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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Erfassen der Rotationswinkel von Drehelementen, wie beispielsweise Drehwellen.
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5 zeigt eine bekannte Einrichtung
101 zum Erfassen von Rotationswinkeln. Die bekannte Einrichtung
101 enthält ein Joch
110 und einen Permanentmagnet
120. Das Joch
110 ist mit einer (nicht dargestellten) Drehwelle verbunden, so dass sich das Joch
110 dreht, wenn sich die Drehwelle dreht. Der Permanentmagnet
120 ist an der inneren Umfangsfläche des Jochs
110 befestigt und ist hohl gestaltet, mit einer Bohrung, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein Sensor
170 zum Erfassen der Stärke eines Magnetfelds ist im wesentlichen im Zentrum des Jochs
110 angebracht und kann ein Hall-Element oder ein entsprechendes Element sein. Der Sensor
170 kann ein Signal liefern, das der Stärke des Magnetfelds entspricht, das innerhalb des Jochs
110 durch den Permanentmagnet
120 an einer Position erzeugt wird, an der die magnetischen Feldlinien den Sensor
170 kreuzen. Somit kann bei der Drehung des Jochs
110 mit der Drehwelle die Stärke des Magnetfelds in der Position, in der die magnetischen Feldlinien den Sensor
170 kreuzen, variieren, so dass das Ausgangssignal von dem Sensor
170 möglicherweise variiert. Daher ist die bekannte Einrichtung
101 derart konfiguriert, dass sie den Rotationswinkel der Drehwelle basierend auf der Änderung des Ausgangssignals von dem Sensor
170 erfasst. Die Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr.
JP 61-75213 A offenbart diese Art von Einrichtung.
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Bei der bekannten Einrichtung 101 variiert jedoch die Stärke des Magnetfelds in der Position, in der die magnetischen Feldlinien den Sensor 170 kreuzen, linear proportional zur Änderung des Rotationswinkels des Jochs 110, jedoch nur innerhalb eines begrenzten Bereichs. Somit ist es nicht möglich, den Rotationswinkel im gesamten Bereich der Rotation genau zu erfassen.
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Dazu hat die Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr.
JP 8-035809 A eine Einrichtung
101a zum Erfassen eines Rotationswinkels vorgeschlagen, die in
6 gezeigt ist, bei der ein Paar von Statoren
160 und
161, die jeweils einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, innerhalb des Jochs
110 angeordnet sind. Ein Spalt
162 ist zwischen den Statoren
160 und
161 geformt, und der Sensor
170 ist innerhalb des Spalts
162 positioniert, um die Stärke eines magnetischen Felds zu erfassen. Bei dieser Anordnung ist die Richtung des magnetischen Felds dort, wo die magnetischen Feldlinien den Sensor
170 kreuzen, primär in einer Richtung gerichtet, d. h. einer Richtung, die durch die Pfeile über den Spalt
162 angegeben ist, wie es in
6 gezeigt ist, unabhängig von der Änderung des Rotationswinkels des Jochs
110. Daher kann der Sensor
170 den Rotationswinkel der Drehwelle in gesamten Rotationsbereich passend erfassen.
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Das Einbringen der Statoren 160 und 170 erhöht jedoch möglicherweise die Gesamtzahl der Bauteile der Einrichtung zum Erfassen von Rotationswinkeln und führt daher zu einer Zunahme der Herstellungskosten. Zusätzlich erhöht eine Zunahme der Anzahl der Bauteile konsequenterweise die Notwendigkeit für Genauigkeit beim Montieren.
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Aus der
DE 100 58 732 A1 ist ein Kleinwinkelsensor bekannt, der eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Statorteilelementen enthält, die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung zueinander angeordnet sind. Ein magnetempfindliches Element ist in einer der Abstandsausnehmungen angeordnet. Eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Ringmagnetsegment umfasst die Statoreinheit und ist unter Belassung eines Luftspalts gegenüber den Statorteilelementen zu bewegen. Außerdem sind an dem Ringmagnetsegment der Rotoreinheit zwei sich gegenüberliegende, teilkreisförmige Ringmagnetsegmente angebracht, welche eine höhere Induktion der Abstandsausnehmung erzeugen.
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Aus der
EP 1 096 234 A1 ist eine Einrichtung zu Erfassen eines Rotationswinkels bekannt, die einen Magnetträger mit zwei darauf angeordneten Magneten enthält. Die Magnete erzeugen ein magnetisches Feld über das Rotationszentrum, das parallele Feldlinien in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung zur Rotorwelle aufweist. Ein Sensor ist innerhalb des Magnetfelds angebracht und erfasst mittels eines Hallelements eine Richtungsänderung des magnetischen Felds, wenn sich die Magnete und der Sensor relativ zueinander drehen.
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EP 1 061 341 A2 offenbart eine Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels, bei der parallel magnetisierte Magnete und ein Stator verwendet werden, um die Linearität einer Ausgabe des Hall IC zu verbessern. Statt des Hall IC kann auch ein elektrisches Widerstandselement verwendet werden, das die Stärke des Magnetfelds erfasst.
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Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Einrichtungen zum Erfassen eines Rotationswinkels zu lehren, die den Rotationswinkel genau erfassen können und zusätzlich verhältnismäßig einfach bei geringen Kosten herzustellen sind.
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Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehren werden Einrichtungen zum Erfassen eines Rotationswinkels gelehrt, die einen Magnetträger (z. B. ein Joch) und zumindest ein Paar von Magneten (z. B. Ferritmagnete) enthalten. Die Magnete sind an dem Magnetträger derart angebracht, dass die Magnete zum Erzeugen eines im wesentlichen unidirektionalen gleichmäßigen Magnetfelds über die Rotationsachse positioniert sind. Bei einigen Ausführungsformen können die Magnete einander gegenüberliegend über die Rotationsachse positioniert sein. Ein Sensor ist innerhalb des Magnetfelds angebracht und dient dazu, die Änderung der Richtung des Magnetfelds zu erfassen, wenn sich die Magnete und der Sensor relativ zueinander drehen. Der Sensor gibt dann Signale aus, die einen Relativrotationswinkel darstellen, der der erfassten Änderung der Richtung des Magnetfelds entspricht. Der Sensor kann beispielsweise ein integrierter Schaltkreis sein, der ein magnetisches Widerstandselement enthält.
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Da der Sensor nicht die Stärke des Magnetfelds erfasst, sondern stattdessen die Richtung des Magnetfelds erfasst, wird der Sensor nicht merklich beeinflusst durch mögliche Änderungen der magnetischen Kräfte der Magnete aufgrund von Wärme, einen eventuellen Versatz der Position des Sensors von einer festgelegten Position aufgrund thermischer Ausdehnung des Sensors oder aufgrund von Abnutzung einer Drehwelle, für die der Rotationswinkel erfasst wird, oder einen möglichen Versatz der Magnete von deren gewünschten Positionen während des Montierens der Magnete. Daher kann der Rotationswinkel genau erfasst werden und die Montage der Einrichtung einfach durchgeführt werden.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren sind die Magnete im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf ein Zentrum, das im Magnetfeld angebracht ist, angeordnet. Der Sensor ist im wesentlichen im Zentrum derart positioniert, dass die Erfassung einer Änderung der Richtung des magnetischen Felds zuverlässig durchgeführt werden kann.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren ist der Magnetträger ein im wesentlichen röhrenförmiges Element, und die Magnete sind an einer inneren Umfangsfläche des röhrenförmigen Elements angebracht.
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Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Lehren werden die Magnete magnetisiert, so dass sie im wesentlichen parallele Magnetfeldlinien erzeugen, die den Sensor kreuzen. Daher kann der Sensor genauer die Richtungsänderung der magnetischen Feldlinien erfassen, wenn sich die Magnete relativ zu dem Sensor drehen.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren weist jeder der Magnete eine bogenförmige Gestalt entlang einer Umfangsrichtung des röhrenförmigen Elements auf und besitzt eine Dicke in radialer Richtung des röhrenförmigen Elements. Die Dicke jedes Magneten ist im wesentlichen gleichmäßig entlang der Umfangsrichtung des röhrenförmigen Elements.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren weist jeder der Magnete gegenüberliegende Endflächen entlang einer Umfangsrichtung auf.
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Außerdem enthält jede der Endflächen eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die im Wesentlichen zu einer Richtung des magnetischen Felds ausgerichtet ist bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des magnetischen Felds ausgerichtet ist.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren erstreckt sich jeder der Magnete über einen Winkel um das Zentrum, d. h. das Zentrum der symmetrischen Anordnung der Magnete. Dieser Winkel ist derart festgelegt, dass der Fehler des Ausgangssignals von dem Sensor aufgrund eines Versatzes der Sensorposition bezüglich der gewünschten Zentrumsposition geringer als ein vorgegebener Wert ist.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, dass der Fehler des Ausgangssignals innerhalb eines gegebenen Toleranzwerts liegt, selbst wenn die Position des Sensors aus dem Zentrum versetzt ist. Daher kann die Montage der Einrichtung ohne die Kosten vorgenommen werden, die eine extrem genaue Positionierung des Sensors im Zentrum erfordert.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren wird der Winkel, der die Länge jedes Magneten bestimmt, basierend auf Faktoren bestimmt, die einen möglichen maximalen Versatzabstand des Sensors vom Zentrum, das Material die Magnete, und die Dicke von jedem der Magnete in radialer Richtung um das Zentrum beinhalten. Vorzugsweise wird die maximale Versatzstrecke als ungefähr 0,75 mm festgelegt.
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Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Lehren sind die Magnete aus magnetischen Materialien auf Ferritbasis gefertigt. Da die magnetischen Materialien auf Ferritbasis einfach derart bearbeitet werden können, dass sie eine gewünschte Konfiguration aufweisen, vereinfacht dieses Material die Herstellung.
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Zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unmittelbar nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen:
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1(A) eine Querschnittsansicht einer ersten repräsentativen Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels ist, wobei jedoch nicht alle Merkmale der Erfindung gezeigt sind; und
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1(B) eine vertikale Querschnittsansicht der ersten repräsentativen Einrichtung ist; und
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2(A), 2(B) und 2(C) Querschnittsansichten ähnlich zu 1(A) sind, die jedoch verschiedene Konfigurationen von magnetischen Feldlinien darstellen, die erzeugt werden können, wenn der Winkelbereich der Magnete der ersten repräsentativen Einrichtung variiert wird; und
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3 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem Winkelbereich der Magnete und einem Fehler des erfassten Winkels darstellt, wenn die Position eines Sensors der ersten repräsentativen Einrichtung aus dem Zentrum versetzt ist; und
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4 eine Querschnittsansicht ähnlich zu 1(A) ist, die jedoch eine zweite repräsentative Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels zeigt; und
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5 eine Querschnittsansicht einer bekannten Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels ist und
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6 eine Querschnittsansicht einer anderen bekannten Einrichtung zum Erfassen eines Rotationswinkels ist.
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Jedes der zusätzlichen Merkmale und Lehren, die oben und nachfolgend erläutert werden, kann getrennt oder in Verbindung mit anderen Merkmalen und Lehren verwendet werden, um verbesserte Einrichtungen zum Erfassen von Rotationswinkeln und Verfahren zum Verwenden solcher verbesserten Einrichtungen zum Erfassen von Rotationswinkeln vorzusehen. Repräsentative Beispiele der vorliegenden Erfindung, die viele dieser zusätzlichen Merkmale und Lehren sowohl getrennt als auch in Verbindung mit anderen verwenden, werden nun im einzelnen unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese detaillierte Beschreibung soll lediglich einem Fachmann weitere Einzelheiten zum Ausführen von bevorzugten Aspekten der vorliegenden Lehren geben und soll den Rahmen der Erfindung nicht einschränken. Lediglich die Ansprüche definieren den Rahmen der beanspruchten Erfindung. Daher müssen Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der folgenden detaillierten Beschreibung erläutert sind, nicht unbedingt die Erfindung im weitesten Sinn ausführen und sind statt dessen lediglich dazu gelehrt, speziell repräsentative Beispiele der Erfindung zu beschreiben. Ferner können verschiedene Merkmale der repräsentativen Beispiele und der abhängigen Ansprüche auf Arten kombiniert werden, die nicht im einzelnen aufgeführt sind, um zusätzliche nützliche Ausführungsformen der vorliegenden Lehren vorzusehen.
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Eine erste repräsentative Ausführungsform wird nun unter Vereis auf 1(A) und 1(B) beschrieben, die jedoch nicht alle Merkmale der Erfindung zeigen.
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Bezugnehmend auf 1(B) ist eine erste repräsentative Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels enthält ein Gehäuse 2, das an einem Ende einer Drehwelle 3 angebracht ist, und ist dazu angepasst, den Rotationswinkel der Drehwelle 3 zu erfassen. Beispielsweise kann die Drehwelle 3 eine Drosselwelle sein, die mit einem Drosselventil (nicht dargestellt) verbunden ist, um die Strömung von Einlassluft zu steuern, die einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird. Wie es in 1(A) dargestellt ist, enthält das Gehäuse 2 einen kreisförmigen Scheibenbereich 2a, einen zylindrischen röhrenförmigen Bereich 2b und einen ringförmigen Eingriffsbereich 2c, die einstückig miteinander ausgebildet sind. Der Scheibenbereich 2a ist an einem Ende der Drehwelle 3 befestigt, so dass sich das Gehäuse 2 dreht, wenn sich die Drehwelle 3 dreht. Der röhrenförmige Bereich 2b erstreckt sich von einer Seite des Scheibenbereichs 2a in entgegengesetzter Richtung zur Rotationswelle 3. Der Eingriffsbereich 2c erstreckt sich nach innen in Richtung auf die Achse an einem Ende des röhrenförmigen Bereichs 2b gegenüber dem Scheibenbereich 2a. Folglich weist die gesamte Einrichtung 1 eine im wesentlichen C-förmige Gestalt auf, wenn sie in einer Querschnittsansicht betrachtet wird, wie es in 1(B) gezeigt ist. Ein im wesentlichen zylindrisches röhrenförmiges Joch 10 ist an der inneren Umfangsfläche des röhrenförmigen Bereichs 2b angebracht und in seiner Lage zwischen dem scheibenförmigen Bereich 2a und dem Eingriffsbereich 2c befestigt. Ein Paar von bogenförmigen Magneten 20 und 30 ist an der inneren Umfangsfläche des Jochs 10 angebracht und sie sind symmetrisch in Bezug zueinander bezüglich eines Zentrums O positioniert. Bei dieser repräsentativen Ausführungsform fällt das Zentrum O mit dem Zentrum des Jochs 10 zusammen, betrachtet in der Querschnittsansicht, die in 1(A) gezeigt ist, und fällt auch mit der zentralen Achse der Drehwelle 3 zusammen. Wenngleich die Einzelheiten der Magnete 20 und 30 später erklärt werden, ist jeder der Magnete 20 und 30 in einer Richtung (der vertikalen Richtung, wie es durch die Pfeile in 1(A) dargestellt ist) überall am gesamten Umfang magnetisiert (parallele Magnetisierung). Zusätzlich sind die Magnete 20 und 30 derart angeordnet, dass sie ein magnetisches Feld erzeugen, das parallele magnetische Feldlinien in vertikaler Richtung aufweist, wie es in 1(A) zu erkennen ist. Die magnetischen Feldlinien erstrecken sich innerhalb des inneren Raums des Jochs 10 über einen Sensor 41, der am Zentrum O angebracht ist. Der Sensor 41 dient dazu, die Richtung der magnetischen Feldlinien zu erfassen.
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Bezugnehmend auf 1(B) ist eine Basisplatte 50 an einer festen Aufhängung in einer vorgegebenen Position befestigt. Ein stabartiges Stützelement 40 ist an der Basisplatte 50 angebracht und weist eine Längsachse auf, die mit der Rotationsachse der Drehwelle 3 zusammenfällt. Das Stützelement 40 besitzt einen Vorderbereich, der sich in den inneren Raum des Jochs 10 erstreckt, so dass der Vorderbereich des Stützelements 40 so positioniert ist, dass er sich durch das Zentrum O des Jochs 10 erstreckt. Der Sensor 41 ist an dem einen Ende des Vorderbereichs angebracht.
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Der Sensor 41 ist zum Ausgeben von Signalen als Antwort auf die Richtung der magnetischen Feldlinien des magnetischen Felds, das den Sensor 41 kreuzt, betreibbar. Insbesondere können die Ausgangssignale linear bei einer Änderung in der Richtung der magnetischen Feldlinien variieren. Mit anderen Worten können die Ausgangssignale proportional zur Veränderung der Richtung der magnetischen Feldlinien variieren. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung 41 ein IC sein, der ein magnetisches Widerstandselement verwendet.
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Die Konfigurationen der Magnete 20 und 30 werden nun genauer beschrieben. Da die Magnete 20 und 30 aus dem gleichen Material gefertigt sind und die gleiche Konfiguration aufweisen, wird nur ein repräsentativer Magnet beschrieben. Der Magnet 20 ist aus einem magnetischen Material auf Ferritbasis gefertigt und an einer inneren Umfangsfläche des Jochs 10 befestigt. Das magnetische Material auf Ferritbasis ist als weicheres, jedoch auch als stärkeres Material, als ein magnetisches Material eines seltenen Erdmagneten bekannt, so dass das magnetische Material auf Ferritbasis einfach geformt oder bearbeitet werden kann, so dass es eine gekrümmte Konfiguration aufweist. Zusätzlich sind die Materialkosten für das magnetische Material auf Ferritbasis niedriger als die Kosten des magnetischen Materials eines seltenen Erdmagneten. Eine äußere Umfangsfläche S1 des Magneten 20 weist einen Radius um das Zentrum O auf. Der Radius der Oberfläche S1 ist im wesentlichen der gleiche wie der Radius der inneren Umfangsfläche des Jochs 10. Eine innere Umfangsfläche S2 des Magneten 20 weist ebenfalls einen Radius um das Zentrum O auf. Die Länge des Radius der inneren Umfangsfläche S2 ist kleiner als der Radius der äußeren Umfangsfläche S1 um einen Abstand, der einer Dicke d des Magneten 20 entspricht. Der Magnet 20 weist gegenüberliegende Endflächen S3 entlang der Umfangsrichtung auf. Jeder der Endflächen S3 ist senkrecht zur inneren Umfangsfläche des Jochs 10 und erstreckt sich entlang einer Radialrichtung in Richtung auf das Zentrum O. Vorzugsweise beträgt die Dicke d des repräsentativen Magneten 20 ungefähr 3 mm, wenn auch die Dicke d unter Berücksichtigung der Bearbeitung oder der Formgebung des Magneten bestimmt werden kann.
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Ein zentraler Winkel θ1 eines Sektors, der durch das Zentrum O und Ecken P bestimmt wird, wobei die Ecken durch die innere Umfangsfläche S2 (d. h. den Innendurchmesser) und die Endflächen S3 gebildet werden, des repräsentativen Magneten 20 wird nun unter Verweis auf 2(A) und 2(B) und 2(C) beschrieben.
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Durch geeignetes Festlegen des Werts des Winkel θ1 können die Magnete 20 und 30 ein magnetisches Feld erzeugen, das im wesentlichen parallele magnetische Feldlinien innerhalb eines Gebiets, das den Sensor 41 enthält, und das im wesentlichen der gesamten Umfangslänge der Magnete 20 und 30 entspricht, wie es in 2(A) gezeigt ist, aufweist.
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Wenn der Winkel θ1 jedoch zu klein ist, rufen die Magnete 20 und 30 möglicherweise ein magnetisches Feld hervor, das magnetische Feldlinien besitzt, die nicht zueinander parallel sind, wie es in 2(B) dargestellt ist. Wenn der Winkel θ1 zu groß ist, erzeugen ähnlicherweise die Magnete 20 und 30 ein magnetisches Feld, das magnetische Feldlinien aufweist, die nicht zueinander parallel sind, wie es in 2(C) dargestellt ist.
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Wenn der Winkel θ1 passend bestimmt ist, so dass im wesentlichen parallele magnetische Feldlinien über den Sensor 41 erzeugt werden, liegt ein zusätzlicher Vorteil darin, dass die Ausgangssignale von dem Sensor 41 durch einen kleinen Versatz oder eine kleine Abweichung der Position der Einrichtung 41 weg vom Zentrum O nicht beeinflusst werden. Beispielsweise ist aufgrund eines Fehlers beim Montieren möglicherweise der Sensor 41 nicht genau am exakten Zentrum O positioniert, sondern ist bezüglich des Zentrums O ein kleines Stück versetzt. Wenn somit der Winkel θ1 geeignet bestimmt wird, wie es in 1(A) und 2(A) dargestellt ist, kann ein tolerierbares Versatzgebiet α für das Platzieren des Sensors 41 gewährleistet werden.
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Wenn der Winkel θ1 nicht passend bestimmt ist, wie in den 2(B) und 2(C) dargestellten Fällen, variiert die Richtung der magnetischen Feldlinien möglicherweise teilweise aufgrund der Strecke, die der Ort der Montageposition des Sensors 41 aus dem Zentrum O versetzt ist, selbst wenn dieser Ort noch innerhalb eines tolerierbaren Bereichs α ist, der gemäß 2(A) bestimmt wird, für den der Winkel θ1 richtig berechnet ist. Folglich ist es möglich, dass die Ausgangssignale des Sensors 41 aus 2(B) und 2(C), die Signale, die als Antwort auf die Erfassung der Richtung des magnetischen Felds erzeugt werden, Fehler aufweisen. Wenn der Winkel θ1 nicht passend bestimmt ist, ist daher der tolerierbare Bereich für die Positionierung des Sensors 41 sehr eingeschränkt, und das daraus resultierende Montieren des Sensors 41 muss mit einem hohen Maß an Genauigkeit durchgeführt werden.
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3 zeigt ein Diagramm, bei dem die Abszisse den Winkel θ1 (°) und die Ordinate den maximal projizierten Fehler eines Ausgangssignals vom Sensor 41 angibt, d. h. den möglichen maximalen Fehlerwinkel β (°) des erfassten Winkels, der aus der Platzierung des Sensors in einem Versatzabstand α1 (mm) vom Zentrum O resultiert, wenn ein magnetisches Material auf Ferritbasis für die Magnete 20 und 30 verwendet wird. Dabei ist ein Versatzabstand α1 auf ungefähr ±0,75 mm in Bezug auf die x, y und z Richtung festgelegt. Die x, y und z Richtungen sind in 1(A) und 1(B) angegeben. Die x Richtung und die y Richtung sind senkrecht zueinander und senkrecht zur Längsachse der Drehwelle 3. Die z Richtung fällt mit der Längsachse der Drehwelle 3 zusammen.
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Wie aus 3 erkennbar ist, wird, wenn ein gewünschter Schwellenwert für die maximalen Fehlerwinkel β(°) auf 2,5° festgelegt ist, der resultierende Winkel θ1 als Winkel zwischen 80° und 130° gewählt. Wenn andererseits ein Schwellenwert für den maximalen Fehlerwinkel β(°) auf 0,4° festgelegt ist, wird der Winkel θ1 so gewählt, dass er zwischen 95° und 102° liegt.
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Auf diese Weise können ein gewünschter tolerierbarer Fehler oder der maximale Fehlerwinkel β(°) ermittelt werden, indem nach Bedarf der Wert des Winkels θ1 bestimmt wird. Wenn beispielsweise, wie oben festgehalten, der Winkel θ1 als Wert zwischen 95° und 102° gewählt wird, ist der daraus resultierende maximale Fehlerwinkel β(°) verhältnismäßig klein, ungefähr 0,4°.
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Es wird nun die Arbeitsweise der erwähnten ersten repräsentativen Ausführungsform beschrieben. Wie es vorher im Einzelnen ausgeführt wurde, sind durch geeignetes Bestimmen des Winkels θ1 des Sektors, der durch das Zentrum O und die Ecken P definiert wird, die magnetischen Feldlinien des durch die Magnete 20 und 30 hervorgerufenen magnetischen Felds im wesentlichen parallel zueinander gerichtet. Zusätzlich erstrecken sich die magnetischen Feldlinien über den Sensor 41 (der die Richtung des magnetischen Felds erfassen kann), der im wesentlichen im Zentrum des inneren Raums des Jochs 10 positioniert ist, wie es in 2(A) gezeigt ist.
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Während sich die Magnete 20 und 30, ebenso wie das Joch 10, das an dem Gehäuse 2 angebracht ist, drehen, wenn sich die Drehwelle 3 dreht, ändern sich die Richtungen der magnetischen Feldlinien, die den Sensor 41 kreuzen, als Antwort auf den Rotationswinkel der Drehwelle 3. Entsprechend verändert sich das Ausgangssignal von dem Sensor 41 zusammen mit dem Rotationswinkel der Drehwelle 3. Eine Steuerungseinheit, z. B. eine CPU (nicht dargestellt) empfängt das Ausgangssignal von dem Sensor 41 und berechnet den Rotationswinkel der Drehwelle 3 basierend auf dem Ausgangssignal. Der Sensor 41 kann jedoch auch eine in ihm selbst enthaltene Steuerungseinheit zum Berechnen des Rotationswinkels der Drehwelle 3 aufweisen.
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Die erste repräsentative Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels weist eine verhältnismäßige einfache Konstruktion auf. Eine der wenigen Anforderungen ist es, dass der Sensor 41 annäherungsweise im Zentrum C innerhalb des Jochs 10 gestützt ist, damit der Sensor 41 den Relativwinkel der Rotation zwischen der Welle 3 und dem Sensor 41 erfassen kann. Daher ist die Einrichtung 1 zum Erfassen des Rotationswinkels verhältnismäßig einfach zusammenzufügen.
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Zusätzlich erfasst bei der ersten repräsentativen Einrichtung 1 der Sensor 41 die Richtung des magnetischen Felds, anders als bei den bekannten Einrichtungen, die die Stärke des magnetischen Felds erfassen. Aufgrund des Sensors 41 kann der Rotationswinkel genau über den gesamten Bereich des Rotationswinkels erfasst werden. Folglich erfordert die erste repräsentative Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels keine Statoren 160 und 161, die bei der bekannten Erfassungseinrichtung, die in 6 dargestellt ist, erforderlich sind. Aus diesem und aus anderen Gründen erfordert die erste repräsentative Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels weniger Bauteile im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen, was es ermöglicht, die Herstellungskosten zu senken.
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Eine zweite repräsentative Ausführungsform wird nun unter Verweis auf 4 beschrieben. Eine zweite repräsentative Einrichtung 1a zum Erfassen eines Rotationswinkels unterscheidet sich primär von der ersten repräsentativen Einrichtung 1 zum Erfassen eines Rotationswinkels bezüglich des Einbaus der Magnete 20a und 30a. Die Magnete 20a und 30a weisen eine leicht unterschiedliche Konfiguration bezüglich der Magnete 20 und 30 der ersten repräsentativen Einrichtung 1a auf. Daher sind bei der Beschreibung von 4 entsprechende Elemente mit den gleichen Referenzziffern wie bei der ersten repräsentativen Ausführungsform bezeichnet und eine ursprüngliche Erläuterung wird nicht wiederholt. Die Materialien und die Magnetisierungsrichtung der Magnete 20a und 30a ist gleich wie für die Magnete 20 und 30.
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Wie vorher beschrieben, erstreckt sich jede der Endflächen S3 entlang der Umfangsrichtung der Magnete 20 und 30 entlang eines Radiuses, der durch das Zentrum O läuft. Im Gegensatz dazu enthält jede der Endflächen entlang einer Umfangsrichtung der Magnete 20a und 30a der zweiten repräsentativen Einrichtung 1a zum Erfassen eines Rotationswinkels eine erste Oberfläche S3a und eine zweite Oberfläche S3b. Die erste Oberfläche S3a erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der Magnete 20a und 30a. Die zweite Oberfläche S3b erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Magnetisierungsrichtung der Magnete 20a und 30a. Jede der Endflächen weist eine dreiecksförmige Gestaltung auf. Insbesondere kreuzen die erste Fläche S3a und die zweite Fläche S3b die innere Umfangsfläche S2 bzw. die äußere Umfangsfläche S1 jeweils unter stumpfen Winkeln. Die erste Fläche S3a und die zweite Fläche S3b kreuzen einander unter näherungsweise rechten Winkeln.
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Ein zentraler Winkel θ2 eines Sektors wird durch das Zentrum O und die Ecken Pa definiert, die durch die Schnittstelle der inneren Umfangsfläche S2 (d. h. des Innendurchmessers) und der ersten Flächen S3a des Magneten 20a (30a) gebildet werden. Der zentrale Winkel θ2 entspricht dem zentralen Winkel θ1 der ersten repräsentativen Ausführungsform.
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Bei dieser zweiten repräsentativen Ausführungsform erzeugen bei geeigneter Festlegung des Winkels θ2 die Magnete 20a und 30a ein magnetisches Feld, das im wesentlichen parallele magnetische Feldlinien aufweist, die sich über die Einrichtung 41 erstrecken, die innerhalb des inneren Raums des Jochs 10 angeordnet ist. Daher wird auf die gleiche Weise wie bei der ersten repräsentativen Ausführungsform, wenn ein Schwellenwert für den maximalen Fehlerwinkel β(°) auf ungefähr 2,5° festgelegt wird und der Versatzabstand α1 auf etwa ±0,75 mm in Bezug auf die x, y und z Richtung festgelegt ist, der entsprechende Winkel θ2 auf einen Wert zwischen 80° und 130° gewählt. Wenn andererseits ein Schwellenwert für den maximalen Fehlerwinkel β(°) auf ungefähr 0,4° festgelegt ist, wird der Winkel θ2 auf einen Wert zwischen 95° und 102° gewählt. Somit sind die Arbeitsweise und die Vorteile der zweiten repräsentativen Ausführungsform im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten repräsentativen Ausführungsform.
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Zusätzlich kreuzen bei jeder zweiten repräsentativen Einrichtung 1a die erste Oberfläche S3a und die zweite Oberfläche S3b von jeder der Endflächen der Magneten 20a und 30a jeweils die innere Umfangsfläche S2 und die äußere Umfangsfläche S1 unter stumpfen Winkeln. Daher wird die Möglichkeit einer Beschädigung während der Bearbeitung oder des Formens der Magnete 20a und 30a verringert. Diese Zunahme der Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigung ist teilweise auf die Verringerung von zwei im wesentlichen senkrechten Schnittstellen pro Endfläche bei der ersten Ausführungsform auf nur eine im wesentlichen senkrechte Schnittstelle und zwei stumpfe Schnittstellen pro Endfläche bei der zweiten Ausführungsform zurückzuführen. Folglich können die Magnete 20a und 30a einfacher hergestellt oder geformt werden. Zusätzlich kann die Montage der Einrichtung 1a zum Erfassen des Rotationswinkels vereinfacht werden, ohne dass das gleiche Maß an Sorgfalt bezüglich des möglichen Brechens der rechten Winkel der Magnete der Erfassungseinrichtung 1 für den Rotationswinkel erforderlich ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die erste und die zweite repräsentative Ausführungsform, die oben im einzelnen erläutert wurden, beschränkt, sondern kann auf verschiedene Arten modifiziert werden.
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Beispielsweise können die Magnete 20 und 30 (und die entsprechenden Magnete 20a und 30a) aus jedem anderen magnetischen Material gefertigt werden, wenn sie auch bei den oben beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen aus einem magnetischen Material auf Ferritbasis gefertigt sind. Da die Erfassungseigenschaften des Sensors 41 in Abhängigkeit von der Auswahl des Materials der Magnete variieren können, kann die Beziehung zwischen den maximalen Fehlerwinkeln β(°) und dem Versatzabstand α1 (mm) durch Experimente oder Berechnungen für verschiedene zentrale Winkel θ1 (θ2) und/oder für verschiedene Dicken der Magnete ermittelt werden. Basierend auf dem ermittelten Verhältnis kann ein geeigneter Wert für den zentralen Winkel θ1 (θ2) und/oder eine geeignete Dicke der Magnete gewählt werden.
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Zusätzlich dreht sich bei der ersten und der zweiten repräsentativen Ausführungsform das Joch 10 zwar mit der Drehwelle 3 und der Sensor 41 ist in seiner Lage festgelegt, aber der Sensor 41 kann sich auch mit der Drehwelle 3 drehen und das Joch 10 kann in der Lage festgelegt sein. Bei einer solchen Anordnung kann der Sensor 41 an der Drehwelle 3 befestigt werden und dazu dienen, den Rotationswinkel des Sensors 41 (d. h. der Drehwelle 3) relativ zu dem Joch 10 zu erfassen.
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Ferner kann der Sensor 41 jede Konstruktion aufweisen, solange der Sensor 41 die Veränderung der Richtung eines magnetischen Felds erfassen kann und ein Signal oder Signale ausgeben kann, die der Richtungsänderung eines magnetischen Felds entsprechen.
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Es wird explizit festgehalten, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarte Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander offenbart angesehen werden sollen für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie für den Zweck des Beschränken der beanspruchten Erfindung, unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jedmöglichen Zwischenwert oder jede Zwischeneinheit zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Beschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere im Hinblick auf Grenzen von Wertebereichen.
