DE60028472T2 - Magnetischer Verschiebungssensor - Google Patents

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c/o Alps Electric Co. Hirofumi Okumura
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung.
  • Derartige Vorrichtungen können mit einer Lenkwelle beispielsweise eines Kraftfahrzeugs gekoppelt sein, um einen Lenkwinkel eines Lenkrads zu detektieren; im Spezielleren betrifft die Erfindung eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung, die eine äußerst exakte Detektion eines sich bewegenden Objekts zulässt, das eine lineare Bewegung ausführt.
  • Die US-Patentschrift Nr. 5 432 639 und die Europäische Patentschrift Nr. 0 907 068 offenbaren beide magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtungen mit einem Detektionselement, das sich in Bezug auf ein feststehendes magnetisches Element linear bewegt.
  • 9 zeigt eine Draufsicht unter Darstellung einer herkömmlichen magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung 40. Die magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung 40 besitzt ein Detektionselement 41, ein feststehendes Element 42, einen Magneten 43 und ein Hall-Element 44, das als magnetische Detektionseinrichtung dient.
  • Das Detektionselement 41 ist durch ein stangenförmiges Führungselement 45 abgestützt, und das Detektionselement 41 bewegt sich in linearer Weise das Führungselement 45 entlang. Das Detektionselement 41 ist mit dem eine sechseckige Formgebung aufweisenden Magneten 43 versehen, der derart magnetisiert ist, dass sein eines Ende in Laufrichtung des Detektionselements 41 den Nordpol trägt, während das andere Ende den Südpol trägt. Das feststehende Element 42 ist an der Oberfläche eines Gehäuses (nicht gezeigt) befestigt, das dem Magneten 43 gegenüber liegt. Das Hall-Element 44 ist an einer Oberfläche des feststehenden Elements 42 vorgesehen, die dem Magneten 43 gegenüber liegt. Das Hall-Element 44 detektiert eine Intensität einer Komponente einer von dem Magneten 43 ausgehenden magnetischen Kraft in einer z-Richtung.
  • Bei einer magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung zum Detektieren eines Lenkwinkels eines Lenkrads z.B. wird ein Drehmoment eines Rotationskörpers, der sich zusammen mit dem Lenkrad dreht, in eine lineare Bewegungskraft des Detektionselements 41 umgewandelt. Der Magnet 43 bewegt sich zusammen mit dem Detektionselement 41 gegenüber dem Hall-Element 44, und eine Änderungsrate in der z-Richtungskomponente eines von dem Magneten 43 ausgehenden Magnetfelds zu diesem Zeitpunkt wird durch das Hall-Element 44 detektiert, so dass sich ein Rotationswinkel des Lenkrads feststellen lässt.
  • Bei diesem Typ von magnetischer Verschiebungsdetektionsvorrichtung 40 detektiert das Hall-Element 44 die Intensität eines Magnetfelds in z-Richtung, d.h. einer Richtung, die zu einer Laufrichtung des Detektionselements 41 orthogonal ist. Auf der Basis einer Änderungsrate bei den Detektionswerten des Magnetfelds in z-Richtung wird ein Bewegungsausmaß des Detektionselements 41 festgestellt.
  • Wie in 9 gezeigt ist, ist jedoch die dem Hall-Element 44 gegenüber liegende Oberfläche des herkömmlichen Magneten 43 in Bewegungsrichtung Planar ausgebildet. Daher ist eine Änderungsrate der Intensität des Magnetfelds in Z-Richtung in Bezug auf eine Bewegungsstrecke in der Nähe der beiden Enden in Bewegungsrichtung des Magneten 43 relativ groß. Im Gegensatz dazu wird in einem zentralen Bereich des Magneten 43 in Bewegungsrichtung ein Bereich, in dem eine magnetische Kraftlinie E0 in Bewegungsrichtung im Wesentlichen eben ist, größer, und eine Änderungsrate in der Intensität des Magnetfelds in Z-Richtung in Bezug auf die Bewegungsstrecke des Magneten 43 wird äußerst gering.
  • Aus dem vorstehend geschilderten Grund wird eine Änderungsrate der Intensität des Magnetfelds in Z-Richtung in Bezug auf die Bewegungsstrecken des Detektionselements 41 und des Magneten 43 nicht-linear, so dass es schwierig wird, die Bewegungsstrecke des Detektionselements 41 exakt zu erfassen.
  • Zum Detektieren des Lenkwinkels des vorstehend genannten Lenkrads wird das Detektionselement 41 durch den Rotationskörper bewegt, der sich zusammen mit dem Lenkrad dreht. Es ist eine weitere Rotationsdetektionseinrichtung vorgesehen, die den Rotationswinkel des Rotationskörpers mit höherer Auflösung als der des Hall-Elements 44 detektiert. In einem Bereich, in dem sich das Hall-Element 44 von dem Zentrum des Magneten 43 zu einem vorderen Ende oder einem hin teren Ende von diesem bewegt, erfolgt eine grobe Detektion über ± 720° des Rotationskörpers. Während der groben Detektion wird der genauere Rotationswinkel des Rotationskörpers durch die vorstehend geschilderte Rotationsdetektionseinrichtung detektiert. Dabei wird ein weiterer exakter Winkel durch die Rotationsdetektionseinrichtung festgestellt, und zwar unter Verwendung eines Detektionswinkels, der auf einem von dem Hall-Element 44 gelieferten Detektionswert basiert.
  • Wenn bei einer derartigen Vorrichtung die Genauigkeit des Detektionselements 41 zum Detektieren der Bewegungsdistanz geringer wird, so dass eine Differenz zwischen dem Rotationswinkel des Rotationskörpers und einem Detektionswert entsteht, variiert ein Referenzwert, der zur Ausführung einer genauen Winkeldetektion des Rotationskörpers verwendet wird. Als Ergebnis hiervon tritt bei der Detektion des Rotationswinkels des Lenkrads ein Fehler auf.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten magnetischen Detektionsvorrichtung.
  • Zu diesem Zweck wird gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung geschaffen, die ein sich linear bewegendes Detektionselement und ein feststehendes Element aufweist, das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element des Detektionselements und des feststehenden Elements mit einem Magneten versehen ist, der einen Nordpol und einen Südpol in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende Magnetkraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Bewegung des Detektionselements zu detektieren, wobei eine Distanz zwischen dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung in der Nähe des Zentrums des Magneten am kleinsten ist und in Richtung auf die Enden des Magneten zunimmt.
  • Eine derartige Formgebung des Magneten, dass dieser in seinem Zentrum in Richtung auf die magnetische Detektionseinrichtung ausbaucht, führt dazu, dass eine Änderungsrate eines Magnetfelds in einer zu einer Bewegungsrichtung des Magneten orthogonalen Richtung linear oder nahezu linear über die gesamte Längsrichtungslänge des Magneten in Bewegungsrichtung ist. Mit dieser Anordnung können die relativen Bewegungsdistanzen des Detektionselements und der magnetischen Detektionsvorrichtung unter Nutzung einer Änderungsrate in dem Magnetfeld mit höherer Genauigkeit detektiert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung geschaffen, aufweisend: ein sich linear bewegendes Detektionselement und ein feststehendes Element, das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element von dem Detektionselement und dem feststehenden Element mit einem Magneten versehen ist, der in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements einen Nordpol und einen Südpol aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende magnetische Kraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Bewegung des Detektionselements zu detektieren, wobei die Distanz zwischen dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung in der Nähe des Zentrums des Magneten am geringsten ist und an Endbereichen des Magneten größer als in der Nähe des Zentrums ist, wobei eine der magnetischen Detektionseinrichtung gegenüber liegende Oberfläche des Magneten gekrümmt ist und einen Krümmungsdurchmesser R aufweist, und wobei dann, wenn eine Breite des Magneten in einer Richtung, in der sich der Magnet oder die magnetische Detektionseinrichtung bewegt, mit W bezeichnet wird und eine Dicke des Magneten in einer Richtung, in der der Magnet und die magnetische Detektionseinrichtung einander zugewandt gegenüber liegen, mit H bezeichnet wird, eine Formgebungsproportion des Magneten eine Beziehung aufweist, die sich folgendermaßen darstellt: W = 10 bis 20, H = 1 bis 5 und R = 20 bis 50.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung geschaffen, aufweisend: ein sich linear bewegendes Detektionselement und ein feststehendes Element, das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element von dem Detektionselement und dem feststehenden Element mit einem Magneten versehen ist, der in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements einen Nordpol und einen Südpol aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende magnetische Kraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Be wegung des Detektionselements zu detektieren, wobei die Distanz zwischen dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung in der Nähe des Zentrums des Magneten am geringsten ist und an Endbereichen des Magneten größer als in der Nähe des Zentrums ist, wobei eine der magnetischen Detektionseinrichtung gegenüber liegende Oberfläche des Magneten trapezförmig ist und wobei dann, wenn eine Breite des Magneten in einer Richtung, in der sich der Magnet oder die magnetische Detektionseinrichtung bewegt, mit W bezeichnet wird und eine Dicke des Magneten in einer Richtung, in der der Magnet und die magnetische Detektionseinrichtung einander zugewandt gegenüber liegen, mit H bezeichnet wird, eine Länge von Abschrägungswegnahmen in H-Richtung an beiden Enden der Trapezform mit Y bezeichnet wird und eine Länge von Abschrägungswegnahmen in W-Richtung mit X bezeichnet wird, eine Formgebungsproportion des Magneten eine Beziehung aufweist, die sich folgendermaßen darstellt: W = 10 bis 20, H = 1 bis 5, X = 4,25 bis 4,75 und Y = 0,4 bis 0,6.
  • Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Detektionselement mit einem Rotationskörper versehen und wird das Detektionselement durch Rotationsbetätigung des Rotationskörpers linear betätigt, wobei das Detektionselement ferner mit einer zusätzlichen Detektionseinrichtung versehen ist, um einen Rotationswinkel des Rotationskörpers mit einer höheren Auflösung als der eines Detektionsausgangssignals zu detektieren, die von dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung zusammen erreicht wird.
  • In diesem Fall wird unter Verwendung einer positionsmäßigen Erkennung auf der Basis einer Änderung in einer von der magnetischen Detektionseinrichtung detektierten Magnetfeld-Intensität als Referenzwert ein genauer Rotationswinkel des Rotationskörpers anhand eines Detektionsausgangssignals von der zusätzlichen Detektionseinrichtung bestimmt. Somit kann eine äußerst genaue positionsmäßige Detektion durch das Detektionselement und die magnetische Detektionseinrichtung erzielt werden. Dies verhindert Schwankungen in einem Referenzwert zum Bestimmen eines genaueren Rotationswinkels, und zwar unter Ermöglichung einer äußerst exakten Detektion eines Rotationswinkels des Rotationskörpers.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Begleitzeichnungen beschrieben; darin zeigen:
  • 1 eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung der inneren Konstruktion eines Winkelsensors, der mit einer magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist;
  • 2 eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung einer Formgebung eines Magneten, der bei der magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 3 eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung eines Beispiels einer modifizierten Formgebung des in 2 gezeigten Magneten;
  • 4 eine schematische Darstellung von virtuellen magnetischen Kraftlinien, die von dem in 2 dargestellten Magneten ausgehen;
  • 5 eine schematische Darstellung der magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Betrieb;
  • 6 eine schematische Darstellung von Ausgangseigenschaften unter Darstellungen von Wellenformen eines ersten, eines zweiten und eines dritten Detektionssignals;
  • 7 eine Kennliniendarstellung zur Veranschaulichung einer Änderungsrate bei magnetischen Detektionsausgangssignalen in Relation zu Rotationswinkeln eines Rotationskörpers, wenn eine gegenüber liegende Oberfläche des Magneten mit einer gekrümmten Formgebung ausgebildet ist;
  • 8 eine Kennliniendarstellung zur Erläuterung einer Änderungsrate bei magnetischen Detektionsausgangssignalen in Relation zu Rotationswinkeln eines Rotationskörpers, wenn eine gegenüber liegende Oberfläche des Magneten mit einer trapezförmigen Formgebung ausgebildet ist; und
  • 9 eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung einer herkömmlichen magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben. 1 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung einer inneren Konstruktion eines Winkelsensors, in dem eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angebracht ist, 2 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung einer Formgebung eines Magneten, der bei der magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 3 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht unter Darstellung eines Beispiels einer modifizierten Formgebung des Magneten, und 4 zeigt eine schematische Darstellung, die virtuell magnetische Kraftlinien darstellt, die von dem in 2 gezeigten Magneten ausgehen. Im Folgenden wird ein Winkelsensor beschrieben, der zum Detektieren eines Lenkwinkels eines Kraftfahrzeug-Lenkrads mit hoher Genauigkeit in der Lage ist.
  • Ein in 1 dargestellter Winkelsensor 1 beinhaltet eine magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung 10, die in einem Gehäuse 2 aus Kunstharzmaterial, wie z.B. Kunststoffmaterial, untergebracht ist. Die magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung 10 weist ein Detektionselement 4, einen Magneten 5, ein Hall-Element oder eine magnetische Detektionseinrichtung 6 und ein feststehendes Element 7 auf. Ferner ist die magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung 10 mit einem Rotationskörper 3 versehen. Eine rotationsmäßige Betätigung des Rotationskörpers 3 wird in eine lineare Betätigung des Betätigungselements 4 umgewandelt, und eine Verschiebung dieser linearen Betätigung zu diesem Zeitpunkt wird von dem Hall-Element 6 detektiert.
  • Der Rotationskörper 3, der zylindrisch ausgebildet ist, ist aus Kunstharzmaterial oder dergleichen gebildet und in Bezug auf das Gehäuse 2 drehbar abgestützt. Eine Mehrzahl von Spiralverzahnungs-Zähnen 3a ist über die gesamte Umfangsfläche des Rotationskörpers 3 ausgebildet. Ferner weist der Rotationskörper 3 ein scheibenförmiges Untersetzungszahnrad 8 auf, das aus Kunstharzmaterial hergestellt ist.
  • Das Untersetzungszahnrad 8 weist in einem zentralen Bereich des scheibenförmigen Körpers eine D-förmige Durchgangsöffnung (nicht gezeigt) auf und ist mit einer Mehrzahl von Spiralverzahnungs-Zähnen 8a versehen, die auf der gesamten Umfangsfläche ausgebildet sind. Die Spiralverzahnungs-Zähne 8a kämmen mit den Spiralverzahnungs-Zähnen 3a. Eine stangenförmige Drehwelle 9 ist an dem Untersetzungszahnrad 8 drehbar angebracht.
  • Ein Abschnitt eines Bereichs der Drehwelle 9, auf dem das Untersetzungszahnrad 8 angebracht ist, ist D-förmig ausgebildet. In den D-förmigen Bereich des Untersetzungszahnrads 8 ist der D-förmige Bereich der Drehwelle 9 eingepasst, wobei dieser Bereich in der Nähe des Zentrums der Drehwelle 9 festgelegt ist.
  • Die Drehwelle 9 ist aus einem Metallmaterial, wie z.B. Messing oder Aluminium, hergestellt, weist eine Spiralgewindenut 9a auf, die von einem zentralen Bereich bis zu einem Ende ausgebildet ist, und ist in Bezug auf das Gehäuse 2 drehbar abgestützt. Die Drehwelle 9 ist mit dem Detektionselement 4 versehen.
  • Das Detektionselement 4 weist eine Durchgangsöffnung auf, die in Laufrichtung von der einen Endfläche bis zu der anderen Endfläche ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung weist auf ihrer Innenumfangsfläche ein Gewinde (nicht gezeigt) auf, das mit der in der Drehwelle 9 ausgebildeten Gewindenut 9a in Eingriff steht. Der Magnet 5 ist an einer Bodenfläche des Detektionselements 4 durch Einsatzformen oder dergleichen angebracht. Das Detektionselement 4 ist in dem Gehäuse 2 derart geführt, dass es in x-Richtung linear beweglich ist. Wenn sich der Rotationskörper 3 dreht und sich das Untersetzungszahnrad 8 und die Drehwelle 9 drehen, bewegen sich somit das Detektionselement 4 und der Magnet 5 in einer durch einen Pfeil B dargestellten Richtung oder der x-Richtung hin und her.
  • Der Magnet 5 ist aus einem magnetischen Material, wie z.B. Ferrit, gebildet und derart geformt, dass er in seinen Bewegungsrichtungen länglich ausgebildet ist. Das eine Ende des Magneten 5 in dessen Bewegungsrichtungen ist auf einen Nordpol 5a magnetisiert worden, während sein anderes Ende auf einen Südpol 5b magnetisiert worden ist. Mit anderen Worten ist der Magnet 5 für eine derartige Polarisierung magnetisiert worden, dass sein eines Ende in x-Richtung den Nordpol trägt, während sein anderes Ende den Südpol trägt. Das feststehende Element 7 ist dem Magneten 5 gegenüber liegend vorgesehen, wobei das feststehende Element 7 an dem Gehäuse 2 befestigt ist.
  • Das feststehende Element 7 ist aus einer ebenen isolierenden Platte gebildet, wobei ein gewünschtes Leitermuster auf der isolierenden Platte ausgebildet ist. Elektrische Komponenten, die Widerstände und Kondensatoren (nicht gezeigt) beinhalten und die einen elektrischen Kreis bilden, sind auf dem Leitermuster angebracht. Das Nall-Element 6 ist an dem feststehenden Element 7 auf einer dem Magneten 5 gegenüber liegenden Seite vorgesehen.
  • Das Nall-Element 6, bei dem es sich um ein magnetoelektrisches Element zum Umwandeln von magnetischer Energie in elektrische Energie handelt, ist durch einen von dem feststehenden Element 7 abgestützten Halter 16 festgehalten. Das Hall-Element 6 detektiert eine Magnetfeld-Intensität einer z-Achsenkomponente eines durch den Magneten 5 erzeugten Magnetfeldes.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der Magnet 5 derart geformt, dass er im Querschnitt entlang einer x-z-Ebene oder einer von einer Seite betrachteten Ebene bogenförmig ausgebildet ist. Genauer gesagt, ist er im Querschnitt radiusförmig oder konvex an einer Längserstreckungsseite der Rechteckform. Die Radiusform bzw. gekrümmte Form kann eine exakte Kreisbogenfläche oder eine konvexe Oberfläche aufweisen, die einer Kreisbogenfläche angenähert ist. Wenn in diesem Fall eine Breite des Magneten 5 in x-Richtung mit W bezeichnet wird und eine z-Richtung als Dicke H bezeichnet wird sowie ein Durchmesser der gekrümmten Oberfläche mit R bezeichnet wird, dann weist der Magnet vorzugsweise eine Formgebung auf, die sich folgendermaßen darstellt: W = 10 bis 20 mm, H = 1 bis 5 mm und R = 20 bis 50 mm. Dabei ist eine Distanz (L) zwischen dem Magneten 5 und dem als magnetische Detektionseinrichtung dienenden Nall-Element 6 auf 0,8 mm festgelegt.
  • Auf diese Weise erhält man den Magneten 5, von dem virtuelle magnetische Kraftlinien E ausgehen, wie dies in 4 gezeigt ist. Genauer gesagt, strahlt der Magnet 5 magnetische Kraftlinien von dem Nordpol zu dem Südpol ab. Wie in der Darstellung zu sehen ist, werden die von Magneten 5 mit der in 4 dargestellten Formgebung abgestrahlten magnetischen Kraftlinien E nicht nur von den beiden Enden des Magneten 5, sondern auch von dem gekrümmten Oberflächenbe reich 5A des Magneten 5 emittiert. Wenn an einem Punkt P auf den magnetischen Kraftlinien E in der Nähe des Zentrums des Magneten 5 eine Größe und eine Richtung einer magnetischen Kraft in einer Tangentialrichtung der magnetischen Kraftlinien E durch ein Magnetfeld H dargestellt werden, lässt sich eine Vektorkomponente des Magnetfeldes H in z-Richtung durch ein Magnetfeld Hz darstellen. Somit kann in der Nähe des Zentrums des Magneten 5 eine Magnetkraft mit einer ausreichend großen Vektorkomponente an das Hall-Element 6 oder in z-Richtung abgegeben werden.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, können durch Ausbilden der einen Oberfläche des Magneten 5, die dem Nall-Element 6 gegenüber liegt, mit einer gekrümmten Formgebung, die Vektorkomponenten in z-Richtung der Magnetkräfte, die von dem herkömmlichen Magneten mit der sechseckigen Formgebung kaum emittiert worden sind, in der Nähe des Zentrums des Magneten 5 emittiert werden. Ferner ist eine Dichte der magnetischen Kraftlinien geringer als bei dem herkömmlichen Magneten mit der sechseckigen Formgebung, bei dem die magnetischen Kraftlinien in Richtung auf die Enden des Magneten 5 dichter werden. Eine plötzliche Änderungsrate in einem Ausgangssignal des Hall-Elements 6 tritt somit nicht mehr auf. Als Ergebnis hiervon kann bei dem Magneten 5 mit der vorstehend genannten Formgebung eine Änderungsrate der Vektorkomponente Hz eines Magnetfeldes in z-Richtung in Bezug auf eine Abtastdistanz oder eine Bewegungsdistanz beim Abtasten des Hall-Elements 6 von dem einen Ende bis zu dem anderen Ende des Magneten linearer als in der Vergangenheit gemacht werden.
  • 3 zeigt ein Modifikationsbeispiel der Formgebung des Magneten 5. Ein Magnet 15 kann im Querschnitt entlang einer Ebene einer x-z-Achse des Magneten trapezförmig ausgebildet sein, wie dies dargestellt ist.
  • Der Magnet 15 weist geneigte oder schräg verlaufende Oberflächen 15c und 15c auf, die durch gleiches Abschneiden der dem Hall-Element 6 zugewandt gegenüber liegenden beiden Ecken des hexaedrischen Magneten gebildet sind. Wenn in diesem Fall eine Breite des Magneten 15 in x-Richtung mit W bezeichnet wird, eine z-Richtung als Dicke H bezeichnet wird, eine abgeschnittene Länge bzw. Wegnahmelänge in x-Achsen-Richtung der schräg verlaufenden Oberflächen 15c mit X bezeichnet wird und eine Wegnahmelänge in z-Richtung der schräg verlau fenden Oberfläche 15c mit Y bezeichnet wird, hat der Magnet 15 vorzugsweise eine Formgebung, die sich folgendermaßen darstellen lässt: W = 10 bis 20 mm, H = 1 bis 5 mm, X = 4,25 bis 4,75 mm, und Y = 0,4 bis 0,6 mm. Mit dieser Anordnung kann die Linearität der Vektorkomponente Hz in der z-Richtung der Magnetkraft in Bezug auf die Abtastdistanz oder die Bewegungsdistanz beim Abtasten des Hall-Elements 6 verbessert werden.
  • 7 veranschaulicht eine Änderungsrate bei der detektierten Intensität der Vektorkomponente Hz bei dem Hall-Element 6 in Relation zu einem Rotationswinkel des Rotationskörpers 3, wenn die gegenüber liegende Oberfläche die in 2 dargestellte gekrümmte Formgebung aufweist. Ein feststehender Wert in diesem Fall ist W = 14 mm, wobei der Wert R verändert wird. In dem in 7 dargestellten Fall ist eine Distanz zwischen der magnetischen Detektionseinrichtung und einem der magnetischen Detektionseinrichtung benachbarten distalen Ende des Magneten auf 0,8 mm festgesetzt (Gleiches gilt auch für 8).
  • Wenn R auf 55 mm festgesetzt ist, kann somit die Schwankung in einem vorbestimmten Schwankungsbereich gesteuert werden, wenn sich der Rotationskörper in einem beliebigen Winkel von 0° bis 1440° befindet. Unter dem vorbestimmten Schwankungsbereich ist ein zulässiger Bereich beim Erzielen einer kommerziellen Ausführung zu verstehen, nämlich ein Bereich von ± 5% in Relation zu Ausgangsänderungen von 0 bis 1440° in 7 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Schwankung weicht in signifikanter Weise von dem vorgenannten Schwankungsbereich ab, wenn R 15 mm beträgt, was kleiner ist als der vorgenannte vorbestimmte Bereich, oder wenn R 55 mm beträgt, was größer ist als der vorgenannte vorbestimmte Bereich. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Mittel wird ein bevorzugter Wert von R bestimmt. Vorzugsweise liegt der Wert von R in einem Bereich von 20 bis 50 mm, und die Dicke H liegt in diesem Fall in einem Bereich von 1 bis 5 mm.
  • 8 zeigt eine Änderungsrate in der detektierten Intensität der Vektorkomponente Hz bei dem Hall-Element 6 in Relation zu einem Rotationswinkel der Rotationskörpers 3, wenn die gegenüber liegende Oberfläche des Magneten trapezförmig ausgebildet ist, wie dies in 3 gezeigt ist. Feststehende Werte in diesem Fall sind W = 12 mm, H = 1,5 mm und X = 3 mm, während der Wert Y verändert wird. Wenn Y in einem Bereich von 0,4 bis 0,6 mm liegt, kann somit eine Schwan kung in der Intensität in etwa auf einen vorbestimmten Schwankungsbereich (den Bereich von ± 5% in Relation zu Ausgangsänderungen von 0 bis 1440°, wie dies vorstehend erläutert wurde) ohne starke Abweichung von dem vorbestimmten Bereich gesteuert werden, wenn sich der Rotationskörper in einem beliebigen Winkel von 0 bis 1440° befindet. Wenn der Wert von Y kleiner ist als 0,4 mm oder größer ist als 0,6 mm, weicht eine Ausgangsspannung in signifikanter Weise von dem Schwankungsbereich ab. Ein bevorzugter Wert für Y wird in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt, und es erfolgt eine Schlussfolgerung dahingehend, dass der Wert Y vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 bis 0,6 mm liegt. Wenn der Wert von Y feststeht, während der Wert von X verändert wird, wird der Schluss gezogen, dass X vorzugsweise in einem Bereich von 4,25 bis 4,75 mm liegt. Unabhängig davon, ob der Wert von Y oder der Wert von X feststeht, ist es bevorzugt, den Wert W auf 10 bis 20 mm festzusetzen und den Wert H auf 1 bis 5 mm festzusetzen.
  • Darüber hinaus ist der Winkelsensor 1 mit einer weiteren magnetischen Rotationsdetektionsvorrichtung 20 versehen.
  • Die Rotationsdetektionsvorrichtung 20 ist gebildet durch einen zweiten Magneten 21, ein zweites Hall-Element 22 und ein drittes Hall-Element 23. Der zweite Magnet 21, der ringförmig ist, ist wie im Fall des vorstehenden Magneten 5 oder 15 aus magnetischem Material gebildet, wie z.B. Ferrit. Eine Außenumfangsfläche des zweiten Magneten 21 ist derart magnetisiert worden, dass ein Nordpol und ein Südpol das Hall-Element 22 einmal oder zweimal passieren, während sich der Magnet 21 einmal dreht. Der zweite Magnet 21 ist in der Nähe des Untersetzungszahnrads 8 auf der Drehwelle 9 befestigt.
  • Die vorstehend beschriebene Anordnung ermöglicht der magnetischen Verschiebungsdetektionsvorrichtung 10 eine Detektion eines ungefähren Rotationswinkels des Rotationskörpers 3 sowie der Rotationsdetektionsvorrichtung 20 eine Detektion eines genaueren Rotationswinkels des Rotationskörpers 3.
  • Im Folgenden wird ein Vorgang zum Montieren des Winkelsensors 1 beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt ist, werden das Nall-Element 6, das zweite Nall-Element 22 und das dritte Hall-Element 23 an dem in dem Gehäuse 2 vorgesehenen feststehenden Element 7 angebracht. Dabei wird das dritte Hall-Element 23 derart an dem zweiten Magneten 21 montiert, dass es in einem Winkel von 90° relativ zu dem zweiten Hall-Element 22 positioniert ist. Anschließend wird das Untersetzungszahnrad 8 auf die Drehwelle 9 gepasst, und der ringförmige zweite Magnet 21 wird ebenfalls auf diese gepasst. Das Detektionselement 4 wird auf der Drehwelle 9 auf einer gegenüber liegenden Seite zu der Seite, an der der zweite Magnet 21 des Untersetzungszahnrads 8 montiert ist, festgeschraubt, wobei das Detektionselement 4 durch die Drehwelle 9 derart abgestützt ist, dass der Magnet 5 an einem zentralen Bereich der Gewindenut 9a positioniert ist. Die Drehwelle 9 wird in dem Gehäuse 2 drehbar gehaltert. Anschließend wird der Rotationskörper 3 in dem Gehäuse 2 derart platziert, dass die Spiralverzahnungs-Zähne 3a des Rotationskörpers 3 mit den Spiralverzahnungs-Zähnen 8a des Untersetzungszahnrads 8 kämmen, und das Gehäuse 2 wird mit einem Abdeckelement (nicht gezeigt) abgedeckt. Das dritte Hall-Element 23 kann alternativ an dem Abdeckelement vorgesehen werden.
  • Im Folgenden wird eine Arbeitsweise des Winkelsensors 1 beschrieben. Der Rotationskörper 3 ist dazu ausgebildet, sich ausgehend von einem Neutralzustand um zwei Umdrehungen im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Die Anzahl der Umdrehungen ist jedoch nicht auf zwei beschränkt. Bei der Rotation des Rotationskörpers 3 drehen sich das Untersetzungszahnrad 8 und die Drehwelle 9 gemeinsam. Das Untersetzungszahnrad 8 dreht sich viermal, während der Rotationskörper 3 eine Umdrehung ausführt.
  • Wenn der Rotationskörper 3 ausgehend von einem Neutralzustand um zwei Umdrehungen im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, veranlasst die Rotationsbetätigung des Rotationskörpers 3 das Untersetzungszahnrad 8 zur Ausführung einer Rotationsbewegung in der einen Richtung, wobei sich die Drehwelle 9 zusammen mit dem Untersetzungszahnrad 8 in der einen Richtung dreht. Die Rotation der Drehwelle 9 erfolgt unter Eingriff der Gewindenut 9a mit einem Gewinde (nicht gezeigt) des Detektionselements 4, so dass die Rotationsbewegung der Drehwelle 9 in eine lineare Bewegung des Detektionselements 4 umgewandelt wird. Das Detektionselement 4 bewegt sich zusammen mit dem Magneten 5 die Drehwelle 9 entlang in einer Richtung, die durch den Pfeil B dargestellt ist, und erreicht das eine Ende der Gewindenut 9a. Wenn der Rotationskörper 3 ausgehend von dem Neutralzustand um zwei Umdrehungen im Uhrzeigersinn rotationsmäßig bewegt wird, drehen sich das Untersetzungszahnrad 8 und die Drehwelle 9 in der entgegengesetzten Richtung zu der vorangehenden Richtung. Dadurch wird das Detektionselement 4 veranlasst, sich in der entgegengesetzten Richtung zu der vorangehenden Richtung zu bewegen, und das Detektionselement 4 erreicht eine zentrale Position der Gewindenut 9a. Wenn der Rotationskörper 3 um weitere zwei Umdrehungen im Uhrzeigersinn gedreht wird, erreicht das Detektionselement 4 das andere Ende der Gewindenut 9a.
  • Im Folgenden wird eine Verfahrensweise zum Detektieren eines Rotationswinkels des Rotationskörpers 3 beschrieben.
  • Bei dem in der vorstehend beschriebenen Weise zusammengebauten Winkelsensor 1 bilden der Magnet 5 und das Hall-Element 6 eine erste Detektionseinrichtung. Der zweite Magnet 21, das zweite Hall-Element 22 und das dritte Hall-Element 23 bilden eine zweite Detektionseinrichtung und eine dritte Detektionseinrichtung.
  • Bei einer Drehung eines Lenkrads detektiert bei der ersten Detektionseinrichtung das Hall-Element 6 eine Bewegung des Magneten 5, und es erzeugt ein erstes Detektionssignal 31, das allmählich ansteigt oder abfällt. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das erste Detektionssignal 31 in linearer Weise von 0,5 Volt (V) auf 4,5 V, während das Lenkrad vier Umdrehungen ausführt. Dadurch wird es möglich, einen groben oder ungefähren Rotationswinkel des Lenkrads, das sich in einem Stück zusammen mit dem Rotationskörper 3 dreht, ausgehend von einer neutralen Stellung zu detektieren und ferner auch die Rotationsrichtung festzustellen.
  • Ein in 5 dargestellter Mikrocomputer 25 dient als Einrichtung zum Berechnen eines Rotationsdetektionswinkels des Lenkrads. Der Winkelsensor 1 ist in einem Kraftfahrzeug angebracht und mit einer Steuervorrichtung 26 einer Kraftfahrzeugaufhängung, eines Automatikgetriebes usw. verbunden. Der Mikrocomputer 25 empfängt ein erstes, ein zweites und ein drittes Detektionssignal 31, 32 und 33 als Eingangssignale über ein Kabel 18 und überlagert diese Signale einander, um einen ungefähren Rotationswinkel ausgehend von der neutralen Stellung sowie eine Rotationsrichtung des Lenkrads unter Bezugnahme auf das erste Detektionssignal 31 zu detektieren sowie einen genauen oder exakten Rotationswinkel des Lenkrads unter Bezugnahme auf das zweite Detektionssignal 32 und das dritte Detektionssignal 33 zu detektieren.
  • Genauer gesagt erfolgt auf der Basis des ersten Detektionssignals 31 eine grobe Detektion des Rotationswinkels in erster Linie durch Bestimmen, ob der Rotationswinkel des Lenkrads innerhalb eines Winkelbereichs einer nten Zone (wobei "n" eine positive Zahl ist), einer (n-1)ten Zone oder einer (n+1)ten Zone liegt, wie dies in 6 gezeigt ist. Wie außerdem in 6 veranschaulicht ist, dreht sich die Drehwelle 9 um vier Umdrehungen, während das Lenkrad eine Umdrehung ausführt; aus diesem Grund werden vier Sinuskurven in einer Zone erzeugt.
  • Auf der Basis des zweiten Detektionssignals 32 und des dritten Detektionssignals 33 erfolgt die Bestimmung von Spannungswerten Vw und Vz an einem Punkt U und einem Punkt V, an dem sich die Signale schneiden, wenn die vorgenannten beiden Signale eingespeist werden. Zu identifizieren sind ein Signal, das außerhalb eines durch die Spannungswerte Vz und Vw definierten Bereichs liegt, sowie ein weiteres Ausgangssignal, das innerhalb des durch die Spannungswerte Vz und Vw definierten Bereichs liegt. Mit anderen Worten fallen das zweite Detektionssignal 32 und das dritte Detektionssignal 33 nicht gleichzeitig in den durch die Spannungswerte Vz und Vw definierten Bereich hinein oder aus diesem Bereich heraus, wobei dies für jede beliebige Position mit Ausnahme der Schnittpunkte des Punkts U und des Punkts V gilt. Daher bedeutet das Auffinden von einem der beiden Signale außerhalb von dem durch die Spannungswerte Vz und Vw definierten Bereich automatisch, dass das andere Signal innerhalb des durch Vz und Vw definierten Bereichs (der im Folgenden als "Vz-Vw-Bereich" bezeichnet wird) liegt. Daher wird das andere Signal als das Signal zum Detektieren eines exakten Rotationswinkels des Lenkrads verarbeitet.
  • Der Mikrocomputer 25 stellt dann fest, ob es sich bei dem anderen Signal, das in dem Vz-Vw-Bereich liegt, und um das zweite Detektionssignal 32 oder das dritte Detektionssignal 33 handelt, und er stellt auch fest, ob das außerhalb von dem Vz-Vw-Bereich liegende Signal größer ist als der Spannungswert Vw oder kleiner ist als der Spannungswert Vz, um dadurch festzustellen, zu welcher der Zonen h1, h2, h3 und h4 das in dem Vz-Vw-Bereich liegende andere Signal zugehörig ist. Auf diese Weise erhält man Flankenabschnitte 32a, 33a, 32b und 33b, die durch dicke Linien dargestellt sind, in dem Bereich "n" der 6. Der Mikrocomputer 25 verwendet die Flankenabschnitte 32a, 33a, 32b und 33b des zweiten und des dritten Detektionssignals 32 und 33 zum Detektieren des genauen Rotationswinkels des Lenkrads.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann eine exakte Echtzeit-Detektion eines Rotationswinkels des Lenkrads ausgehend von der neutralen Stellung über einen großen Bereich unter Verwendung des zweiten und des dritten Detektionssignals 32 und 33 in einander abwechselnder Weise ausgeführt werden, wobei das erste Detektionssignal 31 mit den Flankenabschnitten 32a, 33a, 32b und 33b ergänzt bzw. vervollständigt werden kann.
  • Das erste Detektionssignal 31 kann über den gesamten Bereich (in diesem Fall -720° bis 720°) vervollständigt werden, und zwar aufgrund des Nichtvorhandenseins eines signalfreien Bereichs, da sich das zweite und das dritte Detektionssignal 32 und 33 den gleichen Zyklus teilen, wobei eine Phase des zweiten Detektionssignals 32 und eine Phase des dritten Detektionssignals 33 derart vorgegeben sind, dass diese um einen 1/4-Zyklus versetzt sind. Mit dieser Anordnung kann ein genauer Rotationswinkel unter Verwendung der Flankenabschnitte 32a, 33a, 32b und 33b detektiert werden, die stets große und lineare Änderungen in der Ausgangsspannung in Relation zu Änderungen bei dem Winkel des Lenkrads aufweisen. Auf diese Weise kann der Rotationswinkel des Lenkrads über den gesamten Bereich mit hoher Genauigkeit in einem Echtzeit-Modus detektiert werden. Der Rotationswinkel und die Rotationsrichtung des Lenkrads, die in der vorstehend beschriebenen Weise detektiert worden sind, werden von dem Mikrocomputer 25 zu der Steuervorrichtung 26 des Kraftfahrzeugs geschickt, um auf diese Weise eine genaue Steuerung der Kraftfahrzeugaufhängung, des Automatikgetriebes usw. vorzunehmen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Magnet 5 kann eine Stufenform oder eine hügelartige Form aufweisen. Nicht nur die Oberfläche des Magneten, die dem Hall-Element 6 gegenüber liegt, sondern auch eine Formgebung einer gegenüber liegenden Oberfläche von diesem kann nach Bedarf modifiziert werden, solange von dem Hall-Element 6 lineare Ausgangssignale erzielt werden.
  • Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Magnet mit einer Formgebung verwendet, die eine lineare Veränderung in der Dichte von Magnetflüssen hervorruft. Dies ermöglicht die Erzielung von linearen Ausgangssignalen bei beliebigen Rotationswinkeln, wenn ein Rotationskörper rotationsmäßig bewegt wird, so dass die erzielten Ausgangswerte direkt verarbeitet werden können und eine Echtzeitverarbeitung ermöglicht wird.
  • Darüber hinaus ist kein Speicher oder dergleichen zum vorübergehenden Speichern von Detektionsausgangsinformation erforderlich. Dies trägt zur Vereinfachung der Konstruktion bei und erlaubt es, niedrigere Herstellungskosten zu erzielen.
  • Zum Beispiel kann die magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs angebracht sein, um Winkel von Rotationsbewegungen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausgehend von einer neutralen Stellung exakt zu detektieren. Auf der Basis einer Beziehung zwischen einem Rotationswinkel des Lenkrads und einer Fahrzeuggeschwindigkeit bei diesem Winkel kann somit das Verhalten des Fahrzeugs gesteuert werden, indem die Straffheit einer Aufhängung, ein Getriebeverhältnis eines Automatikgetriebes usw. gesteuert werden.

Claims (3)

  1. Magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung (10), aufweisend: ein sich linear bewegendes Detektionselement (4) und ein feststehendes Element (7), das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element von dem Detektionselement und dem feststehenden Element mit einem Magneten (5) versehen ist, der in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements einen Nordpol und einen Südpol aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung (6) versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende magnetische Kraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Bewegung des Detektionselements zu detektieren, wobei die Distanz zwischen dem Magneten (5) und der magnetischen Detektionseinrichtung (6) in der Nähe des Zentrums des Magneten am kleinsten ist und an Endbereichen des Magneten größer als in der Nähe des Zentrums ist, wobei eine der magnetischen Detektionseinrichtung gegenüber liegende Oberfläche (5A) des Magneten gekrümmt ist und einen Krümmungsdurchmesser R aufweist, und wobei dann, wenn eine Breite des Magneten (5) in einer Richtung, in der sich der Magnet oder die magnetische Detektionseinrichtung bewegt, mit W bezeichnet wird und eine Dicke des Magneten (5) in einer Richtung, in der der Magnet (5) und die magnetische Detektionseinrichtung (6) einander zugewandt gegenüber liegen, mit H bezeichnet wird, eine Formgebungsproportion des Magneten (5) eine Beziehung aufweist, die sich folgendermaßen darstellt: W = 10 bis 20, H = 1 bis 5 und R = 20 bis 50.
  2. Magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung (10), aufweisend: ein sich linear bewegendes Detektionselement (4) und ein feststehendes Element (7), das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element von dem Detektionselement und dem feststehenden Element mit einem Magneten (15) versehen ist, der in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements einen Nordpol und einen Südpol aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung (6) versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende magnetische Kraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Bewegung des Detektionselements zu detektieren, wobei die Distanz zwischen dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung (6) in der Nähe des Zentrums des Magneten am kleinsten ist und an Endbereichen des Magneten größer als in der Nähe des Zentrums ist, wobei eine der magnetischen Detektionseinrichtung gegenüber liegende Oberfläche (15A) des Magneten (15) trapezförmig ausgebildet ist, und wobei dann, wenn eine Breite des Magneten (15) in einer Richtung, in der sich der Magnet (15) oder die magnetische Detektionseinrichtung (6) bewegt, mit W bezeichnet wird und eine Dicke des Magneten (15) in einer Richtung, in der der Magnet und die magnetische Detektionseinrichtung (6) einander zugewandt gegenüber liegen, mit H bezeichnet wird, eine Länge von Abschrägungswegnahmen in H-Richtung an den beiden Enden des Trapezes mit Y bezeichnet wird und eine Länge von Abschrägungwegnahmen in W-Richtung mit X bezeichnet wird, eine Formgebungsproportion des Magneten (15) eine Beziehung aufweist, die sich folgendermaßen darstellt: W = 10 bis 20, H = 1 bis 5, X = 4,25 bis 4,75 und Y = 0,4 bis 0,6.
  3. Magnetische Verschiebungsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektionsvorrichtung mit einem Rotationskörper (3) versehen ist, wobei das Detektionselement (4) durch eine Rotationsbetätigung des Rotationskörpers (3) linear betätigt wird, und ferner mit einer zusätzlichen Detektionseinrichtung (20) versehen ist, um einen Rotationswinkel des Rotationskörpers (3) mit einer höheren Auflösung als derjenigen Auflösung eines Detektionsausgangssignals zu detektieren, die von dem Magneten (5, 15) und der magnetischen Detektionseinrichtung (6) zusammen erreicht wird.
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