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
20 und durch Computer-Programm gemäß Anspruch 21 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° (π/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 Ge berobjekts
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 Ge schwindigkeit 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
permanent-magnetischen
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
zurück versetzte
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 permanent-magnetisierten
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 Magnetfel des 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 μT
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 ausgegan gen
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° (π/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 unterschiedli che
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
eingangs seitig 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 Sig nalverlauf 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 Sx negativ 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 + Δt 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 Δt soll eine
in der Praxis schaltungstechnisch bedingte Zeitverzögerung angeben.
Die Zeitverzögerung Δt dient beispielsweise
dazu, einer Sample&Hold-Schaltung
(Abtasten-Und-Halten-Schaltung)
ausreichend Zeit zu geben, beispielsweise den Messwert A2 zu speichern. Die Zeitverzögerung Δt 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 Hy der 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
horizon tale 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 Über gang
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 Δt 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 Ge berobjekt 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.