DE102020102497A1

DE102020102497A1 - Winkelsensor und erfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE102020102497A1
Application number: DE102020102497.5A
Authority: DE
Inventors: Shinichirou MOCHIZUKI; Masanori Sakai
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US20200300602A1; CN111721326A; JP2020153728A; US11385043B2

Abstract

Ein Winkelsensor besteht aus einem ersten und einem zweiten Magnetsensor. Der erste Magnetsensor enthält einen ersten und einen zweiten Detektor sowie einen ersten und einen zweiten Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der vom ersten und zweiten Detektor erzeugten analogen Erkennungssignale in digitale Erkennungssignale. Der zweite Magnetsensor enthält einen dritten und vierten Detektor sowie einen dritten und vierten Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der vom dritten und vierten Detektor erzeugten analogen Erkennungssignale in digitale Erkennungssignale. Der erste bis vierte Analog-Digital-Wandler führen die Abtastung zur gleichen Zeit durch.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor zur Erzeugung eines Detektionswertes, der mit einem zu erfassenden Winkel korrespondiert, und auf eine Detektionsvorrichtung zur Erfassung physikalischer Informationen, die in Abhängigkeit von den zu erfassenden Informationen variieren und dadurch einen Detektionswert erzeugen, der mit den zu erfassenden Informationen korrespondiert.
Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren wurden Winkelsensoren in verschiedenen Anwendungen, wie z.B. der Erfassung der Drehstellung eines Lenkrades oder eines Servolenkungsmotors in einem Automobil, weit verbreitet eingesetzt. Die Winkelsensoren erzeugen einen Erfassungswert, der einem zu erfassenden Winkel entspricht. Beispiele für die Winkelsensoren sind ein magnetischer Winkelsensor. Ein Winkelsensorsystem, das einen magnetischen Winkelsensor verwendet, ist typischerweise mit einem Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines Zielmagnetfeldes ausgestattet, das ein vom magnetischen Winkelsensor zu detektierendes Magnetfeld ist und dessen Richtung sich als Reaktion auf die Rotation oder lineare Bewegung eines Objektes dreht. Der Magnetfeldgenerator ist zum Beispiel ein Magnet. Der magnetische Winkelsensor erfasst das magnetische Zielfeld und erzeugt einen Detektionswert. Der vom magnetischen Winkel sensor zu erfassende Winkel hat eine Entsprechung mit einem Winkel, den die Richtung des magnetischen Zielfeldes an einer Referenzposition gegenüber einer Bezugsrichtung bildet.
Es ist ein Typ von magnetischem Winkelsensor bekannt, der eine Vielzahl von magnetischen Sensoren und einen Prozessor zur Erzeugung des Detektionswertes durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung von Detektionsdaten aus der Vielzahl von magnetischen Sensoren enthält. Ein solcher Winkelsensor ist z.B. in der DE 102017122475 A1 ausgewiesen. Der in DE 102017122475 A1 offen gelegte Winkelsensor enthält mehrere zusammengesetzte Magnetfeldinformationserzeugungseinheiten, die den vorgenannten mehreren Magnetsensoren entsprechen, und eine Winkelberechnungseinheit, die dem vorgenannten Prozessor entspricht. Die Mehrzahl der zusammengesetzten Magnetfeldinformationserzeugungseinheiten, d.h. die Magnetsensoren, und die Winkelberechnungseinheit, d.h. der Prozessor, sind vorgesehen, um Fehler zu reduzieren, die im Detektionswert durch ein störendes Magnetfeld entstehen.
US2016/0084938A1 enthüllt ein System zur Standortbestimmung, das eine Vielzahl von Signaldetektionsgeräten umfasst. Jede Signalerfassungsvorrichtung enthält: einen Sensor zum Erfassen eines Signals und Ausgeben eines elektrischen Signals; einen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Umwandeln des elektrischen Signals vom Sensor in ein digitales Signal; einen Puffer, in den das digitale Signal vom ADC geschrieben wird; und einen Synchronisationstakt. Ein Beispiel für das vom Sensor erfasste Signal ist eine physikalische Schwingung, wie z.B. eine akustische Welle oder eine andere Welle. Die Synchronisationsuhr liefert Zeitinformationen an den Puffer. Entsprechend der Zeitinformation werden Schreib- und Leseoperationen auf/von dem Puffer durchgeführt. Die Zeitinformation der Synchronisationsuhr ist synchron mit der Zeitinformation einer anderen Synchronisationsuhr, die in einem anderen Signaldetektionsgerät eingebaut ist. Im Falle des vorgenannten Winkelsensors mit mehreren Magnetsensoren und einem Prozessor variiert das von den Magnetsensoren erfasste magnetische Zielfeld zeitlich in seiner Richtung. Ein solcher Winkelsensor hat das Problem, dass ein Fehler im Detektionswert auftritt, wenn die Magnetsensoren das Zielmagnetfeld zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassen. Ein ähnliches Problem gilt für jede Detektionsvorrichtung, die zeitlich veränderliche physikalische Informationen unter Verwendung einer Vielzahl von Sensoren erkennt und einen Detektionswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der Detektionsdaten aus der Vielzahl von Sensoren erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Winkelsensor bereitzustellen, der einen Erfassungswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung von Erfassungsdaten aus einer Vielzahl von Magnetsensoren erzeugt, wobei der Winkelsensor in der Lage ist, das Auftreten von Fehlern im Erfassungswert aufgrund einer Differenz zwischen der Vielzahl von Magnetsensoren im Zeitablauf der Erfassung eines magnetischen Zielfeldes zu verhindern.
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Detektionsvorrichtung bereitzustellen, die einen Detektionswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung von Detektionsdaten aus einer Vielzahl von Magnetsensoren erzeugt, wobei die Detektionsvorrichtung in der Lage ist, das Auftreten von Fehlern im Detektionswert aufgrund eines Unterschieds zwischen der Vielzahl von Magnetsensoren in der zeitlichen Abfolge der Detektion eines Zielmagnetfeldes zu verhindern.
Ein Winkelsensor der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass er ein Zielmagnetfeld, das ein Magnetfeld ist, dessen Richtung sich in Abhängigkeit von einem zu erfassenden Winkel ändert, erfasst und einen Erfassungswert erzeugt, der mit dem zu erfassenden Winkel übereinstimmt. Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Magnetsensoren, von denen jeder Erkennungsdaten erzeugt, die jeweils dem zu erkennenden Winkel entsprechen, und einen Prozessor, der den Erkennungswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von durch die Vielzahl von Magnetsensoren erzeugten Erkennungsdaten erzeugt.
Jeder der mehreren Magnetsensoren umfasst mindestens einen Detektor, der das Zielmagnetfeld erfasst und mindestens ein analoges Erfassungssignal erzeugt, das eine Entsprechung mit dem zu erfassenden Winkel hat, und mindestens einen Analog-Digital-Wandler, der das mindestens eine von dem mindestens einen Detektor erzeugte analoge Erfassungssignal abtastet, das abgetastete mindestens eine analoge Erfassungssignal in mindestens ein digitales Erfassungssignal umwandelt und das mindestens eine digitale Erfassungssignal ausgibt. In jedem der mehreren Magnetsensoren basieren die Erkennungsdaten auf dem mindestens einen digitalen Erkennungssignal. Die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der Magnetsensoren führen die Abtastung zur gleichen Abtastzeit durch.
Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann ferner mehrere elektronische Bauteile enthalten. Die Mehrzahl der magnetischen Sensoren kann jeweils in verschiedenen der Mehrzahl der elektronischen Komponenten enthalten sein.
Der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Taktgeber enthalten, der einen Abtasttakt zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. In einem solchen Fall können die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der Magnetsensoren alle so konfiguriert werden, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgeber erzeugten Abtasttakt bestimmt wird.
Wenn der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung den Taktgeber enthält, kann der Winkelsensor ferner mehrere elektronische Bauteile enthalten, und die mehreren magnetischen Sensoren können jeweils in verschiedenen der mehreren elektronischen Bauteile enthalten sein. In einem solchen Fall kann der Taktgeber in einem der mehreren elektronischen Bauteile enthalten sein oder getrennt von den mehreren elektronischen Bauteilen aufgebaut sein.
Wenn der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung den Taktgeber enthält, kann der Analog-Digital-Wandler eine Abtast-Halte-Schaltung enthalten, die das analoge Erkennungssignal abtastet, sowie eine Quantisierungsschaltung, die ein Ausgangssignal der Abtast-Halte-Schaltung quantisiert. In einem solchen Fall kann die Abtast-Halte-Schaltung so konfiguriert werden, dass sie zwischen einem Folgemodus, in dem das Ausgangssignal dem analogen Erkennungssignal folgt, und einem Halte-Modus, in dem das Ausgangssignal auf einem konstanten Wert gehalten wird, abwechselt. Die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers kann ein Zeitpunkt sein, an dem die Abtast-Halte-Schaltung vom Folgemodus in den Halte-Modus umschaltet.
Wenn der Winkelsensor der vorliegenden Erfindung den Taktgeber enthält, kann der Analog-Digital-Wandler eine Quantisierungsschaltung enthalten, die das analoge Erkennungssignal gleichzeitig abtastet und quantisiert. In einem solchen Fall kann die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers ein Zeitpunkt sein, an dem die Quantisierungsschaltung das analoge Erkennungssignal abtastet und quantisiert.
Im Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl der Magnetsensoren so konfiguriert werden, dass sie das Zielmagnetfeld an zueinander unterschiedlichen Erfassungspositionen erfassen.
Beim Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl der Magnetsensoren so konfiguriert werden, dass sie ein angelegtes Magnetfeld an voneinander verschiedenen Erfassungspositionen erfassen, wobei das angelegte Magnetfeld ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und einem anderen Rauschmagnetfeld als dem Zielmagnetfeld ist. In einem solchen Fall kann der Prozessor den Erkennungswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der Vielzahl von Erkennungsdaten erzeugen, so dass der Erkennungswert einen verringerten Fehler enthält, der durch das Rauschmagnetfeld verursacht wird, verglichen mit dem Fall der Erzeugung des Erkennungswertes auf der Grundlage eines einzelnen der Vielzahl von Erkennungsdaten.
Wenn die mehreren Magnetsensoren so konfiguriert sind, dass sie das oben genannte angelegte Magnetfeld erkennen, kann es sich bei den mehreren Magnetsensoren um einen ersten Magnetsensor und einen zweiten Magnetsensor handeln. Der erste Magnetsensor erzeugt erste Detektionsdaten, indem er an einer ersten Detektionsposition ein erstes angelegtes Magnetfeld einschließlich des Zielmagnetfeldes detektiert. Der zweite Magnetsensor erzeugt zweite Detektionsdaten, indem er an einer zweiten Detektionsposition ein zweites angelegtes Magnetfeld einschließlich des Zielmagnetfeldes detektiert. Das Zielmagnetfeld kann an der ersten Detektionsposition eine erste Stärke und an der zweiten Detektionsposition eine zweite Stärke haben, wobei die erste Stärke und die zweite Stärke voneinander verschieden sind.
Die ersten Erkennungsdaten können einen ersten Winkel anzeigen, den die Richtung einer ersten angelegten Magnetfeldkomponente in Bezug auf eine Bezugsrichtung bildet, wobei die erste angelegte Magnetfeldkomponente eine Komponente des ersten angelegten Magnetfeldes ist und parallel zu einer ersten Bezugsebene liegt. Die zweiten Erkennungsdaten können einen zweiten Winkel anzeigen, den die Richtung einer zweiten angelegten Magnetfeldkomponente in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet, wobei die zweite angelegte Magnetfeldkomponente eine Komponente des zweiten angelegten Magnetfeldes ist und parallel zu einer zweiten Bezugsebene liegt. Der Prozessor kann den Erkennungswert durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung des ersten und zweiten Winkels und des Verhältnisses der ersten Stärke zur zweiten Stärke des Zielmagnetfeldes erzeugen.
Der erste Magnetsensor kann einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor als den mindestens einen Detektor sowie einen ersten Analog-Digital-Wandler und einen zweiten Analog-Digital-Wandler als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Der erste Detektor kann ein erstes analoges Erkennungssignal erzeugen, das mit dem Kosinus des ersten Winkels übereinstimmt. Der zweite Detektor kann ein zweites analoges Detektionssignal erzeugen, das mit dem Sinus des ersten Winkels übereinstimmt. Der erste und zweite Analog-Digital-Wandler wandeln das erste und zweite analoge Erkennungssignal in ein erstes bzw. zweites digitales Erkennungssignal um. Der zweite Magnetsensor kann einen dritten Detektor und einen vierten Detektor als den mindestens einen Detektor und einen dritten Analog-Digital-Wandler und einen vierten Analog-Digital-Wandler als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Der dritte Detektor kann ein drittes analoges Detektionssignal erzeugen, das mit dem Kosinus des zweiten Winkels übereinstimmt. Der vierte Detektor kann ein viertes analoges Erkennungssignal erzeugen, das mit dem Sinus des zweiten Winkels übereinstimmt. Der dritte und vierte Analog-Digital-Wandler wandelt das dritte und vierte analoge Erkennungssignal in ein drittes bzw. viertes digitales Erkennungssignal um.
Wenn der erste Magnetsensor den ersten und zweiten Detektor und den ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler enthält, während der zweite Magnetsensor den dritten und vierten Detektor und den dritten und vierten Analog-Digital-Wandler enthält, kann der erste Magnetsensor ferner einen ersten Datengenerator enthalten, der die ersten Erkennungsdaten durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung des ersten und zweiten digitalen Erkennungssignals erzeugt. Der zweite Magnetsensor kann ferner einen zweiten Datengenerator enthalten, der die zweiten Erkennungsdaten durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung des dritten und vierten digitalen Erkennungssignals erzeugt.
Wenn die Mehrzahl der Magnetsensoren der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor sind, kann der erste Magnetsensor einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor als den mindestens einen Detektor und einen ersten Analog-Digital-Wandler und einen zweiten Analog-Digital-Wandler als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Der erste und der zweite Detektor können ein erstes und ein zweites analoges Detektionssignal erzeugen, die die Stärke zweier Komponenten des ersten angelegten Magnetfeldes, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, anzeigen. Der erste und zweite Analog-Digital-Wandler wandeln das erste und zweite analoge Erkennungssignal in ein erstes bzw. zweites digitales Erkennungssignal um. Der zweite Magnetsensor kann einen dritten Detektor und einen vierten Detektor als den mindestens einen Detektor und einen dritten Analog-Digital-Wandler und einen vierten Analog-Digital-Wandler als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Der dritte und der vierte Detektor können ein drittes und ein viertes analoges Erkennungssignal erzeugen, die die Stärke zweier Komponenten des zweiten angelegten Magnetfeldes, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, anzeigen. Der dritte und vierte Analog-Digital-Wandler wandelt das dritte und vierte analoge Erkennungssignal in ein drittes bzw. viertes digitales Erkennungssignal um. Die ersten Erkennungsdaten können das erste und zweite digitale Erkennungssignal enthalten. Die zweiten Erkennungsdaten können das dritte und vierte digitale Erkennungssignal enthalten.
Wenn die mehreren Magnetsensoren so konfiguriert sind, dass sie das oben genannte angelegte Magnetfeld erkennen, kann die vom Prozessor durchgeführte arithmetische Verarbeitung eine arithmetische Verarbeitung nach der Methode der kleinsten Quadrate umfassen.
Im Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann das analoge Erfassungssignal eine ideale Komponente enthalten, die so variiert, dass sie eine ideale Sinuskurve nachzeichnet, sowie eine Fehlerkomponente, die einer Harmonischen der idealen Komponente entspricht. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl der Magnetsensoren so konfiguriert werden, dass die idealen Komponenten der analogen Detektionssignale, die von den jeweiligen Detektoren der Mehrzahl der Magnetsensoren erzeugt werden, zueinander unterschiedliche Phasen aufweisen.
Im Winkelsensor der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl der Magnetsensoren so konfiguriert werden, dass die von den jeweiligen Detektoren der Mehrzahl der Magnetsensoren erzeugten analogen Detektionssignale zueinander unterschiedliche Phasen haben.
Eine Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass sie physikalische Informationen erkennt, die je nach den zu erfassenden Informationen variieren, und einen Detektionswert erzeugt, der mit den zu erfassenden Informationen übereinstimmt. Die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Sensoren, von denen jeder Detektionsdaten erzeugt, die eine Übereinstimmung mit den physikalischen Informationen haben, und einen Prozessor, der den Detektionswert durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Detektionsdaten, die von der Vielzahl von Sensoren erzeugt werden, erzeugt.
Jeder der mehreren Sensoren enthält mindestens einen Detektor, der die physikalische Information erfasst und mindestens ein analoges Erfassungssignal erzeugt, das mit der zu erfassenden Information korrespondiert, und mindestens einen Analog-Digital-Wandler, der das von dem mindestens einen Detektor erzeugte mindestens eine analoge Erfassungssignal abtastet, das abgetastete mindestens eine analoge Erfassungssignal in mindestens ein digitales Erfassungssignal umwandelt und das mindestens eine digitale Erfassungssignal ausgibt. In jedem der mehreren Sensoren basieren die Erkennungsdaten auf dem mindestens einen digitalen Erkennungssignal. Die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der Sensoren führen die Abtastung zur gleichen Zeit durch.
Die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Vielzahl elektronischer Bauteile umfassen. Die Mehrzahl der Sensoren kann jeweils in verschiedenen der Mehrzahl der elektronischen Bauteile enthalten sein.
Die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Taktgeber enthalten, der einen Abtasttakt zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. In einem solchen Fall können die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der Sensoren alle so konfiguriert werden, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgeber erzeugten Abtasttakt bestimmt wird.
Wenn die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung den Taktgeber umfasst, kann die Detektionsvorrichtung ferner eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen umfassen, und die Vielzahl von Sensoren kann jeweils in verschiedenen der Vielzahl von elektronischen Bauteilen enthalten sein. In einem solchen Fall kann der Taktgeber in einem der mehreren elektronischen Bauteile enthalten sein oder getrennt von den mehreren elektronischen Bauteilen aufgebaut sein.
Wenn die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung den Taktgenerator enthält, kann der Analog-Digital-Wandler eine Abtast-Halte-Schaltung enthalten, die das analoge Detektionssignal abtastet, sowie eine Quantisierungsschaltung, die ein Ausgangssignal der Abtast-Halte-Schaltung quantisiert. In einem solchen Fall kann die Abtast-Halte-Schaltung so konfiguriert werden, dass sie zwischen einem Folgemodus, in dem das Ausgangssignal dem analogen Erkennungssignal folgt, und einem Halte-Modus, in dem das Ausgangssignal auf einem konstanten Wert gehalten wird, abwechselt. Die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers kann ein Zeitpunkt sein, an dem die Abtast-Halte-Schaltung vom Folgemodus in den Halte-Modus umschaltet.
Wenn die Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung den Taktgenerator enthält, kann der Analog-Digital-Wandler eine Quantisierungsschaltung enthalten, die das analoge Detektionssignal gleichzeitig abtastet und quantisiert. In einem solchen Fall kann die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers ein Zeitpunkt sein, an dem die Quantisierungsschaltung das analoge Erkennungssignal abtastet und quantisiert.
Nach dem Winkelsensor der vorliegenden Erfindung führen die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der magnetischen Sensoren die Abtastung zur gleichen Zeit durch. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Fehler im Detektionswert aufgrund eines Unterschieds zwischen der Vielzahl der Magnetsensoren in der zeitlichen Erfassung des magnetischen Zielfeldes entsteht.
Nach der Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung führen die Analog-Digital-Wandler in der Vielzahl der Sensoren die Abtastung zur gleichen Zeit durch. Dadurch kann das Auftreten eines Fehlers im Detektionswert aufgrund eines Unterschieds zwischen der Vielzahl der Sensoren im Zeitablauf der Erfassung der physikalischen Information verhindert werden.
Andere und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher dargestellt.
Figurenliste

ist eine perspektivische Ansicht, die den schematischen Aufbau eines Sensorsystems einer ersten Verkörperung der Erfindung zeigt.
Bild 2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen, Winkeln, einer Bezugsebene und einer Bezugsrichtung für die erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkelsensors nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein Schaltplan, der eine Beispielkonfiguration eines ersten Detektors der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein Schaltplan, der eine Beispielkonfiguration eines zweiten Detektors der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bild 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines magnetischen Detektionselements, das in den Bildern 4 und 5 dargestellt ist.
ist ein funktionales Blockdiagramm, das den Aufbau eines ersten Beispiel-ADCs der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockdiagramm, das den Aufbau eines zweiten Beispiel-ADCs der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockdiagramm, das den Aufbau eines dritten Beispiel-ADCs der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch den Zusammenhang zwischen einer ersten angelegten Magnetfeldkomponente und einem Rauschmagnetfeld in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch den Zusammenhang zwischen einer zweiten angelegten Magnetfeldkomponente und dem Rauschmagnetfeld in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen der Drehzahl eines Magneten und dem Fehler in einem Detektionswert in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkelsensors nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkelsensors nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist eine perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Sensorsystems nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bild 15 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Definitionen von Richtungen, Winkeln, einer Bezugsebene und einer Bezugsrichtung für die vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkelsensors nach der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockdiagramm, das eine Beispielkonfiguration eines Prozessors der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bild 18 ist eine erläuternde Darstellung, die den schematischen Aufbau eines Sensorsystems einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkel sensors nach der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bild 20 ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau einer dritten Rechenschaltung der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein erläuterndes Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Sensorsystems einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
ist ein funktionales Blockschaltbild, das den Aufbau eines Winkel sensors nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Verkörperung]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Zunächst wird ein Sensorsystem einschließlich einer Detektionseinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Erkennungsgerät ist nach der vorliegenden Verkörperung ein Gerät zur Erkennung von physikalischen Informationen, die je nach den zu erkennenden Informationen variieren, und zur Erzeugung eines Erkennungswertes, der eine Übereinstimmung mit den zu erkennenden Informationen hat. Die Detektionsvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Sensoren, von denen jeder einzelne Detektionsdaten erzeugt, die mit den physikalischen Informationen übereinstimmen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Detektionsgerät speziell ein magnetischer Winkelsensor 1. Die zu erfassende Information ist ein zu erfassender Winkel. Die Vielzahl der Sensoren sind eine Vielzahl von magnetischen Sensoren. Im Folgenden wird der zu erfassende Winkel als Winkel von Interesse bezeichnet und mit einem Symbol gekennzeichnetθ. Der Winkelsensor 1 erkennt als physikalische Information ein magnetisches Zielfeld, wobei das magnetische Zielfeld ein Magnetfeld ist, dessen Richtung je nach dem interessierenden Winkel variiertθ, und erzeugt einen Detektionswert, der mit dem interessierenden Winkel korrespondiertθ. Jeder der mehreren Magnetsensoren erzeugt Detektionsdaten, die mit dem interessierenden Winkel korrespondierenθ.
zeigt den schematischen Aufbau eines Sensorsystems 100 mit dem Winkelsensor 1 als Detektionsgerät. Das Sensorsystem 100 beinhaltet weiterhin einen physikalischen Informationsgenerator 5. Der physikalische Informationsgenerator 5 der vorliegenden Verkörperung ist ein Magnetfeldgenerator, der als physikalische Information ein Zielmagnetfeld erzeugt. Als Beispiel für den Magnetfeldgenerator zeigt einen zylinderförmigen Magneten 6 mit einer Mittelachse auf einer Drehachse C. Der Magnet 6 hat einen N-Pol und einen S-Pol, die symmetrisch zu einer gedachten Ebene, die die vorgenannte Mittelachse einschließt, angeordnet sind. Der Magnet 6 dreht sich um die Drehachse C. Der interessierende Winkel θin der vorliegenden Ausführung ist ein Winkel, der der Drehposition des Magneten 6 entspricht.
Die mehreren Magnetsensoren sind so konfiguriert, dass sie das Zielmagnetfeld an zueinander unterschiedlichen Erfassungspositionen erfassen. Der Winkelsensor 1 enthält darüber hinaus eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen. Die Vielzahl der magnetischen Sensoren sind jeweils in verschiedenen der Vielzahl der elektronischen Komponenten enthalten. Die jeweiligen Hauptkörper der Vielzahl elektronischer Komponenten sind physikalisch voneinander getrennt. Die Vielzahl der elektronischen Komponenten kann elektrisch über Signalleitungen verbunden werden, die einen Abtasttakt übertragen, der später beschrieben wird.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Mehrzahl der magnetischen Sensoren aus einem ersten magnetischen Sensor 10A und einem zweiten magnetischen Sensor 20A, und die Mehrzahl der elektronischen Komponenten aus zwei elektronischen Komponenten 10 und 20. Der erste Magnetsensor 10A ist in der elektronischen Komponente 10 enthalten. Der zweite Magnetsensor 20A ist im elektronischen Bauteil 20 enthalten. Die elektronischen Bauteile 10 und 20 sind so angeordnet, dass sie einer der gegenüberliegenden Stirnseiten des Magneten 6 gegenüberliegen.
Der erste Magnetsensor 10A erkennt ein erstes angelegtes Magnetfeld MF1 an einer ersten Erkennungsposition P1 und erzeugt erste Erkennungsdaten. Das erste angelegte Magnetfeld MF1 schließt das Zielmagnetfeld ein. Der zweite Magnetsensor 20A erfasst ein zweites angelegtes Magnetfeld MF2 an einer zweiten Erfassungsposition P2 und erzeugt zweite Erfassungsdaten. Das zweite angelegte Magnetfeld MF2 schließt das Zielmagnetfeld ein. Die erste Erfassungsposition P1 und die zweite Erfassungsposition P2 sind zueinander unterschiedliche Positionen auf einer gedachten Geraden, die durch den Magneten 6 verläuft. Die gedachte Gerade kann mit der Drehachse C zusammenfallen oder auch nicht. zeigt den ersten Fall. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich nämlich die zweite Erfassungsposition P2 in einem größeren Abstand zum Magneten 6 als die erste Erfassungsposition P1.
Im Folgenden wird das Zielmagnetfeld an der ersten Erfassungsposition P1 als erstes Teilmagnetfeld MFa und das Zielmagnetfeld an der zweiten Erfassungsposition P2 als zweites Teilmagnetfeld MFb bezeichnet. Die Richtungen des ersten und zweiten magnetischen Teilfeldes MFa und MFb variieren je nach dem interessierenden Winkelθ. Da sich die erste und zweite Detektionsposition P1 und P2 voneinander unterscheiden, sind die ersten und zweiten Teilmagnetfelder MFa und MFb unterschiedlich stark.
Zusätzlich zum Zielmagnetfeld kann am Winkelsensor 1 auch ein anderes Rauschmagnetfeld Mex als das Zielmagnetfeld angelegt werden. Die Richtung und Stärke des Rauschmagnetfeldes Mex an der zweiten Detektionsposition P2 ist die gleiche wie an der ersten Detektionsposition P1. Das Rauschmagnetfeld Mex kann ein Magnetfeld sein, dessen Richtung und Stärke zeitlich konstant ist oder sich zeitlich periodisch oder zufällig ändert.
Wenn das Rauschmagnetfeld Mex an den Winkelsensor 1 angelegt wird, ist das erste angelegte Magnetfeld MF1 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex, und das zweite angelegte Magnetfeld MF2 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex.
Definitionen von Richtungen, Winkeln, einer Bezugsebene und einer Bezugsrichtung für die vorliegende Darstellung werden nun anhand von und beschrieben. Zunächst wird die Z-Richtung als die Richtung parallel zur Drehachse C definiert, die in dargestellt und in von unten nach oben gerichtet ist. zeigt die Z-Richtung als die Richtung aus der Zeichnungsebene heraus. X- und Y-Richtung sind als zwei zueinander senkrechte Richtungen senkrecht zur Z-Richtung definiert. zeigt die X-Richtung als Rechtsrichtung und die Y-Richtung als Aufwärtsrichtung. Weiterhin -bezieht sich die X-Richtung auf die der X-Richtung entgegengesetzte Richtung und die -Y-Richtung auf die der Y-Richtung entgegengesetzte Richtung.
In der vorliegenden Ausführungsform werden eine erste Bezugsebene PL1 entsprechend der ersten Erkennungsposition P1 und eine zweite Bezugsebene PL2 entsprechend der zweiten Erkennungsposition P2 definiert. Die erste und zweite Bezugsebene PL1 und PL2 sind gedachte Ebenen senkrecht zur Z-Richtung. Die erste und zweite Referenzebene PL1 und PL2 liegen somit parallel zueinander. Die erste Erkennungsposition P1 ist ein Schnittpunkt der ersten Bezugsebene PL1 mit der vorhergehenden gedachten Geraden. Die zweite Erfassungsposition P2 ist ein Schnittpunkt der zweiten Bezugsebene PL2 mit der vorhergehenden gedachten Geraden.
Weiterhin wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Bezugsrichtung DR definiert, die als Grundlage für die Darstellung der Richtungen des ersten und zweiten angelegten Magnetfeldes MF1 und MF2 dient. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Bezugsrichtung DR die X-Richtung.
Eine Komponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1, die parallel zur ersten Bezugsebene PL1 liegt, wird als erste angelegte Magnetfeldkomponente MF1c bezeichnet. Eine Komponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2, die parallel zur zweiten Bezugsebene PL2 liegt, wird als zweite angelegte Magnetfeldkomponente MF2c bezeichnet. Die Richtungen der ersten und zweiten angelegten Magnetfeldkomponenten MF1c und MF1b werden in jeweils als gegen den Uhrzeigersinn rotierend angenommen. Ein Winkel, den die Richtung der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c mit der Bezugsrichtung DR bildet, wird als erster Winkel bezeichnet und mit dem Symbol θ1 gekennzeichnet, wie in Bild 2 dargestellt. Ein Winkel, den die Richtung der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c mit der Bezugsrichtung DR bildet, wird als zweiter Winkel bezeichnet und mit dem Symbol θ2 gekennzeichnet. Die ersten und zweiten Winkel θ1 und θ2 werden als positive Werte ausgedrückt, wenn sie von der Bezugsrichtung DR aus gesehen gegen den Uhrzeigersinn betrachtet werden, und als negative Werte, wenn sie von der Bezugsrichtung DR aus gesehen im Uhrzeigersinn betrachtet werden.
Das erste Teilmagnetfeld MFa ist die Hauptkomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1. Das zweite Teilmagnetfeld MFb ist die Hauptkomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2. Die Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes MFb sind gleich. Wie oben beschrieben, variieren die Richtungen des ersten und zweiten magnetischen Teilfeldes MFa und MFb je nach dem interessierenden Winkelθ. Dementsprechend variieren die ersten und zweiten Winkel θ1 und θ2 je nach dem interessierenden Winkelθ.
Die Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa ist parallel oder nahezu parallel zur ersten Bezugsebene PL1. Die Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes MFb ist parallel oder nahezu parallel zur zweiten Bezugsebene PL2. Im Folgenden wird der Winkel, den die Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa zur Bezugsrichtung DR bildet, als erster Drehfeldwinkel und der Winkel, den die Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes Mfb zur Bezugsrichtung DR bildet, als zweiter Drehfeldwinkel bezeichnet. Der erste Drehfeldwinkel und der zweite Drehfeldwinkel sind gleich. Wenn der Magnet 6 ein ideales magnetisches Drehfeld erzeugt, werden sowohl der erste als auch der zweite Drehfeldwinkel gleich dem interessierenden Winkelθ. In der vorliegenden Darstellung werden sowohl der erste als auch der zweite Drehfeldwinkel als gleich dem interessierenden Winkel angenommenθ. Der erste und zweite Drehfeldwinkel wird im Folgenden einfach als Drehfeldwinkel, als Oberbegriff, bezeichnet und mit einem Symbol θM gekennzeichnet. Die Definitionen der positiven und negativen Werte des Drehfeldwinkels θM sind die gleichen wie die des ersten und zweiten Winkels θ1 und θ2.
Da die Hauptkomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 das erste Teilmagnetfeld MFa ist, ist die Richtung des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 parallel oder nahezu parallel zur ersten Bezugsebene PL1. Daher ist der Winkel, den die Richtung des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 zur Bezugsrichtung DR bildet, gleich oder nahezu gleich dem ersten Winkel θ1. Da die Hauptkomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 das zweite Teilmagnetfeld MFb ist, ist die Richtung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 parallel oder nahezu parallel zur zweiten Bezugsebene PL2. Daher ist der Winkel, den die Richtung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 zur Bezugsrichtung DR bildet, gleich oder nahezu gleich dem zweiten Winkel θ2.
Mögliche Konfigurationen des Sensorsystems 100 der vorliegenden Ausführungsform sind nicht auf das in gezeigte Beispiel beschränkt. Beispielsweise können der physikalische Informationsgenerator 5 und die elektronischen Komponenten 10, 20, die wie in angeordnet sind, so konfiguriert werden, dass: die elektronischen Komponenten 10 und 20 sich drehen, während der physikalische Informationsgenerator 5 fixiert ist; der physikalische Informationsgenerator 5 und die elektronischen Komponenten 10, 20 sich in zueinander entgegengesetzte Richtungen drehen; oder der physikalische Informationsgenerator 5 und die elektronischen Komponenten 10, 20 sich in die gleiche Richtung mit zueinander unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehen.
Die elektronischen Bauelemente 10 und 20 können so angeordnet werden, dass die erste und zweite Erfassungsposition P1 und P2 in einer gedachten Ebene senkrecht zur Drehachse C liegen. In diesem Fall kann eine solche gedachte Ebene als gemeinsame Bezugsebene für die erste und zweite Erfassungsposition P1 und P2 definiert werden.
Die Konfiguration des Winkelsensors 1 wird nun anhand von Bild 3 detailliert beschrieben. ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des Winkelsensors 1 zeigt. Wie bereits erwähnt, enthält der Winkelsensor 1 eine Vielzahl von Magnetsensoren, von denen jeder einzelne Erkennungsdaten erzeugt, die mit dem interessierenden Winkel korrespondierenθ. Jeder der mehreren Magnetsensoren umfasst mindestens einen Detektor und mindestens einen Analog-Digital-Wandler (im Folgenden ADC genannt). Der mindestens eine Detektor erkennt ein magnetisches Zielfeld als physikalische Information und erzeugt mindestens ein analoges Detektionssignal, das dem interessierenden Winkel entspricht, θder zu detektierenden Information. Der mindestens eine ADC tastet das von dem mindestens einen Detektor erzeugte mindestens eine analoge Detektionssignal ab, wandelt das abgetastete mindestens eine analoge Detektionssignal in mindestens ein digitales Detektionssignal um und gibt das mindestens eine digitale Detektionssignal aus. In jedem der mehreren Magnetsensoren basieren die Erkennungsdaten auf dem mindestens einen digitalen Erkennungssignal. Die ADCs in der Vielzahl der magnetischen Sensoren führen die Abtastung zur gleichen Zeit durch.
Der Winkel sensor 1 enthält weiterhin einen Taktgeber, der einen Abtasttakt zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. Die ADCs der mehreren Magnetsensoren sind alle so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator erzeugten Abtasttakt bestimmt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Mehrzahl der Magnetsensoren der erste Magnetsensor 10A und der zweite Magnetsensor 20A. Der erste Magnetsensor 10A enthält einen ersten Detektor 11 und einen zweiten Detektor 12 als mindestens einen Detektor. Der erste Detektor 11 erzeugt ein erstes analoges Erkennungssignal S1a, das mit dem Kosinus des ersten Winkels θ1 übereinstimmt. Der zweite Detektor 12 erzeugt ein zweites analoges Detektionssignal S2a, das mit dem Sinus des ersten Winkels θ1 übereinstimmt. Das erste analoge Erkennungssignal S1a kann eine Übereinstimmung mit der Stärke einer Komponente in X-Richtung des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 aufweisen. Das zweite analoge Erkennungssignal S2a kann eine Übereinstimmung mit der Stärke einer Komponente in Y-Richtung des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 aufweisen.
Der zweite Magnetsensor 20A enthält einen dritten Detektor 21 und einen vierten Detektor 22 als mindestens einen Detektor. Der dritte Detektor 21 erzeugt ein drittes analoges Detektionssignal S3a, das mit dem Kosinus des zweiten Winkels θ2 übereinstimmt. Der vierte Detektor 22 erzeugt ein viertes analoges Erkennungssignal S4a, das mit dem Sinus des zweiten Winkels θ2 übereinstimmt. Das dritte analoge Erkennungssignal S3a kann eine Übereinstimmung mit der Stärke einer Komponente in X-Richtung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 aufweisen. Das vierte analoge Erkennungssignal S4a kann eine Übereinstimmung mit der Stärke einer Komponente in Y-Richtung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 aufweisen.
Jeder der ersten bis vierten Melder 11, 12, 21 und 22 enthält mindestens ein magnetisches Detektionselement. Das mindestens eine magnetische Erfassungselement kann mindestens ein magnetoresistives Element enthalten. Das magnetoresistive Element kann ein riesiges magnetoresistives (GMR) Element, ein tunnelndes magnetoresistives (TMR) Element oder ein anisotropes magnetoresistives (AMR) Element sein. Das mindestens eine magnetische Erfassungselement kann mindestens ein anderes Element als ein magnetoresistives Element, wie z. B. ein Hall-Element, zur Erfassung eines Magnetfeldes enthalten.
Da die Richtung des magnetischen Zielfeldes mit einer vorgegebenen Periode rotiert, variieren die ersten und zweiten Winkel θ1 und θ2 mit der vorgegebenen Periode. In einem solchen Fall variieren alle ersten bis vierten analogen Erkennungssignale S1a bis S4a periodisch mit einer Signalperiode, die der oben genannten vorgegebenen Periode entspricht. Die Phase des zweiten analogen Erkennungssignals S2a unterscheidet sich von der Phase des ersten analogen Erkennungssignals S1a um eine ungerade Anzahl von 1/4 der Signalperiode. Das dritte und vierte analoge Erkennungssignal S3a und S4a sind in Phase mit dem ersten und zweiten analogen Erkennungssignal S1a bzw. S2a. In Anbetracht der Produktionsgenauigkeit der magnetischen Detektionselemente oder anderer Faktoren können die Beziehungen zwischen den Phasen der analogen Detektionssignale leicht von den oben beschriebenen Beziehungen abweichen.
Der erste Magnetsensor 10A enthält einen ersten ADC 13 und einen zweiten ADC 14 als den mindestens einen ADC. Die ersten und zweiten ADCs 13 und 14 wandeln die ersten und zweiten analogen Erkennungssignale S1a und S2a in erste und zweite digitale Erkennungssignale S1d bzw. S2d um. Der erste Magnetsensor 10A enthält weiterhin einen ersten Datengenerator 15, der erste Erkennungsdaten θ1s durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S1d und S2d erzeugt. Die ersten Erkennungsdaten θ1s geben den ersten Winkel θ1 an.
Der zweite Magnetsensor 20A enthält einen dritten ADC 23 und einen vierten ADC 24 als den mindestens einen ADC. Die dritten und vierten ADCs 23 und 24 wandeln die dritten und vierten analogen Erkennungssignale S3a und S4a in dritte und vierte digitale Erkennungssignale S3d bzw. S4d um. Der zweite Magnetsensor 20A enthält außerdem einen zweiten Datengenerator 25, der durch arithmetische Verarbeitung der dritten und vierten digitalen Erkennungssignale S3d und S4d zweite Erkennungsdaten θ2s erzeugt. Die zweiten Erkennungsdaten θ2s geben den zweiten Winkel θ2 an.
Der Winkelsensor 1 enthält weiterhin einen Taktgeber 10B, der einen Abtasttakt CLK zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. Der Abtasttakt CLK ist ein Signal, das mit einer vorgegebenen Periode in der Spannung variiert. Der Abtasttakt CLK kann ein Signal sein, das zwischen einem konstanten Hochspannungszustand und einem konstanten Niederspannungszustand wechselt. In einem solchen Fall wird die Abtastzeit z.B. entsprechend dem Zeitpunkt definiert, zu dem der Abtasttakt CLK vom Niederspannungszustand in den Hochspannungszustand ansteigt.
Der Taktgenerator 10B ist in der Elektronikbaugruppe 10 enthalten. Die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 sind alle so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 10B erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Der Taktgenerator 10B und die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, die den Abtasttakt CLK übertragen.
Der Winkelsensor 1 enthält weiterhin einen Taktgeber 20B, der einen Abtasttakt erzeugt. Der Taktgenerator 20B ist im Elektronikbaustein 20 enthalten. In der vorliegenden Ausführungsform wird der vom Taktgenerator 20B erzeugte Abtasttakt nicht zur Bestimmung der Abtastzeit des ersten, zweiten, dritten oder vierten ADC 13, 14, 23 oder 24 verwendet.
Der erste und zweite ADCs 13 und 14, der erste Datengenerator 15 und der Taktgenerator 10B können z.B. durch einen einzigen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) realisiert werden. Der dritte und vierte ADCs 23 und 24, der zweite Datengenerator 25 und der Taktgenerator 20B können z.B. durch einen weiteren einzelnen ASIC realisiert werden.
Der Winkelsensor 1 enthält ferner einen Prozessor 50, der einen Detektionswert θs durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Detektionsdaten erzeugt, die von der Vielzahl der Magnetsensoren erzeugt werden, d.h. die ersten Detektionsdaten θ1s und die zweiten Detektionsdaten θ2s. Wie oben beschrieben, unterscheiden sich in der vorliegenden Ausführungsform die ersten und zweiten magnetischen Teilfelder MFa und MFb in ihrer Stärke. Dadurch hat das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche relative Auswirkungen auf die ersten Nachweisdaten θ1s und die zweiten Nachweisdaten θ2s. Dies kann zu Unterschieden in Abhängigkeit vom Rauschmagnetfeld Mex zwischen den ersten Erkennungsdaten θ1s und den zweiten Erkennungsdaten θ2s führen. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft erzeugt der Prozessor 50 den Erkennungswert θs durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der ersten und zweiten Erkennungsdaten θ1 s und θ2s, so dass der Erkennungswert θs einen reduzierten Fehler enthält, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird, im Vergleich zum Fall der Erzeugung des Erkennungswertes θs auf der Grundlage der ersten Erkennungsdaten θ1s oder der zweiten Erkennungsdaten θ2s. Der Prozessor 50 kann z.B. durch einen ASIC oder Mikrocomputer realisiert werden. Eine Methode zur Erzeugung des Erkennungswertes θs wird später beschrieben.
Als nächstes wird die Konfiguration der ersten bis vierten Detektoren 11, 12, 21 und 22 beschrieben. zeigt ein konkretes Beispiel für die Konfiguration des ersten Detektors 11. In diesem Beispiel enthält der erste Detektor 11 eine Wheatstone-Brückenschaltung 17 und einen Differenzdetektor 18. Die Wheatstone-Brückenschaltung 17 enthält vier magnetische Detektionselemente R11, R12, R13 und R14, einen Stromversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1 und zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12. Das magnetische Detektionselement R11 ist zwischen dem Stromversorgungsanschluss V1 und dem Ausgangsanschluss E11 vorgesehen. Das magnetische Detektionselement R12 ist zwischen dem Ausgangsanschluss E11 und dem Masseanschluss G1 vorgesehen. Das magnetische Detektionselement R13 ist zwischen dem Stromversorgungsanschluss V1 und dem Ausgangsanschluss E12 vorgesehen. Das magnetische Erkennungselement R14 ist zwischen dem Ausgangsanschluss E12 und dem Masseanschluss G1 vorgesehen. An den Stromversorgungsanschluss V1 wird eine Versorgungsspannung von vorgegebener Größe angelegt. Der Masseanschluss G1 ist mit der Masse verbunden.
Der dritte Melder 21 hat die gleiche Konfiguration wie der erste Melder 11. So werden in der folgenden Beschreibung die Bestandteile des dritten Detektors 21 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie für die Bestandteile des ersten Detektors 11 verwendet werden.
zeigt ein konkretes Beispiel für die Konfiguration des zweiten Detektors 12. In diesem Beispiel enthält der zweite Detektor 12 eine Wheatstone-Brückenschaltung 27 und einen Differenzdetektor 28. Die Wheatstone-Brückenschaltung 27 enthält vier magnetische Detektionselemente R21, R22, R23 und R24, einen Stromversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2 und zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22. Das magnetische Detektionselement R21 ist zwischen dem Stromversorgungsanschluss V2 und dem Ausgangsanschluss E21 vorgesehen. Das magnetische Detektionselement R22 ist zwischen dem Ausgangsanschluss E21 und dem Masseanschluss G2 vorgesehen. Das magnetische Detektionselement R23 ist zwischen dem Stromversorgungsanschluss V2 und dem Ausgangsanschluss E22 vorgesehen. Das magnetische Detektionselement R24 ist zwischen dem Ausgangsanschluss E22 und dem Masseanschluss G2 vorgesehen. An den Stromversorgungsanschluss V2 wird eine Versorgungsspannung von vorgegebener Größe angelegt. Der Masseanschluss G2 ist mit der Masse verbunden.
Der vierte Melder 22 hat die gleiche Konfiguration wie der zweite Melder 12. So werden in der folgenden Beschreibung die Bauteile des vierten Detektors 22 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Bauteile des zweiten Detektors 12.
Jedes der magnetischen Detektionselemente R11 bis R14 und R21 bis R24 kann mehrere in Reihe geschaltete magnetoresistive (MR) Elemente enthalten. Jedes der mehreren MR-Elemente ist z.B. ein Spin-Ventil-MR-Element. Das Spin-Ventil-MR-Element enthält eine magnetisierte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung gepinnt ist, eine freie Schicht, die eine magnetische Schicht ist, deren Magnetisierungsrichtung sich je nach Richtung des magnetischen Zielfeldes ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der magnetisierten Schicht und der freien Schicht befindet. Das MR-Element des Spin-Ventils kann ein TMR-Element oder ein GMR-Element sein. Im TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine Tunnelbarriereschicht. Im GMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische, leitfähige Schicht. Der Widerstand des Spin-Valve-MR-Elements variiert in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht zur Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Schicht bildet. Der Widerstand des Spin-Ventil-MR-Elements ist auf seinem Minimalwert, wenn der vorgenannte Winkel 0 ist°, und auf seinem Maximalwert, wenn der vorgenannte Winkel 180 beträgt°. In und zeigen die gefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierbaren Schichten der MR-Elemente und die hohlen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten der MR-Elemente an.
Im ersten Detektor 11 werden die magnetisierten Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in X-Richtung magnetisiert, und die magnetisierten Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in -X-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom Cosinus des ersten Winkels θ1. Der Differenzdetektor 18 gibt als erstes analoges Erkennungssignal S1a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus. So hat das erste analoge Erkennungssignal S1a eine Übereinstimmung mit dem Kosinus des ersten Winkels θ1.
Im zweiten Detektor 12 werden die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R21 und R24 enthalten sind, in Y-Richtung magnetisiert, und die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R22 und R23 enthalten sind, in -Y-Richtung magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit vom Sinus des ersten Winkels θ1. Der Differenzdetektor 28 gibt als zweites analoges Erkennungssignal S2a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 entsprechendes Signal aus. Somit hat das zweite analoge Erkennungssignal S2a eine Übereinstimmung mit dem Sinus des ersten Winkels θ1.
Beim dritten Detektor 21 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 in Abhängigkeit vom Kosinus des zweiten Winkels θ2. Der Differenzdetektor 18 gibt als drittes analoges Erkennungssignal S3a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus. Somit hat das dritte analoge Erkennungssignal S3a eine Übereinstimmung mit dem Kosinus des zweiten Winkels θ2.
Beim vierten Detektor 22 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 in Abhängigkeit vom Sinus des zweiten Winkels θ2. Der Differenzdetektor 28 gibt als viertes analoges Erkennungssignal S4a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 entsprechendes Signal aus. So hat das vierte analoge Erkennungssignal S4a eine Übereinstimmung mit dem Sinus des zweiten Winkels θ2.
In Anbetracht der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Pinning-Schichten der Vielzahl der MR-Elemente in den Detektoren 11, 12, 21 und 22 leicht von den oben beschriebenen Richtungen abweichen.
Eine Beispielkonfiguration der magnetischen Detektionselemente wird nun anhand von Bild 6 beschrieben. ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines magnetischen Detektionselements in den Detektoren 11 und 12, die in und dargestellt sind. In diesem Beispiel umfasst das magnetische Detektionselement eine Vielzahl von unteren Elektroden 162, eine Vielzahl von MR-Elementen 150 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 163. Die unteren Elektroden 162 sind auf einem Substrat angeordnet (nicht abgebildet). Jede untere Elektrode 162 hat eine lange schlanke Form. Jeweils zwei untere Elektroden 162, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 162 nebeneinander liegen, haben einen Spalt dazwischen. Wie in dargestellt, sind auf der Oberseite der unteren Elektrode 162 MR-Elemente 150 an Positionen in der Nähe der gegenüberliegenden Enden in Längsrichtung vorgesehen. Jedes MR-Element 150 enthält eine freie Schicht 151, eine nichtmagnetische Schicht 152, eine magnetisierbare Schicht 153 und eine antiferromagnetische Schicht 154, die in dieser Reihenfolge von der unteren Elektrode 162 am nächsten bis zum weitesten entfernt gestapelt sind. Die freie Schicht 151 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 162 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 154 besteht aus einem antiferromagnetischen Material und ist in Austauschkopplung mit der Magnetisierungspinschicht 153, um dadurch die Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungspinschicht 153 festzulegen. Die oberen Elektroden 163 sind über den MR-Elementen 150 angeordnet. Jede obere Elektrode 163 hat eine lange schlanke Form und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen antiferromagnetischen Schichten 154 zweier benachbarter MR-Elemente 150 her, die auf zwei unteren Elektroden 162 in Längsrichtung der unteren Elektroden 162 benachbart angeordnet sind. Bei einer solchen Konfiguration sind die MR-Elemente 150 im magnetischen Detektionselement nach Bild 6 durch die oberen Elektroden 163 und die unteren Elektroden 162 in Reihe geschaltet.
Die Lagen 151 bis 154 der MR-Elemente 150 können in umgekehrter Reihenfolge wie in gestapelt werden. Die magnetisierende Schicht 153 muss nicht unbedingt eine einzige ferromagnetische Schicht sein, sondern kann eine künstliche antiferromagnetische Struktur mit zwei ferromagnetischen Schichten und einer nichtmagnetischen Metallschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten aufweisen. Die MR-Elemente 150 können ohne die antiferromagnetische Schicht 154 konfiguriert werden.
Die Konfiguration der ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 wird nun beschrieben. Die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 haben die gleiche Konfiguration.
Die ADCs können solche mit einer Abtast- und Halteschaltung sein, die ein analoges Erkennungssignal abtastet, oder solche ohne Abtast- und Halteschaltung. Beispiele für die ADCs mit Sample-and-Hold-Schaltung sind ein ADC mit sequentiellem Vergleich. Beispiele für die ADCs ohne Sample-and-Hold-Schaltung sind ein Parallelvergleichs-ADC und ein Oversampling-ADC. Ein typisches Beispiel für den Oversampling-ADC ist ein Delta-Sigma-ADC.
Nachfolgend wird einer der ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24, die als sequentielle Vergleichs-ADCs konfiguriert sind, als erster Beispiel-ADC 70 bezeichnet. Jeder der ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24, die als Parallelvergleichs-ADCs konfiguriert sind, wird als zweiter Beispiel-ADC 80 bezeichnet. Jeder der ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24, der als Oversampling-ADCs konfiguriert ist, wird als dritter Beispiel-ADC 90 bezeichnet. Die analogen und digitalen Erkennungssignale, die jedem der ADCs 70, 80 und 90 entsprechen, werden mit den Symbolen Sa bzw. Sd gekennzeichnet.
ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des ersten Beispiels ADC 70 zeigt. Der ADC 70 enthält eine Abtast- und Halteschaltung 71. Das analoge Erkennungssignal Sa und der Abtasttakt CLK werden in die Sample-and-Hold-Schaltung 71 eingespeist. Die Sample-and-Hold-Schaltung 71 erzeugt ein Ausgangssignal Sb. Die Abtast-Halte-Schaltung 71 ist so konfiguriert, dass sie zwischen einem Folgemodus und einem Halte-Modus mit zeitlicher Übereinstimmung mit dem Abtasttakt CLK wechselt. Im Folgemodus folgt das Ausgangssignal Sb dem analogen Erkennungssignal Sa. In der Haltebetriebsart wird das Ausgangssignal Sb auf einem konstanten Wert gehalten. Die Abtastzeit des ADC 70 ist ein Zeitpunkt, zu dem die Abtast-Halte-Schaltung 71 vom Folgemodus in den Halte-Modus schaltet.
Der ADC 70 enthält weiterhin eine Quantisierungsschaltung 72, die das Ausgangssignal Sb der Sample-and-Hold-Schaltung 71 im Hold-Modus quantisiert. Insbesondere im ersten Beispiel führt die Quantisierungsschaltung 72 die Quantisierung und Codierung auf das Ausgangssignal Sb durch. Die Quantisierung bezieht sich auf die Umwandlung von kontinuierlichen Werten wie z.B. Spannungswerten in diskrete Werte. Die Kodierung bezieht sich auf die Umwandlung von diskreten Werten in digitale Daten einer bestimmten Regel. Das Ausgangssignal Sb und der Abtasttakt CLK werden der Quantisierungsschaltung 72 zugeführt. Die Quantisierungsschaltung 72 quantisiert und kodiert das Ausgangssignal Sb im Hold-Modus zur Erzeugung des digitalen Erkennungssignals Sd. Als Quantisierungsschaltung 72 wird beispielsweise eine Quantisierungsschaltung mit einem Komparator, einer sequentiellen Vergleichsregistrierschaltung und einem Digital-Analog-Wandler (im folgenden DAC genannt) verwendet.
ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des zweiten Beispiels ADC 80 zeigt. Der ADC 80 enthält eine Quantisierungsschaltung, die das analoge Detektionssignal Sa gleichzeitig abtastet und quantisiert. Die Abtastzeit des ADC 80 ist ein Zeitpunkt, zu dem die Quantisierungsschaltung das analoge Detektionssignal Sa abtastet und quantisiert.
Hier wird die Auflösung (in Einheiten von Bits) des ADC 80 mit N bezeichnet (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1). Im zweiten Beispiel enthält der ADC 80 speziell als Quantisierungsschaltung eine Spannungsteilerschaltung 81 zur Aufteilung einer Referenzspannung Vref in (2N-1) Spannungen und (2N-1) Komparatoren. Die Spannungsteilerschaltung 81 enthält eine Stromversorgungsklemme, an die die Referenzspannung Vref angelegt wird, eine mit der Masse verbundene Erdungsklemme und eine Vielzahl von Widerständen, die zwischen der Stromversorgungsklemme und der Erdungsklemme in Reihe geschaltet sind.
Jeder der (2N-1) Komparatoren enthält einen nicht-invertierenden Eingang, einen invertierenden Eingang, einen Takteingang und einen Ausgang. Das analoge Erkennungssignal Sa wird am nicht-invertierenden Eingang empfangen. Der invertierende Eingang ist mit einem Knotenpunkt zwischen zwei Widerständen aus der Vielzahl der Widerstände der Spannungsteilerschaltung 81 verbunden, wobei die beiden Widerstände dem Komparator entsprechen und in der Schaltungsanordnung nebeneinander liegen. Am Takteingang wird der Abtasttakt CLK empfangen. Jeder der (2N-1) Komparatoren vergleicht das am nicht-invertierenden Eingang empfangene analoge Erkennungssignal Sa mit der am invertierenden Eingang empfangenen Spannung und gibt das Vergleichsergebnis am Ausgang als quantisiertes Ausgangssignal aus. Die (2N-1) Komparatoren führen gleichzeitig den Vergleich auf Basis des Abtasttaktes CLK durch.
Der ADC 80 enthält außerdem einen Encoder 83. Die (2N-1)-Ausgangssignale der (2N-1)-Komparatoren und der Abtasttakt CLK werden dem Geber 83 zugeführt. Der Encoder 83 kodiert die (2N-1) Ausgangssignale zur Erzeugung des digitalen Erkennungssignals Sd.
zeigt ein Beispiel, bei dem der ADC 80 eine Auflösung von 3 Bit hat, und die (2N-1) Komparatoren sind die sieben Komparatoren 82A, 82B, 82C, 82D, 82E, 82F und 82G.
ist ein Funktionsblockschaltbild, das die Konfiguration des dritten Beispiels ADC 90 zeigt. Der ADC 90 enthält einen Quantisierungskreis 93, der das analoge Detektionssignal Sa gleichzeitig abtastet und quantisiert. Der Abtasttakt CLK wird der Quantisierungsschaltung 93 zugeführt. Die Quantisierungsschaltung 93 tastet das analoge Erkennungssignal Sa ab und quantisiert es zeitgesteuert entsprechend dem Abtasttakt CLK. Die Abtastzeit des ADC 90 ist ein Zeitpunkt, zu dem die Quantisierungsschaltung 93 die Abtastung und Quantisierung durchführt. Der Abtasttakt CLK hat eine höhere Frequenz als eine Abtastfrequenz des kodierten digitalen Erkennungssignals Sd mit einer vorgegebenen Anzahl von Bits. Die Quantisierungsschaltung 93 führt also ein Oversampling durch.
zeigt ein Beispiel, bei dem der ADC 90 als Delta-Sigma-ADC konfiguriert ist. In diesem Beispiel ist die Quantisierungsschaltung 93 ein Komparator. Der ADC 90 enthält neben der Quantisierungsschaltung 93 einen Differenzierer 91, einen Integrator 92, eine Verzögerungsschaltung 94 und einen DAC 95.
Das analoge Erkennungssignal Sa und ein vom DAC 95 ausgegebenes Analogsignal werden dem Differenzierer 91 zugeführt. Der Differenzierer 91 gibt eine Differenz zwischen dem analogen Erkennungssignal Sa und dem Ausgangssignal des DAC 95 als Ausgangssignal an den Integrator 92 aus. Der Integrator 92 integriert das Ausgangssignal des Differenzierers 91 und gibt das integrierte Signal an die Quantisierungsschaltung 93 aus.
Das Ausgangssignal des Integrators 92 und der Abtasttakt CLK werden der Quantisierungsschaltung 93 zugeführt. Die Quantisierungsschaltung 93 vergleicht das Ausgangssignal des Integrators 92 mit einer vorgegebenen Referenzspannung, um das Ausgangssignal des Integrators 92 zu quantisieren, und gibt ein Ein-Bit-Signal Sd1 aus. Das Ein-Bit-Signal Sd1 wird in die Verzögerungsschaltung 94 eingespeist.
Die Verzögerungsschaltung 94 verzögert das Signal Sd1 um eine Periode des Abtasttaktes CLK und gibt das Ergebnis an den DAC 95 aus. Der DAC 95 wandelt das Eingangssignal in ein Analogsignal um und gibt das Analogsignal an den Differentiator 91 aus.
Der ADC 90 kann ferner einen digitalen Filter enthalten, der das von der Quantisierungsschaltung 93 ausgegebene Signal Sd1 empfängt, eine Verarbeitung zur Beseitigung von Quantisierungsfehlern durchführt und das digitale Erkennungssignal Sd mit einer vorgegebenen Anzahl von Bits ausgibt.
Als nächstes wird eine Methode zur Erzeugung der ersten und zweiten Detektionsdaten θ1 s und θ2s beschrieben. Die ersten Erkennungsdaten θ1s werden vom ersten Datengenerator 15 z.B. gemäß Gl. (1) unten berechnet. $θ 1 s = atan (S2d / S 1 d)$
Es gilt zu beachten, dass „atan“ einen Arkustangens darstellt.
Für θ1s im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (1) ergibt zwei Lösungen von θ1s, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θ1s in Gl. (1) der wahre Wert von θ1s ist, kann entsprechend der Kombination der Vorzeichen von S1d und S2d bestimmt werden. Der erste Datengenerator 15 ermittelt θ1s im Bereich von 0° bis weniger als 360 gemäß° Gl. (1) und die Bestimmung auf der Kombination der Vorzeichen von S1d und S2d.
Die zweiten Erkennungsdaten θ2s werden vom zweiten Datengenerator 25 z.B. gemäß Gl. (2) unten berechnet. $θ2 s = atan (S4d / S3d)$
Für θ2s im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (2) ergibt zwei Lösungen von θ2s, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θ2s in Gl. (2) der wahre Wert von θ2s ist, kann entsprechend der Kombination der Vorzeichen von S3d und S4d bestimmt werden. Der zweite Datengenerator 25 bestimmt θ2s im Bereich von 0° bis weniger als 360 gemäß° Gl. (2) und die Bestimmung auf der Kombination der Vorzeichen von S3d und S4d.
Es wird nun eine Methode zur Berechnung des Erkennungswertes θs beschrieben. Zunächst wird der Zusammenhang zwischen dem Drehfeldwinkel θM und dem ersten und zweiten Winkel θ1, θ2 beschrieben. Liegt kein Rauschmagnetfeld Mex vor, ist der erste Winkel θ1 gleich dem Drehfeldwinkel θM. Liegt jedoch das Rauschmagnetfeld Mex vor, kann die Richtung der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c von der Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa abweichen, so dass der erste Winkel θ1 einen anderen Wert als der Drehfeldwinkel θM annimmt. Der Winkelfehler im ersten Winkel θ1 wird durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht.
Ebenso ist bei fehlendem Rauschmagnetfeld Mex der zweite Winkel θ2 gleich dem Drehfeldwinkel θM. Liegt jedoch das Rauschmagnetfeld Mex vor, kann die Richtung der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c von der Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes MFb abweichen, so dass der zweite Winkel θ2 einen anderen Wert als der Drehfeldwinkel θM annimmt. Der Winkelfehler im zweiten Winkel θ2 wird durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht.
Nun wird das Rauschmagnetfeld Mex in Bezug auf die erste bis dritte Komponente diskutiert. Die erste Komponente ist eine Komponente in einer Richtung parallel zu den ersten und zweiten Bezugsebenen PL1 und PL2 und orthogonal zu den Richtungen der ersten und zweiten magnetischen Teilfelder MFa und MFb. Die zweite Komponente ist eine Komponente in einer Richtung parallel zu den Richtungen des ersten und zweiten magnetischen Teilfeldes MFa und MFb. Die dritte Komponente ist eine Komponente in einer Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Bezugsebene PL1 und PL2. Die und sind erklärende Diagramme, die schematisch die Beziehungen der ersten und zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c und MF2c mit dem Rauschmagnetfeld Mex zeigen. In den Bildern 10A und 10B steht das Symbol Mex1 für die erste Komponente des Rauschmagnetfeldes Mex. zeigt den Zusammenhang zwischen der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex. zeigt den Zusammenhang zwischen der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex. Die Größenordnung der ersten Komponente Mex1 ist in den und übertrieben dargestellt. Wie in den Bildern 10A und 10B dargestellt, weichen die Richtungen der ersten und zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c und MF2c durch die Wirkung der ersten Komponente Mex1 von den Richtungen des ersten und zweiten Teilmagnetfeldes MFa bzw. MFb ab.
In der vorliegenden Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Stärke des Rauschmagnetfeldes Mex insofern ausreichend kleiner ist als die Stärken des ersten und zweiten Teilmagnetfeldes MFa und MFb, dass die zweite Komponente des Rauschmagnetfeldes Mex einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Richtungsabweichungen der ersten und zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c und MF2c hat. Außerdem beeinflusst die dritte Komponente des Rauschmagnetfeldes Mex nicht die Richtungen der ersten und zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c und MF2c. In den Bildern 10A und 10B ist die erste angelegte Magnetfeldkomponente MF1c als ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex dargestellt, und die zweite angelegte Magnetfeldkomponente MF2c ist als ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex dargestellt.
Wie in dargestellt, bewirkt eine Abweichung der Richtung der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c von der Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa einen Winkelfehler des ersten Winkels θ1. Der Winkelfehler im ersten Winkel θ1 ist atan(Bex/B1), wobei B 1 für die Stärke des ersten Teilmagnetfeldes MFa und Bex für die Stärke der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex steht.
Wie in dargestellt, bewirkt eine Abweichung der Richtung der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c von der Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes MFb einen Winkelfehler des zweiten Winkels θ2. Der Winkelfehler im zweiten Winkel θ2 ist atan(Bex/B2), wobei B2 die Stärke des zweiten magnetischen Teilfeldes MFb darstellt.
Der erste Winkel θ1 kann mit dem Drehfeldwinkel θM und dem Winkelfehler im ersten Winkel 1 θausgedrückt werden. Ähnlich kann der zweite Winkel θ2 mit dem Drehfeldwinkel θM und dem Winkelfehler im zweiten Winkel θ2 ausgedrückt werden. Insbesondere können der erste und zweite Winkel θ1 und θ2 in den nachfolgenden Gl. (3) und (4) ausgedrückt werden. $θ 1 = θ M atan (Bex / B1)$
$θ2 = θ M atan (Bex / B2)$
Wenn x ausreichend klein ist, kann atan(x) als AT-x approximiert werden. AT ist ein konstanter Wert, ein Beispiel dafür ist 56,57. Da in der vorliegenden Ausführungsform die Stärke Bex der ersten Komponente Mex1 des Rauschmagnetfeldes Mex ausreichend kleiner ist als die Stärken B1 und B2 des ersten und zweiten Teilmagnetfeldes MFa und MFb, kann in der vorliegenden Ausführungsform atan(Bex/B 1) als AT-(Bex/B 1) und atan(Bex/B2) als AT-(Bex/B2) approximiert werden. Die Anwendung der Approximation auf Gl. (3) und die Neuanordnung der Gleichung ermöglicht es, Bex in Gl. (5) auszudrücken. $Bex = - B 1 (θ 1 - θ M) / AT$
Wendet man die oben beschriebene Annäherung an Gl. (4) an, um die Gleichung neu zu ordnen, und setzt Gl. (5) in die neu geordnete Gleichung ein, so erhält man Gl. (6) unten. $θ 2 = θ M + B 1 - (θ 1 - θ M) / B2$
Durch Umstellen von Gl. (6) kann der Drehfeldwinkel θM in Gl. (7) unten ausgedrückt werden. $θ M = {θ 2 (- B 1 / B 2) θ 1} / {1 (- B 1 / B2)}$
In Gl. (7) stellt „B1/B2“ das Verhältnis der Stärke B1 des ersten Teilmagnetfeldes MFa zur Stärke B2 des zweiten Teilmagnetfeldes MFb dar. Das Verhältnis wird im Folgenden mit dem Symbol B 12 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform hängt der Wert des Verhältnisses B 12 von der Positionsbeziehung zwischen der ersten und zweiten Erkennungsposition P1 und P2 ab. Das Verhältnis B12 hat einen konstanten Wert unabhängig vom Wert des Drehfeldwinkels θM.
Als nächstes wird die Methode, mit der der Prozessor 50 den Erkennungswert θs berechnet, konkret beschrieben. Als arithmetische Verarbeitung mit einer Vielzahl von Erkennungsdaten führt der Prozessor 50 eine arithmetische Verarbeitung mit θ1s und θ2s durch, die Erkennungsdaten des ersten und zweiten Winkels θ1 und θ2 und das Verhältnis B12 sind. Um genauer zu sein, als die arithmetische Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Erkennungsdaten, führt der Prozessor 50 eine arithmetische Verarbeitung durch, die in Gl. (8) unten ausgedrückt wird, die ähnlich wie Gl. (7) ist, um dadurch den Erkennungswert θs zu erzeugen. $θ s = (θ 2 s - B 12 θ 1 s) / (1 - B 12)$
Gl. (8) ergibt sich aus der Ersetzung von θM, θ1, θ2 und B1/B2 von Gl. (7) durch θs, θ1s, θ2s bzw. B12.
Der Prozessor 50 enthält einen arithmetischen Prozessor 51 zur Berechnung des Erkennungswertesθ s und einen Speicherabschnitt 52 zur Speicherung des Wertes des Verhältnisses B12 der Stärke B1 des ersten Teilmagnetfeldes MFa zur Stärke B2 des zweiten Teilmagnetfeldes MFb. Der Arithmetikprozessor 51 berechnet den Detektionswert θs gemäß Gl. (8) unter Verwendung von θ1s des ersten Datengenerators 15 des ersten Magnetsensors 10A, θ2s des zweiten Datengenerators 25 des zweiten Magnetsensors 20A und des im Speicherabschnitt 52 gespeicherten Verhältnisses B12.
Das Verhältnis B12 kann durch Messung der Stärken B1 und B2 des ersten und zweiten magnetischen Teilfeldes MFa und MFb bestimmt werden. Die Messung der Stärken B1 und B2 wird von einem Steuergerät (nicht abgebildet) außerhalb des Winkelsensors 1 vor der Auslieferung bzw. vor dem Einsatz des Winkelsensors 1 durchgeführt. Die Messung der Stärken B1 und B2 kann mit dem ersten und zweiten Magnetsensor 10A und 20A oder anderen Magnetsensoren durchgeführt werden.
Nach der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht die Durchführung der arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung der ersten und zweiten Erkennungsdaten θ1s und θ2s die Generierung des Erkennungswertes θs mit reduziertem Fehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird, im Vergleich zum Fall der Generierung des Erkennungswertes θs auf der Grundlage der ersten Erkennungsdaten θ1s oder der zweiten Erkennungsdaten θ2s. Der Grund dafür wird im Folgenden detailliert beschrieben.
Wie aus Gl. (3) hervorgeht, variiert der erste Winkel θ1 in Abhängigkeit vom Winkelfehler „atan(Bex/B1)“, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird. Wie aus Gl. (4) ersichtlich ist, variiert der zweite Winkel θ2 in Abhängigkeit vom Winkelfehler „atan(Bex/B2)“, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird. In der vorliegenden Ausführungsform geben die ersten Erkennungsdaten θ1s den ersten Winkel θ1 und die zweiten Erkennungsdaten θ2s den zweiten Winkel θ2 an. Die Gl. (3) und (4) zeigen somit an, dass die ersten und zweiten Nachweisdaten θ1s und θ2s durch das Rauschmagnetfeld Mex beeinflusst werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Stärke B1 des ersten Teilmagnetfeldes MFa und die Stärke B2 des zweiten Teilmagnetfeldes MFb voneinander verschieden. Dadurch ergibt sich eine Differenz zwischen den relativen Auswirkungen des Rauschmagnetfeldes Mex auf die ersten und zweiten Detektionsdaten θ1s und θ2s. Als Ergebnis entsteht eine vom Rauschmagnetfeld Mex abhängige Differenz zwischen den ersten und zweiten Detektionsdaten θ1s und θ2s. Konkret ergibt sich eine vom Rauschmagnetfeld Mex abhängige Differenz zwischen den Werten der Winkelfehler im ersten und zweiten Winkel θ1 und θ2. Der in Gl. (7) ausgedrückte Drehfeldwinkel θM wird mit dieser Kennlinie geführt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Nachweiswert θs durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der ersten und zweiten Nachweisdaten θ1s und θ2s erzeugt, genauer gesagt durch die arithmetische Verarbeitung, ausgedrückt in Gl. (8).
Die ersten Erkennungsdaten θ1s entsprechen einem Erkennungswert θs, der nur auf Basis der ersten Erkennungsdaten θ1s erzeugt wird. Die zweiten Erkennungsdaten θ2s entsprechen einem Erkennungswert θs, der nur aus den zweiten Erkennungsdaten θ2s generiert wird. Da die ersten und zweiten Winkel θ1 und θ2, wie oben beschrieben, durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachte Winkelfehler enthalten, enthalten die ersten und zweiten Detektionsdaten θ1s und θ2s ebenfalls Fehler, die durch die Rauschmagnetfelder Mex verursacht werden. Da andererseits der Drehfeldwinkel θM keinen durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Winkelfehler enthält, enthält der durch die arithmetische Verarbeitung erzeugte Detektionswert θs, ausgedrückt in Gl. (8), theoretisch keinen durch das Rauschmagnetfeld Mex verursachten Fehler. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die Erzeugung des Detektionswertes θs mit reduziertem Fehler durch das Rauschmagnetfeld Mex im Vergleich zu den ersten und zweiten Detektionsdatenθ 1s und θ2s.
Da die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 gleichzeitig abtasten, ist es nach der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Auftreten von Fehlern im Detektionswert θs zu verhindern. Ein solcher Effekt wird im Folgenden durch den Vergleich mit einem Winkelsensor eines Vergleichsbeispiels beschrieben.
Zunächst wird die Konfiguration des Winkelsensors des Vergleichsbeispiels beschrieben. Der Winkelsensor des Vergleichsbeispiels hat im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform in . Im Vergleichsbeispiel sind jedoch der dritte und vierte ADC 23 und 24 so konfiguriert, daß die Abtastzeit durch einen vom Taktgenerator 20B erzeugten Abtasttakt bestimmt wird, statt durch den vom Taktgenerator 10B erzeugten Abtasttakt CLK.
Als nächstes wird ein Fehler in dem vom Winkelsensor des Vergleichsbeispiels erzeugten Erkennungswert beschrieben. Angenommen, der Magnet 6 rotiert mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit co. Der Zeitpunkt, zu dem der erste Magnetsensor 10A das erste angelegte Magnetfeld MF1 erfasst, wird als erster Zeitpunkt bezeichnet, und der Zeitpunkt, zu dem der zweite Magnetsensor 20A das zweite angelegte Magnetfeld MF2 erfasst, als zweiter Zeitpunkt. Die Zeitdauer von der ersten bis zur zweiten Zeitmessung wird als Zeitdifferenz DT bezeichnet. Nehmen wir an, dass θ1s und θ2s die ersten und zweiten Erkennungsdaten sind, die der erste und zweite Magnetsensor 10A und 20A durch die gleichzeitige Erkennung des ersten und zweiten angelegten Magnetfeldes MF1 und MF2 zum ersten Zeitpunkt erhalten. In einem solchen Fall beträgt die zweite Detektion, die der zweite Magnetsensor 20A durch die Erfassung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 zum zweiten Zeitpunkt erhält, ca. θ2s + (ω-DT.ω -DT ist der Betrag der Änderung des Zinswinkels, der sich aus der Zeitdifferenz DT ergibtθ. Unter Berücksichtigung der Zeitdifferenz DT kann der vom Prozessor 50 erzeugte Detektionswert θs in Gl. (9) angegeben werden. $θ s = {(θ 2 s + ω DT) - B 12 θ 1 s} / (1 - B 12)$
Wenn der erste und der zweite Zeitpunkt miteinander zusammenfallen, ist die Zeitdifferenz DT gleich Null und Gl. (9) fällt mit Gl. (8) zusammen. Wenn andererseits der erste und der zweite Zeitpunkt nicht zusammenfallen, ist die Zeitdifferenz DT ungleich Null und Gl. 9 fällt nicht mit Gl. 8 zusammen. Eine Differenz zwischen dem in Gl. (9) und dem in Gl. (8) ausgedrückten Erkennungswert θθs wird als Fehler des Erkennungswertes θs aufgrund der Zeitdifferenz DT bezeichnet und mit dem Symbol θE gekennzeichnet.θ $θ E = ω DT / (1 - B 12)$
In der vorliegenden Ausführungsform ist B12 größer als 1. Ist B12 größer als 1 und kleiner als 2, dann ist der Absolutwert von (1 -B12) kleiner als 1. In diesem Fall ist der Fehler θE größer als der Betrag der Änderung ω-DT des Interessenwinkels, der sich aus der Zeitdifferenz DT ergibtθ. Wenn sich B12 der Zahl 1 nähert und der Absolutwert von (1 -B12) sich der Zahl 0 nähert, erhöht sich der Fehler θE.
ist ein Kennfeld, das beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Drehzahl RS des Magneten 6 und dem Fehler θE im Erkennungswert θs zeigt. In stellt die horizontale Achse die Drehzahl RS und die vertikale Achse den Fehler θE dar. Die Drehzahl RS ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω. In diesem Beispiel beträgt die Zeitdifferenz DT 12,5 µs. In stellt die mit der Kennziffer 61 bezeichnete Linie den Zusammenhang zwischen der Drehzahl RS und dem Fehler θE in einem Fall dar, in dem B12 1,2 ist. Die mit der Bezugszahl 62 bezeichnete Linie stellt die Beziehung zwischen der Drehzahl RS und dem Fehler θE in einem Fall dar, in dem B12 gleich 2 ist. Wie in dargestellt, ist der Fehler θE (Bezugszahl 61) im Fall von B12 gleich 1,2 größer als der Fehler θE (Bezugszahl 62) im Fall von B12 gleich 2.
In der vorliegenden Ausführungsform sind der erste bis vierte ADC 13, 14, 23 und 24 so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 10B erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 sind somit so konfiguriert, dass sie zur gleichen Zeit abtasten. In der vorliegenden Ausführungsform fällt also der Zeitpunkt, zu dem der erste Magnetsensor 10A das erste angelegte Magnetfeld MF1 erfasst, mit dem Zeitpunkt zusammen, zu dem der zweite Magnetsensor 20A das zweite angelegte Magnetfeld MF2 erfasst, und die Zeitdifferenz DT ist Null. Damit ist auch der Fehler θE durch die Zeitdifferenz DT gleich Null. Die gegenwärtige Ausführungsform ermöglicht es also, das Auftreten von Fehlern im Detektionswert θs zu verhindern, die durch einen Unterschied zwischen der Vielzahl von Magnetsensoren im Zeitpunkt der Detektion des magnetischen Zielfeldes entstehen. In der vorliegenden Ausführungsform können der erste bis vierte ADC 13, 14, 23 und 24 so konfiguriert werden, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 20B anstelle des Taktgenerators 10B erzeugten Abtasttakt bestimmt wird.
[Zweite Verkörperung]
Eine zweite Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau eines Winkelsensors nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Winkelsensor 1 nach der ersten Ausführungsform in folgenden Punkten. Die Taktgeneratoren 10B und 20B der ersten Ausführungsform werden in der vorliegenden Ausführungsform weggelassen. Stattdessen enthält der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform einen Taktgeber 10C. Der Taktgenerator 10C ist getrennt von der elektronischen Komponente 10 mit dem ersten Magnetsensor 10A und der elektronischen Komponente 20 mit dem zweiten Magnetsensor 20A aufgebaut.
Der Taktgenerator 10C erzeugt wie der Taktgenerator 10B einen Abtasttakt CLK zur Bestimmung der Abtastzeit. Die ersten und zweiten ADCs 13 und 14 des ersten Magnetsensors 10A und die dritten und vierten ADCs 23 und 24 des zweiten Magnetsensors 20A sind alle so konfiguriert, daß die Abtastzeit durch den vom Taktgeber 10C erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Der Taktgenerator 10C und die ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, die den Abtasttakt CLK übertragen.
Der Aufbau, die Funktion und die Wirkungen der vorliegenden Verkörperung sind ansonsten die gleichen wie die der ersten Verkörperung.
[Dritte Verkörperung]
Eine dritte Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird auf verwiesen, um die Konfiguration eines Winkelsensors 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu beschreiben. Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Winkelsensor 1 nach der ersten Ausführungsform in folgenden Punkten. Die ersten und zweiten Datengeneratoren 15 und 25 der ersten Verkörperung werden in der vorliegenden Verkörperung weggelassen.
In der vorliegenden Ausführungsform erzeugen der erste und zweite Detektor 11 und 12 des ersten Magnetsensors 10A ein erstes und zweites analoges Detektionssignal S1a und S2a, die die Stärken zweier Komponenten des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen. In der vorliegenden Verkörperung liegen diese beiden Komponenten des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 in zueinander orthogonalen Richtungen. In der vorliegenden Darstellung sind die Richtungen der beiden Komponenten die X-Richtung und die Y-Richtung (siehe ). Das erste analoge Erkennungssignal S1a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 an. Das zweite analoge Erkennungssignal S2a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 an.
In ähnlicher Weise erzeugen in der vorliegenden Ausführung der dritte und vierte Detektor 21 und 22 des zweiten Magnetsensors 20A ein drittes und viertes analoges Detektionssignal S3a und S4a, die die Stärken von zwei Komponenten des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen. In der vorliegenden Verkörperung liegen diese beiden Komponenten des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 in zueinander orthogonalen Richtungen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der beiden Komponenten die X- und die Y-Richtung. Das dritte analoge Erkennungssignal S3a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 an. Das vierte analoge Erkennungssignal S4a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 an.
Damit jedes der ersten bis vierten analogen Detektionssignale S1a bis S4a die Stärke einer Komponente in einer Richtung eines Magnetfeldes wie oben beschrieben anzeigt, müssen die ersten bis vierten Detektoren 11, 12, 21 und 22 unter der Bedingung verwendet werden, dass die Größen der ersten bis vierten analogen Detektionssignale S1a bis S4a nicht im Bereich der Stärken des ersten und zweiten angelegten Magnetfeldes MF1 und MF2 gesättigt werden.
Die ersten und zweiten ADCs 13 und 14 des ersten Magnetsensors 10A wandeln die vorhergehenden ersten und zweiten analogen Erkennungssignale S1a und S2a in erste und zweite digitale Erkennungssignale S1d bzw. S2d um. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die vom ersten Magnetsensor 10A erzeugten ersten Erkennungsdaten die ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S1d und S2d.
Die dritten und vierten ADCs 23 und 24 des zweiten Magnetsensors 20A wandeln die vorgenannten dritten und vierten analogen Erkennungssignale S3a und S4a in dritte und vierte digitale Erkennungssignale S3d bzw. S4d um. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die zweiten Erkennungsdaten, die vom zweiten Magnetsensor 20A erzeugt werden, die dritten und vierten digitalen Erkennungssignale S3d und S4d.
Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform enthält einen Prozessor 250 anstelle des Prozessors 50 der ersten Ausführungsform. Der Prozessor 250 erzeugt einen Erkennungswert θs durch arithmetische Verarbeitung der ersten und zweiten Erkennungsdaten. Der Prozessor 250 kann z.B. durch einen ASIC oder einen Mikrocomputer realisiert werden.
Als nächstes wird die Konfiguration der ersten bis vierten Detektoren 11, 12, 21 und 22 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Der erste und dritte Detektor 11 und 21 der vorliegenden Ausführungsform haben jeweils die gleiche Konfiguration wie der erste Detektor 11 der ersten Ausführungsform. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten des ersten und dritten Detektors 11 und 21 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des ersten Detektors 11 der ersten Ausführungsform in . In ähnlicher Weise haben der zweite und vierte Detektor 12 und 22 der vorliegenden Ausführungsform jeweils die gleiche Konfiguration wie der zweite Detektor 12 der ersten Ausführungsform. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten des zweiten und vierten Detektors 12 und 22 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des zweiten Detektors 12 der ersten Ausführungsform in .
Beim ersten Detektor 11 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der X-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1. Der Differenzdetektor 18 des ersten Detektors 11 gibt als erstes analoges Erkennungssignal S1a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Beim zweiten Detektor 12 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Y-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1. Der Differenzdetektor 28 des zweiten Detektors 12 gibt als zweites analoges Erkennungssignal S2a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 entsprechendes Signal aus.
Beim dritten Detektor 21 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der X-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2. Der Differenzdetektor 18 des dritten Detektors 21 gibt als drittes analoges Erkennungssignal S3a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Beim vierten Detektor 22 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Y-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2. Der Differenzdetektor 28 des vierten Detektors 22 gibt als viertes analoges Erkennungssignal S4a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 entsprechendes Signal aus.
Als nächstes wird eine Methode beschrieben, mit der der Prozessor 250 der vorliegenden Ausführungsform den Erkennungswert θs erzeugt. Wie der Prozessor 50 der ersten Ausführungsform erzeugt der Prozessor 250 den Erkennungswert θs, indem er eine arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der ersten und zweiten Erkennungsdaten durchführt, so dass der Erkennungswert θs im Vergleich zum Fall der Erzeugung des Erkennungswertes θs, der auf den ersten oder zweiten Erkennungsdaten basiert, einen reduzierten Fehler enthält, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird.
Ein Vektor, der die Richtung und Stärke des ersten angelegten Magnetfeldes MF 1 repräsentiert, wird mit dem Symbol H1 gekennzeichnet. Ein Vektor, der die Richtung und Stärke des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 repräsentiert, wird mit dem Symbol H2 bezeichnet. Ein Vektor, der die Richtung und Stärke des ersten Teilmagnetfeldes MFa repräsentiert, wird mit dem Symbol Ha gekennzeichnet. Ein Vektor, der die Richtung und Stärke des zweiten Teilmagnetfeldes MFb repräsentiert, wird mit dem Symbol Hb bezeichnet. Ein Vektor, der die Richtung und Stärke des Rauschmagnetfeldes Mex repräsentiert, wird mit dem Symbol Hex gekennzeichnet. Das erste angelegte Magnetfeld MF1 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex. Der Vektor H1 kann also in Gl. (11) unten mit den Vektoren Ha und Hex ausgedrückt werden. $H 1 = Ha + Hex$
Wie in Gl. (11) gezeigt, variieren Richtung und Größe des Vektors H1 in Abhängigkeit vom Vektor Hex. Mit anderen Worten, Eq. (11) zeigt an, dass der Vektor H1 durch das Rauschmagnetfeld Mex beeinflusst wird.
Das zweite angelegte Magnetfeld MF2 ist ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex. Der Vektor H2 kann also in Gl. (12) unten mit den Vektoren Hb und Hex ausgedrückt werden. $H2 = Hb + Hex$
Wie in Gl. (12) gezeigt, variieren Richtung und Größe des Vektors H2 in Abhängigkeit vom Vektor Hex. Mit anderen Worten, Eq. (12) zeigt an, dass der Vektor H2 durch das Rauschmagnetfeld Mex beeinflusst wird.
Nun wird ein Vektor H3 wie in Gl. (13) unten definiert. $H3 = H1 - H2$
Die Ersetzung von Gl. (11) und (12) durch Gl. (13) ergibt Gl. (14). $\begin{matrix} H 3 = H 1 - H 2 \\ = Ha + Hex - (Hb - Hex) \\ = Ha - Hb \end{matrix}$
Wie schon bei der ersten Ausführungsform beschrieben, sind die Richtung des ersten Teilmagnetfeldes MFa und die Richtung des zweiten Teilmagnetfeldes MFb gleich, und daher liegen die Vektoren Ha und Hb in der gleichen Richtung. Da sich andererseits die Stärke des ersten Teilmagnetfeldes MFa und die des zweiten Teilmagnetfeldes MFb voneinander unterscheiden, sind die Vektoren Ha und Hb unterschiedlich groß. Wie in Gl. (14) gezeigt, ermöglicht die Durchführung einer arithmetischen Verarbeitung zur Bestimmung der Differenz zwischen den Vektoren H1 und H2 die Aufhebung der Vektoren Hex und damit die Erzeugung des Vektors H3, der in der gleichen Richtung wie die Vektoren Ha und Hb liegt und nicht durch das Rauschmagnetfeld Mex beeinflusst wird. Der Prozessor 250 ermittelt die Richtung des Vektors H3, um damit den vom Rauschmagnetfeld Mex unbeeinflussten Detektionswert θs zu erzeugen.
In der vorliegenden Darstellung werden das erste und zweite digitale Detektionssignal S1d und S2d als zwei Komponenten des Vektors H1 in einem orthogonalen Koordinatensystem und das dritte und vierte digitale Detektionssignal S3d und S4d als zwei Komponenten des Vektors H2 im orthogonalen Koordinatensystem angenommen.
zeigt ein Beispiel für die Konfiguration des Prozessors 250. In diesem Beispiel enthält der Prozessor 250 einen ersten Rechenteil 251, einen zweiten Rechenteil 252 und einen Argumentberechnungsteil 253. Der Prozessor 250 behandelt die ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S1d und S2d, die die beiden Komponenten des Vektors H1 im orthogonalen Koordinatensystem sind, als Real- und Imaginärteil einer komplexen Darstellung des Vektors H1. Der Prozessor 250 behandelt die dritten und vierten digitalen Detektionssignale S3d und S4d, die die beiden Komponenten des Vektors H2 im orthogonalen Koordinatensystem sind, als Real- und Imaginärteil einer komplexen Darstellung des Vektors H2.
Die erste Rechensektion 251 bestimmt einen Realteil Re einer komplexen Darstellung des Vektors H3 durch arithmetische Verarbeitung, um eine Differenz zwischen dem ersten digitalen Erkennungssignal S1d und dem dritten digitalen Erkennungssignal S3d zu ermitteln. Der zweite Rechenteil 252 bestimmt einen Imaginärteil Im der komplexen Darstellung des Vektors H3 durch arithmetische Verarbeitung, um eine Differenz zwischen dem zweiten digitalen Erkennungssignal S2d und dem vierten digitalen Erkennungssignal S4d zu ermitteln. Der Realteil Re und der Imaginärteil Im sind durch Gl. (15) bzw. (16) gegeben. $Re = S1d - S3d$
$Im = S2d - S4d$
Das Argument der komplexen Zahl, die aus dem Realteil Re und dem Imaginärteil Im berechnet wird, entspricht der Richtung des Vektors H3. Das Argument wird in der vorliegenden Ausführungsform als Erkennungswert θs verwendet. Beispielsweise berechnet der Argumentberechnungsteil 253 den Erkennungswert θs gemäß Gl. (17) unten. $θ s = atan (Im / Re)$
Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (17) ergibt zwei Lösungen von θs, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θs in Gl. (17) der wahre Wert von θs ist, kann entsprechend der Kombination der Zeichen Re und Im bestimmt werden. Die Argumentationsberechnungsstelle 253 bestimmt θs im Bereich von 0° bis weniger als 360 nach° Gl. (17) und die Bestimmung über die Kombination der Vorzeichen von Re und Im. θ 1s in der ersten Ausführungsform entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Basis der ersten Erkennungsdaten in der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, und θ2s in der ersten Ausführungsform entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Basis der zweiten Erkennungsdaten in der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird. Wie schon bei der ersten Verkörperung beschrieben, enthalten θ1s und θ2s jeweils einen Fehler, der durch die Rauschmagnetfelder Mex verursacht wird. Da andererseits der Vektor H3 als Differenz zwischen den Vektoren Ha und Hb ausgedrückt wird, wie in Gl. (14) gezeigt, enthält der auf die oben beschriebene Weise erzeugte Nachweiswert θs theoretisch keinen Fehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird. Die vorliegende Ausführung ermöglicht somit die Generierung des Detektionswertes θs mit reduziertem Fehler durch das Rauschmagnetfeld Mex, im Vergleich zu θ1s und θ2s.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der Taktgenerator zur Erzeugung des Abtasttaktes CLK zur Bestimmung der Abtastzeit der ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 wie in der zweiten Ausführungsform getrennt von den elektronischen Bauteilen 10 und 20 aufgebaut werden.
Der Aufbau, die Funktion und die Wirkungen der vorliegenden Verkörperung sind ansonsten die gleichen wie die der ersten oder zweiten Verkörperung.
[Vierte Verkörperung]
Eine vierte Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird auf verwiesen, um die Konfiguration eines Winkelsensors 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu beschreiben. ist eine perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Sensorsystems 100 zeigt. Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Winkelsensor 1 nach der ersten Ausführungsform in folgenden Punkten. Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform enthält neben dem ersten und zweiten Magnetsensor 10A und 20A der ersten Ausführungsform einen dritten Magnetsensor 30A und einen vierten Magnetsensor 40A als Mehrzahl von Magnetsensoren. Darüber hinaus enthält der Winkelsensor 1 als Vielzahl von elektronischen Bauteilen neben den elektronischen Bauteilen 10 und 20 der ersten Ausführungsform zwei elektronische Bauteile 30 und 40. Wie in der ersten Ausführung ist der erste Magnetsensor 10A im elektronischen Bauteil 10 enthalten. Der zweite Magnetsensor 20A ist im elektronischen Bauteil 20 enthalten.
Der dritte Magnetsensor 30A ist in der elektronischen Komponente 30 enthalten. Der vierte Magnetsensor 40A ist im elektronischen Bauteil 40 enthalten. Die elektronischen Bauteile 10, 20, 30 und 40 sind auf einer Stirnseite des Magneten 6 angeordnet.
Die ersten bis vierten Magnetsensoren 10A, 20A, 30A und 40A sind so konfiguriert, dass sie ein angelegtes Magnetfeld einschließlich des Zielmagnetfeldes an zueinander unterschiedlichen Erfassungspositionen erfassen. Wie in der ersten Ausführungsform erkennt der erste Magnetsensor 10A ein erstes angelegtes Magnetfeld MF 1 einschließlich des Zielmagnetfeldes an einer ersten Erkennungsposition P1 und erzeugt erste Erkennungsdaten. Der zweite Magnetsensor 20A erfasst ein zweites angelegtes Magnetfeld MF2 einschließlich des Zielmagnetfeldes an einer zweiten Erfassungsposition P2 und erzeugt zweite Erfassungsdaten.
Der dritte Magnetsensor 30A erfasst ein drittes angelegtes Magnetfeld MF3 einschließlich des Zielmagnetfeldes an einer dritten Erfassungsposition P3 und erzeugt dritte Erfassungsdaten. Der vierte Magnetsensor 40A erfasst ein viertes angelegtes Magnetfeld MF4 einschließlich des Zielmagnetfeldes an einer vierten Erfassungsposition P4 und erzeugt die vierten Erfassungsdaten.
Die erste bis vierte Detektionsposition P1 bis P4 können sich auf einer gedachten Geraden, die durch den Magneten 6 verläuft, in unterschiedlichen Positionen befinden. Die gedachte Gerade kann mit der Drehachse C zusammenfallen oder auch nicht. zeigt den ersten Fall. In diesem Beispiel sind die ersten bis vierten Erfassungspositionen P1, P2, P3 und P4 in dieser Reihenfolge in Richtung vom Magneten 6 weg angeordnet. Beachten Sie, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, dass alle der ersten bis vierten Erkennungspositionen P1 bis P4 kollinear sind.
Wie in der ersten Ausführungsform wird das Zielmagnetfeld an der ersten Detektionsposition P1 als ein erstes Teilmagnetfeld MFa und das Zielmagnetfeld an der zweiten Detektionsposition P2 als ein zweites Teilmagnetfeld MFb bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Zielmagnetfeld an der dritten Detektionsposition P3 als drittes Teilmagnetfeld MFc und das Zielmagnetfeld an der vierten Detektionsposition P4 als viertes Teilmagnetfeld MFd bezeichnet. Die Richtungen des ersten bis vierten magnetischen Teilfeldes MFa bis MFd variieren je nach dem interessierenden Winkelθ. Da sich die ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 voneinander unterscheiden, sind die ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd unterschiedlich stark.
Wie bereits bei der ersten Ausführung beschrieben, kann zusätzlich zum Zielmagnetfeld ein vom Zielmagnetfeld abweichendes Rauschmagnetfeld Mex an den Winkelsensor 1 angelegt werden. Das Rauschmagnetfeld Mex ist an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 gleichgerichtet und hat an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 die gleiche Stärke. Wenn das Rauschmagnetfeld Mex an den Winkelsensor 1 angelegt wird, ist das erste angelegte Magnetfeld MF1 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem ersten Teilmagnetfeld MFa und dem Rauschmagnetfeld Mex, das zweite angelegte Magnetfeld MF2 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem zweiten Teilmagnetfeld MFb und dem Rauschmagnetfeld Mex, das dritte angelegte Magnetfeld MF3 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem dritten Teilmagnetfeld MFc und dem Rauschmagnetfeld Mex und das vierte angelegte Magnetfeld MF4 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem vierten Teilmagnetfeld MFd und dem Rauschmagnetfeld Mex.
Der Winkelsensor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet den Taktgeber 10B, wie der Winkelsensor 1 nach der ersten Ausführungsform. Der Taktgenerator 10B ist in der Elektronikbaugruppe 10 enthalten. Der Winkelsensor 1 enthält einen Prozessor 350 anstelle des Prozessors 50 der ersten Ausführung. Der Prozessor 350 erzeugt den Erkennungswert θs durch arithmetische Verarbeitung der ersten bis vierten Erkennungsdaten. Der Prozessor 350 ist in dargestellt, die später beschrieben wird. Wie oben beschrieben, unterscheiden sich in der vorliegenden Ausführungsform die ersten bis vierten magnetischen Teilfelder MFa bis MFd in ihrer Stärke voneinander. Dies führt dazu, dass das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche relative Auswirkungen auf die ersten bis vierten Detektionsdaten hat. Dies kann zu Unterschieden in Abhängigkeit vom Rauschmagnetfeld Mex zwischen den ersten bis vierten Detektionsdaten führen. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft erzeugt der Prozessor 350 den Erkennungswert θs durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der ersten bis vierten Erkennungsdaten, so dass der Erkennungswert θs im Vergleich zum Fall der Erzeugung des Erkennungswertes θs auf der Grundlage eines der ersten bis vierten Erkennungsdaten einen reduzierten Fehler enthält, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird. Der Prozessor 350 kann z.B. durch einen ASIC oder Mikrocomputer realisiert werden.
Definitionen von Richtungen, Winkeln, einer Bezugsebene und einer Bezugsrichtung für die vorliegende Darstellung werden nun anhand von und beschrieben. Die Definitionen der X-Richtung, der Y-Richtung, der Z-Richtung, der -X-Richtung, der -Y-Richtung, der ersten Bezugsebene PL1, der zweiten Bezugsebene PL2 und der Bezugsrichtung DR sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform sind neben der ersten und zweiten Bezugsebene PL1 und PL2 eine dritte Bezugsebene PL3 entsprechend der dritten Erkennungsposition P3 und eine vierte Bezugsebene PL4 entsprechend der vierten Erkennungsposition P4 definiert. Die dritte und vierte Bezugsebene PL3 und PL4 sind gedachte Ebenen senkrecht zur Z-Richtung, wie die erste und zweite Bezugsebene PL1 und PL2. Die erste bis vierte Referenzebene PL1 bis PL4 liegen somit parallel zueinander. Die dritte Erfassungsposition P3 ist ein Schnittpunkt der dritten Bezugsebene PL3 mit der vorhergehenden gedachten Geraden. Die vierte Erkennungsposition P4 ist ein Schnittpunkt der vierten Bezugsebene PL4 mit der vorhergehenden gedachten Geraden. Wie in der ersten Ausführungsform wird eine Komponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1, die parallel zur ersten Bezugsebene PL1 liegt, als erste angelegte Magnetfeldkomponente MF1c bezeichnet. Eine Komponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2, die parallel zur zweiten Bezugsebene PL2 liegt, wird als zweite angelegte Magnetfeldkomponente MF2c bezeichnet. Ein Winkel, den die Richtung der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c mit der Bezugsrichtung DR bildet, wird als erster Winkel bezeichnetθ. Ein Winkel, den die Richtung der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c gegenüber der Bezugsrichtung DR bildet, wird als zweiter Winkelθ 2 bezeichnet. Eine Komponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3, die parallel zur dritten Bezugsebene PL3 liegt, wird als dritte angelegte Magnetfeldkomponente MF3c bezeichnet. Eine Komponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4, die parallel zur vierten Bezugsebene PL4 liegt, wird als vierte angelegte Magnetfeldkomponente MF4c bezeichnet. Ein Winkel, den die Richtung der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c mit der Bezugsrichtung DR bildet, wird als dritter Winkel bezeichnet und mit dem Symbol θ3 gekennzeichnet, wie in dargestellt. Ein Winkel, den die Richtung der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c mit der Bezugsrichtung DR bildet, wird als vierter Winkel bezeichnet und mit dem Symbol θ4 gekennzeichnet. Die Definitionen der positiven und negativen Werte des dritten und vierten Winkels θ3 und θ4 sind die gleichen wie die des ersten und zweiten Winkels θ1 und θ2.
Die Hauptkomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 ist das erste Teilmagnetfeld MFa. Die Hauptkomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 ist das zweite Teilmagnetfeld MFb. Die Hauptkomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 ist das dritte Teilmagnetfeld MFc. Die Hauptkomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 ist das vierte Teilmagnetfeld MFd. Die ersten bis vierten magnetischen Teilfelder MFa bis MFd liegen in der gleichen Richtung. Wie bereits beschrieben, variieren die ersten bis vierten magnetischen Teilfelder MFa bis MFd je nach dem interessierenden Winkel in ihrer Richtungθ. Der erste bis vierte Winkel θ1 bis θ4 variiert daher je nach dem interessierenden Winkelθ.
Da die Hauptkomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 das dritte Teilmagnetfeld MFc ist, ist die Richtung des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 parallel oder nahezu parallel zur dritten Bezugsebene PL3. Daher ist der Winkel, den die Richtung des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 mit der Bezugsrichtung DR bildet, gleich oder nahezu gleich dem dritten Winkel θ3. Da die Hauptkomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 das vierte Teilmagnetfeld MFd ist, ist die Richtung des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 parallel oder nahezu parallel zur vierten Bezugsebene PL4. Daher ist der Winkel, den die Richtung des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 mit der Bezugsrichtung DR bildet, gleich oder nahezu gleich dem vierten Winkel θ4. Wie schon bei der ersten Ausführungsform beschrieben, ist der Winkel, den die Richtung des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 zur Bezugsrichtung DR bildet, gleich oder nahezu gleich dem ersten Winkel θ1. Der Winkel, den die Richtung des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 mit der Bezugsrichtung DR bildet, ist gleich oder nahezu gleich dem zweiten Winkel θ2.
Nun wird die Konfiguration des Winkelsensors 1 anhand von detailliert beschrieben. ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des Winkelsensors 1 zeigt. Die Konfiguration des ersten Magnetsensors 10A ist die gleiche wie in der ersten Ausführungsform. Genauer gesagt umfasst der erste Magnetsensor 10A die ersten und zweiten Detektoren 11 und 12, die ersten und zweiten ADCs 13 und 14 und den ersten Datengenerator 15. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugen der erste und der zweite Detektor 11 und 12 ein erstes und ein zweites analoges Detektionssignal S1a und S2a, die die Stärken zweier Komponenten des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, wie in der dritten Ausführungsform. Das erste analoge Erkennungssignal S1a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 an. Das zweite analoge Erkennungssignal S2a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 an.
Die Konfiguration des zweiten Magnetsensors 20A ist die gleiche wie in der ersten Ausführung. Genauer gesagt umfasst der zweite Magnetsensor 20A die dritten und vierten Detektoren 21 und 22, die dritten und vierten ADCs 23 und 24 und den zweiten Datengenerator 25. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugen die dritten und vierten Detektoren 21 und 22 dritte und vierte analoge Detektionssignale S3a und S4a, die die Stärken zweier Komponenten des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, wie in der dritten Ausführungsform. Das dritte analoge Erkennungssignal S3a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 an. Das vierte analoge Erkennungssignal S4a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 an.
Der dritte Magnetsensor 30A enthält einen fünften Detektor 31 und einen sechsten Detektor 32. Die fünften und sechsten Detektoren 31 und 32 erzeugen ein fünftes und sechstes analoges Detektionssignal S5a und S6a, die die Stärken zweier Komponenten des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen. In der vorliegenden Verkörperung liegen diese beiden Komponenten des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 in zueinander orthogonalen Richtungen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der beiden Komponenten die X- und die Y-Richtung. Das fünfte analoge Erkennungssignal S5a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 an. Das sechste analoge Erkennungssignal S6a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 an.
Der vierte Magnetsensor 40A enthält einen siebten Detektor 41 und einen achten Detektor 42. Die siebten und achten Detektoren 41 und 42 erzeugen die siebten und achten analogen Detektionssignale S7a und S8a, die die Stärken von zwei Komponenten des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen. In der vorliegenden Verkörperung, insbesondere diese beiden Komponenten das vierte angelegte Magnetfeld MF4 sind in zueinander orthogonalen Richtungen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungen der beiden Komponenten die X- und die Y-Richtung. Das siebte analoge Erkennungssignal S7a gibt die Stärke der X-Richtungskomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 an. Das achte analoge Erkennungssignal S8a gibt die Stärke der Y-Richtungskomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 an.
Damit jedes der ersten bis achten analogen Detektionssignale S1a bis S8a die Stärke einer Komponente in einer Richtung eines Magnetfeldes wie oben beschrieben anzeigt, müssen die ersten bis achten Detektoren 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 unter der Bedingung verwendet werden, dass die Größen der ersten bis achten analogen Detektionssignale S1a bis S8a nicht im Bereich der Stärken des ersten bis vierten angelegten Magnetfeldes MF1 bis MF4 gesättigt werden.
Jeder der fünften bis achten Detektoren 31, 32, 41 und 42 enthält mindestens ein magnetisches Detektionselement, ebenso wie die ersten bis vierten Detektoren 11, 12, 21 und 22. Das mindestens eine magnetische Erfassungselement kann mindestens ein magnetoresistives Element enthalten.
Da die Richtung des magnetischen Zielfeldes mit einer vorgegebenen Periode rotiert, variieren die ersten bis vierten Winkel θ1 bis 4 θmit der vorgegebenen Periode. In diesem Fall variieren alle ersten bis achten analogen Erkennungssignale S1a bis S8a periodisch mit einer Signalperiode, die der oben genannten vorgegebenen Periode entspricht. Die Phase des zweiten analogen Erkennungssignals S2a unterscheidet sich von der Phase des ersten analogen Erkennungssignals S1a um eine ungerade Anzahl von 1/4 der Signalperiode. Die dritten, fünften und siebten analogen Erkennungssignale S3a, S5a und S7a sind in Phase mit dem ersten analogen Erkennungssignal S1a. Die vierten, sechsten und achten analogen Erkennungssignale S4a, S6a und S8a sind in Phase mit dem zweiten analogen Erkennungssignal S2a. In Anbetracht der Produktionsgenauigkeit der magnetischen Detektionselemente oder anderer Faktoren können die Beziehungen zwischen den Phasen dieser Signale leicht von den oben beschriebenen Beziehungen abweichen.
Der dritte Magnetsensor 30A enthält einen fünften ADC 33 und einen sechsten ADC 34. Die fünften und sechsten ADCs 33 und 34 wandeln die fünften und sechsten analogen Erkennungssignale S5a und S6a in fünfte und sechste digitale Erkennungssignale S5d bzw. S6d um. Der dritte Magnetsensor 30A enthält außerdem einen dritten Datengenerator 35, der dritte Erkennungsdaten durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der fünften und sechsten digitalen Erkennungssignale S5d und S6d erzeugt. Der fünfte und sechste ADCs 33 und 34 sowie der dritte Datengenerator 35 können z.B. durch einen einzigen ASIC realisiert werden.
Der vierte Magnetsensor 40A enthält einen siebten ADC 43 und einen achten ADC 44. Die siebten und achten ADCs 43 und 44 wandeln die siebten und achten analogen Erkennungssignale S7a und S8a in siebte und achte digitale Erkennungssignale S7d und S8d um. Der vierte Magnetsensor 40A enthält außerdem einen vierten Datengenerator 45, der durch arithmetische Verarbeitung der siebten und achten digitalen Erkennungssignale S7d und S8d vierte Erkennungsdaten erzeugt. Der siebte und achte ADC 43 und 44 sowie der vierte Datengenerator 45 können z.B. durch einen einzigen ASIC realisiert werden.
Die ersten bis achten ADCs 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43 und 44 sind gleich konfiguriert. Die ersten bis achten ADCs 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43 und 44 sind alle so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 10B erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Der Taktgenerator 10B und die ersten bis achten ADCs 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43 und 44 sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, die den Abtasttakt CLK übertragen.
Nun wird die Konfiguration der ersten bis achten Detektoren 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 beschrieben. Die ersten bis vierten Detektoren 11, 12, 21 und 22 haben die gleiche Konfiguration wie in der dritten Verkörperung.
Der fünfte und siebte Detektor 31 und 41 haben jeweils die gleiche Konfiguration wie der erste Detektor 11. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten des fünften und siebten Detektors 31 und 41 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des ersten Detektors 11 der ersten Ausführungsform in . Ebenso haben der sechste und achte Detektor 32 und 42 jeweils die gleiche Konfiguration wie der zweite Detektor 12. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten des sechsten und achten Detektors 32 und 42 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des zweiten Detektors 12 der ersten Ausführungsform in .
Beim fünften Detektor 31 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der X-Richtungskomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3. Der Differenzdetektor 18 des fünften Detektors 31 gibt als fünftes analoges Erkennungssignal S5a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Beim sechsten Detektor 32 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Y-Richtungskomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3. Der Differenzdetektor 28 des sechsten Detektors 32 gibt als sechstes analoges Erkennungssignal S6a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E21 und E22 entsprechendes Signal aus.
Beim siebten Detektor 41 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit von der Stärke der X-Richtungskomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4. Der Differenzdetektor 18 des siebten Detektors 41 gibt als siebtes analoges Erkennungssignal S7a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Beim achten Detektor 42 variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 in Abhängigkeit von der Stärke der Y-Richtungskomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4. Der Differenzdetektor 28 des achten Detektors 42 gibt als achtes analoges Erkennungssignal S8a ein Signal entsprechend der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 aus.
Die Stärken der X-Richtungskomponente und der Y-Richtungskomponente des ersten angelegten Magnetfeldes MF1 sind gleich denen der X-Richtungskomponente bzw. der Y-Richtungskomponente der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c. Die Stärken der X-Richtungskomponente und der Y-Richtungskomponente des zweiten angelegten Magnetfeldes MF2 sind gleich denen der X-Richtungskomponente bzw. der Y-Richtungskomponente der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c. Die Stärken der X-Richtungskomponente und der Y-Richtungskomponente des dritten angelegten Magnetfeldes MF3 sind gleich denen der X-Richtungskomponente bzw. der Y-Richtungskomponente der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c. Die Stärken der X-Richtungskomponente und der Y-Richtungskomponente des vierten angelegten Magnetfeldes MF4 sind gleich denen der X-Richtungskomponente bzw. der Y-Richtungskomponente der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c.
Als nächstes wird eine Methode zur Erzeugung der ersten bis vierten Erkennungsdaten beschrieben. Der erste Datengenerator 15 des ersten Magnetsensors 10A erzeugt als erste Erkennungsdaten einen Vektor Y1, der die Richtung und Stärke der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c repräsentiert. Die Richtung des Vektors Y1 entspricht der Richtung der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c. In der vorliegenden Darstellung wird die Richtung des Vektors Y1 mit θ1s bezeichnet, was den ersten Winkel θ1 angibt. Zum Beispiel berechnet der erste Datengenerator 15θ eine 1s gemäß Gleichung (1) der ersten Verkörperung.
Die Größe Ma1 des Vektors Y1 entspricht der Stärke der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c. Der erste Datengenerator 15 bestimmt die Größe Ma1, indem er die Summe der Quadrate des ersten digitalen Erkennungssignals S1d und des zweiten digitalen Erkennungssignals S2d, d.h. S1d2 + S2d2, berechnet. S1d2 + S2d2 ist ein Parameter, der mit der Stärke der ersten angelegten Magnetfeldkomponente MF1c übereinstimmt.
Der zweite Datengenerator 25 des zweiten Magnetsensors 20A erzeugt als zweite Detektionsdaten einen Vektor Y2, der die Richtung und Stärke der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c darstellt. Die Richtung des Vektors Y2 entspricht der Richtung der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c. In der vorliegenden Darstellung wird die Richtung des Vektors Y2 mit θ2s bezeichnet, was den zweiten Winkel θ2 angibt. Zum Beispiel berechnet θder zweite Datengenerator 25 2s gemäß Gl. (2) der ersten Ausführungsform.
Die Größe Ma2 des Vektors Y2 entspricht der Stärke der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c. Der zweite Datengenerator 25 bestimmt die Größe Ma2, indem er die Summe der Quadrate des dritten digitalen Erkennungssignals S3d und des vierten digitalen Erkennungssignals S4d, d.h. S3d2 + S4d2, berechnet. S3d2 + S4d2 ist ein Parameter, der mit der Stärke der zweiten angelegten Magnetfeldkomponente MF2c übereinstimmt.
Der dritte Datengenerator 35 des dritten Magnetsensors 30A erzeugt einen Vektor Y3, der die Richtung und Stärke der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c als dritte Erkennungsdaten darstellt. Die Richtung des Vektors Y3 entspricht der Richtung der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c. In der vorliegenden Darstellung wird die Richtung des Vektors Y3 mit θ3s bezeichnet, was den dritten Winkel θ3 angibt. Der dritte Datengenerator θ35 berechnet beispielsweise 3s gemäß Gl. (18) unten. $θ 3s = atan (S6d / S5d)$
Für θ3s im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (18) ergibt zwei Lösungen von θ3s, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θ3s in Gl. (18) der wahre Wert von θ3s ist, kann entsprechend der Kombination der Vorzeichen von S5d und S6d bestimmt werden. Der dritte Datengenerator 35 ermittelt θ3s im Bereich von 0° bis weniger als 360 gemäß° Gl. (18) und die Bestimmung über die Kombination der Vorzeichen von S5d und S6d.
Die Größe Ma3 des Vektors Y3 entspricht der Stärke der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c. Der dritte Datengenerator 35 bestimmt die Größe Ma3, indem er die Summe der Quadrate des fünften digitalen Erkennungssignals S5d und des sechsten digitalen Erkennungssignals S6d, d.h. S5d2 + S6d2, berechnet. S5d2 + S6d2 ist ein Parameter, der mit der Stärke der dritten angelegten Magnetfeldkomponente MF3c übereinstimmt.
Der vierte Datengenerator 45 des vierten Magnetsensors 40A erzeugt einen Vektor Y4, der die Richtung und Stärke der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c als vierte Erkennungsdaten darstellt. Die Richtung des Vektors Y4 entspricht der Richtung der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c. In der vorliegenden Darstellung wird die Richtung des Vektors Y4 mit θ4s bezeichnet, was den vierten Winkel θ4 angibt. Der vierte Datengenerator 45 berechnet z.B. θ4s gemäß Gl. (19) unten. $θ 4 s = atan (S8d / S7d)$
Für θ4s von 0° bis weniger als 360°, Gl. (19) ergibt zwei Lösungen von θ4s, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θ4s in Gl. (19) der wahre Wert von θ4s ist, kann entsprechend der Kombination der Vorzeichen von S7d und S8d bestimmt werden. Der vierte Datengenerator 45 bestimmt θ4s im Bereich von 0° bis weniger als 360 gemäß° Gl. (19) und die Bestimmung auf der Kombination der Vorzeichen von S7d und S8d.
Die Größe Ma4 des Vektors Y4 entspricht der Stärke der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c. Der vierte Datengenerator 45 bestimmt die Größe Ma4, indem er die Summe der Quadrate des siebten digitalen Erkennungssignals S7d und des achten digitalen Erkennungssignals S8d, d.h. S7d2 + S8d2, berechnet. S7d2 + S8d2 ist ein Parameter, der mit der Stärke der vierten angelegten Magnetfeldkomponente MF4c übereinstimmt.
Die Größen Ma1, Ma2, Ma3 und Ma4 können selbst S1d2 + S2d2, S3d2 + S4d2, S5d2 + S6d2 bzw. S7d2 + S8d2 sein. Alternativ können die Größen Ma1, Ma2, Ma3 und Ma4 die Stärken der angelegten Magnetfeldkomponenten MF1c, MF2c, MF3c und MF4c sein, die aus S1d2 + S2d2, S3d2 + S4d2, S5d2 + S6d2 bzw. S7d2 + S8d2 gewonnen werden. Andernfalls können die Datengeneratoren 15, 25, 35 und 45 die Werte von Parametern erhalten, die Entsprechungen mit den Stärken der angelegten Magnetfeldkomponenten MF1c, MF2c, MF3c und MF4c haben, außer S1d2 + S2d2, S3d2 + S4d2, S5d2 + S6d2 und S7d2 + S8d2, und die Größen Ma1, Ma2, Ma3 und Ma4 auf der Grundlage der Werte der Parameter bestimmen.
Als nächstes wird eine Konfiguration des Prozessors 350 und eine Methode zur Erzeugung des Erkennungswertes θs beschrieben. Zunächst wird die Methode zur Erzeugung des Erkennungswertes θs in der vorliegenden Ausführungsform konzeptionell beschrieben. Die arithmetische Verarbeitung durch den Prozessor 350 beinhaltet eine Verarbeitung nach der Methode der kleinsten Quadrate. Der Prozessor 350 nimmt ein erstes unbekanntes M, ein zweites unbekanntes E und eine Vielzahl von erwarteten Daten an. Die erste unbekannte M enthält eine Richtungsinformation, die dem Detektionswert θs entspricht, und eine Größeninformation, die der Stärke des Zielmagnetfeldes an einer vorgegebenen Position entspricht. Das zweite unbekannte E enthält eine Richtungsinformation, die der Richtung des Rauschmagnetfeldes Mex entspricht, und eine Größeninformation, die der Stärke des Rauschmagnetfeldes Mex entspricht. Die Vielzahl der erwarteten Daten sind Informationen, die einer Vielzahl von Erkennungsdaten entsprechen, die aufgrund der ersten und zweiten Unbekannten M und E erwartet werden.
Der Prozessor 350 schätzt die erste und zweite Unbekannte M und E, um die Summe der Quadrate der Differenzen zwischen den jeweils entsprechenden der Vielzahl der Erkennungsdaten und der Vielzahl der erwarteten Daten zu minimieren, und bestimmt den Erkennungswert θs auf der Grundlage der geschätzten ersten Unbekannten M.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Mehrzahl der erwarteten Daten durch Gl. (20) unten modelliert. $z = Hx$
In Gl. (20) stellt z einen m-dimensionalen Spaltenvektor dar, der m Elemente enthält, die Entsprechungen mit der Vielzahl von erwarteten Daten haben, die auf der Grundlage der ersten und zweiten zu erhaltenden Unbekannten M und E erzeugt wurden, wobei m eine ganze Zahl ist, die die Anzahl der Vielzahl von erwarteten Daten darstellt, die gleich der Anzahl der Vielzahl von Erkennungsdaten ist. In Gl. (20) ist H eine Matrix mit m Zeilen und zwei Spalten, die entsprechend den Mustern des Zielmagnetfeldes und des Rauschmagnetfeldes Mex an den mehreren Detektionspositionen definiert ist. In Gl. (20) ist x ein zweidimensionaler Spaltenvektor, der als Elemente das erste unbekannte M und das zweite unbekannte E enthält.
In der vorliegenden Darstellung werden die erste und zweite Unbekannte M und E durch die Bestimmung des Spaltenvektors x geschätzt. Hier soll y einen m-dimensionalen Spaltenvektor darstellen, der m Elemente enthält, die mit der Vielzahl der Detektionsdaten übereinstimmen. Der Spaltenvektor x wird so bestimmt, dass die Summe der Quadrate der Differenzen zwischen den jeweils entsprechenden der m Anzahl der Elemente des Spaltenvektors y und der m Anzahl der Elemente des Spaltenvektors z minimiert wird. Im konkreten Fall wird dies durch die Definition einer Kostenfunktion der kleinsten Quadrate zur Bestimmung des Spaltenvektors x und die Gewinnung des Spaltenvektors x, der den Wert der Funktion minimiert, erreicht. Der Spaltenvektor x für die Schätzung der ersten und zweiten Unbekannten M und E wird in Gl. (21) ausgedrückt. $x = {(H^{T} H)}^{- 1} H^{T} y$
Der Prozessor 350 bestimmt den Detektionswert θs anhand des ersten unbekannten M, das eines der beiden Elemente des aus Gl. (21) berechneten Spaltenvektors x ist.
Zur konkreten Beschreibung der Konfiguration des Prozessors 350 und der Generierungsmethode für den Detektionswert θs wird nun auf Bild 17 verwiesen. Der Prozessor 350 führt die arithmetische Verarbeitung z.B. mit komplexen Zahlen durch. ist ein Blockschaltbild, das eine Beispielkonfiguration des Prozessors 350 zeigt. In diesem Beispiel enthält der Prozessor 350 einen ersten Konvertierungsabschnitt 351, einen zweiten Konvertierungsabschnitt 352, einen dritten Konvertierungsabschnitt 353, einen vierten Konvertierungsabschnitt 354, einen unbekannten Schätzungsabschnitt 355 und einen Argumentberechnungsabschnitt 356.
Der erste Konvertierungsabschnitt 351 wandelt den Vektor Y1, d.h. die ersten Erkennungsdaten, in eine komplexe Zahl C1 um. Der Realteil Re1 und der Imaginärteil Im1 der komplexen Zahl C1 werden in den Gl. (22A) bzw. (22B) unten ausgedrückt. $Re 1 = Ma 1 - cos θ 1 s$
$Im1 = Ma 1 - sin θ 1 s$
Der zweite Umwandlungsabschnitt 352 wandelt den Vektor Y2, also die zweiten Erkennungsdaten, in eine komplexe Zahl C2 um. Der Realteil Re2 und der Imaginärteil Im2 der komplexen Zahl C2 werden in den Gl. (23A) bzw. (23B) unten ausgedrückt. $Re2 = Ma2 - cos θ 2 s$
$Im2 = Ma2 - sin θ 2 s$
Der dritte Umwandlungsabschnitt 353 wandelt den Vektor Y3, d.h. die dritten Erkennungsdaten, in eine komplexe Zahl C3 um. Der Realteil Re3 und der Imaginärteil Im3 der komplexen Zahl C3 werden in den Gl. (24A) bzw. (24B) unten ausgedrückt. $Re3 = Ma3 - cos θ 3 s$
$Im3 = Ma3 - sin θ 3 s$
Der vierte Konvertierungsabschnitt 354 wandelt den Vektor Y4, also die vierten Erkennungsdaten, in eine komplexe Zahl C4 um. Der Realteil Re4 und der Imaginärteil Im4 der komplexen Zahl C4 werden in den Gl. (25A) bzw. (25B) unten ausgedrückt. $Re4 = Ma4 - cos θ 4 s$
$Im4 = Ma4 - sin θ 4 s$
Die unbekannte Schätzungssektion 355 schätzt die erste und zweite Unbekannte M und E unter Verwendung der komplexen Zahlen C1 bis C4, die mit den Vektoren Y1 bis Y4 korrespondieren. Lassen Sie hier z1, z2, z3 und z4 erste, zweite, dritte und vierte erwartete Daten darstellen, die auf der Grundlage der ersten bis vierten Erkennungsdaten erwartet werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten bis vierten erwarteten Daten z1 bis z4 durch Gl. (26) modelliert. $[\begin{matrix} z_{1} \\ z_{2} \\ z_{3} \\ z_{4} \end{matrix}] = [\begin{array}{l} \frac{1}{{(r_{1})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{2})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{3})}^{3}} & 1 \\ \frac{1}{{(r_{4})}^{3}} & 1 \end{array}] [\begin{array}{l} M \\ E \end{array}]$
Der vierdimensionale Spaltenvektor auf der linken Seite von Gl. (26) entspricht z von Gl. (20).
Die Matrix mit vier Zeilen und zwei Spalten auf der rechten Seite von Gl. (26) entspricht dem H von Gl. (20). Diese Matrix wird im Folgenden durch_He dargestellt. Die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix_He sind entsprechend den Mustern des Zielmagnetfeldes an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 definiert, also den Mustern der ersten bis vierten Teilmagnetfelder MFa bis MFd. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix He unter der Annahme definiert, dass die ersten bis vierten magnetischen Teilfelder MFa bis MFd in der gleichen Richtung liegen und die Stärke des magnetischen Zielfeldes umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstandes zwischen Magnet 6 und der Detektionsposition abnimmt. Genauer gesagt, wie durch Gl. (26) dargestellt, sind die vier Elemente der ersten Spalte der Matrix_He durch r1, r2, r3 und r4 definiert. Jedes von r1, r2, r3 und r4 ist das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Magneten 6 und der Erfassungsposition P1, P2, P3 oder P4 zum Abstand zwischen dem Magneten 6 und der vorher festgelegten Position.
Die vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix_He sind entsprechend den Mustern des Rauschmagnetfeldes Mex an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 definiert. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix_He unter der Annahme definiert, dass das Rauschmagnetfeld Mex an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 in gleicher Richtung und an den ersten bis vierten Detektionspositionen P1 bis P4 in gleicher Stärke vorhanden ist. Genauer gesagt, wie durch Gl. (26) dargestellt, sind alle vier Elemente der zweiten Spalte der Matrix_He auf 1 gesetzt.
Der zweidimensionale Spaltenvektor auf der rechten Seite von Gl. (26) entspricht x von Gl. (20). Dieser Spaltenvektor wird im Folgenden durch xe dargestellt. Der Spaltenvektor xe enthält das erste unbekannte M und das zweite unbekannte E als seine Elemente. In der vorliegenden Verkörperung sind sowohl die erste als auch die zweite Unbekannte M und E komplexe Zahlen. Das Argument der ersten Unbekannten M stellt eine Richtungsinformation dar, die dem Erkennungswert θs entspricht. Der Absolutwert der ersten Unbekannten M stellt eine Größeninformation dar, die der Stärke des Zielmagnetfeldes an der vorgegebenen Position entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist die vorgegebene Position die erste Erkennungsposition P1. Das Argument des zweiten unbekannten E stellt eine Richtungsinformation dar, die der Richtung des Rauschmagnetfeldes Mex entspricht. Der Absolutwert des zweiten unbekannten E stellt eine Größeninformation dar, die der Stärke des Rauschmagnetfeldes Mex entspricht.
Der unbekannte Schätzabschnitt 355 bestimmt den Spaltenvektor xe auf der Grundlage von Gl. (21). Hier soll ein vierdimensionaler Säulenvektor dargestellt werden, der als Elemente die komplexen Zahlen C1 bis C4 enthält. Der Säulenvektor_ye wird in Gl. (27) ausgedrückt. $y_{e}^{T} = [C 1, C 2, C 3, C 4]$
Die unbekannte Schätzungssektion 355 berechnet xe, indem sie in Gl. (27) H, x und y durch_He, xe bzw._ye ersetzt. Dabei werden das erste unbekannte M und das zweite unbekannte E geschätzt.
Der Argumentberechnungsteil 356 bestimmt den Detektionswert θs auf der Basis des ersten unbekannten M, das durch den unbekannten Schätzteil 355 geschätzt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Argument der ersten Unbekannten M als Erkennungswert θs verwendet. Der Argumentberechnungsteil 356 erhält somit das Argument der ersten Unbekannten M zur Berechnung des Erkennungswertes θs. Genauer gesagt, der Argumentberechnungsteil 356 berechnete s gemäß Gl. (28) unten, z.B. mit dem Realteil ReM und dem Imaginärteil ImM der ersten Unbekannten M. $θ s = atan ({Im}_{M} / {Re}_{M})$
Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (28) ergibt zwei Lösungen von θs, die 180° verschiedene Werte haben. Welche der beiden Lösungen von θs in Gl. (28) der wahre Wert von θs ist, lässt sich anhand der Kombination der Vorzeichen von ReM und ImM bestimmen. Die Argumentationsberechnungsstelle 356 ermittelt θs im Bereich von 0° bis weniger als 360 nach° Gl. (28) und die Bestimmung über die Kombination der Vorzeichen von Re_M und Im_M.
θ 1s, die den ersten Winkel θ1 anzeigt, entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Basis der ersten Erkennungsdaten erzeugt wird.θ 2s, der den zweiten Winkel θ2 angibt, entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Basis der zweiten Erkennungsdaten erzeugt wird.θ 3s, die den dritten Winkel θ3 angibt, entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Basis der dritten Erkennungsdaten erzeugt wird.θ 4s, der den vierten Winkel θ4 anzeigt, entspricht einem Erkennungswert θs, der nur auf der Grundlage der vierten Erkennungsdaten erzeugt wird. Wie bereits bei der ersten Verkörperung beschrieben, enthaltenθ 1s und θ2s jeweils einen Fehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird. Ebenso enthaltene 3s und θ4s jeweils einen Fehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex verursacht wird.
Im Gegensatz dazu wird nach der vorliegenden Ausführungsform der Nachweiswert θs nach der Methode der kleinsten Quadrate auf der Grundlage der ersten bis vierten Nachweisdaten der ersten bis vierten Magnetsensoren 10A, 20A, 30A und 40A erzeugt. Die erste bis vierte Erkennungsposition P1 bis P4 sind unterschiedlich. Dies führt dazu, dass das Rauschmagnetfeld Mex unterschiedliche relative Auswirkungen auf die ersten bis vierten Detektionsdaten hat. Dies kann zu Unterschieden in Abhängigkeit vom Rauschmagnetfeld Mex zwischen den ersten bis vierten Detektionsdaten führen. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform nimmt die relative Wirkung des Rauschmagnetfeldes Mex mit zunehmendem Abstand zwischen Magnet 6 und den Detektionspositionen zu.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Eigenschaft ist es möglich, ein ideales Zielmagnetfeld (im Folgenden als ideales Magnetfeld bezeichnet) an einer vorgegebenen Position und das Rauschmagnetfeld Mex abzuschätzen. Das ideale Magnetfeld ist ein derart hypothetisches Magnetfeld, dass der Winkel, der durch die Richtung des idealen Magnetfeldes gegenüber der Bezugsrichtung DR gebildet wird, einem wahren Interessenwinkel entsprichtθ, den der Winkelsensor 1 erfassen soll.
In der vorliegenden Darstellung entspricht das erste unbekannte M, das durch den unbekannten Schätzabschnitt 355 geschätzt wird, einem geschätzten idealen Magnetfeld, und das zweite unbekannte E, das durch den unbekannten Schätzabschnitt 355 geschätzt wird, einem geschätzten Rauschmagnetfeld Mex. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Nachweiswert θs auf der Basis des ersten unbekannten M bestimmt. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit eine Abschätzung des Nachweiswertes θs unbeeinflusst vom Rauschmagnetfeld Mex. Mit anderen Worten, die vorliegende Ausführungsform ermöglicht die Erzeugung des Detektionswertes θs mit einem reduzierten Fehler, der durch das Rauschmagnetfeld Mex im Vergleich zu θ1s bis θ4s verursacht wird.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der Taktgenerator zur Erzeugung des Abtasttaktes CLK zur Bestimmung der Abtastzeit der ersten bis achten ADCs 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43 und 44 wie in der zweiten Ausführungsform getrennt von den elektronischen Bauteilen 10, 20, 30 und 40 aufgebaut werden.
Die Konfiguration, Funktion und Wirkungen der vorliegenden Verkörperung sind ansonsten die gleichen wie die der ersten bis dritten Verkörperung.
[Fünfte Verkörperung]
Eine fünfte Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird ein Sensorsystem 400 der vorliegenden Ausführungsform anhand von beschrieben. Das Sensorsystem 400 umfasst einen Winkelsensor 401 nach der vorliegenden Ausführung und einen physikalischen Informationsgenerator 405. Der Winkelsensor 401 ist speziell ein magnetischer Winkelsensor. Der Winkelsensor 401 erkennt ein magnetisches Zielfeld als physikalische Information, wobei das magnetische Zielfeld ein Magnetfeld ist, dessen Richtung sich je nach dem interessierenden Winkel ändertθ, und erzeugt einen Detektionswert, der mit dem interessierenden Winkel korrespondiertθ.
Der physikalische Informationsgenerator 405 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Magnetfeldgenerator, der als physikalische Information das Zielmagnetfeld erzeugt. zeigt einen Magneten 406 mit einem oder mehreren abwechselnd ringförmig angeordneten N- und S-Polpaaren. In dem in gezeigten Beispiel enthält der Magnet 406 zwei Paar N- und S-Pole. Der Winkelsensor 401 erkennt die Richtung des vom Außenumfang des Magneten 406 erzeugten Zielmagnetfeldes. In dem in gezeigten Beispiel ist die Zeichnungsebene von eine XY-Ebene, und eine Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene ist die Z-Richtung. Die N- und S-Pole des Magneten 406 sind symmetrisch bezüglich des Drehzentrums parallel zur Z-Richtung angeordnet. Der Magnet 406 dreht sich um den Drehpunkt. Das Magnetfeld des Zieles rotiert also um den Drehpunkt (Z-Richtung).
In der vorliegenden Darstellung istθ der interessierende Winkel ein Winkel, der die Richtung des magnetischen Zielfeldes an einer vorgegebenen Referenzposition angibt. Der Erkennungswert ist ein Wert, der die Richtung des Zielmagnetfeldes an der Referenzposition angibt. Der Winkelsensor 401 enthält eine Vielzahl von Magnetsensoren, von denen jeder einzelne Erkennungsdaten erzeugt, die mit dem interessierenden Winkel korrespondierenθ. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine gemeinsame Bezugsebene für die Vielzahl der magnetischen Sensoren definiert. Die Bezugsebene ist eine gedachte Ebene senkrecht zur Z-Richtung.
Die Referenzposition liegt in der Bezugsebene. In der Referenzebene dreht sich die Richtung des vom Magneten 406 erzeugten Zielmagnetfeldes um die Referenzposition. In der folgenden Beschreibung bezieht sich die Richtung des Zielmagnetfeldes an der Referenzposition auf eine Richtung in der Bezugsebene.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Bezugsrichtung definiert, die als Grundlage für den Ausdruck der Richtung des Zielmagnetfeldes dient. Die Bezugsrichtung liegt in der Bezugsebene und schneidet die Bezugsposition. In dem in gezeigten Beispiel dreht sich der Magnet 406 gegen den Uhrzeigersinn und die Richtung des Zielmagnetfeldes im Uhrzeigersinn. Der Winkel, den die Richtung des magnetischen Zielfeldes an der Referenzposition mit der Bezugsrichtung bildet, wird im Uhrzeigersinn von der Bezugsrichtung aus gesehen als positiver Wert und im Gegenuhrzeigersinn von der Bezugsrichtung aus gesehen als negativer Wert ausgedrückt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die mehreren Magnetsensoren ein erster Magnetsensor 410A, ein zweiter Magnetsensor 420A und ein dritter Magnetsensor 430A. Der Winkelsensor 401 enthält außerdem die drei elektronischen Komponenten 410, 420 und 430. Der erste Magnetsensor 410A ist in der elektronischen Baugruppe 410 enthalten. Der zweite Magnetsensor 420A ist im elektronischen Bauteil 420 enthalten. Der dritte Magnetsensor 430A ist in der elektronischen Baugruppe 430 enthalten. Die elektronischen Bauteile 410, 420 und 430 sind an unterschiedlichen Positionen in Drehrichtung des Magneten 406 angeordnet.
Der erste Magnetsensor 410A erfasst das Zielmagnetfeld an einer ersten Erfassungsposition P41 und erzeugt erste Erkennungsdaten. Der zweite Magnetsensor 420A erfasst das Zielmagnetfeld an einer zweiten Erfassungsposition P42 und erzeugt zweite Erfassungsdaten. Der dritte Magnetsensor 430A erfasst das Zielmagnetfeld an einer dritten Erfassungsposition P43 und erzeugt dritte Erfassungsdaten. Die erste bis dritte Erfassungsposition P41, P42 und P43 liegen in der Bezugsebene. Die Referenzposition ist z.B. die zweite Erfassungsposition P42.
Als nächstes wird die Konfiguration des Winkelsensors 401 anhand von Bild 19 detailliert beschrieben. ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des Winkelsensors 401 zeigt. Der erste Magnetsensor 410A enthält einen ersten Detektor 411. Der zweite Magnetsensor 420A enthält einen zweiten Detektor 421. Der dritte Magnetsensor 430A enthält einen dritten Detektor 431. Jeder der ersten bis dritten Melder 411, 421 und 431 enthält mindestens ein magnetisches Detektionselement.
Der erste, der zweite und der dritte Detektor 411, 421 und 431 erzeugen jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes analoges Detektionssignal S41a, S42a und S43a, die jeweils der Richtung des Zielmagnetfeldes entsprechen. Genauer gesagt, erzeugt der erste Detektor 411 das erste analoge Erkennungssignal S41a, das einem relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und einer ersten Richtung D1 entspricht. Der zweite Detektor 421 erzeugt das zweite analoge Erkennungssignal S42a, das einem relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und einer zweiten Richtung D2 entspricht. Der dritte Detektor 431 erzeugt das dritte analoge Erkennungssignal S43a, das einem relativen Winkel zwischen der Richtung des Zielmagnetfeldes und einer dritten Richtung D3 entspricht.
zeigt die erste bis dritte Richtung D1 bis D3. Die erste Richtung D1 ist eine radiale Richtung des Magneten 406, und zwar vom Drehpunkt des Magneten 406 bis zur ersten Erfassungsposition P41. Die zweite Richtung D2 ist eine radiale Richtung des Magneten 406, und zwar vom Drehpunkt des Magneten 406 zur zweiten Erfassungsposition P42. Die dritte Richtung D3 ist eine radiale Richtung des Magneten 406, und zwar vom Drehpunkt des Magneten 406 bis zur dritten Erfassungsposition P43. Jedes der ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a, S42a und S43a enthält einen idealen Anteil, der sich periodisch mit einer vorgegebenen Signalperiode so verändert, dass eine ideale Sinuskurve (einschließlich Sinus- und Kosinuskurve) entsteht. Die ersten bis dritten Magnetsensoren 410A, 420A und 430A sind so konfiguriert, dass die jeweils idealen Komponenten der ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a, S42a und S43a zueinander unterschiedliche Phasen haben. Der Absolutwert einer Phasendifferenz zwischen dem idealen Anteil des ersten analogen Detektionssignals S41a und dem idealen Anteil des zweiten analogen Detektionssignals S42a wird mit PH1 bezeichnet. Der Absolutwert einer Phasendifferenz zwischen dem idealen Anteil des zweiten analogen Detektionssignals S42a und dem idealen Anteil des dritten analogen Detektionssignals S43a wird mit PH2 bezeichnet.
PH1 und PH2 sind beide 60°. Die erste bis dritte Erkennungsposition P41, P42 und P43 sind so definiert, dass sowohl PH1 als auch PH2 60 sind°. Sowohl eine Differenz zwischen der ersten und zweiten Erfassungsposition P41 und P42 als auch eine Differenz zwischen der zweiten und dritten Erfassungsposition P42 und P43 beträgt 60° im elektrischen Winkel, d.h. 30° im Drehwinkel des Magneten 406. Eine Differenz zwischen der ersten und dritten Erfassungsposition P41 und P43 beträgt 120° im elektrischen Winkel, d.h. 60° im Drehwinkel des Magneten 406.
Der erste Magnetsensor 410A enthält außerdem einen ersten ADC 412. Der erste ADC 412 wandelt das erste analoge Erkennungssignal S41a in ein erstes digitales Erkennungssignal S41d um. Das erste digitale Erkennungssignal S41d ist das erste Erkennungsdatum.
Der zweite Magnetsensor 420A enthält zusätzlich einen zweiten ADC 422. Der zweite ADC 422 wandelt das zweite analoge Erkennungssignal S42a in ein zweites digitales Erkennungssignal S42d um. Das zweite digitale Erkennungssignal S42d ist das zweite Erkennungssignal.
Der dritte Magnetsensor 430A enthält zusätzlich einen dritten ADC 432. Der dritte ADC 432 wandelt das dritte analoge Erkennungssignal S43a in ein drittes digitales Erkennungssignal S43d um. Das dritte digitale Erkennungssignal S43d ist das dritte Erkennungsdatum.
Der Winkelsensor 401 enthält weiterhin einen Taktgeber 410B, der einen Abtasttakt CLK zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. Der Taktgenerator 410B ist in der Elektronikbaugruppe 410 enthalten. Die ersten bis dritten ADCs 412, 422 und 432 sind alle so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 410B erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Der Taktgenerator 410B und die ersten bis dritten ADCs 412, 422 und 432 sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, die den Abtasttakt CLK übertragen.
Die ersten bis dritten ADCs 412, 422 und 432 sind gleich konfiguriert. Die spezifische Konfiguration des ersten bis dritten ADCs 412, 422 und 432 ist die gleiche wie die Konfiguration des ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 der ersten Verkörperung.
Der Winkelsensor 401 enthält ferner einen Prozessor 450, der durch arithmetische Verarbeitung der ersten bis dritten Erkennungsdaten, d.h. der ersten bis dritten digitalen Erkennungssignale S41d, S42d und S43d, einen Erkennungswert θs erzeugt. Der Prozessor 450 kann z.B. durch einen ASIC oder Mikrocomputer realisiert werden. Eine Methode zur Erzeugung des Erkennungswertes θs wird später beschrieben. Nun wird die Konfiguration der ersten bis dritten Melder 411, 421 und 431 beschrieben. Die ersten bis dritten Detektoren 411, 421 und 431 haben jeweils die gleiche Konfiguration wie der erste Detektor 11 der ersten Ausführungsform. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten der ersten bis dritten Detektoren 411, 421 und 431 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des ersten Detektors 11 der ersten Ausführungsform in .
Im ersten Detektor 411 werden die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in der ersten Richtung D1 magnetisiert, und die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in der entgegengesetzten Richtung zur ersten Richtung D1 magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und der ersten Richtung D1. Der Differenzdetektor 18 gibt als erstes analoges Erkennungssignal S41a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus. Im zweiten Detektor 421 werden die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in der zweiten Richtung D2 magnetisiert, und die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in der entgegengesetzten Richtung zur zweiten Richtung D2 magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und der zweiten Richtung D2. Der Differenzdetektor 18 gibt als zweites analoges Erkennungssignal S42a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Im dritten Detektor 431 werden die magnetisierten Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in der dritten Richtung D3 magnetisiert, und die magnetisierten Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in der entgegengesetzten Richtung zur dritten Richtung D3 magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und der dritten Richtung D3. Der Differenzdetektor 18 gibt als drittes analoges Erkennungssignal S43a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Aufgrund der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Pinning-Schichten der Vielzahl der MR-Elemente in den Detektoren 411, 421 und 431 leicht von den oben beschriebenen Richtungen abweichen.
Als nächstes wird die Konfiguration des Prozessors 450 anhand von beschrieben. Der Prozessor 450 enthält eine erste Rechenschaltung 451, eine zweite Rechenschaltung 452 und eine dritte Rechenschaltung 453.
Die erste Rechenschaltung 451 empfängt die ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S41d und S42d und erzeugt ein erstes verarbeitetes Signal S1, das die Summe der ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S41d und S42d ist. Der zweite Rechenkreis 452 empfängt das zweite und dritte digitale Erkennungssignal S42d und S43d und erzeugt ein zweites verarbeitetes Signal S2, das die Summe des zweiten und dritten digitalen Erkennungssignals S42d und S43d ist. Die dritte Rechenschaltung 453 empfängt die ersten und zweiten verarbeiteten Signale S1 und S2 und berechnet aus den ersten und zweiten verarbeiteten Signalen S1 und S2 den Detektionswert θs.
Eine Methode zur Berechnung des Erkennungswertes θs wird im Folgenden beschrieben. Zunächst wird eine Methode zur Erzeugung der ersten und zweiten verarbeiteten Signale S1 und S2 beschrieben. Die ersten und zweiten verarbeiteten Signale S1 und S2 werden auf Basis der ersten bis dritten digitalen Erkennungssignale S41d bis S43d erzeugt. Im Idealfall sollten die ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a bis S43a nur die oben genannten idealen Komponenten enthalten, und die Kurvenformen der ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a bis S43a sollten einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Tatsächlich sind jedoch die Kurvenverläufe des ersten bis dritten analogen Detektionssignals S41a bis S43a aufgrund der MR-Elemente von einer Sinuskurve verzerrt. Ein Beispiel für die Situationen, in denen die Wellenformen der ersten bis dritten analogen Detektionssignale S41a bis S43a durch die MR-Elemente verzerrt sind, ist, dass die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Pinningschichten unter dem Einfluss des Zielmagnetfeldes oder ähnlicher Faktoren variieren. Dies ist wahrscheinlich, wenn das Magnetfeld des Ziels relativ stark ist. Ein weiteres Beispiel für Situationen, in denen die Wellenformen der ersten bis dritten analogen Detektionssignale S41a bis S43a aufgrund der MR-Elemente verzerrt sind, ist, wenn die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten aufgrund von Formanisotropie, Koerzitivfeldstärke oder ähnlichem der freien Schichten von der Richtung des Zielmagnetfeldes abweichen. Dies ist wahrscheinlich, wenn das magnetische Zielfeld relativ gering ist.
Die verzerrten, nicht-sinusförmigen ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a bis S43a enthalten neben den idealen Komponenten auch Fehleranteile. Die Fehlerkomponenten setzen sich überwiegend aus Komponenten zusammen, die Oberwellen mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode entsprechen. Die ersten bis dritten analogen Erkennungssignale S41a bis S43a enthalten somit jeweils einen Fehleranteil, der einer Harmonischen mit einer Periode von 1/3 der Signalperiode entspricht.
Die ersten bis dritten digitalen Erkennungssignale S41d bis 43d enthalten ideale Anteile, die denen der analogen Erkennungssignale entsprechen, und Fehleranteile, die denen der analogen Erkennungssignale entsprechen. Wie bereits erwähnt, sind PH1 und PH2 beide 60° (π/3). Die idealen Komponenten des ersten, zweiten und dritten digitalen Erkennungssignals S41d, S42d und S43d werden daher als cos(θ-π/3), cosθ, bzw. cos(θ + π/3) ausgedrückt.
Die Fehlerkomponenten des ersten, zweiten und dritten digitalen Erkennungssignals S41d, S42d und S43d können als p cos{3(θ-π/3)}, p cos3θ bzw. p cos{3(θ+ π/3)} ausgedrückt werden. Die beiden Fehleranteile des ersten und dritten digitalen Erkennungssignals S41d und S43d können in -p-cos3θumgewandelt werden. Beachten Sie, dass p die Amplitude jeder der Fehlerkomponenten der ersten bis dritten digitalen Erkennungssignale S41d, S42d und S43d ist und ein beliebiger Wert ist, der 0 <|p| < 1 erfüllt.
Durch Berechnung der Summe der ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S41d und S42d zur Erzeugung des ersten verarbeiteten Signals S1 heben sich die Fehlerkomponente des ersten digitalen Erkennungssignals S41d, d.h. -p-cos3θ, und die Fehlerkomponente des zweiten digitalen Erkennungssignals S42d, d.h. p-cos3θ, vollständig gegenseitig auf, so dass das erste verarbeitete Signal S1 eine Null-Fehler-Komponente enthält.
Durch die Berechnung der Summe des zweiten und dritten digitalen Erkennungssignals S42d und S43d zur Erzeugung des zweiten verarbeiteten Signals S2 heben sich die Fehlerkomponente des zweiten digitalen Erkennungssignals S42d, d.h. p-cos3θ, und die Fehlerkomponente des dritten digitalen Erkennungssignals S43d, d.h. -p-cos3θ, vollständig gegenseitig auf, so dass das zweite verarbeitete Signal S2 eine Null-Fehler-Komponente enthält.
Zur Beschreibung der Konfiguration des dritten Rechenkreises 453 und einer Methode, mit der der dritte Rechenkreis 453 den Detektionswert θs berechnet, wird nun auf verwiesen. Die dritte Rechenschaltung 453 enthält die Normierungsschaltungen N1, N2, N3 und N4, eine Addierschaltung 453A, eine Subtrahierschaltung 453B und einen Rechenteil 453C.
Die Normierungsschaltung N1 gibt einen normierten Wert des ersten verarbeiteten Signals S1 an die Addierschaltung 453A und die Subtrahierschaltung 453B aus. Die Normierungsschaltung N2 gibt einen normierten Wert des zweiten verarbeiteten Signals S2 an die Addierschaltung 453A und die Subtrahierschaltung 453B aus. Die Normierungsschaltungen N1 und N2 normieren die verarbeiteten Signale S1 und S2, so dass die beiden verarbeiteten Signale S1 und S2 einen Maximalwert von 1 und einen Minimalwert von -1 haben.
Die Addierschaltung 453A addiert den Ausgangswert der Normierungsschaltung N1 und den Ausgangswert des Normierungswertes N2 zu einem Additionssignal 511. Die Subtrahierschaltung 453B subtrahiert den Ausgangswert der Normierungsschaltung N2 vom Ausgangswert der Normierungsschaltung N1, um ein Subtraktionssignal S12 zu erzeugen.
Die Normierungsschaltung N3 gibt einen normierten Wert S21 des Additionssignals S11 an die Recheneinheit 453C aus. Die Normierungsschaltung N4 gibt einen normierten Wert S22 des Subtraktionssignals S12 an die Rechensektion 453C aus. Die Normierungsschaltungen N3 und N4 normieren die Signale S11 bzw. S12, so dass die beiden Signale S11 und S12 einen Maximalwert von 1 und einen Minimalwert von -1 haben.
Aus den Werten S21 und S22 berechnet das Rechenteil 453C den Detektionswert θs, der mit dem interessierenden Winkel übereinstimmtθ. Konkret berechnetθ z.B. der Rechenteil 453C s nach Gl. (29). In Gl. (29), αist eine Konstante, die durch die Bezugsposition und Bezugsrichtung bestimmt wird. $θ s = atan (S 22 / S 21) + .. α .$
Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (29) ergibt zwei Lösungen von atan(S22/S21), die 180° verschiedene Werte aufweisen. Welche der beiden Lösungen von atan(S22/S21) in Gl. (29) der wahre Wert von atan(S22/S21) ist, kann entsprechend der Kombination der Zeichen von S21 und S22 bestimmt werden. Der Rechenteil 453C bestimmt θs im Bereich von 0° bis weniger als 360 nach° Gl. (29) und die Bestimmung über die Kombination der Vorzeichen von S21 und S22.
Wie bereits beschrieben, heben sich in der vorliegenden Ausführungsform der Fehleranteil des ersten digitalen Erkennungssignals S41d und der Fehleranteil des zweiten digitalen Erkennungssignals S42d bei der Erzeugung des ersten verarbeiteten Signals S1 und der Fehleranteil des zweiten digitalen Erkennungssignals S42d und der Fehleranteil des dritten digitalen Erkennungssignals S43d bei der Erzeugung des zweiten verarbeiteten Signals S2 gegenseitig auf. Dann wird der Erkennungswert θs auf der Grundlage des ersten und zweiten verarbeiteten Signals S1 und S2 berechnet. Die ersten und zweiten verarbeiteten Signale S1 und S2 enthalten theoretisch jeweils einen Null-Fehler-Anteil. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht somit die Generierung des Erkennungswertes θs mit reduziertem Fehler, der sich aus den Fehlerkomponenten ergibt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der Taktgenerator zur Erzeugung des Abtasttaktes CLK zur Bestimmung der Abtastzeit der ersten bis dritten ADCs 412, 422 und 432, wie in der zweiten Ausführungsform, getrennt von den elektronischen Bauteilen 410, 420 und 430 aufgebaut werden.
Der Aufbau, die Funktion und die Wirkungen der vorliegenden Verkörperung sind ansonsten die gleichen wie die der ersten oder zweiten Verkörperung.
[Sechste Verkörperung]
Eine sechste Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der und beschrieben. ist ein erläuterndes Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Sensorsystems mit einem Winkelsensor entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. ist ein Funktionsblockschaltbild, das den Aufbau des Winkelsensors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Das Sensorsystem 400 der vorliegenden Ausführungsform enthält einen Winkelsensor 501 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, anstelle des Winkelsensors 401 entsprechend der fünften Ausführungsform. Der Winkelsensor 501 ist speziell ein magnetischer Winkelsensor. Der Winkelsensor 501 erfasst ein magnetisches Zielfeld als physikalische Information, wobei das magnetische Zielfeld ein Magnetfeld ist, dessen Richtung sich je nach dem interessierenden Winkel ändertθ, und erzeugt einen Erfassungswert, der dem interessierenden Winkel entsprichtθ. Der Winkelsensor 501 erfasst die Richtung des vom Außenumfang des Magneten 406 erzeugten Zielmagnetfeldes. Der Winkelsensor 501 enthält einen ersten Magnetsensor 510Aund einen zweiten Magnetsensor 520A, die jeweils Erkennungsdaten erzeugen, die mit dem interessierenden Winkel übereinstimmenθ.
Der Winkelsensor 501 enthält weiterhin zwei elektronische Komponenten 510 und 520. Der erste Magnetsensor 510A ist im elektronischen Bauteil 510 enthalten. Der zweite Magnetsensor 520A ist im elektronischen Bauteil 520 enthalten. Die elektronischen Bauteile 510 und 520 sind in der Drehrichtung des Magneten 406 an unterschiedlichen Positionen angeordnet.
Der erste Magnetsensor 510A erfasst das Zielmagnetfeld an einer ersten Erfassungsposition P51 und erzeugt erste Erkennungsdaten. Der zweite Magnetsensor 520A erfasst das Zielmagnetfeld an einer zweiten Erfassungsposition P52 und erzeugt zweite Erfassungsdaten. In der vorliegenden Ausführungsform werden eine Bezugsebene und eine Bezugsposition wie in der fünften Ausführungsform definiert. In der vorliegenden Ausführungsform wird speziell für den ersten und zweiten Magnetsensor 510A und 520A eine gemeinsame Bezugsebene definiert. Die Bezugsebene ist eine gedachte Ebene senkrecht zur Z-Richtung. Die erste und zweite Erkennungsposition P51 und P52 liegen in der Bezugsebene. Die Referenzposition ist z.B. die erste Erfassungsposition P51.
Wie bereits in Bezug auf die fünfte Ausführungsform beschrieben, ist θder interessierende Winkel ein Winkel, der die Richtung des Zielmagnetfeldes an einer vorgegebenen Referenzposition angibt. Der Erkennungswert ist ein Wert, der die Richtung des Zielmagnetfeldes an der Referenzposition angibt. Weiterhin wird eine Referenzrichtung definiert, die als Grundlage für die Angabe der Richtung des magnetischen Zielfeldes dient. Die Bezugsrichtung liegt in der Bezugsebene und schneidet die Bezugsposition. In dem in gezeigten Beispiel dreht sich der Magnet 406 gegen den Uhrzeigersinn und die Richtung des Zielmagnetfeldes im Uhrzeigersinn. Der Winkel, den die Richtung des magnetischen Zielfeldes an der Referenzposition mit der Bezugsrichtung bildet, wird im Uhrzeigersinn von der Bezugsrichtung aus gesehen als positiver Wert und im Gegenuhrzeigersinn von der Bezugsrichtung aus gesehen als negativer Wert ausgedrückt.
Der erste Magnetsensor 510A enthält einen ersten Detektor 511. Der zweite Magnetsensor 520A enthält einen zweiten Detektor 521. Der erste und der zweite Melder 511 und 521 enthalten jeweils mindestens ein magnetisches Detektionselement.
Der erste Detektor 511 erzeugt ein erstes analoges Erkennungssignal S51a, das der Richtung des Zielmagnetfeldes entspricht. Genauer gesagt, erzeugt der erste Detektor 511 das erste analoge Erkennungssignal S51a, das einem relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und einer ersten Richtung D11 entspricht. Der zweite Detektor 521 erzeugt ein zweites analoges Erkennungssignal S52a, das der Richtung des Zielmagnetfeldes entspricht. Genauer gesagt, erzeugt der zweite Detektor 521 das zweite analoge Erkennungssignal S52a, das einem relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und einer zweiten Richtung D12 entspricht.
zeigt die erste und zweite Richtung D11 und D12. Die erste Richtung D11 ist eine radiale Richtung des Magneten 406, und vom Drehpunkt des Magneten 406 zur ersten Erfassungsposition P51 gerichtet. Die zweite Richtung D12 ist eine radiale Richtung des Magneten 406, und vom Drehpunkt des Magneten 406 zur zweiten Erfassungsposition P52 gerichtet.
Die ersten und zweiten Magnetsensoren 510A und 520A sind so konfiguriert, dass die ersten und zweiten analogen Erkennungssignale S51a und S52a zueinander unterschiedliche Phasen haben. Die Differenz zwischen der ersten Erkennungsposition P51 und der zweiten Erkennungsposition P52 entspricht einer Phasendifferenz zwischen dem ersten analogen Erkennungssignal S51a und dem zweiten analogen Erkennungssignal S52a. Die Phasendifferenz beträgt 90°. Die erste und zweite Erkennungsposition P51 und P52 sind so definiert, dass die Phasendifferenz 90°beträgt. Die Differenz zwischen der ersten und zweiten Erfassungsposition P51 und P52 beträgt 90° im elektrischen Winkel, d.h. 45° im Drehwinkel des Magneten 406.
Der erste Magnetsensor 510A enthält außerdem einen ersten ADC 512. Der erste ADC 512 wandelt das erste analoge Erkennungssignal S51a in ein erstes digitales Erkennungssignal S51d um. Das erste digitale Erkennungssignal S51d ist das erste Erkennungsdatum.
Der zweite Magnetsensor 520A enthält zusätzlich einen zweiten ADC 522. Der zweite ADC 522 wandelt das zweite analoge Erkennungssignal S52a in ein zweites digitales Erkennungssignal S52d um. Das zweite digitale Erkennungssignal S52d ist das zweite Erkennungsdatum.
Der Winkelsensor 501 enthält weiterhin einen Taktgeber 510B, der einen Abtasttakt CLK zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt. Der Taktgenerator 510B ist in der Elektronikbaugruppe 510 enthalten. Der erste und zweite ADC 512 und 522 sind beide so konfiguriert, dass die Abtastzeit durch den vom Taktgenerator 410B erzeugten Abtasttakt CLK bestimmt wird. Der Taktgenerator 510B und die ersten und zweiten ADCs 512 und 522 sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, die den Abtasttakt CLK übertragen.
Der erste und zweite ADC 512 und 522 sind gleich konfiguriert. Die spezifische Konfiguration des ersten und zweiten ADCs 512 und 522 ist die gleiche wie die Konfiguration des ersten bis vierten ADCs 13, 14, 23 und 24 der ersten Verkörperung.
Der Winkelsensor 501 enthält weiterhin einen Prozessor 550, der durch arithmetische Verarbeitung der ersten und zweiten Erkennungsdaten, d.h. der ersten und zweiten digitalen Erkennungssignale S51d und S52d, einen Erkennungswert θs erzeugt. Der Prozessor 550 kann z.B. durch einen ASIC oder Mikrocomputer realisiert werden. Eine Methode zur Erzeugung des Erkennungswertes θs wird später beschrieben.
Nun wird die Konfiguration des ersten und zweiten Melders 511 und 521 beschrieben. Der erste und zweite Detektor 511 und 521 haben jeweils die gleiche Konfiguration wie der erste Detektor 11 der ersten Ausführungsform. So werden in der folgenden Beschreibung die Komponenten des ersten und zweiten Detektors 511 und 521 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die Komponenten des ersten Detektors 11 der ersten Ausführungsform in .
Im ersten Detektor 511 werden die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in der ersten Richtung D11 magnetisiert, und die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in der entgegengesetzten Richtung zur ersten Richtung D11 magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und der ersten Richtung D11. Der Differenzdetektor 18 des ersten Detektors 511 gibt als erstes analoges Erkennungssignal S51a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Im zweiten Detektor 521 werden die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R11 und R14 enthalten sind, in der zweiten Richtung D12 magnetisiert, und die magnetisierenden Pinning-Schichten der MR-Elemente, die in den magnetischen Detektionselementen R12 und R13 enthalten sind, werden in der entgegengesetzten Richtung zur zweiten Richtung D12 magnetisiert. In diesem Fall variiert die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen der Richtung des magnetischen Zielfeldes und der zweiten Richtung D12. Der Differenzdetektor 18 des zweiten Detektors 521 gibt als zweites analoges Erkennungssignal S52a ein der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsports E11 und E12 entsprechendes Signal aus.
Aufgrund der Fertigungsgenauigkeit der MR-Elemente und anderer Faktoren können die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierten Pinning-Schichten der Vielzahl der MR-Elemente in den Detektoren 511 und 521 leicht von den oben beschriebenen Richtungen abweichen.
Als nächstes wird eine Methode zur Berechnung des Erkennungswertes θs beschrieben. Der Prozessor 550 führt die arithmetische Verarbeitung mit den ersten und zweiten Erkennungsdaten, d.h. den ersten und zweiten digitalen Erkennungssignalen S51d und S52d, durch und berechnet so den Erkennungswert θs, der mit dem interessierenden Winkel übereinstimmtθθ. Konkret berechnet z.B. der Prozessor 550 s gemäß Gl. (30) unten. In Gl. (30), βist eine Konstante, die durch die Bezugsposition und Bezugsrichtung bestimmt wird. $θ s = atan (S 51 d / S52d) + .. β .$
Für θs im Bereich von 0° bis weniger als 360°, Gl. (30) ergibt zwei Lösungen von atan(S51d/S52d), die 180° verschiedene Werte aufweisen. Welche der beiden Lösungen von atan(S51d/S52d) in Gl. (30) der wahre Wert von atan(S51d/S52d) ist, kann entsprechend der Kombination der Zeichen von S51d und S52d bestimmt werden. Der Prozessor 550 ermittelt θs im Bereich von 0° bis weniger als 360 gemäß° Gl. (30) und der Bestimmung über die Kombination der Vorzeichen von S51d und S52d.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der Taktgenerator zur Erzeugung des Abtasttaktes CLK zur Bestimmung der Abtastzeit des ersten und zweiten ADCs 512 und 522 wie in der zweiten Ausführungsform getrennt von den elektronischen Bauteilen 510 und 520 aufgebaut werden.
Die Konfiguration, Funktion und Wirkung der vorliegenden Verkörperung ist ansonsten die gleiche wie die der fünften Verkörperung.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden. So sind beispielsweise Anzahl und Anordnung der magnetischen Sensoren und die Konfigurationen der ADCs und Taktgeber, sofern die Anforderungen der beigefügten Ansprüche erfüllt sind, nicht auf die jeweiligen Beispiele in den vorstehenden Ausführungen beschränkt, sondern können frei gewählt werden.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf magnetische Winkelsensoren anwendbar, sondern auch auf alle Erfassungsvorrichtungen, die physikalische Informationen erfassen, die in Abhängigkeit von den zu erfassenden Informationen variieren, und die einen Erfassungswert erzeugen, der eine Übereinstimmung mit den zu erfassenden Informationen hat, wobei die Erfassungsvorrichtungen eine Vielzahl von Sensoren, von denen jeder Erfassungsdaten erzeugt, die eine Übereinstimmung mit den physikalischen Informationen haben, und einen Prozessor umfassen, der einen Erfassungswert erzeugt, indem er eine arithmetische Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Erfassungsdaten durchführt, die von der Vielzahl von Sensoren erzeugt werden. Beispiele für andere Erfassungsvorrichtungen als Winkelsensoren sind eine Positionserkennungsvorrichtung, die physikalische Informationen, die je nach Position eines Objekts variieren, erfasst und einen Erfassungswert erzeugt, der mit der Position des Objekts übereinstimmt. Die Positionserfassungsvorrichtung kann mehrere Abstandssensoren, die jeweils Erfassungsdaten erzeugen, die als physikalische Information einer Entfernung zum Objekt entsprechen, und einen Prozessor zur Erzeugung des Erfassungswerts umfassen. Jeder der mehreren Distanzsensoren enthält mindestens einen Detektor und mindestens einen ADC. Der Detektor kann mit Laserlicht oder mit Ultraschallwellen arbeiten. Die Positionserkennungsvorrichtung ist so konfiguriert, dass die ADCs der mehreren Distanzsensoren die Abtastung zur gleichen Zeit durchführen. Der Prozessor generiert den Detektionswert, der die Position des Objekts angibt, z.B. auf der Grundlage einer Vielzahl von Detektionsdaten, die von der Vielzahl der Distanzsensoren erzeugt werden. Die Mehrzahl der Distanzsensoren kann in einer nicht koplanaren Positionsbeziehung angeordnet werden.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der oben genannten Lehren möglich. Es ist daher zu verstehen, dass die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente in anderen als den vorgenannten, am besten geeigneten Ausführungsformen ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017122475 A1 [0003]
US 2016/0084938 A1 [0004]

Claims

Winkelsensor (1; 401; 501), der so konfiguriert ist, dass er ein Zielmagnetfeld erfasst, das ein Magnetfeld ist, dessen Richtung in Abhängigkeit von einem zu erfassenden Winkel variiert, und dass er einen Erfassungswert (θs) erzeugt, der eine Entsprechung mit dem zu erfassenden Winkel hat, wobei der Winkelsensor umfasst: eine Mehrzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A), von denen jeder Erfassungsdaten (θ1s, θ2s) erzeugt, die eine Übereinstimmung mit dem zu erfassenden Winkel aufweisen; und einen Prozessor (50; 250; 350; 450; 550), der den Erfassungswert (θs) durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Erfassungsdaten (θ1s, θ2s) erzeugt, die von der Vielzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) erzeugt werden, wobei jeder der mehreren Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) enthält: mindestens einen Detektor (11, 12, 21, 22; 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42; 411, 421, 431; 511, 521), der das Zielmagnetfeld erfasst und mindestens ein analoges Erfassungssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) mit einer Übereinstimmung mit dem zu erfassenden Winkel erzeugt; und mindestens einen Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522), der das mindestens eine analoge Erkennungssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) abtastet, die von dem mindestens einen Detektor (11, 12, 21, 22; 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42; 411, 421, 431, 511, 521)) erzeugt werden;, das abgetastete mindestens ein analoges Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) in mindestens ein digitales Detektionssignal (S1d, S2d, S3d, S4d S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d) umwandelt;und das mindestens eine digitale Erkennungssignal (S1d, S2d, S3d, S4d; S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d) ausgibt, in jedem der mehreren Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A), die Erkennungsdaten (θ1s, θ2s) auf dem mindestens einen digitalen Erkennungssignal (S1d, S2d, S3d, S4d; S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d) basieren, und die Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) in der Vielzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) die Abtastung zur gleichen Abtastzeit durchführen.
Winkelsensor (1; 401; 501) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20; 10, 20, 30, 40; 410, 420, 430; 510, 520), wobei die Vielzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) jeweils in verschiedenen der Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20; 10, 20, 30, 40; 410, 420, 430; 510, 520) enthalten sind.
Winkelsensor (1; 401; 501) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Taktgenerator (10B, 20B; 10C; 410B; 510B), der einen Abtasttakt (CLK) zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt, wobei die Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) in der Vielzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) alle so konfiguriert sind, dass die Abtastzeit durch den von dem Taktgenerator (10B, 20B; 10C; 410B; 510B) erzeugten Abtasttakt (CLK) bestimmt wird.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 3, der weiterhin eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) umfasst, wobei die Mehrzahl von magnetischen Sensoren (10A, 20A) jeweils in verschiedenen der Mehrzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) enthalten sind, und der Taktgeber (10B, 20B) in einem der mehreren elektronischen Bauteile (10, 20) enthalten ist.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 3, der weiterhin eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) umfasst, wobei die Mehrzahl von magnetischen Sensoren (10A, 20A) jeweils in verschiedenen der Mehrzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) enthalten sind, und der Taktgenerator (10C) getrennt von der Mehrzahl der elektronischen Bauteile (10, 20) aufgebaut ist.
Der Winkelsensor (1; 401; 501) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Abtast- und Halteschaltung (71) enthält, die das analoge Erkennungssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) und eine Quantisierungsschaltung (72, 93), die ein Ausgangssignal (Sb) der Abtast- und Halteschaltung (71) quantisiert, die Abtast-Halte-Schaltung (71) so konfiguriert ist, dass sie zwischen einem Folgemodus, in dem das Ausgangssignal (Sb) dem analogen Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) folgt, und einem Haltemodus, in dem das Ausgangssignal (Sb) auf einem konstanten Wert gehalten wird, wechselt, und die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Zeit ist, zu der die Abtast- und Halteschaltung (71) vom Nachlaufmodus in den Halte-Modus schaltet.
Der Winkelsensor (1; 401; 501) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Quantisierungsschaltung enthält (72, 93), die das analoge Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) gleichzeitig abtastet und quantisiert, und die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) ein Zeitpunkt ist, zu dem die Quantisierungsschaltung (72, 93) das analoge Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) abtastet und quantisiert.
Winkelsensor (1; 401; 501) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mehreren Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) so konfiguriert sind, dass sie das Zielmagnetfeld an voneinander verschiedenen Erfassungspositionen (P1, P2; P1, P2, P3, P4; P41, P42, P43; P51, P52) erfassen.
Der Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vielzahl von Magnetsensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A) konfiguriert sind, um ein angelegtes Magnetfeld (MF1, MF2; MF1, MF2, MF3, MF4) an gegenseitig unterschiedlichen Erfassungspositionen (P1, P2; P1, P2, P3, P4) zu erfassen, wobei das angelegte Magnetfeld (MF1, MF2; MF1, MF2, MF3, MF4) ein zusammengesetztes Magnetfeld aus dem Zielmagnetfeld und einem Rauschmagnetfeld (Mex), das nicht das Zielmagnetfeld ist, ist, und der Prozessor (50; 250; 350) den Erfassungswert (θs) durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung der Vielzahl von Erfassungsdaten (θ1s, θ2s) erzeugt, so dass der Erfassungswert (θs) einen verringerten Fehler durch das Rauschmagnetfeld (Mex) der im Vergleich zu einem Fall der Erzeugung des Erfassungswerts auf der Grundlage eines einzelnen der Vielzahl von Erfassungsdaten (θ1s, θ2s) enthält.
Der Winkelsensor (1) nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl von Magnetsensoren (10A, 20A) ein erster Magnetsensor (10A) und ein zweiter Magnetsensor (20A) sind, der erste Magnetsensor (10A) erste Erfassungsdaten (θ1s) erzeugt, indem er an einer ersten Erfassungsposition (P1) ein erstes angelegtes Magnetfeld (MF1) einschließlich des Zielmagnetfeldes erfasst, der zweite Magnetsensor (20A) zweite Erfassungsdaten (θ2s) erzeugt, indem er an einer zweiten Erfassungsposition (P2) ein zweites angelegtes Magnetfeld (MF2) einschließlich des Zielmagnetfeldes erfasst, und das Zielmagnetfeld eine erste Stärke (B1) an der ersten Detektionsposition (P1) und eine zweite Stärke (B2) an der zweiten Detektionsposition (P2) aufweist, wobei die erste Stärke (B1) und die zweite Stärke (B2) voneinander verschieden sind.
Der Winkelsensor (1) nach Anspruch 10, wobei die ersten Detektionsdaten (θ1s) einen ersten Winkel (θ1) angeben, den eine Richtung einer ersten angelegten Magnetfeldkomponente (MF1c) in Bezug auf eine Referenzrichtung bildet, wobei die erste angelegte Magnetfeldkomponente (MF1c) eine Komponente des ersten angelegten Magnetfeldes (MF1) ist und parallel zu einer ersten Referenzebene (PL1) ist, die zweiten Detektionsdaten (θ2s) einen zweiten Winkel (θ2) angeben, den eine Richtung einer zweiten angelegten Magnetfeldkomponente (MF2c) in Bezug auf die Bezugsrichtung bildet, wobei die zweite angelegte Magnetfeldkomponente (MF2c) eine Komponente des zweiten angelegten Magnetfeldes (MF2) ist und parallel zu einer zweiten Bezugsebene (PL2) ist, und der Prozessor (50) den Erfassungswert (θs) durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung des ersten und zweiten Winkels (θ1, θ2) und eines Verhältnisses (B12) von erster Stärke (B1) zu zweiter Stärke (B2) des Zielmagnetfeldes erzeugt.
Der Winkelsensor (1) nach Anspruch 11, wobei der erste Magnetsensor (10A) einen ersten Detektor (11) und einen zweiten Detektor (12) als den mindestens einen Detektor und einen ersten Analog-Digital-Wandler (13) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (14) als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der erste Detektor (11) ein erstes analoges Detektionssignal (S1a) erzeugt, das eine Übereinstimmung mit einem Kosinus des ersten Winkels (θ1) aufweist, der zweite Detektor (12) ein zweites analoges Detektionssignal (S2a) erzeugt, das eine Übereinstimmung mit einem Sinus des ersten Winkels (θ1) aufweist, der erste und der zweite Analog-Digital-Wandler (13, 14) das erste und das zweite analoge Erkennungssignal (S1a, S2a) in ein erstes bzw. ein zweites digitales Erkennungssignal (S1d, S2d) umwandeln, der zweite Magnetsensor (20A) einen dritten Detektor (21) und einen vierten Detektor (22) als den mindestens einen Detektor und einen dritten Analog-Digital-Wandler (23) und einen vierten Analog-Digital-Wandler (24) als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der dritte Detektor (21) ein drittes analoges Detektionssignal (S3a) erzeugt, das eine Übereinstimmung mit einem Kosinus des zweiten Winkels (θ2) aufweist, der vierte Detektor (22) ein viertes analoges Detektionssignal (S4a) erzeugt, das eine Übereinstimmung mit einem Sinus des zweiten Winkels (θ2) aufweist, und der dritte und vierte Analog-Digital-Wandler (23, 24) das dritte und vierte analoge Erkennungssignal (S3a, S4a) in ein drittes und viertes digitales Erkennungssignal (S3d, S4d) umwandeln.
Der Winkelsensor (1) nach Anspruch 12, wobei der erste Magnetsensor (10A) ferner einen ersten Datengenerator (15) enthält, der die ersten Erkennungsdaten (θ1s) durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung des ersten und zweiten digitalen Erkennungssignals (S1d, S2d) erzeugt, und der zweite Magnetsensor (20A) weiterhin einen zweiten Datengenerator (25) enthält, der die zweiten Erkennungsdaten (θ2s) durch arithmetische Verarbeitung unter Verwendung des dritten und vierten digitalen Erkennungssignals (S3d, S4d) erzeugt.
Der Winkelsensor (1) nach Anspruch 10, wobei der erste Magnetsensor (10A) einen ersten Detektor (11) und einen zweiten Detektor (12) als den mindestens einen Detektor und einen ersten Analog-Digital-Wandler (13) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (14) als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der erste und der zweite Detektor (11, 12) ein erstes und ein zweites analoges Detektionssignal (S1a, S2a) erzeugen, die die Stärke von zwei Komponenten des ersten angelegten Magnetfeldes (MF1) anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, der erste und der zweite Analog-Digital-Wandler (13, 14) das erste und das zweite analoge Erkennungssignal (S1a, S2a) in ein erstes bzw. ein zweites digitales Erkennungssignal (S1d, S2d) umwandeln, der zweite Magnetsensor (20A) einen dritten Detektor (21) und einen vierten Detektor (22) als den mindestens einen Detektor und einen dritten Analog-Digital-Wandler (23) und einen vierten Analog-Digital-Wandler (24) als den mindestens einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der dritte und vierte Detektor (21, 22) dritte und vierte analoge Detektionssignale (S3a, S4a) erzeugen, die die Stärke von zwei Komponenten des zweiten angelegten Magnetfeldes (MF2) anzeigen, die in zueinander unterschiedlichen Richtungen liegen, der dritte und vierte Analog-Digital-Wandler (23, 24) das dritte und vierte analoge Erkennungssignal (S3a, S4a) in ein drittes und viertes digitales Erkennungssignal (S3d, S4d) umwandeln, die ersten Erkennungsdaten (θ1s) das erste und das zweite digitale Erkennungssignal (S1d, S2d) umfassen, und die zweiten Erkennungsdaten (θ2s) das dritte und vierte digitale Erkennungssignal (S3d, S4d) umfassen.
Winkelsensor (1) nach Anspruch 9, wobei die durch den Prozessor (350) durchgeführte arithmetische Verarbeitung eine arithmetische Verarbeitung unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate umfasst.
Der Winkelsensor (401) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das analoge Detektionssignal (S41a, S42a, S43a) einen idealen Anteil enthält, der so variiert, dass er eine ideale Sinuskurve nachzeichnet, sowie einen Fehleranteil, der einer Harmonischen des idealen Anteils entspricht, und die mehreren Magnetsensoren (410A, 420A, 430A) so konfiguriert sind, dass die idealen Komponenten der analogen Detektionssignale (S41a, S42a, S43a), die von den jeweiligen Detektoren (411, 421, 431) der mehreren Magnetsensoren (410A, 420A, 430A) erzeugt werden, zueinander unterschiedliche Phasen aufweisen.
Winkelsensor (501) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mehreren Magnetsensoren (510A, 520A) so konfiguriert sind, dass die von den jeweiligen Detektoren (511, 521) der mehreren Magnetsensoren (510A, 520A) erzeugten analogen Erfassungssignale (S51a, S52a) zueinander unterschiedliche Phasen haben.
Detektionsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie physikalische Informationen erfasst, die in Abhängigkeit von den zu erfassenden Informationen variieren, und dass sie einen Erfassungswert (θs) erzeugt, der eine Entsprechung mit den zu erfassenden Informationen hat, wobei die Detektionsvorrichtung umfasst: eine Vielzahl von Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A), von denen jeder Erkennungsdaten (θ1s, θ2s) erzeugt, die eine Übereinstimmung mit den physikalischen Informationen haben; und einen Prozessor (50; 250; 350; 450; 550), der den Erfassungswert (θs) durch Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung unter Verwendung einer Vielzahl von Erfassungsdaten (θ1s, θ2s) erzeugt, die von der Vielzahl von Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) erzeugt werden, wobei jeder der mehreren Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) enthält: mindestens einen Detektor (11, 12, 21, 22; 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42; 411, 421, 431; 511, 521), der die physikalische Information detektiert und mindestens ein analoges Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) mit einer Übereinstimmung mit den zu erfassenden Informationen; und mindestens einen Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522), der das mindestens eine analoge Erkennungssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a), die von dem mindestens einen Detektor (11, 12, 21, 22; 11, 12,21,22,31,32,41,42; 411, 421, 431, 511, 521)) erzeugt werden, abtastet;, das abgetastete mindestens eine analoges Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) in mindestens ein digitales Detektionssignal (S1d, S2d, S3d, S4d, S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d)) umwandelt; und das mindestens eine digitale Erkennungssignal (S1d, S2d, S3d, S4d; S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d) ausgibt, in jedem der mehreren Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A), die Erkennungsdaten (θ1s, θ2s) auf dem mindestens einen digitalen Erkennungssignal (S1d, S2d, S3d, S4d; S1d, S2d, S3d, S4d, S5d, S6d, S7d, S8d; S41d, S42d, S43d; S51d, S52d) basieren, und die Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) in der Vielzahl von Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) die Abtastung zur gleichen Abtastzeit durchführen.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 18, die weiterhin eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20; 10, 20, 30, 40; 410, 420, 430; 510, 520) umfasst, wobei die Vielzahl von Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) jeweils in verschiedenen der Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20; 10, 20, 30, 40; 410, 420, 430; 510, 520) enthalten sind.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 18, ferner mit einem Taktgenerator (10B, 20B; 10C; 410B; 510B), der einen Abtasttakt (CLK) zur Bestimmung der Abtastzeit erzeugt, wobei die Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) in der Vielzahl von Sensoren (10A, 20A; 10A, 20A, 30A, 40A; 410A, 420A, 430A; 510A, 520A) alle so konfiguriert sind, dass die Abtastzeit durch den von dem Taktgenerator (10B, 20B; 10C; 410B; 510B) erzeugten Abtasttakt (CLK) bestimmt wird.
Die Detektionsvorrichtung nach Anspruch 20, die weiterhin eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) umfasst, wobei die Mehrzahl von Sensoren (10A, 20A) jeweils in verschiedenen der Mehrzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) enthalten sind, und der Taktgeber (10B, 20B) in einem der mehreren elektronischen Bauteile (10, 20) enthalten ist.
Die Detektionsvorrichtung nach Anspruch 20, die weiterhin eine Vielzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) umfasst, wobei die Mehrzahl von Sensoren (10A, 20A) jeweils in verschiedenen der Mehrzahl von elektronischen Komponenten (10, 20) enthalten sind, und der Taktgenerator (10C) getrennt von der Mehrzahl der elektronischen Bauteile (10, 20) aufgebaut ist.
Die Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Abtast- und Halteschaltung (71) enthält, die das analoge Erkennungssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) abtastet und eine Quantisierungsschaltung (72, 93), die ein Ausgangssignal (Sb) der Abtast- und Halteschaltung (71) quantisiert, die Abtast-Halte-Schaltung (71) so konfiguriert ist, dass sie zwischen einem Folgemodus, in dem das Ausgangssignal (Sb) dem analogen Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) folgt, und einem Haltemodus, in dem das Ausgangssignal auf einem konstanten Wert gehalten wird, wechselt, und die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Zeit ist, zu der die Abtast- und Halteschaltung (71) vom Nachlaufmodus in den Halte-Modus schaltet.
Die Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Analog-Digital-Wandler (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Quantisierungsschaltung (72, 93) enthält, die das analoge Detektionssignal (S1a, S2a, S3a, S4a; S1a, S2a, S3a, S4a, S5a, S6a, S7a, S8a; S41a, S42a, S43a; S51a, S52a) gleichzeitig abtastet und quantisiert, und die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) eine Zeit ist, zu der die Quantisierungsschaltung (72, 93) das analoge Detektionssignal (13, 14, 23, 24; 13, 14, 23, 24, 33, 34, 43, 44; 412, 422, 432; 512, 522) abtastet und quantisiert.