-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung.
-
Herkömmlich erfasst
eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung einen Rotationswinkel
unter Verwendung einer magnetischen Erfassungsvorrichtung im Umfeld
(an der Peripherie) eines rotierenden Magneten (beispielsweise eines
Permanentmagneten, eines Permanentmagneten mit einem Joch oder dergleichen),
der einen Magnetfluss erzeugt.
-
13A und 13B zeigen eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung,
die eine Welle 1, einen an der Welle 1 angebrachten
zylindrischen Magneten 3 und eine magnetische Erfassungsvorrichtung 4 aufweist,
die an einem Rotationszentrum des Magneten 3 angeordnet
ist, um einen durch den Magneten 3 erzeugten Magnetfluss
zu erfassen. Der Magnet 3 ist ein Beispiel für eine Magnetflusserzeugungseinrichtung,
und die magnetische Erfassungsvorrichtung 4 weist zwei
Magnetsensoren, d.h. einen ersten Magnetsensor 6 und einen
Magnetsensor 7 zur Erfassung eines breiten Rotationswinkelbereichs
auf. Die ersten und zweiten Magnetsensoren 6 und 7 erfassen
den Magnetfluss in einer Ebene, die senkrecht zu der Welle 1 verläuft, und
die Sensoren 6 und 7 werden zur Erfassung eines
Winkels des Magnetflusses mit einem Winkelintervall von 90° und zur
Ausgabe eines Erfassungssignals verwendet.
-
Die
Magnetsensoren 6 und 7 in der Magneterfassungsvorrichtung 4 geben
das Erfassungssignal relativ zu dem Magnetfluss in Form einer Sinuskurve
und in Form einer Cosinuskurve aus, wobei die Erfassungssignale
durch eine Einheit zur inversen trigonometrischen Berechnung (einem
Mikrocomputer) derart umgewandelt werden, dass sie eine lineare Charakteristik
mit ansteigender Natur in einem Intervall von 180° aufweisen.
Die auf diese Weise umgewandelten Erfassungssignale werden für eine Abdeckung
von 360° miteinander
verbunden. Dieses Verfahren der Rotationswinkelerfassung ist in
der japanischen Offenlegungsschrift JP-A-2003-75108 offenbart, wobei
die in 3A, 3B und 3C gezeigten Diagramme die Sinus/Cosinuskurven
und umgewandelte lineare Ausgänge
aus der Erfassungsvorrichtung 4 zeigen.
-
Jedoch
ist der von dem zylindrischen Magneten erzeugte Magnetfluss um die
Welle 1 unter dem Einfluss des Magnetismus der Welle 1 verzerrt,
wenn die Magneterfassungsvorrichtung 4 der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
von dem Rotationszentrum des zylindrischen Magneten 3 entfernt
angeordnet ist, wie es in 14A und 14B gezeigt ist. Daher kann
der Rotationswinkel nicht korrekt erfasst werden, wenn der Magnetfluss
in einem Raum verzerrt wird, der von dem zylindrischen Magneten 3 umgeben
ist.
-
Gemäß einem
Versuch zur Vermeidung einer Verzerrung des Magnetflusses weist
die in 15A und 15B gezeigte Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
einem Magneten in einer Scheibenform auf.
-
In
diesem Fall wird der Magnetfluss immer noch unter dem Einfluss der
Welle 1 in einer Laufbahn (trace line) α gemäß 16 verzerrt. Die Verzerrung der Richtung
des Magnetflusses wird durch Pfeile um einen Punkt β in 16 dargestellt. Als Ergebnis
weisen die Erfassungssignale auf den Sensoren 6 und 7 mit
Magneterfassungsoberflächen,
die auf eine tangentialen Linie und eine normale Linie (senkrechte
Linie) der Laufbahn (einem Kreis) α ausgerichtet sind, keine zueinander
passende Amplitude auf, wodurch die Größe des Erfassungsfehlers G
erhöht
wird, wie es in 17 gezeigt
ist.
-
Weiterhin
bildet der Magnetfluss in einem Kreis γ ein offenes Magnetfeld in der
Nähe der
Laufbahn α der
Magneterfassungsvorrichtung 4, wie es in 18 gezeigt ist. Das heißt, dass
die Richtung des Magnetflusses nicht gleichförmig zu einer gewissen Richtung
ausgerichtet ist, wodurch Fehler in dem Erfassungssignal aufgrund
eines kleinen Versatzes der Magnetsensoren oder dergleichen erhöht werden. Als
Ergebnis leidet ein nomineller (minimaler) Anordnungsversatz der
ersten oder zweiten Sensoren 6 und 7 an einem
erhöhten
Ausmaß der
Verzerrung in dem Magnetfluss als dem Fehler in dem Erfassungssignal.
-
Im
Hinblick auf die vorstehend beschriebenen und andere Probleme liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
anzugeben, die den Rotationswinkel selbst dann erfasst, wenn ein
Magnetsensor um eine Welle angeordnet ist, die aus einem magnetischen
Material geformt ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
-
Genauer
weist gemäß der Erfindung
eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Änderung
in dem Magnetfluss durch den Magnetsensor einen Magnetsensor auf,
der an einer Position in einem Raum zwischen einer äußeren Oberfläche einer
Welle und einem Umfang einer Magnetflusserzeugungseinheit zwischen
beiden Enden der Welle angeordnet ist. Ein zusätzlicher Magnet ist in einem
Raum angeordnet, der sich innerhalb einer ringförmigen Bahn des Magnetsensors
um die Welle befindet, um den von der Magnetflusserzeugungseinheit
erzeugten Magnetfluss gleichförmig
zu verteilen. Auf diese Weise kann der Magnetsensor die Änderung
in dem Magnetfluss ohne einen Einfluss der mit dem magnetischen
Material hergestellten Welle erfassen, wodurch die Erfassung des
Rotationswinkels der Magnetflusserzeugungseinheit relativ zu dem
Magnetsensor gewährleistet
wird.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung kann einen ersten und einen
zweiten Magnetsensor zur Erfassung des Magnetflusses aufweisen,
die in einer zu der Welle senkrechten Ebene ausgerichtet sind. Der
erste Sensor und der zweite Sensor können mit einem Winkel von 90° angeordnet
sein. Die zwei Sensoren können
im Hinblick auf die Erfassung eines breiten Winkelbereichs komplementär zueinander sein.
-
Die
Magnetpole in dem zusätzlichen
Magneten können
in entgegengesetzter Richtung zu den Polen der Magnetflusserzeugungseinheit
ausgerichtet sein. Auf diese Weise sind Magnetflussvektoren (Intensität und Richtung
des von dem Magnetfluss dargestellten Magnetfeldes) gleichförmig verteilt.
Als Ergebnis wird ein Positionsversatz zwischen der Magnetflusserzeugungseinheit
und dem Magnetsensor die Genauigkeit des Magnetsensors nicht beeinträchtigen.
-
Weiterhin
ist die Kombination der zwei orthogonal (in einem Winkel von 90°) zueinander
angeordneten Magnetsensoren und des zusätzlichen Magneten effektiv
zur Verhinderung der Richtungsänderung (d.h.
Verzerrung) des Magnetflusses um diesen Sensoren herum. Daher wird
ein Fehler in dem Rotationswinkel aufgrund des Positionsversatzes unterdrückt, weshalb
die Genauigkeit des erfassten Winkels verbessert wird.
-
Weiterhin
trägt die
Anordnung der Magnetpole in dem zusätzlichen Magneten in entgegengesetzter
Richtung zu derjenigen der Magnetflusseinheit zu der Bildung eines
Grenzbereichs in einer Abstoßung
zu dem Magnetfluss der Magnetflusserzeugungseinheit bei. Auf diese
Weise werden Vektoren des Magnetflusses (Intensität und Richtung
des Magnetfeldes, die durch den Magnetfluss dargestellt werden)
gleichförmig
verteilt. Als Ergebnis wird ein Positionsversatz zwischen der Magnetflusserzeugungseinheit
und dem Magnetsensor die Genauigkeit des Magnetsensors nicht verschlechtern,
wenn der Magnetsensor in einem sich radial nach außen erstreckenden
Raum von der Grenzfläche
angeordnet ist.
-
Weiterhin
ist die Kombination der zwei Magnetsensoren mit dem Winkel von 90° und dem
zusätzlichen
Magneten, die in dieselbe Magnetflussrichtung ausgerichtet sind,
effektiv, um eine Richtungsänderung
des von diesen Sensoren erfassten Magnetflusses zu verhindern. Daher
wird ein Fehler in dem Rotationswinkel aufgrund des Positionsversatzes
zwischen den zwei Sensoren unterdrückt, weshalb die Genauigkeit
des erfassten Winkels verbessert wird.
-
Die
Magnetflusserzeugungseinheit in zylindrischer Form dient zur Bereitstellung
eines geschlossenen Magnetfeldes in einem Raum zwischen der Magnetflusserzeugungseinheit
und dem zusätzlichen
Magneten. Als Ergebnis sind die Vektoren des Magnetflusses (Intensität und Richtung
des Magnetfeldes, die durch den Magnetfluss dargestellt werden)
für eine
verbesserte Genauigkeit des erfassten Winkels hoch genau standardisiert
(genormt, einheitlich).
-
Die
Magnetflusserzeugungseinheit kann die Form einer Scheibe annehmen,
die am Rotationszentrum senkrecht durch die Welle gehalten wird.
-
Die
zwei Magnetflusserzeugungseinheiten in der Scheibenform lassen Raum
für ein
Platzieren des Magnetsensors in axialer Richtung an dem Rotationszentrum.
Die Magnetpole in jeder der zwei Magnetflusserzeugungseinheiten
sind in dieselbe Richtung ausgerichtet. Auf diese Weise bildet der
Magnetfluss zwischen den zwei Magnetflusserzeugungseinheiten ein
geschlossenes Magnetfeld in einem Bereich zwischen dem Umfang der
Scheibe und einer äußeren Oberfläche des
zusätzlichen
Magneten, wodurch eine genaue Erfassung des Rotationswinkels ermöglicht wird.
-
Die
Magnetflusserzeugungseinheiten können
einen Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetflusses verwenden,
wobei der Permanentmagnet und der zusätzliche Magnet einstückig in
einem Körper
geformt sein können.
Auf diese Weise kann eine Erhöhung
der Kosten für
ein zusätzliches
Teil und eine zusätzliche
Anordnung verhindert werden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Die
Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1A eine
Draufsicht einer Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
-
1B eine
Seitenansicht mit einem Teilschnitt der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
-
2 eine
schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
-
3A eine
Darstellung eines Ausgangssignalsverlaufs (Ausgangswellenform) aus
Sensoren der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
-
3B eine
Darstellung einer inversen trigonometrischen Berechnung, die an
dem Ausgang der Sensoren der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
vorgenommen wird,
-
3C eine
Darstellung eines linearen Ausgangs aus den Sensoren nach einem
Verbindungsvorgang gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
-
4A eine
Draufsicht einer Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
-
4B eine
Seitenansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
-
5A eine
Draufsicht mit einem Teilschnitt der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
-
5B eine
Seitenansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel,
-
6A eine
Querschnittsansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß einer
Linie VIa-VIa gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel,
-
6B eine
Seitenansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel,
-
7 eine
Darstellung eines Magnetfeldes in einer Ebene, die senkrecht zu
einer Achse der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
verläuft,
-
8 eine
Darstellung eines Magnetfeldes in einer axialen Ebene der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel,
-
9A eine
Querschnittsansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß einer
Linie IXa-IXa gemäß dem Stand
der Technik,
-
9B eine
Seitenansicht der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik,
-
10 eine
Darstellung des Magnetfeldes in einer Ebene, die senkrecht zu der
Achse der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem Stand der
Technik verläuft,
-
11A eine Darstellung des Ausgangssignals (Ausgangssignalverlaufs)
aus Sensoren mit einem Winkelfehler gegenüber einem Rotationswinkel in
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
-
11B eine Darstellung des Ausgangs aus Sensoren
mit einem Winkelfehler gegenüber
dem Rotationswinkel der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel,
-
12A eine Darstellung eines Winkelfehlers gegenüber dem
relativen Versatz in x-/y-/z-Richtung gemäß dem Stand der Technik,
-
12B eine Darstellung des Winkelfehlers gegenüber dem
relativen Versatz in x-/y-/z-Richtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
-
13A eine Draufsicht einer Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß einem
ersten Stand der Technik,
-
13B eine Seitenansicht mit einem Teilquerschnitt
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Stand der Technik,
-
14A eine Draufsicht einer Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß einem
zweiten Stand der Technik,
-
14B eine Seitenansicht mit einem Teilquerschnitt
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Stand der Technik,
-
15A eine Draufsicht einer Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß einem
dritten Stand der Technik,
-
15B eine Seitenansicht mit einem Teilquerschnitt
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem dritten Stand der Technik,
-
16 eine
Darstellung eines Magnetfeldes in einer Ebene, die senkrecht zu
der Achse der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem dritten
Stand der Technik verläuft,
-
17 eine
Darstellung des Ausgangssignalverlaufs (Ausgangswellenform) aus
den Sensoren der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem dritten
Stand der Technik, und
-
18 eine
Darstellung des Magnetfeldes in einer axialen Ebene der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß dem dritten
Stand der Technik.
-
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben. Eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet eine Magnetflusserzeugungseinheit zur Erzeugung
eines Magnetflusses in einer Ebene, die senkrecht zu einer Welle
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung verläuft, und einen Magnetsensor
zur Erfassung einer Änderung
in dem Magnetfluss. Die Magnetflusserzeugungseinheit und der Magnetsensor
drehen sich relativ zueinander um die Welle. Die Magnetflusserzeugungseinheit
nimmt eine Form an, die sich allgemein von einer äußeren Oberfläche der
mit einem magnetischen Material hergestellten Welle der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
sich radial nach außen
erstreckt, und der Magnetsensor ist in einem Raum zwischen der äußeren Oberfläche der
Welle und einem Umfang der Magnetflusserzeugungseinheiten zwischen
beiden Enden der Welle angeordnet. Ein zusätzlicher Magnet wird zur gleichförmigen Anordnung
der Richtung des von der Magnetflusserzeugungseinheit erzeugten Magnetflusses
in einem Raum verwendet, der näher an
der Welle als an dem Magnetsensor liegt.
-
Erstes Ausführungsbeispiel
-
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für die Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1A bis 3 beschrieben.
-
1A, 1B und 2 zeigen
eine Draufsicht, eine Seitenansicht mit einem Teilquerschnitt und
eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung.
-
In
der nachstehenden Beschreibung sind die X-Achse und die Y-Achse
orthogonal zueinander in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zu
der Welle verläuft
und ist die Z-Achse parallel zu der Welle ausgerichtet.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
weist eine Welle 1 (gemäß diesem
Beispiel ein rotierendes Teil), einen zylindrischen Magneten 3,
der fest an der Welle 1 unter Verwendung eines Stützteils 2 angeordnet ist,
und eine Magneterfassungsvorrichtung 4 sowie eine Winkelberechnungseinheit 5 auf,
die beide an einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Teil angeordnet
sind, das sich relativ zu der Welle 1 dreht (beispielsweise
eine Schaltungsplatine oder dergleichen, die beispielsweise an bzw.
in einem Gehäuse angeordnet
ist).
-
Die
Welle 1 nimmt eine zylindrische Form auf, und ist mit einem
magnetischen Material (beispielsweise Eisen oder dergleichen) hergestellt.
Die Welle 1 kann beispielsweise mit einer Drosselklappe eines
Drosselklappenöffnungssensors
zur Erfassung eines Rotationswinkels sich drehen.
-
Das
Stützteil 2 nimmt
die Form einer Scheibe an, die mit einem nicht-magnetischen Material
wie Harz oder dergleichen hergestellt ist, und ist fest an der Welle 1 mit
einem zusätzlichen
Magneten 11 an einem inneren Umfang angeordnet, um den
zylindrischen Magneten 3 an der Welle 1 an einem äußeren Umfang
radial zu stützen.
-
Der
Magnet 3 ist ein Permanentmagnet in einer zylindrischen
Form mit einer gleichförmigen
Dicke, und ist fest an der Welle 1 angeordnet, wobei dessen
zylindrische Achse auf die Z-Achse (d.h. mit der Welle 1)
ausgerichtet ist, in dem das Stützteil 2 zur
einstückigen
Rotation mit der Welle 1 verwendet wird. Das heißt, dass
die Achse des Magneten mit der Z-Achse zusammenfällt.
-
Der
Magnet 3 erzeugt einen Magnetfluss in einer Richtung, die
senkrecht zu der Z-Achse verläuft.
Die Richtung des Magnetflusses ist durch einen gestrichelten Pfeil
dargestellt, der in der Darstellung gemäß 1A nach
links zeigt. In diesem Fall ist die Richtung in der Richtung der
X-Achse ausgerichtet.
-
Die
Magneterfassungsvorrichtung 4 ist fest in einem Raum angeordnet,
der von dem Magneten 3 umgeben ist, und weist einen ersten
Magnetsensor 6 und einen zweiten Magnetsensor 7 auf,
wie es in 2 dargestellt ist. Der erste
Magnetsensor 6 und der zweite Magnetsensor 7 erfassen
jeweils den Magnetfluss in orthogonal zueinander unterschiedlichen Richtungen,
d.h. beispielsweise in den Richtungen der X-Achse und der Y-Achse.
In diesem Fall sind der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 in
einem einzelnen Chipteil bzw. einem einzelnen Baustein implementiert.
-
Der
erste Sensor 6 weist ein Hall-Element 6a zur Erzeugung
eines Ausgangs relativ zu der Richtung und der Dichte des Magnetflusses
auf, der eine Magnetflusserfassungsoberfläche des Elementes 6a durchdringt.
Der Ausgang aus dem Element 6a wird durch einen Verstärker 6b verstärkt. Der
Verstärker 6b ist
in dem Sensor 6 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
angeordnet. Der Verstärker 6b kann
jedoch stattdessen getrennt von dem Sensor 6 angeordnet
sein.
-
Der
zweite Sensor 7 weist denselben Aufbau wie der erste Sensor 6 auf.
Das heißt,
dass der Sensor 7 einen Ausgang relativ zu dem Magnetfluss
erzeugt und ein zweites Hall-Element 7a als
auch einen Verstärker 7b aufweist.
Der Verstärker 7b kann
einstückig
in dem Sensor 7 angeordnet sein, oder kann stattdessen
auch getrennt von dem Sensor 7 entfernt angeordnet sein.
-
Die
Magnetflusserfassungsoberfläche
des ersten Hall-Elementes 6a ist
auf die X-Achse ausgerichtet, und die Magnetflusserfassungsoberfläche des
zweiten Hall-Elementes 7a ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
auf die Y-Achse ausgerichtet. Das heißt, dass der erste Sensor 6 und
der zweite Sensor 7 in einer Umgebung innerhalb des Umfangs des
Magneten 3 unter Verwendung eines Befestigungsteils angeordnet
sind.
-
Auf
diese Weise entsprechen der Ausgang aus dem ersten Sensor 6 und
der Ausgang aus dem zweiten Sensor 7 jeweils der Erfassung
des Magnetflusses durch orthogonal versetzte Sensoren. Das heißt, dass
die Ausgangskurve aus dem Sensor 6 die Form einer Sinuskurve
A gemäß 3A annimmt und
dass die Ausgangskurve aus dem Sensor 7 die Form einer
Cosinuskurve B gemäß 3A annimmt.
-
Die
Winkelberechnungseinheit 5 führt einen Winkelberechnungsvorgang
aus. Das heißt,
dass die Berechnungseinheit 5 die Sinuskurve A aus dem Sensor 6 und
die Cosinuskurve B aus dem Sensor 7 in einen linearen Ausgang
C gemäß 3B durch eine
inverse trigonometrische Berechnung (d.h. tan θ = sin θ/cos θ zu θ = tan–1(sinθ/cosθ) bzw. θ = arctan(sinθ/cosθ)) bei einem
Intervall von 180° umwandelt.
Die Berechnungseinheit 5 führt weiterhin eine Berechnung
zur Umwandlung des Ausgangs C in einen linearen Ausgang D (einen
analogen Ausgang) in einem Bereich von 360° durch, wie es in 3C gezeigt
ist.
-
Die
Richtung des Magnetflusses an der Position des Magnetsensors 4 zwischen
beiden Enden der Welle 1 wird unter dem Einfluss der mit
einem magnetischen Material hergestellten Welle 1 gestört. Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet den zusätzlichen Magneten 11, der
die Welle 1 in einem Raum innerhalb des Magnetsensors 4 abdeckt.
Auf diese Weise ist der Magnetsensor 4 zwischen dem Magneten 3 und
dem zusätzlichen
Magneten 11 positioniert, wodurch dieser vor dem Einfluss
der Welle 1 geschützt
ist, der die Richtung des Magnetflusses stört, wobei die Verteilung des Magnetflusses
zwischen diesen Magneten gleichförmig
gemacht wird.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 weist die Form eines Zylinders mit einer gleichförmigen Dicke
um die Welle 1 in einem Raum innerhalb von den Sensoren 4 auf.
Die Achse des Magneten 11 und die Achse der Welle 1 sind
zueinander ausgerichtet, und der Magnet 11 und die Achse 1 drehen
sich einstückig.
Das heißt,
dass sich der Magnet 3 und der Magnet 11 einstückig drehen.
Weiterhin fällt
das Zentrum des Magneten 11 in einer Ebene senkrecht zu
der Z-Achse allgemein mit dem Zentrum des Magneten 3 in
der Ebene senkrecht zu der Z-Achse
zusammen.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
weist eine Länge
auf, die größer als
diejenige des Magneten 3 in Z-Achsenrichtung ist. Jedoch
kann die Länge
des Magneten 11 gleich oder kleiner als die Länge des
Magneten 3 in der Z-Achse sein.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 weist Magnetpole auf, die invers zu denjenigen
des Magneten 3 positioniert sind. Das heißt, dass
ein N-Pol des zusätzlichen
Magneten 11 einem S-Pol des Magneten 3 zugewandt
ist, und dass der S-Pol des zusätzlichen
Magneten 11 dem N-Pol des Magneten 3 zugewandt
ist, wobei der Magnetfluss auf die gestrichelten Pfeilen in der
Darstellung gemäß 1a ausgerichtet
ist.
-
Der
Magnetfluss ist gleichförmig
mit einer Genauigkeit verteilt, da er in einem geschlossenen Magnetfeld
zwischen dem Magneten 3 und dem Magneten 11 geformt
ist. Weiterhin sind Vektoren, die die Intensität und die Richtung des Magnetfeldes
zwischen den zwei Magneten 3 und 11 darstellen, gleichförmig verteilt.
Daher ist der Magnetsensor 4 in einem Raum zwischen den
Magneten 3 und 11 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung angeordnet.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
kann unter Verwendung der zwei Sensoren 6 und 7 die
Rotation in einem Bereich erfassen, der größer als 180° ist. Jedoch kann einer der
zwei Sensoren 6 und 7 entfallen, wenn der erforderliche
Bereich der Rotationserfassung kleiner als 180° ist.
-
Die
ersten und zweiten Sensoren 6 und 7 sind gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
auf einem Chip angeordnet. Jedoch können die zwei Sensoren 6 und 7 getrennt
auf unterschiedlichen Chips angeordnet sein. Selbst in diesem Fall
beeinträchtigt ein
Positionsversatz von zumindest einem der zwei Sensoren 6 und 7 die
von diesen Sensoren erfasste Richtung des Magnetflusses nicht, wodurch
gewährleistet
wird, dass der Ausgang aus den zwei Sensoren 6 und 7 dieselbe
Amplitude aufweist.
-
Zweites Ausführungsbeispiel
-
Nachstehend
ist ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 4a und 4b beschrieben.
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, wie sie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dargestellt sind.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
der Magnet 3 in einer Scheibenform anstelle der gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
verwendeten zylindrischen Form verwendet. Der Permanentmagnet 3 weist
die Form einer Scheibe mit einer konstanten Dicke auf. Das Zentrum
des Magneten 3 fällt mit
dem Zentrum (d.h. der Z-Achse) der Welle 1 zusammen, und
ein innerer Umlauf des Magneten 3 ist direkt an die Welle 1 angebracht.
Daher dreht sich der Magnet 3 einstückig mit der Welle 1.
-
Die
Magnetpole des Magneten 3 sind auf eine Linie ausgerichtet,
die senkrecht zu der Z-Achse verläuft. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist
der Magnetfluss auf einen gestrichelten Pfeil in 4a mit
der Unterstützung
des zusätzlichen
Magneten 11 ausgerichtet, der direkt an die Welle 1 in
einem inneren Raum angebracht ist, der sich von dem Magnetsensor 4 zu
der Welle 1 hin erstreckt. Der Magnetfluss ist in einem
geschlossenen Magnetfeld zwischen den Magneten 3 und 11 geformt,
wodurch er vor dem Einfluss der mit dem magnetischen Material hergestellten
Welle 1 geschützt
ist und gleichförmig in
dem Raum mit dem Magnetsensor 4 verteilt ist.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 weist die Form eines Zylinders auf, der in dem
Raum innerhalb des Magnetsensors 4 mit einer konstanten
radialen Dicke angeordnet ist. Die Welle 1 und der Magnet 11 drehen
sich einstückig
miteinander, wobei deren Mittelpunkte im selben Punkt übereinstimmen.
-
Bei
dem zusätzlichen
Magnet 11 sind die Magnetpole in dieselbe Richtung wie
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgerichtet. Der Magnetfluss wird in derselben Weise wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben gleichmäßig verteilt, da
das Magnetfeld zwischen dem Magneten 3 und dem Magneten 11 geschlossen
ist. Der Magnetsensor 4 ist in dem Raum angeordnet, der
sich von der äußeren Oberfläche des
Magneten 3 zu dem Umfang des Magneten 11 nach
außen
erstreckt.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
kann den Rotationswinkel selbst dann erfassen, wenn die Position
der Magneterfassungsvorrichtung 4 zu einem gewissen Ausmaß verlagert
ist. Dies liegt daran, dass der von den Sensoren 6 und 7 erfasste
Magnetfluss durch die Änderung
der Positionen dieser Sensoren 6 und 7 nicht beeinträchtigt wird.
Auf diese Weise kann der Rotationswinkel unter Verwendung der Erfassungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Gleichzeitig kann der Ausgang
der Sensoren 6 und 7 auf einem Pegel derselben
Intensität
beibehalten werden, um dieselbe Amplitude für die Erfassung des Rotationswinkels
zu haben.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 ist einstückig
mit dem Magneten 3 geformt, wodurch die Kosten für erforderliche
Teile und den Zusammenbau verringert werden. Der zusätzliche
Magnet 11 kann getrennt zur Befestigung an den Magneten 1 vorbereitet
werden.
-
Drittes Ausführungsbeispiel
-
Nachstehend
ist ein drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5a und 5b beschrieben.
In dem dritten Ausführungsbeispiel
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
-
Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel sind
zwei Magnete 3 in Scheibenform anstelle der gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
verwendeten zylindrischen Form verwendet. Zwei der Permanentmagnete 3 weisen
dieselbe konstante Dicke und dieselbe magnetische Intensität mit denselben
Ausmaßen
auf. Das Zentrum der Magneten 3 fällt mit dem Zentrum (d.h. der
Z-Achse) der Welle 1 zusammen, und ein innerer Umlauf der
Magnete 3 sind direkt mit der Welle 1 mit einer
dazwischen angeordneten vorbestimmten Raumgröße angebracht. Die Magnete 3 drehen
sich einstückig mit
der Welle 1, die mit dem magnetischen Material hergestellt
ist.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 weist die Form eines Zylinders auf, der in dem
Raum innerhalb von dem Magnetsensor 4 mit einer konstanten
radialen Dicke angeordnet ist. Die Welle 1 und der Magnet 11 drehen
sich einstückig
miteinander, wobei deren Mittelpunkte an demselben Punkt zusammenfallen.
Die Magnetpole des Magneten 11 sind invers zu der Anordnung
der Pole in dem Magneten 3 angeordnet.
-
Aufgrund
des Aufbaus des zusätzlichen
Magneten 11 wird der Magnetfluss gleichförmig in
derselben Weise wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben verteilt, da das Magnetfeld zwischen den zwei Magneten 3 und
dem Magneten 11 geschlossen ist. Der Magnetsensor 4 ist
in dem Raum angeordnet, der sich von der äußeren Oberfläche des
Magneten 3 zu dem Umfang des Magneten 11 nach
außen
erstreckt. Weiterhin sind Vektoren, die die Intensität und die
Richtung des Magnetfeldes zwischen den zwei Magneten 3 und
dem Magneten 11 wiedergeben, in der Mitte zwischen den
zwei Magneten 3 in Z-Achsenrichtung und in der Mitte zwischen der äußeren Oberfläche des
Magneten 11 und dem Umfang des Magneten 3 gleichförmig verteilt.
Daher ist der Magnetsensor 4 in dem durch diese Grenzen definierten
Raum in dessen Mitte angeordnet.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
kann den Rotationswinkel selbst dann erfassen, wenn die Position
der Magneterfassungsvorrichtung 4 zu einem gewissen Ausmaß verlagert
ist, wie es die Erfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
kann. Dies liegt daran, dass der Magnetfluss zu einem höheren Ausmaß als gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
gleichmäßig und
dicht verteilt ist. Auf diese Weise kann der Rotationswinkel mit
hoher Genauigkeit durch Verwendung der Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung erfasst werden. Gleichzeitig kann der Ausgang der Erfassungsvorrichtung
erhöht
werden.
-
Der
zusätzliche
Magnet 11 ist einstückig
mit dem Magneten 3 geformt, wodurch Kosten für erforderliche
Teile und den Zusammenbau verringert werden. Der zusätzliche
Magnet 11 und der Magnet 3 können zur Befestigung einer
Welle 1 getrennt vorbereitet werden.
-
Viertes Ausführungsbeispiel
-
Nachstehend
ist ein viertes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 6A bis 12A beschrieben.
-
Gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel sind
die Magnetpole in dem zusätzlichen
Magneten 11 in derselben Richtung wie die Pole in dem Magneten 3 angeordnet,
wie es in 6A gezeigt ist.
-
Das
vierte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist unter Verwendung einer ähnliche
Technik als Basis beschrieben. Die ähnliche Technik ist unter Bezugnahme
auf 9a bis 12A beschrieben.
Die ähnliche
Technik weist eine Form auf, bei der der zusätzliche Magnet 11 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
entfällt,
wie es in 9a und 9b gezeigt
ist. Genauer weist die ähnliche
Technik zwei Magnetringe 3 mit demselben Durchmesser/Dicke/magnetische
Intensitäten
auf. Die zwei Magnetringe 3 sind an der mit dem magnetischen
Material hergestellten Welle 1 fest mit einem vorbestimmten
dazwischen angeordneten Raum angeordnet. Die Magnetpole in den zwei
Magnetringen 3 sind in derselben Richtung wie die durch
Pfeile in 9a gezeigt angeordnet.
-
Auf
diese Weise ist ein geschlossenes Magnetfeld mit Magnetvektoren,
die auf radiale Richtungen ausgerichtet sind, zwischen den zwei
Magnetringen 3 in der Z-Richtung gebildet. Der Magnetsensor 4 ist
in dem Raum zwischen den zwei Magnetringen mit dem geschlossenen
Magnetfeld angeordnet.
-
Die
Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vorstehend beschriebenen
Beispiel soll in dem Raum mit dem Magnetsensor 4 eine Robustheit
aufweisen.
-
Jedoch
ist der Magnetfluss in dem Raum zwischen den zwei Magnetringen nicht
frei von dem Einfluss der Welle 1, wie es in 10 an
einem Punkt β an
einer kreisförmigen
Bahn α der
Magneterfassungsvorrichtung 4 gezeigt ist. Als Ergebnis
passen die Amplituden des ersten Sensors 6 und des zweiten
Sensors 7 nicht zueinander, wie es in 11A gezeigt ist. Das heißt, dass ein Fehler G in der
Rotationswinkelerfassung ansteigt.
-
In
diesem Fall sind (1) eine elektrische Korrektur der Amplitude des
Ausgangs und/oder (2) präzises
Neigen der Magnetflusserfassungsvorrichtung des Hall-Elements eines
der Sensoren 6 und 7 mögliche Lösungen zur Anpassung der Amplitude
des Ausgangs aus den zwei Sensoren 6 und 7. Jedoch sind
beide Lösungen
zu kompliziert für
eine tatsächliche
Umsetzung.
-
Weiterhin
erhöht
der Einfluss der Welle 1 den Erfassungsfehler G des Rotationswinkels
in der Magneterfassungsvorrichtung 4 (den ersten und zweiten Sensoren 6 und 7),
die durch einen Positionsversatz beim Zusammenbau oder dergleichen
verursacht wird. Der Einfluss der Welle 1 ist in der Darstellung gemäß 12A gezeigt.
-
Gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel werden
die Nachteile der ähnlichen
Technik dadurch überwunden,
dass eine ähnliche
Struktur wie gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
angewandt wird. Das heißt,
dass die Rotationswinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel zwei
Magnetringe 3 aufweist, die an der Welle 1 angeordnet
sind, wobei der zusätzliche
Magnet 11 dazwischen angeordnet ist. Der Unterschied zwischen dem
dritten Ausführungsbeispiel
und dem vierten Ausführungsbeispiel
besteht in der Anordnung der Magnetpole in den zwei Magnetringen 3 und
dem zusätzlichen
Magneten 11. Das heißt,
dass die Pole in den Magnetringen 3 und dem Magneten 11 in
derselben Richtung angeordnet sind, wie es in 6A und 6B gezeigt
ist.
-
Die
Anordnung der Magnetpole in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugt
die Wirkung, dass die Vektoren, die die Richtungen und Intensitäten des
Magnetfeldes darstellen, in einem Raum außerhalb einer Grenze gleichförmig gemacht
werden, die in abstoßender
Weise durch den Magnetfluss aus den zwei Magnetringen 3 gebildet
wird, wie es in 7 und 8 gezeigt
ist. Daher ist der Raum außerhalb
der Grenze frei von dem Einfluss der Welle 1. Als Ergebnis
wird der Einfluss der Welle 1 an dem Punkt β in 10 an
einem Punkt β' in 7 aufgrund
der Verwendung des zusätzlichen
Magneten 11 entfernt, wodurch ermöglicht wird, dass der Fehler G
in der Rotationswinkelerfassung auf der Grundlage der zueinander
passenden Amplituden der Ausgänge
aus den Sensoren 6 und 7 nominell (minimal) ist, wie
es 11B gezeigt ist.
-
Weiterhin
führt die
Entfernung des Einflusses der Welle 1 in einem Raum γ, der für die Magneterfassungsvorrichtung 4 reserviert
ist, wie es in 8 gezeigt ist, zu einer Erzeugung
von zueinander passenden Magnetvektoren, weshalb die Fehler in der Rotationswinkelerfassung
gegenüber
eines Positionsversatzes bei einem Zusammenbau oder dergleichen
in den x-/y-/z-Richtungen derart verringert werden, dass sie, wie
es 12A gezeigt ist, nominell (minimal) sind.
-
Weiterhin
ist der zusätzliche
Magnet 11 einstückig
mit dem Magneten 3 geformt, wodurch Kosten erforderlicher
Teile und für
den Zusammenbau verringert werden. Der zusätzliche Magnet 11 kann getrennt
zur Befestigung an der Welle 1 vorbereitet werden.
-
Weiterhin
sind die ersten und zweiten Sensoren 6 und 7 gemäß den ersten
bis vierten Ausführungsbeispielen
in einem Chip (Baustein) als die Magneterfassungsvorrichtung 4 implementiert.
Auf diese Weise wird die Kompaktheit der Sensoren 6 und 7 erhöht als auch
Kosten für
die Teile verringert.
-
Weiterhin
kann der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 in
einem Winkel von 90° zueinander in
der Rotationswinkelerfassungsvorrichtung angeordnet werden, wobei
deren Magnetflusserfassungsoberflächen jeweils auf normale (senkrechte)
Richtungen (oder Tangentenrichtungen) ausgerichtet sind, um dieselbe
Wirkung zu erzielen.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung vollständig
im Zusammenhang mit deren bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung beschrieben worden ist, sei bemerkt,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen für
den Fachmann deutlich sind.
-
Beispielsweise
kann der Magnet 3 in Kombination mit einem aus einem magnetischen
Material hergestellten Joch in der Magnetflusserzeugungseinheit
verwendet werden.
-
Weiterhin
können
die Magnetpole in dem zusätzlichen
Magneten 11 in radialer Richtung für eine feste Anordnung des
Magneten 11 anstelle der linearen/invers-linearen Richtungen
der Magnetpolanordnung zur einstückigen
Rotation mit dem Magneten 3 angeordnet werden.
-
Außerdem kann
die Magneterfassungsvorrichtung 4 mit dem Magneten 3 in
einer festen Position gedreht werden, oder können sowohl der Magnet 3 als
auch die Magneterfassungsvorrichtung 4 gedreht werden.
-
Weiterhin
können
magnetoresistive Elemente (MRE, magnetoresistive elements) oder
Magnetsensoren anderer Bauarten anstelle der Hall-Elemente verwendet
werden, wie sie gemäß den vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen
als die ersten und zweiten Sensoren 6 und 7 verwendet
werden.
-
Weiterhin
kann die Rotationswinkelerfassungsvorrichtung zur Erfassung des
Rotationswinkels einer Kurbelwelle, eines Roboterarms oder eines
anderen Teils einer Maschine oder dergleichen verwendet werden,
anstelle zur Erfassung eines Öffnungswinkels
der Drosselklappe, wie es in den vorstehenden Ausführungsbeispielen
beschrieben worden ist.
-
Derartige Änderungen
und Modifikationen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung
enthalten, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert
ist.
-
Wie
es vorstehend ausführlich
beschrieben worden ist, weist eine Rotationswinkelerfassungsvorrichtung
zur Erfassung einer Änderung
in dem Magnetfluss einen Magnetsensor 4 auf, der in einer
Position in einem Raum zwischen einer äußeren Oberfläche einer
Welle 1 und einem Umfang der Magnetflusserzeugungseinrichtung 3 angeordnet
ist. Ein zusätzlicher
Magnet 11 wird in einem Raum, der in einer kreisförmigen Bahn
des Magnetsensors 4 um die Welle 1 eingeschlossen
ist, zur gleichmäßigen Verteilung
des von der Magnetflusserzeugungseinrichtung 3 erzeugten
Magnetflusses verwendet.