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Die Erfindung betrifft ein Drehwinkelerfassungsgerät, das einen Drehwinkel eines drehenden Objekts erfasst, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dessen Merkmale z.B. aus der Druckschrift JP H04- 212 016 A bekannt sind.
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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 2004 -
271 495 A oder deren Gegenstück
US 2004 / 0 164 733 A 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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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Drehwinkelerfassungsgerät nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden gemäß den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
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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 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:
- 1A eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 1B eine Querschnitts-Längsansicht des Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der ersten Ausführungsform entlang der Strichpunktlinie B-B in 1A;
- 2 ein schematisches Diagramm, das eine magnetische Sensoreinheit darstellt;
- 3 ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen dem Drehwinkel des drehenden Objekts und dem Ausgangssignal der magnetischen Fühleinheit zeigt;
- 4 eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
- 7 eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung;
- 8 eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung;
- 9A eine Querschnitts-Draufsicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung;
- 9B eine Querschnitts-Längsansicht des Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der siebten Ausführungsform entlang der Strichpunktlinie B-B in 9A;
- 10 eine Querschnitts-Längsansicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung;
- 11 eine Querschnitts-Längsansicht eines Drehwinkelerfassungsgeräts gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung; und
- 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.
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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 Widerstandselementen 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 den anhängenden Ansprüchen definiert ist.
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Entsprechend ist die Beschreibung der Erfindung als darstellend und nicht als einschränkend auszulegen.
