JPH08501154A - ホール素子を有する幾何位置関係検出用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の装置は複数のホール素子からなる配置構成体と磁界源とを有する。ホール素子配置構成体と幾何位置関係を検出すべき対象物との間の相対的幾何位置に依存する磁気誘導度が形成される。ホール素子は相互に所定の間隔で所定のラインに沿って配置されている。補間回路が設けられており、この補間回路は少なくとも２つのホール素子のアナログ出力信号を補間する。

Description

【発明の詳細な説明】 ホール素子を有する幾何位置関係検出用装置 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による、幾何位置関係検出用のホール 素子を有する装置に関する゜ このような装置は基本的には、欧州公開特許第０１１５３９１号から公知であ る。この刊行物には、４つのホール素子を有する位置検出用のセンサ装置が記載 されている。これらのホール素子は相互に所定の間隔を置いて配置されている。 ここで有利には、それぞれ２つのホール素子のアナログ出力量が反対の極性で相 互に重畳され、これによりセンサ装置に作用する磁界の相対的磁界変化だけが評 価される。変化する磁界に対するセンサとして、対称の、広い意味では歯車形の 回転装置が使用される。ここでは、この回転装置により生じる磁界への影響度は 同種ではあるが、その影響度の相違は個々のホール素子の間隔に対して大きい。 ４つのホール素子は磁界変化の時間に関する二次導関数を送出する。ここで４つ のホール素子を使用するのは、これにより磁界変化が同じ場合に比較的に大きな 信号変化率が得られるからである。欧州公開特許第０１１５３９１号に記載され たセンサ装置は回転部材の相対位置検出に用いられ、それぞれ２つのホール素子 間の磁界差を検出することにより相対位置検出を行うものである。 幾何位置関係検出のための装置の多くの適用例においては、実際の瞬時の幾何 位置関係を例えば自動車構造においていつでも正確に検出することが必要である 。このことは欧州公開特許第０１１５３９１号に記載された装置では不可能であ る。刊行物「Halbleitersensoren」，Hrsg.Prof.Dr.Ing.W.J.Bartzら著、Expert Verlagの第６．４章、２５９頁以降、とくに第６．４．３章「Analoge Positio nserfassung」、２６５から２６７頁に、位置検出装置の基本が記載されており 、この装置は上記の基準を満たすものである。ここでは簡単に、ホール素子と運 動する永久磁石との間隔に依存するホール電圧が間隔基準として使用される。し かし６２５頁の図６．２０からわかるように、このような装置では間隔変化と磁 界変化との関係が線形である領域が非常に狭い。またこの装置は例えば温度に非 常に依存する。 この原理を内燃機関用のスロットルバルブ角度センサに適用することがドイツ 連邦共和国特許公開第３８２６４０８号に記載されている。ここでは永久磁石を 有する内燃機関用スロットルバルブ角度センサが記載されている。この永久磁石 はスロットルバルブシャフトの端部に取付けられており、一定の磁束を形成する 。この磁束の方向がスロットルバルブシャフトの回転に 依存して回転するのである。ここでは、永久磁石の外側を延在する磁束の主方向 に対して実質的に平行に、かつ永久磁石から間隔を置いて磁気感知素子、例えば ホール素子が配置されており、この素子を用いて磁束密度の変化が永久磁石の回 転結果として測定される。ここで測定された磁束密度の変化は電流増幅回路を介 して電気信号の相応の変化に変換される。 この場合、磁気感知素子の出力量には通常、磁界に依存しない均一量、いわゆ るオフセットが重畳されている。出力電流の場合は重畳された直流電流、出力電 圧の場合は重畳された直流電圧である。このオフセット並びに増幅度およびホー ル素子の線形性は素子により、また温度により非常に大きく変動する。さらに磁 気感知素子、例えばホール素子の線形領域は非常に制限されており、そのため前 に述べた公知の装置ではめんどうな補償が必要である。さらに前記の問題点のた め、このような装置の分解能、すなわちダイナミック領域ないし精度はさほど大 きくない。したがって正確な幾何位置関係検出も保証されなければならない適用 例では、短時間の電圧降下が発生しうる場合、通常は精密ポテンシオメータが使 用される。しかしポテンシオメータでは、老化ないし汚れや腐食による接点の悪 化の問題が発生する。 本発明の課題は、ホール素子を用いた幾何位置関係検出用装置で、前記の問題 が発生しないか、または発 生しても非常にわずかであるように構成することである。 この課題は請求の範囲第１項に記載された構成によって解決される。有利な実 施形態は従属請求項に記載されている。 本発明の幾何位置関係検出用装置は複数のホール素子と補間回路を有する。複 数のホール素子は直線に沿ってまたは所定のラインに沿って相互に所定の間隔で 配置されている。また補間回路は少なくとも２つのホール素子のアナログ出力量 を補間する。この補間は、所望の電気出力信号を磁気入力量の関数として得るた めである。このような構成によって、ホール素子列に沿った均一磁界の幾何分布 が検出される。ここでは、個々のホール素子の線形領域が個々のホール素子の出 力量の補間により、また個々のホール素子の幾何構成に依存して相互に重畳され る。この重畳は、検出すべき磁界の幾何変化と装置全体の出力信号との間に非常 に大きな線形領域が得られるように行う。ホール素子構成によって検出される磁 気誘導度が、ホール素子構成と幾何位置を検出すべき対象物との間の相対幾何配 置構成に、装置によって一義的に対応付けられることが保証されれば、補間回路 の出力信号の各レベルに検出すべき幾何位置を一義的に対応付けることができる 。この場合、個々のホール素子間め間隔の調整変化、個々のホール素子の動作点 の調整変化、並びに補間回路 の相応の構成によって、検出すべき幾何量と補間回路の出力信号のアナログ値と の間で線形関係を得ることができる。 検出すべき幾何位置関係と装置の電気出力信号との間の関係を有利にはモノリ シック集積回路で線形化することによって、装置全体の構造および等化が非常に 容易になる。この場合は、検出すべき幾何位置関係、例えばスロットルバルブ位 置と均一磁界の幾何分布との間にホール素子構成を介して線形関係が存在するこ とが保証されればよい。 本発明の装置では、均一磁界の幾何分布構成が検出される。これに対して公知 の装置では、幾何変化に起因する磁界強度の変化がその幾何分布には依存しない で検出される。 以下本発明を図面に基づき詳細に説明する。 図１は、磁界源と、複数のホール素子からなる構成と、補間回路とを有する本 発明の装置の斜視図である。ホール素子は例えば直線に沿って配置されている。 図２ａは、図１の構成と置換することのできる複数のホール素子の概略図であ る。 図２ｂは、図１の構成で複数のホール素子に作用する磁界分布ないし磁気誘導 度Ｂを位置に依存して示す線図である。 図２ｃは、図２ａの個々のホール素子に対するホール電圧経過を位置に依存し て示す線図である。 図３ａは、個々のホール素子に差動増幅器が配属された本発明の構成に対する 補間回路の実施例の回路図である。 図３ｂは、図３ａの補間回路の非反転出力信号の信号経過並びにこの補間回路 の個々の差動増幅器構成に対する相応の信号経過を示す線図である。 図３ｃは、補間回路の別の実施例の回路図である。 図４は、図１の磁界源を有する装置に使用するための、シールドに関練したブ ラインドの実施例の概略図である。この実施例は縦方向における局所磁界変化を 回転角に依存して生じさせるのに適する。 図５は、本発明の装置の別の実施例の概略図である゜ 図１は、磁界源Ｍｇを有する装置Ｑとの幾何関係を検出するための装置の実施 例を概略的に示す。磁界源Ｍｇは有利には永久磁石として構成されており、図１ の実施例では磁気誘導度Ｂを備えた、面状に分布する定磁界を発生する。図１の 構成は６つのホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５およびＨ６を含み、これ らのホール素子は実施例では直線Ｇに沿って次のように配置されている。すなわ ち、磁界源Ｍｇの磁力線がホール素子構成を基準にして実質的に相互に平行にな るように配置されている。磁界源を有する装置Ｑは、少なくとも磁界源Ｍｇとホ ール素子構成Ｈ１〜Ｈ６との間に延在するシールド装置Ｓｃｈを有し、このシー ルド装置は磁界源Ｍｇとホール素子構成との間の領域で所定の開口部ＯＰを有す る。この開口部ＯＰは絞りＢＬによって完全にまたは部分的に覆うことができる 。図示の実施例ではホール素子Ｈ１〜Ｈ６が直線Ｇに沿って配置されているので 、開口部ＯＰは細長く、直線Ｇに対して平行に延在している。絞りＢＬは対象物 ＥＧの運動に依存して、直線Ｇに対して平行に延在する線に沿って運動すること ができる。この対象物のホール素子構成Ｈ１〜Ｈ６に対する相対位置が検出され る。ここで、長手方向の絞りの開口幅は絞りの瞬時位置、すなわち対象物ＥＧの 区間１に沿った瞬時位置に依存する。この構成で磁界源Ｍｇを有する装置Ｑは、 対象物ＥＧの瞬時位置に依存し、複数のホール素子の所定の領域にわたって単位 面積あたり、ないし単位長さあたりで実質的に均質な磁界を発生する。この磁界 ないしこれに依存する磁気誘導度の加えられるホール素子はそれぞれ、磁気誘導 度に依存するホール電圧をその出力側に送出する。個々のホール素子Ｈ１，Ｈ２ 〜Ｈ６の出力側は補間回路ＩＰＳに接続されている。この補間回路ＩＰＳはその 出力側に個々のホール素子のホール電圧に依存して信号を発生する。補間回路Ｉ ＰＳの出力側は評価回路ＡＳの入力側と接続されている。複数のホール素子、補 間回路および評価回路は、図１の実施例ではただ１つの半導体ＨＬに集積されて いる。評価回路ＡＳは適用例に応じて種々に構成することが できる。例えば評価回路はアナログ／デジタル変換器を有することができる。 図４は、図１の構成に対する、磁界源を有する装置の選択的実施例を示す。シ ールド装置ＳＣＨはここではスリット状の実質的に細長い開口部ＯＰを有する。 この開口部は磁界源（図１参照）とホール素子（図１参照）との間でホール素子 の配列直線Ｇに対して平行に配列されている。絞りＢＬ１は特別な曲線状エッジ Ｋを有し、回転可能に回転点ＲＰに支承されている。回転点ＲＰは開口部ＯＰの 長手方向の中央線上にある。エッジＫは次のように成形されている。すなわち、 絞りＢＬＩの回転角変化が、絞りＢＬＩとシールド装置の開口部ＯＰによって形 成される開口の長さ変化に比例するように成形されている。図示の実施例では、 ９０゜の角度回転がこれに比例する長さ変化に変換される。 図２ａは、直線に沿って配置された１列のホール素子を概略的に示す。ここに は第１の素子Ｈ１、２つの隣接する素子ＨｉとＨｊおよびおよび最後の素子Ｈｎ が図示されている。ホール素子の総数はここではｎとすることができる。ただし 、ｎは１より大きい正の整数である。図２ａには各ホール素子に対する動作点電 流源ＩＨ１，ＩＨｉ−ＩＨｎが図示されている。さらに個々のホール素子ＵＨ１ ，ＵＨｉ，ＵＨｊおよびＵＨｎが示されている。 図２ｂはホール素子構成を介した磁気誘導度の電位経過を区間１に依存して示 す。ここには限界値が破線で示されており、例としての値が実線で示されている 。図からわかるように、本発明の装置は有利には、ホール素子構成に対して長さ に依存して一定の磁気誘導度を生じる。 図２ｃは、それぞれのホール素子Ｈ１，Ｈｉ，ＨｊないしＨｎにより発生され るホール電圧ＵＨ１，ＵＨｉ，ＵＨｊないしＵＨｎを長さ１に依存して概略的に 示す。 最も簡単な例では評価は次のように行うことができる。すなわち、ホール素子 を直列に接続し、これにより個々の出力電圧を加算するのである。これによりほ ぼ線形の関係が得られる。というのは、個々のホール素子は部分領域においては 線形の出力電圧を送出するからである。 図３ａは、本発明の装置に使用するための補間回路ＩＰＳの実施例を示す。図 示の補間回路は、各ホール素子Ｈ１，Ｈｉ、・・・Ｈｎに対して、電圧信号入力側 と電流信号出力側を有する差動増幅段を有する。個々の差動増幅段ＤＶｉ，ＤＶ ｊは共通の電流ノードにまとめられている。ここで差動増幅段ＤＶｉ，ＤＶｊの 正の出力信号Ｉｏｉ⁺，Ｉｏｊ⁺を導く出力側は共通の電流ノードＩＯ⁺にまとめ られ、負の電流出力信号Ｉｏｉ^-，Ｉｏｊ^-を導く差動増幅段Ｄｖｉ，ＤＶｊの信 号 出力側は共通の電流出力側ΣＩｏ^-を形成する。個々の差動増幅段ＤＶｉ，ＤＶ ｊの動作点はそれぞれ電流源を介して電流Ｉｏｉ，Ｉｏｊ，…により調整される 。各差動増幅段は、有利には対称の信号入力側を有し、この信号入力側は個々の ホール素子Ｈ１，…Ｈｉ，Ｈｊ…Ｈｎの信号出力側とまとめて接続されている。 したがってこの入力側には相応するホール電圧ＵＨｉ，ＵＨｊ，…が印加される 。図３ａに示された構成に対しては、それぞれの動作点が調整されたすべての電 流源Ｉｏｉ，Ｉｏｊ，…の全電流が一定であり、電流ΣＩｏを形成していること があてはまる。電流ΣＩｏはここで正の信号電流および負の信号電流から形成さ れる。すなわち、 ΣＩｏ＝ΣＩｏ^-＋ΣＩｏ⁺ があてはまる。 図３ｃは、図３ａに示された補間回路の別の実施例を示す。この回路は図３ａ の回路に対し、選択的に次のように修正されている。すなわち付加的に、差動増 幅器段のエミッタの間に負帰還抵抗Ｒｉが挿入接続されているのである。さらに コレクタ成分電流ＩＫ’をトランジスタから負帰還接続するためにそれぞれの電 流ノードΣＩｏ⁺またはΣＩｏ^-と接続することができる。さらに各評価段の入力 側には、選択可能な増幅度を有する個別のバッファ増幅器Ｖｉを前置接続するこ とができる。 図３ｂは、図３ａの装置の個々の正の電流信号Ｉｏ１⁺，Ｉｏｉ⁺，Ｉｏｎ⁺の 経過と、装置全体の電流信号Ｉｏ⁺の経過を、偶数のホール素子が使用された場 合に対して示す。図３ｂの図示は理想化されているが、しかし十分に、位置に依 存する磁界と補間回路ＩＰＳの出力信号との関係を、例えば図１に示された本発 明の装置について示している。位置と出力信号との関係の線形性は、この場合種 々の手段によって最適化することができる。例えばホール素子は相互に異なる間 隔で配置するか、または全体として異なる構成をすることもできる。さらに補間 回路の個々の差動増幅器段Ｄｖｉ，…の動作電流Ｉｏ１、…Ｉｏｉ，Ｉｏｊ，… Ｉｏｎを異なる大きさにすることもできる。さらに差動増幅器は種々の異なる幾 何構成を有することができる。補間回路ＩＰＳの差動増幅器への負帰還結合によ っても幾何構成の位置に依存する出力信号を変化することができる。補間回路を 構成する別の手段は、クロス結合された差動増幅器を使用することである。ここ でバイポーラ構成では、異なる大きさのエミッタ面積を有するそれぞれ２つのト ランジスタのベース端子がまとめて接続され、差動増幅器回路の入力ゲートを形 成している。さらに差動増幅器段を形成する４つのトランジスタのエミッタ端子 はまとめて接続され、定電流源を介して給電電位に接続されている。ここでトラ ンジスタのコレクタ端子はまとめて接続されている。これ らのトランジスタはエミッタ面積の点での信号入力側の点でも異なる。 図５は本発明の装置の別の実施例を示す。ここにも２つのポール間で平行磁界 を形成するための馬蹄形磁石に似た磁界源Ｍｇが設けられている。第１のポール Ｆｅ１は磁界源Ｍｇ固定結合している。第２のポールはその長手軸上に水平可動 に設けられている。図示の実施例では、第１のポールＦｅ１は磁界源Ｍｇの下方 に、第２の可動ポールは上方に設けられている。これらは例えば集積回路に集積 することができる。ポールＦｅ２の運動によって、ホール素子Ｈ１〜Ｈｎには多 少とも一定の磁界が通過する。設けられた評価回路の１つを評価すれば、ボール Ｆｅ２の運動に線形の出力電圧を形成することができる。 ホール素子による幾何位置関係検出のための本発明の装置の利点は、公知の装 置で生じる、オフセット信号、線形性および増幅度の温度依存性が実質的に、使 用されるホール素子の数の逆数に相応する係数だけ減少され、さらに比較的に大 きな幾何位置関係を検出することができることである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁界源と複数のホール素子からなる配置構成体とを有する装置によって幾何 構成関係を検出するための装置であって、 ホール素子配置構成体の磁界源を有する装置は、ホール素子配置構成体と幾何 位置関係を検出すべき対象物との間の相対的幾何位置に依存する磁気誘導度を発 生し、 ホール素子配置構成体は前記幾何位置に依存する磁気誘導度をアナログ電気信 号に変換するものである、ホール素子を有する幾何位置関係検出用装置において 、 複数のホール素子が相互に所定の間隔で所定の線に沿って配置されており、 補間回路が設けられており、 該補間回路は、それぞれ少なくとも２つのホール素子のアナログ出力信号を共 通のアナログ出力信号に補間することを特徴とする幾何位置関係検出用装置。 ２．２つの隣接するホール素子の間隔はそれぞれ同じ大きさである請求の範囲第 １項記載の装置。 ３．ホール素子は直線に沿って配置されている請求の範囲第１項または第２項記 載の装置。 ４．ホール素子は曲ったラインに沿って配置されてい る請求の範囲第１項または第２項記載の装置。 ５．ホール素子配置構成体と補間回路とは共通にモノリシックに集積されている 請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項記載の装置。 ６．各ホール素子（Ｈ１，…，Ｈｎ）に対する補間回路は差動増幅段（ＤＶｉ， ＤＶｊ）を有し、 該差動増幅段は電圧信号線路（ＵＨ_i；ＵＨ_j）と電流信号線路（Ｉｏｉ⁺，Ｉ ｏｉ^-；Ｉｏｊ⁺，Ｉｏｊ^-）を有し、共通の電流ノード（ΣＩｏ⁺，ΣＩｏ^-）に まとめて接続されている請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の 装置。 ７．差動増幅段は２つのトランジスタからなり、 該トランジスタのエミッタは電流源（Ｉｏｉ；Ｉｏｊ）を介して基準電位と接 続されており、 当該トランジスタのベース端子には入力電圧が供給され、 コレクタからは出力電流が取出される請求の範囲第６項記載の装置。 ８．トランジスタのエミッタ間には抵抗（Ｒｉ）が接続されている請求の範囲第 ７項記載の装置。 ９．一方のトランジスタの別のコレクタ端子を介してコレクタ電流（ＩＫ’）が 他方のトランジスタのそれぞれのコレクタ端子に供給される請求の範囲第７項ま たは第８項記載の装置。 10．バッファ増幅器（Ｖｉ）が設けられており、該バ ッファ増幅器は差動増幅器段（ＤＶＩ，ＤＶｊ）の入力側に前置接続されており 、該バッファ増幅器は調整可能な増幅度を有する請求の範囲第７項から第９項ま でのいずれか１項記載の装置。