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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf einen Winkellagesensor, welcher so arbeitet,
daß er
eine Winkellage eines drehbaren Elements mißt, und insbesondere auf einen
verbesserten Aufbau eines solchen Winkellagesensors, der so ausgelegt
ist, daß er
eine magnetische Flußdichte
erfaßt,
welche eine höhere
Linearität
aufweist.
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2. Stand der
Technik
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Typische Winkellagesensoren, die
so arbeiten, daß sie
eine Winkellage einer drehbaren Welle messen, sind aus einem ringförmigen Magneten
mit einem N-Pol und einem S-Pol,
welche in einer Umfangsrichtung hiervon angeordnet sind, einem um den
Umfang des Magneten herum angeordneten Magnetjoch und Magnetsensoren
aufgebaut. Das Magnetjoch weist hierin ausgebildete Radialnuten
auf, welche Luftspalte ausbilden. Die Magnetsensoren sind innerhalb
der Luftspalte angeordnet und arbeiten so, daß sie magnetische Flußdichten
in den Luftspalten messen. Beispielsweise lehrt US-P-Nr. 5,528,139
an Oudet et al., ausgegeben am 18. Juni 1996 (entsprechend dem japanischen
Patent Nr. 2842482) einen solchen Typ eines Winkellagesensors.
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Der N-Pol und der S-Pol des Magneten
sind mit einem Winkelabstand von 180° angeordnet und erzeugen eine
magnetische Flußdichte,
welche sich mit einer konstanten Rate in der Umfangsrichtung des
Magneten ändert.
Dies bewirkt, daß sich
die magnetische Flußdichte,
wie sie durch Magnetsensoren gemessen wird, auf eine Drehung der
drehbaren Welle hin in der Form einer Sinuswelle ändert. Daher ist
es unmöglich,
daß die
Magnetsensoren die magnetische Flußdichte messen, welche eine
höhere
Linearität
aufweist. Eine Bestimmung einer absoluten Winkellage der drehbaren
Welle erfordert umfangreiche Operationen an trigonometrische Funktionen und/oder
die Verwendung einer Karte, wodurch das Problem hervorgerufen wird,
daß die
Betriebslast des Systems unerwünscht
hoch ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der
Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
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Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung,
einen Winkellagesensor bereitzustellen, der so ausgelegt ist, daß er eine
magnetische Flußdichte
mißt, welche
eine höhere
Linearität
aufweist.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird
ein Winkellagesensor bereitgestellt, welcher in Servolenkungsvorrichtungen
für Kraftfahrzeuge
eingesetzt werden kann. Der Winkellagesensor weist auf: (a) ein
mit einem drehbaren Bauteil verbundenes hartmagnetisches Bauteil,
wobei das hartmagnetische Bauteil einen Umfang aufweist und in einer
Umfangsrichtung hiervon magnetisiert ist, um ein magnetisches Feld
hierherum zu erzeugen; (b) ein weichmagnetisches Bauteil, welches
innerhalb des durch das hartmagnetische Bauteil erzeugten Magnetfeldes
angeordnet ist, um einen magnetischen Kreis auszubilden, wobei eine
Drehung des drehbaren Bauteils so, daß sich eine relative Lage zwischen dem
Magnetfeld und dem hartmagnetischen Bauteil ändert, bewirkt, daß sich eine
magnetische Flußdichte
in dem magnetischen Kreis ändert;
und (c) einen Magnetflußdichtenmeßsensor,
welcher mit einem Abstand von dem weichmagnetischen Bauteil entfernt
angeordnet ist. Der Magnetflußdichtenmeßsensor
arbeitet so, daß er
die magnetische Flußdichte
in dem magnetischen Kreis mißt,
um ein Signal als eine Funktion der magnetischen Flußdichte
als eine Angabe einer Winkellage des drehbaren Bauteils zu erzeugen.
Das hartmagnetische Bauteil ist so ausgelegt, daß es einen innerhalb eines
gegebenen Winkelbereichs in einer Umfangsrichtung hiervon im Betrag
im wesentlichen einheitlichen magnetischen Fluß erzeugt, wodurch bewirkt
wird, daß die
Dichte eines in dem magnetischen Kreis entwickelten magnetischen
Flusses sich im wesentlichen in Proportion zu einer Änderung
einer Winkellage des drehbaren Bauteils ändert, was ermöglicht,
daß der
Winkellagesensor auf eine Drehung des drehbaren Bauteils hin eine Änderung
im Ausgang bereitstellt, welche eine höhere Linearität aufweist.
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In der bevorzugten Art der Erfindung
weist das hartmagnetische Bauteil einen ersten magnetischen Pol
und einen zweiten magnetischen Pol auf, welche sich in einer Polarität voneinander
unterscheiden und an Enden hiervon miteinander verbunden sind, um
den Umfang des hartmagnetischen Bauteils zu definieren. Der erste
und der zweite magnetische Pol arbeiten so, daß sie den magnetischen Fluß erzeugen,
welcher innerhalb von Winkelbereichen, die um mittlere Abschnitte
des ersten und des zweiten magnetischen Pols in der Umfangsrichtung des
hartmagnetischen Bauteils herum definiert sind, im Betrag im wesentlichen
einheitlich ist. Dieser Aufbau stellt eine Änderung in einem Betrag des
auf eine Drehung des drehbaren Bauteils hin erzeugten magnetischen
Flusses in der Form im wesentlichen einer rechteckigen Welle innerhalb
des Winkelbereichs um den mittleren Abschnitt sowohl des ersten
als auch des zweiten magnetischen Pols herum bereit.
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Die mittleren Abschnitte des ersten
und des zweiten magnetischen Pols können eine in einer Richtung
senkrecht zu einer sich über
den Umfang des hartmagnetischen Bauteils erstreckenden Ebene definierte
Dicke aufweisen, die kleiner ist als eine Dicke von Abschnitten
des ersten und des zweiten magnetischen Pols um Verbindungsstellen
zwischen Enden des ersten und des zweiten magnetischen Pols herum.
Insbesondere sind die mittleren Abschnitte des ersten und des zweiten
magnetischen Pols dünner,
in anderen Worten, Randbereiche des ersten und des zweiten magnetischen
Pols sind kleiner als jene der Abschnitte um die Verbindungsstellen
zwischen den Enden des ersten und des zweiten magnetischen Pols
herum, sodaß ein
Gesamtbetrag eines von den mittleren Abschnitten her erzeugten magnetischen
Flusses im Vergleich mit einem Fall, daß der erste und der zweite
magnetische Pol eine über
den Umfang des hartmagnetischen Bauteils einheitliche Dicke aufweisen,
verringert ist, wodurch sich die Einheitlichkeit des Betrags des
magnetischen Flusses innerhalb der um die mittleren Abschnitte des
ersten und des zweiten magnetischen Pols herum definierten Winkelbereiche
ergibt.
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Die mittleren Abschnitte des ersten
und des zweiten magnetischen Pols können ersatzweise eine in einer
parallel zu einer sich über
den Umfang des hartmagnetischen Bauteils erstreckenden Ebene orientierten
Richtung definierte Breite aufweisen, welche kleiner ist als eine
Breite der Abschnitte des ersten und des zweiten magnetischen Pols
um die Verbindungsstellen zwischen Enden des ersten und des zweiten
magnetischen Pols herum. Insbesondere sind die Randbereiche des
ersten und des zweiten magnetischen Pols kleiner als jene der Abschnitte
um die Verbindungsstellen zwischen den Enden des ersten und des
zweiten magnetischen Pols herum, sodaß ein Gesamtbetrag eines von
den mittleren Abschnitten her erzeugten magnetischen Flusses im Vergleich
mit einem Fall, daß der
erste und der zweite magnetische Pol die über den Umfang des hartmagnetischen
Bauteils einheitliche Breite aufweisen, verringert ist, wodurch
sich die Einheitlichkeit des Betrags des magnetischen Flusses innerhalb
der um die mittleren Abschnitte des ersten und des zweiten magnetischen
Pols herum definierten Winkelbereiche ergibt.
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Das hartmagnetische Bauteil kann
ersatzweise weichmagnetische Unterbauteile aufweisen, welche so
arbeiten, daß sie
einen von dem ersten und dem zweiten magnetischen Pol her erzeugten magnetischen
Fluß in
den magnetischen Fluß umwandeln,
der innerhalb des gegebenen Winkelbereichs im wesentlichen einheitlich
im Betrag ist. Die weichmagnetischen Unterbauteile sind auf äußeren Rändern der
mittleren Abschnitte des ersten und des zweiten magnetischen Pols
angeordnet.
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In der Struktur, in welcher das hartmagnetische
Bauteil die in der Richtung senkrecht zu einer sich über den
Umfang hiervon erstreckenden Ebene definierte Dicke aufweist, die
kleiner ist als die des weichmagnetischen Bauteils, können das
hartmagnetische Bauteil und das weichmagnetische Bauteil so angeordnet
sein, daß eine
auf einer Umfangsmittellinie des hartmagnetischen Bauteils in einer
Dickenrichtung hiervon definierte Ebene mit einer auf einer Umfangsmittellinie
des weichmagnetischen Bauteils in einer Dickenrichtung hiervon definierten Ebene
zusammenfällt.
Dieser Aufbau dient dazu, das hartmagnetische Bauteil innerhalb
des weichmagnetischen Bauteils in einer Dickenrichtung des hartmagnetischen
Bauteils auch dann zu halten, wenn eine leichte Verschiebung zwischen
dem hartmagnetischen Bauteil und dem weichmagnetischen Bauteil in der
Dickenrichtung des hartmagnetischen Bauteils auftritt, wodurch eine Änderung
in einer durch den Magnetflußdichtenmeßsensor
zu messenden magnetischen Flußdichte
minimiert wird.
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Der Winkellagesensor kann ferner
eine magnetische Abschirmung aufweisen, welche das weichmagnetische
Bauteil umgibt, um einen von äußeren magnetischen
Störungen
herrührenden
Fehler eines Sensorausgangs zu minimieren.
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Das weichmagnetische Bauteil kann
einen Umfang aufweisen und außerhalb
des Umfangs des hartmagnetischen Bauteils angeordnet sein. Das weichmagnetische
Bauteil kann hierin ausgebildet einen ersten, einen zweiten, einen
dritten und einen vierten Spalt mit einem Abstand von näherungsweise 90° in einer
Umfangsrichtung des weichmagnetischen Bauteils aufweisen. Ein Abstand
zwischen einem äußeren Umfang
des weichmagnetischen Bauteils und der magnetischen Abschirmung
ist größer als
eine Länge
jedes des ersten bis vierten Spalts in der Umfangsrichtung des weichmagnetischen
Bauteils, wodurch ein Abfließen
des magnetischen Flusses von dem weichmagnetischen Bauteil zu der
magnetischen Abschirmung vermieden wird.
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Die Breiten des ersten und des zweiten
magnetischen Pols des hartmagnetischen Bauteils, die in der Richtung
senkrecht zu der sich über
die Umfangsrichtung des hartmagnetischen Bauteils erstreckenden
Ebene definiert sind, können
in Richtung der Umfangsmitten des ersten und des zweiten magnetischen
Pols abnehmen. Insbesondere sind die Randbereiche um die Umfangsmitten
des ersten und des zweiten magnetischen Pols herum kleiner als jene der
Abschnitte um die Verbindungsstellen zwischen den Enden des ersten
und des zweiten magnetischen Pols herum, sodaß ein Gesamtbetrag eines von
den mittleren Abschnitten her erzeugten magnetischen Flusses im
Vergleich mit dem Fall, daß der erste
und der zweite magnetische Pol die über den Umfang des hartmagnetischen
Bauteils einheitliche Breite aufweisen, verringert ist, wodurch
sich die Einheitlichkeit bzw. Gleichförmigkeit des Betrags des magnetischen
Flusses innerhalb der um die mittleren Abschnitte des ersten und
des zweiten magnetischen Pols herum definierten Winkelbereiche ergibt.
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Sowohl das hartmagnetische Bauteil
als auch das weichmagnetische Bauteil können einen kreisförmigen inneren
Umfang aufweisen. Das hartmagnetische Bauteil kann einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Umfang
aufweisen, der durch eine Geometrie definiert ist, daß Breiten
der Umfangsmitten des ersten und des zweiten magnetischen Pols in
der Richtung senkrecht zu der Umfangsrichtung des hartmagnetischen
Bauteils kleiner sind als Breiten von Verbindungsstellen zwischen dem
ersten und dem zweiten magnetischen Pol.
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In dem Aufbau, in welchem die Dicke
des hartmagnetischen Bauteils in der Richtung senkrecht zu der sich über den
Umfang des hartmagnetischen Bauteils erstreckenden Ebene größer ist
als die des weichmagnetischen Bauteils, können Enden des hartmagnetischen
Bauteils, die in der Richtung senkrecht zu der sich über den
Umfang des hartmagnetischen Bauteils erstreckenden Ebene gegenüberliegen,
außerhalb
von Enden des weichmagnetischen Bauteils in der Richtung senkrecht
zu dem Umfang des hartmagnetischen Bauteils hervorstehen.
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Dies bewirkt, daß der magnetische Fluß von Ecken
bzw. Kanten des hartmagnetischen Bauteils aus aus dem weichmagnetischen
Bauteil herausfließt,
was dazu dient, hereinkommende Eisenpulver anzuziehen, um ein Festsetzen
hiervon an dem inneren Rand des weichmagnetischen Bauteils und einem
gegenüberliegenden
Abschnitt des äußeren Rands
des hartmagnetischen Bauteils zu vermeiden, was die Stabilität eines
Fließens
des magnetischen Flusses von dem hartmagnetischen Bauteil zu dem inneren
Rand des weichmagnetischen Bauteils für eine verlängernde Zeitdauer sicherstellt.
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Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt
der Erfindung wird eine Winkellagebestimmungsvorrichtung bereitgestellt,
welche aufweist: (A) einen Winkellagesensor, enthaltend (a) ein
mit einem drehbaren Bauteil verbundenes hartmagnetisches Bauteil, wobei
das hartmagnetische Bauteil einen Umfang aufweist und in einer Umfangsrichtung
hiervon magnetisiert ist, um ein Magnetfeld hierherum zu erzeugen,
und arbeitet, um einen magnetischen Fluß zu erzeugen, welcher innerhalb
eines gegebenen Winkelbereichs in einer Umfangsrichtung hiervon
im Betrag im wesentlichen einheitlich ist, wobei das hartmagnetische
Bauteil einen ersten magnetischen Pol und einen zweiten magnetischen
Pol, der sich in der Polarität
von dem ersten magnetischen Pol unterscheidet, aufweist, wobei der
erste und der zweite magnetische Pol an Enden hiervon an Orten 180° entfernt voneinander
in einer Umfangsrichtung des hartmagnetischen Bauteils verbunden
sind, (b) ein weichmagnetisches Bauteil, welches außerhalb
des Umfangs des hartmagnetischen Bauteils innerhalb des durch das
hartmagnetische Bauteil erzeugten Magnetfelds angeordnet ist, um
einen magnetischen Kreis auszubilden, wobei eine Drehung des drehbaren
Bauteils derart, daß eine
Relativlage zwischen dem Magnetfeld und dem hartmagnetischen Bauteil
geändert wird,
eine Änderung einer
magnetischen Flußdichte in
dem magnetischen Kreis bewirkt, wobei das weichmagnetische Bauteil
hierin unter einem Abstand von näherungsweise
90° ausgebildete
Spalte aufweist, und (c) einen Magnetflußdichtenmeßsensor, der ein erstes und
ein zweites Sensorelement aufweist, die jeweils in zweien der Spalte,
die in der Umfangsrichtung des weichmagnetischen Bauteils nebeneinander
liegen, angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Sensorelement
so arbeiten, daß sie
magnetische Flußdichten
innerhalb der zwei Spalte messen und diese anzeigende elektrische
Signale erzeugen; und (B) eine Winkellageberechnungsschaltung, welche
so arbeitet, daß sie
eine Winkellage des drehbaren Bauteils auf der Grundlage der durch
den Magnetflußdichtenmeßsensor
erzeugten elektrischen Signale berechnet. Insbesondere sind die
Dichten des in den Spalten erzeugten magnetischen Flusses um 90° in der Phase
zueinander verschoben, sodaß Ausgänge des
ersten und des zweiten Sensorelements ebenfalls um 90° in der Phase
zueinander verschoben sein werden, was es ermöglicht, daß die Winkellageberechnungsschaltung
die Winkellage des drehbaren Bauteils in einem vollständigen Winkelbereich
bestimmt.
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Die Winkellageberechnungsschaltung
ist so ausgelegt, daß sie
die elektrischen Signale kombiniert, um die Winkellage des drehbaren
Bauteils innerhalb des vollständigen
Winkelbereichs zu bestimmen.
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Die Winkellageberechnungsschaltung
ist so ausgelegt, daß sie
wenigstens eine von Additions-, Subtraktions-, Multiplikations-
und Divisionsvorgängen
an den durch den Magnetflußdichtenmeßsensor bereitgestellten
elektrischen Signalen durchführt, was
zu einer Abnahme in der Betriebslast der Winkellageberechnungsschaltung
führt.
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Das drehbare Element kann eine mit
einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs verbundene Lenkwelle sein.
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Gemäß dem dritten Gesichtspunkt
der Erfindung wird eine Winkellagebestimmungsvorrichtung bereitgestellt,
welche aufweist: (a) ein mit einem drehbaren Bauteil verbundenes
ringförmiges
hartmagnetisches Bauteil, wobei das hartmagnetische Bauteil einen
ersten magnetischen Pol und einen zweiten magnetischen Pol, der
sich in der Polarität
von dem ersten magnetischen Pol unterscheidet, beinhaltet, wobei
der erste und der zweite Pol an Enden hiervon an Orten 180° entfernt
voneinander in einer Umfangsrichtung des hartmagnetischen Bauteils
verbunden sind, wobei das hartmagnetische Bauteil so ausgelegt ist,
daß es
einen magnetischen Fluß erzeugt,
welcher innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs in einer Umfangsrichtung
hiervon einen im wesentlichen einheitlichen Betrag aufweist; (b)
ein weichmagnetisches Bauteil, welches außerhalb eines Umfangs des hartmagnetischen
Bauteils angeordnet ist, welches hierin ausgebildete, mit einem
Abstand von näherungsweise
90° angeordnete
Spalte aufweist, wobei die Drehung des drehbaren Elements, um eine
Relativlage zwischen dem hartmagnetischen Bauteil und dem weichmagnetischen
Bauteil zu ändern,
eine Änderung
einer magnetische Flußdichte
in den Spalten bewirkt; (c) in jeweils einem von zweien der Spalte,
die in einer Gruppenrichtung der Spalte nebeneinander liegen, angeordnete Magnetflußdichtenmeßsensoren,
wobei die Magnetflußdichtenmeßsensoren
so arbeiten, daß sie
magnetische Flußdichten
innerhalb der zwei Spalte messen und diese anzeigende elektrische
Signale erzeugen, welche im wesentlichen um 90° in der Phase zueinander verschobene
Dreiecks- bzw. Sägezahnwellen
zeigen und von denen jedes einen geraden Abschnitt aufweist; und
(d) eine Winkellageberechnungsschaltung, welche so arbeitet, daß sie die
geraden Abschnitte der Sägezahnwellen kombiniert
und korrigiert, um eine im wesentlichen einzige gerade Linie auszubilden.
Die Winkellageberechnungsschaltung berechnet eine Winkellage des
drehbaren Bauteils unter Verwendung der geraden Linie. Dieser Aufbau
dient dazu, Ausgänge
der Magnetdichtenmeßsensoren
als eine Funktion einer Änderung
in einer Winkellage des drehbaren Bauteils bereitzustellen, welche
eine höhere
Linearität
aufweisen. Die vorgenannte Kombination und Korrektur minimiert einen
Fehler bei einer Bestimmung der Winkellage des drehbaren Bauteils.
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Die durch die Magnetflußdichtenmeßsensoren
erzeugten elektrischen Signale sind Spannungssignale, deren Pegel
sich als eine Funktion der Winkellage des drehbaren Bauteils ändern. Die
Korrektur der geraden Abschnitte der Sägezahnwellen wird in der Winkellageberechnungsschaltung
dadurch erreicht, daß Segmente
aus den geraden Abschnitten, von denen sich jeder über einen
von vorgewählten Winkelbereichen
einer Drehung des drehbaren Bauteils erstreckt, extrahiert werden,
Vorzeichen von Steigungen bzw. Inklinationen der Segmente in Übereinstimmung
miteinander gebracht werden, die Segmente parallel bewegt werden,
um einen Spannungspegel eines Endes jedes der Segmente in Übereinstimmung
mit dem eines Endes eines benachbarten der Segmente zu bringen,
und die bewegten Segmente verbunden werden, um eine einzige Spannung-zu-Winkel-Linie
zu erzeugen, eine gerade Spannung-zu-Winkel-Linie definiert wird,
die sich zwischen einem maximalen Spannungspegel und einem minimalen
Spannungspegel, welche durch die einzige Spannung-zu-Winkel-Linie
angegeben sind, erstreckt, ein Spannungskorrekturwert, der benötigt wird,
um den mittleren Spannungspegel in Übereinstimmung mit einem idealen
zu bringen, bestimmt wird und ein Inklinationskorrekturwert, der
benötigt
wird, um eine Inklination der geraden Spannung-zu-Winkel-Linie in Übereinstimmung
mit einer idealen zu bringen, bestimmt wird.
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Jeder der Magnetflußdichtenmeßsensoren kann
so ausgelegt sein, daß er
die elektrischen Signale korrigiert, um einen von einer Umgebungstemperatur
herrührenden
Fehler zu kompensieren.
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Jeder der Magnetflußdichtenmeßsensoren kann
mit einer Temperatur-zu-Korrekturwert-Karte ausgestattet sein. Jeder
der Magnetflußdichtenmeßsensoren
arbeitet so, daß er
einen Korrekturwert von der Tempertur-zu-Korrrekturwert-Karte, welcher der Umgebungstemperatur
entspricht, aufnimmt und das elektrische Signal unter Verwendung
des Korrekturwerts korrigiert.
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Die Winkellageberechnungsschaltung
kann hierin einen idealen maximalen Spannungspegel und einen idealen
minimalen Spannungspegel der elektrischen Signale speichern, eine
erste Differenz zwischen einem tatsächlichen maximalen Spannungspegel
der elektrischen Signale und dem idealen maximalen Spannungspegel
und eine zweite Differenz zwischen einem tatsächlichen minimalen Spannungspegel
und dem idealen minimalen Spannungspegel bestimmen und den tatsächlichen
maximalen und minimalen Spannungspegel unter Verwendung der ersten
und der zweiten Differenz korrigieren. Üblicherweise nimmt der Betrag
des durch das hartmagnetische Bauteil erzeugten magnetischen Flusses mit
einem Anstieg der Umgebungstemperatur allmählich ab, was zu einer Abnahme
in der durch die Magnetflußdichtenmeßsensoren
zu messenden magnetischen Flußdichten
führt.
Dies wird einen Abfall der Spannungspegel von Ausgängen der
Magnetflußdichtenmeßsensoren
bewirken. Um dieses Problem zu beseitigen, ist die Winkellageberechnungsschaltung
so ausgelegt, daß sie
Abfälle
in Spannungspegeln der Ausgänge
aus den Magnetflußdichtenmeßsensoren
in der vorgenannten Weise ausgleicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird aus
der nachstehend gegebenen genauen Beschreibung und aus den begleitenden
Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, welche jedoch nicht genommen werden sollten, um die
Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen zu begrenzen,
sondern nur dem Zwecke der Erläuterung
und des Verständnisses
dienen, vollständiger
verstanden werden.
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In den Zeichnungen:
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ist 1(a) eine
Seitenansicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 1(b) eine
Querschnittsansicht entlang der Linie I-I in 1(a), welche einen Winkellagedetektor
der ersten Ausführungsform
zeigt;
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ist 2 eine
perspektivische Ansicht, welche einen Magneten des Winkellagesensors
von 1(a) und 1(b) zeigt;
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ist 3(a) eine
Draufsicht, welche eine Orientierung eines aus dem Magneten von 2 herausfließenden magnetischen
Flusses zeigt;
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ist 3(b) ein
Graph, welcher eine periodische Welle zeigt, die eine Änderung
in einem Betrag eines magnetischen Flusses auf eine Drehung einer Drehwelle
hin, an welcher ein Magnet befestigt ist, angibt;
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ist 4(a) eine
Querschnittsansicht, welche eine Lagebeziehung zwischen einem Magneten und
einer Drehwelle zeigt, wenn sich die Drehwelle in einer Winkellage
von 0° befindet;
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ist 4(b) eine
Querschnittsansicht, welche eine Lagebeziehung zwischen einem Magneten und
einer Drehwelle zeigt, wenn sich die Drehwelle in einer Winkellage
von 90° befindet;
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ist 4(c) eine
Querschnittsansicht, welche eine Lagebeziehung zwischen einem Magneten und
einer Drehwelle zeigt, wenn sich die Drehwelle in einer Winkellage
von 180° befindet;
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ist 4(d) ein
Graph, welcher periodische Wellen zeigt, die Änderungen in Ausgangsspannungen
von Sensorelementen eines Magnetsensors auf eine Drehung einer Drehwelle
hin, an welcher ein Magnet befestigt ist, angeben;
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ist 5 ein
Flußdiagramm
eines Programms, welches in einer Winkellageberechnungsschaltung
ausgeführt
wird, um eine eine Winkellage einer Drehwelle angebende Ausgangsspannung
zu erzeugen;
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ist 6 ein
Graph, welcher die Ausgangsspannung zeigt, wie sie durch das Programm
von 5 erzeugt wird;
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ist 7(a) eine
Seitenansicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 7(b) eine
Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII in 7(a), welche einen Winkellagedetektor
der zweiten Ausführungsform
zeigt;
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ist 8(a) eine
Schnittansicht entlang der Länge
einer Drehwelle, an welcher ein Magnet befestigt ist, welche einen
Winkellagedetektor gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 8(b) eine
Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII in 8(a);
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ist 9 eine
Querschnittsansicht, welche einen um den Winkellagedetektor von 8(a) herum fließenden magnetischen
Fluß zeigt;
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ist 10 eine
Querschnittsansicht, welche eine Modifikation des Winkellagedetektors
von 8(a) zeigt;
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ist 11 eine
Schnittansicht, welche eine elektrische Servolenkungsvorrichtung
zeigt, die mit einem Winkellagedetektor gemäß der vierten Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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ist 12(a) eine
Draufsicht, welche einen Magneten eines Winkellagesensors gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 12(b) eine
Draufsicht, welche eine Modifikation des in 12(a) dargestellten Magneten zeigt;
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ist 13(a) eine
Draufsicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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ist 13(b) eine
senkrechte Schnittansicht, welche einen Schnitt entlang der Linie
A-A in 13(a) zeigt;
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ist 14 eine
Draufsicht, welche eine Modifikation des in 13(a) dargestellten Winkellagesensors
zeigt;
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ist 15(a) eine
Draufsicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 15(b) eine
Seitenansicht von 15(a);
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ist 16(a) eine
Seitenansicht, welche eine Modifikation des Winkellagesensors der
sechsten Ausführungsform
zeigt;
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ist 16(b) eine
Querschnittsansicht von 16(a);
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ist 17 ein
Graph, welcher ideale Wellen zeigt, die Änderungen in einer Ausgangsspannung von
Sensorelementen eines in einem Winkellagesensor eingebauten Magnetsensors
auf eine Drehung einer Drehwelle hin gemäß der siebenten Ausführungsform
angeben;
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ist 18 ein
Graph, welcher eine ideale Welle zeigt, die eine Änderung
in einer Ausgangsspannung einer Winkellageberechnungsschaltung der
siebenten Ausführungsform
angibt;
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ist 19 ein
Graph, welcher Wellen zeigt, die tatsächliche Änderungen in einer Ausgangsspannung
von Sensorelementen eines in einem Winkellagesensor eingebauten
Magnetsensors auf eine Drehung einer Drehwelle hin gemäß der siebenten
Ausführungsform
angeben;
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ist 20 ein
Graph, welcher eine Ausgangsspannung einer Winkellageberechnungsschaltung
in dem Fall zeigt, daß gerade
Segmente von Wellenformen von Ausgangsspannungen von Sensorelementen
nicht aneinander ausgerichtet sind;
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ist 21 ein
Graph, welcher eine Ausgangsspannung einer Winkellageberechnungsschaltung
nach Korrektur zeigt;
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ist 22 ein
Flußdiagramm
eines Programms, welches durch eine Winkellageberechnungsschaltung
ausgeführt
wird, um die Ausgangsspannung, wie in 21 dargestellt,
zu erzeugen;
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ist 23 ein
Graph, welcher eine ideale Welle zeigt, die eine Änderung
in einer Ausgangsspannung einer Winkellageberechnungsschaltung gemäß der achten
Ausführungsform
der Erfindung angibt;
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ist 24(a) eine
Draufsicht, welche ein Beispiel eines den in 12(b) dargestellten Magneten verwendenden
Winkellagesensors zeigt;
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ist 24(b) eine
Draufsicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der neunten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 25 ein
Graph, welcher den Betrag eines durch einen in den Winkellagesensor,
wie er in 24(b) dargestellt
ist, eingebauten Magneten erzeugten magnetischen Flusses zeigt;
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ist 26 eine
Draufsicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der zehnten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 27(a) eine
senkrechte Schnittansicht, welche einen Winkellagesensor gemäß der elften Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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ist 27(b) eine
senkrechte Schnittansicht, welche eine Modifikation des Winkellagesensors
von 27(a) zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in
welchen sich gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Ansichten auf
gleiche Teile beziehen, insbesondere auf 1(a) und 1(b),
ist dort ein Winkellagedetektor 1 gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
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Der Winkellagedetektor 1 besteht
im wesentlichen aus einem Winkellagesensor, der auf einem äußeren Rand
einer Drehwelle 2 installiert ist, und einer Winkellageberechnungsschaltung 6.
Die Winkellageberechnungsschaltung 6 ist so ausgelegt,
daß sie
eine Winkellage der Drehwelle 2 unter Verwendung eines
Ausgangs des Winkellagesensors bestimmt.
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Der Winkellagesensor beinhaltet einen
aus einem hartmagnetischen Material hergestellten Magneten 3,
ein aus einem weichmagnetischen Material hergestelltes Joch 4 und
einen Magnetsensor 5, der arbeitet, um die Dichte eines
magnetischen Flusses zu messen.
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Der Magnet 3 ist von ringförmiger Gestalt und
an dem äußeren Rand
der Drehwelle 2 befestigt. Der Magnet 3 ist aus
zwei halbkreisförmigen
Teilen aufgebaut: einer mit einem N-Pol 3a, und der andere mit
einem S-Pol 3b. Der N-Pol 3a und
der S-Pol 3b sind an Enden hiervon an Orten, die 180° voneinander
entfernt sind, integral miteinander verbunden. Der Magnet 3 weist,
wie in 2 gezeigt, eine
Dicke h auf, welche von Verbindungsstellen 3c zwischen dem
N-Pol 3a und dem S-Pol 3b aus zu Umfangsmitten
des N-Pols 3a und des S-Pols 3b hin abnimmt.
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Das Joch 4 ist von ringförmiger Gestalt
und aus vier Segmenten 4a bis 4b (nachstehend
auch als ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Jochsegment
bezeichnet) aufgebaut, welche in einem Kreis um den Rand des Magneten
3 herum durch Luftspalte 41, die näherungsweise 90° voneinander
entfernt liegen, angeordnet sind. Das Joch 4 weist, wie
in 1(a) gezeigt, eine
Dicke auf, die größer ist
als die des Magneten 3. Die Umfangsmittellinie des Jochs 4 (d.
h., eine Linie, die sich durch die Mitte der Dicke des Jochs 4 hindurch
erstreckt) fällt mit
der des Magneten 3 über
den gesamten Umfang hiervon zusammen. In anderen Worten, der Magnet 3 und
das Joch 4 sind so angeordnet, daß eine auf der Umfangsmittellinie
des Magneten 3 in einer Dickenrichtung hiervon definierte
Ebene mit jener zusammenfällt,
die auf der Umfangsmittellinie des Jochs 4 in einer Dickenrichtung
hiervon definiert ist.
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Der Magnetsensor 5 ist aus
einem ersten Sensorelement 5a und einem zweiten Sensorelement 5b aufgebaut.
Das erste Sensorelement 5a ist innerhalb des Spalts 41 zwischen
dem ersten und dem vierten Jochsegment 4a und 4b angeordnet. Das
zweite Sensorelement 5b ist innerhalb des Spalts 41 zwischen
dem ersten und dem zweiten Jochsegment 4a und 4d angeordnet.
Das erste und das zweite Element 5a und 5b arbeiten,
um einen in den Spalten 41 entwickelten magnetischen Fluß so zu
messen, daß sie
jeweils die Dichte des magnetischen Flusses angeben. Das erste und
das zweite Sensorelement 5a und 5b sind von dem
Joch 4 getrennt und jeweils beispielsweise durch einen Hall-Sensor, einen Hall-IC
oder eine magneto-resistive Vorrichtung, die so arbeitet, daß sie ein
elektrisches Signal (z. B. ein Spannungssignal) als eine Funktion
der Dichte eines magnetischen Flusses innerhalb des Spalts 41 an
die Winkellageberechnungsschaltung 6 ausgibt, implementiert.
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Die Winkellageberechnungsschaltung 6 arbeitet,
um eine Winkellage (d. h. einen Absolutwinkel) der Drehwelle 2 unter
Verwendung der von dem ersten und dem zweiten Sensorelement 5a und 5b ausgegebenen
elektrischen Signale zu bestimmen. Insbesondere kombiniert oder
verbindet die Winkellageberechnungsschaltung 6 die Ausgänge des
ersten und des zweiten Sensorelements 5a und 5b miteinander,
um die Winkellage der Drehwelle 2 über 90° zu bestimmen.
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Die Dichte des durch den Magneten 3 erzeugten
magnetischen Flusses wird nachstehend beschrieben werden.
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Die Dicke h des Magneten 3 nimmt,
wie oben beschrieben, von den Verbindungsstellen 3c zwischen
den Enden des N-Pols 3a und den Enden des S-Pols 3b aus
zu den Umfangsmitten hiervon hin ab, sodaß die Dicke der Umfangsmitten
des N-Pols 3a und des S-Pols 3b kleiner ist als
die der Verbindungsstellen 3c. Insbesondere ist eine Fläche einer
Randoberfläche
um die Umfangsmitten des N-Pols 3a und des S-Pols 3b des
Magneten 3 kleiner als in dem Fall, daß die Dicke h über den
gesamten Umfang des Magneten konstant ist. In anderen Worten, der
Betrag eines in der Radiusrichtung des Magneten 3 von den
Umfangsmitten des N-Pols 3a und des S-Pols 3b her,
welche die größte magnetische
Flußdichte
aufweisen, erzeugten magnetischen Flusses ist verringert. Dies bewirkt,
daß ein
Gesamtbetrag eines magnetischen Flusses um die Umfangsmitten des
N-Pols 3a und des S-Pols 3b des Magneten 3 herum
nahezu gleichförmig
ist. Eine Drehung des Magneten 3 (d. h. der Drehwelle 2)
wird bewirken, daß sich
der Betrag des durch jedes der Sensorelemente 5a und 5b des Magnetsensors 5 fließenden magnetischen
Flusses zyklisch in der Form einer Welle ändert, wie in 3(b) gezeigt. Der Betrag des magnetischen
Flusses innerhalb eines Bereichs X (d. h., um die Umfangsmitte des
N-Pols 3a herum) ist im wesentlichen identisch mit dem
innerhalb eines Bereichs Y (um die Umfangsmitte des N-Pols 3b herum).
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Eine Abnahme in der Dicke h des Magneten 3 von
den Verbindungsstellen 3c zwischen dem N-Pol 3a und
dem S-Pol 3b aus ist so ausgewählt, daß der Betrag eines von einer
Stelle um jede der Umfangsmitten des N-Pols 3a und des
S-Pols 3b herum erzeugten magnetischen Flusses im wesentlichen
konstant ist.
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Eine Änderung der magnetischen Flußdichte,
wie sie durch den Magnetsensor 5 gemessen wird, wenn sich
die Drehwelle 2 in einer Umfangsrichtung hiervon dreht,
wird nachstehend mit Bezug auf 4(a) bis 4(d) beschrieben werden.
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Wenn die Drehwelle 2, wie
in 4(a) gezeigt, sich
in einer Winkellage I von Null (0°)
befindet, fließt
kein magnetischer Fluß durch
den Spalt 41 zwischen dem ersten und dem vierten Jochsegment 4a und 4d,
sodaß die
magnetische Flußdichte
Null (0) zeigt, während
eine maximale magnetische Flußdichte
einer negativen Polarität
in dem Spalt 41 zwischen dem ersten und dem zweiten Jochsegment 4a und 4b entwickelt
wird. Das erste und das zweite Sensorelement 5a und 5b geben
Spannungssignale aus, die Pegel auf einer gestrichelten Linie I
aufweisen, wie in 4(d) gezeigt.
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Wenn sich die Drehwelle 2 um
90° im Uhrzeigersinn
von der Winkellage I in eine Winkellage II dreht, wie in 4(b) gezeigt, bewirkt dies,
daß in dem
Spalt 41 zwischen dem ersten und dem vierten Jochsegment 4a und 4d eine
maximale magnetische Flußdichte
einer positiven Polarität
entwickelt wird, während
durch den Spalt 41 zwischen dem ersten und dem zweiten
Jochsegment 4a und 4b kein magnetischer Fluß fließt. Das
erste und das zweite Sensorelement 5a und 5b geben
Spannungssignale aus, welche Pegel auf einer gestrichelten Linie
II aufweisen, wie in 4(d) gezeigt.
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Wenn sich die Drehwelle 2 weiter
um 90° im Uhrzeigersinn
von der Winkellage II in eine Winkellage III dreht, wie in 4(c) gezeigt, bewirkt dies,
daß in
dem Spalt 41 zwischen dem ersten und dem zweiten Jochsegment 4a und 4b eine
maximale magnetische Flußdichte
der positiven Polarität
entwickelt wird. Das erste und das zweite Sensorelement 5a und 5b geben
Spannungssignale aus, welche Pegel auf einer gestrichelten Linie
III aufweisen, wie in 4(d) gezeigt.
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Der Betrag des um jede der Umfangsmitten des
N-Pols 3a und des S-Pols 3b herum fließenden magnetischen
Flusses ist, wie oben beschrieben, im wesentlichen konstant, was
bewirkt, daß sich
die magnetische Flußdichte
innerhalb der Spalte 41 zwischen dem ersten und dem vierten
Jochsegment 4a und 4d und zwischen dem ersten
und dem zweiten Jochsegment 4a und 4b während einer
Drehung der Drehwelle 2 mit einer konstanten Rate ändert, sodaß das erste
und das zweite Sensorelement 5a und 5b die Spannungssignale
ausgeben, wie durch durchgezogene Linien in 4(d) angegeben.
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5 zeigt
ein Flußdiagramm
logischer Schritte oder eines Programms, welches durch die Winkellageberechnungsschaltung 6 des
Winkellagedetektors 1 ausgeführt wird bzw. werden. In der
nachstehenden Diskussion werden Spannungsausgänge des ersten und des zweiten
Sensorelements 5a und 5b jeweils durch Va und
Vb bezeichnet, und eine Ausgangsspannung der Winkellageberechnungsschaltung 6 wird
mit Vout angegeben.
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Nach Eintritt in das Programm schreitet
die Routine zu Schritt 1 fort, in welchem bestimmt wird, ob der
Spannungsausgang Va größer als
3,0V ist oder nicht. Falls eine Antwort JA erhalten wird (Va > 3,0V), schreitet die
Routine zu Schritt 6 fort, in welchem die Ausgangsspannung Vout
gemäß einer
Beziehung von Vout = l + Vb bestimmt wird, und kehrt zu Schritt
1 zurück.
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Falls andererseits eine Antwort NEIN
erhalten wird (Va ≤ 3,0V),
dann schreitet die Routine zu Schritt 2 fort, in welchem bestimmt
wird, ob der Spannungsausgang Va kleiner als 2,0V ist oder nicht.
Falls eine Antwort JA erhalten wird (Va < 2,0V), schreitet die Routine zu Schritt
7 fort, in welchem die Ausgangsspannung Vout gemäß einer Beziehung von Vout
= 4 – Vb
bestimmt wird, und kehrt zu Schritt 1 zurück.
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Falls andererseits eine Antwort NEIN
erhalten wird (Va ≥ 2,0V),
schreitet die Routine zu Schritt 3 fort, in welchem bestimmt wird,
ob der Spannungsausgang Va kleiner als 2,4V ist oder nicht. Falls
eine Antwort JA erhalten wird (Va < 2,4V),
schreitet die Routine zu Schritt 8 fort, in welchem die Ausgangsspannung
Vout gemäß einer Beziehung
von Vout = Va bestimmt wird, und kehrt zu Schritt 1 zurück.
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Falls andererseits eine Antwort NEIN
erhalten wird (Va ≥ 2,4V),
schreitet die Routine zu Schritt 4 fort, in welchem bestimmt wird,
ob die Ausgangsspannung Vb größer als
2,6V ist und der Spannungsausgang Va kleiner als 2,5V ist oder nicht.
Falls eine Antwort JA erhalten wird (Vb > 2,6V und Va < 2,5V), schreitet die Routine zu Schritt
9 fort, in welchem die Ausgangsspannung Vout gemäß einer Beziehung von Vout
= 3 – Va
bestimmt wird, und kehrt zu Schritt 1 zurück.
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Falls dagegen in Schritt 4 eine Antwort
NEIN erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 5 fort, in welchem
bestimmt wird, ob die Ausgangsspannung Vb größer als 2,6V ist und die Ausgangsspannung
Va größer als
oder gleich 2,5V ist oder nicht. Falls eine Antwort JA erhalten
wird, schreitet die Routine zu Schritt 10 fort, in welchem die Ausgangsspannung Vout
gemäß einer
Beziehung von Vout = 7 – Va
bestimmt wird, und kehrt zu Schritt 1 zurück.
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Falls andererseits in 5 Schritt eine
Antwort NEIN erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 11
fort, in welchem die Ausgangsspannung Vout gemäß einer Beziehung von Vout
= 0 bestimmt wird, und kehrt zu Schritt 1 zurück.
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6 zeigt
die Ausgangsspannung Vout der Winkellageberechnungsschaltung 6,
wie in den vorgenannten Operationen abgeleitet, welche sich mit einer
konstanten Rate über
einen Winkelbereich von 360° (d.
h., –180° bis +180°) der Drehwelle 2 ändert. Insbesondere
arbeitet die Winkellageberechnungsschaltung 6 so, daß sie eine
absolute Winkellage der Drehwelle 2 über den vollständigen Winkelbereich hiervon
ausgibt.
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Der Aufbau des Winkellagedetektors 1 dieser
Ausführungsform
bietet, wie aus der vorstehenden Diskussion ersichtlich, die nachstehenden
Wirkungen.
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Die Dicke h des Magneten 3 ist
so ausgewählt,
daß sie
von den Verbindungsstellen 3c zwischen den Enden des N-Pols 3a und
den Enden des S-Pols 3b aus zu den Umfangsmitten hiervon
hin abnimmt, sodaß die
Fläche
der Randoberfläche
um die Umfangsmitte sowohl des N-Pols 3a als auch des S-Pols 3b herum
am kleinsten sein wird. Dies bewirkt, daß die Dichte des aus der Randoberfläche um die
Umfangsmitte sowohl des N-Pols 3a als auch des S-Pols 3b herausfließenden magnetischen
Flusses konstant ist, sodaß der
Betrag des magnetischen Flusses innerhalb der Spalte 41 während einer
Drehung der Drehwelle 2 sich mit einer im wesentlichen konstanten
Rate ändert.
Insbesondere arbeitet sowohl das erste als auch das zweite Sensorelement 5a und 5b so,
daß es
ein Spannungssignal als eine Funktion der magnetischen Flußdichte
innerhalb des Spalts 41 ausgibt, welches eine höherer Linearität zeigt.
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Der Magnet 3 ist so ausgelegt,
daß er
den magnetischen Fluß in
der Radiusrichtung hiervon erzeugt, welcher sich, wie in 3(b) gezeigt, in der Form
einer Rechteckwelle ändert,
was bewirkt, daß der
Magnetsensor 5 die magnetische Flußdichte, die sich im wesentlichen
in der Form einer Sägezahnwelle ändert, erfaßt. Dies
ermöglicht,
daß die
Winkellageberechnungsschaltung 6 die Winkellage der Drehwelle 2 unter
Verwendung einfacher Operationen wie etwa einer Additions-, Substraktions-,
Multiplikations- oder Divisionsoperation oder eine Kombination hiervon
ohne Durchführung
von Hochlastoperationen wie etwa Operationen trigonometrischer Funktionen
korrekt zu bestimmen.
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Das Joch 4 weist eine Dicke
auf, die, wie in 1(a) gezeigt,
größer ist
als die des Magneten 3. Die Umfangsmittellinie des Jochs
fällt mit
der des Magneten 3 über
den gesamten Umfang hiervon zusammen. Dieser Aufbau ermöglicht es,
daß die
Drehwelle 2, an welcher der Magnet 3 befestigt
ist, in der Längsrichtung
hiervon innerhalb eines Bereichs, in welchem der Magnet 3 innerhalb
gegenüberliegender Endoberflächen des
Jochs 4 (d. h., oberer und unterer Endoberflächen, wie
in 1(a) gesehen) in
der Längsrichtung
der Drehwelle 2 liegt, verschoben wird, wodurch der Betrag
eines nach außerhalb
des Jochs 4 abfließenden
magnetischen Flusses, d. h., eine Änderung in der durch den Magnetsensor 5 zu messenden
magnetischen Flußdichte,
verringert wird.
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Die Winkellageberechnungsschaltung 6 ist so
ausgelegt, daß sie
von den Sensorelementen 5a und 5b des Magnetsensors 5 ausgegebene
elektrische Signale kombiniert, wodurch ermöglicht wird, daß ein eine
Winkellage angebendes analoges Signal über einen Bereich von 90° oder mehr
erzeugt wird.
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Die im Vergleich mit der Ausgangsspannung des
Magnetsensors 5 in dem Flußdiagramm von 5 eingesetzten Schwellenspannungen sind
lediglich Referenzwerte und ändern
sich vorzugsweise in Übereinstimmung
mit dem Betrag eines Ausgangs des Magnetsensors 5.
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7(a) und 7(b) zeigen den Winkellagedetektor 1 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung.
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Das Joch 4 ist, anders als
in der ersten Ausführungsform,
aus einem einstückigen
Ring hergestellt, welcher vier mit einem Winkelabstand von 90° in einer Umfangsrichtung
hiervon ausgebildete Ausnehmungen 42 aufweist, um die Spalte 41 zu
erzeugen. Die Ausbildung der Ausnehmungen 42 kann durch
Schleifen erreicht werden.
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Der Aufbau dieser Ausführungsform
ermöglicht
eine Vereinfachung einer Positionierung des Jochs 4 um
den Magneten 3 herum und führt zu einer Abnahme der den
Winkellagesensor bildenden Teile.
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Das Schleifen des Jochs 4,
um die Ausnehmungen 42 auszubilden, dient dazu, eine Ortsverschiebung
der Spalte 41 in der Umfangsrichtung des Jochs 4 und/oder
einen Maßfehler
der Ausnehmungen 42 oder der Spalte 41 der Umfangsrichtung
des Jochs 4 zu minimieren.
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Andere Anordnungen sind identisch
mit denen der ersten Ausführungsform,
und eine Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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8(a) und 8(b) zeigen den Winkellagesensor 1 gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung. 8(a) ist
eine Schnittansicht entlang der Länge der Drehwelle 2,
welche den Winkellagedetektor 1 zeigt. 8(b) ist eine Querschnittsansicht entlang
der Linie VIII-VIII in 8(a).
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Der Winkellagedetektor 1 beinhaltet
eine ringförmige
magnetische Abschirmung 7, innerhalb welcher der Magnet 3,
das Joch 4, der Magnetsensor 5 und die Winkellageberechnungsschaltung 6 angeordnet
sind. Der Abstand zwischen dem äußeren Rand
des Jochs 4 und der magnetischen Abschirmung 7 ist
auf einen größeren Wert
als die Länge
L der Spalte 41 in der Umfangsrichtung des Jochs 4 festgelegt,
wie in 8(b) gezeigt,
wodurch ein Abfließen
eines magnetischen Flusses von dem Joch 4 zu der magnetischen
Abschirmung 7 minimiert wird.
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Der Magnetsensor 5 weist,
wie in 8(a) gezeigt,
Anschlüsse
auf, welche sich parallel zu der Länge der Drehwelle 2 erstrecken
und mit der Winkellageberechnungsschaltung 6 verbunden
sind. Die Winkellageberechnungsschaltung 6 führt durch
ein Kabelbündel 8 zu
einem externen Mikrocomputer (nicht gezeigt).
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Die magnetische Abschirmung 7,
die das Joch 4 umgibt, wie in 9 gezeigt, arbeitet so, daß die das
Joch 4 vor dem um den Winkellagedetektor 1 herum
fließenden
magnetischen Fluß 10 schützt, wodurch
nachteilige Wirkungen des magnetischen Flusses 10 auf die
Dichte des magnetischen Flusses innerhalb der Spalte 41 beseitigt
werden.
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Der Magnetsensor 5 kann
ersatzweise Anschlüsse
aufweisen, welche sich, wie in 10 gezeigt,
in der Radiusrichtung des Jochs 4 erstrecken und mit der
Winkellageberechnungsschaltung 6 verbunden sind.
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Andere Anordnungen sind mit denen
in der ersten Ausführungsform
identisch, und eine Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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11 zeigt
eine vierte Ausführungsform,
in welcher der Winkellagedetektor 1 der ersten Ausführungsform
in einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung 11 für Kraftfahrzeuge,
die zur Unterstützung der
manuellen Lenkung von Laufrädern
des Fahrzeugs arbeitet, eingebaut ist. Selbstverständlich kann
in dieser Ausführungsform
ersatzweise der Winkellagedetektor 1 entweder der ersten
oder der zweiten Ausführungsform
eingesetzt werden.
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Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 11 beinhaltet
eine Eingangswelle 11a, eine Ausgangswelle 11b,
einen Torsionsstab 11c, einen Drehmomentsensor 11d,
ein in der Winkellageberechnungsschaltung 6 eingebautes
Steuergerät,
einen Elektromotor 11e, eine Drehmomentübertrager 11f und
ein Gehäuse 11g.
Die Eingangswelle 11a ist mit einem Lenkrad des Fahrzeugs
verbunden. Die Ausgangswelle 11b ist mit lenkbaren Laufrädern des
Fahrzeugs verbunden. Der Torsionsstab 11c verbindet die Eingangs-
und die Ausgangswelle 11a und 11b miteinander.
Der Drehmomentsensor 11d arbeitet, um eine Lenkkraft oder
ein Drehmoment, welche auf das Lenkrad aufgebracht wird, zu messen.
Das Steuergerät
arbeitet, um ein Sollhilfslenkmoment als eine Funktion eines Ausgangs
des Drehmomentsensors 11d zu bestimmen. Der Elektromotor 11e arbeitet,
um das durch das Steuergerät
bestimmte Sollhilfslenkmoment zu erzeugen. Der Drehmomentübertrager 11f arbeitet
so, daß er
die Drehzahl einer Ausgangswelle des Elektromotors 11e herabzusetzt,
um das durch den Elektromotor 11e ausgegebene Drehmoment
zu erhöhen,
und es auf die Ausgangswelle 11b überträgt. Das Gehäuse 11g deckt den
Drehmomentübertrager 11f ab.
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Der Winkellagesensor des Winkellagedetektors 1 ist
um die Eingangswelle 11a herum eingebaut. Die Winkellageberechnungsschaltung 6 ist
an dem Gehäuse 11g befestigt
und empfängt
Ausgänge
des Winkellagesensors und des Drehmomentsensors 11d. Die
Winkellageberechnungsschaltung 6 arbeitet, um eine Winkellage
der Eingangswelle 11a (d. h., einen Lenkwinkel des Lenkrads
des Fahrzeugs) als eine Funktion des Ausgangs des Winkellagesensors (d.
h., des Magnetsensors 5) zu bestimmen.
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12(a) und 12(b) zeigen den Magneten 3 des
Winkellagesensors 11 gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung. Die
gleichen Bezugszeichen, wie sie in den vorstehenden Ausführungsformen
eingesetzt wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile. 12(a) stellt ein Beispiel
dar, in welchem der Magnet 3 entlang einer sich durch die
Umfangsmitten des N-Pols 3a und des S-Pols 3b hindurch
erstreckenden Linie verlängert
ist. 12(b) stellt ein
anderes Beispiel dar, in welchem der Magnet 3 senkrecht
zu der sich durch die Umfangsmitten des N-Pols 3a und des
S-Pols 3b erstreckenden Linie verlängert ist.
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Der Magnet 3, wie er in
jeder der 12(a) und 12(b) dargestellt ist, ist
aus einem ovalen Ring gebildet und weist die Breite F in der Radiusrichtung hiervon
auf, welche sich von den Verbindungsstellen 3c zwischen
dem N-Pol 3a und dem S-Pol 3b aus zu den Umfangsmitten
des N-Pols 3a und des S-Pols 3b hin allmählich verringert.
Insbesondere ist die Breite F der Umfangsmitten des N-Pols 3a und
des S-Pols 3b kleiner als die der Verbindungsstellen 3c,
in anderen Worten, das Volumen der Umfangsmitten des N-Pols 3a und
des S-Pols 3b ist geringer als das der Verbindungsstellen 3c.
Dies bewirkt, daß eine
Gesamtmenge des magnetischen Flusses wie in der ersten Ausführungsform
um die Umfangsmitten des N-Pols 3a und des S-Pols 3b des
Magneten 3 herum nahezu gleichförmig ist. Eine Drehung des
Magneten 3 (d. h., der Drehwelle 2) wird bewirken,
daß der
Betrag des durch jedes der Sensorelemente 5a und 5b des
Magnetsensors 5 fließenden
magnetischen Flusses zyklisch in der Form einer Welle ändert, wie
in 3(b) gezeigt. Der
Betrag des magnetischen Flusses innerhalb eines Bereichs X (d. h.,
um die Umfangsmitte des N-Pols 3a herum) ist im wesentlichen identisch
mit dem innerhalb eines Bereichs Y (d. h., um die Umfangsmitte des
N-Pols 3b herum).
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13(a) und 13(b) zeigen eine Modifikation des
Winkellagesensors des Winkellagedetektors 1. Der Magnet 3 weist
den N-Pol 3a und den S-Pol 3b so auf, daß sie jeweils
in der Dickenrichtung hiervon (d. h., der Längsrichtung der Drehwelle 2)
gegenüberliegen.
Der Magnet 3 weist die Dicke und die Breite auf, die über den
Umfang hiervon einheitlich sind. Sowohl der N-Pol 3a als
auch der S-Pol 3b ist über den
gesamten Umfang des Magneten 3 in der Dicke gleichmäßig. Unterjoche 44a und 44b,
welche aus einem bogenförmigen
weichmagnetischen Bauteil mit einem L-förmigen Querschnitt hergestellt
sind, sind, wie in 13(b) gezeigt,
an Enden des N-Pols 3a und des S-Pols 3b des Magneten 3 in
einer diagonal gegenüberliegenden
Beziehung so angeordnet, daß sie
Abschnitte des Rands des Magneten 3 umgeben. Die Unterjoche 44a und 44b arbeiten,
um einen aus dem Magneten 3 in der Radiusrichtung hiervon
herausfließenden
magnetischen Fluß zu
mitteln, um einen im wesentlichen einheitlichen Betrag eines magnetischen
Flusses zu erzeugen. Andere Anordnungen sind mit denen in der ersten
Ausführungsform identisch,
und eine Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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14 zeigt
eine andere Modifikation des Winkellagesensors des Winkellagedetektors 1.
Der Magnet 3 ist über
den Umfang hiervon in Dicke und Breite gleichmäßig. Der Magnet 3 weist
den N-Pol 3a und den S-Pol 3b auf, welche sich
jeweils wie in der ersten Ausführungsform
diametral über
die Mitte des Magneten 3 gegenüberliegen. Insbesondere reichen der
N-Pol 3a und der S-Pol 3b jeweils über 180° des Umfangs
des Magneten 3. Die Unterjoche 44a und 44b sind
auf dem Rand des Magneten 3 nahe den Umfangsmitten des
N-Pols 3a und des S-Pols 3b angeordnet und arbeiten
so, daß sie
wie die in 13(a) und 13(b) einen Betrag eines
magnetischen Flusses so regulieren, daß er um die Umfangsmitten des
N- Pols 3a und
des S-Pols 3b des Magneten 3 herum im wesentlichen
gleichmäßig ist.
Andere Anordnungen sind identisch mit denen in der ersten Ausführungsform,
und einer Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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15(a) und 15(b) zeigen den Winkellagesensor
des Winkellagedetektors 1 gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung.
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Der Magnet 3 ist aus zwei
bogenförmigen, miteinander
verbundenen magnetischen Elementen hergestellt, von denen jedes
den N-Pol 3a und den S-Pol 3b einander gegenüberliegend
in der Dickenrichtung hiervon (d. h., der Längsrichtung der Drehwelle 2)
aufweist. Der N-Pol 3a und der S-Pol 3b sind über den
Umfang der bogenförmigen
magnetischen Bauteile einheitlich. Der Magnet 3 weist auch
insgesamt den N-Pol 3a und den S-Pol 3b jeweils
gegenüberliegend
in der Radiusrichtung hiervon auf. Der Innendurchmesser des Magneten 3 ist,
wie aus 15(a) ersehen
werden kann, größer als
der des Jochs 4, während
der Außendurchmesser
des Magneten kleiner ist als der des Jochs 4. Der Magnet 3 steht,
wie in 15(b) klar dargestellt,
an einer Endoberfläche
hiervon einer Endoberfläche
des Jochs 4 gegenüber.
Andere Anordnungen sind identisch mit denen in der ersten Ausführungsform,
und eine Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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Das Joch 4 in jeder der
ersten bis vierten Ausführungsform
ist aus vier Segmenten hergestellt, kann aber ersatzweise, wie in 16(a) und 16(b) gezeigt, aus zwei bogenförmigen Segmenten 4e und 4f gebildet
sein. Die Jochsegmente 4e und 4f stehen aneinander
an Enden hiervon durch die 180° voneinander
entfernt angeordneten Spalte 41 gegenüber. Ein Magnetsensorelement 5c ist innerhalb
eines der Spalte 41 angeordnet. Das Joch 4 kann
ersatzweise aus mehr als vier Segmenten gebildet sein. Andere Anordnungen
sind identisch mit denen in der ersten Ausführungsform, und eine Erläuterung
hiervon im Detail wird hier weggelassen werden.
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Der Winkellagedetektor 1 der
siebenten Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 17 bis 22 beschrieben
werden.
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17 zeigt
ideale Wellenformen der Ausgangsspannungen Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b des
Magnetsensors 5. 18 zeigt
eine ideale Ausgangsspannung Vl der Winkellageberechnungsschaltung 6.
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Die Wellenform der Ausgangsspannung
Va des Sensorelements 5a in einem Winkelbereich einer vollständigen Drehung
der Drehwelle 2 (d. h., –180° bis +180°) beinhaltet gerade Segmente
Val1, Val2 und Val3. Die Wellenform der Ausgangsspannung 5b des
Sensorelements 5b in dem Winkelbereich einer vollständigen Drehung
der Drehwelle 2 beinhaltet gerade Segmente Vbl1 und Vbl2.
Die Ausgangsspannungen Va und Vb sind im wesentlichen von dreieckiger
bzw. Sägezahngestalt
und um 90° zueinander phasenverschoben.
Die Winkellageberechnungsschaltung 6 arbeitet, um die Operationen,
wie sie in den ersten Ausführungsformen
diskutiert wurden, auszuführen,
um Vorzeichen von Inklinationen der geraden Segmente Val1, Val2,
Val3, Vbl1 und Vbl2 in Übereinstimmung
miteinander zu bringen und sie parallel zu verschieben, um eine
gerade Linie zu bilden, wie in 18 gezeigt,
welche aus einer Kombination der geraden Segmente Val1, Val2, Val3,
Vbl1 und Vbl2 gebildet ist. Dies ermöglicht, daß die absolute Winkellage der
Drehwelle über
einen Winkelbereich von 360° korrekt
bestimmt werden kann.
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Der Magnetsensor 5 arbeitet,
wie zuvor beschrieben, so, daß er
den Betrag des von dem Magneten 3 erzeugten magnetischen
Flusses als die magnetische Flußdichte
mißt. Üblicherweise
liegt eine Variation im Betrag des von dem Magneten 3 erzeugten
magnetischen Flusses aufgrund eines geometrischen Herstellungsfehlers
hiervon vor, was in Abweichungen in den Ausgangsspannungen Va und
Vb der Sensorelemente 5a und 5b des Magnetsensors 5 resultieren
wird. Die Abweichungen in den Ausgangsspannungen Va und Vb werden
zu einer Abweichung in der Ausgangsspannung Vl der Winkellageberechnungsschaltung 6 führen. Insbesondere
kann es sein, daß der
Pegel der an einem Ende jedes der geraden Elemente Val1, Val2, Val3,
Vbl1 und Vbl2 (d. h., an jedem von Punkten P1, P2, P3 und P4 der
geraden Segmente Val1, Val2, Val3, Vbl1 und Vbl2) auftretenden Spannung
nicht mit dem eines benachbarten der geraden Segmente Val1, Val2,
Val3, Vbl1 und Vbl2 zusammenfällt,
was zu Verschiebungen zwischen den geraden Elementen Val1, Val2,
Val3, Vbl1 und Vbl2 auf der Linie von 18 führt.
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Um das vorgenannte Problem zu vermeiden, ist
die Winkellageberechnungsschaltung 6 dieser Ausführungsform
so ausgelegt, daß sie
Ausgangsspannungen Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b des
Magnetsensors wie nachstehend diskutiert korrigiert, um die Linearität der Wellenform
der Ausgangsspannung Vl der Winkellageberechnungsschaltung 6 sicherzustellen.
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19 zeigt
tatsächliche
Beispiele periodischer Wellen der Ausgangsspannungen Va und Vb der
Sensorelemente 5a und 5b des Magnetsensors 5. 20 zeigt eine Ausgangsspannung
LH der Winkellageberechnungsschaltung 6 in dem Fall, daß die geraden
Segmente Val1, Val2, Val3, Vbl1 und Vbl2 (wie in der Zeichnung durch
La1, La2, La3, Lb1 und Lb2 ausgedrückt) der Wellenformen der Ausgangsspannungen
Va und Vb nicht aneinander ausgerichtet sind. 21 zeigt die Ausgangsspannung LH der Winkellageberechnungsschaltung 6 nach
Korrektur der an den Punkten P1, P2, P3 und P4 der gerade Segmente
La1, Lag, La3, Lb1 und Lb2 auftretenden Spannungen. 22 ist ein Flußdiagramm logischer Schritte
oder eines Programms, das bzw. die durch die Winkellageberechnungsschaltung 6 durchgeführt wird
bzw. werden, um die Linearität
der Wellenform der Ausgangsspannung LH sicherzustellen.
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Nach Eintritt in das Programm schreitet
die Routine zu Schritt 100 fort, in welchem zwei Schnittpunkte Xmax
und Xmin, wie in 19 gezeigt,
der Wellenformen der Ausgangsspannungen Va und Vb, die aus einer
90°-Phasenverschiebung
hiervon resultieren, gefunden werden, um Ausgangsspannungen VXH
und VHL, die an den Schnittpunkten Xmax und Xmin auftreten, zu bestimmen.
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Die Routine schreitet zu Schritt
101 fort, in welchem eine mittlere Spannung VXM zwischen den Ausgangsspannungen
VXH und VXL, wie in Schritt 100 bestimmt, gemäß einer nachstehenden Gleichung
berechnet wird. VXM = (VXH + VXL)/2
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Die Routine schreitet zu Schritt
102 fort, in welchem die gleichen Operationen wie die in 5 ausgeführt werden, um Orte (d. h.
Spannungen) von Enden der geraden Segmente La1, La2, La3, Lb1 und
Lb2, wie in 20 dargestellt,
die miteinander zu verbinden sind (d. h. die Verbindungspunkte P1,
P2, P3 und P4), zu bestimmen. Bei Ausführung des Programms von 5 wird 3,0V in Schritt 1
durch die Ausgangsspannung VXH ersetzt, 2,0V in Schritt 2 wird durch
die Ausgangsspannung VXL ersetzt, und 2,5V in Schritt 4 wird durch
die mittlere Spannung VXM ersetzt.
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Eine Art und Weise der Bestimmung
der Punkte P1, P2 P3 und P4 wird nachstehend im Detail beschrieben
werden.
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Jeder der Spannungspegel P10–P17 an
Enden der geraden Segmente La1, La2, La3, Lb1 und Lb2, wie in 20 dargestellt, die miteinander
zu verbinden sind, wie zuvor beschrieben, ist nicht identisch mit
dem eines benachbarten. Daher wird das gerade Segment Lb1 zuerst
parallel verschoben, bis eine Differenz zwischen der Spannung P11
des geraden Segments Lb1 und der Spannung P10 des geraden Segments
La3 auf Null reduziert ist. In anderen Worten, das gerade Segment
Lb1 wird verschoben, während
eine Inklination hiervon unverändert
beibehalten wird, um die Spannung P11 pegelmäßig in Übereinstimmung mit der Spannung
P10 des geraden Segments La3 zu bringen. Gleichermaßen wird das
gerade Segment La1 parallel verschoben, um die Spannung P13 in Übereinstimmung
mit der Spannung P12 des parallel verschobenen geraden Segments
Lb1 zu bringen. Das gerade Segment Lb2 wird parallel verschoben,
um die Spannung P15 hiervon in Übereinstimmung
mit der Spannung P14 des parallel verschobenen gerades Segments
La1 zu bringen. Schließlich
wird das gerade Segment La2 parallel verschoben, um die Spannung
P17 hiervon in Übereinstimmung
mit der Spannung P16 des parallel verschobenen geraden Segments
Lb2 zu bringen. Dies bildet eine einzige Linie. Die Spannung P18
an dem Ende des geraden Segments La2 nach Parallelverschiebung ist
in 21 als eine maximale
Spannung P18a dargestellt. Zur Vereinfachung der Sichtbarkeit ist
die Maximalspannung P18a in 21 so
dargestellt, daß sie
viel größer als
4,5V ist.
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Als nächstes wird eine gerade Linie
LH definiert, wie in 21 gezeigt,
welche sich zwischen der minimalen Spannung P9 und der maximalen Spannung
P18a an dem parallel verschobenen geraden Segment La2 erstreckt.
Ein mittlerer Spannungswert VM zwischen dem Wert VH der maximalen Spannung
P18a und dem Wert VL der minimalen Spannung P9 wird aus der nachstehenden
Gleichung bestimmt. VM = (VH + VL)/2
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Danach schreitet die Routine zu Schritt
103 fort. Der mittlere Spannungswert VM ist nicht immer identisch
mit einem mittleren Spannungswert 2,5V auf der idealen geraden Linie
Vl, wie in 20 und 21 durch eine gestrichelte
Linie angegeben. Daher wird ein Mittelspannunsgkorrekturwert Vofs
in Übereinstimmung
mit einer nachstehenden Gleichung bestimmt, um den mittleren Spannungswert
VM auf 2,5V zu korrigieren. Vofs = VM – 2,5
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Die Routine schreitet zu Schritt
104 fort. Die Inklination K der sich zwischen der maximalen und der
minimalen Spannung P9 und P18a erstreckenden Linie LH ist nicht
immer identisch mit einer Inklination der idealen Linie Vl. Daher
wird ein Inklinationskorrekturwert Kf in Übereinstimmung mit einer nachstehenden
Gleichung bestimmt, um die Inklination K in Übereinstimmung mit der der
idealen Linie Vl zu bringen. KF = 4/(VH – Vl)
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Die Routine schreitet zu Schritt
104 fort, in welchem eine tatsächliche
Ausgangsspannung Vj der Winkellageberechnungsschaltung 6 in Übereinstimmung
mit einer nachstehenden Gleichung unter Verwendung des Mittelspannungskorrekturwerts Vofs
und des Inklinationskorrekturwerts Kf korrigiert wird, um eine Ausgangsspannung
Vout' zu erzeugen. Vout' =
(Vj – 2,5
+ Vofs) × Kf
+ 2,5
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Die vorstehende Korrektur arbeitet
so, daß sie
die Ausgangsspannung Vout' der
Winkellageberechnungsschaltung 6 nahezu in Übereinstimmung mit
einer idealen Ausgangsspannung bringt. Insbesondere wird die aus
den geraden Segmenten La1, La2, La3, Lb1 und Lb2 in der Parallelverschiebungsoperation
in Schritt 102 gebildete Linie, wie durch eine durchgezogene Linie
in 21 angegeben, korrigiert,
um nahezu mit der aus Segmenten VaL1, VaL2, VaL3, VbL1 und VbL2
gebildeten idealen Linie Vl zu überlappen.
Ein Ausgangsspannungsbereich der Winkellageberechnungsschaltung 6 wird
auch auf einen idealen Ausgangsspannungsbereich von 0,5V bis 4,5V
eingestellt. Die vorstehenden Operationen ermöglichen der Winkellageberechnungsschaltung 6,
so zu arbeiten, daß sie
eine absolute Winkellage der Drehwelle 2 über einen
vollständigen
Bereich von 360° mit
minimalen Fehlern mißt.
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Wie aus der vorstehenden Diskussion
ersichtlich, unterscheiden sich Korrekturwerte, die zur Verbindung
der geraden Segmente La1, La2, La3, Lb1 und Lb2 an den Punkten P1,
P2, P3 und P4 in der Parallelverschiebungsoperation in Schritt 102 verwendet
werden, voneinander, was zu einer erhöhten Betriebslast der Winkellageberechnungsschaltung 6 führt. Üblicherweise
bleibt ein Lenkrad von Kraftfahrzeugen die meiste Zeit in einer
Neutralstellung (Winkellage von Null (0°)). Daher wird in einem Fall,
in welchem der Winkellagedetektor 1 in der elektrischen
Servolenkungsvorrichtung 11 für Kraftfahrzeuge von 11 eingebaut ist, eine Abnahme
der Anzahl von Operationen zur Bestimmung der Punkte P1, P2, P3
und P4, in anderen Worten, eine Abnahme der Betriebslast der Winkellageberechnungsschaltung 6 dadurch
erreicht, daß Winkellagen
der Punkte P1, P2, P3 und P4 auf irgendwelche sich von der Neutralstellung
des Lenkrads unterscheidende Winkellagen festgelegt werden. Die
Festlegung der Winkellagen der Punkte P1, P2, P3 und P4 auf irgendwelche
Winkellagen, die sich von der Neutralstellung des Lenkrads unterscheiden,
wird durch Bewegung des Magneten 3 in einer Umfangsrichtung der
Drehwelle 2 (d. h. der Lenkwelle) nach Einbau der Drehwelle 2 erreicht.
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Die Wellenformen der Ausgangsspannungen
Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b, wie in 19 dargestellt, werden nicht
verändert.
Eine weitere Abnahme der Betriebslast der Winkellageberechnungsschaltung 6 kann
dadurch erreicht werden, daß das
Lenkrad einmal um 360° entweder
um Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, um den
Mittelspannungskorrekturwert Vofs und den Inklinationskorrekturwert
Kf als feststehende Anfangswerte zu bestimmen.
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Der Winkellagedetektor 1 der
achten Ausführungsform
wird nachstehend mit Bezug auf 23 beschrieben
werden.
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23 zeigt
tatsächliche
und ideale periodische Wellenformen der Ausgangsspannungen Va und
Vb der Sensorelemente 5a und 5b des Magnetsensors 5.
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Üblicherweise
nimmt der Betrag des durch den Magneten 3 erzeugten magnetischen
Flusses mit einem Anstieg der Umgebungstemperatur allmählich ab,
was zu einer Abnahme in einer durch die Sensorelemente 5a und 5b zu
messenden magnetischen Flußdichte
führt.
Dies wird bewirken, daß die Ausgangsspannungen
Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b abfallen.
Um dieses Problem zu beseitigen, ist der Winkellagedetektor 1 dieser
Ausführungsform
so ausgelegt, daß er
die Abfälle
in Ausgangsspannungen Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b,
die von einem Anstieg in der Umgebungstemperatur herrühren, kompensiert.
Diese Kompensation wird nachstehend im Detail beschrieben werden.
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In 23 repräsentieren
gestrichelte Linien Vam und Vbm jeweils die idealen Wellenformen
der Ausgangsspannungen Va und Vb. Durchgezogene Linien Vaj und Vbj
repräsentieren
jeweils die tatsächlichen
Wellenformen der Ausgangsspannungen Va und Vb.
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Der Magnetsensor ist mit einem Temperatursensor
(nicht gezeigt) ausgestattet, welcher arbeitet, um die Temperatur
um den Magnetsensor 5 herum zu messen. Einige erhältliche
Hall-Sensoren sind mit einer Temperaturausgleichsfunktion ausgestattet. Das
erste und das zweite Sensorelement 5a und 5b dieser
Ausführungsform
sind jeweils durch den Hall-Sensor implementiert. Insbesondere weisen
das erste und das zweite Sensorelement 5a und 5b eine Temperatur-zu-Korrekturwert-Karte hierin installiert auf,
welche verwendet wird, um die tatsächlichen Ausgangsspannungen
Vaj und Vbj der Sensorelemente 5a und 5b jeweils
in Übereinstimmung
mit den idealen Ausgangsspannungen Vam und Vbm zu bringen. Die Temperatur-zu-Korrekturwert-Karte
ist im Hinblick auf den Typ des Magneten 3 und/oder den Betrag
des durch den Magneten 3 erzeugten magnetischen Flusses
vorgewählt.
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Insbesondere überwacht der Magnetsensor 5 die
Umgebungstemperatur, wählt
Korrekturwerte aus der Temperatur-zu-Korrekturwert-Karte aus und korrigiert
die tatsächlichen
Ausgangsspannungen Vaj und Vbj jeweils in Übereinstimmung mit den idealen Ausgangsspannungen
Vam und Vbm, wodurch die Abfälle
in Ausgangsspannungen Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b aufgrund
einer Temperaturcharakteristik des Magneten 3 ausgeglichen
werden.
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Anstelle einer Kompensation der Abfälle in Ausgangsspannungen
Va und Vb der Sensorelemente 5a und 5b in diesen
selbst kann die Winkellageberechnungsschaltung 6 so ausgelegt
sein, daß sie,
wie nachstehend diskutiert, Operationen durchführt, um die tatsächlichen
Ausgangsspannungen Vaj und Vbj jeweils in Übereinstimmung mit den idealen Ausgangsspannungen
Vam und Vbm zu bringen. Insbesondere werden Maximalwerte Vammax
und Vbmmax sowie Minimalwerte Vammin und Vbmmin der idealen Ausgangsspannungen
Vam und Vbm in der Winkellageberechnungsschaltung 6 im
Voraus gespeichert. Die Winkellageberechnungsschaltung 6 berechnet
Differenzen Hmax zwischen einem Maximalwert Vammax der tatsächlichen
Ausgangsspannung Vaj und Vammax und zwischen einem Maximalwert Vbjmax
der tatsächlichen
Ausgangsspannung Vbj und Vbmmax und Differenzen Hmin einem Minimalwert
Vajmin der tatsächlichen
Ausgangsspannung Vaj und Vammin und zwischen einem Minimalwert Vbjmin
der tatsächlichen
Ausgangsspannung Vbj und Vbmmin und korrigiert die Maximalwerte
Vajmax und Vbjmax und die Minimalwerte Vajmin und Vbjmin der tatsächlichen
Ausgangsspannungen Vaj und Vbj unter Verwendung der Differenzen
Hmax und Hmin, um die tatsächlichen
Ausgangsspannungen Vaj und Vbj in Übereinstimmung mit den idealen
Ausgangsspannungen Vam und Vbm zu bringen.
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Der Winkellagedetektor 1 gemäß der neunten
Ausführungsform
wird nachstehend mit Bezug auf
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24(a), 24(b) und 25 beschrieben werden. 24(a) zeigt den Winkellagesensor des
Winkellagedetektors 1 mit dem Magneten 3 ausgestattet, wie
in 12(b) dargestellt. 24(b) zeigt den Winkellagesensor
des Winkellagedetektors 1 mit dem Magneten 3 dieser
Ausführungsform
ausgestattet. In 24(b) gibt
eine gestrichelte Linie ein Profil des Magneten 3 von 24(a) an. 25 zeigt eine periodische Welle, welche
eine Änderung
in einem Betrag eines durch den Magneten 3 von 24(b) erzeugten und durch
die Sensorelemente 5a und 5b des Magnetsensors 5 gemessenen
magnetischen Flusses ϕ als eine Funktion einer Winkellage θ der Drehwelle 2 angibt.
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Der Magnet 3 weist, wie
in 12(b) gezeigt, einen
kreisförmigen
inneren Rand und einen ovalen äußeren Rand
auf. In einem Fall, in welchem, wie in 24(a) gezeigt, der Magnet von 12(b) innerhalb des Jochs 4,
dessen innerer Rand kreisförmig
ist, angeordnet ist, ist der Abstand G zwischen den Umfangsmitten
des N-Pols 3a und des S-Pols 3b des Magneten 3 und
dem inneren Rand des Jochs 4 viel größer als der Abstand zwischen
Verbindungsstellen zwischen dem N-Pol 3a und dem S-Pol 3b und
dem inneren Rand des Jochs 4. Dies bewirkt, daß der Betrag
des magnetischen Flusses, der um die Umfangsmitten des N-Pols 3a und
des S-Pols 3b herum erzeugt wird und aus dem Joch 4 heraus
abfließt,
anwächst,
was in einer verringerten Dichte des durch das Joch 4 hindurch
fließenden
magnetischen Flusses resultiert, was zu einer Abnahme in einem Ausgang
des Magnetsensors 5 führt.
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Um das vorgenannte Problem zu vermeiden, weist
der Magnet 3 die Verbindungsstellen zwischen dem N-Pol 3a und
dem S-Pol 3b so geschliffen oder geschnitten auf, daß sie flache
Seitenflächen 130a und 130b aufweisen.
Dies ermöglicht,
daß die
Breite der Umfangsmitten des N- Pols 3a und
des S-Pols 3b in der Radiusrichtung des Magneten 3 über die
des in 24(a) gezeigten
Magneten 3 vergrößert ist.
Insbesondere kann der Spalt G zwischen den Umfangsmitten des N-Pols 3a und
des S-Pols 3b und dem inneren Rand des Jochs 4 kleiner
sein als der in 24(a).
Dies resultiert in einem verminderten Abfluß des magnetischen Flusses
nach außerhalb
des Jochs 4.
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Der Magnet 3 von 24(b) ist, wie aus dem Vorstehenden
ersichtlich, im wesentlichen kreisförmig im Vergleich mit dem von 24(a). Die Breite der Umfangsmitten
des N-Pols 3a und des S-Pols 3b und die Breite
der Verbindungsstellen zwischen dem N-Pol 3a und dem S-Pol 3b sind
so ausgewählt,
daß sie
eine Beziehung hierzwischen aufweisen, welche den sich auf eine
Drehung der Drehwelle 2 hin in der Form einer Welle ändernden
magnetischen Fluß,
wie in 25 dargestellt,
erzeugt. Insbesondere sind die Beträge eines magnetischen Flusses
innerhalb eines Bereichs X (d. h. um die Umfangsmitte des N-Pols 3a herum)
und eines Bereichs Y (d. h. um die Umfangsmitte des S-Pols 3b herum)
im wesentlichen gleichförmig.
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26 zeigt
den Winkellagesensor des Winkellagedetektors 1 gemäß der zehnten
Ausführungsform
der Erfindung.
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Das Joch 4 in jeder der
ersten bis neunten Ausführungsform
ist, wie vorstehend beschrieben, aus einem metallischen weichmagnetischen
Material hergestellt. Das Joch 4 dieser Ausführungsform
ist aus vier weichmagnetischen Platten 4a, 4b, 4c,
und 4d gebildet, deren Dicke in der Radiusrichtung des Jochs 4 kleiner
ist als die Jochsegmente 4a bis 4d in jeder der
ersten bis neunten Ausführungsform.
Die magnetischen Platten 4a bis 4d dieser Ausführungsform
sind jeweils durch Pressen wie etwa Stanzen oder Biegen ausgebildet
und weisen ein um das Volumen S geringeres Gewicht auf als die Jochsegmente 4a bis 4d in
jeder der ersten bis neunten Ausführungsform.
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Die magnetischen Platten 4a bis 4d können ersatzweise
durch Schleifen metallischer Blöcke
ausgebildet sein.
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27(a) und 27(b) zeigen den Winkellagesensor
des Winkellagedetektors 1 gemäß der elften Ausführungsform
der Erfindung.
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Der Magnet 3 von 27(a) weist ein Profil auf,
welches mit dem der 24(a) oder 24(b) identisch ist, sich
aber von diesen darin unterscheidet, daß die Dicke B größer ist
als die Dicke C des Jochs 4. Insbesondere befinden sich
Kanten 31 des Magneten 3 außerhalb des Jochs 4 in
der Längsrichtung
der Drehwelle 2. Dies bewirkt, daß der magnetische Fluß von den
Kanten 3 aus dem Joch 4 herausfließt, was
dazu dient, hereinkommende Eisenpulver anzuziehen, um ein Anhaften
hiervon an dem inneren Rand des Jochs 4 und einem gegenüberliegenden Abschnitt
des äußeren Rands
des Magneten 3 zu vermeiden, wodurch die Stabilität eines
Fließens
des magnetischen Flusses von dem Magneten 3 zu dem inneren
Rand des Jochs 4 für
eine verlängerte
Zeitdauer sichergestellt ist.
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Der Magnet 3 kann unter
Verwendung von Einsatzgießtechniken
integral mit der Drehwelle 2 hergestellt sein. Dies verbessert
die Konzentrizität des
Magneten 3 und der Drehwelle 2.
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27(b) zeigt
eine Modifikation des Magneten 3 von 27(a).
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Der Magnet 3 ist durch einen
ringförmigen Magnethalter 9 aus
Kunststoff an der Drehwelle 2 befestigt. Der Magnethalter 9 kann
unter Verwendung von Einsatzgießtechniken
integral mit der Drehwelle 2 ausgebildet sein. Der Magnet 3 kann
aus einem Ferritmagneten oder einem kunststoffgebundenen Magneten
hergestellt sein.
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Während
die vorliegende Erfindung in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis hiervon zu erleichtern,
sollte verstanden werden, daß die
Erfindung in vielfältiger
Weise ausgeführt
werden kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher
sollte verstanden werden, daß die
Erfindung alle möglichen
Ausführungsformen
und Modifikationen an den gezeigten Ausführungsformen enthält, welche
ausgeführt
werden können,
ohne von dem in den beigefügten
Ansprüchen
niedergelegten Prinzip der Erfindung abzuweichen.