Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit Hall-Elementen zur Geometrieerfassung nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruches 1.

Solche Anordnungen sind prinzipiell u.a. aus der

EP 0 115 391 A2 bekannt, in der eine Sensoranordnung zur Positionserfassung mit vier Hall-Elementen beschrieben wird, die in vorgegebenem Abstand voneianander angeordnet sind. Vorzugsweise sind hierbei jeweils die analogen Aus- gaπgsgrößen zweier Hall-Elemente mit umgekehrtem Vorzei¬ chen einander überlagert, so daß nur die relative Magnet¬ feldänderung eines auf die Sensoranordnung wirkenden Mag¬ netfeldes ausgewertet wird. Als Geber für ein veränder¬ liches Magnetfeld wird eine symmetrische, im weitesten Sinne zahnradformige, rotierende Vorrichtung verwendet, wobei der Abstand zwischen zwei gleichartigen, durch diese Vorrichtung bewirkte Magnetfeldbeeinflussungen groß ist gegenüber dem Abstand der einzelnen Hall-Elemente. Die vier Hall-Elemente liefern die zweite Ableitung der Mag- netfeld nderung nach der Zeit. Es werden vier Hall-Ele¬ mente verwendet, weil dadurch bei gleicher Magnetfeldän¬ derung ein höherer Signalhub erzielt wird. Die in der EP 0 115 391 A2 beschriebene Sensoranordnung dient der relativen Positionserfassung eines rotierenden Teiles mit Hilfe der Ermittlung der Magnetfelddifferenz zwischen jeweils zwei Hall-Elementen.

In manchen Anwendungsfällen für Anordnungen zur Geometrie¬ erfassung, insbesondere im Fahrzeugbau, ist es erforder- lieh, die tatsächliche momentane Geometrie jederzeit

präzise festzustellen. Dies ist mit einer Anordnung nach der EP 0 115 391 A2 nicht möglich. In dem Buch "Halblei¬ tersensoren", Hrsg. Prof. Dr. Ing. W.J. Bartz et al . , Expert Verlag werden im Kapitel 6.4 auf Seite 259 ff., insbesondere im Teil 6.4.3 "Analoge Positionserfassung" auf den Seiten 265 bis 267 Positionserfassungsanordnungen prinzipiell beschrieben, die diese Kriterien erfüllen würden. Hierbei wird einfach die Hall-Spannung in Abhängig¬ keit von dem Abstand eines Hall-Elementes von einem beweg- liehen Permanentmagneten als Abstandskriteriu herangezo¬ gen. Wie insbesondere im Bild 6.20 auf Seite 625 zu erken¬ nen ist, zeichnet sich eine solche Anordnung jedoch durch einen sehr geringen Bereich mit linearem Zusammenhang zwi¬ schen Entferπungsänderung und Magnetfeldänderung aus. Eben- so weist sie eine starke Abhängigkeit von z.B. der Tempera¬ tur auf.

Die Anwendung eines solchen Prinzips in einem Drosselklap¬ pen-Winkelsensor für Verbrennungsmotoren ist in der DE 38 26 408 AI beschrieben. Hier wird ein Drosselklappen¬ winkelsensor für Verbrennungsmotoren mit einem an einem Ende der Drosselklappenwelle angebrachten Permanentmagne¬ ten beschrieben, der einen konstanten magnetischen Fluß erzeugt, dessen Richtung in Abhängigkeit von der Drehung der Drosselklappenwelle gedreht wird. Hierbei ist im wesentlichen parallel zu der Hauptrichtung des außen verlaufenden magnetischen Flusses des Permanentmagneten und in einem Abstand von dem Permanentmagneten ein magne¬ tisch empfindliches Element, wie z.B. ein Hall-Element angeordnet, mittels dessen die Änderung der magnetischen Flußdichte als Folge der Drehung des Permanentmagneten gemessen wird. Die gemessene Änderung der magnetischen Flußdichte wird hierbei über einen verstärkenden elektri¬ schen Stromkreis in eine entsprechende Änderung eines elektrischen Sigπales umgewandelt.

Der Ausgangsgröße des magnetisch empfindlichen Elementes ist hierbei üblicherweise eine von dem Magnetfeld unabhän¬ gige Gleichgröße, ein sogenannter Offset überlagert. Bei einem Ausgangsstrom handelt es sich hierbei um einen überlagerten Gleichstrom, bei einer Ausgangsspannung um eine überlagerte Gleichspannung. Dieser Offset sowie die Verstärkung und die Linearität von Hall-Elementen schwan¬ ken sehr stark von Element zu Element und mit der Tempera¬ tur. Außerdem ist der Linearitätsbereich von magnetisch empfindlichen Elementen, wie z.B. Hall-Elementen sehr be¬ grenzt, so daß bei einer zuvor beschriebenen, bekannten Anordnung ein aufwendiger Abgleich erforderlich ist und außerdem aufgrund der erwähnten Probleme die Auflösung, d.h. der Dynamikbereich bzw. die Präzision des Meßergeb- nisses einer solchen Anordnung nicht sehr groß ist. In

Anwendungsfällen, in denen eine präzise Geometrieerfassung auch gewährleistet sein soll, wenn kurzzeitige Spannungs¬ ausfälle auftreten können, werden daher meistens Präzi¬ sionspotentiometer verwendet. Bei diesen treten jedoch Probleme durch Alterung bzw. durch schlechte Kontakte in¬ folge von Verschmutzung oder Korrosion auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Anordnung zur Geometrieerfassung mit Hilfe von Hall- Elementen, bei der die vorgenannten Probleme nicht oder nur in sehr geringem Maße auftreten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Günstige Ausgestaltungs- formen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Geometrieerfassung enthält eine Vielzahl von Hall-Elementen, die entweder entlang einer Geraden oder entlang einer vorgegebenen Linie in vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind

und aus einer Interpolationsschaltung, die mindestens die analoge Ausgangsgröße von zwei Hall-Elementen interpo¬ liert, mit dem Ziel ein gewünschtes elektrisches Ausgangs¬ signal als Funktion der magnetischen Eingangsgröße zu er- halten. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die geome¬ trische Verteilung eines konstanten Magnetfeldes entlang der Hall-Elementekette erfassen. Hierbei werden die line¬ aren Bereiche der einzelnen Hall-Elemente durch Interpola¬ tion der Ausgangsgrößen der einzelnen Hall-Elemente und in Abhängigkeit von der geometrischen Anordnung der einzelnen Hall-Elemente zueinander derart überlagert, daß die Gesamt¬ anordnung einen sehr großen Bereich mit linearem Zusammen¬ hang zwischen der Geometrieänderung des zu erfassenden Magnetfeldes und dem Ausgangssignal der Gesamtanordnuπg hat. Ist durch die Gesamtanordnung sichergestellt, daß die von der Hall-Elementeanordnung erfaßte magnetische Induk¬ tion eindeutig der relativen geometrischen Anordnung zwi¬ schen der Hall-Elementeanordnung und einem Gegenstand zu¬ geordnet werden kann, dessen geometrische Lage erfaßt wer- den soll, so ist jedem Pegel des Ausgangssignales der

Interpolationsschaltung eindeutig eine zu erfassende geo¬ metrische Lage zuordenbar. Hierbei kann durch Variation der Abstände zwischen einzelnen Hall-Elementen, durch Va¬ riation des Arbeitspunktes der einzelnen Hall-Elemente so- wie durch entsprechende Dimensionierung der Interpolations¬ schaltung ein linearer Zusammenhang zwischen der zu erfas¬ senden geometrischen Größe und dem Analogwert des Ausgangs¬ signales der Interpolationsschaltung erreicht werden.

Eine Linearisierung des Zusammenhanges zwischen dem zu er¬ fassenden geometrischen Zusammenhang und dem elektrischen Ausgangssignal der Anordnung innerhalb der vorzugsweise monolithisch integrierten Schaltung erleichtert den Aufbau und den Abgleich einer Gesamtanordnung sehr. Es muß ledig- lieh noch sichergestellt werden, daß zwischen dem zu er-

fassenden geometrischen Zusammenhang, beispielsweise einer Drosselklappenstellung, und der geometrischen Verteilung eines magnetischen Gleichfeldes über der Hall-Elementean¬ ordnung ein linearer Zusammenhang besteht.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird hierbei die geometrische Anordnung eines magnetischen Gleichfeldes er¬ faßt. Demgegenüber wird bei bekannten Anordnung eine durch die Geometrieänderung bedingte Änderung der Stärke des Magnetfeldes unabhängig von seiner geometrischen Vertei¬ lung erfaßt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 in schematischer, perspektivischer Darstellung eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Vorrichtung mit Magnetfeld- quelle und einer Anordnung aus einer Vielzahl von

Hall-Elementen, die entlang einer im Beispiel ge¬ raden Linie angeordnet sind und mit einer Inter¬ polationsschaltung; Figur 2a in schematischer Darstellung eine Vielzahl von Hall-Elementen, wie sie in einer Anordnung nach

Figur 1 eingesetzt sein kann; Figur 2b die Magnetfeldverteilung bzw. die magnetische

Induktion B in Abhängigkeit vom Ort, wie sie in einer Anordnung nach Figur 1 auf die Vielzahl der Hall-Elemente wirkt;

Figur 2c in schematischer Darstellung den ortsabhängigen

Hall-Spannungsverlauf für die einzelnen Hall-Ele¬ mente nach Figur 2a; Figur 3a eine mögliche Ausgestaltungsform einer Interpola- tionsschaltung für eine erfindungsgemäße Anord-

nung, bei der jedem Hall-Element ein Differenz¬ verstärker zugeordnet ist; Figur 3b den Signalverlauf des nichtinvertierenden Aus¬ ganges einer Interpolationsschaltung nach Figur 3a sowie die entsprechenden Signalverläufe für die einzelnen Differenzverstärkeranordnungen dieser Interpolationsschaltung ; Figur 3c eine weitere mögliche Ausgestaltungs form einer Interpolationsschaltung; Figur 4 eine weitere mögliche Ausgestaltungsform einer Blende in Verbindung mit einer Abschirmung zur Verwendung in einer Vorrichtung mit Magnetfeld¬ quelle in Figur 1, die geeignet ist, eine lokale Magnetfeldäηderung in Longitudinalrichtung in Ab- häπgigkeit von einem Drehwinkel zu bewirken.

Figur 5 eine weitere mögliche Ausgestaltungs form einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestal- tungsform einer Anordnung zur Erfassung eines geometri¬ schen Zusammenhanges mit einer Vorrichtung Q mit Magnet¬ feldquelle Mg. Die Magnetfeldquelle Mg ist vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet und stellt in einem Aus¬ führungsbeispiel nach Figur 1 ein konstantes flächenver- teiltes Magnetfeld mit der magnetischen Induktion B be¬ reit. Die Anordnung nach Figur 1 enthält sechs Hall-Ele¬ mente H,, H2, H,, H., Hc und Hg, die entlang einer im Ausführungsbeispiel geraden Linie G derart angeordnet sind, daß die Magnetfeldlinien der Magnetfeldquelle Mg im wesentlichen parallel zueinander bezüglich der Hall-Ele¬ menteanordnung gerichtet sind. Die Vorrichtung mit Magnet¬ feldquelle Q hat eine mindestens zwischen der Magnetfeld¬ quelle Mg und der Hall-Elementeanordnung H,... sich er¬ streckende Abschirmvorrichtung Seh, die im Bereich zwi- sehen der Magnetfeldquelle Mg und der Hall-Elementeanord¬ nung eine vorgegebene Öffnung OP aufweist. Diese Öffnung OP kann von einer Blende BL ganz oder teilweise abgedeckt

werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, bei entlang einer geraden Linie G angeordneten Hall-Elementen H^...H ₆ ist die Öffnung OP länglich und erstreckt sich parallel zu der geraden Linie G. Die Blende BL ist in Abhängigkeit von der Bewegung eines Gegenstandes EG, dessen relative Lage zu der Hall-Elementeanordnung H,...Hg zu erfassen ist, entlang einer Linie, die sich parallel zur geraden Linie G erstreckt, bewegbar. Hierbei ist die Öffnungsbreite der Blende in Longitudinalrichtung abhängig von der Momentan- läge der Blende und somit des Gegenstandes EG entlang ei¬ ner Strecke 1. Bei dieser Anordnung stellt die Vorrichtung Q mit der Magnetfeldquelle Mg in Abhängigkeit von der mo¬ mentanen Lage des Gegenstandes EG über einem bestimmten Bereich der Vielzahl von Hall-Elementen ein pro Flächen- einheit bzw. Längeneinheit im wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld bereit. Die mit diesem Magnetfeld bzw. der da¬ von abhängigen magnetischen Induktion beaufschlagten Hall- Elemente liefern jeweils eine von der magnetischen Induk¬ tion abhängige Hall-Spannung an ihrem Ausgang. Die Ausgän- ge der einzelnen Hall-Elemente H,, H ₂ ...Hg sind an eine Interpolationsschaltung IPS geschaltet. Diese Interpola¬ tionsschaltung IPS stellt an einem Ausgang in Abhängigkeit von den Hall-Spannungen der einzelnen Hall-Elemente ein Signal Io bereit. Der Ausgang der Interpolationsschaltung IPS ist mit einem Eingang einer Auswerteschaltung AS ver¬ bunden. Die Vielzahl der Hall-Elemente, die Interpola¬ tionsschaltung und die Auswerteschaltung sind in dem Aus¬ führungsbeispiel nach Figur 1 vorzugsweise in einem einzi¬ gen Halbleiterkörper HL integriert. Die Auswerteschaltung AS kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere kann sie einen Analog-Digital-Wandler enthalten.

Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform einer Vorrichtung mit Magnetfeldquelle für eine Anordnung nach

Figur 1. Die Schirmvorrichtung SCH hat hierbei eine schlitzförmige, im wesentlichen längliche Öffnung OP, die zwischen der Magnetfeldquelle (s. Figur 1) und der Hall- Elementeanordnung (s. Figur 1) parallel zur Ausrichtungs- geraden G der Hall-Elemente ausgerichtet ist. Die Blende BLl hat eine besonders gestaltete kurvenförmige Kante K und ist drehbar gelagert in einem Rotationspunkt RP, der sich auf der Mittellinie der Öffnung OP in Längsrichtung befindet. Die Kante K ist derartig geformt, daß eine Dreh- winkelanderung der Blende BLl zu einer hierzu proportiona¬ len Längenänderung der von der Blende BLl und der Öffnung OP der Schirmvorrichtung freigegebenen Öffnung führt. Die gezeigte Ausgestaltungsform ist geeignet, eine Winkeldre¬ hung von 90° in eine hierzu proportionale Längenänderung umzuwandeln.

Figur 2a zeigt in schematischer Darstellung eine Reihe von entlang einer geraden Linie angeordneten Hall-Elementen.

Hierbei ist das erste Element Hl, zwei benachbarte Elemen- te Hi und Hj und das letzte Element Hn dargestellt. Die

Gesamtzahl der Hall-Elemente soll hierbei π sein, wobei n eine ganze, positive Zahl größer als 1 ist. In Figur 2a ist für jedes Hall-Element eine Arbeitspunktstromquelle l, I _H i...I _H dargestellt. Außerdem sind die Ausgangs- der einzelnen Hall-Elemente U _u Hl _l ,' U _u Hl. ,' U _u Hj• und

U _Hn gezeigt.

Figur 2b zeigt den potentiellen Verlauf der magnetischen Induktion über der Hall-Elementeanordnung in Abhängigkeit von der Strecke 1. Hierbei sind die Grenzwerte gestrichelt dargestellt und ein beispielhafter Wert ist in Vollinie gezeigt. Wie zu erkennen ist, wirkt in einer erfinduπgsge- mäßen Anordnung vorzugsweise eine konstante magnetische Induktion längenabhängig auf die Hall-Elementeanordπung.

Figur 2c zeigt die von den jeweiligen Hall-Elementen Hl, Hi , Hj bzw. Hn bereitgestellten Hall-Spannungen U _H1 , U _Hi , U _H • bzw. I in Abhängigkeit von der Länge 1 in schemati¬ scher Darstellung.

Im einfachsten Fall kann eine Auswertung derart erfolgen, daß die Hallelemente in Reihe geschaltet werden, so daß die Einzelausgangsspannungen aufsummiert werden. Dann er¬ gibt sich ein quasi linearer Zusammenhang, da die eiπzel- nen Hallelemente in Teilbereichen eine lineare Ausgangs¬ spannung liefern.

Figur 3a zeigt eine mögliche Ausgestaltungs form einer In¬ terpolationsschaltung IPS zur Verwendung in einer erfin- dungsgemäßen Anordnung. Die gezeigte Interpolationsschal¬ tung sieht für jedes Hall-Element Hl, ... Hi , ... Hn eine Dif¬ ferenzverstärkerstufe mit einem Spannungssignaleingang und einem Stromsignalausgang vor. Die Stromsignalausgänge der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj sind in eine gemeinsamen Stromknoten zusammengefaßt. Hierbei sind die das positive Ausgangssignal Io. ⁺ , Io. ⁺ ,... führenden Aus¬ gänge der Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... in einem gemeinsamen Stromknoten Io ⁺ zusamengefaßt und die das negative Stromausgangssignal Io. ^~ , Io.-,... führenden Signalausgänge der Differenzverstarkerstufen DVi, DVj,... bilden den gemeinsamen Stromausgang ^_Io ^~ . Die Arbeits¬ punkte der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... sind jeweils über eine Stromquelle mit einem Strom Io. , Io.,... eingestellt. Jede Differenzverstärkerstufe hat einen, vorzugsweise symmetrischen Signaleingang, der mit dem Sigπalausgang eines einzelnen Hall-Elementes Hl, ... Hi , Hj...Hn zusammengeschaltet ist und somit mit der entsprechenden Hall-Spannung U _u -, U _H _!,... beaufschlagt ist. Für die in Figur 3a gezeigte Anordnung gilt, daß der Gesamtstrom aller den jeweiligen Arbeitspunkt einstellen-

den Stromquellen Io., Io.,... konstant ist und den Strom

Io bildet. Der Strom Io setzt sich hierbei zusammen aus den positiven Signalströmen und den negativen Signal¬ strömen, so daß gilt: iTlo = : Io ^" + ≤_Io ⁺ .

Figur 3c zeigt eine weitere Ausgestaltung der in Figur 3a gezeigten Interpolationsschaltung. Sie weist gegenüber der Schaltung gemäß Figur 3a wahlweise folgende Modifikationen auf. Zusätzlich ist zwischen die Emitter der Differenzver¬ stärkerstufe ein Gegenkopplungswiderstand R. zwischengeschal¬ tet. Desweiteren können Kollektorteilströme I., ' von einem der Transistoren zur Gegenkopplung mit dem jeweiligen an¬ deren Stromknoten ^< - o ⁺ oder *5—* 1o~ verbunden werden. Schließ- lieh kann den Eingängen jeder Auswertestufe ein individuel¬ ler Trennverstärker V, mit wählbarer Verstärkung vorgeschal¬ tet werden.

Figur 3b zeigt den Verlauf der einzelnen positiven Strom- Signale Io-, ⁺ , Io. ⁺ , Io. ⁺ ,... Io ⁺ in einer Anordnung nach Figur 3a sowie den Verlauf des Stromsignales Io ⁺ der Ge¬ samtanordnung für den Fall, daß eine gerade Anzahl von Hall-Elementen verwendet wird. Die Darstellung nach Figur 3b ist idealisiert, gibt jedoch weitgehend den Zusammen- hang zwischen einem ortsabhängigen Magnetfeld und einem Ausgangssignal einer Interpolationsschaltung IPS für eine erfindungsgemäße Anordnung, wie sie beispielsweise in Fi¬ gur 1 dargestellt ist. Die Linearität des Zusammenhanges zwischen Ort und Ausgaπgssignal kann hierbei durch unter- schiedliche Maßnahmen optimiert werden. Einerseits können die Hall-Sensoren in unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet werden oder insgesamt unterschiedlich ausge¬ führt sein. Außerdem können die Arbeitspunktströme Io-, ,... Io _i , Io. _j ,...Io _π der einzelnen Differenzverstärkerstufe DVi,... einer Interpolationsschaltung unterschiedlich groß

sein. Weiterhin können die Differeπzverstärker unterschied¬ liche Geometrie aufweisen. Auch eine Gegenkopplung in den Differenzverstärkern einer Interpolationsschaltung IPS führt zu einer Veränderung des ortsabhängigen Ausgangssi- gnales der Gesamtanordnung. Eine weitere Möglichkeit, eine Interpolationsschaltung auszuführen, besteht darin, kreuz¬ gekoppelte Differenzverstärker zu verwenden, wobei in bi¬ polarer Ausgestaltung jeweils die Basisanschlüsse zweier Transistoren mit unterschiedlich großen Emitterflächen zu- sa meπgeschaltet sind und ein Eingangstor der Differenz- verstärkerschaltuπg bilden, wobei darüber hinaus die Emit¬ teranschlüsse der vier eine Differenzverstärkerstufe bil¬ denden Transistoren zusammeengeschaltet sind und über eine Konstantstromquelle an ein Versorgungspotential geschaltet sind und wobei die Kollektoranschlüsse der Transistoren zusammengeschaltet sind, die sich sowohl in der Emittεr- fläche als auch im Signaleingang unterscheiden.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung. In der schematischen Darstellung ist wiederum eine Magnetfeldquelle Mg zur Erzeugung eines pa¬ rallelen Magnetfeldes zwischen zwei Polen ähnlich einem Hufeisenmagnet vorgesehen. Der erste Pol Fei ist mit der Magnetfeldquelle M fest verbunden. Der zweite ist auf seiner Längsachse horizontal beweglich angebracht. Im dar¬ gestellten Beispiel ist der erste Pol Fei unterhalb und der zweite bewegliche Pol Fe2 oberhalb der Magnetfeldquel¬ le Mg angebracht. Zwischen den Polen Fei und Fe2 ist auf dem Pol Fei eine Vielzahl von Hallelementen H 1,...H„n ang ^a e- bracht. Diese können beispielsweise in einer integrierten Schaltung integriert werden. Durch Bewegung des Pols Fe2 werden mehr oder weniger Hallelemente H, bis H von einem konstanten Magnetfeld durchflössen. Bei Auswertung mittels einer der verstehenden Auswerteschaltungen kann so ein zur Bewegung des Pols Fe2 lineare Ausgaπgsspannung erzeugt

wer den .

Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Geome¬ trieerfassung mit Hall-Elementen besteht darin, daß die bei bekannten Anordnungen gegebene Temperaturabhängigkeit und Versorgungsspannungsabhängigkeit des Offset-Signales, der Linearität und der Verstärkung im wesentlichen um ei¬ nen Faktor verringert werden, der dem Kehrwert der Anzahl der verwendeten Hall-Elemente entspricht und, daß weitaus größere Geometrien erfaßbar sind.