DE60224785T2 - Drehwinkeldetektor und einrichtung mit dem detektor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehwinkeldetektor zum Erfassen der Drehstellung eines Rotors.
• Normalerweise gab es einen Drehwinkeldetektor zum Erfassen der Drehstellung eines Rotors gemäß 4. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die den Aufbau des Drehwinkeldetektors zeigt. In 4 bezeichnet 1 einen Rotor, 2 bezeichnet einen Permanentmagnet, 3 bezeichnet einen Stator und 4 bezeichnet einen Magnetsensor. Der Permanentmagnet 2 ist am Rotor 1 befestigt und der Magnetsensor 4 ist am Stator 3 in einem Umfangsabschnitt desselben vorgesehen so dass er dem Permanentmagnet 2 durch einen Spalt gegenüber liegt. Der Permanentmagnet 2 wird in einer Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung magnetisiert wie es in einem Pfeil gezeigt ist, indem ein linearmagnetischer anisotroper Magnet verwendet wird. Der Magnetsensor 4 ist in einer solchen Weise vorgesehen, dass jede Differenz des mechanischen Phasenwinkels auf 90° eingestellt ist. Infolgedessen ist es möglich, bei jeder Drehung des Rotors 1 eine Sinusschwingung und eine Cosinusschwingung zu erhalten. In dem Fall, wo die Differenzsignale der Sinusschwingung und der Cosinusschwingung benötigt werden, sind vier Magnetsensoren 41, 42, 43 und 44 um den Permanentmagnet 2 herum vorgesehen, um eine Erfassung durchzuführen.
• Mit Bezug auf das Detektionsverfahren des Magnetsensors wird eine Beschreibung zu einem Beispiel gegeben, in dem eine Hall-Einheit verwendet wird. 5 ist eine erläuternde Darstellung, die das Detektionsprinzip der magnetischen zeigt. Der Hall-Sensor wird durch einen Verbindungshalbleiter wie GaAs, InSb oder InAs gebildet, und die Ausgangsanschlüsse 5a und 5b sowie Eingangsstromanschlüsse 6a und 6b sind an einem magnetischen Fühlabschnitt befestigt, der eine Dicke d aufweist. Es wird veranlasst, dass ein Eingangsstrom I_c zu den Stromeingangsanschlüssen 6a und 6b fließt, so dass zwischen den Ausgangsanschlüssen 5a und 5b ein Potenzialunterschied V_H entsprechend einer Änderung des Magnetflusses B in Magnetsensoren verändert wird. In dem in 4 gezeigten Aufbau sind vier Magnetsensoren vorgesehen. Deshalb wird eine in
• 6 gezeigte Schaltverbindung erhalten. 6 ist ein typisches Diagramm, das die Schaltverbindung im Aufbau von 4 zeigt. In 6 bezeichnet 5 einen Magnetsensoranschluss, 6 bezeichnet einen Eingangsstromanschluss und 10 bezeichnet einen Rotationsdetektor. Für jeden Magnetsensor werden vier Schaltverbindungen benötigt und insgesamt werden 16 Signalleitungen angeschlossen. Ein Drehwinkel kann durch Berechnung eines Signals erfasst werden, das von dem Magnetsensor mittels eines Winkelrechners, der nicht dargestellt ist, gesendet wird. Mit Bezug auf ein Berechnungsverfahren kann ein Drehwinkel θ berechnet werden als θ = arctan(Va/Vb), wobei zum Beispiel ein Differenzspannungsausgang zweier Ausgänge mit einer diagonalen Beziehung in den vier Magnetsensorausgängen durch Va und ein Differenzspannungsausgang von anderen Magnetsensoren durch Vb dargestellt wird.
• Im Stand der Technik sind jedoch 16 Signalleitungen für eine Rotationsdetektoreinheit erforderlich. In dem Fall, wo eine Vielzahl von Drehwinkeldetektoren wie Gelenkroboter gleichzeitig verwendet wird oder die kleinformatig sind, wird bei der Bewegung Reibung verursacht, so dass es ein Problem darin gibt, dass die Arbeitsleistung reduziert wird.
• US-A-6 175 296 betrifft eine Vielzahl von Elementen mit magnetoresistivem Effekt, die paarweise auf einem Trägermaterial angeordnet sind, um Magnetfelder zu fühlen. Außerdem werden die Ausgangssignale von zwei Elementen mit magnetoresistivem Effekt einem Operationsverstärker zur Verfügung gestellt.
• Die US-A-4 283 644 entsprechende DE-A-2900547 betrifft einen Steuersignalgenerator für ein Rechnergerät eines bürstenlosen Elektronikmotors, der eine Vielzahl von Windungen enthält. Um Positionssignale des Motors zu erhalten, werden zwei Hall-Effekt-Generatoren relativ zueinander elektrisch und magnetisch um 90° verschoben. Die Ausgangssignale von den Hall-Generatoren werden einem Kombinationsschaltkreis zugeführt, um digitale Antriebssignale für den Motor zu erzeugen.
• Deshalb ist eine Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung eines kleinformatigen Drehwinkeldetektors, der eine hohe Produktivität besitzen kann, indem die Schaltverbindung eines Eingangsstromanschlusses konstruiert und ein Operationsverstärker angebracht wird, sowie einer Vorrichtung desselben.
• Um die Aufgabe zu erfüllen, stellt die Erfindung einen wie in den Ansprüchen definierten Drehwinkeldetektor bereit.
• Wie es oben beschrieben ist, wird erfindungsgemäß der Eingangsstrompfad des Magnetsensors in Reihe geschaltet und außerdem das Ausgangssignal differentiell verstärkt und zusammengesetzt. Folglich kann ein Vorteil gewonnen werden, dass die Anzahl der Schaltverbindungen des Drehwinkeldetektors erheblich verringert werden kann und es gleichzeitig möglich ist, einen Drehwinkeldetektor zu erhalten, der in der Lage ist, eine hochwirksame Herstellbarkeit auch in dem Fall zu besitzen, wo eine Vielzahl von Drehwinkeldetektoren verwendet wird oder die kleinformatig sind.
• 1 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer ersten Ausführung der Erfindung zeigt. 2 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer zweiten Ausführung der Erfindung zeigt. 3 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer dritten Ausführung der Erfindung zeigt. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die einen Drehwinkeldetektor zeigt. 5 ist eine perspektivische Darstellung, die das Detektionsprinzip des Magnetsensors zeigt. 6 ist ein Schaltschema, das einen herkömmlichen Magnetsensor zeigt.
• Nachstehend werden Ausführungen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
• (Erste Ausführung)
• 1 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer ersten Ausführung der Erfindung zeigt. Der gesamte Aufbau entsprechend der Ausführung ist der gleiche wie der in 1. In 1 bezeichnen 41, 42, 43 und 44 einen Magnetsensor, 51, 52, 53 und 54 bezeichnen ein Magnetfeld-Detektionsanschluss des Magnetsensors, 61, 62, 63 und 64 bezeichnen einen Eingangsstromanschluss des Magnetsensors, 601 und 602 bezeichnen einen Eingangsstrompfad und 10 bezeichnet einen Drehwinkeldetektor.
• In jedem Magnetsensor wird ein Hall-Element verwendet. Wenn zwischen den Anschlüssen i_H und i_L jedes Hall-Elements das Fließen eines Eingangsstroms bewirkt wird, wird zwischen den Anschlüssen V_H und V_L entsprechend der Intensität eines äußeren Magnetfeldes eine Spannung erzeugt. Folglich werden jeweils der i_L-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 61 des Magnetsensors 41 und der i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 62 des Magnetsensors 42, der i_L-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 62 und der i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 63 sowie der i_L-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 63 und der i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 64 verbunden. Der i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 61 wird mit dem Eingangsstrompfad 601 verbunden, und der i_L-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 64 wird mit dem Eingangsstrompfad 602 verbunden. Eine Vielzahl von Hall-Elementen besitzt in Reihe geschaltete Eingangsstromanschlüsse.
• Somit beträgt die für den Drehwinkeldetektor 10 benötigte Gesamtzahl von Schaltverbindungen zehn, das heißt, die Anzahl der Eingangsstromanschlüsse ist zwei und die Anzahl der Anschlüsse V_H und V_L jedes Magnetsensors ist acht, was viel kleiner als sechzehn im Stand der Technik ist.
• (Zweite Ausführung)
• 2 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer zweiten Ausführung der Erfindung zeigt. In 2 bezeichnen 601 und 602 einen Eingangsstrompfad; 71, 72, 73, 74, 75 und 76 bezeichnen eine Signal-Differenzverstärkungseinrichtung (nachstehend als Operationsverstärker bezeichnet); 8 bezeichnet eine Erdungsleitung; 91 und 92 bezeichnen einen Endausgang des Operationsverstärkers und 10 bezeichnet einen Drehwinkeldetektor. In der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung ist ein i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 61 mit dem Eingangsstrompfad 601 und ein i_L-Anschluss des Eingangsstromanschlusses 64 mit dem Eingangsstrompfad 602 verbunden.
• Es wird jetzt eine Beschreibung für eine Betriebsweise gegeben, bei der sechs Operationsverstärker vorgesehen sind. Die Operationsverstärker 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sind auf dem gleichen Träger wie die Magnetsensoren 41, 42, 43 und 44 vorgesehen und die Signale der Ausgangsanschlüsse V_H und V_L jedes Magnetsensors werden differentiell verstärkt, indem die Operationsverstärker 71, 72, 73 und 74 verwendet werden.
• In dem Fall, wo ein Winkel (a-Position) mit hoher Genauigkeit zu detektieren ist, werden daher außerdem der Ausgang 91, der eine Phase A₁ aufweist, und der Ausgang 93, der eine Phase A₂ aufweist, weiter differentiell als der Endausgang 91 verstärkt, um phasengleiches Rauschen und die harmonische Verzerrung zu entfernen, indem die Operationsverstärker 75 und 76 verwendet werden, und der Ausgang 92 der B₁-Phase sowie der Ausgang 94 der B₂-Phase werden differentiell verstärkt. Durch diesen Aufbau kann die Anzahl von Signalleitungen, die von dem Drehwinkeldetektor 10 geschaltet sind, von sechzehn im Stand der Technik auf fünf verringert werden. Folglich kann bei der Schaltverbindung mehr eingespart werden als bei der in der ersten Ausführung.
• (Dritte Ausführung)
• 3 ist ein Schaltschema, das einen Magnetsensor nach einer dritten Ausführung der Erfindung zeigt. In 3 bezeichnen 61 bis 66 einen Eingangsstromanschluss eines Magnetsensors jedes Drehwinkeldetektors 10; 601 bis 606 bezeichnen einen Eingangsstrompfad zum Verbinden der Eingangsstromanschlüsse, und 10a, 10b und 10c bezeichnen einen Drehwinkeldetektor.
• Es sind eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung, ein Magnetsensor und eine Lagerung zur Aufnahme der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung vorgesehen, die nicht dargestellt sind. Ein i_H-Anschluss des Eingangsstromanschlusses jedes Drehwinkeldetektors ist als 61, 63 und 65 und ein i_L-Anschluss als 62, 64 und 66 dargestellt. Die i_L-Anschlüsse und die i_H-Anschlüsse, zum Beispiel 62 und 63 sowie 64 und 65 miteinander verbunden. Folglich kann eine Vielzahl von Drehwinkeldetektoren in Reihe geschaltet werden.
• Die Folge davon ist, dass zwei Schaltverbindungen für einen Eingangsstrom auch in einer Drehwinkel-Detektionsvorrichtung, die eine Vielzahl von Drehwinkeldetektoren aufweist, vorgesehen werden können.
• Während die Beschreibung für die Verwendung des Hall-Elements als Magnetsensor gegeben worden ist, ist es außerdem auch möglich, die gleichen Vorteile durch Verwendung eines Elements mit magnetischem Widerstandseffekt zu erreichen. Daher umfasst die Erfindung den Fall, bei dem das Element mit magnetischem Widerstandseffekt als Magnetsensor genutzt wird.
• Außerdem kann der Drehwinkeldetektor mit einer Wellenform-Verarbeitungsvorrichtung versehen sein, um ein vom Magnetsensor erhaltenes Signal in Winkelinformationen und Positionsinformationen umzuwandeln.
• Wie oben beschrieben ist, wird erfindungsgemäß der Eingangsstrompfad eines Magnetsensors in Reihe geschaltet und außerdem ein Ausgangssignal differentiell verstärkt und zusammengesetzt. Darum kann ein Vorteil dadurch gewonnen werden, dass die Anzahl der Schaltverbindungen des Drehwinkeldetektors erheblich verringert werden kann und es gleichzeitig möglich ist, einen Drehwinkeldetektor zu erhalten, der in der Lage ist, auch in dem Fall eine hochleistungsfähige Herstellbarkeit zu besitzen, wo eine Vielzahl von Drehwinkeldetektoren verwendet wird oder die kleinformatig sind.

Claims (2)

1. Drehwinkeldetektor, der umfasst: eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (2), die sich integral mit einem Rotor (1) dreht, um ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse des Rotors (1) zu erzeugen; wenigstens vier Magnetsensoren (41 bis 44) zum Erzeugen von Differenzsignalen in Reaktion auf eine Drehung der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (2), wobei die Eingangsstromanschlüsse der Magnetsensoren (41 bis 44) in Reihe verbunden sind; vier Differenzverstärkungseinrichtungen (71 bis 74), die mit den Ausgangsanschlüssen der jeweiligen Magnetsensoren (41 bis 44) verbunden sind, um die jeweiligen Differenzsignale zu verstärken und Ausgangssignale zu erzeugen; und zwei Signal-Differenzverstärkungseinrichtungen (75, 76), die mit den jeweiligen Ausgängen der vier Differenzverstärkungseinrichtungen (71–74) so verbunden sind, dass jede Signal-Differenzverstärkungseinrichtung (75, 76) die Ausgangssignale von zwei der Differenzverstärkungseinrichtungen (71–74) empfängt.
2. Drehwinkeldetektor nach Anspruch 1, wobei eine Wellenform-Bearbeitungsvorrichtung vorhanden ist, um ein von den Magnetsensoren gewonnenes Signal in Winkelinformationen und Positionsinformationen umzuwandeln.