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Dokumentenidentifikation DE102004017191B4 12.07.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer Richtung eines Objekts
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Forster, Bernhard, Finkenstein, AT
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 07.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004017191
Offenlegungstag 27.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse G01P 13/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01P 3/489(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 33/09(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer relativen Richtung eines Objekts bzw. Geberobjekts, und insbesondere auf die Ermittlung einer relativen Drehrichtung bzw. Bewegungsrichtung eines Geberobjekts, wie z.B. eines Drehrades, mittels Magnetfelderfassungselementen, die relativ zu der Bewegungs- bzw. Drehrichtung des Geberobjekts angeordnet sind.

Bei zahlreichen Anwendungen wird häufig neben einer Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsmessung eines Geberobjekts auch die Erkennung der Bewegungsrichtung bzw. Drehrichtung des Geberobjekts, wie z.B. der Drehrichtung eines Rades oder einer Welle, gefordert. Dazu werden im allgemeinen Magnetfeldsensoren zur Bestimmung der Drehzahl und der Drehrichtung verwendet.

Eine erste, im Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Drehrichtungs- und Drehzahlbestimmung besteht nun darin, zwei Magnetfeldsonden zu verwenden, die örtlich getrennt voneinander und beabstandet zu dem zu untersuchenden Geberobjekt angeordnet sind. Die Sensorsignale der Magnetfeldsensoren werden dabei getrennt ausgewertet, wobei aus der zeitlichen Abfolge der Signale der Magnetfeldsensoren beispielsweise mittels (digitalen) Signalverarbeitungseinrichtungen (DSP; DSP = digitaler Signalprozessor) oder Mikroprozessoren die Bewegungs- oder Drehrichtung des Geberobjekts bestimmt wird. Bei einer solchen Anordnung ist es erforderlich in Verbindung mit dem Geberobjekt, z.B. einem Zahnrad, einen sogenannten Backbias-Magneten, zu verwenden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das durch die verschiedenen Zähne und Vertiefungen des Zahnrades beeinflusst wird, so dass die zwei beabstandeten Magnetfeldsensoren unterschiedliche Sensorsignale in Abhängigkeit der Drehposition des Zahnrades liefern können.

In 9 ist beispielhaft eine schematische Darstellung einer solchen Hallsensoranordnung 10 mit zwei Hallelementen 12, 14 und einem Backbias-Magneten 16 bzgl. eines Zahnrads (bzw. Zahnstange) 18 dargestellt. Der Abstand L (z.B. 2,5 mm) gibt den Abstand zwischen dem Hallsensor-IC 10 (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung) und dem Zahnrad 18 an, der Abstand a gibt den Mittenabstand der Hallelemente 12, 14 an, und der Abstand b gibt den Abstand der Hallelemente 12, 14 von der IC-Oberfläche an.

Gemäß der Anordnung von 9 erfasst der Hallsensor-IC 10 die Bewegung und Position einer ferromagnetischen Struktur in Form des Zahnrads 18 durch Erfassen und zeitliches Auswerten der jeweiligen Flussdichte eines die Hallelemente 12, 14 durchdringenden Magnetfeldes. Dazu ist an der Rückseite der Sensoreinrichtung 10 der sog. Backbias-Magnet 16 mit Süd- und Nordpol (wie eingezeichnet) angeordnet.

Bei dieser im Stand der Technik bekannten Vorgehensweise zur Erfassung der Bewegungs- oder Drehrichtung eines Geberobjekts ist es jedoch nachteilig, dass ein stationäres Hintergrundsignal (Backbias-Signal), wie z.B. das Feld eines Dauermagneten, bei der Drehzahlerkennung mittels Magnetfeldsensoren nicht herausgekürzt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass bei dieser Vorgehensweise ein relativ kleines Modulationssignal bzw. Nutzsignal, das durch die Zähne des Zahnrades in dem Hintergrundfeld des Dauermagneten erzeugt wird, ausgewertet werden muß, so dass das Nutzsignal von einem großen statischen Hintergrundsignal überlagert ist. Darüber hinaus ist es bei dieser Vorgehensweise nachteilig, dass der Gleichlauf (Matching) der beiden Magnetfeldsensorelemente 12, 14 sehr gut sein muss, damit der Offsetunterschied der Ausgangssignalverläufe beider Magnetfeldsensorelemente 12, 14 klein wird, um vernünftige Messergebnisse zu erhalten.

Gemäß der Anordnung von 9 erfasst also der Hallsensor-IC 10 die Bewegung und Position einer ferromagnetischen Struktur in Form des Zahnrads 18 durch Erfassen und zeitliches Auswerten der Flussdichte eines Magnetfeldes. Dazu ist an der Rückseite der Sensoreinrichtung 10 der sog. Backbias-Magnet 16 mit Süd- und Nordpol (wie eingezeichnet) angeordnet.

Eine weitere Vorgehensweise gemäß dem Stand der Technik zur Ermittlung der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit eines Geberobjekts, welche mit drei Magnetfeldsensorelementen arbeitet, wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift (DE 197 17 364 C1) vorgestellt. Wie in dieser Patentschrift dargestellt ist, werden die Ausgangssignale der drei Magnetfeldsensorelemente dabei so zu einem Richtungssignal miteinander verknüpft, dass ein statisches Hintergrundsignal ausgeblendet wird, wobei die Phasenverschiebung des Richtungssignals zu einem Differenzsignal der beiden äußeren Magnetfeldsensorelemente zur Richtungserkennung verwendet wird. Dabei wird nun der Nulldurchgang des Differenzsignals als Abtastzeitpunkt des Richtungssignals verwendet, und zwar einmal bei einem steigenden Differenzsignal und einmal bei einem fallenden Differenzsignal. Die Differenz der beiden abgetasteten Richtungssignale bestimmt nun die Bewegungsrichtung des Geberobjekts. Bei diesem in der oben genannten deutschen Patentschrift dargestellten Vorgehensweise ist nun zu beachten, dass für ein ausreichendes Verhalten (Performance) der Sensoranordnung aus drei Magnetfeldsensorelementen nur „ideale" Zahnabstände („ideale Pitches") geeignet sind, da das ausgewertete Richtungssignal für größere Zahnabstände sehr klein wird. Von „idealen Pitches" wird gesprochen, wenn der Zahnabstand mit dem Sondenabstand übereinstimmt.

Die bei der oben genannten deutschen Patentschrift dargestellte Vorgehensweise beruht nun insbesondere darauf, aus der Kombination von drei Ausgangssignalen der drei Magnetfeldsensorelemente ein Richtungssignal zu erzeugen, welches eine Phasenverschiebung von 90° (&pgr;/2) zum Differenzsignal hat. Das Differenzsignal wird dabei durch eine Subtraktion der Signale der beiden äußeren Magnetfeldsensorelemente gebildet. Das Richtungssignal wird durch die Subtraktion der Summe der beiden Sensorsignale, welche das Differenzsignal bilden, und des doppelten Signalwertes des Ausgangssignals des mittleren Magnetfeldsensorelements gebildet. Der Grund für die gewünschte Phasenverschiebung von 90° besteht darin, ein möglichst großes Richtungssignal beim Nulldurchgang des Differenzsignals zu erhalten. Somit kann man nun aus dem Vorzeichen des Richtungssignals die Drehrichtung bzw. die Bewegungsrichtung des Geberobjekts bestimmen, wenn man das Richtungssignal bei jedem Nulldurchgang des Differenzsignals abtastet.

Bezüglich der im Stand der Technik bekannten Vorgehensweise zur Ermittlung der Drehrichtung eines Geberobjekts und insbesondere der beiden im vorhergehenden dargestellten Vorgehensweisen sollte beachtet werden, dass dort jeweils nur die vertikale Magnetfeldkomponente, d.h. die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Oberfläche des Magnetfeldsensors mit den Sensorelementen, verwendet bzw. berücksichtigt wird.

Bezüglich der im vorhergehenden dargestellten Vorgehensweisen gemäß dem Stand der Technik zur Ermittlung der Drehrichtung eines Geberobjekts sollte ferner beachtet werden, dass bei den dort verwendeten Sensoranordnungen einerseits der Gleichlauf der verwendeten Magnetfeldsensorelemente äußerst gut sein muss, damit die Offsetunterschiede der Magnetfeldsensorelemente möglichst niedrig sind, und ferner die Positionierung der Magnetfeldsensorelemente bezüglich des Geberobjekts, dessen Drehrichtung bestimmt werden soll, äußerst exakt vorgenommen werden muss, da sonst zu große und damit störende Phasenfehler, Jitter, usw. im Ausgangssignal der Sensoranordnung auftreten.

Der Mittenabstand a (vgl. 9) der Sensorelemente ist gemäß dem Stand der Technik so einzustellen, dass die Übergänge bzw. Kanten zwischen den Zähnen (vorstehenden Abschnitten) und den Vertiefungen bzw. Lücken (zurückversetzten Abschnitten) des Zahnrads von den beiden Sensorelementen nacheinander überlappend erfasst werden. Damit können dann bei einer Differenzbildung der Signalverläufe der Ausgangssignale der beiden Sensorelemente ein solches resultierendes Differenzsignal erhalten werden, das dort Signalspitzen aufweist, wenn eine Zahn-Lücke-Kante an den Sensorelementen vorbei bewegt wird. Die Auswertung dieses Differenzsignals kann sich aber aufgrund von Überschwingern im Signalverlauf sehr aufwendig gestalten, da das Ausgangssignal der Sensorelemente vorzugsweise so weiterverarbeitet und aufbereitet werden soll, dass der Verlauf des Ausgangssignals im wesentlich das Profil des Geberzahnrads wiedergibt. Ferner beeinträchtigen bei den bisher verwendeten Sensoranordnungen Positionierungsungenauigkeiten zwischen dem Geberobjekt und der Sensoreinrichtung die genaue Auswertung des Sensorsignals und verursachen Phasenrauschen, Jitter, usw. im Sensorausgangssignal.

Daher wird aus dem oben genannten Stand der Technik deutlich, dass die Auswertung der Sensorsignale der Magnetfeldsensorelemente zur Ermittlung der Drehrichtung des Geberobjekts relativ aufwendig bzw. auch die Bestimmung der Geschwindigkeit, des Drehwinkels oder der Drehrichtung nicht immer ausreichend genau ist.

Die Patentveröffentlichung US-2003/0205998 A1 bezieht sich auf eine Sensoranordnung unter Verwendung differenzieller Erfassungselemente zum Erfassen der Bewegungsrichtung eines sich drehenden Objekts. Die Sensoranordnung umfasst ein Geberzahnrad, einen Magneten und zwei oder mehr Erfassungselemente, die zwischen dem Geberzahnrad und dem Magneten angeordnet sind. Der Magnet und die Erfassungselemente sind nun derart konfiguriert, dass, wenn sich das Geberzahnrad dreht, jedes der Erfassungselemente ein jeweiliges asymmetrisches Signal relativ zu der Drehrichtung des Geberzahnrads oder eines Objekts, das mit dem Zahnrad mechanisch verbunden ist, ausgibt, wobei jeweils nur die die beiden Erfassungselemente durchdringenden Magnetfeldkomponenten in der gleichen Magnetfeldkomponentenrichtung erfasst werden, um die asymmetrischen Ausgangssignale zu erzeugen.

Die Patentveröffentlichung EP1324050 A2 bezieht sich auf eine Anordnung zum Detektieren der Bewegung eines Encoders. Darin ist eine Sensoranordnung dargestellt, bei der senkrecht zu der zylindrischen Mantelfläche eines Encoders ein magnetoresistives Sensorelement bestehend aus einer Brückenschaltung mit vier magnetoresistiven Widerständen angeordnet ist. Dem Sensorelement ist ferner ein Arbeitsmagnet zugeordnet, der an der Rückseite des Sensorelements befestigt ist. Das magnetoresistive Sensorelement weist eine Messrichtung entlang der y-Koordinatenachse auf, wobei die Feldkomponente des Magnetfeldes H in der in Richtung der y-Koordinatenachse liegenden Messrichtung als das Messfeld bezeichnet wird, so dass jeweils nur die vertikale Magnetfeldkomponente, d.h. die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Oberfläche des Magnetfeldsensorelements, verwendet wird, wobei die magnetische Empfindlichkeit aller verwendeten Sensoreinzelelemente bezüglich der gleichen Magnetfeldkomponentenrichtung ausgerichtet ist.

Die Patentveröffentlichung EP 0788 573 B1 bezieht sich beispielsweise auf Ventile und insbesondere eine zugehörige Sensoreinrichtung mit zwei Magnetfeldsensoren. Die beiden Magnetfeldsensoren sind um die Mittelachse einer Welle jeweils winkelmäßig um 90° versetzt und entfernt voneinander angeordnet. Wenn die Welle mit den Magnetfeldsensoren gedreht wird, variiert das Ausgangssignal von jedem Sensor mit dem Drehwinkel der Welle sinusförmig, da sich die Sensoren innerhalb des Umgebungsmagnetfeldes ebenfalls drehen. Die Sensoren sind also mit der Welle starr verbunden, um die zu erfassende Drehung der Welle zusammen mit derselben ausführen. Basierend auf der Phasenbeziehung zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Sensoren soll nun die Drehrichtung und/oder der Drehwinkel der Welle ermittelt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept zur Ermittlung der relativen Richtung eines Geberobjekts zu schaffen, wobei dieses Konzept insbesondere unempfindlich gegen Positionierungstoleranzen der Magnetfeldsensorelemente und unempfindlich bezüglich des Einflusses von Störfeldern auf die Magnetfeldsensorelemente und damit auf die Ermittlung der relativen Richtung ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 22 und durch ein Computer-Programm gemäß Anspruch 23 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer momentanen relativen Richtung eines Geberobjekts in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds umfasst eine erste Einrichtung zum Erfassen eines Verlaufs einer ersten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds, eine zweite Einrichtung zum Erfassen eines Verlaufs einer zweiten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds, und eine Einrichtung zum Auswerten des Verlaufs der ersten Magnetfeldkomponente und der zweiten Magnetfeldkomponente, um die momentane, relative Richtung des Geberobjekts zu ermitteln, wobei die erste Magnetfeldkomponente und die zweite Magnetfeldkomponente winkelmäßig zueinander versetzt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfeldes wird ein Verlauf einer ersten Magnetfeldkomponente (Hx) und ein Verlauf einer zweiten Magnetfeldkomponente (Hy) erfasst. Daraufhin werden der Verlauf der ersten Magnetfeldkomponente (Hx) und der zweiten Magnetfeldkomponente (Hy) ausgewertet, um die momentane, relative Richtung des Geberobjekts zu ermitteln, wobei die erste Magnetfeldkomponente (Hx) und die zweite Magnetfeldkomponente (Hy) winkelmäßig zueinander versetzt sind.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere bei dem Auswerten des Verlaufs der ersten Magnetfeldkomponente und der zweiten Magnetfeldkomponente ein Wendepunkt und insbesondere ein Nulldurchgang eines der Verläufe der Magnetfeldkomponenten und die Richtung des Signalverlaufs im Wendepunkt ermittelt, woraufhin der Momentanwert und insbesondere das Vorzeichen des jeweils anderen Verlaufs der Magnetfeldkomponente überprüft wird, wobei jeder Momentanwert (Vorzeichen) in bezug auf den im Wendepunkt abgetasteten Verlauf der Magnetfeldkomponente jeweils einer Drehrichtung fest zugeordnet ist.

Ferner wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass der Verlauf der ersten Magnetfeldkomponente zu dem Verlauf der zweiten Magnetfeldkomponente um 90° (&pgr;/2) phasenverschoben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, mit zwei Magnetfeldsensoreinrichtungen, die vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, den Verlauf einer ersten Magnetfeldkomponente und einer zweiten Magnetfeldkomponente, die winkelversetzt und vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zueinander sind, zu erfassen, wodurch das durch die erste Magnetfelderfassungseinrichtung und das durch die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung erhaltene erste und zweite Auswertesignal um einen entsprechenden Phasenwinkel und insbesondere einen Phasenwinkel von 90° zueinander phasenverschoben sind, so dass mittels dieser beiden um einen vorgegebenen Phasenwinkel und insbesondere um 90°-phasenverschobenen Auswertesignale sowohl die relative Geschwindigkeit als auch die relative Richtung des Geberobjekts bezüglich der Erfassungseinrichtungen bestimmt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es also mittels zweier unterschiedlicher Magnetfeldsensorelemente möglich, die bezüglich zwei unterschiedlicher Magnetfeldkomponenten empfindlich sind und die vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, unterschiedliche Magnetfeldkomponenten, d.h. vorzugsweise eine horizontale und eine vertikale Magnetfeldkomponente bezüglich der Geberobjektebene, im wesentlichen in einem Punkt zu erfassen, und in Abhängigkeit der zwei unterschiedlichen Magnetfeldkomponenten zwei Auswertesignale zu erzeugen, die phasenverschoben und vorzugsweise um 90° zueinander phasenverschoben sind, wobei insbesondere diese beiden Auswertesignale Informationen über die relative Geschwindigkeit (z.B. relative Drehgeschwindigkeit) und/oder die relative Richtung (z.B. relative Drehrichtung) des Geberobjekts bezüglich der Magnetfeldsensorelemente aufweisen und entsprechend ausgewertet werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun ausgenutzt, dass die beiden Komponenten des Magnetfeldes sowohl bei einer Backbias-Anordnung als auch bei einer Polradanwendung die Extremwerte (Maxima und Minima) der vertikalen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes, örtlich betrachtet bzgl. der Geberobjektebene, immer dort liegen, wo die horizontale Feldkomponente des Magnetfeldes ihren Wendepunkt bzw. Nulldurchgang hat.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, die Wendepunkte bzw. Nulldurchgänge des Verlaufs der ersten Magnetfeldkomponente (z.B. in Form des ersten Auswertesignals) und die Richtung der Signalverläufe in den Wendepunkten zu bestimmen, wobei der Verlauf der zweiten Magnetfeldkomponente (z.B. in Form des zweiten Auswertesignals) in Abhängigkeit von der Phasenlage der bestimmten Wendepunkte bzw. Nulldurchgänge und deren Richtung des ersten Auswertesignals untersucht wird.

Aus den erhaltenen Informationen, d.h. den Wendepunkten und den dortigen Richtungen des Signalverlaufs des ersten Auswertesignals und den Momentanwerten bzw. Vorzeichen des Signalverlaufs des zweiten Auswertesignals, kann dann die Drehrichtung des Geberobjekts ermittelt werden, da diesen Informationen des ersten und zweiten Auswertesignals die Drehrichtung des Geberobjekts fest zugeordnet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden also zwei verschiedene Magnetfelderfassungselemente verwendet, die vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, wobei ein Magnetfeldsensorelement bezüglich der vertikalen Magnetfeldkomponente empfindlich ist, und das zweite Magnetfelderfassungselement bezüglich der horizontalen Magnetfeldkomponente empfindlich ist, so dass beispielsweise die Bewegungs- oder Drehrichtung eines Geberobjekts dadurch bestimmt werden kann, indem die vertikale Feldkomponente in zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der horizontalen Feldkomponente gemessen beziehungsweise abgetastet wird, und diese beiden Werte voneinander subtrahiert werden. Das Vorzeichen bzw. der Momentanwert dieser Differenz repräsentiert nun die Bewegungs- bzw. Drehrichtung des Geberobjekts.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann auch eine differentielle Ausführung der beiden unterschiedlichen Magnetfeldsensorelemente verwendet werden, wobei jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente des gleichen Typs vorzugsweise im Abstand des Pitches, d.h. im Abstand der Zähne bei einer Backbias-Anordnung oder im Abstand der Polpaare bei einer Polradanwendung, auf einem integrierten Halbleiterchip angeordnet sind. Die zwei unterschiedlichen Sensorelemente sind vorzugsweise wieder unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Von den Signalverläufen der beiden Magnetfeldsensorelemente eines Typs wird nun jeweils die Differenz gebildet und ausgewertet.

Diese weitere erfindungsgemäße Anordnung ändert aber im wesentlichen nichts an den Verhältnissen, d.h. Phasenlagen, der jeweiligen Signale, welche aus der vertikalen Magnetfeldkomponente und der horizontalen Magnetfeldkomponente gebildet werden. Es kann daher die Auswertung erfolgen, wie dies bereits im vorhergehenden beschrieben wurde, wobei es bei dieser weiteren erfindungsgemäßen Vorgehensweise aber äußerst vorteilhaft ist, dass eine Verdopplung der Signalverläufe der Auswertesignale erreicht wird, und ferner, dass der Signalverlauf, welcher aus der vertikalen Feldkomponente generiert wird, vom Offset befreit ist. Dadurch sind die beiden Differenzsignale, die aus der vertikalen und horizontalen Magnetfeldkomponente erhalten werden, auch bei einer Backbias-Anordnung äquivalent und können in ihrer Funktion auch vertauscht werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

2a–b beispielhafte Verläufe der Magnetfeldlinien bezüglich eines Zahnrads bei der Verwendung eines Backbias-Magneten und der entsprechenden Verläufe der magnetischen Feldstärkekomponenten;

3 beispielhafte Verläufe der vertikalen und horizontalen Magnetfeldkomponenten bei der Verwendung eines Polrades;

4 eine mögliche Realisierung einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer ersten und zweiten Magnetfeldkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung;

5 eine Prinzipdarstellung einer Schaltungsanordnung zur Auswertung von Geschwindigkeit und Richtung eines Geberobjekts gemäß der vorliegenden Erfindung;

6a–f die erhaltenen Signalverläufe bei der Auswertung von Geschwindigkeit und Richtung eines Geberobjekts mit der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

7 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der Geschwindigkeit und Richtung eines Geberobjekts mittels einer differentiellen Anordnung der Magnetfelderfassungseinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;

8a–b prinzipielle Verläufe der Magnetfeldkomponenten bei einem Polrad und die entsprechenden Signale bei der Richtungserkennung gemäß der Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung bzgl. des weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und

9 eine Prinzipdarstellung einer bekannten Sensoranordnung zur Magnetfelderfassung eines Geberzahnrads gemäß dem Stand der Technik.

Bezug nehmend auf die 1, 2a–b, 3 wird nun ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts beschrieben. Als Geberobjekt ist im allgemeinen jeder Gegenstand aus einem ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Material anzusehen, der in seiner Umgebung das vorhandene Magnetfeld beeinflusst oder ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte ferner beachtet werden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Richtung eines Geberobjekts vorzugsweise bei Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen ein Magnetfeld zur Detektion von Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und Richtung bzw. Drehrichtungen eines Geberobjekts verwendet wird. So können erfindungsgemäß als Geberobjekte sogenannte Zahnräder oder Zahnstangen in Verbindung mit einem Backbias-Magneten eingesetzt werden, wobei der Backbias-Magnet ein Hintergrundmagnetfeld erzeugt, das durch die Zahnradanordnung, d.h. hervorstehende Zähne und zurückversetzte Vertiefungen (Lücken), definiert ist bzw. beeinflusst wird, wobei der Abstand der Zähne bei diesen sogenannten Backbias-Anordnungen von Zahnrädern bzw. Zahnstangen als sogenannter „Pitch"-Abstand bezeichnet wird.

Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung genauso auf sogenannte Polradanwendungen, wie z.B. Polräder oder Polstangen mit magnetisierten Polen, anwendbar ist, wobei Polräder bzw. Polstangen nebeneinander angeordnete, magnetische Nord- und Südpole einer periodischen permanentmagnetisierten Struktur darstellen. In der Nähe der Oberfläche des Polrades verlaufen die Feldlinien des Magnetfeldes (in Luft) gerichtet von dem magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol der Polradstruktur. Die unterschiedlich Permanentmagnetisierten Bereiche sind üblicherweise gleich groß, wobei in diesem Fall der Abstand der Polpaare bei einer Polradanwendung als sogenannter „Pitch"-Abstand bezeichnet wird.

Die folgende Beschreibung und insbesondere die Darstellungen in 2a–b, 3 werden rein beispielhaft Bezug nehmend auf eine Zahnrad- bzw. Zahnstangenanordnung mit periodisch aufeinanderfolgenden Zähnen und Vertiefungen dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf die oben dargestellten Polrad- bzw. Polstangenanwendungen oder entsprechende Anordnungen anwendbar ist, mit dem entsprechende Magnetfelder bzw. entsprechende Magnetfeldkomponenten erzeugt werden können.

Wie in 1 dargestellt ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung 102, die abhängig von dem ermittelten Verlauf einer ersten Magnetfeldkomponente Hx als ein Ausgangssignal S1 ein erstes Auswertesignal an ihrem Ausgang 102a bereitstellt, und ferner eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 104 zum Erfassen einer zweiten Magnetfeldkomponente Hy, wobei die zweite Erfassungseinrichtung 104 an einem Ausgang 104a ein Ausgangssignal S2 in Form eines zweiten Auswertesignals bereitstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung 106 zum Auswerten des ersten und zweiten Auswertesignals S1 und S2, die den Verlauf der ersten Magnetfeldkomponente und der zweiten Magnetfeldkomponente im Bereich der ersten und zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung wiedergeben, um an einem ersten Ausgang 106a ein Ausgangssignal S3 auszugeben, das Informationen über die Richtung eines Geberobjekts 107 enthält, und optional an einem weiteren Ausgang 106b ein weiteres Ausgangssignal S4 ausgibt, das Informationen über die Geschwindigkeit (oder Drehzahl usw.) des Geberobjekts aufweist.

Bezüglich 1 sollte beachtet werden, dass die dort gezeigte Darstellung keine geometrischen Beziehungen zwischen den einzelnen gezeigten Elementen vorgibt, sondern lediglich funktionale Zusammenhänge gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 vermitteln soll.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 2a–b, 3 die Funktionsweise der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts dargestellt, wobei die Ermittlung in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds vorgenommen wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird nun die Tatsache ausgenutzt, dass bei Applikationen, bei denen ein Magnetfeld H zur Detektion der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und der Richtung bzw. Drehrichtung eines Geberobjekts, wie z.B. eines Zahnrades, einer Zahnstange, eines Polrades, einer Polstange, verwendet wird, die Komponenten des von dem Geberobjekt erzeugten bzw. beeinflussten Magnetfeldes H in der Geberobjektebene (Draufsicht bzw. Zeichenebene in 2a) und senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts, die im folgenden als x-Komponente oder horizontale Komponente Hx des Magnetfeldes bezeichnet wird, und die Komponente des Magnetfeldes senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung und parallel zu dieser Geberobjektebene, die im folgenden als y-Komponente oder vertikale Komponente Hy des Magnetfeldes bezeichnet wird, die Eigenschaft haben, dass der Verlauf der vertikalen Komponente Hy des Magnetfeldes in der Objektebene (bezüglich der Oberfläche des Geberobjektes 107) dort seine Extremwerte, d.h. Maxima oder Minima aufweist, wo der Verlauf der horizontalen Komponente Hx des Magnetfeldes ihre Wendepunkte bzw. Nulldurchgänge aufweist.

2a zeigt nun beispielsweise den Verlauf der magnetischen Feldlinien über einen Ausschnitt eines Zahnrades 107, d.h. bezogen auf mehrere Zähne und Lücken eines Zahnrades, bei der Verwendung eines Backbias-Magneten (Hintergrundmagneten), wobei 2b beispielhaft den Verlauf der Magnetfeldkomponenten des magnetischen Feldes in der vertikalen Richtung „y" als Verlauf Hy und in der horizontalen Richtung „x" als der Verlauf Hx darstellen.

Die horizontale Richtung „x" ist parallel zur Bewegungsrichtung (bzw. Tangente der Bewegungsrichtung) des Geberobjekts, wobei die vertikale Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Geberobjekts und parallel zur Geberobjektebene (Zeichenebene von 2a) ist. Die Verläufe von 2b behalten auch bei der Verwendung eines Polrades oder einer Polstange, d.h. eines Rades oder einer Stange mit einer abwechselnden Nord-Süd-Magnetisierung am Umfang bzw. bezüglich der Länge, im Prinzip ihre Gültigkeit bei. Ein wesentlicher Unterschied bei der Verwendung eines Polrades bzw. einer Polstange besteht aber darin, dass der Verlauf Hy der vertikalen Komponente des Magnetfeldes keine Offset aufweist, sondern wie der Verlauf Hx der horizontalen Komponente des Magnetfeldes symmetrisch zur Nulllinie ist, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist. Dadurch hat auch der Verlauf Hy der vertikalen Komponente Nulldurchgänge an der Position seiner Wendepunkte.

Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung bzgl. der horizontalen und vertikalen Magnetfeldkomponente Hx, Hy zusammenfassend festgestellt werden, dass der Verlauf der horizontalen Komponente Hx und der vertikalen Komponente Hy des Magnetfeldes immer dort ihre Extremwerte, d.h. Maxima und Minima aufweisen, wo der Verlauf der jeweils anderen Komponente des Magnetfeldes ihre Wendepunkte und vorzugsweise auch ihre Nulldurchgänge aufweist.

Wie nun in 2a dargestellt ist, ist die erste und zweite Erfassungseinrichtung 102, 104 im wesentlichen senkrecht zur relativen Richtung des Geberobjekts (x-Richtung in 2a) in einem vorgegebenen Abstand d1 von dem Geberobjekt 107 beabstandet angeordnet. Der Abstand d1 sollte möglichst gering sein und konstant gehalten werden, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten.

Typische Größenordnungen für den Abstand d1 liegen je nach Anwendungsfall beispielsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 5 mm und vorzugsweise in einem Bereich von 0,5–2 mm. Typische Feldstärken der auftretenden Magnetfelder liegen abhängig von dem verwendeten Gebermagneten und dessen Abstand von den Erfassungselementen beispielsweise in einem Bereich von 200 &mgr;T bis 200 mT. Typische Feldstärken des Gebermagneten liegen beispielsweise in einem Bereich von 200 bis 500 mT.

Die erste und die zweite Erfassungseinrichtung 102, 104 sind nun so auf einem Träger, wie z.B. einem Halbleitersubstrat, angeordnet, dass beispielsweise die erste Erfassungseinrichtung 102 den Verlauf der horizontalen Komponente Hx des Magnetfeldes und die zweite Erfassungseinrichtung 104 den Verlauf der vertikalen Komponente Hy des Magnetfeldes, das durch das Geberobjekt 107 beeinflusst bzw. erzeugt wird, erfassen kann, um ein erstes und zweites Auswertesignal S1, S2 zu erzeugen. Definitionsgemäß wird nun für die folgende Beschreibung angenommen, dass die erste Magnetfeldkomponente als der Verlauf Hx der horizontalen Komponente des Magnetfeldes im wesentlichen parallel zur relativen Richtung des Geberobjekts 107 verläuft, wobei die zweite Magnetfeldkomponente als Verlauf Hy im wesentlichen senkrecht zur relativen Richtung des Geberobjekts 107 und in Richtung der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung verläuft. Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass es lediglich wichtig ist, dass die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 102, 104 jeweils unterschiedliche (winkelversetzte) Magnetfeldkomponenten erfassen können.

Damit der erfasste Verlauf Hx der horizontalen Magnetfeldkomponente und der erfasste Verlauf Hy der vertikalen Magnetfeldkomponente auf einfache Weise in Beziehung gebracht werden können, sind die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung bezüglich der relativen Richtung des Geberobjekts unmittelbar nebeneinander bzw. übereinander angeordnet. Ferner sollte beachtet werden, dass die horizontale Ausdehnung der ersten und/oder zweiten Erfassungseinrichtung 102, 104 bezüglich eines „Pitch" eines Zahnrades bzw. Polrades relativ klein ist, d.h. vorzugsweise weniger als 20% der Pitch-Länge betragen sollte. Ferner sollte beachtet werden, dass, falls die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 102, 104 nebeneinander angeordnet sind, der Mittenabstand der beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen vorzugsweise weniger als 20% der Pitch-Länge betragen sollte. Sind die erste und zweite Erfassungseinrichtung 102, 104 übereinander angeordnet, sollte deren vertikaler Abstand bezüglich der Erfassungsebene der beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen einen vorgegebenen Wert, der beispielsweise kleiner als 10% der Pitch-Länge ist, in der Praxis nicht überschreiten. Dabei ist natürlich auch der Abstand d1 zwischen Geberobjekt und Erfassungseinrichtungen zu berücksichtigen.

Für eine ausreichende Messgenauigkeit kann somit angenommen werden, dass die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 102, 104 in einem Punkt bzgl. des zu untersuchenden Magnetfelds des Geberobjekts 107 angeordnet sind.

Wie bereits oben angegeben wurde, kann das Geberobjekt 107, dessen Richtung und optional auch dessen Geschwindigkeit bestimmt werden soll, in Form eines Zahnrads oder einer Zahnstange mit einem Backbias-Magneten ausgeführt sein, wobei das Zahnrad oder die Zahnstange eine Mehrzahl von Zähnen und Vertiefungen, die abwechselnd angeordnet sind aufweist, um das Magnetfeld des Backbias-Magneten zu beeinflussen. Ferner ist es möglich, dass das Geberobjekt als ein Polrad oder eine Polstange ausgebildet ist, wobei die magnetischen Pole abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, und das zur untersuchende Magnetfeld erzeugen. Die relative Richtung des Geberobjekts 107 ist nun die relative Bewegungsrichtung oder Drehrichtung des Geberobjekts 107 relativ zu der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung, wobei die relative Geschwindigkeit die relative Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Längsgeschwindigkeit oder Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit des Geberobjekts 107 relativ zu der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung 102, 104 ist. Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass eine relative Bewegung bzw. Richtung bedeutet, dass entweder das Geberobjekt 107 bezüglich den Erfassungseinrichtungen 102, 104 oder auch die Erfassungseinrichtungen 102, 104 bezüglich des Geberobjekts 107 bewegt werden können.

Bezüglich der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts 107 in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt 107 beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds wird nun auf die Auswertung des ersten und zweiten Auswertesignals S1 (Sx) und S2 (Sy) der ersten und zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung 102, 104 eingegangen.

Zur weiteren Erläuterung sind nun in 2b, 3 das erste und zweite Auswertesignal Sx und Sy über der Zeitachse beispielhaft, schematisch aufgetragen, wobei im wesentlichen von sinusförmigen Verläufen der Auswertesignale Sx und Sy ausgegangen werden kann. Das in 2b dargestellte Diagramm bezieht sich dabei auf die Verwendung eines Zahnrades mit einer Backbias-Magnetanordnung, so dass der Verlauf des Auswertesignals Sy durch das Hintergrundmagnetfeld des Backbias-Magneten um einen Offsetwert Sy-offset versetzt ist, während der Signalverlauf des Auswertesignals Sx in seinen Wendepunkten gleichzeitig Nulldurchgänge aufweist.

Bei den in 3 dargestellten Verläufen der beiden Auswertesignale Sx und Sy wurde eine Polrad-Anordnung verwendet, so dass auch das Auswertesignal Sy, das proportional zu dem Verlauf Hy der vertikalen Komponente des Magnetfeldes ist, in seinen Wendepunkten prinzipiell auch immer einen Nulldurchgang aufweist.

Aus den oben in 2b und 3 dargestellten, prinzipiellen Verläufen der Auswertesignale Sx, Sy für Zahnradanordnungen bzw. Polradanordnungen kann nun die Richtung des Geberobjekts festgestellt werden, in dem die im folgenden erläuterte Bewertung der Auswertesignale Sx, Sy durchgeführt wird.

Um die Richtung des Geberobjekts 107 zu bestimmen wird erfindungsgemäß ein Wendepunkt im Verlauf eines der Auswertesignale Sx, Sy und die dazu gehörende Richtung des Durchschreitens des Wendepunkts dieses Auswertesignals ermittelt. Daraufhin wird nun der Momentanwert bzw. das Vorzeichen des jeweils anderen Auswertesignals in Abhängigkeit der ermittelten Phasenlage des Wendepunkts überprüft, wobei jedem Momentanwert des anderen Auswertesignals, der in Abhängigkeit der Phasenlage des Wendepunkts ermittelt wurde, unter Berücksichtigung der Signalrichtung im Wendepunkt jeweils eine Drehrichtung des Geberobjekts fest zugeordnet werden kann.

Aus den 2b, 3 wird deutlich, dass das erste und zweite Auswertesignal Sx und Sy um 90° (&pgr;/2) zueinander phasenverschoben sind.

Ausgehend nun von der 2b, die die Auswertesignale Sx, Sy bei einer Zahnradanordnung mit einem Backbias-Magneten prinzipiell darstellt, kann nun beispielsweise ausgehend von dem Signalverlauf des Auswertesignals Sx der Wendepunkt P1 mit der Steigung bzw. Richtung im Wendepunkt ermittelt werden, wobei nun mit dem zugehörigen Momentanwert des Verlaufs des Auswertesignals Sy die Drehrichtung des Zahnrads bestimmt werden kann.

Die Ermittlung des Geberobjekts kann auch ausgehend von dem Auswertesignal Sy vorgenommen werden, indem ein Wendepunkt und die Steigung bzw. Richtung des Verlaufs des Auswertesignals in diesen Wendepunkt ermittelt wird und ferner der Momentanwert des Verlaufs des Auswertesignals Sx bewertet wird.

Besonders vorteilhaft ist, wenn beide Auswertesignale ihre Wendepunkte in Nulldurchgängen des Verlaufs der Auswertesignale Sx, Sy haben, wie dies in der 3 dargestellt ist, die die Auswertung mittels einer Polradanordnung darstellt. Bei dieser Anordnung entsprechen die Wendepunkte sowohl des ersten als auch zweiten Auswertesignals den Nulldurchgängen des Verlaufs des ersten und zweiten Auswertesignals Sx, Sy.

Dadurch kann eine Ermittlung der Wendepunkte der Auswertesignale und der entsprechenden Richtung (Steigung) in diesen Wendepunkten (Nulldurchgängen) noch einfacher durchgeführt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung verwendet, die bezüglich einer ersten und zweiten Magnetfeldkomponente des zu untersuchenden Magnetfelds eines Geberobjekts, dessen relative Bewegungsrichtung bzw. relative Bewegungsgeschwindigkeit, ermittelt werden soll, empfindlich sind. So ist die erste Magnetfelderfassungseinrichtung 102 ausgeführt, um die horizontale Komponente Hx des Magnetfelds zu erfassen, während die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 104 ausgeführt ist, um die vertikale Komponente Hy des Magnetfelds zu erfassen, so dass man zwei Auswertesignale S1 (=Sx) und S2 (=Sy) erhalten kann, die um im wesentlichen 90° zueinander phasenverschoben sind und die relevanten Informationen enthalten, um die Bewegungsrichtung bzw. Rotationsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Geberobjekts 107 bestimmen zu können.

Zur Messung der horizontalen bzw. vertikalen Komponenten Hx, Hy des Magnetfelds H können beispielsweise alle lateralen bzw. vertikalen Hallsonden, alle xMR-Sensoren (AMR-, GMR-, TMR-, CMR-Sensoren; AMR = anisotropic magnetoresistance, GMR = giant magnetoresistance, TMR = tunnel magnetoresistance, CMR = colossal magnetoresistance), Magnetwiderstände, Magnetotransistoren (MAGFETs), Giant-Planar-Halleffektsensoren, Spintransistoren, GMI-Elemente (GMI = Giant Magnetic Impedance) oder Magnetdioden entsprechend angeordnet und eingesetzt werden. Es sollte aber beachtet werden, dass die obige Aufzählung nicht umfassend ist, wobei bzgl. der vorliegenden Erfindung im wesentlichen alle magnetfeldempfindlichen Elemente eingesetzt werden können.

So werden vorzugsweise zur Messung der horizontalen Komponenten Hx des Magnetfelds vertikale Hallsonden, xMR-Sensoren, Giant-Planar-Halleffektsensoren, Spintransistoren oder GMI-Elemente eingesetzt werden. Zur Erfassung der vertikalen Komponente Hy des Magnetfelds werden vorzugsweise laterale Hallsonden, Magnetwiderstände, Magnetotransistoren (MAGFETs) oder Magnetdioden eingesetzt.

Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte jedoch deutlich werden, dass die erste und zweite Erfassungseinrichtung 102, 104 lediglich in der Lage sein sollten, die unterschiedlichen Komponenten Hx, Hy des zu untersuchenden Magnetfeldes erfassen zu können, wobei die jeweilige Ausführungsform der Magnetfelderfassungselemente für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist. Es ist lediglich wichtig, dass unterschiedliche Komponenten und vorzugsweise die um 90° winkelversetzten Komponenten, wie sie in 2a bzgl. der Zeichenebene dargestellt sind, des Magnetfelds durch die Magnetfeldsensorelemente 102, 104 erfassbar sind.

Ein sehr einfaches Beispiel für eine erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 102, 104, die unmittelbar benachbart zueinander und insbesondere übereinander angeordnet sind, ist in 4 beispielhaft dargestellt, wobei eine laterale Hallsonde 104 in der Mitte eines integrierten Halbleitersensor-ICs positioniert ist, wobei über der lateralen Hallsonde ein xMR-Sensor 102, beispielsweise mittels Abscheidung, gebildet ist. Die in 4 dargestellte Anordnung kann mit üblichen Halbleiterherstellungsschritten relativ einfach hergestellt werden.

So kann beispielsweise der aktive n-Typ-Halbleiterbereich der Hallsonde 104 mittels Implantation in einem p-Typ-Halbleitersubstrat hergestellt und ferner mit Kontaktanschlussflächen versehen werden, woraufhin auf einer abgeschiedenen Oxidschicht die xMR-Schicht 102 aus einem magnetoresistiven Material beispielsweise mittels Sputtern aufgebracht wird, und mit Kontaktanschlüssen versehen wird.

Im folgenden wird nun Bezug nehmend auf die 5 und 6 eine mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts (nicht gezeigt in 5) in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds detailliert erläutert.

In der folgenden Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung werden für entsprechende Schaltungselemente bezüglich der vorhergehenden Beschreibung wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine erneute detaillierte Beschreibung dieser Schaltungselemente im folgenden verzichtet wird.

Die in 5 in Form eines Prinzipschaltbilds dargestellte Schaltungsanordnung 100 zur Auswertung der Richtung und optional der Geschwindigkeit eines Geberobjekts umfasst wieder eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung 102 zum Erfassen eines Verlaufs einer ersten Magnetfeldkomponente Hx und ferner eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 104 zum Erfassen des Verlaufs einer zweiten Magnetfeldkomponente Hy. Ferner weist die Anordnung von 5 eine Einrichtung 106 zum Auswerten des Verlaufs der ersten Magnetfeldkomponente Hy und der zweiten Magnetfeldkomponente Hx auf, wobei die Einrichtung 106 vorzugsweise ein Ausgangssignal S3, das Informationen bezüglich der Richtung des Geberobjekts aufweist, und optional ein Ausgangssignal S4 bereitstellt, das Informationen über die Geschwindigkeit des Geberobjekts enthält.

Wie in 5 dargestellt ist, ist die erste Magnetfelderfassungseinrichtung 102 zum Erfassen des Verlaufs Hx der horizontalen Komponente des Magnetfelds als eine Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) mit vier Widerständen R1–R4 ausgebildet, die paarweise einen Spannungsteiler bilden und an der Brückenspeisespannung Vs liegen. Die Widerstände R2 und R3 der Brückenschaltung sind als Widerstandselemente aus einem magnetoresistiven Material (xMR-Elemente) ausgebildet, so dass diese Brückenschaltung im folgenden als xMR-Brückenschaltung bezeichnet wird. Die Brückendiagonalspannung dient bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als das Ausgangssignal S1 (Auswertesignal) der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 102. Die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 104, die zur Erfassung des Verlaufs Hy der vertikalen Komponente des Magnetfelds vorgesehen ist, ist als eine laterale Hall-Sonde 108 ausgebildet, wobei zwischen zwei Steueranschlüssen der Hall-Sonde die Versorgungsspannung VS anliegt, und an den Ausgangsanschlüssen der Hall-Sonde das Ausgangssignal S2 (Auswertesignal Sy) bereitgestellt wird.

Gemäß der Schaltungsanordnung 100 von 5 umfasst die Auswerteeinrichtung 106 eine Komparatoreinrichtung 110 mit einem ersten Eingangsanschluss 110a (positiver Eingang) und einem zweiten Eingangsanschluss 110b (negativer Eingang), und einen Ausgangsanschluss 110c, eine Verstärkereinrichtung 112 mit einem ersten Eingangsanschluss 112a (positiver Eingang), einem zweiten Eingangsanschluss 112b (negativer Eingang) und einem Ausgangsanschluss 112c, einen Änderungsdetektor 114 (Signalverlaufauswerteeinrichtung) mit einem ersten Eingang 114a und einem ersten bis dritten Ausgangsanschluss 114b–d eine erste Schaltereinrichtung 116 mit einem Eingangsanschluss 116a, einem Ausgangsanschluss 116b und einem Steueranschluss 116c, eine zweite Schaltereinrichtung 118 mit einem Eingangsanschluss 118a, einem Ausgangsanschluss 118b und einem Steueranschluss 118c, eine erste Speichereinrichtung 120 mit einem Eingangsanschluss 120a und einem Ausgangsanschluss 120b, eine zweite Speichereinrichtung 122 mit einem ersten Anschluss 122a und einem zweiten Anschluss 122b, eine Kombinationseinrichtung 124 mit einem ersten Eingangsanschluss 124a, einem zweiten Eingangsanschluss 124b und einem Ausgangsanschluss 124c, eine dritte Schaltereinrichtung 126 mit einem Eingangsanschluss 126a, einem Ausgangsanschluss 126b und einem Steueranschluss 126c. Die Auswerteeinrichtung 106 umfasst ferner einen Ausgangsanschluss 106a zum Bereitstellen eines Signals S3, das Informationen bezüglich der Richtung des Geberobjekts 107 umfasst, und ferner optional einen Ausgangsanschluss 106b, an dem ein Ausgangssignal S4 bereitgestellt werden kann, das Informationen über die Geschwindigkeit des Geberobjekts 107 enthält.

Wie in 5 dargestellt ist, wird der Komparatoreinrichtung 110, die vorzugsweise als ein Nullpunktkomparator ausgebildet ist, eingangsseitig das Auswertesignal S1 (Sx) der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 102 bereitgestellt, wobei die Komparatoreinrichtung 110 ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluss 106b und dem Eingangsanschluss 114a des Änderungsdetektors 114 verbunden ist. Dem Verstärker 112 wird eingangsseitig das Auswertesignal S2 (Sy) der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung 104 in Form der Hallsonde 108 bereitgestellt, wobei der Ausgangsanschluss 112c der Verstärkereinrichtung 112 mit dem Eingangsanschluss 116a der ersten Schaltereinrichtung und dem Eingangsanschluss 118a der zweiten Schaltereinrichtung 118 verbunden ist. Der erste und zweite Ausgangsanschluss 114b, 114c des Änderungsdetektors 114 ist mit dem Steueranschluss 116c bzw. dem Steueranschluss 118c der ersten Schaltereinrichtung 116 bzw. der zweiten Schaltereinrichtung 118 verbunden.

Der Ausgangsanschluss 116b der ersten Schaltereinrichtung ist mit dem Eingangsanschluss 120a der ersten Abtastwert-Speichereinrichtung 120 verbunden, wobei der Ausgangsanschluss 118b der zweiten Schaltereinrichtung 118 mit dem Eingangsanschluss 122a der zweiten Abtastwert-Speichereinrichtung verbunden ist. Der Ausgangsanschluss 120b und der Ausgangsanschluss 122b der ersten und zweiten Abtastwert-Speichereinrichtung 120, 122 sind mit den Eingangsanschlüssen 124a bzw. 124b der Kombinationseinrichtung 124 verbunden und stellen die Signalwerte A1 bzw. A2 bereit. Der Ausgangsanschluss 124c der Kombinationseinrichtung 124 ist mit dem Eingangsanschluss 126a der dritten Schaltereinrichtung 126 verbunden, wobei der Steueranschluss 126c der dritten Schaltereinrichtung 126 mit dem Ausgangsanschluss 114d des Änderungsdetektors 114 verbunden ist. Der Ausgangsanschluss 126b der dritten Schaltereinrichtung 126 ist mit dem Ausgangsanschluss 106a der Auswerteeinrichtung 100 verbunden, um das Ausgangssignal S3 bereitzustellen, das Informationen über die Richtung des Geberobjekts enthält.

In 6a–f sind einige signifikante Signalverläufe der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung 100 beispielhaft dargestellt.

Der Signalverlauf Sy (6a) gibt das Ausgangssignal der zweiten Magnetfelderfassungsvorrichtung 104 wieder. Der Signalverlauf Sx (6b) gibt das Ausgangssignal der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 102 wieder. Der Signalverlauf K1 (6c) gibt das Ausgangssignal der Komparatoreinrichtung 110 wieder. Die Signalverläufe A1 und A2 (6d–e) geben die in den Abtastwert-Speichereinrichtungen 120, 122 gespeicherten Abtastwerte über der Zeit wieder. Der Signalverlauf R (6f) gibt das Signal an dem Ausgangsanschluss 106a der Auswerteeinrichtung wieder.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung 100 in Verbindung mit den in 6a–f dargestellten Signalverläufen bei einem Rechtslauf eines Zahnrades bzw. einer Zahnstange erläutert.

Wie in 5 dargestellt ist, ist die erste Magnetfelderfassungseinrichtung 102 vorzugsweise als eine Brückenschaltung R1–R4 ausgebildet, wobei zwei magnetoresistive Elemente R2, R3 vorgesehen sind, um die horizontale Komponente Hx des Magnetfelds zu erfassen. Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte deutlich sein, dass im wesentlichen jede beliebige Magnetfelderfassungseinrichtung zur Erfassung der horizontalen Magnetfeldkomponente eingesetzt werden kann, wobei im einfachsten Fall ein einziges magnetoresistives Element verwendet werden kann.

Die xMR-Brückenschaltung, die vorzugsweise in der Mitte eines integrierten Halbleiterchips angeordnet ist, liefert das Ausgangssignal Sx dessen Verlauf (Spannungsverlauf) in 6 über der Zeit t dargestellt ist. Das Auswertesignal Sx wird mit der Komparatoreinrichtung 110, die wie bereits angegeben ist, vorzugsweise als Nullpunktkomparator ausgebildet ist, ausgewertet, wobei dadurch das Ausgangssignale K1 der Komparatoreinrichtung 110 erhalten wird. Das Ausgangssignal K1 weist dabei eine Rechteckfunktion auf, wobei das Ausgangssignal K1 einen logisch hohen Wert „H" aufweist, wenn der Signalverlauf Sx positiv ist, und einen niedrigen logischen Pegel „L" auf, wenn der Signalverlauf des Auswertesignals Sxnegativ ist. Damit kann das Ausgangssignal K1 der Komparatoreinrichtung 110 zur Festlegung der Abtastzeitpunkte für das Auswertesignal Sy (Richtungssignal) eingesetzt werden, wobei die logischen Übergänge des Ausgangssignals K1 den Nulldurchgängen (bzw. Wendepunkten) des ersten Auswertesignals Sx entsprechen. Ferner kann das Ausgangssignal K1 auch als sogenanntes Drehzahlsignal zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Geberobjekts verwendet werden, da alle gleichgerichteten logischen Übergänge des Ausgangssignals K1 eine Periodenlänge (Pitch-Länge) des Zahnrades (der Zahnstange) darstellen.

Der Änderungsdetektor 114 erkennt nun, ob das Ausgangssignal K1 der Komparatoreinrichtung 110 von einem niedrigen logischen Pegel L auf einen hohen logischen Pegel H (LH-Übergang) oder von einem hohen logischen Pegel H auf einen niedrigen logischen Pegel L (HL-Übergang) übergeht. Bei dem Übergang von einem niedrigen logischen Pegel L auf einen hohen logischen Pegel H aktiviert der Änderungsdetektor 114 zum Zeitpunkt t1 (bzw. zum Zeitpunkt t3) die erste Schaltereinrichtung 116 (Abtastschalter S1), so dass der erste Schalter zu diesem Zeitpunkt durchgeschaltet ist.

Bei einem logischen Übergang von einem hohen logischen Pegel H auf einen niedrigen logischen Pegel L (HL-Übergang) zum Zeitpunkt t2 wird die zweite Schaltereinrichtung 118 (Abtastschalter S2) aktiviert, d.h. die Schaltereinrichtung 118 ist durchgeschaltet.

Dabei kommen die abgetasteten Richtungssignale A1 und A2 aus der Verstärkereinrichtung 112, die vorzugsweise das Auswertesignal Sy der Hallsonde 108 verstärkt, so dass in der ersten Speichereinrichtung 120 der Abtastwert A1 gespeichert wird und in der zweiten Speichereinrichtung 122 der Abtastwert A2 gespeichert wird.

Diese beiden Signalwerte A1 (=Sdy1) und A2 (Sdy2) können in der ersten und zweiten Abtastwert-Speichereinrichtung 120, 122 in einer analogen oder digitalen Form gespeichert bzw. zwischengespeichert werden. Die gespeicherten Abtastwerte A1 und A2 werden der Kombinationseinrichtung 124 bereitgestellt, die die beiden Abtastwerte A1, A2 kombiniert und vorzugsweise gemäß der vorliegenden Erfindung voneinander subtrahiert.

Das Ergebnis der Kombination ist das Richtungssignal R, das jeweils nach zwei Abtastvorgängen mit den zugeordneten Abtastwerten A1, A2 beginnend mit einem logischen Übergang von einem niedrigen logischen Pegel auf einen hohen logischen Pegel beginnt, und als das Richtungssignal R zum Zeitpunkt t2 + &Dgr;t gespeichert bzw. als das Ausgangssignal S3 an dem Ausgangsanschluss 106a ausgegeben wird. Da bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Signalwert A2 größer als der Signalwert A1 ist, ergibt sich aufgrund einer Subtraktion des Signalwerts A2 von dem Signalwert A1 ein negativer Wert des Richtungssignals R, der auf eine erste Richtung (Rechtslauf) des Zahnrads hinweist, wobei bei einer Subtraktion des ersten Signalwerts A1 von dem zweiten Signalwert A2 ein positiver Wert für das Richtungssignal R erhalten wird, der auf die entgegengesetzte Richtung des Geberobjekts hinweist.

Die in 6f beispielhaft gezeigte Zeitverzögerung &Dgr;t soll eine in der Praxis schaltungstechnisch bedingte Zeitverzögerung angeben. Die Zeitverzögerung &Dgr;t dient beispielsweise dazu, einer Sample&Hold-Schaltung (Abtasten-Und-Halten-Schaltung) ausreichend Zeit zu geben, beispielsweise den Messwert A2 zu speichern. Die Zeitverzögerung &Dgr;t kann beispielsweise aber auch dazu dienen, einer Digitalschaltung Rechenzeit zur Verfügung zu stellen, bis z.B. der Messwert A2 gespeichert ist.

Bezüglich der Kombination des ersten und zweiten Abtastsignals sind eine Vielzahl von Verrechnungsmöglichkeiten denkbar, wobei die Subtraktion als technisch am einfachsten realisierbar erscheint.

Nachdem das Richtungssignal R bereitgestellt wurde, beginnt der Zyklus zur Erfassung der Richtung und optional der Geschwindigkeit von neuem. Wie bereits angegeben ist, sind beispielhaft die in 6a–f dargestellten, prinzipiellen Signalverläufe für den Rechtslauf eines Zahnrades angegeben.

Für einen Linkslauf des Zahnrades kann man sich die oben dargestellte Zeitachse umgedreht bzw. als entgegengesetzt durchlaufen vorstellen, d.h. die Signalverläufe Sx, Sy in 6a, 6b werden entgegengesetzt durchlaufen.

Bei einem Linkslauf des Zahnrads wird dadurch das erste abgetastete Signal A1 aus dem Signalwert Sdy2 abgeleitet, wobei das zweite abgetastete Signal A2 aus dem Signalwert Sdy1 abgeleitet wird. Daraus ergibt sich durch die Subtraktion des ersten Signalwerts von dem zweiten abgetasteten Signalwert eine Vorzeichenumkehr des Richtungssignals R, wobei ein negatives Vorzeichen des Richtungssignals R bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel also eine Drehrichtung nach rechts und ein positives Vorzeichen des Richtungssignals R eine Drehrichtung nach links des Geberobjekts (z.B. eines Zahnrads) bedeuten würde.

Der Grund, warum das Ausgangssignal Sx der xMR-Brückenschaltung 102 zur Bestimmung des Abtastzeitpunktes erfindungsgemäß verwendet wird, liegt darin, dass dieses Auswertesignal Sx prinzipbedingt immer einen Nulldurchgang aufweist, da sich die Richtung der horizontalen Magnetfeldkomponente Hx umdreht und man daher einfach einen Nullpunktkomparator zur Bestimmung der Nulldurchgänge (und damit der Wendepunkte) des Signalverlaufs des Auswertesignals Sx verwenden kann.

Verwendet man anstatt einer Backbias-Anordnung, d.h. einer Zahnrad- bzw. Zahnstangenanordnung mit einem Backbias-Magneten, eine Polrad-Anordnung, so hat auch der Verlauf Hyder vertikalen Magnetfeldkomponente prinzipiell immer einen Nulldurchgang, da sich dann auch die Richtung der vertikalen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes umkehrt, so dass die horizontale und vertikale Magnetfeldkomponente Hx, Hy bezüglich des auszuwertenden Signalverlaufs zur Bestimmung der Abtastzeitpunkte gleichwertig sind, so dass man beispielsweise auch die in 5 dargestellten Magnetfelderfassungseinrichtungen 102, 104 vertauschen kann.

Zusammenfassend lässt sich das grundlegende Prinzip der bisher dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung also dahingehend zusammenfassen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Tatsache ausgenutzt wird, dass die vertikale (Hy) und die horizontale (Hx) Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sowohl bei einer sogenannten Backbias-Anordnung, d.h. einer Anordnung aus Magnet-Sensor-Zahnrad oder -Zahnstange, als auch bei einer Polradanordnung, die ein Polrad oder eine Polstange mit magnetisierten Polen und einem Sensor davor aufweist, die Extremwerte, d.h. die Maxima und Minima, der Verläufe der vertikalen Komponenten des Magnetfeldes örtlich betrachtet immer dort liegen, wo die Verläufe der horizontalen Magnetfeldkomponente ihren Nulldurchgang (Wendepunkt) besitzen.

Bei Verwendung einer Polstange oder eines Polrades verliert die vertikale Magnetfeldkomponente ihren Offsetanteil und weist ebenfalls an den Wendepunkten des Signalverlaufs Nulldurchgänge auf, wodurch die oben getroffene Aussage auch umgekehrt Geltung hat. Mit anderen Worten heißt dies, dass dann zusätzlich auch der Verlauf der horizontalen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes dessen Extremwerte, d.h. Maxima und Minima, genau dort hat, wo die Nulldurchgänge (Wendepunkte) der vertikalen Komponente liegen.

Verwendet man nun zwei unterschiedliche Typen von Magnetfelderfassungseinrichtungen, die aber vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, und von denen eine Magnetfelderfassungseinrichtung bezüglich der vertikalen Magnetfeldkomponente empfindlich ist, und die andere Magnetfelderfassungseinrichtung bezüglich der horizontalen Magnetfeldkomponente empfindlich ist, so kann man sowohl die Richtung (Drehrichtung oder Bewegungsrichtung) eines Geberobjekts als auch die Geschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit, Bewegungsgeschwindigkeit, Längsgeschwindigkeit) ohne weiteres dadurch bestimmen, indem man den Verlauf der vertikalen Magnetfeldkomponente bei zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der horizontalen Magnetfeldkomponente misst bzw. abtastet und diese Werte bewertet, d.h. beispielsweise voneinander subtrahiert. Das Vorzeichen dieser Differenzbildung repräsentiert dann die Bewegungs- bzw. Drehrichtung des Geberobjekts.

Bei Polradanwendungen bzw. bei einer differentiellen Anordnung der beiden Typen von Magnetfelderfassungseinrichtungen können die Funktion der Magnetfelderfassungseinrichtungen zum Erfassen der vertikalen und horizontalen Magnetfeldkomponente auch vertauscht werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun im folgenden anhand von 7 die Verwendung einer differentiellen Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 mit zwei unterschiedlichen Magnetfelderfassungseinrichtungen 102, 104 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Magnetfelderfassungseinrichtungen 102-1, 102-2 und 104-1, 104-2 des gleichen Typs vorzugsweise im Abstand der Pitch-Länge, d.h. dem Abstand der Zähne bei einer Backbias-Anordnung oder im Abstand der Polpaare bei einer Polradanordnung, vorzugsweise in der Mitte eines integrierten Halbleiterschaltungschips angeordnet, wobei von den Signalen der beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen 102-1, 102-2 und 104-1, 104-2 des gleichen Typs jeweils die Differenz gebildet wird, um das erste und zweite Ausgangssignal S1, S2 zu erhalten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass diese weitere erfindungsgemäße Anordnung nicht an den relativen Verhältnissen bzw. Phasenlagen der im vorhergehenden beschriebenen Signalverläufe (von 6a–f) ändert, welche aus dem Verlauf der vertikalen Magnetfeldkomponente Hy und aus dem Verlauf der horizontalen Magnetfeldkomponente Hx gebildet werden. Daher kann auch bei einer differentiellen Ausführung der beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen die Auswertung der Auswertesignale S1 (Sx) und S2 (Sy) erfolgen, wie dies bereits im vorhergehenden Bezug nehmend auf die 1 bis 6 detailliert erläutert wurde.

Vorteilhaft bei einer differentiellen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts ist dabei die Verdopplung in der Signalwerte, und ferner, dass das Auswertesignal Sy, welches aus dem Verlauf der vertikalen Magnetfeldkomponente generiert wird, keinen Offset-Anteil mehr aufweist, auch wenn das Geberobjekt beispielsweise als Zahnrad oder Zahnstange ausgebildet ist. Dadurch sind die beiden Differenzsignale S1 und S2, die aus den Verläufen der vertikalen und horizontalen Magnetfeldkomponente erhalten werden, auch bei einer Backbias-Anordnung wieder äquivalent und können in ihrer Funktion als Auswertesignale zum Bereitstellen der Abtastzeitpunkte und zum Bereitstellen der Abtastwerte auch vertauscht werden.

Im folgenden wird nun anhand der 7, 8a–b eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform unter Verwendung eines Polrades bei einer differentiellen Beschaltung in der Magnetfelderfassungseinrichtung beschrieben.

Der Feldverlauf der horizontalen und vertikalen Magnetfeldkomponenten des Magnetfeldes bei Verwendung eines Polrades ist in 8a dargestellt. In dieser Figur ist auch ein beispielhafter Sensor-IC 100 mit den beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen 102-1, 102-2 (H1, H2), welche die horizontale Magnetfeldkomponente Hx des Magnetfelds erfassen, und den beiden Magnetfelderfassungseinrichtungen 104-1, 104-2 (V1, V2) dargestellt, welche die vertikale Magnetfeldkomponente Hy des Magnetfeldes erfassen, wobei ferner deren geometrische Anordnung auf dem Sensor-IC dargestellt ist, d.h. der Abstand der beiden Magnetfeldsensoreinrichtungen eines Typs entspricht vorzugsweise der Pitch-Länge des Polrades. Die Position des Sensor-IC in 8a bestimmt den Zeitpunkt t = 0 für die folgenden Ausführungen. Als Auswerteschaltung dient eine entsprechende Schaltung wie Bezug nehmend auf 5 beschrieben wurde. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass die Auswertesignale Sx und Sy hier aus den Differenzsignalen der beiden Sondentypen gebildet werden, wie dies aufgrund des prinzipiellen Schaltungsaufbaus von 7 zur Auswertung der Geschwindigkeit (Drehzahl) und/oder der Richtung (Drehrichtung) eines Geberobjektes dargestellt ist.

Zur detaillierten Erläuterung der Funktionsweise der in 7 dargestellten Schaltungsanordnung 100 zur Auswertung der Geschwindigkeit (Drehzahl) und der Richtung (Drehrichtung) eines Geberobjektes sind die Signalverläufe in 8b dargestellt. Bewegt sich nun das Geberrad von der Position zum Zeitpunkt t = 0, wie sie in 8a dargestellt ist, nach links, so erhält man die Signalverläufe Sx an den Eingängen der Komparatoreinrichtung 110 und den Signalverlauf Sy an den Eingängen der Verstärkereinrichtung 112 (Differenzverstärker). Zur Ansteuerung der Komparatorschaltung 110 wurden die Signale der xMR-Brückenschaltungen 102-1, 102-2 gewählt, da diese Signale im allgemeinen einen höheren Signal-zu-Rausch-Abstand besitzen und daher ein geringerer Jitter an der Schaltflanke auftritt.

Das Ausgangssignal K1 der Komparatoreinrichtung 110 kann einerseits direkt als Drehzahlsignal dienen und kann außerdem zur Bestimmung der Abtastzeitpunkte der Richtungssignale verwendet werden. Bei jeder steigenden Flanke des Ausgangssignals K1 der Komparatoreinrichtung 110, d.h. bei einem Übergang von einem logischen niedrigen Pegel auf einen hohen logischen Pegel (LH), wird der erste Abtastwert A1 gespeichert, und es beginnt ein neuer Richtungserkennungszyklus. Bei jeder fallenden Flanke des Komparatorsignals K1, d.h. bei jedem Übergang von einem hohen logischen Pegel auf einen niedrigen. logischen Pegel (HL), wird der zweite Abtastwert A2 des Richtungssignals gespeichert. Aus diesen beiden Abtastwerten A1, A2 wird nun die Differenz gebildet und nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit &Dgr;t das Richtungssignal R ausgegeben.

Ändert sich nun die Drehrichtung, so ändert sich auch die Phasenlage zwischen den Signalen Sx uns Sy und damit auch als Folge davon, das Vorzeichen des Richtungssignals R, wie dies insbesondere auch in 8b dargestellt ist.

Da bei der vorliegenden Erfindung die Wendepunkte im Signalverlauf der Auswertesignale verwendet werden, d.h. die steilsten Abschnitte im Signalverlauf der Auswertesignale, kann die Ermittlung der Dreh- bzw. Bewegungsrichtung des Objekts mit einer sehr hohen Genauigkeit, mit einem geringen Phasenrauschen, geringen Signal-Jitter, usw. ermittelt werden. Ferner ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch auch besonders unempfindlich gegenüber Positionierungsungenauigkeiten der Sensoreinrichtung bzgl. des Geberobjekts. Dies führt auch zu einer vereinfachten Auswertung der Auswertesignale, so dass gemäß der vorliegenden Erfindung auch der schaltungstechnische Aufwand relativ niedrig gehalten werden kann.

Ferner ist eine sehr kompakte Anordnung der Sensorelemente möglich, da diese unmittelbar benachbart zu einander anzuordnen sind. Beim Stand der Technik ist ein bestimmter Abstand erforderlich, um unterschiedliche Signale zu erfassen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht nun ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfeldes, wobei das Magnetfeld eine erste Magnetfeldkomponente und eine zweite Magnetfeldkomponente aufweist, die vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zueinander sind, darin, dass ein Verlauf der ersten Magnetfeldkomponente erfasst wird, ein Verlauf der zweiten Magnetfeldkomponente erfasst wird und der Verlauf der ersten Magnetfeldkomponente und der zweiten Magnetfeldkomponente ausgewertet werden, um die momentane, relative Richtung des Geberobjekts zu ermitteln. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei insbesondere in Abhängigkeit der ersten Magnetfeldkomponente ein erstes Auswertesignal und gemäß der zweiten Magnetfeldkomponente ein zweites Auswertesignal erzeugt, aus denen die Richtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit eines Geberobjekts relativ zu der Erfassungseinrichtung ermittelt werden kann. Dazu wird ein Wendepunkt bzw. Nulldurchgang eines der Auswertesignale und die Steigung in diesem Punkt ermittelt, woraufhin der Momentanwert bzw. das Vorzeichen des jeweils anderen Auswertesignals überprüft wird, wobei in Abhängigkeit von der Phasenlage des Wendepunkts (Nulldurchgangs) und der Richtung des Nulldurchgangs aus dem Momentanwert (Vorzeichen) des jeweils anderen Auswertesignals jeweils eine feste Drehrichtung zugeordnet werden kann.

Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer momentanen, relativen Richtung eines Geberobjekts in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.


Anspruch[de]
Vorrichtung (100) zur Ermittlung einer momentanen relativen Bewegungsrichtung eines Geberobjekts (107) in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds (Hx, Hy), mit folgenden Merkmalen:

einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (102) zum Bereitstellen eines ersten Auswertesignals (S1) basierend auf einer die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (102) durchdringenden ersten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds, wobei die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (102) eine Magnetfeldempfindlichkeit bezüglich einer ersten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) aufweist; und

einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (104) zum Bereitstellen eines zweiten Auswertesignals (S2) basierend auf einer die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (104) durchdringenden zweiten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds, wobei die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (104) eine Magnetfeldempfindlichkeit bezüglich einer zweiten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) aufweist;

wobei die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (102, 104) unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind,

wobei die erste Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) und zweite Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) winkelmäßig zueinander versetzt sind, und

wobei basierend auf dem ersten Auswertesignal (S1) und dem zweiten Auswertesignal (S2) die momentane, relative Bewegungsrichtung oder Bewegungsgeschwindigkeit des Geberobjekts (107) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) und die zweite Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) in einer Geberobjektebene liegen, wobei die Geberobjektebene durch das Geberobjekt (107) und die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (102, 104) definiert ist, wobei die Geberobjektebene parallel zu der relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts (107) ist und senkrecht durch die erste und zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (102, 104) und das Geberobjekt (107) verläuft. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) und die zweite Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) in der Geberobjektebene im wesentlichen senkrecht zueinander sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Erfassungseinrichtung (102, 104) im wesentlichen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts (107) und in einem vorgegebenen Abstand (d1) beabstandet von dem Geberobjekt (107) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) im wesentlichen parallel zur relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts (107) verläuft, und wobei die zweite Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) im wesentlichen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts (107) verläuft. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Erfassungseinrichtung (102, 104) bezüglich der relativen Bewegungsrichtung des Geberobjekts (107) nebeneinander oder übereinander angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Geberobjekt (107) ein Zahnrad, eine Zahnstange, ein Polrad oder eine Polstange ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Bewegungsrichtung eine lineare Bewegungsrichtung oder eine Drehrichtung des Geberobjekts (107) relativ zu der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung (102, 104) ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Bewegungsgeschwindigkeit eine Längsgeschwindigkeit oder eine Drehgeschwindigkeit des Geberobjekts (107) relativ zu der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung (102, 104) ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Auswerteeinrichtung (106) zum Auswerten des ersten Auswertesignals (S1) und des zweites Auswertesignal (S2) aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (106) ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal (S3; S4) bereitzustellen, das Informationen über die momentane, relative Bewegungsrichtung oder Bewegungsgeschwindigkeit des Geberobjekts (107) bezüglich der ersten und zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (102, 104) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung (106) ausgebildet ist, um einen Wendepunkt und die Phasenlage im Wendepunkt des ersten Auswertesignals (S1) zu ermitteln, und um den Momentanwert oder das Vorzeichen des zweiten Auswertesignals (S2) festzustellen, wobei jedem Momentanwert bzw. Vorzeichen des zweiten Auswertesignals (S2) in bezug auf die Phasenlage im Wendepunkt des ersten Auswertesignals (S1) jeweils eine Drehrichtung des Geberobjekts (107) fest zugeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung (106) ausgebildet ist, um einen Wendepunkt und die Phasenlage im Wendepunkt des zweiten Auswertesignals (S2) zu ermitteln, und um den Momentanwert oder das Vorzeichen des ersten Auswertesignals (S1) festzustellen, wobei jedem Momentanwert bzw. Vorzeichen des ersten Auswertesignals (S1) in bezug auf die Phasenlage im Wendepunkt des zweiten Auswertesignals (S2) jeweils eine Drehrichtung des Geberobjekts (107) fest zugeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das erste und das zweite Auswertesignal (S1, S2) um 90° zueinander phasenverschoben sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Erfassungseinrichtung (102, 104) ein Sensorelement aus einer Gruppen von Sensorelementen aufweist, wobei die Gruppe AMR-, GMR-, TMR-, CMR-Elemente (AMR = anisotropic magnetoresistance, GMR = giant magnetoresistance, TMR = tunnel magnetoresistance, CMR = colossal magnetoresistance), vertikale Hallsensorelemente, horizontale Hallsensorelemente, Magnetwiderstandselemente, Magnetotransistorelemente (MAGFETs), Giant-Planar-Halleffektsensoren, Spintransistoren, GMI-Elemente (GMI = Giant Magnetic Impedance) oder Magnetdioden aufweist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Erfassungseinrichtung (102) ein bezüglich der ersten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) empfindliches Sensorelement aufweist, und wobei die zweite Erfassungseinrichtung (104) ein bezüglich der zweiten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) empfindliches Sensorelement aufweist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (102, 104) eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen in einer Brückenschaltung verschaltet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Erfassungseinrichtung (102) zwei Sensorelemente (102-1, 102-2) in einem vorgegebenen Abstand und die zweite Erfassungseinrichtung (104) zwei Sensorelemente (104-1, 104-2) in einem vorgegebenen Abstand aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die zwei Sensorelemente (102-1, 102-2) der ersten Erfassungseinrichtung (102) gleich sind, und wobei die zwei Sensorelemente (104-1, 104-2) der zweiten Erfassungseinrichtung (104) gleich sind. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Signalverläufe der zwei Sensorelemente der ersten Erfassungseinrichtung (102) und die Signalverläufe der zwei Sensorelemente (104-1, 104-2) der zweiten Erfassungseinrichtung (104) differentiell weiter verarbeitet werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die zwei Sensorelemente (102-1, 102-2) der ersten Erfassungseinrichtung (102) und die zwei Sensorelemente (104-1, 104-2) der zweiten Erfassungseinrichtung (104) jeweils in einem Pitch-Abstand des Geberobjekts (107) zueinander angeordnet sind. Verfahren zur Ermittlung einer momentanen, relativen Bewegungsrichtung eines Geberobjekts (107) in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt (107) beeinflussten oder erzeugten Magnetfelds (Hx, Hy), mit folgenden Schritten:

Erfassen einer ersten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds bezüglich einer ersten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx);

Bereitstellen eines ersten Auswertesignals (S1) basierend auf der in der ersten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) erfassten, ersten Magnetfeldkomponente;

Erfassen einer zweiten Magnetfeldkomponente des Magnetfelds bezüglich einer zweiten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) unmittelbar benachbart zu der Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente;

Bereitstellen eines zweiten Auswertesignals (S2) basierend auf der in der zweiten Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) erfassten, zweiten Magnetfeldkomponente, wobei die erste Magnetfeldkomponentenrichtung (Hx) und die zweite Magnetfeldkomponentenrichtung (Hy) winkelmäßig zueinander versetzt sind; und

Auswerten des ersten Auswertesignals (S1) und des zweiten Auswertesignals (S2), um ein Ausgangssignal (S3; S4) bereitzustellen, das Informationen über die momentane, relative Bewegungsrichtung oder Bewegungsgeschwindigkeit des Geberobjekts aufweist.
Computer-Programm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens zum Ermitteln einer momentanen, relativen Bewegungsrichtung eines Geberobjekts in Abhängigkeit eines von dem Geberobjekt beeinflussten und erzeugten Magnetfelds nach Anspruch 22, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.






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