DE112018001301T5 - Rotationssensor - Google Patents

Abstract

Der Rotationssensor beinhaltet mehrere Magnetsensoren (40) zum Ausgeben eines sinusförmigen Signals und eines cosinusförmigen Signals entsprechend einem elektrischen Rotationswinkel eines rotierenden Körpers (100), wobei die Magnetsensoren abstandsgleich und in Umfangsrichtung des rotierenden Körpers getrennt vom Außenumfang des rotierenden Körpers angeordnet und in Position fest sind, um eine Änderung des Magnetfeldes zu erfassen, die durch die Änderung in der Rotationsposition des rotierenden Körpers infolge der Rotation des rotierenden Körpers bewirkt wird. Der Rotationssensor beinhaltet eine Recheneinheit (50), die die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale von den mehreren Magnetsensoren empfängt und die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale nach einer vorbestimmten Regel addiert und subtrahiert, um so die in den sinusförmigen Signalen und cosinusförmigen Signalen enthaltenen Komponenten hoher Ordnung aufzuheben.

Description

• QUERVERWEIS AUF IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
• Diese Anmeldung basiert auf der am 13. März 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-47053, auf deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich Bezug genommen ist.
• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Rotationssensor, der einen elektrischen Winkel einer Welle erfasst.
• HINTERGRUND
• Aus dem Patentdokument 1 ist eine Sensorvorrichtung bekannt, die konfiguriert ist, um eine Rotation eines Magneten, der an einer Endfläche einer Welle eines Motors angeordnet ist, durch ein magnetfeldempfindliches Element zu erfassen. Insbesondere ist das magnetfeldempfindliche Element auf der Mittelachse der Welle und gegenüber dem Magneten angeordnet. Hierdurch erfasst das magnetfeldempfindliche Element bei einer Rotation der Welle einen Orientierungswinkel des Magnetfeldes im Bereich von 0° bis 360°.
• PATENTDOKUMENT
• Patentdokument 1: JP 2016-4039 A
• KURZDARSTELLUNG
• Da das magnetfeldempfindliche Element im obigen Stand der Technik jedoch auf der Mittelachse der Welle angeordnet ist, wird der Endabschnitt der Motorwelle zu einem Montagebereich der Sensorvorrichtung. Dadurch wird die Größe des Motors in axialer Richtung der Welle erhöht. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Sensorvorrichtung nicht in einen Motor oder dergleichen eingebaut werden kann, der keinen Platz am Ende der Welle gewährleisten kann. Diese Angelegenheit ist nicht auf die Welle beschränkt, sondern gilt für den rotierenden Körper.
• Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, einen genauen elektrischen Winkel des rotierenden Körpers zu erfassen. So ist beispielsweise ein Vektorsteuerungsantrieb als ein Verfahren zur Steuerung des Motors bekannt. Die Vektorsteuerung ist ein Verfahren, bei dem der zum Motor fließende Strom in eine drehmomenterzeugende Komponente und eine magnetflusserzeugende Komponente getrennt wird und jede der Stromkomponenten unabhängig voneinander gesteuert wird. Um die Vektorsteuerung auszuführen, ist es notwendig, einen genauen elektrischen Winkel der Welle zu erfassen, die der rotierende Körper ist.
• Die vorliegende Offenbarung stellt einen Rotationssensor bereit, der einen elektrischen Winkel eines rotierenden Körpers mit hoher Genauigkeit erfassen kann und auch dann installiert werden kann, wenn es schwierig ist, Raum in axialer Richtung des rotierenden Körpers zu gewährleisten.
• Der Rotationssensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet mehrere Magnetsensoren zum Ausgeben eines sinusförmigen Signals und eines cosinusförmigen Signals entsprechend einem elektrischen Rotationswinkel des rotierenden Körpers, wobei die Magnetsensoren abstandsgleich und in Umfangsrichtung des rotierenden Körpers getrennt von dem Außenumfang des rotierenden Körpers angeordnet und in Position fest bzw. fixiert sind, um eine Änderung des Magnetfeldes zu erfassen, die durch die Änderung in der Rotationsposition des rotierenden Körpers infolge der Rotation des rotierenden Körpers bewirkt wird.
• Darüber hinaus beinhaltet der Rotationssensor eine Recheneinheit, die die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale von den mehreren Magnetsensoren empfängt und die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale nach einer vorbestimmten Regel addiert und subtrahiert, wodurch die in den sinusförmigen Signalen und cosinusförmigen Signalen enthaltenen Komponenten hoher Ordnung aufgehoben werden.
• Gemäß dieser Konfiguration ist jeder Magnetsensor nicht auf der Endfläche des rotierenden Körpers, sondern auf der Außenumfangsseite angeordnet. Daher ist es möglich, eine Konfiguration bereitzustellen, die auch dann installiert werden kann, wenn es schwierig ist, einen Raum in axialer Richtung des rotierenden Körpers zu gewährleisten.
• Ferner werden Komponenten hoher Ordnung, die in dem sinusförmigen Signal und in dem cosinusförmigen Signal enthalten sind, durch Addieren/Subtrahieren der Signale der jeweiligen Magnetsensoren aufgehoben, so dass ein Signal elektrischen Winkels mit geringer Verzerrung, d.h. ein hochpräziser elektrischer Winkel erhalten werden kann. Daher ist es möglich, den elektrischen Winkel der Rotationsposition des rotierenden Körpers genau zu bestimmen. Folglich kann eine Konfiguration bereitgestellt werden, die den elektrischen Winkel des rotierenden Körpers mit hoher Genauigkeit erfassen kann.
• Figurenliste
• Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
• 1 eine Ansicht eines Rotationssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus einer axialen Richtung einer Welle betrachtet;
• 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1;
• 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung jedes Signals von sin θ und cos θ nach der Berechnung durch eine Recheneinheit;
• 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der von einem ersten Magnetsensor ausgegebenen Signale von sin θ und cos θ als ein Vergleichsbeispiel;
• 5 eine Ansicht eines Rotationssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus der axialen Richtung einer Welle betrachtet;
• 6 eine Ansicht eines Rotationssensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus der axialen Richtung der Welle betrachtet;
• 7 eine Ansicht eines Rotationssensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus der axialen Richtung der Welle betrachtet; und
• 8 eine Ansicht eines Rotationssensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus der axialen Richtung der Welle betrachtet.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen wie auch in den Zeichnungen sind identische oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• (Erste Ausführungsform)
• Nachstehend ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Ein Rotationssensor der vorliegenden Ausführungsform erfasst einen elektrischen Winkel einer Welle, die beispielsweise für einen Vektorsteuerungsantrieb eines Motors verwendet wird. Der Motor ist beispielsweise an einem Fahrzeug montiert.
• Wie in den 1 und 2 gezeigt, beinhaltet der Rotationssensor 1 ein Scheibenelement 10, einen Magnetmusterabschnitt 20, ein Halteelement 30, mehrere Magnetsensoren 40 und eine Recheneinheit 50.
• Das Scheibenelement 10 ist eine Komponente, an der der Magnetmusterabschnitt 20 befestigt ist. Das Scheibenelement 10 weist einen Einpressabschnitt 11 a mit einem Durchgangsloch 11 auf, durch das eine Welle 100, die einen Teil des Motors bildet, geführt wird. Das Scheibenelement 10 wird an einer Außenumfangsoberfläche 110 der Welle 100 befestigt, indem die Welle 100 in den Einpressabschnitt 11a gepresst wird. Daher dreht sich das Scheibenelement 10 zusammen mit der Welle 100 um die Mittelachse der Welle 100. Das Scheibenelement 10 ist beispielsweise eine Metallplatte, wie beispielsweise ein kaltgewalztes Stahlblech.
• Der Magnetmusterabschnitt 20 weist ein Magnetmuster auf, bei dem mehrere erste Magnetpole 21, die eine Magnetkraft des N-Pols erzeugen, und zweite Magnetpole 22, die eine Magnetkraft des S-Pols erzeugen, abwechselnd angeordnet sind. Das heißt, die Magnetpole 21 und 22 sind in Umfangsrichtung um die Mittelachse der Welle 100 abwechselnd angeordnet.
• Der Magnetmusterabschnitt 20 ist eine Komponente zum Erfassen eines elektrischen Winkels der Welle 100 und ist eine Komponente, die die Phase der Welle 100 anzeigt. Die Phase zeigt die Rotationsposition der Welle 100. Insbesondere beschreibt die Phase eine Position in einem Zyklus, wenn sich die Welle 100 dreht. Ein Zyklus entspricht einem Paar von Bereichen der Magnetpole 21 und 22, die den Magnetmusterabschnitt 20 bilden.
• Wie in 2 gezeigt, ist der Magnetmusterabschnitt 20 an einem Endabschnitt 12 in radialer Richtung der Welle 100 auf dem Scheibenelement 10 vorgesehen. Der Magnetmusterabschnitt 20 wird durch Magnetisieren einer magnetischen Substanz auf einer am Endabschnitt 12 des Scheibenelements 10 vorgesehenen Basis gebildet.
• In der vorliegenden Ausführungsform weist der Magnetmusterabschnitt 20 acht Pole auf. Die Welle 100 wird um 1/4 gedreht, um ein Paar der Magnetpole 21, 22 zu erreichen, d.h. 1 (eine) Periode. Daher beträgt der elektrische Winkel der 1/4-Rotation der Welle 100 360°. Mit anderen Worten, der elektrische Winkel ist ein Winkel entsprechend einem Rotationsbereich des Rotationsbereichs, in dem eine Rotation der Welle 100 gleichmäßig in mehrere gleiche Abschnitte unterteilt ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird, da eine Rotation der Welle 100 in vier gleiche Teile unterteilt ist, der elektrische Winkel der 1/4-Rotation der Welle 100 zu 360°.
• Das Halteelement 30 ist eine Komponente, an der jeder Magnetsensor 40 angeordnet ist, und deren Position in Bezug auf die Welle 100 fest ist. Das Halteelement 30 weist elektrische Komponenten, wie beispielsweise eine Verdrahtung, auf. Das Halteelement 30 ist an einem Motorgehäuse oder dergleichen befestigt. Das Halteelement 30 kann beispielsweise als ein Gehäuse eines Motors oder ein Teil von Komponenten im Inneren des Motors konfiguriert sein.
• Das Halteelement 30 ist in einer Bogenform ausgebildet. Der Bogen ist ein ringförmiger Ring, der nicht ringförmig geschlossen ist. Mit anderen Worten, die Bogenform kann auch als Ringabschnitt bezeichnet werden. Das Halteelement 30 wird an dem Gehäuse oder dergleichen befestigt, indem die konkave Seite des Halteelements 30 entlang der radialen Richtung der Welle 100 bewegt wird. Dadurch wird die Position des Halteelements 30 in Bezug auf die Welle 100 festgelegt. Das Halteelement 30 kann halbkreisförmig sein, solange es in Bezug auf die Welle 100 eingefügt werden kann.
• Jeder der Magnetsensoren 40 ist eine Sensorvorrichtung, die eine Änderung des Magnetfeldes erfasst. Jeder Magnetsensor 40 ist beispielsweise als Hall-Element, GMR-Element, TMR-Element oder AMR-Element konfiguriert. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Hall-Element als Magnetsensor 40 eingesetzt. Da das Hall-Element eine Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung aufweist, ist der Magnetsensor 40 parallel zu und gegenüber dem Magnetmusterabschnitt 20 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Die z-Richtung ist die Richtung des Magnetfeldes, das das Hall-Element durchläuft. In 2 stimmt die z-Richtung mit der radialen Richtung der Welle 100 überein.
• Da die Periode der Ausgangswellenform des AMR-Elements die doppelte Periode der Ausgangswellenform der anderen Elemente wird, ist es notwendig, die Anzahl der Pole des Magnetmusterabschnitts 20 auf 1/2 einzustellen, aber Magnetfelderfassungspunkt ist derselbe wie der der anderen Elemente.
• Jeder Magnetsensor 40 ist dem Magnetmusterabschnitt 20 über einen vorbestimmten Spalt gegenüberliegend angeordnet. Jeder der Magnetsensoren 40 ist durch das Halteelement 30 vom Außenumfang der Welle 100 beabstandet und in gleichen Abständen in Umfangsrichtung der Welle 100 angeordnet und in Bezug auf die Welle 100 in Position fest. Wie vorstehend beschrieben, ist eine Umdrehung der Welle 100 gleichmäßig in vier Phasen unterteilt. In der vorliegenden Ausführungsform sind alle Magnetsensoren 40 im Rotationsbereich von Phase 1 angeordnet.
• In der vorliegenden Ausführungsform sind 16 (sechzehn) Magnetsensoren 40 am Halteelement 30 befestigt. Ferner sind 16 (sechzehn) Magnetsensoren 40 in gleichen Abständen in einem elektrischen Winkel von 0° bis 360° angeordnet. Daher ist der Anordnungswinkel eines Magnetsensors 40 gleich (n-1)π/8.
• In 1 zeigt „1“ den ersten Magnetsensor, zeigt „2“ den zweiten Magnetsensor und zeigt „16“ den sechzehnten Magnetsensor 40. So ist beispielsweise der Anordnungswinkel des ersten Magnetsensors 40 ein elektrischer Winkel von 0° und der Anordnungswinkel des neunten Magnetsensors 40 ein elektrischer Winkel von π, d.h. 180°. Somit ist der Anordnungswinkel jedes Magnetsensors 40 in einem Rotationsbereich vorbestimmt.
• Jeder der Magnetsensoren 40 gibt ein sinusförmiges Signal und ein cosinusförmiges Signal entsprechend dem elektrischen Winkel der Rotation der Welle 100 aus, indem er die Änderung des Magnetfeldes erfasst, die durch die Änderung der Rotationsposition der Welle 100 aufgrund der Rotation der Welle 100 bewirkt wird. Das sinusförmige Signal ist ein Sinussignal, und das cosinusförmige Signal ist ein Cosinussignal. Das Sinussignal und das Cosinussignal sind um 90° voneinander verschoben. Da sich die jeweiligen Anordnungswinkel der Magnetsensoren 40 voneinander unterscheiden, werden Sinussignale und Cosinussignale mit unterschiedlichen Phasen ausgegeben.
• Die Recheneinheit 50 ist eine Signalverarbeitungsschaltung, die das Signal jedes Magnetsensors 40 verarbeitet. Die Recheneinheit 50 ist beispielsweise als integrierte Schaltungseinheit (ASIC) konfiguriert. Die Recheneinheit 50 empfängt das Sinussignal und das Cosinussignal von 16 (sechzehn) Magnetsensoren 40 und führt eine Verarbeitung zum Erhalten eines Signals elektrischen Winkels aus, in dem Komponenten hoher Ordnung, die im Sinussignal und im Cosinussignal enthalten sind, durch Addieren und Subtrahieren des Sinussignals und des Cosinussignals gemäß der vorbestimmten Regel aufgehoben werden. Die gesamte Rechenverarbeitung, die von der Recheneinheit 50 ausgeführt wird, ist eine analoge Verarbeitung. Vorstehend ist die Konfiguration des Rotationssensors 1 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
• Nachstehend ist der Betrieb des Rotationssensors 1 beschrieben. Wenn sich die Welle 100 gemäß dem Betrieb des Motors dreht, gibt jeder Magnetsensor 40 ein Sinussignal und ein Cosinussignal einer Phase entsprechend dem Anordnungswinkel der jeweiligen Magnetsensoren aus.
• Insbesondere wird das Sinussignal fn des n-ten Magnetsensors 40 zu fn = f {θ + (n-1)π/8} und wird das Cosinussignal gn zu gn = g {θ + (n-1)π/8}. n ist 1 bis 16.
• Es wird angenommen, dass die Amplitude des Terms i-ter Ordnung des Sinussignals des n-ten Magnetsensors 40 ani ist und die Amplitude des Terms i-ter Ordnung des Cosinussignals des n-ten Magnetsensors 40 bni ist. Dann wird davon ausgegangen, dass die Ausgangsamplitude jedes Magnetsensors 40 gleich ist. Das heißt, ani = bni = Ai.
• Um Komponenten hoher Ordnung aus jedem Signal zu entfernen, erhält die Recheneinheit 50 die folgenden F1 bis F4 und G1 bis G4 aus dem Ausgang jedes Magnetsensors 40. Diese F1 bis F4 und G1 bis G4 sind vorbestimmte Rechenausdrücke. $$\text{F}1=\text{f}1-\text{g}5-\text{g}9+\text{g}13$$

  

  $$\text{G}1=\text{g}1+\text{f}5-\text{g}9-\text{f}13$$

  

  $$\text{F}2=\text{f}3-\text{g}7-\text{g}11+\text{g}15$$

  

  $$\text{G}2=\text{g}3+\text{f}7-\text{g}11+\text{f}15$$

  

  $$\text{F}3=\text{f}2-\text{g}6-\text{g}10+\text{g}14$$

  

  $$\text{G}3=\text{g}2+\text{f}6-\text{g}10-\text{f}14$$

  

  $$\text{F}4=\text{f}4-\text{g}8-\text{g}12+\text{g}16$$

  

  $$\text{G}4=\text{g}4+\text{f}8-\text{g}12-\text{f}16$$

  
• So ist beispielsweise, für F1, das Sinussignal f1 des ersten Magnetsensors 40 f1 = a11 × sinθ) + a12 × sin2θ + a13 × sin3θ + .... Ferner ist das Cosinussignal g5 des fünften Magnetsensors 40 g5 = b51 × cos(θ + π/2) + b52 × cos2(θ + π/2) + b53 × cos3(θ + π/2) + ... = -b51 x sinθ) - b52 × cos2θ + b53 × sin3θ + .... θ ist Theta. Das Sinussignal f9 des neunten Magnetsensors 40 und das Cosinussignal g13 des dreizehnten Magnetsensors 40 weisen ebenso Komponenten entsprechend der Phase auf.
• Jeder der Magnetsensoren 40 kann im Voraus miteinander verbunden werden, um beispielsweise jedes der Signale F1 bis F4 und G1 bis G4 auszugeben. Das heißt, im Falle von F1 gibt die Recheneinheit 50 nicht jedes Signal von jedem des ersten, fünften, neunten und dreizehnten Magnetsensors 40 einzeln ein, um F1 zu berechnen, sondern gibt das Signal selbst von F1 ein. Gleiches gilt für F2 bis F4 und G1 bis G4. Da die Recheneinheit 50 F1 nicht selbst berechnen muss, kann die Rechenzeit verkürzt werden und können die Kosten der Recheneinheit 50 reduziert werden. Bei diesem Verfahren werden die Verdrahtungen, die verbunden sind, um die jeweiligen Signale F1 bis F4 und G1 bis G4 auszugeben, ein Teil der Recheneinheit 50.
• Daher sind beispielsweise F1 und G1 die folgenden Rechenergebnisse gemäß der obigen Regel und der gleichen Ausgangsamplitude. $$\text{F}1\approx \text{A}1\times \text{sin}\mathrm{\theta }+\text{A}5\times \text{sin}5\mathrm{\theta +}\text{A}9\times \text{sin}9\mathrm{\theta }$$

  

  $$\text{G}1\approx \text{A}1\times \text{cos}\mathrm{\theta }+\text{A}5\times \text{cos}5\mathrm{\theta +}\text{A}9\times \text{cos}9\mathrm{\theta }$$

  
• Die jeweiligen Komponenten wie A2 bis A4 (zweite bis vierte Ordnung) und A6 bis A8 (sechste bis achte Ordnung) von F1 und G1 werden aufgehoben.
• Anschließend führt die Recheneinheit 50 die Berechnung gemäß der oben beschriebenen Rechengleichung nicht nur für F1 und G1, sondern ebenso für F2 bis F4 und G2 bis G4 aus. Dann erhält die Recheneinheit 50 die Signale von sinθ) und cosθ, indem sie die folgende Berechnung mit F1 bis F4 und G1 bis G4 ausführt. $$\text{sin}\mathrm{\theta }\approx \text{F}1+\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/}4\right)\times \left(\text{F}2-\text{G}2\right)+\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/}8\right)\times \left(\text{F}4-\text{G}3\right)+\text{cos}\left(\mathrm{\pi }\text{/}8\right)\times \left(\text{F}3-\text{G}4\right)$$

  

  $$\text{cos}\mathrm{\theta }\approx \text{G}1+\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/}4\right)\times \left(\text{F}2+\text{G}2\right)+\text{sin}\left(\mathrm{\pi }\text{/}8\right)\times \left(\text{F}3+\text{G}4\right)+\text{cos}\left(\mathrm{\pi }\text{/}8\right)\times \left(\text{F}4+\text{G}3\right)$$

  
• Die Komponenten hoher Ordnung bis 4θ werden durch F1 und G1, die die ersten Terme von sinθ) und cosθ sind, aufgehoben. Weiterhin werden die Komponenten hoher Ordnung bis 8Θ durch sin(π/4) × (F2 - G2) und sin(π/4) × (F2 + G2), die die zweiten Terme von sinθ) und cosθ sind, aufgehoben.
• Darüber hinaus werden die Komponenten hoher Ordnung bis 16θ durch sin(π/8) x (F4 - G3) + cos(π/8) x (F3 - G4) und sin(π/8) × (F3 + G4) + cos(π/8) × (F4 + G3), die die dritten Terme und vierten Terme von sinθ) und cosθ sind, aufgehoben.
• Im obigen Beispiel kann die Recheneinheit 50, obgleich die Komponenten hoher Ordnung bis 16θ aufgehoben werden, das Aufheben bzw. Löschen bis zu den Komponenten hoher Ordnung ausführen, wie jeweils anwendbar. Wenn die Komponenten hoher Ordnung bis 4θ aufgehoben werden, wird die Berechnung bis zu dem zweiten Term ausgeführt. Demgegenüber kann, wenn es erwünscht ist, Komponenten hoher Ordnung über 16θ aufzuheben, die Anzahl von Magnetsensoren 40 erhöht werden und können die Komponenten hoher Ordnung über 17θ unter Verwendung des fünften Terms und der nachfolgenden aufgehoben werden.
• Basierend auf der obigen Berechnung wird, wie in 3 gezeigt, jedes Signal von sinθ) und cosθ zu einer idealen Sinuswellenform und Cosinuswellenform im Bereich eines elektrischen Winkels von 0° bis 360°. Das heißt, jedes Signal von sinθ) und cosθ, die eine extrem geringe Wellenformverzerrung aufweisen, kann erhalten werden.
• Als ein Vergleichsbeispiel werden, wie in 4 gezeigt, jedes Signal von sinθ) und cosθ von nur dem ersten Magnetsensor 40 der Komponente hoher Ordnung überlagert, so dass die Verzerrung der Signalwellenform groß wird. Somit weist jedes Signal von sinθ) und cosθ von einem Magnetsensor 40 keine ideale Sinuswellenform und Cosinuswellenform auf, und die Wellenform ist verzerrt. Jedoch können Komponenten hoher Ordnung, die in den Signalen sinθ) und cosθ von einem Magnetsensor 40 enthalten sind, aufgehoben werden, indem die Signale der 16 (sechzehn) Magnetsensoren 40 gemäß der vorbestimmten Regel berechnet werden.
• Die Recheneinheit 50 berechnet arctanθ aus jedem Signal von sinθ) und cosθ, das durch die oben beschriebene Berechnung erhalten wird. Da die 1/4-Rotation der Welle 100 einem elektrischen Winkel von 0° bis 360° entspricht, erfasst die Recheneinheit 50 eine Signalkomponente entsprechend der 1/4-Rotation der Welle 100. Die Signalkomponente ist eine Komponente, die mit einer konstanten Rate von 0 ansteigt, und ist eine Spannungskomponente oder eine Stromkomponente.
• Darüber hinaus gibt die Recheneinheit 50 ein Signal, das den erfassten elektrischen Winkel zeigt, an eine externe Vorrichtung aus. Das den elektrischen Winkel anzeigende Signal kann ein analoges Signal oder ein A/D-gewandeltes digitales Signal sein. Die externe Vorrichtung führt einen Vektorsteuerungsantrieb des Motors basierend auf dem vom Rotationssensor 1 erfassten Signal aus.
• Wie vorstehend beschrieben, werden in der vorliegenden Ausführungsform die im Sinussignal und im Cosinussignal enthaltenen Komponenten hoher Ordnung durch Addieren/Subtrahieren des Signals jedes Magnetsensors 40 gemäß einem vorbestimmten Rechenausdruck aufgehoben, so dass die in den jeweiligen Signalen enthaltenen Fehlerkomponenten entfernt werden. Dadurch ist es möglich, ein Signal elektrischen Winkels mit geringer Verzerrung, d.h. einem hochgenauen elektrischen Winkel, zu erhalten und den elektrischen Winkel der Rotationsposition der Welle 100 genau zu bestimmen. Dadurch kann der elektrische Winkel der Welle 100 mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
• Die Recheneinheit 50 führt die gesamte Rechenverarbeitung als analoge Verarbeitung aus. Daher ist es unnötig, jedes Signal jedes Magnetsensors 40 in ein digitales Signal zu wandeln. Folglich kann die Recheneinheit 50 das den elektrischen Winkel anzeigende Signal mit hoher Geschwindigkeit berechnen. Dadurch tritt, auch bei hoher Drehzahl der Welle 100, die Differenz zwischen Drehzahl und elektrischem Winkel nicht auf, so dass die Genauigkeit des elektrischen Winkels gewährleistet werden kann.
• Ferner ist jeder Magnetsensor 40 nicht auf der Endflächenseite der Welle 100, sondern auf der Außenumfangsseite angeordnet. Daher muss der Rotationssensor 1 keinen Raum in axialer Richtung der Welle 100 gewährleisten und kann eine Konfiguration bereitstellen, die auch dann installiert werden kann, wenn es schwierig ist, einen Raum auf der Endflächenseite der Welle 100 zu gewährleisten.
• Die Welle 100 entspricht dem rotierenden Körper, und das Scheibenelement 10 entspricht dem Befestigungsabschnitt.
• (Zweite Ausführungsform)
• In der vorliegenden Ausführungsform sind Konfigurationen verschieden von denjenigen der ersten Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zehnte Magnetsensor 40, wie in 5 gezeigt, im Rotationsbereich der diagonalen Phase 3 angeordnet. In 5 ist die Recheneinheit 50 ausgelassen.
• Wie vorstehend beschrieben, wird in jedem der Magnetsensoren 40 der Anordnungswinkel in einem Rotationsbereich im Voraus bestimmt. Da jeder der Magnetsensoren 40 ein Sinussignal und ein Cosinussignal der Phase entsprechend dem Anordnungswinkel im Rotationsbereich ausgibt, kann er, solange der Anordnungswinkel im Rotationsbereich gleich ist, in jeder Phase angeordnet sein. So können beispielsweise, auch wenn nicht alle der Magnetsensoren 40 im Rotationsbereich von Phase 1 montiert werden können, alle der Magnetsensoren 40 am Außenumfang der Welle 100 angeordnet werden.
• Als eine Modifikation können der fünfte bis achte Magnetsensor 40 im Rotationsbereich von Phase 2 und der neunte bis zwölfte Magnetsensor 40 im Rotationsbereich von Phase 3 und der dreizehnte bis sechzehnte Magnetsensor 40 im Rotationsbereich von Phase 4 angeordnet werden. Auf diese Weise können die Magnetsensoren 40 in allen Rotationsbereichen angeordnet werden.
• (Dritte Ausführungsform)
• In der vorliegenden Ausführungsform sind Konfigurationen verschieden von denjenigen der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben. Wie in 6 gezeigt, ist ein Paar von Magnetsensoren 40 im Rotationsbereich von Phase 1 angeordnet und ist ein Paar von Magnetsensoren 40 im Rotationsbereich von Phase 3 angeordnet. Somit können zwei Sätze jedes Magnetsensors 40 in Bezug auf die Welle 100 vorgesehen werden. In diesem Fall erfasst die Recheneinheit 50 Signale elektrischen Winkels der beiden Sätze von Magnetsensoren 40. Dadurch kann die Redundanz des Rotationssensors 1 verbessert werden.
• Als eine Modifikation kann jeder der Magnetsensoren 40 mit drei oder mehr Sätzen am Außenumfang der Welle 100 vorgesehen sein. Außerdem können, ähnlich der zweiten Ausführungsform, verschiedene Sätze von Magnetsensoren 40 in einem Rotationsbereich angeordnet sein.
• (Vierte Ausführungsform)
• In der vorliegenden Ausführungsform sind Konfigurationen verschieden von denjenigen der ersten bis dritten Ausführungsform beschrieben. Wie in 7 gezeigt, ist der Magnetmusterabschnitt 20 auf der Endfläche 13 des Scheibenelements 10 parallel zur radialen Richtung der Welle 100 vorgesehen. Jeder Magnetsensor 40 ist dem Magnetmusterabschnitt 20 über einen vorbestimmten Spalt gegenüberliegend angeordnet. Auf diese Weise können der Magnetmusterabschnitt 20 und jeder der Magnetsensoren 40 in axialer Richtung der Welle 100 angeordnet werden.
• (Fünfte Ausführungsform)
• In der vorliegenden Ausführungsform sind Konfigurationen verschieden von denjenigen der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Magnetsensor 40 aus einem magnetoresistiven Element aufgebaut. In diesem Fall ist, da die Erfassungsempfindlichkeit des Magnetsensors 40 in Richtung der x-y-Ebene liegt, der Magnetsensor 40, wie in 8 gezeigt, senkrecht zu und gegenüber dem Magnetmusterabschnitt 20 angeordnet.
• (Weitere Ausführungsformen)
• Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen des Rotationssensors 1 dienen als Beispiel für die vorliegende Offenbarung und beschränken sich nicht auf die oben beschriebenen Konfigurationen und können eine andere Konfiguration verwenden, die die vorliegende Offenbarung verkörpert. So ist beispielsweise der Motor nicht auf einen im Fahrzeug montierten Motor beschränkt. Darüber hinaus ist die Konfiguration zur Befestigung jedes Magnetsensors 40 nicht auf die in jeder der obigen Ausführungsformen gezeigte Konfiguration beschränkt.
• Ferner ist die Anzahl von Polen des Magnetmusterabschnitts 20 ein Beispiel, und es kann eine andere Anzahl von Polen angewandt werden. Ebenso ist der eine Rotationsbereich nicht auf die 1/4 Rotation der Welle 100 beschränkt. Der Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Magnetmusterabschnitts 20 ist nicht auf das Scheibenelement 10 beschränkt und kann andere Formen aufweisen. Die Form des Scheibenelements 10 kann je nach Typ des Magnetsensors 40 in geeigneter Weise geändert werden.
• Darüber hinaus ist der rotierende Körper nicht auf die zylindrische Welle 100 beschränkt. So kann der Rotor beispielsweise ein Rotor eines Drehmelders sein. Der Rotor kann eine Außenumfangsform aufweisen, die nicht kreisförmig, sondern gewellt ist. Der Magnetsensor 40 ist am Außenumfang des Rotors angeordnet. Folglich ändert sich, wenn sich der Rotor dreht, der Spalt zwischen jedem Magnetsensor 40 und der Außenumfangsoberfläche des Rotors, so dass jeder Magnetsensor 40 eine Änderung des Magnetfeldes entsprechend dem Spalt erfasst.
• Obgleich die vorliegende Offenbarung vorstehend anhand der Beispiele erfolgt ist, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf diese Beispiele oder Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Modifikationen und Änderungen im Rahmen von Äquivalenten. Darüber hinaus sollen die verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, die bevorzugt werden, aber auch andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich mehr, weniger oder nur eines einzigen Elements, als im Sinne und Umfang der vorliegenden Offenbarung beinhaltet verstanden werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2016004039 A [0004]

Claims (6)

1. Rotationssensor, aufweisend: - mehrere Magnetsensoren (40), die in gleichen Abständen in einer Umfangsrichtung eines rotierenden Körpers weg vom Außenumfang des rotierenden Körpers (100) angeordnet, in Position fest und konfiguriert sind, um ein sinusförmiges Signal und ein cosinusförmiges Signal entsprechend einem elektrischen Rotationswinkel des rotierenden Körpers durch Erfassen einer Änderung des Magnetfelds infolge der Änderung in der Rotationsposition des rotierenden Körpers aufgrund der Rotation des rotierenden Körpers auszugeben; und - eine Recheneinheit (50), die die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale von den mehreren Magnetsensoren empfängt und die sinusförmigen Signale und cosinusförmigen Signale gemäß einer vorbestimmten Regel addiert und subtrahiert, um die in den sinusförmigen Signalen und cosinusförmigen Signalen enthaltenen Komponenten hoher Ordnung aufzuheben.
2. Rotationssensor nach Anspruch 1, wobei - der elektrische Winkel ein Winkel entsprechend einem Rotationsbereich des Rotationsbereichs ist, in dem eine Rotation des rotierenden Körpers gleichmäßig in mehrere Teile unterteilt ist; und - ein Anordnungswinkel der mehreren Magnetsensoren in dem einen Rotationsbereich im Voraus bestimmt wird, und die mehreren Magnetsensoren in dem Anordnungswinkel in einem der mehreren Rotationsbereiche angeordnet sind.
3. Rotationssensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: - einen Magnetmusterabschnitt (20), der eine Außenumfangsoberfläche (110) des rotierenden Körpers ringförmig umgibt und in dem ein erster Magnetpol (21) zum Erzeugen einer Magnetkraft des N-Pols und ein zweiter Magnetpol (22) zum Erzeugen einer Magnetkraft des S-Pols abwechselnd angeordnet sind; und - einen Befestigungsabschnitt (10), an dem der Magnetmusterabschnitt befestigt ist, und der an der Außenumfangsoberfläche des rotierenden Körpers befestigt ist und sich zusammen mit dem rotierenden Körper um eine Mittelachse des rotierenden Körpers dreht, wobei - der rotierende Körper eine Welle (100) ist, die einen Motor bildet, und - die mehreren Magnetsensoren angeordnet sind, um dem Magnetmusterabschnitt zugewandt zu sein, und ein Signal elektrischen Winkels ausgeben, das einen elektrischen Winkel der Welle anzeigt, indem sie eine Änderung in einem Magnetfeld erfassen, das von dem mit der Welle rotierenden Magnetmusterabschnitt empfangen wird.
4. Rotationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei - mehrere Sätze der mehreren Magnetsensoren für den rotierenden Körper vorgesehen sind; und - die Recheneinheit das Signal elektrischen Winkels von jedem der mehreren Sätze der mehreren Magnetsensoren erfasst.
5. Rotationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei - der rotierende Körper eine Welle (100) ist, die einen Motor bildet; - die mehreren Magnetsensoren an dem eine gewölbte Form aufweisenden Halteelement (30) befestigt sind; und - das Halteelement in Bezug auf die Welle durch Bewegen einer konkaven Seite des Halteelements entlang einer radialen Richtung der Welle in Position fixiert wird.
6. Rotationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: - ein Halteelement (30) mit einer gewölbten Form, dessen Position in Bezug auf den rotierenden Körper fest ist, wobei - der rotierende Körper eine Welle (100) ist, die einen Motor bildet, - die mehreren Magnetsensoren an dem Halteelement befestigt sind, und - das Halteelement in Bezug auf die Welle durch Bewegen einer konkaven Seite des Halteelements entlang einer radialen Richtung der Welle in Position fixiert wird.

Images