-
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.