JP2008534933A - 回転角を決定するためのセンサ装置および方法 - Google Patents

Abstract

本願で提案されるのは、回転する物体の回転角を識別するセンサ装置である。ここでは少なくとも１つの第１センサと第２センサが互いにカスケード接続されて、第１センサのセンサ信号が第１制御電流に変換され、この制御電流がバイアス電流として第２センサに加えられて第１および第２センサの２つの角度依存性が乗算される。これにより、上記のセンサ装置によって供給されるセンサ信号に依存して回転角を決定する際に改善された一層良好な補間が行われる。

Description

複数の磁気ホール素子を用いて回転する物体の目下の回転角を検出することは公知であり、ここでこれらの磁気ホール素子は、円周に沿って配置されており、この円周の中心に回転軸が垂直に立っている。さらにこの物体には例えば磁石を接続することによって磁界が対応付けられており、その磁界強度は、センサ個所において回転角の正弦に依存して変化する。ここでは上記のホール素子により、磁界にもホール素子のバイアス電流にも共に比例する電圧、いわゆるホール電圧が、ホール効果に対する次式にしたがって
V_h ＝ B×Ｉ×Ｒ_h
形成される。ここでＶ_hはホール電圧、Ｂは磁界、Ｉはバイアス電流、またＲ_hはホールセンサに対する定数である。ふつう複数のホールセンサは、同じないしは適合された一定のバイアス電流で駆動される。簡単な２極磁石の磁場を検出するためには２つのホールセンサを使用することができ、ここでこれらのホールセンサにより、２つの差分信号が供給され、またこれらのホールセンサは、例えば、求める回転角の正弦または余弦に対する依存性を有する。

ホール素子を有するセンサ素子は、例えば、WO 03/060537 A1から公知である。上記のセンサ装置の個々のセンサは信号変調器に接続されており、この変調器を介して個々のセンサ信号を結合することができる。検出すべきパラメタは、複数の個別信号全体から決定される。典型的な適用において、得られたセンサ信号（ホール電圧）は増幅される。角度を決定する際に角度を精確に決定するためないしは高い分解能を得るため、ふつう補間を行う。これはICにおいて、すなわち、その機能がアナログ／デジタルコンバータと類似に構成されている１つのＩＣにおいて行うことができ、ここでこれはアナログの正弦または余弦信号を、決定すべき回転物体の角周波数よりも高い角周波数を有するアナログまたはデジタルの信号に変換することによって行われる。公知のセンサは、例えば、２５６倍の補間が必要な１０ビットの出力側を有する。

補間にはさまざまな方法を使用することができる。第１の方式では慣用のアナログ／デジタル変換器を用いてセンサ信号を、相応するセンサ信号に比例するデジタル値に、すなわち、回転角の正弦値または余弦値に比例に比例するデジタル値に変換する。これらのデジタル値は、つぎに例えばCORDICなどのデジタル作業テーブルにおいて処理することができ、決定すべき回転角に比例するデジタル信号を供給することができるのである。

第２の方法では上記のセンサ信号を利用してこれらを直接、デジタル値に変換する。ここでは、専用に構成されかつ精確な三角法の特性を有するアナログ／デジタル変換器が使用される。ここでは決定すべき角度に直接に比例するデジタル値が結果として得られる。

公知の第３の方法において上記のセンサ信号はアナログの領域において処理されて、数倍の角周波数を有するアナログ信号が再び得られる。これは、例えば、無線通信の端末装置においてふつうである対称形のミキサ回路によって行うことができる。このような対称形のミキサの原理はつぎの２つの式によって決定される。すなわち、
sin２θ ＝ ２sinθconθ
cos２θ ＝ cos²θ-sin²θ
であり、sinθおよびcosθはセンサ信号であり、またsin２θおよびcos２θは、ミキサ出力側で得られる有効信号であり、これらは回転物体に比べて２倍の角周波数を有する。
明らかであるのは、対称形のミキサの機能および品質は、アナログ領域における乗算、加算および減算を実現するミキサの能力に依存することである。無線通信適用分野用のミキサはふつう、一定の周波数で動作し、また相応に狭帯域に設計された回路を必要とする。これとは異なり、回転角センサでは周波数は、０（回転なし）から所定の最大回転速度まで変化し得るのである。これによって付加的に、相応の回路を広帯域に設計にしなければならないことになる。個々のミキサ段によって結果的にミキサの出力側に得られる角周波数は入力信号と比べて倍になる。１つまたは複数のミキサ段の後、上記の信号はつぎにさらに上で説明したデジタルの手法によって処理される。択一的には、ミキサ出力側に得られたアナログ信号を回転角の決定に直接利用することも可能である。

本発明の課題は、あらかじめ定められたパスに沿った位置パラメタを決定するため、および例えば回転角を決定するためのセンサ装置を提供して、このセンサ装置が簡単に構成されかつこのセンサ装置により、改善された補間ができるようにすることである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有するセンサ装置によって解決される。本発明の有利な実施形態ならびに回転角を決定する方法は別の請求項に記載されている。

本発明の基礎にあるアイデアは、あらかじめ定めたパスに沿って正弦関数を発生する物理量の値を介して、求める位置パラメタを決定することである。ここでは（正弦関数に相応する回転についての）角周波数が、センサ装置のアナログ段の組み込みによって逓倍化できるようにし、またバイアス電流に対しセンサ特性が比例するという性質をこのために利用できるようにする。このために上記のセンサ装置では、第１センサのセンサ信号を使用して第２センサ用のバイアス電流を形成し、これによってこれらの２つのセンサ信号の乗算を実現する。ここでは各センサにより、物理量、例えば、あらかじめ定めたパスにわたって正弦波状に変化する磁場が検出される。つぎのこの物理量の値から、決定すべき位置パラメタを導き出すことができるのである。

したがって有利なセンサ装置には、少なくとも
- 第１のセンサと、
- 位置パラメタの正弦に依存するセンサ信号を供給する第２センサと、
- 第２センサのバイアス入力側に加えられる第１制御電流を第1センサ信号から形成する第１増幅器とが含まれる。この場合、sin２Ｘに依存する第２センサ信号を第２センサにおいて得ることができる。これによって、これに対応して決定すべき、位置Ｘにおける位置パラメタを２倍の精度で決定することができる。それはsin２Ｘが、単純な正弦関数sinＸよりもＸについて２倍の精度で処理できるからである。上記の位置パラメタは、例えば、あらかじめ定めたパスまたは回転物体の回転角に沿った1区間のことである。したがって上記のセンサ装置により、位置または角度の時間変化、すなわち物体がパスに沿って運動する際のこの物体の速度またはその周波数を一層改善された精度で決定することができるのである。

このセンサ装置に対して、決定すべき量、例えば回転角または位置の正弦に依存するセンサ信号を有するセンサを使用することができる。しかしながらこのために基本的には電気的または磁気的なセンサ、例えば磁場およびバイアス電流に完全に線形に依存するホールセンサが有利である。

ここであらかじめ定めたスタート点を基準にしてあらかじめ定めたパスにおける位置を決定するためにセンサ装置を適用することは、回転角を決定するのと類似している。それは、区間は円弧を直線に向かって半径方向に投影したものと見なせるからである。これによって区間から、これに対応する円弧ないしはこれに対応する回転角を導出することができ、またこの逆を行うことができる。ここでは、区間の経過が既知でありかつこの区間に沿った各位置が円弧に一意的にマッピングできる場合、上記のセンサ装置によって、直線状でなく任意でありまた曲がり方が変化する区間における位置を決定することさえも可能である。上記のパスに沿って正弦的に変化する磁場を設けることも有利である。これは、バスに沿って２極の磁気素子を交互に配置することによって得られる。センサ装置とこれらの磁気素子の装置とが相対運動することによって、このセンサ装置に作用する磁場の値（ここでは物理量に相当する）が位置パラメタＸに正弦的に依存して変化する。

回転角を決定するためにはセンサ装置を基準にして回転するただ１つの２極磁気素子で十分である。

基本的には上記のセンサ装置を位置固定のままにし、磁気素子の装置がこれに対して運動するという方式か、またはこの逆にセンサ装置が磁気素子の固定の装置に対して相対的に運動するという方式がある。

ここでは第１のセンサと、第２のセンサとを互いに接続して、第１センサのセンサ信号が、第２センサのセンサ信号の乗数として使用できるようにする。ホールセンサの場合にこれは、第１センサのセンサ信号に比例する制御電流（バイアス電流）を第２ホールセンサに加えることによって簡単に行うことができる。別のセンサではセンサ信号をバイアス電流に比例して増幅する増幅器にバイアス電流を供給することもできる。いずれの場合にも上記のセンサ装置により、第２センサにおいてセンサ信号として関数sin２Ｘが得られる。この関数により、第２センサのセンサ信号から回転角ないしは位置パラメタを対応付ける際に２倍の精度が実現可能になる。

別のセンサを設けて相応にカスケード接続することも可能である。この場合にこのような装置はｎ個のカスケード段を含むことができ、これらのカスケード段には少なくとも１つずつのセンサが配置される。センサは、回転角Ｘを基準にした種々異なるセンサ位置に設けられているか、またこれに対応するパスに沿った、例えば直線に沿った位置パラメタに設けられている。上記のカスケードではセンサが互いに接続されて、第ｍカスケード段（ただし１＜ｍ＜ｎ）の各センサには、その下のカスケード段のセンサのセンサ信号から、例えば第ｍ-１段のセンサ信号から形成されるバイアス電流が供給される。上記の数ｎは、例えば２または３である。しかしながら５段までのカスケード段またはそれ以上のカスケード段も可能である。カスケード段毎に、角周波数と乗算されるファクタが１つずつ増大し、すなわち回転角を決定する際の精度を改善するファクタが１つずつ増大する。したがってｎ段のカスケード段の場合、ｎ番目のカスケード段には、値sin（ｎＸ)に比例するセンサ信号が得られるのである。

第１カスケード段に少なくとも２つのセンサを設けることは有利である。これによって第１センサを有する第１カスケード段において、相異なる２つのセンサ信号を形成することができ、これらのセンサ信号のうちの１つがsinＸに依存し、別の１つが有利にはcosＸに依存するため、これらのセンサにより、互いに直交する２つの関数を得ることが可能である。少なくとも２つのセンサ信号さえがあれば、位置パラメタＸを精確に決定できる。相異なる２つのセンサ信号は互いに、付加的な基準値なしに位置Ｘの位置パラメタを精確に決定することができる関係にあるのである。

この場合に上記のカスケードにおいて第２カスケード段に少なくとも４つのセンサを設けることができる。この場合にこれらのセンサには、それぞれ第１段において形成されかつsinＸまたはcosＸに比例する制御信号から得ることができるバイアス電流を選択的に供給することができる。バイアス電流として、例えば、前段のカスケード段の１つずつの制御電流を使用することができる。しかしながら種々異なる制御電流を加算または減算することによってバイアス電流を形成することも可能であり、これは電流線路を相応に接続することによって殊に簡単に実現可能である。

上記のように接続すると共に、さらに回転角Ｘを基準にして個々のセンサのセンサ位置の有利な配置を選択すれば、この配置によって完全に対称的なミキサ機能を実現することができる。

ホールセンサによって作動するセンサ装置は、回転角を決定する公知の装置に比べて、ホール素子が極めて良好な線形特性を有し、したがって極めて良好な乗算素子として使用できるという利点を有する。さらに増幅器として、特性が広く知られかつ理解されているトランスインピーダンス増幅器を使用することができる。またこれらのトランスインピーダンス増幅器は、従来のＣＭＯＳ技術によって良好に実現可能である。

有利な実施において上記のセンサ装置全体およびこれに所属する電気回路はただ１つの集積回路（ＩＣ）に集積される。この集積回路により、個々のホールセンサのセンサ位置間の機械的および空間的に安定した関係と、集積回路の技術的な利点とが組み合わされるのである。

さらにこの集積回路は一層複雑な機能、例えば、電流方向回転（カレントスピニング）によるホール素子のオフセット抑止（オフセットキャンセレーション）を備えることが可能である。カスケード段当たりにそれぞれ複数のセンサを有する１カスケード段においてセンサを配置する場合、回転角を決定するため、１つの段のセンサは有利にはすべて上記の物体の回転軸を中心とする円の円周上に配置される。これに対して別のカスケード段のセンサは、回転軸に対して別の距離を有するが、１カスケード段内では上記の軸に対してそれぞれ同じ間隔を有する。

有利な実施形態においてすべてのセンサは共通のボードに配置される。

円形ではないパス、例えば直線状のパスに沿って位置パラメタを決定するセンサも有利には直線状に配置される。

上記のセンサ装置ないしは集積回路は、バイアス電流について時分割多重でただ１つのカスケード段で作動させることも可能である。このために第１センサ信号から制御電流を形成し、時間的にずらして（すなわち時分割多重化で）これをバイアス電流として第１センサに加える。しかしながらこのための前提であるのは、機械的な回転速度よりも格段に高速に時分割多重化動作における切換を行って付加的なエラー原因が発生しないようにすることである。

上記のセンサ装置を構成して、すべてのバイアス電流の和が、この装置の入力または出力信号には依存しないようにし、これによって良好なアナログ性能が上記の回路およびセンサ装置において達成され、また電流消費がほぼ一定になるようにすることができる。

上記のセンサ装置は、３相の適用、例えば電動モータのコミュテータに使用することができる。本発明は、センサの多重の補間が行われる方式のうちで集積化されかつ精確であるために著しくエレガントな方式である。このような補間は、外部の回路では効率的にはるかに劣ってしか行うことができない。

本発明において重要であるのは、カスケード段内のセンサに対するセンサ位置の選択である。１カスケード段にｋ個、ただしｋ＞２のセンサが設けられる場合、これらのセンサを円周に沿って配分するのが有利であり、ここではこれらセンサは回転角方向に互いにずらされる。有利にはセンサ位置を選択して、カスケード段毎に１つずつのセンサによってsinＸに依存するセンサ信号が、また１つずつのセンサによってcosＸに依存するセンサ信号が供給できるか、ないしはこれらのセンサによって互いに直交する２つの関数が得られるようにする。しかしながら、直線状のパスにおける位置を決定しようする場合、センサを直線状に配置することも可能である。この場合にこれらのセンサの間隔を有利には磁気素子の間隔に適合させて、ここでも有利な直交の位相関係が保証されるようにする。

各段のセンサを最適に分配することによって、回転運動をまたはこれに相当する物体の「直線的」な運動を互いに相対的に決定される種々異なる位相関係において追跡することができるため、種々異なるセンサによって供給される種々異なるセンサ信号を介して、多数の個別のセンサ信号から、回転角ないしはアナログの間隔を最適に対応付けることができる。すでに説明したように、それぞれ同じ回転角を示すが、これを異なる位相においてを示すセンサ信号の数を、制御電流の加算および減算によって個々のセンサ信号を組み合わせることによってさらに増やすことができる。これはセンサ信号ないしはここから形成される制御電流を直列および並列接続することによって簡単に行うことができ、このために簡単に実現可能である。

上記のセンサ装置によって供給される情報、すなわち最後のカスケード段のセンサ信号またはこの最後のカスケード段のセンサ信号から形成される制御電流は、回転角を決定するために評価ユニットに供給される。この評価ユニットは、冒頭に述べた複数の基本原理のうちの１つにしたがい、また上記のアナログ信号から、決定すべき回転角に対するデジタル値を発生する。

以下では本発明を実施例およびこれに対応する図に基づいて詳しく説明する。図は本発明の理解し易くするためだけに使用されるため、概略的でありまた縮尺どおりには描かれていない。したがってまた本発明はこれらの実施例に限定されない。同じ部分または同様の機能を有する部分には同じ参照符号が付されている。

図１には、２つのセンサからなるセンサ装置が電気回路図で示されており、
図２には、２つのカスケード段において互いに接続される８つのセンサの幾何学的な配置構成が示されており、
図３には同じ装置が電気回路図で示されており、
図４には３段にカスケードに接続された１２個のセンサの配置構成が示されており、
図５には２段にカスケード接続された１２個のセンサの別の配置構成が示されており、
図６には２段にカスケード接続された１２個のセンサのさらに別の配置構成が示されており、
図７にはセンサ面および回転物体の配置構成が示されており、
図８にはセンサ面を基準にした磁気素子の配置構成が示されている。

図１には本発明の簡単な実施形態が示されており、ここではホール素子として構成された２つのセンサＳＥ１，ＳＥ２が互いにカスケード接続されている。ホール素子とは、座標系のｘｙ平面に相応するその表面に十字形に配置された４つのコンタクトを有する半導体素子のことである。仮のＸ軸に配置されたコンタクトに沿った第１対に電圧を加えると、一方のコンタクトから他方のコンタクトに向かってＸ方向にバイアス電流が流れる。このホール素子に対してＺ方向に磁場が作用すると、Ｙ軸に前後に配置された相異なる２つのコンタクトにセンサ信号として、いわゆるホール電圧と称される電圧が取り出される。

２つのセンサは、例えば、図７に示したように回転物体Ｋの回転軸Ａに対して垂直な平面ＥＢ内に配置され、有利には回転軸Ａを基準にして同じ間隔でパスＳｐ上に、かつ有利には回転角方向に９０度位相をずれて配置される。回転軸には磁石が配置されておりかつこの磁石は物体Ｋに接続されているため、その磁場は、センサ面ＥＢ内に配置されたセンサ（ホールセンサ）に垂直に作用を及ぼすことができる。第１センサＳＥ１には電圧源ＳＱを介して第１制御電流が加えられる。第１センサ素子ＳＥ１で取り出されるホール電圧は、トランスインピーダンス増幅器として構成される第１増幅器Ｖ１に供給される。ここではアナログのセンサ信号が、これに比例する制御電流に変換される。関数sinＸの形でセンサ信号が角度に依存することにより、このセンサ信号も、増幅器Ｖ１によって形成される制御電流も共にsinＸに比例する。この制御電流はつぎにバイアス電流として第２センサ素子ＳＥ２に加えられる。そのセンサ信号は、ホール電圧として端子Ｔ１およびＴ２に加えられており、また別の処理部ないしは評価部に供給することができる。冒頭に述べた式
V_h ＝ B×Ｉ×Ｒ_h
によるホール電圧Ｖ_hの依存性に相応して、第２センサ素子ＳＥ２におけるホール電圧（第２センサ信号）は、上記の制御電流と、このホール素子のセンサ機能の角度依存性との積から得られる。第１センサ素子に対する第２センサ素子の位相のずれ（ここでは例えば９０°）に応じて、ここではsinＸ × cosＸに比例するセンサ信号を端子Ｔ１，Ｔ２において取り出すことができる。式
２sinＸcosＸ ＝ sin２X
よると、端子Ｔ１，Ｔ２に加わっているセンサ信号は、関数sin２Ｘに比例する電圧に相当する。これによって上記のセンサ装置により、検出すべき回転角Ｘを一義的に決定することができる２つの値のうちの第１の値が得られる。別の部分値として値cos２Ｘに比例するセンサ信号が必要である。これは式
cos２Ｘ＝cos²Ｘ-sin²Ｘ
にしたがい、図１に示したのと同様に２つのセンサを２回相応に結線することによって簡単に得ることができる。ここで値sinXないしはcosXは第１センサSE１のセンサ信号から得ることができ、またバイアス電流として第２センサに加えることが可能である。決定すべき回転角に対する角度依存性に相応してまた第１センサに対する相対位置に相応して、第２センサにより、入力側の関数と、sinＸまたはcosＸ関数との積が供給される。

同様に上記の２つのセンサは、バスに沿って位置パラメタを決定するため、ないしは磁石とセンサ装置との相対運動を決定するためにも使用することができる。

図２には、本発明による１センサ装置において接続される全部で８つのセンサの幾何学的な配置構成が示されている。この配置構成により、回転角を決定するのに必要な全データが、相応するセンサ信号の形態でアナログに得られる。全センサは、回転軸Ａを中心とした共通の円周に配置され、この回転軸は、これらのセンサを有する円の面に対して垂直である。すべてのセンサはホール素子として構成されており、またそのＸ軸およびＹ軸の配向は同じである。これらのセンサのうちの４つのセンサＳＥ１１〜ＳＥ１４は第１カスケード段を構成しており、また円弧上で互いにそれぞれ９０度ずれている。別の４つのセンサＳＥ２１〜ＳＥ２４は第２カスケード段を構成しており、同様に９０度だけ互いにずれており、またそれぞれ第１カスケード段の２つのセンサの間に配置されている。したがってセンサ装置全体のすべてのセンサＳＥ１，ＳＥ２は、上記の回転軸を中心点とした円周に沿って均等に配置されているのである。

角度Ｘに対して各センサを相応に配置することによって、ＳＥ１１のセンサ信号は、例えばsinＸに相当し、その一方でセンサ信号ＳＥ１２はcosＸ関数に相当する。ＳＥ１１に対して４５度だけずれている第１センサ素子ＳＥ２１により、sin(Ｘ＋４５°）に比例するセンサ信号が得られる。これに相応して、センサ素子ＳＥ２２により、cos(Ｘ＋４５°）に比例するセンサ信号が得られる。

図３には有利な結線が示されており、ここでは第１カスケード段のセンサ素子ＳＥと、第２カスケード段のセンサ素子ＳＥ２とは、それらの間に接続された増幅器Ｖを介して接続可能である。

第１カスケード段の全センサ素子ＳＥ１１〜ＳＥ１４は、電流源ＳＱに直列接続されているため、これらのすべてのセンサ素子を通して同じバイアス電流が流れる。センサ素子ＳＥ１１およびＳＥ１３は、回転軸Ａを基準にしたセンサ位置が、回転角Ｘ方向に互いに１８０°ずれているため、これらのセンサ素子により、絶対値は互いに等しいが向きが逆向きの電圧が供給される。これらのセンサ信号は、第１増幅器Ｖ１１ないしはＶ１３を介して制御電流に変換される。この制御電流は各増幅器の出力側に加えられまたセンサ信号に比例する。これらの２つの増幅器Ｖ１1およびＶ1３では大きさは同じだが、逆方向の制御電流が得られる。このためにこれらの２つの増幅器Ｖ１１およびＶ１３の出力側を逆平行に接続すれば、これらの電流を同相で足し合わせることができるのである。

足し合わされかつsinＸに比例するこの制御電流は、バイアス電流として第２センサＳＥ２１およびＳＥ２２に加えられる。第２センサＳＥ２１は第１センサＳＥ１１に対して４５°の位相のずれを有する。これに相応してこのセンサによって供給されるセンサ信号は、sin（Ｘ＋４５）に比例する。したがってこれに対応する増幅器Ｖ２１の出力側には、sinＸ × sin（Ｘ+45)に比例するバイアス電流との積が得られる。第２センサＳＥ２２は第１センサＳＥ１１に対し、９０度と４５度との和になる位相のずれを有するため、相応するセンサ信号はcos（Ｘ＋４５）に比例する。この場合に加えられるバイアス電流は、積sinＸ × cos(Ｘ＋４５°)に相当し、このバイアス電流が第２増幅器Ｖ２２において相応する電流に変換される。

これに相応して、第１センサＳＥ１２およびＳＥ１４により、それぞれcosＸないしは-cosＸに比例するセンサ信号が供給され、このセンサ信号は第１増幅器Ｖ１２およびＶ１４による増幅および変換の後、制御電流に変換され、ここでも同相で足し合わされて、バイアス電流として第２センサ素子ＳＥ２３およびＳＥ２４に加えられる。ＳＥ１２およびＳＥ１４から得られるセンサ信号を増幅器Ｖ２３およびＶ２４によって増幅した後、増幅器Ｖ２３の出力側に積cosＸ × (-sin(X＋４５））に比例する電流が、ないしは増幅器Ｖ２４の出力側に積cosＸ × (-cos(Ｘ＋４５))に比例する電流が得られる。

第２増幅器Ｖ２１およびＶ２４の出力側を並列接続することによって、端子Ｔ１およびＴ２において、相応する電流が足し合わされるため、cos（２X+45）に比例する電流信号が得られる。これに相応して、第２増幅器Ｖ２２およびＶ２３から得られる電流が足し合わされて、sin(2X+45)に比例する電流が端子Ｔ３，Ｔ４に供給される。

２倍の角周波数２Ｘの正弦に依存する、ないしはcos2Xに依存する２つの電流により、評価回路を介して簡単にかつ２倍の精度で値Ｘを決定することができる。

図４には３段のカスケード段に互いに接続することの可能な１２個のセンサの配置構成が示されている。ここで各カスケード段の４つのセンサは、同じ段内で互いに９０°ずらされている。第２カスケード段のセンサは、第１カスケード段のセンサに対して４５°だけずれており、これに対して第３カスケード段のセンサは、第１カスケード段のセンサに対して２２．５°だけずれている。２つの第１センサＳＥ１１およびＳＥ１３により、正弦に依存するセンサ信号が得られる。増幅して制御電流に変換した後、ＳＥ１１およびＳＥ１３による制御電流は、逆平行に足し合わされ、第２センサ素子ＳＥ２１にバイアス電流として加えられる。センサ素子ＳＥ２２には同じ電流が逆方向に加えられる。ＳＥ１２およびＳＥ１４から得られまた足し合わされ増幅されかつcosＸに依存する制御電流が、第２センサＳＥ２３にバイアス電流として加えられる。これに対してセンサＳＥ２４には、大きさは同じだが異符号のバイアス電流がバイアス電流として加えられる。

第３カスケード段では、第２カスケード段の２つずつの制御電流を足し合わせることによって得られる制御電流が第３センサＳＥ３に加えられる。つぎの表には再度センサ毎に、相応する回転角位置、バイアス電流の比例定数、バイアス電流の出所および所定の回転角に対するセンサ信号の依存性が示されている。

この表からわかるのは、ここでは一般的な方式とは異なり、第１カスケード段のセンサによって得られる制御電流がバイアス電流としてセンサＳＥ３３およびＳＥ３４に加えられることである。

第３カスケード段ＳＥ３の第３センサにより、sin３Ｘないしはcos３Ｘに依存する制御電流に変換可能なセンサ信号が得られる。例えば、第３センサＳＥ３２およびＳＥ３３の後段の増幅器において得られる制御信号を加えると、sin(３Ｘ45＋22.5)に比例する電流が得られる。これに相応して、第３センサＳＥ３１およびＳＥ３４に対応付けられている増幅器において制御電流を足し合わせることができ、ここではcos(３Ｘ＋45＋22.5）に比例する制御電流が得られる。ここで明らかであるのは、得られる信号がすべて、第１センサ素子ＳＥ１１の位置に相応して、仮想的に決定すべき値に対してそれぞれ67.5度のオフセットを有することである。このオフセットは、相応する評価ユニットにおいて補正することができ、またはこれは図４に示したセンサ装置の一定不変の特性である。しかしながら、回転角を絶対的にではなく、所定の時点（スタート点）を基準として検出しようとする場合には上記の補正は不要である。

ここで強調したいのは、図２および４に示した２つの実施例において、電流を平行および逆平行に接続することにより、加算および減算をアナログ回路において高い精度で実現できることである。必要な乗算はセンサによって行われ、ホール素子による精度が最も高くかつ最良の結果が達成される。

図５には本発明の別の実施例が示されており、ここでは第１カスケード段の４つのセンサと、第２カスケード段の８つのセンサとが接続されているセンサ装置が示されている。第１センサＳＥ１１〜ＳＥ１４は互いにそれぞれ９０度だけずれている。第２カスケード段の４つの第１のセンサＳＥ２１〜ＳＥ２４は、第１センサＳＥ１に対して22.5度だけずれている。これに対して第２カスケード段の４つの第２のセンサＳＥ２５〜ＳＥ２８は、第１センサに対して-22.5度だけずれている。

つぎの表は、ここでもすべてのセンサ素子に対して、位置、バイアス電流の依存性と、バイアス電流の成分および得られるセンサ信号を１２個のセンサについて示している。

上で示した結線により、センサを用いて求めた回転角の補間が、２倍に改善された精度で可能になる。評価に有利な信号は、制御電流を足し合わせることによって得ることができる。sin(２Ｘ＋45＋22.5）に比例する第１信号は、センサの制御電流の足し合わせＳＥ２５＋ＳＥ２７＋ＳＥ２６−ＳＥ２８によって得ることができる。値cos(２Ｘ＋45＋22.5)に比例する第２信号は、制御電流のつぎの組み合わせ、すなわち
Ｉ（ＳＥ２２）＋Ｉ（ＳＥ２４）−Ｉ（ＳＥ２１）＋ｌ（ＳＥ２３）
によって得ることができる。

ここでも第２段において得られるすべての信号は、基準点に対して67.5度のオフセットを有するが、これも上記のように補正することができる。

図６には、図５に示したセンサ装置の変形実施例が示されており、ここでは第２カスケード段のすべてのセンサは、回転軸Ａに対して、第１カスケード段ＳＥ１のセンサとは異なる間隔を有する。ここでこれらのセンサを図５と同様に互いに接続すると、この装置により、同じ結果が得られ、少なくとも制御電流の同じ相対的な依存関係が得られる。

図７には、物体Ｋに相応する磁石をセンサ面ＥＢ上に配置することが示されている。センサは、例えば、パスSpに沿って配置される。ここでは、基準点に対する円弧ないしはこれに対応する回転角に相応する位置パラメタＸが決定される。

図８には、極性が交互に配置されておりかつパスSpに沿って配向された複数の磁気素子（極）が示されており、これらの磁気素子は、パスSpに沿って位置パラメタを求めようとする物体に接続されているか、またはこの物体である。ここではセンサ面ＥＢと物体Ｋとの間の相対運動ないしは相対位置をつねに測定する。バスＳp上の各センサＳＥは、パスＳpに沿って相対運動すると、正弦波状に変化する磁場にさらされて相応してこれに比例するセンサ信号を供給する。したがって位置パラメタＸを有する位置におけるセンサ信号の値は値Sin(Ｘ＋Ｃ）に相応し、ここでＣは定数であり、基準点および相対的なセンサ位置の選択に依存する。上記の磁気素子ないしは装置の周期に対して線形の位置座標（位置パラメタＸ）を得るため、Ｘを計算によって正規化することができる。これは、Ｘ_N ＝２πＸ／Ｘ_pにしたがって値Ｘを正規化値X_Nに変換することによって行われ、ここでＸ_pは、磁気素子の配置構成における「磁気の周期」の長さ、すなわち規則的に配置した場合には２つの同極の間隔である。

上では複数の実施例に基づいて示したのは、回転角センサまた殊にホール素子をそれぞれ回転軸Ａの周りにアレイ状にグルーピングし、また互いにカスケード接続して、センサ装置によって達成可能な回転角決定の精度に対し、カスケード段当たりに１つだけ高いファクタが得られるようにしたさまざまな方式である。上記の実施例において選択された相異なるカスケード段におけるセンサのずれは、上記の値に制限されないが、上記の複数の実施例によれば評価が簡単になる。上記のセンサは、ホール素子として実施する必要もない。決定したい回転角の正弦に数学的に精確に依存する別のセンサも有利であり、ここでこれらのセンサは、バイアス電流なしに直接駆動される場合、先行するカスケード段の値ないしは先行するカスケード段のセンサの値を用いる相応に接続された増幅素子によっても変化させられる。

２つのセンサからなるセンサ装置の電気回路図である。 ２つのカスケード段において互いに接続される８つのセンサの幾何学的な配置構成を示す図である。 図２と同じ装置の電気回路図である。 ３段のカスケードに接続されている１２個のセンサの配置構成を示す図である。 ２段にカスケード接続された１２個のセンサの別の配置構成を示す図である。 ２段にカスケード接続された１２個のセンサのさらに別の配置構成を示す図である。 センサ面および回転物体の配置構成を示す図である。 センサ面を基準にした磁気素子の配置構成を示す図である。

Claims (18)

1. あらかじめ定めたパスに沿って運動する物体（Ｋ）の位置Ｘにおける位置パラメタを決定するセンサ装置において、
   - 値Ｘを基準とする第１センサ位置に第１センサ（ＳＥ１）が設けられており、該第１センサにより、値sin(X)に比例する第１センサ信号が形成され、
   - 第１増幅器（Ｖ１）が設けられており、該第１増幅器により、sin(Ｘ)に比例する第１センサ信号から第１制御電流が形成され、
   - 同じ構造の第２センサ（ＳＥ２）が、値Ｘを基準とする第２位置に設けられており、
   - 前記の第１増幅器によって形成される制御電流が第２センサ（ＳＥ２）に供給されることを特徴とする
   センサ装置。
2. 相異なるセンサ位置に設けられている複数のセンサ（SE1，…ＳＥｍ…ＳＥｎ）はｎ段のカスケードに互い接続されて、ｍ番目のカスケード段の少なくとも１つのセンサ（ＳＥm）に、その下のカスケード段ｍ-１に配置された１つまたは複数のセンサ（ＳＥ1_m-1）のセンサ信号から形成されるバイアス電流がそれぞれ供給され、ただし１＜ｍ＜ｎ、１＜ｎ＜５である、
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記の第１カスケード段に少なくとも２つのセンサ（ＳＥ１１，ＳＥ１２）が設けられており、
   第２カスケード段またはより高いすべてのカスケード段に少なくとも４つのセンサ（ＳＥ２１，ＳＥ２２，ＳＥ２３，ＳＥ２４）が設けられている、
   請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記のカスケード段のすべてのセンサ（ＳＥ）は磁気ホールセンサとして構成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
5. - 前記のカスケードの各段に２つのセンサ（ＳＥ）が設けられており、
   該センサは、同じカスケード段の各センサに対して、前記の値ｘについてずらされており、
   - 前記のカスケードのより高い段ｍの各センサに、前段のカスケード段に配置されているセンサによってそれぞれ得られる制御電流の差分または和から得られるバイアス電流を加える、
   請求項２から４までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. - 各カスケード段にｋ個、ただしｋ＞２のセンサが設けられており、
   - 前記のカスケードのより高い段ｍの各センサに、それぞれ前段のカスケード段の２つのセンサ（ＳＥ_m1，ＳＥ_m2）の制御電流の差分または和から得られるバイアス電流が加えられ、
   - 当該のより高いカスケード段の各センサに、前段のカスケード段から得られる別の制御電流の差分または和が供給される、
   請求項２から５までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 各カスケード段にｋ個のセンサが設けられており、
   該センサは、決定すべき量Ｘについて互いにずらされている、
   請求項２から６までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記のすべてのセンサ（ＳＥ）は共通のボードに配置されている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
9. １つのカスケード段のすべてのセンサ（ＳＥ）は、前記の物体（Ｋ）の回転軸に対して同じ間隔を有する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
10. 異なるスケード段のすべてのセンサ（ＳＥ）は、前記の物体の回転軸（Ａ）に対して異なる間隔を有する、
    請求項９に記載のセンサ装置。
11. - 評価ユニット（ＡＥ）が設けられており、
    - ｎ番目のカスケード段、したがって最後のカスケード段のセンサ（ＳＥｎ）または増幅器（Ｖｎ）によって供給される少なくとも２つのセンサ信号または制御電流が前記評価ユニットの入力側に加えられ、
    - 前記の評価ユニットにより、sin(ｎ×Ｘ)およびcos(ｎ×Ｘ)に依存する入力信号から回転角Ｘの値が決定される、
    請求項２から１０までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
12. 前記の増幅器（Ｖ）は、トランスインピーダンス増幅器として構成されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載のセンサ装置。
13. 物体（Ｋ）の回転角Ｘを決定する方法において、
    - カスケード接続される第１および第２センサ（ＳＥ１，ＳＥ２）が設けられており、該センサは、検出すべき回転角Ｘの回転方向に互いにずらされており、またそれぞれ回転角Ｘの正弦に対する依存性を有しており、
    - 第１センサによって供給されるセンサ信号をバイアス電流に変換して第２センサ（ＳＥ２）に加え、ここで第２センサ（ＳＥ２）のセンサ信号として、前記の加えられたバイアス電流と、当該センサによって検出されたsinＸ関数との積が得られ、
    - 当該の積から評価ユニット（ＡＥ）にてＸの値を求めることを特徴とする、
    物体の回転角を決定する方法。
14. - ２つの第１センサ（ＳＥ１１，ＳＥ１２）が設けられており、回転角Ｘ方向の当該センサのずれを選択して、一方のセンサにてセンサ信号がsinＸに依存し、また他方のセンサにてセンサ信号がcosＸに依存し、
    - 当該の２つの第１センサのセンサ信号からバイアス電流を形成して、該バイアス電流を少なくとも２つの第２センサ（ＳＥ２）に加える、
    請求項１３に記載の方法。
15. - 前記の回転角ｘ方向にそれぞれ互いにずらされた複数の第１センサ（ＳＥ）が設けられており、
    - 前段のカスケード段ｍ-１のセンサ信号または該センサ信号から形成した電流の加算または減算によって次の高い段のカスケード段ｍに対するバイアス電流を得る、
    請求項１４に記載の方法。
16. - センサ（ＳＥ）として磁気ホールセンサを使用し、
    - センサ信号としての各第１センサのsinxに依存するホール電圧を増幅器（Ｖ１）によって制御電流に変換して第２センサ（ＳＥ２）に対するバイアス電流として使用する、
    請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
17. - 第３センサ（ＳＥ３）が設けられており、該センサに前記の第２センサ（ＳＥ２）のセンサ信号から形成した制御電流をバイアス電流として加え、
    - 前記の評価ユニット（ＡＥ）に前記の第３センサのセンサ信号または該信号から形成した電流を供給する、
    請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
18. 前記の第１センサおよび別のセンサを直線状に配置し、
    当該の相異なるセンサと、磁石に接続された物体との角度関係から当該物体の位置Ｘを決定し、
    ここで当該の決定を、前記のセンサ装置によって決定した角度から、当該角度に対応する円弧を半径方向に投影することによって得られる位置に換算することによって行う、
    請求項１３から１７までのいずれか１項に記載の方法。

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