DE102006000037A1

DE102006000037A1 - Drehwinkelerfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006000037A1
Application number: DE200610000037
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Kariya Kitanaka; Takashi Kariya Kawashima; Hideya Kariya Inagaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2006-08-31
Also published as: JP2006226816A

Abstract

Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10) zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Objekts umfasst Permanent-Magnetteile zum Erzeugen eines Magnetfelds, Hallelemente (30 bis 35), die in dem Magnetfeld angeordnet sind, eine analoge Drehwinkelsignalformungsschaltung (60) und eine Pulssignalformungsschaltung (62) zur Formung, aus den analogen Sensorsignalen der Hallelemente, eines Ausgangs-Pulssignals, dessen Pegel sich ändert, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts einem von voreingestellten Kandidatenwinkeln entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung, die mit Magnetsensoren ausgestattet ist.
Drehwinkelerfassungseinrichtungen vom sogenannten Magnetaufnahmetyp (magnetic pickup, MPU) sind bekannt. Eine derartige MPU-Drehwinkelerfassungseinrichtung umfasst einen magnetischen Aufnahmesensor und einen Rotor, der mit dem sich drehenden Objekt rotiert, zur Erfassung eines Drehwinkels des rotierenden Objekts entsprechend eines Ausgangssignals der Aufnahmesensoren, die mit der Rotation des Rotors ebenfalls rotieren. Der Rotor ist ein Zahnradtyprotor mit in gleichförmigen Intervallen am äußeren Umfang desselben angeordneten Zähnen, mit der Ausnahme eines vorbestimmten zahnlosen Bereichs. Die MPU-Drehwinkelerfassungseinrichtung erfasst einen Bezugsdrehwinkel mittels einer speziellen Wellenform bzw. Signalform des Ausgangssignals des Aufnahmesensors, das dem voreingestellten glatten Teil des Zahnradtyprotors entspricht. Sodann wird ein Drehwinkel des sich drehenden Objekts relativ zu dem Bezugsdrehwinkel durch Vergleichen des Pegels des Ausgangssignals mit dem Pegel der spezifischen Wellenform ermittelt, um schließlich den Drehwinkel (Rotationswinkel) des sich drehenden Objekts zu ermitteln.

Andererseits ist eine Drehwinkelerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines sich drehenden bzw. rotierenden Objekts innerhalb eines Bereichs von 0° und 360° bekannt und in der Offenlegungsschrift JP-A-62-95402 offenbart. Diese Drehwinkelerfassungseinrichtung umfasst ein Paar Hallelemente und Permanentmagnete. In dieser Einrichtung sind die Hallelemente in der Weise vorgesehen, dass sie relativ zu den Permanentmagneten rotieren, wenn das rotierende (sich drehende zu erfassende) Objekt rotiert. Der Drehwinkel des rotierenden Objekts wird aus den analogen Ausgangssignalen der Hallelemente mittels der Berechnung trigonometrischer Funktionen erhalten.

In der vorherigen MPU-Drehwinkelerfassungseinrichtung muss der Rotor in entsprechender Weise hergestellt werden, dass er eine geeignete Lücke zwischen dem Rotor und dem Aufnahmesensor zur Erfassung des Bezugswinkels und des relativen Drehwinkels desselben aufweist. D.h. die Größe (Abmessung) des Rotors variiert, und es können die Ausgangssignale des Aufnahmesensors ebenfalls variieren.

Bei der letzteren Drehwinkelerfassungseinrichtung kann das Ausgangssignal durch Störungen bzw. Rauschen von außerhalb gestört werden, so dass ein Erfassungsfehler verursacht werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Drehwinkelerfassungsvorrichtung bereitzustellen, die den Drehwinkel eines sich drehenden (rotierenden) Objekts mit wesentlich geringeren Erfassungsfehlern erfasst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Patentanspruch 1 umfasst eine Drehwinkelerfassungsschaltung eine Feldformungseinrichtung zum Formen bzw. Erzeugen eines Magnetfelds, eine in dem Magnetfeld angeordnete Magneterfassungseinrichtung, die Magnetsensorelemente aufweist zur Erzeugung analoger Sensorsignale, eine Drehwinkelsignalformungseinrichtung und eine Pulssignalformungseinrichtung zum Formen bzw. Erzeugen eines Ausgangspulssignals, dessen Pegel sich ändert, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts einem von vorbestimmten Kandidatenwinkeln entspricht, aus den analogen Sensorsignalen der Magneterfassungseinrichtung.

Da die Pulssignalformungseinrichtung ein Pulssignal ausbildet zur Angabe des Drehwinkels eines rotierenden Objekts, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts einem von voreingestellten Kandidatenwinkeln entspricht, kann der Drehwinkel ohne Störung durch ein Rauschen von außen erfasst werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Patentanspruch 2 können die Magnetsensorelemente zumindest ein Paar von Grundsensorelementen aufweisen und können derart angeordnet sein, dass die Phase des analogen Sensorsignals jedes der Magnetsensorelemente unterschiedlich wird zu der umgekehrten Phase der analogen Sensorsignale der anderen Magnetsensorelemente. Auf diese Weise wird das Drehwinkelsignal aus den analogen Sensorsignalen der Grundmagnetsensorelemente mittels der Berechnung trigonometrischer Funktionen geformt, und es werden die voreingestellten Kandidatenwinkel durch Vergleichen der analogen Sensorsignale der Magnetsensorelemente mit einem Schwellenwertpegel geformt. Daher können die Kandidatenwinkelpulssignale aus den Ausgangssignalen der Hallelemente ohne eine A/D-Wandlung geformt bzw. gebildet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Patentanspruch 3 ist eine Offsetanpassungsschaltung vorgesehen, so dass die Pulssignalformungseinrichtung das Ausgangspulssignal aus den analogen Sensorsignalen formen kann, deren Offsets durch die Offsetanpassungsschaltung beseitigt sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Patentanspruch 4 ist eine AC-Kopplungsschaltung vorgesehen zum Beseitigen von Offsets der analogen Sensorsignale der Magnetsensorelemente.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Patentanspruch 5 sind eine erste Offsetanpassungseinrichtung und eine zweite Offsetanpassungseinrichtung vorgesehen. Die erste Offsetanpassungseinrichtung beseitigt Offsets, die in den analogen Sensorsignalen der ausgewählten Gruppe der Magnetsensorelemente enthalten sind, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts ermittelt wird. Die zweite Offsetwinkelanpassungseinrichtung umfasst eine Kopplungsschaltung zum Beseitigen von in den analogen Sensorsignalen sämtlicher der Magnetsensorelemente enthaltenen Offsets, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts ermittelt wird. Die Pulssignalformungseinrichtung umfasst eine erste Pulssignalformungseinrichtung, eine zweite Pulssignalformungseinrichtung und eine Auswähleinrichtung. Die Drehwinkelsignalformungseinrichtung formt bzw. bildet ein Drehwinkelsignal mittels der Berechnung trigonometrischer Funktionen aus den analogen Sensorsignalen der Grundmagnetsensorelemente nach der Beseitigung der Offsets. Die erste Pulssignalformungseinrichtung formt ein erstes Kandidatenpulssignal durch Vergleichen des Drehwinkels mit einem der ersten voreingestellten Kandidatenwinkel, und die zweite Pulssignalformungseinrichtung formt ein zweites Kandidatenpulssignal durch Vergleichen des Drehwinkels mit einem voreingestell ten Bezugswert. Die Auswähleinrichtung wählt das erste Kandidatenpulssignal, falls die Drehzahl bzw. die Rotations- oder Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts kleiner als eine voreingestellte Geschwindigkeit ist, und das zweite Kandidatenpulssignal, falls die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts nicht kleiner als die voreingestellte Geschwindigkeit ist.

Gemäß der Drehwinkelerfassungsvorrichtung in Verbindung mit Patentanspruch 6 sind die Magneterfassungseinrichtung, die Drehwinkelsignalformungseinrichtung und die Pulssignalformungseinrichtung in einem gemeinsamen Chip angeordnet.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionen der entsprechenden Teile der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den zugehörigen Patentansprüchen und den Figuren deutlich. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, das die Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst,
3A eine schematische Darstellung eines Hauptteils der Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und 3B eine seitliche Schnittansicht des in 3A entsprechend der Linie 3B-3B geschnittenen Teils,
4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung von Ausgangssignalen eines Hallelementpaars bezüglich der Drehwinkel eines Rotors,
5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Kennlinie von Betriebswinkeln bezüglich der Drehwinkel des Rotors,
6 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Kennlinie von Ausgangsdrehwinkeln bezüglich der Drehwinkel des Rotors,
7 eine Tabelle zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem positiven oder negativen Vorzeichen der Ausgangssignale der Hallelemente und der Drehwinkel,
8 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Rotors und der Pulssignale,
9A eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und 9B eine seitliche Schnittansicht der in 9A gezeigten Vorrichtung entsprechend einem Schnitt entlang der Linie IXB-IXB,
10 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
11A eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung von Kennlinien der Ausgangssignale von sechs Hallelementen bezüglich der Drehwinkel, und 11B eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung von Ausgangspuls signalen einer Pulssignalerzeugungsschaltung zur Angabe der Kandidatenwinkel,
12 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
13 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
14 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Änderung der Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
15 eine schematische Darstellung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
16 eine schematische Darstellung einer Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1–8 beschrieben.
Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 wird üblicherweise als eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung (Kurbelwellenwinkelerfassungsvorrichtung) verwendet, die an einer Zündeinrichtung 12 für eine Brennkraftmaschine zusammen mit einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 40 angeordnet ist, wie es in 2 gezeigt ist. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 stellt sowohl analoge als auch Pulssignale bezüglich der Drehwinkel einer Kurbelwelle der Maschine (nachstehend als Kurbelwinkel bezeichnet) bereit. Die elektronische Steuerungseinheit (ECU) 40 bestimmt (bzw. unterscheidet) einen zu zündenden Zylinder auf der Basis der analogen Signale und der Pulssignale.
Gemäß der Darstellung in den 1, 3A und 3B umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 ein zylindrisches Joch 20, ein Paar bogenförmiger Permanentmagnete 22 und 24, ein Paar Hallelemente 30 und 31 und einen Halbleiterchip (nachstehend als Sensorchip bezeichnet) 70, in welchem eine Ansteuerungsschaltung 50, ein Verstärker 52, ein A/D-Wandler 54, eine Offsetanpassungsschaltung 56, eine Steuerungsschaltung 58, eine Drehwinkelsignalformungsschaltung (R.A.-Signalformungsschaltung) 60, eine Pulssignalformungsschaltung 62 und dergleichen zusammen mit den Hallelementen 30 und 31 ausgebildet sind.
Das Joch 20 und die Permanentmagnete 22 und 24 rotieren zusammen mit einem (nicht gezeigten) rotierenden bzw. sich drehenden Objekt und bilden eine Feldformungseinrichtung. Die Permanentmagnete 22 und 24 sind entsprechend eines 180°-Intervalls auf der Innenwand des zylindrischen Jochs 20 zum Bereitstellen eines parallelen und gleichförmigen Magnetfelds einander gegenüber angeordnet.
Der Sensorchip 70 ist an einer Trägereinrichtung befestigt, die sich nicht mit dem rotierenden Objekt dreht, so dass die Hallelemente 30 und 31 in einem zentralen Teil des Jochs 20 angeordnet sind.
Die Hallelemente 30 und 31 werden für einen Betrieb mittels der Ansteuerungsschaltung 50 mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung angesteuert. Die Hallelemente 30 und 31 sind jeweils in der Form angeordnet, dass sie einen Winkel von 90° zueinander in der Drehrichtung des rotierenden Objekts bilden.
Dreht sich das Joch 20 mit den Permanentmagneten 22 und 24 gemäß der Darstellung in 4, dann erzeugen die Hallelemente 30 und 31 jeweils sinusförmige Ausgangssignale 100 und 101, die zueinander eine Phasendifferenz von 90° aufweisen. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal 100 des Hallelements 30 und das Ausgangssignal 101 des Hallelements 31 zueinander eine Sinus-Cosinus-Relation aufweisen.
Somit können die nachfolgenden Ausdrücke gebildet werden, falls: der Drehwinkel des rotierenden Objekts θ ist, die Spannung des Ausgangssignals 100 des Hallelements 30 Va ist, die Spannung des Ausgangssignals 101 des Hallelements 30 Vb ist, ein Koeffizient, der sich auf die Verstärkung der Hallelemente 30 und 31 bezieht, k ist, die magnetische Flussdichte, die mittels der Permanentmagnete 22 und 24 gebildet wird, B ist, und der Betrag des konstanten und den Hallelementen zugeführten Stroms I ist. Va = kBI·sinθ (1) Vb = kBI·sin (θ + 90) = kBI·cosθ (2)
Der Verstärker 52 verstärkt die Ausgangssignale 100 und 101 der Hallelemente 30 und 31. Der A/D-Wandler 54 wandelt die analogen verstärkten Ausgangssignale in numerische digitale Daten durch Abtasten dieser Signale entsprechend eines vorbestimmten Zyklus um.
Sind Offsets oder Gleichspannungskomponenten in den Ausgangssignalen Va und Vb der Hallelemente 30 und 31 enthalten, dann beseitigt die Offsetanpassungsschaltung diese Offsets. Die Steuerungsschaltung 58 formt ein Drehwinkelsignal (R.A.-Signal) und ein Pulssignal in Zusammenarbeit mit der Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 und der Pulssignalformungsschaltung 62.
Die Steuerungsschaltung 58 liest die Ausgangssignale der Hallelemente 30 und 31, während diese keinem Magnetfeld unterworfen werden. Dann speichert die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 die Pegel der gelesenen Ausgangssignale als Offsetwerte. Im einzelnen umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 einen nicht-flüchtigen Speicher in der Offsetanpassungsschaltung 56, und die Steuerungsschaltung 58 speichert die Offsetwerte in dem nicht-flüchtigen Speicher. Die Steuerungsschaltung 58 subtrahiert die gespeicherten Offsetwerte von den Ausgangssignalen der Hallelemente 30 und 31, die gelesen wurden, während ein Drehwinkelsignal und ein Pulssignal geformt wurden. Somit beseitigen die Steuerungsschaltung 58 und die Offsetanpassungsschaltung 56 die Offsets bei den Hallelementen 30 und 31. Daher sind die Werte Va und Vb numerische digitale Werte, die mittels des A/D-Wandlers umgewandelt wurden, nachdem die Offsets und die Verstärkung derselben korrigiert worden sind.
Die Steuerungsschaltung 58 rechnet einen Wert tan θ aus den Werten Va/Vb und einen Betriebswinkel 110 mittels des Arcustangens desselben, woraus sich ergibt: Va/Vb = sin θ/cos θ = tan θ (3) θ = arctan (Va/Vb) (4)
Somit hat der Betriebswinkel einen Zyklus von 180°.
Die Steuerungsschaltung 58 bestimmt den Drehwinkel des rotierenden Objekts innerhalb eines Winkels von 360° durch Erkennen des positiven oder negativen Vorzeichens der Werte Va und Vb, wie es in 7 dargestellt ist. Danach formt die Steuerungsschaltung 58 einen Ausgangswinkel 120 durch Addieren eines entsprechenden Offsetwerts zu dem Betriebswinkel 110 auf der Basis des bestimmten Drehwinkels. Die Steuerungsschaltung 58 steuert die Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 zur Erzeugung eines analogen Drehwinkelsignals bezüglich des Ausgangswinkels 120. Die Steuerungsschaltung 58 sendet somit der Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 ein Digitalsignal des Ausgangswinkels 120. Die Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 wandelt mittels eines nicht gezeigten D/A-Wandlers das Digitalsignal in den Ausgangswinkel 120 in Form eines analogen Winkelsignals um, dessen Pegel proportional zu dem Ausgangswinkel ist.
Die Steuerungsschaltung 58 steuert die Pulssignalformungsschaltung 62 zur Erzeugung eines Pulssignals, dessen Signalpegel einer Änderung unterliegt, falls der Drehwinkel des rotierenden Objekts einer der Vielzahl der voreingestellten Kandidatenwinkel ist. Insbesondere umfassen die Kandidatenwinkel einen zu erfassenden Winkel mittels der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10. Wird die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 als eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine 12 verwendet, dann sind die Kandidatenwinkel die Kurbelwinkel (Kurbelwellenwinkel), die den Zündzeitpunkten (Zündzeitsteuerung) entsprechen. Im einzelnen vergleicht die Steuerungsschaltung 58 eine Vielzahl von Schwellenwerten, die jeweils den Kandidatenwinkeln entsprechen, mit einem analogen Wert des Ausgangswinkels 120, und ändert den Pegel des Ausgangspulssignals der Pulssignalformungsschaltung 62 von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel oder von einem niedrigen Pegel zu einem hohen Pegel, falls der Ausgangswinkel 120 gleich einem der Kandidatenwinkel ist.
Gemäß der Darstellung in 2 sind der Sensorchip 70 und die elektronische Steuerungseinheit ECU 40 mittels einer Winkelsignalübertragungsleitung 80 und einer Pulssignalübertragungsleitung 81 verbunden. Der A/D-Wandler 42 wandelt analoge Drehwinkelsignale in numerische Digitalsignale um.
Die Zentraleinheit CPU 44 umfasst einen Speicher ROM und einen Speicher RAM zum Speichern von Programmen zur Bestimmung des Drehwinkels (Rotationswinkels) des rotierenden Objekts aus den numerischen Digitaldaten und dem Pulssignal. Gemäß der Darstellung in 8 bestimmt die Zentraleinheit CPU 44 einen Bezugswinkel aus dem Ausgangswinkel 120. Ändert sich der Signalpegel des Pulssignals von einem zum anderen nach dem Bezugswinkel, dann wählt die Zentraleinheit CPU 44 einen Kandidatenwinkel aus der Vielzahl der Kandidatenwinkel aus. Unmittelbar nachdem die Zentraleinheit CPU 44 den Bezugswinkel zu 45° bestimmt hat, wählt die Zentraleinheit CPU 44 beispielsweise „60°" aus zwölf Kandidatenwinkeln aus, wenn das Pulssignal abfällt. Steigt das Pulssignal danach an, dann wählt die Zentraleinheit CPU 44 „90°" aus. Der ausgewählte Kandidatenwinkel ist der Drehwinkel des rotierenden Objekts, wenn sich der Signalpegel des Pulssignals ändert.
Dreht sich ferner das rotierende Objekt auf zwei Arten, dann kann die Drehrichtung mittels eines inkrementalen Drehkodierers bestimmt werden, mit welchem ein Paar von in der Phase zueinander unterschiedlichen Pulssignalen gebildet werden.
Da die Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel den Drehwinkel des rotierenden Objekts aus dem Pulssignal ermittelt, können Erfassungsfehler erheblich vermindert werden. Da sich ferner das Joch 20 und die Permanentmagnete 22 und 24 zusammen mit dem rotierenden Objekt relativ zu dem Sensorchip 70 zum Ändern der Richtung des mittels der Hallelemente 30 und 31 zu erfassenden Magnetfelds drehen, hat eine Variation der Position des Jochs 20 und der Permanentmagnete 24 keinen nachteiligen Einfluss auf die Richtungsänderung in dem Magnetfeld. Ferner kann der Erfassungsfehler minimiert werden, da die Hallelemente 30 und 31 mit einer hohen Genauigkeit auf dem Sensorchip 70 ausgebildet sind.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 210 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 beschrieben. Insbesondere bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel die gleichen oder im wesentlichen gleichen Teile oder Komponenten wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 210 umfasst sechs Hallelemente 30 bis 35. Die Hallelemente 30–35 werden mittels der Ansteuerungsschaltung 50 jeweils mit einem konstanten Strom versorgt. Jedes der sechs Hallelemente 30 bis 35 ist an einer Position angeordnet, die bezüglich der Mitte 20a eines Kreises 90 nicht-symmetrisch zu einer Position ist, bei der ein anderes Hallelement angeordnet ist, wie es in 9 gezeigt ist. Mit anderen Worten, die Hallelemente sind in Umfangsrichtung an einer halben Seite des Kreises 90 und mit einer Erstreckung in radialen Richtungen angeordnet, so dass die Phase des Ausgangssignals jedes der Hallelemente 30 bis 35 unterschiedlich ist zu den umgekehrten Phasen der Ausgangssignale der anderen Hallelemente 30 bis 35. Im einzelnen sind die Hallelemente 30 bis 35 in Umfangsrichtung innerhalb einer Zone von 150° bei Intervallen von 30° angeordnet, um auf diese Weise Pulssignale mit zwölf Kandidatenwinkeln bereitzustellen, die zueinander jeweils um 30° versetzt sind und, gemäß der Darstellung in 11B, über einen Bereich von 0° bis 360° reichen.
Die Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 formt das Drehwinkelsignal der analogen Sensorsignale der Hallelemente 30 und 31 mittels der Berechnung trigonometrischer Funktionen in gleicher Weise, wie es vorstehend beschrieben ist. Zum Spezifizieren der Hallelemente 30 und 31 wird nachstehend auf diese als Grundhallelemente Bezug genommen.
Gemäß der Darstellung in 10 umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 210 die zweite Offsetanpassungsschaltung 256 in dem Sensorchip 70 zusätzlich zu der ersten Offsetanpassungsschaltung 56 in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Pulssignalformungsschaltung 62 des ersten Ausführungsbeispiels wird durch eine Pulssignalformungsschaltung 262 ersetzt.
Die zweite Offsetanpassungsschaltung 256 beseitigt die Offsets der Ausgangssignale der Hallelemente 30 bis 35. Die zweite Offsetanpassungsschaltung 256 umfasst variable Widerstände, die jeweils mit den Hallelementen 30 bis 35 verbunden sind, wobei deren Widerstandswert zum Beseitigen der Offsets verändert werden kann. Die Pulssignalformungsschal tung 262 formt bzw. erzeugt Pulssignale, deren Pegel in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis der Ausgangssignale der Hallelemente 30 bis 35 nach einer Offsetbeseitigung mit einem Schwellenwert veränderlich sind. Mit anderen Worten, die Pulssignalformungsschaltung 262 formt bzw. erzeugt die Kandidatenwinkelpulssignale aus den Ausgangssignalen der Hallelemente 30 bis 35 ohne eine A/D-Wandlung.
Die Pulssignalformungsschaltung 262 ändert den Pegel des Ausgangspulssignals, wenn sich das Vergleichsergebnis eines der Ausgangssignale 100–105 der Hallelemente 30 bis 35 mit einem Schwellenwert von dem positiven Vorzeichen (+) zu dem Minuszeichen (–) oder umgekehrt ändert. Mit anderen Worten, die Pulssignalformungsschaltung 262 stimmt einen Signalpegel des Ausgangspulssignals auf den hohen Pegel ein, wenn sich der Signalpegel des Ausgangssignals 104 von der positiven Seite zur negativen Seite gemäß der Darstellung in 11A bei einem Drehwinkel von 30° ändert. Die Pulssignalformungsschaltung 262 stellt ferner den Signalpegel des Ausgangssignals auf den niedrigen Pegel ein, wenn sich der Signalpegel des Ausgangssignals 105 von der positiven Seite zur negativen Seite gemäß der Darstellung in 11A bei dem Drehwinkel von 60° ändert. Die Pulsformungsschaltung 262 formt somit ein Pulssignal, das bei dem Drehwinkel von 30° ansteigt und bei dem Drehwinkel von 60° abfällt.
Die Pulssignalformungsschaltung 262 kann somit zwölf Pulssignale bilden, die den zwölf Kandidatenwinkeln entsprechen und innerhalb eines Bereichs von 360° zueinander um 30° unterschiedlich sind, wobei der Signalpegel der Ausgangssignale der Hallelemente 30 bis 35 mit dem Null-Schwellenwertpegel (0) verglichen wird. Somit können die Kandidatenwinkel in gewünschter Weise eingestellt werden, indem die Position jedes der zweiten Hallelemente sowie der Schwellenwert bestimmt wird.
In der Drehwinkelerfassungsvorrichtung 210 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung können somit Pulssignale aus den Ausgangssignalen der Hallelemente 30 bis 35 ohne A/D-Wandlung gebildet werden. Dieser Aufbau vermeidet Abtastfehler infolge der A/D-Wandlung.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 310 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 310 umfasst eine Offsetanpassungsschaltung 356, die die Offsetanpassungsschaltung 56 des ersten Ausführungsbeispiels ersetzt, eine AC-Kopplungsschaltung 357 und einen Satz eines Paars von ersten und zweiten Kandidatenpulssignalformungsschaltungen 362 und 363 sowie eine Auswählschaltung 364, die die Pulsformungsschaltung 62 des ersten Ausführungsbeispiels ersetzt. Die Offsetanpassungsschaltung 356, die AC-Kopplungsschaltung 357, die ersten und zweiten Kandidatenpulssignalformungsschaltungen 362 und 363 sowie die Auswählschaltung 364 sind zusammen in dem Sensorchip 70 angeordnet.
Die Offsetanpassungsschaltung 356 beseitigt den Offset der Grund-Hallelemente 30 und 31 auf der Basis des Offsetwerts derselben, wenn das Magnetfeld nicht um die Grund-Hallelemente 30 und 31 in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Somit kann die Offsetanpassungsschaltung 356 die Offsets der Grund-Hallelemente 30 und 31 ungeachtet der Frequenzen der Ausgangssignale 100 und 101 der Hallelemente 30 und 31 beseitigen.
Die erste Kandidatenpulssignalformungsschaltung 362 weist im wesentlichen denselben Aufbau wie die Pulssignalformungsschaltung 62 des ersten Ausführungsbeispiels auf. Die erste Kandidatenpulssignalformungsschaltung 362 bildet auf der Basis numerischer Daten, die mittels der Offsetanpassungsschaltung 356 korrigiert wurde, erste Kandidatensignale, die den Pulssignalen entsprechen, die mittels der Pulssignalformungsschaltung 62 gebildet wurden.
Die AC-Kopplungsschaltung 357 eliminiert die Offsets der Hallelemente. Die zweite Kandidatenpulssignalformungsschaltung 363 weist im wesentlichen denselben Aufbau wie die Pulssignalformungsschaltung 262 des zweiten Ausführungsbeispiels auf. Die zweite Kandidatenpulssignalformungsschaltung 363 formt bzw. erzeugt die zweiten Kandidatenpulssignale aus den Ausgangssignalen der Hallelemente 30 bis 35, deren Offsets mittels der AC-Kopplungsschaltung 357 korrigiert wurden, die dem durch die Pulssignalformungsschaltung 262 des zweiten Ausführungsbeispiels gebildeten Pulssignal entsprechen, wobei die AC-Kopplungsschaltung 357 eine Schaltung ist, die aus kleineren Kondensatoren als die Offsetanpassungsschaltung 256 besteht. Insbesondere kann die AC-Kopplungsschaltung 357 nicht die Offsets der Ausgangssignale beseitigen, falls die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts extrem klein ist. Daher wählt die Auswählschaltung 364 entweder das erste oder das zweite Kandidatenpulssignal gemäß der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts als ihr Ausgangssignal aus. Mit anderen Worten, die Ausgangsschaltung 364 wählt die ersten Kandidatenpulssignale aus, falls die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts niedriger als eine voreingestellte Geschwindigkeit ist, oder wählt andererseits die zweiten Kandidatenpulssignale aus. Auf diese Weise wird ein Erfassungsfehler infolge eines Abtastfehlers beseitigt.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 410 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschrieben.
Gemäß der Darstellung in den 13 und 14 umfasst die Drehwinkelerfassungsvorrichtung 410 achtzehn (18) Hallelemente 430 bis 447, die entsprechend eines Kreises angeordnet sind zur Bereitstellung von sechsunddreißig (36) Kandidatenwinkeln, deren Phasenwinkel jeweils 10° zueinander unterschiedlich ist. Die Hallelemente 439 bis 447 gemäß der Darstellung in 13 können an diagonal gegenüberliegenden Seiten des Kreises angeordnet werden, so dass jedes Hallelement an einer Position angeordnet ist, die bezüglich der Mitte des Kreises zu einer Position nicht symmetrisch ist, bei der ein anderes Hallelement angeordnet ist, wie es in 14 gezeigt ist, indem auf einfache Weise die Phase der Ausgangssignale derselben umgekehrt wird.
Da die in 13 gezeigte Anordnung weitere Abstände (beispielsweise 20°) zwischen den Hallelementen (mit Ausnahme des Abstands zwischen den Hallelementen 430 und 447) bereitstellt, ist es einfacher, Zuführungsleitungen zum Verbinden der Hallelemente zwischen den Hallelementen anzuordnen, als in der Anordnung gemäß der Darstellung in 14 mit dazwischen angeordneten Abständen von 10°. Mit anderen Worten, die Anordnung gemäß der Darstellung in 13 kann die Chipgröße des Sensorchips kleiner als in der Anordnung von 14 ermöglichen. In bevorzugter Weise sind die Hallelemente 430 und 443 als die Grund-Hallelemente vorgesehen, die den Grund-Hallelementen 30 und 31 der vorherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, da diese an Posi tionen mit einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 510 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
Achtzehn Hallelemente 430 bis 447 sind in zwei Gruppen aufgeteilt, die jeweils entsprechend zweier konzentrischer Kreise 90 und 91 angeordnet sind: die Hallelemente 430 bis 438 sind auf dem inneren Kreis 90 mit Intervallen von 20° angeordnet; und die Hallelemente 439 bis 447 sind auf dem Kreis 91 mit Intervallen von 20° angeordnet. Die Hallelemente 430 bis 438 sind bezüglich der Hallelemente 439 bis 447 um 10° in der Drehrichtung versetzt.
Diese Anordnung stellt jedenfalls weitere Abstände zwischen den Hallelementen bereit, so dass die Verbindungsleitungen zum Verbinden der Hallelemente auf einfache Weise zwischen den Hallelementen ausgebildet werden können, und wobei auf diese Weise ein kompakter Sensorchip bereitgestellt werden kann.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung 610 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf 16 beschrieben.
Achtzehn Hallelemente 430 bis 447 sind in zwei Gruppen aufgeteilt, die jeweils auf dem Kreis 90 in unterschiedlichen Schichten (Ebenen) des Sensorchips angeordnet sind.
Die Hallelemente 430 bis 438 sind auf einer Schicht mit Intervallen von 20° angeordnet, und die Hallelemente 439 bis 447 sind auf einer weiteren Schicht mit denselben Intervallen angeordnet. Die Hallelemente 430 bis 438 sind von den Hallelementen 439 bis 447 um 10° in der Drehrichtung versetzt. Diese Anordnung stellt ebenfalls weitere Abstände zwischen den Hallelementen bereit, so dass Verbindungsleitungen zum Verbinden der Hallelemente zwischen den Hallelementen auf einfachere Weise ausgebildet werden können, so dass ein kompakter Sensorchip bereitgestellt werden kann.
(Abwandlungen)
Die Drehwinkelerfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann auch die nachfolgenden Abwandlungen aufweisen:

(1) die vorstehend beschriebenen Hallelemente können durch Magnetwiderstandselemente ersetzt werden;
(2) die Grund-Hallelemente 30 und 31 des ersten oder dritten Ausführungsbeispiels können durch drei oder mehr Hallelemente ersetzt werden;
(3) die Hallelemente 30 bis 35 des zweiten oder dritten Ausführungsbeispiels oder die Hallelemente 430 bis 447 des vierten bis sechsten Ausführungsbeispiels können durch zwei oder mehr Hallelemente ersetzt werden;
(4) die Grund-Hallelemente 30 und 31, der Verstärker 52, der A/D-Wandler 54, die Offsetanpassungsschaltung 56, die Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 und die Pulssignalformungsschaltung 62 können in verschiedene Gruppen zur Anordnung mittels unterschiedlicher Chips aufgeteilt werden; und
(5) die Offsetanpassungsschaltung 256 kann durch eine AC-Kopplungsschaltung ersetzt werden.

In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen derselben offenbart. Es ist jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Abwandlungen und Änderungen der speziellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne von dem Bereich der Erfindung entsprechend den zugehörigen Patentansprüchen abzuweichen.
Somit umfasst eine Drehwinkelerfassungsschaltung 10, 210, 310, 410, 510 und 610 zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Objekts Permanentmagnetteile 20, 22 und 24 zum Erzeugen eines Magnetfelds, Hallelemente 30 bis 35 und 430 bis 447, die in dem Magnetfeld angeordnet sind, eine analoge Drehwinkelsignalformungsschaltung 60 und eine Pulssignalformungsschaltung 62, 262, 362 und 363, die aus den analogen Sensorsignalen der Hallelemente, ein Ausgangspulssignal formt bzw. erzeugt, dessen Pegel sich ändert, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts einem von voreingestellten Kandidatenwinkeln entspricht.

Claims

Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10, 210, 310, 410, 510, 610) zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Objekts, mit: einer Feldformungseinrichtung (20, 22, 24), die mit dem rotierenden Objekt zur Drehung verbunden ist, zum Erzeugen eines Magnetfelds, einer in dem durch die Feldformungseinrichtung (20, 22, 23) gebildeten Feld angeordneten Magneterfassungseinrichtung, wobei die Magneterfassungseinrichtung eine Vielzahl von Magnetsensorelementen (30 bis 35, 430 bis 447) aufweist zum Erzeugen analoger Sensorsignale mit unterschiedlicher Phase zueinander, wenn sich das rotierende Objekt dreht, einer Drehwinkelsignalformungseinrichtung (60) zum Erzeugen eines analogen Ausgangssignals entsprechend dem Drehwinkel des rotierenden Objekts aus den Analogsensorsignalen der Magneterfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Pulssignalformungseinrichtung (62, 262, 362, 363) zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus den analogen Sensorsignalen der Magneterfassungseinrichtungen, dessen Pegel sich ändert, wenn der Drehwinkel des rotierenden Objekts einem von voreingestellten Kandidatendrehwinkeln entspricht.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (210, 310, 410, 510, 610) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensorelemente (30 bis 35, 430 bis 447) zumindest ein Paar von Grundsensorelementen umfassen, die in der Weise angeordnet sind, dass die Phase des Analogsensorsignals jedes der Magnetsensorelemente (30 bis 35, 430 bis 447) unterschiedlich wird zu den umgekehrten Phasen der analogen Sensorsignale der anderen Magnetsensorelemente (30 bis 35, 430 bis 447), die Drehwinkelsignalformungseinrichtung (60) das Drehwinkelsignal aus den analogen Sensorsignalen der Grundmagnetsensorelemente (30, 31) durch die Berechnung trigonometrischer Funktionen erzeugt, und die voreingestellten Kandidatenwinkel durch Vergleichen der analogen Sensorsignale der Magnetsensorelemente (30 bis 35, 430 bis 447) mit einem Schwellenwertpegel gebildet werden.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10, 210, 310, 410, 510, 610) nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch eine Offsetanpassungsschaltung (56, 256), so dass die Pulssignalformungseinrichtung (62, 262, 362, 363) das Ausgangspulssignal aus den analogen Sensorsignalen bilden kann, deren Offsets durch die Offsetanpassungsschaltung beseitigt sind.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (310) nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch eine AC-Kopplungsschaltung (357) zum Beseitigen der Offsets der analogen Sensorsignale der Magnetsensorelemente (30–35).
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (310) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine erste Offsetanpassungseinrichtung (356) einschließlich eines Speichers zum Speichern von Daten von in den analogen Sensorsignalen enthaltenen Offsets einer ausgewählten Gruppe der Magnetsensorelemente (30, 31), wenn die Grundmagnetsensorelemente nicht dem Magnetfeld unterworfen sind, wobei die erste Offsetanpassungseinrichtung die in den analogen Sensorsignalen der ausgewählten Gruppe von Magnetsensorelementen enthaltenen Offsets bei der Erfassung des Drehwinkels des rotierenden Objekts beseitigt, eine zweite Offsetwinkelanpassungseinrichtung (357) einschließlich einer Kopplungsschaltung, wobei die zweite Offsetwinkelanpassungseinrichtung in den analogen Sensorsignalen sämtlicher der Magnetsensorelemente (30 bis 35) bei der Erfassung des Drehwinkels des rotierenden Objekts enthaltene Offsets beseitigt, wobei: die Pulssignalformungseinrichtung eine erste Pulssignalformungseinrichtung (362), eine zweite Pulssignalformungseinrichtung (363) und eine Auswähleinrichtung (364) umfasst, die Drehwinkelsignalformungseinrichtung (60) das Drehwinkelsignal durch Berechnung trigonometrischer Funktionen aus den analogen Sensorsignalen der Grundmagnetsensorelemente (30, 31) nach dem Beseitigen der Offsets erzeugt, die erste Pulssignalformungseinrichtung (362) ein erstes Kandidatenpulssignal durch Vergleichen des Drehwinkels mit einem der voreingestellten Kandidatenwinkel erzeugt, die zweite Pulsformungseinrichtung (363) ein zweites Kandidatenpulssignal durch Vergleichen des Drehwinkels mit einem voreingestellten Bezugswert erzeugt, und die Auswähleinrichtung (364) das erste Kandidatenpulssignal auswählt, falls die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts kleiner als eine voreingestellte Geschwindigkeit ist, und das zweite Kandidatenpulssignal auswählt, falls die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Objekts nicht kleiner als die voreingestellte Geschwindigkeit ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10, 210, 310, 410, 510, 610) nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneterfassungseinrichtung, die Drehwinkelsignalformungseinrichtung (60) und die Pulssignalformungseinrichtung (62, 262, 362, 363, 364) auf einem Chip angeordnet sind.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10, 210, 310, 410, 510, 610) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensorelemente (30 bis 35, 430 bis 447) Hallelemente sind.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallelemente auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, so dass jedes Hallelement an einer Position angeordnet ist, die bezüglich der Mitte des konzentrischen Kreises nicht symmetrisch zu einer Position ist, bei der ein anderes Hallelement angeordnet ist.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulssignalformungseinrichtung (62) eine Einrichtung umfasst zur Erzeugung des Ausgangspulssignals, wenn das analoge Drehwinkelsignal gleich einem aus einer Vielzahl von Schwellenwerten entsprechend den voreingestellten Kandidatenwinkeln wird.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsensorelemente (30, 31) bei Positionen angeordnet sind, die zueinander in der Phase um 90° versetzt sind.
Drehwinkelerfassungsvorrichtung (10, 210, 310, 410, 510, 610) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulssignalformungseinrichtung (62, 262, 362, 363) eine Einrichtung umfasst zur Erzeugung des Ausgangssignals, wenn das analoge Drehwinkelsignal gleich einem aus einer Vielzahl von Schwellenwerten entsprechend den voreingestellten Kandidatenwinkeln wird.