DE102017211996A1

DE102017211996A1 - Sensoreinheit und Anordnung zur Erfassung der Position eines Bauteils

Info

Publication number: DE102017211996A1
Application number: DE102017211996.9A
Authority: DE
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-07-14
Also published as: DE102017211996B4; WO2019011592A1

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 Sensorelementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit und eine Anordnung zur Erfassung der Position eines Bauteils, insbesondere eine Sensoreinheit und eine Anordnung zur berührungsfreien 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 Winkelsensoren zu verwenden. Die GB 2 505 226 A offenbart beispielsweise eine Anordnung, ein Verfahren und einen Sensor zum Messen einer Winkelposition unter Verwendung eines mehrpoligen Magneten mit Kompensation von magnetischen Stör-/Fremdfeldern. Die darin offenbarte Anordnung weist einen an einem Rotor angebrachten mehrpolpaarigen Magneten und einen feststehenden Sensor auf. Der Sensor umfasst mehrere auf einem Kreis angeordnete 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-/Fremdfelder 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 B1 , US 2015/276893 A1 , DE 10 2015 001 553 B3 , DE 10 2014 005 247 A1 , 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-/Fremdfeldern. 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 parallel zur Sensorebene messen, können nicht verwendet werden.
Aus der DE 10 2009 042 473 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors mit mindestens zwei Sensorelementen 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 Auswertung 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-/Fremdfelder 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 A1 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 magnetischen 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 B1 offenbart einen Sensor für die Detektion der Richtung eines Magnetfeldes in einer Ebene. Der daraus bekannte Sensor weist mehrere Magnetfeldsensoren und Logik- und Auswerteschaltungen 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-/Fremdfelder 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-/Fremdfelder 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-/Fremdfeldern 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 Sensorelementpaare 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 entsprechendes Positionssignal basierend auf den Signalen von einem ersten Sensorelementpaar von magnetisch sensitiven Elementen und/oder basierend auf den Signalen von einem zweiten Sensorelementpaar 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-/Fremdfeldern 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 Speichervorrichtung, 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 sensitive 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-/Störfeldern erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet ist, ein der Winkelposition des sich um eine Drehachse drehenden Bauteils entsprechendes Winkelsignal basierend auf den Signalen von denjenigen vier magnetisch sensitiven 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-/Fremdfeldern 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 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-/Fremdfelder, wobei wiederum eine höhere Empfindlichkeit zu geometrischen Toleranzen vorhanden sein können.
Ferner kann es dabei bevorzugt sein, dass der Mittelpunkt des Kreises dadurch ermittelt wird, dass dieser demjenigen magnetisch 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 magnetisch 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.
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 Sensorelementpaares 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 Sensorelementpaares 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 Auswahleinheit, 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 Zusammenstellung 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 ausgewählten 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 erfindungsgemäße 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 beispielsweise 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:

1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Anordnung zum Erfassen der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils zeigt, die eine erfindungsgemäße Sensoreinheit aufweist,
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit zeigt, die mit einer beispielhaften Auswerteeinheit verbunden ist,
3 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit der 2 zeigt, bei der beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind,
4 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit der 2 zeigt, bei der andere beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind,
5 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Sensoreinheit zeigt,
6 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Sensoreinheit zeigt, bei der beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind,
7 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Sensoreinheit zeigt, mit der eine Wegposition eines Bauteils erfasst werden kann und beispielhaft ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind,
8 eine Draufsicht der Sensoreinheit der 7 zeigt, mit der eine Wegposition eines Bauteils erfasst werden kann und beispielhaft andere ausgewählte magnetisch sensitive Elemente gekennzeichnet sind, und
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 1 bis 6 erläutert beispielhaft das Erfassen einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils. Die Beschreibung der 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 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 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 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 Ausführungsbeispielen 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 ferromagnetisches Element kann beispielweise dazu ausgebildet sein, das Magnetfeld eines ortsfesten Magneten zu verändern.
Die Anordnung 1 der 1 weist einen Magneten 10 auf, der dazu ausgebildet ist, ein im Wesentlichen symmetrisches Magnetfeld 20 zu erzeugen. In der 1 sind die Magnetfeldlinien des Magnetfelds 20 schematisch eingezeichnet. Wie in der 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 1) .
Die in der 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 α 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 α jeden anderen Winkel als 90° annehmen, beispielsweise 120°.
Die Sensoreinheit 300 ist dazu ausgebildet, auf Magnetfeldkomponenten magnetisch sensitiv zu sein, die orthogonal zur Messebene 200 und somit parallel zur Messrichtung 206 verlaufen. Die Sensoreinheit 300 ist ferner dazu ausgebildet, auf Magnetfeldkomponenten nicht magnetisch sensitiv zu sein, die parallel zur oder in der Messebene 200 verlaufen.
Die Sensoreinheit 300 ist in der in der 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 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 magnetisch 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 1 lediglich vier magnetisch sensitiven Elemente 302, 304, 306, 308 dargestellt.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 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 Sensoreinheiten 300 der 2 bis 6 und 9 gilt.
Die Sensoreinheit 300 der 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 α 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 angeordnet, 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. 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 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 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 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 betragsmäßigen 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 Magnetfeldkomponenten 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 Sensorelementpaares 303 die Magnetfeldkomponente 28. Auch hier sind die beiden Magnetfeldkomponenten 26, 28 relativ zur Messrichtung 206 entgegengesetzt, jedoch betragsmäßig im Wesentlichen gleich.
In der 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 Addition 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 Winkelsignal 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 2 mit durchgezogenen Linien dargestellt), realisiert sein. In weiteren Ausgestaltungen 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 Auswerteschaltungen eingesetzt sein, um Quereinflüsse, wie z. B. Temperaturabhängigkeiten und mechanische Streßempfindlichkeiten, zu unterdrücken. Beispielsweise können zwischen den magnetisch sensitiven Elementen und der Auswerteeinheit Modulations- 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 Auswerteelemente 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 2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 300, die mehrere, zumindest aber sechs, magnetische sensitive Elemente, die gemäß der 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 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 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 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 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 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 ausgewählten 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 3 zeigt die Sensoreinheit 300 der 2 in größerem Detail. In der 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 Schraffuren.
Aus der 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 3 ist bezüglich des Mittelpunkts der Matrix, d.h. dem Schnittpunkt der beiden Richtungsachsen 202, 204, radial versetzt. Folglich ist es in der 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 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 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 3 verwendet werden. Dies kann deshalb bevorzugt sein, da diese auf einem Kreis K' mit Radius R' um den Mittelpunkt M äquidistant zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Radius R' größer ist als der Radius R. Durch eine Auswahl eines größeren Radius kann die Messgenauigkeit zumindest teilweise erhöht werden.
In der 4 ist die Sensoreinheit 300 der 3 dargestellt, wobei die Drehachse 100 wiederum relativ zum Mittelpunkt der Messebene 200 radial versetzt ist. Gemäß der 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 Sensorelementpaares 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 angeordnet sind. Dabei ist die dritte Achse 3101 eine Mittelsenkrechte 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' mit Radius R' um den Mittelpunkt M liegen, wobei der Radius R' größer ist als der Radius R. Damit kann wiederum die Messgenauigkeit zumindest teilweise erhöht werden.
In der 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, K' 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 3 oder 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 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 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 3 bis 5 angeordnet sind.
Die 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 6 nur teilweise äquidistant zueinander angeordnet. In dem in der 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 magnetisch sensitive Element einer jeweiligen Sensorgruppierung 330 bis 338 auf zumindest einer Achse einer benachbarten Sensorgruppierung 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 Mittelpunkt M angeordnet, der der Drehachse 100 am nächsten liegt.
Gemäß der 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 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 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 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 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 M' 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 Möglichkeiten 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 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 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 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 7 bis 9 stellen folglich elektronische Lineale dar, mit denen beispielsweise Verschiebungen des Bauteils 2 entlang einer linearen oder nicht-linearen Bewegungsbahn quantitativ erfasst werden können.
Die Sensoreinheit 300 der 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 7 sind das beispielsweise die magnetisch sensitiven Elemente 311, 312 (siehe schräg schraffiert gekennzeichnete magnetisch sensitive Elemente in den 7 und 8) .
Das Erfassen der Wegposition bzw. das Ausgeben des Wegsignals 44 erfolgt dann im Wesentlichen analog zur bereits in Bezug auf die 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 Auswerteeinheit 40 wiederum entsprechende Auswerteelemente als Differenzbilder (analog oder digital) aufweisen. In dieser eindimensionalen Auswertung kann bereits das erste Komponentensignal dem Wegsignal 44 entsprechen.
Die 8 zeigt die Sensoreinheit 300 der 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 8 ist der Magnet 10 im Vergleich zur 7 nach rechts verschoben, weshalb bei dieser Konstellation die magnetisch sensitiven Elemente 314, 316 ausgewählt sein können.
In der 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-/Fremdfeldern 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 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 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 orthogonal zur ersten und zweiten Achse 3002, 3004 verlaufen. Folglich ergibt sich in der 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 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 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 9) drehbaren Bauteils 2 erfasst werden kann. Hierzu werden beispielsweise die in der 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 3 bis 6 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit 300 kann auch dazu ausgebildet 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 Bewegungsebene bewegt, kann z. B. mit der Sensoreinheit 300 gemäß 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 betragsmäßig 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, die jenigen magnetisch sensitiven Elemente auszuwählen, mit denen die maximale Messgenauigkeit frei von dem Einfluss etwaiger magnetischer Fremd-/Störfelder 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 Wegposition des Bauteils unterschiedliche magnetisch sensitive Elemente verwendet werden können.
Es wird nochmals ausdrücklich festgehalten, dass sämtliche in den 1 bis 9 gezeigten und beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander offenbart sind und folglich beliebig miteinander kombiniert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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WO 2016/139135 A1 [0006]
EP 1668378 B1 [0007]

Claims

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.
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 die jenigen magnetisch sensitive Elemente als zum zweiten Sensorelementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert werden, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben.
Sensoreinheit (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (300) dazu ausgebildet ist, ein der Winkelposition (φ) des sich um eine Drehachse (100) drehenden Bauteils (2) entsprechendes Winkelsignal (44) basierend 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, M'), der in der Messebene (200) der Drehachse (100) am nächsten liegt, äquidistant zueinander angeordnet sind.
Sensoreinheit (300) nach Anspruch 3, wobei der Mittelpunkt (M, M') des Kreises dadurch ermittelt wird, dass dieser demjenigen magnetisch sensitiven Element am nächsten liegt, welches den betragsmäßig kleinsten Wert ausgibt.
Sensoreinheit (300) nach einem der vorhergehenden 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.
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 (α) zur ersten Achse (3001) verlaufenden dritten Achse (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) angeordnet sind.
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.
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) verläuft und die dritte Achse (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) als Mittelsenkrechte zu den magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares (301) verläuft.
Sensoreinheit (300) nach einem der vorhergehenden 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.
Sensoreinheit (300) nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (40) ferner eine nicht-flüchtige Speichervorrichtung (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.
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 vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (300) vom Magneten (10) beabstandet und dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld (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.
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 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.
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.