DE19543564A1

DE19543564A1 - Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements

Info

Publication number: DE19543564A1
Application number: DE19543564A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Ing Zabler; Anton Dipl Ing Dukart; Hermann Dipl Phys Dr Winner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1996-05-23
Also published as: DE59510243D1; DE19543562A1; JPH09508214A; US5880586A; WO1996016316A1; EP0740776A1; EP0740776B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, bei der unter Auswertung von magnetisch beeinflußbaren elektrischen Ei genschaften an einem Sensor eine vom drehbaren Element er zeugte oder beeinflußte magnetische Feldstärke detektiert wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise aus der EP- 0 217 478 B1 bekannt. Hier werden mit einem Winkelsensor, der aus zwei parallelen dünnen Filmen aus magnetisch wei chem Material gebildet ist, die von einem drehenden Magne ten ausgehenden magnetischen Feldlinien erfaßt und ausge wertet. Die magnetischen Filme im Winkelsensor sind derart angebracht, daß in der Ebene der Feldlinien jeweils Strom zuführungs- und Spannungsmeßanschlüsse an den beiden Filmen um 45° gegeneinander versetzt angeschlossen sind. Durch eine Widerstands-Anisotropie in den Filmen ergibt sich ein von der Richtung der Winkellage der Feldlinien abhängiges Sensorsignal, daß in einer Auswerteschaltung verarbeitbar ist. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch nur eine Winkelauswertung im Bereich von 180° auswertbar, was zu ei nem erhöhten Aufwand bei der einwandfreien Erfassung der Winkellage führt.

Weiterhin ist eine Abtastung von inkrementalen Strukturen an Zahnrädern aus ferromagnetischem Material bekannt, bei der beispielsweise für die Zündungssteuerung an Verbren nungsmotoren oder zur Drehzahlerfassung für Antiblockiersy steme die Abtastung mit berührungslosen Sensoranordnungen vorgenommen wird. Beispielhaft ist in dem VDI-Bericht Nr. 509, (VDI- Verlag 1984), Seiten 263 bis 268, im Aufsatz "Neue, alter native Lösungen für Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magnetoresistiver Basis" beschrieben, wie mit magnetischen Tangentialsonden als Sensoren eine besonders einfache und insbesondere gegen Luftspaltschwankungen unempfindliche Ab tastung von Inkrementalstrukturen an drehenden Wellen oder Zahnrädern durchführbar ist. Dies ist möglich, weil das Vorzeichen der Tangentialkomponente eines im Sensor be findlichen Dauermagneten nicht von der Größe des Luftspal tes zwischen dem Sensor und den drehbaren Elementen ab hängt. Diese Vorzeichenänderung kann nur durch eine rotori sche Weiterbewegung der Welle oder des Zahnrades erfolgen, wodurch eine inkrementale Drehwinkeländerung eines Zahnra des erfaßt werden kann.

In der oben genannten, bekannten Druckschrift ist auf Seite 264 unter Punkt 3.3 auch der Einsatz von Sensoren beschrie ben, die sich den sogenannten Halleffekt zur Abtastung ei ner Änderung eines magnetischen Feldes zu Nutze machen. Diese in bekannter Weise ausgeführten Hallsensoren nutzen eine Ablenkung eines zwischen zwei Anschlußpolen fließenden Stromes durch ein senkrecht dazu stehendes magnetisches Feld aus. Eine Ladungsträgerverschiebung in Richtung der magnetischen Feldlinien führt hierbei zum Entstehen einer sogenannten Hallspannung, die quer zur Stromflußrichtung abnehmbar ist. Unter Ausnutzung der für diesen Zweck opti malen Eigenschaften von Hallstrukturen in Halbleitermate rialien verläuft die Stromflußrichtung in dieser Hallstruk tur in der Regel koplanar in der Ebene eines sogenannten Halbleiter-Wafers, zum Beispiel eines Silizium-Halbleiter- Chips.

Die bei der Abtastung an drehbaren Elementen notwendige Tangentialfelderfassung ist hier insofern nachteilig, als daß durch die unvermeidbare tangentiale Längsausdehnung des Hallsensors herkömmlicher Art ein erheblicher Luftspalt zwischen dem drehbaren Element und dem Sensor entsteht (ca. 2 mm bis 4 mm) und der Effekt der senkrecht zur Waferebene verlaufenden Feldlinien stark verringert wird. Da die Feld stärke exponentiell zum Abstand zwischen drehbaren Element und dem Sensor abnimmt, wird der auswertbare Meßeffekt hier sehr klein. Um ein vom Luftspalt unabhängiges Signal zu erfassen, muß bei der bekannten Methode eine differentielle Erfassung des radial gerichteten Feldes mit zwei Hallsenso ren durchgeführt werden, die eventuell auch besonders an die Inkrementweiten (Zahnabstand bei Zahnrädern) angepaßt sind. Eine Anwendung von Materialien mit höherer und anders gerichteter Empfindlichkeit, wie zum Beispiel magnetoresi stive Dünnschichtsensoren, Permalloysensoren oder auch so genannte Pseudohallsensoren, als Alternative zu den Sili zium-Halbleiter-Hallsensoren ist zwar möglich, jedoch ist die Herstellungstechnologie bei diesen Materialien auf wendig, insbesondere, wenn sie mit einem Verstärkerschalt kreis verbunden bzw. mit ihm integriert werden sollen.

Es sind weiterhin Hallsensoren bekannt (aus "Sensors and Materials", 5,2 (1993) 091-101, MYU, Tokyo, der Aufsatz "Simulation, Design and Fabrication of a Vertical Hall De vice for Two-Dimensional Magnetic Field Sensing" von M. Pa rajape, Lj. Ristic und W. Allegretto), bei denen sich die Hallstruktur senkrecht zur Waferfläche in die Tiefe eines Silizium-Chips ausdehnt. Somit wird hier eine Erfassung des tangential gerichteten Feldes möglich, ohne dabei den Luft spalt untragbar zu vergrößern.

Diese, aus der zweiten Druckschrift bekannten Hallsensoren beanspruchen eine geringe Ausdehnung und damit einen sehr geringen Luftspalt, welcher sich im wesentlichen nur aus der Waferdicke (ca. 400 µm) zusätzlich einer Schutzschicht zusammensetzt. Auch ist aus dieser Druckschrift bekannt, mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Hallsensoren auch Komponenten eines zweidimensionalen magnetischen Feldes zu erfassen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, unter Ausnut zung des Halleffekts, mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1, ist insofern vorteilhaft, als daß die Tangentialfelderfassung eines vom drehbaren Element erzeug ten oder beeinflußten magnetischen Feldes mit geringem Luftspalt mit hoher Genauigkeit möglich ist. Die vertikal in einen Siliziumwafer eingebrachten Hallstrukturen ge statten aufgrund ihrer geringen Abmessungen in der planaren Ebene eine effektive Plazierung des Sensors in der Nähe der drehbaren Elemente, wobei durch eine zusätzliche, räumliche mikromechanische Strukturierung die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden kann. Die zur Signalaufbereitung erforderlichen elektronischen Schaltkreise können hierbei vorteilhaft in den selben Silizium-Chip wie der Hallsensor integriert werden. Hierbei ist, wie oben erwähnt, der Nach teil eines inkrementalen Drehwinkel-Meßsystems vermeidbar, daß es auf einer Zählung der Inkremente beruht, die von au ßen bleibend gestört werden kann.

Mit der Anwendung von zwei um 90° gegeneinander verdrehten, vertikalen Hallstrukturen gemäß der Erfindung an drehbaren Elementen können zwei Komponenten eines äußeren, in der Ebene des Halbleiter-Wafers liegenden Feldes auf einfache Weise sehr genau erfaßt werden. Die Drehlage des drehbaren Elementes verändert hierbei in gleicher Weise die Drehlage des erzeugten oder beeinflußten magnetischen Feldes und so mit die Feldkomponenten in der Waferebene. Bei der erfin dungsgemäßen Anordnung ist also jederzeit auch die absolute Drehlage des drehbaren Elementes erfaßbar und nicht auf In kremente beschränkt. Die elektronische Auswertung kann auf relativ einfache Weise vorgenommen werden, da sich die von den Feldkomponenten erzeugten Signale nach einem Sinus- bzw. Cosinusgesetz ändern und eine Ermittlung des Drehlage wertes mit analogen oder digitalen Schaltkreisen unter schaltungstechnischer Umsetzung von trigonometrischen For meln in bekannter Weise durchführen läßt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Drehwinkelerfas sungsanordnung an einer drehbaren Welle mit einer schematischen Darstellung einer Sensoranordnung;

Fig. 2 einen Prinzipdarstellung der Sensoranordnung nach Fig. 1 mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Hallsensoren;

Fig. 3 die Kurvenverläufe der Sensorausgangsspannun gen und der resultierenden Ausgangssignals und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung zur Ermittlung des Drehwinkels der drehbaren Welle.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine um den Winkel α drehbare Welle 1 gezeigt, die an ihrem Ende einen Dauermagneten 2 als mit drehbares Element trägt. Die magnetischen Feldlinien B des Magneten 2 verlaufen hierbei durch ein obere s Teil 3 eines Gehäuses 4, wobei in diesem oberen Teil 3 eine Sensoranord nung 5, bestehend aus zwei gegeneinander um 90° versetzten Hallsensoren (vgl. Fig. 2), fest angeordnet ist. Die Dar stellung der Hallsensoren ist hier nur schematisch, da diese in eine Schicht integriert sein können und dadurch sichtbar nicht mehr in Erscheinung treten müssen. Die Rich tungskomponenten der Feldlinien B verursachen hier spezifi sche Ausgangssignale der beiden Hallsensoren, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung der Drehlage um eine beliebige Winkeländerung α mit einer nach folgend anhand der Fig. 4 beschriebenen elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.

In der Fig. 2 ist die Lage und die Beschaltung von zwei Hallsensoren 6 und 7 als Bestandteil der Sensoranordnung 5 gemäß Fig. 1 in prinzipieller Weise räumlich dargestellt. Der Hallsensor 6 weist Stromanschlüsse 8 und 9 und der Hallsensor 7 Stromanschlüsse 10 und 11 auf, durch die ein Strom I in der gezeigten Richtung hindurch fließt. Quer zu der Stromflußrichtung des Stromes I sind an Anschlüssen 12 und 13 (Hallsensor 6) und Anschlüssen 14 und 15 (Hallsensor 7) Hallspannungen U_H1 und U_H2 abnehmbar. Die magnetischen Feldlinien B eines Magneten 2 (vgl. Fig. 1) weisen hier bei jeweils in der Strecke zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen 12 und 13 bzw. zwischen den Anschlüssen 14 und 15 Feldkomponenten auf, die in der als Halleffekt bekannten Weise zu einer Ablenkung der Ladungsträger des Stromes I führen. Der damit verbundene Potentialunterschied führt zu der Hallspannung U_H1 zwischen den Polen 12 und 13 sowie zu der Hallspannung U_H2 zwischen den Polen 14 und 15, die in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise ausgewertet können. Eine Änderung der Richtung der Feldlinien B durch eine Drehung um den Winkel α führt demgemäß zu einer unterschiedlichen Beeinflussung des Halleffekts in den Hallsensoren 6 und 7. Dies kann über die elektronische Aus wertung der Hallspannungen U_H1 und U_H2 zur Berechnung des Drehwinkels α herangezogen werden.

Die beiden Hallsensoren 6 und 7 können daher zur Auswertung eines vom drehbaren Element (Magnet 2) erzeugten magneti schen Feldes im vollen Drehbereich von 360° herangezogen werden. Beispielsweise werden die Hallsensoren 6 und 7 durch in einen Silizium-Halbleiter-Wafer eingebrachte ver tikale Hallstrukturen derart hergestellt, daß aufgrund ih rer geringen Abmessungen in der planaren Ebene des Wafers eine präzise und nahezu punktförmige Plazierung der Senso ranordnung 5 in der Nähe des drehbaren Elementes möglich ist, wobei durch eine zusätzliche, räumliche, mikro mechanische Strukturierung die Empfindlichkeit der Sensoranordnung 5 erhöht werden kann. Die zur Signalaufbe reitung erforderlichen elektronischen Schaltkreise können hierbei vorteilhaft in den selben Silizium-Chip wie die Hallsensoren 6 und 7 integriert werden.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Hallspannung U_H1 und der Hallspannung U_H2 in Abhängigkeit vom Drehwinkel α darge stellt. Der Verlauf der Hallspannung U_H1 in Abhängigkeit vom Drehwinkel α erfolgt hierbei nach einem Sinusgesetz und der der Hallspannung U_H2 nach einem Cosinusgesetz, wobei sich folgende mathematischen Beziehungen ergeben:

U_H1 = C₁ _* I₁ _* B_* cos α, (1)
U_H2 = C₂ _* 12 _* B _* sin α, (2)

wobei U_H1 die Hallspannung des Hallsensors 6,
U_H2 die Hallspannung des um 90° versetzten Hallsen sors 7,
C, C₂ Materialkonstanten der Hallsensoren 6 und 7,
B die senkrecht zur Ebene der Hallsensoren 6 und 7 auftretende magnetische Feldstärke (unter der Voraussetzung, daß die Feldstärke an beiden Hall sensoren 6 und 7 gleich ist (B₁=B₂)) und
α der Drehwinkel des sich drehenden Elements (Magnet 2) ist.

Durch eine, in einer elektronischen Auswerteschaltung herzustellende Verknüpfung der Hallspannungen U_H1 und U_H2 wird eine Ausgangsspannung U_A erzeugt, die in großer Nähe rung proportional zum Drehwinkel α des drehbaren Elements 2 ist (vgl. Verlauf der Kurve 16 im rechten Teil der Fig. 3). Die mathematische Auswertung kann mit einer entspre chenden schaltungsmäßigen Realisierung beispielsweise wie folgt vorgenommen werden:

a = arctan (U_H1/U_H2) (3),

womit der Drehwinkel α aus der Ausgangsspannung U_A in der Auswerteschaltung bestimmbar ist.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine andere, ebenfalls mögliche Ausführungsform einer Auswerteschaltung, mit der die oben beschriebene Drehwinkelauswertung an der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt werden kann. Ausgehend von einem spannungsgeregelten Oszillator 20 mit nachgeschaltetem Tiefpaß 21 wird hier ein erster sinusförmiger Wechselstrom I₁ erzeugt, der am Stromanschluß 8 des Hallsensors 6 an liegt und folgende Zeitfunktion aufweist:

I₁(t) = I₀_* sin (ω_*t).

Am Ausgang eines Phasenverzögerungsgliedes 22 liegt ein um 90° verschobener Strom 12 mit der Zeitfunktion

I₂(t) = I₀_* cos (ω_*t)

an, mit dem der Hallsensor 7 an seinem Stromanschluß 10 be aufschlagt wird. Die Hallspannungen U_H1 und U_H2 an den Aus gängen 12/13 und 14/15 ergeben sich wie folgt:

U_H1(t,α) = C₁_* B₁_* cos (α)_* I₁(t) und
U_H2(t,α) = C₂_* B₂_* sin (α)_* I₂(t), wobei

die Konstanten C₁=C₂=C und die Feldkomponenten B₁=B₂=B sein können.

In einer Summationsschaltung 23 wird die Summe aus den bei den Hallspannungen U_H1(t) und U_H2(t) gebildet, so daß sich eine Spannung U(t) nach folgender Beziehung unter Anwendung trigonometrischer Formeln ergibt:

U(t) = C _* B _* I₀ _* (cos(α) _* sin(ω_*t) + sin(a) _* cos(ω_*t));
U(t) = C_* B_* I₀ _* sin(ω_*t + a).

Die Spannung U(t) liegt an einem ersten Eingang 24 eines Phasenkomparators 25 an, an dessen zweiten Eingang 26 das Ausgangssignal (U = const _* sin(ω_*t)) des Tiefpasses 21 anliegt. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators 25 stellt hier eine Rechteckspannung mit der Impulshöhe U₀, entsprechend der Versorgungsspannung des Phasenkomparators 25, dar. Die Impulsdauer des Rechtecksignals entspricht der Phasendifferenz α der beiden Eingangsspannungen, welche identisch ist mit dem geometrischen Drehwinkel α. Das Rechtecksignal wird mittels eines weiteren Tiefpasses 27 geglättet und ergibt somit das zum Drehwinkel α der in der Fig. 1 dargestellten drehbaren Welle 1 proportionale Aus gangssignal U_A.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung kann auch in Verbindung mit anderen Sensoren mit jeweils zwei Sensoreleinenten eingesetzt werden. Bei sogenannten AMR-Sensoren müssen die Sensorelemente dabei um 45° gegeneinander verdreht sein, während sie bei Hallelementen um 90° verdreht sind.

Claims

1) Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, bei der,

- unter Auswertung von magnetisch beeinflußbaren Eigen schaften in einer Sensoranordnung (5), eine vom drehbaren Element erzeugte oder beeinflußte magnetische Feldstärke (B) detektierbar und zur Ermittlung der Drehlage heranzieh bar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Sensoranordnung (5) aus vertikal, parallel zur Drehachse gerichteten Hallsensoren (6, 7) aufgebaut und der art dem drehbaren Element (2) gegenüber angeordnet ist, daß die vom drehbaren Element (2) ausgehenden Feldlinien (B) in jeder Drehlage quer zu den von der Richtung eines Stromes (I) in den Hallsensoren (6, 7) vorgegebenen Hallstrukturen verlaufen und daß
- die sich durch eine Drehwinkeländerung (α) ergebende Änderung der Richtungskomponenten der Feldlinien (B) in der Sensoranordnung (5) auswertbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei, gegeneinander um 90° versetzte Hallsensoren (6, 7) als Bestandteil der Sensoranordnung (5) vorhanden sind, de ren jeweilige Hallspannungen (U_H1,U_H2) in einer zur Drehachse rechtwinklig liegenden Ebene annehmbar sind und jeweils um 90° verschiedene Richtungskomponenten der Feld linien (B) detektieren.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- das bewegliche Element ein Dauermagnet (2) ist, der rotationssymmetrisch auf der Stirnseite einer sich drehen den Welle (1) angeordnet ist und in den gegenüberliegenden Hallsensoren (6, 7) eine Änderung der Hallspannungen (U_H1, U_H21) nach folgenden Beziehungen verursacht: U_H1 = C₁ _* I₁ _* B _* cos α, (1)U_H2 = C₂ _* I₂ _* B _* sin α, (2)wobei U_H1 die Hallspannung des Hallsensors (6), U_H2 die Hallspannung des um 90° versetzten Hallsen sors 7,
C₁, C₂ Materialkonstanten der Hallsensoren (6) und (7),
B die senkrecht zur Ebene der Hallsensoren (6) und (7) auftretende magnetische Feldstärke (unter der Voraussetzung, daß die Feldstärke an beiden Hall sensoren (6) und (7) gleich ist (B₁=B₂)) und
α der Drehwinkel des sich drehenden Elements (Magnet 2) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Drehwinkel des drehbaren Elementes (2) durch die Ver knüpfung der Beziehungen (1) und (2) entsprechend α = arctan (U_H1/U_H2) (3)in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung bestimmbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Hallsensoren (6, 7) Bestandteil eines mikromechanisch bearbeitbaren Halbleiter-Wafers sind, dessen Waferebene rechtwinklig zur Drehachse liegt, daß
- die Hallstruktur der Hallsensoren (6, 7) in denen der Strom (I) fließt, vertikal zur Waferebene verläuft und daß
- in den Halbleiter-Wafer ebenfalls eine Auswerteschaltung oder Teile davon integriert sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Halbleiter-Wafer aus Silizium hergestellt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswerteschaltung derart ausgebildet ist, daß die Hallsensoren (6, 7) jeweils mit einem um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wechselstrom (11, 12) versorgt werden, die wie folgt gebildet sind:
I₁(t) = I₀ _* cos (ω_*t)
und I₂(t) = I₀ _* sin (ω_*t), daß
- die Hallspannungen (U_H1,U_H2) an Ausgängen 12/13 und 14/15 der Hallsensoren (6,7) sich wie folgt ergeben:
U_H1(t,α) = C₁ _* B₁ _* cos (α) _* I₁(t) und
U_H2(t,α) = C₂ _* B₂ _* sin (α) _* I₂(t), wobei
die Konstanten C₁ = C₂ = C und die Feldkomponenten B₁ = B₂ =B sind, daß
- in einer Summationsschaltung (23) die Summe aus den bei den Hallspannungen U_H1(t) und U_H2(t) gebildet wird und daß
- in einem Phasenkomparator (25) der ursprüngliche Wechselstrom und das Ausgangssignal der Summenschaltung (23) derart verarbeitet werden, daß eine dem Drehwinkel (α) proportionale Ausgangsspannung (U_A) entsteht.