JP2003511672A - 外部磁界の方向を求める方法および回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、磁気抵抗センサを用いて外部磁界Ｂの方向を求める方法に関する。この場合、外部磁界Ｂに揺動磁界を重畳するステップと、基準方向に対する外部磁界の角度のサインおよびコサインに依存する第１の信号または第２の信号を、揺動磁界に依存する個々の信号成分を分離または無視して生成するステップと、基準方向に対する外部磁界の角度に対応づけ可能な第３の信号を、前記の第１および第２の信号に基づき求めるステップが設けられている。その際、この第３の信号は１８０゜の周期性をもつ。さらに、前記の第１または第２の信号から分離された揺動磁界に依存する信号成分を考慮してロジック補正信号Ｋ５を求めるステップが設けられている。この信号は外部磁界Ｂの角度について、第１の角度範囲たとえば０゜〜１８０゜では第１のレベルをとり、第２の角度範囲たとえば１８０゜〜３６０゜では第２のレベルをとる。そしてこのロジック補正信号Ｋ５と前記の第３の信号に基づき、外部磁界Ｂの実際の角度を求めるステップが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、外部磁界の方向を求める方法および回路に関する。

【０００２】 角度センサにおいて磁気抵抗素子を使用することは知られている。たとえば角
度センサはＡＭＲ効果（Anisotropic Magneto-Resistence）に基づき出力信号を
供給し、それらの出力信号から外部に加わっている磁界の方向を求めることがで
きる。磁界の角度がセンサαに対し相対的であれば、センサはｓｉｎ（２α）な
いしはｃｏｓ（２ｘα）に比例する出力信号を送出する。このようにして動作す
るＡＭＲセンサによれば、サイン信号およびコサイン信号の周期性ゆえに一義性
をもつ範囲は１８０゜となる。たとえばまだ公開されていない DE 198 39 446
などで開示されているようなこの種のＡＭＲセンサの形態の場合、それらのセン
サは補助コイルが集積されたかたちで構成されている。

【０００３】 そして適切な電流をそれらの補助コイルに印加することにより、個々のセンサ
半部に固有の僅かな付加的な磁界を形成し、それらの磁界を測定すべき外部磁界
と重畳させ、結果として生じる磁界の方向を変化させる。この方向の変化を観測
することにより、センサの一義的な範囲を１８０゜から３６０゜に高めることが
できる。

【０００４】 本発明の課題は、３６０゜という一義性範囲を有する角度センサの制御ならび
に評価を可能なかぎり簡単にすることができるように構成することである。

【０００５】 この課題は、磁気抵抗センサを用いて以下のステップにより外部磁界Ｂの方向
を求める方法によって解決される。すなわちこの方法には、外部磁界Ｂに揺動磁
界を重畳するステップと、基準方向に対する外部磁界の角度のサインおよびコサ
インに依存する第１の信号または第２の信号を、前記揺動磁界に依存する個々の
信号成分を分離または無視して生成するステップと、基準方向に対する外部磁界
の角度に対応づけ可能な第３の信号を前記第１および第２の信号に基づき求める
ステップが設けられており、該第３の信号は１８０゜の周期性をもち、前記第１
または第２の信号から分離された揺動磁界に依存する信号成分を考慮してロジッ
ク補正信号Ｋ５を求めるステップが設けられており、該信号は外部磁界Ｂの角度
について第１の角度範囲たとえば０゜〜１８０゜では第１のレベルをとり、第２
の角度範囲たとえば１８０゜〜３６０゜では第２のレベルをとり、該ロジック補
正信号Ｋ５と前記第３の信号に基づき、外部磁界Ｂの実際の角度を求めるステッ
プが設けられている。

【０００６】 このようにして本発明によれば、３６０゜のＡＭＲ角度センサのための制御な
らびに測定方法が提供され、これは障害に強く、また、たとえば温度に依存する
センサ信号振幅とは無関係に動作する。この方法を実施するために固定的な閾値
は不要である。また、これを電子回路において有利なコストで実現することがで
きる。揺動する磁界を生成する補助コイルにおける電流の作用の測定は、補正さ
れていない角度（つまり測定すべき磁界の角度）の測定に妨害を及ぼすことなく
、バックグラウンドで行われる。これにより補助コイルにおける電流を補助コイ
ルを使用する公知の解決手段よりも非常に小さく抑えることができ、これによっ
て従来発生していたセンサにおける熱の作用を回避することができる。さらに僅
かなコイル電流ゆえに、電力損失全体が従来の解決手段よりも格段に抑えられる
。

【０００７】 従属請求項には、本発明による方法もしくは本発明による装置の有利な実施形
態が示されている。

【０００８】 本発明による方法の１つの有利な実施形態によればロジック補正信号を求める
ために、外部磁界のサインもしくはコサインに対応づけ可能な第１および第２の
信号を考慮する。この場合、第１および第２の信号はそれぞれ比較器へ供給され
、比較器はそれらの信号と閾値との比較によりロジック信号を発生する。このよ
うにして得られたロジック信号と、分離された信号成分に基づき得られたロジッ
ク信号との論理結合により、ロジック補正信号を手間をかけずに計算により供給
することができる。

【０００９】 本発明による方法の別の有利な実施形態によれば、ロジック補正信号を求める
ためにさらに別のロジック信号が用いられる。このさらに別のロジック信号は、
第３の信号に対応づけ可能な角度に依存して第１のレベルまたは第２のレベルを
とる。このような措置によって、第１および第２の信号に基づき２つのロジック
信号を供給する場合に用意しなければならないような２つの比較器を省略するこ
とができる。

【００１０】 好適にはそれらのディジタルロジック信号は、外部磁界について１３５゜から
１８０゜までの角度範囲では第１のレベルをとり、０゜から１３５゜までの角度
範囲では第２のレベルをとる。

【００１１】 さらに本発明の課題は、請求項５の特徴部分に記載の構成を備えた回路により
解決される。この回路はかなり安価に用意することができ、１８０゜の一義的な
範囲とそれ相応のロジック補正信号しかもたないＡＭＲセンサを用いながら、僅
かな手間で３６０゜の角度センサを実現することができる。

【００１２】 次に、添付の図面を参照しながら本発明の有利な実施形態について説明する。

【００１３】 図１は、本発明による回路の第１の有利な実施形態を示す図である。

【００１４】 図２は、本発明による回路の第２の有利な実施形態を示す図である。

【００１５】 図３は、ＡＭＲセンサを使用したときに外部磁界に依存して得られるコサイン
波形またはサイン波形のセンサ信号を描いた図である。

【００１６】 図４は、揺動する別の磁界によって外部磁界を変調させることで図３による信
号を変形させた様子を示す図である。

【００１７】 図５は、図示された本発明による方法の実施形態において得られるディジタル
信号を描いた図である。

【００１８】 図６は、本発明による方法または本発明による回路により得られた測定磁界角
度を実際の磁界角度に依存して示した図である。

【００１９】 図１にはＡＭＲセンサが示されている。このＡＭＲセンサ１には給電電圧ＶＣ
Ｃが印加される。ＡＭＲセンサ１には（図示されていない）補助コイルが設けら
れており、この場合、それらの補助コイルに交流電流を印加することによって揺
動する磁界を発生させることができ、その磁界を測定すべき外部磁界に重畳させ
る。測定すべき外部磁界Ｂの方向は矢印２によって表されている。図示されてい
る（目下の）状態の場合、磁界Ｂは基準方向に対し角度αを有している。なお、
揺動する磁界は外部磁界に対し小さいことを付言しておく。

【００２０】 補助コイルには発生器３を介して交流電圧が印加され、この交流電圧の周波数
は典型的にはｋＨｚの範囲内にある。図面には補助コイル端子ｌ１，ｌ２しか描
かれていない。その際、交流電圧を比較的簡単に生成可能な矩形信号とするのが
よい。

【００２１】 ＡＭＲセンサ１の測定の役割は、磁界Ｂの方向つまり角度αを０゜から３６０
゜までの範囲にわたり一義的に求めることである。

【００２２】 ＡＭＲセンサ１はその出力側Ｃ_１，Ｃ _２ から角度αに対応づけ可能なサイ
ン波形信号を送出し、その出力側Ｓ_１，Ｓ_２ からは角度αに対応づけ可能なコ
サイン波形信号を送出する。これらの信号はまずはじめに差動増幅器４または５
において増幅される。

【００２３】 場合によっては存在するオフセット電圧が減算器６または７において差し引か
れた後、Ａｃｏｓ（α）およびＡｓｉｎ（α）の形式の信号が得られる。ここで
Ａは温度に依存する信号の振幅を表す。具体的に説明するため、その種の信号が
図３に描かれている。

【００２４】 差動増幅器４，５の出力信号は第１の信号および第２の信号を成し、これらの
信号は、測定すべき外部磁界と補助コイルにより生成された磁界とが合わさった
総磁界に相応する。

【００２５】 この場合、揺動磁界によって引き起こされるそれら第１および第２の信号にお
ける比較的小さい揺動は、次に実施される測定ユニット８での角度測定に関して
重要ではなく、つまり無視することができる。それというのも、発生する揺動を
ユニット８における角度算出において求めることができるし、他方、あとで詳し
く説明するコンデンサが第１および第２の信号の揺動成分についてハイパスフィ
ルタとしてはたらき、それによって第１および第２の信号の揺動を分離できるか
らである。

【００２６】 角度測定ユニット８は、０゜から１８０゜までの範囲でのみ一義的に決められ
ている補正されていない角度αをまずはじめに求める。これはたとえばアークタ
ンジェントの形成によりたとえば式 α = 0.5 * arctan ( [A * sin (2 * α) ] / [A * cos (2 * α) ] ) に従って行うことができる。

【００２７】 さらに第１および第２の信号は２つの比較器１２，１３へ供給される。比較器
１２のロジック出力信号Ｋ１は、第３の信号（コサイン信号）≧０であれば、Ｋ
１＝１である。また、信号Ｋ２（比較器１３のロジック出力信号）は、第４の信
号（サイン信号）＜０であれば、Ｋ２＝１である。ついでこれらの信号Ｋ１，Ｋ
２はＡＮＤ素子１４へ供給される。

【００２８】 補助コイルの交流電流により引き起こされる第１および第２の信号における小
さい揺動は、すでに言及したコンデンサ１０，１１により分離され、それぞれロ
ーパスフィルタ１８，１９の後置接続された２つの同期復調器１６，１７へ供給
される。これらの同期復調器は発生器３の発生器信号のタイミングで、個々の入
力信号を周期的に極性反転する。この場合、交流成分の位相選択的整流が行われ
ることになる。そしてローパスフィルタの出力側において、図４に示されている
信号すなわち「変形コサイン信号」もしくは「変形サイン信号」をそのまま観測
することができる。

【００２９】 これらの信号からさらに２つの別の比較器２０，２１によって、別のロジック
信号Ｋ３およびＫ４が形成される。信号Ｋ３＝１となるのは、変形サイン信号と
変形コサイン信号の和が≧０のときであり、信号Ｋ４＝１となるのは、変形サイ
ン信号と変形コサイン信号の差が≧０のときである。

【００３０】 図５の最初の４つの行には、ロジック信号つまりディジタル信号Ｋ１〜Ｋ４が
外部磁界の個々の角度に依存して書き込まれている。

【００３１】 ついで、既述のＡＮＤ素子１４とＯＲ素子２４と２つのＮＡＮＤ素子２５，２
６を用いることで、図示されているようにロジック信号Ｋ１〜Ｋ４から論理結合
により別のロジック信号Ｋ５が形成される。この信号Ｋ５は０゜から１８０゜ま
での範囲ではＫ５＝０となり、１８０゜から３６０゜までの範囲ではＫ５＝１と
なる。図５の最下行には信号Ｋ５が示されている。

【００３２】 ロジック信号Ｋ５は角度測定ユニット８において得られた第５の信号とともに
、測定加算ユニット３０へ供給される。αが値１をとるとき、このユニット３０
において角度測定ユニット８の出力信号に１８０゜という補正角度が加算され、
その結果、１８０゜の周期性をもつ補正されていない角度値を基礎として３６０
゜の周期性をもつ補正された角度値を供給することができるようになる。このこ
とは図６に示されており、この図によれば上方に補正されていない角度が、下方
には補正された測定角度が、外部磁界の実際の角度に依存して描かれている。

【００３３】 なお、図５においてロジック信号Ｋ３，Ｋ４に関して、頻繁な０と１の切り替
わりにより表された角度範囲が示されている。これらの領域では対応する入力信
号の極性符号について一義的に表すのは不可能である。それというのもこの場合
、入力信号は非常に小さく、たとえば比較器のオフセット電圧やノイズ信号など
によって場合によっては誤った情報が生じてしまうおそれがあるからである。

【００３４】 図１に従って実現される補正値Ｋ５を計算するためのロジックは、このことを
配慮している。この場合、Ｋ５を算出するために信号Ｋ３およびＫ４をそれぞれ
「確実に」決定できる角度範囲内でしか求めることができないからである。

【００３５】 図２には図１の回路の変形実施形態が示されている。図１と同じ素子またはそ
れに対応する素子には同じ参照符号が付されている。

【００３６】 図２の実施形態が図１の実施形態と異なる点は、角度測定ユニット８からロジ
ック信号Ｋ６がダイレクトにＯＲ素子４４に与えられることである。この場合、
Ｋ６＝１となるのは、測定された補正されていない角度αが１３５゜から１８０
゜よりも小さい範囲内にあるときである。このような措置をとることで、図１の
回路と対比すると２つの比較器と１つのＡＮＤ素子を省略でき、それにもかかわ
らず相応のロジック信号Ｋ５を得ることができる。これに関連して殊に言及して
おくと、省略した両方の比較器におけるオフセット電圧の影響もこれによって取
り除くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による回路の第１の有利な実施形態を示す図である。

【図２】 本発明による回路の第２の有利な実施形態を示す図である。

【図３】 ＡＭＲセンサを使用したときに外部磁界に依存して得られるコサイン波形また
はサイン波形のセンサ信号を描いた図である。

【図４】 揺動する別の磁界によって外部磁界を変調させることで図３による信号を変形
させた様子を示す図である。

【図５】 図示された本発明による方法の実施形態において得られるディジタル信号を描
いた図である。

【図６】 本発明による方法または本発明による回路により得られた測定磁界角度を実際
の磁界角度に依存して示した図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気抵抗センサを用いて外部磁界（Ｂ）の方向を求める方法
   において、 外部磁界（Ｂ）に揺動磁界を重畳するステップと、 基準方向に対する外部磁界の角度のサインおよびコサインに依存する第１の信
   号または第２の信号を、前記揺動磁界に依存する個々の信号成分を分離または無
   視して生成するステップと、 基準方向に対する外部磁界の角度に対応づけ可能な第３の信号を前記第１およ
   び第２の信号に基づき求めるステップが設けられており、該第３の信号は１８０
   ゜の周期性をもち、 前記第１または第２の信号から分離された揺動磁界に依存する信号成分を考慮
   してロジック補正信号（Ｋ５）を求めるステップが設けられており、該信号は外
   部磁界（Ｂ）の角度について第１の角度範囲たとえば０゜〜１８０゜では第１の
   レベルをとり、第２の角度範囲たとえば１８０゜〜３６０゜では第２のレベルを
   とり、 該ロジック補正信号（Ｋ５）と前記第３の信号に基づき、外部磁界（Ｂ）の実
   際の角度を求めるステップが設けられていることを特徴とする、 磁気抵抗センサを用いて外部磁界の方向を求める方法。
2. 【請求項２】 前記ロジック補正信号（Ｋ５）を求めるために付加的に前記
   の第１および第２の信号を考慮する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記ロジック補正信号を求めるために、前記第５の信号に対
   応づけ可能な角度に依存して第１または第２のレベルをとるさらに別のディジタ
   ル信号（Ｋ６）を使用する、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記さらに別のロジック信号（Ｋ６）は、１３５゜から１８
   ０゜までの角度範囲については第１のレベルをとり、０゜から１３５゜までの角
   度範囲については第２のレベルをとる、請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 外部磁界（Ｂ）の方向を求める回路において、 外部磁界（Ｂ）を揺動磁界と重畳させる手段（３）と、 基準方向に対する外部磁界（Ｂ）の角度のサインとコサインに依存した第１ま
   たは第２の信号を、前記揺動磁界に依存する個々の信号成分を分離または無視し
   て生成する手段（１，４，５）と、 前記方向に対する外部磁界（Ｂ）の角度に対応づけ可能な第３の信号を前記第
   １および第２の信号に基づき求める手段（８）が設けられており、該第３の信号
   は１８０゜の周期性をもち、 前記第１または第２の信号から分離された揺動磁界に依存する信号成分を考慮
   してロジック補正信号（Ｋ５）を求める手段（１０，１１，１６，１７，１８，
   １９，２０，２１，１２，１３，１４，２４，２５，２６）が設けられており、
   該信号は外部磁界（Ｂ）の角度について第１の角度範囲たとえば０゜〜１８０゜
   では第１のレベルをとり、第２の角度範囲たとえば１８０゜〜３６０゜では第２
   のレベルをとり、 該ロジック補正信号（Ｋ５）と前記第３の信号に基づき外部磁界（Ｂ）の実際
   の角度を求める手段が設けられていることを特徴とする、 外部磁界の方向を求める回路。
6. 【請求項６】 さらに別のロジック信号（Ｋ６）を生成する手段（８）が設
   けられており、該さらに別のロジック信号（Ｋ６）は前記第３の信号に対応づけ
   可能な角度に依存して第１または第２のレベルをとる、請求項５記載の回路。