DE102007002705B4

DE102007002705B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung

Info

Publication number: DE102007002705B4
Application number: DE102007002705.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Maone Francesco Alex; Tobias Werth
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: DE102007002705A1; US7856338B2; US20080177499A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab (102) zum Definieren eines periodischen Feldes (104) und einer Feldsensoreinrichtung (110) zum Ausgeben eines ersten und eines zweiten Sensorsignals (140, 150) auf das durch den periodischen Maßstab (102) definierte periodische Feld (104) hin derart, dass bei einer ersten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das erste Sensorsignal (140) dem zweiten Sensorsignal (150) vorauseilt, und bei einer zweiten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das zweite Sensorsignal (150) dem ersten Sensorsignal (140) vorauseilt, mit einer Einrichtung (120) zum Bestimmen einer Differenz (170) zwischen einem ersten Sensorsignal (140) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des zweiten Sensorsignals (150) entspricht oder zwischen dem zweiten Sensorsignal (150) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des ersten Sensorsignals (140) entspricht; und einer Einrichtung (130) zum Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung abhängig von der bestimmten Differenz (170).

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab und einer Feldsensoreinrichtung wie z. B. auf eine Ermittlung oder Vorhersage eines Richtungswechsels mittels magnetoresistiver Sensoren.
Bei zahlreichen Anwendungen wird häufig neben einer Drehzahl oder Geschwindigkeitsmessung eines periodischen Maßstabes bzw. eines Geberobjektes auch eine Erkennung der Bewegungsrichtung bzw. eine Änderung der Bewegungsrichtung, wie z. B. der Drehrichtung eines Rades oder einer Welle, benutzt. Dazu werden im Allgemeinen magnetoresistive Sensoren zur Bestimmung der Drehzahl und der Drehrichtung verwendet.
Magnetoresistive Sensoren basieren auf dem magnetoresistiven Effekt und können beispielsweise eine Schichtfolge aufweisen, deren elektrischer Widerstand zwischen zwei Kontakten von einem relativen Winkel zwischen einem eingeprägten Magnetfeld und einem äußeren Sensormagnetfeld abhängt, wobei das eingeprägte Magnetfeld dabei für einen gegebenen magnetoresistiven Sensor (MR-Sensor) fixiert ist. Mit Hilfe der Widerstandsänderung kann somit die relative Lage des eingeprägten Magnetfeldes zu dem äußeren Sensormagnetfeld und insbesondere die relative Lage zwischen dem Geberobjekt (für das Sensormagnetfeld) und der Feldsensoreinrichtung bestimmt werden. Magnetoresistive Sensoren basieren häufig auf dem GMR-Effekt (GMR = giant magnetic resistance) und die entsprechenden Sensoren werden als GMR-Sensoren bezeichnet.
Bei magnetoresistive Sensoren in z. B. einem Geschwindigkeits-, Winkel-, Richtungsmesser wird die erforderliche Signalprozessierung beispielsweise von einer digitalen Signaiprozessoreinrichtung (DSP) durchgeführt. Die digitale Signalprozessoreinrichtung übernimmt Funktionen wie beispielsweise eine Kompensation von Justage-Abweichungen, eine Reduktion der Hysterese und Ähnliches. Nun ist es beispielsweise im Automobilzweig erforderlich, Drehrichtungen von Maschinen mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu überwachen. Dies kann durch Prozessieren der Signale in einem digitalen Kontext geschehen (d. h. in einem Niedrigfrequenzbereich). Es gibt allerdings auch Bereiche, für die eine analoge Prozessierung (ein so genanntes Pre-Processing) von Signalen oder zumindest eine Real-Time oder zumindest eine zeitnahe Richtungsänderungserkennung wünschenswert wäre.
Die DE 102004017191 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung einer momentanen relativen Bewegung eines Geberobjekts in Abhängigkeit von einem vom Geberobjekt beeinflussten oder erzeugten Magnetfeldes. Mittels zweier unabhängiger Magnetfeld-Sensoren (einem xMR-Element und einem Hall-Sensor) werden zwei Signale erzeugt, die zueinander phasenverschoben sind. Die beiden Signale entsprechen beispielsweise zwei verschiedenen Komponenten des erzeugten Magnetfeldes. Die beiden Signale sind dabei beispielsweise um 90° zueinander phasenverschoben und die Richtungsumkehr kann dadurch festgestellt werden, dass die Reihenfolge der beiden Signale zueinander bestimmt wird (d. h. welches der beiden Signale dem anderen vorausläuft).
Die US 20030205998 A1 offenbart ein Sensor-Element zum Feststellen einer Bewegungsrichtung eines rotierenden Objekts. Es wird ein Magnetfeld-Sensor-Element benutzt, um ein zeitliches veränderliches Magnetfeld, welches durch das rotierende Objekt erzeugt oder beeinflusst wird, zu messen, wobei die geometrische Anordnung derart gewählt ist, dass ein asymmetrisches Sensorsignal erzeugt wird. Diese asymmetrischen Signale bzw. deren Differenz wird genutzt, um ein Sensorsignal zu generieren, das in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung eine verschiedene Form aufweist. Ein Wechsel dieses asymmetrischen Sensorsignals entspricht somit eine Richtungsumkehr des rotierenden Objekts.
Die DE 19733581 C1 offenbart ein Verfahren zum Erkennen der Position und der Bewegungsrichtung eines bewegbar gelagerten Teils eines elektrischen Motors, wobei zur Feststellung einer Richtungsumkehr das Maximum eines Motorstroms I_as genutzt wird.
Die US 6 870 365 B1 offenbart ein Rotations-Erfassungsgerät, welches sechs magnetoresistive Sensor-Elemente aufweist, die derart angeordnet sind, dass bei einer Rotation des Objekts Sensorsignale erzeugt werden, die eine Phasendifferenz von einem Viertel der Periode (90°) aufweisen. Durch Bilden entsprechender Differenz-Signale kann die Drehrichtung dadurch festgestellt werden, dass bestimmt wird, welches der Sensorsignale den jeweils anderen Sensorsignalen vorausläuft.
Die DE 19937964 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erkennen einer Bewegungsrichtung eines bewegbaren Teils und insbesondere einer Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung, bei der ein feststehender Sensor das bewegbare Teil abtastet und die Beschaffenheit des bewegbaren Teils so gewählt ist, dass aus dem Signal des Sensor-Elements durch Vergleich mit Schwellwerten ein digitales Bild erhalten wird, dessen Tastverhältnis von der Bewegungsrichtung abhängig ist. Für die Vorrichtung ist es wesentlich, dass das bewegbare Teil eine charakteristische Oberfläche aufweist, die beispielsweise Vertiefungen und Erhöhungen aufweist, wobei die Ausdehnung der Vertiefungen anders sein muss als die Ausdehnung der Höhen. Das sich daraus ergebende Magnetfeldabhängige Signal weist somit ebenfalls eine ungleichförmige Form auf, und durch ein Vergleichen des Sensorsignals mit zwei Triggerspannungen (bei Überschreiten der einen Triggerspannung wechselt das Signal von Low nach High und bei Überschreiten der anderen Triggerspannung von High nach Low) ergeben sich in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung verschiedene Ausgangs-Signale.
Die US 3815111 A offenbart eine Vorrichtung zum Feststellen einer Richtungsumkehr bei einem sich hin und her bewegenden Objekt, wobei die Richtungsumkehr zunächst durch einen Umformer in ein Signal umgewandelt wird, wobei der Punkt der Richtungsumkehr des sich hin und her bewegenden Objekts durch ein Maximum des Signals zeigt. Der Punkt der Richtungsumkehr wird nun durch das Maximum des Signals bzw. durch einen Nulldurchgang der Ableitung des Signals bestimmt. Die Vorrichtung stellt somit für ein periodisches Signal den Zeitpunkt fest, wenn ein Maximum (Minimum) erreicht wird. Dieses Maximum entspricht dabei dem Umkehrpunkt der periodischen Hin- und Herbewegung.
Die EP 0 269 779 A1 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeiten nach Betrag und Vorzeichen aus zwei von einem Winkelgeber abgegebenen Signalen. Eine Aufbereitungselektronik liefert zwei Signale U_S1 und U_S2, die als Funktion des Drehwinkels einen sinusförmigen bzw. cosinusförmigen Verlauf aufweisen und somit gegeneinander um 90° des Drehwinkels α phasenverschoben sind. Zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit y wird das Signal U_S1 in einem Differenzierglied einer Differentiation unterzogen, wobei anschließend eine Dividierschaltung das Ergebnis der Differentiation durch das andere Signal U_S2 dividiert. Um Probleme zu vermeiden, wenn der Divisor 0 wird, ist ein Nullspannungskomparator vorgesehen, der in den Winkelbereichen, an denen das Signal U_S2 in Bälde 0 wird, durch Schalter die Signale U_S1. und U_S2 in umgekehrter Formation an das Differenzierglied bzw. die Dividierschaltung anlegt. Ein Schalter und ein Subtrahierer sorgen in diesem Fall für eine Vorzeichenkorrektur des Ergebnisses der Division am Ausgang.
Die DE 36 19 710 A1 beschreibt eine Dividierschaltung. Insbesondere beschäftigt sich dieselbe mit der Quotientenbildung zweier voneinander unabhängiger elektrischer Signale, die aber jeweils pulsbreitenmoduliert sind, und zwar in Form von Rechtecksignalen. Ein Kondensator wird wechselseitig mit der Summe der elektrischen Signale bis zu einer Vergleichsspannung geladen und anschließend mit der Differenz der elektrischen Signale bis zu einer zweiten Vergleichsspannung umgeladen.
Die US 3,789,197 A beschäftigt sich mit einem analogen Dividierer. Ein Signal, das den Zähler darstellt, wird einem Integrierer zugeführt. Die Integration wird in Zyklen mit 460 Hz durchgeführt. Kurzzeitig wird das Zählersignal von dem Integrator getrennt und Letzterer zurückgesetzt. Am Ausgang des Integrators ergibt sich somit ein Sägezahnsignal, das der abschnittsweisen Integration des Zählersignals entspricht. Ein Komparator vergleicht dann das Sägezahnsignal mit einem Signal, das dem Nenner der zu berechnenden Division entspricht. In pulsweitenmodulierter Form ergibt sich dann am Ausgang eines auf den Ausgang des Komparators folgenden Inverters der Quotient in pulsweitenmodulierter Form. Ein geeignetes Filter könne verwendet werden, um den Quotienten in DC-Form zu erhalten.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe der verbesserten Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab und einer Feldsensoreinrichtung gemäß den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche.
Kurzbeschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a ein Blockdiagramm eines Bewegungsumkehrsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1b ein Blockdiagramm eines Bewegungsumkehrsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Abtastung an Nulldurchgängen;
1c ein Blockdiagramm eines Bewegungsumkehrsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Abtastung an Extremalstellen;
2 eine Sensorarchitektur basierend auf einem Standard MR-Sensor;
3a eine Draufsicht auf eine typische Anwendung eines magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung einer Drehung;
3b eine Querschnittsansicht aus dem Ausführungsbeispiel von 3a zur Veranschaulichung des Feldlinienverlaufes;
4a eine Darstellung einer magnetoresistiven Brücke und eine Positionierung der magnetoresistiven Sensorelemente im Vergleich zum Magnetfeld;
4b eine Darstellung eines Geschwindigkeits- und Richtungssignals in Abhängigkeit eines Drehwinkels;
5a Signalverlaufdiagramme für einen ersten Drehrichtungswechsel;
5b Signalverlaufsdiagramme für einen zweiten Drehrichtungswechsel;
6a ein Indikatordiagramm für den ersten Drehrichtungswechsel;
6b ein Indikatordiagramm für den zweiten Drehrichtungswechsel;
7 Signal- und Saturierungsdiagramme (oben) und ein entsprechendes Drehrichtungsumkehrsignal (unten) für den ersten Drehrichtungswechsel;
8 Signal- und Saturierungsdiagramme (oben) und ein entsprechendes Drehrichtungsumkehrsignal (unten) für den zweiten Drehrichtungswechsel;
9 Signal- und Saturierungsdiagramme für den ersten Drehrichtungswechsels (oben) und ein durch Abtastung erzeugtes Drehrichtungsumkehrsignal (unten);
10 Signal- und Saturierungsdiagramme für den zweiten Drehrichtungswechsels (oben) und ein durch Abtastung erzeugtes Drehrichtungsumkehrsignal (unten);
11 eine Prinzipdarstellung für eine Amplitudenkorrektur bzw. ein Extraktionsprinzip.
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Detaillierte Beschreibung
Bevor auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im speziellen eingegangen wird, werden vorab ein paar Aspekte erörtert, auf denen dieselben beruhen.
Bei folgenden Ausführungsbeispielen wird eine Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab und einer Feldsensoreinrichtung dadurch festgestellt, dass der periodische Maßstab in der Feldsensoreinrichtung ein erstes Sensorsignal und ein zweites Sensorsignal erzeugt, welche zueinander phasenverschoben sind, und die Richtungsumkehr durch ein Erfassen einer zeitlichen Ableitung des ersten oder zweiten Sensorsignals wie z. B. zu diskontinuierlichen bestimmten Zeitpunkten wie beispielsweise der Nullstellen in einem der Sensorsignale festgestellt wird. Die Richtungsumkehr der Relativbewegung wird insbesondere dadurch festgestellt, dass eine Differenz zwischen der Ableitung des ersten Sensorsignals und des jeweils anderen Sensorsignals gebildet wird. Da die Phasenverschiebung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals von der Relativbewegungsrichtung des periodischen Maßstabes im Vergleich zur Feldsensoreinrichtung abhängt, zeigt sich die Richtungsumkehr in einer sprunghaften Veränderung der oben beschriebenen Differenz zwischen der zeitlichen Ableitung des ersten oder zweiten Sensorsignals von dem jeweils anderen Sensorsignal.
Der periodische Maßstab kann als ein Geberobjekt aufgefasst werden, welches ein periodisches Feld definiert, wie z. B. ein periodisches Feld erzeugt oder ein statischen Feld periodisch beeinflusst, welches wiederum in der Feldsensoreinrichtung erfasst wird. Beispiele dafür sind periodisch an einen Polrad bzw. an einer Schwungscheibe aufgebrachte Magnete oder magnetische Bereiche zur Magnetfelderzeugung, wobei sich auf einer Oberfläche des Polrades bzw. der Schwungscheibe Nord- und Südpole der Magnete einander abwechseln. Da die magnetischen Feldlinien die Nordpole senkrecht verlassen und in den Südpolen wiederum senkrecht eintreten, ändert sich entlang der periodisch aufgebrachten Magnetpole das Magnetfeld periodisch, was sich bei einem geringen Abstand über der ersten Oberfläche in einer Drehung des Magnetfeldes manifestiert. Diese sich drehende Magnetfeldkonfiguration kann beispielsweise durch Magnetfelddetektoren festgestellt werden und zur Bewegungsrichtungsfeststellung verwendet werden. Alternativ können entlang des Umfangs abwechselnd vorstehende und zurückgesetzte Bereiche zur Magnetfeldbeeinflussung eines äußeren Magnetfeldes vorgesehen sein.
Gemäß nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele wird das sich ändernde Magnetfeld während einer Relativbewegung zwischen Geberobjekt und Feldsensoreinrichtung dadurch festgestellt, dass vier zu einer Brücke geschaltete GMR-Elemente das veränderliche Magnetfeld erfassen und daraus ein periodisches elektrisches Signal erzeugen. Die in den GMR-Elementen eingeprägten Magnetfeldrichtungen sind dabei vorzugsweise derart eingeprägt, dass sie entweder parallel bzw. antiparallel zu der von den Nordpolen bzw. Südpolen austretenden oder einlaufenden Magnetfeldrichtung sind. Die vier zu einer Brücke geschalteten GMR-Elemente erzeugen dabei das erste oder das zweite Sensorsignal und das jeweils andere Sensorsignal wird von einem fünften GMR-Element erzeugt, dessen fixierte eingeprägte Magnetisierungsrichtung beispielsweise parallel oder anti-parallel zu den in den anderen vier GMR-Elementen eingeprägten Magnetfeldrichtungen verläuft. Das erste und das zweite Sensorsignal sind beispielsweise um 90 Grad zueinander phasenverschoben, indem das fünfte GMR-Elements von den vier zur Brücke verschalteten GMR-Elemente räumlich getrennt sind. Die räumliche Trennung weist beispielsweise einen Wert von einer Periode des periodischen Maßstabes auf. Somit läuft entweder das erste Sensorsignal oder das zweite Sensorsignal den jeweils anderen voraus, woraus die Bewegungsrichtung des beispielhaften Polrades oder Schwungrades bestimmt werden kann.
Periodisch angebrachten Magnete (oder magnetischen Bereiche) an dem Schwungrad bzw. Polrad stellen wie erörtert nur ein Beispiel dar, um ein periodisches Feld von einem periodischen Maßstab zu generieren. Andere Geberobjekte für ein magnetisches Feld könnten beispielsweise Zahnräder sein, die ein Einwirken des Magnetfeldes in Abhängigkeit davon beeinflussen, ob eine Vertiefung bzw. ein Zahn unter- oder oberhalb der Magnetfeldsensoreinrichtung erscheinen. Somit können als Geberobjekte bzw. periodische Maßstäbe so genannte Zahnräder oder Zahnstangen in Verbindung mit einem Back-Bias-Magneten eingesetzt werden. Der Back-Bias-Magnet erzeugt ein stationäres Hintergrundmagnetfeld, das durch die Zahnradanordnung, d. h. hervorstehende Zähne und zurückliegenden Vertiefungen (Lücken), definiert ist, bzw. beeinflusst wird, wobei der Abstand der Zähne bei diesen so genannten Back-Bias-Anordnungen von Zahnrädern bzw. Zahnstangen als so genannter „Pitch”-Abstand bezeichnet wird.
Bei den oben genannten Polrädern bzw. Polstangen stellen nebeneinander angeordnete, magnetische Nord- und Südpole eine periodische permanent-magnetisierte Struktur dar. 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 permanent-magnetisierten Bereiche sind üblicherweise gleich groß, wobei in diesem Fall der Abstand der Polpaare bei einer Polradanwendung als so genannter „Pitch”-Abstand bezeichnet wird.
Zur Feststellung einer Richtungsumkehr kann die relative Phase der oben beschriebenen Signale erfasst und aus der Kenntnis, welches Signal dem anderen voraus läuft, kann die Bewegungsrichtung und somit auch die Bewegungsumkehr festgestellt werden. Die beiden Signale sind dabei zum Einen das so genannte Brückensignal, welches durch die zu einer GMR-Brücke geschalteten GMR-Elemente erzeugt wird, und zum Anderen das so genannte Zentrums- bzw. Richtungssignal, welches vom fünften GMR-Element erzeugt wird. Das Brückensignal wird auch als s(x) und das Richtungssignal als d(x) bezeichnet. Das Richtungssignal d(x) kann beispielsweise an den Nullstellen des Brückensignals s(x) abgetastet werden, wobei, wenn die Abtastung an einer fallenden Flanke des Brückensignals größer ist als die Abtastung an einer steigenden Flanke, die Maxima des Richtungssignals d(x) den Maxima des Brückensignals s(x) folgen werden, wodurch eine bestimmte Bewegungsrichtung (beispielsweise von Links nach Rechts) des Magnetfeldsignals festgelegt ist. Mit einer äquivalenten Prozedur kann die Richtung ebenso an einer steigenden Flanke des Brückensignals s(x) bestimmt werden. Diese Vorgehensweise ist zwar einfach und effizient, da es die bereits bestimmten Nulldurchgänge des Brückensignals verwendet, und sie ist weiterhin unabhängig von der Signalfrequenz, da die Richtung nur einmal in einer halben Periode bestimmt wird und keine weitere Prozessierung erforderlich ist, und es wird auch ein verbleibender Offset des Brückensignals s(x) automatisch dadurch kompensiert, dass ein Vergleich mit folgenden Abtastwerten durchgeführt wird, welche ja den gleichen Offset aufweisen, aber ein Nachteil besteht darin, dass nur nach einem zweiten Nulldurchgang die Bewegungsrichtung bestimmt werden kann. Somit vergeht im ungünstigsten Fall eine volle Periode bis die Richtung bestimmt werden kann. Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele vermeiden diesen Nachteil und geben vielmehr die Möglichkeit, eine Richtungsumkehr im wesentlich unmittelbar bzw. sofort festzustellen.
Weitere Vorteile von der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind z. B., dass keine Analog-Digital-Wandlung zur Bestimmung bzw. Berechnung der Richtung erforderlich ist und folglich eine erhebliche Flächeneinsparung bei einem Sensor möglich wird (beispielsweise hinsichtlich der Siliziumfläche auf einem Wafer). Weiterhin ist es vorteilhaft, dass durch eine intrinsische frequenzabhängige Verstärkung die Beiträge von Vibrationsmoden mit niederen Frequenzen reduziert werden. Wie bereits beschrieben, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass eine Richtungsumkehr bzw. ein Richtungswechsel sofort im Moment des Geschehens festgestellt werden kann (und somit asynchron zu der Systemuhr). Dies erlaubt eine sehr schnelle Antwortzeit, wodurch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet sind. Ferner weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einer Anlaufphase (Start-up-Phase) keine nachteilige, so genannten Kalibrierungsverzögerungen auf, welche in einem vollständigen digitalen Zugang typisch auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Signalfrequenz innerhalb eines vorteilhaften Arbeitsbereiches liegt und somit eine ausreichend hohe mechanische Beschleunigung aufweist.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele bieten somit eine Möglichkeit oder Architektur, um mit kurzer Ansprechzeit (short time-to-output) einen Wechsel einer Drehung oder Bewegung des Magnetfeldgebers (bzw. eines Eingabemagnetfeldes), welches in Zusammenhang mit MR-Sensoren verwendet wird, festzustellen. Sie weisen eine Vorhersagetechnik auf, die auf einer mathematischen Darstellung der verfügbaren Signale beruht und mittels eines Niederfrequenz-Differenzierers (low-frequency differentiator) implementiert ist.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Bewegungsumkehrsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bewegungsumkehrsensor weist eine Feldsensoreinrichtung 110, eine Einrichtung 120 bzw. einen Vergleicher zum Bestimmen einer Differenz 170 und eine Einrichtung 130 bzw. einen Prozessor zum Erfassen der Richtungsumkehr auf. Die Feldsensoreinrichtung 110 erfasst ein periodisches Feld 104 und gibt ansprechend hierauf ein erstes Sensorsignal 140 und ein zweites Sensorsignal 150 aus. Das erste Sensorsignal 140 eilt dem zweiten Sensorsignal 150 voraus oder das zweite Sensorsignal 150 eilt dem ersten Sensorsignal 140 voraus, je nach Relativbewegungsrichtung zwischen der Anordnung aus den Feldsensoreinrichtungen einerseits und dem periodischen Feld andererseits. Das erste Sensorsignal 140 und das zweite Sensorsignal 150 werden in die Einrichtung 120 zum Bestimmen einer Differenz 170 eingegeben, die zwischen dem ersten Sensorsignal 140 und einem Signal, das einer zeitlichen Änderung (Ableitung) des zweiten Sensorsignals entspricht, eine Differenz 170 bildet oder umgekehrt zwischen dem zweiten Sensorsignal 150 und einem Signal, das einer zeitlichen Änderung des ersten Sensorsignals 140 einer Differenz 170 entspricht, wie z. B. einer Ableitung. Die Einrichtung 120 zum Bestimmen einer Differenz 170 weist somit eine Einrichtung 160 auf, welche das Signal, das einer zeitlichen Änderung entspricht aus der Ableitung des Signals erzeugt. Die Einrichtung 120 zum Bestimmen der Differenz 170 gibt die bestimmte Differenz 170 an die Einrichtung 130 zum Erfassen der Richtungsumkehr weiter, wo anhand der bestimmten Differenz 170 eine Richtungsumkehr der Relativbewegung signalisiert wird und als Ergebnis 180 ausgegeben wird.
1a und 1c zeigen Ausführungsbeispiele für einen Bewegungsumkehrsensor, bei dem eine Abtastung des Vergleichsergebnisse bzw. des Differenzsignals zu diskreten Zeitpunkten durchgeführt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel in 1b erfolgt die Abtastung an Nulldurchgängen und bei dem Ausführungsbeispiel in 1c an Extremalstellen des ersten oder zweiten Sensorsignals 140, 150. Wie es später bezugnehmend auf Signalbeispiele deutlich werden wird, verhilft die Abtastung zu einem leichter auswertbaren Differenzsignal insofern, als sich Änderungen in diesem Signal lediglich bei Richtungsänderungen ergeben.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1a weist der Vergleicher 120 zwei Eingänge für das erste und zweite Sensorsignal 140, 150 auf, einen Differenzierer und den Ausgang für die Differenz 170.
Bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Vergleicher 120 ferner einen weiteren Ausgang auf, der an den Eingang des Differenzierers 160 koppelt. Der Einrichtung 130 zum Erfassen weist einen Nulldurchgangsdetektor 178, einen Abtaster 172 und einen Schwellwertvergleicher 174 auf, der das Richtungsumkehrsignal 180 ausgibt. Der Nulldurchgangsdetektor 178 erfasst somit Zeitpunkte, an denen das Eingangssignal des Differenzierers 160 einen Nulldurchgang aufweist und gibt ein entsprechendes Signal an den Abtaster 172, der beispielsweise zu diesen Zeitpunkten eine Abtastung der bestimmten Differenz 170 vornimmt und ein Resultat an den Schwellwertvergleicher 174 weiterleitet. Der Schwellwertvergleicher 174 stellt fest, ob ein Wertebereich der abgetasteten Differenz 170 zu den Zeitpunkten einen Schwellwert überschritten oder unterschritten hat und gibt ein Richtungsumkehrsignal 180 aus, welches eine Richtungsumkehr signalisiert.
Bei dem in 1c gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Abtastung zu diskreten Zeitpunkten, allerdings erfolgt die Abtastung hier zu Zeitpunkten, an denen das Ausgangssignal des Differenzierers 160 einen Extremalwert aufweist. Somit weist der Vergleicher 120 bei diesem Ausführungsbeispiel einen weiteren Ausgang für das Ausgangssignal des Differenzierers 160 auf, welches an einen Extremalstellendetektor 178 koppelt. Der Extremalstellendetektor 178 bestimmt die Zeitpunkte, an denen das Ausgangssignal des Differenzierers 160 einen Extremalwert aufweist und gibt ein entsprechendes Signal an den Abtaster 172, der beispielsweise zu diesen Zeitpunkten die Differenz 170 abtastet und das Resultat wiederum an den Schwellwertvergleicher 174 weiterleitet. Wie zuvor auch, stellt der Schwellwertvergleicher 174 fest, ob ein Wertebereich der abgetasteten Differenz 170 zu den Zeitpunkten einen Schwellwert überschritten oder unterschritten hat und gibt ein Richtungsumkehrsignal 180 aus, welches eine Richtungsumkehr signalisiert.
2 zeigt eine mögliche Sensorarchitektur bzw. Anordnung zur Messung von beispielsweise Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit bzw. -rate und Drehrichtung, die exemplarisch auf magnetoresistive Sensorelemente basiert, und bei der nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele zur Richtungswechseldetektion angewendet werden können. Die magnetoresistiven Sensorelemente können beispielsweise GMR-Elemente sein. In 2 sind vier GMR-Elemente zu einer Brücke 210 (GMR-Brücke oder Speed-GMR-Bridge) verschaltet. Die Brücke 210 wird über einen LDO (low dropout regulator) oder Buck-Konverter mit einer Spannung von der Versorgungseinrichtung 211 versorgt, wobei dem LDO Ströme i_bg1 und i_bg2 vorgegeben werden, um einen vorbestimmten Strom in die Brücke 210 einzuprägen. Die Brücke 210 weist vier GMR-Elemente auf, wobei ein GMR-Element 210c zwischen der LDO-Einrichtung und einem ersten Ausgang 212 geschaltet ist, ein GMR-Element 210a ist zwischen die LDO-Einrichtung und einen zweiten Ausgang 214 geschaltet, ein GMR-Element 210b ist zwischen einer Masse 216 und dem ersten Ausgang 212 geschaltet und ein GMR-Element 210d ist zwischen die Masse 216 und den zweiten Ausgang 214 geschaltet. An dem ersten Ausgang 212 liegt die Spannung u₁ und an dem zweiten Ausgang 214 liegt die Spannung u₂ an, wobei beide von den sich durch das äußere Magnetfeld ergebenden Widerstandswerten der GMR-Elemente abhängen. Beide Spannungen werden in einem Vorverstärker 218 kombiniert, verstärkt und als Geschwindigkeitssignal 220 ausgegeben.
Ein GMR-Element 221 ist zwischen die Versorgungseinrichtung 211 und eine Stromquelle 222 geschaltet. Zwischen der Stromquelle 222 und dem GMR-Element 221 wird ein Richtungssignal 224 abgenommen und über einen Puffer 226 mit beispielsweise Tiefpassfiltereigenschaften an eine Zustandsmaschine 228 weitergegeben. Als weitere Eingabe erhält die Zustandsmaschine 228 des Geschwindigkeitssignals 220 von dem Vorverstärker 218. Sowohl der Vorverstärker 218 als auch der Puffer 226 können low-pass-Filter aufweisen. Die Zustandsmaschine 228 kann einen Multiplexer Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweisen und gibt ein digitales Geschwindigkeitssignal 230, ein digitales Richtungssignal 232 und ein Zählimpuls 234 aus, welche von einer digitalen Prozessoreinrichtung 236 weiter verarbeitet werden. Die digitale Prozessoreinrichtung 236 ist mit der Versorgungseinrichtung 211 verbunden und ist mit einem Reset-Geber 237 gekoppelt. Die digitale Prozessoreinrichtung 236 gibt ein Multiplexersignal 238 an die Zustandsmaschine 228 und ein Signal test_dtkmux an einen Zählgenerator 240 aus. Ferner ist die digitale Prozessoreinrichtung 236 mit der Stromquelle 222 verbunden bzw. steuert sie und ist mit einem Testmultiplexer 242 verbunden. Der Testmultiplexer 242, der ebenfalls mit der Versorgungseinrichtung 211 verbunden ist, weist weitere Anschlüsse für ein Resetsignal 244, einen Anschluss für ein Geschwindigkeitsverstärkungssignal 246 (speed_amp), einen Anschluss für einen Richtungsverstärkungssignal 248 (dir_amp), ein Richtungs-GMR-Signal 250 (dir_gmr), ein Geschwindigkeits-gmr-Signal 252 (Speed_gmr) und einen Anschluss für die Versorgungsspannung 254 (Vdd) auf. Der Zählgenerator 240 ist mit der Zustandsmaschine 238 verbunden und erhält eine Eingabe von einer LCF-Einrichtung 256 (lock control function), wobei die LCF-Eirichtung 256 Signale ebenfalls an die digitale Prozessoreinrichtung 236 sendet. Der Zählgenerator 240 ist ferner mit der Versorgungseinrichtung 211 verbunden. Die digitale Prozessoreinrichtung 236 weist einen ersten Anschluss 258 und einen zweiten Anschluss 260 auf.
Die Prozessoreinrichtung 236 verwendet das abgetastete digitale Geschwindigkeits- und Richtungssignal, und leitet daraus beispielsweise Drehgeschwindigkeit und/oder Drehwinkel ab, die sie an den Anschlüssen 258 und 260 ausgibt. Sie kann auch die Drehrichtung aus den beiden Signalen herleiten, wie es im vorhergehenden beschrieben wurde. Das ist allerdings nicht unbedingt notwendig, wenn die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele in die Anordnung nach 2 implementiert werden, wie es im folgenden noch beschrieben wird aber in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt ist. Insbesondere könnte die digitale Prozessoreinrichtung 236 das Richtungsumkehrsignal 180, das weiter unter detaillierter beschrieben wird, verwenden, um über Richtungsumkehrungen frühzeitig Bescheid zu wissen, und je nach dem beispielsweise den Drehwinkel abhängig von den erkannten Perioden in den Signalen 230 bzw. 232 nicht zu inkrementieren sondern zu dekrementieren oder umgekehrt. Somit könnte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die digitale Prozessoreinrichtung 236 über einen weiteren Eingang für die Richtungsumkehrsignale 180 verfügen, um Richtungsumkehrungen zu erfassen und aus einer aktuellen Drehrichtung auf eine neue, umgekehrte Bewegungsrichtung zu schließen.
2 zeigt die Elemente des magnetoresistiven Sensors (MR-Sensor) als in einer Wheatstone-artigen Brücke verschaltet, welche zwei Signale ausgibt, ein Signal mit der Spannung u₁ und ein zweites Signal mit der Spannung u₂, welche aufgrund der gewählten Anordnung der GMR-Elemente physikalisch gegenphasig sind, wie es im folgenden noch näher erörtert wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die MR-Brücke 210 auf zwei Seiten bzw. in der nähe zweier gegenüberliegender Kanten einer integrierten Schaltung angeordnet, wobei, um eine hohe Sensitivität zu erreichen, jeder Widerstand bzw. jedes GMR-Element derart angeordnet ist, dass der differenzielle Spannungsausgang 220 maximiert wird.
3a und 3b zeigen ein Polrad 310, welches parallel zu einer X, Y-Ebene angeordnet ist, und das als Geberobjekt für die Sensoranordnung von 2 dient. Das Polrad 310 weist in einem Randbereich 312 permanent magnetisierte Bereiche auf, wobei Nordpolgebiete 315 sich mit Südpolgebieten 320 einander periodisch abwechseln. Eine Magnetfeldsensoreinrichtung 325 weist GMR-Sensoren in einem Abstand d, einen ersten Anschluss 330, der mit Masse Gnd verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 335, der über einen Widerstand 340 mit der positiven Versorgungsspannung Vdd verbunden ist, auf. Eine Sensorspannung V_sense, die sich über eine Kapazität C1 über die Masse Gnd aufbaut, wird nachfolgend weiter verarbeitet, und soll beispielsweise das Signal u₁ oder u₂ aus 2 darstellen. Einen Bereich, der jeweils ein Nordpolgebiet 315 und ein Südpolgebiet 320 umfasst, wird als Pitch oder Periode bezeichnet, während die Ausdehnung entlang des Umfangs des Rades 310 als Pitch- oder Periodenlänge bezeichnet wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dreht sich das Polrad 310 in der gewählten Betrachtung im Uhrzeigersinn und der zweite Anschluss 335 ist ein Anschluss für die positive Versorgungsspannung Vcc der Magnetfeldsensoreinrichtung 325.
3b zeigt eine Querschnittsansicht entlang eines Querschnitts 345 des Polrades 310 aus 3A. Die Querschnittsansicht aus 3b ist parallel zu einer X, Z-Ebene, d. h. die Y-Richtung steht senkrecht auf der Zeichenebene. Es sind zwei Südpolgebiete 320 und zwei Nordpolgebiete 315 gezeigt, die einander abwechseln. Die magnetischen Feldlinien treten dabei von den Nordpolgebieten 315 heraus und sind zu den Südpolgebieten 320 gerichtet. Die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 erfasst das magnetische Feld 104 durch die GMR-Sensoren, die an Sensorpositionen angebracht sind. Wenn nun das Polrad 310 sich beispielsweise im Uhrzeigersinn in 3a bewegt, bewegen sich die periodisch angeordneten Nordpolgebiete 315 und Südpolgebiete 320, die einen periodischen Maßstab 102 mit einer Periode bilden, von oben nach unten, währenddessen die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 fixiert bleibt. Während dieser Bewegung, erfasst die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 ein sich drehendes magnetisches Feld 104, wobei sich das magnetische Feld 104 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und zwar derart, dass sich das magnetische Feld 104 von einem Nordpolgebiet 315 zu einem darauf folgenden Nordpolgebiet 315 sich um 360° dreht. In den MR-Sensoren wird bei dieser Bewegung ein periodisches Sensorsignal erzeugt. Die Anordnung der Feldsensoranordnung 325 ist dabei derart, dass sie sensitiv ist bezüglich der Magnetfeldkomponenten bzw. einer Änderung der Magnetfeldkomponenten in der X, Z-Ebene.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen dreht sich nicht das Polrad 310 bzw. der periodische Maßstab 102, sondern die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 bzw. sowohl die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 als auch der periodische Maßstab 102 bewegen sich relativ zueinander. Zur Erfassung periodischer Signale ist nur eine Relativbewegung des periodischen Maßstabes 102 zur Magnetfeldsensoreinrichtung 325 erforderlich. Ebenso braucht der periodische Maßstab 102 nicht in Form eines Polrades 310 realisiert sein, sondern kann auch in Form einer Stange bzw. Balken eine gradförmige Form aufweisen, so dass eine Vor- und Zurückbewegung der entsprechenden Stange festgestellt werden kann.
Eine Veränderung der entsprechenden Sensorspannung V_sense geschieht dabei in Folge des magnetoresistiven Effektes, der eine Veränderung des Widerstandes beispielsweise der GMR-Elemente bewirkt und zwar derart, dass der Widerstand sich bei einer Veränderung des Magnetfeldes 104 im Vergleich zu dem eingeprägten Magnetfeld der GMR-Elemente ändert. Mathematisch kann die Beziehung, welche den magnetoresistiven Effekt beschreibt, durch folgende Formel ausgedrückt werden: R(x) = R_O + S·B(x) (1) wobei S die magnetoresistive Sensibilität darstellt und R₀ einen Widerstandswert darstellt, der für |B(x)| = 0 (verschwindendes Magnetfeld 104) gilt.
3 zeigt somit die Grundlagen für einen Sensor, der die Aufgabe hat eine Richtungsumkehr zu erfassen. Ein magnetisiertes Polrad 310 wird dabei verwandt, um ein Magnetfeld B(x) zu erzeugen und die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 ist dabei sensitiv für das erzeugte Magnetfeld 104 bzw. für eine bestimmte Komponente. Ausgangssignale der Magnetfeldsensoreinrichtung 325 sind sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung des Magnetfeldes 104 B(x) (und somit der Polraddrehrichtung). Um jedoch die Drehrichtung feststellen zu können, bedarf es eines dritten magnetoresistiven Sensorelements, welches im Zentrum der Magnetfeldsensoranordnung 325 platziert werden kann und auf die entsprechende Anordnung wird im Folgenden detaillierter eingegangen.
4a zeigt eine schematische Darstellung für eine Anordnung von GMR-Elementen und einen entsprechenden Phasenverlauf des Magnetfeldes 104. Eine Feldsensoreinrichtung 110, die beispielsweise die Magnetfeldsensoreinrichtung 325 von dem Ausführungsbeispiel von 3 sein kann, weist vier Sensor-Elemente ein erstes Sensorelement R1, ein zweites Sensorelement R2, ein drittes Sensorelement R3 und ein viertes Sensorelement R4, auf, die zu einer Brücke 210 verschaltet sind. Dies bedeutet, dass das erste Sensorelement R1 zwischen einer Versorgungsspannung V_R und einem ersten Ausgang 212 geschaltet ist und das dritte Sensorelement R3 zwischen der Versorgungsspannung V_R und dem zweiten Ausgang 214 geschaltet ist, das zweite Sensorelement R2 ist zwischen der Masse 216 und dem ersten Ausgang 212 geschaltet und das vierte Sensorelement R4 ist zwischen der Masse 216 und dem zweiten Ausgang 214 geschaltet. Zusätzlich weist die Feldsensoreinrichtung 110 ein fünftes Sensorelement 410 und ein sechstes Sensorelement 415 auf. Alle Sensorelemente sind dabei beispielsweise GMR-Elemente. Das fünfte Sensorelement und das sechste Sensorelement sind in Reihe zwischen der Masse 216 und einer weiteren Versorgungsspannung (nicht in 4a gezeigt) geschaltet, und zwischen dem fünften Sensorelement und dem sechsten Sensorelement wird das Signal d(x) abgenommen. Der Abstand des ersten und vierten Sensorelements R1 und R4 auf der einen Seite und des zweiten und dritten Sensorelements R2 und R3 auf der anderen Seite ist dabei derart gewählt, dass der Abstand einer Periode des periodischen Maßstabs 102 umfasst.
Um eine möglichst hohe Sensitivität der Feldsensoreinrichtung 110 zu erreichen, sollten die eingeprägten Magnetfelder der einzelnen Sensorelemente entsprechend gewählt werden. Dies kann beispielsweise wie folgt geschehen. Das Sensorelement R1, das Sensorelement R2 weisen ein Magnetfeld gleicher Ausrichtung auf, währenddessen das Sensorelement R3 und R4 ein um 180° verschobenes Magnetfeld aufweisen. Ferner weisen das fünfte Sensorelement 410 und das sechste Sensorelement 415 beispielsweise ein in bezug auf das erste Sensorelement R1 und das zweite Sensorelement R2 paralleles bzw. antiparalleles Magnetfeld auf. Wenn nun auf diese Feldsensoreinrichtung 110 ein äußeres Magnetfeld, wie es beispielsweise durch die periodisch angeordneten permanent magnetisierten Bereiche des Polrades 310 entsteht, einwirkt, ändert sich der Widerstand der einzelnen GMR-Elemente in Abhängigkeit des Winkels zwischen des von Außen einwirkendem Magnetfeldes und dem eingeprägten Magnetfeld der einzelnen Sensorelemente. Wenn beispielsweise das äußere Magnetfeld 104 parallel angeordnet ist zu dem eingeprägten Magnetfeld des Sensorelements R1 und gleichzeitig antiparallel ist zu dem eingeprägten Magnetfeld des Sensorelements R4, dann ist der Widerstand des ersten Elementes R1 minimal und der Widerstand des vierten Elements R4 maximal. In gleicher Weise ist der Widerstand des zweiten Elements R2 maximiert (wegen der dort erscheinenden antiparallelen Ausrichtung) und der Widerstand des dritten Elements R3 minimiert (wegen der dort erscheinenden parallelen Ausrichtung). Dies entspricht genau dem Fall, der in dem Graphen 430 dargestellt ist, d. h. das Magnetfeld 104 ist zwischen den Positionen des ersten und vierten Sensorelementes R1 und R4 und den Positionen des zweiten und dritten Sensorelementes R2 und R3 und 180° gedreht.
Das fünfte und sechste Sensorelement 410, 415 sind beispielsweise in einem Abstand von der Periode des periodischen Maßstabes 102 von den ersten und vierten Sensorelement R1, R4 entfernt und folglich weist das Magnetfeld 104 eine Drehung um 90° auf. Somit ist der Widerstand vom fünften und sechsten Sensorelement 410, 415 gleich und das Signal d(x) weist einen minimalen Wert auf. Wenn sich nun das von außen einwirkende Magnetfeld 104 um 90° aufgrund einer Relativbewegung dreht, dann wird der Widerstand des fünften Elementes und des sechsten Elementes 410 und 415 in Abhängigkeit von der Drehrichtung größer oder kleiner und somit auch das Signal d(x) während sich die Widerstände des ersten bis vierten Elements R1 bis R4 angleichen. Ein sich drehendes von außen einwirkendes Magnetfeld 104 erzeugt somit ein Wechsel der Widerstandswerte der einzelnen Sensorelemente und somit oszillierendes Sensorsignal (beispielsweise der Spannung u₁ und u₂).
Unterhalb der Feldsensoreinrichtung 110 ist ein Chiplayout 420 gezeigt, wobei auf der linken Seite das erste und vierte Sensorelement R1 und R4 gezeigt ist, auf der rechten Seite das zweite und dritte Sensorelement R3 und R2 und in der Mitte beispielsweise das fünfte (oder sechste) Sensorelement 410 (oder 415) gezeigt ist. Der mittlere Abstand des ersten und vierten Sensorelements R1 und R4 auf der einen Seite und des dritten und zweiten Elementes R3 und R2 auf der anderen Seite ist durch d gegeben und entspricht dem mittleren Abstand eines Nordpolgebietes 315 von einem Südpolgebiet 320 bzw. d bezeichnet den Abstand der Zentren benachbarter Nordpolgebiete 315 und Südpolgebiet 320.
In einem Diagramm 430 ist eine relative Ausrichtung (Phase) des Magnetfeldes 104 bzgl. der Oberfläche des periodischen Maßstabs 102 in Abhängigkeit des Abstands x dargestellt. In einem Zentrum eines Nordpolgebietes 315 läuft die Ausrichtung des Magnetfeldes senkrecht aus dem Nordpolgebiet 315 heraus, was einem Winkel φ = 0° entspricht. An einer Trennlinie 435 zwischen einem magnetischen Nordpolgebiet 315 und einem magnetischen Südpolgebiet 320 verläuft das Magnetfeld 104 parallel zu der Oberfläche des beispielhaften Polrades, was einem Winkel von 90° entspricht, d. h. φ = π/2. Für einen Wert von x der innerhalb des magnetischen Südpolgebietes 320 liegt, d. h. auf der rechten Seite der Trennlinie 435 gelegen ist, ist das magnetische Feld 104 zu dem beispielhaften Polrad hin ausgerichtet, d. h. der Winkel φ > π/2. Schließlich ist in der Mitte des magnetischen Südpolgebietes 320 das Magnetfeld senkrecht zu der Oberfläche des Polrades 310 ausgerichtet. Im Gegensatz zum magnetischen Nordpolgebiet 315 ist das Magnetfeld bei dem magnetischen Südpolgebiet hin zur Oberfläche ausgerichtet. Damit ist der Winkel φ = 180°. Die entsprechende Ablenkung des magnetischen Feldes in Abhängigkeit der Position x ist auch durch die geschlossenen Feldlinien 440 dargestellt.
4b zeigt ein Geschwindigkeitssignal 450 s(x) und ein Richtungssignal d(x) 455. Das Geschwindigkeitssignal 450 wird durch die Brückenschaltung der Elemente R1, R2, R3 und R4 und das Richtungssignal 455 durch das fünfte und sechste Sensorelement 410 und 415 erzeugt.
Da der Abstand des ersten und vierten Sensorelements R1 und R4 von dem dritten und zweiten Sensorelement R3 und R2 d ist und d der mittlere Abstand eines Südpolgebietes 320 von einem Nordpolgebiet 315 ist (bzw. Abstand der entsprechenden Zentren), zeigt die rechte Seite der Brücke aus geometrischen Gründen eine Phasendrehung um 180° im Vergleich zur linken Seite der Brücke 210. Da weiterhin das fünfte Sensorelement 410 und das sechste Sensorelement 415 in der Mitte angeordnet sind, zeigt das entsprechende Sensorsignal eine Phasendrehung um 90° im Vergleich zu dem ersten und vierten Sensorelement R1 und R4. Unter der Annahme, dass eine Differenz s(x) = u₁ – u₂ als das Geschwindigkeitssignal definiert wird und d(x) als das Richtungssignal werden s(x) und d(x) folgende theoretische Ausdrücke annehmen:
Die Phasenverschiebung der beiden Signale ist auch aus den Diagrammen in 4b ersichtlich, wobei angenommen wurde, dass die Amplituden gleich sind, d. h. K_S ist gleich K_D.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gehen von folgenden Bedingungen bzw. Annahmen aus:

1. Das Geschwindigkeitssignal s(x) ist sinusförmig (d. h. gleichförmig angeordnete magnetisierte Bereich auf dem Polrad bzw. Schwungrad 310 und keine unregelmäßigen Bereiche).
2. Das Richtungssignal d(x) ist rein kosinusförmig (keine zusätzliche Phasenverschiebung im Vergleich zu dem Geschwindigkeitssignal s(x)).
3. Der Betrag von dem Geschwindigkeitssignal s(x) ist gleich dem Betrag des Richtungssignals d(x), d. h. K_S = K_D (d. h. Geschwindigkeits- und Richtungssignale haben die gleiche Amplitude).

Damit folgt: ∂ / ∂xs(x) = d(x) (3)
Dieser Ausdruck wiederum bedeutet, dass die Ableitung des Geschwindigkeitssignals s(x) das Richtungssignal d(x) vorhersagt bzw. bestimmt, was bei den Ausführungsbeispielen nach 1a–1c ausgenutzt wird.
5 zeigt zwei exemplarische Fälle, die unter der Annahme eines Richtungswechsels auftreten können und im Weiteren alle möglichen Richtungsänderungsereignisse umfassen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit, wird im Folgenden nur auf diese beiden dargestellten Ereignisse Bezug genommen.
Die 5a zeigt drei Graphen für Signale in Abhängigkeit der Position x. Der Graph 450 zeigt das Geschwindigkeitssignal s(x), der Graph 455 zeigt das Richtungssignal d(x) und ein Graph 510 zeigt einen Ableitung in Bezug auf die Position x des Geschwindigkeitssignals s(x) 450a. Zur besseren Darstellung ist der Graph 510 skaliert worden, d. h. er weist eine etwas kleinere Amplitude auf, als es mathematisch der Fall wäre. Der Graph 450a, d. h. das Geschwindigkeitssignal s(x) verläuft von x = 0 bis zu einem ersten Zeitpunkt 515a periodisch, wobei an dem ersten Zeitpunkt 515a das Signal 450a wieder verschwindet, d. h. die Spannung u₁ ist gleich der Spannung u₂. Da der Wert x die Position der Feldsensoreinrichtung 110 zu einem bestimmten Zeitpunkt oberhalb des beispielhaften Polrades 310 darstellt, entspricht ein gegebener Wert x einer bestimmten Zeit. Zu dem ersten Zeitpunkt 515 in dem Graph aus 5a kommt das beispielhafte Polrad 310 zur Ruhe und setzt die Bewegung erst zu einem Zeitpunkt bzw. zu einem Wert x der einem Wert 520a entspricht fort, so dass ein zweites periodisches Signal 450b erzeugt wird, wobei das zweite periodische Signal 450b mit negativen Werten für s(x) anfängt. Da ebenfalls das erste periodische Signal 450a mit negativen Werten an dem ersten Zeitpunkt 515 aufhörte, folgt daraus, dass es zu einer Bewegungsumkehr gekommen ist (das Spannungssignal u₂ ist in beiden Fällen größer als das Spannungssignal u₁). Andererseits zeigt der Graph 455 für das Richtungssignal d(x), welches bei x = 0 bei einem Maximalwert anfängt und ebenfalls ein periodisches Verhalten zeigt, welches ab dem ersten Zeitpunkt 515 konstant bei einem Maximalwert von d(x) gleich 1 verbleibt. Dies bedeutet, dass die Feldsensoranordnung während der Ruhephase zwischen dem ersten Zeitpunkt 515 beispielsweise so angeordnet ist, wie es das Chiplayout 420 in 4a zeigt. Zu dem Zeitpunkt 520a fällt das Signal d(x) in Folge der Fortsetzung der Bewegung wieder ab und geht in ein periodisches Verhalten über. Das Ableitungssignal 510 zeigt ein ähnliches Verhalten zwischen dem Punkt x = 0 und dem Wert an dem ersten Zeitpunkt 515, wobei die Amplitude jedoch skaliert wurde. Während der Ruhephase zwischen dem ersten Zeitpunkt 515 und dem zweiten Zeitpunkt 520a fällt jedoch das Ableitungssignal auf den Wert 0 zurück, da in diesem Bereich die Ableitung des Geschwindigkeitssignals s(x) verschwindet. Ab dem Zeitpunkt 520 verläuft das Ableitungssignal 510 jedoch entgegengesetzt zu dem Richtungssignal 455, d. h. an dem Zeitpunkt 510 fängt das Ableitungssignal 510 mit einem negativen Wert an und setzt eine oszillierende Bewegung fort. Dieser Sprung zu negativen Werten des Ableitungssignals 510 ist eine Folge der Richtungsumkehr der Bewegung, d. h. das Geschwindigkeitssignal 450b ist von dem Zeitpunkt 520a ab eine fallende Funktion, im Gegensatz zu dem Geschwindigkeitssignal, welches an dem ersten Zeitpunkt 515a endet.
Das Geschwindigkeitssignal s(x) 450 kann dem Eingangssignal des Differenzierers 160 aus 1b und das Ableitungssignal 510 dem Ausgangssignal des Differenzierers 160 entsprechen. Das andere Eingangssignalsignal des Vergleichers 120 entspricht dann beispielweise dem Richtungssignal d(x) 455.
5b zeigt einen Graphen 450, der ein Geschwindigkeitssignal s(x) darstellt, einen durch eine gepunktete Linie dargestellten Graphen 455 für ein Richtungssignal d(x) und wiederum ein Ableitungssignal 510, welches einer Ableitung des Geschwindigkeitssignals 450 entspricht. Das Ableitungssignal 510 ist wiederum durch eine gestrichelte Linie dargestellt und das Geschwindigkeitssignal 450 durch eine durchgezogene Linie. In diesem Fall ist wiederum zwischen dem ersten Zeitpunkt 515 und dem zweiten Zeitpunkt 520 eine Ruhephase, in der die Feldsensoreinrichtung 110 keine Relativbewegung zu dem beispielhaften Polrad 310 aufweist, jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Ruhephase zwischen dem ersten Zeitpunkt 515b und den zweiten Zeitpunkt 520b, wenn das Geschwindigkeitssignal 450 einen negativen Maximalwert aufweist, d. h. die Spannung u₁ minimal wird und weiterhin der Graph 455 verschwindet, d. h. das Richtungssignal d(x) = 0. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel, welches in 5a beschrieben wurde, setzt das Ableitungssignal 510 bei diesem Ausführungsbeispiel sein oszillierendes Verhalten nach dem zweiten Zeitpunkt 520b in dem Sinne fort, wie es zum ersten Zeitpunkt 515b unterbrochen wurde. Allerdings zeigt das Richtungssignal 455 ein Umkehrverhalten zwischen dem Verhalten, wie es zum ersten Zeitpunkt 515b stoppt und dem Verhalten, wie es zum zweiten Zeitpunkt 520b fortgesetzt wird, d. h. es wird zum ersten Zeitpunkt 515b als ein steigendes Signalverhalten unterbrochen und setzt zum zweiten Zeitpunkt 520b ein fallendes Verhalten fort. Dies bedeutet, dass die relative Magnetfeldausrichtung des äußeren Magnetfeldes 104 im Vergleich zu dem eingeprägten Magnetfeld aus dem fünften und sechsten Sensorelement 410 und 415 vor dem ersten Zeitpunkt 515 von einer antiparallelen Ausrichtung hin zu einer senkrechten Ausrichtung erfolgt, und dass ab dem zweiten Zeitpunkt 520b die relative Ausrichtung des Magnetfeldes 104 im Vergleich zum eingeprägten Magnetfeld sich wiederum hin zu einer antiparallelen Ausrichtung dreht.
Aus 5a ist somit ersichtlich, dass im gezeigten Fall das Ableitungssignal 510 nicht länger dem Richtungssignal 455 für die Größe d(x) folgt. Ein Auftreten einer Diskontinuität in dem Ableitungssignal 510, d. h. in der Ableitung des Geschwindigkeitssignals s(x) ist deswegen ein klares mathematisches Indiz für eine Richtungsumkehr. Diese Diskontinuität in s'(x) kann auch durch folgende Gleichung dargestellt werden: ||d(x) – ∂ / ∂xs(x)|| = τ(x) (Gl. 3)
Die Differenz, welche durch die Gleichung Gl. 3 ausgedrückt wird, kann deswegen als ein Indikator genommen werden (Trigger) für ein Auftreten eines Richtungswechsels. In 6 sind die entsprechenden graphischen Darstellungen gezeigt.
6a zeigt ein erstes Richtungsumkehrsignal 180a, welches dem Ausdruck d(x) – s'(x) entspricht. Das erste Richtungsumkehrsignal 180a entspricht dabei der Richtungsumkehrsituation, wie sie in 5a beschrieben wurde, wo es zu dem ersten Zeitpunkt 515a zu der Unterbrechung kommt und ferner zu einem ersten Sprung 602 des ersten Richtungsumkehrsignals 180a von dem Wert 0 auf den Wert 1. Dieser Sprung ist eine Konsequenz, dass zu dem ersten Zeitpunkt 515a (Beginn der Ruhephase) das Ableitungssignal 510 auf den Wert 0 fällt, wobei das Richtungssignal 455 auf dem Wert 1 verbleibt. Zu dem zweiten Zeitpunkt 520a (Ende der Ruhephase) springt jedoch das Ableitungssignal 510 von dem Wert 0 auf einen negativen Wert und dieser wiederum signalisiert in dem ersten Richtungsumkehrsignal 180a einen zweiten Sprung 602 von dem Wert 1 auf den Wert 2. Der Wert 2 in dem ersten Richtungsumkehrsignal 180a ist unter der Annahme erhalten worden, dass die Skalierung, welche in der 5a bzw. auch in 5b vorgenommen wurde (d. h. dass das Ablenkungssignal 510 eine etwas verkleinerte Amplitude aufweist) wieder rückgängig gemacht wurde, so dass das Ablenkungssignal 510 ebenfalls ein oszillierendes Verhalten zwischen den Werten +1 und –1 aufweist. Nach dem zweiten Zeitpunkt 520a zeigt das erste Richtungsumkehrsignal 180a ein oszillierendes Verhalten zwischen den Maximalwerten von +/–2. Ein erstmaliges Auftreten eines zweiten Sprunges 602 (= Verdopplung der Amplitude) signalisiert dabei eine Richtungsumkehr des beispielhaften Polrades 310 im Vergleich zur Feldsensoranordnung 110. Diese Schwellwertüberschreitung kann von dem Schwellwertvergleicher 174 festgestellt werden, wobei der Schwellwert einen Wert größer als 1 und kleiner als 2 aufweisen kann.
6b zeigt das erste Richtungsumkehrsignal 180a, welches ebenfalls die Größe d(x) – s'(x) darstellt und aus dem Richtungsumkehrereignis, welches in 5b beschrieben wurde, erhalten ist. Auch hier zeigt sich, dass das erste Richtungsumkehrsignal 180a in der einen Bewegungsrichtung den Wert 0 aufweist, währenddessen es beim Wechsel der Bewegungsrichtung in ein oszillierendes Verhalten übergeht, welches zwischen den Werten +/–2 oszilliert. Diese Schwellwertüberschreitung kann wiederum von dem Schwellwertvergleicher 174 festgestellt werden, wobei der Schwellwert einen Wert größer als 1 und kleiner als 2 aufweisen kann.
Bezugnehmend auf den Phasenwinkel in dem Graph 430 entspricht die Maßeinheit, die in den 5A, 5B, 6a und 6b verwendet wurde, dem 100-fachen eines Radienten, d. h. 180° entsprechen π mal 100.
Die Hypothesen, die bisher zugrunde gelegt wurden, sind idealisierte Annahmen und im Folgenden soll analysiert werden, welchen Einfluss Abweichungen insbesondere im Hinblick auf die oben drei genannten Annahmen haben werden. Insbesondere soll dabei die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Konzepts zur Bestimmung der Richtungsumkehr untersucht werden.
Zuerst soll untersucht werden, welchen Einfluss Abweichungen von der Annahme haben, dass das Geschwindigkeitssignal s(x) sinusförmig ist und das Richtungssignal d(x) kosinusförmig ist. Obwohl im Folgenden der Einfluss von Nichtlinearitäten in der Funktion s(x) untersucht werden soll, wird trotzdem postuliert, dass diese Funktion 2π-periodisch ist, was hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften als sinnvoll ist (das Polrad 310 rotiert kontinuierlich). Somit soll im Folgenden gelten: s(x) ≠ K_D·sin(x) = f(x) (periodic of 2π) (Gl. 4)
Diese Gleichung respektiert die Bedingung einer Fourier-Reihen-Entwicklung und somit:
Die Funktion f(x) wird weiterhin als eine ungerade Funktion von x angenommen, mit dem Anfangswert f(0) = 0 (DC-Wert = 0), was dadurch gelöst werden kann, dass a_n| ∞ / l identisch 0 sind.
Dies wiederum führt zu der zusätzlichen Vereinfachung von der Gleichung Gl. 5:
Die Ableitung dieser Gleichung führt wiederum auf: ∂ / ∂xf(x) = b₁cos(x) + Σn·b_n·cos(nx) (Gl. 7)
Von Gleichung Gl. 7 kann nun geschlussfolgert werden, dass trotz der angenommenen Nichtlinearität, die Ableitung f'(x) immer noch die Vorhersage des Richtungssignals d(x) enthält (welche beispielsweise durch ein cos-Signal gegeben ist).
In der gleichen Art und Weise kann eine Nichtlinearität in dem Richtungssignal d(x) durch eine Expansion eines allgemeinen Signals g(x) in einer Fourier-Reihe untersucht werden, welches seinerseits zu einer analogen Schlussfolgerung führt. Nach einigen Umformungen kann gezeigt werden, dass: g(x) – ∂ / ∂xf(x) = (a₁ – b₁)cos(x) + R(nx) n ∊ [2, ∞] (Gl. 8)
Im Allgemeinen gilt, dass wegen der physikalischen Implementierung das Magnetfeld 104 homogen ist, und Variationen des Magnetfeldes 104 folglich sinusartig sind, und die Sensitivitätskurven für das Geschwindigkeits- und Richtungssignalumwandler (d. h. die magnetoresistiven Elemente) relativ vergleichbar mit der Prozesstoleranz sind. Dies erlaubt die Schlussfolgerung, dass die Koeffizienten a₁ und b₁ mehr oder weniger ähnlich sind, wodurch der Differenzausdruck aus Gleichung 8 sehr nahe am Idealfall liegt. Eine Anwesenheit von Effekten zweiter Ordnung, welche durch den Rest R(nx) beschrieben sind, hat keinen Einfluss auf die Gültigkeit der zuvor erhaltenen Schlussfolgerung. Außerdem wird im Folgenden eine Lösung präsentiert, welche den Einfluss derartiger Nichtlinearitäten reduziert.
Im Folgenden soll untersucht werden, welchen Einfluss eine Abweichung von der Annahme, dass die Amplituden des Richtungssignals d(x) und des Geschwindigkeitssignals s(x) übereinstimmen. Dazu wird angenommen, dass s(x) und d(x) unterschiedliche Amplituden haben, so dass K_S ungleich K_D ist. Es folgt somit:
Eine Berechnung der Differenz d(x) – s'(x) zeigt wiederum
Im Idealfall, wenn K_S = K_D gilt, liefert Gleichung Gl. 10, dass δ(x) = 0 ist, wie es zu erwarten war. Andererseits, unter der Annahme, dass eine Parametervariation von ungefähr 30% vernünftigerweise vorliegt, liefert eine Berechnung von δ(x):
Wenn weiterhin angenommen wird, dass die Parameter K_D und K_S zur gleichen Verteilung gehören, welche einen Mittelwert von K₀ aufweist, und, dass darüber hinaus eine maximale Variation von +/–30% vorliegt, wird folgendes erhalten:
und mit Gl. 10 gilt max{δ(x)} ≅ d(x) / 2 (Gl. 13)
In analoger Weise kann die Berechnung des Minimums von d(x), (d. h. min{d(x)}) erfolgen, so dass die Funktion d(x) wie folgt eingeschränkt werden kann (unter Berücksichtigung der maximalen 30% Variation): –0,85·d(x) ≤ δ(x) ≤ 0,5·d(x) ⇒ –1,105 ≤ δ(x) ≤ 0,65 (Gl. 14)
Da dieses Resultat inakzeptabel ist, besteht die einzige vernünftige Lösung darin, sicherzustellen, dass die Signal s(x) und d(x) oder entsprechend transformierte Größen eine gleiche Amplitude aufweisen.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches einem Signalverlauf entspricht, das bereits in 5a dargestellt wurde. Es zeigt das Geschwindigkeitssignal 450 durch eine dünne durchgezogene Linie, das Richtungssignal 455 durch eine dünne gepunktete Linie, ein saturiertes Geschwindigkeitssignal 710 durch eine dicke durchgezogene Linie, ein saturiertes Richtungssignal 715 durch eine dicke gepunktete Linie und ein saturiertes Ableitungssignal 720 durch eine gestrichelte Linie. Das saturierte Geschwindigkeitssignal 710 und das saturierte Richtungssignal 715 können aus dem Geschwindigkeitssignal 450 und dem Richtungssignal 455 erhalten werden, wobei eine maximal erlaubte Amplitude einen maximalen positiven und negativen Wert, +/–max, für beide Signale bildet. Bei dem Ausführungsbeispiel welches in 7 beschrieben ist, liegt dieser Maximalwert beispielsweise bei max ≈ 0,7 und die Schwellwertüberschreitung kann wiederum von dem Schwellwertvergleicher 174 festgestellt werden, wobei der Schwellwert jetzt einen Absolutwert größer als max und kleiner als 2max aufweisen kann.
Das saturierte Ableitungssignal 720 wird durch eine Differenzierung des saturierten Geschwindigkeitssignals 710 nach dem Wert x bzw. der Zeit erhalten und ist in 7a durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Da das saturierte Geschwindigkeitssignal 710 durch den Maximalwert max beschränkt ist, weist das saturierte Ableitungssignal 720 eine stufenförmige Form auf, bzw. verschwindet oder zeigt den negativen Maximalwert, d. h. –max. Zwischen dem ersten Zeitpunkt 515a und dem zweiten Zeitpunkt 520a erfolgt wie in dem Ausführungsbeispiel von 5a keine Relativbewegung zwischen der Feldsensoreinrichtung 110 und dem beispielhaften Polrad 310, so dass das Geschwindigkeitssignal 450 als auch das saturierte Geschwindigkeitssignal 710 in diesem Bereich verschwinden und das Richtungssignal 455 und das saturierte Richtungssignal 715 konstant bleiben.
Auf der unteren Darstellung in der 7 ist ein zweites Richtungsumkehrsignal 180b gezeigt, das durch die Differenz zwischen dem saturierten Richtungssignal 715 und dem saturierten Ableitungssignal 720 gebildet ist. Bis zu dem zweiten Zeitpunkt 520a, an dem eine Bewegung in umgekehrter Richtung anfängt, weist das zweite Richtungsumkehrsignal 180b eine Schwankungsbreite zwischen dem positiven und negativen Maximalwert +/–max auf und die Bewegungsumkehr ist wie in 6a auch durch eine Verdoppelung der Schwankungsbreite signalisiert, d. h. das folgende Signal nach dem zweiten Zeitpunkt 520a (senkrechte Linie) weist eine Schwankungsbreiten zwischen dem doppelten Wert des Maximalsignals max auf. Der zweite Sprung 604 zu einer doppelten Amplitude kennzeichnet wieder die Bewegungsumkehr.
8 zeigt oben die analoge Situation, wie sie in 7 beschrieben wurde, allerdings für einen Signalverlauf, der dem aus 5b entspricht. Es ist wiederum das Geschwindigkeitssignal 450 durch eine dünne durchgezogene Linie, das saturierte Geschwindigkeitssignal 710 durch eine dicke durchgezogene Linie, das Richtungssignal 455 durch eine gepunktete Linie, das saturierte Richtungssignal 715 durch eine dicke gepunktete Linie und das saturierte Ableitungssignal 720 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 7 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel zu dem ersten Zeitpunkt 515b eine Unterbrechung der Relativbewegung und bei dem zweiten Zeitpunkt 520b eine Wiederaufnahme der Bewegung mit umgekehrter Richtung. Wie in dem Ausführungsbeispiel von 5b gezeigt, erfolgt die Richtungsumkehr zu einem Zeitpunkt, bei dem das Geschwindigkeitssignal 450 einen maximal negativen Wert aufweist und das Richtungssignal 455 bzw. das saturierte Richtungssignal 715 eine verschwindende Größe zeigt.
Im unteren Teil der 8 ist das entsprechende zweite Richtungsumkehrsignal 180b gezeigt, welches einer Differenz aus dem saturierten Richtungssignal 715 und dem saturierten Ableitungssignal 720 entspricht. Wie in dem Ausführungsbeispiel bei 7 auch, zeigt das zweite Richtungsumkehrsignal 180b eine Schwankungsbreite zwischen dem positiven und negativen Wert max und die Bewegungsumkehr zum zweiten Zeitpunkt 520b wird durch eine Verdoppelung der Schwankungsbreite des zweiten Richtungsumkehrsignals 180b signalisiert. Das erstmalige Auftreten der doppelten Schwankungsbreite ist durch den zweiten Sprung 604 gekennzeichnet (ist als senkrechte Linie in 8 dargestellt). Die Schwankungsbreite des zweiten Richtungsumkehrsignals 180b wird nach dem zweiten Zeitpunkt 520 fortgesetzt, bis es zu einer erneuten Richtungsumkehr kommt, nachdem die Schwankungsbreite sich halbiert, d. h. sie schwankt dann wieder zwischen dem positiven und negativen Maximalwert max. Diese Veränderung kann durch den von dem Schwellwertvergleicher 174 festgestellt werden, wobei der Schwellwert wiederum einen Absolutwert größer als max und kleiner als 2max aufweisen kann.
Das zweite Richtungsumkehrsignal 180b wie es bei den Ausführungsbeispielen aus 7 und 8 dargestellt ist, setzt somit eine so genannte Pre-Prozessierung der Signale s(x) und d(x) in einer Art voraus, dass beide Größen eine maximal erlaubte Amplitude max einnehmen können (wie bei einem Saturierungsmodus). Wie es aus den 7 und 8 ersichtlich ist, saturiert die Ableitung s'(x) einen positiven oder negativen Maximalwert (so genanntes High- oder Low, d. h. +/–max), wenn die Größe d(x) einen gleichen Wert annimmt solange es zu keiner Bewegungsumkehr und damit zu einem Phasenwechsel kommt. Andererseits bei einer Bewegungsumkehr saturieren die Signale s'(x) und d(x) entgegengesetzte Werte, was als eine „Warnung” für ein gesuchtes Ereignis, d. h. einer Bewegungsumkehr aufgefasst werden kann. Dieses Einnehmen von entgegengesetzten Maximalwerten zeigt sich bei der Differenzbildung in einer doppelten Amplitude, welche nur in der einen Bewegungsrichtung auftritt, währenddessen in der anderen Bewegungsrichtung eine Schwankung innerhalb der normalen Amplitude erfolgt.
In 9 und 10 ist wiederum Bezug nehmend auf die Signalfolge, wie sie in 5a und 5b gezeigt worden ist, ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. 9 bezieht sich dabei wiederum auf die Signalfolge von 5a. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel von 7, welches das zweite Richtungsumkehrsignal 180b, d. h. die Differenz zwischen dem saturierten Richtungssignal 715 und dem saturierten Ableitungssignal 720 genommen wurde, ist bei dem Ausführungsbeispiel aus 9 eine Abtastung zu diskreten Zeitpunkten vorgenommen. In 9 unten ist dabei als drittes Richtungsumkehrsignal 180c ein Abtastsignal genommen worden, welches der Differenz des Richtungssignals 455 und des Ableitungssignals 510 entspricht. Die Abtastung erfolgt dabei beispielsweise zu dem Zeitpunkt, wenn das Ableitungssignal 510 maximale bzw. minimale (bzw. wenn das Geschwindigkeitssignal 450 Nullstellen aufweist) Werte annimmt, was der Fall ist zu dem Zeitpunkt s₁ (Maximalwert), s₂ (Minimalwert), s₃ (Maximalwert), s₄ (Maximalwert) und s₅ (Minimalwert). Bis zum Zeitpunkt s₃ verlaufen das Richtungssignal 455 und das Ableitungssignal 510 identisch. Es zeigt sich, dass das dritte Richtungsumkehrsignal 180c aufgrund der Abtastung in einer Bewegungsrichtung verschwindet, während der Ruhephase kein Abtastung erfolgt und zum Zeitpunkt der Richtungsumkehr d. h. zum Zeitpunkt 520a, welcher durch eine senkrechte Linie in 9 gekennzeichnet ist, springt das dritte Richtungsumkehrsignal 180c von einem der von dem Nullwert auf einen Maximalwert, der bei diesem Ausführungsbeispiel bei ungefähr 1,4 liegt, und bei der nächsten Abtastung zum Zeitpunkt s₅ weist das dritte Richtungsumkehrsignal 180c einen negativen Maximalwert auf. Das erstmalige Auftreten des dritten Richtungsumkehrsignals 180c ist wiederum durch den Sprung 604 gekennzeichnet und signalisiert eine Richtungsumkehr der Bewegung.
10 zeigt das gleiche Verfahren für das Szenario bzw. für die Signale, welche in 5b beschrieben wurden. Wie bei dem Ausführungsbeispiel, welches in 9 beschrieben wurde, so ist ebenfalls hier eine Abtastung vorgenommen worden, und ein drittes Richtungsumkehrsignal 180c ist aus einem Differenzsignal des Richtungssignals 455 und des Ableitungssignals 510 nach einer erfolgten Abtastung gebildet. Die Abtastung erfolgte wiederum zu Zeitpunkten, wo das Ableitungssignal 455 maximal bzw. minimal (bzw. wenn das Geschwindigkeitssignal 450 Nullstellen aufweist) ist, d. h. zu den Zeitpunkten s₁ und s₂ welche identisch sind mit den Zeitpunkten welche in 9 beschrieben wurden. Darüber hinaus erfolgt eine Abtastung zu dem Zeitpunkt s₆, bei dem das Geschwindigkeitssignal 450 und das Ableitungssignal 510 einen maximal positiven Wert aufweist. Darüber hinaus erfolgt eine Abtastung zu dem Zeitpunkt s₇, wo das Ableitungssignal 510 einen negativen Maximalwert aufweist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel, welches in 9 beschrieben wurde, zeigt das dritte Richtungsumkehrsignal 180c nur diskrete Werte auf. Bis zur Richtungsumkehr zum Zeitpunkt 520b ist der Wert Null und nach dem zweiten Zeitpunkt 520b zeigt das dritte Richtungsumkehrsignal 180c einen negativen Maximalwert, der bei dem hier gewählten Beispiel bei ungefähr –1,4 liegt, und bei der darauf folgenden Abtastung zum Zeitpunkt s₇ einen positiven Maximalwert von ungefähr 1,4 aufweist. Zu späteren Zeitpunkten wird das dritte Richtungsumkehrsignal 180c weiterhin schwanken zwischen den positiven und negativen Maximalwerten bis es zu einer erneuten Richtungsumkehr kommt, nachdem das dritte Richtungsumkehrsignal 180c wieder verschwinden wird. Eine Richtungsumkehr wird somit wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel von 9 dadurch signalisiert, dass das erste Mal ein Ausschlag 604 des dritten Richtungsumkehrsignals 180c erfolgt. Dass das dritte Richtungsumkehrsignal 180c zum ersten Mal einen negativen Wert aufweist, hat mit dem gewählten Beispiel bzw. dem gewählten Signal zu tun, und kann bei anders gewählten Signalen davon abweichen.
Die Abtastungen, die in 9 und 10 gezeigt sind, können durch den Abtaster 172 durchgeführt werden, wobei die Zeitpunkte s₁ bis s₇ den Nulldurchgängen des Geschwindigkeitssignals 450, die durch den Nulldurchgangsdetektor 178 festgestellt werden können, oder den Extremalwerten des Ableitungssignal 510, die durch den Extremalstellendetektor 176 festgestellt werden können, entsprechen. Eine Entscheidung über eine Richtungsumkehr, wird analog zu den Ausführungsbeispielen aus 7 und 8 gefällt, wobei die Schwellwertentscheidung wiederum von dem Schwellwertvergleicher 174 entschieden werden kann.
Ein Merkmal der Ausführungsbeispiele, welche in 9 und 10 beschrieben wurden, war, dass ein Richtungsumkehrereignis sich dadurch zeigte, dass eine Verdopplung des Wertes von d(x) – s'(x) auftritt, wenn das Maximum von s'(x), d. h. max{s'(x)} (bzw. ein Minimum von s'(x) oder min{s'(x)} als ein Triggersignal für eine Abtastung des Signals d(x) – s'(x) genommen wird. Eine Feststellung der Richtungsumkehr konnte beispielsweise mittels eines Schwellwertvergleicher vorgenommen werden, wobei der Schwellwertvergleicher das Richtungsumkehrsignal 180 mit einem Schwellwert vergleicht und der Schwellwert zwischen Maximalwerten des Richtungsumkehrsignals 180 für die verschiedenen Bewegungsrichtungen liegt.
Bei einer Entscheidungsfindung für eine Richtungsumkehr spielt das Vorzeichen der Differenz von d(x) – s'(x) (d. h. sign (d(x) – s'(x)}) keine Rolle, wie es aus den Figuren den Anschein haben könnte. In der Tat kann ein Richtungsumkehrereignis auch in einer vollständig symmetrischen Situation vonstatten gehen, d. h. bei einer Situation, die nicht in den 8 bis 10 beschrieben ist. Um das Richtungssignal 455 d(x) (d. h. ein direction pulse D(T) oder ein Output des entsprechenden Gerätes) korrekt prozessieren zu können, ist eine Feststellung eines Nulldurchganges erforderlich, um mit einem tatsächlichen Design bzw. einer tatsächlichen Ausgestaltung der Einrichtung (und/oder den Kundenbedürfnissen) kompatibel zu sein. Wenn ein Nulldurchgang stattfindet und die Feststellung des Richtungssignals 455 d(x) sich in einem gültigen Modus befindet, sollte eine interne Zustandsmaschine (wie z. B. die Zustandsmaschine 228) entscheiden, ob ein Ausgangssignal eine Übereinstimmung mit den zuvor da gewesenen Zuständen herausgibt. Nachdem eine Richtungsänderungsentscheidung gefallen ist, sollte der interne Richtungszustand in den entsprechend entgegengesetzten Zustand gewechselt werden und die Ausgangs-Puls-Logik sollte einen Puls generieren, der eine entgegengesetzte Flanke aufweist.
Eine Implementierungsaufwand für obige Ausführungsbeispiele rührt zum Großteil von der Einrichtung her, die die Ableitung bildet. Dieser Ableitungsbilder sollte DC-stabil und relativ resistent hinsichtlich hochfrequentem Rauschen sein. Zusätzlich kann die Bandbreite Probleme hinsichtlich von Erfordernissen der gewünschten Anwendung darstellen. Beispielsweise für automobile Anwendungen ist eine niedere Frequenz von deutlich unter 100 Herz typisch (typisch kleiner 50 Herz). Dieser Frequenzbereich ist sehr ähnlich den bio-medizinischen Anwendungen, wo Signale per Definition im Ultraniedrigfrequenzbereich (ULF = ultra low frequency) auftreten. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung einer SC-Schaltung (SC = switched capacitor = geschaltete Kapazität) bevorzugt, welche in Verbindung mit einem relativ niedrigen Stromverbrauch bzw. Spannungsverbrauch insbesondere dahin gehend vorteilhaft ist, dass eine so genannte intrinsische Anpassungsrobustheit erreicht wird. In der Tat kann die Transferfunktion H(s) durch ein Verhältnis von Kapazitäten ausgedrückt werden und ist somit prozessunabhängig bzw. insensitiv gegenüber Prozessschwankungen wie z. B. der Schichtdicke.
Durch eine Verwendung von SC-Differenzierern kann somit die Bandbreiteeinschränkung gelöst werden. Andererseits besitzen jedoch diese Klassen von Schaltungen eigene ungewünschte Effekte. Beispielsweise ist die DC-Verstärkung eine lineare Funktion der Frequenz, wie es durch die Gleichung ausgedrückt werden kann:
Um die oben beschriebenen Einschränkungen zu umgehen, sollte ein so genannter Pre-Prozess das Eingangssignal durch eine in 1/ω linear ansteigende Funktion hinsichtlich der Amplitude ändern. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein SC-Integrator verwendet wird, dessen Übergangsfunktion folgende Beziehung genügt:
und somit:
11 zeigt eine Vergleichseinrichtung bzw. einen Differenzierer, die bzw. der diese Zusammenhänge aufgreift und verwendet. Sie bzw. er kann in 1a–1c verwendet werden. Ein Eingangssignal, welches beispielsweise das Geschwindigkeitssignal 450 ist, wird an einen SC-Integrator 820 geleitet. Ein Ausgangssignal des SC-Integrators 820 wird an eine Einrichtung zum Abtasten und Halten 822 (eine so genannte Sample and hold device) geleitet. Die Einrichtung zum Abtasten und Halten 822 wird über eine Einrichtung zum Feststellen eines Nulldurchgangs 824 gesteuert und die Einrichtung zum Festellen eines Nulldurchgangs 824 erhält als Eingangssignal das beispielhafte Geschwindigkeitssignal 450. Ein Ausgangssignal der Einrichtung zum Abtasten und Halten 822 steuert einen einstellbaren Verstärker CGA (CGA = Controllable Gain Amplifier). Ein Eingangssignal des einstellbaren Verstärkers 826 ist wiederum das beispielhafte Geschwindigkeitssignal 450 und ein Ausgangssignal des einstellbaren Verstärkers 826 wird an einem SC-Ableiter bzw. SC-Differenzierer 828 weitergeleitet, dessen Ausgangssignal das Ableitungssignal 510 zu einem bestimmten Zeitpunkt t darstellt.
Die AC-Komponente des Signals aus Gleichung Gl. 17 erreicht Maximalwerte zu jeder Zeit, wenn das Geschwindigkeitssignal s(ωt), bzw. s(x) einen Nulldurchgang passiert. Das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel ist demzufolge dahin gehend vorteilhaft, dass es diesen Fakt berücksichtigt und eine Frequenzkorrektur der Amplitude G(ω) vornimmt bzw. eine frequenzkorrigierte Amplitude produziert. Unter Verwendung eines einstellbaren Verstärkers, der durch die frequenzkorrigierte Amplitude verändert wird, erhält man schließlich eine volle Amplitudenkompensation hinsichtlich der Frequenz, wie es bei dem Ausführungsbeispiel von 11 gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Verwendung eines einstellbaren Verstärkers, der durch eine Amplitude G(ω) kontrolliert wir, eine vollständige Amplitudenfrequenzkompensationsart erreicht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nutzen GMR-Sensorelemente zum Erfassen des Magnetfeldes 104. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können aber auch beispielsweise TMR-(tunnel magneto resistance), AMR-(anisotrop magneto resistance), CMR-(colossal magneto resistance)Sensorelemente verwendet werden. Bei weiteren Ausführungsbeispiele weist die Feldsensoreinrichtung 110 Hall-Sensoren zum Detektieren des vom periodischen Maßstab 102 definierten oder erzeugten bzw. veränderten Magnetfeld 104 auf.
Die Amplitudenkompensation bzw. die Kompensation hinsichtlich der Frequenz ist besonders vorteilhaft für Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und kann wie zuvor beschrieben erreicht werden. Die dargestellte Lösung zeigt eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Einrichtungen zur Feststellung einer Richtungsumkehr. Dies sind unter Anderem, dass kein Analog-Digital-Wandler erforderlich ist, und eine erforderliche Berechnung einer Richtungsumkehr bzw. das Erhalten einer entsprechenden Information auf kleinsten Raum einer entsprechenden integrierten Schaltung möglich ist, und dadurch signifikant Fläche auf einem Siliziumwafer beispielsweise eingespart werden kann. Eine intrinsische Frequenzabhängigkeit bzw. eine Verstärkung oder Abschwächung eines Signals in Abhängigkeit der Frequenz verringert Beiträge von niedrigfrequenten Vibrationsmoden. Eine Richtungsumkehr kann sofort festgestellt werden, zu dem Zeitpunkt, zu dem sie geschieht. Das heißt, die Feststellung der Richtungsumkehr erfolgt asynchron mit der Systemuhr und dies erlaubt insbesondere eine sehr schnelle Antwortzeit und ist somit kompatibel mit Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Außerdem leiten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht an einer Kalibrierungsverzögerung in einer Anlaufphase, sofern die Signalfrequenz innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt (d. h. eine hinreichende mechanische Beschleunigung). Damit sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insbesondere vorteilhaft im Vergleich zu konventioneller Einrichtungen, die auf voll digitalen Prozessverarbeitungen basieren. Falls die frequenzabhängige Amplitudenverstärkung nicht korrekt analysiert wird und für eine gegebene Anwendung in Betracht gezogen bzw. kompensiert wird, könnte dies ein Problem hinsichtlich des Signalrauschverhältnisses bedeuten.
Weitere Änderungen obiger Ausführungsbeispiele sind möglich. So sind dieselben nicht auf magnetische Felder beschränkt. Andere physikalische oder energetische Felder können ebenfalls verwendet werden. Ferner waren gemäß obiger Ausführungsbeispiele die GMR-Sensoren so angeordnet, dass das Geschwindigkeits- und das Richtungssignal über eine Messung der gleichen Feldkomponente bzw. -richtung erhalten wurde, wozu die Sensoren geeignet beabstandet waren. Das ist zwar insofern vorteilhaft, als die Vormagnetisierung der GMRs bei Herstellung mittels eines homogenen Feldes vorgenommen werden kann, aber nicht zwingend notwendig. Vielmehr könnten die GMR-Sensoren für d und s auch unterschiedliche Komponenten erfassen und dafür beispielsweise an derselben Stelle bzw. unmittelbar benachbart angeordnet sein, wie z. B. die x- und z-Komponente in 3b. Die Phasenverschiebung zwischen d und s ist auch hier inhärent gegeben. Hinsichtlich des vorbeschrieben Polrades ist zu erwähnen, dass obige Ausführungsbeispiele nicht auf Drehbewegungen eingeschränkt sind. Auch ein gerader Maßstab mit linearer Relativbewegung zur Sensoranordnung wie in 3b vereinfachend dargestellt ist möglich. Zudem muss kann das Polrad auch durch einen einfachen Stabmagneten oder dergleichen ersetzt werden, denn obwohl dieser Maßstab nur eine Periode besitzt, definiert er bei Drehbewegung ein sich periodisch änderndes Feld. Auch der vorbeschrieben Differenzierer bzw. Vergleicher mag anders ausgeführt sein.
Abhängig von den Gegebenheiten können obigen Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das jeweilige Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Software-Programm-Produkt bzw. einem Computer-Programm-Produkt bzw. einem Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Software-Programm-Produkt auf einem Rechner oder einem Prozessor abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm bzw. Software-Programm bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der Prozessor kann hierbei von einem Computer, einer Chipkarte (Smart Card) oder einem anderen integrierten Schaltkreis gebildet sein.
Bezugszeichenliste

102: ein periodischer Maßstab
104: ein magnetisches Feld
110: eine Feldsensoreinrichtung
120: eine Einrichtung zum Bestimmen einer Differenz
130: eine Einrichtung zum Erfassen der Richtungsumkehr
140: ein erstes Sensorsignal
150: ein zweites Sensorsignal
160: eine Einrichtung zum Bilden einer zeitlichen Ableitung
170: eine bestimmte Differenz
172: ein Abtaster
174: ein Schwellwertvergleicher
176: ein Extremalstellendetektor
178: ein Nulldurchgangsdetektor
180, 180a, 180b, 180c: Richtungsumkehrsignal
210: eine Brücke
211: eine Versorgungseinrichtung
212: ein erster Ausgang
214: ein zweiter Ausgang
216: eine Masse
218: ein Vorverstärker
220: ein Geschwindigkeitssignal
222: eine Stromquelle
224: ein Richtungssignal
226: ein Puffer
228: eine Zustandsmaschine
230: ein digitales Geschwindigkeitssignal
232: ein digitales Richtungssignal
234: ein Zählimpuls
236: eine digitale Prozessoreinrichtung
237: einen Resetgeber
238: ein Multiplexersignal
240: einen Zählgenerator
242: ein Testmultiplexer
244: ein Anschluss für ein Reset-Signal
246: ein Anschluss für ein Geschwindigkeitssignal
248: ein Anschluss für ein Richtungsverstärkungssignal
250: ein Anschluss für ein Richtungs-GMR-Signal
252: ein Anschluss für ein Geschwindigkeits-GMR-Signal
254: ein Anschluss für eine positive Versorgungsspannung Vdd
256: eine LCF-Einrichtung
258: ein erster Anschluss
260: ein zweiter Anschluss
310: ein Polrad
312: ein Randbereich
315: ein Nordpolgebiet
320: ein Südpolgebiet
325: eine Magnetfeldsensoreinrichtung
330: ein erster Anschluss
335: ein zweiter Anschluss
340: ein Widerstand
345: ein Querschnittsebene
R1: ein erstes Sensorelement
R2: ein zweites Sensorelement
R3: ein drittes Sensorelement
R4: ein viertes Sensorelement
410: ein fünftes Sensorelement
415: ein sechstes Sensorelement
420: ein Chiplayout
430: ein Phasendiagramm
435: eine Trennlinie
440: Feldlinien
450: ein Geschwindigkeitssignal
455: ein Richtungssignal
510: ein Ableitungssignal
515a/b: ein erster Zeitpunkt
520a/b: ein zweiter Zeitpunkt
602: ein erster Sprung
604: ein zweiter Sprung
710: ein saturiertes Geschwindigkeitssignal
715: ein saturiertes Richtungssignal
715: ein saturiertes Ableitungssignal
820: ein SC-Integrator
822: eine Einrichtung zum Abtasten und Halten
824: eine Einrichtung zur Feststellung eines Nulldurchgangs
826: ein einstellbarer Verstärker
828: ein SC-Differenzierer

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab (102) zum Definieren eines periodischen Feldes (104) und einer Feldsensoreinrichtung (110) zum Ausgeben eines ersten und eines zweiten Sensorsignals (140, 150) auf das durch den periodischen Maßstab (102) definierte periodische Feld (104) hin derart, dass bei einer ersten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das erste Sensorsignal (140) dem zweiten Sensorsignal (150) vorauseilt, und bei einer zweiten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das zweite Sensorsignal (150) dem ersten Sensorsignal (140) vorauseilt, mit einer Einrichtung (120) zum Bestimmen einer Differenz (170) zwischen einem ersten Sensorsignal (140) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des zweiten Sensorsignals (150) entspricht oder zwischen dem zweiten Sensorsignal (150) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des ersten Sensorsignals (140) entspricht; und einer Einrichtung (130) zum Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung abhängig von der bestimmten Differenz (170).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (130) zum Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung eine Einrichtung (172) zum Abtasten der Differenz (170) zu diskreten Zeitpunkten aufweist, zu denen das andere des ersten und zweiten Sensorsignals einen Nulldurchgang aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung (130) zum Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung eine Einrichtung (172) zum Abtasten der Differenz (170) zu diskreten Zeitpunkten aufweist, zu denen das andere des ersten und zweiten Sensorsignals ein Extremum aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Einrichtung (130) zum Erfassen einen Schwellwertvergleicher (174) zum Überprüfen aufweist, ob die Differenz (170) einen vorbestimmten Wertebereich verlässt, um in diesem Fall auf ein Auftreten der Richtungsumkehr zu schließen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung auch den periodischen Maßstab (102) und die Feldsensoreinrichtung (110) aufweist, wobei die Ausgabe der Feldsensoreinrichtung (110) bei der Relativbewegung dazu führt, dass das erste Sensorsignal (140) und das zweite Sensorsignal (150) im wesentlichen sinusförmig und zueinander um 90 Grad phasenverschoben sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner als periodischen Maßstab ein Geberobjekt, der das periodische Feld (104) definiert, umfasst, wobei die Feldsensoreinrichtung (110) einen ersten Feldsensor zum Ausgeben des ersten Sensorsignals und einen zweiten Feldsensor zum Ausgeben des zweiten Sensorsignals aufweist, und der erste und zweite Feldsensor einen Abstand von (4n – 3)/(4n) einer Periodenlänge des periodischen Feldes (104) mit n einer natürlichen Zahl aufweisen und angeordnet sind, um auf eine gleiche Feldkomponente des periodischen Feldes (104) empfindlich zu sein.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der erste oder zweite Feldsensor Teil einer Wheatstone-Brücke (210) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der erste und/oder zweite Feldsensor (110) einen GMR-Sensor aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung zum Bestimmen einen Differenzierer (160) zum Differenzieren des anderen des ersten Sensorsignals (140) und des zweiten Sensorsignals (150) zu dem Signal aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der der Differenzierer (160) eine Differenziererstufe (828) und eine Integriererstufe (820) aufweist, die derart miteinander verkoppelt sind, dass eine Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion des Differenzierers (160) gegenüber einer Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion der Differenziererstufe (828) verringert ist.
Bewegungsumkehrsensor mit einem ersten Sensorsignaleingang und einem zweiten Sensorsignaleingang; einem Vergleicher (120) mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang; einen Differenzierer (160), der zwischen den ersten Eingang des Vergleichers (120) und den ersten Sensorsignaleingang gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des Vergleichers (120) mit dem zweiten Sensorsignaleingang gekoppelt ist oder einen Differenzierer (160), der zwischen dem ersten Eingang des Vergleichers (120) und dem zweitem Sensorsignaleingang gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des Vergleichers (120) mit dem ersten Sensorsignaleingang gekoppelt ist; und einem Prozessor (130), der mit einem Ausgang des Vergleichers (120) gekoppelt ist und einen Ausgang für ein Richtungsumkehrsignal (180) aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 11, bei dem der Prozessor (130) einen Abtaster (172), der zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist und einen Abtastzeitpunktvorgabeeingang aufweist, sowie einen Nulldurchgangdetektor (178) mit einem Eingang, der mit dem einen des ersten und zweiten Sensorsignaleingangs gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Abtastzeitpunktvorgabeeingang gekoppelt ist, aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der Prozessor (130) einen Abtaster (172), der zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist und einen Abtastzeitpunktvorgabeeingang aufweist, sowie einen Extremalstellendetektor (176) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des Differenzierers (160) gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Abtastzeitpunktvorgabeeingang gekoppelt ist, aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Prozessor (130) einen Schwellwertvergleicher (174) mit einem Eingang und einem Ausgang aufweist, mit denen der Schwellwertvergleicher (174) zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, der ferner einen ersten Feldsensor, der mit dem ersten Sensorsignaleingang gekoppelt ist, und einen zweiten Feldsensor, der mit dem zweiten Sensorsignaleingang gekoppelt ist, aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 15, der ferner ein Geberobjekt, der ein periodisches Feld (104) definiert, umfasst, wobei der erste und der zweite Feldsensor einen Abstand von (4n – 3)/(4n) einer Periodenlänge des periodischen Feldes (104) mit n einer natürlichen Zahl aufweisen und angeordnet sind, um auf eine gleiche Feldkomponente empfindlich zu sein.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem der erste oder zweite Feldsensor Teil einer Wheatstone-Brücke (210) ist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem der erste und/oder zweite Feldsensor (110) einen GMR-Sensor aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem der Differenzierer (160) eine Differenziererstufe (828) und eine Integriererstufe (820) aufweist, die derart miteinander verkoppelt sind, dass eine Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion des Differenzierers (160) gegenüber einer Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion der Differenziererstufe (828) verringert ist.
Bewegungsumkehrsensor mit: einem periodischen Maßstab (102), der ein periodisches Feld (104) definiert; einem ersten Sensorsignaleingang und einem zweiten Sensorsignaleingang; einer Feldsensoranordnung (110), die auf das periodische Feld (104) mit einem ersten Sensorsignal (140) an dem ersten Sensorsignaleingang und einem zweiten Sensorsignal (150) an dem zweiten Sensorsignaleingang derart anspricht, dass bei einer ersten Bewegungsrichtung einer Relativbewegung zwischen dem periodischen Maßstab (102) und der Feldsensoreinrichtung (110) das erste Sensorsignal (140) dem zweiten Sensorsignal (150) vorauseilt, und bei einer zweiten Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem periodischen Maßstab (102) und der Feldsensoreinrichtung (110) das zweite Sensorsignal (150) dem ersten Sensorsignal (140) vorauseilt; einem Vergleicher (120) mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang; einem Differenzierer (160), der zwischen dem ersten Eingang des Vergleichers (120) und dem ersten Sensorsignaleingang gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des Vergleichers (120) mit dem zweiten Sensorsignaleingang gekoppelt ist oder einen Differenzierer (160), der zwischen dem ersten Eingang des Vergleichers (120) und dem zweitem Sensorsignaleingang gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des Vergleichers (120) mit dem ersten Sensorsignaleingang gekoppelt ist; und einem Prozessor (130), der mit einem Ausgang des Vergleichers (120) gekoppelt ist und einen Ausgang für ein Richtungsumkehrsignal (180) aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 20, bei dem der Prozessor (130) einen Schwellwertvergleicher (174) mit einem Eingang und einem Ausgang aufweist, mit denen der Schwellwertvergleicher (174) zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem der Prozessor (130) einen Abtaster (172), der zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist und einen Abtastzeitpunktvorgabeeingang aufweist, sowie einen Nulldurchgangdetektor (178) mit einem Eingang, der mit dem einen des ersten und zweiten Sensorsignaleingangs gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Abtastzeitpunktvorgabeeingang gekoppelt ist, aufweist.
Bewegungsumkehrsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem der Prozessor (130) einen Abtaster (172), der zwischen den Ausgang des Vergleichers (120) und den Ausgang für das Richtungsumkehrsignal (180) gekoppelt ist und einen Abtastzeitpunktvorgabeeingang aufweist, sowie einen Extremalstellendetektor (176) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des Differenzierers (160) gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Abtastzeitpunktvorgabeeingang gekoppelt ist, aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Richtungsumkehr einer Relativbewegung zwischen einem periodischen Maßstab (102) zum Definieren eines periodischen Feldes (104) und einer Feldsensoreinrichtung (110), mit Ausgeben eines ersten und eines zweiten Sensorsignals (140, 150) auf das durch den periodischen Maßstab (102) definierte periodische Feld (104) hin derart, dass bei einer ersten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das erste Sensorsignal (140) dem zweiten Sensorsignal (150) vorauseilt, und bei einer zweiten Bewegungsrichtung der Relativbewegung das zweite Sensorsignal (150) dem ersten Sensorsignal (140) vorauseilt; Bestimmen einer Differenz (170) zwischen einem ersten Sensorsignal (140) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des zweiten Sensorsignals (150) entspricht oder zwischen dem zweiten Sensorsignal (150) und einem Signal, das einer zeitlichen Ableitung des ersten Sensorsignals (140) entspricht; und Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung abhängig von der bestimmten Differenz (170).
Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem das Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung ein Abtasten der Differenz (170) zu diskreten Zeitpunkten aufweist, zu denen das andere des ersten und zweiten Sensorsignals einen Nulldurchgang aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, bei dem das Erfassen der Richtungsumkehr der Relativbewegung ein Abtasten der Differenz (170) zu diskreten Zeitpunkten aufweist, zu denen das andere des ersten und zweiten Sensorsignals ein Extremum aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem das Erfassen einen Schwellwertvergleich zum Überprüfen aufweist, ob die Differenz (170) einen vorbestimmten Wertebereich verlässt, um in diesem Fall auf ein Auftreten der Richtungsumkehr zu schließen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem das Bestimmen ein Differenzieren des anderen des ersten Sensorsignals (140) und des zweiten Sensorsignals (150) zu dem Signal aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem das Differenzieren einen Differenzierteilschritt und einen Integrierteilschritt aufweist, derart, dass eine Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion des Differenzierschritts gegenüber einer Nichtlinearität einer Übertragungsfunktion des Differenzierteilschritts verringert ist.