DE19956361C2 - Drehwinkelsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Positions­ sensoren, insbesondere magnetische Drehwinkelsensoren mit Einrichtungen zur Bündelung des magnetischen Feldes.

In Vorrichtungen mit relativ zueinander drehbaren Teilen ist es oft erforderlich, präzise den zwischen den beiden Teilen bestehenden relativen Drehwinkel zu kennen. Es gibt zwar viele Arten von Sensoranordnungen zur Lösung dieser Aufgabe, viele davon sind jedoch nachteilig, weil sie zu groß für ei­ ne spezielle Anwendung oder zu teuer im Entwurf und in der Herstellung sind, oder weil sie nach Einbau in die Vorrich­ tung umfangreiche Kalibrierungen erfordern.

Die genannten Sensoren können z. B. als Sensoren für die Po­ sition einer Drosselklappe, für Kraftstoffspeicher, als Sen­ soren für die Position eines Getriebes, als Sensoren für den Lenkwinkel oder als Sensoren für Zähne von Zahnrädern ver­ wendet werden. Selbstverständlich können viele andere Anwen­ dungen ebenfalls von Drehwinkelsensoren profitieren.

Es ist natürlich wünschenswert, dass der Sensor so kosten­ günstig und einfach wie möglich in der Herstellung und im Zusammenbau ist, um die Kosten der Sensoranordnung zu mini­ mieren.

In der DE 195 32 674 C1 ist ein Drehwinkelsensor offenbart, bei welchem durch einen Permanentmagneten ein Magnetfeld in einer Sensorregion erzeugt wird, in welcher sich eine Monta­ gebasis aus Silicium befindet, wobei die Montagebasis rela­ tiv zum Magnetfeld um ein Zentrum drehbar ist. Auf der Mon­ tagebasis sind mehrere kreissektorförmige Bündelelemente aus weichmagnetischem Material um das Drehzentrum herum verteilt angeordnet. Zwischen zwei benachbarten Bündelelementen ver­ bleibt dabei jeweils ein Spalt, in welchem sich ein strei­ fenförmiger GMR-Sensor radial erstreckt. Je zwei zueinander senkrecht stehende GMR-Sensoren sind elektrisch in Reihe ge­ schaltet, um eine Wheatstonesche Halbbrücke zu bilden. Zwei derartige Halbbrücken werden dann ferner zu einer Vollbrücke verbunden. Durch eine versetzte Anordnung von zwei bezie­ hungsweise drei wie oben beschrieben ausgebildeten Vollbrüc­ ken lässt sich der Eindeutigkeitsbereich des Winkelgebers von 90° auf 180° erweitern.

Die EP 0 726 448 A1 betrifft eine magnetische Positions­ sensoreinrichtung, mit welcher die lineare Bewegung eines Permanentmagneten beobachtet werden kann. Durch die Anord­ nung von drei Magnetfeldsensoren hintereinander, von denen der mittlere Sensor Magnetfeldkomponenten parallel und die äußeren Sensoren senkrecht zur Bewegungsrichtung messen, und durch eine besondere Verschaltung dieser Sensoren kann er­ reicht werden, dass der mittlere Sensor ein deutliches Si­ gnal ohne störende Nebensignale liefert, wenn der Permanent­ magnet ihn passiert. Die beiden äußeren Magnetfeldsensoren werden aus signaltechnischen Gründen vorzugsweise als Hall- Sensoren ausgebildet.

Die DE 196 30 764 A1 betrifft einen Drehwinkelsensor zur Er­ fassung einer Relativbewegung zwischen einem Rotor und einem Stator. Dabei sind zwei Ringmagnete vorgesehen, welche ins­ gesamt zu einem Vollkreis zusammengesetzt sind, wobei jedoch einer der beiden Ringmagnete einen Winkelbereich von mehr als 180° des Vollkreises abdeckt. Die Ringmagnete erzeugen ein stark inhomogenes Magnetfeld, welches durch das magne­ tisch leitende Material des Stators geleitet wird und dabei im Stator ausgebildete Spalte überspringt. In einem der Spalte befindet sich ein Magnetfeldsensor, bei dem es sich um einen Hall-Sensor, ein magnetoresistives Element oder dergleichen handeln kann. Im bestmöglichen Fall lässt sich mit einer derartigen Anordnung ein linearer Messbereich von +/-110° erzielen.

In der DE 40 14 885 A1 ist ein Drehwinkelsensor offenbart, bei welchem sich magnetoresistive Elemente auf einer Ober­ fläche befinden, die zwischen den Polen eines drehbaren Ma­ gneten angeordnet ist. Die Magnetfeldsensoren sind dabei auf unterschiedliche Arten rechtwinklig zueinander anordnet, nicht jedoch radial um ein Drehzentrum herum und nicht zwi­ schen Bündelelementen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Schaffung eines Drehwinkelsensors mit einem großem Messbereich, wel­ cher keine oder nur minimale Kalibrierung erfordert, und welcher klein, kostengünstig und dennoch verläßlich ist.

Erfindungsgemäß wird ein magnetischer Drehwinkelsensor vor­ geschlagen, der Mittel zur Erzeugung eines im wesentlichen homogenen magnetischen Feldes in einer Sensorregion, sowie eine Montagebasis mit einem relativen Drehzentrum zwischen Basis und magnetischem Feld enthält. Eine Mehrzahl von im allgemeinen dreieckig geformten Bündelelementen sind in der vorgegebenen Fläche um das Zentrum der relativen Drehung herum im wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet. Dabei ist jedes der Bündelelemente von benachbarten Bündelelemen­ ten unter Ausbildung von Lücken beabstandet; und die Bündel­ elemente sind aus einem magnetisierbaren Material herge­ stellt. Weiterhin ist eine Mehrzahl von GMR-Magnet­ feldsensoren auf der Basis angebracht, welche sich vom Zen­ trum der relativen Drehung radial nach außen erstrecken, wo­ bei jeder der GMR-Magnetfeldsensoren in jeweils einer ande­ ren Lücke angeordnet ist. Ferner enthält der Sensor Mittel zum Austausch von Signalen mit jedem der Magnetfeldsensoren. Erfindungsgemäß ist weiterhin ein im Magnetfeld auf der Mon­ tagebasis angeordneter Hall-Effekt-Sensor vorgesehen.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass ein im wesentlichen homogenes (gleichmäßiges) magneti­ sches Feld über einen Drehwinkelsensor-Aufbau gelegt wird, so dass die bei jedem individuellen Messelement der Anord­ nung auftretende Magnetfeldstärke mit der Richtung des Ma­ gnetfeldes relativ zu diesem speziellen Element in Verbin­ dung steht.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der magnetische Fluss in kontrollierter Weise durch die Bün­ delelemente über mehrere Magnetfeld-Sensorelemente verteilt wird.

Die Erfindung ist sowohl bei Konstruktionen mit relativ gro­ ßen Abmessungen als auch ohne weiteres bei Einrichtungen mit sehr kleinen Längenabmessungen, einschließlich Mikrosensoren effektiv einsetzbar. Letztere bestehen vorzugsweise aus auf einem Keramik-Chip oder einem Silizium-Chip aufgebauten Strukturen mit oder ohne zusätzlichen elektronischen Kompo­ nenten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, dass die Richtung des Magnetfeldes und damit der Dreh­ winkel durch Vergleich der Antworten der individuellen Sen­ sorelemente in der Anordnung bestimmt werden kann, ohne dass eine präzise Kalibrierung in Bezug auf Temperatur und das Magnetfeld in der endgültigen Vorrichtung erforderlich ist.

Weiterhin kann die Sensoranordnung vorteilhaft so konfigu­ riert werden, dass eine Anordnung und Ausrichtung auf einem Chip erleichtert wird. Schließlich können auch verschiedene Magnetkonfigurationen zur Erzeugung des Magnetfeldes im Rah­ men der Sensoranordnung angewendet werden, um so einen fle­ xibleren Aufbau der Sensoranordnung zu ermöglichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispiel­ haft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung;

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Widerstandsänderungen der in Fig. 1 dargestellten GMR-Elemente in Ab­ hängigkeit von ihrer relativen Orientierung zum homogenen Magnetfeld illustriert;

Fig. 3A bis 3C vergrößerte Ansichten eines Ausschnittes der Sensoranordnung gemäß Fig. 1, in denen die Anord­ nung in verschiedenen Drehwinkeln relativ zu ei­ nem homogenen Magnetfeld dargestellt sind;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung;

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer dritten erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung;

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer vierten erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung;

Fig. 7 eine verkleinerte Ansicht der in Fig. 6 darge­ stellten vierten Anordnung, in der Äquipotential­ linien des von einem Ringmagneten durch die Sen­ soranordnung verlaufenden Flusses dargestellt sind;

Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 7, in wel­ chem der Fluss der Äquipotentiallinien in der Sensoranordnung dargestellt ist; und

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer fünften erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung.

In Fig. 1 ist ein Sensoraufbau 18 dargestellt, der einen Si­ lizium-Chip 20 als Schaltungsplatte mit einem Feld bzw. ei­ ner Anordnung von acht darauf angebrachten großen magnetore­ sistiven (giant magnetoresistive GMR) Elementen 22 enthält. Der Silizium-Chip 20 trägt die Elementstruktur selbst, was den zusätzlichen Vorteil bietet, dass - falls gewünscht - auf demselben Chip elektronische Schaltungen ausgebildet werden können, da der Aufbau mehrschichtiger GMR-Elemente mit anderen Halbleiterverfahren kompatibel ist. Auf diese Weise können Schaltkreise hergestellt werden, die die Sen­ sorinformation auch gleichzeitig verarbeiten können. Der Aufbau 18 von Magnetfeldsensoren kann sehr kleine Abmessun­ gen haben, z. B. nur 4 × 4 mm. Falls gewünscht, kann der Chip 20 auch aus Keramik hergestellt werden.

Die GMR-Elemente 22 sind radial mit einem Abstand von je­ weils 22,5° angeordnet. Die einzelnen Elemente sind mit den Ziffern 1 bis 8 durchnummeriert. Die GMR-Elemente 22 können, falls gewünscht, über Drähte mit der Schaltungsplatte 20 verbunden und mit einem schützenden Umhüllungsmaterial über­ deckt sein. Ungeachtet der Tatsache, dass als Magnetfeld- Sensorelemente im Ausführungsbeispiel GMR-Widerstände ver­ wendet werden, ist ein solcher Aufbau nicht zwingend notwen­ dig. Der Aufbau kann auch mit anderen Magnetfeldsensoren er­ folgen, z. B. mit Hall-Effekt-Sensoren, magnetoresistiven Sensoren usw.

An ihren radialen, innen gelegenen Enden sind die GMR- Elemente 22 mit einer Anschlussfläche 26 für die inneren Drähte verbunden und an ihren äußeren Enden mit Anschluss­ flächen 28 für die Außendrähte. Die Anschlussflächen 26 und 28 sind weiterhin mit - nicht dargestellten - Verarbeitungs­ schaltkreisen verbunden, in denen die Sensor-Ausgangssignale für Drehwinkelberechnungen verwendet werden. Falls ge­ wünscht, können die Anschlussflächen auch als Lötperlen aus­ gebildet sein.

Weiterhin sind auf dem Chip 20 in einem gleichmäßigen radia­ len Muster zwischen den GMR-Elementen 22 Bündelelemente 30 angeordnet. Die Bündelelemente 30 sind im allgemeinen drei­ eckig, untereinander im allgemeinen von derselben Größe und aus einem magnetisierbaren Material hergestellt. Das magne­ tisierbare Material kann ein beliebiges weiches, ferromagne­ tisches Material sein, z. B. Eisen, eine Nickel-Eisen-Legie­ rung, Nickel oder ein Ferrit. Die GMR-Elemente 22 erstrecken sich über weniger als 180°; dagegen wird das Muster der Bün­ delelemente 30 fortgesetzt, um eine volle, 360° abdeckende Anordnung zu erhalten. Die Form sämtlicher Bündelelemente 30 ist gleich, ebenso wie der Abstand zwischen diesen. Durch diese Abstände werden Lücken 31 gebildet, in denen die GMR- Elemente 22 angeordnet sind. Diese gleichmäßige Anordnung gewährleistet die Kontrolle über das Muster des magnetischen Flusses.

An gegenüberliegenden Seiten des Sensoraufbaus 18 - ist be­ abstandet von diesem und dem Sensoraufbau zugewandt - ein magnetischer Nordpol 32 sowie ein paralleler magnetischer Südpol 34 vorgesehen. Diese Magnetpole 32 und 34 sind rela­ tiv zu der Sensoranordnung um dieselbe Achse wie die Sen­ soranordnung drehbar. In dieser Konfiguration wird daher ein verhältnismäßig homogenes magnetisches Feld, welches durch den Pfeil 36 angedeutet wird, über den Sensoraufbau 18 hin­ weg erzeugt (von links nach rechts in Fig. 1), welches unter Beibehaltung der Homogenität relativ zu der Anordnung ge­ dreht werden kann. Das homogene Magnetfeld kann auch von ei­ nem Ringmagneten erzeugt werden, wie weiter unten in Zusam­ menhang mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung be­ schrieben wird.

Wenn das genannte parallele Magnetfeld durch die Sen­ soranordnung 18 geführt wird, werden die Magnetfeldlinien in kontrollierter Weise über die Lücken 31 zwischen den Bündel­ elementen 30 geführt. Als Folge hiervon werden, wenn ein ho­ mogenes Magnetfeld 36 über die Sensoranordnung 18 geführt wird, die Magnetfeldlinien in der in Fig. 3B angezeigten allgemeinen Richtung auftreten. Diese Richtung wird für die Diskussion der Fig. 1 bis 3C als "Null-Grad-Richtung" be­ trachtet. Man beachte, dass die Magnetfeldlinien das GMR- Element 5 im wesentlichen senkrecht zu dessen Erstreckungs­ richtung kreuzen. Das GMR-Element 5 ist daher dem stärksten magnetischen Fluss aller GMR-Elemente ausgesetzt, da beinahe die Hälfte des magnetischen Flusses durch das Feld der Sen­ soren 22 dieses Element durchsetzt.

Linie 50 in Fig. 2 zeigt, dass für diese Null-Grad-Richtung des Magnetfeldes der Widerstand im GMR-Element 5 bei einem minimalen Wert von etwa 850 Ohm liegt. Die vorliegend ver­ wendeten Widerstandswerte sind jedoch nur Beispiele für Wer­ te, die bei einer speziellen Anwendung auftreten können. Da­ bei wird von der Annahme ausgegangen, dass die GMR-Elemente im Beispiel einen Widerstand von 1000 Ohm bei verschwinden­ der magnetischer Feldstärke und mit zunehmender Magnetfeld­ stärke einen abnehmenden Widerstand aufweisen.

Betrachtet man andererseits die Durchsetzung des GMR- Elements 1 durch das genannte Null-Grad-Magnetfeld, so er­ gibt sich im Gegensatz zum oben genannten Element 5 so gut wie kein dieses Element durchsetzender magnetischer Fluss, da das Feld durch die angrenzenden Bündelelemente 30 ver­ läuft. Der Widerstand des GMR-Elementes 1 wird dementspre­ chend ca. 1000 Ohm betragen, wie ebenfalls aus der Linie 50 in Fig. 2 hervorgeht. Aufgrund der Konfiguration der Bünde­ lelemente 30 im Sensoraufbau 18 sind die übrigen GMR- Elemente 2 bis 4 und 7 bis 8 Magnetfeldstärken ausgesetzt, die näherungsweise wie der Sinus des Winkels zwischen der Feldrichtung und der radialen Erstreckungsrichtung des je­ weiligen Elementes variieren. Die Größe jedes Elementwider­ standes wird daher bei Rotation des Sensors relativ zu den Magneten im allgemeinen in einer sinusähnlichen Weise zwi­ schen einem minimalen und einem maximalen Widerstand variie­ ren. Im vorliegenden Beispiel wird der Widerstand der GMR- Elemente 2 und 8 vom Basiswert 1000 Ohm um einen Betrag re­ duziert, der etwa sin(22,5°) multipliziert mit der Differenz zwischen den Widerstandswerten der GMR-Elemente 1 und 5 ent­ spricht. Auch die Widerstände der GMR-Elemente 3 und 7 wer­ den verringert, jedoch um einen Faktor von etwa sin(45°). In ähnlicher Weise haben die GMR-Elemente 3 und 6 einen Faktor von ca. sin(67,5°).

Fig. 3C zeigt ein Beispiel, bei dem eine relative Drehung von 45° vorgenommen wurde. Die hieraus resultierende Ände­ rung im Widerstand der GMR-Elemente wird durch Linie 52 in Fig. 2 wiedergegeben. Fig. 3A zeigt, dass bei einer 90°- Drehung des Magnetfeldes 36 das GMR-Element 5 demselben Ma­ gnetfluss ausgesetzt ist, wie es das GMR-Element 1 bei der 0°-Drehung war.

Den Fig. 1 bis 3C kann entnommen werden, dass die Form und Anordnung der Bündelelemente 30 im Sensoraufbau 18 so gewählt ist, dass, wenn ein verhältnismäßig paralleles Ma­ gnetfeld (vorzugsweise von einer Stärke unterhalb des magne­ tischen Sättigungsniveaus der Bündelelemente) über die An­ ordnung der Bündelelemente 30 gelegt wird, dieses Feld in einer kontrollierten Weise über die Magnetfeldsensoren ge­ richtet wird, in diesem Falle eine Anordnung von GMR- Elementen 22. In Abhängigkeit von ihrem Ort werden die indi­ viduellen Sensorelemente innerhalb des Feldes 22 verschiede­ nen, jedoch vorhersagbaren Magnetfeldbedingungen ausgesetzt. Die Reaktion jedes GMR-Elementes innerhalb des Feldes der Sensorelemente 22 kann dann gemessen und mit den Reaktionen der anderen Elemente verglichen werden. Durch diese Verglei­ che zwischen den Elementen wird die Feldrichtung bestimmt.

Die Verarbeitung kann durch ein geeignetes elektronisches Verarbeitungsverfahren erfolgen, um ein analoges, ein puls­ weitenmoduliertes oder ein digitales Signal zu erhalten, welches die Richtung des Magnetfeldes durch Vergleich der relativen Widerstände zwischen den GMR-Elementen in dem Feld 22 anzeigt. Beispielsweise kann das Verfahren aus der US 59 29 631 A angewendet werden. Dementsprechend wird der absolute Widerstandswert der einzelnen GMR-Elemente nicht benötigt, um die Winkelposition zu bestimmen, so dass die Notwendigkeit einer Kalibrierung in Bezug auf die Magnet­ feldstärke wesentlich reduziert und in den meisten Fällen sogar ganz eliminiert werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser ersten Ausgestal­ tung der Erfindung die Signale der GMR-Elemente sich unab­ hängig von der Polarität des Magnetfeldes um denselben Be­ trag verändern, da die GMR-Elemente im Feld 22 unabhängig von der Feldpolarität auf die Magnetfeldstärke reagieren, das heißt, unabhängig davon, ob das Magnetfeld z. B. von links nach rechts oder von rechts nach links den Sensorauf­ bau 18 durchsetzt. Dementsprechend ist die Sensoranordnung gemäß Fig. 1 nur zur Messung von Drehwinkeln von maximal 180° anwendbar, da eine weitere Drehung nur das Signalmuster wiederholt.

Fig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausgestaltung eines Dreh­ winkelsensors, welcher eine Drehwinkelmessung von vollen 360° durch Hinzufügung einer Möglichkeit zur Feststellung der Feldrichtung erlaubt. Für diese Ausgestaltung werden ähnliche Elemente wie bei der ersten Ausgestaltung mit glei­ chen Ziffern versehen, während abgeänderte Elemente ausge­ hend von der Basis 100 nummeriert werden. Der Sensorauf­ bau 118 umfasst nunmehr einen Hall-Effekt-Sensor 56. Der Hall-Effekt-Sensor 56 ist auf dem Chip 120 hinreichend nahe an dem Sensorfeld 22 angeordnet, so dass er auch dem homoge­ nen Magnetfeld ausgesetzt ist. Der Sensor 56 weist An­ schlussflächen 58 auf dem Chip 120 auf, welche in ähnlicher Weise wie bei den GMR-Elementen des Feldes 22 mit einem - nicht dargestellten - elektronischen Sensorschaltkreis eine Verbindung herstellen.

Da der Hall-Sensor 56 sowohl die Polarität als auch die Grö­ ße des Magnetfeldes detektieren kann, kehrt er seine Polari­ tät bei 180° relativer Drehung um und erlaubt so eine Iden­ tifikation der Polarität. In Abhängigkeit von der Polarität des Magnetfeldes gibt der Hall-Sensor 56 eine positive oder negative Spannung ab. Die Drehwinkelposition innerhalb jedes 180°-Abschnittes der Drehung wird dann weiterhin von dem Feld 22 der GMR-Elemente zur Verfügung gestellt. Falls ge­ wünscht, kann der Hall-Sensor auch in dem Sensorfeld ange­ ordnet werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da er vorliegend nicht für die Detektion der Feldstärke ver­ wendet wird.

Fig. 5 veranschaulicht eine dritte Ausgestaltung eines Dreh­ winkelsensors, welche der ersten Ausgestaltung ähnlich ist, bei der jedoch das Feld der GMR-Elemente 222 unter Ausbil­ dung des Sensoraufbaus 218 anders auf dem Chip 220 angeord­ net ist. Für diese Ausgestaltung werden die gegenüber der ersten Ausgestaltung abgewandelten Elemente ausgehend von der Ziffer 200 nummeriert. Die Bündelelemente 30 sind wie bei der ersten Ausgestaltung angeordnet. Die Variante veran­ schaulicht, dass die individuellen GMR-Elemente 1 bis 8 an verschiedenen Orten innerhalb des Feldes der Bündelelemen­ te 30 angeordnet werden können, ohne dadurch die Effektivi­ tät der Bestimmung des Drehwinkels zu verringern. Die Mög­ lichkeit der Anpassung an verschiedene Positionen erlaubt es, das (nicht dargestellte) Gesamtmuster des Schaltkreises zu optimieren, wenn es wünschenswert ist, die Sensorschalt­ kreise auf demselben Chip 220 wie den Sensoraufbau 218 anzu­ ordnen.

Fig. 6 veranschaulicht eine vierte Ausgestaltung eines Dreh­ winkelsensors, welche der ersten Ausgestaltung ähnlich ist. Von der ersten Ausgestaltung abweichende Elemente erhalten hier als Basisnummerierung 300. Die Sensoranordnung 318 ent­ hält bei dieser Ausführungsform ein Feld von neun (statt acht) auf dem Chip 320 angeordneten GMR-Elementen 322, wobei die Elemente 322 mit einem größeren Zwischenwinkel (40°) be­ abstandet sind. Zur Anpassung an diese Änderung sind die Bündelelemente 330 breiter, und es sind natürlich weniger von ihnen in diesem Aufbau vorhanden. Obgleich das Feld der Sensorelemente 322 nunmehr volle 360° abdeckt, kann es den­ noch nur 180° Drehbewegung erfassen, da alle Sensoren in diesem Feld durch GMR-Elemente verwirklicht sind. Falls ge­ wünscht, kann man jedoch auch in Zusammenhang mit dieser Ausgestaltung einen oder mehrere Hall-Effekt-Sensoren ein­ setzen, um eine Sensorbereich von vollen 360°-Drehwinkel zu erhalten.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen die Charakteristika des Magnetfeldes für eine Ausgestaltung des Sensorfeldes gemäß Fig. 6. Bei diesen Messungen des Magnetfeldes ist das Sili­ ziumsubstrat 320, auf welchem der Sensoraufbau 318 angeord­ net ist, etwa 4 × 4 mm groß und innerhalb eines Ringmagne­ ten 332 angeordnet (welcher an Stelle der in Fig. 1 darge­ stellten Magnete verwendet wird). Die Bündelelemente 330 sind aus Eisen hergestellt. Der Ringmagnet 332 und das Sen­ sorfeld 318 sind relativ zueinander drehbar. Man erkennt, dass die Äquipotentiallinien 70 des Flusses (dargestellt durch die gestrichelten Linien in den Fig. 7 und 8) durchgehend im allgemeinen parallel und homogen sind, ausge­ nommen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Sensorauf­ baus 318.

Fig. 8 stellt eine vergrößerte Ansicht der Sensoranordnung von Fig. 7 dar, um die Äquipotentiallinien 70 des magneti­ schen Flusses und deren Orientierung im Sensorfeld 318 selbst näher zu erläutern. Man erkennt, dass je paralleler ein Sensorelement relativ zur allgemeinen Richtung der Äqui­ potentiallinien 70 des Flusses ist, desto weniger des magne­ tischen Flusses von diesem speziellen Sensor gesehen wird. Auf diese Weise können die relativen Größen des zwischen den verschiedenen Sensoren der Anordnung gemessenen Magnetfeldes verwendet werden, um die Drehwinkelposition zu bestimmen.

Fig. 9 stellt eine fünfte Ausgestaltung eines Drehwinkelsen­ sors dar. Diese Ausgestaltung ist von besonderem Interesse für Anwendungen, welche ein redundantes Ausgangssignal für die Messung derselben Drehwinkelposition erfordern. Für die­ se Ausgestaltung werden die von der ersten Ausgestaltung ab­ weichenden Elemente mit einer Basisziffer 400 versehen. Der Sensoraufbau 418 dieser Ausgestaltung enthält ein Sensor­ feld 422 von 16 GMR-Elementen, welche mit 1 bis 16 numme­ riert sind. Die mit 1 bis 8 bezifferten GMR-Elemente sind über einen ersten 180°-Bogen der Anordnung 418 verteilt an­ geordnet und bilden eine erste Menge 74, während die GMR- Elemente der Ziffern 9 bis 16 auf einem zweiten 180°-Bogen des Aufbaus 418 verteilt angeordnet sind und eine zweite Menge 76 bilden, die die erste Menge 74 spiegelt. Die zweite Menge 76 ist 180° außer Phase zur ersten Menge 74. Die erste und die zweite Menge 74 bzw. 76 bilden jeweils ein unter­ schiedliches 180°-Sensorfeld, welches unabhängig von der an­ deren Menge arbeitet. Die erste Menge 74 steht in Verbindung zu einem (nicht dargestellten) ersten Teil der Sensorschalt­ kreise und die zweite Menge 76 zu einem zweiten Teil der Sensorschaltkreise. Jede Menge 74, 76 erzeugt ein Signal, welches die Drehwinkelposition relativ zum magnetischen Feld anzeigt. Solange die Signale der beiden Mengen übereinstim­ men, folgt hieraus, dass die Sensoren ordnungsgemäß funktio­ nieren. Wenn die beiden Mengen 74, 76 jedoch bezüglich der Drehwinkelposition nicht übereinstimmen, deutet dies darauf hin, dass irgendein Element in der Sensoranordnung versagt hat. Diese Konfiguration stellt somit eine Redundanz zur Verfügung, die sicherstellt, dass Sensorfehler detektiert werden.

Weiterhin illustriert diese Ausgestaltung einen anderen Weg zur Erzeugung des Magnetfeldes. Das Magnetfeld wird von ei­ nem rechteckigen Magneten 432 erzeugt, welcher benachbart und relativ drehbar zum Sensoraufbau 418 um die zentrale Achse des Systems angeordnet ist. Der Magnet 432 ist breiter und länger als der Sensoraufbau 418 und unmittelbar unter­ halb des Sensoraufbaus angeordnet. Bei dieser Anordnung ver­ läuft das Magnetfeld im allgemeinen parallel vom Nordpol (N) zum Südpol (S) durch den Sensoraufbau 418 mit Ausnahme der Stellen, wo es durch die Bündelelemente 430 geleitet wird. Insbesondere in der Nähe der Magnetpole haben die Flusslini­ en auch eine gewisse symmetrische Richtung, die weg von der Ebene des Sensors zeigt. Dies beeinflusst jedoch nicht das Verhalten des Sensors, da die Feldrichtung durch einen Ver­ gleich der Sensorelemente innerhalb des Feldes 422 bestimmt wird, und da die Bündelelemente 430 weiterhin in einer vor­ hersagbaren Weise das Magnetfeld über die Sensorelemente 1 bis 16 richten.

Weiterhin ist für diese fünfte Ausführungsform das Muster der Sensoranordnung 418 periodisch (d. h. symmetrisch) in je­ dem Quadrant des Chips 420, wie durch die Linien 82 angedeu­ tet wird. Für diese Ausgestaltung kann der Chip 420 z. B. aus Keramik hergestellt sein. Es gibt vier innere Anschlussflä­ chen 426, von denen jede mit den radial einwärts gelegenen Enden von vier benachbarten Sensorelementen verbunden ist. Alle Anschlussflächen 426 und 428 sind mit Lötperlen 80 zur Verbindung mit (nicht dargestellten) Verarbeitungsschalt­ kreisen dargestellt. Dieses in Bezug auf die Quadranten sym­ metrische Layout zielt darauf ab, die Orientierung des Chips 420 bei seiner Verbindung mit den z. B. auf einer Schaltungsplatte angeordneten Verarbeitungsschaltkreisen fehlersicher zu machen. Die Verarbeitungsschaltkreise können dann direkt mit der inneren Anschlussfläche 426 der Senso­ relemente 1 bis 4, der inneren Anschlussfläche der Senso­ relemente 5 bis 8, der inneren Anschlussfläche der Senso­ relemente 9 bis 12 und der Anschlussfläche der Elemente 13 bis 16 verbunden werden. Wenn der Sensoraufbau 418 vor dem Zusammenbau z. B. mit einer Schaltungsplatte unbeabsichtig­ terweise um 90°, 180° oder 270° gedreht wird, wird die Dreh­ winkelverschiebung transparent, d. h. alle Anschlussflä­ chen 426 und 428 sind nach wie vor zum Muster der Schal­ tungsplatte ausgerichtet, und die verlagerten Sensorelemente stellen das richtige Positionsausgangssignal zur Verfügung. Das Potential für Herstellungsfehler ist somit verringert.

Während einige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, sind zusätzlich weitere alternative Ausgestaltungen denkbar. So kann z. B., falls gewünscht, die Genauigkeit durch Erhöhung der Anzahl der Sensorelemente verbessert wer­ den, wobei die minimale Anzahl bei zwei Sensorelementen liegt. Die Anzahl hängt dabei von dem Verhältnis der ge­ wünschten Genauigkeit zu den Kosten und dem Aufwand der Her­ stellung ab.

Claims (9)

1. Magnetischer Drehwinkelsensor, enthaltend:
Mittel (32, 34, 332, 432) zur Erzeugung eines im allgemeinen homogenen Magnetfeldes in einer Sen­ sorregion;
eine Montagebasis (20, 120, 220, 320, 420) mit einem Zentrum relativer Drehung zwischen der Ba­ sis und dem Magnetfeld (36, 70);
eine Mehrzahl von vorzugsweise dreieckigen Bündelelementen (30, 330, 430), welche in der vorgegebenen Fläche in einem im wesentlichen gleichmäßigen Abstand um das Zentrum der relati­ ven Drehung verteilt sind, wobei jedes der Bündelelemente von den benachbarten Bündel­ elementen unter Ausbildung von Lücken (31) beab­ standet ist, und wobei die Bündelelemente aus ei­ nem magnetisierbaren Material hergestellt sind;
eine Mehrzahl von GMR-Magnetfeldsensoren (22, 222, 322, 422), welche auf der Montageba­ sis (20, 120, 220, 320, 420) angeordnet sind und sich vom Zentrum der relativen Drehung radial nach außen erstrecken, wobei jeder der GMR- Magnetfeldsensoren in einer anderen der Lüc­ ken (31) angeordnet ist;
Mittel zur Übermittlung von Signalen von jedem der GMR-Magnetfeldsensoren, und
einen im Magnetfeld auf der Montagebasis (120) an­ geordneten Hall-Effekt-Sensor (56).

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes (36, 70) einen Ringmagnet (332) auf­ weisen, welcher die Montagebasis (320) umgibt.

3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes einen im allgemeinen flachen, recht­ winkligen Magneten (432) aufweisen, welcher angrenzend an die Montagebasis (420) angeordnet ist.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes (36) aus zwei Magneten (32, 34) be­ stehen, welche an gegenüberliegenden Seiten der Monta­ gebasis (20) angeordnet sind und welche über die Monta­ gebasis ein Feld gleicher Polarität erzeugen.

5. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagebasis (20, 120, 220, 320, 420) aus keramischem Material oder aus Sili­ zium hergestellt ist.

6. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelelemente (30, 330, 430) aus einem ferromagnetischen Material herge­ stellt sind.

7. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelelemente (30, 330, 430) zumindest teilweise aus Nickel hergestellt sind.

8. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser sechzehn Bündel­ elemente (30, 430) von in etwa gleicher Größe aufweist, die sich über 360° umfänglich um das Zentrum der rela­ tiven Rotation erstrecken, und dass die Mehrzahl der GMR-Magnetfeldsensoren (22) acht Sensoren umfaßt.

9. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser neun Bündel­ elemente (30, 330) von in etwa gleicher Größe enthält, die sich über 360° umfänglich um das Zentrum der rela­ tiven Rotation erstrecken, und dass die Mehrzahl der GMR-Magnetfeldsensoren (22) neun Sensoren umfaßt.