DE69816713T2

DE69816713T2 - Zweidimensionaler magnetischer Positionssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen

Info

Publication number: DE69816713T2
Application number: DE69816713T
Authority: DE
Inventors: Herbert Sax; Bruno Murari; Flavio Villa; Benedetto Vigna; Paolo Ferrari
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-05-23
Also published as: ITTO970452A0; US6529140B1; ITTO970452A1; EP0881468A1; IT1293905B1; JPH1183418A; EP0881468B1; DE69816713D1

Description

Die Erfindung betrifft einen zweidimensionalen Positionssensor vom magnetischen Typ, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekanntlich werden derzeit die Hilfsfunktionen an dem Lenkrad (Lenksystemen), so zum Beispiel das Einschalten der Parkleuchten, des Fernlichts, des Abblendlichts, Fahrtrichtungsanzeiger, mit Hilfe mechanischer Gleitkontakte durchgeführt, deren Herstellung besonders aufwendig ist und beeinträchtigt wird durch Probleme in Verbindung mit den Kontakten (Verschleiß, Alterung etc.).
Steuersysteme für diese Funktionen, die keine mechanischen Gleitkontakte erfordern, sind daher erstrebenswert. Ein Positionssensor vom magnetischen Typ, der keine mechanischen Gleitkontakte erfordert, ist aus der US-A-4 459 578 bekannt, die einen Fingersteuerungs-Joystick zeigt, der den Hall-Effekt nutzt.
Im allgemeinen trifft man dieses Problem bei sämtlichen Anwendungen an, die dazu dienen, mehrere Befehle oder Signale durch Bewegen eines Steuerelements zu senden, welches auf Gleitkontakte einwirkt, wobei es eine große Anzahl von Operationen des Steuerelements gibt.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Positionssensors, der das oben angesprochene Problem löst.
Die Erfindung schafft einen zweidimensionalen Positionssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, entsprechend dem Anspruch 1.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert, die nicht erschöpfende Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichen: Es zeigen:
1: Die Anordnung von Sensorelementen auf einem Bauteil dieses Sensors in schematischer Form;
2: einen Querschnitt durch einen Teil der in 1 gezeigten Komponente;
3: eine zweite Komponente des vorliegenden Sensors;
4: eine Seitenansicht einer Steuereinrichtung, die von diesem Sensor Gebrauch macht;
5: ein Blockdiagramm einer Komponente des vorliegenden Sensors;
6 und 7: Diagramme des Zusammenwirkens zwischen den Komponenten des vorliegenden Sensors in schematischer Form;
8 und 9: Tabellen für Codes, die für unterschiedliche Relativpositionen der Komponenten des Sensors erzielbar sind.
Wie in der beigefügten Zeichnung zu sehen ist, enthält der Sensor 1 ein integriertes Bauelement 2 und einen Dauermagneten 3 mit vier Quadranten, der in Bezug auf das integrierte Bauelement 2 parallel zu diesem (in seiner Nähe oder in Berührung mit ihm) bewegbar ist, um sich entlang einer Ebene zu bewegen, die durch zwei unterschiedliche Koordinaten X und Y definiert wird, und um sich um eine senkrecht auf der Ebene XY stehende Achse Ω zu drehen. Das integrierte Bauelement 2 wird seinerseits gebildet durch mehrere für ein Magnetfeld empfindliche Elemente (Sensorelemente 10) und durch ein Codierungssystem 11 (5).
In einer in 2 gezeigten und unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind die Sensorelemente 10 durch Halleffektsensoren gebildet. Alternativ können die Sensorelemente 10, wie schematisch in 5 gezeigt ist, durch Magnetowiderstände gebildet sein, die mittels spezieller Magnetfolien hergestellt werden (beispielsweise aus Co-Fe, Ni-Fe; Ni-Co), die die Eigenschaft eines veränderlichen Widerstands in Abhängigkeit des Magnetfelds haben, in welchem sie sich befinden (vergleiche zum Beispiel R. A. McCurrie "Ferromagnetic Materials: Structure and Properties", Academic Press; Vol. 2, Seite 93). Die Magnetowiderstände haben den Vorteil, daß sie empfindlicher für das Magnetfeld sind als Halleffektsensoren, allerdings erfordern sie das durch Zerstäuben oder Aufdampfen erfolgende Niederschlagen von Magnetfolien auf Silicium, was in der Mikroelektronikindustrie nicht allgemein üblich ist, so daß sie in der Fertigung teuerer sind.
1 zeigt eine mögliche Anordnung der Sensorelemente 10 für den Nachweis von 3 × 4 Positionen des Dauermagneten 3 in der XY-Ebene und der Drehung um ±45° bezüglich der Richtung Ω (oder, insgesamt, von drei unterschiedlichen Winkelpositionen des Magneten 3). Wie man sieht, sind drei Sensorelemente 10₁ –10₃ entlang einer ersten Richtung (X-Richtung) mit Abstand angeordnet, vier Sensorelemente 10₄ –10₇ sind entlang einer zweiten Richtung (Y-Richtung) rechtwinklig zu der ersten Richtung X mit Abstand angeordnet und zwei weitere Sensorelemente 10₈ und 10₉ befinden sich in einem Abstand von den Sensorelementen 10₁ –10₇ um den Drehwinkel zu erfassen.
Um M Positionen entlang der Richtung X und N Positionen entlang der Richtung Y zu erfassen, sind also allgemein mindestens M + N Sensorelemente erforderlich, während zwei Sensorelemente dazu dienen, eine Drehung zu erfassen, falls es sich um Drehungen von ±45° handelt, während vier Sensorelemente zum Erfassen von Drehungen von ±30° gegenüber einer Nenn-Null-Position erforderlich sind.
2 zeigt einen Querschnitt eines Teils des Siliciumchips 12, in welchem das integrierte Bauelement 2 ausgebildet ist, entsprechend einem Halleffekt-Sensorelement 10. Im Einzelnen: Der Siliciumchip 12 enthält ein P-Substrat 13, eine N-leitende epitaktische Schicht 14 und P⁺-Übergangs-Trennzonen 15, die sich von der Oberfläche 16 des Chips 12 bis hin zu dem Substrat 13 erstrecken und jedes Sensorelement 10 umfassen. Eine Kontaktzone 18 ist auf der Oberfläche 16 des Chips 12 zu erkennen, die zusammen mit einer nicht dargestellten Kontaktzone zum Einspeisen eines Stroms E dient, während eine Kontaktzone 19, ebenfalls auf der Oberfläche 16 befindlich, einen Nachweis der von dem Sensorelement 10 erzeugten Potentialdifferenz in an sich bekannter Weise ermöglicht. Eine komplexere Version des Sensorelements 10, das in vorteilhafter Weise zur Fertigung dieses Sensors 1 eingesetzt werden kann, ist in dem US-Patent US-A-5 530 345 beschrieben.
Wie in der Frontansicht der 3 zu erkennen ist, besitzt der Dauermagnet 3 vier Quadranten, abwechselnd als Südpol (Quadranten 21) und Nordpol (Qudranten 22) ausgebildet, wodurch ein Zentrum 24 definiert wird, wobei die Abmessungen derart gewählt sind, daß bei einer angenommenen Lage des Dauermagneten 3 in Bezug auf das integrierte Bauelement 2 jedes der Sensorelemente 10 einen spezifischen Quadranten 21, 22 sieht und eine Spannung mit einem entsprechenden Wert erzeugt (positiv im Fall der Nordpol-Quadanten 22 und negativ im Fall der Südpol-Quadranten 21 beispielsweise).
Wie in 4 gezeigt ist, kann der Sensor 1 in einem Steuerelement angeordnet sein, in diesem Fall innerhalb eines Hebels 4, um zusammen mit diesem ein Steuergerät 7 zu definieren, welches von Hand oder von einer Maschine manipulierbar ist und ein elektrisches Steuersignal ausgibt, welches von einem Aktuator benutzt werden kann. Insbesondere ist der Dauermagnet dreierstückig mit dem Hebel 4 ausgebildet, um dessen translatorische Bewegungen bezüglich der Achse X und Y und seine Drehung bezüglich der Achse Ω zu verfolgen. Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung wird der Hebel 4 als ein gemeinsamer Steuerhebel hergestellt, der am Lenkrad über eine (nicht gezeigte) Verbindung angebracht ist, die ein Längssystem bildet, um die Betätigungen des Hebels 4 seitens des Fahrers umzusetzen in dreh-translatorische Bewegungen des Dauermagneten 3. Insbesondere ermöglicht ein nicht dargestellter Führungsmechanismus ausschließlich diskrete Bewegungen des Dauerma gneten 3 in Bezug auf das integrierte Bauelement 2, wie weiter unten anhand der 6 und 7 näher erläutert wird.
Wie in 5 gezeigt ist, werden die von den Sensorelementen 10 erzeugten Spannungen an das Codiersystem 11 gegeben, bestehend aus einem Code-Generatorblock 27, einer Verarbeitungseinheit 28 und einem Speicher 29, der die Zugehörigkeit zwischen jedem von dem Generatorblock 27 erzeugten Code und einem zugehörigen Steuervorgang speichert.
Insbesondere empfängt der Code-Generatorblock 27 die von jedem Sensorelement 10 erzeugten Analogspannungen und verwandelt sie in einen mehrere Bits umfassenden Digitalcode, wozu beispielsweise eine logische "1" erzeugt wird, wenn er eine positive Spannung empfängt (das Sensorelement 10 detektiert die Nähe eines Nordpolquadranten 22 des Dauermagneten) und eine logische "0" im gegenteiligen Fall erzeugt. In der Praxis kann der Code-Generatorblock 27 durch eine Gruppe von Vergleichern gebildet werden, die jeweils einen Eingang mit Masse verbunden haben, während ein anderer Eingang die von dem zugehörigen Sensorelement 10 erzeugte Spannung empfängt. Der so gewonnene Binärcode (der im Fall des integrierten Bauelements mit neun Sensorelementen 10 nach 1 neun Bit umfaßt) wird an die Verarbeitungseinheit 28 gegeben, die anhand des empfangenen Codes und des in dem Speicher 29 abgespeicherten Codes den entsprechenden Steuervorgang festlegt (Einschalten der Parkleuchten, Aufblenden oder Abblenden der Scheinwerfer und einen anderen Steuervorgang), und die ein Ausgangssignal S erzeugt, das über die Anschlußstifte 25 des integrierten Bauelements (4) an den (nicht gezeigten) zugehörigen Aktuator und/oder an eine Steuereinheit des Fahrzeugs (nicht dargestellt) gesendet wird, um dort verarbeitet zu werden.
Um die verschiedenen Stellungen des Dauermagneten 3 in Bezug auf das integrierte Bauelement 2 voneinander zu unterscheiden, ist es natürlich notwendig, daß jede Position, die der Dauermagnet 3 einnehmen kann, einen eindeutigen Code aufweist, der nicht mit demjenigen irgendeiner anderen Position übereinstimmt, oder daß in jeder Position mindestens eines der Sensorelemente 10 einen entgegengesetzten Quadranten 21, 22 bezüglicher sämtlicher anderer Positionen detektiert. Insbesondere erfordert dies in Bezug auf jede Translation des Dauermagneten 3, daß das Zentrum 24 des Dauermagneten 3 auf eine andere Seite von zumindest einem der sieben Sensorelemente 10₁ –10₇ gebracht wird. Im Fall der Sensorelemente 10₁ –10₉ nach 1 kann daher das Zentrum 24 des Dauermagneten 3 grob eine der in 6 dargestellten und durch die Buchstaben A-N kenntlich gemachten Positionen einnehmen.
Insbesondere sind nach 6 die horizontalen und die vertikalen Zeilen für jede Position A-N durch mit 31 und 32 bezeichnete Trennlinien der Quadranten des Dauermagneten des Dauermagneten 3 kenntlich gemacht, wobei der Dauermagnet 3 in der bezüglich der Position A zentrierten Stellung dargestellt ist. Folglich bewirken die Bewegungen des Dauermagneten 3 gegenüber dem integrierten Bauelement 2, die das Ziel haben, das Zentrum 24 in Entsprechung mit den Positionen A-N zu bringen, die Erzeugung zugehöriger Codes, wie beispielsweise in der Tabelle der 8 dargestellt ist.
Wie man sieht, ändern sich die Sensorelemente 10₈ und 10₉ bei jeder Translation nicht und nehmen verschiedene Werte an.
In ähnlicher Weise zeigt 7 die Stellung des Dauermagneten 3 in Bezug auf das integrierte Bauelement 2, wenn der Dauermagnet 3 auf der Position A zentriert ist und in Bezug auf 6 um 45° im Uhrzeigersinn gedreht wird. Ebenfalls dargestellt sind die Trennlinien 31, 32 der Quadanten 21, 22 des Dauermagneten 3 in den verschiedenen Positionen A-N des Zentrums 24. Wie man sieht, sind diese Trennlinien 31, 32 nun um ±45° geneigt. In diesem Fall wird also der in der Tabelle der 9 dargestellte Code gewonnen.
Wie man sieht, haben in diesem Fall die Sensorelemente 10₈ und 10₉ immer einen logischen Wert "1".
In einer nicht dargestellten Weise liefert im Hinblick auf die Symmetrie des Systems eine Drehung des Dauermagneten 3 entgegen der Richtung nach 7 (d. h. 45° im Gegenuhrzeigersinn in 6) eine Tabelle, die komplementär zu der Tabelle nach 9 ist.
Der beschriebene Sensor hat folgende Vorteile: Zunächst ist er billig aufgrund der Fertigungskosten integrierter Bauelemente, außerdem ist er in hohem Maße zuverlässig und haltbar, bedingt durch den Umstand, daß er nicht von Gleitkontakten Gebrauch macht und der Magnet 3 auch in einem geringen Abstand gegenüber dem integrierten Bauelement 2 angeordnet sein kann. Außerdem ermöglicht er eine Erweiterung der zu implementierenden Anzahl von Steuervorgängen ohne Schwierigkeiten, er wird nicht beeinflußt durch Umgebungslicht.
Schließlich erkennt man, daß Modifikationen und Abwandlungen an dem hier beschriebenen und dargestellten Sensor vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Insbesondere ist hervorzuheben, daß die Elektronik zum Verarbeiten der von den Sensorelementen erzeugten Signale, oder zumindest ein Teil dieser Signale, auch nicht mit den Sensorelementen 10 integriert sein kann, wenn dies für spezielle Anwendungen wünschenswert oder angemessen ist.

Claims

Zweidimensionaler Positionssensor (1) insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, umfassend einen Dauermagneten (3), der mehreren magnetfeldempfindlichen Elementen (10₁ –10₉ ) gegenübersteht und in Bezug auf diese beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (3) in einer Ebene entlang einer ersten (X) und einer zweiten (Y) Richtung, die nicht zusammenfallen, bewegbar ist, und um eine dritte Richtung (Ω) orthogonal zu der ersten und der zweiten Richtung drehbar ist, und dass die mehreren magnetfeldempfindlichen Elemente eine erste Gruppe von empfindlichen Elementen (10₁ –10₃ ), die entlang der ersten Richtung beabstandet angeordnet sind, eine zweite Gruppe von empfindlichen Elementen (10₄ –10₇ ), die entlang der zweiten Richtung beabstandet angeordnet sind, und eine dritte Gruppe von empfindlichen Elementen (10₈ –10₉ ), die die Winkelstellung des Dauermagneten erfassen, aufweisen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente (10₁ –10₉ ) integrierte Halleffekt-Sensoren sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente (10₁ –10₉ ) durch Magnetowiderstände gebildet werden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (3) vier Quadranten besitzt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Elemente (10₁ –10₉ ) in einem integrierten Bauelement (2) integriert sind, welches außerdem eine Codegeneratoreinheit (27), einen Codespeicher (29) und eine Verarbeitungseinheit (28) aufweist, wobei die Codegeneratoreinheit (27) an die empfindlichen Elemente angeschlossen ist und einen Digitalcode erzeugt, der zu der Ausgangsspannung der empfindlichen Elemente in Beziehung steht, der Codespeicher (29) eine Ent sprechung zwischen mehreren Codes und einer entsprechenden Mehrzahl von Steuersignalen speichert, und die Verarbeitungseinheit (28) an die Codegeneratoreinheit und die Verarbeitungseinheit angeschlossen und dazu ausgelegt ist, Steuersignale (S) zu erzeugen, die den Digitalcodes entsprechen, die von der Codegeneratoreinheit nach Maßgabe der gespeicherten Entsprechung empfangen werden.
Steuereinrichtung (7), umfassend ein Steuerelement (4), welches in mehrere verschiedene Positionen bewegbar und betätigbar ist, um ein Steuersignal (S) zu erzeugen, welches in Beziehung zu einer der mehreren Positionen steht, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen magnetischen Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Steuerhebel (4) eines Längssystems aufweist.