CN101253389A - 转动角检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种转动角检测装置使用非常简单配置实现于0°～360°的转动角的转动角检测。这种转动角检测装置包含：安装在旋转轴11一个端面上的旋转磁铁12；安装在与旋转磁铁12相对的基板13上而没有接触的四极辅助磁铁14；和安装在基板13的相反侧面上的磁传感器15。四极辅助磁铁14把在配置磁传感器15的区域内由旋转磁铁12提供的一个0°～360°旋转磁场转换成另一个0°～180°旋转磁场。

Description

转动角检测装置
技术领域
本发明涉及转动角检测装置，该装置用装有桥式连接的磁阻效应元件(在下文称之为“MR元件”)的磁传感器来检测检测物转动角。
背景技术
大家知道采用MR传感器、非接触类型的转动角检测装置是正如例如专利文件1所公开的那样用来检测成为检测物的旋转轴的转动角。
关于这一点，下面参阅图9和10将描述这种类型的常规转动角检测装置。
如图9所举例说明的那样，转动角检测装置包括：旋转磁铁102，旋转磁铁102安装在成为检测物的旋转轴101上并且随旋转轴101而转动；和磁传感器103，磁传感器103放在旋转磁铁102附近的适当位置上，而不与旋转轴101接触。
磁传感器103包括一对传感器单元121和122，如图10等等所举例说明的那样，每个传感器单元分别装有桥式连接的四个MR元件111。使传感器单元121和122的各个传感器单元成形的四个MR元件111中的各个MR元件各自具有为其物理属性的磁各向异性。也就是说，此MR元件111提供与在磁场中沿着与易磁化轴垂直的不易磁化轴的电阻值不同的在磁场中沿着易磁化轴的电阻值。
使传感器单元121或122成形的四个MR元件111是以其易磁化轴相互之间相对变位成90°角的方式配置的。另外，传感器单元121中的每个MR元件111和传感器122中的每个MR元件111是以其易磁化轴相互之间相对倾斜成45°角的方式配置的。把磁传感器103放置在基板104上旋转磁铁102的均匀磁场内。
在这样的转角检测装置中，当旋转轴101转动时，安装在旋转轴101上的旋转磁铁102相应地转动，由此提供在磁传感器103中的旋转磁场。这样就会引起各个MR元件111在电阻上的变化和电流流过电桥以后而具有正弦形状的变化值。因此，磁传感器103输出正弦信号。可以从那样的正弦信号检测旋转轴101的转动角。
然而，由于以上所述的磁传感器103就其特性而言，从一个在正端的易磁化轴到另一个在负端的易磁化轴仅有180°的角度可检测范围，因此以上所述的磁传感器103不可能单一检测0°～360°角度。
对这样的应用来说，在技术上大家知道一种例如通过在磁传感器附近配置一种霍尔元件(如专利文件2所公开的)使用于0°～360°角度的转动角检测能够实现的技术方法(如专利文件2所公开的那样)。
另外，一种使用永磁铁的角传感器在技术上被认为是一种用于在磁传感器中增强磁各向异性的装置(如专利文件3所公开的那样)。
[专利文件1]日本专利公开号(HEI)7-260414
[专利文件2]日本专利公开号(HEI)11-94512
[专利文件3]日本专利公开号(HEI)2003-4480
然而，对专利文件2所公开的装置来说，由于除了磁传感器外还必须设置霍尔元件而且必须提供对霍尔元件、和磁传感器两者的信号处理因此出现会使处理电路复杂化的问题。另外，专利文件3没有公开任何详细有关旋转磁铁转动角的关系式。
发明内容
鉴于以上问题而提供本发明。本发明的目的在于提供一种可以用一种非常简单配置来检测0°～360°旋转的转角检测装置。
根据本发明的转角检测装置包括：安装在检测物上而且和检测物同时转动以产生旋转磁场的旋转磁铁；安置在由旋转磁铁产生的旋转磁场内而用桥式连接的一些磁阻效应元件以其易磁化轴变位45°角的方式配置一些传感器单元的磁传感器；以及安置在磁传感器附近而从在安置磁传感器的区域内由旋转磁铁提供的0°～360°的旋转磁场产生0°～180°的组合旋转磁场的四极辅助磁铁。
在本发明的具体实施方式中，各为磁传感器提供的旋转磁铁磁矩和四极辅助磁铁组合磁矩的幅度大体上是一样的。
四极辅助器磁铁例如是一种与旋转磁铁旋转表面平行配置的环形磁铁。另外，在一种具体实施方式中，四极辅助磁铁是相对于旋转磁铁旋转轴共轴配置的；而且磁传感器是配置在四极辅助磁铁的均匀磁场内。进一步，在另一种实施方式中，把四极磁铁配置在相对于旋转轴偏移的位置并且在与旋转磁铁旋转表面相同的表面上；而且把磁传感器安置在四极磁铁的均匀磁场内。
发明的优点
根据本发明，由于在磁传感器附近设置四极辅助磁铁，因此四极辅助磁铁组合磁矩和从旋转磁铁所得到的磁矩之间的组合磁矩可用来把旋转磁铁提供的一些0°～360°转动转换成一些0°～180°转动。对检测物来说，这就使用于在磁传感器处一些0°和180°之间转动角的检测值能够以用于0°和360°之间转动角的检测值的形式获得。
根据本发明，可以使用用于信号处理的常规电路，而在只增添额外的四极辅助磁铁期间没有变化。
附图说明
图1是举例说明根据本发明第一实施例的转动角检测装置的构造的侧视图；
图2是图1装置的简化平面图；
图3是举例说明图1装置电路配置的方框图；
图4是用于举例说明检测图1装置转动角的基本原理的矢量图；
图5是用于举例说明图1装置运作的侧视图和平面图；
图6是用于举例说明图1装置运作的矢量图；
图7是举例说明根据本发明第二实施例的转动角检测装置构造的侧视图；
图8是用于举例说明图7装置运作的侧视图和平面图；
图9是举例说明常规转动角检测装置构造的侧视图；和
图10是举例说明磁传感器的元件的电路图。
符号说明
11、31、101：旋转轴
12、32、102：旋转磁铁
13、33、104：基板
14、34：四极辅助磁铁
15、35、103：磁传感器
111：磁阻(MR)效应器件
121、122：传感器单元
具体实施方式
现在下面将参照附图描述本发明的实施方式。
(第一实施例)图1是举例说明根据本发明第一实施例的转动角检测装置构造的侧视图；而图2是该装置的平面图。该转动角检测装置包括：旋转磁铁12，旋转磁铁12安装在成为检测物的旋转轴11的一个端面上；四极辅助磁铁14，四极辅助磁铁14安装在与旋转磁铁12相对的基板13上而不接触；和磁传感器15，磁传感器15安装在基板13的相反侧面上。
检测物是发动机或诸如此类的旋转轴11。在这样的第一实施例中，可以把旋转轴11的轴端面用作检测物。具有直角平行六面体形状的旋转磁铁12是具有其在其长度方向上的两末端处构成的磁极的两极永磁铁。四极辅助磁铁14是相对于旋转轴11共轴安置的环形磁铁。另外，在图2中，使四极辅助磁铁14磁化，以便形成在相对于水平中心线+45°和-45°的方向上的磁矩。与图10中磁传感器类似的磁传感器15安装在相对于旋转中心移动的位置上以致将使磁传感器15安置在由旋转磁铁12和四极辅助磁铁14产生的均匀磁场内。
图3举例说明与磁传感器15连接的信号处理电路。从磁传感器15的各个输出终端D、E、B和G输出的各个所检测信号在A/D转换电路21-24上进行A/D转换，而然后输入到CPU 25。然后，CPU 25根据存储在EEPROM 26的程序执行一定的信号处理并且计算转动角检测数据。最后，把所检测的数据在D/A转换电路27上转换成模拟信号并且以转动角检测信号V0形式输出。
其次，将根据第一实施例描述在如此配置的角度检测装置中检测的基本原理。
图4举例说明在数值Mr、Mh、M、Q和α之间的关系，其中x轴代表图2中的水平方向；y轴代表垂直方向；Mr表示旋转磁铁12的磁矩；Mh表示四极辅助磁铁14的组合磁矩；M表示Mr和Mh的组合磁矩；以及“θ”和α分别表示各个磁矩Mr和Mh的转动角。在这些数值之间，得出下面关系式：
Mcosα＝Mh+Mrcosθ                  (1)
Msinα＝Mrsinθ                     (2)
假如Mr＝Mh，则公式(1)为下列式：
Mcosα＝Mr(1+cosθ)
      ＝Mr{(2cos(θ/2)*cos(-θ/2)}  (3)
同样，公式(2)为下列式：
Msinα＝Mr{(2sin(θ/2)*cos(-θ/2)}  (4)
然后，(4)/(3)的结果为下列式：
tanα＝sin(θ/2)/cos(θ/2)
     ＝tan(θ/2)                    (5)
因而，得出α＝θ/2。也就是说，如果旋转磁铁12的磁矩Mr等于四极辅助磁铁14的组合磁矩Mh，则组合磁矩M的转动角α将刚好为旋转磁铁12的转动角θ的一半，而且对旋转磁铁12构成的0°～360°旋转来说，组合磁矩M将在0°～180°范围内变化。
图5(a)～5(d)举例说明在旋转磁铁12序贯地转动到0°、90°、180°和270°时这些在组合磁矩M方面影响磁传感器15的变化，在这些附图中各个角度相当于旋转磁铁12的转动角θ。
使四极辅助磁铁14的组合磁矩Mh固定到0°上。因此，当旋转磁铁12的转动角θ在0°、90°和270°(-90°)之间变化时，组合磁矩M也在0°、45°和-45°之间变化。然而，当θ等于180°时，M＝0。因此，如图6所举例说明的那样，对旋转磁铁12的0°～360°转动来说，组合磁矩M将在0°～180°范围内从0°到90°和从-90°到0°变化。所以，通过用磁传感器15检测这些变化，可以在0°～360°范围内检测在旋转轴11转动角方面的一些变化。
下一步，下面将描述用于获得Mh＝Mr的校准步骤。
(步骤1)首先，以其基准轴变成0°角这样的方式配置磁传感器15和四极辅助磁铁14。为此目的，执行后面的步骤1a和1b。
(步骤1a)把磁传感器15和信号处理电路配置在基板13下表面内明显的位置上以使基板13和磁传感器15的基准轴之间的角度为0°。
(步骤1b)一面用示波器或诸如此类监视来自信号处理电路的输出信号V0一面校准偏移。然后，把四极辅助磁铁14配置在基板13上表面内明显的位置上(在旋转磁铁12侧)以使输出信号V0随着用数字通用测量仪器读出而成为显示0°的数值。
(步骤2)下一步，以其磁矩Mh和Mr为互相正交这样的方式配置旋转磁铁12和四极辅助磁铁14(结果是具有如图5(b)所举例说明的关系)。为此目的，执行下面的步骤2a和2b。
(步骤2a)根据在步骤1的测定的0°而且类似于步骤1b，设置旋转磁铁12以使来自信号处理电路的输出信号V0随着用数字通用测量仪器读出而成为显示0°的数值。这个位置被认为是旋转磁铁12的基准位置0°。
(步骤2b)为了使旋转磁铁12相对于在步骤2a确定的旋转磁铁12基准位置0°转动90°而使用例如独立编码器(例如Nikon公司制造的MAR-M30或其同等物)。这种编码器具有131072(＝217)脉冲/转动一圈的分辨率(每个脉冲的角度＝0.0027°)。因此，以使旋转磁铁12在90.00°±0.01°范围内具有至少0.01°准确度的这样方式排列取向是可以实现的。
(步骤3)根据在步骤2时确定的旋转磁铁12位置而且类似于步骤2a，一面由示波器监视来自信号处理电路的输出信号V0一面由数字通用测量仪器读出来自信号处理电路的输出信号V0。然后，从读出值减去用于上述0°的读出值而得到补偿角度值(α)。
按次序，CPU 25确定来自磁传感器15的输出是否显示α＝45°，也就是Mr＝Mh。如果Mr＝Mh，则结束校准过程。如果Mr≠Mh，即α≠45°，则产生下列关系式。
Mr＝tanα*Mh                             (6)
简言之，产生下列关系式
Mh*tanα＝Mr。
在式中，tanα称之为“补偿系数”。
(第二实施例)图7是举例说明根据本发明第二实施例的转动角检测装置的构造的侧视图。这个实施例适用于因为从辅助电动机轴转动角检测车辆转向角而所以像这些轴端面不可以应用的情况。
成为检测物的旋转轴31装有环形旋转磁铁32。把环形四极辅助磁铁34安装在基板33上，基板33放置在和旋转磁铁32旋转表面一样的表面上。另外，把磁传感器35安装在基板33的背表面上。把类似于图10中的磁传感器的磁传感器15安装在相对于四极辅助磁铁34的中心偏移的位置上以使磁传感器35放置在四极辅助磁铁34产生的均匀磁场内。
另外，在本实施例中，并且如图8(a)～8(d)所举例说明的那样，对由旋转磁铁32提供的0°～360°转动来说，组合磁矩将在0°～180°范围内从0°到90°和从-90°到0°变化。所以，通过用磁传感器35检测这些变化，可以在0°～360°范围内检测在旋转轴31转动角方面的一些变化。
虽然在以上描述中环形永磁铁已用作四极辅助磁铁，但四极辅助磁铁不一定局限于具有环形形状。例如，椭园形磁铁可以用于四极辅助磁铁。在这样的情况中，可以在短轴或长轴的对称方向上完成四极磁化。

Claims (5)

1、一种转动角检测装置，包括：
装在检测物上而且和检测物同时转动以产生旋转磁场的旋转磁铁；
安置在由旋转磁铁产生的旋转磁场内而用桥式连接的磁阻效应元件以其易磁化轴位移45°角的方式配置传感器单元的磁传感器；以及
安置在磁传感器附近而从在安置磁传感器的区域内由旋转磁铁提供的0°～360°的旋转磁场产生0°～180°组合旋转磁场的四极辅助磁铁。
2、根据权利要求1的转动角检测装置，其中，各为磁传感器提供的旋转磁铁磁矩和四极辅助磁铁组合磁矩的大小实际上是一样的。
3、根据权利要求1的转动角检测装置，其中，四极辅助磁铁是一种与旋转磁铁旋转表面平行放置的环形磁铁。
4、根据权利要求3的转动角检测装置，其中，四极辅助磁铁是相对于旋转磁铁旋转轴共轴配置的；以及
磁传感器是配置在四极辅助磁铁的均匀磁场内。
5、根据权利要求3的转动角检测装置，其中，把四极磁铁配置在和旋转磁铁旋转表面相同的表面上并且在相对于旋转轴偏移的位置上，以及
把磁传感器安置在四极磁铁的均匀磁场内。
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