JP6359079B2 - 外部磁界に対して鈍感なホールセンサ - Google Patents

Description

従来技術
ホールセンサは、多くの技術分野で使用されている。例えば、ホールセンサは、回転運動、特に回転角度を非接触で検出するために使用可能である。

ホールセンサの測定信号は磁界依存性の信号である。したがって、ホールセンサは一般に、例えば電流を導通している線路又は磁石によってホールセンサの周囲に生じる障害磁界に対しても感応性を有する。例えば、ホールセンサでの障害磁界は、測定角度値の誤りを生じさせる。

発明の開示
したがって、センサ測定値が障害磁界に対して特に小さな感応性しか有さないことを保証する、改善されたホールセンサ及びその製造方法が要求されている。

この要求は、独立請求項に記載されている本発明の対象によって満たされる。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

以下に、装置の個々の特徴及び利点を本発明の実施例に則して詳細に説明する。

本発明の第１の特徴によれば、ホールセンサが提案される。ホールセンサは、第１の測定信号を形成するように構成された第１のホール素子対を備えている。ホールセンサは、さらに、第２の測定信号を形成するように構成された第２のホール素子対を備えている。本発明のホールセンサは、さらに、少なくとも１つの別のホール素子対を備えており、これを第３のホール素子対と称する。第３のホール素子対は、第３の測定信号を形成するように構成されている。第３のホール素子対のホール素子は、それぞれ、第１のホール素子対のホール素子と第２のホール素子対のホール素子との間に配置されている。第１の測定信号及び第２の測定信号及び第３の測定信号が結合されて、外部磁界に起因する誤差を考慮した１つの包括測定信号が形成されるように、前記ホール素子対は駆動可能である。

言い換えれば、本発明のアイデアは、２つのホール素子対を有する公知の構成に比べて、少なくとも１つの別のホール素子対を設け、その測定データを他の２つの測定信号と組み合わせて使用し、外部磁界に起因する誤差を計算によって除去できるようにすることに基づいている。この場合、ホール素子対は相互に角度をずらして配置されており、個々の測定値を比較することにより、例えば、定常的もしくは静的な外部磁界を、角度測定のためのホールセンサに対応する回転磁石の磁界から区別することができる。

付加的なホール素子対を備えたホールセンサの構成により、包括測定信号を外部磁界に対して鈍感に計算できる。さらに、本発明のホールセンサは、公知のセンサに比べて付加的なコストに結びつかない。

例えば、本発明のホールセンサは車両技術において使用される。特に、改善されたホールセンサはハイブリッド車両及び電気車両で有利に利用可能である。ハイブリッド車両及び電気車両では多数の電流導通線路、永久磁石、電磁石及びパワーエレクトロニクス回路等が設けられているので、これらの素子とホールセンサとの間に相互作用が生じる。本発明のホールセンサはこうした相互作用を考慮して、包括測定信号の計算の際にこれを補償する。

例えば、角度測定のためのホールセンサは、電気的なスロットル装置及び電気的な制御弁、特にスロットルバルブにおいて使用される。また、ホールセンサは、バルブ用の調整素子（汎用アクチュエータＧＰＡ）の角度位置を求めるためにも用いられる。さらに、ホールセンサは、アクセルペダルモジュールＡＰＭ又はペダル値センサＰＷＧにおいても用いられる。

さらに、ホールセンサは、モータの回転速度を求めるため、又は、ＡＢＳアプリケーションにおける車輪の回転周波数を求めるため、又は、車両のステアリングコラムのトーションバーのトルクを測定するためにも利用可能である。

ここで、ホールセンサは、磁界強度依存性センサとして、又は、特には磁界方向依存性センサとして構成される。ホールセンサは複数のホール素子を有する。ホール素子に電流が流れて例えばこのホール素子に対して垂直に延在する磁界が発生すると、出力電圧に対応する測定信号が送出される。当該出力電圧は磁界強度と電流との積に比例する。

さらに、ホールセンサをスピニングカレント式ホールセンサとして構成してもよい。この場合、複数の端子のそれぞれが電流供給端子及びホール電圧検出端子として用いられる。各端子の機能は順次に交換可能である。測定結果を相応に評価することにより、オフセット電圧を著しく低減できる。

ホールセンサの複数のホール素子は複数のホール素子対にまとめられている。ホール素子対は、同じ形態で互いに向かい合って配置されるホール素子を２つずつ含む。この場合、１つのホール素子対の２つのホール素子は、１つの接続線上、すなわち１８０°の角度に配置される。第１のホール素子対の各ホール素子の接続線と第２のホール素子対の各ホール素子の接続線とは交差しうる。また、第３のホール素子対の各ホール素子の接続線も、他のホール素子対の接続線と交差しうる。

ここでは、ホール素子は、包囲する構造体に固定に接続された定置のモジュールである。ホール素子は当該モジュールの角度位置を求めることができる。このために、回転するモジュールには、例えば、設定された磁界方向を有する永久磁石を固定できる。ホール素子ひいては永久磁石の回転は、第１のホール素子対によって、例えば正弦値又は磁界方向のｘ値に対応する第１の測定信号が求められる。第２のホール素子対によって、例えば余弦値又は磁界方向のｙ値に対応する第２の測定信号が求められる。さらに、第３のホール素子対によって、例えば正弦値又は磁界方向のｘ値に対応し、第１の測定信号との比較に用いられる第３の測定信号が求められる。ホールセンサに外部磁界が存在しなければ、第１の測定信号は第３の測定信号に対応する。外部磁界が存在すると、第３の測定信号は第１の測定信号から偏差する。当該測定信号間の偏差と、ホールセンサの個々のホール素子の既知の位置とから、外部磁界の影響が求められる。

このようにして、包括測定信号における、外部磁界に起因する誤差が考慮される。すなわち、例えば、所定の計算アルゴリズムを用いて、誤差を除去乃至補償できる。この場合、包括測定信号は、例えば、ホールセンサによって求めるべきモジュールの回転角度に対応する。

外部磁界は障害磁界とも称され、ホールセンサ近傍に延在する電流導通線路によって生じる。外部磁界の磁界方向は静的であるが、外部磁界の磁界強度は変化しうる。

本発明の有利な実施形態によれば、第１の測定信号及び第２の測定信号及び第３の測定信号はセンサ磁石の磁界方向に依存して変化する。つまり、各測定信号はセンサ磁界の方向を表す。

本発明の別の実施形態によれば、ホールセンサは、場合により磁界方向依存性である第４の測定信号を形成するように構成された第４のホール素子対を含む。第４のホール素子対のホール素子は、この場合、それぞれ、第１のホール素子対のホール素子と第２のホール素子対のホール素子との間に配置される。こうしたさらなるホール素子対を設けることにより、外部磁界の影響を良好に補償できる。包括測定値の補正を付加的に改善するために、ホールセンサが任意の数のさらなるホール素子対を含んでもよい。

特に、第４の測定信号は、例えば、余弦値又は磁界方向のｙ値を表し、第２の測定信号との比較に用いられる。ホールセンサに外部磁界が存在しなければ、第４の測定信号は第２の測定信号に対応する。外部磁界が存在すると、測定信号相互の偏差が生じる。個々のホール素子の偏差及び既知の位置から、外部磁界の影響をより正確に求めることができる。

本発明の別の実施形態によれば、第１のホール素子対は第２のホール素子対に対して９０°ずれて配置される。さらに、第３のホール素子対は、第１のホール素子対に対して４５°ずれて配置される。例えば、個々のホール素子は、１つの円の周上に配置される。また、第４のホール素子対を第１のホール素子対に対して−４５°ずらして配置すると有利である。つまり、第３のホール素子対と第４のホール素子対とは相互に９０°ずれることになる。このようにすれば、個々のホール素子の位置が既知となる。

本発明の別の実施形態によれば、ホールセンサは、さらに、測定装置を備える。ここでの測定装置は、第１の測定信号及び第２の測定信号及び第３の測定信号及び場合により第４の測定信号を求め、かつ、これらの信号を結合して、外部磁界に起因する誤差が最小化される包括測定信号を形成するように構成される。

測定装置は、この場合、マイクロプロセッサユニットである。特に、測定装置は、特定用途向け集積回路ＡＳＩＣ（アプリケーションスペシフィックインテグレーテッドサーキット）の一部として構成される。測定装置は測定信号を同時に又は連続的に検出するか又は読み出す。さらに、測定装置は、求められた測定信号に対して所定の計算アルゴリズムを適用するので、得られた包括測定信号では外部磁界に起因する誤差が最小化されている。例えば、計算アルゴリズムは、第１の測定信号と第３の測定信号との間で加減算及び平均値形成を行うことにより、求めるべき磁界について外部磁界のない正弦測定値を計算する。相応に、第２の測定信号と第４の測定信号とに基づいて余弦測定値も求められる。続いてアークタンジェントが形成され、これにより、出力された包括測定信号は、永久磁石の設けられた構造体の回転角度を表す。

本発明の別の実施形態によれば、ホールセンサは特定用途向け集積回路ＡＳＩＣの一部として構成される。すなわち、ホールセンサは、出力電子回路又は制御電子回路内に集積可能である。

本発明の第２の特徴によれば、上述したホールセンサの製造方法が提案される。本発明の方法は、第１の測定信号を形成するように構成された第１のホール素子対を設けるステップと、第２の測定信号を形成するように構成された第２のホール素子対を設けるステップと、第３の測定信号を形成するように構成された第３のホール素子対を設けるステップと、第３のホール素子対のホール素子を、それぞれ、第１のホール素子対のホール素子と第２のホール素子対のホール素子との間に配置するステップと、第１の測定信号及び第２の測定信号及び第３の測定信号が結合されて、外部磁界に起因する誤差を考慮した１つの包括測定信号が形成されるように駆動可能な、上記ホール素子対を構成するステップとを含む。

本発明の第３の特徴によれば、上述したホールセンサの、ハイブリッド車両もしくは電気車両での角度測定への使用が提案される。

本発明の別の特徴及び利点を、当業者が容易に理解できるよう、添付の図に示された実施例に則して、以下に詳細に説明する。なお、実施例は例示のためのものであり、本発明を限定しない。

公知のホールセンサの上面図である。 本発明の実施例の４つのホール素子対を備えたホールセンサの上面図である。 特定用途向け集積回路の一部としての図２のホールセンサを示す図である。 図２のホールセンサの個々のホール素子対の測定信号を示す図である。

全図を通して、本発明の実施例の装置及びその要素は概略的に示されているのみである。特に、それぞれの要素の間隔比及び寸法比は、図中では縮尺どおりに描かれていない。なお、複数の図にわたって対応する要素には同じ参照番号を付してある。

図１には、公知のホールセンサ１’が示されている。ホールセンサ１’は、磁界方向依存性センサとして構成されており、同一半径の周上に９０°ずつの角度で配置された４つのホール素子３’を備えている。それぞれ向かい合う２つのホール素子３’が協働して１つの出力信号もしくは１つの出力電圧を送出する。各ホール素子３’を相互に９０°ずつずらして配置することにより、正弦信号と余弦信号とが得られる。

ホール素子３’の測定信号は、構造体に固定された永久磁石の磁界方向に依存する。これにより、永久磁石の角度位置、ひいては例えばバルブなどの構造体の角度位置を求めることができる。ホール素子３’が磁界方向に依存するため、ホールセンサ１’は障害磁界もしくは外部磁界１９に対して感応性を有する。外部磁界１９は、例えば、ホールセンサ１’の近傍に延在する電流導通線路によって生じる。特に、定常的な外部磁界１９と回転する永久磁石の磁界１５とは、図２に示されているように重なることがある。この場合、ホールセンサ１’の出力信号に誤りが生じるので、例えば永久磁石を備えた構造体の角度位置のデータが誤ってしまう。

以下に、本発明のホールセンサ１を図２乃至図４に即して詳細に説明する。本発明のホールセンサ１によれば、外部磁界１９の影響がホールセンサ１の出力信号もしくは包括測定信号において低減される。

図２に示されているように、ホールセンサ１は、第１の測定信号２１を形成するように構成された第１のホール素子対５を備える。ホールセンサ１はまた、第２の測定信号２３を形成するように構成された第２のホール素子対７を備える。ホールセンサ１はさらに、第３の測定信号２５を形成するように構成された第３のホール素子対９を備える。ホールセンサ１はさらに、第４の測定信号２７を形成するように構成された第４のホール素子対１１を備える。

ホール素子対５，７，９，１１はそれぞれ、向かい合って配置された２つずつのホール素子３を有する。この場合、ホール素子３は、例えば円形に集積された磁束導通部材１３上に配置されている。磁束導通部材１３はホール素子３の領域の磁界を増幅する。

第１のホール素子対５は、第２のホール素子対７に対して９０°ずらされて配置されている。すなわち、第１のホール素子対５の一方のホール素子３が０°の位置にあるとき、第１のホール素子対５の他方のホール素子３は１８０°の位置にあり、第２のホール素子対７の一方のホール素子３は９０°の位置にあり、第２のホール素子対７の他方のホール素子３は２７０°の位置にある。

第１のホール素子対５及び第２のホール素子対７はここでは主特性曲線を形成している。例えば、図４に示されているように、第１のホール素子対５は第１の測定信号２１として正弦信号を形成する。第２のホール素子対７は第２の測定信号２３として余弦信号を形成する。ただし、外部磁界１９があると、これらの特性曲線が変形乃至歪曲され、計算の際に誤った角度データが生じてしまう。計算される角度データへの外部磁界１９の影響を低減するために、少なくとも１つの付加的なホール素子対が用いられる。図２の実施例では、付加的な２つのホール素子対９，１１が設けられる。これらの付加的なホール素子対９，１１の各ホール素子３は、第１のホール素子対５と第２のホール素子対７との間の空間に配置される。

第３のホール素子対９及び第４のホール素子対１１の各ホール素子３はそれぞれ第１のホール素子対５及び第２のホール素子対７の各ホール素子３の間に配置される。すなわち、例えば、第３のホール素子対９の一方のホール素子３は４５°の位置に、他方のホール素子３は２２５°の位置に配置される。さらに、第４のホール素子対１１の一方のホール素子３は１３５°の位置に、他方のホール素子３は３１５°の位置に配置される。

付加的な２つのホール素子対９，１１により、別の正弦状信号及び別の余弦状信号をそれぞれ１つずつ読み出すことができる。第３のホール素子対９で形成された正弦状信号は第３の測定信号２５と称される。第４のホール素子対１１で形成された余弦状信号は第４の測定信号２７と称される。全体として、図４に示されているように、ホールセンサ１は２つの正弦状特性曲線と２つの余弦状特性曲線とを形成する。

ホール素子対５，７，９，１１は、第１の測定信号２１及び第２の測定信号２３及び第３の測定信号２５及び場合により第４の測定信号２７の結合によって、外部磁界１９に起因する誤差を考慮した包括測定信号が形成されるように駆動可能である。すなわち、包括測定信号の計算時には、個々の測定信号２１，２３，２５，２７は、例えば計算アルゴリズムを用いて、外部磁界１９が包括測定信号に対して殆どもしくは全く影響を有さないように結合又は比較される。この場合、各ホール素子対５，７，９，１１の各ホール素子３の位置の知識を計算に利用できる。また、外部磁界１９が方向変化しない磁界であるのに対して、永久磁石を備えた回転構造体の磁界１５は方向変化する運動磁界であることも考慮される。例えば、包括測定信号は、正弦信号及び余弦信号の和の形成及びアークタンジェントの形成を基礎とすることができる。

したがって、計算された包括測定信号は外部磁界１９に対して大きく鈍感となる。このことは特にホールセンサ１をハイブリッド車両又は電気車両で使用する際に有利である。なぜなら、これらの車両では、特に多くの電気線路やパワーエレクトロニクス回路が外部磁界１９の源となるからである。

図３には、ホールセンサ１がＡＳＩＣ２９の一部として構成される実施例が示されている。この場合、同様にＡＳＩＣ２９に集積された測定装置１７が個々の測定信号２１，２３，２５，２７を読み出す。また、同様にＡＳＩＣ２９の一部として構成可能なマイクロプロセッサによって計算アルゴリズムを実行し、包括測定信号を出力してもよい。この場合、測定装置１７はマイクロプロセッサに集積可能であるか又はマイクロプロセッサとして構成可能である。

図４には、個々のホール素子対５，７，９，１１の測定信号２１，２３，２５，２７が示されている。ここで、ｘ軸には角度［°］が示されており、ｙ軸にはホール電圧［Ｖ］が示されている。

なお、「備える」などの語は、別の要素又は別のステップが設けられる可能性を排除するものでないことに注意されたい。さらに、「１つの」「所定の」などの語は、複数を排除しない。また、個々の特徴を種々の実施例に関連して説明したが、これらは相互に任意に組み合わせることもできる。さらに、特許請求の範囲における参照番号は本発明の範囲を規定するものではない。

Claims (8)

1. ホールセンサ（１）であって、
   第１の測定信号（２１）を形成するように構成された第１のホール素子対（５）と、
   第２の測定信号（２３）を形成するように構成された第２のホール素子対（７）と
   を備え、
   前記ホールセンサ（１）は、さらに、第３の測定信号（２５）を形成するように構成された第３のホール素子対（９）を備え、
   前記第３のホール素子対（９）の各ホール素子（３）は、前記第１のホール素子対（５）のホール素子（３）と前記第２のホール素子対（７）のホール素子（３）との間に配置されており、
   前記第１の測定信号（２１）及び前記第２の測定信号（２３）及び前記第３の測定信号（２５）に基づいて、外部磁界（１９）に起因する誤差を補償した１つの包括測定信号が形成されるように、前記第１、第２及び第３のホール素子対（５，７，９）は駆動可能であり、
   前記ホールセンサ（１）は、少なくとも前記第１の測定信号（２１）及び前記第２の測定信号（２３）及び前記第３の測定信号（２５）を求め、これらを結合して、外部磁界（１９）に起因する誤差が最小化される包括測定信号を形成するように構成された測定装置（１７）を有し、
   前記測定装置（１７）は、前記測定信号を同時に求めるように構成されており、
   前記包括測定信号の形成時に、前記測定装置（１７）が、前記第１、第２及び第３のホール素子対（５，７，９）の位置に依存した計算アルゴリズムを適用することにより、前記外部磁界（１９）が前記包括測定信号に与える影響を除去する、
   ことを特徴とするホールセンサ（１）。
2. 前記第１の測定信号（２１）及び前記第２の測定信号（２３）及び前記第３の測定信号（２５）は、磁界方向依存性の信号である、
   請求項１記載のホールセンサ（１）。
3. 前記ホールセンサ（１）は、さらに、第４の測定信号（２７）を形成するように構成された第４のホール素子対（１１）を備え、
   前記第４のホール素子対（１１）のホール素子（３）は、それぞれ、前記第１のホール素子対（５）のホール素子（３）と前記第２のホール素子対（７）のホール素子（３）との間に配置されている、
   請求項１又は２記載のホールセンサ（１）。
4. 前記第１、第２、第３及び第４のホール素子対（５，７，９，１１）は、４つの測定信号（２１，２３，２５，２７）のそれぞれが他の３つの測定信号のいずれかの補償に用いられるように配置されている、
   請求項３記載のホールセンサ（１）。
5. 前記第１のホール素子対（５）は前記第２のホール素子対（７）に対して９０°ずらされており、
   前記第３のホール素子対（９）は前記第１のホール素子対（５）に対して４５°ずらされている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のホールセンサ（１）。
6. 前記ホールセンサ（１）は、特定用途向け集積回路（２９）の一部として構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のホールセンサ（１）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のホールセンサ（１）の製造方法であって、
   第１の測定信号（２１）を形成するように構成された第１のホール素子対（５）を設けるステップと、
   第２の測定信号（２３）を形成するように構成された第２のホール素子対（７）を設けるステップと
   を含む方法において、
   当該方法は、さらに、
   第３の測定信号（２５）を形成するように構成された第３のホール素子対（９）を設けるステップと、
   前記第３のホール素子対（９）のホール素子（３）を、それぞれ、前記第１のホール素子対（５）のホール素子（３）と前記第２のホール素子対（７）のホール素子（３）との間に配置するステップと、
   前記第１の測定信号（２１）及び前記第２の測定信号（２３）及び前記第３の測定信号（２５）に基づいて、外部磁界（１９）に起因する誤差を考慮した１つの包括測定信号が形成されるように駆動可能な、前記第１、第２及び第３のホール素子対（５，７，９）を構成するステップと
   を含む
   ことを特徴とするホールセンサの製造方法。
8. 車両での角度測定用のホールセンサ（１）である、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のホールセンサ（１）。

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