DE102006000231A1

DE102006000231A1 - Magnetischer Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102006000231A1
Application number: DE102006000231A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Kariya Itho; Takamitsu Kariya Kubota; Yoshiyuki Kariya Kono
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US7161349B2; DE102006000231A8; FR2886007A1; JP2006349665A; JP4797716B2; US20060261804A1

Abstract

In einem magnetischen Drehwinkelsensor (10) zur Erfassung eines Drehwinkels eines Erfassungsziels (40) deckt ein Joch (12) Außenumfänge eines Magneten (20) und einer Hall-Vorrichtung (30) ab. Der Magnet (20) oder die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) dreht sich zusammen mit dem Erfassungsziel (40). Die Hall-IC (30) ist zu einer Drehmitte (100) des Erfassungsziels (40) radial verschoben. Die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) weist eine Erfassungsoberfläche (32) auf, die parallel zu einer von einer tangentialen Richtung oder einer Normalenrichtung eines Drehkreises (110) ist. Der Magnet (20) ist in der einen der tangentialen Richtung und der Normalenrichtung des Drehkreises (110) magnetisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Erfassungsziels.

Gemäß dem Stand der Technik wird ein magnetischer Drehwinkelsensor vorgeschlagen, der einen Drehwinkel eines Erfassungsziels erfasst, indem ein Magnet oder eine Magneterfassungsvorrichtung zusammen mit einem Erfassungsziel gedreht werden, um eine Magnetflussrichtungsänderung oder eine Magnetflussdichte zu erfassen (siehe beispielsweise auch US-Patent Nr. 6,646,435 und sein Pendant JP-2001-91208-A, die nachstehend als Referenz 1 bezeichnet werden, und US-Patente Nr. 6,137,288, Nr. 6,417,664, Nr. 6,472,865, Nr. 6,509,734, Nr. 6,956,368 und ihr Pendant JP-3411523-B2, die nachstehend als Referenz 2 bezeichnet werden).

Bei dem magnetischen Drehwinkelsensor gemäß Referenz 1 ist eine Magneterfassungsvorrichtung bei einer Innenumfangsseite eines Magneten angebracht, der in einer radialen Richtung eines Drehkreises eines Erfassungsziels magnetisiert ist, wobei sie zu einem Mittelpunkt des Drehkreises verschoben ist. Ein Joch deckt Außenumfänge des Magneten und der Magneterfassungsvorrichtung ab. Ein Drehwinkelbereich des Erfassungsziels, in dem das Ausgangssignal der Magneterfassungsvorrichtung linear ist, wird ausgeweitet, indem ein Winkel des magnetischen Flusses, der durch die Magneterfassungsvorrichtung erfasst wird, in Bezug auf den Drehwinkel des Erfassungsziels verkleinert wird.

Bei dem magnetischen Drehwinkelsensor gemäß Referenz 2 dreht sich eine Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung zusammen mit einem Erfassungsziel, wobei sie bei einer zu einer Drehmitte radial verschobenen Position eingebaut ist, relativ zu einem Magneten, der in einer im wesentlichen Halbkreisform ausgebildet ist und in einer radialen Richtung eines Drehkreises des Erfassungsziels magnetisiert ist. Die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung erfasst die Magnetflussdichte, die entsprechend einer Drehung des halbkreisförmigen Magneten variiert, um einen Drehwinkel des Erfassungsziels zu erfassen.

Wie es jedoch in 12 gezeigt ist, kann bei dem magnetischen Drehwinkelsensor gemäß Referenz 1, wenn eine magnetoresistive Vorrichtung als die Magneterfassungsvorrichtung verwendet wird, der Drehwinkel lediglich in einem Bereich erfasst werden, der kleiner als maximal 180 Grad ist, auch wenn das Ausgangssignal der magnetoresistiven Vorrichtung über einem ausgeweiteten Drehwinkelbereich linear ist. Wenn eine Hall-Effekt-Vorrichtung als die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung verwendet wird, wird der Magnetflusswinkel mit einem Verhältnis zwischen Ausgangssignalen von zwei Hall-Effekt-Vorrichtungen berechnet. Dieser Aufbau vergrößert die Anzahl von Teilen und erhöht die Herstellungskosten. Ferner weist der magnetische Drehwinkelsensor einen derartigen Magnetkreisaufbau auf, dass die Magneterfassungsvorrichtung bei der Innenumfangsseite des Magneten angebracht ist, und das Joch die Außenumfänge des Magneten und der Magneterfassungsvorrichtung abdeckt. Dementsprechend ist der Magnet näher bei dem Joch als es die Magneterfassungsvorrichtung ist. Der magnetische Fluss, der durch den Magneten erzeugt wird, fließt mehr zu dem Joch als zu der Magneterfassungsvorrichtung bei diesem Magnetkreisaufbau, was eine Schwierigkeit dahingehend verursacht, dass ein Ausgangspegel der Magneterfassungsvorrichtung verkleinert wird. Die Magnetflussgröße, die durch den Magneten erzeugt wird, kann vergrößert werden, indem der Magnet in einer großen Größe ausgebildet wird, wobei dies jedoch eine andere Schwierigkeit dahingehend verursacht, dass die Gesamtgröße des magnetischen Drehwinkelsensor heraufgesetzt wird.

Der magnetische Drehwinkelsensor gemäß Referenz 2 weitet einen Drehwinkelbereich des Erfassungsziels, in dem das Ausgangssignal der Magneterfassungsvorrichtung linear ist, im Unterschied zu Referenz 1 nicht aus. Das heißt, wie es in einem Spannungserfassungssignalverlaufsgraphen gemäß 4B oder 3B gemäß Referenz 2 gezeigt ist, ist der Drehwinkelbereich des Erfassungsziels, in dem das Ausgangssignal der Magneterfassungsvorrichtung linear ist, um durch die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung erfasst zu werden, kleiner als 180 Grad. Ferner ist die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung bei einem Drehweg des halbkreisförmigen Magneten angebracht, so dass die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung eine Bewegung des Magneten behindert. Somit ist der Drehwinkelbereich des Magneten mechanisch begrenzt.

Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten gemacht worden und hat zur Aufgabe, einen kleinen magnetischen Drehwinkelsensor bereitzustellen, bei dem sich ein Magnet und eine Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung bezüglich einer relativen Drehung einander nicht behindern, und bei dem ein Drehwinkel eines Erfassungsziels erfasst werden kann, ohne die Anzahl von Magnetflussdichteerfassungsvorrichtungen zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird durch einen magnetischen Drehwinkelsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der magnetische Drehwinkelsensor einen Magneten, der einen magnetischen Fluss erzeugt, eine Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung, die eine Magnetflussdichte des magnetischen Flusses erfasst, und ein Joch auf, das Außenumfänge des Magneten und der Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung abdeckt. Der Magnet oder die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung dreht sich zusammen mit dem Erfassungsziel. Die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung ist zu einem Drehmittelpunkt des Erfassungsziels radial verschoben. Die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung weist eine Erfassungsoberfläche auf, die parallel zu einer von einer tangentialen Richtung und einer Normalenrichtung eines Drehkreises des Erfassungsziels ist. Der Magnet ist in einer der tangentialen Richtung und der Normalenrichtung des Drehkreises magnetisiert und ist bei einer Innenumfangsseite der Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung angebracht, um von dem Drehmittelpunkt radial verschoben zu sein.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie Verfahren zum Betrieb und die Funktion der betreffenden Teile werden aus einem Studium der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, der beigefügten Patentansprüche und der Zeichnung, die alle einen Teil dieser Anmeldung bilden, besser ersichtlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung, die einen Aufbau eines magnetischen Drehwinkelsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
2A eine Querschnittsansicht, die den magnetischen Drehwinkelsensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
2B eine weitere Querschnittsansicht, die den magnetischen Drehwinkelsensor zeigt und die entlang einer Linie B-B gemäß 2A entnommen ist,
3 eine schematische Darstellung, die eine Versatzentfernung einer Hall-IC des magnetischen Drehwinkelsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
4 einen Graphen, der eine Ausgangskennlinie der Hall-IC zeigt, die mit der Versatzentfernung verbunden ist,
5A einen Graphen, der ein Drehwinkelkomponentenausgangssignal und ein Lückenkomponentenausgangssignal der Hall-IC bezüglich eines Drehwinkels zeigt,
5B einen Graphen, der ein gemischtes Ausgangssignal der Hall-IC bezüglich des Drehwinkels zeigt,
6 einen Graphen, der eine Retroversion bzw. Rückwärtsneigung in der Magnetflussdichtekennlinie zeigt, die durch die Hall-IC erfasst wird,
7 einen schematische Darstellung, die ein analytisches Modell des elektromagnetischen Drehwinkelsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
8 einen Graphen, der eine Magnetflussdichtekennlinie, die durch die Hall-IC erfasst wird, eine Näherungsgerade der Magnetflussdichtekennlinie und eine Linearität der Magnetflussdichte, die durch die Hall-IC erfasst wird, zeigt,
9 einen Graphen, der eine Maximale-Linearität-Kennlinie der Magnetflussdichte zeigt, die durch die Hall-IC erfasst wird,
10 einen Graphen, der Maximale-Linearität-Kennlinien der Magnetflussdichte durch eine Näherungsgleichung und eine analytische Magnetfeldsimulation zeigt,
11 ein schematisches Diagramm, das einen Aufbau eines magnetischen Drehwinkelsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und
12 einen Graphen, der eine Ausgangskennlinie eines herkömmlichen Drehwinkelsensors bezüglich eines Drehwinkels zeigt.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
In 1 ist ein magnetischer Drehwinkelsensor 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der magnetische Drehwinkelsensor 10 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Erfassungsziels, wie beispielsweise eines Drosselventilelements. Der magnetische Drehwinkelsensor 10 weist ein Joch 12, einen Magneten 20 und eine Hall-IC 30 auf, die ein Beispiel einer Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Eine Hall-Effekt-Vorrichtung kann die Hall-IC 30 ersetzen. Das Joch 12 deckt Außenumfänge des Magneten 20 und der Hall-IC 30 ab.
Das Joch 12 ist aus einem magnetischen Material in einer zylindrischen Form ausgebildet. Der Magnet 20 ist ein Dauermagnet, der sich integral mit dem Erfassungsziel dreht und bei einer zu einer Drehmitte 100 des Erfassungsziels radial verschobenen Position angebracht ist. Der Magnet 20 ist entlang eines Drehkreises des Erfassungsziels magnetisiert. Die Hall-IC 30 ist bei einer zu der Drehmitte 100 radial verschobenen Position angebracht. Die Hall-IC 30 befindet sich bei einer Außenumfangsseite eines Drehpfades 110 des Magneten 20, was dem Drehkreis des Erfassungsziels entspricht, um eine Drehung des Magneten 20 nicht zu behindern. Eine Erfassungsoberfläche 32 der Hall-IC 30 ist parallel zu einer tangentialen Richtung des Drehkreises des Erfassungsziels. Die Hall-IC 30 erfasst die Magnetflussdichte, die durch die Erfassungsoberfläche 32 hindurchgeht. Eine Größe der Magnetflussdichte, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, variiert entsprechend einem Drehwinkel des Magneten 20 und einer Entfernung zwischen dem Magneten 20 und der Hall-IC 30.
In den 2A und 2B ist der Aufbau des magnetischen Drehwinkelsensors 10 im Detail gezeigt. Der Magnet 20 ist in einen Harzrotor 22 mittels Einformen eingebettet. Der Harzrotor 22 ist integral mit einer Welle bzw. Achse 40 der Drosselvorrichtung verbunden, so dass sich der Harzrotor 22 zusammen mit der Achse 40 dreht. Ein Harzgehäuse 14 und eine Harzabdeckung 18 decken den Rotor 22 ab. In dem Gehäuse 14 ist eine konkave Oberfläche 15 ausgebildet, die sich in einem Gleitkontakt mit einer konvexen Vorderendeoberfläche 23 des Rotors 22 befindet. Eine Feder 24 drückt die Vorderendeoberfläche 23 des Rotors 22 zu der konkaven Oberfläche 15 des Gehäuses 14. Das Joch 12 und die Hall-IC 30 sind in dem Gehäuse 14 mittels Einformen eingebettet. Anschlüsse 16 befinden sich in einem elektrischen Kontakt mit der Hall-IC 30, um ein Ausgangssignal der Hall-IC 30 nach außen zu führen.
Ein Betrieb des magnetischen Drehwinkelsensors 10 ist nachstehend beschrieben. Wie es vorstehend beschrieben ist, sind der Magnet 20 und die Hall-IC 30 jeweils von der Drehmitte 100 in der radialen Richtung verschoben. Die Hall-IC 30 ist bei einer Außenumfangsseite des Magneten 20 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist der Magnet 20 bei einer Innenumfangsseite der Hall-IC 30 angeordnet. Wie es in 3 gezeigt ist, sind in dieser Anordnung der Drehwinkel α des Erfassungsziels, das heißt ein Drehwinkel des Magneten 20 um die Drehmitte 100, und ein Magnetflusserfassungswinkel β der Hall- IC 30, den der Magnet 20 mit der Hall-IC 30 bildet, wenn der Magnet 20 um den Drehwinkel α gedreht wird, in einer Beziehung gemäß α > β. Wenn die Hall-IC 30 bei der Drehmitte 100 angeordnet ist, ist α gleich β (α = β), wie es durch eine doppelpunktierte Strichlinie in 3 gezeigt ist, wobei eine Ausgangskennlinie der Hall-IC 30 aussieht, wie es in einem oberen Graphen gemäß 4 gezeigt ist. Wenn α größer als β ist (α > β), sieht die Ausgangskennlinie der Hall-IC 30 aus, wie es in einem unteren Graphen gemäß 4 gezeigt ist. Ein Drehwinkel zum Maximieren des Ausgangssignals der Hall-IC 30 ist näher bei +180 Grad als der bei einer Bedingung von (α = β), die in dem oberen Graphen gemäß 4 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise ist ein Drehwinkel zum Minimieren des Ausgangssignals der Hall-IC 30 näher bei –180 Grad als der bei der Bedingung von (α = β). Als Ergebnis weist das Ausgangssignal der Hall-IC 30 eine große Linearität in einem breiteren Drehwinkelbereich auf. Dementsprechend weitet eine Bedingung von α > β einen Erfassungswinkelbereich aus, in dem die Hall-IC 30 den Drehwinkel des Erfassungsziels erfassen kann.
Die Erfassungswinkelbereichsvergrößerung, die durch die zu der Drehmitte 100 radial verschobene Anordnung der Hall-IC 30 bereitgestellt wird, kann auf andere Weise wie nachstehend beschrieben erklärt werden. Der Magnet 20 ist in einer tangentialen Richtung des Drehkreises des Erfassungsziels oder eines Drehkreises der Achse 40 magnetisiert und die Erfassungsoberfläche 32 der Hall-IC 30 ist parallel zu der tangentialen Richtung des Drehkreises der Achse 40. Dementsprechend weist ein Drehwinkelkomponentenausgangssignal der Hall-IC 30, das auf den Drehwinkel des Magneten 20 zurückzuführen ist und nicht auf die Lückenentfernung zwischen den Magneten 20 und der Hall-IC 30 zurückzuführen ist, eine Kennlinie auf, wie sie in einem oberen Graphen gemäß 5A gezeigt ist, in dem ein Drehwinkel des Magneten 20, der in 1 gezeigt ist, als 0 Grad definiert wird.
Der Magnet 20 dreht sich auf einer Innenumfangsseite der Hall-IC 30. Somit kommt der Magnet 20 der Hall-IC 30 am nächsten, um die Lücke zwischen dem Magneten 20 und der Hall-IC 30 zu minimieren, wenn er um +180 Grad oder um –180 Grad in Bezug auf einen Drehwinkel von 0 Grad, der in 1 gezeigt ist, gedreht wird. Dementsprechend ist eine Lückenkomponentenausgangskennlinie der Hall-IC 30, die auf die Lückenentfernung zwischen dem Magneten 20 und der Hall-IC 30 zurückzuführen ist und nicht auf den Drehwinkel des Magneten 20 zurückzuführen ist, wie es in einem unteren Graphen gemäß 5A gezeigt ist. Der magnetische Drehwinkelsensor 10 gemäß 1 erzeugt ein in 5B gezeigtes, gemischtes Ausgangssignal, das ein Ergebnis des Drehwinkelkomponentenausgangssignals und des Lückenkomponentenausgangssignals ist, die jeweils in 5A gezeigt sind.
Das Lückenkomponentenausgangssignal vergrößert sich allmählich von dem Drehwinkel von 0 Grad zu einem Drehwinkel von +180 Grad oder –180 Grad, was einer Position 120 entspricht, die durch eine doppelpunktierte Strichlinie in 1 angezeigt ist, um den Magneten 20 am nächsten zu der Hall-IC 30 zu bringen. Dementsprechend ist gemäß 5B ein Drehwinkel zum Maximieren des gemischten Ausgangssignals der Hall-IC 30 näher bei +180 Grad als der ohne Berücksichtigung der Lücke, und ein Drehwinkel zum Minimieren des gemischten Ausgangssignals der Hall-IC 30 ist näher bei –180 Grad. Als Ergebnis ist bei dem magnetischen Drehwinkelsensor 10 ein Drehwinkelbereich des Magneten 20, das heißt ein Drehwinkelbereich der Achse 40, in dem das Ausgangssignal der Hall-IC 30 näherungsweise linear ist, wie dies in 5B gezeigt ist, breiter als der des Drehwinkelkomponentenausgangssignals, das in 5A gezeigt ist.
In 6 ist ein Ausgangssignal der Hall- IC 30 durch eine analytische Magnetfeldsimulation gezeigt, wenn der Magnet 20 und die Hall-IC 30 bei Positionen angeordnet sind, die in 1 gezeigt sind. In dem Ausgangssignal durch die analytische Simulation ist der Drehwinkel zum Maximieren des Ausgangssignals des Hall-IC 30 zu +180 Grad verschoben und der Drehwinkel zum Minimieren des Ausgangssignals der Hall-IC 30 ist zu –180 Grad verschoben. Das Ausgangssignal durch die analytische Simulation weist jedoch auf beiden Seiten des Drehwinkels von 0 Grad Retroversionen bzw. Rückwärtsneigungen auf, um die Linearität des Ausgangssignals der Hall-IC 30 zu verringern. Diese Ausgangskennlinie weist eine kleine Linearität auf, so dass der Drehwinkel nicht mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Rückwärtsneigungen in dem Ausgangssignal der Hall-IC 30 zu verkleinern, um die Linearität des Ausgangssignals der Hall-IC 30 zu vergrößern.
Eine Bedingung zur Verkleinerung der Rückwärtsneigung in der Ausgangskennlinie der Hall-IC 30 und zum Verbessern der Linearität der Ausgangskennlinie der Hall-IC 30 kann durch eine analytische Magnetfeldsimulation des Ausgangssignals der Hall-IC 30 mit einem Magnetanalyseprogramm erhalten werden. Es ist jedoch erforderlich, verschiedene Parameter in der analytischen Magnetfeldsimulation mit dem herkömmlichen Magnetfeldanalyseprogramm einzustellen, wobei ein Simulationsvorgang verkompliziert wird und eine Simulationszeit ausgedehnt wird. Von diesem Standpunkt aus haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht, die Bedingung zur Verbesserung der Linearität des Ausgangssignals der Hall-IC 30 mit einem Näherungsausdruck der Magnetflussdichte, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, zu erhalten. Zuerst werden ein Aufbau und eine magnetische Eigenschaft des magnetischen Drehwinkelsensors 10 in einem analytischen Modell, das in 7 gezeigt ist, vereinfacht.
Eine Beziehung zwischen einer Versatzentfernung L des Magneten 20, der zu der Drehmitte 100 radial verschoben ist und einer Versatzentfernung a(L) der Hall-IC 30, die zu der Drehmitte 100 radial verschoben ist, wird als a(L) = L + k ausgedrückt, wobei k eine Konstante bezeichnet, die durch die Abmessungen des Magneten 20 und der Hall-IC 30 bestimmt wird. Es ist wünschenswert, die Hall-IC 30 so nahe wie möglich bei den Magneten 20 innerhalb von Abgrenzungen anzuordnen, in denen die Hall-IC 30 den Magneten 20 während der Drehung des Erfassungsziels nicht behindert. Somit wird die Konstante k auf einen Wert, der so klein wie möglich ist, entsprechend den Abmessungen des Magneten 20 und der Hall-IC 30 eingestellt. Es sei nachstehend angenommen, dass der magnetische Fluss, der sich zu der Hall-IC 30 erstreckt, von einer Mitte des Magneten 20 herstammt.
Nachstehend ist ein Winkelausdruck des magnetischen Flusses, das heißt eine Erfassungswertkomponente des magnetischen Flusses, der von dem Magneten 20 herstammt und zu der Hall-IC 30 fließt, beschrieben, der auf den Drehwinkel θ in einem analytische Modell, das in 7 gezeigt ist, zurückzuführen ist.
Ein Winkel γ, der zwischen einem magnetischen Fluss des Magneten 20, der in einer tangentialen Richtung des Drehpfades 110 magnetisiert ist, und einem magnetischen Fluss, der von einer Mitte des Magneten 20 herstammt und zu der Hall-IC 30 fließt, gebildet wird, wird entsprechend einer Gleichung (1) berechnet. Ein Winkel α(θ, L), der zwischen einer geraden Linie, die durch die Drehmitte 100 und die Mitte der Hall-IC 30 hindurchgeht, und dem magnetischen Fluss, der von der Mitte des Magneten 20 herstammt und zu der Hall-IC 30 fließt, gebildet wird, wird entsprechend einer Gleichung (2) berechnet. γ = 90 – θ + α(θ, L) (1) α(θ, L)= tan– 1(L sinθ/(a(L) + L cosθ)) (2)
Dementsprechend wird die Magnetflussdichte B₀, die von dem Magneten 20 herstammt und zu der Hall-IC 30 fließt, als eine nachstehende Gleichung (3) ausgedrückt, wobei B eine Magnetflussdichte des Magneten 20 bezeichnet, der in der tangentialen Richtung des Drehpfades 110 magnetisiert ist. B0 = B cos(90 – θ + α(θ, L)) (3)
Auf der Grundlage der Gleichung (3) wird eine Magnetflussdichtekomponente B₁, die senkrecht zu der Erfassungsoberfläche 32 der Hall-IC 30 ist und durch diese erfasst wird, als eine nachstehende Gleichung (4) ausgedrückt. B1 = B cos(90 – θ + α(θ, L)) cos(α(θ, L)) (4)
Die Gleichung (4) stellt den Winkelausdruck der Magnetflussdichte dar, die auf einen Drehwinkel θ des Magneten 20 zurückzuführen ist, der durch die Hall-IC 30 erfasst wird.
Nachstehend ist ein Lückenausdruck des magnetischen Flusses, das heißt eine Erfassungswertkomponente des magnetischen Flusses, der von dem Magneten 20 herstammt und zu der Hall-IC 30 fließt, beschrieben, der auf eine Lückenentfernung zwischen dem Magneten 20 und der Hall-IC 30 zurückzuführen ist. Eine Magnetflussdichte, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, ändert sich umgekehrt zu dem Quadrat der Entfernung zwischen dem Magneten 20 und der Hall-IC 30. Ein Kehrwert des Quadrats der Entfernung zwischen den Magneten 20 und der Hall-IC 30 ist als eine nachstehende Gleichung (5) ausgedrückt. 1/((α(L) + L cosθ)2 + L2 sin2θ) (5)
Die Magnetflussdichte B (θ, L), die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, ist ein Produkt des Winkelausdrucks gemäß der Gleichung (4) und des Lückenausdrucks gemäß der Gleichung (5) und wird als eine nachstehende Gleichung (6) ausgedrückt. B(θ, L) = B cos(90 – θ + α(θ, L))cos(α(θ, L))/((a(L) + L cosθ)2 + L2 sin2θ) (6)
Eine Kennlinie der Magnetflussdichte B(θ, L), die durch die Hall-IC 30 zu erfassen ist, wird auf der Grundlage der Gleichung (6) als im Allgemeinen die gleiche wie eine Kennlinie der Magnetflussdichte durch die analytische Magnetfeldsimulation erhalten, wobei ein analytisches Ergebnis hiervon in 6 gezeigt ist. Das heißt, die Kennlinie der Magnetflussdichte B(θ, L), die auf der Gleichung (6) beruht, weist Rückwärtsneigungen bei beiden Seiten des Drehwinkels von 0 Grad auf wie die Kennlinie, die in 6 gezeigt ist. Dementsprechend kann eine Bedingung zur Verringerung der Rückwärtsneigung auf der Grundlage der Gleichung (6) analysiert werden, die die Magnetflussdichte, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, annähert.
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die Versatzentfernung der Hall-IC 30 als a(L) = L + k ausgedrückt, wobei k sich nicht verändert, wenn die Abmessungen des Magneten 20 und der Hall-IC 30 nicht geändert werden. Somit ist die Versatzentfernung a(L) der Hall-IC 30 in Wechselbeziehung mit der Versatzentfernung L des Magneten 20. Das heißt, die Gleichung (6) ist eine Funktion der Versatzentfernung L des Magneten 20 und des Drehwinkels θ. Nachstehend ist ein analytisches Ergebnis der Linearität der Kennlinie der Magnetflussdichte im Detail auf der Grundlage der Gleichung (6) beschrieben, in der die Versatzentfernung L des Magneten 20 ein Parameter ist.
Eine kurvenförmige Linie 200, die in 8 gezeigt ist, zeigt eine magnetflussdichte Kennlinie, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird. Die gerade Linie 202 ist eine angenäherte gerade Linie, die sich an eine kurvenförmige Linie 200 bei einem bestimmten Drehwinkelbereich, der bei 0 Grad zentriert ist, annähert und eine gewünschte Ausgangskennlinie der Hall-IC 30 zeigt. Eine kurvenförmige Linie 204 zeigt einen Prozentsatz einer Linearität einer Vergrößerung und einer Verkleinerung der kurvenförmigen Linie 200 in Bezug auf die gerade Linie 202. Ein kleinerer Prozentsatz der Linearität zeigt eine größere Linearität an, und ein größerer Prozentsatz der Linearität zeigt eine kleinere Linearität an. Nachstehend ist eine Bedingung für eine maximale Linearität ein maximaler Wert des Prozentsatzes der Linearität von 1% oder weniger in einem Drehwinkelbereich, der bei 0 Grad zentriert ist und eine Breite von zumindest 160 Grad aufweist.
In 9 zeigt eine kurvenförmige Linie 210 eine Änderung der maximalen Linearität auf der Grundlage der Gleichung (6), in der die Versatzentfernung L des Magneten 20 in dem Drehwinkelbereich, der bei 0 Grad zentriert ist und eine Breite von 160 Grad aufweist, variiert wird. Wie es in 9 gezeigt ist, wird die maximale Linearität in der Nähe von L = 0,55 mm minimiert, das heißt optimiert und wird 1% oder weniger in einem Versatzbereich von näherungsweise 0,44 mm ≤ L ≤ 0,76 mm. Ein Magnetflussmodell wird in der Analyse der Linearität der Kennlinie der Magnetflussdichte auf der Grundlage der Gleichung (6) vereinfacht. Dementsprechend umfasst das analytische Ergebnis einen Fehler, der größer ist als der bei einer genauen analytischen Magnetfeldsimulation mit einem herkömmlichen Magnetfeldanalyseprogramm. Von diesem Standpunkt aus werden die analytische Magnetfeldsimulationen mit Bedingungen der Versatzentfernungen von L = 0,5 mm, L = 0,55 mm und L = 0,6 mm ausgeführt, um einen Gradienten der Kennlinienkurve in der Nachbarschaft der Versatzentfernung von L = 0,55 mm zu erhalten. Ein optimaler Wert der Linearität in der analytischen Magnetfeldsimulation liegt bei einer größeren Seite der Versatzentfernung von L = 0,55 mm. In 10 zeigt eine kurvenförmige Linie 220 eine Änderung der maximalen Linearität einer angenäherten Kennlinie der Magnetflussdichte auf der Grundlage der analytischen Magnetfeldsimulation, die mit einer Bedingung der Versatzentfernung von größer als L = 0,6 mm ausgeführt wird, bezüglich des vorstehend genannten optimalen Werts der Linearität bei der größeren Seite der Versatzentfernung von L = 0,55 mm. Die kurvenförmige Linie 220 erfüllt die Bedingung der maximalen Linearität von 1% oder weniger näherungsweise bei einem Versatzentfernungsbereich von 0,62 mm ≤ L ≤ 0,88 mm.
Ein Prototyp des magnetischen Drehwinkelsensors 10, der auf dem analytischen Ergebnis der analytischen Magnetfeldsimulation beruht, ist gebaut und ausgewertet worden. Die Prototypenspezifikation des magnetischen Drehwinkelsensors 10 für die Auswertung ist wie nachstehend genannt.
Außendurchmesser des Jochs 12: 11,5 mm
Abmessung der Hall-IC 30: 4,06 mm × 1,5 mm × 4,05 mm
Abmessung des Magneten 20: 2 mm × 2,6 mm × 5,7 mm
Versatzentfernung L des Magneten: 0,62 mm ≤ L ≤ 0,8 mm
Ein Auswertungsergebnis des Prototypen des magnetischen Drehwinkelsensors 10 erfüllt die maximale Linearität von 1% oder weniger in dem Drehwinkelbereich, der bei 0 Grad zentriert ist und eine Breite von 160 Grad aufweist. Dementsprechend kommt es in Betracht, die Versatzentfernung L des Magneten 20 in einem Bereich von 0,0539D ≤ L ≤ 0,0766D auf der Grundlage eines Verhältnisses zwischen dem Außendurchmesser D des Jochs 120 (D = 11,5 mm) und dem Bereich der Versatzentfernung L des Magneten 20 (0,62 mm ≤ L ≤ 0,88 mm) zu spezifizieren.
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist bei dem magnetischen Drehwinkelsensor 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Versatzentfernung L des Magneten 20 in dem Bereich von 0,0539D ≤ L ≤ 0,0766D spezifiziert, so dass die maximale Linearität 1% oder weniger über dem Drehwinkelbereich, der bei 0 Grad zentriert ist und eine Breite von 160 Grad aufweist, ist.
Ferner ist bei dem magnetischen Drehwinkelsensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Magnet 20 bei einer Innenumfangsseite des Jochs 12, um zu der Drehmitte 100 radial verschoben zu sein, und bei der Innenumfangsseite der Hall-IC 30 angeordnet. Somit ist die Entfernung zwischen dem Magnet 20 und dem Joch 12 größer als die Entfernung zwischen der Hall-IC 30 und dem Joch 12. Dementsprechend fließt der magnetische Fluss, der durch den Magneten 20 erzeugt wird, im Vergleich zu einem Aufbau, bei dem der Magnet 20 bei einer Außenumfangsseite der Hall-IC 30 angeordnet ist, mehr zu dem Joch 12, um die Magnetflussgröße, die zu der Hall-IC 30 fließt, zu vergrößern. Als Ergebnis ist es möglich, einen gewünschten Ausgangspegel von der Hall-IC 30 unter Verwendung eines relativ kleinen Magneten 20 zu gewinnen. Dementsprechend kann der magnetische Drehwinkelsensor 10 verkleinert werden.
Des Weiteren ist der Drehwinkel zum Maximieren einer Erfassungsspannung der Hall-IC 30 zu +180 Grad verschoben und der Drehwinkel zum Minimieren der Erfassungsspannung der Hall-IC 30 ist zu –180 Grad verschoben. Somit ist es möglich, den Drehwinkel der Achse 40 über einen Drehwinkelbereich von näherungsweise 300 Grad mit lediglich einer Hall-IC 30 zu erfassen, obwohl die maximale Linearität der Magnetflussdichtekennlinie nicht immer 1% oder weniger ist.
Weiterhin ist die Hall-IC 30 bei der Außenumfangsseite des Magneten 20 angeordnet, so dass die Hall-IC 30 eine Drehung des Magneten 20 nicht behindert. Dementsprechend ist es möglich, den Drehwinkel des Erfassungsziels über dem Drehwinkelbereich zu erfassen, in dem die Hall-IC 30 den Drehwinkel erfassen kann.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
In 11 ist ein elektromagnetischer Drehwinkelsensor 50 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In 11 sind Bauelemente, denen die gleichen Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel zugewiesen sind, im Wesentlichen die gleichen wie diejenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
In dem magnetischen Drehwinkelsensor 50 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Magnet 20 in einer Normalenrichtung bzw. senkrechten Richtung des Drehpfades 110 magnetisiert, der dem Drehkreis des Erfassungsziels entspricht. Die Erfassungsoberfläche 32 der Hall-IC 30 ist parallel zu der Normalenrichtung des Drehpfades 110. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel deckt das Joch 12 die Außenumfänge des Magneten 20 und der Hall-IC 30 ab. Ferner sind sowohl der Magnet 20 als auch die Hall-IC 30 zu der Drehmitte 100 radial verschoben. Der Magnet 20 ist bei der Innenumfangsseite der Hall-IC 30 angeordnet.
Durch die vorstehende beschriebene Magnetisierungsrichtung der Magneten 20 und die Anordnung der Erfassungsoberfläche 32 der Hall-IC 30 sowie den Positionen des Jochs 12, des Magneten 20 und der Hall-IC 30 ist der Drehwinkel des Erfassungsziels zum Maximieren der Erfassungsspannung der Hall-IC 30 zu +180 Grad verschoben und der Drehwinkel zum Minimieren der Erfassungsspannung ist zu –180 Grad verschoben. Somit ist es möglich, einen Drehwinkelerfassungsbereich der Hall-IC 30 mit lediglich einer Hall-IC 30 auszuweiten.
Ferner wird auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Linearität der Magnetflussdichtekennlinie, die durch die Hall-IC 30 erfasst wird, durch Einstellen der Versatzentfernung L des Magneten 20 verbessert. Somit ist es möglich, den Drehwinkel des Erfassungsziels mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dreht sich der Magnet 20 zusammen mit dem Erfassungsziel. Alternativ hierzu kann der elektromagnetische Drehwinkelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen derartigen Aufbau aufweisen, dass sich nicht der Magnet 20, sondern die Hall-IC 30 zusammen mit dem Erfassungsziel dreht.
Wie es vorstehend beschrieben ist, deckt in einem magnetischen Drehwinkelsensor (10) zur Erfassung eines Drehwinkels eines Erfassungsziels (40) ein Joch (12) Außenumfänge eines Magneten (20) und einer Hall-Vorrichtung (30) ab. Der Magnet (20) oder die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) dreht sich zusammen mit dem Erfassungsziel (40). Die Hall-IC (30) ist zu einer Drehmitte (100) des Erfassungsziels (40) radial verschoben. Die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) weist eine Erfassungsoberfläche (32) auf, die parallel zu einer von einer tangentialen Richtung oder einer Normalenrichtung eines Drehkreises (110) ist. Der Magnet (20) ist in der einen der tangentialen Richtung und der Normalenrichtung des Drehkreises (110) magnetisiert.
Die Beschreibung der Erfindung dient lediglich als Beispiel, wobei somit Variationen, die nicht von dem Umfang der Erfindung abweichen, in den Bereich der Erfindung fallen sollen. Derartige Variationen sollen nicht als ein Verlassen des Bereichs der Erfindung angesehen werden.

Claims

Magnetischer Drehwinkelsensor (10) zur Erfassung eines Drehwinkels eines Erfassungsziels (40), wobei der Sensor (10) umfasst: einen Magneten (20), der einen magnetischen Fluss erzeugt, eine Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30), die eine Magnetflussdichte des magnetischen Flusses erfasst, und ein Joch (12), das Außenumfänge des Magneten (20) und der Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) abdeckt, wobei sich der Magnet (20) oder die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) zusammen mit dem Erfassungsziel (40) dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) zu einer Drehmitte (100) des Erfassungsziels (40) radial verschoben ist, die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) einer Erfassungsoberfläche (32) aufweist, die parallel zu einer von einer tangentialen Richtung und einer Normalenrichtung eines Drehkreises (110) des Erfassungsziels (40) ist, und der Magnet (20) in der einen der tangentialen Richtung und der Normalenrichtung des Drehkreises (110) magnetisiert ist und bei einer Innenumfangsseite der Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) angebracht ist, um zu der Drehmitte (100) radial verschoben zu sein.
Magnetischer Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Magnetflussdichteerfassungsvorrichtung (30) eine Hall-Effekt-Vorrichtung ist.
Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnet (20) sich zusammen mit dem Erfassungsziel (40) dreht.
Magnetischer Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das Joch (12) eine näherungsweise zylindrische Form aufweist und eine Versatzentfernung (L) zwischen einer Mitte des Magneten (20) und der Drehmitte (100) eine Beziehung gemäß 0,0539D ≤ L ≤ 0,0766Derfüllt, wobei D einen Außendurchmesser des Jochs (12) bezeichnet.