CN101644561A

CN101644561A - 角度检测装置和角度检测方法

Info

Publication number: CN101644561A
Application number: CN200910165568A
Authority: CN
Inventors: 海田佳生; 宫本宽和; 木户利尚; 福田纯也
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20100026282A1; JP5105201B2; CN101644561B; US8258782B2; JP2010054495A

Abstract

本发明提出一种对检测角度没有限制的角度检测装置及角度检测方法。角度检测装置(10)具有固定在旋转轴(60)上的旋转体(20)、相对于旋转体(20)的旋转中心(P)以(π/2)的角度差配置在旋转体(20)的外周附近的一对磁传感器(30A、30B)、对从磁传感器(30A、30B)输出的检测信号进行差动运算并输出差动信号的差动运算电路(41)、和基于差动信号计算旋转轴(60)的旋转角度的角度计算电路(50)。旋转体(20)的平面形状为：以交角(π/2)在旋转中心(P)相交的两直线与旋转体(20)的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转中心(P)之间的各自距离(L1，L2)之和(L1+L2)一定，而且，关于通过旋转中心(P)的直线(94)对称。

Description

角度检测装置和角度检测方法

技术领域

本发明涉及用于计算旋转轴的旋转角度的角度检测装置以及角度检测方法。

背景技术

日本特开2001-91208号公报中提出一种旋转角检测装置以作为检测节流阀等被检测物的旋转角的机构，其具有使磁铁和磁轭之间产生磁场且配置在该磁场中的磁检测元件的位置偏离转子的旋转中心的结构。如果磁检测元件的位置偏离转子的旋转中心，那么与磁检测元件互连的磁通角和转子的旋转角之间的关系发生变化。通过利用这个变化，可以在宽范围内任意设定相对于旋转角的磁检测元件的输出特性，并能提高旋转角的检测特性。

专利文献1：日本特开2001-91208号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，上述的旋转角检测装置具有以下缺点：对检测角度有一定的限制(参考专利文献1图8(b))。

因此，本发明以提出对检测角度没有限制的角度检测装置及角度检测方法作为课题。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明所涉及的角度检测装置具有：旋转体，固定在旋转轴上，在将旋转体的旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，对于2以上的任意整数n，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称；第一磁传感器和第二磁传感器，相对于旋转中心以(π/n)的角度差配置在旋转体的外周附近，第一磁传感器检测与旋转体的外周和第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，并输出第一检测信号，该第一距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化，第二磁传感器检测与旋转体外周和第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，并输出第二检测信号，该第二距离随着第一距离的变化而发生互补性变化；差动运算单元，对第一检测信号和第二检测信号进行差动运算，并输出差动信号；以及角度计算单元，根据差动信号计算旋转轴的旋转角度。

根据本发明所涉及的角度检测装置，因为使用这样的旋转体：以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转体的旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称，所以，通过对从相对于旋转体的旋转中心以(π/n)的角度差配置在旋转体的外周附近的第一和第二磁传感器分别输出的第一和第二检测信号进行差动运算而得到的差动信号为包含旋转体的旋转角度信息的近似正弦波信号，可以在全角度(0度～360度)范围内进行检测误差小的角度检测。另外，因为旋转体也可以不安装在旋转轴的端面上，所以，角度检测装置的安装容易性优异。

在此，优选，构成为第一磁传感器与旋转体的旋转中心之间的距离和第二磁传感器与旋转体的旋转中心之间的距离相等。根据这样的结构，因为从第一和第二磁传感器输出的第一和第二检测信号具有充分的对称性，所以，能够使差动信号接近于理想的正弦波。

另外，优选，旋转体投影在其旋转平面的形状具有圆心角为(π/n)的2n个部分椭圆结合的形状。根据这种形状，当旋转体旋转一周的时候，从相对于旋转体的旋转中心以(π/n)的角度差配置在旋转体的外周附近的第一和第二磁传感器分别输出的第一和第二检测信号为取到n个最大值和n个最小值的n个周期的近似正弦波信号，因此，通过对第一和第二检测信号进行差动运算而得到的差动信号成为包含旋转体的旋转角度信息的酷似理想的正弦波形的n个周期的近似正弦波信号。另外，还优选，旋转体投影在其旋转平面的形状没有凹部。这是由于在凹部产生磁场的混乱的可能性高。

在本发明的最佳实施方式中，旋转体由铁磁性材质形成。第一磁传感器具有使旋转体的外周与第一磁传感器之间产生磁场的第一磁铁、和根据随着第一距离的变化而变化的磁场而输出第一检测信号的第一磁阻效应元件。第二磁传感器具有使旋转体的外周与第二磁传感器之间产生磁场的第二磁铁、和根据随着第二距离的变化而变化的磁场而输出第二检测信号的第二磁阻效应元件。根据这种结构，随着旋转体的旋转，旋转体与第一磁传感器之间的第一距离和旋转体与第二磁传感器之间的第二距离发生变化，因为这些变化作为第一和第二磁传感器的电阻值的变化而出现，所以，在第一和第二检测信号中包含着与旋转体的旋转角度相关的信息。

在本发明的最佳实施方式中，第一磁阻效应元件具有在旋转体的旋转中心方向上设定长边方向的第一自由磁性层。第二磁阻效应元件具有在旋转体的旋转中心方向上设定长边方向的第二自由磁性层。通过将自由磁性层的长边方向设定在旋转中心方向上，能够提高角度检测精度。

本发明所涉及的角度检测方法，使用第一和第二磁传感器，检测旋转轴的旋转角度，该第一和第二磁传感器相对于固定在旋转轴上的旋转体的旋转中心，对于2以上的任意整数n，以(π/n)的角度差配置在旋转体的外周附近，该角度检测方法具有：使旋转体旋转的步骤，在将旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称；从第一磁传感器输出第一检测信号的步骤，该第一磁传感器检测与旋转体的外周和第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，该第一距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化；从第二磁传感器输出第二检测信号的步骤，该第二磁传感器检测与旋转体的外周和第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，该第二距离随着第一距离的变化而发生互补性变化；对第一检测信号和第二检测信号进行差动运算并输出差动信号的步骤；以及根据差动信号计算旋转轴的旋转角度的步骤。

根据本发明所涉及的角度检测方法，因为使用这样的旋转体：以交角(π/n)在旋转体的旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转体的旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称，所以，通过对从相对于旋转体的旋转中心以(π/n)的角度差配置在旋转体的外周附近的第一和第二磁传感器分别输出的第一和第二检测信号进行差动运算而得到的差动信号成为包含旋转体的旋转角度信息的近似正弦波信号，可以在全角度(0度～360度)范围内进行检测误差小的角度检测。

基于本发明的其他观点的角度检测装置，具有：旋转体，固定在旋转轴上，在将旋转体的旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，对于2以上的任意整数n，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称的旋转体；第一磁传感器和第二磁传感器，相对于旋转中心以(π/2n)的角度差配置在旋转体的外周附近，第一磁传感器检测与旋转体的外周和第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，并输出第一检测信号，该第一距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化，第二磁传感器检测与旋转体的外周和第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，并输出第二检测信号，该第二距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化；转换表，保存与第一和第二检测信号对应的旋转轴的旋转角度；以及角度计算单元，将从第一和第二磁传感器输出的第一和第二检测信号与转换表进行比较，输出旋转体的旋转角度。

根据本发明所涉及的角度检测装置，因为使用这样的旋转体：在将旋转体的旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，对于2以上的任意整数n，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称，所以，相对于旋转体的旋转中心以(π/2n)的相位差(机械角)且距离旋转中心等距离地配置的第一和第二磁传感器与旋转体的外周之间的距离发生周期性变化。从第一和第二磁传感器输出的第一和第二检测信号包含与旋转体的旋转角度相关的信息，且相互具有90deg的相位差(电气角)，因此通过对第一和第二检测信号进行函数处理，能够求出旋转体的旋转角度。

在本发明的最佳实施方式中，优选，第一和第二检测信号是近似正弦波信号，角度计算单元将第一和第二检测信号中、相对于其检测信号采用中间值的时候的角度位于±22.5deg的角度范围内的检测信号和转换表进行比较，输出旋转体的旋转角度。较之振幅变化量小的信号波形的峰附近的值，通过读出振幅变化量大的中间值附近的值，能够抑制对噪音的影响。

基于本发明的其他观点的角度检测方法，使用第一和第二磁传感器，检测旋转轴的旋转角度，该第一和第二磁传感器相对于固定在旋转轴上的旋转体的旋转中心，对于2以上的任意整数n，以(π/2n)的角度差配置在旋转体外周附近；该角度检测方法具有：使旋转体旋转的步骤，在将旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称；从第一磁传感器输出第一检测信号的步骤，该第一磁传感器检测与旋转体的外周和第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，该第一距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化；从第二磁传感器输出第二检测信号的步骤，该第二磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，该第二距离随着旋转体的旋转而发生周期性变化；将保存与第一和第二检测信号对应的旋转轴的旋转角度的转换表与从第一和第二磁传感器输出的第一和第二检测信号进行比较，输出旋转体的旋转角度的步骤。

根据本发明所涉及的角度检测方法，因为使用这样的旋转体：在将旋转体的旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体的旋转平面上的时候，对于2以上的任意整数n，以交角(π/n)在旋转中心相交的两直线与旋转体的外周相交的两点分别和旋转中心之间的各自距离之和一定，并且，旋转体投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称，所以，相对于旋转体的旋转中心以(π/2n)的相位差(机械角)且距离旋转中心等距离地配置的第一和第二磁传感器与旋转体的外周之间的距离发生周期性变化。从第一和第二磁传感器输出的第一和第二检测信号包含与旋转体的旋转角度相关的信息，且相互具有90deg的相位差(电气角)，因此，通过对第一和第二检测信号进行函数处理，能够求出旋转体的旋转角度。

发明的效果

根据本发明，能够提供对检测角度没有限制的角度检测装置和角度检测方法。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的角度检测装置的大致结构的说明图。

图2是表示本实施方式所涉及的角度检测装置的系统结构的说明图。

图3是表示磁阻效应元件的输出特性的图。

图4是表示相对于旋转体的旋转角度的磁通密度的变化的图。

图5是表示从一对磁传感器输出的两个检测信号的图。

图6是表示对从一对磁传感器输出的二个检测信号进行差动运算而得到的差动信号的图。

图7是表示旋转体的平面形状的计算方法的说明图。

图8是表示旋转体的平面形状的计算方法的说明图。

图9是a＝0.9的时候的椭圆函数H(X，Y)的图。

图10是a＝1.5的时候的椭圆函数H(X，Y)的图。

图11是a＝a＝0.5的时候的椭圆函数H(X，Y)的图。

图12是表示实施例2所涉及的角度检测装置的大致结构的说明图。

图13是表示实施校正前的cos信号及sin信号的图。

图14是表示cos信号的振幅补正及偏移补正的说明图。

图15是表示sin信号的振幅补正及偏移补正的说明图。

图16是表示cos信号的数字采样的说明图。

图17是表示sin信号的数字采样的说明图。

图18是转换表的说明图。

图19是表示cos信号及sin信号的读入范围的说明图。

图20是线性输出值的图表。

符号的说明

10...角度检测装置 20...旋转体 30...磁传感器 31...磁阻效应元件32...磁轭 33...磁铁 41，42...差动运算电路 50...角度计算电路 60...旋转轴

具体实施方式

以下，参照各图对本发明所涉及的实施例进行说明。在各实施例中，相同符号表示相同部件，省略重复的说明。

实施例1

图1是表示本实施方式所涉及的角度检测装置10的大致结构的说明图。

角度检测装置10具有作为主要结构的固定在旋转轴60上的旋转体(转子)20、配置在旋转体20的外周附近的磁传感器30。旋转体20是由铁磁性材质(例如，铁、钴、镍等)形成的转子。旋转轴60是受到来自动力发生源等的驱动力而旋转驱动的旋转轴(例如，车辆的传动轴或电动机的驱动轴等)，其轴心方向是Z方向。如果旋转轴60旋转，那么旋转体20在XY平面内旋转。

磁传感器30具有作为主要结构的作为用于产生外部磁场的磁场产生机构而起作用的磁铁33和将该外部磁场的变化作为电压变化进行检测的磁阻效应元件31。磁阻效应元件31可以是半桥结构，或者也可以是全桥结构。作为磁传感器30的安装方式，优选，以磁阻效应元件31位于通过磁铁33的中心点的沿Z方向的直线上的方式，在印刷电路基板70的表面上配置磁阻效应元件31，在同基板70的背面配置磁铁33。另外，为了高效地对从磁铁33产生的外部磁场进行集磁，优选，在磁铁33的两极配置磁轭32。

磁阻效应元件31具有磁化方向设定在特定的方向上且构成为磁化状态(例如，磁化方向和磁化的强度)不受外部磁场的位移影响的被钉扎磁性层(pinned layer)(图中没有表示)、和根据外部磁场的变化而磁化状态发生位移的自由磁性层(free layer)(图中没有表示)。如果旋转体20与旋转轴60的旋转一起进行旋转，那么旋转体20的外周和磁阻效应元件31之间的间隙G的间隔发生周期性变化。如果间隙G的间隔发生变化，那么从配置在磁阻效应元件31的背面的磁铁33经过磁阻效应元件31而引到旋转体20上的磁通密度发生变化。这样，因为磁阻效应元件31内的自由磁性层的磁化状态发生变动，所以，磁化状态没有变动的被钉扎磁性层的磁化状态和磁化状态发生变动的自由磁性层之间产生磁化状态的位移差。该磁化状态的位移差是反映旋转体20的旋转角度的物理量，具体而言，表现为磁阻效应元件31的电阻值的变化。从印刷电路基板70向磁阻效应元件31供给偏置电流，磁阻效应元件31的电阻值的变化作为输出电压的变化而被检测。磁阻效应元件31的输出电压作为表示旋转体20的旋转角度的检测信号而被信号处理。

而且，如图3所示，优选，以磁阻效应元件31在通过磁阻效应元件31的磁通密度和磁阻效应元件31的输出电压之间的关系为线形的区域A或区域B中进行动作的方式，设计外部磁场的强度和间隙G的平均间隔等。在此情况下，对应于间隙G的距离，磁传感器的输出具有线性。另外，优选，旋转体20和磁传感器30的沿推力方向(轴心方向)的位置关系是包括由旋转体20的旋转而造成的芯移动等带来的偏离且旋转体20不从磁阻效应元件31偏离的位置关系。例如，如果安装误差为±0.5mm，芯移动为±0.5mm，磁阻效应元件31的厚度为0.5mm，那么，优选，旋转体20的厚度为3.0mm以上。

图2是表示角度检测装置10的系统结构的说明图。

在将旋转体20的旋转中心P作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在旋转体20的旋转平面上的时候，旋转体20投影在该旋转平面(XY平面)上的形状(以下，称为平面形状)为满足以下条件的形状：以交角

在旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转中心P之间的各自距离(L1，L2)的和(L1+L2)一定，并且旋转体20的平面形状关于Y＝X对称(在此，L1是线段PQ1的线段长，L2线段是PQ2的线段长)。满足这些条件的旋转体20的平面形状具有圆心角为(π/2)的4个部分椭圆结合的形状，如果旋转体20旋转一周，那么可以得到2个周期的近似正弦波的检测信号。如果根据旋转体20的平面形状关于Y＝X对称这个条件、以及在旋转体20旋转一周的时候得到2个周期的检测信号这个条件，那么想请注意以下方面：4个部分椭圆的椭圆率全部存在2种。

而且，优选，旋转体20的平面形状没有凹部。这是由于在凹部产生磁场的混乱的可能性高且不适合高精度的角度检测。

在旋转体20的外周附近，相对于旋转中心P以(π/2)的角度差配置有一对磁传感器30A、30B，并且，相对于旋转中心P以(π/2)的角度差配置有另外一对磁传感器30C、30D。连接磁传感器30A和旋转中心P的直线91与连接磁传感器30B和旋转中心P的直线92正交，连接磁传感器30C和旋转中心P的直线93与连接磁传感器30D和旋转中心P的直线94正交。另外，邻接的磁传感器30A、30C相对于旋转中心P以(π/4)的角度差配置，邻接的磁传感器30B、30D相对于旋转中心P以(π/4)的角度差配置。这样，各个磁传感器30A、30C、30B、30D相对于旋转中心P以(π/4)的角度差固定，即使旋转体20旋转，旋转中心P和各个磁传感器30A、30C、30B、30D之间的距离也一直保持一定。

而且，为了相互区分图2所示的磁传感器30A、30B、30C、30D，方便起见标记不同的符号，但是，实际上，与图1所示的磁传感器30具有相同的结构。因此，在不需要区分这些磁传感器30A、30B、30C、30D的情况下，只统称为磁传感器30。

此外，如图4所示，如果旋转体20旋转半周，那么在表示通过磁传感器30的外部磁场的磁通密度的变化的波形上，出现1个周期的变化。如果以通过其旋转中心P的线段将旋转体20分割为一半，那么因为该一半的分割体具有由椭圆率不相同的圆心角为(π/2)的2个部分椭圆结合的形状，所以，图4所示的磁通密度波形不是严格意义上的正弦波形，是类似于正弦波形的波形。如上所述，因为通过磁阻效应元件31的磁通密度和磁阻效应元件31的输出电压之间的关系是线形，所以，从磁传感器30输出的检测信号具有类似于正弦波的波形。因为旋转体20的平面形状是以交角

在旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转中心P之间的各自距离(L1，L2)的和(L1+L2)一定的形状，所以，如果相对于旋转中心P以(π/2)角度差配置的一对磁传感器30A、30B中的一个磁传感器30A和旋转体20的外周之间的第一距离发生变化，那么另一个磁传感器30B和旋转体20的外周之间的第二距离随着第一距离的变化而发生互补性变化。即，如果第一距离变短，那么第二距离只伸长该变短的距离。因此，如图5所示，磁传感器30A，30B的检测信号具有90度的相位差。在图5中，符号81表示磁传感器30A的检测信号，符号82表示磁传感器30B的检测信号。而且，相对于旋转中心P以(π/2)的角度差配置的另外一对磁传感器30C、30D的检测信号同样也具有90度的相位差。符号83表示磁传感器30C的检测信号，符号84表示磁传感器30D的检测信号。

角度检测装置10除了上述的旋转体20和磁传感器30之外，还具有差动运算电路41、42和角度计算电路50。差动运算电路41、42和角度计算电路50的各功能通过安装在印刷电路基板70上的IC芯片(图中没有表示)来实现。差动运算电路41通过对从一对磁传感器30A、30B输出的二个检测信号进行差动运算，计算sin信号(差动信号)。图6中的符号85表示通过对图5所示的二个检测信号81、82进行差动运算而得到的sin信号。该sin信号是具有酷似于理想的正弦波形的波形形状的近似正弦波信号。差动运算电路42通过对从另外一对磁传感器30C、30D输出的二个检测信号进行差动运算，计算cos信号(差动信号)。该cos信号是具有酷似于理想的正弦波形的波形形状的近似正弦波信号，且相对于sin信号具有45度的相位差。角度计算电路50根据从差动运算电路41输出的sin信号和从差动运算电路42输出的cos信号而计算旋转体20的旋转角度。

而且，想请注意以下方面：在进行旋转体20的角度检测时，一对磁传感器30C、30D并不是必需的，只需一对磁传感器30A、30B就可以进行角度检测。另外，磁阻效应元件31的自由磁性层的长边方向没有特别的限定，但是，根据本发明者的实验，确认了：在朝向旋转中心P的方向(旋转中心方向)上磁化的时候，可以得到特别高精度的角度检测。这可以认为是和以下有关：如果自由磁性层的长边方向被设定为例如直达旋转中心的方向，那么磁阻元件31检测依存于遍及自由层的整个长边方向的旋转角的平均磁场，与自由层的长边方向为朝向旋转中心的方向比较，检测误差变大。另外，作为磁阻效应元件31，能够适用GMR元件、MR元件、AMR元件、TMR元件等。

而且，旋转体20的平面形状并不局限于上述的实施方式，也可以满足以下条件：对于2以上的任意整数n，以交角

在旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转中心之间的各自距离(L1，L2)的和(L1+L2)一定，并且，旋转体20的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称。满足这些条件的旋转体20的平面形状具有圆心角为(π/n)的2n个部分椭圆结合的形状，如果旋转体20旋转一周，那么可以得到n个周期的检测信号。在此，如果根据旋转体20的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称这个条件、以及在旋转体20旋转一周的时候得到n个周期的检测信号这个条件，那么想请注意以下方面：2n个部分椭圆的椭圆率全部存在有n种(具有相同的椭圆率的部分椭圆的组合为n组)。另外，想请理解：为了说明的方便，在图2中，图示了n＝2的情况，但是，n≥3的情况，也可以适用与图2所示的结构类似的结构。

根据本实施方式，因为使用这样的旋转体20：以交角(π/2)在旋转体20的旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转体20的旋转中心P之间的各自距离(L1，L2)的和(L1+L2)一定，并且，旋转体20的平面形状关于Y＝X对称，所以，通过对从相对于旋转体20的旋转中心P以(π/2)的角度差配置在旋转体20的外周附近的一对磁传感器30A、30B(或一对磁传感器30C，30D)输出的检测信号进行差动运算而得到的差动信号成为包含旋转体20的旋转角度信息的近似正弦波信号，可以在全角度(0度～360度)范围内进行检测误差小的角度检测。另外，因为旋转体20也可以不安装在旋转轴60的端面上，所以角度检测装置10的安装容易性优异。

其次，参照图7和图8，对旋转体20的平面形状的计算方法进行说明。

首先，如图7所示，考察通过组合以实线图示的半椭圆f和以虚线图示的半椭圆g而构成的近似椭圆形状的闭合曲线。如果通过原点P的直线与该闭合曲线相交的交点分别为R1、R2，线段PR1的线段长为L3，线段PR2的线段长为L4，半椭圆f和半椭圆g的函数按下式定义，那么，无论通过原点P的直线如何，L3+L4＝一定。

f＝x²+y²/a²＝r²......(1)

g(X)＝X＝2r·cosθ-F(x)......(2)

g(Y)＝Y＝2r·sinθ-F(y)......(3)

在此，a、r是常数(在此，0＜a＜2：坐标原点存在于闭合曲线内的条件；a≠1：不包括圆)。在此，如果在XY坐标上标记(2)式、(3)式，那么在a＝0.9的情况下，为图9所示的波形(r＝1)。在此，根据a的值，例如，在a＝1.5的情况下，如图10所示，为在X＝0处具有凹部的波形，在a＝0.5的情况下，如图11所示，Y＞0时X＝r且具有改变曲率的符号的拐点。在此，在图10、图11那样的情况下，认为在该凹部、该拐点处产生磁场的混乱，存在检测输出不稳定的可能性。因此，优选如图9那样不具有凹部、改变曲率的符号的拐点的旋转体。因而，优选的旋转体是椭圆(x²+y²/a²＝r²)和在0＜a＜2的范围内(在此，不包括a＝1)不具有凹部、改变曲率的符号的拐点的椭圆函数的结合体。

在此，本发明者确认：如果以旋转体20的平面形状与图7所示的近似椭圆形状的闭合曲线一致的方式对旋转体20的平面形状进行加工，在通过旋转体20的旋转中心P的直线上对角配置一对磁传感器，然后使旋转体20旋转，并对从对角配置的一对磁传感器输出的检测信号进行差动运算，那么可以得到近似正弦波状的差动信号(参考日本专利申请2008-182423)。根据本发明者所知，如果将(1)式、(2)式和(3)式中记载的x、y、g(X)、g(Y)标记为x＝r(θ)cosθ、y＝r(θ)sinθ、g(X)＝r(θ)cosθ、g(Y)＝r(θ)sinθ，线段的长度r(θ)为一定，然后将cosθ转换为cos(θ/2)、sinθ转换为sin(θ/2)，得到的椭圆函数分别定义为F、G，那么通过将由椭圆函数F表示的二个部分椭圆和由椭圆函数G表示的二个部分椭圆结合而得到定义旋转体20的平面形状的闭合曲线的函数(参考图8)。

那么，在图8中，对于在旋转体20旋转一周的时候得到2个周期的近似正弦波的检测信号，必须为L1+L2＝2r＝一定且

因此，求出的函数在θ＝0、π/2、π、3π/2的时候，与半径为r的圆相交。因此，求出的函数需要以θ＝π/4基准而对称。

如果如上所述定义椭圆函数F，那么下式成立。

F(X)＝X＝r(θ)cos(θ/2)......(4)

F(Y)＝Y＝r(θ)sin(θ/2)......(5)

如果使用加法定理来整理(4)式及(5)式，那么下式成立。

F(X)＝X＝r(θ)cos(θ/2)

＝r(θ)cos(θ-θ/2)

＝r(θ)(cosθcos(θ/2)+sinθsin(θ/2)

＝X cosθ+Y sinθ......(6)

F(Y)＝Y＝r(θ)sin(θ/2)

＝r(θ)sin(θ-θ/2)

＝r(θ)(sinθcos(θ/2)-cosθsin(θ/2)

＝X sinθ-Y cosθ......(7)

在此，因为cosθ＝x/r(θ)，sinθ＝y/r(θ)，因此，如果整理(6)式及(7)式，那么下式成立。

X＝(1/r(θ))·(x·X+y·Y)......(8)

Y＝(1/r(θ))·(X·y-Y·x)......(9)

在此，如果将x、y标记为X、Y，那么下式成立。

x＝(X²-y²).r(θ)/(X²+Y²)......(10)

y＝2XY·r(θ)/(X²+Y²)......(11)

如果将(10)式及(11)式代入(1)式中的x、y，那么能够求出椭圆函数F。同样，如果将(10)式及(11)式代入(2)式、(3)式中的x、y，那么能够求出椭圆函数G。另外，因为r(θ)是(X²+Y²)^1/2，因此，能够消去。而且，求出的函数F在0≤θ≤π/4的角度范围(X轴和Y＝X之间的角度范围)中，为：

(X²-y²)²+4X²Y²/a²＝r²(X²+y²)......(12)

而且，上述的结论也能够应用于满足以下条件的情况：以交角

在旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点(Q1，Q2)分别和旋转中心P之间的各自距离(L1，L2)的和(L1+L2)一定，并且，旋转体20的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称。

一般来说，下式成立。

cos(θ/n)＝cos(1-(n-1)/n)θ......(13)

sin(θ/n)＝sin(1-(n-1)/n)θ......(14)

在此，使用加法定理并展开(13)式及(14)式中记载的三角函数内部的((n-1)/n)θ，按式(15)及式(16)定义X、Y后，如果采用x＝r(θ)cosθ、y＝r(θ)sinθ的关系式、以及(4)式、(5)式，那么可以用X、Y、x、y标记cos(θ/n)和sin(θ/n)。

F(X)＝X＝r(θ)cos(θ/n)......(15)

F(Y)＝Y＝r(θ)sin(θ/n)......(16)

在此，通过使用(x²+y²)^1/2或(X²+Y²)^1/2，能够消去r(θ)，因此，最终x、y能够只用X、Y来标记。如果将用X、Y标记的x、y代入(1)式、(2)式和(3)式，那么能够求出函数F、G。然后，使函数F、G关于Y＝tan((π/2n))X翻折的图形重叠，在全周围交替连续地配置用函数F、G定义的部分椭圆(在与半径为r的圆相交的地方)，从而得到定义旋转体20的平面形状的闭合曲线的函数。另外，本实施方式中对椭圆函数进行了说明，但是，不局限于椭圆，当然也能够适用能够实现n个周期的旋转体。在此情况下，用作为与n个周期对应的函数的坐标的X、Y标记与1个周期的函数对应的x、y，并将x、y代入1个周期的函数，从而可以求出与n个周期对应的函数。

实施例2

图12是表示实施例2所涉及的角度检测装置100的大致结构的说明图。

角度检测装置100具有作为主要结构的固定在旋转轴60上的旋转体20、配置在旋转体20的外周附近的二个磁传感器30E、30F、以及根据从二个磁传感器30E、30F分别输出的检测信号而输出旋转体20的旋转角度的角度计算电路130。为了相互区分磁传感器30E、30F，方便起见标记不同的符号，但是，实际上，与图1所示的磁传感器30具有相同的结构。磁传感器30E位于通过旋转体20的旋转中心P上的一点点划线95上，磁传感器30F位于通过旋转中心P上的一点点划线96上。二条一点点划线95、96相交的角度为45deg。另外，从旋转中心P分别到磁传感器30E、30F的距离是相同的。因此，二个磁传感器30E、30F相对于旋转体20的旋转中心P以45deg的相位差(机械角)且距离旋转中心P等距离地配置。磁传感器30E检测与旋转体20的外周和磁传感器30E之间第一距离的变化相对应的磁场变化，并输出具有与正弦波形类似的波形形状的第一近似正弦波信号，该第一距离随着旋转体20的旋转而发生周期性变化。磁传感器30F检测与旋转体20的外周和磁传感器30F之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，并输出具有与正弦波形类似的波形形状的第二近似正弦波信号，该第二距离随着旋转体20的旋转而发生周期性变化。第一和第二近似正弦波信号是由于旋转体20的半周旋转(旋转角度180deg)而相互具有90deg的相位差(电气角)的检测信号。为了说明的方便，从磁传感器30E输出的检测信号称为cos信号，从磁传感器30F输出的检测信号称为sin信号。角度计算电路130保持转换表131，从转换表131读出与从磁传感器30E、30F输出的cos信号及sin信号对应的旋转体20的旋转角度，并输出所读出的旋转角度。该转换表131通过例如在产品出货时或者在安装旋转轴60等时实施的校正进行制作。

在此，对转换表131的制作方法进行说明。图13表示校正实施前的cos信号201及sin信号202。在校正实施前，cos信号201及sin信号202的振幅及中间值通常相互不一致。因此，分别读入cos信号201及sin信号202的一个周期的波形，并分别计算cos信号201及sin信号202的振幅及中间值(而且，想请注意以下方面：如果旋转体20旋转半周，那么输出一个周期的cos信号201及sin信号202)。然后，如图14及图15所示，以校正实施后的cos信号201及sin信号202的上限值为V_T，下限值为V_B，中间值为(V_T+V_B)/2的方式，分别调整用于将从磁传感器30E输出的cos信号201放大的放大器111的增益及偏移值、以及用于将从磁传感器30F输出的sin信号202放大的放大器112增益及偏移值，实施检测信号的振幅调整及偏移补正。而且，在图14及图15中，虚线表示校正实施前的信号波形，实线表示校正实施后的信号波形，一点点划线表示偏移补正后的中间值，两点点划线表示偏移补正前的中间值。

校正实施后的cos信号201及sin信号202分别被A/D转换器121、122转换为数字数据，并向角度计算电路130供给。如图16及图17所示，优选，角度计算电路130在一个周期内按一定角度间隔对数字化的cos信号201及sin信号202进行取样，将取样的读出数据作为cos信号读出值152和sin信号读出值153，并保存在转换表131中(参照图18)，例如为了具有0.2deg的旋转角度的分辨率，角度精度有必要是0.1deg以下，因此，在0.1deg以下的角度精度下取样cos信号201及sin信号202，并将取样的读出数据保存在转换表131中。而且，数字化的cos信号201和sin信号202的一个周期的时间可以作为上限值的间隔(或下限值的间隔)算出。另外，可以将cos信号201采用上限值的时候或sin信号202采用中间值的时候作为0deg的判断基准。

如图18所示，转换表131在0deg～360deg的角度范围内将线性输出值151、cos信号读出值152和sin信号读出值153联系在一起。如图20所示，线性输出值151作为在0deg～360deg的角度范围内直线单调增加的地图数据而预先制作。例如，想在1.0V～4.0V的范围内输出线性输出值151的情况下，可以以在0deg时线性输出值151为1.0V，在180deg时线性输出值151为2.5V，在359deg时线性输出值151为4.0V，且旋转体20的旋转角度和线性输出值151之间的关系为线形的方式进行制作。而且，线性值151的输出范围可以任意调整，并不局限于上述数值。另外，线性输出值151也可以制作为在0deg～360deg的角度范围内直线单调减少的地图数据。

其次，对使用经过上述步骤制作的转换表131而求出旋转体20的旋转角度的方法进行说明。利用放大器111、112，对从磁传感器30E、30F输出的cos信号201和sin信号202实施振幅调整及偏移补正，再利用A/D转换器121、122以一定角度间隔进行取样，并向角度计算电路130供给。角度计算电路130从转换表131检索与读出的cos信号201的取样数据一致的cos信号读出值152，并从转换表131读出与检索的cos信号读出值152对应的线性输出值151。另外，角度计算电路130从转换表131检索与读出的sin信号202的取样数据一致的sin信号读出值153，并从转换表131读出与检索的sin信号读出值153对应的线性输出值151。这样读出的线性输出值151作为表示旋转体20的旋转角度的信号，由D/A转换器140转换为模拟数据。

此时，如图19所示，优选，角度计算电路130读出cos信号201和sin信号202中、相对于其信号波形采用中间值的时候的角度位于±22.5deg的角度范围内的取样数据。例如，在0deg～22.5deg的角度范围内，因为较之cos信号201，sin信号202的检测信号的振幅变化量大，因此，读入sin信号202的取样数据。在22.5deg～67.5deg的角度范围内，较之sin信号202，cos信号201的检测信号的振幅变化量大，因此，读入cos信号201取样数据。在67.5deg～112.5deg的角度范围内，较之cos信号201，sin信号202的检测信号的振幅变化量大，因此，读入sin信号202取样数据。这样，较之振幅变化量小的信号波形的峰值附近的取样数据，通过读出振幅变化量大的中间值附近的取样数据，能够控制检测误差的偏差，并且能提高耐噪音性能。

而且，作为旋转体20，在使用以交角(π/n)在旋转中心P相交的两直线与旋转体20的外周相交的两点分别和旋转中心P之间的各自距离之和一定、并且旋转体20投影在旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称的旋转体的情况下，可以相对于旋转中心P以(π/2n)的角度差且距离旋转中心P等距离地在旋转体20的外周附近配置磁传感器30E、30F(在此，n为2以上的任意整数。)。另外，优选，读出cos信号201和sin信号202中、相对于其信号波形采用中间值的时候的角度位于±π/4n的角度范围内的取样数据。

而且，因为实施例2所涉及的角度检测方法也能适用于实施例1的角度检测装置10中，因此，对其原理进行简单地说明。例如，在图1中，通过差动运算电路41对来自磁传感器30A、30B的检测信号进行差动运算而得到的sin信号和通过差动运算电路42对来自磁传感器30C、30D的检测信号进行差动运算而得到的cos信号之间的相位差(电气角)由于旋转体20旋转一周而为90deg(这是从如图6所示，如果旋转体20旋转半周，sin信号和cos信号之间的相位差为45deg而导出)。如果在角度计算电路50上预先安装与上述的转换表131相同的转换表，那么角度计算电路50能够对从差动运算电路41、42输出的sin信号及cos信号进行取样然后读出，从转换表检索与读出的取样数据对应的旋转体20的旋转角度，并输出检索的旋转角度。在此，优选，读出从差动运算电路41、42输出的cos信号和sin信号中、相对于其信号波形采用中间值的时候的角度位于±22.5deg的角度范围内的取样数据。

产业上的利用可能性

本发明能够在用于计算各种技术领域中的驱动机构中所使用的旋转轴的旋转角度的装置和方法中得以利用。

Claims

1.一种角度检测装置，其特征在于，

具有：

旋转体，固定在旋转轴上，在将所述旋转体的旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在所述旋转体的旋转平面上的时候，对于2以上的任意整数n，以交角(π/n)在所述旋转中心相交的两直线与所述旋转体的外周相交的两点分别和所述旋转中心之间的各自的距离的和一定，并且，所述旋转体投影在所述旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称；

第一磁传感器和第二磁传感器，相对于所述旋转中心以(π/n)的角度差配置在所述旋转体的外周附近，所述第一磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，并输出第一检测信号，该第一距离随着所述旋转体的旋转而发生周期性变化；所述第二磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，并输出第二检测信号，该第二距离随着所述第一距离的变化而发生互补性变化；

差动运算单元，对所述第一检测信号和所述第二检测信号进行差动运算，并输出差动信号；以及

角度计算单元，根据所述差动信号计算所述旋转轴的旋转角度。

2.如权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，

所述旋转体投影在所述旋转平面上的形状具有圆心角为(π/n)的2n个部分椭圆结合的形状。

3.如权利要求1或者2所述的角度检测装置，其特征在于，

所述旋转体投影在所述旋转平面上的形状是没有凹部的形状。

4.如权利要求1或者2所述的角度检测装置，其特征在于，

所述旋转体由铁磁性材质形成，

所述第一磁传感器具有：第一磁铁，使所述旋转体的外周与所述第一磁传感器之间产生磁场；以及第一磁阻效应元件，根据随着所述第一距离的变化而变化的磁场而输出所述第一检测信号；

所述第二磁传感器具有：第二磁铁，使所述旋转体的外周与所述第二磁传感器之间产生磁场；以及第二磁阻效应元件，根据随着所述第二距离的变化而变化的磁场而输出所述第二检测信号。

5.如权利要求4所述的角度检测装置，其特征在于，

所述第一磁阻效应元件具有在所述旋转体的旋转中心的方向上设定长边方向的第一自由磁性层，

所述第二磁阻效应元件具有在所述旋转体的旋转中心的方向上设定长边方向的第二自由磁性层。

6.一种角度检测方法，使用第一磁传感器和第二磁传感器，检测所述旋转轴的旋转角度，该第一及第二磁传感器相对于固定在旋转轴上的旋转体的旋转中心，对于2以上的任意整数n，以(π/n)的角度差配置在所述旋转体的外周附近，其特征在于，

所述角度检测方法具有：

使所述旋转体旋转的步骤，其中，在将所述旋转中心作为坐标原点，且将XY正交坐标系定义在所述旋转体的旋转平面上的时候，以交角(π/n)在所述旋转中心相交的两直线与所述旋转体的外周相交的两点分别和所述旋转中心之间的各自的距离的和一定，并且，所述旋转体投影在所述旋转平面上的平面形状关于Y＝tan((π/2n))X对称；

从所述第一磁传感器输出第一检测信号的步骤，其中，所述第一磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，该第一距离随着所述旋转体的旋转而发生周期性变化；

从所述第二磁传感器输出第二检测信号的步骤，其中，所述第二磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，该第二距离随着所述第一距离的变化而发生互补性变化；

对所述第一检测信号和所述第二检测信号进行差动运算并输出差动信号的步骤；以及

根据所述差动信号计算所述旋转轴的旋转角度的步骤。

7.如权利要求6所述的角度检测方法，其特征在于，

8.如权利要求6或者7所述的角度检测方法，其特征在于，

9.如权利要求6或者7所述的角度检测方法，其特征在于，

所述旋转体由铁磁性材质形成，

10.如权利要求9所述的角度检测方法，其特征在于，

11.一种角度检测装置，其特征在于，

具有：

第一磁传感器和第二磁传感器，相对于所述旋转中心以(π/2n)的角度差配置在所述旋转体的外周附近，所述第一磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第一磁传感器之间的第一距离的变化相对应的磁场变化，并输出第一检测信号，该第一距离随着所述旋转体的旋转而发生周期性变化；所述第二磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，并输出第二检测信号，该第二距离随着所述旋转体的旋转而发生周期性变化；

转换表，保存与所述第一及第二检测信号对应的所述旋转轴的旋转角度；以及

角度计算单元，将从所述第一及第二磁传感器输出的所述第一及第二检测信号与所述转换表进行比较，输出所述旋转体的旋转角度。

12.如权利要求11所述的角度检测装置，其特征在于，

所述第一及第二检测信号是近似正弦波信号，

所述角度计算单元将所述第一及第二检测信号中、相对于其检测信号采用中间值的时候的角度位于±π/4n的角度范围内的检测信号，和所述转换表进行比较，输出所述旋转体的旋转角度。

13.一种角度检测方法，使用第一磁传感器和第二磁传感器，检测所述旋转轴的旋转角度，该第一及第二磁传感器相对于固定在旋转轴上的旋转体的旋转中心，对于2以上的任意整数n，以(π/2n)的角度差配置在所述旋转体的外周附近，其特征在于，

所述角度检测方法具有：

从所述第二磁传感器输出第二检测信号的步骤，其中，所述第二磁传感器检测与所述旋转体的外周和所述第二磁传感器之间的第二距离的变化相对应的磁场变化，该第二距离随着所述旋转体的旋转而发生周期性变化；以及

将保存与所述第一及第二检测信号对应的所述旋转轴的旋转角度的转换表和从所述第一及第二磁传感器输出的所述第一及第二检测信号进行比较，输出所述旋转体的旋转角度的步骤。

14.如权利要求13所述的角度检测方法，其特征在于，

所述第一及第二检测信号是近似正弦波信号，

所述输出旋转角度的步骤为，将所述第一及第二检测信号中、相对于其检测信号采用中间值的时候的角度位于±π/4n的角度范围内的检测信号和所述转换表进行比较，输出所述旋转体的旋转角度。