DE102005036973B4

DE102005036973B4 - Drehwinkel-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102005036973B4
Application number: DE102005036973.1A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kawashima; Koichiro Matsumoto; Tatsuya Kitanaka; Takao Ban; Kenji Takeda; Tsutomu Nakamura; Osamu Shimomura
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2025-08-06
Also published as: US7319320B2; DE102005036973A1; JP2006047227A; US20060028203A1; JP4376150B2

Abstract

Drehwinkel-Messeinrichtung zur Messung des Drehwinkels eines ersten Bauelements in Relation zu einem zweiten Bauelement, mit
einer an dem ersten Bauelement angebrachten Magneteinheit und
zwei Magnetsensoren (3, 4), die an dem zweiten Bauelement zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet sind,
wobei
die Magneteinheit zwei scheibenförmige Platten (21, 22) umfasst, die in einem vorgegebenen Axialabstand die gleichen Magnetpole in den gleichen Umfangspositionen und eine zur Halterung der scheibenförmigen Platten (21, 22) mittig angeordnete Achse (1) aus magnetischem Material aufweisen, sodass die Magneteinheit in einem Bereich um die Achse (1) herum zwischen den beiden scheibenförmigen Platten (21, 22) ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt, und
die beiden Magnetsensoren (3, 4) in diesem Bereich in der Mitte von sowohl der Axialrichtung als auch der Radialrichtung angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehwinkel-Messeinrichtung zur kontaktlosen bzw. berührungsfreien Messung des relativen Drehwinkels zwischen zwei Bauteilen bzw. Bauelementen.
Aus der JP 2003 - 75 108 A ist eine Drehwinkel-Messeinrichtung bekannt, die den relativen Drehwinkel eines Bauteils bzw. Bauelements in Bezug zu einem anderen Bauelement mit Hilfe eines Permanentmagneten und zwei Magnetsensoren erfasst. Die beiden Magnetsensoren sind hierbei an dem einen Bauelement beabstandet unter einem Winkel von 90° derart angeordnet, dass sie dem an dem anderen Bauelement angebrachten Permanentmagneten gegenüberliegen. Die Magnetsensoren sind daher in der Nähe des Permanentmagneten angeordnet, der einen offenen magnetischen Kreis bildet, bei dem die magnetischen Feldlinien zwar radial, jedoch ungleichmäßig vom Randbereich des Permanentmagneten ausgehen. Das Ausgangssignal eines solchen Magnetsensors kann sich somit bei einer Positionsveränderung bzw. Positionsverschiebung des Magnetsensors verändern, was zu einem Messfehler bei der Drehwinkelerfassung führt.
Die DE 2 147 996 A beschreibt einen elektronischen Impulsgeber mit einer Magneteinheit, die zwei Scheiben und eine Achse umfasst, und Magnetsensoren, die in der Magneteinheit angeordnet sind.
Die DE 40 27 782 A1 beschreibt einen Elektrizitätsgenerator mit verminderter Blindleistung, welcher mehrere Permanentmagnet-Scheiben mit mehreren Permanentmagneten und mehrere Spulenscheiben, die zwischen den Permanentmagnet-Scheiben angeordnet sind, umfasst, wobei letztere mehrere Spulen umfassen, und wobei die Spulen mit ihren Ausgängen parallel geschaltet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Drehwinkel-Messeinrichtung anzugeben, die den vorstehend beschriebenen Nachteil nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst eine Drehwinkel-Messeinrichtung zur Messung des Drehwinkels eines ersten Bauelements in Relation zu einem zweiten Bauelement eine an dem ersten Bauelement angebrachte Magneteinheit und zwei Magnetsensoren, die an dem zweiten Bauelement zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet sind. Die Magneteinheit umfasst hierbei zwei scheibenförmige Platten, die in einem vorgegebenen Axialabstand die gleichen Magnetpole in den gleichen Umfangspositionen und eine zur Halterung der scheibenförmigen Platten mittig angeordnete Achse aus magnetischem Material aufweisen. Die Magneteinheit erzeugt somit in einem Bereich um die Achse herum zwischen den beiden scheibenförmigen Platten ein gleichförmiges Magnetfeld, in dem die beiden Magnetsensoren angeordnet sind. Hierdurch können Messfehler bei der Erfassung des Drehwinkels auch bei Stellungsveränderungen der Magnetsensoren weitgehend vermieden werden, sodass Ausgangssignalschwankungen der Magnetsensoren in Bezug auf den gemessenen Drehwinkel weitgehend unterdrückt werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Drehwinkel-Messeinrichtung sind die beiden Magnetsensoren in dem Bereich in der Mitte von sowohl der Axialrichtung als auch der Radialrichtung angeordnet.
Die Magnetsensoren können jeweils eine Sensorfläche aufweisen, die zur Achse der Drehbewegung ausgerichtet ist. Die beiden Magnetsensoren können derart in einem Chip angeordnet sein, dass einer der Magnetsensoren eine erste Sensorfläche aufweist, die zu der Achse der Drehbewegung ausgerichtet ist, und der andere Magnetsensor eine zweite Sensorfläche aufweist, die in einer senkrecht zu der ersten Sensorfläche verlaufenden Richtung ausgerichtet ist. Die Drehwinkel-Messeinrichtung kann ferner eine Einrichtung zum Abgleichen von Spitzenwerten der Ausgangssignale der beiden Magnetsensoren, wie z. B. eine Einrichtung zur Neigung bzw. Schrägstellung eines der beiden Magnetsensoren umfassen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1A, 1B und 1C eine Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 1A eine perspektivische Draufsicht, 1B eine Seitenansicht und 1C eine perspektivische Querschnitts-Teilansicht entlang der Linie IC-IC gemäß 1B zeigen,
2 ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung der Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3A eine grafische Darstellung der Ausgangssignale von zwei Magnetsensoren der Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3B und 3C grafische Darstellungen von Rechenvorgängen zur Ableitung eines Drehwinkels,
4 magnetische Feldlinien bei der Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5A und 5B grafische Darstellungen von Änderungen der von den Magnetsensoren der Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfassten magnetischen Flussdichte bzw. Induktion,
5C eine grafische Darstellung von Schwankungen des von den Magnetsensoren erfassten Drehwinkels,
6A, 6B und 6C eine Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 6A eine perspektivische Draufsicht, 6B eine Seitenansicht und 6C eine perspektivische Querschnitts-Teilansicht entlang der Linie VIC-VIC gemäß 6B zeigen,
7A eine grafische Darstellung der Ausgangssignale von Magnetsensoren der Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vor einer Justierung,
7B einen Justierungsschritt, und
7C eine grafische Darstellung der Ausgangssignale der Magnetsensoren nach der Justierung.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 eine Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
Die Drehwinkel-Messeinrichtung umfasst eine Achse 1, eine Permanentmagneteinheit 2, zwei Magnetsensoren 3, 4 sowie eine Winkelsignal-Verarbeitungseinheit 5. Die Achse 1 stellt ein Polelement aus einem magnetischen Material wie Eisen dar und ist mit einem externen Bauteil wie der Welle einer Drosselklappe verbunden. Die Permanentmagneteinheit 2 wird von zwei scheibenförmigen Magneten bzw. Magnetscheiben 21, 22 gebildet, die von der Achse 1 in Axialrichtung in einem bestimmten Abstand gehalten werden und sich zusammen mit ihr drehen. Die Magnetscheiben 21, 22 besitzen eine Achse Z und zwei radial magnetisierte Magnetpole N, S, die in ihren peripheren Bereichen einander gegenüberliegend (unter 180°) angeordnet sind. Hierbei besitzen die Magnetscheiben 21, 22 die gleichen Abmessungen und die gleichen magnetischen Eigenschaften. Zwischen den Magnetscheiben 21, 22 wird somit in dem Bereich um die Achse 1 herum ein geschlossener magnetischer Kreis in der in 4 veranschaulichten Weise gebildet, in der Pfeile die magnetischen Kraftlinien der Permanentmagnetscheiben 21, 22, ein strichpunktierter Kreis ein diametral ausgerichtetes gleichförmiges Magnetfeld (Vektor) und ein gestrichelter Kreis einen Axialbereich veranschaulichen, in dem sich der Magnetsensor 3 oder 4 befindet.
Der erste Magnetsensor 3 ist in dem gestrichelten Kreis zwischen den Magnetscheiben 21, 22 angeordnet und an einem stationären Bauteil wie einem Gehäuse oder einer gedruckten Leiterplatte bzw. Platine befestigt. Hierbei umfasst der erste Magnetsensor 3 ein Hall-Element, das ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Richtung und Dichte des durch die Sensorfläche des Magnetsensors 3 hindurchtretenden magnetischen Induktions- bzw. Kraftflusses erzeugt. Auch bei einer geringfügigen Verschiebung der Stellung des ersten Magnetsensors 3 tritt somit keine Änderung des abgegebenen Ausgangssignals auf, wie dies in 5A veranschaulicht ist, in der mit A1 das Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 bei einer korrekten Positionierung, mit A2 das Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 bei einer Verschiebung um 1 mm in der Y-Richtung gemäß 1C und mit A3 das Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 bei einer Verschiebung um 1 mm in der Z-Richtung gemäß 1B bezeichnet sind. Das Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 wird von einem ersten Verstärker 6 gemäß 2 verstärkt, der in den ersten Magnetsensor 3 integriert ist, jedoch auch separat auf einer gedruckten Leiterplatte bzw. Platine angeordnet sein kann.
Der erste Magnetsensor 3 und der zweite Magnetsensor 4 besitzen jeweils eine senkrecht zur Z-Achse ausgebildete Sensorfläche. Der zweite Magnetsensor 4 ist in einer Stellung angeordnet, die in Bezug auf den ersten Magnetsensor 3 in der Umfangsrichtung bzw. Drehrichtung um einen Winkel von 90° verschoben ist, um den magnetischen Induktions- bzw. Kraftfluss in einer Stellung zu erfassen, die in Bezug auf den von dem ersten Magnetsensor 3 erfassten magnetischen Induktions- bzw. Kraftfluss um 90° verschoben ist, wie dies in 3A veranschaulicht ist, bei der eine Kurve A (Sinuskurve) dem Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 und eine Kurve B (Cosinuskurve) dem Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 entsprechen.
Der zweite Magnetsensor 4 ist ebenfalls in dem gestrichelten Kreis zwischen den Magnetscheiben 21, 22 angeordnet und an dem gleichen stationären Bauteil befestigt. Hierbei umfasst der zweite Magnetsensor 4 ein Hall-Element gleicher Art wie der erste Magnetsensor 3, das ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Richtung und der Dichte des durch die Sensorfläche des zweiten Magnetsensors 4 hindurchtretenden magnetischen Induktions- bzw. Kraftflusses erzeugt. Auch bei einer geringfügigen Verschiebung der Stellung des zweiten Magnetsensors 4 tritt somit keine Veränderung des Ausgangssignals auf, wie dies in 5B veranschaulicht ist, in der mit B1 das Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 bei korrekter Positionierung, mit B2 das Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 bei einer Verschiebung um 1 mm in der Y-Richtung gemäß 1C und mit B3 das Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 bei einer Verschiebung um 1 mm in der Z-Richtung gemäß 1B bezeichnet sind. Das Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 wird ebenfalls von einem zweiten Verstärker 7 gemäß 2 verstärkt, der in den zweiten Magnetsensor 4 integriert ist, obwohl er auch getrennt auf einer gedruckten Leiterplatte oder Platine ausgebildet sein kann.
Die Winkelsignalverarbeitungseinrichtung bzw. Winkelberechnungseinrichtung 5 umfasst einen üblichen Mikrocomputer, dem in der in 2 veranschaulichten Weise die Signale eines ersten Analog/Digital-Umsetzers 8 und eines zweiten Analog/Digital-Umsetzers 9 zugeführt werden, die jeweils die Ausgangssignale des ersten Magnetsensors 3 und des zweiten Magnetsensors 4 in Digitalsignale umsetzen. Die Winkelsignalverarbeitungseinrichtung bzw. Winkelberechnungseinrichtung 5 berechnet eine zyklometrische Arkustangenskurve C(θ = tan^-1 (sin θ/cos θ)) aus den Kurven A, B mit einer 180°-Periode und eine Kurve D mit einer 360°-Periode durch Verbindung der Steigungsabschnitte der Kurve C. Da der erste Magnetsensor 3 und der zweite Magnetsensor 4 in der vorstehend beschriebene Weise in einem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet sind, können Messfehler in dem erfassten Drehwinkel weitgehend unterdrückt werden, wie dies in 5C veranschaulicht ist, in der durch C1 ein Messfehler veranschaulicht ist, der bei einer Verschiebung des ersten Magnetsensors 3 oder des zweiten Magnetsensors 4 aus der Normalstellung um 1 mm in der Y-Richtung auftritt, und mit C2 ein Messfehler veranschaulicht ist, der bei einer Verschiebung des ersten Magnetsensors 3 oder des zweiten Magnetsensors 4 aus der Normalstellung um 1 mm in der Z-Richtung auftritt.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 6A bis 7C eine Drehwinkel-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen die gleichen oder weitgehend gleiche Bauteile, Komponenten oder Bestandteile wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels bezeichnen.
Die Drehwinkel-Messeinrichtung umfasst zwei Magnetsensoren 3, 4, die zusammen in einem Chip 10 derart angeordnet sind, dass die Sensorfläche des zweiten Magnetsensors 4 senkrecht zu der Sensorfläche des ersten Magnetsensors 3 verläuft, d.h., das Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors 4 ist in Bezug auf das Ausgangssignal des ersten Magnetsensors 3 um 90° verschoben. Wie in 6C veranschaulicht ist, ist die Sensorfläche des ersten Magnetsensors 3 zur Z-Achse hin ausgerichtet, sodass der erste Magnetsensor 3 und der zweite Magnetsensor 4 jeweils ein sinusförmiges Ausgangssignal bzw. ein cosinusförmiges Ausgangssignal erzeugen.
Die Winkelsignalverarbeitungseinrichtung bzw. Winkelberechnungseinrichtung 5 erhält die Ausgangssignale des ersten Analog/Digital-Umsetzers 8 und des zweiten Analog/Digital-Umsetzers 9, die jeweils die Ausgangssignale des ersten Magnetsensors 3 und des zweiten Magnetsensors 4 in Digitalsignale umsetzen und dabei eine Kurve mit einer 360°-Periode in der gleichen Weise wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels erzeugen.
Zur Verringerung von Abweichungen in den Ausgangssignalen sollte die Empfindlichkeitsdifferenz oder die Spitzenwertdifferenz zwischen den Ausgangssignalen des Magnetsensors 3 und des Magnetsensors 4 minimal gehalten werden. Wenn der Spitzenwert A1 des Ausgangssignals des Magnetsensors 3 durch die aus magnetischem Material bestehende Achse 1 in der in 7A veranschaulichten Weise in Bezug zu dem Spitzenwert B1 des zweiten Magnetsensors 4 herabgesetzt wird, kann diese Differenz durch Neigung bzw. Schrägstellung des Chips 10 ausgeglichen werden, sodass die Sensorfläche des zweiten Magnetsensors 4 unter einem Neigungswinkel α schräg zu dem Magnetfeld verläuft, wie dies in 7B veranschaulicht ist. Der Neigungswinkel α kann hierbei durch die nachstehende Beziehung berechnet werden: α = cos^-1(V1/V2), wobei mit V1 der Spitzenwert des Ausgangssignals des ersten Magnetsensors 3 und mit V2 der Spitzenwert des Ausgangssignals des zweiten Magnetsensors 4 bezeichnet sind. Auf diese Weise lässt sich eine Differenz in den Spitzenwerten zwischen dem ersten Magnetsensor 3 und dem zweiten Magnetsensor 4 in der in 7C veranschaulichten Weise ausgleichen.
Die Differenz kann jedoch auch durch Änderung der Verstärkung des ersten Verstärkers 6 oder des zweiten Verstärkers 7 ausgeglichen bzw. verringert oder mit Hilfe der Winkelsignalverarbeitungseinrichtung bzw. Winkelberechnungseinrichtung 5 justiert werden. Durch die Ausbildung des ersten Magnetsensors 3 und des zweiten Magnetsensors 4 in einem Chip vereinfacht sich ihre Anordnung. Darüber hinaus kann die Signalerzeugung der Magnetsensoren auf einfache Weise eingestellt bzw. justiert werden, da sie den gleichen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Erschütterungen ausgesetzt sind.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht auch die Möglichkeit, die Magnetsensoren 3, 4 anstelle der Magnetscheiben 21, 22 zu drehen. Darüber hinaus kann als Magnetsensor auch ein magnetisches Widerstandselement bzw. magnetoresistives Element (Feldplattenelement) anstelle des Hall-Elements Verwendung finden. Ferner kann die Magnetscheibe auch durch eine elektromagnetische Scheibe mit einer Magnetspule ersetzt werden.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messeinrichtung auch bei anderen Vorrichtungen als einem Drosselklappen-Stellungssensor Verwendung finden, wie z.B. bei einem Kurbelwellen-Stellungssensor oder einem Roboter-Manipulatorarmsensor.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine Drehwinkel-Messeinrichtung zur Messung des Drehwinkels eines ersten Bauelements in Relation zu einem zweiten Bauelement vorgeschlagen, die eine an dem ersten Bauelement angebrachte Magneteinheit und zwei Magnetsensoren (3, 4) aufweist, die an dem zweiten Bauelement zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet sind. Die Magneteinheit umfasst zwei scheibenförmige Platten (21, 22), die in einem vorgegebenen Axialabstand die gleichen Magnetpole (N, S) in den gleichen Umfangspositionen und eine zur Halterung der scheibenförmigen Platten (21, 22) mittig angeordnete Achse (1) aus magnetischem Material aufweisen, sodass die Magneteinheit in einem Bereich um die Achse (1) herum zwischen den beiden scheibenförmigen Platten (21, 22) ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt, wobei die beiden Magnetsensoren (3, 4) in diesem Bereich angeordnet sind.

Claims

Drehwinkel-Messeinrichtung zur Messung des Drehwinkels eines ersten Bauelements in Relation zu einem zweiten Bauelement, mit einer an dem ersten Bauelement angebrachten Magneteinheit und zwei Magnetsensoren (3, 4), die an dem zweiten Bauelement zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet sind, wobei die Magneteinheit zwei scheibenförmige Platten (21, 22) umfasst, die in einem vorgegebenen Axialabstand die gleichen Magnetpole in den gleichen Umfangspositionen und eine zur Halterung der scheibenförmigen Platten (21, 22) mittig angeordnete Achse (1) aus magnetischem Material aufweisen, sodass die Magneteinheit in einem Bereich um die Achse (1) herum zwischen den beiden scheibenförmigen Platten (21, 22) ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt, und die beiden Magnetsensoren (3, 4) in diesem Bereich in der Mitte von sowohl der Axialrichtung als auch der Radialrichtung angeordnet sind.
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Magnetsensoren (3, 4) jeweils eine Sensorfläche aufweisen, die zur Achse der Drehbewegung ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Magnetsensoren (3, 4) derart in einem Chip angeordnet sind, dass einer der Magnetsensoren (3, 4) eine erste Sensorfläche aufweist, die zu der Achse der Drehbewegung ausgerichtet ist, und der andere Magnetsensor eine zweite Sensorfläche aufweist, die in einer senkrecht zu der ersten Sensorfläche verlaufenden Richtung ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 3, mit einer Einrichtung zum Abgleichen von Spitzenwerten der Ausgangssignale der beiden Magnetsensoren (3, 4).
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung eine Anordnung zur Neigung eines der beiden Magnetsensoren umfasst.
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden scheibenförmigen Platten (21, 22) jeweils einen Permanentmagneten umfassen, der in diametraler Richtung zur Ausbildung ungleichnamiger Magnetpole (N, S) magnetisiert ist.
Drehwinkel-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Magneteinheit den Bereich bereitstellt, der durch die Achse (1) und die zwei scheibenförmigen Platten (21, 22) definiert ist, und magnetische Kraftlinien in dem Bereich parallel zu den scheibenförmigen Platten (21, 22) ausgerichtet sind.