特開 2017-151102 磁界の角度を測定する角度センサ及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-151102(P2017-151102A)

(43)【公開日】2017年8月31日

(54)【発明の名称】磁界の角度を測定する角度センサ及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20170804BHJP

   G01R 33/07 20060101ALI20170804BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/02 L

   G01R33/06 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-30354(P2017-30354)

(22)【出願日】2017年2月21日

(31)【優先権主張番号】16157316.7

(32)【優先日】2016年2月25日

(33)【優先権主張国】EP

(71)【出願人】

【識別番号】512092667

【氏名又は名称】セニス エージー

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】ブラゴジュビック，マージャン

(72)【発明者】

【氏名】ディミトゥリジュビック，ササ

(72)【発明者】

【氏名】ポポビック，ラディヴォジュ

(72)【発明者】

【氏名】ポポビック レネーラ，ドラガナ

(72)【発明者】

【氏名】スパシック，ササ

【テーマコード（参考）】

2G017

【Ｆターム（参考）】

2G017AA03

2G017AB07

2G017AD53

2G017AD55

2G017BA05

2G017BA15

(57)【要約】      （修正有）

【課題】平面内の磁界方向を測定するように構成される角度センサ、及び平面内の磁界方向を示す角度の測定方法を提供する。
【解決手段】第１の感度方向を有し、第１の電圧を供給する第１の磁界センサ１と、第２の感度方向を有し、第２の電圧を供給する第２の磁界センサ２と、第１のバイアス電流を第１の磁界センサ１に供給する第１の電流源３と、第２のバイアス電流を第２の磁界センサ２に供給する第２の電流源４と、第１の電圧及び第２の電圧の合計が０に等しくなるように、第１のバイアス電流及び第２のバイアス電流を調整するように構成される電子回路５とを備える、角度センサ。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の感度方向を有し、２つの電流端子と２つの電圧端子とを有する第１の磁界センサ（１）と、
第２の感度方向を有し、２つの電流端子と２つの電圧端子とを有する第２の磁界センサ（２）と、
第１のバイアス電流Ｉ_１を前記第１の磁界センサ（１）の前記電流端子に供給する第１の電流源（３）と、
第２のバイアス電流Ｉ_２を前記第２の磁界センサ（２）の前記電流端子に供給する第２の電流源（４）と、
信号Ｕが０に等しくなるまで前記バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を変化させることによって角度センサの感度方向を回転させ、前記信号Ｕが０に等しいときに前記角度センサの前記感度方向から前記角度αを決定するように構成される閉制御ループを形成する電子回路と
を備え、
前記第１の磁界センサ（１）及び前記第２の磁界センサ（２）の前記電圧端子が直列に接続され、前記直列接続電圧端子上に現れる電圧が前記信号Ｕを供給するためにタップされて増幅される、または、前記第１の磁界センサ（１）及び前記第２の磁界センサ（２）の前記電圧端子が並列に接続され、前記並列接続電圧端子に現れる電圧が前記信号Ｕを供給するためにタップされて増幅される、のいずれかであり、
あるいは、
前記角度センサが、前記第１の磁界センサ（１）の前記電圧端子に結合される第１の増幅器（６）と、前記第２の磁界センサ（２）の前記電圧端子に結合される第２の増幅器（７）と、前記第１の増幅器（６）及び前記第２の増幅器（７）の出力に結合され、前記信号Ｕを供給する出力を有する加算結合（８）とを備える、
平面内の磁界方向を示す角度αを測定するように構成される角度センサ。

【請求項2】

前記第１の感度方向及び前記第２の感度方向が角度δを含み、
前記電子回路が、前記第１のバイアス電流Ｉ_１をＩ_１＝Ｉ×ｓｉｎδ×ｃｏｓθとして、かつ、前記第２のバイアス電流をＩ_２＝Ｉ×（ｓｉｎδ−ｃｏｓδ）×ｓｉｎδ×ｓｉｎθとして提供して、角度θを変化させることによって、前記角度センサの前記感度方向を回転させるように構成され、量Ｉが定格電流強度を示し、量θが角度を示し、
前記電子回路がさらに前記角度αをα＝θ−９０°またはα＝θ＋９０°に決定するように構成される、請求項１に記載の角度センサ。

【請求項3】

前記角度δが９０°である、請求項２に記載の角度センサ。

【請求項4】

第１の感度方向を有し、第１の電圧Ｕ_１を供給する第１の磁界センサ（１）を提供することと、
第２の感度方向を有し、第２の電圧Ｕ_２を供給する第２の磁界センサ（２）を提供することと、
第１のバイアス電流Ｉ_１を前記第１の磁界センサ（１）に供給することと、
第２のバイアス電流Ｉ_２を前記第２の磁界センサ（２）に供給することと、
前記第１の電圧Ｕ_１と前記第２の電圧Ｕ_２との合計に比例する信号Ｕを形成することと、
前記信号Ｕが０に等しくなるまで、前記バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を調整することと、
前記信号Ｕが０に等しいとき、前記バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２の調整された値に基づいて角度αを決定することと
を含む、平面内の磁界方向を記載する角度αの測定方法。

【請求項5】

前記信号Ｕが０に等しくなるまで、前記バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を調整することが、前記第１のバイアス電流Ｉ_１をＩ１＝Ｉ×ｓｉｎδ×ｃｏｓθとして、かつ、前記第２のバイアス電流をＩ_２＝Ｉ×（ｓｉｎδ−ｃｏｓδ）×ｓｉｎδ×ｓｉｎθとして提供することであって、量Ｉが定格電流強度を示し、量θが角度を示し、量δが前記第１の感度方向及び前記第２の感度方向が含む角度を示す、提供することによって、かつ、前記信号Ｕが０に等しくなるまで前記角度θを変化させることによって、行われ、
前記角度αがα＝θ−９０°またはα＝θ＋９０°に決定される、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記角度δが９０°である、請求項５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、平面内の磁界方向を測定するように構成される角度センサ、及び平面内の磁界方向を示す角度の測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

磁界の方向を測定するように構成される角度センサは、たとえば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３で知られている。ホール素子の表面に並列な方向を指す磁界を測定可能な水平ホール素子を備える磁界センサは、たとえば、特許文献４で知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第６５４５４６２号明細書

【特許文献2】米国特許第８３２４８９１号明細書

【特許文献3】米国特許第８６２４５８７号明細書

【特許文献4】米国特許第５９４２８９５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、速くて信頼性のある角度センサを開発することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明によるセンサの基本概念は、可変の感度方向を有する磁界センサを提供すること、及び、磁界センサの感度ベクトルＳと磁界Ｂとのスカラー積がゼロ、すなわちＳ×Ｂ＝０となるまで感度方向を回転させることにある。

【0006】

平面内の磁界方向を示す角度αを測定するように構成される角度センサは、
第１の感度方向を有する第１の磁界センサと、
第２の感度方向を有する第２の磁界センサと、
２つの電流端子と２つの電圧端子とを有する第１及び第２の磁界センサのそれぞれと、
第１のバイアス電流Ｉ_１を第１の磁界センサの電流端子に供給する第１の電流源と、
第２のバイアス電流Ｉ_２を第２の磁界センサの電流端子に供給する第２の電流源と、
信号Ｕが０に等しくなるまでバイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を変化させることによって角度センサの感度方向を回転させ、信号Ｕが０に等しいときに角度センサの感度方向から角度αを決定するように構成される閉制御ループを形成する電子回路と
を含み、ここで、第１及び第２の磁界センサの電圧端子は直列に接続され、直列接続電圧端子上に現れる電圧は信号Ｕを供給するためにタップされて増幅される、または、第１及び第２の磁界センサの電圧端子は並列に接続され、並列接続電圧端子に現れる電圧は信号Ｕを供給するためにタップされて増幅される、のいずれかであり、あるいは、ここで、角度センサは、第１の磁界センサの電圧端子に結合される第１の増幅器と、第２の磁界センサの電圧端子に結合される第２の増幅器と、第１及び第２の増幅器の出力に結合され、信号Ｕを供給する出力を有する加算結合とを備える。

【0007】

第１の感度方向及び第２の感度方向は角度δを含む。好ましくは、角度δは９０°である。電子回路は好ましくは、第１のバイアス電流Ｉ_１をＩ_１＝Ｉ×ｓｉｎδ×ｃｏｓθとして、かつ、第２のバイアス電流をＩ_２＝Ｉ×（ｓｉｎδ−ｃｏｓδ）×ｓｉｎδ×ｓｉｎθとして提供することによって（量Ｉは定格電流強度を示し、量θは角度を示す）、かつ、角度θを変化させることによって、角度センサの感度方向を回転させるように構成され、電子回路はさらに、角度αをα＝θ−９０°またはα＝θ＋９０°に決定するように構成される。

【0008】

本発明によると、平面内の磁界方向を記載する角度αの測定方法は、
第１の感度方向を有し、第１の電圧Ｕ_１を供給する第１の磁界センサを提供することと、
第２の感度方向を有し、第２の電圧Ｕ_２を供給する第２の磁界センサを提供することと、
第１のバイアス電流Ｉ_１を第１の磁界センサに供給することと、
第２のバイアス電流Ｉ_２を第２の磁界センサに供給することと、
第１の電圧Ｕ_１と第２の電圧Ｕ_２との合計に比例する信号Ｕを形成することと、
信号Ｕが０に等しくなるまで、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を調整することと、
信号Ｕが０に等しいとき、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２の調整された値に基づいて角度αを決定することと
を含む。

【0009】

好ましくは、信号Ｕが０に等しくなるまで、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を調整することは、第１のバイアス電流Ｉ_１をＩ_１＝Ｉ×ｓｉｎδ×ｃｏｓθとして、かつ、第２のバイアス電流をＩ_２＝Ｉ×（ｓｉｎδ−ｃｏｓδ）×ｓｉｎδ×ｓｉｎθとして提供することによって（量Ｉは定格電流強度を示し、量θは角度を示し、量δは第１の感度方向及び第２の感度方向が含む角度を示す）、かつ、信号Ｕが０に等しくなるまで角度θを変化させることによって、行われる。次いで方法は、角度αをα＝θ−９０°またはα＝θ＋９０°に決定することをさらに含む。

【0010】

本明細書の一部に組み込まれ、その一部を構成する付属図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態を示し、詳細説明とともに、本発明の原理及び実施態様を説明することに役立つ。図はノンスケールである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明による角度センサの概略図を示す。

【図2】角度センサの感度ベクトルＳと磁界Ｂとの関係を示す図を示す。

【図3】本発明による角度センサの実施形態を示す。

【図4】いくつかの信号線図を示す。

【図5】本発明による角度センサのさらなる実施形態を示す。

【図6】ホール素子を有する本発明による角度センサの実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下において、同じ参照番号は、異なる実施形態における同じ要素を示すために使用される。最先端のＣＭＯＳ技術が、センサを作製するために使用されてもよい。

【0013】

図１は、本発明による角度センサの概略図を示す。互いに垂直に方向付けられる軸ｘ及びｙを有するデカルト座標系が、本発明を説明するために使用される。センサは、第１の磁界センサ１と、第２の磁界センサ２と、磁界センサ１及び２を作動させて、出力信号を提供するように構成される電子回路とを備える。磁界センサ１、２のそれぞれは、所定の感度方向Ｓ_ＡまたはＳ_Ｂをそれぞれ有する。第１の磁界センサ１の感度方向Ｓ_Ａはｘ軸に平行でもよく、第２の磁界センサ２の感度方向Ｓ_Ｂはｙ軸に平行でもよい。好ましくは、２つの磁界センサ１、２の感度方向Ｓ_Ａ及びＳ_Ｂは、互いに垂直に方向付けられる。しかしながら、磁界センサ１及び２は任意の他の方向を有してもよく、それらの感度方向Ｓ_Ａ及びＳ_Ｂは任意の角度δを含んでもよい。２つの磁界センサ１、２は理想的には、Ｓ_０によって示される同じ公称感度を有する。

【0014】

第１の磁界センサ１及び第２の磁界センサ２はそれぞれ、垂直ホール素子でもよく、または、並列に並べられた垂直ホール素子からなるクラスタでもよい。あるいは、第１の磁界センサ１及び第２の磁界センサ２は、たとえば米国特許第５９４２８９５号明細書で開示されている、第１の磁界センサ１がｘ方向を指す磁界に敏感であり、第２の磁界センサ２がｙ方向を指す磁界に敏感であるような、１つまたは複数の水平ホール素子と、１つまたは複数の磁界コンセントレータとからそれぞれなってもよい。各ホール素子は、４つの電気端子、すなわち、バイアス電流を供給する働きをする２つの電流端子と、ホール電圧をタップする働きをする２つの電圧端子とを備える。磁界センサ１、２はまた、電流によってバイアスされ、電圧を供給する、たとえば、ホイートストンブリッジを形成するように結合される４つの磁気抵抗レジスタからなる磁気抵抗（ＭＲ）センサなどの、任意の他のタイプの磁界センサでもよい。したがって、磁界センサ１及び２のそれぞれは、４つの電気端子、すなわち、バイアス電流を供給するように構成される２つの電流端子と、電圧をタップするように構成される２つの電圧端子とを備える。

【0015】

センサは、第１のバイアス電流Ｉ_１を提供する第１の電流源３と、第２のバイアス電流Ｉ_２を提供する第２の電流源４とをさらに備える。第１の電流源３は第１の磁界センサ１の電流端子に結合され、第２の電流源４は第２の磁界センサ２の電流端子に結合される。

【0016】

センサは、第１のバイアス電流Ｉ_１及び第２のバイアス電流Ｉ_２が以下の式によって互いに関連するような、第１の電流源３及び第２の電流源４を制御するように構成される第１の回路５をさらに備える。
Ｉ_１＝Ｉ×ｓｉｎδ×ｃｏｓθ （１）
Ｉ_２＝Ｉ×（ｓｉｎδ−ｃｏｓδ）×ｓｉｎδ×ｓｉｎθ （２）
ここで、パラメータＩは一定の定格電流強度を示し、パラメータθは角度を示す。

【0017】

角度δが９０°である場合、すなわち、感度方向Ｓ_Ａ及びＳ_Ｂが互いに直交する場合、式（１）及び（２）は以下のように変わる。
Ｉ_１＝Ｉ×ｃｏｓθ （３）
Ｉ_２＝Ｉ×ｓｉｎθ （４）
この場合、電圧Ｕ_１及びＵ_２は、以下の式によって与えられる。
Ｕ_１＝Ｓ_０×Ｉ_１×Ｂ_Ｘ （５）
Ｕ_２＝Ｓ_０×Ｉ_２×Ｂ_Ｙ （６）
ここで、Ｓ_０は磁界センサ１及び２の感度の大きさを示し、Ｂ_Ｘ及びＢ_Ｙはｘ軸またはｙ軸に沿った磁界の成分を示す。

【0018】

以下の実施形態では、角度δは９０°であるとする。

【0019】

１つの実施形態において、センサは、第１の磁界センサ１の電圧Ｕ_１を増幅するように構成される第１の増幅器６と、第２の磁界センサ２の電圧Ｕ_２を増幅するように構成される第２の増幅器７とをさらに備える。増幅器６及び７は理想的には、同じゲインｋを有する。第１の増幅器６及び第２の増幅器７の出力電圧は、加算結合８の入力に供給されて、そこで合計される。加算結合８の出力は以下の電圧を供給する。
Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）＝ｋ×Ｓ_０×Ｉ×（Ｂ_Ｘ×ｃｏｓθ＋Ｂ_Ｙ×ｓｉｎθ） （７）

【0020】

理想的な場合、磁界センサの感度、磁界センサに供給される定格電流強度、及び増幅器のゲインは、両方の磁界センサについて、すべて同じである。したがって、理想的には、磁界センサは、上記のように同じ感度Ｓ_０を有し、同じ定格電流強度Ｉが供給され、増幅器は同じゲインｋを有する。理想的な場合からの逸脱がある場合、これは較正ステップにおいて、たとえば、２つの増幅器６及び７の異なるゲインを調整することによって、または、異なる定格電流強度を調整することによって、修正されることがあり、その結果、上記の式が適用される。

【0021】

別の実施形態において、第１の磁界センサ１及び第２の磁界センサ２の電圧端子は、直列または並列に接続される。直列接続電圧端子上に現れる電圧Ｕ_１＋Ｕ_２は電圧Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）を供給するためにタップされて増幅されてもよく、または、並列接続電圧端子に現れる電圧は電圧Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）を供給するためにタップされて増幅され、量ｋはここでもゲインを示す。

【0022】

第１の回路５と、２つの電流源３、４と、２つの磁界センサ１、２と、増幅器６、７と、加算結合８とからなるセンサ、ならびに、上記段落で記載の構造及び要素を有するセンサは、バイアス電流Ｉ_１またはＩ_２、及び電圧Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）を供給する電圧出力のうちの１つをそれぞれ受ける、２つの電流入力を有するセンサである。センサは、感度Ｓの調整可能な方向を有する磁界センサとして使用することができる。ｘｙ平面内の感度Ｓの方向は、角度θによって与えられる。好ましくは、感度方向Ｓ_Ａ及びＳ_Ｂは互いに直交し、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２は式（３）及び（４）に従って設定される。電圧Ｕは、感度Ｓの方向を指す磁界の成分に比例する。第１の回路５は、角度θを受けるように構成される第１の入力を有する。

【0023】

角度センサは、電圧Ｕを受けるように構成される入力と、第１の回路５の第１の入力に結合される出力とを有する第２の回路９をさらに備える。以下において、
ｘｙ平面の磁界の実際の角度は角度α_Ｂとして示され、角度センサによって決定される角度は角度αとして示される。

【0024】

第１の回路５及び第２の回路９は、電圧Ｕがゼロに等しくなるまで、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を変化させるように構成される閉制御ループを形成する。本実施形態において、これは、磁界センサ１及び２に、それぞれ式（１）及び（２）に従って、バイアス電流Ｉ_１またはＩ_２を供給することによって行われ、Ｕ＝０まで、実行手段においては｜Ｕ｜≦Ｕ_Ｔまで、回路５及び９で形成される閉ループによって自動的に角度θを変化させる。ここで、Ｕ_Ｔは検出可能最小電圧を示す。Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）のとき、これは、第１の磁界センサ１及び第２の磁界センサ２の電圧の合計がゼロに、すなわち以下の式になるように調整されることを意味する。
Ｕ_１＋Ｕ_２＝０ （８）

【0025】

感度ベクトルＳと磁界ベクトルＢとのスカラー積がゼロであるとき、すなわち、Ｓ×Ｂ＝０とき、条件Ｕ＝０が満たされる。この式は、角度θ及びαが以下の式のうちの１つによって互いに関連付けられることを意味する２つの解決方法を有する。
α＝θ−９０° （９）
α＝θ＋９０° （１０）

【0026】

図２は、キャプション付磁界センサの感度ベクトルＳと磁界ベクトルＢとの関係、したがって、角度θとαとの関係を示す。Ｓ_１は第１の磁界センサ１の感度の大きさ及び方向を示すベクトルであり、Ｓ_２は第２の磁界センサ２の感度の大きさ及び方向を示すベクトルである。

【0027】

回路５及び９は、デジタル及び／またはアナログ回路から形成されてもよい。

【0028】

本発明による角度センサの概念は、可変の感度方向を有する磁界センサを提供すること、及び、磁界センサの感度ベクトルＳと磁界Ｂとのスカラー積がゼロ、すなわちＳ×Ｂ＝０となるまで感度方向を回転させることにあり、Ｓ×Ｂ＝０の場合にＵ_１＋Ｕ_２＝０であることを見いだすことからなる。そのため、
ａ）角度センサは、２つの電流端子及び２つの電圧端子をそれぞれ有する２つの磁界センサ１及び２を備える。
ｂ）第１の磁界センサ１及び第２の磁界センサ２の電圧端子は、電圧Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）を供給するように結合され、ここでｋは所定の増幅定数である。
ｃ）電圧Ｕ＝ｋ×（Ｕ_１＋Ｕ_２）が０になるまで、感度方向はバイアス電流Ｉ_１及びＩ_２を変化させることによって回転させられる。
ｄ）軸ｘ及びｙが広がる平面の磁界の測定される方向は、Ｓ×Ｂ＝０の場合、感度ベクトルＳは磁界ベクトルＢに垂直であるため、角度α＝θ−９０°または角度α＝θ＋９０°によって与えられる。

【0029】

図３は、本発明による角度センサの実施形態を示す。角度センサは、角度センサの作動を制御するクロック信号発生器１０を備える。第１の回路５は、ルックアップテーブル１１と、２つのＤ／Ａ（デジタルからアナログへの）変換器１２及び１３とを備える。２つの電流源３及び４は、電圧制御電流源である。クロック信号発生器１０の各クロックパルスＣＫ１で、第１の回路５は、その第１の入力で値θを得て、ルックアップテーブル１１のデジタル値ｓｉｎθ及びｃｏｓθを読みとり、Ｄ／Ａ変換器１２へデジタル値ｓｉｎθを、そしてＤ／Ａ変換器１３へデジタル値ｃｏｓθを供給して、角度αの値を更新する。Ｄ／Ａ変換器１２のアナログ出力は第１の電流源３に供給され、Ｄ／Ａ変換器１３のアナログ出力は第２の電流源４に供給される。したがって、第１の電流源３によって供給される電流はＩ×ｓｉｎθに比例し、第２の電流源４によって供給される電流はＩ×ｃｏｓθに比例する。電流源３及び４は、同じ定格電流Ｉを供給するように調整される。

【0030】

第２の回路９は、極性検出器１４と、信号検出器１５と、ＡＮＤゲート１６と、アップ／ダウンカウンタ１７とを備える。加算結合８の出力は、極性検出器１４の入力、及び信号検出器１５の入力に供給される。極性検出器１４は、その入力の電圧Ｕが正またはゼロである場合は１であり、その入力の電圧Ｕが負である場合は０であるバイナリ出力信号を供給する。信号検出器１５の出力及びクロック発生器１０のクロック信号ＣＫ１は、ＡＮＤゲート１６の２つの入力に供給される。信号検出器１５は、入力電圧Ｕの大きさに基づくバイナリ出力信号を供給する。入力電圧Ｕの大きさが検出可能最小信号より大きい、すなわち、所定の閾値Ｕ_Ｔより大きい場合、信号検出器の出力信号は１である。その他の場合には、信号検出器の出力信号は０である。

【0031】

ＡＮＤゲート１６の出力信号は、その入力のＡＮＤロジックに基づくバイナリ信号である。両方の入力信号が１である場合だけ、出力は１である。したがって、信号検出器の出力が１である場合、ＡＮＤゲートはクロックパルスＣＫ１を通過させ、信号検出器の出力が０である場合、クロックパルスをブロックする。

【0032】

クロック信号発生器１０の各クロックＣＫ１において、アップ／ダウンカウンタ１７は、極性検出器１４の出力信号が１である場合、その値を１単位増加させ、極性検出器１４の出力信号が０である場合、その値を１単位減少させる。アップ／ダウンカウンタ１７の値は第１の回路５に供給される。電圧Ｕがゼロである場合、すなわちＵ＝０の場合、アップ／ダウンカウンタ１７の値は一定のままである。電圧Ｕがゼロでない場合、アップ／ダウンカウンタ１７の値は、電圧Ｕがゼロに収束するまで、各クロックＣＫ１で変化する。アップ／ダウンカウンタ１７の値は、感度ベクトルＳの角度θを表す。

【0033】

アップ／ダウンカウンタ１７はその出力における値の限定数Ｎを提供し、最低値は角度θ＝０°に対応し、最高値は角度θ＝３６０°−３６０°／Ｎに対応する。数Ｎはたとえば、角度センサが１°の角度分解能を提供する場合、３６０とすることができ、または、角度センサが０．１°の角度分解能を提供する場合、Ｎ＝３６００とすることができる。

【0034】

本実施形態において、アップ／ダウンカウンタ１７の値は、電圧Ｕが正であるとき増加し、電圧Ｕが負であるとき減少する。電圧Ｕがスカラー積Ｓ×Ｂ＝｜Ｓ｜×｜Ｂ｜×ｃｏｓ（θ−α）に比例するとき、これは、感度ベクトルＳがｃｏｓ（θ−α）＜９０°の場合は反時計回りの方向で、ｃｏｓ（θ−α）＞９０°の場合は時計回りの方向で回転することを意味し、角度θとαとの関係が式（９）によって与えられるという結果を有する。したがって、回路５は、各クロックＣＫ１でその第１の入力での角度θを読みとり、式（９）を使用して角度αを決定するように構成される。

【0035】

角度センサの作動開始時（スイッチオン時）、所定の角度θ_０がθの開始値として使用される。θ_０は０でもよく、または任意の他の値としてもよい。一定数のクロックＣＫ１の後、角度θの値はＵ＝０となる値に収束する。条件Ｕ＝０が満たされるときはいつでも、出力された角度αは磁界Ｂの角度α_Ｂを正確に表し、この条件が満たされないときはいつでも、出力された角度αは角度α_Ｂを表さない。

【0036】

図４は、時間ｔの経過における、いくつかの信号の例示的な過程を示す。参照番号は以下を示す。
− 信号線１８：磁界ベクトルＢの実際の方向を表す角度α_Ｂ。
− 信号線１９：角度センサによって出力される角度α。
− 信号線２０：加算結合８の出力の電圧Ｕ。
− 信号線２１：極性検出器１４のバイナリ出力信号。
− 信号線２２：信号検出器１５のバイナリ出力信号。
− 信号線２３：基本クロック信号ＣＫ１。
− 信号線２４：ＡＮＤゲート１６のバイナリ出力。
− 信号線２５：アップ／ダウンカウンタ１７の出力。

【0037】

図４において、磁界ベクトルＢの方向は、一定の期間、一定であり、次いで、別の一定値に変化する。角度センサのスイッチを入れた後、第１の回路５及び第２の回路９で形成されるフィードバック回路によって提供される調節のために、以下のことが発生する。
− 開始値θ_０が条件θ_０＝α＋９０°を少しも満たしていないため、電圧Ｕは大きな値を有する。時間が経過すると、電圧Ｕは段階的にゼロに収束する。
− 極性検出器１４の出力信号は１であり、電圧Ｕが０に収束したとき０に変化する。
− 信号検出器の出力信号は１であり、電圧Ｕが０に収束したとき０に変化する。
− 信号検出器の出力信号が１である限り、クロック発生器１０のクロックはＡＮＤゲート１６を通過する。信号検出器の出力信号が０であるとき、クロック発生器１０のクロックはＡＮＤゲート１６を通過しない。
− アップ／ダウンカウンタ１７は、極性検出器１４の出力が１である限り、ＡＮＤゲート１６の出力に現れる各パルスでその値を１単位増加させ、極性検出器１４の出力が０である限り、ＡＮＤゲート１６の出力に現れる各パルスでその値を１単位減少させる。

【0038】

時点ｔ_１で、角度α_Ｂが減少するとき、出力電圧Ｕは負になる。出力電圧Ｕが負になると、信号検出器１５のバイナリ出力信号は０から１に変化する。次いで、ＡＮＤゲート１６はクロックパルスＣＫ１を通過させるため、信号検出器１５のバイナリ出力信号が１である限り、アップ／ダウンカウンタ１７は各パルスでその値を１単位減少させる。

【0039】

図５に示されるさらなる実施形態において、角度センサは、極性検出器１４を備えないが、第１の増幅器６の出力に結合される極性検出器２６を備える。極性検出器２６は、バイナリ出力信号を供給し、それは、その入力の電圧Ｕ_１が正またはゼロである場合は１であり、その入力の電圧Ｕ_１が負である場合は０である。したがって、極性検出器２６の出力信号は、電圧Ｕ_１の符号を表し、第１の回路５の第２の入力に供給される。

【0040】

角度θは、感度方向を画定する。したがって、バイアス電流Ｉ_１及びＩ_２の符号は、感度ベクトルＳが４つの象限のどこにあるかについて決定する。電圧Ｕ_１の符号は、磁界ベクトルＢが前側の象限にあるか、後側の象限にあるかを決定する。次いでこの情報は、角度θとαとの関係が式（９）または式（１０）のいずれによって与えられるかを、たとえば、情報を含む以下のルックアップテーブルの使用によって決定するために使用される。角度αは以下の方法で計算される。

【0041】

【表1】

【0042】

本実施形態において、電圧Ｕがゼロと異なるとき、アップ／ダウンカウンタ１７の値は常に増加する。これは、Ｕ＜＞０のとき、感度ベクトルＳは常に反時計回りの方向で回転することを意味する。

【0043】

図６は、本発明による角度センサの実施形態を示し、ここで、磁界センサ１及び２は、ホール素子を備えるホールセンサである。ホールセンサのオフセット及び１／ｆ雑音問題を減少させるまたは排除するために、よく知られているスピニング電流技術が、ホールセンサを作動させるために使用される。スピニング電流技術は、特定のスピニングクロックＣＫ２で、各ホールセンサの電流及び電圧端子を整流する。好ましくは、４相スピニング電流技術が使用されるが、２相スピニング電流技術も使用される可能性がある。角度センサは、第１の電流源３に第１の磁界センサ１の電流端子を結合し、第１の増幅器６に電圧端子を結合する第１のスピニング電流回路２７と、第２の電流源４に第２の磁界センサ２の電流端子を結合し、第２の増幅器７に電圧端子を結合する第２のスピニング電流回路２８とを備える。クロック信号発生器１０は、スピニングクロックＣＫ２も発生させ、それは、４相スピニング電流技術が使用される場合は基本クロック信号ＣＫ１より４倍速く、または、２相スピニング電流技術が使用される場合は基本クロック信号ＣＫ１より２倍速い。たとえばスイッチドキャパシタフィルタとして形成される積分器２９は、加算結合８の出力と接続され、４つまたは２つのスピニング電流位相上でホール電圧Ｕの積分を行う。

【0044】

マイクロコントローラなどを含む、他のアナログ及び／またはデジタル回路が、本発明のセンサを実現させるために使用されてもよいことは当業者には明らかである。

【0045】

本発明の実施形態と適用を示し、かつ記述してきたが、上記より多くの修正が本明細書における発明概念から離れることなく可能であることは、本開示の利点を有する当業者には明らかであるだろう。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物によることより他に制限されるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】