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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Erfassen einer Drehzahl, und insbesondere auf magnetische Drehzahlsensoren.
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Auf dem Gebiet der Drehzahlerfassung kann ansprechend auf eine Drehung eines Zielobjekts wie beispielsweise eines Rads, einer Nockenwelle, einer Kurbelwelle oder dergleichen ein Sinussignal erzeugt werden. Das Sinussignal kann in Impulse übersetzt werden, die weiter in eine Bewegungsdetektion oder eine Drehzahlausgabe übersetzt werden.
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Ein Zweck eines Motordrehzahlsensors oder eines Kurbelwellensensors besteht darin, die Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwelle dreht, zu beurteilen. Das heißt, er misst die Geschwindigkeit der Drehung der Kurbelwelle. Diese Drehzahlsensoren sind elektronische Steuervorrichtungen, die bei Verbrennungsmotoren von Automobilen verwendet werden. Diese Komponente sendet entscheidende Informationen an die elektronische Steuereinheit (ECU, electronic control unit) (z. B. ein Motorsteuermodul (ECM, engine control module)). Die Informationen von einem Kurbelwellendrehzahlsensor werden dazu verwendet, die Motormanagement-, Brennstoffeinspritz- und Zündeinstellungssysteme zu steuern.
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Grundlegende Zeitgebungsinformationen (Taktungsinformationen) werden von dem Kurbelwellensensor an die ECU gesendet. Die U/min (Umdrehungen pro Minute), Taktung und Zündfolge des Motors werden durch die Informationen bestimmt, die von dem Kurbelwellenzeitgebungssensor empfangen werden. Die Informationen sagen dem ECM, wie schnell der Motor derzeit läuft, damit die Zündung entsprechend vorgezogen oder verzögert werden kann.
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Ein Hybridelektrofahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle) ist ein Typ von Hybridfahrzeug, das ein herkömmliches Verbrennungsmotorsystem (ICE-System, ICE = internal combustion engine, Verbrennungsmotor) mit einem elektrischen Antriebssystem (Hybridfahrzeug-Triebstrang) kombiniert. Jedoch sind aktuelle magnetische Drehzahlsensoren nicht dazu ausgelegt, in einer Umgebung von Hybridelektrofahrzeugen zu arbeiten.
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Beispielsweise wird dann, während sich das Fahrzeug mit dem Elektromotor bewegt, der Verbrennungsmotor ausgeschaltet, und die Kurbelwelle ist während dieser Zeit frei (oder fast frei) beweglich. Aufgrund der Vibrationen in dem sich bewegenden Fahrzeug dreht sich die Kurbelwelle eventuell willkürlich rückwärts und/oder vorwärts. Falls diese freie Bewegung lange genug anhält und sich die Welle kontinuierlich rückwärts und/oder vorwärts bewegt, kann der Drehzahlsensor Maximal- und Minimalereignisse detektieren.
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Auf der Basis dieser Detektion passt der Drehzahlsensor seine Schaltschwelle eventuell auf der Basis eines falschen Signals an. Mit anderen Worten aktualisiert der Drehzahlsensor seinen Versatz möglicherweise dann, wenn er dies nicht tun sollte, aufgrund der Bewegung der Kurbelwelle, die auftritt, während diese ausgerückt ist. Dies kann dazu führen, dass der Drehzahlsensor falsche Impulse erzeugt (zu viele Vorwärts- oder zu viele Rückwärtsimpulse) und Fehlinformationen an die ECU sendet, was weiter zu einem Verlust an Synchronizität mit der Kurbelwelle auf der Systemebene führen kann.
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Deshalb kann ein verbesserter Drehzahlsensor, der in der Lage ist, in einer Umgebung von Hybridelektrofahrzeugen zu arbeiten, wünschenswert sein.
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DE 10 2016 206 686 A1 beschreibt eine Magnetfeldsensoranordnung, welche ein Magnetfeldsensorelement umfasst, das dazu konfiguriert ist, ein Sensorausgangssignal bereitzustellen, das auf ein Magnetfeld anspricht, wobei das Sensorausgangssignal repräsentativ für eine Magnetfeldamplitude ist, und ein Verarbeitungsmodul umfasst, das dazu konfiguriert ist, ein verarbeitetes Sensorausgangssignal bereitzustellen, das das Sensorausgangssignal darstellt, und ein Schaltpegel-Berechnungsmodul umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Schaltpegel zu berechnen, während eines Einschaltmodus, basierend auf einem Standard-Schaltpegel, und während eines Betriebsmodus, basierend auf dem verarbeiteten Sensorausgangssignal, und ein Komparatormodul umfasst, das dazu konfiguriert ist, das verarbeitete Sensorausgangssignal mit dem Schaltpegel zu vergleichen und ein Komparatorausgangssignal basierend auf dem Vergleich bereitzustellen, und ein Speichermodul umfasst, das so konfiguriert ist, dass es den voreingestellten Schaltpegel speichert, den voreingestellten Schaltpegel während des Einschaltmodus bereitstellt und den voreingestellten Schaltpegel während des Betriebsmodus aktualisiert.
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DE 10 2017 202 696 A1 offenbart einen Magnetkreis, welcher einen Magnetsensor umfasst. Der Magnetsensor kann einen Anpassungsfaktor bestimmen, der mit dem Berechnen einer variablen Schaltschwelle verbunden ist. Die variable Schaltschwelle kann eine konfigurierbare Schaltschwelle sein, auf deren Grundlage der Magnetsensor Ausgaben bereitstellt, die einem Geschwindigkeitssignal zugeordnet sind, das einer Drehung eines Zahnrads entspricht. Der Magnetsensor kann basierend auf der variablen Schaltschwelle eine Ausgabe bereitstellen, die dem Geschwindigkeitssignal zugeordnet ist.
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EP 1 111 392 A1 offenbart einen berührungslosen Sensor, um Markierungen auf einem Rad zu erkennen. Die Signalamplitude des Sensors wird in einer Vergleichseinrichtung mit einer variablen Schaltschwelle verglichen. Die Amplitude der Schwelle wird so eingestellt, dass die Differenz zwischen Sensorausgabe und Schwelle einen voreingestellten Wert nicht überschreitet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Magnetsensormodul sowie ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Magnetsensormodul gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Magnetsensormodule, Systeme und Verfahren werden bereitgestellt, die dazu konfiguriert sind, eine Drehung eines Objekts zu detektieren, und insbesondere eine Drehzahl eines Objekts zu detektieren.
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Ausführungsbeispiele stellen ein Magnetsensormodul bereit, das dazu konfiguriert ist, ein Magnetfeld zu messen, dessen Größe zwischen einem ersten Extremum und einem zweiten Extremum schwankt. Das Magnetsensormodul umfasst einen Magnetsensor, der eine Mehrzahl von Sensorelementen umfasst, die dazu konfiguriert sind, ansprechend auf ein Erfassen des Magnetfeldes Messwerte zu erzeugen, und eine Sensorschaltung. Die Sensorschaltung ist dazu konfiguriert, die Messwerte von zumindest einem der Mehrzahl von Sensorelementen zu empfangen, auf der Basis der von dem zumindest einen der Mehrzahl von Sensorelementen empfangenen Messwerte ein Messsignal zu erzeugen, das Messsignal mit einer Schaltschwelle zu vergleichen, ein gepulstes Ausgangssignal zu erzeugen, das Impulse aufweist, die auf der Basis dessen, dass das Messsignal die Schaltschwelle überschreitet, erzeugt werden, eine erste Charakteristik des Messsignals zu messen, einen Versatz der Schaltschwelle gemäß einem Versatzaktualisierungsalgorithmus auf der Basis der gemessenen ersten Charakteristik des Messsignals zu aktualisieren und den Versatzaktualisierungsalgorithmus auf der Basis zumindest einer zweiten Charakteristik des Messsignals selektiv zu aktivieren und zu deaktivieren, wobei die Sensorschaltung eine Watchdog-Schaltung umfasst, die parallel zu einer primären Verarbeitungskette der Sensorschaltung arbeitet, wobei die Watchdog-Schaltung dazu konfiguriert ist, einen deaktivierten Zustand des Versatzaktualisierungsalgorithmus, der durch die primäre Verarbeitungskette eingestellt ist, zu übersteuern, um den Versatzaktualisierungsalgorithmus zu reaktivieren, wobei die Watchdog-Schaltung dazu konfiguriert ist, eine Drehrichtung des Magnetfeldes zu detektieren, eine Anzahl aufeinanderfolgender Impulse des gepulsten Ausgangssignals, die in einer selben Drehrichtung des Magnetfeldes auftreten, zu zählen, die Anzahl aufeinanderfolgender Impulse mit einer Schaltereignisschwelle zu vergleichen und den Versatzaktualisierungsalgorithmus zu reaktivieren, wenn die Anzahl aufeinanderfolgender Impulse gleich der Schaltereignisschwelle ist.
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Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes bereit, dessen Größe zwischen einem ersten Extremum und einem zweiten Extremum schwankt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Messsignals, das das gemessene Magnetfeld darstellt; ein Vergleichen des Messsignals mit einer Schaltschwelle; ein Erzeugen eines gepulsten Ausgangssignals, das Impulse aufweist, die auf der Basis dessen, dass das Messsignal die Schaltschwelle überschreitet, erzeugt werden; ein Messen einer ersten Charakteristik des Messsignals; ein Aktualisieren eines Versatzes der Schaltschwelle gemäß einem Versatzaktualisierungsalgorithmus auf der Basis der gemessenen ersten Charakteristik des Messsignals; ein selektives Aktivieren und Deaktivieren des Versatzaktualisierungsalgorithmus auf der Basis zumindest einer zweiten Charakteristik des Messsignals; Deaktivieren des Versatzaktualisierungsalgorithmus durch eine primäre Verarbeitungskette; Betreiben einer Watchdog-Funktion parallel zu der primären Verarbeitungskette; und Übersteuern eines deaktivierten Zustandes des Versatzaktualisierungsalgorithmus, der durch eine primäre Verarbeitungskette eingestellt ist, über die Watchdog-Funktion, um den Versatzaktualisierungsalgorithmus zu reaktivieren.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1A-1C ein Diagramm eines Magnetfelderfassungsprinzips, das eine erste Art von magnetischem Codierer gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet;
- 1D ein Diagramm eines Magnetfelderfassungsprinzips, das eine zweite Art von magnetischem Codierer gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet;
- 2 ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetsensors gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
- 3 ein Diagramm eines Messsignals, das durch eine Sensorschaltung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wurde; und
- 4 ein Beispiel eines gepulsten Ausgangssignals, das durch einen magnetischen Drehzahlsensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wurde.
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Im Folgenden wird eine Mehrzahl von Einzelheiten dargelegt, um eine gründlichere Erläuterung der exemplarischen Ausführungsbeispiele zu liefern. Jedoch wird Fachleuten einleuchten, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind hinreichend bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht in Einzelheiten gezeigt, um eine Verzerrung der Ausführungsbeispiele zu vermeiden. Außerdem können Merkmale der hiernach beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, wenn nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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Außerdem werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen angegeben. Da dieselben oder funktional äquivalente Elemente in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind, kann auf eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind, verzichtet werden. Somit sind Beschreibungen, die sich auf Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen beziehen, gegenseitig austauschbar.
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Es versteht sich, dass dann, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ angegeben wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ angegeben ist, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Worte, die zum Beschreiben der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten auf analoge Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart zu“ im Gegensatz zu „direkt benachbart zu“ usw.).
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Bei Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann jegliche direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. jegliche Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischenliegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischenliegenden Elementen, implementiert werden, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder des Koppelns, beispielsweise eine gewisse Art von Signal zu übertragen oder eine gewisse Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen beibehalten wird. Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Beispielsweise können Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, wenn nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Signalaufbereitung bezieht sich gemäß der Verwendung hierin auf ein Manipulieren eines analogen Signals derart, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur Weiterverarbeitung erfüllt. Eine Signalaufbereitung kann ein Umwandeln von analog zu digital (z. B. über einen Analog/Digital-Wandler), eine Verstärkung, ein Filtern, ein Umwandeln, ein Vormagnetisieren (Biasing), eine Bereichsanpassung, eine Isolierung und jegliche andere Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um dafür zu sorgen, dass eine Sensorausgabe nach der Aufbereitung für eine Verarbeitung geeignet ist.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme und darauf, Informationen über Sensoren und Sensorsysteme zu erhalten. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandelt. Die physikalische Größe kann beispielsweise ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung umfassen, ist aber nicht hierauf beschränkt. Eine Sensorvorrichtung, wie sie hierin beschrieben ist, kann ein Stromsensor, ein Gaußmeter, ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Drehzahlsensor und dergleichen sein.
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Ein Magnetfeldsensor beispielsweise umfasst ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Charakteristika eines Magnetfeldes (z. B. einen Betrag einer Magnetfeldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldausrichtung usw.) messen, was einem Detektieren und/oder Messen des Magnetfeldmusters eines Elements entspricht, das das Magnetfeld erzeugt (z. B. ein Magnet, ein stromführender Leiter (z. B. ein Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle).
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Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen sind sowohl ein Magnetfeldsensor als auch eine Sensorschaltung in demselben Chipgehäuse untergebracht (z. B. einem von Kunststoff umhüllten Gehäuse wie z. B. einem mit Anschlussstiften versehenen Gehäuse oder einem Gehäuse ohne Anschlussstifte oder einem Gehäuse für oberflächenmontierte Bauelemente (SMD, suface mounted device)). Dieses Chipgehäuse wird auch als Sensorgehäuse bezeichnet. Das Sensorgehäuse kann mit einem Back-Bias-Magneten kombiniert werden, um ein Sensormodul, eine Sensorvorrichtung oder dergleichen zu bilden.
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Somit wird bzw. werden ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die in dem Sensorgehäuse enthalten sind, dem Magnetfeld ausgesetzt, und das durch jedes Magnetfeldsensorelement bereitgestellte Sensorsignal (z. B. Spannungssignal) ist beispielsweise proportional zu der Größe des Magnetfeldes. Ferner wird einleuchten, dass die Begriffe „Sensor“, „Sensorelement“ und „Erfassungselement“ in der gesamten vorliegenden Beschreibung austauschbar verwendet werden können und dass die Begriffe „Sensorsignal“, „Messsignal“ und „Messwert“ in der gesamten vorliegenden Beschreibung austauschbar verwendet werden können.
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Die Sensorschaltung kann als Signalverarbeitungsschaltung und/oder Signalaufbereitungsschaltung bezeichnet werden, die das Signal (d. h. Sensorsignal) in Form von Rohmessdaten von dem Magnetfeldsensorelement empfängt und von dem Sensorsignal ein Messsignal ableitet, das das Magnetfeld darstellt. Die Sensorschaltung kann einen Analog/Digital-Wandler (ADW) umfassen, der das analoge Signal von dem einen oder den mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen Digitalsignalprozessor (DSP) umfassen, der eine gewisse Verarbeitung an dem digitalen Signal durchführt, was nachstehend erörtert werden wird. Der DSP oder ein sonstiger Prozessor der Sensorschaltung kann dazu konfiguriert sein, einen Aktualisierungsalgorithmus zum Durchführen einer Aktualisierungsfunktion auf der Basis des Messsignals zu speichern. Deshalb weist das Sensorgehäuse eine Schaltung auf, die das kleine Signal des Magnetfeldsensors über eine Signalverarbeitung und/oder -aufbereitung aufbereitet und verstärkt und die auf der Basis des davon abgeleiteten Messsignals eine zusätzliche Verarbeitung vornimmt.
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Eine Sensorvorrichtung gemäß der Verwendung hierin kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und eine Sensorschaltung, wie oben beschrieben, umfasst. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzelnen Halbleiterplättchen (z. B. Siliziumhalbleiterplättchen oder -chip) integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Plättchen (engl.: die) zum Implementieren einer Sensorvorrichtung verwendet werden kann. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder an demselben Halbleiterplättchen oder an mehreren Plättchen in demselben Gehäuse angeordnet. Beispielsweise könnte sich der Sensor auf einem Plättchen befinden und die Sensorschaltung auf einem anderen Plättchen, so dass sie in dem Gehäuse elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Fall können die Plättchen aus demselben oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien wie z. B. GaAs und Si bestehen, oder der Sensor könnte auf ein Keramik- oder Glastäfelchen, das kein Halbleiter ist, gesputtert sein.
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Magnetfeldsensorelemente umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Hall-Platten, vertikale Hall-Effekt-Bauelemente oder magnetoresistive Sensoren, die oft als XMR-Sensoren bezeichnet werden, was ein Sammelbegriff für anisotrop magnetoresistiv (AMR), Giantmagnetoresistiv (GMR), Tunnel-magnetoresistiv (TMR) usw. ist.
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Hierin bereitgestellte Magnetfeldsensoren können für Geschwindigkeitsmessungen und Drehrichtungsmessungen eines sich drehenden magnetischen Codierers wie beispielsweise eines Rades oder einer Nockenwelle, hier als Zielobjekt oder Zielrad bezeichnet, konfiguriert sein.
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Eine Art von magnetischem Codierer kann ein ferromagnetischer Codierer sein, der ein Zahnrad oder eine Zahnscheibe aus ferromagnetischem Material mit Löchern oder Kerben sein kann, die vor dem Magnetfeldsensor vorbei laufen. Das Magnetfeld kann durch einen Back-Bias-Magneten erzeugt werden, der mit einer Rückseite des Magnetfeldsensors gekoppelt ist. Somit wird die Stärke des durch den Back-Bias-Magneten erzeugten Magnetfeldes durch das Vorbeilaufen von Zähnen und Kerben des sich drehenden magnetischen Codierers verändert.
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Beispielsweise ist das Sensormodul in der Nähe des Zahnrades positioniert, wobei der Abstand zwischen dem Sensormodul und dem Zahnrad durch einen Luftspalt definiert ist.
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Der Luftspalt verändert sich, wenn ein Zahn oder eine Kerbe an dem Sensormodul vorbeiläuft. Aufgrund dieses sich verändernden Luftspaltes dehnt sich das durch den Back-Bias-Magneten erzeugte Magnetfeld (bzw. dehnt sich der Magnetfeldfluss) zeitlich mit dem herannahenden Zahn oder mit der sich entfernenden Kerbe aus oder zieht sich zeitlich zusammen. Diese Fluktuation im Magnetfeld wird durch das Sensormodul gemessen, und zwar durch das eine oder die mehreren Sensorelemente des Sensormoduls.
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Ein zweiter Typ von magnetischem Codierer ist ein Codierer, der aus Wechselmagneten besteht, die in entgegengesetzten Richtungen (z. B. Südpol- und Nordpol-Wechselmagneten) magnetisiert und entlang eines Umfangs des Codierers angeordnet sind. In diesem Fall wird der Drehzahlsensor vor dem Codierer platziert und detektiert, falls das gemessene Magnetfeld seine Polarität wechselt. In diesem Fall erzeugt der Drehzahlsensor ein Ausgangssignal, das angibt, dass gerade ein Pol vorbeigekommen ist.
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1A-1C veranschaulichen ein Magnetfelderfassungsprinzip, das eine erste Art von magnetischem Codierer, ein Zahnrad 1, das sich abwechselnde Zähne 2 und Kerben 3 aufweist, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet. Insbesondere kann das Zahnrad 1 aus einem ferromagnetischen Material (z. B. Eisen) hergestellt sein, das Magnetfelder anzieht. Zudem ist eine Sensoranordnung 4 dazu konfiguriert, ein durch einen Back-Bias-Magneten 5 erzeugtes Magnetfeld zu erfassen, wobei die Sensoranordnung 4 und der Back-Bias-Magnet 5 ein Sensormodul 6 aufweisen. Die Sensoranordnung 4 kann hierin allgemein als Sensor 4 bezeichnet werden und kann ferner eine (nicht gezeigte) Sensorschaltung umfassen und kann in einem Sensorgehäuse angeordnet sein.
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1A und 1B zeigen einen Zahn 2 und eine Kerbe 3 des Rades 1, die jeweils an dem Sensormodul 6 vorbeikommen. Im Fall der 1A werden die Magnetfeldlinien des durch den Back-Bias-Magneten 5 erzeugten Bias-Magnetfeldes in der z-Richtung zu dem Zahn 2 hin gezogen. Somit werden die Magnetfeldlinien von der x- und der y-Achse (d. h. den Sensorebenen der Sensoranordnung 4) weg gezogen, und die erfasste Magnetfeldstärke in der x- und der y-Richtung wird derart verringert, dass in der Mitte des Zahns 2 eine minimale Feldstärke detektiert wird. Dies kann in realen Anwendungen anders sein, wo das Minimum aufgrund von Montagetoleranzen eventuell nicht genau in der Mitte auftritt, jedoch sollte die minimale Feldstärke im Wesentlichen in der Mitte des Zahns 2 detektiert werden.
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Im Fall der 1 B werden im Gegensatz dazu die Magnetfeldlinien des durch den Back-Bias-Magneten 5 erzeugten Bias-Magnetfeldes nicht (oder weniger) in der z-Richtung zu der Kerbe 3 hin gezogen. Somit bleiben die Magnetfeldlinien relativ zu der x- und der y-Achse (d. h. zu den Sensorebenen der Sensoranordnung 4) konzentrierter, und die erfasste Magnetfeldstärke in der x- und der y-Richtung befindet sich in der Mitte der Kerbe 3 bei einem Maximum. Dies kann in realen Anwendungen anders sein, wo das Maximum eventuell nicht genau in der Mitte auftritt, jedoch sollte die maximale Feldstärke im Wesentlichen in der Mitte der Kerbe 3 detektiert werden.
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1C veranschaulicht eine schematische Ansicht des Sensormoduls 6 in der Nähe des Zahnrades 1. Das Sensormodul 6 umfasst eine Sensoranordnung 4, die eine (nicht gezeigte) Sensorschaltung und zwei Magnetfeldsensorelemente, eine Hall-Platte H1 und eine Hall-Platte H2 sowie einen mit der Sensoranordnung 4 gekoppelten Back-Bias-Magneten 5 aufweist. Die zwei Magnetfeldsensorelemente H1 und H2 können hierin als Differentialsensorelemente bezeichnet werden und sind in einer Drehrichtung des Zahnrades 1 linear ausgerichtet. Die Sensorsignale jedes Differentialsensorelements H1 und H2 werden der Sensorschaltung bereitgestellt, die unter Verwendung einer Differentialberechnung; dies kann dazu verwendet werden, homogene Streufelder in den Sensorebene-Richtungen auszugleichen, ein Differentialmesssignal berechnet.
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Außerdem können die Differentialsensorelemente H1 und H2 in einem Abstand von etwa der Hälfte der Zahnteilung der Zähne des Zahnrades 1 angeordnet sein, um ein Differentialmesssignal mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Eine Zahnteilung ist der Abstand entlang eines Teilkreises zwischen zwei benachbarten Zähnen eines Zahnrades. Schließlich liefern Leitungen 7 einen elektrischen Pfad für verschiedene Eingangs- und Ausgangssignale (z. B. Leistungs-, Befehls- und Ausgangssignale) zu und von der Sensoranordnung 4.
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Während sich das Rad 1 dreht, laufen die Zähne 2 und Kerben 3 abwechselnd an dem Sensormodul 6 vorbei, und die Sensorelemente in der Sensoranordnung 4 erfassen eine Veränderung der Magnetfeldstärke in der x-Achse und der y-Achse, die als Sinuswellenform (d. h. als Signalmodulation) variiert, deren Frequenz einer Drehgeschwindigkeit des Rades entspricht und die ferner einer Drehgeschwindigkeit einer Antriebswelle (z. B. Nockenwelle), die die Drehung des Rades antreibt, entspricht.
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Somit empfängt die Sensorschaltung der Sensoranordnung 4 Signale (d. h. Sensorsignale) von den Magnetfeldsensorelementen H1 und H2 und leitet von den Sensorsignalen ein Differentialmesssignal ab, das das Magnetfeld als Signalmodulation darstellt. Das Differentialmesssignal kann anschließend als Ausgangssignal an eine externe Steuerung, eine Steuereinheit oder einen Prozessor (z. B. eine ECU) ausgegeben werden oder kann seitens der Sensorschaltung intern zum Zweck einer Weiterverarbeitung verwendet werden (z. B. um ein gepulstes Ausgangssignal zu erzeugen), bevor es an die externe Vorrichtung ausgegeben wird. Beispielsweise kann die externe Vorrichtung die Impulse des gepulsten Ausgangssignals zählen und daraus eine Radgeschwindigkeit berechnen.
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Ferner kann ein (nicht gezeigtes) drittes Magnetfeldsensorelement an der Sensoranordnung 4 in der Mitte zwischen den zwei Differentialsensorelementen H1 und H2 angeordnet sein, um den Sensor zu befähigen, eine Drehrichtung des Rades 1 zu detektieren. Die Hall-Sensorelemente können in allen hierin angeführten Beispielen auch durch XMR-Sensorelemente ersetzt werden.
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1D veranschaulicht ein Magnetfelderfassungsprinzip, das eine zweite Art von magnetischem Codierer, ein Magnetisierter-Codierer-Rad, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen verwendet. Das Sensormodul 6 umfasst eine Sensoranordnung 4, die eine (nicht gezeigte) Sensorschaltung und zwei Magnetfeldsensorelemente, eine Hall-Platte H1 und eine Hall-Platte H2. Die Sensorsignale jedes Differentialsensorelements H1 und H2 werden der Sensorschaltung bereitgestellt, die unter Verwendung einer Differentialberechnung ein Differentialmesssignal berechnet; dies kann dazu verwendet werden, homogene Streufelder in den Sensorebene-Richtungen auszugleichen.
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Außerdem können die Differentialsensorelemente H1 und H2 in einem Abstand von etwa der Hälfte der Zahnteilung der Pole des Magnetisierter-Codierer-Rades 11 angeordnet sein, um ein Differentialmesssignal mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Eine Zahnteilung ist der Abstand entlang eines Teilkreises zwischen zwei Polen derselben Polarität (d. h. zwischen zwei benachbarten positiven Polen oder zwei benachbarten negativen Polen) für ein Magnetisierter-Codierer-Rad.
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Das Magnetisierter-Codierer-Rad 11 weist sich abwechselnde Nordpolsegmente 12 und Südpolsegmente 13 auf. Demgemäß stellen die Nordpolsegmente 12 und die Südpolsegmente 13 Zähne und Kerben eines oben beschriebenen Zahn- und Kerbenrades 1 dar. Die Sensorelemente H1 und H2 der Sensoranordnung 4, wie sie in Bezug auf 1C beschrieben sind, sind empfindlich für Magnetfelder, die durch die Nordpolsegmente 12 und die Südpolsegmente 13 des Rades 11 beeinflusst werden. Da hier das Magnetfeld durch das Rad 11 aktiv erzeugt wird, kann auf einen Back-Bias-Magneten verzichtet werden. Eine Sensorausgabe entspricht der Drehgeschwindigkeit des Magnetisierter-Codierer-Rades 11 durch Detektieren der Veränderung des Wechselmagnetfeldes auf ähnliche Weise wie die mit Bezug auf 1C beschriebene. Somit erzeugt die Sensorschaltung der Sensoranordnung 4 eine Sensorausgabe, die durch eine der Leitungen 7 ausgegeben werden soll.
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2 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetsensors gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere zeigt 2 die Sensoranordnung 4, die Magnetfeldsensorelemente 21a-21c umfasst, die ansprechend auf ein Magnetfeld Sensorsignale erzeugen. Sensorsignale von den Magnetfeldsensorelementen 21a und 21b werden dazu verwendet, ein Differentialmesssignal zu erzeugen, das als Geschwindigkeitssignal verwendet wird, und Sensorsignale von dem Magnetfeldsensorelement 21c werden dazu verwendet, ein Richtungssignal zu erzeugen.
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Das Richtungssignal kann ein Differentialmesssignal sein, das erzeugt wird, indem eines oder beide der durch die Sensorelemente 21a und 21b erzeugte(n) Signal(e) verwendet wird, oder das Sensorelement 21c kann als Monozelle zum Erzeugen des Richtungssignals verwendet werden. Das Richtungssignal weist eine selbe Frequenz wie das Geschwindigkeitssignal auf, ist jedoch von dem Geschwindigkeitssignal phasenverschoben. Beispielsweise kann das Richtungssignal von dem Geschwindigkeitssignal um 90° verschoben sein, und eine Drehrichtung des Zielobjekts kann seitens der Sensorschaltung daraus aufgrund dessen ermittelt werden, ob die Phasenverschiebung positive oder negative 90° sind (d. h. über die Richtung der Phasenverschiebung).
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Die Sensoranordnung 4 umfasst ferner eine Sensorschaltung 22, die eine Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 umfasst, die dazu konfiguriert ist, von den Magnetfeldsensorelementen 21a-21c analoge Sensorsignale zu empfangen und an denselben eine Signalaufbereitung vorzunehmen, einschließlich einer Analog/Digital-Umwandlung durch einen ADW. Somit ist die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 dazu konfiguriert, die analogen Sensorsignale in digitale Sensorsignale umzuwandeln und die Messsignale (z. B. das Geschwindigkeitsmesssignal und das Richtungsmesssignal) aus denselben zu erzeugen.
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Die Messsignale werden anschließend seitens der Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 und der sekundären Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 bereitgestellt. Die primäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 kann für das Verarbeiten der Messsignale und das Erzeugen eines Ausgangssignals verantwortlich sein, wohingegen die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 einen zweiten Signalpfad zum Überwachen eines Zustandes der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 bereitstellen kann. Beispielsweise kann die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 eine Watchdog-Funktion erfüllen.
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Sowohl die primäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 als auch die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 sind dazu konfiguriert, unter Verwendung der Messsignale eine Digitalsignalverarbeitung vorzunehmen, und umfassen einen oder mehrere Prozessoren und/oder Logikblöcke, die verschiedene Signalaufbereitungsfunktionen wie z. B. eine Absolutsignalumwandlung, Normierung, Linearisierung und so weiter erfüllen.
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Die primäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 umfasst einen Signalprotokollblock 25, einen Aktualisierungsalgorithmusblock 26 und einen Aktualisierungssteuerblock 27. Jeder Block kann Messsignale von der Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 empfangen und kann einen oder mehrere Prozessoren umfassen oder kann eine Teilschaltung eines Prozessors und/oder Logikblocks der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 darstellen. Außerdem kann der Aktualisierungssteuerblock 27 eine Steuerung (z. B. eine Mikrosteuerung) umfassen, die dazu konfiguriert ist, ein oder mehrere Eingangssignale zu empfangen und auf der Basis desselben bzw. derselben ein Steuersignal zu erzeugen.
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Die Messsignale werden durch den Signalprotokollblock 25 dazu verwendet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das letztlich seitens der Sensoranordnung 4 an eine externe Vorrichtung (z. B. eine ECU) ausgegeben wird. Die Impulse eines Ausgangssignals können auf Detektion eines Überschreitens eines Schaltpunktes (d. h. einer Schaltschwelle) des durch die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 bereitgestellten Geschwindigkeitsmesssignals hin seitens des Signalprotokollblocks 25 erzeugt werden. Somit umfasst der Signalprotokollblock 25 einen Schaltmechanismus, der dazu konfiguriert ist, einen logischen Wert des Ausgangssignals auf der Basis der Oszillation des Magnetfeldes und des konfigurierten Schaltpunktes zu verändern. Der in dem Speicher der Sensorschaltung 22 gespeicherte Schaltpunkt befindet sich zwischen dem Minimum (min) und dem Maximum (max) des Magnetfeldes B.
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Ferner umfasst der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 einen in dem Speicher der Sensorschaltung 22 gespeicherten Aktualisierungsalgorithmus und umfasst ferner eine zusätzliche Verarbeitungsschaltungsanordnung, die eine Aktualisierungsfunktion gemäß dem Aktualisierungsalgorithmus erfüllt. Auf der Basis des Aktualisierungsalgorithmus kann der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 regelmäßig und autonom den Schaltpunkt (d. h. einen Versatz desselben) oder einen Messsignalversatz, der durch den Signalprotokollblock 25 implementiert wird, (neu) berechnen und den Schaltpunkt oder den Messsignalversatz, der durch den Signalprotokollblock 25 implementiert wird, auf der Basis eines Mittelwerts eines oder mehrerer Minima und eines oder mehrerer Maxima des gemessenen Magnetfeldes (d. h. auf der Basis des Mittelwerts der Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals) einer Selbstkalibrierung unterziehen. Somit kann der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 dazu konfiguriert sein, dem Signalprotokollblock 25 einen aktualisierten Schaltpunkt oder einen aktualisierten Messsignalversatz bereitzustellen, und der Signalprotokollblock 25 kann die Aktualisierungen zum Erzeugen des Ausgangssignals aufnehmen.
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Außerdem umfasst die primäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 einen Aktualisierungssteuerblock 27, der die durch die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 erzeugten Messsignale empfängt und überwacht. Auf der Basis dieser Überwachung steuert der Aktualisierungssteuerblock 27 den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 dahin gehend, die durch den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 erfüllte Aktualisierungsfunktion entweder zu aktivieren oder zu deaktivieren. Somit kann der Aktualisierungssteuerblock 27 dazu konfiguriert sein, ein Aktivierungssteuersignal oder ein Deaktivierungssteuersignal zu erzeugen und das entsprechende Steuersignal an den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 zu senden, um die Aktualisierungsfunktion zu aktivieren oder zu deaktivieren. Während der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 aktiviert ist, empfängt der Signalprotokollblock 25 keinerlei Aktualisierungen von dem Aktualisierungsalgorithmusblock 26.
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Die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 kann einen zweiten Signalpfad bereitstellen, der zum Steuern eines Zustandes der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24, nämlich eines aktivierten oder deaktivierten Zustandes des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26, verwendet wird. Die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 kann eine Verarbeitungskette 28a, 28b und 28c umfassen, ähnlich der der Blöcke 25, 26 bzw. 27, die in der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 enthalten sind. Somit kann die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 einen Signalprotokollblock 28a, einen Aktualisierungsalgorithmusblock 28b und einen Aktualisierungssteuerblock 28c umfassen, die ähnliche Funktionen erfüllen wie die Blöcke 25, 26 und 27 der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24.
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Insbesondere kann die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 die durch die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 erzeugten Messsignale empfangen und überwachen und kann unter bestimmten Bedingungen einen deaktivierten Zustand des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26 übersteuern. Beispielsweise kann ein Aktualisierungssteuerblock 28c der sekundären Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 den Aktualisierungssteuerblock 27 anweisen, den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 zu reaktivieren. Diese Bedingungen werden nachstehend beschrieben.
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3 veranschaulicht ein Beispiel eines durch die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugten Messsignals. Das Messsignal kann ein Differentialmesssignal sein, das unter Verwendung einer Differentialberechnung aus zwei Sensorsignalen abgeleitet wird, wie oben unter Bezugnahme auf 1C und 1D beschrieben wurde. Das Messsignal ist eine Messung des Magnetfeldes B, das seitens des Magnetsensors über einen Zeitraum t hinweg erfasst wird, und oszilliert zwischen zwei Extrema (z. B. Minimum und Maximum), während sich der magnetische Codierer dreht. Ferner kann das Messsignal einen Versatz von einer x-Achse in einer y-Achse-Richtung aufweisen und kann ferner mittels einer Verarbeitung normiert werden, die durch die Sensorschaltung 22 (z. B. durch den Signalprotokollblock 25) durchgeführt wird.
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4 veranschaulicht ein Beispiel eines gepulsten Ausgangssignals, das durch einen magnetischen Drehzahlsensor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen erzeugt wird. Insbesondere stellt die obere Wellenform ein Geschwindigkeitsmesssignal dar, das mit einer Schaltschwelle verglichen wird, die zum Erzeugen des gepulsten Ausgangssignals verwendet wird. Die Schaltschwelle ist ein Schaltpunkt, an dem die Sensorschaltung 22 zwischen dem hohen und dem niedrigen Zustand (oder umgekehrt) ihres Ausgangs umschaltet, wenn das Überschreiten des Schaltpunktes detektiert wird.
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In 4 wird ein Ausgangssignal gepulst, wenn das Geschwindigkeitsmesssignal die Schaltschwelle von einer Richtung (z. B. an einer ansteigenden Flanke des Messsignals) überschreitet. Jedoch kann der Signalprotokollblock 25 derart konfiguriert sein, dass das Ausgangssignal gepulst wird, wenn das Geschwindigkeitsmesssignal die Schaltschwelle von einer der beiden Richtungen her überschreitet (z. B. an einer ansteigenden oder einer abfallenden Flanke). Alternativ dazu kann der Ausgang an einer ersten ansteigenden Flanke des Geschwindigkeitsmesssignals von einer niedrigen zu einer hohen Logik geschaltet werden und an einer ersten abfallenden Flanke des Geschwindigkeitsmesssignals von einer hohen zu einer niedrigen Logik geschaltet werden, oder umgekehrt, wenn die ansteigende und die abfallende Flanke bei Überschreiten der Schaltschwelle auftreten. Somit können Impulse in dem Ausgangssignal auf vielerlei Weise ausgelöst werden.
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Der im Speicher gespeicherte Schaltpunkt (d. h. die Schaltschwelle) befindet sich zwischen dem Minimum (min) und dem Maximum (max) des Magnetfeldes B. Bei anderen Beispielen können zwei oder mehr Schaltpunkte im Speicher gespeichert sein und zum Erzeugen der Impulse in dem Ausgangssignal verwendet werden.
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Ferner kann die Sensorschaltung 22 einen Aktualisierungsalgorithmus, der in einem Prozessor des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26 gespeichert ist, dazu verwenden, einen Schaltpunkt oder eine Schaltschwelle (d. h. einen Versatz desselben bzw. derselben) regelmäßig und autonom (neu) zu berechnen und den durch den Signalprotokollblock 25 implementierten Schaltpunkt einer Selbstkalibrierung zu unterziehen. Wie oben angegeben wurde, kann die Kalibrierung auf einen Mittelwert eines oder mehrerer Minima und eines oder mehrerer Maxima des gemessenen Magnetfeldes beruhen. Beispielsweise kann ein Schaltpunkt als Mittelwert der jüngsten Minimums- und Maximumswerte des Geschwindigkeitsmesssignals berechnet und entsprechend angepasst werden. Die jüngsten Minimums- und Maximumswerte können aus der jüngsten vollständigen Umdrehung des Zielobjekts (z. B. Kurbelwelle) verwendet werden.
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Indem der Schaltpunkt kontinuierlich angepasst wird, wird die Genauigkeit des Schaltpunktes in einer gewünschten Region gemäß schnellen Änderungen des Messsignals beibehalten und gewährleistet, dass ein gutes Jitterverhalten erzielt wird.
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Bei einer ähnlichen Anwendung kann der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 einen Aktualisierungsalgorithmus dazu verwenden, einen Versatz des Geschwindigkeitsmesssignals regelmäßig und autonom (neu) zu berechnen, so dass das Messsignal auf der Schaltschwelle zentriert ist. Hier ist der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 dazu konfiguriert, die Variation des Messsignals nachzuverfolgen, um Maximums- und Minimumswerte zu detektieren, und verwendet den Aktualisierungsalgorithmus, um zu gewährleisten, dass das Geschwindigkeitsmesssignal auf null zentriert ist. Falls das Geschwindigkeitsmesssignal nicht auf null zentriert ist, kann der Versatz des Geschwindigkeitsmesssignals unter Verwendung des Aktualisierungsalgorithmus derart angepasst werden, dass das Signal auf null zentriert ist (d. h. der Drehzahlsensor 4 passt das Signal dahin gehend an, dass es einen Null-Versatz aufweist).
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Auf diese Weise werden der eine oder die mehreren Schaltpunkte auf geeignete Weise auf dem Geschwindigkeitsmesssignal derart ausgerichtet, dass bei dem geeigneten Überschreiten der Schaltschwelle Ausgangsimpulse erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Nulldurchgangs-Schaltschwelle so ausgerichtet sein, dass sie sich exakt in der Mitte des Geschwindigkeitsmesssignals (d. h. in der Mitte zwischen der maximalen und der minimalen Signalamplitude) befindet.
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Der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 kann dazu konfiguriert sein, eine Aktualisierung einmal pro Umdrehung durchzuführen. Der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 kann eine Umdrehung auf der Basis eines Zählens der Anzahl von Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals bestimmen. Die Anzahl von Extrema (Maximums- und Minimumssignalereignisse), die gezählt werden, stellt eine Anzahl von Zähnen dar. Beispielsweise kann das Zielobjekt 58 Zähne aufweisen, was dem Aktualisierungsalgorithmus bekannt ist. Nachdem eine vollständige Umdrehung stattgefunden hat, kann der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 das Geschwindigkeitsmesssignal auf die oben beschriebene Weise über den Verlauf dieser Umdrehung dazu verwenden, eine Aktualisierung entweder an der Schaltschwelle oder an dem Versatz vorzunehmen.
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Wie oben angegeben wurde, kann die Messung des Magnetfeldes differential zwischen zwei Magnetfeldsensorelementen (z. B. Hall- oder XMR-Sensoren) erfolgen, die in einem Abstand von etwa der Hälfte der Zahnteilung der Pole oder Zähne eines Codiererrades platziert sind, um ein Geschwindigkeitsmesssignal mit einem hohen Signal/RauschVerhältnis zu erzeugen. Die Sensorschaltung 22 schaltet zwischen einem hohen Zustand und einem niedrigen Zustand ihres Ausgangs um, wenn ein Überschreiten einer Schwelle detektiert wird. Alternativ dazu kann die Sensorschaltung 22 einen Impuls einer bekannten Länge liefern, falls das Überschreiten einer Schwelle detektiert wird. Bei manchen Systemen kann die Impulslänge über Pulsbreitenmodulation variiert werden, beispielsweise um zusätzliche Informationen wie z. B. eine Angabe einer ausreichenden Magnetfeldstärke, einer Drehrichtung oder von Fehler-Flags zu liefern. Bei anderen Systemen kann diese Art von Information anhand eines kurzen Manchester-Protokolls, das auf jeden Ausgangsimpuls folgt, übertragen werden.
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In dem Fall, dass das Zielobjekt eine Kurbelwelle in einem Hybridelektrofahrzeug ist, ist oben angegeben, dass, während sich das Fahrzeug mit dem Elektromotor bewegt, der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist und die Kurbelwelle mechanisch ausgerückt ist, was als in einer Totposition befindlich bezeichnet wird. Dadurch ist die Kurbelwelle frei (oder fast frei) dafür, sich während dieser Zeit um ihre Achse zu drehen.
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Aufgrund der Vibrationen in dem sich bewegenden Fahrzeug dreht sich die Kurbelwelle eventuell willkürlich rückwärts und/oder vorwärts. Während dieser Zeit können die Sensorelemente der Sensoranordnung 4 trotzdem eine Veränderung des Magnetfeldes, die durch die sich bewegende Kurbelwelle bewirkt wird, messen und auf der Basis dieser Messungen Sensorsignale erzeugen. In diesem Fall kann sich die Kurbelwelle mit einer niedrigen Frequenz in einer oder beiden Drehrichtungen drehen und/oder kann die Drehrichtung willkürlich wechseln (d. h. zwischen einer Drehung im und gegen den Uhrzeigersinn umschalten).
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Falls diese freie Bewegung lange genug anhält und sich die Welle kontinuierlich rückwärts und/oder vorwärts bewegt, detektiert der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 möglicherweise Maximal- und Minimalereignisse und nimmt auf der Basis dieser „falschen“ Maximums- und Minimumsereignisse möglicherweise eine Aktualisierung an dem Versatz und/oder an den Schaltpunkten vor. Dies kann dazu führen, dass der Signalprotokollblock 25 falsche Impulse erzeugt (zu viele Vorwärts- oder zu viele Rückwärtsimpulse) und Fehlinformationen an die ECU sendet, was weiter zu einem Verlust an Synchronizität mit der Kurbelwelle auf der Systemebene führen kann.
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Somit sollte der Aktualisierungsalgorithmus modifiziert werden, um zu verhindern, dass der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 den Versatz oder die Schaltpunkte auf der Basis unzutreffender Sensorinformationen aktualisiert, die auftreten können, wenn der Elektromotor eingeschaltet und der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist.
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Hier ist der Aktualisierungssteuerblock 27 dazu konfiguriert, die Aktualisierungsfunktion (z. B. die Versatzaktualisierung) zu deaktivieren, wenn die gemessene Frequenz des Geschwindigkeitsmesssignals unter einer gewissen Grenze (d. h. einer Frequenzschwelle) liegt. Da der Motor ausgeschaltet ist, ist die detektierte Bewegung lediglich auf eine unerwünschte Bewegung der Kurbelwelle zurückzuführen. Wie oben angegeben wurde, kann sich die Kurbelwelle dann, wenn sie ausgerückt ist, bei einer niedrigen Frequenz drehen.
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Motorleerlauf, der einen unteren Teil des normalen Betriebsbereichs des Motors definiert, erzeugt in der Kurbelwelle üblicherweise eine Drehfrequenz zwischen 600 und 800 Hz, wenn die Kurbelwelle eingerückt ist. Somit kann eine niedrige Frequenz als Frequenz betrachtet werden, die weniger als 600 Hz und genauer gesagt weniger als 400 Hz beträgt. Die Frequenzschwelle kann je nach Hersteller wahlweise zwischen 100 Hz und 600 Hz und insbesondere zwischen 100 Hz und 400 Hz betragen.
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Somit ist der Aktualisierungssteuerblock 27 dazu konfiguriert, die Frequenz des Geschwindigkeitsmesssignals (z. B. des Differentialmesssignals) zu überwachen und die Aktualisierungsfunktion des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26 zu deaktivieren, wenn die gemessene Frequenz des Geschwindigkeitsmesssignals unter der Frequenzschwelle liegt. Ferner kann der Aktualisierungssteuerblock 27 die Aktualisierungsfunktion des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26 aktivieren oder reaktivieren, wenn die gemessene Frequenz bei dem Geschwindigkeitsmesssignal gleich der oder größer als die Frequenzschwelle ist.
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Bei einem anderen Beispiel ist der Aktualisierungssteuerblock 27 dazu konfiguriert, die Aktualisierungsfunktion (z. B. die Versatzaktualisierung) zu deaktivieren, wenn die gemessene Frequenz des Messsignals unter einer gewissen Grenze (d. h. einer Frequenzschwelle) liegt und wenn sich die Drehrichtung der Kurbelwelle kürzlich geändert hat.
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Insbesondere kann der Aktualisierungssteuerblock 27 dazu konfiguriert sein, eine Drehrichtung der Kurbelwelle auf der Basis eines Vergleichs der Phase des Geschwindigkeitsmesssignals und der Phase des Richtungsmesssignals zu bestimmen. Somit kann die Drehrichtung des Magnetfeldes ermittelt werden. Alternativ dazu kann der Signalprotokollblock 25 diese Analyse durchführen und dem Aktualisierungssteuerblock 27 eine Richtungsangabe bereitstellen.
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Der Aktualisierungssteuerblock 27 kann die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse (d. h. Ausgangsimpulse oder Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals), die in derselben Drehrichtung auftreten, nachverfolgen (d. h. zählen) und diese Anzahl mit einer Schaltereignisschwelle vergleichen. Hier kann der Aktualisierungssteuerblock 27 die Anzahl aufeinanderfolgender Impulse des Ausgangssignals, die in derselben Drehrichtung auftreten, oder die Anzahl aufeinanderfolgender Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals, die in derselben Drehrichtung auftreten wie die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse, verwenden. Die Anzahl von Extrema kann eine Anzahl von Maximumsextrema, Minimumsextrema oder beides sein.
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Die Schaltereignisschwelle kann beispielsweise zehn aufeinanderfolgende Schaltereignisse sein, die in derselben Drehrichtung auftreten. Jedoch kann diese Anzahl gänzlich konfiguriert werden und kann auf einer Anzahl von Zähnen, die an dem Sensor 4 vorbei laufen müssen, beruhen, die ausreichend ist, um anzugeben, dass die Kurbelwelle eine gesteuerte Drehbewegung durchläuft (z. B. weil der Verbrennungsmotor eingeschaltet ist).
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Falls die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse beispielsweise geringer ist als die Schaltereignisschwelle, dann ist eine Bedingung zum Deaktivieren der Aktualisierungsfunktion erfüllt. Falls die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse jedoch gleich der oder größer als die Schaltereignisschwelle ist, dann ist eine Bedingung zum Aktivieren der Aktualisierungsfunktion erfüllt. Somit sollen eine aufeinanderfolgende Anzahl von N Schaltereignissen mit derselben Drehrichtung detektiert werden, bevor die Versatzaktualisierung aktiviert wird. Diese Bedingung kann auch eine von zwei Bedingungen sein, die erfüllt sein müssen. Beispielsweise kann diese Bedingung in Verbindung mit der oben angegebenen Frequenzbedingung angewendet werden, wobei beide Bedingungen erfüllt sein müssen, bevor die Aktualisierungsfunktion seitens des Aktualisierungssteuerblocks 27 aktiviert wird.
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Die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 kann einen zweiten Signalpfad bereitstellen, der zum Steuern eines Zustandes der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 verwendet wird, nämlich eines aktivierten oder deaktivierten Zustandes des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26. Die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 kann die durch die Signalumwandlungsschaltungsanordnung 23 erzeugten Messsignale empfangen und überwachen und kann unter bestimmten Bedingungen einen deaktivierten Zustand des Aktualisierungsalgorithmusblocks 26 übersteuern. Beispielsweise kann die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 den Aktualisierungssteuerblock 27 anweisen, den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 zu reaktivieren. Außerdem kann die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 den Aktualisierungssteuerblock 27 zurücksetzen.
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Normalerweise kann der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 dann, wenn er aktiviert ist, dazu konfiguriert sein, einmal pro Umdrehung eine Aktualisierung bereitzustellen. Falls jedoch der Versatz nicht aktualisiert wird, könnte diese Situation auf eine falsch eingestellte Schaltschwelle zurückzuführen sein, die bewirkt, dass der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 über einen ausgedehnten Zeitraum hinweg deaktiviert ist. Beispielsweise kann eine falsch eingestellte Schaltschwelle dazu führen, dass eine niedrige Frequenz detektiert und aufrechterhalten wird. Dies kann sogar in dem Fall, dass die tatsächliche Drehfrequenz der Kurbelwelle gleich der oder größer als die oben beschriebene Frequenzschwelle ist, verhindern, dass die Versatzaktualisierung reaktiviert wird. Das heißt, eine niedrige Frequenz kann sogar dann detektiert werden, wenn die Kurbelwelle sich bei einer hohen Frequenz (d. h. bei einer normalen Betriebsfrequenz) dreht. Somit liefert die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 ein Mittel, diese Systemblockade zu überwinden.
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Beispielsweise kann der Signalprotokollblock 28a ein zweites gepulstes Ausgangssignal erzeugen und das zweite gepulste Ausgangssignal dem Aktualisierungssteuerblock 28c bereitstellen. Ferner kann entweder der Signalprotokollblock 28a oder der Aktualisierungssteuerblock 28c eine Drehrichtung der Kurbelwelle ermitteln, wie auf ähnliche Weise unter Bezugnahme auf den Signalprotokollblock 25 und den Aktualisierungssteuerblock 27 beschrieben wurde. Unter Verwendung des zweiten gepulsten Ausgangssignals und der ermittelten Drehrichtung kann der Aktualisierungssteuerblock 28c die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse (d. h. Ausgangsimpulse oder Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals), die in derselben Drehrichtung auftreten, nachverfolgen (d. h. zählen) und diese Anzahl mit einer Schaltereignisschwelle vergleichen.
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Der Aktualisierungssteuerblock 28c kann die Anzahl aufeinanderfolgender Impulse des zweiten gepulsten Ausgangssignals, die in derselben Drehrichtung auftreten, oder die Anzahl aufeinanderfolgender Extrema des Geschwindigkeitsmesssignals, die in derselben Drehrichtung auftreten wie die Anzahl N aufeinanderfolgender Schaltereignisse, verwenden.
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Die Schaltereignisschwelle kann beispielsweise zehn aufeinanderfolgende Schaltereignisse sein, die in derselben Drehrichtung auftreten. Jedoch kann diese Anzahl gänzlich konfiguriert werden und kann auf einer Anzahl von Zähnen, die an dem Sensor 4 vorbei laufen müssen, beruhen, die ausreichend ist, um anzugeben, dass die Kurbelwelle eine gesteuerte Drehbewegung durchläuft (z. B. weil der Verbrennungsmotor eingeschaltet ist).
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Falls diese Bedingung erfüllt ist, so kann der Aktualisierungssteuerblock 28c ein Steuersignal erzeugen, um den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 zu reaktivieren. Beispielsweise kann der Aktualisierungssteuerblock 28c den Aktualisierungssteuerblock 27 anweisen, den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 zu reaktivieren. Der Aktualisierungssteuerblock 27 kann dann den Aktualisierungsalgorithmusblock 26 reaktivieren, falls der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 derzeit deaktiviert ist.
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Demgemäß ist die sekundäre Verarbeitungsschaltungsanordnung 28 eine Watchdog-Schaltung, die parallel zu einer primären Verarbeitungskette (d. h. zu Blöcken 25, 26 und 27) der primären Verarbeitungsschaltungsanordnung 24 der Sensorschaltung arbeitet. Die Watchdog-Schaltung ist dazu konfiguriert, einen deaktivierten Zustand des Versatzaktualisierungsalgorithmus, der durch die primäre Verarbeitungskette eingestellt wurde, zu übersteuern, um den Versatzaktualisierungsalgorithmus zu reaktivieren. Auf diese Weise kann ein länger anhaltender Zeitraum, während dessen der Aktualisierungsalgorithmusblock 26 deaktiviert ist, vermieden werden.
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Wie oben angegeben wurde, können die obigen Beispiele in beliebiger Kombination verwendet werden, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Ferner wird einleuchten, dass andere Anordnungen von Sensorelementen, andere Arten von Codierern und andere Regelsätze möglich sind, die nicht ausdrücklich beschrieben sind.
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Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele im Zusammenhang des Detektierens einer Rad- oder Nockenwellengeschwindigkeit beschrieben sind, kann der Sensor dazu verwendet werden, die Drehgeschwindigkeit eines beliebigen sich drehenden Bauglieds oder Objekts zu detektieren, das sinusförmige Variationen in einem Magnetfeld erzeugt, während es sich dreht, und das durch einen Sensor erfasst werden kann. Beispielsweise kann eine Kombination eines eisenhaltigen Rades und eines Back-Bias-Magneten dazu verwendet werden, ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Alternativ dazu kann ein Aktiver-Codierer-Rad (ohne einen Back-Bias-Magneten) dazu verwendet werden, ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen.
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Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, wird gewöhnlichen Fachleuten ferner einleuchten, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen der Erfindung möglich sind. Demgemäß soll die Erfindung lediglich angesichts der angehängten Patentansprüche und ihrer Äquivalente eingeschränkt werden. Bezüglich der verschiedenen Funktionen, die die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) erfüllen, sollen die zum Beschreiben derartiger Komponenten verwendeten Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“) jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, wenn nichts anderes angegeben ist, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente erfüllt (d. h. die funktional äquivalent ist), auch wenn sie nicht strukturell äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den exemplarischen Implementierungen der hierin veranschaulichten Erfindung erfüllt.
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Ferner werden die folgenden Patentansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Patentanspruch als separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel für sich alleine stehen kann. Während jeder Anspruch als separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel für sich alleine stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere beispielhafte Ausführungsbeispiele ebenfalls eine Kombination des abhängigen Patentanspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Derartige Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, es sei denn, dass angegeben ist, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in einen beliebigen anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängt.
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Ferner ist zu beachten, dass Verfahren, die in der Spezifikation oder in den Ansprüchen offenbart sind, durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die ein Mittel zum Durchführen jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren aufweist.
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Ferner versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen, die in der Spezifikation oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht als in der spezifischen Reihenfolge vorliegend ausgelegt werden soll. Deshalb beschränkt die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, es sei denn, derartige Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Ferner kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine einzige Handlung mehrere Teilhandlungen umfassen oder in mehrere Teilhandlungen untergliedert werden. Derartige Teilhandlungen können in die Offenbarung dieser einzelnen Handlung aufgenommen sein und einen Bestandteil derselben bilden, wenn sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
