磁极方向检测装置的制作方法

本申请以2017年11月17日提交的日本专利申请2017-221836为基础，并要求该申请的优先权益；该申请的完整内容通过引用结合在此。

本发明的一种或多种实施方式涉及一种磁极方向检测装置，尤其涉及一种用于检测多相电机的转子的磁极方向的磁极方向检测装置。

背景技术：

在相关技术中，已知有一种用于检测多相电机中的转子的转轴的旋转角度的技术，该多相电机用于辅助车辆方向盘的转向。例如，在jp-a-2004-150931中，公开了一种电机的旋转角度检测装置，其结构可以简化而不会降低检测精度。该旋转角度检测装置包括设置在电机的转轴的端部的磁体、磁阻传感器和旋转角度计算单元，并检测旋转角度。旋转角度检测装置根据旋转角度计算旋转速度和旋转加速度，并根据旋转速度和旋转加速度计算速度校正值和加速度校正值。使用速度校正值和加速度校正值校正检测到的旋转角度，并计算校正后的旋转角度。

在jp-a-2016-050841中，公开了一种可降低制造成本的磁检测装置。该磁检测装置构造为包括：磁检测单元，其根据检测目标的位移来检测磁场的变化，并输出具有不同相位的检测信号；开关单元，其电连接至多个磁检测单元，并周期性地切换与多个磁检测单元中的每一个的连接；以及运算放大器，其用于差分放大对于多个磁检测单元中的每一个具有不同相位并经由切换单元输入的检测信号。在磁检测单元中，永磁体附接至旋转构件(例如车辆的方向盘)，并且使用两组磁阻传感器检测角度，在这两组磁阻传感器中，四个磁阻元件按90度布置。

技术实现要素：

但是，发明人发现，在利用布置在多相电机的转轴的顶端处的永磁体的磁场的变化来检测转轴的旋转角度的情况下，即使试图使用具有如相关技术中的隧穿磁阻元件的磁传感器来提高多相电机中的检测精度，也存在限制。在为了提高检测精度而进行的深入研究中，本发明人发现，在磁场强度较强的情况下，隧穿磁阻元件的磁化固定层的磁化方向会稍稍倾斜，这导致相位提前和延后的发生。

因此，本发明的一种或多种实施方式旨在提供一种磁极方向检测装置，该装置包括隧穿磁阻元件，并通过校正由磁极方向检测装置中的磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差来提高转轴的磁极方向的检测精度。

为了解决上述问题，提供了一种磁极方向检测装置，该装置用于检测附接至转轴的顶端的检测目标磁体的磁极方向。该磁极方向检测装置包括：磁阻元件，其包括磁化固定层和自由层；磁检测单元，其利用磁阻元件检测由检测目标磁体的旋转产生的磁场变化，并输出具有不同相位的检测信号；磁极方向计算单元，其根据从磁检测单元输出的检测信号计算检测目标磁体的磁极方向；方向校正量计算单元，其计算用于校正由磁阻元件的磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差的方向校正量，该磁化方向偏差是由检测目标磁体的磁场作用产生的，并包含在由磁极方向计算单元计算的磁极方向中；以及磁极方向校正单元，其使用由方向校正量计算单元计算的方向校正量校正由磁极方向计算单元计算的磁极方向。

根据这种配置，能够提供一种磁极方向检测装置，其中通过校正由磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差来提高转轴的磁极方向的检测精度。

根据本发明的一种或多种实施方式，能够提供一种磁极方向检测装置，其包括隧穿磁阻元件，并通过校正由磁极方向检测装置中的磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差来提高转轴的磁极方向的检测精度。

附图说明

图1是采用本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置的多相电机控制装置的框图；

图2是采用本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置的三相电机的沿转轴方向的横截面的示意性横截面图；

图3是采用本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置的三相电机的垂直于转轴的横截面的示意性横截面图；

图4是用于说明本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的磁检测单元的示意图；

图5是用于说明在采用本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置的三相电机中在垂直于电机转轴的横截面上从检测目标磁体产生的磁场与磁检测单元之间的关系变化的示意图；

图6是示出本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的磁检测单元等部件的框图；

图7是示出本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的磁检测单元的输出电压波形的示意图；

图8a至8c是示出隧穿磁阻元件的示意图，其中图8a是在自由层和磁化固定层的磁化方向平行的情况下的示意图，图8b是在自由层和磁化固定层的磁化方向不平行的情况下的示意图，图8c是示出检测目标磁体的磁场如何改变自由层的磁极方向的示意图；

图9a至9e是用于说明在隧穿磁阻元件中出现的磁极方向偏差的示意图；

图10是示出在隧穿磁阻元件中出现磁极方向偏差的情况下第二桥路中的一个隧穿磁阻元件的电阻值的变化(余弦波形)的示意图；

图11a是示出第二桥路的输出电压(余弦波形)的曲线图，图11b是示出第一桥路的输出电压(正弦波形)的曲线图，图11c是示出在隧穿磁阻元件中出现磁极偏差的情况下的角度误差的曲线图；

图12a是本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的磁检测单元的示意图，图12b是磁检测单元内的第一桥路的示意图，图12c是磁检测单元内的第二桥路的示意图；

图13a是示出在隧穿磁阻元件的磁化固定层中未考虑磁化方向偏差的情况下磁极方向的示意图，图13b是示出在本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的隧穿磁阻元件的磁化固定层中考虑磁化方向偏差的情况下r1的磁极方向的示意图，图13c是示出在本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置中的隧穿磁阻元件的磁化固定层中考虑磁化方向偏差的情况下r2的磁极方向的示意图；

图14是本发明的第一种实施方式的磁极方向检测装置的控制框图；和

图15是示出本发明的第一种实施方式的一个变化示例的磁极方向检测装置的测量系统的示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式中阐述了各种细节，以便透彻理解本发明。但是，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，实践本发明时可以无需这些具体细节。在其它示例中未详细说明公知的特征，以避免使本发明变得费解。

第一种实施方式

请参考图1，现在说明采用此实施方式的磁极方向检测装置200的三相电机m和多相电机控制装置100。多相电机控制装置100是用于车辆的电动助力转向器(未示出)等装置的三相无刷电机，并驱动和控制为转向操作提供辅助力的三相电机m。多相电机控制装置100包括：通过将与三相电机m的相u、v和w对应的相电路cu、cv和cw并联而形成的桥路10、向桥路10的每相输出脉宽调制(pwm)信号的pwm控制单元20、以及控制整个装置的控制单元30。三相电机m包括磁检测单元220等，并输出与检测的磁极方向相关的信号。磁检测单元220等装置将稍后说明。

桥路10经由电源线lh连接至电池bat的正极侧，并经由地线ll连接至电池bat的负极侧(接地)。桥路10的相电路cu、cv和cw具有设置在电源线lh侧的高电位侧开关元件quh、qvh和qwh、设置在地线ll侧的低电位侧开关元件qul、qvl和qwl、以及在最靠近地线ll侧的位置设置的串联的电流检测器ru、rv和rw。在此实施方式中，使用mosfet(即，金属氧化物半导体场效应晶体管)作为高电位侧开关元件quh、qvh和qwh以及低电位侧开关元件qul、qvl和qwl。

高电位侧开关元件quh、qvh和qwh的每个漏极连接至电源线lh。高电位侧开关元件quh、qvh和qwh的每个源极连接至低电位侧开关元件qul、qvl和qwl的每个漏极。低电位侧开关元件qul，qvl和qwl的每个源极经由电流检测器ru、rv和rw连接至地线ll。每个高电位侧开关元件quh、qvh和qwh以及每个低电位侧开关元件qul、qvl和qwl在其栅极接收由pwm控制单元20产生的pwm信号，并且源极-漏极路径被导通或关断。

每个电流检测器ru、rv和rw是用于电流检测的电阻器(并联电阻器)，并设置在比低电位侧开关元件qul、qvl和qwl的电位更低的一侧(接地侧)，并且通过稍后说明的方法检测从桥路10向三相电机m的相u、v和w之中的每一相提供的电流。通常，通过激励正弦波向电动转向装置的三相电机m提供驱动动力。此时，由于需要相u、v和w的每一个的电流值的反馈，因此设置电流检测器ru、rv和rw以检测每个相电路cu、cv和cw中的每相的电流。待激励的正弦波是使用逆变器通过pwm控制产生的伪正弦波。

高电位侧开关元件quh、qvh和qwh以及低电位侧开关元件qul、qvl和qwl的每个连接点连接至三相电机m的相u、v和w的每个线圈。低电位侧开关元件qul、qvl和qwl与电流检测器ru、rv和rw的每个连接点连接至相应的电流检测单元240u、240v和240w，这些电流检测单元分别输出通过将每个相电路cu、cv和cw的模拟相电流值转换为数字值而获得的相电流值iu、iv和iw。低电位侧开关元件qul、qvl和qwl以及电流检测器ru、rv和rw的每个连接点连接至相应的电流检测单元240u、240v和240w，这些电流检测单元分别输出相电流值iu、iv和iw。由于在相电路cu、cv和cw中流动的相电流，在电流检测器ru、rv和rw中出现与电流值成正比的电压降。虽然压降值是模拟值，但是压降值被转换为相电流值iu、iv和iw，并且输出为数字值。

控制单元30接收与从每个电流检测单元240u、240v和240w输出的每个相电流值iu、iv和iw对应的电压值，从另一传感器或电气控制单元(ecu)(未示出)获得的方向盘的转向扭矩值、三相电机m的旋转角度(电角度)和车辆速度作为输入。控制单元30还接收关于由三相电机m的磁检测单元220检测的磁极方向的信号作为输入。基于由驾驶员在驾驶时向方向盘提供的转向扭矩值、由在后文中说明的磁极方向检测装置200校正的三相电机m的旋转角度、以及由相应电流检测单元240u、240v和240w检测的每个相电流值iu，iv和iw，控制单元30计算与辅助力对应的每相的相应指令电压vu、vv和vw作为将通过三相电机m提供至方向盘的目标值，并将指令电压输出至pwm控制单元20。控制单元30由包括cpu和存储器的微型计算机构成。

pwm控制单元20根据从控制单元30输出的每个相的相应指令电压vu、vv和vw产生相应的占空指令值du、dv和dw。pwm控制单元20根据占空指令值du、dv和dw产生用于旋转驱动三相电机m的pwm信号，并将该pwm信号输出至高电位侧开关元件quh、qvh和qwh以及低电位侧开关元件qul、qvl和qwl。该pwm信号分别输入至高电位侧开关元件quh、qvh和qwh的栅极以及低电位侧开关元件qul、qvl和qwl的栅极，并且桥路10通过pwm控制转换电池bat的电力作为直流电源，并将转换后的电力提供至三相电机m。

控制单元30输出每个采样信号su、sv和sw，以向相应的电流检测单元240u、240v和240w指示每个电流检测单元240u、240v和240w应何时测量电流。稍后会说明如何以及何时测量电流。电流检测单元240u、240v和240w根据采样信号su、sv和sw测量各相的电流，并将相电流值iu、iv和iw反馈给控制单元30。

控制单元30包括稍后说明的磁极方向检测装置200的一部分200a。磁极方向检测装置200的部分200a是磁极方向计算单元230、方向校正量计算单元260和磁极方向校正单元270，这些部件将在后面说明。控制单元30接收关于由三相电机m的磁检测单元220检测的磁极方向的信号作为输入，并将该信号传递至磁极方向检测装置200的部分200a。在此实施方式中，磁极方向检测装置200所示为微型计算机的控制单元30的一部分，但不限于此。磁极方向检测装置200可设置在另一台微型计算机中。

请参考图2和3，下面将说明三相电机m。三相电机m包括转轴m4、固定至转轴m4的磁化转子m3、缠绕在设置在面对转子m3的位置的定子m1上的多相线圈m2、在其内壁上包括多相线圈m2的壳体m5、包括附接至转轴m4的顶端的一对磁极的检测目标磁体210、包括隧穿磁阻元件223的磁检测单元220、包括各种电路的基板90、以及用于连接电源和转矩信号等的连接器91。多相线圈m2包括与u相对应的u相线圈m2u、与v相对应的v相线圈m2v、以及与w相对应的w相线圈m2w，并且具有三相。这些构成元件可称为元件。磁检测单元220在基板90上设置在与检测目标磁体210对应的位置，在磁检测单元220与检测目标磁体210之间有适当的距离。基板90包括电路，例如用于控制电机m的控制单元30、电流检测单元240、pwm控制单元20和桥路10等电路。

请参考图4和5，下面将说明磁检测单元220和检测目标磁体210。检测目标磁体210具有柱形形状并被磁化，使得半圆柱中的一个是n极而另一个是s极。相应地，检测目标磁体210形成磁场(单点划线)，其中磁场线从n极出来并进入s极，并且磁极方向在磁体内是从s极到n极的方向，如虚线箭头所示。磁检测单元220设置在由具有适当强度的检测磁体210形成的磁场内的位置。

由于磁检测单元220固定至基板90并且检测目标磁体210固定至转轴m4的顶端，因此操作三相电机m运转并且转轴m4旋转时，检测目标磁体210的磁场(如虚线所示)相对于磁检测单元220旋转，这导致磁通量的密度和方向的变化。即，由永磁体构成的检测目标磁体210的磁场随着转轴m4的旋转而旋转。此时，磁检测单元220的隧穿磁阻元件223在磁通量穿过时检测磁场的变化。图中所示的磁场是其一部分的示意图。

如图6所示，磁检测单元220包括两个磁检测单元，即，第一桥路221和第二桥路222，每个桥路包括四个隧穿磁阻元件223。四个磁阻元件223中的每一个连接为形成惠斯通电桥。在磁场不发生作用的情况下，隧穿磁阻元件223表现出相同的电阻值。由于隧穿磁阻元件223的电阻根据磁场的变化而变化，因此隧穿磁阻元件223经由连接器91和电源单元92从直流电源bat获得电力。当磁场发生变化时，隧穿磁阻元件223相应地改变电压并输出电压。例如，在磁阻元件223是隧穿磁阻传感器(tmr)的情况下，第一桥路221和第二桥路222构造为使得磁化固定层的磁化方向与高电位侧的磁阻元件223和低电位侧的磁阻元件223的方向相反，并且右桥路和左桥路中的相应磁阻元件的方向相反。图中箭头的方向表示磁阻元件223的磁化方向。

第一桥路221和第二桥路222的tmr传感器的磁化方向布置为总体偏差90度。即，第一桥路221和第二桥路222的磁检测方向相差90度。换言之，第一桥路221的隧穿磁阻元件223的磁化方向与第二桥路222的隧穿磁阻元件223的磁化方向彼此正交。由于隧穿磁阻元件223的电阻根据由检测目标磁体210的旋转产生的磁场强度而变化，因此从第一桥路221输出的电压的波形和从第二桥路222输出的电压的波形分别是正弦波形和余弦波形，这两种波形的相位相差90度，如图7所示。相应地，磁检测单元220输出从第一桥路221输出的正弦波形的正弦信号以及从第二桥路222输出的余弦波形的余弦信号。从第一桥路221输出的电压和从第二桥路222输出的电压的波形是在第一桥路221和第二桥路222中的每一个内的两个隧穿磁阻元件223的中点电位处的电压。信号处理单元93接收与输出电压有关的电信号，处理该电信号，并向控制单元30输出相对于磁极方向检测的信号。

隧穿磁阻元件223是具有如下结构的元件：由薄氧化膜形成的隧道势垒夹在两侧的铁磁性金属电极之间；并且隧穿磁阻元件223利用以下现象检测磁场的变化：外部磁场的施加和电阻的变化会导致隧穿电流。电极由磁极方向随外部磁场变化的自由层和磁极方向固定的恒定磁化固定层构成。如图8a所示，在磁场作用使得自由层的磁极方向变为与磁化固定层的磁化方向相同(平行)的情况下，隧穿磁阻元件223的电阻会变小。如图8b所示，在磁场作用使得自由层的磁极方向变为与磁化固定层的磁化方向相反(反向平行)的情况下，隧穿磁阻元件223的电阻会变大。

图8c示出了在固定至转轴m4的顶端的检测目标磁体210的磁场(虚线箭头)因旋转而变化时自由层的磁极的方向如何相应地改变。即使在检测目标磁体210的磁场变化时，磁化固定层的磁化方向也不会改变，并且面向恒定方向，但是自由层的磁极方向会随着检测磁体210的磁场变化而旋转并改变。在图8c中，随着检测目标磁体210的磁场旋转，自由层的磁极方向从实线箭头改变为单点划线箭头。

通常，如上所述，由于磁化固定层的磁化方向是固定的，因此该磁化方向不会改变。但是，本发明人发现，在磁场强度较高的环境中(例如使检测目标磁体210靠近磁检测单元220)，磁化固定层的磁化方向也会被检测目标磁体210的磁场变化拖动而轻微变化。下面将参照图9a至9e说明磁化固定层的磁化方向的变化。

图9a示出了磁化固定层的磁化方向(实线箭头)和检测目标磁体210的磁极方向(虚线箭头)相互重合的情况。图9b示出了检测目标磁体210的磁极的方向从图9a中所示的磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向相互重合的状态顺时针旋转90度时的情况。在此情况下，磁化固定层的磁化方向被检测目标磁体210的磁极方向变化拖动而沿顺时针方向(+方向)改变一个小角度δ。

图9c示出了检测目标磁体210的磁极方向从图9b所示的磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向形成90度的状态进一步顺时针旋转90度时的情况，并示出了磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向之间形成的角度为180°时的情况。即，磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向相反。在此情况下，由于磁化固定层的磁化方向不像自由层的磁极方向那样被检测目标磁体210的磁极方向的变化拖动而旋转，因此磁化固定层的磁化方向返回至磁化固定层的原磁化方向。

图9d示出了检测目标磁体210的磁极方向从图9c所示的磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向相反的状态进一步顺时针旋转90度时的情况，此时磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向形成270度(-90度)。在此情况下，磁化固定层的磁化方向被沿着检测目标磁体210的磁极方向拉动，并沿逆时针方向(-方向)改变一个小角度δ。

图9e示出了检测目标磁体210的磁极方向从图9d所示的磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向形成-90度的状态进一步顺时针旋转90度时的情况，并示出了磁化固定层的磁化方向与检测目标磁体210的磁极方向彼此符合的情况，该情况与图9a的类似。因此，当检测目标磁体210旋转一圈(360度)时，磁化固定层的磁化方向导致磁化固定层的原磁化方向两次偏离至一个小角度δ。

图10示出了第二桥路222内的一个隧穿磁阻元件223的电阻值的变化(余弦波形)。在该图中，左侧的竖轴表示一个隧穿磁阻元件的电阻值，而右侧的竖轴表示误差δ的电阻值。细实线表示不考虑上述的磁化固定层的磁化方向偏差时的理论电阻值，粗实线表示在考虑发生磁化固定层的磁化方向偏差(在图中以“引脚弯曲”表示)的情况下的实测电阻值。当角度为0至180度时，电阻值的相位略微提前，而当角度为180至360度时，电阻值的相位略微延后。因此，与磁化固定层的磁化方向偏差相伴的与理论电阻值的误差表明了在半个周期内微小值δ的幅度的波动，如虚线所示。

第二桥路222中的一个隧穿磁阻元件223的电阻值的变化(余弦波形)也影响整个第二桥路222的电压输出。图11a中的粗实线(合成输出)示出了从第二桥路222输出的电压，并且该电压是通过合成四个隧穿磁阻元件223中的电阻值的误差而获得的，并且表现出复相位提前或延后。类似地，图11b中的粗实线示出了从第一桥路221输出的电压。

当根据来自第二桥路222的余弦波形和来自第一桥路221的正弦波形计算反正切值时，可获得包括误差的角度。单独地说，如果获得了测量角度的真实值与包括误差的角度之间的差值，那么可获得误差的角度，但是误差的角度在图11c中示出。如图11c所示，在检测目标磁体210的旋转周期的四分之一圈内发生了误差。通过考虑该误差，本发明的实施方式提高了检测目标磁体210(即转子m3)的磁极方向的检测精度。

下面将参照图12、13以及下列数学表达式更详细地进行说明。图12a示出了磁检测单元220，该磁检测单元220内部包括图12b中所示的第一桥路221(正弦波形)和图12c中所示的第二桥路222(余弦波形)。磁检测单元220根据输出电压检测在该附图中检测目标磁体210的磁极方向从θ＝0改变了多大角度θ。

第一桥路221的磁化固定层的磁化方向布置为形成与θ＝0的方向垂直的方向，如图12b所示；并且，在隧穿磁阻元件223中，r1和r3沿+90度的方向取向，而r2和r4沿-90度(+270度)的方向取向。第二桥路222的磁化固定层的磁化方向布置为形成与θ＝0的方向平行的方向，如图12c所示；并且，在隧穿磁阻元件223中，r5和r7沿0度的方向取向，而r6和r8沿+180度的方向取向。

在第一桥路221中，r2与r3之间的连接点接地，电源单元92的电压vcc施加至r1与r4之间的连接点，并且输出电压(vsin+)是从r1与r2之间的连接点获得的，而输出电压(vsin-)是从r3与r4之间的连接点获得的。在第二桥路222中，r6与r7之间的连接点接地，电源单元92的电压vcc施加至r5与r8之间的连接点，并且输出电压(vcos+)是从r5与r6之间的连接点获得的，而输出电压(vcos-)是从r7与r8之间的连接点获得的。

首先说明不考虑隧穿磁阻元件223的磁化固定层的磁化方向偏差的情况。如图13a所示，在检测目标磁体210的磁极的方向是θ的情况下，自由层的磁极方向也指向θ的方向。此时，例如由于r1的磁化固定层的磁化方向不发生变化，因此r1的磁化固定层的磁化方向保持指向+90度的方向。此时，由自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向形成的角度为θ1。在下面的说明中，在r1至r8中由自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向形成的角度定义为θ1至θ8。

在第一桥路221的r1至r4中，由自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向形成的角度如下。

θ1＝θ-π/2

θ2＝θ-3π/2

θ3＝θ-π/2

θ4＝θ-3π/2

由于用于获得桥路的电阻值的一般表达式是

rn(θn)＝r0-rr0cosθn(n＝1至8),

因此r1至r4的电阻值如下。r0是电阻值的中值，r是电阻变化率。

r1(θ1)＝r0-rr0cosθ1

r2(θ2)＝r0-rr0cosθ2

r3(θ3)＝r0-rr0cosθ3

r4(θ4)＝r0-rr0cosθ4

类似地，第二桥路222的r5至r8如下。

θ5＝θ

θ6＝θ-π

θ7＝θ

θ8＝θ-π

r5(θ5)＝r0-rr0cosθ5

r6(θ6)＝r0-rr0cosθ6

r7(θ7)＝r0-rr0cosθ7

r8(θ8)＝r0-rr0cosθ8

在第一桥路221和第二桥路222中，根据基尔霍夫定律，以下表达式成立。isin±和icos±是第一桥路221和第二桥路222的电流值。

vcc-r1isin+-r2isin+＝0

vcc-r4isin--r3isin-＝0

vcc–r5icos+-r6icos+＝0

vcc–r8icos--r7icos-＝0

当根据当前值汇总这些表达式时，这些表达式变为如下形式。

isin+＝vcc/(r1+r2)

isin-＝vcc/(r3+r4)

icos+＝vcc/(r5+r6)

icos-＝vcc/(r7+r8)

第一桥路221的r1与r2的连接点处的输出电压vsin+和r3与r4的连接点处的输出电压vsin-以及第二桥路222的r5与r6的连接点处的输出电压vcos+和r7与r8的连接点处的输出电压vcos-由以下表达式表示。

vsin+＝vcc-r1isin+

vsin-＝vcc–r4isin-

vcos+＝vcc–r5icos+

vcos-＝vcc–r8icos-

当将电流值代入这些表达式时，获得以下结果。

vsin+＝vcc–r1vcc/(r1+r2)

＝r2vcc/(r1+r2)

＝(r0+rr0sinθ)vcc/2r0(10)

vsin-＝(r0-rr0sinθ)vcc/2r0(11)

vcos+＝(r0+rr0cosθ)vcc/2r0(12)

vcos-＝(r0-rr0cosθ)vcc/2r0(13)

因此，在检测目标磁体210的磁极的方向是θ的情况下，通过上述的表达式(10)至(13)能够获得各个桥路的输出电压。

下面说明考虑隧穿磁阻元件223的磁化固定层的磁化方向偏差的情况。如图13b所示，在检测目标磁体210的磁极的方向是θ的情况下，自由层的磁极方向也指向方向θ。此时，例如磁化固定层r1的磁化方向被沿检测目标磁体210的磁极方向拖动并偏离，从而与没有偏差的情况相比向自由层的磁极方向靠近δθ。在此，δθ如下：

在第一桥路221的情况下：δθ＝bccosθ

在第二桥路222的情况下：δθ＝bcsinθ

在此，b是隧穿磁阻元件223中的检测目标磁体210的磁通密度，c是隧穿磁阻元件223的固有系数。

此时，在r1中，由自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向形成的角度为θe1。类似地，如图13c所示，磁化固定层r2的磁化方向被沿检测目标磁体210的磁极方向拉动并偏离，从而与没有偏差的情况相比向自由层的磁极方向靠近δθ。此时，在r2中，在自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向之间形成的角度为θe2。在r3至r8中，由自由层的磁极方向和磁化固定层的磁化方向形成的角度θe3至θe8也是相同的。

在第一桥路221和第二桥路222的r1至r8中，由自由层的磁极方向与磁化固定层的磁化方向形成的角度如下。

θe1＝θ-π/2+δθ

θe2＝θ-3π/2-δθ

θe3＝θ-π/2+δθ

θe4＝θ-3π/2-δθ

θe5＝θ-δθ

θe6＝θ-π+δθ

θe7＝θ-δθ

θe8＝θ-π+δθ

因此r1至r8的电阻值如下。

r1(θe1)＝r0-rr0cosθe1

r2(θe2)＝r0-rr0cosθe2

r3(θe3)＝r0-rr0cosθe3

r4(θe4)＝r0-rr0cosθe4

r5(θe5)＝r0-rr0cosθe5

r6(θe6)＝r0-rr0cosθe6

r7(θe7)＝r0-rr0cosθe7

r8(θe8)＝r0-rr0cosθe8

当以与上述相同的方式概括这些表达式时，第一桥路221和第二桥路222的输出电压由以下表达式表示。

vsin+＝vcc×(r0-rr0sin(δθ-θ))/(2r0-2rr0sinδθcosθ)(20)

vsin-＝vcc×(r0-rr0sin(δθ+θ))/(2r0-2rr0sinδθcosθ)(21)

vcos+＝vcc×(r0+rr0cos(δθ+θ))/(2r0-2rr0sinδθsinθ)(22)

vcos-＝vcc×(r0-rr0cos(δθ-θ))/(2r0-2rr0sinδθsinθ)(23)

vsin＝(vsin+)–(vsin-)＝vcc×rr0×(sinθ×cosδθ/r0-rr0sinδθcosθ)(24)

vcos＝(vcos+)–(vcos-)＝vcc×rr0×(cosθ×cosδθ/r0-rr0sinδθsinθ)(25)

如上所述，考虑到隧穿磁阻元件223的磁化固定层的磁化方向偏差，可如表达式(20)至(25)所示为磁检测单元220的第一桥路221和第二桥路222的输出电压建立模型。如果能够为每个桥路的输出电压建立模型，那么就能校正由磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差，如稍后所述。

请参考图14，下面将说明本发明的实施方式的磁极方向检测装置200。磁极方向检测装置200是用于检测多相电机m中的转子m3的磁极方向的装置，该多相电机m包括由流过缠绕在定子m1上的多相线圈m2的电流产生的磁场旋转的转子m3。在此实施方式中，检测目标磁体210的磁极方向是转子m3的磁极方向。磁极方向检测装置200包括：检测目标磁体210，其附接至转子m3的转轴m4的顶端；磁检测单元220，其检测因检测目标磁体210的旋转而引起的磁极方向(磁场)的变化，作为隧穿磁阻元件223的电压变化；磁极方向计算单元230，其通过根据正弦波形电压信号和与余弦波形电压相关的检测信号计算反正切值来计算检测目标磁体210的磁极方向，所述正弦波形电压信号和所述与余弦波形电压相关的检测信号彼此相位不同，并且是从磁检测单元220输出的；方向校正量计算单元260，其用于计算方向校正量，以校正由隧穿磁阻元件223的磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差量，该磁化方向偏差是由检测目标磁体210的磁场的作用产生的，并包括在由磁极方向计算单元230计算的磁极方向中；以及磁极方向校正单元270，其使用由方向校正量计算单元260计算的方向校正量相对于由磁极方向计算单元230计算的磁极方向进行校正。

由于由磁极方向计算单元230计算的磁极方向θd包括由磁检测单元220的隧穿磁阻元件223的磁化固定层的磁化方向偏差(δθ)引起的误差θx，因此在假定θ在磁体210的磁极方向上是真实磁极方向的情况下，可以表示为θd＝θ+θx。相应地，由于θ在检测目标磁体210的磁极方向上是θ＝θd-θx，因此磁极方向校正单元270能够通过减去由方向校正量计算单元260计算的方向校正量来测定θ在检测目标磁体210的磁极方向上的真实值。

首先，使用表达式(24)和(25)说明由磁极方向计算单元230计算磁极方向θd的程序，这些表达式是反映磁化固定层的磁化方向偏差的模型表达式。按上文所述使用b(隧穿磁阻元件223中的检测目标磁体210的磁通密度)和c(隧穿磁阻元件223的固有系数)计算δθ。通过将先前获得的δθ、r0(电阻值的中值)和r(电阻变化率)代入模型表达式，将θ的计算变为计算vsin和vcos。例如，按0.1间隔改变θ，以针对每个θ值计算vsin和vcos。在此，θ被视为检测目标磁体210的磁化方向的真实值。

然后，设定tanθd＝(vsin/vcos)，通过由此计算反正切值来获得θd，并可通过从θd减去θ来获得误差θx。例如，针对变化了0.1的每个θ获得θd和误差θx，并产生一个校正表，在该校正表中，θd和θx彼此关联起来。通过使用以这种方式预先产生的校正表，方向校正量计算单元260能够通过从由磁极方向计算单元230计算的磁极方向θd减去与该值对应的误差θx来检测检测目标磁体210的磁极方向θ的真实值。根据这种配置，能够提供一种磁极方向检测装置200，其中通过校正由磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差来提高转轴的旋转角度(磁极方向)的检测精度。

如上所述，方向校正量计算单元260可通过计算根据磁检测单元220的输出电压建模的角度误差的量来导出方向校正量(δθ)，或者可预先根据检测目标磁体210的磁极方向θ测量出现的角度误差，准备方向校正量对应表，并选择与磁检测单元220的输出电压对应的方向校正量(δθ)。

第一种实施方式的变化示例

在以上说明中，说明了磁极方向校正单元270通过减去方向校正量来进行校正的一个示例，但是也可通过以下方法进行校正。本发明人发现，在磁场强度较高的环境中，磁化固定层的磁化方向会发生轻微变化。本发明人如上所述的进行了建模，并如上所述地进行了按照模型方程为每个θ计算误差θx的模拟，发现误差θx相对于θ在第四阶水平上波动。此变化示例基于这种认识。图15示出了一种测量系统，该测量系统设有上述的包括转轴m4的多相电机m、以及旋转装置m7(外部装置)，该旋转装置用于相对于电机m从外部机械地旋转转轴m4。

虽然多相电机控制装置100的电路是通电的，但是旋转装置m7使集成有转子和检测目标磁体210的转子m4旋转，而对转轴m4的旋转不进行控制。该旋转装置m7包括编码器，该编码器是输出转轴m4的旋转角度的传感器。转轴m4的旋转角度零与检测磁体210的磁极方向初始设定为彼此重合。编码器能够精确地测量转轴m4(或转子m3)的物理旋转角度(机械角度)。因此，作为编码器的输出的旋转角度θ被认为是转轴m4的旋转角度的真实值，即，与转轴m4的磁极方向或检测目标磁体210的磁极方向相同。

转轴m4由旋转装置m7以预定间隔(例如0.1度间隔)旋转。由于多相电机控制装置100是通电的，因此隧穿磁阻元件223的桥路10按每个预定间隔输出输出电压vsin和vcos。使用vsin和vcos计算反正切值，以计算θd，并且计算从编码器输出获得的真实值的旋转角度θ(磁极方向θ)与θd之间的差值θy。以这种方式计算数值的装置可以是如附图所示的角度误差表产生装置。差值θy除了包括由磁化固定层的磁化方向的偏差引起的误差成分外，还可能包括由其它因素引起的误差。如上所述，由于发现由磁化固定层的磁化方向偏差导致的误差相对于θ的变化是四阶成分，因此提取并获得了包含在测得的差值θy的变化中的四阶成分，作为由磁化固定层的磁化方向偏差导致的误差成分θx。

由磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差成分θx和由其它因素引起的误差成分包含在θy中。为了仅提取由磁化固定层的磁化方向偏差引起的误差成分θx，按如下方式获得包含在θy的变化中的四阶成分。考虑在具有竖轴θy和横轴θ的坐标系中的如下函数f(θ)。

f(θ)＝a0+a1sin(θ+b1)+a2sin(2θ+b2)+a3sin(3θ+b3)+a4sin(4θ+b4)+……

a0到an表示各阶的正弦波的幅值，b1到bn表示各阶的正弦波的相位。

例如，使用非线性最小平方法获得与通过实际测量获得的θy和θ非常适合的拟合函数，作为函数f(θ)。因此，由于获得了四阶成分a4sin(4θ+b4)，因此将a4sin(4θ+b4)设为因磁化固定层的磁化方向偏差导致的误差成分θx。然后产生与θd的差值θx对应的表格，并将该对应表表示为方向校正量对应表。通过根据如上所述产生的方向修正量对应表选择与θd对应的方向修正量θx(θd是使用磁检测单元220的输出电压vsin和vcos计算反正切值的结果)，可获得校正量。根据这种配置，能够提供一种磁极方向检测装置200，其中通过校正由磁化固定层的磁化方向偏差导致的误差来提高转轴的磁极方向的检测精度。

本发明不限于所示的实施方式，并且可在不脱离各个权利要求所述内容的范围内以多种构造来实现。虽然本发明是参照特定实施方式具体示出和说明的，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本领域技术人员可在数量和其它详细构造方面对上述实施方式进行各种修改。

虽然本发明是参照有限数量的实施方式说明的，但是受益于本公开的本领域技术人员能理解，可以设计出不脱离本文中所公开的本发明的范围的其它实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限定。