DE4413843A1 - Positionssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Positionssensor und insbesondere auf einen Positionssensor, der zwei in seitlicher Beziehung zueinander angeordnete Spuren verwendet, wobei jede Spur mehrere magnetische und nicht-magnetische Segmente umfaßt und eine auf ein Magnetfeld ansprechende Einrichtung in der Nähe jeder Spur angeordnet ist.

Viele unterschiedliche Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt, um die Bewegung eines Objektes relativ zu der Position eines Sensors festzustellen. Diese Einrichtungen können photoelektrische oder magnetische Sensoren verwenden neben vielen anderen Alternativen, um die Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Objekts festzustellen.

Die US-PS 4 853 632 beschreibt eine Vorrichtung für die magnetische Erfassung einer Position eines beweglichen magnetischen Körpers. Die Vorrichtung umfaßt eine Sensorstruktur für die magnetische Feldintensität, die durch ein Paar von magnetfeldabhängigen Widerständen gebildet wird. Die Sensorstruktur für die Magnet­ feldintensität ist gegenüber einem magnetischen Körper angeordnet, der relativ dazu in einem magnetischen Feld bewegt werden kann. Sie erzeugt ein erstes elektrisches Signal mit Sinusform auf Grund einer Veränderung der Intensität des magnetischen Feldes auf Grund der relativen Bewegung des magnetischen Körpers. Dieses erste elektrische Signal tritt an der Vorrichtung als ein zweites elektrisches Signal mit Rechteckform oder Sinusform auf und besitzt eine verstärkte Amplitude.

Die US-PS 4 970 463 beschreibt einen temperaturstabilen Näherungsfühler. Die Sensoranordnung für das eisenhaltige Objekt ist in der Lage, das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit eines Objektes mit hoher magnetischer Permeabilität zu erfassen, wie beispielsweise ein Zahn oder eine Lücke an einem drehbar gelagerten eisenhaltigen Rad, wobei dies auch bei fehlender Umdrehung und unmittelbar nach der Spannungseinschaltung möglich ist. Die Anordnung umfaßt einen Permanentmagneten und einen auf den magnetischen Fluß ansprechenden Sensor mit einer Sensorebene, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das in Abhängigkeit von der Änderung der magnetischen Flußdichte variiert. Die Sensoranordnung verläßt sich nicht auf den Polflächenmagnetismus, wie dies einige bekannte Sensoren tun, sondern statt dessen benutzt sie die Radialkomponente der magnetischen Flußdichte, die aus der seitlichen Oberfläche zwischen den sich gegenüber­ liegenden Polflächen des Magnetes austritt.

Die US-PS 5 018 384 zeigt einen Drehgeschwindigkeits­ detektor, der in einem Antischlupf-Bremssystem für ein Automobil angeordnet ist. Er stellt eine Drehge­ schwindigkeit eines Rades fest. Die Sensoranordnung ist auf jeder Seite der äußeren und inneren Ringe eines Rades angeordnet und ist gegen einen Rotorsensor vorgespannt, der auf der anderen Seite der beiden Ringe in einer solchen Weise vorgesehen ist, daß die Sensoranordnung auf dem Rotorsensor gleitet. Dies hält den Abstand zwischen der Drehgeschwindigkeits-Sensoranordnung und dem Rotor­ sensor auf einem konstanten Pegel.

Die US-PS 5 070 727 beschreibt eine Detektorvorrichtung für die Winkelposition einer Kurbelwelle. Die Vorrichtung wird benutzt, um die Winkelposition der Kurbelwelle einer Verbrennungsmaschine festzustellen. Die Kurbelwelle steuert ein Zeittaktrad, das mehrere auf dem Umfang angeordnete beabstandete Schlitze entlang seines Außenumfanges aufweist. Zwei winkelmäßig beabstandete Sensoren sind in Nachbarschaft der Schlitze angeordnet. Die Sensoren bilden Spannungsimpulse, wenn sich die Schlitze an den Sensoren vorbeibewegen. Es werden zwei in der Phase versetzte Impulszüge durch jeden Sensor gebildet, wenn das Rad sich dreht. Das Muster der Schlitze und der Winkelabstand der Sensoren ist dergestalt, daß eine veränderliche Anzahl von Impulsen in dem einen Impulszug zwischen nacheinander auftretenden Impulsen in dem anderen Impulszug auftritt. Die veränderliche Anzahl von Impulsen gibt unterschiedliche Muster vor und jedes Muster zeigt eine Kurbelwellen­ position an.

Die US-PS 5 086 272 beschreibt eine Vorrichtung zur Unterscheidung zwischen entgegengesetzten Richtungen der Relativbewegung eines Teiles, das magnetische Veränderungen hervorruft. Die Vorrichtung enthält einen induktiven magnetischen Sensor, der gegenüber der Bewegungsstrecke der Magnetfeldänderungen angeordnet ist. Sie besitzt Teile mit unterschiedlicher magnetischer Kopplung mit den Magnetfeldänderungen, die in Bewegungs­ richtung des Teiles beabstandet sind.

Die US-PS 5 111 138 beschreibt einen Geschwindigkeits­ sensor mit einer geschlossenen magnetischen Flußstrecke für die Erfassung der Geschwindigkeit aus dem axialen Abstand eines drehenden Elementes. Der Sensor verwendet einen Stator, der zwei auf dem Umfang im Abstand angeordnete Elemente aufweist, die durch ein Element mit niedriger magnetischer Permeabilität verbunden sind. Die Elemente besitzen abwechselnde Bereiche, welche eine Veränderung in der magnetischen Permeabilität vorgeben. Ein Rotor, der für eine Drehung um eine Drehachse angeordnet ist, umfaßt abwechselnde Bereiche magnetischer Permeabilität, die mit dem Stator zusammenarbeiten. Ein Magnet ist zwischen den Elementen des Stators und deren struktureller Verbindung angeordnet. Eine Drahtspule ist um das strukturelle Verbindungselement angeordnet, um Veränderungen in dem magnetischen Feld zu erfassen, die durch die Veränderung in der Reluktanz hervorgerufen werden, wenn die entsprechenden Bereiche der magnetischen Permeabilität der Elemente und des Rotors aneinander vorbeilaufen.

In Positionserfassungseinrichtungen, die magnetisch empfindliche Einrichtungen, wie beispielsweise Hall- Elemente verwenden und die auf sich verändernden Magnetfeld-Intensitäten beruhen, die durch die Bewegung des magnetischen Materials in der Nähe des Sensors her­ vorgerufen werden, zeigt der Sensor bestimmte Beschrän­ kungen in speziellen Anwendungsfällen. Wenn beispiels­ weise mehrere Zähne und Zwischenräume verwendet werden als Teil des beweglichen Objektes, so kann der magne­ tische Effekt, der durch die magnetisch empfindliche Einrichtung erfaßt wird, beträchtlich in Abhängigkeit von der Breite des Zahnes oder der benachbarten Lücke variieren. Anders ausgedrückt, rufen enge Lücken unter­ schiedliche Magnetfeldabweichungen gegenüber breiten Lücken hervor und schmale Zähne rufen unterschiedliche Magnetfeldveränderungen gegenüber breiten Zähnen hervor. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben wird, rufen diese unterschiedlichen Effekte, die durch breite und schmale Zähne bzw. Schlitze hervorgerufen werden, Schwierigkeiten bei der Verwendung dieses Sensortyps hervor. Diese Probleme werden noch gesteigert in Fällen, wo eine große Anzahl von Zähnen und Schlitzen erforderlich sind, wenn der Durchmesser des beweglichen Objektes relativ gering ist. In Situationen dieser Art ist es erforderlich, die Zähne und Lücken enger zu beabstanden. Es wäre daher von höchstem Nutzen in der Technologie der Positionserfassung, wenn ein Erfassungssystem enge Schlitze von breiten Schlitzen und schmale Zähne von breiten Zähnen mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit unterscheiden könnte, ohne daß es einer großen Winkelbewegung des beweglichen Objektes bedarf, bevor man die Position des Objektes feststellen kann.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Positionssensors sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Erfindung gibt einen Positionssensor vor, welcher in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein erstes und ein zweites zu erfassendes Objekt umfaßt. Die ersten und zweiten Objekte umfassen jeweils mehrere magnetische und nicht-magnetische Segmente, die so ausgerichtet sind, daß sie erste und zweite Objektspuren entsprechend definieren. Eine erste magnetfeldabhängige Sensoreinrichtung, wie beispielsweise ein Hall-Element ist in der Nähe der ersten Strecke angeordnet und besitzt ein erstes Ausgangssignal entsprechend der magnetischen Charakteristik eines der magnetischen und nicht- magnetischen Segmente innerhalb der ersten Vielzahl von Segmenten. Eine zweite magnetfeldabhängige Sensorein­ richtung ist in der Nähe der zweiten Strecke angeordnet und besitzt ein zweites Ausgangssignal, welches die magnetische Charakteristik eines benachbarten Segmentes innerhalb der zweiten Vielzahl magnetischer und nicht- magnetischer Segmente vorgibt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Vorgabe eines dritten Ausgangssignales, welches in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Ausgangssignalen hergeleitet wird. Die ersten und zweiten mehreren magnetischen und nicht-magnetischen Segmente sind so angeordnet, daß sie das dritte Ausgangssignal zur Vorgabe eines im voraus ausgewählten Signalmusters veranlassen.

Durch Verwendung der ersten und zweiten Objektstrecken und durch geeignete Positionierung der magnetischen und nicht-magnetischen Segmente in den zwei Strecken relativ zueinander gönnen die zwei Objektspuren erste und zweite Ausgangssignale durch zugeordnete magnetfeldabhängige Sensoreinrichtungen hervorrufen. Diese zwei Signale können in einer solchen Weise erzeugt werden, daß sie miteinander kombiniert werden können, um ein drittes Ausgangssignal zu ergeben, das synthetisch in einem im voraus gewählten Muster erzeugt wird. Das dritte Ausgangssignal kann so vorgegeben werden, daß es den Vorbeilauf sehr schmaler Zähne oder Schlitze hinter einem einzigen Sensor simuliert, obgleich die tatsächliche physikalische Erfassung jener sehr engen Zähne und Schlitze anderweitig physikalisch unmöglich wäre oder extrem schwierig zu erzielen wäre.

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich beim Lesen der Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ beispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen, in welchen:

Fig. 1 ein dem Fachmann bekanntes System zeigt;

Fig. 2 ein bewegliches Objekt und zwei Sensoren zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind;

Fig. 3 die magnetische Feldstärke an einem Sensor in Abhängigkeit von dem Objekt in der Detektorzone veranschaulicht;

Fig. 4 eine Verwirklichung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 eine alternative Verwirklichung der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 6 das Beispiel eines Schaltkreises zeigt, der zusammen mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

In der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Konzept für die Erfassung der Bewegung eines Objektes. Das bewegliche Objekt 10 ist mit mehreren magnetischen Segmenten 12 und mehreren nicht- magnetischen Segmenten 14 versehen. Eine magnetisch empfindliche Einrichtung 16, wie beispielsweise ein Hall- Element ist in der Nähe der Strecke des beweglichen Objektes 10, welches durch den Pfeil A repräsentiert wird, angeordnet. Ein Permanentmagnet 18 ist der magnetisch empfindlichen Einrichtung 16 zugeordnet, um ein magnetisches Vorspannungsfeld zu erzeugen, das das Ausgangssignal der magnetisch empfindlichen Einrichtung 16 beeinflußt. Wenn die magnetischen und nicht- magnetischen Segmente des beweglichen Objektes 10 an einer im voraus gewählten Zone in der Nähe der magnetisch empfindlichen Einrichtung vorbeibewegt werden, wie dies durch den Pfeil A angezeigt ist, so verändert sich das Ausgangssignal der Einrichtung und dieses kann festgestellt werden. Durch geeignete Überwachung der Größe des Ausgangssignales der magnetisch empfindlichen Einrichtung 16 kann festgestellt werden, ob ein magnetisches oder ein nicht-magnetisches Segment sich in der Nähe der Feststellzone befindet. Durch geeignete Auswahl der Größen der magnetischen und nicht- magnetischen Segmente können Signale der magnetisch empfindlichen Einrichtung 16 verwendet werden, um genau die Position, die Geschwindigkeit und die Bewegungs­ richtung des Objektes 10 festzustellen.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Größen der magnetischen und nicht-magnetischen Segmente 12 und 14 beträchtlich voneinander abweichen. Mit anderen Worten befinden sich relativ schmale nicht- magnetische Segmente 14 im Abstand zu relativ breiten nicht-magnetischen Segmenten 14. In gleicher Weise befinden sich schmale magnetische Segmente 12 bzw. Zähne im Abstand zu breiteren magnetischen Segmenten. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wird, können bestimmte Teile einer Objektstrecke, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ernsthafte Schwierigkeiten bei der Überwachung der Bewegung, Geschwindigkeit und Position eines beweglichen Objektes hervorrufen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beweglichen Objektes 20, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Zwei Objektstrecken, die durch die Bezugszeichen 22 und 24 beziffert sind, sind innerhalb des Objektes 20 angeordnet. Jede Objektstrecke umfaßt mehrere magnetische Segmente 12 und nicht- magnetische Segmente 14. Die erste Objektspur bzw. Strecke, die durch die Bezugsziffer 22 bezeichnet ist, ist einer magnetisch empfindlichen Einrichtung 26 zugeordnet, die ihrerseits in der Nähe eines Permanentmagneten 28 angeordnet ist. Eine zweite magnetisch empfindliche Einrichtung 30 ist mit einem weiteren Permanentmagneten 32 versehen und ist in der Nähe der zweiten Objektstrecke 24 angeordnet. In der zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise liefert jede magnetisch empfindliche Einrichtung 26 und 30 ein Ausgangssignal, welches das Vorliegen eines magnetischen oder eines nicht-magnetischen Segmentes in Ihrer Feststellzone repräsentiert. Die magnetisch empfindlichen Einrichtungen werden nicht durch die magnetischen und nicht-magnetischen Segmente der anderen Strecke beeinflußt, obgleich diese magnetische Unabhängigkeit kein Erfordernis bei allen Ausführungs­ beispielen der vorliegenden Erfindung ist.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2 ist ersichtlich, daß jede der zwei Objektspuren 22 und 24 magnetische Segmente mit unterschiedlichen Größen und nicht-magnetische Segmente mit unterschiedlichen Größen aufweist. Mit anderen Worten umfaßt jede Objektspur schmale Zähne, breite Zähne, enge Schlitze und breite Schlitze.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Intensität des magnetischen Feldes in Abhängigkeit von dem magnetischen bzw. nicht-magnetischen Objekt in der Nähe der Fest­ stellzone einer magnetisch empfindlichen Einrichtung, wie beispielsweise eines Halleffekt-Elementes. In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 sind Segmente eines beweglichen Objektes 36 entlang einer Achse dargestellt. Das Objekt 36 umfaßt verschiedene Zähne 38 und Schlitze 40. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung mit beweglichen Objekten arbeitet, die Zähne und Schlitze aufweisen, welche sich radial von einem drehbaren Element erstrecken, ähnlich den Zähnen eines Zahnrades oder daß sie mit magnetischen und nicht- magnetischen Segmenten eines beweglichen Objektes arbeitet, das Öffnungen benutzt, die in dem magnetischen Material gebildet werden bzw. dazwischen befindliche Stege, wie beispielsweise bei den in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Anordnungen. Wenn eine magnetisch empfindliche Einrichtung durch einen Permanentmagneten mit geeigneter magnetischer Feldstärke vorgespannt wird, so sprechen die Veränderungen in dem Ausgangssignal der magnetisch empfindlichen Einrichtung auf die Intensität des Magnetfeldes an, das senkrecht durch die Einrichtung verläuft. Diese gemessene Feldintensität in Kilogauss verändert sich auf Grund des Durchlaufs eines Objekts 36 durch die Feststellzone, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist. Wenn sich ein Zahn 38 innerhalb der Feststellzone befindet, so steigt die gemessene Magnet­ feldstärke beträchtlich bis zu einem Wert von ungefähr 2,2 Kilogauss an, wie dies durch die gestrichelte Linie 44 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß, obgleich die Breite des Signales entsprechend der Breite des Zahnes 38 variiert, die Intensität des Signales relativ gleich­ bleibend für sowohl schmale als auch breite Zähne ist.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 ist erkennbar, daß der Durchlauf eines Schlitzes 40 durch die Feststellzone eines Sensors eine Verminderung der Größe des magnetischen Feldes hervorruft. Wenn ein breiter Schlitz 40 durch die Feststellzone verläuft, so fällt die Größe des magnetischen Feldes auf ungefähr 1,5 Kilogauss, wie dies durch die gestrichelte Linie 46 dargestellt ist. Wenn ein schmaler Schlitz 40 durch die Feststellzone verläuft, so ist der Abfall der magnetischen Feldintensität weitaus geringer, wie dies durch die Abnahme des Signales auf einen Wert von ungefähr 1,95 Kilogauss angezeigt ist, was durch die gestrichelte Linie 48 dargestellt ist. Obgleich die Veränderungen der Stärke des Signales 50 eine spezielle experimentelle Verwirklichung des Sensors in einem Abstand von ungefähr 0,5 mm von den vorbeilaufenden Zähnen veranschaulichen, versteht es sich, daß die Fig. 3 das allgemeine Problem darstellt, das der Feststellung von sowohl engen als auch breiten Schlitzen zugeordnet ist. Dieses Problem verschlimmert sich beträchtlich, wenn das bewegliche Objekt seine Position von dem Sensor infolge der normalen Toleranzen verändert, die während der Herstellung und des Zusammenbaus angetroffen werden. Die verminderte Veränderung von der Linie 44 zu der Linie 48, die durch den Vorbeilauf eines engen Schlitzes durch die Feststellzone hervorgerufen wird, macht es schwierig, zwischen dem Durchlauf eines engen Schlitzes und dem Durchlauf eines breiten Schlitzes zu unterscheiden. Obgleich die Ursachen für die im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschriebenen Probleme schwierig zu definieren sind, ist es theoretisch erklärbar, daß die verminderte Änderung in dem magnetischen Fluß, die bei dem Durchlauf eines engen Schlitzes durch die Feststellzone hervor­ gerufen wird, auf das Vorliegen eines ausfransenden magnetischen Feldes um die Kanten des Schlitzes hervorgerufen wird. Mit anderen Worten hat das Vorliegen eines magnetisch permeablen Materials bzw. eines Zahnes in enger Nachbarschaft zu beiden Seiten eines schmalen Schlitzes das Bestreben, das magnetische Feld ausfransen zu lassen und sich in den schmalen Spalt erstrecken zu lassen. Wenn der Spalt breit ist, so ist dieser Ausfransungseffekt minimal aber wenn der Schlitz eng ist, so ist der Effekt von Bedeutung im Vergleich zu dem Teil des Schlitzes der zwischen den Zonen verbleibt, in die das magnetische Feld ausfranst. Unabhängig von der genauen Ursache des in Fig. 3 dargestellten Effektes stellt dieser ein beträchtliches Problem dar, wenn enge Schlitze erforderlich sind auf Grund der Notwendigkeit, eine große Anzahl von Zähnen und Schlitzen in einem relativ kleinen beweglichen Objekt vorzusehen.

Fig. 4 veranschaulicht ein hypothetisch gewünschtes Objekt sowie die Probleme bei der Verwirklichung dieses Objektes und die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung die Simulation des ausgewählten Objektes durch die Bildung eines synthetischen Signales in Abhängigkeit von zwei tatsächlichen Signalen gestattet, die durch die speziell entworfenen Objektspuren hervorgerufen werden. In Fig. 4 wird die Bezugsziffer 60 benutzt, um ein hypothetisches Objekt zu bezeichnen, das für die Verwendung bei der Erfassung der Position eines beweglichen Objektes erwünscht ist. Das Objekt 60 umfaßt breite Schlitze 62 und enge Spalten 64. Zusätzlich umfaßt das Objekt 60 breite Zähne 66 und schmale Zähne 68. Der Zweck für die Konfiguration des Objektes 60 in der in Fig. 4 gezeigten Weise liegt in der Befriedigung des Bedürfnisses nach Erzeugung eines Signalmusters, wie dies durch die Bezugsziffer 70 dargestellt ist. Wie durch Vergleich des Signalmusters 70 mit dem Objekt 60 erkennbar, erzeugen breite Schlitze 62 breite Impulse 72 und enge Schlitze 64 erzeugen schmale Impulse 74. In gleicher Weise erzeugen breite Zähne 66 breite Signale 76 mit niedriger Amplitude zwischen den Impulsen und schmale Zähne 68 erzeugen schmale Signale 78 mit niedriger Amplitude zwischen den Impulsen. Wenn die Breite der schmalen Schlitze 64 hinreichend klein ist, so kann das Signal 70 unmöglich erzeugt werden auf Grund der Ausfransungen des magnetischen Flusses, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde. Die Veränderungen in der magnetischen Intensität, die durch die schmalen Schlitze 64 hervorgerufen werden, sind ungenügend, um durch die magnetisch empfindliche Einrichtung, wie z. B. ein Halleffekt-Element festgestellt zu werden. Mit anderen Worten wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 der Abstand zwischen den gestrichelten Linien 44 und 48 bis zu einer Größe vermindert, die die Fest­ stellung eines schmalen Schlitzes extrem schwierig macht. Für die Zwecke einer Referenz sei angenommen, daß die Breite des schmalen Schlitzes 64 ungefähr 2,5 mm beträgt und die Breite eines breiten Schlitzes 52 ungefähr 10 mm beträgt. In gleicher Weise sei bei dieser hypothetischen Darstellung in Fig. 4 angenommen, daß der schmale Zahn 68 eine Breite von ungefähr 2,5 mm aufweist und der breite Zahn 66 eine Breite von ungefähr 10 mm aufweist. Die genauen absoluten Abmessungen der Zähne und Schlitze sind für diese Beschreibung nicht von kritischer Bedeutung aber sie sind angegeben, um den Vorteil der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen und die vorliegende Erfindung zu verstehen.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 4 versteht es sich, daß das Signalmuster 70 synthetisch gebildet werden kann, wenn zwei andere Signalmuster 80 und 90 erzeugt und miteinander als Eingänge einer Exklusiv-ODER-Einrichtung kombiniert werden. Der Ausgang der Exklusiv-ODER- Einrichtung gibt das Signalmuster 70 vor. Durch Verwendung von zwei Signalmustern, um ein drittes Signalmuster zu erzeugen, gestattet die vorliegende Erfindung die Simulation des Signalmusters 70 durch die Signalmuster 80 und 90. Unter spezieller Bezugnahme auf die fünf gestrichelten Linien, die durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet sind, ist erkennbar, daß zwei schmale Impulse des Signalmusters 70 an diesem Ort erforderlich sind. Dies erfordert normalerweise zwei schmale Schlitze 64, um diese Signale zu erzeugen. Wie jedoch zuvor beschrieben, verursacht die Verwendung von schmalen Schlitzen das Ausfransungsproblem, welches die Größe der magnetischen Feldstärke stört, die durch die magnetisch empfindliche Einrichtung erfaßt wird. Aus diesem Grund sollten schmale Schlitze 64 vermieden werden. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf den Bereich 100 in Fig. 4 ist erkennbar, daß die Signalmuster 80 und 90 keine Impulse bzw. Signale mit niedrigem Pegel zwischen den Impulsen aufweisen, die so schmal sind, wie jene in dem Bereich 100 für das Signalmuster 70. Dies trifft zu, da die zwei breiteren Signale der Signalmuster 80 und 90 in dem Bereich 100 so angeordnet sind, daß sie durch eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung kombiniert werden können, um die zwei schmalen Impulse des Signalmusters 70 innerhalb des Bereiches 100 zu ergeben.

Durch Vergleich der Signalmuster 70, 80 und 90 ist erkennbar, daß keine Impulse 82 bzw. 92 in den Signalmustern 80 bzw. 90 extrem schmal sein müssen, um die mehreren schmalen Impulse 74 in dem Signalmuster 70 zu erzeugen, wenn eine Exklusiv-ODER-Logikverknüpfung verwendet wird. Obgleich das Signalmuster 80 verschiedene schmale Signalteile mit niedriger Amplitude zwischen den Impulsen umfaßt, umfaßt es keine extrem schmalen Signalimpulse mit hoher Amplitude.

Nachdem einmal die zwei Signalmuster 80 und 90 so festgelegt sind, daß sie durch geeignete Kombination das Signalmuster 70 ergeben, können die Objektspuren und das bewegliche Objekt der vorliegenden Erfindung entsprechend auf gebaut werden. Das bewegliche Objekt 106 umfaßt gemäß Fig. 4 zwei Objektspuren 110 und 120. In der zuvor in Einzelheiten beschriebenen Weise umfaßt jede Objektspur mehrere magnetische und nicht-magnetische Segmente. Die magnetischen Segmente 102 befinden sich im Abstand zu nicht-magnetischen Segmenten 104. In gleicher Weise umfaßt die zweite Objektspur 120 mehrere magnetische Segmente 102 und nicht-magnetische Segmente 104. Obgleich die Größen der magnetischen und nicht-magnetischen Segmente der ersten und zweiten Objektspuren 110 und 120 beträchtlich variieren, sei vermerkt, daß kein Schlitz bzw. kein nicht-magnetisches Segment 104 so klein ist, wie die schmalen Schlitze bei dem in Fig. 4 gezeigten Objekt 60. Insbesondere ist kein Schlitz in dem beweglichen Objekt 106 kleiner als 5 mm in der Breite, was dem Zweifachen der Breite des schmalen Schlitzes 64 entspricht. Dieses Kriterium wurde für die Zwecke der Veranschaulichung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung ausgewählt und es versteht sich, daß die genaue Größe der Schlitzbreite nicht von funktioneller Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist. Statt dessen gibt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung vor, durch die die Schlitzabmessungen vergrößert werden können, so daß das Ausfransungsproblem des magnetischen Feldes, wie es zuvor beschrieben wurde, vermindert werden kann.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf Fig. 4 versteht es sich, daß das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das durch die Bezugsziffer 106 und die Spuren 110 und 120 bezeichnet ist, nicht das einzige Ausführungsbeispiel ist, welches das zuvor beschriebene Problem löst. Um diese Flexibilität zu veranschaulichen, zeigt Fig. 5 das bewegliche Objekt 60 und das Signal­ muster 70 von Fig. 4 erneut für die Zwecke dieses Beispiels. Die gleichen schmalen Impulse 74 und breiten Impulse 72 sind in Fig. 5 dargestellt, wie dies auch in Fig. 4 geschah. Zusätzlich sind die gleichen schmalen Signale 78 mit niedriger Amplitude zwischen den Impulsen und die gleichen breiten Signale 76 mit niedriger Amplitude zwischen den Impulsen veranschaulicht. Dieses Signalmuster 70 in Fig. 5 würde normalerweise die Konfiguration des beweglichen Objektes 60 erfordern, wie es oben in Fig. 5 dargestellt ist. Mit anderen Worten ist das sich in Fig. 5 darstellende Problem das gleiche Problem, wie es im Zusammenhang mit Fig. 4 dargestellt und beschrieben wurde.

Die Signalmuster 130 und 140 können mit einer Exklusiv- ODER-Logik kombiniert werden, um das Signalmuster 70 zu ergeben. Obgleich die Signalmuster 130 und 140 auf diese Weise benutzt werden können, um das Signalmuster 70 zusammenzusetzen, ist erkennbar, daß diese beträchtlich unterschiedlich gegenüber den Signalmustern 80 und 90 sind, die ebenfalls benutzt werden können, um das Signal 70 zusammenzusetzen. Um die Signalmuster 130 und 140 zu erzielen, ist das bewegliche Objekt 156 gemäß Fig. 5 mit Objektspuren 150 und 160 aufgebaut, die jeweils mehrere magnetische Segmente 102 und nicht-magnetische Segmente 104 umfassen. Die Objektspur 150 liefert das Signalmuster 130 und die Objektspur 160 liefert das Signalmuster 140 in einer ähnlichen Weise, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, wobei die Objektspur 110 das Signalmuster 80 und die Objektspur 120 das Signalmuster 90 liefert.

Durch Vergleich der Fig. 4 und 5 ist erkennbar, daß das bewegliche Objekt 106 und das bewegliche Objekt 156 beträchtlich voneinander bei der Anordnung der magnetischen und der nicht-magnetischen Segmente differieren. Weiterhin sind die erzeugten Signale 130 und 140 gegenüber den erzeugten Signalen 80 und 90 beträchtlich unterschiedlich. Durch Verwendung der Exklusiv-ODER-Logik ist jedoch das zusammengesetzte Signalmuster 70 in beiden Fällen identisch. Obgleich die Fig. 4 und 5 zwei mögliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, versteht es sich, daß viele unterschiedliche Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung liegen. Alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besitzen die gemeinsame Charakteristik, daß zwei Objektspuren oder Strecken vorgesehen sind, so daß die sich durch die zugeordneten magnetisch empfindlichen Einrichtungen ergebenden Ausgangssignale miteinander kombiniert werden können, um synthetisch ein Ausgangs-Signalmuster zu erzeugen, das eine Objektspur repräsentiert, die anderweitig kaum herzustellen und zu verarbeiten ist. Die nicht- magnetischen Segmente der Objektspuren in der vor­ liegenden Erfindung sind breiter als sie sonst möglich sein würden, wenn diese Technik der Signalkombination nicht verwendet wird. Durch Vorgabe von zwei zugeordneten Objektspuren mit breiteren Schlitzen wird das den schmalen Schlitzen zugeordnete Ausfransungsproblem des magnetischen Feldes vermieden, obgleich das gewünschte Ausgangs-Signalmuster erzielt wird.

Fig. 6 veranschaulicht das Beispiel eines elektronischen Schaltkreises, der im Zusammenhang mit zwei magnetisch empfindlichen Einrichtungen verwendet werden kann, um die zuvor beschriebenen Ergebnisse zu erzielen. Erste und zweite magnetisch empfindliche Einrichtungen 26 und 30 werden mit einer vorgewählten Spannung V_S mit Leistung versorgt. Die Ausgangssignale der zwei magnetisch empfindlichen Einrichtungen werden auf Leitungen 170 und 172 entsprechend ausgegeben und diese Signale können sodann durch geeignete Verstärkungseinrichtungen 174 und 176 verstärkt werden. Die verstärkten Signale werden auf Leitungen 180 und 182 an die invertierenden Eingänge einer Exklusiv-ODER-Einrichtung 190 ausgegeben. Der Ausgang der Exklusiv-ODER-Einrichtung wird auf der Leitung 194 vorgegeben. Falls für eine spezielle Anwendung erwünscht, können die Verstärkungseinrichtungen 174 und 176 mit geeigneten Schaltkreisen kombiniert werden, um die Ausgangssignale der magnetisch empfindlichen Einrichtungen 26 und 30 mit Schwellwert­ größen zu vergleichen, um Impulse mit gleicher Größe und verbesserter Anstiegs- und Abfallcharakteristik vorzu­ geben. In Abhängigkeit von der Form der Signale auf den Leitungen 170 und 172 kann der Signalformerschaltkreis erforderlich sein oder nicht erforderlich sein.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 6 versteht es sich, daß die magnetisch empfindlichen Einrichtungen 26 und 30 Halleffekt-Einrichtungen sein können. Es versteht sich ferner, daß die Signalmuster auf den Leitungen 180 und 182 die Signalmuster 80 und 90 bzw. alternativ die Signalmuster 130 und 140 sein können. Das sich ergebende zusammengesetzte Signal auf der Leitung 194 ist das Signalmuster 70.

Claims (16)

1. Positionssensor, aufweisend:
ein erstes zu erfassendes Objekt (22; 110; 150) mit mehreren ersten magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten (12, 14; 102, 104), die entlang einer ersten Strecke angeordnet sind;
ein zweites zu erfassendes Objekt (24; 120; 160) mit mehreren zweiten magnetischen und nicht-magnetischen Segmenten (12, 14; 102, 104), die entlang einer zweiten Strecke angeordnet sind;
eine erste auf ein Magnetfeld ansprechende Einrichtung (26), die in der Nähe der ersten Strecke angeordnet ist und ein erstes Ausgangssignal entsprechend der magnetischen Charakteristik des sich am nächsten befindlichen Segmentes innerhalb der mehreren ersten magnetischen und nicht- magnetischen Segmente besitzt;
eine zweite auf ein Magnetfeld ansprechende Einrichtung (30), die in der Nähe der zweiten Strecke angeordnet ist und ein zweites Ausgangssignal entsprechend der magnetischen Charakteristik des sich am nächsten befindlichen Segmentes innerhalb der mehreren ersten magnetischen und nicht-magnetischen Segmente besitzt; und
eine Einrichtung (190) zur Bildung eines dritten Ausgangssignales in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Ausgangssignalen, wobei die ersten und zweiten mehreren magnetischen und nicht-magnetischen Segmente so angeordnet sind, daß das dritte Ausgangssignal ein im voraus ausgewähltes Signal­ muster aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Strecken auf einem rotierbaren Element angeordnet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste und zweite magnetisch empfindliche Einrichtung Halleffekt- Elemente (26, 30) umfaßt.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des dritten Ausgangssignales eine Exklusiv- ODER-Einrichtung (190) ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die magnetischen Segmente durch die Zähne eines Zahnrades vorgegeben sind.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht-magnetischen Segmente Zwischenabstände zwischen den Zähnen des Zahnrades sind.

7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Objekte mit einem im allgemeinen kreis­ förmigen Element verbunden sind zwecks Drehung um eine Achse.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das kreisförmige Element ein Zahnrad ist.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das kreisförmige Element mit einer drehbaren Welle einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist.

10. Positionssensor, gekennzeichnet durch
ein bewegliches Element (20; 106; 156);
erste mehrere magnetische und nicht-magnetische Segmente (102, 104) entlang einer ersten Strecke;
zweite mehrere magnetische und nicht-magnetische Segmente (102, 104) entlang einer zweiten Strecke;
wobei die ersten und zweiten mehreren magnetischen und nicht-magnetischen Segmente mit dem beweglichen Element befestigt sind;
einen ersten auf ein Magnetfeld ansprechenden Sensor (26) gegenüber der ersten Strecke;
einen zweiten auf ein Magnetfeld ansprechenden Sensor (30) gegenüber der zweiten Strecke;
wobei der erste Sensor ein erstes Ausgangssignal und der zweite Sensor ein zweites Ausgangssignal ausgibt; und
eine Einrichtung (190) zur Vorgabe eines dritten Ausgangssignales in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Ausgangssignalen, wobei die ersten und zweiten mehreren magnetischen und nicht-magnetischen Segmente relativ zueinander so angeordnet sind, daß die ersten und zweiten Ausgangssignale in einem im voraus ausgewählten dritten Ausgangssignal resultieren.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das bewegliche Element um eine Drehachse rotierbar ist.

12. Sensor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Sensoren jeweils eine Halleffekt-Einrichtung (26, 30) umfassen.

13. Sensor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des dritten Ausgangssignales ein Exklusiv- ODER-Gatter (190) umfaßt.

14. Sensor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das bewegliche Element ein Zahnrad ist.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die magnetischen Segmente durch Zähne des Zahnrades vorgegeben sind.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht- magnetischen Segmente durch die Zwischenabstände zwischen den Zähnen des Zahnrades vorgegeben sind.