JP2002506530A - 角度測定用の角度センサ及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 センサ装置（４，５，６，７）と磁界との角度測定用の角度センサであって、磁界を発生するマグネット（２）と、前記磁界内に設けられた幾つかのホール素子（４，５，６，７）と、前記各ホール素子間に設けられていて、当該ホール素子に固定されて一緒に回転するように結合された、強磁性材製の磁束案内部材（３）とを有しており、その際、前記マグネット（２）は、前記ホール素子及び前記磁束案内部材に関して回転可能に構成されており、その際、少なくとも４つのホール素子（４，５，６，７）が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 角度測定用の角度センサ及び方法 本発明は、特許請求の範囲１上位概念に記載の、つまり、センサ装置と磁界と の角度測定用の角度センサであって、磁界を発生するマグネットと、磁界内に設 けられた幾つかのホール素子と、各ホール素子間に設けられていて、当該ホール 素子に固定されて一緒に回転するように結合された、強磁性材製の磁束案内部材 とを有しており、その際、マグネットは、ホール素子及び前記磁束案内部材に関 して回転可能に構成されている角度センサ及び角度測定方法に関する。 例えば、回転可能に支承された構成部品の角度測定用の、状態変化の検出用の 発信器乃至センサを使用することは公知である。この関連で、スライド又は膜状 のポテンシオメータを使用することは広く行われている。この際、例えば、スラ イドポテンシオメータでは、線乃至膜抵抗の長さと、その抵抗値との間の関係が 利用される。この際、スライドコンタクトによって生じる損耗、及び、これによ るメンテナンスコストは欠点である。従って、メンテナンスフリーの理由から、 無接触角度センサを使用することは有意義である。 自動車の領域内では、負荷の環境条件に基づいて、有利には、磁気センサ、殊 に、ホールセンサ、異方性 磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）又は巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲ）が使用されている 。１８０°以下の角度測定用のＡＭＲセンサを用いる解決手段が公知である。３ ６０°以下の角度測定のためには、交差配置されたホールセンサを使用すること が通常である。最後に、磁界の磁束を適切に案内することによって、角度（＜１ ８０°）と出力信号との間の直線状の関係を達成することができる。ホールを用 いた装置構成の場合には全て、オフセットフリーで温度安定した、種々の形式で 提供されているホール素子が必要である。この素子は、通常、調整可能なゼロ点 及び調整可能な感度を有している。 ホール素子を角度測定に使用する公知の方法には全て、許容偏差、遊び及び温 度の影響により、実際には、かなり大きな難点がある。と言うのは、マグネット とセンサとの間の間隔の変化、又は、（例えば、温度による）センサの感度の変 化によって、信号が変化してしまい、それにより、測定誤差が生じる。つまり、 例えば、交差ホール素子は、３６０°測定に適しているが、それと同時に、軸の 位置変化に対して極めて過敏であり、そのために、この場合には、極めて正確な 位置決めをする必要がある。この結果、過度に高いコストが掛かってしまう。従 来技術の角度センサでは、温度依存の振幅を除去する方法（例えば、レゾルバ回 路、フィリップスＡＭＲ評価回路、シグマ−デルタ方 法）が公知である。しかし、軸受内の許容偏差又は遊びは、この方法を用いても 補償することができない。 軸ずれに対して比較的影響されない従来公知の解決手段は、１８０°以下の角 度測定にしか使用できず、更に、磁界感度が温度依存であるという欠点を有して いる。ＡＭＲセンサに関しては、このＡＭＲセンサは、同様に温度依存性が大き く、従って、その種のセンサを用いると、コスト高な調整方法を実行する必要が ある。 ドイツ連邦共和国特許公開第１９６４０６９５号公報からは、相互に４５°回 転された２つのＡＭＲセンサ素子で作動する無接触磁気抵抗センサが公知である 。磁気抵抗角度センサを温度安定ゼロ点で構成するために、センサの出力信号の 、所定の角度領域に亘っての経過特性は、センサの種々異なる少なくとも２つの 温度で検出され、その後、出力信号経過特性が、基準角度の検出のために相互に 関係付けられ、その際、出力信号は、温度依存性が小さい結果、相互に僅かしか ずれておらず、そのようにして見つけられた基準角度は、後続の測定の際にゼロ 点として選定される。この比較的コスト高な方法は、通常のように、その種のセ ンサの許容偏差乃至温度変化を補償する必要がある。 本発明の課題は、軸ずれ乃至許容偏差に対して左右されず、それと同時に、３ ６０°迄の角度を測定することができる角度センサを構成すること、並びに、相 応の角度測定方法を提供することにある。 この課題は、特許請求の範囲１記載の要件を有する、つまり、少なくとも４つ のホール素子が設けられている角度センサによって解決される。 本発明の角度センサによると、軸ずれ乃至許容偏差を簡単に補償することがで き、その際、角度を３６０°迄測定することができる。例えば、許容偏差及び遊 びの様な、製造又は温度依存の作用を、簡単に補償することができる。 本発明の有利な実施例は、従属請求項の対象である。 有利な実施例によると、角度センサのマグネットが円筒状に構成されており、 その際、磁束案内部材は、マグネットを囲むようにほぼ１／４の環状に構成され ている。磁束案内部材、従って、これら磁束案内部材間に設けられたホール素子 は、マグネットに関して回転可能であるので、こうすることによって、個別の磁 束案内部材乃至ホール素子とマグネット間の間隔は、回転中変化しないようにな る。こうすることによって、測定信号を特に簡単に評価することができる。 ホール素子をそれぞれ９０°ずつ相互にずらして配設すると目的に適っている 。こうすることによって、それぞれ対向するホール素子に相応する正弦波乃至余 弦波信号を得ることができ、これらの信号は、簡単に、許容偏差及び温度非依存 の角度値を得るために評価 することができる。 マグネットが、直径状に磁化されていると目的に適っている。こうすることに よって、それぞれ対向するホール素子に誘起される磁界は、ほぼ同じ大きさとな る。 本発明の課題を解決するために、本発明の角度センサを用いて、センサ装置と 磁場との間の角度を角度測定するための方法は、特許請求の範囲５、つまり、少 なくとも、それぞれ２つのホール素子内に誘起するホール電圧が、マグネットに よって発生された磁界方向と基準方向との角度の正弦に比例し、少なくとも２つ の別のホール素子内に誘起するホール電圧が、マグネットによって発生された磁 界方向と基準方向との角度の余弦に比例するように、マグネットを配向するステ ップ、それぞれのホール素子でホール電圧を測定するステップ、測定された４つ のホール電圧を用いて、測定すべき角度を計算により求めるステップにより提案 されている。提案された方法を用いると、角度センサでの許容偏差又は遊びの結 果として生じるホール素子によって検出された信号と、真正の正弦波乃至余弦波 の波形との偏差を、簡単に補償することができる。発生した誤差は、提案されて いる方法によって完全に補償することができる。 方法の有利な実施例によると、測定すべき角度の正弦に比例する、少なくとも ２つのホール電圧から、和 信号が形成され、そのようにして得られた和信号は、正弦−余弦−評価回路に供 給されて、測定すべき角度が計算機により算出される。このような方法によって 、生じた角度誤差は、従来技術の方法に比して著しく低減することができる。個 別評価、即ち、正弦波信号及び余弦波信号を１つだけ用いて角度を測定する点に 関しては、本発明の角度センサの場合、角度誤差をファクタ２０だけ低減するこ とができる。 別の有利な方法によると、少なくとも２つの対のホール素子の場合、その内、 一方のホール素子は、測定すべき角度の正弦に比例するホール電圧を有しており 、他方のホール素子は、測定すべき角度の余弦に比例するホール電圧を有してお り、測定すべき角度は、正弦−余弦−評価回路を用いて計算により測定される。 こうすることによって、本発明の角度センサは、簡単に冗長の３６０°センサと して使用することができる。 測定すべき角度用に検出された少なくとも２つの値から平均値が形成されるよ うにすると、目的に適っている。こうすることによって、測定すべき角度を極め て正確に測定することができる。 角度の正弦乃至余弦に比例する、それぞれの信号から、所属のアークタンジェ ントの測定を介して、測定すべき角度が計算により検出される。アークタンジェ ントを用いた、そのような算出は、測定すべき角度を 、前述の和信号から計算により検出するのにも、それぞれの正弦及び余弦値から 計算により検出するのにも適している。 以下、本発明の有利な実施例について、図示の実施例を用いて詳細に説明する 。その際： 図１は、本発明の角度センサの平面略図、 図２は、図１の角度背監査の斜視略図であり、その際、分かり易くするために、 ホール素子は図示しておらず、 図３は、本発明の角度センサのマグネットの水平磁化方向での磁界分布を示す図 、 図４は、マグネットを、水平に対して６０°だけ回転した場合の磁界分布を示す 図、 図５は、ホール素子に対するマグネットの回転に依存するホール素子の位置での 磁界特性曲線（アジマス成分）を示す図、 図６は、センサ装置と磁界との間の角度を回転角度に依存して測定する際に（そ れぞれ角度単位「°」で記載されている）、第１の有利な方法を用いた場合に発 生する角度誤差を示す図、 図７は、第２の有利な本発明の方法を用いた際に発生する角度誤差を、回転角に 依存して示す図（０．２ｍｍの軸ずれ）である。 本発明の角度センサの構成について、図１及び２を用いて説明する。回転可能 に支承された軸１上には、 この軸と固定して取り付けられた、直径状に磁化された円筒状マグネット２が設 けられている（図３，４参照）。空隙によって分離されて、マグネットの周囲に 位置固定された１／４円形状の強磁性材製の磁束案内部材３が４つ配設されてい る。磁束案内部材３間に構成されたスリット内には、４つのオフセットフリーの 温度安定ホール素子４，５，６，７が設けられており、これらのホール素子は、 方位角方向に示された磁界に感応する。磁束案内部材３に関するマグネット２の 種々異なる回転方向用のホールセンサの位置での磁界の分布は、図３及び４に示 されている。ここでも、図２と同様に、分かり易くするために、ホール素子４， ５，６，７は図示していない。マグネット２の磁化のゼロ点での角度（Ｎｕｌｌ ｗｉｎｋｅｌ）に応じて、ホール素子４，６内に誘起されるホール信号電圧は、 マグネット２によって発生された方位角方向の磁界強度の正弦に比例し、この場 合に、ホール素子５及び７内に誘起されるホール信号電圧は、この磁界強度の余 弦に比例し、従って、軸１の回転角に比例する。それぞれのホール信号電圧をホ ールセンサ内に誘起する、磁束案内部材３間のスリット内の方位角方向の磁界成 分は、図５に、軸１のそれぞれの回転角度に対して記載されている。その種の角 度測定時に発生する誤差、例えば、温度依存の振幅、又は軸受内の許容偏差又は 遊び（信号の、純粋な正弦乃至余弦波形のずれを生じ る）を除去するために、本発明によると、２つの方法が提案されている。 第１の方法では、先ず、対向するホール素子内に誘起されるホール電圧が、（ 図示していない）加算器手段を用いて加算される。ホール素子４，６の位置での 磁界は、センサ装置に関する軸１乃至マグネット２の回転角度の正弦に比例する ので、両正弦値の和信号が得られる。素子５，７のホール電圧の加算によって、 相応して、両余弦値の和信号が得られる。この両和信号は、（図示していない） 正弦−余弦−評価回路に入力信号として供給される。その際、正弦−余弦−評価 回路は、これらの入力信号から所属の角度を算出する。この算出は、例えば、ア ークタンジェント計算を用いて行うことができる。この際生じる、実際の角度に 対する誤差は、図６に示されている。相互に対向するホール素子４，６乃至５， ７に基づいて、それぞれの和信号を形成することによって、例えば、軸１の軸受 内の遊びを有効に補償することができる。この方法を用いた場合の角度誤差は、 図６に回転角に依存して示されている。図６に示された角度誤差は、例えば、０ ．２ｍｍの回転軸を用いた場合、最大０．０２°から０．１°に増大する。この 値は、従来の角度センサに較べると、極めて大きな改善である。例として挙げた 、０．２ｍｍの回転角を用いた場合には、この方法を用いた場合の角度誤差は、 ファクタ２０だけ低減する 。 本発明の第２の方法について、以下、図７を用いて詳細に説明する。この際、 ホール素子４の正弦波信号及びホール素子５の余弦波信号を用いて、並びに、ホ ール素子６の正弦波信号及びホール素子７の余弦波信号を用いて、それぞれ個別 に、軸１の回転角の相応の角度値が算出される。この、それぞれの角度値の算出 は、やはり上述のアークタンジェント計算を用いて行うことができる。 しかし、図７からは、それぞれの対のホール素子４，５乃至６，７で発生する 角度は、３６０°の角度領域全体に亘って、その値はほぼ同じ大きさであるが、 極性は異なっている。従って、両測定角度値の平均値を形成することによって、 簡単に、実際の角度に対する非常に正確な測定値を得ることができる。図７から 分かるように、この方法を用いた場合に、実際の角度誤差は、０．１°以下であ る。この方法の精度を一層向上するために、例えば、付加的な角度をホールセン サ対４，７及び５，６を用いて検出することもできる。この場合には、測定され た角度値から平均値を算出してもよい。 図７に示された例で測定された個別角度は、冗長監視用にも使用でき、その結 果、センサ故障を高い信頼度で検出することができる。４つのホール素子を有す る装置構成は、特に、安全上の理由から冗長度が必要 な用途に適している。本発明の有利な用途は、例えば、自動車の領域で、正確に ３６０°の角度測定が必要である（例えば、カム軸、クランク軸）箇所か、又は 、安全性の理由から冗長度が必要とされる（例えば、ペダル値センサ、ブレーキ 、Ｅガス（Ｅｇａｓ））箇所である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． センサ装置（４，５，６，７）と磁界との角度測定用の角度センサであっ て、磁界を発生するマグネット（２）と、前記磁界内に設けられた幾つかのホー ル素子（４，５，６，７）と、前記各ホール素子間に設けられていて、当該ホー ル素子に固定されて一緒に回転するように結合された、強磁性材製の磁束案内部 材（３）とを有しており、その際、前記マグネット（２）は、前記ホール素子及 び前記磁束案内部材に関して回転可能に構成されている角度センサにおいて、 少なくとも４つのホール素子（４，５，６，７）が設けられていることを特徴 とする角度センサ。 ２． マグネット（２）は円筒状であり、磁束案内部材（３）は、前記マグネッ ト（２）を囲んでほぼ１／４円形状に構成されている請求項１記載の角度センサ 。 ３． ホール素子（４，５，６，７）は、それぞれ９０°だけ相互にずらして設 けられている請求項２記載の角度センサ。 ４． マグネット（２）は、直径状に磁化されている請求項１〜３迄の何れか１ 記載の角度センサ。 ５． 前述の各請求項の１つの角度センサを用いて、センサ装置と磁界との間の 所定角度の角度測定方法 において、 −少なくとも、それぞれ２つのホール素子（４，６）内に誘起するホール電圧 が、マグネットによって発生された磁界方向と基準方向との角度の正弦に比例し 、少なくとも２つの別のホール素子（５，７）内に誘起するホール電圧が、前記 マグネットによって発生された磁界方向と基準方向との角度の余弦に比例するよ うに、前記マグネット（２）を配向するステップ、 −それぞれの前記ホール素子（４，６乃至５，７）でホール電圧を測定するス テップ、 −測定された４つのホール電圧を用いて、測定すべき角度を計算により求める ステップ とを有することを特徴とする方法。 ６． 測定すべき角度の正弦に比例する少なくとも２つの、ホール素子（４，６ ）のホール電圧及び測定すべき角度の余弦に比例する少なくとも２つの、別のホ ール素子（５，７）のホール電圧から、それぞれ１つの和信号を形成し、前述の ようにして得られた和信号を正弦−余弦−評価回路に供給して、測定すべき角度 を計算により求めるステップとを有する請求項５記載の方法。 ７． 少なくとも２対のホール素子（４，５乃至６，７）の内、一方の対は、測 定すべき角度の正弦に比例するホール電圧を有し、他方の対は、測定すべき 角度の余弦に比例するホール電圧を有しており、前記測定すべき角度を、正弦− 余弦−評価回路を用いて計算により測定する請求項５記載の方法。 ８． 測定すべき角度に対して求めた少なくとも２つの検出値から、平均値を形 成する請求項７記載の方法。 ９． 測定すべき角度を、前記角度の正弦乃至余弦に比例する、それぞれの信号 から所属のアークタンジェントの測定を介して計算により求める請求項５〜８迄 の何れか１記載の方法。