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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Magnetanordnung für eine Positionssensoreinrichtung und eine entsprechende Positionssensoreinrichtung unter Benutzung einer Magnetanordnung.
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HINTERGRUND
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In einigen Anwendungen werden zur Positionserfassung ein oder mehrere Magnetfeldsensoren in Kombination mit einem Magneten verwendet, wobei sich die Magnetanordnung dabei relativ zu mindestens einem Magnetfeldsensor bewegt. Zur Bestimmung einer Winkelposition können zum Beispiel sogenannte Polräder verwendet werden, die, wenn sie rotieren, eine Modulation des lokalen Magnetfeldes hervorrufen, welche dann erfasst wird. Basierend auf dieser Modulation kann eine Geschwindigkeit bestimmt werden, und durch Integration der Geschwindigkeit kann eine Position bestimmt werden. Ähnliche Anordnungen können außerdem genutzt werden, um lineare Bewegungen zu detektieren.
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Aufgrund der Tatsache, dass die lokale Modulation bei so einer Anordnung periodisch ist, kann nur eine Geschwindigkeit (zum Beispiel eine Rotationsgeschwindigkeit oder lineare Geschwindigkeit) direkt erhalten werden, und eine Position (zum Beispiel eine Winkelposition oder lineare Position) nur indirekt über eine Integration der Geschwindigkeit bestimmt werden.
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Bei einigen Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, eine Position direkt erhalten zu können.
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Es ist daher eine Aufgabe, eine Magnetanordnung und Positionssensoreinrichtungen bereitzustellen, welche in einigen Fällen eine direkte Bestimmung einer Position ermöglichen können, zum Beispiel beruhend auf einem erfassten Magnetfeld.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Magnetanordnung gemäß Anspruch 1 und eine Positionssensoreinrichtung gemäß Anspruch 17 werden bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht einer Positionssensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine Magnetanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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3A–3D zeigen verschiedene Implementierungsmöglichkeiten der Magnetanordnung aus 2.
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4 zeigt ein Implementierungsbeispiel einer Magnetanordnung gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
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5 zeigt eine Magnetanordnung gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
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6 zeigt eine Magnetanordnung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
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7 zeigt eine Magnetanordnung für eine Winkelpositionssensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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8 zeigt eine Magnetanordnung für eine Winkelpositionssensoreinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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9 zeigt eine Querschnittszeichnung einer Winkelpositionssensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele stellen nur Beispiele dar und sind nicht als einschränkend auszulegen. Während beispielsweise Ausführungsbeispiele derart beschrieben sein können, dass sie eine Vielzahl von Merkmalen und Elementen umfassen, so können einige dieser Merkmale oder Elemente in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. In anderen Ausführungsbeispielen können zusätzlich oder alternativ zusätzliche Merkmale oder Elemente neben den explizit beschriebenen bereit gestellt werden. Merkmale oder Elemente verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu erhalten. Zum Beispiel können Varianten oder Modifikationen, die bezüglich eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele angewandt werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Einige Ausführungsbeispiele benutzen einen Magnetfeldsensor, der sich relativ zu einer Magnetanordnung bewegt. „Relativ bewegen”, wie hier verwendet, kann eine Bewegung des Magnetfeldsensors, eine Bewegung der Magnetanordnung oder beides bedeuten. Ein Magnetfeldsensor, wie er hier verwendet wird, beschränkt sich nicht auf einen bestimmten Magnetfeldsensortyp und kann stattdessen auf verschiedene Weise implementiert werden, wie zum Beispiel als Hall-Sensor, zum Beispiel als Hallplatte oder als vertikaler Hall-Sensor, oder als magnetoresistiver Sensor, der ein oder mehrere magnetoresistive Elemente benutzt, wie zum Beispiel unter Ausnutzung des Riesenmagnetowiderstandseffekts (GMR), des anisotropen magnetoresistiven Effekts (AMR), des magnetischen Tunnelwiderstandseffekts (TMR) oder des kolossalen magnetoresistiven Effekts (CMR). Magnetoresistive Elemente können beispielsweise in einer Vollbrücken- oder Halbbrückenschaltung bereitgestellt sein, um einen Magnetfeldsensor zu implementieren. Andere konventionelle Implementierungen von Magnetfeldsensoren können ebenfalls verwendet werden. Ein Magnetfeldsensor kann ein oder mehrere Sensorelemente umfassen, um beispielsweise Feldkomponenten in einer oder mehreren Richtungen messen zu können.
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Eine Magnetanordnung bezieht sich auf eine Anordnung oder ein Element, das ein Magnetfeld erzeugt. Solch eine Magnetanordnung kann einen oder mehrere Permanentmagnete und/oder einen oder mehrere Elektromagnete verwenden, um das Magnetfeld zu erzeugen.
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Bezug nehmend auf die Figuren wird in 1 eine schematische Darstellung einer Positionssensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Positionssensoreinrichtung umfasst eine Magnetanordnung 10 und einen Magnetfeldsensor 11. Der Magnetfeldsensor 11 kann sich relativ zur Magnetanordnung 10 in einer Richtung 12 (dargestellt mit einem Pfeil in 1) bewegen. Während die Richtung 12 in 1 als gerade lineare Bewegungsrichtung dargestellt wird, sind bei anderen Ausführungsbeispielen andere Bewegungsrichtungen möglich, wie zum Beispiel eine Kreisbewegung im Falle eines Winkelpositionssensors oder irgendeine andere Richtung. In Ausführungsbeispielen kann die Bewegung entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades erfolgen, beispielsweise eine lineare Bewegungsrichtung 12, wie in 1 dargestellt, oder eine kreisförmige Bewegungsrichtung. Um die relative Bewegung auszuführen, können sich der Magnetfeldsensor 11, die Magnetanordnung 10 oder beide bewegen.
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Die Magnetanordnung 10 kann ein oder mehrere Magnetelemente umfassen und ist so ausgelegt, dass sie ein moduliertes Feld in einer ersten Richtung 13 bereitstellt, während das durch die Magnetanordnung 10 bereitgestellte Magnetfeld in einer zweiten Richtung 14 im Wesentlichen konstant ist. „Im Wesentlichen konstant” kann bedeuten, dass sich beispielsweise im relevanten Bewegungsbereich das Magnetfeld nicht um mehr als 5%, um mehr als 10% oder um mehr als 20% ändert. Auf der anderen Seite kann die Änderung des Magnetfeldes in Richtung 13 wesentlich größer sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modulation in der ersten Richtung 13 eine periodische Modulation sein oder sie kann eine im Wesentlichen periodische Modulation sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Richtung 12 (Bewegungsrichtung) linear ist, können die Richtungen 13 und 14 zwei lineare, zueinander senkrechte Richtungen sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist die Richtung 12 eine Richtung, die sich näher an Richtung 14 befindet als an Richtung 13. Zum Beispiel kann ein Winkel τ zwischen den Bewegungsrichtungen 12 und 14, bei der das Magnetfeld im Wesentlichen konstant ist, kleiner als 15° sein, zum Beispiel kleiner als 10°, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In Ausführungsbeispielen erfährt der Magnetfeldsensor 11 durch eine solche Wahl bei einer Bewegung in Richtung 12 eine langsamere Modulation des abgetasteten Magnetfeldes im Vergleich zu einer Modulation entlang der ersten Richtung 13. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dies zur Positionsbestimmung verwendet werden, da beispielsweise eine eindeutige Beziehung zwischen dem durch den Sensor 11 abgetasteten Magnetfeld und einer Position des Sensors 11 innerhalb eines bestimmten Bewegungsbereichs gegeben sein kann.
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Das Signal des Magnetfeldsensors 11 kann dann mit einer Steuerung 15 ausgewertet werden. Bei Ausführungsbeispielen kann beispielsweise die Steuerung 15 basierend auf der Erfassung des Magnetfeldes durch den Sensor 11 die Position des Magnetfeldsensors 11 relativ zur Magnetanordnung 10 bestimmen.
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Es sollte erwähnt werden, dass es bei Ausführungsbeispielen, in denen die Bewegungsrichtung 12 keine gerade Richtung ist (beispielsweise eine umlaufende Bewegung zur Bestimmung einer Winkelposition), sein kann, dass die Richtungen 14 und 13 ebenso nicht-gerade Richtungen sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann zum Beispiel die zweite Richtung 14 nahe der umlaufenden Richtung sein, und die erste Richtung 13 kann nah an einer radialen Richtung sein.
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Die oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen allgemeinen Techniken und Prinzipien liefern nur einen kurzen Überblick über einige Konzepte, die bei Ausführungsbeispielen anwendbar sind. Konkretere Beispiele werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2–9 erläutert.
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2 zeigt eine Magnetanordnung 24 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Magnetanordnung 24 umfasst alternierende Magnetstreifen 20, 21 mit unterschiedlichen Magnetisierungen. In einer mit y' gekennzeichneten Richtung, welche ein Beispiel für die erste Richtung in der 1 darstellt, führt dies zu einer Modulation des Magnetfeldes mit einer Periode λ. In einer Richtung senkrecht zur Richtung y' (gekennzeichnet mit x') in 2 ist das Magnetfeld innerhalb eines bestimmten Bereichs, welcher beispielsweise durch die Größe der Magnetanordnung 24 bestimmt ist, im Wesentlichen konstant (beispielsweise mit einer Abweichung, die kleiner als 5%, kleiner als 10% oder kleiner als 20% ist, in einem später erläuterten interessierenden Bewegungsbereich). In einer Richtung senkrecht zu x' und y' (z-Richtung) nimmt das durch die Magnetanordnung 24 erzeugte Magnetfeld bei Ausführungsbeispielen ab. Die Magnetstreifen 20 und 21 können beispielsweise Magnete unterschiedlicher Stärke, unterschiedlicher Orientierungen etc. umfassen. Bezug nehmend auf die 3A–3D werden später Beispiele für die Magnetisierung der Magnetstreifen 20 und 21 gegeben. Die Magnetstreifen 20 und 21 können zum Beispiel Permanentmagnete sein, zum Beispiel Kunststoff gebundene Permanentmagnete, die ungefähr eine Dicke von 2 Millimetern haben können und die auf einem Träger angebracht sein können. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird das Anbringen mit Hilfe eines Klebstoffes oder irgendeines anderen Haftmittels gewährleistet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Träger ein weiches magnetisches Material umfassen, beispielsweise magnetisch weiches Stahlblech. Solch ein Material kann bei Ausführungsbeispielen die Magnetfelder verstärken, welche durch die Magnetanordnung 24 auf einer Seite erzeugt werden, die der Seite, wo die Magnetstreifen 20, 21 auf den Träger befestigt sind, gegenüber liegt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Träger verwendet werden. Bei noch anderen Ausführungsbeispielen können anstatt von Permanentmagneten Elektromagnete verwendet werden.
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Bevor die Positionsbestimmung und die Bewegung eines Magnetfeldsensors relativ zur Magnetanordnung 24 in 2 detaillierter erläutert werden, werden zunächst, Bezug nehmend auf 3A–3D und 4, einige Beispielkonfigurationen für die Magnetstreifen 20, 21 diskutiert.
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In den 3A–3D kennzeichnet Mz eine Magnetisierung in z-Richtung (senkrecht zu x', y' in 2) und diese Magnetisierung wird über der y'-Richtung in 2 gezeigt, das heißt Mz(y'). Wie in 3A zu sehen ist, können die Streifen 20 eine Magnetisierung in positiver z-Richtung haben, gekennzeichnet mit 30, und die Streifen 21 können eine Magnetisierung in negativer z-Richtung haben, gekennzeichnet mit 31, mit ungefähr derselben Stärke wie die Streifen 20.
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In der 3B, gekennzeichnet mit 32 und 33, zeigt die Magnetisierung der Magnetstreifen 20 in positive Richtung, während die Magnetisierung der Streifen 21 in negative Richtung zeigt und eine andere Stärke hat, im Vergleich zu der Magnetisierung der Streifen 20 (in dem Beispiel in 3B eine größere Stärke, in anderen Beispielen kann es auch eine kleinere Stärke sein).
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Bei dem in 3C gezeigten Beispiel, gekennzeichnet mit 34, können die Magnetstreifen 20 im Wesentlichen weggelassen werden (das heißt keine Magnetisierung), während die Streifen 21 eine Magnetisierung in negativer z-Richtung haben. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Streifen 21 eine Magnetisierung in positiver z-Richtung haben.
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Bei dem Beispiel von 3D haben sowohl die Magnetstreifen 20, gekennzeichnet mit 36, als auch die Magnetstreifen 21, gekennzeichnet mit 37, eine Magnetisierung in negativer z-Richtung, wobei sich die Stärke der Magnetisierungen der Streifen 20, 21 voneinander unterscheiden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können beide Magnetisierungen in positiver Richtung sein. Während in 3 die Stärke der Magnetisierung der Streifen 20 größer ist als bei den Streifen 21, kann dies bei anderen Ausführungsbeispielen umgekehrt sein.
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Die 3A–3D sind lediglich einige Beispiele, die zeigen, dass unterschiedliche Ansätze existieren, um eine periodische Modulation der Magnetisierung und damit des erzeugten Magnetfelds in der y'-Richtung bereitzustellen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Änderung der Magnetisierung zwischen den Streifen 20, 21 allmählich erfolgen. Ein Beispiel für eine solche allmähliche Änderung ist in 4 gezeigt. Hier können Bereiche 40 den Magnetstreifen 20 und Bereiche 41 den Magnetstreifen 41 entsprechen. Die Pfeile stellen das Verhalten eines Magnetisierungsvektors M → dar, der sich entlang der y'-Achse verändert. Wie man sehen kann, ändert sich die Magnetisierung allmählich auf periodische Weise. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Änderung von M → so sein, dass Mz ein sinusförmiges periodisches Verhalten in y'-Richtung zeigt.
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Wie man in den 3A–3D und 4 sehen kann, gibt es bei verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie ein moduliertes Magnetfeld in y'-Richtung bereitgestellt werden kann. Es sollte angemerkt werden, dass die Beispiele in den 3A–3D und 4 nicht erschöpfend sind und dass sie lediglich einige mögliche Beispiele darstellen.
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Um nun zu 2 zurückzukommen, kann die Magnetanordnung 24 zum Beispiel für einen linearen Positionssensor verwendet werden, bei dem sich ein Magnetfeldsensor relativ zur Magnetanordnung 24 in einer x-Richtung zwischen einer y-Achse und einer Linie 23 bewegt. Mit anderen Worten, der Bewegungsbereich für den Magnetfeldsensor entlang der x-Richtung ist gegeben durch einen Pfeil 22 in 2.
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Bei Ausführungsbeispielen deckt die Magnetanordnung 24 in der x-Richtung den kompletten Bewegungsbereich 22 ab und kann sich insbesondere über den Bewegungsbereich 22 hinaus erstrecken (in positiver x-Richtung, negativer x-Richtung oder in beiden Richtungen). In einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung (y-Richtung in 2) kann sich die Magnetanordnung ebenso beträchtlich erstrecken, zum Beispiel kann sie eine ähnliche Ausdehnung wie in x'-Richtung haben, sie kann aber auch bei anderen Ausführungsbeispielen begrenzter sein. Generell kann eine größere Ausdehnung zu einer exakteren und/oder einer gleichförmigeren Periodizität und/oder einem reproduzierbaren Verhalten des Magnetfeldes über den Bewegungsbereich eines Magnetfeldsensors führen, kann aber auch einen größeren Magneten und mehr Platz beanspruchen, was die Kosten erhöhen kann. Bei Ausführungsbeispielen muss daher ein Ausgleich zwischen erforderlicher Genauigkeit und Kosten- und Platzüberlegungen gefunden werden.
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Um eine Positionsbestimmung unter Benutzung einer Magnetanordnung wie die Magnetanordnung 24 klarer erklären zu können, wird zur Veranschaulichung erst einmal angenommen, dass sich die Magnetanordnung 24 im Wesentlichen unendlich sowohl in positiver und negativer x-Richtung als auch in positiver und negativer y-Richtung erstreckt. Unter dieser Annahme hat das durch die Magnetanordnung 24 erzeugte Magnetfeld aus 2 die folgenden Eigenschaften:
- – Es ist periodisch mit einer Periodenlänge λ in y'-Richtung, und
- – es ist in x'-Richtung im Wesentlichen konstant.
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Darüber hinaus bewegt sich ein Sensor in Ausführungsbeispielen wie erläutert in der x-Richtung, die einen Winkel τ mit der x-Richtung bildet. τ kann kleiner als 20° sein, zum Beispiel kleiner als 10°, zum Beispiel rund 6°. Andere Winkel sind ebenfalls möglich.
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Wenn sich der Magnetfeldsensor in x'-Richtung bewegen würde, würde der Sensor so gut wie keine Änderung des Magnetfeldes erfassen. Wenn sich der Sensor in y'-Richtung bewegen würde, würde der Sensor ein periodisches Magnetfeld mit der Periodenlänge λ erfassen. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der Abstand des Sensors zur Magnetanordnung 24 nicht zu klein ist, zum Beispiel mindestens λ/2, und dieser Abstand (in z-Richtung) konstant ist, kann die Modulation sinusförmig sein.
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Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Magnetanordnung 24 wie in 2 verwendet wird, sind die Amplituden von Bz (Magnetfeld in z-Richtung) und By' (Magnetfeld in y'-Richtung) im Wesentlichen gleich, wobei diese Gleichheit mit zunehmender z Koordinate zunimmt. Des Weiteren weisen Bz und By' mit einer Magnetanordnung wie sie in 2 gezeigt ist, im Wesentlichen eine Phasenverschiebung von 90° zueinander auf. Zum Beispiel kann entweder Bz oder By' in y'-Richtung proportional zu cos(2·π·y'/λ) sein, während das jeweilig andere, Bz oder By' proportional zu sin(2·π·y'/λ) sein kann. Diese 90° Phasenverschiebung und die zumindest ungefähre Übereinstimmung der Amplituden Bz und By' führen zu folgenden zwei Eigenschaften:
- (1) By'2 + Bz2 = constx, das heißt die Summe der Quadrate der Werte für die Feldkomponenten By' und Bz sind unabhängig von der Position in x-Richtung, und
- (2) By'/Bz' = constz,th, das heißt das Verhältnis der Werte für die Feldkomponenten By', Bz' ist unabhängig von der Position z des Magnetfeldsensors (zum Beispiel ein Luftspalt zwischen Sensor und Magnetanordnung 24) und unabhängig von einer Dicke th der Magnetanordnung (wie der Magnetstreifen 20, 21). Diese Dicke th kann in Ausführungsbeispielen homogen sein.
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Ein Magnetfeldsensor, wie der Magnetfeldsensor 11 in 1, kann in Ausführungsbeispielen zum Beispiel Bz und By' erfassen, zum Beispiel wenn man zwei Sensorelemente verwendet, einen für jede Feldkomponente Bz und By'. In diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass viele konventionelle Sensortechniken, wie Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren für bestimmte Magnetfeldrichtungen sensitiv sind.
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Um die x-Koordinate des Sensors zu bestimmen, zum Beispiel innerhalb des Bewegungsbereichs 22, kann das Verhältnis von Bz und By' (das heißt By'/Bz oder Bz/By') gebildet werden. Basierend auf diesem Verhältnis kann y' berechnet werden, zum Beispiel als arctan(By'/Bz), wobei arctan die Arcustangensfunktion ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Winkel τ so gewählt, dass sich der Sensor über den Bewegungsbereich in x-Richtung (zum Beispiel Bewegungsbereich 22) nur über eine Periode λ in y'-Richtung bewegt, wie es mit einer Linie 25 in 2 dargestellt ist. Daher kann die y'-Position bei manchen Ausführungsbeispielen eindeutig für jede x-Position innerhalb des Bewegungsbereichs 22 bestimmt werden. Darüber hinaus hat die y'-Position über den Bewegungsbereich 22 eine feste Beziehung zur x-Richtung, so dass damit die Position des Magnetfeldsensors bestimmt werden kann (über den Winkel τ).
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Es sollte dabei darauf hingewiesen werden, dass im Wesentlichen durch entsprechende Wahl des Winkels τ der Bewegungsbereich 22 verglichen zu der Periode λ vergrößert wird, während sich der Sensor weiterhin nur um eine Periode λ in y'-Richtung bewegt, was bei manchen Ausführungsbeispielen eine eindeutige Berechnung der Position ermöglicht.
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Wenn die x-Position derart bestimmt wird, ist x wegen dem obigen (2) im Wesentlichen unabhängig von der z-Position der Sensoreinrichtung. Deshalb ist das Verfahren bei manchen Ausführungsbeispielen stabil gegenüber Änderungen von z.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Magnetfeldsensor anstatt der Absolutwerte für Bz, By' Gradienten hiervon in der y'-Richtung registrieren, das heißt dBz/dy' und dBy'/dy'. Die oben genannten Eigenschaften (1) und (2) gelten auch für Gradienten. Dies wird leicht aus der Tatsache ersichtlich, dass, wenn zum Beispiel Bz proportional zu cos(2·π·y'/λ) ist, dann dBz/dy' proportional zu sin(2·π·y'/λ) ist, und entsprechende Zusammenhänge auch für By' und dBy'/dy' gelten, das heißt, wenn man die Gradienten benutzt, werden im Prinzip Sinus- und Kosinusterme einfach vertauscht. Daher können die oben beschriebenen Techniken auch implementiert werden, wenn man die Gradienten verwendet. Bei manchen Ausführungsbeispielen hat das Benutzen der Gradienten den Vorteil, dass sie robust sind gegenüber homogenen Störmagnetfeldern (da der Gradient eines homogenen Feldes 0 ist und damit nicht beiträgt).
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Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Amplitude des Magnetfeldes Bz und By' exponentiell mit zunehmendem Abstand zur Magnetanordnung 24 abnimmt, zum Beispiel proportional zu exp(–2·π·z/λ), wobei z = 0 an der Seite der Magnetstreifen 20, 21 sein kann, welche vom Magnetsensor abgewandt ist (zum Beispiel an einer Grenzfläche zwischen Magnetstreifen und Träger). Demzufolge sollte ein kleiner Wert für z verwendet werden, um große Magnetfelder erzeugen zu können. Andererseits kann aufgrund von technischen Rahmenbedingungen ein gewisser Abstand zwischen Sensor und Magnetanordnung notwendig sein, zum Beispiel um einen Kontakt zwischen Sensor und Magnetanordnung zu verhindern, was sogar zu einer Beschädigung führen kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die z-Position des Sensors so gewählt, dass sie kleiner als 2·λ ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann, um die Magnetanordnung 24 zu realisieren, ein minimaler und ein maximaler Wert für die z-Position des Sensors bestimmt werden, basierend auf Einschränkungen das Design betreffend und Einschränkungen das Magnetfeld betreffend, welches für eine exakte Abtastung notwendig ist, und dann kann λ ausgewählt werden (das heißt es kann eine Breite der Magnetstreifen 20, 21 im Ausführungsbeispiel von 2 gewählt werden). τ kann dann basierend auf dem erforderlichen Bewegungsbereich 22 und dem gewählten λ bestimmt werden.
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Wie bereits erwähnt ist das Magnetfeld im Ausführungsbeispiel von 2 periodisch in y'-Richtung. Bei Ausführungsbeispielen kann die Magnetisierung der Magnetstreifen 20, 21 sinusförmig sein (zum Beispiel wie in 4 dargestellt), was auch zu einem sinusförmigen Magnetfeld für sehr kleine Werte für z führen kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Magnetisierungen, wie zum Beispiel rechteckige Modulationen, wie sie in den 3A–3C zu sehen sind, oder dreieckförmige Magnetisierungen, genutzt werden. Für eine rechteckige Magnetisierung kann in manchen Ausführungsbeispielen ein größerer Abstand z (zum Beispiel mehr als λ/2) benutzt werden, um ein annähernd sinusförmiges Verhalten der Magnetfelder By' und Bz zu erhalten. Für kleinere Abstände kann Bz annähernd eine rechteckige Form haben, während By' eine dreieckige Abhängigkeit von y' haben kann, was eine exakte Bestimmung der Position für kleine Abstände z schwieriger machen könnte. Andere Magnetisierung können ebenfalls verwendet werden.
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In den obigen Erklärungen wurde angenommen, dass die Magnetanordnung 24 eine große Ausdehnung in y'-Richtung hat, was zu einer regelmäßigen periodischen Abhängigkeit des Magnetfeldes in y'-Richtung führt (beispielsweise eine sinusförmige Abhängigkeit oder näherungsweise sinusförmige Abhängigkeit). In praktischen Fällen kann es, wie vorab erwähnt, wünschenswert sein, die Ausdehnung in y'-Richtung aus Platz- und Kostengründen einzuschränken. Mit den regulären Streifen 20, 21 aus 2 würde eine solche Beschränkung zu einem Anstieg der Amplitude des Magnetfeldes und zu einer Änderung der Periodizität nahe des Randes (linke und rechte Ränder in 2) der Magnetanordnung 24 führen. In diesem Fall ist das Verhalten der Magnetfelder nach wie vor ähnlich zur Sinus- oder Kosinuskurve, die Amplitude wird jedoch mit kleinerem Abstand zu den Rändern größer und die Periode der Modulation wird größer. Dieser Effekt wird auch als „Fenstereffekt” bezeichnet. Um dies zu kompensieren, wird die Periode λ der Magnetstreifen (z. B. die Breite der Streifen) bei Ausführungsbeispielen zu den Rändern hin verkleinert.
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Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Magnetanordnung 52 ist in 5 gezeigt. Hier nimmt die Breite der Streifen 50, 51 und damit die Periode der Streifen in positiver und negativer y'-Richtung ab, ausgehend von einer Periodenlänge λ, wie sie in 5 gezeigt wird. Durch solch eine Abnahme kann der oben erwähnte „Fenstereffekt” teilweise kompensiert werden. Es sollte erwähnt werden, dass eine Kompensation des „Fenstereffekts” bei Ausführungsbeispielen nur für den gewünschten Bewegungsbereich 22 benötigt wird, das heißt dass das gewünschte Verhalten des Magnetfeldes bei Ausführungsbeispielen an Stellen vorhanden sein muss, bei denen ein Magnetfeldsensor das Magnetfeld im Bewegungsbereich 22 erfasst.
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Abgesehen von der veränderlichen Breite der Magnetstreifen entspricht Ausführungsbeispiel in 5 dem Ausführungsbeispiel in 2, und gleiche Elemente tragen dieselben Bezugszeichen. Modifikationen und Änderungen, die für das Ausführungsbeispiel der 2 besprochen wurden, beispielsweise unter Bezugnahme auf 3A bis 3D und 4, können auch auf das Ausführungsbeispiel in 5 angewandt werden, nur mit Änderung der Breite der Streifen 50, 51, wie oben beschrieben. Es sollte erwähnt werden, dass in 5 ebenfalls gezeigt wird, dass es für ein Ausführungsbeispiel nicht notwendig ist, dass die Magnetanordnung eine rechteckige Form hat, so wie in 2 für die Magnetanordnung 24, sondern dass sie auch eine andere Form haben kann, eine Sechseckform wie in der Magnetanordnung 52 in 5 gezeigt wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Breite jedes Magnetstreifens oder die Breite einiger Magnetstreifen zusätzlich oder alternativ in der x'-Richtung variieren. Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Magnetanordnung 62 wird in 6 gezeigt. Hier nimmt einerseits die Breite der Streifen 60, 61 in positiver und negativer y'-Richtung von einem Streifen zum nächsten ab, wie in 5, sie variiert aber zusätzlich monoton in x'-Richtung innerhalb eines jeden Streifens. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dies dazu dienen, den Fenstereffekt zu begrenzen und kann insbesondere dazu dienen, den Einfluss der begrenzten Größe der Magnetanordnung 62 auf die sinusartige Form der Magnetfeldkomponenten By', Bz zu limitieren.
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Abgesehen von der diskutierten variablen Breite der Magnetstreifen 60, 61 kann die Magnetanordnung 62 aus 6, wie vorher diskutiert, so implementiert werden wie für die Magnetanordnung 24 oder 52, inklusive der diskutierten Variationen und Modifikationen.
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Die vorher diskutierten Magnetanordnungen sind insbesondere dafür geeignet, eine lineare Positionssensoreinrichtung zu implementieren. So eine Sensoreinrichtung kann zum Beispiel wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, unter Benutzung eines Magnetfeldsensors wie der Magnetfeldsensor 11, implementiert werden. Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erwähnt können bei anderen Ausführungsbeispielen Rotationspositionssensoren verwendet werden, beispielsweise Winkelsensoren, die eine Winkelposition erfassen. Um einen Rotationssensor zu implementieren, kann im Wesentlichen der lineare Verfahrweg 22 um das Zentrum der Rotation „gewickelt” werden, so dass der Pfad (beispielsweise der vorher diskutierte Bewegungsbereich 22) z. B. einen geschlossenen Kreis bildet. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen es nicht erforderlich ist, eine komplette Kreisbewegung zu erfassen (zum Beispiel wenn man nur an einem bestimmten Winkelbereich interessiert ist) kann der Kreis offen sein. Eine erste Möglichkeit, dies zu erreichen, ist, dass die Magnetstreifen auf einem Zylindermantel eines Zylinders befestigt sind und um eine Achse relativ zu einem Magnetfeldsensor rotieren.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Magnetanordnung auf einer Ebene in kreisförmiger Form anzubringen. Die Richtungen wie x, y, x', y', erwähnt in den 2, 5 und 6, verändern sich gleichermaßen und sind im Speziellen auch nicht notwendigerweise gerade Richtungen.
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Mit der zweiten oben erwähnten Möglichkeit ergibt sich eine Spiralform der Magnetanordnung. Eine unendliche Ausdehnung der Magnetanordnung eines linearen Sensors, wie es unter Bezugnahme auf 2 besprochen wurde, würde zu einem inneren Spiraldurchmesser von 0 und einem äußeren Durchmesser von näherungsweise unendlich führen. Werte zwischen 0 und unendlich für einen inneren und äußeren Durchmesser entsprechen bei einem linearen Sensor einer begrenzten Ausdehnung der Magnetanordnung in y (oder y')-Richtung, wie Bezug nehmend auf die 2, 5 und 6 diskutiert wurde.
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Ein Beispiel für eine entsprechende Magnetanordnung 72 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 7 gezeigt. 70 und 71 entsprechen dabei sich abwechselnden Magnetstreifen, die in einer Spirale gewickelt sind und 73 zeigt ein Beispielpfad eines Magnetfeldsensor-Bewegungsbereichs relativ zur Magnetanordnung 72. In dem Beispiel aus 7 ist die Spiralform derart, dass sich das Muster, das durch die Streifen 70, 71 gebildet wird, bei einer Rotation der Spirale um 360° um eine Periode λ nach „innen” verschiebt.
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Zum Beispiel kann jetzt die x-Richtung der 2, 5 und 6 einer umlaufenden Richtung entsprechen (zum Beispiel eine Richtung entlang des Laufwegs 73) und die y-Richtung kann einer radialen Richtung entsprechen (vom Rotationszentrum nach außen hin). Die x'- und y'-Richtungen sind demnach um einen entsprechenden Winkel versetzt, übereinstimmend mit dem oben beschriebenen Winkel τ.
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Im Vergleich zu dem vorher beschriebenen linearen Fall kann die Krümmung der Magnetstreifen 70, 71 bis zu einem gewissen Maß Verzerrungen hervorrufen, d. h. beispielsweise Abweichungen von der sinusförmig periodischen Form der relevanten Magnetfelder, in Abhängigkeit von der Winkelposition. In manchen Ausführungsbeispielen kann dies abgeschwächt werden, indem man die Breite der Streifen 70, 71 zum Rand der Spiralform hin verringert.
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Es sollte erwähnt werden, dass die dargestellte Spiralform links- oder rechtshändig sein kann.
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Es sollte außerdem erwähnt werden, dass die Breite der Magnetstreifen 70, 71 von der Breite, die im Ausführungsbeispiel von 7 gezeigt wurde, verschieden sein kann. Als Beispiel wird in 8 eine Magnetanordnung 82 gezeigt, bei dem die Magnetstreifen 80, 81 eine größere Breite haben, als die in 7 gezeigten, und eine entsprechende Spirale vollführt ein bisschen mehr als eine Umdrehung. 83 bezeichnet einen möglichen Pfad eines Magnetfeldsensors relativ zur Magnetanordnung 82. In manchen Fällen kann eine Abnahme der Feldstärke in z-Richtung (senkrecht zu der in 7 und 8 gezeigten Ebene) im Fall von 8 geringer sein als im Fall von 7. Wie man in 8 sehen kann, kann in manchen Ausführungsbeispielen die Breite der Streifen 80, 81 zum Äußeren der Spirale und zum Inneren der Spirale hin abnehmen.
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Bei solchen Winkelpositionssensoren, die zum Beispiel die Magnetanordnungen wie in 7 und 8 benutzen, können Toleranzen oder Freiräume der Rotationsachse zu einer Änderung des Abstands zwischen Magnetfeldsensor und Magnetanordnung führen, zum Beispiel zu einer Änderung eines Luftspalts (Änderung der z-Position des Sensors). Ähnlich zu dem, was oben für den linearen Fall diskutiert wurde, können Messungen stabil gegenüber Änderungen der z-Positionen sein, wenn man zwei Magnetfeldkomponenten misst und das Verhältnis der Komponenten benutzt, um die Position zu bestimmen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen könnte die radiale Komponente BR (das heißt eine Komponente in radialer Richtung, das heißt vom Rotationszentrum nach außen) zusammen mit Bz benutzt werden, was der Nutzung von By und Bz im linearen Fall entsprechen würde. Wie oben beschrieben werden bei manchen Ausführungsbeispielen im linearen Fall By' (und nicht By) und Bz benutzt, was unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein kann.
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Daher kann im Falle des Winkelpositionssensors, wie zum Beispiel der 7 und 8, eine By' im linearen Fall entsprechende Komponente verwendet werden, was einer Komponente entspricht, die größtenteils der radialen Komponente BR (das heißt eine Richtung vom Rotationszentrum nach außen hin) entspricht, die aber auch eine kleine Komponente eines umlaufenden Feldes Bψ (Feld in umlaufender Richtung, beispielsweise eine Richtung entlang des Pfades 83) aufweist. R und ψ können beispielsweise die Polarkoordinaten in der Ebene von 8 angeben, wobei die z-Richtung senkrecht dazu steht und R die radiale Koordinate und ψ die Winkelkoordinate ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen tastet der Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in einer Richtung in der (R-/ψ)-Ebene (eine Ebene wie beispielsweise in 7 und 8 gezeigt) und ein Magnetfeld senkrecht dazu (Bz) ab, das heißt senkrecht zur (R-/ψ)-Ebene, und bestimmt hieraus eine Winkelposition, wie zum Beispiel einen Rotationswinkel der Magnetanordnung oder einen Rotationswinkel des Magnetfeldsensors. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor einzelne Sensorelemente, die sensitiv gegenüber einer entsprechend gewünschten Magnetfeldrichtung in der (R/ψ)-Ebene sind, wie zum Beispiel ein vertikaler Hall-Sensor mit einer gewissen Orientierung parallel zu einer Chipkante, wobei der entsprechende Chip oder das Gehäuse in einem Winkel so zu einer Magnetanordnung angeordnet ist, dass eine gewünschte Orientierung bereitgestellt wird.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Magnetfeldsensor, zum Beispiel implementiert in Form eines Sensorchips, eine Vielzahl von Sensorelementen umfassen, die Magnetfelder in zwei Richtungen in den (R/ψ)-Ebenen erfassen können, wobei die zwei Richtungen linear unabhängig voneinander sind (das heißt, sie unterscheiden sich um einen Winkel, der sich von einem ganzzahligen Vielfachen von 180° unterscheidet). Wenn zwei derartige Richtungen erfasst werden, kann jede gewünschte Richtung in der (R/ψ)-Ebene basierend auf einer Linearkombination berechnet werden. In so einem Fall könnte irgendeine gewünschte Orientierung des Sensorchips benutzt werden, solange zwei linear unabhängige Richtungen in der (R/ψ)-Ebene abgetastet werden. Es sollte erwähnt werden, dass dies auch für den linearen Fall gilt, bei dem mit zwei linear unabhängigen Messungen in der x-y-Ebene (entsprechend der x'-y'-Ebene) ein Magnetfeld in jede gewünschte Richtung in dieser Ebene, beispielsweise in der y'-Richtung (By'), berechnet werden kann.
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9 zeigt eine Querschnittsansicht einer Winkelpositionssensoreinrichtung, bei der die in 7 und 8 diskutierte Magnetanordnung oder eine andere ähnliche Magnetanordnung benutzt werden kann. Das Ausführungsbeispiel in 9 ist nur ein Beispiel einer solch geeigneten Positionssensoreinrichtung, und andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 9 sind zwei Elemente 90, 91 bereitgestellt, die einen Spalt bilden, in dem ein Magnetfeldsensor 95 positioniert ist. Bei Ausführungsbeispielen können die Elemente 90, 91 aus weichem magnetischen Material gefertigt sein, beispielsweise aus weichem magnetischem Stahl. Die relative Permeabilität μR eines solchen weichen magnetischem Materials kann größer als 300 sei, beispielsweise größer als 1700 oder größer als 4000. Das Element 90 im Ausführungsbeispiel aus 9 kann eine Magnetanordnung 94 tragen, zum Beispiel eine spiralförmige Anordnung, wie Bezug nehmend auf 7 oder 8 gezeigt und erläutert wurde. Im Ausführungsbeispiel der 9 kann das Element 90 zum Beispiel um eine Achse 93 rotieren, und die Einrichtung aus 9 dient zur Bereitstellung einer Winkelposition des Elements 90 und damit eines Rotationswinkels der Achse 93. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Magnetanordnung 94 auf einem weiteren Element bereitgestellt werden. Das Element 91 kann zusammen mit dem Element 90 rotieren oder in Ruhe sein. Die Elemente 90, 91 können bei Ausführungsbeispielen den Magnetfeldsensor 95 gegenüber äußerer Magnetfelder abschirmen. Bei Ausführungsbeispielen kann der Abstand zwischen den Elementen 91, 90 an der Position des Sensors 95 so gewählt werden, dass ein durch die Magnetanordnung 94 erzeugtes Magnetfeld am Element 91 vergleichsweise schwach ist, so dass das Element 91 das durch die Magnetanordnung 94 erzeugte Magnetfeld nicht merklich beeinflusst.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich als Beispiel, und bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Konfigurationen verwendet werden.