CN108627081B - 角度传感器以及角度传感器*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度传感器以及角度传感器***。角度传感器具备多个检测部和角度运算部。多个检测部在互相不同的检测位置上检测检测对象磁场与噪声磁场的合成磁场。各个检测部生成表示合成磁场的第1方向的成分的强度的第1检测信号、表示合成磁场的第2方向的成分的强度的第2检测信号。角度运算部以与只根据在多个检测部中的任意1个中被生成的一对第1以及第2检测信号而生成角度检测值的情况相比，起因于噪声磁场的角度检测值的误差被减少的方式进行使用了在多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号的运算，并生成角度检测值。

Description

角度传感器以及角度传感器***
技术领域
本发明涉及生成与检测对象的角度具有对应关系的角度检测值的角度传感器以及角度传感器***。
背景技术
近年来，在汽车中的方向盘或者动力转向电机的旋转位置的检测等各种用途中，广泛使用生成与检测对象的角度具有对应关系的角度检测值的角度传感器。作为角度传感器例如有磁式角度传感器。在磁式角度传感器被使用的角度传感器***中，一般设置连动于对象物的旋转或直线运动而产生方向进行旋转的检测对象磁场的磁场产生部。磁场产生部例如是磁铁。磁式角度传感器中的检测对象的角度与基准位置上的检测对象磁场的方向相对于基准方向所成的角度具有对应关系。
作为磁式角度传感器已知有如日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报所记载的那样具备生成彼此相位不同的多个检测信号的多个检测电路并且由使用了多个检测信号的运算来生成角度检测值的磁式角度传感器。多个检测电路各自检测检测对象磁场。另外，多个检测电路分别包含至少1个磁检测元件。
如日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报所记载的那样，在磁式角度传感器中会有除了检测对象磁场之外检测对象磁场以外的噪声磁场被分别施加于多个检测电路的情况。作为噪声磁场例如有来自地磁或电机的泄漏磁场。这样，在噪声磁场分别被施加于多个检测电路的情况下，多个检测电路各自检测检测对象磁场与噪声磁场的合成磁场。因此，在检测对象磁场的方向和噪声磁场的方向不同的时候，在角度检测值中产生误差。以下将产生于角度检测值的误差称为角度误差。
在日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报中记载有能够减少起因于超声磁场的角度误差的旋转磁场传感器。日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报所记载的旋转磁场传感器都具备产生旋转磁场的磁场产生部、第1以及第2检测部。旋转磁场包含第1位置上的第1部分磁场和第2位置上的第2部分磁场。第1部分磁场和第2部分磁场其磁场的方向互相差180°并且在相同旋转方向上进行旋转。第1检测部在第1位置上检测第1部分磁场与噪声磁场的合成磁场。第2检测部在第2位置上检测第2部分磁场与噪声磁场的合成磁场。在日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报所记载的旋转磁场传感器中，进行使用了第1检测部的输出和第2检测部的输出的运算来生成起因于噪声磁场的角度误差被减少的角度检测值。
在日本专利第5062449号公报、日本专利第5062450号公报所记载的旋转磁场传感器中，产生包含如以上所述被规定的第1部分磁场和第2部分磁场的旋转磁场的特殊的磁场产生部是必要的并且第1以及第2检测部的位置对应于旋转磁场的形态而被制约。因此，在该旋转磁场传感器中，存在所谓关于结构或设置产生大的制约的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种关于结构或设置不产生大的制约并且能够减少起因于噪声磁场的角度误差的角度传感器以及角度传感器***。
本发明的角度传感器是生成与检测对象的角度具有对应关系的角度检测值的角度传感器。本发明的角度传感器具备：多个检测部，分别在互相不同的多个检测位置上检测检测对象磁场与其以外的噪声磁场的合成磁场；角度运算部，生成角度检测值。
在多个检测位置的各个上，检测对象磁场的方向对应于检测对象的角度进行变化。在多个检测位置上，检测对象磁场的强度互相不同。多个检测部分别包含：第1检测信号生成部，生成表示合成磁场的第1方向的成分的强度的第1检测信号；第2检测信号生成部，生成表示合成磁场的第2方向的成分的强度的第2检测信号。
角度运算部以与只根据在多个检测部中的任意1个中被生成的一对第1以及第2检测信号而生成角度检测值的情况相比，起因于噪声磁场的角度检测值的误差被减少的方式进行使用了在多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号的运算，并生成角度检测值。
在本发明的角度传感器中，第1方向和第2方向也可以互相垂直。另外，第1以及第2检测信号生成部也可以分别包含至少1个磁检测元件。
另外，在本发明的角度传感器中，多个检测部也可以是第1检测部和第2检测部。在此情况下，角度运算部也可以使用在第1检测部中被生成的第1检测信号与在第2检测部中被生成的第1检测信号之差、在第1检测部中被生成的第2检测信号与在第2检测部中被生成的第2检测信号之差来生成角度检测值。
另外，在本发明的角度传感器中，角度运算部也可以根据多对第1以及第2检测信号并使用最小二乘法来生成角度检测值。在此情况下，角度运算部设想第1未知磁场信息、第2未知磁场信息、多个第1设想检测值、多个第2设想检测值、多个第1残差、多个第2残差。第1未知磁场信息对应于规定的位置上的检测对象磁场的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度。第2未知磁场信息对应于噪声磁场的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度。多个第1设想检测值分别是根据第1以及第2未知磁场信息被设想的对应于在多个检测部中被生成的多个第1信号中的1个的值。多个第2设想检测值分别是根据第1以及第2未知磁场信息被设想的对应于在多个检测部中被生成的多个第2信号中的1个的值。多个第1残差分别是多个第1检测信号中的1个与对应于其的第1设想检测值之差。多个第2残差分别是多个第2检测信号中的1个与对应于其的第2设想检测值之差。于是，角度运算部也可以以多个第1残差的平方和成为最小并且多个第2残差的平方和成为最小的方式推定第1以及第2未知磁场信息，并根据被推定的第1未知磁场信息决定角度检测值。另外，角度运算部也可以使用多个合成检测信号和多个合成设想检测值来进行决定角度检测值的运算。多个合成检测信号分别是表示在多个检测部中的1个中被生成的一对第1以及第2检测信号的1个复数，多个合成设想检测值分别是表示对应于一对第1以及第2检测信号的一对第1以及第2设想检测值的1个复数。
本发明的角度传感器***具备本发明的角度传感器、产生检测对象磁场的磁场产生部。
在本发明的角度传感器以及角度传感器***中，通过进行使用了在多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号的运算从而与只根据在多个检测部中的任意1个中被生成的第1以及第2检测信号生成角度检测值的情况相比，能够生成起因于噪声磁场的角度误差被减少了的角度检测值。在本发明中，有必要满足所谓在多个检测位置上检测对象磁场的强度互相不同的条件，但该条件不是关于角度传感器以及角度传感器***的结构或设置产生大的制约的条件。因此，根据本发明，关于角度传感器以及角度传感器***的结构或设置不产生大的制约并且能够减少起因于噪声磁场的角度误差。
本发明的其他目的、特征以及益处由以下的说明而变得充分明了。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的角度传感器***的概略结构的立体图。
图2是表示本发明的第1实施方式中的方向和角度的定义的说明图。
图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的角度传感器的结构的功能方块图。
图4是表示本发明的第1实施方式中的第1检测信号生成部的结构的一个例子的电路图。
图5是表示本发明的第1实施方式中的第2检测信号生成部的结构的一个例子的电路图。
图6是表示图4以及图5中的1个磁检测元件的一部分的立体图。
图7是示意性地表示磁场产生部所产生的磁场的强度的分布的说明图。
图8A～图8D是表示关于本发明的第1实施方式的模拟的内容的说明图。
图9A～图9D是表示关于本发明的第1实施方式的模拟的内容的说明图。
图10是表示由关于本发明的第1实施方式的模拟获得的角度误差的波形的一个例子的波形图。
图11是表示本发明的第2实施方式所涉及的角度传感器的结构的功能方块图。
图12是示意性地表示关于本发明的第2实施方式的模拟中的合成磁场的强度以及方向的分布的说明图。
图13是表示由关于本发明的第2实施方式的模拟获得的角度误差的波形的一个例子的波形图。
图14是表示本发明的第3实施方式所涉及的角度传感器的结构的功能方块图。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。首先，参照图1，对本发明的第1实施方式所涉及的角度传感器***的概略结构进行说明。本实施方式所涉及的角度传感器***100具备本实施方式所涉及的角度传感器1、磁场产生部5。角度传感器1特别是磁式角度传感器。磁场产生部5产生角度传感器1应该进行检测的本来的磁场、即检测对象磁场。
本实施方式中的磁场产生部5为圆柱状的磁铁6。磁铁6具有将包含圆柱的中心轴的假想的平面作为中心而被对称配置的N极和S极。该磁铁6将圆柱的中心轴作为中心进行旋转。由此，磁铁6所产生的检测对象磁场的方向将包含圆柱的中心轴的旋转中心C作为中心进行旋转。
角度传感器1是生成与检测对象的角度具有对应关系的角度检测值θs的角度传感器。本实施方式中的检测对象的角度与基准位置上的检测对象磁场的方向相对于基准方向所成的角度具有对应关系。以下将基准位置上的对象磁场的方向相对于基准方向所成的角度称之为旋转磁场角度，并以记号θM进行表示。在本实施方式中，旋转磁场角度θM与检测对象的角度相一致。
基准位置位于平行于磁铁6的一方的端面的假想的平面(以下称之为基准平面P。)内。在该基准平面P内，磁铁6所产生的检测对象磁场的方向将基准位置作为中心进行旋转。基准方向位于基准平面P内，并与基准位置相交叉。在以下的说明中，所谓基准位置上的检测对象磁场的方向是指位于基准平面P内的方向。
角度传感器1具备多个检测部。多个检测部分别在互相不同的多个检测位置上检测检测对象磁场与其以外的噪声磁场的合成磁场。检测对象磁场的方向在多个检测位置的各个上对应于检测对象的角度以及旋转磁场角度θM进行变化。在多个检测位置上，检测对象磁场的强度互相不同。
检测位置的数量如果是2个以上的话即可。以下，对多个检测位置为第1检测位置P1和第2检测位置P2并且多个检测部为第1检测部10和第2检测部20的情况进行说明。第1检测部10在第1检测位置P1上检测合成磁场。第2检测部20在第2检测位置P2上检测合成磁场。
在本实施方式中，第1以及第2检测位置P1,P2处于基准平面P上。在本实施方式中，特别是以自基准平面P与旋转中心C的交点起的距离互相不同的方式规定第1以及第2检测位置P1,P2。还有，第1以及第2检测位置P1,P2与磁铁6的位置关系并不限定于图1所表示的例子。例如，第1以及第2检测位置P1,P2也可以是自磁铁6起的距离互相不同的2个位置。
以下，将第1检测位置P1上的检测对象磁场特别称作为第1部分磁场MFa，并且将第2检测位置P2上的检测对象磁场特别称作为第2部分磁场MFb。第1以及第2部分磁场MFa,MFb的方向对应于检测对象的角度以及旋转磁场角度θM进行变化。由于第1以及第2检测位置P1,P2互相不同，第1以及第2部分磁场MFa,MFb的强度互相不同。
第2检测位置P2上的噪声磁场的方向以及强度分别与第1检测位置P1上的噪声磁场的方向以及强度相等。以下用记号Mex来表示噪声磁场。噪声磁场Mex既可以是其方向和强度时间上一定的磁场，也可以是其方向和强度时间上周期性地变化的磁场，也可以是其方向和强度时间上随机地变化的磁场。
另外，将第1检测位置P1上的合成磁场特别称作为第1合成磁场MF1，并且将第2检测位置P2上的合成磁场特别称作为第2合成磁场MF2。第1合成磁场MF1是第1部分磁场MFa与噪声磁场Mex的合成磁场。第2合成磁场MF2是第2部分磁场MFb与噪声磁场Mex的合成磁场。
在此，参照图1以及图2，对本实施方式中的方向和角度的定义进行说明。首先，将平行于图1所表示的旋转中心C并从图1中的下方向上方的方向设定为Z方向。在图2中将Z方向作为图2中的从里面向跟前的方向来表示。接着，将垂直于Z方向的2个方向即互相进行垂直的2个方向分别设定为X方向和Y方向。在图2中将X方向作为朝向右侧的方向来进行表示，将Y方向作为朝向上侧的方向来进行表示。另外，将与X方向相反的方向设定为-X方向，将与Y方向相反的方向设定为-Y方向。
旋转磁场角度θM将基准方向DR作为基准来进行表示。在本实施方式中，将X方向作为基准方向DR。另外，在本实施方式中，将基准平面P与旋转中心的交点设定为基准位置。
第1以及第2合成磁场MF1,MF2的方向都是在图2中以逆时针方向进行旋转的方向。如图2所示，用记号θ1来表示第1合成磁场MF1的方向相对于基准方向DR所成的角度，并且用记号θ2来表示第2合成磁场MF2的方向相对于基准方向DR所成的角度。角度θ1,θ2在从基准方向DR向逆时针方向看的时候以正值进行表示，在从基准方向DR向顺时针方向看的时候以负值进行表示。
第1合成磁场MF1的主成分为第1部分磁场MFa。第2合成磁场MF2的主成分为第2部分磁场MFb。在本实施方式中，使第1以及第2部分磁场MFa,MFb的方向与基准位置上的检测对象磁场的方向相一致。在此情况下，第1以及第2部分磁场MFa,MFb相对于基准方向DR所成的各个角度与旋转磁场角度θM相等。这些角度的正负的定义与角度θ1,θ2相同。
在图1中表示基准位置与第1检测位置P1相一致的例子。基准位置只要满足上述的第1以及第2部分磁场MFa,MFb与基准位置上的检测对象磁场的关系那么也可以与基准平面P和旋转中心C的交点不同。
接着，参照图3，对角度传感器1的结构进行详细的说明。图3是表示角度传感器1的结构的功能方块图。如以上所述，角度传感器1具备多个检测部。多个检测部分别包含：第1检测信号生成部，生成表示合成磁场的第1方向的成分的强度的第1检测信号；第2检测信号生成部，生成表示合成磁场的第2方向的成分的强度的第2检测信号。在本实施方式中，特别是第1方向和第2方向互相垂直。在本实施方式中，将第1方向设定为X方向，并将第2方向设定为Y方向。多个检测部各自上的第1检测信号的相位相同，多个检测部各自上的第2检测信号的相位相同。
第1以及第2检测信号生成部分别包含至少1个磁检测元件。至少1个磁检测元件也可以包含至少1个磁阻效应元件。磁阻效应元件既可以是GMR(巨磁阻效应)元件，也可以是TMR(隧道磁阻效应)元件，也可以是AMR(各向异性磁阻效应)元件。另外，至少1个磁检测元件也可以包含至少1个霍尔元件等、磁阻效应元件以外的检测磁场的元件。
在本实施方式中，多个检测部为第1检测部10和第2检测部20。第1检测部10包含第1检测信号生成部11和第2检测信号生成部12。第1检测信号生成部11生成表示第1合成磁场MF1的第1方向(X方向)的成分的强度的第1检测信号S11。第2检测信号生成部12生成表示第1合成磁场MF1的第2方向(Y方向)的成分的强度的第2检测信号S12。
第2检测部20包含第1检测信号生成部21和第2检测信号生成部22。第1检测信号生成部21生成表示第2合成磁场MF2的第1方向(X方向)的成分的强度的第1检测信号S21。第2检测信号生成部22生成表示第2合成磁场MF2的第2方向(Y方向)的成分的强度的第2检测信号S22。
如果对象磁场的方向以规定的周期进行旋转的话则旋转磁场角度θM以规定的周期进行变化。在此情况下，检测信号S11,S12,S21,S22都以与上述规定的周期相等的信号周期周期性地变化。第1检测信号S11和第1检测信号S21的相位相同。第2检测信号S12和第2检测信号S22的相位相同。第2检测信号S12的相位相对于第1检测信号S11的相位只差信号周期的1/4的奇数倍。第2检测信号S22的相位相对于第1检测信号S21的相位只差信号周期的1/4的奇数倍。还有，从磁检测元件的制作精度等观点出发，这些信号的相位的关系也可以稍微偏离于上述的关系。
还有，在本实施方式中，在所谓检测信号S11,S12,S21,S22的大小在第1以及第2合成磁场MF1,MF2的强度的范围内不饱和的条件下有必要使用检测信号生成部11,12,21,22。
以下，对检测信号生成部11,12,21,22的结构进行说明。图4表示第1检测部10的第1检测信号生成部11的具体结构的一个例子。在该例子中，第1检测信号生成部11具有惠斯通电桥电路17、差分检测器18。惠斯通电桥电路17包含电源端口V1、接地端口G1、2个输出端口E11,E12、被串联连接的第1对的磁检测元件R11,R12、被串联连接的第2对的磁检测元件R13,R14。磁检测元件R11,R13的各一端被连接于电源端口V1。磁检测元件R11的另一端被连接于磁检测元件R12的一端和输出端口E11。磁检测元件R13的另一端被连接于磁检测元件R14的一端和输出端口E12。磁检测元件R12,R14的各另一端被连接于接地端口G1。规定大小的电源电压被施加于电源端口V1。接地端口G1被连接于地线。
第2检测部20的第1检测信号生成部21的结构与第1检测部10的第1检测信号生成部11的结构相同。因此，在以下说明中关于第1检测信号生成部21的结构要素，使用与第1检测信号生成部11的结构要素相同的符号。
图5表示第1检测部10的第2检测信号生成部12的具体结构的一个例子。在该例子中，第2检测信号生成部12具有惠斯通电桥电路27、差分检测器28。惠斯通电桥电路27包含电源端口V2、接地端口G2、2个输出端口E21,E22、被串联连接的第1对的磁检测元件R21,R22、被串联连接的第2对的磁检测元件R23,R24。磁检测元件R21,R23的各一端被连接于电源端口V2。磁检测元件R21的另一端被连接于磁检测元件R22的一端和输出端口E21。磁检测元件R23的另一端被连接于磁检测元件R24的一端和输出端口E22。磁检测元件R22,R24的各另一端被连接于接地端口G2。规定大小的电源电压被施加于电源端口V2。接地端口G2被连接于地线。
第2检测部20的第2检测信号生成部22的结构与第1检测部10的第2检测信号生成部12的结构相同。因此，在以下的说明中，关于第2检测信号生成部22的结构要素，使用与第2检测信号生成部12的结构要素相同的符号。
在本实施方式中，磁检测元件R11～R14,R21～R24各自被包含被串联连接的多个磁效应元件(MR元件)。多个MR元件分别例如是自旋阀型的MR元件。该自旋阀型的MR元件具有磁化方向被固定的磁化固定层、磁化的方向对应于检测对象磁场的方向进行变化的磁性层即自由层、被配置于磁化固定层与自由层之间的非磁性层。自旋阀型的MR元件既可以是TMR元件也可以是GMR元件。在TMR元件中，非磁性层是隧道势垒层。在GMR元件中，非磁性层是非磁性导电层。在自旋阀型的MR元件中，电阻值对应于自由层的磁化的方向相对于磁化固定层的磁化的方向所成的角度进行变化，在该角度为0°的时候电阻值成为最小值，在角度为180°的时候电阻值成为最大值。在图4以及图5中，全部涂抹的箭头表示MR元件中的磁化固定层的磁化的方向，中间白色的箭头表示MR元件中的自由层的磁化的方向。
在第1检测部10的第1检测信号生成部11中，包含于磁检测元件R11,R14的多个MR元件中的磁化固定层的磁化的方向为第1方向即X方向，包含于磁检测元件R12,R13的多个MR元件中的磁化固定层的磁化的方向为与第1方向相反的方向即-X方向。在此情况下，输出端口E11,E12的电位差对应于第1合成磁场MF1的第1方向(X方向)的成分的强度进行变化。差分检测器18将对应于输出端口E11,E12的电位差的信号作为第1检测信号S11进行输出。因此，第1检测信号生成部11检测第1合成磁场MF1的第1方向(X方向)的成分的强度，并生成显示其强度的第1检测信号S11。
在第1检测部10的第2检测信号生成部12中，包含于磁检测元件R21,R24的多个MR元件中的磁化固定层的磁化的方向为第2方向即Y方向，包含于磁检测元件R22,R23的多个MR元件中的磁化固定层的磁化的方向为与第2方向相反的方向即-Y方向。在此情况下，输出端口E21,E22的电位差对应于第1合成磁场MF1的第2方向(Y方向)的成分的强度进行变化。差分检测器28将对应于输出端口E21,E22的电位差的信号作为第2检测信号S12进行输出。因此，第2检测信号生成部12检测第1合成磁场MF1的第2方向(Y方向)的成分的强度，并生成显示其强度的第2检测信号S12。
在第2检测部20的第1检测信号生成部21中，输出端口E11,E12的电位差对应于第2合成磁场MF2的第1方向(X方向)的成分的强度进行变化。差分检测器18将对应于输出端口E11,E12的电位差的信号作为第1检测信号S21进行输出。因此，第1检测信号生成部21检测第2合成磁场MF2的第1方向(X方向)的成分的强度，并生成显示其强度的第1检测信号S21。
在第2检测部20的第2检测信号生成部22中，输出端口E21,E22的电位差对应于第2合成磁场MF2的第2方向(Y方向)的成分的强度进行变化。差分检测器28将对应于输出端口E21,E22的电位差的信号作为第2检测信号S22进行输出。因此，第2检测信号生成部22检测第2合成磁场MF2的第2方向(Y方向)的成分的强度，并生成显示其强度的第2检测信号S22。
还有，检测信号生成部11,12,21,22内的多个MR元件中的磁化固定层的磁化的方向从MR元件的制作精度等观点出发也可以从上述的方向稍微偏离。
在此，参照图6，对磁检测元件的结构的一个例子进行说明。图6是表示图4以及图5所表示的检测信号生成部11,12中的1个磁检测元件的一部分的立体图。在该例子中，1个磁检测元件具有多个下部电极162、多个MR元件150、多个上部电极163。多个下部电极162被配置于没有图示的基板上。各个下部电极162具有细长的形状。间隙被形成于在下部电极162的长边方向上进行邻接的2个下部电极162之间。如图6所示，在下部电极162的上面上各个MR元件150被配置于长边方向的两端的附近。MR元件150包含从下部电极162侧按顺序被层叠的自由层151、非磁性层152、磁化固定层153以及反铁磁性层154。自由层151被电连接于下部电极162。反铁磁性层154由反铁磁性材料构成，在与磁化固定层153之间产生交换耦合并固定磁化固定层153的磁化的方向。多个上部电极163被配置于多个MR元件150之上。各个上部电极163具有细长的形状，将被配置于在下部电极162的长边方向上进行邻接的2个下部电极162上而进行邻接的2个MR元件150的反铁磁性层154彼此电连接。由这样的结构，图6所表示的磁检测元件具有由多个下部电极162和多个上部电极163来进行串联连接的多个MR元件150。还有，MR元件150中的层151～154的配置也可以与图6所表示的配置上下相反。
角度传感器1进一步具备生成角度检测值θs的角度运算部50。如以上所述，检测对象磁场的强度在多个检测位置上互相不同。因此，多个第1检测信号的振幅互相不同并且多个第2检测信号的振幅互相不同。角度运算部50以与只根据在多个检测部中的任意1个中被生成的一对第1以及第2检测信号而生成角度检测值θs的情况相比，起因于噪声磁场Mex的角度检测值θs的误差被减少的方式进行使用了在多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号的运算，并生成角度检测值θs。
在本实施方式中，角度运算部50使用在第1检测部10中被生成的第1检测信号S11与在第2检测部20中被生成的第1检测信号S21之差、在第1检测部10中被生成的第2检测信号S12与在第2检测部20中被生成的第2检测信号S22之差来生成角度检测值θs。
在图3中表示角度运算部50的结构的一个例子。在该例子中，角度运算部50包含第1运算部51、第2运算部52以及角度决定部53。第1运算部51进行求取第1检测信号S11与第1检测信号S21之差的运算，并生成信号Sa。信号Sa由下述的式(1)来进行表示。
Sa＝S11-S21 (1)
第2运算部52进行求取第2检测信号S12与第2检测信号S22之差的运算，并生成信号Sb。信号Sb由下述的式(2)来进行表示。
Sb＝S12-S22 (2)
角度决定部53根据信号Sa,Sb计算出角度检测值θs。具体来说，角度决定部53由下述式(3)来计算θs。还有，“atan”表示反正切。
θs＝atan(Sb/Sa) (3)
在θs为0°以上且小于360°的范围内，对于式(3)中的θs的解来说有相差180°的2个值。但是，由Sa,Sb的正负的组合而能够判别θs的真值是式(3)中的θs的2个解中的哪一个。角度决定部53由式(3)和上述的Sa,Sb的正负的组合的判定在0°以上且小于360°的范围内求得θs。
角度决定部53例如能够由面向特定用途的集成电路(ASIC)或者微型计算机来实现。还有，角度运算部50的全体也可以由ASIC或者微型计算机来构成。
根据本实施方式，通过进行使用了在第1以及第2检测部10,20中被生成的检测信号S11,S12,S21,S22的运算，从而与只根据第1以及第2检测信号S11,S12生成角度检测值的情况或者只根据第1以及第2检测信号S21,S22生成角度检测值的情况相比，能够生成起因于噪声磁场Mex的角度误差被减少了的角度检测值θs。以下，对其理由进行详细的说明。
第1检测信号S11是表示第1合成磁场MF1的第1方向的成分的强度的信号。第1合成磁场MF1是第1部分磁场MFa与噪声磁场Mex的合成磁场。因此，第1检测信号S11包含取决于第1部分磁场MFa的第1方向的成分的主成分、取决于噪声磁场Mex的第1方向的成分的误差成分。第1检测信号S11的主成分表示第1部分磁场MFa的第1方向的成分的强度。
另外，第1检测信号S21是表示第2合成磁场MF2的第1方向的成分的强度的信号。第2合成磁场MF2是第2部分磁场MFb与噪声磁场Mex的合成磁场。因此，第1检测信号S21包含取决于第2部分磁场MFa的第1方向的成分的主成分、取决于噪声磁场Mex的第1方向的成分的误差成分。第1检测信号S21的主成分表示第2部分磁场MFb的第1方向的成分的强度。
第2检测位置P2上的噪声磁场Mex的方向以及强度分别与第1检测位置P1上的噪声磁场Me的方向以及强度相等。因此，第1检测信号S11的误差成分与第1检测信号S21的误差成分相等或基本上相等。因此，通过根据式(1)将第1检测信号S11与第1检测信号S21的差设定为信号Sa，从而第1检测信号S11的误差成分与第1检测信号S21的误差成分被抵消，与第1检测信号S11,S21相比，能够生成由噪声磁场Mex的第1方向的成分引起的误差成分被大幅度减少的信号Sa。
但是，如果假定第1检测信号S11的主成分和第1检测信号S21的主成分互相相等的话则在由式(1)求出信号Sa时第1检测信号S11的主成分和第1检测信号S21的主成分也被互相抵消，信号Sa不管旋转磁场角度θM而成为0或者大致0，并且不包含旋转磁场角度θM的信息。
相对于此，在本实施方式中，通过第1以及第2部分磁场MFa,MFb的强度互相不同。从而第1检测信号S11的主成分的振幅和第1检测信号S21的主成分的振幅互相不同。因此，由式(1)求得的信号Sa不管旋转磁场角度θM而都不成为0或者大致0，而对应于旋转磁场角度θM进行变化。
关于上述的第1检测信号S11,S21的说明也适合于第2检测信号S12,S22。即，第2检测信号S12是表示第1合成磁场MF1的第2方向的成分的强度的信号，并且包含取决于第1部分磁场MFa的第2方向的成分的主成分、取决于噪声磁场Mex的第2方向的成分的误差成分。第2检测信号S12的主成分表示第1部分磁场MFa的第2方向的成分的强度。另外，第2检测信号S22是表示第2合成磁场MF2的第2方向的成分的强度的信号，并且包含取决于第2部分磁场MFb的第2方向的成分的主成分、取决于噪声磁场Mex的第2方向的成分的误差成分。第2检测信号S22的主成分表示第2部分磁场MFb的第2方向的成分的强度。
第2检测信号S12的误差成分和第2检测信号S22的误差成分相等或基本上相等。因此，通过由式(2)将第2检测信号S12与第2检测信号S22之差设定为信号Sb，从而第2检测信号S12的误差成分和第2检测信号S22的误差成分被抵消，与第2检测信号S12,S22相比，能够生成由噪声磁场Mex的第2方向的成分引起的误差成分被大幅度减少的信号Sb。
在本实施方式中，通过第1以及第2部分磁场MFa,MFb的强度互相不同，从而第2检测信号S12的主成分的振幅和第2检测信号S22的主成分的振幅互相不同。因此，由式(2)求得的信号Sb不管旋转磁场角度θM而都不成为0或者大致0，而对应于旋转磁场角度θM进行变化。
以下，对第1检测信号S11的误差成分和第1检测信号S21的误差成分由式(1)而被完全抵消并且第2检测信号S12的误差成分和第2检测信号S22的误差成分由式(2)而被完全抵消的理想情况进行说明。
在本实施方式中，第1方向和第2方向互相垂直。在本实施方式中特别是第1方向为X方向，第2方向为Y方向。因此，第1部分磁场MFa的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度例如能够使用第1部分磁场MFa的强度和第1部分磁场MFa的方向相对于第1方向所成的角度来进行表示。具体来说，第1部分磁场MFa的第1方向的成分的强度等于第1部分磁场MFa的强度与第1部分磁场MFa的方向相对于第1方向所成的角度的余弦之积。第1部分磁场MFa的第2方向的成分的强度等于第1部分磁场MFa的强度与第1部分磁场MFa的方向相对于第1方向所成的角度的正弦之积。
同样，第2部分磁场MFb的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度例如能够使用第2部分磁场MFb的强度和第2部分磁场MFb的方向相对于第1方向所成的角度来进行表示。具体来说，第2部分磁场MFb的第1方向的成分的强度等于第2部分磁场MFb的强度与第2部分磁场MFb的方向相对于第1方向所成的角度的余弦之积。第2部分磁场MFb的第2方向的成分的强度等于第2部分磁场MFb的强度与第2部分磁场MFb的方向相对于第1方向所成的角度的正弦之积。
另外，在本实施方式中，第1以及第2部分磁场MFa,MFb的方向与基准位置上的检测对象磁场的方向相一致。另外，基准方向DR为X方向。因此，第1部分磁场MFa的方向相对于第1方向所成的角度、第2部分磁场MFb的方向相对于第1方向所成的角度与基准位置上的检测对象磁场的方向相对于基准方向DR所成的角度即旋转磁场角度θM相等。
如以上所述，第1检测信号S11的主成分表示第1部分磁场MFa的第1方向的成分的强度。因此，第1检测信号S11的主成分表示第1部分磁场MFa的强度与旋转磁场角度θM的余弦之积。另外，第1检测信号S21的主成分表示第2部分磁场MFb的第1方向的成分的强度。因此，第1检测信号S21的主成分表示第2部分磁场MFb的强度与旋转磁场角度θM的余弦之积。理想上，信号Sa可以说是表示相当于第1部分磁场MFa的强度与第2部分磁场MFb的强度之差的假想的强度与旋转磁场角度θM的余弦之积的信号。
另外，如以上所述，第2检测信号S12的主成分表示第1部分磁场MFa的第2方向的成分的强度。因此，第2检测信号S12的主成分表示第1部分磁场MFa的强度与旋转磁场角度θM的正弦之积。另外，第2检测信号S22的主成分表示第2部分磁场MFb的第2方向的成分的强度。因此，第2检测信号S22的主成分表示第2部分磁场MFb的强度与旋转磁场角度θM的正弦之积。理想上，信号Sb可以说是表示上述假想的强度与旋转磁场角度θM的正弦之积的信号。
因此，理想上，Sb/Sa表示旋转磁场角度θM的正切，式(3)表示旋转磁场角度θM。这样，根据本实施方式，能够生成起因于噪声磁场Mex的角度误差被减少的角度检测值θs。
另外，在本实施方式中，为了如以上所述生成角度检测值θs而有必要满足所谓第1部分磁场MFa的强度和第2部分磁场MFb的强度互相不同的条件，但是该条件不是关于角度传感器1以及角度传感器***100的结构或设置产生大的制约的条件。例如，如本实施方式那样通过使第1检测位置P1和第2检测位置P2互相不同从而能够简单地满足上述条件。因此，根据本实施方式，关于角度传感器1以及角度传感器***100的结构或设置不会产生大的制约，并且能够减少起因于噪声磁场Mex的角度误差。
以下，参照模拟的结果，对本实施方式的效果进行说明。在模拟中，在方向和强度一定的噪声磁场Mex存在的状况下，求得第1角度检测值θs1、第2角度检测值θs2以及角度检测值θs。第1以及第2角度检测值θs1,θs2分别由下述式(4)、(5)进行计算。还有，第1以及第2角度检测值θs1,θs2与角度检测值θs相同，在0°以上且小于360°的范围内求得。
θs1＝atan(S12/S11) (4)
θs2＝atan(S22/S21) (5)
另外，在模拟中，求得第1角度检测值θs1的角度误差(以下称之为第1角度误差AE1)和第2角度检测值θs2的角度误差(以下称之为第2角度误差AE2)以及角度检测值θs的角度误差AEs。还有，在模拟中，将第1角度检测值θs1与旋转磁场角度θM之差设定为第1角度误差AE1，将第2角度检测值θs2与旋转磁场角度θM之差设定为第2角度误差AE2，将角度检测值θs与旋转磁场角度θM之差设定为角度检测值θs的角度误差AEs。
另外，在模拟中，作为磁场产生部5所产生的磁场，设想在基准平面P上强度随着远离旋转中心C(参照图1)而降低的磁场。图7是示意性地表示该磁场的强度的分布的说明图。图7中的纵轴的单位为mT，垂直于该纵轴的2个轴的单位为mm。在图7中，将基准位置即基准平面P与旋转中心C的交点(参照图1)设定为垂直于该纵轴的2个轴的原点。另外，在该模拟中，将上述原点设定为第1检测位置P1，将在X方向上从第1检测位置P1只离开1mm的位置设定为第2检测位置P2。另外，将噪声磁场Mex的强度设定为0.5mT，将噪声磁场Mex的方向设定为从X方向朝向Y方向仅旋转60°的方向。
图8A～图9D是表示模拟的内容的说明图。图8A表示第1合成磁场MF1的第1方向(X方向)的成分的强度B11、第1合成磁场MF1的第2方向(Y方向)的成分的强度B12。图8B表示第1以及第2检测信号S11,S12，图8C表示第1角度检测值θs1，图8D表示第1角度误差AE1。在图8A～图8D中，横轴表示与检测对象的角度相一致的旋转磁场角度θM。在图8A中，纵轴表示强度B11,B12的值(单位为mT)。另外，在图8A中标注有符号81的曲线表示强度B11，标注有符号82的曲线表示强度B12。在图8B中，纵轴表示第1以及第2检测信号S11,S12的值(单位为V)。另外，在图8B中标注有符号83的曲线表示第1检测信号S11，标注有符号84的曲线表示第2检测信号S12。在图8C中，纵轴表示第1角度检测值θs1的值(单位为度)。在图8D中，纵轴表示第1角度误差AE1的值(单位为度)。
图9A表示第2合成磁场MF2的第1方向(X方向)的成分的强度B21、第2合成磁场MF2的第2方向(Y方向)的成分的强度B22。图9B表示第1以及第2检测信号S21,S22，图9C表示第2角度检测值θs2，图9D表示第2角度误差AE2。在图9A～图9D中，横轴表示与检测对象的角度相一致的旋转磁场角度θM。在图9A中，纵轴表示强度B21,B22的值(单位为mT)。另外，在图9A中标注有符号91的曲线表示强度B21，标注有符号92的曲线表示强度B22。在图9B中，纵轴表示第1以及第2检测信号S21,S22的值(单位为V)。另外，在图9B中标注有符号93的曲线表示第1检测信号S21，标注有符号94的曲线表示第2检测信号S22。在图9C中，纵轴表示第2角度检测值θs2的值(单位为度)。在图9D中，纵轴表示第2角度误差AE2的值(单位为度)。
图10是表示由模拟获得的角度误差AEs的一个例子的波形图。在图10中，横轴表示旋转磁场角度θM，纵轴表示角度误差AEs的值(单位为度)。
如图8A以及图9A所示，第1合成磁场MF1的第1方向的成分的强度B11和第2合成磁场MF2的第1方向的成分的强度B21互相不同，第1合成磁场MF1的第2方向的成分的强度B12和第2合成磁场MF2的第2方向的成分的强度B22互相不同。因此，如图8B以及图9B所示，第1检测信号S11的振幅和第1检测信号S21的振幅互相不同，第2检测信号S12的振幅和第2检测信号S22的振幅互相不同。
另外，如图8D、图9D以及图10所示，角度检测值θs的角度误差AEs与第1以及第2角度误差AE1,AE2相比极小。第1以及第2角度误差AE1,AE2主要是起因于噪声磁场Mex而产生的误差。另一方面，角度检测值θs的角度误差AEs主要是由噪声磁场Mex以外的主要因素产生的误差。从以上所说明的模拟的结果可以了解到根据本实施方式能够减少起因于噪声磁场Mex的角度误差。
[第2实施方式]
接着，对本发明的第2实施方式进行说明。首先，参照图11，对本实施方式所涉及的角度传感器1的结构进行说明。本实施方式所涉及的角度传感器1在以下的方面与第1实施方式不同。本实施方式所涉及的角度传感器1除了作为多个检测部的在第1实施方式中进行了说明的第1以及第2检测部10,20之外还具备第3检测部30和第4检测部40。另外，本实施方式所涉及的角度传感器1取代第1实施方式中的角度运算部50而具备角度运算部250。角度运算部250例如能够由ASI或者微型计算机来实现。关于角度运算部250，在后面进行详细说明。
第3检测部30在第3检测位置P3上检测检测对象磁场与噪声磁场的合成磁场。第4检测部40在第4检测位置P4上检测检测对象磁场与噪声磁场的合成磁场。在本实施方式中，第1～第4检测位置P1～P4处于相同平面上，特别是处于基准平面P(参照图1)上。在本实施方式中特别是以自旋转中心C(参照图1)起的距离互相不同的方式规定第1～第4检测位置P1～P4。
以下将第3检测位置P3上的检测对象磁场特别称作为第3部分磁场MFc，将第4检测位置P4上的检测对象磁场特别称作为第4部分磁场MFd。第3以及第4部分磁场MFc,MFd的方向与在第1实施方式中进行了说明的第1以及第2部分磁场MFa,MFb的方向相同，对应于检测对象的角度以及旋转磁场角度θM进行变化。由于第1～第4检测位置P1～P4互相不同因而第1～第4部分磁场MFa～MFd的强度互相不同。
另外，将第3检测位置P3上的合成磁场特别称作为第3合成磁场MF3，将第4检测位置P4上的合成磁场特别称作为第4合成磁场MF4。第3合成磁场MF3为第3部分磁场MFc与噪声磁场Mex的合成磁场。第4合成磁场MF4为第4部分磁场MFd与噪声磁场Mex的合成磁场。还有，第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的方向互相相等，第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的强度也互相相等。
在此，对第3以及第4合成磁场MF3,MF4、第3以及第4部分磁场MFc,MFd进一步详细地说明。第3以及第4合成磁场MF3,MF4的方向是以与在第1实施方式中进行了说明的第1以及第2合成磁场MF1,MF2的方向相同的旋转方向(图2中的逆时针方向)进行旋转的方向。第3以及第4合成磁场MF3,MF4相对于基准方向DR(参照图2)所成的各个角度的正负的定义与在第1实施方式中进行了说明的角度θ1,θ2相同。
第3合成磁场MF3的主成分为第3部分磁场MFc。第4合成磁场MF4的主成分为第4部分磁场MFd。在本实施方式中，第1～第4部分磁场MFa～MFd的方向与基准位置上的检测对象磁场的方向相一致。在此情况下，第1～第4部分磁场MFa～MFd相对于基准方向DR所成的各个角度与旋转磁场角度θM相等。这些角度的正负的定义与角度θ1,θ2相同。
接着，参照图11，对第3以及第4检测部30,40的结构进行详细的说明。第3检测部30包含第1检测信号生成部31和第2检测信号生成部32。第1检测信号生成部31生成表示第3合成磁场MF3的第1方向的成分的强度的第1检测信号S31。第2检测信号生成部32生成表示第3合成磁场MF3的第2方向的成分的强度的第2检测信号S32。
第4检测部40包含第1检测信号生成部41和第2检测信号生成部42。第1检测信号生成部41生成表示第4合成磁场MF4的第1方向的成分的强度的第1检测信号S41。第2检测信号生成部42生成表示第4合成磁场MF4的第2方向的成分的强度的第2检测信号S42。
还有，第1检测部10和第2检测部20的结构与第1实施方式相同。即，第1检测部10包含第1检测信号生成部11和第2检测信号生成部12。第1检测信号生成部11生成第1检测信号S11。第2检测信号生成部12生成第2检测信号S12。另外，第2检测部20包含第1检测信号生成部21和第2检测信号生成部22。第1检测信号生成部21生成第1检测信号S21。第2检测信号生成部22生成第2检测信号S22。
在本实施方式中，与第1实施方式相同，将第1方向设定为X方向(参照图2)，将第2方向设定为Y方向(参照图2)。如果检测对象磁场的方向以规定的周期进行旋转的话则旋转磁场角度θM以规定的周期进行变化。在此情况下，检测信号S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42都以与上述规定的周期相等的信号周期周期性地变化。第1检测信号S11,S21,S31,S41的相位相同。第2检测信号S12,S22,S32,S42的相位相同。第2检测信号S32的相位相对于第1检测信号S31的相位仅相差信号周期的1/4的奇数倍。第2检测信号S42的相位相对于第1检测信号S41的相位仅相差信号周期的1/4的奇数倍。还有，从磁检测元件的制作精度等的观点出发，这些信号的相位的关系也可以稍微偏离上述的关系。
还有，在本实施方式中，检测信号S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42的大小有必要在所谓在第1～第4合成磁场MF1～MF4的强度的范围内不饱和的条件下使用检测信号生成部11,12,21,22,31,32,41,42。
以下，对检测信号生成部31,32,41,42的结构进行说明。第1检测信号生成部31,41各自的结构与在第1实施方式中进行了说明的第1检测信号生成部11的结构相同。因此，在以下的说明中关于第1检测信号生成部31,41的结构要素，使用与第1实施方式中的图4所表示的第1检测信号生成部11的结构要素相同的符号。
另外，第2检测信号生成部32,42各自的结构与在第1实施方式中进行了说明的第2检测信号生成部12的结构相同。因此，在以下的说明中关于第2检测信号生成部32,42的结构要素，使用与第1实施方式中的图5所表示的第2检测信号生成部12的结构要素相同的符号。
在第3检测部30的第1检测信号生成部31中，输出端口E11,E12的电位差对应于第3合成磁场MF3的第1方向(X方向)的成分的强度进行变化。差分检测器18将对应于输出端口E11,E12的电位差的信号作为第1检测信号S31进行输出。因此，第1检测信号生成部31检测第3合成磁场MF3的第1方向(X方向)的成分的强度，并生成表示其强度的第1检测信号S31。
在第3检测部30的第2检测信号生成部32中，输出端口E21,E22的电位差对应于第3合成磁场MF3的第2方向(Y方向)的成分的强度进行变化。差分检测器28将对应于输出端口E21,E22的电位差的信号作为第2检测信号S32进行输出。因此，第2检测信号生成部32检测第3合成磁场MF3的第2方向(Y方向)的成分的强度，并生成表示其强度的第1检测信号S32。
在第4检测部40的第1检测信号生成部41中，输出端口E11,E12的电位差对应于第4合成磁场MF4的第1方向(X方向)的成分的强度进行变化。差分检测器18将对应于输出端口E11,E12的电位差的信号作为第1检测信号S41进行输出。因此，第1检测信号生成部41检测第4合成磁场MF4的第1方向(X方向)的成分的强度，并生成表示其强度的第1检测信号S41。
在第4检测部40的第2检测信号生成部42中，输出端口E21,E22的电位差对应于第4合成磁场MF4的第2方向(Y方向)的成分的强度进行变化。差分检测器28将对应于输出端口E21,E22的电位差的信号作为第2检测信号S42进行输出。因此，第2检测信号生成部42检测第4合成磁场MF4的第2方向(Y方向)的成分的强度，并生成表示其强度的第2检测信号S42。
接着，对角度运算部250进行详细的说明。角度运算部250根据在第1～第4检测部10,20,30,40中被生成的多对第1以及第2检测信号，使用最小二乘法来生成角度检测值θs。以下，对本实施方式中的角度检测值θs的生成方法进行概念性的说明。还有，在以下的说明中，关于任意的第1检测信号，标注符号S1来进行表示，关于任意的第2检测信号，标注符号S2来进行表示。角度运算部250设想第1未知磁场信息M、第2未知磁场信息E、多个第1设想检测值ES1、多个第2设想检测值ES2、多个第1残差R1、多个第2残差R2。
第1未知磁场信息M对应于规定的位置上的检测对象磁场的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度。所谓规定的位置是指与第1～第4检测位置P1～P4相同，该规定的位置上的检测对象磁场的方向与基准位置上的检测对象磁场的方向相一致并且该规定的位置上的噪声磁场Mex的方向以及强度与第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的方向以及强度相等的假想的位置。第2未知磁场信息E对应于噪声磁场Mex的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度。多个第1设想检测值ES1分别是根据第1以及第2未知磁场信息M,E被设想的对应于在多个检测部中被生成的多个第1检测信号S1中的1个的值。多个第2设想检测值ES2分别是根据第1以及第2未知磁场信息M,E被设想的对应于在多个检测部中被生成的多个第2检测信号S2中的1个的值。多个第1残差R1分别是第1检测信号S1中的1个与对应于其的第1设想检测值ES1之差。多个第2残差R2分别是第2检测信号S2中的1个与对应于其的第2设想检测值ES2之差。
角度运算部250以多个第1残差R1的平方和成为最小并且多个第2残差R2的平方和成为最小的方式推定第1以及第2未知磁场信息M,E，根据被推定的第1未知磁场信息M决定角度检测值θs。
在本实施方式中，如下述式(6)所示对多个第1设想检测值ES1进行模型化。
z1＝Hx1 (6)
式(6)中的z1是包含与根据应该求取的第1以及第2未知磁场信息M,E而被生成的多个第1设想检测值ES1具有对应关系的m个要素的m维列矢量。还有，m是表示多个第1设想检测值ES1的个数的整数，其与多个第1检测信号S1的个数即多个检测部的个数相同。式(6)中的H是对应于多个检测位置上的检测对象磁场和噪声磁场Mex的形态而被规定的m行2列的行列。式(6)中的x1是将第1未知磁场信息M的第1方向的成分的强度M1、第2未知磁场信息E的第1方向的成分的强度E1作为要素的二维列矢量。
在本实施方式中，推定列矢量x1的要素即强度M1,E1。在此，用记号y1来表示包含与多个第1检测信号S1具有对应关系的m个要素的m维列矢量。列矢量x1以列矢量y1的m个要素和列矢量z1的m个要素的对应的要素彼此之差的平方和成为最小的方式被推定。具体来说，其通过对用于推定列矢量x1的最小二乘成本函数F进行定义并求得将该函数F的值控制到最小的列矢量x1来实现。函数F由下述式(7)来进行定义。
Figure BDA0001564773450000231
如果由x1来对式(7)进行偏微分的话则获得下述式(8)。
Figure BDA0001564773450000232
将函数F的值控制到最小的x1满足
Figure BDA0001564773450000233
因此，将函数F的值控制到最小的x1由下述式(9)进行表示。
x1＝(HTH)-1HTy1...(9)
另外，在本实施方式中，如下述式(10)所述对多个第2设想检测值ES2进行模型化。
z2＝H x2...(10)式(10)中的z2是包含与根据应该求取的第1以及第2未知磁场信息M,E而被生成的多个第2设想检测值ES2具有对应关系的m个要素的m维列矢量。式(10)中的x2是将第1未知磁场信息M的第2方向的成分的强度M2、第2未知磁场信息E的第2方向的成分的强度E2作为要素的二维列矢量。
在本实施方式中，推定列矢量x2的要素即强度M2,E2。在此，用记号y2来表示包含与多个第2检测信号S2具有对应关系的m个要素的m维列矢量。列矢量x2以列矢量y2的m个要素和列矢量z2的m个要素的对应的要素彼此之差的平方和成为最小的方式被推定。列矢量x2的具体推定方法与参照式(7)～(9)进行说明的列矢量x1的推定方法相同。如果将列矢量x1的推定方法的说明中的x1,y1,z1分别置换成x2,y2,z2的话则成为列矢量x2的推定方法的说明。将用于推定列矢量x2的最小二乘成本函数F的值控制到最小的x2由下述式(11)进行表示。
x2＝(HTH)-1HT y2...(11)
在本实施方式中，角度运算部250根据由式(9)计算出的列矢量x1的2个要素中的一方即强度M1、由式(11)计算出的列矢量x2的2个要素中的一方即强度M2，决定角度检测值θs。
还有，如以上所述，列矢量y1包含与多个第1检测信号S1具有对应关系的多个要素，列矢量z1包含与多个第1设想检测值ES1具有对应关系的多个要素。另外，列矢量y2包含与多个第2检测信号S1具有对应关系的多个要素，列矢量z2包含与多个第2设想检测值ES2具有对应关系的多个要素。因此，参照式(7)～(9)、(11)来进行说明的列矢量x1,x2的推定方法可以说是以多个第1残差R1的平方和成为最小并且多个第2残差R2的平方和成为最小的方式推定第1以及第2未知磁场信息M,E的方法。
接着，参照图11，对角度运算部250的结构和角度检测值θs的生成方法进行具体说明。在图11中表示角度运算部250的结构的一个例子。在该例子中，角度运算部250包含第1强度推定部251、第2强度推定部252、角度决定部253。
第1强度推定部251使用第1检测信号S11,S21,S31,S41来推定第1未知磁场信息M的第1方向的成分的强度M1、第2未知磁场信息E的第1方向的成分的强度E1。在本实施方式中，将所述基准位置设定为所述规定的位置。在此，用记号z11来表示对应于第1检测信号S11的第1设想检测值ES1，用记号z21来表示对应于第1检测信号S21的第1设想检测值ES1，用记号z31来表示对应于第1检测信号S31的第1设想检测值ES1，用记号z41来表示对应于第1检测信号S41的第1设想检测值ES1。在本实施方式中，如下述式(12)所示对第1设想检测值z11,z21,z31,z41进行模型化。
Figure BDA0001564773450000251
式(12)的左边的四维列矢量对应于式(6)中的z1。
式(12)的左边的4行2列的行列对应于式(6)中的H。以下用记号Hc来表示该行列。行列Hc的第1列的4个要素Amp1～Amp4对应于第1～第4检测位置P1～P4上的检测对象磁场即第1～第4部分磁场MFa～MFd的形态来进行规定。Amp1～Amp4例如也可以测定第1～第4部分磁场MFa～MFd的强度并对应于该测定结果来进行规定。或者，Amp1～Amp4也可以对基准平面P上的检测对象磁场的强度分布进行模型化来进行规定。Amp1～Amp4例如能够如下述式(13)所述进行模型化。
Ampn＝c{1-(xn 2/a+yn 2/b)}...(13)
还有，在式(13)中，n为1以上4以下的整数。在此，用将基准位置即基准平面P与旋转中心C的交点(参照图1)作为原点的直角坐标系来表示基准平面P上的位置。xn,yn表示在用上述直角坐标系来表示第1～第4检测位置P1～P4的时候的关于X方向的位置和Y方向的位置。另外，在式(13)中，a,b,c是根据基准平面P上的检测对象磁场的强度分布而被规定的常数。a,b,c能够以例如关于基准平面P上的多个位置，由测定获得的多个检测对象磁场的强度与由式(13)获得的多个值的残差的平方和成为最小的方式进行决定。
还有，理想上，优选通过在噪声磁场Mex不存在的状况下测定基准平面P上的多个位置上的检测对象磁场的强度从而规定Amp1～Amp4。但是，与检测对象磁场的强度相比，在噪声磁场Mex的强度充分小的情况下将上述多个位置上的检测对象磁场与噪声磁场Mex的合成磁场的强度看作为上述多个位置上的检测对象磁场的强度，也可以如以上所述规定Amp1～Amp4。
行列Hc的第2列的4个要素对应于第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的形态而被规定。在本实施方式中通过假定第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的方向互相相等并且第1～第4检测位置P1～P4上的噪声磁场Mex的强度互相相等来规定行列Hc的第2列的4个要素。具体来说，如式(12)所示，将行列Hc的第2列的4个要素都作为1。
式(12)的右边的二维列矢量对应于式(6)中的x1。以下，用记号xcl来表示该列矢量。列矢量xcl将强度M1,E1作为要素来包含。
第1强度推定部251根据式(9)推定列矢量xcl。在此，用记号y11,y21,y31,y41来分别表示第1检测信号S11,S21,S31,S41的值，用记号ycl来表示将y11,y21,y31,y41作为要素的四维列矢量。列矢量ycl由下述式(14)来进行表示。
yc1T＝[y11，y21，y31，y41]...(14)
第1强度推定部251使用将式(9)中的H,x1,y1分别置换成Hc,xcl,ycl的算式来计算xcl。由此，推定强度M1,E1。
第2强度推定部252使用第2检测信号S12,S22,S32,S42来推定第1未知磁场信息M的第2方向的成分的强度M2和第2未知磁场信息E的第2方向的成分的强度E2。在此，用记号z12来表示对应于第2检测信号S12的第2设想检测值ES2，用记号z22来表示对应于第2检测信号S22的第2设想检测值ES2，用记号z32来表示对应于第2检测信号S32的第2设想检测值ES2，用记号z42来表示对应于第2检测信号S42的第2设想检测值ES2。在本实施方式中，如下述式(15)所示对第2设想检测值z12,z22,z32,z42进行模型化。
Figure BDA0001564773450000271
式(15)的左边的四维列矢量对应于式(10)中的z2。式(15)的右边的4行2列的行列对应于式(10)中的H。该行列与前面所述的行列Hc相同。
式(15)的右边的二维列矢量对应于式(10)中的x2。以下，用记号xc2来表示该列矢量。列矢量xc2将强度M2,E2作为要素来包含。
第2强度推定部252根据式(11)推定列矢量xc2。在此，用记号y12,y22,y32,y42来分别表示第2检测信号S12,S22,S32,S42的值，用记号yc2来表示将y12,y22,y32,y42作为要素的四维列矢量。列矢量yc2由下述式(16)来进行表示。
yc2T＝[y12，y22，y32，y42]...(16)
第2强度推定部252使用将式(11)中的H,x2,y2分别置换成Hc,xc2,yc2的算式来计算xc2。由此，推定强度M2,E2。
角度决定部253根据由第1以及第2强度推定部251,252推定的第1未知磁场信息M，决定角度检测值θs。具体来说，角度决定部253例如使用强度M1,M2并由下述式(17)来计算θs。
θs＝atan(M2/M1) (17)
在θs为0°以上且小于360°的范围内，对于式(17)中的θs的解来说有相差180°的2个值。但是，由M1,M2的正负的组合而能够判别θs的真值是式(17)中的θs的2个解中的哪一个。角度决定部253由式(17)和上述的M1,M2的正负的组合的判定在0°以上且小于360°的范围内求得θs。
在本实施方式中，根据由第1～第4检测部10,20,30,40生成的检测信号S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42并使用最小二乘法来生成角度检测值θs。
在本实施方式中，第1～第4部分磁场MFa～MFd的强度互相不同。由此，根据本实施方式，能够获得所对应的第1检测信号S1与第1设想检测值ES1的4个组、所对应的第2检测信号S2与第2设想检测值ES2的4个组。于是，能够使用它们并由最小二乘法来推定第1以及第2未知磁场信息M,E。
在本实施方式中，由第1强度推定部251推定的强度M1对应于上述规定的位置上的检测对象磁场的第1方向的成分的强度，由第1强度推定部251推定的强度E1对应于上述规定的位置上的噪声磁场Mex的第1方向的成分的强度。另外，由第2强度推定部252推定的强度M2对应于上述规定的位置上的检测对象磁场的第2方向的成分的强度，由第2强度推定部252推定的强度E2对应于上述规定的位置上的被推定的噪声磁场Mex的第2方向的成分的强度。在本实施方式中，根据强度M1,M2决定角度检测值θs。由此，根据本实施方式，能够推定噪声磁场Mex的影响被排除了的角度检测值θs。即，根据本实施方式，能够减少起因于噪声磁场Mex的角度误差。
还有，为了如以上所述决定角度检测值θs而有必要满足所谓第1～第4部分磁场MFa～MFd的强度互相不同的条件，但是该条件不是关于角度传感器1以及角度传感器***100的结构或设置产生大的制约的条件。例如，如本实施方式那样通过以在基准平面P上自旋转中心C(参照图1)起的距离互相不同的方式决定第1～第4检测位置P1～P4，从而能够简单地满足上述条件。
由于以上所述，根据本实施方式，关于角度传感器1以及角度传感器***100的结构或设置不会产生大的制约，并且能够减少起因于噪声磁场Mex的角度误差。
以下，参照模拟的结果，对本实施方式的效果进行说明。在模拟中，在方向和强度一定的噪声磁场Mex存在的状况下求得在生成角度检测值θs的时候的角度检测值θs的角度误差AEs。还有，在模拟中，将角度检测值θs与旋转磁场角度θM之差作为角度检测值θs的角度误差AEs。
另外，在模拟中，与在第1实施方式中进行了说明的模拟相同，作为磁场产生部5所产生的磁场，设想在基准平面P上具有图7所表示的强度的分布的磁场。另外，将噪声磁场Mex的强度设定为1mT，将噪声磁场Mex的方向设定为从X方向朝向Y方向仅旋转60°的方向。图12示意性地表示模拟中的合成磁场的强度以及方向的在基准平面P上的分布。合成磁场是磁场产生部5所产生的磁场和噪声磁场Mex被合成的磁场。在图12中将基准位置即基准平面P与旋转中心C的交点作为原点。图12中的各个轴的单位为mm。在图12中，箭头表示旋转磁场角度θM为0°的时候的上述合成磁场的强度以及方向。箭头的长度表示合成磁场的强度，箭头的方向表示合成磁场的方向。
图13是表示由模拟获得的角度误差AEs的一个例子的波形图。在图13中，横轴表示旋转磁场角度θM，纵轴表示角度误差AEs的值(单位为度)。如图13所示，角度检测值θs的角度误差AEs极小。角度检测值θs的角度误差AEs主要是由噪声磁场Mex以外的主要因素产生的误差。从以上所说明的模拟的结果可以了解到根据本实施方式能够减少起因于噪声磁场Mex的角度误差。
本实施方式所涉及的其他结构、作用以及效果与第1实施方式相同。
[第3实施方式]
接着，对本发明的第3实施方式进行说明。首先，参照图14，对本实施方式所涉及的角度传感器1的结构进行说明。本实施方式所涉及的角度传感器1在以下的方面与第2实施方式不同。本实施方式所涉及的角度传感器1取代第2实施方式中的角度运算部250而具备角度运算部350。角度运算部350与角度运算部250相同，根据在多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号并使用最小二乘法来生成角度检测值θs。角度运算部350与角度运算部250相同，设想第1未知磁场信息M、第2未知磁场信息E、多个第1设想检测值ES1、多个第2设想检测值ES2、多个第1残差R1、多个第2残差R2。
另外，角度运算部350使用多个合成检测信号和多个合成设想检测值。多个合成检测信号分别是表示在多个检测部中的任意1个中被生成的一对第1以及第2检测信号S1,S2的1个复数。多个合成设想检测值分别是表示对应于上述一对第1以及第2检测信号S1,S2的一对第1以及第2设想检测值ES1,ES2的1个复数。如后面所说明的那样，在本实施方式中，关于多个合成检测信号的各个，将第1检测信号S1的值设定为合成检测信号的实部，并将第2检测信号S2的值设定为合成检测信号的虚部。另外，关于多个合成设想检测值的各个，将第1设想检测值ES1的值设定为合成设想检测值的实部，并将第2设想检测值ES2的值设定为合成设想检测值的虚部。
在本实施方式中，如下述式(18)所述对多个合成设想检测值进行模型化。
z＝Hx (18)
式(18)中的z为包含与多个合成设想检测值具有对应关系的m个要素的m维列矢量。m是表示多个合成设想检测值的个数的整数，其与多个合成检测信号的个数即多个检测部的个数相同。式(18)中的H是对应于多个检测位置上的检测对象磁场和噪声磁场Mex的形态而被规定的m行2列的行列。式(18)中的x是将第1未知磁场信息M和第2未知磁场信息E作为要素的二维列矢量。在本实施方式中，第1以及第2未知磁场信息M,E都是复数。复数的第1未知磁场信息M的实部对应于第2实施方式中的强度M1，复数的第1未知磁场信息M的虚部对应于第2实施方式中的强度M2。另外，复数的第2未知磁场信息E的实部对应于第2实施方式中的强度E1，复数的第2未知磁场信息E的虚部对应于第2实施方式中的强度E2。
在本实施方式中，推定列矢量x的要素即第1以及第2未知磁场信息M,E。在此，用记号y来表示包含与多个合成信号具有对应关系的m个要素的m维列矢量。列矢量y的要素和列矢量z的要素都是复数。列矢量x以列矢量y的m个要素和列矢量z的m个要素的对应的要素彼此的实部之差的平方和成为最小并且列矢量y的m个要素和列矢量z的m个要素的对应的要素彼此的虚部之差的平方和成为最小的方式被推定。列矢量x的具体的推定方法与在第2实施方式中参照式(7)～(9)进行说明的列矢量x1的推定方法相同。如果将列矢量x1的推定方法的说明中的x1,y1,z1分别置换成x,y,z的话则成为列矢量x的推定方法的说明。将用于推定列矢量x的最小二乘成本函数F的值控制到最小的x由下述式(19)进行表示。
x＝(HTH)-1HTy...(19)
在本实施方式中，角度运算部350根据由式(19)计算出的列矢量x的2个要素中的一方即第1未知磁场信息M，决定角度检测值θs。
还有，在本实施方式中，列矢量y的m个要素和列矢量z的m个要素的对应的要素彼此的实部之差相当于第1残差R1，列矢量y的m个要素和列矢量z的m个要素的对应的要素彼此的虚部之差相当于第2残差R2。因此，参照式(18)、式(19)进行说明的列矢量x的推定方法可以称之为以多个第1残差R1的平方和成为最小并且多个第2残差R2的平方和成为最小的方式推定第1以及第2未知磁场信息M,E的方法。另外，在列矢量x的推定方法中，由式(19)同时进行用于推定第1以及第2未知磁场信息M,E的各个的实部的运算和用于推定第1以及第2未知磁场信息M,E的各个的虚部的运算。
接着，参照图14，对角度运算部350的结构和角度检测值θs的生成方法进行具体说明。在图14中表示角度运算部350的结构的一个例子。在该例子中，角度运算部350包含未知磁场信息推定部351、角度决定部352。
在此，用记号ya1表示对应于在第1检测部10中被生成的第1以及第2检测信号S11,S12的合成检测信号，用记号ya2表示对应于在第2检测部20中被生成的第1以及第2检测信号S21,S22的合成检测信号，用记号ya3表示对应于在第3检测部30中被生成的第1以及第2检测信号S31,S32的合成检测信号，用记号ya4表示对应于在第4检测部40中被生成的第1以及第2检测信号S41,S42的合成检测信号。合成检测信号ya1～ya4都是复数。在未知磁场信息推定部351中，将第1以及第2检测信号S11,S12的值y11,y12设定为合成检测信号ya1的实部和虚部，将第1以及第2检测信号S21,S22的值y21,y22设定为合成检测信号ya2的实部和虚部，将第1以及第2检测信号S31,S32的值y31,y32设定为合成检测信号ya3的实部和虚部，将第1以及第2检测信号S41,S42的值y41,y42设定为合成检测信号ya4的实部和虚部。
未知磁场信息推定部351使用合成检测信号ya1～ya4来推定第1以及第2未知磁场信息M,E。在此，用记号za1表示对应于合成检测信号ya1的合成设想检测值，用记号za2表示对应于合成检测信号ya2的合成设想检测值，用记号za3表示对应于合成检测信号ya3的合成设想检测值，用记号za4表示对应于合成检测信号ya4的合成设想检测值。合成设想检测值za1～za4都是复数。
合成设想检测值za1的实部表示对应于第1检测信号S11的第1设想检测值ES1，合成设想检测值za1的虚部表示对应于第2检测信号S12的第2设想检测值ES2。合成设想检测值za2的实部表示对应于第1检测信号S21的第1设想检测值ES1，合成设想检测值za2的虚部表示对应于第2检测信号S22的第2设想检测值ES2。合成设想检测值za3的实部表示对应于第1检测信号S31的第1设想检测值ES1，合成设想检测值za3的虚部表示对应于第2检测信号S32的第2设想检测值ES2。合成设想检测值za4的实部表示对应于第1检测信号S41的第1设想检测值ES1，合成设想检测值za4的虚部表示对应于第2检测信号S42的第2设想检测值ES2。
在本实施方式中，如下述式(20)所述对合成设想检测值za1,za2,za3,za4进行模型化。
Figure BDA0001564773450000321
式(20)的左边的四维列矢量对应于式(18)中的z。式(20)的右边的4行2列的行列对应于式(18)中的H。该行列与第2实施方式中的行列Hc相同。
式(20)的右边的二维列矢量对应于式(18)中的x。以下用记号xac来表示该列矢量。列矢量xac将第1未知磁场信息M和第2未知磁场信息E作为要素来包含。如前面所述，在本实施方式中，第1以及第2未知磁场信息M,E都是复数。第1未知磁场信息M的偏角与对应于角度检测值θs的方向的信息相对应。第1未知磁场信息M的绝对值与对应于规定的位置上的检测对象磁场的强度的大小的信息相对应。在本实施方式中，将规定的位置作为上述基准位置。第2未知磁场信息E的偏角与对应于噪声磁场Mex的方向的方向的信息相对应。第2未知磁场信息E的绝对值与对应于噪声磁场Mex的强度的大小的信息相对应。
未知磁场信息推定部351根据式(19)推定列矢量xac。在此，用记号yac来表示将合成检测信号ya1～ya4作为要素的四维列矢量。列矢量yac由下述式(21)进行表示。
yacT＝[ya1，ya2，ya3，ya4]...(21)
未知磁场信息推定部351使用将式(19)中的H,x,y分别置换成Hc,xac,yac的算式来计算xac。由此，推定第1以及第2未知磁场信息M,E。
角度决定部352根据由未知磁场信息推定部351推定的第1未知磁场信息M，决定角度检测值θs。在本实施方式中，将被推定的第1未知磁场信息M的偏角设定为角度检测值θs。因此，角度决定部352通过求得被推定的第1未知磁场信息M的偏角从而计算出角度检测值θs。具体来说，角度决定部352例如使用被推定的第1未知磁场信息M的实部即强度M1和虚部即强度M3并由下述式(22)来计算θs。
θs＝atan(M2/M1) (22)
在θs为0°以上且小于360°的范围内，对于式(22)中的θs的解来说有相差180°的2个值。但是，由M1,M2的正负的组合而能够判别θs的真值是式(22)中的θs的2个解中的哪一个。角度决定部353由式(22)和上述的M1,M2的正负的组合的判定在0°以上且小于360°的范围内求得θs。
本实施方式中的其他结构、作用以及效果与第2实施方式相同。
还有，本发明并不限定于上述各个实施方式，能够进行各种变更。例如，只要满足权利要求范围的必要条件，多个检测位置以及多个检测部的个数以及配置不限定于各个实施方式所示的例子，可以是任意的。另外，检测磁场的强度的分布、以及磁场产生部与多个检测位置的位置关系只要是检测对象磁场的强度在多个检测位置上互相不同的话即可。
根据以上的说明，显然能够实施本发明的各种方式或变形例。因此，在权利要求的范围的均等的范围内，即使以上述最优选的方式以外的方式也能够实施本发明。

Claims (8)

1.一种角度传感器，其特征在于：
是生成与检测对象的角度具有对应关系的角度检测值的角度传感器，
具备：
多个检测部，分别在互相不同的多个检测位置上检测检测对象磁场与其以外的噪声磁场的合成磁场；以及
角度运算部，生成所述角度检测值，
在所述多个检测位置的各个上，所述检测对象磁场的方向对应于所述检测对象的角度而变化，
在所述多个检测位置上，所述检测对象磁场的强度互相不同，而所述检测对象磁场的方向相同，
所述多个检测部分别包含：第1检测信号生成部，生成表示所述合成磁场的第1方向的成分的强度的第1检测信号；以及第2检测信号生成部，生成表示所述合成磁场的第2方向的成分的强度的第2检测信号，
所述多个检测部各自中的所述第1检测信号的相位相同，
所述多个检测部各自中的所述第2检测信号的相位相同，
所述角度运算部以与只根据在所述多个检测部中的任意1个中被生成的一对第1以及第2检测信号而生成所述角度检测值的情况相比，起因于所述噪声磁场的所述角度检测值的误差被减少的方式进行使用了在所述多个检测部中被生成的多对第1以及第2检测信号的运算，并生成所述角度检测值。
2.如权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：
所述第1方向和所述第2方向互相垂直。
3.如权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：
所述第1以及第2检测信号生成部分别包含至少1个磁检测元件。
4.如权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：
所述多个检测部是第1检测部和第2检测部，
所述角度运算部使用在所述第1检测部中被生成的第1检测信号与在所述第2检测部中被生成的第1检测信号之差、以及在所述第1检测部中被生成的第2检测信号与在所述第2检测部中被生成的第2检测信号之差，生成所述角度检测值。
5.如权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：
所述角度运算部根据所述多对第1以及第2检测信号，使用最小二乘法来生成所述角度检测值。
6.如权利要求5所述的角度传感器，其特征在于：
所述角度运算部设想第1未知磁场信息、第2未知磁场信息、多个第1设想检测值、多个第2设想检测值、多个第1残差、以及多个第2残差，
所述第1未知磁场信息对应于规定的位置上的所述检测对象磁场的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度，
所述第2未知磁场信息对应于所述噪声磁场的第1方向的成分的强度和第2方向的成分的强度，
所述多个第1设想检测值分别是根据所述第1以及第2未知磁场信息被设想的、对应于在所述多个检测部中被生成的多个所述第1检测信号中的1个的值，
所述多个第2设想检测值分别是根据所述第1以及第2未知磁场信息被设想的、对应于在所述多个检测部中被生成的多个所述第2检测信号中的1个的值，
所述多个第1残差分别是所述第1检测信号中的1个与对应于其的所述第1设想检测值之差，
所述多个第2残差分别是所述第2检测信号中的1个与对应于其的所述第2设想检测值之差，
所述角度运算部进一步以所述多个第1残差的平方和成为最小并且所述多个第2残差的平方和成为最小的方式推定所述第1以及第2未知磁场信息，并根据被推定的第1未知磁场信息，决定所述角度检测值。
7.如权利要求6所述的角度传感器，其特征在于：
所述角度运算部使用多个合成检测信号和多个合成设想检测值来进行决定所述角度检测值的运算，所述多个合成检测信号分别是表示在所述多个检测部中的1个中被生成的一对第1以及第2检测信号的1个复数，所述多个合成设想检测值分别是表示对应于所述一对第1以及第2检测信号的一对第1以及第2设想检测值的1个复数。
8.一种角度传感器***，其特征在于：
具备：
权利要求1所述的角度传感器；以及
产生所述检测对象磁场的磁场产生部。
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