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Die Erfindung betrifft eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit einem Wiegand-Sensor, der ein Sensor-Signal bereitstellt, mindestens zwei Energiespeicher-Elementen, die elektrisch mit dem Wiegand-Sensor verbunden sind, einer Auswerteeinheit, die elektrisch mit dem Wiegand-Sensor verbunden ist und die das Sensor-Signal auswertet, und einem Datenspeicher, der elektrisch mit der Auswerteeinheit verbunden ist.
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Magnetfeld-Sensorvorrichtungen werden beispielsweise in Drehwinkelmesssystemen verwendet um die Drehbewegung einer Welle zu erfassen. Typischerweise ist hierbei mindestens ein Permanentmagnet an der Welle befestigt, dessen Magnetfeld von der Magnetfeld-Sensorvorrichtung - im Speziellen von dem Wiegand-Sensor der Sensorvorrichtung - erfasst wird. Der Wiegand-Sensor weist mindestens einen magnetisch bistabilen Impulsdraht - auch als Wiegand-Draht bezeichnet - auf, dessen Magnetisierungsrichtung sich unter Einwirkung des externen Magnetfelds schlagartig invertiert, wodurch ein kurzer Spannungspuls mit einer definierten elektrischen Pulsenergie erzeugt wird. Die zeitliche Abfolge der Spannungspulse bildet ein Sensor-Signal, dessen Frequenz proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle ist. Ferner kann die im Wiegand-Sensor erzeugte elektrische Pulsenergie zur Energieversorgung der Magnetfeld-Sensorvorrichtung verwendet werden. Hierfür weist die Magnetfeld-Sensorvorrichtung typischerweise mindestens ein Energiespeicher-Element, das elektrisch mit dem Wiegand-Sensor verbunden ist und in dem die erzeugte Pulsenergie zwischenspeicherbar ist.
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Aus der
DE 10 2011 011 871 A1 ist beispielsweise eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit zwei Energiespeicher-Elementen bekannt, die beide elektrisch mit dem Wiegand-Sensor verbunden sind und durch die erzeugte Pulsenergie aufladbar sind. Hierbei ist das erste Energiespeicher-Element elektrisch mit einem Datenspeicher verbunden und stellt dem Datenspeicher die zum Abspeichern/Auslesen von Sensor-Daten benötigte elektrische Energie bereit. Das zweite Energiespeicher-Element ist elektrisch mit einer Funk-Schnittstelle verbunden und stellt der Funkstelle die zum Senden/Empfangen benötigte elektrische Energie bereit. Die Magnetfeld-Sensorvorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinheit, die elektrisch mit dem Wiegand-Sensor verbunden ist und durch die ein von dem Wiegand-Sensor bereitgestelltes Sensor-Signal auswertbar ist. Die Auswerteeinheit ist ferner elektrisch mit dem Datenspeicher verbunden, um Sensor-Daten - beispielsweise eine Anzahl von erfassten Wellen-Drehungen oder ein erfasster Drehwinkel - in dem Datenspeicher abzuspeichern und/oder Sensor-Daten aus dem Datenspeicher auszulesen.
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Um ein zuverlässiges Abspeichern/Auslesen von Sensor-Daten in/aus dem Datenspeicher zu ermöglichen, muss eine von dem ersten Energiespeicher-Element an den Datenspeicher bereitgestellte Versorgungsspannung während des gesamten Abspeicher-/Auslesevorgangs oberhalb eines für eine ordnungsgemäße Funktion benötigten Versorgungsspannungs-Schwellwerts liegen. Da die bereitgestellte Versorgungsspannung beim Entladen des Energiespeicher-Elements kontinuierlich abnimmt, muss das erste Energiespeicher-Element derart ausgelegt sein, dass eine Anfangs-Versorgungsspannung deutlich größer ist als der Versorgungsspannungs-Schwellwert des Datenspeichers. Auf Grund der relativ geringen in dem Wiegand-Sensor erzeugten Pulsenergie kann das erste Energiespeicher-Element daher nur einen relativ geringen Versorgungsstrom an den Datenspeicher bereitstellen. Der geringe Versorgungsstrom macht wiederum die Verwendung einer relativ kostenintensiven Datenspeicher-Ausführung erforderlich.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine zuverlässige, energieeffiziente und relativ kostengünstige Magnetfeld-Sensorvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind die mindestens zwei Energiespeicher-Elemente der Magnetfeld-Sensorvorrichtung über eine Schaltanordnung bedarfsweise mit dem Datenspeicher verbindbar. Dies bedeutet, dass über die Schaltanordnung - je nach Bedarf - jedes Energiespeicher-Element einzeln elektrisch mit dem Datenspeicher verbindbar ist, oder mehrere Energiespeicher-Elemente gleichzeitig mit dem Datenspeicher verbindbar sind. Hierzu weist die Schaltanordnung im Allgemeinen mehrere einzeln schaltbare Schaltelemente auf. Je nach Ausführungsbeispiel können die Schaltelemente als Trennschalter und/oder als Umschalter ausgebildet sein.
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Die Schaltanordnung ist derart ausgebildet, dass die Energiespeicher-Elemente nacheinander elektrisch mit dem Datenspeicher verbunden werden, wobei die Schaltanordnung jeweils auf das nächste Energiespeicher-Element umschaltet, sobald die von dem jeweiligen Energiespeicher-Element bereitgestellte Versorgungsspannung einen vordefinierten Umschalt-Schwellwert unterschreitet, wobei der Umschalt-Schwellwert größer ist als der Versorgungsspannungs-Schwellwert des Datenspeichers. Ferner ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung dazu ausgelegt, um bei Bedarf mehrere Energiespeicher-Elemente gleichzeitig mit dem Datenspeicher zu verbinden, im Speziellen elektrisch mit dem Datenspeicher in Serie zu schalten, sodass sich die an den Datenspeicher bereitgestellte Versorgungsspannung aus der Summe der Ausgangsspannungen der in Serie geschalteten Energiespeicher-Elemente ergibt.
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Dadurch, dass die mindestens zwei Energiespeicher-Elemente über die erfindungsgemäße Schaltanordnung bedarfsweise elektrisch mit dem Datenspeicher verbindbar sind, können die einzelnen Energiespeicher-Elemente jeweils für eine geringere Anfangs-Versorgungsspannung ausgelegt sein. Hierdurch wird ein besonders energieeffizienter Betrieb des Datenspeichers ermöglicht. Bei gleicher in den Energiespeicher-Elementen gespeicherten Gesamtenergie kann daher - im Vergleich zur Energieversorgung über einen einzelnen Energiespeicher - ein größerer Versorgungsstrom an den Datenspeicher bereitgestellt werden. Dies ermöglicht - bei gleicher Zuverlässigkeit - die Verwendung von relativ kostengünstigen Datenspeicher-Ausführung und schafft somit eine zuverlässige, energieeffiziente und relativ kostengünstige Magnetfeld-Sensorvorrichtung.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei Energiespeicher-Elemente jeweils durch einen kostengünstigen Kondensator - beispielsweise durch einen Keramikkondensator - gebildet. Dies schafft eine besonders kostengünstige Magnetfeld-Sensorvorrichtung.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen alle Energiespeicher-Elemente eine im Wesentlichen identische Speicherkapazität auf, wobei alle Energiespeicher-Elemente vorzugsweise durch identische Bauelemente ausgeführt sind. Auf Grund der identischen Speicherkapazitäten aller Energiespeicher-Elemente ist die Schaltanordnung besonders einfach und somit kostengünstig realisierbar.
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Der Wiegand-Sensor erzeugt typischerweise Spannungspulse mit einer elektrischen Spannung von etwa 7 V und einer elektrischen Energie von 190 nJ. Der Datenspeicher ist vorzugsweise als ferroelektrischer Speicher (FRAM) ausgeführt und benötigt zum Schreiben/Lesen von Daten eine minimale Versorgungsspannung von etwa 1,6 V - 2 V. Vorteilhafterweise sind bei der Magnetfeld-Sensorvorrichtung exakt zwei Energiespeicher-Elemente vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass durch die beiden Energiespeicher-Elemente - im aufgeladenen Zustand - jeweils eine elektrische Anfangs-Versorgungsspannung von etwa 2,5 V bereitstellbar ist. Die beiden Energiespeicher-Elemente sind zum Aufladen der Energiespeicher-Elemente vorzugsweise mit dem Wiegand-Sensor elektrisch in Serie geschaltet, wobei beide Energiespeicher-Elemente gleichzeitig durch die im Wiegand-Sensor erzeugten Spannungspulse von 7 V im Wesentlichen vollständig aufladbar sind. Im aufgeladenen Zustand stellen die beiden Energiespeicher-Elemente jeweils eine Anfangs-Versorgungsspannung bereit, die größer ist als die minimale Versorgungsspannung des Datenspeichers. Dies schafft eine energieeffiziente und kostengünstige Magnetfeld-Sensorvorrichtung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die beiden Energiespeicher-Elemente jeweils eine elektrische Kapazität im Bereich von 5 nF bis 20 nF, vorzugsweise im Bereich von 10 nF bis 15 nF, auf, sodass beide Energiespeicher-Elemente durch die im Wiegand-Sensor erzeugten Spannungspulse zuverlässig aufladbar sind und jeweils eine Anfangs-Versorgungsspannung bereitstellen, die größer ist als die minimale Versorgungsspannung des Datenspeichers. Dies schafft eine zuverlässige und kostengünstige Magnetfeld-Sensorvorrichtung.
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Typischerweise muss dem Datenspeicher für eine ordnungsgemäße Funktion eine relativ konstante Versorgungsspannung bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist daher ein Spannungswandler vorgesehen, der eingangsseitig elektrisch mit der Schaltanordnung und ausgangsseitig elektrisch mit dem Datenspeicher verbunden ist, und der bei einer ausreichend hohen elektrischen Eingangsspannung eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung an den Datenspeicher bereitstellt. Dies schafft eine besonders zuverlässige Magnetfeld-Sensorvorrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur beschrieben, die eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetfeld-Sensorvorrichtung zeigt.
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Die Figur zeigt eine Magnetfeld-Sensorvorrichtung 10 mit einem Wiegand-Sensor 12, zwei Energiespeicher-Elementen 14a,b, einer Auswerteeinheit 16, einem Datenspeicher 18 und einer Schaltanordnung 20.
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Der Wiegand-Sensor 12 ist über ein Gleichrichter-Element 22 elektrisch mit den beiden Energiespeicher-Elementen 14a,b verbunden, sodass die Energiespeicher-Elemente 14a,b jeweils durch im Wiegand-Sensor erzeugte Spannungspulse aufladbar sind.
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Die beiden Energiespeicher-Elemente 14a,b sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als einfacher Kondensator ausgebildet und weisen beide eine identische elektrische Kapazität im Bereich von 10 nF bis 15 nF auf. Die beiden Energiespeicher-Elemente 14a,b weisen somit eine im Wesentlichen identische Speicherkapazität auf.
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Der Wiegand-Sensor 12 ist elektrisch mit der Auswerteeinheit 16 verbunden. Die Auswerteeinheit 16 ist derart ausgebildet, dass ein von dem Wiegand-Sensor 12 bereitgestelltes Sensor-Signal, das durch die zeitliche Abfolge der im Wiegand-Sensor 12 erzeugten Spannungspulse gebildet ist, von der Auswerteeinheit 16 auswertbar ist, um daraus Sensor-Daten - beispielsweise eine aktuelle Puls-Frequenz oder eine absolute Puls-Anzahl - zu ermitteln.
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Die Auswerteeinheit 16 ist elektrisch mit dem Datenspeicher 18 verbunden, sodass Sensor-Daten von der Auswerteeinheit 16 in dem Datenspeicher 18 abspeicherbar oder aus dem Datenspeicher 18 auslesbar sind.
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Der Datenspeicher 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als FRAM-Speicherelement ausgeführt und benötigt zum Schreiben/Lesen von Daten eine minimale Versorgungsspannung von etwa 1,6 V - 2 V. Der Datenspeicher 18 ist elektrisch mit einem Ausgang eines Spannungswandlers 24 verbunden, wobei der Spannungswandler 24 - bei einer ausreichend großen Spannung an seinem Eingang - eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung an den Datenspeicher 18 bereitstellt.
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Die Schaltanordnung 20 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Schaltelemente 20a-d. Die Schaltelemente 20a-d sind jeweils als Trennschalter ausgebildet, der im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang schafft, und der im geöffneten Zustand seinen Eingang und seinen Ausgang elektrisch voneinander trennt.
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Das erste Schaltelement 20a ist eingangsseitig mit einem ersten Anschluss des ersten Energiespeicher-Elements 14a verbunden, und ist ausgangsseitig mit dem Eingang eines Spannungswandlers 24 verbunden.
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Das zweite Schaltelement 20b ist eingangsseitig mit einem zweiten Anschluss des ersten Energiespeicher-Elements 14a und einem ersten Anschluss des zweiten Energiespeicher-Elements 14b verbunden, und ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Spannungswandlers 24 verbunden.
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Das dritte Schaltelement 20c ist eingangsseitig mit dem zweiten Anschluss des ersten Energiespeicher-Elements 14a und dem ersten Anschluss des zweiten Energiespeicher-Elements 14b verbunden, und ist ausgangsseitig mit einem Masseanschluss verbunden.
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Das vierte Schaltelement 20d ist eingangsseitig mit einem zweiten Anschluss des zweiten Energiespeicher-Elements 14b verbunden, und ist ausgangsseitig mit einem Masseanschluss verbunden.
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Die Schaltanordnung 20 umfasst vier Schaltstellungen S1 bis S4. In der ersten Schaltstellung S1 sind das erste Schaltelement 20a, das zweite Schaltelement 20b und das dritte Schaltelement 20c jeweils geöffnet, und ist das vierte Schaltelement 20d geschlossen. In der Schaltstellung S1 sind folglich die beiden Energiespeicher-Elemente 14a,b mit dem Wiegand-Sensor 12 elektrisch in Serie geschaltet, sodass die Energiespeicher-Elemente durch die im Wiegand-Sensor 12 erzeugte elektrische Energie aufgeladen werden können.
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In der zweiten Schaltstellung S2 sind das erste Schaltelement 20a und das dritte Schaltelement 20c jeweils geöffnet, und sind das zweite Schaltelement 20b und das vierte Schaltelement 20d jeweils geschlossen. In der Schaltstellung S2 ist somit das zweite Energiespeicher-Element 14b derart elektrisch mit dem Spannungswandlers 24 verbunden, dass von dem zweiten Energiespeicher-Element 14b über den Spannungswandler 24 eine Versorgungsspannung an den Datenspeicher 18 bereitstellbar ist.
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In der dritten Schaltstellung S3 sind das erste Schaltelement 20a und das dritte Schaltelement 20c jeweils geschlossen, und sind das zweite Schaltelement 20b und das vierte Schaltelement 20d jeweils geöffnet. In der Schaltstellung S3 ist somit das erste Energiespeicher-Element 14a derart elektrisch mit dem Spannungswandlers 24 verbunden, dass von dem ersten Energiespeicher-Element 14a über den Spannungswandler 24 eine Versorgungsspannung an den Datenspeicher 18 bereitstellbar ist.
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In der vierten Schaltstellung S4 sind das erste Schaltelement 20a und das vierte Schaltelement 20d jeweils geschlossen, und sind das zweite Schaltelement 20b und das dritte Schaltelement 20c jeweils geöffnet. In der Schaltstellung S4 sind somit sowohl das erste Energiespeicher-Element 14a als auch das zweite Energiespeicher-Element 14b derart elektrisch mit dem Spannungswandlers 24 verbunden, dass von beiden Energiespeicher-Elementen 14a,b gleichzeitig über den Spannungswandler 24 eine Versorgungsspannung an den Datenspeicher 18 bereitstellbar ist. Im Speziellen sind in der Schaltstellung S4 die beiden Energiespeicher-Elemente 14a,b mit dem Spannungswandler 24 elektrisch in Serie geschaltet, sodass am Eingang des Spannungswandlers die Summe der Ausgangsspannungen der beiden Energiespeicher-Elemente 14a,b anliegt.
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Die Schaltanordnung 20 ist derart ausgebildet, dass sich die Schaltanordnung 20 zum Zeitpunkt der Erzeugung eines Spannungspulses im Wiegand-Sensor 12 in der Schaltstellung S1 befindet, um ein Aufladen der beiden Energiespeicher-Elemente 12 zu ermöglichen.
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Sobald die Energiespeicher-Elemente 14a,b aufgeladen sind, schaltet die Schaltanordnung in die Schaltstellung S2, sodass dem Datenspeicher 18 elektrische Energie aus dem zweiten Energiespeicher-Element 14b bereitgestellt wird.
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Wenn die von dem zweiten Energiespeicher-Element 14b bereitgestellte elektrische Spannung unter einen vordefinierten Schwellwert fällt, dann schaltet die Schaltanordnung 20 in die Schaltstellung S3, sodass dem Datenspeicher 18 elektrische Energie aus dem ersten Energiespeicher-Element 14a bereitgestellt wird.
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Wenn die von dem ersten Energiespeicher-Element 14a bereitgestellte elektrische Spannung unter einen vordefinierten Schwellwert fällt, dann schaltet die Schaltanordnung 20 in die Schaltstellung S4, sodass dem Datenspeicher 18 elektrische Energie aus beiden Energiespeicher-Elementen 14a,b gleichzeitig bereitgestellt wird.
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Auf diese Weise stellt die Schaltanordnung 20 sicher, dass - sofern in den beiden Energiespeicher-Elementen 14a,b genügend elektrische Energie gespeichert ist - an dem Spannungswandler 24 stets eine EingangsSpannung anliegt, die ausreichend groß ist, sodass der Spannungswandler 24 eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung an den Datenspeicher 18 bereitstellen kann, die größer ist als die minimale Versorgungsspannung des Datenspeichers 18.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Magnetfeld-Sensorvorrichtung
- 12
- Wiegand-Sensor
- 14a,b
- Energiespeicher-Elemente
- 16
- Auswerteeinheit
- 18
- Datenspeicher
- 20
- Schaltanordnung
- 20a-d
- Schaltelemente
- 22
- Gleichrichter-Element
- 24
- Spannungswandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011011871 A1 [0003]
