DE69816755T2

DE69816755T2 - Magnetischer drehgeber

Info

Publication number: DE69816755T2
Application number: DE69816755T
Authority: DE
Inventors: Andreas HÄBERLI; Christoph Maier; Matthias Metz
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: EP0916074B1; DE69816755D1; US6288533B1; EP0916074A1; WO1998054547A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der berührungsfreien Winkelmessung. Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der entsprechenden unabhängigen Ansprüche, wobei das Verfahren und die Vorrichtung dazu dienen, die Drehstellung eines Rotors mit Hilfe einer an dem Rotor befestigten Magnetfeldquelle und ortsfesten Sensormitteln zu ermitteln, die das Magnetfeld der Magnetfeldquelle messen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind bspw. bei Drehschaltern oder bei der Ermittlung einer Drehstellung einsetzbar.
Hintergrund der Erfindung
In verschiedenen Anwendungsbereichen, etwa bei handbetätigten elektrischen Schaltern oder der Positionsbestimmung eines Motors, ist die Messung eines Drehwinkels erforderlich (siehe z. B. DE 38 26 408 A1 ). Diese Aufgabe kann, je nach Kosten- und Genauigkeitsanforderungen, durch unterschiedliche Vorgehensweisen gelöst werden, z. B. mit mechanischen Kontakten, optischen Decodierern oder magnetischen Decodierern. Die moderne Technologie auf dem Gebiet der integrierten Schaltkreise eröffnet die Möglichkeit, magnetische Sensoren und ihre Auslese- und Winkelberechnungs-Elektronik auf einem Chip zu integrieren. Dies ermöglicht Ausführungen von Detektoren für mechanische Drehungen zu wettbewerbsfähigen Kosten und dennoch guter Leistung; die aus einem an dem Rotor befestigten Permanentmagneten und monolithisch integrierten, an einem Stator befestigten Sensormitteln bestehen. Das Fehlen eines mechanischen Kontakts zwischen dem Rotor mit dem Magneten und dem Stator mit den Sensormitteln ermöglicht eine hermetische Kapselung der Sensormittel. Dies erlaubt eine abnutzungsfreie Winkelmessung unter rauhen Umgebungsbedingungen.
Die Robustheit der Winkelmessung gegen mechanische Toleranzen, Geräteabwandlungen und gegen äußere elektromagnetische Felder ist neben niedrigen Herstellungskosten ein sehr wichtiges Leistungskriterium.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich die Drehstellung eines Rotors unter Verwendung einer mit dem Rotor verbundenen Magnetfeldquelle und ortsfesten Magnetfeld-Sensormitteln zur Messung des Magnetfelds der Magnetfeldquelle ermitteln lassen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung eine im Vergleich zu bekannten derartigen Verfahren und Vorrichtungen verbesserte Robustheit gegen Empfindlichkeits- und Drift-Schwankungen der Sensormittel, gegen äußere magnetische Felder und außerdem gegen mechanische Toleranzen im Hinblick auf die Relativpositionen der Sensormittel und der Magnetfeldquelle bieten.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung wie in den Ansprüchen angegeben gelöst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungsfreien Winkelmessung weist eine Magnetfeldquelle, die auf dem um eine Drehachse drehbaren Rotationsteil (Rotor) befestigt ist, und eine Anordnung von Magnetfeldsensoren auf, die auf dem nicht drehbaren Teil (Stator) befestigt ist. Die Magnetfeldquelle ist so angeordnet, daß das Magnetfeld keine Rotationssymmetrie bezüglich der Drehachse hat. Die Sensormittel bestehen aus wenigstens drei Sensoren, die als wenigstens zwei Sensorpaare angeordnet sind, wobei jeder Sensor durch ein Sensorcluster (eine Vielzahl in dichtem Abstand zueinander angeordneter Sensoren) ersetzt sein kann. Die Sensoren, bspw. Hall-Sensoren, sind so angeordnet, daß wenigstens die zwei Sensoren eines jeden Sensorpaars parallele Komponenten des magnetischen Feldes erfassen. Die Sensoren sind außerdem so angeordnet, daß Verbindungslinien, die jeweils zwei Sensoren eines Sensorpaars verbinden, Projektionen in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse haben, die zueinander einen Winkel bilden. Vorteilhafterweise sind die Sensoren eines jeden Paars in einer einzigen Ebene senkrecht zu der Drehachse, z. B. alle Paare in der gleichen Ebene, angeordnet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mechanische Winkel (Drehstellung des Rotors) bestimmt, indem wenigstens ein Verhältnis zweier Differenzsignale von jeweils einem Sensorpaar (das Differenzsignal eines Sensorpaars ist die Differenz zwischen den Signalen der beiden Sensoren des Paars) berechnet und das berechnete Verhältnis mit einer vorgegebenen (berechneten oder experimentell bestimmten) Funktion dieses Verhältnisses vom Drehwinkel verglichen wird. Wenn anstelle einzelner Sensoren Sensorcluster verwendet werden, wird der Mittelwert der Sensorsignale des Clusters für die Berechnung des Differenzsignals verwendet.
Dieses Verfahren erlaubt eine Winkelbestimmung, die unempfindlich gegenüber den beiden Sensoren eines jeden Paars gemeinsamen Schwankungen (z. B. Drift), gegenüber Empfindlichkeitsschwankungen, die allen zu einem Verhältnis beitragenden Sensoren gemeinsam sind, und außerdem gegenüber äußeren Magnetfeldern ist.
Um den Einfluß mechanischer Fehlausrichtungen der sich drehenden Magnetfeldquelle und der Sensoranordnung zueinander und zu der Drehachse zu verringern oder sogar zu unterdrükken, sind die Magnetfeldquelle und die Sensoranordnung so ausgelegt und so angeordnet, daß die an jedem beliebigen Sensorort zu messende Magnetfeldkomponente durch das Produkt aus einem Polynom erster Ordnung innerhalb einer ebenen Oberfläche, die im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist (das Magnetfeld ändert sich linear innerhalb einer solchen ebenen Oberfläche, d. h. es hat keine Krümmung) und aus einer Funktion senkrecht zu dieser ebenen Oberfläche beschrieben wird, wobei diese Funktion im wesentlichen für alle Sensororte gleich ist und vorteilhafterweise durch eine lineare Funktion gut angenähert wird.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Informationen über den mechanischen Drehwinkel kann das Feld der Magnetfeldquelle dazu verwendet werden, den Rotor durch Hinzufügen eines ferromagnetischen Jochs zu dem Stator an seinem Platz zu halten. Dieses das Magnetfeld des Rotors formende Joch verbessert zusätzlich die Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegen mechanische Fehlausrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird eingehender mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen:
1' einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des um eine Drehachse 1 drehbaren Rotors 2 zeigt, wobei die Vorrichtung einen Rotor 2 mit einer Magnetfeldquelle 2.1 und einen Stator 3 mit einer ebenen Anordnung von Hall-Einrichtungen 4 bis 7 aufweist, die bspw. monolithisch mit einer Elektronik zur Signalverarbeitung und Winkelberechnung in einem integrierten Schaltkreis integriert sein können;
2 eine beispielhafte Anordnung zweier Sensorpaare 4/5 und 6/7 in Richtung der Drehachse 1 zeigt, wobei jedes Sensorpaar im wesentlichen innerhalb einer senkrecht zu der Drehachse 1 verlaufenden Ebene angeordnet ist und wobei beide Paare in derselben Ebene liegen können, jedoch nicht müssen;
3 die Magnetfeldkomponente parallel zur Drehachse zeigt (Linien gleicher Feldstärke in einem Quadrat von 2 × 2 mm, das mittig zwischen dem Nordpol und dem Südpol angeordnet ist), wie sie durch einen Stabmagnet erzeugt wird, und zwar bei einem Abstand von 0,5 mm von der Oberfläche des Magneten, wobei der von dem Kreis 30 umschlossende Bereich (Fläche von etwa 120 μm Durchmesser) den Anforderungen entspricht, die für die Robustheit gegen mechanische Toleranzen erforderlich sind;
4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des mechanischen Drehwinkels um eine Achse 1 zeigt, wobei die Vorrichtung einen Rotor 2 mit zwei Stabmagneten 8 und 9, ein ferromagnetisches Joch 10, einen Stator 3 mit einer Anordnung von Hall-Sensoren 4, 5, 6 und ein ferromagnetisches Joch 11 aufweist, das dazu dient, den Rotor 2 an seinem Platz zu halten und das Magnetfeld in der Nähe der Sensoren zu formen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 (in einem Schnitt entlang der Drehachse 1) gezeigt. Die Vorrichtung weist eine an einem um eine Achse 1 sich drehenden Rotor 2 befestigte Magnetfeldquelle 2.1 und eine Anordnung aus bspw. vier Magnetfeldsensoren auf, von denen drei Sensoren 4, 5 und 6 sichtbar sind. Die Sensoren sind innerhalb des Feldes der Magnetfeldquelle angeordnet. Die Feldsensoren erfassen das Magnetfeld oder eine bestimmte Komponente davon, die als B_t bezeichnet wird. Die Feldsensoren sind bspw. Hall-Sensoren, die die Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu ihrer Sensorebene erfassen und in einem Chip, vorzugsweise zusammen mit einer Auslese- und Winkelberechnungs-Elektronik, integriert sind.
Wie in 2 (Draufsicht) gezeigt, weist die beispielhaft dargestellte Sensoranordnung zwei Sensorpaare 4/5 und 6/7 auf, die vorzugsweise innerhalb einer Ebene angeordnet sind, wobei diese Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse 1 des Rotors 2 orientiert ist. Die Verbindungslinien zwischen den beiden Sensoren eines jeden Paars müssen nicht alle parallel sein. Es ist möglich, daß unterschiedliche Sensorpaare sich einen gemeinsamen Sensor teilen (z. B. in einer Anordnung mit lediglich drei Sensoren).
Das von jedem Sensor gemessene Signal ist an der Sensorposition proportional zu B_t. Für jedes Sensorpaar wird die Differenz der zwei Sensorsignale erzeugt. Der nachfolgend mit Φ bezeichnete Drehwinkel wird als Funktion eines Verhältnisses von Differenzsignalen berechnet. Dieses Verfahren ist unempfindlich gegenüber einer Multiplikation der Sensorsignale mit einem Faktor, der allen Sensoren gemeinsam ist, deren gemessene Signale zur Berechnung eines Dif ferenzverhältnisses verwendet werden, und außerdem unempfindlich gegenüber der Addition eines Signals, das einem Sensorpaar gemeinsam ist, z. B. aufgrund einer Sensordrift oder äußerer Magnetfelder. Eine Mehrdeutigkeit des Winkels Φ um ± 180°, die durch die Verwendung dieses Verfahrens zur Winkelbestimmung eingeführt wird, wird eliminiert, indem eine Vielzahl von Differenzverhältnissen zur Winkelbestimmung verwendet wird, oder indem das Vorzeichen der Differenzsignale von wenigstens einem der Sensorpaare ausgewertet wird, z. B. durch Feststellung, daß das Differenzsignal einen positiven oder einen negativen Wert hat.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Sensorpaare auf, wobei die Sensoren eines jeden Paares an gegenüberliegenden Ecken eines Quadrats positioniert sind, das senkrecht zu und symmetrisch bezüglich der Drehachse 1 des Rotors 2 angeordnet ist, wobei alle Sensoren parallele Komponenten des Feldes messen, z. B. Komponenten senkrecht zu der Ebene des Quadrats. In diesem besonderen Fall ist der mechanische Winkel Φ gegeben durch: Φ = arc tan{(s7 – S6)/(S5 – S4)} = arc cot{(S5 – S4)/(S7 – S6)}.
Mehrere Sensorpaare können zur Verbesserung der Genauigkeit hinzugefügt werden.
Eine geringe Störempfindlichkeit des gemessenen Drehwinkels Φ, wie er mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurde, gegenüber einer mechanischen Translation der Magnetfeldquelle und/oder der Sensoranordnung zueinander und zu der Drehachse wird erzielt, indem die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt wird, daß in der Nähe einer jeden möglichen Sensorposition das Magnetfeld linear innerhalb der Ebene ist, in der die Sensoren angeordnet sind, und daß an jeder möglichen Sensorposition die Veränderung des Magnetfelds parallel zur Drehachse im wesentlichen von der gleichen Funktion bestimmt wird.
Die vorstehend aufgeführten Maßnahmen, mit denen sich die Auswirkung einer Translation im wesentlichen unterdrücken läßt, werden im folgenden erklärt: Es sei V_i das Volumen in einem rotierenden Koordinatensystem, das von der Magnetfeldquelle befestigt ist und die Position der beiden Feldsensoren eines Sensorpaars, indiziert mit i, umschließt, und zwar für jeden Drehwinkel Φ und jede mechanische Verschiebung, die unter zulässigen Betriebsbedingungen des Winkeldetektors auftreten mag. Es seien x und y geradlinige Koordinaten senkrecht zu der Drehachse und z die Linearkoordinate parallel zu der Drehachse. Die Feldkomponente der Magnetfeldquelle, die durch die Sensoren innerhalb des Volumens V_i gemessen wird, wird im wesentlichen durch eine Funktion B_t (x, y, z) = B_i ⁰ + a_i·x·f_i(z) , mit Konstanten B_i ⁰ und a_i und mit einer Funktion f_i(z), die unabhängig von x und y ist. Die Funktionen f_i(z) und f_j(z), die den Sensorpaaren i und j zugeordnet sind und aus denen das Differenzverhältnis zur Bestimmung des Winkels Φ berechnet wird, sind im wesentlichen gleich. Eine mechanische Translation der Sensoranordnung oder der Magnetfeldquelle senkrecht zu der Drehachse führt zu einem Gleichtaktsignal der Sensor paare, das im wesentlichen durch die Verwendung von Differenzsignalen entfernt wird. Eine mechanische Translation der Sensoranordnung oder der Magnetfeldquelle parallel zu der Drehachse (d. h. eine Veränderung des Abstandes zwischen der Magnetfeldquelle und der Sensoranordnung) beeinflußt den gemessenen Winkel Φ nicht, da das Verhältnis zweier Differenzsignale sich mit z aufgrund der für den Satz der f_i(z)-Funktionen wie oben angeführt geltenden Bedingung nicht verändert.
Um eine geringe Empfindlichkeit oder sogar eine Unempfindlichkeit gegen Verkippung zu erzielen, d. h. gegen eine mechanische Drehung der Magnetfeldquelle und/oder der Sensoranordnung um eine Achse (Kippachse) senkrecht zur Drehachse, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt, daß in der Nähe jeder möglichen Sensorposition die Veränderung des Magnetfelds parallel zur Drehachse im wesentlichen durch die gleiche lineare Funktion bestimmt ist, und die Sensoren eines jeden Paares sind so angeordnet, daß die zwei Sensoren eines Paares verbindenden Verbindungslinien senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sind und mittig von der Drehachse geschnitten werden.
Die vorstehend aufgeführten Maßnahmen, mit denen die Wirkung einer Verkippung im wesentlichen unterdrückt werden kann, werden im folgenden erklärt: Bei der mechanischen Verschiebung führt in erster Ordnung eine Verkippung der Sensoranordnung oder des Permanentmagnets bezüglich der vorgegebenen Drehachse zu einem Gleichtaktsignal der Sensorpaare, wenn die ein Paar bildenden Sensoren im wesentli chen auf der Schnittlinie zwischen einer senkrecht zur Drehachse angeordneten Ebene und der Oberfläche eines um die Kippachse zentrierten Zylinders positioniert sind. Für das Auftreten von Verkippungen in der Praxis, nämlich ein Spiel des Rotors um einen Lagerpunkt oder eine verkippte Befestigung der Sensoranordnung oder der Magnetfeldquelle bezüglich der Drehachse, können die Kippachse und die Drehachse als sich in einem Punkt schneidend angesehen werden. Folglich wird der Einfluß einer Verkippung auf den gemessenen Winkel durch Verwendung von Differenzsignalen der Sensorpaare größtenteils unterdrückt, wenn die ein Paar bildenden Sensoren im wesentlichen in einer senkrecht zu der Drehachse angeordneten Ebene positioniert sind, so daß die Drehachse diese Ebene in der Mitte jeder die zwei Sensoren eines Paares verbindenden Linie schneidet. Je besser die Funktionen von f_i(z) durch ihre erste Ordnung einer Taylor-Entwicklung um die Nominalpositionen der Sensoren angenähert werden, umso geringer ist der Einfluß der Verkippung auf den gemessenen Winkel.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel erzeugt ein homogen magnetisierter Stabmagnet, der die Form eines Quaders von 2mm × 3mm × 3mm hat, wobei die erste Größe der Abstand zwischen den beiden Polflächen ist, eine Feldkomponente, die im wesentlichen die oben erwähnten Bedingungen erfüllt, die für eine optimale Verringerung des Einflusses von Sensordrift und Empfindlichkeitsschwankungen und auch für mechanische Toleranzen in einem Volumen von (0,6 mm)³, positioniert etwa 0,5 mm entfernt von einer der rechteckigen Oberflächen des Magnets, erforderlich sind. 3 zeigt die Linien gleicher magnetischer Feldstärke des Magnetfelds, das von dem vorstehend beschriebenen Magnet in einem Abstand von 0,5 mm von einer der rechteckigen Oberflächen des Magnets erzeugt wird. Die in der Figur gezeigte Fläche ist ein Quadrat von 2 mm (2 × 1000 μm) in der Mitte der rechtekkigen Fläche, wobei die Nord-/Süd-Achse nach oben bzw. unten in der Figur orientiert sind. Der durch den Kreis 30 umschlossene Mittelbereich dieser Fläche erfüllt die oben angegebenen Bedingungen.
Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der quaderförmige Magnet derart auf dem Rotor befestigt, daß die Drehachse parallel zu den Polflächen des Magnets ausgerichtet ist und durch die Mittelpunkte zweier einander gegenüberliegender rechteckiger Oberflächen des Magnets verläuft, und die Sensoren sind bspw. in Form eines Quadrats angeordnet, das senkrecht zur Drehachse orientiert ist, von der rechteckigen Oberfläche des Magneten etwa 0,5 mm beabstandet ist und bei dem die Sensoren eines Paars voneinander mit nicht mehr als etwa 1 mm (positioniert innerhalb des Kreises 30, wie in 3 angedeutet) zueinander beabstandet sind.
4 zeigt ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Stator 3 zusätzlich zu der Sensoranordnung mit den erkennbaren Sensoren 4, 5 und 6 ein ferromagnetisches Joch 11 auf, das die Form eines Rings hat, in dem die Sensoren positioniert sind. Das Joch 11 erfüllt die Doppelfunktion, den Rotor 2 an seinem Platz zu halten und das Magnetfeld der sich drehenden Magnetfeldquelle zu formen, um auf diese Weise ein Volumen V zur Positionierung der Sensoren zu erhalten, bei dem die gemessene Magnetfeldkomponente B_t den oben aufgeführten Bedingungen entspricht. Bei fester Verbindung mit der Sensoranordnung verringert das Joch 11 Schwankungen der Feldkomponente B_t innerhalb von V, die auf eine andere Bewegung des Rotors 2 als die um die Drehachse 1 zurückgehen.
Die Magnetfeldquelle nach dem Ausführungsbeispiel aus 4 besteht aus zwei quaderförmigen oder zylindrischen Magneten 8 und 9 sowie aus einem weiteren ferromagnetischen Joch 10 oder einem O-förmigen Permanentmagneten, wobei diese Magnetfeldquelle eine Nord- und eine Südfläche hat, die im wesentlichen in der gleichen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene und im wesentlichen symmetrisch zur Drehachse angeordnet sind.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung eines Rotors (2), der um eine Rotationsachse (1) drehbar ist und eine Magnetfeldquelle (2.1, 8/9) trägt, die ein Magnetfeld ohne Rotationssymmetrie bezüglich der Drehachse (1) erzeugt, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet, lokale Komponenten des Magnetfeldes unter Verwendung ortsfester Sensormittel zu messen und die Drehstellung des Rotors (2) durch Vergleichen von durch die Sensormittel gemessenen Größen mit einer vorgegebenen Funktion der Feldkomponente von der Drehstellung des Rotors (2) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß, um den Einfluß von äußeren Magnetfeldern und von Empfindlichkeits- und Driftschwankungen der Sensormittel auf die Genauigkeit der Bestimmung der Drehstellung zu verringern, die Sensormittel als wenigstens drei Sensoren (4, 5, 6, 7) ausgelegt sind, die wenigstens zwei Sensorpaare (4/5, 6/7) bilden, wobei die Sensoren eines jeden Sensorpaars im wesentlichen parallele Komponenten des Magnetfeldes erfassen, und wobei Verbindungslinien, die jeweils zwei Sensoren eines Sensorpaars verbinden, Projektionen in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse (1) haben, die relativ zueinander einen Winkel bilden, und daß Differenzen der von den zwei Sensoren eines jeden Sensorpaars (4/5, 6/7) gemessenen Größen und wenigstens ein Verhältnis der Differenzen zweier Paare berechnet werden, und daß das wenigstens eine Differenzverhältnis mit einer entsprechenden vorgegebenen Funktion verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Einflusses einer mechanischen Translation der ortsfesten Sensormittel und/oder der Magnetfeldquelle (2.1, 8/9) relativ zueinander oder relativ zur Drehachse (1) die Magnetfeldquelle (2.1, 8/9) so ausgelegt ist, daß das Magnetfeld ein Volumen (V) aufweist, in dem die von den Sensoren (4, 5, 6, 7) zu messende Komponente sich im wesentlichen linear in einer senkrecht auf der Drehachse (1) verlaufenden Ebene und parallel zu der Drehachse (1) gemäß einer Funktion verändert, die an allen Orten innerhalb des Volumens (V) im wesentlichen die gleiche ist, und die Sensoren (4, 5, 6, 7) so in dem Volumen (V) angeordnet sind, daß jede die zwei Sensoren eines Sensorpaars (4/5, 6/7) verbindende Linie im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse (1) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Einflusses einer mechanischen Verkippung der Magnetfeldquelle (2.1, 8/9) und/oder der Sensormittel relativ zur Drehachse (1) die Magnetfeldquelle so ausgelegt ist, daß innerhalb des Volumens (V) das Magnetfeld sich im wesentlichen linear in einer Richtung parallel zur Drehachse (1) verändert und die Sensoren (4, 5, 6, 7) so angeordnet sind, daß jede die zwei Sensoren eines Sensorpaars (4/5, 6/7) verbindende Linie von der Drehachse (1) geschnitten und in zwei gleiche Hälften geteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verhindern einer Mehrdeutigkeit zwischen Drehstellungen des Rotors (2), die sich um einen Winkel von 180° unterscheiden, mehrere Differenzverhältnisse für unterschiedliche Zweiergruppen von Sensorpaaren berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Mehrdeutigkeit zwischen Drehstellungen des Rotors (2), die sich um einen Winkel von 180° unterscheiden, der Schritt der Bestimmung der Drehstellung die Berechnung der Differenzen der Meßsignale und der entsprechenden Verhältnisse mit einem positiven oder einem negativen Vorzeichen beinhaltet.
Vorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung eines um eine Drehachse (1) drehbaren Rotors (2) mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine auf dem Rotor (2) befestigte Magnetfeldquelle (2.1, 8/9), einen Stator (3) mit Sensormitteln zur Messung des von der Magnetfeldquelle erzeugten Magnetfeldes und Mittel aufweist zur Berechnung der Drehstellung des Rotors (2) aus den Meßsignalen der Sensormittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel wenigstens drei Sensoren (4, 5, 6, 7) aufweisen, die in wenigstens zwei Sensorpaaren (4/5, 6/7) angeordnet sind, wobei die Sensoren eines jeden Sensorpaars im wesentlichen parallele Komponenten des Magnetfelds erfassen, und wobei Verbindungslinien, die jeweils zwei Sensoren eines Sensorpaars (4/5, 6/7) verbinden, Projektionen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (1) haben, die relativ zueinander einen Winkel bilden, und daß die Mittel zum Berechnen der Drehstellung Mittel zur Berechnung der Differenzen der Signale der zwei Sensoren eines jeden Sensorpaars (4/5, 5/6), Mittel zum Berechnen eines Verhältnisses der Differenzen für die wenigstens zwei Sensorpaare und Mittel zum Vergleichen des Verhältnisses der Differenzen mit einer entsprechenden vorgegebenen Funktion der Feldkomponente von der Drehstellung des Rotors (2) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Sensoren (4, 5, 6, 7) durch ein Sensorcluster ersetzt ist, das aus mehreren in dichtem Abstand zueinander angeordneten Sensoren besteht, und daß die Mittel zur Berechnung Mittel zur Berechnung eines Mittelwerts der Meßsignale der Sensoren eines jeden Sensorclusters umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Sensoren eines jeden Sensorpaars (4/5, 6/7) oder die Sensoren aller Sensorpaare (4/5, 6/7) in der gleichen, senkrecht zur Drehachse (1) verlaufenden Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Sensoren eines jeden Sensorpaars (4/5, 6/7) so angeordnet sind, daß die die zwei Sensoren verbindende Linie die Drehachse (1) schneidet und von der Drehachse in zwei gleiche Hälften geteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel vier Sensoren (4, 5, 6, 7) umfassen, die in den Ecken eines Quadrats angeordnet sind, wobei das Quadrat senkrecht und symmetrisch zur Drehachse (1) orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4, 5, 6, 7) Hall-Sensoren sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4, 5, 6, 7) in einem Chip (3) zusammen mit einer Auslese- und Berechnungs-Elektronik integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldquelle ein Permanentmagnet (10) ist, der zwei einander gegenüberliegende Polflächen hat, und daß der Magnet so auf dem Rotor (2) angeordnet ist, daß die Drehachse (1) durch die Mitte des Magnets hindurchgeht und parallel zu den gnets hindurchgeht und parallel zu den beiden Polflächen verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldquelle Permanentmagnetmittel (8, 9) mit zwei Polflächen aufweist, die im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, und daß die Permanentmagnetmittel auf dem Rotor (2) so angeordnet sind, daß die Polflächen im wesentlichen senkrecht und im wesentlichen symmetrisch zur Drehachse (1) verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3) außerdem ein ortsfestes, ringförmiges ferromagnetisches Joch (11) aufweist, und daß die Sensoren (4, 5, 6, 7) innerhalb des ringförmigen Jochs (11) angeordnet sind.