(57)【要約】  相互に回転可能な第１の部分（２）と第２の部分（３）からなる構造に対する角度センサ（１）を備える検出装置であって、回転は回転軸（５）によって定義される。第２の部分（３）と結合された前記角度センサ（１）は、第１の部分（２）とともに回転に関与する磁石装置（４）により生成される磁界（Ｂ）の、回転角（α）に依存する正弦成分と余弦成分（ｓ，ｋ）を検出する。３６０°よりも大きい角度を検出するために、相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）に加えてさらに別の成分として、絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）に依存して所定の仕方で変化する磁場（Ｂ）の数値も判定され、この変化は、相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）と磁界（Ｂ）の数値の論理演算によって角度表示の多義性が排除される程度の大きさである。【選択図】
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に回転可能な２つの部分からなる、すなわち第１の部分（２）と第２の部分（３）からなる構造に対する角度センサ（１）を備える検出装置であって、回転は回転軸（５）によって定義され、
第２の部分（３）と結合された前記角度センサ（１）は、第１の部分（２）と結合された磁石装置（４）により生成される磁界（Ｂ）の、回転角（α）に依存する正弦成分と余弦成分（ｓ，ｋ）を検出し、
３６０°の限定された角度範囲しか把握可能でない相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）に加えて、前記角度センサ（１）またはその他の磁界センサはさらに別の成分として磁場（Ｂ）の数値を検出し、
磁界（Ｂ）の前記数値は絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）に依存して変化し、この変化は、３６０°を超える角度の場合に相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）と磁界（Ｂ）の数値の組み合せによって角度表示の多義性が排除される大きさとなり、それによって絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）を判定可能である検出装置。
【請求項２】
磁界（Ｂ）の数値は、絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）により制御される、前記磁石装置（４）と前記角度センサ（１）の間の回転軸（５）の方向での間隔変化（ｄ）に依存している、請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記間隔変化（ｄ）は、溝状の制御カム（１０）およびこれに係合するガイドピン（１１）とによって行われ、またはこれに準ずる逆の構成で隆起した制御カムと溝状の案内部分として行われる、請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記制御カム（１０）は前記回転軸（５）に関して螺旋状に構成されている、請求項３に記載の検出装置。
【請求項５】
さらに別の磁石装置または磁気誘導手段の構成によって磁界（Ｂ）の数値の修正が具体化される、請求項１に記載の検出装置。
【請求項６】
前記角度センサ（１）またはこの角度センサに接続された外部評価装置で、正弦成分と余弦成分（ｓ，ｋ）に基づいて合成ベクトルとその数値が判定される、請求項１から４までのいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項７】
各々の相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）に数値の許容範囲が記憶装置内部で割り当てられており、どの絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）に相対的な回転角（αｒｅｌａｔｉｖ）が割り当てられるかの決定がウィンドコンパレータによって下される、請求項１から６までのいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項８】
先行するプログラミングモードで磁界（Ｂ）の数値の許容範囲について境界が規定されており、前記境界は記憶されている基準値（Ｓ）と、補間された中間値とで成り立っている、請求項７に記載の検出装置。
【請求項９】
絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）をアナログ値として、たとえば２つの限界値の間にある電圧値または電流値として、もしくは２つの限界値の間にあるパルス幅変調信号として前記検出装置から供給可能である、請求項１から８までのいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１０】
絶対的な回転角（αａｂｓｏｌｕｔ）をデジタル値として、たとえば区別可能な論理状態により定義されるデータワードとして前記検出装置から出力側で供給可能である、請求項１から８までのいずれか１項に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互に回転可能な２つの部分からなる、すなわち第１の部分およびこれに対して回転可能な第２の部分からなる機械構造に対する角度センサを備える検出装置に関するものである。このような種類の装置はメカニズムの多くの部位で、角度状態や回転数を電子的に監視する役目をする。高い角解像度が求められる場合、このことは通常、歯車形の検出輪と、検出輪の歯車形の構成によって変調される磁界を適当な測定構造を通じて検出する少なくとも１つの磁気センサとによって実現される。この測定構造は、オフセットされて配置された１つまたは複数のホール素子もしくは磁気抵抗素子で構成されていてよい。
【背景技術】
【０００２】
これよりもコストがかからない別の角度判定構造が、磁界とセンサの垂直構造によって得られる。この場合にはただ１つの磁石を設ければよく、そのＮ極からＳ極への延びる磁束線が、軸方向に設置された測定装置に対して回転したときに、いわば回転運動をする磁界を形成する。この場合、電気的なリード線があるので、測定装置は空間的に定置の部分と連結し、磁石は回転軸と連結するのが好都合であるが、原則としてこの逆の構造もあり得ないわけではない。測定装置は、回転運動をする磁界から正弦成分と余弦成分を判定し、それに基づいて、正接関数によって求める角度情報を形成する。そのとき表によって評価が行われるか、それとも中間計算、あるいはこれらの混合形態によって行われるかは、測定原理にとっては重要ではない。通常、解像度が比較的粗い場合でも表の範囲が広くなりすぎないようにするために、少なくとも表工程の前に測定値の正規化が行われる。このようにして、正負記号の考察により４つの象限すべてをカバーすることができる。
【０００３】
軸方向構造の場合、磁束線は、測定装置の領域でほぼ回転軸に対して垂直な平面に位置している。したがって、磁束線によって貫通されるべき磁気抵抗素子またはホール素子は、回転軸の方向で垂直方向にアライメントされる。磁界の正弦成分と余弦成分を検出するために、異なる方向を向いた２つの測定センサが設けられるか、または、測定方向を回転軸で９０°切換可能な１つのセンサが設けられる。所定の半導体表面に対して垂直方向のホールセンサとして作動するモノリシックに集積化されたホールセンサが、たとえば本件出願人の特許文献１に記載されている。測定素子を回転軸と平行に保つことができるように、別の測定センサが適当な磁気誘導手段と集束部材とによって磁界を方向転換させる。このような種類の複数の測定素子、およびこれに付属する磁気誘導手段と集束部材は、正弦成分と余弦成分を同時に測定することができる１つの磁場構造にまとめることができる。
【０００４】
前述した方法の本質的な欠点は、解像可能な回転角範囲が全体で３６０°しか包摂しておらず、それ以上およびそれ以下の角度範囲は多義性が生じるために認識できなくなることである。減速装置を用いて対処することが可能であるが、減速装置は機械的に高いコストがかかるうえに、解像度を同程度に下げることができない場合には追加の測定装置を必要とする。
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願第１０３１３６４２．８号明細書（社内番号：Ｃ−１９２６）
【特許文献２】欧州特許出願公開第０８９３６６８Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、角度判定における多義性が簡単なやり方で防止される、磁気をベースとして作用する検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特許文献２には、磁気センサを用いて軸方向の回転角を判定するための角度センサが記載されている。この回転角センサは回転する磁界の正弦成分を検出するものであり、磁界の方向は回転平面に位置している。回転する磁気ベクトルの正弦成分に磁気センサが結合されるので、解像可能な角度範囲は１８０°に制限されており、これが周期的に反復される。それにもかかわらず最大３６０°の角度位置を一義的に評価できるようにするために、回転する磁石から出される垂直方向の磁界成分を検出する、側方に配置された少なくとも１つの別の磁気センサが方向成分を判定し、この方向成分を用いて、１８０°の測定値を最大３６０°の絶対的な角度値へ一義的に割り当てることが可能となる。
【０００８】
このことは、請求項１の構成要件に記載されているように、回転によって磁界の正弦成分と余弦成分に影響が及ぼされるだけでなく、回転角に依存して変化する磁界の数値にも影響が及ぼされ、それによって評価のときの多義性をなくすことができるように、軸方向構造が改良されることによって行われる。
【０００９】
発明者らは、多くの用途において、少数回の回転が多義性なしに確実に検出されなければならないことを認識している。そのようなケースでは３回転から４回転を超える範囲が生じることはあり得ないからでる。このような用途は、たとえばナビゲーションの目的でステアリングホイールアングルを検出する場合や、あるいはスリップや横滑りを防止するための制御動作の場合などに生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面の図を参照しながら本発明と有利な発展例について詳しく説明する。
【００１１】
図１は、検出装置の実施形態を側面図で模式的に示している。この検出装置は、相互に回転可能な２つの部分で構成されており、その回転軸５は一点鎖線で図示されている。これは相対回転にすぎないので、どちらの部分が回転し、どちらの部分が静止しているかは角度検出にとって重要ではない。図１の実施形態では、第１の部分２が回転軸５と結合されており、第２の部分３は固定されている。第１の部分２は、回転する磁界Ｂを生成するための磁石装置４を支持している。この磁石装置４に隣接して、第２の部分３の上に角度センサ１が設けられている。符号ＮとＳで示すＮ極からＳ極へ延びていて回転平面とほぼ平行な、磁石装置４によって生成される磁界Ｂが、角度センサ１によって検出される。回転αしている間に磁界Ｂが方向に関してだけでなく、以下の文章においては多くの場合に数値と呼ぶ強度に関しても変化するように、第１の部分２は、定置のガイドピン１１が係合する螺旋状の溝１０を備えている。そうすれば、回転時に第１の部分２が上方または下方に向かって動くので、磁石装置４と角度センサ１の間隔ｄが変化する。溝状の制御カム１０とガイドピン１１は機構的に逆の形で、隆起した制御カムと溝状の案内部分として構成されていてもよいことは言うまでもない。測定地点における磁界Ｂの数値が所望の推移を示すように、特に間隔ｄに依存する直線的な推移を示すように制御カム１０および磁気構造全体を構成すると、格別に好都合な場合がある。
【００１２】
図２には、磁石装置４としての、符号Ｎ，Ｓで示すＮ極とＳ極を備える簡単な磁石が示されており、この磁石は、回転αするときに回転運動をする磁界Ｂを測定平面で生成し、この磁界が図示しない角度センサ（図１参照）で検出される。
【００１３】
図３は、瞬間的な磁界ベクトルＢが符号ｓとｋで表される正弦成分と余弦成分に分解される様子を、ベクトルダイヤグラムの図で示している。異なるベクトル長さが磁界強度Ｂの数値｜Ｂ｜によって把握される。正弦成分ｓと余弦成分ｋに基づき、三角法および記憶されている表の数値によって、対応する回転角αを判定することができる。このことは、組み込まれたプロセッサによって測定装置１の内部で行うことができ、あるいは検出装置に接続された外部プロセッサで行うことができる。当然ながら、正弦成分ｓと余弦成分ｋから繰返し近似法を用いて対応する角度αと数値を求める「Ｃｏｒｄｉｃ法」により角度判定を行うこともできる。この公知の方法では、高いコストのかかる乗算や除算は必要ない。
【００１４】
図４には、回転角αの関数としての磁場Ｂ（α）の推移が同じくベクトルダイヤグラムで示されており、回転角αはほぼ０度から１０８０度の範囲を通過する。このとき、回転運動をするベクトルとして図示されている磁界Ｂの数値は連続的に増加し、このことは図１で言えば、磁石装置４と角度センサ１の間隔ｄの連続的な減少に対応する。破線で示している渦巻線は、数値推移Ｂ（α）の許容範囲をも設定する境界線Ｇ（α）の推移を示している。数値線Ｂ（α）のばらつきが大きすぎなければ、個々の測定値は境界線Ｇ（α）から十分に広い距離をおいているので、境界線を簡素化することもできる。その場合には、たとえばいくつかの基準点（図６も参照）があれば十分であり、中間値は一次補完することができ、あるいは階段状の近似を利用することさえできる。境界線Ｇ（α）の簡素化が重要である理由は、この数値を別個に角度センサ１またはこれに接続されたプロセッサで記憶しなければならないからである。
【００１５】
図５は、０°から３６０°までの角度範囲だけをモジュール方式で区別する相対的な角度把握αｒｅｌａｔｉｖと、絶対的な角度把握αａｂｓｏｌｕｔとの違いを模式的に示している。図示した実施形態では、絶対的な回転角はほぼ０°から１０８０°までの角度範囲を把握する。すでに述べたように、三角法の公式は４つの象限への適用しか可能にせず、それ以後は再び角度値が０度から始まり、このことはすでに述べたＣｏｒｄｉｃ法についても当てはまる。したがって、正弦成分ｓと余弦成分ｋの評価は、意図的な数値変更を考慮しなければ０°と３６０°の間にある角度値しかもたらさず、したがってこの角度値を相対的な回転角αｒｅｌａｔｉｖと呼ぶ。
【００１６】
図６は、図５と同じ縮尺で水平軸のパラメータとしての役目をする０°から１０８０°の回転角αａｂｓｏｌｕｔについて、磁界推移Ｂ（α）の数値を垂直軸に示している。この推移は若干非線形であり、数値に関しては図４の磁界推移Ｂ（α）にほぼ相当している。区別をするために磁界推移Ｂ（α）は個々の領域Ｂ１からＢ４に区分されており、これらの領域は０−３６０°，３６０°−７２０°，７２０°−１０８０°、および１０８０°以上の範囲にそれぞれ割り当てられる。角度範囲０°から３６０°には、これらの領域Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が領域Ｂ２’，Ｂ３’，Ｂ４’として相応の位置に記入されている。
【００１７】
図４から既知となっている境界線Ｇ（α）は、図６でも同じく破線として磁界推移Ｂ（α）の下側に図示されており、磁界推移Ｂ（α）と同様に区域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に区分されており、これらの区分が角度範囲０°−３６０°の相応の個所Ｇ２’，Ｇ３’，Ｇ４’に挿入されている。このとき区域Ｇ１は、一貫して数値０をとることもできるはずなので特別な役割を果たす。図４に準じて、磁界推移Ｂ（α）の境界線Ｇ（α）は両側に向かって許容範囲を定義しているので、磁界推移よりも上側の区域Ｇ３およびＧ４は３６０度だけ左へずらして領域Ｇ３＊およびＧ４＊として図示されている。
【００１８】
さらに図６の境界線Ｇ（α）は、境界線全体を記憶しなくてもよいように、いくつかの記憶されるべき基準値Ｓを含んでいる。そして個々の領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３およびＧ４の中間値を、相対的な回転角αｒｅｌａｔｉｖを知ったうえで、補間により近似的に求めることができる。基準値をもう少し稠密に設定し、階段状の近似によって境界線Ｇ（α）を置き換えることができれば、基準値Ｓを用いた境界線の記憶がいっそう簡単になる。その場合には補間をする必要はない。
【００１９】
図６を参照すれば、評価方法についても容易に説明することができる。まず、相対的な回転角αｒｅｌａｔｉｖを判定する。磁界Ｂの数値がまだ存在していないときは、次回のステップで磁界を判定する。数値Ｂと所定の閾値Ｇ１，Ｇ２’，Ｇ３’，Ｇ４’を比較することで、数値Ｂがどの許容範囲内にあるかがわかる。そして、そのつどの許容範囲に基づき、対応する絶対的な角度範囲およびこれに伴う絶対的な回転角αａｂｓｏｌｕｔが求められる。この回転角は、完全に３６０°回転運動をした回数と、そのつどの相対的な回転角αｒｅｌａｔｉｖとの合計である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の本質的部分を備える検出装置の簡単な実施形態を示す、模式的な側面図である。
【図２】回転平面の磁界が付属している磁石装置の簡単な実施形態を、回転軸の方向で示す模式図である。
【図３】瞬間的に存在する磁界の正弦成分と余弦成分を示すベクトルダイヤグラムである。
【図４】回転する磁界を示すベクトルダイヤグラムであり、ベクトルの長さは絶対的な回転角に依存している。
【図５】回転角が３６０度を超えているのに角度判定が４つの象限しか解像することができない場合における、三角法による角度判定の多義性を示す図である。
【図６】多義性を解決するための、絶対的な回転角とともに変化する磁界強度の値と、相対的な回転角との組み合わせを模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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