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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Richtung einer Relativbewegung zwischen einem Körper und
einer Sensoreinheit längs
eines zugehörigen
Bewegungsweges, mit einem dem Körper
zugeordneten Markierungsmuster, das aus zumindest drei, längs des
Bewegungsweges aufeinanderfolgend angeordneten, voneinander unterscheidbaren
und durch die Sensoreinheit abtastbaren Markierungen gebildet ist.
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Verfahren
und Vorrichtungen dieser Art sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Sie werden beispielsweise dazu eingesetzt, eine Drehrichtung eines Getrieberades
in einem Automatikgetriebe zu ermitteln, wobei die ermittelte Drehrichtung
in einer Steuerungseinrichtung des Automatikgetriebes verarbeitet
werden kann.
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Bei
einer in der
DE 44
37 875 A1 beschriebenen Vorrichtung werden magnetische
Unsymmetrien eines bewegten Körpers
mittels einer Sensoreinheit abgetastet. Die magnetischen Unsymmetrien
sind als Markierungsmuster ausgebildet, so dass sie bei der Abtastung
des Körpers
durch die Sensoreinheit ein charakteristisches Signalmuster in Abhängigkeit von
der Richtung der Relativbewegung zwischen dem bewegten Körper und
der Sensoreinheit hervorrufen. Durch eine entsprechende Ausgestaltung
der magnetischen Unsymmetrien treten entweder auf- oder absteigende
Signalflanken des Signalmusters auf. Für eine Auswertung des Signalmusters
werden die Signalflanken mit Hilfe einer Differenziereinrichtung
differenziert und die da durch errechneten positiven bzw. negativen
Nadelimpulse durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit analysiert.
Bei der Analyse in der Auswerteeinheit werden entweder nur die positiven
oder nur die negativen Nadelimpulse betrachtet und auf eine im wesentlichen
konstante Frequenz hin untersucht. Treffen Nadelimpulse gleicher Frequenz
in der Auswerteeinheit ein, so wird eine erste Bewegungsrichtungsinformation
ausgegeben, treffen Nadelimpulse variierender Frequenz ein, so wird
eine zweite Bewegungsrichtungsinformation ausgegeben. Darüber hinaus
ist die Ermittlung einer Bewegungsgeschwindigkeit anhand der Frequenz der
eintreffenden Nadelimpulse möglich.
Diese Vorgehensweise setzt eine konstant bleibende Geschwindigkeit
der Relativbewegung voraus, da sich nur für diesen Fall eine konstante
Frequenz der Nadelimpulse ergibt.
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Eine
andere bekannte Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung einer Relativbewegung
zwischen einem Körper
und einer Sensoreinheit wird in der
EP
1 324 050 beschrieben. Dort wird ein mit gleichmäßig verteilten
Vor- und Rücksprüngen versehener
Körper,
insbesondere ein Zahnrad, mit einem Magnetfeld beaufschlagt, das
von einem Permanentmagneten aufgebaut wird. Durch eine Wechselwirkung
der Vor- und Rücksprünge des
Zahnrades, die das Markierungsmuster bilden, mit dem Magnetfeld kommt
es zu einer Veränderung
des Magnetfeldes, die durch mehrere, zwischen dem Permanentmagnet und
dem Zahnrad angeordnete Magnetfeldsensoren detektiert werden kann.
Die Magnetfeldsensoren ermitteln typische, richtungsabhängige, quer
zur Bewegungsrichtung des Körpers
auftretende Verzerrungen des Magnetfelds, die ihrerseits einen Rückschluss
auf die Richtung der Relativbewegung ermöglichen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine
zuverlässige
Erfassung der Richtung einer Relativbewegung mit relativ geringem
Aufwand ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine
Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird für die
Richtungsermittlung eine Signaturtabelle bereitgestellt, die vorgegebene
Einheitsmuster von Signalmustern der Sensoreinheit und jeweils den
Einheitsmustern zugeordnete Richtungsinformationen enthält. Die
in der Signaturtabelle abgelegten Einheitsmuster repräsentieren
die verschiedenen, durch die Abtastung der Markierungsmuster hervorrufbaren
Signalmuster. Im Messbetrieb wird das von der Sensoreinrichtung
erzeugte Signalmuster auf die in der Signaturtabelle enthaltenen
Einheitsmuster abgebildet, d.h. mit diesen geeignet verglichen.
Die Richtungsinformation des Einheitsmusters mit der besten Überdeckung
bzw. Übereinstimmung
zum gemessenen Signalmuster entspricht der gesuchten Bewegungsrichtung.
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Durch
die Anwendung dieses Verfahrens ist eine einfache Erfassung des
Markierungsmusters möglich,
auf eine aufwendige Nachverarbeitung des Signalmusters mit fehlerbehafteten
Vorgängen
wie Differenzierungen kann verzichtet werden. Durch die relative
Bewertung zwischen dem tatsächlich
ermittelten Signalmuster und dem bestpassenden Einheitsmuster ist
eine große
Fehlertoleranz des Verfahrens zur Richtungsermittlung gewährleistet.
Aufgrund des relativen Bewertungsverfahrens kann die gewünschte Richtungsinformation
auch bei gewissen betriebsüblichen
Schwankungen der Geschwindigkeit der Relativbewegung, z.B. für Anwendungen
im Kraftfahrzeugbereich, noch zuverlässig ermittelt werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren zusätzlich durch
die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Durch die Binärmarkierungen können in
einfacher Weise gut voneinander unterscheidbar Markierungsmuster
auf dem Körper
verwirklicht werden, die in der Sensoreinheit zwei gut voneinander
unterscheidbare Pegel hervorrufen, um eine erste Information des
Signalmusters zu bilden. Eine zweite Information des Signal musters
wird durch den Längenkennwert,
also die zeitliche Dauer des jeweiligen Pegels gebildet, die sich
auf dem Körper
beispielsweise als geometrische Ausdehnung der jeweiligen Markierung
verwirklichen lässt.
Der Längenkennwert
kann durch Ermittlung eines Zeitabschnitts zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Pegelwechseln bestimmt werden. Die Pegel- und Längenkennwerte eines abgetasteten
Markierungsmusters werden für
die Abbildung auf die Einheitsmuster der Signaturtabelle benutzt
und bilden einen Kennwertsatz. Durch eine Normierung kann eine Entkopplung des
Kennwertsatzes von der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen
Sensoreinheit und Körper
erreicht werden, wodurch ein Beitrag für die Einfachheit und die Genauigkeit
des Verfahrens geleistet wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine erste Richtungsermittlung
nach Abtastung eines vollständigen
Markierungsmusters vorgenommen. Damit kann, insbesondere bei einer
zyklischen Wiederholung des Markierungsmusters auf dem Körper, bereits
nach einem geringen Relativbewegungsweg zwischen Sensoreinrichtung
und Körper
eine Richtungsermittlung vorgenommen werden. Dabei ist unerheblich,
an welcher Startposition des Markierungsmusters die Abtastung durch
die Sensoreinrichtung beginnt, da die Einheitsmuster in der Signaturtabelle alle
entsprechenden Kombinationen potentieller Signalmuster repräsentieren.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird jeweils nach Abtastung
einer weiteren Markierung eine aktualisierte Richtungsermittlung
durchgeführt. Eine
neuerliche Abtastung eines vollständigen Markierungsmusters ist
nicht erforderlich, da bereits mit jedem neuen ermittelten Pegel
die dem Verfahren zugrundeliegende Richtungsermittlung neu ausgeführt werden
kann, so dass die Richtungsinformation mit hoher Frequenz aktualisierbar
ist. Damit kann eine besonders vorteilhafte Dynamik sichergestellt
werden, die eine zuverlässige
Richtungsermittlung häufig
auch noch bei Beschleunigungsvorgängen ermöglicht. Diese hohe Zuverlässigkeit
wird durch die relative Bewertung zwischen den ermittelten Kennwertsätzen und
den vorgegebenen Einheitsmustern und durch die Aktualisierung der
Richtungsermittlung bei jedem neu eintreffenden Pegel begründet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Abweichung eines
minimalen oder maximalen Fehlerwertes von einem Referenzwert beim
Kennwertvergleich als Qualitätskriterium
ermittelt. Dabei bezeichnet das Qualitätskriterium z.B. einen mechanischen
und/oder elektronischen Zustand der Sensoreinrichtung, der sich
beispielsweise durch Verschleiß oder
Verschmutzung der Sensoreinrichtung verändern kann. Für die Beurteilung
des Sensorzustands ist zu berücksichtigen,
ob die Relativbewegung zum Zeitpunkt der Zustandsermittlung starken Beschleunigungen
unterliegt. Eine zuverlässige
Aussage über
den Sensorzustand kann besonders vorteilhaft in einem Zustand mit
im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit der Relativbewegung getroffen
werden. Ob ein solcher Zustand vorliegt, kann vorteilhaft über eine
Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit überprüft werden, die sich in Kenntnis der
geometrischen Ausdehnung eines Markierungsmusters aus der Abtastdauer
ermittelt lässt.
Im stationären
Zustand sollte die Abweichung zwischen dem Kennwertsatz und dem
bestpassenden Einheitsmuster verschwinden. Sofern dies nicht der
Fall ist, kann anhand der tatsächlichen
Abweichung eine Bewertung der Sensorqualität vorgenommen werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Richtung einer Relativbewegung zwischen einem
Körper
und einer Sensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 6 lässt sich
insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren
zur Richtungsermittlung vorteilhaft ausführen.
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In
Ausgestaltung dieser Vorrichtung weist das Markierungsmuster mindestens
vier unterschiedliche Binärmarkierungen
auf, wobei jeweils benachbarte Markierungen für die Erzeugung unterscheidbarer
Pegel der Sensoreinheit ausgebildet sind und Markierungen gleicher
Pegel jeweils unterschiedliche Längenausdehnungen
aufweisen. Als Binärmarkierungen
werden dabei unterschiedliche Markierungen an dem relativ zur Sensoreinheit
bewegten Körper bezeichnet,
die an der Sensoreinheit genau zwei unterscheidbare Pegel hervorrufen.
In Kombination mit unterschiedlichen Längenausdehnungen der Markierungen
stehen somit für
jede Markierung jeweils zwei Informationen, der Pegel und die Längenausdehnung,
zur Verfügung.
Der binäre
Pegel kann vorzugsweise die Werte null oder eins einnehmen, während die
Längenausdehnung
der einzelnen Markierungen frei wählbar oder ein Vielfaches einer
vorgebbaren Einheitslänge
sein kann. Durch die Verwendung von Binärmarkierungen mit unterschiedlichen
Längenausdehnungen
lässt sich
eine zuverlässige
Abtastung des Markierungsmusters mit einer einfach und robust gestalteten
Sensoreinheit verwirklichen. Da nur zwei Pegel unterschieden werden
müssen,
ist auch eine vorteilhafte Trennschärfe zwischen den Pegeln gegeben,
die ebenfalls zur Zuverlässigkeit der
Vorrichtung beiträgt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung wiederholt sich das Markierungsmuster
längs des Bewegungsweges
zyklisch. Dadurch kann das Markierungsmuster kompakt gestaltet werden
und erlaubt bereits nach Abtastung einer geringen Relativbewegungsstrecke
zwischen Körper
und Sensoreinheit die Auswertung einer ersten Richtungsinformation.
Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn möglichst rasch nach Aktivierung
der Sensoreinheit eine Bewegungsrichtungsinformation ausgegeben werden
soll.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 in
schematischer perspektivischer Darstellung einen mit Markierungen
versehenen Körper
und eine zugeordnete Sensoreinrichtung,
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2 ein
Diagramm eines zeitlichen Signalverlaufs der Sensoreinrichtung und
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3 ein
schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung für die Ermittlung einer Richtung
einer Relativbewegung des Körpers
von 1.
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Die
in 3 gezeigte Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung
einer Relativbewegung weist einen als Impulsrad 1 ausgeführten Körper und
eine Sensoreinheit 2 zur Abtastung des Impulsrads 1 auf.
An dem Impulsrad 1 sind in zyklischer Wiederholung Markierungsmuster 4 angebracht,
die als Abfolge von Stegen 5 und Lücken 6 ausgebildet
sind, wobei jeweils zwei Stege 5 und zwei Lücken 6 ein
Markierungsmuster 4 bilden. In 1 ist eine
vorteilhafte Realisierung des Impulsrades 1 genauer dargestellt. Beispielsweise
kann ein zwischen Grenzen 4a, 4b angeordneter
Bereich als Markierungsmuster 4 angesehen werden. Bei dem
vorliegenden Impulsrad 1 sind über den Gesamtumfang vier Markierungsmuster 4 vorgesehen,
die jeweils zyklisch wiederholt angeordnet sind. Die Stege 5 nehmen
unterschiedliche Winkelbereiche ein und weisen damit bezüglich des Gesamtumfangs
des Impulsrades 1 und im Hinblick auf eine Rotationsbewegung
um die Rotationsachse 24 unterschiedliche Längenausdehnungen
auf. Entsprechendes gilt für
die Lücken 6.
Für das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel nehmen ein erster Steg
1/3, eine erste Lücke
1/6, ein zweiter Steg 1/6 und eine zweite Lücke 1/3 der Länge des
Markierungsmusters 4 ein.
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In
Verbindung mit der z.B. als induktiver Näherungsschalter ausgeführten Sensoreinheit 2 bewirken
die Stege 5 und die Lücken 6 bei
einer gleichförmigen
Rotation des Impulsrades 1 um eine Rotationsachse 24 ein
in 2 dargestelltes Signalmuster 7. Befindet
sich ein Steg 5 im Messbereich der Sensoreinheit 2,
so wird ein Impuls 11 durch die Sensoreinheit 2 ausgelöst. Befindet
sich eine Lücke 6 im Messbereich
der Sensoreinheit 2, entsteht eine Pause 12 im
Signalmuster 7. Die Im pulsdauerwerte 13 und die
Pausendauerwerte 14 sind dabei abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit
des Impulsrads 1. Bezogen auf eine Gesamtdauer 15,
die zur Abtastung des gesamten Markierungsmusters 4 benötigt wird,
bilden sich bei Zugrundelegung einer Rotation mit konstanter Geschwindigkeit
die oben genannten Maßverhältnisse
der Stege 5 und der Lücken 6 am Impulsrad 1 proportional
auf die Impuls- und Pausendauerwerte 13, 14 ab.
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Der
in 2 gezeigte Signalverlauf für eine bestimmte Drehrichtung
ist ausgehend von einer bestimmten, nicht dargestellten Startposition
der Abtastung des Impulsrades 1 durch die Sensoreinheit 2 wiedergegeben.
Bei Verschiebung der Startposition ergibt sich auch eine Verschiebung
des in 2 dargestellten Signalmusters 7 längs der
Zeitachse t, eine grundsätzliche Änderung
des Signalmusters 7 wird lediglich durch eine Richtungsumkehr
der Rotation des Impulsrades 1 um die Rotationsachse 24 hervorgerufen.
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In 3 ist
schematisch dargestellt, wie aus dem in 2 beispielhaft
gezeigten Signalmuster 7 eine Richtungsinformation entnommen
werden kann. Dabei führt,
wie bereits vorab beschrieben, eine Rotation 26 des Impulsrades 1 um
seine Rotationsachse zu Signalen der Sensoreinheit 2 und
damit zu einem nicht dargestellten Signalmuster, das in eine Auswerteeinheit 3 übertragen
wird. In der Auswerteeinheit 3 wird zunächst ein Zeitwert des eintreffenden Signals,
also eines Impulses oder einer Pause, mit Hilfe einer Zeitmesseinheit 16 ermittelt.
Parallel dazu wird abhängig
von dem Pegel des eintreffenden Signals ein Vorzeichen in einer
Vorzeicheneinheit 17 ermittelt. Bei einem binär ausgeführten Markierungsmuster 4,
wie es bei dieser Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist, können
nur Impulse und Pausen auftreten, so dass eine Zuordnung eines positiven
oder negativen Vorzeichens zu jedem in der Zeitmesseinheit 16 ermittelten
Zeitwert genügt.
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Der
Zeitwert und das entsprechende Vorzeichen werden als Wertepaar in
eine erste Speicherzelle eines Schieberegisters 18 gespeichert.
Bei Eintreffen des nächsten
Wertepaares werden die jeweils älteren
Wertepaare um eine Speicherzelle verschoben, während das jüngste Wertepaar in die Speicherzelle
gespeichert wird. Jeweils nach Speicherung eines Wertepaars in die
Speicherzelle wird eine Summe TΣ aus
den Beträgen
aller in der Speicherzellen gespeicherten Zeitwerte in einer Summeneinheit 19 gebildet.
Die ermittelte Summenzeit TΣ kann
für eine Ermittlung
der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl N in einer Geschwindigkeitseinheit 23 verwertet
werden, der hierfür
zusätzlich
die Information über
die Winkellängenausdehnung
n eines vollständigen
Markierungsmusters zugeführt
wird.
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Mit
der Summenzeit TΣ wird
in Normierungseinheiten 20 eine Normierung der jeweiligen,
in den Speicherzellen des Schieberregisters 18 abgelegten Zeitwerte
viTi (i=1,...,4)
durchgeführt,
um anschließend
mit den ermittelten Normzeitwerten NTi unter Einbeziehung
der jeweils zugeordneten Vorzeichen einen Vergleich mit in einer
Signaturtabelle 8 vorab abgelegten Einheitsmustern 9 vornehmen
zu können.
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Die
Einheitsmuster 9 repräsentieren
normierte, durch die Abtastung eines vollständigen Markierungsmusters hervorrufbare
Signalmuster, je nach Startposition eines Abtastbeginns der Sensoreinheit gegenüber dem
Körper
und Richtung der Relativbewegung zwischen Sensoreinheit und Körper. Die
Signaturtabelle 8 enthält
alle möglichen
verschiedenen Einheitsmuster 9, die auftreten können. Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind dies folglich acht verschiedene Einheitsmuster 9,
die jeweils vier Koeffizienten aufweisen, von denen jeder einem
Verhältnis
der Längenausdehnung
der jeweiligen Markierung bezogen auf die Längenausdehnung des gesamten
Markierungsmusters entspricht. Für
Impulse wird dem Koeffizienten ein positives Vorzeichen in der Signaturtabelle
zugeordnet, während
für Pausen ein
negatives Vorzeichen zugeordnet wird.
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Die
in den Normierungseinheiten 20 gebildeten Normzeitwerte
NTi werden gemäß ihrer Zuordnung in der ersten
bis vierten Speicherzelle mit den Koeffizienten jedes Einheitsmusters 9 der
Signaturtabelle 8 verglichen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
findet dieser Mustervergleich mit Hilfe einer Addition bzw. Subtraktion
in Additionseinheiten 21 statt. Dabei werden durch die
Addition gebildete Fehlerwerte mittels einer Betragseinheit 25 auf
ihren Betrag reduziert und in einem Vergleicher 22 zwischengespeichert.
Sobald für
alle acht Einheitsmuster 9, d.h. Spalten der Signaturtabelle 8,
die entsprechenden Fehlerwerte gebildet wurden, kann in dem Vergleicher 22 ein
minimaler Fehlerwert ermittelt werden, der eine beste Anpassung
des gemessenen Signalmusters an die entsprechende Spalte der Signaturtabelle
und damit das betreffende Einheits- bzw. Sollsignalmuster widerspiegelt.
Um eine Bewegungsrichtungsinformation ausgeben zu können, wird
die der entsprechenden Spalte der Signaturtabelle zugeordnete Richtungsinformation 10 ermittelt. Damit
ist die Drehrichtung bestimmt, und die entsprechende Information
kann anschließend
an nachgeordnete Einrichtungen übertragen
werden.
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Der
ermittelte, minimale bzw. alternativ auch maximale Fehlerwert kann
zusätzlich
mit einem Referenzwert verglichen werden, der als Fehlerschwellwert
in einer Qualitätseinrichtung 28 abgelegt
ist. Bei Überschreitung
des Fehlerschwellwertes wird der Fehlerwert als zu hoch angesehen
und nicht für
die Ausgabe einer Drehrichtungsinformation benutzt. Liegt der Fehlerwert
unterhalb des Fehlerschwellwertes, so kann ein Abstand vom Fehlerschwellwert
als Qualitätskriterium
für die
Sensoreinheit herangezogen werden. Je weiter der Fehlerwert unter
dem Fehlerschwellwert liegt, desto besser ist die Qualität der ermittelten
Signale, wodurch ein Rückschluss
auf den Zustand der Sensoreinheit, insbesondere in mechanischer
und/oder elektrischer Hinsicht möglich
ist. Ein anhand dieses Vergleichs ermittelter Qualitätswert kann
in der Qualitätseinrichtung 28 gespeichert und
gegebenenfalls ausgegeben wer den, um eine aktuelle Information über den
Zustand des Sensorsystems zu erhalten.
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Die
Sensoreinrichtung zur Abtastung des Markierungsmusters kann alternativ
auch als mechanischer Aufnehmer, elektrische Kontaktschleiferanordnung
oder als berührungslose
Abtasteinrichtung mit kapazitiven oder optischen Aufnehmern verwirklicht
werden.
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Die
Erfindung eignet sich nicht nur, wie gezeigt, zur Drehrichtungserkennung,
sondern auch zur Richtungserkennung beliebiger anderer Bewegungen,
z.B. geradliniger Bewegungen. So ist in einer nicht dargestellten
Ausführungsform
der Erfindung der mit dem Markierungsmuster versehene Körper beispielsweise
ein Stator eines Linearmotors. Die Sensoreinheit ist dann beispielsweise
an einem von dem Linearmotor mitbewegten Träger angebracht und kann somit
längs des
Stators relativ zum Markierungsmuster bewegt werden, um die gewünschte Ermittlung
der Richtung der Relativbewegung durchzuführen.