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DE102017211996B4 - Sensor unit and arrangement for detecting the position of a component - Google Patents

Sensor unit and arrangement for detecting the position of a component

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DE102017211996B4
DE102017211996B4 DE102017211996.9A DE102017211996A DE102017211996B4 DE 102017211996 B4 DE102017211996 B4 DE 102017211996B4 DE 102017211996 A DE102017211996 A DE 102017211996A DE 102017211996 B4 DE102017211996 B4 DE 102017211996B4
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magnetically sensitive
sensitive elements
axis
sensor
sensor unit
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German (de)
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Werner Wallrafen
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

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, wobei die Auswerteeinheit (40) aufweist:
- eine erste Auswahleinheit (52), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares (301) herzustellen, und
- eine zweite Auswahleinheit (54), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares (303) herzustellen. Sensor unit (300) for detecting the position (φ) of a component (2), wherein the sensor unit (300) comprises:
- at least six magnetically sensitive elements arranged in a measuring plane (200), each of which is designed to detect a magnetic field (20) exclusively along a measuring direction (206) extending orthogonally to the measuring plane (200), and
- an evaluation unit (40) which is connected to the magnetically sensitive elements of the sensor unit (300) and is designed to determine a position signal (44) corresponding to the position (φ) of the component (2) based on the signals from a first sensor element pair (301) of magnetically sensitive elements and/or based on the signals from a second sensor element pair (303) of magnetically sensitive elements, wherein the evaluation unit (40) comprises:
- a first selection unit (52) which is designed to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the first sensor element pair (301), and
- a second selection unit (54) which is designed to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the second sensor element pair (303).

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.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 contact-free detection of an angular position of a rotor of an electric motor or a valve flap rotatable about a rotational axis or a rotational axis of an actuator.

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.To detect the angular position of a component that can rotate around a rotation axis, it is known to use magnetically based angle sensors. GB 2 505 226 A For example, discloses an arrangement, a method, and a sensor for measuring an angular position using a multipole magnet with compensation for magnetic interference/external fields. The arrangement disclosed therein comprises a multipole-pair magnet attached to a rotor and a stationary sensor. The sensor comprises a plurality of sensor elements arranged in a circle, which are essentially arranged in two groups for measuring the magnetic field components acting parallel to the sensor plane. The arrangement disclosed therein allows homogeneous magnetic interference/external fields to be largely compensated. However, with the segmented multipole-pair magnet, the usable angle measurement range is limited, so that only a range of 360° divided by the number of pole pairs of the magnet can be measured.

Ferner sind aus der EP 0 916 074 B1 , US 2015 / 0 276 893 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.Furthermore, the EP 0 916 074 B1 , US 2015 / 0 276 893 A1 , DE 10 2015 001 553 B3 , DE 10 2014 005 247 A1 , DE 10 2004 064 185 B4 and the DE 698 16 755 T2 Devices for detecting the angular position of a rotatable component are known. These disclosures are also based on differential calculation to suppress magnetic interference/external fields. Parallel components of the magnetic field are detected, and therefore only those magnetic field components that act orthogonally to the sensor plane are measured. Magnetically sensitive sensors, such as magnetoresistive sensors or vertical Hall cells, which measure parallel to the sensor plane, cannot be used.

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.From the DE 10 2009 042 473 A1 A method is known for evaluating signals from an angle sensor with at least two sensor elements that span a plane and with a rotatable element spaced from this plane for varying a field, as well as a brushless electric motor that is controlled according to this method. In order to specify a method for evaluating signals from an angle sensor with at least two sensor elements that produces high-resolution measurement results with sensor elements that map a full circle, the sensor elements detect at least a first and a second linearly independent vector of the field present in this plane, wherein a further variable is additionally detected that is dependent on the distance between the plane and the rotatable element, and wherein the amplitudes of the signals from the first and second sensor elements are controlled with the amount of the further variable.

Aus der DE 10 2016 202 378 A1 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.From the DE 10 2016 202 378 A1 A device is known that can at least partially compensate for magnetic interference/external fields. However, the resulting device may exhibit excessive measurement inaccuracies due to geometric tolerances of the individual components, which may be assembly-related and/or material-related.

Die WO 2016/ 139 135 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.The WO 2016/ 139 135 A1 relates to a method and an arrangement for determining the position of a magnetic body by means of one or more magnetic field sensors, the magnetic body moving relative to the one or more magnetic field sensors. In the method, one or more of three directional components of the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic body are repeatedly locally detected and evaluated using the magnetic field sensors in order to determine the respective position of the magnetic body. The magnetic field sensors are arranged in the near field of the magnetic body. The evaluation is carried out at least partially using an optimal estimator based on a magnetic field model. Using the method and the associated arrangement, up to six mechanical degrees of freedom of the magnetic body can be determined in a very small space.

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.The EP 1 668 378 B1 discloses a sensor for detecting the direction of a magnetic field in a plane. The resulting sensor comprises multiple magnetic field sensors and logic and evaluation circuits. Each magnetic field sensor is assigned a measuring axis such that the absolute value of the output signal of the magnetic field sensor is greatest when the magnetic field runs parallel to the assigned measuring axis.

Die DE 103 20 057 A1 beschreibt einen redundant ausgeführten Winkelaufnehmer mit Halleffekt-Elementen, der auf einem Halbleitersubstrat acht horizontale Hallsensor-Strukturen aufweist, welche aus einem oder auch mehreren Einzelelementen bestehen können.The DE 103 20 057 A1 describes a redundant angle sensor with Hall effect elements, which has eight horizontal Hall sensor structures on a semiconductor substrate, which can consist of one or more individual elements.

Aus der US 2002 / 0 021 124 A1 ist ein Sensor zur Erfassung der Richtung eines magnetischen Felds bekannt, der einen einzigen Magnetfeldkonzentrator mit einer flachen Gestalt und zumindest ein erstes horizontales Hall-Effekt-Element und ein zweites horizontales Hall-Effekt-Element aufweist. Die Hall-Effekt-Elemente sind dabei in dem Gebiet einer Kante des Magnetfeldkonzentrators angeordnet.From the US 2002 / 0 021 124 A1 is a sensor for detecting the direction of a magnetic A field sensor is known that comprises a single magnetic field concentrator with a flat shape and at least a first horizontal Hall effect element and a second horizontal Hall effect element. The Hall effect elements are arranged in the region of an edge of the magnetic field concentrator.

Die DE 10 2005 039 280 A1 beschreibt eine integrierte Schaltung mit Magnetfeldsensoren, bei welcher auf dem gleichen Substrat Strukturen für mindestens zwei magnetfeldempfindliche Sensorelemente und elektronische Bauelemente aufgebracht sind.The DE 10 2005 039 280 A1 describes an integrated circuit with magnetic field sensors in which structures for at least two magnetic field-sensitive sensor elements and electronic components are applied on the same substrate.

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.Magnetic interference/external fields can be generated by nearby permanent magnets, electromagnets, or even by a nearby power line. With the electrification of vehicles, especially with regard to the 48-volt electrical system, for example, where currents of over 1,000 amperes can occur, or due to magnets installed nearby, the magnetic field source is increasingly subject to magnetic interference/external fields, which can influence the sensor signal and thus negatively distort the measurements of the magnetic encoder.

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.The object of the present invention is to provide a sensor unit and an arrangement with which the position of a component can be detected reliably, as accurately as possible and, in the case of a component rotating about a rotational axis, over an angular measuring range of 360° and which are robust against magnetic interference/external fields and against geometric tolerances.

Diese Aufgabe wird mit der Sensoreinheit gemäß unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with the sensor unit according to independent claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

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.The present invention is essentially based on the idea of providing a sensor unit and an arrangement for detecting the position of a moving (translationally and/or rotationally) component, in which a plurality of magnetically sensitive elements are arranged such that, after positioning relative to a magnet or a ferromagnetic component, at least one sensor element pair consisting of two magnetically sensitive elements can be selected that are arranged most favorably with regard to measurement accuracy. In particular, the selected magnetically sensitive elements are arranged most favorably with regard to displacements caused by geometric tolerances.

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.When detecting the angular position of a component that can rotate about a rotational axis, for example, two pairs of sensor elements are selected whose magnetically sensitive elements are arranged most favorably in terms of measurement accuracy when they are arranged equidistantly on a circle around a center point that is closest to the rotational axis. Thus, the distances of the magnetically sensitive elements of the two pairs of sensor elements from the rotational axis are essentially similar, preferably essentially the same. When detecting the position of a component that can move along a movement path, those magnetically sensitive elements of a pair of sensor elements are arranged most favorably in terms of measurement accuracy when they output the greatest value for the detected magnetic field.

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.According to the invention, a sensor unit for detecting the position of a component is thus provided, 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 orthogonally to the measuring plane, and an evaluation unit which is connected to the magnetically sensitive elements of the sensor unit and is designed to determine a position signal corresponding to the position of the component based on the signals from a first sensor element pair of magnetically sensitive elements and/or based on the signals from a second sensor element pair of magnetically sensitive elements.

Die Auswerteeinheit umfasst eine erste Auswahleinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares herzustellen, und eine zweite Auswahleinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren 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.The evaluation unit comprises a first selection unit configured to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the first sensor element pair, and a second selection unit configured to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the second sensor element pair. The two selection units are therefore preferably configured to select the magnetically sensitive elements with which the position of the component is to be determined. This selection is preferably made only once, after assembly with a magnet.

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.By arranging several, at least six, magnetically sensitive elements in the measuring plane, those two or four magnetically sensitive elements can be selected for detecting the position of the component, with which the position of the component can be detected as accurately as possible despite the existing offset between the sensor unit and the component due to geometric tolerances and acting magnetic interference/external fields. Once the relative positioning between the sensor unit and the component is complete and remains unchanged, a one-time selection, for example, by a non-volatile memory device, of the magnetically sensitive elements intended for the measurement is revealed.

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.For this purpose, the signals of the two or four magnetically sensitive elements with which the error in the determined position of the component is the smallest are used. In particular, two pairs of magnetically sensitive elements form a sensor grouping that can detect the angular position of a component rotatable about a rotational axis.

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.If, for example, one of the several magnetically sensitive elements outputs a value of approximately zero for the magnetic field component running parallel to the axis of rotation, four magnetically sensitive elements are detected around this one magnetically sensitive element, which lie on the circumference of a circle whose center lies on the one magnetically sensitive element that outputs the value of approximately zero for the magnetic field component running parallel to the axis of rotation. However, if the magnetically sensitive elements of a sensor pair each output similar values for the magnetic field components running parallel to the axis of rotation, then precisely these four magnetically sensitive elements are detected. These four magnetically sensitive elements are then arranged equidistantly on the circumference of a circle whose center lies inside an imaginary square, at whose vertices precisely these four magnetically sensitive elements are arranged.

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.In a preferred embodiment of the sensor unit according to the invention, the signals of all magnetically sensitive elements are detected, and those magnetically sensitive elements that each output the largest value in terms of magnitude are defined as belonging to the first sensor element pair of magnetically sensitive elements, and/or those magnetically sensitive elements that each output the largest value in terms of magnitude are defined as belonging to the second sensor element pair of magnetically sensitive elements. Additionally or alternatively, in a sensor unit designed to detect the angular position of the component, a predetermined diameter can be defined for the circle, and those magnetically sensitive elements whose signals are each essentially symmetrical in terms of magnitude during a full circle rotation can be selected.

Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Auswahl der Sensorelementpaare ohne Einfluss von magnetischen Fremd-/Störfeldern erfolgt.In this preferred embodiment, it is advantageous if the sensor element pairs are selected without the influence of external magnetic/interference fields.

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.In an advantageous embodiment, the sensor unit is designed to determine an angle signal corresponding to the angular position of the component rotating about a rotation axis based on the signals from those four magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pair, which are each arranged equidistant from one another on a circumference of a circle around a center point which is closest to the rotation axis in the measuring plane.

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.The two magnetically sensitive elements of each sensor element pair are then arranged opposite each other on the circumference of the circle. The radius of the circle is preferably as large as possible, which at least partially reduces the influence of geometric tolerances.

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.Because the influence of geometric tolerances decreases with larger circle diameters, but the sensor unit becomes more sensitive to inhomogeneous magnetic interference/external fields if these have curved field lines (e.g., a power cable near the sensor unit), it may be preferable 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 closer vicinity to the axis of rotation than in a more distant area. The smaller the diameter of the circle on which the magnetically sensitive elements intended for measurement are arranged, the less influence inhomogeneous magnetic interference/external fields have, which in turn can result in a greater sensitivity to geometric tolerances.

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.Furthermore, it may be preferable for the center of the circle to be determined by determining the center closest to the magnetically sensitive element that outputs the smallest value in terms of magnitude. Consequently, after determining the magnetically sensitive element that outputs the smallest value in terms of magnitude, 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.

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.In a further advantageous embodiment, the magnetically sensitive elements are at least partially arranged along a first axis running in the measuring plane and/or at least partially along at least one second axis running parallel to the first axis in the measuring plane, each arranged equidistant from each other.

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.Preferably, the magnetically sensitive elements arranged on the first axis and/or the magnetically sensitive elements arranged on the at least one second axis are each further arranged on at least one third axis extending in the measuring plane at a predetermined angle to the first axis. Even more preferred is when the at least six magnetically sensitive elements are arranged in a matrix-like manner with at least two rows and at least three columns.

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.It may be preferred that one magnetically sensitive element of the first sensor element pair is arranged on the first axis, and the other magnetically sensitive element of the first sensor element pair is arranged on the at least one second axis. Alternatively or additionally, one magnetically sensitive element of the second sensor element pair is arranged on the first axis, and the other magnetically sensitive element of the second sensor element pair is arranged on the second axis.

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.Furthermore, it may be preferred that 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, wherein the first axis runs as a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements of the second sensor element pair and the third axis runs as a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair.

In einer bevorzugten 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.In a preferred embodiment, the evaluation unit further comprises a non-volatile memory device designed to store the selection of the selected magnetically sensitive elements of the first and/or second sensor element pair made by the first selection unit and/or second selection unit in a non-volatile manner. This means that after the selection of the magnetically sensitive elements selected for detecting the position of the component has been made by the selection units, the switching positions of the selection units are stored once and permanently, even when the entire sensor unit is switched off. Thus, when the sensor unit is switched on again, this selection is available again so that the position of the component can be detected again as accurately as possible.

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.According to a further aspect, an arrangement for detecting the position of a component is disclosed, comprising a magnet configured to generate a magnetic field and a sensor unit according to the invention. The sensor unit is arranged at a distance from the magnet and configured to detect the magnetic field along a measuring direction extending orthogonally to the measuring plane and to determine therefrom a position signal corresponding to the position of the component.

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.Advantageously, the magnet or the sensor unit is arranged to be rotatable about a rotation axis 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.

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.In an alternative advantageous embodiment, the magnet or the sensor unit is arranged to be movable along a movement path and the sensor unit is designed to detect the magnetic field along the measuring direction and to determine therefrom a position signal corresponding to the path position of the component.

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.The component can be a separate component coupled to the magnet or the sensor unit. The component can, for example, be formed integrally with the magnet or can be a ferromagnetic element. A ferromagnetic element can, for example, be designed to modify the magnetic field of a stationary magnet.

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.
Further objects and features of the arrangement according to the invention will become apparent to those skilled in the art upon practicing the present teachings and viewing the accompanying drawings in which:
  • 1 shows a schematic view of an exemplary arrangement for detecting the angular position of a component rotatable about a rotation axis, which has a sensor unit according to the invention,
  • 2 shows a schematic view of a sensor unit according to the invention, which is connected to an exemplary evaluation unit,
  • 3 a plan view of the sensor unit according to the invention of 2 shows, in which exemplary selected magnetically sensitive elements are marked,
  • 4 a plan view of the sensor unit according to the invention of 2 shows, in which other exemplary selected magnetically sensitive elements are marked,
  • 5 shows a plan view of another sensor unit according to the invention,
  • 6 shows a plan view of another sensor unit according to the invention, in which exemplary selected magnetically sensitive elements are marked,
  • 7 shows a plan view of a further sensor unit according to the invention, with which a travel position of a component can be detected and selected magnetically sensitive elements are marked as examples,
  • 8 a top view of the sensor unit of the 7 shows, with which a path position of a component can be detected and other selected magnetically sensitive elements are marked as examples, and
  • 9 shows a plan view of yet another exemplary sensor unit with which a path position and/or an angular position of a component can be detected and exemplary selected magnetically sensitive elements are marked.

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.Elements of the same design or function are identified by the same reference symbols throughout the figures. For reasons of clarity, not all elements are identified by reference symbols in all figures shown.

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.The description of the 1 to 6 explains the detection of an angular position of a component that can be rotated about a rotation axis. The description of the 7 to 9 However, it explains the detection of the position of a component moving along a linear path. However, it is expressly stated that the 1 to 6 The sensor units shown are each also suitable for detecting the position of a component moving along a linear path. Likewise, the sensor unit of the 9 suitable for detecting the angular position of a component rotating around a rotation axis.

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.In the exemplary embodiments illustrated in the drawings, it is assumed, for example, that a magnet moves together with the component whose position is to be detected by the sensor unit according to the invention, and that the sensor unit according to the invention is arranged immovably and stationary relative to the component (and magnet). Alternatively, however, the sensor unit can also rotate together with the component, in which case the magnet is arranged immovably and stationary relative to the component.

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.The 1 shows an exemplary arrangement 1 for detecting the angular position φ of a component 2 rotatable about a rotational axis 100. The rotatable component 2 can be, for example, a shaft of a rotor of a DC motor. In further embodiments of the arrangement 1, the rotatable component 2 can be a throttle valve shaft of a throttle valve support of an internal combustion engine or an actuator for mechanical adjustment. In still further embodiments, the rotatable component 2 can be formed integrally with the magnet 10 or can be a ferromagnetic element. A ferromagnetic element can, for example, be designed to change the magnetic field of a stationary magnet.

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).Order 1 of the 1 has a magnet 10 which is designed to generate a substantially symmetrical magnetic field 20. In the 1 The magnetic field lines of the magnetic field 20 are shown schematically. As shown in the 1 As shown, the magnet 10 has two poles, namely a north pole 12 and a south pole 14. In particular, the magnetic field 20 is symmetrical to the separation plane between the north pole 12 and the south pole 14. The component 2 is coupled to the magnet 10 and rotatable about the rotation axis 100 (see arrow 4 in the 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°.The 1 The arrangement 1 shown further comprises a sensor unit 300 according to the invention, which is spaced apart from the magnet 10. The sensor unit 300 is, for example, a sensor chip and is magnetically sensitive in a measuring direction 206 that runs orthogonal to a measuring plane 200 that is spanned by a first axis (or first direction) 202, for example an x-axis, and a second axis (or second direction) 204, for example a y-axis, that runs orthogonal to the first axis 202. Consequently, the predetermined angle α between the first axis 202 and the second axis 204 is 90° in the embodiment shown. The two axes 202, 204 are each arranged orthogonally to the axis of rotation 100, so that the measuring plane 200 of the sensor unit 300 consequently runs essentially orthogonally to the axis of rotation 100. In other embodiments, the angle α may take any angle other than 90°, for example 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.The sensor unit 300 is designed to be magnetically sensitive to magnetic field components that run orthogonal to the measuring plane 200 and thus parallel to the measuring direction 206. The sensor unit 300 is further designed to be non-magnetically sensitive to magnetic field components that run parallel to or in the measuring plane 200.

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.The sensor unit 300 is in the 1 shown arrangement 100 is arranged in a stationary manner and is designed to detect the magnetic field 20 of the magnet 10 rotating together with the component 2 and to derive therefrom an angular position φ of component 2 to output the corresponding angle signal 44.

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.The sensor unit 300 of the 1 For reasons of simplicity, it is shown with only four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308, although it is expressly stated here that an arrangement 1 according to the invention has at least six magnetically sensitive elements. For the purpose of explaining the evaluation of the signals from four magnetically sensitive elements for determining the angular position of the rotatable component 2, 1 only four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 are shown.

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.In the following, with reference to the 1 the measuring principle for detecting the angular position φ of the rotatable component 2 with a total of four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 is described, whereby this measuring principle also applies to the sensor units 300 of the 2 to 6 and 9 applies.

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).The sensor unit 300 of the 1 has a first sensor element pair 301 arranged in the measuring plane 200, 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 arranged in the measuring plane 200, which is formed from the two magnetically sensitive elements 306, 308 arranged along a second axis 203, which runs at the predetermined angle α to the first axis 301 and runs parallel to the second direction or second axis 204. The four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 are arranged on a circumference of a circle K, which extends around a center point M with a radius R. The center point M is ideally located on the rotation axis 100. In further embodiments, the center point M is closest to the rotation axis 100 (see e.g. 3 and 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.The four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 are arranged equidistantly from one another 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.

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.The 1 It can further be seen that 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 rotation axis 100 and orthogonal to the measuring plane 200.

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 the 1 the arrows 22, 24, 26, 28 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 the 1 It can be seen that, due to the uniform spacing of the respective magnetically sensitive elements of each sensor element pair 301, 303 from the rotation axis 100, they indicate the same absolute value, with the respective directions of the magnetic field components being opposite. For example, the magnetically sensitive element 302 of the first sensor element pair 301 detects the magnetic field component 22 in the positive measuring direction 306, while the other magnetically sensitive element 304 of the first sensor element pair 301 detects the magnetic field component 24 in the negative measuring direction 206, with the magnetic field components 22, 26 being essentially equal in magnitude.

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.Similarly, the magnetically sensitive element 306 of the second sensor element pair 301 detects the magnetic field component 26 and the magnetically sensitive element 308 of the second sensor element pair 303 detects the magnetic field component 28. Here too, the two magnetic field components 26, 28 are opposite relative to the measuring direction 206, but are essentially equal in magnitude.

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.In the 1 Furthermore, a magnetic interference/external field 400 is shown as an example, which acts on all magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308 in the same direction and with the same magnitude. This magnetic interference/external field 400 can distort the measurement of the angular position φ of the rotatable component 2.

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.The negative influence of the magnetic interference/external field 400 can be compensated for by the following evaluation of the signals from the four magnetically sensitive elements 302, 304, 306, 308. For this purpose, 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 difference former that forms the difference between 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 from the magnetically sensitive elements 302, 304 of the first sensor element pair are different and a difference is formed, the magnetic field components 22, 24 are added in terms of their magnitude, whereby the influence of the magnetic interference/external field 400 is compensated for. Since the magnetic interference/external field 400 acts in the same direction on the two magnetically sensitive elements 302, 304, these two influences are eliminated by the subtraction. Following this, that is, after the com compensation of the magnetic interference/external field, half of the difference is taken and thus forms the first component signal, which is later processed further.

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.In the same way, 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 again preferably a differential transformer and can thus compensate for the influence of the magnetic interference/external field 400 on the signals of the magnetically sensitive elements 306, 308 of the second sensor element pair 303, as already described with regard to the first evaluation element 41. The output signal of the second evaluation element 42 then represents the second component signal.

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.In particular, the first component signal describes the directional component of the angular position φ of the component 2 along the first direction 202, wherein the second component signal describes the directional component of the angular position φ of the component 2 along the second direction 204.

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.The evaluation unit 40 further comprises a third evaluation element 43 which is connected to the first evaluation element 41 and the second evaluation element 42 and is designed to generate an angle signal 44 indicating the angular position φ of the rotatable component 2 from the first component signal and the second component signal.

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.The connection of the evaluation unit 40 with the magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301, 303 can be made by means of suitable connecting lines, such as bonding wires (in the 2 shown with solid lines). In further embodiments of the arrangement 1, the connections of the evaluation unit 40 to the magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301, 303 can also be realized wirelessly, for example, via a suitable radio connection.

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. In further embodiments, additional evaluation circuits can be inserted between the magnetically sensitive elements and the evaluation unit 40 to suppress cross-influences, such as temperature dependence and mechanical stress sensitivities. For example, modulation and demodulation circuits can be arranged between the magnetically sensitive elements and the evaluation unit.

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.Furthermore, the magnetically sensitive elements can be constructed from multiple individual elements, such as Hall cells and/or 2- or 4-fold bridge circuits of individual magnetoresistive resistors. Furthermore, the evaluation elements can contain additional evaluation circuits. The magnetically sensitive elements can be vertical Hall cells, for example. Furthermore, at least one of the magnetically sensitive elements can be based on the magnetoresistive effect (MR). For example, a magnetically sensitive element based on the magnetoresistive effect consists of an anisotropic magnetoresistive (AMR), a giant magnetoresistive (GMR), or a tunneling magnetoresistive (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.The 2 shows an exemplary embodiment of the sensor unit 300 according to the invention, which comprises several, but at least six, magnetic sensitive elements, which are arranged according to the 2 are arranged in several rows and columns. This results in a matrix-like arrangement of the magnetically sensitive elements. The arrangement of the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 along the rows and columns is preferably equidistant.

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.Although in the 2 The present invention is not limited to the arrangement of the magnetically sensitive elements in a total of seven rows and seven columns. Rather, the arrangement can be along at least one row with at least six columns. It is also possible to provide fewer or more than seven rows and/or columns.

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.The evaluation unit 40 has, as shown in the 2 shown, 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 connect a magnetically sensitive element of the first sensor pair 301 to the first evaluation element 41. Similarly, 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.

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.In particular, the magnetically sensitive elements are each connected to a line 5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, to which the switches 521, 522 can each connect in order to establish a connection to the first evaluation element 41. Furthermore, the magnetically sensitive elements are each connected to a line 5401, 5402, 5403, 5404, 5405, 5406, 5407, to which the switches 541, 542 can each connect in order to to establish a connection to the second evaluation element 42. For this purpose, for example, in the 2 Switches (not shown) are provided which can establish a connection between the respective magnetically sensitive element and the associated line 5201, 5202, 5203, 5204, 5205, 5206, 5207, 5401, 5402, 5403, 5404, 5405, 5406, 5407. Each magnetically sensitive element can be controlled separately, with each sensor element being controllable only by one selection unit 52, 54 or one switch 521, 522, 541, 542. Consequently, a magnetically sensitive element cannot be controlled simultaneously by two switches 521, 522, 541, 542.

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.Alternatively, a separate electrical line can be provided for each magnetically sensitive element, which is connected to the first and second selection units 52, 54, respectively. In such an embodiment, the selection unit 52, 54 also has a separate switch for each magnetically sensitive element.

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.For example, as in the 2 As shown by way of example, the seven magnetically sensitive elements arranged in the first row are connected to line 5401 and connected via this to the first selection unit 52. Similarly, the seven magnetically sensitive elements arranged in the first column are connected to line 5201 and connected via this to the second selection unit 54.

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.To select the four magnetically sensitive elements of each sensor pair 301, 303 to be used for measurement, after assembly of the arrangement 1, all magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 can be controlled separately via the switches 521, 522, 541, 542 and the additional switch (not shown) and preferably measured via the component signals. As already mentioned above, those magnetically sensitive elements of each sensor pair 301, 303 are then selected that lie on a circumference of a circle K with radius R around a center point M that is closest to the rotation axis 100. This selection is exemplified with reference to the 3 and 4 described in more detail.

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.This selection made by the two selection units 52, 54 is then stored in a non-volatile memory element 56 so that the magnetically sensitive elements of each sensor element pair 301, 303 already selected for the most accurate measurement are permanently available after switching off and after each restart of the arrangement 1 or sensor unit 300.

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.The 3 shows the sensor unit 300 of the 2 in greater detail. In the 3 The intersection point of the rotation axis 100 with the measuring plane 200 is shown as an example, whereby two possibilities for selecting the magnetically sensitive elements provided for determining the angular position of the component 2 are already marked, namely by means of different hatching.

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.From the 3 It can be seen that the magnetically sensitive elements are arranged in a matrix-like manner in several rows and columns. In particular, the magnetically sensitive elements are arranged equidistant from one another along a first axis 3001, which extends parallel to the first direction 202. Furthermore, the magnetically sensitive elements are arranged equidistant from one another along at least one second axis 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007, which each extend parallel to the first axis 3001 and are spaced apart from it. Preferably, the distance between the axes 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007 is always the same.

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.The magnetically sensitive elements are further arranged equidistantly from one another along at least one third axis 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107, each of which extends orthogonally to the first axis 3001 and thus parallel to the second direction 204. Preferably, 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 spacing of the magnetically sensitive elements along the plurality of axes is also the same.

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.The rotation axis 100 of the 3 is radially offset with respect to the center of the matrix, ie the intersection point of the two directional axes 202, 204. Consequently, it is in the 3 It is preferred to use the magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318, which are marked with diagonal hatching, for detecting the angular position φ of the component 2. In particular, these four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are spaced equidistant from one another on a circle K with radius R around a center point M that is closest to the axis of rotation 100.

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.Opposite magnetically sensitive elements form a sensor element pair 301, 303. In the 3 For example, the magnetically sensitive elements 312, 314 form the first sensor element pair 301 and the magnetically sensitive elements 316, 318 form the second sensor element pair 303. Thus, one magnetically sensitive element 314, 316 of each sensor element pair 301, 302 is arranged on the first axis 3001, wherein the other magnetic tically sensitive element of each sensor element pair 301, 303 is arranged on one of the second axes 3002.

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.The selection of these four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 is again carried out by the 2 illustrated selection units 52, 54. Furthermore, this selection is only made after the assembly of the sensor unit 300 with the magnet 10 and the component 2, since the assembly is subject to geometric tolerances and only after the assembly are those four magnetically sensitive elements selected with which the most accurate measurement result and consequently the smallest measurement error can be expected.

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.As an alternative to the diagonally hatched magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318, the four vertically hatched magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 of the 3 This may be preferred because they are arranged equidistantly from one another on a circle K' with radius R' around the center point M, with the radius R' being larger than the radius R. By selecting a larger radius, the measurement accuracy can be at least partially increased.

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.In the 4 the sensor unit 300 is the 3 , where the rotation axis 100 is again radially offset relative to the center of the measuring plane 200. According to the 4 it is advantageous to use the magnetically sensitive elements marked diagonally hatched or alternatively vertically hatched to determine the angular position φ of the component 2.

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.In particular, the center point M of the circle K with radius R, on which the magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are arranged equidistant from one another, is again closest to the axis of rotation 100, which is why precisely the magnetically sensitive elements marked with diagonal hatching or vertical hatching were selected, with which the angular position φ of the component 2 can be detected as accurately as possible.

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.The magnetically sensitive elements of each sensor element pair 301, 303 are arranged opposite one another on the circle, with the magnetically sensitive elements 312, 314 of the first sensor pair 301 being arranged on the second axis 3002 and the magnetically sensitive elements 316, 318 of the second sensor pair 303 being arranged on the third axis 3101. The third axis 3101 is a perpendicular bisector 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, 318 of the second sensor element pair 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.Alternatively, the magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 can be used to determine the angular position, which lie on a circle K' with radius R' around the center M, where the radius R' is larger than the radius R. This in turn can at least partially increase the measurement accuracy.

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.In the 4 The rotation axis 100 is closest to a magnetically sensitive element 311 that is centrally arranged relative to the selected magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318. Due to the equidistant arrangement of all magnetically sensitive elements, the center point M of the circles K, K' lies on this central magnetically sensitive element 311. The centrally arranged magnetically sensitive element 311 can be determined, for example, by recording the signals from all magnetically sensitive elements and defining the one that displays the smallest value as the central magnetically sensitive element 311. This magnetically sensitive element 311 is then closest to the rotation axis 100.

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.Depending on the position of the rotation axis 100, the four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 can be arranged according to the 3 or 4 In both alternatives, the center point M of the circles K with radius R, on which the four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are arranged equidistant from one another, is closest to the rotation axis 100, which is why precisely these four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 are used to determine the angular position φ of component 2. Alternatively, the magnetically sensitive elements 322, 324, 326, 328 could be used.

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.The 5 shows another possible matrix-like arrangement of the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300, in which the rows or columns are offset from one another. Here, too, depending on the position of the rotation axis 100, two sensor element pairs 301, 303 can be determined, whose magnetically sensitive elements are arranged equidistant from one another on a circle K with radius R around a center point M that is closest to the rotation axis 100.

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.Due to the matrix-like arrangements of the magnetically sensitive elements of the sensor units 300 of the 3 to 5 the greatest possible offset of the rotation axis 100 with respect to the respective centers M of the circles K, K', on which the four magnetically sensitive elements 312, 314, 316, 318 selected for determining the angle signal 44 are equi arranged at a distance from each other, can be limited to at least half the equidistant distance between neighboring magnetically sensitive elements. Depending on the resolution of the matrix, the measurement error introduced by the offset of the rotation axis 100 can thus be at least partially reduced.

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.It goes without saying that the two-dimensional coordinate system spanned by the first and second axes 202, 204 can be rotated in the measuring plane. Thus, magnetically sensitive elements of sensor element pairs could also be used, which are arranged on diagonal axes in the 3 to 5 are arranged.

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.The 6 shows a further sensor unit 300 according to the invention, in which several sensor groups 330 to 338 are provided (each marked by dashed frames), each having four magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pair 301, 303. In particular, the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 of the 6 are only partially arranged equidistant from each other. In the 6 In the example shown, the sensor grouping 330 is arranged centrally and the sensor groupings 331 to 338 are arranged around the central sensor grouping 330.

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.The magnetically sensitive elements of the sensor groups 330 to 338 are preferably arranged such that each magnetically sensitive element of a respective sensor group 330 to 338 is arranged on at least one axis of an adjacent sensor group 330 to 338. For example, the magnetically sensitive elements 3302, 3332 of the sensor groups 330, 333 are each arranged on a common axis 3002. Furthermore, the magnetically sensitive elements 3346, 3352 of the sensor groups 334, 335 are arranged on a common axis 3008. In addition, the magnetically sensitive elements 3302, 3352 of the sensor groups 330, 335 are arranged on a common axis 3102, and the magnetically sensitive elements 3332, 3346 of the sensor groups 333, 334 are arranged on a common axis 3108. In particular, the magnetically sensitive elements 3304, 3332, 3346, 3354 of the different sensor groups 330, 333, 334, 335 are arranged on a common circle (not shown) around a center point M that is closest to the rotation axis 100.

Gemäß der 6 bilden somit die magnetisch sensitiven Elemente 3302, 3346 ein erstes Sensorelementpaar und die magnetisch sensitiven Elemente 3332, 3352 ein zweites Sensorelementpaar.According to the 6 Thus, the magnetically sensitive elements 3302, 3346 form a first sensor element pair and the magnetically sensitive elements 3332, 3352 form a second sensor element pair.

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 this way, the design of the 6 several axes, on each of which magnetically sensitive elements of different sensor groups 330 to 338 are arranged. In particular, these common axes can be arranged similarly to the embodiments of the 3 to 5 , are defined as first, second and third axes on which the magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pairs 301, 303 are arranged.

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. In the 6 Two axes of rotation are also shown as examples, namely a first axis of rotation 100A and a second axis of rotation 100B, which are each radially offset differently from the center of the central sensor grouping 330.

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.In the case of the first rotary axis 100A, the four in the 6 The magnetically sensitive elements of the sensor grouping 336, which are marked with diagonal hatching, are selected to determine the angle signal 44. This is because these four magnetically sensitive elements of this sensor grouping 336 lie on a circle K (not shown) around a center point M, which is obviously closest to the first axis of rotation 100A.

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.In the case of the second rotation axis 100B, it is preferable to select the four magnetically sensitive elements 3302, 3332, 3346, 3352 of the sensor groupings 330, 333, 334, 335 marked with vertical hatching, since the center point M' of a circle on which these four magnetically sensitive elements 3302, 3332, 3346, 3352 are arranged equidistantly is closest to the second rotation axis 100B.

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.The two described cases for the rotation axes 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 measurement accuracy. Furthermore, in the design of the sensor unit 300 according to the 6 possible to select sensor element pairs whose magnetically sensitive elements are arranged on diagonal axes which run at an angle of approximately 45° to the directional axes 202, 204.

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.With reference to the 7 to 9 It will now be explained how a sensor arrangement 300 according to the invention for detecting the path position of a moving object with a rod-shaped magnet 10 (in the 7 to 9 marked with dashed lines) along a linear movement path (marked with arrow 6) of a movable component 2 (not explicitly shown). The sensor units 300 of the 7 to 9 are therefore electronic rulers with which For example, displacements of component 2 along a linear or non-linear movement path can be quantitatively recorded.

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) .The sensor unit 300 of the 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. First, the signals from all magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314, 315, 316 are recorded, and those two magnetically sensitive elements that output the largest values are selected as the sensor element pair. 7 These are, for example, the magnetically sensitive elements 311, 312 (see diagonally hatched magnetically sensitive elements in the 7 and 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.The detection of the path position or the output of the path signal 44 is then essentially analogous to the process already described with regard to the 1 and 2 explained signal processing. More precisely, the differences between the signals of the two magnetically sensitive elements 311, 312 are formed. For this purpose, the evaluation unit 40 can again have corresponding evaluation elements as difference images (analog or digital). In this one-dimensional evaluation, the first component signal can already correspond to the displacement signal 44.

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.The 8 shows the sensor unit 300 of the 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. 8 The magnet 10 is compared to the 7 shifted to the right, which is why the magnetically sensitive elements 314, 316 can be selected in this constellation.

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.In the 8 Additionally, the magnetically sensitive elements 311, 313 marked with vertical hatching can be selected as the second sensor element pair 303 and evaluated to produce a redundant displacement signal 44, which can also be used to compensate for the influence of any magnetic interference/external fields 400. For this purpose, the distances between the magnetically sensitive elements of the two sensor pairs 301, 303 must be selected such that they are equal. This means that 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.

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.The 9 shows a further sensor unit 300 according to the invention for detecting the travel position 44 of the component 2. The sensor unit 300 comprises at least six magnetically sensitive elements arranged in two rows. In particular, in the design of the 9 four magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314 are arranged equidistantly from one another along a first axis 3002, and four magnetically sensitive elements 321, 322, 323, 324 are arranged equidistant from one another along a second axis 3004 running parallel to the first axis 3002. In addition, the magnetically sensitive elements 311, 312, 313, 314, 321, 322, 323, 324 are arranged along third axes 3102, 3104, 3106, 3108, which run parallel to one another and orthogonal to the first and second axes 3002, 3004. Consequently, 9 again a matrix-like arrangement of the magnetically sensitive elements of the sensor unit 300 with two rows and four columns.

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.Depending on the relative position of the magnet 10 (and thus also of the component 2), the relevant two magnetically sensitive elements can be selected, based on whose signals the path position of the component 2 can be determined. In the example of the 9 For example, the two magnetically sensitive elements 311, 312 are selected because the substantially rod-shaped magnet 10 is closest to this second row and to this pair of sensor elements 301.

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.The sensor unit 300 of the 9 However, it can alternatively or additionally be used in such a way that the angular position φ of a rotating element around the rotation axis 100 (see black marked point in the 9 ) rotatable component 2 can be detected. For this purpose, for example, the 9 The magnetically sensitive elements 313, 314, 323, 324 marked with diagonal hatching are selected. The selection and evaluation of these relevant magnetically sensitive elements 313, 314, 323, 324 is carried out in a similar manner as already described with regard to the 3 to 6 described.

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).The sensor unit 300 according to the invention can also be designed 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 of movement arranged parallel to the measuring plane, for example, with the sensor unit 300 according to 3 the absolute position of the component 2 and/or magnet 10 can be estimated by being closest to the magnetically sensitive element(s) that output(s) the largest value(s).

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, diejenigen 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.With the sensor unit according to the invention disclosed herein, it is possible to provide several magnetically sensitive elements and only after arranging the sensor unit relative to a magnet that moves with a component, to determine its angular and/or path position by means of the sensor The sensor unit is intended to detect the magnetically sensitive elements that can achieve maximum measurement accuracy free from the influence of any external magnetic/interference fields. Thus, 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 variety of applications, but different magnetically sensitive elements can be used to detect the respective angular and/or displacement position of the component.

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.It is expressly stated again that all 1 to 9 The features shown and described are disclosed independently of one another and can therefore be combined with one another as desired.

Claims (12)

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, wobei die Auswerteeinheit (40) aufweist: - eine erste Auswahleinheit (52), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren magnetisch sensitiven Elementen des ersten Sensorelementpaares (301) herzustellen, und - eine zweite Auswahleinheit (54), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindung zu den auswählbaren magnetisch sensitiven Elementen des zweiten Sensorelementpaares (303) herzustellen.Sensor unit (300) for detecting the position (φ) of a component (2), wherein the sensor unit (300) comprises: - at least six magnetically sensitive elements arranged in a measuring plane (200), each of which is designed to detect a magnetic field (20) exclusively along a measuring direction (206) extending orthogonally to the measuring plane (200), and - an evaluation unit (40) connected to the magnetically sensitive elements of the sensor unit (300) and designed to determine a position signal (44) corresponding to the position (φ) of the component (2) based on the signals from a first sensor element pair (301) of magnetically sensitive elements and/or based on the signals from a second sensor element pair (303) of magnetically sensitive elements, wherein the evaluation unit (40) comprises: - a first selection unit (52) designed to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the first sensor element pair (301), and - a second selection unit (54) which is designed to establish a connection to the selectable magnetically sensitive elements of the second sensor element pair (303). Sensoreinheit (300) nach Anspruch 1, wobei die Signale aller magnetisch sensitiven Elemente erfasst werden und diejenigen magnetisch sensitiven Elemente als zum ersten Sensorelementpaar (301) von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert werden, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben, und/oder diejenigen magnetisch sensitiven Elemente als zum zweiten Sensorelementpaar (303) von magnetisch sensitiven Elementen zugehörig definiert werden, die jeweils den betragsmäßig größten Wert ausgeben.Sensor unit (300) according to Claim 1 , wherein the signals of all magnetically sensitive elements are detected and those magnetically sensitive elements are defined as belonging to the first sensor element pair (301) of magnetically sensitive elements which each output the largest value in terms of magnitude, and/or those magnetically sensitive elements are defined as belonging to the second sensor element pair (303) of magnetically sensitive elements which each output the largest value in terms of magnitude. 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 Elementen 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.Sensor unit (300) according to one of the preceding claims, wherein the sensor unit (300) is designed to determine an angle signal (44) corresponding to the angular position (φ) of the component (2) rotating about an axis of rotation (100) based on the signals from those four magnetically sensitive elements of the first and second sensor element pair (301, 303) which are each arranged equidistant from one another on a circumference of a circle (K) around a center point (M, M') which is closest to the axis of rotation (100) in the measuring plane (200). Sensoreinheit (300) nach Anspruch 3, wobei der Mittelpunkt (M, M') des Kreises (K) dadurch ermittelt wird, dass dieser demjenigen magnetisch sensitiven Element am nächsten liegt, welches den betragsmäßig kleinsten Wert ausgibt.Sensor unit (300) according to Claim 3 , wherein the center point (M, M') of the circle (K) is determined by being closest to the magnetically sensitive element which outputs the smallest value. 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.Sensor unit (300) according to one of the preceding claims, wherein the magnetically sensitive elements are arranged equidistantly at least partially along a first axis (3001) running in the measuring plane (200) and/or at least partially along at least one second axis (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) running in the measuring plane (200) parallel to the first axis (3001). 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.Sensor unit (300) according to Claim 5 , wherein the magnetically sensitive elements arranged on the first axis (3001) and the magnetically sensitive elements arranged on the at least one second axis (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) are each further arranged on at least one third axis (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) running in the measuring plane (200) at a predetermined angle (α) to the first axis (3001). Sensoreinheit (300) nach Anspruch 6, wobei ein magnetisch sensitives Element 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 (3001) und das andere magnetisch sensitive Element des zweiten Sensorelementpaares (303) auf der zweiten Achse (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) angeordnet ist.Sensor unit (300) according to Claim 6 , wherein one magnetically sensitive element of the first sensor element pair (301) is arranged on the first axis (3001) and the other magnetically sensitive element of the first sensor element pair (301) is arranged on the at least one second axis (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007) and/or one magnetically sensitive element of the second sensor element pair (303) is arranged on the first axis (3001) and the other magnetically sensitive element of the second sensor element pair (303) is arranged on the second axis (3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007). 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.Sensor unit (300) according to one of the Claims 6 and 7 , wherein the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair (301) are arranged on the first axis (3001) and the magnetically sensitive elements of the second sensor element pair (303) are arranged on the at least one third axis (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107), wherein the first axis (3101) runs as a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements of the second sensor element pair (303) and the third axis (3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107) runs as a perpendicular bisector to the magnetically sensitive elements of the first sensor element pair (301). Sensoreinheit (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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) getroffene Auswahl der ausgewählten magnetisch sensitiven Elemente des ersten und/oder zweiten Sensorelementpaares (301, 303) nicht-flüchtig zu speichern.Sensor unit (300) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (40) further comprises a non-volatile memory device (56) which is designed to non-volatilely store the selection of the selected magnetically sensitive elements of the first and/or second sensor element pair (301, 303) made by the first selection unit (52) and/or second selection unit (54). Anordnung (1) zum Erfassen der Position (φ) eines Bauteils (2), wobei die Anordnung (1) 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.Arrangement (1) for detecting the position (φ) of a component (2), the arrangement (1) comprising: - a magnet (10) designed to generate a magnetic field (20), and - a sensor unit (300) according to one of the preceding claims, wherein the sensor unit (300) is spaced from the magnet (10) and designed to detect the magnetic field (20) along a measuring direction (206) extending orthogonally to the measuring plane (200) and to output therefrom a position signal (44) corresponding to the position (φ) of the component (2). Anordnung (1) nach Anspruch 10, 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.Arrangement (1) according to Claim 10 , wherein the magnet (10) or the sensor unit (300) are arranged together with the component (2) to be rotatable about an axis of rotation (100) and the sensor unit (300) is designed to detect the magnetic field (20) along the measuring direction (206) and to output therefrom an angle signal (44) corresponding to an angular position (φ) of the component (2). Anordnung (1) nach Anspruch 10, wobei der Magnet (10) 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.Arrangement (1) according to Claim 10 , wherein the magnet (10) or the sensor unit (300) are arranged to be movable together with the component (2) along a movement path and the sensor unit (300) is designed to detect the magnetic field (20) along the measuring direction (206) and to output therefrom an angle signal (44) corresponding to an angular position (φ) of the component (2).
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