DE102013007901B4

DE102013007901B4 - Messsystem

Info

Publication number: DE102013007901B4
Application number: DE102013007901.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Heberle; Jörg Franke; Oliver BREITWIESER; Timo Kaufmann
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: US20140333299A1; US9442169B2; DE102013007901A1

Abstract

Messsystem,
- mit einer Magnetvorrichtung (10, 20) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und
- mit einem Magnetfeldsensor (31, 32) mit einer Sensorfläche (A) zur Erfassung einer Flussdichte (By) des die Sensorfläche (A) durchdringenden Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung (y), wobei der Magnetfeldsensor (31, 32) zur Magnetvorrichtung (10, 20) fest positioniert ist,
- bei dem die Magnetvorrichtung (10, 20) zumindest einen Permanentmagneten (10) und ein Flussleitstück (20) aus einem ferromagnetischen Material aufweist,
- bei dem der Permanentmagnet (10) zumindest zwei Polflächen (11, 12) und eine Außenfläche (15) aufweist, und dass das Flussleitstück (20) und der Permanentmagnet (10) einen magnetischen Kraftschluss aufweisen, und
- das Flussleitstück (20) zur Sensorfläche (A) in der ersten Raumrichtung (y) mit einem ersten Abstand (d) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Permanentmagnet (10) in x-Richtung magnetisiert ist, und
- die Außenfläche (15) orthogonal zu den zwei Polflächen (11, 12) ausgebildet ist, und
- das Flussleitstück (20) kleinere Abmessungen als die Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) aufweist, und
- das Flussleitstück (20) innerhalb der Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) positioniert ist, um für den Magnetfeldsensor (31, 32) eine deutlich verringerte magnetische Flussdichtenkomponente auszubilden und den Offset im Ausgangssignal des Magnetfeldsensors. zu verringern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem.
Aus der WO 2010 / 060607 A2 ist ein IC - Gehäuse mit einem Halbleiterchip mit einer integrierten Schaltung und einem integrierten magnetischen Sensor bekannt. Von dem Gehäuse des Halbleiterchips beabstandet ist ein Permanentmagnet, dessen magnetischer Fluss den Sensor durchdringt. Nähert sich am kopfseitigen Ende des Halbleiterchips ein zu messender Gegenstand, ändert sich die magnetische Flussdichte durch den Sensor.
Aus der US 7,250,760 B2 sind integrierte magnetische Hallsensoren bekannt, bei denen in dem IC-Gehäuse ein Permanentmagnet mit eingeordnet ist. Hierbei sind die Hallsensoren derart zu dem Feld des Permanentmagneten angeordnet, dass ohne äußere Feldbeeinflussung eine Hallspannung erzeugt wird. Des Weiteren sind aus der CH 682 349 A5 , der US 5 781 005 und der DE 100 09 173 A1 Anordnungen mit Magnetfeldsensoren und Permanentmagneten bekannt.
Aus der DE 698 27 559 T2 ist ein Gehäuse für einen Magnetfeldsensor bekannt. Üblicherweise ist ein Luftspalt als der Abstand zwischen einem Erreger und der Außenoberfläche des Gehäuses definiert, welches ein Messelement des Magnetfeldsensors enthält. Ein „effektiver Luftspalt“ kann als der Abstand zwischen dem Erreger und dem Messelement selbst beschrieben werden. Magnetfeldsensoren enthalten typischerweise einen Permanentmagneten und ein Messelement, das in ein Gehäuse eingekapselt ist. Dieser Gehäusetyp ist jedoch für raue Umgebungen, insbesondere die eines Automobils ungeeignet. Demzufolge werden derartig verpackte Messelemente ferner in einem zusätzlichen Gehäuse (Übergehäuse) eingeschlossen, welches den Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz bereitstellt. Dies führt zu einer Verringerung der Spitzenmagnetfeldstärke, wenn ein Zahn in der Nähe zu dem Messelement durch das Magnetfeld hindurch tritt. In der DE 698 27 559 T2 ist es erwünscht, das Messelement so nahe wie möglich an dem Magneten zu haben, da das Magnetfeld als eine Funktion des Luftspaltes abnimmt. Ein geringer Abstand ermöglicht die Verwendung eines kleinen Magneten mit niedrigerem Energieprodukt.
Aus der DE 10 2012 203 001 A1 ist ein 3-D-Magnetsensor bekannt. Der Magnetfeldsensor weist einen flachen weichmagnetischen Körper auf, der auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, das ein Magnetsensor-Array mit einer Mehrzahl von räumlich unterschiedlichen Magnetsensorelementen aufweist, die in einer vorbestimmten Konfiguration angeordnet sind. In Gegenwart eines externen Magnetfelds wird der flache weichmagnetische Körper magnetisiert, um ein Reaktionsmagnetfeld zu erzeugen. Die Mehrzahl von Magnetsensorelementen sind jeweils dazu konfiguriert, einen Magnetfeldwert einer Überlagerung des externen Magnetfelds und des Reaktionsmagnetfelds entlang einer ersten Achse (z. B. einer z-Achse) zu messen, woraus sich eine Mehrzahl von räumlich unterschiedlichen Messungen der Magnetfeldkomponente entlang der ersten Achse ergibt. Die Mehrzahl von räumlich unterschiedlichen Messungen kann dazu verwendet werden, Magnetfeldkomponenten des externen Magnetfelds entlang einer Mehrzahl von Achsen (z. B. x-Achse, y-Achse und z-Achse) zu berechnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Messsystem zum Messen eines Magnetfeldes möglichst zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs' 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Messsystem mit einer Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes und mit einem Magnetfeldsensor vorgesehen. Der Magnetfeldsensor ist ausgebildet, zur Erfassung einer Flussdichte des Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung, wobei das Magnetfeld eine Sensorfläche des Magnetfeldsensors durchdringt. Der Magnetfeldsensor ist zur Magnetvorrichtung fest positioniert.
Die Magnetvorrichtung weist zumindest einen Permanentmagneten und ein Flussleitstück aus ferromagnetischem Material auf.
Der Permanentmagnet weist zumindest zwei Polflächen und eine Außenfläche auf.
Das Flussleitstück weist kleinere Abmessungen als die Außenfläche des Permanentmagneten auf.
Das Flussleitstück ist innerhalb der Außenfläche des Permanentmagneten positioniert.
Das Flussleitstück und der Permanentmagnet weisen einen magnetischen Kraftschluss auf.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es möglich ist, das magnetische Feld eines Magneten zu modifizieren, damit es - im Vergleich zu einem Urzustand ohne Modifikation - eine an bestimmten Punkten im Raum für Magnetfeldsensoren deutlich verringerte magnetische Flussdichtenkomponente aufweist. Diese Flussdichtenkomponente tritt als Offset im Ausgangssignal des Magnetfeldsensors auf. Die Reduzierung dieses Offsets vergrößert daher das Signal-zu-Offset-Verhältnis. Die Verringerung der magnetischen Flussdichtenkomponente wird vorliegend durch das Flussleitstück erzielt.
Bevorzugt ist die Außenfläche, auf der das Flussleitstück angeordnet ist, orthogonal zu den zwei Polflächen ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Flussleitstück von Polflächen der Magnetpole beabstandet positioniert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Flussleitstück zentriert innerhalb der Außenfläche des Permanentmagneten positioniert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Außenfläche des Permanentmagneten dem Magnetfeldsensor zugewandt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Flussleitstück zum Magnetfeldsensor positioniert ist zur Ablenkung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Flussleitstück zur Sensorfläche in der ersten Raumrichtung mit einem ersten Abstand positioniert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Flussleitstück eine flächige Form auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Fläche des Flussleitstücks parallel zur Sensorfläche positioniert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Flussleitstück zur Sensorfläche in einer zur ersten Raumrichtung orthogonalen Richtung versetzt angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Messsystem einen Geber zur Änderung einer Flussdichte in der ersten Raumrichtung durch die Sensorfläche des Magnetfeldsensors auf. Bevorzugt ist der Geber ausgebildet, die Flussdichte in der ersten Raumrichtung in Abhängigkeit von einer Bewegung des Gebers - insbesondere einer Rotation des Gebers - zu ändern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnetvorrichtung und der Magnetfeldsensor in einem Bauelementegehäuse integriert sind. Das Bauelementegehäuse ist zum Montieren auf einem Schaltungsträger ausgebildet.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen

1 eine schematische Schnittansicht eines Messsystems mit einer Magnetvorrichtung und Magnetfeldsensoren,
2 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Magnetvorrichtung eines Messsystems, und
Fig, 3 eine schematische Schnittansicht eines Messsystems mit einer Magnetvorrichtung und Magnetfeldsensoren und einem Geber.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht durch ein Messsystem dargestellt. Das Messsystem weist eine Magnetvorrichtung mit einem Permanentmagneten 10 und einem Flussleitstück 20 aus ferromagnetischem Material zur Erzeugung eines Magnetfeldes und zwei Magnetfeldsensoren 31, 32 zur Messung des Magnetfeldes auf. Die Magnetfeldsensoren 31, 32 sind zur Magnetvorrichtung fest positioniert, beispielsweise durch Kunststoff mittels Formschluss. Dabei sind Sensorflächen A der Magnetfeldsensoren 31, 32 zu dem Magnetfeld positioniert.
Zudem ist in 1 ein Koordinatensystem mit den Raumrichtung x, y und z dargestellt. Weiterhin ist in 1 die y-Komponente By des magnetischen Flusses in der Raumrichtung y dargestellt. Die Darstellung der y-Komponente By in 1 ist dabei mittels FEM-Simulation bestimmt. 1 zeigt dabei die y-Komponente By für den Fall, dass kein Geber aus ferromagnetischem Material das Magnetfeld beeinflusst. Das Ziel des Ausführungsbeispiels der 1 ist es, einen möglichst kleinen Betrag der y-Komponente By des magnetischen Flusses in der Raumrichtung y im Bereich jedes Magnetfeldsensors 31, 32 ohne Geber und mit Geber einen deutlich höheren Betrag der y-Komponente By des magnetischen Flusses in der Raumrichtung y im Bereich jedes Magnetfeldsensors 31, 32 zu erreichen.
Die Magnetfeldsensoren 31, 32 mit der jeweiligen Sensorfläche A erfassen eine Flussdichte By des die Sensorfläche A durchdringenden Magnetfeldes in der Raumrichtung y. Das Magnetfeld ist dabei sowohl durch die Position der Polflächen 11, 12 von Magnetpolen N, S des Permanentmagneten 10 als auch durch die Position des Flussleitstücks 20 definiert. Der Permanentmagnet 10 weist an seinen Stirnflächen zwei Hauptpole N, S zur Erzeugung des Magnetfeldes auf. Der Permanentmagnet 10 ist in x-Richtung magnetisiert. Der Permanentmagnet 10 weist zusätzlich zu den zwei Polflächen 11, 12 eine Außenfläche 15 auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Außenfläche 15 orthogonal zu den zwei Polflächen 11, 12. Der Permanent kann mehrere Außenflächen oder in Zylinderform eine einzige Außenfläche aufweisen.
Das Flussleitstück 20 weist kleinere Abmessungen als die Außenfläche 15 des Permanentmagneten 10 auf. Das Flussleitstück 20 ist innerhalb der Außenfläche 15 des Permanentmagneten 10 positioniert. Zudem ist das Flussleitstück 20 innerhalb des Außenfläche 15 zentriert angeordnet. Eine derartige Zentrierung ist ebenfalls in 2 in einer dreidimensionalen Ansicht schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel der 2 weist das Flussleitstück 20 eine flächige Form auf. Eine Hauptfläche 25 des Flussleitstücks 20 ist dabei parallel zur Außenfläche 15 des Permanentmagneten 10 angeordnet. In den Ausführungsbeispielen der 2 und 1 weisen das Flussleitstück 20 und der Permanentmagnet 10 zumindest einen magnetischen Kraftschluss auf. Zusätzlich kann auch ein Formschluss und/oder Stoffschluss vorgesehen sein.
Dargestellt ist im Ausführungsbeispiel der 1, dass in der Raumrichtung y im Bereich der Magnetfeldsensoren 31, 32 die y-Komponente By der Magnetflussdichte ohne Anwesenheit eines Gebers durch das Flussleitstück 20 besonders niedrig ist. Die Flussdichte By ist somit signifikant reduziert gegenüber einer Magnetvorrichtung ohne das Flussleitstück 20. In den Magnetfeldsensoren 31, 32 ist somit in der Raumrichtung y die Flussdichte By durch die Ablenkung des Magnetfeldes mittels des Flussleitstücks 20 gegenüber einer Magnetvorrichtung ohne dieses Flussleitstück signifikant reduziert. Das Signal-zu-Offset-Verhältnis ist signifikant verbessert. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass das Signal-zu-Offset-Verhältnis mittels des Flussleitstücks 20 um das Fünffache verbessert werden kann.
Grundsätzlich ist ein einziger Magnetfeldsensor 31, 32 zur Erfassung der Flussdichte By des Magnetfeldes in der Raumrichtung y ausreichend. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind zwei Magnetfeldsensoren 31, 32, vorgesehen, die differentiell betrieben werden. Beide Magnetfeldsensoren 31, 32 erfassen die y-Komponente By der Magnetflussdichte, wobei die y-Komponente By in den beiden Magnetfeldsensoren 31, 32 ein unterschiedliches Vorzeichen aufweist.
In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer Magnetvorrichtung mit einem Permanentmagneten 10 und einem Flussleitstück 20 in Schnittansicht schematisch dargestellt. Dargestellt ist ebenfalls ein Geber 40 zur Ablenkung von magnetischen Feldlinien der Magnetvorrichtung, wobei die Ablenkung eine Änderung der Flussdichte By in Magnetfeldsensoren 31, 32 bewirkt.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist dargestellt, dass die Magnetvorrichtung 10, 20 und die Magnetfeldsensoren 31, 32 in einem Bauelementegehäuse 1 integriert sind. Das Bauelementegehäuse 1 ist zum Montieren auf einem Schaltungsträger - beispielsweise einer Platine - (nicht dargestellt) ausgebildet. Beispielsweise sind die Magnetvorrichtung 10, 20 und ein die Magnetfeldsensoren 31, 32 aufweisender Halbleiterchip 30 - beispielsweise mit einer integrierten Schaltung - in einem Kunststoffgehäuse 1 integriert. Die Magnetsensoren 31, 32 sind dabei von dem Flussleitstück 20 durch den Abstand d beabstandet. Hingegen ist im Ausführungsbeispiel der 3 das Flussleitstück 20 in der Außenfläche 15 unmittelbar an die Oberfläche des Permanentmagneten 10 angrenzend angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, das Flussleitstück mehrteilig oder mit einer anderen Form auszubilden.
Ebenfalls ist es abweichend von den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 möglich, das Flussleitstück innerhalb einer Ausnehmung im Permanentmagneten anzuordnen. Die Funktionalität des Messsystems gemäß 3 kann besonders vorteilhaft für eine Rotationsmessung mittels eines rotierenden Gebers verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
10: Permanentmagnet
11, 12, 15, 25: Fläche
20: Flussleitstück
30: Halbleiterchip
31, 32: Magnetfeldsensor, Hallsensor
40: Geber
A: Sensorfläche
By: Komponente der Magnetflussdichte
S, N: Magnetpol
d: Abstand
x, y, z: Raumrichtung

Claims

Messsystem, - mit einer Magnetvorrichtung (10, 20) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und - mit einem Magnetfeldsensor (31, 32) mit einer Sensorfläche (A) zur Erfassung einer Flussdichte (By) des die Sensorfläche (A) durchdringenden Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung (y), wobei der Magnetfeldsensor (31, 32) zur Magnetvorrichtung (10, 20) fest positioniert ist, - bei dem die Magnetvorrichtung (10, 20) zumindest einen Permanentmagneten (10) und ein Flussleitstück (20) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, - bei dem der Permanentmagnet (10) zumindest zwei Polflächen (11, 12) und eine Außenfläche (15) aufweist, und dass das Flussleitstück (20) und der Permanentmagnet (10) einen magnetischen Kraftschluss aufweisen, und - das Flussleitstück (20) zur Sensorfläche (A) in der ersten Raumrichtung (y) mit einem ersten Abstand (d) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Permanentmagnet (10) in x-Richtung magnetisiert ist, und - die Außenfläche (15) orthogonal zu den zwei Polflächen (11, 12) ausgebildet ist, und - das Flussleitstück (20) kleinere Abmessungen als die Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) aufweist, und - das Flussleitstück (20) innerhalb der Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) positioniert ist, um für den Magnetfeldsensor (31, 32) eine deutlich verringerte magnetische Flussdichtenkomponente auszubilden und den Offset im Ausgangssignal des Magnetfeldsensors. zu verringern.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das Flussleitstück (20) von Polflächen (11, 12) der Magnetpole (N, S) beabstandet positioniert ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das Flussleitstück (20) zentriert innerhalb der Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) positioniert ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Außenfläche (15) des Permanentmagneten (10) dem Magnetfeldsensor (31, 32) zugewandt ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das Flussleitstück (20) zum Magnetfeldsensor (31, 32) positioniert ist zur Ablenkung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors (31, 32).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das Flussleitstück (20) eine flächige Form aufweist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Fläche (25) des Flussleitstücks (20) parallel zur Sensorfläche (A) positioniert ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das Flussleitstück (20) zur Sensorfläche (A) in einer zur ersten Raumrichtung (y) orthogonalen Richtung (x, z) versetzt angeordnet ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - einen Geber (40) zur Änderung der Flussdichte (By) in der ersten Raumrichtung (y) durch die Sensorfläche (A) des Magnetfeldsensors (31, 32).