JPH1194512A - 角度センサー、位置センサー及び自動車 - Google Patents

角度センサー、位置センサー及び自動車

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JPH1194512A
JPH1194512A JP10207798A JP20779898A JPH1194512A JP H1194512 A JPH1194512 A JP H1194512A JP 10207798 A JP10207798 A JP 10207798A JP 20779898 A JP20779898 A JP 20779898A JP H1194512 A JPH1194512 A JP H1194512A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マグネット(4) を具え且つ回転軸(5) の回り
に回転可能である測定対象(6) について、その角度位置
（α）に依存するセンサー信号(US ) を測定するための
磁場センサー素子(1) を含む角度センサーに関し、大き
い角度位置を一義的に決定できるセンサーを提供する。 【解決手段】 ０°乃至 360°の間で測定対象(6) の角
度位置を一義的に決定することが必要になる場合があ
る。既知の磁場センサー素子(1) は 180°までの角度範
囲しか線形特性を持たない。本発明によれば、磁場セン
サー素子(1) に加えて、測定素子(2) を横切る磁場(7)
の方向を決定するための測定素子(2) を具える。適当な
構成の評価回路(9) を用いて、磁場センサー素子(1) か
らのセンサー信号(US ) 及び付加した測定素子(2) から
の方向信号(UR ) から角度位置（α）を決定する。この
決定は 180°を超える角度でも行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マグネットを具え
且つ角度センサーに対して回転軸の回りに回転可能であ
る測定対象について、その角度位置に依存するセンサー
信号を測定するための磁場センサー素子を含む角度セン
サーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の角度センサーは米国特許第 5,6
02,471号から既知である。それにおいては、磁場センサ
ー素子は、相互に離れた角度で配置されて非接触状態で
測定する２個のセンサーユニットからなっており、これ
らセンサーユニットの各々は、測定ブリッジを形成する
ように接続された４個の磁気抵抗素子からなっている。
既知の角度センサーは、角度測定範囲において線形の特
性を有する（センサー信号が角度位置に依存する）が、
しかしながら、この範囲は１８０°以下である。この特
性値は、角度測定範囲外においては一定である。同様の
既知の角度センサーにおいては、適当な電子的手段を用
いて特性の（１８０°以下の周期の）周期的な繰り返し
が行われる。しかしながら、既知の角度センサーを用い
る限りにおいては、１８０°を超える角度位置の場合
に、その角度位置を一義的に決定することは不可能であ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、大きい角度測定範囲において一義的に角度位置を決
定することができるような上述の種類の角度センサーを
得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的は、測定素子を
横切る磁場の方向に依存する方向信号を決定するための
測定素子、並びに、センサー信号及び方向信号から角度
位置を決定するための評価回路を具備する本発明の角度
センサーによって達成される。
【０００５】方向信号は、測定素子を横切る磁場の方向
に関する情報を含む。マグネットを具えた測定対象の回
転によって磁場の方向は１８０°以上変化するので、方
向信号に基づいて、測定されたセンサーの信号を適切な
角度測定範囲に帰属させる。このような帰属は評価回路
で行われる。そこでは、続いてセンサー信号に基づいて
角度位置が決定される。このように、本発明の角度セン
サーによれば、既知の角度センサーにおけるより大きい
角度測定範囲の中での角度位置を一義的に決定すること
ができる。理想的な部品、特にどのような角度位置にお
いても磁場の方向の決定を可能にし、且つ、一義的な方
向の決定が不可能な遷移範囲を持たない理想的な測定素
子を用いる場合には、３６０°の全角度測定範囲で角度
位置を決定することができる。
【０００６】請求項２に開示されたような本発明の実施
例は高い測定感度を持ち、磁場センサー素子は所定の角
度測定範囲において線形特性を有する。
【０００７】請求項４に開示された実施例は、望ましく
はホール素子、特に、横切る磁場が第１の方向か又は反
対の方向かを示す情報か、又は、横切る磁場が実質的な
磁場成分を持っているのは第１の方向か又は反対の方向
かを示す情報か、いずれかの情報の形の方向信号を供給
するスイッチとして動作するホール素子（スイッチホー
ルセンサー）を用いるものである。このようなホール素
子を用いることは特に魅力的であり、方向信号の評価は
極めて簡単である。
【０００８】請求項５に開示された実施例におけるよう
な測定素子の配置は、磁場の方向を極めて簡単な方法で
決定することができることから、特に魅力的である。ホ
ール素子は、特にこのような実施例のための測定素子と
して適している。
【０００９】請求項６に開示された実施例は、特にスペ
ースの節約及びコストの節約の効果を有する。測定素子
及び評価回路は特に共用半導体部品として構成される。
共用部品における磁場センサー素子の集積化も同様に容
易である。しかし、それは、測定対象の回転軸上に配置
されることが望ましい。一方、測定素子及び評価回路
は、回転軸に近接して、従って、磁場センサー素子から
は離れて、配置されることが望ましい。
【００１０】請求項７に開示された実施例は、測定素子
が理想的ではなく、磁場の方向の一義的な決定が不可能
な遷移範囲を持つ場合であっても、３６０°までの角度
測定範囲を通して角度位置を一義的に決定することを可
能にする。請求項８により、測定素子を測定対象の回転
軸から始まる異なった半径線上に配置し、これにより常
に少なくとも１個の測定素子が一義的な決定を行い得る
ようにすることが望ましい。全ての測定素子を、同様
に、評価回路と共に共用半導体部品上に配置することが
できる。
【００１１】本発明は、更に、本発明による角度センサ
ーを用いる位置センサー、特に、自動車におけるステア
リングホイールのステアリングの角度を測定するための
ステアリング角度センサー、又は、自動車のエンジン中
又は上のカムシャフト又はそれに対応する補助シャフト
の角度位置を測定して（可変）バルブ制御を行うための
位置センサー、並びに、そのような位置センサーを含む
自動車に関する。本発明による角度センサーは、更に、
電気モーター、タービン、発電機又は風車のシャフトの
角度位置を決定するために、更に一般的には、０°と３
６０°との間の角度位置を決定する必要がある場合に、
どのような場合においても用いることができる。例え
ば、ステアリングホイールの角度位置を決定するため
に、かなり大きな角度範囲での角度位置を決定する必要
がある場合は、例えば回転数を決定し記憶する他の手段
を用いるべきである。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施例
を説明する。
【００１３】図１は本発明による角度センサーを示す図
であり、磁場センサー素子１、測定素子２及び評価回路
９が含まれ、それらの素子がプリント回路板３上に配置
されている。磁場センサー素子１は、シャフト14を介し
て、例えば自動車のステアリングホイールのような測定
対象６に固着されているマグネット４の極めて近くに配
置される。マグネット４は平たい円板のように構成され
且つ回転軸５に回転対称に配置されており、測定対象６
が回転軸５の回りに回転できるようになっている。この
角度センサーは、測定対象６の角度位置αをいずれの瞬
間においても決定するためのものである。このため、磁
場センサー素子１は、ここでは磁気抵抗センサー（ＭＲ
センサー）から構成され、マグネット４から小さい距離
で回転軸５の軸上の位置に、マグネット４によって発生
される磁場の磁束８が磁場センサー素子１を横切るよう
に、実質的に回転軸５に直交する方向に配置される。磁
場センサー素子１の磁気抵抗素子は、回転軸５に直交す
る方向の磁場に感応性を持っており、従って、ＭＲセン
サー１によって測定されたセンサー信号ＵS の大きさは
角度αの関数として変化する。
【００１４】しかしながら、磁場センサー素子１は、そ
の特性により１８０°の測定範囲のみを一義的に決定で
きるに過ぎないので、それ単独では０°から３６０°ま
での角度位置αを一義的に決定することはできない。従
って、本発明によれば、ここではホール素子である測定
素子２が、磁場センサー素子１に近接して横方向に離れ
た位置に配置され、これにより、マグネット４により発
生された磁場の、回転軸５に実質的に平行な磁束７がそ
れを横切るようになっている。測定素子２はこの方向の
磁場に感応性を有するように配置され、方向信号ＵR を
供給する。この方向信号ＵR は、最も簡単な場合、磁束
７が測定対象６と逆方向（図では下方向）に向いている
か又は測定対象６の方向（図では上方向、マグネット４
のＳ極がＮ極に代わって測定素子２の近傍にある、図示
していない他の角度位置α）に向いているかの情報のみ
を含む。
【００１５】図２は角度センサーの素子の配置を示す平
面図である。明瞭にするため、磁場センサー素子１を横
切る磁束８の方向も図示されており、破線はこの磁場が
別の角度位置αの方向にある場合を示す。測定素子２を
横切る磁束７の方向も図示されている。測定素子２及び
評価回路９は、スペースを節約するために共用半導体部
品10として構成される。
【００１６】図３は磁場センサー素子として用いられる
ＭＲセンサー１の実施例の一部分を示す図であり、２個
の測定ブリッジ11、12を含む。２個の測定ブリッジ11、
12の各々は、４個の磁気抵抗素子13を含む。測定ブリッ
ジ11、12のそれぞれの磁気抵抗素子13は、常に相互に９
０°の角度を持つように配置される。図示されているよ
うに、２個の測定ブリッジ11、12は、相互に４５°回転
した位置に配置されることが望ましい。図示されたＭＲ
センサー１は、図の面の磁場、例えば磁場８に対して感
応性を有し、回転軸５（図１参照）が図の面に直交しＭ
Ｒセンサー１の中心を通るように配置される。２個の測
定ブリッジ11、12の各々は、それぞれ正弦波周期特性を
有する。この特性は、適当なスイッチング手段（図示さ
れていない）によって、最大１８０°までの角度範囲で
線形の特性に変換される。測定ブリッジ11、12の素子13
は、米国特許第 5,602,471号に示されているように、相
互に重ね合わせてもよい。この引用文献は、上述のよう
なＭＲセンサーの動作の説明のための技術の現状を示し
ている。
【００１７】図４は角度センサーの動作原理を説明する
ための図であり、角度位置αに依存する種々の信号波形
を示している。第１の線はホール素子２を横切る磁束Ｂ
の変化を示す。α＝９０°の場合、マグネット４のＮ極
がホール素子２に最も近づき（この状態が図１に図示さ
れている）、磁束Ｂが最大値を示す。
【００１８】第２の線は理想的なホール素子２の方向信
号ＵR の変化を示す。方向信号ＵRは、磁束Ｂが横軸を
横切る時に電圧遷移を示すため、ホール素子２上の磁場
の方向に関する情報を含むことになる。
【００１９】しかしながら、実際のホール素子の方向信
号ＵR は第３の線に示すように変化する。この変化は磁
束が横軸を横切る点の付近の角度範囲に遷移部分15を含
み、この遷移部分では、ホール素子２上の磁場の方向の
一義的な決定を不可能にしている。このような遷移部分
15の幅は、マグネット４の磁場の強さ、ホール素子２と
マグネット４との距離、及びホール素子２の形の関数と
して変化する。電圧遷移は遷移部分15中の任意の角度位
置αで偶然に起きること、又は、遷移部分15中は測定電
圧が連続的に増加又は減少して方向信号ＵR の一義的変
化を決定できないこと等の可能性がある。
【００２０】第４の線はＭＲセンサー１のセンサー信号
ＵS の変化を示す。この特性は、α＝１８０°の周期で
繰り返される。このようなＭＲ素子１及び１個の（実際
の）ホール素子２により、少なくとも２７０°の角度測
定範囲がカバーされるようにするため、遷移部分15が≦
９０°であるホール素子２を、方向信号の遷移部分15が
所要の２７０°の角度測定範囲の角度範囲中に位置する
ように配置する。この角度範囲では特性（センサー信号
ＵS ）は一義的であり、従ってα＝９０°とα＝１８０
°との間の範囲において一義的である。従って、この角
度範囲においては、方向信号ＵR2は不要である。測定さ
れたセンサー信号ＵS が位置する角度範囲を決定するた
めに、α＝０°とα＝９０°との間の角度範囲（この範
囲ではホール素子２が信号を供給する）においてのみ、
方向信号ＵR2が必要である。これは、測定されたセンサ
ー信号ＵS 及び方向信号ＵR2を受信する評価回路によっ
て実現される：ＵR2＝０及びＵS ＜ＵS0の場合、０°＜
α＜９０°である。ＵR2≠０及びＵS ＜ＵS0の場合、１
８０°≦α≦２７０°である。ＵS ＞ＵS0の場合、（Ｕ
R2は不要であり）９０°≦α≦１８０°である。
【００２１】この実施例について必要とされる遷移部分
15の上述の状態を達成するために、ホール素子２は、種
々の位置、即ち、α＝４５°で回転軸５から始まる半径
線上の種々の位置に配置される（図１ではホール素子２
がα＝９０°で半径線上に位置している）。従って、こ
のような配置により、０°と２７０°との間で一義的に
角度位置を決定することができるようになる。測定対象
がこの値以外の角度位置に達することがないようにする
ためには、例えば機械的なストッパーを付ければよい。
【００２２】角度測定範囲を例えば３６０°に更に拡大
する場合は、より小さい遷移部分15を持つ測定素子２を
使用するか、又はこれに加えて、第２の測定素子（例え
ば第２ホール素子）を使用する。このような配置が図５
に図示されている。この図では、半導体部品10上に、２
個のホール素子21、22が評価回路９と共に収容されてい
る。それらの半径位置は角度γだけ離れている。即ち、
第１ホール素子21は第１の半径線18上に配置され、第２
ホール素子22は第２の半径線19上に配置されている。
【００２３】図４の最後の２本の線は、方向信号ＵR1及
びＵR2の対応する変化を示す。ホール素子21、22は異な
る半径線18、19上に配置されているので、それらの遷移
部分16、17は相互に角度γだけずれるように位置する。
角度γは、角度αのいずれの部分においても遷移部分16
及び17が重ならないように、選択されなければならな
い。これにより、常に少なくとも１個の方向信号
ＵR21 、ＵR22 が一義的な値を持つようになり、従って
測定されたセンサー信号ＵS が位置する特性範囲の一義
的な決定が可能になる。図示された信号変化について
は、例えば、α＝０°〜９０°及びα＝１８０°〜２７
０°について、方向信号ＵR21 が決定のために使用さ
れ、他方、他の角度範囲について、方向信号ＵR22 が特
性範囲を決定するために使用される。これは、上述の場
合と同様に、前記信号を受信する評価回路で遂行され
る：ＵR21 ＝０及びＵS ＜ＵS0の場合、１８０°≦α≦
２７０°である。ＵR21 ≠０及びＵS ＜ＵS0の場合、０
°≦α≦９０°である。ＵR22 ＝０及びＵS ＞ＵS0の場
合、２７０°≦α≦３６０°である。ＵR22 ≠０及びＵ
S ＞ＵS0の場合、９０°≦α≦１８０°である。
【００２４】遷移部分16と17との距離が最大になる配置
として、γ＝９０°に選択することが望ましい。更に、
ホール素子21、22は、図１に図示された位置に対して４
５°ずれた位置（例えば、ホール素子21をα＝１３５°
の半径線上に、ホール素子22をα＝４５°の半径線上
に）に配置し、同一に構成することが望ましい。
【００２５】ホール素子に代えて、測定素子を横切る磁
束の方向を一義的に決定することができる他の測定素
子、例えば、磁気抵抗素子を具える適当な測定素子を用
いることができる。測定素子は、更に、対応する領域で
磁場の方向を決定することができる限りにおいて、前述
の図に図示されているものと異なる位置に配置すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による角度位置を決定するための角度セ
ンサーを示す図である。
【図２】角度センサーの個々の素子の配置を示す平面図
である。
【図３】磁場センサー素子として用いられるＭＲセンサ
ーの細部を示す図である。
【図４】本発明による角度センサーに関する種々の信号
を示す図である。
【図５】２個の測定素子を具える角度センサーの個々の
素子の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 磁場センサー素子 ２ 測定素子 ３ プリント回路板 ４ マグネット ５ 回転軸 ６ 測定対象 ７、８ 磁束 ９ 評価回路 １０ 共用半導体部品 １１、１２ 測定ブリッジ １３ 磁気抵抗素子 １４ シャフト １５、１６、１７ 遷移部分 １８、１９ 半径線 ２１、２２ ホール素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 アウグスト ペテルセン ドイツ連邦共和国 24558 ヘンシュテッ ト−ウルツベルク マイゼンヴェーク ２

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マグネット(4) を具え且つ角度センサー
    に対して回転軸(5)の回りに回転可能である測定対象(6)
    について、その角度位置（α）に依存するセンサー信
    号(US ) を測定するための磁場センサー素子(1) を含む
    角度センサーにおいて、測定素子(2) を横切る磁場(7)
    の方向に依存する方向信号(UR ) を決定するための測定
    素子(2) 、並びに、センサー信号(US ) 及び方向信号(U
    R ) から角度位置（α）を決定するための評価回路(9)
    を具備することを特徴とする角度センサー。
  2. 【請求項２】 磁場センサー素子(1) が、特に、１又は
    複数の測定ブリッジ(11 、12) を形成するように接続さ
    れる複数の磁気抵抗素子(13)からなるＭＲセンサーであ
    ることを特徴とする請求項１に記載の角度センサー。
  3. 【請求項３】 磁場センサー素子(1) が、相互に４５°
    回転したように配置された２個の測定ブリッジ(11 、1
    2) を有することを特徴とする請求項１に記載の角度セ
    ンサー。
  4. 【請求項４】 測定素子(2) が、ホール素子又は少なく
    とも１個の磁気抵抗素子を含むＭＲセンサーであること
    を特徴とする請求項１に記載の角度センサー。
  5. 【請求項５】 測定素子(2) が、測定対象(6) の回転軸
    (5) に平行な磁場(7) が実質的に横切るように配置さ
    れ、且つ、特に回転軸(5) に近接して配置されることを
    特徴とする請求項１に記載の角度センサー。
  6. 【請求項６】 測定素子(2) 及び評価回路(9) が、共用
    部品(10)を構成することを特徴とする請求項１に記載の
    角度センサー。
  7. 【請求項７】 少なくとも１個の他の測定素子(22)を具
    え、これが、測定素子(22)を横切る磁場(7) の方向に依
    存する少なくとも１個の他の方向信号(UR22)を決定する
    ことを特徴とする請求項１に記載の角度センサー。
  8. 【請求項８】 測定素子(21 、22) が、測定対象(6) の
    回転軸(5) から始まる異なった半径線(18 、19) 上に、
    特に相互に９０°離れて配置されることを特徴とする請
    求項５に記載の角度センサー。
  9. 【請求項９】 評価回路(9) が、測定されたセンサー信
    号(US ) の位置する角度測定範囲を方向信号(UR ) に基
    づいて決定するように構成され、且つ、引き続いてこの
    角度測定範囲中の角度位置（α）をセンサー信号(US )
    に基づいて決定するように構成されることを特徴とする
    請求項１に記載の角度センサー。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の角度センサーを具
    え、特に、自動車のステアリングの角度を検知し、又
    は、自動車のエンジンのカムシャフトの位置を検知する
    位置センサー。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の位置センサーを含
    む自動車。
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