DE102017122475A1

DE102017122475A1 - Winkelsensor und Winkelsensorsystem

Info

Publication number: DE102017122475A1
Application number: DE102017122475.0A
Authority: DE
Inventors: Kenkichi Anagawa; Shinichirou MOCHIZUKI; Hiraku Hirabayashi; Kazuya Watanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CN107870002B; US20200116527A1; CN107870002A; US20180087927A1; US10697799B2; US10533878B2; JP2018054393A; JP6288482B1

Abstract

Ein Winkelsensor weist eine Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation und eine Winkelberechnungseinheit auf. Die Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation erfassen an einer Vielzahl von Erfassungspositionen ein aus einem zu erfassenden Magnetfeld und einem sich von dem zu erfassenden Magnetfeld unterscheidenden Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld und erzeugen dadurch eine Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation einschließlich einer Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds. Die Winkelberechnungseinheit erzeugt durch Durchführen einer Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation einen Erfassungswinkelwert, so dass ein durch das Rauschmagnetfeld verursachter Fehler des Erfassungswinkelwerts kleiner wird als im Fall, wenn der Erfassungswinkelwert auf Basis von einem und nur einem der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor und ein Winkelsensorsystem zum Erzeugen eines Erfassungswinkelwerts, der einem zu erfassenden Winkel entspricht.
2. Beschreibung verwandter Technik
In den vergangenen Jahren sind Winkelsensoren in diversen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt worden, wie z. B. bei der Erfassung der Drehstellung eines Lenkrads oder eines Servolenkungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Die Winkelsensoren erzeugen einen Erfassungswinkelwert, der einem zu erfassenden Winkel entspricht. Beispiele des Winkelsensors umfassen einen magnetischen Winkelsensor. Ein Winkelsensorsystem, das einen magnetischen Winkelsensor verwendet, ist typischerweise mit einer Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds versehen, dessen Richtung sich als Reaktion auf die Drehung oder die lineare Bewegung eines Objekts dreht. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit ist zum Beispiel ein Magnet. Der durch den magnetischen Winkelsensor zu erfassende Winkel entspricht einem Winkel, den die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds an einer Referenzposition mit Bezug auf eine Referenzrichtung bildet.
Zu den bekannten magnetischen Winkelsensoren zählt ein Winkelsensor, der eine Vielzahl von Erfassungsschaltungen zum Erzeugen einer Vielzahl von Erfassungssignalen mit unterschiedlichen Phasen aufweist und einen Erfassungswinkelwert durch Durchführen einer Operation unter Verwendung der Vielzahl von Erfassungssignalen erzeugt, wie in der DE 10 2011 079 019 A1 und in der DE 10 2011 080 679 A1 offenbart. Jede der Vielzahl von Erfassungsschaltungen erfasst ein zu erfassendes Magnetfeld. Jede der Vielzahl von Erfassungsschaltungen weist mindestens ein magnetisches Erfassungselement auf.
Bei manchen magnetischen Winkelsensoren, wie in der DE 10 2011 079 019 A1 und der DE 10 2011 080 679 A1 beschrieben, kann jede Erfassungsschaltung nicht nur einem zu erfassenden Magnetfeld, sondern auch einem sich von dem zu erfassenden Magnetfeld unterscheidenden Rauschmagnetfeld ausgesetzt sein. Beispiele für Rauschmagnetfelder sind das Magnetfeld der Erde und ein Streumagnetfeld eines Motors. Jede Erfassungsschaltung, die einem derartigen Rauschmagnetfeld ausgesetzt ist, erfasst ein aus dem zu erfassenden Magnetfeld und dem Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld. Wenn das zu erfassende Magnetfeld und das Rauschmagnetfeld in verschiedene Richtungen zeigen, ergibt sich ein gewisser Fehler in dem Erfassungswinkelwert. Der in dem Erfassungswinkelwert auftretende Fehler wird im Folgenden als Winkelfehler bezeichnet.
Die DE 10 2011 079 019 A1 und die DE 10 2011 080 679 A1 beschreiben Drehfeldsensoren, die in der Lage sind, einen durch ein Rauschmagnetfeld verursachten Winkelfehler zu reduzieren. Jeder der in der DE 10 2011 079 019 A1 und der DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren ist mit einer Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Drehmagnetfelds und einer ersten und einer zweiten Erfassungseinheit versehen. Das Drehmagnetfeld weist ein erstes Teilmagnetfeld, das an einer ersten Position vorliegt, und ein zweites Teilmagnetfeld auf, das an einer zweiten Position vorliegt. Das erste Teilmagnetfeld und das zweite Teilmagnetfeld sind in ihren Richtungen voneinander um 180° verschieden und drehen sich in der gleichen Drehrichtung. Die erste Erfassungseinheit ist eingerichtet, an der ersten Position ein aus dem ersten Teilmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld zu erfassen. Die zweite Erfassungseinheit ist eingerichtet, an der zweiten Position ein aus dem zweiten Teilmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld zu erfassen. Die in der DE 10 2011 079 019 A1 und in der DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren führen Operationen unter Verwendung der Ausgaben der ersten und zweiten Erfassungseinheit durch, um dadurch einen Erfassungswinkelwert zu erzeugen, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld verursachte Winkelfehler reduziert ist.
Die in der DE 10 2011 079 019 A1 und der DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren erfordern jeweils die betreffende Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Drehmagnetfelds, das das erste und das zweite Teilmagnetfeld wie weiter oben definiert umfasst. Weiterhin sind die Orte der ersten und der zweiten Erfassungseinheit in Abhängigkeit von dem Muster des Drehmagnetfelds eingeschränkt. Diese Drehfeldsensoren unterliegen somit erheblichen Einschränkungen bezüglich Aufbau und Einbau.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelsensor und ein Winkelsensorsystem anzugeben, die eine Reduzierung eines durch ein Rauschmagnetfeld verursachten Winkelfehlers ermöglichen, ohne dass wesentliche Einschränkungen mit Bezug auf den Aufbau und den Einbau eingeführt werden.
Ein Winkelsensor der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, einen Erfassungswinkelwert zu erzeugen, der einem zu erfassenden Winkel entspricht. Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation und eine Winkelberechnungseinheit auf. Die Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation sind eingerichtet, an einer Vielzahl von unterschiedlichen Erfassungspositionen ein aus einem zu erfassenden Magnetfeld und einem sich von dem zu erfassenden Magnetfeld unterscheidenden Rauschmagnetfeld zu erfassen und dadurch eine Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation zu erzeugen, die von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds mindestens eine Information über dessen Richtung umfassen. Die Winkelberechnungseinheit ist eingerichtet, den Erfassungswinkelwert zu erzeugen.
An jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen variiert das zu erfassende Magnetfeld in der Richtung gemäß dem zu erfassenden Winkel. Das zu erfassende Magnetfeld hat verschiedene Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen. Die Winkelberechnungseinheit erzeugt den Erfassungswinkelwert durch Durchführen einer Operation unter Verwendung Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation, so dass ein durch das Rauschmagnetfeld verursachter Fehler des Erfassungswinkelwerts kleiner wird als im Fall, wenn der Erfassungswinkelwert auf Basis von einem und nur einem der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann jede der Vielzahl von Erzeugungseinheiten der zusammengesetzten Magnetfeldinformation zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen aufweisen, die die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds angeben, die in unterschiedliche Richtungen zeigen. Jeder der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation kann auf Basis der zwei Erfassungssignale erzeugt werden. Die zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds können in zueinander orthogonale Richtungen zeigen. Jede der zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten kann mindestens ein magnetisches Erfassungselement aufweisen.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung können die Vielzahl von Erfassungspositionen eine erste Erfassungsposition und eine zweite Erfassungsposition sein. In einem derartigen Fall können die Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation, die von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition mindestens eine Information über dessen Richtung umfasst, und eine zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation sein, die von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition mindestens eine Information über dessen Richtung umfasst. Die Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation können eine erste Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation zum Erzeugen der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und eine zweite Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation zum Erzeugen der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation sein.
Die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation kann ein Winkel θ₁ sein, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition mit Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation kann ein Winkel θ₂ sein, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition mit Bezug auf die Referenzrichtung bildet. In einem derartigen Fall kann die Winkelberechnungseinheit als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine Operation unter Verwendung der Winkel θ₁ und θ₂ durchführen und das Verhältnis der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition zu der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition bilden.
Alternativ kann die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation als ein erster Vektor mit einer ersten Richtung und einem ersten Betrag dargestellt werden, und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation kann als ein zweiter Vektor mit einer zweiten Richtung und einem zweiten Betrag dargestellt werden. Die erste Richtung entspricht der Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition. Der erste Betrag entspricht der Information über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition. Die zweite Richtung entspricht der Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition. Der zweite Betrag entspricht der Information über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition. In einem derartigen Fall kann die Winkelberechnungseinheit als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine Operation zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten Vektor und dem zweiten Vektor durchführen.
Wenn die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation als erster Vektor dargestellt wird, und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation als zweiter Vektor dargestellt wird, kann die erste Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten Erfassungssignals, eine zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zweiten Erfassungssignals und eine erste Vektor-Erzeugungseinheit zum Erzeugen des ersten Vektors aufweisen. Das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal zeigen die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition an, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen. Die zweite Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation kann eine dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines dritten Erfassungssignals, eine vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines vierten Erfassungssignals und eine zweite Vektor-Erzeugungseinheit zum Erzeugen des zweiten Vektors aufweisen. Das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal zeigen die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition an, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen. In einem derartigen Fall kann die erste Vektor-Erzeugungseinheit die erste Richtung und den ersten Betrag auf Basis des ersten Erfassungssignals und des zweiten Erfassungssignals bestimmen. Die zweite Vektor-Erzeugungseinheit kann die zweite Richtung und den zweiten Betrag auf Basis des dritten Erfassungssignals und des vierten Erfassungssignals bestimmen.
Wenn die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation als erster Vektor dargestellt wird, und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation als zweiter Vektor dargestellt wird, kann die erste Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten Erfassungssignals und eine zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zweiten Erfassungssignals aufweisen, wobei das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen. Die zweite Erzeugungseinheit einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation kann eine dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines dritten Erfassungssignals und eine vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines vierten Erfassungssignals aufweisen, wobei das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen. In einem derartigen Fall können das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal zwei Komponenten des ersten Vektors in einem orthogonalen Koordinatensystem sein. Das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal können zwei Komponenten des zweiten Vektors in dem orthogonalen Koordinatensystem sein.
Ein Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung weist den Winkelsensor der vorliegenden Erfindung und eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds auf. Die Vielzahl von Erfassungspositionen befinden sich in unterschiedlichen Abständen von der Magnetfeld-Erzeugungseinheit.
Bei dem Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung können die Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedlichen Positionen auf einer durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit verlaufenden imaginären geraden Linie sein.
Gemäß dem Winkelsensor und dem Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Durchführen einer Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation das Erzeugen eines Erfassungswinkelwerts, bei dem der durch ein Rauschmagnetfeld verursachte Winkelfehler kleiner wird als im Fall des Erzeugens des Erfassungswinkelwerts auf Basis von einem und nur einem der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Die vorliegende Erfindung muss die Bedingung erfüllen, dass ein zu erfassendes Magnetfeld verschiedene Stärken an einer Vielzahl von Erfassungspositionen aufweist; jedoch führt diese Bedingung zu keinen wesentlichen Einschränkungen mit Bezug auf den Aufbau und den Einbau des Winkelsensors und des Winkelsensorsystems. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Reduzierung eines durch ein Rauschmagnetfeld verursachten Winkelfehlers, ohne dass dies zu wesentlichen Einschränkungen mit Bezug auf den Aufbau und den Einbau des Winkelsensors und des Winkelsensorsystems führt.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in vollständigerer Form aus der folgenden Beschreibung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Konfiguration eines Winkelsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen der in der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Richtungen und Winkel darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Winkelsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer ersten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer zweiten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines in 4 und 5 gezeigten magnetischen Erfassungselements.
7A ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen einem ersten zusammengesetzten Magnetfeld und einem Rauschmagnetfeld in der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
7B ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen einem zweiten zusammengesetzten Magnetfeld und dem Rauschmagnetfeld in der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
8 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel für Wellenformen von Winkelfehlern der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
9 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Winkelsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer Winkelberechnungseinheit der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
11A ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch einen ersten Vektor der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
11B ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch einen zweiten Vektor der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
11C ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch einen dritten Vektor der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
12 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Winkelsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Zunächst wird Bezug auf 1 genommen, um die allgemeine Konfiguration eines Winkelsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform weist einen Winkelsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform und eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 auf. Der Winkelsensor 1 ist insbesondere ein magnetischer Winkelsensor. Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 erzeugt ein durch den Winkelsensor 1 zu erfassendes Magnetfeld. Im Folgenden wird das durch den Winkelsensor 1 zu erfassende Magnetfeld als Zielmagnetfeld bezeichnet.
Die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Magnet 6 mit zylindrischer Form. Der Magnet 6 hat einen N-Pol und einen S-Pol, die mit Bezug auf eine imaginäre Ebene, die die Mittelachse der zylindrischen Form beinhaltet, symmetrisch angeordnet sind. Der Magnet 6 dreht sich um die Mittelachse der zylindrischen Form. Folglich dreht sich die Richtung des durch den Magneten 6 erzeugten Zielmagnetfelds um einen Drehmittelpunkt C in der Mittelachse der zylindrischen Form.
Der Winkelsensor 1 ist eingerichtet, einen Erfassungswinkelwert θs zu erzeugen, der einem zu erfassenden Winkel entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der zu erfassende Winkel einem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Referenzposition mit Bezug auf eine Referenzrichtung bildet. Im Folgenden wird der Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition mit Bezug auf die Referenzrichtung bildet, als Drehfeldwinkel und mit dem Symbol θM bezeichnet.
Die Referenzposition befindet sich innerhalb einer Referenzebene. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Referenzebene auf eine imaginäre Ebene, die parallel zu einer Endfläche des Magneten 6 ist. In der Referenzebene dreht sich die Richtung des durch den Magneten 6 erzeugten Zielmagnetfelds um die Referenzposition. Die Referenzrichtung befindet sich innerhalb der Referenzebene und schneidet sich die Referenzposition. In der folgenden Beschreibung bezieht sich die Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition auf eine Richtung, die sich innerhalb der Referenzebene befindet.
Der Winkelsensor 1 eine Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation auf. Die Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation erfassen ein aus dem Zielmagnetfeld und einem sich von dem zu erfassenden Zielmagnetfeld unterscheidenden Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld an einer Vielzahl von Erfassungspositionen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 befinden, und erzeugen dadurch eine Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation, die von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds mindestens eine Information über dessen Richtung umfassen. An jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen variiert die Richtung des Zielmagnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel und dem Drehfeldwinkel θM. Das Zielmagnetfeld weist verschiedene Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Vielzahl von Erfassungspositionen eine erste Erfassungsposition P1 und eine zweite Erfassungsposition P2. Die Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation sind eine erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation und eine zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation. Die Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation sind eine erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation und eine zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Die erste und die zweite Erzeugungseinheit 10 und 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation sind dahingehend platziert, um einer Endfläche des Magneten 6 zugewandt zu sein.
Die erste Erfassungsposition P1 und die zweite Erfassungsposition P2 sind voneinander unterschiedliche Positionen auf einer durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit verlaufenden imaginären geraden Linie 5. Die imaginäre gerade Linie kann mit dem Drehmittelpunkt C zusammenfallen oder nicht. 1 stellt den ersteren Fall dar. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die zweite Erfassungsposition P2 in einem größeren Abstand zu der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 als die erste Erfassungsposition P1.
Die erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation erfasst an der ersten Erfassungsposition P1 ein aus dem Zielmagnetfeld und einem Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld, um dadurch die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation zu erzeugen. Die zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation erfasst an der zweiten Erfassungsposition P2 ein aus dem Zielmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld, um dadurch die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation zu erzeugen. Im Folgenden wird das Zielmagnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als erstes Teilmagnetfeld MFa bezeichnet, und das Zielmagnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 wird als zweites Teilmagnetfeld MFb bezeichnet. Die Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb variieren gemäß dem zu erfassenden Winkel und dem Drehfeldwinkel θM. Das erste Teilmagnetfeld MFa und das zweite Teilmagnetfeld MFb besitzen unterschiedliche Stärken.
Die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation weist von den Informationen über die Richtung und die Stärke mindestens eine Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition P1 auf. Die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation weist von den Informationen über die Richtung und die Stärke mindestens eine Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition P2 auf. Im Folgenden wird das zusammengesetzte Magnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als erstes zusammengesetztes Magnetfeld MF1 bezeichnet, und das zusammengesetzte Magnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 wird als zweites zusammengesetztes Magnetfeld MF2 bezeichnet.
Die Richtung und die Stärke des Rauschmagnetfelds an der zweiten Erfassungsposition P2 sind jeweils gleich der Richtung und der Stärke des Rauschmagnetfelds an der ersten Erfassungsposition P1. Das Rauschmagnetfeld wird mit dem Symbol Mex bezeichnet. Das Rauschmagnetfeld Mex kann ein Magnetfeld, dessen Richtung und Stärke zeitlich konstant sind, ein Magnetfeld, dessen Richtung und Stärke zeitlich in periodischer Weise variieren, oder ein Magnetfeld sein, dessen Richtung und Stärke zeitlich in zufälliger Weise variieren. Das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1 ist ein aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex zusammengesetztes Magnetfeld. Das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 ist ein aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex zusammengesetztes Magnetfeld.
Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine sich von der 1 unterscheidende Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel können die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 und die erste und die zweite Erzeugungseinheit 10 und 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation, die wie in 1 gezeigt angeordnet sind, derart ausgebildet sein, dass: sich die erste und die zweite Erzeugungseinheit 10 und 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation drehen, während die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 fest steht; sich die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 und die Erzeugungseinheiten 10, 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation in zueinander entgegengesetzten Richtungen drehen; oder die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 und die Erzeugungseinheiten 10, 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation in der gleichen Richtung mit voneinander unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehen.
Die Definitionen der in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Richtungen und Winkel werden nun mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Zunächst ist die Z-Richtung die Richtung parallel zu dem in 1 gezeigten Drehmittelpunkt C und nach oben in 1. 2 stellt die Z-Richtung als die Richtung aus der Ebene von 2 dar. Als Nächstes sind die X- und Y-Richtung zwei Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und senkrecht zueinander stehen. 2 stellt die X-Richtung als die Richtung nach rechts und die Y-Richtung als die Richtung nach oben dar. Weiterhin ist die –X-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur X-Richtung, und die –Y-Richtung ist entgegengesetzt zur Y-Richtung.
Der Drehfeldwinkel θM wird mit Bezug auf die Referenzrichtung DR ausgedrückt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die X-Richtung die Referenzrichtung DR.
Angenommen, dass die Richtungen des ersten und des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und MF2 beide gegen den Uhrzeigersinn in 2 drehen. Wie in 2 gezeigt, stellt θ₁ einen Winkel dar, den die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet, und θ₂ stellt einen Winkel dar, den die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet. Die Winkel θ₁ und θ₂ werden in positiven Werten ausgedrückt, aus der Referenzrichtung DR gegen den Uhrzeigersinn gesehen, und in negativen Werten ausgedrückt, aus der Referenzrichtung DR im Uhrzeigersinn gesehen.
Die Hauptkomponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 ist das erste Teilmagnetfeld MFa. Die Hauptkomponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 ist das zweite Teilmagnetfeld MFb. Das erste und das zweite Teilmagnetfeld MFa und MFb zeigen in die gleiche Richtung. Die Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb bilden den gleichen Winkel mit Bezug auf die Referenzrichtung DR.
In der vorliegenden Ausführungsform fallen die Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb mit der Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition zusammen. Der Winkel, den die Richtung sowohl des ersten als auch des zweiten Teilmagnetfelds MFa und Mfb mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet, ist gleich dem Drehfeldwinkel θM. Die Definitionen von positiv und negativ für diese Winkel sind die gleichen wie für die Winkel θ1 und θ2.
Solange die oben beschriebene Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilmagnetfeld MFa und MFb und dem Zielmagnetfeld an der Referenzposition erfüllt ist, kann die Referenzposition mit der ersten Erfassungsposition P1 oder der zweiten Erfassungsposition P2 zusammenfallen oder kann irgendeine andere Position sein.
Wie weiter unten näher beschrieben wird, wird jede zusammengesetzte Magnetfeldinformation auf Basis der Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds erzeugt, die in voneinander verschiedene Richtungen zeigen. In der vorliegenden Ausführungsform zeigen die zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds in zueinander orthogonale Richtungen, das heißt, in die X-Richtung und die Y-Richtung.
Nun wird Bezug genommen auf 3, um die Konfiguration des Winkelsensors 1 näher zu beschreiben. 3 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das die Konfiguration des Winkelsensors 1 darstellt. Wie weiter oben erwähnt, weist der Winkelsensor 1 eine Vielzahl von Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation auf. Jede der Vielzahl von Erzeugungseinheiten der zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen auf, die die Stärken der zwei Komponenten in voneinander verschiedenen Richtungen des zusammengesetzten Magnetfelds angeben. Jede zusammengesetzte Magnetfeldinformation wird auf Basis der zwei Erfassungssignale erzeugt. Jede der zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten weist mindestens ein magnetisches Erfassungselement auf. Das mindestens eine magnetische Erfassungselement kann mindestens ein magnetoresistives Element sein. Das magnetoresistive Element kann ein Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Element, ein Tunnelmagnetowiderstands(TMR)-Element oder ein anisotropisches magnetoresistives(AMR-)Element sein. Das mindestens eine magnetische Erfassungselement kann ferner mindestens ein anderes Element als das magnetoresistive Element zum Erfassen eines Magnetfelds aufweisen, wie z. B. ein Hall-Element.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Vielzahl Erzeugungseinheiten einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation die erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation und die zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Die erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist eine erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 und eine zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 12 auf. Die erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 erzeugt ein erstes Erfassungssignal S1, das die Stärke einer Komponente in der X-Richtung (im Folgenden ”Komponente in X-Richtung”) des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 angibt. Die zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 12 erzeugt ein zweites Erfassungssignal S2, das die Stärke einer Komponente in der Y-Richtung (im Folgenden ”Komponente in Y-Richtung”) des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 angibt.
Die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation wird auf Basis des ersten und des zweiten Erfassungssignals S1 und S2 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation der Winkel θ₁, den die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet. Die erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist ferner Analog-Digital-Wandler (im Folgenden ”A/D-Wandler”) 13 und 14 und eine erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 auf. Die A/D-Wandler 13 und 14 wandeln das erste bzw. zweite Erfassungssignal S1 bzw. S2 in digitale Signale um. Die erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 bestimmt den Winkel θ₁ durch Durchführen einer Operation unter Verwendung des ersten und des zweiten Erfassungssignals S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 bzw. 14 in digitale Signale umgewandelt worden sind. Die erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 kann zum Beispiel durch einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) realisiert sein.
Die zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist eine dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 und eine vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 22 auf. Die dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 erzeugt ein drittes Erfassungssignal S3, das die Stärke einer Komponente in X-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 anzeigt. Die vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 22 erzeugt ein viertes Erfassungssignal S4, das die Stärke einer Komponente in Y-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 anzeigt.
Die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation wird auf Basis des dritten und des vierten Erfassungssignals S3 und S4 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation der Winkel θ₂, den die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet. Die zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist ferner A/D-Wandler 23 und 24 und eine zweite Anfangs-Winkelberechnungseinheit 25 auf. Die A/D-Wandler 23 und 24 wandeln das dritte bzw. das vierte Erfassungssignal S3 bzw. S4 in digitale Signale um. Die zweite Anfangs-Winkelberechnungseinheit 25 bestimmt den Winkel θ₂ durch Durchführen einer Operation unter Verwendung des dritten und des vierten Erfassungssignals S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 bzw. 24 in digitale Signale umgewandelt worden sind. Die erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 25 kann zum Beispiel durch eine ASIC realisiert sein.
Wenn sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, variiert der Drehfeldwinkel θM mit der vorgegebenen Periode. In diesem Fall variieren alle ersten bis vierten Erfassungssignale S1 bis S4 periodisch mit einer Signalperiode gleich der oben erwähnten vorgegebenen Periode. Die Phase des zweiten Erfassungssignals S2 unterscheidet sich von der Phase des ersten Erfassungssignals S1 um eine ungerade Zahl mal 1/4 der Signalperiode. Das dritte und das vierte Erfassungssignal S3 und S4 sind in Phase mit dem ersten bzw. dem zweiten Erfassungssignal S1 bzw. S2. Im Hinblick auf die Produktionsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente oder andere Faktoren können die Beziehungen unter den Phasen der Erfassungssignale von den oben beschriebenen Beziehungen leicht verschieden sein.
Der Winkelsensor 1 weist ferner eine Winkelberechnungseinheit 30 zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs auf. Wie weiter oben erwähnt, hat in der vorliegenden Ausführungsform das Zielmagnetfeld verschiedene Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen P1 und P2. Dies bewirkt, dass das Rauschmagnetfeld Mex verschiedene relative Wirkungen auf die Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation hat. Dies kann zu einer Differenz führen, die von dem Rauschmagnetfeld Mex zwischen der Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation abhängig ist. Unter Verwendung dieser Eigenschaft erzeugt die Winkelberechnungseinheit 30 den Erfassungswinkelwert θs durch Durchführen einer Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation, so dass ein durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachter Fehler des Erfassungswinkelwerts θs kleiner wird als im Fall, wenn der Erfassungswinkelwert θs auf Basis von einem und nur einem der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird. Die Winkelberechnungseinheit 30 kann zum Beispiel durch ein ASIC oder einen Mikrocomputer realisiert sein. Ein Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs wird weiter unten beschrieben.
Die Konfiguration der ersten bis vierten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11, 12, 21 und 22 wird nun beschrieben. 4 stellt ein Beispiel für die spezifische Konfiguration der ersten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 dar. In diesem Beispiel weist die erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 eine Wheatstone-Brückenschaltung 17 und einen Differenzdetektor 18 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 17 weist einen Leistungsversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen R11 und R12 und ein zweites Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen R13 und R14 auf. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R11 und R13 ist mit dem Leistungsversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R11 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R13 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R12 und R14 ist mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Betrag ist an den Leistungsversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Masseanschluss G1 ist mit Masse verbunden.
5 stellt ein Beispiel für die spezifische Konfiguration der zweiten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 12 dar. In diesem Beispiel weist die zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 12 eine Wheatstone-Brückenschaltung 27 und einen Differenzdetektor 28 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 27 weist einen Leistungsversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen R21 und R22 und ein zweites Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen R23 und R24 auf. Ein Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R21 und R23 ist mit dem Leistungsversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R21 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R23 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende von jedem der magnetischen Erfassungselemente R22 und R24 ist mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Betrag ist an den Leistungsversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Masseanschluss G2 ist mit Masse verbunden.
Die dritte und die vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 und 22 haben die gleiche Konfiguration wie die erste und die zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 bzw. 12. Somit werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten bzw. Bauteile der dritten und der vierten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 und 22 mit den gleichen Bezugszeichen wie die Komponenten der ersten und der zweiten Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten 11 bzw. 12 bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform weist jedes der magnetischen Erfassungselemente R11 bis R14 und R21 bis R24 eine Vielzahl von magnetoresistiven(MR-)Elementen auf, die in Reihe geschaltet sind. Jedes der Vielzahl von MR-Elementen ist zum Beispiel ein Spin-Ventil-MR-Element. Das Spin-Ventil-MR-Element weist eine Schicht mit fixierter Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, die eine magnetische Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung in Abhängigkeit von der Richtung des Zielmagnetfelds variiert, und eine nichtmagnetische Schicht auf, die sich zwischen der Schicht mit fixierter Magnetisierung und der freien Schicht befindet. Das Spin-Ventil-MR-Element kann ein TMR-Element oder ein GMR-Element sein. Beim TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarriereschicht. Beim GMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Das Spin-Ventil-MR-Element variiert im Widerstand in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung von der freien Schicht mit Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung bildet, und hat einen minimalen Widerstand, wenn der obige Winkel 0° ist, und einen maximalen Widerstand, wenn der obige Winkel 180° ist. In 4 und 5 zeigen die ausgefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierung der MR-Elemente an, und die hohlen Pfeile zeigen die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente an.
In der ersten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 sind die Schichten mit fixierter Magnetisierung der in den magnetischen Erfassungselementen R11 und R14 enthaltenen MR-Elemente in der X-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit fixierter Magnetisierung der in den magnetischen Erfassungselementen R12 und R13 enthaltenen MR-Elemente sind in der X-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den– Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der Komponente in X-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal entsprechend der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 als erstes Erfassungssignal S1 aus. Somit erfasst die erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11 die Stärke der Komponente in X-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und erzeugt das erste Erfassungssignal S1, das die Stärke angibt. In der zweiten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 12 sind die Schichten mit fixierter Magnetisierung der in den magnetischen Erfassungselementen R21 und R24 enthaltenen MR-Elemente in der Y-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit fixierter Magnetisierung der in den magnetischen Erfassungselementen R22 und R23 enthaltenen MR-Elemente sind in der –Y-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Komponente in Y-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal entsprechend der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 als zweites Erfassungssignal S1 aus. Somit erfasst die zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 die Stärke der Komponente in Y-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und erzeugt das zweite Erfassungssignal S2, das die Stärke angibt. In der dritten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der Komponente in X-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal entsprechend der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 als drittes Erfassungssignal S3 aus. Somit erfasst die dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 21 die Stärke der Komponente in X-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 und erzeugt das dritte Erfassungssignal S3, das die Stärke angibt. In der vierten Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 22 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Komponente in Y-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal entsprechend der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 als viertes Erfassungssignal S4 aus. Somit erfasst die vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 22 die Stärke der Komponente in Y-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 und erzeugt das vierte Erfassungssignal S4, das die Stärke angibt. Im Hinblick auf die Produktionsgenauigkeit der MR-Erfassungselemente oder andere Faktoren können die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierung der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten 11, 12, 21 und 22 von den oben beschriebenen Richtungen leicht verschieden sein. Ein Beispiel für die Konfiguration der magnetischen Erfassungselemente wird nun mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines in 4 und 5 gezeigten magnetischen Erfassungselements in den Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten 11 und 12 darstellt. In diesem Beispiel weist das magnetische Erfassungselement eine Vielzahl von unteren Elektroden 62, eine Vielzahl von MR-Elementen 50 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 63 auf. Die Vielzahl von unteren Elektroden 62 sind auf einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet. Jede der unteren Elektroden 62 hat eine lange schlanke Form. Jeweils zwei untere Elektroden 62, die in der Längsrichtung der unteren Elektroden 62 benachbart zueinander sind, weisen eine Lücke dazwischen auf. Wie in 6 gezeigt, sind MR-Elemente 50 auf den oberen Flächen der unteren Elektroden 62 nahe entgegengesetzten Enden in der Längsrichtung vorgesehen. Jedes der MR-Elemente 50 weist eine freie Schicht 51, eine nichtmagnetische Schicht 52, eine Schicht 53 mit fixierter Magnetisierung und eine antiferromagnetische Schicht 54 auf, die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind, wobei die freie Schicht 51 am nächsten zu der unteren Elektrode 62 angeordnet ist. Die freie Schicht 51 ist mit der unteren Elektrode 62 elektrisch verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet. Die antiferromagnetische Schicht 54 befindet sich in Austauschkopplung mit der Schicht 53 mit fixierter Magnetisierung, um die Magnetisierungsrichtung der Schicht 53 mit fixierter Magnetisierung zu fixieren. Die Vielzahl von Elektroden 63 sind über der Vielzahl von MR-Elementen 50 angeordnet. Jede der oberen Elektroden 63 hat eine lange schlanke Form und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen antiferromagnetischen Schichten 54 der zwei benachbarten MR-Elemente 50 her, die auf zwei in der Längsrichtung benachbarten unteren Elektroden 62 angeordnet sind. Bei einer derartigen Konfiguration sind die Vielzahl von MR-Elementen 50 in dem in 6 gezeigten magnetischen Erfassungselement durch die Vielzahl von unteren Elektroden 62 und die Vielzahl von oberen Elektroden 63 in Reihe geschaltet. Es versteht sich, dass die Schichten 51 bis 54 der MR-Elemente 50 in umgekehrter Reihenfolge zu der in 6 gezeigten aufeinander gestapelt sein können.
Nun folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Erzeugen der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Die erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 der ersten Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation berechnet den Winkel θ1 als erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation. Der Winkel θ₁ wird durch Berechnen des Arcustangens des Verhältnisses des zweiten Erfassungssignals S2 zu dem ersten Erfassungssignal S1 bestimmt, wie in der folgenden Gleichung (1) gezeigt. Es wird angemerkt, dass ”atan” den Arcustangens darstellt. θ1 = atan(S2/S1) (1)
Wenn θ₁ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° liegt, ergibt Gleichung (1) zwei Lösungen, die sich im Wert um 180° unterscheiden. Welche der zwei Lösungen für θ₁ in Gleichung (1) der echte Wert von θ₁ ist, kann aus der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von S1 und S2 bestimmt werden. Die erste Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 bestimmt θ₁ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° unter Verwendung von Gleichung (1) und der vorstehenden Bestimmung der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von S1 und S2.
Die zweite Anfangs-Winkelberechnungseinheit 25 der zweiten Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation berechnet den Winkel θ₂ als zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation. Der Winkel θ₂ wird durch Berechnen des Arcustangens des Verhältnisses des vierten Erfassungssignals S4 zu dem dritten Erfassungssignal S3 bestimmt, wie in der folgenden Gleichung (2) gezeigt. θ₂ = atan(S4/S3) (2)
Wenn θ₂ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° liegt, ergibt Gleichung (2) zwei Lösungen, die sich im Wert um 180° unterscheiden. Welche der zwei Lösungen für θ₂ in Gleichung (2) der echte Wert von θ₂ ist, kann aus der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von S3 und S4 bestimmt werden. Die zweite Anfangswinkelberechnungseinheit 25 bestimmt θ₂ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° unter Verwendung von Gleichung (2) und der vorstehenden Bestimmung der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von S3 und S4.
Ein Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs wird nun beschrieben. Zunächst folgt eine Beschreibung der Beziehung zwischen den Winkeln θ₁, θ₂ und dem Drehfeldwinkel θM. Wenn kein Rauschmagnetfeld Mex vorhanden ist, ist der Winkel θ₁ gleich dem Drehfeldwinkel θM. Wenn jedoch das Rauschmagnetfeld Mex vorhanden ist, kann die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 von der Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa abweichen, was bewirkt, dass der Winkel θ₁ sich im Wert vom Drehfeldwinkel θM unterscheidet. Die Differenz zwischen dem Winkel θ₁ und dem Drehfeldwinkel θM wird im Folgenden als Winkelfehler des Winkels θ₁ bezeichnet. Der Winkelfehler des Winkels θ₁ wird durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht.
In gleicher Weise ist, wenn kein Rauschmagnetfeld Mex vorhanden ist, der Winkel θ₂ gleich dem Drehfeldwinkel θM. Wenn das Rauschmagnetfeld Mex vorhanden ist, kann die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 von der Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb abweichen, was bewirkt, dass der Winkel θ₂ sich im Wert vom Drehfeldwinkel θM unterscheidet. Die Differenz zwischen dem Winkel θ₂ und dem Drehfeldwinkel θM wird im Folgenden als Winkelfehler des Winkels θ₂ bezeichnet. Der Winkelfehler des Winkels θ₂ wird durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht.
Angenommen, das Rauschmagnetfeld Mex weist zwei Komponenten auf: eine erste Komponente orthogonal zu dem ersten und dem zweiten Teilmagnetfeld MFa und MFb; und eine zweite Komponente parallel zu dem ersten und dem zweiten Teilmagnetfeld MFa und MFb. 7A und 7B sind erläuternde Diagramme, die schematisch die Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten zusammengesetzten Magnetfeld MF1, MF2 und dem Rauschmagnetfeld Mex darstellen. 7A stellt die Beziehung zwischen dem ersten zusammengesetzten Magnetfeld MF1 und der ersten Komponente des Rauschmagnetfelds Mex dar. 7B stellt die Beziehung zwischen dem zweiten zusammengesetzten Magnetfeld MF2 und der ersten Komponente des Rauschmagnetfelds Mex dar. In jeder 7A und 7B stellt der mit Mex1 gekennzeichnete Pfeil die erste Komponente des Rauschmagnetfelds Mex dar. In 7A und 7B ist der Betrag der ersten Komponente Mex1 übertrieben dargestellt. Wie in 7A und 7B gezeigt, weichen die Richtungen des ersten und des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und MF2 von den Richtungen des ersten und des zweiten Teilmagnetfelds MFa bzw. MFb aufgrund der Wirkung der ersten Komponente Mex1 ab.
Angenommen, in der vorliegenden Ausführungsform ist die Stärke des Rauschmagnetfelds Mex in einem derartigen Maß ausreichend kleiner als die Stärken des ersten und des zweiten Teilmagnetfelds MFa und MFb, dass die zweite Komponente des Rauschmagnetfelds Mex einen vemachlässigbaren Effekt auf die Richtungsabweichungen des ersten und des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und MF2 hat. In 7A und 7B ist das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1 als aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex zusammengesetztes Magnetfeld dargestellt, und das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 ist als aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex zusammengesetztes Magnetfeld dargestellt.
Wie in 7A gezeigt, bewirkt eine Abweichung der Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 von der Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa einen Winkelfehler des Winkels θ₁. Der Winkelfehler des Winkels θ₁ ist atan(B_ex/B₁), wobei B₁ die Stärke des ersten Teilmagnetfelds MFa darstellt, und B_ex die Stärke der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex darstellt.
Wie in 7B gezeigt, bewirkt eine Abweichung der Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 von der Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb einen Winkelfehler des Winkels θ₂. Der Winkelfehler des Winkels θ2 ist atan(B_ex/B₂), wobei B₂ die Stärke des zweiten Teilmagnetfelds MFb darstellt.
Der Winkel θ₁ kann unter Verwendung des Drehfeldwinkels θM und des Winkelfehlers des Winkels θ₁ ausgedrückt werden. Der Winkel θ₂ kann unter Verwendung des Drehfeldwinkels θM und des Winkelfehlers des Winkels θ₂ ausgedrückt werden. Genauer können die Winkel θ₁ und θ₂ jeweils durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt werden. θ₁ = θM – atan(B_ex/B1) (3) θ₂ = θM – atan(B_ex/B2) (4)
Wenn x ausreichend klein ist, kann atan(x) als AT·x angenähert werden. AT ist ein konstanter Wert, ein Beispiel ist 56,57. In der vorliegenden Ausführungsform kann, da die Stärke B_ex der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex ausreichend kleiner als die Stärken B₁ und B₂ des ersten und des zweiten Teilmagnetfelds MFa und MFb ist, atan(B_ex/B₁) als AT(B_ex/B₁) angenähert werden, und atan(B_ex/B₂) kann als AT·(B_ex/B₂) angenähert werden. Wendet man die Annäherung auf Gleichung (3) an und ordnet die Gleichung um, kann B_ex durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt werden: B_ex = –B1·(θ₁ – θM)/AT (5)
Wendet man die oben beschriebene Annäherung auf Gleichung (4) an und ordnet die Gleichung um und setzt darüber hinaus Gleichung (5) in die umgeordnete Gleichung ein, so ergibt sich die folgende Gleichung (6): θ₂ = θM + B₁·(θ₁ – θM)/B₂ (6)
Eine Umordnung von Gleichung (6) erlaubt, dass der Drehfeldwinkel θM durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt werden kann: θM = {θ₂ – (B₁/B₂)·θ₁}/{1 – (B₁/B₂)} (7)
In Gleichung (7) stellt ”B₁/B₂” das Verhältnis der Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa zu der Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb dar. Dieses Verhältnis wird mit dem Bezugszeichen B₁₂ versehen. In der vorliegenden Ausführungsform hängt der Wert des Verhältnisses B₁₂ von der Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Erfassungsposition P1 und P2 ab und ist ungeachtet des Werts des Drehfeldwinkels θM konstant.
Als Nächstes wird das Verfahren, durch das die Winkelberechnungseinheit 30 den Erfassungswinkelwert θs erzeugt, spezifisch beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform führt die Winkelberechnungseinheit 30 eine Operation unter Verwendung der Winkel θ₁ und θ₂ und des Verhältnisses B₁₂ als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation aus. Um genauer zu sein, erzeugt die Winkelberechnungseinheit 30 den Erfassungswinkelwert θs durch Durchführen eines durch die folgende, zu der Gleichung (7) ähnliche Gleichung (8) ausgedrückten Operation als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation: θ_s = (θ₂ – B₁₂·θ₁)/(1 – B₁₂) (8)
In Gleichung (8) sind ”θs” und ”B₁₂” für ”θM” bzw. ”B₁/B₂” von Gleichung (7) eingesetzt.
Die Winkelberechnungseinheit 30 weist eine Bearbeitungseinheit 31 zum Berechnen des Erfassungswinkelwerts θs und eine Speichereinheit 32 zum Speichern des Werts des Verhältnisses B₁₂ der Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa zu der Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb auf. Die Bearbeitungseinheit 31 berechnet den Erfassungswinkelwert θs durch die Gleichung (8) unter Verwendung des durch die erste Anfangswinkelberechnungseinheit 15 der ersten Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation berechneten Winkels θ₁, des durch die zweite Anfangs-Winkelberechnungseinheit 25 der zweiten Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation berechneten Winkels θ₂ und des in der Speichereinheit 32 gespeicherten Verhältnisses B₁₂.
Der Wert des Verhältnisses B₁₂ wird durch Messung der Stärke B1 des ersten Teilmagnetfelds MFa und der Stärke B2 des zweiten Teilmagnetfelds MFb erhalten. Die Messung der Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa und der Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb wird durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) außerhalb des Winkelsensors 1 vor oder nach Versand des Winkelsensors 1 durchgeführt. Die Messung der Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa und der Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb kann unter Verwendung der ersten und der zweiten Erzeugungseinheit 10 und 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation oder anderer magnetischer Sensoren durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht das Durchführen der Operation unter Verwendung der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation die Erzeugung des Erfassungswinkelwerts θs, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachte Winkelfehler kleiner wird als im Fall des Erzeugens des Erfassungswinkelwerts θs auf Basis von einer und nur einer der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Der Grund hierfür wird weiter unten näher beschrieben.
Wie aus Gleichung (3) hervorgeht, variiert der Winkel θ₁ in Abhängigkeit von dem durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler ”atan(B_ex/B₁)”. Wie sich aus Gleichung (4) ergibt, variiert der Winkel θ₂ in Abhängigkeit von dem durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler ”atan(B_ex/B₂)”. In der vorliegenden Ausführungsform stellt der Winkel θ₁ die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation dar, und der Winkel θ₂ stellt die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation dar. Daher zeigen die Gleichungen (3) und (4), dass das Rauschmagnetfeld Mex eine Wirkung auf jede der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation hat.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb voneinander verschieden. Somit hat das Rauschmagnetfeld Mex verschiedene relative Wirkungen auf die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation. Dies kann zu einer Differenz führen, die von dem Rauschmagnetfeld Mex zwischen der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation abhängt. Um genauer zu sein, zu einer von dem Rauschmagnetfeld Mex abhängigen Differenz zwischen den Werten der Winkelfehler der Winkel θ₁ und θ₂. Der durch Gleichung (7) ausgedrückte Drehfeldwinkel θM ergibt sich unter Verwendung dieser Eigenschaft. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Erfassungswinkelwert θs durch Durchführen der Operation unter Verwendung der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt, insbesondere der Operation von Gleichung (8).
Jeder der Winkel θ₁ und θ₂ entspricht dem Erfassungswinkelwert θs, der auf Basis von einer und nur einer der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird. Wie weiter oben beschrieben, enthalten die Winkel θ₁ und θ₂ die durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler. Andererseits enthält, da der Drehfeldwinkel θM keinen durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler enthält, der durch Durchführen der Operation von Gleichung (8) erzeugte Erfassungswinkelwert θs theoretisch keinen durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die Erzeugung des Erfassungswinkelwerts θs, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachte Winkelfehler kleiner wird als bei den Winkeln θ₁ und θ₂.
Um den Erfassungswinkelwert θs wie weiter oben beschrieben in der vorliegenden Ausführungsform zu erzeugen, ist es notwendig, die Bedingung zu erfüllen, dass die Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb voneinander verschieden sind; jedoch führt diese Bedingung zu keinen wesentlichen Einschränkungen mit Bezug auf den Aufbau und den Einbau des Winkelsensors 1 und des Winkelsensorsystems 100. Die oben erwähnte Bedingung kann zum Beispiel leicht dadurch erfüllt werden, dass die erste Erfassungsposition P1 und die zweite Erfassungsposition P2 voneinander unterschiedlich festgelegt werden, wie in der vorliegenden Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die Reduzierung des durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehlers, ohne dass dies zu wesentlichen Einschränkungen mit Bezug auf den Aufbau und den Einbau des Winkelsensors 1 und des Winkelsensorsystems 100 führt.
Die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform werden nun mit Bezug auf Simulationsergebnisse beschrieben. Die Simulation bestimmte die jeweiligen Winkelfehler des Winkels θ₁, des Winkels θ₂ und des Erfassungswinkelwerts θs, die in Anwesenheit eines Rauschmagnetfelds Mex mit einer konstanten Richtung und Stärke erzeugt wurden. Bei der Simulation wurde angenommen, dass die Differenz zwischen dem Winkel θ₁ und dem Drehfeldwinkel θM der Winkelfehler des Winkels θ₁ war, die Differenz zwischen dem Winkel θ₂ und dem Drehfeldwinkel θM der Winkelfehler des Winkels θ₂ war, und die Differenz zwischen dem Erfassungswinkelwert θs und dem Drehfeldwinkel θM der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs war. Weiterhin wurde bei der Simulation ein durch eine zufällige Anzahl erzeugter Fehler auf jeden der Werte der Winkel θ₁ und θ₂ überlagert. Es wird angenommen, dass der Fehler ein in dem Winkelsensor 1 erzeugter normaler Fehler ist. Der normale Fehler beinhaltet einen Fehler wegen der Nichtlinearität der ersten oder der zweiten Erzeugungseinheit 10 oder 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation und einen Fehler wegen weißen Rauschens. Ein durch den normalen Fehler verursachter Winkelfehler ist ausreichend kleiner als ein durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachter Winkelfehler.
8 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel für durch die Simulation erhaltene Winkelfehler darstellt. In 8 stellt die horizontale Achse den Drehfeldwinkel θM dar, und die vertikale Achse stellt den Winkelfehler dar. Das Bezugszeichen 81 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₁ dar, das Bezugszeichen 82 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₂ dar, und das Bezugszeichen 83 stellt den Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs dar. Wie in 8 gezeigt, ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs erheblich kleiner als der Winkelfehler des Winkels θ₁ und der Winkelfehler des Winkels θ₂. Die Winkelfehler der Winkel θ1 und θ2 können vorwiegend dem Rauschmagnetfeld Mex zugeschrieben werden. Andererseits kann der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs vorwiegend dem normalen Fehler zugeschrieben werden. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform die Reduzierung von durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehlern.
Wie in 8 gezeigt, sind der Winkelfehler des Winkels θ₁ und der Winkelfehler des Winkels θ₂ voneinander verschieden. Dies liegt an der Differenz zwischen den relativen Wirkungen des Rauschmagnetfelds Mex auf die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die zweite Erfassungsposition P2 weiter von der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 entfernt als die erste Erfassungsposition P1. Somit ist die Stärke B₂ des zweiten Teilmagnetfelds MFb kleiner als die Stärke B₁ des ersten Teilmagnetfelds MFa. Im Ergebnis ist der Winkelfehler des Winkels θ₂ größer als der Winkelfehler des Winkels θ₁.
[Zweite Ausführungsform]
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird auf 9 Bezug genommen, um die Konfiguration des Winkelsensors 1 gemäß der zweiten Ausführungsform zu beschreiben. Der Winkelsensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Winkelsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform in folgenden Punkten. In der vorliegenden Ausführungsform wird die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation als ein erster Vektor H1 mit einer ersten Richtung D₁ und einem ersten Betrag A₁ dargestellt. Die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation wird als ein zweiter Vektor H2 mit einer zweiten Richtung D₂ und einem zweiten Betrag A₂ dargestellt. Wie in 9 gezeigt, weist die erste Erzeugungseinheit 10 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Vektor-Erzeugungseinheit 16 zum Erzeugen des ersten Vektors H1 anstelle der ersten Anfangs-Winkelberechnungseinheit 15 der ersten Ausführungsform auf. Die zweite Erzeugungseinheit 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation weist eine zweite Vektor-Erzeugungseinheit 26 zum Erzeugen des zweiten Vektors H2 anstelle der zweiten Anfangswinkelberechnungseinheit 25 der ersten Ausführungsform auf. Die erste und die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 16 und 26 können zum Beispiel jeweils durch ein ASIC realisiert sein.
Die erste Richtung D₁ entspricht einer Information über die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. In der vorliegenden Ausführungsform wird die erste Richtung D₁ unter Verwendung des Winkels θ₁ (siehe 2) ausgedrückt, den die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet. Der erste Betrag A₁ entspricht einer Information über die Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1.
Die zweite Richtung D₂ entspricht einer Information über die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Richtung D₂ unter Verwendung des Winkels θ₂ (vgl. 2) ausgedrückt, den die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 mit Bezug auf die Referenzrichtung DR bildet. Der zweite Betrag A₂ entspricht einer Information über die Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2.
Der Winkelsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Winkelberechnungseinheit 130 anstelle der Winkelberechnungseinheit 30 der ersten Ausführungsform auf. Die Winkelberechnungseinheit 130 führt eine Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2 als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation aus. Die Winkelberechnungseinheit 130 kann zum Beispiel durch ein ASIC oder einen Mikrocomputer realisiert sein.
Ein Verfahren zum Erzeugen des ersten und des zweiten Vektors H1 und H2 wird nun beschrieben. Die erste Vektor-Erzeugungseinheit 16 bestimmt die erste Richtung D1 und den ersten Betrag A₁ des ersten Vektors H1 auf Basis des ersten und des zweiten Erfassungssignals S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 bzw. 14 in digitale Signale umgewandelt worden sind. Um genauer zu sein, berechnet die erste Vektor-Erzeugungseinheit 16 den Arcustangens des Verhältnisses des zweiten Erfassungssignals S2 zu dem ersten Erfassungssignal S1, um die erste Richtung D₁ zu bestimmen, d. h. den Winkel θ₁. Das spezifische Berechnungsverfahren für den Winkel θ₁ ist das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Weiterhin berechnet die erste Vektor-Erzeugungseinheit 16 die Summe S1² + S2² des Quadrats des ersten Erfassungssignals S1 und des Quadrats des zweiten Erfassungssignals S2, um den ersten Betrag A₁ zu bestimmen. Wie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, gibt das erste Erfassungssignal S1 die Stärke der Komponente in X-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 an, und das zweite Erfassungssignal S2 gibt die Stärke der Komponente in Y-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 an. Somit ist S1² + S2² ein Parameter, der der Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 entspricht. Der erste Betrag A1 kann S1² + S2² selbst sein oder kann die Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 sein, wie aus S1² + S2² bestimmt. Alternativ kann die erste Vektor-Erzeugungseinheit 16 den Wert eines anderen Parameters als S1² + S2² bestimmen, wie weiter oben beschrieben, der der Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 auf Basis des ersten und des zweiten Erfassungssignals S1 und S2 entspricht, und den ersten Betrag A₁ auf Basis des Parameterwerts bestimmen.
Die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 26 bestimmt die zweite Richtung D₂ und den zweiten Betrag A₂ des zweiten Vektors H2 auf Basis des dritten und des vierten Erfassungssignals S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 bzw. 24 in digitale Signale umgewandelt worden sind. Um genauer zu sein, berechnet die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 26 den Arcustangens des Verhältnisses des vierten Erfassungssignals S4 zu dem dritten Erfassungssignal S3, um die zweite Richtung D2 zu bestimmen, d. h. den Winkel θ₂. Das spezifische Berechnungsverfahren für den Winkel θ₂ ist das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Weiterhin berechnet die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 26 die Summe S3² + S4² des Quadrats des dritten Erfassungssignals S3 und des Quadrats des vierten Erfassungssignals S4, um den zweiten Betrag A2 zu bestimmen. Wie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, gibt das dritte Erfassungssignal S3 die Stärke der Komponente in X-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 an, und das vierte Erfassungssignal S4 gibt die Stärke der Komponente in Y-Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 an. Somit ist S3² + S4² ein Parameter, der der Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 entspricht. Der zweite Betrag A₂ kann S3² + S4² selbst sein oder kann die Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 sein, wie aus S3² + S4² bestimmt. Alternativ kann die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 26 den Wert eines anderen Parameters als S3² + S4² bestimmen, wie weiter oben beschrieben, der der Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 auf Basis des dritten und des vierten Erfassungssignals S3 und S3 entspricht, und den zweiten Betrag A2 auf Basis des Parameterwerts bestimmen.
Wenn der Drehfeldwinkel θM mit einer vorgegebenen Periode variiert, hat idealerweise das erste Erfassungssignal S1 eine Cosinus-Wellenform, die von dem Drehfeldwinkel θM abhängig ist, und das zweite Erfassungssignal S2 hat eine Sinus-Wellenform, die von dem Drehfeldwinkel θM abhängig ist. Somit ist idealerweise S1² + S2² ein konstanter Wert, unabhängig vom Drehfeldwinkel θM. In gleicher Weise hat, wenn der Drehfeldwinkel θM mit einer vorgegebenen Periode variiert, das dritte Erfassungssignal S3 idealerweise eine Cosinus-Wellenform, die von dem Drehfeldwinkel θM abhängig ist, und das vierte Erfassungssignal S4 hat eine Sinus-Wellenform, die von dem Drehfeldwinkel θM abhängig ist. Somit ist idealerweise S3² + S4² ein konstanter Wert, unabhängig vom Drehfeldwinkel θM.
Um den ersten und den zweiten Betrag A₁ und A₂ in der oben beschriebenen Weise zu bestimmen, ist es notwendig, die erste bis vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11, 12, 21 und 22 unter der Bedingung zu verwenden, dass die Beträge des ersten bis vierten Erfassungssignals S1 bis S4 innerhalb des Bereichs der Stärken des ersten und des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und MF2 nicht gesättigt werden.
Als Nächstes folgt eine Beschreibung der Konfiguration der Winkelberechnungseinheit 130 und eines Verfahrens zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs. Die Winkelberechnungseinheit 130 führt die Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2 aus. Ein dritter Vektor H3 ist durch die folgende Gleichung (9) definiert: H3 = H1 – H2 (9)
Der dritte Vektor H3 hat eine dritte Richtung und einen dritten Betrag. Die Winkelberechnungseinheit 130 erzeugt den Erfassungswinkelwert θs durch Bestimmen der dritten Richtung.
In der vorliegenden Ausführungsform führt die Winkelberechnungseinheit 130 Operationen unter Verwendung komplexer Zahlen durch. 10 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration der Winkelberechnungseinheit 130 darstellt. In diesem Beispiel weist die Winkelberechnungseinheit 130 eine erste Umwandlungseinheit 131, eine zweite Umwandlungseinheit 132, eine erste Berechnungseinheit 133, eine zweite Berechnungseinheit 134 und eine Argumentberechnungseinheit 135 auf. Die erste Umwandlungseinheit 131 wandelt den ersten Vektor H1 in eine komplexe Zahl C1 um. Der reelle Teil Re₁ und der imaginäre Teil Im₁ der komplexen Zahl C1 werden durch die folgenden Gleichungen (10) bzw. (11) ausgedrückt: Re₁ = A₁·cosθ₁ (10) Im₁ = Ar₁·sinθ₁ (11)
Die zweite Umwandlungseinheit 132 wandelt den zweiten Vektor H2 in eine komplexe Zahl C2 um. Der reelle Teil Re2 und der imaginäre Teil Im₂ der komplexen Zahl C2 werden durch die folgenden Gleichungen (12) bzw. (13) ausgedrückt: Re₂ = A₂·cosθ₂ (12) Im₂ = A₂·sinθ₂ (13)
Die Operation zum Erhalten der Differenz zwischen der komplexen Zahl C1 und der komplexen Zahl C2 entspricht der Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2. Eine komplexe Zahl C3 ist hier durch die folgende Gleichung (14) definiert: C3 = C1 – C2 (14)
Die erste Berechnungseinheit 133 bestimmt den reellen Teil Re₃ der komplexen Zahl C3 durch Durchführen einer Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem reellen Teil Re₁ der komplexen Zahl C1 und dem reellen Teil Re₂ der komplexen Zahl C2. Die zweite Berechnungseinheit 134 bestimmt den imaginären Teil Im₃ der komplexen Zahl C3 durch Durchführen einer Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem imaginären Teil Im₁ der komplexen Zahl C1 und dem imaginären Teil Im₂ der komplexen Zahl C2. Der reelle Teil Re₃ und der imaginäre Teil Im₃ werden durch die folgenden Gleichungen (15) bzw. (16) ausgedrückt: Re₃ = Re₁ – Re₂ (15) Im₃ = Im₁ – Im₂ (16)
Das Argument der komplexen Zahl C3 entspricht der dritten Richtung des dritten Vektors H3. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass das Argument der komplexen Zahl C3 der Erfassungswinkelwert θs ist. Die Argumentberechnungseinheit 135 erhält das Argument der komplexen Zahl C3, um den Erfassungswinkelwert θs zu berechnen. Um genauer zu sein, berechnet die Argumentberechnungseinheit 135 θs zum Beispiel unter Verwendung des reellen Teils Re3 und des imaginären Teils Im3 der komplexen Zahl C3 wie folgt: θs = atan(Im₃/Re₃) (17)
Wenn θs innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° liegt, ergibt Gleichung (17) zwei Lösungen, die sich im Wert um 180° unterscheiden. Welche der zwei Lösungen für θs in Gleichung (17) der echte Wert von θs ist, kann aus der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von Re₃ und Im₃ bestimmt werden. Die Argumentberechnungseinheit 135 bestimmt θs innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° unter Verwendung von Gleichung (17) und der vorstehenden Bestimmung der Kombination der positiven und negativen Vorzeichen von Re₃ und Im₃.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht das Durchführen der Operation unter Verwendung der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation die Erzeugung des Erfassungswinkelwerts θs, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachte Winkelfehler kleiner wird als im Fall des Erzeugens des Erfassungswinkelwerts θs auf Basis von einer und nur einer der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation. Der Grund hierfür wird weiter unten mit Bezug auf 11A bis 11C näher beschrieben.
11A bis 11C sind erläuternde Diagramme, die schematisch den ersten bis dritten Vektor H1 bis H3 darstellen. 11A stellt den ersten Vektor H1 dar, 11B stellt den zweiten Vektor H2 dar, und 11C stellt den dritten Vektor H3 dar.
11A und 11B stellen auch Vektoren Ha, Hb und Hex dar. Die Richtungen der Vektoren Ha, Hb und Hex stellen die Richtungen des ersten Teilmagnetfelds MFa, des zweiten Teilmagnetfelds MFb bzw. des Rauschmagnetfelds Mex dar. Die Beträge der Vektoren Ha, Hb und Hex stellen die Stärken des ersten Teilmagnetfelds MFa, des zweiten Teilmagnetfelds MFb bzw. des Rauschmagnetfelds Mex dar. In 11A und 11B ist der Betrag des Vektors Hex übertrieben dargestellt.
Das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1 ist ein aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex zusammengesetztes Magnetfeld. Somit kann der erste Vektor H1 durch die folgende Gleichung (18) unter Verwendung der Vektoren Ha und Hex ausgedrückt werden: H1 = Ha + Hex (18)
Das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 ist ein aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex zusammengesetztes Magnetfeld. Somit kann der zweite Vektor H2 durch die folgende Gleichung (19) unter Verwendung der Vektoren Hb und Hex ausgedrückt werden: H2 = Hb + Hex (19)
Wie sich aus Gleichung (18) und 11A ergibt, variieren die Richtung und der Betrag des ersten Vektors H1 in Abhängigkeit von dem Vektor Hex. Wie sich aus Gleichung (19) und 11B ergibt, variieren die Richtung und der Betrag des zweiten Vektors H2 in Abhängigkeit von dem Vektor Hex. In der vorliegenden Ausführungsform stellt der erste Vektor H1 die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation dar, und der zweite Vektor H2 stellt die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation dar. Daher zeigen die Gleichungen (18) und (19) und 11A und 11B, dass das Rauschmagnetfeld Mex eine Wirkung auf jede der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation hat.
In 11A und 11B stellt der Betrag des Vektors Ha die Stärke des ersten Teilmagnetfelds MFa dar, und der Betrag des Vektors Hb stellt die Stärke des zweiten Teilmagnetfelds MFb dar. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Stärke des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Stärke des zweiten Teilmagnetfelds MFb voneinander verschieden. Somit hat das Rauschmagnetfeld Mex verschiedene relative Wirkungen auf die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation und die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation. Dies kann zu einer Differenz führen, die von dem Rauschmagnetfeld Mex zwischen der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation abhängig ist. Um genauer zu sein, ergeben sich von dem Rauschmagnetfeld Mex abhängige Differenzen in Richtung und Betrag zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2. Unter Verwendung dieser Eigenschaft erzeugt die vorliegende Ausführungsform den Erfassungswinkelwert θs in der folgenden Weise, so dass die Wirkung des Rauschmagnetfelds Mex eliminiert wird. Zunächst ergibt das Einsetzen der Gleichungen (18) und (19) in Gleichung (9) die folgende Gleichung (20): H3 = H1 – H2 = Ha + Hex – (Hb + Hex) = Ha – Hb (20)
Wie sich aus Gleichung (20) ergibt, löscht das Durchführen der Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2 den Vektor Hex aus, um den dritten Vektor H3 mit der gleichen Richtung wie die Vektoren Ha und Hb zu erzeugen. Somit wird in der vorliegenden Ausführungsform der dritte Vektor H3 durch Durchführen der Operation unter Verwendung der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt, genauer gesagt, der Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2, und der Erfassungswinkelwert θs wird durch Erhalten der Richtung des dritten Vektors H3 erzeugt, das heißt, der dritten Richtung.
Jeder der Winkel θ₁ und θ₂ entspricht dem Erfassungswinkelwert θs, der auf Basis von einer und nur einer der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, enthalten die Winkel θ₁ und θ₂ die durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler. Andererseits enthält, da der dritte Vektor H3 als Differenz zwischen den Vektoren Ha und Hb dargestellt wird, wie sich aus Gleichung (20) ergibt, der in der oben beschriebenen Weise erzeugte Erfassungswinkelwert θs theoretisch keinen durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die Erzeugung des Erfassungswinkelwerts θs, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachte Winkelfehler kleiner wird als bei den Winkeln θ₁ und θ₂.
Die weiteren Konfigurationen, Funktionen und Wirkungen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird auf 12 Bezug genommen, um die Konfiguration des Winkelsensors 1 gemäß der dritten Ausführungsform zu beschreiben. Der Winkelsensor 1 gemäß der dritten Ausführungsform ist von dem Winkelsensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform in den folgenden Punkten verschieden. In der dritten Ausführungsform sind die erste und die zweite Vektor-Erzeugungseinheit 16 und 26 der zweiten Ausführungsform weggelassen. Weiterhin weist der Winkelsensor 1 gemäß der dritten Ausführungsform eine Winkelberechnungseinheit 230 anstelle der Winkelberechnungseinheit 130 der zweiten Ausführungsform auf. Die Winkelberechnungseinheit 230 kann zum Beispiel durch ein ASIC oder einen Mikrocomputer realisiert sein.
Wie die Winkelberechnungseinheit 130 führt die Winkelberechnungseinheit 230 die Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2 als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation aus und bestimmt dadurch den dritten Vektor H3, wie bei der zweiten Ausführungsform definiert. Die Winkelberechnungseinheit 230 erzeugt den Erfassungswinkelwert θs durch Bestimmen der dritten Richtung des dritten Vektors H3.
In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass das erste und das zweite Erfassungssignal S1 und S2 zwei Komponenten des ersten Vektors H1 in einem orthogonalen Koordinatensystem sind, und dass das dritte und das vierte Erfassungssignal S3 und S4 zwei Komponenten des zweiten Vektors H2 in dem orthogonalen Koordinatensystem sind. In einer derartigen Situation ist es notwendig, die erste bis vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit 11, 12, 21 und 22 unter der Bedingung zu verwenden, dass die Beträge des ersten bis vierten Erfassungssignals S1 bis S4 innerhalb des Bereichs der Stärken des ersten und des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und MF2 nicht gesättigt werden.
In der vorliegenden Ausfführungsform führt die Winkelberechnungseinheit 230 wie die Winkelberechnungseinheit 130 Operationen unter Verwendung komplexer Zahlen aus. 12 stellt eine beispielhafte Konfiguration der Winkelberechnungseinheit 230 dar. In diesem Beispiel weist die Winkelberechnungseinheit 230 eine erste Berechnungseinheit 231, eine zweite Berechnungseinheit 232 und eine Argumentberechnungseinheit 233 auf. Die Winkelberechnungseinheit 230 verwendet die zwei Komponenten des ersten Vektors H1 in dem orthogonalen Koordinatensystem als reellen Teil Re₁ und imaginären Teil Im₁ einer komplexen Zahl C1, und verwendet die zwei Komponenten des zweiten Vektors H2 in dem orthogonalen Koordinatensystem als reellen Teil Re₂ und imaginären Teil Im₂ einer komplexen Zahl C2. Um genauer zu sein, werden das erste und das zweite Erfassungssignal S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 und 14 in digitale Signale umgewandelt worden sind, als reeller Teil Re₁ und imaginärer Teil Im₁ der komplexen Zahl C₁ verwendet; und das dritte und das vierte Erfassungssignal S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 und 24 in digitale Signale umgewandelt worden sind, werden als reeller Teil Re₂ und imaginärer Teil Im₂ der komplexen Zahl C2 verwendet. Die Operation zum Erhalten der Differenz zwischen der komplexen Zahl C1 und der komplexen Zahl C2 entspricht der Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Vektor H1 und dem zweiten Vektor H2.
Die erste Berechnungseinheit 231 führt eine Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem reellen Teil Re₁ der komplexen Zahl C1 und dem reellen Teil Re₂ der komplexen Zahl C2 aus, um dadurch den reellen Teil Re₃ der komplexen Zahl C3 zu bestimmen, wie bei der zweiten Ausführungsform definiert. Die zweite Berechnungseinheit 232 führt eine Operation zum Erhalten der Differenz zwischen dem imaginären Teil Im₁ der komplexen Zahl C1 und dem imaginären Teil Im₂ der komplexen Zahl C2 aus, um dadurch den imaginären Teil Im₃ der komplexen Zahl C3 zu bestimmen. Der reelle Teil Re₃ und der imaginäre Teil Im₃ werden jeweils durch die Gleichungen (15) und (16) der zweiten Ausführungsform ausgedrückt.
Das Argument der komplexen Zahl C3 entspricht der dritten Richtung des dritten Vektors H3. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass das Argument der komplexen Zahl C3 der Erfassungswinkelwert θs ist. Die Argumentberechnungseinheit 233 erhält das Argument der komplexen Zahl C3, um den Erfassungswinkelwert θs zu berechnen. Das Berechnungsverfahren für den Erfassungswinkelwert θs ist das gleiche bei der zweiten Ausführungsform.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden das erste und das zweite Erfassungssignal S1 und S2 direkt als reeller Teil Re₁ und imaginärer Teil Im₁ der komplexen Zahl C1 verwendet, und das dritte und das vierte Erfassungssignal S3 und S4 werden direkt als reeller Teil Re₂ und imaginärer Teil Im₂ der komplexen Zahl C2 verwendet. Die vorliegende Ausführungsform eliminiert somit die Notwendigkeit der Operationen zum Bestimmen der ersten und der zweiten Richtung D₁ und D₂, des ersten und des zweiten Betrags A₁ und A₂, des reellen Teils Re₁ und Re₂ und des imaginären Teils Im₁ und Im₂, wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben. Dies erleichtert es, den Erfassungswinkelwert θs zu erzeugen, und erlaubt es, dass der Winkelsensor 1 eine einfachere Konfiguration im Vergleich mit der zweiten Ausführungsform hat.
Die weiteren Konfigurationen, Funktionen und Wirkungen der dritten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, und diverse Modifikationen können daran vorgenommen werden. Zum Beispiel kann jede der Vielzahl von Erzeugungseinheiten der zusammengesetzten Magnetfeldinformation in der vorliegenden Erfindung einen Teil, der eine Information nur über die Richtung eines zusammengesetzten Magnetfelds in der gleichen Weise wie die erste und die zweite Erzeugungseinheit 10 und 20 einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation der ersten Ausführungsform erzeugt, und einen weiteren Teil aufweisen, der eine Information nur über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds erzeugt.
Es ist offensichtlich, dass viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die obigen Lehren möglich sind. Es sei somit angemerkt, dass innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen die Erfindung in anderen Ausführungsformen als den vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011079019 A1 [0003, 0004, 0005, 0005, 0005, 0006]
DE 102011080679 A1 [0003, 0004, 0005, 0005, 0005, 0006]

Claims

Winkelsensor (1) zum Erzeugen eines Erfassungswinkelwerts, der einem zu erfassenden Winkel entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass: der Winkelsensor (1) aufweist: eine Vielzahl von Erzeugungseinheiten (10, 20) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation, um ein aus einem zu erfassenden Magnetfeld und einem sich von dem zu erfassenden Magnetfeld unterscheidenden Rauschmagnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld an einer Vielzahl von unterschiedlichen Erfassungspositionen zu erfassen und dadurch eine Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation zu erzeugen, die von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds mindestens eine Information über dessen Richtung umfassen; und eine Winkelberechnungseinheit (30), um den Erfassungswinkelwert an jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen zu erzeugen, wobei das zu erfassende Magnetfeld in der Richtung gemäß dem zu erfassenden Winkel variiert, das zu erfassende Magnetfeld verschiedene Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen aufweist, und die Winkelberechnungseinheit (30) den Erfassungswinkelwert durch Durchführen einer Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt, so dass ein durch das Rauschmagnetfeld verursachter Fehler des Erfassungswinkelwerts kleiner wird als in dem Fall, wenn der Erfassungswinkelwert auf Basis von einem und nur einem der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation erzeugt wird.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl von Erzeugungseinheiten (10, 20) der zusammengesetzten Magnetfeldinformation zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten (11, 12; 21, 22) zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen aufweist, die die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds angeben, die in voneinander verschiedene Richtungen zeigen, und jeder aus der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation auf Basis der zwei Erfassungssignale erzeugt wird.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 2, wobei die zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds in zueinander orthogonale Richtungen zeigen.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede der zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten (11, 12; 21, 22) mindestens ein magnetisches Erfassungselement aufweist.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Erfassungspositionen eine erste Erfassungsposition und eine zweite Erfassungsposition sind, die Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation und eine zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation sind, wobei die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition mindestens eine Information über dessen Richtung umfasst, die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation von den Informationen über die Richtung und die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition mindestens eine Information über dessen Richtung umfasst, und die Vielzahl von Erzeugungseinheiten (10, 20) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Erzeugungseinheit (10) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation zum Erzeugen der ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformation und eine zweite Erzeugungseinheit (20) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation zum Erzeugen der zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformation sind.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 5, wobei die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation ein Winkel θ₁ ist, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition mit Bezug auf eine Referenzrichtung bildet, die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation ein Winkel θ₂ ist, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition mit Bezug auf die Referenzrichtung bildet, und die Winkelberechnungseinheit (30) als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine Operation unter Verwendung der Winkel θ₁ und θ₂ und des Verhältnisses der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition zu der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition durchführt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 5, wobei die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation als ein erster Vektor mit einer ersten Richtung und einem ersten Betrag dargestellt wird, die erste Richtung der Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition entspricht, der erste Betrag der Information über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition entspricht, die zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformation als ein zweiter Vektor mit einer zweiten Richtung und einem zweiten Betrag dargestellt wird, die zweite Richtung der Information über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition entspricht, der zweite Betrag der Information über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition entspricht, und die Winkelberechnungseinheit (130) als Operation unter Verwendung der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine Operation zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten Vektor und dem zweiten Vektor durchführt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 7, wobei die erste Erzeugungseinheit (10) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (11) zum Erzeugen eines ersten Erfassungssignals, eine zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (12) zum Erzeugen eines zweiten Erfassungssignals und eine erste Vektor-Erzeugungseinheit (16) zum Erzeugen des ersten Vektors aufweist, wobei das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen, die erste Vektor-Erzeugungseinheit (16) die erste Richtung und den ersten Betrag auf Basis des ersten Erfassungssignals und des zweiten Erfassungssignals bestimmt, die zweite Erzeugungseinheit (20) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (21) zum Erzeugen eines dritten Erfassungssignals, eine vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (22) zum Erzeugen eines vierten Erfassungssignals und eine zweite Vektor-Erzeugungseinheit (26) zum Erzeugen des zweiten Vektors aufweist, wobei das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen, und die zweite Vektor-Erzeugungseinheit (26) die zweite Richtung und den zweiten Betrag auf Basis des dritten Erfassungssignals und des vierten Erfassungssignals bestimmt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 7, wobei die erste Erzeugungseinheit (10) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine erste Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (11) zum Erzeugen eines ersten Erfassungssignals und eine zweite Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (12) zum Erzeugen eines zweiten Erfassungssignals aufweist, wobei das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen, die zweite Erzeugungseinheit (20) einer zusammengesetzten Magnetfeldinformation eine dritte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (21) zum Erzeugen eines dritten Erfassungssignals und eine vierte Erfassungssignal-Erzeugungseinheit (22) zum Erzeugen eines vierten Erfassungssignals aufweist, wobei das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition angeben, wobei die zwei Komponenten in zueinander orthogonale Richtungen zeigen, das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal zwei Komponenten des ersten Vektors in einem orthogonalen Koordinatensystem sind, und das dritte Erfassungssignal und das vierte Erfassungssignal zwei Komponenten des zweiten Vektors in dem orthogonalen Koordinatensystem sind.
Winkelsensorsystem (100), aufweisend: den Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit (5) zum Erzeugen des zu erfassenden Magnetfelds, wobei die Vielzahl von Erfassungspositionen sich an unterschiedlichen Abständen zu der Magnetfeld-Erzeugungseinheit (5) befinden.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Erfassungspositionen sich an voneinander verschiedenen Positionen auf einer durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit (5) verlaufenden imaginären geraden Linie befinden.