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专利名称：旋转角度检测装置、旋转机及旋转角度检测方法
技术领域：
本发明涉及一种对旋转轴等的旋转角度进行检测的旋转角度检测装置、使用该旋 转角度检测装置的旋转机及其旋转角度检测方法。
背景技术：
将把周面磁化为多极的圆筒磁体以圆筒的轴为中心旋转时，在离所述周面规定距 离(巧)的位置上的圆筒磁体的半径方向的磁通密度及周向的磁通密度相对于旋转角度分 别以大致正弦波形状变化。此时半径方向的磁通密度的振幅比旋转方向的磁通密度的振幅 大1 2倍左右。在离开所述距离(Γι)的位置配置传感器设备(采用多个自旋阀式巨磁阻效应元 件的磁传感器)，且对半径方向的磁通密度及旋转方向的磁通密度进行测定，从而能够构成 旋转角度检测装置。传感器设备所检测的是磁通方向，而不是磁场的强度，因此在半径方向的磁通密 度的振幅和旋转方向的磁通密度的振幅不同时，由在半径方向方向上具有感磁轴的传感器 设备获得梯形形状的波形的第一输出电压(Vx)，由在旋转方向上具有感磁轴的传感器设备 获得三角波形状的波形的第二输出电压(Vy)。这里，使用将正交的两个感磁轴集约一个基 板上的传感器设备，从而能够同时地获得所述第一及第二输出电压。另外，磁通密度处于某一固定范围内时，其输出电压的振幅不依赖于半径方向及 旋转方向的磁通密度的最大值，且大约成为固定。即，所述第一及第二输出电压，对于后述 的磁体的旋转角θ mag分别成为Vx = COS θ mag及Vy = sin θ mag，且它们的振幅大约都相等 (但由于实际获得的波形含有高次谐波，波形分别成为梯形形状及三角形状)。如此，虽然 第一及第二输出电压成不同波形，且磁通密度的振幅不同，但能够获得振幅大约相等的输 出电压，因此产生旋转角度的测定误差(角度误差)。在JP特开2006-023179号(专利文献1)中公开了磁式位置检测装置，在该磁式 位置检测装置中，具有磁性构件和与所述磁性构件的磁极排列面对置的多对向量检测式磁 阻效应元件，并将所述多对向量检测式磁阻效应元件配置为，感磁面相对于由所述磁性构 件产生的外部磁场大致平行、且成对的所述向量检测式磁阻效应元件彼此的针(C > )层 磁化方向相互偏离约90°，并且相对于所述磁性构件的磁极排列方向在同一位置上配置了 所有所述向量检测式磁阻效应元件，且还记载了通过使专利文献1的图I(A)中所示的磁性 构件及向量检测式磁阻效应元件相对移动，从而能够获得相位偏离90°的二相的正弦波形 输出。但是，如JP特开2006-023179号(专利文献1)中所记载，获得相位偏离90°的 二相的正弦波形输出的是移动方向和与磁性构件垂直方向的磁通密度振幅比约为1的情 况(磁极的横向尺寸相对于磁性构件的磁化间距在极端长的情况)，实际上所述磁通密度 振幅比是不同的，因此来自磁场检测器的输出电压成为高次的高次谐波重叠的梯形形状波 形及三角波形状波形。结果，在位置检测中产生误差而不能进行高精度的测定。
JP特开2006-194861号(专利文献2)公开了在使用磁阻效应元件对旋转角度进 行检测的情况下，通过各种的波形整形来减少来自磁阻效应元件的输出中所包含的信号之 间的相位误差、畸变误差等的方法。但是，尚未记载减少在由平行磁场旋转而产生的磁场中 原理上所包含的不均勻性(外部磁场的振幅比的不同等)所引起的误差的方法。在JP特开2006-023179号(专利文献1)及JP特开2006-194861号(专利文献 2)中，半径方向的磁通密度的振幅大于旋转方向的磁通密度的振幅，因此半径方向及旋转 方向的输出电压的波形不同，且尚未记载和提出关于其结果所产生的角度误差。在这些文 献中记载的技术中，为了使得移动方向的磁通密度振幅和从磁性构件开始的垂直方向的磁 通密度振幅相同，需要将磁极的横向尺寸设定为，例如相对于磁极间距100倍左右。但是， 为了检测旋转角度或移动距离，设置如此大的磁性构件不太现实。如以上，在使用能够检测磁通方向的传感器设备的情况下，若将所获得的两个输 出电压照原样反正切运算而求出磁体转子的电角或旋转角，则存在只形成角度误差较大的 旋转角度检测装置的问题。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够高精度地对旋转角度进行检测的旋转角度 检测装置及具备该旋转角度检测装置的旋转机。鉴于上述目的而进行专心研究的结果，本发明者等在本发明中发现，在采用对磁 通方向进行检测的传感器设备的旋转角度检测装置中，将修正系数与由传感器设备获得的 半径方向及旋转方向的两个输出电压(或输出电压波形)中的至少一者相乘(或除)，而使 得修正后的那两个输出电压(或输出电压波形)的最大值之比与配置有传感器设备的位置 的半径方向及旋转方向的磁通密度的最大值之比K’同等之后，通过进行反正切运算，角度 误差非常小。如图27中所示，在本发明的旋转角度检测装置中，放大所获得的输出电压波形中 的至少一者的振幅，并将两个输出电压波形的最大值之比调节成与所对应的两个方向的磁 通密度的最大值之比同等，从而求出旋转角或机械角。作为该调节方法，只放大一方的方 法、只缩小一方的方法或将规定系数与两者相乘的方法中的不论哪个方法都可以，只要结 果性地修正为两个输出电压波形的最大值之比与上述之比K’同等即可。以下，以将修正系 数与一方相乘为中心进行说明，但本发明并不局限于此，可以除于另一方，从而进行修正， 也可以将不同的规定系数与两者相乘，从而进行修正。S卩，本发明的旋转角度检测装置，其使用具有2N极磁体的磁体转子(N为自然数) 和检测来自所述磁体转子的磁通方向的传感器设备对旋转角度进行检测，该旋转角度检测 装置的特征在于，通过将修正系数与在所述传感器设备中获得的半径方向及旋转方向的两个输出 电压值中的至少一者相乘，并根据修正后的两个输出电压值，算出旋转角度，从而提高旋转 角度的检测精度。本发明的其它旋转角度检测装置，具有磁体转子(N为自然数)，其具有2N极磁 体；传感器设备，其检测来自所述磁体转子的磁通方向，该旋转角度检测装置的特征在于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件(磁阻元件，其具有固定层和自由层，且固定层磁化方向被固定，自由层磁化方向按照磁通方向旋转)构成的感磁面， 并且内置有固定层磁化方向彼此正交的传感器电桥AOl和传感器电桥B01，各所述传感器电桥AOl及BOl为所述自旋阀式巨磁阻效应元件的桥接电路，在所述桥接电路中，各电相邻的一边的自旋阀式巨磁阻效应元件的固定层磁化方 向呈反向平行，通过对各所述传感器电桥AOl及BOl施加电压，获得与由所述固定层磁化方向和 所述自由层磁化方向所成的角度相应的输出电压，基于将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘获得的两个输出，来获得角度信号。优选的是，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件(磁阻元件，其 具有固定层和自由层，且固定层磁化方向在正交的两个方向上被固定，自由层磁化方向按 照磁通方向旋转)构成的感磁面，所述修正系数是反映设置了所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的最 大值与旋转方向的磁通密度最大值之比的值。优选的是在设置了所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅B±和 旋转方向的磁通密度的振幅B 〃之比为B ± /B 〃 = K’的情况下，所述修正后的半径方向的输 出电压值的峰值和旋转方向的输出电压值的峰值之比K处于K = K’ 士0. 3N的范围内。本发明的再其它旋转角度检测装置，其使用具有2N极磁体的磁体转子(N为自然 数)和检测来自所述磁体转子的磁通方向的传感器设备对旋转角度进行检测，该旋转角度 检测装置的特征在于，将修正系数与在所述传感器设备中获得的半径方向及旋转方向的两个输出电压 值的输出波形中的至少一者的振幅值相乘，并根据修正后的两个输出波形算出旋转角度， 从而提高旋转角度的检测精度。优选的是，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件(磁阻元件，其 具有固定层和自由层，且固定层磁化方向在正交的两个方向上被固定，自由层磁化方向按 照磁通方向旋转)构成的感磁面，所述修正系数为反映在设置了所述传感器设备的位置采集半径方向及旋转方向 的两个方向的磁通密度波形时的、各自最大振幅之比的值。优选的是，在设置了所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅B±和 旋转方向的磁通密度的振幅B 〃之比为B ± /B 〃 = K’的情况下，所述修正后的半径方向的输 出波形的峰值和旋转方向的输出波形的峰值之比K为K = K’ 士0. 3N的范围的值。本发明的再其它旋转角度检测装置，具有磁体转子(N为自然数。)，其具有2N 极磁体；传感器设备，其检测来自所述磁体转子的磁通方向，该旋转角度检测装置的特征在 于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件(磁阻元件，其具有固定层 和自由层，且固定层磁化方向被固定，自由层磁化方向按照磁通方向旋转)构成的感磁面， 并且内置有固定层磁化方向彼此正交的传感器电桥AOl和传感器电桥B01，各所述传感器电桥AOl及BOl为所述自旋阀式巨磁阻效应元件的桥接电路，在所述桥接电路中，各电相邻的一边的自旋阀式巨磁阻效应元件的固定层磁化方向呈反向平行，通过对各所述传感器电桥AOl及BOl施加电压，获得与由所述固定层磁化方向和 所述自由层磁化方向所成的角度相应的输出电压(vx，Vy)，将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘，来获得角度信号。其中，Vx为使固定层磁化方向朝向所述磁体转子的半径方向的传感器电桥AOl的 输出电压；Vy为使固定层磁化方向朝向所述磁体转子的旋转方向的传感器电桥BOl的输出 电压，所述修正系数为，基于对各^及Vy将电角1周期傅里叶展开后的下述式(1-1)及 式(1-2)中的 、 ^及、的数值所算出的值。Vx = B1Cos θ mag+a3cos3 θ mag+a5cos5 θ mag+··· 式(1—1)Vy = blSin θ mag+b3sin3 θ fflag+b5sin5 θ mag+... 式(1-2)。优选的是，采用k作为所述修正系数。 其中，修正系数k为k = k’ 士0. 3N{N为磁体转子的极对数，k’为根据所述式(1-1) 及式(1-2)中的^a3I1及、的数值而由式(2) :k’= (B1-B3)/(b1+b3)示出的值}的范围 的值。优选的是，所述传感器设备被设置在半径方向的磁通密度的最大值与旋转方向的 磁通密度的最大值显示不同值的位置。优选的是，所述传感器设备的感磁面的中心位于通过所述磁体转子的轴向厚度中 心点且与旋转轴垂直的平面上。本发明的旋转机的特征在于，搭载有所述的任一旋转角度检测装置。本发明的旋转角度检测方法，对具有2N极磁体的磁体转子(N为自然数)的旋转 角度进行检测，该旋转角度检测方法的特征在于，通过传感器设备将所述磁体转子的半径方向及旋转方向的磁通的周期变动作为 输出电压(Vx, Vy)进行测定，将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘，从而求出所述磁体转子的旋转角
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meas °优选的是，在设置有所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅B±和 旋转方向的磁通密度的振幅B 〃之比为B ± /B 〃 = K’的情况下，所述修正后的半径方向的输 出电压值的峰值和旋转方向的输出电压值的峰值之比K处于K = K’ 士0. 3N的范围内。优选的是，采用k值作为所述修正系数，并由式(3)或式(4)求出所述磁体转子的
旋转角度e_s。0meas = tan"1 (Vx/(Vy · k))式(3)(旋转方向的交流电力较小的情况)θ meas = tan"1 ((Vx · k)/Vy)式(4)(半径方向的交流电力较小的情况)优选的是，所述修正系数k值通过在设有传感器设备的位置测定半径方向的磁通 密度的振幅B ±和旋转方向的磁通密度的振幅B 〃，并基于该振幅比B ± /B 〃 = K’而算出。优选的是，所述修正系数k值为通过基于对各所述输出电压(Vx，Vy)将电角1周期 傅里叶展开后的式(5-1)及式(5-2)中的ai、a3、bi&b3的数值所算出的值。Vx = B1Cos θ mag+a3cos3 θ mag+a5cos5 θ mag+— 式(5_1)Vy = blSin θ mag+b3sin3 θ fflag+b5sin5 θ mag+... 式(5-2)
优选的是，使用所述^a3I1及1^3的数值，并基于由下式(6)求出的k’来算出所 述修正系数k。k，= (ara3) / (b1+b3) 式(6)优选的是，作为所述修正系数k，采用k = k’ 士0. 3N{N为磁体转子的极对数，k’为 由所述式(6)求出的值}的范围的值。在测定磁通方向的位置(设置有传感器设备的位置)放置霍尔元件，且对由传感 器设备测定的两个方向(半径方向及旋转方向)分别进行测定，从而能够求出所述半径方 向的磁通密度的最大值和旋转方向的磁通密度的最大值。在使用了具有被磁化为N极对的磁体转子和自旋阀式巨磁阻效应元件的旋转角 度检测装置中，若使磁体转子旋转，对与磁体转子的旋转角度对应的输出电压进行测定，则 在感磁轴为半径方向的传感器电桥中获得接近梯形波的输出电压(第1输出电压)，在感磁 轴为旋转方向的传感器电桥中获得接近三角波的输出电压(第2输出电压)。此时，对所述 第2输出电压以与磁通密度振幅比K’大致相等的修正系数k来进行增幅，从而能够高精度 地检测旋转角度。优选将修正系数k与输出电压中的交流电力较小的那一方相乘。一般，所述第二 输出电压的交流电力小于所述第一输出电压，因此优先将k与第二输出电压相乘。即，如图 7 (a)中所示，对机械角与传感器输出的关系进行测量时，将修正系数k与由机械角的横轴 和传感器输出的波形所包围的面积较小的那一方的输出电压相乘，并采用图7(b)中所示 的调整后的传感器输出算出旋转角。或者，也可以将由机械角的横轴和传感器输出的波形 所包围的面积较大的那一方的输出电压除于修正系数k，从而算出旋转角。另外，也可以通 过相乘而计算出成为修正系数k的两个数值，且将其各自与这两者的波形相乘。另外，在使 用由所述式(2)算出出的k’作为修正系数k的情况下，将修正系数k与感磁轴朝向旋转方 向的传感器电桥中的输出电压(第二输出电压)相乘。优选的是，所述磁体转子为2极对以上的多极磁化的磁体转子。1极对相当于一 个N极及与该N极邻接的两个S极。例如，若被磁化为12极，则为6极对的磁体转子。在 传感器设备中具有两个传感器电桥，就传感器电桥彼此而言，元件的固定层磁化方向正交。传感器设备，按照磁体转子旋转时作为元件的自旋阀式巨磁阻效应元件的自由层 旋转的方式设置在磁体转子的附近。一个传感器设备中的传感器电桥被配置为元件彼此倾 斜90度，因此不将传感器设备彼此配置成具有90度相位差，也能够对旋转角度进行准确地 测定。所述磁体的轴向厚度(t)相当于在旋转方向的磁体尺寸。所述传感器设备的中心 是指自旋阀式巨磁阻效应元件的中心，或者在具有多个自旋阀式巨磁阻效应元件的情况下 离它们大致等距离的中心点。自旋阀式巨磁阻效应元件的厚度充分薄于磁体转子，因此所 述中心点可以处于形成自旋阀式巨磁阻效应元件的基板上。即，可以说所述传感器设备的 中心处于感磁面上。两个感磁轴处于正交关系，且位于所述感磁面内，或者与所述感磁面平 行。在本申请的说明书中，传感器电桥指的是将四个元件(自旋阀式巨磁阻效应元 件)组合成电路性的桥接的部分(含有四个元件的面成为感磁面)。而且将搭载两个传感 器电桥的装置称为传感器设备。将使磁体转子和传感器设备对置的结构称为旋转角度检测装置。将把多个传感器设备组合为能够安装于旋转角度检测装置的单位称为�？�。发明效果根据本发明的旋转角度检测装置，能够减少角度误差。根据本发明的旋转角度检测装置，不管传感器设备的位置，都能够减少角度误差， 因此能够将传感器设备设置在磁通密度的最大位置，从而能够减小磁体的体积。结果，能够 减小旋转角度检测装置的占有体积。


图1 (a)是表示本发明的旋转角度检测装置的一例的示意主视图。图1(b)是表示本发明的旋转角度检测装置的一例的示意侧视图，单点划线的下 侧是以剖面示出磁体转子的局部剖面图。图2(a)是表示使用本发明的旋转角度检测装置的传感器设备的一例的示意图。图2(b)是表示将图2(a)的传感器设备的磁体转子的半径方向作为固定层磁化方 向的元件与端子的连接的桥接电路图。图2(c)是表示将图2(a)的传感器设备的磁体转子的旋转方向作为固定层磁化方 向的元件与端子的连接的桥接电路图。图3是表示修正系数k的算出方法的一例的概念图。图4是表示旋转角度检测装置的一例的概念图。图5是表示旋转角度检测装置的其它一例的概念图。图6是表示旋转角度检测装置的再其它一例的概念图。图 7(a 图。图 7(b)图。
例1的旋转角度检测装置的电压调整前及调整后的角度误差图 7(C 的曲线图。图 8 (a图。图 8 (b图。图 8 (C 的曲线图。图 9 (a图。图 9 (b图。图 9(C
是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施 是表示实施
列1的旋转角度检测装置的电压调整前的传感器输出的曲线 列1的旋转角度检测装置的电压调整后的传感器输出的曲线
列2的旋转角度检测装置的电压调整前的传感器输出的曲线 列2的旋转角度检测装置的电压调整后的传感器输出的曲线 列2的旋转角度检测装置的电压调整前及调整后的角度误差 列3的旋转角度检测装置的电压调整前的传感器输出的曲线 列3的旋转角度检测装置的电压调整后的传感器输出的曲线 列3的旋转角度检测装置的电压调整前及调整后的角度误差
的曲线图。 图10是表示修正系数k变化时的机械角误差的曲线图。
图11是表示修正系数k变化时的电角误差的曲线图。图12是表示将传感器在χ轴方向(与旋转轴垂直的方向)上移动时的磁体半径 方向的磁通密度B ±、磁体旋转方向的磁通密度B 〃及磁通密度振幅比K’的曲线图。图13是表示将传感器在ζ轴方向(旋转轴方向)上移动时的磁体半径方向的磁 通密度B ±、磁体旋转方向的磁通密度B 〃及磁通密度振幅比K’的曲线图。图14a)是表示1极对磁体的磁通与传感器设备的位置关系的示意图。
图14b)是图14(a)的A-A剖面图。
图14C)是表示1极对磁体的磁通与传感器设备的各种位置关系的示意图。
图15a)是表示4极磁体的磁通与传感器设备的位置关系的示意图。
图15b)是图15(a)的A-A剖面图。
图15c)是表示4极磁体的磁通与传感器设备的位置关系的示意图。
图15d)是表示4极磁体的磁通与传感器设备的各种位置关系的示意图。
图16是表示适用本发明的旋转角度检测装置的旋转机的一例的示意剖面图。
图17a)是表示比较例1的旋转角度检测装置的示意主视图。
图17b)是表示比较例1的旋转角度检测装置的示意侧视图。
图17c)是表示比较例1的旋转角度检测装置的传感器输出的曲线图。
图17d)是表示比较例1的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图18a)是表示参考例1的旋转角度检测装置的示意主视图。
图18b)是表示参考例1的旋转角度检测装置的示意侧视图。
图18c)是表示参考例1的旋转角度检测装置的传感器输出的曲线图。
图18d)是表示参考例1的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图19a)是表示参考例2的旋转角度检测装置的示意主视图。
图19b)是表示参考例2的旋转角度检测装置的示意侧视图。
图19c)是表示参考例2的旋转角度检测装置的传感器输出的曲线图。
图19d)是表示参考例2的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图20a)是表示比较例2的旋转角度检测装置的示意主视图。
图20b)是图20(a)的A-A剖面图。
图20c)是表示比较例2的旋转角度检测装置的传感器输出的曲线图。
图20d)是表示比较例2的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图20e)是放大表示比较例2的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图21a)是表示参考例3的旋转角度检测装置的示意主视图。
图21b)是图21 (a)的A-A剖面图。
图21c)是表示参考例3的旋转角度检测装置的传感器输出的曲线图。
图21d)是表示参考例3的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图21e)是放大表示参考例3的旋转角度检测装置的检测角度及误差的曲线图。
图22a)是表示参考例4的旋转角度检测装置的示意主视图。
图22b)是图22(a)的A-A剖面图。
图23是重叠表示比较例1、参考例1、参考例2及实施例6各自的传感器设备的概念图。
图24是重叠表示比较例2、参考例3、参考例4、实施例7及实施例8各自的传感器 设备的概念图。图25是表示对磁体转子的半径方向和旋转方向的磁通密度振幅进行测定的情况 的示意图。图26是对振幅调整系数K’的算出方法进行说明的曲线图。图27是表示使修正系数k变化时的传感器输出的电压波形的曲线图。图28是表示修正系数k与机械角误差之间关系的曲线图。
具体实施例方式以下，使用附图对本发明的具体实施方式
进行说明。但是，本发明并不局限于这些 实施方式。[1]旋转角度检测装置的实施方式图1(a)及图1(b)中表示旋转角度检测装置，其在外周面具有磁化为6极对的磁 体转子1和固定对传感器设备2a支承的磁传感器部的壳体3。磁体转子1的旋转轴为 通过0点垂直于纸面的轴。由传感器设备2a(搭载有固定层磁化方向为正交的两个自旋阀 式巨磁阻效应元件的桥接电路)，能够对磁体转子1中的环状永磁体Ia的旋转角度进行检 测。磁体转子1具备环状永磁体Ia ；软磁性环lb，其一体地形成于所述环状永磁体 的内周侧；非磁性环状的转接器lc，其支承所述软磁性环。磁传感器部具有板状的电路 用基板2c，其周缘的一个侧面与磁体转子1对置；传感器设备2a，其固定在所述电路用基板 2c的平面；电缆2dl及连接器2e，它们将所述传感器设备2a及电路用基板2c与控制用电 路电连接；非磁性罩2f，其覆盖所述传感器设备。环状永磁体Ia被磁化为6极对，并被配 置为其磁化方向与磁体转子的旋转轴线正交。在壳体3中，用于固定所述电路用基板2c的 “ 二，，字型角钢3a及螺栓3c被设置为使传感器设备2a以规定间隔与磁体转子1对置。固 定传感器设备的电路用基板2c的平面相对于磁铁转子的旋转轴线正交。另外，在后面对传 感器设备等进行详细地阐述。图1(a)及图1(b)的旋转角度检测装置，使用螺栓固定用孔3b将设置了磁传感器 部Z1的壳体3固定在工作机械主体，并将磁体转子1固定为(使用螺栓固定孔Id)与工作 机械的轴(旋转轴)同轴(在图1(a)及图1(b)中省略了工作机械的图示)。如图1(a)所 示，在使磁体转子1和磁传感器部对置的状态下，通过旋转工作机械的轴，从而能够高精 度地对旋转角度进行检测。磁体转子1由以下部件构成，即环状永磁体la，其由NdFeB系粘结磁体构成；软 磁性环lb，其将软磁粉和粘合剂成形而成；S45C制的转接器lc，其用于将所述软磁性环安 装于轴(旋转轴)。传感器设备2a，如图2(a) 图2(c)中所示，利用8个自旋阀式巨磁阻 效应元件(元件)构成全桥接式电路而成，且在Vcc和GND之间施加直流电压的状态下，在 磁体转子的磁场内放置传感器设备2a时，Vxl-Vx2之间、Vyl-Vy2之间分别提供差动输出。传 感器设备2a将电路用基板2c固定在壳体3上，并经由与连接器2e相连的电缆2dl连接后 述的图4的电路(由A-D转换修正部及角度运算部构成的电路)，且在A-D转换后将修正 系数k与一方的信号相乘(例如k = 1. 6)而进行角度运算。传感器设备利用非磁性引线框形成10个端子23，由树脂系材料模制而使用。优选壳体3及“ 二 ”字型角钢3a由非磁性 SUSU316构成，通过冲压成形等而能够制作“ 二 ”字型角钢。旋转角度检测装置例如具有以 下的形状，即磁体转子1的半径^为25mm，从磁体转子1的外周面直到传感器设备的中心 为止的距离T1为3. 5mm,磁体转子1的磁体的轴向厚度t为4mm，壳体3的厚度T为2mm(例 如，通过将2mm厚的板材冲裁、拉深形成)的形状。即使在将距离η增大到6mm的情况下， 也能够使用得没问题。虽然省略了图示，但在图2(a)中所示的各1对自旋阀式巨磁阻效应元件22a 22d，是在非磁性基板12a上以基底层(Cr)/固定层(Co/Ru/Co)/Cu层/自由层(Co/NiFe)/ 盖罩层(Ta)的顺序依次层叠而构图，并设有通电用的电极膜，且施加绝缘包覆的元件。[2]旋转角度检测装置的作用(1)原理由有限轴长的磁体转子产生的磁通密度振幅，在半径方向和旋转方向上不同。设 定半径方向的磁通密度分量为Bp旋转方向的磁通密度分量为B θ，半径方向的磁通密度振 幅为B ±，旋转方向的磁通密度振幅为B 〃，且设定B ± /B 〃 = K’。在此考虑省略高次谐波分 量。紧靠磁体转子附近的磁体转子的对于电角θε的磁通密度民及1的方向分量分别为， 如式(7)及式(8)。By = B 丄 cos θ e = K，· B7yCos θ e 式(7)B0 = B//Sin θ e式(8)因此，由下述式(9)来表示伴随磁体转子的旋转的磁通方向θ mag。0mag = tan—1 {B "sin θ e/(K，· B x/ cos θ e)} = tan—1 {sin θ e/(K，cos θ e)}式(9)根据该角度θ mag，确定传感器设备的输出。来自以半径方向为感磁轴的传感器设 备的输出Vx及将修正系数k与来自以旋转方向为感磁轴的传感器设备的输出Vy相乘的输 出Vy k分别成为，如式(10)及式(11)。Vx = cos θ mag式(10)Vy · k = ksin θ mag式(11)此时，由Vx及Vy 算出的磁体转子的旋转角度如式(12)所示。tan θ meas = Vy · k/Vx = ksin θ mag/cos θ mag = ktan θ 腿g = ktan [tan-1 {sin θ J
(K，.CoseeM] 式(12)当省略式(12)中的tan和tan—1时，成如式(13)。tan θ meas = ksin θ e/(K，· cos θ e) = (k/K，) tan θ e 式(13)根据式(13)，θ meas可以表示为如式(14)。0meas = tan-1{(k/K' ) tan θ J 式(14)在式(14)中，k/K’越接近1，9_3和θ e就成为越接近的值，从而两者成为没有 误差。若k和K’相等，则成为k/K’= 1，所以省略tan和tarT1而成为θ meas = θ e。g卩，当 k = K’时，能够使得的误差最小。也就是，在由磁体转子产生的半径方向和旋 转方向的磁通密度振幅不同的情况下，通过进行适合传感器设备的输出的电压振幅修正， 从而能够减少检测角度误差。检测位置在上述说明中设为紧靠磁体转子附近，但相对于磁 体的传感器设备的相对位置，在传感器设备动作的磁通密度的范围内是任意的。即，无论在 使传感器在半径方向上从磁体远离的情况，还是在将传感器在磁体的旋转轴方向上移动的情况下，都只变化在传感器设备的感磁面内正交的两个感磁轴方向的磁通密度振幅比，从 而毫无疑问地确定上述磁通密度振幅比K’的值。(2)修正系数k可以由三种方法求出修正系数k。(i)使用由磁体形状及实际测量确定的K’值的方法根据磁体的种类及形状，伴随磁体旋转而在磁体转子的周边检测出的磁通密度被 唯一地确定。由此，只要在设计阶段确定磁体的种类及形状、传感器的位置及设置角度，就 确定在传感器电桥的感磁面内正交的两个磁通密度分量的振幅比K’。因此，由模拟或实际 测量求出K’，并使用该值作为修正系数k。(ii)使用由传感器的输出求出的k’值的方法在规定位置设置传感器，并在以恒定速度旋转磁体转子的情况下，传感器设备的 输出波形成为周期函数。虽然由磁体转子产生的磁通密度为正弦波形状，但由于在感磁面 内正交的磁通密度的振幅比不同，传感器输出成为含有高次谐波的波形。对来自传感器电 桥的输出进行傅里叶展开之后，可以由下述式(1-1)及式(1-2)来表达。Vx = B1Cos θ mag+a3cos3 θ mag+a5cos5 θ mag+··· 式(1—1)Vy = blSin θ mag+b3sin3 θ fflag+b5sin5 θ mag+... 式(1-2)在式(1-1)及式(1-2)中，Vx为将磁体转子的半径方向作为感磁轴的传感器电桥 的输出电压，Vy为将磁体转子的旋转方向作为感磁轴的传感器电桥的输出电压。由于各输 出电压的5次以下的高次谐波的影响较轻微，因此在考虑到至3次高次谐波的情况下，可以 由下述式(2)表达振幅调整比率k’的值。k，= (a1-a3)/(b1+b3)式(2)采用该振幅调整比率k’作为修正系数k。对式(1-1)及式(1-2)和式(2)的关系进行详细说明。振幅调整比率k’是由将式(1-1)及式(1-2)的传感器电桥的输出电压的输出振 幅标准化后的\及Vy的基本波分量和3次的高次谐波分量求出的值，并且设定Vx输出的基 本波傅里叶系数为a1; 3次的高次谐波傅里叶系数为a3，Vy输出的基本波傅里叶系数为b1; 3次的高次谐波傅里叶系数为、之后，可以由式(2)求出。该振幅调整比率k’是与磁通密 度的振幅比K’相等的值。以下进行其证明。当前，根据旋转方向的磁通密度振幅，将标准化后的y方向的磁通密度瞬时值设 定为％。若将χ方向的磁通密度振幅与y方向的磁通密度振幅相同情况的瞬时值设定为X(l， 则在χ方向的磁通密度振幅为K’倍的情况下，如图26中所示，χ方向的磁通密度瞬时值成 为K，X。。即，点(XQ，yQ)处于由X = cos θ，y = sine表达的圆上，点(K，X0, y0)处于由χ =K' .Cose^y = Sin θ，表达的椭圆上。其中X(1、yQ、K，、θ及θ，的关系为，如下述式 (15-1)及式(15-2)。tan θ，= y0/ (K' x0) 式(15-1)tan θ = y0/X(l式(15—2)由这些式可以导出tan θ = Κ’ · tan θ ’。另外，由图26可以明确地导出下述式 (16-1) 式(16-4)。cos θ ‘ = K，x0/(K' 2x02+y02)1/2 式(16-1)
权利要求
一种旋转角度检测装置，其使用具有2N极磁体的磁体转子和检测来自所述磁体转子的磁通的方向的传感器设备对旋转角度进行检测，其中N为自然数，所述旋转角度检测装置的特征在于，通过将修正系数与由所述传感器设备获得的半径方向及旋转方向的两个输出电压值中的至少一者相乘，并根据修正后的两个输出电压值算出旋转角度，从而提高旋转角度的检测精度。
2.一种旋转角度检测装置，具有磁体转子，其具有2N极磁体，其中N为自然数；传感 器设备，其检测来自所述磁体转子的磁通的方向，所述旋转角度检测装置的特征在于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件构成的感磁面，该自旋阀式巨磁 阻效应元件为具有固定层和自由层、且固定层磁化方向被固定而自由层磁化方向按照磁通 的方向旋转的磁阻元件，并且，所述传感器设备内置有固定层磁化方向彼此正交的传感器 电桥AOl和传感器电桥BOl，各所述传感器电桥AO1及BO1为所述自旋阀式巨磁阻效应元件的桥接电路，在所述桥接电路中，各电相邻的一边的自旋阀式巨磁阻效应元件的固定层磁化方向呈 反向平行，通过对各所述传感器电桥AOl及BOl施加电压，获得与由所述固定层磁化方向和所述 自由层磁化方向所成的角度相应的输出电压，基于将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘获得的两个输出，来获得角度信号。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角度检测装置，其特征在于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件构成的感磁面，该自旋阀式巨磁 阻效应元件为具有固定层和自由层、且固定层磁化方向在正交的两个方向上被固定而自由 层磁化方向按照磁通的方向旋转的磁阻元件，所述修正系数为反映设有所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的最大值与 旋转方向的磁通密度的最大值之比的值。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，在设有所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅B ±和旋转方向的磁通 密度的振幅B 〃之比为B ± /B 〃 = K’的情况下，所述修正后的半径方向的输出电压值的峰值 和旋转方向的输出电压值的峰值之比K处于K = K’ 士0. 3N的范围内。
5.一种旋转角度检测装置，其使用具有2N极磁体的磁体转子和检测来自所述磁体转 子的磁通的方向的传感器设备对旋转角度进行检测，其中N为自然数，所述旋转角度检测 装置的特征在于，通过将修正系数与由所述传感器设备获得的半径方向及旋转方向的两个输出电压值 的输出波形中的至少一者的振幅值相乘，并根据修正后的两个输出波形算出旋转角度，从 而提高旋转角度的检测精度。
6.根据权利要求5所述的旋转角度检测装置，其特征在于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件构成的感磁面，该自旋阀式巨磁 阻效应元件为具有固定层和自由层、且固定层磁化方向在正交的两个方向上被固定而自由 层磁化方向按照磁通的方向旋转的磁阻元件，所述修正系数为反映在设有所述传感器设备的位置采集半径方向及旋转方向的两个 方向的磁通密度的波形时的、各自最大振幅之比的值。
7.根据权利要求5或6所述的旋转角度检测装置，其特征在于，在设有所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅B ±和旋转方向的磁通 密度的振幅B 〃之比为Β±/Β〃=Κ’的情况下，所述修正后的半径方向的输出波形的峰值和 旋转方向的输出波形的峰值之比K为K = K’ 士0. 3Ν的范围的值。
8.一种旋转角度检测装置，具有磁体转子，其具有2Ν极磁体，其中N为自然数；传感 器设备，其检测来自所述磁体转子的磁通的方向，所述旋转角度检测装置的特征在于，所述传感器设备具有由多个自旋阀式巨磁阻效应元件构成的感磁面，该自旋阀式巨磁 阻效应元件为具有固定层和自由层、且固定层磁化方向被固定而自由层磁化方向按照磁通 的方向旋转的磁阻元件，并且，所述传感器设备内置有固定层磁化方向彼此正交的传感器 电桥AOl和传感器电桥BOl，各所述传感器电桥AOl及BOl为所述自旋阀式巨磁阻效应元件的桥接电路， 在所述桥接电路中，各电相邻的一边的自旋阀式巨磁阻效应元件的固定层磁化方向呈 反向平行，通过对各所述传感器电桥AOl及BOl施加电压，获得与由所述固定层磁化方向和所述 自由层磁化方向所成的角度相应的输出电压(Vx，Vy)，将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘，来获得角度信号， 其中，Vx为使固定层磁化方向朝向所述磁体转子的半径方向的传感器电桥AOl的输 出电压；Vy为使固定层磁化方向朝向所述磁体转子的旋转方向的传感器电桥BOl的输出电 压；所述修正系数为，基于对各火及Vy将电角1周期傅里叶展开后的下述式(1-1)及式 (1-2)中的 、 ^及、的数值所算出的值，Vx = B1COS θ mag+a3cos3 θ mag+a5cos5 θ mag+— 式(1—1) Vy = blSin θ mag+b3sin3 θ mag+b5sin5 θ mag+... 式(1-2)。
9.根据权利要求8所述的旋转角度检测装置，其特征在于， 采用k作为所述修正系数，其中，修正系数k为k = k’ 士0.3N的范围的值，其中N为磁体转子的极对数，k’为根 据所述式(1-1)及式(1-2)中的 、 、!^及、的数值而由式⑵k’=( - )/…^、)示 出的值。
10.根据权利要求1 9中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，所述传感器设备被设置在半径方向的磁通密度的最大值与旋转方向的磁通密度的最 大值显示不同值的位置。
11.根据权利要求1 10中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，所述传感器设备的感磁面的中心位于通过所述磁体转子的轴向厚度中心点且与旋转 轴垂直的平面上。
12.—种旋转机，其特征在于，搭载有权利要求1 11中任一项所述的旋转角度检测装置。
13.一种旋转角度检测方法，该方法是对具有2N极磁体的磁体转子的旋转角度进行检测的方法，其中N为自然数，所述旋转角度检测方法的特征在于，通过传感器设备将所述磁体转子的半径方向及旋转方向的磁通的周期变动作为输出 电压(Vx，Vy)进行测定，将修正系数与所述输出电压中的至少一者相乘，从而求出所述磁体转子的旋转角度θ 0 me as υ
14.根据权利要求13所述的旋转角度检测方法，其特征在于，在设有所述传感器设备的位置的、半径方向的磁通密度的振幅Β±和旋转方向的磁通 密度的振幅B 〃之比为B ± /B 〃 = K’的情况下，所述修正后的半径方向的输出电压值的峰值 和旋转方向的输出电压值的峰值之比K处于K = K’ 士0. 3Ν的范围内。
15.根据权利要求13或14所述的旋转角度检测方法，其特征在于，采用k值作为所述修正系数，并由式(3)或式(4)求出所述磁体转子的旋转角度θω_， 其中，在旋转方向的交流电力小时，θ meas = tan"1 (Vx/(Vy · k)) 式(3) 在半径方向的交流电力小时，θ ffleas = tan"1 ((Vx · k)/Vy) 式(4)。
16.根据权利要求15所述的旋转角度检测方法，其特征在于，所述修正系数k值通过在设有传感器设备的位置测定半径方向的磁通密度振幅B ±和 旋转方向的磁通密度振幅B 〃，并基于该振幅比B ± /B 〃 = K’而算出。
17.根据权利要求16所述的旋转角度检测方法，其特征在于，所述修正系数k值为，基于对各所述输出电压(Vx，Vy)将电角1周期傅里叶展开后的式 (5-1)及式(5-2)中的 、 ^及、的数值所算出的值， 其中，Vx = B1COS θ mag+a3cos3 θ mag+a5cos5 θ mag+— 式(5—1) Vy = blSin θ mag+b3sin3 θ mag+b5sin5 θ mag+... 式(5-2)。
18.根据权利要求17所述的旋转角度检测方法，其特征在于，所述修正系数k通过使用所述A^yb1及1^3的数值，并基于由下式(6)求出的k’而 算出， 其中，k' = (B1-B3)/(b1+b3) 式(6)。
19.根据权利要求18所述的旋转角度检测方法，其特征在于，作为所述修正系数k，采用k = k’ 士0. 3N的范围的值，其中N为磁体转子的极对数，k’ 为由所述式(6)求出的值。
全文摘要
本发明提供一种旋转角度检测装置、旋转机及旋转角度检测方法。所述旋转角度检测装置，使用具有2N极磁体的磁体转子(N为自然数)和检测来自所述磁体转子的磁通方向的传感器设备对旋转角度进行检测，其特征在于，将修正系数与由所述传感器设备获得的半径方向及旋转方向的两个输出电压值中的至少一者相乘，并根据修正后的两个输出电压值算出旋转角度，从而提高旋转角度的检测精度。
文档编号G01D5/245GK101939623SQ20098010461
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月3日 优先权日2008年2月7日
发明者三田正裕, 下江治, 相牟田京平, 香川理人 申请人:日立金属株式会社