专利名称：旋转角探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转角探测器，包括具有一对磁极的磁体转子和传感器芯片，传感器芯片具有半导体衬底上的磁场探测元件。
背景技术：
常规上，如对应于US-2009/0206827的日本专利No. 4273363所述，一种旋转角探测器包括具有四个或更多磁极(即，两对或更多对磁极)的磁体转子，以及用于探测由磁体转子产生的磁通的方向的第一和第二感测装置。第一和第二感测装置中的每个都是具有固定层和可变层的自旋阀型巨磁致电阻效应元件。固定层的磁化方向被固定到特定方向。可变层的磁化方向随着磁场方向而变化。 巨磁致电阻效应元件具有这样的特性元件的电阻根据固定层的磁化方向和可变层的磁化方向(即磁场方向)之间的角度改变。在磁体转子旋转一电角度(通过将旋转角除以磁极对的数目计算出的角度)时，具有电阻器元件的感测装置输出与波形的一个周期对应的信号。例如，在磁体转子包括两对磁极且磁体转子旋转一圈时，感测装置输出与两个周期的波形对应的信号。将解释日本专利No. 4273363中描述的旋转角探测器。第一感测装置包括两个感测电桥X01、Y01，每个感测电桥都提供由四个电阻器元件构成的全桥。第二感测装置包括两个感测电桥X02、Y02，每个都提供由四个电阻器元件构成的全桥。全桥包括一对彼此串联耦合的电阻器元件以及彼此串联耦合的另一对电阻器元件。该对电阻器元件和另一对电阻器元件在电源和地之间彼此并联耦合。于是，准备好每个完整的电桥(即，每个感测电桥 XOU X02、YOU Y02)。在一对电阻器元件的电源侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向与另一对电阻器元件的电源侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向相反。在一对电阻器元件的地侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向与另一对电阻器元件的地侧上的电阻器元件中的固定层的磁化方向相反。感测电桥YOl的电阻器元件中固定层的磁化方向与磁体转子的转动方向平行。此外，感测电桥YOl的电阻器元件中固定层的磁化方向与感测电桥XOl的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直。感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向与磁体转子的转动方向平行。此外，感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向与感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直。布置感测电桥XOl的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥X02的电阻器元件中固定层的磁化方向，以使相位相差90度的电角度。第一感测装置具有磁场敏感方向作为磁体转子的参考。第一感测装置相对于磁体转子的旋转角被定义为Θ。在感测电桥XOl根据cos θ项输出探测信号时，感测电桥YOl 根据-sin θ项输出探测信号，因为感测电桥YOl的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直于感测电桥XOl的电阻器元件中固定层的磁化方向。由于感测电桥XOl的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥Χ02的电阻器元件中固定层的磁化方向被布置成使相位相差90度的电角度，所以感测电桥Χ02根据sin θ项输出探测信号。由于感测电桥Y02的电阻器元件中固定层的磁化方向垂直于感测电桥 X02的电阻器元件中固定层的磁化方向，所以感测电桥Y02根据cos θ项输出探测信号。取决于感测电桥Χ01、Υ01的探测信号中的θ项的因子被定义为(Χ01 θ，YOl θ )。 (Χ01 θ，YOl θ )等于(cos θ，-Sin θ )。取决于感测电桥X02、Y02的探测信号中θ项的因子被定义为(Χ02 θ，Υ02 θ )。(Χ02 θ，Υ02 θ )等于(sin θ，cos θ )。于是，感测电桥 Χ01、 Y02的探测信号取决于cos θ项。感测电桥￥01、乂02的探测信号取决于&110项。因此， 感测电桥Υ02的探测信号被反转，从而获得反转的探测信号，将取决于感测电桥Υ02的反转探测信号中的θ项的因子定义为Υ02 θ ’。在运算放大器计算(Χ01 θ -Υ02 θ，)的差和 (Χ02Θ-Υ01Θ)的差时，获得了每个探测信号中的cos θ值和sin θ值。在这里，在cos θ 的值和sin θ的值中消除了具有相同相位的高频噪声。基于cos θ的值和sin θ的值，计算tan θ的值。然后，角度计算器利用反正切函数执行计算，从而计算角度θ。在这里，在芯片中形成与第二感测装置不同的第一感测装置。在这种情况下，旋转角探测器包括多个芯片，使得探测器的制造成本很高。为了改善制造成本，可以在一个芯片中形成第一和第二感测装置。不过，在这种情况下，在从探测信号去除高频噪声时，如上所述，由于感测电桥Χ01的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥Χ02的电阻器元件中固定层的磁化方向被布置成使相位相差90度的电角度，所以在磁体转子的磁极数目小的情况下，电角度增大，且芯片尺度增大。在这里， 在磁体转子的磁极数目大时，电角度减小，因此，芯片的尺度是有限的。不过，在磁体转子的磁极数目大时，旋转磁场的旋转频率增大。于是，角度计算器相对于输入信号的处理速度可能不够快。磁体转子与磁体一起附着于并固定到旋转轴。绕组所产生的磁通量使旋转轴转动。绕组围绕着磁体转子。在这种情况下，在绕组和磁体转子之间布置芯片。将绕组的磁通和磁体转子的磁通施加到芯片。为了基于磁体转子的磁通探测磁体转子的旋转角，必须要去除绕组的磁通。于是，绕组产生的磁通提供了被定义为感应噪声的噪声。感应噪声和固定到旋转轴的磁体产生的磁通之间的排斥力使旋转轴转动。因此， 感应噪声的转动方向与磁体转子的旋转磁场的转动方向相反。在通过日本专利No. 4273363 描述的噪声降低方法去除感应噪声时，必须要布置感测电桥XOl的电阻器元件中固定层的磁化方向和感测电桥Χ02的电阻器元件中固定层的磁化方向，以使相位相差180度的电角度。于是，由于为了去除感应噪声使电角度加倍，所以芯片的尺度大大增加。
发明内容
鉴于上述问题，本公开的目的是提供一种旋转角探测器，包括具有一对磁极的磁体转子以及传感器芯片，传感器芯片具有半导体衬底上的多个磁场探测元件。无需增加磁体转子的磁极数目就改善了芯片的尺度。根据本公开的一方面，一种旋转角探测器包括包括至少一对磁极的磁体转子，其中所述磁体转子连同磁体一起安装在旋转轴上；传感器芯片，包括半导体衬底和所述半导体衬底中的磁场探测元件，其中所述磁场探测元件探测磁场；以及操作元件。在磁场中布置旋转轴和传感器芯片，磁场使旋转轴转动。旋转角探测器基于从磁场探测元件输出的电信号探测磁体转子的旋转角。磁场探测元件包括第一磁场探测元件和第二磁场探测元件，它们彼此分隔开与预定相位差对应的距离。第一磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第一法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件。法线方向通过转子的中心并垂直于转动方向。第二磁场探测元件包括用于探测沿法线方向的磁场的第二法向分量探测元件和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件。相位差满足如下条件将第一法向分量探测元件的输出信号和第二法向分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差获得的值近似于相对于转动方向对传感器芯片周围的磁场沿法线方向的分量进行微分获得的值，将第一旋转分量探测元件的输出信号和第二旋转分量探测元件的输出信号之间的差除以相位差获得的值近似于相对于转动方向对沿转动方向的磁场分量进行微分获得的值。相位差定义为△ θ，第一法向分量探测元件的输出信号定义为 S1，第二法向分量探测元件的输出信号定义为&，第一旋转分量探测元件的输出信号定义为 C1,第二旋转分量探测元件的输出信号定义为C2，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第一项定义为α，取决于用于使旋转轴转动的磁场的第二项定义为β。操作元件计算如下值C1 + α——和S1相位差Δ θ不取决于电角度。电角度取决于转子的磁极数目。相位差Δ θ可以是能够近似进行微分计算的值。因此，即使当第一磁场探测元件和第二磁场探测元件形成于半导体衬底中时，也限制了传感器芯片尺度的增大。由于为了减小电角度未增加转子的磁极数目，所以限制了旋转磁场的频率增大。
通过下文参考附图的详细说明，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显见。在附图中图1是示出了根据第一实施例的旋转角探测器的平面图的图；图2是示出了沿图1的线II-II截取的探测器的截面图的图；图3是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的电连接；图4是示出了传感器芯片和磁体转子之间的关系的平面图的图；图5是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的另一电连接；以及图6是方框图，示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的另一电连接。
具体实施例方式(第一实施例)图1示出了根据第一实施例的旋转角探测器的平面图。图2示出了沿图1的线 II-II截取的探测器的截面图。图3示出了磁场探测元件、操作元件和计算器之间的电连接。图4示出了传感器芯片和磁体转子之间的关系的平面图。磁体转子10的旋转方向被定义为转动方向。沿半导体衬底31厚度的方向被定义为厚度方向。垂直于厚度方向和转动方向并通过磁体转子中心0的方向被定义为法线方向。
探测器100主要包括磁体转子10、传感器芯片30、操作元件50和计算器70。如图 1和2所示，用于产生磁场的绕组20围绕着转子10。传感器芯片30布置于转子10和绕组 20之间。于是，将转子10产生的磁场和绕组20产生的磁场施加到芯片30。此外，如图3 所示，传感器芯片30的磁场探测元件32与操作元件50电耦合。操作元件50与计算器70 电耦合。于是，经由操作元件50将磁场探测元件32探测的电信号输入到计算器70中。如下文所述，传感器芯片30探测转子10磁场的变化，使得芯片30执行测量功能， 用于测量转子10的旋转角。不过，不仅向芯片30施加磁体转子10的磁通而且施加绕组20 的磁通。在探测转子10的旋转角时，绕组20的磁通提供噪声。根据本实施例的探测器100 去除来自芯片30的输出信号中作为感应噪声的噪声，而不会增大芯片30的尺寸。在这里， 与绕组20产生的磁通对应的磁场对应于使转子10的旋转轴转动的磁场。如图1和2所示，转子10具有环形形状。柱形的旋转轴11插入孔中，孔是由转子 10的内壁形成的。于是，将转子10连同永磁体制成的转子12固定到轴11上，轴11安装在车辆上。转子10的中心0定位在轴11上。转子10包括一对由S极和N极构成的磁极。 转子12包括两对磁极。由绕组20产生的磁通和转子12产生的磁通之间的排斥力使轴11 与转子10 —起转动。在这里，轴11提供旋转轴。转子12提供永磁体。在转子10转动时，通过转子10绕芯片30的旋转和磁通产生沿转动方向的旋转磁场。如上所述，由绕组20产生的磁通和转子12产生的磁通之间的排斥力使轴11 (即转子 10)转动。因此，对应于绕组20的磁通的磁场的转动方向与对应于转子10产生的磁通的旋转磁场的转动方向相反。在这里，在图1和2中，尽管转子10与轴11间隔开，但利用粘合剂等将转子10固定到轴11上。此外，在图1和2中，尽管芯片30与轴11间隔开，但芯片 30固定到容纳轴11和绕组20的支架上。绕组20产生用于使轴11转动的磁场。绕组20包括多个线圈作为绕组元件，其固定到定子21上。电流在每个线圈中流动，从而产生磁场。转子12的一个磁极对应于六个线圈20。绕组20的二十四个线圈20固定到定子21。传感器芯片30包括半导体衬底31和磁场探测元件32，其形成于沉底31之内。磁场探测元件32包括第一磁场探测元件33和第二磁场探测元件34，它们在转子10的转动方向上彼此分开相位差△ θ。第一磁场探测元件33包括用于探测沿法线的磁场的第一法向分量探测元件35和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件36。第二磁场探测元件34包括用于探测沿法线的磁场的第二法向分量探测元件37和用于探测沿转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件38。如图4所示，第一法向分量探测元件35和第一旋转分量探测元件36在法线方向上彼此分隔预定距离。第二法向分量探测元件37和第二旋转分量探测元件38在法线方向上彼此间隔开预定距离。将第一法向分量探测元件35和第二法向分量探测元件37布置成与中心0间隔相等的距离。将第一旋转分量探测元件36和第二旋转分量探测元件38布置成与中心0间隔另一相等的距离。第一和第二法向分量探测元件35、37以及第一和第二旋转分量探测元件36、38作为分量探测元件，是用于将磁信号转换成电信号的磁电换能器。每个探测元件35-38都是具有固定层和可变层的磁致电阻传感器。固定层的磁化方向是固定的。可变层的磁化方向根据磁场方向变化。图4中的箭头示出了固定层的磁化方向。沿着法线方向布置第一和第二法向分量探测元件35、37中固定层的磁化方向。沿着转动方向布置第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向。更具体而言，沿着转动方向的切向布置第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向。第一和第二法向分量探测元件35、37中固定层的磁化方向指向离开中心0的方向。第一和第二旋转分量探测元件36、38中固定层的磁化方向指向绕中心0的逆时针方向。以上磁致电阻传感器的性质使得传感器的电阻根据固定层磁化方向和可变层磁化方向之间的角度而改变。因此，在转子10转动一电角度时，传感器芯片30输出对应于一个周期波形的信号，所述电角度是由旋转角除以磁极对的数目限定的。转子10具有一对磁极，因此，在转子10转动一圈时，传感器芯片30输出对应于一个周期波形的信号。操作元件50与传感器芯片30电耦合。操作元件50基于第一和第二法向分量探测元件35、37的输出信号Sp S2以及第一和第二旋转分量探测元件36、38的输出信号Q、 C2从每个输出信号SpS2XpC2去除绕组20的磁通(即，感应噪声)。另一方面，计算器70 与操作元件50电耦合。基于来自操作元件50的输出信号，计算器70执行转子10旋转角 θ的计算函数。如图3所示，在半导体衬底31中形成操作元件50和计算器70，连同磁场探测元件32。下文将解释旋转角探测器100的特性。第一磁场探测元件33和第二磁场探测元件34彼此间隔开与转子10的转动方向上的相位差Δ θ对应的距离。具体而言，如图4所示，第一和第二法向分量探测元件35、37彼此间隔开与相位差Δ θ对应的距离。第一和第二旋转分量探测元件36、38彼此间隔开与相位差Δ θ对应的距离。用输出信号S1和输出信号&之间的差除以相位差Δ θ获得的值近似为值Δ 0bK，这是通过相对于转动方向对传感器芯片30周围的磁场B沿法线方向的分量1^求微分获得的。用输出信号C1和输出信号 C2之间的差除以相位差Δ θ获得的值近似为值Δ 0b0，这是通过相对于转动方向对沿转动方向的磁场B的分量b0求微分获得的。于是，满足以下方程。
权利要求
1.一种旋转角探测器，包括包括至少一对磁极的磁体转子(10)，其中所述磁体转子(10)连同磁体(1 一起安装在旋转轴(11)上；传感器芯片(30)，包括半导体衬底(31)和所述半导体衬底(31)中的磁场探测元件 (32)，其中所述磁场探测元件(3 探测磁场；以及操作元件(50)，其中在磁场中布置所述旋转轴(11)和所述传感器芯片(30)，所述磁场使所述旋转轴 (11)转动，其中所述旋转角探测器基于从所述磁场探测元件(3 输出的电信号探测所述磁体转子(10)的旋转角，其中所述磁场探测元件(3 包括第一磁场探测元件(3 和第二磁场探测元件(34)， 所述第一磁场探测元件(3 和所述第二磁场探测元件(34)彼此分隔开与预定相位差相对应的距离，其中所述第一磁场探测元件(3 包括用于探测沿法线方向的磁场的第一法向分量探测元件(3 和用于探测沿转动方向的磁场的第一旋转分量探测元件(36)， 其中所述法线方向通过所述转子(10)的中心并垂直于所述转动方向， 其中所述第二磁场探测元件(34)包括用于探测沿所述法线方向的磁场的第二法向分量探测元件(37)和用于探测沿所述转动方向的磁场的第二旋转分量探测元件(38)，其中所述相位差满足如下条件将所述第一法向分量探测元件(3 的输出信号和所述第二法向分量探测元件(37)的输出信号之间的差除以所述相位差所获得的值近似于相对于所述转动方向对所述传感器芯片(30)周围的磁场沿法线方向的分量进行微分所获得的值，将所述第一旋转分量探测元件(36)的输出信号和所述第二旋转分量探测元件(38) 的输出信号之间的差除以所述相位差所获得的值近似于相对于述是转动方向对沿所述转动方向的磁场分量进行微分所获得的值，其中所述相位差定义为△ θ，所述第一法向分量探测元件(3 的输出信号定义为S1, 所述第二法向分量探测元件(37)的输出信号定义为&，所述第一旋转分量探测元件(36) 的输出信号定义为C1,所述第二旋转分量探测元件(38)的输出信号定义为C2，取决于用于使所述旋转轴(11)转动的磁场的第一项定义为α，取决于用于使所述旋转轴(11)转动的磁场的第二项定义为β，其中所述操作元件(50)计算如下值
2.根据权利要求1所述的旋转角探测器，其中所述操作元件(50)设置于所述半导体衬底(31)中。
3.根据权利要求1所述的旋转角探测器，还包括基于从所述操作元件(50)输出的值计算所述磁体转子(10)的旋转角的计算器(70)。
4.根据权利要求3所述的旋转角探测器，其中所述计算器(70)设置于所述半导体衬底(31)中。
5.根据权利要求1所述的旋转角探测器， 其中所述磁体转子(10)仅包括一对磁极。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，其中所述第一法向分量探测元件(35)、所述第二法向分量探测元件(37)、所述第一旋转分量探测元件(36)和所述第二旋转分量探测元件(38)中的每一个是磁致电阻传感器， 其中所述磁致电阻传感器包括固定层和可变层， 其中所述固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向，并且其中所述可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向。
7.根据权利要求6所述的旋转角探测器，其中所述磁致电阻传感器是隧道磁致电阻传感器。
8.根据权利要求7所述的旋转角探测器，其中所述第一和第二法向分量探测元件(35，37)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向离开所述磁体转子(10)的中心的方向，并且其中所述第一和第二旋转分量探测元件(36，38)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子(10)的中心的一个方向。
9.根据权利要求7所述的旋转角探测器，其中所述第一和第二法向分量探测元件(35，37)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向接近所述磁体转子(10)的中心的方向，并且其中所述第一和第二旋转分量探测元件(36，38)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子(10)的中心的一个方向。
10.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，其中所述第一法向分量探测元件(3 和所述第一旋转分量探测元件(36)被布置成在所述法线方向上彼此间隔开预定的距离，并且其中所述第二法向分量探测元件(36)和所述第二旋转分量探测元件(38)被布置成在所述法线方向上彼此间隔开预定的距离。
11.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，其中第一和第二法向分量探测元件(35，37)和所述第一和第二旋转分量探测元件 (36，38)被布置成与所述磁体转子(10)的中心间隔开相等的距离。
12.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器，其中所述旋转轴(11)是车辆的轴(11)。
13.根据权利要求1-5中的任一项所述的旋转角探测器， 其中所述旋转轴(11)容纳在框架中，并且其中所述传感器芯片(30)固定到所述框架上。
14.根据权利要求1所述的旋转角探测器，还包括用于产生磁场的绕组(20)，所述磁场使所述旋转轴(11)转动， 其中所述绕组00)围绕所述转子(10)，其中所述传感器芯片(30)设置于所述绕组00)和所述转子(10)之间，其中所述磁体转子(10)仅包括一对磁极，并且其中所述磁体(1 包括两对磁极。
15.根据权利要求14所述的旋转角探测器，其中，所述磁体(12)对的数目定义为Nn， 其中所述绕组00)产生的磁场沿所述转动方向的分量的幅度定义为，所述绕组(20)产生的磁场沿所述法线方向的分量幅度定义为Bnk， 其中所述第一项α满足方程a=nBm Nn其中所述第二项β满足方程Βνθ Nn ο
16.根据权利要求15所述的旋转角探测器，还包括基于从所述操作元件(50)输出的值计算所述磁体转子(10)的旋转角的计算器(70)， 其中所述操作元件(50)和所述计算器(70)设置于所述半导体衬底(31)中， 其中所述第一法向分量探测元件(35)、所述第二法向分量探测元件(37)、所述第一旋转分量探测元件(36)和所述第二旋转分量探测元件(38)中的每个是隧道磁致电阻传感器，其中所述隧道磁致电阻传感器包括固定层和可变层， 其中所述固定层具有固定到预定方向的固定磁化方向， 其中所述可变层具有随着磁场方向改变的可变磁化方向，其中所述第一和第二法向分量探测元件(35，37)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向离开所述磁体转子(10)的中心的方向，并且其中所述第一和第二旋转分量探测元件(36，38)中的每个中的固定层的固定磁化方向指向绕所述磁体转子(10)的中心的一个方向。
17.根据权利要求16所述的旋转角探测器，其中所述第一和第二法向分量探测元件(35，37)被布置成与所述磁体转子(10)的中心间隔开相等的距离，并且其中所述第一和第二旋转分量探测元件(36，38)被布置成与所述磁体转子(10)的中心间隔开另一相等的距离。
18.根据权利要求17所述的旋转角探测器，其中所述第一法向分量探测元件(3 和所述第一旋转分量探测元件(36)设置于所述磁体转子(10)的法线上，并且其中所述第二法向分量探测元件(37)和所述第二旋转分量探测元件(38)设置于所述磁体转子(10)的另一法线上。
全文摘要
一种用于探测磁体转子的旋转角的旋转角探测器，包括具有安装在旋转轴上的磁体的转子；传感器芯片；以及操作元件。该芯片包括用于探测沿法线方向的磁场的第一和第二法向分量探测元件，以及用于探测沿转动方向的磁场的第一和第二旋转分量探测元件。相位差Δθ，探测元件的输出信号S1、S2、C1、C2，通过相对于转动方向对沿法线方向的磁场分量求微分而获得的值ΔθbR，以及通过相对于转动方向对沿转动方向的磁场分量求微分而获得的值Δθbθ满足和操作元件计算和
文档编号G01D5/14GK102346045SQ20111022028
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者原田智之 申请人:株式会社电装