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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Drehwinkelsensor, der zur Erfassung eines Drehwinkels
eines Objektes verwendet werden soll, und insbesondere auf einen
kontaktlosen Drehwinkelsensor zur kontaktlosen Erfassung des Drehwinkels
eines Objektes durch Umwandlung des Drehwinkels in eine Änderung
der Magnetkraft, sowie auf einen Sensorkern, der in dem Drehwinkelsensor
der kontaktlosen Bauart verwendet wird.
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Herkömmlicherweise waren Drehwinkelsensoren
der Kontaktbauart bekannt, die einen Potentiometer verwendeten.
Dieser Potentiometer ist so aufgebaut, dass eine Schleifbürste auf
einem Widerstandselement gleitet, wodurch sich die elektrischen Widerstandswerte ändern. Dementsprechend
können
Staubpartikel, die aus der Reibung zwischen dem Widerstandselement
und der Schleifbürste
resultieren, in einem dazwischenliegenden Gleitabschnitt erzeugt
werden. Die Staubpartikel würden
Erfassungsfehler bei den Widerstandswerten hervorrufen. Ferner könnte ein
Reibungswiderstand in dem Gleitabschnitt zu einem Betriebswiderstand
hinsichtlich eines zu erfassenden Objektes werden, was die Betriebsansprechempfindlichkeit
des Objektes beeinflussen würde.
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Um die obigen Nachteile des Drehwinkelsensors
der Kontaktbauart zu beseitigen, wurde ein Drehwinkelsensor einer
kontaktlosen Art ohne einem Gleitbauteil oder -abschnitt entwickelt.
Einer solcher Drehwinkelsensoren der kontaktlosen Bauart ist konstruiert,
um einen Drehwinkel eines Objektes in einer kontaktlosen Art zu
erfassen, indem der Drehwinkel in eine Änderung der Magnetkraft konvertiert
wird. Das japanische Patent Nr. 2842482 und die ungeprüfte japanische
Patentveröffentli chung
Nr. 8-35809 offenbaren ein Beispiel eines Drehwinkelsensors der kontaktlosen
Bauart dieser Art.
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18 zeigt
Hauptteile des Drehwinkelsensors, der in dem japanischen Patent
Nr. 2842482 offenbart ist. Dieser Drehwinkelsensor ist mit einem
zylindrischen Gehäuse 151 und
einer drehbar in der Mitte des Gehäuses 151 angeordneten
Verbindungswelle 152 versehen. Ein erstes Bauteil 153 ist
auf der inneren Umfangsoberfläche
des Gehäuses 151 befestigt.
Das erste Bauteil 153 ist aus zwei halbkreisförmigen Ringen 153A und 153B aufgebaut,
die beide aus einem weichmagnetischen Material hergestellt wurden.
Zwischen den halbkreisförmigen
Ringen 153A und 153B sind zwei Hilfs-Luftspalte 154 vorgesehen.
Eine elektrische Spule 156 ist in einem Spalt 154 angeordnet
und eine Hallsonde ist in dem anderen Spalt 154 angeordnet.
Ein zweites Bauteil 157, das aus einem weichmagnetischen
Material hergestellt wurde, ist auf der Verbindungswelle 152 befestigt.
Ein rohrförmiger
Magnet 158, der aus zwei dünnen Bauteilen 158A und 158B aufgebaut
ist, ist auf dem äußeren Umfang
des zweiten Bauteiles 157 befestigt. Der rohrförmige Magnet 158 ist
aus einer Samarium-Kobalt-Form geformt und in einer rohrförmigen Gestalt
magnetisiert. Ein Hauptluftspalt 159 ist zwischen dem rohrförmigen Magnet 158 und
dem ersten Bauteil 153 angeordnet. Der Hauptluftspalt 159 sollte
wünschenswerterweise
so eng wie möglich
sein. In der obigen Veröffentlichung
beträgt
die Breite des Hauptluftspaltes 159 die Größenordnung von
0,2 mm, wenn der durchschnittliche innere Durchmesser des zweiten
Bauteiles 157 5 mm beträgt
und die Dicke des rohrförmigen
Magnetes 158 1 mm beträgt.
Auf diese Weise wird ein magnetisches Feld zwischen dem ersten Bauteil 153 und
dem rohrförmigen
Magneten 158 und dem zweiten Bauteil 157 erzeugt.
Wenn das zweite Bauteil 157 und der rohrförmige Magnet 158 zusammen
mit der Verbindungswelle 152 gedreht werden, wird das magnetische Feld
gedreht, wodurch sich die Dichte des magnetischen Flusses, der durch
die Hallsonde 156 und die elektrische Spule 155 strömt, verändert. Die Änderung
der magnetischen Flussdichte wird in Gestalt von elektrischen Signalen
ausgegeben.
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19 zeigt
Hauptteile des Drehwinkelsensors, der in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 8-35809 offenbart ist. Dieser Drehwinkelsensor ist mit einem
rohrförmigen
Joch 161 und einer angetriebenen Welle 162, die
sich in der Mitte des Joches 161 befindet, versehen, wobei
beide integral konfiguriert sind. Ein rohrförmiger Permanentmagnet 163 ist
auf der inneren Umfangsoberfläche
des rohrförmigen
Joches 161, das aus einem Weichmaterial hergestellt ist,
versehen. Der rohrförmige
Magnet 163 wurde in einer Radialrichtung im Querschnitt
magnetisiert. Um die angetriebene Welle 162 sind zwei separate
rohrförmige
Statoren 64A und 64B fest angeordnet. Es ist der
angetriebenen Welle 162 gestattet, in einem Mittelbereich,
der von den Statoren 164A und 164B umgeben ist,
zu drehen. Ein Hallelement 166 ist in einem Spalt 165 zwischen
den zwei Statoren 164A und 164B vorgesehen. Das
rohrförmige
Joch 161 und der rohrförmige
Magnet 163 sind drehbar in Bezug auf die Statoren 164A und 164B angeordnet.
Ein ringförmiger
Luftspalt 167 wird zwischen dem rohrförmigen Magneten 163 und
den Statoren 164A und 164B erzeugt. Auf diese
Weise wird zwischen dem rohrförmigen
Joch 161, dem rohrförmigen
Magneten 163 und den Statoren 164A und 164B ein
magnetisches Feld erzeugt. Demgemäß erzeugt die Drehung des rohrförmigen Magneten 163 zusammen
mit dem rohrförmigen
Joch 161 eine Drehung des magnetischen Feldes, wodurch
die Dichte des magnetischen Flusses, der durch das Hallelement 166 strömt, verändert wird.
Die Änderung
der magnetischen Felddichte wird in Gestalt von elektrischen Signalen
ausgegeben.
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Bei dem Drehwinkelsensor des japanischen Patents
Nr. 2842482 wird der rohrförmige
Magnet 158 jedoch aus einer Samarium-Kobalt-Form geformt und in einer rohrförmigen Gestalt
mit einer sehr geringen Dicke von ungefähr 1 mm magnetisiert, was ihn
physikalisch sehr spröde
und schwierig herzustellen macht. Zusätzlich muss der rohrförmige Magnet 158 nach
der Einpassung auf dem äußeren Umfang des
zweiten Bauteiles 157 mit der Welle 152 zusammenmontiert
werden, während
der extrem enge Hauptluftspalt 159 hinsichtlich des ersten
Bauteiles 153 aufrecht erhalten werden müsste. Deshalb
kann bei der Montage sogar eine kleine Neigung des rohrförmigen Magneten 158 oder
des ersten Bauteiles 153 diese in Kontakt bringen, was
den rohrförmigen Magneten 158 leicht
beschädigen
könnte.
Dies resultiert in einer Herstellungsschwierigkeit des Drehwinkelsensors
und einer Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung des Drehwinkels.
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Bei dem Drehwinkelsensor der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 8-35809 besteht andererseits ein Problem, dass es schwierig
ist, den rohrförmigen
Magneten 163 herzustellen. Zusätzlich musste der rohrförmige Magnet 163 auf
der inneren Umfangsoberfläche
des rohrförmigen
Joches 161 befestigt werden und im Inneren des Magneten 163 ist
es notwendig, dass die Statoren 164A und 164B mit
dem Luftspalt 167 einer vorbestimmten Dimension montiert
werden. Während
der Montage würde
ein Kontakt zwischen dem rohrförmigen
Magneten 63 und den Statoren 164A und 164B diesen
einen Schaden zufügen.
Dies erschwert es, den Drehwinkelsensor herzustellen und es würde zu einer
Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung eines Drehwinkels
führen.
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Aus der
DE 197 26 691 A1 ist ein
Sensorkern bekannt, der einen Statorkern aufweist, der aus zwei Blöcken besteht,
die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, einen Läuferkern,
der mit zwei Blöcken
versehen ist, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind,
und der koaxial zum Statorkern angeordnet ist, einen ersten Spalt
zwischen dem Statorkern und dem Läuferkern, einen zweiten Spalt
zwischen den zwei Statorblöcken,
einen dritten Spalt zwischen den zwei Läuferblöcken und einen rechtwinkligen,
quaderförmigen
Magneten, der im dritten Spalt angeordnet ist und in einer Richtung quer über den
dritten Spalt magnetisiert ist, um die Läuferblöcke zu verbinden.
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Ferner ist aus der
DE 197 19 019 A1 ein Drehwinkelsensor
bekannt, zum Erfassen rotatorischer Bewegungen. Auch dieser Drehwinkelsensor weist
einen Statorkern mit zwei Blöcken
auf, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, und einen
Läuferkern,
der mit zwei Blöcken
versehen ist, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind und
die koaxial zum Statorkern angeordnet sind. Ein erster Spalt ist
zwischen dem Statorkern und dem Läuferkern vorgesehen, ein zweiter
Spalt zwischen den zwei Statorblöcken
und ein dritter Spalt zwischen den zwei Läuferblöcken, wobei ein rechtwinkliger, quaderförmiger Magnet
im dritten Spalt angeordnet ist. Im zweiten Spalt ist ein Detektor
beispielsweise als Hallelement vorgesehen, um die rotatorische Bewegung
zu erfassen. Der Statorkern besitzt Schenkelabschnitte, um einen
größeren Abstand
des Detektors von dem Geber zu erreichen, wodurch eine große Änderung
des Magnetflusses erreicht wird, um Streuwirkungen zu vermeiden.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der
obigen Umstände
getätigt
und hat zur Aufgabe, die obigen Probleme zu beseitigen und einen
kontaktlosen Drehwinkelsensor zu schaffen, der. in der Lage ist,
eine verstärkte
Produktivität
der Magneten, Sensorkernen mit Magneten und Drehwinkelsensoren bereitzustellen,
und die Montageeigenschaften der Bauteile und Elemente zu verbessern,
um die Erfassungsgenauigkeit eines Drehwinkels zu erhöhen, indem
lineare Ausgangskennlinien bereitgestellt wer den, sowie einen Sensorkern,
der in dem Sensor verwendet wird. Diese Aufgabe wird mittels einem
Sensorkern gemäß Anspruch
1 bzw. mittels einem Drehwinkelsensor gemäß Anspruch 5 gelöst. Weitere
Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zusätzliche Ziele und Vorteile
der Erfindung werden zum Teil in der nachfolgenden Beschreibung fortgeführt und
werden zum Teil anhand der Beschreibung offensichtlich sein oder
können
durch die praktische Ausführung
der Erfindung erlernt werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung
können
mit Hilfe der Instrumente und Kombinationen, die im Einzelnen in
den beigefügten
Ansprüchen
ausgeführt
sind, realisiert und erzielt werden.
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1 ist
eine Draufsicht des Sensorkerns in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX aus 1.
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3 ist
eine Draufsicht des Sensorkerns im ersten Ausführungsbeispiel, die dessen
konstruktive Merkmale zeigt.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Hauptteiles des Sensorkerns, der in 10 gezeigt ist.
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5 ist
eine Schnittansicht eines Drosselklappenkörpers im ersten Ausführungsbeispiel.
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6 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Drehwinkelsensors
im ersten Ausführungsbeispiel.
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Die 7A bis 7C sind erläuternde
Darstellungen, die Bewegungen eines magnetischen Feldes zeigen,
das in dem Sensorkern erzeugt wird.
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8 ist
ein Graph, der die Ausgangsleistungsmerkmale des Drehwinkelsensors
zeigt.
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9 ist
ein Graph, der die Dichtekennlinien des magnetischen Flusses, der
in dem Sensorkern erzeugt wird, zeigt.
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10 ist
eine erläuternde
Darstellung, die Messpunkte zeigt.
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11 ist
eine Draufsicht eines Sensorkerns in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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12 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie XIX-XIX aus 11.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht einer Unterseite des Sensorkerns aus 11.
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14 ist
eine Draufsicht eines Sensorkerns in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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15 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Hauptteiles des Sensorkerns aus 14.
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16 ist
eine Draufsicht des Sensorkerns in einem vierten Ausführungsbeispiel.
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17 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Hauptteiles des Sensorkerns aus 16.
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18 ist
eine Draufsicht eines Hauptteiles eines Drehwinkelsensors aus dem
Stand der Technik.
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19 ist
eine Draufsicht eines Hauptteiles eines anderen Drehwinkelsensors
aus dem Stand der Technik.
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Es folgt nun eine detaillierte Beschreibung von
bevorzugten Ausführungsbeispielen
eines Drehwinkelsensors der kontaktlosen Bauart, die die vorliegende
Erfindung verkörpern,
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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Das erste Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors
der kontaktlosen Bauart der vorliegenden Erfindung und dessen Sensorkern
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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5 ist
eine Schnittansicht, die einen Aufbau eines Drosselklappenkörpers 112 zeigt,
auf dem ein Drehwinkelsensor der kontaktlosen Bauart 111 im ersten
Ausführungsbeispiel
angewandt wird. Der Drehwinkelsensor 111 wird als Drosselklappensensor
zur Erfassung einer Öffnung
(Drosselklappenwinkel) einer Drosselklappe 113, die ein
zu erfassendes Objekt in einem Fahrzeugmotor ist, verwendet. Ferner
enthält
der Drehwinkelsensor 111 einen Sensorkern 114 zur
kontaktlosen Erfassung eines Drehwinkels der Drosselklappe 113,
indem der Drehwinkel in eine Änderung
der Magnetkraft umgewandelt wird.
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Die Drosselklappe 113 wird
in einem Ansaugkanal 115, der in dem Drosselklappenkörper 112 ausgebildet
ist, gelagert, so dass sie um eine Drosselklappenwelle 116 herum
drehbar ist.
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Eine Ausgangswelle 117a eines
Motors 117, der in einem Drosselklappenkörper 112 vorgesehen ist,
ist mit der Drosselklappenwelle 116 verbunden und wird über ein
Antriebszahnrad 118, ein Vorgelegerad 119 und
ein Drosselklappenzahnrad 120 angetrieben. Der Drehwinkelsensor 111 ist
auf einer Abdeckung 121, die an dem Drosselklappenkörper 112 befestigt
ist, montiert.
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Diese Abdeckung 121 ist
aus einem nichtmagnetischen Material (beispielsweise einem Harz)
hergestellt.
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6 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung, die den Drehwinkelsensor 111 zeigt.
Wie in den 12 und 13 gezeigt ist, enthält der Drehwinkelsensor 111 ein
Substrat 125, das als Basis verwendet wird, die an der
Abdeckung 121 befestigt ist, ein Paar Hall-ICs 126,
das auf dem Substrat 125 befestigt ist und als Magnetkrafterfassungsvorrichtung dient,
und einen Sensorkern 114, der auf dem Substrat 125 befestigt
ist. Das Substrat 125 ist mit einem im Wesentlichen ringförmigen vorstehenden
Abschnitt 125A ausgebildet. Jeder der Hall-ICs 126 ist durch
Zapfen 126a an dem vorstehenden Abschnitt 125a befestigt,
um elektrisch mit dem Substrat 125 verbunden zu sein. Der
Sensorkern 114 enthält
einen äußeren Kern 127,
der ein Stator ist, der in einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt
ausgebildet ist, und einen Rotor 128, der in dem Inneren
des äußeren Kerns 127 eingebaut
ist. Der äußere Kern 127 ist fest
auf dem vorstehenden Abschnitt 125a befestigt. Der Rotor 128 enthält einen
inneren Kern 129, der ein Läufer ist, der einstückig angebaut
ist, wie ein Zylinder, und einen plattenförmigen Magneten 130.
Der innere Kern 129 enthält ein Paar Kernstücke 129A und 129B,
die in einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Gestalt ausgebildet
sind. Der Plattenmagnet 130 ist zwischen beiden Kernstücken 129A und 129B befestigt.
Wie in 13 gezeigt ist,
ist jeder der Kernstücke 129A und 129B mit
einem bogenförmigen
vorstehenden Abschnitt 129a an dessen Oberseite ausgebildet.
Wie in 12 gezeigt ist,
bilden diese vorstehenden Abschnitte 129a ein Paar, um
an einem Endabschnitt der Drosselklappenwelle 116 befestigt
zu werden, und dadurch wird der Sensorkern 114 mit der
Drosselklappenwelle 116 gekoppelt.
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1 ist
eine Draufsicht des Sensorkerns 114 und 2 ist eine Schnittansicht entlang der
Linie IX-IX aus 1. Im
in neren Kern 129, der in den 8 und 9 gezeigt ist, sind die vorstehenden
Abschnitte 129a nicht dargestellt. Wie vorstehend beschrieben
wurde, enthält
der Sensorkern 114 den äußeren Kern 127 und
den Rotor 128, der aus dem inneren Kern 129 und
dem Plattenmagnet 130 aufgebaut ist. Ein ringförmiger erster
Luftspalt 131 ist zwischen einer inneren Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 und
einer äußeren Umfangsoberfläche des
inneren Kerns 129 gebildet.
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Der äußere Kern 127 ist
aus einem weichmagnetischen Material in einer im Wesentlichen ringförmigen Gestalt
in einer Draufsicht hergestellt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel
wird reines eisengesintertes Material als weichmagnetisches Material verwendet.
Alternativ können
Siliziumstahl, eine Eisen-Nickellegierung,
eine Eisen-Kobaltlegierung oder dergleichen verwendet werden. Der äußere Kern 127 enthält ein Paar
zweiter Luftspalte 132, die sich in einer diametralen Richtung
des Kerns 127 erstrecken. Diese Luftspalte 132 sind
an zwei Positionen angeordnet, die in einem symmetrischen Verhältnis einer
180° Drehung
im äußeren Kern 127 angeordnet
sind und mit dem ersten Luftspalt 131 kommunizieren. Der äußere Kern 127 enthält ein Paar Rippen 127a,
die sich an jeder Position der zweiten Luftspalte 132 gegenüberliegen.
Jeder dieser zweiten Luftspalte 132 ist mit dem Hall-IC 126 versehen. Wie
bereits bekannt, enthält
der Hall-IC 126 ein Hallelement, das einen Halleffekt benutzt
und eine Spannung unter einem konstanten Strom misst, um ein magnetisches
Feld einschließlich
der Größe einer Magnetkraft
zu erfassen.
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Der innere Kern 129 ist
koaxial im Inneren des äußeren Kerns 127 angeordnet.
Des weiteren ist der innere Kern 129 in einer scheibenförmigen Gestalt
ausgebildet, die aus zwei halbkreisförmigen Kernstücken 129A und 129B aufgebaut
ist, die beide aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sind.
Die vorgenannten Materialien für
den äußeren Kern 127 können als das
weichmagnetische Material für
die Kernstücke 129A und 129B verwendet
werden. Ein Montagespalt 133 zur Montage des Plattenmagneten 130 ist
zwischen den zwei Kernstücken 129A und 129B ausgebildet.
Der Montagespalt 133 erstreckt sich längs der diametralen Richtung
des inneren Kerns 129 und wird durch ein Paar Innenwandseiten
129b und 129c definiert, die einander mit einem vorbestimmten Abstand
gegenüberliegen.
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Der Plattenmagnet 130 hat
eine rechtwinklige, quaderförmige
Plattengestalt, bei der eine Länge kürzer als
der Durchmesser des inneren Kerns 129 ist, und ist in seiner
Dickenrichtung magnetisiert. Des weiteren hat der Plattenmagnet 130 Plattenseiten 130a
und 130b, die jeweils mit den zwei inneren Wandseiten 129b und 129c,
die den Montagespalt 133 bilden, verbunden sind. Die Dicke
des Plattenmagneten 130 wird so festgelegt, dass sie fast
gleich zu der Breite des Montagespaltes 133 ist. Im ersten Ausführungsbeispiel
ist der Plattenmagnet 130 aus einem Material wie beispielsweise
Samarium-Kobalt, Ferrit, oder Neodym, etc. hergestellt. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, wird der Plattenmagnet 130 zwischen
den Kernstücken 129A und 129B in
dem Montagespalt 133 gehalten, wodurch der Rotor 128 aufgebaut
wird.
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Der Sensorkern 114 im ersten
Ausführungsbeispiel
hat ein Merkmal bei der Konstruktion des ersten Luftspaltes 131 und
des inneren Kerns 129. Das Merkmal wird im nachfolgenden
unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben. 3 ist eine Draufsicht, die
das konstruktive Merkmal des Sensorkerns 114 zeigt. 4 ist eine vergrößerte Ansicht,
die einen Hauptteil des Sensorkerns 114 in 3 zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, sind der äußere Kern 127 und
der Rotor 128 in einem Zustand angeordnet, bei dem eine
gerade Linie L1, die durch die zwei zweiten Luftspalte 132 des äußeren Kerns 127 geht,
orthogonal zu einer geraden Linie L2 ist, die durch die Längsrichtung
des Plattenmagneten 130 des Rotors 128 geht.
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Im inneren Kern 129, der
wie oben aufgebaut ist, ist eine kegelige Seite 129d an beiden Enden
eines jeden der Kernstücke 129A und 129B vorgesehen.
Die kegelige Seite 129d ist von jedem äußeren Umfang der Kernstücke 129A und 129B zu
einer Endseite des Plattenmagneten 130, der zwischen den
Kernstücken 129A und 129B gehalten
wird, geneigt. Die kegelige Seite 129d bildet einen vorbestimmten
Kegelwinkel Θt
mit den inneren Wandseiten 129b und 129c der Kernstücke 129A und 129B. Im
ersten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Kegelwinkel Θt
45°. Darüber hinaus
kann der Kegelwinkel Θt geeignet
in dem Bereich von 40° bis
60° festgelegt werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel
wird eine Länge
der kegeligen Seite 129d auf ungefähr 40% des Radius des inneren
Kerns 129 festgelegt.
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Der erste Luftspalt 131 wird
zwischen der äußeren Umfangsoberfläche des
inneren Kerns 129 und der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 ausgebildet.
Wie in 11 gezeigt ist, wird
im ersten Ausführungsbeispiel
der erste Luftspalt 131 zwischen jeder äußeren Unfangsoberfläche 129e der
Kernstücke 129A und 129B mit
Ausnahme der kegeligen Seite 129d, und der inneren Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 ausgebildet.
Grob gesagt ist der erste Luftspalt 131 so konstruiert,
dass er sich in seinen Dimensionen in Annäherung zum zweiten Luftspalt 132 hin ändert. Im ersten
Ausführungsbeispiel
wird der erste Luftspalt 131 so bestimmt, dass die Abmessung
an einer Position nahe des zweiten Luftspaltes 132 relativ
gesehen größer als
an anderen Positionen ist. Darüber
hinaus ist die innere Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 im
ersten Ausführungsbeispiel
so festgelegt, dass sie eine vorbestimmte Gestalt hat, um dadurch
die Form des ersten Luftspaltes 131 zu bestimmen. Genauer
gesagt wird die innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 teilweise
mit einem gestuften Abschnitt ausgebildet, so dass die Abmessung
des ersten Luftspaltes 131 mit der Annäherung zum zweiten Luftspalt 132 stufenweise
zunimmt und in der Nähe
des Spaltes 132 am größten wird.
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In den 3 und 4 wird ein effektiver Bereichswinkel Θo definiert,
und der effektive Bereichswinkel Θo ist ein Bereich, in dem die
innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 jede
der äußeren Umfangsoberflächen 129e der
Kernstücke 129A und 129B gegenüberliegt,
wobei die gerade Linie L1 als Referenz verwendet wird. In dem effektiven Bereichswinkel Θo sind ein
erster Bereichswinkel Θ1,
ein zweiter Bereichswinkel Θ2
und ein dritter Bereichswinkel Θ3
in Folge von dem Bereich nahe des zweiten Luftspaltes 132 definiert.
Im ersten Ausführungsbeispiel
wird in den 3 und 4 unter der Annahme, dass
eine erste Krümmung
des ersten Bereichswinkels Θ1
nahe des zweiten Luftspaltes 132 als S1 festgelegt wird,
und eine dritte Krümmung
des dritten Bereichswinkels Θ3
weit von dem zweiten Luftspalt 132 entfernt als S2 festgelegt
wird, die Gestalt der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 bestimmt,
so dass S1 < S2
wird und eine kegelförmige
Gestalt im zweiten Winkelbereich Θ2 gebildet wird. In diesem
Fall bedeutet die Krümmung einen
Wert, der für
einen Grad einer Kurve einer gekrümmten Linie oder einer gekrümmten Oberfläche an jedem
Punkt der gekrümmten
Linie oder Oberfläche
steht. Je höher
die Krümmung
ist, desto größer wird
eine Kurve. Wie durch die gestrichelte Linie in 1 gezeigt ist, ist die Gestalt der inneren
Umfangsoberfläche
an vier Abschnitten angrenzend an vier Rippen 127a des äußeren Kerns 127 festgesetzt.
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Im ersten Ausführungsbeispiel wird, wie in den 3 und 4 gezeigt ist, im ersten Luftspalt 131 eine
Abmessung G3 im dritten Bereichswinkel Θ3 auf 0,5 mm festgelegt und
eine Abmessung G1 im ersten Bereichswinkel Θ1 wird auf 0,85 mm fest gelegt.
Der erste Bereichswinkel Θ1
kann auf einen Bereich von 25° bis
35° festgelegt
werden. Ein Winkel, der den ersten Bereichswinkel Θ1 und den
zweiten Bereichswinkel Θ2
kombiniert, kann auf einen Bereich von 40° bis 50° festgelegt werden.
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Bei der Konstruktion des Drehwinkelsensors 111,
der wie oben aufgebaut ist, wird ein magnetisches Feld zwischen
dem inneren Kern 129, der den Sensorkern 114 bildet,
dem Plattenmagneten 130 und dem äußeren Kern 127, wie
durch die gestrichelten Linien in 7A dargestellt
ist, erzeugt.
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In diesem Fall ist der Rotor 128 mit
der Drosselklappenwelle 116 der Drosselklappe 113 verbunden,
die ein Objekt darstellt, deren Drehwinkel erfasst werden soll.
Somit wird der Rotor 128 in dem äußeren Kern 127 zusammen
mit der Drehung der Drosselklappe 113 gedreht, wodurch
sich das magnetische Feld dem nachfolgend dreht, wie durch die gestrichelten
Linien in den 7A, 7B und 7C gezeigt ist. Die Dichte des magnetischen
Flusses, der durch die zwei Luftspalte 132 des äußeren Kerns 127 geht, ändert sich
durch die Drehung des magnetischen Feldes. Diese Änderung
der magnetischen Flussdichte wird durch jeden der Hall-ICs 126 als
ein Wert erfasst, der in Beziehung zu einer Größe eines Drehwinkels der Drosselklappe 113 steht.
Der Hall-IC 126 wandelt die Änderung der magnetischen Flussdichte in
eine Spannungsänderung
um und gibt diese anschließend
aus. Der Rotationswinkelsensor 111 im ersten Ausführungsbeispiel
kann somit den Drehwinkel der Drosselklappe 113 in einem
vorbestimmten Erfassungsbereich erfassen und kann lineare Ausgangskennlinien
in dem Bereich bereitstellen.
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Der Plattenmagnet 130 wird
in seiner Dickenrichtung magnetisiert; dabei besteht eine kleine Vorspannung
hinsichtlich einer magnetischen Flussdichte des sich drehenden magnetischen
Feldes in Abhängigkeit
von den Positionen des Magneten 130. In diesem ersten Ausführungsbeispiel
wird andererseits der Dreh winkelsensor 111 der den Sensorkern 114 enthält, so konfiguriert,
dass die Gestalt der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 so bereitsteht,
dass sich die Abmessung des ersten Luftspaltes 131 mit
der Annäherung
zu den zweiten Luftspalten 132 ändert. Insbesondere die Gestalt
der inneren Umfangsoberfläche
des äußeren Kerns 127 ist
so konstruiert, dass die Abmessung des ersten Luftspaltes 131 an
der Position nahe jeden zweiten Luftspaltes 132 relativ
größer ist.
Genauer gesagt ist die innere Umfangsoberfläche des äußeren Kerns 127 mit
einem gestuften Abschnitt ausgebildet, um den ersten Luftspalt 131 mit
einer Abmessung zu erzeugen, die schrittweise in Annäherung zu
jedem der zweiten Luftspalte 132 größer wird. Deshalb wird eine
Vorspannung der magnetischen Flussdichte des sich drehenden magnetischen
Feldes schrittweise mit der Annäherung
in Richtung des zweiten Luftspaltes 132 beseitigt, sogar
wenn die Abmessung des ersten Luftspaltes 131 insgesamt
klein gemacht wird, wodurch eine Änderung der Dichte des magnetischen
Flusses, der durch den zweiten Luftspalt 132 geht, eingestellt
wird. Als ein Ergebnis kann der Sensor eine Linearität der Sensorausgangskennlinien
sicherstellen, sogar wenn ein klein dimensionierter Drehwinkelsensor 111 hergestellt
wird. Somit kann die Größe des Sensorkerns 114 und
des Drehwinkelsensors 111, der den Sensorkern 114 verwendet,
reduziert werden, während
die Linearität
der Ausgangskennlinien sichergestellt wird.
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Bei der Konstruktion des Drehwinkelsensors 111 im
ersten Ausführungsbeispiel
wird der Plattenmagnet 130 in seiner Dickenrichtung magnetisiert; aus
diesem Grund und unter Berücksichtigung
einer magnetischen Flussverteilung eines magnetischen Feldes, das
zwischen dem inneren Kern 129, dem Plattenmagnet 130 und
dem äußeren Kern 127 erzeugt
wird, besteht eine Tendenz, dass eine magnetische Flussdichte insbesondere
in der Nähe
der beiden Enden des Plattenmagneten 130 hoch wird. Andererseits
werden in dem Sensorkern 114 des Drehwinkelsensors
111 beide
Enden eines jeden der Kernstücke 129A und 129B mit
den kegeligen Seiten 129d ausgebildet, von denen jede von der äußeren Umfangsoberfläche 129e eines
jeden der Kernstücke 129A und 129B zu
der Endseite des Plattenmagneten 130, der zwischen den
Kernstücken 129A und 129B gehalten
wird, geneigt ist. Deshalb wird eine Zunahme der magnetischen Flussdichte
in der Nähe der
beiden Enden des Plattenmagneten 130 unterdrückt und
die magnetische Flussverteilung wird im gesamten magnetischen Feld
vergleichmäßigt. Es
ist somit möglich,
die Linearität
der Ausgangskennlinien des Drehwinkelsensors 111 weiter
zu verbessern und zur Reduzierung der Größe des Sensorkerns 114 und
des Drehwinkelsensors 111 beizutragen.
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8 ist
ein Diagramm, das Ausgangskennlinien des Drehwinkelsensors zeigt.
In dem Diagramm aus 15 gibt
die horizontale Achse einen Drehwinkel (Grad (deg)), und die Vertikallinie
eine Ausgangsspannung (V) des Hall-ICs 126 an. In dem Diagramm
zeigt eine durchgezogenen Linie ein Ausgangssignalergebnis des Drehwinkelsensors
unter Verwendung des Sensorkerns 114 (durch (a) dargestellt)
des ersten Ausführungsbeispieles,
bei dem die kegeligen Seiten 129d an beiden Enden eines jeden der
Kernstücke 129A und 129B des
inneren Kerns 129 ausgebildet sind und ein gestufter Abschnitt
auf der inneren Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 ausgebildet
ist. Andererseits zeigt eine gestrichelte Linie ein Ausgangssignalergebnis
des Drehwinkelsensors unter Verwendung des Sensorkerns (durch (b)
gezeigt) aus dem Stand der Technik, bei dem keine kegelige Seite
an beiden Enden der Kernstücke
des inneren Kerns ausgebildet ist und kein abgestufter Abschnitt
auf der inneren Umfangsoberfläche
des äußeren Kerns
ausgebildet ist.
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Aus dem Diagramm wird offensichtlich,
dass sich bei dem Drehwinkelsensor 111 unter Verwendung
des Sensorkerns 114 des ersten Ausführungsbeispieles die Ausgangsspannung
im gesamten Bereich von einem kleinen Drehwinkel bis zu einem großen Dreh winkel
linear ändert.
Bei dem Drehwinkelsensor unter Verwendung des Sensorkerns aus dem Stand
der Technik ändert
sich die Ausgangsspannung andererseits mit einer gekrümmten Linie
jeweils bei einem kleineren Drehwinkel und bei einem größeren Drehwinkel.
Aus dem obigen Ausgangssignalergebnis kann festgestellt werden,
dass der Drehwinkelsensor 111 unter Verwendung des Sensorkerns 114 des
ersten Ausführungsbeispieles
eine Linearität der
Ausgangssignalkennlinien, die als Sensor benötigt werden sicherstellen kann
und einen Drehwinkel (Drosselklappenöffnung) der Drosselklappe 113 mit hoher
Genauigkeit erfassen kann.
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9 ist
ein Diagramm, das die Dichtekennlinien eines magnetischen Flusses
zeigt, der in dem Sensorkern 114 erzeugt wird. In dem Diagramm
aus 9 gibt die horizontale
Achse Messpunkte an, die nacheinander über die Hälfte eines äußeren Umfanges eines Rotors 140 festgelegt
sind, wie in 170 gezeigt ist. Der
Rotor 140 ist in einer solchen Art und Weise aufgebaut,
dass ein Plattenmagnet 142 zwischen einem Paar Kernstücke 141A und 141B gehalten
wird. Die vertikale Achse gibt die Dichte eines magnetischen Flusses
an jeden Messpunkt an. In dem Diagramm zeigt eine durchgezogene
Linie ein Messergebnis unter Verwendung des Sensorkerns 114 (durch
(a) gezeigt) des ersten Ausführungsbeispieles,
das den Rotor 128 enthält,
der die kegeligen Seiten 129d an beiden Enden der Kernstücke 129A und 129B des
inneren Kerns 129 hat. Die gestrichelte Linie zeigt andererseits
ein Messergebnis des herkömmlichen
Sensorkerns (durch (b) gezeigt), der keine kegelige Seite an beiden
Enden der Kernstücke des
inneren Kerns hat.
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Wie aus dem Diagramm in 9 offensichtlich hervorgeht,
ist ein gleichmäßiger Verteilungsbereich
der magnetischen Flussdichte in dem Sensorkern 114 des
ersten Ausführungsbeispieles
im Vergleich zu dem Sensorkern des Standes der Technik breiter.
Der Drehwinkelsensor 111 unter Verwendung des Sensorkerns
114 des
ersten Ausführungsbeispieles
kann nämlich
vorteilhafterweise eine Linearität
der Ausgangskennlinien, die als Sensor benötigt wird, sicherstellen.
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In dem Drehwinkelsensor 111 des
ersten Ausführungsbeispieles
sind die zwei Hall-ICs 126 insgesamt an den zweiten Luftspalten 132 an
zwei Positionen angeordnet, die rotationssymmetrisch zum äußeren Kern 127 sind.
Somit kann sogar dann, wenn einer der zwei Hall-ICs 126 ausfällt, der übrige Hall-IC 126 zur
Erfassung einer magnetischen Flussdichte verwendet werden. Der auf
diese Weise aufgebaute Drehwinkelsensor 111 kann eine Sicherungsfunktion
(Fail-Safe-Funktion) bereitstellen, so dass die Zuverlässigkeit
des Drehwinkelsensors 111 vergrößert werden kann.
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Wie vorstehend beschrieben wurde,
sieht das erste Ausführungsbeispiel
den Drehwinkelsensor der kontaktlosen Bauart 111 vor, der
keinen Gleitabschnitt am Sensorkern 114 hat; deshalb wird
im Gegensatz zum herkömmlichen
Drehwinkelsensor der Kontaktbauart keine fehlerhafte Erfassung aufgrund
von Reibungspartikeln hervorgerufen, die im Gleitabschnitt erzeugt
werden. Somit kann die Zuverlässigkeit,
die als Sensor benötigt
wird, für
einen langen Zeitraum aufrecht erhalten werden. Zusätzlich wird
im Gegensatz zum Drehwinkelsensor der herkömmlichen Kontaktbauart ein
Reibungswiderstand des Gleitabschnittes nicht zu einem Betriebswiderstand
für das
zu erfassende Objekt. Demgemäß wird der
Drehwinkelsensor 111, der als Drosselklappensensor verwendet
wird, keine Reduzierung einer Betriebsansprechempfindlichkeit der
Drosselklappe 113, die das zu erfassende Objekt ist, hervorrufen.
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[Zweites Ausführungsbeispiel]
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Als nächstes wird ein Drehwinkelsensor
der kontaktlosen Bauart und dessen Sensorkern in einem zweiten Ausführungsbeispiel
ge mäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nachfolgend
beschrieben.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen werden
gleiche Bezugszeichen verwendet, um dieselben Bestandteile wie im
ersten Ausführungsbeispiel
zu bezeichnen und die Details werden weggelassen. Es folgt hauptsächlich eine
Beschreibung hinsichtlich der Merkmale, die unterschiedlich zum ersten
Ausführungsbeispiel
sind.
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11 ist
eine Draufsicht eines Sensorkerns 145, der in dem Drehwinkelsensor
verwendet wird und 12 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie XIX-XIX aus 11. 13 ist
eine perspektivische Ansicht einer Unterseite des Sensorkerns 145.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich eine Rippe 146a eines äußeren Kerns 146 von
der Gestalt des Sensorkerns 114 im ersten Ausführungsbeispiel.
Der Rotor 128 und die konstruktiven Merkmale, die von den
gestrichelten Linien in 11 umgeben
sind, sind dieselben wie im Sensorkern 114.
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Wie in den 11 bis 13 gezeigt
ist, hat jede der Rippen 146a des äußeren Kerns 146 eine
Breite, die breiter als die Rippe 127a des äußeren Kerns 127 im
ersten Ausführungsbeispiel
ist. Die Rippe 146a ist in ihrer Mitte mit einem Positionierungsdurchgangsloch 146c ausgebildet.
Das Durchgangsloch 146c wird als Positionierungsloch zur
Befestigung des Sensorkerns 145 auf einem Substrat verwendet.
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Deshalb kann der Sensorkern 145 im
zweiten Ausführungsbeispiel
und der Drehwinkelsensor, der den Sensorkern 145 verwendet,
den gleichen Effekt und die gleiche Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel
bereitstellen. Zusätzlich
kann der Sensorkern 145 ohne Änderung der Gestalt des Substrates
an dem Substrat befestigt werden, da der äußere Kern 146 mit
einer Vielzahl an Positionierdurchgangslöchern 146b ausgebildet
ist.
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Demgemäß kann ein Sensorkern 145 erhalten
werden, der einen hohen Allgemeinverwendungsgrad besitzt.
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[Drittes Ausführungsbeispiel]
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Als nächstes wird ein Drehwinkelsensor
der kontaktlosen Bauart und dessen Sensorkern in einem dritten Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nachfolgend
beschrieben.
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14 ist
eine Draufsicht eines Sensorkerns 147, der in dem Drehwinkelsensor
verwendet wird, und 15 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnittes, der von einer gestrichelten Linie in 14 umgeben wird. In dem
dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich eine innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 in
der Gestalt von dem Sensorkern 114 des ersten Ausführungsbeispieles. Es
soll betont werden, dass der Rotor 128 den gleichen Aufbau
wie der Sensorkern 114 im ersten Ausführungsbeispiel hat.
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Im dritten Ausführungsbeispiel wird, wie in den 14 und 15 gezeigt ist, die innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 kegelig
ausgebildet, so dass die Abmessung des ersten Luftspaltes 131 kontinuierlich
in Annäherung
zu dem zweiten Luftspalt 132 zunimmt und anschließend ganz
nahe am zweiten Luftspalt 132 im effektiven Bereichswinkel
am größten wird.
Genauer gesagt hat die innere Umfangsoberfläche 127b, wie in 15 gezeigt ist, in einem
vierten Bereichswinkel Θ4
unter Kombination der ersten und zweiten Bereichswinkel Θ1 und Θ2 eine kegelige
Gestalt, so dass der erste Luftspalt 131 zum zweiten Luftspalt 132 hin
kontinuierlich erweitert wird.
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Wie vorstehend erwähnt ist
der Sensorkern 147 und der Drehwinkelsensor, der den Sensorkern 147 verwendet,
so konfiguriert, dass die innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 mit
einer kegeligen Gestalt ausgebildet ist, um eine Zunahme der Dimension
des ersten Spaltes 131 in Annäherung zu dem zweiten Luftspalt 132 zu
erzeugen. Es ist deshalb möglich,
eine Vorspannung der magnetischen Flussdichte eines magnetischen
Feldes, das in dem so aufgebauten Sensorkern 147 erzeugt
wird, kontinuierlich zu beseitigen und eine Änderung der magnetischen Flussdichte,
die durch den zweiten Luftspalt 132 geht, einzustellen.
Dementsprechend kann das dritte Ausführungsbeispiel den gleichen
Effekt wie das obige erste Ausführungsbeispiel
bereitstellen.
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[Viertes Ausführungsbeispiel]
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Als nächstes wird ein Drehwinkelsensor
der kontaktlosen Bauart und dessen Sensorkern in einem vierten Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nachfolgend
beschrieben.
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16 ist
eine Draufsicht eines Sensorkerns 148, der in dem Drehwinkelsensor
verwendet wird, und 16 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnittes, der von einer gestrichelten Linie in 16 umgeben wird. In diesem
vierten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich eine innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 in
seiner Gestalt von dem Sensorkern 114 im ersten Ausführungsbeispiel.
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Im vierten Ausführungsbeispiel ist, wie in
den 16 und 17 gezeigt ist, die innere
Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 in
einer Draufsicht elliptisch, so dass die Abmessung des ersten Luftspaltes 131 in
Annäherung
zu dem zweiten Luftspalt 132 im effektiven Bereichswinkel
kontinuierlich zunimmt. Genauer gesagt wird, wie in 17 gezeigt ist, in einem fünften Winkelbereich Θ5 unter Kombination
der ersten bis dritten Winkelbereiche Θ1 bis Θ3 die gesamte innere Umfangs oberfläche 127b des äußeren Kerns 127 wie
eine Ellipse geformt, so dass der erste Luftspalt 131 in
Annäherung an
den zweiten Spalt 132 kontinuierlich erweitert wird.
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In dem Sensorkern 148 und
dem Drehwinkelsensor unter Verwendung des Sensorkerns 148 ist
die innere Umfangsoberfläche 127b des äußeren Kerns 127 so
geformt, dass die Abmessung des ersten Spaltes 131 in Annäherung an
den zweiten Luftspalt 132 zunimmt. Somit kann eine Vorspannung
der magnetischen Flussdichte eines magnetischen Feldes, das in dem
Sensorkern 148 erzeugt wird, kontinuierlich beseitigt werden
und eine Änderung
der magnetischen Flussdichte, die durch den zweiten Luftspalt 132 geht,
eingestellt werden. Demgemäß kann das
vierte Ausführungsbeispiel
den gleichen Effekt wie das obige erste Ausführungsbeispiel bereitstellen.
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Die vorliegende Erfindung kann in
anderen spezifischen Ausgestaltungen verkörpert werden, ohne die wesentlichen
Merkmale davon wegzulassen. Beispielsweise können die oben beschriebenen ersten
bis vierten Ausführungsbeispiele
wie folgt modifiziert werden:
- 1) In den obigen
Ausführungsbeispielen
werden die Sensorkerne 114, 145, 147 und 148 mit
zwei zweiten Luftspalten 132 ausgebildet und jeder dieser
Luftspalte 132 ist mit dem Hall-IC 126 versehen.
Eine alternative Konstruktion ist es, einen oder drei oder mehr
zweite Luftspalte am Sensorkern vorzusehen, wobei in jedem Spalt
ein Hall-IC angeordnet ist.
- 2) In den obigen Ausführungsbeispielen
wird der Hall-IC 126 als Magnetkrafterfassungsvorrichtung verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Hall-IC beschränkt, sondern
es können
andere Erfassungselemente als der Hall-IC verwendet werden.