DE102020105933A1 - COMPARED TO AN EXTERNAL FIELD, ROBUST ANGLE DETECTION WITH DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD - Google Patents

COMPARED TO AN EXTERNAL FIELD, ROBUST ANGLE DETECTION WITH DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD Download PDF

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DE102020105933A1
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Abstract

Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sind bereitgestellt. Die magnetische Winkelsensorvorrichtung beinhaltet Folgendes: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein differentielles Magnetfeld produziert, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst; einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; und einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert ist.A magnetic angle sensor device and a method of operating such a device are provided. The magnetic angle sensor device includes: a shaft that is rotatable about a rotation axis; a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly producing a differential magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields; a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field; a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field; and a combination circuit configured to determine a combined rotation angle based on the first signal and the second signal.

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 15/713,877 , eingereicht am 25. September 2017, die den Nutzen der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 118 384.9 , eingereicht am 28. September 2016, beansprucht, die hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen sind.This registration is a partial continuation of the US patent application serial no. 15 / 713,877 , filed on September 25, 2017 promoting the benefits of the German patent application No. 10 2016 118 384.9 , filed September 28, 2016, which are hereby incorporated by reference in their entirety.

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine magnetische Winkelsensoranordnung und insbesondere eine magnetische Winkelsensorvorrichtung, die zum Bestimmen einer Drehposition oder einer Bewegung einer Welle konfiguriert ist, und ein Verfahren zum Betreiben.The present disclosure relates to a magnetic angle sensor assembly and, more particularly, to a magnetic angle sensor device configured to determine a rotational position or movement of a shaft and a method of operating.

Ein magnetischer Winkelsensor kann verwendet werden, um eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle zu detektieren. Typischerweise ist ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht und ist ein einziger Magnetfeldsensor auf der Drehachse und angrenzend an den Magneten platziert.A magnetic angle sensor can be used to detect a rotational position or movement of a shaft. Typically, a permanent magnet is attached to a rotatable shaft and a single magnetic field sensor is placed on the axis of rotation and adjacent to the magnet.

Ein Nachteil bekannter Lösungen ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber magnetischen Störungen sind. Falls zum Beispiel der Magnet ein Feld von z. B. 45 mT an den Sensorelementen erzeugt, führt eine magnetische Störung, die z. B. 3 mT beträgt (im ungünstigsten Fall in einer Richtung senkrecht zu der Achse und orthogonal zu dem Feld des Magneten), zu einem Fehler, der 3,8° (arctan(3/45)=3,8°) beträgt, was allgemein nicht akzeptabel ist.A disadvantage of known solutions is that they are very sensitive to magnetic interference. For example, if the magnet has a field of e.g. B. 45 mT generated at the sensor elements, leads to a magnetic disturbance that z. B. 3 mT (in the worst case in a direction perpendicular to the axis and orthogonal to the field of the magnet), to an error of 3.8 ° (arctan (3/45) = 3.8 °), which is generally not acceptable.

Magnetische Störungsfelder sind in Fahrzeugen verbreitet, so dass magnetische Winkelmessungen oft harsche Umgebungen aushalten müssen. Dies ist insbesondere in neuen Hybrid- und Elektrofahrzeugen problematisch, in denen sich viele Drähte mit starken Strömen nahe dem Sensorsystem befinden. Dementsprechend können externe magnetische Störungsfelder durch Stromschienen in einem Fahrzeug erzeugt werden, welche die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessungen beeinflussen.Magnetic interference fields are common in vehicles so that magnetic angle measurements often have to withstand harsh environments. This is particularly problematic in new hybrid and electric vehicles where there are many wires with high currents near the sensor system. Accordingly, external magnetic interference fields can be generated by busbars in a vehicle, which influence the accuracy of the magnetic angle measurements.

Eine Aufgabe besteht darin, bekannte Ansätze zu verbessern und insbesondere die Detektion der Drehposition und Bewegung einer Welle zu verbessern. One object is to improve known approaches and in particular to improve the detection of the rotational position and movement of a shaft.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments can be inferred in particular from the dependent claims.

Hier bereitgestellte Ausführungsformen betreffen eine magnetische Winkelsensoranordnung, die eine Drehposition oder eine Bewegung einer Welle bestimmt.Embodiments provided here relate to a magnetic angle sensor arrangement which determines a rotational position or a movement of a shaft.

Es wird eine magnetische Winkelsensorvorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes umfasst:

  • - eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist;
  • - eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein Magnetfeld bereitstellt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist;
  • - einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist;
  • - einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist;
  • - einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal eingerichtet ist.
A magnetic angle sensor device is proposed which comprises:
  • - A shaft which is rotatable about an axis of rotation;
  • a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly providing a magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields arranged along the axis of rotation, each of the plurality of diametrical magnetic fields having a different magnetic field gradient, and wherein the plurality of diametrical magnetic fields include such a field direction change that at least a first of the plurality of diametrical magnetic fields has a first field direction and at least a second of the plurality of diametrical magnetic fields has a second field direction which is opposite to the first field direction;
  • a first magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation and is configured to generate a first signal which represents a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field;
  • a second magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation and is set up to generate a second signal which represents a second angle based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field;
  • a combination circuit which is set up to determine a combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung eine Quadrupolmagnetanordnung ist, die einen Hohlraum bestimmt, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.It is a further development that the magnetic arrangement is a quadrupole magnet arrangement which defines a cavity in which the magnetic field is generated, the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor being arranged within the cavity.

Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor auf einer Ausdehnung der Drehachse angeordnet sind und um einen Abstand in einer Richtung getrennt sind, die sich entlang der Drehachse ausdehnt. It is a development that the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged on an extension of the axis of rotation and are separated by a distance in a direction that extends along the axis of rotation.

Es ist eine Weiterbildung, dass jedes magnetische Sensorelement des ersten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist, und jedes magnetische Sensorelement des zweiten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.It is a further development that each magnetic sensor element of the first magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm, and each magnetic sensor element of the second magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Ringmagneten umfasst, der den Hohlraum definiert.It is a further development that the magnetic arrangement comprises a ring magnet which defines the cavity.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Scheibenmagneten beinhaltet, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.It is a further development that the magnetic arrangement contains a disc magnet which lies between the ring magnet and the shaft and is coupled to them.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen weiteren Ringmagneten umfasst, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.It is a further development that the magnetic arrangement comprises a further ring magnet which lies between the ring magnet and the shaft and is coupled to them.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Anordnung einen Zylindermagneten mit einer Bohrung beinhaltet, die den Hohlraum definiert, der sich von einem ersten Ende des Zylindermagneten teilweise entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Zylindermagneten erstreckt.It is a development that the magnetic arrangement includes a cylinder magnet with a bore that defines the cavity which extends from a first end of the cylinder magnet partially along the axis of rotation to a second end of the cylinder magnet.

Es ist eine Weiterbildung, dass die mehreren diametralen Magnetfelder einen ersten Teil mit der ersten magnetischen Richtung und einen zweiten Teil mit der zweiten magnetischen Richtung, die entgegengesetzt zu der ersten magnetischen Richtung ist, beinhalten.It is a development that the plurality of diametrical magnetic fields contain a first part with the first magnetic direction and a second part with the second magnetic direction, which is opposite to the first magnetic direction.

Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet sind und das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten des ersten Teils sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field are different field size gradients of the first part.

Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld gleiche Feldgrößengradienten, aber mit umgekehrtem Vorzeichen sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the multiple diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the multiple diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field having the same field size gradients, but are with the opposite sign.

Es ist eine Weiterbildung, dass der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten sind.It is a further development that the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the plurality of diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field being different field size gradients.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:

  • - einen nichtmagnetischen Abstandshalter, der zwischen der Welle und der magnetischen Anordnung liegt und mit diesen gekoppelt ist,
  • - wobei die magnetische Anordnung ein Ringmagnet ist, der einen Hohlraum definiert, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der Ringmagnet ein erstes Ende beinhaltet, das mit dem nichtmagnetischen Abstandshalter gekoppelt ist, und sich der Hohlraum von dem nichtmagnetischen Abstandshalter entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Ringmagneten erstreckt,
  • - wobei der zweite magnetische Winkelsensor in einer Ebene mit dem zweiten Ende des Ringmagneten ausgerichtet ist.
It is a development that the magnetic angle sensor device further comprises:
  • - a non-magnetic spacer which lies between the shaft and the magnetic arrangement and is coupled to them,
  • - wherein the magnetic arrangement is a ring magnet that defines a cavity in which the magnetic field is generated, wherein the ring magnet includes a first end that is coupled to the non-magnetic spacer, and the cavity from the non-magnetic spacer along the axis of rotation to one extends the second end of the ring magnet,
  • - wherein the second magnetic angle sensor is aligned in a plane with the second end of the ring magnet.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:

  • - einen Leiterrahmen, auf dem der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor angeordnet sind,
  • - wobei der erste magnetische Winkelsensor auf einer ersten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor auf einer zweiten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist, die der ersten Seite gegenüberliegt.
It is a development that the magnetic angle sensor device further comprises:
  • - A lead frame on which the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged,
  • - wherein the first magnetic angle sensor is arranged on a first side of the lead frame and the second magnetic angle sensor is arranged on a second side of the lead frame that is opposite the first side.

Es ist eine Weiterbildung, dass die magnetische Winkelsensorvorrichtung ferner Folgendes umfasst:

  • - ein Schaltkreissubstrat, das mit dem zweiten Ende des Ringmagneten gekoppelt ist und den Hohlraum einschließt,
  • - wobei der Leiterrahmen auf dem Schaltkreissubstrat angeordnet ist und sich innerhalb des Hohlraums befindet.
It is a development that the magnetic angle sensor device further comprises:
  • a circuit substrate coupled to the second end of the ring magnet and enclosing the cavity,
  • - wherein the lead frame is arranged on the circuit substrate and is located within the cavity.

Es ist eine Weiterbildung, dass

  • - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht,
  • - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht.
It's a continuing education that
  • the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector to deviate from a first target magnetic field vector by the first error angle,
  • the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle.

Es ist eine Weiterbildung, dass der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen des ersten Fehlerwinkels und des zweiten Fehlerwinkels und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel eingerichtet ist.One development is that the combination circuit is set up to determine the first error angle and the second error angle and to determine the combined angle of rotation based on the first error angle and the second error angle.

Es ist eine Weiterbildung, dass

  • - der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal erzeugt, das den ersten Fehlerwinkel zwischen dem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert,
  • - der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal erzeugt, das den zweiten Fehlerwinkel zwischen dem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.
It's a continuing education that
  • the first magnetic angle sensor generates the first signal which represents the first error angle between the first diametrical magnetic field that is applied to the first magnetic angle sensor and a first reference direction,
  • - The second magnetic angle sensor generates the second signal which represents the second error angle between the second diametrical magnetic field that is applied to the second magnetic angle sensor and a second reference direction.

Weiterhin wird ein Verfahren angegeben zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle, wobei die Welle eingerichtet ist, sich um eine Drehachse zu drehen, und eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, ein Magnetfeld erzeugt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

  • - Erzeugen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes;
  • - Erzeugen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes; und
  • - Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.
Furthermore, a method is specified for determining a combined angle of rotation of a shaft, wherein the shaft is configured to rotate about an axis of rotation, and a magnetic arrangement, which is coupled to the shaft, generates a magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields that run along the axis of rotation, wherein each of the plurality of diametrical magnetic fields has a different magnetic field gradient, and wherein the plurality of diametrical magnetic fields include such a field direction change that at least a first of the plurality of diametrical magnetic fields has a first field direction and at least a second of the plurality of diametrical magnetic fields has a second field direction which is opposite to the first field direction, the method comprising:
  • Generating, by a first magnetic angle sensor provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation, a first signal which represents a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field;
  • Generating, by a second magnetic angle sensor, which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation, a second signal which represents a second angle based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field; and
  • - Determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.

Es ist eine Weiterbildung, dass

  • - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht,
  • - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht, und
  • - der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel bestimmt wird.
It's a continuing education that
  • the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a perturbation magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, wherein the disturbance magnetic field causes a first resulting magnetic field vector to deviate from a first target magnetic field vector by the first error angle,
  • - the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle, and
  • the combined angle of rotation is determined based on the first error angle and the second error angle.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet eine magnetische Winkelsensorvorrichtung Folgendes: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein differentielles Magnetfeld produziert, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst; einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes konfiguriert ist; und einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert ist.According to one or more embodiments, a magnetic angle sensor device includes: a shaft rotatable about an axis of rotation; a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly producing a differential magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields; a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field; a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field and configured to generate a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field; and a combination circuit configured to determine a combined rotation angle based on the first signal and the second signal.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle unter Verwendung einer magnetischen Anordnung bereitgestellt, die ein differentielles Magnetfeld einschließlich mehrerer diametraler Magnetfelder produziert. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Erzeugen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; Erzeugen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem differentiellen Magnetfeld bereitgestellt ist, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des differentiellen Magnetfeldes, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.According to one or more embodiments, a method is provided for determining a combined angle of rotation of a shaft using a magnetic arrangement that produces a differential magnetic field including a plurality of diametrical magnetic fields. The method includes: generating, by a first magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field, a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the differential magnetic field applied to the first magnetic angle sensor; Generating, by a second magnetic angle sensor provided in the differential magnetic field, a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field of the differential magnetic field applied to the second magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, einschließlich Softwarecodeteilen, die ermöglichen, dass die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.According to one or more embodiments, a computer program product that can be loaded directly into a memory of a digital processing device, including software code parts that enable the digital processing device to carry out one or more methods described herein.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein computerlesbares Medium, z. B. eine nichtflüchtige Speicherung einer beliebigen Art, mit computerausführbaren Anweisungen bereitgestellt, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.According to one or more embodiments, a computer readable medium, e.g. Non-volatile storage of any type is provided with computer-executable instructions configured to cause a computer system to perform one or more of the methods described herein.

Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte veranschaulicht werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche Merkmale.

  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle beinhaltet, die sich um eine Drehachse herum dreht, wobei ein Magnet an der Welle angebracht ist und sich oberhalb von drei magnetischen Winkelsensoren dreht, die auf der Drehachse angeordnet sind;
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen diametral magnetisierten Magneten und einen magnetischen Winkelsensor, der einen Magnetzielfeldvektor und einen Störungsfeldvektor zeigt, umfasst;
  • 3 zeigt einen diametral magnetisierten Magneten, der um eine Drehachse drehbar angeordnet ist;
  • 4 zeigt den in 3 veranschaulichten Magneten, wobei zwei Winkelsensoren auf der Drehachse in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten platziert sind;
  • 5 zeigt die in 4 veranschaulichten Winkelsensoren aus einer unterschiedlichen Perspektive, wobei die Drehwinkelfehler aufgrund eines Störungsfeldes angegeben sind;
  • 6 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Doppelsensorgehäuses;
  • 7 zeigt ein Doppelmagnetsystem, bei dem zwei Winkelsensoren in unterschiedlichen Abständen von zwei diametral magnetisierten Magneten auf der Drehachse platziert sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 8A zeigt ein Doppelmagnetsystem, das zwei Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 8B zeigt ein Doppelmagnetsystem, das zwei Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 9 zeigt ein Doppelmagnetsystem, das einen ebenen diametralen Magneten in Kombination mit einem Ringmagneten beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 10 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 11 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 12 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
  • 13 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
Embodiments are shown and illustrated with reference to the drawings. The drawings serve to illustrate the basic principle, so that only aspects necessary for understanding the basic principle are illustrated. The drawings are not to scale. In the drawings, the same reference numerals denote the same features.
  • 1 Figure 3 shows an embodiment of a sensor system that includes a shaft rotating about an axis of rotation, with a magnet attached to the shaft and rotating above three magnetic angle sensors disposed on the axis of rotation;
  • 2 Fig. 13 is a schematic diagram including a diametrically magnetized magnet and a magnetic angle sensor showing a target magnetic field vector and a perturbation field vector;
  • 3 shows a diametrically magnetized magnet which is rotatably arranged about an axis of rotation;
  • 4th shows the in 3 illustrated magnets, wherein two angle sensors are placed on the axis of rotation at different distances from the magnet;
  • 5 shows the in 4th illustrated angle sensors from a different perspective, the rotation angle errors due to an interference field being indicated;
  • 6th shows an exemplary arrangement of a dual sensor housing;
  • 7th shows a double magnet system in which two angle sensors are placed at different distances from two diametrically magnetized magnets on the axis of rotation, according to one or more embodiments;
  • 8A FIG. 13 shows a double magnet system that includes two ring magnets that are used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles are established according to one or more embodiments;
  • 8B FIG. 13 shows a double magnet system that includes two ring magnets that are used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles are established according to one or more embodiments;
  • 9 FIG. 12 shows a double magnet system which includes a planar diametrical magnet in combination with a ring magnet, which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles are established according to one or more embodiments;
  • 10 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles is configured according to one or more embodiments;
  • 11 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles is configured according to one or more embodiments;
  • 12 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles is configured according to one or more embodiments; and
  • 13 FIG. 13 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement which is used to generate a differential magnetic field according to the FIGS 7th described principles is configured according to one or more embodiments.

Hier beschriebene Beispiele betreffen insbesondere magnetische Winkelsensoren, wobei ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht und ein Magnetfeldsensor auf der Drehachse und angrenzend an den Magneten platziert sein kann. Der magnetische Winkelsensor detektiert insbesondere das drehbare Magnetfeld, das in eine diametrale Richtung zeigt, und folgert daraus die Drehposition der Welle.Examples described here relate in particular to magnetic angle sensors, wherein a permanent magnet can be attached to a rotatable shaft and a magnetic field sensor can be placed on the axis of rotation and adjacent to the magnet. The magnetic angle sensor detects in particular the rotatable magnetic field, which points in a diametrical direction, and deduces the rotational position of the shaft from this.

Es können verschiedene Sensoren verwendet werden, z. B. ein anisotroper Magnetowiderstand (AMR: Anisotropie Magneto-Resistor), ein Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor), ein Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall-Vorrichtungen (z. B. Hall-Platten, vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen) oder Magnetfeldeffekttransistoren (MAG-FETs) (z. B. MAG-FETs mit geteiltem Drain).Various sensors can be used, e.g. B. an anisotropic magnetoresistance (AMR: Anisotropy Magneto-Resistor), a Giant Magneto-Resistor (GMR: Giant Magneto-Resistor), a Tunneling Magneto-Resistor (TMR: Tunneling Magneto-Resistor), Hall devices (e.g. Hall plates, vertical Hall Effect devices) or magnetic field effect transistors (MAG-FETs) (e.g. MAG-FETs with split drain).

Die hier bereitgestellten Ausführungsformen verwenden mehrere Winkelsensoren und kombinieren ihre Ausgaben, um eine Winkelabschätzung abzuleiten, die gegenüber externen Störungsfeldern robust ist.The embodiments provided here use multiple angle sensors and combine their outputs to derive an angle estimate that is robust to external interference fields.

Dies kann in harschen Umgebungen vorteilhaft sein, wie etwa in einem Fahrzeug oder einem Auto, wo externe magnetische Felder, die durch Stromschienen in dem Fahrzeug erzeugt werden, die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessung beeinflussen. Dies wird insbesondere in Hybrid- oder Elektroautos problematisch, die eine Vielzahl an Drähten umfassen, die starke Ströme angrenzend an das oder in der Nähe des Sensorsystems führen.This can be beneficial in harsh environments, such as in a vehicle or an automobile, where external magnetic fields generated by bus bars in the vehicle affect the accuracy of the magnetic angle measurement. This becomes particularly problematic in hybrid or electric cars that comprise a large number of wires that carry strong currents adjacent to or in the vicinity of the sensor system.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems, das eine Welle beinhaltet, die sich um eine Drehachse herum dreht, wobei ein Magnet an der Welle angebracht ist und sich oberhalb von drei magnetischen Winkelsensoren dreht, die auf der Drehachse angeordnet sind. 1 Figure 3 shows an embodiment of a sensor system that includes a shaft that rotates about an axis of rotation, with a magnet attached to the shaft and rotating above three magnetic angle sensors that are disposed on the axis of rotation.

2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen diametral magnetisierten Magneten und einen magnetischen Winkelsensor, der einen Magnetzielfeldvektor und einen Störungsfeldvektor zeigt, umfasst. Insbesondere zeigt 2 ein schematisches Diagramm, das einen diametral magnetisierten Magneten 201 und einen magnetischen Winkelsensor 202 umfasst. Der Magnet 201 weist einen Magnetzielfeldvektor 203 auf; außerdem ist ein Störungsfeldvektor 204 vorhanden. Der Störungsfeldvektor 204 wird mit dem Zielfeldvektor 203 des Magneten 201 überlagert und erzeugt einen Winkelfehler des magnetischen Winkelsensors 202. 2 Fig. 13 is a schematic diagram including a diametrically magnetized magnet and a magnetic angle sensor showing a target magnetic field vector and a perturbation field vector. In particular shows 2 a schematic diagram showing a diametrically magnetized magnet 201 and a magnetic angle sensor 202 includes. The magnet 201 has a target magnetic field vector 203 on; also is a perturbation field vector 204 available. The perturbation field vector 204 becomes with the target field vector 203 of the magnet 201 superimposes and generates an angle error of the magnetic angle sensor 202 .

1 zeigt eine beispielhafte Anordnung, die eine Welle 108 umfasst, die sich um eine Drehachse 107 herum dreht. Ein Magnet 109 ist an der Unterseite der Welle 108 angebracht, wobei der Magnet eine Magnetisierung 110 in x-Richtung aufweist. Drei Winkelsensoren 101, 102 und 103 sind in einem Vergusskörper 111 angeordnet, der unterhalb des Magneten 109 angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem Magneten 109 und dem Vergusskörper 111 kann in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm liegen. Jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 umfasst ein Sensorelement 104 bis 106. Die Winkelsensoren 101 bis 103 sind über Bonddrähte 115 elektrisch mit Zuleitungen 113a, 113b verbunden, wobei der Vergusskörper 111 über die Zuleitungen 113a, 113b mit einer Leiterplatte 114 verbunden ist. 1 shows an exemplary arrangement that uses a shaft 108 includes that revolve around an axis of rotation 107 turns around. A magnet 109 is at the bottom of the shaft 108 attached, the magnet having a magnetization 110 in the x-direction. Three angle sensors 101 , 102 and 103 are in a potting body 111 arranged below the magnet 109 is arranged. The distance between the magnet 109 and the potting body 111 can be in a range between 1 mm and 3 mm. Each of the angle sensors 101 to 103 comprises a sensor element 104 to 106 . The angle sensors 101 to 103 are via bond wires 115 electrically with leads 113a , 113b connected, the potting body 111 via the supply lines 113a , 113b with a circuit board 114 connected is.

Die magnetischen Winkelsensoren 101 bis 103 sind von einem Typ eines „senkrechten Winkelsensors“, was bedeutet, dass sie auf den Drehwinkel der Welle reagieren, wobei die Magnetfeldkomponente eine Erfassungsoberfläche des jeweiligen Winkelsensors beeinflusst, die senkrecht zu der Drehachse ist. Sie sind aufeinander gestapelt angeordnet, so dass sich die Schwerpunkte ihrer Sensorelemente 104 bis 106 im Wesentlichen auf der Drehachse 107 befinden und sie sich in drei unterschiedlichen Abständen von dem Magneten 109 (d. h. in unterschiedlichen z-Positionen) befinden. Der Winkelsensor 101 und der Winkelsensor 102 sind durch ein Abstandselement 112 getrennt, wobei sich der Winkelsensor 102 auf einer Die-Grundplatte 113c befindet. Der Winkelsensor 103 ist unterhalb der Die-Grundplatte 113c montiert, wobei die Sensorelemente 105, 106 auf gegenüberliegenden Seiten der Winkelsensoren 102, 103 angeordnet sind.The magnetic angle sensors 101 to 103 are of a type of "perpendicular angle sensor", which means that they respond to the rotation angle of the shaft, the magnetic field component influencing a detection surface of the respective angle sensor that is perpendicular to the rotation axis. They are stacked on top of one another, so that the focus of their sensor elements 104 to 106 essentially on the axis of rotation 107 and they are at three different distances from the magnet 109 (ie in different z-positions). The angle sensor 101 and the angle sensor 102 are through a spacer 112 separated, with the angle sensor 102 on a die base plate 113c is located. The angle sensor 103 is below the die base 113c mounted, the sensor elements 105 , 106 on opposite sides of the angle sensors 102 , 103 are arranged.

Der Winkelsensor 101 detektiert einen Winkel φ1. Das Sensorelement 104 des Winkelsensors 101 befindet sich in einer axialen Position z1.The angle sensor 101 detects an angle φ 1 . The sensor element 104 of the angle sensor 101 is in an axial position z 1 .

Der Winkelsensor 102 detektiert einen Winkel φ2. Das Sensorelement 105 des Winkelsensors 102 befindet sich in einer axialen Position z2.The angle sensor 102 detects an angle φ 2 . The sensor element 105 of the angle sensor 102 is in an axial position z 2 .

Der Winkelsensor 103 detektiert einen Winkel φ3. Das Sensorelement 106 des Winkelsensors 103 befindet sich in einer axialen Position z3.The angle sensor 103 detects an angle φ 3 . The sensor element 106 of the angle sensor 103 is in an axial position z 3 .

Es wird angemerkt, dass jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 wenigstens ein Sensorelement 104 bis 106 umfassen kann.It is noted that each of the angle sensors 101 to 103 at least one sensor element 104 to 106 may include.

Es wird angemerkt, dass jeder Winkelsensor zwei vertikale Hall-Vorrichtungen (auch als vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen bezeichnet) umfassen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine erste vertikale Hall-Vorrichtung so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung detektiert (z. B. in x-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in y- und z-Richtung durch die erste vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Eine zweite vertikale Hall-Vorrichtung ist so orientiert, dass sie lediglich Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung detektiert, die von der ersten Richtung verschieden ist (z. B. in y-Richtung, wohingegen Magnetfeldkomponenten in x- und z-Richtung durch die zweite vertikale Hall-Vorrichtung nicht detektiert werden). Der Winkelsensor bestimmt ein Signal, das dem Arcustangens der Magnetfelder Bx und By, d. h. arctan2(Bx, By), entspricht. Dies ist äquivalent zu dem Winkel zwischen dem Magnetfeld mit einer verschwindenden Bz-Komponente und einer positiven x-Achse. Falls die Bz-Komponente des Magnetfeldes auf null eingestellt ist, kann eine Projektion des Magnetfelds senkrecht zu der Drehachse erhalten werden, die parallel zu der z-Achse ist. Diese Projektion wird auch diametrales Magnetfeld genannt.It is noted that each angle sensor can include two vertical Hall devices (also referred to as vertical Hall effect devices). In one embodiment, a first vertical Hall device is oriented such that it only detects magnetic field components in a first direction (e.g. in the x direction, whereas magnetic field components in the y and z directions are not detected by the first vertical Hall device become). A second vertical Hall device is oriented in such a way that it only detects magnetic field components in a second direction that is different from the first direction (e.g. in the y direction, whereas magnetic field components in the x and z directions through the second vertical direction Hall device cannot be detected). The angle sensor determines a signal which corresponds to the arctangent of the magnetic fields B x and B y , ie arctan 2 (B x , B y ). This is equivalent to the angle between the magnetic field with a vanishing B z component and a positive x-axis. If the B z component of the magnetic field is set to zero, a projection of the magnetic field perpendicular to the axis of rotation which is parallel to the z-axis can be obtained. This projection is also called a diametrical magnetic field.

Es besteht die Möglichkeit, dass jeder Winkelsensor zwei Wheatstone-Brücken aus magnetoresistiven Widerständen umfassen kann. Eine Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Sinus eines Winkels zwischen dem diametralen Magnetfeld und der x-Achse ist. Die andere Brücke liefert ein Signal, das proportional zu dem Cosinus dieses Winkels ist. Der Winkelsensor kann dementsprechend das Signal bereitstellen, das dem Arcustangens dieses Sinus und Cosinus, d. h. arctan2(cos, sin), entspricht.It is possible that each angle sensor can comprise two Wheatstone bridges made of magnetoresistive resistors. A bridge provides a signal that is proportional to the sine of an angle between the diametrical magnetic field and the x-axis. The other bridge provides a signal that is proportional to the cosine of that angle. The angle sensor can accordingly provide the signal which corresponds to the arctangent of this sine and cosine, ie arctan 2 (cos, sin).

Jede Brücke umfasst vier Widerstände in einer Wheatstone-Brücke-Anordnung. Falls GMRs oder TMRs verwendet werden, umfassen die Widerstände der Hauptdiagonale der Sinusbrücke eine fixierte Schicht, die in einer positiven y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der sekundären Diagonale der Sinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in einer negativen y-Richtung magnetisiert ist. Die Widerstände der Hauptdiagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in positiver x-Richtung magnetisiert ist, und die Widerstände der sekundären Diagonale der Cosinusbrücke umfassen eine fixierte Schicht, die in einer negativen x-Richtung magnetisiert ist.Each bridge comprises four resistors in a Wheatstone bridge arrangement. If GMRs or TMRs are used, the main diagonal resistors of the sine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a positive y-direction. The secondary diagonal resistors of the sine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a negative y-direction. The resistors of the main diagonal of the cosine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a positive x-direction, and the resistors of the secondary diagonal of the cosine bridge comprise a pinned layer that is magnetized in a negative x-direction.

Falls AMR-Sensoren verwendet werden, sind die Signale der Brücken proportional zu cos(2φ) und sin(2φ), wobei φ der Winkel zwischen der diametralen Magnetfeldkomponente und der positiven x-Achse ist. Die Widerstände der Cosinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in y-Richtung entlang der sekundären Diagonale (positiv oder negativ ist in diesem Fall ohne Belang). Die Widerstände der Sinusbrücke zeigen einen Stromfluss in x-Richtung plus 45 Grad (im Uhrzeigersinn) entlang der Hauptdiagonale und einen Stromfluss in x-Richtung minus 45 Grad (gegen den Uhrzeigersinn) entlang der sekundären Diagonale.If AMR sensors are used, the signals from the bridges are proportional to cos (2φ) and sin (2φ), where φ is the angle between the diametrical magnetic field component and the positive x-axis. The resistances of the cosine bridge show a current flow in the x-direction along the main diagonal and a current flow in the y-direction along the secondary diagonal (positive or negative is irrelevant in this case). The resistances of the sine bridge show a current flow in the x direction plus 45 degrees (clockwise) along the main diagonal and a current flow in the x direction minus 45 degrees (counterclockwise) along the secondary diagonal.

Ein diametrales Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z1, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt B1, was die Komponenten Bx1 und By1 umfasst (die Bz-Komponente ist irrelevant). Es wird angemerkt, dass „diametral“ eine Projektion des Magnetfeldvektors auf die x-y-Ebene, d. h. ein Feldvektor mit keinem oder keinem bedeutenden z-Anteil, bedeutet.A diametrical magnetic field on the axis of rotation 107 in the axial position z 1 , which is controlled by the rotatable magnet 109 is generated is B 1 , which includes the components B x1 and B y1 (the B z component is irrelevant). It is noted that “diametrically” means a projection of the magnetic field vector onto the xy plane, ie a field vector with no or no significant z component.

Ein diametrales Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z2, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt k2 · B1, was die Komponenten k2 · Bx1 und k2 · By1 umfasst (die Bz-Komponente ist irrelevant).A diametrical magnetic field on the axis of rotation 107 in the axial position z 2 , which is controlled by the rotatable magnet 109 is generated is k 2 · B 1 , which includes the components k 2 · B x1 and k 2 · B y1 (the B z component is irrelevant).

Das diametrale Magnetfeld auf der Drehachse 107 in der axialen Position z3, das durch den drehbaren Magneten 109 erzeugt wird, beträgt k3 · B1, was die Komponenten k3 · Bx1 und k3 · By1 umfasst (die Bz-Komponente ist irrelevant).The diametrical magnetic field on the axis of rotation 107 in the axial position z 3 , which is controlled by the rotatable magnet 109 is generated is k 3 * B 1 , which includes the components k 3 * B x1 and k 3 * B y1 (the B z component is irrelevant).

Ferner kann ein homogenes Störungsfeld Bd vorliegen, das die Komponenten Bdx und Bdy umfasst (die Bz-Komponente ist irrelevant).Furthermore, there can be a homogeneous interference field Bd which comprises the components Bd x and Bd y (the B z component is irrelevant).

Das Folgende gilt: tan φ 1 = B y 1 + B d y B x 1 + B d x

Figure DE102020105933A1_0001
tan φ 2 = k 2 B y 1 + B d y k 2 B x 1 + B d x
Figure DE102020105933A1_0002
tan φ 3 = k 3 B y 1 + B d y k 3 B x 1 + B d x
Figure DE102020105933A1_0003
The following applies: tan φ 1 = B. y 1 + B. d y B. x 1 + B. d x
Figure DE102020105933A1_0001
tan φ 2 = k 2 B. y 1 + B. d y k 2 B. x 1 + B. d x
Figure DE102020105933A1_0002
tan φ 3 = k 3 B. y 1 + B. d y k 3 B. x 1 + B. d x
Figure DE102020105933A1_0003

Daher beträgt die Drehposition φ0 der Welle 108: tan φ 0 = B y 1 B x 1

Figure DE102020105933A1_0004
Therefore, the rotational position is φ0 of the shaft 108 : tan φ 0 = B. y 1 B. x 1
Figure DE102020105933A1_0004

Multiplizieren von Gleichung (1) mit (Bx1+Bdx) führt zu: ( B x 1 + B d x ) tan φ 1 = B y 1 + B d y ;

Figure DE102020105933A1_0005
Multiplying equation (1) by (Bx1 + Bdx) results in: ( B. x 1 + B. d x ) tan φ 1 = B. y 1 + B. d y ;
Figure DE102020105933A1_0005

Multiplizieren von Gleichung (2) mit (k2 · Bx1 + Bdx) führt zu: ( k 2 B x 1 + B d x ) tan φ 2 = k 2 B y 1 + B d y ;

Figure DE102020105933A1_0006
Multiplying equation (2) by (k 2 B x1 + Bd x ) leads to: ( k 2 B. x 1 + B. d x ) tan φ 2 = k 2 B. y 1 + B. d y ;
Figure DE102020105933A1_0006

Multiplizieren von Gleichung (3) mit (k3 · Bx1 + Bdx) führt zu: ( k 3 B x 1 + B d x ) tan φ 3 = k 3 B y 1 + B d y .

Figure DE102020105933A1_0007
Multiplying equation (3) by (k 3 B x1 + Bd x ) leads to: ( k 3 B. x 1 + B. d x ) tan φ 3 = k 3 B. y 1 + B. d y .
Figure DE102020105933A1_0007

Subtrahieren von Gleichungen (5) - (6) führt zu: ( B x 1 + B d x ) tan φ 1 ( k 2 B x 1 + B d x ) tan φ 2 = B y 1 k 2 B y 1

Figure DE102020105933A1_0008
Subtracting equations (5) - (6) leads to: ( B. x 1 + B. d x ) tan φ 1 - ( k 2 B. x 1 + B. d x ) tan φ 2 = B. y 1 - k 2 B. y 1
Figure DE102020105933A1_0008

Subtrahieren von Gleichungen (5) - (7) führt zu: ( B x 1 + B d x ) tan φ 1 ( k 3 B x 1 + B d x ) tan φ 3 = B y 1 k 3 B y 1 .

Figure DE102020105933A1_0009
Subtracting equations (5) - (7) leads to: ( B. x 1 + B. d x ) tan φ 1 - ( k 3 B. x 1 + B. d x ) tan φ 3 = B. y 1 - k 3 B. y 1 .
Figure DE102020105933A1_0009

Gleichung (4) kann in Folgendes umgeformt werden: B y 1 = B x 1 tan φ 0

Figure DE102020105933A1_0010
wodurch es ermöglicht wird, By1 in Gleichungen (8) und (9) zu ersetzen, was zu Folgendem führt: ( B x 1 + B d x ) tan φ 1 ( k 2 B x 1 + B d x ) tan φ 2 = ( 1 k 2 ) B x 1 tan φ 0 ;
Figure DE102020105933A1_0011
( B x 1 + B d x ) tan φ 1 ( k 3 B x 1 + B d x ) tan φ 3 = ( 1 k 3 ) B x 1 tan φ 0 .
Figure DE102020105933A1_0012
Equation (4) can be transformed into: B. y 1 = B. x 1 tan φ 0
Figure DE102020105933A1_0010
thereby making it possible to replace By1 in equations (8) and (9), resulting in: ( B. x 1 + B. d x ) tan φ 1 - ( k 2 B. x 1 + B. d x ) tan φ 2 = ( 1 - k 2 ) B. x 1 tan φ 0 ;
Figure DE102020105933A1_0011
( B. x 1 + B. d x ) tan φ 1 - ( k 3 B. x 1 + B. d x ) tan φ 3 = ( 1 - k 3 ) B. x 1 tan φ 0 .
Figure DE102020105933A1_0012

Separieren von Bdx auf der linken Seite der Gleichungen (10) und (11) führt zu: B d x ( tan φ 1 tan φ 2 ) = ( 1 k 2 ) B x 1 tan φ 0 B x 1 tan φ 1 + k 2 B x 1 tan φ 2 ;

Figure DE102020105933A1_0013
B d x ( tan φ 1 tan φ 3 ) = ( 1 k 3 ) B x 1 tan φ 0 B x 1 tan φ 1 + k 3 B x 1 tan φ 3 .
Figure DE102020105933A1_0014
Separating Bdx on the left side of equations (10) and (11) leads to: B. d x ( tan φ 1 - tan φ 2 ) = ( 1 - k 2 ) B. x 1 tan φ 0 - B. x 1 tan φ 1 + k 2 B. x 1 tan φ 2 ;
Figure DE102020105933A1_0013
B. d x ( tan φ 1 - tan φ 3 ) = ( 1 - k 3 ) B. x 1 tan φ 0 - B. x 1 tan φ 1 + k 3 B. x 1 tan φ 3 .
Figure DE102020105933A1_0014

Eine Division von Gleichungen (12)/(13) und Auflösen des Ergebnisses nach tan φ0 führt zu: tan φ 0 = ( ( tan φ 1 tan φ 3 ) ( k 2 tan φ 2 tan φ 1 ) ( tan φ 1 tan φ 2 ) ( k 3 tan φ 3 tan φ 1 ) ) ( ( 1 k 3 ) ( tan φ 1 tan φ 2 ) ( 1 k 2 ) ( tan φ 1 tan φ 3 ) )

Figure DE102020105933A1_0015
A division of equations (12) / (13) and solving the result for tan φ0 leads to: tan φ 0 = ( ( tan φ 1 - tan φ 3 ) ( k 2 tan φ 2 - tan φ 1 ) - ( tan φ 1 - tan φ 2 ) ( k 3 tan φ 3 - tan φ 1 ) ) ( ( 1 - k 3 ) ( tan φ 1 - tan φ 2 ) - ( 1 - k 2 ) ( tan φ 1 - tan φ 3 ) )
Figure DE102020105933A1_0015

Es wird angemerkt, dass die arctan-Funktion nicht ohne Mehrdeutigkeit über 360° ist. Die arctan-Funktion reicht nur von -90° bis +90°. Bei den verwendeten Beispielen wäre ein Bereich von -180° bis + 180° bevorzugt. Dies kann mittels der Funktion arctan2(x,y) erreicht werden, die identisch zu arctan(y/x) ist, falls x≥0 gilt. Falls jedoch x<0 gilt, dann gilt Folgendes: arctan 2 ( x , y ) = arctan y x π ,

Figure DE102020105933A1_0016
was in Radiant (rad) angegeben ist. Daher kann Folgendes anstelle von Gleichung (14) gelten: φ 0 = arctan 2 ( A , B )
Figure DE102020105933A1_0017
mit A = ( 1 k 3 ) cos φ 1 cos φ 3 ( sin φ 1 cos φ 2 sin φ 2 cos φ 1 ) ( 1 k 2 ) cos φ 1 cos φ 2 ( sin φ 1 cos φ 3 sin φ 3 cos φ 1 ) ;
Figure DE102020105933A1_0018
B = ( sin φ 1 cos φ 3 sin φ 3 cos φ 1 ) ( k 2 sin φ 2 cos φ 1 sin φ 1 cos φ 2 ) ( sin φ 1 cos φ 2 sin φ 2 cos φ 1 ) ( k 3 sin φ 3 cos φ 1 sin φ 1 cos φ 3 ) .
Figure DE102020105933A1_0019
It is noted that the arctan function is not without ambiguity over 360 °. The arctan function only ranges from -90 ° to + 90 °. In the examples used, a range from -180 ° to + 180 ° would be preferred. This can be achieved using the function arctan2 (x, y), which is identical to arctan (y / x) if x≥0. However, if x <0 then the following applies: arctan 2 ( x , y ) = arctan y x - π ,
Figure DE102020105933A1_0016
what is given in radians (rad). Therefore, instead of equation (14), the following can apply: φ 0 = arctan 2 ( A. , B. )
Figure DE102020105933A1_0017
With A. = ( 1 - k 3 ) cos φ 1 cos φ 3 ( sin φ 1 cos φ 2 - sin φ 2 cos φ 1 ) - ( 1 - k 2 ) cos φ 1 cos φ 2 ( sin φ 1 cos φ 3 - sin φ 3 cos φ 1 ) ;
Figure DE102020105933A1_0018
B. = ( sin φ 1 cos φ 3 - sin φ 3 cos φ 1 ) ( k 2 sin φ 2 cos φ 1 - sin φ 1 cos φ 2 ) - ( sin φ 1 cos φ 2 - sin φ 2 cos φ 1 ) ( k 3 sin φ 3 cos φ 1 - sin φ 1 cos φ 3 ) .
Figure DE102020105933A1_0019

Der auf die rechte Seite von Gleichung (14) angewandte Arcustangens liefert den Drehwinkel φ0. Dieser berechnete Drehwinkel φ0 ist nicht mehr (wesentlich) durch das Störungsfeld beeinflusst und/oder verfälscht. Die Winkelsensoren 101 bis 103 liefern ihre Daten, so dass sie in die obige Gleichung (14) eingesetzt werden. Außerdem werden die Zahlen k2 und k3 verwendet, die feste Zahlen sein können, die von den Verhältnissen von Magnetfeldstärken bei den Positionen z2, z3 im Vergleich zu der Position z1 abhängen können. Vorteilhafterweise befinden sich die Positionen z1, z2 und z3 auf der Drehachse 107. Daher sind die Positionen der Sensoren 101 bis 103 entlang der z-Achse basierend auf der Systemgestaltung bekannt.The arctangent applied to the right-hand side of equation (14) provides the angle of rotation φ0. This calculated angle of rotation φ0 is no longer (significantly) influenced and / or falsified by the interference field. The angle sensors 101 to 103 provide their data so that they are substituted into equation (14) above. In addition, the numbers k2 and k3 are used, which can be fixed numbers that can depend on the ratios of magnetic field strengths at the positions z2, z3 compared to the position z1. The positions z1, z2 and z3 are advantageously located on the axis of rotation 107 . Hence the positions of the sensors 101 to 103 known along the z-axis based on the system design.

Im Fall eines signifikanten axialen Spiels könnte dies die Feldstärken an den Winkelsensoren 101 bis 103 beeinflussen, aber das Verhältnis der Feldstärke an dem Winkelsensor 102 zu der Feldstärke an dem Winkelsensor 101 (d. h. k2) und das Verhältnis der Feldstärke an dem Winkelsensor 103 zu der Feldstärke an dem Winkelsensor 101 (d. h. k3) ändern sich erheblich weniger.In the case of significant axial play, this could be the field strengths at the angle sensors 101 to 103 affect, but the ratio of the field strength at the angle sensor 102 to the field strength at the angle sensor 101 (ie k2) and the ratio of the field strength at the angle sensor 103 to the field strength at the angle sensor 101 (ie k3) change considerably less.

Falls die Funktion des absoluten Wertes des diametralen Magnetfeldes B entlang der Drehachse (d. h. der z-Achse) eine über z lineare Funktion ist, sind die Zahlen k2 und k3 Konstanten, selbst wenn der Magnet 109 axiale Verschiebungen erfährt.If the function of the absolute value of the diametrical magnetic field B along the axis of rotation (ie the z-axis) is a function linear over z, the numbers k2 and k3 are constants, even if the magnet 109 experiences axial shifts.

Es besteht eine Möglichkeit, Magneten zu benutzen, die eine solche lineare Beziehung bereitstellen. Zum Beispiel kann ein kleines Stiftloch in die Oberfläche des Magneten gebohrt sein, insbesondere in die Oberfläche, die den Winkelsensoren 101 bis 103 zugewandt ist (falls sich alle Winkelsensoren auf derselben Seite des Magneten 109 befinden).There is a possibility of using magnets that provide such a linear relationship. For example, a small pin hole can be drilled in the surface of the magnet, particularly in the surface containing the angle sensors 101 to 103 facing (if all angle sensors are on the same side of the magnet 109 are located).

Jeder der Winkelsensoren 101 bis 103 kann eine empfindliche Ebene aufweisen, die senkrecht zu der Drehachse 107 ist. Im Fall von AMR-, GMR-, TMR- oder vertikalen Hall-Winkelsensoren kann die empfindliche Ebene (im Wesentlichen) identisch mit der Hauptoberfläche des Die sein, die das/die Sensorelement(e) beherbergt.Each of the angle sensors 101 to 103 may have a sensitive plane that is perpendicular to the axis of rotation 107 is. In the case of AMR, GMR, TMR or vertical Hall angle sensors, the sensitive plane can be (essentially) identical to the major surface of the die that houses the sensor element (s).

Die Position der Sensorelemente 104 bis 106 kann dementsprechend als ein Schnittpunkt definiert sein, bei dem die empfindliche Ebene der Winkelsensoren 101 bis 103 die Drehachse 107 schneidet.The position of the sensor elements 104 to 106 can accordingly be defined as an intersection at which the sensitive plane of the angle sensors 101 to 103 the axis of rotation 107 cuts.

Die Sensorelemente 104 bis 106 reagieren auf eine Projektion des Magnetfeldvektors in die empfindliche Ebene an diesen Schnittpunkten. Falls sich der Magnet 109 um die Drehachse 107 herum dreht, dreht sich diese Projektion ebenso, was zu zwei orthogonalen Magnetfeldkomponenten Bx, By führt; die dritte Magnetfeldkomponente Bz zeigt aus der empfindlichen Ebene heraus und sie kann in einer ersten Näherung für diese Typen von Winkelsensoren weggelassen werden.The sensor elements 104 to 106 respond to a projection of the magnetic field vector into the sensitive plane at these intersection points. If the magnet 109 around the axis of rotation 107 turns around, this projection also rotates, resulting in two orthogonal magnetic field components Bx, By; the third magnetic field component Bz points out of the sensitive plane and it can be omitted in a first approximation for these types of angle sensors.

Die diametrale Magnetfeldstärke kann wie folgt bezeichnet werden: B x 2 + B y 2 ,

Figure DE102020105933A1_0020
was die Stärke der Projektion des Feldvektors in die empfindliche Ebene ist.The diametrical magnetic field strength can be described as follows: B. x 2 + B. y 2 ,
Figure DE102020105933A1_0020
what is the strength of the projection of the field vector into the sensitive plane.

Mit Bezug auf die hier verwendete Terminologie können die axiale und die laterale Richtung wie folgt unterschieden werden: die axiale Richtung ist entlang der Drehachse 107 (z-Achse); die lateralen Richtungen sind senkrecht zu der Drehachse, d. h. in der x-y-Ebene. Daher gibt es eine unendliche Anzahl an lateralen Richtungen und lediglich eine axiale Richtung.With reference to the terminology used here, the axial and the lateral directions can be distinguished as follows: the axial direction is along the axis of rotation 107 (z-axis); the lateral directions are perpendicular to the axis of rotation, ie in the xy plane. Hence there is an infinite number of lateral directions and only one axial direction.

Als eine Möglichkeit kann der Winkelsensor 101 in einem ersten Gehäuse auf der Oberseite der Leiterplatte 114 angeordnet sein und kann der Winkelsensor 103 in einem zweiten Gehäuse auf der Unterseite der Leiterplatte 114 angeordnet sein. Der Winkelsensor 102 kann entweder innerhalb des ersten Gehäuses oder des zweiten Gehäuses angeordnet sein.One possibility is the angle sensor 101 in a first housing on top of the circuit board 114 be arranged and the angle sensor 103 in a second housing on the underside of the circuit board 114 be arranged. The angle sensor 102 can be arranged either within the first housing or the second housing.

Es wird angemerkt, dass eine erhöhte Zuverlässigkeit ein weiterer Vorteil des Systems ist: das System ermöglicht das Erhalten von drei Schätzungen eines Drehwinkels, d. h. φ1, φ2, φ3, die z. B. zu Vergleichszwecken kombiniert werden können. Zum Beispiel kann entschieden werden, dass einer der Winkelsensoren defekt ist, falls er einen Drehwinkel produziert, der sich von den Drehwinkeln, die durch die anderen zwei Winkelsensoren detektiert werden, erheblich unterscheidet (z. B. eine vordefinierte Schwelle für eine Variation zwischen den Drehwinkeln überschreitet). Der Defekt kann gemeldet werden, z. B. als ein Alarm, und/oder das Ergebnis des defekten Winkels kann nicht mehr verwendet werden; bei einem solchen beispielhaften Szenario können die Drehwinkel von den anderen zwei (nichtdefekten) Winkelsensoren gemittelt und zur weiteren Verarbeitung verwendet werden.It is noted that increased reliability is another advantage of the system: the system enables three estimates of an angle of rotation to be obtained, i.e. H. φ1, φ2, φ3, the z. B. can be combined for comparison purposes. For example, it can be decided that one of the angle sensors is defective if it produces a rotation angle that differs significantly from the rotation angles that are detected by the other two angle sensors (e.g. a predefined threshold for a variation between the rotation angles exceeds). The defect can be reported, e.g. B. as an alarm, and / or the result of the broken angle can no longer be used; in such an exemplary scenario, the angles of rotation from the other two (non-defective) angle sensors can be averaged and used for further processing.

Es ist auch ein Vorteil, dass das System dazu in der Lage ist, zu bestimmen, ob die Winkelsensoren 101 bis 103 monoton verteilt sind. Im Fall von perfekt angeordneten Winkelsensoren 101 bis 103 und einem homogenen magnetischen Störungsfeld gilt entweder: φ 1 > φ 2 > φ 3

Figure DE102020105933A1_0021
oder φ 1 < φ 2 < φ 3
Figure DE102020105933A1_0022
(in einem Modulo-360°-Schema). Falls die Winkelsensoren 101 bis 103 nicht monoton verteilt sind, gibt es einen gewissen Fehler: Entweder versagen die Winkelsensoren 101 bis 103 oder das Störungsfeld ist stark inhomogen. It is also an advantage that the system is able to determine if the angle sensors 101 to 103 are monotonically distributed. In the case of perfectly arranged angle sensors 101 to 103 and a homogeneous magnetic disturbance field either: φ 1 > φ 2 > φ 3
Figure DE102020105933A1_0021
or φ 1 < φ 2 < φ 3
Figure DE102020105933A1_0022
(in a modulo 360 ° scheme). If the angle sensors 101 to 103 are not monotonously distributed, there is a certain error: Either the angle sensors fail 101 to 103 or the interference field is very inhomogeneous.

Als eine Möglichkeit kann das System die Monotonie nur überprüfen, falls die Differenzen zwischen den Drehwinkeln φ1, φ2 und φ3 oberhalb einer vorbestimmten Schwelle sind, die größer als eine erwartete Produktionsstreuung sein kann. Dies vermeidet das Detektieren einer inhomogenen Verteilung von Winkelsensoren, selbst wenn es keine gibt.As a possibility, the system can only check the monotony if the differences between the angles of rotation φ1, φ2 and φ3 are above a predetermined threshold which may be greater than an expected production spread. This avoids the detection of an inhomogeneous distribution of angle sensors, even if there are none.

Durch Einsetzen des Drehwinkels φ0 in die Gleichungen (12), (13) und (6), (7) ist das System dazu in der Lage, die folgenden Verhältnisse zu berechnen: B d x B x 1  and  B d y B y 1 .

Figure DE102020105933A1_0023
By inserting the angle of rotation φ0 into equations (12), (13) and (6), (7), the system is able to calculate the following relationships: B. d x B. x 1 other B. d y B. y 1 .
Figure DE102020105933A1_0023

Gleichung (12) oder Gleichung (13) kann verwendet werden, um Bdx/Bx1 basierend auf den Drehwinkeln φ1, φ2 und φ3 zu berechnen. Dieses Ergebnis kann in Gleichung (6) oder in Gleichung (7) eingesetzt werden, um Bdy/By1 zu berechnen.Equation (12) or Equation (13) can be used to calculate Bdx / Bx1 based on the rotation angles φ1, φ2, and φ3. This result can be plugged into Equation (6) or Equation (7) to calculate Bdy / By1.

Insbesondere besteht eine Möglichkeit, Folgendes zu bestimmen: B d x 2 + B d y 2 B x 1 2 + B y 1 2

Figure DE102020105933A1_0024
was unabhängig von dem Drehwinkel ist und das Verhältnis des Störungsfeldes zu dem Zielfeld (Zielfeld: das Feld des Magneten) liefert.In particular, there is a possibility of determining the following: B. d x 2 + B. d y 2 B. x 1 2 + B. y 1 2
Figure DE102020105933A1_0024
which is independent of the angle of rotation and provides the ratio of the interference field to the target field (target field: the field of the magnet).

Bdx/Bxl kann verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen: B d x B x 1 2 + B y 1 2 = B d x cos φ 0 B x 1 .

Figure DE102020105933A1_0025
Bdx / Bxl can be used to determine: B. d x B. x 1 2 + B. y 1 2 = B. d x cos φ 0 B. x 1 .
Figure DE102020105933A1_0025

Entsprechend kann Bdy/Byl verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen: B d y B x 1 2 + B y 1 2 = B f y sin φ 0 B y 1 .

Figure DE102020105933A1_0026
Similarly, Bdy / Byl can be used to determine: B. d y B. x 1 2 + B. y 1 2 = B. f y sin φ 0 B. y 1 .
Figure DE102020105933A1_0026

Die beiden Gleichungen (16) und (17) können kombiniert werden, um Gleichung (15) zu erhalten, d. h. Gleichung (16) und Gleichung (17) werden beide quadriert und dann addiert und anschließend wird die Wurzel aus dieser Addition gezogen. Der durch Gleichung (15) gelieferte Wert kann mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen werden, um anzugeben, ob das Störungsfeld innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt oder nicht.The two equations (16) and (17) can be combined to obtain equation (15); H. Equation (16) and Equation (17) are both squared and then added, and then the square root of that addition is taken. The value given by equation (15) can be compared to a predetermined threshold to indicate whether or not the perturbation field is within an acceptable range.

Daher kann das System das Ausmaß einer Störung im Verhältnis zu dem Magnetfeld des Magneten bestimmen. Dieses Verhältnis kann mit wenigstens einer vordefinierten Grenze verglichen werden und das System kann einen Alarm ausgeben, falls die Störung zu groß geworden ist, was zu unzuverlässigen oder ungenauen Ergebnissen führen kann. Therefore, the system can determine the degree of disturbance in relation to the magnetic field of the magnet. This ratio can be compared with at least one predefined limit and the system can give an alarm if the disturbance has become too great, which can lead to unreliable or inaccurate results.

Gemäß einem Beispiel werden zwei Winkelsensoren verwendet, um die Drehungs-/Winkelinformationen abzuleiten. Jedoch sind die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt und es können mehr als zwei Winkelsensoren verwendet werden, wobei jeder Sensor Winkelinformationen erzeugt, die zum Ableiten der abschließenden Messung (d. h. eines kombinierten Drehwinkels) verwendet werden.In one example, two angle sensors are used to derive the rotation / angle information. However, the embodiments are not limited thereto and more than two angle sensors can be used, each sensor generating angle information that is used to derive the final measurement (i.e., a combined angle of rotation).

Das Magnetfeld eines Magneten hängt stark von dem Abstand des Sensors zu dem Magneten ab. 3 zeigt einen diametral magnetisierten Magneten 301, der um eine Drehachse 302 drehbar angeordnet ist. Eine Ellipse mit einem Pfeil 304 gibt eine Drehung des Magneten 301 um die Drehachse 302 an.The magnetic field of a magnet strongly depends on the distance between the sensor and the magnet. 3 shows a diametrically magnetized magnet 301 around an axis of rotation 302 is rotatably arranged. An ellipse with an arrow 304 gives a rotation of the magnet 301 around the axis of rotation 302 on.

Ein Magnetzielfeld ist durch Pfeile 303a bis 303e angegeben, wobei die Größe des diametralen Magnetfeldes B mit zunehmendem Abstand d von dem Magneten 301 abnimmt; dies ist auch durch eine abnehmende Länge der Pfeile 303a bis 303e angegeben. Mit anderen Worten geben die Längen der Pfeile 303a bis 303e die Stärke des diametralen Magnetfeldes in einem axialen Abstand d von dem Magneten 301 an.A target magnetic field is indicated by arrows 303a to 303e indicated, the size of the diametrical magnetic field B with increasing distance d from the magnet 301 decreases; this is also due to a decreasing length of the arrows 303a to 303e specified. In other words, give the lengths of the arrows 303a to 303e the strength of the diametrical magnetic field at an axial distance d from the magnet 301 on.

4 zeigt den Magneten 301 und die Drehachse 302 aus 3, wobei ein Winkelsensor 401 auf der Drehachse 302 in einem Abstand d1 von dem Magneten 301 platziert ist und ein Winkelsensor 402 auf der Drehachse 302 in einem Abstand d2 von dem Magneten 301 platziert ist. Bei diesem Beispiel befinden sich die magnetischen Sensorelemente auf den Winkelsensoren 401 und 402. 4th shows the magnet 301 and the axis of rotation 302 out 3 , being an angle sensor 401 on the axis of rotation 302 at a distance d 1 from the magnet 301 is placed and an angle sensor 402 on the axis of rotation 302 at a distance d 2 from the magnet 301 is placed. In this example, the magnetic sensor elements are located on the angle sensors 401 and 402 .

In Anwesenheit von homogenen Störungsfeldern können die Winkelsensoren 401 und 402 aufgrund ihrer abweichenden Abstände d1 und d2 von dem Magneten 301, die zu unterschiedlichen Überlagerungen von Feldern von dem Magneten und dem Störungsfeld führen, unterschiedliche Drehwinkel erfassen.In the presence of homogeneous interference fields, the angle sensors 401 and 402 due to their different distances d 1 and d 2 from the magnet 301 , which lead to different superimpositions of fields from the magnet and the interference field, detect different angles of rotation.

Es wird angemerkt, dass in 4 ein Koordinatensystem mit x-y-z-Achsen gezeigt ist, wobei die Drehachse 302 entlang der z-Achse ist und die Sensoren 401, 402 auch in der x-y-Ebene angeordnet sind.It is noted that in 4th a coordinate system with xyz axes is shown, with the axis of rotation 302 along the z-axis is and the sensors 401 , 402 are also arranged in the xy plane.

5 zeigt die Winkelsensoren 401 und 402, wobei beide Sensoren einen Störungsfeldvektor 503 erfahren, von dem angenommen wird, dass er für beide Winkelsensoren 401, 402 von der gleichen Größe ist. Für den Winkelsensor 401 wird aufgrund des Störungsfeldvektors 503 ein Magnetfeldvektor 504 des Magneten 301 in einen resultierenden Magnetfeldvektor 505 verzerrt, was zu einem Drehwinkelfehler 506 führt. Für den Winkelsensor 402 wird aufgrund des Störungsfeldvektors 503 ein Magnetfeldvektor 507 des Magneten 301 in einen resultierenden Magnetfeldvektor 508 verzerrt, was zu einem Drehwinkelfehler 509 führt. 5 shows the angle sensors 401 and 402 , where both sensors have a disturbance field vector 503 which is believed to work for both angle sensors 401 , 402 is of the same size. For the angle sensor 401 becomes due to the perturbation field vector 503 a magnetic field vector 504 of the magnet 301 into a resulting magnetic field vector 505 distorted, resulting in a rotation angle error 506 leads. For the angle sensor 402 becomes due to the perturbation field vector 503 a magnetic field vector 507 of the magnet 301 into a resulting magnetic field vector 508 distorted, resulting in a rotation angle error 509 leads.

Da der Winkelsensor 401 näher an dem Magneten 301 ist als der Winkelsensor 402, weist der Störungsfeldvektor 503 eine größere Auswirkung auf den Magnetfeldvektor 507 als auf den Magnetfeldvektor 504 auf, was zu dem Drehwinkelfehler 509 führt, der größer als der Drehwinkelfehler 506 ist.Since the angle sensor 401 closer to the magnet 301 is than the angle sensor 402 , shows the perturbation field vector 503 a greater impact on the magnetic field vector 507 than on the magnetic field vector 504 on what leads to the rotation angle error 509 which is greater than the angle of rotation error 506 is.

Basierend auf diesem beispielhaften Szenario kann der tatsächliche Drehwinkel bestimmt oder angenähert werden und kann sogar die Größe des Störungsfeldes bestimmt oder angenähert werden. Um dies zu erreichen, muss die Feldgröße des Magneten 301 bekannt sein.Based on this exemplary scenario, the actual angle of rotation can be determined or approximated, and even the size of the interference field can be determined or approximated. To achieve this, the field size of the magnet must be 301 be known.

Es wird angemerkt, dass das in 4 eingeführte Koordinatensystem auch in 5 gezeigt ist, um die Orientierung der Winkelsensoren 401 und 402 anzugeben.It is noted that in 4th Coordinate system introduced also in 5 is shown to the orientation of the angle sensors 401 and 402 to specify.

Eine Linearkombination der Drehwinkel, die durch diese zwei Winkelsensoren erhalten werden, kann zu einem Drehwinkel führen, der gegenüber Störungen robust ist.A linear combination of the angles of rotation obtained by these two angle sensors can lead to an angle of rotation that is robust to interference.

Der Magnet 301 kann in eine Richtung zeigen, die mit 0° assoziiert ist (als eine Startreferenz). Die Winkelsensoren 401 und 402 können die folgenden Drehwinkel produzieren: α 1 = arctan B d n B 1 + B d p ,

Figure DE102020105933A1_0027
α 2 = arctan B d n B 2 + B d p ,
Figure DE102020105933A1_0028
wobei: α1 der durch den Winkelsensor 401 bestimmte Drehwinkel ist; α2 der durch den Winkelsensor 402 bestimmte Drehwinkel ist; Bdn die diametrale Störungsfeldkomponente ist, die normal zu dem Feld des Magneten ist; Bdp die diametrale Störungsfeldkomponente ist, die parallel zu dem Feld des Magneten ist; B1 das diametrale Feld des Magneten ist, das den Sensor 401 beeinflusst; und B2 das diametrale Feld des Magneten ist, das den Sensor 402 beeinflusst.The magnet 301 can point in a direction associated with 0 ° (as a starting reference). The angle sensors 401 and 402 can produce the following rotation angles: α 1 = arctan B. d n B. 1 + B. d p ,
Figure DE102020105933A1_0027
α 2 = arctan B. d n B. 2 + B. d p ,
Figure DE102020105933A1_0028
where: α1 that by the angle sensor 401 is certain angle of rotation; α2 by the angle sensor 402 is certain angle of rotation; Bdn is the diametrical perturbation field component normal to the field of the magnet; Bdp is the diametrical disturbance field component parallel to the field of the magnet; B1 is the diametrical field of the magnet that controls the sensor 401 influenced; and B2 is the diametrical field of the magnet holding the sensor 402 influenced.

Im Fall eines kleinen Störungsfeldes Bd gilt das Folgende: α 1 B d n B 1 ,

Figure DE102020105933A1_0029
α 2 B d n B 2 = B d n B 1 B 1 B 2 .
Figure DE102020105933A1_0030
In the case of a small interference field Bd, the following applies: α 1 B. d n B. 1 ,
Figure DE102020105933A1_0029
α 2 B. d n B. 2 = B. d n B. 1 B. 1 B. 2 .
Figure DE102020105933A1_0030

Ein Drehwinkel αBeste-Einschätzung kann wie folgt bestimmt werden: α B e s t e E i n s c h ä t z u n g = α 1 + c ( α 1 α 2 ) = = B d n B 1 + c ( B d n B 1 B d n B 1 B 1 B 2 ) = = B d n B 1 ( 1 + c ( 1 B 1 B 2 ) ) ,

Figure DE102020105933A1_0031
wobei c ein Kompensationsfaktor ist.An angle of rotation α best estimate can be determined as follows: α B. e s t e - E. i n s c H Ä t z u n G = α 1 + c ( α 1 - α 2 ) = = B. d n B. 1 + c ( B. d n B. 1 - B. d n B. 1 B. 1 B. 2 ) = = B. d n B. 1 ( 1 + c ( 1 - B. 1 B. 2 ) ) ,
Figure DE102020105933A1_0031
where c is a compensation factor.

Der Drehwinkel αBeste-Einschätzung sollte 0° sein, weil der Magnet in diese 0°-Richtung zeigt.The angle of rotation α, best estimate, should be 0 ° because the magnet is pointing in this 0 ° direction.

Dies führt zu: B d n B 1 ( 1 + c ( 1 B 1 B 2 ) ) = 0,

Figure DE102020105933A1_0032
c = 1 B 1 B 2 1 .
Figure DE102020105933A1_0033
This leads to: B. d n B. 1 ( 1 + c ( 1 - B. 1 B. 2 ) ) = 0,
Figure DE102020105933A1_0032
c = 1 B. 1 B. 2 - 1 .
Figure DE102020105933A1_0033

Ein Algorithmus kann verwendet werden, um α B e s t e E i n s c h ä t z u n g = α 1 + c ( α 1 α 2 )

Figure DE102020105933A1_0034
zu bestimmen.An algorithm can be used to α B. e s t e - E. i n s c H Ä t z u n G = α 1 + c ( α 1 - α 2 )
Figure DE102020105933A1_0034
to determine.

Der Algorithmus kann die Konstante c verwenden, die durch die letzte Gleichung gegeben ist und die nur von dem Verhältnis von Feldern des Magneten an den beiden Winkelsensoren abhängt. Obwohl die Formel mit der Annahme einer speziellen Drehposition φ = 0° abgeleitet wurde, funktioniert sie für alle Drehpositionen.The algorithm can use the constant c given by the last equation, which depends only on the ratio of fields of the magnet at the two angle sensors. Although the formula was derived with the assumption of a special rotational position φ = 0 °, it works for all rotational positions.

B1/B2 kann zum Beispiel 1,5 betragen. Dies führt zu c=2 und α B e s t e E i n s c h ä t z u n g = α 1 + 2 ( α 1 α 2 ) = 3 α 1 2 α 2 .

Figure DE102020105933A1_0035
B1 / B2 can be 1.5, for example. This leads to c = 2 and α B. e s t e - E. i n s c H Ä t z u n G = α 1 + 2 ( α 1 - α 2 ) = 3 α 1 - 2 α 2 .
Figure DE102020105933A1_0035

6 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Doppelsensorgehäuses. Ein oberer Die 601 ist auf einem Leiterrahmen 600 angeordnet, wobei ein isolierender Kleber 605 zwischen dem oberen Die 601 und dem Leiterrahmen 600 angeordnet ist. Der obere Die 601 umfasst ein Sensorelement 602 und der obere Die 601 ist mittels Bonddrähten 603 elektrisch mit dem Leiterrahmen 600 verbunden. 6th shows an exemplary arrangement of a double sensor housing. A top die 601 is on a ladder frame 600 arranged with an insulating adhesive 605 between the upper die 601 and the lead frame 600 is arranged. The upper die 601 comprises a sensor element 602 and the upper die 601 is by means of bond wires 603 electrically with the lead frame 600 connected.

Ein unterer Die 606 ist auf der Unterseite des Leiterrahmens 600 angeordnet, wobei ein isolierender Kleber 609 zwischen dem unteren Die 606 und dem Leiterrahmen 600 angeordnet ist. Der untere Die 606 umfasst ein Sensorelement 607 und der untere Die 606 ist mittels Bonddrähten 608 elektrisch mit dem Leiterrahmen 600 verbunden. Bei einem beispielhaften Verwendungsfall sind die Erfassungselemente 602 und 607 um weniger als 600 µm voneinander beabstandet.A lower die 606 is on the underside of the leadframe 600 arranged with an insulating adhesive 609 between the lower die 606 and the lead frame 600 is arranged. The lower die 606 comprises a sensor element 607 and the lower die 606 is by means of bond wires 608 electrically with the lead frame 600 connected. In an exemplary use case, the sensing elements are 602 and 607 spaced apart by less than 600 µm.

Bei diesem Doppel-Die-Aufbau befinden sich die magnetischen Sensorelemente 602 und 607 aufeinander und befinden sich die beiden Sensorelemente 602, 607 direkt oberhalb voneinander, so dass sie beide auf der Drehachse platziert werden können, falls die Chips orthogonal zu der Drehachse sind.The magnetic sensor elements are located in this double die structure 602 and 607 on top of each other and the two sensor elements are located 602 , 607 directly above each other so that they can both be placed on the axis of rotation if the chips are orthogonal to the axis of rotation.

Ein (in 6 nicht gezeigter) Mikrocontroller kann mit dem Leiterrahmen 600 (und damit mit den Sensorelementen 602 und 607) verbunden werden, um die Drehwinkel zu lesen und die Kompensation durchzuführen, um den kombinierten Drehwinkel wie hier vorgeschlagen zu bestimmen.A (in 6th (not shown) microcontroller can connect to the lead frame 600 (and thus with the sensor elements 602 and 607 ) to read the rotation angles and perform the compensation to determine the combined rotation angle as suggested here.

Vorteilhafterweise ermöglicht dieser Ansatz Drehwinkelmessungen, die gegenüber Störungsfeldern robust sind.This approach advantageously enables angle of rotation measurements that are robust to interference fields.

Die in 6 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, um unterhalb des Magneten 301 aus 4 platziert zu werden. In diesem Fall entspricht der Winkelsensor 401 dem Sensorelement 602 und entspricht der Winkelsensor 402 dem Sensorelement 607. Insbesondere besteht eine Möglichkeit, die Winkelsensoren 401 und 402 auf getrennten oder auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte (PCB: Printed Circuit Board) zu platzieren, um den Abstand zwischen den Winkelsensoren (und den Winkelsensorelementen) zu erhöhen. In diesem Fall können die Winkelsensoren 401 und 402 ihre eigenen Gehäuse aufweisen und jeder der Winkelsensoren 401 und 402 kann wenigstens ein Winkelsensorelement umfassen. Die Gehäuse können auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte platziert sein (ähnlich dem, was oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde).In the 6th The arrangement shown can be used to put underneath the magnet 301 out 4th to be placed. In this case, the angle sensor corresponds 401 the sensor element 602 and corresponds to the angle sensor 402 the sensor element 607 . In particular, there is a possibility of using the angle sensors 401 and 402 on separate or on opposite sides of a printed circuit board (PCB) to increase the distance between the angle sensors (and the angle sensor elements). In this case the angle sensors 401 and 402 have their own housings and each of the angle sensors 401 and 402 can comprise at least one angle sensor element. The housings can be placed on opposite sides of the circuit board (similar to what was above with reference to FIG 1 has been described).

Es besteht auch eine Möglichkeit, dass der korrigierte Drehwinkel durch einen der Winkelsensoren berechnet wird, falls beide Winkelsensoren in einem Gehäuse integriert sind. Zum Beispiel kann ein erster Winkelsensor zum Bestimmen des korrigierten Drehwinkels verwendet werden, falls der erste und ein zweiter Winkelsensor durch Bonddrähte oder durch Zuleitungen verbunden sind: Daher erhält der erste Winkelsensor die Daten von dem zweiten Winkelsensor und berechnet den korrigierten (z. B. kompensierten) Drehwinkel basierend auf den Daten, die durch den ersten und den zweiten Winkelsensor bestimmt wurden. In einem solchen Szenario kann ein Mikrocontroller zum Lesen eines solchen korrigierten Drehwinkels von dem ersten Sensor bereitgestellt sein.There is also a possibility that the corrected angle of rotation is calculated by one of the angle sensors if both angle sensors are integrated in one housing. For example, a first angle sensor can be used to determine the corrected angle of rotation if the first and a second angle sensor are connected by bonding wires or by leads: The first angle sensor therefore receives the data from the second angle sensor and calculates the corrected (e.g. compensated ) Angle of rotation based on the data determined by the first and second angle sensors. In such a scenario, a microcontroller can be provided for reading such a corrected angle of rotation from the first sensor.

Daher nutzt dieses Beispiel die Tatsache, dass das diametrale Feld von dem Magneten in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten unterschiedlich ist; Platzieren von Winkelsensoren in unterschiedlichen Abständen von dem Magneten ermöglicht einen robusten Aufbau, um magnetische Störungsfelder wenigstens teilweise zu kompensieren.Hence, this example takes advantage of the fact that the diametrical field from the magnet is different at different distances from the magnet; Placing angle sensors at different distances from the magnet enables a robust construction to at least partially compensate for magnetic interference fields.

Die hier bereitgestellten Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere auf wenigstens einer der folgenden Ausführungsformen basieren. Insbesondere könnten Kombinationen der folgenden Merkmale der folgenden Ausführungsformen genutzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens könnten mit einem oder mehreren beliebigen Merkmalen der Vorrichtung, der Einrichtung oder des Systems kombiniert werden oder umgekehrt.The devices and methods provided here can in particular be based on at least one of the following embodiments. In particular, combinations of the following features of the following embodiments could be used to achieve a desired result. The features of the method could be combined with one or more arbitrary features of the device, device or system, or vice versa.

Eine magnetische Winkelsensorvorrichtung ist bereitgestellt, die Folgendes beinhaltet: eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist; eine Magnetfeldquelle, wobei die Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist; einen ersten magnetischen Winkelsensor und einen zweiten magnetischen Winkelsensor, wobei der erste magnetische Winkelsensor ein erstes Signal, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, erzeugt, wobei der zweite magnetische Winkelsensor ein zweites Signal, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, erzeugt, und wobei ein kombinierter Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal bestimmt wird.A magnetic angle sensor device is provided including: a shaft rotatable about a rotation axis; a magnetic field source, the magnetic field source being connected to the shaft; a first magnetic angle sensor and a second magnetic angle sensor, the first magnetic angle sensor generating a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field applied to the first magnetic angle sensor, the second magnetic angle sensor generating a second Signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field applied to the second magnetic angle sensor, generated, and wherein a combined angle of rotation is determined based on the first signal and on the second signal.

Insbesondere ist der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel basierend auf dem ersten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und einem Störungsmagnetfeld, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht. Gleichermaßen ist der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und dem Störungsmagnetfeld, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht.In particular, the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field from the magnetic field source and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector to deviate by the first error angle from a first magnetic target field vector . Likewise, the second angle is a second error angle based on a second diametrical magnetic field from the magnetic field source and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle .

In Fällen, in denen ein dritter magnetischer Winkelsensor bereitgestellt ist, ist der dritte magnetische Winkelsensor zum Erzeugen eines dritten Signals konfiguriert, das einen dritten Fehlerwinkel basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle und dem Störungsmagnetfeld repräsentiert, die beide an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein dritter resultierender Magnetfeldvektor um den dritten Fehlerwinkel von einem dritten Magnetzielfeldvektor abweicht. Der erste Magnetzielfeldvektor, der zweite Magnetzielfeldvektor und der dritte Magnetzielfeldvektor können in derselben Richtung orientiert sein.In cases where a third magnetic angle sensor is provided, the third magnetic angle sensor is configured to generate a third signal representing a third error angle based on a third diametrical magnetic field from the magnetic field source and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the third magnetic angle sensor wherein the disturbance magnetic field causes a third resulting magnetic field vector to deviate from a third target magnetic field vector by the third error angle. The first target magnetic field vector, the second target magnetic field vector and the third target magnetic field vector can be oriented in the same direction.

Ein Kombinationsschaltkreis (z. B. eine Kombinationslogik, ein Prozessor und/oder ein Mikrocontroller) kann mit dem ersten magnetischen Winkelsensor und dem zweiten magnetischen Winkelsensor wirkverbunden sein und zum Empfangen des ersten Signals und des zweiten Signals und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal konfiguriert sein. Insbesondere ist der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen des ersten Fehlerwinkels und des zweiten Fehlerwinkels aus dem ersten Signal bzw. dem zweiten Signal und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel konfiguriert. Der Prozessor kann zum Erzeugen eines Messsignals konfiguriert sein, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert. Der Prozessor kann das Messsignal, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert, zur weiteren Verarbeitung verwenden und/oder kann das Messsignal an eine andere Vorrichtung ausgeben.A combination circuit (e.g. a combination logic, a processor and / or a microcontroller) can be operatively connected to the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor and for receiving the first signal and the second signal and for determining the combined angle of rotation based on the first signal and configured on the second signal. In particular, the combination circuit is configured to determine the first error angle and the second error angle from the first signal and the second signal and to determine the combined rotation angle based on the first error angle and the second error angle. The processor can be configured to generate a measurement signal that represents the combined angle of rotation. The processor can use the measurement signal, which represents the combined angle of rotation, for further processing and / or can output the measurement signal to another device.

Die Magnetfeldquelle ist insbesondere starr an der Welle angebracht.The magnetic field source is particularly rigidly attached to the shaft.

Jeder der magnetischen Winkelsensoren kann ein Magnetfeldwinkelsensor sein.Each of the magnetic angle sensors can be a magnetic field angle sensor.

Das Magnetfeld ist ein Vektor an jedem Punkt. Dieser Vektor kann in einen Vektor parallel zu der Drehachse und einen Vektor orthogonal zu der Drehachse zerlegt werden. Der Letztere ist das diametrale Magnetfeld.The magnetic field is a vector at each point. This vector can be broken down into a vector parallel to the axis of rotation and a vector orthogonal to the axis of rotation. The latter is the diametrical magnetic field.

Falls ein Chip mit seiner Hauptoberfläche senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und magnetoresistive Elemente auf seine Hauptoberfläche gesputtert sind, reagieren diese Elemente auf diametrale Magnetfelder. Derselbe Chip kann vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen umfassen, die ebenfalls auf diametrale Magnetfeldkomponenten reagieren. Im Gegensatz dazu reagieren Hall-Platten, falls sie senkrecht zu der Drehachse orientiert sind, auf die axiale Magnetfeldkomponente.If a chip is oriented with its main surface perpendicular to the axis of rotation and magnetoresistive elements are sputtered onto its main surface, these elements react to diametrical magnetic fields. The same chip can include vertical Hall effect devices that also respond to diametrical magnetic field components. In contrast to this, Hall plates, if they are oriented perpendicular to the axis of rotation, react to the axial magnetic field component.

In der Praxis kann der Chip aufgrund von Zusammenbautoleranzen um wenige Grad geneigt sein. Falls die Hauptoberfläche eines Chips nicht exakt senkrecht zu der Drehachse ist, reagieren die magnetoresistiven Elemente auf seiner Hauptoberfläche hauptsächlich auf die diametrale Magnetfeldkomponente, aber auch ein wenig auf die axiale Magnetfeldkomponente. Solange die Normale zu der Hauptchipoberfläche um weniger als 10° von der Richtung der Drehachse abweicht, sehen die magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen immer noch die diametralen Magnetfeldkomponenten und nur vernachlässigbare axiale Magnetfeldkomponenten.In practice, the chip may be tilted a few degrees due to assembly tolerances. If the main surface of a chip is not exactly perpendicular to the axis of rotation, the magnetoresistive elements on its main surface react mainly to the diametrical magnetic field component, but also a little to the axial magnetic field component. As long as the normal to the main chip surface deviates from the direction of the axis of rotation by less than 10 °, the magnetoresistive elements essentially still see the diametrical magnetic field components and only negligible axial magnetic field components.

Als eine Option können vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen verwendet werden, weil sie ebenfalls hauptsächlich die diametralen Magnetfeldkomponenten, d. h. die Magnetfeldkomponenten parallel zu der Hauptchipoberfläche, die im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse ist, detektieren.As an option, vertical Hall effect devices can be used because they also mainly deal with the diametrical magnetic field components, e.g. H. detect the magnetic field components parallel to the main chip surface which is substantially orthogonal to the axis of rotation.

Das präsentierte Beispiel kann gegenüber magnetischen Störungsfeldern besonders robust sein. Jedoch ist der in 3 und 4 gezeigte Magnetfeldgradient möglicherweise zu klein, um diese Lösung in einer integrierten Anwendung mit zwei Dies in einem Gehäuse zu implementieren. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, eine Magnetanordnung zu verwenden, die einen stärkeren Magnetfeldgradienten produziert. Insbesondere stellen weitere Ausführungsformen eine Magnetfeldanordnung bereit, die ein differentielles Magnetfeld mit einem stärkeren Magnetfeldgradienten als jener, der in 3 produziert wird, produziert.The example presented can be particularly robust with regard to magnetic interference fields. However, the in 3 and 4th The magnetic field gradient shown may be too small to implement this solution in an integrated application with two dies in one housing. Accordingly, it can be advantageous to use a magnet arrangement which produces a stronger magnetic field gradient. In particular, further embodiments provide a magnetic field arrangement which generates a differential magnetic field with a stronger magnetic field gradient than that shown in FIG 3 is produced, produced.

7 zeigt ein Doppelmagnetsystem 700, bei dem zwei Winkelsensoren 401 und 402 in unterschiedlichen Abständen von zwei diametral magnetisierten Magneten 301 und 701 auf der Drehachse platziert sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Dementsprechend sind die zwei Magneten 301 und 701 ebene diametrale (Scheiben-) Magnete. Die zwei diametral magnetisierten Magneten 301 und 701 können nah zueinander angeordnet sein, so dass sie eine Quadrupolmagnetanordnung bilden, die vier Pole beinhaltet, die aus zwei entgegengesetzt orientierten Dipolen bestehen. Von daher produzieren die zwei diametral magnetisierten Magneten 301 und 701 ein differentielles Magnetfeld in einem Bereich 704 zwischen den zwei Magneten. 7th shows a double magnet system 700 , where two angle sensors 401 and 402 at different distances from two diametrically magnetized magnets 301 and 701 are placed on the axis of rotation, according to one or more embodiments. The two magnets are accordingly 301 and 701 flat diametrical (disc) magnets. The two diametrically magnetized magnets 301 and 701 can be arranged close to one another so that they form a quadrupole magnet arrangement which includes four poles which consist of two oppositely oriented dipoles. That is why the two diametrically magnetized magnets produce 301 and 701 a differential magnetic field in an area 704 between the two magnets.

Allgemein ist ein differentielles Magnetfeld ein Feld, das eine Felddifferenz zwischen den zwei Erfassungspositionen aufweist, die entlang einer Richtung des Feldgradienten (z. B. entlang der Richtung der Drehachse 302) beabstandet sind. Insbesondere ist ein differentielles Magnetfeld als ein Feld definiert, das einen Feldgradienten aufweist, der eine solche Feldrichtungsänderung oder Feldorientierungsänderung beinhaltet, dass für wenigstens zwei unterschiedliche Positionen innerhalb des Magnetfeldes die Feldrichtungen/-orientierungen bei der wenigstens einen von zwei unterschiedlichen Positionen antiparallel zueinander sind. Das heißt, die Feldrichtungen/-orientierungen sind in entgegengesetzten Richtungen orientiert.In general, a differential magnetic field is a field that has a field difference between the two detection positions that are along a direction of the field gradient (e.g., along the direction of the axis of rotation 302 ) are spaced apart. In particular, a differential magnetic field is defined as a field that has a field gradient that includes such a change in field direction or field orientation that for at least two different positions within the magnetic field the field directions / orientations are antiparallel to one another in at least one of two different positions. That is, the field directions / orientations are oriented in opposite directions.

Die zwei Winkelsensoren 401 und 402 sind in dem Bereich 704 zwischen den zwei Magneten 301 und 701 platziert. Bei manchen Beispielen kann der Bereich 704 zwischen den zwei Magneten 301 und 701 als ein Sensorhohlraum bezeichnet werden.The two angle sensors 401 and 402 are in the area 704 between the two magnets 301 and 701 placed. In some examples, the range 704 between the two magnets 301 and 701 may be referred to as a sensor cavity.

Der Magnet 301 weist einen Magnetzielfeldvektor in der +x-Richtung (d. h. der positiven x-Richtung) auf, der in die x-y-Ebene projiziert wird. Der Magnet 701 weist einen Magnetzielfeldvektor in der -x-Richtung (d. h. der negativen x-Richtung) auf, der in die x-y-Ebene projiziert wird. Dementsprechend sind die Magnetisierungen der Magneten 301 und 701 entgegengesetzt, oder antiparallel, zueinander. Außerdem können die Magneten 301 und 701 mit einer Drehwelle gekoppelt sein, die ihre Drehachse mit der Drehachse 302 ausgerichtet aufweist. Falls sich die Magneten 301 und 701 um die Drehachse 302 drehen, dreht sich dementsprechend die Projektion der Magneten (d. h. der Magnetfeldgradient) auch in der x-y-Ebene. Wenn sich die Magneten 301 und 701 drehen, werden die Sensoren 401 und 402 statisch (d. h. bezüglich einer Drehung fixiert) gehalten und detektieren sie das sich drehende Magnetfeld.The magnet 301 has a target magnetic field vector in the + x direction (ie, the positive x direction) that is projected into the xy plane. The magnet 701 has a target magnetic field vector in the -x direction (ie, the negative x direction) that is projected into the xy plane. The magnetizations of the magnets are corresponding 301 and 701 opposite, or antiparallel, to each other. Also, the magnets 301 and 701 be coupled to a rotary shaft which has its axis of rotation with the axis of rotation 302 having aligned. If the magnets 301 and 701 around the axis of rotation 302 rotate, the projection of the magnets (ie the magnetic field gradient) rotates accordingly in the xy-plane. When the magnets 301 and 701 turn the sensors 401 and 402 held statically (ie fixed with respect to a rotation) and they detect the rotating magnetic field.

Der Magnetfeldgradient B nimmt mit einem zunehmenden Abstand d von dem Magneten 301 ab, bis das durch den Magneten 301 produzierte Magnetfeld durch das entgegengesetzte Magnetfeld, das durch den Magneten 701 produziert wird, bei einem Magnetfeldgradientenkreuzungspunkt 702 aufgehoben wird. Der Kreuzungspunkt 702 ist dort, wo die durch die Magneten 301 und 701 produzierten Magnetfelder einander ausgleichen und ein Gleichgewicht erreichen. Von daher beträgt der Magnetfeldgradient (d. h. die Feldgröße) an diesem Punkt null.The magnetic field gradient B increases with an increasing distance d from the magnet 301 off until that's through the magnet 301 Magnetic field produced by the opposite magnetic field generated by the magnet 701 is produced at a magnetic field gradient crossing point 702 will be annulled. The crossing point 702 is where the put by the magnet 301 and 701 generated magnetic fields balance each other and achieve equilibrium. Hence, the magnetic field gradient (ie, field size) at this point is zero.

Von dem Kreuzungspunkt 702 nimmt der Magnetfeldgradient B mit einem zunehmenden Abstand, zu dem Magneten 701 hin, zu oder nimmt umgekehrt mit zunehmenden Abstand von dem Magneten 701, zu dem Kreuzungspunkt 702 hin, ab. Der Kreuzungspunkt 702 kann genau zwischen den Magneten 301 und 701 zentriert sein oder kann in Abhängigkeit von den Feldstärken, die durch die Magneten 301 und 701 produziert werden, um einen Abstand von dem Zentrum versetzt sein.From the crossing point 702 the magnetic field gradient B increases with an increasing distance from the magnet 701 towards, or, conversely, decreases with increasing distance from the magnet 701 , to the crossing point 702 down, down. The crossing point 702 can be exactly between the magnets 301 and 701 or can be centered depending on the field strengths exerted by the magnets 301 and 701 are produced to be offset a distance from the center.

Entsprechend ist ein differentielles Magnetzielfeld durch Pfeile 303a bis 303d, den Kreuzungspunkt 702 und Pfeile 703a bis 703d angegeben. Die Größe des diametralen Magnetfeldes B nimmt mit zunehmendem Abstand d von dem Magneten 301 bis zu dem Kreuzungspunkt 702 ab; dies ist auch durch eine abnehmende Länge der Pfeile 303a bis 303d angegeben. Mit anderen Worten geben die Längen der Pfeile 303a bis 303d die Stärke des differentiellen diametralen Magnetfeldes in einem axialen Abstand d von dem Magneten 301 an.Correspondingly, a differential magnetic target field is indicated by arrows 303a to 303d , the crossing point 702 and arrows 703a to 703d specified. The size of the diametrical magnetic field B increases with increasing distance d from the magnet 301 up to the crossing point 702 from; this is also due to a decreasing length of the arrows 303a to 303d specified. In other words, give the lengths of the arrows 303a to 303d the strength of the differential diametrical magnetic field at an axial distance d from the magnet 301 on.

Gleichermaßen nimmt die Größe des diametralen Magnetfeldes B mit zunehmendem Abstand d von dem Kreuzungspunkt 702 zu dem Magneten 701 hin zu; dies ist auch durch eine zunehmende Länge der Pfeile 703d bis 703a angegeben. Mit anderen Worten geben die Längen der Pfeile 703a bis 703d die Stärke des differentiellen diametralen Magnetfeldes in einem axialen Abstand d von dem Magneten 301 (oder dem Magneten 701) an. Die Feldrichtungen bei Positionen oder Abständen entlang der Drehachse 302, die den Pfeilen 303a bis 303d entsprechen, sind verschieden von und antiparallel zu den Feldrichtungen bei Positionen oder Abständen entlang der Drehachse 302, die den Pfeilen 703d bis 703a entsprechen.Likewise, the size of the diametrical magnetic field B increases with increasing distance d from the crossing point 702 to the magnet 701 towards; this is also due to the increasing length of the arrows 703d to 703a specified. In other words, give the lengths of the arrows 703a to 703d the strength of the differential diametrical magnetic field at an axial distance d from the magnet 301 (or the magnet 701 ) on. The field directions at positions or distances along the axis of rotation 302 who have favourited the arrows 303a to 303d are different from and antiparallel to the field directions at positions or distances along the axis of rotation 302 who have favourited the arrows 703d to 703a correspond.

Gemäß dieser Magnetanordnung wird ein Magnetfeld mit einem stärkeren Magnetfeldgradienten in einem Bereich realisiert, in dem die Winkelsensoren 401 und 402 platziert sind. According to this magnet arrangement, a magnetic field with a stronger magnetic field gradient is realized in an area in which the angle sensors 401 and 402 are placed.

In Anwesenheit eines homogenen Störungsfeldes können die Winkelsensoren 401 und 402 aufgrund ihrer abweichenden Abstände d1 und d2 von dem Magneten 301, die zu unterschiedlichen Überlagerungen von Feldern von dem Magneten und dem Störungsfeld führen, unterschiedliche Drehwinkel erfassen. Insbesondere weist ein Störungsfeld einen größeren Einfluss auf den Drehwinkelfehler und dementsprechend den resultierenden Magnetfeldvektor auf, entsprechend einem schwächeren Magnetfeld relativ zu einem stärkeren Magnetfeld. Dementsprechend können durch das Platzieren der Winkelsensoren 401 und 402 bei unterschiedlichen Feldgrößengradienten des Magnetfeldes zwei unterschiedliche Drehwinkelfehler durch die Winkelsensoren 401 und 402 detektiert werden.In the presence of a homogeneous interference field, the angle sensors 401 and 402 due to their different distances d 1 and d 2 from the magnet 301 , which lead to different superimpositions of fields from the magnet and the interference field, detect different angles of rotation. In particular, an interference field has a greater influence on the rotational angle error and, accordingly, the resulting magnetic field vector, corresponding to a weaker magnetic field relative to a stronger magnetic field. Accordingly, by placing the angle sensors 401 and 402 with different field size gradients of the magnetic field, two different angle of rotation errors caused by the angle sensors 401 and 402 can be detected.

Beide Winkel des ersten Sensors 401 und des zweiten Sensors 402 können durch den hier beschriebenen Kombinationsschaltkreis verwendet werden, um einen korrigierten Winkel αKorr durch Folgendes zu berechnen: α K o r r = α 1 ( α 1 α 2 ) c

Figure DE102020105933A1_0036
wobei α1 der durch den Winkelsensor 401 bestimmte Drehwinkel ist; α2 der durch den Winkelsensor 402 bestimmte Drehwinkel ist; und c ein Kompensationsfaktor in Abhängigkeit von dem Sensorabstand und der Magnetfeldverteilung über den Abstand hinweg ist.Both angles of the first sensor 401 and the second sensor 402 can be used by the combination circuit described here to calculate a corrected angle α Korr by: α K O r r = α 1 - ( α 1 - α 2 ) c
Figure DE102020105933A1_0036
where α1 is the value given by the angle sensor 401 is certain angle of rotation; α2 by the angle sensor 402 is certain angle of rotation; and c is a compensation factor as a function of the sensor distance and the magnetic field distribution over the distance.

Es gibt auch einen Weg zum Optimieren des Kompensationsfaktors c in Abhängigkeit von der Feldbeziehung zu jedem Sensor im Normalbetrieb, um einen abschließenden Ausgabewinkelfehler ε von null zu bestimmen: ε = ε 1 ( ε 1 ε 2 ) c = 0

Figure DE102020105933A1_0037
wobei ε1 der Winkelfehler ist, der dem Winkelsensor 401 entspricht, und ε2 der Winkelfehler ist, der dem Winkelsensor 402 entspricht. Der Winkelfehler ε1 und ε2 jedes Sensors kann in Beziehung zu den Störungsfeldgrößen Bd gegenüber der Betriebszielfeldgröße B1 und B2 gesetzt werden, wobei die Zielfeldgröße B1 die Feldgröße des Magnetfeldes bei dem Sensor 401 ist und die Zielfeldgröße B2 die Feldgröße des Magnetfeldes bei dem Sensor 401 ist: ε 1 B s B 1
Figure DE102020105933A1_0038
ε 2 B s B 2
Figure DE102020105933A1_0039
There is also a way to optimize the compensation factor c as a function of the field relationship to each sensor in normal operation in order to determine a final output angle error ε of zero: ε = ε 1 - ( ε 1 - ε 2 ) c = 0
Figure DE102020105933A1_0037
where ε 1 is the angle error that the angle sensor 401 and ε 2 is the angle error that the angle sensor 402 corresponds. The angle error ε 1 and ε 2 of each sensor can be related to the disturbance field sizes Bd compared to the operating target field size B 1 and B 2 , the target field size B 1 being the field size of the magnetic field at the sensor 401 and the target field size B 2 is the field size of the magnetic field at the sensor 401 is: ε 1 B. s B. 1
Figure DE102020105933A1_0038
ε 2 B. s B. 2
Figure DE102020105933A1_0039

In diesem Fall kann der optimale Kompensationsfaktor c durch Folgendes bestimmt werden: c = B 2 B 1 B 2

Figure DE102020105933A1_0040
In this case, the optimal compensation factor c can be determined by: c = B. 2 B. 1 - B. 2
Figure DE102020105933A1_0040

Entsprechend ist der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen eines ersten Fehlerwinkels und eines zweiten Fehlerwinkels aus einem ersten Signal, das von dem ersten Sensor 401 empfangen wird, bzw. einem zweiten Signal, das von dem zweiten Sensor 402 empfangen wird, und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel konfiguriert. Der Prozessor kann zum Erzeugen eines Messsignals konfiguriert sein, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert. Der Prozessor kann das Messsignal, das den kombinierten Drehwinkel repräsentiert, zur weiteren Verarbeitung verwenden und/oder kann das Messsignal an eine andere Vorrichtung ausgeben.Correspondingly, the combination circuit is for determining a first error angle and a second error angle from a first signal which is received from the first sensor 401 is received, or a second signal from the second sensor 402 is received, and configured to determine the combined rotation angle based on the first error angle and the second error angle. The processor can be configured to generate a measurement signal that represents the combined angle of rotation. The processor can use the measurement signal, which represents the combined angle of rotation, for further processing and / or can output the measurement signal to another device.

8A zeigt ein Doppelmagnetsystem 800a, das zwei Ringmagneten 301 und 701 beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere beinhaltet das Doppelmagnetsystem 800a eine Welle 108, die sich um eine Drehachse 302 herum dreht. Der Ringmagnet 301 ist an der Unterseite der Welle 108 angebracht und der Magnet 301 projiziert ein Magnetfeld in der x-Richtung. 8A shows a double magnet system 800a who have favourited two ring magnets 301 and 701 includes those for generating a differential magnetic field according to the with reference to 7th principles described are established according to one or more embodiments. In particular, that includes Double magnet system 800a a wave 108 that revolve around an axis of rotation 302 turns around. The ring magnet 301 is at the bottom of the shaft 108 attached and the magnet 301 projects a magnetic field in the x direction.

Die Magneten 301 und 701 sind derart angeordnet, dass sie eine magnetische Quadrupolanordnung zum Erzeugen des Magnetfeldes (d. h. eines Zielfeldes) innerhalb des Bereichs 704 bilden.The magnets 301 and 701 are arranged to have a magnetic quadrupole array for generating the magnetic field (ie, a target field) within the area 704 form.

Außerdem beinhaltet das Doppelmagnetsystem 800a eine Magnetkopplerstruktur 801, die die zwei Magneten 301 und 701 aneinander koppelt, obwohl sie in einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind. Die Magnetkopplerstruktur 801 kann aus einen nichtmagnetischen Material, wie etwa Kunststoff, gefertigt sein, das das differentielle sich drehende Magnetfeld nicht beeinträchtigt. Infolge der Kopplung drehen sich die beiden Magneten 301 und 701, wenn sich die Welle 108 dreht, wodurch der Magnetfeldgradient erzeugt wird, der sich dreht, wenn sich die Welle dreht.Also includes the double magnet system 800a a magnetic coupler structure 801 who have favourited the two magnets 301 and 701 couple to each other even though they are spaced a predetermined distance apart. The magnetic coupler structure 801 can be made of a non-magnetic material, such as plastic, that does not interfere with the differential rotating magnetic field. As a result of the coupling, the two magnets rotate 301 and 701 when the wave 108 rotates, creating the magnetic field gradient that rotates when the shaft rotates.

Das Doppelmagnetsystem 800a beinhaltet ferner ein Substrat 802, wie etwa eine Leiterplatte, mit dem die Sensoren 401 und 402 elektrisch gekoppelt sind. Das Substrat 802 wird durch die Öffnung des Ringmagneten 701 derart eingeführt, dass die Sensoren 401 und 402 innerhalb des Zielfeldinnenbereichs 704 platziert sind. Dementsprechend ermöglicht die Form der zwei Magneten 301 und 701 eine Konnektivität der Winkelsensoren 401 und 402 durch das wenigstens eine der Löcher der Ringmagneten.The double magnet system 800a further includes a substrate 802 such as a circuit board that holds the sensors 401 and 402 are electrically coupled. The substrate 802 is through the opening of the ring magnet 701 so introduced that the sensors 401 and 402 within the target field interior 704 are placed. Accordingly, the shape of the two magnets allows 301 and 701 a connectivity of the angle sensors 401 and 402 through at least one of the holes in the ring magnets.

Die zwei Winkelsensoren 401 und 402 sind in verschiedenen Abständen von zwei diametral magnetisierten Magneten 301 und 701 auf der Drehachse 302 platziert. Die Platzierung des Substrats 802 durch das Loch des Magneten 701 kann derart sein, dass die Sensoren 401 und 402 in einem gewünschten Abstand von den Magneten 301 und 701 platziert sind. Dementsprechend ist der Betrag des Zielfeldes bei jeder Sensorposition basierend auf dem Abstand jedes Sensors von den Magneten 301 und 701 bekannt. Wenn sich die Magneten 301 und 701 drehen, werden die Sensoren 401 und 402 statisch (d. h. bezüglich einer Drehung fixiert) gehalten und detektieren sie das sich drehende Magnetfeld.The two angle sensors 401 and 402 are at different distances from two diametrically magnetized magnets 301 and 701 on the axis of rotation 302 placed. The placement of the substrate 802 through the hole of the magnet 701 can be such that the sensors 401 and 402 at a desired distance from the magnets 301 and 701 are placed. Accordingly, the amount of the target field at each sensor position is based on the distance of each sensor from the magnets 301 and 701 known. When the magnets 301 and 701 turn the sensors 401 and 402 held statically (ie fixed with respect to a rotation) and they detect the rotating magnetic field.

8B zeigt ein Doppelmagnetsystem 800b, das zwei Ringmagneten 301 und 701 beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist das Doppelmagnetsystem 800b ähnlich dem in 8A dargestellten Doppelmagnetsystem 800a, mit der Ausnahme, dass die Sensoren 401 und 402 in entgegengesetzt orientierten Teilen des differentiellen Magnetfeldes (d. h. des Zielfeldes) platziert sind. Hier bedeutet entgegengesetzt orientiert, dass die Magnetzielfeldvektoren bei den zwei Sensorpositionen antiparallel zueinander sind. Infolgedessen sind die Sensoren 401 und 402 in unterschiedlichen magnetischen Orientierungen des Zielfeldes platziert. 8B shows a double magnet system 800b who have favourited two ring magnets 301 and 701 includes those for generating a differential magnetic field according to the with reference to 7th principles described are established according to one or more embodiments. In particular is the double magnet system 800b similar to that in 8A illustrated double magnet system 800a , except that the sensors 401 and 402 are placed in oppositely oriented parts of the differential magnetic field (ie the target field). Oriented in opposite directions here means that the target magnetic field vectors are antiparallel to one another in the two sensor positions. As a result, the sensors are 401 and 402 placed in different magnetic orientations of the target field.

In diesem Fall weisen die entgegengesetzt orientierten Teile des Magnetfeldgradienten einen gleichen Betrag, aber umgekehrte Vorzeichen auf. Jedoch ist es auch möglich, die Sensoren 401 und 402 in entgegengesetzt orientierten Teilen des Magnetfeldgradienten zu platzieren, die keinen gleichen Betrag aufweisen. Es versteht sich, dass die Sensoren 401 und 402 bei einer beliebigen hier beschriebenen Ausführungsform, die ein differentielles Magnetfeld verwendet, auf diese Weise angeordnet sein können.In this case, the oppositely oriented parts of the magnetic field gradient have the same amount but opposite signs. However, it is also possible to use the sensors 401 and 402 to be placed in oppositely oriented parts of the magnetic field gradient that do not have the same amount. It goes without saying that the sensors 401 and 402 in any embodiment described herein that uses a differential magnetic field, may be arranged in this way.

9 zeigt ein Doppelmagnetsystem 900, das einen ebenen diametralen Magneten 301 in Kombination mit einem Ringmagneten 701 beinhaltet, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien eingerichtet sind, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Doppelmagnetsystem 900 ist dem in 8A gezeigten Doppelmagnetsystem 800 ähnlich, mit der Ausnahme, dass der Magnet 301 ein diametral magnetisierter Magnet ist. Dementsprechend wird ein ebener diametraler Magnet 301 in Kombination mit einem Ringmagneten 701 verwendet, um den Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Form des Ringmagneten 701 ermöglicht eine Konnektivität der Winkelsensoren 401 und 402 durch sein Loch, so dass die Sensoren in dem Zielfeld platziert werden können. 9 shows a double magnet system 900 , which is a planar diametrical magnet 301 in combination with a ring magnet 701 includes those for generating a differential magnetic field according to the with reference to 7th principles described are established according to one or more embodiments. The double magnet system 900 is in 8A shown double magnet system 800 similar, except that the magnet 301 is a diametrically magnetized magnet. Accordingly, it becomes a planar diametrical magnet 301 in combination with a ring magnet 701 used to create the magnetic field gradient. The shape of the ring magnet 701 enables connectivity of the angle sensors 401 and 402 through its hole so that the sensors can be placed in the target field.

10 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung 1000, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist eine Magnetanordnung 1001 mit einer Magnetisierung zum Bilden eines Quadrupols versehen und kann als ein diametraler Quadrupolmagnet bezeichnet werden. Die Magnetanordnung 1001 kann ein zylindrischer Magnet einer einzigen integralen Konstruktion sein (d. h., er ist ein einstückiges Element). Die Magnetanordnung 1001 ist mit der Welle 108 gekoppelt und kann eine zylindrische Form mit einer Endfläche 1002 geschlossen und der gegenüberliegenden Endfläche 1003 offen aufweisen, um einen Hohlraum 704 in einem Innengebiet der Magnetanordnung 1001 zu bilden. Dementsprechend kann die Magnetanordnung 1001 ein hohler Zylinder sein und kann der Hohlraum 704 eine Bohrung sein, die sich von einer offenen Endfläche 1003 des Magneten 1001 teilweise durch den Magneten hindurch zu der geschlossenen Endfläche 1002 erstreckt. 10 Figure 3 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement 1000 which are used to generate a differential magnetic field according to the methods with reference to FIG 7th described principles is configured according to one or more embodiments. In particular is a magnet arrangement 1001 provided with magnetization to form a quadrupole and can be referred to as a diametrical quadrupole magnet. The magnet arrangement 1001 may be a cylindrical magnet of a single integral construction (ie, it is a one-piece element). The magnet arrangement 1001 is with the wave 108 coupled and can be cylindrical in shape with an end face 1002 closed and the opposite end face 1003 open to have a cavity 704 in an interior area of the magnet arrangement 1001 to build. Accordingly, the magnet arrangement 1001 can be a hollow cylinder and the cavity 704 a hole be extending from an open end face 1003 of the magnet 1001 partially through the magnet to the closed end face 1002 extends.

Alternativ dazu kann die Magnetanordnung 1001 aus zwei Magneten bestehen: ein diametraler Scheibenmagnet 1001a an dem geschlossenen Ende der Magnetanordnung, der an dem Wellenende der Welle 108 platziert ist, und ein diametraler Ringmagnet 1001b zum Bilden des offenen Endes und des Hohlraums der Magnetanordnung. Der Scheibenmagnet und der Ringmagnet sind miteinander gekoppelt, um einen zylindrischen Magneten mit einem hohlen Hohlraum 704 zu bilden.Alternatively, the magnet arrangement 1001 consist of two magnets: a diametrical disc magnet 1001a at the closed end of the magnet assembly, that at the shaft end of the shaft 108 is placed, and a diametrical ring magnet 1001b to form the open end and the cavity of the magnet assembly. The disc magnet and the ring magnet are coupled together to form a cylindrical magnet with a hollow cavity 704 to build.

Die offene Endfläche 1003 und der Hohlraum 704 ermöglichen eine Konnektivität der Winkelsensoren 401 und 402 durch die Öffnung, so dass die Sensoren in dem Zielfeld platziert werden können.The open end face 1003 and the cavity 704 enable connectivity of the angle sensors 401 and 402 through the opening so that the sensors can be placed in the target field.

11 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung 1100, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist die Quadrupolmagnetsensoranordnung 1100 der in 10 gezeigten Quadrupolmagnetsensoranordnung 1000 ähnlich, mit der Ausnahme, dass das Substrat 802 horizontal angeordnet ist, so dass es die offene Endfläche 1003 der Magnetanordnung 1001 überspannt. Die Magnetanordnung 1001 und das Substrat 802 sind durch einen Spalt voneinander separiert, so dass die Sensoren 401 und 402, wenn sich die Magnetanordnung 1001 dreht, statisch (d. h. bezüglich einer Drehung fixiert) gehalten werden, so dass die Sensoren 401 und 402 das sich drehende Magnetfeld detektieren. 11 Figure 3 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement 1100 which are used to generate a differential magnetic field according to the methods with reference to FIG 7th described principles is configured according to one or more embodiments. In particular, the quadrupole magnetic sensor arrangement 1100 the in 10 shown quadrupole magnetic sensor arrangement 1000 similar, except that the substrate 802 is arranged horizontally so that it is the open end face 1003 the magnet arrangement 1001 overstretched. The magnet arrangement 1001 and the substrate 802 are separated from each other by a gap so that the sensors 401 and 402 when the magnet assembly 1001 rotates, can be held statically (ie fixed with respect to a rotation) so that the sensors 401 and 402 detect the rotating magnetic field.

Die Sensoren 401 und 402 sind auf das Substrat 802 gestapelt und auf der Drehachse 302 ausgerichtet. Die Sensoren 401 und 402 können durch Verwenden nichtmagnetischer Abstandselemente (d. h. Abstandshalter) 1101 und 1102 und/oder eines Vergusskörpers unter Verwendung von in 1 beschriebenen ähnlichen Prinzipien gestapelt werden. Dementsprechend können die Sensoren 401 und 402 bei unterschiedlichen Feldgrößengradienten und/oder unterschiedlichen magnetischen Orientierungen des Magnetfeldes platziert werden. In diesem Fall werden die Sensoren 401 und 402 in unterschiedlichen magnetischen Orientierungen des Zielfeldes mit gleichem Betrag, aber umgekehrtem Vorzeichen platziert. Es versteht sich jedoch, dass die Sensoren 401 und 402 in unterschiedlichen Feldgrößengradienten der gleichen magnetischen Orientierung oder unterschiedlichen Feldgrößengradienten unterschiedlicher magnetischer Orientierungen platziert werden können.The sensors 401 and 402 are on the substrate 802 stacked and on the axis of rotation 302 aligned. The sensors 401 and 402 can by using non-magnetic spacers (i.e. spacers) 1101 and 1102 and / or a potting body using in 1 similar principles described are stacked. Accordingly, the sensors 401 and 402 be placed at different field size gradients and / or different magnetic orientations of the magnetic field. In this case the sensors 401 and 402 placed in different magnetic orientations of the target field with the same amount but with the opposite sign. It is understood, however, that the sensors 401 and 402 can be placed in different field size gradients of the same magnetic orientation or different field size gradients of different magnetic orientations.

12 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung 1200, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist die Quadrupolmagnetsensoranordnung 1200 der in 11 gezeigten Quadrupolmagnetsensoranordnung 1100 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Sensoren 401 und 402 in einer gleichen magnetischen Orientierung des Magnetfeldgradienten platziert sind. 12 Figure 3 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement 1200 which are used to generate a differential magnetic field according to the methods with reference to FIG 7th described principles is configured according to one or more embodiments. In particular, the quadrupole magnetic sensor arrangement 1200 the in 11 shown quadrupole magnetic sensor arrangement 1100 similar except that the sensors 401 and 402 are placed in the same magnetic orientation of the magnetic field gradient.

Insbesondere ist der Sensor 402 so platziert, dass er in der Ebene mit der offenen Endfläche der Magnetanordnung 1001 ausgerichtet ist (d. h., mit einem Außenumfang der Magnetanordnung ausgerichtet ist). Mit anderen Worten ist der Sensor 402 an dem Außenrand des Hohlraums 704 platziert, um mit dem Außenrand des Zielfeldes 703a ausgerichtet zu sein. Die Magnetanordnung 1001 und das Substrat 802 sind durch einen Spalt voneinander separiert, so dass das Sensorgehäuse, wenn sich die Magnetanordnung 1001 dreht, statisch (d. h. bezüglich einer Drehung fixiert) gehalten wird, so dass die Sensoren 401 und 402 das sich drehende Magnetfeld detektieren.In particular, the sensor is 402 placed so that it is in the plane with the open end face of the magnet assembly 1001 is aligned (ie, aligned with an outer periphery of the magnet assembly). In other words is the sensor 402 at the outer edge of the cavity 704 placed to match the outside edge of the target field 703a to be aligned. The magnet arrangement 1001 and the substrate 802 are separated from each other by a gap, so that the sensor housing when the magnet assembly 1001 rotates, is held statically (ie fixed with respect to a rotation) so that the sensors 401 and 402 detect the rotating magnetic field.

Die Sensoren 401 und 402 sind in einem Doppelsensorgehäuse, wie in 6 ähnlich beschrieben ist, angeordnet, so dass der Sensor 401 auf der einen Seite des Leiterrahmens 600 angeordnet ist und der Sensor 402 auf einer gegenüberliegenden Seite des Leiterrahmens 600 angeordnet ist. Die Sensoren 401 und 402 und ein Teil des Leiterrahmens 600 sind durch den Vergusskörper 111 verkapselt.The sensors 401 and 402 are in a double sensor housing, as in 6th is similarly described, arranged so that the sensor 401 on one side of the lead frame 600 is arranged and the sensor 402 on an opposite side of the lead frame 600 is arranged. The sensors 401 and 402 and part of the lead frame 600 are through the potting body 111 encapsulated.

Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass PCB-basierte Lösungen an dem Ende der Welle verwendet werden können und der Feldgradient auf der Außenseite dieses Aufbaus zur externen Feldkompensation verwendet werden kann. Die Orientierung des Substrats mit einer gestapelten Sensoranordnung kann auch bei den in 8A, 8B und 9 gezeigten Ausführungsformen verwendet werden.This structure has the advantage that PCB-based solutions can be used at the end of the shaft and the field gradient on the outside of this structure can be used for external field compensation. The orientation of the substrate with a stacked sensor arrangement can also be used with the in 8A , 8B and 9 embodiments shown may be used.

13 zeigt eine Quadrupolmagnetsensoranordnung 1300, die zum Erzeugen eines differentiellen Magnetfeldes gemäß den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist die Quadrupolmagnetsensoranordnung 1300 der in 12 gezeigten Quadrupolmagnetsensoranordnung 1200 ähnlich, mit der Ausnahme, dass ein nichtmagnetischer Abstandshalter 1301 mit der Welle 108 und dem diametralen Ringmagneten 1001b gekoppelt ist und zwischen diesen liegt. Der diametrale Scheibenteil 1001a wird nicht verwendet. Der diametrale Ringmagnet 1001b ist ein diametraler Magnetquadrupolring, der den Magnetfeldgradienten innerhalb des Hohlraums 704 produziert. 13 Figure 3 shows a quadrupole magnetic sensor arrangement 1300 which are used to generate a differential magnetic field according to the methods with reference to FIG 7th described principles is configured according to one or more embodiments. In particular, the quadrupole magnetic sensor arrangement 1300 the in 12 shown quadrupole magnetic sensor arrangement 1200 similar, except that one non-magnetic spacer 1301 with the wave 108 and the diametrical ring magnet 1001b is coupled and lies between them. The diametrical part of the disc 1001a is not used. The diametrical ring magnet 1001b is a diametrical magnetic quadrupole ring that controls the magnetic field gradient within the cavity 704 produced.

Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass PCB-basierte Lösungen an dem Ende der Welle verwendet werden können und der Feldgradient auf der Außenseite dieses Aufbaus zur externen Feldkompensation verwendet werden kann. Gleichermaßen kann der nichtmagnetische Abstandshalter 1301 in 10 und 11 anstelle des Teils 1001a der Magnetanordnung 1001 verwendet werden.This structure has the advantage that PCB-based solutions can be used at the end of the shaft and the field gradient on the outside of this structure can be used for external field compensation. Likewise, the non-magnetic spacer 1301 in 10 and 11 instead of the part 1001a the magnet arrangement 1001 be used.

In Anbetracht davon wird ein differentieller magnetischer Winkelmessaufbau und Magnet verwendet, um eine Unterdrückung einer externen Feldstörung zusammen mit hoher Genauigkeit in dem Fall keiner externen Feldstörung zu ermöglichen.In view of this, a differential magnetic angle measuring structure and magnet are used to enable suppression of external field disturbance along with high accuracy in the case of no external field disturbance.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bestimmt/erzeugt der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal, das den ersten Winkel zwischen dem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert, und bestimmt/erzeugt der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal, das den zweiten Winkel zwischen dem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.According to one or more embodiments, the first magnetic angle sensor determines / generates the first signal that represents the first angle between the first diametrical magnetic field applied to the first magnetic angle sensor and a first reference direction, and the second magnetic angle sensor determines / generates that second signal representing the second angle between the second diametrical magnetic field applied to the second magnetic angle sensor and a second reference direction.

Bei einer Ausführungsform sind die erste Referenzrichtung und die zweite Referenzrichtung gleich.In one embodiment, the first reference direction and the second reference direction are the same.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet die magnetische Winkelsensorvorrichtung einen dritten magnetischen Winkelsensor, wobei der dritte magnetische Winkelsensor ein drittes Signal, das einen dritten Winkel repräsentiert, basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, bestimmt/erzeugt, und wobei der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal bestimmt wird.In one embodiment, the magnetic angle sensor device includes a third magnetic angle sensor, wherein the third magnetic angle sensor determines / generates a third signal representing a third angle based on a third diametrical magnetic field applied to the third magnetic angle sensor, and wherein the combined angle of rotation is determined based on the first signal, the second signal and the third signal.

Es besteht eine Möglichkeit, dass mehr als drei magnetische Winkelsensoren bereitgestellt sind, um den kombinierten Drehwinkel zu bestimmen.There is a possibility that more than three magnetic angle sensors are provided to determine the combined rotation angle.

Bei einer Ausführungsform bestimmt der dritte magnetische Winkelsensor das dritte Signal, das den dritten Winkel zwischen dem dritten diametralen Magnetfeld, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer dritten Referenzrichtung repräsentiert.In one embodiment, the third magnetic angle sensor determines the third signal that represents the third angle between the third diametrical magnetic field applied to the third magnetic angle sensor and a third reference direction.

Bei einer Ausführungsform sind wenigstens zwei der folgendem gleich: die erste Referenzrichtung; die zweite Referenzrichtung; und die dritte Referenzrichtung.In one embodiment, at least two of the following are the same: the first reference direction; the second reference direction; and the third reference direction.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Magnetfeldquelle wenigstens einen Permanentmagneten.In one embodiment, the magnetic field source includes at least one permanent magnet.

Bei einer Ausführungsform befinden sich die magnetischen Winkelsensoren in unterschiedlichen z-Positionen (z. B. Abständen) von der Magnetfeldquelle, wobei jede z-Position als eine Senkrechte definiert ist, die von der Position des magnetischen Winkelsensors auf die Drehachse gefällt ist.In one embodiment, the magnetic angle sensors are located in different z-positions (e.g. distances) from the magnetic field source, each z-position being defined as a perpendicular that falls from the position of the magnetic angle sensor to the axis of rotation.

Die Magnetfeldquelle weist einen minimalen Abstand dmin zu dem nächsten magnetischen Winkelsensor auf. Ein Abstand zwischen diesem magnetischen Winkelsensor und einem beliebigen anderen magnetischen Winkelsensor kann insbesondere gleich oder größer als 1/5 dmin sein.The magnetic field source has a minimum distance d min to the next magnetic angle sensor. A distance between this magnetic angle sensor and any other magnetic angle sensor can in particular be equal to or greater than 1/5 d min .

Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens ein magnetisches Sensorelement, das im Wesentlichen auf der Drehachse angeordnet oder insbesondere um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.In one embodiment, each of the magnetic angle sensors contains at least one magnetic sensor element which is arranged essentially on the axis of rotation or, in particular, is spaced apart from the axis of rotation by less than 1 mm.

Es kann eine Möglichkeit bestehen, dass der magnetische Winkelsensor mehrere magnetische Sensorelemente beinhaltet. Da nicht alle magnetischen Sensorelemente an genau dem gleichen Punkt angeordnet sein können, können die magnetischen Sensorelemente angrenzend an die Drehachse, insbesondere in einem symmetrischen Muster um die Drehachse herum, angeordnet sein. Es besteht auch eine Möglichkeit, ein teilweise asymmetrisches Muster zu wählen, bei dem wenigstens zwei magnetische Sensorelemente um die Drehachse herum angeordnet werden. Bei einem solchen Szenario kann der magnetische Winkelsensor einen Winkel geringfügig von der Drehachse entfernt, z. B. um 0,1 mm bis 0,2 mm (z. B. bis zu 0,2 mm), bestimmen. Eine solche Positionierung wird jedoch auch durch den Ausdruck „im Wesentlichen auf der Drehachse“ abgedeckt.There may be a possibility that the magnetic angle sensor contains several magnetic sensor elements. Since not all magnetic sensor elements can be arranged at exactly the same point, the magnetic sensor elements can be arranged adjacent to the axis of rotation, in particular in a symmetrical pattern around the axis of rotation. There is also a possibility of choosing a partially asymmetrical pattern in which at least two magnetic sensor elements are arranged around the axis of rotation. In such a scenario, the magnetic angle sensor can be an angle slightly away from the axis of rotation, e.g. E.g. by 0.1 mm to 0.2 mm (e.g. up to 0.2 mm), determine. However, such positioning is also covered by the expression “essentially on the axis of rotation”.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens zwei magnetische Sensorelemente, die so angeordnet sind, dass der Winkel des diametralen Feldvektors auf der Drehachse gemessen wird.In one embodiment, each of the magnetic angle sensors includes at least two magnetic sensor elements which are arranged such that the angle of the diametrical field vector is measured on the axis of rotation.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet jeder der zwei magnetischen Winkelsensoren ein magnetisches Sensorelement, wobei wenigstens ein magnetisches Sensorelement pro magnetischem Winkelsensor in einem unterschiedlichen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet ist.In one embodiment, each of the two magnetic angle sensors contains a magnetic sensor element, at least one magnetic sensor element per magnetic angle sensor being arranged at a different distance from the magnetic field source.

Daher kann das Magnetfeld, das von der Magnetfeldquelle bereitgestellt wird, eine unterschiedliche Auswirkung auf jeden der magnetischen Winkelsensoren, d. h., auf wenigstens eines der magnetischen Sensorelemente der magnetischen Winkelsensoren, aufweisen.Therefore, the magnetic field provided by the magnetic field source may have a different effect on each of the magnetic angle sensors, i.e. h., on at least one of the magnetic sensor elements of the magnetic angle sensors.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein beliebiges der Signale zwei Signalkomponenten, insbesondere eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente.In one embodiment, any one of the signals contains two signal components, in particular a sine signal component and a cosine signal component.

Zum Beispiel kann jeder der magnetischen Winkelsensoren ein Signal bereitstellen, das eine Sinussignalkomponente und eine Cosinussignalkomponente umfasst.For example, each of the magnetic angle sensors can provide a signal that includes a sine signal component and a cosine signal component.

Bei einer Ausführungsform sind die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet, dass die diametralen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle bewirkt werden, voneinander verschieden sind.In one embodiment, the magnetic angle sensors are arranged such that the diametrical magnetic field strengths that act on the magnetic angle sensors and are caused by the magnetic field source are different from one another.

Es wird angemerkt, dass die magnetischen Winkelsensoren so angeordnet sein können, dass die diametralen Magnetfeldstärken, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken und durch die Magnetfeldquelle verursacht werden, um wenigstens 10% voneinander verschieden sind.It is noted that the magnetic angle sensors can be arranged such that the diametrical magnetic field strengths which act on the magnetic angle sensors and are caused by the magnetic field source differ from one another by at least 10%.

Bei einer Ausführungsform sind die diametralen Magnetfelder, die auf die magnetischen Winkelsensoren wirken, zueinander parallel oder zueinander antiparallel.In one embodiment, the diametrical magnetic fields that act on the magnetic angle sensors are parallel to one another or antiparallel to one another.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ferner einen Kombinationsschaltkreis, der die Signale kombiniert, die durch die magnetischen Winkelsensoren bereitgestellt werden, um den kombinierten Drehwinkel zu bestimmen.In one embodiment, the apparatus further includes a combination circuit that combines the signals provided by the magnetic angle sensors to determine the combined angle of rotation.

Der Kombinationsschaltkreis kann mit einem der magnetischen Winkelsensoren angeordnet sein oder er kann extern angeordnet sein. Das Kombinieren kann insbesondere durch einen Prozessor oder einen Mikrocontroller durchgeführt werden.The combination circuit can be arranged with one of the magnetic angle sensors or it can be arranged externally. The combining can in particular be carried out by a processor or a microcontroller.

Der Kombinationsschaltkreis kann das erste Signal und das zweite Signal oder das erste, das zweite und das dritte Signal kombinieren, um den kombinierten Drehwinkel abzuleiten.The combining circuit may combine the first signal and the second signal or the first, the second and the third signals to derive the combined angle of rotation.

Der kombinierte Drehwinkel ist ein Ausgabesignal, das die Drehposition der Welle angibt.The combined angle of rotation is an output signal that indicates the rotational position of the shaft.

Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel als eine Linearkombination, die das erste Signal und das zweite Signal umfasst, bestimmt.In one embodiment, the combined angle of rotation is determined as a linear combination that includes the first signal and the second signal.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Linearkombination Koeffizienten, die von einem Verhältnis der diametralen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.In one embodiment, the linear combination contains coefficients which depend on a ratio of the diametrical magnetic fields of the magnetic field source at the magnetic angle sensors.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Linearkombination Koeffizienten, die nur von einem Verhältnis der diametralen Magnetfelder der Magnetfeldquelle an den magnetischen Winkelsensoren abhängen.In one embodiment, the linear combination contains coefficients that only depend on a ratio of the diametrical magnetic fields of the magnetic field source at the magnetic angle sensors.

Bei einer Ausführungsform wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf einem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt.In one embodiment, the combined angle of rotation is determined based on a distance between the magnetic angle sensors and the magnetic field source.

Zum Beispiel wird der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem Verhältnis der diametralen Magnetfelder an dem zweiten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor und an dem dritten im Vergleich zu dem ersten magnetischen Winkelsensor (im Fall von drei magnetischen Winkelsensoren) bestimmt.For example, the combined angle of rotation is determined based on the ratio of the diametrical magnetic fields at the second compared to the first magnetic angle sensor and at the third compared to the first magnetic angle sensor (in the case of three magnetic angle sensors).

Der kombinierte Drehwinkel kann insbesondere indirekt basierend auf dem Abstand der magnetischen Winkelsensoren von der Magnetfeldquelle bestimmt werden. The combined angle of rotation can in particular be determined indirectly based on the distance between the magnetic angle sensors and the magnetic field source.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf zwei unterschiedlichen Substraten, wobei eine Hauptoberfläche wenigstens eines Substrats senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist.According to one or more embodiments, at least two of the magnetic angle sensors are located on two different substrates, a main surface of at least one substrate being perpendicular or substantially perpendicular to the axis of rotation.

Bei einer Ausführungsform befinden sich die wenigstens zwei Substrate auf der Drehachse der Welle.In one embodiment, the at least two substrates are on the axis of rotation of the shaft.

Bei einer Ausführungsform sind die wenigstens zwei Substrate an einem einzigen Leiterrahmen angebracht.In one embodiment, the at least two substrates are attached to a single lead frame.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen befinden sich wenigstens zwei der magnetischen Winkelsensoren auf demselben Substrat und ist die Hauptoberfläche dieses Substrats orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse der Welle.According to one or more embodiments, at least two of the magnetic angle sensors are located on the same substrate and the main surface of this substrate is orthogonal or substantially orthogonal to the axis of rotation of the shaft.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet jeder der magnetischen Winkelsensoren wenigstens eines aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen: einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor); einen Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magneto-Resistor); einen Tunnelmagnetowiderstand (TMR: Tunneling Magneto-Resistor); eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung; eine Hall-Platte; und/oder einen MAG-FET.According to one or more embodiments, each of the magnetic angle sensors contains at least one from the following group of sensor elements: an anisotropic magnetoresistance (AMR: Anisotropic Magneto-Resistor); a Giant Magneto-Resistor (GMR); a tunneling magnetoresistance (TMR: Tunneling Magneto-Resistor); a vertical Hall effect device; a hall plate; and / or a MAG-FET.

Die magnetischen Winkelsensoren können unterschiedliche Technologien (d. h. unterschiedliche Typen von Sensoren) aufweisen, um die Robustheit und Diversität des Systems zu erhöhen. Zum Beispiel kann einer der Winkelsensoren ein TMR sein und kann ein anderer Winkelsensor ein AMR oder ein vertikaler Hall-Sensor sein. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien kann das Risiko verringern, dass beide Winkelsensoren unter schwierigen Bedingungen versagen.The magnetic angle sensors can have different technologies (i.e. different types of sensors) in order to increase the robustness and diversity of the system. For example, one of the angle sensors can be a TMR and another angle sensor can be an AMR or a vertical Hall sensor. Using different technologies can reduce the risk that both angle sensors will fail under difficult conditions.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle bereitgestellt, wobei die Welle um eine Drehachse drehbar angeordnet ist und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Bestimmen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; Bestimmen, durch einen zweiten magnetischen Winkelsensor, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.According to one or more embodiments, a method for determining a combined angle of rotation of a shaft is provided, wherein the shaft is arranged rotatably about an axis of rotation and wherein a magnetic field source is connected to the shaft. The method includes: determining, by a first magnetic angle sensor, a first signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the first magnetic angle sensor; Determining, by a second magnetic angle sensor, a second signal representing a second angle based on a second diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the second magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal.

Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner Folgendes: Bestimmen, durch einen dritten magnetischen Winkelsensor, eines dritten Signals, das einen dritten Winkel repräsentiert, basierend auf einem dritten diametralen Magnetfeld von der Magnetfeldquelle, das an den dritten magnetischen Winkelsensor angelegt wird; und Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal.In one embodiment, the method further includes: determining, by a third magnetic angle sensor, a third signal representing a third angle based on a third diametrical magnetic field from the magnetic field source applied to the third magnetic angle sensor; and determining the combined angle of rotation based on the first signal, the second signal, and the third signal.

Außerdem ist ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, einschließlich Softwarecodeteilen, die ermöglichen, dass die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.In addition, a computer program product is provided that can be loaded directly into a memory of a digital processing device, including software code portions that enable the digital processing device to carry out one or more methods described herein.

Ferner ist ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen bereitgestellt, die dazu eingerichtet sind, zu bewirken, dass ein Computersystem ein oder mehrere hier beschriebene Verfahren durchführt.Furthermore, a computer-readable medium is provided with computer-executable instructions which are configured to cause a computer system to carry out one or more methods described herein.

Bei einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen wenigstens teilweise in Hardware implementiert sein, wie etwa als spezielle Hardwarekomponenten oder als ein Prozessor. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert sein. Falls sie in Software implementiert sind, können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder ein Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder über ein solches übertragen werden und können durch eine hardwarebasierte Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien beinhalten, die einem greifbaren Medium, wie etwa Datenspeichermedien, oder Kommunikationsmedien einschließlich eines beliebigen Mediums entsprechen, das einen Transfer eines Computerprogramms von einer Stelle zu einer anderen, z. B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll, ermöglicht. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) greifbaren, computerlesbaren Speichermedien, die nichtflüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie etwa einem Signal oder einer Trägerwelle, entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium beinhalten.In one or more examples, the functions described herein can be implemented at least in part in hardware, such as special hardware components or as a processor. More generally, the techniques can be implemented in hardware, processors, software, firmware, or any combination thereof. If implemented in software, the functions can be stored as one or more instructions or code on or transmitted via a computer-readable medium and can be carried out by a hardware-based processing unit. Computer readable media can include computer readable storage media that is tangible, such as data storage media, or communication media, including any medium correspond to a transfer of a computer program from one place to another, e.g. B. according to a communication protocol, allows. In this manner, computer readable media can generally correspond to (1) tangible computer readable storage media that is non-transitory, or (2) a communication medium such as a signal or carrier wave. Data storage media can be any available media that can be accessed by one or more computers or by one or more processors to retrieve instructions, code, and / or data structures for implementing the techniques described in this disclosure. A computer program product can include a computer readable medium.

Als Beispiel und nicht als Beschränkung können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher, magnetische Plattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen, Flash-Speicher oder ein beliebiges anderes Medium, das zum Speichern eines gewünschten Programmcodes in Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen. Ebenfalls wird eine beliebige Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d. h. als ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Falls zum Beispiel Anweisungen von einer Website, einem Server oder einer anderen fernen Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, eines Glasfaserkabels, einer verdrillten Doppelleitung (Twisted Pair), eines digitalen Teilnehmeranschlusses (DSL - Digital Subscriber Line) oder drahtloser Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, das Glasfaserkabel, die verdrillte Doppelleitung, der DSL oder die drahtlosen Technologien, wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen, in der Definition von Medium eingeschlossen. Es versteht sich allerdings, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien beinhalten, sondern stattdessen auf nichttransiente, greifbare Speichermedien abzielen. Disk und Disc beinhalten, so wie sie hier verwendet werden, eine Compact Disc (CD), eine Laser Disc, eine optische Disc, eine Digital Versatile Disc (DVD), eine Floppy-Disk und eine Blu-ray Disc, wobei Disks Daten üblicherweise magnetisch reproduzieren, wohingegen Discs Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen des Obigen sollten ebenfalls innerhalb des Umfangs von computerlesbaren Medien enthalten sein.By way of example and not limitation, such computer readable storage media may include RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM or other optical disk storage, magnetic disk storage or other magnetic storage device, flash memory, or any other medium capable of storing a desired program code in the form of instructions or data structures that can be used and accessed by a computer. Any connection is also properly identified as a computer readable medium, i.e. H. referred to as a computer readable transmission medium. For example, if receiving instructions from a website, server, or other remote source using coaxial cable, fiber optic cable, twisted pair, digital subscriber line (DSL), or wireless technologies such as infrared, radio and microwaves, then coaxial cable, fiber optic cable, twisted pair cable, DSL or wireless technologies such as infrared, radio and microwaves are included in the definition of medium. It should be understood, however, that computer readable storage media and data storage media do not include connections, carrier waves, signals, or other transient media, but instead target non-transient, tangible storage media. As used herein, a disc and a disc include a compact disc (CD), a laser disc, an optical disc, a digital versatile disc (DVD), a floppy disc, and a Blu-ray disc, with discs usually being data reproduce magnetically, whereas discs reproduce data optically with lasers. Combinations of the above should also be included within the scope of computer readable media.

Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa durch eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU - Central Processing Unit), Digitalsignalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs - Application Specific Integrated Circuits), vor Ort programmierbare Logikarrays (FPGAs - Field Programmable Logic Arrays), oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete Logikschaltungsanordnung. Dementsprechend kann sich der Ausdruck „Prozessor“, so wie er hier verwendet wird, auf eine beliebige der vorausgehenden Strukturen oder eine beliebige andere für eine Implementation der vorliegend beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Außerdem kann die hier beschriebene Funktionalität bei manchen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Softwaremodule bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren konfiguriert sind, oder in einen kombinierten Codec eingebunden sein. Auch könnten die Techniken vollständig in einem oder mehreren Schaltkreisen oder Logikelementen implementiert sein.Instructions can be executed by one or more processors, such as one or more central processing units (CPU), digital signal processors (DSPs), general purpose microprocessors, application specific integrated circuits (ASICs), field programmable Field Programmable Logic Arrays (FPGAs), or other equivalent integrated or discrete logic circuitry. Accordingly, as used herein, the term "processor" may refer to any of the preceding structures or any other structure suitable for implementing the techniques described herein. In addition, in some aspects, the functionality described herein may be provided within dedicated hardware and / or software modules configured for encoding and decoding, or incorporated into a combined codec. The techniques could also be implemented entirely in one or more circuits or logic elements.

Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen oder Einrichtungen implementiert werden, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, eines integrierten Schaltkreises (IC) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chipsatzes). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Vorrichtungen zu betonen, die dazu konfiguriert sind, die offenbarten Techniken durchzuführen, die aber nicht notwendigerweise eine Realisierung durch verschiedene Hardwareeinheiten erfordern. Stattdessen können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzigen Hardwareeinheit kombiniert oder durch eine Sammlung von interoperativen Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, einschließlich, wie oben beschrieben, eines oder mehrerer Prozessoren zusammen mit geeigneter Software und/oder Firmware.The techniques of this disclosure can be implemented in a wide variety of devices or devices, including a wireless handset, an integrated circuit (IC), or a set of ICs (e.g., a chipset). Various components, modules, or units are described in this disclosure in order to emphasize functional aspects of devices that are configured to perform the disclosed techniques, but that do not necessarily require implementation by different hardware units. Instead, as described above, various units may be combined into a single hardware unit or provided by a collection of interoperative hardware units including, as described above, one or more processors along with suitable software and / or firmware.

Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, wird es einem Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die manche der Vorteile der Erfindung erzielen werden, ohne von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen durchführen, zweckmäßig ersetzt werden können. Es sei erwähnt, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in reinen Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik nutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, erzielt werden. Derartige Modifikationen des erfinderischen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt werden.While various embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made that will achieve some of the advantages of the invention without departing from the spirit and scope of the invention. It will be apparent to one of ordinary skill in the art that other components performing the same functions can be replaced as appropriate. It should be mentioned that features which have been explained with reference to a specific figure can be combined with features of other figures, even in those cases in which this was not expressly mentioned. Furthermore, the methods of the invention can either be implemented in software-only implementations using the appropriate processor instructions or in hybrid implementations using a combination of hardware logic and software logic use to achieve the same results. Such modifications of the inventive concept are intended to be covered by the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 15/713877 [0001]US 15/713877 [0001]
  • DE 102016118384 [0001]DE 102016118384 [0001]

Claims (20)

Magnetische Winkelsensorvorrichtung, die Folgendes umfasst: - eine Welle, die um eine Drehachse drehbar ist, - eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, wobei die magnetische Anordnung ein Magnetfeld bereitstellt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist, - einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist; - einen zweiten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes eingerichtet ist; - einen Kombinationsschaltkreis, der zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal eingerichtet ist.A magnetic angle sensor device comprising: - a shaft that can be rotated about an axis of rotation, a magnetic assembly coupled to the shaft, the magnetic assembly providing a magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields arranged along the axis of rotation, each of the plurality of diametrical magnetic fields having a different magnetic field gradient, and wherein the plurality of diametrical magnetic fields include such a field direction change that at least a first of the plurality of diametrical magnetic fields has a first field direction and at least a second of the plurality of diametrical magnetic fields has a second field direction which is opposite to the first field direction, a first magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation and is configured to generate a first signal which represents a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field; a second magnetic angle sensor which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation and is set up to generate a second signal which represents a second angle based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field; a combination circuit which is set up to determine a combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die magnetische Anordnung eine Quadrupolmagnetanordnung ist, die einen Hohlraum bestimmt, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.Magnetic angle sensor device according to Claim 1 wherein the magnetic arrangement is a quadrupole magnet arrangement which defines a cavity in which the magnetic field is generated, the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor being arranged within the cavity. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor auf einer Ausdehnung der Drehachse angeordnet sind und um einen Abstand in einer Richtung getrennt sind, die sich entlang der Drehachse ausdehnt.A magnetic angle sensor device according to any preceding claim, wherein the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged on one extension of the rotation axis and are separated by a distance in a direction that extends along the rotation axis. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes magnetische Sensorelement des ersten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist, und jedes magnetische Sensorelement des zweiten magnetischen Winkelsensors lateral um weniger als 1 mm von der Drehachse beabstandet ist.Magnetic angle sensor device according to any one of the preceding claims, wherein each magnetic sensor element of the first magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm, and each magnetic sensor element of the second magnetic angle sensor is laterally spaced from the axis of rotation by less than 1 mm. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die magnetische Anordnung einen Ringmagneten umfasst, der den Hohlraum definiert.Magnetic angle sensor device according to Claim 2 wherein the magnetic assembly comprises a ring magnet that defines the cavity. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die magnetische Anordnung einen Scheibenmagneten beinhaltet, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.Magnetic angle sensor device according to Claim 5 wherein the magnetic assembly includes a disc magnet located between and coupled to the ring magnet and the shaft. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die magnetische Anordnung einen weiteren Ringmagneten umfasst, der zwischen dem Ringmagneten und der Welle liegt und mit diesen gekoppelt ist.Magnetic angle sensor device according to one of the Claims 5 or 6th , in which the magnetic arrangement comprises a further ring magnet which lies between the ring magnet and the shaft and is coupled to them. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die magnetische Anordnung einen Zylindermagneten mit einer Bohrung beinhaltet, die den Hohlraum definiert, der sich von einem ersten Ende des Zylindermagneten teilweise entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Zylindermagneten erstreckt.Magnetic angle sensor device according to Claim 2 wherein the magnetic assembly includes a cylinder magnet with a bore defining the cavity extending from a first end of the cylinder magnet partially along the axis of rotation to a second end of the cylinder magnet. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mehreren diametralen Magnetfelder einen ersten Teil mit der ersten magnetischen Richtung und einen zweiten Teil mit der zweiten magnetischen Richtung, die entgegengesetzt zu der ersten magnetischen Richtung ist, beinhalten.A magnetic angle sensor device according to any preceding claim, wherein the plurality of diametrical magnetic fields include a first part having the first magnetic direction and a second part having the second magnetic direction opposite to the first magnetic direction. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet sind und das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten des ersten Teils sind.Magnetic angle sensor device according to Claim 9 wherein the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields, and the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field are different field size gradients of the first part. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld gleiche Feldgrößengradienten, aber mit umgekehrtem Vorzeichen sind.Magnetic angle sensor device according to Claim 9 , in which the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the plurality of diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field having the same field size gradients, but with the opposite sign are. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der erste magnetische Winkelsensor in dem ersten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist und der zweite magnetische Winkelsensor in dem zweiten Teil der mehreren diametralen Magnetfelder angeordnet ist, wobei das erste diametrale Magnetfeld und das zweite diametrale Magnetfeld unterschiedliche Feldgrößengradienten sind.Magnetic angle sensor device according to Claim 9 , in which the first magnetic angle sensor is arranged in the first part of the plurality of diametrical magnetic fields and the second magnetic angle sensor is arranged in the second part of the plurality of diametrical magnetic fields, the first diametrical magnetic field and the second diametrical magnetic field being different field size gradients. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: - einen nichtmagnetischen Abstandshalter, der zwischen der Welle und der magnetischen Anordnung liegt und mit diesen gekoppelt ist, - wobei die magnetische Anordnung ein Ringmagnet ist, der einen Hohlraum definiert, in dem das Magnetfeld generiert wird, wobei der Ringmagnet ein erstes Ende beinhaltet, das mit dem nichtmagnetischen Abstandshalter gekoppelt ist, und sich der Hohlraum von dem nichtmagnetischen Abstandshalter entlang der Drehachse zu einem zweiten Ende des Ringmagneten erstreckt, - wobei der zweite magnetische Winkelsensor in einer Ebene mit dem zweiten Ende des Ringmagneten ausgerichtet ist.Magnetic angle sensor device according to Claim 1 which further comprises: a non-magnetic spacer lying between and coupled to the shaft and the magnetic arrangement, the magnetic arrangement being a ring magnet defining a cavity in which the magnetic field is generated, the ring magnet includes a first end coupled to the non-magnetic spacer, and the cavity extending from the non-magnetic spacer along the axis of rotation to a second end of the ring magnet, the second magnetic angle sensor being aligned in a plane with the second end of the ring magnet. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 13, die ferner Folgendes umfasst: - einen Leiterrahmen, auf dem der erste magnetische Winkelsensor und der zweite magnetische Winkelsensor angeordnet sind, - wobei der erste magnetische Winkelsensor auf einer ersten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist und der zweite magnetische Winkel sensor auf einer zweiten Seite des Leiterrahmens angeordnet ist, die der ersten Seite gegenüberliegt.Magnetic angle sensor device according to Claim 13 which further comprises: a lead frame on which the first magnetic angle sensor and the second magnetic angle sensor are arranged, wherein the first magnetic angle sensor is arranged on a first side of the lead frame and the second magnetic angle sensor is arranged on a second side of the lead frame is arranged opposite to the first side. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 14, die ferner Folgendes umfasst: - ein Schaltkreissubstrat, das mit dem zweiten Ende des Ringmagneten gekoppelt ist und den Hohlraum einschließt, - wobei der Leiterrahmen auf dem Schaltkreissubstrat angeordnet ist und sich innerhalb des Hohlraums befindet.Magnetic angle sensor device according to Claim 14 Further comprising: a circuit substrate coupled to the second end of the ring magnet and enclosing the cavity, wherein the lead frame is disposed on the circuit substrate and is located within the cavity. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht, - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht.Magnetic angle sensor device according to one of the preceding claims, wherein: the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector to deviate from a first target magnetic field vector by the first error angle, the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field, both of which are applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector to deviate from a second target magnetic field vector by the second error angle. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Kombinationsschaltkreis zum Bestimmen des ersten Fehlerwinkels und des zweiten Fehlerwinkels und zum Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel eingerichtet ist.Magnetic angle sensor device according to Claim 16 wherein the combination circuit is configured to determine the first error angle and the second error angle and to determine the combined rotation angle based on the first error angle and the second error angle. Magnetische Winkelsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei: - der erste magnetische Winkelsensor das erste Signal erzeugt, das den ersten Fehlerwinkel zwischen dem ersten diametralen Magnetfeld, das an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer ersten Referenzrichtung repräsentiert, - der zweite magnetische Winkelsensor das zweite Signal erzeugt, das den zweiten Fehlerwinkel zwischen dem zweiten diametralen Magnetfeld, das an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt wird, und einer zweiten Referenzrichtung repräsentiert.Magnetic angle sensor device according to one of the Claims 16 or 17th , wherein: - the first magnetic angle sensor generates the first signal that represents the first error angle between the first diametrical magnetic field that is applied to the first magnetic angle sensor, and a first reference direction, - the second magnetic angle sensor generates the second signal that the represents a second error angle between the second diametrical magnetic field applied to the second magnetic angle sensor and a second reference direction. Verfahren zum Bestimmen eines kombinierten Drehwinkels einer Welle, wobei die Welle eingerichtet ist, sich um eine Drehachse zu drehen, und eine magnetische Anordnung, die mit der Welle gekoppelt ist, ein Magnetfeld erzeugt, das mehrere diametrale Magnetfelder umfasst, die entlang der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes der mehreren diametralen Magnetfelder einen unterschiedlichen Magnetfeldgradienten aufweist, und wobei die mehreren diametralen Magnetfelder eine solche Feldrichtungsänderung beinhalten, dass wenigstens ein erstes der mehreren diametralen Magnetfelder eine erste Feldrichtung aufweist und wenigstens ein zweites der mehreren diametralen Magnetfelder eine zweite Feldrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der ersten Feldrichtung ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Erzeugen, durch einen ersten magnetischen Winkelsensor, der in dem Magnetfeld bei einer ersten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines ersten Signals, das einen ersten Winkel repräsentiert, basierend auf einem ersten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes; - Erzeugen, durch einen zweiten magnetischen Winkel sensor, der in dem Magnetfeld bei einer zweiten Position entlang der Drehachse bereitgestellt ist, eines zweiten Signals, das einen zweiten Winkel repräsentiert, basierend auf einem zweiten diametralen Magnetfeld des Magnetfeldes; und - Bestimmen des kombinierten Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und auf dem zweiten Signal.A method for determining a combined angle of rotation of a shaft, wherein the shaft is configured to rotate about an axis of rotation, and a magnetic arrangement coupled to the shaft generates a magnetic field comprising a plurality of diametrical magnetic fields arranged along the axis of rotation , wherein each of the plurality of diametrical magnetic fields has a different magnetic field gradient, and wherein the plurality of diametrical magnetic fields include a field direction change such that at least a first of the plurality of diametrical magnetic fields has a first field direction and at least a second of the plurality of diametrical magnetic fields has a second field direction that is opposite to the first field direction, the method comprising: generating, by a first magnetic angle sensor, which is provided in the magnetic field at a first position along the axis of rotation, a first Signal representing a first angle based on a first diametrical magnetic field of the magnetic field; - Generating, by a second magnetic angle sensor, which is provided in the magnetic field at a second position along the axis of rotation, a second signal representing a second angle, based on a second diametrical magnetic field of the magnetic field; and determining the combined angle of rotation based on the first signal and on the second signal. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem - der erste Winkel ein erster Fehlerwinkel ist, der auf dem ersten diametralen Magnetfeld und einem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den ersten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein erster resultierender Magnetfeldvektor um den ersten Fehlerwinkel von einem ersten Magnetzielfeldvektor abweicht, - der zweite Winkel ein zweiter Fehlerwinkel ist, der auf dem zweiten diametralen Magnetfeld und dem Störungsmagnetfeld basiert, die beide an den zweiten magnetischen Winkelsensor angelegt werden, wobei das Störungsmagnetfeld bewirkt, dass ein zweiter resultierender Magnetfeldvektor um den zweiten Fehlerwinkel von einem zweiten Magnetzielfeldvektor abweicht, und - der kombinierte Drehwinkel basierend auf dem ersten Fehlerwinkel und dem zweiten Fehlerwinkel bestimmt wird.Procedure according to Claim 19 where - the first angle is a first error angle based on the first diametrical magnetic field and a disturbance magnetic field, both of which are applied to the first magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a first resulting magnetic field vector by the first error angle from a first Magnetic target field vector deviates, - the second angle is a second error angle based on the second diametrical magnetic field and the disturbance magnetic field both applied to the second magnetic angle sensor, the disturbance magnetic field causing a second resulting magnetic field vector by the second error angle from a second Magnetic target field vector deviates, and the combined angle of rotation is determined based on the first error angle and the second error angle.
DE102020105933.7A 2019-03-06 2020-03-05 COMPARED TO AN EXTERNAL FIELD, ROBUST ANGLE DETECTION WITH DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD Pending DE102020105933A1 (en)

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US16/294,305 US10591274B2 (en) 2016-09-28 2019-03-06 External field robust angle sensing with differential magnetic field
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