JP5235015B2 - オフセットを受けるセンサ信号を処理するための方法及びその方法を実行するために設計されるセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、各サイクルが、２ｎ（ｎ＝１、２、．．．）の連続した位相を有する、複数の測定サイクルにおいて異なる駆動を用いて動作するセンサからの、オフセットを受けているセンサ信号を処理するための方法に関し、個々の位相のセンサ信号は増幅器において増幅され、その後、アナログ／デジタルコンバータを用いてデジタル化され、増幅され、デジタル化された、各測定サイクルの個々の位相の信号を合算して、測定サイクル毎のオフセット低減出力信号が得られ、そのセンサ信号は、増幅する前に変調器において変調され、増幅した後に復調器において再び復調される。また、本発明は、その方法を実行するように構成されるセンサ装置に関する。

概ね全てのセンサの用途において、センサ信号のオフセットが生じ、それは製造によって、また他の外部の影響によっての両方で引き起こされることがある。これらのオフセットの低減又は補償は、測定精度を高める上で極めて重要である。中でもホールセンサにおいて用いられる、オフセットを補償するための既知の技術は、いわゆるスピニング電流技術である。この技術を用いる良好なオフセット抑圧のための要件は、ホール素子が少なくとも４回回転対称になることである。このために、その素子の長さ及び幅は等しくなければならず、制御電流Ｉ_０及び／又は制御電圧Ｕ_０を加えるためのコンタクト、及びホール電圧Ｕ_Ｈ＝Ｕ_Ｈ＋−Ｕ_Ｈ−をタップするためのコンタクトは、同一になるように構成されなければならない。その際、４つのコンタクトを有するホール素子では、４つの異なる方向において制御電流が加えられことがあり、それに対して垂直にホール電圧がタップされることがある。これが、図１の４つの、いわゆるスピニング電流位相の概略図に基づいて示されており、当該４つの位相のそれぞれにおいて、４つのコンタクトを有する非対称なホール素子の等価回路図が示される。１つの測定サイクルは図示される４つの位相を含み、それらの位相は、ホール素子の異なる駆動を通じて異なる。各測定サイクルのこれら４つのスピニング電流位相の測定結果が合算される場合には、オフセットは、信号に対して、約１００分の１〜約１０００分の１に低減される。

４つの異なる位相を使用することに加えて、ホールセンサが８つの位相において駆動されるスピニング電流技術も既知である。それに応じて、この技術は、８回回転対称であり、８つのコンタクトを有するように実装されるホール素子を必要とし、その際、制御電流及びホール電圧は、４位相動作モードの場合のように各場合において位相間で９０°だけ回転するのではなく、４５°だけ回転する。原理的には、任意の回転角を実現することができるが、３６０°／（４×ｎ）の回転角のみがオフセットを低減するのに適している（ただし、ｎ＝１、２、．．．）。

スピニング電流法を実行するために、最初に、個々のホール成分を測定する必要があり、ホール成分は、特定の単相オフセットと、位相毎の磁気信号変動幅（travel）とを含む。しかしながら、単相オフセットは典型的には、磁気信号変動幅、すなわち、所望の測定される変数に比べて非常に大きい。これが、一例として図２の測定値によって示されており、正規化された磁界が右にプロットされ、デジタル化された後のホール素子の出力電圧が上にプロットされる。破線は、用いられるアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＵ）の桁でデジタル化された、特定のスピニング電流位相Ｐ０〜Ｐ３におけるホールコンタクト間の電圧に対応する。実線は、１０倍だけ拡大した、これら４つの電圧の平均値を表す。したがって、これは、４つの位相を合算した後の結果に、すなわち、スピニング電流技術を使用してオフセットを補正された測定結果に対応する。図２から明らかであるように、この測定において、単相オフセットは磁気信号変動幅よりも大きい。したがって、ＡＤＵは、個々の位相のオフセットによって主に制御される。過負荷は避けなければならないため、センサとＡＤＵとの間で典型的に用いられる増幅器の増幅は、センサの磁気的に誘導される出力信号には適合しないことがある。それは、単相オフセットを考慮して選択されなければならない。したがって、アナログ／デジタル変換の分解能は主に、単相オフセットによって制限され、信号変動幅にはよらない。これは分解能を、ひいては測定精度を低下させる。

センサ信号をさらに処理するために増幅器が用いられる場合には、これらの増幅器によって信号経路内に付加的なオフセットが頻繁に追加され、そのオフセットは個々の位相に加えられる。ホール素子及び増幅器のオフセットは、全ての製造されたシステムにわたって、確率的に、典型的にはガウス分布で分布するため、全オフセットの予想値も線形には増加しない。むしろ、それは、２つの実効値の二乗平均を計算することによって計算される。それにもかかわらず、増幅器に起因して、全オフセットの予想値の増加が生じ、それによって、ＡＤＵによって、磁気信号の分解能がさらに低下する。

増幅器のオフセットを補正するために、種々の方法が既知である。これらの方法のうちの最も重要なものは、オフセット較正又はトリミング、いわゆるオートゼロ又は相関二重サンプリング（ＣＤＳ）、及びチョッパ法である。

トリミング後のオフセットのドリフトは、オフセット較正では防げないことがあるが、このタイプのオフセットは、オートゼロ及びチョッパ法を用いて、補償することができるか、又は少なくとも減少させることができる。チョッパ法では、増幅器の前に、入力信号が変調され、増幅器の後で再び復調される。最も簡単な事例では、変調器は、対称な信号のためのスイッチによって実現され、それによって、入力信号が、一度反転される増幅器入力及び一度も反転されない増幅器入力に切り替えられる。出力における信号処理も同じように実行され、結果として、信号は変更されずに送信される。しかしながら、増幅器オフセット及び１／ｆ雑音は、チョッパ周波数及びその倍数まで変調されるため、大きく低減することができる。後段のローパスフィルタ（ＬＰＦ）が、これらの成分を除去する。

しかしながら、入力信号が小さく、その振幅がチョッパを用いない増幅器の入力関連オフセットよりも著しく小さい場合には、最大限取り得る振幅も、増幅器の固有オフセットによって、ここで既に制限されている。これが、図３〜図５を基にして説明される。このために、図３は、変調器１を用いる入力信号Ｖ_ｉｎの変調、増幅器２、増幅された信号を復調するための復調器３、そして、増幅器オフセットの成分及び１／ｆ雑音を除去するのに用いる下流のローパスフィルタ４を示す。増幅器２のオフセットは、この事例ではオフセット源５によって示される。この例では、振幅が０．１ｍＶで、オフセットがない正弦波入力信号が想定される。オフセットを受ける内部増幅器２は、オフセットがない増幅器、及び入力等価オフセット電圧源によって変調される。包絡線として入力信号Ｖ_ｉｎを有し、ｒｅｃｔ（ｔ）によって直交変調される信号Ｖ_{ｉｎＭｏｄ}が、入力信号Ｖ_ｉｎから生成される（オフセットはない）。図４から明らかになるように、入力制御はオフセットによって支配される。図５において明らかになるように、オフセットは、増幅器２の出力において有用な信号成分よりも圧倒的に大きい。ローパスフィルタ４の前の制御範囲は、有用な信号に起因して制御すべき範囲よりも、オフセットに起因して１１倍だけ大きくしなければならないことが明らかである。ローパスフィルタとしてスライディング平均値フィルタを使用しており、その積分区間は、変調信号ｒｅｃｔ（ｔ）のちょうど１周期に相当する。

チョッパ法の場合のような、スイッチを用いる補償の不都合な点は、スイッチ内の電荷注入に起因して生じる付加的なオフセット成分である。増幅器の実際のオフセットは著しく低減されるが、信号経路に付加的な電荷が注入され、それは、スイッチの寄生容量によって、付加的なオフセットとして現れる。この影響を相殺するために、低周波数において駆動され、それによって電荷注入によって引き起こされるオフセットも除去する、チョッパ増幅器を有する第２のチョッパ構成を用いることが既知である。これは、たとえば非特許文献１においてさらに詳細に説明される。

増幅器オフセットを低減するためのこれらの方法及び他の既知の方法では、増幅器そのもののオフセットしか低減又は除去されない。増幅器前の信号源において生じるオフセット成分には作用しない。それらのオフセット成分は、ホールセンサの場合に、スピニング電流法によって大きく低減される。しかしながら、オフセットがこのように既に大きく低減されているにもかかわらず、特にホール素子の場合に測定精度をさらに高めることが望まれている。

A. Bakker他著「A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100nV Offset」（IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 35, Number 12, December 2000, pages 1877-1883）

それゆえ、本発明の目的は、複数の連続した位相を有する複数の測定サイクルにおいて異なる駆動を用いて動作するセンサの場合に、測定精度をさらに高めることができるようにする、センサ信号を処理するための方法を規定することを含む。さらに、その方法を実行できるようにするセンサ装置が提供される。

その目的は、請求項１及び５に記載される方法及びセンサ装置によって達成される。その方法及びセンサ装置の好都合な実施形態は、従属請求項の発明内容であるか、又は以下の説明及び例示的な実施形態から推論することができる。

各サイクルが、２ｎ（ｎ＝１、２、．．．）の連続した位相を有する、複数の測定サイクルにおいて異なる駆動を用いて動作するセンサからの、オフセットを受けるセンサ信号を処理するための提案される方法では、個々の位相のセンサ信号が増幅器において増幅され、その後、既知の方法でアナログ／デジタルコンバータを用いてデジタル化される。増幅され、デジタル化された、各測定サイクルの個々の位相の信号を合算して、測定サイクル毎のオフセット低減出力信号が得られる。本方法では、センサ信号は、増幅される前に、変調器において、各測定サイクルのｎ個の位相のセンサ信号が負の数学符号で重み付けされ、その測定サイクルの残りのｎ個の位相のセンサ信号が正の数学符号で重み付けされるようにして変調される。このために、異なる数学符号で重み付けされ、変調後に同一の数学符号のオフセットを有する各２つの位相のセンサ信号から平均したオフセットが、増幅する前に、当該２つの位相の変調されたセンサ信号から減算される。増幅器の後段の復調器では、その後、変調された信号の復調が再び実行され、個々の位相の信号が、正しい数学符号で再び合成される。この方法では、復調後に実行されるか、又は復調器において実行されることが好ましいフィルタリングによって、増幅器のオフセットも低減することができる。このタイプのローパスフィルタ処理によれば、変調周波数又はそれよりも高い周波数で変調される信号成分は、既知の方法で遮断される。

本方法の設計では、センサとセンサ装置の出力との間の一連の信号処理構成要素の全オフセットが低減されるだけでなく、個々の位相のセンサ信号のオフセットが互いに個別に低減される場合には、このタイプのセンサの多相動作中の測定精度が高められることがあることが認識された。その方法によれば、既に増幅器に達しているセンサ信号のオフセットは低減されるため、それによって、その増幅はもはや、頻繁に大きくなるオフセットによって制限されることはなく、むしろ、測定信号を、さらに有意に適合させることができる。こうして、増幅器の制御範囲を改善して利用できることによって、小さな測定信号もさらに最適に処理することができる。このために、センサ信号のオフセットは、一度も理想的に補償される必要すらない。残った固有オフセットだけは、処理されることになる最大の有用な信号振幅よりも著しく小さくなければならない。それゆえ、本方法によれば、各成分そのもののオフセットが低減されるだけでなく、すなわち、スピニング電流法によってセンサのオフセットが低減され、且つチョッパ法によって増幅器のオフセットが低減される。むしろ、後段の一連の信号処理構成要素、詳細にはアナログ／デジタルコンバータ又は増幅器の制御範囲におけるその成分が、ホールセンサ内の磁気的に誘導される信号の変動幅のような、実際の測定信号に比べて著しく低減されるほど十分に、センサ及び増幅器から形成される一連の信号処理構成要素の全オフセットが低減される。この結果として、実際の測定信号によって制御範囲がより良好に使用されようになり、それゆえ、後段のアナログ／デジタル変換における分解能が高くなり、結果として精度が高くなる。

本特許出願は、増幅器と前置増幅器とを区別しない。したがって、増幅器は、１つ又は複数の前置増幅器であることもある。

本方法の基本的な概念は、増幅器において、又は増幅器の前に、測定サイクルの特定の位相のセンサ信号のオフセットを概ね補償する付加的なオフセットを人工的に生成することを含む。

理想的な場合には、センサのオフセットの補償も、このようにして既に達成されているため、このための多位相動作はもはや不要であろう。しかしながら、個々の位相のオフセットが安定していないため、このタイプのオフセット補償は実際には、厳密に１つの温度及び１つの動作電圧においてのみ可能である。実際には、単相オフセットは、センサの温度及び動作電圧にわたって非常に大きく変化する。さらに、このタイプの人工的に生成されたオフセットを、センサの動作中にセンサオフセットを補償するために必要とされるほど十分に長く安定させておくことができるか否かも未解決のままである。さらに、単相オフセットは、たとえば、センサハウジング内の機械的な引張り力に起因して、時間と共に変化することがある。人工的に導入されたオフセットは典型的には、センサのオフセットとは異なる温度応答を有する。それゆえ、互いに別々のオフセットドリフトが再び動作条件に依存するとき、後に合算することによってオフセットを改善する根拠である、多位相動作における単相オフセットの相関は、増幅器の人工的なオフセットではシミュレートされないことがある。その際、センサ装置の出力において得られる出力信号は、後に合算する多位相動作のみを適用して、付加的なオフセット補正を用いることのない場合に達成される信号よりも、高い確率で大きなオフセット有するであろう。

これらの問題は、本方法の設計においても認識されており、個々の位相の測定信号の付加的なオフセット補償を巧みに選択することによって考慮に入れられた。この場合、互いに対する相関を失うことなく、且つ／又は相関のないオフセット成分を導入することなく、単相オフセットが著しく低減された。一方では、個々の位相の測定信号から減算される人工オフセットは、提案された方法において特別に求められる。他方では、同じ人工オフセットによって低減される測定信号は、それぞれの場合に特別に変調される。これは、４つの位相を伴うスピニング電流動作において動作する、ホールセンサの例に基づいて、後に説明される。しかしながら、当然、その方法は、５つ以上の端子を有し、且つ５つ以上の位相で動作することもできるホールセンサにも適用されてもよい。さらに、本方法、及び関連するセンサ装置も、ホールセンサには限定されない。したがって、本方法によれば、同等の多相動作において用いられ、単相オフセットが特定の相関を有する全てのセンサの測定精度を改善することができる。その例は、図１のホールセンサ素子のための代替回路図に対応する個々のセンサ素子から形成されるブリッジ回路である。

ホールセンサにおける測定から、２つのスピニング電流位相が常に同じ数学符号を有する単相オフセットを有することが知られている。本方法においては、一方では、２つの位相が、変調によって異なる数学符号で重み付けされ、他方では、変調後に同一の数学符号のオフセットを有する２つの位相の平均オフセットが確かめられ、２つの位相の（変調された）測定信号に適用され、すなわち、測定信号から減算される。他の２つの位相の場合にも同じ手順が選択され、そのオフセットも同じ数学符号を有する。このステップによって、増幅器に適用される測定信号の信号レベルは、ホール素子において頻繁に生じるように、大きなオフセットほど特に著しく低減される。これによって、増幅器内の実際の有用な信号をより大きく増幅できるようになる。さらに、０点を中心とする特定の２つの位相の残りのオフセットは、この手順によって平衡になる。こうして、アナログ／デジタルコンバータの制御範囲は、一方では、対称に利用され、他方では、高い増幅が可能であるため、測定信号を、より高い精度で変換することができる。

特定の２つの位相のためのオフセットの補正値は、長期の安定性を有する必要はなく、温度及び他の動作パラメータにわたって、或る一定の変動を有することもできる。本方法において、これは無害である。なぜなら、測定信号の特定の変調の結果として、一度正に重み付けされた信号が得られ、復調後に一度負に重み付けされた信号が得られ、それゆえ、測定サイクル毎の測定信号の合算時に再び全測定値から系統的に除去されるためである。したがって、人工的に生成されるオフセットは、センサと復調器との間の範囲においてのみ役割を果たし、スピニング電流法の結果には入らない。それゆえ、本方法によるオフセット補償の既に良好な結果は悪化しない。しかしながら、他方では、増幅器及びアナログ／デジタルコンバータの利用可能な制御範囲がさらに良好に利用され、それによって、アナログ／デジタルコンバータにおいて、より高い分解能が達成されることがある。これは、センサ装置の測定精度も高める。

本方法において、変調された測定信号の復調は、アナログ／デジタル変換後に最初に実行されることが好ましい。これは、たとえば、デシメーションフィルタを用いて、復調をデジタル形式で実行することができるという利点を提供する。

さらなる好ましい実施形態では、そのセンサ装置は、いわゆる入れ子チョッパ法において動作し、その方法では、付加的な変調器及び復調器が、増幅器の直前及び直後に設けられる。この場合には、第１の変調器による変調よりも高い周波数において変調が実行され、増幅器オフセット、及び増幅器の１／ｆ雑音のより良好な抑圧を達成する。

その方法を実行するために提案されるセンサ装置は、起動ユニットを備えるセンサを有し、その起動ユニットによって、センサは、記述される多相動作において動作することができる。提案される方法に従ってセンサ信号を変調する変調器が、センサと、増幅するための増幅器との間に設けられる。変調器と増幅器との間にあるオフセット源が、その方法に従って求められる人工オフセットによってセンサ信号を低減するために用いられ、その人工オフセットは２つの位相毎に用いられる。増幅器の後段のアナログ／デジタルコンバータ及び復調器が、センサ信号をデジタル化するために、及び／又は、変調され、増幅された信号を復調するために用いられる。この場合、アナログ／デジタルコンバータは、増幅器と復調器、好ましくはデシメーションフィルタとの間に配置されることが好ましい。さらに、当然、オフセット低減のために、このセンサ装置において付加的な構成要素が用いられることもあり、たとえば、従来技術から既知であるように、入れ子チョッパ法によるセンサ装置の動作のための付加的な変調器及び復調器が用いられることもある。

提案される方法及び関連するセンサ装置が、添付の図面と関連する例示的な実施形態に基づいて、これ以降、より詳細に説明される。

ホールセンサのスピニング電流動作における４つの位相を示す図である。 ４つの位相におけるホール素子の測定されるセンサ信号の一例を示す図である。 チョッパ法の一例を示す図である。 チョッパ法において得られる信号の図である。 チョッパ法の出力信号の例示的なグラフである。 提案されるセンサ装置及び関連する方法の一例を示す図である。 本方法における人工オフセットを求める一例を示す図である。 人工オフセットによって低減されるセンサ信号の一例を示す図である。 復調後の図８の例を示す図である。 その例の結果として生じるスピニング電流（ＳＣ）出力値を示す図である。 センサ信号から減算される人工オフセットの設定の第１の例を示す図である。 センサ信号から減算される人工オフセットの設定の第２の例を示す図である。 提案されるセンサ装置の設計のさらなる例を示す図である。

本方法及び関連するセンサ装置が、複数の例に基づいて、これ以降、より詳細に説明され、４つのコンタクト又は端子を有するホールセンサが、測定サイクル当たり４つの位相を用いるスピニング電流技術で動作する。このタイプの動作、及び異なる位相の例示的なセンサ信号は、図１及び図２と関連する記述に対する導入部において、既に説明された。それゆえ、これらの図は、ここでは、より詳細には説明されない。

これは、図３〜図５にも当てはまり、それらの図は、センサのセンサ信号のオフセットを低減し、オフセットによって生じる増幅器の制御範囲の利用の低さを改善するためのチョッパ方法を示す。

増幅器オフセットを低減するためにこれまでに既知である全ての方法は、増幅器そのもののオフセットのみが低減又は排除されるという特徴を共有する。増幅器の前段の信号源において生じるオフセット成分は、この方策によって影響を及ぼされない。ホール素子のオフセットは、スピニング電流法を適用することによって、大きく低減することができる。しかしながら、このために、個々の位相のオフセットを含む、全てのスピニング電流位相のセンサ信号が、最初に増幅され、デジタル化されなければならない。このために、増幅器のオフセットと共に、特定の個々の位相のオフセットが、増幅器の最大限取り得る増幅率を減少させる。センサの感度が相対的に低いために、その出力範囲、又はさらなる増幅器段又はアナログ／デジタルコンバータのような、下流の信号処理ブロックの入力範囲によって許されるのは、限られた信号振幅のみであり、それは、ホールセンサシステム内のオフセットによって既に大きく占められている。

対照的に、本方法では、後段の一連の信号処理構成要素（増幅器及び／又はＡＤＵ）の制御範囲におけるオフセットの成分が、磁気的に誘導される信号の変動幅（有用な信号）に比べて著しく低減されるほど十分に、ホールセンサ及び増幅器から形成される一連の信号処理構成要素の全オフセットが低減される。この成分は現在、典型的には約６０％〜８０％である。これは、信号成分が２０％〜４０％のみであることを意味する。オフセットの成分は、多くても制御範囲のうちの５０％であることが望ましいため、信号成分は５０％以上まで上昇するであろう。その際、磁気振動変動幅そのものが、増幅の大きさを決定し、もはやオフセットを生じないための決定変数を表すであろう。しかしながら、他方では、この結果として、スピニング電流合算を適用した後に、出力信号のオフセットが悪化することはない。

これは、以下の例において達成され、その例では、図６に概略的に示されるように、一連の信号処理構成要素がオフセット電圧源８によって補われる。このために、ホールセンサ６の測定サイクルの異なる位相のセンサ信号は、変調器７において特別に変調される。その後、所定の人工オフセットＯ_１、Ｏ_２が、オフセット源８を介して、変調された信号から減算される。このようにして補正されたセンサ信号が、増幅器９において増幅され、その後、アナログ／デジタルコンバータ１０（ＡＤＵ）においてデジタル化される。

復調中に、変調器７によって、４つの位相のうちの２つが正に重み付けされ、２つの位相が負に重み付けされる。増幅器入力信号のこの数学符号変化は、増幅器後段のデシメーションフィルタ１１内のデシメーション中に数学符号として考慮に入れられ、全ての４つの位相の終了時に、デシメーションフィルタ１１内に正しい信号が再び存在するようになる。センサ信号が一連の信号処理構成要素に供給される際に数学符号が変化することによって、付加的な人工オフセット、厳密には増幅器及びＡＤＵの固有オフセットのようなオフセットが再び、チョッパ法によって、全てのスピニング電流位相を合算した最終的な結果において排除される。これは、温度及び他の動作条件とは独立して機能する。

図２からも明らかであるように、ホールセンサにおける測定から、２つのスピニング電流位相が常に、同じ数学符号を有する１つの単相オフセットを有することが知られている。この場合、スピニング電流位相Ｐ０及びＰ２のオフセットは、同じ数学符号を有する。これは、スピニング電流位相Ｐ１及びＰ３のオフセットにも当てはまる。全ての４つの個々の位相の全信号範囲は、約−４０００〜約＋５０００の値範囲に及ぶ。しかしながら、そのオフセットは確率変数であり、センサ間でばらつくため、そのシステムは、ＡＤＵ（アナログ／デジタルコンバータ）の信号範囲が両方向においてセンサの最大オフセットに適合し、それゆえ約−５０００〜約＋５０００に延在するように設計されるであろう。これは、アナログ／デジタルコンバータの約１０，０００定量化ステップである。本方法では、オフセットの変調後に同じ数学符号を有する特定の２つの位相の平均オフセットが求められ、増幅器の入力前に、これら２つの位相に適用され、すなわち、これらの２つの位相の測定信号から減算される。このために、図７は、変調後の４つのスピニング電流位相の測定信号をそれぞれ、磁界の関数として、そして個々に計算された平均オフセットＯ_１又はＯ_２の関数として示す。個々の位相のセンサ信号がそれぞれ、特定の２つのスピニング電流位相の場合に共有されるオフセットＯ_１、Ｏ_２によって補正される場合には、図８に示されるように、全ての４つのスピニング電流位相の測定値のための値範囲は、約−１８００〜約＋１８００に縮小されるであろう。これらは約３６００定量化ステップである。一方では、これによって、アナログ／デジタルコンバータの制御範囲が対称に利用される。ここで、スピニング電流位相のオフセットは、基準点軸に対して対称であるため、本技術は、オフセットバランシングとも呼ばれることがある。他方では、ここで、この例において、増幅が１０，０００／３６００＝２．８倍だけ増加することがあり、それによって、信号の分解能も２．８倍だけ改善される。この結果として、信号の分解能が少なくとも１．５ビットだけ増加する。

この例では、オフセットの補正は、位相Ｐ０及びＰ１の場合に共有される補正オフセットと、位相Ｐ２及びＰ３の場合に共有される補正オフセットとを用いて実行される。当然、別のホールセンサでは、位相の別の組み合わせを用いることもできる。本例とは対照的に、第１の位相が正に重み付けされ、第２の位相が負に重み付けされ、第３の位相が正に重み付けされ、第４の位相が負に重み付けされる（又は、その逆）のではなく、たとえば、第１の位相及び第４の位相が正に重み付けされ、第２及び第３の位相が負に重み付けされるように、変調を異なるように実行することもできる。

提案される手順の基本的な利点は、既に説明されているように、補正値がもはや長期の安定性を有する必要がなく、温度及び他の動作パラメータにわたって、或る一定の変動を有することもできることである。それは、一度正に重み付けされ、デシメーションフィルタにおいて実行されることもある合算が一連の構成要素の最後において行なわれる時点で、一度負に重み付けされるため、測定される値全体から系統的に除去される。これを果たすための要件は、２つの位相が常にオフセットを同時に補正されることができ、チョッパ装置によって異なる数学符号で処理されることである。その際、スピニング電流法の最終的な結果は、オフセットバランシングによって損なわれない。測定結果は同じであり、唯一の違いは、関与する増幅器及びアナログ／デジタルコンバータの制御範囲がより良好に利用され、それゆえ、測定結果の分解能がより高くなることである。

図９は、オフセット補正及び後続の復調後の４つのスピニング電流位相を示す。スピニング電流法が完全に実行された後に、すなわち、４つ全ての位相を平均した後に得られる出力信号が、図１０に示される。スピニング電流の結果から明らかになるように、制御範囲は依然として、単相オフセットによって強く影響を及ぼされる。オフセットを伴わないセンサ信号は、約−７００〜約＋７００の値範囲を有し、それは１４００定量化ステップの範囲に対応する。オフセットバランシングによる残りの単相オフセットは、それでも約±１１５０、すなわち２３００定量化ステップである。それにもかかわらず、分解能、それゆえ測定精度は、以前から既知である方法に比べて、少なくとも１ビットだけ高くなる。

図１１は、増幅器として線形差動入力段を用いる際の、提案されるオフセットセンタリングの実施の一例を示す。

線形増幅器の差動入力段では、プログラマブル電流源を介して、オフセットを制御することができる。これらのプログラマブル電流源は、図において、参照番号１２によって示される。これらの電流源を介して、線形増幅器９の入力信号から人工オフセットを減算することができ、それは、所望の人工オフセットに従って設定することができる。

図１２に示されるように、ＳＣ回路（ＳＣ：スイッチトキャパシタ）では、制御電圧源（Ｖ_Ｒｅｆ）と共に、スイッチトキャパシタを介して、オフセットを設定することもできる。

最後に、図１３は再び、ホールセンサ６と、変調器７と、オフセット源８と、増幅器９と、復調器１１とを有する本センサ装置の１つの例示的な設計を示す。この図には、ＡＤＵは示されない。本方法の動作モード、及び信号への影響は再び、図１３に基づいて再構成することができる。変調器の前に、個々の位相から成るセンサ信号は、複数の値、すなわち、＋Ｖ_Ｓｉｇ＋Ｖ_Ｏｆｆ０（位相Ｐ０）と、＋Ｖ_Ｓｉｇ＋Ｖ_Ｏｆｆ１（位相Ｐ１）と、＋Ｖ_Ｓｉｇ＋Ｖ_Ｏｆｆ２（位相Ｐ２）と、＋Ｖ_Ｓｉｇ＋Ｖ_Ｏｆｆ３（位相Ｐ３）とを有する。Ｖ_Ｓｉｇは、実際の有用な信号、すなわち、磁気信号変動幅によって理想的に測定される信号に対応する。Ｖ_Ｏｆｆは、特定の位相におけるホールセンサのオフセットに対応する。その際、個々の位相の信号は、以下の表に並べられるように、変調器において正又は負の数学符号で重み付けされる。変調器の後に、２つの位相にわたって平均した特定のオフセットＶ_Ｏｃ１又はＶ_Ｏｃ２が、オフセット源８によって減算される。その後、増幅器前の対応するより小さい信号が増幅され、復調器において再び、正しい数学符号で復調される。増幅器前の信号、復調器の数学符号、復調器からの出力信号Ｖ_ｏｕｔを、その表から推論することができる。スピニング電流法の合算を適用した後に、結果として、少なくとも概ね４倍の測定信号４×Ｖ_Ｓｉｇが生成される。オフセット成分Ｖ_Ｏｆｆ０、Ｖ_Ｏｆｆ１、Ｖ_Ｏｆｆ２及びＶ_Ｏｆｆ３の特性（絶対値及び数学符号）に起因して、４つのスピニング電流位相の信号が合算されるときに、それらは互いに相殺される。ホール素子のオフセットを低減するためのスピニング電流法は、それに基づいている。

一連の信号処理構成要素（増幅器及びＡＤＵ）の制御範囲は、提案される方法では対称に制御される。その方法によれば、増幅器の作用を大きくことができ、それによって、信号対雑音比が改善される。さらに、それによって、ＡＤＵの制御範囲がより良好に利用され、それゆえ測定値の分解能が高められる。本方法において人工的に加えられるオフセットは、チョッパ法に基づいて再び系統的に除去されるため、測定値は劣化しない。

同じ数学符号のオフセットを有する２つの位相のための特定の平均オフセットを確かめることができるように、本発明では、個々の位相のオフセットが、センサ毎に予め測定されなければならない。しかしながら、高い精度で測定するために、システムの較正が予め必要とされるため、付加的な労力は限度内に抑えられる。

１ 変調器
２ 増幅器
３ 復調器
４ ローパスフィルタ
５ オフセット源
６ ホールセンサ
７ 変調器
８ オフセット電圧源
９ 増幅器
１０ アナログ／デジタルコンバータ
１１ デシメーションフィルタ
１２ 制御電流源

Claims (8)

1. ２ｎ（ｎ＝１、２、．．．）の連続した位相を有する複数の測定サイクルにおいてそれぞれ異なる駆動を用いて動作するセンサ（６）の、オフセットを受けているセンサ信号を処理するための方法であって、
   個々の位相のセンサ信号は増幅器（９）において増幅され、その後、アナログ／デジタルコンバータ（１０）を用いてデジタル化され、該増幅され、デジタル化された、各測定サイクルの個々の位相の信号を合算して、前記測定サイクル毎にオフセットを低減した出力信号が得られ、
   前記センサ信号は、前記増幅の前に変調器（１）において変調され、前記増幅の後に復調器（３）において再び復調され、
   前記変調によって、各前記測定サイクルのｎ個の位相のセンサ信号が負の数学符号で重み付けされ、前記測定サイクルの残りのｎ個の位相のセンサ信号が正の数学符号で重み付けされることを特徴とし、
   異なる数学符号で重み付けされ、前記変調後に同じ数学符号のオフセットを有する各２つの位相の前記変調されたセンサ信号の前記増幅前に、前記２つの位相の前記センサ信号から平均したオフセットが減算される方法。
2. 前記復調は前記デジタル化後に実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも４つの位相を用いるスピニング電流動作において動作するホールセンサのセンサ信号を処理する請求項１もしくは２に記載の方法。
4. 前記センサ信号は、平均オフセットを減算した後に、前記増幅の前に、先にした変調の変調周波数よりも高い第２の周波数でさらに第２の変調器において変調され、それによって、前記増幅器の１／ｆ雑音を低減できるようにし、前記増幅後にフィルタリングされ、前記フィルタリング後に前記第２の周波数に関して第２の復調器で再び復調されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. センサ装置であって、
   センサ（６）と、
   起動ユニットであって、該起動ユニットによって、前記センサは、２ｎ（ｎ＝１，２、．．．）の連続した位相を有する複数の測定サイクルにおいてそれぞれ異なる駆動を用いて動作することができる、起動ユニットと、
   前記センサ（６）のセンサ信号を変調するための変調器（１）と、
   前記変調されたセンサ信号を増幅するための増幅器（９）と、
   前記増幅されたセンサ信号をデジタル化するためのアナログ／デジタルコンバータ（１０）と、
   前記増幅され、且つ／又はデジタル化されたセンサ信号を復調するための復調器（３）とを有し、
   前記変調器（１）は、各前記測定サイクルのｎ個の位相のセンサ信号を負の数学符号で重み付けし、該測定サイクルの残りのｎ個の位相のセンサ信号を正の数学符号で重み付けするように実施されることを特徴とし、
   オフセット低減ユニット（８）が設けられ、該オフセット低減ユニットは、異なる数学符号で重み付けされ、前記変調後に同じ数学符号のオフセットを有する前記位相のうちの各２つの位相の前記変調されたセンサ信号の前記増幅の前に、該２つの位相のオフセットから平均したオフセットを減算するセンサ装置。
6. 前記センサ（６）はホール素子であることを特徴とする請求項５に記載のセンサ装置。
7. 前記ホールセンサは、前記起動ユニットによって、少なくとも４つの位相を用いるスピニング電流動作において動作することができるホールセンサであることを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置。
8. 前記復調器（３）は、前記アナログ／デジタルコンバータ（１０）からの下流に接続されるデシメーションフィルタ（１１）であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のセンサ装置。

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