DE102021125964A1

DE102021125964A1 - Ein Positionssensorsystem, ein optisches Linsensystem und eine Anzeige

Info

Publication number: DE102021125964A1
Application number: DE102021125964.9A
Authority: DE
Inventors: Gernot Binder; Dirk Hammerschmidt; Christoph Oswald; Joo II Park; Armin Satz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-10-06
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2023-04-06
Also published as: US20230105657A1; CN115930753A

Abstract

Ein Positionssensorsystem (100) umfasst einen Magnetstreifen (102), der sich in einer Ausleserichtung (104) erstreckt und Magnetpole umfasst, die sich in einem konstanten Abstand (108) entlang der Ausleserichtung (104) abwechseln. Mindestens ein erster differentieller magnetoresistiver Sensor (110) umfasst magnetoresistive Sensorelemente (110a, 110b), die in dem Abstand (108) beabstandet sind. Die Magnetpole des Magnetstreifens (102) und des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors (110) sind in der Ausleserichtung (104) im Hinblick auf einander bewegbar.

Description

Gebiet
Beispiele beziehen sich auf Positionssensorsysteme, die es ermöglichen, relative Positionsänderungen zwischen einem Magnetstreifen und einem Sensor zu bestimmen.
Hintergrund
Die hochauflösende lineare Positions- und Bewegungserfassung hat zahlreiche Anwendungen. So muss beispielsweise die genaue Position der Linsen in einem optischen Zoom-System, z. B. in einer Smartphone-Kamera, ermittelt werden, wo der Bauraum sehr begrenzt ist.
Bislang leiden lineare Positioniersysteme unter großen Strukturen und hohen Rauschpegeln, so dass sie für Messungen mit hoher Genauigkeit letztlich ungeeignet sind.
Es besteht ein Bedarf an der Verbesserung von Positionssensorsystemen.
Zusammenfassung
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Positionssensorsysteme umfassend einen Magnetstreifen, der sich in einer Ausleserichtung erstreckt und Magnetpole aufweist, die sich in einem konstanten Abstand entlang der Ausleserichtung abwechseln. Die Ausführungsbeispiele umfassen ferner mindestens einen ersten differentiellen magnetoresistiven Sensor, der magnetoresistive (xMR) Sensorelemente umfasst, die in dem Abstand beabstandet sind, wobei die Magnetpole des Magnetstreifens und des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors in der Ausleserichtung relativ zueinander bewegbar sind. Die Verwendung von magnetoresistiven Sensorelementen, die von Haus aus eine hohe Empfindlichkeit haben, kann es ermöglichen, die Größe der Magnetpole zu verringern und gleichzeitig ein Auslesesignal mit ausreichendem Signal-zu- Rausch-Verhältnis zu erhalten. Die Platzierung der magnetoresistiven Sensorelemente, die zu einem differentiellen magnetoresistiven Sensor führt, kann die Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen weiter erhöhen, wodurch die Größe der Magnetpole weiter verringert werden kann. Die Ausführungsbeispiele der Positionssensorsysteme können daher Magnetstreifen mit kleinen Bildern verwenden, was zu einer höheren Genauigkeit der Positionserfassung im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen führt, die beispielsweise Hall-Elemente verwenden.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine optische Anordnung umfassend eine Linse, die in Bezug auf das optische Element entlang einer Ausleserichtung bewegbar ist, und ein Ausführungsbeispiel eines Positionssensorsystems. Der Magnetstreifen ist fest relativ zu einem des optischen Elements oder der Linse, und der erste differentielle magnetoresistive Sensor ist fest relativ zu dem anderen einen des optischen Elements oder der Linse. Die Verwendung des differentiellen magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung der relativen Position zwischen dem optischen Element in der Linse ermöglicht die Bestimmung der relativen Position mit hoher Genauigkeit, was wiederum die genaue Steuerung eines Zoom-Systems oder ähnlicher optischer Systeme ermöglicht.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine rollbare Anzeige, die eine Anzeige umfasst, die in einer Ausrollrichtung und in Bezug auf einen festen Abschnitt eines Anzeigerahmens erweiterbar ist, und ein Ausführungsbeispiel eines Positionssensorsystems. Der Magnetstreifen ist fest relativ zu einem der Anzeige oder dem Anzeigerahmen und der erste differentielle magnetoresistive Sensor ist an dem anderen einen aus der Anzeige oder dem Anzeigerahmen befestigt. Die Verwendung der differentiellen magnetoresistiven Sensoren zur Bestimmung der relativen Position zwischen einer Anzeige und ihrem Anzeigerahmen kann es ermöglichen, die Position der Anzeige mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die größer ist als die Größe eines Pixels der Anzeige. Dies wiederum kann es ermöglichen, den gewünschten Inhalt auf der Anzeige genau anzuzeigen, unabhängig von seiner aktuellen Position und dem Teil der Anzeige, der gerade ausgerollt ist.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, die Folgendes darstellen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Positionssensorsystems;
2 ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem mit zwei Sensoren an unterschiedlichen Positionen;
3 ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem mit zwei Sensoren an identischen Positionen;
4 ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem;
5a zwei Ausführungsbeispiele von Magnetstreifen für ein Positionssensorsystem;
5b mit den Magnetstreifen erreichbare Genauigkeiten;
6 eine Darstellung der Auslesesignale, die von einem Ausführungsbeispiel der differentiellen magnetoresistiven Sensoren eines Positionssensorsystems erzeugt werden;
7 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems; und
8 ein Ausführungsbeispiel einer rollbaren Anzeige.

Detaillierte Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Andere Beispiele können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin verwendet wird, um bestimmte Beispiele zu beschreiben, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente und/oder Merkmale, die identisch sein können oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B, sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt entsprechend für Kombinationen aus mehr als zwei Elementen.
Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“, verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorliegen der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorliegen oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
1 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Positionssensorsystems 100 dar. In der linken Abbildung ist ein Top-Lese-Layout dargestellt, während die rechte Abbildung von 1 eine Standard-Lesekonfiguration zeigt. Abgesehen davon ist die Betrachtung der einzelnen Bösewicht- (evildoer) Elemente des Positionssensorsystems identisch. Ein Magnetstreifen 102 erstreckt sich in einer Ausleserichtung 104 und weist Magnetpole 104a und 104b auf, die sich in einem konstanten Abstand 108 entlang der Ausleserichtung 104 abwechseln. Der Abstand (magnetischer Abstand / Teilung) ist die Erstreckung eines einzelnen Magnetpols (Nord oder Süd) entlang der Ausleserichtung 104. Innerhalb des Magnetstreifens 102 sind mehrere Paare magnetischer Nordpole mit einer Teilungslänge und magnetischer Südpole mit einer Teilungslänge entlang der Ausleserichtung hintereinander angeordnet.
Das Positionssensorsystem 100 umfasst außerdem mindestens einen ersten differentiellen magnetoresistiven Sensor 110, der magnetoresistive Sensorelemente 110a und 110b umfasst, die in dem Abstand 108 beabstandet sind. Magnetoresistive Elemente (XMR-Elemente) können z. B. den Riesenmagnetowiderstans-Effekt (GMR), den Anisotropen Magnetowiderstands-Effekt (AMR), den Kolossalmagnetowiderstands-Effekt (CMR) oder den Tunnelmagnetowiderstands-Effekt (TMR) nutzen, um eine magnetische Feldstärke zu erfassen. Die Magnetpole des Magnetstreifens 102 und des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors 110 sind in der Ausleserichtung 104 im Hinblick auf einander bewegbar.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet außerdem einen zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensor 112, der magnetoresistive Sensorelemente 112a und 112b umfasst, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Der erste differentielle magnetoresistive Sensor 110 und der zweite differentielle magnetoresistive Sensor 112 sind auf demselben Chip, Substrat oder derselben gedruckten Schaltungsplatine abgebildet. Sie sind jedoch als unterschiedliche magnetoresistive Sensoren in dem Sinne zu verstehen, dass jeder des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors 110 und des zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensors 112 jeweils ein Auslesesignal liefern, das unabhängig voneinander zur Auswertung der Magnetfeldstärke verwendet werden kann. Um ein differentielles Ausleseverhalten zu ermöglichen, werden die Sensorelemente 110a, 110b, 112a, 112b jedes der magnetoresistiven Sensoren 110 und 112 um den Abstand 108 des Magnetstreifens 102 verschoben, um das empfangene Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und die Unempfindlichkeit gegenüber additivem Rauschen aufgrund der differentiellen Auslesung zu verbessern. Magnetoresistive Sensorelemente zeichnen sich durch eine intrinsisch hohe Empfindlichkeit aus, die es ermöglicht, die Größe der Magnetpole auf weniger als 1 mm, 0,5 mm oder sogar weniger als 0,3 mm zu verkleinern und dennoch ein Auslesesignal mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.
Herkömmliche Systeme, die auf der Hall-Technologie basieren, müssen in einem größeren Maßstab arbeiten (was zu einem Magnetpolabstand von deutlich mehr als 1 mm führt). Die Genauigkeit solcher Systeme ist durch die geringe Empfindlichkeit und den hohen Rauschpegel der Hall-Technologie begrenzt. Die Magnetgrößen solcher konventioneller Systeme (Polteilung) können nicht auf die Größen der vorgeschlagenen Ausführungsformen reduziert werden, da das resultierende Magnetfeld zu gering wäre, um vom Hall-Sensor erfasst zu werden. Ein größerer Polabstand wiederum führt zu einem höheren Positionsfehler, da der 360°-Winkelbereich über eine Periode (ein Nord- und ein Südpol des Streifenmagneten) direkt in einen linearen Positionsfehler umgewandelt wird.
Während die in 1 dargestellte Ausführungsform zwei separate magnetoresistive Sensoren verwendet, können weitere Ausführungsformen ebenfalls nur einen magnetoresistiven Sensor 110 zur Messung der relativen Position zwischen dem magnetoresistiven Sensor 110 und einem Segment des Magnetstreifens 102 verwenden, das aus einem Paar eines Nordpols und eines benachbarten Südpols besteht. 6 zeigt die von den magnetoresistiven Sensoren 110 und 112 empfangenen Auslesesignale, während die magnetoresistiven Sensoren 110 und 112 relativ zum Magnetstreifen 102 bewegt werden. Für jedes Paar aus einem Nord- und Südpol (die in einer vereinfachten Darstellung einen Dipol bilden) erzeugt der erste magnetoresistive Sensor 110 einen vollen Ausschlag einer Sinuswellenform Vsin, während der zweite magnetoresistive Sensor 112 einen vollen Ausschlag einer Kosinuswellenform Vcos erzeugt. Die Position der Sensoren in Bezug auf ein Nord- und Südpolpaar kann z. B. mit Hilfe eines Phasenwinkels Alpha bestimmt werden, der die Inverse der Tangens-Funktion (atan) auf der Grundlage des Verhältnisses des Signals des ersten magnetoresistiven Sensors 110 und des zweiten magnetoresistiven Sensors 112 berechnet, Alpha = atan(Vcos, Vsin). Die absolute Position kann z. B. bestimmt werden, indem Alpha auf den linearen Abstand, der durch den doppelten Abstand gegeben ist, abgebildet wird, wobei zusätzlich die Anzahl der vollen Ausschläge gezählt wird, die von einer der Endpositionen oder Enden des Magnetstreifens 102 ausgehend erfahren werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem mit zwei Sensoren an unterschiedlichen Positionen. Das Layout ist bereits in dargestellt. 2 zeigt außerdem, dass jeder magnetoresistive Sensor vier magnetoresistive Sensorelemente in einer Vollbrückenkonfiguration umfasst. Im ersten magnetoresistiven Sensor 110 wird ein erster Zweig 110a, der aus zwei magnetoresistiven Sensorelementen 210a und 210b besteht, gegenüber einem zweiten Zweig 110b, der aus zwei magnetoresistiven Sensorelementen 210c und 210d besteht, um den Abstand 108 verschoben, um die gewünschte differentielle Auslesung zu erhalten. In ähnlicher Weise ist im zweiten magnetoresistiven Sensor 112 ein erster Zweig 112a, der aus magnetoresistiven Elementen 212a und 212b besteht, von einem zweiten Zweig 112b, der aus magnetoresistiven Sensorelementen 212c und 212d besteht, um den Abstand 108 verschoben.
Der erste magnetoresistive Sensor 110 und der zweite magnetoresistive Sensor 112 sind um eine Hälfte des Abstands 108 in Ausleserichtung versetzt, um zu erreichen, dass der erste magnetoresistive Sensor 110 ein Sinussignal liefert, während der zweite magnetoresistive Sensor 112 ein Kosinussignal (oder mindestens zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale) liefert, wie in 6 dargestellt. Die Verschiebung der Sensoren kann z. B. anhand der Zentren der einzelnen magnetoresistiven Sensoren als Referenz ausgewertet werden. Das Zentrum eines magnetoresistiven Sensors ist durch die Mitte zwischen den äußersten magnetoresistiven Sensorelementen eines Sensors in Ausleserichtung 104 gegeben.
Mit anderen Worten, die in 2 gezeigte Ausführungsform basiert auf zwei verschachtelten Wheatstone-Brücken aus magnetoresistiven Sensorelementen. Im gezeigten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die magnetoresistiven Sensorelemente beider Sensoren TMR-Sensorelemente sind, die auf die in der Ebene liegende Feldkomponente Bx des Chips empfindlich sind und den gleichen Nennwiderstand haben. Der linke und der rechte TMR einer Brücke sind um die Distanz „Sensorabstand“ beabstandet, der dem Magnetabstand entspricht. Die zweite Wheatstone-Brücke ist in einer Distanz „Sensorabstand/2“ zur ersten Brücke angeordnet. Bei dieser Sensoranordnung sollte der Abstand der Magnetpole genau mit dem Abstand des Sensors übereinstimmen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem mit zwei differentiellen magnetoresistiven Sensoren 310, 320 an identischen Positionen. Wie in dem Layout von 2 dargestellt, sind die magnetoresistiven Sensorelemente jedes magnetoresistiven Sensors durch eine Brückenschaltung verbunden. Um jedoch den ersten differentiellen magnetoresistiven Sensor 310 an der im Wesentlichen gleichen Position wie den zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensor 320 positionieren zu können, sind die magnetoresistiven Sensorelemente des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors 310 für Magnetfelder in einer ersten Richtung empfindlich, und die magnetoresistiven Sensorelemente des zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensors 320 sind für Magnetfelder in einer zweiten Richtung empfindlich, die rechtwinklig zur ersten Richtung verläuft.
Beispielsweise kann der erste differentielle magnetoresistive Sensor 310 auf die x-Komponente des in der Ebene liegenden Magnetfeldes ansprechen, während der zweite differentielle magnetoresistive Sensor 320 auf die y-Komponente des in der Ebene liegenden Magnetfeldes anspricht, das durch den Magnetstreifen erzeugt wird. Dies wiederum führt zu den gewünschten Sinus- und Kosinussignalen der jeweiligen magnetoresistiven Sensoren.
Gemäß einigen Beispielen wird die orthogonale Empfindlichkeit der beiden differentiellen magnetoresistiven Sensoren 310 und 320 dadurch erreicht, dass die gepinnten Schichten der magnetoresistiven Sensorelemente des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors senkrecht zu den gepinnten Schichten der magnetoresistiven Sensorelemente des zweiten differentiellen magnetoresistiven Elements hergestellt werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines differentiellen magnetoresistiven Sensorlayouts für ein Positionssensorsystem.
Während der zweite magnetoresistive Sensor 440 dem in 2 dargestellten zweiten magnetoresistiven Sensor 112 entspricht, weicht der erste magnetoresistive Sensor 410 von den zuvor dargestellten Layouts insofern ab, als zusätzliche zentrale magnetoresistive Sensorelemente 422 und 436 in jedem der Zweige 420 und 430 der Brücke der Schaltung vorhanden sind. Das erste zentrale magnetoresistive Sensor-Element 422 ist Teil des ersten Zweigs 420 und umfasst außerdem ein linkes magnetoresistives Sensorelement 424 sowie ein rechtes magnetoresistives Sensorelement 426. Das linke magnetoresistive Sensorelement 424 ist vom rechten magnetoresistiven Sensorelement 426 um eine Abstandslänge 108 beabstandet, während das erste mittlere magnetoresistive Sensorelement 422 in der Mitte zwischen diesen positioniert ist. In ähnlicher Weise umfasst der rechte Zweig 430 ein linkes magnetoresistives Sensorelement 434 und ein rechtes magnetoresistives Sensorelement 436, die um einen Sensorabstand 108 versetzt sind, sowie ein zweites mittleres magnetoresistives Sensorelement 432, das sich in der Mitte zwischen diesen beiden befindet.
In dieser Konfiguration liefert der erste magnetoresistive Sensor 410 ein Signal, das proportional zu C-(L+R)/2 ist. Die Nennwiderstände C der Mitte 422, 432 sind nur halb so groß wie die Nennwiderstände L und R der linken und rechten magnetoresistiven Sensorelemente 422, 424, 432, 434. Die Distanz der mittleren magnetoresistiven Sensorelemente zu den äußeren linken und rechten magnetoresistiven Sensorelementen ist nur halb so groß wie der Abstand 108 (der auch dem „Sensorabstand“ der zweiten Brücke 440 entspricht). Das Signal des ersten magnetoresistiven Sensors 410 hat nur die Hälfte der Amplitude des zweiten magnetoresistiven Sensors 440. Eine Amplituden-Fehlanpassung kann jedoch leicht um den genannten Faktor zwei korrigiert werden, z. B. in einem externen Mikrocontroller. Das Layout des Ausführungsbeispiels von 4 bietet einen Vorteil, wenn der Abstand innerhalb der magnetoresistiven Sensoren nicht in dem erforderlichen Maße mit dem Abstand 108 des Magnetstreifens 102 übereinstimmt. Anders als in den vorhergehenden Konfigurationen führt eine solche systematische Fehlanpassung im Ausführungsbeispiel von 4 nicht zu einem Orthogonalitätsfehler, sondern nur zu einer Amplitudenabweichung zwischen den Sensoren, die durch Kalibrierung ausgeglichen werden kann. Daher ist auch bei einer nicht idealen Fehlanpassung zwischen Sensorabstand und Magnetpolabstand eine hochgenaue Positionsbestimmung möglich.
In den folgenden Abschnitten wird kurz erläutert, wie eine Position aus den Sensorablesungen des Layouts von 4 bestimmt werden kann, wobei ein Abstand von 0,5 mm angenommen wird. Die differentiellen Ausgangssignale der Brücken der magnetoresistiven Sensoren 410 und 440 sind proportional zum Magnetfeld an den Sensorelementen: $Vcos - B \times L - B \times R,$
und $Vsin \sim B \times C - (B \times L + B \times R) / 2,$
wobei B die Stärke des magnetischen Feldes in der empfindlichen Richtung angibt.
Durch das Prinzip der differentiellen Abtastung heben sich homogene Streufeldkomponenten auf und die Messung wird unabhängig von externen Störfeldern.
Aus diesen beiden differentiellen Signalen wird mit Hilfe der trigonometrischen Arcustangens-Funktion (atan2) ein Winkel Alpha berechnet. $Alpha = atan2 (Vcos, Vsin)$
Verwendet man einen mehrpoligen Streifenmagneten mit einer Pollänge (Abstand/Teilung) von 500µm, bilden ein Nord- und ein Südpol einen Dipol mit 1mm Länge. Die Länge von 1 mm entspricht einer Winkelangabe von 0 bis 360°. Ein Fehler in der Winkelbestimmung wird daher direkt in einen linearen Positionsfehler übersetzt, indem der Winkelfehler durch die Dipollänge geteilt wird.
Die Ausführungsformen gemäß 2 und 4 können optional auch in der TOPREAD-(Von-Oben-Lese-) Konfiguration montiert werden, die im linken Layout von 1 dargestellt ist. In der TOPREAD-Konfiguration ist der Sensorchip um 90° gekippt. In dieser Konfiguration kann ein sehr kleiner Luftspalt zwischen Magnetoberfläche und Sensorelementen realisiert werden, wenn die Sensorelemente nahe am oberen Rand des Chips angeordnet sind.
Während in den vorangegangenen Abschnitten mehrere verschiedene Konfigurationen von differenziellen magnetischen Sensoren dargestellt wurden, die in einer Ausführungsform eines Positionssensorsystems verwendet werden können, zeigt 5a drei Magnetstreifenkonfigurationen, die in dem Positionssensorsystem verwendet werden können. In 5a ist die Ausleserichtung als x-Achse der Darstellung gewählt, während eine Richtung senkrecht zur Ausleserichtung 104 durch die y-Achse gegeben ist.
Die drei dargestellten Konfigurationen 510, 520 und 530 haben die Eigenschaft, dass sich die Magnetpole in einem konstanten Abstand entlang der Ausleserichtung 104 innerhalb der Magnetstreifen abwechseln. Allerdings haben die Magnetstreifen an den Enden in Ausleserichtung unterschiedliche Konfigurationen. Die erste Konfiguration 510 hat an beiden Enden des Magnetstreifens Magnetpole 512 und 514 in voller Breite (d. h. in der Breite eines Abstands / Teilung).
Die zweite Konfiguration 520 hat Magnetpole 522 und 524, die nur eine halbe Breite des Abstands 108 an beiden Händen des Magnetstreifens aufweisen.
In der dritten Konfiguration 530 sind die Magnetpole von einer Flussführung 536 umgeben. Die Flussführung 536 bedeckt beide Enden des Magnetstreifens und eine Seite des Streifens in einer Richtung 540, die senkrecht zur Ausleserichtung 104 verläuft.
Die erste Konfiguration 510 kann zu einer verminderten Positionierungsgenauigkeit in Richtung zum Ende des Magnetstreifens hin führen, da die Periodizität, auf der das Messprinzip beruht, in Richtung zum Ende des Streifens hin gestört ist. Insbesondere wird der Einfluss der Magnetpole 512 und 514 dominanter, wenn das Ende des Bandes erreicht ist.
5b veranschaulicht die Messgenauigkeiten, die mit den Magnetstreifenkonfigurationen von 5a erreicht werden können. Die x-Achse zeigt die lineare Verschiebung zwischen den magnetoresistiven Sensoren und dem Magnetstreifen für eine beispielhafte Länge von 10 mm und einen Abstand von 0,5 mm. Die Y-Achse veranschaulicht den Positionierungsfehler in Einheiten von Mikrometern. Während die absoluten Fehlergrößen der gemessenen Anordnung entsprechen, gelten die Schlussfolgerungen bezüglich der Streifenkonfigurationen auch für andere Konfigurationen mit Magnetstreifen, die den verschiedenen in 5a dargestellten Designs folgen.
Der Graph 550 entspricht dem Messfehler für die Magnetstreifenkonfiguration 510. Wie bereits erwähnt, wird der Messfehler zu beiden Enden des Magnetstreifens hin beträchtlich und übersteigt schließlich +/1 50 Mikrometer.
Die in 5a dargestellte Streifenkonfiguration 520 führt zu einer starken Verringerung des Positionierungsfehlers, da die Magnetpole 522, 524 an beiden Enden des Magnetstreifens nur halb so breit sind wie die Magnetpole innerhalb des Streifens. Daher ist die Dominanz der Magnetpole 522 und 524 an beiden Enden des Magnetstreifens stark verringert, da das von diesen Polen erzeugte Magnetfeld schwächer ist als ein vergleichbares Magnetfeld, das von einem Magnetpol voller Breite erzeugt wird. Diagramm 560 zeigt, dass die Messgenauigkeit zum Ende des Magnetstreifens hin stark zunimmt, wenn eine Magnetstreifenkonfiguration 520 verwendet wird. Das Diagramm zeigt, dass über fast die gesamte Länge des Magnetstreifens sehr geringe Fehler von unter 10 oder sogar 5 Mikrometern erreicht werden können.
In der Konfiguration 530 schließt die Flussführung 536 das Magnetfeld an den Enden des Magnetstreifens und verringert damit auch stark die Dominanz der äußersten Pole des Magnetstreifens. Der Graph 580 zeigt, dass die Messgenauigkeit im Vergleich zur Standardkonfiguration 510 stark zunimmt, wenn eine Flussführung verwendet wird.
Graph 570 zeigt die Messgenauigkeit bei einer weiteren möglichen Konfiguration des Magnetstreifens. Graph 570 entspricht einem Magnetstreifen, bei dem die äußersten Pole um 50 % entmagnetisiert sind und der eine Breite von einem vollen Abstand hat. Die Konfiguration, die dem Graphen 570 entspricht, ist in 5a nicht dargestellt, da eine grafische Veranschaulichung des Prinzips schwierig zu bewerkstelligen scheint.
Es sei darauf hingewiesen, dass weitere Ausführungsformen ebenfalls auf einer beliebigen Kombination der zuvor beschriebenen Konfigurationen beruhen können. Der Positionsfehler des Magneten mit den „halben Polen“ (zweite Konfiguration 520) könnte beispielsweise durch eine teilweise Entmagnetisierung der äußersten Pole weiter reduziert werden. Der Positionsfehler des Magneten mit den „halben Polen“ könnte ebenfalls weiter reduziert werden, indem die äußersten Pole teilweise entmagnetisiert werden.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass es zur Bestimmung der absoluten Position erforderlich sein kann, neben der Auswertung der Sensorsignale, während sich die Sensoren entlang der Magnetstreifen bewegen, auch die vollen Ausschläge der Sensorablesungen zu zählen.
6 zeigt die Auslesesignale 110 und 112, die mit den differentiellen magnetoresistiven Sensoren eines Positionssensorsystems erzeugt werden. Wie bereits beschrieben, kann ein erster differentieller magnetoresistiver Sensor ein Sinussignal 110 bereitstellen und ein zweiter differentieller magnetoresistiver Sensor ein Kosinussignal 112 bereitstellen, wenn die Sensoren relativ zum Magnetstreifen bewegt werden. Wie in 6 dargestellt, kann die Amplitude der Sensorsignale 110 und 112 in Richtung zu den Enden der Ausdehnung des Magnetstreifens hin stark variieren und in geringem Maße auch über die gesamte Länge des Magnetstreifens. Die Abweichung wird in den Bereichen 610 und 620 in Richtung der Enden des Magnetstreifens deutlicher. Dies ist auf die im Zusammenhang mit den 5a und 5b beschriebenen Effekte zurückzuführen.
Einige Ausführungsformen nutzen jedoch den inhärent vorhandenen Effekt aus, um die absolute Position zu bestimmen, ohne dass der Sensor oder der Magnetstreifen zunächst mechanisch in eine bestimmte Position gebracht werden muss und von da an die Anzahl der Vorzeichen- oder Kosinuswellen gezählt wird. Im Gegensatz dazu können Ausführungsformen von Positionssensorsystemen die Amplitudenzunahme oder -abnahme in Richtung Ende der Magnetstreifenarbeit positiv bewerten, um auf eine Referenzposition zu schließen. In ähnlicher Weise werden Amplitudenschwankungen der Sensorablesungen entlang der gesamten Länge des Magnetstreifens verwendet, um festzustellen, welches Magnetpolpaar bei einigen Ausführungsformen das von den Sensoren gemessene Magnetfeld gerade verursacht. Daher können einige Ausführungsformen in der Lage sein, die absolute Position entlang der Länge des Magnetstreifens zu bestimmen, ohne dass die Anzahl der vollen Sinus- oder Kosinusschwünge von einer Startposition aus gezählt werden muss, die durch einen Magnet-Stopp an beiden Enden des Magnetstreifens gegeben ist.
Die Fähigkeit, lineare Bewegungen präzise zu bestimmen, bietet zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere wenn es möglich wird, die Position mit einer Genauigkeit von mehreren Mikrometern oder einigen Zehnteln von Mikrometern zu bestimmen. Eine solch hohe Messgenauigkeit kann den Einstieg in neue Anwendungen ermöglichen, wie z. B. die in 7 dargestellte. 7 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Systems 700.
Das optische System 700 umfasst ein optisches Element 760, das in diesem Beispiel eine CCD-Kamera ist. Das optische System 700 umfasst außerdem ein Linsensystem 710 mit mindestens einer einzigen Linse. Das Linsensystem 710 ist relativ zum CCD 760 in Ausleserichtung 720 bewegbar, um einen Zoom für das optische System 700 zu realisieren. Das in 7 dargestellte optische System kann beispielsweise in der Kamera einer mobilen Vorrichtung eines Mobiltelefons eingesetzt werden, um optische Zoomfähigkeiten zu ermöglichen, obwohl der verfügbare Raum extrem begrenzt ist.
Um den dargestellten Zoom genau steuern zu können, werden Ausführungsformen von Positionssensorsystemen 730 und 740 verwendet, die jeweils einen Magnetstreifen 732, 742 und einen zugehörigen magnetoresistiven Sensor 734, 744 umfassen.
Entweder die Magnetstreifen 732, 742 oder die magnetoresistiven Sensoren 734, 744 sind relativ zum Linsensystem 710 fixiert. Die jeweils andere Komponente des Positionssensorsystems 730, 740 ist relativ zum optischen Element 760 fixiert, um die Relativbewegung zwischen dem optischen Element 760 und dem Linsensystem 710 präzise messen zu können.
Mit einer solchen Konfiguration kann der optische Zoom in einer Kamera einer mobilen Vorrichtung bei nur minimalem Platzbedarf genau gesteuert oder gemessen werden.
8 zeigt eine Ausführungsform einer rollbaren Anzeige 810, bei der eine Ausführungsform eines Positionssensorsystems verwendet wird, um die Länge, um die die rollbare Anzeige in einer Ausrollrichtung 812 ausgefahren ist, genau zu bestimmen.
Die rollbare Anzeige 810 ist in einer Ausrollrichtung 812 und in Bezug auf einen festen Abschnitt eines Anzeigerahmens 814 erweiterbar. Innerhalb des Rahmens 814 oder eines Gehäuses kann die Anzeige 810 auf zylindrische Weise aufgerollt oder auch gefaltet oder anderweitig um einen Zylinder oder eine ähnliche Mechanik gebogen werden, um den sichtbaren Abschnitt der Anzeige zu verkleinern und die Anzeige in einem Gehäuse oder innerhalb des Anzeigerahmens 814 zu verbergen. Der Anzeigerahmen 814 kann z. B. ein Rahmen sein, der nur zur Unterstützung der Anzeige dient, oder er kann auch durch andere externe Komponenten definiert sein, wie z. B. das Gehäuse eines Mobiltelefons oder einer Tablet-Computervorrichtung.
Um festzustellen, wie weit die rollbare Anzeige in der Ausrollrichtung 812 ausgefahren ist, wird der Magnetstreifen 820 relativ zu einem der Anzeige 810 oder des Anzeigerahmens 814 befestigt und der erste differentielle magnetoresistive Sensor 830 wird relativ zu dem anderen der Anzeige 810 oder des Anzeigerahmens 814 befestigt. Mit anderen Worten, der magnetoresistive Sensor 830 ist am Anzeigerahmen 814 befestigt und der Magnetstreifen 820 ist an der rollbaren Anzeige 810 befestigt oder der magnetoresistive Sensor 830 ist an der rollbaren Anzeige 810 und der Magnetstreifen 820 ist am Anzeigerahmen 814 befestigt.
Die Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines Positionssensorsystems zur Bestimmung der relativen Position zwischen einer Anzeige und ihrem Anzeigerahmen kann es ermöglichen, die Position der Anzeige mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die größer ist als die Größe eines Pixels der Anzeige. Dies wiederum kann es ermöglichen, den gewünschten Inhalt auf der Anzeige genau anzuzeigen, unabhängig von seiner aktuellen Position und dem Teil der Anzeige, der gerade ausgerollt ist.
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein (Computer-)Programm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren sein oder sich darauf beziehen, wenn das Programm auf einem Computer, einem Prozessor oder einer sonstigen programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen der oben beschriebenen Verfahren können also auch durch programmierte Computer, Prozessoren oder sonstige programmierbare Hardwarekomponenten ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme und Anweisungen codieren und/oder umfassen. Die Programmspeicherbauelemente können z. B. digitale Speicherungsvorrichtungen, magnetische Speicherungsmedien, wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeicherungsmedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren, Steuereinheiten, (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs; (Field) Programmable Logic Arrays),(feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA; (Field) Programmable Gate Arrays), Grafikprozessoreinheiten (GPU; Graphics Processor Unit), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC; application-specific integrated circuit), integrierte Schaltungen (IC; ntegrated Circuit) oder System-auf-einem-Chip (SoC; System-on-a-Chip) -Systeme abdecken, die zum Ausführen der Schritte der vorangehend beschriebenen Verfahren programmiert sind.
Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen umfassen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Falls einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Zum Beispiel kann ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, wie beispielsweise einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass, obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht, andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand irgendeines anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch umfasst sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Ein Positionssensorsystem (100), umfassend: einen Magnetstreifen (102), der sich in einer Ausleserichtung (104) erstreckt und Magnetpole aufweist, die sich in einem konstanten Abstand (108) entlang der Ausleserichtung (104) abwechseln; mindestens einen ersten differentiellen magnetoresistiven Sensor (110), der magnetoresistive Sensorelemente (110a, 1 10b) umfasst, die in dem Abstand (108) beabstandet sind, wobei die Magnetpole des Magnetstreifens (102) und des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors (110) in der Ausleserichtung (104) im Hinblick aufeinander bewegbar sind.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensor (112), der magnetoresistive Sensorelemente (112a, 112b) umfasst, die in dem Abstand (108) beabstandet sind.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei der erste differentielle magnetoresistive Sensor (110) und der zweite differentielle magnetoresistive Sensor (112) um den halben Abstand (108) in der Ausleserichtung (104) verschoben sind.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei der erste differentielle magnetoresistive Sensor (110) und der zweite differentielle magnetoresistive Sensor (112) die gleiche Position in der Ausleserichtung (104) haben, wobei die magnetoresistiven Sensorelemente des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors (110) für Magnetfelder in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei die magnetoresistiven Sensorelemente des zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensors (112) für Magnetfelder in einer zweiten Richtung empfindlich sind, wobei die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß Anspruch 4, wobei gepinnte Schichten der magnetoresistiven Sensorelemente des ersten differentiellen magnetoresistiven Sensors (310) senkrecht zu den gepinnten Schchten der magnetoresistiven Sensorelemente des zweiten differentiellen magnetoresistiven Sensors (320) sind.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei der erste differentielle magnetoresistive Sensor (110) und der zweite differentielle magnetoresistive Sensor (120) die gleiche Position in der Ausleserichtung (104) haben, wobei der erste differentielle magnetoresistive Sensor (110) ferner zentrierte magnetoresistive Sensorelemente zentriert zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen aufweist, die um den Abstand (108) beabstandet sind.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetpole an beiden Enden des Magnetstreifens (102) eine Breite von einer Hälfte des Abstands (108) aufweisen.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetpole von einer Flussführung (536) umgeben sind, die beide Enden des Magnetstreifens (102) und eine Seite des Streifens in einer Richtung (540) senkrecht zur Ausleserichtung (104) abdeckt.
Das Positionssensorsystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (108) innerhalb des Intervalls liegt, das bei 0,1 mm beginnt und bei 1 mm endet.
Ein optisches System (700), umfassend: ein optisches Element (760), eine Linse (710), die in Bezug auf das optische Element (760) entlang einer Ausleserichtung (720) bewegbar ist; und ein Positionssensorsystem (730) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Magnetstreifen (732) relativ zu einem des optischen Elements (760) oder der Linse (710) befestigt ist und der erste differentielle magnetoresistive Sensor (734) relativ zu dem anderen einen des optischen Elements (760) oder der Linse (710) befestigt ist.
Eine rollbare Anzeige (800), umfassend: eine Anzeige (810), die in einer Ausrollrichtung (812) und in Bezug auf einen festen Abschnitt eines Anzeigerahmens (814) erweiterbar ist; und ein Positionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Magnetstreifen (820) relativ zu einem der Anzeige (810) oder des Anzeigerahmens (814) befestigt ist und der erste differentielle magnetoresistive Sensor (830) relativ zu dem anderen einen der Anzeige (810) oder des Anzeigerahmens (814) befestigt ist.
Eine Mobiltelekommunikationsvorrichtung umfassend ein optisches System gemäß Anspruch 10 oder eine rollbare Anzeige gemäß Anspruch 11.