(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子（４，５）と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子（３）とを有する角度センサ（８）からの複数の信号を評価する方法において、
各センサ素子（４，５）は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも１つの相互に線形に独立した第１のベクトル（１５）および第２のベクトル（１６）を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子（３）までの距離に基づく別のパラメータ（１７）が検出され、該別のパラメータ（１７）の絶対値によって前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）の信号の振幅が制御され、
前記別のパラメータ（１７）は相互に線形に独立した前記第１のベクトル（１５）および前記第２のベクトル（１６）の絶対値から導出される、
ことを特徴とする角度センサからの複数の信号を評価する方法。
【請求項２】
所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子（４，５）と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子（３）とを有する角度センサ（８）からの複数の信号を評価する方法において、
各センサ素子（４，５）は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも１つの相互に線形に独立した第１のベクトル（１５）および第２のベクトル（１６）を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子（３）までの距離に基づく別のパラメータ（１７）が検出され、該別のパラメータ（１７）の絶対値によって前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）の信号の振幅が制御され、
前記別のパラメータ（１７）は前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）を駆動するための給電電流（２０）の絶対値から導出される、
ことを特徴とする角度センサからの複数の信号を評価する方法。
【請求項３】
所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子（４，５）と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子（３）とを有する角度センサ（８）によって測定されたロータの回転角に基づき駆動されるブラシレスモータ（１）において、
各センサ素子（４，５）は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも１つの相互に線形に独立した第１のベクトル（１５）および第２のベクトル（１６）を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子（３）までの距離に基づく別のパラメータ（１７）が検出され、該別のパラメータ（１７）の絶対値によって前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）の信号の振幅が制御され、
前記別のパラメータ（１７）は相互に線形に独立した前記第１のベクトル（１５）および前記第２のベクトル（１６）の絶対値から導出される、
ことを特徴とする、ブラシレスモータ（１）。
【請求項４】
所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子（４，５）と、前記平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子（３）とを有する
角度センサ（８）によって測定されたロータの回転角に基づき駆動されるブラシレスモータ（１）において、
各センサ素子（４，５）は、前記平面にかかるフィールドに関する少なくとも１つの相互に線形に独立した第１のベクトル（１５）および第２のベクトル（１６）を検出し、さらに、前記平面から前記回転可能素子（３）までの距離に基づく別のパラメータ（１７）が検出され、該別のパラメータ（１７）の絶対値によって前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）の信号の振幅が制御され、
前記別のパラメータ（１７）は前記第１のセンサ素子（４）および前記第２のセンサ素子（５）を駆動するための給電電流（２０）の絶対値から導出される、
ことを特徴とする、ブラシレスモータ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子と、この所定の平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子とを備えた角度センサからの複数の信号を評価する方法、ならびに、当該の方法によって駆動されるブラシレスモータに関する。
【０００２】
角度センサは多くの技術領域で必要とされている。特に、自動車産業においては、角度センサは、例えば、調整弁およびスロットル弁の位置、可変のカムシャフト制御部の位置、可変のタービンジオメトリの位置、もしくは、パワーステアリング用の駆動モータの位置を識別するために用いられている。ここで、モータ駆動用の交流電流を転流するブラシレスモータでは、特にブラシレスモータが高い動特性で、つまり種々の回転数領域で（低回転数から高回転数まで）駆動されるうえ、逆方向運動にも用いられるので、回転角度センサが必要である。この場合、モータのあらゆる駆動状態に対して、モータのロータ回転角を正確に検出して、ブラシレスモータを相応に転流される交流電流によって駆動できるようにしなければならない。
【０００３】
角度センサについては種々の測定原理が公知である。一連の測定原理のうち、磁界感応性センサでは、ロータとともに回転する磁界（フィールド）に基づいてロータの位置が評価される。異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）を技術的基礎とした磁界感応性センサを用いれば、きわめて良好な測定結果が得られる。しかし、こうしたＡＭＲセンサは、全円の半分すなわち１８０゜ぶんしか一義的に表せないという欠点を有する。１８０゜を越えるとＡＭＲ角度センサの機能に基づいて信号は反復されるので、測定信号を全円におけるロータ位置に一義的に対応させることができなくなるのである。
【０００４】
全円測定は、例えば、いわゆる２Ｄホール素子、ＧＭＲホール素子（巨大磁気抵抗効果素子）、ＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）、誘導性センサなどによって達成される。ただし、残念ながら、本来であれば３６０゜につき一義的な分解能を有する２Ｄホール素子、ＧＭＲホール素子、ＴＭＲ素子、誘導性センサのいずれのタイプのセンサも、その測定信号はフィールドを変化させる回転可能素子から測定素子の配置された平面までの距離に強く依存するので、当該の距離を変化させる外的影響があると、測定結果に大きな誤差が重畳され、劣悪な測定結果を生じさせてしまう。こうした外的影響は、例えば、角度センサをシステムへ組み込む際のトレランス、距離を変化させる温度影響、および／または、角度センサの配置されているシステム全体での振動などの総和である。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、少なくとも２つのセンサ素子を備えた角度センサの信号評価方法を提供し、全円シミュレーション型のセンサ素子（例えば２Ｄホール素子、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、誘導センサ素子など）によって高分解能の測定結果を形成できるようにすることである。この課題は、独立請求項１に記載されている特徴によって解決される。
【０００６】
各センサ素子が、平面に接するフィールドにつき少なくとも１つずつ相互に線形に独立した第１のベクトルおよび第２のベクトルを検出し、さらに、平面から回転可能素子までの距離に基づく別のパラメータを検出し、この別のパラメータの絶対値（大きさ）によって第１のセンサ素子および第２のセンサ素子の複数の信号の振幅を制御することにより、角度センサの動作モード全体にわたって、第１のセンサ素子および第２のセンサ素子の各信号を、平面から回転可能素子までの距離の変化に適合させることができる。これにより、第１のセンサ素子の信号および第２のセンサ素子の信号が、平面から回転可能素子までの距離に対して正規化される。よって、第１のセンサ素子および第２のセンサ素子は、正規化の後、回転可能素子の回転角のみに依存する正弦信号および余弦信号を送出する。これらの信号の振幅は、一貫して、平面から回転可能素子までの距離に対して独立である。平面から回転可能素子までの距離が過度に小さい場合でも、アナログディジタル変換器の過駆動、および、正弦信号および余弦信号のカットを、防止することができる。
【０００７】
本発明の有利な実施形態によれば、第３のベクトルによって検出されたフィールドの絶対値は、ローパスフィルタを介して、平面から回転可能素子までの距離の迅速な変化に関する情報が取り除かれた後に得られる。迅速な変化は例えばブラシレスモータの軸受の遊び、ロータの振動、および／または、ロータの回転方向の突発的変動などに由来する。これらの情報は、ローパスフィルタを介して、第３のベクトルの信号から取り除かれる。ローパスフィルタの後方には、第３のベクトルの信号において、平面から回転可能素子までの距離の緩慢な変化に関する情報のみが生じる。これは、例えば、すべての機械的組み込み許容差の和、および／または、温度に起因するすべての距離変化の和、および／または、センサ素子および／または評価回路でのすべての感度変化の和、および／または、回転可能素子のすべてのフィールド強度の変化の和などである。
【０００８】
本発明の別の有利な実施形態によれば、回転可能素子は、磁石もしくはコイルもしくはヨークもしくは金属板である。これらの素子は、ブラシレスモータのロータにより、きわめて簡単に、磁界を回転させて、ブラシレスモータのロータの回転角を検出することができる。このために、センサ素子は磁界感応性を有するように構成される。各磁界感応性センサ素子がＧＭＲセンサ素子もしくはＴＭＲセンサ素子もしくはホールセンサ素子であると有利である。なぜなら、これらの素子は、磁界を完全な１回転にわたって一義的に検出できるからである。
【０００９】
本発明の別の有利な実施形態によれば、各センサ素子は電磁界（フィールド）を検出する。ここで、各センサ素子は誘導性センサ素子として構成されている。なお、誘導性センサ素子により、ロータの３６０゜にわたって一義的に検出される。
【００１０】
本発明の別の有利な実施形態によれば、相互に線形に独立した第１のベクトルの信号および第２のベクトルの複数の信号から正弦信号および余弦信号が形成される。これは、有利には、ＣＯＲＤＩＣアルゴリズム（コーディネイトローテーションディジタルコンピュータアルゴリズム）によって行われる。
【００１１】
本発明の別の有利な実施形態によれば、各ベクトルの各アナログ信号はアナログディジタル変換器を介してディジタル化される。相互に線形に独立した第１のベクトルの信号および第２のベクトルの各信号が、平面から回転可能素子までの距離の信号によって正規化されることにより、アナログディジタル変換器の最高度の分解能をつねに利用でき、その際にも、相互に線形に独立した第１のベクトルの信号および第２のベクトルの各信号がアナログディジタル変換器の過駆動のためにカットされたり、または、過度に振幅の小さい信号がアナログディジタル変換器へ送信されたりする危険が生じない。
【００１２】
本発明では多数の実施例が可能であるが、説明のためにそのうち幾つかの実施例を図示し、以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】上部にフィールドを変化させる回転可能素子を配置したロータを備える角度センサを示す図である。
【図２】距離一定の場合の第１のセンサ素子および第２のセンサ素子の出力信号を示すグラフであり、ａは距離が異なる場合の第１のセンサ素子および第２のセンサ素子の出力信号を示すグラフである。
【図３】第１のセンサ素子および第２のセンサ素子におけるフィールドの電磁誘導をベースとして測定を行う角度センサを示す図である。
【図４】３Ｄホール素子を示す図である。
【図５】３Ｄホール素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。
【図６】２Ｄホール素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。
【図７】誘導式センサ素子を有する角度センサの信号評価方法を示す図である。
【図８】システム全体を示す図である。
【００１４】
図１には、ロータ２を備えた角度センサ８、例えばブラシレスモータが示されている。ブラシレスモータ上にフィールドを変化させる回転可能素子３が配置されている。回転可能素子３は、ここではＮ極およびＳ極を有する双極子磁石として構成されている。ブラシレスモータに対するロータ２の回転角αに応じて、角度センサ８のセンサチップ９内に、フィールド強度についての、線形に独立した第１のベクトル１５（ここではＨＸで示されている）と線形に独立した第２のベクトル１６（ここではＨＹで示されている）とが誘導される。当該のベクトル１５，１６は例えば磁界によって形成されるので、回転角αおよびこれに結びついた回転可能素子３の位置に強く依存している。垂直ホール素子として構成された第１のセンサ素子４、および、同様に垂直ホール素子としてセンサチップ９内に構成された第２のセンサ素子５は、線形に独立した第１の磁界ベクトル１５の成分、および、線形に独立した第２の磁界ベクトル１６の成分を検出する。線形に独立した磁界ベクトル１５，１６の絶対値は、特に、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面からフィールドを変化させる回転可能素子３の回転平面までの距離ｄに強く依存している。回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置されているセンサチップ９までの距離ｄが小さくなれば、センサ素子４，５内に高いホール電圧が形成され、この距離ｄが大きくなれば、センサ素子４，５内のホール電圧はいちじるしく小さくなる。このため、次のようなケースでは、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の非制御の出力信号は、部分的にはさらなる信号処理に用いることができない。すなわち、これらの信号が、きわめて小さいために例えばアナログディジタル変換器の全分解能を利用できないか、または、きわめて大きいために例えばアナログディジタル変換器の過駆動によって信号の一部がカットされるケースである。
【００１５】
こうした状況を、以下に、図２ａに則して詳細に説明する。
【００１６】
図２には、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置される平面を形成しているセンサチップ９までの距離ｄが一定である場合の、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の正弦状および余弦状の各出力信号が示されている。図２では、ホール電圧ＵＨａｌｌに対するきれいな正弦特性および余弦特性が見られ、この場合、回転角αの一義的な分解能が−１８０゜から＋１８０゜までの範囲で得られる。こうして、ここでの角度センサ８によって、３６０゜にわたって完全かつ一義的に検出可能となる。
【００１７】
図２のａには、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの距離がｄ，ｄ１，ｄ２のように種々に異なる場合の、第１のセンサ素子４または第２のセンサ素子５の出力信号が示されている。距離ｄは回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの最適距離を表しており、距離ｄ１は最適距離ｄより短い距離を表しており、距離ｄ２は最適距離ｄより長い距離を表している。簡単化のために、図２のａでは第１のセンサ素子４の信号の正弦特性のみを示してあるが、第２のセンサ素子５の信号の余弦特性も同様な経過を呈する。回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの距離が最適距離ｄである場合、図２のａに記号ｄで示されている既知の正弦関数が生じる。回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの距離が大きくなると、図２のａに記号ｄ２で示されている著しく平坦な正弦関数特性が生じる。角度センサ８から送出される信号の評価はふつうアナログディジタル変換器によって行われるので、この場合、正弦曲線のきわめて平坦な特性により、アナログディジタル変換器の大きな動特性が利用されないままとなり、このために測定結果が劣化する。これは、ディジタル値の領域が小さいことによって分解能も小さくなってしまうためである。また、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの距離が小さいと、図２のａにｄ１で示されている状況が生じる。ここでは識別すべき正弦信号が限界電圧Ｕｇでカットされている。なぜなら、後続のアナログディジタル変換器が過駆動され、これにより、広い回転角領域にわたってロータ２の回転角の分解能がそもそも得られなくなってしまうからである。このように、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の平面までの距離が大きくても（ｄ２）小さくても（ｄ１）、測定結果はいちじるしく劣化し、自動車技術分野における角度センサ８に適用できなくなってしまうのである。
【００１８】
図３には、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５のフィールドの電磁誘導の測定原理を基礎とした角度センサ８が示されている。センサ素子４，５はコイル装置として例えば配線板９上に構成されている。ここで、回転可能素子３は電磁界を変化させるように構成されており、ブラシレスモータ１の図示されていないロータ２に接続されている。回転可能素子３が回転すると、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の電磁界が検出される。各センサ素子はここではセンサ配線板９上のコイル対として構成されている。センサ配線板９上の集積回路２１には、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の信号に対する評価回路が設けられている。当該の評価回路は、増幅器１０と、オペアンプとも称される被制御増幅器１１と、ローパスフィルタ１２と、ハイパスフィルタ１３と、インバータ１４とから成る。
【００１９】
図４には、基本的に図１から公知の２Ｄホール素子の構造を３次元へ拡張した３Ｄホール素子が示されている。センサチップ９には第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５が配置されており、各センサ素子はセンサチップ９とともに磁界を測定するための平面を形成しており、ここでの磁界はフィールドを変化させる回転可能素子３によって誘導される。この場合、回転可能素子３はＮ極およびＳ極を有する永久磁石として構成されている。さらにここには、第３のセンサ素子６が配置されており、これにより図示されているセンサチップ９がいわゆる３次元のホール素子（３Ｄホールエレメント）へ拡張されている。また、センサチップ９には温度センサ素子７が集積されている。当該の温度センサ素子７は角度センサ８内で支配的な温度を測定する。角度センサ８内、特にセンサ素子４，５，６での温度変化は、各センサ素子４，５，６によって形成される信号の大きな変化をもたらすことがあるためである。
【００２０】
なお、本発明は、所定の平面を規定する少なくとも２つのセンサ素子４，５と、この平面から距離を置いて配置された、フィールドを変化させる回転可能素子３とを備えた角度センサ８の複数の信号を評価する方法に関しており、これを以下に詳細に説明する。
【００２１】
図５では、センサ素子４，５が、平面に印加されるフィールドＨＸ，ＨＹについて、相互に線形に独立した、少なくとも１つの第１のベクトル１５および少なくとも１つの第２のベクトル１６を検出している。第１のベクトル１５および第２のベクトル１６に加えて、ｚ方向のフィールドＨＺの絶対値を表す、線形に独立した第３のベクトル１７も検出される。ここで、フィールドの絶対値は平面から回転可能素子３までの距離ｄに応じて変化し、当該の絶対値によってセンサ素子４，５の各信号の振幅が制御される。
【００２２】
第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５は、ここでは、センサチップ９の平面に配置されている。第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５によって検出される磁界ベクトル１５，１６は、制御可能な増幅器１１への電気信号となる。当該の制御可能な増幅器１１はふつうオペアンプで構成される。第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５によって検出される信号は、回転可能素子３からセンサチップ９の平面までの距離ｄに強く依存するので、当該の距離ｄを、磁界のｚ成分ＨＺを測定するための第３のセンサ素子６によって検出する。第３のセンサ素子６によって検出された信号は、第１の増幅器１０およびローパスフィルタ１２を介して、高周波成分を除去されてから、アナログインバータ１４へ供給され、これにより制御可能な増幅器１１に対する制御量が得られる。当該の制御量により、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５での信号強度が、回転可能素子３からセンサチップ９の平面までの距離ｄ，ｄ１，ｄ２にしたがって追従制御される。その後、補正された第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の信号は、つねに分解能および帯域幅の全領域にわたって動作可能なアナログディジタル変換器１８へ供給され、その際に過駆動は起こらない。
【００２３】
また、本発明の方法では、温度センサ素子７によって角度センサ８内で支配的な温度Ｔが検出される。この温度測定値も増幅器１０を介して第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の信号の補正に用いられる。本発明の方法によれば、角度センサ８内での距離変動および温度変動が完全に補正され、これにより３６０゜をカバーする角度センサ素子を自動車分野において低コストに利用できる。
【００２４】
さらに、図５にはハイパスフィルタ１３も示されている。ブロック内に図示されているのは得られる信号である。第３のセンサ素子６の信号を増幅（１０）およびハイパスフィルタリング（１３）した後、回転可能素子３からセンサチップ９の平面までの距離の迅速な変化が検出される。こうした迅速な変化は、例えば、ブラシレスモータ１のロータ２の軸受が故障したことを表す。なお、第３のセンサ素子６の信号のローパスフィルタリングにより、回転可能素子３からセンサチップ９の平面までの距離ｄの緩慢な変化を表す信号が形成される。こうした緩慢な距離変化は、例えば、システム全体の熱膨張によって引き起こされるものである。
【００２５】
図６には、本発明の別の実施例が示されている。ここでは、距離ｄ，ｄ１，ｄ２に依存する別のパラメータ１７が、センサ素子４，５によって検出された、相互に線形に独立した第１のベクトル１５および第２のベクトル１６から、導出される。このために、例えば、計算回路１９において、相互に独立した第１のベクトル１５および第２のベクトル１６から得られた絶対値が、ピタゴラスの定理によって、形成される。相互に線形に独立した個々のベクトル１５，１６は時間的には正弦信号および余弦信号として表されるが、その各絶対値は、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面までの距離が小さい場合（ｄ１）に大きくなり、当該の距離が大きい場合（ｄ２）に小さくなる。これにより、計算回路１９は、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面までの距離に関する、角度に依存しない情報を一貫して出力することができる。
【００２６】
図７には、本発明の別の実施例が示されている。ここでは、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面までの距離ｄに依存する別のパラメータ１７が、誘導性センサ素子４，５を駆動するための給電電流２０から導出される。誘導測定法では、交流電磁界が形成され、これにより回転可能素子３に渦電流が誘導される。当該の渦電流の絶対値は、距離ｄが小さくなると増大し、距離ｄが大きくなると低下する。相互に線形に独立した個々のベクトル１５，１６は時間的には正弦信号および余弦信号として表されるが、その各絶対値は、上述したケースと同様に、距離が小さくなる場合（ｄ１）に大きくなり、当該の距離が大きくなる場合に（ｄ２）に小さくなる。これにより、計算回路１９は、回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面までの距離に関する、角度に依存しない情報を一貫して出力することができる。
【００２７】
システム全体の実施例が図８に示されている。ここには、ロータ２を備えたブラシレスモータ１が示されており、ロータ２には磁界変更のための回転可能素子３が配置されている。回転角αにしたがって、回転可能素子３は、センサチップ９内に特徴的な磁界を誘導する。当該の特徴的な磁界が、第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５および第３のセンサ素子６によって記録される。回転可能素子３からセンサチップ９までの距離は種々に変化しうるが、このことは、参照記号ｄ，ｄ１，ｄ２によって示されている。回転可能素子３から第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５の配置された平面までの距離ｄのこうした変化が、第３のセンサ素子６によって磁界成分ＨＺを介して検出される。このように、第３のセンサ素子６は補正値ＨＺを出力し、この補正値が第１の増幅器１０およびローパスフィルタ１２およびインバータ１４を介して制御可能な増幅器１１へ供給される。
【００２８】
磁界値ＨＹ，ＨＺは第１のセンサ素子４および第２のセンサ素子５によって検出され、これにより、第１のセンサ素子４は線形に独立した第１のベクトル１５を検出し、第２のセンサ素子５は線形に独立した第２のベクトル１６を検出する。当該の線形に独立した２つのベクトルを組み合わせることにより、ＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを介して、角度αが一義的に結論される。回転可能素子３からセンサチップ９までの距離への依存性が制御可能な増幅器１１において補正され、これにより、図示されている角度センサ８による３６０゜の全円につき、一義的かつ測定技術的に高度な分解能が得られる。
【図１】
0005523571.tif 000002
【図２】
0005523571.tif 000003
【図２ａ】
0005523571.tif 000004
【図３】
0005523571.tif 000005
【図４】
0005523571.tif 000006
【図５】
0005523571.tif 000007
【図６】
0005523571.tif 000008
【図７】
0005523571.tif 000009
【図８】
0005523571.tif 000010