DE102011081389A1

DE102011081389A1 - Drehfeldsensor

Info

Publication number: DE102011081389A1
Application number: DE102011081389A
Authority: DE
Inventors: Shunji Saruki; Hiraku Hirabayashi; Yosuke KOMASAKI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: CN102384758B; US8909489B2; CN102384758A; JP5110134B2; JP2012047683A; DE102011081389B4; US20120053865A1

Abstract

Eine erste Erfassungseinheit umfasst eine erste und eine zweite Erfassungsschaltung. Eine zweite Erfassungseinheit umfasst eine dritte und eine vierte Erfassungsschaltung. Die Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung unterscheiden sich von den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung in der Phase jeweils durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode. Ein Drehfeldsensor erzeugt ein erstes Signal auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltung, erzeugt ein zweites Signal auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung und berechnet einen erfassten Winkelwert auf der Basis des ersten und des zweiten Signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehfeldsensor zum Erfassen eines Winkels, den die Richtung eines sich drehenden Magnetfelds in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet.
Seit einigen Jahren werden verstärkt Drehfeldsensoren für die Erfassung der Drehposition eines Objekts in verschiedenen Anwendungen verwendet, etwa für das Erfassen der Drehposition eines Lenkrads in einem Kraftfahrzeug. Drehfeldsensoren werden nicht nur zum Erfassen der Drehposition eines Objekts, sondern auch zum Erfassen einer linearen Verschiebung eines Objekts verwendet. Drehsensoren verwendende Systeme sind gewöhnlich mit einer Einrichtung (z. B. einem Magneten) versehen, der ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt, dessen Richtung sich in Verbindung mit der Drehung oder der Linearbewegung des Objekts dreht. Die Drehfeldsensoren verwenden magnetische Erfassungselemente, um den Winkel zu erfassen, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet. Auf diese Weise wird die Drehposition oder lineare Verschiebung des Objekts erfasst.
Es ist ein Drehfeldsensor bekannt, der wie in dem US-Patent Nr. 6,943,544 B2 , in dem US-Patent Nr. 6,633,462 B2 und in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0206827 A1 angegeben zwei Brückenschaltungen (Wheatstone-Brückenschaltungen) aufweist. In einem derartigen Drehfeldsensor umfasst jede der zwei Brückenschaltungen vier Magnetowiderstandselemente (nachfolgend als MR-Elemente bezeichnet), die als magnetische Erfassungselemente dienen. Jede der Brückenschaltungen erfasst die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die Ausgabesignale der zwei Brückenschaltungen unterscheiden sich in der Phase durch 1/4 der Periode der Ausgabesignale der Brückenschaltungen. Der Winkel, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet, wird auf der Basis der Ausgabesignale der zwei Brückenschaltungen berechnet.
In einem Drehfeldsensor, der MR-Elemente als magnetische Erfassungselemente verwendet, folgen die Wellenformen der Ausgabesignale der MR-Elemente in Entsprechung zu den Widerstandswerten idealerweise einer Sinuskurve (einschließlich einer Sinuswellenform und einer Cosinuswellenform), wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfels dreht. Es ist jedoch wie in dem US-Patent Nr. 6,633,462 B2 beschrieben bekannt, dass die Wellenformen der Ausgabesignale von MR-Elementen von einer Sinuskurve verzerrt werden können. Wenn die Wellenformen der Ausgabesignale der MR-Elemente verzerrt werden, kann der durch den Drehfeldsensor erfasste Winkel einen Fehler enthalten. Eine der Ursachen für die Verzerrung der Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente liegt in den MR-Elementen selbst.
Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden. Es soll hier angenommen werden, dass die MR-Elemente Riesenmagnetowiderstandselemente (GMR-Elemente) oder Tunnelmagnetowiderstandselemente (TMR-Elemente) sind. Ein GMR- oder TMR-Element umfasst eine hinsichtlich der Magnetisierung gepinnte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung in Übereinstimmung mit der Richtung des sich drehenden Magnetfelds variiert, und eine nicht-magnetische Schicht, die zwischen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist. Ein Beispiel für eine Situation, in der die Ausgabesignal-Wellenform eines MR-Elements durch das MR-Element selbst verzerrt wird, ist dann gegeben, wenn die Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht aufgrund eines Einflusses des sich drehenden Magnetfelds usw. variiert. Dies kann geschehen, wenn die Intensität des sich drehenden Magnetfelds relativ hoch ist. Ein weiteres Beispiel für eine Situation, in der die Ausgabesignal-Wellenform eines MR-Elements durch das MR-Element selbst verzerrt wird, ist dann gegeben, wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht aufgrund des Einflusses von Faktoren wie etwa der Formanisotropie oder der Koerzivität der freien Schicht nicht mit der Richtung des sich drehenden Magnetfelds übereinstimmt. Dies kann geschehen, wenn die Intensität des sich drehenden Magnetfelds relativ niedrig ist.
Das US-Patent Nr. 6,633,462 B2 gibt einen Magnetowiderstandssensor mit einem Haupterfassungselement, das eine Hauptbezugsmagnetisierungsachse aufweist, und mit zwei Korrekturerfassungselementen, deren entsprechende Bezugsmagnetisierungsachsen in Bezug auf die Hauptbezugsmagnetisierungsachse geneigt sind, an. Die zwei Korrekturerfassungselemente sind elektrisch mit dem Haupterfassungselement verbunden, um den erfassten Winkel zu korrigieren. In diesem Sensor muss jedoch der Entwurf der Korrekturerfassungselemente in Übereinstimmung mit Entwurfsbedingungen wie etwa den Widerständen, den Größen und den Materialien des Haupterfassungselements und der Korrekturerfassungselemente sowie der Intensität des sich drehenden Magnetfelds optimiert werden. Dadurch ergibt sich das Problem, dass der Entwurf des Sensors nicht einfach ist.
Wie beschrieben, ist bei einem Drehfeldsensor, der MR-Elemente als magnetische Erfassungselemente verwendet, das Problem gegeben, dass der durch den Drehfeldsensor erfasste Winkel einen Fehler enthalten kann. Dieses Problem kann in einem beliebigen Drehfeldsensor auftreten, der magnetische Erfassungselemente für das Erfassen des Winkels, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet, enthält.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehfeldsensor zum Erfassen des Winkels, den die Richtung eines sich drehenden Magnetfelds in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet, anzugeben, bei dem der in dem erfassten Winkel enthaltene Fehler reduziert werden kann.
Ein Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung erfasst den Winkel, der die Richtung eines sich drehenden Magnetfelds an einer Bezugsposition in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet. Der Drehfeldsensor umfasst eine erste Erfassungseinheit, die das sich drehende Magnetfeld an einer ersten Position erfasst, und eine zweite Erfassungseinheit, die das sich drehende Magnetfeld an einer zweiten Position erfasst.
Die erste Erfassungseinheit umfasst eine erste Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer ersten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine zweite Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer zweiten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt. Die zweite Erfassungseinheit umfasst eine dritte Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer dritten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine vierte Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer vierten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt. Jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen enthält wenigstens ein magnetisches Erfassungselement.
Die Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen durchlaufen periodische Änderungen mit derselben Signalperiode. Das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase. Das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung in der Phase.
Der Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin eine erste, eine zweite und eine dritte arithmetische Schaltung. Die erste arithmetische Schaltung erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltung ein erstes Signal mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität des Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der ersten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der dritten Richtung, wobei das erste Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung aufweist. Die zweite arithmetische Schaltung erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung ein zweites Signal mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der zweiten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der vierten Richtung, wobei das zweite Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung aufweist. Die dritte arithmetische Schaltung berechnet auf der Basis des ersten und des zweiten Signals einen erfassten Winkelwert mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet.
In dem Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung können die Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen jeweils eine Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode enthalten, die durch die magnetischen Erfassungselemente verursacht wird. Bei dem Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung erzeugt die erste arithmetische Schaltung ein erstes Signal und erzeugt die zweite arithmetische Schaltung ein zweites Signal. Das erste Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung. Das zweite Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung. Auf der Basis des ersten und des zweiten Signals berechnet die dritte arithmetische Schaltung einen erfassten Winkelwert mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der durch die magnetischen Erfassungselemente verursachte Fehler in dem durch den Drehfeldsensor erfassten Winkel reduziert werden. Unter einer „reduzierten Fehlerkomponente” ist hier zu verstehen, dass das Verhältnis zwischen der Amplitude der Fehlerkomponente und der Amplitude des Signals reduziert ist.
Vorzugsweise unterscheidet sich in dem Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase um ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode. Und vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Bei dieser bevorzugten Konfiguration heben sich dann, wenn die erste arithmetische Schaltung das erste Signal auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltungen erzeugt, die in den entsprechenden Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung enthaltenen Fehlerkomponenten gegenseitig auf. Die oben genannte bevorzugte Konfiguration hat zur Folge, dass sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung und das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode) unterscheiden. Dadurch wird ermöglicht, dass sich dann, wenn die zweite arithmetische Schaltung das zweite Signal auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung erzeugt, die in den entsprechenden Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung enthaltenen Fehlerkomponenten gegenseitig aufheben. Folglich gestattet die zuvor genannte bevorzugte Konfiguration eine effektivere Reduktion des durch die magnetischen Erfassungselemente verursachten Fehlers in dem durch den Drehfeldsensor erfassten Winkel.
In der oben genannten bevorzugten Konfiguration können die erste Position und die zweite Position in der Drehrichtung des sich drehenden magnetischen Felds identisch sein und können sich die erste Richtung und die dritte Richtung voneinander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds durch einen Raumwinkel voneinander unterscheiden, der einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode entspricht.
Bei der zuvor genannten bevorzugten Konfiguration des Drehfeldsensors der vorliegenden Erfindung können sich die erste Position und der zweiten Position voneinander unterscheiden, wobei die Differenz zwischen der ersten Position und der zweiten Position einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode entsprechen kann.
In dem Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung können die erste bis vierte Erfassungsschaltung als das wenigstens eine magnetische Erfassungselement ein Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen aufweisen. In diesem Fall können die erste bis vierte Erfassungsschaltung jeweils eine Wheatstone-Brückenschaltung aufweisen, die ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen enthält. Die magnetischen Erfassungselemente können Magnetowiderstandselemente sein. Jedes der Magnetowiderstandselemente kann eine hinsichtlich der Magnetisierung gepinnte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung in Übereinstimmung mit dem sich drehenden Magnetfeld variiert, und eine nicht-magnetische Schicht, die zwischen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist, umfassen. Die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der Magnetowiderstandselemente in der zweiten Erfassungsschaltung können orthogonal zu denjenigen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der Magnetowiderstandselemente in der ersten Erfassungsschaltung sein. Die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der Magnetowiderstandselemente in der vierten Erfassungsschaltung können orthogonal zu denjenigen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der Magnetowiderstandselemente in der dritten Erfassungsschaltung sein.
Der Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine dritte Erfassungseinheit, die das sich drehende Magnetfeld an einer dritten Position erfasst, und eine vierte Erfassungseinheit, die das sich drehende Magnetfeld an einer vierten Position erfasst, enthalten. Die dritte Erfassungseinheit umfasst eine fünfte Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer fünften Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine sechste Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer sechsten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt. Die vierte Erfassungseinheit umfasst eine siebte Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer siebten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine achte Erfassungsschaltung, die die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer achten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt. Jeder der fünften bis achten Erfassungsschaltungen enthält wenigstens ein magnetisches Erfassungselement.
Die Ausgabesignale der ersten bis achten Erfassungsschaltungen führen periodische Änderungen mit derselben Signalperiode durch. Das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung in der Phase. Das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung in der Phase.
Der Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin eine vierte, eine fünfte, eine sechste und eine siebte arithmetische Schaltung. Die vierte arithmetische Schaltung erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der fünften und der siebten Erfassungsschaltung ein drittes Signal mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der fünften Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der siebten Richtung, wobei das dritte Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der fünften und der siebten Erfassungsschaltung enthält. Die fünfte arithmetische Schaltung erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der sechsten und der achten Erfassungsschaltung ein viertes Signal mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der sechsten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der achten Richtung, wobei das vierte Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der sechsten und der achten Erfassungsschaltung enthält. Die sechste arithmetische Schaltung berechnet auf der Basis des dritten und des vierten Signals einen zweiten Erfassungswinkel mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Die siebte arithmetische Schaltung berechnet einen erfassten Wert des Winkels, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet, auf der Basis des ersten erfassten Winkelwerts, der der durch die dritte arithmetische Schaltung berechnete erfasste Winkelwert ist, und auf der Basis des durch die sechste arithmetische Schaltung berechneten zweiten erfassten Winkelwerts.
Wenn der Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung die dritte und die vierte Erfassungseinheit und die vierten bis siebten arithmetischen Schaltungen enthält, unterscheidet sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung vorzugweise von dem Aussagesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung unterscheidet sich vorzugweise von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiodemit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung unterscheidet sich vorzugsweise von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung unterscheidet sich vorzugsweise von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung unterscheidet sich vorzugsweise von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode. Das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung unterscheidet sich vorzugsweise von dem Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode.
Wenn der Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung die dritte und die vierte Erfassungseinheit und die vierten bis siebten arithmetischen Schaltungen wie oben beschrieben umfasst, kann der erste erfasste Winkelwert einen ersten Winkelfehler in Bezug auf einen theoretischen Wert des ersten erfassten Winkelwerts, der erwartet wird, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfels ideal dreht, enthalten, und kann der zweite erfasste Winkelwert einen zweiten Winkelfehler in Bezug auf einen theoretischen Wert des zweiten erfassten Winkelwerts, der erwartet wird, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfelds ideal dreht, enthalten. Der erste und der zweite Winkelfehler können periodische Änderungen mit derselben Winkelfehlerperiode in Reaktion auf eine Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds durchlaufen. Die Änderungen des ersten Winkelfehlers und des zweiten Winkelfehlers können von der Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds abhängen. In diesem Fall können die dritte Position und die vierte Position jeweils von der ersten Position und der zweiten Position um eine Größe in Entsprechung zu einem ungeraden Vielfachen von 1/2 der Winkelfehlerperiode versetzt sein. Die Winkelfehlerperiode kann in diesem Fall 1/2 der Periode der Drehung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds betragen.
Bei dem Drehfeldsensor der vorliegenden Erfindung werden ein erstes Signal und ein zweite Signal erzeugt. Das erste Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung. Das zweite Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode im Vergleich zu den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung. Ein erfasster Winkelwert mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet, wird auf der Basis des ersten und des zweiten Signals berechnet. Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Fehler in dem durch den Drehfeldsensor erfassten Winkel reduziert werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung verdeutlicht.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Definitionen der Richtungen und Winkel in der ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines MR-Elements von 3 zeigt.
5 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen des Ausgabesignals einer ersten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform und eine darin enthaltene Fehlerkomponente zeigt.
6 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen des Ausgabesignals einer zweiten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform und eine darin enthaltene Fehlerkomponente zeigt.
7 ist ein schematisches Diagramm, das die Aufhebung der Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Aufhebung der Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
9 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen des ersten und des zweiten Signals der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist ein Wellenformdiagramm, das einen erfassten Winkelwert und einen Winkelfehler in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenform eines Winkelfehlers in einem erfassten Winkelwert zeigt, der auf der Basis der Wellenformen der Ausgabesignale von 5 und 6 berechnet wird.
12 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen der Ausgabesignale der ersten und der zweiten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
13 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen der Ausgabesignale der dritten und der vierten Erfassungsschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
14 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenform eines Winkelfehlers in der ersten Ausführungsform und die Wellenform eines Winkelfehlers in einem Drehfeldsensor eines ersten Vergleichsbeispiels zeigt.
15 ist ein Wellenformdiagramm, das die Wellenformen von Winkelfehlern in einem Drehfeldsensor eines zweiten Vergleichsbeispiels mit Bezug auf die erste Ausführungsform zeigt.
16 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine arithmetische Einheit in einem ersten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform zeigt.
17 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine arithmetische Einheit in einem zweiten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform zeigt.
18 ein Schaltungsdiagramm, das eine arithmetische Einheit in einem dritten Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform zeigt.
19 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
20 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors eines ersten Modifikationsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
21 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors eines zweiten Modifikationsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
22 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors eines dritten Modifikationsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
23 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
24 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors eines Modifikationsbeispiels der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
25 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
26 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
27 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
28 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors eines Modifikationsbeispiels der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
29 ist ein Wellenformdiagramm, das die Beziehung zwischen einem sich drehenden Magnetfeld, einem ersten erfassten Winkelwert und einem ersten Winkelfehler in der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
30 ist eine schematische Ansicht, die den Betrieb zum Reduzieren eines Winkelfehlers in der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
31 ist ein Wellenformdiagramm, das die Beziehung zwischen einem erfassten Winkelwert und einem Winkelfehler in der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Zuerst wird auf 1 und 2 Bezug genommen, um die allgemeine Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine schematische Ansicht, die die Definitionen der Richtungen und Winkel der ersten Ausführungsform erläutert.
Wie in 1 gezeigt, erfasst der Drehfeldsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform den Winkel, den die Richtung eines sich drehenden Magnetfelds MF an einer Bezugsposition in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet. In 1 ist ein zylindrischer Magnet 2 als beispielhafte Einrichtung zum Erzeugen des sich drehenden Magnetfelds MF, dessen Richtung sich dreht, gezeigt. Der Magnet 2 weist einen N-Pol und einen S-Pol auf, die symmetrisch in Bezug auf eine virtuelle Ebene, die die Mittelachse des Zylinders enthält, angeordnet sind. Der Magnet 2 dreht sich um die Mittelachse des Zylinders. Folglich dreht sich die Richtung des durch den Magneten 2 erzeugten, sich drehenden Magnetfelds MF um eine Drehmitte C, die die Mittelachse des Zylinders enthält. Der Drehfeldsensor 1 ist derart angeordnet, dass er einer Endfläche des Magneten 2 zugewandt ist. Die Einrichtung zum Erzeugen des sich drehenden Magnetfelds MF, dessen Richtung sich dreht, ist nicht auf den in 1 gezeigten Magneten 2 beschränkt, was weiter unten mit Bezug auf andere Ausführungsformen verdeutlicht wird.
Der Drehfeldsensor 1 umfasst eine erste Erfassungseinheit 10, die das sich drehende Magnetfeld MF an einer ersten Position erfasst, und eine zweite Erfassungseinheit 20, die das sich drehende Magnetfeld MF an einer zweiten Position erfasst. In 1 sind die erste Erfassungseinheit 10 und die zweite Erfassungseinheit 20 der Deutlichkeit halber als separate Glieder gezeigt. Die erste Erfassungseinheit 10 und die zweite Erfassungseinheit können jedoch auch miteinander integriert sein.
Mit Bezug auf 2 werden im Folgenden die Definitionen der Richtungen und Winkel in dieser Ausführungsform erläutert. Eine Richtung, die parallel zu der Drehmitte C von 1 verläuft und sich von der einen Endfläche des Magneten 2 zu dem Drehfeldsensor 1 erstreckt, ist als die Z-Richtung definiert. Weiterhin sind zwei zueinander orthogonal ausgerichtete Richtungen auf einer virtuellen Ebene senkrecht zu der Z-Richtung als die X-Richtung und die Y-Richtung definiert. In 2 erstreckt sich die X-Richtung nach rechts und erstreckt sich die Y-Richtung nach oben. Die zu der X-Richtung entgegen gesetzte Richtung ist als -X-Richtung definiert; und die zu der Y-Richtung entgegen gesetzte Richtung ist als -Y-Richtung definiert.
Die Bezugsposition PR ist die Position, an welcher der Drehfeldsensor 1 das sich drehende Magnetfeld MF erfasst. Zum Beispiel kann die Bezugsposition PR an der Position der ersten Erfassungseinheit 10 vorgesehen sein. Die Bezugsrichtung DR ist die Y-Richtung. Der Winkel, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der Bezugsposition PR in Bezug auf die Bezugsrichtung DR bildet, wird durch das Symbol θ angegeben. Die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF dreht sich im Uhrzeigersinn von 2. Der Winkel θ wird durch einen positiven Wert ausgedrückt, wenn er im Uhrzeigersinn von der Bezugsrichtung DR betrachtet wird, und durch einen negativen Winkel, wenn er gegen den Uhrzeigersinn von der Bezugsrichtung DR betrachtet wird.
Die erste Erfassungseinheit 10 erfasst an der ersten Position P1 eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in einer ersten Richtung D1 und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in einer zweiten Richtung D2. Die zweite Erfassungseinheit 20 erfasst an der zweiten Position P2 eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in einer dritten Richtung D3 und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in einer vierten Richtung D4. In dieser Ausführungsform sind die erste Richtung D1 und die zweite Richtung D2 orthogonal zueinander und sind die dritte Richtung D3 und die vierte Richtung D4 orthogonal zueinander. Die erste Position P1 und die zweite Position P2 entsprechen in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF einander und fallen mit der Bezugsposition PR zusammen. Die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 unterscheiden sich durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF.
In dieser Ausführungsform fällt die zweite Richtung D2 mit der Bezugsrichtung PR (der Y-Richtung) zusammen. Der Winkel, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der ersten Position P1 in Bezug auf die zweite Richtung D2 bildet, wird als ein erster Winkel bezeichnet und durch das Symbol θ1 angegeben. Die Definition des Vorzeichens des Winkels θ1 ist die gleiche wie diejenige des Winkels θ. In dieser Ausführungsform fällt der Winkel θ1 mit dem Winkel θ zusammen. Die erste Richtung D1 ist eine Richtung, die um 90° von der zweiten Richtung D2 gedreht ist.
Die dritte Richtung D3 ist eine Richtung, die um –60° von der ersten Richtung D1 gedreht ist; und die vierte Richtung D4 ist eine Richtung, die um –60° von der zweiten Richtung D2 gedreht ist. Die dritte Richtung D3 ist weiterhin eine Richtung, die um 90° von der vierten Richtung D4 gedreht ist. Der Winkel, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der zweiten Position P2 in Bezug auf die vierte Richtung D4 bildet, wird als ein zweiter Winkel bezeichnet und durch das Symbol θ2 angegeben. Die Definition des Vorzeichens des Winkels θ2 ist dieselbe wie für den Winkel θ. In dieser Ausführungsform ist der Winkel θ2 um 60° größer als der Winkel θ.
Im Folgenden wird die Konfiguration des Drehfeldsensors 1 im Detail mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration des Drehfeldsensors 1 zeigt. Wie bereits genannt, umfasst der Drehfeldsensor 1 die erste Erfassungseinheit 10 und die zweite Erfassungseinheit 20. Die erste Erfassungseinheit 10 umfasst eine erste Erfassungsschaltung 11 und eine zweite Erfassungsschaltung 20. Die erste Erfassungsschaltung 11 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die zweite Erfassungsschaltung 12 erfasst die Intensität des Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Position D2 und gibt ein die Intensität ausgebendes Signal aus. Die zweite Erfassungseinheit 20 umfasst eine dritte Erfassungsschaltung 21 und eine vierte Erfassungsschaltung 22. Die dritte Erfassungsschaltung 21 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die vierte Erfassungsschaltung 22 erfasst die Intensität des Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 enthält wenigstens ein magnetisches Erfassungselement.
Die Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 durchlaufen periodische Änderungen mit derselben Signalperiode T. Das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21 unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11 in der Phase. Das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22 unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12 in der Phase. In dieser Ausführungsform erfüllen die Phasen der Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 vorzugsweise die im Folgenden beschriebenen Beziehungen.
Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12 von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11 in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Und vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22 von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21 in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Aufgrund einer mangelnden Produktionsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente und anderer Faktoren können sich die Differenz in der Phase zwischen dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11 und dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12 und die Differenz zwischen dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21 und dem Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22 jeweils geringfügig von einem ungeraden Vielfachen von 1/4 der Signalperiode T unterscheiden.
Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21 von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11 in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T. Unter einem „ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T” sind ganzahlige Vielfache von 1/6 der Signalperiode T unter Ausschluss von ganzzahligen Vielfachen (einschließlich des null-Vielfachen) von 1/2 der Signalperiode T zu verstehen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Phasen der Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 die oben beschriebenen bevorzugten Beziehungen erfüllen.
Jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 kann als das wenigstens eine magnetische Erfassungselement ein Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen enthalten. In diesem Fall kann jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 eine Wheatstone-Brückenschaltung aufweisen, die ein erstes Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen und ein zweites Paar von in Reihe geschalteten magnetischen Erfassungselementen umfasst. Die folgende Beschreibung nimmt auf einen Fall Bezug, in dem jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 eine derartige Wheatstone-Brückenschaltung aufweist.
Die erste Erfassungsschaltung 11 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 14 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 14 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Erdungsanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R11 und R12 und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R13 und R14. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R11 und R13 ist mit dem Stromversorgungsanschluss 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 mit dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende der magnetischen Erfassungselemente R12 und R14 ist mit dem Erdungsanschluss D1 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einer vorbestimmten Größe wird an dem Stromversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Erdungsanschluss D1 ist geerdet.
Die zweite Erfassungsschaltung 12 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 16 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 16 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Erdungsanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R21 und R22 und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R23 und R24. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R21 und R23 ist mit dem Stromversorgungsanschluss 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 jedes der magnetischen Erfassungselemente R22 und R24 ist mit dem Erdungsanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einer vorbestimmten Größe wird an dem Stromversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Erdungsanschluss G2 ist geerdet.
Die dritte Erfassungsschaltung 21 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 24 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 24 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V3, einen Erdungsanschluss G3, zwei Ausgangsanschlüsse E31 und E32, ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R31 und R32 und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R33 und R34. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R31 und R33 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V3 verbunden.
Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R31 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R32 und dem Ausgangsanschluss E31 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R33 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R34 und dem Ausgangsanschluss E32 verbunden. Das andere Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R32 und R34 ist mit dem Erdungsanschluss G3 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einer vorbestimmten Größe wird an dem Stromversorgungsanschluss V3 angelegt. Der Erdungsanschluss G3 ist geerdet.
Die vierte Erfassungsschaltung 22 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 26 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 26 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V4, einen Erdungsanschluss G4, zwei Ausgangsanschlüsse E41 und E42, ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R41 und R42 und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen R43 und R44. Ein Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R41 und R43 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V4 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R41 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R42 und dem Ausgangsanschluss E41 verbunden. Das andere Ende des magnetischen Erfassungselements R43 ist mit einem Ende des magnetischen Erfassungselements R44 und dem Ausgangsanschluss E42 verbunden. Das andere Ende jedes der magnetischen Erfassungselemente R42 und R44 ist mit dem Erdungsanschluss G4 verbunden. Eine Versorgungsspannung mit einer vorbestimmten Größe wird an dem Stromversorgungsanschluss V4 angelegt. Der Erdungsanschluss G4 ist geerdet.
In dieser Ausführungsform sind alle magnetischen Erfassungselemente in den Wheatstone-Brückenschaltungen (nachfolgend einfach als Brückenschaltungen bezeichnet) 14, 16, 24 und 26 jeweils MR-Elemente und insbesondere TMR-Elemente. Es können aber auch GMR-Elemente anstelle der TMR-Element verwendet werden. Die TMR-Elemente oder die GMR-Elemente enthalten eine hinsichtlich der Magnetisierung gepinnte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung in Übereinstimmung mit der Richtung des sich drehenden Magnetfelds MF variiert, und eine nicht-magnetische Schicht, die zwischen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist. Bei TMR-Elementen ist die nicht-magnetische Schicht eine Tunnelgrenzschicht. Bei GMR-Elementen ist die nicht-magnetische Schicht eine nicht-magnetische, leitende Schicht. Die TMR-Elemente oder GMR-Elemente variieren in ihrem Widerstand in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht bildet. Der Widerstand erreicht seinen minimalen Wert, wenn der Winkel bei 0° liegt. Der Widerstand erreicht seinen maximalen Wert, wenn der Winkel bei 180° liegt. In der folgenden Beschreibung werden die in den Brückenschaltungen 14, 16, 24 und 26 enthaltenen magnetischen Erfassungselemente als MR-Elemente bezeichnet. In 3 geben die gefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten in den MR-Elementen an. Die hohlen Pfeile geben die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten in den MR-Elementen an.
In der ersten Erfassungsschaltung 11 werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R11 und R14 in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung D1 magnetisiert und werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R12 und R13 in einer Richtung magnetisiert, die der Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R11 und R14 entgegen gesetzt ist. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Übereinstimmung mit der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1. Die erste Richtung D1 dient also als Bezugsrichtung, wenn die erste Erfassungsschaltung 11 das sich drehende Magnetfeld MF erfasst. Die erste Erfassungsschaltung 11 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Insbesondere ist die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 das Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R11 und R24 in der X-Richtung magnetisiert und sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R12 und R13 in der -X-Richtung magnetisiert. In diesem Beispiel entspricht die erste Richtung D1 der X-Richtung.
In der zweiten Erfassungsschaltung 12 werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R21 und R24 in einer Richtung parallel zu der zweiten Richtung D2 magnetisiert und werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R22 und R23 in einer Richtung magnetisiert, die der Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R21 und R24 entgegen gesetzt ist. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Übereinstimmung mit der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2. Die zweite Richtung D2 dient also als Bezugsrichtung, wenn die zweite Erfassungsschaltung 12 das sich drehende Magnetfeld MF erfasst. Die zweite Erfassungsschaltung 12 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Insbesondere ist die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R21 und R24 in der Y-Richtung magnetisiert und sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R22 und R23 in der -Y-Richtung magnetisiert. In diesem Beispiel entspricht die erste Richtung D2 der Y-Richtung.
In der dritten Erfassungsschaltung 21 werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R31 und R34 in einer Richtung parallel zu der dritten Richtung D3 magnetisiert und werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R32 und R33 in einer Richtung magnetisiert, die der Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R31 und R34 entgegen gesetzt ist. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 in Übereinstimmung mit der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3. Die dritte Richtung D3 dient also als Bezugsrichtung, wenn die dritte Erfassungsschaltung 21 das sich drehende Magnetfeld MF erfasst. Die dritte Erfassungsschaltung 21 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Insbesondere ist die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R31 und R34 in der dritten Richtung D3 von 2 magnetisiert und sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R32 und R33 in einer der dritten Richtung D3 entgegen gesetzten Richtung magnetisiert.
In der vierten Erfassungsschaltung 22 werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R41 und R44 in einer Richtung parallel zu der vierten Richtung D4 magnetisiert und werden die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R42 und R43 in einer Richtung magnetisiert, die der Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R41 und R44 entgegen gesetzt ist. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 in Übereinstimmung mit der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4. Die vierte Richtung D4 dient also als Bezugsrichtung, wenn die vierte Erfassungsschaltung 22 das sich drehende Magnetfeld MF erfasst. Die vierte Erfassungsschaltung 22 erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4 und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Insbesondere ist die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R41 und R44 in der vierten Richtung D4 von 2 magnetisiert und sind die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente R42 und R43 in einer der vierten Richtung D4 entgegen gesetzten Richtung magnetisiert.
Aufgrund einer mangelnden Produktionsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können die hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 in Richtungen magnetisiert werden, die sich geringfügig von den oben beschriebenen Richtungen unterscheiden.
Ein Beispiel für die Konfiguration der MR-Elemente wird im Folgenden mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines MR-Elements in dem Drehfeldsensor 1 von 3 zeigt. In diesem Beispiel umfasst das MR-Element eine Vielzahl von unteren Elektroden, eine Vielzahl von MR-Filmen und eine Vielzahl von oberen Elektroden. Die Vielzahl von unteren Elektroden 42 ist auf einem nicht gezeigten Substrat angeordnet. Jede der unteren Elektroden 42 weist eine lange, schmale Form auf. Die unteren Elektroden 42 schließen in der Längsrichtung der unteren Elektroden 42 mit dazwischen einem Zwischenraum aneinander an. Wie in 4 gezeigt, sind MR-Filme 50 auf den oberen Flächen der unteren Elektroden 42 in der Nähe von gegenüberliegenden Enden in der Längsrichtung vorgesehen. Jeder der MR-Filme 50 umfasst eine freie Schicht 51, eine nicht-magnetische Schicht 52, eine hinsichtlich der Magnetisierung gepinnte Schicht 53 und eine antiferromagnetische Schicht 54, die in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet sind, wobei die freie Schicht 51 der unteren Elektrode 42 am nächsten ist. Die freie Schicht 51 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 42 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material ausgebildet. Die antiferromagnetische Schicht 54 steht in einer Austauschkopplung mit der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht 53, um die Magnetisierungsrichtung der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht 53 zu fixieren. Die Vielzahl von oberen Elektroden 43 ist über der Vielzahl von MR-Filmen 50 angeordnet. Jede der oberen Elektroden 43 weist eine lange, schmale Form auf und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden antiferromagnetischen Schichten 54 von zwei benachbarten MR-Filmen 50 her, die auf zwei in der Längsrichtung der unteren Elektroden 42 aneinander anschließenden unteren Elektroden 42 angeordnet sind. Bei dieser Konfiguration sind die Vielzahl von MR-Filmen 50 in dem MR-Element von 4 über die Vielzahl von unteren Elektroden 42 und die Vielzahl von oberen Elektroden 43 in Reihe verbunden. Es ist zu beachten, dass die Schichten 51 bis 54 der MR-Filme 50 auch in einer umgekehrten Reihenfolge als in 4 gezeigt übereinander geschichtet sein können.
Der Drehfeldsensor 1 umfasst weiterhin eine arithmetische Einheit 30. Wie in 3 gezeigt, umfasst die arithmetische Einheit 30 erste bis dritte arithmetische Schaltungen 31, 32 und 33. Die erste arithmetische Schaltung 31 erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale aus der ersten und der dritten Erfassungsschaltung 11 und 21 ein erstes Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3 aufweist. Die zweite arithmetische Schaltung 32 erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung 12 und 22 ein zweites Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2 und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4 aufweist. Auf der Basis des ersten Signals und des zweiten Signals berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33 einen erfassten Winkelwert θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ aufweist, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der Bezugsposition PR in Bezug auf die Bezugsrichtung DR bildet. Die ersten bis dritten arithmetischen Schaltungen 31, 32 und 33 können zum Beispiel durch einen einzelnen Mikrocomputer implementiert werden. Das Verfahren zum Erzeugen des ersten und des zweiten Signals und das Verfahren zum Berechnen des erfassten Winkelwerts θs werden weiter unten im Detail beschrieben.
Die arithmetische Einheit 30 umfasst weiterhin acht Eingangsanschlüsse IN1 bis IN8 und einen Ausgangsanschluss OUT1. Die Eingangsanschlüsse IN1 bis IN8 sind jeweils mit den Ausgangsanschlüssen E11, E12, E21, E22, E31, E32, E41 und E42 verbunden.
Die arithmetische Einheit 30 umfasst weiterhin acht Analog/Digital-Wandler (nachfolgend einfach als A/D-Wandler bezeichnet) AD1 bis AD8 und acht Schalter SW1 bis SW8. Jeder der Schalter SW1 bis SW8 weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und gestattet, dass ein leitender oder ein nicht-leitender Zustand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss gewählt wird. Die Eingänge der A/D-Wandler AD1 bis AD8 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN1 bis IN8 verbunden. Die A/D-Wandler AD1 bis AD8 wandeln die Potentiale an den entsprechenden Ausgangsanschlüssen E11, E12, E21, E22, E31, E32, E41 und E42 zu digitalen Signalen und geben die resultierenden digitalen Signale aus. Die ersten Anschlüsse der Schalter SW1 bis SW8 sind jeweils mit Ausgängen der A/D-Wandler AD1 bis AD8 verbunden.
Die arithmetische Einheit 30 umfasst weiterhin vier Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122. Jede der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang der Differenzschaltung 111 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW1 verbunden. Der zweite Eingang der Differenzschaltung 111 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW2 verbunden. Der erste Eingang der Differenzschaltung 112 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW3 verbunden. Der zweite Eingang der Differenzschaltung 112 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW4 verbunden. Der erste Eingang der Differenzschaltung 121 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW5 verbunden. Der zweite Eingang der Differenzschaltung 121 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW6 verbunden. Der erste Eingang der Differenzschaltung 122 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW7 verbunden. Der zweite Eingang der Differenzschaltung 122 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW8 verbunden.
Jede der ersten bis dritten arithmetischen Schaltungen 31 bis 33 weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang der ersten arithmetischen Schaltung 31 ist mit dem Ausgang der Differenzschaltung 111 verbunden. Der zweite Eingang der ersten arithmetischen Schaltung 31 ist mit dem Ausgang der Differenzschaltung 121 verbunden. Der erste Eingang der zweiten arithmetischen Schaltung 32 ist mit dem Ausgang der Differenzschaltung 112 verbunden. Der zweite Eingang der zweiten arithmetischen Schaltung 32 ist mit dem Ausgang der Differenzschaltung 122 verbunden. Der erste Eingang der dritten arithmetischen Schaltung 33 ist mit dem Ausgang der ersten arithmetischen Schaltung 31 verbunden. Der zweite Eingang der dritten arithmetischen Schaltung 33 ist mit dem Ausgang der zweiten arithmetischen Schaltung 32 verbunden. Der Ausgang der dritten arithmetischen Schaltung 33 ist mit dem Ausgangsanschluss OUT1 verbunden.
In einem normalen Zustand befinden sich die Schalter SW1 bis SW8 alle in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt die Differenzschaltung 111 ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 zu der ersten arithmetischen Schaltung 31 aus. Die Differenzschaltung 112 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 zu der zweiten arithmetischen Schaltung 32 aus. Die Differenzschaltung 121 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 zu der ersten arithmetischen Schaltung 31 aus. Die Differenzschaltung 122 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 zu der zweiten arithmetischen Schaltung 32 aus.
Die arithmetische Einheit 30 weist eine Ausfallsicherungsfunktion auf. Die arithmetische Einheit 30 umfasst eine Steuereinheit 34, die die Ausfallsicherungsfunktion steuert. Die Steuereinheit 34 steuert die Schalter SW1 bis SW8. Die Steuereinheit 34 kann durch einen Mikrocomputer wie etwa die ersten bis dritten arithmetischen Schaltungen 31 bis 33 implementiert werden. Die Ausfallsicherungsfunktion wird weiter unten im Detail beschrieben.
Im Folgenden werden das Verfahren zum Erzeugen des ersten und des zweiten Signals und das Verfahren zum Berechnen des erfassten Winkelwerts θs in einem normalen Zustand beschrieben. In dem Beispiel von 3 sind die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente in der zweiten Erfassungsschaltung 12 idealerweise orthogonal zu den Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente in der ersten Erfassungsschaltung 11. Das Ausgabesignal der Differenzschaltung 111 weist idealerweise eine Sinuswellenform auf, die von dem ersten Winkel θ1 abhängt. Und das Ausgabesignal der Differenzschaltung 112 weist idealerweise eine Cosinuswellenform auf, die von dem ersten Winkel θ1 abhängt. In diesem Fall unterscheidet sich das Ausgabesignal der Differenzschaltung 112 von dem Ausgabesignal der Differenzschaltung 111 in der Phase durch 1/4 der Signalperiode T, d. h. durch π/2 (90°).
Wenn der erste Winkel θ1 größer als 0° und kleiner als 180° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 111 einen positiven Wert auf. Wenn der erste Winkel θ1 größer als 180° und kleiner als 360° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 111 einen negativen Wert auf. Wenn der erste Winkel θ1 gleich oder größer als 0° und kleiner als 90° ist und wenn der erste Winkel θ1 größer als 270° und kleiner oder gleich 360° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 112 einen positiven Wert auf. Wenn der erste Winkel θ1 größer als 90° und kleiner als 270° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 112 einen negativen Wert auf. Im Folgenden wird das Ausgabesignal der Differenzschaltung 111 durch sinθ1 angegeben und wird das Ausgabesignal der Differenzschaltung 112 durch cosθ1 angegeben. Das Ausgabesignal sinθ1 ist ein Signal, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 angibt. Das Ausgabesignal cosθ1 ist ein Signal, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2 angibt.
In dem Beispiel von 3 sind die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente in der vierten Erfassungsschaltung 22 idealerweise orthogonal zu den Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente in der dritten Erfassungsschaltung 21. Das Ausgabesignal der Differenzschaltung 121 weist idealerweie eine Sinuswellenform auf, die von dem zweiten Winkel θ2 abhängt. Und das Ausgabesignal der Differenzschaltung 122 weist idealerweise eine Cosinuswellenform auf, die von dem zweiten Winkel θ2 abhängt. In diesem Fall unterscheidet sich das Ausgabesignal der Differenzschaltung 122 von dem Ausgabesignal der Differenzschaltung 121 in der Phase durch 1/4 der Signalperiode T, d. h. durch π/2 (90°).
Wenn der zweite Winkel θ2 größer als 0° und kleiner als 180° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 121 einen positiven Wert auf. Wenn der zweite Winkel θ2 größer als 180° und kleiner als 360° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 121 einen negativen Wert auf. Wenn der zweite Winkel θ2 gleich oder größer als 0° und kleiner als 90° ist und wenn der zweite Winkel θ2 größer als 270° und kleiner oder gleich 360° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 122 einen positiven Wert auf. Wenn der zweite Winkel θ2 größer als 90° und kleiner als 270° ist, weist das Ausgabesignal der Differenzschaltung 122 einen negativen Wert auf. Im Folgenden wird das Ausgabesignal der Differenzschaltung 121 durch θ2 angegeben und wird das Ausgabesignal der Differenzschaltung 122 durch cosθ2 angegeben. Das Ausgabesignal sinθ2 ist ein Signal, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3 angibt. Das Ausgabesignal cosθ2 ist ein Signal, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4 angibt.
Auf der Basis des Ausgabesignals sinθ1 der Differenzschaltung 111 und des Ausgabesignals sinθ2 der Differenzschaltung 121 erzeugt die erste arithmetische Schaltung 31 das erste Signal sinθs mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 und der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3. Zum Beispiel können das Ausgabesignal sinθ1 und das Ausgabesignal sinθ2 zu dem ersten Signal sinθs addiert werden. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich das Ausgabesignal sinθ1 und das Ausgabesignal sinθ2 in der Phase durch π/3 (60°). Wenn θ1 und θ2 jeweils α – π/6 und α + π/6 sind und sinθ1 und sinθ2 jeweils sin(α – π/6) und sin(α + π/6) sind, dann wird das erste Signal sinθs durch die Gleichung (1) erhalten: sinθs = sinθ1 + sinθ2 = sin(α – π/6) + sin(α + π/6) = sinα·cos(–π/E) + cosα·sin(–π/6) + sinα·cos(π/6) + cosα·sin(π/6) = 2 sinα·cos(π/6) = 1,73 sinα (1)
Auf der Basis des Ausgabesignals cosθ1 der Differenzschaltung 112 und des Ausgabesignals cosθ2 der Differenzschaltung 122 erzeugt die zweite arithmetische Schaltung 32 das zweite Signal cosθs mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2 und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4. Zum Beispiel können das Ausgabesignal cosθ1 und das Ausgabesignal cosθ2 zu dem zweiten Signal cosθs addiert werden. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich das Ausgabesignal cosθ1 und das Ausgabesignal cosθ2 in der Phase durch π/3 (60°). Wenn wie weiter oben beschrieben θ1 und θ2 jeweils α – π/6 und α + π/6 sind und cosθ1 und cosθ2 jeweils cos(α – π/6) und cosα + π/6) sind, dann wird das zweite Signal cosθs durch die Gleichung (1) erhalten: cosθs = cosθ1 + cosθ2 = cos(α – π/6) + cos(α + π/6) = cosα·cos(–π/6) – sinα·sin(–π/6) + cosα·cos(π/6) – sinα·sin(π/6) = 2 cosα·cos(π/6) = 1,73 cosα (2)
Auf der Basis des ersten Signals sinθs und des zweiten Signals cosθs berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33 den erfassten Winkelwert θs mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der Bezugsposition PR in Bezug auf die Bezugsrichtung DR bildet. Insbesondere berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33 den erfassten Winkelwert θs unter Verwendung der folgenden Gleichung (3). Es ist zu beachten, dass „atan” für einen Arkustangens steht. θs = atan(sinθs/cosθs) – π/6 = atan(1,73 sinα/1,73 cosα) – π/6 (3)
Der Term „atan(1,73 sinα/1,73 cosα)” der Gleichung (3) gibt die Arkustangens-Berechnung für die Bestimmung von α wieder. Die Beziehung θs = α – π/6 = θ1 wird aus der Gleichung (3) abgeleitet. Innerhalb des Bereichs von 360° weist α in der Gleichung (3) zwei Auflösungen mit einer Differenz von 180° im Wert auf. Welche der beiden Auflösungen von α in der Gleichung (3) die richtige Auflösung für α ist, kann aus der Kombination von positiven und negativen Vorzeichen von sinθs und cosθs bestimmt werden (die gleich den positiven und negativen Vorzeichen von sinα und cosα sind). Wenn sinθs einen positiven Wert aufweist, ist α größer als 0° und kleiner als 180°. Wenn sinθs einen negativen Wert aufweist, ist α größer als 180° und kleiner als 360°. Wenn cosθs einen positiven Wert aufweist, ist α gleich oder größer als 0° und kleiner als 90° oder größer als 270° und kleiner oder gleich 360°. Wenn cosθs einen negativen Wert aufweist, ist α größer als 90° und kleiner als 270°. Die dritte arithmetische Schaltung 33 bestimmt α innerhalb des Bereichs von 360° unter Verwendung der Gleichung (3) und auf der Basis der vorstehenden Bestimmung der Kombination aus positiven und negativen Vorzeichen von sinθ und cosθs.
Die Ausfallsicherungsfunktion der arithmetischen Einheit 30 wird im Folgenden im Detail beschrieben. Die Ausfallsicherungsfunktion gestattet, dass die arithmetische Einheit 30 den erfassten Winkelwert θs auch dann ausgibt, wenn eine der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 ausfallen sollte. Der Betrieb der Ausfallsicherungsfunktion, d. h. der Betrieb der Steuereinheit 34, wird im Folgenden mit Bezug auf 3 beschrieben. In einem normalen Zustand, d. h. wenn alle ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 normal betrieben werden, versetzt die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW1 bis SW8 von 3 zu einem leitenden Zustand. In diesem Fall berechnet die arithmetische Einheit 30 den erfassten Winkelwert θs durch das Verfahren, das mit Bezug auf die Gleichungen (1) bis (3) beschrieben wurde.
Wenn die dritte und/oder die vierte Schaltung 21, 22 ausfallen sollten, versetzt die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW1 bis SW4 zu einem leitenden Zustand und jeden der Schalter SW5 bis SW4 zu einem nicht-leitenden Zustand. In diesem Fall wird nur das Ausgabesignal sinθ1 der Differenzschaltung 111 zu der ersten arithmetischen Schaltung 31 zugeführt und wird nur das Ausgabesignal cosθ1 der Differenzschaltung 112 zu der zweiten arithmetischen Schaltung 32 zugeführt. In diesem Fall ist das erste Signal sinθs gleich dem Ausgabesignal sinθ1 und ist das zweite Signal cosθs gleich dem Ausgabesignal cosθ1. Dann berechnet die dritte arithmetische Schaltung den erfassten Winkelwert θs unter Verwendung der folgenden Gleichung (4). θs = atan(sinθs/cosθs) = atan(sinθ1/cosθ1) = θ1 (4)
Die dritte arithmetische Schaltung 33 bestimmt θ1 (θs) innerhalb des Bereichs 360° unter Verwendung der Gleichung (4) und auf der Basis der Bestimmung der positiven und negativen Vorzeichen von sinθ1 und cosθ1, wie weiter oben für die Bestimmung von α beschrieben.
Wenn die erste und/oder die zweite Erfassungsschaltung 11, 12 ausfallen sollten, versetzt die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW1 bis SW4 zu einem nicht-leitenden Zustand und jeden der Schalter SW5 bis SW8 zu einem leitenden Zustand. In diesem Fall wird nur das Ausgabesignal sinθ2 der Differenzschaltung 121 zu der ersten arithmetischen Schaltung 31 zugeführt und wird nur das Ausgabesignal cosθ2 der Differenzschaltung 122 zu der zweiten arithmetischen Schaltung 32 zugeführt. In diesem Fall ist das erste Signal sinθs gleich dem Ausgabesignal sinθ2 und ist das zweite Signal cosθs gleich dem Ausgabesignal cosθ2. Dann berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33 den erfassten Winkelwert θs unter Verwendung der folgenden Gleichung (5). θs = atan(sinθs/cosθs) – π/3 = atan(sinθ2/cosθ2) – π/3 = θ2 – π/3 (5)
Die dritte arithmetische Schaltung 33 bestimmt θ2 und θs innerhalb des Bereichs von 360° unter Verwendung der Gleichung (5) und auf der Basis der Bestimmung der Kombination aus positiven und negativen Vorzeichen von sinθ2 und cosθ2 wie weiter oben für die Bestimmung von α beschrieben
Die Steuereinheit 34 bestimmt einen Ausfall der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 zum Beispiel wie folgt. Die Steuereinheit 34 überwacht den Widerstandswert der Brückenschaltung 14 von 3, die Potentiale der Ausgangsanschlüsse E11 und E12 und/oder die Ausgabewerte der A/D-Wandler AD1 und AD2. Der Widerstandswert der Brückenschaltung 14 ist der Widerstandswert zwischen dem Stromversorgungsschluss V1 und dem Erdungsanschluss G1. Die Steuereinheit 34 bestimmt, ob die erste Erfassungsschaltung 11 ausfällt, auf der Basis davon, ob der durch die Steuereinheit 34 überwachte Wert innerhalb eines vorgegebenen normalen Wertbereichs ist oder einen anormalen Wert aufweist. Es soll hier zum Beispiel angenommen werden, dass die Steuereinheit 34 die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 überwacht. Wenn in diesem Fall die zu dem Stromversorgungsanschluss V1 zugeführte Versorgungsspannung 5 Volt beträgt und die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 0 oder 5 Volt betragen, bestimmt die Steuereinheit 34, dass die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 einen anormalen Wert aufweisen und dementsprechend die erste Erfassungsschaltung 11 ausgefallen ist. Die Steuereinheit 34 bestimmt, ob eine der anderen Erfassungsschaltungen 12, 21 und 22 ausgefallen ist, unter Verwendung eines Verfahrens, das dem Verfahren zum Bestimmen des Ausfalls der ersten Erfassungsschaltung 11 ähnlich ist.
Im Folgenden werden der Betrieb und die Effekte des Drehfeldsensors 1 mit Bezug auf 5 bis 10 beschrieben. Wie zuvor beschrieben, erzeugt die erste arithmetische Schaltung 31 das erste Signal sinθs auf der Basis der Ausgabesignale sinθi und sinθ2 der Differenzschaltungen 111 und 121, die den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltungen 11 und 21 entsprechen, und erzeugt die zweite arithmetische Schaltung 32 das zweite Signal cosθs auf der Basis der Ausgabesignale cosθ1 und cosθ2 der Differenzschaltungen 112 und 122, die den Ausgabesignalen der zweiten und vierten Erfassungsschaltungen 12 und 22 entsprechen. Auf der Basis des ersten Signals sinθ2 und des zweiten Signals cosθs berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33 den erfassten Winkelwert θs mit einer Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel θ, den die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF an der Bezugsposition PR in Bezug auf die Bezugsrichtung DR bildet.
In dieser Ausführungsform weisen die Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 in Entsprechung zu den Ausgabesignalen (die Potentialdifferenzen zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen) der Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 Idealerweise sinusförmige Wellenformen (einschließlich einer Sinuswellenform und einer Cosinuswellenform) auf. Tatsächlich verzerrt jedoch die durch die MR-Elemente selbst verursachte Verzerrung der Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente die Wellenformen der Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 von einer Sinuskurve. Beispiele für eine Situation, in der die Ausgabesignalwellenformen der MR-Elemente durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden, sind: wenn die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten in den MR-Elementen aufgrund des Einflusses des sich drehenden Magnetfels MF oder ähnlichem variieren; und wenn die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten in den MR-Elementen aufgrund des Einflusses von Faktoren wie etwa einer Formanisotropie oder einer Koerzivität der freien Schichten nicht mit der Richtung des sich drehenden Magnetfelds MF zusammenfallen. Ein von einer Sinuskurve verzerrtes Ausgabesignal enthält nicht nur ideale Sinuskomponente, sondern auch eine Fehlerkomponente. 5 und 6 zeigen die Wellenformen von Ausgabesignalen, die von einer Sinuskurve verzerrt sind. 5 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals sinθ1 der Differenzschaltung 111. 6 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals cosθ1 der Differenzschaltung 112. In 5 und 6 gibt die horizontale Achse den Winkel θ1 an und gibt die vertikale Achse eine normalisierte Ausgabe an. Die normalisierte Ausgabe ist ein Wert, der dadurch erhalten wird, dass das Ausgabesignal bei einem bestimmten Winkel durch den maximalen Winkel des Ausgabesignals geteilt wird. Die Bezugszeichen 61 und 64 geben jeweils eine ideale Sinuskurve an. Das Bezugszeichen 62 gibt die Wellenform des Ausgabesignals sinθ1 an, das durch die MR-Elemente verzerrt wird. Das Bezugszeichen 63 gibt die Wellenform der in dem Ausgabesignal sinθ1 enthaltenen Fehlerkomponente an. Das Bezugszeichen 65 gibt die Wellenform des Ausgabesignals cosθ1 an, das durch die MR-Elemente verzerrt wird. Das Bezugszeichen 66 gibt die Wellenform der in dem Ausgabesignal cosθ1 enthaltenen Fehlerkomponente an. Die Wellenformen von 5 und 6 wurden durch eine Simulation erzeugt.
Wie in 5 gezeigt, hängen die Änderungen in der Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ1 von den Änderungen in dem Ausgabesignal sinθ1 ab. Wie in 6 gezeigt, hängen die Änderungen in der Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 von den Änderungen in dem Ausgabesignal cosθ1 ab. Entsprechend hängen die Änderungen in der Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 von den Änderungen in dem Ausgabesignal sinθ2 ab. Die Änderungen in der Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 hängen von den Änderungen in dem Ausgabesignal cosθ2 ab. Wenn die Ausgabesignale der Differenzschaltungen in der Wellenform wie in 5 und 6 gezeigt verzerrt sind, weisen die Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen der Differenzschaltungen eine Periode von 1/3 der Signalperiode T auf, d. h. 2π/3 (120°), wie aus den durch die Bezugszeichen 63 und 66 von 5 und 6 angegebenen Wellenformen hervorgeht.
Die durch die MR-Elemente verursachte Verzerrung der Ausgabesignale der Differenzschaltungen von einer Sinuskurve ist jedoch nicht auf die in 5 und 6 gezeigten Beispiele beschränkt. In den Beispielen von 5 und 6 sind die Ausgabesignale der Differenzschaltungen jeweils von einer idealen Sinuskurve verzerrt, sodass sie sich einer dreieckigen Wellenform nähern. Im Gegensatz zu den Beispielen von 5 und 6 können die Ausgabesignale der Differenzschaltungen von einer idealen Sinuskurve verzerrt sein, sodass sie sich einer rechteckigen Wellenform nähern. Auch in diesem Fall enthalten die Ausgabesignale der Differenzschaltungen Fehlerkomponenten. In jedem Fall weisen die in den Ausgabesignalen der Differenzschaltungen enthaltenen Fehlerkomponenten eine Periode (nachfolgend als Fehlerkomponentenperiode bezeichnet) von 1/3 der Signalperiode T auf, d. h. 2π/3 (120°).
Auf der Basis der Ausgabesignale sinθ1 und sinθ2 erzeugt die erste arithmetische Schaltung das erste Signal sinθs mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der ersten Richtung D1 und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der dritten Richtung D3. Das erste Signal sinθs enthält eine reduzierte Fehlerkomponente im Vergleich zu den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich das Ausgabesignal sinθ1 und das Ausgabesignal sinθ2 in der Phase durch 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T), d. h. durch π/3 (60°). Um diese Differenz zu erzielen, ist die vorliegende Erfindung derart konfiguriert, dass sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF durch 60° unterscheiden. Die vorliegende Ausführungsform gestattet, dass sich die in dem Ausgabesignal sinθ1 enthaltende Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal sinθ2 enthaltende Fehlerkomponente gegenseitig aufheben. Das wird im Folgenden mit Bezug auf 7 beschrieben. Der Teil (α) von 7 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals sinθ1 der Differenzschaltung 111 von 5. Der Teil (b) von 7 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals sinθ2 der Differenzschaltung 121. Die horizontale Achse in jedem der Teile (a) und (b) von 7 gibt den Winkel θ wieder. Das Bezugszeichen 71 gibt eine ideale Sinuskurve an. Das Bezugszeichen 72 gibt die Wellenform des Ausgabesignals sinθ2 an, das durch die MR-Elemente verzerrt wird. Das Bezugszeichen 73 gibt die Wellenform der Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 an. In dieser Ausführungsform werden das Ausgabesignal sinθ1 und das Ausgabesignal sinθ2 zu dem ersten Signal sinθs addiert. Wenn also das erste Signal sinθs erzeugt wird, befinden sich die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 in entgegen gesetzten Phasen. Folglich heben sich die Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 gegenseitig auf.
Auf der Basis der Ausgabesignale cosθ1 und cosθ2 erzeugt die zweite arithmetische Schaltung 32 das zweite Signal cosθ2 mit einer Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der zweiten Richtung D2 und der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds MF in der vierten Richtung D4. Das zweite Signal cosθ2 umfasst eine reduzierte Fehlerkomponente im Vergleich zu den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich das Ausgabesignal cosθ1 und das Ausgabesignal cosθ2 in der Phase durch 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T), d. h. durch π/3 (60°C). Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht, dass sich die in dem Ausgabesignal cosθ1 enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal cosθ2 enthaltene Fehlerkomponente wie die Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 einander ausgleichen. Dies wird mit Bezug auf 8 beschrieben. Der Teil (a) von 8 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals cosθ1 der Differenzschaltung 112 von 6. Der Teil (b) von 8 zeigt die Wellenform des Ausgabesignals cosθ2 der Differenzschaltung 122. Die horizontale Achse in beiden Teilen (a) und (b) von 8 gibt den Winkel θ wieder. Das Bezugszeichen 74 gibt eine ideale Sinuskurve an. Das Bezugszeichen 75 gibt die Wellenform des Ausgabesignals cosθ2 an, das durch die MR-Elemente verzerrt wird. Das Bezugszeichen 76 gibt die Wellenform der in dem Ausgabesignal cosθ2 enthaltenen Fehlerkomponente an. In dieser Ausführungsform werden das Ausgabesignal cosθ1 und das Ausgabesignal cosθ2 zu dem zweiten Signal cosθs addiert. Wenn also das zweite Signal cosθs erzeugt wird, weisen die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 entgegen gesetzte Phasen auf. Folglich heben die Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 einander auf.
9 zeigt die Wellenform des ersten Signals sinθs (durch das Bezugszeichen 91 angegeben), das durch das Addieren des Ausgabesignals sinθ1 und des Ausgabesignals sindθ2 von 7 erhalten wird, und die Wellenform des zweiten Signals cosθs (durch das Bezugszeichen 92 angegeben), das durch das Addieren des Ausgabesignals cosθ1 und des Ausgabesignals cosθ2 von 8 erhalten wird. Die horizontale Achse in 9 gibt den Winkel θ wieder. Wegen der gegenseitigen Aufhebung der Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 folgt die Wellenform des ersten Signals sinθs einer Sinuskurve mit einer reduzierten Verzerrung, d. h. mit einer reduzierten Fehlerkomponente. Und wegen der Aufhebung der Fehlerkomponenten in den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 folgt die Wellenform des zweiten Signals cosθs einer Sinuskurve mit einer reduzierten Verzerrung, d. h. mit einer reduzierten Fehlerkomponente.
10 zeigt die Wellenformen des erfassten Winkelwerts θs, der auf der Basis des ersten Signals sinθs und des zweiten Signals cosθs von 9 berechnet wird, und einen in dem erfassten Winkelwert θs enthaltenen Winkelfehler. Der Winkelfehler ist ein Fehler in Bezug auf einen theoretischen Wert des erfassten Winkelwerts θs, der erwartet wird, wenn sich die Richtung DM des sich drehenden Magnetfelds MF ideal dreht. In 10 wird der Winkelfehler durch das Symbol dθ angegeben. In 10 gibt die horizontale Achse den Winkel θ wieder und gibt die vertikale Achse den erfassten Winkelwert θs und den Winkelfehler dθ wieder. Der Einfachheit halber zeigt 10 θs auf der vertikalen Achse in Werten nach einer Subtraktion von 180° an, wenn der tatsächliche Winkel im Bereich von 180° bis 360° liegt. Wie in 10 gezeigt, ist der Winkelfehler dθ in einer Simulation gleich 0. Tatsächliche Messergebnisse werden später gezeigt, um zu demonstrieren, dass diese Ausführungsform eine Reduktion des Winkelfehlers dθ ermöglicht.
Wie beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform auch dann, wenn die Ausgabesignale der MR-Elemente in ihrer Wellenform durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden, der Fehler in dem erfassten Winkelwert θs, der durch die MR-Elemente verursacht wird, reduziert werden.
In dieser Ausführungsform ist die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 nicht auf 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) beschränkt und kann ein beliebiges ungerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) sein (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). In diesen Fällen heben die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sindθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 einander auf, wenn das erste Signal sinθs durch das Addieren des Ausgabesignals sinθ1 und des Ausgabesignals sinθ2 erzeugt wird. Dadurch wird eine Reduktion des Fehlers in dem erfassten Winkelwert θs ermöglicht. Entsprechend ist die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 nicht auf 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) beschränkt und kann ein beliebiges ungerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) sein (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). In diesen Fällen heben die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 einander auf, wenn das zweite Signal cosθs durch das Addieren des Ausgabesignals cosθ1 und des Ausgabesignals cosθ2 erzeugt wird. Dadurch wird eine Reduktion des Fehlers in dem erfassten Winkelwert θs ermöglicht.
In dieser Ausführungsform sind die erste Position P1 und die zweite Position P2 in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF identisch. In diesem Fall können sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 voneinander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF durch einen Raumwinkel in Entsprechung zu einem ungeraden Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T) voneinander unterscheiden. Die Ausgabesignale sinθ und sinθ2 können sich also in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) (außer einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T) unterscheiden. In dem Beispiel von 2 unterscheiden sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 voneinander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds MF durch einen Raumwinkel in Entsprechung zu 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T), d. h. durch 60°.
Die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 ist nicht auf ein ungerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) beschränkt und kann ein beliebiges gerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T) sein. In diesen Fällen sind die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 in der gleichen Phase, wenn das erste Signal sinθs erzeugt wird. In diesem Fall wird zum Beispiel das Ausgabesignal sinθ2 von dem Ausgabesignal sinθ1 subtrahiert und wird das Ergebnis als das erste Signal sinθs verwendet. Dadurch wird ermöglicht, dass die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 einander aufheben. Entsprechend ist die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 nicht auf ein ungerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) beschränkt und kann ein beliebiges gerades Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (1/6 der Signalperiode T) sein (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). In diesen Fällen sind die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 in der gleichen Phase, wenn das zweite Signal cosθs erzeugt wird. In diesem Fall wird zum Beispiel das Ausgabesignal cosθ2 von dem Ausgabesignal cosθ1 subtrahiert und wird das Ergebnis als das zweite Signal cosθs verwendet. Dadurch können die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 einander aufheben.
Vorzugsweise sind die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 und die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 jeweils ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T. Die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 und die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 können sich aber auch jeweils von einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T unterscheiden, solange die Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T in dem ersten Signal sinθs im Vergleich zu derjenigen in den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 reduziert ist und auch die Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T in dem zweiten Signal cosθs im Vergleich zu derjenigen in den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 reduziert ist.
In dieser Ausführungsform wird der erfasste Winkelwert unter Verwendung der zwei Erfassungseinheiten 10 und 20 bestimmt, die bis auf die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten der MR-Elemente jeweils dieselbe Konfiguration aufweisen. Also auch dann, wenn die Fehlerkomponenten in den entsprechenden Ausgabesignalen der Differenzschaltungen in Abhängigkeit von der Temperatur variieren, können die Fehlerkomponenten, die Fluktuationen aufgrund der Temperatur enthalten, in den Ausgabesignalen der Differenzschaltungen gegenseitig aufgehoben werden, wenn der erfasste Winkelwert bestimmt wird.
Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der erfasste Winkelwert mit weniger Temperatur-basierten Fehlervariationen erhalten werden.
Die Effekte des Drehfeldsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform werden im Folgenden im größeren Detail im Vergleich mit Drehfeldsensoren eines ersten und eines zweiten Vergleichsbeispiels beschrieben. Wenn ein Drehfeldsensor nur die erste Erfassungseinheit 10 und keine zweite Erfassungseinheit 20 enthält, wird der erfasste Winkelwert θs durch ein Verfahren berechnet, das dem mit Bezug auf die Gleichung (4) beschriebenen Verfahren ähnlich ist. Weil in diesem Fall die Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden, kann der erfasste Winkelwert θs einen Winkelfehler in Bezug auf den theoretischen Wert des erfassten Winkelwerts θs enthalten, der zu erwarten ist, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfelds ideal dreht. Der Winkelfehler ändert sich periodisch in Reaktion auf eine Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds, wobei die Änderung des Winkelfehlers von einer Änderung des erfassten Winkelwerts θs abhängt.
11 zeigt einen Winkelfehler dθ1 in dem erfassten Winkelwert θs, der unter Verwendung der Gleichung (4) auf der Basis der Wellenform des Ausgabesignals sinθ1 von 5 und der Wellenform des Ausgabesignals cosθ1 von 6 berechnet wird. In 11 gibt die horizontale Achse den Winkel θ1 wieder und gibt die vertikale Achse den Winkelfehler dθ1 wieder. Wenn wie in 11 gezeigt die Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111 und 112 in der Wellenform wie in 5 und 6 gezeigt verzerrt werden, weist der Winkelfehler dθ1 eine Periode von 1/4 der Signalperiode T auf, d. h. π/2 (90°).
Im Folgenden wird auf 12 bis 14 Bezug genommen, um die Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem Winkelfehler in einem Drehfeldsensor mit nur der ersten Erfassungseinheit 10 und ohne die zweite Erfassungseinheit 20 (nachfolgend als Drehfeldsensor des ersten Vergleichsbeispiels bezeichnet) und dem Winkelfehler in dem Drehfeldsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform zu erläutern. 12 zeigt die tatsächlich gemessenen Werte der Ausgabesignale sinθ1 und cosθ1 der Differenzschaltungen 111 und 112. In 12 gibt die horizontale Achse den Winkel θ wieder und gibt die vertikale Achse die normalisierte Ausgabe wieder. 13 zeigt die tatsächlich gemessenen Werte der Ausgabesignale sinθ2 und cosθ2 der Differenzschaltungen 121 und 122. In 13 gibt die horizontale Achse den Winkel θ wieder und gibt die vertikale Achse die normalisierte Ausgabe wieder.
Der Drehfeldsensor des ersten Vergleichsbeispiels weist bis auf die fehlende zweite Erfassungseinheit 20 dieselbe Konfiguration auf wie der Drehfeldsensor 1 von 3. Der Drehfeldsensor des ersten Vergleichsbeispiels berechnet den erfassten Winkelwert θs auf der Basis der Ausgabesignale sinθ1 und cosθ1 von 12 unter Verwendung der Gleichung (4). Der Drehfeldsensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt das erste Signal sinθs auf der Basis des Ausgabesignals sinθ1 von 12 und des Ausgabesignals sinθ2 von 13 unter Verwendung der Gleichung (1) und erzeugt das zweite Signal cosθs auf der Basis des Ausgabesignals cosθ1 von 12 und des Ausgabesignals cosθ2 von 13 unter Verwendung der Gleichung (2). Dann berechnet der Sensor den erfassten Winkelwert θs auf der Basis des ersten Signals sinθs und des zweiten Signals cosθs unter Verwendung der Gleichung (3).
14 zeigt die entsprechenden Winkelfehler in den erfassten Winkelwerten θs, die wie oben beschrieben berechnet wurden. In 14 gibt das Bezugszeichen dθ1 den Winkelfehler in dem erfassten Winkelwert θs an, der durch den Drehfeldsensor des ersten Vergleichsbeispiels erhalten wird, und gibt das Bezugszeichen dθ den Winkelfehler in dem erfassten Winkelwert θs an, der durch den Drehfeldsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform erhalten wird. In 14 gibt die horizontale Achse den Winkel θ wieder und gibt die vertikale Achse die Winkelfehler dθ und dθ1 wieder. Wie in 14 gezeigt, ist der Winkelfehler dθ kleiner als der Winkelfehler dθ1. In dem Beispiel von 14 weist der Winkelfehler dθ1 eine Amplitude von ±0,16° auf und weist der Winkelfehler dθ eine Amplitude von ±0,07° auf.
Der Drehfeldsensor gemäß dieser Ausführungsform erzielt also einen reduzierten Winkelfehler dθ in dem erfassten Winkelwert θs im Vergleich zu einem Drehfeldsensor, der nur die erste Erfassungseinheit 10 aber nicht die zweite Erfassungseinheit 20 enthält.
Wenn der erfasste Winkelwert θs auf der Basis der Ausgabesignale sinθ1 und cosθ1 berechnet wird, weist der Winkelfehler dθ1 in dem erfassten Winkelwert θs wie in 11 und 14 gezeigt eine Periode von π/2 (90°) auf. Durch die Verwendung des Drehfeldsensors eines im Folgenden beschriebenen zweiten Vergleichsbeispiels kann der Winkelfehler reduziert werden.
Der Drehfeldsensor des zweiten Vergleichsbeispiels weist ebenso wie der Drehfeldsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform eine erste und eine zweite Erfassungseinheit auf. Die erste Erfassungseinheit umfasst zwei Erfassungsschaltungen, deren Konfiguration mit derjenigen der ersten und der zweiten Erfassungsschaltung 11 und 12 identisch ist, und eine erste arithmetische Einheit, die einen ersten erfassten Winkelwert auf der Basis der Ausgabesignale dieser Erfassungsschaltungen berechnet. Der erste berechnete Winkelwert weist eine Entsprechungsbeziehung mit dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Die erste arithmetische Schaltung berechnet den ersten erfassten Winkelwert durch ein Verfahren, das dem mit Bezug auf die Gleichung (4) beschriebenen Verfahren ähnlich ist. Der erste erfasste Winkelwert enthält einen ersten Winkelfehler, der durch die MR-Elemente verursacht wird. Der erste Winkelfehler weist eine Periode von π/2 (90°) auf.
Die zweite Erfassungseinheit umfasst zwei Erfassungsschaltungen, deren Konfiguration identisch mit derjenigen der dritten und der vierten Erfassungsschaltung 21 und 22 ist, und eine zweite arithmetische Schaltung, die einen zweiten erfassten Winkelwert auf der Basis der Ausgabesignale dieser Erfassungsschaltungen berechnet. Der zweite erfasste Winkelwert weist eine Entsprechungsbeziehung mit dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsposition bildet. Die zweite arithmetische Schaltung berechnet den zweiten erfassten Winkelwert durch ein Verfahren, das dem mit Bezug auf die Gleichung (4) beschriebenen Verfahren ähnlich ist. Der zweite erfasste Winkelwert enthält einen zweiten Winkelfehler, der durch die MR-Elemente verursacht wird. Der zweite Winkelfehler weist eine Periode von π/2 (90°) auf.
Der Drehfeldsensor des zweiten Vergleichsbeispiels umfasst weiterhin eine dritte arithmetische Schaltung, die auf der Basis des ersten erfassten Winkelwerts und des zweiten erfassten Winkelwerts einen erfassten Wert des Winkels berechnet, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Der Drehfeldsensor des zweiten Vergleichsbeispiels ist derart konfiguriert, dass sich der erste erfasste Winkelwert und der zweite erfasste Winkelwert in der Phase durch 1/2 der Periode des ersten und des zweiten Winkelfehlers unterscheiden, d. h. durch π/4 (45°). Wenn also der erfasste Wert durch die dritte arithmetische Schaltung berechnet wird, weisen der erste Winkelfehler und der zweite Winkelfehler entgegen gesetzte Phasen auf. Deshalb können der erste Winkelfehler und der zweite Winkelfehler gegenseitig aufgehoben werden, indem der erste erfasste Winkelwert und der zweite erfasste Winkelwert addiert werden, wenn der erfasste Wert berechnet wird.
15 zeigt den ersten und den zweiten Winkelfehler und den Winkelfehler, der in dem wie oben beschrieben berechneten erfassten Wert enthalten ist. In 15 gibt das Bezugszeichen dθ1 den ersten Winkelfehler an, gibt das Bezugszeichen dθ2 den zweiten Winkelfehler an und gibt das Bezugszeichen dθ den Winkelfehler in dem erfassten Wert an. In 15 gibt das Bezugszeichen θ den Winkel an, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. In 15 gibt die horizontale Achse den Winkel θ wieder und gibt die vertikale Achse dθ1, dθs und dθ wieder. Wie in 15 gezeigt, ist der Winkelfehler dθ kleiner als der erste Winkelfehler dθ1 und der zweite Winkelfehler dθ2.
In dem Drehfeldsensor des zweiten Vergleichsbeispiels berechnet die erste arithmetische Schaltung den ersten erfassten Winkelwert und berechnet die zweite arithmetische Schaltung den zweiten erfassten Winkelwert. Um den ersten und den zweiten erfassten Winkelwert zu berechnen, muss die arithmetische Operation einschließlich der Arkustangens-Berechnung in der Gleichung (4) und der Bestimmung der Kombination aus positiven und negativen Vorzeichen der zwei Ausgabesignale zwei Mal ausgeführt werden. Eine derartige arithmetische Operation zum Berechnen des ersten und des zweiten erfassten Winkelwerts ist relativ komplex und erfordert eine lange Verarbeitungszeit. Das zweite Vergleichsbeispiel weist also den Nachteil auf, dass die Kosten für den Mikrocomputer zum Ausführen der arithmetischen Operation höher sind und die Genauigkeit des Drehfeldsensors aufgrund der langen Verarbeitungszeit beeinträchtigt werden kann.
Im Gegensatz dazu erzeugt in dieser Ausführungsform die erste arithmetische Schaltung 31 das erste Signal sinθs, erzeugt die zweite arithmetische Schaltung 32 das zweite Signal cosθs und erzeugt die dritte arithmetische Schaltung 33 den erfassten Winkelwert θs auf der Basis des ersten Signals sinθs und des zweiten Signals cosθs. Die durch die erste und die zweite arithmetische Schaltung 31 und 32 ausgeführten Operationen sind jeweils eine Addition oder eine Subtraktion und damit einfacher als eine arithmetische Operation mit einer Arkustangens-Berechnung. In dieser Ausführungsform wird eine arithmetische Operation einschließlich einer Arkustangens-Berechnung nur ein Mal durch die dritte arithmetische Schaltung 33 ausgeführt. Deshalb ist die arithmetische Operation zum Berechnen des erfassten Winkelwerts in dieser Ausführungsform einfacher als in dem zweiten Vergleichsbeispiel. Folglich können gemäß dieser Ausführungsform die Kosten den Mikrocomputers zum Ausführen der arithmetischen Operation reduziert werden und kann eine Beeinträchtigung der Genauigkeit aufgrund einer langen Verarbeitungszeit verhindert werden.
Im Folgenden wird auf 16 bis 18 Bezug genommen, um erste bis dritte Modifikationsbeispiele dieser Ausführungsform zu beschreiben. Im Folgenden wird zuerst das erste Modifikationsbeispiel mit Bezug auf 16 beschrieben. 16 ist ein Schaltungsdiagramm, das die arithmetische Einheit des ersten Modifikationsbeispiels zeigt. Der Drehfeldsensor des ersten Modifikationsbeispiels weist die arithmetische Einheit 130 von 16 anstelle der arithmetischen Einheit 30 von 3 auf. Ansonsten ist die Konfiguration des Drehfeldsensors des ersten Modifikationsbeispiels ist mit derjenigen des Drehfeldsensors 1 von 3 identisch.
Wie die arithmetische Einheit 30 von 3 umfasst die arithmetische Einheit 130 erste bis dritte arithmetische Schaltungen 31, 32 und 33, eine Steuereinheit 34, Eingangsanschlüsse IN1 bis IN8 und einen Ausgangsanschluss OUT1. Die arithmetische Einheit 130 umfasst weiterhin A/D-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22, Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 und Differenzdetektoren (Differenzverstärker) 311, 312, 321 und 322 anstelle der A/D-Wandler AD1 bis AD8, der Schalter SW1 bis SW8 und der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 der arithmetischen Einheit 30 von 3. Jeder der Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und ermöglicht die Wahl eines leitenden oder eines nicht-leitenden Zustands zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss. Jeder der Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322 weist einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf.
Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 311 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN1 und IN2 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 312 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN3 und IN4 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 321 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN5 und IN6 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 322 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN7 und IN8 verbunden. Die Eingänge der A/D-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22 sind jeweils mit den Ausgängen der Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322 verbunden. Die ersten Anschlüsse der Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 sind jeweils mit den Ausgängen der A/D-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22 verbunden.
Der Differenzdetektor 311 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 von 3 aus. Der A/D-Wandler AD11 wandelt das aus dem Differenzdetektor 311 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus. Der Differenzdetektor 312 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 von 3 aus. Der A/D-Wandler AD12 wandelt das aus dem Differenzdetektor 312 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus. Der Differenzdetektor 321 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 von 3 aus. Der A/D-Wandler AD21 wandelt das aus dem Differenzdetektor 321 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus. Der Differenzdetektor 322 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 von 3 aus. Der A/D-Wandler AD22 wandelt das aus dem Differenzdetektor 322 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus. Idealerweise weisen die Ausgabesignale der A/D-Wandler AD11 und AD21 Sinuswellenformen auf, die jeweils von den Winkeln θ1 und θ2 abhängen. Idealerweise weisen die Ausgabesignale aus den A/D-Wandlern AD12 und AD22 jeweils Cosinuswellenformen auf, die von den Winkeln θ1 und θ2 abhängen. Im Folgenden werden die Ausgabesignale der A/D-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22 jeweils durch sinθ1, cosθ1, sinθ2 und cosθ2 angegeben.
In dem ersten Modifikationsbeispiel ist der erste Eingang der ersten arithmetischen Schaltung 31 mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW11 verbunden. Der zweite Eingang der ersten arithmetischen Schaltung 31 ist mit dem zweiten Eingang des Schalters SW21 verbunden. Der erste Eingang der zweiten arithmetischen Schaltung 32 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW12 verbunden. Der zweite Eingang der zweiten arithmetischen Schaltung 32 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW22 verbunden.
In einem normalen Zustand befindet sich jeder der Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt der A/D-Wandler AD11 ein Signal (sinθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 zu der ersten arithmetischen Schaltung 31 aus. Der A/D-Wandler AD12 gibt ein Signal (cosθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 an die zweite arithmetische Schaltung 32 aus. Der A/D-Wandler AD21 gibt ein Signal (sinθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 zu ersten arithmetischen Schaltung 31 aus. Der A/D-Wandler AD22 gibt ein Signal (cosθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 zu der zweiten arithmetischen Schaltung 32 aus.
In dem ersten Modifikationsbeispiel versetzt in einem normalen Zustand, in dem alle ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 von 3 normal betrieben werden, die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 in einen leitenden Zustand. Wenn die dritte und/oder die vierte Erfassungsschaltung 21 und 22 von 3 ausfallen sollten, versetzt die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW11 und SW12 zu einem leitenden Zustand und versetzt jeden der Schalter SW21 und SW22 zu einem nicht-leitenden Zustand. Wenn die erste und/oder die zweite Erfassungsschaltung 11 und 12 von 3 ausfallen sollten, versetzt die Steuereinheit 34 jeden der Schalter SW11 und SW12 zu einem nicht-leitenden Zustand und jeden der Schalter 21 und 22 zu einem leitenden Zustand.
In dem ersten Modifikationsbeispiel bestimmt die Steuereinheit 34 den Ausfall der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 von 3 zum Beispiel wie folgt. Die Steuereinheit 34 überwacht den Widerstandswert der Brückenschaltung 14 von 3, die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen E11 und E12, den Ausgabewert des Differenzdetektors 311 und/oder den Ausgabewert des A/D-Wandlers AD11 und bestimmt auf der Basis davon, ob die erste Erfassungsschaltung 11 ausgefallen ist oder nicht. Die Steuereinheit 34 bestimmt, ob die anderen Erfassungsschaltungen 12, 21 und 22 ausgefallen sind oder nicht, indem sie ein ähnliches Verfahren wie für das Bestimmen des Ausfalls der ersten Erfassungsschaltung 11 verwendet.
Im Folgenden wird das zweite Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform mit Bezug auf 17 beschrieben. 17 ist ein Schaltungsdiagramm, das die arithmetische Einheit des zweiten Modifikationsbeispiels zeigt. Der Drehfeldsensor des zweiten Modifikationsbeispiels umfasst die arithmetische Einheit 230 von 17 anstelle der arithmetischen Einheit 30 von 3. Ansonsten entspricht die Konfiguration des Drehfeldsensors des zweiten Modifikationsbeispiels derjenigen des Drehfeldsensors 1 von 3.
Wie die arithmetische Einheit 130 von 16 umfasst die arithmetische Einheit 230 erste bis dritte arithmetische Schaltungen 31, 32 und 33, eine Steuereinheit 34, Eingangsanschlüsse IN1 bis IN8, einen Ausgangsanschluss OUT1, Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 und Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322. Die arithmetische Einheit 230 umfasst nicht die A/D-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22 der arithmetischen Einheit 130 von 16.
In dem zweiten Modifikationsbeispiel sind der erste und der zweite Eingang des Differenzdirektors 311 jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN1 und IN2 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 312 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN3 und IN4 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 321 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN6 und IN5 verbunden. Der erste und der zweite Eingang des Differenzdetektors 322 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen IN8 und IN7 verbunden. Die ersten Anschlüsse der Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 sind jeweils mit den Ausgängen der Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322 verbunden.
Der Differenzdetektor 311 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 von 3 aus. Der Differenzdetektor 312 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 von 3 aus. Der Differenzdetektor 321 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 von 3 aus. Dieses Signal weist ein dem Vorzeichen des Signals aus dem Differenzdetektor 321 des ersten Modifikationsbeispiels entgegen gesetztes Vorzeichen auf. Der Differenzdetektor 322 gibt ein Signal in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 von 3 aus. Das Signal weist ein dem Vorzeichen des Signals aus dem Differenzdetektor 322 des ersten Modifikationsbeispiels entgegen gesetztes Vorzeichen auf. Im Folgenden werden die Ausgabesignale der Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322 durch sinθ1, cosθ1, –sinθ2 und –cosθ2 angegeben.
In dem zweiten Modifikationsbeispiel umfasst die erste arithmetische Einheit 31 einen Differenzdetektor 331 und einen A/D-Wandler AD31. Der Differenzdetektor 331 weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang des Differenzdetektors 331 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW11 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzdetektors 331 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW21 verbunden. Der Eingang des A/D-Wandlers AD31 ist mit dem Ausgang des Differenzdetektors 331 verbunden. Der erste Eingang der dritten arithmetischen Schaltung 33 ist mit dem Ausgang des A/D-Wandlers AD31 verbunden. In einem normalen Zustand befindet sich jeder der Schalter SW11 und SW21 in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt der Differenzdetektor 311 ein Signal (sinθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 zu dem Differenzdetektor 331 aus. Der Differenzdetektor 321 gibt ein Signal (–sinθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 zu dem Differenzdetektor 331 aus. Der Differenzdetektor 331 gibt ein Signal (sinθ1 + sinθ2) aus, das durch das Subtrahieren des Ausgabesignals des Differenzdetektors 321 von dem Ausgabesignal des Differenzdetektors 311 erhalten wird. Der A/D-Wandler AD31 wandelt das aus dem Differenzdetektor 331 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus.
In dem zweiten Modifikationsbeispiel umfasst die zweite arithmetische Schaltung 32 einen Differenzdetektor 332 und einen A/D-Wandler AD32. Der Differenzdetektor 332 weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang des Differenzdetektors 332 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW12 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzdetektors 332 ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters SW22 verbunden. Der Eingang des A/D-Wandlers AD32 ist mit dem Ausgang des Differenzdetektors 332 verbunden. Der zweite Eingang der dritten arithmetischen Schaltung 33 ist mit dem Ausgang des A/D-Wandlers AD32 verbunden. In einem normalen Zustand befindet sich jeder der Schalter SW12 und SW22 in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt der Differenzdetektor 312 ein Signal (cosθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 zu dem Differenzdetektor 332 aus. Der Differenzdetektor 332 gibt ein Signal (–cosθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 zu dem Differenzdetektor 332 aus. Der Differenzdetektor 332 gibt ein Signal (cosθ1 + cosθ2) aus, das durch das Subtrahieren des Ausgabesignals des Differenzdetektors 322 von dem Ausgabesignal des Differenzdetektors 312 erhalten wird. Der A/D-Wandler AD32 wandelt das aus dem Differenzdetektor 332 ausgegebene Signal zu einem digitalen Signal um und gibt das resultierende digitale Signal aus.
In dem zweiten Modifikationsbeispiel bestimmt die Steuereinheit 34 einen Ausfall jeder der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 von 3 zum Beispiel wie folgt. Die Steuereinheit 34 überwacht den Widerstandswert der Brückenschaltung 14 von 3, die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen E11 und E12, den Ausgabewert des Differenzdetektors 311, den Ausgabewert des Differenzdetektors 331 und/oder den Ausgabewert des A/D-Wandlers AD31 und bestimmt auf der Basis davon, ob die erste Erfassungsschaltung 11 ausgefallen ist oder nicht. Die Steuereinheit 34 bestimmt, ob eine der anderen Erfassungsschaltungen 12, 21 und 22 ausgefallen ist, durch ein Verfahren, das dem Verfahren zum Bestimmen eines Ausfalls der ersten Erfassungsschaltung 11 ähnlich ist.
Im Folgenden wird das dritte Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform mit Bezug auf 18 beschrieben. 18 ist ein Schaltungsdiagramm, das die arithmetische Einheit des dritten Modifikationsbeispiels zeigt. Der Drehfeldsensor des dritten Modifikationsbeispiels umfasst die arithmetische Einheit 330 von 18 anstelle der arithmetischen Einheit 30 von 3. Ansonsten entspricht die Konfiguration des Drehfeldsensors des dritten Modifikationsbeispiels derjenigen des Drehfeldsensors 1 von 3.
Wie die arithmetische Einheit 230 von 17 umfasst die arithmetische Einheit 330 erste bis dritte arithmetische Schaltungen 31, 32 und 33, eine Steuereinheit 34, Eingangsanschlüsse IN1 bis IN8, einen Ausgangsanschluss OUT1, Schalter SW11, SW12, SW21 und SW22 und Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322. Dieselben Eingangsanschlüsse wie in dem ersten Modifikationsbeispiel von 16 sind mit den entsprechenden Eingängen der Differenzdetektoren 311, 312, 321 und 322 verbunden. Die erste arithmetische Schaltung 31 umfasst einen Differenzdetektor 331, einen A/D-Wandler AD31 und drei Widerstände R51, R52 und R53. Die zweite arithmetische Schaltung 32 umfasst einen Differenzdetektor 332, einen A/D-Wandler AD32 und drei Widerstände R61, R62 und R63.
In dem dritten Modifikationsbeispiel sind die zweiten Anschlüsse der Schalter SW11 und SW21 über die Widerstände R51 und R52 mit dem ersten Anschluss des Differenzdetektors 331 verbunden. Der Ausgang des Differenzdetektors 331 ist über den Widerstand R53 mit dem ersten Eingang des Differenzdetektors 331 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzdetektors 331 ist mit der Erde verbunden. In einem normalen Zustand befindet sich jeder der Schalter SW11 und SW21 in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt der Differenzdetektor 311 ein Signal (sinθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 zu dem Differenzdetektor 331 aus. Der Differenzdetektor 321 gibt ein Signal (sinθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E31 und E32 zu dem Differenzdetektor 331 aus. Der Differenzdetektor 331 gibt ein Signal (sinθ1 + sinθ2) aus, das durch das Addieren des Ausgabesignals des Differenzdetektors 311 und des Ausgabesignals des Differenzdetektors 321 erhalten wird.
In dem dritten Modifikationsbeispiel sind die zweiten Anschlüsse der Schalter SW12 und SW22 über die Widerstände R61 und R62 mit dem ersten Eingang des Differenzdetektors 332 verbunden. Der Ausgang des Differenzdetektors 332 ist über den Widerstand R63 mit dem ersten Eingang des Differenzdetektors 332 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzdetektors 332 ist mit der Erde verbunden. In einem normalen Zustand befindet sich jeder der Schalter SW12 und SW22 in einem leitenden Zustand. In diesem Zustand gibt der Differenzdetektor 312 ein Signal (cosθ1) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 zu dem Differenzdetektor 332 aus. Der Differenzdetektor 322 gibt ein Signal (cosθ2) in Entsprechung zu der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E41 und E42 zu dem Differenzdetektor 332 aus. Der Differenzdetektor 332 gibt ein Signal (cosθ1 + cosθ2) aus, das durch das Addieren des Ausgabesignals des Differenzdetektors 312 und des Ausgabesignals des Differenzdetektors 322 erhalten wird.
In dem dritten Modifikationsbeispiel bestimmt die Steuereinheit 34 einen Ausfall der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22 von 3 zum Beispiel durch dasselbe Verfahren wie in dem zweiten Modifikationsbeispiel.
Im Folgenden wird ein Drehfeldsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 19 beschrieben. 19 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In 19 ist ein Magnet 102 mit einem oder mehreren Paaren von alternierend und ringförmig angeordneten N- und S-Polen als ein Beispiel für die Einrichtung zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds mit einer sich drehenden Richtung gezeigt. In dem Beispiel von 19 umfasst der Magnet 102 zwei Paare von N- und S-Polen. Der Drehfeldsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 102 erzeugt wird. In dem Beispiel von 19 ist die Zeichnungsebene von 19 eine XY-Ebene und ist die Richtung senkrecht zu der Ebene die Z-Richtung. Die N- und S-Pole des Magneten 102 sind symmetrisch in Bezug auf die Drehmitte parallel zu der Z-Richtung angeordnet. Der Magnet 102 dreht sich um die Drehmitte. Daraus resultiert, dass ein sich drehendes Magnetfeld durch den Magneten 102 erzeugt wird. Das sich drehende Magnetfeld dreht sich um die Drehmitte (die Z-Richtung). In dem Beispiel von 19 dreht sich der Magnet 102 gegen den Uhrzeigersinn und dreht sich das sich drehende Magnetfeld im Uhrzeigersinn.
In dem Beispiel von 19 ist die erste Richtung D1, die die durch die erste Erfassungseinheit 10 erfasste Richtung einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, auf eine Radialrichtung des Magneten 102 gesetzt. Die dritte Richtung D3, die die durch die zweite Erfassungseinheit 20 erfasste Richtung einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, ist auf eine Richtung gesetzt, die von der ersten Richtung D1 um –60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedreht ist. Die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 unterscheiden sich also durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds. Die dritte Richtung D3 kann auf eine Richtung gesetzt sein, die von der ersten Richtung D1 um 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedreht ist.
Die erste Richtung D1 und eine zweite Richtung (nicht gezeigt), die die durch die erste Erfassungseinheit 10 erfasste Richtung einer anderen Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, weisen dieselbe Beziehung auf wie zwischen der ersten Richtung D1 und der zweiten Richtung D2 in der ersten Ausführungsform von 2. Entsprechend befinden sich die dritte Richtung D3 und die vierte Richtung D4 (nicht gezeigt), die die durch die zweite Erfassungseinrichtung 20 erfasste Richtung einer anderen Komponente des sich drehenden Magnetfels darstellt, in derselben Beziehung wie zwischen der dritten Richtung D3 und der vierten Richtung D4 in der ersten Ausführungsform von 2. Anstelle der ersten Richtung D1 kann die zweite Richtung auf die Radialrichtung des Magneten 102 gesetzt sein. In diesem Fall ist die vierte Richtung eine um –60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedrehte Richtung.
Im Folgenden wird auf 20 bis 22 Bezug genommen um erste bis dritte Modifikationsbeispiele dieser Ausführungsform zu beschreiben. Im Folgenden wird zuerst das erste Modifikationsbeispiel mit Bezug auf 20 beschrieben. 20 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors des ersten Modifikationsbeispiels dieser Ausführungsform zeigt. Die Konfiguration des Drehfeldsensors 1 des ersten Modifikationsbeispiels entspricht grundsätzlich derjenigen des Drehfeldsensors von 19. In dem Beispiel von 20 unterscheiden sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds und sind beide in Bezug auf die Radialrichtung des Magneten 102 in der XY-Ebene geneigt. Vorzugsweise weisen die Winkel, die die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 in Bezug auf die Radialrichtung des Magneten 102 bilden, einen gleichen absoluten Wert auf und betragen insbesondere 30° und –30° (die Richtung, in der sich das sich drehende Magnetfeld dreht, ist positiv). Bei einer derartigen Konfiguration können die Positionsbeziehung zwischen der Erfassungseinheit 10 und dem sich drehenden Magnetfeld und die Positionsbeziehung zwischen der Erfassungseinheit 20 und dem sich drehenden Magnetfeld gleich sein, sodass keine Korrektur vorgenommen werden muss, die ansonsten bei unterschiedlichen Positionsbeziehungen erforderlich ist.
Im Folgenden wird das zweite Modifikationsbeispiel mit Bezug auf 21 beschrieben. 21 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors des zweiten Modifikationsbeispiels zeigt. In 21 ist ein Magnet 103 mit einer Vielzahl von Paaren von alternierend und in einer Linie angeordneten N- und S-Polen als ein Beispiel für die Einrichtung zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds mit einer sich drehenden Richtung gezeigt. Der Drehfeldsensor 1 des zweiten Modifikationsbeispiels erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 103 erzeugt wird. In dem Beispiel von 21 ist die Zeichnungsebene von 21 eine XY-Ebene und ist die Richtung senkrecht zu der Ebene die Z-Richtung. Der Magnet 103 vollzieht eine gerade Bewegung in seiner Längsrichtung zusammen mit einer geraden Bewegung eines Objekts. Daraus resultiert, dass das sich drehende Magnetfeld auf der Basis des durch den Magneten 103 erzeugten Magnetfelds auftritt. Das sich drehende Magnetfeld dreht sich um die Z-Richtung.
In dem Beispiel von 21 ist die erste Richtung D1 auf eine Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 in der XY-Ebene gesetzt. Die dritte Richtung D3 ist auf eine Richtung gesetzt, die von der ersten Richtung D1 um –60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedreht ist. Deshalb unterscheiden sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 voneinander durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds.
Im Folgenden wird das dritte Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform mit Bezug auf 22 beschrieben. 22 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Drehfeldsensors des dritten Modifikationsbeispiels zeigt. Die Konfiguration des Drehfeldsensors 1 des dritten Modifikationsbeispiels entspricht grundsätzlich derjenigen des Drehfeldsensors 1 von 21. In dem Beispiel von 22 unterscheiden sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 voneinander durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds und sind beide in Bezug auf die Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 in der XY-Ebene geneigt. Vorzugsweise weisen wie in dem ersten Modifikationsbeispiel die Winkel, die die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 in Bezug auf die Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 bilden, einen gleichen absoluten Wert auf und betragen insbesondere 30° und –30° (die Richtung, in der sich das sich drehende Magnetfeld dreht, ist positiv).
Ansonsten sind die Konfiguration, der Betrieb und die Effekte dieser Ausführungsform identisch mit denjenigen der ersten Ausführungsform.
Im Folgenden wird ein Drehfeldsensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 23 beschrieben. 23 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Der Drehfeldsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das durch den Außenumfang des Magneten 102 erzeugt wird, wie in den Beispielen der zweiten Ausführungsform von 19 und 20. In dem Drehfeldsensor 1 dieser Ausführungsform unterscheiden sich die erste Position P1, an der die erste Erfassungseinheit 10 das sich drehende Magnetfeld erfasst, und die zweite Position P2, an der die zweite Erfassungseinheit 20 das sich drehende Magnetfeld erfasst, voneinander. Insbesondere sind in dieser Ausführungsform die erste Erfassungseinheit 10 und die zweite Erfassungseinheit 20 an verschiedenen Positionen angeordnet. Die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 entspricht einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T.
In dem Beispiel von 23 umfasst der Magnet 102 zwei Paare von N- und S-Polen, wobei eine Drehung des Magneten 102 zwei Drehungen des sich drehenden Magnetfelds erzeugt. In diesem Fall entspricht eine Periode der Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 von 3 in der ersten Ausführungsform, d. h. ein elektrischer Winkel von 360°, einer halben Drehung des Magneten, d. h. einem Drehwinkel von 180° des Magneten 102. Die in den Ausgabesignalen der Differenzschaltungen enthaltenen Fehlerkomponenten weisen eine Periode (eine Fehlerkomponentenperiode) von 1/3 der Signalperiode T auf. Diese Fehlerkomponentenperiode entspricht 120° im elektrischen Winkel und 60° im Drehwinkel des Magneten 102. In dieser Ausführungsform entspricht die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 einem ganzzahligen Vielfachen 1/6 der Signalperiode T, d. h. einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (60° im elektrischen Winkel) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). 23 zeigt ein Beispiel, in dem die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 einem ganzzahligen Vielfachen von 30° in dem Drehwinkel des Magneten 102 entspricht (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 90° in dem Drehwinkel des Magneten 102). In dem Beispiel von 23 unterscheiden sich die erste Position P1 und die zweite Position P2 durch 30° in dem Drehwinkel des Magneten 102 voneinander.
In dem Beispiel von 23 sind die erste Richtung D1, die die durch die erste Erfassungseinrichtung 10 erfasste Richtung einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, und die dritte Richtung D3, die die durch die zweite Erfassungseinheit 20 erfasste Richtung einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, beide auf Radialrichtungen des Magneten 102 gesetzt. Die erste Richtung D1 und eine zweite Richtung (nicht gezeigt), die die durch die erste Erfassungseinrichtung 10 erfasste Richtung einer anderen Komponente des sich drehenden Magnetfels darstellt, stehen in derselben Beziehung wie zwischen der ersten Richtung D1 und der zweiten Richtung D2 in der ersten Ausführungsform von 2. Entsprechend stehen die dritte Richtung D3 und eine vierte Richtung (nicht gezeigt), die die durch die zweite Erfassungseinheit 20 erfasste Richtung einer anderen Komponente des sich drehenden Magnetfelds darstellt, in derselben Beziehung wie zwischen der dritten Richtung D3 und der vierten Richtung D4 in der ersten Ausführungsform von 2. Folglich entsprechen die Phasendifferenz zwischen dem Ausgabesignal sinθ1, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der ersten Richtung D1 an der ersten Position P1 angibt, und dem Ausgabesignal sinθ2, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der dritten Richtung D3 an der zweiten Position P2 angibt, und die Phasendifferenz zwischen dem Ausgabesignal cosθ1, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der zweiten Richtung an der ersten Position P1 angibt, und dem Ausgabesignal cosθ2, das die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der vierten Richtung an der zweiten Position P2 angibt, beide einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T, d. h. einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (60° im elektrischen Winkel) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T).
Anstelle der ersten Richtung D1 und der dritten Richtung D3 können auch die zweite Richtung und die vierte Richtung auf Radialrichtungen des Magneten 102 gesetzt sein.
In dieser Ausführungsform unterscheiden sich wie in der ersten Ausführungsform die Ausgabesignale sinθ1 und sinθ2 in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode. Deshalb heben sich die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal sinθ2 gegenseitig auf, wenn das erste Signal sinθs erzeugt wird. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich wie in der ersten Ausführungsform die Ausgabesignale cosθ1 und cosθ2 in der Phase um ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode. Deshalb heben sich die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ1 und die Fehlerkomponente in dem Ausgabesignal cosθ2 gegenseitig auf, wenn das zweite Signal cosθs erzeugt wird. Folglich kann gemäß dieser Ausführungsform der Fehler in dem erzeugten Winkelwert θs reduziert werden.
Im Folgenden wird auf 24 Bezug genommen, um einen Drehfeldsensor eines Modifikationsbeispiels dieser Ausführungsform zu beschreiben. 24 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration des Drehfeldsensors des Modifikationsbeispiels zeigt. Der Drehfeldsensor 1 des Modifikationsbeispiels erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 103 erzeugt wird, wie in den Beispielen der zweiten Ausführungsform von 21 und 22. Wenn sich in dem Beispiel von 24 der Magnet 103 um einen Schritt, d. h. um ein Paar von N- und S-Polen bewegt, vollzieht das sich drehende Magnetfeld eine Drehung. In diesem Fall entspricht eine Periode der Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122, d. h. ein elektrischer Winkel von 360° einem Schritt des Magneten 103. Die in den Ausgabesignalen enthaltenen Fehlerkomponenten weisen eine Periode (eine Fehlerkomponentenperiode) von 1/3 der Signalperiode T auf. Diese Fehlerkomponentenperiode entspricht einem Drittel eines Schritts. In dieser Ausführungsform entspricht die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T, d. h. einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (60° im elektrischen Winkel) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). 24 zeigt ein Beispiel, in dem die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 eines Schritts des Magneten 103 (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 eines Schritts des Magneten 103) entspricht. In dem Beispiel von 24 unterscheiden sich die erste Position P1 und die zweite Position P2 durch 1/6 eines Schritts voneinander.
In dem Beispiel von 24 sind die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 auf eine Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 in der XY-Ebene gesetzt. Folglich entsprechen die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen sinθ1 und sinθ2 und die Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen cosθ1 und cosθ2 einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T, d. h. einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (60° im elektrischen Winkel) (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T).
Ansonsten entsprechen die Konfiguration, der Betrieb und die Effekte der vorliegenden Erfindung denjenigen der zweiten Ausführungsform.
Im Folgenden wird ein Drehfeldsensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 25 beschrieben. 25 ist ein Schaltdiagramm, das die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Der Drehfeldsensor 1 dieser Ausführungsform verwendet anisotropische Magnetowiderstandselemente (AMR-Elemente) für alle magnetischen Erfassungselemente in den Brückenschaltungen 14, 16, 24 und 26. In diesem Fall erzeugt eine Drehung des sich drehenden Magnetfelds zwei Perioden der Änderung der Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 in Entsprechung zu den Ausgabesignalen der Erfassungsschaltungen 11, 12, 21 und 22. Folglich weisen die Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 dieser Ausführungsform eine Periode auf, die einer halben Drehung des sich drehenden Magnetfelds und damit 1/2 der Periode der Ausgabesignale der Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 der ersten Ausführungsform entspricht. In dieser Ausführungsform weisen die in den Ausgabesignalen enthaltenen Fehlerkomponenten ebenfalls eine Periode (eine Fehlerkomponentenperiode) von 1/2 der Periode der Fehlerkomponenten in der ersten Ausführungsform auf.
25 zeigt auch die erste Richtung D1, die als Bezugsrichtung dient, wenn die erste Erfassungsschaltung 11 das sich drehende Magnetfeld erfasst, und die dritte Richtung D3, die als Bezugsrichtung dient, wenn die dritte Erfassungsschaltung 21 das sich drehende Magnetfeld erfasst. In dem Beispiel von 25 ist die dritte Richtung D3 eine Richtung, die von der ersten Richtung D1 um –30° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedreht ist. Die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 unterscheiden sich also voneinander durch 30° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds. In dieser Ausführungsform kann die dritte Richtung D3 eine Richtung sein, die von der ersten Richtung D1 um 30° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds in der XY-Ebene gedreht ist. Die zweite Richtung (nicht gezeigt), die als Bezugsrichtung dient, wenn die zweite Erfassungsschaltung 12 das sich drehende Magnetfeld erfasst, ist eine Richtung, die von der ersten Richtung D1 um –45° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds gedreht ist. Die vierte Richtung (nicht gezeigt), die als Bezugsrichtung dient, wenn die vierte Erfassungsschaltung 22 das sich drehende Magnetfeld erfasst, ist eine Richtung, die von der dritten Richtung D3 um –45° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds gedreht ist.
In dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Ausgabesignale sinθ1 und sinθ2 wie in der ersten Ausführungsform in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode. Deshalb heben die in dem Ausgabesignal sinθ1 enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal sinθ2 enthaltene Fehlerkomponente einander auf, wenn das erste Signal sinθs erzeugt wird. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich auch die Ausgabesignale cosθ1 und cosθ2 wie in der ersten Ausführungsform in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2. Deshalb heben sich die in dem Ausgabesignal cosθ1 enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal cosθ2 enthaltene Fehlerkomponente gegenseitig auf, wenn das zweite Signal cosθs erzeugt wird. Folglich kann gemäß dieser Ausführungsform der Fehler in dem erfassten Winkelwert θs reduziert werden.
In dieser Ausführungsform können der Magnet 102 der zweiten Ausführungsform von 19 und 20 oder der Magnet 103 der zweiten Ausführungsform von 21 und 22 als Einrichtung zum Erzeugen des sich drehenden Magnetfelds mit einer sich drehenden Richtung verwendet werden. In diesem Fall unterscheiden sich die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 durch 30° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds voneinander. Wenn die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 wie in dem Beispiel von 20 gezeigt geneigt sind, weisen die Winkel, die die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 in Bezug auf die Radialrichtung des Magneten 102 bilden, vorzugsweise einen gleichen absoluten Wert auf und betragen insbesondere 15° und –15° (die Richtung, in der sich das sich drehende Magnetfeld dreht, ist positiv). Und wenn die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 wie in dem Beispiel von 22 gezeigt geneigt sind, weisen die Winkel, die die erste Richtung D1 und die dritte Richtung D3 in Bezug auf die Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 bilden, vorzugsweise einen absoluten Wert auf und betragen insbesondere 15° und –15° (die Richtung, in der sich das sich drehende Magnetfeld dreht, ist positiv).
In dieser Ausführungsform können die erste Erfassungseinheit 10 und die zweite Erfassungseinheit 20 wie in der dritten Ausführungsform an verschiedenen Positionen angeordnet sein, sodass sich die erste Position P1 und die zweite Position P2 voneinander unterscheiden. In diesem Fall entspricht die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode T, d. h. einem ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Fehlerkomponentenperiode (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T). Wenn insbesondere der Drehfeldsensor 1 die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 102 von 23 erzeugt wird, erfassen soll, muss die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 ein ganzzahliges Vielfaches von 15° im Drehwinkel des Magneten 102 sein (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 45° in dem Drehwinkel des Magneten 102). Wenn der Drehfeldsensor 1 die Richtung des sich drehenden Magnetfelds erfassen soll, das von dem Außenumfang des Magneten 103 von 24 erzeugt wird, muss die Differenz zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 des Schrittes des Magneten 102 sein (mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/4 des Schrittes des Magneten 103).
Ansonsten sind die Konfiguration, der Betrieb und die Effekte dieser Ausführungsform identisch mit denjenigen der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform können Hall-Elemente anstelle der AMR-Elemente verwendet werden.
Im Folgenden wird ein Drehfeldsensor gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 26 bis 28 beschrieben. 26 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. 27 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration des Drehfeldsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt. 28 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Konfiguration eines Drehfeldsensors gemäß einem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform zeigt. Zuerst wird die Konfiguration des Drehfeldsensors 201 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. In 27 ist ein Magnet 102 der zweiten Ausführungsform von 19 und 20 als ein Beispiel für die Einrichtung zum Erzeugen eines sich drehenden Magnetfelds mit einer sich drehenden Richtung gezeigt. Der Drehfeldsensor 201 erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 102 erzeugt wird, wie in den Beispielen der zweiten Ausführungsform von 19 und 20.
Wie in 26 gezeigt, umfasst der Drehfeldsensor 201 eine erste und eine zweite zusammengesetzte Erfassungseinheit 210A und 210B. Die erste zusammengesetzte Erfassungseinheit 210A erfasst einen Winkel θA, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an einer ersten Bezugsposition PRA in Bezug auf eine erste Bezugsrichtung DRA bildet. Die zweite zusammengesetzte Erfassungseinheit 210B erfasst einen Winkel θB, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an einer zweiten Bezugsposition PRB in Bezug auf eine zweite Bezugsrichtung DRB bildet. 27 zeigt die erste und die zweite Bezugsposition PRA und PRB und die erste und die zweite Bezugsrichtung DRA und DRB. Wie in 27 gezeigt, ist die zweite Bezugsposition DRB von der ersten Bezugsposition DRA um eine Größe versetzt, die 1/4 der Drehperiode des sich drehenden Magnetfelds entspricht, d. h. um 90° im elektrischen Winkel. Die erste und die zweite Bezugsrichtung DRA und DRB sind auf radiale Richtungen des Magneten 102 gesetzt. Der Winkel OB, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der zweiten Bezugsposition PRB in Bezug auf die zweite Bezugsrichtung DRB bildet, unterscheidet sich von dem Winkel θA, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der ersten Bezugsposition PRA in Bezug auf die erste Bezugsrichtung DRA bildet, um einen Winkel, der 90° im elektrischen Winkel entspricht.
Jede der zusammengesetzten Erfassungseinheiten 210A und 210B weist dieselbe Konfiguration auf wie der Drehfeldsensor 1 der ersten Ausführungsform. Insbesondere umfasst die erste zusammengesetzte Erfassungseinheit 210A eine erste Erfassungseinheit 10A, eine zweite Erfassungseinheit 20A, eine erste arithmetische Schaltung 31A, eine zweite arithmetische Schaltung 32A und eine dritte arithmetische Schaltung 33A, die jeweils dieselbe Konfiguration aufweisen wie die erste Erfassungseinheit 10, die zweite Erfassungseinheit 20, die erste arithmetische Schaltung 31, die zweite arithmetische Schaltung 32 und die dritte arithmetische Schaltung 33. Entsprechend umfasst die zweite zusammengesetzte Erfassungseinheit 210B eine dritte Erfassungseinheit 10B, eine vierte Erfassungseinheit 20B, eine vierte arithmetische Schaltung 31B, eine fünfte arithmetische Schaltung 32B und eine sechste arithmetische Schaltung 33B, die jeweils dieselbe Konfiguration aufweisen wie die erste Erfassungseinheit 10, die zweite Erfassungseinheit 20, die erste arithmetische Schaltung 31, die zweite arithmetische Schaltung 32 und die dritte arithmetische Schaltung 33. Obwohl nicht in 26 gezeigt, umfasst jede der ersten und der zweiten zusammengesetzten Erfassungseinheiten 210A und 210B zusätzlich zu den vorstehend genannten Komponenten die A/D-Wandler AD1 bis AD8, die Schalter SW1 bis SW8, die Differenzschaltungen 111, 112, 121 und 122 und die Steuereinheit 34, die alle in 3 gezeigt sind. Die erste Erfassungseinheit 10A ist an einer ersten Position angeordnet. Die zweite Erfassungseinheit 20A ist an einer zweiten Position angeordnet. Die dritte Erfassungseinheit 10B ist an einer dritten Position angeordnet. Die vierte Erfassungseinheit 20B ist an einer vierten Position angeordnet.
Die relative Positionsbeziehung der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10A und 20A in Bezug auf den Magneten 102 entspricht derjenigen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 in Bezug auf den Magneten 102 in der zweiten Ausführungsform. Die relative Positionsbeziehung der dritten und der vierten Erfassungseinheit 10B und 20B in Bezug auf den Magneten 102 entspricht auch derjenigen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 in Bezug auf den Magneten 102 in der zweiten Ausführungsform. Die dritte und die vierte Erfassungseinheit 10B und 20B sind an Positionen angeordnet, die von den Positionen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10A und 20A jeweils um eine Größe versetzt sind, die 1/4 der Drehperiode des sich drehenden Magnetfelds entspricht, d. h. um einen elektrischen Winkel von 90°.
Die Position, an der die erste Erfassungseinheit 10A angeordnet ist, ist die erste Position. Die Position, an der die zweite Erfassungseinheit 20A angeordnet ist, ist die zweite Position. Die Beziehungen zwischen der ersten Bezugsposition PRA und der ersten und der zweiten Position entsprechen den Beziehungen zwischen der Bezugsposition PR und der ersten und der zweiten Position P1 und P2 in der ersten Ausführungsform von 2. Die erste Bezugsposition PRA, die erste Position und die zweite Position entsprechen jeweils der Bezugsposition PR, der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 von 2. Die erste Position und die zweite Position entsprechen einander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds und fallen mit der ersten Bezugsposition PRA zusammen.
Die erste Erfassungseinheit 10A erfasst an der ersten Position eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer ersten Richtung und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer zweiten Richtung. Die zweite Erfassungseinheit 20A erfasst an der zweiten Position eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer dritten Richtung und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer vierten Richtung. Die Beziehungen zwischen der ersten Bezugsrichtung DRA und den ersten bis vierten Richtungen entsprechen den Beziehungen zwischen der Bezugsrichtung DR und den ersten bis vierten Richtungen D1 bis D4 in der ersten Ausführungsform von 2. Die erste Bezugsrichtung DRA, die erste Richtung, die zweite Richtung, die dritte Richtung und die vierte Richtung entsprechen jeweils der Bezugsrichtung DR, der ersten Richtung D1, der zweiten Richtung D2, der dritten Richtung D3 und der vierten Richtung D4 von 2. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind orthogonal zueinander. Und die dritte Richtung und die vierte Richtung sind orthogonal zueinander. Die erste Richtung und die dritte Richtung unterscheiden sich voneinander durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds. Die zweite Richtung fällt mit der ersten Bezugsrichtung DRA zusammen.
Die Position, an der die erste Erfassungseinheit 10B angeordnet ist, ist die dritte Position. Die Position, an der die vierte Erfassungseinheit 20B angeordnet ist, ist die vierte Position. Die Beziehungen zwischen der zweiten Bezugsposition PRB und der dritten und der vierten Position sind identisch mit den Beziehungen zwischen der Bezugsposition PR und der ersten und der zweiten Position P1 und P2 in der Ausführungsform von 2. Die zweite Bezugsposition PRB, die dritte Position und die vierte Position entsprechen jeweils der Bezugsposition PR, der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 von 2. Die dritte Position und die vierte Position entsprechen einander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds und fallen mit der zweiten Bezugsposition PRB zusammen.
Die dritte Erfassungseinheit 10B erfasst an der dritten Position eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer fünften Richtung und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer sechsten Richtung. Die vierte Erfassungseinheit 20B erfasst an der vierten Position eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer siebten Richtung und eine Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer achten Richtung. Die Beziehungen zwischen der zweiten Bezugsrichtung DRB und den fünften bis achten Richtungen entsprechen den Beziehungen zwischen der Bezugsrichtung DR und den ersten bis vierten Richtungen D1 bis D4 in der ersten Ausführungsform von 2. Die zweite Bezugsrichtung DRB, die fünfte Richtung, die sechste Richtung, die siebte Richtung und die achte Richtung entsprechen jeweils der Bezugsrichtung DR, der ersten Richtung D1, der zweiten Richtung D2, der dritten Richtung D3 und der vierten Richtung D4 von 2. Die fünfte Richtung und die sechste Richtung sind orthogonal zueinander. Und die siebte Richtung und die achte Richtung sind orthogonal zueinander. Die fünfte Richtung und die siebte Richtung unterscheiden sich durch 60° in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds voneinander. Die sechste Richtung fällt mit der zweiten Bezugsrichtung DRB zusammen.
Die erste Erfassungseinheit 10A umfasst eine erste Erfassungsschaltung 11A und eine zweite Erfassungsschaltung 12A. Die erste Erfassungsschaltung 11A und die zweite Erfassungsschaltung 12A weisen jeweils dieselbe Konfiguration auf wie die erste Erfassungsschaltung 11 und die zweite Erfassungsschaltung 12 der ersten Ausführungsform. Die erste Erfassungsschaltung 11A erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der ersten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die zweite Erfassungsschaltung 12A erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der zweiten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die erste Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die erste Erfassungsschaltung 11A das sich drehende Magnetfeld erfasst. Die zweite Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die zweite Erfassungsschaltung 12A das sich drehende Magnetfelds erfasst.
Die zweite Erfassungseinheit 20A umfasst eine dritte Erfassungsschaltung 21A und eine vierte Erfassungsschaltung 22A. Die dritte Erfassungsschaltung 21A und die vierte Erfassungsschaltung 22A weisen jeweils dieselbe Konfiguration auf wie die dritte Erfassungsschaltung 21 und die vierte Erfassungsschaltung 22 der ersten Ausführungsform. Die dritte Erfassungsschaltung 21A erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der dritten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die vierte Erfassungsschaltung 22A erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der vierten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die dritte Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die dritte Erfassungsschaltung 21A das sich drehende Magnetfeld erfasst. Die vierte Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die vierte Erfassungsschaltung 22A das sich drehende Magnetfeld erfasst.
Die dritte Erfassungseinheit 10B umfasst eine fünfte Erfassungsschaltung 11B und eine sechste Erfassungsschaltung 12B. Die fünfte Erfassungsschaltung 11B und die sechste Erfassungsschaltung 12B weisen jeweils dieselbe Konfiguration auf wie die erste Erfassungsschaltung 11 und die zweite Erfassungsschaltung 12 der ersten Ausführungsform. Die fünfte Erfassungsschaltung 11B erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der fünften Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die sechste Erfassungsschaltung 12B erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der sechsten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die fünfte Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die fünfte Erfassungsschaltung 11B das sich drehende Magnetfeld erfasst. Die sechste Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die sechste Erfassungsschaltung 12b das sich drehende Magnetfeld erfasst.
Die vierte Erfassungseinheit 20B umfasst eine siebte Erfassungsschaltung 21B und eine achte Erfassungsschaltung 22B. Die siebte Erfassungsschaltung 21B und die achte Erfassungsschaltung 22B weisen dieselbe Konfiguration auf wie die dritte Erfassungsschaltung 21 und die vierte Erfassungsschaltung 22 der ersten Ausführungsform. Die siebte Erfassungsschaltung 21B erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der siebten Richtung und gibt ein die Intensität ausgebendes Signal aus. Die achte Erfassungsschaltung 22B erfasst die Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der achten Richtung und gibt ein die Intensität angebendes Signal aus. Die siebte Richtung dient als Bezugsrichtung, wenn die siebte Erfassungsschaltung 21B das sich drehende Magnetfeld erfasst. Die achte Richtung dient als Bezugsposition, wenn die achte Erfassungsschaltung 22B das sich drehende Magnetfeld erfasst.
In dem Beispiel von 27 umfasst der Magnet 102 zwei Paare von N- und S-Polen, wobei eine Drehung des Magneten 102 zwei Drehungen des sich drehenden Magnetfelds erzeugt. In diesem Fall entspricht eine Periode der Ausgabesignale der Erfassungsschaltungen 11A, 12A, 21A, 22A, 11B, 12B, 21B und 22B, d. h. ein elektrischer Winkel von 360°, einer halben Drehung des Magneten 102, d. h. einem Drehwinkel von 180° des Magneten 102. Die Ausgabesignale der ersten bis achten Erfassungsschaltungen 11A, 12A, 21A, 22A, 11B, 12B, 21B und 22B durchlaufen periodische Änderungen mit derselben Signalperiode T. Das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21A unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11A in der Phase. Das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22A unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12A in der Phase. Das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung 21B unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung 11B in der Phase. Das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung 22B unterscheidet sich von dem Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung 12B in der Phase. In dieser Ausführungsform erfüllen die Phasen der Ausgabesignale der ersten bis achten Erfassungsschaltungen 11A, 12A, 21A, 22A, 11B, 12B, 21B und 22B vorzugsweise die folgenden Beziehungen.
Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12A von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11A in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Und vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22A von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21A in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Aufgrund einer mangelnden Produktionsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente und anderer Faktoren können sich die Differenz in der Phase zwischen dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11A und dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12A und die Differenz zwischen dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21A und dem Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22A jeweils geringfügig von einem ungeraden Vielfachen von 1/4 der Signalperiode T unterscheiden. Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21A von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11A in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T.
Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung 12B von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung 11B in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Und vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung 22B von dem Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung 21B in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode T. Aufgrund einer mangelnden Produktionsgenauigkeit der magnetischen Erfassungselemente und anderer Faktoren können sich die Differenz in der Phase zwischen dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung 11B und dem Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung 12B und die Differenz zwischen dem Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung 21B und dem Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung 22B jeweils geringfügig von einem ungeraden Vielfachen von 1/4 der Signalperiode T unterscheiden. Vorzugsweise unterscheidet sich das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung 21B von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung 11B in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode T mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode T. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Phasen der Ausgabesignale der ersten bis achten Erfassungsschaltungen 11A, 12A, 21A, 22A, 11B, 12B, 21B und 22B die oben beschriebenen bevorzugten Beziehungen erfüllen.
Die erste arithmetische Schaltung 31A erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltung 11A und 21A ein erstes Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der ersten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der dritten Richtung aufweist. Das erste Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T im Vergleich zu den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung 11A und 21A. Die zweite arithmetische Schaltung 32A erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung 12A und 22A ein zweites Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der zweiten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der vierten Richtung aufweist. Das zweite Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T im Vergleich zu den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung 12A und 22A. Auf der Basis des ersten Signals und des zweiten Signals berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33A einen erfassten Wert des Winkels θA, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der ersten Bezugsposition PRA in Bezug auf die erste Bezugsrichtung DRA bildet. Im Folgenden wird der durch die dritte arithmetische Einheit 33A berechnete erfasste Wert als ein erster erfasster Winkelwert bezeichnet und durch das Bezugszeichen θAs angegeben. Der erste erfasste Winkelwert θAs wird durch dasselbe Verfahren berechnet wie der erfasste Winkelwert θs in der ersten Ausführungsform. Wenn man von Fehlern absieht, weist der erste erfasste Winkelwert θAs eine Differenz mit einem konstanten Wert (einschließlich von 0) von dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an einer Bezugsrichtung in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet. Der erste erfasste Winkelwert θAs weist also eine Entsprechungsbeziehung mit dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet.
Die vierte arithmetische Schaltung 31B erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der fünften und siebten Erfassungsschaltungen 11B und 21B ein drittes Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der fünften Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der siebten Richtung aufweist. Das dritte Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T im Vergleich zu den Ausgabesignalen der fünften und der siebten Erfassungsschaltung 11B und 21B. Die fünfte arithmetische Schaltung 32B erzeugt auf der Basis der Ausgabesignale der sechsten und der achten Erfassungsschaltung 12B und 22B ein viertes Signal, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der sechsten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds in der achten Richtung aufweist. Das vierte Signal enthält eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode T im Vergleich zu den Ausgabesignalen der sechsten und der achten Erfassungsschaltung 12B und 22B. Auf der Basis des dritten Signals und des vierten Signals berechnet die sechste arithmetische Schaltung 33B einen erfassten Wert des Winkels θB, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der zweiten Bezugsposition PRB in Bezug auf die zweite Bezugsposition DRB bildet. Im Folgenden wird der durch die sechste arithmetische Schaltung 33B berechnete erfasste Wert als ein zweiter erfasster Winkelwert bezeichnet und durch das Bezugszeichen θBs angegeben. Der zweite erfasste Winkelwert θBs wird durch dasselbe Verfahren berechnet wie der erfasste Winkelwert θs in der ersten Ausführungsform. Wenn man von Fehlern absieht, weist der zweite erfasste Winkelwert θBs eine Differenz mit einem konstanten Wert (einschließlich von 0) von dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsrichtung in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Der zweite erfasste Winkelwert θBs weist also eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel auf, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet.
Wie in 26 gezeigt, umfasst der Drehfeldsensor 201 weiterhin eine siebte arithmetische Schaltung 211, die einen erfassten Winkelwert θs berechnet, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an einer Bezugsposition des Drehfeldsensors 201 in Bezug auf eine Bezugsrichtung des Drehfeldsensors 201 bildet. Die siebte arithmetische Schaltung 211 berechnet den erfassten Winkelwert θs auf der Basis des ersten erfassten Winkelwerts θAs, der durch die dritte arithmetische Schaltung 33A berechnet wird, und auf der Basis des zweiten erfassten Winkelwerts θBs, der durch die sechste arithmetische Schaltung 33b berechnet wird. Die siebte arithmetische Schaltung 211 kann zum Beispiel durch einen Mikrocomputer implementiert werden. Die Bezugsposition und die Bezugsrichtung des Drehfeldsensors 201 können jeweils mit der ersten Bezugsposition PRA und der ersten Bezugsrichtung DRA oder mit der zweiten Bezugsposition PRB und der zweiten Bezugsrichtung DRB zusammenfallen. Es kann sich aber auch jeweils um beliebige andere Positionen und Richtungen handeln.
Im Folgenden wird auf 28 Bezug genommen, um die Konfiguration eines Drehfeldsensors 201 gemäß einem Modifikationsbeispiel dieser Ausführungsform zu beschreiben. In 28 ist der Magnet 103 der zweiten Ausführungsform von 21 und 22 als ein Beispiel für die Einrichtung zum Erzeugen des sich drehenden Magnetfelds mit einer sich drehenden Richtung gezeigt. Der Drehfeldsensor 201 des Modifikationsbeispiels erfasst die Richtung des sich drehenden Magnetfelds, das von dem Außenumfang des Magneten 103 erzeugt wird, wie in den Beispielen der zweiten Ausführungsform von 21 und 22.
28 zeigt die erste und die zweite Bezugsposition PRA und PRB und auch die erste und die zweite Bezugsrichtung DRA und DRB. Wie in 28 gezeigt, ist die zweite Bezugsposition PRB von der ersten Bezugsposition PRA um eine Größe versetzt, die 1/4 der Drehperiode des sich drehenden Magnetfelds oder 90° im elektrischen Winkel entspricht, d. h. um 1/4 des Schritts des Magneten 103. In dem Beispiel von 28 sind die erste und die zweite Bezugsrichtung DRA und DRB beide auf eine Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 in der XY-Ebene gesetzt.
Die relative Positionsbeziehung der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10A und 20A in Bezug auf den Magneten 103 entspricht derjenigen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 in Bezug auf den Magneten 103 in der zweiten Ausführungsform. Die relative Positionsbeziehung der dritten und der vierten Erfassungseinheit 10B und 20B in Bezug auf den Magneten 103 entspricht derjenigen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10 und 20 mit Bezug auf den Magneten 103 in der zweiten Ausführungsform. In dem Modifikationsbeispiel sind die dritte und die vierte Erfassungseinheit 10B und 20B an Positionen angeordnet, die von den Positionen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10A und 20A jeweils um eine Größe versetzt sind, die 1/4 der Drehperiode des sich drehenden Magnetfelds oder 90° im elektrischen Winkel entspricht, d. h. um 1/4 des Schritts des Magneten 103.
Im Folgenden wird das Verfahren beschrieben, mit dem die siebte arithmetische Schaltung 211 den erfassten Winkelwert θs berechnet. In dieser Ausführungsform berechnet die siebte arithmetische Schaltung 211 den erfassten Winkelwert θs auf der Basis des ersten erfassten Winkelwerts θAs, der durch die dritte arithmetische Schaltung 33A der zusammengesetzten Erfassungseinheit 210A berechnet wird, und des zweiten erfassten Winkelwerts θBs, der durch die sechste arithmetische Schaltung 33B der zusammengesetzten Erfassungseinheit 310B berechnet wird. In den Beispielen von 27 und 28 sind die dritte und die vierte Erfassungseinheit 10B und 20B der zusammengesetzten Erfassungseinheit 210B an Positionen angeordnet, die von den Positionen der ersten und der zweiten Erfassungseinheit 10A und 20A der zusammengesetzten Erfassungseinheit 210A um eine Größe versetzt sind, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht. Der durch die zusammengesetzte Erfassungseinheit 210A erhaltene erste erfasste Winkelwert θAs und der durch die zusammengesetzte Erfassungseinheit 210B erhaltene zweite erfasste Winkelwert θBs unterscheiden sich also in der Phase durch einen elektrischen Winkel von 90°. In diesen Beispielen berechnet die siebte arithmetische Schaltung 211 den erfassten Winkelwert θs unter Verwendung der folgenden Gleichung (6): θs = (θAs + θBs + π/2)/2 (6)
Im Folgenden werden der Betrieb und die Effekte des Drehfeldsensors 201 beschrieben. In dem Drehfeldsensor 201 berechnet die dritte arithmetische Schaltung 33A den ersten erfassten Winkelwert θAs auf der Basis des ersten Signals und des zweiten Signals. Das erste Signal wird auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltung 11A und 21A erzeugt. Und das zweite Signal wird auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung 12A und 22A erzeugt. In dem Drehfeldsensor 201 berechnet die sechste arithmetische Schaltung 33B den zweiten erfassten Winkelwert θBs auf der Basis des dritten Signals und des vierten Signals. Das dritte Signal wird auf der Basis der Ausgabesignale der fünften und der siebten Erfassungsschaltungen 11B und 21B erzeugt. Und das vierte Signal wird auf der Basis der Ausgabesignale der sechsten und der achten Erfassungsschaltung 12B und 22B erzeugt. Auf der Basis des ersten erfassten Winkelwerts θAs und des zweiten erfassten Winkelwerts θBs berechnet die siebte arithmetische Schaltung 211 unter Verwendung der Gleichung (6) den erfassten Winkelwert θs, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel aufweist, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet.
Der Drehfeldsensor 201 gemäß dieser Ausführungsform ist geeignet, um Winkelfehler zu reduzieren, die aus dem sich drehenden Magnetfeld resultieren. Im Folgenden wird auf 27 bis 29 Bezug genommen, um die Gründe für das Auftreten von Winkelfehlern in Verbindung mit dem sich drehenden Magnetfeld zu beschreiben. In dem Beispiel von 27 enthält das sich drehende Magnetfeld eine nicht gezeigte Komponente Hr in der Radialrichtung des Magneten 102 und eine nicht gezeigte Komponente Hθ in der Richtung orthogonal zu Hr in der XY-Ebene. In dem Beispiel von 28 enthält das sich drehende Magnetfeld eine nicht gezeigte Komponente Hr in der Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Magneten 103 in der XY-Ebene und eine nicht gezeigte Komponente Hθ in der Richtung orthogonal zu Hr in der XY-Ebene.
Es soll in dem Beispiel von 27 oder 28 angenommen werden, dass das sich drehende Magnetfeld durch die erste und die zweite Erfassungseinheit 10A und 20A erfasst wird und dann der erste erfasste Winkelwert θAs auf der Basis der Ausgabesignale der Erfassungseinheiten 10A und 20A erhalten wird. 29 zeigt ein Beispiel für die Beziehung zwischen Hr, Hθ und θAs und einen ersten Winkelfehler dθA in einem derartigen Fall. In 29 gibt die horizontale Achse den Winkel θA wieder und gibt die vertikale Achse Hr, Hθ, θAs und dθA wieder. Der Einfachheit halber gibt 29 den ersten erfassten Winkelwert θAs auf der vertikalen Achse in Werten nach einer Subtraktion von 180° an, wenn der tatsächliche Wert sich in dem Bereich von 90° bis 270° befindet, und in Werten nach einer Subtraktion von 360° an, wenn der tatsächliche Wert sich in dem Bereich von 270° bis 360° befindet. In der weiteren Beschreibung werden 29 ähnliche Diagramme in der gleichen Weise wie in 29 dargestellt. Der Einfachheit halber zeigt 29 die Wellenform des ersten Winkelfehlers dθA mit einer übertrieben dargestellten Amplitude. In dem Beispiel von 27 oder 29 durchlaufen die Richtung des sich drehenden Magnetfelds und die Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds in einer Richtung manchmal keine sinusförmige Änderung. In einem derartigen Fall enthält der erste erfasste Winkelwert θAs einen ersten Winkelfehler dθA in Bezug auf einen theoretischen Wert des ersten erfassten Winkelwerts θAs, der zu erwarten ist, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfels ideal dreht. Und wenn die dritte und die vierte Erfassungseinheit 10B und 20B das sich drehende Magnetfeld erfassen und dann der zweite erfasste Winkelwert θBs auf der Basis der Ausgabesignale der Erfassungseinheiten 10B und 20B erhalten wird, enthält der zweite erfasste Winkelwert θBs einen zweiten Winkelfehler dθB in Bezug auf einen theoretischen Wert des zweiten erfassten Winkelwerts θBs, der zu erwarten ist, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfelds ideal dreht. Der erste und der zweiten Winkelfehler dθA und dθB durchlaufen periodische Änderungen mit derselben Winkelfehlerperiode in Reaktion auf eine Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds. Die Änderung des ersten und des zweiten Winkelfehlers dθA und dθB hängt von der Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfelds ab. Die Winkelfehlerperiode entspricht 1/2 der Drehperiode der Richtung des sich drehenden Magnetfelds.
Mit Bezug auf 30 und 31 wird im Folgenden beschrieben, wie der Drehfeldsensor 201 verwendet werden kann, um die Winkelfehler zu reduzieren, die aus dem sich drehenden Magnetfeld resultieren. Der Teil (a) von 30 zeigt die Beziehung zwischen dem ersten erfassten Winkelwert θAs und dem in dem ersten erfassten Winkelwert θAs enthaltenen ersten Winkelfehler dθA. Der Teil (b) von 30 zeigt die Beziehung zwischen dem zweiten erfassten Winkelwert θBs und dem in dem zweiten erfassten Winkelwert θBs enthaltenen zweiten Winkelfehler dθB. In dem Beispiel von 30 weisen der erste Winkelfehler dθA und der zweite Winkelfehler dθB jeweils eine Amplitude von ±0,17° auf. In dieser Ausführungsform sind die dritte Position und die vierte Position von der ersten Position und der zweiten Position jeweils um eine Größe versetzt, die 1/2 der Winkelfehlerperiode (90° im elektrischen Winkel) entspricht, und unterscheiden sich der erste und der zweite erfasste Winkelwert dθA und dθB in der Phase durch 1/2 der Winkelfehlerperiode (90° im elektrischen Winkel). Wenn also der erfasste Winkelwert θs berechnet wird, befinden der erste Winkelfehler dθA und der zweite Winkelfehler dθB in entgegen gesetzten Phasen. Folglich heben sich der erste Winkelfehler dθA und der zweite Winkelfehler dθB gegenseitig auf.
31 zeigt die Beziehung zwischen dem wie oben beschrieben berechneten erfassten Winkelwert θs und einem in dem erfassten Winkelwert θs enthaltenen Winkelfehler dθ. In 31 gibt das Bezugszeichen θ den Winkel an, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds an der Bezugsposition in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet. Wie in 31 gezeigt, ist der Winkelfehler dθ wesentlich kleiner als der erste Winkelfehler dθA und der zweite Winkelfehler dθB. In dem Beispiel von 31 weist der Winkelfehler dθ eine Amplitude von ±0,03° auf.
In dieser Ausführungsform sind die dritte Position und die vierte Position jeweils von der ersten Position und der zweiten Position um eine Größe versetzt, die 1/2 der Winkelfehlerperiode entspricht. Die dritte und die vierte Position dagegen können jeweils von der ersten und der zweiten Position um eine Größe versetzt sein, die einem ungeraden Vielfachen von 1/2 der Winkelfehlerperiode entspricht. In einem derartigen Fall heben sich der Winkelfehler dθA und der Winkelfehler dθB gegenseitig auf, wodurch der in dem erfassten Winkelwert θs enthaltene Winkelfehler dθ wesentlich reduziert wird.
In dieser Ausführungsform ist die Phasendifferenz zwischen dem ersten erfassten Winkelwert θAs und dem zweiten erfassten Winkelwert θBs nicht auf 90° im elektrischen Winkel beschränkt, sondern kann einen beliebigen Wert aufweisen. Wenn die Phasendifferenz zwischen dem ersten erfassten Winkel θAs und dem zweiten erfassten Winkelwert θBs gleich β ist, berechnet die siebte arithmetische Schaltung 211 den erfassten Winkelwert θs unter Verwendung der folgenden Gleichung (7): θs = (θAs + θBs + (3)/2 (7)
In der vorliegenden Ausführungsform wird der erste erfasste Winkelwert θAs durch dasselbe Verfahren berechnet wie der erfasste Winkelwert θs in der ersten Ausführungsform. Wenn also wie mit Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert die Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden, befinden sich die in dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung 11A enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung 21A enthaltene Fehlerkomponente in entgegen gesetzten Phasen, wenn das erste Signal erzeugt wird, und befinden sich die in dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung 12A enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung 22A enthaltene Fehlerkomponente in entgegen gesetzten Phasen, wenn das zweite Signal erzeugt wird. Diese Ausführungsform kann in gleicher Weise wie für die erste Ausführungsform beschrieben den durch die MR-Elemente verursachten Fehler in dem ersten erfassten Winkelwert θAs reduzieren.
In dieser Ausführungsform wird der zweite erfasste Winkelwert θBs durch dasselbe Verfahren berechnet wie der erfasste Winkelwert θs in der ersten Ausführungsform. Wenn also wie mit Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert die Ausgabesignal-Wellenformen der MR-Elemente durch die MR-Elemente selbst verzerrt werden, befinden sich die in dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung 11B enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung 21B enthaltene Fehlerkomponente in entgegen gesetzten Phasen, wenn das dritte Signal erzeugt wird, und befinden sich die in dem Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung 12B enthaltene Fehlerkomponente und die in dem Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung 22B enthaltene Fehlerkomponente in entgegen gesetzten Phasen, wenn das vierte Signal erzeugt wird. Diese Ausführungsform kann in gleicher Weise wie für die erste Ausführungsform beschrieben den durch die MR-Elemente verursachten Fehler in dem ersten erfassten Winkelwert θBs reduzieren. Weil wie oben beschrieben in dieser Ausführungsform der durch die MR-Elemente verursachte Fehler in dem ersten und in dem zweiten erfassten Winkelwert θAs und θBs reduziert werden kann, kann der durch die MR-Elemente reduzierte Fehler auch in dem als Endergebnis erfassten Winkelwert θs reduziert werden.
Ansonsten sind die Konfiguration, der Betrieb und die Effekte dieser Ausführungsform identisch mit denjenigen der zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, die auf verschiedene Weise modifiziert werden können. Zum Beispiel ist die beschriebene Anordnung der Vielzahl von Erfassungseinheiten in den vorstehenden Ausführungsformen lediglich beispielhaft aufzufassen. Es können zahlreiche Modifikationen an der beschriebenen Anordnung der Vielzahl von Erfassungseinheiten innerhalb des durch die Ansprüche definierten Erfindungsumfangs vorgenommen werden.
Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung allgemein auf verschiedene Weise ausgeführt werden kann und zahlreiche Modifikationen an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können. Die vorliegende Erfindung kann weiterhin durch andere Ausführungsformen als die hier beschriebenen realisiert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6943544 B2 [0003]
US 6633462 B2 [0003, 0004, 0006]

Claims

Drehfeldsensor zum Erfassen eines Winkels, den eine Richtung eines sich drehenden Magnetfelds an einer Bezugsposition in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass: der Drehfeldsensor (1; 201) umfasst: eine erste Erfassungseinheit (10; 10A), die das sich drehende Magnetfeld (MF) an einer ersten Position (P1) erfasst, und eine zweite Erfassungseinheit (20; 20A), die das sich drehende Magnetfeld (MF) an einer zweiten Position (P2) erfasst, die erste Erfassungseinheit (10; 10A) eine erste Erfassungsschaltung (11), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer ersten Richtung (D1) erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine zweite Erfassungsschaltung (12), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer zweiten Richtung (D2) erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, umfasst, die zweite Erfassungseinheit (20) eine dritte Erfassungsschaltung (21), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer dritten Richtung (D3) erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine vierte Erfassungsschaltung (22), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer vierten Richtung (D4) erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, umfasst, jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen (11, 12, 21, 22) wenigstens ein magnetisches Erfassungselement enthält, die Ausgabesignale der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen (11, 12, 21, 22) periodische Änderungen mit derselben Signalperiode (T) durchlaufen, sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung (21) von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung (11) in der Phase unterscheidet, sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung (22) von dem Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung (12) in der Phase unterscheidet, und der Drehfeldsensor (1; 201) weiterhin umfasst: eine erste arithmetische Schaltung (31; 31A), die auf der Basis der Ausgabesignale der ersten und der dritten Erfassungsschaltung (11, 21) ein erstes Signal erzeugt, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der ersten Richtung (D1) und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der dritten Richtung (D3) aufweist, wobei das erste Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode (T) im Vergleich zu den Ausgabesignalen der ersten und der dritten Erfassungsschaltung (11, 21) aufweist, eine zweite arithmetische Schaltung (32; 32A), die auf der Basis der Ausgabesignale der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung (12, 22) ein zweites Signal erzeugt, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der zweiten Richtung (D2) und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der vierten Richtung (D4) aufweist, wobei das zweite Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode (T) im Vergleich zu den Ausgabesignalen der zweiten und der vierten Erfassungsschaltung (12, 22) aufweist, und eine dritte arithmetische Schaltung (33; 33A), die auf der Basis des ersten und des zweiten Signals einen erfassten Winkelwert (θs) berechnet, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel (θ) aufweist, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) an der Bezugsposition (PR) in Bezug auf die Bezugsrichtung (DR) bildet.
Drehfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung (12) von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung (11) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet, sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung (21) von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung (11) durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode (T) mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode (T) unterscheidet, und sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung (22) von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung (21) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet.
Drehfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position (P1) und die zweite Position (P2) einander in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) entsprechen, wobei sich die erste Richtung (D1) und die dritte Richtung (D3) in der Drehrichtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) durch einen Raumwinkel voneinander unterscheiden, der einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode (T) mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode (T) entspricht.
Drehfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Position (P1) und die zweite Position (P2) voneinander unterscheiden, wobei die Differenz zwischen der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2) einem ganzzahligen Vielfachen von 1/6 der Signalperiode (T) mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode (T) entspricht.
Drehfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen (11, 12, 21, 22) als das wenigstens eine magnetische Erfassungselement ein Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen enthält.
Drehfeldsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der ersten bis vierten Erfassungsschaltungen (11, 12, 21, 22) eine Wheatstone-Brückenschaltung (14, 16, 24, 26) aufweist, die ein erstes Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen (R11, R12, R21, R22, R31, R32, R41, R42) und ein zweites Paar von in Reihe verbundenen magnetischen Erfassungselementen (R13, R14, R23, R24, R33, R34, R43, R44) enthält.
Drehfeldsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Erfassungselemente jeweils Magnetowiderstandselemente sind.
Drehfeldsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Magnetowiderstandselemente eine hinsichtlich der Magnetisierung gepinnte Schicht (53), deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht (51), deren Magnetisierungsrichtung in Übereinstimmung mit der Richtung des sich drehenden Magnetfelds variiert, und eine nicht-magnetische Schicht (54), die zwischen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schicht (53) und der freien Schicht (51) angeordnet ist, umfasst.
Drehfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass: die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten (53) der Magnetowiderstandselemente in der zweiten Erfassungsschaltung (12) orthogonal zu denjenigen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten (53) der Magnetowiderstandselemente in der ersten Erfassungsschaltung (11) sind, und die Magnetisierungsrichtungen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten (53) der Magnetowiderstandselemente in der vierten Erfassungsschaltung (22) orthogonal zu denjenigen der hinsichtlich der Magnetisierung gepinnten Schichten (53) der Magnetowiderstandselemente in der dritten Erfassungsschaltung (21) sind.
Drehfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der Drehfeldsensor (1; 201) weiterhin umfasst: eine dritte Erfassungseinheit (10B), die das sich drehende Magnetfeld an einer dritten Position erfasst, und eine vierte Erfassungseinheit (20B), die das sich drehende Magnetfeld an einer vierten Position erfasst, die dritte Erfassungseinheit (10B) eine fünfte Erfassungsschaltung (11B), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer fünften Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine sechste Erfassungsschaltung (12B), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer sechsten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, umfasst, die vierte Erfassungseinheit (20B) eine siebte Erfassungsschaltung (21B), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer siebten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, und eine achte Erfassungsschaltung (22B), die eine Intensität einer Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in einer achten Richtung erfasst und ein die Intensität angebendes Signal ausgibt, umfasst, jede der fünften bis achten Erfassungsschaltungen (11B, 12B, 21B, 22B) wenigstens ein magnetisches Erfassungselement enthält, die Ausgabesignale der ersten bis achten Erfassungsschaltungen (11, 12, 21, 22, 11B, 12B, 21B, 22B) periodische Änderungen mit derselben Signalperiode (T) durchlaufen, sich das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung (21B) von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung (11B) in der Phase unterscheidet, sich das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung (22B) von dem Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung (12B) in der Phase unterscheidet, und der Drehfeldsensor (1; 201) weiterhin umfasst: eine vierte arithmetische Schaltung (31B), die auf der Basis der Ausgabesignale der fünften und der siebten Erfassungsschaltung (11B, 21B) ein drittes Signal erzeugt, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der fünften Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der siebten Richtung aufweist, wobei das dritte Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode (T) im Vergleich zu den Ausgabesignalen der fünften und der siebten Erfassungsschaltung (11B, 21B) aufweist, eine fünfte arithmetische Schaltung (32B), die auf der Basis der Ausgabesignale der sechsten und der achten Erfassungsschaltung (12B, 22B) ein viertes Signal erzeugt, das eine Entsprechungsbeziehung zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der sechsten Richtung und zu der Intensität der Komponente des sich drehenden Magnetfelds (MF) in der achten Richtung aufweist, wobei das vierte Signal eine reduzierte Fehlerkomponente mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode (T) im Vergleich zu den Ausgabesignalen der sechsten und der achten Erfassungsschaltung (12B, 22B) aufweist, und eine sechste arithmetische Schaltung (33B), die auf der Basis des dritten und des vierten Signals einen zweiten erfassten Winkelwert (θBs) berechnet, der eine Entsprechungsbeziehung zu dem Winkel (θ) aufweist, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) an der Bezugsposition (PR) in Bezug auf die Bezugsrichtung (DR) bildet, und siebte arithmetische Schaltung (211), die auf der Basis eines ersten erfassten Winkelwerts (θAS), der der durch die dritte arithmetische Schaltung (33; 33A) berechnete erfasste Winkelwert (θs) ist, und auf der Basis des durch die sechste arithmetische Schaltung (33B) berechneten zweiten erfassten Winkelwerts (θBs) einen erfassten Wert (θs) des Winkels (θ) berechnet, den die Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) an der Bezugsposition (PR) in Bezug auf die Bezugsrichtung (DR) bildet.
Drehfeldsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass: sich das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsschaltung (12) von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung (11) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet, sich das Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung (21) von dem Ausgabesignal der ersten Erfassungsschaltung (11) in der Phase durch ein ganzzahliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode (T) mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode (T) unterscheidet, sich das Ausgabesignal der vierten Erfassungsschaltung (22) von dem Ausgabesignal der dritten Erfassungsschaltung (21) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet, sich das Ausgabesignal der sechsten Erfassungsschaltung (12B) von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung (11B) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet, sich das Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung (21B) von dem Ausgabesignal der fünften Erfassungsschaltung (11B) in der Phase durch ein ganzzaliges Vielfaches von 1/6 der Signalperiode (T) mit Ausnahme eines ganzzahligen Vielfachen von 1/2 der Signalperiode (T) unterscheidet, und sich das Ausgabesignal der achten Erfassungsschaltung (22B) von dem Ausgabesignal der siebten Erfassungsschaltung (21B) in der Phase durch ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Signalperiode (T) unterscheidet.
Drehfeldsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste erfasste Winkelwert (θAS) einen ersten Winkelfehler (dθA) in Bezug auf einen theoretischen Wert des ersten erfassten Winkelwerts (θAs) enthält, der zu erwarten ist, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) ideal dreht, der zweite erfasste Winkelwert (θBs) einen zweiten Winkelfehler (dθB) in Bezug auf einen theoretischen Wert des zweiten erfassten Winkelwerts (θBs) enthält, der zu erwarten ist, wenn sich die Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) ideal dreht, der erste und der zweite Winkelfehler (dθA, dθB) periodische Änderungen mit derselben Winkelfehlerperiode in Reaktion auf eine Änderung der Richtung des sich drehenden Magnetfels (MF) durchlaufen, wobei die Änderungen des ersten Winkelfehlers (dθA) und des zweiten Winkelfehlers (dθA) von der Änderung in der Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) abhängen, und die dritte Position und die vierte Position jeweils von der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2) um eine Größe versetzt sind, die einem ungeraden Vielfachen von 1/2 der Winkelfehlerperiode entspricht.
Drehfeldsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelfehlerperiode 1/2 der Drehperiode der Richtung des sich drehenden Magnetfelds (MF) entspricht.