DE112016007397T5

DE112016007397T5 - Drehwinkeldetektionsvorrichtung und Drehwinkeldetektionsverfahren

Info

Publication number: DE112016007397T5
Application number: DE112016007397.6T
Authority: DE
Inventors: Koji Nishizawa; Yoshihiro Miyama; Tatsuo Nishimura; Hideaki Arita; Masaya Inoue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2019-08-01
Also published as: CN109923376A; JPWO2018078856A1; JP6997098B2; US20210310784A1; WO2018078856A1; US11408721B2

Abstract

Bereitgestellt wird eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung, die aufweist: einen Rotor aus einem magnetischen Material; einen Stator, der einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt und eine Vielzahl von Magnetdetektionselementen aufweist; und eine Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Rotors auf Grundlage von Detektionssignalen zu berechnen, die von der Vielzahl von Magnetdetektionselementen erhalten werden, wobei eine Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, konvexe und konkave Abschnitte aufweist, die sich in „x“ Zyklen über einen mechanischen Winkel von 360 Grad verändern („x“ stellt eine Ganzzahl von 1 oder mehr dar), und die konvexen und konkaven Abschnitte eine Form haben, die sich in gekrümmter Art und Weise verändert, wobei die Form es jedem der Vielzahl von Magnetdetektionselementen ermöglicht, eine im Wesentlichen sinusförmige Welle zu erhalten, und wobei „a“ Magnetdetektionselemente des Stators („a“ stellt eine Ganzzahl von 2 oder mehr dar) entlang einer Umfangrichtung des Stators mit gleichen Abständen für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet sind, so dass sie der Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Abstand von dieser Fläche gegenüberliegen, und sich der eine Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt in der Umfangsrichtung für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte erstreckt, so dass er mit den „a“ Magnetdetektionselementen überlappt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung und insbesondere eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung sowie ein Drehwinkeldetektionsverfahren, die eine Veränderung der magnetischen Feldstärke ausnutzen.
Technischer Hintergrund
In Patentliteratur 1 wird beispielsweise eine Drehdetektionsvorrichtung offenbart, die aufweist: einen Rotor, der an einer Drehwelle bereitgestellt ist, die durch ein Gehäuse mit einem Lager gelagert ist, und eingerichtet ist, sich zu drehen, und dessen Drehung erfasst werden soll; einen Halbleiterchip mit einem Magnetsensierelement, das eingerichtet ist, eine Veränderung in einem Magnetfeld in einer Umgebung des Rotors zu sensieren; und einen Bias-Magnet, der eingerichtet ist, ein Bias-Magnetfeld an dem Magnetsensierelement anzulegen, wobei die Drehdetektionsvorrichtung eingerichtet ist, einen Drehmodus des Rotors durch Sensieren einer Veränderung in dem Magnetfeld, die in Zusammenhang mit dem Bias-Magnetfeld verursacht wird, wenn sich der Rotor dreht, vermittels des Magnetsensierelements zu detektieren, wobei das Lager und der Halbleiterchip integral mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Ferner werden in Patentliteratur 2 und Patentliteratur 3 eine Drehdetektionsvorrichtung und ein Drehdetektionssensor offenbart, die eine Veränderung einer magnetischen Feldstärke ausnutzen.
Liste der Bezugnahmen
Patentliteratur

[PTL1] JP2006-132978 A
[PTL2] JP 11-51695 A
[PTL3] JP 08-219709 A

Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Zum Beispiel sind in der Drehdetektionsvorrichtung von Patentliteratur 1 rechteckige Vorsprünge und Ausnehmungen entlang einer Außenumfangsfläche des Rotor gebildet, und die Drehung wird detektiert durch Sensieren, vermittels des Magnetsensierelements, einer Veränderung in dem Magnetfeld, die in Zusammenhang mit dem Bias-Magnetfeld aufgrund dieser Vorsprünge und Ausnehmungen verursacht wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehwinkeldetektionsvorrichtung und der gleichen zur hochpräzisen Detektion eines Drehwinkels anzugeben, indem an einer Seite eines Rotors, für die der Drehwinkel gemessen werden soll, konvexe und konkave Abschnitte gebildet werden, die sich gekrümmt, nahtlos und periodisch wie bei einer Sinuskurve verändern, und indem mit einer Vielzahl von Magnetdetektionselementen eine Veränderung in dem Magnetfeld detektiert wird, die in Zusammenhang mit einem Bias-magnetfeld aufgrund der Vorsprünge und Ausnehmungen bewirkt wird, die sich nahtlos und periodisch verändern.
Lösung der Aufgabe
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung und dergleichen bereitgestellt, die aufweist: einen Rotor aus einem magnetischen Material; einen Stator, der einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt und eine Vielzahl von Magnetdetektionselementen aufweist; und eine Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Rotors auf Grundlage von Detektionssignalen zu berechnen, die von der Vielzahl von Magnetdetektionselementen erhalten werden, wobei eine Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, konvexe und konkave Abschnitte aufweist, die sich in „x“ Zyklen über einen mechanischen Winkel von 360 Grad verändern, wobei „x“ eine Ganzzahl von 1 oder mehr darstellt, und die konvexen und konkaven Abschnitte eine Form haben, die sich in gekrümmter Art und Weise verändert, wobei die Form es jedem der Vielzahl von Magnetdetektionselementen ermöglicht, eine im Wesentlichen sinusförmige Welle zu erhalten, und wobei „a“ Magnetdetektionselemente des Stators entlang einer Umfangrichtung des Stators mit gleichen Abständen für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet sind, so dass sie der Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Abstand von dieser Fläche gegenüberliegen, und sich der eine Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt in der Umfangsrichtung für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte erstreckt, so dass er sich mit den „a“ Magnetdetektionselementen überlappt, wobei „a“ eine Ganzzahl von größer gleich 2 darstellt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung und der gleichen zum hochpräzisen Detektieren eines Drehwinkels bereitzustellen, indem vermittels der Vielzahl von Magnetdetektionselementen eine Veränderung in einem Magnetfeld detektiert wird, die in Zusammenhang mit dem Bias-Magnetfeld aufgrund der konvexen und konkaven Abschnitte verursacht wird, die an der Rotorseite gebildet sind und sich in gekrümmter Art und Weise, nahtlos und periodisch wie bei einer Sinuswelle verändern.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht einer Detektionseinheit einer Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A und 2B sind vergrößerte Querschnittsansichten eines Hauptteils der Detektionseinheit aus 1.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Drehwinkelberechnungseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Funktionsblockdiagramms einer Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit aus 3.
5 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Hardwareausgestaltung der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit aus 3.
6 ist eine schematische Schnittansicht von noch einem anderen Beispiel der Detektionseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Schnittansicht von noch einem anderen Beispiel der Detektionseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Schnittansicht von noch einem anderen Beispiel der Detektionseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nun wird eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung und dergleichen gemäß jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder der Ausführungsformen werden gleiche oder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine sich wiederholende Beschreibung dieser Teile wird verzichtet.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Detektionseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Stator 1, der ein magnetisches Material 5, einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3, und eine Vielzahl von Magnetdetektionselementen 4 aufweist, ist an einem Teil eines Außenumfangs des Rotors 2 angeordnet, dessen Drehwinkel detektiert werden soll. An einer Fläche des Rotors 2, die dem Stator gegenüberliegt, zum Beispiel einer Außenumfangsfläche des Rotors 2, sind konvexe und konkave Abschnitte 2a ausgebildet. Die konvexen und konkaven Abschnitte 2a haben eine Form, die sich in einer gekrümmten Art und Weise verändert, die es jedem der Magnetdetektionselemente 4 ermöglicht, eine im Wesentlichen sinusförmige Welle zu erhalten. In 1 ist x gleich 12, das bedeutet, zwölf konvexe und konkave Abschnitte 2a sind gebildet, und daher werden, wenn sich der Rotor 2 um einen mechanischen Winkel von 360 Grad gedreht hat, also ein Mal gedreht hat, Wellenformen von jedem der Magnetdetektionselemente 4 erhalten, die zwölf Zyklen entsprechen. In 1 sind zum Beispiel drei Magnetdetektionselemente 4 für jeden Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a gebildet. Ferner sind für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a drei Magnetfelddetektionselemente 4 mit im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet, und daher werden Signale mit einer Phasendifferenz von 120 Grad von den drei Magnetdetektionselementen 4 ausgegeben, wenn angenommen wird, dass ein Zyklus aus den konvexen und konkaven Abschnitten 2a 360 Grad beträgt.
Es ist lediglich erforderlich, dass die konvexen und konkaven Abschnitte 2a „x“ Zyklen für den mechanischen Winkel von 360 Grad haben, und „x“ eine Ganzzahl von 1 oder mehr darstellt.
2A und 2B sind jeweils vergrößerte Querschnittsansichten eines Hauptteils der Detektionseinheit aus 1. In 2A ist ein Fall dargestellt, bei dem a = 3, also drei Magnetdetektionselemente 4 angeordnet sind. In 2B ist ein Fall dargestellt, bei dem a = 2, also zwei Magnetdetektionselemente 4, angeordnet sind. Eine Struktur mit Rotor innen, bei der der Rotor 2 innen angeordnet ist, wird verwendet, und daher sind die Magnetdetektionselemente 4 an einem Innenumfang des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 angeordnet. Ferner ist an einem Außenumfang des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 und Außenseiten davon in der Umfangsrichtung das magnetische Material 5 zur Erhöhung des magnetischen Flusses angeordnet, welcher von den Magnetdetektionselementen 4 detektiert werden soll.
Es ist lediglich erforderlich, dass „a“ Magnetdetektionsabschnitte 4 für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a angeordnet sind, und „a“ eine Ganzzahl von 2 oder mehr darstellt.
Zudem muss das magnetische Material 5 nur entsprechend dem Bedarf einer Konfiguration eines magnetischen Pfads bereitgestellt werden. In manchen Fällen erreicht in Abhängigkeit von der Konfiguration des magnetischen Pfads der magnetische Fluss von einem Magneten den Rotor nicht, sondern kehrt zu dem magnetischen Material 5 zurück, weshalb es von dem Entwurf des magnetischen Kreises abhängig ist, ob das magnetische Material 5 bereitzustellen ist. Jedoch kann durch die Bereitstellung des magnetischen Materials 5 das bereitgestellte magnetische Material eine Wirkung zur Abschirmung eines Einflusses von einem Magnetfeld haben, welches von außen angelegt wird, beispielsweise einem Magnetfeld aufgrund einer Spule eines Motors. Daher kann das magnetische Material 5 problemlos als Abschirmungsmaterial bereitgestellt werden, sofern das magnetische Material 5 problemlos hinsichtlich der magnetischen Ausgestaltung bereitgestellt werden kann.
3 ist ein Ausgestaltungsdiagram einer Drehwinkel-Berechnungseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Detektionssignal von jedem der Magnetdetektionselemente 4 wird einer A/D-Wandlung in einer A/D Wandlungseinheit 10 unterzogen, und dann wird das resultierende Signal einer Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 eingegeben. In der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 erfolgt eine Drehwinkelberechnung auf Grundlage der Detektionssignale, und der berechnete Drehwinkel wird zum Beispiel an einer Anzeigeeinheit 30 angezeigt.
4 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Funktionsblockdiagramms der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit aus 3. Ein Signalwandlungsmodul 24 entfernt eine DC-Verschiebungskomponente, bei der es sich um eine DC-Komponente eines Magnetfelds handelt, die von einem Bias-Magnetfeld erzeugt wird. In diesem Fall wird die DC-Verschiebung beispielsweise einer Wellenformmittlungsverarbeitung unterzogen, um eine DC-Verschiebungsmenge zu berechnen, und die DC-Verschiebungsmenge wird von jedem Phasensignal subtrahiert, um dadurch eine DC-Verschiebung zu entfernen. Beispielsweise in einem Fall von Drei-Phasen-Signalen kann eine DC-Verschiebungs-Komponente erhalten werden durch Teilen einer Summe von Phasensignalen durch 3, und die DC-Verschiebungskomponente kann von jedem Phasensignal subtrahiert werden. Als anderes Beispiel kann eine DC-Verschiebungskomponente auf Grundlage eines Maximalwerts Max oder eines Minimalwerts Min einer Amplitude der Wellenform berechnet werden. Ein a-Phase/Zwei-Phase Konversionsmodul 21, das ein Phasensignal-Konversionsmodul dient, wandelt die Signale entsprechend „a“ Phasen von den „a“ Magnetdetektionselementen 4 in Zwei-Phasen-Signale um, die eine Sinuswelle und eine Cosinuswelle enthalten.
Nun wird ein Beispiel einer Signalwandlung in einem Fall von a = 3, also Drei-Phasen-Signalen A, B, und C, dargestellt in Ausdruck (1), unten beschrieben. Durch diese Wandlung werden α und β Signale erhalten, die sich hinsichtlich ihrer Phase um 90 Grad voneinander unterscheiden, und die Signale können daher in eine Sinuswelle und eine Cosinuswelle umgewandelt werden. Ferner sind in Ausdruck (1) unten die Winkel auf 0, 120 und 240 Grad eingestellt, jedoch ist es erwünscht, wenn die Phasen der ursprünglichen Wellenformen voneinander verschieden sind, dass die Winkel aus Ausdruck (1) auf die gleichen Phasen wie jene der ursprünglichen Wellenformen eingestellt werden.
$\begin{matrix} [\begin{matrix} α \\ β \end{matrix}] = [\begin{array}{l} cos 0 & cos (120) & cos (240) \\ sin 0 & sin (120) & sin (240) \end{array}] [\begin{matrix} A \\ B \\ C \end{matrix}] \\ = [\begin{array}{l} 1 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{array}] [\begin{matrix} A \\ B \\ C \end{matrix}] \end{matrix}$
Ein Drehwinkel-Berechnungsmodul 22 berechnet eines Arcustangens der Zwei-Phasen-Signale, die die Sinuswelle und die Cosinuswelle enthalten, um einen Drehwinkel zu berechnen. Beispielsweise kann der Arcustangens auf Grundlage von Ausdruck (2) unten berechnet werden. Dies folgt dem allgemeinen Konzept von trigonometrischen Funktionen. $θ = {tan}^{- 1} \frac{sin θ}{cos θ}$
Das oben genannte Verfahren, bei dem die Summe der Phasensignale erhalten wird und ein Wert, der durch Dividieren der Summe durch die Anzahl von Phasen erhalten wird, von jedem Phasensignal subtrahiert wird, kann als separater Schritt zusätzlich zu der Entfernung einer DC-Verschiebungskomponente bereitgestellt werden. Durch die Ausführung dieses Schritts als separaten Schritt kann elektrisches Rauschen und magnetischen Rauschen, die jedem Sensor gleichzeitig eingegeben werden, beseitigt werden. Hiermit wird ein Einfluss aufgrund eines äußeren Faktors verringert, um dadurch einen Winkelfehler zu verringern. Somit kann ein besonders robuster Sensor erhalten werden. Ein Anzeigeverarbeitungsmodul 23 zeigt den erhaltenen Drehwinkel an der Anzeigeeinheit 30 an.
5 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Hardware-Konfiguration der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit aus 3. Die Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 ist zum Beispiel als Computer ausgebildet. Die Detektionssignale von den „a“ Magnetdetektionselementen 4, die „a“ Phasen entsprechen, die einer Digitalwandlung unterzogen wurden, werden der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 über eine Schnittstelle (I/F) 26 eingegeben. In einem Speicher 28 werden Programme, die den jeweiligen Funktionsblöcken, die in 4 dargestellt sind, und für die Berechnung zu verwendete Vorgabedaten gespeichert. Ein Prozessor führt eine Drehwinkelberechnungsverarbeitung an den Detektionssignalen durch, die über die Schnittstelle (IF) eingegeben wurden, entsprechend den in dem Speicher 28 gespeicherten Programmen und Daten. Dann wird der berechnete Drehwinkel über die Schnittstelle (I/F) 26 ausgegeben und an der Anzeigeeinheit 30 aus 3 angezeigt.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 ist der Rotor 2 aus einem magnetischen Material gebildet. Der Stator 1 weist einen „Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 und die Vielzahl von Magnetdetektionselementen 4 auf, die jeweils eingerichtet sind, eine magnetische Dichte zu detektieren. Der Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 ist zum Beispiel aus einem Permanentmagnet gebildet. Das Magnetdetektionselement 4 ist aus einem elektromagnetischen Konversionselement gebildet, beispielsweise einer Hall-Vorrichtung. Ferner wird der Drehwinkel des Rotors 2 durch die Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 auf Grundlage der Detektionssignale berechnet, die von den Magnetdetektionselementen 4 detektiert werden.
Eine Menge eines magnetischen Flusses von dem Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 hin zu der Seite des Rotors 2 verändert sich in Abhängigkeit von einem Abstand eines Spalts zwischen dem Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 und einer Fläche der konvexen und konkaven Abschnitte 2a des Rotors 2. Eine Veränderung in einem Magnetfeld, die in Zusammenhang mit dem Bias-Magnetfeld des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 aufgrund der Vorsprünge und Ausnehmungen der konvexen und konkaven Abschnitte 2a verursacht wird, welche die nahtlos und periodisch verändern, wird von den Magnetdetektionselementen 4 detektiert. Daher verändert das Detektionssignal, das von jedem der Magnetdetektionselemente 4 erhalten wird, sich in Abhängigkeit von der Form der konvexen und konkaven Vorsprünge 2a, und verändert sich folglich in Abhängigkeit von einer Drehwinkelposition des Rotors. Ferner folgt die Veränderung der Form der konvexen und konkaven Abschnitte 2a, und wird zu Sinuswellensignalen mit unterschiedlichen Phasen in diesem Fall. Ferner haben die Detektionssignale, die von zwei Magnetdetektionselementen 4 erhalten werden, die voneinander um ¼ Zyklus eines Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte getrennt sind, also um 90 Grad, eine Beziehung einer Sinuswelle und einer Cosinuswelle. Dann wird durch die Berechnung eines Arcustangens dieser Detektionssignale mit einer Beziehung einer Sinuswelle und einer Cosinuswelle eine Drehwinkelposition des Rotors 2 erhalten.
An der Fläche des Rotors 2, die dem Stator gegenüberliegt, sind die konvexen und konkaven Abschnitte 2a, die sich in „x“ Zyklen über den mechanischen Winkel von 360 Grad verändern, gebildet, wobei das Symbol „x“ eine Ganzzahl von 1 oder mehr darstellt. Das bedeutet, dass es an der Fläche des Rotors 2, der dem Stator gegenüberliegt, lediglich erforderlich ist, dass die konvexen und konkaven Abschnitte 2a, in denen Vorsprünge und Ausnehmungen voneinander in einem oder mehr Zyklen während einer Drehung des Rotors 2 gebildet sind, gebildet sind. IN 1 und 2A und 2B sind die konvexen und konkaven Abschnitte 2a in dem Fall von x = 12, also mit zwölf Zyklen von Vorsprüngen und Ausnehmungen dargestellt. Die konvexen und konkaven Abschnitte 2a haben eine Form, die sich in einer gekrümmten Art und Weise verändert, was es jedem der Magnetdetektionselemente 4 ermöglicht, eine im wesentlichen Sinuswelle oder eine Sinuswelle zu erhalten. Daher haben die konvexen und konkaven Abschnitte 2a zum Beispiel eine Form einer im Wesentlichen Sinuswelle oder einer Sinuswelle. Es sind „a“ Magnetdetektionselemente 4 des Stators 1 entlang einer Umfangsrichtung des Stators mit gleichen Abständen für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet, so dass sie der Fläche des Rotors 2, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Spalt von dieser Fläche gegenüberliegen. In 1 und 2A ist a = 3, also sind drei Magnetdetektionselemente 4 angeordnet. Der Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 erstreckt sich in der Umfangsrichtung für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a, so dass er sich mit den „a“ Magnetdetektionselementen 4 überlappt. Der Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt 3 ist auch angeordnet, so dass er der Fläche des Rotors 2, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Spalt von dieser Fläche gegenüberliegt. Das Symbol „a“ stellt eine Ganzzahl von größer gleich 2 dar.
Wenn a zum Beispiel 2 ist, also zwei Magnetdetektionselemente 4 angeordnet sind, wie in 2B dargestellt, sind die Magnetdetektionselemente 4 mit einem Anstand von im Wesentlichen einem vierten Zyklus oder einem fünften Zyklus von einem Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet. In diesem Fall ist eine Verarbeitung durch das a-Phase/Zwei-Phase-Wandlungsmodul 21 der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 nicht erforderlich. Das Drehwinkel-Berechnungsmodul 22 berechnet eines Arcustangens der Zwei-Phasen-Signale, die die Sinuswelle und Cosinuswelle enthalten, die von den Magnetdetektionselementen 4 detektiert werden, um einen Drehwinkel zu berechnen.
Wenn a > 2 gilt, beispielsweise drei Magnetdetektionselemente 4 angeordnet sind, wie in 2A dargestellt, sind die Magnetdetektionselemente 4 jeweils an einer Position von 360/(xxa) Grad in der Umfangsrichtung angeordnet. In diesem Fall führt das a-Phase/Zwei-Phase-Wandlungsmodul 21 der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 eine Verarbeitung zur Wandlung der Detektionssignale entsprechend „a“ Phasen in Zwei-Phasen-Signale um, die voneinander um ein Viertel Zyklus eines Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a getrennt sind. In dem Fall von a = 3, wie in 1 und 2A und 2B dargestellt, erfolgt eine Verarbeitung zur Umwandlung der Detektionssignale entsprechend drei Phasen in Zwei-Phasen-Detektionssignale. Dann berechnet das Drehwinkel-Berechnungsmodul 22 einen Arcustangens der Zwei-Phasensignale, die Sinuswellen und Cosinuswellen-Signale enthalten, die durch das a-Phase/Zwei-Phasen-Konversionsmodul 21 erhalten werden, um einen Drehwinkel zu berechnen.
Ferner ist an der Außenumfangsseite des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 oder Außenseiten davon in der Umfangsrichtung das magnetische Material 5 zur Erhöhung einer Menge des magnetischen Flusses, der von den Magnetdetektionselementen 3 erfasst werden soll, derart angeordnet, dass es der Fläche des Rotors 2, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Spalt von dieser Fläche gegenüberliegt. Dieses magnetische Material 5 kann an der Außenumfangsseite des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 angeordnet sein, wie durch das Bezugszeichen 6a in 2A und 2B angedeutet. Ferner, wie durch die Bezugszeichen 5b und 5c aus 2A und 2B angedeutet, können die magnetischen Materialien 5 derart angeordnet sein, dass sie sich von Endabschnitten des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 in der Umfangsrichtung hin zu den Außenseiten dieses Abschnitts in der Umfangsrichtung erstrecken. Das magnetische Material 5 kann an lediglich einer Endseite des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 in der Umfangsrichtung angeordnet sein, oder es kann an beiden Endseiten des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 in der Umfangsrichtung angeordnet sein.
Ein Teil des magnetischen Materials 5, der sich von dem Endabschnitt des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 in der Umfangsrichtung hin zu der Außenseite dieses Abschnitts in der Umfangsrichtung erstreckt, ist so eingestellt, dass er eine Länge von größer gleich einer halben Länge des Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts 3 in der Umfangsrichtung aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Menge eines magnetischen Flusses, der von den Magnetdetektionselementen 4 detektiert werden soll, auf effiziente Art und Weise zu erhöhen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgte eine Beschreibung des Falls der Ausgestaltung, bei der der Rotor 2 innen angeordnet ist und der Stator 1 außen angeordnet ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt, und sie kann auch auf einen Fall angewendet werden, bei dem der Stator 1 innen angeordnet ist und der Rotor 2 außen angeordnet ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
6 bis 8 sind jeweils schematische Schnittansichten eines anderen Ausgestaltungsbeispiels der Detektionseinheit der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Darstellung einer Ausgestaltung, bei der zwei Statoren 1 angeordnet sind, die jeweils einen Bias-Magnet-Erzeugungsabschnitt 3, die Vielzahl von Magnetdetektionselementen 4, und das magnetische Material 5 aufweisen. In der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von Statoren 1 angeordnet sein. In diesem Fall wird bei dem Drehwinkel-Berechnungsmodul 22 der Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit 20 zum Beispiel ein Drehwinkel für jeden der Statoren 1 berechnet, und ein Durchschnittswert der berechneten Drehwinkel wird als endgültiger Drehwinkel festgelegt.
7 ist eine Darstellung einer Ausgestaltung eines Falls einer Struktur mit Rotor außen, bei dem der Rotor 2 außen angeordnet ist. In jedem der oben beschrieben Beispiele wurde der Fall der Struktur mir Rotor innen beschrieben, bei der der Rotor 2 innen angeordnet ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Fall der Struktur mit Rotor außen anwendbar, bei der der Rotor 2 außen angeordnet ist.
8 ist eine Darstellung einer Ausgestaltung, bei der der Rotor 2 x = 6, also sechs konvexe und konkave Abschnitte 2a für den mechanischen Winkel von 360 Grad aufweist, und der Stator 1 mit a = 5, also fünf Magnetdetektionselemente 4 für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a des Rotors 2 versehen ist. In der vorliegenden Erfindung musst der Rotor 2 lediglich die konvexen und konkaven Abschnitte 2a entsprechend „x“ Zyklen für den mechanischen Winkel von 360 haben, wobei „x“ eine Ganzzahl von größer gleich 1 darstellt. Ferner muss der Stator 1 lediglich „a“ Magnetdetektionselemente 4 für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte 2a des Rotors 2 haben, wobei „a“ eine Ganzzahl von größer gleich 2 darstellt.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Drehwinkeldetektionsvorrichtung und das Drehwinkeldetektionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind auf die Detektion eines Drehwinkels eines Drehelements in verschiedenen Feldern anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
2a: konvexe und konkave Abschnitte
3: Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt
4: Magnetdetektionselement
5: magnetisches Material
10: A/D Wandlungseinheit
20: Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit
21: a-Phase/Zwei-Phase Konversionsmodul
22: Drehwinkelberechnungsmodul
23: Anzeigeverarbeitungsmodul
24: Signalwandlungsmodul
26: Schnittstelle (I/F)
27: Prozessor
28: Speicher
30: Anzeigeeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006132978 A [0002]
JP 11051695 A [0002]
JP 8219709 A [0002]

Claims

Drehwinkeldetektionsvorrichtung, aufweisend: einen Rotor aus einem magnetischen Material; einen Stator, der einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt und eine Vielzahl von Magnetdetektionselementen aufweist; und eine Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Rotors auf Grundlage von Detektionssignalen zu berechnen, die von der Vielzahl von Magnetdetektionselementen erhalten werden, wobei eine Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, konvexe und konkave Abschnitte aufweist, die sich in „x“ Zyklen über einen mechanischen Winkel von 360 Grad verändern, wobei „x“ eine Ganzzahl von 1 oder mehr darstellt, und die konvexen und konkaven Abschnitte eine Form haben, die sich in gekrümmter Art und Weise verändert, wobei die Form es jedem der Vielzahl von Magnetdetektionselementen ermöglicht, eine im Wesentlichen sinusförmige Welle zu erhalten, und wobei „a“ Magnetdetektionselemente des Stators entlang einer Umfangrichtung des Stators mit gleichen Abständen für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet sind, so dass sie der Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Abstand von dieser Fläche gegenüberliegen, und sich der eine Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt in der Umfangsrichtung für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte erstreckt, so dass er mit den „a“ Magnetdetektionselementen überlappt, wobei „a“ eine Ganzzahl von 2 oder mehr darstellt.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenn a=2 ist und eine Anzahl der Magnetdetektionselemente zwei ist, die Magnetdetektionselemente mit einem Abstand von einem im Wesentlichen vierten Zyklus von einem Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte angeordnet sind.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, den Drehwinkel auf Grundlage von Zwei-Phasen-Signalen zu detektieren, die von den Magnetdetektionselementen detektiert werden.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenn a > 2 ist und eine Anzahl von Magnetdetektionselementen drei oder mehr ist, die Magnetdetektionselemente jeweils an einer Position von 360/(xxa) Grad in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Drehwinkelberechnung-Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, a-Phase-Detektionssignale, die von der Vielzahl von Magnetdetektionselementen detektiert werden, in Zwei-Phasen-Signale zu wandeln, die um einen vierten Zyklus von einem Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte getrennt sind, und den Drehwinkel auf Grundlage der Zwei-Phasen-Signale zu berechnen.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das magnetische Material ein magnetisches Material enthält, das an einer Außenseite in der Umfangsrichtung eines Endabschnitts des einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts in der Umfangsrichtung angeordnet ist.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das magnetische Material magnetische Materialien aufweist, die an Außenseiten in der Umfangsrichtung jeweiliger Endabschnitte des eines Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Drehwinkeldetektionsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Abschnitt des magnetischen Materials, der sich von dem Endabschnitt des eines Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts in der Umfangsrichtung hin zu der Außenseite in der Umfangsrichtung erstreckt, eine Länge hat, die gleich oder größer ist als eine halbe Länge des einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitts in der Umfangsrichtung.
Drehwinkeldetektionsverfahren, welches umfasst: Anordnen, an einem Rotor aus einem magnetischen Material, eines Stators, der einen Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt und eine Vielzahl von Magnetdetektionselementen aufweist, mit einem Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor; Bilden, an einer Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, von konvexen und konkaven Abschnitten, die sich in „x“ Zyklen über einen mechanischen Winkel von 360 Grad verändern, wobei „x“ eine Ganzzahl von 1 oder mehr darstellt, wobei die konvexen und konkaven Abschnitte eine Form haben, die sich in einer gekrümmten Weise verändert, wobei es die Form jedem der Vielzahl von Magnetdetektionselementen ermöglicht, eine im Wesentlichen sinusförmige Kurve zu erhalten; Anordnen von „a“ Magnetdetektionselementen des Stators entlang einer Umfangsrichtung des Stators mit gleichen Abständen für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte derart, dass sie der Fläche des Rotors, die dem Stator gegenüberliegt, mit einem Spalt von dieser Fläche gegenüberliegen, wobei sich der eine Bias-Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt in der Umfangsrichtung für einen Zyklus der konvexen und konkaven Abschnitte erstreckt, so dass er mit „a“ Magnetdetektionselementen überlappt, wobei „a“ eine Ganzzahl von 2 oder mehr darstellt; und Berechnen eines Drehwinkels des Rotors auf Grundlage von Detektionssignalen, die von der Vielzahl von Magnetdetektionselementen erhalten werden.