DE69109517T2

DE69109517T2 - Einrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit.

Info

Publication number: DE69109517T2
Application number: DE69109517T
Authority: DE
Inventors: Shinji Fukui; Takaharu Idogaki; Hideo Inoue; Toshihisa Ishihara; Takashi Iwasaki; Hideki Kusunoki; Hiroshi Shimomura
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1990-03-02
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2011-03-05
Also published as: DE69109517D1; EP0444713B1; US5253525A; EP0444713A1; JP2815712B2; JPH04212013A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A-3 825 088 bekannt, dernach eine bewegliche Scheibe mit einer Dreheinrichtung mechanisch verbunden ist und die Verformung der Scheibe zum Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird.
Die US-A-4 570 507 offenbart einen Magnetfluid-Gyrolager- und Blockierungsmechanismus, wobei ein Rotor und ein Stator vorgesehen sind, zwischen denen ein magnetisches Fluid angeordnet ist. Der Rotor wird durch einen Induktionsmotor angetrieben und ist außerdem über eine Blockierungsplatte an einem Betätiger angeschlossen, die ein magnetisches Fluid enthält.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit zu schaffen, die dazu in der Lage ist, eine Winkelgeschwindigkeit präzise zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung der ersten Ausführungsform,
Fig. 4 Einzelheiten eines Ermittlungsschaltkreises in Fig. 3,
Fig. 5 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch von einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch von einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, jedoch von einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 14 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch von einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 eine schematische Ansicht einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 16 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 17 eine Teilansicht eines wesentlichen Teils einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 18 eine Querschnittsansicht einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 19 eine perspektivische Explosionsansicht der in Fig. 18 gezeigten Vorrichtung, und
Fig. 20 eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht einer in Fig. 19 gezeigten Verbindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Gehäuse, das mit einem geeigneten (nicht gezeigten) Element eines Gegenstands verbunden ist, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, wie beispielsweise ein Fahrzeug. Das Gehäuse 1 ist aus einem Material hergestellt, das eine nicht- magnetisierende sowie hohe elektrische Widerstandseigenschaft hat. Eine Kappe 9, die aus demselben Material hergestellt ist wie das Gehäuse 1, ist mit dem Gehäuse 1 verbunden, um dadurch ein vollständiges Gehäuse auszubilden, in dem ein zylindrischer Raum 100 mit einem vorbestimmten Volumen festgelegt ist, und in dem ein Magnetisierfluid 2 und ein scheibenförmiger, mehrpoliger, permanent magnetisierter Magnet 3 vorgesehen sind. Der scheibenförmige Magnet 3 hat eine Mittenachse XX, axial voneinander beabstandete Oberflächen und eine Umfangsfläche. Die Scheibe 3 ist beispielsweise an vier Positionen magnetisiert, die längs ihrem Umfangsrand winkelmäßig beabstandet sind. Wie sich leicht erkennen läßt, wird in dem Raum 100 eine nicht gleichmäßige Dichte des Magnetisierfluids erhalten, daß heißt eine Dichteverteilung wird in dem Raum gemäß der Verteilung der Stärke des Magnetfelds in dem Raum 100 erhalten.
Wie außerdem leicht erkannt werden kann, hat der zylindrische Innenraum 100 einen Durchmesser D, der geringfügig größer ist als der Durchmesser d der Permanentmagnetscheibe 3, und das Gehäuse 1 legt eine ringförmige Seitenwand 1a fest, die es der Scheibe 3 erlaubt, sich um ihre Achse zu drehen.
Es ist zu bemerken, daß der zylindrische Innenraum 100 eine axiale Gesamtdicke hat, die gleich oder mehr oder weniger kleiner als die maximale Gesamtdicke der Scheibe 3 einschließlich dem Magnetisierfluid ist, das an diesem in einem freien Raum unter einer gewöhnlichen Temperatur und Atmosphärendruck anbringbar ist.
Das magnetisch um den Permanentmagneten 3 herum angebrachte Magnetfluid 2 dient nicht nur als Schmiermittel, das es dem Permanentmagneten 3 erlaubt, sich um seine Achse zu drehen, sondern auch als Feder und als Dämpfer in der Richtung der Dicke des Magneten 3. Dadurch wird eine schwimmende Lagerung der Magnetscheibe 3 in der Mitte des zylindrischen Raums 100 erreicht, die es der Scheibe 3 erlaubt, durch das Gehäuse 1 umgeben zu werden, ohne in Kontakt mit diesem zu stehen.
Die Bezugsziffern 41 und 42 bezeichnen Hall-Elemente als Schräglageermittlungsmittel zum Ermitteln einer relativen Schräglage des Permanentmagneten 3 und des Gehäuses 1. Diese Hall-Elemente 41 und 42 sind mit einer Platte 13 derart fest verbunden, daß sie symmetrisch in Bezug auf die Drehachse des Permanentmagneten 3 verlaufen; d.h. die Hall-Elemente 41 und 42 sind unter-einer diametral gegenüberliegenden Beziehung angeordnet. Die Hall-Elemente 41 und 42 haben Anschlüsse, die an eine Anschlußplatte 7 angelötet sind, und die Platte 13 zum Montieren der Hall-Elemente und die Anschlußplatte 7 sind mit dem Gehäuse 1 durch Schrauben 81, 82 und (nicht gezeigt) 83 durch rohrförmige Abstandhalter 141, 142 und 143 verbunden, die zwischen der Platte 13 und dem Gehäuse 1 angeordnet sind, und 61, 62 und (nicht gezeigt) 63, die zwischen den Platten 13 und 7 angeordnet sind.
Eine obere Kappe 9 ist auf das Gehäuse 1 über einen O-Ring 5 aufgeschraubt, wobei ein Dichtungsstopfen 11, der aus Gummimaterial hergestellt ist, in eine Öffnung 10 eingesetzt ist, um ein Magnetisierfluid in den Raum 100 einzuleiten, und eine obere Kappe 12 ist über den Stopfen 11 aufgepaßt.
In Fig. 2 sind winkelmäßig beabstandete Spulen 131, 132 und 133 und winkelmäßig beabstandete Hall-Elemente 121, 122 und 123 längs dem Außenumfang des Gehäuses 1 angeordnet. Die Spulen 131, 132 und 133 und die Hall-Elemente 121, 122 und 123 bilden zusammen mit dem Permanentmagneten 3 einen Hall-Motor.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der gesamten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die aus einer Antriebseinheit 410, einem Sensor 420 und einer Ermittlungseinheit 430 aufgebaut ist. Die Antriebseinheit 410 ist aus einem Schaltkreis 204 zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds und einem Konstantgeschwindigkeitssteuerschaltkreis 205 aufgebaut.
Der Schaltkreis zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds verwendet ein Dreiphasen-Ganzwellenantriebsprinzip, um dadurch ein sich drehendes Magnetfeld mit kleinen Schwankungen seines Drehmoments und seiner Drehzahl zu erhalten. Der Dreiphasen-Ganzwellenantrieb ist vorzugsweise aus einem integrierten Schaltkreis, wie beispielsweise dem TA7259P von Toshiba Corp. aufgebaut. Der Konstantgeschwindigkeitssteuerschaltkreis 205 ist aus einem PLL-gesteuerten integrierten Schaltkreis aufgebaut, wie beispielsweise einem TC914P von Toshiba Corp. Der Sensor 420 ist wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wie bereits erläutert, aufgebaut, und die Ermittlungseinheit 430 ist aus den Hall-Elementen 41 und 42 zur Ermittlung einer Schräglage, einem Differenzverstärker 203 und einem Winkelgeschwindigkeitsberechnungsschaltkreis 202 aufgebaut. Es ist zu bemerken, daß in Fig. 1 die Positionierung der Hall-Elemente 41 und 42 zum Ermitteln einer Schräglage derart bestimmt ist, daß sie durch ein Magnetfeld weniger beeinflußt werden, das durch die sich drehenden Magnetfelderzeugungsspulen 131, 132 und 133 erzeugt wird.
Fig. 4 zeigt Einzelheiten der Winkelgeschwindigkeitsermittlungseinheit 430, die aus einem Hall-Element-Antriebsschaltkreis 660, einem Differenzverstärker 661, einem Hüllkurvenermittlungsschaltkreis 662 und einem Tiefpaßfilter 663 besteht. Der Hall-Element-Antriebsschaltkreis 660 umfaßt Operationsverstärker 650 für eine elektrische Stromrückkopplung und hat positive Eingänge, die über einen Widerstand 602 an Masse gelegt sind, negative Eingänge, die über Widerstände 603 und 604 jeweils an Masse gelegt sind, und Ausgänge, die an die Eingänge der Hall-Elemente 41 und 42 jeweils angeschlossen sind. Die Hall-Elemente 41 und 42 haben zweite Eingänge, die an negative Eingänge der Operationsverstärker 650 und 651 jeweils angeschlossen sind.
Der Differenzverstärkerschaltkreis 661 umfaßt Operationsverstärker 652 und 653, die positive erste Eingänge haben, die über Widerstände 608 und 613 an einer Seite jeweils an Masse gelegt und an die Ausgänge der Hall-Elemente 41 und 42 über Widerstände 606 und 610 jeweils an der anderen Seite angeschlossen sind, negative Eingänge, die an die zweiten Eingänge der Hall-Elemente 41 und 42 über Widerstände 605 und 609 jeweils angeschlossen sind, und Ausgänge, die an eigene negative Eingänge über Widerstände 607 und 612 jeweils angeschlossen sind. Der Operationsverstärker 654 hat einen negativen Eingang, der an den Ausgang des Operationsverstärkers 652 über einen Widerstand 615 und einen Wechselstromkopplungskondensator 614 angeschlossen ist, einen positiven Eingang, der an den Ausgang des Operationsverstärkers 653 über einen Widerstand 617 und einen Wechselstromkopplungskondensator 616 angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an den eigenen negativen Eingang über einen Widerstand 618 angeschlossen ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 654 ist außerdem über einen Widerstand 619 an Masse gelegt.
Der Hüllkurvenermittlungsschaltkreis 622 umfaßt einen Operationsverstärker 655, der einen positiven Eingang hat, der an Masse gelegt ist, einen negativen Eingang, der an den Ausgang des Operationsverstärkers 654 über einen Widerstand 621 und einen Wechselstromkopplungskondensator 650 angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an eine Kathode einer Diode 624 angeschlossen ist. Eine Anode der Diode 624 ist an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 655 über einen Widerstand 622 angeschlossen und über einen Kondensator 625 und einen Widerstand 626 an Masse gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 655 ist ebenfalls an eine Anode einer Diode 623 angeschlossen, und die Kathode der Diode 623 ist an einen Punkt zwischen dem Wechselstromkopplungskondensator 620 und dem Widerstand 621 angeschlossen.
Der Aufbau des Tiefpaßfilters 663 umf aßt einen Operationsverstärker 656 mit einem positiven Eingang, der über einen Kondensator 630 auf Masse gelegt und an die Anode der Diode 624 über Widerstände 629 und 627 angeschlossen ist, einen negativen Eingang, der an eine Stelle zwischen den Widerständen 625 und 629 über einen Kondensator 628 angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an einen Anschluß 201 und an seinen negativen Eingang angeschlossen ist.
Der Schaltkreis 204 zur Erzeugung eines sich drehenden Felds veranlaßt die Spulen 131, 132 und 133 dazu, ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen, das es dem Permanentmagneten 3 erlaubt, sich um seine Achse in der zylindrischen Kammer 100 mit einer konstanten Geschwindigkeit Ws zu drehen. Unter der Annahme, daß der Winkelgeschwindigkeitssensor an einem (nicht gezeigten.) Fahrzeug derart angebracht ist, daß die Achse Z in Fig. 3 vertikal ausgerichtet ist, wird dann, wenn an das Fahrzeug eine Wende- oder Drehbewegung angelegt wird, dem Permanentmagneten 3 um eine Achse Z lotrecht zu der Drehachse x des Permanentmagneten 3 eine Winkelgeschwindigkeit W verliehen, die dafür sorgt, daß um die Achse Y senkrecht zu beiden Achsen X und Y eine Präzession erzeugt wird, die dafür sorgt, daß in dem Permanentmagneten 3 in der durch einen Pfeil Wp gezeigten Richtung ein Drehmoment erzeugt wird. Das Magnetisierungsfluid 2, das um den Permanentmagneten 3 angeordnet ist, kann als Dämpfer mit einer Feder in der Richtung der axialen Dicke des Permantmagneten 3 derart arbeiten, daß der Magnet 3 in Bezug auf das Gehäuse 1 unter einem Winkel geneigt ist, bis das Präzessionsdrehmoment Wp und die Federkraft ausgeglichen sind. Dieser Schräglagewinkel der Scheibe 3 wird durch die Hall-Elemente 41 und 42 ermittelt und durch den Differenzverstärker 203 verstärkt und in den Winkelgeschwindigkeitsberechnungsschaltkreis 202 eingegeben. Die durch die Hall-Elemente 41 und 42 ermittelten Signale werden durch den Differenzverstärker 203 verstärkt und in den Winkelgeschwindigkeitsberechnungsschaltkreis 202 unter Erzielung eines elektrischen Signals eingegeben, das einen Spannungspegel hat, der der Winkelgeschwindigkeit entspricht, die an das Gehäuse 1 angelegt ist. Das Differenzverstärkersystem wird verwendet, um die Änderungen der Ausgangsspannungen aus den Hall-Elementen 41 und 42 auszulöschen, die durch die Translationsbewegung des Permanentmagneten 3 in der zylindrischen Kammer 100 erzeugt werden, die durch eine Beschleunigung entlang der Richtung parellel zur Achse X induziert wird, weil diese Änderungen der Hall-Spannungen dieselbe Phase haben. In Bezug auf die Beschleunigung in der Richtung der Y- und Z- Achsen ist die Differenz des Innendurchmessers D des zylindrischen Raums 100 und des Außendurchmessers d der Permanentmagnetscheibe 3 klein genug, daß die Seitenwand 1a als Bewegungsbegrenzungsmittel eirie signifikante Bewegung des Magneten in seiner Drehebene verhindern kann, die parallel zu beiden Achsen Y und Z verläuft, wodurch die Änderung der Ausgangsspannung minimiert wird, die durch eine derartige Translationsbewegung der Scheibe verursacht wird, um dadurch jeden möglichen Fehler, der auftreten kann, zu verringern.
Die Arbeitsweise der Winkelgeschwindigkeitsermittlungseinheit 430 in Fig. 4 ist die folgende. Ein elektrischer Konstantstromantriebsbetrieb der Hall-Elemente 41 und 42 wird durch den Hall-Element-Antriebsschaltkreis 660 erhalten. Der Differenzverstärker 661 ist durch Differenzverstärker erster und zweiter Stufen gebildet, die miteinander durch Wechselstromkopplungen 614 und 616 verschaltet sind. Diese Wechselstromkopplungen dienen dazu, verschiedene Unsymmetrien abzuschneiden, die die gewünschte Messung andernfalls ungünstig beeinflussen können, wie beispielsweise unsymmetrische Spannungen, die an die Hall-Elemente angelegt werden, eine unsymmetrische Spannungs-/Temperatureigenschaft zwischen den Hall-Elementen, unsymmetrische Offsetspannungen, die an die Operationsverstärker der ersten Stufe angelegt werden, und unsymmetrische Temperaturgangeigenschaften. Wenn eine Eingangswinkelgeschwindigkeit W angelegt wird, gibt der Differenzverstärker ein Ausgangssignal aus, das einer Amplitudenmodulation unterworfen ist, und die Winkelgeschwindigkeitskomponente kann erhalten werden, um dadurch die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals zu erhalten. Der Hüllkurvenermittlungsbetrieb wird durch den Hüllkurvenermittlungsschaltkreis 662 erhalten, der einen Spitzen-Spitzenwert-Detektor umfaßt. Das Hüllkurven ermittelte Ausgangssignal von dem Ermittlungsschaltkreis 662 wird in das Tiefpaßfilter 663 eingegeben, um Brummkomponenten zu entfernen.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird der Permanentmagnet 3 durch die magnetische Dreheinrichtung gedreht, und es kann deshalb insofern ein Vorteil erhalten werden, als eine mechanische Welle zwischen der Magnetdreheinrichtung und dem Permanentmagneten 3 nicht erforderlich ist. Außerdem ist eine Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Gehäuses und dem Außendurchmesser der Permanentmagnetscheibe klein genug, um die Bewegung der Scheibe längs der Durchmesserrichtung stark zu begrenzen, wodurch in dem Ausgangswert aufgrund einer deratigen Bewegung jegliche Änderung vernachlässigt werden kann, wodurch Fehler verringert werden. Ferner befindet sich das Permanentmagnetelement 3 lediglich in Kontakt mit dem Magnetfluid 2 und nicht mit den restlichen Elementen, wodurch die Empfindlichkeit der Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit erhöht wird, um dadurch die Ermittlung eines sehr geringen Winkelgeschwindigkeitsbetrags zu erlauben. Ein relativ einfacher Aufbau genügt dabei, um eine präzise Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit zu erreichen. Eine symmetrische Anordnung der Hall-Elemente für eine Ermittlung der Schräglage der Permanentmagnetscheibe in Bezug auf die Mittenachse der Scheibe 3 kann die Änderungen der Ausgangsspannungen von den Hall-Elementen auslöschen, wenn eine Bewegung ohne Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs erhalten wird, d.h. wenn lediglich eine lineare Bewegung des Fahrzeugs erhalten wird, um den Permanentmagneten dazu zu veranlassen, eine Translationsbewegung auszuführen, wodurch ein Vorteil insofern erhalten wird, als kein Ansprechen auf eine Beschleunigung auftritt, die keine Winkelgeschwindigkeit erzeugt. Die Wechselstromkopplung durch die Wechselstromkopplungskondensatoren 614 und 616 erbringt außerdem einen Vorteil insofern, als die unsymmetrischen Spannungen, die an die Hall-Elemente 41 und 42 angelegt werden, abgeschnitten werden können. Die schwimmende Anordnung des Drehelements 3 in dem magnetisierenden Fluid 2 ist schließlich insofern von Vorteil, als die Vorrichtung unempfindlich gegenüber einer Beschädigung durch einen extern ausgeübten Stoß ist.
Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch den Sensor 420, weshalb die nachfolgende Erläuterung darauf gerichtet ist, und eine detaillierte Erläuterung der restlichen Teile unterbleibt. In dieser Ausführungsform haben die Kappe und das Gehäuse 1 und 9 gegenüberliegende Innenflächen, die dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegen, welche Flächen an ihren Mittenbereichen jeweils mit Vorsprüngen 21 und 22 versehen sind, die eine Halbkugelgestalt haben. Es ist zu bemerken, daß diese vorspringenden Bereiche 21 und 22 nicht in Kontakt mit dem Permanentmagnetelement 3 stehen. Vielmehr verbleibt zwischen den Vorsprüngen 21 und 22 und dem Magneten 3 ein kleiner Raum, durch den jede Bewegung des Permanentmagnetelements 3 in seiner Dickenrichtung begrenzt wird, d.h. senkrecht zu der Richtung des Durchmessers der Scheibe 3. Dieser Aufbau macht es möglich, nicht nur eine gerade oder Translationsbewegung in der Durchmesserrichtung des Magneten 3 durch die Umfangswand 1a zu begrenzen, sondern auch eine gerade oder Translationsbewegung in der Richtung, die parallel zu der Axialrichtung der Scheibe 3 verläuft, d.h. die Richtung, die quer zu der Durchmesserrichtung des Magneten 3 verläuft, und dadurch werden bei dieser Ausführungsform lediglich die Drehbewegung des Magneten 3 um seine Mittendrehachse und um die Durchmesserachse zum Neigen derselben in Bezug auf das Gehäuse 1 zugelassen.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform, die ähnlich wie die zweite Ausführungsform, auf den Sensorbereich gerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform haben das Gehäuse 1 und die Kappe 9 ebenfalls gegenüberliegende konische Innenoberflächen, die aufeinander zu vorspringen, wodurch dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegende Vorsprünge 23 und 24 erhalten werden. Diese Vorsprünge 23 und 24 in Konusform arbeiten in derselben Weise wie diejenigen bei der Ausführungsform in Fig. 5 zur Begrenzung einer unnötigen Bewegung des Permanentmagneten 3, die sich von seiner Drehbewegung um seine eigene Drehachse herum unterscheidet, und jeglicher Schrägstellungsbewegung, die erforderlich ist, um eine erhöhte Präzision der Messung zu erhalten.
Fig. 7 zeigt eine vierte Ausführungsform des Sensorbereichs. Bei dieser Ausführungsform hat der Permanentmagnet 3 in seiner Mitte eine axiale Bohrung, in die eine Welle 23 fest derart eingesetzt ist, daß ihre Enden nach außen vorspringen. Das Gehäuse 1 ist mit gegenüberliegenden Innenwänden versehen, die den Hauptebenen der Scheibe 3 gegenüberliegen, und die Innenwände bilden axial gegenüberliegende konkave Ausnehmungen 25 und 26 mit einem Durchmesser R. Das Gehäuse 1 hat in einer Ebene parallel zur Welle 23, und ihre Achse enthaltend, eine Innenumfangsfläche mit einer Bogenform mit einem Durchmesser R, der benachbart zu den freien Enden der Welle 3 liegt. Die Enden der Welle 27 sind benachbart zu den konkaven Ausnehmungen 25 und 26 außer Kontakt mit diesen angeordnet, und die Scheibe 3 kann dadurch gedreht werden, während die Enden der Welle 27 sich längs den Ausnehmungen 25 und 26 so benachbart wie möglich zu diesen bewegt, ohne mit diesen in Kontakt zu kommen.
Fig. 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die eine Verbesserung der Ausführungsform in Fig. 6 betrifft. Bei dieser Ausführungsform sind ein Paar gegenüberliegende zweite Vorsprünge 231 und 241 und ein Paar nadelförmige gegenüberliegende dritte Vorsprünge 232 und 242 an den gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses derart ausgebildet, daß diese Paar von Vorsprüngen symmetrisch zur Drehachse X-X der Scheibe 3 angeordnet sind. Die Durchmesserdrehbewegung des Magneten 3 wird lediglich um die Durchmesserachse zugelassen, die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die Vorsprünge 231 und 241 und 232 und 242 gebildet ist, und eine Winkelgeschwindigkeit entlang lediglich einer Durchinesserachse kann dadurch ermittelt werden.
Fig. 9 ist eine Kombination der dritten Ausführungsform von Fig. 6, in der die dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegenden Wände zu diesem derart vorspringen, daß sie konische Gestalten 24 und 25 bilden, und der vierten Ausführungsform in Fig. 7, in der eine Welle 27 an der Mitte des Magneten 3 derart befestigt ist, daß ihre Enden benachbart zu den konkaven Ausnehmungen positioniert sind, die in den gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Enden der Welle 27 derart verrundet, daß sie komplementär zu den konkaven Formen der Ausnehmungen sind.
Bei den vorstehend erläuterten zweiten und sechsten Ausführungsformen wirkt die rohrförmige Umfangswand 1a des Gehäuses als ein Mittel zur Begrenzung der Translationsbewegung des Permanentmagneten 3 in einer Richtung quer zu der Drehachse X-X der Scheibe 3; anstelle dieser Anordnung können jedoch bei der dritten Ausführungsform von Fig. 6 und der fünften Ausführungsform von Fig. 8 die Vorsprünge 23 und 24 in Kontakt mit dem Permanentmagneten 3 gelangen, um eine derartige Translationsbewegung des Magneten 3 zu begrenzen, und in einem derartigen Fall können die Innenumfangswand 1a des Gehäuses 1 und die Außenumfangswand des Permanentmagneten 3 weit beabstandet sein.
Die in den Fig. 5 bis 9 gezeigten Ausführungsformen sehen eine Winkelgeschwindigkeitsermittlungsvorrichtung vor, die zuverlässig ist, wenn sie einer Schwingung oder einer linearen Beschleunigung ausgesetzt wird.
Fig. 10 zeigt eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform sieht sich drehende Magnetfelderzeugungsspulen 132, 133 und (nicht gezeigt) 131 und Polermittlungs-Hall-Elemente 121 und (nicht gezeigt) 122 und 123 vor, die in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu dem Permanentmagneten 3 verläuft und axial von diesem beabstandet ist. Die Schräglageermittlungs-Hall-Elemente 41 und 42 sind auf der Ebene axial beabstandet von dem Permanentmagnetelement 3 auf seiner anderen Seite gegenüberliegend zu der Ebene angeordnet, in der die Spulen 132, 133 und 131 und die Hall-Elemente 121, 122 und 123 angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß jeglicher magnetischer Einfluß von dem Hall-Motor auf die Schräglageermittlungs-Hall-Elemente 41 und 42 vernachlässigbar wird, wodurch der Permanentmagnet 3 längs der Richtung seiner Dicke magnetisiert werden kann.
Fig. 11 zeigt eine achte Ausführungsform, bei der die Schräglageermittlungs-Hall-Elemente 41 und 42 in punktsymmetrischer Beziehung in Bezug auf den Mittelpunkt O des Permanentmagneten 3 angeordnet sind. Das Hall-Element 41 ist dabei an einer Seite des Permanentmagneten 3 und das Hall-Element 42 an der anderen Seite des Permanentmagneten 3 derart angeordnet, daß die Hall-Elemente 41 und 42 diametral voneinander beabstandet sind.
Fig. 12 zeigt eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Paare von 900 beabstandeten Hall-Elementen 41 und 42 und 51 und 52 vorgesehen sind, um eine Winkelgeschwindigkeit um zwei Achsen, d.h. die Z-Achse und Y- Achse zu ermitteln. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 3 gezeigten lediglich dadurch, daß zwei Paare von Hall-Elementen vorgesehen sind, weshalb sich eine detaillierte Beschreibung ihres Aufbaus und ihres Betriebs erübrigt.
Die vorstehend angeführten ersten bis neunten Ausführungsformen verwenden als Schräglageermittlungseinrichtung ein Paar oder Paare diametral gegenüberliegender Hall-Elemente; es können jedoch auch Ermittlungselemente, wie beispielsweise ein MRE und dergleichen in ähnlicher Weise verwendet werden, um eine derartige Ermittlungseinheit aufzubauen.
Fig. 13 zeigt eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist an Stelle der Schräglageermittlungs-Hall-Elemente zum Ermitteln der Schräglage des Permanentmagneten 3 ein Paar von Drucksensoren 500 und 501 als Schräglageermittlungsmittel eingesetzt. Die Drucksensoren 500 und 501 sind auf dem Gehäuse 1 derart angeordnet, daß sie axial von dem Permanentmagneten beabstandet und in Bezug auf die Drehachse X-X des Permanentmagneten 3 symmetrisch sind. Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor einer Winkelbewegung um eine Durchmesserachse des Magneten 3 unterworfen ist, wird eine veränderte Dichteverteilung des Magnetfelds 2 in dem Gehäuse 1 erhalten, die eine Differenz der Werte des erzeugten Drucks verursacht, welche Werte durch die Drucksensoren 500 und 501 ermittelt werden, weshalb es möglich ist, die Winkelgeschwindigkeit aus dieser Druckdifferenz zu bestimmen. Gemäß dieser Ausführungsform beruht die Ermittlungseinrichtung zum ermitteln der gegenseitigen Schräglage des Magneten und des Gehäuses nicht auf dem magnetischen Prinzip, und ist deshalb insofern von Vorteil, als sie frei von Meßfehlern ist, die durch das sich drehende Magnetfeld erzeugt werden, wenn sich der Permanentmagnet 3 um seine eigene Achse dreht.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsformen wird ein Dreiphasen-Ganzwellenantriebssystem unter Verwendung eines Prinzips des Hall-Motors verwendet; es können jedoch in Abhängigkeit der Polanzahl des Permanentmagneten oder der erforderlichen Drehzahl andere Antriebssysteme verwendet werden, einschließlich einem Vierphasen-Halbwellenantriebssystem, einem Dreiphasen-Halbwellenantriebssystem, einem Zweiphasen-Ganzwellenantriebssystem oder ein Mehrwellenantriebssystem.
Fig. 14 zeigt eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der sechs Spulen 131, 132, 133, 134, 135 und 136 zur Erzeugung eines sich drehenden magnetischen Felds verwendet werden. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist derselbe wie derjenige der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Anordnung der Spulen zur Erzeugung eines sich drehenden Magnetfelds. Bei dem Antriebssystem in Fig. 14 handelt es sich grundsätzlich um ein Dreiphasen-Ganzwellensystem; die Spulen sind jedoch als drei Paare gegenüberliegender Spulen, d.h. Spulen 131 und 136, 132 und 134, und 133 und 135 angeordnet, und die gegenüberliegenden Spulen in jedem Paar werden gleichzeitig betrieben, um eine Drehung ohne jegliche Ungleichmäßigkeit der Drehzahl und des erhaltenen Drehmoments zu erhalten.
Bei sämtlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Drehsystem für den Permanentmagneten nicht notwendigerweise auf den Hall-Motor beschränkt; vielmehr kann jedes andere Antriebsprinzip verwendet werden, einschließlich einem sich drehenden Elektromotor. Wie in Fig. 15 gezeigt, ist der Drehbehälter 1 über eine Verbindungswelle 31 an einem gewöhnlichen sich drehenden Elektromotor 52 angeschlossen, um von dem Motor 32 eine Drehbewegung direkt an den Behälter 1 anzulegen. Die Drehung der Antriebswelle des Motors 92 sorgt dafür, daß der zylindrische Behälter 1 gedreht wird, wodurch der Permanentmagnet 3 dazu veranlaßt wird, über das Magnetfluid 2 gedreht zu werden, das in dem Behälter 1 enthalten ist.
Die dreizehnte Ausführungsform ist in Fig. 16 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind blattförmige Antriebsspulen 131, 132, 133, 134, 135 und 136 und Ermittlungs-Hall-Elemente 41 und 42 integral mit einem zylindrischen Behälter 130 ausgebildet, der aus einem Keramikmaterial besteht. Dieser eingebettete Aufbau der blattförmigen Spulen und des Hall-Elements ist insofern von Vorteil, als der Magnetflußwirkungsgrad des Antriebssystems und seine Empfindlichkeit verbessert sind.
Fig. 17 zeigt eine vierzehnte Ausführungsform, bei der die Antriebsspulen 131, 132 und 133 durch Wicklungen gebildet sind, die direkt um den zylindrischen Behälter 130 gewickelt sind, um den Magnetflußwirkungsgrad und die Empfindlichkeit wie bei der dreizehnten Ausführungsform von Fig. 16 zu verbessern.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen hat der Permanentmagnet 3 eine Kreisscheibenform; er kann jedoch eine andere als diese Form haben, wie beispielsweise eine polygonale oder irreguläre Form, solange er in dem Gehäuse drehbar ist.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen eine fünfzehnte Ausführungsform. Teile, die dieselbe Funktion haben wie diejenigen, die in Bezug auf die vorausgehenden Ausführungsformen erläutert sind, sind durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet, und ihre detaillierte Erläuterung erübrigt sich. Die Antriebsspulen 700 und 702, die als Mittel zum in Drehung versetzen des Magneten wirken, sind jeweils mit Kernen 704 und 706 versehen, wobei eine äußere Gehäusekappe 708 mit einem Innengehäuse 710 verbunden ist, und wobei eine Axialverbindung 712 zentral innerhalb des Gehäuses 710 derart angeordnet ist, daß ihre Enden mit dem Gehäuse 710 fest verbunden sind.
Die Verbindung 712 ist mit einem T-förmigen Durchlaß 714 zum Einfüllen eines Magnetfluids 2 in einen Raum versehen, der zwischen den Innen- und Außengehäusen 720 und 710 vorgesehen ist, und eine weitere Verbindung 716 ist mit der ersten Verbindung 712 derart verbunden, daß diese Verbindungen 712 und 716 quer zueinander verlaufen. Ein Drehring 710 ist mit den Enden der zweiten Verbindung 716 drehbar verbunden, und ein Innengehäuse 720 wirkt zusammen mit einer Innengehäusekappe 224 als zweites Gehäuse. Das Innengehäuse ist mit einem rohrförmigen Abschnitt 722 versehen, der durch den Drehring 718 getragen ist. Ein ringrohrförmiger, als Vierpolmagnetring geformter Permanentmagnet 3 wird durch den ringförmigen Abschnitt 722 des Innengehäuses 720 durch eine Lagereinheit getragen, die aus einer Innenschiene 726a, einer Außenschiene 726b und Kugeln 726c besteht. Eine Kammer 740 ist zwischen dem Magneten 3, dem Innengehäuse 720 und der Innengehäusekappe 724 ausgebildet, in die ein Gas, wie beispielsweise Luft, eingefüllt ist. Es ist zu bemerken, daß anstelle der Füllung derselben mit Gas, die Kammer evakuiert sein kann.
Bei der vorstehend genannten Ausführungsform von Fig. 18 veranlaßt eine Winkelbewegung eine Winkelgeschwindigkeit, wie durch einen Pfeil W gezeigt, den Permanentmagneten 3 und das Innengehäuse 720 dazu, in Bezug auf das Außengehäuse 708 durch den Drehring 718 um die Verbindung 716 schräggelegt zu werden, bis das Präzessionsdrehmoment mit einer Federkraft des Magnetfluids 2 ausgeglichen wird. Die Drehung des Permanentmagneten 3, der durch das Lager 726 getragen ist, findet um seine Drehachse in dem Innengehäuse 720 ohne Kontaktaufnahme mit dem Magnetfluid 2 in dem Außengehäuse 710 statt, wodurch die Erzeugung eines Kontaktwiderstands zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem Magnetfluid 2 verhindert wird, wie er bei den voraus stehend genannten Ausführungsformen unvermeidlich auftritt. Dadurch wird bin schnelles Ansprechen des Sensors erreicht, weil eine Zeit verringert wird, die benötigt wird, um eine vorbestimmte Drehzahl des Magnetelements 3 zu erhalten, nachdem der Sensor aktiviert worden ist. Außerdem wird eine hohe Drehzahl des Magneten 3 erreicht, der es erlaubt, daß das Präzessionsdrehmoment erhöht wird, und dadurch wird ein großer Schräglagewinkel θ des Innengehäuses 720 erhalten, um dadurch einen vergrößerten Sensorausgangssignalpegel zu erzeugen.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden sind, können diese durch den Fachmann mannigfaltig modifiziert und geändert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit, mit:

einem vollständig geschlossenen Gehäuse (1),

einem Magnetelement (3), das in dem Gehäuse angeordnet ist und eine erste Achse zur Drehung und zumindest eine zweite Achse quer zur ersten Achse für eine Schräglage des Magnetelements (3) in Bezug auf das Gehäuse (1) hat,

einer Einrichtung (204) zum Drehen des Magnetelements (3) um die erste Achse,

einer Einrichtung zum Steuern der Dreheinrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Geschwindigkeit der Drehzahl des Magnetelements (3) um die erste Achse,

einer Einrichtung (41, 42) zum Ermitteln eines Schräglagegrads des Magnetelements (3) in Bezug auf das Gehäuse (1), während das Magnetelement (3) mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird, und

einer Einrichtung zum Berechnen einer Winkelgeschwindigkeit der Bewegung in Erwiderung auf den ermittelten Grad der Schräglage des Magnetelements (3) in Bezug auf das Gehäuse (1),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung zum Drehen des Magnetelements (3) um die erste Achse zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds ausgelegt ist, das an die Vorrichtung angelegt wird, und zum Drehen des Magnetelements (3) um die erste Achse, ohne das Magnetelement (3) mechanisch zu kontaktieren, ein magnetisches Fluid in das Gehäuse (1) eingefüllt ist,

ein Magnetelement um die erste Achse frei drehbar ist, während es in Bezug auf das Gehäuse gegenüber der elastischen Kraft des Magnetfluids um die zweite Achse durch Anlegen des sich drehenden Magnetfelds schräggelegt werden kann, und

die Einrichtung (41, 42) zum Ermitteln eines Schräglagegrads des magnetischen Elements (3) Elemente umfaßt, die symmetrisch in Bezug auf die erste Achse angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dreheinrichtung Hall-Elemente (121, 122, 123) und elektrische Spulen (131, 132, 133) umfaßt, die in dem Gehäuse sowie um das Magnetelement herum angeordnet sind, wobei die elektrischen Spulen ein Magnetfeld erzeugen und die Hall-Elemente (121, 122, 123) Pole des Magnetelements ermitteln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl von Paaren von elektrischen Spulen (131, 132, 133), die gleichzeitig erregt werden, vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Spulen (131, 132, 133) direkt um das Gehäuse (130) gewickelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dreheinrichtung einen Motor umfaßt, der mechanisch mit dem Gehäuse (1) zum Drehen des Magnetelements (3) über das im Gehäuse (1) vorhandene Magnetfluid verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schräglageermittlungseinrichtung zumindest ein Paar von Hall-Elementen (41, 42) umfaßt, die symmetrisch in Bezug auf die erste Achse angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eines der Hall-Elemente des Paars an einer Seite des Magneten entlang der ersten Achse angeordnet ist, und wobei das andere Hall-Element an seiner anderen Seite angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schräglageermittlungseinrichtung zumindest ein Paar diametral gegenüberliegender Drucksensoren zum Ermitteln des Drucks des Magnetfluids in dem Gehäuse umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglageermittlungseinrichtung zumindest ein Paar diametral gegenüberliegender Hall-Elemente in Bezug auf die erste Achse umfaßt, und wobei das Gehäuse aus einem keramischen Material hergestellt ist und sämtliche der Hall-Elemente und der elektrischen Spulen integral mit dem keramischen Gehäuse ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglageermittlungseinrichtung (430) einen Differenzverstärkerschaltkreis (203) zum Verstärken der Signale umfaßt, die durch die Elemente (41, 42) ermittelt werden, während das Ausgangssignal des Verstärkers in die Berechnungseinrichtung eingespeist wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärkerschaltkreis (203) Differenzverstärkermittel erster und zweiter Stufe umfaßt, die miteinander durch Wechselstromkopplungen (614, 616) verschaltet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (1) axial beabstandete Innenwände und das Magnetelement (3) axial beabstandete Außenwände hat, wobei die Innenwand des Gehäuses (1) ein Paar gegenüberliegender Bereiche hat, die zu den gegenüberliegenden Außenwänden des Magnetelements (3) jeweils entlang der ersten Achse vorspringen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Innenwände eine konische Gestalt haben.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, zusätzlich umfassend gegenüberliegende Paare von Vorsprüngen, die symmetrisch um die erste Achse und in Kontakt mit dem Magnetelement derart angeordnet sind, daß eine Schräglage des Magnetelements um die zweite Achse lediglich um die zweite Achse zugelassen wird, die in einer Ebene liegt, in der die Paare von Vorsprüngen angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse axial beabstandete Innenwände und das Magnetelement (3) axial beabstandete Außenwände hat, wobei die Innenwände des Gehäuses (1) jeweils ein Paar gegenüberliegender Ausnehmungen entlang der ersten Achse hat, und ferner umfassend eine Welle, die mit dem Magnetelement (3) längs seiner ersten Achse verbunden ist, wobei die Welle gegenüberliegende Enden hat, die jeweils benachbart zu den jeweiligen Ausnehmungen angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Innenwände des Gehäuses an anderen Punkten als den gegenüberliegenden ausgenommenen Bereichen nach innen verjüngt sind.