DE102013007902A1

DE102013007902A1 - Messsystem

Info

Publication number: DE102013007902A1
Application number: DE102013007902.0A
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: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: US9513343B2; US20140333298A1; CN104142482B; CN104142482A; DE102013007902B4

Abstract

Messsystem, – mit einer Magnetvorrichtung (20, 50, 60) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und – mit einem Magnetfeldsensor (31, 32) zur Erfassung einer Flussdichte (By) des Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung (y), wobei der Magnetfeldsensor (31, 32) zur Magnetvorrichtung (20, 50, 60) fest positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetvorrichtung (20, 50, 60) zumindest zwei Hauptpole (NH, SH) zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und zumindest zwei Nebenpole (NN1, SN1, NN2, SN2, NN3, SN3) zur Erzeugung eines Nebenmagnetfeldes aufweist, – dass im Magnetfeldsensor (31, 32) das Magnetfeld durch Überlagerung des Hauptmagnetfeldes und des Nebenmagnetfeldes gebildet ist, – dass der Magnetfeldsensor (31, 32) ausgebildet ist, in der ersten Raumrichtung (y) die Flussdichte (By) von der Überlagerung zu messen, und – dass im Magnetfeldsensor (31, 32) das Nebenmagnetfeld zumindest teilweise das Hauptmagnetfeld in der ersten Raumrichtung (y) kompensiert.

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.
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 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 zur Erfassung einer Flussdichte des Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung vorgesehen. Der Magnetfeldsensor ist zur Magnetvorrichtung fest positioniert.
Die Magnetvorrichtung weist zumindest zwei Hauptpole zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und zumindest zwei Nebenpole zur Erzeugung eines Nebenmagnetfeldes auf.
Im Magnetfeldsensor ist das Magnetfeld durch Überlagerung des Hauptmagnetfeldes und des Nebenmagnetfeldes gebildet.
Der Magnetfeldsensor ist ausgebildet, in der ersten Raumrichtung die Flussdichte von der Überlagerung zu messen.
Im Magnetfeldsensor kompensiert das Nebenmagnetfeld zumindest teilweise das Hauptmagnetfeld in der ersten Raumrichtung.
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 mehr als zwei Magnetpole erzielt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnetvorrichtung einen ersten Permanentmagneten mit den zwei Hauptpolen zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes und einen zweiten Permanentmagneten mit den zwei Nebenpolen zur Erzeugung des Nebenmagnetfeldes aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Permanentmagnet eine zum ersten Permanentmagnet entgegengerichtete Polung aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Permanentmagnet kleinere Abmessungen als der erste Permanentmagnet aufweist. Vorzugsweise ist der zweiter Permanentmagnet zentriert bezüglich des ersten Permanentmagneten angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnetvorrichtung nur einen ersten Permanentmagneten mit den zwei Hauptpolen zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes aufweist. Der erste Permanentmagnet weist zumindest eine Aussparung mit den zwei Nebenpolen zur Erzeugung des Nebenmagnetfeldes auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Polflächen der Nebenpole parallel zu Polflächen der Hauptpole ausgebildet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Polflächen der Nebenpole in einem Winkel zu Polflächen der Hauptpole nicht-parallel ausgebildet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Messsystem einen Geber zur Änderung einer Flussdichte in der ersten Raumrichtung im Bereich des Magnetfeldsensors auf.
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 ersten Ausführungsbeispiels eines Messsystems mit einer Magnetvorrichtung und Magnetfeldsensoren,
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Messsystems mit einer Magnetvorrichtung und Magnetfeldsensoren, und
3 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Messsystems mit einer Magnetvorrichtung und Magnetfeldsensoren.
In 1 ist eine schematische Schnittansicht durch ein Messsystem dargestellt. Das Messsystem weist eine Magnetvorrichtung 20 zur Erzeugung eines Magnetfeldes und zwei Magnetfeldsensoren 31, 32 auf. Die Magnetvorrichtung 20 ist ein speziell ausgeformter Permanentmagnet 20. Die Magnetfeldsensoren 31, 32 sind zur Magnetvorrichtung 20, 50, 60 fest positioniert, beispielsweise durch Kunststoff mittels Formschluss. 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 B 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 B 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 B in der Raumrichtung y im Bereich jedes Magnetfeldsensors 31, 32 zu erreichen.
Der Permanentmagnet 20 weist an seinen Stirnflächen zwei Hauptpole N_H, S_H zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes auf. Der Permanentmagnet 20 ist in x-Richtung magnetisiert. Durch eine Auskerbung 21 im Permanentmagneten 20 entstehen Nebenpole S_N1, N_N1. Die Nebenpole N_N1, S_N1 erzeugen ein Nebenmagnetfeld. Polflächen der Nebenpole N_N1, S_N1 sind dabei in einem Winkel von etwa 45° zu Polflächen der Hauptpolen N_H, S_H und somit nicht parallel zu den Polflächen der Hauptpolen N_H, S_H ausgebildet. Alternativ können die Nebenpole N_N1, S_N1 auch in einem Winkel oder parallel zu den Poflächen der Hauptpole N_H, S_H ausgebildet sein.
In den Magnetfeldsensoren 31, 32 überlagern sich das Nebenmagnetfeld und das Hauptmagnetfeld. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Nebenmagnetfeld schwächer als das Hauptmagnetfeld. Das Nebenmagnetfeld und das Hauptmagnetfeld überlagern sich ebenfalls in den Magnetfeldsensoren 31, 32. 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 die Überlagerung besonders niedrig ist. Die Flussdichte ist somit signifikant reduziert gegenüber einer Magnetvorrichtung 20 ohne die zwei Nebenpole N_N1, S_N1.
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.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass durch die Überlagerung von Hauptmagnetfeld und Nebenmagnetfeld das Signal-zu-Offset-Verhältnis um das sechsfache gesteigert werden kann.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Messsystems als schematische Schnittansicht dargestellt. Die Magnetvorrichtung 50 weist einen Permanentmagneten 50 mit drei Ausnehmungen 51, 52, 53 auf. Durch die Ausnehmungen 51, 52, 53 sind Nebenpole N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3 gebildet. Ein Nebenmagnetfeld der Nebenpole N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3 überlagert wiederum ein Hauptmagnetfeld der beiden Hauptpole N_H und S_H. Zwei Magnetfeldsensoren 31, 32 sind im Ausführungsbeispiel der 2 als Hallsensoren ausgebildet. Beide Magnetfeldsensor 31, 32 sind ausgebildet, in der ersten Raumrichtung y die Flussdichte By von der Überlagerung zu messen. Durch die Kompensation ist die Flussdichte By dabei im Bereich der Magnetfeldsensoren 31, 32 signifikant reduziert gegenüber einer Magnetvorrichtung ohne diese Nebenpole N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3.
In der 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel mit einer Magnetvorrichtung 60 mit zwei Permanentmagneten 61, 62 in Schnittansicht schematisch dargestellt. Dargestellt ist ebenfalls ein Geber 40 zur Ablenkung von magnetischen Feldlinien der Magnetvorrichtung 60, wobei die Ablenkung eine Änderung der Flussdichte By in Magnetfeldsensoren 31, 32 bewirkt. Die Magnetvorrichtung 60 weist demzufolge einen ersten Permanentmagneten 61 mit den zwei Hauptpolen N_H, S_H zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und einen zweiten Permanentmagneten 62 mit den zwei Nebenpolen N_N1, S_N1 zur Erzeugung eines Nebenmagnetfeldes auf.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der zweite Permanentmagnet 62 kleiner als der erste Permanentmagnet 61 ausgebildet. Der zweite Permanentmagnet 62 ist zum ersten Permanentmagnet 61 entgegengesetzt magnetisiert.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist dargestellt, dass die Magnetvorrichtung 60 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 60 und ein die Magnetfeldsensoren 31, 32 aufweisender Halbleiterchip 30 – beispielsweise mit einer integrierten Schaltung – in einem Kunststoffgehäuse 1 integriert.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, auch mit nicht geraden Magnetisierungsrichtungen eines Permanentmagneten eine Reduktion des Offsets zu erreichen. Ebenfalls ist es abweichend von den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 möglich, die Magnetfeldsensoren innerhalb Ausnehmungen im Permanentmagneten anzuordnen, beispielsweise in der Kerbe 21 des Ausführungsbeispiels der 1. Die Funktionalität des Messsystems gemäß 1 kann besonders vorteilhaft für eine Rotationsmessung mittels eines rotierenden Gebers verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
20, 50, 60: Magnetvorrichtung, Permanentmagnet
21, 51, 52, 53: Ausnehmung, Auskerbung, Kerbe
30: Halbleiterchip
31, 32: Magnetfeldsensor, Hallsensor
40: Geber, Weichmagnet
61, 62: Permanentmagnet
By: Komponente der Magnetflussdichte
SH, NH: Hauptpol
S_N1, S_N2, S_N3, N_N1, N_N2, N_N3: Nebenpol
x, y, z: Raumrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/060607 A2 [0002]
US 7250760 B2 [0003]
DE 69827559 T2 [0004, 0004]
DE 102012203001 A1 [0005]

Claims

Messsystem, – mit einer Magnetvorrichtung (20, 50, 60) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und – mit einem Magnetfeldsensor (31, 32) zur Erfassung einer Flussdichte (By) des Magnetfeldes zumindest in einer ersten Raumrichtung (y), wobei der Magnetfeldsensor (31, 32) zur Magnetvorrichtung (20, 50, 60) fest positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetvorrichtung (20, 50, 60) zumindest zwei Hauptpole (N_H, S_H) zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und zumindest zwei Nebenpole (N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3) zur Erzeugung eines Nebenmagnetfeldes aufweist, – dass im Magnetfeldsensor (31, 32) das Magnetfeld durch Überlagerung des Hauptmagnetfeldes und des Nebenmagnetfeldes gebildet ist, – dass der Magnetfeldsensor (31, 32) ausgebildet ist, in der ersten Raumrichtung (y) die Flussdichte (By) von der Überlagerung zu messen, und – dass im Magnetfeldsensor (31, 32) das Nebenmagnetfeld zumindest teilweise das Hauptmagnetfeld in der ersten Raumrichtung (y) kompensiert.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetvorrichtung (60) einen ersten Permanentmagneten (61) mit den zwei Hauptpolen (N_H, S_H) zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes und einen zweiten Permanentmagneten (62) mit den zwei Nebenpolen (N_N1, S_N1) zur Erzeugung des Nebenmagnetfeldes aufweist.
Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Permanentmagnet (62) eine zum ersten Permanentmagnet (61) entgegengerichtete Polung aufweist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Permanentmagnet (62) kleinere Abmessungen als der erste Permanentmagnet (61) aufweist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetvorrichtung (20, 50) einen ersten Permanentmagneten (20, 50) mit den zwei Hauptpolen (N_H, S_H) zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes aufweist, und – dass der erste Permanentmagnet (20, 50) zumindest eine Aussparung (21, 51, 52, 53) mit den zwei Nebenpolen (N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3) zur Erzeugung des Nebenmagnetfeldes aufweist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass Polflächen der Nebenpole (N_N1, S_N1, N_N2, S_N2, N_N3, S_N3) parallel zu Polflächen der Hauptpolen (N_H, S_H) ausgebildet sind.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass Polflächen der Nebenpole (N_N1, S_N1) in einem Winkel zu Polflächen der Hauptpolen (N_H, S_H) nicht-parallel ausgebildet sind.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – einen Geber (40) zur Änderung einer Flussdichte (By) in der ersten Raumrichtung (y) im Bereich des Magnetfeldsensors (31, 32).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetvorrichtung (20, 50, 60) und der Magnetfeldsensor (31, 32) in einem Bauelementegehäuse (1) integriert sind, wobei das Bauelementegehäuse (1) zum Montieren auf einem Schaltungsträger ausgebildet ist.