JP2007525679A - 磁界センサ - Google Patents

Abstract

給電装置（ＩＨ）によって給電されかつセンサ信号を生成するセンサ装置（Ｈ）と、該センサ信号が供給されかつ第１の出力信号（ＡＩ）を送出する評価装置（ＡＤＣ，Ｒ）と、第１の出力信号が供給されかつ給電装置を制御する帰還装置（ＲＶ）とを備えている磁界センサが提供される。帰還装置に接続されている調整装置（閉ループ制御）の調整により、磁界センサのノイズ特性が改善される。方法は磁界センサの作動を記述する。

Description

本発明は、給電装置によって給電されかつセンサ信号を生成するセンサ装置と、該センサ信号が供給されかつ出力信号を送出する評価装置とを備えている磁界センサに関する。本発明は更に磁界センサを作動するための方法に関する。

背景技術
ＥＰ０５２５２３５Ｂ１から公知のこの種の磁界センサは、ホールエレメントおよびその給電装置の熱的および技術的な結合により磁界センサの個別の調整措置が不要になる自己補償部を有している。このために集積回路における相応のエレメントは共通に実現されている。

この形式の別の磁界センサはＤＥ４４３１７０３Ａ１から公知である。そこにおいて提案されている磁界センサは、ホールエレメントのオフセットの補償の他に後置接続されている評価装置のオフセットを一緒に考慮し、従って一層大きな精度を可能にする。

ホールセンサは、磁界センサを形成することができかつ大抵はアレイもしくはホールエレメント装置において協働する典型的なセンサエレメントである。ホールエレメントは、そこに磁界に対して垂直方向に電流が流れるとき、磁界中にホール信号として電圧信号を送出する。ホール信号、すなわちホール電圧は磁束密度の垂直方向成分、ホール電流およびホール定数から成る積に依存している。ホールエレメントの感度を表しているホール定数は材料に依存している。

実際の作動において素子のホール定数、磁束密度の垂直方向成分およびホール電流から成るホール電圧の有効信号に、ホールエレメントおよび後置接続されている評価装置のノイズ成分から合成されて成るノイズ電圧が重畳されている。この形式のノイズ成分は温度および材料依存によって決まってくるものである。

ノイズ信号の別の成分は具体的な用途から生じる可能性がある。例えばＥＰ０９１６０７４Ｂ１は、軸上にマウントされている磁石がホールエレメントアレイの上方に配置されている磁気的な回転センサを開示している。ホールエレメント装置それ自体は、相互に所定の幾何学的な配置関係にある複数の個別センサエレメントから成っている。ホールエレメントアレイに後置接続されている評価装置はホールエレメントのホール信号から軸の回転角度を求める。磁石並びにホールエレメントの種々異なっている温度特性並びにこれら２つのエレメント間の異なっている距離が殊に有効信号に影響を及ぼす。これにより有効信号とノイズ信号との間の距離は変わってくる。

ホール信号がデジタルで引き続き処理する目的でデジタル化されると、ホール信号の有効信号振幅の変化に基づいてデジタル化を実施するＡ／Ｄ変換器のダイナミック領域を完全に利用することができない。

本発明の課題は、磁界センサの改善された特性が得られるようにした磁界センサおよびその作動方法を提供することである。

この課題は、それぞれの独立請求項に記載の磁界センサおよびその作動方法によって解決される。本発明の有利な実施形態はその他の請求項に記載されている。

本発明は次の思想に基づいている：センサ信号もしくは磁界センサの評価装置の出力信号を処理しかつ帰還装置を用いて、給電電流または給電電圧の大きさを変えることができる制御信号を生成することである。このために有利には、センサ信号の振幅が求められかつセンサ装置の給電電流または給電電圧が閉ループ回路において、センサ信号の振幅が一定にとどまるように調整設定される。

この形式の磁界センサによりおよびその作動方法により、最適化されたＳＮ比を有している、磁界センサの出力信号を生成することができることは特別有利である。

更に、センサ信号のデジタルの引き続く処理において必要なＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）は調整部がない場合に必要であるよりも僅かなビット幅を有することができるという点でも有利である。

評価装置の出力信号がセンサ信号の振幅に相応しかつこれが振幅目標値との比較により求められるようにすれば特別有利である。それから給電電流または給電電圧が増幅器装置により、センサ信号の振幅が一定にとどまるように調整設定される。

ホールエレメントを有する磁界センサが実現されている場合、ホールエレメント装置の個別エレメントは有利には、これらが９０°だけ位相がずれている２つの測定信号を生成するように配置され、殊にホールエレメントは相互に９０°だけ位相ずれて配置される。その場合回転角度センサではホール信号の振幅は簡単な仕方で求めることができる。２つの位相のずれた測定信号の正弦波形状の経過において、振幅はそれぞれの測定信号の自乗および自乗された信号の引き続く加算によって生成される。

有利な形態において、センサ装置の測定信号がデジタル化されかつ計算装置において引き続き処理されるようになっている。計算装置は一方において所望の出力信号、例えば角度信号を生成し、かつ他方においてセンサ信号に対する振幅情報を生成する。

特別有利な実施形態において、帰還装置はコンパレータを含んでおり、該コンパレータは磁界センサの振幅信号を参照値と比較し、かつコンパレータに計数器が後置接続されており、該計数器はコンパレータの出力信号に依存してアップまたはダウンカウントしかつ計数器の値はＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）により給電電流または給電電圧に対する制御信号に変換される。

別の有利な形態において、給電電流または給電電圧は一定成分および制御可能な成分から、例えば定電流源の直流電流および制御される電流源の電流から合成されており、その際制御される成分は帰還もしくは増幅装置によって制御されるようになっている。このようにして、制御される成分がドライブ制御されないとき、磁界センサの機能は保証されている。

本発明の別の有利な形態において、帰還分路に設けられている計数器に対する制御信号がステータス情報として使用されかつ処理されるようになっている。このようにして調整装置のステータス、殊に制御される成分、ひいてはセンサ信号の振幅の制御情報の増減または計数器のオーバフロー、ひいては磁界センサの調整領域の離脱が検出される。更にこの形式のステータス情報により、「プッシュ・ボタン」機能のダイナミックな識別を絶対値に無関係に使用することができる。

次に本発明を実施例および図面の対応する図に基づいて詳細に説明する。図はいずれも本発明を分かり易くするためにだけ用いられかつそれ故に略示されているにすぎず、縮尺も実際に即していない。同じまたは同じ作用をするエレメントには同じ参照符号が付されている。その際
図１はホールエレメント装置を備えている磁界センサの構成を略示し、
図２は増幅器装置を詳細に示し、
図３は回転磁界センサの配置を略示している。

本発明を次にホールエレメント装置を備えている磁界センサに基づいて説明する。図１によれば、磁界センサＨ、殊に有利には複数のセンサエレメントＳＥから成っているホールエレメント装置が設けられている。有利にはそれぞれ４つのセンサエレメントが１つのセンサ装置にまとめられている。

センサＨのホールエレメントは個別に給電装置から給電されるもしくは実施例においては固定電流源ＦＳおよび制御される電流源ＧＳを含んでいる電流源から給電される。固定電流源ＦＳは磁界センサの詳細に図示されていない電圧および電流供給装置によって磁界センサＨのホールエレメントに対する固定の作動電流を生成する。制御される電流源ＧＳは帰還分路によって決定される制御される電流を生成する。２つの部分電流がホール電流ＩＨを形成する。

２つのホールセンサ装置は、これらによって生成される測定信号が相互に９０°づつ位相がずらされているように配向されている。有利な実施例において磁界センサが回転センサであるとき、第１の測定信号は正弦波形状の経過を有し、一方第２の測定信号は余弦波形状の経過を有している。前置増幅器Ｖにおける前置増幅の後、２つの測定信号はＡ／Ｄ変換器ＡＤＣに達する。これは例えばシグマ・デルタ変調器を用いてＡＤ変換を実施するので、場合によっては更に設定されている、ＡＤＣの出力側におけるデジタルフィルタリング後に、デジタル化された正弦波形状信号およびデジタル化された余弦波形状信号が取り出される。両方の信号は引き続いて計算装置Ｒにおいて結合されかつ処理される。

計算装置Ｒはデジタル化された信号によってアルゴリズムを実施し、その結果計算装置の出力側に所望の出力信号が用意される。こうして回転磁界センサの例において角度Ｗを使用することができかつインタフェースＩＦに供給される。インタフェースは外部の接続端子への信号送出を行うかまたはデジタル角度信号Ｗの更なる処理を実施する。

計算装置の別の出力信号として２つの測定信号からホール信号の実際値振幅ＡＩが取り出される。計算装置Ｒはこのために次の数学的な関係
ｓｉｎ^２Ｗ＋ｃｏｓ^２Ｗ＝１
を実行する。

計算装置Ｒは通例デジタル信号プロセッサ（digitaler Signalprozessor＝ＤＳＰ）として実現されている。回転磁界センサの場合このプロセッサはＣＯＲＤＩＣ（Cordinate Rotational Digital Computer）とも称される。可能なアルゴリズムは"IEEE Transactions on Circuits and Systems - II: Analo and Digital SIgnal Processing", Vol. 48, No.6, June 2001, pp 548 - 561）に記載されている。勿論この形式のＣＯＲＤＩＣは別のアルゴリズムを実行することもできる。同様に、磁界センサによって捕捉検出すべき別の測定量の場合、デジタルプロセッサによりＤＳＰにおける別のアルゴリズムの実行が可能である。

それからホール信号の実際値振幅ＡＩは帰還ループにおいて帰還装置ＲＶに供給される。帰還装置はその出力側に制御される電流源ＧＳを制御するための制御信号を送出する。帰還装置は図１において増幅装置であり、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）とも称されるものである。帰還装置ＲＶの第２入力側にはホール信号の振幅に対する目標信号ＡＳが供給されるようになっている。

帰還もしくは増幅装置ＲＶの構成を詳細に示している図２によれば、増幅装置はデジタルコンパレータＫ、計数器ＺおよびＤ／Ａ変換器ＤＡＣを含んでいる。デジタルコンパレータに振幅の実際値ＡＩおよびホール信号の振幅の目標値ＡＳが供給される。目標値ＡＳは有利にはＡＤＣの入力側における最適な振幅に相応している。

デジタルコンパレータＫはその２つの入力信号ＡＩおよびＡＳから、計数器Ｚに供給される出力信号を生成する。計数器Ｚはアップダウンカウンタとして実現されている。計数器の値は例えばクロック周波数の計数によって得られる。図２の例では同名の接続端子からコンパレータＫの２つの出力信号ＵおよびＤが供給されるようになっている。つまりコンパレータＫの出力側Ｕは、計数器Ｚがアップカウントすべきときに活性化され、一方計数器Ｚがダウンカウントすべきときには出力側Ｄが活性化される。

出力側において計数値はＤ／Ａ変換器ＤＡＣに供給される。これは計数値をアナログ信号に変換し、このアナログ信号が詳細に図示されていない制御される電流源ＧＳを制御する。制御される電流源はいずれにせよ従来技術から公知の手法で実現されていてよい。

デジタルコンパレータＫの出力側は計数器に並列に別個に端子ＵおよびＤに導き出されている。計数器Ｚに対する制御信号ＵおよびＤは磁界センサに対するステータス情報として使用することができる。すなわち例えば磁石とホールセンサとの間の距離が変化すると既述の調整回路を用いたホール電流の追従調整が必要である。帰還装置ＲＶによって閉じられた調整回路の調整は磁界センサのノイズ特性を改善する。

計数器に対するステータス情報として使用される制御信号を用いて調整回路のこの追従調整を指示することができる。というのは、アップカウントに対する信号Ｕおよびダウンカウントに対する別の信号Ｄは特徴的だからである。こうして簡単な仕方で外部で、磁石とホールエレメントとの距離が変化したかどうかかつどの方向に変化したかを検出することができる。更に２つの信号ＵもしくはＤの活性化により上側の許容値を上回る計数器オーバフローまたは下側の許容値を下回る計数器アンダーフローを指示することができるが、このことは増幅器装置の調整領域を離れることに相応するからである。このようにしてエラーを簡単に検出することができる。

ホール信号の振幅の制御に基づいて、磁界センサのエレメントを所与の使用条件に最適に整合させることができる。すなわち、ＡＤＣのビット幅を調整されない実施形態に比べて１ビットまたは２ビットばかり低減することができる。これによりこれらエレメントはあまり煩雑でなくしかもこうしてずっとコスト安に実現されるようにすることができる。

図３には理解を深めるために、ＥＰ０９１６０７４Ｂ１から公知の回転センサ装置が示されている。回転軸線ＤＡに磁石が、評価回路が後置接続されているホールエレメントＥの上方にマウントされている。そこで本発明は、磁石とホールエレメント装置との距離が変化した場合でも大幅に無関係なＳＮ比を有している改善された測定および評価を可能にするものである。基本的に、垂線から傾いているホールエレメント−磁石状態またセンタリングされていないホールエレメント−磁石関係に基づいている信号変化も少なくとも部分的に補償されるようにすることができ、こうして改善された有効信号を可能にするのである。

本発明はホール装置に制限されておらず、調整されるセンサ装置の思想は別の物理的な原理に基づいている別のセンサによっても実現されるものであることを述べておく。

ホールエレメント装置を備えている磁界センサのブロック線図 増幅器装置のブロック線図 回転磁界センサの配置を示す略図

Claims (13)

1. 給電装置（ＩＨ）によって給電されかつセンサ信号を生成するセンサ装置（Ｈ）と、該センサ信号が供給されかつ第１の出力信号（ＡＩ）を送出する評価装置（ＡＤＣ，Ｒ）と、第１の出力信号が供給されかつ給電装置を制御する帰還装置（ＲＶ）とを備えている磁界センサ。
2. センサ装置はホールエレメント装置（Ｈ）を含んでおり、該ホールエレメント装置はホール電流（ＩＨ）によって給電されかつセンサ信号としてホール信号を生成し、かつ帰還装置は増幅装置（ＲＶ）として実現されており、該増幅装置には第１の出力信号が供給されかつ該増幅装置はホール電流を制御する
   請求項１記載の磁界センサ。
3. 第１の出力信号はセンサ信号の実際値振幅（ＡＩ）に相応しかつ帰還装置（ＲＶ）は予め定めた目標値振幅（ＡＳ）を用いて給電装置を、センサ信号の振幅が一定にとどまるように調整設定する
   請求項１または２記載の磁界センサ。
4. ホールエレメント装置は回転磁界を捕捉検出しかつ評価装置の第２の出力信号（Ｗ）は求められた回転角度に相応する
   請求項２または３記載の磁界センサ。
5. ホールエレメント装置のホール信号は第１の測定信号（ｓｉｎＷ）および第２の測定信号（ｃｏｓＷ）を含んでおり、該第２の測定信号は第１の測定信号に対して９０°だけ位相がずらされている
   請求項２から４までのいずれか１項記載の磁界センサ。
6. 評価装置はセンサ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）と、第１および／または第２の出力信号（ＡＩ，Ｗ）を生成する後置接続されている計算装置（Ｒ）とを含んでいる
   請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界センサ。
7. 帰還装置はコンパレータ（Ｋ）を含んでおり、該コンパレータは第１の出力信号（ＡＩ）を参照値（ＡＳ）と比較し、かつ
   コンパレータに計数器（Ｚ）が後置接続されており、該計数器にコンパレータの出力信号が供給されるようになっており、かつ
   計数器にＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）が後置接続されており、該Ｄ／Ａ変換器は計数器の出力信号を給電装置に対する制御信号に変換する
   請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ。
8. 給電装置（ＩＨ）は磁界センサのセンサエレメントに給電しかつセンサエレメントはセンサ信号を生成し、該センサ信号は評価装置（ＡＤＣ，Ｒ）により第１の出力信号（ＡＩ）に処理されかつ帰還装置（ＲＶ）に供給され、該帰還装置が給電装置を制御する
   磁界センサ、例えば請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサを作動するための方法。
9. 第１の出力信号からセンサ信号の実際値振幅（ＡＩ）を導出しかつ帰還装置（ＲＶ）が予め定めた目標値振幅（ＡＳ）を用いて給電装置を調整設定して、センサ信号の実際値振幅が一定にとどまるようにする
   請求項８記載の方法。
10. センサエレメントにより回転磁界を捕捉検出しかつ評価装置によって、回転角度に相応する第２の出力信号（Ｗ）を生成する
    請求項８または９記載の方法。
11. ホールエレメント装置として実現されているセンサエレメントは、ホール信号が第１の測定信号（ｓｉｎＷ）と、該第１の測定信号に対して９０°だけ位相がずれている第２の測定信号（ｃｏｓＷ）を含んでいるように配置されている
    請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 評価装置がセンサ信号をＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）によってデジタル化し、かつ評価装置に後置接続されている計算装置（Ｒ）が第１および／または第２の出力信号（ＡＩ，Ｗ）を生成する
    請求項８から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 第１の出力信号（ＡＩ）をコンパレータにおいて参照値（ＡＳ）と比較し、かつ該コンパレータに後置接続されている計数器（Ｚ）は該コンパレータの出力信号から計数値を導出しかつＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）が計数器の出力信号を給電装置に対する制御信号に変換する
    請求項８から１２までのいずれか１項記載の方法。

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