DE102007000086A1

DE102007000086A1 - Drehwinkelerfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007000086A1
Application number: DE102007000086A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Kariya Kitanaka; Takashi Kariya Kawashima; Koichiro Kariya Matsumoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2027-02-14
Also published as: US20070188165A1; JP4640708B2; US7268540B1; DE102007000086B4; JP2007218592A

Abstract

Leitungsdrähte (50, 54) verlaufen parallel zueinander und verbinden ein Hall-Element (30) und eine ECU (82). Der Leitungsdraht (50) umfasst einen Entnahmeteil (51) und einen Verdrahtungsteil (52). Der Entnahmeteil (51) verläuft entlang einer Oberfläche einer Basis (80), auf der das Hall-Element (30) positioniert ist, und in einer Richtung einer Empfindlichkeit des Hall-Elements (30). Der Verdrahtungsteil (52) erstreckt sich von dem Entnahmeteil (51) und verläuft nahe einer sich drehenden Kurbelwelle in einer axialen Richtung der Kurbelwelle. Ähnlich zu dem Leitungsdraht (50) umfasst der Leitungsdraht (54) einen Entnahmeteil (55) und einen Verdrahtungsteil (56). Leitungsdrähte (60, 64) verlaufen parallel zueinander und verbinden ein Hall-Element (31) und die ECU (82). Die Leitungsdrähte (60, 64) umfassen einen Entnahmeteil (61) und einen Verdrahtungsteil (62) bzw. einen Entnahmeteil (65) und einen Verdrahtungsteil (66).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung.
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung (siehe bspw. JP62-095402A), die einen Drehwinkel eines Erfassungsgegenstands auf der Grundlage eines Magnetfelds, das entsprechend einer Drehung des Erfassungsobjekts variiert, erfasst, ist allgemein bekannt. Bei einer derartigen Drehwinkelerfassungsvorrichtung wird ein Magnetismuserfassungselement (bspw. ein Hall-Element) relativ zu einem Magnetfeld, das ein Dauermagnet synchron mit der Drehung des Objekts erzeugt, gedreht. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung erfasst somit den Drehwinkel des Objekts auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Magnetismuserfassungselements. Das Ausgangssignal entspricht einem sich drehenden Magnetfeld, das die Drehung des Dauermagneten relativ zu dem Magnetismuserfassungselement begleitet.
Bei der vorstehend beschriebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung wird jedoch ein induktives Rauschen aufgrund des sich drehenden Magnetfelds auf das Ausgangssignal des Magnetismuserfassungselements überlagert. Das induktive Rauschen wird durch die induzierte elektromotorische Kraft verursacht, die in einer Schaltung erzeugt wird, die durch Leitungsdrähte zum Übertragen des Ausgangssignals gebildet wird, wenn das Magnetfeld entsprechend der Drehung des Objekts variiert. Als Ergebnis vergrößert sich ein Erfassungsfehler, wenn die Drehwinkelerfassungsvorrichtung den Drehwinkel erfasst.
Die vorliegende Erfindung ist auf die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten gerichtet. Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung bereitzustellen, die einen relativ kleinen Erfassungsfehler aufgrund eines induktiven Rauschens aufweist.
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, ist eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Drehung eines Erfassungsobjekts bereitgestellt. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung umfasst eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung, ein Magnetismuserfassungselement, ein Paar von Leitungsdrähten und eine elektronische Vorrichtung. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugt ein Magnetfeld. Das Magnetismuserfassungselement ist in dem Magnetfeld positioniert und gibt ein Ausgangssignal entsprechend einer Variation in dem Magnetfeld, die durch eine Drehung des Erfassungsobjekts verursacht wird, aus. Das Paar von Leitungsdrähten ist mit dem Magnetismuserfassungselement verbunden und überträgt das Ausgangssignal. Die elektronische Vorrichtung umfasst einen Drehwinkel des Erfassungsobjekts auf der Grundlage des Ausgangssignals. Das Paar von Leitungsdrähten umfasst ein entsprechendes Paar von Verdrahtungsteilen, die in einer virtuellen Ebene verlaufen, die im Allgemeinen senkrecht zu einer Richtung einer Empfindlichkeit des Magnetismuserfassungselements ist, und sich entlang einer Drehachse des Erfassungsobjekts in einem Bereich erstrecken, bei dem das Magnetfeld durch die Drehung des Erfassungsobjekts variiert wird.
Die Erfindung wird zusammen mit zusätzlichen Aufgaben, Merkmalen und zugehörigen Vorteilen aus der nachstehenden Beschreibung, den beigefügten Patentansprüchen und der beigefügten Zeichnung besser ersichtlich. Es zeigen:
1A eine Querschnittsdarstellung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung in einer 1B, die entlang einer Linie IA-IA entnommen ist, entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
1B eine Querschnittsdarstellung der Drehwinkelerfassungsvorrichtung in 1A, die entlang einer Linie IB-IB entnommen ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2A eine schematische Darstellung, die ein Magnetfeld zeigt, das Dauermagnete erzeugen,
2B eine schematische Darstellung, die das Magnetfeld zeigt, das die Dauermagnete erzeugen,
2C eine schematische Darstellung, die das Magnetfeld zeigt, das die Dauermagnete erzeugen,
3A ein Diagramm, das ein Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels durch die Drehwinkelerfassungsvorrichtung veranschaulicht,
3B ein Diagramm, das das Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels durch die Drehwinkelerfassungsvorrichtung veranschaulicht,
3C ein Diagramm, das das Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels durch die Drehwinkelerfassungsvorrichtung veranschaulicht,
4 eine Tabelle, die das Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels durch die Drehwinkelerfassungsvorrichtung veranschaulicht,
5 ein Diagramm, das Maßnahmen gegen ein Rauschen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
6 ein Diagramm, das die Maßnahmen gegen das Rauschen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
7A eine Querschnittsdarstellung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung in einer 7B, die entlang einer Linie VIIA-VIIA entnommen ist, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7B eine Querschnittsdarstellung der Drehwinkelerfassungsvorrichtung in 7A, die entlang einer Linie VIIB-VIIB entnommen ist, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 eine schematische Darstellung, die eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Stand der Technik zeigt,
9 ein Diagramm, das ein Ergebnis eines Rauschtests zeigt, der bei der Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Stand der Technik ausgeführt wird,
10 eine schematische Darstellung, die eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Stand der Technik zeigt, und
11 ein Diagramm, das ein Ergebnis eines Rauschtests zeigt, der bei der Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Stand der Technik ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. Es werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Bauelemente innerhalb der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung anzugeben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 1A und 1B ist eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bspw. eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung, die in einem Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine eingebaut ist. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 ist bereitgestellt, um ein elektrisches Signal auszugeben, das mit einem Winkel (Kurbelwinkel) einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle, der erfasst wird, korreliert, zu einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 82 der Verbrennungskraftmaschine auszugeben. Daraufhin erfasst die ECU 82 (d.h. eine elektronische Einrichtung) der Verbrennungskraftmaschine den Kurbelwinkel auf der Grundlage des elektrischen Signals, das von der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 ausgegeben wird, und bestimmt, in welchem Zylinder Kraftstoff zu zünden ist, auf der Grundlage des Kurbelwinkels, der erfasst wird.
Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 umfasst ein zylindrisches Joch 20, Dauermagnete 22, 24, Hall-Elemente 30, 31, eine biegsame bzw. flexible gedruckte Schaltungsplatine (FPC) 40, eine Basis 80, die ECU 82 und dergleichen.
Das Joch 20 und die Dauermagnete 22, 24 sind eine Magnetfelderzeugungseinrichtung und drehen sich mit der Kurbelwelle. Die bogenförmigen Dauermagnete 22, 24 sind bei einer Innenwand des Jochs 20 befestigt. Die Dauermagnete 22, 24 sind exakt (180°) bei zueinander entgegengesetzten Seiten in der radialen Richtung angeordnet und erzeugen ein Magnetfeld nahe einer Drehachse der Kurbelwelle. Wie es in 2A bis 2C gezeigt ist, weist dieses nahezu parallele Magnetfeld eine im Allgemeinen gleichförmige magnetische Flussdichte auf.
Die Hall-Elemente 30, 31 (d.h. die Magnetismuserfassungselemente) sind bei der Basis 80 positioniert, die befestigt ist und sich nicht mit der sich drehenden Kurbelwelle dreht. Genauer gesagt sind die Hall-Elemente 30, 31 auf der FPC 40 angebracht, die bei der Basis 80 befestigt ist. Dementsprechend drehen sich, wenn sich die Kurbelwelle dreht, das Joch 20 und die Dauermagnete 22, 24 relativ zu den Hall-Elementen 30, 31. Die Hall-Elemente 30, 31 sind senkrecht zu der Drehrichtung der Kurbelwelle und im rechten Winkel zueinander angeordnet. Zusätzlich wird ein konstanter elektrischer Strom den Hall-Elementen 30, 31 über eine (nicht gezeigte) Stromversorgungsleitung zugeführt.
Wie es in 1A gezeigt ist, sind die Hall-Elemente 30, 31 nahe der Drehachse der Kurbelwelle positioniert. Dementsprechend wird ein paralleles Magnetfeld mit einer gleichförmigen magnetischen Flussdichte (siehe 2A bis 2C) nahe den Hall-Elementen 30, 31 unabhängig von einem Drehwinkel der Kurbelwelle gebildet. Aufgrund dessen können die Hall-Elemente 30, 31 Signale, die für den Drehwinkel der Kurbelwelle geeignet sind, in einem 360-Grad-Bereich ausgeben.
Die FPC 40 umfasst Leitungsdrähte 50, 54, 60, 64 und dergleichen. Die Leitungsdrähte 50, 54, 60, 64 bestehen aus leitfähigen Materialien, wie bspw. Kupfer (Cu).
Die Leitungsdrähte 50, 54 (d.h. ein Paar von Leitungsdrähten) sind mit dem Hall-Element 30 verbunden und verlaufen parallel zueinander. Die Leitungsdrähte 50, 54 übertragen ein Ausgangssignal von dem Hall-Element 30. Der Leitungsdraht 50 umfasst einen Entnahmeteil 51 und einen Verdrahtungsteil 52. Der Entnahmeteil 51 verläuft entlang einer Oberfläche der Basis 80, auf der das Hall-Element 30 positioniert ist, und in einer Richtung (wie es durch Pfeile 150 in 1A angezeigt ist) einer Empfindlichkeit des Hall-Elements 30. Der Verdrahtungsteil 52 erstreckt sich von dem Entnahmeteil 51 und verläuft nahe der sich drehenden Kurbelwelle in einer axialen Richtung der Kurbelwelle. Ähnlich zu dem Leitungsdraht 50 umfasst der Leitungsdraht 54 einen Entnahmeteil 55 und einen Verdrahtungsteil 56. Der Entnahmeteil 51 des Leitungsdrahts 50 und der Entnahmeteil 55 des Leitungsdrahts 54 verlaufen in einer virtuellen Ebene, die im Allgemeinen parallel zu einer Richtung des Magnetfelds ist. Der Verdrahtungsteil 52 des Leitungsdrahts 50 und der Verdrahtungsteil 56 des Leitungsdrahts 54 verlaufen in einer virtuellen Ebene, die im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung (Pfeile 150) der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 ist. Da jeder der Leitungsdrähte 50, 54 die Entnahme- und Verdrahtungsteile aufweist, wird eine größere Flexibilität zur Ausführung einer Verdrahtung der Leitungsdrähte 50, 54 im Vergleich zu solchen Leitungsdrähten, die die Entnahmeteile nicht aufweisen, bereitgestellt.
Die Leitungsdrähte 60, 64 (d.h. das Paar von Leitungsdrähten) sind mit dem Hall-Element 31 verbunden und verlaufen parallel zueinander. Eine Entfernung zwischen den Leitungsdrähten 60, 64 ist die gleiche wie die zwischen den Leitungsdrähten 50, 54. Die Leitungsdrähte 60, 64 übertragen ein Ausgangssignal von dem Hall-Element 31. Ähnlich zu dem Leitungsdraht 50 umfasst der Leitungsdraht 60 einen Entnahmeteil 61 und einen Verdrahtungsteil 62. Der Entnahmeteil 61 verläuft entlang einer Oberfläche der Basis 80, auf der das Hall-Element 31 positioniert ist, und in einer Richtung (wie es durch Pfeile 151 in 1A angezeigt ist) einer Empfindlichkeit des Hall-Elements 31. Der Verdrahtungsteil 62 erstreckt sich von dem Entnahmeteil 61 und verläuft nahe der sich drehenden Kurbelwelle in der axialen Richtung der Kurbelwelle. Ähnlich zu dem Leitungsdraht 60 umfasst der Leitungsdraht 64 einen Entnahmeteil 65 und einen Verdrahtungsteil 66. Der Entnahmeteil 61 des Leitungsdrahts 60 und der Entnahmeteil 65 des Leitungsdrahts 64 verlaufen in der virtuellen Ebene, die im Allgemeinen parallel zu der Richtung des Magnetfelds ist. Der Verdrahtungsteil 62 des Leitungsdrahts 60 und der Verdrahtungsteil 66 des Leitungsdrahts 64 verlaufen in der virtuellen Ebene, die im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung (Pfeile 151) der Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 ist.
Die ECU 82 umfasst einen nicht flüchtigen Speicher (bspw. einen Flash-Speicher), der ein Drehwinkelerfassungsprogramm speichert, einen flüchtigen Speicher, der zeitweise das Drehwinkelerfassungsprogramm und verschiedene Datenteile speichert, eine CPU, die das Drehwinkelerfassungsprogramm ausführt, das in einen flüchtigen Speicher extrahiert wird, und dergleichen.
Wie es vorstehend beschrieben ist, sind die Hall-Elemente 30, 31 senkrecht zu der Drehrichtung der Kurbelwelle und im rechten Winkel zueinander angeordnet. Folglich geben, wenn sich die Kurbelwelle dreht, die Hall-Elemente 30, 31 die Signale, die eine 90-Grad-Phasendifferenz zueinander aufweisen, in Reaktion auf eine Änderung in dem Magnetfeld aus. Genauer gesagt geben die Hall-Elemente 30, 31 sinusförmige Signale (d.h. Ausgangssignale 100 bzw. 101, wie es in 3A gezeigt ist), die eine Sinus-Cosinus-Beziehung zueinander aufweisen, als eine Potentialdifferenz zwischen zwei Leitungdrähten, die jeweils mit den Hall-Elementen 30, 31 verbunden sind, aus. Wenn der Drehwinkel (θ) der Kurbelwelle, das Ausgangssignal 100 (V_a) des Hall-Elements 30, das Ausgangssignal 101 (V_b) des Hall-Elements 31, ein Koeffizient (k), der von den Empfindlichkeiten der Hall-Elemente 30, 31 abhängt, die magnetische Flussdichte (B) des Magnetfelds, das durch die Dauermagnete 22, 24 gebildet wird, und der konstante elektrische Strom (I), der den Hall-Elementen 30 und 31 zugeführt wird, gegeben sind, werden V_a und V_b in den nachstehenden Gleichungen (1) bzw. (2) ausgedrückt. Va = kBI·sinθ (1) Vb = kBI·sin(θ + 90) = kBI·cosθ (2)
Die ECU 82 erfasst den Drehwinkel (θ) der Kurbelwelle auf der Grundlage des Ausgangssignals 100 (V_a), das über die Leitungsdrähte 50, 54 übertragen wird, und des Ausgangssignals 101 (V_b), das über die Leitungsdrähte 60, 64 übertragen wird. Genauer gesagt wird die Erfassung des Drehwinkels (θ) in der ECU 82 bspw. durch ein Ausführen der nachstehend beschriebenen Verarbeitung bei den Ausgangssignalen 100, 101 ausgeführt. Das Drehwinkelerfassungsprogramm wird durch die CPU der ECU 82 ausgeführt, um die Verarbeitung auszuführen. Das Drehwinkelerfassungsprogramm wird die ganze Zeit konstant ausgeführt, während die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 arbeitet.
Die Verarbeitung, die durch die ECU 82 ausgeführt wird, ist nachstehend beschrieben. Zuerst berechnet die ECU 82 „tan θ" (in der nachstehend angegebenen Gleichung (3)) aus einem Verhältnis von V_a zu V_b. Als nächstes wird der Arcustangens (in der nachstehend angegebenen Gleichung (4)) des Verhältnisses von V_a zu V_b berechnet, um den Drehwinkel (θ) zu erhalten. Eine Periode eines berechneten Winkels 101 (3B), der durch eine derartige Operation berechnet wird, ist 180°. Va/Vb = sinθ/cosθ = tanθ (3) θ = arctan(Va/Vb) (4)
Dann bestimmt die ECU 82 ein Plus- oder Minus-Zeichen von V_a, V_b, wie es in 4 gezeigt ist, um eine Drehwinkelposition der Kurbelwelle in einem 360-Grad-Bereich (0° bis 360°) zu identifizieren. Auf der Grundlage der identifizierten Drehwinkelposition der Kurbelwelle erfasst die ECU 82 einen Drehwinkel 120 (3C) durch ein Addieren eines Versatzwinkels bzw. Offset-Winkels zu dem berechneten Winkel 110.
Nichtsdestotrotz wird, da das Magnetfeld tatsächlich entsprechend der Drehung der Kurbelwelle variiert, ein induktives Rauschen auf das Ausgangssignal 100 von dem Hall-Element 30 und das Ausgangssignal 101 von dem Hall-Element 31 überlagert, so dass ein Erfassungsfehler in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 zunimmt. Durch ein Vergleichen der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 mit einer herkömmlichen Drehwinkelerfassungsvorrichtung sind nachstehend Maßnahmen gegen das induktive Rauschen, die in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgenommen werden, beschrieben.
Jedes Bauelement einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung 200 gemäß 8 als die erste herkömmliche Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist im Wesentlichen das gleiche wie ein entsprechendes Bauelement der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 mit Ausnahme eines Bauelements, das der FPC 40 in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 entspricht.
Die Hall-Elemente 30, 31 sind auf einer gedruckten Schaltungsplatine 210 angebracht, die auf einer Basis befestigt ist. Das Hall-Element 30 ist mit der ECU 82 über Leitungsdrähte 250, 254 verbunden, die im Allgemeinen parallel zueinander verlaufen. Das Hall-Element 31 ist mit der ECU 82 über Leitungsdrähte 260, 264 verbunden, die im Allgemeinen parallel zueinander verlaufen.
Wenn das Magnetfeld entsprechend der Drehung der Kurbelwelle variiert, variiert ein magnetischer Fluss, der durch eine Schaltung fließt, die durch die Leitungsdrähte 250, 254 gebildet wird, so dass eine induzierte elektromotorische Kraft in der Schaltung, die durch die Leitungsdrähte 250, 254 gebildet wird, erzeugt wird. Genauer gesagt wird, wenn bspw. ein magnetischer Fluss 270, der von der Oberseite des Papierblatts zu der Rückseite des Blatts fließt (wie es durch ⨂ in 8 gezeigt ist), zunimmt, die induzierte elektromotorische Kraft (wie sie durch einen Pfeil 271 angezeigt ist) in der Schaltung, die durch die Leitungsdrähte 250, 254 gebildet wird, erzeugt.
Wenn die Länge (a) der Leitungsdrähte 250 und 254, eine Entfernung (b) zwischen den Leitungsdrähten 250 und 254, die magnetische Flussdichte (B) des Magnetfelds, das durch die Dauermagnete 22, 24 gebildet wird, und eine Winkelgeschwindigkeit (ω) der Drehung der Kurbelwelle gegeben sind, wird die induzierte elektromotorische Kraft (V_e) durch die nachstehende Gleichung (5) ausgedrückt. Gleichsam wird die induzierte elektromotorische Kraft (wie sie durch einen Pfeil 272 angezeigt ist) in einer Schaltung, die durch die Leitungsdrähte 260, 264 gebildet wird, als Ergebnis einer Änderung des Magnetfelds entsprechend der Drehung der Kurbelwelle erzeugt. Ve = ωabBsinθ (5)
In einem Graphen gemäß 9 drückt eine x-Achse die Zeit aus und eine Y-Achse drückt einen Wert aus, nachdem eine Spannung, die das Rauschen darstellt, das auf ein Ausgangssignal der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 200 überlagert ist, mit 400 multipliziert worden ist. Das Rauschen in dem Graphen wird unter der Bedingung gemessen, dass die Winkelgeschwindigkeit (ω) der Drehung der Kurbelwelle näherungsweise 200 π [rad/s] ist und die magnetische Flussdichte (B) des Magnetfelds, das durch die Dauermagnete 22, 24 gebildet wird, näherungsweise 80 [mT] ist.
Gemäß dem Graphen werden ein Rauschen 201 von näherungsweise 3,7 [mV] und ein Rauschen 202 von näherungsweise 2,3 [mV] auf ein Ausgangssignal, das über die Leitungsdrähte 250, 254 übertragen wird, bzw. ein Ausgangssignal, das über die Leitungsdrähte 260, 264 übertragen wird, überlagert. Ein Verhältnis des Rauschens von 3,7 [mV] zu dem Ausgangssignal mit einer zugehörigen Amplitude von 5 [V] entspricht einem Drehwinkel (der Kurbelwelle) von 0,266 Grad in dem 360-Grad-Bereich. In ähnlicher Weise entspricht ein Verhältnis des Rauschens von 2,3 [mV] zu dem Ausgangssignal mit einer zugehörigen Amplitude von 5 [V] einem Drehwinkel (der Kurbelwelle) von 0,166 Grad in dem 360-Grad-Bereich. Auf diese Weise nimmt der Erfassungsfehler in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 200 aufgrund des induktiven Rauschens, das die Ausgangssignale überlagert, zu.
Um gegen das induktive Rauschen vorzugehen kann die induzierte elektromotorische Kraft, die in der Schaltung, die durch die Leitungsdrähte 250, 254 gebildet wird, erzeugt wird, bspw. durch eine Verringerung der Länge (a) der Leitungsdrähte 250, 254 oder der Entfernung (b) zwischen den Leitungsdrähten 250, 254 verringert werden (siehe Gleichung (5)). Das heißt, die induzierte elektromotorische Kraft kann verringert werden, indem eine Fläche (ab) einer Schleife, die durch die Leitungsdrähte 250, 254 gebildet wird, verringert wird. Es gibt jedoch strukturelle oder herstellungsbedingte Begrenzungen für eine Verringerung der Länge der Leitungsdrähte oder der Entfernung zwischen den Leitungsdrähten. Des Weiteren nimmt, auch wenn die vorstehend genannten Maßnahmen vorgenommen werden, die induzierte elektromotorische Kraft, die in der Schaltung, die durch die Leitungsdrähte gebildet wird, erzeugt wird, zu, wobei somit der Erfassungsfehler in der Drehwinkelerfassunqsvorrichtung zunimmt, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Kurbelwelle zunimmt.
Jedes Bauelement einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung 300 gemäß 10 als die zweite herkömmliche Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist im Wesentlichen das gleiche wie ein entsprechendes Bauelement der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 mit Ausnahme des Bauelements, das der FPC 40 der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 entspricht.
Die Hall-Elemente 30, 31 sind auf einer gedruckten Schaltungsplatine 310 angebracht, die bei einer Basis befestigt ist. Die Hall-Elemente 30, 31 sind mit der ECU 82 über jeweilige Kabel mit verdrilltem Leitungspaar verbunden. Ein Kabel mit verdrilltem Leitungspaar 340 umfasst Leitungsdrähte 350, 354, die miteinander verdrillt sind. Ebenso umfasst ein Kabel mit verdrilltem Leitungspaar 341 Leitungsdrähte 360, 364, die miteinander verdrillt sind.
In einem Graphen gemäß 11 werden Messergebnisse eines Rauschens, das ein Ausgangssignal der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 300 überlagert; unter den gleichen Bedingungen wie denen erhalten, bei denen das Rauschen (9), das ein Ausgangssignal der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 200 überlagert, gemessen wird.
Gemäß dem Graphen überlagert ein Rauschen 301, 302 von näherungsweise 0,7 [mV] ein Ausgangssignal, das über die Leitungsdrähte 350, 354 übertragen wird, bzw. ein Ausgangssignal, das über die Leitungsdrähte 360, 364 übertragen wird. Wie es aus dem Graphen ersichtlich ist, ermöglicht die Verwendung der Kabel mit verdrilltem Leitungspaar bei einer Übertragung der Ausgangssignale eine Verringerung des induktiven Rauschens, das die Ausgangssignale überlagert.
Ein Verhältnis des Rauschens von 0,7 [mV] zu dem Ausgangssignal mit einer zugehörigen Amplitude von 5 [V] entspricht jedoch einem Drehwinkel (der Kurbelwelle) von 0,050 Grad in dem 360-Grad-Bereich. Somit kann der Drehwinkel der Kurbelwelle nicht mit einer größeren Genauigkeit als 0,054 Grad durch die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 300 erfasst werden.
Die Maßnahmen gegen das Rauschen, die in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgenommen werden, sind nachstehend beschrieben. In 5 ist das Rauschen veranschaulicht, das das Hall-Element 30 überlagert. In 6 ist das Ausgangssignal 100 von dem Hall-Element 30 veranschaulicht, das das Rauschen überlagert.
Wie es vorstehend beschrieben ist, verlaufen bei der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 der Entnahmeteil 51 des Leitungsdrahts 50 und der Entnahmeteil 55 des Leitungsdrahts 54 in der virtuellen Ebene, die im Allgemeinen parallel zu der Richtung des Magnetfelds ist. Somit gibt es kaum magnetische Flüsse, die zwischen den Entnahmeteilen 51, 55 fließen. Als Ergebnis überlagert bei den Entnahmeteilen 51, 55 ein sehr kleines induktives Rauschen das Ausgangssignal 100 von dem Hall-Element 30.
Des Weiteren verlaufen, wie es vorstehend beschrieben ist, der Verdrahtungsteil 52 des Leitungsdrahts 50 und der Verdrahtungsteil 56 des Leitungsdrahts 54 in der virtuellen Ebene, die im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 ist. Somit befinden sich das Ausgangssignal 100 und das induktive Rauschen, das das Ausgangssignal 100 überlagert, bei den Verdrahtungsteilen 52, 56 in Phase bzw. sind phasengleich.
Zusätzlich erstrecken sich die Verdrahtungsteile 52, 56 von den jeweiligen Entnahmeteilen 51, 55, die in die Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 verlaufen, und verlaufen in der axialen Richtung der Kurbelwelle. Somit ist, wenn die Richtung des Magnetfelds im Allgemeinen die Gleiche wie die der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 ist, das Magnetfeld, das nahe dem Hall-Element 30 gebildet wird, ähnlich zu dem, das nahe den Verdrahtungsteilen 52, 56 gebildet wird. Genauer gesagt fließt, wenn die Richtung des Magnetfelds die Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 ist, wie es bspw. in 2B gezeigt ist, der magnetische Fluss, der durch das Hall-Element 30 fließt, zwischen den Verdrahtungsteilen 52, 56. Dementsprechend weist das induktive Rauschen, das das Ausgangssignal 100 bei den Verdrahtungsteilen 52, 56 überlagert, den gleichen Signalverlauf wie das Ausgangssignal 100 auf.
Außerdem nimmt, da die Verdrahtungsteile 52, 56 nahe der sich drehenden Kurbelwelle verlaufen, wo das parallele Magnetfeld mit der gleichförmigen magnetischen Flussdichte gebildet wird, das induktive Rauschen, das das Ausgangssignal 100 bei den Verdrahtungsteilen 52, 56 überlagert, die Form einer sinusförmigen Welle an.
Aus diesem Grund nimmt ein induktives Rauschen 130 (5), das die Leitungsdrähte 50, 54 überlagert, die Form der sinusförmigen Welle an, was der gleiche Signalverlauf wie das Ausgangssignal 100 ist. Dementsprechend bleibt, obwohl das induktive Rauschen 130 das Ausgangssignal 100 überlagert, das Ausgangssignal 100 die sinusförmige Welle mit der gleichen Phase, wobei lediglich eine scheinbare Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 ansteigt (6). In 6 ist ein Ausgangssignal 140 des Hall-Elements 30 als ein Ergebnis der Überlagerung des induktiven Rauschens 130 auf dem Ausgangssignal 100 gezeigt. Gleichsam bleibt, obwohl das induktive Rauschen 131 das Ausgangssignal 101 überlagert, das Ausgangssignal 101 die sinusförmige Welle mit der gleichen Phase, wobei lediglich eine scheinbare Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 ansteigt.
In der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 ist die Entfernung zwischen den Leitungsdrähten 50, 54 näherungsweise die gleiche wie die Entfernung zwischen den Leitungsdrähten 60, 64. Dementsprechend ist eine Fläche, die durch die Verdrahtungsteile 52, 56 in einer Schleife definiert wird, die durch die Leitungsdrähte 50, 54 gebildet wird, näherungsweise die gleiche wie eine Fläche, die durch die Verdrahtungsteile 62, 66 in einer Schleife definiert wird, die durch die Leitungsdrähte 60, 64 gebildet wird. Folglich ist eine Amplitude des induktiven Rauschens 130, das das Ausgangssignal 100 bei den Verdrahtungsteilen 52, 56 überlagert, näherungsweise die gleiche wie eine Amplitude des induktiven Rauschens 131, das das Ausgangssignal 101 bei den Verdrahtungsteilen 62, 66 überlagert. Als Ergebnis steigen, obwohl das induktive Rauschen 130 und 131 die jeweiligen Ausgangssignale 100, 101 überlagert, lediglich scheinbare Empfindlichkeiten der Hall-Elemente 30, 31 jeweils im gleichen Ausmaß an. Somit kann auf der Grundlage der vorstehend genannten trigonometrischen Funktion der Drehwinkel der Kurbelwelle auf einfache Weise mit einem kleinen Erfassungsfehler aus den Ausgangssignalen 100, 101, die von dem jeweiligen induktiven Rauschen 130 und 131 überlagert werden, erfasst werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 7A und 7B ist nachstehend eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ein Joch, Dauermagnete, eine Basis und eine ECU in einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sind im Wesentlichen die gleichen wie entsprechende Bauelemente in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Eine Beschreibung der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 2 ist nachstehend unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie die entsprechender Bauelemente zur Bezeichnung derartiger Bauelemente in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 2 bereitgestellt.
Eine integrierte Schaltung 90 umfasst die Hall-Elemente 30 und 31, eine Vielzahl von Leitungen, ein Gehäuse 95 und dergleichen. Die integrierte Schaltung 90 ist auf einer FPC 41 angebracht. Ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Hall-Elemente 30, 31 in dem Gehäuse 95 senkrecht zu der Drehrichtung der Kurbelwelle und im rechten Winkel zueinander angeordnet.
Leitungen 91, 92 sind mit den Hall-Elementen 30 in dem Gehäuse 95 verbunden und erstrecken sich zu der Außenseite des Gehäuses 95. Teile (d.h. Anschlüsse) der Leitungen 91, 92, die außerhalb des Gehäuses 95 sind, sind in der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 angeordnet. Auf ähnliche Weise sind Leitungen 93, 94 mit dem Hall-Element 31 verbunden, wobei Teile (d.h. Anschlüsse) der Leitungen 93, 94, die außerhalb des Gehäuses 95 sind, in der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 angeordnet sind. Die Entnahmeteile 51, 55, 65, 61 sind jeweils mit den Leitungen 91, 92, 93, 94 verbunden.
Die FPC 41 ist im Wesentlichen die gleiche wie die FPC 40 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Ausnahme eines Felds bzw. eines Unterbaus, auf dem die integrierte Schaltung 90 angebracht wird.
In der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 2 kann, da die Teile der Leitungen 91, 92, die außerhalb des Gehäuses 95 sind, in der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 angeordnet sind, die Verdrahtung der Leitungsdrähte 50, 54 auf einfache Weise ausgeführt werden, so dass die jeweiligen Entnahmeteile 51, 55 sich zu der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 erstrecken. Auf ähnliche Weise kann, da die Teile der Leitungen 94, 93, die außerhalb des Gehäuses 95 sind, in der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 angeordnet sind, die Verdrahtung der Leitungsdrähte 60, 64 auf einfache Weise ausgeführt werden, so dass die jeweiligen Entnahmeteile 61, 65 sich zu der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 erstrecken.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Drehwinkelerfassungsvorrichtungen mit zwei Hall-Elementen 30, 31 als die Magnetismuserfassungselemente beschrieben worden. Nichtsdestotrotz kann die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ein Magnetismuserfassungselement oder mehr als zwei Magnetismuserfassungselemente umfassen. Magnetoresistive Elemente, wie bspw. ein anisotropes magnetoresistives Element und ein großes magnetoresistives Element, können für das Magnetismuserfassungselement verwendet werden.
Des Weiteren können, obwohl beschrieben worden ist, dass die Hall-Elemente 30, 31 senkrecht zu der Drehrichtung der Kurbelwelle und im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, die Hall-Elemente 30, 31 angeordnet werden, um einen vorbestimmten Winkel einzunehmen, der zu 90° unterschiedlich ist.
Ein Verfahren zum Platzieren der Hall-Elemente 30, 31 auf der Basis 80 ist nicht auf das Verfahren begrenzt, durch das sie auf der FPC 40 angebracht werden, die bei der Basis 80 befestigt ist. Genauer gesagt können die Hall-Elemente 30, 31 bspw. auf einer gedruckten Schaltungsplatine angebracht werden, die bei der Basis 80 befestigt wird, oder auf der FPC 40 über eine gedruckte Schaltungsplatine angebracht werden. Zusätzlich können die Hall-Elemente 30, 31 mit einer konstanten Spannung angesteuert werden.
Es ist beschrieben worden, dass die Leitungsdrähte 50, 54, 60, 64 auf der FPC 40 gebildet werden. Ein Kabel, dass auf einer Platine gebildet wird, die unterschiedlich zu der FPC 40 ist, oder eine Leitung, die durch ein Ausstanzen einer dünnen Platte aus Metall oder durch Ätzen gebildet wird, können jedoch für den Leitungsdraht eingesetzt werden.
Daneben müssen, solange der Erfassungsfehler innerhalb bestimmter Spezifikationen fällt, die Leitungsdrähte 50, 54 nicht parallel zueinander verlaufen oder sich zu der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 30 erstrecken. Ebenso müssen die Leitungsdrähte 60, 64 nicht parallel zueinander verlaufen oder sich zu der Richtung der Empfindlichkeit des Hall-Elements 31 erstrecken. Außerdem kann die Entfernung zwischen den Leitungsdrähten 50, 54 unterschiedlich zu der Entfernung zwischen den Leitungsdrähten 60, 64 sein. Zusätzlich müssen die Leitungsdrähte 50, 54, 60, 64 nicht nahe der sich drehenden Kurbelwelle verlaufen oder zugehörige Entnahmeteile umfassen. Zusätzlich kann sich, obwohl beschrieben worden ist, dass sich die Magnetfelderzeugungseinrichtung relativ zu dem Magnetismuserfassungselement dreht, das Magnetismuserfassungselement relativ zu der Magnetfelderzeugungseinrichtung drehen.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel können, obwohl die integrierte Schaltung 90 eines quadratischen Bausteins (Quad Flat Package bzw. QFP) beschrieben ist, die Hall-Elemente 30, 31 auf einer integrierten Schaltung ausgebildet sein, die unterschiedlich zu der QFP ist.
Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung in keinerlei Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt und sie kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen angewendet werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Leitungsdrähte (50, 54) verlaufen parallel zueinander und verbinden ein Hall-Element (30) und eine ECU (82). Der Leitungsdraht (50) umfasst einen Entnahmeteil (51) und einen Verdrahtungsteil (52). Der Entnahmeteil (51) verläuft entlang einer Oberfläche einer Basis (80), auf der das Hall-Element (30) positioniert ist, und in einer Richtung einer Empfindlichkeit des Hall-Elements (30). Der Verdrahtungsteil (52) erstreckt sich von dem Entnahmeteil (51) und verläuft nahe einer sich drehenden Kurbelwelle in einer axialen Richtung der Kurbelwelle. Ähnlich zu dem Leitungsdraht (50) umfasst der Leitungsdraht (54) einen Entnahmeteil (55) und einen Verdrahtungsteil (56). Leitungsdrähte (60, 64) verlaufen parallel zueinander und verbinden ein Hall-Element (31) und die ECU (82). Die Leitungsdrähte (60, 64) umfassen einen Entnahmeteil (61) und einen Verdrahtungsteil (62) bzw. einen Entnahmeteil (65) und einen Verdrahtungsteil (66).

Claims

Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) zur Erfassung einer Drehung eines Erfassungsobjekts, mit: einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (20, 22, 24) zur Erzeugung eines Magnetfelds, einem Magnetismuserfassungselement (30, 31), das in dem Magnetfeld positioniert ist, zur Ausgabe eines Ausgangssignals (100, 101) entsprechend einer Variation in dem Magnetfeld, die durch eine Drehung des Erfassungsobjekts verursacht wird, einem Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64), die mit dem Magnetismuserfassungselement (30, 31) verbunden sind, zur Übertragung des Ausgangssignal (100, 101) und einer elektronischen Einrichtung (82) zur Erfassung eines Drehwinkels des Erfassungsobjekts auf der Grundlage des Ausgangssignals (100, 101), dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64) ein entsprechendes Paar von Verdrahtungsteilen (52, 56, 62, 66) umfasst, dass in einer virtuellen Ebene, die im Allgemeinen senkrecht zu einer Richtung (150, 151) einer Empfindlichkeit des Magnetismuserfassungselements (30, 31) ist, verläuft und sich entlang einer Drehachse des Erfassungsobjekts in einem Bereich erstreckt, wo das Magnetfeld durch die Drehung des Erfassungsobjekts variiert wird.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach Anspruch 1, wobei das Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64) ein entsprechendes Paar von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) umfasst, wobei das Paar von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) entlang einer Oberfläche der Basis (80), auf der das Magnetismuserfassungselement (30, 31) positioniert ist, verläuft und das Paar von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) sich zu dem entsprechenden Paar von Verdrahtungsteilen (52, 56, 62, 66) erstreckt.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach Anspruch 2, wobei jeder des Paars von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) in einer virtuellen Ebene verläuft, die im Allgemeinen parallel zu einer Richtung des Magnetfelds ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei jeder des Paars von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) sich in die Richtung (150, 151) der Empfindlichkeit des Magnetismuserfassungselements (30, 31) erstreckt.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach Anspruch 4, mit einem Paar von Anschlüssen, die in der Richtung (150, 151) der Empfindlichkeit des Magnetismuserfassungselements (30, 31) angeordnet sind, wobei das Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64) mit dem Magnetismuserfassungselement (30, 31) über das entsprechende Paar von Anschlüssen verbunden ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Magnetismuserfassungselement (30, 31) eines aus einer Vielzahl von Magnetismuserfassungselementen ist, das Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64) ein Paar aus einer Vielzahl von Paaren von Leitungsdrähten ist, wobei jedes Paar der Vielzahl von Paaren von Leitungsdrähten mit einem entsprechenden der Vielzahl von Magnetismuserfassungselementen verbunden ist, das Paar von Verdrahtungsteilen (52, 56, 62, 66) ein Paar einer Vielzahl von Paaren von Verdrahtungsteilen ist, das Paar von Entnahmeteilen (51, 55, 61, 65) ein Paar einer Vielzahl von Paaren von Entnahmeteilen ist, wobei jedes Paar der Vielzahl von Paaren von Leitungsdrähten ein entsprechendes Paar der Vielzahl von Paaren von Verdrahtungsteilen und ein entsprechendes Paar der Vielzahl von Paaren von Entnahmeteilen umfasst, und eine Entfernung zwischen einem Paar der Vielzahl von Paaren von Verdrahtungsteilen, die mit einem entsprechenden der Vielzahl von Magnetismuserfassungselementen verbunden sind, näherungsweise die gleiche ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20, 22, 24) ein im Allgemeinen paralleles Magnetfeld nahe der Drehachse des Erfassungsobjekts erzeugt, das Magnetismuserfassungselement (30, 31) nahe der Drehachse des Erfassungsobjekts positioniert ist und das Paar von Leitungsdrähten (50, 54, 60, 64) nahe der Drehachse des Erfassungsobjekts verläuft.