DE10225417A1

DE10225417A1 - Magnetischer Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10225417A1
Application number: DE10225417A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Makino; Yasunari Kato
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US6693424B2; US20020186009A1

Abstract

Ein magnetischer Drehwinkelsensor (10) umfasst einen Rotor (10a) und einen Stator (10b). Magnete (4a, 4b) sind vorgesehen zur Bereitstellung eines magnetischen Flusses, der in Abhängigkeit von dem Drehwinkel moduliert wird. DOLLAR A Magnetsensorelemente (6a, 6b) erfassen den magnetischen Fluss und geben Signale zur Angabe des Drehwinkels zwischen dem Rotor und dem Stator aus. Externe magnetische Führungen (9a, 9b) sind zu beiden axialen Seiten der Kerne (2a, 2b) angeordnet. Die externen magnetischen Führungen stellen einen magnetischen Pfad bereit, der in axialer Richtung verläuft, zur Vermeidung der Magnetsensorelemente. Die externen magnetischen Führungen weisen einen ausreichenden Abstand von dem Rotor und dem Stator auf zur Verminderung eines Streuflusses des durch die Magnete bereitgestellten magnetischen Flusses. Die Magnete weisen eine ausreichende Höhe in der Magnetisierungsrichtung (D1, D2) auf zur Verminderung eines Kurzschlussstreuflusses des magnetischen Flusses.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors relativ zu einem Stator.

Ein Magnetsensor kann verwendet werden zur Erfassung eines magnetischen Flusses, der in Abhängigkeit von einen Erfassungsobjekt wie einem Drehwinkel (Rotationswinkel) moduliert wird. Der Magnetsensor erfasst jedoch nicht nur den modulierten magnetischen Fluss sondern ebenfalls einen externen magnetischen Fluss. Im Ergebnis gibt der magnetische Sensor ein Erfassungssignal aus, das ein Rauschen (Störanteil) infolge des externen magnetischen Flusses aufweist.

Beispielsweise zeigen die Fig. 6 und 7 eine Anordnung des Magnetsensors zur Erfassung eines Drehwinkels. Der magnetische Drehwinkelsensor umfasst einen Stator und einen Rotor. Ein Element aus dem Stator und dem Rotor umfasst eine Magnetflussmodulationseinrichtung, die einen magnetischen Fluss bereitstellt und diesen in Abhängigkeit von dem relativen Drehwinkel zwischen dem Rotor und dem Stator moduliert, sodass der modulierte magnetische Fluss durch das jeweils andere Element aus dem Stator und dem Rotor fließt. Das jeweils andere Element aus dem Rotor und dem Stator umfasst ein Magnetsensorelement zur Erfassung des modulierten magnetischen Flusses und gibt ein Signal zur Angabe des Drehwinkels aus. Beispielsweise kann die Magnetflussmodulationseinrichtung bereitgestellt werden durch Kerne, die eine Richtung des magnetischen Flusses oder eine Stärke des magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der relativen Drehposition zwischen Rotor und Stator verändern.

In dem veranschaulichten Fall umfasst der magnetische Drehwinkelsensor einen ersten Teil, der ein Joch 13 aufweist. Das Joch 13 ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet und bildet eine innere Vertiefung bzw. einen Hohlraum. Das Joch 13 besteht aus einem magnetischen Material und definiert zwei Spalte 11 zur jeweiligen Aufnahme von Magneten 12. Die Spalte 11 weisen eine Beziehung in Durchmesserrichtung zu dem Joch 13 auf und teilen das Joch 13 in zwei Teile auf. Die Magnete 12 sind jeweils in tangentialer Richtung magnetisiert entsprechend einem durch das Joch 13 definierten Kreis. Die Magnetachsen D1 und D2 sind parallel zueinander und in der gleichen Richtung ausgerichtet. Ein zweiter Teil umfasst einen Kern 16 und ein magnetisches Sensorelement bzw. Magnetsensorelement 15 und ist innerhalb des ersten Teils angeordnet. Der Kern 16 besteht aus einem magnetischen Material. Der Kern 16 bestimmt einen Spalt 14, der den Kern 16 in zwei Teile entsprechend der Durchmesserrichtung aufteilt. Zwei Magnetsensorelemente sind in dem Spalt 14 angeordnet. Jedes der Magnetsensorelemente 15 ist ein geformtes IC (IC-Baustein) einschließlich eines Hall-Elements. Die Magnete 12 stellen einen magnetischen Fluss bereit, der durch das Joch 13, den Kern 16 und das Magnetsensorelement 15 fließt. Eine relative Drehung des ersten Teils zu dem zweiten Teil ändert eine relative Positionsbeziehung zwischen dem Joch 13 und dem Kern 16. Der Magnetfluss wird in Abhängigkeit von der relativen Positionsbeziehung zwischen dem Joch 13 und dem Kern 16 moduliert. Das Magnetsensorelement gibt ein Signal in Abhängigkeit von dem modulierten Magnetfluss aus, der den relativen Drehwinkel zwischen dem ersten und zweiten Teil angibt. Beispielsweise kann sich das Joch 13 als Rotor (Läufer) drehen und der Kern 16 kann als Stator (Ständer) festgelegt sein.

Gemäß der vorstehend beschriebenen Anordnung wird der Sensor durch ein externes Magnetfeld beeinflusst, falls der Sensor einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Fließt beispielsweise ein externer Fluss durch den Kern 16 in einer diagonalen Richtung durch einen Pfad, der mittels einer gestrichelten Linie P4 gemäß Fig. 6 angegeben ist, dann gibt ein Ausgangssignal des Magnetsensorelements 15 einen nicht korrekten Drehwinkel aus.

In dem Fall, dass ein externes Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse des Rotors einwirkt, durchläuft der magnetische Fluss das Joch 13 und den Kern 16 in einer Durchmesserrichtung durch einen Pfad, der mittels einer gestrichelten Linie PS gemäß der Darstellung in Fig. 7 angegeben ist. In diesem Fall gibt ebenfalls das Magnetsensorelement 15 ein nicht korrektes Signal aus.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Magnetsensor derart auszugestalten, dass dieser in der Lage ist, den Einfluss eines externen magnetischen Flusses zu vermindern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor derart auszugestalten, dass dieser in der Lage ist, einen Drehwinkel genau zu erfassen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor derart auszugestalten, dass dieser in der Lage ist, den Einfluss eines externen magnetischen Felds zu vermindern, während ein Kurzschlussstreufluss eines durch einen Magneten erzeugten magnetischen Flusses verhindert wird.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein magnetischer Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors relativ zu einem Stator einen Magneten, ein Joch, einen Kern und ein Magnetsensorelement zur Erfassung des durch den Kern modulierten magnetischen Flusses.

Eine erste Einrichtung ist vorgesehen zur Bereitstellung eines externen magnetischen Pfads für einen externen Magnetfluss. Der externe magnetische Pfad vermeidet das magnetische Sensorelement und weist einen geringeren magnetischen Widerstand als der magnetische Pfad auf, der durch das Magnetsensorelement verläuft. Der externe magnetische Pfad führt somit den externen magnetischen Fluss in Vergleich zu dem das Magnetsensorelement durchlaufenden magnetischen Pfad. Im Ergebnis wird der Einfluss des externen Magnetfelds vermindert. Eine zweite Einrichtung ist vorgesehen zur Verminderung eines Kurzschlussstreuflusses des magnetischen Flusses, der durch einen Magneten zugeführt wird. Daher erhalten das Joch und der Kern eine ausreichende Stärke des magnetischen Flusses von dem Magneten, und das Magnetsensorelement gibt ein genaues Erfassungssignal aus.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine zusätzliche externe magnetische Führung den externen magnetischen Pfad bereit. Die externe magnetische Führung bildet einen sich in axialer Richtung erstreckenden magnetischen Pfad.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Magnet in einer schrägen Richtung magnetisiert zur Bereitstellung eines kürzeren Spalts zwischen dem Joch und eines größeren Abstands zwischen den Polen. Diese Anordnung bildet einen externen magnetischen Pfad in dem Joch und stellt einen ausreichenden Abstand zwischen den Polen bereit zur Verminderung des Kurzschlussstreuflusses des durch den Magneten zugeführten magnetischen Flusses.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie Verfahren des Betriebs und der Funktion der jeweiligen Teile werden verständlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den zugehörigen Patentansprüchen und den Zeichnungen, die alle Bestandteile dieser Anmeldung sind. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht zur Veranschaulichung eines magnetischen Drehwinkelsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang einer Linie II-II gemäß der Darstellung in Fig. 1,
Fig. 3 eine Querschnittansicht entlang einer Linie III-III gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine Querschnittansicht zur Veranschaulichung eines magnetischen Drehwinkelsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine Querschnittansicht zur Veranschaulichung eines magnetischen Drehwinkelsensors gemäß einem vergleichbaren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Längsschnittansicht zur Veranschaulichung eines magnetischen Rotationswinkelsensors gemäß dem Stand der Technik, und
Fig. 7 eine Querschnittansicht entlang einer Linie VII-VII gemäß der Darstellung in Fig. 6.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen magnetischen Drehwinkelsensor 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 10 kann zur Erfassung eines Öffnungsgrads einer Drosselklappe (Drosselventil) zur Steuerung der Ansaugluftmenge einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine verwendet werden. Der Sensor 10 kann an einem Ende der Welle der Drosselklappe angeordnet sein. Der Sensor 10 kann auch verwendet werden zur Erfassung anderer Drehwinkel (Rotationswinkel) wie eines Drehwinkels eines Betätigungsarmteils eines Industrieroboters. Der Sensor 10umfasst einen Rotor (Läufer) 10a und einen Stator (Ständer) 10b.
Der Rotor 10a umfasst Joche 1a und 1b und Magnete 4a und 4b. Die Joche 1a und 1b bestehen aus einem magnetischen Material wie Weicheisen. Jedes der Joche 1a und 1b weist eine halbkreisförmige Form auf, sodass die Joche 1a und 1b nach dem Zusammenbau der Jochteile eine im Wesentlichen zylindrische Form ergeben. Die Joche 1a und 1b bilden somit einen Zylinder, der entlang einer Durchmesserlinie getrennt werden kann. Die Joche 1a und 1b bestimmen bzw. definieren eine innere Vertiefung bzw. einen inneren Hohlraum, der im Wesentlichen einer Ellipse gleicht. Zwei Spalte 3a und 3b werden zwischen den Enden der Joche 1a und 1b gebildet. Die Magnete 4a und 4b sind Permanentmagnete und jeweils in den Spalten 3a und 3b angeordnet. Der Magnet 4a ist in einer Richtung magnetisiert, die mittels eines Pfeils D1 gemäß der Darstellung in Fig. 2 angegeben ist. Der Magnet 4b ist in einer Richtung magnetisiert, die durch einen Pfeil D2 gemäß der Darstellung in Fig. 2 angegeben ist. Die magnetischen Polaritäten der Magnete 4a und 4b sind parallel und in die gleiche Richtung gerichtet. Die magnetischen Richtungen D1 und D2 sind tangential zu der durch die Joche 1a und 1b gebildeten Ellipse. Der kürzeste Abstand zwischen den Spalten 3a und 3b ist im Wesentlichen gleich der Höhe der Magnete 4a und 4b in den Magnetisierungsrichtungen D1 und D2. Die Höhe der Magnete 4a und 4b in den Magnetisierungsrichtungen D1 und D2 sind vorgesehen zur Verhinderung eines magnetischen Kurzschlussstreuflusses zwischen den Polen. Gemäß dieser Anordnung liegt der Nordpol (N-Pol) bei dem Joch 1a und der Südpol (S-Pol) bei dem Joch 1b, und der Rotor 10a stellt einen magnetischen Fluss bereit, der durch den inneren Hohlraum verläuft.
Der Stator 10 weist eine säulenartige Form auf und ist in dem inneren Hohlraum des Rotors 10a angeordnet. Der Stator 10 umfasst gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein äußeres Profil entsprechend einem sanften Kurvenverlauf. Das äußere Profil kann dabei ein Polygon sein. Eine axiale Länge des Stators 10b ist im Wesentlichen gleich einer axialen Länge des Rotors 10a gemäß Fig. 1. Der Stator 10b ist an einer Durchmesserlinie getrennt. Der Stator 10b umfasst ein Paar Kerne 2a und 2b, bestehend aus einem magnetischen Material wie Weicheisen. Jeder der Kerne 2a und 2b weist die Hälfte einer im Wesentlichen säulenartigen Form auf. Die Kerne 2a und 2b sind durch einen Spalt 5 zueinander beabstandet. Die Kerne 2a und 2b bestimmen den Spalt 5, der sich in einer Durchmesserrichtung erstreckt. Der Spalt 5 umfasst einen Erfassungsteil 5a und erweiterte Teile 5b und 5c. Der Erfassungsteil 5a wird durch parallele Oberflächen der Kerne 2a und 2b bestimmt (definiert) und ist in der Mitte des Spalts 5 angeordnet. Die erweiterten Teile 5b und 5c sind auf beiden Seiten des Erfassungsbereichs 5a vorgesehen zum Konzentrieren des magnetischen Flusses in dem Erfassungsteil 5a zur Verbesserung der Empfindlichkeit. Die erweiterten Teile 5b und 5c werden durch halbkreisförmige Oberflächen der Kerne 2a und 2b bestimmt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umgeben die Joche 1a und 1b die Kerne 2a und 2b und bestimmen zumindest eine magnetische Öffnung an einem axialen Ende.
Magnetsensorelemente 6a und 6b sind in dem Erfassungsbereich 5a angeordnet. Jedes der Magnetsensorelemente 6a und 6b ist eine geformte integrierte Schaltung (IC) mit einem Hall-Element zur Erfassung des magnetischen Flusses und eine Signalverstärkerschaltung. Die Magnetsensorelemente 6a und 6b geben Signale aus, die einen relativen Positionswinkel zwischen dem Rotor 10a und dem Stator 10b angeben. Alternativ können die Magnetsensorelemente lediglich das Hall-Element aufweisen. Die Verstärkerschaltung kann getrennt oder in einer externen Schaltungseinheit angeordnet sein. Der Drehwinkel kann erfasst werden unter Verwendung lediglich eines der Magnetsensorelemente 6a und 6b.
Ein Paar Abstandsstücke 8a und 8b ist an beiden axialen Seiten der Kerne 2a und 2b angeordnet. Die Abstandsstücke 8a und 8b bestehen aus einem nicht magnetischem Material, wie beispielsweise Harz. Jedes der Abstandsstücke 8a und 8b weist eine zylindrische Form mit einem Durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Stators 10b auf. Ein Paar externer magnetischer Führungen 9a und 9b ist zu beiden Seiten der Abstandsstücke 8a und 8b angeordnet. Die externen magnetischen Führungen 9a und 9b bestehen aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Weicheisen. Jeder der externen magnetischen Führungen 9a und 9b weist eine Ringform auf, deren Durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Stators 10b ist. Die Abstandsstücke 8a und 8b weisen die gleiche axiale Länge auf zur Bestimmung von Abständen, die ausreichend sind zum Isolieren der externen magnetischen Führungen 9a und 9b von dem durch die Magnete 4a und 4b bereitgestellten und durch den Rotor 10a und den Stator 10b fließenden Magnetfeld. Die Abstandsstücke 8a und 8b definieren die Abstände zur Verminderung des Streufelds des magnetischen Flusses, das durch die Magnete 4a und 4b bereitgestellt wird. Alternativ können die Abstandsstücke 8a und 8b ersetzt werden durch Luftspalte, die bestimmt werden durch stützende externe magnetische Führungen 9a und 9b mittels eines Gehäuses oder dergleichen. Ferner kann lediglich eine externe magnetische Führung einen bestimmten Vorteil bringen.
Während des Betriebs des magnetischen Drehwinkelsensors 10 erzeugen die Magnete 4a und 4b ein Magnetfeld über die Joche 1a und 1b, und führen den magnetischen Fluss in den inneren Hohlraum. Befinden sich der Rotor 10a und der Stator 10b in Anfangspositionen gemäß der Darstellung in Fig. 2, dann steht der Kern 2a lediglich dem Joch 1a gegenüber. Der magnetische Fluss fließt somit durch die Magnetsensorelemente 6a und 6b in einer Vorwärtsrichtung vom Kern 2a zu dem Kern 2b. Wird nun der Rotor 10a relativ zu dem Stator 10b gedreht, dann wird die einander gegenüberliegende Stirnfläche zwischen dem Kern 2a und dem Joch 1a vermindert. Der magnetische Fluss in der Vorwärtsrichtung wird somit vermindert und der in der Gegenrichtung fließende magnetische Fluss wird infolge der Änderung der einander gegenüberliegenden Flächen vergrößert. Die Magnetsensorelemente 6a und 6b erfassen eine Dichte des magnetischen Flusses in einer der Richtungen und geben Signale aus zur Angabe der magnetischen Flussdichte. Daher sind die Signale in der Lage, einen Drehwinkel anzuzeigen. Die Joche und die Kerne modulieren den durch die Magnete zugeführten magnetischen Fluss und bewirken eine Änderung der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von der relativen Drehung des Rotors und des Stators. Die Ausgangssignale der Magnetsensorelemente 6a und 6b werden beispielsweise einer elektronischen Steuerungseinheit der Brennkraftmaschine zugeführt und werden zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Die Ausgangssignale werden verglichen zur Sicherstellung, dass die Sensorelemente 6a und 6b korrekt arbeiten, wobei es möglich ist, die Verlässlichkeit des Sensors 10 zu verbessern. Gemäß der vorstehenden Beschreibung verwenden der Rotor 10a und der Stator 10b einen radialen magnetischen Fluss bezüglich der Drehachse.
Wird der Sensor 10 einem externen Magnetfeld ausgesetzt, das in diagonaler Richtung zu dem Sensor 10 verläuft, dann wird der externe magnetische Fluss durch die externen magnetischen Führungen 9a und 9b aufgefangen und geführt. Da jede der magnetischen Führungen 9a und 9b eine Ringform aufweist, stellt jede der externen magnetischen Führungen 9a und 9b einen magnetischen Pfad bereit, der einen oberen Bereich, bei welchem der Kern 2a angeordnet ist, und einen unteren Bereich, bei welchem der andere Kern 2b angeordnet ist, verbindet. Der externe magnetische Fluss wird daher geführt zur Vermeidung des Spalts 5 und der Magnetsensorelemente 6a und 6b, und fließt axial zwischen den externen magnetischen Führungen 9a und 9b. In Fig. 1 ist beispielsweise der externe magnetische Fluss entlang des Pfads P1 angegeben. Die externen magnetischen Führungen 9a und 9b bilden eine magnetische Abschirmung bezüglich des externen Magnetfelds. Die externen magnetischen Führungen 9a und 9b bilden einen externen magnetischen Pfad für den externen Magnetfluss. Der externe magnetische Pfad vermeidet den Spalt 5 und die Magnetsensorelemente 6a und 6b. Der externe magnetische Pfad weist einen geringeren magnetischen Widerstand relativ zu einem diagonalen Weg auf, der durch den Spalt 5 und die Magnetsensorelemente 6a und 6b verläuft. Die externen magnetischen Führungen 9a und 9b sind auf beiden axialen Seiten des Rotors 10a und des Stators 10b angeordnet zur Bereitstellung des axialen magnetischen Pfads, der nicht durch die Magnetsensorelemente 6a und 6b verläuft.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine axiale Länge L1 der Abstandsstücke 8a und 8b bestimmt zum Erfüllen der folgenden Beziehung.

2.L1² > 2.L2² + L3²
Hierbei ist L1 die axiale Länge der Abstandsstücke 8a und 8b, L2 ein minimaler Abstand zwischen den Jochen 1a und 1b und den Kernen 2a und 2b, und L3 ist ein Abstand des Erfassungsteils 5a.
Die Spalte werden bestimmt zum Erfüllen der folgenden Beziehung.

L4² > 2.L2² + L3²
Hierbei ist L4 ein Abstand der Spalte 3a und 3b, bei denen die Magnete 4a und 4b angeordnet sind, und der Abstand L4 ist gleich der Höhe L5 der Magnete 4a und 4b.
Gemäß dem vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, den Einfluss des externen Magnetfelds zu vermindern und einen Drehwinkel in genauer Weise zu erfassen. Es ist möglich, den Streufluss des durch die Magnete bereitgestellten Magnetflusses zu vermindern, da die externen magnetischen Führungen ausreichend weit von den Komponenten beabstandet sind, die einen magnetischen Pfad bereitstellen, den der magnetische Fluss der Magnete einnimmt. Da ferner die Magnete eine ausreichende Höhe in den Magnetisierungsrichtungen aufweisen, ist es möglich, den Kurzschlussstreufluss des magnetischen Flusses zwischen den Polen der Magnete zu vermindern.
Alternativ kann die Länge L1 bestimmt werden zum Erfüllen der nachfolgenden Beziehung:

2.L1 > 2.L2 + L3.
Fig. 4 zeigt einen magnetischen Drehwinkelsensor 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen dieselben oder gleichartige Komponenten wie beim ersten Ausführungsbeispiel, sodass in diesem Fall eine weitere Beschreibung weggelassen ist. Der Sensor 100 weist eine gleichartige Längsschnittansicht wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 auf. Der Sensor 100 umfasst jedoch nicht die externen magnetischen Führungen 9a und 9b. Der Sensor 100 kann die externen magnetischen Führungen 9a und 9b aufweisen.
Der Sensor 100 umfasst ein Paar exzentrischer Joche 1c und 1d. Jedes der Joche 1c und 1d weist ein nach außen versetztes Ende auf. Die Joche 1c und 1d bestimmen somit schräge Spalte 3c und 3d. Magnete 4c und 4d sind in den Spalten 3c und 3d angeordnet. Die Joche 1c und 1d umfassen konkave Bereiche 7a und 7b in der Nähe der versetzten Enden. Die konkaven Bereiche 7a und 7b stellen ausreichende Luftspalte zwischen den Polen der Magnete 4c und 4d bereit. Der Magnet 4c weist eine parallelogrammförmige Querschnittsfläche auf und ist magnetisiert in einer Richtung D3 parallel zu den schrägen Seiten des Magneten 4c. Die Spalte 3c und 3d weisen einen Abstand L9 auf, der im Wesentlichen gleich der Höhe der Magnete 4c und 4d ist. Der Magnet 4c weist einen Abstand L5 parallel zur magnetisierten Richtung D3 auf. Der Abstand L5 ist länger als die Höhe des Magneten 4c und ist ausreichend zur Verminderung eines Kurzschlussstreuflusses des durch den Magneten 4c zugeführten magnetischen Flusses. Der Magnet 4d ist in gleicher Weise wie der Magnet 4c geformt und in einer Richtung D4 magnetisiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind relativ kurze Spalte 3c und 3d gebildet.
Wird der Sensor 100 einem externen Magnetfeld senkrecht zur Drehachse (Rotationsachse) des Sensors 100 ausgesetzt, dann kann das externe magnetische Feld über die Spalte 3c und 3d fließen. Im Ergebnis tritt der magnetische Fluss nicht in die Kerne 2a und 2b ein und fließt nicht durch die Erfassungsbereiche 5a des Spalts 5 und die Magnetsensorelemente 6a und 6b. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Joche 1c und 1d einen externen magnetischen Pfad für den externen magnetischen Fluss. Die externen magnetischen Pfade vermeiden den Spalt 5 und die Magnetsensorelemente 6a und 6b. Der externe Pfad verläuft in Umfangsrichtung und weist einen kleineren magnetischen Widerstand auf als der magnetische Pfad durch den Spalt 5. Jeder der Magnete 4c und 4d weist den Abstand L5 in den Magnetisierungsrichtungen D3 oder D4 auf, der länger ist als der kürzeste Abstand L4 der Pole des Magneten. Es ist daher möglich, den Kurzschlusstreufluss des magnetischen Flusses zwischen den Polen zu vermindern. Die Joche 1c und 1d, die Spalte 3c und 3d und die Magnete 4c und 4d bilden eine Führungseinrichtung für den externen magnetischen Fluss zum derartigen Führen des externen magnetischen Flusses, dass der Erfassungsteil 5a vermieden wird. Ferner stellen die schräg magnetisierten Magnete 4c und 4d eine Streuflussverminderungseinrichtung dar zur Verminderung des Streuflusses des durch die Magnete 4c und 4d bereitgestellten magnetischen Flusses.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Spalte in der Weise vorgesehen zur Erfüllung der beiden nachstehenden Beziehungen.

L4² < 2.L2² + L3²

L5² > 2.L2² + L3²
Alternativ können die Spalte bestimmt werden zur Erfüllung der beiden nachfolgenden Beziehungen.

L4 < 2.L2 + L3

L5 > 2.L2 + L3
Alternativ können die Magnete und die Joche als Stator bereitgestellt werden, und die Kerne und die Magnetsensorelemente können einen Rotor bilden.
Fig. 5 zeigt einen magnetischen Drehwinkelsensor 110 gemäß einem vergleichbaren Ausführungsbeispiel. Ein Joch 1e und ein Joch 1f bestimmten kürzere Spalte 3e und 3f, in denen jeweils dünne plattenförmige Magnete 4e und 4f angeordnet sind. Die Magnete 4e und 4f sind in Richtungen D5 und D6 magnetisiert, die tangential zu der durch die Joche 1e und 1f gebildeten Ellipse gerichtet sind. Gemäß der in Fig. 5 gezeigten Anordnung verläuft der externe magnetische Fluss durch die Spalte 3e und 3f gemäß der dargestellten gestrichelten Linie P3. Die Magnete 4e und 4f sind jedoch zu dünn, um einen Kurzschlussstreufluss 20 des magnetischen Flusses zu verhindern.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben, wobei jedoch für den Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen denkbar sind. Diese Änderungen und Modifikationen liegen innerhalb des Bereichs der Erfindung entsprechend der Definition durch die zugehörigen Patentansprüche.
Der magnetische Drehwinkelsensor 10 umfasst somit einen Rotor 10a und einen Stator 10b. Die Magnete 4a und 4b sind vorgesehen zur Bereitstellung eines magnetischen Flusses, der in Abhängigkeit von dem Drehwinkel moduliert wird. Die Magnetsensorelemente 6a und 6b erfassen den magnetischen Fluss und geben Signale zur Angabe des Drehwinkels zwischen dem Rotor und dem Stator aus. Die externen magnetischen Führungen 9a und 9b sind zu beiden axialen Seiten der Kerne 2a und 2b angeordnet und stellen einen magnetischen Pfad bereit, der in axialer Richtung zur Vermeidung der Magnetsensorelemente verläuft. Die externen magnetischen Führungen weisen einen ausreichenden Abstand von dem Rotor und dem Stator auf zur Verminderung eines Streuflusses des durch die Magnete bereitgestellten magnetischen Flusses. Die Magnete weisen eine ausreichende Höhe in der Magnetisierungsrichtung D1 und D2 auf zur Verminderung eines Kurzschlussstreuflusses des magnetischen Flusses.

Claims

1. Magnetischer Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors relativ zu einem Stator, mit
einem Magneten (4a, 4b),
einem Joch (1a, 1b, 1c, 1d), das in einem aus dem Rotor und dem Stator angeordnet ist,
einem Kern (2a, 2b), der in dem jeweils anderen des Rotors und des Stators angeordnet ist, wobei der Kern vorgesehen ist zum Modulieren eines magnetischen Flusses des Magneten in Abhängigkeit von einer relativen Drehung des Rotors zu dem Stator,
einem Magnetsensorelement (6a, 6b), das an dem Kern angeordnet ist und den durch den Kern modulierten magnetischen Fluss erfasst,
einer ersten Einrichtung (9a, 9b, L4) zur Bereitstellung eines externen magnetischen Pfads für einen externen magnetischen Fluss, wobei der externe magnetische Pfad die Magnetsensorelemente vermeidet und einen magnetischen Widerstand aufweist, der niedriger ist als derjenige des durch die Magnetsensorelemente verlaufenden magnetischen Pfads, und
eine zweite Einrichtung (L5) zur Verminderung des Kurzschlussstreuflusses des durch den Magneten bereitgestellten magnetischen Flusses.

2. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, wobei das Joch und der Kern (1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b) einen magnetischen Pfad bereitstellen, der sich in radialer Richtung bezüglich einer Drehachse erstreckt, und wobei die Magnetsensorelemente (6a, 6b) auf den magnetischen Fluss in radialer Richtung reagieren, und der externe magnetische Pfad (P1, F2) durch das Joch oder den Kern in einer Richtung verläuft, die nicht die radiale Richtung ist.

3. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 2, wobei der Kern (2a, 2b) eine säulenartige Form entlang der Drehachse aufweist und einen sich in Durchmesserrichtung erstreckenden Spalt (5) bildet, in welchem die Magnetsensorelemente (6a, 6b) angeordnet sind.

4. Magnetischer Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Einrichtung zumindest einer von an einer axialen Seite des Rotors und des Stators angeordneten externen magnetischen Pfaden (9a, 9b) ist, wobei der externe magnetische Pfad einen durch den Kern in axialer Richtung sich erstreckenden magnetischen Pfad (P1) bildet, und die zweite Einrichtung ein Magnet ist, der einen bestimmten Abstand (L5) in einer Magnetisierungsrichtung aufweist.

5. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, wobei die externe magnetische Führung (9a, 9b) um einen vorbestimmten Abstand von dem Joch und dem Kern in einer axialen Richtung beabstandet ist.

6. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, wobei die erste Einrichtung ein Paar externer magnetischer Führungen (9a, 9b) ist, die an beiden axialen Seiten des Jochs uni des Kerns angeordnet sind.

7. Magnetischer Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Einrichtung ein Joch (1c, 1d) ist, das um den Kern angeordnet ist und einen in sich in Umfangsrichtung erstreckenden magnetischen Pfad (P2) als den externen magnetischen Pfad bildet, und die zweite Einrichtung ein Magnet ist, der einen bestimmten Abstand (L5) in einer Magnetisierungsrichtung aufweist.

8. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, wobei der sich in Umfangsrichtung erstreckende magnetische Pfad den durch das Joch bestimmten Spalt durchläuft.

9. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 8, wobei der Magnet (4c, 4d) in dem Spalt angeordnet und in einer schrägen Richtung magnetisiert ist zur Bereitstellung eines größeren Abstands zwischen den Polen als die Höhe, die gleich dem Spalt ist.

10. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 8, wobei der Magnet (4c, 4d) eine parallelogrammförmige Querschnittsfläche aufweist und in einer schrägen Richtung magnetisiert ist.

11. Magnetischer Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors relativ zu einem Stator, mit
einem Magneten (4a, 4b),
einem Joch (1a, 1b), das in einem aus dem Rotor und dem Stator angeordnet ist,
einem Kern (2a, 2b), der in dem jeweils anderen des Rotors und des Stators angeordnet ist, wobei der Kern vorgesehen ist zum Modulieren eines magnetischen Flusses des Magneten in Abhängigkeit von einer relativen Drehung des Rotors und des Stators,
einem Magnetsensorelement (6a, 6b), das in einem durch den Kern bestimmten Spalt angeordnet ist zur Erfassung des durch den Kern modulierten magnetischen Flusses,
einem Paar Abstandsstücke (8a, 8b), die auf beiden axialen Seiten des Kerns angeordnet sind, und wobei die Abstandsstücke aus einem nicht magnetischen Material bestehen, und
einem Paar externer magnetischer Führungen (9a, 9b), die auf beiden axialen Seiten der Abstandsstücke angeordnet sind, wobei die externen magnetischen Führungen aus einem magnetischem Material bestehen und einen externen magnetischen Fluss in einer axialen Richtung von einem der externen magnetischen Führungen zu der anderen der externen magnetischen Führungen durch den Kern führen, wobei der Kern einen Spalt aufweist, in welchem das Magnetsensorelement angeordnet ist, und der Magnet einen Abstand aufweist zwischen den Polen, der länger als der Abstand des Spalts ist.

12. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 11, wobei jedes der Abstandsstücke eine axiale Länge L1 aufweist, die bestimmt ist zur Erfüllung der folgenden Beziehung:
2.L1² > 2.L2² + L3²,
wobei L2 der kürzeste Abstand zwischen dem Joch und dem Kern und L3 der Abstand des Spalts ist, in welchem dass Magnetsensorelement angeordnet ist.

13. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 11, wobei jedes der Abstandsstücke eine axiale Länge L1 aufweist, die bestimmt ist zum Erfüllen der folgenden Beziehung:
2.L1 > 2.L2 + L3,
wobei L2 der kürzeste Abstand zwischen dem Joch und dem Kern und L3 der Abstand des Spalts ist, in welchem das Magnetsensorelement angeordnet ist.

14. Magnetischer Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors relativ zu einem Stator, mit
einem Magneten (4a, 4b),
einem Joch (1c, 1d), das in einem aus dem Rotor und dem Stator angeordnet ist,
einem Kern (2a, 2b), der in dem anderen aus dem Rotor und dem Stator angeordnet ist, wobei der Kern vorgesehen ist zum Modulieren eines magnetischen Flusses des Magneten in Abhängigkeit von einer relativen Drehung des Rotors und des Stators und,
einem Magnetsensorelement (6a, 6b), das in einem in dem Kern bestimmten Spalt vorgesehen ist zur Erfassung des durch den Kern modulierten Flusses, wobei
das Joch ein erstes Joch (1c) und ein zweites Joch (1d) aufweist zur Bestimmung eines dazwischen angeordneten Spalts (3c, 3d), wobei der Spalt einen Abstand (L4) aufweist, und
der Magnet in dem Spalt vorgesehen ist und eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die schräg zu einer Richtung des Abstands (L4) des Spalts verläuft, sowie einen Abstand (L5) zwischen den Polen aufweist, der länger als der Abstand (L4) des Spalts ist.

15. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 14, wobei der Abstand L4 des Spalts und der Abstand L5 zwischen den Polen bestimmt ist zum Erfüllen der folgenden Beziehungen:
L4² < 2.L2² + L3², und
L5² > 2.L2² + L3²,
wobei L2 der kürzeste Abstand zwischen dem Joch und dem Kern, und L3 der Abstand des Spalts ist, in welchem das Magnetsensorelement angeordnet ist.

16. Magnetischer Drehwinkelsensor nach Anspruch 14, wobei der Abstand L4 des Spalts und der Abstand L5 zwischen den Polen bestimmt ist zum Erfüllen der folgenden Beziehungen:
L4 < 2.L2 + L3, und
L5 > 2.L2 + L3,
wobei L2 der kürzeste Abstand zwischen dem Joch und dem Kern, und L3 der Abstand des Spalts ist, in welchem das Magnetsensorelement angeordnet ist.