WO2009121352A2

WO2009121352A2 - Diagnostizierbarer hallsensor

Info

Publication number: WO2009121352A2
Application number: PCT/DE2009/050012
Authority: WO
Inventors: Andreas Peukert; Wolfgang Kliemannel
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2009-10-08
Also published as: DE102008000943B4; KR20110021718A; EP2260315A2; JP2011516842A; JP5599112B2; CN101983340A; US20110018534A1; WO2009121352A3; US8362764B2; DE102008000943A1; KR101528651B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Ermittlung von Magnetfeldstärken mit einer Hall-Sonde (2), sowie ferner ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung (1). Die Messvorrichtung umfasst eine Sensoreinrichtung (1) mit einer Hall-Sonde (2) und zeichnet sich erfindungsgemäß durch einen von der Hall-Sonde (2) galvanisch getrennten, elektrischen Diagnoseleiter (4) aus. Es wird eine diagnostizierbare Hall-Sensoreinrichtung (1) sowie ein Verfahren zur Funktionsdiagnose eines Hall-Sensors (2) geschaffen, mit dem eine permanente, umfassende Diagnose der Sensoreinrichtung (1) bzw. des Hall-Sensors (2) erfolgen kann. Insbesondere kann der Hall-Sensor (2) nicht nur qualitativ auf Funktionsfähigkeit bzw. Ausfall, sondern auch quantitativ in Bezug auf korrekte Kalibrierung überprüft werden, und es kann gegebenenfalls eine sofortige Korrektur bzw. Re-Kalibrierung des Sensors (2) erfolgen. Insbesondere Messfehler beispielsweise aufgrund einer Temperaturdrift oder aufgrund von mechanischen Verspannungen des Sensors (2) lassen sich somit eliminieren.

Description

Diagnostizierbarer Hallsensor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Position einer Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hall-Sonden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im Prinzip bestehen Hall-Sonden aus einer leitfähigen Sensorfläche, die von einem Speisestrom durchflössen wird. Tritt nun ein magnetisches Feld in Wechselwirkung mit der von dem Strom durchflossenen Sensorfläche, so kommt es aufgrund der Lorentzkraft auf die bewegten elektrischen Ladungsträger in der Sensorfläche zu einer Ablenkung der Ladungsträger quer zu deren Bewegungsrichtung. Hierdurch wird ein elektrisches Feld sowie eine zwischen den beiden seitlichen Rändern der Sensorfläche messbare elektrische Spannung erzeugt.

Diese als Hall-Spannung bekannte Spannung ist proportional zum Produkt aus der magnetischen Flussdichte des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes und dem die Sensorfläche durchfließenden Speisestrom. Auf diese Weise kann mittels einer Messung der Hall-Spannung - bei bekannter Speisestromstärke - die auf den Sensor wirkende magnetische Flussdichte bis auf einen Proportionalitätsfaktor bestimmt werden, wobei der Proportionalitätsfaktor hauptsächlich von den geometrischen Abmessungen der Sensorfläche abhängig ist.

Derartige Hall-Sonden oder Hall-Sensoren sind z.B. in Form von integrierten Hall-Sensor-Bauelementen bekannt, wobei dem eigentlichen Hall-Sensor eine Verarbeitungsvorrichtung nachgeschaltet ist, die das von dem Hall-Sensor abgegebene Hall-Signal für eine Auswertung aufbereitet und ein aus dem Hall-Signal resultierendes Ausgangssignal abgibt. Sowohl der Hall-Sensor als auch die Verarbeitungsvorrichtung können dabei in einem einzigen Gehäuse integriert sein.

Hall-Sensoren lassen sich beispielsweise dazu einsetzen, Relativpositionen von zwei mechanischen Bauteilen berührungs- und verschleißtrei zu ermitteln. Hierzu wird ein Hall-Sensor an einem der beiden mechanischen Bauteile angeordnet, während ein magnetfelderzeugendes Bauteil, vorzugsweise ein Permanentmagnet, an dem anderen der beiden mechanischen Bauteile angeordnet wird. Bei einer Relativbewegung der beiden mechanischen Bauteile verändert sich auch die Stärke und/oder der Winkel der Magnetfeldlinien des magnetfelderzeugenden Bauteils am Ort des Hall-Sensors, und damit die von dem Hall-Sensor erzeugte Hall-Spannung. Somit kann die Veränderung der Relativposition der beiden mechanischen Bauteile registriert, und im Fall einer entsprechenden Kalibrierung des Hall-Sensors auch gemessen bzw. quantitativ ermittelt werden.

Es besteht jedoch grundsätzlich auch bei einem Hall-Sensor das Risiko eines Ausfalls des Sensor-Bauelements, beispielsweise aufgrund eines elektronischen Defekts. Ebenso ist es möglich, dass das Messsignal verfälscht wird, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen, aufgrund von eingestreuten externen Magnetfeldern, oder auch aufgrund mechanischer Spannungen, die sich auf den Hall-Sensor übertragen und so dessen Empfindlichkeit bzw. Kennlinie verändern können.

Fällt nun ein herkömmliches Hall-Sensor-Bauelement aufgrund eines derartigen Defektes aus, bzw. ergeben sich aufgrund der beschriebenen Randbedingungen Verfälschungen des Signals des Hall-Sensors, so besteht häufig das Problem, dass die Funktionsfähigkeit des

Hall-Sensor-Baulements im eingebauten Zustand bzw. im laufenden Betrieb nicht ausreichend überprüft werden kann, so dass der Defekt nicht erkannt wird. Noch weniger Möglichkeiten bietet der Stand der Technik bezüglich der Diagnostizierung nicht nur des Hall-Sensor-Elements selbst, sondern auch der dem Hall-Sensor zugeordneten Auswerteelektronik, die zusammen mit dem eigentlichen Sensorelement zumeist in einem einheitlichen Chipgehäuse untergebracht ist. Aus der Druckschrift DE 100 47 994 Al ist ein Hall-Sensor-Bauelement bekannt, bei dem eine Diagnose des Hall-Sensors im eingebauten Zustand dadurch durchgeführt werden kann, dass der Strom, der das Hall-Sensor-Bauelement durchfließt, zyklisch verändert wird, und indem aus einer dementsprechenden Veränderung der Sensor-Ausgangsspannung auf die Funktionsfähigkeit des Sensors rückgeschlossen wird. Bei dieser bekannten Lehre kann jedoch nur im Sinne einer qualitativen Analyse festgestellt werden, ob das Hall-Sensor-Bauelement und/oder die nachgeschaltete Auswerteelektronik überhaupt funktioniert, oder ob ein Ausfall einer der Komponenten vorliegt. Hingegen ist es weder möglich, festzustellen, ob bei einem Ausfall das Hall-Sensor-Bauelement selbst oder die Auswerteelektronik betroffen ist, noch kann eine quantitative Analyse dergestalt erfolgen, dass überprüft werden kann, ob das Ausgangssignal des Sensors beispielsweise durch externe Einflüsse verfälscht wurde. So ist es bei dieser bekannten Lehre auch nicht möglich festzustellen, ob das Hall-Sensor-Bauelement beispielsweise mechanisch verspannt ist und aus diesem Grund ein verfälschtes Signal abgibt. Denn auch in diesem Fall lässt sich nicht feststellen, ob die Veränderung des Ausgangssignal des Hall-Sensor-Bauelements auf eine mechanische Verspannung bzw. auf einen anderen Fehler des Hall-Sensor-Bauelements zurückgeht, oder aber tatsächlich einer Veränderung des gemessenen Magnetfelds entspricht.

Mit diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine diagnostizierbare Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde, bzw. ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung zu schaffen, womit eine umfassende Diagnose der Sensoreinrichtung erfolgen kann. Insbesondere soll die Erfindung dabei ermöglichen, eine Diagnose des Hall-Sensor-Bauelements wie auch der Auswerteelektronik des Hall-Sensor-Bauelements durchzuführen. Überdies soll nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Diagnose der

Sensoreinrichtung ermöglicht werden, wodurch auch eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung, bzw. eine Eliminierung von Messfehlern ermöglicht werden soll, die beispielsweise aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen auftreten .

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine diagnostizierbare Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Funktionsdiagnose für eine Hall-Sensoreinrichtung gemäß Patentanspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

In für sich genommen zunächst bekannter Weise dient die Messvorrichtung der Ermittlung der Feldstärke eines Magnetfelds. Hierzu umfasst die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung mit zumindest einer Hall-Sonde. Die Hall-Sonde ist dabei zur Erzeugung einer Hall-Spannung in Abhängigkeit des die Hall-Sonde durchdringenden Magnetfeldes sowie in Abhängigkeit eines durch die Hall-Sonde fließenden Speisestroms eingerichtet .

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Messvorrichtung jedoch durch einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Hall-Sonde angeordneten elektrischen Diagnoseleiter, sowie durch eine Treibereinrichtung zur Erzeugung eines bestimmten elektrischen Diagnosestroms durch den Diagnoseleiter aus.

Dabei erzeugt der Diagnoseleiter, durch den mittels der Treibereinrichtung ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom geleitet wird, ein durch den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld, welches wiederum auf die Hall-Sonde wirkt. Hierdurch wird in der Hall-Sonde eine Hall-Spannung einer bestimmten Größe erzeugt. Diese durch den Diagnosestrom hervorgerufene Hall-Spannung lässt sich auswerten und infolge der Auswertung können Rückschlüsse auf die Funktion der Hall-Sonde wie auch auf die Funktion der Auswerteelektronik der Hall-Sonde gezogen werden.

Insbesondere kann auch ein Zusammenhang zwischen der Größe des Diagnosestroms und der Größe der dadurch hervorgerufenen Hall-Spannung hergestellt werden, da einer bestimmten Größe des Diagnosestroms eine bestimmte Magnetfeldstärke des Diagnoseleiters und damit auch ein bestimmter Sollwert der mit dieser Magnetfeldstärke verbundenen Hall-Spannung zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Hall-Sonde bzw. deren Auswerteelektronik ziehen. Bei entsprechend genauer Auswertung kann sogar eine Kalibrierung der Hall-Sonde bzw. der Messvorrichtung erfolgen, indem aus der bekannten Größe des Diagnosestroms und aus der Größe der dadurch hervorgerufenen Hall-Spannung sowie aus dem Sollwert der mit diesem Diagnosestrom verbundenen Hall-Spannung ein entsprechender Korrekturwert ermittelt wird. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperaturkompensation der Hall-Sonde erfolgen, so dass sich die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität der Hall-Sonde erheblich verbessern lässt.

Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden somit diagnostizierbare Magnetfeldsensoren geschaffen, die bevorzugt dort eingesetzt werden können, wo aus Sicherheitsgründen eine zuverlässige Erkennung des Ausfalls des Sensors erforderlich ist, beispielsweise um beim Ausfall von Sensoren Schaden von Personen oder Einrichtungen abzuwenden.

Auch ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung im Unterschied zum Stand der Technik dazu in der Lage, die Funktionsfähigkeit des Hall-Sensors bzw. der Auswerteelektronik zu testen, ohne dass hierzu ein externes Magnetfeld vorhanden sein muss, wie dies bei dem zitierten Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr wird das der Diagnose zugrundeliegende Magnetfeld erfindungsgemäß durch den Diagnoseleiter und den Diagnosestrom selbst erzeugt, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, dass die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds bekannt ist, bzw. je nach Erfordernis eingestellt werden kann. So kann beispielsweise auch eine mechanische Verspannung der Hall-Sonde erkannt bzw. diagnostiziert werden, da diese zu einer entsprechenden Verfälschung der Hall-Spannung führt, welche aber anhand des erfindungsgemäß bekannten Diagnosestroms und des damit ebenfalls bekannten Diagnosemagnetfelds registriert werden kann.

Die galvanische Trennung zwischen dem Diagnoseleiter und der Hall-Sonde trägt zu einer besonders sicheren Diagnose sowie zu einem Schutz der Hall-Sonde vor der Diagnosespannung bzw. dem Diagnosestrom bei.

Die Erfindung lässt sich dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklichen, welcher Art und Größe der Diagnosestrom ist, solange die den Diagnosestrom bestimmenden Variablen bekannt sind, woraus sich auch die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds und damit auch die Sollgröße der durch das Diagnosemagnetfelds erzeugten Hall-Spannung berechnen lässt.

Gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weist der Diagnosestrom jedoch eine sich in bekannter Weise zyklisch verändernde Stromstärke auf, bzw. ist dem Diagnosestrom ein festgelegtes, bekanntes Pulsmuster aufgeprägt. Auf diese Weise ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die von der Hall-Sonde abgegebene Hall-Spannung in eine Mess-Teilspannung und in eine Diagnose-Teilspannung aufzuspalten. Dies ist vorteilhaft insofern, als somit eine vollständige, gegebenenfalls quantitative Diagnose der Hall-Sonde auch dann erfolgen kann, wenn externe Magnetfelder oder Störmagnetfelder von bekannter oder unbekannter Größe vorhanden sind.

Denn insbesondere dann, wenn der Diagnosestrom in Form eines bekannten Pulsmusters vorliegt, lässt sich ein entsprechendes Pulsmuster auch bei der von der Hall-Sonde abgegebenen Hall-Spannung feststellen. Anhand der Anzahl und insbesondere der Höhe der in der Hall-Spannung vorhandenen Pulse kann somit eine Separierung zwischen dem gegebenenfalls mit einem Meßsignal überlagerten Diagnosesignal und dem Meßsignal erfolgen. Insbesondere kann die Amplitude der in der Hall-Spannung vorhandenen Pulse gemessen werden, woraufhin auf Basis dieser gemessenen Amplitude sowie auf Basis der bekannten Amplitude des Diagnosestroms wieder eine vollständige Diagnose der Messvorrichtung bzw. der Hall-Sonde erfolgen kann, wie obenstehend beschrieben.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Hall-Sonde und Diagnoseleiter gemeinsam in einem Sondengehäuse angeordnet bzw. vergossen. Dabei kann es sich insbesondere um ein Chipgehäuse handeln, in welchem die Hall-Sonde und deren Auswerteelektronik wie auch der Diagnoseleiter untergebracht sind. Dies hat den Vorteil, dass die Relativposition zwischen Diagnoseleiter und Hall-Sonde exakt und unveränderlich festgelegt ist, so dass keine eigene Kalibrierung des vom Diagnoseleiter im Bereich der Hall-Sonde erzeugten Magnetfelds erfolgen muss. Ferner ergibt sich hierdurch ein optimaler Schutz des Diagnoseleiters und eine optimale Handhabung der Sensoreinrichtung.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass es sich bei der Sensoreinrichtung um einen integrierten Strommeßsensor handelt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Diagnoseleiter durch den im Chipgehäuse des Strommeßsensors angeordneten Nebenschlusswiderstand bzw. Meßshunt gebildet ist, wobei der Strommeßsensor in diesem Fall nicht zur Messung einer unbekannten Stromstärke herangezogen wird, sondern mittels Vorgabe einer bekannten Stromstärke in Form des Diagnosestroms zur Messung eines Magnetfelds unbekannter Größe bei gleichzeitiger Diagnostizierung des Sensors und der Auswerteelektronik dient.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Messvorrichtung durch einen zusätzlichen, relativ zur Sensoreinrichtung bzw. zur Hall-Sonde beweglich angeordneten Magneten aus. Dabei erfolgt anhand der durch das Magnetfeld des Magneten erzeugten Hall-Spannung der Hall-Sonde eine Bestimmung der Relativposition bzw. des Abstands zwischen Sensoreinrichtung und Magnet. Vorzugsweise sind dabei Sensoreinrichtung und Magnet relativ zueinander drehbar bzw. relativ zueinander verschiebbar angeordnet .

Dies ermöglicht, die Messvorrichtung allgemein zur Bestimmung der Relativposition zweier relativbeweglicher mechanischer Bauteile einzusetzen, indem die Sensoreinrichtung an einem der relativbeweglichen Bauteile und der Magnet an dem anderen der beiden relativbeweglichen Bauteile angeordnet wird.

Mit diesem Hintergrund ergibt sich ein mögliches und bevorzugtes Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Messvorrichtung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen für shift-by-wire-gesteuerte Gangwechselgetriebe von Kraftfahrzeugen. Hierbei werden Hall-Sensor-Messvorrichtungen insbesondere zur verschleiß- und reibungsarmen Ermittlung der Schaltposition von Betätigungshebeln eingesetzt .

Bei derartigen Betätigungseinrichtungen kann - zur Ermittlung des aktuellen Schaltzustands des Getriebe-Betätigungshebels in der Fahrgastkabine - beispielsweise am Betätigungshebel ein Magnet angeordnet sein, der bei einer bestimmten Schaltstellung ein Magnetfeld bestimmter Größe im Wirkbereich der Sensoreinrichtung bzw. der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung erzeugt.

Wird somit für diese Anwendung am Kraftfahrzeug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung zurückgegriffen, so können Störungen oder kann ein Ausfall der Sensoreinrichtung von einer im Kraftfahrzeug angeordneten Diagnoseelektronik ohne weiteres erkannt und entsprechend diagnostiziert werden. Ferner ist es möglich, mittels der im Kraftfahrzeug angeordneten Diagnoseelektronik permanent die Funktionsfähigkeit der in der Getriebe-Betätigungseinrichtung verwendeten Hall-Sensoreinrichtung zu überwachen und gegebenenfalls zu korrigieren. Werden Störungen oder Ausfälle der Sensoreinrichtung erkannt, so ist es möglich, dem Fahrer dies zu signalisieren bzw. ein dem Ausfall zugeordnetes Sicherheitsprogramm ablaufen zu lassen. Auf diese Weise kann eine mögliche Fehlbetätigung des Getriebes verhindert und somit ein möglicher Schaden vom Fahrer bzw. vom Fahrzeug abgewendet werden.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung. Dabei umfasst die Hall-Sensoreinrichtung zumindest eine Hall-Sonde, einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Diagnoseleiter sowie eine Treibereinrichtung. Die Treibereinrichtung dient dabei der Aufprägung eines mit vorgegebenem Amplitudenverlauf veränderlichen elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte .

Zunächst wird durch die Steuerelektronik der Sensoreinrichtung ein definierter Speisestrom erzeugt, der die Hall-Sonde als Voraussetzung der Messung von Hall-Spannungen durchfließt.

Anschließend erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Aufprägung des elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass eine entsprechende Treiberschaltung dafür sorgt, dass der Diagnoseleiter von dem mit vorgegebener Periode veränderlichen elektrischen Diagnosestrom durchflössen wird. Dabei ist die Reihenfolge dieser beiden ersten Verfahrensschritte beliebig bzw. unerheblich.

Anschließend erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Bestimmung der von der Hall-Sonde erzeugten Hall-Spannung, welche in einem weiteren Verfahrenschritt in die Mess-Teilspannung und die Diagnose-Teilspannung aufgespalten wird. Die Aufspaltung der Hall-Spannung in die Mess-Teilspannung und die Diagnose-Teilspannung kann prinzipiell durch einfache Differenzbildung erfolgen, da der Amplitudenverlauf des Diagnosestroms und somit die Sollgröße der vom Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Spannung bekannt ist. Durch Differenzbildung zwischen der von der Hall-Sonde abgegebenen Hall-Spannung und der Sollgröße der von dem pulsierenden Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Teilspannung kann somit die Mess-Teilspannung der Hall-Sonde ermittelt werden.

Auf diese Weise sind somit sowohl die Mess-Teilspannung - als Maß eines etwa auf die Hall-Sonde wirkenden externen Magnetfelds - als auch die Diagnose-Teilspannung - als Maß des durch den Diagnosestrom erzeugten Magnetfelds - bekannt und können im Anschluss in einem weiteren Verfahrenschritt somit separat ausgewertet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine permanente Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung auch während des normalen Betriebs. Aufgrund der Überlagerung des mittels Diagnosestrom und Diagnoseleiter erzeugten Diagnosemagnetfelds mit einem etwaigen externen Magnetfeld beispielsweise eines Permanentmagneten und anschließender Wiederauftrennung des Signals der Hall-Sonde in die Diagnose-Teilspannung und die Mess-Teilspannung findet keine gegenseitige Beeinflussung der Mess- und Diagnosesignale statt.

Dabei kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur eine qualitative Diagnose daraufhin erfolgen, ob die Funktion der Hall-Sensoreinrichtung gegeben ist oder nicht, sondern auch eine quantitative Diagnose daraufhin, ob das Signal der Hall-Sonde korrekt und proportional zum jeweils vorliegenden Magnetfeld ist. Aus diesem Grund ist es dank des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, eine permanente Überwachung und gegebenenfalls Kalibrierung der Hall-Sonde durchzuführen. Dies kann beispielsweise dann notwendig werden, wenn Signalverfälschungen aufgrund von Temperaturdrift oder aufgrund von mechanischen Verspannungen der Hall-Sonde aufgetreten sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zunächst einmal unabhängig davon verwirklichen, welchen Amplitudenverlauf der veränderliche elektrische Diagnosestrom aufweist, solange dieser Verlauf bekannt bzw. exakt vorherbestimmbar ist und sich somit die Diagnose-Teilspannung von der Mess-Teilspannung mittels Differenzbildung wieder trennen lässt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der elektrische Diagnosestrom jedoch einen pulsförmigen Amplitudenverlauf auf. Der pulsförmige Amplitudenverlauf ist insbesondere insofern vorteilhaft, als die Pulse sich aufgrund ihrer hohen Flankensteilheit besonders einfach und exakt im Ausgangssignal der Hall-Sonde erkennen lassen und somit zuverlässig von der Mess-Teilspannung separiert werden können.

Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Rahmen der Auswertung des Ausgangssignals der Hall-Sonde eine Auswertung der Anzahl innerhalb einer vorbestimmten Zeit erfassten Pulse, bzw. eine Auswertung der Amplitude der Pulse. Die Auswertung der Anzahl der Pulse kann dabei insbesondere im Rahmen einer einfacheren, qualitativen Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung erfolgen, bei der auf einen Ausfall der Sensoreinrichtung geschlossen werden kann, wenn innerhalb einer bestimmten festgelegten Zeit nicht dieselbe Anzahl an Pulsen registriert wird, wie sie der Anzahl der Pulse des eingespeisten Diagnosestroms entspricht. Im Unterschied dazu ermöglicht die Auswertung der Pulsamplitude der Diagnose-Teilspannung insbesondere auch eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung der Sensoreinrichtung, wie obenstehend beschrieben.

Mit dem Hintergrund des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere im Umfeld der Betätigung eines Gangwechselgetriebes mittels eines Betätigungselements ist es gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, dass an einem relativ zur Sensoreinrichtung beweglichen Bauteil ein Magnet angeordnet ist. Dabei erfolgt anhand der Mess-Teilspannung eine Bestimmung der Relativposition zwischen der Sensoreinrichtung und dem Magneten. Vorzugsweise wird damit die Position des Wählhebels eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes erfasst, indem die Sensoreinrichtung bzw. der Magnet an einem Sockel bzw. am Wählhebel der Betätigungseinrichtung so angeordnet werden, dass bei Bewegungen des Wählhebels eine Relativbewegung zwischen der Sensoreinrichtung und dem Magneten erfolgt. Diese Relativbewegung führt zu einer Veränderung des im Bereich der Sensoreinrichtung bzw. im Bereich der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung wirksamen Magnetfelds des Magneten, wodurch - nach entsprechender Kalibrierung - auf die jeweilige Relativposition zwischen dem Wählhebel und dem Sockel der Betätigungseinrichtung geschlossen werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 in schematischer Ansicht die Sensoreinrichtung einer

Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 in einer schematischen Diagrammdarstellung die Ausgangsspannung der Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß Fig. 2 im Leerlauf;

Fig. 4 in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung die Ausgangsspannung der Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß Fig. 2 und Fig. 3 während des Betriebs;

Fig. 5 in einer isometrischen Darstellung eine Anordnung aus

Sensoreinrichtung und Magnet einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 in einer Fig. 5 entsprechenden Darstellung die Anordnung aus Sensoreinrichtung und Magnet gemäß Fig. 6 in der Untersicht.

Fig. 1 zeigt in einer höchst schematisch ausgeführten

Schaltungsdarstellung die Sensoreinrichtung 1 einer Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Man erkennt zunächst einmal eine Hall-Sonde 2, deren vier Kanten in der üblichen Weise mit einer elektronischen Speise- und Auswertungsschaltung 3 verbunden sind. Auf diese Weise kann die Hall-Sonde 2 mit dem für das Auftreten des Hall-Effekts notwendigen Speisestrom beaufschlagt werden, und es kann beim Auftreten von Magnetfeldern an den zum Speisestrom parallelen seitlichen Kanten der Hall-Sonde 2 die entsprechende Hall-Spannung abgegriffen und registriert werden .

Die dargestellte Sensoreinrichtung 1 umfasst einen galvanisch von der Hall-Sonde 2 getrennten Diagnoseleiter 4, der von einer

Treibereinrichtung 8 (in Fig. 1 nicht dargestellt, vgl. Fig. 2) gespeist werden kann dergestalt, dass ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom im Diagnoseleiter 4 fließt. Der durch den Diagnoseleiter 4 fließende Diagnosestrom führt dazu, dass sich um den Diagnoseleiter herum ein durch den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld 5 aufbaut. Dieses Magnetfeld 5 tritt auch durch die Hall-Sonde 2 hindurch und führt dort somit zur Erzeugung einer dementsprechenden Hall-Spannung an den parallel zum Speisestrom durch die Hall-Sonde 2 verlaufenden beiden Kanten der Hall-Sonde 2.

Die Hall-Spannung wird von der Auswertungsschaltung 3 der Sensoreinrichtung aufgenommen, verstärkt und als entsprechendes Signal über einen Ausgang 6 der Sensoreinrichtung ausgegeben.

Fig. 2 zeigt, wie die Sensoreinrichtung 1 aus Fig. 1 in eine erfindungsgemäße Messvorrichtung eingebunden ist. Außer der Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 zunächst einmal ein relativ zur Sensoreinrichtung 1 beweglicher Magnet 7 erkennbar. Beispielsweise kann der Magnet 7 am Wählhebel einer

Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe angeordnet sein, während die Sensoreinrichtung 1 am Gehäuse bzw. am Sockel der Betätigungseinrichtung angeordnet ist.

Neben der Sensoreinrichtung 1 umfasst die Messvorrichtung eine Treibereinrichtung 8, einen Vorwiderstand 9 sowie eine

Steuerelektronik 10. Die Steuerelektronik 10 koordiniert die gesamten Abläufe, die zur erfindungsgemäßen Diagnose der Sensoreinrichtung 1 erforderlich sind. Hierzu gehört zunächst einmal die Ansteuerung der Treibereinrichtung 8 durch ein von der Steuerelektronik 10 abgegebenes Rechtecksignal 11. Das Rechtecksignal 11 wird durch die Treibereinrichtung 8 verstärkt und in Form eines pulsierenden Diagnosestroms 12 mit rechteckigem Amplitudenverlauf dem in der Sensoreinrichtung 1 angeordneten Diagnoseleiter 4 aufgeprägt. Zur Begrenzung des durch den Diagnoseleiter 4 fließenden Stroms sowie zur Ermittlung der durch den Diagnoseleiter 4 fließenden Stromstärke umfasst die Messvorrichtung den Vorwiderstand 9. An dem Vorwiderstand 9 fällt eine zum Verlauf des Diagnosestroms 12 jeweils proportionale, ebenso wie der Diagnosestrom 12 pulsförmige Kontrollspannung 13 ab, welche wiederum der Steuerelektronik 10 zugeleitet wird.

Ferner ist die Steuerelektronik 10 noch mit dem Ausgang 6 der Sensoreinrichtung 1 verbunden, so dass auch das entsprechend verstärkte Signal 14 der Hall-Sonde 2 der Steuerelektronik 10 zugeleitet wird. Das von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Signal 14 der Hall-Sonde 2 stellt dabei zunächst einmal ein Summensignal 14 dar, das dem am Ort der Hall-Sonde 2 vorherrschenden, überlagerten Magnetfeld sowohl des Magneten 7 als auch des Diagnoseleiters 4 entspricht.

Sowohl aufgrund der bekannten Charakteristik der Treibereinrichtung 8 als auch aufgrund des über den Vorwiderstand 9 zurückgemessenen Diagnosestroms 12 ist die Stromstärke durch den Diagnoseleiter 4 und damit auch die Größe des vom Diagnoseleiter 4 erzeugten Magnetfelds 5 im Bereich der Hall-Sonde 2 jedoch bekannt. Aufgrund dieser bekannten Zusammenhänge lässt sich somit das von der Hall-Sonde 2 erzeugte Soll-Diagnosesignal errechnen und durch Überlagerung mit dem von der Hall-Sonde 2 abgegebenen Summensignal 14 somit auch wieder aus dem Summensignal 14 eliminieren, bzw. vom Summensignal 14 abtrennen, wodurch sich das auf den Magneten 7 zurückgehende, reine Analogsignal der Hall-Sonde ergibt.

In den Fig. 3 und 4 sind Beispiele für das von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Summensignal 14 dargestellt, wobei sich das Summensignal 14 wie oben ausgeführt zunächst aus einer Überlagerung der Magnetfelder des Magneten 7 und des Diagnoseleiters 4 ergibt.

Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung bzw. das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1 im Fall des Stillstands des Magneten 7 relativ zur Sensoreinrichtung 1, also beispielsweise das Signal der Sensoreinrichtung 1 einer Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe im Fall des unbewegten Betätigungshebels. Man erkennt, dass das entlang der Hochachse aufgetragene Meßsignal 15 als Bestandteil des Summensignals 14 über die Zeit (Rechtsachse) konstant bleibt. Von der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des Summensignals 14 kann dabei auf den Abstand zwischen Magnet 7 und Sensoreinrichtung 1, bzw. im Beispielfall auf die Absolutposition des Getriebe-Betätigungshebels geschlossen werden.

Überlagert mit der Mess-Teilspannung 15 wird die aus dem pulsierenden Diagnosestrom 12 durch den Diagnoseleiter 4 resultierende ebenfalls pulsierende Diagnose-Teilspannung 16 erkennbar. Aus dem Vorhandensein und der Amplitude der Pulse der Diagnose-Teilspannung 16 kann damit erfindungsgemäß auf die Funktionsfähigkeit und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden, da die Stärke des Diagnosestroms 12, damit die Größe des vom Diagnosestrom 12 hervorgerufenen Magnetfelds und somit auch des Sollwerts des dadurch erzeugten Diagnosesignals bekannt ist und mit dem Istwert des Diagnosesignals 16 verglichen werden kann.

Fig. 4 zeigt das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1, wie es sich im Fall einer ungleichförmigen Bewegung des Magneten 7 relativ zur Sensoreinrichtung 1, bzw. im Fall einer dementsprechenden Bewegung eines mit der Sensoreinrichtung 1 ausgestatteten Getriebe-Betätigungshebels ergibt. Wieder besteht das Summensignal 14 aus einer Überlagerung der Mess-Teilspannung 15 einerseits, welche aus dem Magnetfeld des Magneten 7 resultiert, und der Diagnose-Teilspannung 16 andererseits, die aus dem pulsierenden Magnetfeld 5 des Diagnoseleiters 4 resultiert.

Auch hier lässt sich anhand der bekannten Soll-Größe der Amplitude des Diagnosesignals 16 wieder eine rechnerische Trennung der auf den Magneten 7 bzw. auf den Diagnosestrom 12 zurückgehenden Signale 15 und 16 vornehmen, und die beiden Signale 15 und 16 können somit getrennt ausgewertet werden. Auf diese Weise kann anhand der Auswertung der pulsierenden Diagnose-Teilspannung 16 auf die Funktionsfähigkeit und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden, während anhand der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des Summensignals 14 auf den Abstand zwischen dem Magneten 7 und der Sensoreinrichtung 1, bzw. auf die Relativposition eines Betätigungshebels relativ zur Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden kann.

Insbesondere kann durch einen Vergleich der von der Sensoreinrichtung 1 abgegebenen Ist-Diagnose-Teilspannung 16 mit dem von der Steuerelektronik 10 errechneten Soll-Diagnosesignal eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 durchgeführt werden. Ist beispielsweise die Amplitude des Ist-Diagnosesignals 16 größer als der errechnete bzw. gespeicherte Sollwert dieser Amplitude, so kann eine entsprechende Korrektur (hier eine Verringerung) des durch die Hall-Sonde 2 geleiteten Speisestroms erfolgen solange, bis der gemessene Istwert der Amplitude der Diagnose-Teilspannung 16 wieder mit dem Sollwert übereinstimmt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperaturdrift der Hall-Sonde 2, oder eine mechanische Verspannung der Hall-Sonde 2 erkannt und gegebenenfalls automatisch kompensiert werden, was die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit der Messvorrichtung maßgeblich verbessern kann.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Man erkennt jeweils zunächst ein pfannenförmiges Gehäuse 17, das vorzugsweise aus Metall gebildet ist, um eine optimale Abschirmung der Sensoreinrichtung 1 gegenüber Störfeldern zu gewährleisten. Das Gehäuse 17 steht über einen Ausleger 18 in Eingriff mit einem beweglichen Koppelstift 19, wobei der bewegliche Koppelstift 19 wiederum mit einem (nicht dargestellten) Wählhebel eines Gangwechselgetriebes verbunden ist, und den Bewegungen des Wählhebels somit folgt.

Bei den Bewegungen des Wählhebels zwischen den einzelnen Schaltstufen P - R - N - D, die durch entsprechende Buchstaben 20 auch in den Fig. 5 und 6 angedeutet sind, wird das Gehäuse 17 über den Ausleger 18 dementsprechend um die Gehäuselagerung 21 verdreht.

Wie aus Figur 6 hervorgeht, ist im Inneren des Gehäuses 17 ein im Wesentlichen kreisbogensegmentförmiger Permanentmagnet 7 angeordnet, der zudem nach Art einer schiefen Ebene eine entlang seiner Kreisbogenform linear zunehmende Dicke aufweist. Der Permanentmagnet 7 wirkt auf die ebenfalls in Fig. 6 erkennbare Sensoreinrichtung 1, die nicht mit dem Gehäuse 17 verbunden, sondern beispielsweise am (hier nicht dargestellten) Sockel der Betätigungseinrichtung befestigt ist. Dies bedeutet, dass sich bei Rotationsbewegungen des Gehäuses 17 und des mit dem Gehäuse verbundenen Permanentmagneten 7 damit der effektive Abstand zwischen dem Permanentmagneten 7 und der Sensoreinrichtung 1 proportional zum Drehwinkel des Gehäuses verändert.

Dementsprechend verändert sich auch der Pegel des Sensorsignals 14, genauer gesagt der Pegel der Mess-Teilspannung 15 der Sensoreinrichtung, vgl. beispielsweise Fig. 4. Somit lässt sich anhand Auswertung der Mess-Teilspannung 15 des Sensors 1 die Rotationswinkelstellung des Gehäuses 17 ermitteln. Dabei kann - dank des erfindungsgemäß jederzeit separat auswertbaren Diagnose-Teilsignals 16 - gleichzeitig eine permanente Überprüfung und gegebenenfalls automatische Kalibrierung des Sensors 1 erfolgen, wie obenstehend erläutert. Ebenso kann die Sensoreinrichtung 1 permanent auf Funktion und auf etwaige Ausfälle überwacht werden, und es können bei einem Ausfall gegebenenfalls eventuelle Notlaufprogramme eingeleitet oder der Benutzer entsprechend benachrichtigt werden.

Gegebenenfalls kann die Sensoreinrichtung 1 im Sinne der weiteren Erhöhung der Systemverfügbarkeit, Redundanz und Ausfallsicherheit auch doppelt vorgesehen sein. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass zumindest die den Hall-Sensor 2 und den Diagnoseleiter 4 umfassende Sensoreinrichtung 1 doppelt vorhanden ist. Die Steuerelektronik 10 kann hingegen aus Kostengründen auch nur einfach ausgeführt werden, wobei in diesem Fall die Anzahl der Sensorkontakte der Steuerelektronik 10 - entsprechend der doppelt vorhandenen Sensoreinrichtung 1 - ebenfalls verdoppelt wird.

Tritt somit - im Fall einer zweifach vorhandenen Sensoreinrichtung 1 - an einem der Sensoren ein Ausfall ein, so bleibt das System trotz des Sensorausfalls voll verfügbar, und das Signal des ausgefallenen Sensors kann aufgrund der erfindungsgemäßen Diagnosefähigkeit mittels des zweiten Sensors voll korrigiert bzw. ersetzt werden.

Im Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung eine diagnostizierbare Sensoreinrichtung bzw. ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Sensoreinrichtung geschaffen wird, die maßgebliche Vorteile insbesondere bezüglich Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben die vollständige und permanente quantitative Diagnose und Kalibrierung eines Hall-Sensor-Bauelements, wodurch sich Messfehler beispielsweise aufgrund von Temperaturdrift oder mechanischen Verspannungen eliminieren lassen. Bezugszeichenliste

1 Sensoreinrichtung

2 Hall-Sonde

3 AuswertungsSchaltung

4 Diagnoseleiter

5 Magnetfeld

6 Ausgang

7 Magnet

8 Treibereinrichtung

9 Vorwiderstand

10 Steuerelektronik

11 RechteckSignal

12 Diagnosestrom

13 KontrollSpannung

14 Summensignal

15 Mess-TeilSpannung

16 Diagnose-TeilSpannung

17 Gehäuse

18 Ausleger

19 Koppelstift

20 Schaltstufen P-R-N-D

21 Lagerung

Claims

Patentansprüche

1. Messvorrichtung zur Ermittlung einer Magnetfeldstärke eines Magnetfeldes, die Messvorrichtung umfassend eine

Sensoreinrichtung (1) mit zumindest einer Hall-Sonde (2), wobei die Hall-Sonde (2) zur Erzeugung einer Hall-Spannung (14) in Abhängigkeit eines die Hall-Sonde durchdringenden Magnetfeldes (5) sowie in Abhängigkeit eines durch die Hall-Sonde (2) fließenden Speisestroms eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen von der Hall-Sonde (2) galvanisch getrennten, elektrischen Diagnoseleiter (4) sowie eine Treibereinrichtung (8) zur Erzeugung eines elektrischen Diagnosestroms (12) durch den Diagnoseleiter (4).

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diagnosestrom (12) eine sich zyklisch verändernde, bekannte Stromstärke aufweist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Diagnosestrom (12) ein festgelegtes, bekanntes Pulsmuster aufgeprägt ist.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Hall-Sonde (2) und Diagnoseleiter (4) gemeinsam in einem Sondengehäuse (1) untergebracht sind.

5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) ein HaIl-Effekt-basierter integrierter Strommesssensor ist.

6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen relativ zur Sensoreinrichtung (1) beweglich angeordneten Magneten (7), wobei anhand der Hall- Spannung (14) der Hall-Sonde eine Bestimmung der Relativposition zwischen Sensoreinrichtung (1) und Magnet (7) erfolgt.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) und der Magnet (7) relativ zueinander drehbar angeordnet sind.

8. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) und der Magnet (7) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.

9. Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung, die Hall-Sensoreinrichtung (1) umfassend zumindest eine Hall-Sonde (2), einen von der Hall-Sonde (2) galvanisch getrennten

Diagnoseleiter (4) sowie eine Treibereinrichtung (8) zur Aufprägung eines mit vorgegebener Periode veränderlichen elektrischen Diagnosestroms (12) auf den Diagnoseleiter (4), das Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Erzeugung eines die Hall-Sonde (1) durchfließenden elektrischen Speisestroms b) Aufprägung des elektrischen Diagnosestroms (12) auf den Diagnoseleiter (4); c) Bestimmung der Hall-Spannung (14) der Hall-Sonde (2); d) Aufspaltung der Hall-Spannung (14) in Mess-Teilspannung (15) und Diagnose-Teilspannung (16); e) Auswertung des Amplitudenverlaufs der Diagnose-Teilspannung (16) zum Zweck der Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung (1) .

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Diagnosestrom (12) einen pulsförmigen Amplitudenverlauf aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Anzahl der innerhalb einer vorbestimmten Zeit erfassten Pulse der Diagnose- Teilspannung (16) erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Pulsamplitude der Diagnose-Teilspannung (16) erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch einen an einem relativ zur Sensoreinrichtung (1) beweglichen Bauteil angeordneten Magneten (7), wobei anhand der Mess-Teilspannung (15) eine Bestimmung der Relativposition zwischen Sensoreinrichtung (1) und Magnet (7) erfolgt .

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Wählhebels eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes erfasst wird.