JP3986559B2 - 磁界センサ - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の磁界センサに関し、特に米国特許第３４４３２１３号明細書による磁界センサから出発する。この明細書では、発振器においてその磁気的にバイアスされた測定コイルが作動される磁界センサが記載されている。磁界強度の測定に対しては、補償手法が用いられている。この補償手法の実施に対しては、フィードバック回路が設けられている。しかしながらこの磁界センサは、自動車への適用に対しては問題が生じる。なぜならその測定信号が例えば温度変動による悪影響を受けるからである。
米国特許第５３３４９４４号明細書からは、センサ素子の出力信号の増幅のために差動増幅器を用いた磁界センサが公知である。この場合この差動増幅器の入力側と出力側は、センサ素子の逆通流のためにスイッチによって転極可能である。その場合このスイッチは制御ユニットによって同時に操作され、この場合測定すべき磁界方向を変化させる周波数よりも高い周波数で行われる。しかしながらこの回路装置は補償手法を用いて作動される方式の磁界センサではない。
さらに欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）第５４５０５８号明細書からは、自動車に適用可能な事故データ記録機器用の変化方向センサが公知である。この事故データ記録機器は、相互に垂直に配置された非晶質の強磁性体金属からなるそれぞれ１つのコアを有する少なくとも２つの円筒コイルを有している。この場合この２つのコイルの幾何学的軸線は、自動車への事故データ記録機器の組み込みの終わった後で実質的に水平方向に配向され、このコイルのインダクタンスは地磁気によって制御可能である。さらにこの場合実質的に同じように構成されたそれぞれ１つのコイルを含んだ発振器が設けられており、この発振器の作動範囲を確定するために、非晶質金属からなるコイルのコアが永久磁場によってバイアスされている。このコイルコアの磁気的バイアスは、これらのコイルに対して空間的に近傍に配設された、有利にはロッド形状の永久磁石によって行われる。この磁界がコイルを貫通する。この磁気的バイアスによれば、地磁気の作用によって引き起こされる発振器の周波数変動を、それらのｆ/Ｂ特性曲線の線形的な領域において取り出すことが可能となる。永久磁石の磁界による発振器動作点の確定は、実際に配向されている信号振幅（これはバイアスにける地磁気が重畳した場合に生じる）の考慮のもとで行われる。
欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）第５０３３７０号明細書には、コイル体と、巻線と、非晶質の強磁性体金属からなるコイルコアとを有する磁気制御式発振器のための振動回路コイルの構成に対する提案が示されている。
前記欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）第５０３３７０号明細書による装置は、次にような欠点を有している。すなわち所望の動作点が自動車の作動条件のもとでは不安定になる欠点を有している。これは測定品質に直接影響を及ぼす。この明細書に記載されている測定構造では温度ドリフトが問題となる。なぜなら永久磁石の磁気特性も非晶質金属のコイルコアの磁気も変化するからである。また永久磁石の材料とコイルコアの材料の温度特性が正反対である場合も、材料のとり合わせが極端に困難である。この場合は所望の動作範囲における非晶質金属の温度の影響と永久磁石の温度の影響が相反する方向で現れ、実際には不所望な温度の影響が常に測定結果に重なる。
その他にもこの種の磁界センサ装置の欠点は、発振器の動作点の設定に対する補償手段のコストが高くつくことである。この補償に対しては、磁気的バイアスを生ぜしめる永久磁石が、コイル周辺で空間的にシフトされ、これはコイルの誘導電圧の測定により所望の動作点を定める永久磁石の位置が求められるまで行われる。その後で初めてこの永久磁石はその位置に固定されなければならない。しかしながらこの手法は大量生産には向いていない。なぜならこの処置は、補償過程中の地磁気の重畳を排除するために、磁気的にシールドされた測定空間内でしか実施することができないからである。
空間的に測定コイル近傍におかれた永久磁石を有する磁界センサ装置は、次のような欠点も有している。すなわち、測定コイルを透過する磁気が均質になるように永久磁石を配置することが困難である。これに対してはコストのかかる特殊な形状付与が磁石に対して必要とされる。しかしながら永久磁石によるコイルの不均等な透過は、測定装置によって得られる測定精度にも影響を与える。
これらのすべての欠点は、自動車への適用分野における大量生産性と車両計器類に許されるコストレベルの条件を考慮すれば、冒頭に述べたような磁気センサに対してさらなる別の解決手段への模索を強いるものとなる。特に本発明の課題は、幅広い温度範囲に亘って安定した磁界測定が保証される解決手段を見いだすことである。
それ故に次のようなことが本発明によって提案される。すなわち磁界センサにおいて、
ａ）強磁性体金属コアを備えた第１のコイルと、
ｂ）制御装置からなり、
前記第１のコイルのインダクタンスは地磁気によって制御可能であり、前記第１のコイルは発振器の一部であり、前記発振器の周波数に関する動作領域は前記金属コアの永続的な固有磁気特性によって定められており、前記第１のコイルに作用する地磁気によって引き起こされる発振器周波数と、地磁気の影響なしでの発振器周波数である目標動作周波数との偏差が、制御可能なさらなる磁界による発振器のインダクタンスの制御を介して制御され、前記制御可能なさらなる磁界は、第２の電流通流コイルによって形成され、前記制御装置は、前記第２のコイルから形成される磁界が前記第１のコイルに作用する地磁気の作用を補償するように、前記第２のコイルを通る電流通流を制御し、
ｃ）前記第２のコイルの接続線路に複数のスイッチが設けられており、該スイッチは第１の制御ユニットによってそれぞれ同時に操作され、これによって第２のコイルを通る電流通流の方向が転換され、
ｄ）前記第１の制御ユニットは前記スイッチを、地磁気によって与えられる第１のコイルの通流方向を変化させる周波数よりも高い周波数で切換え、
ｅ）磁界センサの出力側が計算回路に接続されており、該計算回路は地磁気の存在のもとで電流通流の２つの方向に対してそのつどの絶対値を求め、その後で地磁気の磁界強度に比例する測定信号として、前記２つの絶対値の差分を求めるように構成する。
このように構成すれば、地磁気に起因する発振器周波数の変動が制御装置によって目標動作周波数へ制御される。この制御においては、非晶質金属コアを備えたコイルからなる発振器のインダクタンスが、所定のように制御可能な第２の磁界による作用を受け、発振器周波数の制御に必要なエネルギが地磁気の強度に対する尺度として評価される。それに対しては第２のコイル、いわゆる補償巻線が有利には第１のコイル、つまり発振器コイルを越えて巻回される。この第２のコイルを流れる電流は、電子制御装置によって次のように制御される。すなわち第２のコイルによって形成される磁界が、第１のコイルに対する地磁気の作用をちょうど補償するように制御される。これに対しては発振器周波数が適切な電子整合回路を介して制御器に供給される。この制御器は、第２のコイルを流れる電流の通流を、目下の発振器周波数と制御回路内に記憶されている目標動作周波数との比較に従って検出された発振器周波数と目標動作周波数の偏差に応じて制御する。これにより目下の発振器周波数が、第２のコイルの磁界の変化によって目標動作周波数に戻される。それに対して必要とされるエネルギは、第１はコイルに作用する地磁気の強度に比例しており、それ故に測定信号として利用することができる。
従来技法において永久磁石により行われていた発振器の動作点設定は、本発明の解決手段によれば、第２のコイルの電流通流により生ぜしめられる磁界によって行われる。この場合は、地磁気の存在しないもとで発振器動作点の達成に必要とされる制御装置から供給される電流の強度が、第２のコイル、すなわち補償コイルを通る電流通流の基準レベルを決定している。
適切な第１の制御ユニットによって、第２のコイルを流れる電流通流の方向が時間的なクロックで転極され、その際地磁気による第１のコイルの透過の方向よりも早く電流通流方向が変化し、さらに地磁気の存在のもとで２つの電流方向に対して地磁気の補償に必要な第２のコイルを通る電流のそのつどの強度が測定されるならば、２つの電流絶対値の差分形成によって、地磁気強度に比例した、温度の影響から一掃された測定信号が得られる。なぜなら２つの電流絶対値の減算によって、温度特性下におかれ発振器動作点設定に必要とされる、制御装置から供給される電流の成分がちょうど取り出せるからである。
さらに第１のコイルの寄生電流成分の排除すべき場合には、この第１のコイルを流れる電流の通流方向をさらなる制御ユニットによってクロック制御下で切換てもよい。
以下では本発明の実施例を３つの図面に基づいて詳細に説明する。この場合、図１は本発明による磁界センサのブロック回路図であり、図２Ａ並びに図２Ｂは、第２のコイルにおける２つの通流方向に対する制御装置の動作特性曲線を示したものであり、図３は第２のコイルの２つの通流方向に対する２つの電流絶対値の差分と地磁気の磁界強度との間の線形的関係を示した図である。
実施例
図１にはＬＣ発振器１が示されている。この発振器は、第１のコイル２によって作動される。発振器周波数ｆ_0szを、インダクタンス２に対する地磁気Ｈ_Eの作用にもかかわらず一定に維持するために、磁界強度に依存する正弦状の発振器周波数ｆ_0szが、適切な整合回路４によってまず有利にはデジタル利用可能な矩形信号に変換され、その後で周波数/電圧変換器５に供給される。この周波数/電圧変換器５の出力側は減算素子６に接続されている。この減算素子６においては目下の発振器周波数ｆ_0szに比例する電圧値ｕ_istが、固定的に設定された電圧目標値ｕ_soll（これは発振器の理想的な目標動作周波数ｆ_{0sz soll}に相応する）から減算される。この発振器の目標動作周波数ｆ_{0sz soll}とは、発振器が無負荷の状態で、つまり地磁気Ｈ_Eの存在しないもとで自身の動作点をとる周波数である。このＨ_Eとは、コイル長手方向での地磁気の成分を表している。２つの電圧値ｕ_sollとｕ_istの差分は、例えばＰＩ制御器として構成される制御器７に供給される。この制御器７は補償コイルとして作用する第２のコイル３に対する電流Ｊを次のように設定する。すなわち前記電圧差（ｕ_soll−ｕ_ist）がほぼゼロとなり、地磁気Ｈ_Eによって生じる第１のコイル２のインダクタンスの変化と、それに基づいて生じる発振器周波数ｆ_0szの変化が補償されるように設定される。これにより発振器周波数ｆ_0szは、制御装置の制御速度に応じて多かれ少なかれ一定に維持される。実際の実施例では、第２のコイル３が第１のコイル２に対する巻き込みによってもたらされる。しかしながらこの場合これら２つのコイルは電気的には相互に絶縁されたままである。有利にはこれらの２つのコイルが相互に正反対の巻回方向で配設されていてもよい。
第２のコイル３に対する電流通流Ｊの振幅は、コイル長手方向の地磁気Ｈ_Eの成分の強度に正比例しており、それに伴って地磁気の強度と同じように変化する。それ故に本来の測定量は直接、電流Ｊの振幅の評価によって導出可能である。それに対しては電流Ｊを電圧信号として評価できるようにするために、第２のコイル３を通って流れる電流Ｊが分路抵抗１０を介してアースＧＮＤに導かれる。しかしながらこの電圧信号の同じ成分のみが測定量に比例する尺度なので、この電圧信号はローパスフィルタとして構成されたろは器１１を介してアナログ/デジタル変換器１２にさらなる処理のために供給される。このさらなる評価は、マイクロプロセッサで支援された計算回路によって行われる。それに対するここでの詳細な説明は本発明の要旨には関係ないので省く。そのためこのマイクロプロセッサに支援された計算回路（この回路が前記Ａ／Ｄ変換器１２の出力側から測定信号を取り出す）は図１にも示されていない。
第２のコイル３の電流通流方向の転極に対してはその２つの電気的な接点がそれぞれ同期的にスイッチングされる、制御ユニット８によって操作可能な切換スイッチ９ａ，９ｂに接続されている。また第１のコイル２の２つの電気的な接点も、同期的にスイッチングされ制御ユニット１３によって操作可能な切換スイッチ１４ａ，１４ｂに接続されていてもよい。これは第１のコイル２を通る電流通流Ｊ₀を方向に関して交互に切換えるためである。これにより発振器の寄生的な電流成分も消去可能となる。この寄生的電流成分は、障害的な影響を及ぼす。これはＬＣ発振器１の交番磁界が理想的ではなく発振器自体の回路技術的な構造に起因して同等成分が重畳されることによって生じる。これは発振器１内部の不可避な交差電流を引き起こす。実際の構成においては制御ユニット８と１３は、同じもので構造的に統合されていてもよい。この制御ユニット８及び１３は、操作する切換スイッチ９ａ，９ｂと１４ａ，１４ｂを対毎に同期させてそれぞれ同じクロック周期でスイッチングさせる。この場合のクロックはミリ秒単位にある。
図２Ａには、２つの異なる作動温度Ｔ１，Ｔ２のもとでの制御装置に対する動作特性曲線が示されている。この場合は発振器１の周波数ｆ_0szが、バイアスと地磁気からなる、第１のコイル２に作用する磁界の磁界強度Ｈと、その磁界強度Ｈに比例する第２のコイル３の電流通流Ｊに亘ってプロットされている。スイッチ９ａと９ｂは、図２Ａにおいては図１に示されている位置をとっている。図２Ｂにも同じように作動温度Ｔ１，Ｔ２のもとでの動作特性曲線が示されているが、この場合は第２のコイル３の通流方向が逆である。すなわちスイッチ９ａと９ｂが操作された後のものである。
第２のコイル３を通る電流通流Ｊの振幅は、以下の３つの成分から構成される。
１．制御装置によって一定に維持された目標動作周波数ｆ_{0sz soll}のもとでの発振器１の動作点設定のための成分Ｊ_A。
２．発振器１における寄生的障害作用補償のための成分Ｊ_ε1ないしＪ_ε2。
３．外部からの地磁気成分Ｈ_Eの補償のために必要な成分Ｊ_M。
それにより、制御器７によってもたらされる、第２のコイル３の第１の通流方向における電流Ｊは、総体的に以下の式のようになる。
Ｊ₁＝Ｊ_A＋Ｊ_ε1＋Ｊ_M
動作点の設定に対す成分Ｊ_Aは、絶対値の点でｆ_0sz/（Ｊ，H）特性曲線図における特性曲線の位置に応じて変化する。この場合温度Ｔ１とＴ２に対する特性曲線は、例えば図２Ａと図２Ｂに示された位置をとる。スイッチ９ａと９ｂの操作によって第２のコイル３の通流方向が変化した後では、全体的に必要とされる電流Ｊは同じ地磁気Ｈ_Eの存在のもとで以下のように求められる。
Ｊ₂＝Ｊ_A＋Ｊ_ε2−_M
ここにおいて前記値Ｊ₁とＪ₂の差分が所定の温度（例えばＴ１又はＴ２）のもとで形成されるならば、以下の式が成り立つ。

なぜなら前記成分（Ｊ_ε1−Ｊ_ε2）が、方向的に入れ替わる第１のコイル２の通流によってほぼゼロにもたらされるからである。磁界センサに要求される精度に応じて、電流方向の入れ替えに必要とされるさらなるスイッチ１４ａと１４ｂが省かれてもよい。なぜなら成分（Ｊ_ε1−Ｊ_ε2）がＪ_Mよりも絶対値の点で小さいからである。
図からは、電流Ｊ_Mが地磁気Ｈ_Eの磁界強度に正比例していることがわかる（詳細にはコイル長さと巻回数からなるコイルの幾何学的定数に関してのみ）。この関係は図３において、差分電流（Ｊ₁−Ｊ₂）が地磁気Ｈ_Eの磁界強度に亘ってプロットされている明らかにされている。
本発明の回路装置によれば、自動車への適用分野における大量生産性と車両計器類に許されるコストレベルの条件に考慮した磁界センサの実現が可能となる。特に幅広い温度範囲に亘って安定した磁界測定を実現する課題が、前記回路装置を用いることによって容易に実施され得る差分測定手段によって簡単な形式で解決されるものとなる。

Claims (6)

1. ａ）強磁性体金属コアを備えた第１のコイル（２）と、
   ｂ）制御装置（１５）からなる磁界センサであって、
   前記第１のコイル（２）のインダクタンスは地磁気（Ｈ_E）によって制御可能であり、
   前記第１のコイル（２）は発振器（１）の一部であり、
   前記発振器（１）の周波数に関する動作領域は前記金属コアの永続的な固有磁気特性によって定められており、
   前記第１のコイル（２）に作用する地磁気（Ｈ_E）によって引き起こされる発振器周波数（ｆ_0sz）と、地磁気（Ｈ_E）の影響なしでの発振器周波数である目標動作周波数（ｆ_{0sz soll}）との偏差が、制御可能なさらなる磁界による発振器（１）のインダクタンスの制御を介して制御され、前記制御可能なさらなる磁界は、第２の電流通流コイル（３）によって形成され、
   前記制御装置（１５）は、前記第２のコイル（３）から形成される磁界が前記第１のコイル（２）に作用する地磁気（Ｈ_E）の作用を補償するように、前記第２のコイルを通る電流通流（Ｊ）を制御する形式のものにおいて、
   ｃ）前記第２のコイル（３）の接続線路に複数のスイッチ（９ａ，９ｂ）が設けられており、該スイッチは第１の制御ユニット（８）によってそれぞれ同時に操作され、これによって第２のコイル（３）を通る電流通流（Ｊ）の方向が転換され、
   ｄ）前記第１の制御ユニット（８）は前記スイッチ（９ａ，９ｂ）を、地磁気によって与えられる第１のコイル（２）の通流方向を変化させる周波数よりも高い周波数で切換え、
   ｅ）磁界センサの出力側が計算回路に接続されており、該計算回路は地磁気（Ｈ_E）の存在のもとで電流通流の２つの方向に対してそのつどの絶対値（Ｊ₁，Ｊ₂）を求め、その後で地磁気（Ｈ_E）の磁界強度に比例する測定信号として、前記２つの絶対値（Ｊ₁，Ｊ₂）の差分を求めることを特徴とする、磁界センサ。
2. 前記制御装置（１５）は実質的に、整合電子回路（４）と、周波数/電圧変換器（５）と、減算素子（６）と、制御器（７）とからなり、前記制御装置（１５）は、発振器周波数（ｆ_0sz）を前記整合電子回路（４）と周波数/電圧変換器（５）を介して前記制御器（７）に供給し、
   前記制御器（７）は、前記減算素子（６）にて実施された目下の発振器周波数（ｆ_0sz）と前記制御装置（１５）内に記憶されている目標動作周波数（ｆ_{0sz soll}）との比較に従って検出された発振器周波数（ｆ_0sz）の偏差に応じて前記第２のコイル（３）に対する電流（Ｊ）を制御し、これによって目下の発振器周波数（ｆ_0sz）が第２のコイル（３）の磁界の変化によってその目標動作周波数（ｆ_{0sz soll}）に戻される、請求項１記載の磁界センサ。
3. 前記制御装置（１５）は、発振器（１）の周波数に関する動作点を、前記第２のコイル（３）の通流によって形成される磁界によって設定し、地磁気（Ｈ_E）の存在しないもとで目標動作周波数（ｆ_{0sz soll}）によって表される発振器（１）の動作点の達成に必要とされる前記制御装置（１５）から供給される電流（Ｊ）の強度が、前記第２のコイル（３）を通る電流通流の基準レベルを定める、請求項１又は２記載の磁界センサ。
4. 前記第２のコイル（３）は前記第１のコイル（２）を越えて巻回されている、請求項１〜３いずれか１項記載の磁界センサ。
5. 前記第１のコイル（２）の接続線路にスイッチ（１４ａ，１４ｂ）が設けられており、該スイッチは第２の制御ユニット（１３）によって所定のクロックでそれぞれ同時に操作され、これによって前記第１のコイル（２）を通る電流通流（Ｊ₀）の方向が、発振器（１）内に寄生電流成分の除去のために転換される、請求項１〜４いずれか１項記載の磁界センサ。
6. 前記第１の制御ユニット（８）と第２の制御ユニット（１３）が１つの構成ユニット内で統合されており、これらの制御ユニットによって操作されるスイッチ（９ａ，９ｂ；１４ａ，１４ｂ）はそれぞれ同じクロックで切換られ、前記クロックはミリ秒単位にある、請求項５記載の磁界センサ。

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