專利名稱：角度檢測裝置和角度檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于計算旋轉軸的旋轉角度的角度檢測裝置和角度檢測方法。
背景技術：
曰本特開2001-91208號公報中提出了一種旋轉角檢測裝置以作為用于檢測節(jié)流閥等被檢測物的旋轉角的機構，該旋轉角檢測裝置具有使磁鐵和磁軛之間產生磁場且配置在該磁場中的磁檢測元件的位置從轉子的旋轉中心偏離的結構。如果磁檢測元件的位置從轉子的旋轉中心偏離，那么與磁檢測元件互連的磁通角和轉子的旋轉角之間的關系發(fā)生變化。通過利用這個變化，可以在寬范圍內任意設定相對于旋轉角的磁檢測元件的輸出特性，并能夠提高旋轉角的檢測特性。
專利文獻1:日本特開2001-91208號公報

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題
但是，上述的旋轉角檢測裝置存在以下缺點對檢測角度有一定的限制(參考專利文獻1圖8 (b))。
因此，本發(fā)明以提出對檢測角度沒有限制的角度檢測裝置及角度檢測方法作為課題。
解決問題的手段
為了解決上述課題，本發(fā)明所涉及的角度檢測裝置具有旋轉體,固定在旋轉軸上，通過旋轉體的旋轉中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體；第一磁傳感器和第二磁傳感器，對角配置在旋轉體的外周附近，第一磁傳感器檢測與旋轉體的外周和第一磁傳感器之間的第一距離的變化相對應的磁場變化，并輸出第一檢測信號，第一距離隨著旋轉體的旋轉而發(fā)生周期性變化，第二磁傳感器檢測與旋轉體外周和第二磁傳感器之間的第二距離的變化相對應的磁場變化，并輸出第二檢測信號，第二距離隨著第一距離的變化而發(fā)生
互補性變化；差動運算單元，對第一檢測信號和第二檢測信號進行差動運算；以及角度計算單元，根據差動運算單元進行差動運算的結果，計算旋轉軸的旋轉角度。
根據本發(fā)明所涉及的角度檢測裝置，由于使用通過旋轉體的旋轉中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體，因此，通過將對角配置的一對第一及第二磁傳感器的檢測信號進行差動運算而得到的信號為包含旋轉體的旋轉角度信息的近似正弦波信號，可以在全角度(0deg 360deg)范圍內進行檢測誤差小的角度檢測。另夕卜，由于旋轉體也可以不安裝在被檢測物的端面上，因此，角度檢測裝置的安裝的容易性優(yōu)異。另外，優(yōu)選， 一對磁傳感器各自距離旋轉中心的距離相同。這是由于通過輸出的信號具有充分的對稱性，從而差動輸出信號近似為正弦波。
在此，優(yōu)選，旋轉體投影在其旋轉平面的形狀具有兩個不同的半橢圓結合的形狀。根據這種形狀，在旋轉體旋轉一周的情況下，在旋轉一周的過程中一對磁傳感器分別取一次的最大值及最小值，將對角配置的一對第一及第二磁傳感器的檢測信號進行差動運算而得到的信號成為包含旋轉體的旋轉角度信息的酷似理想的正弦波形的近似正弦波信號。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，旋轉體由鐵磁性材質形成。第一磁傳感器具有使旋轉體的外周與第一磁傳感器之間產生磁場的第一磁鐵、以及根據隨著第一距離的變化而變化的磁場而輸出第一檢測信號的第一磁阻效應元件。第二磁傳感器具有使旋轉體的外周和第二磁傳感器之間產生磁場的第二磁鐵、以及根據隨著第二距離的變化而變化的磁場而輸出第二檢測信號的第二磁阻效應元件。根據這種結構，隨著旋轉體的旋轉，旋轉體與第一磁傳感器之間的第一距離以及旋轉體與第二磁傳感器之間的第二距離發(fā)生變化，由于這些變化作為第一及第二磁傳感器的電阻值的變化出現，因而，在第一及第二檢測信號中包含與旋轉體的旋轉角度相關的信息。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，第一磁阻效應元件具有在旋轉體的 旋轉中心的方向上設定長邊方向的第一自由磁性層。第二磁阻效應元 件具有在旋轉體的旋轉中心的方向上設定長邊方向的第二自由磁性 層。通過將自由磁性層的長邊方向設定在旋轉中心的方向上，能夠提 高角度檢測精度。
本發(fā)明所涉及的角度檢測方法，使用第一及第二磁傳感器，檢測 旋轉軸的旋轉角度，第一及第二磁傳感器對角配置在固定在旋轉軸上 的旋轉體的外周附近，該角度檢測方法具有使旋轉體與旋轉軸一起 旋轉的步驟，其中，通過旋轉體的旋轉中心的直線與旋轉體的外周相 交的兩點間的距離一定；從第一磁傳感器輸出第一檢測信號的步驟， 其中，第一磁傳感器檢測與旋轉體的外周和第一磁傳感器之間的第一 距離的變化相對應的磁場變化，第一距離隨著旋轉體的旋轉而發(fā)生周 期性變化；從第二磁傳感器輸出第二檢測信號的步驟，其中，第二磁 傳感器檢測與旋轉體的外周和第二磁傳感器之間的第二距離的變化相 對應的磁場變化，第二距離隨著第一距離的變化而發(fā)生互補性變化； 對第一檢測信號和第二檢測信號進行差動運算的步驟；以及根據差動 運算的結果，計算旋轉軸的旋轉角度的步驟。
根據本發(fā)明所涉及的角度檢測方法，由于使用通過旋轉體的旋轉 中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體，因此， 通過將對角配置的一對第一及第二磁傳感器的檢測信號進行差動運算 而得到的信號為包含旋轉體的旋轉角度信息的近似正弦波信號，可以 在全角度(0deg 360deg)范圍內進行檢測誤差小的角度檢測。
基于本發(fā)明的其他觀點的角度檢測裝置具有旋轉體，固定在旋 轉軸上，通過旋轉體的旋轉中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間 的距離一定；第一磁傳感器和第二磁傳感器，以相對于旋轉體的旋轉 中心為90deg的相位差且距離旋轉中心等距離地配置，第一磁傳感器 檢測與旋轉體的外周和第一磁傳感器之間的第一距離的變化相對應的 磁場變化，并輸出第一檢測信號，第一距離隨著旋轉體的旋轉而發(fā)生 周期性變化，第二磁傳感器檢測與旋轉體的外周和第二磁傳感器之間 的第二距離的變化相對應的磁場變化，并輸出第二檢測信號，第二距 離隨著旋轉體的變化而發(fā)生周期性變化；轉換表，保存與第一及第二檢測信號對應的旋轉軸的旋轉角度；以及角度計算單元，將從第一及 第二磁傳感器輸出的第一及第二檢測信號與轉換表進行比較，輸出旋 轉體的旋轉角度。
根據本發(fā)明所涉及的角度檢測裝置，由于使用通過旋轉體的旋轉 中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體，因此， 以相對于旋轉體的旋轉中心為90deg的相位差(機械角)且距離旋轉 中心等距離地配置的第一及第二磁傳感器與旋轉體的外周之間的距離 發(fā)生周期性變化。從第一及第二磁傳感器輸出的第一及第二檢測信號 包含與旋轉體的旋轉角度相關的信息，且具有相互90deg的相位差(電 氣角)，因此，通過對第一及第二檢測信號進行函數處理，能夠求出旋 轉體的旋轉角度。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，優(yōu)選，第一及第二檢測信號是近似 正弦波信號，角度計算單元將第一及第二檢測信號中、相對于其檢測 信號采用中間值的角度位于士45deg的角度范圍內的檢測信號和轉換表 進行比較，輸出旋轉體的旋轉角度。較之振幅變化量小的信號波形的 峰值附近的值，通過讀出振幅變化量大的中間值附近的值，能夠抑制 對噪音的影響。
基于本發(fā)明的其他觀點的角度檢測方法，使用第一磁傳感器和第 二磁傳感器，檢測旋轉軸的旋轉角度，第一及第二磁傳感器以相對于 固定在旋轉軸上的旋轉體的旋轉中心為90deg的相位差且距離旋轉中 心等距離地配置，該角度檢測方法具有使旋轉體與旋轉軸一起旋轉 的步驟，其中，通過旋轉體的旋轉中心的直線與旋轉體的外周相交的 兩點間的距離一定；從第一磁傳感器輸出第一檢測信號的步驟，其中， 第一磁傳感器檢測與旋轉體的外周和第一磁傳感器之間的第一距離的 變化相對應的磁場變化，該第一距離隨著旋轉體的旋轉而發(fā)生周期性 變化；從第二磁傳感器輸出第二檢測信號的步驟，第二磁傳感器檢測 與旋轉體外周和第二磁傳感器之間的第二距離的變化相對應的磁場變 化，該第二距離隨著旋轉體的旋轉而發(fā)生周期性變化；制作保存與第 一及第二檢測信號相對應的旋轉軸的旋轉角度的轉換表的步驟；以及 將從第一及第二磁傳感器輸出的第一及第二檢測信號與轉換表進行比 較，輸出旋轉體的旋轉角度的步驟。根據本發(fā)明所涉及的角度檢測方法，由于使用通過旋轉體的旋轉 中心的直線與旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體，因此，
以相對于旋轉體的旋轉中心為90deg的相位差(機械角)且距離旋轉 中心等距離地配置的第一及第二磁傳感器與旋轉體的外周之間的距離 發(fā)生周期性變化。從第一及第二磁傳感器輸出的第一及第二檢測信號 包含與旋轉體的旋轉角度相關的信息，且具有相互90deg的相位差(電 氣角)，因此，通過對第一及第二檢測信號進行函數處理，能夠求出旋 轉體的旋轉角度。 發(fā)明的效果
根據本發(fā)明，能夠提供對檢測角度沒有限制且安裝的容易性優(yōu)異 的角度檢測裝置及角度檢測方法。


圖1是表示實施例1所涉及的角度檢測裝置的大致結構的說明圖。 圖2是表示實施例1所涉及的角度檢測裝置的系統(tǒng)構成的說明圖。 圖3是表示磁阻效應元件的輸出特性的圖。 圖4是表示相對于旋轉體的旋轉角度的磁通密度的變化的圖。 圖5是表示從對角配置的一對磁傳感器輸出的兩個檢測信號的圖。 圖6是表示通過對從對角配置的一對磁傳感器輸出的二個檢測信 號進行差動運算而得到的信號的圖。
圖7是表示旋轉體的平面形狀的計算方法的說明圖。
圖8是a-0.9的時候的橢圓函數H (X， Y)的圖。
圖9是^1.5的時候的橢圓函數H (X， Y)的圖。
圖10是a-a-0.5的時候的橢圓函數H (X, Y)的圖。
圖11是表示實施例2所涉及的角度檢測裝置的大致結構的說明圖。
圖12是表示實施校正前的cos信號及sin信號的圖。 圖13是表示cos信號的振幅補正及偏移補正的說明圖。 圖14是表示sin信號的振幅補正及偏移補正的說明圖。 圖15是表示cos信號的數字采樣的說明圖。 圖16是表示sin信號的數字采樣的說明圖。
10圖17是轉換表的說明圖。
圖18是表示cos信號及sin信號的讀入范圍的說明圖。 圖19是線性輸出值的圖。
符號的說明
IO...角度檢測裝置、20...旋轉體、30...磁傳感器、31...磁阻效應元件、 32…磁軛、33...磁鐵、41， 42…差動運算電路、50...角度計算電路、 60...旋轉軸
具體實施例方式
以下，參照各圖對本發(fā)明所涉及的實施例進行說明。在各實施例 中，相同符號表示相同部件，省略重復的說明。 實施例1
圖1是表示本實施方式所涉及的角度檢測裝置10的大致結構的說 明圖。
角度檢測裝置10具有作為主要結構的固定在旋轉軸60上的旋轉 體(轉子)20和配置在旋轉體20的外周附近的磁傳感器30。旋轉體 20是由鐵磁性材質(例如，鐵、鈷、鎳等)形成的轉子。旋轉軸60 是受到來自動力發(fā)生源等的驅動力而進行旋轉驅動的旋轉軸(例如， 車輛的傳動軸或電動機的驅動軸等)，其軸心方向是Z方向。如果旋轉 軸60進行旋轉，那么旋轉體20在XY平面內旋轉。
磁傳感器30具有作為主要結構的作為用于產生外部磁場的磁場產 生機構而起作用的磁鐵33、和將該外部磁場的變化作為電壓變化進行 檢測的磁阻效應元件(GMR元件)31。磁阻效應元件31可以是半橋 結構，或者也可以是全橋結構。對于磁傳感器30的安裝方式，優(yōu)選， 以磁阻效應元件31位于通過磁鐵33的中心點的Z方向的直線上的方 式，將磁阻效應元件31配置在印刷電路基板70的表面上，并在同基 板70的背面配置磁鐵33。另外，為了對從磁鐵33產生的外部磁場進 行高效地集磁，優(yōu)選，在磁鐵33的兩極配置磁軛32。
磁阻效應元件31具有磁化方向設定在規(guī)定的方向上、并構成為磁 化狀態(tài)(例如，磁化方向和磁化的強度)不受外部磁場的位移影響的被釘扎磁性層(pinned layer)(圖中沒有表示)、以及通過外部磁場的 變化而磁化狀態(tài)發(fā)生位移的自由磁性層(free layer)(圖中沒有表示)。 如果旋轉體20與旋轉軸60的旋轉一起進行旋轉，那么旋轉體20的外 周和磁阻效應元件31之間的間隙G的間隔發(fā)生周期性變化。如果間隙 G的間隔發(fā)生變化，那么從配置在磁阻效應元件31的背面的磁鐵33 經過磁阻效應元件31而被引到旋轉體20的磁通密度發(fā)生變化。于是， 因為磁阻效應元件31內的自由磁性層的磁化狀態(tài)發(fā)生變動，因而，磁 化狀態(tài)沒有發(fā)生變動的被釘扎磁性層的磁化狀態(tài)和磁化狀態(tài)發(fā)生變動 的自由磁性層之間產生磁化狀態(tài)的位移差。該磁化狀態(tài)的位移差是反 映旋轉體20的旋轉角度的物理量，具體來說，表現為磁阻效應元件31 的電阻的變化。從印刷電路基板70向磁阻效應元件31供給偏置電流， 磁阻效應元件31的電阻值的變化作為輸出電壓的變化而被檢測。磁阻 效應元件31的輸出電壓作為表示旋轉體20的旋轉角度的檢測信號而 進行信號處理。
另外，如圖3所示，優(yōu)選，以磁阻效應元件31的動作區(qū)域是通過 磁阻效應元件31的磁通密度和磁阻效應元件31的輸出電壓之間的關 系為線性的區(qū)域A或區(qū)域B的方式，設計外部磁場的強度和間隙G的 平均間隔等。在此情況下，對應于間隙G的距離，磁傳感器的輸出為 具有線性的輸出。另外，優(yōu)選，旋轉體20和磁傳感器30之間的推力 方向(軸心方向)的位置關系為包括由旋轉體20的旋轉而引起的芯移 動等的偏離，且旋轉體20不從磁阻效應元件31偏離的位置關系。例 如，如果安裝誤差為i0.5mm，芯移動為士0.5mm，磁阻效應元件31的 厚度為0.5mm，那么，優(yōu)選，旋轉體20的厚度為3.0mm以上。 圖2是表示角度檢測裝置10的系統(tǒng)構成的說明圖。 旋轉體20投影在其旋轉平面(XY平面)的形狀(以下，稱為平 面形狀)為這樣的形狀無論通過旋轉中心P的直線如何，通過旋轉 體20的旋轉中心P的直線與旋轉體20的外周相交的兩點間的距離一 定。對于這種形狀，在本實施例中，例示了通過結合兩個不同的半橢 圓而形成的形狀，但是并不局限于該例示。在旋轉體20的外周附近， 配置有在通過旋轉體20的旋轉中心P的第一直線91上對角配置的一 對磁傳感器30A、 30B、以及在與第一直線91正交且通過旋轉中心P的第二直線92上對角配置的一對磁傳感器30C、30D。各磁傳感器30A、 30B、 30C、 30D以相對于旋轉中心P為90deg的間隔固定，即使旋轉 體20旋轉，旋轉中心P和各磁傳感器30A、 30B、 30C、 30D之間的距 離也一直保持一定。
另外，為了區(qū)分圖2所示的磁傳感器30A、 30B、 30C、 30D，方 便起見標記不同的符號，但是，實際上，具有與圖1所示的磁傳感器 30相同的結構。因此，在不需要區(qū)分這些磁傳感器30A、 30B、 30C、 30D的情況下，只統(tǒng)稱為磁傳感器30。
此外，如圖4所示，如果旋轉體20旋轉一周，那么在表示通過磁 傳感器30的外部磁場的磁通密度的變化的波形上，呈現1個周期的變 化。因為旋轉體20被加工為兩個不同的半橢圓結合的形狀，因而，雖 然嚴格意義上說，圖4所示的磁通密度的波形不是正弦波形，但是， 是類似正弦波形的波形。如上所述，因為通過磁阻效應元件31的磁通 密度和磁阻效應元件31的輸出電壓之間的關系是線形，因而，從磁傳 感器30輸出的檢測信號具有類似正弦波的波形。由于形成為無論通過 旋轉中心P的直線如何、通過旋轉體20的旋轉中心P的直線與旋轉體 20的外周相交的兩點間的距離一定的形狀，因此，如果對角配置的一 對磁傳感器30A、 30B中的一個磁傳感器30A和旋轉體20的外周之間 的第一距離發(fā)生變化，那么，另一個磁傳感器30B和旋轉體20的外周 之間的第二距離隨著第一距離的變化而發(fā)生互補性變化。即，如果第 一距離變短，那么第二距離只是變長了該變短的距離。這是由于一對 磁傳感器以180度對角配置。因此，如圖5所示，磁傳感器30A， 30B 的檢測信號具有180deg的相位差。在圖5中，符號81表示磁傳感器 30A的檢測信號，符號82表示磁傳感器30B的檢測信號。另外，對于 對角配置的另外一對磁傳感器30C、 30D的檢測信號，也具有180deg 的相位差。
角度檢測裝置10除了已經敘述的旋轉體20和磁傳感器30以外， 還具有差動運算電路41、 42和角度計算電路50。差動運算電路41、 42和角度計算電路50的各功能通過安裝在印刷電路基板70上面的IC 芯片(圖中沒有表示)實現。差動運算電路41通過對從一對磁傳感器 30A、 30B輸出的二個檢測信號進行差動運算而計算sin信號。圖6中的符號83表示通過對圖5所示的二個檢測信號81、 82進行差動運算 而得到的sin信號。該sin信號是具有酷似理想的正弦波形的波形形狀 的近似正弦波信號。差動運算電路42通過對從另外一對磁傳感器30C、 30D輸出的二個檢測信號進行差動運算而計算cos信號。該cos信號是 具有酷似理想的正弦波形的波形形狀的近似正弦波信號，相對于sin信 號為90deg的相位差。角度計算電路50基于從差動運算電路41輸出 的sin信號和從差動運算電路42輸出的cos信號來計算旋轉體20的旋 轉角度。
而且,注意到:在進行旋轉體20的角度檢測時, 一對磁傳感器30C、 30D并不是必需的，只需一對磁傳感器30A、30B就可以進行角度檢測。 另外，磁阻效應元件31的自由磁性層的長邊方向沒有特別的限定，但 是，根據本發(fā)明者的實驗，確認了在向著旋轉中心P的方向(旋轉 中心方向)上磁化的時候，能進行特別高精度的角度檢測。這可以認 為是如果自由磁性層的長邊方向被設定為例如直達旋轉中心的方向， 那么磁阻元件31檢測依賴于遍及自由磁性層的整個長邊方向的旋轉角 的平均磁場，從而，與自由磁性層的長邊方向為向著旋轉中心的方向 比較，檢測誤差變大。另外，對于磁阻效應元件，除了GMR元件以外， 還能夠適用MR元件、AMR元件和TMR元件等。
其次，參照圖7，對旋轉體20的平面形狀的計算方法進行說明。
在此，旋轉體20的平面形狀由在XY坐標系中、半橢圓F(Y^0) 和半橢圓函數H (Yi0)結合的形狀而形成，在一個橢圓F是已知的 情況下，考察計算另一個橢圓函數H的情況。
按以下所述來定義橢圓F (x， y)。 (x， y) = (Lcos9， Lsin6) …(1)
x2+y2/a2=r2." (2)
Y^0…(3)
在此，XY坐標系的圓點與旋轉中心P—致，旋轉中心P和橢圓F 上的點之間的距離，如下式所示。
(r2/ (cos2e+sin2e/a2) ) 1/2=L…(4)
因此，通過將(4)式代入(1)式，能夠用e標記橢圓F的坐標。此外，因為橢圓函數H (X， Y)必須滿足以下條件無論通過旋 轉中心P的直線如何、通過旋轉中心P的直線與旋轉體20的外周相交 的兩點間的距離一定，因此，下式成立。
H (X) =X=2r.cose-F (x) …(5)
H (Y) =Y=2r.sin0-F (y) …(6)
在此，F (x) 、 F (y)表示通過旋轉中心P的直線與橢圓F相交 的點的X坐標、Y坐標。g卩，滿足(5)式、(6)式的H、 F以旋轉 中心作為起點且與X軸所成的角度相同。另外，如果通過(5)式、(6) 式定義函數F (不局限于橢圓)，那么可以求出對應的函數H(不局限 于橢圓函數)的坐標。
在此，如果在XY坐標上標記(5)式、(6)式，那么，在&=0.9 的情況下，成為圖8所示的波形(r=l)。但是，根據a的值，例如， 在a=1.5的情況下，成為圖9所示的在X=0處具有凹部的波形，在a=0.5 的情況下，如圖10所示，具有通過在Y>0時取為X=r而改變曲率的 符號的拐點。在此，在如圖9和圖IO所示的情況下，認為在該凹部、 該拐點產生磁場的混亂，檢測輸出可能不穩(wěn)定。因此，優(yōu)選，為如圖8 那樣的不具有凹部、改變曲率的符號的拐點的旋轉體。因而，優(yōu)選的 旋轉體是橢圓(x2+y2/a2=r2)與在0< a <2 (坐標原點在閉合曲線面內的 條件)的范圍內(但不包括fl)不具有凹部、改變曲率的符號的拐點 的橢圓函數的結合體。因此，橢圓F、 H旋轉一周，可以得到具有一個 最大、 一個最小的正弦波。當然，不具有凹部、改變曲率的符號的拐 點的形狀的旋轉體并不局限于橢圓和橢圓函數，可以是各種形狀。
根據本實施例，因為使用通過旋轉體20的旋轉中心P的直線與旋 轉體20的外周相交的兩點間的距離一定的旋轉體20，因而，通過將對 角配置的一對磁傳感器30A、 30B (或者30C、 30D)的檢測信號進行 差動運算而得到的信號為包含旋轉體20的旋轉角度信息的近似正弦波 信號，可以在全角度(Odeg 360deg)范圍內進行檢測誤差小的角度 檢測。同時，因為旋轉體20也可以不安裝在旋轉軸60的端面上，因 而，角度檢測裝置10的安裝的容易性優(yōu)異。
另外，旋轉體20投影在其旋轉平面的形狀具有兩個不同半橢圓結 合的形狀，因而，通過將對角配置的一對磁傳感器30A、 30B (或者30C、 30D)的檢測信號進行差動運算而得到的信號為包含旋轉體20 的旋轉角度信息的近似正弦波信號，因此，能夠進行檢測誤差小的角 度檢測。
實施例2
圖11是表示實施例2所涉及的角度檢測裝置100的大致結構的說 明圖。
角度檢測裝置100具有作為主要結構的固定在旋轉軸60上的旋轉 體20、配置在旋轉體20的外周附近的二個磁傳感器30E、 30F、以及 根據從二個磁傳感器30E、 30F分別輸出的檢測信號而輸出旋轉體20 的旋轉角度的角度計算電路130。為了相互區(qū)分磁傳感器30E、 30F, 方便起見標記不同的符號，但是，實際上，具有與圖1所示的磁傳感 器30相同的結構。磁傳感器30E位于通過旋轉體20的旋轉中心P上 的一點點劃線93上，磁傳感器30F位于通過旋轉中心P上的一點點劃 線94上。二條一點點劃線93、 94相交的角度為90deg。另外，從旋轉 中心P分別到磁傳感器30E、 30F的距離是相同的。因此，二個磁傳感 器30E、 30F以相對于旋轉體20的旋轉中心P為90deg的相位差(機 械角)且距離旋轉中心P等距離地配置。磁傳感器30E檢測與旋轉體 20的外周和磁傳感器30E之間的第一距離的變化相對應的磁場變化， 并輸出具有與正弦波形類似的波形形狀的第一近似正弦波信號，第一 距離隨著旋轉體20的旋轉而發(fā)生周期性變化。磁傳感器30F檢測與旋 轉體20的外周和磁傳感器30F之間的第二距離的變化相對應的磁場變 化，并輸出具有與正弦波形類似的波形形狀的第二近似正弦波信號， 第二距離隨著旋轉體20的旋轉發(fā)生而發(fā)生周期性變化。第一及第二近 似正弦波信號是互相具有90deg的相位差(電氣角)的檢測信號。為 了說明的方便，從磁傳感器30E輸出的檢測信號稱為cos信號，從磁 傳感器30F輸出的檢測信號稱為sin信號。角度計算電路130保持轉換 表131，從轉換表131讀出與從磁傳感器30E、 30F輸出的cos信號及 sin信號相對應的旋轉體20的旋轉角度，并輸出所讀出的旋轉角度。 該轉換表131例如在產品出貨或者在安裝旋轉軸60等之時，通過實施 的校正進行制作。
16在此，對轉換表131的制作方法進行說明。圖12表示實施校正前 的cos信號201及sin信號202。在實施校正前，cos信號201及sin信 號202的振幅及中間值通常相互不一致。因此，分別讀入cos信號201 及sin信號202的一個周期的波形，并分別計算cos信號201及sin信 號202的振幅及中間值。然后，如圖13及圖14所示，以實施校正后 的cos信號201及sin信號202的上限值為VT，下限值為VB，中間值 為(VT+VB) /2的方式，分別調整用于對從磁傳感器30E輸出的cos 信號201進行放大的放大器111的增益及偏移值、和用于對從磁傳感 器30F輸出的sin信號202進行放大的放大器112的增益及偏移值，實 施檢測信號的振幅補正及偏移補正。而且，在圖13及圖14中，虛線 表示實施校正前的信號波形，實線表示實施校正后的信號波形， 一點 點劃線表示偏移補正后的中間值，兩點點劃線表示偏移補正前的中間 值。
實施校正后的cos信號201及sin信號202分別被A/D轉換器121 、 122轉換為數字數據，并向角度計算電路130供給。如圖15及圖16 所示，優(yōu)選，角度計算電路130在一個周期內按一定角度間隔對數字 化的cos信號201及sin信號202進行取樣,將取樣的讀出數據作為cos 信號讀出值152和sin信號讀出值153，保存在轉換表131中(參照圖 17)。例如，為了具有0.2deg的旋轉角度的分辨率，角度精度必須是 O.ldeg以下，因此，在0.1deg以下的角度精度下對cos信號201及sin 信號202進行取樣，并將取樣的讀出數據保存在轉換表131中。而且， 數字化的cos信號201和sin信號202的一個周期的時間可以作為上限 值的間隔(或下限值的間隔)進行計算。另外，可以將cos信號201 取為上限值的時候或者sin信號202取為中間值的時候作為0deg的判 斷基準。
如圖17所示，轉換表131在0deg 360deg的角度范圍內將線性 輸出值151、 cos信號讀出值152和sin信號讀出值153聯系在一起。 如圖19所示，線性輸出值151作為在0deg 360deg的角度范圍內直 線地單調增加的地圖數據而預先制作。例如，在試圖在1.0V 4.0V的 范圍內輸出線性輸出值151的情況下，可以以在0deg時，線性輸出值 151為l.OV，在180deg時，線性輸出值151為2.5V，在359deg時，線性輸出值151為4.0V，且旋轉體20的旋轉角度和線性輸出值151之 間的關系為線形的方式進行制作。另外，線性值151的輸出范圍可以 任意調整，并不局限于上述數值。另外，線性輸出值151也可以制作 為在0deg 360deg的角度范圍內直線地單調減少的地圖數據。
其次，對于使用經過上述步驟制作的轉換表131而求出旋轉體20 的旋轉角度的方法進行說明。從磁傳感器30E、30F輸出的cos信號201 和sin信號202通過放大器111 、 112而實施振幅調整及偏移補正，還 通過A/D轉換器121、 122以一定角度間隔進行取樣，并向角度計算電 路130供給。角度計算電路130從轉換表131檢索與己讀出的cos信號 201的取樣數據一致的cos信號讀出值152，并從轉換表131讀出與檢 索的cos信號讀出值152對應的線性輸出值151。另外，角度計算電路 130從轉換表131檢索與已讀出的sin信號202的取樣數據一致的sin 信號讀出值153，并從轉換表131讀出與檢索的sin信號讀出值153對 應的線性輸出值151。這樣，讀出的線性輸出值151作為表示旋轉體 20的旋轉角度的信號，并通過D/A轉換器140轉換為模擬數據。
此時，如圖18所示，優(yōu)選，角度計算電路130讀出cos信號201 和sin信號202中、相對于其信號波形采用中間值的時候的角度位于 士45deg的角度范圍內的取樣數據。例如，在0deg 45deg的角度范圍 內，因為較之cos信號201， sin信號202的檢測信號的振幅變化量大， 因此，讀入sin信號202的取樣數據。在45deg 135deg的角度范圍內， 較之sin信號202， cos信號201的檢測信號的振幅變化量大，因此， 讀入cos信號201的取樣數據。在135deg 225deg的角度范圍內，較 之cos信號201， sin信號202的檢測信號的振幅變化量大，因此，讀 入sin信號202的取樣數據。這樣，較之振幅變化量小的信號波形的峰 附近的取樣數據，通過讀出振幅變化量大的中間值附近的取樣數據， 能夠抑制檢測誤差的偏差，并且提高耐噪音性。
另外，實施例2所涉及的角度檢測方法，因為也能適用于實施例l 的角度檢測裝置10，因此，對其原理進行簡單地說明。例如，在圖1 中，通過差動運算電路41對來自磁傳感器30A、 30B的檢測信號進行 差動運算而得到的sin信號和通過差動運算電路42對來自磁傳感器 30C、 30D輸出的檢測信號進行差動運算而得到的cos信號具有90deg的相位差(電氣角)。如果在角度計算電路50中預先安裝與上述轉換 表131相同的轉換表，那么角度計算電路50能夠對從差動運算電路41、 42輸出的sin信號及cos信號進行取樣然后讀出，并從轉換表檢索與讀 出的取樣數據對應的旋轉體20的旋轉角度，輸出檢索的旋轉角度。在 此，優(yōu)選，讀出從差動運算電路41、 42輸出的cos信號和sin信號中、 相對于其信號波形采用中間值的時候的角度位于i45deg的角度范圍內 的取樣數據。
產業(yè)上的可利用性
本發(fā)明，能夠在用于計算各種技術領域中的驅動裝置中所使用的 旋轉軸的旋轉角度的裝置及方法中進行利用。
權利要求
1.一種角度檢測裝置，其特征在于，具有旋轉體，固定在旋轉軸上，通過所述旋轉體的旋轉中心的直線與所述旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定；第一磁傳感器和第二磁傳感器，對角配置在所述旋轉體的外周附近，所述第一磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第一磁傳感器之間的第一距離的變化相對應的磁場變化，并輸出第一檢測信號，該第一距離隨著所述旋轉體的旋轉而發(fā)生周期性變化；所述第二磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第二磁傳感器之間的第二距離的變化相對應的磁場變化，并輸出第二檢測信號，該第二距離隨著所述第一距離的變化而發(fā)生互補性變化；差動運算單元，對所述第一檢測信號和所述第二檢測信號進行差動運算；角度計算單元，根據所述差動運算單元進行差動運算的結果，計算所述旋轉軸的旋轉角度。
2. 如權利要求1所述的角度檢測裝置，其特征在于， 所述旋轉體投影在其旋轉平面上的形狀具有兩個不同的半橢圓結合的形狀。
3. 如權利要求1或者2所述的角度檢測裝置，其特征在于， 所述旋轉體由鐵磁性材質形成，所述第一磁傳感器具有第一磁鐵，使所述旋轉體的外周與所述 第一磁傳感器之間產生磁場；以及第一磁阻效應元件，根據隨著所述 第一距離的變化而變化的磁場而輸出所述第一檢測信號；所述第二磁傳感器具有第二磁鐵，使所述旋轉體的外周與所述 第二磁傳感器之間產生磁場；以及第二磁阻效應元件，根據隨著所述 第二距離的變化而變化的磁場而輸出所述第二檢測信號。
4. 如權利要求3所述的角度檢測裝置，其特征在于， 所述第一磁阻效應元件具有在所述旋轉體的旋轉中心的方向上設定長邊方向的第一自由磁性層，所述第二磁阻效應元件具有在所述旋轉體的旋轉中心的方向上設 定長邊方向的第二自由磁性層。
5. —種角度檢測方法，使用第一磁傳感器和第二磁傳感器，檢測 所述旋轉軸的旋轉角度，該第一及第二磁傳感器對角配置在固定在旋 轉軸上的旋轉體的外周附近，其特征在于，所述角度檢測方法具有使所述旋轉體與所述旋轉軸一起旋轉的步驟，其中，通過所述旋 轉體的旋轉中心的直線與所述旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定；從所述第一磁傳感器輸出第一檢測信號的步驟，其中，所述第一 磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第一磁傳感器之間的第一距 離的變化相對應的磁場變化，該第一距離隨著所述旋轉體的旋轉而發(fā) 生周期性變化；從所述第二磁傳感器輸出第二檢測信號的步驟，其中，所述第二 磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第二磁傳感器之間的第二距 離的變化相對應的磁場變化，該第二距離隨著所述第一距離的變化而 發(fā)生互補性變化，-對所述第一檢測信號和所述第二檢測信號進行差動運算的步驟；以及根據所述差動運算的結果而計算所述旋轉軸的旋轉角度的步驟。
6. 如權利要求5所述的角度檢測方法，其特征在于， 所述旋轉體投影在其旋轉平面上的形狀具有兩個不同的半橢圓結合的形狀。
7. 如權利要求5或者6所述的角度檢測方法，其特征在于， 所述旋轉體由鐵磁性材質形成，所述第一磁傳感器具有第一磁鐵，使所述旋轉體的外周與所述 第一磁傳感器之間產生磁場；以及第一磁阻效應元件，根據隨著所述 第一距離的變化而變化的磁場而輸出所述第一檢測信號；所述第二磁傳感器具有第二磁鐵，使所述旋轉體的外周和所述 第二磁傳感器之間產生磁場；以及第二磁阻效應元件，根據隨著所述 第二距離的變化而變化的磁場而輸出所述第二檢測信號。
8. 如權利要求7所述的角度檢測方法，其特征在于， 所述第一磁阻效應元件具有在所述旋轉體的旋轉中心的方向上設定長邊方向的第一自由磁性層，所述第二磁阻效應元件具有在所述旋轉體的旋轉中心的方向上設 定長邊方向的第二自由磁性層。
9. 一種角度檢測裝置，其特征在于， 具有旋轉體，固定在旋轉軸上，通過所述旋轉體的旋轉中心的直線與 所述旋轉體的外周相交的兩點間的距離一定；第一磁傳感器和第二磁傳感器，以相對于所述旋轉體的旋轉中心 為90deg的相位差且距離所述旋轉中心等距離地配置，所述第一磁傳 感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第一磁傳感器之間的第一距離的 變化相對應的磁場變化，并輸出第一檢測信號，該第一距離隨著所述 旋轉體的旋轉而發(fā)生周期性變化；所述第二磁傳感器檢測與所述旋轉 體的外周和所述第二磁傳感器之間的第二距離的變化相對應的磁場變 化，并輸出第二檢測信號，該第二距離隨著所述旋轉體的旋轉而發(fā)生 周期性變化；轉換表，保存與所述第一及第二檢測信號對應的所述旋轉軸的旋 轉角度；以及角度計算單元，將從所述第一及第二磁傳感器輸出的所述第一及 第二檢測信號與所述轉換表進行比較，輸出所述旋轉體的旋轉角度。
10. 如權利要求9所述的角度檢測裝置，其特征在于，所述第一及第二檢測信號，是近似正弦波信號，所述角度計算單元將所述第一及第二檢測信號中、相對于其檢測信號采用中間值的角度位于i45deg的角度范圍內的檢測信號，和所述 轉換表進行比較，輸出所述旋轉體的旋轉角度。
11. 一種角度檢測方法，使用第一磁傳感器和第二磁傳感器，檢 測所述旋轉軸的旋轉角度，該第一及第二磁傳感器以相對于固定在旋 轉軸上的旋轉體的旋轉中心為90deg的相位差且距離所述旋轉中心等 距離地配置，其特征在于，所述角度檢測方法具有使所述旋轉體與所述旋轉軸一起旋轉的步驟，其中，通過所述旋 轉體的旋轉中心的直線與所述旋轉體的外周相交的兩點間的距離一 定；從所述第一磁傳感器輸出第一檢測信號的步驟，其中，所述第一 磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第一磁傳感器之間的第一距 離的變化相對應的磁場變化，該第一距離隨著所述旋轉體的旋轉而發(fā) 生周期性變化；從所述第二磁傳感器輸出第二檢測信號的步驟，其中，所述第二 磁傳感器檢測與所述旋轉體的外周和所述第二磁傳感器之間的第二距 離的變化相對應的磁場變化，該第二距離隨著所述旋轉體的旋轉而發(fā) 生周期性變化；以及將保存與所述第一及第二檢測信號對應的所述旋轉軸的旋轉角度 的轉換表，與從所述第一及第二磁傳感器輸出的所述第一及第二檢測 信號進行比較，輸出所述旋轉體的旋轉角度的步驟。
12. 如權利要求ll所述的角度檢測方法，其特征在于， 所述第一及第二檢測信號是近似正弦波信號， 所述輸出旋轉角度的步驟為，將所述第一及第二檢測信號中、相對于其檢測信號采用中間值的角度位于士45deg的角度范圍內的檢測信 號與所述轉換表進行比較，輸出所述旋轉體的旋轉角度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種對檢測角度沒有限制的角度檢測裝置及角度檢測方法。角度檢測裝置(10)具有固定在旋轉軸(60)上的旋轉體(20)；以輸出包含旋轉體(20)的旋轉角度信息的第一檢測信號和第二檢測信號的方式對角配置的一對磁傳感器(30A、30B)；對第一檢測信號和第二檢測信號進行差動運算的差動運算電路(41)；以及根據差動運算電路(41)進行差動運算的結果，計算旋轉軸(60)的旋轉角度的角度計算電路(50)。在此，通過旋轉體(20)的旋轉中心(P)的直線與旋轉體(20)的外周相交的兩點間的距離一定。
文檔編號G01B7/30GK101629802SQ20091015947
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月14日 優(yōu)先權日2008年7月14日
發(fā)明者宮本寬和, 木戶利尚, 海田佳生 申請人:Tdk株式會社