DE102022106330A1

DE102022106330A1 - Magnetsensorsystem

Info

Publication number: DE102022106330A1
Application number: DE102022106330.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmitt; Enno Lage; Michael Joseph Browne
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2022-09-29
Also published as: GB2607667B; GB2607667A; US11754646B2; CN115128524A; GB202203985D0; US20220308132A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Magnetsensorsystem zur Verfügung, das eine Magnetsensorbaugruppe mit einem Single-Turn-Magnetsensor und einem Multi-Turn-Magnetsensor sowie eine Abschirmungsanordnung zum Abschirmen des Magnetsensors gegen magnetische Streufelder umfasst. Die Abschirmungsanordnung umfasst ein ferromagnetisches Rohr, in dem ein oder mehrere Magnete untergebracht sind und das mit einem Ende einer Drehwelle verbunden ist, derart, dass eine Drehung der Welle eine entsprechende Drehung des ferromagnetischen Rohrs und der Magnete bewirkt. Die Magnetsensorbaugruppe wird auf einer Oberfläche eines PCB-Substrats angeordnet, das sich in unmittelbarer Nähe der Anordnung aus ferromagnetischem Rohr und Magnet befindet. Eine Abschirmvorrichtung wird dann in unmittelbarer Nähe der Magnetsensorbaugruppe angeordnet, beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des PCB-Substrats oder direkt zwischen dem PCB-Substrat und dem ferromagnetischen Rohr, um zusätzliche Abschirmung etwaiger magnetischer Streufelder bereitzustellen. Die Abschirmvorrichtung kann die Form einer Scheibe oder eines Rings aus ferromagnetischem Material haben, das eine höhere magnetische Leitfähigkeit aufweist.

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Magnetsensorsystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Magnetsensorsystem, das einen Magnetsensor und eine Abschirmungsanordnung zum Abschirmen des Magnetsensors gegen magnetische Streufelder umfasst.
Hintergrund
Single-Turn-Magnetsensoren und Multi-Turn-Magnetsensoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen sowohl die Anzahl von Drehungen einer Vorrichtung als auch dessen genaue Winkelposition überwacht werden müssen. Ein Beispiel dafür ist ein Lenkrad in einem Fahrzeug. Multi-Turn-Magnetsensoren und Single-Turn-Magnetsensoren verwenden typischerweise magnetoresistive Elemente, die auf ein externes Magnetfeld ansprechen. Der Widerstand der magnetoresistiven Elemente in Multi-Turn-Sensoren kann durch die Rotation eines Magnetfeldes in der Nähe des Sensors verändert werden. Variationen des Widerstands der magnetoresistiven Elemente können verfolgt werden, um die Anzahl der Umdrehungen im Magnetfeld zu bestimmen, die in eine Anzahl von Umdrehungen in der überwachten Vorrichtung umgerechnet werden kann. In ähnlicher Weise können Variationen des Widerstands der magnetoresistiven Elemente in Single-Turn-Sensoren verfolgt werden, um den Magnetfeldwinkel zu bestimmen, der in die Winkelposition der überwachten Vorrichtung umgerechnet werden kann. Die magnetoresistiven Elemente in Single-Turn- und Multi-Turn-Sensoren reagieren empfindlich auf Änderungen der Magnetfeldstärke und des Magnetfeldwinkels; für die Überwachung der Position und der Anzahl der Umdrehungen eines Magnetfeldes sind jedoch nur Änderungen des Magnetfeldwinkels von Interesse, und Variationen der Magnetfeldstärke aufgrund von magnetischen Streufeldern aus externen Quellen können Fehler in den Sensormesswerten verursachen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Magnetsensorsystem zur Verfügung, das eine Magnetsensorbaugruppe mit einem Single-Turn-Magnetsensor und einem Multi-Turn-Magnetsensor sowie eine Abschirmungsanordnung zum Abschirmen des Magnetsensors gegen magnetische Streufelder umfasst. Die Abschirmungsanordnung umfasst eine ferromagnetische Hülse, in der ein oder mehrere Magnete untergebracht sind, wobei die Hülse entweder eine Verlängerung der Drehwelle oder eine separate Komponente ist, das mit einem Ende der Drehwelle verbunden ist, derart, dass eine Drehung der Welle eine entsprechende Drehung der ferromagnetischen Hülse und der Magnete bewirkt. Die Magnetsensorbaugruppe wird auf einer Oberfläche eines PCB-Substrats angeordnet, das sich in unmittelbarer Nähe der Anordnung aus ferromagnetischem Rohr und Magnet befindet. Ein Abschirmelement wird dann in unmittelbarer Nähe der Magnetsensorbaugruppe angeordnet, beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des PCB-Substrats oder direkt zwischen dem PCB-Substrat und der ferromagnetischen Hülse, um zusätzliche Abschirmung etwaiger magnetischer Streufelder bereitzustellen. Das Abschirmelement kann die Form einer Scheibe oder eines Rings aus ferromagnetischem Material haben, das eine höhere magnetische Leitfähigkeit aufweist als die Magnetsensorbaugruppe.
Ein erster Aspekt der Offenbarung stellt ein Magnetsensorsystem bereit, das folgende Elemente umfasst: eine Magnetsensorvorrichtung, die auf einer ersten Oberfläche eines Substrats montiert ist, wobei die Magnetsensorvorrichtung mindestens einen Multi-Turn-Magnetsensor und einen magnetischen Winkelsensor umfasst; und eine Abschirmungsanordnung, die dafür ausgelegt ist, die Magnetsensorvorrichtung vor magnetischen Streufeldern abzuschirmen, wobei die Abschirmungsanordnung umfasst: eine ferromagnetische Hülse, die sich von einem Ende einer Drehwelle erstreckt, wobei die ferromagnetische Hülse so angeordnet ist, dass sie einen oder mehrere Magneten darin aufnimmt, wobei das Substrat in einem ersten Abstand von einem ersten Ende der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist, derart, dass die Magnetsensorvorrichtung mit einer Drehachse der ferromagnetischen Hülse ausgerichtet ist, und ein Abschirmelement, das in der Nähe der Magnetsensorvorrichtung angeordnet ist.
So wird eine Magnetsensorvorrichtung am Ende einer Drehwelle angebracht, von der sich eine ferromagnetische Hülse erstreckt. Ein oder mehrere Magnete sind in der ferromagnetischen Hülse untergebracht, wobei die Magnetsensorvorrichtung dafür ausgelegt ist, Änderungen der Richtung des Magnetfeldes zu messen, das von dem/den Magneten erzeugt wird, wenn sich die Drehwelle dreht. Ein weiteres Abschirmelement ist in der Nähe der Magnetsensorvorrichtung bereitgestellt, das zusammen mit der ferromagnetischen Hülse die Magnetsensorvorrichtung vor magnetischen Streufeldern schützt, die Fehler in den vom Sensor durchgeführten Messungen verursachen könnten, wodurch die Zuverlässigkeit, die Genauigkeit und die Leistung der Magnetsensorvorrichtung in Umgebungen mit magnetischen Streufeldern verbessert wird.
Das Abschirmelement kann eine Scheibe aus ferromagnetischem Material sein, die neben einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Das heißt, das Abschirmelement ist als Scheibe aus ferromagnetischem Material neben der gegenüberliegenden Seite des Substrats bereitgestellt, derart, dass das Substrat zwischen dem Abschirmelement und dem weiteren Magnetsensorsystem angeordnet ist. Dabei wird der Magnetsensor von oben durch die ferromagnetische Hülse und von unten durch das Abschirmelement abgeschirmt, die eine Abschirmwirkung bereitstellen, da etwaige magnetische Streufelder aufgrund der höheren magnetischen Leitfähigkeit vom ferromagnetischen Material absorbiert werden.
In einigen Anordnungen kann das Abschirmelement ein Ring aus ferromagnetischem Material sein, der neben einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen der Abschirmung reduziert die Bereitstellung eines ringförmigen Abschirmelements Wirbelströme, die durch die Rotation der Magnete innerhalb der ferromagnetischen Hülse verursacht werden, insbesondere wenn sich die Welle mit sehr hohen Drehzahlen dreht.
Das Abschirmelement kann einen Flansch umfassen, der sich vom ersten Ende der ferromagnetischen Hülse in eine Richtung senkrecht zur Drehachse erstreckt. Zum Beispiel kann der Flansch einen Ring umfassen, der um den Rand der benachbarten ferromagnetischen Hülse ausgebildet ist und sich parallel zum Substrat erstreckt. Dieser Flansch vergrößert den Bereich des ferromagnetischen Materials (mit höherer magnetischer Leitfähigkeit) um die Magnetsensorbaugruppe und stellt so einen höheren Abschirmungsfaktor bereit.
Die Abschirmungsanordnung kann ferner ein weiteres Abschirmelement umfassen, das zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem ersten Ende der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist, derart, dass sich das Substrat zwischen dem ersten Abschirmelement und dem weiteren Abschirmelement befindet. Zum Beispiel kann das weitere Abschirmelement einen Ring aus ferromagnetischem Material umfassen.
In einigen Anordnungen kann das Abschirmelement eine weitere ferromagnetische Hülse umfassen, die um die Außenseite der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist. Dabei sind zwei Wände aus ferromagnetischem Material zum Abschirmen von magnetischen Streufeldern bereitgestellt.
Die ferromagnetische Hülse kann eine zylindrische Auslegung aufweisen. Ferner kann die ferromagnetische Hülse eine beliebige Auslegung aufweisen, wird jedoch aus zwei Segmenten gebildet.
Die ferromagnetische Hülse kann einen zylindrischen Körper umfassen, der ein erstes Durchgangsloch zur Aufnahme des einen oder der mehreren Magnete und ein zweites Durchgangsloch zur Verbindung mit der Drehwelle aufweist. Des Weiteren kann die ferromagnetische Hülse eine Verlängerung der Drehwelle sein.
In einigen Anordnungen umfasst das System ferner einen oder mehrere Magnete, wobei der eine oder die mehreren Magnete eine Magnetscheibe mit einem Sackloch umfassen können. Ferner kann der eine oder die mehreren Magnete einen ringförmigen Magneten umfassen, oder der eine oder die mehreren Magnete können zwei Segmente umfassen, die eine Ringform bilden.
Das Substrat kann ferner mindestens einen elektrischen Leiter umfassen, der in das Substrat eingebettet ist, wobei der Leiter dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn ein Stromimpuls daran angelegt wird, derart, dass Domänenwände in einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen im Multi-Turn-Magnetsensor erzeugt werden. So kann durch Anlegen eines starken Stromimpulses an einen im Substrat eingebetteten Leiter ein starkes Magnetfeld erzeugt werden, um den Multiturn-Sensor in einen bekannten magnetischen Zustand zu versetzen.
In jedem der hier beschriebenen Beispiele kann der Multiturn-Magnetsensor auf Riesenmagnetowiderstand (engl. „Giant Magnetoresistance“, GMR) oder magnetischem Tunnelwiderstand (engl. „Tunnel Magnetoresistance“, TMR) basieren. Ferner kann der magnetische Winkelsensor auf anisotropem Magnetowiderstand (AMR) basieren oder ein Hall-basierter Winkelsensor sein.
Bei der Magnetsensorvorrichtung kann es sich um eine Magnetsensorbaugruppe handeln, die ein Gehäuse und ein Baugruppensubstrat umfasst, wobei der Multi-Turn-Magnetsensor und der magnetische Winkelsensor auf dem Baugruppensubstrat montiert sind.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird nun nur exemplarisch unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:

1 ist ein Beispiel für eine Magnetsensorbaugruppe gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
2 ist ein Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
3 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
4 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
5 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
6 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
7 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
8 ist ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
Die 9A-C zeigen Beispiele für einen Magneten, der gemäß Ausführungsformen der Offenbarung verwendet wird;
Die 10A-C zeigen weitere Beispiele für einen Magneten, der gemäß Ausführungsformen der Offenbarung verwendet wird;
Die 11A-B zeigen ein Beispiel für eine Initialisierungsvorrichtung, die mit einem Magnetsensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung verwendet wird;
12 ist ein Beispiel für einen Teil der Abschirmungsanordnung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung
Multi-Turn-Magnetsensoren und Single-Turn-Magnetsensoren können verwendet werden, um die Anzahl der Umdrehungen und die Winkelposition einer Drehwelle zu überwachen. Eine solche magnetische Erfassung kann auf eine Vielzahl verschiedener Anwendungen angewandt werden, wie etwa Automobilanwendungen, medizinische Anwendungen, industrielle Steueranwendungen, Verbraucheranwendungen und viele andere Anwendungen, die Informationen bezüglich einer Position einer sich drehenden Komponente erfordern.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Magnetsensor zur Verfügung, der einen Single-Turn-(ST)-Magnetsensor und einen Multi-Turn-(MT)-Magnetsensor umfasst, die zusammen auf einem einzigen Leitungsrahmen verpackt sind, sowie eine Abschirmungsanordnung um das Sensorbaugruppe und den Magneten zum Sicherstellen, dass die Sensorbaugruppe und insbesondere der ST-Sensor nicht durch magnetische Streufelder gestört werden. Bei typischen Anwendungen kann es viele Quellen von Streufeldern wie Motorwicklungen, Relais, Stromschienen oder Ähnliches geben, die die Genauigkeit des vom Magnetsensor ausgegebenen Signals beeinträchtigen können.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer exemplarischen Magnetsensorvorrichtung 1, die in jedem der unten beschriebenen Beispiele verwendet werden kann. Die Magnetsensorvorrichtung 1 beinhaltet einen xMR-Multi-Turn-(MT)-Sensor 102 und einen xMR-Single-Turn-(ST)-Magnetsensor 104. Der MT-Sensor 102 kann ein auf Riesenmagnetowiderstand (GMR) oder magnetischem Tunnelwiderstand (TMR) basierender Drehsensor sein, und der ST-Sensor 104 kann ein auf anisotropem Magnetowiderstand (AMR), Riesenmagnetowiderstand (GMR) oder magnetischem Tunnelwiderstand (TMR) basierender Positionssensor sein. Ebenso kann der ST-Sensor 104 ein Hall-basierter Winkelsensor sein.
Die Sensorvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Verarbeitungsschaltung 106 und eine integrierte Schaltung 100, auf der der MT-Sensor 102, der ST-Sensor 104 und die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sind. Die Verarbeitungsschaltung 106 empfängt Signale SMT 112 vom MT-Sensor 102 und verarbeitet die empfangenen Signale zum Bestimmen der Anzahl von Umdrehungen unter Verwendung eines Umdrehungsanzahldecoders 108, der eine Anzahl von Umdrehungen ausgibt, die die Anzahl von Umdrehungen eines externen Magnetfeldes (nicht dargestellt) repräsentiert, das sich in der Nähe des MT-Sensors 102 dreht. In ähnlicher Weise kann die Verarbeitungsschaltung 106 auch Signale S_ST 114 vom ST-Sensor 104 empfangen und die empfangenen Signale unter Verwendung eines Positionsdecoders 110 dazu verarbeiten, eine Winkelposition des externen Magnetfeldes auszugeben.
2 zeigt ein erstes Beispiel für ein Magnetsensorsystem 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Magnetsensorbaugruppe 200 ist auf einer Oberfläche eines Substrats 202, zum Beispiel einer Schaltplatine (PCB), unterhalb einer Drehwelle 204 montiert. Die Magnetsensorbaugruppe 200 kann die in 1 gezeigte Magnetsensorvorrichtung 1 umfassen. Die Welle 204 kann mit einem beliebigen sich drehenden System verbunden sein, bei dem eine Überwachung der Drehung erforderlich ist, zum Beispiel einem Lenkrad. Eine weichferromagnetische Hülse 206 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Auslegung ist mit der Welle 204 verbunden, und ein Paar Magnete 208 ist innerhalb der ferromagnetischen Hülse 206 angeordnet und dreht sich mit der Welle 204 und der Hülse 206. Obwohl hier ein Paar Magnete 208 gezeigt wird, kann eine Reihe verschiedener geeigneter und vorteilhafter Magnetauslegungen verwendet werden, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
Hier ist die Magnetsensorbaugruppe 200 so angeordnet, dass sie sich etwas unterhalb der Hülse 206 befindet; es versteht sich jedoch, dass die Sensorbaugruppe 200 auch so angeordnet werden kann, dass sie sich innerhalb der Hülse 206 befindet. Da die Magnetsensorbaugruppe 200 einen ST-Sensor umfasst, ist die Magnetsensorbaugruppe 200 so angeordnet, dass der ST-Sensor mit der Drehachse ausgerichtet ist, so dass der ST-Sensor sich in einer Position befindet, in der das Magnetfeld am homogensten ist, um die beste Winkelpositionsleistung zu erzielen. Die ferromagnetische Hülse 206 hat eine Abschirmwirkung gegen magnetische Streufelder, da diese aufgrund der höheren magnetischen Leitfähigkeit durch die Hülse 206 hindurchgehen.
3 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wie zuvor ist eine Magnetsensorbaugruppe 300 auf einer Oberfläche eines Substrats 302 montiert, das sich unter einer Drehwelle 304 befindet, wobei eine weichferromagnetische Hülse 306 mit der Welle 304 verbunden ist und ein Paar Magnete 308 im Inneren der Hülse 306 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist eine zusätzliche scheibenförmige ferromagnetische Abschirmung 310 unterhalb des Substrats 302 bereitgestellt. Die scheibenförmige ferromagnetische Abschirmung 310 kann direkt auf der Unterseite des Substrats 302 oder in geringem Abstand darunter montiert werden, damit oberflächenmontierte elektronische Bauteile auf dem Substrat 302 platziert werden können. Die scheibenförmige ferromagnetische Abschirmung 310 schirmt die Magnetsensorbaugruppe 300 zusätzlich von unten ab, wobei magnetische Streufelder durch das ferromagnetische Material absorbiert werden. Das Vorhandensein der ferromagnetischen Hülse 306 und einer weiteren ferromagnetischen Abschirmung 310 sorgt daher für einen verbesserten Abschirmeffekt, wodurch die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Magnetsensorbaugruppe 300 in Umgebungen mit starken magnetischen Streufeldern weiter verbessert wird.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem 4, das dem von 3 ähnelt. Wie zuvor wird eine Magnetsensorbaugruppe 400 auf einer Oberfläche eines Substrats 402 montiert, das sich unter einer Drehwelle 404 befindet, aber in diesem Beispiel ist eine Scheibe oder eine ringförmige ferromagnetische Abschirmung 410 unter dem Substrat 302 bereitgestellt. Indem die ferromagnetische Abschirmung 410 mit einem Durchgangsloch bereitgestellt wird, können Wirbelströme, die durch die Drehung der Magnete 408 innerhalb der Hülse 406 verursacht werden, stark reduziert werden. In diesem Zusammenhang werden Wirbelströme durch die Änderung des magnetischen Flusses erzeugt, der durch die ferromagnetische Abschirmung 410 fließt, wenn sich die Drehzahl, mit der sich die Magnete 408 drehen, ändert. Das liegt daran, dass die Änderung des magnetischen Flusses in einem leitfähigen Material Wirbelströme verursacht. Diese Wirbelströme erzeugen selbst ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld, das die Wirbelströme verursacht, entgegengesetzt ist (mit einer kleinen Phasenverschiebung). So erzeugt die ferromagnetische Abschirmung 410 aufgrund der Wirbelströme ein Magnetfeld, das dem von den Magneten 408 erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist, was zu einer Reduzierung des Nutzmagnetfelds führt. Durch ein Loch in der ferromagnetischen Abschirmung 410 wird der Bereich, in dem die Wirbelströme fließen können, verkleinert und damit auch die Gegenwirkung auf das von den Magneten 408 erzeugte Magnetfeld reduziert. Eine solche Anordnung kann daher besonders vorteilhaft in Systemen sein, in denen sich die Drehwelle 404 mit sehr hohen Drehzahlen dreht und somit ein höheres Maß an Wirbelströmen auftritt.
Es versteht sich, dass die in den 3 und 4 gezeigten Abschirmungen 310 und 410 auch eine andere Form oder Auslegung aufweisen können. Eine bessere Abschirmwirkung kann jedoch durch Formen erzielt werden, bei denen die Abschirmung so unter der Sensorbaugruppe angebracht werden kann, dass sie sich in einer symmetrischen Auslegung von der Sensorbaugruppe nach außen erstreckt, was bei Abschirmungen mit einer kreisförmigen Auslegung leichter zu erreichen ist.
5 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem 5, das dem von 4 ähnelt. Wie zuvor ist eine Magnetsensorbaugruppe 500 auf einer Oberfläche eines Substrats 502 montiert, das sich unter einer Drehwelle 504 befindet, wobei eine weichferromagnetische Hülse 506 mit der Welle 504 verbunden ist und ein Paar Magnete 508 im Inneren der Hülse 506 angeordnet ist. Die Magnetsensorbaugruppe verfügt auch die Scheibe oder die ringförmige ferromagnetische Abschirmung 510 unterhalb des Substrats 502, wie in der vorherigen 4. 5 beinhaltet jedoch eine zusätzliche ringförmige ferromagnetische Abschirmung 512, die oberhalb des Substrats 502 angeordnet ist, derart, dass sie die Magnetsensorbaugruppe 500 umgibt. Auch hier kann die ferromagnetische Abschirmung 512 direkt auf der Oberseite des Substrats 502 oder in geringem Abstand darüber montiert werden.
6 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem 6, das dem von 1 ähnelt, bei dem eine Magnetsensorbaugruppe 600 auf einer Oberfläche eines Substrats 602 montiert ist, das sich unter einer Drehwelle 604 befindet; in diesem Beispiel umfasst die ferromagnetische Hülse 606, in der ein Paar Magnete 608 angeordnet ist, jedoch einen Flansch 610, der sich von der Unterseite der Hülse 606 in eine Richtung erstreckt, die senkrecht zur Drehachse verläuft. Die Wirkung dieses Flansches 610 ist die Vergrößerung der Oberfläche des ferromagnetischen Materials, das die Sensorbaugruppe 600 umgibt, und somit die Vergrößerung der Reichweite des Materials mit höherer magnetischer Leitfähigkeit, um einen höheren Abschirmungsfaktor zu erreichen.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Magnetsensorsystem 7, das dem von 1 ähnelt, bei dem eine Magnetsensorbaugruppe 700 auf einer Oberfläche eines Substrats 702 montiert ist, das sich unter einer Drehwelle 704 befindet; doch in diesem Beispiel wird eine zweite ferromagnetische Hülse 710 mit größerem Durchmesser um die Außenseite der ersten ferromagnetischen Hülse 706 gelegt, die das Magnetpaar 708 enthält. So haben etwaige Streufelder zwei Wände aus ferromagnetischem Material zu durchdringen, was den Abschirmungsfaktor erhöht.
Die Genauigkeit des Single-Turn-Sensors wird hauptsächlich durch Streufelder beeinträchtigt, die senkrecht zu dem vom Magneten erzeugten Magnetfeld ausgerichtet sind. Daher muss die Abschirmung nur so ausgelegt sein, dass sie Streufelder in dieser Richtung abschirmt. 8 zeigt ein Magnetsensorsystem 8, bei dem die ferromagnetische Abschirmhülse in zwei Abschnitte 806A, 806B unterteilt ist, die auf gegenüberliegenden Seiten der Welle und senkrecht zu den Magneten 808 angeordnet sind. So ist die Magnetsensorbaugruppe 800, die auf einer Oberfläche eines Substrats 802 unterhalb einer Drehwelle 804 montiert ist, nur gegen Streufelder abgeschirmt, die senkrecht zu den Magneten 808 stehen.
Die 9A-C und 10A-C zeigen weitere Magnetgeometrien, die mit jedem der oben genannten Beispiele verwendet werden können.
Wie in 9A dargestellt, kann ein ringförmiger Magnet 90 im Inneren der ferromagnetischen Abschirmhülse 9 untergebracht werden. Eine solche Anordnung sorgt für ein sehr homogenes Magnetfeld, was besonders wichtig ist zum Gewährleisten der Genauigkeit der Sensorausgaben des Magnetsensors. Die magnetoresistiven Elemente in ST- und MT-Sensoren reagieren empfindlich auf Änderungen der Magnetfeldstärke und des Magnetfeldwinkels; für die Überwachung der Position und der Anzahl der Umdrehungen eines Magnetfeldes sind jedoch nur Änderungen des Magnetfeldwinkels von Interesse, und Variationen der Magnetfeldstärke können Fehler in den Sensormesswerten verursachen. Neben der Abschirmung von Streufeldern, die die Feldstärke beeinträchtigen könnten, ist es daher wichtig, dass die verwendeten Magnete ein homogenes Magnetfeld in der Ebene der Magnetsensorbaugruppe erzeugen. In anderen Anordnungen, wie etwa der in 9B gezeigten, können zwei Magnetsegmente 92A-B bereitgestellt sein, wobei jedes Magnetsegment 92A, 92B eine „C“-förmige Auslegung aufweist. 9C zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der zwei „C“-förmige Magnetsegmente 94A-B bereitgestellt sind. Im Beispiel der 9B und 9C kann eine beliebige geeignete Auslegung der Magnetpole verwendet werden, vorausgesetzt, es wird ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld erzeugt.
In 10A ist wiederum eine ferromagnetische Abschirmhülse 10 dargestellt, in der ein scheibenförmiger Magnet 12 mit einem Sackloch 14 bereitgestellt ist. Auch bei Rundmagneten umgibt ein inhomogenes Magnetfeld das homogene Feld. In diesem Beispiel erzeugt der Scheibenabschnitt innerhalb des Sacklochs 14 ein inhomogenes Magnetfeld, das dem inhomogenen Magnetfeld des das Sackloch 14 umgebenden Ringabschnitts entgegenwirkt und so ein homogeneres resultierendes Magnetfeld bereitstellt. Eine solche Anordnung ist auch steifer und robuster als die oben beschriebenen ringförmigen Magnetanordnungen.
Eine runde ferromagnetische Hülse und ein runder Magnet sorgen zwar für eine bessere Homogenität, doch können auch andere geeignete Formen verwendet werden, sofern sie symmetrisch sind. In den 10B und 10C wird zum Beispiel eine quadratische ferromagnetische Abschirmhülse 11 verwendet. Die Hülse 11 kann dann mehrere Magnetsegmente 16A-16D, wie in 10B gezeigt, oder einen einzelnen Magneten 18, wie in 10C gezeigt, aufnehmen.
Die hier beschriebenen Beispiele können auch mit Mitteln zum Initialisieren des MT-Magnetsensorgehäuses innerhalb der Sensorbaugruppe bereitgestellt sein. Ein Beispiel ist in den 11A-B dargestellt. Hier wird die in 9A gezeigte Anordnung aus Hülse 9 und Magnet 90, obwohl es sich versteht, dass eine beliebige der in den 9A-C und 10A-C beschriebenen Anordnungen verwendet werden kann, über einer Magnetsensorbaugruppe 1100 angeordnet, die auf einem Substrat 1102, zum Beispiel einer Schaltplatine (PCB), montiert ist, in die ein Draht 1104 eingebettet ist.
Um den MT-Sensor der Magnetsensorbaugruppe 1100 zu initialisieren, wird ein Magnetfeldimpuls durch Anlegen eines starken Stromimpulses an den Draht 1104 erzeugt. Das vom Draht 1104 erzeugte Magnetfeld plus ein etwaiges bereits vom Magneten 90 erzeugtes Magnetfeld ergeben ein Magnetfeld, das stärker ist als die Obergrenze des Betriebsbereichs des MT-Sensors. Beispielsweise führt ein 10-Mikrosekunden-Impuls von etwa 50 A zu einem Magnetfeld von 25 mT. Dies führt dazu, dass an den magnetoresistiven Elementen des MT-Sensors Domänenwände ausgebildet werden, wodurch alle magnetoresistiven Elemente in einen bekannten magnetischen Zustand versetzt werden. Das erzeugte Magnetfeld ist in der Nähe des Drahtes 1104 stärker, und daher ist es wichtig, den Draht 1104 und die Magnetsensorbaugruppe 1100 in unmittelbarer Nähe anzuordnen, zum Beispiel indem die Magnetsensorbaugruppe 1100 direkt über der höchsten Konzentration von Draht 1104 montiert wird. Während der Draht 1104 in einer planaren Spulenauslegung mit zwei Spiralen angeordnet ist, versteht sich, dass der Draht 1104 in einer beliebigen geeigneten Auslegung angeordnet werden kann, vorausgesetzt, dass die Magnetsensorbaugruppe 1100 benachbart zu mindestens einem Abschnitt des Drahtes 1104 angeordnet ist.
Während die oben beschriebenen Beispiele eine im Wesentlichen zylindrische ferromagnetische Hülse zeigen, die mit einer Drehwelle verbunden ist, versteht sich, dass die Auslegung der ferromagnetischen Hülse variieren kann. Wie in 12 gezeigt, umfasst die ferromagnetische Hülse 1200 beispielsweise einen Zylinder 1202 mit einem ersten Sackloch 1204, in dem der oder die Magnete untergebracht sind, und einem zweiten Sackloch 1206 zur Verbindung mit der Welle, wobei das zweite Sackloch 1206 einen kleineren Durchmesser als das erste Sackloch 1204 aufweist.
Alternativ kann die ferromagnetische Hülse als Verlängerung der Drehwelle selbst bereitgestellt werden, sofern die Welle aus einem ferromagnetischen Material besteht, wobei der Magnet in einem axialen Loch im Ende der Welle montiert ist.
Es versteht sich, dass verschiedene in den 2-8 und 11-12 gezeigte Komponenten, wie das Substrat, die ferromagnetische Hülse und das/die Abschirmelement(e), exemplarisch als transparent dargestellt sind, um die Sicht auf andere Aspekte der Ausführungsform zu verbessern.
Verschiedene Modifikationen, sei es durch Hinzufügen, Streichen und/oder Ersetzen, können an allen oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen, von denen jede und/oder alle sich im Umfang der beigefügten Ansprüche befinden sollen.
Zum Beispiel können die Welle, der Magnet und die ferromagnetische Hülse mit einem Keil, einem Stift oder einem anderen Verriegelungsmechanismus versehen sein, um zu verhindern, dass sich der Magnet und/oder die Hülse gegenüber der Drehwelle verdrehen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Drehung des Magneten direkt mit der Drehung der Welle übereinstimmt.
Anwendungen
Beliebige der hier erörterten Prinzipien und Vorteile können auf andere Systeme angewandt werden und nicht nur auf die oben beschriebenen Systeme. Manche Ausführungsformen können eine Teilmenge von Merkmalen und/oder Vorteilen, die hier dargelegt sind, aufweisen. Die Elemente und Vorgänge der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die Handlungen der hier besprochenen Verfahren können, wie angemessen, in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden. Zudem können die Handlungen der hier besprochenen Verfahren, wie angemessen, seriell oder parallel durchgeführt werden. Obwohl Schaltkreise in spezifischen Anordnungen veranschaulicht sind, sind andere äquivalente Anordnungen möglich.
Beliebige der hier besprochenen Prinzipien und Vorteile können in Verbindung mit beliebigen anderen Systemen, Vorrichtungen oder Verfahren, die von beliebigen der Lehren hierin profitieren können, implementiert werden. Zum Beispiel können alle hier erörterten Prinzipien und Vorteile in Verbindung mit beliebigen Vorrichtungen implementiert werden, bei denen die Notwendigkeit besteht, magnetische Streufelder von einem Magnetsensorsystem abzuschirmen, das einen Magnetsensor umfasst.
Aspekte dieser Offenbarung können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen oder Systemen implementiert werden. Beispielsweise können Phasenkorrekturverfahren und Sensoren, die gemäß beliebigen der hier besprochenen Prinzipien und Vorteile implementiert werden, in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen und/oder in verschiedenen Anwendungen enthalten sein. Beispiele für elektronische Vorrichtungen und Anwendungen können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Servos, Roboter, Flugzeuge, Unterseeboote, Zahnbürsten, biomedizinische Messgeräte und Teile von Unterhaltungselektronikprodukten wie etwa Halbleiterchips und/oder gehäuste Module, elektronische Testgeräte usw. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen auch unfertige Produkte beinhalten, einschließlich solcher für industrielle, automotive und/oder medizinische Anwendungen.
Sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes erfordert, sind in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen die Wörter „umfassen“, „umfassend“, „beinhalten“, „beinhaltend“ und dergleichen in einem einschließenden Sinn zu verstehen, im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinn, das heißt im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“. Die Wörter „gekoppelt“ oder „verbunden“, wie sie hier allgemein verwendet werden, beziehen sich auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente miteinander verbunden sein können. Obgleich die verschiedenen in den Figuren gezeigten Schemata Beispielanordnungen von Elementen und Komponenten darstellen, können zusätzliche zwischenliegende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität der dargestellten Schaltkreise nicht nachteilig beeinflusst wird). Der hier verwendete Wort „basierend auf“ soll im Allgemeinen „basierend ausschließlich auf“ und „basierend zumindest teilweise auf“ umfassen. Zusätzlich sollen sich die Wörter „hier“, „vorstehend“, „untenstehend“ und Wörter ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung in Gänze und nicht auf etwaige spezifischen Abschnitte dieser Anmeldung beziehen. Wo es der Kontext zulässt, können Wörter in der ausführlichen Beschreibung, die den Singular oder den Plural verwenden, auch jeweils den Plural oder den Singular beinhalten. Das Wort „oder“ ist mit Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen dafür vorgesehen, alle der folgenden Interpretationen des Worts abzudecken: ein beliebiges der Elemente der Liste, alle der Elemente der Liste und eine beliebige Kombination der Elemente der Liste. Alle numerischen Werte oder Entfernungen, die hier bereitgestellt sind, sollen ähnliche Werte innerhalb eines Messfehlers beinhalten.
Obgleich bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen nur exemplarisch vorgestellt worden und sollen den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Tatsächlich können die neuartigen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die hier beschrieben sind, in einer Vielzahl anderer Formen ausgeführt werden. Des Weiteren können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen an der Form der hier beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden, ohne von der Idee der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Magnetsensorsystem, umfassend: eine Magnetsensorvorrichtung, die auf einer ersten Oberfläche eines Substrats montiert ist, wobei die Magnetsensorvorrichtung mindestens einen Multi-Turn-Magnetsensor und einen magnetischen Winkelsensor umfasst; und eine Abschirmungsanordnung, die dafür ausgelegt ist, die Magnetsensorvorrichtung von magnetischen Streufeldern abzuschirmen, wobei die Abschirmungsanordnung umfasst: eine ferromagnetische Hülse, die sich von einem Ende einer Drehwelle erstreckt, wobei die ferromagnetische Hülse so angeordnet ist, dass sie einen oder mehrere Magneten darin aufnimmt, wobei das Substrat in einem ersten Abstand von einem ersten Ende der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist, derart, dass die Magnetsensorvorrichtung mit einer Drehachse der ferromagnetischen Hülse ausgerichtet ist; und ein Abschirmelement, das in der Nähe der Magnetsensorvorrichtung angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei das Abschirmelement eine Scheibe aus ferromagnetischem Material ist, die neben einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei das Abschirmelement ein Ring aus ferromagnetischem Material ist, der neben einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschirmelement an der zweiten Oberfläche des Substrats montiert ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei das Abschirmelement einen Flansch umfasst, der sich vom ersten Ende der ferromagnetischen Hülse in eine Richtung senkrecht zur Drehachse erstreckt.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmungsanordnung ferner ein weiteres Abschirmelement umfasst, das zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem ersten Ende der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 6, wobei das weitere Abschirmelement einen Ring aus ferromagnetischem Material umfasst.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschirmelement eine weitere ferromagnetische Hülse umfasst, die um die Außenseite der ferromagnetischen Hülse angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ferromagnetische Hülse eine zylindrische Auslegung oder einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ferromagnetische Hülse aus zwei Segmenten gebildet ist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ferromagnetische Hülse einen zylindrischen Körper mit einem ersten Durchgangsloch zur Aufnahme des einen oder der mehreren Magneten und einem zweiten Durchgangsloch zur Verbindung mit der Drehwelle aufweist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die ferromagnetische Hülse eine Verlängerung der Drehwelle ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den einen oder die mehreren Magnete.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 13, wobei der eine oder die mehreren Magnete eine Magnetscheibe mit einem Sackloch umfassen.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 13, wobei der eine oder die mehreren Magnete einen ringförmigen Magneten umfassen.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 13, wobei der eine oder die mehreren Magnete zwei Segmente umfassen, die eine Ringform bilden.
Magnetisches Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ferner mindestens einen elektrischen Leiter umfasst, der in das Substrat eingebettet ist, wobei der Leiter dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn ein Stromimpuls daran angelegt wird, derart, dass Domänenwände in einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen im Multi-Turn-Magnetsensor erzeugt werden.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multi-Turn-Magnetsensor ein auf Riesenmagnetowiderstand (GMR) oder magnetischem Tunnelwiderstand (TMR) basierter Multi-Turn-Sensor ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Winkelsensor ein auf anisotropem Magnetowiderstand (AMR) basierender Winkelsensor oder ein Hall-basierter Winkelsensor ist.
Magnetisches Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetsensorvorrichtung eine Magnetsensorbaugruppe ist, die ein Gehäuse und ein Baugruppensubstrat umfasst, wobei der Multi-Turn-Magnetsensor und der magnetische Winkelsensor auf dem Baugruppensubstrat montiert sind.