CN102346045B - 旋转角探测器 - Google Patents

Abstract

一种用于探测磁体转子的旋转角的旋转角探测器，包括：具有安装在旋转轴上的磁体的转子；传感器芯片；以及操作元件。该芯片包括：用于探测沿法线方向的磁场的第一和第二法向分量探测元件，以及用于探测沿转动方向的磁场的第一和第二旋转分量探测元件。相位差Δθ，探测元件的输出信号S₁、S₂、C₁、C₂，通过相对于转动方向对沿法线方向的磁场分量求微分而获得的值Δ_θb_R，以及通过相对于转动方向对沿转动方向的磁场分量求微分而获得的值Δ_θb_θ满足：和

操作元件计算：

和

Description

旋转角探测器

技术领域

本发明涉及一种旋转角探测器，包括具有一对磁极的磁体转子和传感器芯片，传感器芯片具有半导体衬底上的磁场探测元件。

背景技术

常规上，如对应于US-2009/0206827的日本专利No.4273363所述，一种旋转角探测器包括具有四个或更多磁极(即，两对或更多对磁极)的磁体转子，以及用于探测由磁体转子产生的磁通的方向的第一和第二感测装置。

第一和第二感测装置中的每个都是具有固定层和可变层的自旋阀型巨磁致电阻效应元件。固定层的磁化方向被固定到特定方向。可变层的磁化方向随着磁场方向而变化。巨磁致电阻效应元件具有这样的特性：元件的电阻根据固定层的磁化方向和可变层的磁化方向(即磁场方向)之间的角度改变。在磁体转子旋转一电角度(通过将旋转角除以磁极对的数目计算出的角度)时，具有电阻器元件的感测装置输出与波形的一个周期对应的信号。例如，在磁体转子包括两对磁极且磁体转子旋转一圈时，感测装置输出与两个周期的波形对应的信号。

将解释日本专利No.4273363中描述的旋转角探测器。第一感测装置包括两个感测电桥X01、Y01，每个感测电桥都提供由四个电阻器元件构成的全桥。第二感测装置包括两个感测电桥X02、Y02，每个都提供由四个电阻器元件构成的全桥。全桥包括一对彼此串联耦合的电阻器元件以及彼此串联耦合的另一对电阻器元件。该对电阻器元件和另一对电阻器元件在电源和地之间彼此并联耦合。于是，准备好每个完整的电桥(即，每个感测电桥X01、X02、Y01、Y02)。在一对电阻器元件的电源侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向与另一对电阻器元件的电源侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向相反。在一对电阻器元件的地侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向与另一对电阻器元件的地侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向相反。

感测电桥Y01的电阻器元件中固定层的磁化方向与磁体转子的转动方向平行。此外，感测电桥Y01的电阻器元件中固定层的磁化方向与感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直。感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向与磁体转子的转动方向平行。此外，感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向与感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直。布置感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向，以使相位相差90度的电角度。

第一感测装置具有磁场敏感方向作为磁体转子的参考。第一感测装置相对于磁体转子的旋转角被定义为θ。在感测电桥X01根据cosθ项输出探测信号时，感测电桥Y01根据-sinθ项输出探测信号，因为感测电桥Y01的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直于感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向。

由于感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向被布置成使相位相差90度的电角度，所以感测电桥X02根据sinθ项输出探测信号。由于感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直于感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向，所以感测电桥Y02根据cosθ项输出探测信号。

取决于感测电桥X01、Y01的探测信号中的θ项的因子被定义为(X01θ，Y01θ)。(X01θ，Y01θ)等于(cosθ，-sinθ)。取决于感测电桥X02、Y02的探测信号中θ项的因子被定义为(X02θ，Y02θ)。(X02θ，Y02θ)等于(sinθ，cosθ)。于是，感测电桥X01、Y02的探测信号取决于cosθ项。感测电桥Y01、X02的探测信号取决于sinθ项。因此，感测电桥Y02的探测信号被反转，从而获得反转的探测信号，将取决于感测电桥Y02的反转探测信号中的θ项的因子定义为Y02θ’。在运算放大器计算(X01θ-Y02θ’)的差和(X02θ-Y01θ)的差时，获得了每个探测信号中的cosθ值和sinθ值。在这里，在cosθ的值和sinθ的值中消除了具有相同相位的高频噪声。基于cosθ的值和sinθ的值，计算tanθ的值。然后，角度计算器利用反正切函数执行计算，从而计算角度θ。

在这里，在芯片中形成与第二感测装置不同的第一感测装置。在这种情况下，旋转角探测器包括多个芯片，使得探测器的制造成本很高。

为了改善制造成本，可以在一个芯片中形成第一和第二感测装置。不过，在这种情况下，在从探测信号去除高频噪声时，如上所述，由于感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向被布置成使相位相差90度的电角度，所以在磁体转子的磁极数目小的情况下，电角度增大，且芯片尺度增大。在这里，在磁体转子的磁极数目大时，电角度减小，因此，芯片的尺度是有限的。不过，在磁体转子的磁极数目大时，旋转磁场的旋转频率增大。于是，角度计算器相对于输入信号的处理速度可能不够快。

磁体转子与磁体一起附着于并固定到旋转轴。绕组所产生的磁通量使旋转轴转动。绕组围绕着磁体转子。在这种情况下，在绕组和磁体转子之间布置芯片。将绕组的磁通和磁体转子的磁通施加到芯片。为了基于磁体转子的磁通探测磁体转子的旋转角，必须要去除绕组的磁通。于是，绕组产生的磁通提供了被定义为感应噪声的噪声。

感应噪声和固定到旋转轴的磁体产生的磁通之间的排斥力使旋转轴转动。因此，感应噪声的转动方向与磁体转子的旋转磁场的转动方向相反。在通过日本专利No.4273363描述的噪声降低方法去除感应噪声时，必须要布置感测电桥X01的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向，以使相位相差180度的电角度。于是，由于为了去除感应噪声使电角度加倍，所以芯片的尺度大大增加。

发明内容

鉴于上述问题，本公开的目的是提供一种旋转角探测器，包括具有一对磁极的磁体转子以及传感器芯片，传感器芯片具有半导体衬底上的多个磁场探测元件。无需增加磁体转子的磁极数目就改善了芯片的尺度。

根据本公开的一方面，一种旋转角探测器包括：包括至少一对磁极的磁体转子，其中所述磁体转子连同磁体一起安装在旋转轴上；传感器芯片，包括半导体衬底和所述半导体衬底中的磁场探测元件，其中所述磁场探测元件探测磁场；以及操作元件。在磁场中布置旋转轴和传感器芯片，磁场使旋转轴转动。旋转角探测器基于从磁场探测元件输出的电信号探测磁体转子的旋转角。磁场探测元件包括第一磁场探测元件和第二磁场探测元件，它们彼此分隔开与预定相位差对应的距离。第一磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第一法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件。法线方向通过转子的中心并垂直于转动方向。第二磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第二法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件。相位差满足如下条件：将第一法向分量探测元件的输出信号和第二法向分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差获得的值近似于相对于转动方向对传感器芯片周围的磁场沿法线方向的分量进行微分获得的值，将第一旋转分量探测元件的输出信号和第二旋转分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差获得的值近似于相对于转动方向对沿转动方向的磁场分量进行微分获得的值。相位差定义为Δθ，第一法向分量探测元件的输出信号定义为S₁，第二法向分量探测元件的输出信号定义为S₂，第一旋转分量探测元件的输出信号定义为C₁，第二旋转分量探测元件的输出信号定义为C₂，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第一项定义为α，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第二项定义为β。操作元件计算如下值：

$C_1+\mathrm{\α}\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}$

和

$S_1-\mathrm{\β}\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}.$

相位差Δθ不取决于电角度。电角度取决于转子的磁极数目。相位差Δθ可以是能够近似进行微分计算的值。因此，即使当第一磁场探测元件和第二磁场探测元件形成于半导体衬底中时，也限制了传感器芯片尺度的增大。由于为了减小电角度未增加转子的磁极数目，所以限制了旋转磁场的频率增大。

附图说明

通过下文参考附图的详细说明，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显见。在附图中：

图1是示出了根据第一实施例的旋转角探测器的平面图的图；

图2是示出了沿图1的线II-II截取的探测器的截面图的图；

图3是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的电连接；

图4是示出了传感器芯片和磁体转子之间的关系的平面图的图；

图5是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的另一电连接；以及

图6是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的另一电连接。

具体实施方式

(第一实施例)

图1示出了根据第一实施例的旋转角探测器的平面图。图2示出了沿图1的线II-II截取的探测器的截面图。图3示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的电连接。图4示出了传感器芯片和磁体转子之间的关系的平面图。磁体转子10的旋转方向被定义为转动方向。沿半导体衬底31厚度的方向被定义为厚度方向。垂直于厚度方向和转动方向并通过磁体转子中心O的方向被定义为法线方向。

探测器100主要包括磁体转子10、传感器芯片30、操作元件50和计算器70。如图1和2所示，用于产生磁场的绕组20围绕着转子10。传感器芯片30布置于转子10和绕组20之间。于是，将转子10产生的磁场和绕组20产生的磁场施加到芯片30。此外，如图3所示，传感器芯片30的磁场探测元件32与操作元件50电耦合。操作元件50与计算器70电耦合。于是，经由操作元件50将磁场探测元件32探测的电信号输入到计算器70中。

如下文所述，传感器芯片30探测转子10磁场的变化，使得芯片30执行测量功能，用于测量转子10的旋转角。不过，不仅向芯片30施加磁体转子10的磁通而且施加绕组20的磁通。在探测转子10的旋转角时，绕组20的磁通提供噪声。根据本实施例的探测器100去除来自芯片30的输出信号中作为感应噪声的噪声，而不会增大芯片30的尺寸。在这里，与绕组20产生的磁通对应的磁场对应于使转子10的旋转轴转动的磁场。

如图1和2所示，转子10具有环形形状。柱形的旋转轴11插入孔中，孔是由转子10的内壁形成的。于是，将转子10连同永磁体制成的转子12固定到轴11上，轴11安装在车辆上。转子10的中心O定位在轴11上。转子10包括一对由S极和N极构成的磁极。转子12包括两对磁极。由绕组20产生的磁通和转子12产生的磁通之间的排斥力使轴11与转子10一起转动。在这里，轴11提供旋转轴。转子12提供永磁体。

在转子10转动时，通过转子10绕芯片30的旋转和磁通产生沿转动方向的旋转磁场。如上所述，由绕组20产生的磁通和转子12产生的磁通之间的排斥力使轴11(即转子10)转动。因此，对应于绕组20的磁通的磁场的转动方向与对应于转子10产生的磁通的旋转磁场的转动方向相反。在这里，在图1和2中，尽管转子10与轴11间隔开，但利用粘合剂等将转子10固定到轴11上。此外，在图1和2中，尽管芯片30与轴11间隔开，但芯片30固定到容纳轴11和绕组20的支架上。

绕组20产生用于使轴11转动的磁场。绕组20包括多个线圈作为绕组元件，其固定到定子21上。电流在每个线圈中流动，从而产生磁场。转子12的一个磁极对应于六个线圈20。绕组20的二十四个线圈20固定到定子21。

传感器芯片30包括半导体衬底31和磁场探测元件32，其形成于沉底31之内。磁场探测元件32包括第一磁场探测元件33和第二磁场探测元件34，它们在转子10的转动方向上彼此分开相位差Δθ。第一磁场探测元件33包括用于探测沿法线的磁场的第一法向分量探测元件35和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件36。第二磁场探测元件34包括用于探测沿法线的磁场的第二法向分量探测元件37和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件38。

如图4所示，第一法向分量探测元件35和第一旋转分量探测元件36在法线方向上彼此分隔预定距离。第二法向分量探测元件37和第二旋转分量探测元件38在法线方向上彼此间隔开预定距离。将第一法向分量探测元件35和第二法向分量探测元件37布置成与中心O间隔相等的距离。将第一旋转分量探测元件36和第二旋转分量探测元件38布置成与中心O间隔另一相等的距离。

第一和第二法向分量探测元件35、37以及第一和第二旋转分量探测元件36、38作为分量探测元件，是用于将磁信号转换成电信号的磁电换能器。每个探测元件35-38都是具有固定层和可变层的磁致电阻传感器。固定层的磁化方向是固定的。可变层的磁化方向根据磁场方向变化。图4中的箭头示出了固定层的磁化方向。沿着法线方向布置第一和第二法向分量探测元件35、37中固定层的磁化方向。沿着转动方向布置第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向。更具体而言，沿着转动方向的切向布置第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向。第一和第二法向分量探测元件35、37中固定层的磁化方向指向离开中心O的方向。第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向指向绕中心O的逆时针方向。

以上磁致电阻传感器的性质使得传感器的电阻根据固定层磁化方向和可变层磁化方向之间的角度而改变。因此，在转子10转动一电角度时，传感器芯片30输出对应于一个周期波形的信号，所述电角度是由旋转角除以磁极对的数目限定的。转子10具有一对磁极，因此，在转子10转动一圈时，传感器芯片30输出对应于一个周期波形的信号。

操作元件50与传感器芯片30电耦合。操作元件50基于第一和第二法向分量探测元件35、37的输出信号S₁、S₂以及第一和第二旋转分量探测元件36、38的输出信号C₁、C₂从每个输出信号S₁、S₂、C₁、C₂去除绕组20的磁通(即，感应噪声)。另一方面，计算器70与操作元件50电耦合。基于来自操作元件50的输出信号，计算器70执行转子10旋转角θ的计算函数。如图3所示，在半导体衬底31中形成操作元件50和计算器70，连同磁场探测元件32。

下文将解释旋转角探测器100的特性。第一磁场探测元件33和第二磁场探测元件34彼此间隔开与转子10的转动方向上的相位差Δθ对应的距离。具体而言，如图4所示，第一和第二法向分量探测元件35、37彼此间隔开与相位差Δθ对应的距离。第一和第二旋转分量探测元件36、38彼此间隔开与相位差Δθ对应的距离。用输出信号S₁和输出信号S₂之间的差除以相位差Δθ获得的值近似为值Δ_θb_R，这是通过相对于转动方向对传感器芯片30周围的磁场B沿法线方向的分量b_R求微分获得的。用输出信号C₁和输出信号C₂之间的差除以相位差Δθ获得的值近似为值Δ_θb_θ，这是通过相对于转动方向对沿转动方向的磁场B的分量b_θ求微分获得的。于是，满足以下方程。

$\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}\≅{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_R---\left(F1\right)$

$\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}\≅{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_{\mathrm{\θ}}---\left(F2\right)$

此外，基于以下计算，消除感应噪声。在操作元件计算角度θ时，执行以下计算。

$C_1+\mathrm{\α}\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}---\left(F3\right)$

$S_1-\mathrm{\β}\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}---\left(F4\right)$

以上方程中的项α、β取决于绕组20产生的磁通(即感应噪声)的法线分量的幅度和磁通的旋转分量的幅度之间的比值γ。操作元件50与用于使电流流动到绕组20的电路(未示出)电耦合。操作元件50包括用于探测流经绕组20的电流的探测器。操作元件50还包括存储器，用于存储流经绕组20的电流和对应于电流的比值γ之间的关系的信息。在操作元件50探测到流经绕组20的电流之后，操作元件50从存储器读出与电流对应的比值γ。然后，操作元件50计算方程F3和F4。

其次，为了解释根据本实施例的探测器100的功能和效果，将解释传感器芯片30周围产生的磁场的计算方法以及去除磁场中绕组20的磁通(即感应噪声)的计算方法。

如上所述，对应于绕组20的磁通的磁场的转动方向与对应于转子10产生的磁通的旋转磁场的转动方向相反。于是，将绕组20产生的磁场定义为B_N，将磁场B_N沿转动方向的分量的幅度定义为B_Nθ。磁场B_N沿法线方向的分量幅度定义为B_NR。转子12中磁极对的数目定义为N_N。转子10产生的旋转磁场定义为B_S。磁场B_S沿转动方向的分量幅度定义为B_Sθ。磁场B_S沿法线方向的分量幅度定义为B_SR。转子10中磁极对的数目定义为N_S。转动方向上的角度定义为θ。满足以下方程。

B_N＝(B_Nθcos(-N_Nθ)，B_NRsin(-N_Nθ))      (F5)

B_S＝(B_Sθcos(N_Sθ)，B_SRsin(N_Sθ))        (F6)

在这里，如上所述，由于转子12包括两对磁极，所以转子12中磁极对的数目N_N为二(即N_N＝2)。由于转子10包括一对磁极，所以转子10中磁极对的数目为一(即N_S＝1)。基于方程F5和F6，通过以下方程F7计算传感器芯片30周围产生的磁场B。

B＝B_N+B_S＝(b_θ，b_R)＝(B_Nθcos(-N_Nθ)+B_Sθcos(N_Sθ)，B_NRsin(-N_Nθ)+B_SRsin(N_Sθ))  (F7)

于是，通过以下方程F8获得磁场B在转动方向上的细微变化量，即磁场B在转动方向上的微分值。

$\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{d\θ}}=({\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_{\mathrm{\θ}},{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_{\mathrm{\θ}})=(B_{\mathrm{N\θ}}{N}_N\sin (-N_N\mathrm{\θ})-B_{\mathrm{S\θ}}{N}_S\sin \left(N_S\mathrm{\θ}\right),-B_{\mathrm{NR}}{N}_N\cos (-N_N\mathrm{\θ})+B_{\mathrm{SR}}{N}_S\cos \left(N_S\mathrm{\θ}\right))$

(F8)

于是，磁场B沿转动方向的分量b_θ和值Δ_θb_R取决于cosθ的值。磁场B沿法线方向的分量b_R和值Δ_θb_θ取决于sinθ的值。因此，为了消除感应噪声，利用项α、β计算以下方程。

b_θ+αΔ_θb_R＝B_Nθcos(-N_Nθ)+B_Sθcos(N_Sθ)-αB_NRN_Ncos(-NNθ)+αB_SRN_Scos(N_Sθ)(F9)

b_R-βΔ_θb_θ＝B_NRsin(-N_Nθ)+B_SRsin(N_Sθ)-βB_NθN_Nsin(-N_Nθ)+βB_SθN_Ssin(N_Sθ)(F10)

方程F9和F10中包括磁场B_N沿转动方向的分量的幅度B_Nθ的项和包括磁场B_N沿法线方向的分量的幅度B_NR的另一项提供了感应噪声。为了消除感应噪声，项α、β应当满足以下方程。

$\mathrm{\α}=\frac{B_{\mathrm{N\θ}}}{B_{\mathrm{NR}}}\·\frac{1}{N_N}---\left(F11\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{B_{\mathrm{NR}}}{B_{\mathrm{N\θ}}}\·\frac{1}{N_N}---\left(F12\right)$

在将从方程F11和F12获得的项α、β代入方程F9和F10时，获得以下方程。

$(B_{\mathrm{S\θ}}+\frac{B_{\mathrm{N\θ}}}{B_{\mathrm{NR}}}\·\frac{N_S}{N_N}\·B_{\mathrm{SR}})\cos \left(N_S\mathrm{\θ}\right)---\left(F13\right)$

$(B_{\mathrm{SR}}+\frac{B_{\mathrm{NR}}}{B_{\mathrm{N\θ}}}\·\frac{N_S}{N_N}\·B_{\mathrm{S\θ}})\sin \left(N_S\mathrm{\θ}\right)---\left(F14\right)$

于是，在给出分量b_θ、分量b_R、值Δ_θb_θ、值Δ_θb_R和项α、β时，获得了每个探测信号中消除了感应噪声的项cos(N_Sθ)和sin(N_Sθ)。

基于以上内容，将解释探测器100的功能和效果。在探测器100中，满足方程F1和F2。

第一和第二法向分量的探测元件35、37的输出信号S₁、S₂与沿法线方向的磁场B的分量b_R成正比。第一和第二旋转分量探测元件36、38的输出信号C₁、C₂与沿转动方向的磁场B的分量b_θ成正比。于是，满足以下方程。

S₁∝b_R                (F15)

C₁∝b_θ               (F16)

于是，满足以下方程。

$b_{\mathrm{\θ}}+\mathrm{\α}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_R\≅C_1+\mathrm{\α}\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}---\left(F17\right)$

$b_R-{\mathrm{\β\Δ}}_{\mathrm{\θ}}{b}_{\mathrm{\θ}}\≅S_1-\mathrm{\β}\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}---\left(F18\right)$

因此，由操作元件50计算方程F17和F18，即方程F3和F4中的每个的右边，从而获得方程F13和F14中消除了感应噪声的项cos(N_Sθ)和sin(N_Sθ)。在获得与项cos(N_Sθ)和sin(N_Sθ)对应的信号之后，计算器70利用反正切函数或跟踪计算来执行计算，从而获得角度θ。在这里，如下跟踪计算。将角度定义为φ，计算通过将获得的项sin(N_Sθ)乘以项cosφ获得的值与通过将获得的项cos(N_Sθ)乘以项sinφ获得的值之间的差，从而计算项sin(N_Sθ-φ)。然后，角度φ变化，直到项sin(N_Sθ-φ)等于或小于预订的精细量，即误差范围。于是，执行这种循环计算，使得角度φ接近角度θ。最后，获得角度θ。

如方程F11和F12中所述，由磁场B_N的分量幅度B_Nθ和磁场B_N的分量幅度B_NR之间的比值γ以及转子12中磁极对的数目N_N表达项α、β。在本实施例中，磁极对的数目N_N为二，由操作元件50探测比值γ。于是，探测或获得方程F11和F12中的每个参数，从而可以计算方程F11和F12。

如上所述，相位差Δθ不取决于电角度。电角度取决于转子10的磁极数目。相位差Δθ可以是能够近似进行微分计算的值。因此，即使当第一磁场探测元件33和第二磁场探测元件34形成于半导体衬底31中时，也限制了传感器芯片30尺度的增大。由于为了减小电角度而未增加转子10的磁极数目，所以限制了旋转磁场的频率增大。

操作元件50和计算器70，连同磁场探测元件32，形成于半导体衬底31中。在这种情况下，与如下情况相比，限制了探测器100的尺度增大：操作元件50和计算器70中的至少一个形成于与形成磁场探测元件32的半导体衬底31不同的另一个半导体衬底中。

在本实施例中，转子10包括一对磁极。在这种情况下，限制了旋转磁场的旋转频率增加，从而改善了操作元件50的处理速度不足以处理输入信号的难题。

在本实施例中，轴11和绕组20容纳在框架(未示出)中，传感器芯片30固定到框架上。在这种情况下，与传感器芯片30固定到与框架不同的构件的情况相比，简化了探测器的结构。

在本实施例中，每个分量探测元件35-38都是具有固定层和可变层的磁致电阻效应元件。固定层的磁化方向固定到特定方向。可变层的磁化方向随着磁场方向而变化。或者，每个分量探测元件35-38可以是用于将磁信号转换成电信号的磁电换能器，分量探测元件35-38不限于磁致电阻效应元件。磁电换能器可以是磁致电阻传感器，其中磁通导致的电阻变化取决于传感器的形状。或者，磁电换能器可以是垂直霍尔元件，其中电流在半导体衬底的厚度方向上流动。磁致电阻传感器是隧道磁致电阻传感器或巨磁致电阻效应元件。

在本实施例中，转子10仅包括一对由S极和N极构成的磁极。或者，转子10可以包括两对或更多对磁极。例如，转子10可以包括三对磁极。

在本实施例中，转子12包括两对由S极和N极构成的磁极。或者，转子12可以包括三对或更多对磁极。例如，转子12可以包括四对磁极。在这种情况下，将四十八个绕组元件20固定到定子21。

在本实施例中，如图3所示，操作元件50和计算器70，连同磁场探测元件32形成于半导体衬底31中。或者，例如，如图5所示，操作元件50和计算器70可以都不形成于半导体衬底31中。或者，仅有操作元件50连同磁场探测元件32可以形成于半导体衬底31中。或者，计算器70连同磁场探测元件32可以形成于半导体衬底31中。在这些情况下，与操作元件50和计算器70，连同磁场探测元件32形成于半导体衬底31中的情况相比，探测器100的尺度增大。图5和6为方框图，示出了操作元件50、计算器70和磁场探测元件32之间的电连接。

在本实施例中，第一法向分量探测元件35和第一旋转分量探测元件36在法线方向上彼此分隔开预定距离。第二法向分量探测元件37和第二旋转分量探测元件38在法线方向上彼此间隔开预定距离。或者，可以将第一法向分量探测元件35和第二法向分量探测元件37布置成与中心O间隔相等的距离。可以将第一旋转分量探测元件36和第二旋转分量探测元件38布置成与中心O间隔另一相等的距离。例如，可以将第一和第二法向分量探测元件35、37和第一和第二旋转分量探测元件36、38布置成与中心O间隔相等的距离。

在本实施例中，第一和第二法向分量探测元件35、37中的每个中固定层的磁化方向指向离开中心O的方向。第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向指向绕中心O的逆时针方向。或者，第一和第二法向分量探测元件35、37中的每个中固定层的磁化方向可以指向接近中心O的方向。第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向可以指向绕中心O的顺时针方向。

或者，第一法向分量探测元件35中固定层的磁化方向可以指向远离中心O的方向，第二法向分量探测元件37中固定层的磁化方向可以指向接近中心O的方向。第一旋转分量探测元件36中固定层的磁化方向可以指向绕中心O的逆时针方向，第二旋转分量探测元件38中固定层的磁化方向可以指向绕中心O的顺时针方向。在这种情况下，第一法向分量探测元件35的输出信号S₁和第二法向分量探测元件37的输出信号S₂之和对应于以上方程中第一法向分量探测元件35的输出信号S₁和第二法向分量探测元件37的输出信号S₂之间的差。于是，S₁+S₂项对应于以上方程中的S₁-S₂项。第一旋转分量探测元件36的输出信号C₁和第二旋转分量探测元件38的输出信号C₂之和对应于以上方程中第一旋转分量探测元件36的输出信号C₁和第二旋转分量探测元件38的输出信号C₂之间的差。于是，C₁+C₂项对应于以上方程中的C₁-C₂项。

以上公开具有以下方面。

根据本公开的一方面，一种旋转角探测器包括：包括至少一对磁极的磁体转子，其中所述磁体转子连同磁体一起安装在旋转轴上；传感器芯片，包括半导体衬底和所述半导体衬底中的磁场探测元件，其中所述磁场探测元件探测磁场；以及操作元件。在磁场中布置旋转轴和传感器芯片，磁场使旋转轴转动。旋转角探测器基于从磁场探测元件输出的电信号探测磁体转子的旋转角。磁场探测元件包括第一磁场探测元件和第二磁场探测元件，它们彼此分隔开与预定相位差对应的距离。第一磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第一法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件。法线方向通过转子的中心并垂直于转动方向。第二磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第二法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件。相位差满足如下条件：将第一法向分量探测元件的输出信号和第二法向分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差所获得的值近似于相对于转动方向对传感器芯片周围的磁场沿法线方向的分量进行微分所获得的值，将第一旋转分量探测元件的输出信号和第二旋转分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差所获得的值近似于相对于转动方向对沿转动方向的磁场分量进行微分所获得的值。相位差定义为Δθ，第一法向分量探测元件的输出信号定义为S₁，第二法向分量探测元件的输出信号定义为S₂，第一旋转分量探测元件的输出信号定义为C₁，第二旋转分量探测元件的输出信号定义为C₂，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第一项定义为α，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第二项定义为β。操作元件计算如下值：

$C_1+\mathrm{\α}\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}$

以及如下值：

$S_1-\mathrm{\β}\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}$

相位差Δθ不取决于电角度。电角度取决于转子的磁极数目。相位差Δθ可以是能够近似进行微分计算的值。因此，即使当第一磁场探测元件和第二磁场探测元件形成于半导体衬底中时，也限制了传感器芯片尺度的增大。由于为了减小电角度未增加转子的磁极数目，所以限制了旋转磁场的频率增大。

或者，可以在半导体衬底中设置操作元件。在这种情况下，减小了探测器的尺度。

或者，旋转角探测器还可以包括：基于从操作元件输出的值计算磁体转子的旋转角的计算器。在操作元件计算cos(N_Sθ)的值和sin(N_Sθ)的值之后，向计算器中输入与这些值对应的信号，从而由计算器计算磁体转子的旋转角。

或者，可以在半导体衬底中设置计算器。在这种情况下，减小了探测器的尺寸。

或者，磁体转子可以仅包括一对磁极。在这种情况下，限制了旋转磁场的旋转频率的增加。于是，改善了操作元件50的处理速度不足以处理输入信号的难题。

或者，第一法向分量探测元件、第二法向分量探测元件、第一旋转分量探测元件和第二旋转分量探测元件中的每个可以是磁致电阻传感器。磁致电阻传感器包括固定层和可变层。固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向。可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向。此外，磁致电阻传感器可以是隧道磁致电阻传感器。此外，第一和第二法向分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向可以指向离开磁体转子中心的方向，第一和第二旋转分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向可以指向绕磁体转子的中心的一个方向。

或者，第一和第二法向分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向可以指向接近磁体转子的中心的方向，第一和第二旋转分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向可以指向绕磁体转子的中心的一个方向。

或者，可以布置第一法向分量探测元件和第一旋转分量探测元件以在法线方向上彼此间隔开预定距离，可以布置第二法向分量探测元件和第二旋转分量探测元件以在法线方向上彼此间隔开预定距离。

或者，可以将第一和第二法向分量探测元件以及第一和第二旋转分量探测元件布置成与磁体转子的中心间隔开相等的距离。

或者，旋转轴可以是车辆的轴。

或者，旋转轴可以容纳在框架中，可以将传感器芯片固定到框架上。

或者，旋转角探测器还可以包括：用于产生磁场的绕组，所述磁场使旋转轴转动。绕组环绕转子。传感器芯片设置于绕组和转子之间。磁体转子仅包括一对磁极。磁体包括两对磁极。

或者，磁体对的数目定义为N_N。绕组产生的磁场沿转动方向的分量幅度定义为B_Nθ，绕组产生的磁场沿法线方向的分量幅度定义为B_NR。第一项α满足方程：

$\mathrm{\α}=\frac{B_{\mathrm{N\θ}}}{B_{\mathrm{NR}}}\·\frac{1}{N_N}$

第二项β满足方程：

$\mathrm{\β}=\frac{B_{\mathrm{NR}}}{B_{\mathrm{N\θ}}}\·\frac{1}{N_N}$

或者，旋转角探测器还可以包括：基于从操作元件输出的值计算磁体转子的旋转角的计算器。操作元件和计算器设置于半导体衬底中。第一法向分量探测元件、第二法向分量探测元件、第一旋转分量探测元件和第二旋转分量探测元件中的每个是隧道磁致电阻传感器。隧道磁致电阻传感器包括固定层和可变层。固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向。可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向。第一和第二法向分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向指向离开磁体转子的中心的方向。第一和第二旋转分量探测元件中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕磁体转子中心的一个方向。

或者，可以将第一和第二法向分量探测元件布置成与磁体转子的中心间隔开相等的距离。可以将第一和第二旋转分量探测元件布置成与磁体转子的中心间隔开另一相等的距离。

或者，第一法向分量探测元件和第一旋转分量探测元件可以设置于磁体转子的法线上，第二法向分量探测元件和第二旋转分量探测元件可以设置于磁体转子的另一法线上。

尽管已经参考其优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所述优选实施例和构造。本发明旨在覆盖各种修改和等效方案。此外，尽管所述各种组合和构造是优选的，但是其他包括更多、更少或者仅包括单个元件的组合和构造也处于本发明的精神和范围内。

Claims (18)

1.一种旋转角探测器，包括：

包括至少一对磁极的磁体转子（10），其中所述磁体转子（10）连同磁体（12）一起安装在旋转轴（11）上；

传感器芯片（30），包括半导体衬底（31）和所述半导体衬底（31）中的磁场探测元件（32），其中所述磁场探测元件（32）探测磁场；以及

操作元件（50），

其中在磁场中布置所述旋转轴（11）和所述传感器芯片（30），所述磁场使所述旋转轴（11）转动，

其中所述旋转角探测器基于从所述磁场探测元件（32）输出的电信号探测所述磁体转子（10）的旋转角，

其中所述磁场探测元件（32）包括第一磁场探测元件（33）和第二磁场探测元件（34），所述第一磁场探测元件（33）和所述第二磁场探测元件（34）彼此分隔开与预定相位差相对应的距离，

其中所述第一磁场探测元件（33）包括用于探测沿法线方向的磁场的第一法向分量探测元件（35）和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件（36），

其中所述法线方向通过所述转子（10）的中心并垂直于所述转动方向，

其中所述第二磁场探测元件（34）包括用于探测沿所述法线方向的磁场的第二法向分量探测元件（37）和用于探测沿所述转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件（38），

其中所述相位差满足如下条件：将所述第一法向分量探测元件（35）的输出信号和所述第二法向分量探测元件（37）的输出信号之间的差除以所述相位差所获得的值近似于相对于所述转动方向对所述传感器芯片（30）周围的磁场沿法线方向的分量进行微分所获得的值，将所述第一旋转分量探测元件（36）的输出信号和所述第二旋转分量探测元件（38）的输出信号之间的差除以所述相位差所获得的值近似于相对于所述转动方向对沿所述转动方向的磁场分量进行微分所获得的值，

其中所述相位差定义为Δθ，所述第一法向分量探测元件（35）的输出信号定义为S₁，所述第二法向分量探测元件（37）的输出信号定义为S₂，所述第一旋转分量探测元件（36）的输出信号定义为C₁，所述第二旋转分量探测元件（38）的输出信号定义为C₂，α和β取决于使所述旋转轴（11）转动的磁场沿所述转动方向的分量幅度与使所述旋转轴（11）转动的磁场沿所述法线方向的分量幅度之间的比值，

其中所述操作元件（50）计算如下值：

$C_1+\mathrm{\α}\frac{S_1-S_2}{\mathrm{\Δ\θ}}$

以及如下值：

$S_1-\mathrm{\β}\frac{C_1-C_2}{\mathrm{\Δ\θ}}.$

2.根据权利要求1所述的旋转角探测器，

其中所述操作元件（50）设置于所述半导体衬底（31）中。

3.根据权利要求1所述的旋转角探测器，还包括：

基于从所述操作元件（50）输出的值计算所述磁体转子（10）的旋转角的计算器（70）。

4.根据权利要求3所述的旋转角探测器，

其中所述计算器（70）设置于所述半导体衬底（31）中。

5.根据权利要求1所述的旋转角探测器，

其中所述磁体转子（10）仅包括一对磁极。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，

其中所述第一法向分量探测元件（35）、所述第二法向分量探测元件（37）、所述第一旋转分量探测元件（36）和所述第二旋转分量探测元件（38）中的每一个是磁致电阻传感器，

其中所述磁致电阻传感器包括固定层和可变层，

其中所述固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向，并且

其中所述可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向。

7.根据权利要求6所述的旋转角探测器，

其中所述磁致电阻传感器是隧道磁致电阻传感器。

8.根据权利要求7所述的旋转角探测器，

其中所述第一和第二法向分量探测元件（35,37）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向离开所述磁体转子（10）的中心的方向，并且

其中所述第一和第二旋转分量探测元件（36，38）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子（10）的中心的一个方向。

9.根据权利要求7所述的旋转角探测器，

其中所述第一和第二法向分量探测元件（35,37）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向接近所述磁体转子（10）的中心的方向，并且

其中所述第一和第二旋转分量探测元件（36，38）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子（10）的中心的一个方向。

10.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，

其中所述第一法向分量探测元件（35）和所述第一旋转分量探测元件（36）被布置成在所述法线方向上彼此间隔开预定的距离，并且

其中所述第二法向分量探测元件（36）和所述第二旋转分量探测元件（38）被布置成在所述法线方向上彼此间隔开预定的距离。

11.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，

其中第一和第二法向分量探测元件（35，37）和所述第一和第二旋转分量探测元件（36，38）被布置成与所述磁体转子（10）的中心间隔开相等的距离。

12.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，其中所述旋转轴（11）是车辆的轴（11）。

13.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，

其中所述旋转轴（11）容纳在框架中，并且

其中所述传感器芯片（30）固定到所述框架上。

14.根据权利要求1所述的旋转角探测器，还包括：

用于产生磁场的绕组（20），所述磁场使所述旋转轴（11）转动，

其中所述绕组（20）围绕所述转子（10），

其中所述传感器芯片（30）设置于所述绕组（20）和所述转子（10）之间，

其中所述磁体转子（10）仅包括一对磁极，并且

其中所述磁体（12）包括两对磁极。

15.根据权利要求1所述的旋转角探测器，其中，所述磁体（12）的磁极对的数目定义为N_N，

其中绕组（20）产生的磁场沿所述转动方向的分量的幅度定义为B_Nθ，所述绕组（20）产生的磁场沿所述法线方向的分量幅度定义为B_NR，

其中第一项所述α满足方程：

$\mathrm{\α}=\frac{B_{\mathrm{N\θ}}}{B_{\mathrm{NR}}}\·\frac{1}{N_N}$

其中第二项所述β满足方程：

$\mathrm{\β}=\frac{B_{\mathrm{NR}}}{B_{\mathrm{N\θ}}}\·\frac{1}{N_N}.$

16.根据权利要求15所述的旋转角探测器，还包括：

基于从所述操作元件（50）输出的值计算所述磁体转子（10）的旋转角的计算器（70），

其中所述操作元件（50）和所述计算器（70）设置于所述半导体衬底（31）中，

其中所述第一法向分量探测元件（35）、所述第二法向分量探测元件（37）、所述第一旋转分量探测元件（36）和所述第二旋转分量探测元件（38）中的每个是隧道磁致电阻传感器，

其中所述隧道磁致电阻传感器包括固定层和可变层，

其中所述固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向，

其中所述可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向，

其中所述第一和第二法向分量探测元件（35,37）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向离开所述磁体转子（10）的中心的方向，并且

其中所述第一和第二旋转分量探测元件（36，38）中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子（10）的中心的一个方向。

17.根据权利要求16所述的旋转角探测器，

其中所述第一和第二法向分量探测元件（35,37）被布置成与所述磁体转子（10）的中心间隔开相等的距离，并且

其中所述第一和第二旋转分量探测元件（36,38）被布置成与所述磁体转子（10）的中心间隔开另一相等的距离。

18.根据权利要求17所述的旋转角探测器，

其中所述第一法向分量探测元件（35）和所述第一旋转分量探测元件（36）设置于所述磁体转子（10）的法线上，并且

其中所述第二法向分量探测元件（37）和所述第二旋转分量探测元件（38）设置于所述磁体转子（10）的另一法线上。

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