DE102010003475A1

DE102010003475A1 - Drehwinkel-messgerät und drehzahl-messgerät

Info

Publication number: DE102010003475A1
Application number: DE102010003475A
Authority: DE
Inventors: Mutsumi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-01-13
Also published as: JP2011002311A; US8471552B2; JP5263024B2; CN101929834A; CN101929834B; US20100321006A1

Abstract

Ein Drehwinkel-Messgerät mit hoher Präzision wird durch die elektrische Korrektur des Drehwinkel-Messgeräts durch Drehen der Drehwelle bei konstanter Geschwindigkeit bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkel-Messgerät, das Magnetwiderstandselemente (nachstehend auch als MR-Elemente bezeichnet) verwendet.
Ein solches Drehwinkel-Messgerät, das MR-Elemente verwendet, ist beispielsweise in JP-3799270 offenbart.
Als MR-Elemente sind anisotope Magneto- bzw. Magnetwiderstandselemente (nachstehend als AMR-Elemente bezeichnet) und Riesenmagneto- bzw. Riesenmagnetwiderstandselemente (nachstehend als GMR-Elemente bezeichnet) bekannt. Das allgemeine Prinzip des verwandten Standes der Technik wird nachstehend beschrieben, wobei ein Magnetfeld-Messgerät, das GMR-Elemente verwendet, als Beispiel dient.
2 zeigt den grundlegenden Aufbau eines GMR-Elements. Das GMR-Element umfasst eine erste Magnetschicht (verstiftete Magnetschicht), eine zweite Magnetschicht (freie Magnetschicht) und eine nicht-magnetische Schicht (Abstandsschicht), die zwischen die erste und zweite Magnetschicht eingefügt ist. Wenn das GMR-Element in ein externes Magnetfeld platziert wird, ändert sich die Magnetisierungsrichtung 20 in der freien Magnetschicht in Abhängigkeit von der Ausrichtung des externen Magnetfelds, während die Magnetisierungsrichtung in der verstifteten Magnetschicht unverändert bleibt.
Wenn an das GMR-Element eine Spannung angelegt wird, fließt Strom nach Maßgabe des Elementwiderstands. Der Elementwiderstand variiert in Abhängigkeit von der Differenz Δθ = θ_f – θ_p zwischen der Magnetisierungsrichtung θ_p der verstifteten Magnetschicht und der Magnetisierungsrichtung θ_f der freien Magnetschicht. Dementsprechend kann, wenn die Magnetisierungsrichtung θ_p der verstifteten Magnetschicht zuvor bekannt ist, die Magnetisierungsrichtung θ_f der freien Magnetschicht, d. h. die Ausrichtung des externen Magnetfelds, durch Messen des Widerstands des GMR-Elements und Verwenden der obigen Differenzbeziehung erfasst werden.
Der Mechanismus des Widerstands des GMR-Elements, der sich nach Maßgabe der Beziehung Δθ = θ_f – θ_p ändert, ist wie folgt.
Die Magnetisierungsrichtung in einem Dünnfilm-Magnetfilm hängt mit der Richtung des Elektronenspins im Magnetfilm zusammen. Wenn Δθ = 0, neigt die Spinrichtung einer Mehrheit von Elektronen in der freien Magnetschicht dazu, mit der Spinrichtung einer Mehrheit von Elektronen in der verstifteten Magnetschicht zusammenzufallen. Wenn andererseits Δθ = 180°, neigt die Spinrichtung einer Mehrheit von Elektronen in der freien Magnetschicht dazu, entgegengesetzt zu der Spinrichtung einer Mehrheit von Elektronen in der verstifteten Magnetschicht zu sein.
3A und 3B zeigen schematisch im Querschnitt eine freie Magnetschicht 11, eine Abstandsschicht 12 und eine verstiftete Magnetschicht 13. Pfeile in der freien Magnetschicht 11 und der verstifteten Magnetschicht 13 geben die Spinrichtungen der mehrheitlichen Elektronen an. 3A zeigt den Fall, in dem Δθ = 0, d. h., die Spinrichtung der freien Magnetschicht 11 fällt mit derjenigen der verstifteten Magnetschicht 13 zusammen. 3B zeigt den Fall, in dem Δθ = 180°, d. h., die Spinrichtung der freien Magnetschicht 11 ist entgegengesetzt zu derjenigen der verstifteten Magnetschicht 13. Im Fall von Δθ = 0, wie in 3A gezeigt, sind Elektronen, die die Spinrichtung nach rechts aufweisen und von der verstifteten Magnetschicht 13 freigesetzt werden, weniger häufig in der freien Magnetschicht 11 verstreut, deren mehrheitliche Elektronen die Spinrichtung nach rechts aufweisen und sich entlang eines Wegs wie etwa einer Elektronenflugbahn 810 bewegen. Andererseits sind im Fall von Δθ = 180°, wie in 3B gezeigt, Elektronen, die die Spinrichtung nach rechts aufweisen und von der verstifteten Magnetschicht 13 freigesetzt werden, häufiger in der freien Magnetschicht 11 verstreut, deren mehrheitliche Elektronen die Spinrichtung nach links aufweisen und sich entlang eines Wegs wie etwa einer Elektronenflugbahn 810 bewegen. Auf diese Weise ist, wenn Δθ = 180°, die Elektronenstreuung beträchtlich, so dass der elektrische Widerstand im GMR-Element zunimmt.
Im zwischenliegenden Fall von Δθ = 0~180° wird die Elektronenflugbahn etwas zwischen denjenigen liegend, die in 3A und 3B gezeigt sind. Der Widerstand des GMR-Elements wird bekanntermaßen durch den folgenden Ausdruck dargestellt.
[Ausdruck 1]

R = R'₀ + G / 2 (1 – cosΔθ) = R₀ – G / 2 cosΔθ (1)

Vorliegend wird G/R als der GMR-Koeffizient bezeichnet, der einen Wert von einigen bis mehreren zehn Prozent aufweist.
Wie vorstehend beschrieben, wird das GMR-Element auch als Spin-Ventilvorrichtung bezeichnet, da elektrischer Strom (und damit elektrischer Widerstand) durch das GMR-Element in Abhängigkeit von der Richtung des Elektronenspins gesteuert werden kann.
Des Weiteren kann mit einem Magnetfilm, der eine geringe Filmdicke aufweist (Dünnfilm-Magnetfilme), der Magnetisierungsvektor nicht in der normalen Richtung (Richtung der Filmdicke) aufsteigen und bleibt auf der Ebene der Oberfläche liegen, da der Entmagnetisierungsfaktor in der normalen Richtung bezüglich der Oberfläche extrem groß ist. Da jede der freien Magnetschicht 11 und der verstifteten Magnetschicht 13, die das GMR-Element bilden, ausreichend dünn ist, so dass die Magnetisierungsvektoren der Schichten 11 und 13 in ihren Ebenen liegen.
In einem Magnetfeld-Messgerät bilden vier GMR-Elemente R₁ (51-1)~ R₄ (51-4) eine Wheatstone-Brücke, wie in 4 gezeigt. Dabei sei angenommen, dass die Magnetisierungsrichtung in den verstifteten Magnetschichten der GNR-Elemente R₁ (51-1) und R₃ (51-3) durch θ_p = 0 gegeben ist, während diejenige der GNR-Elemente R₂(51-2) und R₄ (51-4) durch θ_p = 180° gegeben ist. Da die Magnetisierungsrichtungen in den freien Magnetfeldern der vier GMR-Elemente in Abhängigkeit von der Ausrichtung des externen Magnetfelds bestimmt werden, werden sie einander gleich. Daher gilt, dass Δθ₂ = θ_f – θ_p2 = θ_f – θ_p1 – π = Δθ₁ + π. Da Δθ₁ mit θ_p = 0 als Referenz gesetzt ist, wird dabei die Ersetzung Δθ₁ = 0 eingeführt. Wie aus dem Ausdruck (1) ersichtlich, folgt dementsprechend, dass für R₁ und R₃ (n = 1, 3):
[Ausdruck 2]

R_n = R_n0 + G / 2 (1 – cosθ) (2)

Und es folgt, dass für R₂ und R₄ (n = 2, 4):
[Ausdruck 3]

R_n = R_n0 + G / 2 (1 + cosθ) (3)

Wenn eine Erregungsspannung e₀ an die in 4 gezeigte Brücke angelegt wird, ist die Differenzspannung ΔV = V₂ – V₁ zwischen den Anschlüssen 1 und 2 durch den folgenden Ausdruck gegeben. [Ausdruck 4]
Wenn die Ausdrücke (2) und (3) für den Ausdruck (4) eingesetzt werden, wenn angenommen wird, dass R_n0's für n = 1~4 gleich sind und dass R₀ = R_n0, dann folgt daraus, dass: [Ausdruck 5]
Da die Signalspannung ΔV proportional zu cosθ ist, kann auf diese Weise die Ausrichtung des Magnetfelds erfasst werden.
Somit ist das Magnetwiderstandselement dadurch gekennzeichnet, dass es die Ausrichtung des Magnetfelds direkt messen kann.
Es ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Drehmelder verwendet, bekannt und ein solches ist in JP-A-2008-11661 offenbart. Wie in JP-A-2008-11661 offenbart ist, misst der Drehmelder die Änderung der Induktanz entlang des geschlossenen Wegs: Statorspule ~ Rotorkern ~ Statorspule. Durch entsprechendes Entwerfen der Form des Rotorkerns kann die Länge des Luftspalts zwischen dem Rotorkern und dem Stator in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Rotors variabel gemacht werden. Daher ändert sich die Induktanz entsprechend. Deshalb kann der Drehwinkel des Rotorkerns durch Messen der Änderung der Induktanz gemessen werden.
Auf diese Weise, mit einem Drehwinkelsensor, dessen typisches Beispiel ein Drehmelder ist, der die Induktanz misst, beeinflusst die Genauigkeit des Luftspalts die Genauigkeit der Winkelmessung, so dass bei der Herstellung und Montage große Genauigkeit erforderlich ist. Des Weiteren verursacht eine Vergrößerung des Durchmessers der Rotorwelle eine Erhöhung der Größe des Drehmelders. Dies führt zu dem Problem der Kostensteigerung.
Andererseits ist die Größe eines Magnetwiderstandselements, wie etwa eines GMR-Elements, ein Quadrat mit einer Seite von höchstens ein paar Millimetern. Daher kann man sagen, dass es von geringer Größe und leichtem Gewicht ist. Des Weiteren kann, da das Magnetwiderstandselement die Ausrichtung des Magnetfelds erfasst, ein Sensor von geringer Größe selbst dann verwendet werden, wenn eine dicke Rotorwelle benutzt wird.
Wenn es gewünscht wird, ein Drehwinkel-Messgerät von geringer Größe zu bauen, kann dementsprechend die Verwendung von Magnetwiderstandselementen in vorteilhafter Weise ein gewünschtes Gerät von geringerer Größe und leichterem Gewicht bereitstellen. Wenn es weiterhin gewünscht ist, einen Elektromotor mit großer Belastbarkeit zu steuern, kann die Verwendung von Magnetwiderstandselementen in vorteilhafter Weise ein kostengünstiges Drehwinkel-Messgerät zur Verfügung stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bisher hat das Problem bestanden, dass, wenn in einem konventionellen Drehwinkel-Messgerät, das Magnetwiderstandselemente verwendet, ein Magnetsensor angebracht ist, die mechanische Ausrichtung des Magnetsensors schwierig ist.
Ein solches konventionelles Drehwinkel-Messgerät hat bisher unter dem Problem gelitten, dass, wenn es elektrisch korrigiert werden soll, ein Aktuator/Kodierer für die Korrektur vorbereitet und an das Gerät gekoppelt werden muss.
Weiterhin haben die obigen Probleme auch zu dem weiteren Problem geführt, dass eine Korrektur schwierig ist, wenn sie versucht wird, nachdem ein Drehwinkel-Messgerät in ein System eingebaut worden ist, sowie zu dem weiteren Problem, dass, wenn das bereits in ein System eingebaute Drehwinkel-Messgerät durch ein neues ausgetauscht wird, die Korrektur des neuen Geräts schwierig ist, das heißt, der Austausch eines Drehwinkel-Messgeräts in der Tat schwierig ist.
Weiterhin weist ein konventionelles Drehwinkel-Messgerät das Problem auf, dass sich, wenn eine magnetische Substanz oder ein Material von hoher Permeabilität in der Nähe des konventionellen Drehwinkel-Messgeräts vorhanden ist, die Genauigkeit der Messung des Drehwinkels verschlechtert.
Weiterhin weist ein konventionelles Drehwinkel-Messgerät das Problem auf, dass, wenn die Verteilung des Magnetfelds in komplizierter Weise aufgrund des Vorhandenseins einer magnetischen Substanz oder eines Materials von hoher Permeabilität in der Nähe des konventionellen Drehwinkel-Messgeräts geändert wird, eine Korrektur nicht ausreichend durchgeführt werden kann.
Noch weiter weist ein konventionelles Drehwinkel-Messgerät das Problem auf, dass, wenn es in einen wasserdichten Aufbau eingebaut wird, der Aufbau des Teils, durch das die Signalführungsdrähte herausgezogen werden, kompliziert wird, so dass die Gesamtmontage kompliziert wird.
Noch weiter weist ein konventionelles Drehwinkel-Messgerät das Problem auf, dass die Berechung eines Drehwinkels aus der Ausgabe des Magnetsensors beträchtliche Zeit erfordert, so dass die Berechnung eines Drehwinkels auf die Messung des Drehwinkels der Drehwelle bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb nicht schnell genug reagieren kann.
Gemäß dieser Erfindung, die gemacht worden ist, um verschiedene der oben genannten Probleme zu lösen, wird ein Drehwinkel-Messgerät bereitgestellt, dessen Korrektur elektrisch durchgeführt werden kann, ohne auf einen Korrekturkodierer zurückzugreifen.
Als Ergebnis wurde es möglich, nur den Sensor selbst zu ersetzen, selbst nachdem das Gerät in einem System, wie etwa einem Kraftfahrzeug, eingebaut worden war. Dies liegt daran, dass das eigentliche Drehwinkel-Messgerät nach seinem Austausch korrigiert werden kann.
Diese Erfindung wird als einige Ausführungsbeispiele wie folgt zusammengefasst.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor mit einer Drehwelle umfasst, einen an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert, und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei das Drehwinkel-Messgerät einen Korrekturablauf aufweist, in dem die Drehwelle des Elektromotors durch mehr als eine Umdrehung mit einer Drehzahl gedreht wird, deren Änderungsgeschwindigkeit im Lauf der Zeit bekannt ist, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor mit einer Drehwelle umfasst, einen an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert, und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei der Elektromotor, die Drehwelle und der Magnet von einem Gestell bedeckt sind; der Magnetsensor außerhalb des Gestells angeordnet ist; das Gestell einen Gestellhauptkörper, der den Elektromotor abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit, die den Magneten abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; und wobei das Drehwinkel-Messgerät einen Korrekturablauf aufweist, in dem die Drehwelle des Elektromotors durch mehr als eine Umdrehung mit einer Drehzahl gedreht wird, deren Änderungsgeschwindigkeit im Lauf der Zeit bekannt ist, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor umfasst, der eine Drehwelle, einem an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor aufweist, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert; und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei der Elektromotor, die Drehwelle und der Magnet von einem Gestell bedeckt sind; der Magnetsensor außerhalb des Gestells angeordnet ist; das Gestell einen Gestellhauptkörper, der den Elektromotor abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit, die den Magneten abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; die Gestellgehäuseeinheit und der Magnetsensor mit einem Abschirmungskomponente abgedeckt sind; und die Abschirmungskomponente aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von mindestens 1000 aufweist.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor umfasst, der eine Drehwelle, einen an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor aufweist, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert, und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei der Elektromotor, die Drehwelle und der Magnet von einem Gestell bedeckt sind; der Magnetsensor außerhalb des Gestells angeordnet ist; das Gestell einen Gestellhauptkörper, der den Elektromotor abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit, die den Magneten abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit aus Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; und die Dicke t(m) jenes Teils der Gestellgehäuseeinheit, die sich zwischen dem Magneten und dem Magnetsensor befindet, durch die Ungleichung:
gegeben ist, wobei N_p für die Hälfte der Anzahl der Magnetpole des Magneten steht, f(Hz) für die maximale Drehfrequenz der Drehwelle steht, χ für die magnetische Suszeptibilität der Gestellgehäuseeinheit steht und ρ (Ωm) für den elektrischen Widerstand der Gestellgehäuseeinheit steht.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor umfasst, der eine Drehwelle, einen an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor aufweist, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert, und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei der Magnetsensor eine erste Brücke aufweist, die ein erstes Signal ausgibt, welches proportional zum Kosinus des Drehwinkels der Drehwelle ist, und eine zweite Brücke aufweist, die ein zweites Signal ausgibt, welches proportional zum Sinus des Drehwinkels der Drehwelle ist; und das Geschwindigkeitssignal aus dem Verhältnis der Zeitableitung vom ersten Signal zum zweiten Signal berechnet wird.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Drehwinkel-Messgerät, das einen Elektromotor umfasst, der eine Drehwelle, einen an einem Ende der Drehwelle angebrachten Magneten und einen Magnetsensor umfasst, dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor umgebenden Magnetfelds ändert, und der ein Winkelsignal ausgibt, das den Drehwinkel der Drehwelle repräsentiert, wobei der Magnetsensor eine erste Brücke aufweist, die ein erstes Signal ausgibt, welches proportional zum Kosinus des Drehwinkels der Drehwelle ist, und eine zweite Brücke aufweist, die ein zweites Signal ausgibt, welches proportional zum Sinus des Drehwinkels der Drehwelle ist; ein erstes Zwischensignal als das Verhältnis der Zeitableitung des ersten Signals zu dem zweiten Signal definiert ist; ein zweites Zwischensignal als das Verhältnis der Zeitableitung des ersten Signals zu dem zweiten Signal definiert ist; und ein Fehlererfassungssignal ausgegeben wird, wenn die Differenz des ersten Zwischensignals von dem zweiten Zwischensignal einen voreingestellten Wertebereich überschreitet.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dieser Erfindung die Korrektur eines Drehwinkel-Messgeräts durchgeführt werden, ohne einen Aktuator/Kodierer für die Korrektur zu verwenden.
Als Ergebnis wurde es möglich, nur den eigentlichen Sensor zu ersetzen, selbst nachdem das Gerät in einem System, wie etwa einem Kraftfahrzeug, eingebaut worden war. Dies liegt daran, dass das Drehwinkel-Messgerät selbst nach seinem Austausch korrigiert werden kann.
Gemäß dieser Erfindung wird die Messung von Winkeln mit hoher Genauigkeit selbst in einem System möglich, in dem eine magnetische Substanz oder ein Material von hoher Permeabilität in der Nähe des Drehwinkel-Messgeräts vorhanden ist.
Gemäß dieser Erfindung kann ein Drehwinkel-Messgerät realisiert werden, das ausreichend reagiert, das heißt, imstande ist, Hochgeschwindigkeitsdrehungen zu folgen.
Gemäß dieser Erfindung kann die Zuverlässigkeit durch Ausgeben eines Fehlererfassungssignals verbessert werden, wenn ein anormaler Zustand in einem Drehwinkel-Messgerät oder einem Drehzahl-Messgerät auftritt.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem fünften Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
2 zeigt schematisch den Aufbau eines Riesenmagnetwiderstandselements;
3A und 3B veranschaulichen schematisch das Verhalten von Elektronen in einem Riesenmagnetwiderstandselement;
4 zeigt schematisch einen Brückenaufbau, der in dem Magnetsensor eingebaut ist, der in dem Drehwinkel-Messgerät als dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird,
5 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
6 ist ein Bild, das zum Beschreibung der Beziehung zwischen der Größe des Magnetsensors und der Anbringungsungenauigkeit verwendet wird;
7 zeigt grafisch die Beziehung zwischen Magnetfeldwinkel und Rotorwinkel;
8 zeigt grafisch die Differenz δ zwischen Magnetfeldwinkel und Rotorwinkel;
9 ist ein Bild, das die Ausrichtung des Magnetfelds auf dem Außenumfang eines Sensormagneten veranschaulicht;
10 veranschaulicht den Ablauf zum Versetzen des in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Magnetsensors;
11A und 11B sind ein Bild, das zur Beschreibung des Ablaufs zum Einstellen des Winkelursprungs in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird;
12A und 12B sind ein Bild, das zum Beschreiben des Ablaufs zum Einstellen der Nachschlagetabelle verwendet wird;
13 zeigt grafisch die Beziehung der Zeit zum Drehwinkel während einer Drehung bei konstanter Geschwindigkeit;
14 ist ein Bild, das zum Veranschaulichen der Winkelkoordinaten dient, die in einem System verwendet werden, in dem ein Drehwinkel-Messgerät gemäß dieser Erfindung eingebaut ist;
15 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem fünften Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
16 zeigt grafisch die Beziehung zwischen der Drehfrequenz der Drehwelle und der Übertragung des Magnetfelds;
17 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem siebten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
18 ist eine Seitenansicht des Drehwinkel-Messgeräts als dem siebten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
19 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem achten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
20 ist eine Seitenansicht des Drehwinkel-Messgeräts als dem achten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
21 ist eine Querschnittsansicht eines Drehzahl-Messgeräts als dem neunten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
22 ist ein Diagramm, das zum Beschreiben des Algorithmus der Signalverarbeitung in dem Drehzahl-Messgerät als dem neunten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird;
23 ist ein Diagramm, das zum Beschreiben des Algorithmus der Signalverarbeitung in einem Drehzahl-Messgerät als dem zehnten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird;
24 zeigt schematisch den Aufbau der in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Sensorelementeinheit;
25 zeigt schematisch den Aufbau des in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Magnetsensors;
26 zeigt schematisch den Aufbau der in dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Sensorelementeinheit;
27 ist ein Diagramm, das zum Beschreiben der Anregungsspannungswellenformen und der Erfassungszeiteinstellung in dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird;
28 zeigt schematisch den Aufbau der in dem vierten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Sensorelementeinheit;
29 ist ein Diagramm, das zum Beschreiben der Anregungsspannungswellenformen und der Erfassungszeiteinstellung in dem vierten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird;
30A und 30B zeigen schematisch den Aufbau des in dem elften Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendeten Magnetsensors; und
31 zeigt schematisch die Aufbauten des Magnetsensors und der Erfassungsschaltungseinheit, die in dem elften Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Diese Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele dieser Erfindungen zeigen, detailliert beschrieben. Zuerst wird das erste Ausführungsbeispiel eines Magnetfelderfassungsgeräts gemäß dieser Erfindung beispielhaft als Magnetfelderfassungsgerät dargestellt, das aus Riesenmagnetwiderstands(GMR)-Elementen besteht.
5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehwinkel-Messgeräts gemäß dieser Erfindung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts als dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine Motoreinheit 100 und eine Drehwinkel-Messeinheit 200.
Die Motoreinheit 100 umfasst einen Stator 110, der hauptsächlich aus mehreren feststehenden Magnetpolen und einem Rotor 120 besteht, welcher hauptsächlich aus mehreren drehbaren Magnetpolen besteht. In dieser Motoreinheit 100 wird ein Drehmoment durch magnetische Interaktion zwischen den mehreren feststehenden Magnetpolen und den mehreren drehbaren Magnetpolen, die gedreht werden, erzeugt. Der Stator 110 umfasst einen Statorkern 111 und eine Statorspule 112, die um den Statorkern 111 gewickelt ist. Der Rotor 120 ist in der zylindrischen Innenfläche des Stators 110 angeordnet, wobei ein Luftspalt zwischen sie gefügt ist, und drehbar gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Motor 100 beispielhaft als synchroner Drehstrommotor vom Oberflächendauermagnettyp dargestellt.
Ein Gestell umfasst einen zylindrischen Rahmen 101, eine erste Klammer 102 und eine zweite Klammer 103, wobei die Klammern 102 und 103 an beiden Enden entlang der axialen Richtung des Rahmens 101 vorgesehen sind. Lager 106 und 107 sind in den Hohlräumen der ersten bzw. zweiten Klammer 102 bzw. 103 vorgesehen. Diese Lager halten drehbar eine Drehwelle 121.
Zwischen dem Rahmen 100 und der ersten Klammer 102 ist ein (nicht gezeigtes) Dichtungsmittel vorgesehen, das ein ringförmiger O-Ring ist, der in der axialen und radialen Richtung zwischen dem Rahmen 101 und der ersten Klammer 102 zusammengedrückt wird. Auf diese Weise ist eine feste Dichtung zwischen dem Rahmen 101 und der ersten Klammer 102 vorgesehen, so dass das Vorderende des Motorgestells wasserdicht gemacht werden kann. In gleicher Weise dichtet ein (nicht gezeigtes) Dichtungsmittel den Rahmen 101 und die zweite Klammer 103 fest ab.
Der Stator 110 umfasst den Statorkern 111 und die Statorspule 112, die um den Statorkern gewickelt ist, und ist auf der Innenfläche des Rahmens 101 angeordnet. Der Statorkern 111 besteht aus magnetischem Material (Magnetpfad-Formungskörper), die aus Silicium-Stahlblechen aufgebaut sind, die in axialer Richtung laminiert sind. Der so zusammengesetzte Statorkern 111 besteht aus einem ringförmigen Rückkern und mehreren Zähnen, von denen jeder von der Innenfläche des ringförmigen Rückkerns radial und nach innen absteht. Die Zähne sind gleichmäßig voneinander in der Umfangsrichtung beabstandet.
Wicklungsleiter, die die Statorspule 112 bilden, sind um die jeweiligen Zähne in der Art konzentrierten Wickelns gewickelt. Die Wicklungsleiter bilden dreiphasige Wicklungen durch entsprechendes Verbinden der Spulenenden mit Verbindungselementen, die nahe der zweiten Klammer 103 positioniert sind. Die gut bekannten beiden Arten der Verbindung von dreiphasigen Wicklungen sind die Delta(Δ)-Verbindung und die Stern(Y)-Verbindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Delta(Δ)-Verbindung verwendet.
Der Rotor 120 umfasst einen Rotorkern, der fest auf der Außenumfangsfläche der Drehwelle 121 angebracht ist, mehrere Magneten, die fest auf der Außenfläche des Rotorkerns angeordnet sind, und Magnetabdeckungen 122a und 122b, die auf dem Außenumfang der Magnete angeordnet sind. Die Magnetabdeckungen 122 dienen zur Verhinderung, dass die Magneten aufgrund der Zentrifugalkraft von dem Rotorkern wegfliegen und sind daher aus nicht-magnetischem Material hergestellt, wie etwa rostfreiem Stahl (als SUS bekannt), und vom Aufbau her zylindrisch oder röhrenförmig (es ist zu beachten, dass die Bezugszeichen 122, 122a und 122b in 5 nicht gezeigt sind).
Nun wird der Aufbau der Drehwinkel-Messeinheit 200 beschrieben.
Die Drehwinkel-Messeinheit 200 besteht hauptsächlich aus einem Magnetsensor 201 und einem Sensormagneten 202. Die Drehwinkel-Messeinheit 200 befindet sich in dem Raum, der von einem Gehäuse 203 und der zweiten Klammer 103 eingeschlossen ist. Der Sensormagnet 202 ist an einem Ende der Drehwelle 121 der Motoreinheit 100 angebracht, und wenn sich die Winkelposition der Drehwelle 121 ändert, ändert sich die Ausrichtung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds entsprechend. Der Drehwinkel (d. h. die Winkelposition) der Drehwelle 121 kann durch Erfassen der Ausrichtung des Magnetfelds mit dem Magnetsensor 201 gemessen werden.
Der Sensormagnet 202 kann ein zweipoliger Magnet sein, der in zweipoliger Form magnetisiert ist, oder ein mehrpoliger Magnet, der in mehrpoliger (mehr als vier Pole) Form magnetisiert ist.
Der Magnetsensor 201 ist mit Magnetwiderstandselementen aufgebaut, deren Ausgabe sich in Ansprechung auf die Ausrichtung des gemessenen Magnetfelds ändert. Magnetwiderstandselemente beinhalten anisotrope Magnetwiderstands(AMR)-Elemente, Riesenmagnetwiderstands(GMR)-Elemente und Tunnel-Magnetwiderstands(TMR)-Elemente. In diesem Ausführungsbeispiel werden Riesenmagnetwiderstands(GMR)-Elemente für den Magnetsensor 201 verwendet.
Der Magnetsensor 201 erfasst die Ausrichtung θ_m des Magnetfelds an der Position, an der sich der Sensor 201 befindet, auf der Grundlage des Bezugswinkels θ_m0, der dem Sensor 201 zugeteilt ist. Der Sensor 201 gibt nämlich ein Signal aus, das als θ = θ_m – θ_m0 ausgedrückt wird. Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Sensor 201 besteht aus zwei GMR-Elementen und die GMR-Elemente liefern Ausgabesignale, die proportional cos(θ_m – θ_m0) bzw. sin(θ_m – θ_m0) sind.
Der Magnetsensor 201 ist fest an der zweiten Klammer 103 mittels einer Sensorhaltekomponente 206 angebracht. Die Sensorhaltekomponente 206 ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,1 aufweist, wie etwa Aluminium oder Kunstharz, um die Ausrichtung des nahe gelegenen Magnetfels nicht zu beeinflussen. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Sensorhaltekomponente 206 aus Aluminium hergestellt.
Es genügt, dass der Magnetsensor 201 im Verhältnis zur Motoreinheit 100 unbeweglich ist, und daher kann er fest an einem anderen Strukturteil als der zweiten Klammer 103 angebracht sein. Denn wenn er im Verhältnis zur Motoreinheit unbeweglich ist, kann er den Drehwinkel der Drehwelle 121 durch Erfassen der Ausrichtung des Magnetfelds an seiner Position im Raum erfassen, wenn sich der Drehwinkel der Welle 121 ändert, um die Ausrichtung des Sensormagneten 202 zu ändern.
Die Sensorverdrahtung 208 ist mit dem Magnetsensor 201 verbunden. Die Ausgabe des Sensors 201 wird über die Sensorverdrahtung 208 übertragen.
Der Magnetsensor 201 besteht hauptsächlich aus einer Sensorelementeinheit 201 und einer Erfassungsschaltungseinheit 302. Die Sensorelementeinheit 301 beinhaltet mehrere GMR-Elemente, die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind. Die Erfassungsschaltungseinheit 302 besteht hauptsächlich aus einer Treiberschaltungseinheit zum Zuführen von Spannungen, die an die GMR-Elemente angelegt werden, und einer Signalverarbeitungseinheit zum Erfassen und Verarbeiten der Ausgabesignale der GMR-elemente.
Nun wird der Aufbau der Sensorelementeinheit 301 beschrieben.
Wie in 24 gezeigt, besteht die Sensorelementeinheit 301 aus einem Paar Brückenkonfigurationen, die aus GMR-Elementen 51 bestehen. Die Brückenkonfigurationen sind als COS-Brücke bzw. SIN-Brücke bezeichnet. Die COS-Brücke und SIN-Brücke unterscheiden sich voneinander in der Ausrichtung θp der Magnetisierung in den verstifteten Magnetschichten der GMR-Elemente. Für die COS-Brücke ist die Voreinstellung derart, dass θ_p = 0° (R₁ (51A-1) und R₃ (51A-3)) und θ_p = 180° (R₂ (51A-2) und R₃ (51A-4)). Wenn der Winkelursprung der Ausrichtung θ des Magnetfelds so voreingestellt ist, dass θ_p = 0, wird dementsprechend die Ausgabesignalspannung ΔV = V₂ – V₁ proportional cos, wie vorstehend beschrieben.
[Ausdruck 6]

ΔV_c = V₂ – V₁ = –e₀ G / 2R cosθ (6)

Vorliegend steht e₀ für die Spannung, die an die Anschlüsse e der in 24 gezeigten Brücken angelegt ist und wird als die „Brückenanregungsspannung” bezeichnet. Für die SIN-Brücke dagegen ist die Ausrichtung θ_p der Magnetisierung in den verstifteten Magnetschichten so voreingestellt, dass θ_p = 90° (R₁ (51B-1) und R₃ (51B-3)) und θ_p = 270° (R₂ (R1B-2) und R₃ (51B-4)). Wenn der Winkelursprung der Ausrichtung θ des Magnetfelds so voreingestellt ist, dass θ_p = 0, wird die Ausgabesignalspannung ΔV = V₂ – V₁ dementsprechend proportional sinθ.
[Ausdruck 7]

ΔV_s = V₂ – V₁ = e₀ G / 2R sinθ (7)

Als Ergebnis führt das Verhältnis der SIN-Brückenausgabe zur COS-Brückenausgabe zu tanθ, so dass die Ausrichtung θ des Magnetfelds so bestimmt wird, dass [Ausdruck 8]
Die ArcTan-Funktion liefert ihre Ausgabe nur für den Winkelbereich von –90°~+90°. Wenn jedoch die an ΔV_s und ΔV_c angebrachten Vorzeichen entsprechend eingestellt werden, wie nachstehend beschrieben, kann die Ausrichtung θ über den gesamten Winkelbereich von 0~360° gemessen werden.
Nun wird der Aufbau der Erfassungsschaltungseinheit 302 unter Bezugnahme auf 25 beschrieben.
25 ist ein Blockdiagramm des Aufbaus der Erfassungsschaltungseinheit 302, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Die Erfassungsschaltungseinheit 302 besteht hauptsächlich aus einer Treiberschaltungseinheit 340 und einer Signalverarbeitungseinheit 350. Die Treiberschaltungseinheit 340 ist eine Schaltung zum Zuführen von Anregungsspannungen zu den Brücken, die in der Sensorelementeinheit 301 beinhaltet sind. Eine Ausgabeeinheit 341 mit positiver Polarität ist mit den Anschlüssen e der Brücken verbunden, während eine Ausgabeeinheit 345 mit negativer Polarität mit den Anschlüssen g der Brücken verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausgabeeinheit 341 mit positiver Polarität so entworfen, dass sie eine Gleichspannung von 5 V ausgibt, während die Ausgabeeinheit 345 mit negativer Polarität so entworfen ist, dass sie die Erdungsspannung ausgibt.
Es wird hier bemerkt, dass die Ausgabeeinheit 345 mit negativer Polarität im Vergleich mit der Erdungsspannung nicht unbedingt eine negative Spannung liefert, obwohl der Ausgabeeinheit 345 mit negativer Spannung der Zusatz „mit negativer Spannung” in dem Sinn zugeteilt ist, dass sie eine negativere Spannung als die Ausgabespannung der Ausgabeeinheit 341 mit positiver Spannung ausgibt.
Während der Zeitspanne, in der die GMR-Brücken nicht angeregt sind, das heißt, während der Zeit, in der die der Feldausrichtung θ_m entsprechende Sensorausgabe nicht erhalten wird, ist es nicht erforderlich, zu bestimmen, ob die Ausgabe der Ausgabeeinheit mit negativer Polarität negativer oder positiver als die Ausgabe der Ausgabeeinheit mit positiver Polarität ist. Beispielsweise wird in einem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel während der Zeitspanne, in der die Brücken von GMR-Elementen nicht angeregt sind, die Ausgabespannung der Ausgabeeinheit mit negativer Polarität gleich der Ausgabespannung der Ausgabeeinheit mit positiver Polarität gemacht.
Die Signalverarbeitungseinheit 350 erfasst und verarbeitet das Ausgabesignal der Sensorelementeinheit 301. Die Signale aus den Anschlüssen V2 und V1 der COS-Brücke der Sensorelementeinheit 301 werden differenziell erfasst und etwa 10-fach durch eine Erfassungsschaltung 351A verstärkt. Ein A/D(Analog zu Digital)-Wandler 352A wandelt das verstärkte Signal in ein digitales Signal um, das dann in eine Winkelberechnungseinheit 371 eingegeben wird. Das Ausgabesignal der SIN-Brücke wird in ähnlicher Weise verarbeitet und in die Winkelberechnungseinheit 371 eingegeben.
Der Berechnungsvorgang der Winkelberechnungseinheit 371 wird nachstehend beschrieben. Wie aus Ausdruck 8 zu verstehen ist, kann die Feldausrichtung θ_m durch Berechnen von ArcTan[ΔV_s/(–ΔV_c)] ermittelt werden. Dabei treten jedoch zwei Probleme auf: (a) erstens, da die ArcTan-Funktion nur für den Winkelbereich von –90°~+90° ausgewertet werden kann, kann die Feldausrichtung nicht über den gesamten Winkelbereich von 0~360° gemessen werden, und (b) zweitens, da die Abnahme des Absolutwerts von ΔV_c zu der Zunahme des Einflusses durch die Messungenauigkeit von ΔV_c führt, wird die Berechungsgenauigkeit von θ schlecht.
Um das vorstehende Problem (b) zu bewältigen, ermittelt die Winkelberechnungseinheit 371 θ auf die folgende Weise. Zuerst wird bestimmt, ob der Absolutwert von ΔV_c größer als der Absolutwert von ΔV_s ist oder nicht. Wenn |ΔV_c| größer als |ΔV_s| ist, wird die Feldausrichtung θ durch den folgenden Ausdruck (9) berechnet. [Ausdruck 9]
Umgekehrt wird, wenn |ΔV_c| kleiner als |ΔV_s| ist, die Feldausrichtung θ durch den folgenden Ausdruck (10) berechnet. [Ausdruck 10]
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass eine Berechnungsungenauigkeit, die sich daraus ergibt, dass der Nenner kleiner wird, groß wird.
Das obige Problem (a) wird wie folgt gehandhabt. Der Quadrant, in den θ fällt, wird in Abhängigkeit davon bestimmt, ob ΔV_c oder ΔV_s einen negativen oder positiven Wert annimmt [Quadrantbestimmung]. Die Kombination des bestimmten Quadranten mit den von den Ausdrücken (9) und (10) berechneten Werten ermöglicht es, den genauen Wert von θ über den gesamten Bereich von 0~360° zu berechnen.
Durch den vorstehend beschriebenen Ablauf wird die Ausrichtung θ des Magnetfelds ermittelt. Wie jedoch später beschrieben wird, fallen der Drehwinkel der Drehwelle 121 und die Magnetfeldausrichtung (oder der Winkel) nicht unbedingt zusammen. Um in dieser Beschreibung nachfolgend streng zwischen ihnen zu unterscheiden, wird die Ausrichtung (oder der Winkel) des Magnetfelds als „Magnetfeldwinkel θ_m” bezeichnet, während der Drehwinkel der Drehwelle 121 als „Drehwinkel θ_r” bezeichnet wird.
Wie später beschrieben wird, ist es mit einem Drehwinkel-Messgerät im Wesentlichen wichtig, zwischen dem Magnetfeldwinkel θ_m und dem Rotorwinkel θ_r zu unterscheiden.
Um ein Drehwinkel-Messgerät mit hoher Genauigkeit zu realisieren, ist es notwendig, zu veranlassen, dass der Magnetfeldwinkel θ_m dem Rotorwinkel θ_r exakt entspricht. Wie dies geschieht, wird nachstehend beschrieben.
Nun wird das Verfahren zum Korrigieren des Ausgabesignals des Magnetsensors 201 beschrieben.
Die Größe des Magnetsensors 201, der Magnetwiderstandselemente verwendet, ist kleiner als diejenige eines Drehmelders und liegt typischerweise im Bereich von 5 mm². Dementsprechend tritt das Problem auf, dass, da die Größe des Magnetsensors klein ist, eine Anbringungsungenauigkeit die Winkelungenauigkeit verstärkt. Nachstehend erfolgt eine konkrete Beschreibung.
Unter Bezugnahme auf 6 sei angenommen, dass in dem Fall, dass ein Magnetsensor mit einer Länge L [mm] angebracht wird, die Betragsungenauigkeit in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung entlang der Länge L ist, als δx [mm] bezeichnet wird. In der folgenden Diskussion kann die Allgemeingültigkeit aufrechterhalten werden, wenn der Bezugswinkel θ_m0 in der Richtung der Länge L liegt. Als Ergebnis kann die Ungenauigkeit δθ im Anbringungswinkel aufgrund der Anbringungsungenauigkeit δx durch den folgenden Ausdruck gegeben werden. [Ausdruck 11]
Daher geschieht es, dass eine Ungenauigkeit δθ_m in dem Drehwinkel enthalten ist, der von dem Magnetfeldwinkel-Messgerät angegeben wird.
Typischerweise beträgt die Anbringungsungenauigkeit δx, die für den Magnetsensor mechanisch zu verursachen ist, 0,2 mm. Wenn die Länge L des Magnetsensors gleich 100 mm ist, wird die entsprechende Winkelungenauigkeit δθ_m 0,1°. Dieser Wert fällt in einen tolerierbaren Ungenauigkeitsbereich. Andererseits wird im Fall von L = 5 mm die entsprechende Winkelungenauigkeit δθ_m 2,3°. Dieses Ergebnis zeigt an, dass das im Gebrauch befindliche Magnetfeldwinkel-Messgerät von schlechter Genauigkeit ist.
Es ist möglich, dass die Modullänge L eines Magnetsensors 201 so lange wie etwa 100 mm gemacht wird, um den tolerierbaren Bereich der Anbringungsungenauigkeit zu erhöhen. Selbst in einem solchen Fall wird jedoch eine Anbringungsungenauigkeit, die der oben genannten δx entspricht, im Verlauf des Anbringens der Magnetwiderstandselementbrücke 55 in dem Modul und in den Vorgängen des Drahtbondens und Formens verursacht. Da die Größe der Magnetwiderstandselementbrücke 44 im Modul noch kleiner ist, wird der Einfluss durch die Winkelungenauigkeit aufgrund von δx dementsprechend größer.
Weiterhin besteht noch das Problem, dass die Erhöhung der Größe des Moduls in der Tat insofern vorteilhaft ist, dass die Toleranz der Anbringungsungenauigkeit erhöht werden kann, aber nicht zu dem Vorzug führt, dass der mit Magnetwiderstandselementen gebaute Magnetsensor von kleiner Größe und leichtem Gewicht sein kann.
Der Winkel θ_m des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds fällt nicht unbedingt mit dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 zusammen. Die Gründe dafür fallen in drei nachstehend angegebene Kategorien: (1) der Ursprung (Nullpunkt) des Magnetfeldwinkels θ_m fällt nicht mit dem Ursprung des Drehwinkels θ der Drehwelle 121 zusammen; (2) das von dem Sensormagneten 202 erzeugte Magnetfeld verteilt sich nicht parallel; und (3) der Sensormagnet 202 ist nicht genau magnetisiert.
Der erste Grund, dass (1) der Ursprung (Nullpunkt) des Magnetfeldwinkels θ_m nicht mit dem Ursprung des Drehwinkels θ der Drehwelle 121 zusammenfällt, kann den Ungenauigkeiten zugeschrieben werden, die beim Anbringen des Magnetsensors entstehen, und den mechanischen Ungenauigkeiten, die beim Anbringen des Sensormagneten 202 an der Drehwelle 121 verursacht werden. Das Verfahren, um diese beiden Ursprünge in Übereinstimmung zu bringen, wird später beschrieben. Vorliegend wird ein Fall betrachtet, in dem die Ursprünge für θ_m und θ_r miteinander übereinstimmen.
In einem Fall, in dem (2) der Sensormagnet 202 ein paralleles Magnetfeld erzeugt, fällt der Magnetfeldwinkel θ_m mit dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle zusammen. Jedoch weicht in einem Fall, in dem der Sensormagnet kein paralleles Magnetfeld erzeugt, θ_m von θ_r ab. Diese Situation ist unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist eine bildliche Darstellung des Magnetfeldwinkels am Punkt P, der sich in der Nähe des Sensormagneten 202 befindet und an dem sich der Magnetfeldsensor 201 befindet. Wenn nun der Sensormagnet ein paralleles Magnetfeld erzeugt, ist der Magnetfeldwinkel am Punkt P wie durch einen gepunkteten Pfeil 511 angegeben, wenn der Sensormagnet 202 durch einen Winkel θ_r rotiert. Dementsprechend wird der Magnetfeldwinkel θ_m gleich dem Drehwinkel θ_r des Sensormagneten 202. Wenn andererseits der Sensormagnet kein paralleles Magnetfeld erzeugt, weicht der Magnetfeldwinkel θ_m am Punkt P von dem Drehwinkel θ_r ab, wie durch einen ausgezogenen Pfeil 512 angegeben. Diese Abweichung wird als die Differenz δ so definiert, dass δ = θ – θ_r.
Im Allgemeinen ist ein Magnetfeld, das aus einem Magneten in der radialen Richtung austritt, kein paralleles Feld. Wie beispielsweise in JP-A-2008-151774 offenbart ist, sind die radiale Komponente H_r und die tangentiale Komponente H_θ des in der Ebene der Drehung des Magneten gemessenen Magnetfeldintensitätsvektors jeweils durch die folgenden Ausdrücke dargestellt:
[Ausdruck 12]

H_r(θ) = C(A₁cosθ + A₃cos3θ + A₅cosθ + ...) (12)

[Ausdruck 13]

H_θ(θ) = A₁sinθ + A₃sin3θ + A₅sin5θ + ... (13)

Dabei ist C eine Konstante, die ungefähr 1~2 gleich ist. In einem Fall, in dem die Harmoniekomponenten A₃ und A₅ beide gleich Null sind, d. h. A₃ = A₅ = 0, und in dem C = 1 ist, ist H_r = A₁cosθ und H_θ = A₁sinθ, was die Bedingung für ein paralleles Magnetfeld ergibt. In einem solchen Fall fällt der Magnetfeldwinkel θ_m mit dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle zusammen.
Vorliegend ist die Differenz δ des Magnetfeldwinkels θ_m von dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle durch den folgenden Ausdruck definiert:
[Ausdruck 14]

δ = θ_m – θ_r (14)

8 zeigt grafisch die Beziehung zwischen der Differenz δ des Magnetfeldwinkels θ_m von dem Rotorwinkel θ_r und dem Rotorwinkel θ_r, wobei sowohl θ_m als auch θ_r unter Verwendung der obigen Ausdrücke (12) und (13) berechnet werden, wenn A₁ = 1, A₃ = –0,12, A₅ = 0,014 und C = 1,268. Mit dieser Bedingung beträgt die Differenz δ ungefähr ±15° und diese Werte werden als relativ groß betrachtet. Des Weiteren ändert sich die Differenz δ in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel θ_r und es versteht sich, dass eine Korrektur nicht durch ein einfaches Verfahren erreicht werden kann, wie etwa zum Beispiel lineare Interpolation zwischen 0° und 360°.
9 zeigt schematisch die Verteilung des Magnetfeldwinkels in der Nähe des Sensormagneten 202, die auf der Grundlage der Verteilung der in 8 gezeigten Differenzen aufgebaut ist. Somit wird die Verteilung der in 8 gezeigten Differenzen der Tatsache zugeschrieben, dass das Magnetfeld am Umfang des Sensormagneten divergiert. Ebenso wird die Tatsache, dass die Differenz δ bei θ_r = 0°, 90°, 180° und 270° auf Null reduziert wird, der Symmetrie des Magnetfelds zugeschrieben, wie aus 9 ersichtlich ist.
Wenn eine Magnetisierungsungenauigkeit beim Magnetisieren des Sensormagneten vorliegt, wird die Entsprechung des Drehwinkels θ_r der Drehwelle zum Magnetfeldwinkel θ_m ungenau.
[Verfahren zum Korrigieren eines Drehwinkel-Messgeräts]
Wie unter Bezug auf die obigen Gründe (1)~(3) beschrieben ist, muss das Magnetfeld-Messgerät, das Magnetwiderstandselemente verwendet, eine solche physikalische Größe wie den Magnetfeldwinkel θ_m handhaben, und die physikalische Größe θ_m unterscheidet sich vom Drehwinkel θ_r des Sensormagneten. Es ist daher wichtig zu erkennen, dass eine Differenz zwischen ihnen in Abhängigkeit von einer bestimmten Bedingung auftreten kann. In dieser Beschreibung ist diese Differenz als δ definiert.
Mit anderen Worten, solange der Magnetsensor 201 korrekt bleibt, wird er den Magnetfeldwinkel θ_m korrekt messen. Daher ist es wesentlich, (a) den Magnetfeldsensor 201 zu korrigieren und (b) die Entsprechung des Magnetfeldwinkels θ_m mit dem Drehwinkel θ_r des Sensormagneten korrekt zu ermitteln.
Ein konkreter Ablauf zum Bereitstellen der vorstehend beschriebenen Korrekturen wird nachstehend beschrieben.
Zuerst ist, was (a) das korrekte Korrigieren des Magnetsensors betrifft, eine Versatzkorrektur konkret wichtig. Es ist hier zu beachten, dass es zwei Arten des Versatzes gibt: eine ist der Versatz für den Magnetsensor, der den Abweichungen der Eigenschaften der den Magnetsensor 201 bildenden Magnetwiderstandselemente zugeschrieben wird; und die andere ist der Versatz für die Erfassungsschaltung, die das Ausgabesignal des Magnetsensors erfasst und verarbeitet.
In beiden Versatzabläufen wird die Versatzmenge dem Ausgabesignal des Magnetsensors überlagert. Dementsprechend wird das Verhältnis der SIN-Brückenausgabe zur COS-Brückenausgabe nicht gleich tanθ sein. Als Ergebnis kann der Magnetfeldwinkel θ_m nicht korrekt gemessen werden.
Ein konkreter Ablauf zum Korrigieren des Versatzes ist die Einstellung der Versetzung der SIN-Brückenausgabe auf Null bei θ_m = 0 und die Einstellung des Versatzes der COS-Brückenausgabe auf Null bei θ_m = 90°.
Für diese Einstellung muss man den Ursprung für den Magnetfeldwinkel θ_m kennen. Jedoch ist es unmöglich, den Ursprung aufgrund der Anbringungsungenauigkeit des Magnetsensors 201 oder der Anbringungs-/Herstellungsungenauigkeit des Sensormagneten 202 präzise zu lokalisieren, selbst wenn die Entsprechung des Magnetfeldwinkels θ_m zum Drehwinkel θ_r der Drehwelle im Entwurfsstadium gut bekannt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Ursprung für den Magnetfeldwinkel durch ein nachstehend beschriebenes Verfahren ermittelt. Das Verfahren ist als Flussdiagramm in 10 aufgeschlüsselt.
Zu Beginn wird der Ursprung für den Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 an einer beliebigen Position lokalisiert. Dann sei der von dem willkürlich lokalisierten Ursprung gemessene Drehwinkel als θ_r' dargestellt.
Als Nächstes wird die Drehwelle 121 N-mal mit konstanter Geschwindigkeit gedreht. Hier ist N ≥ 1. Während sich die Welle dreht, wird die Beziehung zwischen dem Drehwinkel θ_r' und dem Magnetfeldwinkel θ_m gemessen. Hier wird der Wert für den Magnetfeldwinkel θ_m aus dem Ausgabesignal des Magnetsensors 201 berechnet. Der Wert für den Drehwinkel θ_r wird durch die tatsächliche Messung des Zeitmoments t berechnet. Der Weg der Messung wird später detailliert beschrieben.
Um die Beziehung zwischen θ_r' und θ_m über die N Drehungen der Welle zu kennen, muss man die Startposition der Drehung und die Endposition der Drehung kennen. Die Messung des Magnetfeldwinkels θ_m wird verwendet, um diese Information zu erfahren. Es genügt nämlich, dass die Messung fortgesetzt wird, bis ein Wert von θ_m, der der gleiche wie der Wert von θ_m ist, der am Beginn der Messung angenommen wurde, zuerst erreicht wird. Es ist zu beachten, dass, damit die Messung über N Drehungen durchgeführt wird, sie wiederholt werden sollte, bis der gleiche Wert für θ_m N-mal erscheint.
Nach der Messung der Beziehung zwischen θ_r' und θ_m wird die Differenz δ' durch den folgenden Ausdruck berechnet.
[Ausdruck 15]

δ' = θ_m – θ_r' (15)

Auf diese Weise kann die Differenz δ' als Funktion des Drehwinkels θ_r' ermittelt werden. 11A zeigt diese Funktionsbeziehung grafisch.
Was die Anzahl der Messdatenpunkte (δ', θ_r') betrifft, so genügt es, etwa einhundert von ihnen zu nehmen.
Als Nächstes wird das gewichtete Mittel von δ' in Bezug auf θ_r' wie folgt ermittelt. [Ausdruck 16]
Da die tatsächlichen Messdaten (δ', θ_r') von diskreter Art sind, wird die integrale Berechnung durch den Ausdruck (16) tatsächlich durch kumulatives Zählen ersetzt.
Bei dieser Datenabtastung wird die Drehwelle mit konstanter Geschwindigkeit gedreht und wenn Daten (δ', θ_r') in einem regelmäßigen Zeitabstand abgetastet werden, sind daher die Abtastpunkte in Bezug auf θ_r' gleich beabstandet. Daher kann der Ausdruck (16) als eine Formel zum Berechnen des Mittels von δ' wie folgt vereinfacht werden. [Ausdruck 17]
Daher ist es bevorzugt, die Drehwelle mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen und die Datenpunkte (δ', θ_r') in regelmäßigem Zeitabstand abzutasten.
Nun wird unter Verwendung der Werte von δ'_av, die durch den Ausdruck (16) oder (17) ermittelt wurden, der Koordinatenpunkt des Drehwinkels wie folgt neu definiert.
[Ausdruck 18]

θ_rθ_r' – δ'_av (18)

[Ausdruck 19]

δ = θ_m – θ_r (19)

Mit dieser Definition ist die Beziehung zwischen δ und θ_r wie in 11B gezeigt. Das gewichtete Mittel von δ verschwindet nämlich. Dies ist aus den Ausdrücken (6) und (7) ersichtlich.
Auf diese Weise fällt, wenn das gewichtete Mittel der Differenz δ Null ist, der Ursprung für θ_r mit dem Ursprung für θ_m zusammen. Dieses Ergebnis liegt an der Symmetrie der Magnetfeldverteilung, wie in 9 gezeigt.
Nun wird die Drehwelle an einem Drehwinkel θ_r = θ_m = 0 angehalten und eine Versatzeinstellung wird auf eine solche Weise vorgenommen, dass das Ausgabesignal der SIN-Brücke im Magnetsensor 201 verschwindet. Dann wird die Drehwelle an einem Drehwinkel θ_r = 90° angehalten, und eine Versatzeinstellung wird auf eine solche Weise vorgenommen, dass das Ausgabesignal der COS-Brücke im Magnetsensor verschwindet.
Auf diese Weise wird die Versatzeinstellung des Magnetsensors 201 beendet.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ist es wichtig, δ'_av so genau wie möglich zu ermitteln, um zu bewirken, dass sich die Differenz zwischen dem Ursprung für θ_m und dem Ursprung für θ_r Null annähert. Gemäß diesem Verfahren wird, da der Wert von δ'_av unter Verwendung aller Messdatenpunkte ermittelt wird, wie aus dem Ausdruck (6) oder (7) ersichtlich, der berechnete Wert kaum durch einzelne Messungenauigkeiten und Rauschen beim Messen beeinträchtigt. Somit können die beiden Ursprünge miteinander beinahe in Übereinstimmung gebracht werden.
Da die Zunahme bei der Drehanzahl N der Drehwelle zur Zunahme der Anzahl von Messdatenpunkten führt, wird der Einfluss von Messungenauigkeiten und Rauschen reduziert, um die Genauigkeit zu verbessern.
Als Nächstes wird nachstehend ein Verfahren zum (b) korrekten Ermitteln der Beziehung zwischen dem Magnetfeldwinkel θ_m und dem Drehwinkel θ_r des Sensormagneten 202 beschrieben.
Da die Versatzeinstellung des Magnetsensors 201 gemäß dem Verfahren, das vorstehend als (a) genannt wurde, beendet worden ist, gibt der aus dem Ausgabesignal des Magnetsensors 201 ermittelte Magnetfeldwinkel θ_m die Ausrichtung des Magnetfelds an der Position, wo sich der Magnetsensor 201 befindet, korrekt an. Dementsprechend kann der Drehwinkel θ_r auf der Grundlage der durch den Ausdruck (14) definierten Differenz δ und des Magnetfeldwinkels θ_m unter Verwendung des folgenden Ausdrucks ermittelt werden.
[Ausdruck 20]

θ_r = θ_m – δ (20)

Nachstehend wird nun ein konkretes Verfahren beschrieben.
Während die Drehwelle 121 durch 360 Grad oder mehr bei konstanter Geschwindigkeit gedreht wird, werden der Drehwinkel θ_r und der Magnetfeldwinkel θ_m während dieser Eine-Umdrehung-Zeitspanne gemessen. Vorliegend wird der Drehwinkel θ_r auf der Grundlage der Zeit gemessen, während der Magnetfeldwinkel θ_m auf der Grundlage des Ausgabesignals der Magnetsensoren 201 berechnet wird.
In diesem Ausführungsbeispiel werden 100 Messdatenpunkte (d. h. Abtastpunkte) für eine Umdrehung der Welle genommen. Je größer die Anzahl der Abtastpunkte, desto höher ist die Genauigkeit des ermittelten Drehwinkels θ_r. Andererseits wird, je größer die Anzahl der Abtastpunkte ist, der Speicherbereich in der Signalverarbeitungsschaltung, die Berechnungen zur Korrektur ausführt, desto mehr verbraucht. Daher sollte die Anzahl von Abtastpunkten auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, um einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Speicherbelegung zu schaffen.
Die Differenz δ kann als Funktion des Rotorwinkels θ_r durch Berechnen jeweiliger Differenzen δ' an einzelnen Datenpunkten (θ_r, θ_m) unter Verwendung des Ausdrucks (19) ermittelt werden. 12A zeigt dieses ermittelte Ergebnis. Dann wird δ in eine Funktion des Magnetfeldwinkels θ_m auf der Grundlage der so erhaltenen Daten umgewandelt. 12B zeigt die Funktion. Auf diese Weise wird die Nachschlagetabelle für δ mit dem Magnetfeldwinkel θ_m als Index erhalten.
Durch Erhalten der Nachschlagetabelle für δ mit dem Magnetfeldwinkel θ_m als Index wird es infolgedessen möglich, die Differenzen δ' entsprechend den Magnetfeldwinkeln θ_m' zu berechnen, die aus tatsächlich gemessenen Datenpunkten berechnet sind. Dies ist der Hauptpunkt dieses Ausführungsbeispiels.
Die Nachschlagetabelle wird im Speicher der Signalverarbeitungseinheit in dem Magnetsensor 201 abgespeichert/beibehalten. Somit ist der Korrekturvorgang abgeschlossen.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Verfahrens zum Verarbeiten von Signalen, wenn die Drehwinkel-Messeinheit arbeitet, das heißt, wenn der Drehwinkel gemessen wird.
Zu Beginn wird ein Magnetfeldwinkel θ_m auf der Grundlage des Ausgabesignals des Magnetsensors 201 berechnet. Der Magnetsensor liefert nämlich ein Signal V_cos, das proportional –cosθ_m ist, und ein Signal V_sin, das proportional sinθ_m ist, und daher wird θ_m durch den folgenden Ausdruck berechnet. [Ausdruck 21]
Dann wird die Differenz δ, die dem berechneten θ_m entspricht, in Bezug auf die Nachschlagetabelle der Koordinaten (δ, θ_m) ermittelt. Wenn ein Wert gleich θ_m in der Nachschlagetabelle nicht gefunden werden kann, wird der erforderliche Wert von θ_m durch Interpolation aus nahen Werten ermittelt. Die Differenz δ, die dem interpolierten θ_m entspricht, wird so ermittelt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Linearinterpolationsablauf beim Interpolieren der Werte für θ_m eingesetzt. Der Linearinterpolationsablauf erfordert eine geringere Wiederholungsanzahl von Multiplikationen, die eine erhebliche Zeit für die Berechnung erfordern, und hat daher den Vorteil, dass eine Hochgeschwindigkeitsberechnung möglich ist.
Der Drehwinkel θ_r wird durch den Ausdruck θ_r = θ_m – δ erhalten.
Während die konventionellen Verfahren eine Messungenauigkeit von ungefähr ±10° beim elektrischen Winkel erlitten haben, kann das Verfahren gemäß dieser Erfindung eine solche Messungenauigkeit auf ±0,6° beim elektrischen Winkel senken, was eine Verbesserung der Messgenauigkeit bewirkt.
Es sollte in diesem Ausführungsbeispiel bemerkt werden, dass der Index in der Nachschlagetabelle nicht der Rotorwinkel θ_r, sondern der Magnetfeldwinkel θ_m ist. Der Grund dafür ist, dass der Magnetfeldwinkel θ_m genau die Größe ist, die von dem Magnetsensor 201 gemessen wird. Dementsprechend kann die entsprechende Differenz δ direkt aus dem tatsächlichen Messwert θ_m erfahren werden.
Die Nachschlagetabelle der Koordinaten (δ, θ_m), in der θ_m' in einem konstanten Intervall abgetastet werden, ermöglicht es, die Geschwindigkeit des Abrufens der Daten aus der Tabelle zu erhöhen und die Kapazität des Speichers, die der Tabelle gewidmet ist, zu verringern. Wie dies erreicht wird, wird nachstehend konkret beschrieben. In der folgenden Beschreibung ist der Index θ_m in der Tabelle als unabhängige Variable „x” beschrieben und der Wert (d. h. der Wert der Funktion) δ, auf den in der Tabelle Bezug genommen wird, ist mit „f(x)” bezeichnet.
Es sei angenommen, dass x_min = x[0] und x_max = x[N_max], worin x_min und x_max jeweils der Minimal- und der Maximalwert der unabhängigen Variable x sind, und dass das Intervall zwischen jenen Werten gleichmäßig in N_max Unterintervalle unterteilt ist. Auch sei die Funktion, die die diskrete Version von f(x) ist, durch fn[n] bezeichnet, und es ist definiert, dass f(x) = f(x[n]) = fn[n]. Dann wird für einen beliebigen Wert der unabhängigen Variablen x ix durch den folgenden Ausdruck berechnet. [Ausdruck 22]
Wenn der integre Teil und der Dezimalteil des erhaltenen Werts ix mit n bzw. r bezeichnet ist, folgt daraus, dass:
[Ausdruck 23]

f(x) = fn[n] + r·(fn[n + 1] – fn[n]) (23)

Dieser Ausdruck dient zur Interpolation mit einer linearen Funktion (d. h. lineare Interpolation) unter Verwendung von fn[n] und fn[n + 1], die aus der Nachschlagetabelle ermittelt wird und die jeweils x[n] und x[n + 1] entspricht, die dem Wert der unabhängigen Variable x am nächsten sind.
Die Werte von „N_max/(x_max – x_min)” im Ausdruck (22) werden vorab berechnet, wenn die Nachschlagetabelle eingerichtet wird, das heißt, wenn eine Korrektur vorgenommen wird, und die vorab berechneten Werte werden dann als Konstanten im Speicher der Verarbeitungseinheit gespeichert. Dadurch kann ein Teilungsvorgang in dem Vorgang eliminiert werden, der beim Betrieb des Drehwinkel-Messgeräts stattfindet. Eine Mikrosteuerung benötigt normalerweise eine lange Zeit für einen Teilungsvorgang und daher kann dieses Verfahren, das den Teilungsvorgang beseitigt, den Betrieb des Drehwinkel-Messgeräts sehr beschleunigen.
Gemäß diesem Verfahren kann weiterhin, da die Stelle, die einem zugeteilten Wert von x entspricht, auf die in der Nachschlagetabelle Bezug zu nehmen ist, durch eine einzige Berechnung mit dem Ausdruck (22) spezifiziert werden kann, der Betrieb des Drehwinkel-Messgerät stark beschleunigt werden.
Da gemäß diesem Verfahren nur Daten, die in der Nachschlagetabelle gespeichert sind, fn[n] (n = 0~N_max), x_min, x_max und N_max/(x_max – x_min) sind und da Daten x[n] ((n = 0~Nmax) nicht gespeichert werden müssen, kann der Speicher zum Speichern von Daten eingespart werden.
Nun wird das Verfahren zum Ermitteln des Drehwinkels θ_r der Drehwelle 121 nachstehend beschrieben.
13 ist eine rechteckige Koordinatendarstellung der Beziehung zwischen der Messzeit t und dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121, die beobachtet wird, während sich die Drehwelle 121 mit einer konstanten Drehzahl ω dreht. Da die Drehwelle 121 sich mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit ω dreht, ist θ_r proportional t.
Wie aus 13 ersichtlich, kann der Drehwinkel θ_r(t) zu jeder Messzeit t durch den folgenden Ausdruck gegeben werden.
[Ausdruck 24]

θ_r(t) = t / T ·360° (24) worin T für die Zeit steht, die erforderlich ist, damit die Drehwelle 121 eine Umdrehung ausführt (d. h. eine Zeitspanne). Die Zeitspanne T kann durch Bestimmen der zwei aufeinander folgenden Zeitpunkte ermittelt werden (wobei der frühere der Startpunkt der Drehung ist, d. h. t = 0), an welchen Zeitpunkten der Magnetsensor 201 den gleichen Wert für den Magnetfeldwinkel θ_m erfasst.

Wenn sich die Drehwelle 121 mit konstanter Drehzahl ω dreht, kann der Drehwinkel θ_r durch Bezugnahme auf den Ausdruck (24) erfahren werden. Es ist hier zu beachten, dass keine zusätzliche Korrektureinheit, wie etwa ein Kodierer, zum Bestimmen des Drehwinkels θ_r benötigt wird.
Sowohl in 13 als auch im Ausdruck (24) wird der Drehwinkel θ_r zum Zeitpunkt t = 0 auf Null gesetzt. Es ist jedoch offensichtlich, dass, selbst wenn der Drehwinkel bei t = 0 irgendein anderer Wert als Null ist, der Wert des Drehwinkels θ_r gleichermaßen ermittelbar ist, wenn auch der Ursprung für den Drehwinkel θ_r in einem bestimmten Maß versetzt wird. Der Ursprung für θ_r kann mit demjenigen für θ_m gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren in Übereinstimmung gebracht werden.
Nun wird ein Fall betrachtet, in dem sich die Drehzahl im Lauf der Zeit mit einer bekannten Geschwindigkeit ändert. Unter der Annahme, dass die Änderungsrate A(t) der Drehzahl ω im Lauf der Zeit variabel ist, sei angenommen, dass ω(t) = ω₀·A(t) ist. In diesem Fall kann der Drehwinkel θ_r(t) zum Zeitpunkt t durch den folgenden Ausdruck berechnet werden. [Ausdruck 25]
Beispielweise kann in einem Fall, in dem sich die Drehzahl mit konstanter Beschleunigung oder mit einer bekannten Geschwindigkeit (mit enthaltenen Welligkeiten) ändert, der Drehwinkel θ_r zum Zeitpunkt t durch Verwenden des Ausdrucks (25) ermittelt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Differenz δ unter Verwendung des Magnetfeldwinkels θ_m, der tatsächlich von dem Magnetsensor 201 gemessen worden ist, aus der Nachschlagetabelle ermittelt und dann wird der Drehwinkel θ_r ermittelt. Es ist daher notwendig, dass ein Magnetfeldwinkel θ_m die entsprechende Differenz δ eindeutig bestimmt.
In dem Fall, in dem der Sensormagnet 202 ein zweipoliger Magnet ist, ist diese Forderung erfüllt. Der zweipolige Magnet ist ein Magnet mit einem N-Pol und einem S-Pol. Da mit dem zweipoligen Magneten eine Umdrehung der Drehwelle 121 eine Änderungszeitspanne im Magnetfeldwinkel θ_m verursacht, wird die obige Forderung erfüllt.
Gemäß dieser Erfindung kann daher, wenn ein zweipoliger Magnet als Sensormagnet verwendet wird, ein großer Vorteil genutzt werden, da Faktoren für irgendeine Art von Ungenauigkeit, wie etwa eine Anbringungsungenauigkeit des Magneten und Sensors oder eine Magnetisierungsungenauigkeit des Magneten, korrigiert werden kann.
Nun erfolgt eine Beschreibung eines Falls, in dem ein mehrpoliger Magnet als Sensormagnet eingesetzt wird. Es sei angenommen, dass der mehrpolige Magnet ein (2N)-Pol-Magnet mit N Sätzen von N-Polen und S-Polen ist. In diesem Fall führt eine Umdrehung des (2N)-Pol-Magnets zur Änderung des Magnetfeldwinkels über N Zeitspannen. Dabei soll jede Zeitspanne als ein Sektor bezeichnet werden. Dementsprechend kann man sagen, dass der (2N)-Pol-Magnet N Sektoren abdeckt.
Im Bereich von einem Sektor wird die einem Magnetfeldwinkel θ_m entsprechende Differenz δ eindeutig bestimmt. Dementsprechend ist, wenn ein (2N)-Pol-Magnet verwendet wird und wenn Magnetisierungsungenauigkeiten in verschiedenen Sektoren innerhalb eines vernachlässigbar kleinen Bereich fallen, das Korrekturverfahren gemäß dieser Erfindung wirksam.
Weiterhin wird auch in dem Fall, in dem der funktionsfähige Bereich der Drehwelle 121 kleiner als ein Sektor ist, δ eindeutig aus θ_m bestimmt. Daher ist auch in diesem Fall das Korrekturverfahren gemäß dieser Erfindung wirksam.
In dem Fall, in dem ein mehrpoliger Magnet verwendet wird, dessen Magnetisierungsungenauigkeiten in verschiedenen Sektoren nicht vernachlässigbar sind, wird ein Drehpositionssensor, wie etwa ein optischer Kodierer, an der Drehwelle 121 angebracht, um Sektorinformation zum Lokalisieren des aktuellen Sektors zu erhalten. Die einem Magnetfeldwinkel θ_m entsprechende Differenz δ kann auf der Basis der Sektorinformation ermittelt werden. Eine Winkelauflösung, die für den hier verwendeten Drehpositionssensor erforderlich ist, ist so, dass sie gut genug ist, wenn der Sensor nur den aktuellen Sensor lokalisieren muss.
Da der aktuelle Sektor aus dem Versatzbetrag des Drehwinkels berechnet werden kann, kann die Information über den aktuellen Sektor auch in der Erfassungsschaltungseinheit 302 gespeichert werden. Die Differenz δ kann aus der Information über den aktuellen Sektor und den tatsächlich gemessenen Magnetfeldwinkel θ_m berechnet werden. Ein solcher Kunstgriff kann vorzugsweise ersonnen werden, um einen spezifischen Sektor magnetisch durch Ändern der Magnetfeldverteilung zu diskriminieren, indem beispielsweise eine mechanische Kerbe in einem der mehreren Pole des Magnetsensors 201 vorgesehen wird.
Beispielsweise ist in JP-3799270 ein Verfahren zum Messen der gegenseitigen Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Drehwelle und dem Ausgabewert des Magnetsensors und zur Korrekturvornahme mittels der Beziehung offenbart, wobei das Verfahren in einem Drehwinkel-Messgerät angewendet wird, das Magnetwiderstandselemente verwendet.
Jedoch wird gemäß diesem konventionellen Beispiel eine Korrektur durch Ausdrücken der Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Drehwelle und der Ausgabespannung des Magnetwiderstandselements durch einen Näherungsausdruck durchgeführt. In diesem Fall muss der Näherungsausdruck komplex sein, wenn die Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Drehwelle und der Ausgabespannung des Magnetwiderstandselements komplex wird, das heißt, wenn die Beziehung zwischen δ und θ_m (nachstehend als „δθ_m”-Verteilung” bezeichnet), wie in den 12A und 12B gezeigt, eine komplexe Form annimmt. Dementsprechend entsteht das Problem, dass die zur Korrekturberechnung erforderliche Betriebszeit zunimmt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dagegen kann eine Korrekturberechnung durch lineare Interpolation mittels zwei nächstliegenden Datenpunkten umgesetzt werden, selbst wenn die δθ_m-Verteilung eine komplexe Form annimmt. Daher kann die Betriebszeit für die Korrektur verkürzt werden.
Im Fall des Ausdrückens der Beziehung durch einen Näherungsausdruck, wenn die δθ_m-Verteilung eine komplexe Form annimmt, neigt der Näherungsausdruck dazu, eine relativ große Ungenauigkeit zu bewirken. Dieses Ausführungsbeispiel kann die δ-θ_m-Verteilung bewältigen, ungeachtet dessen, welche Form sie annimmt.
Bei dieser Erfindung kann ein einfaches Verfahren zum Korrigieren der Magnetfeldverteilung zusätzlich verwendet werden. Es wird nämlich ein korrigierter Winkel θ_adj, der durch einen Korrigiervorgang behandelt worden ist, für den Magnetfeldwinkel θ_m in dem Schritt des Zusammenstellens der Nachschlagetabelle eingesetzt; die Differenz δ wird mittels des folgenden Ausdrucks berechnet:
[Ausdruck 26]

δ = θ_adj – θ_r (26) ; und eine überarbeitete Nachschlagetabelle wird durch Auflisten der Beziehung zwischen δ und θ_adf (mit θ_adf als Index) zusammengestellt. Wenn die Messung erfolgt, wird der korrigierte Winkel θ_adf aus dem von dem Magnetsensor 201 gemessenen Magnetfeldwinkel θ berechnet, und danach wird ein korrekter Rotorwinkel θ_r mittels des Ausdrucks θ_r = θ_adf – δ erhalten.

Da die Differenz δ mittels des korrigierten Winkels θ_adj anstelle des Magnetfeldwinkels klein θ_m gemacht wird, verbessert sich die Genauigkeit bei der Korrektur. Weiterhin wird die Abhängigkeit vom Winkel der Differenz δ durch die Verwendung des korrigierten Winkels klein, so dass die Genauigkeit bei der Berechnung der Werte für die Differenz δ durch Interpolation verbessert wird, wodurch eine genaue Korrektur mit weniger Datenpunkten erfolgen kann. Dementsprechend wird die Anzahl von in der Nachschlagetabelle verwendeten Datenpunkten geringer und daher wird eine Korrektur mit weniger Speicherkapazität möglich.
Gemäß dem in JP-3799270 offenbarten Verfahren ist es notwendig, den Drehwinkel der Drehwelle an einem vorgegebenen Wert in der Messung der Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Drehwelle und der Ausgabespannung des Magnetwiderstandselements einzustellen. Dementsprechend muss zusätzlich ein Drehkodierer verwendet werden, um eine Messung zur Korrektur durchzuführen. Dagegen besteht gemäß dieser Erfindung kein Bedarf an einem zusätzlichen Kodierer, um eine solche Korrektur zu bewirken, wie vorstehend beschrieben.
Es werden nun Einzelheiten beschrieben, wie in ein System in ein Drehwinkel-Messgerät eingebaut wird, das wie vorstehend beschrieben hergestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Fall beispielhaft dargestellt, in dem ein Drehwinkel-Messgerät in einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung eingebaut ist.
14 zeigt schematisch ein elektrisches Servolenkungssystem.
Nach dem anfänglichen Einstellen des Systems auf den Winkelursprung und Systemursprung wird der Drehwinkel θ_r0 der Drehwelle 121 ausgelesen. Konkret gesagt, wird der Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 durch Ermitteln des Magnetfeldwinkels θ_m durch Messung mit dem Messsensor 201 und anschließendes Nachschlagen der Differenz δ in der Nachschlagetabelle ermittelt. Dann wird der dem Systemursprung entsprechende Drehwinkel θ_r0 in der Steuereinheit (elektronische Steuereinheit ECU) des elektrischen Servolenkungssystems gespeichert.
Selbst wenn es eine Anbringungsungenauigkeit beim Anbringen des Drehwinkel-Messgeräts im System gibt, kann die Anbringungsungenauigkeit korrigiert werden, wenn der Wert für den Drehwinkel θ_r0, der dem Systemursprung entspricht, bekannt ist.
Die normalerweise von einem System, wie etwa einem Servolenkungssystem, erforderliche Information ist ein Systemwinkel θ_sys. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann ein solcher Systemwinkel θ_sys auf der Grundlage des Magnetfeldwinkels θ_m, der aus dem Ausgabesignal des Magnetsensors 201 ermittelt wird, exakt ermittelt werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf 26 und 27 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Temperatureigenschaft des Magnetsensors 201 in großem Ausmaß.
Drehwinkelsensoren leiden unter dem Problem, dass eine Temperaturänderung eine Verschlechterung der Messgenauigkeit verursacht. Dies ist das Problem einer schlechten Temperatureigenschaft. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperatureigenschaft des Magnetsensors 201 durch Verbessern des Magnetfeldwinkel-Messverfahrens, das bei dem Magnetsensor 201 verwendet wird, verbessert.
Die Ursache für die Verschlechterung der Temperatureigenschaft in dem Magnetwiderstandselement liegt in der Überlagerung von Versetzungs- bzw. Offsetspannungen auf die Ausgabesignale der Sensorelementeinheit 301, die in dem Magnetsensor 201 eingebaut ist. Dieser Punkt ist nachstehend detailliert beschrieben. Da sich der GMR-Koeffizient G/R im Ausdruck (6) mit der Temperatur ändert, ändert sich der Wert von ΔV_c mit der Temperaturänderung. Wie jedoch aus den Ausdrücken (6), (7) und (8) ersichtlich ist, wird die Änderung im Koeffizienten G/R in Abhängigkeit von der Temperatur versetzt, da der Magnetfeldwinkel θ_m aus dem Verhältnis von ΔV_s zu ΔV_c berechnet wird. Dementsprechend ist von einem idealen Standpunkt aus der Wert für θ, der aus dem tatsächlich gemessenen Wert berechnet wird, nicht in Abhängigkeit von der Temperatur zu ändern.
Jedoch werden Offsetspannungen ΔV_s und ΔV_c in der tatsächlichen Brücke, die GMR-Elemente verwendet, überlagert, wie in den folgenden Ausdrücken (27) angegeben.
[Ausdruck 27]

ΔV_c = V₂ – V₁ = –e₀ G / 2R cosθ + ΔV_c(ofs) (27)
ΔV_s = V₂ – V₁ = e₀ G / 2R sinθ + ΔV_s(ofs)

Als Ergebnis ist das Verhältnis ΔV_s/ΔV_c nicht gleich tanθ, und selbst wenn das Verhältnis ΔV_s/ΔV_c erhalten wird, heben die GMR-Koeffizienten G/R des Zählers und Nenners einander nicht auf, so dass sich der Magnetfeldwinkel θ_m mit der Temperatur ändert.
Selbst wenn eine Versatzeinstellung bei Raumtemperaturen in einer Erfassungsschaltung 351A erfolgt, das heißt, selbst wenn die Offsetspannung ΔV_c(ofs) eliminiert wird, um einen korrekten Magnetfeldwinkel θ_m zu erhalten, bewirkt eine Temperaturänderung dementsprechend immer noch eine Änderung des Versatzwerts, so dass kein korrekter Wert für den Magnetfeldwinkel θ_m erhalten werden kann. Dies ist der Grund für die Verschlechterung der vorstehend genannten Temperatureigenschaft.
Der Grund, dass eine Offsetspannung in der Signalspannung ΔV_c(ofs) erzeugt wird, liegt daran, dass die elektrischen Widerstände der vier die Brücke bildenden Elemente nicht demselben Wert bei θ = 90° (d. h. cosθ = 0) gleich gemacht sind, da die Eigenschaften der Elemente voneinander variieren.
26 zeigt schematisch den Aufbau einer Brücke, die in dem Magnetsensor 201 eingebaut ist, der in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die COS-Brücke in der Sensorelementeinheit 301, die den Magnetsensor 201 bildet, vier GMR-Elemente 51-1, 51-2, 51-3 und 51-4. 26 zeigt die elektrischen Verbindungen zwischen diesen Elementen. Die (in 26 nicht gezeigte) SIN-Brücke weist ebenfalls eine ähnliche Struktur auf. Dieses Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezug auf die COS-Brücke beschrieben.
Die aus den GMR-Elementen 51-1 und 51-4 bestehende Halbbrücke ist mit einer Ausgabeeinheit e₁ (341) mit positiver Polarität und einer Ausgabeeinheit g₁ (345) mit negativer Polarität verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den GMR-Elementen 51-1 und 51-4 wird als Signalanschluss V₁ verwendet.
Die aus den GMR-Elementen 51-2 und 51-3 bestehende Halbbrücke ist mit einer Ausgabeeinheit e₂ (342) mit positiver Polarität und einer Ausgabeeinheit g₂ (346) mit negativer Polarität verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den GMR-Elementen 51-2 und 51-3 wird als Signalanschluss V₂ verwendet.
Die Signalanschlüsse V₁ und V₂ sind mit einer Erfassungsschaltung 351 verbunden, die eine Differenzspannung Δ = V₂ – V₁ erfasst, das heißt, die Differenz zwischen den Spannungen an den Anschlüssen V₁ und V₂.
Das Merkmal dieses Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die aus vier GMR-Elementen bestehende Brücke in zwei Halbbrücken geteilt wird und die beiden Halbbrücken von unterschiedlichen Spannungen e₁ bzw. e₂ betätigt werden. Mit dieser Schaltungskonfiguration wird es möglich, Offsetspannungen wie nachstehend beschrieben zu eliminieren.
Wie in 26 gezeigt, sind die GMR-Elemente 51-1, 51-2, 51-3 und 51-4 so bezeichnet, dass sie Widerstandswerte R₁ bzw. R₂ bzw. R₃ bzw. R₄ aufweisen.
Es sei angenommen, dass die Magnetisierungsrichtungen der verstifteten Magnetschichten 13 in den GMR-Elementen R₁ (51-1) und R₃ (51-3) durch θ_p = 0 gegeben sind und dass die Magnetisierungsrichtungen der verstifteten Magnetschichten 13 in den GMR-Elementen R₂ (51-2) und R₄ (51-4) durch θp = 180° gegeben sind. Da die Magnetisierungsrichtung θ_f der freien Magnetschicht in Abhängigkeit von dem externen Magnetfeld bestimmt wird, weisen die vier GMR-Elemente in ihren freien Magnetschichten die gleiche Magnetisierungsrichtung auf. Es gilt daher, dass Δθ_f2 = θ_f – θ_p2 = θ_f – θ_p1 – π = Δθ₁ + π. Es gilt auch, dass Δθ₁ = θ, da Δθ₁ in Bezug auf θ_p = 0 gemessen wird. Dementsprechend gilt, wie aus dem Ausdruck (1) ersichtlich, der Ausdruck (2) für R₁ und R₃ (n = 1, 3), während der Ausdruck (3) für R₂ und R₄ (n = 2, 4) gilt.
Die Differenzspannung ΔV (= V₂ – V₁) zwischen den Anschlüssen 1 und 2 der Brückenschaltung in 26 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben. [Ausdruck 28]
Die vorstehende Überlegung wird auf einen solchen allgemeinen Fall erstreckt, in dem andere Elemente als GMR-Elemente verwendet werden, wie nachstehend beschrieben. Es wird ein Fall betrachtet, in dem sich R₁ und R₃, die ein gegenüberliegendes Widerstandspaar in der Brücke bilden, wie folgt ändern (n = 1, 3):
[Ausdruck 29]

R_n = R_n0 + ΔR (29)

Es wird auch ein anderer Fall betrachtet, in dem sich R₂ und R₄, die das andere gegenüberliegende Widerstandspaar in der Brücke bilden, wie folgt ändern (n = 2, 4).
[Ausdruck 30]

R_n = R_n0 – ΔR (30)

Wenn ein konkreter Fall betrachtet wird, in dem GMR-Elemente verwendet werden, entspricht der Wert, der ermittelt wird, wenn der Magnetfeldwinkel θ gleich 90° ist, R_n0. Dies ist durch Vergleich der Ausdrücke (2) und (3) mit den Ausdrücken (29) und (30) klar ersichtlich.
Wenn ΔR = 0, wird die Differenzspannung ΔV (= V₂ – V₁) zwischen den Anschlüssen 1 und 2 der Brücke in 26 aus Ausdruck (28) berechnet, wie nachstehend angegeben. [Ausdruck 31]
Da dieser Wert für ΔR = 0 berechnet wird, ist er als „ΔV₀” definiert. Dann wird ein ähnlicher Wert für ΔR ≠ 0 ermittelt. [Ausdruck 32]
[Ausdruck 33]
Der Zähler des ersten Terms im Ausdruck (32) ist der gleiche wie der entsprechende Zähler im Ausdruck (31). Wenn angenommen wird, dass ΔV₀ = 0, ergibt dementsprechend der Ausdruck (32) die folgende Proportionalitätsbeziehung.
[Ausdruck 34]

Δν = CΔR (34)

Vorliegend ist der Proportionalitätsfaktor C das, was durch den Ausdruck (33) gegeben ist.
Wenn der durch den Ausdruck (31) gegebene ΔV₀ durch Einstellen der Spannungsdifferenz (e₂ – e₁) gleich Null gemacht wird, wird die Signalspannung ΔV der in 26 gezeigten Brücke von der Offsetspannung befreit. Als Ergebnis kann eine gewünschte Eigenschaft realisiert werden, dass ΔV proportional der variablen Größe ΔR ist.
Der Hauptpunkt dieses Ausführungsbeispiel ist es, imstande zu sein, die Anregungsspannungen e₁ und e₂, die an die beiden Halbbrückenpaare angelegt werden, getrennt einzustellen. Um diesen Punkt klar zu machen, wird der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels zu den konventionellen Beispielen nachstehend erläutert.
Im Fall einer in 4 gezeigten konventionellen Brückenkonfiguration wird, da die vier GMR-Elemente ungleiche Eigenschaften haben, die Gleichung R₁R₃ = R₂R₄ nicht erfüllt, selbst wenn θ = 90°, so dass der Zähler in dem Ausdruck (4) nicht verschwindet. Denn die Offsetspannung bleibt in der Signalspannung ΔV erhalten. Vom Standpunkt des Ausdrucks (31) verschwinden, wenn e₁ = e₂, der erste und zweite Term im Ausdruck (31) zusammen im Fall einer idealen Brücke, für die die Gleichung R₁R₃ = R₂R₄ erfüllt ist. Jedoch verschwindet in einem Fall, in dem die Gleichung R₁R₃ = R₂R₄ aufgrund der ungleichen Eigenschaften der GMR-Elemente nicht erfüllt ist, der erste Term im Ausdruck (31) nicht, so dass eine Offsetspannung erzeugt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, kann ΔV₀ dagegen, wie aus dem Ausdruck (31) ersichtlich, bei θ = 90° auf Null gestellt werden, indem die Spannungsdifferenz (e₂ – e₁) eingestellt wird. Als Ergebnis kann die Offsetspannung eliminiert werden, wie vorstehend beschrieben.
Nun werden Temperatureigenschaften unter Bezug auf die Sensorelementenbrücke, wie in 26 gezeigt, betrachtet.
Die Temperatureigenschaft des Widerstands einer Substanz kann durch den folgenden Ausdruck dargestellt werden.
[Ausdruck 35]

R(T) = R(T₀)[1 + a(T + T₀)] = R(T₀)(1 + aΔT) (35)

Die Einsetzung des Ausdrucks (35) in den Zähler des ersten Terms des Ausdrucks (32) und die Neuordnung des Ausdrucks (32) ergeben (1 + aΔT) als Multiplikationsfaktor. Wenn daher ΔV₀ bei einer bestimmten Temperatur gleich Null gemacht wird, folgt daraus, dass ΔV₀ = 0 bei irgendeiner anderen Temperatur ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist nämlich, wenn die Spannungsdifferenz (e₂ – e₁) so eingestellt ist, dass ΔV₀ = 0 bei einer bestimmten Temperatur ist, zum Beispiel bei einer Raumtemperatur, ΔV₀ = 0 bei irgendeiner anderen Temperatur. Dies bedeutet, dass die durch den Ausdruck (34) gegebene Proportionalitätsbeziehung erhalten wird.
Somit kann ein von der Offsetspannung freies Signal über einen breiten Temperaturbereich erhalten werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann auf diese Weise die Anzahl der Schritte des Prüfungs-/Einstellungsablaufs um ein großes Ausmaß gesenkt werden, da die Temperatureigenschaft eines Magnetfeld-Messgeräts nach der Herstellung bei einer bestimmten Temperatur allein, zum Beispiel bei einer Raumtemperatur, eingestellt werden kann.
Als Nächstes wird ein Magnetfeld-Messgerät, das GMR-Elemente verwendet, betrachtet. R₁ und R₂ werden gemäß dem Ausdruck (2) wie folgt dargestellt:
[Ausdruck 36]

R_n = R_n0 – G / 2 cosθ (36)

Im Vergleich mit dem Ausdruck (29) wird das Differenzspannungssignal im Fall der Verwendung von GMR-Elementen durch den folgenden Ausdruck bezeichnet.
[Ausdruck 37]

Δν = – CG / 2 cosθ (37)

Es kann nämlich ein Signal erhalten werden, das proportional zum Kosinus der Magnetfeldausrichtung θ ist. Das so erhaltene Signal wird mit ΔV_c bezeichnet.
Die Konstante C ist der Wert, der aus dem Ausdruck (33) ermittelt wird.
In dem Drehwinkel-Messgerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau der Motoreinheit 100 der gleiche wie derjenige im Ausführungsbeispiel 1. Obwohl der Aufbau der Drehwinkel-Messeinheit 200 der gleiche wie derjenige im Ausführungsbeispiel 1 ist, wird der Aufbau des Magnetsensors 201 durch den vorstehend beschriebenen Aufbau ersetzt. Das Korrekturverfahren, das bewirkt, dass der Drehwinkel θ_r mit dem Magnetfeldwinkel θ_m übereinstimmt, der von dem Magnetsensor 201 gemessen wird, ist das gleiche wie dasjenige, das im Ausführungsbeispiel 1 angewendet wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Temperatureigenschaft verbessert werden; die genaue Messung des Rotorwinkels kann aufgrund der Korrektur des Magnetfelds bewirkt werden; und daher kann ein Drehwinkel-Messgerät mit hoher Präzision über einen breiten Temperaturbereich hinweg realisiert werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann, da die Messung des Rotorwinkels über einen breiten Temperaturbereich hinweg einfach durch Einstellen der Vorspannung (Δe = e₁ – e₂) für die Erfassungsschaltungseinheit 302 des Magnetsensors 201 bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann, ein kostengünstiges Drehwinkel-Messgerät bereitgestellt werden, das eine kleine Anzahl von Schritten zur Korrektur und Einstellung erfordert.
Als Nächstes wird das dritte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben, in dem eine Offsetspannung reduziert werden kann, die der Schaltungskonfiguration der Erfassungsschaltungseinheit 302 zugeschrieben werden kann. Bei dem Drehwinkel-Messgerät dieses Ausführungsbeispiels ist der Aufbau einer Motoreinheit 100 der gleiche wie derjenige, der bei Ausführungsbeispiel 1 beschrieben ist, und der Aufbau einer Drehwinkel-Messeinheit 200 ist der gleiche wie derjenige, der bei Ausführungsbeispiel 2 beschrieben ist.
Dieses Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 27 detailliert beschrieben.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Magnetfeld genau erfasst, indem eine Offsetspannung eliminiert wird, die einer Erfassungsschaltung zugeschrieben werden kann.
27 zeigt Wellenformen der Anregungsspannungen, die an die Halbbrücken angelegt werden, die aus GMR-Elementen bestehen, wie in 26 gezeigt. Hier sind die an die Anschlüsse e₁ und e₂ in 26 angelegten Anregungsspannungswellenformen mit V_e(1) bzw. V_e(2) bezeichnet und die an die Anschlüsse g₁ und g₂ in 26 angelegten Anregungsspannungswellenformen sind mit V_g(1) bzw. V_g(2) bezeichnet. Das entsprechende Differenzspannungssignal ΔV = V₂ – V₁ ist ebenfalls in 27 gezeigt.
Zum Zeitpunkt t₁ wird eine Referenzspannung V_ag an beide Anschlüsse V_e(i) und V_g(i) (i = 1, 2) angelegt. Dementsprechend werden der Anschluss e₁ mit positiver Polarität und der Anschluss g₁ mit negativer Polarität der Brücke beide auf der gleichen Spannung V_ag gehalten und daher erzeugen beide Anschlüsse V₁ und V₂ die Signalspannung V_ag, so dass das Differenzspannungssignal ΔV = V₂ – V₁ auf Null reduziert wird.
Infolgedessen ist der spontane Wert V_det(t₁) zum Zeitpunkt t₁ der Ausgangsspannung V_det(t) der Erfassungsspannung 351 die Offsetspannung, die der Erfassungsschaltung 351 zugeschrieben werden kann. Zum Zeitpunkt t₂ liefert die Ausgabeeinheit 341 mit positiver Polarität einen Impuls 611 mit positiver Polarität und die Ausgabeeinheit 345 mit negativer Polarität liefert einen Impuls 612 mit negativer Polarität. Als Ergebnis wird das Differenzspannungssignal ΔV = V₂ – V₁ eine Signalspannung, die dem Magnetfeldwinkel entspricht.
Das Differenzsignal ΔV_det = V_det(t₂) – V_det(t₁), das zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ berechnet wird, wird zu einer Signalspannung, die frei von der Offsetspannung ist, die der Erfassungsschaltung 351 zugeschrieben werden kann. Auf diese Weise wird die Offsetspannung, die der Erfassungsschaltung zugeschrieben werden kann, eliminiert, so dass das Magnetfeld genau gemessen werden kann.
In gleicher Weise ist das Differenzsignal ΔV_det = V_det(t₄) – V_det(t₃) eine Signalspannung zum Zeitpunkt t₄.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht auf diese Weise der wesentliche Punkt darin, die vier Anschlüsse e₁, e₂, g₁ und g₂ der Brücke der 26 auf dem gleichen Potenzial (V_ag in 27) zu halten und eine Referenzspannung von diesem Potenzial zu subtrahieren, wobei die Referenzspannung die Ausgabespannung V_sig(t₁) der Erfassungsschaltung zu diesem Zeitpunkt ist. Dieser Vorgang ermöglicht es, die Offsetspannung, die den GMR-Elementen zugeschrieben werden kann, von der Offsetspannung perfekt zu trennen, die der Erfassungsschaltung zugeschrieben werden kann.
Weiterhin wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel zuerst das Referenzsignal V_det(t₁) gemessen, dann wird die Signalspannung V_det(t₂) zum Anregen der GMR-Elemente ermittelt und schließlich wird die Signalspannung ΔV_det = V_det(t₂) – V_det(t₁) ermittelt. Diese Verfahrensreihenfolge minimiert die Zeitverzögerung zwischen dem Ausgangssignal zur Zeit der Signalmessung (d. h. Abtastung) und dem Ausgangssignal nach der Signalverarbeitung. Diese Gestaltung ist insbesondere bei einer Anwendung bei einer Magnetfelderfassungsschaltung wichtig, die für die Messung von beispielsweise dem Drehwinkel einer Motorwelle verwendet werden kann, welche Hochgeschwindigkeitsreaktionen erfordert.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die GMR-Elemente für eine Stromführung nur während der Zeitspanne angeregt, wenn der Impuls 611 mit positiver Polarität und der Impuls 612 mit negativer Polarität zugeführt werden. Dementsprechend kann ein Magnetfeld-Messgerät mit niedrigem elektrischem Stromverbrauch realisiert werden. Konkret gesagt, wenn die relative Einschaltdauer während der Spannungsanlegung auf 10% eingestellt ist, wird die verbrauchte elektrische Leistung auf ein Zehntel gesenkt.
Da die in den GMR-Elementen verbrauchte elektrische Leistung gesenkt werden kann, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Wärmeerzeugung (Joule-Wärme) durch die GMR-Elemente verringert werden und daher kann der Vorteil genutzt werden, dass die Änderung der Eigenschaften der GMR-Elemente aufgrund des Temperaturanstiegs unterdrückt werden kann.
Weiterhin sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Spannungsamplituden des Impulses 611 mit positiver Polarität und des Impulses 612 mit negativer Polarität einander fast gleich eingestellt. Dadurch ändern sich zur Zeit der Nullpunkterfassung (bei t₁) und zur Zeit der Signalerfassung (t₂) die Werte der Signalspannungen V₁ und V₂ nicht groß. Daher genießt man den Vorteil, dass die Anforderung des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses CMRR für den Differenzialdetektor 351 weniger streng sein kann.
Nun wird das vierte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 28 und 29 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel weist die gleiche Gestaltung wie das vorstehend beschriebene zweite Ausführungsbeispiel auf, hat aber den Aufbau des Magnetsensors 201, der wie nachstehend beschrieben modifiziert ist.
28 zeigt den Aufbau der Sensorelementeinheit 301 in dem in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Magnetsensor 201. 29 zeigt grafisch die Wellenformen von Anregungsspannungen und der Erfassungszeitsteuerung, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Wie in 28 gezeigt, wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl von Verdrahtungsleitern, die zwischen der Sensorelementeinheit 301 und der Erfassungsschaltungseinheit 302 verbinden, durch Reduzieren der Anzahl von Anschlüssen verkleinert, die aus der Sensorelementeinheit 301 kommen. Wie in 28 gezeigt, sind die Anschlüsse g von Halbbrücken, die jeweils aus GMR-Elementen bestehen, miteinander verbunden, wohingegen der Anschluss e₂ der COS-Brücke und der Anschluss e₂ der SIN-Brücke miteinander verbunden sind.
Wie vorstehend beschrieben, erzeugen die ungleichen Eigenschaften der GMR-Elemente eine Signaloffsetspannung, die die Verschlechterung von Temperatureigenschaften des Magnetsensors 201 verursacht. Dementsprechend ist jener optimale Wert der Vorspannung Δe = e₂ – e₂ für die COS-Brücke, die die Offsetspannung zu Null macht, nicht gleich dem entsprechenden optimalen Wert der SIN-Brücke.
Daher wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Anlegung der Anregungsspannung an die COS-Brücke im Lauf der Zeit von der Anlegung der Anregungsspannung an die SIN-Brücke verschoben, so dass Verdrahtungsleiter zwischen den Brücken geteilt werden können und dass die Anzahl von Anschlüssen, die aus der Sensorelementeinheit 301 kommen, verringert werden kann.
29 zeigt grafisch die Wellenformen von Anregungsspannungen und der Erfassungszeitsteuerung, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden, und entspricht 27, die dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zugeordnet ist. Der Impuls 621 mit positiver Polarität für die COS-Brücke und der Impuls 622 mit positiver Polarität für die SIN-Brücke werden nacheinander mit einer bestimmten Zeitversetzung angelegt. Der Impuls 612 mit negativer Polarität wird an den Anschluss g angelegt.
Als Ergebnis dieser versetzten Anlegung von Impulsen ändern sich die Signalspannung ΔV_c für die COS-Brücke und die Signalspannung ΔV_s für die SIN-Brücke, wie in 29 gezeigt. Das Nullpunktsignal V_z wird zur Zeit t₀ gemessen. Dann werden die Signale für die COS-Brücke und die SIN-Brücke zur Zeit t₁ bzw. t₂ ermittelt.
Da das Signal unter der Bedingung gemessen wird, dass die optimalen Anregungsspannungen ΔV an die COS- bzw. SIN-Brücke angelegt werden, kann dann auf diese Weise die Versatzkomponente, die andernfalls in der Signalspannung enthalten sein kann, eliminiert werden. Demgemäß kann, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, ein Magnetsensor 201 mit einer gewünschten Temperatureigenschaft erhalten werden.
Obwohl der Aufbau der Sensorelementeinheit 301 wie in 28 gezeigt gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, ist er nicht verpflichtend, sondern ein reines Beispiel. Es muss nicht gesagt werden, dass Fachleute auf dem Gebiet das Konzept dieses Ausführungsbeispiels auf einen Fall, in dem die Anschlüsse e und/oder die Anschlüsse g zwischen Brücken geteilt werden, oder irgendeinen anderen machbaren Fall anwenden können.
Nun wird das fünfte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Magnetsensor auf der Außenfläche des Gestells eines Drehwinkel-Messgeräts angebracht. Mit diesem Aufbau kann der Magnetsensor leicht angebracht werden. Da es nicht notwendig ist, die Verdrahtungsleiter für den Magnetsensor vom Inneren des Gestells des Drehwinkel-Messgeräts herauszuführen, kann weiterhin die Montage und Herstellung eines Drehwinkel-Messgeräts insbesondere für einen wasserdichten Aufbau vereinfacht werden.
Das Drehwinkel-Messgerät dieses Ausführungsbeispiels besteht hauptsächlich aus einer Motoreinheit 100 und einer Drehwinkel-Messeinheit 200. Der Aufbau der Motoreinheit 100 ist der gleiche wie bei der Motoreinheit des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Drehwinkel-Messeinheit 200 umfasst einen an einer Drehwelle 121 angebrachten Sensormagneten 202, ein an dem Gestell einer Motoreinheit 100 angebrachtes Gehäuse 203 und einen Magnetsensor 201.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Drehwinkel-Messeinheit einen wasserdichten Aufbau auf. Dementsprechend ist ein Dichtungsmittel 210 zwischen das Gehäuse 203 und die zweite Klammer 103 eingefügt. Dadurch können das Gehäuse 203, die zweite Klammer 103, der Rahmen 101 und die erste Klammer 102 zusammen einen wasserdichten Aufbau bereitstellen. In dieser Patentbeschreibung ist eine solche Grenze, die das Eindringen von Wasser von außen verhindert, als „wasserdichte Grenze” bezeichnet.
Durch Einfügen von Dichtungsmitteln zwischen Elemente, die eine wasserdichte Grenze bilden, wird ein solcher Aufbau bereitgestellt, der das Eindringen von Wasser in einen Raum verhindern kann, der von den Elementen begrenzt wird. Daher muss in einem Fall, in dem Verdrahtungsleiter durch die wasserdichte Grenze gezogen werden müssen, ein mit Harz geformter Verbinder als die wasserdichte Grenze dienen, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Grenze durch Verbinden von Verdrahtungsleitern mit dem Verbinder bereitgestellt werden kann.
Der Magnetsensor 201 ist auf der Außenfläche des Gehäuses 203 angebracht. Da in diesem Ausführungsbeispiel der Magnetsensor 201 außerhalb der wasserdichten Grenze angeordnet ist, befinden sich auch die Führungsdrähte 208 für die Signalübertragung von dem Magnetsensor 201 außerhalb der wasserdichten Grenze, so dass sie nicht durch die wasserdichte Grenze hindurchgehen müssen. Dementsprechend genießt man den Vorteil, dass die Signalführungsdrähte 208 von einfachem Aufbau sein können.
Da sich das Gehäuse 203 zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 befindet, müssen Material und Form des Gehäuses 203 eine bestimmte Bedingung erfüllen.
Für das Gehäuse 203 sollte ein Material verwendet werden, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist. Als Ergebnis fällt die entsprechende Permeabilität μ_r = 1 + χ in den Bereich von 0,09~1,01. Diese Werte innerhalb des Bereichs sind fast gleich der Permeabilität von Luft, d. h. 1. Daher ist das statische Magnetfeld durch das Gehäuse 203 nicht beeinträchtigt. Solche wünschenswerten Materialien beinhalten Aluminium (χ = 2 × 10^–5), Kupfer (χ = –9 × 10^–6), Kupferlegierungen (Messing und Cupronickel) und Kunstharze, sind aber nicht darauf beschränkt.
Manchmal ist es bevorzugt, Metall als Material für das Gehäuse zu verwenden. Dies liegt daran, dass Metall mechanisch stärker und leichter zu verarbeiten ist als Harz. Wenn Metall für das Gehäuse verwendet wird, muss zusätzlich zu der Anforderung nach der magnetischen Suszeptibilität eine Einschränkung berücksichtigt werden. Denn es muss das Magnetfeld, das im Lauf der Zeit variabel ist, erfasst werden.
Da die Drehung der Drehwelle 121 bei f[Hz] den Sensormagneten 202 veranlasst, sich mit der gleichen Frequenz zu drehen, so dass sich das durch das Gehäuse 203 hindurchgehende Magnetfeld im Lauf der Zeit ändert. Damit der Magnetsensor 201 imstande ist, das Magnetfeld wirksam zu messen, wird die Dicke t (in Meter) jenes Teils des Gehäuses 203, das sich zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 befindet, dazu gebracht, die folgende Ungleichung zu erfüllen. [Ausdruck 38]
wobei δ_skin für die Eindringtiefe (in Meter) des Materials steht, aus dem das Gehäuse 203 gemacht ist, ρ für den Widerstand (in Ωm) des Gehäuses steht, μ₀ die Permeabilität von Vakuum (= 4π × 10^–7) steht und μ_r für die relative Permeabilität des Gehäusematerials steht, das die magnetische Suszeptibilität so betrifft, dass μ_r = 1 + χ. Weiterhin bezeichnet f die maximale Drehfrequenz der Drehwelle 121 und N_p ist die halbe Anzahl der Magnetpole des Sensormagneten. N_p·f gibt nämlich die Wiederholungsfrequenz an, mit der sich das Magnetfeld pro Sekunde ändert.
Der folgende Ausdruck, der die Dicke t (in Meter) jenes Teils des Gehäuses 203 betrifft, das sich zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 befindet, kann aus der obigen Ungleichung (38) abgeleitet werden: [Ausdruck 39]
Die Dicke t des Gehäuses 203, die mittels des Ausdrucks (39) numerisch berechnet wird, beträgt höchstens 1,3 mm, wenn N_p = 4 (im Fall eines 8-poligen Magneten), die Drehfrequenz ist gleich 15.000 UpM und Aluminium (Spezifischer Widerstand ρ = 2,75 × 10^–8 Ωm) dient als Material für das Gehäuse.
Alternativ beträgt, wenn N_p = 4 (im Fall eines 8-poligen Magneten), die Drehfrequenz gleich 15.000 UpM ist und Messing, d. h. eine Cu(65%)-Zn(35%)-Legierung (Spezifischer Widerstand ρ = 6 × 10^–8 Ωm), als Material für das Gehäuse 203 dient, die Dicke t des Gehäuses 203, die aus dem Ausdruck (39) berechnet wird, höchstens 1,9 mm.
Wenn das im Lauf der Zeit variierende Magnetfeld durch eine Substanz hindurchgeht, erzeugen freie Elektronen in der Substanz Wirbelströme, was die Intensität des durch die Substanz hindurchgehenden Magnetfelds dämpft. 16 zeigt grafisch die Beziehung zwischen einer wirksamen Drehfrequenz und der Übertragung des Magnetfelds für verschiedene Materialien mit einer Dicke von 1,3 mm. In 16 bezeichnet die Abszisse die wirksame Drehfrequenz, gegeben durch N_p × f, die gleich der Anzahl der Drehungen pro Sekunde des Magnetfelds ist. Es versteht sich, dass ein Material, das den niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist, die kleinere Dicke δ_skin für die Eindringwirkung und daher das schwächere Magnetfeld verursacht, das durch das Material hindurchgeht. Um ein Magnetfeld mit einer Intensität zu erhalten, die stark genug ist, dass der Magnetsensor 201 die Ausrichtung des Felds erfassen kann, ist es erforderlich, dass die Permeabilität des Materials mindestens 0,6 beträgt. Dies ist die Bedingung, die für den Ausdruck (38) erforderlich ist.
Die obige Beschreibung schlussfolgert, dass die Dicke jenes Teils des Gehäuses 203, das sich zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 befindet, die obigen genannten Forderungen erfüllt. Die anderen Teile des Gehäuses 203 können dicker sein.
In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der Grundlage der obigen Analyse Aluminium als Material für das Gehäuse 203 verwendet und die Dicke jenes Teils des Gehäuses 203, das sich zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 befindet, ist auf 1,3 mm eingestellt. Dementsprechend kann ein Drehwinkel-Messgerät erhalten werden, das den Drehwinkel selbst dann, wenn die Drehwelle mit 15.000 UpM gedreht wird, präzise erfasst.
Weiterhin ist es, wie in 1 gezeigt, bevorzugt, dass der Magnetsensor 201 mit der Mittellinie 226 der Drehwelle 121 ausgerichtet angeordnet sein sollte. Konkreter gesagt, sollte die Sensorelementeinheit 301 im Magnetsensor 201 vorzugsweise mit der Mittellinie 226 der Drehwelle 121 ausgerichtet angeordnet sein. Der Grund dafür ist: da die Verteilung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds entlang der Mittellinie 226 der Drehwelle fast parallel wird, kann das Korrekturausmaß der Feldverteilung mit dieser Konfiguration klein sein. Dennoch wird die Korrektur vorzugsweise unnötig, wenn die Differenz, die der Feldverteilung zugeschrieben werden kann, zwischen dem Magnetfeldwinkel θ_m und dem Drehwinkel θ_r in einen tolerierbaren Bereich fällt.
Nun wird das sechste Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Drehwinkel-Messgerät ist das gleiche wie dasjenige, das in 1 gezeigt ist.
Bei diesem Drehwinkel-Messgerät ist der Magnetsensor 201 auf der Außenfläche des Gehäuses 203 angeordnet. Wenn sich ein Magnetmaterialkörper, wie etwa Eisen, in der Nähe des Drehwinkel-Messgeräts befindet, kann er dementsprechend die räumliche Verteilung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds manchmal beeinträchtigen. Als Ergebnis ändert die Änderung der räumlichen Verteilung des Magnetfelds die Beziehung zwischen dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 und dem Magnetfeldwinkel θ_m, der von dem Magnetsensor 201 zu erfassen ist.
In einem solchen Fall kann gemäß einem konventionellen Verfahren, bei dem ein Drehwinkel-Messgerät in ein System eingebaut wird, nachdem es von einem Korrekturaktuator/-kodierer korrigiert worden ist, das so eingebaute Drehwinkel-Messgerät den Drehwinkel θ_r nicht korrekt messen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel misst das Drehwinkel-Messgerät, das bereits in ein beteiligtes System eingebaut worden ist, die Entsprechung von θ_r zu θ_m, während die Drehwelle 121 N mal mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird. Der konkrete Ablauf ist wie vorstehend bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird auf diese Weise, da der Korrekturablauf durchgeführt wird, während das Drehwinkel-Messgerät in das beteiligte System eingebaut ist, selbst dann, wenn sich die räumliche Verteilung des Magnetfelds aufgrund des Einflusses des nahen Magnetmaterialkörpers ändert, die Entsprechung von θ_r zu θ_m in einer solchen geänderten Verteilung des Magnetfelds gemessen. Dementsprechend kann der Drehwinkel θ_r auch in einem korrigierten System korrekt gemessen werden.
Es wird nun das siebte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 17 und 18 beschrieben.
17 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts gemäß diesem Ausführungsbeispiel. 18 ist eine Seitenansicht von rechts des in 17 gezeigten Drehwinkel-Messgeräts, das heißt, 17 ist die Querschnittsansicht entlang der Linie A-B in 18.
Der Aufbau einer Motoreinheit 100 dieses Ausführungsbeispiels ist der gleiche wie derjenige des vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels.
Eine Drehwinkel-Messeinheit 200 besteht hauptsächlich aus einem Magnetsensor 201, einem Sensormagneten 202, einem Gehäuse 203 und einer Abdeckung 221.
Das Merkmal dieses Ausführungsbeispiels ist, dass die Drehwinkel-Messeinheit 200 die Abdeckung 221 aufweist. Die Abdeckung 221 besteht aus einem Material, das eine magnetische Suszeptibilität χ von mindestens 100 aufweist.
Der Magnetschirmeffekt wird durch Abdecken der Drehwinkel-Messeinheit 200 mit der Abdeckung 221 aus Material mit einer magnetischen Suszeptibilität χ von mindestens 100 erzeugt. Als Ergebnis wird die spezielle bzw. räumliche Verteilung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds kaum gestört, selbst wenn ein Magnetmaterialkörper in der Nähe der Drehwinkel-Messeinheit 200 platziert wird. Auf diese Weise kann der Einfluss von der Umgebung, in der das Drehwinkel-Messgerät platziert wird, beträchtlich reduziert werden, so das eine Drehwinkelmessung korrekt durchgeführt werden kann.
Materialien mit einer magnetischen Suszeptibilität χ von mindestens 100 schließen weiches Eisen (χ = 2000), Eisen (χ = 5000), Siliciumstahl (χ = 7000), Mu-Metall (χ = 100.000) usw. ein. In diesem Ausführungsbeispiel wird Eisen verwendet.
Material mit einer magnetischen Suszeptibilität von höchstens 0,01 wird für das Gehäuse 203 verwendet, das zwischen dem Sensormagneten 202 und dem Magnetsensor 201 positioniert ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein 1,3 mm dickes Aluminiumblech zum Bilden des Gehäuses verwendet.
Ein wasserdichter Aufbau wird durch Einfügen eines Dichtungsmittels 210 zwischen das Gehäuse 203 und die Motoreinheit 100 erzielt. In diesem Ausführungsbeispiel bilden das Gehäuse 203 und die Motoreinheit 100 eine wasserdichte Grenze.
Der Magnetsensor 201 ist auf einer Sensorhalterung 206 befestigt, die starr auf der zweiten Klammer 103 angebracht ist. Die Sensorhalterung 206 besteht aus einem Material mit einer magnetischen Suszeptibilität von höchstens 0,01, um zu verhindern, dass die Verteilung des Magnetfelds gestört wird.
Da sich der Magnetsensor 201 außerhalb der wasserdichten Grenze befindet, wird die Montage einfacher. Es ist besonders einfach, die Führungsdrähte 208 des Magnetsensors 201 aus dem Inneren des Drehwinkel-Messgeräts herauszuführen.
Durch die Abdeckung 221 wird ein Loch 223 gemacht. Das Loch 223 dient als Ausgang zum Herausführen der Führungsdrähte 208 und als Abzug für eine Drainage. Das heißt, selbst wenn Wasser irgendwie in die Drehwinkel-Messeinheit 200 läuft, kann es durch das Loch ablaufen. Da Wasser eine magnetische Suszeptibilität χ = –9 × 10^–6 aufweist, übt es keinen Einfluss auf die Verteilung des statischen Magnetfelds aus. Wenn jedoch Wasser dort während einer langen Zeitdauer vorhanden ist, kann das Problem entstehen, dass das Wasser Rost und/oder eine Verschlechterung der Isolierung verursacht. Daher sollte Wasser in der Drehwinkel-Messeinheit 200 vorzugsweise so schnell wie möglich ablaufen gelassen werden.
Weiterhin werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel Löcher für eine Wasserdrainage in drei Positionen geschaffen, wie 18 gezeigt, um durch sie das Wasser ablaufen zu lassen, das sich im Innern ansammelt, welche Haltung das Drehwinkel-Messgerät auch einnehmen mag.
Wenn die aus einem Material mit hoher Permeabilität bestehende Abdeckung 221 an der Drehwinkel-Messeinheit 200 angebracht wird, wird die räumliche Verteilung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds geändert, da der von dem Magneten ausgehende Magnetfluss leicht durch das Material von hoher Permeabilität hindurchgeht.
In einem solchen Fall sollte nach dem Anbringen der Abdeckung 221 ein Korrekturablauf wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden, indem die Beziehung zwischen dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 und dem Magnetfeldwinkel θ_m gemessen wird.
Da die äußere Umgebung, wo das Drehwinkel-Messgerät platziert ist, nur einen ausreichend kleinen Einfluss auf die Verteilung des Magnetfelds ausübt, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine ausreichende Messgenauigkeit ohne Neukorrektur sichergestellt werden, die andernfalls nach der Installation des Drehwinkel-Messgeräts vorgenommen werden könnte.
Nachstehend wird das achte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 19 und 20 beschrieben.
19 ist eine Querschnittsansicht eines Drehwinkel-Messgeräts gemäß diesem Ausführungsbeispiel. 20 ist eine Seitenansicht von rechts des in 19 gezeigten Drehwinkel-Messgeräts, das heißt, 19 ist die Querschnittsansicht entlang der Linie A-B in 20.
Der Aufbau einer Motoreinheit 100 dieses Ausführungsbeispiels ist der gleiche wie derjenige des vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels.
Der Aufbau einer Drehwinkel-Messeinheit 200 ist der gleiche wie derjenige des vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsbeispiels. Jedoch zeichnet sich dieses achte Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass der Magnetsensor 201 mit der Mittellinie 226 der Drehachse des Sensormagneten 202 ausgerichtet ist.
Da die Verteilung des Magnetfelds entlang der Mittellinie des Drehwinkels des Sensormagneten fast parallel ist, kann der Vorteil genutzt werden, dass das Korrekturausmaß des Magnetfelds verringert werden kann.
Da der Magnetsensor 201 direkt auf dem Gehäuse 203 angebracht ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Vorsehen der Sensorhalterung 206 nicht notwendig, so dass der Aufbau in vorteilhafter Weise vereinfacht wird.
(DREHZAHL-MESSGERÄT)
Nachstehend wird das neunte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 21 und 22 beschrieben.
21 ist eine Querschnittsansicht eines Drehzahl-Messgeräts gemäß dieser Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine Drehwelle 121, die sich synchron mit einem Objekt dreht, dessen Drehzahl zu messen ist, einen Sensormagneten 202, der fest an dem Ende der Drehwelle 221 angebracht ist, und einen Magnetsensor 201 zum Erfassen der Ausrichtung des von dem Sensormagneten 202 erzeugten Magnetfelds. Die Drehwelle 121 ist mittels eines an einem Gehäuse 261 angebrachten Lagers 262 drehbar gehalten. Der Magnetsensor 201 ist an dem Gehäuse 203 fest angebracht.
Das Gehäuse 203 besteht aus einem Material mit einer magnetischen Suszeptibilität von höchstens 0,01, um die räumliche Verteilung des Magnetfelds nicht zu stören. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Gehäuse aus einem Harzmasseaufbau verwendet.
Der Magnetsensor 201 ist so angeordnet, dass er mit der Mittellinie 226 der Drehachse des Sensormagneten 202 ausgerichtet sein kann. Da das von dem Sensormagneten 202 erzeugte Magnetfeld entlang der Mittellinie 226 der Drehachse 226 fast parallel ist, sollte sich der Magnetsensor 201 vorzugsweise in dieser Position befinden, um die Differenz zwischen dem Drehwinkel θ_r der Drehwelle 121 und dem Magnetfeldwinkel θ_m zu verringern.
Der Magnetsensor 201 umfasst eine COS-Brücke und eine SIN-Brücke, die Signale abgeben, die proportional cosθ_m bzw. sinθ_m sind. Nun soll B eine Proportionalitätskonstante bezeichnen, dann geben die COS- und SIN-Brücken Signalspannungen ab, die als V_x = Bcosθ_m bzw. V_y = Bsinθ_m bezeichnet werden.
Die Zeitableitung der Signalspannung V_x ist wie folgt. [Ausdruck 40]
Daher wird die Drehzahl ω = dθ_m/dt des Magnetfeldwinkels θ_m wie folgt erhalten. [Ausdruck 41]
In gleicher Weise kann die Zeitableitung der Signalspannung V_y der SIN-Brücke die Drehzahl wie folgt ergeben. [Ausdruck 42]
Auf diese Weise wird die Drehzahl des Magnetfeldwinkels θ_m erhalten. Dieser Ablauf weist Merkmale auf, wie nachstehend beschrieben.
Zuerst kann die Drehzahl ermittelt werden, ohne auf den Ablauf zurückzugreifen, bei dem eine ArcTan-Funktion (Arc-Tangens-Verfahren) verwendet wird. Außerdem kann, da die Proportionalitätskonstante B, die in den Signalspannungen beinhaltet ist, aufgehoben wird, die Drehzahl nur durch die Teilung der Zeitableitung von V_x durch V_y ermittelt werden. Wogegen eine Berechnung unter Verwendung der ArcTan-Funktion gewöhnlich viel Berechnungszeit benötigt, kann das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel; das sich nicht auf die ArcTan-Funktion verlassen muss, ein Drehzahl-Messgerät realisieren, das bei Hochgeschwindigkeitsmessungen angewendet werden kann.
Zweitens, obwohl die Ausdrücke (41) und (42) unterschiedliche Signalverarbeitungen durchführen, sind die Ergebnisse beider Verfahren einander gleich, das heißt, die Drehzahl des Magnetfeldwinkels θ_m. Daher müssen ω_m1 und ω_m2 den gleichen Wert annehmen. Mit anderen Worten, wenn sie unterschiedliche Werte annehmen, zeigt dies eine anormale Bedingung an, die im Drehzahl-Messgerät stattfindet.
Konkret gesagt, es wird unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit ein Fehlererfassungssignal nur dann erzeugt, wenn die Differenz zwischen dem einen Wert und dem anderen Wert außerhalb eines bestimmten Wertebereichs fällt.
22 zeigt grafisch einen Signalfluss im Zusammenhang mit einem konkreten Verfahren zum Erfassen der Drehzahl nach Maßgabe des Vorgangs, wie vorstehend beschrieben. In 22 bezeichnet „Z^–1” einen Verzögerungsvorgang pro Takt. Die Verzögerungsvorgänge sind gefolgt von Differenzierungsvorgängen. Dann werden die Vorgänge durchgeführt, die den Ausdrücken (41) und (42) entsprechen. Die Absolutwerte von V_x und V_y werden miteinander verglichen und der Wert jener Drehzahl, der durch die Teilung durch des größeren von V_x und V_y berechnet wird, wird übernommen. Auf diese Weise wird die Vergrößerung des Fehlers vermieden, der durch die Teilung durch einen Wert, der fast gleich Null ist, verursacht wird.
Zur gleichen Zeit wird die Differenz zwischen ω_m1 und ω_m2 berechnet, und wenn die Differenz einen bestimmten festgelegten Wert ε überschreitet, wird ein Fehlererfassungssignal ausgegeben.
Die vorstehende Beschreibung ist dem Drehzahl-Messgerät gewidmet, aber die Kombination des Drehzahl-Messgeräts und einem der Drehwinkel-Messgeräte der obigen Ausführungsbeispiele wird gleichermaßen nützlich sein. Konkret gesagt, kann das Signalverarbeitungsverfahren, wie in 22 gezeigt, in die oben beschriebene Erfassungsschaltungseinheit 302 eingebaut werden. Eine solche Konfiguration, die sowohl den Drehwinkel θ_r als auch die Drehzahl ω gleichzeitig ermitteln kann, ist nützlich, wenn sie als Sensor für die Vektorsteuerung eines Elektromotors angewendet wird.
Weiterhin ist eine andere Konfiguration ebenfalls nützlich, in der nur die Fehlererfassungsfunktion, die in dem Verfahren, das in 22 gezeigt ist, verwendet wird, in dem Drehwinkel-Messgerät eingebaut ist, das als irgendeines der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben ist. Auf diese Weise kann ein Drehwinkel-Messgerät mit einer Fehlererfassungsfunktion erhalten werden. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann eine Fehlererfassung durch einen kleinen Berechnungsbetrag bewirkt werden, so dass die Verzögerung von dem Auftreten eines Fehlers bis zu seiner Erfassung verkürzt werden kann, und so dass auch die Zuverlässigkeit des Drehwinkel-Messgeräts verstärkt wird.
Das elfte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf 23 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist das gleiche wie das Drehzahl-Messgerät, das in 21 gezeigt ist, ausgenommen, dass die Verarbeitungsschaltung durch analoge Schaltungen mit den gleichen Funktionen ersetzt ist. 23 ist ein Blockdiagramm der Verarbeitungsschaltungen.
Die Verarbeitungsschaltungen bestehen aus Differenzierungsschaltungen und Teilungsschaltungen, die alle mit analogen Komponenten aufgebaut sind, und der Fehlererfassungsvorgang wird von einem Komparator durchgeführt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann eine Echtzeitverarbeitung bewirkt werden, da die Verarbeitungsschaltung allein mit analogen Komponenten realisiert werden kann. Da keine Mikrosteuerung benötigt wird, wird außerdem ein Drehwinkel-Messgerät bereitgestellt, das gegen Umwelteinflüsse, wie etwa hohe Temperaturen, immun ist.
Das zwölfte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf 30A und 30B beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel ist das gleiche wie das vorstehend beschriebene erste Ausführungsbeispiel, ausgenommen, dass die Position der Erfassungsschaltungseinheit 302 im Magnetsensor 201 geändert ist.
Im ersten Ausführungsbeispiel sind die Sensorelementeinheit 301 und die Erfassungsschaltungseinheit 302 in den Magnetsensor 201 eingebaut, wie in 30A gezeigt.
Dagegen ist in diesem zwölften Ausführungsbeispiel, wie in 30B gezeigt, die Sensorelementeinheit 301 allein in der Position des in 5 gezeigten Magnetsensors 201 angeordnet, während die (in 5 nicht gezeigte) Erfassungsschaltungseinheit 302 außerhalb des in 5 gezeigten Gehäuses 203 angeordnet ist. Wie in 30B gezeigt, werden Anregungsspannungen durch die Treiberschaltungseinheit 340 in der Erfassungsschaltungseinheit 302 erzeugt und die erzeugten Anregungsschaltungen werden über die Signalführungsdrähte 208 übertragen und an die Sensorelementeinheit 301 angelegt. Die Signalausgabe von der Sensorelementeinheit wird über die Signalführungsdrähte 208 übertragen und an die Erfassungsschaltungseinheit 302 angelegt. Danach sind die Signalverarbeitungs- und Korrekturvorgänge die gleichen wie diejenigen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel angewendet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfassungsschaltungseinheit 302 in einem Abstand von der Motoreinheit 100 angeordnet. Im Allgemeinen ist die Signalverarbeitungsschaltung, die den Hauptteil der Erfassungsschaltungseinheit 302 bildet, innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs von –40°C~125°C funktionsfähig und soll daher bei hohen Temperaturen oder extrem niedrigen Temperaturen anfällig sein.
Andererseits jedoch kann die Motoreinheit 100 oft in einer Umgebung mit hohen Temperaturen angeordnet sein oder kann von sich aus Wärme erzeugen, die von Bedingungen für den Gebrauch abhängen. Dementsprechend weist dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil auf, dass der Temperaturbereich, in dem die Motoreinheit 100 betrieben wird, aufgrund dessen, dass die Erfassungsschaltungseinheit 302 in einem Abstand von der Hochtemperaturzone angeordnet ist, erweitert werden kann.
Das Drehwinkel-Messgerät dieses Ausführungsbeispiels umfasst die in 5 gezeigte Motoreinheit 100, die Drehwinkel-Messeinheit 200 und die Erfassungsschaltungseinheit 302, die außerhalb des Gehäuses 203 angeordnet ist.
Die Erfassungsschaltungseinheit 302 kann in der elektronischen Steuerungseinheit ECU des Systems eingebaut sein, das das Drehwinkel-Messgerät beinhaltet. Auch können Signalverarbeitungen, wie etwa eine Winkelberechung und -korrektur, von dem Mikrocomputer ausgeführt werden, der in der ECU des Systems eingebaut ist. Mit dieser verwendeten Gestaltung kann ein redundanter Anteil in der Signalverarbeitungseinheit eliminiert werden, so dass ein Drehwinkel-Messgerät zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden kann.
Die in 31 gezeigte Konfiguration als Zwischenkonfiguration zwischen denjenigen, die in 30A und 30B gezeigt sind, ist in Abhängigkeit von den Bedingungen für den Gebrauch von Nutzen. In der in 31 gezeigten Konfiguration sind die Treiberschaltungseinheit 340, die Erfassungsschaltungen 351 und die A/D-Wandler 352 in dem Magnetsensor 201 beinhaltet, der in dem Gehäuse 203 angeordnet ist, während die Erfassungsschaltungseinheit 302 in einem Abstand angeordnet ist.
Vorstehend ist ein Beispiel beschrieben, in dem die Erfassungsschaltungseinheit 302 außerhalb des Gehäuses 203 angeordnet ist. Jedoch kann die Erfassungsschaltungseinheit 302 auch innerhalb des Gehäuses 203 angeordnet sein.
Auch im Fall des fünften Ausführungsbeispiels, in dem der Magnetsensor 201 außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, ist die in 30B gezeigte Konfiguration nützlich.
Der Grund für diese Nützlichkeit ist, dass die Erfassungsschaltungseinheit 302 in einem Abstand von einer Hochtemperaturzone angeordnet sein kann und dass die Redundanz in der Schaltungskonstruktion eliminiert werden kann, indem die ECU des Systems veranlasst wird, bei der Signalverarbeitung zusammenzuarbeiten.
Die Erfassungsschaltungseinheit 302 beinhaltet eine Winkelberechnungseinheit 371, eine Korrektureinheit 372 und eine Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit 331. Die Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit 331 ist eine logische Einheit zum Erzeugen des Zeiteinstellungssignals, das den A/D-Wandlern im Magnetsensor 201 hilft, ihre Umwandlungsvorgänge durchzuführen.
Der Magnetsensor 201 umfasst eine Sensorelementeinheit 301, eine Treiberschaltungseinheit 340, Erfassungsschaltungen 351A und 351B und A/D-Wandler 351A und 351B. Die Treiberschaltungseinheit 340 beinhaltet eine Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit B 332, die eine Zeiteinstellungssteuerung im Magnetsensor 201 in Ansprechung auf das Signal von der Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit A 331 durchführt. Konkret gesagt, erzeugt die Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit B 332 Zeiteinstellungssignale zum Bilden von Impulsen aus Anregungsspannungen und legt die Impulse an die Ausgabeeinheit 341 mit positiver Polarität und die Ausgabeeinheit 345 mit negativer Polarität an. Synchron mit der Impulsanlegung sendet die Zeiteinstellungssignal-Erzeugungseinheit B 332 Signale auch an die A/D-Wandler 352A und 352B aus, um die Ausgabesignale von der Sensorelementeinheit 301 zu erfassen.
Die von der Sensorelementeinheit 301 ausgegebenen Signale werden von der Erfassungsschaltung 351A zur Abgabe einer Ausgabe differenziell verstärkt, die von dem A/D-Wandler 352A in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dieses digitale Signal wird über die Signalführungsdrähte 208 an die Erfassungsschaltungseinheit 302 übertragen. Das digitale Signal sollte vorzugsweise in Form eines Seriensignals übertragen werden, da eine Signalserienübertragung die Anzahl von Signalleitungen reduzieren kann, die als die Signalführungsdrähte 208 dienen.
Mit dieser Konfiguration wird das Signal von der ersten Sensorelementeinheit 301 zuerst in das entsprechende digitale Signal umgewandelt, und dann wird das digitale Signal durch die Signalführungsdrähte 208 übertragen. Dementsprechend genießt man den Vorteil, dass das Signal weniger anfällig für Rauschen wird.
Drei Beispiele der Aufbauten für den Magnetsensor 201 sind bisher beschrieben worden, wie in den 30A, 30B und 31 gezeigt. Jedoch muss nicht erwähnt werden, dass ein beliebiger Zwischenaufbau zwischen ihnen machbar ist und innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegt.
Es muss auch nicht erwähnt werden, dass die Konfiguration, in der die Erfassungsschaltungseinheit 302 in einem Abstand angeordnet ist, bei anderen Ausführungsbeispielen als dem Ausführungsbeispiel 1 in nützlicher Weise angewendet werden kann.
In dieser gesamten Beschreibung der vorliegenden Erfindung hindurch erfolgt die Beschreibung mit Riesen-Magneto-Widerstandselementen (GMR-Elementen), die für die Magnetwiderstandselemente zum Zweck des Messens eines Magnetfelds verwendet werden. Weiterhin beinhalten die Magnetwiderstandselemente anisotrope Magnetwiderstandselemente. Daher kann man sagen, dass ein Drehwinkel-Messgerät, das anisotrope Magnetwiderstandselemente verwendet, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt.
Es sollte von den Fachleuten auf dem Gebiet weiterhin verstanden werden, dass die vorstehende Beschreibung zwar an Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt, die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Konzept der Erfindung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 3799270 [0002, 0189, 0194]
- JP 2008-11661 A [0019, 0019]
- JP 2008-151774 A [0122]

Claims

Drehwinkel-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei das Drehwinkel-Messgerät einen Korrekturablauf aufweist, in dem die Drehwelle (121) des Elektromotors (100) durch mehr als eine Umdrehung mit einer Drehzahl gedreht wird, deren Änderungsgeschwindigkeit im Lauf der Zeit bekannt ist, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 1, wobei in dem Korrekturablauf die Drehwelle (121) des Elektromotors (100) durch mehr als eine Umdrehung mit konstanter Drehzahl gedreht wird, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Magnet (202) ein zweipoliger Magnet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Magnetsensor (201) eine Sensorelementeinheit (301) aufweist und die Sensorelementeinheit (301) mit der Mittellinie (226) der Drehwelle (121) ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus Magnetwiderstandselementen (51-1, 51-2, 51-3, 51-4) besteht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus Riesenmagnetwiderstandselementen besteht.
Drehwinkel-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei der Elektromotor (100), die Drehwelle (121) und der Magnet (202) von einem Gestell (101, 102, 103, 203) bedeckt sind; der Magnetsensor (201) außerhalb des Gestells (101, 102, 103, 203) angeordnet ist; das Gestell (101, 102, 103, 203) einen Gestellhauptkörper (102, 102, 103), der den Elektromotor (100) abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit (203), die den Magneten (202) abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit (203) aus Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; und wobei das Drehwinkel-Messgerät einen Korrekturablauf aufweist, in dem die Drehwelle (121) des Elektromotors (100) durch mehr als eine Umdrehung mit einer Drehzahl gedreht wird, deren Änderungsgeschwindigkeit im Lauf der Zeit bekannt ist, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 7, wobei in dem Korrekturablauf die Drehwelle (121) des Elektromotors (100) durch mehr als eine Umdrehung mit konstanter Drehzahl gedreht wird, so dass das Winkelsignal korrigiert werden kann.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 7, wobei der Magnet (202) ein zweipoliger Magnet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 9, wobei der Magnetsensor (201) eine Sensorelementeinheit (301) aufweist und die Sensorelementeinheit (301) mit der Mittellinie (226) der Drehwelle (121) ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 7, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus Magnetwiderstandselementen (51-1, 51-2, 51-3, 51-4) besteht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 7, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus riesigen Magnetwiderstandselementen besteht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 7, wobei der Gestellhauptkörper (101, 102, 103) mit der Gestellgehäuseeinheit (203) anhand eines Dichtungsmittels (210), das zwischen sie eingefügt ist, verbunden ist.
Drehwinkel-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei der Elektromotor (100), die Drehwelle (121) und der Magnet (202) von einem Gestell (101, 102, 103, 203) bedeckt sind; der Magnetsensor (201) außerhalb des Gestells (101, 102, 103, 203) angeordnet ist; das Gestell (101, 102, 103, 203) einen Gestellhauptkörper (102, 102, 103), der den Elektromotor (100) abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit (203), die den Magneten (202) abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit (203) aus Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; die Gestellgehäuseeinheit (203) und der Magnetsensor (201) mit einer Abschirmungskomponente abgedeckt sind; und die Abschirmungskomponente aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von mindestens 1000 aufweist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 14, wobei der Magnetsensor (201) eine Sensorelementeinrichtung (301) aufweist und die Sensorelementeinrichtung (301) mit der Mittellinie (226) der Drehwelle (121) ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 14, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus Magnetwiderstandselementen (51-1, 51-2, 51-3, 51-4) besteht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 14, wobei der Magnetsensor (201) hauptsächlich aus Riesenmagnetwiderstandselementen besteht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 14, wobei der Gestellhauptkörper (101, 102, 103) mit der Gestellgehäuseeinheit (203) mittels eines zwischen sie eingefügten Dichtungsmittels (210) verbunden ist.
Drehwinkel-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei der Elektromotor (100), die Drehwelle (121) und der Magnet (202) von einem Gestell (101, 102, 103, 203) bedeckt sind; der Magnetsensor (201) außerhalb des Gestells (101, 102, 103, 203) angeordnet ist; das Gestell (101, 102, 103, 203) einen Gestellhauptkörper (102, 102, 103), der den Elektromotor (100) abdeckt, und eine Gestellgehäuseeinheit (203), die den Magneten (202) abdeckt, aufweist; die Gestellgehäuseeinheit (203) aus Material hergestellt ist, das eine magnetische Suszeptibilität von höchstens 0,01 aufweist; und die Dicke t(m) jenes Teils der Gestellgehäuseeinheit (203), das sich zwischen dem Magneten (202) und dem Magnetsensor (201) befindet, durch die Ungleichheit:
gegeben ist, wobei N_P für die halbe Anzahl der Magnetpole des Magneten (202) steht, f(Hz) für die maximale Drehfrequenz der Drehwelle (121) steht, χ für die magnetische Suszeptibilität der Gestellgehäuseeinheit (203) steht und ρ (Ωm) für den elektrischen Widerstand der Gestellgehäuseeinheit (203) steht.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 19, wobei die Gestellgehäuseeinheit (203) mit einem Aluminiumblech mit einer Dicke von höchstens 1,3 mm ausgebildet ist.
Drehwinkel-Messgerät nach Anspruch 19, wobei die Gestellgehäuseeinheit (203) mit einem Kupfer/Zink-Legierungsblech mit einer Dicke von höchstens 1,9 mm ausgebildet ist.
Drehzahl-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei der Magnetsensor (201) eine erste Brücke (COS) aufweist, die ein erstes Signal ausgibt, welches proportional dem Kosinus des Drehwinkels der Drehwelle (121) ist, und eine zweite Brücke (SIN) aufweist, die ein zweites Signal ausgibt, welches proportional dem Sinus des Drehwinkels der Drehwelle (121) ist; und das Geschwindigkeitssignal aus dem Verhältnis der Zeitableitung vom ersten Signal zum zweiten Signal berechnet wird.
Drehzahl-Messgerät nach Anspruch 22, das zusätzlich eine analoge Schaltung zum Durchführen des Vorgangs der Differenzierung in Bezug auf die Zeit einschließt.
Drehzahl-Messgerät nach Anspruch 22, wobei die Schaltung zum Berechnen des Verhältnisses von analoger Konfiguration ist.
Drehzahl-Messgerät nach Anspruch 22, wobei der Magnetsensor (201) eine Sensorelementeinheit (301) aufweist und die Sensorelementeinheit (301) mit der Mittellinie (226) der Drehwelle (121) ausgerichtet ist.
Drehwinkel-Messgerät mit einem Elektromotor (100) mit einer Drehwelle (121), einem an einem Ende der Drehwelle (121) angebrachten Magneten (202) und einem Magnetsensor (201), dessen Ausgangssignal sich nach Maßgabe der Ausrichtung des den Magnetsensor (201) umgebenden Magnetfelds ändert, und Ausgeben eines Winkelsignals, das den Drehwinkel der Drehwelle (121) repräsentiert, wobei der Magnetsensor eine erste Brücke (COS) aufweist, die ein erstes Signal ausgibt, welches proportional dem Kosinus des Drehwinkels der Drehwelle (121) ist, und eine zweite Brücke (SIN) aufweist, die ein zweites Signal ausgibt, welches proportional dem Sinus des Drehwinkels der Drehwelle (121) ist; ein erstes Zwischensignal als das Verhältnis der Zeitableitung von dem ersten Signal zu dem zweiten Signal definiert ist; ein zweites Zwischensignal als das Verhältnis der Zeitableitung von dem ersten Signal zu dem zweiten Signal definiert ist; und ein Fehlererfassungssignal ausgegeben wird, wenn die Differenz des ersten Zwischensignals von dem zweiten Zwischensignal einen voreingestellten Wertebereich überschreitet.