DE102017128139A1

DE102017128139A1 - Winkelsensor und Winkelsensorsystem

Info

Publication number: DE102017128139A1
Application number: DE102017128139.8A
Authority: DE
Inventors: Kenkichi Anagawa; Shinichirou MOCHIZUKI; Hiraku Hirabayashi; Kazuya Watanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US20180164127A1; US10871381B2

Abstract

Ein Winkelsensor umfasst eine Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen zusammengesetzter Magnetfeldinformationen und eine Winkelberechnungseinheit. Die Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst an einer Vielzahl von Erfassungspositionen ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem zu erfassenden Magnetfeld und einem Rauschmagnetfeld, bei dem es sich nicht um das zu erfassende Magnetfeld handelt, und erzeugen dadurch eine Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, die Informationen über zumindest die Richtung, aus Richtung und Stärke, des zusammengesetzten Magnetfelds beinhalten. Das zu erfassende Magnetfeld variiert in seiner Richtung gemäß einem zu erfassenden Winkel an jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen. Die Winkelberechnungseinheit erzeugt einen Erfassungswinkelwert mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor und ein Winkelsensorsystem zum Erzeugen eines Erfassungswinkelwerts, der eine Entsprechung zu einem zu erfassenden Winkel hat.
Beschreibung der verwandten Technik
In den letzten Jahren wurden Winkelsensoren weitverbreitet in verschiedenen Anwendungen genutzt, wie etwa der Erfassung der Drehstellung eines Lenkrads oder eines Servolenkungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Die Winkelsensoren erzeugen einen Erfassungswinkelwert mit einer Entsprechung zu einem zu erfassenden Winkel. Beispiele der Winkelsensoren umfassen einen Magnetwinkelsensor. Ein Winkelsensorsystem, das einen Magnetwinkelsensor nutzt, ist typischerweise mit einer Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines zu erfassenden Magnetfelds versehen, dessen Richtung sich als Reaktion auf die Drehung bzw. Linearbewegung eines Objekts dreht. Die Magnetfelderzeugungseinheit ist beispielsweise ein Magnet. Der durch den Magnetwinkelsensor zu erfassende Winkel hat eine Entsprechung zu einem Winkel, den die Richtung des zu erfassenden Magnetfelds an einer Referenzposition bezüglich einer Referenzrichtung bildet.
Zu den bekannten Magnetwinkelsensoren zählt ein Sensor, der eine Vielzahl von Erfassungsschaltungen zum Erzeugen einer Vielzahl von Erfassungssignalen unterschiedlicher Phasen umfasst, und der einen Erfassungswinkelwert vermittels Durchführen einer Operation mithilfe der Vielzahl von Erfassungssignalen erzeugt, wie in DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 offenbart. Jede der Vielzahl von Erfassungsschaltungen erfasst ein zu erfassendes Magnetfeld. Jede der Vielzahl von Erfassungsschaltungen umfasst zumindest ein Magneterfassungselement.
Bei manchen Magnetwinkelsensoren kann, wie in DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 beschrieben, jede Erfassungsschaltung nicht nur einem zu erfassenden Magnetfeld ausgesetzt sein, sondern auch einem Rauschmagnetfeld, bei dem es sich nicht um das zu erfassende Magnetfeld handelt. Beispiele für ein Rauschmagnetfeld umfassen das Erdmagnetfeld und ein Streumagnetfeld von einem Motor. Wenn einem solchen Rauschmagnetfeld ausgesetzt, erfasst jede Erfassungsschaltung ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zu erfassenden Magnetfeld und dem Rauschmagnetfeld. Wenn das zu erfassende Magnetfeld und das Rauschmagnetfeld in unterschiedlichen Richtungen liegen, kommt es in dem Erfassungswinkelwert zu einem gewissen Fehler. Der Fehler, der in dem Erfassungswinkelwert auftritt, wird nachfolgend als Winkelfehler bezeichnet.
Die DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 beschreiben Drehfeldsensoren, die in der Lage sind, einen durch ein Rauschmagnetfeld erzeugten Winkelfehler zu verringern. Jeder der in DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren ist mit einer Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Drehmagnetfelds und einer ersten und zweiten Erfassungseinheit versehen. Das Drehmagnetfeld umfasst ein erstes Teilmagnetfeld, das an einer ersten Position vorliegt, und ein zweites Teilmagnetfeld, das an einer zweiten Position vorliegt. Die Richtungen des ersten Teilmagnetfelds und des zweiten Teilmagnetfelds unterschieden sich um 180° voneinander und drehen sich in derselben Drehrichtung. Die erste Erfassungseinheit ist eingerichtet, an der ersten Position ein zusammengesetztes Magnetfeld des ersten Teilmagnetfelds und eines Rauschmagnetfelds zu erfassen. Die zweite Erfassungseinheit ist eingerichtet, an der zweiten Position ein zusammengesetztes Magnetfeld des zweiten Teilmagnetfelds und des Rauschmagnetfelds zu erfassen. Die in DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren führen unter Verwendung der Ausgaben von der ersten und zweiten Erfassungseinheit Operationen durch, um dadurch einen Erfassungswinkelwert zu erzeugen, bei dem der durch das Rauschmagnetfeld hervorgerufene Winkelfehler verringert ist.
Die in DE 10 2011 079 019 A1 und DE 10 2011 080 679 A1 beschriebenen Drehfeldsensoren benötigen jeweils die bestimmte Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Drehmagnetfelds, das die wie oben definierten ersten und zweiten Teilmagnetfelder umfasst. Ferner sind Orte der ersten und zweiten Erfassungseinheit abhängig von dem Muster des Drehmagnetfelds eingeschränkt. Diese Drehfeldsensoren haben somit wesentliche Einschränkungen in punkto Aufbau und Montage.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelsensor und ein Winkelsensorsystem anzugeben, welche eine Verringerung eines durch ein Rauschmagnetfeld verursachten Winkelfehlers ermöglichen, ohne wesentliche Einschränkungen in punkto Aufbau und Montage zu verursachen.
Ein Winkelsensor der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, einen Erfassungswinkelwert zu erzeugen, der eine Entsprechung zu einem zu erfassenden Winkel hat. Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, und eine Winkelberechnungseinheit. Die Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen ist eingerichtet, an einer Vielzahl von zueinander unterschiedlichen Erfassungspositionen ein zusammengesetztes Magnetfeld eines zu erfassenden Magnetfelds und eines Rauschmagnetfeld, bei dem es sich nicht um das zu erfassende Magnetfeld handelt, zu erfassen, und dadurch eine Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu erzeugen, die Information bezüglich zumindest der Richtung, aus Richtung und Stärke, des zusammengesetzten Magnetfelds beinhalten. Die Winkelberechnungseinheit ist eingerichtet, den Erfassungswinkelwert zu erzeugen.
Das zu erfassende Magnetfeld variiert bezüglich seiner Richtung an jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen gemäß dem zu erfassenden Winkel. Die Winkelberechnungseinheit erzeugt mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen den Erfassungswinkelwert.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann jede der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zwei Erfassungssignalerzeugungseinheiten zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen umfassen, die die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds umfassen, die in voneinander verschiedenen Richtungen liegen. Jeder aus der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen kann auf Grundlage der zwei Erfassungssignale erzeugt werden. Die beiden Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds können in zueinander orthogonalen Richtungen liegen. Jede der beiden Erfassungssignalerzeugungseinheiten kann zumindest ein Magneterfassungselement umfassen.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann jeder aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds umfassen. In einem solchen Fall kann die Winkelberechnungseinheit einen ersten Schätzwert und einen zweiten Schätzwert bestimmen, um die Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen zusammengesetzter Magnetfeldinformationen und einer Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu minimieren, und kann den Erfassungswinkelwert auf Grundlage des ersten Schätzwerts bestimmen. Der erste Schätzwert umfasst Richtungsinformationen, die dem Erfassungswinkelwert entsprechen, und Betragsinformationen, die der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an einer vorgegebenen Position entsprechen. Der zweite Schätzwert umfasst Richtungsinformationen, die der Richtung des Rauschmagnetfelds entsprechen, und Betragsinformationen, die der Stärke des Rauschmagnetfelds entsprechen. Die Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sind geschätzte Informationen der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und werden auf Grundlage des ersten und zweiten Schätzwerts erzeugt.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann das zu erfassende Magnetfeld unterschiedliche Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen haben. Alternativ kann die Richtungsvariation des zu erfassenden Magnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Muster zeigen.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann jeder aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds umfassen. In einem solchen Fall kann die Winkelberechnungseinheit eine erste Unbekannte, eine zweite Unbekannte und eine Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen annehmen. Die erste Unbekannte ist ein Wert, der dem Erfassungswinkelwert entspricht. Die zweite Unbekannte ist ein Wert, der der Stärke des Rauschmagnetfelds entspricht. Die Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen sind Informationen, die der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen entsprechen, und werden auf Grundlage der ersten und zweiten Unbekannten angenommen. Die Winkelberechnungseinheit kann ferner die erste und zweite Unbekannte schätzen, um die Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und aus der Vielzahl von Teilen von geschätzten Magnetfeldinformationen zu minimieren, und kann den Erfassungswinkelwert auf Grundlage der geschätzten ersten Unbekannten bestimmen.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung, wenn jeder aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen die Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds beinhaltet, kann jede aus der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen beinhalten: eine erste Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines ersten Signals, das eine Entsprechung zu dem Cosinus eines Winkels hat, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich einer Referenzrichtung bildet; ein zweites Signal, das eine Entsprechung zu dem Sinus des Winkels hat, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich der Referenzrichtung bildet; und eine Einzelwinkel-Berechnungseinheit zum Erzeugen eines Einzelwinkelwerts auf Grundlage des ersten und zweiten Signals als zusammengesetzte Magnetfeldinformation, wobei der Einzelwinkelwert den Winkel darstellt, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich der Referenzrichtung bildet. Die erste und zweite Erfassungseinheit kann jeweils zumindest ein Magneterfassungselement umfassen.
Bei dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann das zu erfassende Magnetfeld unterschiedliche Stärken an zumindest zwei der Vielzahl von Erfassungspositionen haben, wenn jeder der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen die Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds umfasst.
Ein Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung umfasst den Winkelsensor der vorliegenden Erfindung und eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen des zu erfassenden Magnetfelds.
Bei dem Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann sich die Vielzahl von Erfassungspositionen an unterschiedlichen Abständen von der Magnetfelderzeugungseinheit befinden, und das zu erfassende Magnetfeld kann unterschiedliche Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen haben. In einem solchen Fall kann sich die Vielzahl von Erfassungspositionen an voneinander verschiedenen Positionen auf einer gedachten Geraden befinden, die durch die Magnetfelderzeugungseinheit verläuft.
Bei dem Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung kann die Vielzahl von Erfassungspositionen in einer Ebene liegen. In einem solchen Fall kann die Richtungsvariation des zu erfassenden Magnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Muster zeigen. Alternativ kann das zu erfassende Magnetfeld an zumindest zwei der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken haben.
Gemäß dem Winkelsensor und dem Winkelsensorsystem der vorliegenden Erfindung wird der Erfassungswinkelwert mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt, die von der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt werden. Dadurch ermöglicht die vorliegende Erfindung das Verringern eines Winkelfehlers, der durch ein Rauschmagnetfeld verursacht wird, ohne wesentliche Einschränkungen in punkto Aufbau oder Montage des Winkelsensors bzw. des Winkelsensorsystems zu verursachen.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung besser ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Ausgestaltung eines Winkelsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen und Winkeln veranschaulicht, die in der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.
3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Ausgestaltung eines Winkelsensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung einer Winkelberechnungseinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung einer ersten Erfassungssignalerzeugungseinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung einer zweiten Erfassungssignalerzeugungseinheit der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Magneterfassungselements, das in 5 und 6 dargestellt ist.
8 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel von Wellenformen von Winkelfehlern der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Ausgestaltung eines Winkelsensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
10 ist Wellenformdiagramm, das ein Beispiel von Wellenformen von Winkelfehlern der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Ausgestaltung eines Winkelsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Ausgestaltung eines Winkelsensorsystems gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
13 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Ausgestaltung eines Winkelsensors gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
14 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung einer Einheit zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
15 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke eines zu erfassenden Magnetfelds zeigt, das von einer Magnetfelderzeugungseinheit der vierten Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird.
16 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke und Richtung eines zusammengesetzten Magnetfelds in der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
17A ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen einem ersten zusammengesetzten Magnetfeld und einem Rauschmagnetfeld in der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
17B ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen einem zweiten zusammengesetzten Magnetfeld und dem Rauschmagnetfeld in der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
18 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke eines zu erfassenden Magnetfelds zeigt, das von der Magnetfelderzeugungseinheit in einer Simulation der vierten Ausführungsform der Erfindung erzeugt wurde.
19 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Vielzahl von Erfassungspositionen in der Simulation der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
20 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel von Wellenformen von Winkelfehlern einzelner Erfassungswinkel in der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
21 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel der Wellenform des Winkelfehlers des Erfassungswinkelwerts in der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zunächst erfolgt eine Bezugnahme auf 1, um die allgemeine Ausgestaltung eines Winkelsensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen Winkelsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform und eine Magnetfelderzeugungseinheit 5. Der Winkelsensor 1 ist insbesondere ein Magnetwinkelsensor. Die Magnetfelderzeugungseinheit 5 erzeugt ein von dem Winkelsensor 1 zu erfassendes Magnetfeld. Nachfolgend wird das von dem Winkelsensor 1 zu erfassende Magnetfeld als Zielmagnetfeld bezeichnet.
Die Magnetfelderzeugungseinheit 5 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Magnet 6 mit zylindrischer Form. Der Magnet 6 hat einen N-Pol und einen S-Pol, die symmetrisch bezüglich einer gedachten Ebene, die die Mittelachse der zylindrischen Form umfasst, angeordnet sind. Der Magnet 6 dreht sich um die Mittelachse der zylindrischen Form. Folglich dreht sich die Richtung des Zielmagnetfelds, das durch den Magneten 6 erzeugt wird, um einen Drehmittelpunkt C umfassend die Mittelachse der zylindrischen Form.
Der Winkelsensor 1 ist eingerichtet, einen Erfassungswinkelwert θs zu erzeugen, der eine Entsprechung zu einem zu erfassenden Winkel hat. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat der zu erfassende Winkel eine Entsprechung zu einem Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Referenzposition bezüglich einer Referenzrichtung bildet. Der Winkel, den die Richtung des Zielmagnetfelds an einer Referenzposition bezüglich einer Referenzrichtung bildet, wird als Drehfeldwinkel bezeichnet, und durch das Bezugszeichen θM bezeichnet.
Die Referenzposition befindet sich innerhalb einer Referenzebene. Hierbei bezieht sich die Referenzebene auf eine gedachte Ebene parallel zu einer Endfläche des Magneten 6. In der Referenzebene dreht sich die Richtung des von dem Magneten 6 erzeugten Zielmagnetfelds um die Referenzposition. Die Referenzrichtung befindet sich innerhalb der Referenzebene und schneidet die Referenzposition. In der nachfolgenden Beschreibung bezieht sich die Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition auf eine Richtung, die sich innerhalb der Referenzebene befindet.
Der Winkelsensor 1 umfasst eine Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Die Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst ein zusammengesetztes Magnetfeld des Zielmagnetfelds und eines Rauschmagnetfelds, das nicht das Zielmagnetfeld ist, an einer Vielzahl von voneinander verschiedenen Erfassungspositionen, und erzeugt dadurch eine Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, die Informationen über zumindest die Richtung, aus der Richtung und der Stärke, des zusammengesetzten Magnetfelds umfassen. An jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen variiert die Richtung des Zielmagnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel und dem Drehfeldwinkel θM. Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die Vielzahl von Erfassungspositionen an unterschiedlichen Abständen von der Magnetfelderzeugungseinheit 5. Das Zielmagnetfeld hat unterschiedliche Stärken an der Vielzahl von Erfassungspositionen.
Die Anzahl der Vielzahl von Erfassungspositionen ist zumindest zwei. In der nachfolgenden Beschreibung umfasst die Vielzahl von Erfassungspositionen eine erste Erfassungsposition P1, eine zweite Erfassungsposition P2, eine dritte Erfassungsposition P3, und eine vierte Erfassungsposition P4. In diesem Fall umfasst die Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erste zusammengesetzte Magnetfeldinformationen, zweite zusammengesetzte Magnetfeldinformationen, dritte zusammengesetzte Magnetfeldinformationen und vierte zusammengesetzte Magnetfeldinformationen. Die Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst eine erste Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, eine zweite Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, eine dritte Einheit 30 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und eine vierte Einheit 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Die erste bis vierte Einheit 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sind derart platziert, dass sie einer Endfläche des Magneten 6 zugewandt sind.
Die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 können voneinander verschiedene Positionen auf einer gedachten Geraden sein, die durch die Magnetfelderzeugungseinheit 5 verläuft. Die gedachte Gerade kann mit dem Drehmittelpunkt C zusammenfallen oder nicht. 1 veranschaulicht ersteren Fall. In diesem Beispiel sind die erste bis vierte Erfassungsposition P1, P2, P3 und P4 in dieser Reihenfolge in der Richtung weg von der Magnetfelderzeugungseinheit 5 angeordnet. Es wird angemerkt, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, dass alle der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 kollinear sind.
Die erste Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, erfasst ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und einem Rauschmagnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1, um dadurch die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu erzeugen. Die zweite Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst das zusammengesetzte Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2, um dadurch die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu erzeugen. Die dritte Einheit 30 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst das zusammengesetzte Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld an der dritten Erfassungsposition P3, um dadurch die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu erzeugen. Die vierte Einheit 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst das zusammengesetzte Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld an der vierten Erfassungsposition P4, um dadurch die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu erzeugen.
Nachfolgend wird das Zielmagnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als das erste Teilmagnetfeld MFa, das Zielmagnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 als das zweite Teilmagnetfeld MFb, das Zielmagnetfeld an der dritten Erfassungsposition P3 als das dritte Teilmagnetfeld MFc, und das Zielmagnetfeld an der vierten Erfassungsposition P4 als das vierte Teilmagnetfeld MFd bezeichnet. Die Richtungen des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd variieren gemäß dem zu erfassenden Winkel und dem Drehfeldwinkel θM. Das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd haben unterschiedliche Stärken.
In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet, wie nachfolgend beschrieben, jeder aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds. Die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfassen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der ersten Erfassungsposition P1. Die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfassen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der zweiten Erfassungsposition P2. Die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfassen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der dritten Erfassungsposition P3. Die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfassen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds an der vierten Erfassungsposition P4. Nachfolgend wird das zusammengesetzte Magnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1, das zusammengesetzte Magnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 als das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2, das zusammengesetzte Magnetfeld an der dritten Erfassungsposition P3 als das dritte zusammensetzte Magnetfeld MF3, und das zusammengesetzte Magnetfeld an der vierten Erfassungsposition P4 als das vierte zusammengesetzte Magnetfeld MF4 bezeichnet.
Das Rauschmagnetfeld liegt in der gleichen Richtung an den ersten bis vierten Erfassungspositionen P1 bis P4. Das Rauschmagnetfeld hat am der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 die gleiche Stärke. Das Rauschmagnetfeld wird durch das Bezugszeichen Mex bezeichnet. Das Rauschmagnetfeld Mex kann ein Magnetfeld sein, dessen Richtung und Stärke zeitweise konstant sind, ein Magnetfeld, dessen Richtung und Stärke zeitweise periodisch variieren, oder ein Magnetfeld, dessen Richtung und Stärke zeitweise zufällig variieren. Das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex. Das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex. Das dritte zusammengesetzte Magnetfeld MF3 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem dritten Teilmagnetfeld MFc und dem Rauschmagnetfeld Mex. Das vierte zusammengesetzte Magnetfeld MF4 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem vierten Teilmagnetfeld MFd und dem Rauschmagnetfeld Mex.
Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine andere Ausgestaltung haben als jene, die in 1 gezeigt ist. Die Magnetfelderzeugungseinheit 5 und die erste bis vierte Einheit 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, die in 1 gezeigt sind, können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass: die ersten bis vierten Einheiten 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sich drehen, während die Magnetfelderzeugungseinheit 5 ortsfest ist; die Magnetfelderzeugungseinheit 5 und die Einheiten 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen drehen; oder die Magnetfelderzeugungseinheit 5 und die Einheiten 10, 20, 30, 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sich mit voneinander verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten in der gleichen Richtung drehen.
Es werden nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 Definitionen von Richtungen und Winkeln beschrieben, die in der ersten Ausführungsform verwendet werden. Zunächst ist die Z-Richtung die Richtung parallel zum Drehmittelpunkt C, gezeigt in 1 und aufwärts in 1. 2 veranschaulicht die Z-Richtung als die Richtung aus der Ebene aus 2 heraus. Als nächstes sind die Richtungen X und Y zwei Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und orthogonal zueinander sind. 2 veranschaulicht die X-Richtung als die Richtung nach rechts und die Y-Richtung als die Richtung aufwärts. Ferner ist die negative X-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur X-Richtung, und die negative Y-Richtung die Richtung entgegengesetzt zur Y-Richtung.
Der Drehfeldwinkel θM wird bezüglich der Referenzrichtung DR ausgedrückt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die X-Richtung die Referenzrichtung DR.
Es wird angenommen, dass sich all die Richtungen des ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 bis MF4 im Gegenuhrzeigersinn in 2 drehen. Wie in 2 gezeigt ist, stellt θ₁ einen Winkel dar, den die Richtung des ersten zusammengesetzten MF1 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet, θ₂ stellt einen Winkel dar, den die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet, θ₃ stellt einen Winkel dar, den die Richtung des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet, und θ₄ stellt einen Winkel dar, den die Richtung des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Die Winkel θ₁ bis θ₄ werden im Gegenuhrzeigersinn aus der Referenzrichtung DR betrachtet in positiven Werten ausgedrückt, und im Uhrzeigersinn aus der Referenzrichtung DR in negativen Werten betrachtet.
Die Hauptkomponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 ist das erste Teilmagnetfeld MFa. Die Hauptkomponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 ist das zweite Teilmagnetfeld MFb. Die Hauptkomponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 ist das dritte Teilmagnetfeld MFc. Die Hauptkomponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 ist das vierte Teilmagnetfeld MFd. Das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd liegen in derselben Richtung. Das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd bilden bezüglich der Referenzrichtung DR gleiche Winkel.
In der vorliegenden Ausführungsform stimmt die Richtung des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd mit der Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition überein. Jedes der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd bildet einen Winkel, der gleich dem Drehfeldwinkel θM bezüglich der Referenzrichtung DR ist. Die Definitionen von positiven und negativen Winkeln sind die gleichen wie die der Winkel θ₁ bis θ₄.
Solange die oben beschriebene Beziehung zwischen dem Zielmagnetfeld an der Referenzposition und dem ersten bis vierten Teilmagnetfeld MFa bis MFd erfüllt wird, kann die Referenzposition mit einer der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 übereinstimmen, oder kann eine beliebige Position sein, die auf dem Drehmittelpunkt C liegt und sich von der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 unterscheidet.
Wie später ausführlich beschrieben werden wird, wird jeder Teil von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen auf Grundlage der Stärke von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds erzeugt, die in voneinander verschiedenen Richtungen liegen. Bei der vorliegenden Ausführungsform liegen die beiden Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds in zueinander orthogonalen Richtungen, d.h. der X-Richtung und der Y-Richtung.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, um die Ausgestaltung des Winkelsensors 1 detailliert zu beschreiben. 3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Ausgestaltung des Winkelsensors 1 beschreibt. Wie zuvor erwähnt umfasst der Winkelsensor 1 eine Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Jede aus der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst zwei Erfassungssignalerzeugungseinheiten zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen, die die Stärken der zwei Komponenten in voneinander verschiedenen Richtungen des zusammengesetzten Magnetfelds angeben. Jeder Teil der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen wird auf Grundlage der zwei Erfassungssignale erzeugt. Jede der zwei Erfassungssignalerzeugungseinheiten umfasst zumindest ein Magneterfassungselement. Das zumindest eine Magneterfassungselement kann zumindest ein magnetoresistives Element umfassen. Das magnetoresistive Element kann ein Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Element, ein Tunnelmagnetowiderstands(TMR)-Element oder ein Anisotropiemagnetowiderstands(AMR)-Element sein. Das zumindest eine Magneterfassungselement kann ferner zumindest ein Element, bei dem es sich nicht um das magnetoresistive Element handelt, wie etwa ein Hall-Element, zum Erfassen eines Magnetfelds, umfassen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen die erste Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, die zweite Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, die dritte Einheit 30 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, und die vierte Einheit 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Die erste Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst eine erste Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 und eine zweite Erfassungssignalerzeugungseinheit 12. Die erste Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 erzeugt ein erstes Erfassungssignal S1, das die Stärke einer Komponente in der X-Richtung (nachfolgend als „X-Richtung-Komponente bezeichnet) des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 angibt. Die zweite Erfassungssignalerzeugungseinheit 12 erzeugt ein zweites Erfassungssignal S2, das die Stärke einer Komponente in der Y-Richtung (nachfolgend als „Y-Richtung-Komponente bezeichnet) des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 angibt.
Die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen werden auf Grundlage des ersten und zweiten Erfassungssignals S1 und S2 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor dargestellt, der Informationen über die Richtung und Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 beinhaltet. Die erste Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst ferner Analog/Digitalwandler (nachfolgend als „A/D-Wandler“ bezeichnet) 13 und 14, und eine erste Vektorerzeugungseinheit 15. Die A/D-Wandler 13 und 14 wandeln jeweils das erste und zweite Erfassungssignal S1 und S2 in digitale Signale um. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 erzeugt einen Vektor Y1, der die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, mithilfe des ersten und zweiten Erfassungssignal S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 und 14 in digitale Signale gewandelt werden. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 kann beispielsweise durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) verwirklicht sein.
Die zweite Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst eine dritte Erfassungssignalerzeugungseinheit 21 und eine vierte Erfassungssignalerzeugungseinheit 22. Die dritte Erfassungssignalerzeugungseinheit 21 erzeugt ein drittes Erfassungssignal S3, das die Stärke einer X-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 angibt. Die vierte Erfassungssignalerzeugungseinheit 22 erzeugt ein viertes Erfassungssignal S4, das die Stärke einer Y-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 angibt.
Die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen werden auf Grundlage des dritten und vierten Erfassungssignal S3 und S4 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor dargestellt, der Informationen über die Richtung und Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 beinhaltet. Die zweite Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst ferner A/D-Wandler 23 und 24, und eine zweite Vektorerzeugungseinheit 25. Die A/D-Wandler 23 und 24 wandeln jeweils das dritte und vierte Erfassungssignal S3 und S4 in digitale Signale um. Die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 erzeugt einen Vektor Y2, der die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, mithilfe des dritten und vierten Erfassungssignals S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 und 24 in digitale Signale gewandelt werden. Die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 kann beispielsweise durch einen ASIC verwirklicht sein.
Die dritte Einheit 30 zur Erzeugung von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst eine fünfte Erfassungssignalerzeugungseinheit 31 und eine sechste Erfassungssignalerzeugungseinheit 32. Die fünfte Erfassungssignalerzeugungseinheit 31 erzeugt ein fünftes Erfassungssignal S5, das die Stärke einer X-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 angibt. Die sechste Erfassungssignalerzeugungseinheit 32 erzeugt ein sechstes Erfassungssignal S6, das die Stärke einer Y-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 angibt.
Die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen werden auf Grundlage des fünften und sechsten Erfassungssignals S5 und S6 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor dargestellt, der Informationen über die Richtung und Stärke des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 beinhaltet. Die Einheit 30 zum Erzeugen der dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst ferner A/D-Wandler 33 und 34, und eine dritte Vektorerzeugungseinheit 35. Die A/D-Wandler 33 und 34 wandeln jeweils das fünfte und sechste Erfassungssignal S5 und S6 in digitale Signale um. Die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 erzeugt einen Vektor Y3, der die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, mithilfe des fünften und sechsten Erfassungssignals S5 und S6, die durch die A/D-Wandler 33 und 34 in digitale Signale gewandelt werden. Die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 kann beispielsweise durch einen ASIC verwirklicht sein.
Die vierte Einheit 40 zur Erzeugung von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst eine siebte Erfassungssignalerzeugungseinheit 41 und eine achte Erfassungssignalerzeugungseinheit 42. Die siebte Erfassungssignalerzeugungseinheit 41 erzeugt ein siebtes Erfassungssignal S7, das die Stärke einer X-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 angibt. Die achte Erfassungssignalerzeugungseinheit 42 erzeugt ein achtes Erfassungssignal S8, das die Stärke einer Y-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 angibt.
Die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen werden auf Grundlage des siebten und achten Erfassungssignal S7 und S8 erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor dargestellt, der Informationen über die Richtung und Stärke des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 beinhaltet. Die Einheit 40 zum Erzeugen der vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst ferner A/D-Wandler 43 und 44 und eine vierte Vektorerzeugungseinheit 45. Die A/D-Wandler 43 und 44 wandeln jeweils das siebte und achte Erfassungssignal S7 und S8 in digitale Signale um. Die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 erzeugt einen Vektor Y4, der die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, mithilfe des siebten und achten Erfassungssignals S7 und S8, die durch die A/D-Wandler 43 und 44 in digitale Signale gewandelt werden. Die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 kann beispielsweise durch einen ASIC verwirklicht sein.
Da sich die Richtung des Zielmagnetfelds mit einer vorgegebenen Periode dreht, variiert der Drehfeldwinkel θM mit der vorgegebenen Periode. In diesem Fall variieren alle ersten bis achten Erfassungssignale S1 bis S8 periodisch mit einer Signalperiode gleich der vorgenannten Signalperiode. Die Phase des zweiten Erfassungssignals S2 unterscheidet sich von der Phase des ersten Erfassungssignals S1 um ein ungerades Vielfaches von ¼ der Signalperiode. Das dritte, fünfte und siebte Erfassungssignal S3, S5 und S7 sind phasengleich zu dem ersten Erfassungssignal S1. Das vierte, sechste und achte Erfassungssignal S4, S6 und S8 sind phasengleich mit dem zweiten Erfassungssignal S2. In Anbetracht der Herstellungsgenauigkeit der Magneterfassungselemente oder anderer Faktoren können sich die Verhältnisse zwischen den Phasen der Erfassungssignale geringfügig von den oben beschriebenen Verhältnissen unterscheiden.
Der Winkelsensor 1 umfasst ferner eine Winkelberechnungseinheit 50 zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Wie zuvor erwähnt unterscheidet sich die Vielzahl von Erfassungspositionen voneinander. Dies bewirkt, dass das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche Relativwirkungen auf die Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen hat. Dies kann zu Differenzen in Abhängigkeit von dem Rauschmagnetfeld Mex zwischen der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen führen. Mithilfe dieser Eigenschaften wird es möglich, den zu erfassenden Winkel zu schätzen, wodurch die Wirkung des Rauschmagnetfelds Mex beseitigt wird.
Die Winkelberechnungseinheit 50 erzeugt den Erfassungswinkelwert θs mithilfe der vorgenannten Eigenschaften. Die Winkelberechnungseinheit 50 kann beispielsweise durch einen ASIC oder einen Mikrocomputer verwirklicht sein. Eine Beschreibung der Ausgestaltung der Winkelberechnungseinheit 50 und eines Verfahren zur Erzeugung des Erfassungswinkelwerts θs erfolgt später.
Es wird nun die Ausgestaltung der ersten bis achten Erfassungssignalerzeugungseinheiten 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 beschrieben. 5 veranschaulicht ein Beispiel der spezifischen Ausgestaltung der ersten Erfassungssignalerzeugungseinheit 11. In diesem Beispiel umfasst die erste Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 eine Wheatstone-Brückenschaltung 17 und einen Differenzdetektor 18. Die Wheatstone-Brückenschaltung 17 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar in Reihe geschalteter Magneterfassungselemente R11 und R12, und ein zweites Paar in Reihe geschalteter Magneterfassungselemente R13 und R14. Ein Ende von jedem der Magneterfassungselemente R11 und R13 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des Magneterfassungselements R11 ist mit einem Ende des Magneterfassungselements R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des Magneterfassungselements R13 ist mit einem Ende des Magneterfassungselements R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende von jedem der Magneterfassungselemente R12 und R14 ist mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Versorgungsspannung einer vorgegebenen Größe bzw. Betrags wird an dem Stromversorgungsanschluss V1 angelegt. Der Masseanschluss G1 ist geerdet.
Jede der dritten, fünften und siebten Erfassungssignalerzeugungseinheiten 21, 31 und 41 hat die gleiche Ausgestaltung wie die erste Erfassungssignalerzeugungseinheit 11. Daher werden in der folgenden Beschreibung Bauteile der dritten, fünften und siebten Erfassungssignalerzeugungseinheiten 21, 31 und 41 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie jene, die für die Bauteile der ersten Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 verwendet werden.
6 veranschaulicht ein Beispiel der spezifischen Ausgestaltung der zweiten Erfassungssignalerzeugungseinheit 12. Bei diesem Beispiel umfasst die zweite Erfassungssignalerzeugungseinheit 12 eine Wheatstone-Brückenschaltung 27 und einen Differenzdetektor 28. Die Wheatstone-Brückenschaltung 27 umfasst einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar in Reihe geschalteter Magneterfassungselemente R21 und R22, und ein zweites Paar in Reihe geschalteter Magneterfassungselemente R23 und R24. Ein Ende von jedem der Magneterfassungselemente R21 und R23 ist mit dem Stromversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des Magneterfassungselements R21 ist mit einem Ende des Magneterfassungselements R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des Magneterfassungselements R23 ist mit einem Ende des Magneterfassungselements R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende von jedem der Magneterfassungselemente R22 und R24 ist mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Versorgungsspannung vorgegebener Größe wird an dem Stromversorgungsanschluss V2 angelegt. Der Masseanschluss G2 ist geerdet.
Die vierte, sechste und achte Erfassungssignalerzeugungseinheiten 22, 32 und 42 haben jeweils die gleiche Ausgestaltung wie die zweite Erfassungssignalerzeugungseinheit 12. Daher werden in der nachfolgenden Beschreibung Bauteile der vierten, sechsten und achten Erfassungssignalerzeugungseinheiten 22, 32 und 42 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie jene, die für die Bauteile der zweiten Erfassungssignalerzeugungseinheit 12 verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die Magneterfassungselemente R11 bis R14 und R21 bis R24 jeweils eine Vielzahl von MR-Elementen, die in Reihe geschaltet sind. Jedes der Vielzahl von MR-Elementen ist beispielsweise ein Spin-Valve MR-Element. Das Spin-Valve MR-Element umfasst eine Schicht mit festgelegter Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine freie Schicht, welche eine Magnetschicht ist, deren Magnetisierungsrichtung abhängig von der Richtung des Zielmagnetfelds variiert, und eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der Schicht mit festgelegter Magnetisierung und der freien Schicht befindet. Das Spin-Valve MR-Element kann ein TMR-Element oder ein GMR-Element sein. Beim TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarriereschicht. Bei dem GMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Das Spin-Valve-MR-Element variiert bezüglich seines Widerstands in Abhängigkeit des Winkels, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schicht mit festgelegter Magnetisierung bildet, und hat einen Minimalwiderstand, wenn der vorgenannte Winkel 0° beträgt, und einen Maximalwiderstand, wenn der vorgenannte Winkel 180° beträgt. In den 5 und 6 geben die gefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit freier Magnetisierung der MR-Elemente an.
In der ersten Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 sind die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der in den Magneterfassungselementen R11 und R14 enthaltenen MR-Elemente in der X-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der in den Magneterfassungselementen R12 und R13 enthaltenen MR-Elemente sind in der negativen X-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit der Stärke der Komponente in X-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das erste Erfassungssignal S1 aus. Somit erfasst die erste Erfassungssignalerzeugungseinheit 11 die Stärke der X-Richtung-Komponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und erzeugt das erste Erfassungssignal S1, das die Stärke angibt.
In der zweiten Erfassungssignalerzeugungseinheit 12 sind die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der in den Magneterfassungselementen R21 und R24 enthaltenen MR-Elemente in der Y-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der in den Magneterfassungselementen R22 und R23 enthaltenen MR-Elemente sind in der negativen Y-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit der Stärke der Komponente in Y-Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das zweite Erfassungssignal S2 aus. Somit erfasst die zweite Erfassungssignalerzeugungseinheit 12 die Stärke der Y-Richtung-Komponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 und erzeugt das zweite Erfassungssignal S2, das die Stärke angibt.
In der dritten Erfassungssignalerzeugungseinheit 21 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit der Stärke der X-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das dritte Erfassungssignal S3 aus. Somit erfasst die dritte Erfassungssignalerzeugungseinheit 21 die Stärke der X-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 und erzeugt das dritte Erfassungssignal S3, das die Stärke angibt.
In der vierten Erfassungssignalerzeugungseinheit 22 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit der Stärke der Y-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das vierte Erfassungssignal S4 aus. Somit erfasst die vierte Erfassungssignalerzeugungseinheit 22 die Stärke der Y-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 und erzeugt das vierte Erfassungssignal S4, das die Stärke angibt.
In der fünften Erfassungssignalerzeugungseinheit 31 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit der Stärke der X-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das fünfte Erfassungssignal S5 aus. Somit erfasst die fünfte Erfassungssignalerzeugungseinheit 31 die Stärke der X-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 und erzeugt das fünfte Erfassungssignal S5, das die Stärke angibt.
In der sechsten Erfassungssignalerzeugungseinheit 32 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit der Stärke der Y-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das sechste Erfassungssignal S6 aus. Somit erfasst die sechste Erfassungssignalerzeugungseinheit 32 die Stärke der Y-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 und erzeugt das sechste Erfassungssignal S6, das die Stärke angibt.
In der siebten Erfassungssignalerzeugungseinheit 41 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit der Stärke der X-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das siebte Erfassungssignal S7 aus. Somit erfasst die siebte Erfassungssignalerzeugungseinheit 41 die Stärke der X-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 und erzeugt das siebte Erfassungssignal S7, das die Stärke angibt.
In der achten Erfassungssignalerzeugungseinheit 42 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit der Stärke der Y-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das achte Erfassungssignal S8 aus. Somit erfasst die achte Erfassungssignalerzeugungseinheit 42 die Stärke der Y-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 und erzeugt das achte Erfassungssignal S8, das die Stärke angibt.
In Anbetracht der Herstellungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können sich die Magnetisierungsrichtungen in den Schichten mit festgelegter Magnetisierung der Vielzahl von MR-Elementen in den Erfassungssignalerzeugungseinheiten 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 geringfügig von den obenstehenden Richtungen unterscheiden.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 7 eine beispielhafte Ausgestaltung der Magneterfassungselemente beschrieben. 7 ist eine beispielhafte Ansicht, die einen Teil eines Magneterfassungselements der in den 5 und 6 gezeigten Erfassungssignalerzeugungseinheiten 11 und 12 zeigt. In diesem Beispiel umfasst das Magneterfassungselement eine Vielzahl unterer Elektroden 162, eine Vielzahl von MR-Elementen 150 und eine Vielzahl oberer Elektroden 163. Die Vielzahl unterer Elektroden 162 ist auf einem Substrat (nicht veranschaulicht) angeordnet. Jede der unteren Elektroden 162 hat eine lange, schmale Form. Jeweils zwei in Längsrichtung der unteren Elektroden 162 aneinander angrenzende Elektroden 162 haben eine Lücke zwischen sich. Wie in 7 gezeigt sind an der Oberseite der unteren Elektroden 162 nahe gegenüberliegender Enden in der Längsrichtung MR-Elemente 150 vorgesehen. Jedes der MR-Elemente 150 umfasst eine freie Schicht 151, eine nichtmagnetische Schicht 152, eine Schicht mit festgelegter Magnetisierung 153 und eine antiferromagnetische Schicht 154, die in dieser Reihenfolge geschichtet sind, wobei die freie Schicht 151 der unteren Elektrode 162 am nächsten ist. Die freie Schicht 151 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 162 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 154 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet. Die antiferromagnetische Schicht 154 befindet sich in Austauschkopplung mit der Schicht 153 mit festgelegter Magnetisierung, um die Magnetisierungsrichtung der Schicht 153 mit festgelegter Magnetisierung festzulegen.
Die Vielzahl oberer Elektroden 163 ist über der Vielzahl von MR-Elementen 150 angeordnet. Jede der oberen Elektroden 163 hat eine lange, schlanke Form und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen antiferromagnetischen Schichten 154 von zwei benachbarten MR-Elementen 150 her, die auf zwei , in der Längsrichtung der unteren Elektroden 162 aneinander angrenzenden unteren Elektroden 162 angeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Vielzahl von MR-Elementen 150 in dem in 7 gezeigten Magneterfassungselement durch die Vielzahl unterer Elektroden 162 und die Vielzahl oberer Elektroden 163 in Reihe geschaltet. Es wird angemerkt, dass die Schichten 151 bis 154 der MR-Elemente 150 in einer zu der in 7 gezeigten umgekehrten Reihenfolge geschichtet sein können.
Es erfolgt nun eine Beschreibung eines Verfahrens zum Erzeugen der ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 der ersten Einheit 10 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt den Vektor Y1, der die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 erhält die Richtung D₁ und den Betrag Ma₁ des Vektors Y1 auf Grundlage von ersten und zweiten Erfassungssignalen S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 und 14 in digitale Signale gewandelt werden. Die Richtung D₁ entspricht den Informationen über die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung D₁ mithilfe des Winkels θ₁ (vgl. 2) ausgedrückt, den die Richtung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Der Betrag Ma₁ entspricht Informationen über die Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1.
Die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 der zweiten Einheit 20 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt den Vektor Y2, der die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt. Die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 erhält die Richtung D₂ und den Betrag Ma₂ des Vektors Y2 auf Grundlage der dritten und vierten Erfassungssignale S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 und 24 in digitale Signale gewandelt werden. Die Richtung D₂ entspricht den Informationen über die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung D₂ mithilfe des Winkels θ₂ (vgl. 2) ausgedrückt, den die Richtung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Der Betrag Ma₂ entspricht Informationen über die Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2.
Die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 der dritten Einheit 30 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt den Vektor Y3, der die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt. Die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 erhält die Richtung D₃ und den Betrag Ma₃ des Vektors Y3 auf Grundlage der fünften und sechsten Erfassungssignale S5 und S6, die durch die A/D-Wandler 33 und 34 in digitale Signale gewandelt werden. Die Richtung D₃ entspricht den Informationen über die Richtung des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung D₃ mithilfe des Winkels θ₃ (vgl. 2) ausgedrückt, den die Richtung des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Der Betrag Ma₃ entspricht Informationen über die Stärke des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3.
Die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 der vierten Einheit 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt den Vektor Y4, der die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt. Die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 erhält die Richtung D₄ und den Betrag Ma₄ des Vektors Y4 auf Grundlage der siebten und achten Erfassungssignale S7 und S8, die durch die A/D-Wandler 43 und 44 in digitale Signale gewandelt werden. Die Richtung D₄ entspricht den Informationen über die Richtung des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung D4 mithilfe des Winkels θ₄ (vgl. 2) ausgedrückt, den die Richtung des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Der Betrag Ma₄ entspricht Informationen über die Stärke des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4.
Es wird nun ein Verfahren zum Erzeugen der Vektoren Y1 bis Y4 genauer beschrieben. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 berechnet den Arcustangens des Verhältnisses des zweiten Erfassungssignals S2 zum ersten Erfassungssignals S1, um die Richtung D₁ des Vektors Y1 zu erhalten, d.h. den Winkel θ₁. Genauer erhält die erste Vektorerzeugungseinheit 15 den Winkel θ₁ aus der folgenden Gleichung (1). In Gleichung (1), stellt „atan“ die Arcustangens-Funktion dar. $θ_{1} = atan (S2/S1)$
Wenn θ₁ innerhalb des Bereichs von 0° bis 360° liegt, ergibt Gleichung (1) zwei Lösungen, die sich in ihren Werten um 180° voneinander unterscheiden. Welche der beiden Lösungen für θ₁ in Gleichung (1) der wahre Wert von θ₁ ist, kann aus der Kombination negativer und positiver Vorzeichen von S1 und S2 erhalten werden. Die erste Vektorerzeugungseinheit 15 erhält θ₁ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus Gleichung (1) und auf Grundlage der vorgenannten Bestimmung der Kombination von negativen und positiven Vorzeichen von S1 und S2.
Ferner berechnet die erste Vektorerzeugungseinheit 15 die Summe S1²+S2² aus dem Quadrat des ersten Erfassungssignals S1 und dem Quadrat des zweiten Erfassungssignals S2, um den Betrag Ma₁ des Vektors Y1 zu erhalten. Wie zuvor beschrieben zeigt das erste Erfassungssignal die Stärke der X-Richtung-Komponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 an, und das zweite Erfassungssignal S2 zeigt die Stärke der Y-Richtung-Komponente des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 an. Somit ist S1² + S2² ein Parameter, der eine Entsprechung zu der Stärke des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 hat.
Die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 berechnet den Arcustangens des Verhältnisses des vierten Erfassungssignal S4 zu dem dritten Erfassungssignal S3, um die Richtung D2 des Vektors Y2 zu erhalten, d.h. den Winkel θ₂. Genauer erhält, wie im Falle des Winkels θ₁, die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 den Winkel θ₂ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus der nachfolgenden Gleichung (2). $θ_{2} = atan (S4/S3)$
Ferner berechnet die zweite Vektorerzeugungseinheit 25 die Summe S3²+S4² aus dem Quadrat des dritten Erfassungssignals S3 und dem Quadrat des vierten Erfassungssignals S4, um den Betrag Ma₂ des Vektors Y2 zu erhalten. Wie zuvor beschrieben, zeigt das dritte Erfassungssignal S3 die Stärke der X-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 an, und das vierte Erfassungssignal S4 zeigt die Stärke der Y-Richtung-Komponente des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 an. Somit ist S3² + S4² ein Parameter, der eine Entsprechung zu der Stärke des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 hat.
Die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 berechnet den Arcustangens des Verhältnisses des sechsten Erfassungssignals S6 zu dem fünften Erfassungssignal S5, um die Richtung D₃ des Vektors Y3 zu erhalten, d.h. den Winkel θ₃. Konkret erhält, wie im Falle des Winkels θ₁, die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 den Winkel θ₃ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus der nachfolgenden Gleichung (3). $θ_{3} = atan (S6/S5)$
Ferner berechnet die dritte Vektorerzeugungseinheit 35 die Summe S5²+S6² aus dem Quadrat des fünften Erfassungssignals S5 und dem Quadrat des sechsten Erfassungssignals S6, um den Betrag Ma₃ des Vektors Y3 zu erhalten. Wie zuvor beschrieben, zeigt das fünfte Erfassungssignal S5 die Stärke der X-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 an, und das sechste Erfassungssignal S6 zeigt die Stärke der Y-Richtung-Komponente des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 an. Somit ist S5² + S6² ein Parameter, der eine Entsprechung zu der Stärke des dritten zusammengesetzten Magnetfelds MF3 hat.
Die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 berechnet den Arcustangens des Verhältnisses des achten Erfassungssignals S8 zu dem siebten Erfassungssignal S7, um die Richtung D₄ des Vektors Y4 zu erhalten, d.h. den Winkel θ₄. Konkret erhält, wie im Falle des Winkels θ₁, die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 den Winkel θ₄ innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus der nachfolgenden Gleichung (4). $θ_{4} = atan (S8/S7)$
Ferner berechnet die vierte Vektorerzeugungseinheit 45 die Summe S7²+S8² aus dem Quadrat des siebten Erfassungssignals S7 und dem Quadrat des achten Erfassungssignals S8, um den Betrag Ma₄ des Vektors Y4 zu erhalten. Wie zuvor beschrieben zeigt das siebte Erfassungssignal S7 die Stärke der X-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 an, und das achte Erfassungssignal S8 zeigt die Stärke der Y-Richtung-Komponente des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 an. Somit ist S7² + S8² ein Parameter, der eine Entsprechung zu der Stärke des vierten zusammengesetzten Magnetfelds MF4 hat.
Die Beträge Ma₁, Ma₂, Ma₃, und Ma₄ können jeweils S1²+ S2², S3²+ S4², S5² + S6², und S7² + S8² sein. Alternativ können die Beträge Ma₁, Ma₂, Ma₃, und Ma₄ die Stärken der zusammengesetzten Magnetfelder MF1, MF2, MF3 und MF4 sein, die jeweils aus S1²+ S2², S3² + S4², S5² + S6², und S7² + S8² erhalten werden. Andernfalls können die Vektorerzeugungseinheiten 15, 25, 35 und 45 die Werte von Parametern erhalten, die Entsprechungen zu den Stärken der zusammengesetzten Magnetfelder MF1, MF2, MF3 und MF4 haben, welche nicht S1²+ S2², S3² + S4², S5² + S6², und S7² + S8² sind, und die Beträge Ma₁, Ma₂, Ma₃, und Ma₄ auf Grundlage der Werte der Parameter bestimmen.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Ausgestaltung der Winkelberechnungseinheit 50 und eines Verfahrens zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs. Zunächst wird entwurfsmäßig das Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Winkelberechnungseinheit 50 den Erfassungswinkelwert θ_s auf Grundlage der Methode der kleinsten Quadrate. Genauer bestimmt die Winkelberechnungseinheit 50 einen ersten Schätzwert M und einen zweiten Schätzwert E, um die Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und einer Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu minimieren. Der erste Schätzwert M umfasst Richtungsinformationen, die dem Erfassungswinkelwert θ_s entsprechen, und Betragsinformationen, die der Stärke des Zielmagnetfelds an einer vorgegebenen Position entsprechen. Der zweite Schätzwert E umfasst Richtungsinformationen, die der Richtung des Rauschmagnetfelds Mex entsprechen und Betragsinformationen, die der Stärke des Rauschmagnetfelds Mex entsprechen.
Die Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sind geschätzte Informationen der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Die Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen wird auf Grundlage des ersten und zweiten Schätzwerts M und E erzeugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen durch die nachfolgende Gleichung (5) abgebildet. $z = Hx$
In Gleichung (5) stellt z einen m-dimensionalen Spaltenvektor dar, der eine Anzahl von m Elementen hat, die eine Entsprechung zu der Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen hat, die auf Grundlage der zu erhaltenden Schätzwerte M und E erzeugt werden. Es wird angemerkt, dass m eine Ganzzahl ist, die die Anzahl der Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, und gleich der Anzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen ist. In Gleichung (5) ist H eine Matrix mit m Reihen und zwei Spalten, die gemäß den Mustern des Zielmagnetfelds und des Rauschmagnetfelds Mex an der Vielzahl von Erfassungspositionen definiert ist. In Gleichung (5) ist x ein zweidimensionaler Spaltenvektor, der den ersten Schätzwert M und den zweiten Schätzwert E als Elemente enthält.
In der vorliegenden Ausführungsform werden der erste und zweite Schätzwert M und E durch Bestimmen des Spaltenvektors x bestimmt. Dabei sei y die Darstellung eines m-dimensionalen Spaltenvektors enthaltend eine Anzahl von m Elementen, die Entsprechungen zu der Vielzahl von Teilen der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen haben. Der Spaltenvektor x wird bestimmt, um die Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Anzahl von m Elementen des Spaltenvektors y und der Anzahl von m Elementen des Spaltenvektors z zu minimieren. Konkret wird dies dadurch erreicht, indem eine Kostenfunktion F der kleinsten Quadrate zum Bestimmen des Spaltenvektors x definiert wird, und indem der Spaltenvektor x erhalten wird, der den Wert der Funktion F minimiert. Die Funktion F wird durch die nachfolgende Gleichung (6) definiert. $\begin{matrix} F = {‖ y - z ‖}^{2} \\ = {‖ y - Hx ‖}^{2} \\ = {(y - Hx)}^{T} (y - Hx) \\ = y^{T} y - x^{T} H^{T} y - y^{T} Hx + x^{T} H^{T} Hx \end{matrix}$
Eine partielle Differenzierung bzw. Ableitung der Gleichung (6) nach x ergibt die folgende Gleichung (7). $\partial F/ \partial x = 2 (- H^{T} y + H^{T} Hx)$
Wenn x den Wert der Funktion F minimiert, wird ∂F/∂x = 0 erfüllt. Somit wird x, das den Wert der Funktion F minimiert, durch die nachfolgende Gleichung (8) ausgedrückt. $x = {(H^{T} H)}^{- 1} H^{T} y$
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Winkelberechnungseinheit 50 den Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage des ersten Schätzwerts M, der einer der zwei Elemente des Spaltenvektors x ist, der aus Gleichung (8) berechnet wird.
Wie oben beschrieben enthält der Spaltenvektor y eine Vielzahl von Elementen, die Entsprechungen zu der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen haben, und der Spaltenvektor z enthält eine Vielzahl von Elementen, die Entsprechungen zu der Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen haben. Das oben beschriebene Verfahren des Bestimmens des Spaltenvektors x mithilfe der Gleichungen (6) bis (8) kann somit dahingehend betrachtet werden, das Verfahren zum Bestimmen der ersten und zweiten Schätzwerte M und E zu sein, um die Quadratsumme der Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und der Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu minimieren.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen, um die Ausgestaltung der Winkelberechnungseinheit 50 und des Verfahrens zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs zu beschreiben. In der vorliegenden Ausfiihrungsform führt die Winkelberechnungseinheit 50 beispielsweise Operationen mithilfe komplexer Zahlen durch. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung der Winkelberechnungseinheit 50 veranschaulicht. Bei diesem Beispiel umfasst die Winkelberechnungseinheit 50 eine erste Umwandlungseinheit 51, eine zweite Umwandlungseinheit 52, eine dritte Umwandlungseinheit 53, eine vierte Umwandlungseinheit 54, eine Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 und eine Argument-Berechnungseinheit 56.
Die erste Umwandlungseinheit 51 wandelt den Vektor Y1, der die erste zusammengesetzte Magnetfeldinformation darstellt, in eine komplexe Zahl y₁ um. Der Realteil Re₁ und der Imaginärteil Im₁ der komplexen Zahl y₁ werden durch die nachfolgende Gleichung (9A) bzw. (9B) ausgedrückt. ${Re}_{1} = A_{1} \cdot cos θ_{1}$
${Im}_{1} = A_{1} \cdot sin θ_{1}$
Die zweite Umwandlungseinheit 52 wandelt den Vektor Y2, der die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, in eine komplexe Zahl y₂ um. Der Realteil Re₂ und der Imaginärteil Im₂ der komplexen Zahl y₂ werden durch die nachfolgende Gleichung (10A) bzw. (10B) ausgedrückt. ${Re}_{2} = A_{2} \cdot cos θ_{2}$
${Im}_{2} = A_{2} \cdot sin θ_{2}$
Die dritte Umwandlungseinheit 53 wandelt den Vektor Y3, der die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, in eine komplexe Zahl y₃ um. Der Realteil Re₃ und der Imaginärteil Im₃ der komplexen Zahl y₃ werden durch die nachfolgende Gleichung (11A) bzw. (11B) ausgedrückt. ${Re}_{3} = A_{3} \cdot cos θ_{3}$
${Im}_{3} = A_{3} \cdot sin θ_{3}$
Die vierte Umwandlungseinheit 54 wandelt den Vektor Y4, der die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen darstellt, in eine komplexe Zahl y₄ um. Der Realteil Re₄ und der Imaginärteil Im₄ der komplexen Zahl y₄ werden durch die nachfolgende Gleichung (12A) bzw. (12B) ausgedrückt. ${Re}_{4} = A_{4} \cdot cos θ_{4}$
${Im}_{4} = A_{4} \cdot sin θ_{4}$
Die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 bestimmt den ersten und den zweiten Schätzwert M und E mithilfe der komplexen Zahlen y₁ bis y₄, die jeweils Entsprechungen zu dem Vektor Y1 bis Y4 haben. Dabei sollen z₁, z₂, z₃ und z₄ jeweils erste, zweite, dritte und vierte geschätzte zusammengesetzte Magnetfeldinformationen darstellen, die Schätzinformationen der jeweiligen ersten, zweiten, dritten und vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sind. In der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten bis vierten geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen z₁ bis z₄ durch die nachfolgende Gleichung (13) abgebildet. $[\begin{matrix} z_{1} \\ z_{2} \\ z_{3} \\ z_{4} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{1}{{(r_{1})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{2})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{3})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{4})}^{3}} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} M \\ E \end{matrix}]$
Der vierdimensionale Spaltenvektor auf der linken Seite von Gleichung (13) entspricht z aus Gleichung (5).
Die Matrix mit vier Reihen und zwei Spalten auf der rechten Seite aus Gleichung (13) entspricht H aus Gleichung (5). Diese Matrix wird nachfolgend durch H_c dargestellt. Die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix H_c werden gemäß den Mustern des Zielmagnetfelds an der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 definiert, anders gesagt, den Mustern des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix H_c ausgehend von der Annahme definiert, dass das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd in der gleichen Richtung liegen, und die Stärke des Zielmagnetfelds umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstands zwischen der Magnetfelderzeugungseinheit 5 und der Erfassungsposition abnimmt. Konkret werden wie durch Gleichung (13) dargestellt, die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix H_c mithilfe von r₁, r₂, r₃ und r₄ definiert. r₁, r₂, r₃ und r₄ sind jeweils das Verhältnis des Abstands zwischen der Magnetfelderzeugungseinheit 5 und der Erfassungsposition P1, P2, P3 oder P4 zu dem Abstand zwischen der Magnetfelderzeugungseinheit 5 und der obenstehenden, vorgegebenen Position.
Die vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix H_c sind gemäß den Mustern des Rauschmagnetfelds Mex an der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 definiert. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix H_c ausgehend von der Annahme definiert, dass das Rauschmagnetfeld Mex in der gleichen Richtung liegt und an der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 die gleiche Stärke hat. Genauer sind, wie durch Gleichung (13) dargestellt, alle der vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix H_c auf 1 gesetzt.
Der zweidimensionale Spaltenvektor auf der rechten Seite von Gleichung (13) entspricht x aus Gleichung (5). Dieser Spaltenvektor wird nachfolgend durch x_c dargestellt. Der Spaltenvektor x_c enthält als Elemente den ersten Schätzwert M und den zweiten Schätzwert E. In der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl der erste als auch der zweite Schätzwert M und E komplexe Zahlen. Das Argument des ersten Schätzwerts M stellt Richtungsinformationen entsprechend dem Erfassungswinkelwert θs dar. Der Betrag des ersten Schätzwerts M stellt Betragsinformationen dar, die der Stärke des Zielmagnetfelds an der vorgegebenen Position entsprechen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die vorgegebene Position die Referenzposition. Das Argument des zweiten Schätzwerts E stellt Richtungsinformationen entsprechend der Richtung des Rauschmagnetfelds Mex dar. Der Betrag des zweiten Schätzwerts E stellt Betragsinformationen entsprechend der Stärke des Rauschmagnetfelds Mex dar.
Die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 bestimmt den Spaltenvektor x_c auf Grundlage der Gleichung (8). Dabei sei y_c ein vierdimensionaler Spaltenvektor enthaltend die komplexen Zahlen y₁ bis y₄ als Elemente. Der Spaltenvektor y_c wird durch die nachfolgende Gleichung (14) ausgedrückt. $y_{c}^{T} = [y_{1} {,y}_{2} {,y}_{3} {,y}_{4}]$
Die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 berechnet x_c durch Ersetzen von H, x und y in Gleichung (8) jeweils mit H_c, x_c und y_c. Dadurch werden die ersten und zweiten Schätzwerte M und E bestimmt.
Die Argument-Berechnungseinheit 56 bestimmt den Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage des ersten Schätzwerts M, der durch die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 bestimmt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Argument des ersten Schätzwerts M als Erfassungswinkelwert θs verwendet. Die Argument-Berechnungseinheit 56 erhält somit das Argument des ersten Schätzwerts M, um den Erfassungswinkelwert θs zu berechnen. Genauer berechnet die Argument-Berechnungseinheit 56 θs aus der folgenden Gleichung (15) zum Beispiel unter Verwendung des Realteils Re_M und des Imaginärteils Im_M des ersten Schätzwerts M. $θ s = atan ({Im}_{M} {/Re}_{M})$
Falls θs innerhalb des Bereichs von 0° bis 360° liegt, ergibt Gleichung (15) zwei Lösungen, die sich in ihren Werten um 180° voneinander unterscheiden. Welche der beiden Lösungen für θs in Gleichung (15) der wahre Wert von θs ist, kann aus der Kombination negativer und positiver Vorzeichen von Re_M und Im_M erhalten werden. Die Argument-Berechnungseinheit 56 erhält θs innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus Gleichung (15) und auf Grundlage der vorgenannten Bestimmung der Kombination positiver und negativer Vorzeichen von Re_M und Im_M.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Erfassungswinkelwert θs mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt, die von den Einheiten 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt wurden. Die erste bis vierte Erfassungsposition unterscheiden sich voneinander. Dies führt dazu, dass das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche Relativwirkungen auf die ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen hat. Dies kann abhängig vom Rauschmagnetfeld Mex zu Differenzen zwischen den ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen führen. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform nimmt die Relativwirkung des Rauschmagnetfeldes Mex mit zunehmendem Abstand zwischen der Magnetfelderzeugungseinheit 5 und der Erfassungsposition zu.
Mithilfe der obenstehenden Charakteristik ist es möglich, ein ideales Zielmagnetfeld (nachfolgend als Idealfeld bezeichnet) an einer vorgegebenen Position und das Rauschmagnetfeld Mex zu schätzen. Das Idealfeld ist ein solches gedachtes Magnetfeld, dass der Winkel, der durch die Richtung des Idealfelds bezüglich der Referenzrichtung DR gebildet wird, einem wahren, durch den Winkelsensor 1 zu erfassenden Winkel entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist der durch die Richtung des Idealfelds bezüglich der Referenzrichtung DR gebildete Winkel gleich dem Drehfeldwinkel θM.
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der erste Schätzwinkel M, der durch die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 bestimmt wird, einem geschätzten Idealfeld, und der zweite Schätzwert E, der durch die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 bestimmt wird, entspricht einem geschätzten Rauschmagnetfeld Mex. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage des ersten Schätzwerts M bestimmt. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Schätzen des Erfassungswinkelwerts θs, wodurch die Wirkung des Rauschmagnetfelds Mex beseitigt wird. Mit anderen Worten ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Verringern eines durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehlers.
Um den Erfassungswinkelwert θs auf die oben beschriebene Weise zu bestimmen, ist es erforderlich, die Bedingung zu erfüllen, dass sich die erste bis vierte Position P1 bis P4 voneinander unterscheiden; diese Bedingung bringt jedoch bezüglich Aufbau oder Montage des Winkelsensors 1 bzw. des Winkelsensorsystems 100 keine wesentlichen Beschränkungen mit sich. Die vorgenannte Bedingung kann auf einfache Weise beispielsweise dadurch erfüllt werden, dass sich die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 an unterschiedlichen Abständen von der Magnetfelderzeugungseinheit 5 befinden, wie in der vorliegenden Ausführungsform.
Aus den vorgenannten Gründen ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Verringern des Winkelfehlers, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird, ohne wesentliche Beschränkungen in punkto Aufbau oder Montage des Winkelsensors 1 bzw. des Winkelsensorsystems 100 zu verursachen.
Die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf Simulationsergebnisse beschrieben. Die Simulation erhielt die jeweiligen Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄ und den Erfassungswinkelwert θs, die in Anwesenheit eines Rauschmagnetfelds Mex erzeugt wurden, welches eine konstante Richtung und Stärke hat. Die Simulation nutzte einen Referenzwinkel θ_r, der einem zu erfassenden wahren Winkel entspricht, um die Winkelfehler zu erhalten. Um genauer zu sein wurde angenommen, dass die Differenz zwischen dem Winkel θ₁ und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Winkels θ₁ sei, die Differenz zwischen dem Winkel θ₂ und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Winkels θ₂ sei, die Differenz zwischen dem Winkel θ₃ und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Winkels θ₄ sei, und die Differenz zwischen dem Erfassungswinkelwert θs und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Erfassungswinkelwert θs sei. Ferner wurde in der Simulation jeder der Werte des Winkels θ1 bis θ4 mit einem durch eine Zufallszahl erzeugten Fehler überlagert. Dieser Fehler wird als Normalfehler betrachtet, der in dem Winkelsensor 1 entsteht. Der Normalfehler umfasst einen Fehler, der der Nichtlinearität der ersten, zweiten, dritten oder vierten Einheit 10, 20, 30 oder 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen geschuldet ist, und einen Fehler, der weißem Rauschen geschuldet ist. Ein durch den Normalfehler verursachter Winkelfehler ist wesentlich kleiner als ein Winkelfehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird.
8 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel von Winkelfehlern veranschaulicht, die durch die Simulation erhalten wurden. In 8 stellt die horizontale Achse den Referenzwinkel θr dar und die Vertikalachse stellt den Winkelfehler dar. Das Bezugszeichen 81 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₁ dar, das Bezugszeichen 82 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₂ dar, das Bezugszeichen 83 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₃ dar, das Bezugszeichen 84 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₄ dar, und das Bezugszeichen 85 stellt den Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs dar. Wie in 8 gezeigt ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs erheblich kleiner als der Winkelfehler von jedem der Winkel θ₁ bis θ₄. Die Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄ sind hauptsächlich auf das Rauschmagnetfeld Mex zurückzuführen. Hingegen ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs hauptsächlich auf den Normalfehler zurückzuführen. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Verringern von durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehlern.
Wie in 8 gezeigt unterscheiden sich die Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄ bezüglich ihrer Amplitude. Dies liegt an den Unterschieden zwischen den Relativwirkungen des Rauschmagnetfelds Mex auf die ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die erste bis vierte Erfassungsposition P1, P2, P3 und P4 in dieser Reihenfolge in der Richtung weg von der Magnetfelderzeugungseinheit 5 angeordnet. Dementsprechend nehmen die Stärken der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa, MFb, MFc und MFd in dieser Reihenfolge ab. Im Ergebnis steigen die Amplituden der Winkelfehler der Winkel θ₁, θ₂, θ₃ und θ₄ in dieser Reihenfolge an.
[Zweite Ausführungsform]
Es wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es erfolgt zunächst eine Bezugnahme auf 9, um die Ausgestaltung des Winkelsensorsystems 100 gemäß der zweiten Ausführungsform zu beschreiben. Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Winkelsensorsystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform folgendermaßen. Wie in 9 gezeigt, befinden sich in der vorliegenden Ausführungsform die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 in einer Ebene parallel zu einer Endfläche des Magneten 6. Eine gedachte Ebene umfassend die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 wird nachfolgend als Referenzebene P bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform werden die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 derart definiert, dass sie sich an gleichen Abständen von der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 befinden. Die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 können auf dem Umfang eines Kreises liegen, der an dem Drehmittelpunkt C zentriert ist, der sich wie in 9 gezeigt in der Referenzebene P befindet. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel liegen die erste bis vierte Erfassungsposition P1 bis P4 auf dem vorgenannten Umfang und sind in dieser Reihenfolge in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn angeordnet. Es wird angemerkt, dass es nicht unbedingt notwendig ist, dass alle der ersten bis vierten Erfassungspositionen P1 bis P4 auf dem eingangs genannten Umfang liegen sollten.
Wie in der ersten Ausführungsform wird das Zielmagnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als das erste Teilmagnetfeld MFa bezeichnet, das Zielmagnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 wird als das zweite Teilmagnetfeld MFb bezeichnet, das Zielmagnetfeld an der dritten Erfassungsposition P3 wird als das dritte Teilmagnetfeld MFc bezeichnet, und das Zielmagnetfeld an der vierten Erfassungsposition P4 wird als das vierte Teilmagnetfeld MFd bezeichnet.
Idealerweise sollten das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd in der gleichen Richtung liegen wie die Richtung des Idealfelds, die bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Befinden sich die erste bis vierte Position P1 bis P4 jedoch wie in der vorliegenden Ausführungsform weg von dem Drehmittelpunkt C, liegen das erste bis vierte Teilmagnetfeld MFa bis MFd nicht immer in der gleichen Richtung wie die Richtung des Idealfelds.
Die Winkel, die die Richtungen des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd bezüglich der Richtung des Idealfelds bilden, werden als Richtungsfehler der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd bezeichnet. Die Richtungsfehler der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd verursachen die Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄, die bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben wurden. Wenn der zu erfassende Winkel mit einer vorgegebenen Periode variiert, variieren die Richtungsfehler des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd mit einer Periode, die halb so groß ist wie die vorgegebene Periode, und ihre Variationen haben voneinander verschiedene Phasen. Somit zeigen die Richtungsvariationen des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd gemäß dem zu erfassenden Winkel unterschiedliche Muster.
Es wird nun ein Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs ist grundsätzlich das gleiche wie das in der ersten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch die ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen z₁ bis z₄ durch die nachfolgende Gleichung (16) abgebildet. $[\begin{matrix} z_{1} \\ z_{2} \\ z_{3} \\ z_{4} \end{matrix}] = [\begin{matrix} cos {A_{1} sin (2 θ + α_{1})} + i sin {A_{1} sin (2 θ + α_{1})} & 1 \\ cos {A_{2} sin (2 θ + α_{2})} + i sin {A_{2} sin (2 θ + α_{2})} & 1 \\ cos {A_{3} sin (2 θ + α_{3})} + i sin {A_{3} sin (2 θ + α_{3})} & 1 \\ cos {A_{4} sin (2 θ + α_{4})} + i sin {A_{4} sin (2 θ + α_{4})} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} M \\ E \end{matrix}]$
Die Matrix mit vier Reihen und zwei Spalten auf der rechten Seite von Gleichung (16) entspricht H aus Gleichung (5), die unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wird. Diese Matrix wird nachfolgend durch H_d dargestellt. Die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix H_d werden gemäß den Mustern des ersten bis vierten Magnetfelds MFa bis MFd definiert. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden, wie in 16 gezeigt, die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix H_d mithilfe von „A_nsin(2θ + α_n)“ definiert, bei der n eine Ganzzahl zwischen einschließlich 1 und 4 ist. A_n stellt die Amplituden von periodischen Variationen der Richtungsfehler des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd dar, und α_n stellt die Werte der Differenzen zwischen den Phasen der periodischen Variationen der Richtungsfehler des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd dar. Wie oben beschrieben verursachen die Richtungsfehler des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd die Richtungsfehler der Winkel θ₁ bis θ₄. Somit können A₁ bis A₄ und α₁ bis θ₄ aus den Wellenformen der Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄ erhalten werden.
θ stellt einen wahren Winkel dar, der durch den Winkelsensor 1 erfasst werden soll. Um den Erfassungswinkelwert θs in der vorliegenden Ausführungsform zu erzeugen, wird ein Wert θp, der einem vorübergehend berechneten Erfassungswinkelwert θs entspricht, in θ aus Gleichung (16) eingesetzt. Genauer ist θp beispielsweise der Durchschnitt der Winkel θ₁ bis θ₄.
Die vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix H_d werden gemäß den Mustern des Rauschmagnetfelds Mex an der ersten bis vierten Erfassungsposition P1 bis P4 definiert. In der vorliegenden Ausführungsform sind alle vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix H_d auf 1 gesetzt, wie in der ersten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Schätzwert-Bestimmungseinheit 55 (vgl. 4) den ersten und zweiten Schätzwert M und E mithilfe der Matrix H_d anstelle der Matrix H_c der ersten Ausführungsform.
Wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde, treten in den Relativwirkungen des Rauschmagnetfelds Mex in den ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Differenzen auf, da sich die ersten bis vierten Erfassungspositionen P1 bis P4 voneinander unterscheiden. In der vorliegenden Ausführungsform werden die erste bis vierte Erfassungsposition P1 und P4 derart definiert, dass die Richtungsvariationen des ersten bis vierten Teilmagnetfelds MFa bis MFd gemäß dem zu erfassenden Winkel voneinander verschiedene Muster zeigen. Dies bewirkt, dass das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche Relativwirkungen auf die ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen hat. Dies kann zu Differenzen zwischen den ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen führen, abhängig vom Rauschmagnetfeld Mex. Es ist möglich, das Idealfeld und das Rauschmagnetfeld Mex mithilfe dieser Charakteristik zu schätzen, wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
Die Wirkungen auf die vorliegende Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf Simulationsergebnisse beschrieben. Die Details der Simulation sind die gleichen wie diejenigen der Simulation der ersten Ausführungsform.
10 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel der durch die Simulation erhaltenen Winkelfehler zeigt. In 10 stellt die horizontale Achse den Referenzwinkel θr da und die vertikale Achse stellt den Winkelfehler dar. Das Bezugszeichen 91 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₁ dar, das Bezugszeichen 92 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₂ dar, das Bezugszeichen 93 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₃ dar, das Bezugszeichen 94 stellt den Winkelfehler des Winkels θ₄ dar, und das Bezugszeichen 95 stellt den Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs dar. Wie in 10 gezeigt ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs erheblich kleiner als der Winkelfehler von jedem der Winkel θ₁ bis θ₄. Die Winkelfehler der Winkel θ₁ bis θ₄ sind hauptsächlich auf das Rauschmagnetfeld Mex und die Richtungsfehler der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFb zurückzuführen. Hingegen ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs hauptsächlich auf den Normalfehler zurückzuführen. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Verringern des durch das Rauschmagnetfeld Mex und die Richtungsfehler der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd verursachten Winkelfehlers. Es wird angemerkt, dass, wie in 10 gezeigt, Variationen in den Winkelfehlern der Winkel θ₁ bis θ₄ gemäß dem Referenzwinkel θr voneinander verschiedene Phasen haben. Dies liegt an den Differenzen zwischen den Phasen der periodischen Variationen der Richtungsfehler der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd gemäß dem Referenzwinkel θr.
Die übrige Ausgestaltung, Funktion und Wirkungen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Es wird nun eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wird zunächst auf 11 Bezug genommen, um die Ausgestaltung des Winkelsensors 1 gemäß der dritten Ausführungsform zu beschreiben. Der Winkelsensor 1 gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Winkelsensor 1 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform folgendermaßen. In der dritten Ausführungsform entfallen die erste bis vierte Vektorerzeugungseinheit 15, 25, 35 und 45 der ersten und zweiten Ausführungsform. Der Winkelsensor 1 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst eine Winkelberechnungseinheit 250 anstelle der Winkelberechnungseinheit 50 der ersten und zweiten Ausführungsform. Die Winkelberechnungseinheit 250 kann beispielsweise durch einen ASIC oder einen Mikrocomputer verwirklicht sein.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor Y1 dargestellt, die zweiten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor Y2 dargestellt, die dritten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor Y3 dargestellt und die vierten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als Vektor Y4 dargestellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass das erste und zweite Erfassungssignal S1 und S2 zwei Komponenten des Vektors Y1 in einem orthogonalen Koordinatensystem sind, dass das dritte und vierte Erfassungssignal S3 und S4 zwei Komponenten des Vektors Y2 in dem orthogonalen Koordinatensystem sind, dass das fünfte und sechste Erfassungssignal S5 und S6 zwei Komponenten des Vektors Y3 in einem orthogonalen Koordinatensystem sind, und dass das siebte und achte Erfassungssignal S7 und S8 zwei Komponenten des Vektors Y4 in einem orthogonalen Koordinatensystem sind. In einer solchen Situation ist es erforderlich, die erste bis achte Erfassungssignalerzeugungseinheit 11, 12, 21, 22, 31, 32. 41 und 42 unter der Bedingung zu nutzen, dass die Beträge des ersten bis achten Erfassungssignals S1 bis S8 nicht innerhalb der Spanne der Stärken der ersten bis vierten zusammengesetzten Magnetfelder MF1 bis MF4 gesättigt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform führt die Winkelberechnungseinheit 250 Operationen mithilfe komplexer Zahlen durch, wie auch die Winkelberechnungseinheit 50. 11 veranschaulicht eine beispielhafte Ausgestaltung der Winkelberechnungseinheit 250. Bei diesem Beispiel umfasst die Winkelberechnungseinheit 250 eine Schätzwert-Bestimmungseinheit 251 und eine Argument-Berechnungseinheit 252. Die Winkelberechnungseinheit 250 nutzt die beiden Komponenten des Vektors Y1 in dem Orthogonal-Koordinatensystem als Realteil Re₁ und Imaginärteil Im₁ einer komplexen Zahl y₁, nutzt die beiden Komponenten des Vektors Y2 in dem orthogonalen Koordinatensystem als Realteil Re₂ und Imaginärteil Im₂ einer komplexen Zahl y₂, nutzt die zwei Komponenten des Vektors Y3 in dem orthogonalen Koordinatensystem als Realteil Re₃ und Imaginärteil Im₃ einer komplexen Zahl y₃, und nutzt die beiden Komponenten des Vektors Y4 in dem orthogonalen Koordinatensystem als Realteil Re₄ und Imaginärteil Im₄ einer komplexen Zahl y₄. Um genauer zu sein, werden das erste und zweite Erfassungssignal S1 und S2, die durch die A/D-Wandler 13 und 14 in digitale Signale umgewandelt wurden, als Realteil Re₁ und Imaginärteil Im₁ der komplexen Zahl y₁ verwendet; das dritte und vierte Erfassungssignal S3 und S4, die durch die A/D-Wandler 23 und 24 in digitale Signale umgewandelt wurden, als Realteil Re₂ und Imaginärteil Im₂ der komplexen Zahl y₂ verwendet; das fünfte und sechste Erfassungssignal S5 und S6, die durch die A/D-Wandler 33 und 34 in digitale Signale umgewandelt wurden, als Realteil Re₃ und Imaginärteil Im₃ der komplexen Zahl y₃ verwendet; und das siebte und achte Erfassungssignal S7 und S8 , die durch die A/D-Wandler 43 und 44 in digitale Signale umgewandelt wurden, als Realteil Re₄ und Imaginärteil Im₄ der komplexen Zahl y₄ verwendet.
Die Schätzwert-Bestimmungseinheit 251 bestimmt den ersten und zweiten Schätzwert M und E mithilfe der komplexen Zahlen y₁ bis y₄. Das Verfahren zum Bestimmen des ersten und zweiten Schätzwerts M und E ist das gleiche wie jenes in der ersten oder zweiten Ausführungsform.
Die Argument-Berechnungseinheit 252 bestimmt den Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage des ersten Schätzwerts M. Wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde, ist der erste Schätzwert M eine komplexe Zahl. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Argument des ersten Schätzwerts M als Erfassungswinkelwert θs verwendet. Die Argument-Berechnungseinheit 252 erhält das Argument des ersten Schätzwerts M, um den Erfassungswinkelwert θs zu berechnen. Das Verfahren zum Berechnen des Erfassungswinkelwerts θs ist das gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden das erste und zweite Erfassungssignal S1 und S2 unmittelbar als Realteil Re₁ und Imaginärteil Im₁ der komplexen Zahl y₁ verwendet, das dritte und vierte Erfassungssignal S3 und S4 unmittelbar als Realteil Re₂ und Imaginärteil Im₂ der komplexen Zahl y₂ verwendet, das fünfte und sechste Erfassungssignal S5 und S6 als Realteil Re₃ und Imaginärteil Im₃ der komplexen Zahl y₃ verwendet, und das siebte und achte Erfassungssignal S7 und S8 als Realteil Re₄ und Imaginärteil Im₄ der komplexen Zahl y₄ verwendet. Somit beseitigt die vorliegende Ausführungsform die Notwendigkeit für die Operationen zum Erhalten der Richtungen D₁ bis D₄, der Beträge Ma₁ bis Ma₄, der Realteile Re₁ bis R₄ und der Imaginärteile Im₁ bis Im₄, die unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurden. Dies macht es einfacher, den Erfassungswinkelwert θs zu erzeugen und es ermöglicht, dass der Winkelsensor 1 verglichen mit der ersten und zweiten Ausführungsform eine einfachere Ausgestaltung hat.
Die übrige Ausgestaltung, Funktion und Wirkungen der dritten Ausführungsform sind die gleichen wie jene der ersten oder zweiten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
Es wird nun eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst erfolgt eine Bezugnahme auf 12, um die Ausgestaltung des Winkelsensorsystems 100 gemäß der vierten Ausführungsform zu beschreiben. Das Winkelsensorsystem 100 gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Winkelsensorsystem 100 gemäß der zweiten Ausführungsform folgendermaßen. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl der Erfassungspositionen durch N dargestellt, wobei N eine Ganzzahl größer als oder gleich 2 ist. Alle der Anzahl N von Erfassungspositionen liegen in der Referenzebene P. Das Rauschmagnetfeld Mex liegt in der gleichen Richtung und hat die gleiche Stärke bei der Anzahl N von Erfassungspositionen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl N von Erfassungspositionen derart definiert, dass das Zielmagnetfeld an zumindest zwei der Anzahl N von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken hat. In der Referenzebene P variiert die Stärke des Zielmagnetfelds in Abhängigkeit des Abstands vom Drehmittelpunkt C. Somit sind zumindest zwei aus der Anzahl N von Erfassungspositionen an unterschiedlichen Abständen von dem Drehmittelpunkt C. Solange die obenstehende Bedingung erfüllt ist, kann es eine Vielzahl von Erfassungspositionen geben, an denen die Stärken des Zielmagnetfelds gleich sind.
Der Winkelsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Anzahl N von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen anstelle der ersten bis vierten Einheit 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen der zweiten Ausführungsform. Der Einfachheit halber wird die Anzahl von N Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen als die Anzahl von ersten bis N-ten Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen bezeichnet. Eine N-te Einheit zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen wird durch das Bezugszeichen 10I_n bezeichnet, wobei n eine Ganzzahl von 1 bis einschließlich N ist.
Eine Erfassungsposition, die der Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen entspricht, wird durch das Bezugszeichen P_n bezeichnet. Die Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem Zielmagnetfeld und einem Rauschmagnetfeld Mex an der Erfassungsposition P_n, um zusammengesetzte Magnetfeldinformationen zu erzeugen. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jeder aus der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds.
Ein Winkel, den das zusammengesetzte Magnetfeld, das durch die Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erfasst wird, bezüglich der Referenzrichtung DR bildet, wird durch das Bezugszeichen θ_n bezeichnet. Die X-, Y-, und Z-Richtungen, die unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben werden, sind in 12 gezeigt. Die Referenzrichtung DR ist die X-Richtung. Wie später ausführlich beschrieben werden wird, erzeugt die Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen einen Einzelwinkelwert θs_n, der den Winkel θ_n als zusammengesetzte Magnetfeldinformationen darstellt. Die Definition von positiv und negativ des Winkels θ_n und des Erfassungswinkelwertes θs_n ist die gleiche wie jene der Winkel θ₁ bis θ₄in der ersten Ausführungsform.
Es wird nun auf 13 und 14 Bezug genommen, um die Ausgestaltungen des Winkelsensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und die Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu beschreiben. 13 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Ausgestaltung des Winkelsensors 1 veranschaulicht. 14 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine beispielhafte Ausgestaltung der Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen veranschaulicht. Wie oben beschrieben umfasst der Winkelsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl von N Einheiten 10I₁, 10I₂...und 10I_Nzum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen.
Bei dem in 14 gezeigten Beispiel umfasst die Einheit 10I_n zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen eine erste Signalerzeugungseinheit 11I, eine zweite Signalerzeugungseinheit 12I, A/D-Wandler 13I und 14I, und eine Einzelwinkel-Berechnungseinheit 15I. Die erste Signalerzeugungseinheit 11I erzeugt ein erstes Signal S1_n, das eine Entsprechung zu dem Kosinus des Winkels θ_n hat, den die Richtung des Zielmagnetfelds an der Erfassungsposition P_n bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Die zweite Signalerzeugungseinheit 12I erzeugt ein zweites Signal S2_n, das eine Entsprechung zu dem Sinus des Winkels θ_n hat, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der Erfassungsposition P_n bezüglich der Referenzrichtung DR bildet. Die A/D-Wandler 13I bzw. 14I wandeln das erste und zweite Signal S1_n und S2_nin digitale Signale um. Auf Grundlage des ersten und zweiten Signals S1_n und S2_n erzeugt die Einzelwinkel-Berechnungseinheit 15I den Einzelwinkelwert θs_n, der den Winkel θ_n darstellt, als die zusammengesetzten Magnetfeldinformationen. Der Einzelwinkelwert θs_n entspricht Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der Erfassungsposition P_n. Die Einzelwinkel-Berechnungseinheit 15I kann beispielsweise durch einen ASIC verwirklicht sein.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die erste Signal-Erzeugungseinheit 11I die gleiche Ausgestaltung wie jene der ersten Signal-Erzeugungseinheit 11, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wurde. Somit werden Bauteile der ersten Signal-Erzeugungseinheit 11I mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie jene, die für die Bauteile der ersten Signal-Erzeugungseinheit 11 verwendet werden, die in 5 gezeigt ist. Bei der ersten Signal-Erzeugungseinheit 11I sind die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der MR-Elemente, die in den Magneterfassungselementen R11 und R14 enthalten sind, in der X-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der MR-Elemente, die in den Magneterfassungselementen R12 und R13 enthalten sind, sind in der negativen X-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit des Kosinus des Winkels θ_n. Der Differenzdetektor 18 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, als das erste Erfassungssignal S1_n aus. Somit erzeugt die erste Signalerzeugungseinheit 11I das erste Signal S1_n, das eine Entsprechung zu dem Kosinus des Winkels θ_n hat.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die zweite Signalerzeugungseinheit 12I die gleiche Ausgestaltung wie jene der zweiten Signalerzeugungseinheit 12, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde. Somit werden Bauteile der zweiten Signal-Erzeugungseinheit 12I mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie jenen, die für die Bauteile der zweiten Signal-Erzeugungseinheit 12 verwendet werden, die in 6 gezeigt ist. Bei der zweiten Signal-Erzeugungseinheit 12I sind die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der MR-Elemente, die in den Magneterfassungselementen R21 und R24 enthalten sind, in der Y-Richtung magnetisiert, und die Schichten mit festgelegter Magnetisierung der MR-Elemente, die in den Magneterfassungselementen R22 und R23 enthalten sind, sind in der negativen Y-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit des Sinus des Winkels θ_n. Der Differenzdetektor 28 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, als das zweite Signal S2_n aus. Somit erzeugt die zweite Signalerzeugungseinheit 12I das zweite Signal S2_n, das eine Entsprechung zu dem Sinus des Winkels θ_n hat.
Es wird nun ein Verfahren zum Erzeugen des Einzelwinkelwerts θs_n genauer beschrieben. Die Einzelwinkel-Berechnungseinheit 151 erhält den Einzelwinkelwert θs_n aus der nachfolgenden Gleichung (17). $θ s_{n} = atan ({S2}_{n} {/S1}_{n})$
Wenn θs_n innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° liegt, ergibt Gleichung (17) zwei Lösungen, die sich in ihren Werten um 180° voneinander unterscheiden. Welche der beiden Lösungen für θs_n in Gleichung (17) der wahre Wert von θs_n ist, kann aus der Kombination negativer und positiver Vorzeichen von S1_n und S2_n bestimmt werden. Die Einzelwinkel-Berechnungseinheit 15I erhält θs_n innerhalb des Bereichs von 0° bis weniger als 360° aus Gleichung (17) und auf Grundlage der vorgenannten Bestimmung der Kombination positiver und negativer Vorzeichen von S1_n und S2_n.
Wie in 13 gezeigt umfasst der Winkelsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Winkelberechnungseinheit 350 anstelle der Winkelberechnungseinheit 50 der zweiten Ausführungsform. Die Winkelberechnungseinheit 350 erzeugt den Erfassungswinkelwert θs mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen, d.h. der Anzahl N von Einzelwinkelwerten θs₁, θs₂... und θs_N. Die Winkelberechnungseinheit 350 kann beispielsweise durch einen ASIC oder einen Mikrocomputer verwirklicht sein.
Es werden nun ein Beispiel des Zielmagnetfelds und ein Beispiel des zusammengesetzten Magnetfelds in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform geht von einem Magnetfeld, dessen Stärke mit zunehmenden Abstand von dem Drehmittelpunkt C in der Referenzebene P abnimmt (vgl. Fig, 12), als Zielmagnetfeld aus, das von der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 erzeugt wird. 15 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke des Zielmagnetfelds zeigt. In 15 stellt die vertikale Achse die Stärke des Zielmagnetfelds dar (in Einheiten von mT). In 15 stellen zwei Achsen, die zu der vertikalen Achse orthogonal sind, Positionen (in Einheiten von mm) in zwei orthogonalen Richtungen in der Referenzebene P dar. In 15 ist ein Schnittpunkt der Referenzebene P und des Drehmittelpunkts C (vgl. 12) auf einen Ursprungspunkt der beiden Achsen orthogonal zur Vertikalachse festgelegt.
16 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke und Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds in der Referenzebene P veranschaulicht. Das in 16 gezeigte zusammengesetzte Magnetfeld setzt sich aus dem in 15 gezeigten Zielmagnetfeld und dem Rauschmagnetfeld Mex zusammen. In 16 ist die Stärke des Rauschmagnetfelds Mex auf 1 mT festgelegt, und die Richtung des Rauschmagnetfelds Mex ist eine Richtung, die um 60° von der X-Richtung zur Y-Richtung gedreht ist. In 16 ist der Schnittpunkt der Referenzebene P und des Drehmittelpunktes C (vgl. 12) auf einen Ursprungspunkt festgelegt. In 16 ist jede Achse in Einheiten von mm. In 16 stellt jeder Pfeil die Stärke und Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds dar, wenn der Drehfeldwinkel θM 0° ist. Die Länge des Pfeils stellt die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds dar, und die Richtung des Pfeils stellt die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds dar.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Beziehung zwischen dem Rauschmagnetfeld Mex und dem Einzelwinkelwert θs_n in der vorliegenden Ausführungsform. Ist kein Rauschmagnetfeld Mex vorhanden, ist der Einzelwinkelwert θs_n gleich dem Drehfeldwinkel θM. Ist jedoch das Rauschmagnetfeld Mex vorhanden, kann die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an der Erfassungsposition P_n von der Richtung des Zielmagnetfelds an der Erfassungsposition P_n abweichen, so dass der Einzelwinkelwert θs_n sich von dem Wert des Drehfeldwinkels θM unterscheidet. Die Differenz zwischen dem Einzelwinkelwert θs_n und dem Drehfeldwinkel θM wird nachfolgend als Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs_n bezeichnet. Der Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs_n wird durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht.
Wie zuvor erwähnt hat das Zielmagnetfeld in der vorliegenden Ausführungsform unterschiedliche Stärken an zumindest zwei der Vielzahl von Erfassungspositionen P₁, P₂, .... und P_N. In der Referenzebene P variiert die Stärke des Zielmagnetfelds in Abhängigkeit von dem Abstand vom Drehmittelpunkt C. Die unterschiedlichen Stärken des Zielmagnetfelds an zumindest zwei der Erfassungspositionen resultieren in unterschiedlichen Relativwirkungen des Rauschmagnetfelds Mex auf das zusammengesetzte Magnetfeld an jenen Erfassungspositionen, wodurch eine Differenz in der Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds an jenen Erfassungspositionen verursacht wird. Im Ergebnis tritt in dem Erfassungswinkelwert θs_n ein Fehler auf.
Nimmt man nun als ein Beispiel das zusammengesetzte Magnetfeld an der Erfassungsposition P₁ und das zusammengesetzte Magnetfeld an der Erfassungsposition P₂ als ein Beispiel, werden die Wirkungen des Rauschmagnetfelds Mex beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Bezugszeichen MF1 verwendet, um das zusammengesetzte Magnetfelds an der Erfassungsposition P₁ darzustellen, und das Bezugszeichen MF2 wird verwendet, um das zusammengesetzte Magnetfeld an der Erfassungsposition P₂ darzustellen. Das zusammengesetzte Magnetfeld MF1 wird auch als das erste zusammengesetzte Magnetfeld MF1 bezeichnet, und das zusammengesetzte Magnetfeld MF2 wird auch als das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Bezugszeichen MFa verwendet, um das Zielmagnetfeld an der Erfassungsposition P₁ darzustellen, und das Bezugszeichen MFb wird verwendet, um das Zielmagnetfeld an der Erfassungsposition P₂ darzustellen. Das Zielmagnetfeld MFa wird auch als ein erstes Teilmagnetfeld MFa bezeichnet, und das Zielmagnetfeld MFb wird auch als ein zweites Zielmagnetfeld MFb bezeichnet. Die Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb sind die gleichen wie die Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition.
Hierbei seien als die zwei Komponenten des Rauschmagnetfelds Mex angenommen: Eine erste Komponente orthogonal zum ersten und zweiten Teilmagnetfeld MFa und MFb; und eine zweite Komponente parallel zum ersten und zweiten Teilmagnetfeld MFa und MFb. 17A und 17B sind erläuternde Diagramme, die schematisch das Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Teilmagnetfeld MF1, MF2 und dem Rauschmagnetfeld Mex darstellen. 17A veranschaulicht das Verhältnis zwischen dem ersten Teilmagnetfeld MF1 und der ersten Komponente des Rauschmagnetfelds Mex. 17B veranschaulicht das Verhältnis zwischen dem zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 und der ersten Komponente des Rauschmagnetfelds Mex. In 17A und 17B stellt der mit Mex1 bezeichnete Pfeil die erste Komponente des Rauschmagnetfelds Mex dar. In 17A und 17B ist die Größe der ersten Komponente Mex1 übertrieben. Wie in den 17A und 17B gezeigt weichen die Richtungen des ersten und zweiten Teilmagnetfelds MF1 und MF2 von den Richtungen des ersten bzw. zweiten Teilmagnetfelds MFa und MFb aufgrund der Wirkung der ersten Komponente Mex1 ab.
Angenommen, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Stärke des Rauschmagnetfelds Mex wesentlich kleiner ist als die Stärken des ersten und zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MFa und MFb, in einem Maße, dass die zweite Komponente des Rauschmagnetfelds Mex eine vernachlässigbare Wirkung auf die Richtungsvariationen des zusammengesetzten ersten und zweiten Magnetfelds MF1 und MF2 hat. In 17A und 17B wird das erste Teilmagnetfeld MF1 als ein zusammengesetztes Magnetfeld des ersten Teilmagnetfelds MFa und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex dargestellt, und das zweite zusammengesetzte Magnetfeld MF2 wird als ein zusammengesetztes Magnetfeld des zweiten Teilmagnetfelds MFb und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex dargestellt.
Wie in 17A veranschaulicht verursacht eine Richtungsabweichung des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 von der Richtung des ersten Teilmagnetfelds MFa einen Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs₁, der auf Grundlage des ersten zusammengesetzten Magnetfelds MF1 erzeugt wird. Der Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs₁ ist atan(B_ex/B₁), wobei B₁ die Stärke des ersten Teilmagnetfelds MFa darstellt und B_ex die Stärke der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex darstellt.
Wie in 17B gezeigt verursacht eine Richtungsabweichung des zweiten zusammengesetzten Magnetfelds MF2 von der Richtung des zweiten Teilmagnetfelds MFb einen Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs₂. Der Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs₂ ist atan(B_ex/B₂), wobei B₂ die Stärke des zweiten Teilmagnetfelds MFb darstellt.
Wenn x ausreichend klein ist, kann atan(x) als AT • x angenähert werden. AT ist ein konstanter Wert, beispielsweise 56,57. In der vorliegenden Ausführungsform, da die Stärke B_ex der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex ausreichend kleiner ist als die Stärken B₁ und B₂ des ersten und zweiten Teilmagnetfelds MFa und MFb, kann atan(B_ex/B₁) als AT • (B_ex/B₁) angenähert werden, und atan(B_ex/B₂) kann als AT•(B_eex/B₂) angenähert werden.
Der Einzelwinkelwert θs₁ kann mithilfe des Drehfeldwinkels θM und des Winkelfehlers des Einzelwinkelwerts θs₁ ausgedrückt werden. Der Einzelwinkelwert θs₂ kann mithilfe des Drehfeldwinkels θM und des Winkelfehlers des Einzelwinkelwerts θs₂ ausgedrückt werden. Konkret können die Einzelwinkelwerte θs₁ und θs₂ durch die folgenden Gleichungen (18) bzw. (19) ausgedrückt werden. $θ s_{1} = θ M - AT \cdot (B_{ex} {/B}_{1})$
$θ s_{2} = θ M - AT \cdot (B_{ex} {/B}_{2})$
Die vorgenannte Beschreibung erfolgte beispielhaft mit den zusammengesetzten Magnetfeldern an den Erfassungspositionen P₁ und P₂. Die vorgenannte Beschreibung gilt für das zusammengesetzte Magnetfeld an der Erfassungsposition P_n. Der Einzelwinkelwert θs_n kann durch die untenstehende Gleichung (20) ausgedrückt werden. In Gleichung (20) stellt B_n die Stärke des Zielmagnetfelds an der Erfassungsposition P_n dar. Es wird angemerkt, dass die Richtung des Zielmagnetfelds an der Erfassungsposition P_n die gleiche ist wie die Richtung des Zielmagnetfelds an der Referenzposition. $θ s_{n} = θ M - AT \cdot (B_{ex} {/B}_{n})$
Es erfolgt nun eine Beschreibung eines Verfahrens zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs in der vorliegenden Ausführungsform. Zunächst wird das Konzept des Verfahrens zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform nimmt die Winkelberechnungseinheit 350 eine erste Unbekannte, eine zweite Unbekannte und eine Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen an. Die erste Unbekannte ist ein Wert, der dem Erfassungswinkelwert θs entspricht. Die zweite Unbekannte ist ein Wert, der der Stärke des Rauschmagnetfelds Mex entspricht. Die Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen sind Informationen, die der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen entsprechen und auf Grundalge der ersten und zweiten Unbekannten angenommen werden.
Die Winkelberechnungseinheit 350 schätzt die erste und zweite Unbekannte, um die Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und der Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen zu minimieren und bestimmt den Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage der geschätzten ersten Unbekannten.
Das Verfahren zum Schätzen der ersten und zweiten Unbekannten ist das gleiche wie das Verfahren zum Bestimmen des ersten und zweiten Schätzwerts M und E, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben werden. Um genauer zu sein, werden die erste und zweite Unbekannte durch Bestimmen des Spaltenvektors x durch das in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebene Verfahren mithilfe der Gleichungen (5) bis (8) geschätzt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform stellt z in Gleichung (5) und (6) einen N-dimensionalen Spaltenvektor dar, der eine Anzahl von N Elementen mit einer Entsprechung zu der Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen hat, die auf Grundlage der zu erhaltenden ersten und zweiten Unbekannten erzeugt werden. In den Gleichungen (5) bis (8) ist H eine Matrix mit N Reihen und zwei Spalten, die gemäß der Beziehung zwischen dem Rauschmagnetfeld Mex und dem Einzelwinkelwert θs_n definiert werden. In den Gleichungen (5) bis (7) ist x ein zweidimensionaler Spaltenvektor, dessen Elemente die erste Unbekannte und die zweite Unbekannte sind. In den Gleichungen (6) bis (8) stellt y einen N-dimensionalen Spaltenvektor dar, der eine Anzahl von N Elementen mit einer Entsprechung zu der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen hat, also einer Anzahl N von Einzelwinkelwerten θs_1, θs₂, ..., und θs_N.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage der ersten Unbekannten bestimmt, die eine von zwei Elementen des Spaltenvektors x ist, der durch Einsetzen der Matrix H und des Spaltenvektors y in Gleichung (8) der ersten Ausführungsform berechnet wird.
Das Verfahren zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts θs wird nun konkret beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform führt die Winkelberechnungseinheit 350 Operationen mithilfe von reellen Zahlen durch. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl der Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen N. Die Anzahl von N Teilen von angenommenen zusammengesetzten Magnetfeldinformationen wird dabei durch z₁, z₂ und z_N dargestellt. Die Anzahl von N Teilen von angenommenen zusammengesetzten Magnetfeldinformationen z₁, z₂, ... und z_N wird dabei auf Grundlage der ersten und zweiten Unbekannten angenommen und entspricht den Einzelwinkelwerten θs₁, θs₂, ... bzw. θs_N. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl N von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen durch die nachfolgende Gleichung (21) abgebildet. $[\begin{matrix} z_{1} \\ z_{2} \\ ⋮ \\ z_{N} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 & - \frac{A T}{B_{1}} \\ 1 & - \frac{A T}{B_{2}} \\ ⋮ & ⋮ \\ 1 & - \frac{A T}{B_{N}} \end{matrix}] [\begin{matrix} θ M A \\ B_{e x} \end{matrix}]$
Der N-dimensionale Spaltenvektor auf der linken Seite von Gl. (21) entspricht z aus Gl. (5).
Der zweidimensionale Spaltenvektor auf der rechten Seite aus Gleichung (1) entspricht x aus Gleichung (5). Dieser Spaltenvektor wird nachfolgend durch x_e dargestellt. Es wird angenommen, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Drehfeldwinkel θM der gleiche wie der zu erfassende Winkel ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Unbekannte eine Unbekannte, die dem Drehfeldwinkel θM entspricht, und wird durch θMA dargestellt. Da der Drehfeldwinkel θM der gleiche wie der zu erfassende Winkel ist, ist wie oben beschrieben die erste Unbekannte θMA ein Wert, der dem Erfassungswinkelwert θs entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Unbekannte eine Unbekannte, die der Stärke B_ex der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfelds Mex entspricht. Obgleich die zweite Unbekannte nicht die Stärke B_ex selbst ist, wird die zweite Unbekannte aus Gründen der Übersichtlichkeit in Gl. (21) und der nachfolgenden Beschreibung durch B_ex dargestellt.
Die Matrix mit N Reihen und zwei Spalten auf der rechten Seite aus Gl. (21) entspricht H aus Gl. (5). Diese Matrix wird nachfolgend durch H_e dargestellt. Die Elemente der Matrix H_e werden gemäß der Beziehung zwischen dem Rauschmagnetfeld Mex und dem Einzelwinkelwert θs_n definiert. Die Beziehung zwischen dem Rauschmagnetfeld Mex und dem Einzelwinkelwert θs_n kann mithilfe des Drehfeldwinkels θM und der Stärke B_ex ausgedrückt werden, wie in Gl. (20). In der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl von N Elementen der ersten Spalte der Matrix H_e auf Grundlage des Koeffizienten von θM aus Gleichung (20) definiert. Um genauer zu sein sind, wie durch Gleichung (21) angegeben, alle der Anzahl von N Elementen der ersten Spalte der Matrix H_e auf 1 gesetzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl von N Elementen der zweiten Spalte der Matrix H_e auf Grundlage des Koeffizienten von B_ex aus Gleichung (20) definiert. Um genauer zu sein wird, wie durch Gleichung (21) angegeben, die Anzahl von N Elementen der zweiten Spalte der Matrix H_e auf -AT/B₁, -AT/B₂, ... gesetzt, und -AT/B_N. B₁, B₂, ..., und B_N werden beispielsweise erhalten durch Messen der Stärke des Zielmagnetfelds an jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen P₁, P₂ und P_N unter der Bedingung, bei der das Rauschmagnetfeld Mex nicht vorhanden ist.
Dabei sei y_e ein N-dimensionaler Spaltenvektor, der die Anzahl von N Einzelwinkelwerten θ_S1, θ_S2, ..., und θ_SN als seine Elemente enthält. Der Spaltenvektor y_e wird durch die nachfolgende Gleichung (22) ausgedrückt. $Y_{e}^{T} = [θ_{S1}, θ_{S2},..., θ_{Sn}]$
Die Winkelberechnungseinheit 350 berechnet x_e durch Ersetzen von H, x, und y in Gl. (8) jeweils mit H_e, x_e, und y_e. Die erste Unbekannte θMA und die zweite Unbekannte B_ex werden dadurch geschätzt.
Die Winkelberechnungseinheit 350 bestimmt den Erfassungswinkelwert θs auf Grundlage der geschätzten ersten Unbekannten θMA. Genauer nutzt die Winkelberechnungseinheit 350 die geschätzte erste Unbekannte θMA als Erfassungswinkelwert θs.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Erfassungswinkelwert θs ohne die Verwendung von Informationen über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds bestimmt. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die exakte Bestimmung des Erfassungswinkelwerts θs selbst in dem Fall, bei dem die Größe des ersten und zweiten Signals S1_n und S2_n in Abhängigkeit der Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds gesättigt sind.
In der vorliegenden Ausführungsform können B₁, B₂, ... B_N aus Gl. (21) in beliebigen Einheiten sein. Mit anderen Worten können B₁, B₂, ... B_N in jedweden Werten vorliegen, solange die Beziehung des Verhältnisses zwischen ihnen die gleiche ist wie die Beziehung des Verhältnisses zwischen den Stärken des Zielmagnetfelds an den Erfassungspositionen P₁, P₂..., und P_N. In Gl. (21) kann AT eine beliebige Konstante ungleich 56,57 sein. Wenn B₁, B₂ ... B_N in anderen Einheiten vorliegen oder der Wert von AT anders ist, wird der Wert der geschätzten zweiten Unbekannten B_ex verschieden. Selbst in einem solchen Fall kann davon ausgegangen werden, dass die zweite Unbekannte B_ex ein Wert ist, der der Stärke des Rauschmagnetfelds Mex entspricht, da der Wert der geschätzten zweiten Unbekannten B_ex entsprechend der Stärke des Rauschmagnetfelds Mex variiert. Dies bedeutet, dass die zweite Unbekannte B_ex in beliebigen Einheiten vorliegen kann. Selbst wenn B₁, B₂, ... und B_N in anderen Einheiten sind oder der Wert von AT anders ist, bleibt der Wert der geschätzten ersten Unbekannten θMA unverändert.
Die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf Simulationsergebnisse beschrieben. Die Simulation erhielt den Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs_n und den Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs, wenn der Erfassungswinkelwert θs in Anwesenheit eines Rauschmagnetfelds Mex mit einer konstanten Richtung und Stärke erzeugt wird. Die Simulation nutzte den Referenzwinkel θr, der einem wahren zu erfassenden Winkel entspricht, um die Winkelfehler zu erhalten. Um genauer zu sein wurde angenommen, dass die Differenz zwischen dem Einzelwinkelwert θs_n und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Einzelwinkelwerts θs_n ist, und es wurde angenommen, dass die Differenz zwischen dem Erfassungswinkelwert θs und dem Referenzwinkel θr der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs ist.
Bei der Simulation wird ein Magnetfeld, dessen Stärke mit zunehmendem Abstand vom Drehmittelpunkt C (vgl. 12) in der Referenzebene P abnimmt, als das Zielmagnetfeld angenommen, das durch die Magnetfeld-Erzeugungseinheit 5 erzeugt wird, wie auch bei dem in 15 gezeigten Zielmagnetfeld. 18 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Verteilung der Stärke des Zielmagnetfelds veranschaulicht. In 18 stellt die Vertikalachse die Stärke des Zielmagnetfelds dar (in Einheiten von mT). In 18 stellen zwei Achsen orthogonal zur Vertikalachse Positionen (in Einheiten von mm) in zwei orthogonalen Richtungen in der Referenzebene P dar. In 18 wird ein Schnittpunkt der Referenzebene P und des Drehmittelpunkts C (vgl. 12) auf einen Ursprungspunkt der zwei Achsen orthogonal zur Vertikalachse festgelegt. Die Stärke des Zielmagnetfelds an dem Ursprungspunkt wurde auf 80 mT festgelegt, und die Stärke des Rauschmagnetfelds Mex wurde auf 4 mT festgelegt.
Bei der Simulation wurde dem Zielmagnetfeld ein Fehler auferlegt, der durch eine Zufallszahl erzeugt wurde. Die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert dieses Fehlers wurde auf 6 mT festgelegt. Es wird angenommen, dass dieser Fehler ein Normalfehler ist, der in dem Winkelsensor 1 erzeugt wird. Der Normalfehler umfasst einen Fehler, der der Nichtlinearität der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen geschuldet ist, und einen Fehler, der weißem Rauschen geschuldet ist. Ein durch den Normalfehler verursachter Winkelfehler ist wesentlich kleiner als ein durch das Rauschmagnetfeld Mex versursachter Winkelfehler.
Bei der Simulation betrug die Anzahl von Erfassungspositionen gleich 16. 19 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Erfassungspositionen in der Simulation veranschaulicht. In 19 geben schwarze Punkte die Erfassungspositionen an. Bei der Simulation wurden die Erfassungspositionen in regelmäßigen Abständen in der X-Richtung und der Y-Richtung angeordnet. Die Abstände zwischen je zwei in X-Richtung benachbarten Erfassungspositionen und die Abtstände zwischen je zwei in Y-Richtung benachbarten Erfassungspositionen betrugen jeweils 0,8 mm.
20 veranschaulicht ein Beispiel von Wellenformen von sechzehn Winkelfehlern der Einzelwinkelwerte θ_s1 bis θ_s16, die bei der Simulation erhalten wurden. In 20 stellt die horizontale Achse den Referenzwinkel θr dar, und die vertikale Achse stellt den Winkelfehler dar. Die Unterschiede der Amplituden zwischen den Wellenformen der sechzehn Winkelfehler, die in 10 gezeigt sind, resultieren aus unterschiedlichen Relativwirkungen des Rauschmagnetfelds Mex auf das zusammengesetzte Magnetfeld an den entsprechenden Erfassungspositionen. Die Relativwirkung des Rauschmagnetfelds Mex nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen der Erfassungsposition P_n und dem Drehmittelpunkt C zu. Daher steigt die Amplitude des Winkelfehlers mit zunehmendem Abstand zwischen der Erfassungsposition P_n und dem Drehmittelpunkt C.
21 veranschaulicht ein Beispiel der Wellenform des Winkelfehlers des Erfassungswinkelwerts θs, der bei der Simulation erhalten wird. In 21 stellt die horizontale Achse den Referenzwinkel θr dar, und die vertikale Achse stellt den Winkelfehler dar. Wie in 21 gezeigt ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs wesentlich kleiner als jeder der sechzehn Winkelfehler der Einzelwinkelwerte θ_s1 bis θ_s16, die in 20 gezeigt sind. Die sechzehn Winkelfehler der Einzelwinkelwerte θ_s1 bis θ_s16 sind hauptsächlich auf das Rauschmagnetfeld Mex zurückführbar. Hingegen ist der Winkelfehler des Erfassungswinkelwerts θs hauptsächlich auf den Normalfehler zurückführbar. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform die Verringerung der Winkelfehler, die durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht werden.
Die Vielzahl von Erfassungspositionen in der vorliegenden Ausführungsform können voneinander unterschiedliche Positionen auf einer gedachten Geraden sein, die durch die Magnetfelderzeugungseinheit 5 verläuft, wie die erste bis vierte Erfassungspositionen P1 bis P4 der ersten Ausführungsform. In einem solchen Fall hat das Zielmagnetfeld an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken. Die übrige Ausgestaltung, Funktion und Wirkungen der vierten Ausführungsform sind die gleichen wie jene der ersten oder zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden. Beispielsweise kann jede der Vielzahl von Einheiten zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen in der vorliegenden Erfindung einen Teil umfassen, der Informationen über nur die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds auf die gleiche Weise erzeugt, wie die erste bis vierte Einheit 10, 20, 30 und 40 zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen der ersten Ausführungsform, und einen anderen Teil umfassen, der Informationen über nur die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds erzeugt.
In dem Fall, bei dem der Winkelfehler, der durch das Rauschmagnetfeld verursacht wird, innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt, können, selbst wenn Informationen über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds, die in jedem Teil von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen enthalten sind, auf einen vorgegebenen, konstanten Wert festgelegt sind, die Informationen über die Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds, die in jedem Teil der zusammengesetzten Magnetfeldinformationen enthalten sind, auf den konstanten Wert festgelegt werden. In einem solchen Fall kann jede Einheit zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zusammengesetzte Magnetfeldinformationen erzeugen, die Informationen über eine tatsächlich erfasste Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds umfassen, und die auch die vorgenannten Informationen über die Stärke des konstanten Werts umfassen, welche keine Informationen über eine tatsächlich erfasste Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds sind.
In der vorliegenden Erfindung kann die Variation der Stärke des Zielmagnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel unterschiedliche Muster an der Vielzahl von Erfassungspositionen zeigen. In solch einem Fall kann es möglich sein, durch Abbilden der Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen unter Berücksichtigung der Variationsmuster der Stärke des Zielmagnetfelds an der Vielzahl von Erfassungspositionen, den Erfassungswinkelwert θs zu schätzen, wodurch die Wirkung des Rauschmagnetfelds Mex beseitigt wird, wie bei der zweiten Ausführungsform. Ein Beispiel der Fälle, bei denen die Variierung in der Stärke des Zielmagnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel unterschiedliche Muster an der Vielzahl von Erfassungspositionen zeigt, ist dieses, wo sich der Magnet 6 auf exzentrische Weise in der zweiten Ausführungsform dreht.
In der vorliegenden Ausführungsform können sich das Variationsmuster in der Richtung des Zielmagnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel und auch die Stärke des Zielmagnetfelds oder das Variationsmuster in der Stärke des Zielmagnetfelds zwischen der Vielzahl von Erfassungspositionen unterscheiden. In einem solchen Fall ermöglicht es das Abbilden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen unter Berücksichtigung der Stärken des Zielmagnetfelds oder der Variationsmuster der Stärke des Zielmagnetfelds und auch der Variationsmuster der Richtung des Zielmagnetfelds an der Vielzahl von Erfassungspositionen, den Erfassungswinkelwert θs zu schätzen, wodurch die Wirkung des Rauschmagnetfelds Mex beseitigt wird.
Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung in Anbetracht der obenstehenden Lehren möglich. Es wird daher angemerkt, dass innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente die Erfindung in anderen Ausführungsformen ausgeführt werden kann als den vorgenannten Ausführungsformen, die am meisten bevorzugt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Winkelsensor (1) zum Erzeugen eines Erfassungswinkelwerts, der eine Entsprechung zu einem zu erfassenden Winkel hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (1) aufweist: eine Vielzahl von Einheiten (10, 20, 30, 40) zum Erzeugen zusammengesetzter Magnetfeldinformationen zum Erfassen eines zusammengesetzten Magnetfelds aus einem zu erfassenden Magnetfeld und einem Rauschmagnetfeld, bei dem es sich nicht um das zu erfassende Magnetfeld handelt, an einer Vielzahl voneinander verschiedener Erfassungspositionen, um dadurch eine Vielzahl von Teilen zusammengesetzter Magnetfeldinformationen zu erzeugen, die Informationen über zumindest die Richtung, aus Richtung und Stärke, des zusammengesetzten Magnetfelds beinhalten; und eine Winkelberechnungseinheit (50) zum Erzeugen des Erfassungswinkelwerts, wobei an jeder der Vielzahl von Erfassungspositionen das zu erfassende Magnetfeld bezüglich seiner Richtung gemäß dem zu erfassenden Winkel variiert, und die Winkelberechnungseinheit (50) den Erfassungswinkelwert mithilfe einer Methode der kleinsten Quadrate auf Grundlage der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen erzeugt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl von Einheiten (10, 20, 30, 40) zur Erzeugung zusammengesetzter Magnetfeldinformationen zwei Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) zum Erzeugen von zwei Erfassungssignalen umfasst, die die Stärken von zwei Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds angeben, die in voneinander verschiedenen Richtungen liegen, und jeder der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen auf Grundlage der zwei Erfassungssignale erzeugt wird.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 2, wobei die beiden Komponenten des zusammengesetzten Magnetfelds in zueinander orthogonalen Richtungen liegen.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede der beiden Erfassungssignal-Erzeugungseinheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) zumindest ein Magneterfassungselement umfasst.
Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung und Stärke des zusammengesetzten Magnetfelds umfasst, die Winkelberechnungseinheit (50) einen ersten Schätzwert und einen zweiten Schätzwert bestimmt, um eine Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und einer Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen zu minimieren, und den Erfassungswinkelwert auf Grundlage des ersten Schätzwerts bestimmt, der erste Schätzwert Richtungsinformationen, die dem Erfassungswinkelwert entsprechen, und Betragsinformationen, die der Stärke des zu erfassenden Magnetfelds an einer vorgegebenen Position entsprechen, umfasst, der zweite Schätzwert Richtungsinformationen, die der Richtung des Rauschmagnetfelds entsprechen, und Betragsinformationen, die der Stärke des Rauschmagnetfelds entsprechen, umfasst, und die Vielzahl von Teilen von geschätzten zusammengesetzten Magnetfeldinformationen geschätzte Informationen der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen sind, und auf Grundlage des ersten und zweiten Schätzwerts erzeugt werden.
Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zu erfassende Magnetfeld an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken hat.
Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Variation der Richtung des zu erfassenden Magnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Muster zeigt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen Informationen über die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds umfasst, die Winkelberechnungseinheit (35) eine erste Unbekannte, eine zweite Unbekannte, und eine Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen annimmt, die erste Unbekannte ein Wert ist, der dem Erfassungswinkelwert entspricht, die zweite Unbekannte ein Wert ist, der der Stärke des Rauschmagnetfelds entspricht, die Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen Informationen sind, die der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen entsprechen und auf Grundlage der ersten und zweiten Unbekannten angenommen werden, und die Winkelberechnungseinheit (350) ferner die erste und zweite Unbekannte schätzt, um eine Quadratsumme von Differenzen zwischen jeweiligen entsprechenden der Vielzahl von Teilen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen und der Vielzahl von Teilen von angenommenen Magnetfeldinformationen zu minimieren, und den Erfassungswinkelwert auf Grundlage der geschätzten ersten Unbekannten bestimmt.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 8, wobei jede der Vielzahl von Einheiten (10I_n) zum Erzeugen von zusammengesetzten Magnetfeldinformationen umfasst: eine erste Signalerzeugungseinheit (11I) zum Erzeugen eines ersten Signals, das eine Entsprechung zu einem Cosinus eines Winkels hat, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich einer Referenzrichtung bildet; eine zweite Signalerzeugungseinheit (12I) zum Erzeugen eines zweiten Signals, das eine Entsprechung zu einem Sinus des Winkels hat, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich der Referenzrichtung bildet; und eine Einzelwinkel-Berechnungseinheit (15I) zum Erzeugen eines Einzelwinkelwerts auf Grundlage des ersten und zweiten Signals als Information des zusammensetzten Magnetfelds, wobei der Einzelwinkelwert den Winkel darstellt, den die Richtung des zusammengesetzten Magnetfelds bezüglich der Referenzrichtung bildet.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Signalerzeugungseinheit (11I, 12I) jeweils zumindest ein Magneterfassungselement umfassen.
Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das zu erfassende Magnetfeld an zumindest zwei der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken hat.
Winkelsensorsystem (100), aufweisend: den Winkelsensor (1) nach Anspruch 1; und eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit (5) zum Erzeugen des zu erfassenden Magnetfelds.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 12, wobei sich die Vielzahl von Erfassungspositionen an unterschiedlichen Abständen von der Magnetfelderzeugungseinheit (5) befindet, und das zu erfassende Magnetfeld an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken hat.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von Erfassungspositionen voneinander verschiedene Positionen auf einer gedachten Geraden sind, die durch die Magnetfelderfassungseinheit (5) verläuft.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Erfassungspositionen in einer Ebene liegen.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 15, wobei die Variation der Richtung des zu erfassenden Magnetfelds gemäß dem zu erfassenden Winkel an der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Muster zeigt.
Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 15, wobei das zu erfassende Magnetfeld an zumindest zwei der Vielzahl von Erfassungspositionen unterschiedliche Stärken hat.