WO2019011592A1 - Sensoreinheit und anordnung zur erfassung der position eines bauteils - Google Patents

Sensoreinheit und anordnung zur erfassung der position eines bauteils Download PDF

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WO2019011592A1
WO2019011592A1 PCT/EP2018/066248 EP2018066248W WO2019011592A1 WO 2019011592 A1 WO2019011592 A1 WO 2019011592A1 EP 2018066248 W EP2018066248 W EP 2018066248W WO 2019011592 A1 WO2019011592 A1 WO 2019011592A1
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magnetically sensitive
sensitive elements
axis
sensor
sensor unit
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PCT/EP2018/066248
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Inventor
Werner Wallrafen
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices

Definitions

  • the present invention relates to a sensor unit and an arrangement for detecting the position of a component, in particular a sensor unit and an arrangement for berüh ⁇ tionless detection of an angular position of a rotatable about a rotation axis rotor of an electric motor or a valve flap or a rotation axis of an actuator.
  • the GB 2,505,226 A discloses in ⁇ play, an arrangement, a method and a sensor for measuring an angular position using a multi-pole magnet with the compensation of magnetic interference / Fremdfeidern.
  • the arrangement disclosed therein has a multi-pole paired magnet mounted on a rotor and a stationary sensor.
  • the sensor comprises a plurality of on a circle is arranged ⁇ sensor elements which are arranged substantially in two groups of measuring the effective parallel to the sensor plane magnetic field components.
  • homogeneous magnetic interference / Fremdfeider can be largely compensated.
  • the usable angle measurement range is limited so that only a range of 360 degrees divided by the number of pole pairs of the magnet can be detected.
  • EP 0 916 074 B1, US 2015/276893 A1, DE 10 2015 001 553 B3, DE 10 2014 005 247 A1, DE 10 2004 064 185 B4 and DE 698 16 755 T2 each have devices for detecting the angular position of a machine rotatable component known. These too Revelations are based on difference formation for the suppression of magnetic interference / Fremdfeidern. In this case, parallel components of the magnetic field are detected and therefore only those magnetic field components which act orthogonal to the sensor plane are measured. Magnetically sensitive sensors, such. B. magnetoresistive sensors or vertical Hall cells that measure pa ⁇ rallel to the sensor plane can not be used.
  • WO 2016/139135 AI relates to a method and an arrangement for determining the position of a magnetic body by means of one or more magnetic field sensors, which moves relative to the one or more magnetic field sensors. In the method, with the magnetic field sensors, one or more of three directional components of the magnetic field are repeated locally
  • the magnetic field sensors are arranged in the near field of the magnetic body.
  • the evaluation is carried out at least partially with an optimal estimator based on a magnetic field model. With the method and the associated arrangement, up to six mechanical degrees of freedom of the magnetic body can be determined in the smallest space.
  • EP 1 668 378 B1 discloses a sensor for detecting the direction of a magnetic field in a plane.
  • the sensor known therefrom has a plurality of magnetic field sensors and logic and evaluation circuits.
  • Each magnetic field sensor is associated with a measuring axis such that the absolute value of the output signal of the magnetic field sensor is greatest when the magnetic field is parallel to the associated measuring axis.
  • Magnetic interference / Fremdfeider can be generated by nearby permanent magnets, electromagnets or by running in the environment power line. In the course of the electrification of vehicles, in particular with regard to z. B.
  • the object of the present invention is to provide a sensor unit and an arrangement with which the position of a component reliably, as accurately as possible and, in a rotating about a rotational axis component, via a
  • Angular measuring range of 360 ° can be detected and are robust against magnetic interference / Fremdfeidern and against geometric tolerances. This object is achieved with the sensor unit according to independent claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the present invention is essentially based on the idea to provide a sensor unit and an arrangement for detecting the position of a moving (translational and / or rotational) component, in which a plurality of magnetically sensitive elements are arranged such that after a relative positioning a magnet or a ferromagnetic components at least one sensor element pair consisting of two magnetically sensitive elements can be selected, which are arranged in terms of the accuracy of measurement most favorable.
  • the selected magnetically sensitive elements are arranged most favorably with respect to displacements caused by the geometrical tolerances.
  • the magnetically sensitive elements When detecting an angular position of a rotatable about a rotational axis component, for example, two Sensorelement- pairs are selected, the magnetically sensitive elements are then arranged in terms of the accuracy of measurement most favorable when they are arranged on a circle around a center equidistant, the axis of rotation on next is.
  • the distances of the magnetically sensitive elements of the two Sensor element pairs to the axis of rotation substantially similar, preferably substantially equal.
  • those magnetically sensitive elements of a sensor element pair are the most favorable in terms of measurement accuracy if they output the largest value for the detected magnetic field in terms of absolute value.
  • a sensor unit for detecting the position of a component which has at least six magnetically sensitive elements arranged in a measuring plane, each of which is designed to detect a magnetic field exclusively along a measuring direction extending orthogonal to the measuring plane, and has an evaluation unit which is connected to the magnetically sensitive elements of the sensor unit and is adapted to a position of the component corre ⁇ sponding position signal based on the signals from a first pair of sensor elements of magnetically sensitive elements and / or based on the signals from a second sensor pair of sensitive sensitive sensor Identify elements.
  • those two or four magnetically sensitive elements for detecting the position of the component can thus be selected, with which the position of the component is detected as accurately as possible despite the existing offset between the sensor unit and the component due to geometric tolerances and acting magnetic
  • Stör- / Fremdfeidern can be realized. If the relative positioning between the sensor unit and the component is completed and remains unchanged, a one-time selection, for example by a non-volatile memory ⁇ device, the disclosed for the measurement provided magnetically sensitive elements. For this purpose, the signals of those two or four magnetically sensitive elements are used, with which the error of the determined position of the component is the lowest. In particular, two sensor element pairs of magnetically sensitive elements form a sensor array with which the angular position of a component rotatable about an axis of rotation can be detected.
  • one of the plurality of magnetically sensitive elements a value of approximately zero for the parallel to the axis of rotation magnetic field component
  • four magnetically sensitive elements to this a magnetically sen ⁇ sitive element are determined which lie on a circumference of a circle whose center is on the one magnetically sensitive element which outputs the value of approximately zero for the magnetic field component running parallel to the axis of rotation.
  • the magnetically sensitive elements of a sensor pair each have similar values for the magnetic field components running parallel to the axis of rotation, exactly these four magnetically sensitive elements are determined.
  • the signals of all magnetically sensitive elements are detected and those magnetically sensitive elements are defined as belonging to the first sensor element pair of magnetically sensitive elements, each of which outputs the largest value, and / or it will those magnetically sensitive elements as the second sensor element pair of magnetic associated sensitive elements each output the amount of the largest value.
  • a for detecting the Angular position of the component formed sensor unit are set a predetermined diameter for the circle and those magnetically sensitive elements are selected whose signals are in a full circle rotation in terms of magnitude substantially symmetrical.
  • the sensor unit is adapted to an angular position of the rotating about a rotational axis component corresponding angle signal ba ⁇ sierend on the signals from those four magnetic transmitter sitiven elements of the first and second sensor element pair to determine, each on a circumference a circle about a center, which is closest to the axis of rotation in the measurement plane, are arranged equidistant from each other.
  • the two magnetically sensitive elements of each sensor element pair are then arranged on the circumference of the circle relative to each other.
  • the radius of the circle is as large as possible, whereby the influence of geometrical tolerances can be at least partially reduced.
  • the sensor unit thus becomes more sensitive to inhomogeneous magnetic interference generators if they have curved field lines (eg a power cable in the vicinity of the sensor unit), it may be preferred be to increase the density of the magnetically sensitive elements with decreasing radius. This means that more magnetically sensitive elements are arranged on the sensor unit in the immediate vicinity of the axis of rotation than in one 0
  • the center of the circle is determined by being closest to that magnetically sensitive element which outputs the smallest value in terms of absolute value. Consequently, after determining that magnetically sensitive element which outputs the smallest value in terms of value, the magnetically sensitive elements of the two sensor element pairs can be determined such that they are equally spaced from this then centrally arranged magnetically sensitive element.
  • the magnetically sensitive elements are arranged at least partially along a first axis extending in the measuring plane and / or at least partially along at least one in the measuring plane parallel to the first axis extending second axis each equidistantly from each other.
  • the like arranged on the first axis ⁇ genetically sensitive elements and / or arranged on the at least one second axis disposed magnetically sensitive elements each further on at least one in the measuring plane extending at a predetermined angle to the first axis of the third axis. It is even more preferable if the at least six magnetically sensitive elements are arranged like a matrix with at least two rows and at least three columns.
  • a magnetically sensitive element of the first pair of sensor elements on the first axis and the other magnetically sensitive element of the first pair of sensor elements ⁇ are arranged on the at least one second axis.
  • a magnetically sensitive element of the second sensor element pair to the first axis and the other magnetically sensitive elements of the second Senso ⁇ relementpreses on the second axis is arranged.
  • the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair are arranged on the first axis and the magnetically sensitive elements of the second sensor element pair are arranged on the at least one third axis, the first axis being perpendicular to the magnetically sensitive elements of the second Sensor element pair extends and the third axis extends as a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair.
  • the evaluation unit comprises a first off ⁇ selection unit which is adapted to connect to the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair, and / or a second selection unit that is adapted to connect to the magnetically sensitive elements of the second sensor element pair ,
  • the two selection units are therefore preferably designed to make the selection of those magnetically sensitive elements with which the position of the component is to be determined. This selection is preferably only to be made once after a combination with a magnet.
  • the evaluation unit further comprises a non-volatile memory device which is adapted to that of the first selection unit and / or second selection unit selected selection of ⁇ selected magnetically sensitive elements of the first and / or second sensor element pair non-volatile store.
  • an arrangement for detecting the position of a component which, to produce a magnet that is adapted to a magnetic field, and having a sensor unit according OF INVENTION ⁇ dung.
  • the sensor unit is arranged at a distance from the magnet and designed to detect the magnetic field along a measuring direction orthogonal to the measuring plane and to determine therefrom a position signal corresponding to the position of the component.
  • the magnet or the sensor unit is arranged to be rotatable about an axis of rotation and the sensor unit is designed to detect the magnetic field along the measuring direction and to output therefrom an angle signal corresponding to an angular position of the component.
  • the magnet or the sensor unit is arranged to be movable along a movement path and the sensor unit is designed to accommodate the
  • the component may be a separate component that is coupled to the magnet or the sensor unit.
  • the component may be integrally formed with the pitch ⁇ with the magnet or can be a ferromagnetic element.
  • a ferromagnetic element can be designed, for example, to change the magnetic field of a stationary magnet.
  • FIG. 5 is a plan view of another invention
  • Fig. 6 is a plan view of another invention
  • Fig. 7 is a plan view of another invention
  • Sensor unit shows, with a position of a component can be detected and are exemplified ⁇ selected magnetically sensitive elements
  • FIG. 8 shows a plan view of the sensor unit of FIG. 7, with which a travel position of a component can be detected and by way of example other selected magnetically sensitive elements are identified, and
  • Fig. 9 is a plan view of still another exemplary embodiment
  • Sensor unit shows, with a path position and / or an angular position of a component can be detected and selected magnetically sensitive example
  • FIGS. 1 to 6 explains by way of example the detection of an angular position of a component rotatable about a rotation axis.
  • FIGS. 7 to 9 exemplifies the detection of a path position of a component that is movable along a linear trajectory.
  • the sensor units shown in FIGS. 1 to 6 are also each suitable for detecting the travel position of a component movable along a linear trajectory.
  • the sensor unit of FIG. 9 is also suitable for detecting the angular position of a component which can be rotated about a rotation axis.
  • a magnet moves together with the component whose position is to be detected by means of the sensor unit according to the invention, and the sensor unit according to the invention is arranged immovably and stationary relative to the component (and magnet).
  • the sensor unit can rotate together with the component, in which case the magnet is arranged immovable and stationary relative to the component.
  • the rotatable component 2 may, for example, be a shaft of a rotor of a direct current motor.
  • the rotatable component 2 may comprise a throttle shaft of a throttle valve support
  • the rotatable member 2 may be integrally formed with the magnet 10 or may be a ferromagnetic member.
  • a ferromagnetic element can be designed, for example, to change the magnetic field of a stationary magnet.
  • the arrangement 1 of FIG. 1 has a magnet 10, which is designed to generate a substantially symmetrical magnetic field 20.
  • the magnetic field lines of the magnetic field 20 are shown schematically.
  • the magnet 10 on two poles, namely a north pole 12 and a south pole 14.
  • the magnetic field 20 is symmetrical to the separation plane between the north pole 12 and south pole 14.
  • the component 2 is coupled to the magnet 10 and about the rotation axis 100 rotatable (see the arrow 4 in FIG. 1) ⁇
  • the arrangement 1 shown in FIG. 1 furthermore has a sensor unit 300 spaced from the magnet 10 and according to the invention.
  • the sensor unit 300 is z. B.
  • the predetermined angle between the first axis 202 and the second axis 204 in the embodiment shown is 90 °.
  • the two axes 202, 204 are each arranged orthogonal to the axis of rotation 100, so that consequently the measuring plane 200 of the sensor unit 300 is substantially orthogonal to the axis of rotation 100.
  • the angle may be any angle other than 90 °, for example 120 °.
  • the sensor unit 300 is adapted to be magnetically sensitive to magnetic field ⁇ components thus extend orthogonal to the measurement plane 200 and parallel to the measuring direction 206th
  • the sensor unit 300 is further adapted not to be magnetically sensitive to Mag ⁇ netfeldkomponenten, which run parallel to or in the measuring plane 200th
  • the sensor unit 300 is fixedly arranged in the arrangement 100 shown in FIG. 1 and designed to detect the magnetic field 20 of the magnet 10 rotating together with the component 2 and to output therefrom an angle signal 44 corresponding to the angular position ⁇ of the component 2.
  • the sensor unit 300 of FIG. 1 is shown for the sake of simplicity, only four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308, although it is expressly noted at this point that an arrangement 1 according to the invention at least six like having ⁇ genetically sensitive elements.
  • an arrangement 1 according to the invention at least six like having ⁇ genetically sensitive elements.
  • the measuring principle for detecting the angular position ⁇ of the rotatable component 2 with a total of four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 will be described below with reference to FIG. 1, this measuring principle also being used for the sensor units 300 of FIG. 2 to 6 and 9 applies.
  • the sensor unit 300 of FIG. 1 has a first sensor element pair 301 which is arranged in the measurement plane 200 and which is formed from the two magnetically sensitive elements 302, 304 arranged along a first axis 201 which runs parallel to the first direction or first axis 202 ,
  • the sensor unit 300 also has a second sensor element pair 303, which is arranged in the measurement plane 200 and which is composed of the two magnetically sensitive ones arranged along a second axis 203, which runs parallel to the second direction or second axis 204 and extends to the first axis 301 at a predetermined angle Elements 306, 308 is formed.
  • the four magnetic sensitive elements 302, 304, 306, 308 are on a circumference of a circle K at ⁇ arranged extending around a center point M with a radius R.
  • the center M is ideally located on the axis of rotation 100. In further embodiments, the center M of the axis of rotation 100 is closest (see, for example, Fig. 3 and 4).
  • the four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 are arranged equidistant from each other on the circumference of the circle K, wherein the magnetically sensitive elements 302, 304 of the first sensor element pair 301 are arranged opposite one another and the magnetically sensitive elements 306, 308 of the second Sensor element pair 303 are also arranged opposite one another.
  • the four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 are each designed to detect the magnetic field 20 along the measuring direction 206, which runs parallel to the axis of rotation 100 and orthogonal to the measuring plane 200.
  • the arrows 22, 24, 26, 28 each indicate the detected magnetic field components of the associated magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308, which are detected along the measuring direction 206. From Fig. 1 it can be seen that due to the respective uniform spacing of the respective magnetic sensitive elements of each sensor element pair 301, 303 to the rotation axis 100 to display the same be ⁇ supporting moderate value, wherein the respective directions of the magnetic field components are opposite.
  • the magnetically sensitive member 302 of the first sensing element pair 301 As detected, for example, the magnetically sensitive member 302 of the first sensing element pair 301, the magnetic field component 22 in the positive measuring direction 306, wherein the other magnetic sensitive element 304 of the first sensor element pair 301 is detected the magnetic field component 24 in the negative measuring direction 206, wherein the magnetic ⁇ field components 22, 26 in Substantially equal in amount.
  • the magnetically sensitive member 306 of the second sensor element pair 301 detects the magnetic field component 26 and the magnetically sensitive element 308 of the second Senso ⁇ relementpreses 303, the magnetic field component 28.
  • the two magnetic components 26, 28 opposite relative to the measuring direction 206 are opposite relative to the measuring direction 206, however, in terms of magnitude in the Essentially the same.
  • Fig. 1 is further exemplified a magnetic
  • Stör- / Fremdfeld 400 located at all magnetic sensitive elements 302, 304, 306, 308 in amount in the same direction equally affects. This magnetic
  • Interference field 400 can falsify the measurement of the angular position ⁇ of the rotatable component 2.
  • the magnetically sensitive elements 302, 304 of the first sensor element pair 301 are connected to a first evaluation element 41 of an evaluation unit 40.
  • the evaluation element 41 is preferably a differential image, which forms the difference of the signals of the two magnetically sensitive elements 302, 304 of the first sensor element pair 301. Due to the fact that the signs of the two signals of the magnetically sensitive elements 302, 304 of the first sensor element pair are different and a difference is formed, there is an amount Ad ⁇ edition of the magnetic field components 22, 24, wherein the influence of the magnetic interference / foreign field 400 is compensated out.
  • the magnetic interference / foreign field 400 acts on the two magnetically sensitive elements 302, 304 in the same direction, the subtraction eliminates these two influences. Following this, that is after the compensation of the magnetic interference / foreign field, half of the difference is taken and thus forms the first component signal, which is further processed later.
  • the magnetically sensitive elements 306, 308 of the second sensor element pair 303 are connected to a second evaluation element 42 of the evaluation unit 40.
  • the second evaluation element 42 is in turn preferably a differential image and can thus compensate for the influence of the magnetic interference / foreign field 400 on the signals of the magnetically sensitive elements 306, 308 of the second sensor element pair 303, as already in With regard to the first evaluation element 41 has been described.
  • the output signal of the second evaluation element 42 then provides the second component signal.
  • the first component signal describes the
  • the evaluation unit 40 furthermore has a third evaluation element 43, which is connected to the first evaluation element 41 and the second evaluation element 42 and designed to generate the angular position ⁇ of the rotatable component 2 indicating angle ⁇ signal 44 from the first component signal and the second component signal.
  • connection of the evaluation unit 40 with the magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301, 303 can be realized by means of suitable connection lines, such as bonding wires (shown in FIG. 2 with solid lines).
  • suitable connection lines such as bonding wires (shown in FIG. 2 with solid lines).
  • the compounds of the evaluation unit 40 including the magnetic sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301,303 may also be realized wireless, for example a suitable radio link.
  • further evaluation circuits may be used between the magnetically sensitive elements and the evaluation unit 40 in order to detect cross-influences, such as, for example, noise.
  • modulation and demodulation circuits can be arranged between the magnetically sensitive elements and the evaluation unit.
  • the magnetically sensitive elements can be composed of a plurality of individual elements, such as Hall cells and / or 2 or 4-fold bridge circuits of individual magnetoresistive individual resistors.
  • the evaluation elements may include further evaluation circuits.
  • the magnetically sensitive elements can be, for example, vertical Hall cells.
  • at least one of the magnetically sensitive elements can be based on the magnetoresistive effect (MR).
  • a magneto-sensitive element based on the magnetoresistive effect consists of an anisotropic magnetoresistive (AMR), a giant magnetoresistive (GMR) or tunneling magnetoresistive (TMR) element.
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the inventive sensor unit 300, the plurality, but at least six, magnetic sensitive elements, which are arranged according to FIG. 2 in a plurality of rows and columns. Consequently, a matrix-like arrangement of the magnetically sensitive elements results.
  • the arrangement of the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 along the rows and columns is preferably equidistant in each case.
  • the evaluation unit 40 has a first selection unit 52 and a second selection unit 54.
  • the first selection unit 52 is arranged between the sensor unit 300 and the first evaluation element 41 and comprises two switches 521, 522, each of which is designed to be respectively to connect a magnetically sensitive element of the first sensor pair 301 with the first evaluation element 41.
  • the second selection unit 54 is arranged between the sensor unit 300 and the second evaluation element 42 and comprises two switches 541, 542, each of which is designed to connect a magnetically sensitive element of the second sensor pair 303 to the second evaluation element 42.
  • the magnetically sensitive elements are each connected to a line 5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, with which each of the switches 521, 522 can connect to make a connection to the first evaluation element 41.
  • the magnetically sensitive elements are each connected to a line 5401, 5402, 5403, 5404, 5405, 5406, 5407, with which each of the switches 541, 542 can connect to make a connection to the second evaluation element 42.
  • switches not shown, for example, are provided in FIG.
  • each magnetically sensitive element can be controlled separately, wherein each sensor element can be controlled only by a selection unit 52, 54 or a switch 521, 522, 541, 542. Consequently, a magnetically sensitive element can not be driven simultaneously by two switches 521, 522, 541, 542.
  • each magnetically sensitive element a separate electrical line, which are connected to the first and second selection unit 52, 54.
  • the selection unit 52, 54 also has a separate switch for each magnetically sensitive element.
  • the seven magnetically sensitive elements arranged in the first row are connected to the line 5401 and connected to the first selection unit 52 via this.
  • z. B. arranged in the first column seven magnetically sensitive elements connected to the line 5201 and connected via this with the second selection unit 54.
  • all magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 can be separately controlled via the switches 521, 522, 541, 542 and the further switch, not shown, after assembly of the arrangement 1 preferably be measured via the component signals.
  • those magnetically sensitive elements of each sensor pair 301, 303 are selected which lie on a circumference of a circle K of radius R about a center M which is closest to the axis of rotation 100. This selection will be described in more detail by way of example with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the sensor unit 300 of FIG. 2 in greater detail.
  • the point of intersection of the axis of rotation 100 with the measuring plane 200 is shown by way of example, whereby two possibilities for the selection of the magnetically sensitive ones provided for determining the angular position of the component 2 are already shown Elements are marked, namely by means of different Schraffüren.
  • the magnetically sensitive elements are arranged in a matrix-like manner in a plurality of rows and columns.
  • the magnetically sensitive elements are arranged along a first axis 3001 equidistant from one another, which extends parallel to the first direction 202.
  • the magnetically sensitive elements along each at least a second axis 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007 are each arranged equidistant from each other, each extending parallel to the first axis 3001 and are spaced therefrom.
  • the distance between the axes 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007 is the same.
  • the magnetically sensitive elements are further arranged equidistant from each other along at least one third axis 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107, each extending orthogonal to the first axis 3001 and thus parallel to the second direction 204.
  • the distance between the third axes 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107 is the same and corresponds to the distance between the axes 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007.
  • the equidistant distance is the magnetically sensitive elements on the multiple axes are the same.
  • the axis of rotation 100 of FIG. 3 is radially offset with respect to the center of the matrix, ie the intersection of the two directional axes 202, 204. Consequently, it is preferred in FIG. 3 to use the magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318, which are labeled obliquely hatched, for detecting the angular position ⁇ of the component 2.
  • these four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are equidistant spaced apart on a circle K with radius R about a center M, which is the axis of rotation 100 closest.
  • the magnetically sensitive elements 312, 314 form the first sensor element pair 301
  • the magnetically sensitive elements 316, 318 form the second sensor element pair 303.
  • the selection of these four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 again takes place through the selection units 52, 54 shown in FIG. 2.
  • the assembly is subject to geometrical tolerances and only after assembly are selected those four magnetically sensitive elements with which the most accurate measurement result and consequently the lowest measurement error can be expected.
  • the magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 indicated obliquely hatched the four vertically hatched magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 of FIG. 3 can be used. This may therefore be preferred because they are arranged equidistant from each other on a circle ⁇ ⁇ with radius R x around the center M, wherein the radius R x is greater than the radius R. By selecting a larger radius, the measurement accuracy can at least partially increase.
  • the sensor unit 300 of FIG. 3 is shown, wherein the axis of rotation 100 is again offset radially relative to the center of the measuring plane 200. According to FIG. 4, it is advantageous to use the magnetically sensitive elements marked obliquely hatched or alternatively hatched vertically to determine the angular position ⁇ of the component 2.
  • the center M of the circle K with radius R, on which the magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are arranged equidistantly from each other, is again closest to the axis of rotation 100, which is why the magnetically sensitive elements indicated obliquely hatched or vertically hatched are selected were, with which the angular position ⁇ of the component 2 can be detected as accurately as possible.
  • each Sensorele ⁇ mentproes 301, 303 are in turn arranged on the circle opposite each other, wherein the magnetically sensitive elements 312, 314 of the first sensor pair 301 on the second axis 3002 are arranged and the magnetically sensitive elements 316, 318 of the second Sensor pair 303 on the third axis 3101 are arranged on ⁇ .
  • the third axis 3101 is a center ⁇ perpendicular to the magnetically sensitive elements 312, 314 of the first sensor element pair 301 and the third axis 3101 is a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements 316, 316 of the second sensor element pair 303th
  • the magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 may be used to determine the angular position lying on a circle K ⁇ of radius R ⁇ about the center M, where the radius R x is greater than the radius R.
  • the measurement accuracy can be at least partially increased.
  • the axis of rotation 100 is closest to a magnetically sensitive element 311 arranged centrally relative to the selected magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318.
  • the center M of the circles K, ⁇ ⁇ is due to the equidistant arrangement of all magnetically sensitive elements on this central magnetically sensitive element 311.
  • the centrally arranged magnetically sensitive element 311 can be determined, for example, that the signals from all magnetically sensitive elements are detected and that is defined as the central magnetic sensitive element 311 indicating the smallest value. This magnetically sensitive element 311 is then closest to the axis of rotation 100.
  • the four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 may be arranged.
  • the center M of the circles K with radius R, on which the four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are arranged equidistantly from one another is closest to the axis of rotation 100, which is why exactly these four magnetically sensitive elements 312, 314 , 316, 318 are each used to determine the angular position ⁇ of the component 2.
  • each of the magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 could be used.
  • FIG. 5 shows a further possible matrix-type arrangement of the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300, in which the rows or columns are offset from each other.
  • two pairs of sensor elements 301, 303 are determined whose magnetically sensitive elements are arranged on a circle K with radius R about a center M equidistant to each other, which is the axis of rotation 100 closest. Due to the matrix-like arrangements of the magnetically sensitive elements of the sensor units 300 of FIGS.
  • the greatest possible offset of the rotation axis 100 with respect to the respective center points M of the circles K, K on which the four magnetically sensitive elements 312 selected for determining the angle signal 44, 314, 316, 318 are arranged equidistant from each other, are limited to at least half of the equidistant spacing of adjacent magnetically sensitive elements. Consequently, depending on the resolution of the matrix, the measurement error introduced by the offset of the axis of rotation 100 can be at least partially reduced.
  • FIG. 6 shows a further sensor unit 300 according to the invention, in which a plurality of sensor groupings 330 to 338 are provided (each marked by dashed frames), which each have four magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pair 301, 303.
  • the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 of FIG. 6 are only partially equidistant from one another.
  • the sensor array 330 is centrally located and the sensor arrays 331 through 338 are disposed about the central sensor array 330.
  • the magnetic sensitive elements of the sensor groups 330 to 338 are preferably arranged such that each may ⁇ genetically sensitive element of a respective sensor array 330-338 on at least one axis of an adjacent transmitter sorgrupp réelle 330 to 338 is arranged.
  • the magnetically sensitive elements 3302, 3332 of the sensor groupings 330, 333 are each arranged on a common axis 3002.
  • the magnetically sensitive elements 3346, 3352 of the sensor groupings 334, 335 are arranged on a common axis 3008.
  • the magnetically sensitive elements 3302, 3352 of the sensor groupings 330, 335 are arranged on a common axis 3102 and the magnetically sensitive elements 3332, 3346 of the sensor groupings 333, 334 are arranged on a common axis 3108.
  • the magnetic sensitive elements 3304, 3332, 3346, 3354 of the different sensor groups 330, 333, 334, 335 on a common circle (not shown) with a ⁇ M teltician arranged which lies the axis of rotation 100 the next.
  • the magnetically sensitive elements 3302, 3346 thus form a first sensor element pair and the magnetically sensitive elements 3332, 3352 form a second sensor element pair.
  • several axes can be found in the embodiment of FIG. 6, on each of which magnetically sensitive elements of different sensor groupings 330 to 338 are arranged.
  • these common axes as in the embodiments of FIGS. 3 to 5, can be defined as first, second and third axes, on each of which the magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301, 303 are arranged.
  • two axes of rotation are also shown by way of example, namely a first axis of rotation 100A and a second axis of rotation 100B, which are radially offset differently from the center of the central sensor array 330.
  • the four magnetically sensitive elements of the sensor grouping 336 which are identified obliquely hatched in FIG. 6, can be selected in order to determine the angle signal 44.
  • these four magnetically sensitive elements of this sensor grouping 336 lie on a circle K (not shown) around a center M, which is obviously closest to the first axis of rotation 100A.
  • Elements 3302, 3332, 3346, 3352 of the sensor groupings 330, 333, 334, 335 to select, since the center ⁇ ⁇ of a circle on which these four magnetically sensitive elements 3302, 3332, 3346, 3352 are arranged equidistantly, the second axis of rotation 100B on next.
  • the two cases described for the axes of rotation 100A, 100B illustrate that, despite a non-equidistant arrangement of the magnetically sensitive elements, there are several possibilities for the sensor unit 300 to determine the angular position of the component with the greatest measuring accuracy. Furthermore, it would be possible in the embodiment of the sensor unit 300 according to FIG. 6 to select pairs of sensor elements whose magnetically sensitive elements are arranged on diagonally extending axes which extend at an angle of approximately 45 ° to the directional axes 202, 204.
  • FIGS. 7 to 9 it will now be explained how a sensor arrangement 300 according to the invention for detecting the travel position of a rod-shaped magnet 10 (marked with dashed lines in FIGS. 7 to 9) along a linear trajectory (with indicated by the arrow 6) movable component 2 (not explicitly shown) can be used.
  • the sensor units 300 of FIGS. 7 to 9 consequently provide electronic rulers is, with which, for example Ver ⁇ displacements of the part 2 along a linear or non-linear path of movement can be detected quantitatively.
  • the sensor unit 300 of FIGS. 7 and 8 has at least six magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314, 315, 316, which are arranged equidistant from one another along a first axis 3002.
  • the signals from all magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314, 315, 316 are detected and those two magnetically sensitive elements are selected as the sensor element pair, which output the largest values in terms of magnitude.
  • the magnetically sensitive elements 311, 312 see obliquely hatched ge ⁇ marked magnetically sensitive elements in FIGS. 7 and 8).
  • the detection of the path position or the outputting of the path signal 44 then takes place essentially analogously to the signal processing already explained with reference to FIGS. 1 and 2. More specifically, the differences are again formed by the signals of the two magnetically sensitive elements 311, 312.
  • the evaluation unit 40 in turn ⁇ corresponding evaluation elements as the difference images (analog or digital) have.
  • the first component signal may already correspond to the path signal 44.
  • FIG. 8 shows the sensor unit 300 of FIG. 7, wherein in this embodiment the magnetically sensitive elements 314, 316 are selected as the first sensor element pair 301 with which the path position 44 of the component 2 is determined.
  • the magnet 10 is shifted to the right in comparison to FIG. 7, which is why in this constellation the magnetically sensitive elements 314, 316 can be selected.
  • the magnetically sensitive elements 311, 313 marked with vertical hatching can additionally be selected as the second sensor element pair 303 and evaluated as a redundant path signal 44, with the aid of which the influence of any magnetic interference generators 400 can be compensated.
  • the distances between the magnetically sensitive elements of the two sensor pairs 301, 303 are to be selected such that they are the same. That is, the distance between the magnetically sensitive elements 314, 316 of the first sensor element pair 301 is equal to the distance between the magnetically sensitive elements 311, 313 of the second sensor element pair 303.
  • the sensor unit 300 comprises at least six magnetically sensitive elements which are arranged in two rows.
  • four magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314 are arranged equidistant from each other along a first axis 3002 and four magnetically sensitive elements 321, 322, 323, 324 are arranged along a second axis parallel to the first axis 3002 3004 arranged equidistant from each other.
  • the relevant two magnetically sensitive elements can be selected, based on the signals of which the travel position of the component 2 can be determined.
  • the two magnetically sensitive elements 311, 312 are selected, since the substantially rod-shaped magnet 10 is closest to this second row and this sensor element pair 301.
  • the magnetically sensitive elements 313, 314, 323, 324 marked obliquely in FIG. 9 are selected. The selection and evaluation of these relevant magnetically sensitive elements 313, 314, 323, 324 takes place in an analogous manner as already described with reference to FIGS. 3 to 6.
  • the inventive sensor unit 300 may be also be ⁇ forms to detect an absolute position of the magnet 10 and / or component. 2 If the component 2 and / or the magnet 10 moves in a plane parallel to the measurement plane ⁇ movement plane, z.
  • the absolute position of the component 2 and / or magnet 10 can be estimated to be closest to that magnetically sensitive element (s) that has the largest value (e ) issues (spend).
  • the sensor unit disclosed herein it is possible to provide a plurality of magnetically sensitive elements and only after the sensor unit has been arranged relative to a magnet moving with a component whose angular and / or path position is to be detected by the sensor unit to select magnetically sensitive elements with which the maximum measurement accuracy can be achieved free of the influence of any magnetic interference / Störfeider.
  • the selection of the magnetically sensitive elements relevant for the measurement is flexible, so that the sensor unit according to the invention can be identical for a large number of applications, but different magnetically sensitive elements can be used to detect the respective angular and / or path position of the component ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (300) und eine Anordnung (1) zum Erfassen der Position (φ) eines sich bewegenden Bauteils (2). Die erfindungsgemäße Sensoreinheit (300) umfasst zumindest sechs in einer Messebene (200) angeordnete magnetisch sensitive Elemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Magnetfeld (20) ausschließlich entlang einer sich orthogonal zur Messebene (200) erstreckenden Messrichtung (206) zu erfassen, und eine Auswerteeinheit (40), die mit den magnetisch sensitiven Elementen der Sensoreinheit (300) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein der Position (φ) des Bauteils (2) entsprechendes Positionssignal (44) basierend auf den Signalen von einem ersten Sensorelementpaar (301) von magnetisch sensitiven Elementen und/oder basierend auf den Signalen von einem zweiten Senso¬ relementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zu ermitteln.

Description

Beschreibung
Sensoreinheit und Anordnung zur Erfassung der Position eines Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit und eine Anordnung zur Erfassung der Position eines Bauteils, insbesondere eine Sensoreinheit und eine Anordnung zur berüh¬ rungsfreien Erfassung einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Rotors eines Elektromotors oder einer Ventilklappe oder einer Drehachse eines Stellglieds.
Zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils ist es bekannt, magnetisch basierte Win- kelsensoren zu verwenden. Die GB 2 505 226 A offenbart bei¬ spielsweise eine Anordnung, ein Verfahren und einen Sensor zum Messen einer Winkelposition unter Verwendung eines mehrpoligen Magneten mit Kompensation von magnetischen Stör-/Fremdfeidern . Die darin offenbarte Anordnung weist einen an einem Rotor angebrachten mehrpolpaarigen Magneten und einen feststehenden Sensor auf. Der Sensor umfasst mehrere auf einem Kreis ange¬ ordnete Sensorelemente, die im Wesentlichen in zwei Gruppen zum Messen der parallel zur Sensorebene wirksamen Magnetfeldkomponenten angeordnet sind. Durch die darin offenbarte Anordnung können homogene magnetische Stör-/Fremdfeider weitestgehend kompensiert werden. Jedoch wird mit dem segmentierten mehrpolpaarigen Magneten der nutzbare Winkelmessbereich eingeschränkt, so dass nur ein Bereich von 360° geteilt durch die Anzahl der Polpaare des Magneten erfasst werden kann.
Ferner sind aus der EP 0 916 074 Bl, US 2015/276893 AI, DE 10 2015 001 553 B3, DE 10 2014 005 247 AI, DE 10 2004 064 185 B4 und der DE 698 16 755 T2 jeweils Vorrichtungen zur Erfassung der Winkelposition eines drehbaren Bauteils bekannt. Auch diese Offenbarungen basieren auf Differenzbildung zur Unterdrückung von magnetischen Stör-/Fremdfeidern . Dabei werden parallele Komponenten des Magnetfelds erfasst und deshalb auch nur diejenigen Magnetfeldkomponenten gemessen, die orthogonal zur Sensorebene wirken. Magnetisch sensitive Sensoren, wie z. B. magnetoresistive Sensoren oder vertikale Hallzellen, die pa¬ rallel zur Sensorebene messen, können nicht verwendet werden.
Aus der DE 10 2009 042 473 AI ist ein Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors mit mindestens zwei Senso¬ relementen bekannt, die eine Ebene aufspannen und mit einem von dieser Ebene beabstandetem und drehbarem Element zur Variation eines Feldes, sowie einen bürstenlosen Elektromotor, der nach diesem Verfahren angesteuert wird. Um ein Verfahren zur Aus- wertung von Signalen eines Winkelsensors mit mindestens zwei Sensorelementen anzugeben, dass mit vollkreisabbildenden Sensorelementen Messergebnisse von hoher Auflösung produziert, erfassen die Sensorelemente mindestens einen ersten und einen zweiten voneinander linear unabhängigen Vektor des in dieser Ebene anliegenden Feldes, wobei zusätzlich eine weitere Größe erfasst wird, die abhängig von dem Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element ist und wobei mit dem Betrag der weiteren Größe die Amplituden der Signale des ersten und zweiten Sensorelementes gesteuert wird.
Aus der noch nicht veröffentlichen deutschen Patentanmeldung (DE) 10 2016 202 378.0 ist eine Anordnung bekannt, mit der magnetische Stör-/Fremdfeider zumindest teilweise kompensiert werden können. Die daraus bekannte Anordnung kann jedoch im Hinblick auf geometrische Toleranzen der Einzelbauteile, die montagebedingt und/oder materialbedingt sein können, zu große Messungenauigkeiten aufweisen. Die WO 2016/139135 AI betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren, der sich relativ zu dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren bewegt. Bei dem Verfahren wird mit den Magnetfeldsensoren wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten der magnetischen
Flussdichte des vom magnetischen Körper erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet, um die jeweilige Position des mag¬ netischen Körpers zu bestimmen. Die Magnetfeldsensoren sind dabei im Nahfeld des magnetischen Körpers angeordnet. Die Auswertung erfolgt zumindest teilweise mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Anordnung lassen sich bis zu sechs mechanische Freiheitsgrade des magnetischen Körpers auf kleinstem Raum bestimmen.
Die EP 1 668 378 Bl offenbart einen Sensor für die Detektion der Richtung eines Magnetfeldes in einer Ebene. Der daraus bekannte Sensor weist mehrere Magnetfeldsensoren und Logik- und Aus- werteschaltungen auf. Jedem Magnetfeldsensor ist eine Messachse derart zugeordnet, dass der Absolutbetrag des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors dann am größten ist, wenn das Magnetfeld parallel zu der zugeordneten Messachse verläuft. Magnetische Stör-/Fremdfeider können durch nahegelegene Permanentmagnete, Elektromagnete oder auch durch eine in der Umgebung verlaufende Stromleitung erzeugt werden. Im Zuge der Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere im Hinblick auf z. B. das 48-Volt-Bordnetz, in dem Stromstärken von über 1.000 Ampere auftreten können, oder aufgrund von naheliegend verbauten Magneten werden der magnetischen Nutzfeldquelle zunehmend magnetische Stör-/Fremdfeider überlagert, die das Signal des Sensors beeinflussen können und somit die Messungen des magnetischen Drehgebers negativ verfälschen können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensoreinheit und eine Anordnung bereitzustellen, mit denen die Position eines Bauteils zuverlässig, möglichst genau und, bei einem sich um eine Drehachse drehenden Bauteil, über einen
Winkelmessbereich von 360° erfasst werden kann und die robust gegenüber magnetischen Stör-/Fremdfeidern und gegenüber von geometrischen Toleranzen sind. Diese Aufgabe wird mit der Sensoreinheit gemäß unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, eine Sensoreinheit und eine Anordnung zum Erfassen der Position eines sich bewegenden (translatorisch und/oder rotatorisch) Bauteils vorzusehen, bei denen eine Vielzahl magnetisch sensitiver Elemente derart angeordnet sind, dass nach einer relativen Positionierung zu einem Magneten bzw. einem ferromagnetischen Bauteile zumindest ein Sensorelementpaar bestehend aus zwei magnetisch sensitiven Elementen auswählbar ist, die im Hinblick auf die Messgenauigkeit am günstigsten angeordnet sind. Insbesondere sind die ausgewählten magnetisch sensitiven Elemente im Hinblick auf durch die geometrischen Toleranzen hervorgerufenen Verschiebungen am günstigsten angeordnet .
Bei der Erfassung einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils werden beispielsweise zwei Sensorelement- paare ausgewählt, dessen magnetisch sensitive Elemente dann im Hinblick auf die Messgenauigkeit am günstigsten angeordnet sind, wenn diese auf einem Kreis um einen Mittelpunkt äquidistant angeordnet sind, der der Drehachse am nächsten ist. Somit sind die Abstände der magnetisch sensitiven Elemente der beiden Sensorelementpaare zur Drehachse im Wesentlichen ähnlich, vorzugsweise im Wesentlichen gleich. Bei der Erfassung einer Wegposition eines entlang einer Bewegungsbahn beweglichen Bauteils liegen diejenigen magnetisch sensitiven Elemente eines Sensorelementpaares im Hinblick auf die Messgenauigkeit dann am günstigsten, wenn diese den betragsmäßig größten Wert für das erfasste Magnetfeld ausgeben.
Erfindungsgemäß ist somit eine Sensoreinheit zum Erfassen der Position eines Bauteils vorgesehen, die zumindest sechs in einer Messebene angeordnete magnetisch sensitive Elemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Magnetfeld ausschließlich entlang einer sich orthogonal zur Messebene erstreckenden Messrichtung zu erfassen, und eine Auswerteeinheit aufweist, die mit den magnetisch sensitiven Elementen der Sensoreinheit verbunden und dazu ausgebildet ist, ein der Position des Bauteils entspre¬ chendes Positionssignal basierend auf den Signalen von einem ersten Sensorelementpaar von magnetisch sensitiven Elementen und/oder basierend auf den Signalen von einem zweiten Senso- relementpaar von magnetisch sensitiven Elementen zu ermitteln.
Durch das Anordnen von mehreren, zumindest sechs, magnetisch sensitiven Elementen in der Messebene können somit diejenigen zwei oder vier magnetisch sensitiven Elemente zum Erfassen der Position des Bauteils ausgewählt werden, mit denen eine möglichst genaue Erfassung der Position des Bauteils trotz vorhandenem Versatz zwischen der Sensoreinheit und dem Bauteil aufgrund geometrischer Toleranzen und einwirkender magnetischer
Stör-/Fremdfeidern realisiert werden kann. Wenn die relative Positionierung zwischen der Sensoreinheit und dem Bauteil abgeschlossen ist und unverändert bleibt, ist eine einmalige Auswahl, beispielsweise durch eine nicht-flüchtige Speicher¬ vorrichtung, der für die Messung vorgesehenen magnetisch sensitiven Elemente offenbart. Dazu werden die Signale derjenigen zwei oder vier magnetisch sensitiven Elemente herangezogen, mit denen der Fehler der ermittelten Position des Bauteils am geringsten ist. Insbesondere bilden zwei Sensorelementpaare von magnetisch sensitiven Elementen eine Sensorgruppierung, mit der die Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils erfasst werden kann.
Gibt beispielsweise eines der mehreren magnetisch sensitiven Elemente einen Wert von ungefähr Null für die parallel zur Drehachse verlaufende Magnetfeldkomponente aus, werden vier magnetisch sensitive Elemente um dieses eine magnetisch sen¬ sitive Element ermittelt, die auf einem Umfang eines Kreises liegen, dessen Mittelpunkt auf dem einen magnetisch sensitiven Element liegt, das den Wert von ungefähr Null für die parallel zur Drehachse verlaufende Magnetfeldkomponente ausgibt. Geben jedoch die magnetisch sensitiven Elemente eines Sensorpaares jeweils betragsmäßig ähnliche Werte für die parallel zur Drehachse verlaufenden Magnetfeldkomponenten aus, so werden genau diese vier magnetisch sensitive Elemente bestimmt. Diese vier magnetisch sensitiven Elemente sind dann auf einem Umfang eines Kreises äquidistant angeordnet, dessen Mittelpunkt im Inneren eines imaginären Quadrats liegt, an dessen Eckpunkte genau diese vier magnetisch sensitiven Elemente angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Sensoreinheit werden die Signale aller magnetisch sensitiven Elemente erfasst und es werden diejenigen magnetisch sensitive Elemente als zum ersten Sensorelementpaar von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben, und/oder es werden diejenigen magnetisch sensitive Elemente als zum zweiten Sensorelementpaar von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben. Zusätzlich oder alternativ können bei einer zur Erfassung der Winkelposition des Bauteils ausgebildeten Sensoreinheit ein vorbestimmter Durchmesser für den Kreis festgelegt werden und diejenigen magnetisch sensitiven Elemente ausgewählt werden, deren Signale bei einer Vollkreisdrehung jeweils betragsmäßig im Wesentlichen symmetrisch sind.
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Auswahl der Sensorelementpaare ohne Einfluss von magnetischen Fremd-/Störfeidern erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet ist, ein der Winkelposition des sich um eine Drehachse drehenden Bauteils entsprechendes Winkelsignal ba¬ sierend auf den Signalen von denjenigen vier magnetisch sen- sitiven Elemente des ersten und zweiten Sensorelementpaares zu ermitteln, die jeweils auf einem Umfang eines Kreises um einen Mittelpunkt, der in der Messebene der Drehachse am nächsten liegt, äquidistant zueinander angeordnet sind. Die beiden magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorelementpaares sind dann auf dem Umfang des Kreises jeweils gegenüber voneinander angeordnet. Vorzugsweise ist der Radius des Kreises größtmöglich, wodurch der Einfluss von geometrischen Toleranzen zumindest teilweise reduziert werden kann.
Dadurch, dass bei größeren Kreisdurchmessern der Einfluss von geometrischen Toleranzen kleiner wird, allerdings die Sensoreinheit damit empfindlicher gegenüber inhomogenen magnetischen Stör-/Fremdfeidern wird, wenn diese gekrümmte Feldlinien aufweisen (z. B. ein Stromkabel in der Nähe der Sensoreinheit), kann es bevorzugt sein, die Dichte der magnetisch sensitiven Elemente mit abnehmendem Radius zu vergrößern. Das heißt, dass in näherer Umgebung um die Drehachse mehr magnetisch sensitive Elemente auf der Sensoreinheit angeordnet werden als in einer 0
o entfernteren Umgebung. Denn je kleiner der Durchmesser des Kreises ist, auf dem die für die Messung vorgesehenen magnetisch sensitiven Elemente angeordnet sind, desto weniger Einfluss haben inhomogene magnetische Stör-/Fremdfeider, wobei wiederum eine höhere Empfindlichkeit zu geometrischen Toleranzen vor¬ handen sein können.
Ferner kann es dabei bevorzugt sein, dass der Mittelpunkt des Kreises dadurch ermittelt wird, dass dieser demjenigen mag- netisch sensitiven Element am nächsten liegt, welches den betragsmäßig kleinsten Wert ausgibt. Folglich können nach dem Bestimmen desjenigen magnetisch sensitiven Elements, das den betragsmäßig kleinsten Wert ausgibt, die magnetisch sensitiven Elemente der beiden Sensorelementpaare derart bestimmt werden, dass diese von diesem dann zentral angeordneten magnetisch sensitiven Element gleich beabstandet sind.
In einer weitere vorteilhaften Ausgestaltung sind die magnetisch sensitiven Elemente zumindest teilweise entlang einer in der Messebene verlaufenden ersten Achse und/oder zumindest teilweise entlang zumindest einer in der Messebene parallel zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse jeweils äquidistant zueinander angeordnet . Vorzugsweise sind die auf der ersten Achse angeordneten mag¬ netisch sensitiven Elemente und/oder die auf der zumindest einen zweiten Achse angeordneten magnetisch sensitiven Elemente jeweils ferner auf zumindest einer in der Messebene unter einem vorbestimmten Winkel zur ersten Achse verlaufenden dritten Achse angeordnet. Noch bevorzugter ist es, wenn die zumindest sechs magnetisch sensitiven Elemente matrizenartig mit zumindest zwei Zeilen und zumindest drei Spalten angeordnet sind. _
y
Dabei kann es bevorzugt sein, dass ein magnetisch sensitives Element des ersten Sensorelementpaares auf der ersten Achse und das andere magnetisch sensitive Element des ersten Sensorel¬ ementpaares auf der zumindest einen zweiten Achse angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich ist ein magnetisch sensitives Element des zweiten Sensorelementpaares auf der ersten Achse und das andere magnetisch sensitive Elemente des zweiten Senso¬ relementpaares auf der zweiten Achse angeordnet. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die magnetisch sensitiven Elemente des ersten Sensorelementpaares auf der ersten Achse angeordnet sind und die magnetisch sensitiven Elemente des zweiten Sensorelementpaares auf der zumindest einen dritten Achse angeordnet sind, wobei die erste Achse als Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares verläuft und die dritte Achse als Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares verläuft. Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinheit eine erste Aus¬ wahleinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares herzustellen, und/oder eine zweite Auswahleinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares herzustellen. Die beiden Auswahleinheiten sind folglich bevorzugt dazu ausgebildet, die Auswahl derjenigen magnetisch sensitiven Elemente zu treffen, mit denen die Position des Bauteils ermittelt werden soll. Diese Auswahl ist vorzugsweise erst nach einer Zusam- menstellung mit einem Magneten jeweils einmalig zu treffen.
In einer derart bevorzugte Ausführungsform weist die Auswerteeinheit ferner eine nichtflüchtige Speichervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die von der erste Auswahleinheit und/oder zweiten Auswahleinheit getroffene Auswahl der aus¬ gewählten magnetisch sensitiven Elemente des ersten und/oder zweiten Sensorelementpaares nicht-flüchtig zu speichern. Das heißt, dass nach der von den Auswahleinheiten getroffene Auswahl der für die Erfassung der Position des Bauteils ausgewählten magnetisch sensitiven Elemente die Schaltstellungen der Auswahleinheiten einmalig und dauerhaft gespeichert wird, auch bei Abschaltung der gesamten Sensoreinheit. Somit steht bei einem erneuten Einschalten der Sensoreinheit diese Auswahl wieder bereit, damit die Position des Bauteils wieder so genau wie möglich erfasst werden kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts ist eine Anordnung zum Erfassen der Position eines Bauteils offenbart, die einen Magneten, der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, und eine erfin¬ dungsgemäße Sensoreinheit aufweist. Die Sensoreinheit ist vom Magneten beabstandet angeordnet und dazu ausgebildet, das Magnetfeld entlang einer orthogonal zur Messebene verlaufenden Messrichtung zu erfassen und daraus ein der Position des Bauteils entsprechendes Positionssignal zu ermitteln.
In vorteilhafter Weise ist der Magnet oder die Sensoreinheit um eine Drehachse drehbar angeordnet und die Sensoreinheit ist dazu ausgebildet, das Magnetfeld entlang der Messrichtung zu erfassen und daraus ein einer Winkelposition des Bauteils entsprechendes Winkelsignal auszugeben.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Magnet oder die Sensoreinheit entlang einer Bewegungsbahn beweglich angeordnet und die Sensoreinheit ist dazu ausgebildet, das
Magnetfeld entlang der Messrichtung zu erfassen und daraus ein der Wegposition des Bauteils entsprechendes Positionssignal zu ermitteln . Das Bauteil kann ein separates Bauteil sein, das mit dem Magneten oder der Sensoreinheit gekoppelt ist. Das Bauteil kann bei¬ spielsweise integral mit dem Magneten ausgebildet sein oder kann ein ferromagnetisches Element sein. Ein ferromagnetisches Element kann beispielweise dazu ausgebildet sein, das Magnetfeld eines ortsfesten Magneten zu verändern.
Weitere Aufgaben und Merkmale der erfindungsgemäßen Anordnung werden dem Fachmann beim Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen: eine schematische Ansicht einer beispielhaften An¬ ordnung zum Erfassen der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils zeigt, die eine er¬ findungsgemäße Sensoreinheit aufweist, eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit zeigt, die mit einer beispielhaften Auswerteeinheit verbunden ist, eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit der Fig. 2 zeigt, bei der beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind, eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit der Fig. 2 zeigt, bei der andere beispielhaft aus¬ gewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind, Fig. 5 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Sensoreinheit zeigt,
Fig. 6 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Sensoreinheit zeigt, bei der beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind, Fig. 7 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Sensoreinheit zeigt, mit der eine Wegposition eines Bauteils erfasst werden kann und beispielhaft aus¬ gewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind,
Fig. 8 eine Draufsicht der Sensoreinheit der Fig. 7 zeigt, mit der eine Wegposition eines Bauteils erfasst werden kann und beispielhaft andere ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind, und
Fig. 9 eine Draufsicht einer noch weiteren beispielhaften
Sensoreinheit zeigt, mit der eine Wegposition und/oder eine Winkelposition eines Bauteils erfasst werden kann und beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive
Elemente gekennzeichnet sind.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind gegebenenfalls nicht in allen dargestellten Figuren sämtliche Elemente mit Bezugszeichen gekennzeichnet .
Die Beschreibung der Fig. 1 bis 6 erläutert beispielhaft das Erfassen einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils. Die Beschreibung der Fig. 7 bis 9 hingegen erläutert beispielhaft das Erfassen einer Wegposition eines entlang einer linearen Bewegungsbahn beweglichen Bauteils. Es wird jedoch ausdrücklich festgehalten, dass die in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Sensoreinheiten auch jeweils dazu geeignet sind, die Wegposition eines entlang einer linearen Bewegungsbahn beweglichen Bauteils zu erfassen. Ebenfalls ist die Sensoreinheit der Fig. 9 dazu geeignet, die Winkelposition eines sich um eine Drehachse drehbaren Bauteils zu erfassen. In den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird beispielhaft davon ausgegangen, dass sich ein Magnet gemeinsam mit dem Bauteil, dessen Position mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit erfasst werden soll, bewegt und die erfindungsgemäße Sensoreinheit relativ zum Bauteil (und Magneten) unbeweglich und ortsfest angeordnet ist. Alternativ kann sich aber auch die Sensoreinheit gemeinsam mit dem Bauteil drehen, wobei dann der Magnet relativ zum Bauteil unbeweglich und ortsfest angeordnet ist.
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung 1 zum Erfassen der Winkelposition φ eines um eine Drehachse 100 drehbaren Bauteils 2. Das drehbare Bauteil 2 kann beispielsweise eine Welle eines Rotors eines Gleichstrommotors sein. In weiteren Ausfüh- rungsbeispielen der Anordnung 1 kann das drehbare Bauteil 2 eine Drosselklappenwelle eines Drosselklappenstützens einer
Brennkraftmaschine oder eines Aktuators zur mechanischen Verstellung sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann das drehbare Bauteil 2 mit dem Magneten 10 integral ausgebildet sein oder kann ein ferromagnetisches Element sein. Ein ferromag- netisches Element kann beispielweise dazu ausgebildet sein, das Magnetfeld eines ortsfesten Magneten zu verändern.
Die Anordnung 1 der Fig. 1 weist einen Magneten 10 auf, der dazu ausgebildet ist, ein im Wesentlichen symmetrisches Magnetfeld 20 zu erzeugen. In der Fig. 1 sind die Magnetfeldlinien des Magnetfelds 20 schematisch eingezeichnet. Wie in der Fig. 1 dargestellt, weist der Magnet 10 zwei Pole auf, nämlich einen Nordpol 12 und einen Südpol 14. Insbesondere ist das Magnetfeld 20 symmetrisch zur Trennebene zwischen Nordpol 12 und Südpol 14. Das Bauteil 2 ist mit dem Magneten 10 gekoppelt und um die Drehachse 100 drehbar (siehe eingezeichneten Pfeil 4 in der Fig. 1) · Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung 1 weist ferner eine vom Magneten 10 beabstandete und erfindungsgemäße Sensoreinheit 300 auf. Die Sensoreinheit 300 ist z. B. ein Sensorchip und ist in einer Messrichtung 206 magnetisch sensitiv, die orthogonal zu einer Messebene 200 verläuft, die durch eine erste Achse (oder erste Richtung) 202, beispielsweise eine x-Achse, und eine orthogonal zu dieser verlaufenden zweiten Achse (oder zweite Richtung) 204, beispielsweise eine y-Achse, aufgespannt wird. Folglich beträgt der vorbestimmte Winkel zwischen der ersten Achse 202 und der zweiten Achse 204 in der gezeigten Ausführungsform 90° . Die beiden Achsen 202, 204 sind jeweils orthogonal zur Drehachse 100 angeordnet, so dass folglich die Messebene 200 der Sensoreinheit 300 im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse 100 verläuft. In anderen Ausführungsformen kann der Winkel jeden anderen Winkel als 90° annehmen, beispielsweise 120°.
Die Sensoreinheit 300 ist dazu ausgebildet, auf Magnetfeld¬ komponenten magnetisch sensitiv zu sein, die orthogonal zur Messebene 200 und somit parallel zur Messrichtung 206 verlaufen. Die Sensoreinheit 300 ist ferner dazu ausgebildet, auf Mag¬ netfeldkomponenten nicht magnetisch sensitiv zu sein, die parallel zur oder in der Messebene 200 verlaufen.
Die Sensoreinheit 300 ist in der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung 100 ortsfest angeordnet und dazu ausgebildet, das Magnetfeld 20 des sich mit dem Bauteil 2 gemeinsam drehenden Magneten 10 zu erfassen und daraus ein der Winkelposition φ des Bauteils 2 entsprechendes Winkelsignal 44 auszugeben. Die Sensoreinheit 300 der Fig. 1 ist aus Gründen der Einfachheit nur mit vier magnetisch sensitiven Elementen 302, 304, 306, 308 gezeigt, obwohl an dieser Stelle ausdrücklich festgehalten wird, dass eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zumindest sechs mag¬ netisch sensitive Elemente aufweist. Zum Zwecke der Erklärung der Auswertung der Signale von vier magnetisch sensitiven Elementen zum Ermitteln der Winkelposition des drehbaren Bauteils 2 sind in der Fig. 1 lediglich vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 dargestellt.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 1 das Messprinzip zur Erfassung der Winkelposition φ des drehbaren Bauteils 2 mit insgesamt vier magnetisch sensitiven Elementen 302 , 304, 306, 308 beschrieben, wobei dieses Messprinzip auch für die Sen- soreinheiten 300 der Fig. 2 bis 6 und 9 gilt.
Die Sensoreinheit 300 der Fig. 1 weist ein in der Messebene 200 angeordnetes erstes Sensorelementpaar 301 auf, das aus den beiden entlang einer ersten Achse 201, die parallel zur ersten Richtung bzw. ersten Achse 202 verläuft, angeordneten magnetisch sensitiven Elementen 302, 304 gebildet wird. Die Sensoreinheit 300 weist außerdem ein in der Messebene 200 angeordnetes zweites Sensorelementpaar 303 auf, das aus den beiden entlang einer zur ersten Achse 301 unter dem vorbestimmten Winkel verlaufenden zweiten Achse 203, die parallel zur zweiten Richtung bzw. zweiten Achse 204 verläuft, angeordneten magnetisch sensitiven Elementen 306, 308 gebildet wird. Die vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 sind auf einem Umfang eines Kreises K an¬ geordnet, der sich um einen Mittelpunkt M mit einem Radius R erstreckt. Der Mittelpunkt M liegt dabei idealerweise auf der Drehachse 100. In weiteren Ausgestaltungen liegt der Mittelpunkt M der Drehachse 100 am nächsten (siehe z. B. Fig. 3 und 4) .
Die vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 sind auf dem Umfang des Kreises K äquidistant zueinander beabstandet angeordnet, wobei die magnetisch sensitiven Elemente 302, 304 des ersten Sensorelementpaars 301 gegenüberliegend angeordnet sind und die magnetisch sensitiven Elemente 306, 308 des zweiten Sensorelementpaars 303 ebenfalls gegenüberliegend angeordnet sind .
Der Fig. 1 kann ferner entnommen werden, dass die vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 jeweils dazu ausgebildet sind, das Magnetfeld 20 entlang der Messrichtung 206 zu erfassen, die parallel zur Drehachse 100 und orthogonal zur Messebene 200 verläuft . In der Fig. 1 deuten die Pfeile 22, 24, 26, 28 jeweils die erfassten Magnetfeldkomponenten der zugeordneten magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 an, die entlang der Messrichtung 206 erfasst werden. Aus der Fig. 1 kann entnommen werden, dass aufgrund des jeweils gleichmäßigen Abstands der jeweiligen magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorelementpaars 301, 303 zur Drehachse 100 den gleichen be¬ tragsmäßigen Wert anzeigen, wobei die jeweiligen Richtungen der Magnetfeldkomponenten entgegengesetzt sind. So erfasst zum Beispiel das magnetisch sensitive Element 302 des ersten Sensorelementpaars 301 die Magnetfeldkomponente 22 in positiver Messrichtung 306, wobei das andere magnetisch sensitive Element 304 des ersten Sensorelementpaars 301 die Magnetfeldkomponente 24 in negativer Messrichtung 206 erfasst, wobei die Magnet¬ feldkomponenten 22, 26 im Wesentlichen betragsmäßig gleich sind.
In ähnlicher Weise erfasst das magnetisch sensitive Element 306 des zweiten Sensorelementpaares 301 die Magnetfeldkomponente 26 und das magnetisch sensitive Element 308 des zweiten Senso¬ relementpaares 303 die Magnetfeldkomponente 28. Auch hier sind die beiden Magnetfeldkomponenten 26, 28 relativ zur Messrichtung 206 entgegengesetzt, jedoch betragsmäßig im Wesentlichen gleich.
In der Fig. 1 ist ferner beispielhaft ein magnetisches
Stör-/Fremdfeld 400 eingezeichnet, das an allen magnetisch sensitiven Elementen 302, 304, 306, 308 in gleicher Richtung betragsmäßig gleichermaßen einwirkt. Dieses magnetische
Stör-/Fremdfeld 400 kann die Messung der Winkelposition φ des drehbaren Bauteils 2 verfälschen.
Durch die folgende Auswertung der Signale der vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 kann der negative Einfluss des magnetischen Stör-/Fremdfelds 400 kompensiert werden. Dazu werden die magnetisch sensitiven Elemente 302, 304 des ersten Sensorelementpaars 301 mit einem ersten Auswerteelement 41 einer Auswerteeinheit 40 verbunden. Das Auswerteelement 41 ist vorzugsweise ein Differenzbilder, das die Differenz der Signale der beiden magnetisch sensitiven Elemente 302, 304 des ersten Sensorelementpaars 301 bildet. Aufgrund der Tatsache, dass die Vorzeichen der beiden Signale der magnetisch sensitiven Elemente 302, 304 des ersten Sensorelementpaars unterschiedlich sind und eine Differenz gebildet wird, erfolgt eine betragsmäßige Ad¬ dition der Magnetfeldkomponenten 22, 24, wobei der Einfluss des magnetischen Stör-/Fremdfelds 400 herauskompensiert wird. Da nämlich das magnetische Stör-/Fremdfeld 400 an den beiden magnetisch sensitiven Elementen 302, 304 in der gleichen Richtung wirkt, werden durch die Subtraktion diese beiden Einflüsse eliminiert. Im Anschluss daran, das heißt nach der Kompensierung des magnetischen Stör-/Fremdfelds, wird aus der Differenz die Hälfte genommen und bildet somit das erste Komponentensignal, welches später weiterverarbeitet wird.
In gleicher Weise werden die magnetisch sensitiven Elemente 306, 308 des zweiten Sensorelementpaars 303 mit einem zweiten Auswerteelement 42 der Auswerteeinheit 40 verbunden. Das zweite Auswerteelement 42 ist wiederum vorzugsweise ein Differenzbilder und kann somit den Einfluss des magnetischen Stör-/Fremdfelds 400 auf die Signale der magnetisch sensitiven Elemente 306, 308 des zweiten Sensorelementpaares 303 kompensieren, wie es bereits im Hinblick auf das erste Auswerteelement 41 beschrieben worden ist. Das Ausgangssignal des zweiten Auswerteelements 42 stellt dann das zweite Komponentensignal. Insbesondere beschreibt das erste Komponentensignal den
Richtungsanteil der Winkelposition φ des Bauteils 2 entlang der ersten Richtung 202, wobei das zweite Komponentensignal den Richtungsanteil der Winkelposition φ des Bauteils 2 entlang der zweiten Richtung 204 beschreibt.
Die Auswerteeinheit 40 weist ferner ein drittes Auswerteelement 43 auf, das mit dem ersten Auswerteelement 41 und dem zweiten Auswerteelement 42 verbunden und dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Komponentensignal und dem zweiten Komponentensignal die Winkelposition φ des drehbaren Bauteils 2 anzeigende Winkel¬ signal 44 erzeugt.
Die Verbindung der Auswerteeinheit 40 mit den magnetisch sensitiven Elementen der ersten und zweiten Sensorelementpaare 301, 303 können mittels geeigneter Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bonddrähte (in der Fig. 2 mit durchgezogenen Linien dargestellt), realisiert sein. In weiteren Ausgestal¬ tungen der Anordnung 1 können die Verbindungen der Auswerteeinheit 40 mit den magnetisch sensitiven Elementen der ersten und zweiten Sensorelementpaare 301, 303 auch drahtlos realisiert sein, beispielsweise einer geeigneten Funkverbindung.
In weiteren Ausgestaltungen können zwischen den magnetisch sensitiven Elementen und der Auswerteeinheit 40 weitere Aus- werteschaltungen eingesetzt sein, um Quereinflüsse, wie z. B. Temperaturabhängigkeiten und mechanische Streßempfindlichkeiten, zu unterdrücken. Beispielsweise können zwischen den magnetisch sensitiven Elementen und der Auswerteeinheit Mo- dulations- und Demodulationsschaltungen angeordnet sein. Ferner können die magnetisch sensitiven Elemente aus mehreren Einzelelementen, wie beispielsweise Hall-Zellen und/oder 2- oder 4-fach Brückenschaltungen von einzelnen magnetoresitiven Einzelwiderständen, aufgebaut sein. Außerdem können die Aus- werteelemente weitere Auswerteschaltungen beinhalten. Die magnetisch sensitiven Elemente können z.B. vertikale Hall-Zellen sein. Ferner kann zumindest eines der magnetisch sensitiven Elemente auf dem magnetoresistiven Effekt (MR) basieren.
Beispielsweise besteht ein auf dem magnetoresistiven Effekt beruhendes magnetisch sensitives Element aus einem anisotropen magnetoresistiven (AMR) , einem riesenmagnetoresistiven (GMR) oder Tunnel-magnetoresistiven (TMR) Element.
Die Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 300, die mehrere, zumindest aber sechs, magnetische sensitive Elemente, die gemäß der Fig. 2 in mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Folglich ergibt sich eine matrizenartige Anordnung der magnetisch sensitiven Elemente. Dabei ist die Anordnung der magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheit 300 entlang den Zeilen und Spalten jeweils vorzugsweise äquidistant.
Obwohl in der Fig. 2 die magnetisch sensitiven Elemente in insgesamt sieben Zeilen und sieben Spalten angeordnet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Vielmehr kann die Anordnung entlang zumindest einer Zeile mit zumindest sechs Spalten erfolgen. Auch ist es möglich, weniger oder mehr als sieben Zeilen und/oder Spalten vorzusehen. Die Auswerteeinheit 40 weist, wie in der Fig. 2 dargestellt, eine erste Auswahleinheit 52 und eine zweite Auswahleinheit 54 auf. Die erste Auswahleinheit 52 ist zwischen der Sensoreinheit 300 und dem ersten Auswerteelement 41 angeordnet und umfasst zwei Schalter 521, 522, von denen jeder dazu ausgebildet ist, jeweils ein magnetisch sensitives Element des ersten Sensorpaares 301 mit dem ersten Auswerteelement 41 zu verbinden. In ähnlicher Weise ist die zweite Auswahleinheit 54 zwischen der Sensoreinheit 300 und dem zweiten Auswerteelement 42 angeordnet und umfasst zwei Schalter 541, 542, von denen jeder dazu ausgebildet ist, ein magnetisch sensitives Element des zweiten Sensorpaares 303 mit dem zweiten Auswerteelement 42 zu verbinden.
Insbesondere sind die magnetisch sensitiven Elemente jeweils mit einer Leitung 5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207 verbunden, mit denen sich jeweils die Schalter 521, 522 verbinden können, um eine Verbindung zum ersten Auswerteelement 41 herzustellen. Ferner sind die magnetisch sensitiven Elemente jeweils mit einer Leitung 5401, 5402, 5403, 5404, 5405, 5406, 5407 verbunden, mit denen sich jeweils die Schalter 541, 542 verbinden können, um eine Verbindung zum zweiten Auswerteelement 42 herzustellen. Hierzu sind beispielsweise in der Fig. 2 nicht gezeigte Schalter vorgesehen, die eine Verbindung des jeweiligen magnetisch sensitiven Elements mit der zugehörigen Leitung 5201 , 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, 5401, 5402, 5403, 5404, 5405, 5406, 5407 herstellen kann. Dabei ist jedes magnetisch sensitive Element separat ansteuerbar, wobei jedes Sensorelement nur von einer Auswahleinheit 52, 54 bzw. einem Schalter 521, 522, 541, 542 ansteuerbar ist. Folglich kann ein magnetisch sensitives Element nicht gleichzeitig von zwei Schaltern 521, 522, 541, 542 angesteuert werden.
Alternativ kann für jedes magnetisch sensitive Element eine separate elektrische Leitung vorgesehen werden, die mit der ersten bzw. zweiten Auswahleinheit 52, 54 verbunden sind. In einer solchen Ausgestaltung weist die Auswahleinheit 52, 54 ferner auch für jedes magnetisch sensitive Element einen separaten Schalter auf. Beispielsweise sind, wie in der Fig. 2 exemplarisch dargestellt, die in der ersten Zeile angeordneten sieben magnetisch sensitiven Elemente an der Leitung 5401 angeschlossen und über diese mit der ersten Auswahleinheit 52 verbunden . In ähnlicher Weise sind z . B. die in der ersten Spalte angeordneten sieben magnetisch sensitiven Elemente an der Leitung 5201 angeschlossen und über diese mit der zweiten Auswahleinheit 54 verbunden.
Zur Auswahl der für die Messung auszuwählenden vier magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorpaars 301, 303 können nach der Montage der Anordnung 1 sämtliche magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheit 300 separat über die Schalter 521, 522, 541, 542 und den nicht dargestellten weiteren Schalter angesteuert und vorzugsweise über die Komponentensignale vermessen werden. Wie bereits oben erwähnt werden dann diejenigen magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorpaars 301, 303 ausgewählt, die auf einem Umfang eines Kreis K mit Radius R um einen Mittelpunkt M liegen, der der Drehachse 100 am nächsten liegt. Diese Auswahl wird beispielhaft mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 genauer beschrieben.
Diese von den beiden Auswahleinheiten 52, 54 getroffene Auswahl wird dann in einem nichtflüchtigen Speicherelement 56 gespeichert, damit die bereits für die genaueste Messung aus- gewählten magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorelementpaares 301, 303 nach Ausschalten und nach jeder erneuten Inbetriebnahme der Anordnung 1 bzw. Sensoreinheit 300 dauerhaft zur Verfügung stehen. Die Fig. 3 zeigt die Sensoreinheit 300 der Fig. 2 in größerem Detail. In der Fig. 3 ist beispielhaft der Schnittpunkt der Drehachse 100 mit der Messebene 200 eingezeichnet, wobei bereits zwei Möglichkeiten für die Auswahl der zur Ermittlung der Winkelposition des Bauteils 2 vorgesehenen magnetisch sensitiven Elemente gekennzeichnet sind, nämlich mittels unterschiedlichen Schraffüren .
Aus der Fig. 3 geht hervor, dass die magnetisch sensitiven Elemente matrizenartig in mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Insbesondere sind die magnetisch sensitiven Elemente entlang einer ersten Achse 3001 äquidistant zueinander angeordnet, die sich parallel zur ersten Richtung 202 erstreckt. Ferner sind die magnetisch sensitiven Elemente entlang zumindest einer zweiten Achse 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007 jeweils äquidistant zueinander angeordnet, die sich jeweils parallel zur ersten Achse 3001 erstrecken und von dieser beabstandet sind. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den Achsen 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007 jeweils gleich.
Die magnetisch sensitiven Elemente sind ferner entlang zumindest einer dritten Achse 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107 jeweils äquidistant zueinander angeordnet, die sich jeweils orthogonal zur ersten Achse 3001 und somit parallel zur zweiten Richtung 204 erstrecken. Vorzugweise ist der Abstand zwischen den dritten Achsen 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107 jeweils gleich und entspricht dem Abstand zwischen den Achsen 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007. Auch ist der äquidistante Abstand der magnetisch sensitiven Elemente auf den mehreren Achsen jeweils gleich.
Die Drehachse 100 der Fig. 3 ist bezüglich des Mittelpunkts der Matrix, d.h. dem Schnittpunkt der beiden Richtungsachsen 202, 204, radial versetzt. Folglich ist es in der Fig. 3 bevorzugt, die schräg schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 für die Erfassung der Winkelposition φ des Bauteils 2 zu verwenden. Insbesondere liegen diese vier magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 äquidistant zueinander beabstandet auf einem Kreis K mit Radius R um einen Mittelpunkt M, der der Drehachse 100 am nächsten liegt.
Dabei bilden jeweils gegenüberliegende magnetisch sensitive Elemente ein Sensorelementpaar 301, 303. In der Fig. 3 bilden beispielsweise die magnetisch sensitiven Elemente 312, 314 das erste Sensorelementpaar 301 und die magnetisch sensitiven Elemente 316, 318 bilden das zweite Sensorelementpaar 303. Somit ist jeweils ein magnetisch sensitives Element 314, 316 eines jeden Sensorelementpaares 301, 302 auf der ersten Achse 3001 angeordnet, wobei das jeweils andere magnetisch sensitive Element eines jeden Sensorelementpaares 301, 303 auf einer der zweiten Achsen 3002 angeordnet ist. Die Auswahl dieser vier magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 erfolgt wiederum durch die in der Fig. 2 dargestellten Auswahleinheiten 52, 54. Ferner erfolgt diese Auswahl erst nach dem Zusammenstellen der Sensoreinheit 300 mit dem Magneten 10 und dem Bauteil 2, da das Zusammenstellen geometrischen Toleranzen unterliegt und erst nach dem Zusammenstellen diejenigen vier magnetisch sensitiven Elemente ausgewählt werden, mit denen das genaueste Messergebnis und folglich der geringste Messfehler zu erwarten ist. Alternativ zu den schräg schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elementen 312, 314, 316, 318 können die vier vertikal schraffierten magnetisch sensitiven Elemente 322, 324, 326, 328 der Fig. 3 verwendet werden. Dies kann deshalb bevorzugt sein, da diese auf einem Kreis Κλ mit Radius Rx um den Mittelpunkt M äquidistant zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Radius Rx größer ist als der Radius R. Durch eine Auswahl eines größeren Radius kann die Messgenauigkeit zumindest teilweise erhöht werden. In der Fig. 4 ist die Sensoreinheit 300 der Fig. 3 dargestellt, wobei die Drehachse 100 wiederum relativ zum Mittelpunkt der Messebene 200 radial versetzt ist. Gemäß der Fig. 4 ist es vorteilhaft, die schräg schraffiert oder alternativ vertikal schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente zum Ermitteln der Winkelposition φ des Bauteils 2 zu verwenden.
Insbesondere liegt der Mittelpunkt M des Kreises K mit Radius R, auf dem die magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 äquidistant zueinander angeordnet sind, wiederum der Drehachse 100 am nächsten, weshalb ausgerechnet die schräg schraffiert oder vertikal schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente ausgewählt wurden, mit denen die Winkelposition φ des Bauteils 2 so genau wie möglich erfasst werden kann.
Die magnetisch sensitiven Elemente eines jeden Sensorele¬ mentpaares 301, 303 sind wiederum auf dem Kreis gegenüberliegend zueinander angeordnet, wobei die magnetisch sensitiven Elemente 312, 314 des ersten Sensorpaares 301 auf der zweiten Achse 3002 angeordnet sind und die magnetisch sensitiven Elemente 316, 318 des zweiten Sensorpaares 303 auf der dritten Achse 3101 an¬ geordnet sind. Dabei ist die dritte Achse 3101 eine Mittel¬ senkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen 312, 314 des ersten Sensorelementpaares 301 und die dritte Achse 3101 ist eine Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen 316, 316 des zweiten Sensorelementpaares 303.
Alternativ können die magnetisch sensitiven Elemente 322, 324, 326, 328 zum Ermitteln der Winkelposition verwendet werden, die auf einem Kreis K λ mit Radius R λ um den Mittelpunkt M liegen, wobei der Radius Rx größer ist als der Radius R. Damit kann wiederum die Messgenauigkeit zumindest teilweise erhöht werden. In der Fig. 4 liegt die Drehachse 100 einem relativ zu den ausgewählten magnetisch sensitiven Elementen 312, 314, 316, 318 zentral angeordneten magnetisch sensitiven Element 311 am nächsten. Der Mittelpunkt M der Kreise K, Κλ liegt aufgrund der äquidistanten Anordnung aller magnetisch sensitiven Elemente auf diesem zentralen magnetisch sensitiven Element 311. Das zentral angeordnete magnetisch sensitive Element 311 kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die Signale von sämtlichen magnetisch sensitiven Elementen erfasst werden und dasjenige als das zentrale magnetisch sensitive Element 311 definiert wird, dass den betragsmäßig kleinsten Wert anzeigt. Dieses magnetisch sensitive Element 311 liegt dann der Drehachse 100 am nächsten.
Je nach Lage der Drehachse 100 können die vier magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 gemäß der Fig. 3 oder Fig. 4 angeordnet sein. Bei beiden Alternativen liegt jeweils dem Mittelpunkt M der Kreise K mit Radius R, auf dem die vier magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 äquidistant zueinander angeordnet sind, der Drehachse 100 am nächsten, weshalb genau diese vier magnetisch sensitiven Elemente 312 , 314, 316, 318 jeweils zum Ermitteln der Winkelposition φ des Bauteils 2 verwendet werden. Alternativ könnten jeweils die magnetisch sensitiven Elemente 322, 324, 326, 328 verwendet werden. Die Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche matrizenartige Anordnung der magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheit 300, bei der die Zeilen bzw. Spalten zueinander versetzt sind. Auch hier können wiederum in Abhängigkeit der Lage der Drehachse 100 jeweils zwei Sensorelementpaare 301, 303 ermittelt werden, deren magnetisch sensitiven Elemente auf einem Kreis K mit Radius R um einen Mittelpunkt M äquidistant zueinander angeordnet sind, der der Drehachse 100 am nächsten liegt. Durch die matrizenartigen Anordnungen der magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheiten 300 der Fig. 3 bis 5 kann der größtmögliche Versatz der Drehachse 100 bezüglich der jeweiligen Mittelpunkte M der Kreise K, K auf dem die vier für die Ermittlung des Winkelsignals 44 ausgewählten magnetisch sensitiven Elemente 312, 314, 316, 318 äquidistant zueinander angeordnet sind, zumindest auf die Hälfte des äquidistanten Abstands von benachbarten magnetisch sensitiven Elementen beschränkt werden. Je nach Auflösung der Matrix kann damit folglich der durch den Versatz der Drehachse 100 eingebrachte Messfehler zumindest teilweise reduziert werden.
Es ist selbstredend, dass das von der ersten und zweiten Achse 202, 204 aufgespannte zweidimensionale Koordinatensystem in der Messebene verdreht sein kann. Somit könnten auch magnetisch sensitive Elemente von Sensorelementpaaren verwendet werden, die auf diagonal verlaufenden Achsen in den Fig. 3 bis 5 angeordnet sind . Die Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sensoreinheit 300, bei der mehrere Sensorgruppierungen 330 bis 338 vorgesehen sind (jeweils durch gestrichelte Rahmen gekennzeichnet), die jeweils vier magnetisch sensitive Elemente des ersten und zweiten Sensorelementpaares 301, 303 aufweisen. Insbesondere sind die magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheit 300 der Fig. 6 nur teilweise äquidistant zueinander angeordnet. In dem in der Fig. 6 gezeigten Beispiel ist die Sensorgruppierung 330 zentral angeordnet und die Sensorgruppierungen 331 bis 338 sind um die zentrale Sensorgruppierung 330 herum angeordnet.
Die magnetisch sensitiven Elemente der Sensorgruppierungen 330 bis 338 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass jedes mag¬ netisch sensitive Element einer jeweiligen Sensorgruppierung 330 bis 338 auf zumindest einer Achse einer benachbarten Sen- sorgruppierung 330 bis 338 angeordnet ist. Beispielsweise sind die magnetisch sensitiven Elemente 3302, 3332 der Sensorgruppierungen 330, 333 jeweils auf einer gemeinsamen Achse 3002 angeordnet. Ferner sind die magnetisch sensitiven Elemente 3346, 3352 der Sensorgruppierungen 334 , 335 auf einer gemeinsamen Achse 3008 angeordnet. Außerdem sind die magnetisch sensitiven Elemente 3302, 3352 der Sensorgruppierungen 330, 335 auf einer gemeinsamen Achse 3102 angeordnet und die magnetisch sensitiven Elemente 3332, 3346 der Sensorgruppierungen 333, 334 auf einer gemeinsamen Achse 3108 angeordnet. Insbesondere sind die magnetisch sensitiven Elemente 3304, 3332, 3346, 3354 der unterschiedlichen Sensorgruppierungen 330, 333, 334, 335 auf einem gemeinsamen Kreis (nicht eingezeichnet) um einen Mit¬ telpunkt M angeordnet, der der Drehachse 100 am nächsten liegt.
Gemäß der Fig. 6 bilden somit die magnetisch sensitiven Elemente 3302, 3346 ein erstes Sensorelementpaar und die magnetisch sensitiven Elemente 3332, 3352 ein zweites Sensorelementpaar. In dieser Weise lassen sich bei der Ausgestaltung der Fig. 6 mehrere Achsen finden, auf denen jeweils magnetisch sensitive Elemente unterschiedlicher Sensorgruppierungen 330 bis 338 angeordnet sind. Insbesondere können diese gemeinsamen Achsen, ähnlich wie in den Ausgestaltungen der Fig. 3 bis 5, als erste, zweite und dritte Achsen definiert werden, auf denen jeweils die magnetisch sensitiven Elemente der ersten und zweiten Sensorelementpaare 301, 303 angeordnet sind.
In der Fig. 6 sind außerdem exemplarisch zwei Drehachsen eingezeichnet, nämlich eine erste Drehachse 100A und eine zweite Drehachse 100B, die jeweils zum Mittelpunkt der zentralen Sensorgruppierung 330 unterschiedlich radial versetzt sind. Im Fall der ersten Drehachse 100A können die vier in der Fig. 6 schräg schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente der Sensorgruppierung 336 ausgewählt werden, um das Winkelsignal 44 zu ermitteln. Denn diese vier magnetisch sensitiven Elemente dieser Sensorgruppierung 336 liegen auf einem Kreis K (nicht eingezeichnet) um einen Mittelpunkt M, der der ersten Drehachse 100A offensichtlich am nächsten liegt.
Im Fall der zweiten Drehachse 100B ist es bevorzugt, die vier mit vertikaler Schraffur gekennzeichneten magnetisch sensitiven
Elemente 3302 , 3332, 3346, 3352 der Sensorgruppierungen 330 , 333, 334, 335 auszuwählen, da der Mittelpunkt Μλ eines Kreises, auf dem diese vier magnetisch sensitiven Elemente 3302, 3332, 3346, 3352 äquidistant angeordnet sind, der zweiten Drehachse 100B am nächsten liegt.
Die beiden beschriebenen Fälle für die Drehachsen 100A, 100B veranschaulichen, dass es trotz einer nicht äquidistanten Anordnung der magnetisch sensitive Elemente mehrere Möglich- keiten für die Sensoreinheit 300 gibt, die Winkelposition des Bauteilst mit der größten Messgenauigkeit zu ermitteln. Ferner wäre es bei der Ausgestaltung der Sensoreinheit 300 gemäß der Fig. 6 möglich, Sensorelementpaare auszuwählen, deren magnetisch sensitiven Elemente auf diagonal verlaufenden Achsen angeordnet sind, die unter einem Winkel von ungefähr 45° zu den Richtungsachsen 202, 204 verlaufen.
Unter Verweis auf die Fig. 7 bis 9 wird nun im Folgenden erläutert, wie eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 300 zum Erfassen der Wegposition eines sich mit einem stabförmigen Magneten 10 (in den Fig. 7 bis 9 mit gestrichelten Linien gekennzeichnet) entlang einer linearen Bewegungsbahn (mit dem Pfeil 6 gekennzeichnet) beweglichen Bauteils 2 (nicht explizit gezeigt) verwendet werden kann. Die Sensoreinheiten 300 der Fig. 7 bis 9 stellen folglich elektronische Lineale dar, mit denen beispielsweise Ver¬ schiebungen des Bauteils 2 entlang einer linearen oder nicht-linearen Bewegungsbahn quantitativ erfasst werden können. Die Sensoreinheit 300 der Fig. 7 und 8 weist zumindest sechs magnetisch sensitive Elemente 311, 312, 313, 314, 315, 316 auf, die entlang einer ersten Achse 3002 äquidistant zueinander angeordnet sind. Zunächst werden die Signale von allen magnetisch sensitiven Elementen 311, 312, 313, 314, 315, 316 erfasst und diejenigen zwei magnetisch sensitiven Elemente als Sensorelementpaar ausgewählt, die betragsmäßig die größten Werte ausgeben. In der Fig. 7 sind das beispielsweise die magnetisch sensitiven Elemente 311, 312 (siehe schräg schraffiert ge¬ kennzeichnete magnetisch sensitive Elemente in den Fig. 7 und 8) .
Das Erfassen der Wegposition bzw. das Ausgeben des Wegsignals 44 erfolgt dann im Wesentlichen analog zur bereits in Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläuterte Signalverarbeitung. Genauer gesagt werden wiederum die Differenzen von den Signalen der beiden magnetisch sensitiven Elemente 311, 312 gebildet. Hierzu kann die Aus¬ werteeinheit 40 wiederum entsprechende Auswerteelemente als Differenzbilder (analog oder digital) aufweisen. In dieser eindimensionalen Auswertung kann bereits das erste Komponentensignal dem Wegsignal 44 entsprechen.
Die Fig. 8 zeigt die Sensoreinheit 300 der Fig. 7, wobei in dieser Ausgestaltung die magnetisch sensitiven Elemente 314, 316 als das erste Sensorelementpaar 301 ausgewählt sind, mit denen die Wegposition 44 des Bauteils 2 bestimmt wird. In der Fig. 8 ist der Magnet 10 im Vergleich zur Fig. 7 nach rechts verschoben, weshalb bei dieser Konstellation die magnetisch sensitiven Elemente 314, 316 ausgewählt sein können. In der Fig. 8 können zusätzlich die mit vertikaler Schraffur gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente 311, 313 als zweites Sensorelementpaar 303 ausgewählt und zu einem redundanten Wegsignal 44 ausgewertet werden, mit Hilfe dessen außerdem der Einfluss von etwaigen magnetischen Stör-/Fremdfeidern 400 kompensiert werden kann. Hierzu sind die Abstände zwischen den magnetisch sensitiven Elementen der beiden Sensorpaare 301, 303 derart auszuwählen, dass diese gleich sind. Das heißt, dass der Abstand zwischen den magnetisch sensitiven Elementen 314, 316 des ersten Sensorelementpaares 301 gleich dem Abstand zwischen den magnetisch sensitiven Elementen 311, 313 des zweiten Sensorelementpaares 303 ist.
Die Fig. 9 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sensoreinheit 300 zum Erfassen der Wegposition 44 des Bauteils 2. Die Sensoreinheit 300 umfasst zumindest sechs magnetisch sensitive Elemente, die in zwei Zeilen angeordnet sind. Insbesondere sind bei der Ausgestaltung der Fig. 9 vier magnetisch sensitive Elemente 311, 312, 313, 314 entlang einer ersten Achse 3002 äquidistant zueinander angeordnet und vier magnetisch sensitive Elemente 321, 322, 323, 324 entlang einer parallel zur ersten Achse 3002 verlaufenden zweiten Achse 3004 äquidistant zueinander angeordnet. Außerdem sind die magnetisch sensitiven Elemente 311, 312, 313, 314, 321, 322, 323, 324 entlang dritten Achsen 3102, 3104, 3106, 3108 angeordnet, die parallel zueinander und or¬ thogonal zur ersten und zweiten Achse 3002, 3004 verlaufen. Folglich ergibt sich in der Fig. 9 wiederum eine matrizenartige Anordnung der magnetisch sensitiven Elemente der Sensoreinheit 300 mit zwei Zeilen und vier Spalten.
Je nach relativer Lage des Magneten 10 (und somit auch des Bauteils 2) können die relevanten zwei magnetisch sensitiven Elemente ausgewählt werden, auf dessen Signale basierend die Wegposition des Bauteils 2 ermittelt werden kann. In dem Beispiel der Fig. 9 werden beispielsweise die zwei magnetisch sensitiven Elemente 311, 312 ausgewählt, da der im Wesentlichen stabförmige Magnet 10 dieser zweiten Zeile und diesem Sensorelementpaar 301 am nächsten liegt.
Die Sensoreinheit 300 der Fig. 9 kann jedoch alternativ oder zusätzlich derart verwendet werden, dass die Winkelposition φ eines sich um die Drehachse 100 (siehe schwarz gekennzeichneten Punkt in der Fig. 9) drehbaren Bauteils 2 erfasst werden kann. Hierzu werden beispielsweise die in der Fig. 9 schräg schraffiert gekennzeichneten magnetisch sensitiven Elemente 313, 314, 323, 324 ausgewählt. Die Auswahl und Auswertung dieser relevanten magnetisch sensitiven Elemente 313, 314, 323, 324 erfolgt in analoger Weise wie bereits in Bezug auf die Fig. 3 bis 6 be- schrieben.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit 300 kann auch dazu ausge¬ bildet sein, eine absolute Position des Magneten 10 und/oder Bauteils 2 zu erfassen. Wenn sich das Bauteil 2 und/oder der Magnet 10 in einer parallel zur Messebene angeordneten Bewe¬ gungsebene bewegt, kann z. B. mit der Sensoreinheit 300 gemäß Fig. 3 die absolute Position des Bauteils 2 und/oder Magneten 10 dadurch abgeschätzt werden, dass es denjenigen magnetisch sensitiven Element (en) am nächsten liegt, das (die) den be- tragsmäßig größten Wert (e) ausgibt (ausgeben) .
Mit der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist es möglich, mehrere magnetisch sensitive Elemente vorzusehen und erst nach dem Anordnen der Sensoreinheit relativ zu einem Magneten, der sich mit einem Bauteil bewegt, dessen Winkel- und/oder Wegposition mittels der Sensoreinheit erfasst werden soll, diej enigen magnetisch sensitiven Elemente auszuwählen, mit denen die maximale Messgenauigkeit frei von dem Einfluss etwaiger magnetischer Fremd-/Störfeider erzielt werden kann. Somit ist die Auswahl der für die Messung relevanten magnetisch sensitiven Elemente flexibel, so dass die erfindungsgemäße Sensoreinheit für eine Vielzahl von Applikationen zwar identisch sein kann, jedoch für das Erfassen der jeweiligen Winkel- und/oder Weg- position des Bauteils unterschiedliche magnetisch sensitive Elemente verwendet werden können.
Es wird nochmals ausdrücklich festgehalten, dass sämtliche in den Fig. 1 bis 9 gezeigten und beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander offenbart sind und folglich beliebig miteinander kombiniert werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoreinheit (300) zum Erfassen der Position (φ) eines Bauteils (2), wobei die Sensoreinheit (300) aufweist:
- zumindest sechs in einer Messebene (200) angeordnete magnetisch sensitive Elemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, ein Magnetfeld (20) ausschließlich entlang einer sich orthogonal zur Messebene (200) erstreckenden
Messrichtung (206) zu erfassen, und
- eine Auswerteeinheit (40), die mit den magnetisch sensitiven Elementen der Sensoreinheit (300) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein der Position (φ) des Bauteils (2) entsprechendes Positionssignal (44) basierend auf den Signalen von einem ersten Sensorelementpaar (301) von magnetisch sensitiven Elementen und/oder basierend auf den Signalen von einem zweiten Sensorelementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zu ermitteln.
2. Sensoreinheit (300) nach Anspruch 1, wobei die Signale aller magnetisch sensitiven Elemente erfasst werden und diejenigen magnetisch sensitive Elemente als zum ersten Sensorelementpaar (301) von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert werden, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben, und/oder diejenigen magnetisch sensitive Elemente als zum zweiten Sensorelementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert werden, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben.
3. Sensoreinheit (300) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (300) dazu ausgebildet ist, ein der Winkelposition (φ) des sich um eine Drehachse (100) drehenden Bauteils (2) entsprechendes Winkelsignal (44) ba¬ sierend auf den Signalen von denjenigen vier magnetisch sensitiven Elemente des ersten und zweiten Sensorelementpaares (301, 303) zu ermitteln, die jeweils auf einem Umfang eines Kreises (K) um einen Mittelpunkt (M, Μλ), der in der Messebene (200) der Drehachse (100) am nächsten liegt, äquidistant zu¬ einander angeordnet sind.
4. Sensoreinheit (300) nach Anspruch 3, wobei der Mittelpunkt (M, Μλ) des Kreises dadurch ermittelt wird, dass dieser demjenigen magnetisch sensitiven Element am nächsten liegt, welches den betragsmäßig kleinsten Wert ausgibt.
5. Sensoreinheit (300) nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, wobei die magnetisch sensitiven Elemente zumindest teilweise entlang einer in der Messebene (200) verlaufenden ersten Achse (3001) und/oder zumindest teilweise entlang zumindest einer in der Messebene (200) parallel zur ersten Achse (3001) verlaufenden zweiten Achse (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) jeweils äquidistant angeordnet sind.
6. Sensoreinheit (300) nach Anspruch 5, wobei die auf der ersten Achse (3001) angeordneten magnetisch sensitiven
Elemente und die auf der zumindest einen zweiten Achse (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) angeordneten magnetisch sensitiven Elemente jeweils ferner auf zumindest einer in der Messebene (200) unter einem vorbestimmten Winkel ( ) zur ersten Achse (3001) verlaufenden dritten Achse (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) angeordnet sind.
7. Sensoreinheit (300) nach Anspruch 6, wobei ein magnetisch sensitives Elemente des ersten Sensorelementpaares (301) auf der ersten Achse (3001) und das andere magnetisch sensitive Element des ersten Sensorelementpaares (301) auf der zumindest einen zweiten Achse (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) angeordnet ist und/oder ein magnetisch sensitives Element des zweiten Sensorelementpaares (303) auf der ersten Achse (202) und das andere magnetisch sensitive Elemente des zweiten Sensorelementpaares (303) auf der zweiten Achse (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) angeordnet ist.
8. Sensoreinheit (300) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die magnetisch sensitiven Elemente des ersten Sensorelementpaares (301) auf der ersten Achse (3001) angeordnet sind und die magnetisch sensitiven Elemente des zweiten Sensorelementpaares (303) auf der zumindest einen dritten Achse (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) angeordnet sind, wobei die erste Achse (3001) als Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares (303) verlauft und die dritte Achse (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) als Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Ele- menten des ersten Sensorelementpaares (301) verläuft.
9. Sensoreinheit (300) nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (40) aufweist:
eine erste Auswahleinheit (52), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares (301) herzustellen, und/oder
eine zweite Auswahleinheit (54), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares (303) herzustellen.
10. Sensoreinheit (300) nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (40) ferner eine nicht-flüchtige Speicher¬ vorrichtung (56) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die von der ersten Auswahleinheit (52) und/oder zweiten Auswahleinheit (54) getroffenen Auswahl der ausgewählten magnetisch sensitiven Elemente des ersten und/oder zweiten Sensorelementpaares (301, 303) nicht-flüchtig zu speichern.
11. Anordnung (1) zum Erfassen der Position (φ) eines Bauteils (2), wobei die Anordnung (300) aufweist:
einen Magneten (10), der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld (20) zu erzeugen, und
- eine Sensoreinheit (300) nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (300) vom Magneten (10) beabstandet und dazu ausgebildet ist, das Mag¬ netfeld (20) entlang einer orthogonal zur Messebene (200) verlaufenden Messrichtung (206) zu erfassen und daraus ein der Position (φ) des Bauteils (2) entsprechendes Positionssignal (44) auszugeben.
12. Anordnung (1) nach Anspruch 11, wobei der Magnet (10) oder die Sensoreinheit (300) gemeinsam mit dem Bauteil (2) um eine Drehachse (100) drehbar angeordnet sind und die Sen¬ soreinheit (300) dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld (20) entlang der Messrichtung (206) zu erfassen und daraus ein einer Winkelposition (φ) des Bauteils (2) entsprechendes Winkelsignal (44) auszugeben.
13. Anordnung (1) nach Anspruch 11, wobei der Magnet oder die Sensoreinheit (300) gemeinsam mit dem Bauteil (2) entlang einer Bewegungsbahn beweglich angeordnet sind und die Sensoreinheit (300) dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld (20) entlang der Messrichtung (206) zu erfassen und daraus ein einer Winkelposition (φ) des Bauteils (2) entsprechendes Winkelsignal (44) auszugeben.
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