JP4138952B2 - 角度センサー、位置センサー及び自動車 - Google Patents

Description

【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 5,602,471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統合半導体部品として構成される。統合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、評価回路と共に統合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３６０°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Ｕ_S 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Ｕ_R を供給する。この方向信号Ｕ_R 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統合半導体部品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９０°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ＭＲ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Ｕ_R の変化を示す。方向信号Ｕ_R 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Ｕ_R 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Ｕ_R 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Ｕ_S 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Ｕ_S ）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Ｕ_R2は不要である。測定されたセンサー信号Ｕ_S 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Ｕ_R2が必要である。これは、測定されたセンサー信号Ｕ_S 及び方向信号Ｕ_R2を受信する評価回路によって実現される：
Ｕ_R2＝０及びＵ_S ＜Ｕ_S0の場合、０°＜α＜９０°である。
Ｕ_R2≠０及びＵ_S ＜Ｕ_S0の場合、１８０°≦α≦２７０°である。
Ｕ_S ＞Ｕ_S0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Ｕ_R1及びＵ_R2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Ｕ_R21 、Ｕ_R22 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Ｕ_S 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°〜２７０°について、方向信号Ｕ_R21 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Ｕ_R22 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：
Ｕ_R21 ＝０及びＵ_S ＜Ｕ_S0の場合、１８０°≦α≦２７０°である。
Ｕ_R21 ≠０及びＵ_S ＜Ｕ_S0の場合、０°≦α≦９０°である。
Ｕ_R22 ＝０及びＵ_S ＞Ｕ_S0の場合、２７０°≦α≦３６０°である。
Ｕ_R22 ≠０及びＵ_S ＞Ｕ_S0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４５°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 統合半導体部品
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

Claims (11)

1. 回転軸の回りに回転可能であり、且つ前記回転軸について回転対称に配置されたマグネットを具えた測定対象の角度位置に依存するセンサー信号を発生するための磁場センサー素子を含む角度センサーであって、該磁場センサー素子は、前記回転軸の軸線上に配置されて、前記マグネットによって発生される磁場の前記回転軸に直交する成分の強さを測定して前記センサー信号として出力する角度センサーにおいて、
   前記磁場が測定素子を横切る向きを表現する方向信号を発生するための測定素子、並びに、前記センサー信号及び前記方向信号から前記角度位置を決定するための評価回路を具備することを特徴とする角度センサー。
2. 前記磁場センサー素子が、１又は複数の測定ブリッジを形成するように接続された複数の磁気抵抗素子からなる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. 前記磁場センサー素子が、相互に４５°回転して配置された２個の測定ブリッジ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. 前記測定素子がホール素子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. 前記測定素子が、前記測定対象の前記回転軸に平行な磁場が実質的に横切るように配置され、且つ、前記回転軸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. 前記測定素子及び前記評価回路が、統合部品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. 少なくとも１個の他の測定素子を具え、前記他の測定素子が、当該他の測定素子を横切る前記磁場の向きを表現する少なくとも１個の他の方向信号を発生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. 前記測定素子及び前記他の測定素子が、前記測定対象の前記回転軸から始まる異なった半径線上に、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. 前記評価回路が、測定された前記センサー信号の位置する角度測定範囲を前記方向信号に基づいて決定するように構成され、引き続いて前記角度測定範囲中の前記角度位置を前記センサー信号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１に記載の角度センサーを具え、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１０に記載の位置センサーを含む自動車。

Images