DE102007000440A1

DE102007000440A1 - Drehwinkelerfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007000440A1
Application number: DE102007000440A
Authority: DE
Inventors: Kouichirou Kariya Matsumoto; Takashi Kariya Kawashima; Osamu Nishio Shimomura
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20080048651A1; US7663360B2; JP2008051638A; JP5021253B2

Abstract

Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90) enthält ein Magnetelement (12, 82) zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, einen Magnetsensor (20) zur Erfassung einer Änderung im Magnetfeld, wenn sich das Magnetelement (12, 82) relativ zum Magnetsensor um eine Drehachse (200) dreht. Der Magnetsensor (20) ist an einer einzelnen Position angeordnet und enthält ein Paar von Sensorelementen (22, 22'). Das Paar der Sensorelemente (22, 22') ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse (200) ist, so dass Erfassungsoberflächen (23, 23') der Sensorelemente (22, 22') einen Winkel von 90 Grad zueinander haben, und dass jede der Erfassungsoberflächen (23, 23') um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden (202) geneigt ist, die die Drehachse (200) rechtwinklig schneidet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehwinkelerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels eines rotierenden Objekts, wie einer Kurbelwelle eines Motors oder eines Lenkrads eines Fahrzeugs.
Die Druckschrift JP-2003-75108-A offenbart eine Drehwinkelerfassungseinrichtung. Bei dieser Drehwinkelerfassungseinrichtung wird eine Änderung im Magnetfeld, die durch eine Drehung eines Permanentmagnetrotors verursacht wird, durch ein Paar magnetischer Sensorelemente zum Bereitstellen eines Paars von Ausgangssignalen erfasst. Die Ausgangssignale werden in trigonometrische Funktionen zur Berechnung des Drehwinkels des rotierenden Objekts umgewandelt.
Eine Verringerung der Größe einer derartigen Drehwinkelerfassungseinrichtung ist allerdings schwierig, da die Sensorelemente des Sensorelementpaars um den Umfang eines Permanentmagnetrotors voneinander entfernt angeordnet sind.
Außerdem ist es schwierig, das Paar der Sensorelemente entlang des Umfangs des Permanentmagnetrotors aufgrund einer Vibration genau zu positionieren, wenn die Drehwinkelerfassungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen installiert ist. Wie in 18 gezeigt ist die Magnetflussdichteverteilung um einen Permanentmagnetrotor 400 nicht gleichmäßig. Demnach kann eines der Sensorelemente eine Änderung in der Magnetflussdichte erfassen, die von der des anderen Sensorelements unterschiedlich ist, wenn die Sensorelemente nicht genau positioniert sind. Da ein derartiges Sensorelement sein Ausgangssignal mit einer Änderung der Temperatur um den Sensor ändert, kann der Magnetsensor ferner ein ungenaues Ausgangssignal bereitstellten, wenn die eines der Sensorelemente umgebende Temperatur von der das andere Sensorelement umgebenden Temperatur verschieden ist.
Ist ein Paar von Magnetsensorelementen 412, 412' in eine Einheit 410 integriert, die sich an einer Position entlang des Umfangs des Permanentmagnetrotors 400 wie in 16 gezeigt befindet, kann die Größe der Drehwinkelerfassungseinrichtung verringert werden. In diesem Fall ist das erste Sensorelement 412 derart angeordnet, dass seine erste Sensoroberfläche 413 senkrecht zu einer Geraden sein kann, die die Rotationsachse 404 des Permanentmagnetrotors 400 rechtwinklig schneidet, und das zweite Sensorelement 412' ist derart angeordnet, dass seine zweite Sensoroberfläche 413' senkrecht zur ersten Sensoroberfläche 413 sein kann.
Allerdings stellen die Sensorelemente 412, 412' Ausgangssignale bereit, deren Amplitude voneinander wie in 17 gezeigt verschieden ist, wenn sich der Permanentmagnetrotor 400 dreht, da die Sensorelemente 412, 412' sich jeweils im Magnetfeld unterschiedlicher Magnetflussdichte befinden. Daher ist es schwierig, die Ausgangssignale genau in trigonometrische Funktionen zu konvertieren.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer kompakten und genauen Drehwinkelerfassungseinrichtung.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Drehwinkelerfassungseinrichtung ein Magnetelement zum Bereitstellen eines Magnetfeldes, einen Magnetsensor zur Erfassung einer Änderung im Magnetfeld, wenn sich das Magnetelement relativ zum Magnetsensor um eine Drehachse dreht, wobei der Magnetsensor an einer einzelnen Position angeordnet ist und ein Paar von Sensorelementen enthält, das Paar der Sensorelemente in einer imaginären Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse ist, so dass Erfassungsoberflächen der Sensorelemente einen 90 Grad Winkel zueinander bilden, und jede der Erfassungsoberflächen um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden geneigt ist, die die Drehachse rechtwinklig schneidet.
So kann eine kompakte Drehwinkelerfassungseinrichtung ausgebildet werden. Außerdem kann ein Temperaturunterschied zwischen dem Paar der Sensorelemente minimiert werden.
Selbst wenn der Magnetsensor vom Permanentmagnetrotor verschoben wird, ändern sich die Ausgangssignale des Paars der Sensorelemente gleichermaßen, so dass der Drehwinkel genau erfasst werden kann.
Wird angenommen, dass die durch einen Magnetsensor 410 erfassten maximalen Magnetflussdichten A und B sind, wobei der Magnetsensor 410 ein Paar von Magnetsensorelementen 412, 412' wie in 16 gezeigt umfasst, werden die Magnetflussdichten B₀x, B₀y, die bei einer Drehung eines Permanentmagnetrotors 400 um einen Winkel θ relativ zum Magnetsensor 410 erfasst werden, wie folgt ausgedrückt: B0x = A × sin θ (1) B0y = A × cos θ (2)
Andererseits ist das Paar von Sensorelementen (beispielsweise 22, 22'), wie beispielsweise in den 1A und 1B gezeigt, an einem IC-Baustein (beispielsweise 20) angeordnet, der in einer imaginären Ebene senkrecht zur Drehachse (beispielsweise 200) des Permanentmagnetrotors (beispielsweise 12) platziert ist, so dass ihre Erfassungsoberflächen (beispielsweise 23, 23') so angeordnet sind, dass sie einen Winkel von 90 Grad zueinander haben, und dass jede der Erfassungsoberflächen um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden (beispielsweise 202) gekippt ist, die die Drehachse (beispielsweise 200) des Permanentmagnetrotors rechtwinklig schneidet.
Die Magnetflussdichten B₁x, B₁y, die durch ein Paar von Magnetsensorelementen gemäß der Erfindung erfasst werden, sind wie folgt ausgedrückt: B1x = B0x × cos 45° + B0y × sin 45° (3) B1y = –B0x × sin 45° + B0y × cos 45° (4)
Anhand der Ausdrücke (1) bis (4) werden B₁x, B₁y wie folgt ausgedrückt: B1x = B0x/(21/2) + B0y/(21/2) = A × sin θ/(21/2) – B × cos θ/(21/2) = ((A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + β) (5) B1y = –B0x/(21/2) + B0y/(21/2) = –A × sin θ/(21/2) – B × cos θ/(21/2) = ((A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + γ) (6)
Aus den Ausdrücken (5) und (6) ist ersichtlich, dass selbst dann, wenn die maximalen Werte A, B der Ausgangssignale des Paars der Magnetsensorelemente 412, 412' des in 16 gezeigten Magnetsensors 410 voneinander verschieden sind, die maximalen Werte der Ausgangssignale des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' des erfindungsgemäßen Magnetsensors 20 einander gleich sind (d.h. (A² + B²)/2)^1/2). Das heißt, die Amplituden der Ausgangssignale des Paars der Sensorelemente 22, 22' sind zueinander gleich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Permanentmagnetrotor aus einem scheibenförmigen oder zylindrischen Element gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Paar von Magnetsensorelementen integral auf einem einzelnen Baustein gebildet. Daher kann der Winkel zwischen den Sensoroberflächen der Sensorelemente genau auf einen Winkel von 90 Grad eingestellt werden.
Aus dem Ausdruck (5) können die folgenden Ausdrücke gebildet werden: sin β = –B/(A2 + B2)1/2 (7) cos β = A/(A2 + B2)1/2 (8)daher β = cos–1 (A/(A2 + B2)1/2) (9)und aus dem Ausdruck (6) kann der folgende Ausdrück gebildet werden: sin γ = –B/(A2 + B2)1/2 (10) cos γ = –A/(A2 + B2)1/2 (11)daher γ = cos–1 (–A/(A2 + B2)1/2) = 180° – β (12)
Somit kann die Phasendifferenz (β – γ) zwischen den Ausgangssignalen des Paars der Magnetsensorelemente wie folgt ausgedrückt werden: (β – γ) = (180° – β) = 2 × (β – 90°) (13)
Wie aus dem Ausdruck (13) ersichtlich, ist die Differenz in der Phase zwischen den Ausgangssignalen der zwei Magnetsensorelemente nicht gleich 90°. Aus den Ausdrücken (9) und (12) ist auch ersichtlich, dass die Phasendifferenz (β – γ) in dem in 16 gezeigten Aufbau sich mit einer Änderung der maximalen Werte A, B ändert.
Im in 16 gezeigten herkömmlichen Aufbau ändern sich die maximalen Werte A, B der Magnetflussdichten, die durch das Paar der Magnetsensorelemente 412, 412' erfasst werden, wenn die Position des Magnetsensors 410 in radialer Richtung verschoben wird.
Andererseits ändert sich der maximale Wert der Magnetflussdichte im erfindungsgemäßen Aufbau, der durch jedes Magnetsensorelement 22, 22' des Paars erfasst wird, selbst dann nicht, wenn die Position des Magnetsensors in radialer Richtung verschoben wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Sensorelement ein Hall-Element.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Drehwinkelerfassungseinrichtung ferner eine Einrichtung zur Berechnung eines Drehwinkels des rotierenden Objekts durch Umwandeln der Ausgangssignale der Sensorelemente in trigonometrische Funktionen. Die Einrichtung zur Berechnung eines Drehwinkels kann die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen auf einen Winkel von 90 Grad anpassen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und aus den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich. Es zeigen:
1A eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1B eine vergrößerte Darstellung eines Magnetsensors der in 1A gezeigten Drehwinkelerfassungseinrichtung;
2 eine Seitenansicht der Drehwinkelerfassungseinrichtung von einem Abschnitt II in 1A aus betrachtet;
3 eine grafische Darstellung eines Paars von Ausgangssignalkurven eines Paars von Magnetsensorelementen der Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn ein zugehöriger Permanentmagnetrotor eine volle Drehung durchführt;
4 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen dem Drehwinkel und trigonometrischen Funktionen;
5 eine grafische Darstellung von Ausgangssignalkurven der Magnetsensorelemente, wenn der Permanentmagnetrotor eine volle Drehung durchführt, in einem Fall, dass die Magnetsensorelemente aus einer normalen Position verschoben sind;
6A eine grafische Darstellung von Ausgangssignalkurven der Magnetsensorelemente, wenn der Permanentmagnetrotor eine volle Drehung durchführt, in einem Fall, dass die Magnetsensorelemente aus einer normalen Position verschoben sind;
6B eine grafische Darstellung von Abweichungen im Drehwinkel, wenn die Magnetsensorelemente aus einer normalen Position verschoben sind;
7A eine grafische Darstellung von Ausgangssignalkurven der Magnetsensorelemente, nachdem die Phasendifferenz angepasst wurde;
7B eine grafische Darstellung von Abweichungen im Drehwinkel, wenn die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen des Paars der Magnetsensorelemente angepasst wird;
8 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen der Phasendifferenz in den Ausgangssignalen und Abweichungen im Drehwinkel;
9A eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9B eine vergrößerte Darstellung eines Paars von Magnetsensorelementen der in 9A gezeigten Drehwinkelerfassungseinrichtung;
10A eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10B eine vergrößerte Darstellung eines Paars von Magnetsensorelementen der in 10A gezeigten Drehwinkelerfassungseinrichtung;
11A eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11B eine vergrößerte Darstellung eines Paars von Magnetsensorelementen der in 11A gezeigten Drehwinkelerfassungseinrichtung;
12A eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12B eine Seitenansicht der Drehwinkelerfassungseinrichtung vom Abschnitt B in 12A aus betrachtet;
13 eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 eine Draufsicht einer Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 eine grafische Darstellung eines Unterschieds in einer Erfassungsrichtung des Magnetflusses zwischen dem herkömmlichen Magnetsensor und dem Magnetsensor gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung;
16 eine Draufsicht einer herkömmlichen Drehwinkelerfassungseinrichtung;
17 eine grafische Darstellung eines Paars von Ausgangssignalkurven eines Magnetsensors der Drehwinkelerfassungseinrichtung eines Konzeptaufbaus, wenn ein zugehöriger Permanentmagnetrotor eine volle Drehung durchführt; und
18 eine schematische Darstellung von Magnetfeldern, die in und um einen Magnetrotor gebildet werden.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 10 ist mit einem sich drehenden Objekt verbunden, wie einer Motorkurbelwelle oder einem Lenkrad eines Fahrzeugs, um den Drehwinkel der Kurbelwelle oder des Lenkrads zu erfassen. Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 10 umfasst einen scheibenförmigen Permanentmagnetrotor 12, einen (nachstehend als Hall-IC bezeichneten) Magnetsensor 20 und eine (nachstehend als ECU bezeichnete) elektronische Steuereinheit 30. Der Permanentmagnetrotor 12 ist aus einem Paar halbrunder Permanentmagnete und einer Drehwelle 14 gebildet, die um ihre Drehachse 200 rotiert. Der Permanentmagnetrotor 12 ist wie in 18 gezeigt in radialer Richtung magnetisiert.
Der Hall-IC 20 ist an einem Ort entlang des Umfangs des Permanentmagnetrotors 12 angeordnet. Der Hall-IC 20 umfasst ein Paar von Hall-Elementen 22, 22' und die ECU 30, um die ECU mit den Ausgangssignalen der Hall-Elemente 22, 22' zu versorgen. Die ECU 30 kann allerdings vom Hall-IC getrennt vorgesehen sein.
Jedes der Hall-Elemente 22, 22' weist eine Magnetsensoroberfläche 23, 23' auf und ist zum Platzieren in einer imaginären Ebene eingerichtet, die senkrecht zur Drehachse 200 ist, so dass die Magnetsensoroberfläche 23 um einen Winkel von 45 Grad zu einer Normalen 202 gekippt ist, die die Drehachse 200 des Permanentmagnetrotors 12 rechtwinklig schneidet, wie es in den 1A, 1B gezeigt ist, und dass die Magnetsensoroberflächen 23, 23' des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' mit einem Winkel von 90 Grad zueinander positioniert sind. Daher sind die Hall-Elemente 22, 22' symmetrisch hinsichtlich der Normalen 202 angeordnet.
Die ECU 30 enthält eine CPU, ein ROM, ein EEPROM usw., so dass die ECU 30 einen Drehwinkel eines rotierenden Objekts aus den Ausgangssignalen des Hall-IC 20 unter Verwendung eines Drehwinkelberechnungsprogramms berechnen kann, das im EEPROM oder im ROM gespeichert ist.
Ein Drehwinkel eines rotierenden Objekts wird aus den Ausgangssignalen der Hall-Elemente auf eine der folgenden Arten berechnet.
(Berechnung 1)
Dreht sich der Permanentmagnetrotor 12 relativ zu den Hall-Elementen 22, 22' des Hall-IC 20 um einen Drehwinkel θ, werden Magnetflussdichten B₁x, B₁y, die durch das Paar der Hall-Elemente 22, 22' erfasst werden, anhand der Ausdrücke (5), (6) und (12) wie folgt ausgedrückt: B1x = V × sin (θ + β) (20)wobei V ein maximaler Wert der durch die Magnetsensorelemente erfassten Magnetdichte bzw. gleich ((A² + B²)/2)^1/2 ist. B1y = V × sin (θ + γ) = V × sin (θ + (180° – β)) = –V × sin (θ – β) (21) B1x + B1y = V × sin (θ + β) – V × sin (θ – β) = 2V × cos θ sin β (22) B1x – B2y = V × sin (θ + β) + V × sin (θ - β) = 2V × sin θ cos β (23)
Dann ergibt sich der folgende Ausdruck aus den Ausdrücken (22) und (23): (B1x + B1y)/(B1x – B1y) = sin θ cos β/cos θ sin β = tan θ cot βdaher θ = tan–1 (tan β × (B1x + B1y)/(B1x – B1y)) (24),was in 4 gezeigt ist.
(Berechnung 2)
Werden die maximalen Flussdichten A und B zuvor gemessen, kann der Drehwinkel θ wie folgt ausgedrückt werden: θ = –tan–1 (–(B/A) × (B1x – B1y)/(B1x + B1y) (30)
(Berechnung 3)
Da tan β = cot (90° – β), kann der Ausdruck (24) wie folgt geschrieben werden: θ = tan–1 (cot (90 – β) × (B1x + B1y)/(B1x – B1y)) (40)
Unter der Annahme, dass die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' α ist, ergibt sich α = β – γ = –(180° – 2β).
Daher ist –α/2 = 90° – β (41)
Der folgende Ausdruck ergibt sich aus den Ausdrücken (40) und (41): θ = tan–1 (cot (–α/2) × (B1x – B1y)/(B1x + B1y)) = –tan–1 (cot (α/2) × (B1x – B1y)/(B1x + B1y)) (42)
(Berechnung 4)
Ist der Hall-IC 20 in einer radialen Richtung vom Permanentmagnetrotor 12 verschoben, ändert sich die Phase jedes der Ausgangssignale 300, 310 des Paars der Hall-Elemente 22, 22' wie in 5 gezeigt. Erhöht sich die Phasendifferenz zwischen zwei Ausgangssignalen auf einen Winkel von nahezu 90 Grad, wird die Abweichung des Drehwinkels kleiner, wie in 8 gezeigt. Ist die Phasendifferenz viel kleiner als ein Winkel von 90 Grad, ändert sich die Abweichung des Drehwinkels wie in 6B gezeigt. Allerdings ist die Abweichung des Drehwinkels kleiner als im vorhergehenden Fall, wie in 7B gezeigt, wenn die Phasendifferenz 90 Grad beträgt. Im Übrigen zeigen gestrichelte Linien in den 6A und 7A die Ausgangssignale der Hall-Elemente 22, 22', wenn der Hall-IC 20 verschoben ist.
In diesem Fall wird die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Hall-Elemente 22, 22' auf einen Winkel von 90 Grad unter Verwendung einer Abbildung angepasst.
So kann der Drehwinkel anhand einer der vorstehend angeführten Arten der Berechnung berechnet werden.
(Temperaturkennlinienkorrektur)
Werden Temperaturkennlinien der Sensorelemente berücksichtigt, kann der Drehwinkel wie folgt berechnet werden.
Es wird angenommen, dass (i) die durch die in 16 gezeigten Magnetsensorelemente 412, 412' erfassten Magnetflussdichten B₂x, B₂y sind, (ii) die durch die in 1 gezeigten Magnetsensorelemente 22, 22' erfassten Magnetflussdichten B₃x, B₃y sind, (iii) der Phasenwinkel der Magnetsensorelemente β3, γ3 ist, und (iv) der Temperaturkennlinienkoeffizient der Magnetsensorelemente k(t) ist, wodurch der folgende Ausdruck aus den Ausdrücken (1), (2), (5) und (6) gebildet werden kann: B2x = k(t) × B0x = A × k(t) × sin θ (50) B2y = k(t) × B0y = –B × k(t) × cos θ (51) B3x = B2x/(21/2) + B2y/(21/2) = A × k(t) × sin θ/(21/2) – B × k(t) × cos θ/(21/2) = k(t) × (A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + β3) (52) B3y = B2x/(21/2) + B2y/(21/2) = A × k(t) × sin θ/ (21/2) – B × k(t) × cos θ/(21/2) = k(t) × (A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + γ3) (53)
Dann ergibt sich der folgende Ausdruck aus dem Ausdruck (52): cos β3 = A/(A2 + B2)1/2
Daher kann der folgende Ausdruck aus den Ausdrücken (8) und (9) gebildet werden: β3 = cos–1 (A/(A2 + B2)1/2) = β (54)
Der folgende Ausdruck kann aus dem Ausdruck (53) gebildet werden: cos γ3 = A/(A2 + B2)1/2
Der folgende Ausdruck kann ferner aus den Ausdrücken (11) und (12) gebildet werden: γ3 = cos–1 (–A/(A2 + B2)1/2) = γ = 180 – β (55)
Aus den Ausdrücken (52) bis (55) ist ersichtlich, dass die Phasenwinkel der Ausgangssignale der Magnetsensorelemente 22, 22' sich nicht ändern, obwohl die Amplitude der Ausgangssignale mit k(t) multipliziert ist. Das heißt, die Phasendifferenz zwischen den Magnetsensorelementen 22, 22' wird sich nicht ändern.
Der folgende Ausdruck kann aus den Ausdrücken (5), (6) und (52) bis (55) gebildet werden: B3x = k(t) × (A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + β3) = k(t) × B1x (56) B3y = k(t) × (A2 + B2)/2)1/2 × sin (θ + γ3) = k(t) × B1y (57)
Werden B₁x und B₁y im Ausdruck (24) jeweils in B₃x und B₃y geändert, und die Ausdrücke (56) und (57) dafür eingesetzt, wird der Drehwinkel θ wie folgt ausgedrückt: θ = tan–1 (tan β × (B3x – B3y)/B3x + B3y)) = tan–1 (tan β × k(t) × (B1x – B3y)/(k(t) × B1x + B1y)) = tan–1 (tan β × (B1x – B3y)/(B1x + B1y)) (58)
Selbst wenn sich die Temperatur um die Magnetsensorelemente ändert, ändert sich der Drehwinkel θ daher nicht.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 9A und 9B gezeigt.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 umfasst ein Paar von Hall-Elementen 22, 22'. Jedes der Hall-Elemente 22, 22' weist eine Magnetsensoroberfläche 23 bzw. 23' auf und ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse 200 des Permanentmagnetrotors 12 ist, so dass jede der Magnetsensoroberflächen 23, 23' um einen Winkel von 45 Grad zu einer Normalen 202 geneigt ist, die die Drehachse 200 rechtwinklig schneidet, und so dass die Magnetsensoroberflächen 23, 23' des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' mit einem 90 Grad Winkel zwischen sich positioniert sind. Daher sind die Hall-Elemente 22 hinsichtlich der Geraden 202 symmetrisch angeordnet.
Allerdings sind die Sensoroberflächen 23, 23' auf den Permanentrotor 12 gerichtet. Das heißt, die Sensoroberflächen schauen in eine Richtung, die entgegengesetzt der Richtung der Sensoroberflächen des ersten Ausführungsbeispiels ist.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 10A, 10B beschrieben.
Wie in den 10A und 10B gezeigt, enthält die Drehwinkelerfassungseinrichtung 50 ein Paar von Hall-Elementen 22, 22'. Jedes Hall-Element 22, 22' weist eine Magnetsensoroberfläche 23 bzw. 23' auf und ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse 200 des Permanentmagnetrotors 12 ist, so dass jede Magnetsensoroberfläche 23, 23' um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden 202 geneigt ist, die die Drehachse 200 rechtwinklig schneidet, und dass die Magnetsensoroberflächen 23, 23' des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' mit einem 90 Grad Winkel zwischen sich positioniert sind. Allerdings sind die Hall-Elemente 22, 22' nicht symmetrisch hinsichtlich der Geraden 202, sondern symmetrisch hinsichtlich einer Geraden 204 positioniert, die sich parallel zu einer Tangente des äußeren Umfangs des Permanentmagnetrotors 12 erstreckt, die die Gerade 202 rechtwinklig schneidet.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 60 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 11A und 11B gezeigt.
Jedes Hall-Element 22, 22' ist auf die gleiche Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel positioniert, abgesehen davon, dass die Sensoroberflächen 23, 23' in die entgegengesetzte Richtung schauen.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 12A und 12B beschrieben.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 70 enthält ein Paar von Hall-Elementen 22, 22'. Jedes Hall-Element 22, 22' weist eine Magnetsensoroberfläche 23 bzw. 23' auf und ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse 200 des Permanentmagnetrotors 12 ist, so dass jede Magnetsensoroberfläche 23, 23' um einen Winkel von 45 Grad zu der Normalen 202 geneigt ist, die die Drehachse 200 rechtwinklig schneidet, und so dass die Magnetsensoroberflächen 23, 23' des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' mit einem Winkel von 90 Grad zwischen sich positioniert sind. Daher sind die Hall- Elemente 22, 22' symmetrisch hinsichtlich der Geraden 202 angeordnet. Allerdings ist der Hall-IC 20 nicht an einer Position entlang des Umfangs des Permanentmagnetrotors 12, sondern an einer oberen Position und innerhalb des Umfangs des Permanentmagnetrotors 12 angeordnet.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 80 enthält ein Paar von Hall-Elementen 22, 22' und einen ringförmigen Permanentmagnetrotor 82, der von dem scheibenförmigen Permanentmagnetrotor 12 dahingehend verschieden ist, dass der Magnetrotor 82 aus einem Paar bogenförmiger Permanentmagnete aufgebaut ist. Jedes Hall-Element 22, 22' weist eine Magnetsensoroberfläche 23 bzw. 23' auf und ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse 200 des Permanentmagnetrotors 82 ist, so dass jede Magnetsensoroberfläche 23, 23' mit einem Winkel von 45 Grad zur Normalen 202 geneigt ist, die die Drehachse 200 rechtwinklig schneidet, und so dass die Magnetsensoroberflächen 23, 23' des Paars der Magnetsensorelemente 22, 22' mit einem Winkel von 90° zwischen sich positioniert sind. Daher sind die Hall-Elemente 22, 22' symmetrisch hinsichtlich der Geraden 202 positioniert.
Eine Drehwinkelerfassungseinrichtung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 14 beschrieben.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 90 hat den gleichen Aufbau wie die des sechsten Ausführungsbeispiels abgesehen davon, dass der Hall-IC 20 an einer oberen Position und im Umfang des Permanentmagnetrotors 82 positioniert ist.
Im Übrigen können die Hall-Elemente 22, 22' separat ausgebildet werden. Der ringförmige Permanentmagnet 82 kann anstatt dem Paar der bogenförmigen Permanentmagnete aus einem Paar kurzer balkenförmiger Permanentmagnete und einem Paar bogenförmiger Elemente gebildet werden, die die Permanentmagnete tragen.
Eine erfindungsgemäße Drehwinkelerfassungseinrichtung enthält ein Magnetelement zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, einen Magnetsensor zur Erfassung einer Änderung im Magnetfeld, wenn sich das Magnetelement relativ zum Magnetsensor um eine Drehachse dreht. Der Magnetsensor ist an einer einzelnen Position angeordnet und enthält ein Paar von Sensorelementen. Das Paar der Sensorelemente ist in einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse ist, so dass Erfassungsoberflächen der Sensorelemente einen Winkel von 90 Grad zueinander haben, und dass jede der Erfassungsoberflächen um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden geneigt ist, die die Drehachse rechtwinklig schneidet.

Claims

Drehwinkelerfassungseinrichtung (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90) mit: einem Magnetelement (12, 82) zur Bereitstellung eines Magnetfeldes, einem Magnetsensor (20) zur Erfassung einer Änderung im Magnetfeld, wenn sich das Magnetelement (12, 82) relativ zum Magnetsensor um eine Drehachse (200) dreht, wobei der Magnetsensor (20) an einer einzelnen Position angeordnet ist und ein Paar von Sensorelementen (22, 22') umfasst, wobei das Paar der Sensorelemente (22, 22') in einer imaginären Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (200) ist, so dass Erfassungsoberflächen (23, 23') der Sensorelemente (22, 22') einen Winkel von 90 Grad zueinander haben, und wobei jede der Erfassungsoberflächen (23, 23') um einen Winkel von 45 Grad zu einer Geraden (202) geneigt ist, die die Drehachse (200) rechtwinklig schneidet.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetelement (12, 82) einen scheibenförmigen Permanentmagneten oder einen ringförmigen Permanentmagneten umfasst.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Sensorelement (22, 22') ein Hall-Element ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Paar der Sensorelemente (22, 22') integral auf einem IC-Baustein (20) gebildet ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer Einrichtung (30) zur Berechnung eines Drehwinkels eines sich drehenden Objekts durch Umwandeln der Ausgangssignale der Sensorelemente (22, 22') in trigonometrische Funktionen.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (30) zur Berechnung eines Drehwinkels zur Anpassung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen auf einen Winkel von 90 Grad eingerichtet ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (30) zur Berechnung eines Drehwinkels zur Berechnung des Drehwinkels beruhend auf den beiden Ausgangssignalen und dem Phasenwinkel eines der Ausgangssignale eingerichtet ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (30) zur Berechnung eines Drehwinkels zur Berechnung des Drehwinkels beruhend auf den beiden Ausgangssignalen und einer Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen eingerichtet ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei beruhend auf der Annahme, dass ein erster maximaler Wert des Ausgangssignals eines ersten der Sensorelemente, das in der imaginären Ebene senkrecht zur Drehachse (200) angeordnet ist, so dass seine Erfassungsoberfläche parallel zu der Geraden (202) ist, die die Drehachse (200) schneidet, A ist, und ein maximaler Wert des Ausgangssignals des zweiten der Sensorelemente, das in der imaginären Ebene senkrecht zur Drehachse (200) angeordnet ist, so dass seine Erfassungsoberfläche senkrecht zur Erfassungsoberfläche des ersten der Sensorelemente ist, B ist, die Einrichtung (30) zur Berechnung eines Drehwinkels zur Berechnung des Drehwinkels beruhend auf A, B und der beiden Ausgangssignale der Sensorelemente eingerichtet ist.