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Dokumentenidentifikation DE602004001914T2 01.03.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001477773
Titel Magnetischer Drehwinkelsensor
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Shimomura, c/o Nippon Soken, Osamu, Nishio-City Aichi-pref., 445-012, JP;
Nakamura, c/o Nippon Soken, Tsutomu, Nishio-City Aichi-pref., 445-012, JP;
Takeda, c/o Nippon Soken, Kenji, Nishio-City Aichi-pref., 445-012, JP;
Hamaoka, Takashi, Kariya-city Aichi-pref., 448-8661, JP;
Kono, Yoshiyuki, Kariya-city Aichi-pref., 448-8661, JP;
Kawashima, Takashi, Kariya-city Aichi-pref., 448-8661, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 602004001914
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.05.2004
EP-Aktenzeichen 040114456
EP-Offenlegungsdatum 17.11.2004
EP date of grant 16.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung zur Erfassung von relativen Drehwinkeln zwischen zwei Elementen, die ein Rotor und ein Stator sein können.

Verschiedene Drehwinkelerfassungsvorrichtungen sind vorgeschlagen worden. Einige der Erfassungsvorrichtungen sind in den 14 und 15 gezeigt.

In 14 ist schematisch eine der Drehwinkelerfassungsvorrichtungen bei einem Drehwinkel von 0 Grad gezeigt. Diese Drehwinkelerfassungsvorrichtung umfasst einen Rotor J3 und einen Stator J6. Der Rotor J3 umfasst zwei im Allgemeinen halbzylindrische Joche J1 und zwei Magneten J2. Die Rotorjoche J1 sind aus einem magnetischen Material hergestellt. Jedes Ende jedes Rotorjochs J1 ist mit einem Magnetanordnungsabstand bzw. einer Magnetanordnungslücke zu einem Ende des anderen Jochs J1 beabstandet. Jeder Rotormagnet J2 ist in einem der Magnetanordnungsabstände zwischen den Rotorjochen J1 positioniert. Die Pole der zwei Rotormagneten J2 sind in die gleiche Richtung ausgerichtet.

Der Stator J6 ist durch den Rotor J1 umgeben und umfasst zwei Kerne J4 und zwei Hall-IC J5. Die Statorkerne J4 sind im Allgemeinen halbsäulenförmig und aus einem magnetischen Material hergestellt. Die flachen Oberflächen der Statorkerne J4 definieren eine Magnetismuserfassungslücke bzw. einen Magnetismuserfassungsabstand zwischen sich. Die Hall-IC J5 sind in dem Magnetismuserfassungsabstand positioniert. Jede Hall-IC J5 ist eine IC, die eine Hall-Vorrichtung in sich beinhaltet, die ein Magnetismuserfassungselement ist.

In 15 ist schematisch eine andere Drehwinkelerfassungsvorrichtung bei einem Drehwinkel von 90 Grad gezeigt. Diese Drehwinkelerfassungsvorrichtung umfasst einen Rotor J3 und einen Stator J6. Der Rotor J3 umfasst zwei halbzylindrische Magnete J2, so dass ein magnetischer Fluss von einem der Rotormagnete J2 zu dem anderen hindurchgeht. Der Stator J6 ist durch den Rotor J3 umgeben und umfasst zwei Kerne J4 und zwei Hall-IC J5. Die Statorkerne J4 sind im Allgemeinen halbsäulenförmig und aus einem magnetischen Material hergestellt. Die axialen flachen Oberflächen der Statorkerne J4 definieren einen Magnetismuserfassungsabstand zwischen sich. Die Hall-IC J5 sind in dem Magnetismuserfassungsabstand positioniert.

In 16A ist die Beziehung von typischen Drehwinkeln zu der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC J5 (nachstehend als magnetische Flussdichte bezeichnet) in jeder Drehwinkelerfassungsvorrichtung gezeigt.

Wenn sich die magnetische Flussdichte in einer Sinus-Kurve in Bezug auf die Drehwinkel ändert, weist die Dichteänderung eine Abweichungskennlinie, die durch die gestrichelte Linie A in 16B angegeben ist, in Bezug auf die ideale Linie (ideale magnetische Flussdichte) auf, die die linearisierte Dichteänderung ist. Wie es durch die gestrichelte Linie A angegeben ist, fällt die magnetische Flussdichte in großem Umfang bei Drehwinkeln von 60 und mehr Grad ab, so dass der erfassbare Winkelbereich schmal ist.

Folglich werden die Außenform der Statorkerne J4 und/oder die Innenform der Rotorjoche J1 variiert, um die magnetische Flussdichte in der Umgebung des Drehwinkels von 90 Grad zu vergrößern, wodurch der erfassbare Winkelbereich ausgeweitet wird.

In 14 sind die Rotorjoche J1 im Allgemeinen elliptisch, um die magnetische Flussdichte in der Umgebung des Drehwinkels von 90 Grad zu vergrößern, wodurch der erfassbare Winkelbereich ausgeweitet wird (siehe bspw. US-Patent 6,476,600 (JP-A-2001-317909)).

In 15 sind die halbzylindrischen Rotormagnete J6 radial magnetisiert, um die magnetische Flussdichte in der Umgebung des Drehwinkels von 90 Grad zu vergrößern, wodurch der erfassbare Winkelbereich ausgeweitet wird (siehe bspw. Patentdruckschrift JP-A-2001-208510 und US-Patent 6,356,073 (JP-A-2001-188003)).

Um Drehwinkel des Rotors J3 aus der magnetischen Flussdichte genau zu erfassen, ist es erforderlich, die Änderungskennlinie der magnetischen Flussdichte in dem erfassbaren Winkelbereich zu linearisieren.

Wie es vorstehend angegeben ist, ist jede der Drehwinkelerfassungsvorrichtungen so aufgebaut, dass die magnetische Flussdichte in der Umgebung des Drehwinkels von 90 Grad für einen breiten Bereich von erfassbaren Winkeln hoch ist. Wie es durch die durchgezogene Linie B in 16B angegeben ist, weist die Änderungskennlinie der magnetischen Flussdichte in der entworfenen Erfassungsvorrichtung eine Abweichung auf, die in Bezug auf die ideale Linie variiert und um einen Drehwinkel von 70 Grad herum deutlich zunimmt. Dementsprechend ist es unmöglich, die Änderungskennlinie in einem breiten Bereich zu linearisieren.

Folglich kann die Außenform der Statorkerne J4 und/oder die Innenform der Rotorjoche J1 so variiert werden, dass die Abweichung linearisiert wird, wenn der Rotor J3 zwischen zugehörigen Drehwinkeln von etwa 70 und 80 Grad positioniert ist. In diesem Fall fällt, wie es in 16C gezeigt ist, die Kennlinie (die abschließende Linie) bei Drehwinkeln von 80 und mehr Grad scharf ab, so dass der erfassbare Winkelbereich schmal ist.

In der Druckschrift EP-A-1 211 476 ist ein kontaktfreier Positionssensor offenbart, der eine Vorrichtung umfasst, die einen ersten Stator mit zwei einem Magneten gegenüberliegenden Seiten, einen zweiten Stator mit einer einem Magneten gegenüberliegenden Seite entlang einer Ortslinie, die die zwei einem Magneten gegenüberliegenden Seiten des ersten Stators verbindet, und zwei Magnete umfasst, die nebeneinander entlang der Richtung der Ortslinie angeordnet sind, um sich frei entlang der Ortslinie, die den drei einem Magneten gegenüberliegenden Seiten gegenüberliegt, zu bewegen. Als Ergebnis ist ein Positionssensor des kontaktfreien Typs bereitgestellt, bei dem eine Grundkonfiguration als ein Sensor gemeinsam ist, so dass in dem Fall einer Anwendung bei einem Drehsensor ein beliebiger Verwendungswinkel eingestellt werden kann, und in dem Fall einer Anwendung bei einem linearen Sensor ein Magnet dick ausgestaltet werden kann, ohne eine Ableitung bzw. einen Verlust eines magnetischen Flusses zu vergrößern.

In der Druckschrift US-B1-6 356 073 ist ein Winkelpositionserfassungsgerät offenbart, das ausgelegt ist, einen magnetischen Fluss in einem Erfassungsabschnitt zu konzentrieren, der einen Statorkern mit einem Erfassungsabschnitt, der bei einer Mitte einer Lücke angeordnet ist, die den Statorkern in einer diametrischen Richtung durchdringt, und eine Hall-IC umfasst, die in dem Erfassungsabschnitt angeordnet ist. Große Lückenabschnitte, die jeweils einen Abstand aufweisen, der breiter ist als eine Entfernung des Erfassungsabschnitts, sind bei beiden Seiten des Erfassungsabschnitts ausgebildet. Folglich wird ein magnetischer Fluss, der durch den Statorkern hindurchgeht, in dem Erfassungsabschnitt konzentriert, wobei die magnetische Flussdichte, die durch die Hall-IC hindurchgeht, vergrößert wird. Als Ergebnis wird ein Ausgangssignal der Hall-IC vergrößert. Der große Lückenabschnitt ist mit einer schmaleren Entfernung bei einer Außenseite des Statorkerns ausgebildet, wobei die Entfernung größer ist als ein Luftspalt zwischen dem Dauermagneten und dem Statorkern.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine niedrige magnetische Flussdichte in einem vorbestimmten Bereich von Drehwinkeln durch eine Magnetflussverringerungseinrichtung aufrecht zu erhalten.

Diese Aufgabe wird durch eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Die Erfindung kann angewendet werden, um die Linearität einer magnetischen Flussdichte in Bezug auf Drehwinkel in einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die einen breiten Bereich von Winkeln erfassen kann, zu erhöhen.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung ein externes magnetisches Element, durch das ein Teil des magnetischen Flusses, der durch einen Magneten erzeugt wird, in einem vorbestimmten Bereich von Drehwinkeln hindurchgeht, so dass eine große Abweichung in diesem Bereich unterdrückt werden kann.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung einen magnetischen Kurzschluss auf, der zwischen Kernen bereitgestellt ist und benachbart zu einer Magnetkrafterzeugungsvorrichtung ist. Ein großer magnetischer Fluss geht durch den magnetischen Kurzschluss in dem vorbestimmten Bereich von Drehwinkeln hindurch, so dass eine große Abweichung in diesem Bereich unterdrückt werden kann.

Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser ersichtlich. Es zeigen:

1 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (erstes Ausführungsbeispiel),

2A und 2B eine Endansicht der Drehwinkelerfassungsvorrichtung und ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer magnetischen Flussdichte und Drehwinkeln zeigt (erstes Ausführungsbeispiel),

3A bis 3C eine axiale Schnittdarstellung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (zweites Ausführungsbeispiel) und Querschnittsdarstellungen, die entlang von Linien IIIA-IIIA bzw. IIIB-IIIB entnommen sind,

4 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (drittes Ausführungsbeispiel),

5 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (viertes Ausführungsbeispiel),

6 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (fünftes Ausführungsbeispiel),

7 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (sechstes Ausführungsbeispiel),

8 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (siebtes Ausführungsbeispiel),

9 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (achtes Ausführungsbeispiel),

10 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (neuntes Ausführungsbeispiel),

11 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (zehntes Ausführungsbeispiel),

12 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (elftes Ausführungsbeispiel),

13 eine Endansicht einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung (zwölftes Ausführungsbeispiel),

14 eine Endansicht einer herkömmlichen Drehwinkelerfassungsvorrichtung,

15 eine Endansicht einer anderen herkömmlichen Drehwinkelerfassungsvorrichtung, und

16A bis 16C Diagramme, die die Beziehung zwischen einer magnetischen Flussdichte und Drehwinkeln der herkömmlichen Drehwinkelerfassungsvorrichtungen zeigen.

Die vorliegende Erfindung ist nachstehend ausführlicher unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele, die in der beigefügten Zeichnung gezeigt sind, beschrieben.

[Erstes Ausführungsbeispiel]

Zuerst ist unter Bezugnahme auf 1 ist eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung bei einem Drehwinkel von 0 Grad gezeigt. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die die Öffnung eines Drosselventils erfassen kann, umfasst einen im Allgemeinen rohrförmigen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Rotor 1 ist bei der Welle des Drosselventils befestigt, um sich mit ihr um den Stator 2 herum zu drehen.

Der Rotor 1 umgibt koaxial den Stator 2 und ist von ihm in der radialen Richtung beabstandet. Der Rotor 1 umfasst zwei im Allgemeinen halbzylindrische Joche 3 und zwei Dauermagnete 5 und arbeitet, um eine magnetische Kraft zu erzeugen. Die Rotorjoche 3 sind aus Eisen oder einem anderen magnetischen Material hergestellt. Jedes Umfangsende jedes Rotorjochs 3 ist mit einer Magnetanordnungslücke bzw. einem Magnetanordnungsabstand 4 zu einem Umfangsende des anderen Jochs beabstandet. Jeder Rotormagnet 5 ist in einem der Magnetanordnungsabstände 4 zwischen den Rotorjochen 3 positioniert. Die Pole der zwei Rotormagneten 5 sind in der gleichen Richtung ausgerichtet. Eines der Rotorjoche 3 weist einen Nordpol auf und das andere Joch weist einen Südpol auf.

Der Stator 2 umfasst zwei Kerne 6 und zwei Hall-IC 7. Die Statorkerne 6 sind koaxial durch den Rotor 1 umgeben. Die Hall-IC 7 erfassen die Dichte der magnetischen Flüsse durch die Statorkerne 6.

Die Statorkerne 6 sind im Allgemeinen halbsäulenförmig oder mehreckig und aus Eisen oder einem anderen magnetischen Material hergestellt. Die flachen Oberflächen der Statorkerne 6, die einander gegenüberliegen, definieren eine Magnetismuserfassungslücke bzw. einen Magnetismuserfassungsabstand 8 zwischen sich. Die Hall-IC 7 sind in dem Magnetismuserfassungsabstand 8 fest positioniert.

Jede Hall-IC 7 ist eine IC, die eine Hall-Vorrichtung, die ein Magnetismuserfassungselement ist, und eine Signalverstärkungsschaltung umfasst. Die Hall-IC 7 geben Spannungssignale entsprechend der magnetischen Flussdichte, die durch sie hindurchgeht, aus.

Der Grundbetrieb der Drehwinkelerfassungsvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist (ohne angebrachte externe magnetische Elemente 11, die nachstehend beschrieben werden), wird unter der Annahme beschrieben, dass der Rotor 1 als bei einem Drehwinkel von 0 Grad positioniert definiert wird, wenn die Magnetanordnungsabstände 4 senkrecht zu dem Magnetismuserfassungsabstand 8 ausgerichtet sind, wie es in 1 gezeigt ist.

Wenn der Rotor 1 sich gegen den Uhrzeigersinn (in die Plus-Richtung) von einem zugehörigen Drehwinkel von 0 Grad zu einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad gedreht hat, sind die Magnetanordnungsabstände 4 nach dem Magnetismuserfassungsabstand 8 ausgerichtet. Wenn der Rotor 1 bei diesem Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist, sind magnetische Kreise gebildet, in denen Magnetflüsse von den Nordpolen der Rotormagnete 5 durch ein Rotorjoch 3, einen Statorkern 6, den Abstand 8, den anderen Statorkern 6 und das andere Joch 3 in dieser Reihenfolge zu den Südpolen der Magnete 5 hindurchgehen.

Wenn sich der Rotor 1 weiter mit dem Drosselventil von der vorstehend genannten Position (90 Grad) dreht, vergrößern sich die magnetischen Flüsse, die durch lediglich einen der Statorkerne hindurchgehen. Als Ergebnis nehmen die Flüsse, die durch den Magnetismuserfassungsabstand 8 hindurchgehen, ab.

Wenn der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist, ist die Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 bei einem zugehörigen Maximum, wie es in 16A gezeigt ist. Wenn der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel positioniert ist, der größer oder kleiner als 90 Grad ist, ist die magnetische Flussgröße durch den Magnetismuserfassungsabstand 8 entsprechend dem Drehwinkel kleiner, so dass die Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 kleiner ist.

Wenn der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 0 Grad positioniert ist, wie es in 1 gezeigt ist, geht der gesamte magnetische Fluss durch lediglich einen Statorkern 6 hindurch und geht nicht von einem Statorkern 6 zu dem anderen hindurch. Somit geht kein magnetischer Fluss durch den Magnetismuserfassungsabstand 8 hindurch, so dass die Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 Null ist.

Wenn sich der Rotor 1 im Uhrzeigersinn (in der Minus-Richtung) von einem zugehörigen Drehwinkel von 0 Grad dreht, nehmen die magnetischen Flüsse in der entgegengesetzten Richtung durch den Magnetismuserfassungsabstand 8 in der Größe entsprechend dem Drehwinkel zu. Wenn der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von –90 Grad positioniert ist, sind die magnetischen Flüsse in der entgegengesetzten Richtung durch die Hall-IC 7 in der Dichte am höchsten.

Wenn sich der Rotor 1 weiter von einem zugehörigen Drehwinkel von –90 Grad im Uhrzeigersinn dreht, nehmen die magnetischen Flüsse in der entgegengesetzten Richtung durch den Magnetismuserfassungsabstand 8 in der Größe entsprechend dem Drehwinkel ab, so dass die magnetischen Flüsse in der entgegengesetzten Richtung durch die Hall-IC 7 in der Dichte abnehmen.

Wenn sich die Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 in einer Sinus-Kurve in Bezug auf die Drehwinkel ändert, wie es in der Beschreibung gemäß dem Stand der Technik beschrieben ist, weist die Dichteänderung eine Abweichungskennlinie, die durch die gestrichelte Linie A in 16B angezeigt ist, in Bezug auf die ideale Linie, die die linearisierte Dichteänderung ist, auf. Wie es durch die Linie A angegeben ist, fällt die magnetische Flussdichte in großem Umfang bei Drehwinkeln von 60 oder mehr Grad ab, so dass der erfassbare Winkelbereich schmal ist.

Folglich ist in dem Stand der Technik vorgeschlagen, die Außenform der Statorkerne 6 und/oder die Innenform der Rotorjoche 3 zu variieren, um die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad zu vergrößern, wodurch der erfassbare Winkelbereich ausgeweitet wird.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Form der Rotorjoche 3 so geformt, dass die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad vergrößert wird, wodurch der erfassbare Winkelbereich des Rotors 1 ausgeweitet wird. Genauer gesagt sind, wie es in 1 gezeigt ist, die Rotorjoche 3 im Allgemeinen elliptisch, so dass die zugehörige Mitte am Nächsten zu den Statorkernen 6 ist. Dies vergrößert die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad, so dass der erfassbare Winkelbereich breiter sein kann.

Um Drehwinkel des Rotors 1 aus der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 genau zu erfassen, ist es erforderlich, die Änderungskennlinie der magnetischen Flussdichte in dem erfassbaren Winkelbereich zu linearisieren.

Wie es vorstehend beschrieben ist, vergrößert die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 der Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die für einen breiteren Bereich von erfassbaren Winkeln ausgelegt ist, die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad. Dementsprechend weist, wie es durch die durchgezogene Linie B in 16B angegeben ist, die Änderungskennlinie eine Abweichung auf, die in Bezug auf die ideale Linie variiert und um einen Drehwinkel von 70 Grad herum plötzlich zunimmt. Dementsprechend ist es nicht möglich, die Änderungskennlinie in einem breiten Bereich zu linearisieren.

Die Außenform der Statorkerne 6 und/oder die Innenform der Rotorjoche 3 kann ebenso variiert werden, um die Abweichung zwischen Drehwinkeln von etwa 70 und etwa 80 Grad zu linearisieren. In diesem Fall fällt, wie es in 16C gezeigt ist, die (abschließende) Kennlinie plötzlich bei Drehwinkeln von 80 und mehr Grad ab, so dass der erfassbare Winkelbereich schmal ist.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird folglich die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 linearisiert, wobei der Drehwinkelbereich breit gehalten wird, indem die magnetischen Flüsse &agr; in einem Winkelbereich, bei dem die Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind, verringert werden.

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung umfasst folglich ferner externe magnetische Elemente 11, die rechteckige Festkörper aus Eisen sein können, wie es in 1 gezeigt ist. Wenn der Rotor 1 bei einem zugehörigen vorbestimmten Drehwinkel positioniert ist, geht ein Teil der Flüsse, die durch die Rotormagnete 5 erzeugt werden, durch die externen magnetischen Elemente 11 hindurch, wie es in 2A gezeigt ist, anstatt durch die Statorkerne 6 hindurchzugehen. Die externen magnetischen Elemente 11 sind außerhalb und zu dem Rotor 1 beabstandet positioniert. Die externen magnetischen Elemente 11 sind bei festen Elementen befestigt, die bei dem Drosselventilgehäuse befestigt sein können.

Der vorbestimmte Drehwinkel ist der Drehwinkel des Rotors 1, bei dem die magnetischen Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind. Der vorbestimmte Drehwinkel ist etwa 70 Grad.

Da die Anzahl der Hall-IC 7 zwei ist, ist die Anzahl der externen magnetischen Elemente 11 zwei, wobei jedes einem der zwei Rotormagnete 5 zugewiesen ist. Alternativ hierzu kann die Drehwinkelerfassungsvorrichtung eine einzelne Hall-IC 7, die bei einer zugehörigen Achse positioniert ist, und ein einzelnes externes magnetisches Element 11 umfassen, das die magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 bei dem vorbestimmten Drehwinkel (bspw. etwa 70 Grad) verringern kann.

Die externen magnetischen Elemente 11 verringern die magnetischen Flüsse in dem Winkelbereich, bei dem die Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind. Dies ermöglicht es, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 zu linearisieren, wobei der Drehwinkelbereich breit gehalten wird.

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung arbeitet im Einzelnen, wie es nachstehend beschrieben ist.

Wenn der Rotor 1 zwischen zugehörigen Drehwinkeln von etwa 0 und etwa 40 Grad positioniert ist, erzeugen die Rotormagnete 5 lediglich primäre magnetische (Haupt)Flüsse &agr;, wie es in 1 gezeigt ist. Diese magnetischen Flüsse &agr; gehen zuerst durch ein Rotorjoch 3, dann jeweils durch einen Statorkern 6 und abschließend durch das andere Joch 3 hindurch und kehren zu den Rotormagneten 5 zurück.

Wenn der Rotor 1 zwischen zugehörigen Drehwinkeln von etwa 40 und etwa 80 Grad positioniert ist, insbesondere bei etwa 70 Grad, wie es in 2A gezeigt ist, sind die Rotormagnete 5 nahe bei den externen magnetischen Elementen 11 und erzeugen primäre magnetische Flüsse &agr; und sekundäre magnetische Flüsse &bgr;. Die primären magnetischen Flüsse &agr; gehen durch ein Rotorjoch 3, einen Statorkern 6, den anderen Kern 6 und das andere Joch 3 in dieser Reihenfolge hindurch und kehren zu den Rotormagneten 5 zurück. Die sekundären magnetischen Flüsse &bgr; gehen durch die externen magnetischen Elemente 11 hindurch. Die Erzeugung der sekundären magnetischen Flüsse &bgr; verringert die primären magnetischen Flüsse &agr;, die in Bezug auf die ideale Linie einen Überschuss umfassen. Dementsprechend nähern sich die Änderungen in den primären magnetischen Flüssen &agr; der idealen Linie an, wie es in 2B gezeigt ist.

Wenn der Rotor 1 bei zugehörigen Drehwinkeln von etwa 80 und mehr Grad positioniert ist, sind die Rotormagnete 5 wieder weg von den externen magnetischen Elementen 11, so dass die Magnete 5 lediglich primäre magnetische Flüsse &agr; erzeugen. Diese magnetischen Flüsse &agr; gehen zuerst durch ein Rotorjoch 3, dann jeweils durch einen Statorkern 6 und abschließend durch das andere Joch 2 hindurch und kehren zu den Rotormagneten 5 zurück. Somit erzeugen, wenn der Rotor 1 bei zugehörigen Drehwinkeln von etwa 80 Grad und mehr positioniert ist, die Rotormagnete 5 keine sekundären magnetischen Flüsse &bgr;, was die primären magnetischen Flüsse &agr; verringern würde. Dies verhindert, dass der erfassbare Winkelbereich schmal wird, im Gegensatz zu dem Stand der Technik (16B).

Somit wird die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad vergrößert, so dass der erfassbare Winkelbereich des Rotors 1 breit gemacht werden kann. Daneben sind die externen magnetischen Elemente 11 so bei den festen Elementen befestigt, dass die magnetischen Flüsse in dem Winkelbereich, bei dem die Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind, durch die magnetischen Materialien 11 hindurchgehen können. Dies ermöglicht es, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 allgemein zu linearisieren, wobei der erfassbare Winkelbereich zwischen 0 und 90 Grad breit gehalten wird.

Dies ermöglicht es, einen breiten Bereich von Drehwinkeln des Drosselventils genau zu erfassen.

[Zweites Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in den 3A bis 3C mit einem zugehörigen Rotor 1 gezeigt, der bei zugehörigen Drehwinkeln von 90 Grad positioniert ist, wie es aus 3B ersichtlich ist. Die externen magnetischen Elemente 11 sind innerhalb des Rotors 1, aber axial entfernt von ihm positioniert.

Die externen magnetischen Elemente 11 sind eine Platte aus Eisen oder einem anderen magnetischen Material, die geformt ist, wie es in 3C gezeigt ist, und die koaxial zu den Statorkernen 6 positioniert ist. Dieses Ausführungsbeispiel kann ähnliche Wirkungen wie diejenigen erreichen, die durch das erste Ausführungsbeispiel erreicht werden.

Unter Bezugnahme auf 3A umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung nicht-magnetische Materialien 12a, 12b und 12c, die aus einem Harz bestehen können. Das nicht-magnetische Material 12b ist zwischen die Statorkerne 6 und das externe magnetische Element 11 zwischengebracht. Alternativ hierzu können die externen magnetischen Elemente 11 bei Endflächen der Statorkerne 6 positioniert werden.

[Drittes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 4 gezeigt, wobei der zugehörige Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die externen magnetischen Elemente 11 gebogen. Dieses Ausführungsbeispiel kann ähnliche Wirkungen wie diejenigen, die durch das erste Ausführungsbeispiel erreicht werden, erreichen.

[Viertes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 5 als bei einem zugehörigen Drehwinkel von 0 Grad positioniert gezeigt.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, wenn der Rotor 1 nahe bei einem zugehörigen Drehwinkel von 70 Grad positioniert ist, die Rotormagnete 5 am Nächsten zu den externen magnetischen Elementen 11. Der Winkelbereich, bei dem die magnetischen Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß werden, kann jedoch bspw. in der Nähe von 30 Grad sein. In diesem Fall sind die externen magnetischen Elemente 11 bei dem Drehwinkel von 30 Grad positioniert, wie es in 5 gezeigt ist. Als Ergebnis sind, wenn der Rotor 1 nahe bei einem zugehörigen Drehwinkel von 30 Grad positioniert ist, die Rotormagnete 5 am Nächsten zu den externen magnetischen Elementen 11.

[Fünftes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 6 gezeigt, wobei ein zugehöriger Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem fünften Ausführungsbeispiel umfasst der Stator 2 drei Kerne 6, die drei Magnetismuserfassungsabstände bzw. Magnetismuserfassungslücken 8 definieren, wobei jeder zwischen zwei von ihnen liegt.

Eine Hall-IC 7 ist in einem Magnetismuserfassungsabstand 8 positioniert. Eine andere Hall-IC 7 ist in einem anderen Magnetismuserfassungsabstand 8 positioniert. Auch bei der so aufgebauten Erfassungsvorrichtung sind wie in dem Fall gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wenn der Rotor 1 in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich, bspw. etwa 70 Grad, positioniert ist, die magnetischen Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß. Dementsprechend sind die externen magnetischen Elemente 11 so positioniert, dass sie am Nächsten zu den Rotormagneten 5 sind, wenn der Rotor 1 bei dem vorbestimmten Drehwinkel positioniert ist, der etwa 70 Grad sein kann.

Die externen magnetischen Elemente 11 ermöglichen auch der Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die drei Statorkerne 6 umfasst, Wirkungen zu erreichen, die ähnlich zu denjenigen sind, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

[Sechstes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 7 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 0 Grad positioniert ist. Gemäß diesem sechsten Ausführungsbeispiel umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung keinen Statorkern 6. Die externen magnetischen Elemente 11 ermöglichen auch der Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die keinen Statorkern 6 umfasst, Wirkungen zu erreichen, die ähnlich zu denjenigen sind, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

[Siebtes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 8 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. In jedem der ersten bis sechsten Ausführungsbeispiele sind die Rotorjoche 3 im Allgemeinen elliptisch, um die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad zu vergrößern, wodurch der erfassbare Winkelbereich des Rotors 1 ausgeweitet wird. Gemäß diesem siebten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 1 im Allgemeinen zylindrisch und umfasst kein Joch 3, aber er umfasst zwei halbzylindrische Magnete 5.

Diese Rotormagnete 5 sind so magnetisiert, dass magnetische Flüsse von einem hiervon durch den Stator 2 zu dem anderen hindurchgehen. Die Rotormagnete 5 sind radial magnetisiert, so dass die magnetische Flussdichte in der Nähe des Drehwinkels von 90 Grad für einen breiteren Bereich von erfassbaren Winkeln des Rotors 1 höher sein kann.

Die externen magnetischen Elemente 11 ermöglichen auch der Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die radial magnetisierte Rotormagnete 5 umfasst, Wirkungen zu erreichen, die ähnlich zu denjenigen sind, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

[Achtes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 9 gezeigt, wobei der Rotor bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem achten Ausführungsbeispiel weisen die Statorkerne 6 magnetische Kurzschlüsse 13 auf, die radial außerhalb der Hall-IC 7 und benachbart zu dem Rotor 1 ausgebildet sind. Die magnetischen Kurzschlüsse 13 werden durch Vorsprünge 6a gebildet, die sich von einer jeweiligen flachen Oberfläche des Statorkerns 6 erstrecken, um sich einander bei den Umfangsenden der Statorkerne 6 gegenüber zu liegen. Jeder Vorsprung 6a ist im Querschnitt im Allgemeinen rechteckig geformt. Die Kurzschlüsse 13 sind somit schmaler als die radiale Dicke der Hall-IC 7 und verursachen, dass sekundäre magnetische Flüsse &bgr; gebildet werden, die die IC 7 umgehen. Wie es in 9 gezeigt ist, werden primäre magnetische Flüsse &agr; und sekundäre magnetische Flüsse &agr; gebildet, die durch die Hall-IC 7 bzw. die magnetischen Kurzschlüsse 13 hindurchgehen.

Die Bereitstellung der magnetischen Kurzschlüsse 13 bewirkt, dass ein großer Teil der magnetischen Flüsse durch sie bei dem Winkelbereich hindurchgehen, bei dem die Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind. Genauer gesagt nehmen bei dem vorbestimmten Drehwinkel, der etwa 70 Grad sein kann, die primären magnetischen Flüsse &agr; ab und große sekundäre magnetische Flüsse &bgr; gehen hindurch. Somit arbeiten die magnetischen Kurzschlüsse 13, um die magnetischen Flüsse, die durch die Hall-IC 7 bei dem vorbestimmten Drehwinkel hindurchgehen, zu verringern. Dies ermöglicht es, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 zu linearisieren, wobei der Drehwinkelbereich breit gehalten wird.

[Neuntes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 10 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem neunten Ausführungsbeispiel weisen die magnetischen Kurzschlüsse 13 scharfe gebogene Enden auf, wobei die Vorsprünge 6a im Querschnitt in einer scharfen, spitz zulaufenden Form geformt sind. Diese Drehwinkelerfassungsvorrichtung kann Wirkungen erreichen, die ähnlich zu denjenigen sind, die gemäß dem achten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

[Zehntes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 11 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem zehnten Ausführungsbeispiel sind die Innenseiten der magnetischen Kurzschlüsse 13 flach, wobei die Vorsprünge 6a im Querschnitt in einer dreieckigen Form geformt sind. Diese Drehwinkelerfassungsvorrichtung kann Wirkungen erreichen, die ähnlich zu denjenigen sind, die gemäß dem achten Ausführungsbeispiel erreicht werden.

[Elftes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 12 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem elften Ausführungsbeispiel umfasst, wie es der Fall bei dem fünften Ausführungsbeispiel ist, der Stator 2 drei Kerne 3, die drei Magnetismuserfassungsabstände 8 definieren, wobei ein jeweiliger zwischen zwei von Ihnen liegt. Eine Hall-IC 7 ist in einem Abstand 8 für eine Magnetismuserfassung positioniert. Eine andere Hall-IC 7 ist in einem anderen Abstand 8 für eine Magnetismuserfassung positioniert.

Wie es der Fall bei dem achten Ausführungsbeispiel ist, weisen die Statorkerne 6 magnetische Kurzschlüsse 13 auf, die durch die Vorsprünge 6a radial außerhalb der Hall-IC 7 und benachbart zu dem Rotor 1 ausgebildet werden. Dies bewirkt, dass große sekundäre magnetische Flüsse &bgr; in dem Winkelbereich, bei dem die magnetischen Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind, hindurchgehen. Dementsprechend ist es möglich, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 zu linearisieren, wobei der Drehwinkelbereich breit gehalten wird.

[Zwölftes Ausführungsbeispiel]

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist in 13 gezeigt, wobei der Rotor 1 bei einem zugehörigen Drehwinkel von 90 Grad positioniert ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, wie es der Fall in dem siebten Ausführungsbeispiel ist, der Rotor 1 im Allgemeinen zylindrisch und umfasst kein Joch 3, aber er umfasst zwei halbzylindrische Magnete 5, die radial magnetisiert sind.

Wie es der Fall in dem achten Ausführungsbeispiel ist, weisen die Statorkerne 6 magnetische Kurzschlüsse 13 auf, die durch die Vorsprünge 6a radial außerhalb der Hall-IC 7 und benachbart zu dem Rotor 1 gebildet werden. Die magnetischen Kurzschlüsse 13 bewirken, dass große sekundäre magnetische Flüsse &bgr; in dem Winkelbereich, bei dem die magnetischen Flüsse in Bezug auf die ideale Linie groß sind, hindurchgehen. Dies ermöglicht es, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 zu linearisieren, wobei der Drehwinkelbereich breit gehalten wird, auch wenn der Rotor 1 zwei radial magnetisierte Magnete 5 umfasst.

[Modifikationen]

In jedem der Ausführungsbeispiele ist der Stator 2 befestigt und der Rotor 1 ist drehbar. Alternativ hierzu kann die Drehwinkelerfassungsvorrichtung ein befestigtes zylindrisches Element an Stelle des Rotors 1 und ein drehbares säulenförmiges Element an Stelle des Stators 2 umfassen. Das heißt, ein Magnetismuserfassungselement, das den Hall-IC 7 entspricht, kann drehbar sein, und eine Magnetkrafterzeugungseinrichtung, die den Rotormagneten 5 entspricht, kann befestigt sein. Auch in diesem Fall können die Drehwinkel des säulenförmigen Elements aus dem Ausgangssignal von dem Magnetismuserfassungselement erfasst werden.

In jedem der Ausführungsbeispiele beträgt die Anzahl der Hall-IC 7 als die Magnetismuserfassungselemente zwei, wobei sie aber eins oder mehr als zwei betragen kann. Lediglich ein Magnetismuserfassungselement (bspw. Hall-IC 7) kann in dem Magnetismuserfassungsabstand 8 positioniert sein, wobei eine Signalverstärkungsschaltung außerhalb des Stators 2 positioniert sein kann. Bspw. kann die Verstärkungsschaltung in einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt sein.

Gemäß den Ausführungsbeispielen sind die Rotormagnete 5 Dauermagnete, wobei sie alternativ hierzu Elektromagnete sein können.

Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß jedem der Ausführungsbeispiele ist durch eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der Öffnung eines Drosselventils veranschaulicht, wobei sie alternativ hierzu Drehwinkel eines beliebigen anderen Drehkörpers erfassen kann, wie bspw. eines industriellen Robotorarms.

Externe magnetische Elemente (11) sind außerhalb des Außenumfangs eines Rotors (1) bereitgestellt. Wenn der Rotor (1) etwa bei einem zugehörigen Drehwinkel von 70 Grad herum positioniert ist, geht ein Teil der magnetischen Flüsse, die durch Magnete (5) erzeugt werden, durch die externen magnetischen Elemente (11) hindurch. Dies ermöglicht es, die magnetischen Flüsse, die durch Hall-IC 7 um den Drehwinkel von 70 Grad herum hindurchgehen, zu verringern, wodurch die Änderungskennlinie der magnetischen Flussdichte linearisiert wird. Somit ist es möglich, die Änderungskennlinie der Dichte der magnetischen Flüsse durch die Hall-IC 7 allgemein zu linearisieren, wobei der erfassbare Winkelbereich breitgehalten wird.


Anspruch[de]
Drehwinkelerfassungsvorrichtung mit:

einer Magnetflusserzeugungseinrichtung (1), die einen Magneten (5) zur Erzeugung von magnetischen Flüssen umfasst, und

einem Magnetismuserfassungselement (7), das auf die magnetischen Flüsse reagiert, die durch es hindurchgehen, um einen relativen Drehwinkel zwischen der Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) und dem Magnetismuserfassungselement (7) von den hindurchgehenden magnetischen Flüssen zu erfassen, gekennzeichnet durch

eine Magnetflussverringerungseinrichtung (11, 13), die ein magnetisches Element (11) umfasst, das zu der Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) versetzt ist und aus einem magnetischen Material hergestellt ist, um einen Teil der magnetischen Flüsse, die durch den Magneten (5) erzeugt werden, dort hindurch zu führen, wodurch die magnetischen Flüsse, die durch das Magnetismuserfassungselement (7) hindurchgehen, nur verringert werden, wenn der relative Drehwinkel zwischen der Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) und dem Magnetismuserfassungselement (7) in einem vorbestimmten Bereich von Drehwinkeln liegt.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

die Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) zwei im Allgemeinen halbzylindrische Joche (3) umfasst, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind und den Magneten (5) zwischen jeweiligen Umfangsenden einlegen, und

die Joche (3) eine Innenform einer Ellipse aufweisen.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

der Magnet (5) in zwei im Allgemeinen halbzylindrische Magnetteile aufgeteilt ist und in einer radialen Richtung magnetisiert ist und

das Magnetismuserfassungselement (7) zwischen den Magnetteilen derart angeordnet ist, dass die magnetischen Flüsse von einem der Magnetteile zu dem anderen der Magnetteile durch das Magnetismuserfassungselement (7) hindurchgehen.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das magnetische Element (11) radial außerhalb der Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) bereitgestellt ist. Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das magnetische Element (11) radial innerhalb der Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) und axial versetzt zu dem Magnetismuserfassungselement (7) bereitgestellt ist. Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

das Magnetismuserfassungselement (7) zwischen zwei im Allgemeinen halbsäulenförmigen Kernen (6) positioniert ist, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, und wobei

die Magnetflussverringerungseinrichtung (11, 13) ferner einen magnetischen Kurzschluss (13) umfasst, der zwischen den Kernen (6) und näher bei der Magnetkrafterzeugungseinrichtung (1) als bei dem Magnetismuserfassungselement (7) bereitgestellt ist, wobei der magnetische Kurzschluss (13) schmaler als eine radiale Dicke des Erfassungselementes (7) ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei

die Magnetflusserzeugungseinrichtung (1) zwei im Allgemeinen halbzylindrische Joche (3) umfasst, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind und den Magneten (5) zwischen jeweilige Umfangsenden einlegen, und

die Joche (3) eine Innenform einer Ellipse aufweisen.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei

der Magnet (5) in zwei im Allgemeinen halbzylindrische Magnetteile aufgeteilt ist und in einer radialen Richtung magnetisiert ist und

das Magnetismuserfassungselement (7) zwischen den Magnetteilen derart angeordnet ist, dass die magnetischen Flüsse von einem der Magnetteile zu dem anderen der Magnetteile durch das Magnetismuserfassungselement (7) hindurchgehen.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei

die Kerne (6) jeweilige Vorsprünge (6a) aufweisen, die sich von flachen Oberflächen erstrecken, um den Kurzschluss (13) bereitzustellen, wobei sich die flachen Flächen der Kerne (6) einander gegenüberliegen, und

die Vorsprünge (6a) bei Umfangsenden der Kerne (6) bereitgestellt sind, um dadurch eine Lücke zwischen den Kernen (6) bei den Umfangsenden zu verengen.






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