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Die
Erfindung betrifft ein Drehwinkelerfassungsgerät, das einen Drehwinkel eines
drehenden Objekts erfasst.
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Gewöhnlich wird
ein Drehwinkel eines drehenden Objekts durch ein Drehwinkelerfassungsgerät erfasst,
das aus einem permanent magnetischen Rotor, der mit dem drehenden
Objekt verknüpft
ist, einem Paar von magnetischen Sensorelementen, die entsprechend
um den permanenten magnetischen Rotor vorgesehen sind, um voneinander
in der Drehrichtung beabstandet zu sein, bestimmt ist, wie in der JP-A-2004-271495 oder deren
Gegenstück
US 2004/0164733 A1 offenbart ist. Wenn das drehende Objekt dreht,
erfassen die magnetischen Sensorelemente eine Änderung in einem Magnetfeld,
das durch den permanenten magnetischen Rotor erzeugt wird, und stellen
dabei Signale bereit, die den Drehwinkel des drehenden Objekts betreffen.
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Da
die magnetischen Sensorelemente in der Drehrichtung voneinander
beabstandet sind, ist es schwierig, die magnetischen Sensorelemente
genau zu positionieren. Mit anderen Worten kann der zwischen zwei
magnetischen Sensorelementen ausgebildete Winkel nicht ein erwünschter
Winkel sein, und die Einstellrichtungen von zwei magnetischen Sensorelementen
können
nicht die gewünschten
Richtungen sein, oder es kann ein Temperaturunterschied zwischen
zwei magnetischen Sensorelementen entstehen. Als Ergebnis können die
magnetischen Sensorelemente Signale erzeugen, die einen Fehler bei dem
zu erfassenden Drehwinkel verursachen können.
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Deswegen
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Drehwinkelerfassungsgerät bereit zu
stellen, das den Drehwinkel eines drehenden Objekts genau erfassen
kann, und das eine neue Struktur aufweist, in der ein Paar von magnetischen
Sensorelementen in eine einzelne Einheit eingebaut ist.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung hat ein Drehwinkelerfassungsgerät eine Felderzeugungseinrichtung
zum Erzeugen von magnetischen Feldern in Reaktion auf die Drehung
eines drehenden Objekts, einen magnetischen Sensor, der zumindest ein
Paar von nahe zueinander eingebauten magnetischen Sensorelementen
hat, die bei einer Position um die Felderzeugungseinrichtung vorgesehen
sind, so dass eines der Sensorelemente ein Magnetfeld bei einer
Phase fühlt,
die von der Anderen unterschiedlich ist; und eine Jocheinrichtung,
die um die Felderzeugungseinrichtung zum Ausbilden von zwei magnetischen
Pfaden vorgesehen ist, die einander bei dem magnetischen Sensor
schneiden.
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Da
die zwei magnetischen Sensorelemente sehr nahe aneinander vorgesehen
sind, ist es möglich,
diese in einer Einheit einstückig
auszuführen,
so dass der Winkel zwischen den zwei Elementen und die Einstellrichtungen
von diesen genau ausgebildet sein können. Zusätzlich besteht zwischen zwei Hall-Elementen
nur ein geringer Temperaturunterschied.
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In
dem obigen Drehwinkelerfassungsgerät ist der magnetische Sensor
bevorzugt auf einem Chip ausgebildet. Die Jocheinrichtung kann eine
Vielzahl von ersten Jochen haben, die in einer Umfangsrichtung bei
Zwischenräumen
vorgesehen sind, um einen ersten magnetischen Pfad auszubilden,
und ein zweites Joch, das um die inneren Joche vorgesehen ist, um
einen zweiten magnetischen Pfad auszubilden, der den ersten magnetischen
Pfad bei einem der Zwischenräume
schneidet. Der magnetische Sensor ist in einem der Zwischenräume vorgesehen. Das
zweite Joch kann einen Vorsprung aufweisen, der zu dem magnetischen
Sensor hin vorspringt. Jeder der Zwischenräume kann den gleichen Abstand aufweisen.
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Außerdem kann
das obige Drehwinkelerfassungsgerät einen anderen magnetischen
Sensor haben, der ein Paar von nahe zueinander eingebauten magnetischen
Sensorelementen hat, die bei einer anderen Position um die Felderzeugungseinrichtung vorgesehen
sind. Eines der Sensorelemente ist bevorzugt bei einem Winkel von
90° zu dem
anderen vorgesehen.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Kennzeichen der Erfindung wie auch die Funktion
der betreffenden Teile der Erfindung werden aus einer Studie der
folgenden ausführlichen
Beschreibung, der anhängenden
Ansprüche
und der Zeichnungen deutlich werden. In den Zeichnungen zeigt:
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1A eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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1B eine
Querschnitts-Längsansicht
des Drehwinkelerfassungsgeräts
gemäß der ersten
Ausführungsform
entlang der Strichpunktlinie B-B in 1A;
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2 ein
schematisches Diagramm, das eine magnetische Sensoreinheit darstellt;
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3 ein
Diagramm, das ein Verhältnis
zwischen dem Drehwinkel des drehenden Objekts und dem Ausgangssignal
der magnetischen Fühleinheit zeigt;
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4 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der vierten
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung;
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8 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung;
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9A eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der siebten Ausführungsform
der Erfindung;
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9B eine
Querschnitts-Längsansicht
des Drehwinkelerfassungsgeräts
gemäß der siebten Ausführungsform
entlang der Strichpunktlinie B-B in 9A;
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10 eine
Querschnitts-Längsansicht
eines Drehwinkelerfassungsgeräts
gemäß der achten Ausführungsform
der Erfindung;
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11 eine
Querschnitts-Längsansicht
eines Drehwinkelerfassungsgeräts
gemäß der neunten Ausführungsform
der Erfindung; und
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12 eine
Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der zehnten Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung wird mit Bezug auf 1A bis 3 beschrieben.
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Wie
aus 1A und 1B ersichtlich
ist, ist ein Drehwinkelerfassungsgerät 10 um eine drehende
welle 12 eingestellt, die mit einem drehenden Objekt (nicht
gezeigt) verknüpft
ist. Das Drehwinkelerfassungsgerät 10 ist
aus einem ringförmigen
Permanentmagneten 20, vier bogenförmigen magnetischen inneren
Jochen 30, einem allgemein zylindrischen, magnetischen äußeren Joch 40 und
einem magnetischen Sensor 50 bestimmt.
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Der
ringförmige
Permanentmagnet 20 ist magnetisiert, um parallel zu einer
seiner radialen Richtungen zu polarisieren, und an dem Umfang der drehenden
Welle 12 befestigt. Die vier inneren Joche 30 sind
um den Permanentmagneten 20 in gleichen Abständen vorgesehen,
so dass bei Abständen
von 90° Zwischenräume 32 ausgebildet
werden können. Mit
anderen Worten ist jeder der Zwischenräume 32 um den Permanentmagneten 20 gegenüber oder 180° von dem
anderen der Zwischenräume 32 positioniert.
Das zylindrische äußere Joch 40 ist
um die inneren Joche 30 vorgesehen. Das äußere Joch 40 weist
vier Vorsprünge 42 auf,
von denen jeder zu einem der Zwischenräume 32 vorspringt.
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Der
magnetische Sensor 50 ist ein Ein-Chip Halbleiterelement,
das in einem der Zwischenräume 32 vorgesehen
ist, um so den Vorsprüngen 42 und den
Seitenflächen
der inneren Joche 30 gegenüber zu sein, die den magnetischen
Sensor 50 zwischen sich einfügen. Wie aus 2 ersichtlich
ist, besteht der magnetische Sensor 50 aus einem Paar Hall-Elementen 52,
die rechtwinklig zueinander vorgesehen sind, um entsprechend die
magnetische Flussdichte des Magnetfelds in Richtungen rechtwinklig
zueinander zu fühlen,
und dabei die Richtung eines verbundenen Magnetfelds zu erfassen.
Mit anderen Worten sind die zwei Hall-Elemente 52 sehr
nahe aneinander vorgesehen. Entsprechend kann der Winkel von 90° zwischen
den zwei Hall-Elementen 52 und die Einstellrichtungen von
diesen genau ausgebildet werden. Zusätzlich besteht nur ein geringer
Temperaturunterschied zwischen den zwei Hall-Elementen.
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Die
inneren Joche 30 und die äußeren Joche 40, mit
einem der Vorsprünge,
der dem magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, bilden magnetische
Pfade 200, 202 aus, die einander bei dem Sensor 50 in
einem Winkel von 90° schneiden,
wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
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Wenn
ein drehendes Objekt dreht und die drehende Welle 12 mit
dem Permanentmagneten 20 dreht, fühlt das Paar Hall-Elemente 52 des
magnetischen Sensors 50 die magnetische Flussdichte in den
magnetischen Pfaden 200, 202 und gibt Ausgabesignale
ab, die ein Sinus-Spannungssignal und ein Kosinus-Spannungssignal
sind, wie aus 3 ersichtlich ist.
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Unter
der Annahme, dass: der Drehwinkel θ ist sind die Ausgangssignale
der magnetischen Sensoren Va, Vb; ein Koeffizient, der die Empfindlichkeit des
magnetischen Sensors betrifft, ist k; die magnetische Flussdichte
des Verbundmagnetfelds ist B; und eine Menge von zu den Hall-Elementen zugeführten Stroms
I ist, können
die Ausgabesignale Va, Vb und der Drehwinkel θ ausgedrückt werden wie folgt. Va = kBI sin θ (1) Vb = kBI sin (θ + 90) =
kBI cos θ (2) Va/Vb = sin θ/cos θ = tan θ (3) θ = arctan (Va/Vb) (4)
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Somit
kann der Drehwinkel θ des
drehenden Objekts genau erfasst werden.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 60 gemäß der zweiten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Übrigens
bezeichnen im Folgenden die gleichen Bezugszeichen das gleiche oder
im wesentlichen das gleiche Teil, Abschnitt oder Bauteil.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, ist ein weiterer magnetischer
Sensor 50' in
einem anderen Zwischenraum 32 vorgesehen, der 180° von dem
ersten magnetischen Sensor 50 angeordnet ist. Mit diesem zusätzlichen
magnetischen Sensor 50' kann
eine Variation des Ausgangssignals von jedem der magnetischen Sensoren 50, 50' einfach durch
das Kombinieren der Ausgangssignale von beiden magnetischen Sensoren 50 und 50' korrigiert
werden. Der zusätzliche
magnetische Sensor kann in einem Zwischenraum vorgesehen sein, der
nicht 180° von
dem ersten magnetischen Sensor entfernt ist. Ebenfalls können zwei
oder mehr zusätzliche
Sensoren verwendet werden.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 70 gemäß der dritten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 70 ist
an Stelle von vier Stück
bogenförmigen
inneren Jochen 30 der ersten Ausführungsform und dem äußeren Joch 40,
das vier Vorsprünge 42 darauf
aufweist, aus zwei Stück
bogenförmigen
inneren Jochen 72 und einem äußeren Joch 76 bestimmt,
das zwei Vorsprünge 78 aufweist,
um ein Paar von Zwischenräumen 74 bereit
zu stellen, um so um den Permanentmagneten 20 gegenüber oder
180° entfernt
von dem anderen positioniert zu werden. Die inneren Joche 72 und
das äußere Joch 76 mit
einem der Vorsprünge 78,
der dem magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, bilden magnetische
Pfade 200, 202 aus, um einander bei dem Sensor 50 bei
einem Winkel von 90° zu schneiden,
wie mit gestrichelten Linien dargestellt ist.
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Es
ist einfacher, die inneren Joche 72 zusammen zu bauen als
in der ersten Ausführungsform.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 80 gemäß der vierten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 6 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 80 ist
aus zwei Stück
bogenförmigen
inneren Jochen 30 bestimmt, von denen jedes das Gleiche
ist wie das innere Joch 30 der ersten Ausführungsform,
und einem äußeren Joch 76,
das zwei Vorsprünge 78 aufweist, um
einen Zwischenraum 32 bereit zu stellen, um so um den Permanentmagneten 20 gegenüber oder 180° von dem
anderen entfernt positioniert zu sein. Die inneren Joche 30 und
das äußere Joch 76 mit
einem der Vorsprünge 78,
die dem magnetischen Sensor 50 gegenüber liegen, bilden magnetische
Pfade 200, 202 aus, um bei dem Sensor 50 einander
in einem Winkel von 90° zu
schneiden, wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
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Es
ist ebenfalls einfacher die inneren Joche 30 zusammen zu
bauen als in der ersten Ausführungsform.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 90 gemäß der fünften Ausführungsform
wird mit Bezug auf 7 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 90 ist
aus einem einzelnen Stück
eines bogenförmigen
inneren Jochs 30 bestimmt, das das Gleiche ist, wie das
innere Joch 30 der ersten Ausführungsform, und einem äußeren Joch 76,
das zwei Vorsprünge 78 aufweist, um
so um den Permanentmagneten 20 gegenüber oder 180° von dem
anderen entfernt positioniert zu sein. Das innere Joch 30 und
das äußere Joch 76, von
dem einer der Vorsprünge 78 dem
magnetischen Sensor gegenüber
liegt, bilden magnetische Pfade 200, 202 aus,
um einander bei dem Sensor 50 bei einem Winkel von 90° zu schneiden,
wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
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Es
ist viel einfacher, die inneren Joche 30 zusammen zu bauen
als in der ersten Ausführungsform.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 100 gemäß der sechsten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 8 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 100 ist
an Stelle des zylindrischen Äußeren Jochs 40,
das vier Vorsprünge 42 aufweist
aus vier Stück
bogenförmiger
innerer Joche 30 bestimmt, um vier Zwischenräume 32 bereit
zu stellen, und aus einem halbzylindrischen äußeren Joch 102, das
um den Permanentmagneten 20 drei Vorsprünge 104 bei Abständen von 90° positioniert
aufweist. Die inneren Joche 30 und das äußere Joch 102 mit
einem der Vorsprünge 104, der
dem magnetischen Sensor 50 gegenüberliegt, bilden magnetische
Pfade 200, 202 aus, um einander bei dem Sensor 50 in
einem Winkel von 90° zu schneiden,
wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 110 gemäß der siebenten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 9A und 9B beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 110 ist
aus vier Stück
bogenförmiger
innerer Joche 30 zum Bereitstellen von vier Zwischenräumen 32 und
einem zylindrischen äußeren Joch 112 bestimmt,
das ein Paar von Vorsprüngen 114 aufweist,
die bei Abständen
von 180° um
den Permanentmagneten 20 positioniert sind. Die inneren
Joche 30 und das äußere Joch 112 mit
einem der Vorsprünge 114,
der dem magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, bilden magnetische
Pfade 200, 202 aus, um einander bei dem Sensor 50 in
einem Winkel von 90° zu
schneiden, wie durch gestrichelte Linien in 9A dargestellt
ist.
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Das äußere Joch 112 ist
dünner
als das innere Joch 30, um Leitungsdrähte aufzunehmen, die von dem
Magnetsensor 50 ausgehen, wie aus 9B ersichtlich
ist.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 120 gemäß der achten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 10 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 120 ist
aus vier Stück
bogenförmigen
ersten Jochen 122, die bei einer Seite des Permanentmagneten 20 in
Abständen
von 90° positioniert
sind, um vier Zwischenräume bereit
zu stellen, und einem zylindrischen zweiten Joch 124, das
bei der Seite der ersten Joche gegenüber dem Permanentmagneten 20 vorgesehen
ist, bestimmt. Das zweite Joch weist vier Vorsprünge 126 auf, die sich
axial zu den Zwischenräumen
der ersten Joche 122 bei Abständen von 90° erstrecken. Die ersten Joche 122 und
das zweite Joch 126 mit einem der Vorsprünge 126,
der dem magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, bilden magnetische
Pfade, die einander bei dem Sensor 50 in einem Winkel von
90° schneiden.
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Da
die ersten und die zweiten Joche axial von dem Permanentmagneten 20 verschoben
sind, kann der Außendurchmesser
des Drehwinkelerfassungsgeräts
reduziert werden.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 130 gemäß der neunten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 11 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 130 ist
aus vier Stück
bogenförmigen
ersten Jochen 132, die bei Abständen von 90° um den Permanentmagneten 20 positioniert
sind, um vier Zwischenräume
auszubilden, und einem zylindrischen zweiten Joch 134,
das bei einer Seite der ersten Joche 132 vorgesehen ist, bestimmt.
Das zweite Joch 134 weist vier Vorsprünge 136 auf, die sich
bei Abständen
von 90° axial
zu den Zwischenräumen
der ersten Joche 132 erstrecken. Die ersten Joche 132 und
das zweite Joch 134, von dem ein Vorsprung 136 dem
magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, bilden magnetische
Pfade, die einander bei dem Sensor 50 in einem Winkel von
90° schneiden.
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Da
die zweiten Joche axial von dem Permanentmagneten 20 verschoben
sind, kann der Außendurchmesser
des Drehwinkelerfassungsgeräts
reduziert werden.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät 140 gemäß der zehnten
Ausführungsform
wird mit Bezug auf 12 beschrieben.
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Das
Drehwinkelerfassungsgerät 140 ist
aus vier Stück
bogenförmigen
inneren Joche 142, die in Abständen von 90° um den Permanentmagneten 20 positioniert
sind, um vier Zwischenräume 144 bereit zu
stellen, vier Hilfsjochen 160, die zwischen dem Permanentmagneten 20 und
den inneren Jochen 142 vorgesehen sind, um einem der Zwischenräume 144 gegenüber zu liegen,
und einem zylindrischen äußeren Joch 150,
das um die inneren Joche 142 vorgesehen ist, bestimmt.
Das äußere Joch 150 weist
vier Vorsprünge 152 auf,
die sich bei Abständen von
90° axial
zu den Zwischenräumen
der inneren Joche 142 erstrecken. Die inneren Joche 142,
das äußere Joch 150,
von dem einer der Vorsprünge 152 dem
magnetischen Sensor 50 gegenüber liegt, und eines eines
Paars der Hilfsjoche 160 bilden magnetische Pfade 200, 202,
die einander bei dem Sensor 50 in einem Winkel von 90° schneiden.
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Die
Hilfsjoche 160 sind wirkungsvoll, um die Stärke des
Magnetfelds zu erhöhen.
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In
den obigen Ausführungsformen
sind in einem Chip des magnetischen Sensors 50 ein Paar Hall-Elemente 52 bei
einem Winkel von 90° zueinander
vorgesehen. Der Winkel kann auf einen anderen Winkel als 90° geändert werden.
Der magnetische Sensor 50 kann aus drei oder mehr Hall-Elementen oder magnetischen
Wiederstandselementen bestimmt sein.
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In
der voranstehenden Beschreibung der Erfindung wurde die Erfindung
mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen
offenbart. Es wird jedoch deutlich, dass verschiedene Modifikationen
und Änderungen
bei den bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung gemacht werden können,
ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er gemäß der anhängenden
Ansprüche
definiert ist. Entsprechend ist die Beschreibung der Erfindung als
darstellend und nicht als einschränkend auszulegen.
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Ein
Drehwinkelerfassungsgerät,
das einen Drehwinkel eines drehenden Objekts erfasst, hat einen
Permanentmagneten, der magnetische Felder in Erwiderung auf eine
Drehung des drehenden Objekts erzeugt, einen magnetischen Sensor,
ein erstes Joch und ein zweites Joch. Der magnetische Sensor hat ein
Paar von nahe zueinander eingebauten magnetischen Sensorelementen,
wie zum Beispiel Hall-Elemente, die bei einer Position um den Permanentmagneten
so vorgesehen sind, dass eines der Sensorelemente ein Magnetfeld
bei einer Phase fühlt,
die von dem anderen unterschiedlich ist. Das erste Joch und das
zweite Joch bilden zwei magnetische Pfade aus, die einander bei
dem magnetischen Sensor schneiden.