DE102017103877A1

DE102017103877A1 - Magnetsensoranordnung und magnetisches Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102017103877A1
Application number: DE102017103877.9A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US10928221B2; CN108507457A; US20180245947A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Magnetsensoranordnung, umfassend einen ersten Drehkörper mit einem daran angebrachten, ersten Quadrupol, einen ersten Magnetsensor, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel des ersten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des ersten magnetischen Quadrupols, einen zweiten Drehkörper mit einem daran angebrachten, zweiten magnetischen Quadrupol und einen zweiten Magnetsensor, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des zweiten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des zweiten magnetischen Quadrupols.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen von Winkeln von Drehkörpern und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen von Winkeln von mehr als 360°.
Hintergrund
Magnetsensoren, z. B. Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren, werden in vielen modernen Winkelpositionserfassungssystemen verwendet, um die Winkelposition eines drehbaren Objekts, z. B. einer Welle, eines Polrads oder eines Getrieberads, zu detektieren. Derartige Winkelpositionssensoren weisen Anwendungen auf vielen Gebieten auf, z. B. Automobil, Industrie etc. Bei Automobilen werden Winkelpositionssensoren zum Beispiel in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren; BLDC = Brushless Direct Current), um eine Rotorposition während des Betriebs zu detektieren, oder bei der Lenkwinkelmessung, um Information über die Richtung bereitzustellen, in die ein Fahrer fahren möchte, für automatische Lenkanwendungen (z. B. elektrische Servolenkung, elektronische Stabilitätssteuerung, Aktivlenkungssystem, Parkassistenzsystem etc.) verwendet.
Wenn zwei oder mehr Magnetsensoren verwendet werden, um durch zwei oder mehr separate Magneten erzeugte Magnetfelder zu detektieren, können magnetisches Übersprechen oder Interferenz zwischen den unterschiedlichen Magneten auftreten, insbesondere wenn die Magneten und/oder Sensoren sich in nächster Nähe befinden. Dies kann zu der ungünstigen Situation führen, in der ein erster Magnetsensor, der einem ersten Magneten zugeordnet ist, nicht nur das durch den ersten Magneten verursachte Magnetfeld misst, sondern auch eine durch einen (nahegelegenen) zweiten Magneten verursachte Magnetfeldkomponente misst. Ebenso kann ein zweiter Magnetsensor, der dem zweiten Magneten zugeordnet ist, nicht nur das durch den zweiten Magneten verursachte Magnetfeld messen, sondern misst auch durch den (nahegelegenen) ersten Magneten verursachte Magnetfeldkomponenten. Dieses Übersprechen kann zu beeinträchtigten Winkelmessungen führen.
Somit besteht ein Bedarf für verbesserte Winkelmessungskonzepte.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Magnetsensoranordnung bereitgestellt. Die Magnetsensoranordnung umfasst einen ersten Drehkörper mit einem ersten magnetischen Quadrupol. Ein erster Magnetsensor ist ausgebildet zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel des ersten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des ersten magnetischen Quadrupols. Die Magnetsensoranordnung umfasst einen zweiten Drehkörper mit einem zweiten magnetischen Quadrupol. Ein zweiter Magnetsensor ist ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des zweiten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des zweiten magnetischen Quadrupols.
Die Verwendung von magnetischen Quadrupolen oder Quadrupolmagneten erlaubt ein reduziertes Übersprechen zwischen den jeweiligen Magnetfeldern. Somit kann der erste Magnetsensor weniger magnetische Interferenz von dem zweiten magnetischen Quadrupol erfahren und ebenso kann der zweite Magnetsensor weniger magnetische Interferenz von dem ersten magnetischen Quadrupol erfahren. Die Qualität der Winkelmessungen kann somit erhöht werden.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann eine erste Rotationsachse des ersten Drehkörpers parallel sein zu einer zweiten Rotationsachse des zweiten Drehkörpers. Dies kann Konfigurationen mit kollinearen Rotationsachsen sowie mit gegenseitig beabstandeten Rotationsachsen umfassen.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der erste Magnetsensor relativ zu dem ersten magnetischen Quadrupol entlang einer ersten Rotationsachse des ersten Drehkörpers positioniert sein. Ebenso kann der zweite Magnetsensor relativ zu dem zweiten magnetischen Quadrupol entlang einer zweiten Rotationsachse des zweiten Drehkörpers positioniert sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann eine Erfassungsoberfläche des ersten Magnetsensors dem ersten magnetischen Quadrupol zugewandt sein. Ebenso kann eine Erfassungsoberfläche des zweiten Magnetsensors dem zweiten magnetischen Quadrupol zugewandt sein. Dabei kann eine Erfassungsoberfläche zum Beispiel die Oberfläche einer Hall-Platte oder die Oberfläche einer Erfassungsschicht eines Magnetowiderstands sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann eine Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Quadrupol geringer sein als 30 mm, geringer als 20 mm oder sogar geringer als 10 mm. Die Distanz kann zum Beispiel in Bezug auf die jeweiligen Schwerpunkte gemessen werden. Somit können der erste und der zweite magnetische Quadrupol nahe beieinander positioniert sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann ein jeweiliger magnetischer Quadrupol einen ersten magnetischen Dipolabschnitt und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten zweiten magnetischen Dipolabschnitt umfassen, wobei der jeweilige magnetische Nord- und Südpol des ersten und des zweiten Dipolabschnitts in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des jeweiligen Drehkörpers getrennt sind. Somit kann eine Orientierung eines Magnetisierungsvektors innerhalb des jeweiligen magnetischen Quadrupols im Wesentlichen parallel oder antiparallel zu der Rotationsachse des jeweiligen Drehkörpers verlaufen. Dies kann auch als axiale magnetische Quadrupole bezeichnet werden.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der jeweilige magnetische Quadrupol mit einem dritten magnetischen Dipolabschnitt kombiniert werden, wobei die Magnetpole des dritten Dipolabschnitts in einer Richtung perpendikulär zu der Rotationsachse des jeweiligen Drehkörpers getrennt sind. Derartige Implementierungen führen zu einer Kombination von magnetischen Quadrupolen und magnetischen Dipolen innerhalb eines Magneten.
Bei einigen Beispielimplementierungen können der erste magnetische Quadrupol und der zweite magnetische Quadrupol ausgebildet sein zum Erzeugen von jeweiligen Magnetfeldern von im Wesentlichen gleichen Stärken, was zu einem ausgeglichenen Aufbau führt.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der erste magnetische Quadrupol in einer ersten weichmagnetischen Abschirmhülse oder -kappe angeordnet sein und der zweite magnetische Quadrupol kann in einer zweiten weichmagnetischen Abschirmhülse oder -kappe angeordnet sein. Die Abschirmung(en) können eisenhaltige Abschirmung(en) sein. Dabei zeigt „eisenhaltig“ die Präsenz von Eisen an. Bei einigen Beispielen kann somit eine Abschirmhülse oder -kappe aus Stahl oder anderen Legierungen, die Eisen umfassen, gemacht sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann ein Boden einer jeweiligen weichmagnetischen Abschirmhülse oder -kappe an einer jeweiligen Endfläche eines jeweiligen Drehkörpers angebracht sein und eine obere Öffnung der jeweiligen weichmagnetischen Abschirmhülse oder -kappe kann einem jeweiligen Magnetsensor zugewandt sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen können der erste und der zweite Drehkörper jeweils rotationsmäßig symmetrische Körper sein. Zusätzlich oder alternativ können der erste und der zweite magnetische Quadrupol rotationsmäßig symmetrisch sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der erste Drehkörper mit dem zweiten Drehkörper z. B. über ein oder mehrere Getrieberäder drehbar gekoppelt sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der erste Drehkörper eine Welle (z. B. eine Nockenwelle, Kurbelwelle oder eine Welle eines Lenkrads) sein und der zweite Drehkörper kann auch eine Welle oder ein Getrieberad sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann die Magnetsensoranordnung ferner optional eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfassen, die ausgebildet ist zum Berechnen eines Gesamtrotationswinkels, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper oder eines dritten Drehkörpers, der mit zumindest einem von dem ersten und zweiten Drehkörper ineinandergreift, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal. Hier kann ein Vemier- oder Nonius-Prinzip verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Magnetsensoranordnung bereitgestellt, die eine drehbar befestigte Welle umfasst, die eine erste Fläche und einen an der ersten Fläche angebrachten, ersten magnetischen Quadrupol aufweist. Ein erster Magnetsensor ist ausgebildet zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel der Welle anzeigt, ansprechend auf ein Magnetfeld des ersten magnetischen Quadrupols. Die Magnetsensoranordnung umfasst ein drehbar befestigtes Objekt, das mit der Welle drehbar gekoppelt ist und das eine zweite Fläche und einen an der zweiten Fläche befestigten zweiten magnetischen Quadrupol aufweist. Eine Distanz zwischen der ersten und der zweiten Fläche ist geringer als 30 mm. Ein zweiter Magnetsensor ist ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des drehbar befestigten Objekts anzeigt, ansprechend auf ein Magnetfeld des zweiten magnetischen Quadrupols. Ein Prozessor ist ausgebildet zum Berechnen eines Gesamtrotationswinkels der Welle, der größer ist als 360°, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal unter Verwendung eines Vernier- oder Nonius-Prinzips.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann der erste magnetische Quadrupol einen jeweiligen ersten magnetischen Dipolabschnitt und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten jeweiligen zweiten magnetischen Dipolabschnitt umfassen. Magnetpole des ersten und zweiten Dipolabschnitts des ersten magnetischen Quadrupols können in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse der Welle beabstandet sein. Ebenso kann der zweite magnetische Quadrupol einen jeweiligen ersten magnetischen Dipolabschnitt und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten jeweiligen zweiten magnetischen Dipolabschnitt umfassen. Magnetpole des ersten und zweiten Dipolabschnitts des zweiten magnetischen Quadrupols können in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des drehbar befestigten Objekts beabstandet sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen kann eine Erfassungsoberfläche des ersten Magnetsensors einer oberen Oberfläche des ersten magnetischen Quadrupols zugewandt sein, und eine Erfassungsoberfläche des zweiten Magnetsensors kann einer oberen Oberfläche des zweiten magnetischen Quadrupols zugewandt sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetisches Erfassungsverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel des ersten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines an einer ersten Oberfläche eines ersten Drehkörpers angebrachten, ersten magnetischen Quadrupols, und ein Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des zweiten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines an einer zweiten Oberfläche eines zweiten Drehkörpers angebrachten, zweiten magnetischen Quadrupols. Ein Gesamtrotationswinkel, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper, kann basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal berechnet werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1 eine schematische Ansicht einer Magnetsensoranordnung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 Querschnittsansichten von mehreren beispielhaften magnetischen Quadrupolkonfigurationen zeigt;
3 perspektivische Ansichten von beispielhaften magnetischen Quadrupolkonfigurationen zeigt;
4 eine schematische Ansicht einer Magnetsensoranordnung gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 eine schematische Ansicht einer Magnetsensoranordnung gemäß noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
6 ein Flussdiagramm eines magnetischen Erfassungsverfahrens gemäß einem Beispiel darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke von Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren dementsprechend gezeigt und danach ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente, die identisch oder in modifizierter Form im Vergleich zueinander implementiert sein können, während sie dieselbe oder eine ähnliche Funktionalität bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. Wenn zwei Elemente A und B mit einem „oder“ verbunden werden, soll dies derart verstanden werden, dass alle möglichen Kombinationen, d. h. nur A, nur B sowie A und B, offenbart sind. Ein alternativer Wortlaut für dieselben Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Dasselbe gilt für Kombinationen aus mehr als 2 Elementen.
Die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendete Terminologie soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wann immer eine Singularform wie „ein, eine“ und „das, der, die“ verwendet wird, und die Verwendung von nur einem einzelnen Element weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente umfassen, um dieselbe Funktionalität zu implementieren. Wenn eine Funktionalität nachfolgend derart beschrieben wird, dass sie unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert wird, können weitere Beispiele dieselbe Funktionalität ebenso unter Verwendung eines einzelnen Elements oder Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“ und/oder „aufweisend“ beim Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert werden alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem die Beispiele gehören.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Magnetsensoranordnung 100 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
Die Magnetsensoranordnung 100 umfasst einen ersten Drehkörper 102-1, der eine erste Oberfläche 104-1 aufweist. Ein erster magnetischer Quadrupol 106-1 ist an der ersten Oberfläche 104-1 befestigt. Die Magnetsensoranordnung 100 umfasst einen ersten Magnetsensor 108-1, der dem ersten magnetischen Quadrupol 106-1 zugeordnet ist und der ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel α₁ des ersten Drehkörpers 102-1 anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des ersten magnetischen Quadrupols 106-1. Der Rotationswinkel (rotational angle, angle of rotation) α₁ ist eine Messung des Winkels, um den der erste Drehkörper 102-1 und/oder der erste magnetische Quadrupol 106-1 um eine jeweilige Rotationsachse 110-1 des ersten Drehkörpers 102-1 rotiert wird. Das erste Sensorsignal kann den ersten Rotationswinkel α₁ eindeutig anzeigen.
Die Magnetsensoranordnung 100 umfasst auch zumindest einen zweiten Drehkörper 102-2 mit einer zweiten Oberfläche 104-2. Ein zweiter magnetischer Quadrupol 106-2 ist an der zweiten Oberfläche 104-2 befestigt. Die Magnetsensoranordnung 100 umfasst zumindest einen zweiten Magnetsensor 108-2, der dem zweiten magnetischen Quadrupol 106-2 zugeordnet ist und der ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel α₂ des zweiten Drehkörpers 102-2 anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des zweiten magnetischen Quadrupols 106-2. Der Rotationswinkel α₂ ist eine Messung des Winkels, um den der zweite Drehkörper 102-2 und/oder der zweite magnetische Quadrupol 106-2 um eine jeweilige Rotationsachse 110-2 des zweiten Drehkörpers 102-2 rotiert wird. Das zweite Sensorsignal kann den zweiten Rotationswinkel α₂ eindeutig anzeigen.
Im Allgemeinen können die Drehkörper 102-1, 102-2 in die gleiche Richtung, in unterschiedliche Richtungen, synchron oder asynchron rotiert werden. Eine Rotation des zweiten Drehkörpers 102-2 kann unabhängig sein von einer Rotation des ersten Drehkörpers 102-1 (oder umgekehrt), oder sie können abhängig von einander rotieren. In letzterem Fall kann ein Übersetzungsverhältnis zwischen den Drehkörpern 102-1, 102-2 fest oder variabel sein.
Ein erstes Magnetfeld, das durch den ersten magnetischen Quadrupol 106-1 an einer Position des ersten Magnetsensors 108-1 verursacht wird, kann wesentlich größer sein (z. B. zumindest zweimal so groß) als ein zweites Magnetfeld, das durch den zweiten magnetischen Quadrupol 106-2 an der Position des ersten Magnetsensors 108-1 verursacht wird. Ebenso kann das zweite Magnetfeld, das durch den zweiten magnetischen Quadrupol 106-2 an einer Position des zweiten Magnetsensors 108-2 verursacht wird, wesentlich größer sein (z. B. zumindest zweimal so groß) als das erste Magnetfeld, das durch den ersten magnetischen Quadrupol 106-1 an der Position des zweiten Magnetsensors 108-2 verursacht wird.
Obwohl die erste und zweite Oberfläche 104-1 und 104-2 in dem dargestellten Beispiel flache Oberflächen perpendikulär zu den jeweiligen Rotationsachsen 110-1, 110-2 sind, erkennt der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, dass die magnetischen Quadrupole 106-1, 106-2 auch an gekrümmten Oberflächen oder flachen Oberflächen befestigt sein können, die bei anderen Beispielimplementierungen in anderen Winkeln in Bezug zu den Rotationsachsen 110-1, 110-2 angeordnet sein können.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung können insbesondere nützlich sein für Anordnungen, wo die Quadrupolmagneten 106-1, 106-2 und/oder die Magnetsensoren 108-1, 108-2 in unmittelbarer Nähe zueinander sind, da ein Übersprechen zwischen den Magnetfeldern der Quadrupolmagneten 106-1, 106-2 beträchtlich kleiner sein kann als ein Übersprechen zwischen den Magnetfeldern von herkömmlichen Dipolmagneten. Bei einigen Beispielen kann eine Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Quadrupol 106-1, 106-2 und/oder den Sensoren 108-1, 108-2 geringer sein als 30 mm, geringer als 20 mm oder sogar geringer als 10 mm. Bei dem dargestellten Beispiel kann die Distanz einer Distanz zwischen den zwei Rotationsachsen 110-1, 110-2 der Drehkörper entsprechen. Verglichen mit herkömmlichen Lösungen kann der Sensor 108-1, der dem Quadrupolmagneten 106-1 zugeordnet ist, weniger magnetische Interferenz von dem Quadrupolmagneten 106-2 erfahren. Ebenso kann der Sensor 108-2, der dem Quadrupolmagneten 106-2 zugeordnet ist, weniger magnetische Interferenz von dem Quadrupolmagneten 106-1 erfahren. Das liegt an der Form eines durch einen Quadrupolmagneten erzeugten Magnetfeldes, das nicht so weit reicht wie in dem Fall eines Dipolmagneten.
2a-c stellen einige Querschnittsansichten von beispielhaften Quadrupolmagneten 106 dar, die vis-à-vis den Magnetsensoren 108 platziert sind.
2a zeigt ein erstes Beispiel eines Quadrupolmagneten 106, der an einer oberen Oberfläche 104 eines Drehkörpers fixiert ist. Der Quadrupolmagnet 106 ist unter dem Magnetsensor 108 platziert und umfasst einen ersten magnetischen Dipolabschnitt 202-1 (links) und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten zweiten magnetischen Dipolabschnitt 202-2 (rechts). Der erste und zweite Dipolabschnitt 202-1, 202-2 können integral oder separat gebildet sein. Bei dem dargestellten Beispiel können die jeweiligen Magnetpole N und S des ersten und des zweiten Dipolabschnitts 202-1, 202-2 in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse 110 des Drehkörpers getrennt oder beabstandet sein, was zu einer axialen Orientierung der Magnetisierungsvektoren im Inneren des Quadrupolmagneten 106 führt. Die Magnetisierungsvektoren in dem (Permanent-)Quadrupolmagneten 106 sind im Wesentlichen parallel und antiparallel zu der Rotationsachse 110. Bei dem Beispiel von 2a weist der obere linke Abschnitt des Quadrupolmagneten einen magnetischen Nordpol (N) auf, während der untere linke Abschnitt einen magnetischen Südpol (S) aufweist. Umgekehrt weist der obere rechte Abschnitt des Quadrupolmagneten 106 einen magnetischen Südpol (N) auf, während der untere rechte Abschnitt einen magnetischen Nordpol (N) aufweist. Somit kann das magnetische Dipolmoment dieser Beispielkonfiguration im Wesentlichen null sein. Die benachbarten N- und S-Pole auf der Oberseite des Quadrupolmagneten 106 können zu einem Magnetfeld führen, das nicht so weit in den Raum reicht wie in dem Fall eines Dipolmagneten. Anders ausgedrückt, eine Steigung des Quadrupolfeldes versus Distanz von dem Magneten ist von höherer Ordnung als eine Steigung eines Dipolmagneten. Eine perspektivische Ansicht des in 2a gezeigten Quadrupolmagneten 106 ist zusammen mit einer entsprechenden Halterung 307 in 3a dargestellt. Die Halterung 307 umfasst auch ein Anbringungsmittel 308 wie periphere Löcher oder Ösen, um den Magneten 106 an einem Drehkörper zu fixieren. In 3a befinden sich diese Anbringungsmittel 308 symmetrisch zu dem N-S-Pol-Muster, derart, dass sie auf einer Linie 309 liegen, die perpendikulär zu einer Grenzlinie 310 zwischen N-Polen und S-Polen ist. Eine symmetrische Platzierung von Anbringungsmitteln erhält die Symmetrie der Magnetpole und daher auch die Symmetrie des Magnetfeldes, was eine genauere Bestimmung des Winkels des Drehkörpers ergibt, insbesondere bei dem Vorhandensein von Herstellungstoleranzen.
Anbringungsmittel von Quadrupolmagneten können auch rotationsmäßig symmetrisch sein, z. B. ein zentrales Loch. Dann nehmen die Magnete die Form von Ringen an. Die Magnetisierungsmuster derartiger Ringe sind identisch zu den Magnetisierungsmustem der in 2, 3a, 3b gezeigten Magnete, mit der Ausnahme, dass ein Loch in den Magneten platziert werden kann, und dieses Loch kann sich durch den Magneten entlang der Rotationsachse erstrecken.
2b zeigt ein anderes Beispiel, das sich von 2a dahingehend unterscheidet, dass der Quadrupolmagnet 106 in einer weichmagnetischen Abschirmkappe 204 angeordnet ist, der aus Stahl oder einer anderen Legierung hergestellt sein kann, die Eisen oder ein anderes weichmagnetisches Material mit einer großen relativen Permeabilität (µ_r > 50 aufweist. Die weichmagnetische Abschirmkappe 204 kann zum Beispiel eine relative Permeabilität µ_r > 500 oder sogar µ_r > 800 aufweisen. Der Boden der weichmagnetischen Abschirmkappe 204 kann an der oberen Oberfläche 104 des jeweiligen Drehkörpers 102 angebracht sein. Eine obere Öffnung der weichmagnetischen Abschirmkappe 204 kann dem Magnetsensor 108 zugewandt sein. Auf diesem Weg kann die weichmagnetische Abschirmkappe 204 den Quadrupolmagneten 106 von seiner Umgebung links, rechts und am Boden im Wesentlichen magnetisch isolieren. Somit wird es nur ein signifikantes Magnetfeld nahe über dem Quadrupolmagneten 106 geben. Wenn somit beide Quadrupolmagneten 106-1, 106-2 in jeweiligen weichmagnetischen Abschirmkappen angeordnet sind, kann ein gegenseitiges magnetisches Übersprechen sogar noch weiter unterdrückt werden. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die weichmagnetische Abschirmkappe 204 auch durch einen weichmagnetischen Abschirmring oder -hülse ersetzt werden kann, insbesondere wenn die obere Oberfläche 104 eines Drehkörpers 102 auch weichmagnetisch ist. Ferner kann die weichmagnetische Abschirmkappe ein wesentlicher Bestandteil einer weichmagnetischen Welle sein, wie dies in 1 gezeigt ist, wo sich der Magnet in einem Bolzenloch befindet, das in die Endfläche der Welle gebohrt ist. Dabei kann die obere Oberfläche des Magneten bündig mit der Oberseite der Abschirmkappe sein oder der Ringteil der Abschirmkappe kann in axialer Richtung ein bisschen länger sein als die axiale Dicke des Magneten, sodass der Magnet durch die Abschirmkappe vor einer Kollision mit anderen Teilen geschützt ist.
2c zeigt ein anderes Beispiel, das sich von 2b dahingehend unterscheidet, dass der Quadrupolmagnet 106 mit einem weiteren magnetischen Dipolabschnitt kombiniert ist. Die Magnetpole (S, N) des weiteren Dipolabschnitts sind in einer Richtung perpendikulär zu der Drehachse 110 des jeweiligen Drehkörpers getrennt. Das heißt, bei dem Beispiel von 2c gibt es einen zusätzlichen, horizontal oder diametral orientierten, magnetischen Dipol. Das magnetische Dipolmoment dieser Beispielkonfiguration unterscheidet sich von null. Beispiele der vorliegenden Offenbarung können somit auch ein Hybrid zwischen einem axialen Quadrupol und einem horizontalen (oder radialen) Dipolmagneten umfassen. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die weichmagnetische Abschirmkappe 204 in 2c optional ist. Allerdings kann er Magnetfeldkomponenten positiv aufheben oder zumindest reduzieren, die von dem magnetischen Dipolabschnitt stammen, derart, dass das externe Magnetfeld durch den magnetischen Quadrupolabschnitt dominiert wird.
Eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2b oder 2c gezeigten Quadrupolmagneten 106 ist zusammen mit einer entsprechenden eisenhaltigen Abschirmkappe 204 in 3b dargestellt. 3b zeigt auch Stellen des Anbringungsmittels 308 an. Wie in 3a befinden sie sich symmetrisch zu dem N-S-Pol-Muster aber im Gegensatz zu 3a liegen sie auf der Linie 310, die identisch ist zu der Grenzlinie zwischen N- und S-Pol. Diese Platzierung von Anbringungsmitteln kann den Vorteil haben, magnetische N-S-Pole abzuschneiden, die näher beabstandet sind als in Fig. 3a und daher beeinflussen sie das Magnetfeld nicht so sehr wie in 3a.
Bei einigen Anwendungen braucht der Magnet keine peripheren Anbringungsmittel wie Löcher oder Ösen aufzuweisen, z. B. weil er auf die Welle geklebt werden kann - allerdings ist es möglicherweise nach wie vor erforderlich, ein asymmetrisches Merkmal auf dem äußeren Durchmesser bereitzustellen, um die Richtung des Magnetfeldes zu markieren. Eine solche Ausrichtungsmarkierung kann auch die Magnetpolgröße und das Magnetfeld ähnlich zu den Anbringungsmitteln beeinflussen. Daher können diese Ausrichtungsmarkierungen auch an den Stellen platziert sein, wo die Ausrichtungsmittel in 3a und 3b sind.
Im Allgemeinen kann eine gute gegenseitige oder symmetrische Interferenzunterdrückung erreicht werden, wenn der erste magnetische Quadrupol 106-1 und der zweite magnetische Quadrupol 106-2 ausgebildet sind zum Erzeugen oder Verursachen von jeweiligen Magnetfeldern von im Wesentlichen gleicher Stärke. Ansonsten kann eine leicht asymmetrische magnetische Interferenzunterdrückung das Ergebnis sein.
Wieder Bezug nehmend auf 1 sind der erste Drehkörper 102-1 und der zweite Drehkörper 102-2 beide als rotationsmäßig symmetrische Zylinderwellen dargestellt. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt allerdings, dass die Drehkörper 102 von beliebiger Form sein können. Es ist nicht einmal erforderlich, dass sie rotationsmäßig symmetrisch sind, wie dies zum Beispiel der Fall wäre für Nockenwellen oder Kurbelwellen. Ferner kann der erste Drehkörper 102-1 von einem anderen Typ sein als der zweite Drehkörper 102-2. Zum Beispiel kann einer von den Drehkörpern eine Welle sein, während der andere ein Getrieberad sein kann. Beide Drehkörper können Getrieberäder sein. Zahllose unterschiedliche Konfigurationen sind möglich.
Bei dem dargestellten Beispiel von 1 ist die erste Rotationsachse 110-1 des ersten Drehkörpers 102-1 parallel zu der zweiten Rotationsachse 110-2 des zweiten Drehkörpers 102-2. Auch dies ist nur eine beispielhafte Konfiguration. Bei anderen Beispielkonfigurationen, z. B. bezogen auf kardanische Aufhängungen (gimbals), ist es nicht erforderlich, dass beide Rotationsachsen parallel sind. Sie können sich in einem beliebigen Winkel zueinander erstrecken, z. B. 45° oder 90°, um nur zwei Beispiele zu nennen. Bei vielen Anwendungen, bei denen die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, verlaufen die Rotationsachsen allerdings parallel.
Bei dem dargestellten Beispiel von 1 ist der Magnetsensor 108-1 relativ zu dem ersten magnetischen Quadrupol 106-1 entlang der ersten Rotationsachse 110-1 des ersten Drehkörpers 102-1 positioniert. Auf ähnliche Weise ist der zweite Magnetsensor 108-2 relativ zu dem zweiten magnetischen Quadrupol 106-2 entlang der zweiten Rotationsachse 110-2 des zweiten Drehkörpers 102-2 positioniert. Somit können der jeweilige magnetische Quadrupol 106 und sein zugeordneter Magnetsensor 108 beide auf der jeweiligen Rotationsachse 110 positioniert sein. Zum Beispiel kann der jeweilige Magnetsensor 108 über, unter, links von oder rechts von seinem zugeordneten magnetischen Quadrupol 106 positioniert sein, abhängig von der Orientierung der Rotationsachse 110.
Um möglicherweise präzise Messergebnisse zu erhalten, kann eine Erfassungsoberfläche 109-1 des ersten Magnetsensors 108-1 dem ersten magnetischen Quadrupol 106-1 zugewandt sein. Auf ähnliche Weise kann eine Erfassungsoberfläche 109-2 des zweiten Magnetsensors 108-2 dem zweiten magnetischen Quadrupol 106-2 zugewandt sein. Dabei kann sich der Begriff „Erfassungsoberfläche“ auf eine Oberfläche beziehen, die mit einem externen Magnetfeld interagiert, das durch die Quadrupolmagneten 106 erzeugt wird. Dies kann eine Hall-Platte im Fall eines Hall-Sensors oder eine magnetische freie Schicht im Fall von magnetoresistiven Sensoren, z. B. GMR- (Riesenmagnetowiderstands-) oder TMR- (Tunnelmagnetowiderstands-) Sensoren sein. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt allerdings, dass die Erfassungsoberfläche 109 dem zugeordneten magnetischen Quadrupol 106 bei einigen Implementierungen auch nicht zugewandt sein kann.
Die Erfassungsoberflächen 109-1 und 109-2 können parallel zueinander angeordnet sein. Zum Beispiel können die Magnetsensoren 108-1, 108-2 auf einem gemeinsamen Substrat integriert sein. Dabei kann das gemeinsame Substrat ein gemeinsamer Halbleiterchip, ein gemeinsames Halbleitergehäuse oder eine gemeinsame Komponentenplatine sein.
Bei einigen Beispielimplementierungen können die Magnetsensoren 108-1, 108-2 auf einen Winkel einer Projektion des Magnetfeldes des jeweiligen magnetischen Quadrupols 106-1, 106-2 auf die jeweiligen Erfassungsoberflächen 109-1 und 109-2 ansprechen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Magnetsensoren 108-1, 108-2 als magnetoresistive Sensoren implementiert sind. Das Erfassungssystem kann implementiert sein, derart, dass sich ein Absolutwert der Projektion des Magnetfeldes auf eine Erfassungsoberfläche innerhalb einer Umdrehung des drehbaren Objekts 102 nicht wesentlich ändert. Zum Beispiel unterscheiden sich ein maximaler Wert und ein minimaler Wert der Projektion des Magnetfeldes auf die Erfassungsoberfläche möglicherweise um nicht mehr als 30 % des maximalen oder minimalen Wertes.
Bei einigen Beispielen kann der erste Drehkörper 102-1 mit dem zweiten Drehkörper 102-2 drehbar gekoppelt sein. 4 stellt schematisch ein Beispiel dar, wo der erste Drehkörper 102-1 als eine Welle mit einem sich umlaufend erstreckenden ersten Zahnrad (nicht gezeigt) und einem ersten Quadrupolmagneten 106-1, der auf einer oberen Oberfläche des ersten Zahnrads befestigt ist, implementiert ist. Zum Beispiel kann angenommen werden, dass das erste Zahnrad konzentrisch zwischen Welle 102-1 und Magneten 106-1 angeordnet ist. Ein zweiter Drehkörper 102-1 ist als ein zweites Zahnrad (nicht gezeigt) implementiert, das durch das erste Zahnrad mit einem zweiten Quadrupolmagneten 106-2, der an dem zweiten Zahnrad befestigt ist, übersetzt. Optional kann ein zusätzlicher weichmagnetischer oder eisenhaltiger Schirm 402, hier in Form einer Scheibe, über den zweiten Quadrupolmagneten 106-2 als Schirm platziert werden. Zum Beispiel kann angenommen werden, dass das zweite Zahnrad konzentrisch zwischen Scheibe 402 und Magneten 106-2 angeordnet ist.
Beide Zahnräder können eine leicht unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen, was zu einem Übersetzungsverhältnis von z. B. 20/21 führt. Wenn die Welle 102-1 mit dem Magneten 106-1 21 Umdrehungen macht, kann das zweite Zahnrad 102-2 mit dem Magneten 106-2 zum Beispiel 20 Umdrehungen machen. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass dieses Übersetzungsverhältnis lediglich ein Beispiel ist und dass beliebige andere Übersetzungsverhältnisse implementiert werden können. Unmittelbar vor den Magneten 106-1, 106-2 gibt es magnetische Winkelsensoren 108-1, 108-2, die die Rotationswinkel α₁ und α₂ von beiden Magneten detektieren können. Unter Verwendung des Nonius-Prinzips der Winkel von beiden Magneten ist es möglich, φ = 21*360° = 7650° der winkeligen Wellenposition eindeutig zu identifizieren. Somit umfassen einige Beispielimplementierungen auch einen Prozessor 404, der ausgebildet ist zum Berechnen eines Gesamtrotationswinkels φ, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper 102-1 oder 102-2 basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal oder basierend auf den Rotationswinkeln α₁ und α₂. Die Differenz zwischen α₁ und α₂ kann φ anzeigen. Der Prozessor 404 kann durch dedizierte oder Allzweck-Hardwarekomponenten implementiert sein, z. B. einen digitalen Signalprozessor (DSPs; DSP = Digital Signal Processor), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs; FPGA = Field Programmable Gate Array) oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; ASIC = Application-Specific Integrated Circuit).
Bei dem Beispiel von 4 gibt es nur zwei Zahnräder, die vom Durchmesser ähnlich sein können (weil sie eine nahezu gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen und natürlich die Zähne derselben von der Größer her identisch sind). Daher ist die Beabstandung beider Magneten 106-1, 106-2 (die zentrisch mit den Zahnrädern sind) klein, wenn die Zahnräder klein sind. Bei herkömmlichen Aufbauten, wo die Magnetisierung eines jeden Magneten in einer einzelnen Richtung perpendikulär zu seiner Rotationsachse (diametrischer Dipolmagnet) ist, würde es daher ein erhebliches magnetisches Übersprechen geben, wo das Magnetfeld auf dem ersten magnetischen Winkelsensor hauptsächlich durch den ersten Magneten verursacht wird, aber auch ein kleiner Anteil von dem zweiten Magneten kommt. Und umgekehrt wird das Feld auf dem zweiten Sensor nicht nur durch den zweiten Magneten verursacht, sondern ein kleiner Anteil kommt von dem ersten Magneten. Da die Magneten nicht synchron getrieben werden, würde das Übersprechen zu Fehlern bei den magnetischen Winkeln auf jedem Sensor führen, was bedeutet, dass die Winkelposition des Magneten nicht exakt gleich ist zu dem Winkel des Magnetfeldes, der durch die jeweiligen Winkelsensoren 108-1, 108-2 detektiert wird. Dies kann zu Fehlern bei einem Gesamtergebnis eines Multiturn-Winkels der Welle 102-1 führen. Wenn sowohl 106-1 als auch 106-2 als magnetische Quadrupole implementiert sind, können derartige Winkelfehler allerdings drastisch reduziert werden, z. B. von einem herkömmlichen Bereich von ±20° auf weniger als ±0,2°.
Ein anderer beispielhafter Aufbau, wo die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, ist in 5 dargestellt.
In 5 identifiziert das Bezugszeichen 502 einen Drehkörper (z. B. eine Welle) dessen Gesamtrotationswinkel φ gemessen werden soll. Ein Getrieberad 504, das n Zähne aufweist, ist an dem Drehkörper 502 angebracht. Zwei weitere drehbare Getrieberäder 102-1 und 102-2, die m und m+1 Zähne aufweisen können, greifen mit dem Getrieberad 504 ineinander. Die Rotationswinkel α₁ und α₂ dieser zwei Getrieberäder werden mit der Hilfe von zwei Winkelsensoren 108-1, 108-2 gemessen, die über und unter den Quadrupolmagneten 106-1 und 106-2 platziert sind. Die Winkelsensoren können mit einer elektronischen Bewertungsschaltung verbunden sein, in der die Berechnungen, die zum Bestimmen des Achsenwinkels φ erforderlich sind, durchgeführt werden.
Vorausgesetzt, dass die Winkelsensoren 108-1, 108-2 sogenannte Absolutsensoren sind, können sie die Rotationswinkel α₁ und α₂ der Getrieberäder 102-1 und 102-2 bereitstellen, die bei Inbetriebnahme existieren, sobald die Vorrichtung zum Detektieren der Winkelposition der Welle 502 eingeschaltet worden ist. Es kann umgehend möglich sein, den Winkel φ der Welle 502 definitiv zu bestimmen, solange die Anzahl der Winkelmarker oder Zähne des Getrieberads 504 und die Anzahl der Winkelmarker oder Zähne der Getrieberäder 102-1 und 102-2 bekannt ist Die Anzahl der Zähne der individuellen Getrieberäder kann als eine Funktion dahingehend ausgewählt werden, wie groß der Winkel φ, der detektiert werden soll, sein kann.
Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die Sensoraufbauten 400 und 500 ein entsprechendes Verfahren ausführen können. Ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens 600 ist in 6 dargestellt.
Das Verfahren 600 umfasst ein Erzeugen 602 eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel α₁ des ersten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines ersten magnetischen Quadrupols 106-1, der an einer ersten Oberfläche 104-1 eines ersten Drehkörpers 102-1 angebracht ist, ein Erzeugen 604 eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel α₂ des zweiten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines zweiten magnetischen Quadrupols 106-2, der an einer zweiten Oberfläche eines zweiten Drehkörpers 102-2 angebracht ist, und ein Berechnen 606 eines Gesamtrotationswinkels φ, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal.
Die vorgeschlagene Verwendung von magnetischen Quadrupolen oder Quadrupolmagneten erlaubt ein reduziertes Übersprechen zwischen jeweiligen Magnetfeldern. Somit erfährt der erste Magnetsensor möglicherweise weniger Interferenz von dem zweiten magnetischen Quadrupol und ebenso erfährt der zweite Magnetsensor möglicherweise weniger Interferenz von dem ersten magnetischen Quadrupol.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorab detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren sein oder sich darauf beziehen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse verschiedener, oben beschriebener Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren durch oder veranlassen die Durchführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien sein. Auch sollen weitere Beispiele Computer, Prozessoren oder Steuerungseinheiten programmiert zum Durchführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren oder (feld-) programmierbare Logik-Arrays ((F)PLA = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-) programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays) programmiert zum Durchführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren abdecken.
Die Beschreibung und Zeichnungen stellen nur die Grundsätze der Offenbarung dar. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung wie auch bestimmte Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
Ein als „Mittel zum...“ Durchführen einer gewissen Funktion bezeichneter Funktionsblock kann sich auf eine Schaltung beziehen, die ausgebildet ist zum Durchführen einer bestimmten Funktion. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. als eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener, in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zur Bereitstellung eines Sensorsignals“, „Mittel zum Erzeugen eines Sendesignals“ usw. bezeichneter Funktionsblöcke können in Form dedizierter Hardware wie beispielsweise „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ usw. wie auch als Hardware fähig der Ausführung von Software in Verbindung mit zugehöriger Software bereitgestellt werden. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzigen dedizierten Prozessor, durch einen einzigen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl einzelner Prozessoren bereitgestellt werden, von denen einige oder alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Jedoch ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor-(DSP-) Hardware, Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC; ASIC = Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbare Logikanordnung (FPGA; FPGA = Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM; ROM = Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM; RAM = Random Access Memory) und nichtflüchtige Speichervorrichtung (storage) einschließen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
Ein Blockdiagramm kann z. B. ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise kann ein Ablaufdiagramm, ein Flussdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert sein, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims

Eine Magnetsensoranordnung (100), umfassend: einen ersten Drehkörper (102-1), umfassend einen ersten magnetischen Quadrupol (106-1); einen ersten Magnetsensor (108-1), der ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel des ersten Drehkörpers (102-1) anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des ersten magnetischen Quadrupols (106-1); einen zweiten Drehkörper (102-2), umfassend einen zweiten magnetischen Quadrupol (106-2); und einen zweiten Magnetsensor (108-2), der ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des zweiten Drehkörpers (102-2) anzeigt, ansprechend auf eine Rotationswinkelposition des zweiten magnetischen Quadrupols (106-2).
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine erste Rotationsachse (110-1) des ersten Drehkörpers (102-2) parallel ist zu einer zweiten Rotationsachse (110-2) des zweiten Drehkörpers (102-1).
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Magnetsensor (108-1) relativ zu dem ersten magnetischen Quadrupol (106-1) entlang einer ersten Rotationsachse (110-1) des ersten Drehkörpers (102-1) positioniert ist, und wobei der zweite Magnetsensor (108-2) relativ zu dem zweiten magnetischen Quadrupol (106-2) entlang einer zweiten Rotationsachse (110-2) des zweiten Drehkörpers (102-2) positioniert ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Erfassungsoberfläche (109-1) des ersten Magnetsensors (108-1) dem ersten magnetischen Quadrupol (106-1) zugewandt ist, und wobei eine Erfassungsoberfläche (109-2) des zweiten Magnetsensors (108-2) dem zweiten magnetischen Quadrupol (106-2) zugewandt ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Quadrupol (106-1; 106-2) geringer als 30 mm ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein jeweiliger magnetischer Quadrupol (106-1; 106-2) einen ersten magnetischen Dipolabschnitt (202-1) und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten zweiten magnetischen Dipolabschnitt (202-2) umfasst, wobei die jeweiligen Magnetpole des ersten und des zweiten Dipolabschnitts in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des jeweiligen Drehkörpers (102-1; 106-2) getrennt sind.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste magnetische Quadrupol (106-1) und der zweite magnetische Quadrupol (106-2) ausgebildet sind zum Erzeugen von jeweiligen Magnetfeldern von gleicher Stärke.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste magnetische Quadrupol (106-1) in einem ersten weichmagnetischen Schirm (204-1) angeordnet ist und wobei der zweite magnetische Quadrupol (106-2) in einem zweiten weichmagnetischen Schirm (204-2) angeordnet ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 9, wobei ein Boden einer jeweiligen weichmagnetischen Abschirmhülse (204-1; 204-2) an einer jeweiligen Oberfläche (104-1; 104-2) eines jeweiligen Drehkörpers (102-1; 102-2) angebracht ist und wobei eine obere Öffnung der jeweiligen weichmagnetischen Abschirmhülse einem jeweiligen Magnetsensor (108-1; 108-2) zugewandt ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Drehkörper (102-1; 102-2) jeweils rotationsmäßig symmetrische Körper sind.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Drehkörper (102-1) mit dem zweiten Drehkörper (102-2) drehbar gekoppelt ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Drehkörper (102-1) mit dem zweiten Drehkörper (102-2) über ein oder mehrere Getrieberäder drehbar gekoppelt ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Drehkörper (102-1) einem ersten Getrieberad mit einer ersten Anzahl von Zähnen zugeordnet ist, die mit einem zweiten Getrieberad ineinandergreifen, das eine zweite unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweist und dem zweiten Drehkörper (102-2) zugeordnet ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Drehkörper (102-1) eine Welle ist und wobei der zweite Drehkörper (102-2) eine Welle oder ein Getrieberad ist.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend: einen Prozessor (404), der ausgebildet ist zum Berechnen eines Gesamtrotationswinkels, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper (102-1; 102-2) oder einem dritten Drehkörper (502), der mit dem ersten und/oder dem zweiten Drehkörper (102-1; 102-2) ineinandergreift, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal.
Eine Magnetsensoranordnung (100), umfassend: eine drehbar befestigte Welle (102-1), umfassend eine erste Fläche (104-1) und einen an der ersten Fläche angebrachten, ersten, magnetischen Quadrupol (106-1); einen ersten Magnetsensor (108-1), der ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel der Welle (102-1) anzeigt, ansprechend auf ein Magnetfeld des ersten magnetischen Quadrupols (106-1); ein drehbar befestigtes Objekt (102-2), das mit der Welle (102-1) drehbar gekoppelt ist und eine zweite Fläche (104-2) und einen an der zweiten Fläche angebrachten, zweiten, magnetischen Quadrupol (106-2) aufweist, wobei eine Distanz zwischen der ersten und der zweiten Fläche geringer als 30 mm ist; einen zweiten Magnetsensor (108-2), der ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des drehbar befestigten Objekts (102-2) anzeigt, ansprechend auf ein Magnetfeld des zweiten magnetischen Quadrupols (106-2); und einen Prozessor (404), der ausgebildet ist zum Berechnen eines Gesamtrotationswinkels der Welle (102-1), der größer ist als 360°, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß Anspruch 16, wobei der erste magnetische Quadrupol (106-1) einen jeweiligen ersten magnetischen Dipolabschnitt und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten, jeweiligen zweiten magnetischen Dipolabschnitt umfasst, wobei Magnetpole des ersten und zweiten Dipolabschnitts des ersten magnetischen Quadrupols in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse der Welle getrennt sind, und wobei der zweite magnetische Quadrupol (106-2) einen jeweiligen ersten magnetischen Dipolabschnitt und einen benachbarten und entgegengesetzt orientierten, jeweiligen zweiten magnetischen Dipolabschnitt umfasst, wobei Magnetpole des ersten und zweiten Dipolabschnitts des zweiten magnetischen Quadrupols in einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des drehbar befestigten Objekts getrennt sind.
Die Magnetsensoranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei eine Erfassungsoberfläche (109-1) des ersten Magnetsensors (108-1) einer oberen Oberfläche des ersten magnetischen Quadrupols (106-1) zugewandt ist, und wobei eine Erfassungsoberfläche (109-2) des zweiten Magnetsensors (108-2) einer oberen Oberfläche des zweiten magnetischen Quadrupol (106-2) zugewandt ist.
Ein magnetisches Erfassungsverfahren (600), umfassend: Erzeugen (602) eines ersten Sensorsignals, das einen ersten Rotationswinkel des ersten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines ersten magnetischen Quadrupols (106-1), der an einem ersten Drehkörper (102-1) angebracht ist; und Erzeugen (604) eines zweiten Sensorsignals, das einen zweiten Rotationswinkel des zweiten Drehkörpers anzeigt, ansprechend auf ein erfasstes Magnetfeld eines zweiten magnetischen Quadrupols (106-2), der an einem zweiten Drehkörper (102-2) angebracht ist; und Berechnen (606) eines Gesamtrotationswinkels, der größer ist als 360°, von einem von dem ersten und zweiten Drehkörper (102-1; 102-2) oder einem dritten Drehkörper (502), der mit dem ersten und/oder dem zweiten Drehkörper (102-1; 102-2) ineinandergreift, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal.