DE102008040707B4 - Positionssensor vom Permanentmagnetentyp - Google Patents

Abstract

Positionssensor mit:einem sich längs erstreckenden Permanentmagnetenelement (2, 3, 30) mit entgegengesetzten polarisierten Enden, um entgegengesetzte Magnetpole aufzuweisen, wobei jedes der entgegengesetzten Enden konfiguriert ist, einen gemeinsamen Innenraum zu umgeben, wobei zumindest zwei sich längs erstreckende bogenförmige Überstandselemente (2p, 3p) jeweils von den entgegengesetzten Enden hin zu dem Innenraum überstehen, um einander mit einem Abstand gegenüberzustehen, wodurch in dem Innenraum ein Magnetfeld bereitgestellt wird, dessen Magnetstromdichte in einem Längszentrum des Innenraums maximal wird und in dem Maße graduierlich kleiner wird, in dem sich eine Position des Innenraums von dem Längszentrum entlang einer Längsachse der Permanentmagnetenelemente (2, 3, 30) verschiebt,einem Paar von kompatiblen Hauptmagnetsensoren (4, 5), die in dem Innenraum entlang der Längsachse bei einem Intervall (d) derart angeordnet sind, ein Paar von Ausgabesignalen zu erzeugen, wenn sich das Permanentmagnetenelement (2, 3, 30) entlang der Längsachse verschiebt, wobei:die bogenförmigen Überstandselemente (2p, 3p) derart eingerichtet sind, dass jedes der Ausgabesignale durch einen Kosinus eines Verschiebungswerts (L) aus dem Längszentrum ausgedrückt werden kann, unddas Intervall (d/2) 1/4 der Periode des Kosinus beträgt,wobei der Positionssensor weiterhineine Versatzeinstellschaltung (20) zum Subtrahieren eines Mittelwerts des Maximums und Minimums von Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren (4, 5) als ein Versatzwert von den Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren, undeinen Invers-Trigonometriefunktionsprozessor (21) zum Bereitstellen eines Invers-Trigonometriewerts aus einem Ausgabesignal der Versatzeinstellschaltung (20) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positionssensor vom Permanentmagnetentyp zum Erfassen einer Position eines sich bewegenden Elements eines Automobils, wie ein Leistungsrollenpositionssensor eines Ringkern- CVT („continuously variable transmission“, stufenloses Getriebe), ein Höhensensor eines Aufhängungssteuersystems, ein Nockenhubsensor, ein Anhubsensor für Abgasrückführung (EGR, „Exhaust Gas Recirculation“) oder ein Beschleunigungspedalpositionssensor.
• Die Druckschrift JP 2000 - 180 114 A oder deren Gegenstück US 6 809 512 B2 offenbart einen derartigen Positionssensor vom Permanentmagnetentyp. Dieser Sensor beinhaltet ein bewegliches Permanentmagnetenelement, das ein Magnetfeld bereitstellt, und einen Stator, der durch Messen einer Änderung in dem Magnetfeld bei Bewegung des beweglichen Permanentmagnetenelements ein elektrisches Signal bereitstellt. Das bewegliche Permanentmagnetenelement des vorstehend offenbarten Sensors beinhaltet ein Paar von Permanentmagneten, die zwei einander entgegengesetzte Magnetfelder bilden, um zwei einander ebenfalls entgegengesetzte Ausgabesignale bereitzustellen. Die elektrischen Signale werden einer elektrischen Steuereinheit (ECU, „Electric Control Unit“) zugeführt, um eine bestimmte Vorrichtung zu steuern.
• Die elektrischen Signale ändern sich jedoch wahrscheinlich in dem Maße, in dem sich die Temperatur in einer Sensorenumgebung ändert. Somit ist es schwierig, die Position des Objekts genau zu erfassen, ohne die Temperaturänderung zu berücksichtigen.
• Die US 2003 / 0 112 006 A1 offenbart einen Positionssensor, bei dem durch zwei zueinander beabstandete Permanentmagnete ein Innenraum definiert ist, und die Permanentmagnete derart ausgestaltet sind, dass sie ein Magnetfeld erzeugen, dass sich in Längsrichtung über den Innenraum verändert. Magnetflusssensoren, die sich relativ zu den Permanentmagneten bewegen können, erfassen die sich ändernden Größen der Magnetflussdichte entlang der Längsrichtung des Innenraums und geben entsprechende Ausgangssignale aus. Anhand dieser Ausgangssignale kann die Position bestimmt werden.
• Die US 7 088 095 B1 offenbart einen magnetischen linearen Verschiebungssensor, der ein Hall-Element mit einer Sensorplattenoberfläche und zumindest einen Magneten aufweist, der eine Längsabmessung hat, entlang der das Hall-Element während einer Verschiebungserfassung eine Magnetfeldkomponente erfasst, die senkrecht zu der Sensorplattenoberfläche ist. Der Magnet weist in Längsrichtung entgegengesetzte erste und zweite Polflächen auf. Die erste Polfläche liegt dem Hall-Element gegenüber und weist eine nichtplanare Oberfläche auf, die derart geformt ist, dass sie im Wesentlichen eine lineare senkrechte Magnetfeldkomponente erzeugt, die von dem Hall-Element während der Versatzverschiebung erfasst wird.
• Die US 2004 / 008 025 A1 offenbart einen berührungslosen magnetischen Positionssensor, der ein Paar Magnete, ein Paar Polstücke, die sich zwischen den Magneten erstrecken und voneinander beabstandet sind, um einen Luftspalt abzugrenzen, und einen Magnetflusssensor aufweist, der betreibbar ist, variierende Beträge der Magnetflussdichte entlang der Länge des Luftspalts zu erfassen. Die Polstücksegmente bilden eine gestufte Grenzfläche mit jedem der Magnete und arbeiten mit den Magneten zusammen, um ein Magnetfeld bereitzustellen, das eine Magnetflussdichte aufweist, die im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Luftspalts in einer im Wesentlichen linearen Weise variiert. Der Magnetflusssensor ist innerhalb des Magnetfelds positioniert und ist betreibbar, einen Betrag der variierenden Magnetflussdichte entlang des Luftspalts zu erfassen und ein Ausgangssignal bereitzustellen, das eine Position des Magnetflusssensors relativ zu dem Magnetfeld repräsentiert.
• Die DE 10 2005 036 973 A1 offenbart eine Drehwinkel-Messeinrichtung zur Messung des Drehwinkels eines ersten Bauelements in Relation zu einem zweiten Bauelement. Die Drehwinkel-Messeinrichtung weist eine an dem ersten Bauelement angebrachte Magneteinheit und zwei Magnetsensoren auf, die an dem zweiten Bauelement zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet sind. Die Magneteinheit umfasst zwei scheibenförmige Platten, die in einem vorgegebenen Axialabstand die gleichen Magnetpole in den gleichen Umfangspositionen und eine zur Halterung der scheibenförmigen Platten mittig angeordnete Achse aus magnetischem Material aufweisen, sodass die Magneteinheit in einem Bereich um die Achse herum zwischen den beiden scheibenförmigen Platten ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt, wobei die beiden Magnetsensoren in diesem Bereich angeordnet sind.
• Die DE 43 03 403 C2 offenbart einen Linear-Verschiebungsdetektor mit einer Magnetsensoreinheit, die mit einer Magnetmessoberfläche versehen ist, die durch ein ferromagnetisches, magnetoresistives Element gebildet wird, welches ein vorbestimmtes Muster aufweist, sowie einem länglichen Permanentmagneten, der an beiden Enden mit einer Magnetpolstirnfläche versehen ist. Der Permanentmagnet ist entlang seiner Längsachse beweglich und magnetisch mit der Magnetsensoreinheit so gekoppelt, dass die Längsachse auf einer verlängerten Oberfläche der Magnetmessoberfläche liegt. Eine Lageverschiebung des Permanentmagneten entlang der Längsachse wird als eine Änderung der Richtung des Magnetflusses erfasst, welcher parallel die Magnetmessoberfläche kreuzt.
• Die DE 600 28 472 T2 offenbart einen magnetischen Verschiebungssensor, der ein sich linear bewegendes Detektionselement und ein feststehendes Element aufweist, das dem Detektionselement gegenüber liegend vorgesehen ist, wobei ein Element des Detektionselements und des feststehenden Elements mit einem Magneten versehen ist, der einen Nordpol und einen Südpol in einer Bewegungsrichtung des Detektionselements aufweist, während das jeweils andere Element mit einer magnetischen Detektionseinrichtung versehen ist, wobei eine von dem Magneten ausgehende Magnetkraft von der magnetischen Detektionseinrichtung detektiert wird, um dadurch eine Bewegung des Detektionselements zu detektieren, wobei eine Distanz zwischen dem Magneten und der magnetischen Detektionseinrichtung in der Nähe des Zentrums des Magneten am kleinsten ist und in Richtung auf die Enden des Magneten zunimmt.
• Eine Aufgabe der Erfindung liegt im Bereitstellen eines verbesserten Positionssensors vom Permanentmagnetentyp, der selbst dann eine genaue Position erfassen kann, wenn sich die Temperatur in der Sensorenumgebung ändert.
• Gemäß Anspruch 1 wird diese Aufgabe durch einen Positionssensor gelöst, der aufweist: ein sich längs erstreckendes Permanentmagnetenelement, zumindest zwei sich längs erstreckende bogenförmige Überstandselemente, die jeweils von den entgegengesetzten Enden hin zu dem Innenraum überstehen, um einander mit einem Abstand gegenüberzustehen, und ein Paar von kompatiblen Hauptmagnetsensoren, die in dem Innenraum entlang der Längsachse bei einem Intervall derart angeordnet sind, um ein Paar von Ausgabesignalen zu erzeugen, wenn sich das Permanentmagnetenelement entlang der Längsachse verschiebt. Die entgegengesetzten Enden des Permanentmagnetenelements sind konfiguriert, um einen gemeinsamen Innenraum zu umgeben, um in dem Innenraum ein Magnetfeld bereitzustellen, dessen Magnetstromdichte bei einem Längszentrum des Innenraums maximal wird und graduierlich in dem Maße kleiner wird, in dem sich eine Position des Innenraums von dem Längszentrum entlang einer Längsachse der Permanentmagnetenelemente verschiebt. Die bogenförmigen Überstandselemente sind derart eingerichtet, dass die Magnetstromdichte und jedes der Ausgabesignale durch einen Kosinus eines Verschiebungswerts aus der Längsachse ausgedrückt werden können, und das Intervall beträgt 1/4 der Periode des Kosinus. Der Positionssensor weist außerdem eine Versatzeinstellschaltung zum Subtrahieren eines Mittelwerts des Maximums und Minimums von Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren als ein Versatzwert von den Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren, und einen Invers-Trigonometriefunktionsprozessor zum Bereitstellen eines Invers-Trigonometriewerts aus einem Ausgabesignal der Versatzeinstellschaltung auf.
• In dem vorstehend beschriebenen Positionssensor: das Permanentmagnetenelement kann ein Paar von Permanentmagneten beinhalten, die eine gleichförmige Seitenbreite entlang deren Längsrichtung aufweisen können und die derart Seite an Seite angeordnet sind, dass die Spitzen der Überstandselemente einander gegenüberstehen; andererseits kann das Permanentmagnetenelement ein zylindrischer Permanentmagnet sein; jedes bogenförmige Überstandselement kann ein Paar von Magnetjochen beinhalten, die sich jeweils von entgegengesetzten Enden eines der Permanentmagneten erstrecken.
• Jeder Magnetsensor kann ein Hall-Element sein. Die Versatzeinstellschaltung und der Invers-Trigonometriefunktionsprozessor können einstückig in einem Chip gebildet sein.
• Der vorstehend beschriebene Positionssensor kann einen Winkelkorrekturmagnetsensor beinhalten, der in dem Innenraum derart angeordnet ist, eine Neigung des Paars von Hauptmagnetsensoren bezüglich einer Normalenrichtung zu erfassen. In dieser Ausgestaltung weist das Paar von Hauptmagnetsensoren Messflächen auf, die der Längsrichtung des Permanentmagnetenelements zugewandt sind, und weist der Winkelkorrekturmagnetsensor eine Messfläche auf, die lotrecht zu den Messflächen der Hauptmagnetsensoren geneigt ist. Der Winkelkorrekturmagnetsensor kann zwischen dem Paar von Hauptmagnetsensoren angeordnet sein.
• Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung sowie die Funktionen von verwandten Teilen der Erfindung werden aus einem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, der anhängenden Ansprüche und der Zeichnungen klar. Es zeigen:
• 1A und 1B einen Positionssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 einen Graph einer Relation zwischen der Längsposition eines in dem Positionssensor verwendeten Permanentmagneten und von dessen Magnetstromdichte,
• 3 einen Graph von Relationen zwischen den jeweiligen Längspositionen eines Paars von in dem Positionssensor verwendeten Permanentmagneten und Ausgabesignalen eines Paars von Magnetsensoren,
• 4A eine Blockdarstellung einer Sensorenanordnung und 4B eine Blockdarstellung eines Prozessors,
• 5 einen Graphen von Relationen zwischen den jeweiligen Längspositionen des Paars von Permanentmagneten und den Ausgabesignalen nach einer Versatzeinstellung,
• 6 einen Graphen einer Relation zwischen der Längsposition der Permanentmagneten und dem Ausgabespannungspegel der Sensorenanordnung,
• 7 einen Graphen von Kennlinien einer Magnetstromdichte, die von Permanentmagneten mit unterschiedlichen Formen bereitgestellt wird,
• 8 eine Blockdarstellung einer Sensorenanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 9A und 9B einen Positionssensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 10A, 10B und 10C einen Positionssensor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 11 einen Positionssensor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 12 einen Positionssensor gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 13 einen Positionssensor gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 14 einen Positionssensor gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
• 15 einen Positionssensor gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Mehrere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
• Ein Positionssensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben.
• Der Positionssensor 1 beinhaltet ein Permanentmagnetenelement, das ein Paar von Permanentmagneten 2, 3 umfasst, und eine Sensorenanordnung 19, die ein Paar von Magnetsensoren 4, 5 beinhaltet. Das Paar von Permanentmagneten 2, 3 bildet ein Magnetfeld und bewegt sich entlang der horizontalen Achse Hax als Antwort auf ein sich bewegendes Objekt, dessen Position zu erfassen ist. Das Paar von Magnetsensoren 4, 5 misst eine Änderung in dem Magnetfeld und stellt ein Paar von digitalen elektrischen Signalen bereit. Der Positionssensor 1 ist in einem Fahrzeug angebracht, und die digitalen elektrischen Signale werden verarbeitet, um eine inverse trigonometrische Funktion zu bilden, die in eine elektronische Steuereinheit (ECU) eingegeben wird, um verschiedene Vorrichtungen zu steuern.
• Jeder der Permanentmagneten 2, 3 weist einen prismenartigen Stababschnitt 2r oder 3r und einen bogenförmigen Überstandsabschnitt 2p oder 3p auf, der von einer Seitenfläche des Stababschnitts 2r oder 3r zwischen den entgegengesetzten Enden übersteht. Jeder der Permanentmagneten 2, 3 ist in der Längsrichtung polarisiert, die parallel zu der Horizontale Hax verläuft, um einen S-Pol an dessen einem Ende und einen N-Pol an dem anderen Ende aufzuweisen. Das Paar von Permanentmagneten 2, 3 ist derart Seite an Seite angeordnet, dass die Spitzen 2t, 3t der Überstandselemente 2p, 3p und die gleichen Magnetpole einander gegenüberstehen, wie in 1A gezeigt. Jedes Paar von Permanentmagneten 2, 3 weist ebenso eine gleichmäßige Seitenbreite entlang der Längsachse Hax auf, wie in 1B gezeigt, wodurch das Permanentmagnetenelement gebildet wird, das ein Magnetfeld in dem Innenraum zwischen den Permanentmagneten 2, 3 bereitstellt. Das Paar von Permanentmagneten ist mit anderen Worten ebenensymmetrisch hinsichtlich einer Ebene Sp angeordnet, die die horizontale Achse Hax beinhaltet. In diesem Magnetfeld ist eine Magnetstromdichte bei dessen Zentrum in der Längsrichtung (Magnetzentrum) maximal und verringert sich graduierlich in dem Maße, in dem die Längsposition des Raumes von dem Magnetzentrum abgeht, wie in 2 gezeigt. Demgemäß beinhaltet eine vertikale Achse Vax das Magnetzentrum, deren Längsposition L 0 beträgt.
• Die bogenförmigen Überstandselemente 2p, 3p sind derart gebildet, dass sich die Kennlinie der Magnetstromdichte entlang einer annähernden Kosinuskurve S ändert, wie durch eine dicke durchgezogene Linie in 7 gezeigt, bei der eine gestrichelte Linie eine Kennlinie der Magnetstromdichte angibt, die durch ein Paar von stabförmigen Permanentmagneten ohne bogenförmige Überstandselemente gebildet wird, und eine dünne durchgezogene Linie eine Kennlinie der Magnetstromdichte angibt, die durch ein Paar von scheibenartigen Permanentmagneten ohne bogenförmige Überstandselemente gebildet wird.
• Jeder der Magnetsensoren 4, 5 umfasst ein Hall-Element und einen Prozessor, die auf einem IC- Chip gebildet sind, um die digitalen elektrischen Signale bereitzustellen. Die Magnetsensoren 4, 5 sind voneinander mit einem Abstand d/2 entlang der horizontalen Achse Hax in dem Innenraum zwischen den Permanentmagneten 2, 3 beabstandet angebracht. Demgemäß entspricht ein Abstand d/2 einem Viertel der Periode des in 3 gezeigten Kosinus.
• Die Magnetsensoren 4, 5 gleichen einander hinsichtlich Leistung und Größe und sind miteinander kompatibel. Deshalb zeichnen die digitalen Signale der Magnetsensoren 4, 5 annähernde Kosinuskurven α, β, die jeweils die Magnetstromdichte darstellen, wenn sich die Permanentmagneten 2, 3 entlang der horizontalen Achse Hax von der vertikalen Achse Vax bewegen, bei der die Längsposition L = 0 ist, wie in 3 gezeigt. Demgemäß werden die Amplituden der Kennlinien α, β einander gleich eingestellt.
• Wie in 4A gezeigt, sind die Magnetsensoren 4, 5 mit einer Prozessorschaltung 18 verbunden, um eine Sensorenanordnung 19 zu bilden. Die Prozessorschaltung 18 umfasst einen digitalen Signalprozessor (DSP) 16 und einen D/A-Wandler 17, wie in 4B gezeigt. Der DSP 16 beinhaltet eine Versatzeinstellschaltung 20, einen Invers-Trigonometriefunktionsprozessor 21 und eine Zuwachseinstellschaltung 22. Die Versatzeinstellschaltung 20 subtrahiert einen Versatzwert von den digitalen elektrischen Signalen der Magnetsensoren 4, 5, um ein Paar von Ausgabesignalen α' und β' bereitzustellen, wie in 5 gezeigt. Der Versatzwert entspricht dem Mittelwert zwischen dem maximalen Signalpegel und dem minimalen Signalpegel. Der Versatzwert kann ein Wert sein, der einem gewichteten Mittel der Maximal- und der Minimalpegel entspricht. Der Invers-Trigonometriefunktionsprozessor 21 stellt einen Invers-Trigonometriewert aus den Ausgabesignalen der Versatzeinstellschaltung 20 bereit.
• Somit werden die in 3 gezeigten Kennlinien α und β in eine Kosinuskurve α' und eine Sinuskurve β' umgewandelt, die in 5 gezeigt sind. Das heißt, die Sensorenanordnung stellt die nachfolgenden digitalen Ausgabesignale Va und Vb bereit, wobei: E die Amplitude darstellt; und L einen Verschiebungswert darstellt. Die Zuwachseinstellschaltung 22 gleicht die Amplitude E der Kosinus- und Sinuskurven α' und β' an. $$\text{Va}=\text{E cos L}$$

  

  $$\text{Vb}=\text{E sin L}$$

  
• Die Amplitude E kann durch die Magnetstromdichte B und den Hall- Strom als $$\text{E}=\text{K}\cdot \text{I}\cdot \text{B}$$

  

  ausgedrückt werden, $$\text{da Vb/Va}=\text{tan L}$$

  

  $$\text{L}=\text{arc tan}\left(\text{Vb/Va}\right)$$

  
• Somit wird L durch den Invers-Trigonometriefunktionsprozessor 21 berechnet.
• Dann gibt der Invers-Trigonometriefunktionsprozessor 21 den nachfolgenden Ausgabewert V aus, der in 6 gezeigt ist.
• V = arctan (Vb/Va)·d/Π . . . (6), wobei d/Π ein Koeffizient zum Umwandeln der Einheit „Radian“ in die Einheit „Millimeter“ ist.
• Da der Term (Vb/Va) beinahe eine temperaturabhängige Variation beseitigt, ändert sich der Ausgabewert V selbst dann nicht, wenn sich die Temperatur der Sensorenumgebung ändert.
• Der Ausgabewert V, der ein digitaler Wert ist, wird durch den D/A- Wandler 17 in einen Analogwert umgewandelt und zu einer ECU gesendet, um eine Vorrichtung zu steuern. Es ist daher möglich, die Position des Objekts genau zu erfassen, ohne die Temperaturänderung zu berücksichtigen.
• Ein Positionssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
• Demgemäß bezeichnet nachstehend das gleiche Bezugszeichen das gleiche oder das im Wesentlichen gleiche Element, den Abschnitt, den Teil oder die Einheit wie in dem ersten oder vorangehenden Ausführungsbeispiel.
• Wie in 8 gezeigt, beinhaltet eine Sensorenanordnung 24 ein Paar von Hall-Elementen 41, 51, ein Paar von Operationsverstärkern 25, 26 und einen A/D-Wandler 27 anstelle des Paars von Magnetsensoren 4, 5, das digitale elektrische Signale bereitstellt. Dieses Ausführungsbeispiel kann die Position eines Verschiebungswerts L zwischen mehreren Mikrometern und einigen zehn Mikrometern erfassen.
• Ein Positionssensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 9A und 9B beschrieben.
• Das Paar von Permanentmagneten 2, 3 des ersten Ausführungsbeispiels wird durch einen einzelnen im Allgemeinen zylindrischen Permanentmagneten 30 ersetzt, der eine nach innen überstehende Innenfläche 40 aufweist. Der Längsquerschnitt des Permanentmagneten weist mit anderen Worten ein bogenförmiges Überstandselement mit einer Spitze 30t in dessen Zentrum auf. Der Längsquerschnitt der Innenfläche entspricht den bogenförmigen Überstandselementen 2p und 3p des ersten Ausführungsbeispiels, die einander gegenüberstehen. Der Permanentmagnet 30 bildet ebenso einen Ring auf einer zu der Längsrichtung lotrecht verlaufenden Ebene, wie in 9A gezeigt.
• Der Permanentmagnet 30 ist in der Längsrichtung polarisiert, um einen S-Pol an dessen einem Ende und einen N-Pol an dem anderen Ende aufzuweisen. Die Magnetsensoren 4, 5 sind voneinander mit einem Abstand d/2 in der Längsrichtung innerhalb des Permanentmagneten 30 beabstandet angeordnet.
• Deshalb zeichnen die digitalen Signale der Magnetsensoren 4, 5 annähernde Kosinuskennlinien α, β, wenn sich der Permanentmagnet 30 entlang dessen horizontaler Achse aus der Längsposition L = 0 des Innenraums bewegt, wie in 3 gezeigt. Im Ergebnis kann das Ausgabesignal V des Positionssensors 1, das durch Gleichung (6) ausgedrückt und in 6 gezeigt ist, bereitgestellt werden.
• Da die im Allgemeinen zylindrische Form des Permanentmagneten 30 ein glattes und regelmäßiges Magnetfeld bildet, kann das Ausgabesignal V selbst dann genau erfasst werden, wenn die Position der Magnetsensoren 4, 5 in einer zu der Längsrichtung lotrechten Richtung ein wenig aus der ausgewiesenen Position verschoben wird.
• Ein Positionssensor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 10A, 10B und 10C beschrieben.
• Das Paar von Permanentmagneten 2, 3 des ersten Ausführungsbeispiels wird durch ein Paar von halbzylindrischen Permanentmagneten 32, 33 ersetzt, von denen jeder ein Bruchteil des in 9A und 9B gezeigten zylindrischen Permanentmagneten 30 ist. Die Innenfläche entspricht mit anderen Worten dem bogenförmigen Überstandselement 2p oder 3p des Permanentmagneten 2 oder 3 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Außenfläche kann gemäß Anbringungsumständen verschiedenartig gebildet werden.
• Die Bögen sind im Allgemeinen konzentrisch zu der horizontalen Achse Hax. Das Paar von Permanentmagneten 32, 33 ist mit anderen Worten in einer Ebenensymmetrie hinsichtlich einer Symmetrieebene angeordnet, die die horizontale Achse Hax beinhaltet.
• Jeder der Permanentmagneten 2, 3 ist in der Längsrichtung polarisiert, um einen S-Pol an dessen einem Ende und einen N-Pol an dem anderen Ende aufzuweisen. Das Paar von Permanentmagneten 32, 33 ist derart Seite an Seite anordnet, dass die Spitzen der Überstandselemente 32t, 33t einander bei dessen Zentrum in der Längsrichtung gegenüberstehen, und ebenso derart, dass die gleichen Magnetpole einander bei dessen Enden gegenüberstehen, wie in 10B gezeigt. Jedes Paar von Permanentmagneten 32, 33 weist eine Bogenlänge oder eine gleichmäßige Seitenbreite in der Umfangsrichtung entlang der Längsrichtung auf, wie in 10C gezeigt, wodurch das Permanentmagnetenelement gebildet wird, das ein Magnetfeld bei dem Innenraum auf Seiten der Permanentmagneten 32, 33 bereitstellt.
• In diesem Magnetfeld ist die Magnetstromdichte bei dessen Magnetzentrum maximal und verringert sich graduierlich in dem Maße, in dem die Längsposition des Raumes von dem Magnetzentrum abgeht, wie in 2 gezeigt. Das heißt, die bogenförmigen Überstandselemente sind derart gebildet, dass die Kennlinie der Magnetstromdichte sich entlang einer Kosinuskurve S ändert, wie durch eine dicke durchgezogene Linie in 7 gezeigt.
• Die Magnetsensoren 4, 5 sind voneinander mit einem Abstand d/2 in der Längsrichtung innerhalb der Permanentmagneten 32, 33 beabstandet angebracht. Deshalb zeichnen die digitalen Signale der Magnetsensoren 4, 5 annähernde Kosinuskennlinien α, β, wenn sich der Permanentmagnet 30 entlang dessen horizontaler Achse Hax aus der vertikalen Achse Vax bewegt, wie in 3 gezeigt.
• Da die im Allgemeinen halbzylindrische Form der Permanentmagneten 32, 33 ein glattes und gleichmäßiges Magnetfeld bildet, kann das Ausgabesignal V selbst dann genau erfasst werden, wenn die Position der Magnetsensoren 4, 5 in einer zu der Längsrichtung lotrechten Richtung ein wenig aus der ausgewiesenen Position verschoben wird.
• Ein Positionssensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
• Der Positionssensor 1 beinhaltet ein Permanentmagnetenelement, das ein Paar von Magnetenelementen 50, 51 umfasst, und eine Sensorenanordnung, die ein Paar von Magnetsensoren 4, 5 beinhaltet. Das Paar von Magnetenelementen 50, 51 bildet ein Magnetfeld und bewegt sich als Antwort auf ein sich bewegendes Objekt, dessen Position zu erfassen ist.
• Das Paar von Magnetsensoren 4, 5 misst eine Änderung in dem Magnetfeld und stellt ein Paar von digitalen elektrischen Signalen bereit.
• Jedes der Magnetenelemente 50, 51 weist einen prismenartigen Permanentmagneten 2A oder 3A und ein Paar von bogenförmigen Überstandselementen 2B, 2C oder 3B, 3C auf, das von entgegengesetzten Enden der Permanentmagneten 2A oder 3A übersteht. Jeder der Permanentmagneten 2A oder 3A ist in der Längsrichtung polarisiert, um einen S-Pol an dessen einem Ende und einen N-Pol an dem anderen Ende aufzuweisen. Das Paar von Magnetenelementen 50, 51 ist derart Seite an Seite angeordnet, dass sich die Enden des Paars von bogenförmigen Überstandselementen 2B, 2C oder 3B, 3C von einem Magetenelement 50 oder 51 den Enden des anderen Paars annähern und den Enden des anderen Paares gegenüberstehen, und ebenso derart, dass die gleichen Magnetpole einander gegenüberstehen. Jedes Paar von Magnetenelementen 50, 51 weist ebenso eine gleichmäßige Seitenbreite entlang der Längsrichtung auf, wodurch das Permanentmagnetenelement gebildet wird, das ein Magnetfeld bei dem Raum innerhalb der Magnetenelemente 50, 51 bereitstellt. Das Paar von Magnetenelementen 50, 51 ist mit anderen Worten in einer Ebenensymmetrie hinsichtlich einer Symmetrieebene angeordnet, die eine horizontale Achse Hax beinhaltet. In diesem Magnetfeld ist die Magnetstromdichte bei dessen Zentrum in der Längsrichtung maximal und verringert sich graduierlich in dem Maße, in dem die Längsposition des Raumes von dem Magnetzentrum abgeht, das in einer vertikalen Achse Vax beinhalet ist. Das heißt, die bogenförmigen Überstandselemente 2B, 2C, 3B, 3C sind derart gebildet, dass sich die Kennlinie der Magnetstromdichte entlang einer Kosinuskurve S ändert, wie in 7 gezeigt.
• Ein Positionssensor 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 12 und 13 beschrieben.
• Der Positionssensor 1 beinhaltet ein Permanentmagnetenelement, das ein Paar von Permanentmagneten 2, 3 umfasst, und eine Sensorenanordnung, die einen Winkelkorrekturmagnetsensor 55 zusätzlich zu einem Paar von Hauptmagnetsensoren 4, 5 beinhaltet. Das heißt, der Positionssensor 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen der gleiche wie das erste Ausführungsbeispiel mit Ausnahme des Winkelkorrektursensors 55 und eines Winkelkorrekturprogramms. Der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 gleicht hinsichtlich Leistung und Größe jedem des Paars von Hauptmagnetsensoren 4, 5 und ist mit diesen kompatibel. Der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 ist bei der Mitte des Raumes zwischen den Hauptmagnetsensoren 4, 5 derart angeordnet, dass die Messfläche des Winkelkorrekturmagnetsensors 55 in einer Richtung eines Winkels α gegenüber der Messfläche der Hauptmagnetsensoren 4, 5 geneigt ist, wie in 12 gezeigt. Der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 kann mit den Hauptmagnetsensoren 4, 5 integriert werden.
• Der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 ist für den Positionssensor 1 effektiv, um selbst dann genaue Ausgabesignale bereitzustellen, wenn das Paar von Permanentmagneten 2, 3 zu einer Richtung eines Winkels θ bezüglich der horizontalen Achse zufällig geneigt ist.
• Bewegt sich das Permanentmagnetenelement, das das Paar von Permanentmagneten 2, 3 beinhaltet, entlang der horizontalen Achse, dann werden das Ausgabesignal Va von einem der Hauptmagnetsensoren und das Ausgabesignal Vc des Winkelkorrekturmagnetsensors 55 jeweils wie folgt ausgedrückt. $$\text{Va}=\text{K}\cdot \text{I}\cdot \text{B cos}\mathrm{\theta }$$

  

  $$\text{Vc}=\text{K}\cdot \text{I}\cdot \text{B cos}\left(\mathrm{\theta +\alpha }\right)$$

  
• Demgemäß: $$\left(\text{Va}-\text{Vc}\right)/\left(\text{Va}+\text{Vc}\right)=\text{tan}\left\{\left(2\mathrm{\theta +\alpha }\right)/2\right\}\cdot \text{tan}\left(\mathrm{\alpha }/2\right)$$

  

  $$\mathrm{\theta =}\text{arctan}\left\{\left(\text{Va}-\text{Vc}\right)/\left(\text{Va}+\text{Vc}\right)\cdot \text{cot}\left(\mathrm{\alpha }/2\right)\right\}\cdot 180°/\mathrm{\Pi -\alpha }/2$$

  
• Dann können die korrigierten Ausgabespannungen Va' und Vb' und der Verschiebungswert L wie folgt ausgedrückt werden. $$\text{Va'=Va cos}\mathrm{\theta \; +}\text{Vc cos}\left(\mathrm{\alpha -\theta }\right)$$

  

  $$\text{Vb'=Vb cos}\mathrm{\theta \; +}\text{Vc cos}\left(\mathrm{\alpha -\theta }\right)$$

  

  $$\text{L}=\text{arctan}\left(\text{Va'/Vb'}\right)\cdot \text{d/}\mathrm{\Pi }\cdot \text{cos}\mathrm{\theta }$$

  
• Diese Korrektur kann selbst dann durchgeführt werden, wenn sich der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 hinsichtlich Leistung von den Hauptmagnetsensoren 4, 5 unterscheidet.
• In jenem Fall können die nachfolgenden Ausdrücke verwendet werden. $$\text{Va=m}\cdot \text{K}\cdot \text{I}\mathrm{}\cdot \text{B cos}\mathrm{\theta }$$

  

  $$\text{Vc=n}\cdot \text{Kc}\cdot \text{Ic}\cdot \text{B cos}\left(\mathrm{\theta +\alpha }\right)$$

  
• In den vorstehend beschriebenen Ausdrücken werden n und m derart eingestellt, dass m · K · I · B und n · Kc · Ic · B angeglichen werden können.
• Der Winkelkorrekturmagnetsensor 55 kann derart angeordnet werden, dass dessen Messfläche lotrecht zu der Messfläche der Hauptmagnetsensoren 4, 5 verlaufen kann, wie in 15 gezeigt.
• In diesem Fall werden die Ausdrücke (Gleichung 10), (Gleichung 11) und (Gleichung 12) wie folgt ausgedrückt. $$\mathrm{\theta =}\text{arctan}\left\{\left(\text{Va}-\text{Vc}\right)/\left(\text{Va}+\text{Vc}\right)\right\}\cdot 180°/\mathrm{\Pi }$$

  

  $$\text{Va'=Va cos}\mathrm{\theta \; +}\text{Vc sin}\mathrm{\theta }$$

  

  $$\text{Vb'=Vb cos}\mathrm{\theta \; +}\text{Vc sin}\mathrm{\theta }$$

  
• Ein Positionssensor 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 14 und 15 beschrieben.
• Der Positionssensor 1 beinhaltet ein Permanentmagnetenelement, das ein Paar von Permanentmagneten 2, 3 umfasst, und eine Sensorenanordnung, die ein Paar von Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 zusätzlich zu einem Paar von Hauptmagnetsensoren 4, 5 beinhaltet. Das heißt, der Positionssensor 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen der gleiche wie das sechste Ausführungsbeispiel mit Ausnahme des Winkelkorrektursensors 56 und des Winkelkorrekturprogramms. Das Paar von Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 ist hinsichtlich Leistung und Größe mit jedem des Paars von Hauptmagnetsensoren 4, 5 identisch und ist mit diesen kompatibel. Die Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 sind jeweils bei den Seiten der Hauptmagnetsensoren 5, 4 derart angeordnet, dass die Messflächen der Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 lotrecht der Messfläche der Hauptmagnetsensoren 5, 4 zugewandt sind, wie in 14 gezeigt. Die Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 können mit den Hauptmagnetsensoren 4, 5 integriert werden.
• Die Winkelkorrekturmagnetsensoren 55, 56 sind für den Positionssensor 1 effektiv, um selbst dann genaue Ausgabesignale bereitzustellen, wenn das Paar von Permanentmagneten 2, 3 in einer Richtung eines Winkels θ bezüglich der horizontalen Achse zufällig geneigt ist, wie zuvor beschrieben.
• Bewegt sich das Permanentmagnetenelement, das das Paar von Permanentmagneten 2, 3 beinhaltet, entlang der horizontalen Achse Hax, dann werden jeweils die Ausgabesignale Va, Vb der Hauptmagnetsensoren 4, 5 und die Ausgabesignale Vc, Vd der Winkelkorrektursensoren 55, 56 bereitgestellt.
• Die korrigierte Ausgabespannung Vb' des Hauptmagnetsensors 5 wird wie folgt ausgedrückt. $$\text{Vb'=Vb cos}\mathrm{\theta \; +}\text{Vd sin}\mathrm{\theta }$$

  
• Da die korrigierte Ausgabespannung Va' zuvor in dem Ausdruck (Gleichung 11) ausgedrückt ist, kann der Verschiebungswert L durch den Ausdruck (Gleichung 13) erhalten werden.
• Betragen die Winkel zwischen den Messflächen der Hauptmagnetsensoren 4, 5 und jedem der Permanentmagneten 2, 3 jeweils θ1 und θ2, dann können diese Winkel wie folgt ausgedrückt werden. $$\mathrm{\theta }\text{1}\mathrm{=}\text{arctan}\left(\text{Vc}/\text{Va}\right)\cdot 180°/\mathrm{\Pi }$$

  

  $$\mathrm{\theta 2=}\text{arctan}\left(\text{Vd}/\text{Vb}\right)\cdot 180°/\mathrm{\Pi }$$

  
• Die korrigierten Ausgabespannungen Va', Vb' können wie folgt ausgedrückt werden. $$\text{Va'=Va cos}\mathrm{\theta }\text{1}\mathrm{+}\text{Vc sin}\mathrm{\theta }\text{1}$$

  

  $$\text{Vb'=Vb cos}\mathrm{\theta }\text{2}\mathrm{+}\text{Vd sin}\mathrm{\theta }\text{2}$$

  
• Dann kann der Verschiebungswert wie folgt ausgedrückt werden. $$\text{L}=\text{arctan}\left(\text{Va'/Vb'}\right)\cdot \text{d/}\mathrm{\Pi }\cdot \text{cos}\left\{\left(\mathrm{\theta }\text{1}+\mathrm{\theta }\text{2}\right)/2\right\}$$

  
• Ein Positionssensor beinhaltet ein sich längs erstreckendes Permanentmagnetenelement (2, 3, 30), zumindest zwei sich längs erstreckende bogenförmige Überstandselemente (2p, 3p), die jeweils von den entgegengesetzten Enden hin zu dem Innenraum überstehen, um einander mit einem Abstand gegenüberzustehen, und ein Paar von kompatiblen Hauptmagnetsensoren, die in dem Innenraum entlang der Längsachse bei einem Intervall (d) derart angeordnet sind, um ein Paar von Ausgabesignalen zu erzeugen, wenn sich das Permanentmagnetenelement (2, 3, 30) entlang der Längsachse verschiebt. Die entgegengesetzten Enden des Permanentmagnetenelements sind konfiguriert, um einen gemeinsamen Innenraum zu umgeben, und sind polarisiert, um entgegengesetzte Magnetpole aufzuweisen, um in dem Innenraum ein Magnetfeld bereitzustellen, dessen Magnetstromdichte bei einem Längszentrum des Innenraums maximal wird und graduierlich in dem Maße kleiner wird, in dem sich eine Position des Innenraums von dem Längszentrum entlang einer Längsachse der Permanentmagnetenelemente verschiebt. Die bogenförmigen Überstandselemente sind derart eingerichtet, dass die Magnetstromdichte und jedes der Ausgabesignale durch einen Kosinus eines Verschiebungswerts (L) aus der Längsachse ausgedrückt werden können, und das Intervall (d/2) beträgt 1/4 der Periode des Kosinus.

Claims (10)

1. Positionssensor mit: einem sich längs erstreckenden Permanentmagnetenelement (2, 3, 30) mit entgegengesetzten polarisierten Enden, um entgegengesetzte Magnetpole aufzuweisen, wobei jedes der entgegengesetzten Enden konfiguriert ist, einen gemeinsamen Innenraum zu umgeben, wobei zumindest zwei sich längs erstreckende bogenförmige Überstandselemente (2p, 3p) jeweils von den entgegengesetzten Enden hin zu dem Innenraum überstehen, um einander mit einem Abstand gegenüberzustehen, wodurch in dem Innenraum ein Magnetfeld bereitgestellt wird, dessen Magnetstromdichte in einem Längszentrum des Innenraums maximal wird und in dem Maße graduierlich kleiner wird, in dem sich eine Position des Innenraums von dem Längszentrum entlang einer Längsachse der Permanentmagnetenelemente (2, 3, 30) verschiebt, einem Paar von kompatiblen Hauptmagnetsensoren (4, 5), die in dem Innenraum entlang der Längsachse bei einem Intervall (d) derart angeordnet sind, ein Paar von Ausgabesignalen zu erzeugen, wenn sich das Permanentmagnetenelement (2, 3, 30) entlang der Längsachse verschiebt, wobei: die bogenförmigen Überstandselemente (2p, 3p) derart eingerichtet sind, dass jedes der Ausgabesignale durch einen Kosinus eines Verschiebungswerts (L) aus dem Längszentrum ausgedrückt werden kann, und das Intervall (d/2) 1/4 der Periode des Kosinus beträgt, wobei der Positionssensor weiterhin eine Versatzeinstellschaltung (20) zum Subtrahieren eines Mittelwerts des Maximums und Minimums von Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren (4, 5) als ein Versatzwert von den Ausgabesignalen der Hauptmagnetsensoren, und einen Invers-Trigonometriefunktionsprozessor (21) zum Bereitstellen eines Invers-Trigonometriewerts aus einem Ausgabesignal der Versatzeinstellschaltung (20) aufweist.
2. Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei: das Permanentmagnetenelement ein Paar von Permanentmagneten (2, 3) umfasst, die eine gleichförmige Seitenbreite entlang deren Längsrichtung aufweisen und die derart Seite an Seite angeordnet sind, dass die Spitzen der Überstandselemente einander gegenüberstehen.
3. Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei das sich längs erstreckende Permanentmagnetenelement (30) ein zylindrischer Permanentmagnet ist.
4. Positionssensor gemäß Anspruch 2, wobei jeder der Permanentmagneten (2, 3) ein halbzylindrisches Element mit einer gleichförmigen Seitenbreite in einer Umfangsrichtung ist.
5. Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei: jeder der Magnetsensoren ein Hall- Element (41, 51) umfasst, und die Versatzeinstellschaltung (20) und der Invers-Trigonometriefunktionsprozessor (21) einstückig in einem Chip gebildet sind.
6. Positionssensor gemäß Anspruch 2, wobei: jedes bogenförmige Überstandselement ein Paar von Magnetjochen (2B bis 2C, 3B bis 3C) umfasst, die sich jeweils von entgegengesetzten Enden eines der Permanentmagneten (2A, 3A) erstrecken.
7. Positionssensor gemäß Anspruch 1, weiterhin mit einem Winkelkorrekturmagnetsensor (55), der in dem Innenraum derart angeordnet ist, eine Neigung des Paars von Hauptmagnetsensoren (4, 5) bezüglich einer Normalenrichtung zu erfassen.
8. Positionssensor gemäß Anspruch 7, wobei: das Paar von Hauptmagnetsensoren (4, 5) Messflächen aufweist, die der Längsrichtung des Permanentmagnetenelements (2, 3, 30) zugewandt sind, und der Winkelkorrekturmagnetsensor (55) eine Messfläche aufweist, die lotrecht zu den Messflächen der Hauptmagnetsensoren (4, 5) geneigt ist.
9. Positionssensor gemäß Anspruch 7, wobei der Winkelkorrekturmagnetsensor (55) zwischen dem Paar von Hauptmagnetsensoren (4, 5) angeordnet ist.
10. Positionssensor gemäß Anspruch 1, weiterhin mit einem Paar von Winkelkorrekturmagnetsensoren (55, 56), die derart in dem Innenraum angeordnet sind, jeweilige Neigungen des Paars von Hauptmagnetsensoren (4, 5) bezüglich einer Normalenrichtung zu erfassen.

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