DE4429832A1 - Magnetfeldkompaß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldkompaß mit mindestens zwei zueinander beabstandet an geordneten Hallsensoren, deren Ausgangsklemmen mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar sind.

Ein solcher Magnetfeldkompaß ist aus der WO 91/15778 bekannt. Der darin beschriebene Magnetfeldkompaß dient zum Messen des Magnetfeldes der Erde. Das Meßergebnis kann elektronisch an einem von dem Kompaß entfernten Ort angezeigt werden. Dieser Magnetfeldkompaß ist daher zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet. Da das Magnetfeld der Erde sehr schwach ist, ist der Aufbau des Magnetfeldkompasses sehr kompliziert und die Meßgenauigkeit gering. Zum Messen von verschiedenen Himmelsrichtungen werden mehrere Paare von Hallsensoren in bestimmten Winkeln zueinander versetzt angeordnet. Für jeden Winkelbereich wird ein Paar von Hallsensoren verwendet, die Rücken an Rücken angeordnet sind und deren Signale auf einen Differenzverstärker der Auswerteeinrichtung geführt werden. Je mehr Winkelbereiche bestimmbar sein sollen, desto mehr Paare von Hallsensoren müssen vorgesehen werden. Die Ausgangssignale der Hallsensoren werden in einer mehrstufigen komplizierten Auswerteeinrichtung ausgewertet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldkompaß mit einfacherem Aufbau zum Messen des Magnetfeldes der Erde zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Magnetfeldkompaß gelöst, bei dem pro Hallsensor ein Magnetfeldleitmittel mit einem geringeren magnetischen Widerstand als der magnetische Widerstand von Luft angeordnet ist, über welches dem jeweiligen Hallsensor eine Komponente eines äußeren Magnetfeldes verstärkt zuführbar ist, und die dem ersten Hallsensor zugeführte Komponente von der dem zweiten Hallsensor zugeführten Komponente des Magnetfeldes verschieden ist.

Durch das erfindungsgemäß angeordnete Magnetfeldleitmittel wird jedem der beiden Hallsensoren das von ihm zu messende Magnetfeld verstärkt zugeführt. Damit erzeugt der Hallsensor bereits aufgrund des in seinem Erfassungsbereich vorhandenen Magnetfeldes ein stärkeres Ausgangssignal, das in der Auswerteeinrichtung leichter nachgewiesen werden kann. Die Auswerteeinrichtung kann folglich erheblich einfacher aufgebaut werden, und es kann zudem eine größere Meßgenauigkeit erzielt werden. Mit den zwei Hallsensoren werden aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Magnetfeldleitmittel zwei voneinander verschiedene Komponenten des Magnetfeldes gemessen. Durch Drehen der gesamten Anordnung erhält man somit zwei zueinander phasenverschobene Signale, aus denen der aktuelle Drehwinkel und damit die entsprechende Himmelsrichtung eindeutig bestimmt werden kann. Durch Drehen des Kompasses um 360°, kann somit in einer Ebene jeder Winkel und damit jede Himmelsrichtung bestimmt werden. Die Magnetfeldverstärkung erfolgt dadurch, daß Magnetfeldlinien in das Magnetfeldleitmittel aufgrund seines niedrigen magnetischen Widerstandes leichter eintreten als austreten, und somit in dem Magnetfeldleitmittel verlaufen und an einer bestimmten Stelle konzentriert werden können.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung bilden die dem ersten Hallsensor zugeführte Komponente des Magnetfeldes und die dem zweiten Hallsensor zugeführte Komponente des Magnetfeldes bezüglich ihrer Richtungen einen Winkel von 90°. Bei einer Drehung des Magnetfeldkompasses erhält man von dem einen Hallsensor ein Sinussignal und von dem anderen Hallsensor ein Cosinussignal. In diesem Fall läßt sich der aktuelle Drehwinkel jeweils sehr einfach über eine Tangensfunktion bestimmen. Die Magnetfeldleitmittel können jeweils wenigstens eine ferromagnetische Platte umfassen. Ein ferromagnetisches Material hat einen sehr geringen magnetischen Widerstand, so daß die Verstärkung des Erdmagnetfeldes besonders effektiv erfolgen kann. Es können bei geeigneter Plattenausbildung Magnetfelder im mT-Bereich erzielt werden. Diese sind mit Hallsensoren gut meßbar.

Es ist günstig, wenn die jeweilige ferromagnetische Platte einen zu dem jeweiligen Hallsensor hingebogenen Endbereich aufweist. Somit werden alle in dem Biegungsbereich der Platte vorhandenen Magnetfeldlinien in den Endbereich und damit zu dem Hallsensor geleitet.

Vorteilhafterweise sind pro Hallsensor zwei ferromagnetischen Platten so angeordnet, daß die Endbereiche einander gegenüberliegen und der Hallsensor zwischen den Endbereichen angeordnet ist. Die Magnetfeldverstärkung erfolgt dann über zwei Platten, wodurch sie entsprechend größer ist. Wenn der Endbereich eine dem Sensor gegenüberliegende flache Ebene bildet, wird das Feld von dem Sensor effektiv nachgewiesen. Die beiden ferromagnetischen Platten können jeweils einen zu dem Endbereich in einer parallelen Ebene verlaufenden Hauptbereich aufweisen. Es wird dann das sich zwischen den beiden Ebenen befindende Feld in dem jeweiligen Endbereich konzentriert. Zudem ist diese Anordnung relativ platzsparend. Auch ist es vorteilhaft, wenn die den beiden Hallsensoren zugeordneten Platten in denselben oder in zueinander parallelen Ebenen liegen. Die verschiedenen Hallsensoren zugeordneten Platten bilden dabei vorteilhafterweise einen Winkel von 90°.

Gemäß einem günstigen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Platten in Richtung zu dem jeweiligen Hallsensor hin verjüngt ausgebildet sein. So wird eine bzw. eine zusätzliche Konzentrierung des Magnetfeldes in den schialen Endbereichen erzielt.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann ein dritter Hallsensor derart angeordnet sein, daß mit ihm eine zu der ersten und der zweiten Magnetfeldkomponente orthogonale Magnetfeldkomponenten nachweisbar ist. Der dritte Hallsensor kann zum Nullabgleich des Kompasses verwendet werden, so daß die Horizontalebene bestimmt werden kann. Es kann ein drittes Magnetfeldleitmittel zum Zuführen der dritten Magnetfeldkomponente zu dem dritten Hallsensor vorgesehen sein. Dann erhält der dritte Hallsensor ebenfalls bereits ein verstärktes Magnetfeld, das er gut nachweisen kann. Das dritte Magnetfeldleitmittel kann wie das erste und das zweite ausgebildet sein.

Die Auswerteeinrichtung kann mit den jeweiligen Ausgangsklemmen der Hallsensoren verbindbare Verstärker umfassen, deren Ausgängen wahlweise mit einem mit einer Recheneinheit verbundenen A/D-Wandler verbindbar sind. In der Recheneinheit kann der maximale und der minimale Wert des Ausgangssignals eines jeden Sensors während einer Signalperiode gespeichert werden, und die gemessenen Ausgangssignalwerte des jeweiligen Sensors können mittels des maximalen und des minimalen Wertes des Ausgangssignals normiert werden. Die Signalperiode beträgt dabei zweckmäßigerweise 360°, so daß eine gesamte Sinus bzw. Cosinusperiode durchlaufen wird. Mit der Recheneinheit kann ein horizontaler Winkel aus den genormten Werten des ersten und des zweiten Hallsensors bestimmt werden. Dies ist beispielsweise mit dem Cordic- Algorithmus möglich.

Vorteilhafterweise sind die Hallsensoren auf einem Chip angeordnet, so daß man ein integriertes System erhält, welches sehr platzsparen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kompasses;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kompaß der Fig. 1 entlang der Linie 11-11;

Fig. 3 die Auswerteeinrichtung des erfindungsgemäßen Kompasses und

Fig. 4 den Signalverlauf zweier Hallsensoren bei einer Drehung des Kompaß um 360°.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles des Kompasses dargestellt. Drei Hallsensoren 1, 2, 3 sind auf einem Chip 4 integriert angeordnet. Die Ausgangsklemmen der Hallsensoren 1, 2, 3 sind mit einer wie in Fig. 3 dargestellten Auswerteeinrichtung 5 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 5 kann ebenfalls auf dem Chip 4 integriert sein. Die Hallsensoren 1, 2, 3 sind zueinander beabstandet angeordnet, so daß sie verschiedene Magnetfeldkomponente messen können. Der Hallsensor 1 ist von zwei Platten 6, 7 und der Hallsensor 2 von zwei Platten 8, 9 umgeben. Die zu dem Hallsensor 1 gehörenden Platten 6, 7 stehen senkrecht auf den zu dem Hallsensor 2 gehörenden Platten 8, 9. Die Platten 6, 7, 8, 9 sind aus einem Material, das einen geringeren magnetischen Widerstand als der magnetische Widerstand von Luft hat. Es kann dafür ein ferromagnetisches Material verwendet werden. Den Sensoren 1, 2 werden von den Platten 6, 7 bzw. 8, 9 Magnetfeldkomponenten zugeführt, die um einen Winkel von 90° voneinander verschieden sind.

Wie man Fig. 2 entnimmt, weisen die den Sensoren zugeordneten Platten, hier die dem Sensor 2 zugeordneten Platten 8, 9, Endbereiche 10, 11 auf, die zu dem Hallsensor 2 hingebogen sind und dem Hallsensor 2 gegenüberliegende flache Ebenen bilden. Der Sensor 2 ist zwischen diesen Endbereichen 10, 11 angeordnet. Dem Sensor 2 wird von der Platte 8 und der Platte 9 das Erdmagnetfeld verstärkt zugeführt, da es sich in den Endbereichen 10, 11 konzentriert. Das Erdmagnetfeld wird insbesondere durch die Biegung zu den Endbereichen 10, 11 in letztere konzentriert. Eine weitere Verstärkung des Erdmagnetfeldes kann auch dadurch erzielt werden, daß die Platten 8, 9 in ihren Hauptbereichen 12, 13 breiter ausgebildet sind, als in den Endbereichen 10, 11 und sich somit zu den Endbereichen 10, 11 zu dem Sensor 2 hin verjüngen. Die dem Hallsensor 1 zugeordneten Platten 6, 7 sind entsprechend den Platten 8, 9 ausgebildet und liegen in denselben Ebenen wie diese.

Der in Fig. 1 gezeigte dritte Hallsensor 3 ist so angeordnet, daß er eine zu den Magnetfeldkomponenten des ersten und des zweiten Hallsensors orthogonale Magnetfeldkomponente nachweisen kann. Er dient zum Nullabgleich des Kompasses. Es können um den Hallsensor 3 den Platten 6, 7, 8, 9 entsprechende Platten angeordnet werden, um das ihm zugeführte Magnetfeld in der zu messenden Richtung zu verstärken.

In Fig. 3 ist die Auswerteeinrichtung des Kompasses schematisch dargestellt. Die Ausgangsklemmen eines jeden der Hallsensoren 1, 2, 3 sind mit je einem Verstärker 14, 15, 16 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 14, 15, 16 können mit einem Schalter 17 wahlweise mit dem Eingang eines AD-Wandlers 18 verbunden werden. Das von dem AD-Wandler 18 digitalisierte Meßsignal wird in einer Recheneinheit 19 verarbeitet und danach einem Interface 20 zugeführt, über welches es einem externen Benutzer zugänglich gemacht werden kann.

Die Rechenheit 19 kann beispielsweise ein Mikroprozessor sein. In ihr wird der Winkel des Erdmagnetfeldes bestimmt. Es wird dabei insbesondere der horizontale Winkel bestimmt. Dazu kann der Kompaß zunächst mit dem Hallsensor 3 so abgeglichen werden, daß die Hallsensoren 1, 2 das Magnetfeld in der horizontalen Ebene messen. Während einer Signalperiode, das heißt während einer Drehung des Kompasses um 360° in der horizontalen Ebene werden der maximale und der minimale Wert des Ausgangssignals des ersten Hallsensors und des zweiten Hallsensors bestimmt und gespeichert. Während der Signalperiode von 360° entspricht das Ausgangssignal U₁ des Hallsensors 1 einem Sinussignal und das Ausgangssignal U₂ des Hallsensors 2 einem Cosinussignal (siehe Fig. 4). Die maximalen und minimalen Werte der Signale U₁, U₂ hängen von dem Offset 01, 02 der Signale ab. Die Ausgangssignalwerte der Sensoren 1, 2 werden mit den so bestimmten maximalen und minimalen Werten des entsprechenden Ausgangssignals normiert. Der horizontale Winkel des aktuellen Signalwertes kann dann aus den normierten Meßsignalwerten bestimmt werden. Dies kann durch das Bilden der Arcus-Tangens-Funktion des Quotienten aus dem normierten Wert des ersten Meßsignals und dem normierten Wert des Meßsignals des Hallsensors 2 realisiert werden. Zur Bestimmung kann beispielsweise der Cordic-Algorithmus verwendet werden.

Die erfindungsgemäße integrierte Schaltung auf dem Chip 4 wird bevorzugt in der CMOS-Technologie hergestellt, da sich dann bewährt Analog- und Digitalschaltungs­ techniken mit den Hallsensoren kombinieren lassen. Für das Interface 20 können parallele Schnittstellen oder serielle Schnittstellen verwendet werden, beispielsweise ein IM-Bus oder ein 12C-Bus.

Claims (15)

1. Magnetfeldkompaß mit zwei zueinander beabstandet angeordnet Hallsensoren, deren Ausgangsklemmen mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet daß pro Hallsensor (1, 2) ein Magnetfeldleitmittel (6, 7, 8, 9) mit einem geringeren magnetischen Widerstand als der magnetische Widerstand von Luft angeordnet ist, über welches dem jeweiligen Hallsensor (1, 2) eine Komponente eines äußeren Magnetfeldes verstärkt zuführbar ist, und die dem ersten Hallsensor (1) zugeführte Komponente von der dem zweiten Hallsensor (2) zugeführten Komponente des Magnetfeldes verschieden ist.

2. Magnetfeldkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten Hallsensor (1) zugeführte Komponente des Magnetfeldes und die dem zweiten Hallsensor (2) zugeführte Komponente des Magnetfeldes bezüglich ihrer Richtungen einen Winkel von 90° bilden.

3. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleitmittel jeweils eine ferromagnetische Platte (6, 7, 8, 9) umfassen.

4. Magnetfeldkompaß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige ferromagnetische Platte (6, 7, 8, 9) einen zu dem jeweiligen Hallsensor (1, 2) hingebogenen Endbereich (10, 11) aufweist.

5. Magnetfeldkompaß nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß pro Hallsensor (1, 2) zwei der ferromagnetischen Platten (6, 7, 8, 9) so angeordnet sind, daß die Endbereiche (10, 11) einander gegenüberliegen und der Hallsensor (2) zwischen den Endbereichen (10, 11) angeordnet ist.

6. Magnetfeldkompaß nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (10, 11) eine dem Hallsensor (1, 2) gegenüberliegende flache Ebene bildet.

7. Magnetfeldkompaß nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ferromagnetischen Platten (6, 7, 8, 9) jeweils einen zu dem Endbereich (10, 11) in einer parallelen Ebene verlaufenden Hauptbereich (12, 13) aufweisen.

8. Magnetfeldkompaß nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Hallsensoren (1, 2) zugeordneten Platten (6, 7, 8, 9) in denselben oder in zueinander parallelen Ebenen liegen.

9. Magnetfeldkompaß nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6, 7, 8, 9) in Richtung zu dem jeweiligen Hallsensor (1, 2) hin verjüngt ausgebildet sind.

10. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Hallsensor (3) derart angeordnet ist, daß mit ihm eine zu der ersten und der zweiten Magnetfeldkomponente orthogonale Magnetfeldkomponente nachweisbar ist.

11. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Magnetfeldleitmittel zum Zuführen der dritten Magnetfeldkomponente zu den dritten Hallsensor (3) vorgesehen ist.

12. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung mit den jeweiligen Ausgangsklemmen der Hallsensoren (1, 2, 3) verbindbare Verstärker (14, 15, 16) umfaßt, deren Ausgänge wahlweise mit einem mit einer Recheneinheit (19) verbundenen A/D- Wandler (18) verbindbar sind.

13. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Recheneinheit (19) der maximale und der minimale Wert des Ausgangssignals (U₁, U₂) der Hallsensoren (1, 2) während einer Signalperiode gespeichert wird, und die gemessenen Ausgangssignalwerte des jeweiligen Hallsensors mittels des maximalen und des minimalen Werts des Ausgangssignals (U₁, U₂) normiert werden.

14. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Recheneinheit (19) ein horizontaler Winkel aus den genormten Werten des ersten und des zweiten Hallsensors bestimmt wird.

15. Magnetfeldkompaß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (1, 2, 3) auf einem Chip angeordnet sind.