CN103443590A - 绝对编码装置及电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种紧凑的绝对编码装置，其容易组装并可实现高的分辨率。本发明提供一种绝对编码装置(1)，其包括：永久磁铁(4)，其包括第一磁性图14(双磁极)及第二磁性图(16)(多个磁极)；第一磁传感器(5)，其用于检测所述第一磁性图(14)的磁场；第二磁传感器(6)，其用于检测所述第二磁性图(16)的磁场；以及信号处理电路(7)，其用于基于所述第一磁传感器及所述第二磁传感器(5及6)的输出信号来计算转轴(2)的绝对旋转角度。所述第一磁传感器及所述第二磁传感器(5及6)和所述信号处理电路(7)被固定至单基板(8)。所述第一磁性图(14)在所述永久磁铁(4)内形成于沿与轴向交叉的方向延伸的平面上，且所述第二磁性图(16)形成于所述永久磁铁(4)的外周边表面上。

Description

绝对编码装置及电动机
技术领域
本发明涉及一种绝对编码装置及一种电动机。
背景技术
作为用于控制电动机旋转的装置，已知一种绝对编码装置。所述绝对编码装置可用于例如检测电动机的旋转方向、旋转频率或旋转位置。作为此种绝对编码装置，存在磁铁型及光学型。磁铁型比光学型便宜且抗环境性更优。
在磁铁型绝对编码装置中，例如，将磁传感器设置成与被固定至转轴的双极永久磁铁相对。作为磁传感器，已知一种使用自旋阀巨磁阻(spin-valve giant magnetoresistive；SV-GMR)元件作为磁阻元件的传感器(例如参见专利文献1)。SV-GMR型磁传感器包括钉扎层(pinned layer)及自由层。钉扎层的磁化方向是固定的，而自由层的磁化方向则根据外部磁场方向而变化。当转轴旋转一圈时，自由层及钉扎层中的磁阻变化产生具有不同相位的正弦波信号的输出。然而，当SV-GMR型磁传感器用于检测旋转时，自由层的磁化方向会根据外部磁场而旋转。因此，在不影响用作参考方向的钉扎层的磁化方向或各层的耦合(静磁耦合等)的情况下，不能使自由层的磁场完全饱和。因此，在饱和磁场下的外部磁场中执行操作，从而限制磁阻的变化率。
此外，作为另一磁传感器，已知一种将各向异性磁阻(anisotropicmagnetoresistive；AMR)元件作为磁阻元件的包括偏磁(bias magnet)的传感器(例如参见专利文献2)。此种AMR型磁传感器使用稳定的永久磁铁的磁场作为参考方向中的磁化方向并具有单层，因此不影响各层的耦合。然而，存在以下问题：磁阻的变化率低于SV-GMR型磁传感器的磁阻的变化率。因此，在仅使用双极永久磁铁的绝对编码装置中，无论磁传感器的类型如何，都难以获得高分辨率及高精确度。
考虑到此技术背景，还已知一种旨在通过永久磁铁等的构造而非传感器的类型来使编码装置获得更高分辨率及更高精确度的装置(例如参见专利文献3及专利文献4)。在专利文献3的编码装置中，将旋转位置检测磁铁(PG磁铁)设置于形成为圆盘形的旋转基板的外周边表面上，且磁极位置检测磁铁(磁极磁铁)设置于旋转基板的顶面上。此外，在专利文献4的编码装置中，磁化有多个磁极的第一磁道形成于圆盘形转子的外周边表面上，且磁化有单极的第二磁道形成于圆盘形转子的下表面上。这样，在专利文献3及专利文献4的装置中，将两种磁性图(magneticpattern)结合，从而与仅使用双极永久磁铁的绝对编码装置相比，可获得更高的分辨率及更高的精确度。
然而，在专利文献3的装置中，包括支撑用于检测来自于磁极位置检测磁铁的磁场的磁极位置检测元件(霍尔元件)的基板在内，还需要用来支撑用于检测来自于旋转位置磁铁的磁场的位置检测元件(MR元件)的基板或支撑构件。此外，因为产生强磁场的磁极位置检测磁铁被设置于旋转基板的顶面上，所以来自于磁极位置检测磁铁的磁场影响旋转位置磁铁的磁场及用于检测来自于此磁铁的磁场的位置检测元件。作为此种问题的解决办法，在专利文献3中，将磁屏蔽板作为单独的构件设置于磁极位置检测磁铁与旋转位置磁铁之间。
同样在专利文献4的编码装置中，因为产生强磁场的第二磁道被设置于圆盘形转子的下表面上，所以第二磁道的磁场影响第一磁道的磁场以及用于检测第一磁道磁场的磁检测元件。此外，包括支撑用于检测第二磁道磁场的磁检测元件的基板在内，还需要用来支撑用于检测第一磁道磁场的磁检测元件的支撑构件。
这样，在专利文献3与专利文献4中的每一装置中，均需要单独的构件来支撑所述两个磁传感器，且在组装这些单独的构件时需要将距磁铁的距离及传感器之间的距离考虑在内。因此，需要在组装时进行调整，且成本增加。此外，因为磁性图之一形成于圆盘形旋转器的外周边表面上，而另一个磁性图形成于圆盘形转子的顶面或下表面上，所以因磁性图之间的漏磁场而存在干扰问题。为解决此种问题，如果设置磁屏蔽板，则组件数目会进一步增加，因此组装的难度及成本增大。
此外，在专利文献3的装置中，磁极位置检测元件基于来自于磁极位置检测磁铁的磁场、以每旋转一周约几个脉冲来检测相对于电动机驱动线圈的电源位置。在专利文献4的装置中，用于检测来自于第二磁道的磁场的磁检测元件每旋转一周输出一个指引信号(index signal)，也就是Z相位信号。为利用此种输出信号使专利文献3的装置及专利文献4的装置用作绝对编码装置，需要对增加的输出信号执行复杂的计算处理，所述增加的输出信号是从用于检测旋转位置磁场的位置检测元件(专利文献3)或从用于检测第一磁道磁场的磁检测元件(专利文献4)获得。因此，需要为此计算处理设置单独的组件。例如，在专利文献4的装置中，为在绝对说明书中保留所需的多种旋转信息，设置有计数器及电池。此外，专利文献4的装置在用作用于检测一圈内的绝对位置的绝对编码装置时也需要计数器及电池。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：JP10-70325A
专利文献2：JP2006-208025A
专利文献3：JP2001-4405A
专利文献4：JP2004-144497A
发明内容
技术问题
考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种绝对编码装置及一种电动机，所述绝对编码装置及所述电动机可容易地进行组装并可在维持高分辨率及高精确度的同时实现低成本。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种绝对编码装置，所述绝对编码装置包括：永久磁铁，其固定至转轴并且包括由两个磁极形成的第一磁性图及由多个磁极形成的第二磁性图；第一磁传感器，其用于检测所述第一磁性图的磁场；第二磁传感器，其用于检测所述第二磁性图的磁场；信号处理电路，其用于获得绝对角度信号、获得相对角度信号、以及基于所述绝对角度信号及所述相对角度信号计算所述转轴的绝对旋转角度，所述绝对角度信号基于所述第一磁传感器的输出信号而表示所述转轴的绝对角度位置，所述相对角度信号基于所述第二磁传感器的输出信号而表示所述转轴的相对角度位置；以及单基板，其设置成与所述永久磁铁相对，以固定所述第一磁传感器、所述第二磁传感器及所述信号处理电路，其中，所述第一磁性图在与所述单基板相对的所述永久磁铁的表面中所形成的凹部内、在与轴向交叉的方向延伸的平面上沿旋转方向形成为具有不同的磁极性，且所述第二磁性图在所述永久磁铁的外周边表面上沿圆周方向交替地形成为具有不同的磁极性。此外，在本说明书及权利要求书中，“多个磁极”指四个或更多个磁极。
例如，所述第一磁传感器用以在容许区分N磁极与S磁极的周期中输出具有不同相位的信号，所述第二磁传感器用以在不区分所述N磁极与所述S磁极的周期中输出具有不同相位的信号，以及所述永久磁铁与所述单基板之间的距离以及所述永久磁铁的厚度是根据所述第一磁传感器及所述第二磁传感器的特性而选择。例如，所述第一磁传感器及所述第二磁传感器包括由多个磁阻元件形成的桥接电路。作为另一实例，所述第一磁传感器由多个霍尔元件形成。
所述单基板具有沿一个方向延伸的平坦面，且所述第一传感器及所述第二传感器可直接安装于同一所述平坦面上，也就是在所述基板与所述传感器之间不存在另一支撑构件。
例如，所述第一磁性图形成为圆形形状，且所述第一磁传感器设置于所述转轴的轴线上。作为另一实例，所述第一磁性图形成为环形形状，且所述第一磁传感器设置于从所述转轴的轴线偏移的位置处。此外，在本说明书及权利要求书中，圆形形状包括在半圆形的N磁极部分与半圆形的S磁极部分之间具有预定间隙的基本为圆形的形状。类似地，环形形状包括在半环形的N磁极部分与半环形的S磁极部分之间具有预定间隙的基本上为环形的形状。
所述永久磁铁包括设置于所述永久磁铁内的环形磁性构件。根据本发明的另一方面，提供一种包括上述绝对编码装置的电动机，且所述转轴是所述电动机的驱动机构。
本发明的有利效果
在如权利要求1所述的发明中，对由两个磁极形成的所述第一磁性图的磁场以及由多个磁极形成的所述第二磁性图的磁场进行检测，并利用从所述第一磁性图获得的绝对角度信号及从所述第二磁性图获得的相对角度信号来使所述编码装置实现更高的分辨率及更高的精确度。此外，所述第一磁性图在所述永久磁铁的凹部内形成于沿与轴向交叉的方向延伸的平面上，且所述第二磁性图形成于所述永久磁铁的外周边表面上。因此，能减少因所述磁性图之间的漏磁场而出现的干扰问题，且因此无须设置另一构件(例如磁屏蔽)。因此，可利于组装并利于降低成本。此外，在如权利要求1所述的本发明中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器及所述信号处理电路被固定至所述单基板。因此，与其中使用多个基板或另一支撑构件来支撑第一磁传感器、第二磁传感器及信号处理电路的情形相比，可更利于组装及更利于降低成本。这样，如权利要求1所述的本发明能使所述绝对编码装置在维持高分辨率及高精确度的同时可容易地进行组装并可以低成本进行制造。
在如权利要求2所述的发明中，所述第一磁传感器在容许区分N磁极与S磁极的周期中输出具有不同相位的信号，且所述第二磁传感器在不区分所述N磁极与所述S磁极的周期中输出具有不同相位的信号。因此，可从所述第一磁传感器的具有不同相位的信号获得绝对角度信号，并可从所述第二磁传感器的具有不同相位的信号中获得相对角度信号。因此，所述转轴的绝对旋转角度可在不需要复杂计算处理的情况下获得。此外，无须设置用于复杂计算处理的单独组件，此也能利于减小尺寸并降低整个装置的成本。
此外，永久磁铁与单基板之间的距离及永久磁铁的厚度可根据第一磁传感器及第二磁传感器的特性而选择。因此，在不改变第一磁传感器及第二磁传感器在单基板上的固定位置的情况下，通过调整永久磁铁与单基板之间的距离、通过调整永久磁铁的厚度、或通过调整所述两者，可调整每一传感器与永久磁铁之间的位置关系，以获得适于每一传感器的磁场强度。因此，可进一步有利于在所述编码装置的制造过程中的组装工作。
在如权利要求3所述的发明中，所述第一磁传感器及所述第二磁传感器被直接安装于所述单基板的同一所述平坦面上。因此，当所述第一磁传感器及所述第二磁传感器被固定至所述单基板时，可利用安装机(安装器)进行机械组装，由此可更利于组装。
如权利要求4所述的发明可应用于具有其中永久磁铁被固定至转轴末端的结构的绝对编码装置。如权利要求5所述的本发明可应用于具有转轴穿透型结构的绝对编码装置。
如权利要求6所述的本发明可实现能抵抗外部浮动磁场(externalfloating magnetic field)的结构。如权利要求7所述的发明可实现具有应用如权利要求1～6所述发明的绝对编码装置的电动机。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的一种绝对编码装置的剖视图。
图2是图1所示绝对编码装置的平面图。
图3(a)是永久磁铁的透视图，其用于图示根据第一实施例的第一磁性图。图3(b)是永久磁铁的透视图，其用于图示根据第一实施例的第二磁性图。
图4是永久磁铁的透视图，其用于图示磁铁内的退磁场(demagnetizing field)。
图5(a)是根据第一实施例的第一磁传感器的结构图。图5(b)是图5(a)所示结构的等效电路图。
图6(a)是图示第一磁传感器的输出信号相对于旋转角度的波形图。图6(b)是第一磁传感器的输出信号的李沙育图(Lissajou′s figure)。图6(c)是表示通过对第一磁传感器的输出信号进行反正切运算所获得的角度值的图。
图7(a)是构成第二磁传感器的元件的结构图。图7(b)是图7(a)所示结构的等效电路图。
图8是永久磁铁的透视图，其用于图示由第二磁传感器所检测的磁场。
图9(a)是永久磁铁的平面图，其用于图示第二磁传感器的检测原理。图9(b)是图示图9(a)所示每一元件的输出信号的波形图。
图10是根据第一实施例的第二磁传感器的结构图。
图11(a)是绝对编码装置的透视图，其用于图示第二磁性图的磁场与第二磁传感器之间的位置关系。图11(b)是绝对编码装置的透视图，其用于图示在图11(a)所示的永久磁铁沿转轴的轴向移动的情形中第二磁性图的磁场与第二磁传感器之间的位置关系。
图12是根据第一实施例的信号处理电路的方框图。
图13(a)是图示第二磁传感器的输出信号的波形图。图13(b)是图示从图13(a)所示的输出信号获得的相对角度信号的波形图。图13(c)是图示第一磁传感器的输出信号的波形图。图13(d)是图示从图13(c)所示的输出信号获得的绝对角度信号的波形图。
图14是图示角度数据θ1与角度数据θ2之间的关系的波形图。
图15是安装有根据第一实施例的绝对编码装置的电动机的构造图。
图16是根据本发明第二实施例的一种绝对编码装置的剖视图。
图17是图16所示绝对编码装置的平面图。
图18是永久磁铁的透视图，其用于图示根据第二实施例的第一磁性图。
图19(a)是图示其中第一磁性图具有圆形形状的情形中的磁场的透视图。图19(b)是图示其中第二磁性图具有环形形状的情形中的磁场的透视图。
图20(a)是根据本发明另一实施例的第二磁传感器的元件的结构图。图20(b)是图20(a)所示结构的等效电路图。
图21是根据另一实施例的第二磁传感器的结构图。
图22(a)是根据本发明又一实施例的第二磁传感器的结构图。图22(b)是图22(a)所示结构的等效电路图。
图23(a)是根据本发明再一实施例的第一磁传感器的结构图。图23(b)是图23(a)所示结构的等效电路图。
图24(a)是根据本发明又一实施例的第一磁传感器的结构图。图24(b)是图24(a)所示传感器的电路图。
图25是根据本发明又一实施例的永久磁铁的透视图。
图26是永久磁铁的剖视图，其用于图示用于固定转轴及永久磁铁的另一种方法。
具体实施方式
[第一实施例]
现在，将参照附图阐述本发明的实施例。图1是根据本发明第一实施例的绝对编码装置的剖视图，且图2是图1所示编码装置的俯视平面图。编码装置1包括固定至转轴2的永久磁铁4以及用于支撑第一磁传感器5、第二磁传感器6及信号处理电路7的基板8。永久磁铁4包括杯形的圆盘状主体部11及转轴固定部12，圆盘状主体部11具有在下侧沿周边边缘形成的细长突出部，转轴固定部12从主体部11的顶面中心部分朝具有台阶部的转轴2突出。在此实施例中，转轴2的末端插入至沿永久磁铁4的转轴固定部12的中心轴线而形成的凹部中并被接触粘合或粘附，由此使永久磁铁4固定至转轴2。
基板8是单基板，且是具有沿一个方向延伸的平坦平面8a的基板。第一磁传感器5及第二磁传感器6被固定于基板8的同一平面8a上。如图1所示，基板8被设置成与永久磁铁4的下表面相对，以覆盖永久磁铁主体部11的杯形凹部13。
在永久磁铁4的主体部11的内顶面11a上，第一磁性图14沿转轴的旋转方向朝下表面形成。在主体部11的外周边表面上，沿圆周方向形成有第二磁性图16。第一磁传感器5在基板8的一个平面8a上被设置成与第一磁性图14相对，以检测第一磁性图14的磁场。第二磁传感器6被设置于基板8的所述一个平面8a上，其在永久磁铁4的外周边侧上以预定间隔与第二磁性图16相对，以检测第二磁性图16的磁场。在基板8的另一平面上固定有信号处理电路7。
图3是永久磁铁4的透视图。为便于说明，图3(a)仅图示第一磁性图14，且图3(b)仅图示第二磁性图16。永久磁铁4的主体部11具有杯形形状，其中凹部13以图1所示的位置关系形成于圆盘下表面内。在永久磁铁4内沿与轴向交叉的方向延伸的表面11a(以图1所示的位置关系与基板8相对的凹部的内部顶面11a，即图3(a)所示的位置关系中的杯形形状的内部底面11a)上，沿旋转方向形成由两个磁极构成的第一磁性图14(参见图3(a))。在外周边表面11b上，形成由多个磁极构成的第二磁性图16，在第二磁性图16中N磁极与S磁极沿圆周方向依次交替地磁化(参见图3(b))。在此实施例中，永久磁铁4由树脂磁铁制成。因此，可容易地形成主体部11的杯形形状及转轴固定部12的结构。第一磁性图14及第二磁性图16通过表面磁化形成。表面磁化是指一种通过将磁轭(yoke)设定成仅靠近欲被磁化的表面来进行磁化的方法。
第二磁性图16通过在永久磁铁4的主体部的外周边表面11b上沿圆周方向交替地磁化多个磁极(包括S磁极及N磁极)而形成。此实施例的磁化方法是通过仅单侧被磁化的表面磁化而非通过两侧被磁化的双侧磁化来执行。换言之，仅在主体部的外周边表面11b上执行表面磁化，而不磁化用于界定凹部13的侧面的主体部的内周边表面。通过仅对主体部的外周边表面11b执行表面磁化，使主体部的仅外周边表面11b产生磁场，而主体部的内周边表面不产生磁场。此外，通过对主体部的外周边表面11b执行表面磁化而形成的第二磁性图16的磁场几乎不漏至主体部11的凹部13。为此，由图4中的曲线表示通过对主体部的外周边表面11b执行表面磁化而产生的树脂磁铁内的退磁场。因为第二磁性图16的退磁场产生于永久磁铁4内(如图4所示)，所以可减少磁化于外周边表面11b上的第二磁性图16的磁场泄漏至杯形主体部11内。此外，第一磁性图14并非由于对永久磁铁4的下表面或顶面的表面磁化而形成，而是由于对形成于永久磁铁4中的凹部13内沿与轴向交叉的方向延伸的表面11a的表面磁化形成。与第二磁性图16的表面磁化相似，此种表面磁化是用于磁化仅一侧的表面磁化，且第一磁性图14仅磁化于表面11a上。因此，能减少磁场从第一磁性图14泄漏至主体部11外部。因此，在此种结构中，第一磁性图14的漏磁场不会干扰第二磁传感器6，且第二磁性图16的漏磁场不会干扰第一磁传感器5。
永久磁铁4的厚度可根据第一磁传感器5及第二磁传感器6的特性进行调整。例如，如果第一磁传感器5需要较强的磁力，则将永久磁铁4的厚度减小，从而可减小第一磁传感器5与形成于永久磁铁4的凹部内的第一磁性图14之间的距离。如果第二磁传感器6需要较强的磁力，则将永久磁铁4的厚度增大，从而可增大位于永久磁铁4上的第二磁性图16的磁化面积。
接下来阐述磁传感器5及磁传感器6。第一磁传感器5是在容许区分N磁极与S磁极的周期内输出具有不同相位的信号的磁传感器。在此实施例中，作为实例，使用SV-GMR型磁传感器作为第一磁传感器5。图5(a)是图示构成第一磁传感器5的SV-GMR的磁传感表面区域(e1～e8)及用于表示钉扎层的磁化方向(m1～m8)的结构图，且图5(b)是图示此结构的等效电路的图。由磁传感表面区域e1及e2形成的组、由磁传感表面区域e5及e6形成的组、由磁传感表面区域e3及e4形成的组、以及由磁传感表面区域e7及e8形成的组以90°的间隔被设置于同一圆周上，如图5(a)所示。
通过方程式(1)来确定磁传感表面区域的磁阻变化：
R＝R0-ΔRcos(θ-θpin)...(1)，
其中，R0表示当无外部磁场施加至SV-GMR时的磁阻，ΔR表示磁阻变化，θ表示外部磁场的磁化方向(自由层的磁场方向)，且θpin表示钉扎层的磁化方向。
通过如图5(a)所示设置具有方程式(1)的磁阻变化的磁传感区域，可在与磁场周期相同的周期中区分N磁极与S磁极，并可获得具有不同相位的信号。
第一磁传感器5检测第一磁性图14的磁场，并在一圈中输出具有90°相位差的两相正弦波信号的一个周期。此输出无须复杂计算处理就可以变成绝对角度信号(绝对信号)。如图6所示，第一磁传感器5具有与外部磁场的强度有关的输出特性。图6(a)表示第一磁传感器5的输出与旋转角度的关系，图6(b)表示第一磁传感器5的输出的李沙育图(lissajou’sfigure)，且图6(c)表示通过将从第一磁传感器5获得的位置信息通过反正切运算(Arctan)转换成角度而获得的绝对角度信号。图6(a)及图6(b)通过虚线表示当第一磁传感器5与第一磁性图14彼此接近时的输出信号，并通过实线表示当第一磁传感器5与第一磁性图14彼此远离时的输出信号。当第一磁传感器5与永久磁铁4彼此接近时，施加至第一磁传感器5的磁场强度增大，且两相正弦波信号的峰峰输出电压(A1及B1)同时增大。当第一磁传感器5与永久磁铁4彼此远离时，两相正弦波信号的峰峰输出电压(A2及B2)同时减小。因此，如图6(c)所示，即使转轴2沿转轴方向移动，也不会影响通过计算处理(例如反正切运算(Arctan))所获得的绝对角度信号。
接下来阐述第二磁传感器6。图7(a)是构成第二磁传感器6的元件的结构图，且图7(b)是图7(a)所示结构的等效电路图。如下文中所述，第二磁传感器6包括多个图7(a)所示的元件。所述元件由磁阻元件21以及磁阻元件22形成，磁阻元件21具有磁阻R1且形成为垂直网格形状，磁阻元件22具有磁阻R2且形成为水平网格形状，磁阻元件21与磁阻元件22串联连接。磁阻元件22的一端连接至电极23。这样，因为磁阻元件22的延伸方向基本上垂直于磁阻元件21的延伸方向，所以令磁阻元件21产生最大磁阻变化的垂直磁场变为令磁阻元件22产生最小磁阻变化的磁场。此处，磁阻元件21及磁阻元件22的磁阻值R1及磁阻值R2通过以下方程式给出。
R1＝R0-ΔRsin2θ...(2)
R2＝R0-ΔRcos2θ...(3)
等效电路的输出电压Vout通过以下方程式给出。
[方程式1]
Vout = R 1 R 1 + R 2 · Vcc - - - ( 4 )
将方程式(2)及方程式(3)代入方程式(4)中并重新排列方程式，使满足方程式(5)。
[方程式2]
Vout = R 1 R 1 + R 2 · Vcc = R 0 - Δ R sin 2 θ 2 R 0 - ΔR · Vcc = Vcc 2 + α cos 2 θ ( α = Δ 2 ( 2 R 0 - ΔR ) · Vcc ) - - - ( 5 )
通过图8中的箭头图示由第二磁传感器6检测的磁场。在图8中，通过箭头图示从形成于永久磁铁4上的第二磁性图16向外发出的磁场。图9(a)图示从永久磁铁4的顶面观察时第二磁性图16与图8所示的磁场之间的关系。为阐述第二磁传感器6的检测原理，将分别图示于图7(a)中的五个元件(6a～6e)与永久磁铁4排列在一起进行图示。在图9(a)中，从第二磁性图16延伸的呈圆弧形状的细箭头表示从图7所示第二磁性图向外发出的磁场，且在元件6a～6e中的每一者上所示的粗箭头表示施加至元件6a～6e中的每一者的磁场。
如图9(a)所示，元件6a～6e沿第二磁性图16排列于侧线上。假设元件6a的位置由a表示、元件6b的位置由b表示、元件6c的位置由c表示、元件6d的位置由d表示、元件6e的位置由e表示，且磁性图的一个节距由P表示。因此，位置a与位置b、位置c、位置d及位置e之间的距离分别是P/4、P/2、3P/4及4P/4。假设永久磁铁4旋转至图9(a)中的左侧，则各个元件6a～6e的输出信号分别是每磁性图节距一个周期的输出。在图9(a)中所示的元件6a～6e与第二磁性图16之间的位置关系下，分别从元件6a～6e输出的信号波形图示于图9(b)中(应注意，为便于说明，图示从元件6a～6e输出的两相输出信号仅其中之一的波形)。
因此，如图10所示，通过将第二磁传感器6设定为包括分别排列于位置a～d的四个元件6a～6d的磁传感器，可获得元件6a的余弦波信号、元件6b的负正弦波信号、元件6c的负余弦波信号及元件6d的正弦波信号。如上所述，参照图7(a)，元件6a～6d中的每一者由两个磁阻元件形成，所述两个磁阻元件的延伸方向彼此相差约90度。因此，当第二磁性图16旋转时，第二磁传感器6在不区分N磁极与S磁极的周期中输出具有90°相位差的两相正弦波信号。
接下来阐述第二磁传感器6与第二磁性图16之间的位置关系。图11图示从编码装置1的侧面观察时永久磁铁4与第二磁传感器6之间的位置关系。因为永久磁铁4与转轴2一起旋转，因此距用于支撑第二传感器6的基板8的距离会发生改变。例如，假设在一情形中，在图11(a)中与基板8相距距离g1的永久磁铁4沿与基板8分离的方向移动，以移动到距基板8的距离为g2(大于距离g1)的位置，如图11(b)所示。在此种情形中，因为基板8支撑磁传感器6，因此永久磁铁4与磁传感器6之间的距离发生改变。然而，因为第二磁性图16的磁场是朝除垂直方向之外的向下方向产生(如图11(a)及图11(b)所示)，因此永久磁铁4与磁传感器6之间的距离变化不会对第二磁传感器6的输出产生太大影响。
此外，可根据第一磁传感器5及第二磁传感器6的特性来调整永久磁铁4与基板8之间的距离。例如，如果第一磁传感器5及6需要较强的磁力，则仅需将永久磁铁4与基板8之间的距离设定为短的。
在此实施例中，第一磁传感器5及6通过安装机(安装器)被机械地安装于基板8的同一平面8a上(参见图1)。当安装第一磁传感器5及6时，在基板8与第一磁传感器5及6之间不需要另一支撑构件。
接下来阐述信号处理电路7。为测量一圈内的细小间隔(角度)，需要利用从磁传感器5及磁传感器6输出的正弦波信号的相位变化来执行使其间隔周期更小的内插处理。用于执行内插处理的信号处理电路7的构造图示于图12中。信号处理电路7利用例如CPU来实现。为信号处理电路7供应第一磁传感器5的输出及第二磁传感器6的输出。图13(a)图示第二磁传感器6的输出A2及B2的波形，且图13(c)图示第一磁传感器5的输出A1及B1。在预定周期中分别对图13(a)及图13(c)中所示的具有90°相位的A相位信号及B相位信号进行取样，并通过信号处理电路7的A/D转换器7a转换成数字信号。在此实施例中，例如执行10位元(210)的A/D转换。
反正切运算部7b对所获得的数字信号执行反正切运算(arctan)，以基于第一传感器5的输出计算角度数据θ1，并基于第二传感器6的输出计算角度数据θ2。角度数据θ2的输出信号波形图示于图13(b)中，且角度数据θ1的输出波形信号图示于图13(d)中。绝对角度计算部7c基于角度数据θ1及角度数据θ2计算转轴2的绝对旋转角度，以计算绝对角度数据θ。角度数据θ1与角度数据θ2之间的关系表示于图14中。如果第二磁性图16具有32个磁极(25个磁极)，则如图14所示，在从第一传感器5获得一个周期的输出期间能从第二磁传感器6获得32个周期的输出。在此实施例中，因为是执行10位元内插处理，所以角度数据θ2的一个周期对应于1,024个位元。因此，可通过方程式(6)来计算绝对角度数据θ：
θ＝1024×(n-1)+θ2...(6)，
其中，n表示第二磁传感器6的输出信号的周期。应注意，周期n表示第二磁传感器6的输出信号周期的次序。在此实施例中，n是从1～32的整数。例如，如果角度数据θ2是第二周期值800(如图14所示)，则通过1024×(2-1)+800计算得出值1,824。可基于通过将第一磁传感器角度(即角度数据θ1)除以32所获得的值来计算角度数据θ2的周期n。这样，在此实施例中利用具有32个磁极(25个磁极)的第二磁性图16来执行10位元的内插处理，因此可得到25×210＝215的绝对角度信号。
如上所述，此实施例的绝对编码装置1检测由两个磁极形成的第一磁性图14的磁场及由所述多个磁极形成的第二磁性图16的磁场，以使用从第一磁性图14获得的绝对角度信号以及从第二磁性图16获得的相对角度信号。因此，能实现高的分辨率，且编码装置总体上具有高的精确度。
此外，因为第一磁传感器5及第二磁传感器6和信号处理电路7被固定至单基板8，所以与其中使用多个基板或另一支撑构件来支撑磁传感器5及磁传感器6和信号处理电路7的情形相比，所述装置可容易进行组装，并可降低成本。此外，永久磁铁4为杯形形状，第一磁性图14形成于永久磁铁4内侧，且第二磁性图16形成于永久磁铁4的外周边表面上。因此，在无须设置另一构件(例如磁屏蔽)的情况下，能减少因漏磁场而使磁性图之间出现干扰的问题。因此，永久磁铁4的两种类型的磁性图14与16之间的位置关系也可有利于组装并可使成本降低。此外，通过采用上述永久磁铁的两种类型的磁性图14与16之间的位置关系，例如与其中第一磁性图14与第二磁性图16两者均形成于永久磁铁4的外周边表面上的情形相比，可实现更薄的永久磁铁，从而使整个编码装置1的尺寸减小。此外，当永久磁铁4与基板8彼此接近时，使得永久磁铁4的凹部13可接收被设置成与第一磁性图14相对的第一磁传感器5的位置关系也有利于使编码装置1的尺寸减小。
此外，如上所述，即使被固定至转轴2的永久磁铁4沿轴向移动，也不会显著影响第一磁传感器5及第二磁传感器6的输出。因此，无须将永久磁铁4与第一磁传感器5及第二磁传感器6严格地对准。此外，可通过调整永久磁铁4与固定有传感器5及传感器6的单基板8a之间的距离、调整永久磁铁4的厚度、或者调整两者，来调整永久磁铁4与第一磁传感器5及第二磁传感器6之间的位置关系。因此，无须通过改变第一磁传感器5及第二磁传感器6在单基板8a上的固定位置来调整位置关系，由此可更利于进行组装工作。
此外，当将第一磁传感器5及第二磁传感器6安装至单基板8时，无须通过例如在基板8与磁传感器5及磁传感器6之间设置另一支撑构件来调整磁传感器的位置。当调整永久磁铁4与第一磁传感器5及第二磁传感器6之间的位置关系时，仅需如上所述调整永久磁铁4与单基板8之间的距离或调整永久磁铁4的厚度。这样，因为仅需将磁传感器5及磁传感器6直接固定至基板8上而无须另一中间构件，所以可通过安装机(安装器)将表面安装组件(例如小外形封装(small outline package；SOP)或无铅封装(lead-less package))机械地安装于基板8的同一平面8a上。
这样，编码装置1是在维持高分辨率及高精确度的同时可容易地进行组装并可以低成本进行制造的绝对编码装置。
图15图示其中第一实施例中的转轴2是电动机的驱动机构的情形中电动机的结构及编码装置1的结构。如图15所示，通过将编码装置1组装至电动机30的转轴2，可实现具有紧凑型绝对编码装置的电动机，所述绝对编码装置能检测电动机的旋转速度及转轴位置。
[第二实施例]
图16是根据本发明第二实施例的绝对编码装置的剖视图，且图17是图16所示编码装置的俯视平面图。在图16及图17所示的编码装置31中，与第一实施例的编码装置1的组件相对应的组件被标注以与第一实施例相同的附图标记。根据第二实施例的编码装置31的结构不同于根据第一实施例的编码装置1的结构之处在于转轴2穿透基板8。转轴2的末端穿过形成于基板8中心处的通孔8b，并从永久磁铁4的内部插入至形成于转轴固定部12中的通孔12a中，以通过螺钉32被固定至永久磁铁4。
编码装置31的第一磁性图14的构造图示于图18中。第一磁性图14沿其中插入有转轴2的通孔12a形成为环形形状。如图16及图17所示，第一磁传感器5被设置于从转轴2的轴线偏移的位置处，以避开通孔12a。图19(a)图示第一磁性图的磁化表面具有圆形形状时的磁场，且图19(b)图示第一磁性图的磁化表面具有环形形状时的磁场。如图19所示，第一磁传感器5感测磁场所需的水平磁场延伸至磁化图案的外部。因此，即使将第一磁传感器5设置于从转轴2的轴线偏移的位置处，也不会显著影响第一磁传感器5的输出。
除了其中转轴2穿透基板8及永久磁铁4的内部的构造之外，根据第二实施例的编码装置31具有与根据第一实施例的编码装置1相同的构造。因此，根据第二实施例的编码装置31具有与根据第一实施例的编码装置1的上述优点相同的优点。
[其他实施例]
尽管上文中阐述了本发明的实施例，然而本发明并非仅限于上述实施例，而是可基于本发明的技术构思进行各种变化及改变。例如，可将构成第二磁传感器6的元件6a～6d(参见图10)中的每一者的磁阻元件21及磁阻元件22(参见图7)的延伸方向设定为如图20(a)所示。在图20(a)所示的元件中，磁阻元件41(磁阻值为R1)及磁阻元件42(磁阻值为R2)分别相对于虚拟中心线CL以约45°的角度延伸，且磁阻元件42的一端连接至电极43。与图20(a)所示的元件构造相对应的等效电路图示于图20(b)中。因为磁阻元件41的延伸方向与磁阻元件42的延伸方向相差约90°，所以与图7(a)所示的元件相似，图20(a)所示的元件也输出具有90°相位差的正弦波信号。图21图示由图20所示的四个元件(46a～46d)形成的第二磁传感器46的构造。元件46a～46d的位置与图10所示元件6a～6d的位置相同。
此外，作为第二磁传感器，可使用图22所示的第二磁传感器56。第二磁传感器56的结构图示于图22(a)中，且其等效电路图示于图22(b)中。第二磁传感器56包括以45°间隔排列的八个磁阻元件，它们用于递送具有不同相位的输出(如图22(a)所示)，并包括两个各自包含四个磁阻元件的全桥电路(如图22(b)所示)。在由图22(a)所示的以奇数标识的元件中，从延伸方向彼此相差90°的第三元件与第五元件获得余弦输出。类似地，从延伸方向彼此相差90°的第一元件与第七元件获得负余弦输出。以偶数标识的四个元件所构成的传感器组设置于使整个传感器组相对于由奇数标识的四个元件所构成的传感器组的位置旋转45°的位置处。因此，可从延伸方向彼此相差90°的第六元件与第八元件获得正弦输出。类似地，可从延伸方向彼此相差90°的第二元件与第四元件获得负正弦输出。因此，由图22(b)中所示的以偶数2、4、6及8标识的元件所形成的第一全桥电路的输出与以奇数1、3、5及7标识的元件所形成的第二全桥电路的输出具有彼此相差90°的相位，因此，当第二磁性图16旋转时，与第二磁传感器6相似，从第二磁传感器56输出彼此具有90°相位差的两相正弦波信号。
在第二磁传感器56中，磁阻元件的排列与第二磁性图16的节距(P)无关。因此，第二磁传感器56具有以下优点：第二磁传感器56也可应用于具有不同节距(P)的第二磁性图16。
接下来将阐述根据本发明其他实施例的第一磁传感器5。对第一磁传感器5来说，图5(a)中所示的磁化方向m5～m8可与图5(a)中所示的方向相差180°。磁化方向m1～m4可与图5(a)所示的方向相差180°。所有的磁化方向m1～m8可与图5(a)所示的方向相差180°。
此外，作为第一磁传感器，可使用具有偏磁的AMR型磁传感器25。图23(a)是AMR型磁传感器25的结构图，其用于图示AMR的磁传感区域(e1～e8)及偏磁的磁化方向(m1～m4)，且图23(b)是图示AMR型磁传感器25的等效电路的图。由磁传感表面区域e1及e2形成的组、由磁传感表面区域e5及e6形成的组、由磁传感表面区域e3及e4形成的组、以及由磁传感表面区域e7及e8形成的组在图23(a)所示的同一圆周上以90°的间隔排列。此AMR型磁传感器25使用从一个偏磁的磁极表面中心径向延伸的不同磁化方向。与第一磁传感器5相似，第一磁传感器25也可在与磁场周期相同的周期中提供具有不同相位的信号以用于区分N磁极与S磁极。
上述第一磁传感器5及25由磁阻元件形成，但第一磁传感器也可由霍尔元件形成。例如，如图24(a)所示，四个霍尔元件h1～h4以90°间隔排列于同一圆周上，以构成第一磁传感器35。图24(b)是图24(a)所示第一磁传感器35的电路图。第一磁传感器35也可在与磁场周期相同的周期中提供具有用于不同相位的信号以用于区分N磁极与S磁极。
接下来，在图25中图示根据本发明另一实施例的永久磁铁4。图25所示的永久磁铁4包括固定至杯形内表面的环形磁性构件50。因为设置有此磁性构件50，所以永久磁铁4具有能抵抗外部浮动磁场的结构。
此外，图26图示用于固定永久磁铁4及转轴2的另一种方法。如图26所示，在根据第一实施例的永久磁铁4中，可在永久磁铁4的中心形成螺孔，以利用螺钉52从杯形永久磁铁4的内部固定转轴2。
附图标记列表：
1、31：绝对编码装置
2：转轴
4：永久磁铁
5、25、35：第一磁传感器
6、46、56：第二磁传感器
7：信号处理电路
8：基板
11：永久磁铁的主体部
11a：主体部的内底面
11b：主体部的外周边表面
12：永久磁铁的转轴固定部
14：第一磁性图
16：第二磁性图

Claims (7)

1.一种绝对编码装置，其包括：
永久磁铁，其固定至转轴并且包括由两个磁极形成的第一磁性图及由多个磁极形成的第二磁性图；
第一磁传感器，其用于检测所述第一磁性图的磁场；
第二磁传感器，其用于检测所述第二磁性图的磁场；
信号处理电路，其用于获得绝对角度信号、获得相对角度信号、并且基于所述绝对角度信号及所述相对角度信号计算所述转轴的绝对旋转角度，所述绝对角度信号基于所述第一磁传感器的输出信号而表示所述转轴的绝对角度位置，所述相对角度信号基于所述第二磁传感器的输出信号而表示所述转轴的相对角度位置；以及
单基板，其设置成与所述永久磁铁相对，以固定所述第一磁传感器、所述第二磁传感器及所述信号处理电路，
其中，所述第一磁性图在与所述单基板相对的所述永久磁铁的表面中所形成的凹部内、在与轴向交叉的方向延伸的平面上沿旋转方向形成为具有不同的磁极性，且所述第二磁性图在所述永久磁铁的外周边表面上沿圆周方向交替地形成为具有不同的磁极性。
2.如权利要求1所述的绝对编码装置，其中，
所述第一磁传感器用以在容许区分N磁极与S磁极的周期中输出具有不同相位的信号；
所述第二磁传感器用以在不区分所述N磁极与所述S磁极的周期中输出具有不同相位的信号；以及
所述永久磁铁与所述单基板之间的距离以及所述永久磁铁的厚度是根据所述第一磁传感器及所述第二磁传感器的特性而选择。
3.如权利要求1所述的绝对编码装置，其中，所述单基板具有沿一个方向延伸的平坦面，且所述第一磁传感器及所述第二磁传感器被直接安装于同一所述平坦面上。
4.如权利要求1所述的绝对编码装置，其中，所述第一磁性图形成为圆形形状，且所述第一磁传感器设置于所述转轴的轴线上。
5.如权利要求1所述的绝对编码装置，其中，所述第一磁性图形成为环形形状，且所述第一磁传感器设置于从所述转轴的轴线偏移的位置处。
6.如权利要求1所述的绝对编码装置，其还包括设置于所述永久磁铁内的环形磁性构件。
7.一种电动机，其包括如权利要求1～6中的任一项所述的绝对编码装置，其中，所述转轴包括所述电动机的驱动机构。
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