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Technisches Gebiet
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Ausführungsbeispiele befassen sich mit einem Positionssensorsystem mit einem Sensor und einer Magnetanordnung.
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Hintergrund
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Positionssensorsysteme zur linearen Positions- und Bewegungserfassung haben zahlreiche Anwendungen.
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Oft basieren derartige Positionssensorsysteme auf der Messung von Magnetfeldern, wozu beispielsweise Lineare Hall- und 3D-Magnetfeldsensoren Verwendung finden, die das Magnetfeld einer Magnetfeldanordnung bekannter Geometrie messen. Herkömmliche lineare Hall- und 3D-Magnetfeldsensoren sind einzellige Sensoren und haben daher eine geringere Robustheit gegenüber Streufeldern. Ein möglicherweise vorhandenes externes Magnetfeld stört das Feld des zu messenden Magnetfeldes und kann infolgedessen zu falschen Positionsinformationen führen.
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Solche Probleme können beispielsweise in einem elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs entstehen, in dem die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendeten Elektromotoren teilweise Magnetfelder erheblicher Stärke erzeugen.
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Es besteht ein Bedarf an der Verbesserung von Positionssensorsystemen.
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Zusammenfassung
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Dieser Bedarf wird durch den Gegenstand der Patentansprüche befriedigt.
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Ein Positionssensorsystem umfasst beispielsweise eine Magnetanordnung mit jeweils zumindest einem Nordpol und einem Südpol. Ein erster Sensor ist von der Magnetanordnung beabstandet, wobei der erste Sensor vier in einer ersten Vollbrückenschaltung miteinander verschaltete und für eine erste Feldrichtung empfindliche magnetoresistive (MR) Elemente umfasst, wobei die beiden magnetoresistiven Elemente eines ersten Zweigs der ersten Vollbrückenschaltung in einem Abstand von mehr als 0,5mm angeordnet sind und wobei die beiden magnetoresistiven Elemente eines zweiten Zweigs der zweiten Vollbrückenschaltung in dem Abstand angeordnet sind. Die Magnetanordnung und der Sensor sind in einer Messrichtung relativ zueinander bewegbar.
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Der Abstand der magnetoresistiven Elemente innerhalb eines Zweigs zueinander bewirkt eine Kompensation von Streufeldern bereits innerhalb der Brückenschaltung selbst, die sich den beiden magnetoresistiven Elementen jeweils gleichphasig und in gleicher Stärke überlagern und sich daher aufgrund des Messprinzips der Brückenschaltung kompensieren. Gleichzeitig können sich die gleichsinnig wirkenden magnetoresistiven Elemente der Brückenschaltung in Bezug auf die Phasenlage des zu messenden Magnetfeldes an derselben Position befinden. Dadurch kann das Messergebnis genauer sein als bei anderen Lösungen, die einen räumlichen Versatz der beiden Zweige zueinander aufweisen und damit einen Phasenunterschied des Magnetfelds zwischen den Orten, and denen sich die der magnetoresistiven Elemente innerhalb der getrennten Zweige befinden.
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Figurenkurzbeschreibung
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Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Zwei Ausführungsbeispiele eines Positionssensorsystems;
- 2a Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors für ein Positionssensorsystem;
- 2b Ein Ausführungsbeispiel eines ersten Sensors und eines zweiten Sensors für ein Positionssensorsystem,
- Fig: 2c zwei Beispiele für ein Layout der Sensoren der 2a und 2b;
- 3a - 3e die Darstellungen von Magnetfeldkomponenten eines Ausführungsbeispiel eines Positionssensorsystems und der daraus resultierenden Messwerte sowie der Fehler der Positionsbestimmung; und
- 4a - 4b ein herkömmliches Positionssensorsystem und eine Darstellung dessen Messfehlers.
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Beschreibung
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Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
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Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch 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.
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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 alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
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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 im Folgenden 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 deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
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1 zeigt zwei Ausführungsbeispiele eines Positionssensorsystems.
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Das Positionssensorsystem umfasst eine Magnetanordnung 1 mit jeweils zumindest einem Nordpol 2 und einem Südpol 4. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist als eine mögliche Implementierung für ein System zur absoluten Positionsbestimmung ein System mit einem einzelnen Dipolmagneten 1 gezeigt. In weiteren Ausführungsbeispielen können jedoch auch Magnetanordnungen mit mehreren alternierenden Nord- und Südpolen verwendet werden, die eine größere Länge aufweisen und sowohl als Magnetanordnung für eine lineare Positionsbestimmung als auch für eine Winkelbestimmung verwendet werden können.
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Nachfolgend werden sowohl Implementierungen mit einem Sensor als auch Implementierungen mit zwei Sensoren diskutiert werden, wobei zunächst zur Erläuterungen des Funktionsprinzips nur ein einzelner erster Sensor 10 betrachtet wird. Der erste Sensor 10 ist von der Magnetanordnung 1 beabstandet. Der minimale Abstand 18 von Sensor 10 zur Magnetanordnung 1 wird auch als Luftspalt (airgap) bezeichnet. Die Magnetanordnung 1 und der Sensor 10 sind entlang einer Messrichtung 20 relativ zueinander bewegbar und die Relativposition zwischen Magnetanordnung 1 und Sensor 10 soll von dem Positionssensorsystem bestimmt werden. Dazu misst der Sensor Eigenschaften wie beispielsweise einzelne Komponenten des Magnetfelds und eine optionale Auswerteeinrichtung bzw. ∼logik bestimmt daraus die relative Position.
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Der erste Sensor 10 ist mit seinen Elementen in einer Prinzipskizze in 2a dargestellt und weist vier in einer ersten Vollbrückenschaltung miteinander verschaltete magnetoresistive Elemente 12a, 12b, 14a und 14b auf. Der erste Sensor 10 ist für eine erste Feldrichtung 22 sensitiv, weshalb die festen magnetisierten Lagen (pinned layers) in allen magnetoresistiven Elementen 12a, 12b, 14a und 14b des Sensors 10 eine Magnetisierung in eine dazu korrespondierende Richtung haben. Die beiden magnetoresistiven Elemente 12a, 12b eines ersten Zweigs 12 der ersten Vollbrückenschaltung sind in einem Abstand 16 von mehr als 0,5mm voneinander angeordnet. Auch die beiden magnetoresistiven Elemente 14a, 14b eines zweiten Zweigs 14 der zweiten Vollbrückenschaltung sind in dem Abstand 16 voneinander angeordnet.
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Anders als herkömmlich sind in dem Sensor der 2a die magnetoresistiven Elemente 12a, 12b und 14, 14b jeweils innerhalb eines Zweigs zueinander im makroskopischen Maßstab und mehr als 0,5mm beabstandet. Als makroskopischer Maßstab ist hierbei der Maßstab zu verstehen, auf dem sich eine signifikante Änderung des Magnetfeldes ergib, der also mit der Dimension des Magneten 1 einhergeht. Im Unterschied dazu ist als mikroskopischer Maßstab derjenige Maßstab zu verstehen, der die Strukturgröße der Halbleiterbauelemente und insbesondere der magnetoresistiven Elemente beschreibt. Die beiden Maßstäbe können sich beispielsweise um einen Faktor 10 oder mehr unterscheiden. Beispiele für weitere mögliche Abstände 16 sind Abstände größer oder gleich 0,8mm, 1,0mm, 1,5mm, 2,0mm, 2,5mm oder 3,0mm. Ein solcher Abstand bewirkt eine Kompensation von Signalanteilen von externen Streufeldern bereits innerhalb der Vollbrückenschaltung selbst, da sich Streufelder den zu messenden Feldern der Magnetanordnung an beiden magnetoresistiven Elementen innerhalb eines Zweiges jeweils gleichphasig und in gleicher Stärke überlagern und sich daher aufgrund des Messprinzips der Vollbrückenschaltung deren Anteile in der zwischen den Zweigen der Vollbrückenschaltung ausgelesenen Spannung kompensieren. Gleichzeitig befinden sich bei einem derart gestalteten Sensor 10 die gleichsinnig wirkenden magnetoresistiven Elemente der Vollbrückenschaltung in Bezug auf die Phasenlage des zu messenden Magnetfeldes im Wesentlichen (im makroskopischen Maßstab) an derselben Position. Dadurch kann das Messergebnis genauer sein als bei anderen Lösungen, die beispielsweise einen räumlichen Versatz der beiden Zweige (Halbbrücken) zueinander aufweisen und damit einen Phasenunterschied im Magnetfeld an den jeweiligen Orten der magnetoresistiven Elemente innerhalb der einzelnen Zweige. Verglichen mit Lösungen, bei denen zur Kompensation der Streufelder das Messergebnis zweier unabhängiger Sensoren voneinander subtrahiert wird, kann die Anzahl an magnetoresistiven Elementen halbiert und auch der Schaltungsaufwand sowohl in der analogen als auch in der digitalen Signalverarbeitung verringert werden.
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Bei der räumlichen Trennung der magnetoresistiven Elemente in den einzelnen Zweigen der Vollbrückenschaltung in der oben genannten Größenordnung ist der Abstand zwar groß genug für die genannten vorteilhaften Effekte, aber noch klein genug, damit sämtliche magnetoresistiven Elemente des Sensors optional in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können. Dies kann zu einer einfach handhabbaren, günstigen und dennoch robusten Implementierung führen.
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1 zeigt in der linken Darstellung ein Ausführungsbeispiel, in dem der Abstand 16 zwischen den magnetoresistiven Elementen innerhalb eines Zweiges der Vollbrückenschaltung senkrecht zu der Messrichtung 20 ist.
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1 zeigt in der rechten Darstellung ein Ausführungsbeispiel, in demgemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Abstand 16 zwischen den magnetoresistiven Elementen innerhalb eines Zweiges der Vollbrückenschaltung parallel zu der Messrichtung 20 ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind jedoch auch beliebige andere relative Ausrichtungen des Abstands 16 zur Messrichtung 20 möglich.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen basieren die vier magnetoresistiven Elemente auf 12a, 12b, 14a, 14b dem magnetischen Tunnelwiderstand (TMR). Aufgrund deren hohen Empfindlichkeit kann dadurch beispielsweise ein kleiner Dipolmagnet bzw. eine kleine Magnetanordnung verwendet werden, um ein kompaktes System zu erhalten, das in vielen Einbausituationen verwendbar ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die vier magnetoresistiven Elemente auf 12a, 12b, 14a, 14b auch auf anderen Effekten basieren, beispielsweise auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR), oder dem Riesenmagnetowiderstand (GMR).
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Magnet aufgrund der hohen Sensitivität des Sensors aus einem vergleichsweise preiswerten Material, beispielsweise aus einem gesinterten Ferritmaterial, bestehen.
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Bei hohen Sensorempfindlichkeiten kann auch ein Abstand zwischen der Magnetanordnung 1 und dem ersten Sensor 10 auf einer makroskopischen Skala größer gewählt werden als bei der Verwendung von Sensoren geringerer Empfindlichkeit. Im gezeigten Ausführungsbespiel ist ein minimaler Abstand 18 zwischen der Magnetanordnung 1 und dem ersten Sensor 10 ein Millimeter. Dieser Wert kann je nach den Anforderungen oder der zur Verfügung stehenden Magnetfeldstärke variiert werden und bei weiteren Ausführungsbeispielen beispielsweise größer als 0,5mm, größer als 0,8mm oder größer als 1,0mm sein.
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2b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems für ein Positionssensorsystem mit zwei auf unterschiedliche Magnetfeldkomponenten sensitiven Sensoren. Der erste Sensor 10, der anhand der 2a besprochen wurde, ist um einen zweiten Sensor 30 ergänzt, der fast identisch aufgebaut ist. Das heißt, der zweite Sensor 30 hat ebenfalls vier in einer zweiten Vollbrückenschaltung miteinander verschaltete und für eine zweite Feldrichtung 24 (siehe 1) empfindliche magnetoresistive Elemente, wobei die beiden magnetoresistiven Elemente 32a und 32b eines ersten Zweigs 32 der zweiten Vollbrückenschaltung in dem Abstand 16 (Pitch) angeordnet sind und wobei die beiden magnetoresistiven Elemente 34a und 34b eines zweiten Zweigs 34 der zweiten Vollbrückenschaltung auch in dem Abstand 16 angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Feldrichtung 24 die z - Richtung und steht senkrecht auf der ersten Feldrichtung 22, der x- Richtung.
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Die x- und die z- Richtung spannen eine Ebene auf, die parallel zur Ebene des Chips der Sensoren ist, sofern es sich um in-plane Sensoren handelt. Der zweite Sensor 30 misst die zweite Feldrichtung. Die Messrichtung 20 verläuft in der Ebene, die von der ersten Feldrichtung 22 und der zweiten Feldrichtung 24 aufgespannt wird.
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Die zusätzliche Information der zweiten Feldrichtung kann mittels des bekannten CORDIC Algorithmus dazu verwendet werden, eine Ambiguität in dem Ergebnis der Messungen einzelner Feldkomponenten (vorliegend der x-Richtung und der z-Richtung) aufzulösen und dadurch den Bereich, der der eindeutigen linearen Positionsbestimmung zugänglich ist, zu verdoppeln, wie nachfolgend auch aus den 3a bis 3e ersichtlich ist.
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In dem Positionssensorsystem mit der in 2b dargestellten Sensorik befinden sich im makroskopischen Maßstab für das linke Ausführungsbeispiel der 1a die magnetoresistiven Elemente des ersten Zweigs 12 des ersten Sensors 10 in der Messrichtung 20 im Wesentlichen an derselben Position wie die magnetoresistiven Elemente des ersten Zweigs 32 des zweiten Sensors 30 und möglicherweise auf demselben Substrat oder in demselben Chip. Dies ist in 2c in einer schematischen Illustration dargestellt, die die Sensoranordnung um 90 Grad gedreht zeigt.
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Physikalisch sind also die magnetoresistiven Elemente 12a, 12b, 14a, 14b, 32a, 32b, 34a, 34b der Sensoranordnung der 2b (beispielsweise xMR-Widerstände) in zwei ineinander verschachtelten und räumlich verteilten Wheatstone-Brücken (Vollbrückenschaltungen) angeordnet. Die Referenzschicht-magnetisierung der MR- Elemente des zweiten Sensors 30 bzw. der zweiten Brücke ist um plus 90° oder minus 90° gegenüber der Referenzschichtmagnetisierung der MR-Elemente des ersten Sensors 10 bzw. der ersten Brücke gedreht. Die Vollbrückenschaltungen sind im Layout ineinander verschachtelt. Auf diese Weise nehmen sie bezüglich der Phase des Magnetfeldes im Wesentlichen die gleiche räumliche Position ein.
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Wenn die Sensoren einem Magnetfeld ausgesetzt werden, geben sie zwei elektrische Signale (Vsin und Vcos) aus, die um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind (zumindest im Falle einer Magnetanordnung von mehrpoligen Streifenmagneten mit abwechselndem Muster von Nord- und Südpolen oder bei einem einzelnen Dipolmagnet). Die Signale können innerhalb der Auswerteschaltung 40 zum Beispiel zunächst mit einem ADC digitalisiert und dann in einem DSP mit einem CORDIC-Algorithmus verarbeitet werden. Aus den beiden Eingangssignalen wird dann mit der Funktion atan2 ein Winkel berechnet.
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Aufgrund der differentiellen Brückenkonfiguration heben sich dabei wie vorher bereits erläutert die externen homogenen magnetischen Streufelder auf. Durch eine lineare Anpassung der gemessenen Winkelinformationen kann, wie in 3d gezeigt, direkt auf die tatsächliche Position des Magneten zurückgerechnet werden.
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In der Ausführungsform der linken Darstellung der 1 ist der Sensor 10 so ausgerichtet, dass die Sensorelemente bzw. die magnetoresistiven Elemente in einem unterschiedlichen Luftspalt (d. h. in einer unterschiedlichen z-Position) gegenüber der Magnetoberfläche angeordnet sind. In einer zweiten Ausführungsform (rechte Darstellung in 1) sind die Sensorelemente bzw. die magnetoresistiven Elemente im gleichen Luftspalt, aber in unterschiedlicher x-Position angeordnet. Die Magnetanordnung besteht aus einem einfachen Block- oder Zylindermagnet. Dieser kann in x- oder z-Richtung magnetisiert / ausgerichtet werden.
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Die in 2b schematisch dargestellte Auswerteschaltung 40 berechnet also basierend auf einem ersten Messwert (Vsin) zwischen den beiden Zweigen 12, 14 der ersten Vollbrückenschaltung des ersten Sensors 10 und auf einem zweiten Messwert (Vcos) zwischen den beiden Zweigen 32, 34 der zweiten Vollbrückenschaltung des zweiten Sensors 30 eine relative Position zwischen der Magnetanordnung 1 und dem ersten Sensor 10 in der Messrichtung 20.
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Die Magnetfeldkomponenten an den Positionen der magnetoresistiven Elemente der Sensoren 10 und 30 sowie die sich daraus ergebende Messgröße sind in den 3a bis 3c dargestellt. Die daraus von der Auswerteschaltung 40 berechnete Position und deren Fehler ist in den 3d und 3e illustriert.
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zeigt die B-Feld-Komponenten 302 (Bz) und 304 (Bx) an der Position der magnetoresistiven Elemente 12a, 4a, 32a, 34a, die näher am Magneten 1 liegen (mit 1 mm Abstand). zeigt die B-Feld-Komponenten 312 (Bz) und 314 (Bx) an der Position der magnetoresistiven Elemente 12b, 14b, 32b, 34b, die weiter vom Magneten 1 entfernt sind (mit 2 mm Abstand). zeigt die daraus resultierenden Differenzsignale 322 und 324, d. h. die Ausgangssignale Vsin und Vcos, die dem Differenzbrückenausgang der beiden Sensoren 10 und 30 bzw. der beiden Wheatstone-Brücken entsprechen.
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Aus den Differenzsignalen 322 und 324 wird von der Auswerteschaltung 40 ein Winkel 330 mit Hilfe der Arcustangens - Funktion berechnet, der in 3d gegen die Relativposition aufgetragen ist. Eine lineare Anpassungsfunktion wird angewandt, um die Steigungs- und Achsenabschnittswerte des Graphen des Winkels 330 zu erhalten. Auf der Grundlage dieser Parameter wird für die jeweils gemessenen Werte von Vsin und Vcos die Position des Magneten berechnet. zeigt die berechnete Magnetposition 330 und den entsprechenden Positionsfehler 332. Der maximale Positionsfehler des betrachteten Ausführungsbeispiels beträgt +-138 µm oder +-1,7 % des Messbereichs von 8 mm. Das Messprinzip ist streufeldrobust, temperaturunabhängig und der Fehler ist deutlich kleiner als der Positionsfehler einer Standard-3D-Sensorlösung, die zum Vergleich in den 4a und 4b gezeigt ist und die einen Fehler von +- 241 µm aufweist.
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Die 4a - 4b zeigen zum Vergleich ein herkömmliches Positionssensorsystem und eine Darstellung dessen Messfehlers.
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veranschaulicht zum Vergleich ein herkömmliches Messsystem ohne räumlich getrennte sensitive Elemente innerhalb der Zweige einer Brückenschaltung.
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Wie bei der den Betrachtungen der 3a bis 3e zugrundeliegenden Konfiguration bewegt sich ein axial magnetisierter Zylindermagnet in x-Richtung 420 von angenommenen -4mm bis +4mm (8mm Bewegungsbereich). Ein Sensor 430 befindet sich in einem Abstand von 1mm. Ein typischer seitlicher Hallsensor würde beispielsweise auf das Bz-Feld in Richtung der z-Richtung 440 und somit auf das Feld senkrecht zu der Ebene des Hallsensors reagieren. Dieses Signal wäre im Vergleich zum Bewegungsbereich von 8 mm allerdings mehrdeutig. Im Falle eines 1D-Sensors müsste daher der Messbereich von 8 mm auf nur 4 mm (0 bis 4 mm) begrenzt werden.
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Mit einem herkömmlichen 3D-Sensor kann man, ähnlich wie anhand der 2a bis 3e beschrieben, das Bx- und Bz-Signal kombinieren und mittels des Arcustangens einen Winkel berechnen, der für die Position des Magneten repräsentativ ist und durch Anwendung einer linearen Anpassungsfunktion für den Winkel die Position berechneten.
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Für die Vergleichsanordnung mit 3D Sensor zeigt die gemessene Magnetposition auf der Y-Achse 460 in Abhängigkeit von der tatsächlichen Position, die auf der X-Achse 450 aufgetragen ist und den entsprechenden Positionsfehler 470. Der maximale Fehler beträgt +-241 µm oder +-3% des Messbereichs, ist also deutlich größer wie die Messgenauigkeit der Ausführungsbeispiele, die anhand der 1 bis 3 beschrieben wurden. Als zusätzlicher Nachteil ist diese Positionsmessung ferner nicht streufeldstabil, was die Genauigkeit in vielen realen Einbausituationen weiter verringern würde und die Vorteile der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele unterstreicht.
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Ausführungsbeispiele von Positionssensorsystemen können in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen aber auch in vielen anderen Anwendungen eingesetzt werden. Diese können eine zuverlässige, genaue und streufeldunempfindliche (absolute) Positions- oder Winkelmessung ermöglichen und sind daher für viele Anwendungen in der Automobil-, Industrie- und Unterhaltungselektronik einsetzbar. Dank der geringen Größe sind sie auch für Verbraucheranwendungen geeignet, wie z.B. in Smartphones. Ein mögliches Szenario ist die Anwendung in einer Smartphone-Kamera, wo kleine Voice Coil Actuators (ein Magnet wird durch Lorentz-Kraft bewegt, wenn eine Spule mit Strom versorgt wird) verwendet werden, um das Objektiv zu bewegen und in Kombination mit einem magnetischen Positionssensor eine präzise Autofokussierung zu ermöglichen.
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Die vorgeschlagenen (beispielsweise linearen) Positionssensorsysteme sind streufeldrobust und weisen im Vergleich zu modernen HALL-Einzelzellenlösungen unter anderem einen erweiterten Erfassungsbereich auf.
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Die Sensoranordnung kann durch xMR-Elemente realisiert werden, die in zwei räumlich verteilten Wheatstone-Brücken verbunden sind. Sie misst die beiden in der Ebene liegenden Magnetfeldkomponenten. Aus den beiden differentiellen Brückensignalen kann eine für die Magnetposition repräsentative Winkelinformation berechnet werden. Durch eine lineare Anpassung dieses Winkels kann die wahre Position des Magneten berechnet werden - dieses Verfahren ist unabhängig von der Temperatur.
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In der Sensoranordnung können zwei differentielle Wheatstone-Brücken in einem verschachtelten Layout angeordnet sein. Die Bezugsschichtmagnetisierung der MR-Stapel der zweiten Brücke ist um plus 90° oder minus 90° gegenüber der Bezugsschichtmagnetisierung der MR-Widerstände der ersten Brücke verschoben. Die Brücken sind im Layout ineinander verschachtelt. Auf diese Weise nehmen sie phasenmäßig im Wesentlichen die gleiche räumliche Position ein.
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Dieses Layout kann eine Streufeldrobuste & absolute lineare Positionsmessung ermöglichen mit einem im Vergleich zum 1D-Sensor erweiterten Erfassungsbereich. Die Messung ist temperaturunabhängige (da die zur Positionsbestimmung verwendete Funktion des atan2 nur das Signalverhältnis, nicht aber den absoluten Betrag (Vektorlänge) berücksichtigt). Die hohen xMR-Empfindlichkeiten können kostengünstige Magnetlösungen ermöglichen und infolgedessen dank der einfache Magnetkonstruktion (keine Mehrpolmagnete), absolute Positionserfassungen über größere ausgedehnte Bereiche. Darüber hinaus kann die Sensoranordnung in einem kleinen Paket realisiert werden.
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Ein kostengünstiger Positionssensor könnte auf der Grundlage der differentiellen xMR-Technologie für die absolute lineare Positionserfassung gemäß den obigen Überlegungen konstruiert werden. Die Sensorelemente können beispielsweise einen Abstand von nur 1 mm haben und daher in ein gemeinsames Gehäuse mit kleiner Grundfläche integriert werden. Die Sensoranordnung kann aus zwei ineinander verschachtelten und räumlich verteilten Wheatstone-Brücken (zwei Sensoren) bestehen. Jede Brücke misst eine in der Ebene liegende Feldkomponente des Magnetfelds. Durch die Berechnung des Winkels aus den beiden differentiellen Brückensignalen der jeweiligen Sensoren mit Hilfe der Arcustangens-Funktion erhält man ein streufeldfestes, eindeutiges und temperaturunabhängiges Messsignal. Aus dieser Winkelinformation und einer linearen Anpassungsfunktion berechnet sich die wahre Position des Magneten und des bewegten Objekts streufeldrobust und mit hoher Genauigkeit.
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Ausführungsbeispiele von Positionssensorsystemen eignen sich sehr gut für eine streufeldrobuste lineare Positionserfassung und für die Messung von Winkeln außerhalb einer Welle.
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Das Ausgangssignal des bekannten CORDIC-Algorithmus kann für eine lineare Positionsmessung z. B. mit einer linearen Anpassungsfunktion linearisiert werden.
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Unter Verwendung des Nonius-Prinzips kann auch ein eindeutiger Winkel über eine volle mechanische Umdrehung einer Welle ermittelt werden, wenn eine Magnetanordnung mit mehreren alternierenden Magnetpolen zur Erzeugung des zu messenden Magnetfelds verwendet wird.
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Dank der hohen Empfindlichkeit von linearen TMR-Bauelementen können in entsprechenden Ausführungsbeispielen kostengünstige Magnete (gesinterte Ferrite) verwendet werden, wobei trotzdem ein großer Luftspalt möglich bleibt. Dies kann kostengünstige und sehr flexible Systemdesigns ermöglichen.
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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.
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Schritte, Operationen oder Prozesse der Auswerteschaltung 40 können beispielsweise durch programmierte Computer, Prozessoren oder sonstige programmierbare Hardwarekomponenten ausgeführt werden. 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), Grafikprozessoren (GPU = Graphics Processor Unit), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC = application-specific integrated circuit), integrierte Schaltungen (IC= Integrated Circuit) oder Ein-Chip-Systeme (SoC = System-on-a-Chip) sein, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren in der Auswerteschaltung 40 programmiert sind.
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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 jedes 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 jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.
