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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung:
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Die vorliegende Anmeldung basiert auf der am 19. November 2021 eingereichten
JP2021-188772 und beansprucht deren Priorität; die Offenbarung der
JP2021-188772 wird hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor und einen Parksperren-Sensor, der diesen verwendet.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Ein Winkelsensor, der den Drehwinkel eines rotierenden Objekts erfasst, ist bekannt.
JP2017-90105 offenbart einen Winkelsensor mit drei Magneten, die um das Rotationszentrum eines rotierenden Trägers angeordnet sind, und einem Magnetfeld-Detektionselement, das das von den drei Magneten gebildete Magnetfeld detektiert. Die Form jedes der drei Magnete ist zeilensymmetrisch in Bezug auf eine Linie, die durch das Rotationszentrum des Trägers und das Zentrum des Magneten verläuft. Darüber hinaus ist jeder der drei Magnete in einer Richtung magnetisiert, die parallel zu einer Linie verläuft, die durch das Rotationszentrum des Trägers und das Zentrum des Magneten verläuft.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem in
JP2017-90105 offengelegten Winkelsensor entfernt sich eine Magnetflusslinie (eine Magnetkraftlinie), die von einem der Magneten ausgeht, von einem benachbarten Magneten und nähert sich dann dem benachbarten Magneten. Daher neigt die Magnetflusslinie dazu, sich auszuwölben, und es kann schwierig sein, ein Magnetfeld mit ausreichender Intensität an einer Position zu gewährleisten, an der das Magnetfeld-Detektionselement vorgesehen ist. Daher ist eine Vergrößerung der Magnete erforderlich, was die Verringerung der Kosten und der Größe des Winkelsensors einschränken kann.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Winkelsensor bereitzustellen, der ausreichend leistungsfähig ist, um ein Magnetfeld mit kleinen Magneten zu erfassen.
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Ein Winkelsensor der vorliegenden Erfindung umfasst: einen zentralen Magnetkörper und ein Paar von seitlichen Magnetkörpern, die sich um ein Rotationszentrum drehen und die in vorbestimmten Richtungen magnetisiert sind; und ein Magnetfeld-Detektionselement, das ein Magnetfeld detektiert, das durch den zentralen Magnetkörper und das Paar von seitlichen Magnetkörpern gebildet wird. Der zentrale Magnetkörper ist zwischen dem Paar von seitlichen Magnetkörpern in einer Rotationsrichtung des zentralen Magnetkörpers und des Paares von seitlichen Magnetkörpern angeordnet, und ein radial äußerer Magnetpol des zentralen Magnetkörpers hat eine andere Polarität als die radial äußeren Magnetpole des Paares von seitlichen Magnetkörpern. Für jeden des Paares von seitlichen Magnetkörpern ist ein Magnetisierungsrichtungsvektor des seitlichen Magnetkörpers zu einer Seite des zentralen Magnetkörpers relativ zu einem Referenzvektor des seitlichen Magnetkörpers gedreht, wobei der Magnetisierungsrichtungsvektor ein Vektor ist, der eine Magnetisierungsrichtung des seitlichen Magnetkörpers zeigt, der einen Anfangspunkt in einem Zentrum des seitlichen Magnetkörpers hat und der von dem Rotationszentrum weg gerichtet ist, und der Referenzvektor ein Vektor ist, der auf einer Verlängerung einer Linie positioniert ist, die das Rotationszentrum mit dem Zentrum des seitlichen Magnetkörpers verbindet, der einen Anfangspunkt in dem Zentrum des seitlichen Magnetkörpers hat und der von dem Rotationszentrum weg gerichtet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Winkelsensor bereitzustellen, der ausreichend leistungsfähig ist, um ein Magnetfeld mit kleinen Magneten zu erfassen.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die Beispiele der vorliegenden Erfindung illustrieren, ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1A und 1B sind schematische Ansichten eines Winkelsensors (ϕ ≠ θ) gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2A und 2B sind vergrößerte Teilansichten der 1A und 1B;
- 3 ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensors gemäß einem Vergleichsbeispiel;
- 4 ist eine schematische Ansicht eines Winkelsensors (ϕ = θ) gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5A bis 5C sind schematische Ansichten eines Winkelsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 6A und 6B sind schematische Ansichten eines Winkelsensors gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 7A bis 7C sind schematische Ansichten eines Winkelsensors gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 8A bis 8C sind schematische Ansichten eines Winkelsensors gemäß einer fünften Ausführungsform;
- 9A und 9B sind schematische Ansichten eines Winkelsensors gemäß einer sechsten Ausführungsform;
- 10 ist eine schematische Ansicht eines Parksperren-Sensors mit einem Winkelsensor;
- 11 ist eine Tabelle, in der ein Beispiel und ein Vergleichsbeispiel von Winkelsensoren verglichen werden; und
- 12 ist ein Berechnungsbeispiel für einen bevorzugten Bereich des Winkels θ.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beschreibungen bezieht sich der Begriff „Umfangsrichtung“ auf eine Drehrichtung um das Rotationszentrum C des Trägers 2, d.h. eine Richtung parallel zu einer Tangente eines Kreises, dessen Mittelpunkt im Rotationszentrum C des Trägers 2 liegt. „Radiale Richtung“ bezieht sich auf eine Richtung vom Rotationszentrum C des Trägers 2 aus gesehen, d. h. auf die Richtung einer geraden Linie, die durch das Rotationszentrum C des Trägers 2 verläuft. „Winkelposition“ bezieht sich auf einen Winkel um das Rotationszentrum C des Trägers 2, d. h. einen Winkel, der in Polarkoordinaten mit einem Ursprung im Rotationszentrum C des Trägers 2 definiert ist. Die gestrichelten Linien, die den zentralen Magnetkörper 3 mit den seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B in den Zeichnungen verbinden, zeigen schematisch Magnetflusslinien (Magnetkraftlinien).
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Erste Ausführungsform
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Die 1A bis 2B zeigen schematisch die Konfiguration des Winkelsensors 1A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Winkelsensor 1A umfasst einen Träger 2, einen zentralen Magnetkörper 3, ein Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B und ein Magnetfeld-Detektionselement 5. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B werden von dem Träger 2 getragen. Der Träger 2 ist aus einem nichtmagnetischen Metall oder Harz hergestellt. In dem Zentrum des Trägers 2 befindet sich eine Bohrung 21, um den Träger 2 an einer Rotationsachse zu befestigen (nicht dargestellt). Der Träger 2 teilt sich das Rotationszentrum C mit der Rotationsachse (nicht dargestellt) und kann um das Rotationszentrum C mit der Rotationsachse gedreht werden. Dementsprechend kann der Drehwinkel der Rotationsachse durch Erfassung des Drehwinkels des Trägers 2 ermittelt werden. Der Träger 2 kann auch aus einem magnetischen Material, wie z. B. einem magnetischen Metall, gebildet sein, um dem Träger 2 die Funktion eines Jochs zu verleihen, das den Magnetfluss sammelt und dadurch die Dichte des Magnetflusses an der Stelle verstärkt, an der das Magnetfeld-Detektionselement 5 vorgesehen ist.
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Der Träger 2 trägt den zentralen Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B (die im Folgenden als erster seitlicher Magnetkörper 4A und zweiter seitlicher Magnetkörper 4B bezeichnet werden). Der Träger 2 ist eine kreisförmige Platte und trägt den zentralen Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B auf einer der Hauptebenen des Trägers 2. Der zentrale Magnetkörper 3 ist zwischen den beiden seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B in der Umfangsrichtung angeordnet. Die Differenz der Winkelposition zwischen dem Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 und dem Zentrum des ersten seitlichen Magnetkörpers 4A ist gleich der Differenz der Winkelposition zwischen dem Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 und dem Zentrum des zweiten seitlichen Magnetkörpers 4B. Mit anderen Worten, der zentrale Magnetkörper 3 befindet sich in dem Zentrum zwischen dem ersten seitlichen Magnetkörper 4A und dem zweiten seitlichen Magnetkörper 4B. Es ist zu beachten, dass die Differenz der Winkelposition zwischen dem Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 und dem Zentrum des ersten seitlichen Magnetkörpers 4A und die Differenz der Winkelposition zwischen dem Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 und dem Zentrum des zweiten seitlichen Magnetkörpers 4B 90 Grad oder weniger beträgt. Der erste seitliche Magnetkörper 4A und der zweite seitliche Magnetkörper 4B haben die gleiche Form und die gleichen Abmessungen. Darüber hinaus sind das Zentrum des ersten seitlichen Magnetkörpers 4A und das Zentrum des zweiten seitlichen Magnetkörpers 4B an der gleichen radialen Position positioniert, d.h. gleich weit vom Rotationszentrum C entfernt. Andererseits ist der zentrale Magnetkörper 3 länger als das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B in der radialen Richtung (in der Magnetisierungsrichtung), und das Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 ist radial innerhalb der Zentren des Paares von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B positioniert.
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Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind Magnete und bestehen aus einem magnetischen Material wie Neodym. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind jeweils in vorgegebenen Richtungen magnetisiert. Der radial äußere Magnetpol des zentralen Magnetkörpers 3 hat eine andere Polarität als die radial äußeren Magnetpole des Paares der seitlichen Magnetkörper 4A und 4B. In der vorliegenden Ausführungsform ist der radial äußere Magnetpol des zentralen Magnetkörpers 3 der S-Pol und die radial äußeren Magnetpole des Paares von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind die N-Pole, aber der radial äußere Magnetpol des zentralen Magnetkörpers 3 kann der N-Pol sein und die radial äußeren Magnetpole des Paares von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B können die S-Pole sein. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind rechteckige Parallelepipede. Dementsprechend sind der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B jeweils in einer Richtung parallel zu einer der Seiten der rechteckigen Parallelepipede magnetisiert.
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Das Magnetfeld-Detektionselement 5 ist an einem festen Element (nicht abgebildet) angebracht, so dass der Träger 2 relativ zum Magnetfeld-Detektionselement 5 gedreht werden kann. Das Magnetfeld-Detektionselement 5 erfasst das Magnetfeld, das durch den zentralen Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B gebildet wird. Das Magnetfeld-Detektionselement 5 ist vorzugsweise in dem Zentrum des Winkelerfassungsbereichs α des Winkelsensors 1A angeordnet. Der Winkelerfassungsbereich α ist ein Winkelbereich, der zwischen einer geraden Linie, die das Zentrum des ersten seitlichen Magnetkörpers 4A mit dem Rotationszentrum C verbindet, und einer geraden Linie, die das Zentrum des zweiten seitlichen Magnetkörpers 4B mit dem Rotationszentrum C verbindet, liegt, und der mit dem Magnetfeld-Detektionselement 5 versehen ist, und der 180 Grad oder weniger beträgt. Das Magnetfeld-Detektionselement 5 umfasst ein Element, das die Intensität eines Magnetfelds in radialer Richtung erfasst, und ein Element, das die Intensität eines Magnetfelds in Umfangsrichtung erfasst. Die Art des Elements ist nicht beschränkt, und es kann sowohl ein Hall-Element als auch ein magnetoresistives Element, wie ein AMR-Element oder ein TMR-Element, verwendet werden. Eine Verarbeitungseinheit (nicht abgebildet) des Winkelsensors 1A berechnet den Winkel eines kombinierten Magnetfeldes aus den Intensitäten des Magnetfeldes, die von diesen Elementen erfasst werden. Da die Verteilung des Magnetfelds, das durch den zentralen Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B gebildet wird, im Voraus berechnet wird, kann der Drehwinkel des Trägers 2 anhand des Winkels des kombinierten Magnetfelds ermittelt werden.
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Wie aus den vorangegangenen Beschreibungen ersichtlich ist, sind der erste seitliche Magnetkörper 4A und der zweite seitliche Magnetkörper 4B spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine gerade Linie (erste gerade Linie L1, die später beschrieben wird), die das Zentrum des zentralen Magnetkörpers 3 mit dem Rotationszentrum C verbindet. Diese Anordnung macht die Verteilung des Magnetfelds spiegelsymmetrisch in Bezug auf die erste gerade Linie L1 und verbessert dadurch die Messgenauigkeit.
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Da die Beschreibung des ersten seitlichen Magnetkörpers 4A sowohl auf den seitlichen Magnetkörper 4A als auch auf den seitlichen Magnetkörper 4B anwendbar ist, wird die folgende Beschreibung in Bezug auf den ersten seitlichen Magnetkörper 4A gemacht. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung eine Konfiguration umfasst, in der der erste seitliche Magnetkörper 4A und der zweite seitliche Magnetkörper 4B nicht spiegelsymmetrisch in Bezug auf die erste gerade Linie L1 sind.
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Hier werden Begriffe beschrieben, die in den folgenden Beschreibungen verwendet werden.
- - Erste Gerade L1: eine Gerade, die das Zentrum P des zentralen Magnetkörpers 3 mit dem Rotationszentrum C verbindet
- - Zweite Gerade L2: eine Gerade, die das Zentrum Q des seitlichen Magnetkörpers 4A oder 4B mit dem Rotationszentrum C verbindet
- - Referenzvektor V1: ein Vektor, der auf einer Verlängerung der zweiten geraden Linie L2 positioniert ist, der einen Anfangspunkt im Zentrum Q des seitlichen Magnetkörpers 4A oder 4B hat und der vom Rotationszentrum C weg gerichtet ist
- - Magnetisierungsrichtungsvektor V2: ein Vektor, der die Magnetisierungsrichtung des seitlichen Magnetkörpers 4A oder 4B angibt, der einen Anfangspunkt im Zentrum Q des seitlichen Magnetkörpers 4A oder 4B hat und der vom Rotationszentrum C weg gerichtet ist
- - θ: Ein Winkel, der zwischen dem Magnetisierungsrichtungsvektor V2 und dem Referenzvektor V1 gebildet wird (Einheit: Grad)
- - ϕ: Ein Winkel, der zwischen der ersten Geraden L1 und dem Bezugsvektor V1 gebildet wird (oder ein Winkel, der zwischen der ersten Geraden L1 und der zweiten Geraden L2 gebildet wird) (Einheit: Grad)
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Der zentrale Magnetkörper 3 ist in einer Richtung parallel zur ersten geraden Linie L1 magnetisiert.
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2A und 2B sind vergrößerte Teilansichten der 1A bzw. 1B, die den zentralen Magnetkörper 3, den ersten seitlichen Magnetkörper 4A, die erste gerade Linie L1, die zweite gerade Linie L2, den Referenzvektor V1, den Magnetisierungsrichtungsvektor V2 und die Winkel θ und ϕ zeigen. Der Einfachheit halber zeigen die 2A und 2B auch die gerade Linie L3, die senkrecht zum Referenzvektor V1 verläuft. 3 zeigt schematisch die Konfiguration des Winkelsensors 101 eines Vergleichsbeispiels, bei dem θ = 0 Grad. In der vorliegenden Ausführungsform hingegen ist der Magnetisierungsrichtungsvektor V2 in eine vom Referenzvektor V1 abweichende Richtung (θ ≠ 0 Grad) gerichtet, und zwar ist der Magnetisierungsrichtungsvektor V2 relativ zum Referenzvektor V1 zur Seite des zentralen Magnetkörpers 3 gedreht (oder auf den zentralen Magnetkörper 3 zu oder sich dem zentralen Magnetkörper 3 nähernd). In 1A ist die Winkeldifferenz zwischen dem Magnetisierungsrichtungsvektor V2 und dem Referenzvektor V1 klein und θ < ϕ. In 1B ist die Winkeldifferenz zwischen dem Magnetisierungsrichtungsvektor V2 und dem Referenzvektor V1 groß und θ > ϕ. Da jedoch, wie später beschrieben, ein zu großer Winkel θ die Leistung des Sensors bei der Erkennung des Drehwinkels verschlechtert, ist θ vorzugsweise kleiner als maximal 90 Grad. Das heißt, der Winkel kann aus dem Winkelbereich θA (ausgenommen θ = 0 Grad und θ = 90 Grad) zwischen dem Referenzvektor V1 und der geraden Linie L3, die senkrecht zum Referenzvektor V1 verläuft, ausgewählt werden. Da die Begrenzung auf weniger als 90 Grad, d. h. die obere Grenze des Winkelbereichs θA, je nach Konfiguration des Winkelsensors variieren kann, kann die obere Grenze auch anders als 90 Grad sein. Die Obergrenze des Winkelbereichs θA kann z. B. auf 40 Grad, 50 Grad, 60 Grad, 70 Grad oder 80 Grad festgelegt werden.
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Da der Magnetisierungsrichtungsvektor V2 in Richtung des zentralen Magnetkörpers 3 gedreht ist, ist es möglich, die Magnetflusslinien zu verkürzen und dadurch die Intensität des Magnetfeldes an der Stelle, an der das Magnetfeld detektiert wird, in einfacher Weise zu verstärken (vgl. 2A und 2B). Im Vergleichsbeispiel überschneidet sich der Magnetisierungsrichtungsvektor V2 mit dem Referenzvektor V1, und die Magnetflusslinien werden dadurch verlängert. Daher sind Maßnahmen wie die Vergrößerung der Magnete erforderlich, um die Intensität des Magnetfelds an der Stelle, an der das Magnetfeld erfasst wird, zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Ausführungsform die Verkleinerung der Magnete und reduziert somit die Kosten und die Größe des Winkelsensors 1A im Vergleich zu herkömmlichen Winkelsensoren.
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Wie oben beschrieben, kann der Winkel aus dem Winkelbereich θA gewählt werden. Wenn der Winkel klein ist, erstrecken sich die Magnetflusslinien über einen größeren Bereich, und der Winkelerfassungsbereich α nimmt zu. Dementsprechend ist ein kleiner Winkel θ für Anwendungen vorzuziehen, die einen großen Winkelerfassungsbereich α erfordern. Ist der Winkel θ hingegen groß, erstrecken sich die Magnetflusslinien über einen begrenzten Bereich und der Winkelerfassungsbereich α nimmt ab, die Erfassungsgenauigkeit wird jedoch verbessert. Dementsprechend ist ein großer Winkel θ innerhalb eines vorgegebenen Bereichs für Anwendungen zu bevorzugen, die keinen großen Winkelerfassungsbereich α, aber eine hohe Erfassungsgenauigkeit erfordern.
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In dem in 4 gezeigten Beispiel ist der Vektor der Magnetisierungsrichtung V2 parallel zur ersten geraden Linie L1 (ϕ = θ). Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind in derselben Richtung magnetisiert. Mit anderen Worten, eine der drei Achsen des rechtwinkligen Parallelepipeds des zentralen Magnetkörpers 3, eine der drei Achsen des rechtwinkligen Parallelepipeds des seitlichen Magnetkörpers 4A und eine der drei Achsen des rechtwinkligen Parallelepipeds der seitlichen Magnetkörper 4B sind parallel zueinander. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei Fertigungsprozessen vorteilhaft. Die Anordnung des zentralen Magnetkörpers 3 und der beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B in unterschiedlichen Richtungen erfordert Vorrichtungen zur Positionierung der Magnete (zur Kontrolle des Winkels θ) sowie Vorrichtungen zur Messung des Winkels θ. Andererseits kann die Anordnung des zentralen Magnetkörpers 3 und des Paares von seitlichen Magnetkörper 4A und 4B in der gleichen Richtung die Fertigungseinrichtungen und Fertigungsprozesse vereinfachen und eine einfache Positionierungsgenauigkeit gewährleisten.
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Der Winkelerfassungsbereich α kann auch durch Einstellen der Winkelpositionen der beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B angepasst werden. Obwohl nicht dargestellt, kann der Winkelerfassungsbereich α vergrößert werden, indem der Winkel ϕ vergrößert und dadurch die seitlichen Magnetkörper 4A und 4B weiter vom zentralen Magnetkörper 3 entfernt angeordnet werden. Andererseits kann der Winkelerfassungsbereich α verkleinert werden, indem der Winkel ϕ verkleinert wird und dadurch die seitlichen Magnetkörper 4A und 4B näher am zentralen Magnetkörper 3 angeordnet werden. Der Winkel ϕ liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0 Grad < ϕ ≤ 90 Grad.
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Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben. In anderen Ausführungsformen können der Träger 2, der zentrale Magnetkörper 3 oder das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B andere Konfigurationen als in der ersten Ausführungsform aufweisen. Konfigurationen und Effekte, die die gleichen wie die der ersten Ausführungsform sind, werden nicht beschrieben.
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Zweite Ausführungsform
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5A bis 5C sind schematische Ansichten des Winkelsensors 1B gemäß der zweiten Ausführungsform. 5A zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1B, 5B zeigt eine Seitenansicht des Winkelsensors 1B, und 5C zeigt eine perspektivische Ansicht des Winkelsensors 1B. Der Träger 2 hat eine Form, die durch Schneiden der kreisförmigen Platte der ersten Ausführungsform entlang einer geraden Linie erhalten wird, die sich vom Rotationszentrum C entfernt erstreckt; das heißt, der Träger 2 hat eine kreisförmige Form mit einem D-förmigen Ausschnitt. Die Seitenoberflächen des Trägers 2 umfassen einen bogenförmigen gekrümmten Abschnitt 22 und einen ebenen Abschnitt 23, der die beiden Enden des gekrümmten Abschnitts 22 verbindet. Der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B werden von dem ebenen Abschnitt 23 getragen. Der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B sind an dem ebenen Abschnitt 23 befestigt, zum Beispiel durch einen Klebstoff. Der zentrale Magnetkörper 3 ist in Magnetisierungsrichtung länger als das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B. Die Konfiguration des Winkelsensors 1B der vorliegenden Ausführungsform ist einfach, da keine Struktur zum Tragen des zentralen Magnetkörpers 3 und des Paares der seitlichen Magnetkörper 4A und 4B erforderlich ist. Darüber hinaus sind in der ersten Ausführungsform der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B an einem Träger 2 in Form einer kreisförmigen Platte befestigt, so dass der Schwerpunkt der kombinierten Struktur aus Träger 2, zentralem Magnetkörper 3 und dem Paar vom seitlichen Magnetkörper 4A und 4B vom Rotationszentrum C verschoben ist. Daher kann, abhängig von der Anwendung, die Exzentrizität eine Einfluss auf die Rotationsachse haben, an der der Träger 2 befestigt ist. Die Exzentrizität kann durch Ändern des Materials zumindest eines Teils des zentralen Magnetkörpers 3 und des Paars der seitlichen Magnetkörper 4A und 4B angepasst werden (z. B. durch Verwendung von Ferrit mit einem spezifischen Gewicht von etwa 4,8 g/cm3 anstelle von Neodym mit einem spezifischen Gewicht von etwa 7,4 g/cm3), aber in der vorliegenden Ausführungsform kann die Exzentrizität durch Anpassen des Materials des Trägers 2, der Position des ebenen Abschnitts 23 vom Rotationszentrum C usw. weiter begrenzt werden.
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Dritte Ausführungsform
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6A ist eine schematische Ansicht des Winkelsensors 1C gemäß der dritten Ausführungsform und zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1C in der gleichen Weise wie in den 1A und 1B. Der Träger 2 hat die gleiche Konfiguration wie bei der zweiten Ausführungsform. Das heißt, der Träger 2 ist eine flache Platte, und die Seitenoberflächen der flachen Platte umfassen einen bogenförmigen gekrümmten Abschnitt 22 und einen ebenen Abschnitt 23, der die beiden Enden des gekrümmten Abschnitts 22 verbindet. Die Einzelheiten der Konfiguration des Trägers 2 sind wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben. Der Winkelsensor 1C umfasst ferner einen weichmagnetischen Körper 6, der von einem ebenen Abschnitt 23 getragen wird. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B werden von dem weichmagnetischen Körper 6 getragen. Der weichmagnetische Körper 6 ist eine flache Platte, die aus einem Material wie NiFe bestehen kann. Der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B sind an vorgegebenen Positionen des weichmagnetischen Körpers an dem weichmagnetischen Körper 6 befestigt. Der zentrale Magnetkörper 3 ist in Magnetisierungsrichtung länger als das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörper 4A und 4B können am weichmagnetischen Körper 6 durch magnetische Kraft befestigt werden, und in diesem Fall können der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B in einem nichtmagnetischen Harz eingekapselt sein. Alternativ können der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B durch einen Klebstoff am weichmagnetischen Körper 6 befestigt werden. In der vorliegenden Ausführungsform können der zentrale Magnetkörper 3, das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B und der weichmagnetische Körper 6 als eine einzige Baugruppe im Voraus vorbereitet werden. Dementsprechend kann das Verfahren zur Befestigung des zentralen Magnetkörpers 3 und des Paars seitlicher Magnetkörper 4A und 4B am Träger 2 selbst dann einfach durchgeführt werden, wenn es in einer Fertigungsfabrik erfolgt, in der der Winkelsensor 1C installiert wird. Der weichmagnetische Körper 6 fungiert als Joch, das einen zirkulierenden Magnetfluss erzeugt, der durch den zentralen Magnetkörper 3, das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B und den weichmagnetischen Körper 6 fließt, wodurch die Intensität des Magnetflusses verstärkt werden kann.
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6B ist eine schematische Ansicht des Winkelsensors 1C gemäß einer Variante der dritten Ausführungsform und zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1C in der gleichen Weise wie in den 1A und 1B. In dieser Variante umfasst der weichmagnetische Körper 6 einen flachen Plattenabschnitt 61 und einen vorstehenden Abschnitt 62. Der vorstehende Abschnitt 62 ragt vom flachen Plattenabschnitt 61 radial nach außen und steht im Wesentlichen senkrecht zum flachen Plattenabschnitt 61. Das heißt, der weichmagnetische Körper 6 ist im Allgemeinen T-förmig. Der zentrale Magnetkörper 3 wird von dem vorstehenden Teil 62 getragen, und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B werden von dem flachen Plattenteil 61 getragen. Bei dieser Variante ist es möglich, die Länge des zentralen Magnetkörpers 3 in der Magnetisierungsrichtung im Vergleich zur dritten Ausführungsform zu verkürzen, wodurch das Volumen des Magneten, der teuer ist, reduziert werden kann, um die Kosten zu senken. Insbesondere haben der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B in dieser Variante die gleiche Form und die gleichen Abmessungen. Aus diesem Grund können für den zentralen Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B die gleichen Magnete verwendet werden, und die Herstellungsprozesse können vereinfacht werden.
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Vierte Ausführungsform
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7A bis 7C sind schematische Ansichten des Winkelsensors 1D gemäß der vierten Ausführungsform. 7A zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1D, 7B zeigt eine Seitenansicht des Winkelsensors 1D, und 7C zeigt eine perspektivische Ansicht des Winkelsensors 1D. Der Träger 2 hat die gleiche Konfiguration wie bei der zweiten Ausführungsform. Das heißt, der Träger 2 ist eine flache Platte, und die Seitenoberflächen der flachen Platte umfassen einen bogenförmigen gekrümmten Abschnitt 22 und einen ebenen Abschnitt 23, der die beiden Enden des gekrümmten Abschnitts 22 verbindet. Die Einzelheiten der Konfiguration des Trägers 2 sind wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben. Der Winkelsensor 1D der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner ein Trägerelement 7, das vom Träger 2 getragen wird. Das Trägerelement 7 umfasst einen ersten flachen Plattenabschnitt 71, der von einem ebenen Abschnitt 23 getragen wird, einen zweiten flachen Plattenabschnitt 72, der vom ersten flachen Plattenabschnitt 71 radial nach außen vorsteht, und einen dritten flachen Plattenabschnitt 73, der vom ersten flachen Plattenabschnitt 71 radial nach innen vorsteht. Der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B werden vom zweiten flachen Plattenteil 72 getragen. Der dritte flache Plattenabschnitt 73 wird von einer der Hauptflächen des Trägers 2 getragen. Alternativ können der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B von einem ersten flachen Plattenteil 71 getragen werden. Der erste flache Plattenabschnitt 71 und der zweite flache Plattenabschnitt 72 stehen senkrecht zueinander, und der zweite flache Plattenabschnitt 72 und der dritte flache Plattenabschnitt 73 stehen senkrecht zueinander. Der dritte flache Plattenabschnitt 73 hat Bohrungen 74, und der Träger 2 hat Gewindebohrungen 24, die den Bohrungen 74 gegenüber liegen. Das Trägerelement 7 ist am Träger 2 mit Schrauben 8 befestigt, die die Bohrungen 74 durchdringen und in die Gewindebohrungen 24 eingreifen. Der erste flache Plattenabschnitt 71 schließt bündig mit der Rückseite des Trägers 2 ab, kann jedoch über den Träger 2 hinausragen. Der Träger 7 kann dünn aus einem Harz geformt werden, solange die Festigkeit gewährleistet werden kann, wodurch die Kosten gesenkt werden können.
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Fünfte Ausführungsform
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8A bis 8C sind schematische Ansichten des Winkelsensors 1E gemäß der fünften Ausführungsform. 8A zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1E, 8B zeigt eine Seitenansicht des Winkelsensors 1E, und 8C zeigt eine perspektivische Ansicht des Winkelsensors 1E. Der Träger 2 umfasst einen flachen Plattenteil 25 und drei Streben 26 bis 28, die aus dem flachen Plattenteil 25 herausragen. Der flache Plattenabschnitt 25 hat die gleiche Konfiguration wie bei der zweiten Ausführungsform. Das heißt, der flache Plattenteil 25 ist eine flache Platte, und die Seitenoberflächen der flachen Platte umfassen einen bogenförmigen gekrümmten Teil 22 und einen ebenen Teil 23, der beide Enden des gekrümmten Teils 22 verbindet. Drei Streben 26 bis 28 sind bandförmige Elemente, die aus dem flachen Plattenteil 25 herausragen und L-förmig gebogen sind. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B werden jeweils von einer der drei Streben 26 bis 28 getragen. Der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B werden jeweils von der Oberfläche 29 der entsprechenden Strebe getragen, die sich gegenüber dem Rotationzentrum C in der Nähe der Enden der Streben 26 bis 28 befindet. Die Streben 26 bis 28 haben die gleiche Dicke wie der flache Plattenabschnitt 25 und sind integral mit dem flachen Plattenabschnitt 25 ausgebildet. Da die Streben 26 bis 28 dünn ausgebildet werden können, solange die Festigkeit gewährleistet werden kann, kann auch der flache Plattenabschnitt 25 dünn ausgebildet werden. Die Streben 26 bis 28 können auch gerade Elemente sein, die nicht gebogen sind. In diesem Fall sind der zentrale Magnetkörper 3 und die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B nicht an den Magnetpolflächen, sondern an den Seitenoberflächen, die senkrecht zu den beiden Magnetpolflächen liegen, an den Streben 26 bis 28 befestigt. Da die Strebe 26 bis 28 durch ein Biegeverfahren geformt werden können, besteht der Träger 2 mit den Streben 26 bis 28 vorzugsweise aus einem Metall, kann aber auch aus einem Harz geformt werden. Der Träger 2 mit den Streben 26 bis 28 kann aus einem nichtmagnetischen Metall, aber auch aus einem magnetischen Material, wie z. B. einem magnetischen Metall, gebildet werden, um dem Träger 2 die Funktion eines Jochs zu verleihen, das den Magnetfluss sammelt, wodurch die magnetische Flussdichte an der Stelle, an der das Magnetfeld-Detektionselement 5 vorgesehen ist, erhöht wird.
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Sechste Ausführungsform
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9A zeigt eine schematische Ansicht des Winkelsensors 1F gemäß der sechsten Ausführungsform und zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1F in der gleichen Weise wie in den 1A und 1B. Der zentrale Magnetkörper 3 ist ein Magnet wie in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen, aber das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B sind weichmagnetische Körper. Die weichmagnetischen Körper werden durch den zentralen Magnetkörper 3 magnetisiert und wirken als eine Art Magnet. Die weichmagnetischen Körper werden aus einem Material wie NiFe gebildet. Da in der vorliegenden Ausführungsform für die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B keine Magnete benötigt werden, ist es möglich, das Volumen der teuren Magnete zu reduzieren und somit die Kosten zu senken. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Träger 2 eine kreisförmige Platte, aber die Konfiguration des Trägers 2 ist nicht begrenzt, und die vorliegende Ausführungsform kann mit jeder der zweiten bis fünften Ausführungsform kombiniert werden.
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9B ist eine schematische Ansicht des Winkelsensors 1F gemäß einer Variante der sechsten Ausführungsform und zeigt eine Vorderansicht des Winkelsensors 1F in der gleichen Weise wie in den 1A und 1B. In der vorliegenden Variante sind die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B Magnete, und der zentrale Magnetkörper 3 ist ein weichmagnetischer Körper, der durch die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B magnetisiert wird. Die vorliegende Variante hat die gleiche Wirkung wie die sechste Ausführungsform.
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Siebte Ausführungsform
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10 zeigt eine schematische Ansicht des Parksperren-Sensors 9 mit dem oben beschriebenen Winkelsensor 1A. Der Parksperren-Sensor 9 wird für die Parksperreinrichtung 12 des Automatikgetriebes 11 eines Fahrzeugs verwendet. Die Parksperrenvorrichtung 12 blockiert die Ausgangswelle 13 des Automatikgetriebes 11, um zu verhindern, dass sich die Räder drehen, wenn der Schalthebel in die Parkposition geschaltet wird. Das erste Zahnrad 14 ist einstückig mit der Abtriebswelle 13 geformt. In der Nähe des ersten Zahnrads 14 befindet sich eine Parkstange 15, die um einen Rotationszentrum 15A geschwenkt werden kann. Die Parkstange 15 hat ein zweites Zahnrad 16, das dem ersten Zahnrad 14 gegenüberliegt und in dieses eingreifen kann. Die Parkstange 15 kann mit Hilfe des Antriebsmechanismus 17 zwischen einer Position, in der das zweite Zahnrad 16 in das erste Zahnrad 14 eingreift, und einer Position, in der das zweite Zahnrad 16 vom ersten Zahnrad 14 getrennt ist, bewegt werden. Wenn der Schalthebel in die Parkposition geschoben wird, wird die Rotationsachse 19 durch den Motor 18 in Drehung versetzt. Ein mit der Rotationsachse 19 verbundener Antriebsmechanismus 17 setzt die Drehung der Rotationsachse 19 in eine Schwenkbewegung der Parkstange 15 um. Bei der so aufgebauten Parksperre 12 ist es zur Steuerung der Parksperre 12 erforderlich, den Drehwinkel der Rotationsachse 19 zu erfassen. Zu diesem Zweck ist die Rotationsachse 19 mit einem Parksperren-Sensor 9 versehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die genannte Rotationsachse die Rotationsachse 19 zwischen dem Motor 18 und dem Antriebsmechanismus 17.
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Beispiel
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Zunächst wurde die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Trägers und der Dichte des Magnetflusses an der Stelle, an der das Magnetfeld-Detektionselement 5 vorgesehen ist, sowie die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Trägers und dem Winkelfehler des Winkelsensors für ein Beispiel und ein Vergleichsbeispiel ermittelt. Die Ergebnisse sind in 11 dargestellt. Der Winkelfehler ist die Differenz zwischen dem ermittelten Drehwinkel und dem tatsächlichen Drehwinkel an jeder Winkelposition. Der Winkelsensor des Vergleichsbeispiels entsprach im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Vergleichsbeispiel, und der zentrale Magnetkörper 3 sowie die beiden seitlichen Magnetkörper 4A und 4B waren entlang des Außenumfangs des kreisförmigen Trägers 2 angeordnet. Genauer gesagt waren der zentrale Magnetkörper 3 und das Paar von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B an einem Joch befestigt, das aus einem weichmagnetischen Körper gebildet war, und das Joch war mit Hilfe von Bolzen 8 am Träger 2 befestigt. Das Beispiel entsprach im Wesentlichen der in 6A gezeigten vierten Ausführungsform. Das Beispiel zeigte eine größere minimale Magnetflussdichte und einen kleineren Winkelfehler als das Vergleichsbeispiel. Außerdem verringerte sich das Gesamtvolumen der Magnete um etwa 40 % im Vergleich zum Vergleichsbeispiel.
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Als nächstes wurde ein einstellbarer Bereich des Winkels θ ermittelt. Insbesondere wurde der einstellbare Bereich, d.h. die Obergrenze für θ für die Erfassung des Drehwinkels, für verschiedene Winkel (2ϕ) zwischen den geraden Linien, die die jeweiligen Zentren des Paares von seitlichen Magnetkörpern 4A und 4B mit dem Rotationzentrum C verbinden, ermittelt. Die Ergebnisse sind in 12 dargestellt. Wenn der Winkel θ den oberen Grenzwert überschreitet, dreht sich der Winkel des Vektors des Magnetflusses um mehr als 360 Grad, und der Drehwinkel kann nicht erkannt werden. Wenn der Winkel ϕ verringert wurde, verringerte sich der einstellbare Bereich des Winkels θ. Zum Beispiel beträgt der einstellbare Bereich etwa 30 Grad, wenn der Winkel ϕ = 20 Grad ist. Wenn der Winkel ϕ größer wird, vergrößert sich auch der einstellbare Bereich des Winkels θ. Wenn der Winkel ϕ jedoch weiter zunimmt, verringert sich der einstellbare Bereich des Winkels θ. Die Obergrenze θ für die Erfassung des so erhaltenen Drehwinkels lag bei maximal 82,5 Grad (2ϕ = 70 Grad). Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Wert nur ein Beispiel ist, da die Obergrenze von θ von den Größen des zentralen Magnetkörpers 3 und des Paares der seitlichen Magnetkörper 4A und 4B abhängt. Wenn ein großer Verstellbereich erforderlich ist, liegt 2ϕ vorzugsweise zwischen etwa 60 und 80 Grad (ϕ ist 30 bis 40 Grad).
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Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne dass der Geist oder der Umfang der beigefügten Ansprüche beeinträchtigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1A bis 1F
- Winkelsensor
- 2
- Träger
- 3
- zentraler Magnetkörper
- 4A, 4B
- seitlicher Magnetkörper
- 5
- Magnetfeld-Detektionselement
- 6
- weichmagnetischer Körper
- 7
- Trägerelement
- 9
- Parksperren-Sensor
- 26 bis 28
- Strebe
- C
- Rotationzentrum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2021188772 [0001]
- JP 2017090105 [0003, 0004]
