht, zu ermitteln.
Bestimmt die Verarbeitungselektronik durch Auswerten des Ausgangsignals des ersten Sensorelementes nach Feststellen des Spannungsimpulses beispielsweise, dass sich einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung an der ersten Position befindet, wird aufgrund der Funktionsweise des Wieganddrahtes daraus geschlossen, dass sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung bewegt. Bestimmt die Verarbeitungselektronik nach Feststellen des Spannungsimpulses allerdings, dass sich einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung an der zweiten Position befindet, wird daraus geschlossen, dass sich die Permanentmagnetanordnung in der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt. Somit kann die Verarbeitungselektronik aufgrund des Ausgangssignals des ersten Sensorelementes Richtungsinformationen darüber erhalten, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die Verarbeitungselektronik kann nach Feststellen des Spannungsimpulses zusätzlich Magnetpolinformationen darüber erhalten, ob sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung an der ersten Position oder zweiten Position befindet. Diese Magnetpolinformationen können durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Sensorelementes oder durch das Bestimmen der Polarität des von der Spule des Wiegandmoduls erzeugten Spannungsimpulses erhalten werden.
Auf Basis der erhaltenen Richtungsinformationen und Magnetpolinformationen bestimmt die Verarbeitungselektronik die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe des Gegenstandes. Der entsprechende Wert wird vorzugsweise in einem Datenspeicher abgespeichert.
Die Auflösung der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe hängt von der Anzahl der Permanentmagnete bzw. der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung ab. Beträgt der oben genannte Parameter n=1, ist die Auflösung 0.5. Bei Erhöhung des Parameters n, erhöht sich die Auflösung entsprechend.
Bevorzugt ist die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet, die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe richtungsabhängig zu bestimmen. D.h. der einen Richtung und der entgegengesetzten Richtung ist ein Vorzeichen zugeordnet, sodass die durch die Verarbeitungselektronik erhaltenen Richtungsinformationen vorzeichenbehaftet sind und die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe in Abhängigkeit von der Richtung, in die sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, entweder erhöht oder vermindert wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungselektronik dazu eingerichtet sein, den Betrag der sich wiederholenden Bewegungsabläufe richtungsunabhängig zu bestimmen. D.h. die durch die Verarbeitungselektronik erhaltenen Richtungsinformationen sind nicht vorzeichenbehaftet, sodass die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe unabhängig von der Richtung, in die sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, erhöht wird.
In einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Fremdenergie versorgt wird, ist die Verarbeitungselektronik ferner eingerichtet, durch das Auswerten des Ausgangssignals entweder des ersten Sensorelementes oder eines zweiten Sensorelementes kontinuierlich Stellungsinformation über die präzise Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf die Referenzstellung zu erhalten, die Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert zu kombinieren, und die kombinierte Information auszugeben.
Das erste Sensorelement kann so ausgestalltet sein, dass sein Ausgangssignal sowohl zur Ermittlung des Wertes, der die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe angibt, als auch zur Ermittlung der Stellungsinformation über die präzise Stellung ausgewertet wird. Beispielsweise kann es sich in diesem Fall bei dem ersten Sensorelement um GMR- und/oder AMR-Elemente, die, bevorzugt gleichzeitig, zwei zueinander phasenverschobene Sinussignale (bsp. Sinussignal und Kosinussignal) liefern, oder um mindestens zwei Hallelemente, die, bevorzugt gleichzeitig, ebenfalls zueinander phasenverschobene Sinussignale (bsp. Sinussignal und Kosinussignal) liefern, handeln.
Alternativ hierzu kann das erste Sensorelement ausschließlich für die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe angibt, und das zweite Sensorelement ausschließlich für die Ermittlung der Stellungsinformation über die präzise Stellung dienen. In diesem Fall kann es sich bei dem ersten Sensorelement beispielsweise um ein einziges Hallelement, eine Vielzahl von Hallelementen oder um eine zusätzliche um den Wieganddraht gewickelte zusätzliche Spule handeln. Bei dem zweiten Sensorelement kann es sich in diesem Fall um aus dem Stand der Technik bekannte Sensorelemente handeln, wie beispielsweise: optische Sensorelemente; (ii) induktive Sensorelemente; (iii) kapazitive Sensorelemente; und (iv) resistive Sensorelemente.
Die kontinuierliche Stellungsinformation über die präzise Stellung der Permanentmagnetanordnung wird durch das Ausgangssignal des ersten oder zweiten Sensorelementes ermittelt. Somit dient das entsprechende Sensorelement der Feinauflösung des Positionssensors.
Die kontinuierliche Stellungsinformation über die präzise Stellung des Gegenstandes wird erhalten, wenn der Positionssensor sich in dem nicht-autonomen Modus befindet, in dem das entsprechende Sensorelement mit der Fremdenergie versorgt wird.
Der erfindungsgemäße Positionssensor ist deshalb als absoluter Positionssensor zu betrachten, weil er selbst bei Ausfall der Fremdenergieversorgung den Wert der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe weiter ermitteln kann und, nachdem die Fremdenergieversorgung wieder zur Verfügung steht, aus dem ermittelten Wert und der aktuellen präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf die Referenzstellung die absolute Position der Permanentmagnetanordnung ermitteln kann.
Wenn die Fremdenergieversorgung nach einem Wegfall wieder hergestellt wird, erfolgt das Kombinieren der Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert unter Berücksichtigung der in dem magnetischen Zwischenspeicher gespeicherten Information.
Wenn sich der erfindungsgemäße Positionssensor in dem autonomen Modus befindet und bestimmte Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung auftreten, kann der Fall eintreten, dass das Wiegandmodul verkümmerte Spannungsimpulse liefert.
Geht der erfindungsgemäße Positionssensor nach einem verkümmerten Spannungsimpuls in den nicht-autonomen Modus über, kann die Permanentmagnetanordnung sich in Stellungen befinden, in die sie auf verschiedenen Wegen gelangen konnte.
Um diesen Weg zu ermitteln, wird die in dem magnetischen Zwischenspeicher gespeicherte Information verwendet, die angibt, welcher der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung den magnetischen Zwischenspeicher zulässt passiert hat, also in welche Richtung sich die Permanentmagnetanordnung bewegt hat, um in ihre aktuelle Stellung zu kommen.
Unter Berücksichtigung der in dem magnetischen Zwischenspeicher gespeicherten Information kann das Kombinieren der Stellungsinformation mit dem Wert der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe fehlerfrei durchgeführt werden.
Weiterhin bevorzugt wird die in dem magnetischen Zwischenspeicher gespeicherte Information als ein einziges Bit gespeichert.
Weiterhin bevorzugt ist der magnetische Zwischenspeicher in Abhängigkeit davon, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung ihn zuletzt passiert hat, in einem von zwei Magnetisierungszuständen magnetisiert.
Der Magnetisierungszustand des magnetischen Zwischenspeichers gibt zuverlässig an, welcher Magnetpol der Permanentmagnetanordnung ihn zuletzt passiert hat. Der Magnetisierungszustand des magnetischen Zwischenspeichers bleibt erhalten, solange der andere Magnetpol der Permanentmagnetanordnung nicht den magnetischen Zwischenspeicher passiert und somit den Magnetisierungszustand geändert hat.
Weiterhin bevorzugt wird der magnetische Zwischenspeicher durch ein mit der Verarbeitungselektronik verbundenes Hallelement ausgelesen.
Das Hallelement ist derart zu dem magnetischen Zwischenspeicher räumlich angeordnet, dass es den Magnetisierungszustand des magnetischen Zwischenspeichers detektieren kann.
Weiterhin bevorzugt ist der magnetische Zwischenspeicher ein Metallelement.
Vorzugsweise ist das Metallelement ein ferromagnetisches Element, aus beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt. Der magnetische Zwischenspeicher ist somit ein einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges Bauteil, das einfach realisiert werden kann.
Weiterhin bevorzugt hat das Material, aus dem das Metallelement gebildet ist, eine höhere Remanenz als der Wieganddraht.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Verarbeitungselektronik das erste Sensorelement, das zweite Sensorelement, den magnetischen Zwischenspeicher und einen Mikrocontroller zum Ermitteln der Stellungsinformation.
Außerdem kann noch folgendes zu den Sensorelementen ausgeführt werden.
Das erste Sensorelement ist beispielsweise die zusätzliche den Wieganddraht umschließende zusätzliche Spule, und die Verarbeitungselektronik ist eingerichtet, die Richtungsinformationen zu erhalten, indem sie ein zeitliches Auftreten des Ausgangssignals der zusätzlichen Spule in Bezug auf den Spannungsimpuls auswertet.
Insbesondere ist die zusätzliche Spule gegenüber der Spule des Wiegandmoduls räumlich versetzt.
Die Verarbeitungselektronik ist eingerichtet, das zeitliche Auftreten des Ausgangssignals bzw. des Spannungsimpulses der zusätzlichen Spule gegenüber dem Spannungsimpuls der Spule des Wiegandmoduls auszuwerten und hierauf basierend zu bestimmen, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die Magnetpolinformationen erhält die Verarbeitungselektronik durch Auswerten der Polarität entweder des Spannungsimpulses der Spule des Wiegandmoduls oder des Spannungsimpulses der zusätzlichen Spule.
Alternativ kann das erste Sensorelement zumindest ein erstes Hallelement sein, wobei das erste Hallelement derart angeordnet ist, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelementes die Richtungsinformationen erhält.
Wie im Vorhergehenden erläutert wurde, ändern die magnetischen Domänen des Wieganddrahtes schlagartig ihre Ausrichtung, wenn (i) sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung bewegt und einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung die erste Position erreicht, oder wenn (ii) sich die Permanentmagnetanordnung in der zu der einen entgegengesetzten Richtung bewegt und einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung die zweite Position erreicht.
Die Anordnung des ersten Hallelementes ist bevorzugt so gewählt, dass nach Feststellen des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls das erste Hallelement (i) kein Ausgangssignal liefert, wenn sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung bewegt und sich einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung an der ersten Position befindet, und (ii) ein Ausgangssignal liefert, wenn sich die Permanentmagnetanordnung in der zu der einen entgegengesetzten Richtung bewegt und sich einer der Magnetpole der Permanentmagnetanordnung an der zweiten Position befindet.
Alternativ kann das erste Hallelement auch so angeordnet sein, dass es unabhängig von der Richtung, in der sich die Permanentmagnetanordung bewegt, nach Feststellen des Spannungsimpulses immer ein Ausgangssignal liefert. Die Verarbeitungselektronik wertet in diesem Fall für den Erhalt der Richtungsinformationen das Ausgangssignal des ersten Hallelementes dadurch aus, dass sie den durch das erste Hallelement erkannten Magnetpol in Beziehung mit der Polarität des Spannungsimpulses setzt.
Besonders bevorzugt beinhaltet das erste Sensorelement ein zweites Hallelement, wobei das erste Hallelement und das zweite Hallelement derart angeordnet sind, dass die Verarbeitungselektronik (i) durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelementes und des Ausgangssignals des zweiten Hallelementes die Richtungsinformationen redundant erhält, und (ii) durch das Bestimmen der Polarität des von der Spule des Wiegandmoduls erzeugten Spannungsimpuls, durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelementes und durch das Auswerten des Ausgangssignals des zweiten Hallelementes die Magnetpolinformationen redundant erhält.
Wie erwähnt können das erste und zweite Hallelement auch zusätzlich zur Ermittlung der Stellungsinformation über die präzise Stellung der Permanentmagnetanordung dienen.
Die Hallelemente und die Verarbeitungselektronik (bis auf den magnetischen Zwischenspeicher, wenn dieser aus dem einfachen Matallelement gebildet ist) sind bevorzugt zusammen in einer gemeinsamen integrierten Schaltung auf einem Messsubstrat integriert, die entweder auf einer einheitlichen Integrationstechnologie, beispielsweise der CMOS-Technologie, oder unterschiedlichen Integrationstechnologien, beispielsweise der CMOS- und der FRAM-Technologie, basiert.
Besonders bevorzugt ist der magnetische Zwischenspeicher (und bevorzugt auch das entsprechende zum Auslesen des Zwischenspeichers vorgesehene Hallelement) so angeordnet, dass er das zur Ermittlung der präzisen Stellung vorgesehene Sensorelement nicht beeinträchtigt bzw. für die Ermittlung der präzisen Stellung der Permanentmagetanordung kein Störfeld erzeugt. Hierfür kann der Zwischenspeicher und das entsprechende Hallement auch auf einem gesonderten entsprechend entfernten Chip angeordnet sein.
In dem autonomen Modus werden das erste und zweite Hallelement und die Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt, die von dem Wiegandmodul geliefert wird.
Das erste Hallelement und das zweite Hallelement sind derart angeordnet, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements zumindest redundante Richtungsinformationen darüber erhält, ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die Verarbeitungselektronik wertet die Ausgangssignale der Hallelemente für den Erhalt der redundanten Richtungsinformationen bevorzugt aus, indem die Ausgangssignale bzw. Ausgangsspannungen der Hallelemente mit entsprechend festgelegten Spannungsschwellen verglichen werden.
Bevorzugt sind das erste Hallelement und das zweite Hallelement derart angeordnet, dass die Verarbeitungselektronik durch das Auswerten des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls, des Ausgangssignals des ersten Hallelements und des Ausgangssignals des zweiten Hallelements redundante Richtungs- und Magnetpolinformationen darüber erhält, ob sich der Nord- oder Südpol an der ersten oder zweiten Position befindet und ob sich die Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung oder der entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die genannten redundanten Richtungs- und Magnetpolinformationen werden insbesondere von der Verarbeitungselektronik dann erhalten, wenn das erste Hallelement und das zweite Hallelement so angeordnet sind, dass sie in Abhängigkeit davon, ob sich der Nord- oder Südpol nach Feststellen des Spannungsimpulses an der ersten oder zweiten Position befindet, (betragsmäßig, in der Signalstärke) unterschiedlich hohe Ausgangssignale ausgeben.
Besonders bevorzugt ist das erste Hallelement der ersten Position entsprechend und das zweite Hallelement der zweiten Position entsprechend angeordnet.
Anders ausgedrückt gibt das erste Hallelement bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung in der einen Richtung ein dem Nord- oder Südpol entsprechendes Ausgangssignal bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses des Wiegandmoduls aus, wobei das zweite Hallelement bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses kein Ausgangssignal ausgibt. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung, d.h. wenn sich die Permanentmagnetanordnung in der entgegengesetzten Richtung bewegt, gibt das zweite Hallelement ein dem Nord- oder Südpol entsprechendes Ausgangssignal bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses aus, wobei das erste Hallelement bei Auftreten bzw. nach Feststellen des Spannungsimpulses kein Ausgangssignal liefert.
Die redundanten Richtungsinformationen bezüglich der Bewegungsrichtung der Permanentmagnetanordnung können von der Verarbeitungselektronik durch Auswertung der unterschiedlichen Ausgangssignale der Hallelemente gewonnen werden, wohingegen die redundanten Magnetpolinformationen bezüglich der Polarität der Permanentmagnetanordnung, d.h. ob Nord- oder Südpol sich an der ersten oder zweiten Position befindet, von der Verarbeitungselektronik durch das Ausgangssignal des der entsprechenden Position zugeordneten Hallelements und der Polarität des von dem Wiegandmodul ausgegebenen Spannungsimpulses erhalten werden.
Alternativ werden die genannten redundanten Richtungs- und Magnetpolinformationen insbesondere von der Verarbeitungselektronik dann erhalten, wenn das erste Hallelement und das zweite Hallelement so angeordnet sind, dass sie in Abhängigkeit davon, ob sich der Nord- oder Südpol nach Feststellen des Spannungsimpulses an der ersten oder zweiten Position befindet, (betragsmäßig, in der Signalstärke) gleichhohe Ausgangssignale ausgeben.
Die Verarbeitungselektronik wertet in diesem Fall für den Erhalt der redundanten Richtungsinformationen die Ausgangssignale des ersten und zweiten Hallelementes dadurch aus, dass sie den durch das erste Hallelement erkannten Magnetpol in Beziehung mit der Polarität des Spannungsimpulses setzt und gleichermaßen den durch das zweite Hallelement erkannten Magnetpol in Beziehung mit der Polarität des Spannungsimpulses setzt.
Die redunanten Magnetpolinformationen werden durch Auswerten des Ausgangssignals des ersten und/oder zweiten Hallements und der Polarität des von dem Wiegandmodul ausgegebenen Spannungsimpulses erhalten.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Positionssensor so ausgestaltet ist, dass er eine absolute Position eines rotierenden Permanentmagneten detektieren kann;
2 zeigt schematisch den elektronischen Aufbau des absoluten Positionssensor gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionssensors 1000,
Der Positionssensor 1000 beinhaltet ein Wiegandmodul 1100, das zum einen einen Wieganddraht 1101 und zum anderen eine nicht dargestellte um den Wieganddraht 1101 verlaufende bzw. gewickelte Spule aufweist, und eine Permanentmagnetanordnung 1200, die in dieser bevorzugten Ausführungsform aus einem quaderförmigen Permanentmagneten 1201 aufgebaut ist. Der Permanentmagnet 1201 kann auch zylinderförmig sein oder jede andere regelmäßige Form aufweisen.
Die Permanentmagnetanordnung 1200 ist derart drehbar gelagert, dass sich ein Nordpol N und ein Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 um eine Drehachse DA drehen können. Die Drehrichtung kann entweder in einer Richtung, beispielsweise dem Uhrzeigersinn, oder in einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung, dem Gegenuhrzeigersinn, erfolgen. Die Permanentmagnetanordnung 1200 wird bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Positionssensors 1000 an einem zu überwachenden rotierenden Gegenstand so befestigt, dass die Drehachse DA der Permanentmagnetanordnung 1200 der Drehachse des Gegenstandes entspricht und sich somit die Permanentmagnetanordnung 1200 zusammen mit dem zu überwachenden Gegenstand dreht.
Der Wieganddraht 1101 ist aus weichmagnetischen Kern und einer hartmagnetischen Schale aufgebaut. Bei Rotation der Permanentmagnetanordnung 1200 ändern die Domänen bzw. Weißschen Bezirke des Wieganddrahtes 1101 ab einer bestimmten Änderung bzw. Drehung des Magnetfeldes ihre Orientierung schlagartig, wodurch es als Folge hieraus zu einem Spannungsimpuls, der von der um den Wieganddraht 1101 gewickelten Spule erzeugt wird, kommt. Aufgrund der Ausbildung des Wieganddrahtes 1101 aus weich- und hartmagnetischen Bereichen (Kern und Schale) erfolgt die schlagartige Änderung der Orientierung der Domänen in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Permanentmagnetanordnung 1200 in verschiedenen Stellungen der Permanentmagnetanordnung 1200.
Dreht sich die Permanentmagnetanordnung 1200 ausgehend von einer Stellung, in der eine Längsachse des quaderförmigen Permanentmagneten parallel zu einer Längsachse LAW des Wiegandmoduls 1100 ausgerichtet ist, beispielsweise im Uhrzeigersinn, kommt es zu der schlagartigen Änderung der Orientierung der Domänen nach Drehung des quaderförmigen Permanentmagneten 1201 um ca. 135°. In dieser Stellung des Permanentmagneten 1201 befindet sich entweder der entsprechende Nordpol N oder der Südpol S an einer ersten Position.
Dreht sich die Permanentmagnetanordnung 1200 im Gegensatz hierzu ausgehend von der erläuterten Ausgangsstellung im Gegenuhrzeigersinn, kommt es wiederum zu der schlagartigen Änderung der Orientierung der Domänen nach Drehung des quaderförmigen Permanentmagneten 1201 um ca. 135°, wobei in dieser Stellung des Permanentmagneten 1201 sich der Nordpol N oder der Südpol S an einer zweiten Position befindet, die von der ersten Position unterschiedlich ist.
Der erfindungsgemäße Positionssensor 1000 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet neben dem Wiegandmodul 1100 und der Permanentmagnetanordnung 1200 noch ein Messsubstrat 1300, das bevorzugt eine quadratische Form aufweist. Das Messsubstrat 1300 befindet sich, wie aus 1 ersichtlich ist, zwischen dem Wiegandmodul 1100 und der Permanentmagnetanordnung 1200, wobei das Messsubstrat 1300 in einer Messebene liegt, die sich bevorzugt parallel zu der Bewegungsebene erstreckt, in der der quaderförmige Permanentmagnet 1201 rotiert bzw. die senkrecht zur Rotationsachse steht.
Auf dem Messsubstrat 1300 sind eine Vielzahl von Hallelementen a bis d (erste Sensorelemente), eine weitere Vielzahl von Hallelementen (zweite Sensorelemente) A bis D, und ein magnetischer Zwischenspeicher MZ angeordnet.
Die Vielzahl von Hallelementen a bis d, die weitere Vielzahl von Hallelementen A bis D und der magnetische Zwischenspeicher MZ sind in der perspektivischen Ansicht gemäß 1 gut ersichtlich.
Jedes der Hallelemente A bis D befindet sich jeweils sowohl an einer Außenkante des Messsubstrates 1300 als auch an einer Kantenmitte der entsprechenden Außenkante des Messsubstrates 1300.
Zusätzlich sind die viereckig ausgebildeten Hallelemente A bis D an der Kantenmitte noch so gedreht angeordnet, dass eine zwei Ecken des jeweiligen Hallelementes verbindende Diagonale senkrecht auf die entsprechende Außenkante steht.
Der magnetische Zwischenspeicher MZ ist vorzugsweise auf dem Messsubstrat 1300 auf einer Diagonalen D1 zwischen den Hallelementen B und C angeordnet.
Die Hallelemente (zweite Sensorelemente) A bis D werden insbesondere in einem nicht-autonomen Modus des Positionssensors 1000, in dem der Positionssensor 1000 mit Fremdenergie versorgt wird, betrieben und deren Ausgangssignale an einen im Folgenden noch erläuterten Mikrocontroller 3100, der Teil der Verarbeitungselektronik ist, ausgegeben. Der Mikrocontroller berechnet hieraus die präzise Winkelstellung (Stellungsinformation) der Permanentmagnetanordnung 1200 bzw. des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung. Insoweit werden die Hallelemente A bis D zur Feinauflösung eingesetzt.
In dem nicht-autonomen Modus kann ferner aus den Ausgangssignalen der zweiten Sensorelemente A bis D nicht nur die präzise Winkelstellung der Permanentmagnetanordnung 1200, sondern auch der Wert, der die Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe bzw. Rotationen der Permanentmagnetanordnung 1200 wiedergibt, ermittelt werden.
Neben den erläuterten Hallelementen A bis D sind auf dem Messsubstrat 1300 noch die Hallelemente (erste Sensorelemente) a bis d angeordnet, die jeweils leicht versetzt zu den Hallelementen A bis D angeordnet sind.
Die Hallelemente a bis d werden insbesondere in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor 1000 nicht mit Fremdenergie versorgt wird, zur Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an Rotationen bzw. Umdrehungen der Permanentmagnetanordnung 1200 angibt, benötigt.
Die Ausgangssignale der Hallelemente a bis d können auch in dem nicht-autonomen Modus zur Ermittlung der Anzahl an Rotationen bzw. Umdrehungen der Permanentmagnetanordnung verwendet werden.
Wenn sich der Permanentmagnet 1201 der Permanentmagnetanordnung 1200 um die Drehachse DA im Uhrzeigersinn dreht, kommt es, wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, zu der schlagartigen Änderung der Domänen des Wieganddrahtes 1101, wenn sich der Nordpol N oder der Südpol S an der erläuterten ersten Position befindet.
Diese erste Position entspricht in der Messebene, wie aus 1 ersichtlich wird, ungefähr der Position des Hallelementes B. Anders ausgedrückt befinden sich die erste Position und die des Hallelementes B in Richtung der Drehachse DA hintereinander bzw. übereinander.
Der Wieganddraht 1101 kann aus den weich- und hartmagnetischen Bereichen auch so ausgebildet werden, dass die genannte erste Position, an der sich der Nordpol N oder Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 bei Auslösung des Spannungsimpulses befindet, in der Messebene der Position des Hallelementes b entspricht. Anders ausgedrückt befindet sich der Nordpol N oder Südpol S des Permanentmagneten 1201 in der ersten Position über dem Hallelement b.
Wenn die Permanentmagnetanordnung 1200 in der Stellung angeordnet ist, in der sich einer der Pole an der ersten Position befindet, steht der jeweils andere Magnetpol in derselben räumlichen Beziehung zu dem Hallelement d.
Bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung 1200 in der entgegengesetzten Richtung, d.h. bei Drehung des quaderförmigen Magnets 1201 im Gegenuhrzeigersinn, kommt es auf äquivalente Art und Weise zur schlagartigen Änderung der Ausrichtung der Domänen des Wieganddrahtes 1101, wenn sich der Nordpol N oder Südpol S der Permanentmagnetanordnung 1200 in einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Position befindet.
Die zweite Position entspricht je nach Ausgestaltung des Wieganddrahtes 1101 entweder dem Hallelement c oder dem Hallelement C. Wenn sich der Nordpol N oder Südpol S in der zweiten Position befindet, steht der jeweils andere Magnetpol in der gleichen räumlichen Beziehung zu dem Hallelement a oder dem Hallelement A. Die Ausgangssignale der Hallelemente a und c werden auf gleiche Art und Weise wie die der Hallelemente b und d ausgewertet.
In Abhängigkeit davon, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 dreht, können im Normalfall aus den Ausgangssignalen der Paare der Hallelemente a, c und b, d Richtungsinformationen darüber gewonnen werden, ob sich die Permanentmagnetanordnung 1200 in der einen Richtung - dem Uhrzeigersinn - oder in der zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung - dem gegen Uhrzeigersinn - dreht.
Aus den Ausgangssignalen der Hallelemente a, c und b, d können darüber hinaus noch Magnetpolinformationen darüber gewonnen werden, ob sich der Nordpol N oder der Südpol S an der ersten oder zweiten Position befindet. Insoweit beträgt die Auflösung des erfindungsgemäßen absoluten Positionssensors 1000 in dem autonomen Modus eine halbe Umdrehung.
Die durch das Auswerten der Ausgangssignale der Hallelemente a bis d erhaltenen Richtungsinformationen und Magnetpolinformationen werden verwendet, um den Wert, der die Anzahl an Rotationen der Permanentmagnetanordnung 1200 wiedergibt, zu ermitteln.
Durch Synchronisieren und Kombinieren des Wertes, der die Anzahl an Rotationen der Permanentmagnetanordnung 1200 wiedergibt, mit der präzisen aktuellen Winkelstellung der Permanentmagnetanordnung 1200 in Bezug auf eine Referenzstellung kann eine kombinierte Information, die die absolute Position des Gegenstandes angibt, erfasst werden.
Theoretisch kann die Anzahl der Hallelemente a bis d auf ein einziges Hallelement reduziert werden.
2 zeigt schematisch den Aufbau der Verarbeitungselektronik des absoluten Positionssensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In der Verarbeitungselektronik aus 2 sind die Hallelemente a bis d, die Hallelemente A bis D und ein Hallelement HM derart angeordnet, dass sich deren magnetfeldempfindlichen aktiven Flächen in der Messebene erstrecken.
Zur Eliminierung von Störfeldern und Störgrößen in den Ausgangssignalen werden die entsprechenden Ausgangssignale der Hallelemente a bis d und der zweiten Hallelemente A bis D paarweise nach dem Differenzprinzip ausgewertet. In diesem Zusammenhang werden beispielsweise, die Ausgangssignale der Hallelemente A und C so ausgewertet, dass sich die Anteile der Ausgangssignale, die auf entgegengesetzt ausgerichteten und die Hallelemente A und C durchsetzenden Magnetfeldkomponenten basieren, addieren, wohingegen sich Anteile der Ausgangssignale, die auf gleichgerichteten und die Hallelemente A und C durchsetzenden Magnetfeldkomponenten basieren, subtrahieren und sich damit aufheben. Die Ausgangssignale der anderen Hallelemente B und D, a und c, und b und d werden gleichermaßen ausgewertet.
Alle Elemente die in 2 in dem mit MIC bezeichneten Quadrat 3200 enthalten sind, befinden sich auf dem Messsubstrat und sind mit einem Mikrocontroller 3100, dem Wiegandmodul 1100 und einem Energiespeicher 3300 elektrisch verbunden. Die auf dem Messsubstrat angeordneten Elemente bilden zusammen mit dem Mikrocontroller 3100 die Verarbeitungselektronik des Positionssensors. Das Wiegandmodul 1100 ist auf einer Platine angeordnet, auf dem sich zum Beispiel auch das Messsubstrat, der Energiespeicher 3300, und der Mikrocontroller 3100 befinden.
Die Verarbeitungselektronik ist, von dem Mikrocontroller 3100 abgesehen, vollständig auf dem Messsubstrat 1300 angeordnet, wobei alle Elemente auf dem Messsubstrat 1300 auf einer identischen Integrationstechnologie basieren. Bevorzugt handelt es sich bei dem Messsubstrat um ein Siliziumsubstrat, auf dem alle Elemente beispielsweise in der CMOS-Integrationstechnologie realisiert sind.
In 2 symbolisieren die kurz-gestrichelten Linien/Pfeile den Verlauf der Eigenenergieversorgung, die lang-gestrichelten Linien/Pfeile den der Fremdenergieversorgung, die dünndurchgezogenen Linien/Pfeile den Verlauf der Versorgung durch den Energiespeicher 3300 und die dick-durchgezogenen Linien/Pfeile den Verlauf der Signale.
Der Positionssensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann entweder in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Fremdenergie versorgt wird, oder in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor mit Energie, die in dem Energiespeicher 3300 gespeichert ist, versorgt wird, betrieben werden.
Die Verarbeitungselektronik beinhaltet eine Steuerelektronik SE, die für die Feinauflösung mit den Hallelementen (A bis D) HF und über einen Multiplexer MX mit einem ersten Verstärker V0 verbunden ist.
(nicht-autonomer Modus)
In dem nicht-autonomen Modus erfolgt die Fremdenergieversorgung über den Mikrocontroller 3100, der hierfür mit der Steuerelektronik SE elektrisch verbunden ist. Die Steuerelektronik SE versorgt wiederum die Hallelemente HF, den Multiplexer MX und den ersten Verstärker V0 mit der erhaltenen Fremdenergie und lädt darüber hinaus den Energiespeicher ES, der bevorzugt aus einem oder mehreren Kondensatoren aufgebaut ist, mit der Fremdenergie auf.
Die Steuerelektronik SE erhält in dem nicht-autonomen Modus 16 Signale von den zweiten Hallelementen A bis D, die in dieser Variante der in 2 gezeigten Elektronik mit jeweils zwei Stromkontakten und zwei Hallspannungskontakten ausgestattet sind. Die 16 Signale resultieren daraus, dass die zweiten Hallelemente A bis D in einen „spinning current“-Verfahren betrieben werden, in dem sowohl die Stromkontakte und die Hallspannungskontakte für jedes Hallelement A bis D einmal vertauscht werden als auch jeweils einmal deren Polarität geändert werden. Insoweit ergeben sich pro Hallelement A bis D vier Ausgangssignale, die an die Steuerelektronik SE übergeben werden.
Die Steuerelektronik SE gibt die 16 Signale an den Eingang des Multiplexers MX aus, der die erhaltenen Signale der Reihe nach jeweils ausgewählt an seinen Ausgang durchschaltet und über eine einzige Leitung an den ersten Verstärker V0 ausgibt.
Der erste Verstärker V0 verstärkt das erhaltene Signal und gibt dieses nach Verstärkung an den Mikrocontroller 3100 aus. Das Signal ist in diesem Zustand noch ein analoges Signal, wobei der Mikrocontroller 3100 das Signal analog-digital-wandelt und zur Weiterverarbeitung über einen Demultiplexer wiederum 16 Signale erhält.
Der Mikrocontroller 3100 kann auf Basis der erhaltenen Signale die präzise Stellung (Stellungsinformation) der Permanentmagnetanordnung in Bezug auf eine Referenzstellung, d.h. die Winkelstellung des Permanentmagneten 1201, berechnen.
Die vier Hallelemente a bis d, die in 2 mit HZ bezeichnet sind, werden mit Energie aus dem Energiespeicher ES versorgt. Da zumindest in dem nicht-autonomen Modus der Energiespeicher ES mit Fremdenergie geladen wird, werden die Hallelemente HZ mittelbar mit der Fremdenergie versorgt.
Die vier Hallelemente HZ geben ihre vier Ausgangssignale an die Steuerelektronik SE aus, die die jeweils zwei Ausgangssignale der Paare der Hallelemente nach dem Differenzprinzip verarbeitet und somit pro Paar an Hallelementen ein Signal im Ergebnis erhält.
Die zwei im Ergebnis für beide Paare erhaltenen Signale werden blockweise über einen zweiten Verstärker V1 an zwei Komparatoren K1/2 und blockweise über einen dritten Verstärker V2 an zwei Komparatoren K3/4 ausgegeben. Zwei der Komparatoren führen einen Vergleich mit einer negativen Spannungsschwelle durch und die anderen zwei der Komparatoren führen einen Vergleich mit einer positiven Spannungsschwelle durch, so dass jedes nach dem Differenzprinzip im Ergebnis erhaltene Signal mit einer positiven und einer negativen Spannungsschwelle verglichen wird.
Die vier erhaltenen Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 werden zum einen an die Steuerelektronik SE zurückgegeben und zum anderen an den Mikrocontroller 3100 ausgegeben. Die vier erhaltenen Ausgangssignale der Komparatoren K1 bis K4 erlauben eine dahingehende Interpretation, in welcher Stellung bezüglich der Referenzstellung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 befindet bzw. wie die Magnetpole orientiert sind. Die kontinuierliche Auswertung der der Reihe nach auftretenden Ausgangssignale der Hallelemente lässt auch einen Rückschluss zu, in welcher Richtung sich die Permanentmagnetanordnung 1200 (Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn) bewegt. Hieraus lässt sich der Wert an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen) der Permanentmagnetanordnung ermitteln. Diese Ermittlung erfolgt zum einen im Mikrocontroller 3100, und zum anderen in der Steuerelektronik SE, die diesen Wert in einem flüchtigen Datenspeicher FD und/oder in einem nichtflüchtigen Datenspeicher NFD abspeichert. Hierbei ist der flüchtige Datenspeicher FD beispielsweise ein auf der CMOS Technologie basierendes Register. Der nicht flüchtige Datenspeicher NFD ist beispielsweise ein ebenfalls auf der CMOS Technologie basierender EEPROM.
In dem nicht-autonomen Modus versorgt die Steuerelektronik SE außerdem das Hallelement HM, das den Magnetisierungszustand des magnetischen Zwischenspeichers MZ ausliest. Der magnetische Zwischenspeicher ist beispielsweise ein einfaches Metallelement, das seinen Magnetisierungszustand dann ändert, wenn einer der Pole des Permanentmagneten 1201 ihn passiert. Dies erfolgt indem das Material aus dem der magentische Zwischenspeicher aufgebaut ist durch den vorbeibewegten Magnetpol magnetisiert wird und aufgrund der Hysterese in diesem Material auch dann wenn der Pol sich weiterbewegt hat eine Restmagnetisierung (Remanenz) verbleibt. Die in dem Zwischenspeicher MZ in Form der Remanenz gespeicherte Information gibt folglich an, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung den magnetischen Zwischenspeicher MZ zuletzt passiert hat. Das ausgelesene Signal wird vorzugsweise als ein 1-Bit Signal an die Steuerelektronik SE übertragen, die das erhaltene Signal wiederrum an den Mikrocontroller 3100 weitergibt.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass für die Speicherung der notwendigen Information im Zwischenspeicher keinerlei Hilfsenergiequelle benötigt wird und die Information nach dem Einschalten der Fremdversorgung unmittelbar für die korrekte Initialisierung zur Verfügung steht.
Der Mikrocontroller 3100 kombiniert, unter Berücksichtigung des erhaltenen Signals von dem Hallelement HM, den Wert an sich wiederholenden Bewegungsabläufen mit der erhaltenden präzisen Stellung der Permanentmagnetanordnung, um die absolute und fehlerfreie kombinierte Information zu ermitteln und zu speichern bzw. an eine Anwendung auszugeben.
(autonomer Modus)
Bei einigen Anwendungen kann der Fall auftreten, dass die Fremdenergieversorgung zusammenbricht oder zeitweise nicht zur Verfügung steht. In diesen Situationen ist die präzise Stellung (Stellungsinformation) der Permanentmagnetanordnung, d.h. die Winkelstellung, von untergeordneter Bedeutung, und wird nicht ermittelt. Allerdings muss in diesen Situationen dafür Sorge getragen werden, dass der Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen) angibt, kontinuierlich erfasst und abgespeichert wird, damit der Wert bei Wiederherstellung der Fremdenergieversorgung wieder zur Verfügung steht und mit der Stellungsinformation kombiniert werden kann.
Wenn die Fremdenergieversorgung zusammenbricht bzw. nicht zur Verfügung steht, werden das Hallelement HM, die vier Hallelemente HF, der Multiplexer MX und der Verstärker V0 nicht betrieben.
In dem autonomen Modus übernimmt die Energieversorgung das Wiegandmodul 1100, das in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Permanentmagnetanordnung in einer entsprechenden Frequenz Spannungsimpulse liefert.
Die Steuerelektronik SE übernimmt in dem autonomen Modus die Steuerung und Verwaltung der Energieversorgung der Verarbeitungselektronik, indem sie beispielsweise die von dem Wiegandmodul 1100 gelieferten Spannungsimpulse gleichrichtet und zum Laden des Energiespeichers ES ausgibt.
Der Energiespeicher ES ist anfänglich nach Wegfall der Fremdenergieversorgung vollständig bzw. sehr stark geladen.
Der Energiespeicher ES versorgt in dem autonomen Modus die Hallelemente HZ, die Verstärker V1/V2, die Komparatoren K1 bis K4, die Datenspeicher FD/NFD und wird in dem autonomen Modus durch den entsprechenden Energiebedarf entladen. Das Wiegandmodul 1100 liefert, wie bereits erläutert, die Spannungsimpulse, die zum Aufladen des Energiespeichers ES verwendet werden.
Die Ermittlung des Wertes, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen (Umdrehungen) angibt, erfolgt ähnlich wie in dem nicht-autonomen Modus durch Auswertung der Ausgangssignale der Komparatoren.
Unterschiedlich ist lediglich, dass die Ausgangssignale der ersten Hallelemente HZ und damit der Komparatoren nur dann erfolgt, wenn ein Spannungsimpuls des Wiegandmoduls festgestellt wird. Die Ermittlung, ob ein Spannungssignal vorliegt oder nicht, wird über einen Komparator K5 durchgeführt.
Wie bereits im Vorhergehenden ausführlich erläutert wurde, wird der Spannungsimpuls des Wiegandmoduls 1100 in Abhängigkeit von der Richtung, in der sich die Permanentmagnetanordnung bewegt, ausgelöst, wenn sich der Nordpol oder Südpol der Permanentmagnetanordnung an der ersten oder zweiten Position befindet. Aus den Ausgangssignalen der Komparatoren K1 bis K4 lässt sich demnach sowohl die Ausrichtung der Permanentmagnetanordnung als auch deren Bewegungsrichtung ermitteln. Basierend hierauf wird der Wert, der die Anzahl an sich wiederholenden Bewegungsabläufen angibt, ermittelt und in dem flüchtigen Speicher FD und/oder nicht flüchtigen Speicher NFD gespeichert.
Eine Ausgabe an den Mikrocontroller 3100 erfolgt in dem autonomen Modus nicht.
(Kombinierte Information mittels Information aus Zwischenspeicher MZ)
Unter erneutem Bezug auf 1 wird nunmehr ein möglicher Fall erläutert, in dem ein verkümmerter Spannungsimpuls auftreten kann.
Befindet sich der Permanentmagnet 1201 in einer Ausgangsstellung, in der seine Längsachse (Nord-Süd-Achse) parallel zu der Diagonalen D1 bzw. der Längsachse LAW des Wieganddrahtes 1101 ausgerichtet ist, und bewegt sich der Permanentmagnet 1201 ausgehend von dieser Ausgangsstellung im Uhrzeigersinn, kommt es zur Auslösung/Erzeugung des Spannungsimpulses, wenn der entsprechende Magnetpol die erste Position (Hallelement B/b) erreicht.
Kehrt sich die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 1201 ausgehend von dieser Stellung unmittelbar um, d.h. der Permanentmagnet 1201 bewegt sich im Gegenuhrzeigersinn, kann es zu einem verkümmerten Spannungsimpuls kommen, wenn der sich vormals an der ersten Position (Hallelement B/b) befindende Magnetpol die dem Hallelement A/a entsprechende Position erreicht bzw. der entgegengesetzte Magnetpol die zweite Position (Hallelement C/c) erreicht.
Der verkümmerte Spannungsimpuls führt dazu, dass der Zählvorgang, der in dieser Stellung durchgeführt werden müsste, nicht korrekt erfasst wird und dem Positionssensor in seinem Datenspeicher nur die Information vorliegt, dass der letzte Zählvorgang durchgeführt wurde, als der entsprechende Magnetpol die erste Position (Hallelement B/b) erreichte. Bei Auftreten des nächsten (nicht-verkümmerten) Spannungsimpulses kann dieser Fehler korrigiert werden.
Wenn der sich vormals an der dem Hallelement A/a entsprechenden Position befindende Magnetpol im Gegenuhrzeigersinn soweit bewegt, dass er sich zwischen den Hallelementen d, c befindet und in dieser Stellung der Positionssensor in den nicht-autonomen Modus übergeht, kann das Kombinieren des Wertes, der die Anzahl an Umdrehungen angibt, mit der präzisen Stellung des Permanentmagneten 1201 nicht ohne zusätzliche Informationen durchgeführt werden.
Dies liegt insbesondere daran, dass in dieser Stellung keine Eindeutigkeit darüber besteht, ob der Magnetpol sich im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn in seine gegenwärtige Stellung zwischen dem Hallelement d und dem Hallelement c bewegt hat.
Die Eindeutigkeit wäre dann wieder hergestellt, wenn der Permanentmagnet 1201 sich soweit bewegte, dass der nächste Spannungsimpuls auftritt.
Es gibt allerdings Anwendungen, bei denen die kombinierte Information aus dem Wert, der die Anzahl an Umdrehungen angibt, und der Stellungsinformation über die präzise Stellung sofort vorliegen muss, wenn der Positionssensor in den nicht-autonomen Modus übergeht, ohne dass der nächste Spannungsimpuls abgewartet bzw. erzwungen werden muss.
Zur Lösung dieser Problematik ist bei dem erfindungsgemäßen Positionssensor der magnetische Zwischenspeicher MZ und das darunter angeordnete Hallelement HM vorgesehen.
Wenn sich beispielsweise der Nordpol bei dem oben beschriebenen Bewegungsablauf nach Auftreten des verkümmerten Spannungsimpulses zwischen den Hallelementen d, c befindet, gibt die in dem magnetischen Zwischenspeicher MZ gespeicherte Information bzw. der Magnetisierungszustand des Zwischenspeichers zwangsläufig an, dass der Südpol den Zwischenspeicher MZ zuletzt passiert hat. Durch Auslesen des Zwischenspeichers MZ erhält die Verarbeitungselektronik folglich die Information, dass der Nordpol im Gegenuhrzeigersinn in seine gegenwärtige Position gekommen ist, und kann das Kombinieren des Wertes, der die Anzahl an Umdrehungen angibt, mit der Stellungsinformation über die präzise Stellung des Permanentmagneten 1201 eindeutig durchführen.
Gibt der Magnetisierungszustand bzw. die in dem Zwischenspeicher MZ gespeicherte Information an, dass der Nordpol den Zwischenspeicher MZ zuletzt passiert hat, bedeutet das, dass der Nordpol ausgehend von der ersten Position im Uhrzeigersinn in seine gegenwärtige Stellung zwischen den Hallelementen d, c gekommen ist. Auch in diesem Fall kann das Kombinieren des Wertes, der die Anzahl an Umdrehungen angibt, mit der Stellungsinformation über die präzise Stellung eindeutig durchgeführt werden.
In keinem Fall ist das Abwarten des nächsten Spannungsimpulses oder die Durchführung einer aufwändigen Synchronisierroutine wie z.B. die in der EP 2 515 084 A1 beschriebene Bestromung der den Wiegand umschließenden Spule notwendig.

Claims

Positionssensor (1000) zum Bestimmen der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe eines Gegenstandes und der präzisen Stellung des Gegenstandes in Bezug auf eine Referenzstellung, wobei der Positionssensor (1000) aufweist: ein Wiegandmodul (1100), das aus einem Wieganddraht (1101) mit einer den Wieganddraht (1101) umschließenden Spule aufgebaut ist; einen magnetischen Zwischenspeicher (MZ); ein erstes Sensorelement (a bis d); eine Verarbeitungselektronik (3100, 3200), die eingerichtet ist, ein von dem ersten Sensorelement (a bis d) ausgegebenes Ausgangssignal und eine in dem magnetischen Zwischenspeicher (MZ) gespeicherte Information auszuwerten oder zu bestimmen, wobei der magnetische Zwischenspeicher (MZ) durch ein mit der Verarbeitungselektronik (3100, 3200) verbundenes Hallelement (HM) ausgelesen wird; und eine Permanentmagnetanordnung (1200), die relativ zu dem Wiegandmodul (1100) in einer Richtung sowie einer zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung bewegbar ist, wobei die Permanentmagnetanordnung (1200) eingerichtet ist, an dem Gegenstand derart angeordnet zu werden, dass die Permanentmagnetanordnung (1200) die sich wiederholenden Bewegungsabläufe zusammen mit dem Gegenstand durchführt; wobei bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) in der einen Richtung die Spule des Wiegandmoduls (1100) einen Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich ein Nordpol oder ein Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) an einer ersten Position befindet, und bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) in der entgegengesetzten Richtung die Spule des Wiegandmoduls (1100) den Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) an einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Position befindet; bei Bewegung der Permanentmagnetanordnung (1200) die Magnetpole der Permanentmagnetanordnung (1200) den magnetischen Zwischenspeicher (MZ) passieren, sodass der magnetische Zwischenspeicher (MZ) Information speichert, die angibt, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) den magnetischen Zwischenspeicher (MZ) zuletzt passiert hat; in einem autonomen Modus, in dem der Positionssensor (1000) nicht mit Fremdenergie versorgt wird, die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) mit Energie versorgt wird, die von dem Wiegandmodul (1100) geliefert wird; die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) eingerichtet ist, nach Feststellen des von dem Wiegandmodul (1100) ausgegebenen Spannungsimpulses, durch das Auswerten des Ausgangsignals des ersten Sensorelementes (a bis d) einen Wert, der der Anzahl sich wiederholender Bewegungsabläufe der Permanentmagnetanordnung (1200) entspricht, zu ermitteln; in einem nicht-autonomen Modus, in dem der Positionssensor (1000) mit Fremdenergie versorgt wird, die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) ferner eingerichtet ist, durch das Auswerten des Ausgangssignals entweder des ersten Sensorelementes (a bis d) oder eines zweiten Sensorelementes (A bis D), welches unterschiedlich ist zu dem ersten Sensorelement (a bis d), kontinuierlich Stellungsinformation über die präzise Stellung der Permanentmagnetanordnung (1200) in Bezug auf die Referenzstellung zu erhalten, die Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert zu kombinieren und die kombinierte Information auszugeben; und wenn die Fremdenergieversorgung nach einem Wegfall wieder hergestellt wird, das Kombinieren der Stellungsinformation mit dem ermittelten Wert unter Berücksichtigung der in dem magnetischen Zwischenspeicher (MZ) gespeicherten Information erfolgt.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei die in dem magnetischen Zwischenspeicher (MZ) gespeicherte Information als ein einziges Bit gespeichert wird.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Zwischenspeicher (MZ) in Abhängigkeit davon, ob der Nordpol oder der Südpol der Permanentmagnetanordnung (1200) ihn zuletzt passiert hat, in einem von zwei Magnetisierungszuständen magnetisiert ist.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Zwischenspeicher (MZ) ein Metallelement ist.
Positionssensor gemäß Anspruch 4, wobei das Material, aus dem das Metallelement gebildet ist, eine höhere Remanenz als der Wieganddraht (1101) hat.
Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungselektronik (3100, 3200) das erste Sensorelement (a bis d), das zweite Sensorelement (A bis D), den magnetischen Zwischenspeicher (MZ) und einen Mikrocontroller (3100) zum Ermitteln der Stellungsinformation umfasst.