CN113544469A - 磁传感器及传感器系统 - Google Patents

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藤浦英明
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Abstract

本公开的目的是减少输出信号中包括的谐波分量。磁传感器(1)包括检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)。由抵消磁阻元件(12)的磁敏方向相对于检测磁阻元件(11)的磁敏方向形成的倾角落在预定范围内。预定范围通过参考n×α/3或n×α/3+α/2来定义，其中α是转子的与检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的一次谐波的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。

Description

磁传感器及传感器系统
技术领域
本公开总体涉及磁传感器和传感器系统，更具体地涉及包括磁阻元件的磁传感器和传感器系统。
背景技术
专利文献1公开了使用两个磁传感器的旋转角度传感器(传感器系统)。专利文献1的旋转角度传感器包括两个磁传感器和信号处理IC部分(处理电路)。在印刷导线板上，两个磁传感器被布置在相应的位置处，以在两者之间形成90度的角度θ。此外，固定到转子的磁体布置在印刷导线板上，以面向两个磁传感器。
在专利文献1的旋转角度传感器中，由两个磁传感器检测由与转子一起旋转的磁体生成的磁场。因此，由一个磁传感器检测作为X分量的正弦波，并且由另一个磁传感器检测作为Y分量的余弦波。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2007-155668 A
发明内容
专利文献1的旋转角度传感器可能由于磁传感器的输出信号中存在谐波分量而引起错误检测。因此，对减少输出信号的谐波分量的需求不断增长。
因此本公开的目标是提供具有减少输出信号中包括的谐波分量的能力的磁传感器和传感器系统。
根据本公开的一个方面的磁传感器用于检测转子的旋转角度。磁传感器包括检测磁阻元件和抵消磁阻元件。由抵消磁阻元件的磁敏方向相对于检测磁阻元件的磁敏方向形成的倾角落在预定范围内。预定范围通过参考n×α/3或n×α/3+α/2来定义，其中α是与检测磁阻元件的输出信号中包括的一次谐波的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。
根据本公开的另一方面的传感器系统，包括：上述磁传感器；以及处理电路。处理电路对磁传感器的输出信号执行信号处理。
附图说明
图1是示出了根据示例性实施例的磁传感器及传感器系统的配置的框图；
图2是示出了形成磁传感器的磁阻元件的示例性布置的平面图；
图3A和图3B示出了作为磁传感器的组成元件的检测磁阻元件的一对输出信号的波形；
图4A和图4B示出了作为磁传感器的组成元件的检测磁阻元件的另一对输出信号的波形；
图5A和图5B示出了作为磁传感器的组成元件的抵消磁阻元件的一对输出信号的波形；
图6A和图6B示出了作为磁传感器的组成元件的抵消磁阻元件的另一对输出信号的波形；
图7A和图7B示出了在对作为磁传感器的组成元件的检测磁阻元件和抵消磁阻元件的一对输出信号执行差分运算之后所获得的信号的波形；
图8A和图8B示出了在对作为磁传感器的组成元件的检测磁阻元件和抵消磁阻元件的另一对输出信号执行差分运算之后所获得的信号的波形；
图9是根据示例性实施例的第一变型的作为传感器系统的组成元件的处理电路的框图；以及
图10是示出了根据示例性实施例的第二变型的形成磁传感器的磁阻元件的示例性布置的平面图。
具体实施方式
[实施例]
(1)概述
将参考图1和图2描述根据示例性实施例的磁传感器1和包括磁传感器1的传感器系统10的概述。
例如，根据这个实施例的磁传感器1和传感器系统10可以用于检测诸如用于车辆的转向轴之类的转子200(参见图2)的旋转角度。具体地，例如随着由经由传动装置耦合到转子200的磁体生成的磁场改变其强度，稍后将描述的第一检测磁阻器131至134和第二检测磁阻器141至144的电阻值也变化。然后，可以通过检测第一检测磁阻器131至134和第二检测磁阻器141至144的电阻值的变化来检测转子200的旋转角度。
根据这个实施例的磁传感器1包括如图1所示的检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12。在这个实施例中，检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12中的每一个可以被实现为例如各向异性磁阻(AMR)元件。
检测磁阻元件11包括第一检测桥接电路13和第二检测桥接电路14。第一检测桥接电路13输出余弦波信号。第二检测桥接电路14输出正弦波信号。抵消磁阻元件12包括第一抵消桥接电路15和第二抵消桥接电路16。第一抵消桥接电路15输出余弦波信号。第二抵消桥接电路16输出正弦波信号。
第一检测桥接电路13包括4个第一检测磁阻图案135至138。第二检测桥接电路14包括4个第二检测磁阻图案145至148。第一抵消桥接电路15包括4个第一抵消磁阻图案155至158。第二抵消桥接电路16包括4个第二抵消磁阻图案165至168。
由抵消磁阻元件12的磁敏方向M2相对于检测磁阻元件11的磁敏方向M1形成的倾角β1落在预定范围内。预定范围通过参考n×α/3或n×α/3+α/2来定义，其中α是与检测磁阻元件11的输出信号V1、V2中包括的一次谐波W11、W21(参见图3A和图4A)的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。在这个实施例中，检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12中的每一个被实现为AMR。因此，与转子200的一次谐波W11、W21的一个周期相对应的旋转角度α是180度。此外，在这个实施例中，预定范围的参考可以是例如60度。如本文所使用的，“磁敏方向”是指对磁通量的反应(灵敏度)变为最大的方向。例如，如果每个磁阻图案具有如图2所示的蜿蜒的形状，那么蜿蜒的形状延伸的方向就是磁敏方向。
根据这个实施例的传感器系统10包括上述磁传感器1和如图1所示的处理电路2。处理电路2对磁传感器1的输出信号V1、V2、V3、V4执行信号处理。
在根据这个实施例的磁传感器1和传感器系统10中，由抵消磁阻元件12的磁敏方向M2相对于检测磁阻元件11的磁敏方向M1形成的倾角β1落在预定范围内。因此，在检测磁阻元件11的输出信号V1、V2和抵消磁阻元件12的输出信号V3、V4之间执行差分运算可以减少输出信号V1、V2中包括的谐波分量。在这种情况下，输出信号V1、V2包括作为谐波分量的三次谐波、四次谐波、五次谐波等。此外，由三次谐波引起的影响最显著，因此要在下面描述的磁传感器1和传感器系统10去除输出信号V1、V2中包括的三次谐波分量。
(2)配置
接着，将参考图1和图2描述根据这个实施例的传感器系统10的配置。根据这个实施例的传感器系统10包括如图1所示的磁传感器1和处理电路2。
(2.1)磁传感器
磁传感器1包括如图1所示的检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12。检测磁阻元件11是用于检测转子200的旋转角度的元件。抵消磁阻元件12是用于去除检测磁阻元件11的输出信号(第一输出信号)V1、V2中包括的谐波分量的元件。在这个实施例中，谐波分量可以例如是输出信号V1、V2中包括的三次谐波分量。
检测磁阻元件11包括第一检测桥接电路13和第二检测桥接电路14。
例如，第一检测桥接电路13可以被实现为由多个(例如，图1所示的示例中的4个)第一检测磁阻器131至134组成的全桥接电路。具体地，第一串联电路通过将第一检测磁阻器131、133的各自的第一端连接在一起而形成，并且第二串联电路通过将第一检测磁阻器132、134的各自的第一端连接在一起而形成。然后，第一串联电路和第二串联电路在参考电位Vc和地GND之间并联地电连接。换言之，第一检测磁阻器131、132的各自的第二端电连接到参考电位Vc，并且第一检测磁阻器133、134的各自的第二端电连接到地GND。在这种情况下，例如，第一检测磁阻器131至134中的每一个具有随着由经由传动装置耦合到转子200的磁体生成的磁场的变化而变化的电阻值。此外，在这个第一检测桥接电路13中，相位彼此相差180度的两个余弦波信号分别从第一检测磁阻器131、133之间的连接节点和第一检测磁阻器132、134之间的连接节点输出。具体地，在这个第一检测桥接电路13中，+cos信号(余弦波信号)从第一检测磁阻器131、133之间的连接节点输出，并且–cos信号(余弦波信号)从第一检测磁阻器132、134之间的连接节点输出。
例如，第二检测桥接电路14可以被实现为由多个(例如，图1所示的示例中的4个)第二检测磁阻器141至144组成的全桥接电路。具体地，第一串联电路通过将第二检测磁阻器141、143的各自的第一端连接在一起而形成，并且第二串联电路通过将第二检测磁阻器142、144的各自的第一端连接在一起而形成。然后，第一串联电路和第二串联电路在参考电位Vc和地GND之间并联地电连接。换言之，第二检测磁阻器141、142的各自的第二端电连接到参考电位Vc，并且第二检测磁阻器143、144的各自的第二端电连接到地GND。第二检测桥接电路14被布置为限定相对于第一检测桥接电路13的45度的旋转角度。因此，在这个第二检测桥接电路14中，相位彼此相差180度的两个正弦波信号分别从第二检测磁阻器141、143之间的连接节点和第二检测磁阻器142、144之间的连接节点输出。具体地，在这个第二检测桥接电路14中，+sin信号(正弦波信号)从第二检测磁阻器141、143之间的连接节点输出，并且–sin信号(正弦波信号)从第二检测磁阻器142、144之间的连接节点输出。换言之，检测磁阻元件11包括用于输出余弦波信号的第一检测桥接电路13和用于输出正弦波信号的第二检测桥接电路14。
同时，抵消磁阻元件12包括第一抵消桥接电路15和第二抵消桥接电路16。
例如，第一抵消桥接电路15可以被实现为由多个(例如，图1所示的示例中的4个)第一抵消磁阻器151至154组成的全桥接电路。具体地，第一串联电路通过将第一抵消磁阻器151、153的各自的第一端连接在一起而形成，并且第二串联电路通过将第一抵消磁阻器152、154的各自的第一端连接在一起而形成。然后，第一串联电路和第二串联电路在参考电位Vc和地GND之间并联地电连接。换言之，第一抵消磁阻器151、152的各自的第二端电连接到参考电位Vc，并且第一抵消磁阻器153、154的各自的第二端电连接到地GND。第一抵消桥接电路15被布置为限定相对于第一检测桥接电路13的60度的旋转角度。因此，在这个第一抵消桥接电路15中，相位彼此相差180度的两个余弦波信号分别从第一抵消磁阻器151、153之间的连接节点和第一抵消磁阻器152、154之间的连接节点输出。具体地，在这个第一抵消桥接电路15中，+cos信号从第一抵消磁阻器151、153之间的连接节点输出，并且–cos信号从第一抵消磁阻器152、154之间的连接节点输出。
例如，第二抵消桥接电路16可以被实现为由多个(例如，图1所示的示例中的4个)第二抵消磁阻器161至164组成的全桥接电路。具体地，第一串联电路通过将第二抵消磁阻器161、163的各自的第一端连接在一起而形成，并且第二串联电路通过将第二抵消磁阻器162、164的各自的第一端连接在一起而形成。然后，第一串联电路和第二串联电路在参考电位Vc和地GND之间并联地电连接。换言之，第二抵消磁阻器161、162的各自的第二端电连接到参考电位Vc，并且第二抵消磁阻器163、164的各自的第二端电连接到地GND。第二抵消桥接电路16被布置为限定相对于第二检测桥接电路14的60度的旋转角度。此外，第二抵消桥接电路16被布置为限定相对于第一抵消桥接电路15的45度的旋转角度。因此，在这个第二抵消桥接电路16中，相位彼此相差180度的两个正弦波信号分别从第二抵消磁阻器161、163之间的连接节点和第二抵消磁阻器162、164之间的连接节点输出。具体地，在这个第二抵消桥接电路16中，+sin信号从第二抵消磁阻器161、163之间的连接节点输出，并且–sin信号从第二抵消磁阻器162、164之间的连接节点输出。换言之，抵消磁阻元件12包括用于输出余弦波信号的第一抵消桥接电路15和用于输出正弦波信号的第二抵消桥接电路16。
图2是示出了根据这个实施例的形成磁传感器1的一部分的检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12的示例性布置的平面图。形成检测磁阻元件11的一部分的第一检测磁阻器131至134分别具有安装在板100的一个表面上的第一检测磁阻图案135至138。形成检测磁阻元件11的一部分的第二检测磁阻器141至144分别具有安装在板100的一个表面上的第二检测磁阻图案145至148。同时，形成抵消磁阻元件12的一部分的第一抵消磁阻器151至154分别具有安装在板100的一个表面上的第一检测磁阻图案155至158。形成抵消磁阻元件12的一部分的第二抵消磁阻器161至164分别具有安装在板100的一个表面上的第二抵消磁阻图案165至168。
第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148中的每一个可以被配置为例如包含铁镍合金的金属图案。第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148中的每一个可以具有例如蜿蜒的形状。如本文所使用的，“蜿蜒的形状”是指以下形状：其包括沿一个方向布置的多个直线部分，并且其中每对相邻的直线部分的各个第一端或各个第二端交替地连接。第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148中的每一个的磁敏方向与以下方向平行：在所述方向上并排布置形成磁阻图案的多个直线部分。
第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168中的每一个可以被配置为例如包含铁镍合金的金属图案。第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168中的每一个可以具有例如蜿蜒的形状。第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168中的每一个的磁敏方向与以下方向平行：在所述方向上并排布置形成磁阻图案的多个直线部分。
第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148沿圆的圆周C1布置在板100的一个表面上，该圆的中心由如图2所示的作为转子200的旋转中心的点P1限定。另一方面，第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168沿圆的圆周C1布置在板100的一个表面上，该圆的中心由如图2所示的点P1限定。换言之，第一检测桥接电路13、第二检测桥接电路14、第一抵消桥接电路15和第二抵消桥接电路16沿同一圆的圆周C1布置。
形成第一检测桥接电路13的4个第一检测磁阻图案135至138沿圆周C1布置。具体地，第一检测磁阻图案136、137中的每一个被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案135的磁敏方向形成90度的倾角。同时，第一检测磁阻图案138被布置为使其磁敏方向与第一检测磁阻图案135的磁敏方向对准。
形成第二检测桥接电路14的4个第二检测磁阻图案145至148沿圆周C1布置。具体地，第二检测磁阻图案145被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案135的磁敏方向形成45度的倾角。第二检测磁阻图案146被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案136的磁敏方向形成45度的倾角。第二检测磁阻图案147被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案137的磁敏方向形成45度的倾角。第二检测磁阻图案148被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案138的磁敏方向形成45度的倾角。因此，第二检测磁阻图案146、147中的每一个的磁敏方向限定相对于第二检测磁阻图案145的磁敏方向的90度的倾角。同时，第二检测磁阻图案148的磁敏方向与第二检测磁阻图案145的磁敏方向对准。
形成第一抵消桥接电路15的4个第一抵消磁阻图案155至158沿圆周C1布置。具体地，第一抵消磁阻图案155被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案135的磁敏方向形成60度的倾角。第一抵消磁阻图案156被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案136的磁敏方向形成60度的倾角。第一抵消磁阻图案157被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案137的磁敏方向形成60度的倾角。第一抵消磁阻图案158被布置为使其磁敏方向相对于第一检测磁阻图案138的磁敏方向形成60度的倾角。因此，第一抵消磁阻图案156、157中的每一个的磁敏方向限定相对于第一抵消磁阻图案155的磁敏方向的90度的倾角。同时，第一抵消磁阻图案158的磁敏方向与第一抵消磁阻图案155的磁敏方向对准。
形成第二抵消桥接电路16的4个第二抵消磁阻图案165至168沿圆周C1布置。具体地，第二抵消磁阻图案165被布置为使其磁敏方向相对于第二检测磁阻图案145的磁敏方向形成60度的倾角。第二抵消磁阻图案166被布置为使其磁敏方向相对于第二检测磁阻图案146的磁敏方向形成60度的倾角。第二抵消磁阻图案167被布置为使其磁敏方向相对于第二检测磁阻图案147的磁敏方向形成60度的倾角。第二抵消磁阻图案168被布置为使其磁敏方向相对于第二检测磁阻图案148的磁敏方向形成60度的倾角。因此，第二抵消磁阻图案166、167中的每一个的磁敏方向限定相对于第二抵消磁阻图案165的磁敏方向的90度的倾角。同时，第二抵消磁阻图案168的磁敏方向与第二抵消磁阻图案165的磁敏方向对准。
在这个实施例中，由4个第一检测磁阻图案135至138组成的第一检测桥接电路13的磁敏方向例如假定是第一检测磁阻图案135的磁敏方向M1。此外，由4个第二检测磁阻图案145至148组成的第二检测桥接电路14的磁敏方向例如假定是第二检测磁阻图案145的磁敏方向。此外，由第一检测桥接电路13和第二检测桥接电路14组成的检测磁阻元件11的磁敏方向例如假定是第一检测磁阻图案135的磁敏方向M1。
另一方面，由4个第一抵消磁阻图案155至158组成的第一抵消桥接电路15的磁敏方向例如假定是第一抵消磁阻图案155的磁敏方向M2。此外，由4个第二抵消磁阻图案165至168组成的第二抵消桥接电路16的磁敏方向例如假定是第二抵消磁阻图案165的磁敏方向。此外，由第一抵消桥接电路15和第二抵消桥接电路16组成的抵消磁阻元件12的磁敏方向例如假定是第一抵消磁阻图案155的磁敏方向M2。因此，由抵消磁阻元件12的磁敏方向M2相对于检测磁阻元件11的磁敏方向M1形成的倾角β1是由第一抵消磁阻图案155的磁敏方向M2相对于第一检测磁阻图案135的磁敏方向M1形成的倾角β1，并且可以是例如60度。要注意，倾角β1不一定是60度，而是可以落在包括作为参考角度的60度的预定范围内。具体地，预定范围合适地是60度±10度的范围，并且更合适地是60度±5度的范围。
(2.2)处理电路
处理电路2对磁传感器1的输出信号执行信号处理。如图1所示，处理电路2包括多个(例如，图1所示的示例中的6个)差分放大器21至26、多个(例如，图1所示的示例中的2个)A/D转换器27、28和算术单元29。
差分放大器21包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且电连接到第一检测桥接电路13的第一检测磁阻器131、133之间的连接节点。第二输入端是反相输入端，并且电连接到第一检测桥接电路13的第一检测磁阻器132、134之间的连接节点。差分放大器21对提供到其第一输入端的+cos信号和提供到其第二输入端的–cos信号进行差分放大，由此生成幅度翻倍的cos信号。差分放大器21通过其输出端输出如此生成的cos信号(在下文中被称为“输出信号V1”)。
差分放大器22包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且电连接到第二检测桥接电路14的第二检测磁阻器141、143之间的连接节点。第二输入端是反相输入端，并且电连接到第二检测桥接电路14的第二检测磁阻器142、144之间的连接节点。差分放大器22对提供到其第一输入端的+sin信号和提供到其第二输入端的–sin信号进行差分放大，由此生成幅度翻倍的sin信号。差分放大器22通过其输出端输出如此生成的sin信号(在下文中被称为“输出信号V2”)。
差分放大器23包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且电连接到第一抵消桥接电路15的第一抵消磁阻器151、153之间的连接节点。第二输入端是反相输入端，并且电连接到第一抵消桥接电路15的第一抵消磁阻器152、154之间的连接节点。差分放大器23对提供到其第一输入端的+cos信号和提供到其第二输入端的–cos信号进行差分放大，由此生成幅度翻倍的cos信号。差分放大器23通过其输出端输出如此生成的cos信号(在下文中被称为“输出信号V3”)。
差分放大器24包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且电连接到第二抵消桥接电路16的第二抵消磁阻器161、163之间的连接节点。第二输入端是反相输入端，并且电连接到第二抵消桥接电路16的第二抵消磁阻器162、164之间的连接节点。差分放大器24对提供到其第一输入端的+sin信号和提供到其第二输入端的–sin信号进行差分放大，由此生成幅度翻倍的sin信号。差分放大器24通过其输出端输出如此生成的sin信号(在下文中被称为“输出信号V4”)。
差分放大器25包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且从差分放大器21接收输出信号V1。第二输入端是反相输入端，并且从差分放大器23接收输出信号V3。差分放大器25对提供到其第一输入端的输出信号V1和提供到其第二输入端的输出信号V3进行差分放大，由此生成输出信号V5并且通过其输出端传送输出信号V5。
差分放大器26包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端是同相输入端，并且从差分放大器22接收输出信号V2。第二输入端是反相输入端，并且从差分放大器24接收输出信号V4。差分放大器26对提供到其第一输入端的输出信号V2和提供到其第二输入端的输出信号V4进行差分放大，由此生成输出信号V6并且通过其输出端传送输出信号V6。
A/D转换器27以预定采样速率将从差分放大器25提供的模拟信号(cos信号)转换成数字信号并且输出由此获得的数字信号。
A/D转换器28以预定采样速率将从差分放大器26提供的模拟信号(sin信号)转换成数字信号并且输出由此获得的数字信号。
算术单元29对分别从A/D转换器27、28提供的两个数字信号(即cos信号和sin信号)执行预定算术处理。具体地，算术单元29对这两个数字信号执行反正切运算以获得角度。在这种情况下，如果转子200的旋转角度是θ，那么通过反正切运算计算的角度是2θ+30。因此，算术单元29可以通过从所计算的角度减去30然后将结果乘以1/2来获得旋转角度θ。
处理电路2被实现为例如包括处理器和存储器的微计算机。也就是说，处理电路2被实现为包括处理器和存储器的计算机系统。计算机系统通过使处理器执行适当的程序来执行处理电路2的功能。程序可以被预先存储在存储器中。备选地，程序也可以经由诸如互联网之类的电信线路下载或在存储在诸如存储卡之类的非暂时性存储介质中以后分发。
要注意，在以下描述中，差分放大器21、22的输出信号V1、V2在下文中有时将被称为“检测磁阻元件11的输出信号V1、V2”。同样，差分放大器23、24的输出信号V3、V4在下文中将被称为“抵消磁阻元件12的输出信号V3、V4”。
(3)差分运算
接着，将参考图3A至图8B描述处理电路2如何执行差分运算。图3A示出了差分放大器21的输出信号V1的一次谐波W11的波形。图3B示出了三次谐波W12的波形。图4A示出了差分放大器22的输出信号V2的一次谐波W21的波形。图4B示出了三次谐波W22的波形。图5A示出了差分放大器23的输出信号V3的一次谐波W31的波形。图5B示出了三次谐波W32的波形。图6A示出了差分放大器24的输出信号V4的一次谐波W41的波形。图6B示出了三次谐波W42的波形。图7A示出了在对输出信号V1和V3进行差分放大之后的一次谐波W51的波形。图7B示出了三次谐波W52的波形。图8A示出了在对输出信号V2和V4进行差分放大之后的一次谐波W61的波形。图8B示出了三次谐波W62的波形。
差分放大器21的输出信号V1由以下公式(1)给出，其中θ是转子200的旋转角度并且a是系数：
V1＝cos(2θ)+a×{-sin(6θ)} (1)
这个公式(1)可以被重写成以下公式(2)：
V1＝cos(2θ)+a×cos{3×2×(45-θ)} (2)
在公式(2)中，第一项与一次谐波W11(参见图3A)相对应，并且第二项与三次谐波W12(参见图3B)相对应。
此外，差分放大器22的输出信号V2由以下公式(3)给出：
V2＝sin(2θ)+a×cos(6θ) (3)
这个公式(3)可以被重写成以下公式(4)：
V2＝cos{2×(θ-45)}+a×cos{3×2×(45-θ-45)} (4)
在公式(4)中，第一项与一次谐波W21(参见图4A)相对应，并且第二项与三次谐波W22(参见图4B)相对应。
此外，差分放大器23的输出信号V3由以下公式(5)给出：
V3＝cos{2×(θ-60)}+a×cos{3×2×(45-θ-60)} (5)
在公式(5)中，第一项与一次谐波W31(参见图5A)相对应，并且第二项与三次谐波W32(参见图5B)相对应。
此外，差分放大器23的输出信号V4由以下公式(6)给出：
V4＝cos{2×(θ-105)}+a×cos{3×2×(45-θ-105)} (6)
在公式(6)中，第一项与一次谐波W41(参见图6A)相对应，并且第二项与三次谐波W42(参见图6B)相对应。
处理电路2通过使差分放大器25对输出信号V1和V3进行差分放大而获得输出信号V5。此外，处理电路2还通过使差分放大器26对输出信号V2和V4进行差分放大而获得输出信号V6。输出信号V5由以下公式(7)给出并且输出信号V6由以下公式(8)给出：
Figure BDA0003247945490000131
Figure BDA0003247945490000132
在这种情况下，通过输出信号V1、V2、V3和V4的幅度的放大，输出信号V5和V6的幅度已经翻倍。
如图7A和图7B所示，对于差分放大器25的输出信号V5，仅剩下一次谐波W51，三次谐波W52已经变为零。同样，如图8A和图8B所示，对于差分放大器26的输出信号V5，仅剩下一次谐波W61，三次谐波W62已经变为零。如可以看到的，根据这个实施例的磁传感器1和传感器系统10可以去除(或者至少可以说减少)输出信号V1、V2中包括的三次谐波。
(4)变型
请注意，上述实施例仅是本公开的各种实施例中的一个示例性实施例，并且不应该被解释为限制。相反，所述实施例可以容易地根据设计选择或任何其他因素而以各种方式修改，而没有背离本公开的范围。接着，将逐个地列举实施例的变型。
在根据本公开的传感器系统10中，其处理电路2例如包括计算机系统。计算机系统可以包括处理器和存储器作为主要的硬件组件。根据本公开的传感器系统10的功能可以通过使处理器执行存储在计算机系统的存储器中的程序来执行。程序可以被预先存储在计算机系统的存储器中。备选地，程序也可以通过电信线路下载或者在被记录在计算机系统可读的某一非暂时性储存介质(例如，存储卡、光盘或硬盘驱动器)中以后分发。计算机系统的处理器可以被实现为包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)的单个或多个电子电路。这些电子电路可以在适当时一起集成在单个芯片上或分布在多个芯片上。该多个芯片可以不受限制地一起集成在单个设备中或分布在多个设备中。
此外，在上述实施例中，传感器系统10的多个组成元件被容纳在单个壳体中。然而，这对于传感器系统10不是必要配置。备选地，传感器系统10的这些组成元件可以分布在多个不同的壳体中。同样备选地，传感器系统10的一些功能(例如，处理电路2的功能)也可以被实现为服务器系统或云计算系统。
(4.1)第一变型
在上述实施例中，处理电路2对检测磁阻元件11的第一输出信号V1、V2和抵消磁阻元件12的第二输出信号V3、V4执行差分运算，然后放大该差分运算的结果。备选地，如图9所示，处理电路2A可以放大第一输出信号V1、V2和第二输出信号V3、V4，然后对已经被放大的第一输出信号V1、V2和第二输出信号V3、V4执行差分运算。将参考图9描述根据第一变型的传感器系统10。根据第一变型的传感器系统10具有与根据上述实施例的传感器系统10的配置相同的配置，除了处理电路2A之外。因此，这个第一变型的具有与所述实施例的任意组成元件相同的功能的对应组成元件将通过与该任意组成元件的附图标记相同的附图标记指定，并且在本文中省略了其描述。
根据第一变型的传感器系统10包括磁传感器1和处理电路2A。处理电路2A包括：多个(例如，图9中所示的示例中的4个)差分放大器21至24；多个(例如，图9中所示的示例中的4个)A/D转换器27A、27B、28A、28B；以及算术单元29A。
差分放大器21对从第一检测桥接电路13提供的+cos信号和–cos信号进行差分放大以提供输出信号V1。差分放大器22对从第二检测桥接电路14提供的+sin信号和–sin信号进行差分放大以提供输出信号V2。差分放大器23对从第一抵消桥接电路15提供的+cos信号和–cos信号进行差分放大以提供输出信号V3。差分放大器24对从第二抵消桥接电路16提供的+sin信号和–sin信号进行差分放大以提供输出信号V4。
A/D转换器27A将差分放大器21的输出信号V1转换成数字信号。A/D转换器27B将差分放大器22的输出信号V2转换成数字信号。A/D转换器28A将差分放大器23的输出信号V3转换成数字信号。A/D转换器28B将差分放大器24的输出信号V4转换成数字信号。
算术单元29A对从A/D转换器27A、27B、28A、28B提供的4个数字信号执行预定类型的算术处理。具体地，算术单元29A对从A/D转换器27A、27B提供的2个数字信号执行反正切运算以获得第一角度。此外，算术单元29A对从A/D转换器28A、28B提供的2个数字信号执行反正切运算以获得第二角度。在这种情况下，通过反正切运算获得的第一角度和第二角度中的每一个不包括三次谐波分量，并且被转换成四次谐波分量。此外，在这个第一变型中，通过反正切运算，具有60度周期的三次谐波变成具有45度周期的四次谐波。因此，对于第一角度，算术单元29A通过将第一角度乘以1/2获得第三角度。对于第二角度，算术单元29A从第二角度减去22.5，然后将余数乘以1/2以获得第四角度。然后，算术单元29A可以通过计算第三角度和第四角度的平均值来获得旋转角度θ。此时，通过计算第三角度和第四角度之和可以去除(或者至少可以说减少)谐波分量。也就是说，在根据第一变型的传感器系统10中，处理电路2A放大检测磁阻元件11的第一输出信号V1、V2和抵消磁阻元件12的第二输出信号V3、V4，然后对已经被放大的第一输出信号V1、V2和第二输出信号V3、V4执行差分运算。这允许减少检测磁阻元件11的第一输出信号V1、V2中包括的谐波分量(三次谐波分量等)。
(4.2)第二变型
在上述实施例中，第一检测桥接电路13、第二检测桥接电路14、第一抵消桥接电路15和第二抵消桥接电路16沿同一圆的圆周C1布置，如图2所示。备选地，第一检测桥接电路13A的中心P11、第二检测桥接电路14A的中心P12、第一抵消桥接电路15A的中心P13和第二抵消桥接电路16A的中心P14可以彼此偏移，如图10所示。将参考图10描述根据第二变型的传感器系统10。根据第二变型的传感器系统10具有与根据实施例的传感器系统10的配置相同的配置，除了第一检测桥接电路13A、第二检测桥接电路14A、第一抵消桥接电路15A和第二抵消桥接电路16A的布置之外。因此，这个第二变型的具有与根据所述实施例的传感器系统10的任意组成元件相同的功能的对应组成元件将通过与该任意组成元件的附图标记相同的附图标记指定，并且在本文中省略了其描述。
根据第二变型的传感器系统10包括磁传感器1和处理电路2。磁传感器1包括检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12。检测磁阻元件11包括第一检测桥接电路13A和第二检测桥接电路14A。抵消磁阻元件12包括第一抵消桥接电路15A和第二抵消桥接电路16A。
第一检测桥接电路13A具有4个第一检测磁阻图案135A至138A，如图10所示。第二检测桥接电路14A具有4个第二检测磁阻图案145A至148A，如图10所示。4个第一检测磁阻图案135A至138A安装在板100A的一个表面上，并且在平面图中具有方形形状。4个第二检测磁阻图案145A至148A安装在板100A的一个表面上，并且在平面图中具有方形形状。
第一抵消桥接电路15A具有4个第一抵消磁阻图案155A至158A，如图10所示。第二抵消桥接电路16A具有4个第二抵消磁阻图案165A至168A，如图10所示。4个第一抵消磁阻图案155A至158A安装在板100A的一个表面上，并且在平面图中具有方形形状。4个第二抵消磁阻图案165A至168A安装在板100A的一个表面上，并且在平面图中具有方形形状。
第一检测桥接电路13A、第二检测桥接电路14A、第一抵消桥接电路15A和第二抵消桥接电路16A被布置为使其各自的中心P11、P12、P13、P14彼此偏移。如本文所使用的，“桥接电路的中心”是指当形成桥接电路的磁阻图案安装在板上时该磁阻图案在平面图中的中心。例如，在第一检测桥接电路13A中，图10所示的中心P11是“桥接电路的中心”。
在根据第二变型的传感器系统10中，第一检测桥接电路13A的中心P11、第二检测桥接电路14A的中心P12、第一抵消桥接电路15A的中心P13和第二抵消桥接电路16A的中心P14彼此偏移。这允许将桥接电路13A至16A布置在单个板100A上，以使这些桥接电路13A至16A中的每一个的磁阻图案135A至168A共同布置在其指定区域中。
(4.3)其他变型
接着，将逐个地列举上述实施例的其他变型。
在上述实施例中，检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12都被实现为各向异性磁阻(AMR)元件。然而，这仅是示例并且不应该被解释为限制。备选地，检测磁阻元件11或抵消磁阻元件12中的一个可以被实现为各向异性磁阻元件，并且另一个可以被实现为隧穿磁阻(TMR)元件或巨磁阻(GMR)元件。同样备选地，检测磁阻元件11和抵消磁阻元件12两者可以被实现为隧穿磁阻元件或巨磁阻元件。请注意，如果检测磁阻元件11被实现为TMR元件或GMR元件，那么公式(1)、(2)、(3)、(7)和(8)中的2θ需要被替换为θ，公式(1)和(3)中的6θ需要被替换为3θ，并且公式(2)和(4)中的“2”需要被删除。另一方面，如果抵消磁阻元件12被实现为TMR元件或GMR元件，那么公式(5)和(6)中的“2”需要被删除。此外，需要算术单元29来执行乘以1/2的算术处理。
在上述实施例中，第一检测磁阻图案135至138、第二检测磁阻图案145至148、第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168都进行全桥连接。备选地，例如，第一检测磁阻图案和第二检测磁阻图案可以进行全桥连接，并且第一抵消磁阻图案和第二抵消磁阻图案可以进行半桥连接，或者反之亦然。如果第一检测磁阻图案和第二检测磁阻图案进行半桥连接，那么差分放大器21和22可以省略。另一方面，如果第一抵消磁阻图案和第二抵消磁阻图案进行半桥连接，那么差分放大器23、24可以省略。
在上述实施例中，第一检测磁阻图案135至138、第二检测磁阻图案145至148、第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168安装在单个板100上。备选地，第一检测磁阻图案135至138、第二检测磁阻图案145至148、第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168可以安装在多个不同的板上。例如，第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148可以安装在第一板上，而第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168可以安装在第二板上。在这种情况下，第一板和第二板可以是一个置于另一个上方或者横向并排布置。同样备选地，第一检测磁阻图案135至138和第二检测磁阻图案145至148可以安装在板的一个表面上，而第一抵消磁阻图案155至158和第二抵消磁阻图案165至168可以安装在板的另一表面上。
在上述实施例中，由抵消磁阻元件12的磁敏方向相对于检测磁阻元件11的磁敏方向形成的倾角β1是60度。然而，倾角β1不一定是60度，而是也可以是60度的倍数。换言之，倾角β1需要满足n×α/3，其中α是转子200的与检测磁阻元件11的输出信号V1、V2中包括的一次谐波的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。例如，如果检测磁阻元件11被实现为AMR元件，那么α是180度。在这种情况下，倾角β1可以是60度的倍数。
备选地，由抵消磁阻元件12的磁敏方向相对于检测磁阻元件11的磁敏方向形成的倾角β1也可以是30度。在这种情况下，输出信号V1、V2中包括的谐波分量和输出信号V3、V4中包括的谐波分量具有相反的相位。因此，处理电路2需要将输出信号V1和V3加在一起并且将输出信号V2和V4加在一起。此外，倾角β1不一定是30度，而是仅需满足n×α/3+α/2，其中n是等于或大于1的自然数。
(概括)
如可以从以上描述看到的，根据第一方面的磁传感器(1)用于检测转子(200)的旋转角度。磁传感器(1)包括检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)。由抵消磁阻元件(12)的磁敏方向(M2)相对于检测磁阻元件(11)的磁敏方向(M1)形成的倾角(β1)落在预定范围内。预定范围通过参考n×α/3或n×α/3+α/2来定义，其中α是与检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的一次谐波(W11，W21)的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。
这个方面可以减少检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
在根据可以结合第一方面实现的第二方面的磁传感器(1)中，检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)中的每一个是各向异性磁阻元件。
这个方面可以减少检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
在根据可以结合第一方面或第二方面实现的第三方面的磁传感器(1)中，检测磁阻元件(11)具有4个检测磁阻图案(135至138，145至148)。4个检测磁阻图案(135至138，145至148)进行全桥连接。
这个方面可以提高检测磁阻元件(11)的检测精度。
在根据可以结合第一方面至第三方面中的任一方面实现的第四方面的磁传感器(1)中，抵消磁阻元件(12)具有4个抵消磁阻图案(155至158，165至168)。4个抵消磁阻图案(155至158，165至168)进行全桥连接。
这个方面可以提高检测磁阻元件(11)的检测精度。
在根据可以结合第一方面至第四方面中的任一方面实现的第五方面的磁传感器(1)中，磁阻元件(11)包括：第一检测桥接电路(13A)，用于输出余弦波信号；以及第二检测桥接电路(14A)，用于输出正弦波信号。第一检测桥接电路(13A)和第二检测桥接电路(14A)被布置为使其各自的中心(P11，P12)彼此偏移。
这个方面允许第一检测桥接电路(13A)和第二检测桥接电路(14A)布置在同一平面上，以使第一检测桥接电路(13A)和第二检测桥接电路(14A)中的每一个具有共同布置在指定区域中的磁阻图案。
在根据可以结合第五方面实现的第六方面的磁传感器(1)中，抵消磁阻元件(12)包括：第一抵消桥接电路(15A)，用于输出余弦波信号；以及第二抵消桥接电路(16A)，用于输出正弦波信号。第一检测桥接电路(13A)、第二检测桥接电路(14A)、第一抵消桥接电路(15A)和第二抵消桥接电路(16A)被布置为使其各自的中心(P11，P12，P13，P14)彼此偏移。
这个方面允许第一检测桥接电路(13A)、第二检测桥接电路(14A)、第一抵消桥接电路(15A)和第二抵消桥接电路(16A)布置在同一平面上，以使第一检测桥接电路(13A)、第二检测桥接电路(14A)、第一抵消桥接电路(15A)和第二抵消桥接电路(16A)中的每一个具有共同布置在指定区域中的磁阻图案。
在根据可以结合第一方面至第四方面中的任一方面实现的第七方面的磁传感器(1)中，磁阻元件(11)包括：第一检测桥接电路(13)，用于输出余弦波信号；以及第二检测桥接电路(14)，用于输出正弦波信号。抵消磁阻元件(12)包括：第一抵消桥接电路(15)，用于输出余弦波信号；以及第二抵消桥接电路(16)，用于输出正弦波信号。第一检测桥接电路(13)、第二检测桥接电路(14)、第一抵消桥接电路(15)和第二抵消桥接电路(16)沿圆的圆周(C1)布置。
这个方面可以更有效地减少检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
在根据可以结合第一方面至第七方面中的任一方面实现的第八方面的磁传感器(1)中，检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)安装在相同的板(100，100A)上。
与检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)安装在两个不同的板上的情况相比，这个方面允许更精确地布置检测磁阻元件(11)和抵消磁阻元件(12)。
根据第九方面的传感器系统(10)，包括：根据第一方面至第八方面中的任一方面的磁传感器(1)；以及处理电路(2，2A)。处理电路(2，2A)对磁传感器(1)的输出信号(V1，V2，V3，V4)执行信号处理。
这个方面可以减少检测磁阻元件(11)的输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
在根据可以结合第九方面实现的第十方面的传感器系统(10)中，处理电路(2)对检测磁阻元件(11)的第一输出信号(V1，V2)和抵消磁阻元件(12)的第二输出信号(V3，V4)执行差分运算，然后放大差分运算的结果。
这个方面可以减少检测磁阻元件(11)的第一输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
在根据可以结合第九方面实现的第十一方面的传感器系统(10)中，处理电路(2A)放大检测磁阻元件(11)的第一输出信号(V1，V2)和抵消磁阻元件(12)的第二输出信号(V3，V4)，然后对已经被放大的第一输出信号(V1，V2)和第二输出信号(V3，V4)执行差分运算。
这个方面可以减少检测磁阻元件(11)的第一输出信号(V1，V2)中包括的谐波分量。
请注意，根据第二方面至第八方面的组成元件不是用于磁传感器(1)的必要组成元件，而是在适当时可以省略。
请注意，根据第十方面或第十一方面的组成元件不是用于传感器系统(10)的必要组成元件，而是在适当时可以省略。
附图标记列表
1磁传感器
11检测磁阻元件
12抵消磁阻元件
13，13A第一检测桥接电路
135至138检测磁阻图案
14，14A第二检测桥接电路
145至148检测磁阻图案
15，15A第一抵消桥接电路
155至158抵消磁阻图案
16，16A第二抵消桥接电路
155至158抵消磁阻图案
100，100A板
2，2A处理电路
C1圆的圆周
M1检测磁阻元件的磁敏方向
M2抵消磁阻元件的磁敏方向
P11，P12，P13，P14中心
V1，V2输出信号(第一输出信号)
V3，V4输出信号(第二输出信号)
W11，W21一次谐波
β1倾角。

Claims (11)

1.一种用于检测转子的旋转角度的磁传感器，所述磁传感器包括：
检测磁阻元件；以及
抵消磁阻元件，
由所述抵消磁阻元件的磁敏方向相对于所述检测磁阻元件的磁敏方向形成的倾角落在通过参考n×α/3或n×α/3+α/2定义的预定范围内，其中α是与所述检测磁阻元件的输出信号中包括的一次谐波的一个周期相对应的旋转角度，并且n是等于或大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中：
所述检测磁阻元件和所述抵消磁阻元件中的每一个是各向异性磁阻元件。
3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其中：
所述检测磁阻元件具有4个检测磁阻图案，并且所述4个检测磁阻图案进行全桥连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其中：
所述抵消磁阻元件具有4个抵消磁阻图案，并且所述4个抵消磁阻图案进行全桥连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中：
所述检测磁阻元件包括：
第一检测桥接电路，被配置为输出余弦波信号；以及
第二检测桥接电路，被配置为输出正弦波信号，并且
所述第一检测桥接电路和所述第二检测桥接电路被布置为使其各自的中心彼此偏移。
6.根据权利要求5所述的磁传感器，其中：
所述抵消磁阻元件包括：
第一抵消桥接电路，被配置为输出余弦波信号；以及
第二抵消桥接电路，被配置为输出正弦波信号，并且
所述第一检测桥接电路、所述第二检测桥接电路、所述第一抵消桥接电路和所述第二抵消桥接电路被布置为使其各自的中心彼此偏移。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中：
所述检测磁阻元件包括：
第一检测桥接电路，被配置为输出余弦波信号；以及
第二检测桥接电路，被配置为输出正弦波信号，
所述抵消磁阻元件包括：
第一抵消桥接电路，被配置为输出余弦波信号；以及
第二抵消桥接电路，被配置为输出正弦波信号，并且
所述第一检测桥接电路、所述第二检测桥接电路、所述第一抵消桥接电路和所述第二抵消桥接电路沿圆的圆周布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁传感器，其中：
所述检测磁阻元件和所述抵消磁阻元件安装在相同的板上。
9.一种传感器系统，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的磁传感器；以及
处理电路，被配置为对所述磁传感器的输出信号执行信号处理。
10.根据权利要求9所述的传感器系统，其中：
所述处理电路被配置为对所述检测磁阻元件的第一输出信号和所述抵消磁阻元件的第二输出信号执行差分运算，然后放大所述差分运算的结果。
11.根据权利要求9所述的传感器系统，其中：
所述处理电路被配置为放大所述检测磁阻元件的第一输出信号和所述抵消磁阻元件的第二输出信号，然后对已经被放大的第一输出信号和已经被放大的第二输出信号执行差分运算。
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