KR20170100445A - 자기장의 각도를 측정하는 방법 및 각도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각도 센서 및 자기장의 각도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 각도 센서는 평면 내에서의 자기장의 방향을 측정하도록 구성되며, 제1 감도 방향을 갖고 제1 전압을 전달하는 제1 자기장 센서(1), 제2 감도 방향을 갖고 제2 전압을 전달하는 제2 자기장 센서(2), 제1 자기장 센서(1)에 제1 바이어싱 전류를 공급하는 제1 전류원(3), 제2 자기장 센서(2)에 제2 바이어싱 전류를 공급하는 제2 전류원(4), 및 제1 전압과 제2 전압의 합이 0과 같아지게 제1 바이어싱 전류와 제2 바이어싱 전류를 조절하도록 구성된 전자회로를 포함한다.

Description

자기장의 각도를 측정하는 방법 및 각도 센서{ANGLE SENSOR AND METHOD OF MEASURING AN ANGLE OF A MAGNETIC FIELD}

본 발명은 평면 내에서의 자기장의 방향을 측정하도록 구성된 각도 센서에 관한 것이며 평면 내에서의 자기장의 방향을 나타내는 각도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

자기장의 방향을 측정하도록 구성된 각도 센서가 예를 들어 US 6545462, US 8324891 그리고 US 8624587에 공지되어 있다. 홀 소자(Hall element)의 표면에 평행한 방향을 가리키는 자기장을 측정할 수 있는 수평 홀 소자(horizontal Hall element)를 포함하는 자기장 센서가 예를 들어 US 5942895에 공지되어 있다.

본 발명의 목적은 신속하고 신뢰성 있는 각도 센서를 개발하는 것이다.

본 발명에 따른 센서의 기본 개념은 가변 감도 방향(variable sensitivity direction)을 갖고 자기장 센서의 감도 벡터 S와 자기장 B의 스칼라 곱(scalar product)이 영이 될 때까지, 즉 S * B = 0 이 될 때까지, 감도 방향을 회전시키는 자기장 센서를 제공하는 데 있다.

평면 내에서의 자기장의 방향을 나타내는 각도 α를 측정하도록 구성된 각도 센서는,

제1 및 제2 자기장 센서 각각이 두 개의 전류 단자들과 두 개의 전압 단자들을 갖는, 제1 감도 방향을 갖는 상기 제1 자기장 센서 및 제2 감도 방향을 갖는 상기 제2 자기장 센서,

제1 자기장 센서의 전류 단자들에 제1 바이어싱 전류 I₁을 공급하는, 제1 전류원,

제2 자기장 센서의 전류 단자들에 제2 바이어싱 전류 I₂를 공급하는, 제2 전류원, 및

신호 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 변화시킴으로써 각도 센서의 감도 방향을 회전시키도록 그리고 신호 U가 0과 같아졌을 때 각도 센서의 감도 방향으로부터 각도 α를 측정하도록 구성된 폐쇄 제어 루프(closed control loop)를 형성하는 전자 회로

를 포함하고,

여기서 제1 및 제2 자기장 센서의 전압 단자들이 직렬로 연결되고 그러한 직렬 연결된 전압 단자들에 걸쳐 나타나는 전압이 태핑(tapping) 및 증폭되어 신호 U를 전달하거나, 또는 제1 및 제2 자기장 센서의 전압 단자들이 병렬로 연결되고 그러한 병렬 연결된 전압 단자들에서 나타나는 전압이 태핑 및 증폭되어 신호 U를 전달하거나, 또는 여기서 각도 센서는 제1 자기장 센서의 전압 단자들에 연결되는 제1 증폭기, 제2 자기장 센서의 전압 단자들에 연결되는 제2 증폭기, 및 제1 및 제2 증폭기의 출력부(output)들에 연결되고 신호 U를 전달하는 출력부를 갖는 합산 접합부(summing junction)를 포함한다.

제1 감도 방향과 제2 감도 방향은 각도 δ를 포함한다. 바람직하게는, 각도 δ는 90°이다. 바람직하게는, 전자 회로는, 제1 바이어싱 전류 I₁을 I₁ = I * sin δ * cos θ 로서 그리고 제2 바이어싱 전류를 I₂ = I * (sin δ - cos δ) * sin δ * sin θ 로서 제공함으로써 그리고 각도 θ를 변화시킴으로써, 각도 센서의 감도 방향을 회전시키도록 구성되며, 양 I는 공칭 전류 세기를 나타내고 양 θ는 각도를 나타내며, 또한 전자 회로는 α = θ - 90° 또는 α = θ + 90°에 대하여 각도 α를 측정하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 평면 내에서의 자기장의 방향을 나타내는 각도 α를 측정하는 방법은

제1 감도 방향을 갖는 그리고 제1 전압 U₁을 전달하는, 제1 자기장 센서를 제공하는 단계,

제2 감도 방향을 갖는 그리고 제2 전압 U₂를 전달하는, 제2 자기장 센서를 제공하는 단계,

제1 바이어싱 전류 I₁을 제1 자기장 센서에 공급하는 단계,

제2 바이어싱 전류 I₂를 제2 자기장 센서에 공급하는 단계,

제1 전압 U₁과 제2 전압 U₂의 합에 비례하는 신호 U를 형성하는 단계,

신호 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 조절하는 단계, 및

신호 U가 0과 같을 때 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂의 조절된 값에 기초하여 각도 α를 측정하는 단계

를 포함한다.

바람직하게는, 신호 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 조절하는 단계는, 제1 바이어싱 전류 I₁을 I₁ = I * sin δ * cos θ 로서 그리고 제2 바이어싱 전류를 I₂ = I * (sin δ - cos δ) * sin δ * sin θ 로서 제공함으로써, 그리고 신호 U가 0과 같아질 때까지 각도 θ를 변화시킴으로써, 일어나며, 양 I는 공칭 전류 세기를 나타내고, 양 θ는 각도를 나타내고, 양 δ는 제1 감도 방향 및 제2 감도 방향이 포함하는 각도를 나타낸다. 이후에 방법은 α = θ - 90° 또는 α = θ + 90°에 대하여 각도 α를 측정하는 단계를 또한 포함한다.

본 발명에 의하면 신속하고 신뢰성 있는 각도 센서가 제공된다.

본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는, 첨부 도면들은 본 발명의 하나 이상의 실시형태들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리 및 구현을 설명하는 역할을 한다. 본 도면들은 축척에 맞게 도시되어 있지 않다.
도 1은 본 발명에 따른 각도 센서의 개략도를 도시한다.
도 2는 각도 센서의 감도 벡터 S와 자기장 B 사이의 관계를 예시하는 도면을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 각도 센서의 일 실시형태를 도시한다.
도 4는 수 개의 신호 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 각도 센서의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 6은 홀 소자들을 구비한 본 발명에 따른 각도 센서의 일 실시형태를 도시한다.

이하에서는, 다른 실시형태들에서 동일한 요소들을 표기하기 위해 동일한 참조 부호들이 사용된다. 센서를 제조하기 위해 최신 CMOS 기술이 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 각도 센서의 개략도를 도시한다. 서로 수직으로 배향된 축들 x 및 y를 갖는 카르테시안 좌표계(직교 좌표계)가 본 발명을 설명하기 위해 사용된다. 센서는 제1 자기장 센서(1), 제2 자기장 센서(2) 및, 그 자기장 센서들(1 및 2)을 작동하고 출력 신호를 제공하도록 구성된, 전자 회로를 포함한다. 자기장 센서들(1, 2) 각각은 각각 소정의 감도 방향 S_A 또는 S_B를 갖는다. 제1 자기장 센서(1)의 감도 방향 S_A가 x-축에 평행할 수 있으며, 제2 자기장 센서(2)의 감도 방향 S_B가 y-축에 평행할 수 있다. 바람직하게는, 두 개의 자기장 센서들(1, 2)의 감도 방향 S_A와 S_B가 서로 수직으로 배향된다. 그러나, 자기장 센서들(1 및 2)은 임의의 다른 배향을 가질 수도 있으며 그들의 감도 방향들 S_A 및 S_B가 임의의 각도 δ를 포함할 수도 있다. 이상적으로는, 두 개의 자기장 센서들(1, 2)은, S₀으로 표시되는, 동일한 공칭 감도를 갖는다.

제1 자기장 센서(1)와 제2 자기장 센서(2)는 각각 수직 홀 소자이거나 평행 정렬된 수직 홀 소자들로 구성된 클러스터(cluster)일 수 있다. 대안으로, 제1 자기장 센서(1)와 제2 자기장 센서(2)는, 예를 들어 US 5942895 에 개시되어 있는 바와 같이, 제1 자기장 센서(1)는 x-방향을 향하는 자기장에 민감하고 제2 자기장 센서(2)는 y-방향을 향하는 자기장에 민감하도록, 각각 하나 이상의 수평 홀 소자 및 하나 이상의 자기장 집중기(magnetic field concentrator)로 구성될 수 있다. 각각의 홀 소자는 네 개의 전기 단자, 즉 바이어싱 전류를 공급하는 역할을 하는 두 개의 전류 단자와 홀 전압(Hall voltage)을 태핑하는 역할을 하는 두 개의 전압 단자를 포함한다. 자기장 센서들(1, 2)은, 예를 들어 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 형성하기 위해 연결되는 네 개의 자기저항 저항기(magnetoresistive resistor)로 구성되는 자기저항 (MR) 센서와 같은, 전류에 의해 바이어싱되고 전압을 전달하는 임의의 다른 유형의 자기장 센서일 수도 있다. 따라서, 자기장 센서들(1 및 2) 각각은 네 개의 전기 단자, 즉 바이어싱 전류를 공급하도록 구성된 두 개의 전류 단자와 전압을 태핑하도록 구성된 두 개의 전압 단자를 포함한다.

센서는 제1 바이어싱 전류 I₁을 제공하는 제1 전류원(3)과 제2 바이어싱 전류 I₂를 제공하는 제2 전류원(4)을 추가로 포함한다. 제1 전류원(3)은 제1 자기장 센서(1)의 전류 단자들에 연결되며, 제2 전류원(4)은 제2 자기장 센서(2)의 전류 단자들에 연결된다.

센서는, 제1 바이어싱 전류 I₁과 제2 바이어싱 전류 I₂가 다음의 식들:

I₁ = I * sin δ * cos θ (1)

I₂ = I * (sin δ - cos δ) * sin δ * sin θ (2)

에 의해 서로 관계되도록, 제1 전류원(3)과 제2 전류원(4)을 제어하도록 구성되는 제1 회로(5)를 추가로 포함하며, 여기서 파라미터 I는 일정한 공칭 전류 세기를 나타내고, 파라미터 θ는 각도를 나타낸다.

각도 δ가 90°인 경우, 즉 감도 방향 S_A와 S_B가 서로 직교하는 경우, 식 (1)과 (2)는

I₁ = I * cos θ (3)

I₂ = I * sin θ (4)

로 줄어든다.

이러한 경우, 전압 U₁과 U₂는 식:

U₁ = S₀　*I₁ * B_X (5)

U₂ = S₀　*I₂ * B_Y (6)

에 의해 주어지며, 여기서 S₀는 자기장 센서들(1 및 2)의 감도의 크기를 나타내고, B_X와 B_Y는 x-축 또는 y-축을 따라 자기장의 성분을 나타낸다.

이하의 실시형태들에서는, 각도 δ가 90°라고 가정된다.

일 실시형태에서, 센서는 제1 자기장 센서(1)의 전압 U₁을 증폭시키도록 구성된 제1 증폭기(6)와 제2 자기장 센서(2)의 전압 U₂를 증폭시키도록 구성된 제2 증폭기(7)를 추가로 포함한다. 증폭기들(6 및 7)은 이상적으로는 동일한 이득 k를 갖는다. 제1 증폭기(6)와 제2 증폭기(7)의 출력 전압들은 합산 접합부(8)의 입력부에 공급되고 거기에서 합산된다. 합산 접합부(8)의 출력은 전압

U = k　*(U₁ + U₂)　=　k　*S₀　*I　* (B_X *cos θ + B_Y * sin θ) (7)

을 전달한다.

이상적인 경우, 자기장 센서의 감도, 자기장 센서에 공급되는 공칭 전류 세기 및 증폭기의 이득은 두 자기장 센서 모두에 대해 모두 동일하다. 따라서, 이상적으로는, 전술한 바와 같이 동일한 감도 S₀를 갖는 자기장 센서들에 동일한 공칭 전류 세기 I가 공급되고, 증폭기들은 동일한 이득 k를 갖는다. 이상적인 경우와 편차가 존재하는 경우에는, 앞서 주어진 식들이 적용되도록, 예를 들어 두 개의 증폭기들(6 및 7)에 대한 상이한 이득을 조절함으로써 또는 상이한 공칭 전류 세기를 조절함으로써, 교정 단계에서 교정될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 제1 자기장 센서(1)와 제2 자기장 센서(2)의 전압 단자들은 직렬로 또는 병렬로 연결된다. 직렬 연결된 전압 단자들에 걸쳐 나타나는 전압 U₁ + U₂ 가 태핑 및 증폭되어서 전압 U = k * (U₁ + U₂) 를 전달할 수 있거나 또는 병렬 연결된 전압 단자들에서 나타나는 전압이 태핑 및 증폭되어서 전압 U = k * (U₁ + U₂) 를 전달하며, 여기서 양 k는 이득을 재차 나타낸다.

제1 회로(5), 두 개의 전류원들(3, 4), 두 개의 자기장 센서들(1, 2), 증폭기들(6, 7) 및 합산 접합부(8)로 구성된, 센서와, 선행 단락에서 설명된 구조와 요소들을 갖는 센서는, 각각 바이어싱 전류들 중 하나(I₁ 또는 I₂)를 수신하는 두 개의 전류 입력부와 전압 U = k * (U₁ + U₂) 를 전달하는 전압 출력부를 구비하는 센서이다. 센서는 감도 S의 방향이 조절가능한 자기장 센서로서 사용될 수 있다. xy-평면 내에서 감도 S의 방향은 각도 θ에 의해 주어진다. 바람직하게는, 감도 방향 S_A와 S_B가 서로 직교하고, 바이어싱 전류들 I₁과 I₂가 식 (3)과 (4)에 따라 설정된다. 전압 U는 감도 S의 방향을 가리키는 자기장의 성분에 비례한다. 제1 회로(5)는 각도 θ를 수신하도록 구성되는 제1 입력부를 갖는다.

각도 센서는, 전압 U를 수신하도록 구성되는 입력부와 제1 회로(5)의 제1 입력부에 연결되는 출력부를 갖는, 제2 회로(9)를 추가로 포함한다. 이하에서, xy-평면 내에서 자기장의 실제 각도는 각도 α_B로서 표시되며, 각도 센서에 의해 측정된 각도는 각도 α로서 표시된다.

제1 회로(5)와 제2 회로(9)는, 전압 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 변화시키도록 구성되는, 폐쇄 제어 루프를 형성한다. 이러한 실시형태에서, 이는 자기장 센서들(1 및 2)에 식 (1) 및 (2)에 따라, 각각, 바이어싱 전류 I₁ 또는 I₂를 공급함으로써 수행되고, U = 0이 될 때까지 회로들(5 및 9)에 의해 형성되는 폐쇄 루프에 의해 자동으로 각도 θ를 변화시킬 것이며, U = 0이 될 때까지라는 것은 실제로는 ｜U｜ ≤ U_T 이 될 때까지를 의미하며 U_T는 최소 검출가능 전압을 나타낸다. U = k * (U₁ + U₂) 이기 때문에, 이는 제1 자기장 센서(1)와 제2 자기장 센서(2)의 전압들의 합이 0으로, 즉

U₁ + U₂ = 0 (8)

으로 조절된다는 것을 의미한다.

조건 U = 0 은 감도 벡터 S와 자기장 벡터 B의 스칼라 곱이 영일 때, 즉 S * B = 0 일 때, 충족된다. 이러한 방정식은 2개의 해를 가지며, 이는 각도 θ와 α가 다음 식들

α　=　θ　-　90° (9)

α　=　θ　+　90° (10)

중 하나에 의해 서로 관계된다는 것을 의미한다.

도 2는 설명된 자기장 센서의 감도 벡터 S와 자기장 벡터 B 사이의 관계를 도시하며, 그에 따라 각도들 θ 및 α 사이의 관계를 도시한다. S₁은 제1 자기장 센서(1)의 감도의 크기 및 방향을 나타내는 벡터이고, S₂는 제2 자기장 센서(2)의 감도의 크기 및 방향을 나타내는 벡터이다.

회로들(5 및 9)은 디지털 및/또는 아날로그 회로로 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 각도 센서의 개념은 가변 감도 방향을 갖고 자기장 센서의 감도 벡터 S와 자기장 B의 스칼라 곱이 영이 될 때까지, 즉 S * B = 0 이 될 때까지, 감도 방향을 회전시키는 자기장 센서를 제공하는 데 있고, S * B = 0 인 경우 U₁ + U₂ = 0 이라는 것의 발견으로 이루어진다. 따라서:

a) 각도 센서는, 각각 두 개의 전류 단자들과 두 개의 전압 단자들을 갖는, 두 개의 자기장 센서들(1 및 2)을 포함한다.

b) 제1 자기장 센서(1)와 제2 자기장 센서(2)의 전압 단자들은 서로 연결되어서 전압 U = k * (U₁ + U₂) 을 전달하며, 여기서 k는 소정의 증폭 인자이다.

c) 감도 방향은 전압 U = k * (U₁ + U₂) 가 0이 될 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 변화시킴으로써 회전된다.

d) 축 x 및 y에 걸쳐있는 평면 내에서 자기장의 측정 방향은 각도 α = θ　-　90° 또는 각도 α = θ　+　90°에 의해 주어지는데, 왜냐하면 S * B = 0 인 경우 감도 벡터 S는 자기장 벡터 B에 수직이기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따른 각도 센서의 일 실시형태를 도시한다. 각도 센서는 각도 센서의 작동을 제어하는 클록 신호 발생기(clock signal generator)(10)를 포함한다. 제1 회로(5)는 룩업 테이블(lookup table)(11)과 두 개의 D/A (디지털-아날로그) 변환기(12 및 13)를 포함한다. 두 개의 전류원들(3 및 4)은 전압 제어 전류원들이다. 클록 신호 발생기(10)의 각각의 클록 펄스 CK1에서, 제1 회로(5)는 제1 입력부에서 값 θ를 얻고, 룩업 테이블(11) 내에서 디지털 값 sin θ 및 cos θ를 판독하며, 디지털 값 sin θ를 D/A 변환기(12)에 그리고 디지털 값 cos θ를 D/A 변환기(13)에 공급하고, 각도 α의 값을 갱신한다. D/A 변환기(12)의 아날로그 출력은 제1 전류원(3)에 공급되며, D/A 변환기(13)의 아날로그 출력은 제2 전류원(4)에 공급된다. 따라서, 제1 전류원(3)에 의해 공급된 전류는 I * sin θ 에 비례하고, 제2 전류원(4)에 의해 공급된 전류는 I * cos θ 에 비례한다. 전류원들(3 및 4)은 동일한 공칭 전류 I를 전달하도록 조절된다.

제2 회로(9)는 극성 검출기(polarity detector)(14), 신호 검출기(signal detector)(15), 앤드 게이트(AND gate)(16) 및 업/다운 카운터(UP/DOWN counter)(17)를 포함한다. 합산 접합부(8)의 출력은 극성 검출기(14)의 입력에 그리고 신호 검출기(15)의 입력에 공급된다. 극성 검출기(14)는, 입력에서의 전압 U가 양수이거나 영인 경우에는 1이고 입력에서의 전압 U가 음수인 경우에는 0인, 이진 출력 신호(binary output signal)를 전달한다. 신호 검출기(15)의 출력과 클록 발생기(10)의 클록 신호 CK1은 앤드 게이트(16)의 두 개의 입력에 공급된다. 신호 검출기(15)는, 입력 전압 U의 크기에 기초하여, 이진 출력 신호를 전달한다. 입력 전압 U의 크기가 최소 검출가능 신호 이상인 경우, 즉 소정의 임계값 U_T 이상인 경우, 신호 검출기의 출력 신호는 1이다. 그렇지 않은 경우, 신호 검출기의 출력 신호는 0이다.

앤드 게이트(16)의 출력 신호는, 입력들의 앤드 로직(AND logic)에 기초하는, 이진 신호이다. 두 개의 입력 신호들이 모두 1인 경우에만, 출력이 1이 될 것이다. 따라서, 앤드 게이트는 신호 검출기의 출력이 1인 경우에 클록 펄스 CK1을 통과시킬 것이며, 신호 검출기의 출력이 0인 경우에 클록 펄스를 차단할 것이다.

클록 신호 발생기(10)의 각각의 클록 CK1에서, 업/다운 카운터(17)는 극성 검출기(14)의 출력 신호가 1인 경우에 그 값을 1 단위만큼 증가시키고, 극성 검출기(14)의 출력 신호가 0인 경우에 그 값을 1 단위만큼 감소시킨다. 업/다운 카운터(17)의 값은 제1 회로(5)에 공급된다. 전압 U가 영인 경우, 즉 U = 0인 경우, 업/다운 카운터(17)의 값은 일정하게 유지된다. 전압 U가 영이 아닌 경우, 업/다운 카운터(17)의 값은 전압 U가 영으로 수렴될 때까지 각각의 클록 CK1에서 변화한다. 업/다운 카운터(17)의 값은 감도 벡터 S의 각도 θ를 나타낸다.

업/다운 카운터(17)는 그것의 출력에서 제한된 개수 N의 값들을 제공하며, 가장 낮은 값은 각도 θ = 0°에 해당하고, 가장 높은 값은 각도 θ = 360°- 360°/N 에 해당한다. 예를 들어, 각도 센서가 1°의 각 해상도(angle resolution)를 제공하는 경우, 개수 N은 360 일 수 있으며, 또는 각도 센서가 0.1°의 각 해상도를 제공하는 경우 N = 3600 이다.

이러한 실시형태에서, 업/다운 카운터(17)의 값은 전압 U가 양인 경우 증가하고 전압 U가 음인 경우 감소한다. 전압 U는 스칼라 곱 S * B = ｜S｜ * ｜B｜ * cos (θ-α) 에 비례하기 때문에, 이는 -90° ＜ θ-α ＜ 90° 인 경우 감도 벡터 S가 반시계 방향으로 회전하고 90° ＜ θ-α ＜ 270° 인 경우 시계 방향으로 회전한다는 것을 의미하며, 각도 θ와 α 사이의 관계가 식 (9)에 의해 주어지는 결과를 낳는다. 따라서, 회로(5)는, 각각의 클록 CK1에서 제1 입력에서의 각도 θ를 판독하고 식 (9)를 이용하여 각도 α를 결정하도록, 구성된다.

각도 센서의 작동 시작시 (스위치 on에서), 소정의 각도 θ₀가 θ에 대한 시작 값으로서 사용된다. θ₀는 0일 수 있거나 또는 임의의 다른 값을 가정할 수 있다. 일정 수의 클록 CK1 이후, 각도 θ의 값은 U = 0 을 만드는 값으로 수렴한다. 조건 U = 0 이 충족될 때마다, 출력되는 각도 α는 자기장 B의 각도 α_B를 정확하게 나타내며, 이 조건이 충족되지 않을 때마다, 출력되는 각도 α는 각도 α_B를 나타내지 않는다.

도 4는 시간 t 동안 수 개의 신호의 예시적인 진행을 도시한다. 참조 부호들은 다음을 나타낸다.

- 신호 라인 18: 자기장 벡터 B의 실제 방향을 나타내는 각도 α_B,

- 신호 라인 19: 각도 센서에 의해 출력되는 각도 α,

- 신호 라인 20: 합산 접합부(8)의 출력에서의 전압 U,

- 신호 라인 21: 극성 검출기(14)의 이진 출력 신호,

- 신호 라인 22: 신호 검출기(15)의 이진 출력 신호,

- 신호 라인 23: 기본 클록 신호 CK1,

- 신호 라인 24: 앤드 게이트(16)의 이진 출력, 및

- 신호 라인 25: 업/다운 카운터(17)의 출력.

도 4에서, 자기장 벡터 B의 방향은 처음에는 소정의 시간 동안 일정하고 이후에 다른 일정한 값으로 변화한다. 각도 센서를 켠 이후, 제1 회로(5)와 제2 회로(9)에 의해 형성된 피드백 회로에 의해 제공된 조절로 인해, 다음이 일어난다:

- 시작 값 θ₀가 조건 θ₀ = α　+　90°을 충족시키지 못하기 때문에, 전압 U는 큰 값을 갖는다. 시간이 지남에 따라, 전압 U는 단계적으로 0에 수렴한다.

- 극성 검출기(14)의 출력 신호는 1이고, 전압 U가 0으로 수렴할 때, 0으로 변한다.

- 신호 검출기의 출력 신호는 1이고, 전압 U가 0으로 수렴할 때, 0으로 변한다.

- 클록 발생기(10)의 클록들은, 신호 검출기의 출력 신호가 1인 한, 앤드 게이트(16)를 통과한다. 신호 검출기의 출력 신호가 0인 경우, 클록 발생기(10)의 클록들은 앤드 게이트(16)를 통과하지 않는다.

- 업/다운 카운터(17)는, 극성 검출기(14)의 출력이 1인 한, 앤드 게이트(16)의 출력에서 각각의 펄스가 나타남에 따라 1 단위만큼 그 값을 증가시키고, 극성 검출기(14)의 출력이 0인 한, 앤드 게이트(16)의 출력에서 각각의 펄스가 나타남에 따라 1 단위만큼 그 값을 감소시킨다.

순간 t₁에서, 각도 α_B가 감소할 때, 출력 전압 U는 음이 된다. 그것이 음이 될 때 신호 검출기(15)의 이진 출력 신호는 0에서 1로 변한다. 그 경우 앤드 게이트(16)는 클록 펄스 CK1을 통과시키기 때문에, 업/다운 카운터(17)는, 신호 검출기(15)의 이진 출력 신호가 1인 한, 각각의 펄스와 함께 1 단위만큼 그 값을 감소시킨다.

도 5에 도시된, 또 다른 실시형태에서는, 각도 센서가 상기 극성 검출기(14)를 포함하지 않고, 제1 증폭기(6)의 출력부에 연결되는 극성 검출기(26)를 포함한다. 극성 검출기(26)는, 입력에서의 전압 U₁이 양이거나 영인 경우 1이고 입력에서의 전압 U₁이 음인 경우 0인, 이진 출력 신호를 전달한다. 따라서, 극성 검출기(26)의 출력 신호는 전압 U₁의 부호(sign)를 나타내고, 제1 회로(5)의 제2 입력에 공급된다.

각도 θ는 감도 방향을 정의한다. 따라서, 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂의 부호들은 네 개의 사분면(quadrant) 중에서 어디에 감도 벡터 S가 놓이는지를 결정한다. 전압 U₁의 부호는 자기장 벡터 B가 선행 사분면들(제2사분면 및 제3사분면) 중 하나에 놓이는지 후속 사분면들(제1사분면 및 제4사분면) 중 하나에 놓이는지를 결정한다. 이후 이러한 정보는, 예를 들어, 각도 α가 어떻게 계산될 것인지, 정보를 포함하는 다음의 룩업 테이블의 이용에 의해, 각도들 θ 및 α 사이의 관계가 식 (9)에 의해 주어지는지 식 (10)에 의해 주어지는지를 결정하기 위해 이용된다:

이러한 실시형태에서, 업/다운 카운터(17)의 값은 전압 U가 영과 다른 경우 항상 증가한다. 이는, U ≠ 0 인 경우, 감도 벡터 S가 항상 반시계 방향으로 회전한다는 것을 의미한다.

도 6은 본 발명에 따른 각도 센서의 일 실시형태를 도시하며, 여기서 자기장 센서들(1 및 2)은 홀 소자들을 포함하는 홀 센서들이다. 홀 센서들의 1/f 노이즈 문제 및 오프셋을 줄이거나 없애기 위해, 잘 알려진 스피닝 전류 기술(spinning current technique)이 홀 센서들을 작동하는 데 사용된다. 스피닝 전류 기술은 소정의 스피닝 클록 CK2에서 각각의 홀 센서의 전류 및 전압 단자들을 정류한다. 바람직하게는, 4-위상 스피닝 전류 기술이 사용되지만, 2-위상 스피닝 전류 기술이 사용될 수도 있다. 각도 센서는, 제1 자기장 센서(1)의 전류 단자들을 제1 전류원(3)에 그리고 전압 단자들을 제1 증폭기(6)에 연결하는, 제1 스피닝 전류 회로(27)와, 제2 자기장 센서(2)의 전류 단자들을 제2 전류원(4)에 그리고 전압 단자들을 제2 증폭기(7)에 연결하는, 제2 스피닝 전류 회로(28)를 포함한다. 클록 신호 발생기(10)는 스피닝 클록 CK2를 또한 생성하는데, 이는 4-위상 스피닝 전류 기술이 사용되는 경우 기본 클록 신호 CK1보다 4배 빠르거나 2-위상 스피닝 전류 기술이 사용되는 경우 기본 클록 신호 CK1보다 2배 빠르다. 예를 들어 스위칭된 커패시터 필터로서 형성되는, 적분기(integrator)(29)가 합산 접합부(8)의 출력부에 연결되어서 4개 또는 2개의 스피닝 전류 위상들에 걸쳐 홀 전압 U의 적분(integration)을 만든다.

본 발명의 센서를 구현하기 위해, 마이크로컨트롤러(microcontroller) 등을 포함하는, 다른 아날로그 및/또는 디지털 회로들이 사용될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

본 발명의 실시형태들과 응용형태들이 도시되고 설명되었지만, 전술된 것보다 더 많은 변형형태들이 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 가능하다는 것은 본 발명의 공개의 이점을 갖는 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의한 경우를 제외하고는, 제한되어서는 안 된다.

Claims (6)

1. - 제1 감도 방향을 갖고 두 개의 전류 단자들과 두 개의 전압 단자들을 갖는, 제1 자기장 센서(1),
   - 제2 감도 방향을 갖고 두 개의 전류 단자들과 두 개의 전압 단자들을 갖는, 제2 자기장 센서(2),
   - 제1 자기장 센서(1)의 전류 단자들에 제1 바이어싱 전류 I₁을 공급하는 제1 전류원(3),
   - 제2 자기장 센서(2)의 전류 단자들에 제2 바이어싱 전류 I₂를 공급하는 제2 전류원(4), 및
   - 신호 U가 0과 같아질 때까지 상기 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 변화시킴으로써 각도 센서의 감도 방향을 회전시키도록 그리고 신호 U가 0과 같아졌을 때 각도 센서의 감도 방향으로부터 각도 α를 측정하도록 구성된, 폐쇄 제어 루프를 형성하는 전자 회로
   를 포함하는, 평면 내에서의 자기장의 방향을 나타내는 각도 α를 측정하도록 구성된 각도 센서로서,
   제1 자기장 센서(1) 및 제2 자기장 센서(2)의 전압 단자들이 직렬로 연결되고 직렬 연결된 전압 단자들에 걸쳐 나타나는 전압이 태핑 및 증폭되어 신호 U를 전달하거나, 또는 제1 자기장 센서(1) 및 제2 자기장 센서(2)의 전압 단자들이 병렬로 연결되고 병렬 연결된 전압 단자들에서 나타나는 전압이 태핑 및 증폭되어 신호 U를 전달하거나, 또는 각도 센서가, 제1 자기장 센서(1)의 전압 단자들에 연결되는 제1 증폭기(6), 제2 자기장 센서(2)의 전압 단자들에 연결되는 제2 증폭기(7), 및, 제1 증폭기(6) 및 제2 증폭기(7)의 출력부들에 연결되고 신호 U를 전달하는 출력부를 갖는, 합산 접합부(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 각도 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 감도 방향과 상기 제2 감도 방향은 각도 δ를 포함하고,
   상기 전자 회로는 제1 바이어싱 전류 I₁을 I₁ = I * sin δ * cos θ 로서 그리고 제2 바이어싱 전류를 I₂ = I * (sin δ - cos δ) * sin δ * sin θ 로서 제공함으로써 그리고 각도 θ를 변화시킴으로써 각도 센서의 감도 방향을 회전시키도록 구성되며, 양 I는 공칭 전류 세기를 나타내고 양 θ는 각도를 나타내며,
   상기 전자 회로는 α = θ - 90° 또는 α = θ + 90°로 각도 α를 측정하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는, 각도 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 각도 δ는 90°인 것을 특징으로 하는, 각도 센서.
4. 다음 단계들을 포함하는, 평면 내에서의 자기장의 방향을 나타내는 각도 α를 측정하는 방법:
   - 제1 감도 방향을 갖고 제1 전압 U₁을 전달하는, 제1 자기장 센서(1)를 제공하는 단계,
   - 제2 감도 방향을 갖고 제2 전압 U₂를 전달하는, 제2 자기장 센서(2)를 제공하는 단계,
   - 제1 바이어싱 전류 I₁을 제1 자기장 센서(1)에 공급하는 단계,
   - 제2 바이어싱 전류 I₂를 제2 자기장 센서(2)에 공급하는 단계,
   - 제1 전압 U₁과 제2 전압 U₂의 합에 비례하는 신호 U를 형성하는 단계,
   - 신호 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 조절하는 단계, 및
   - 신호 U가 0과 같아졌을 때 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂의 조절된 값에 기초하여 각도 α를 측정하는 단계.
5. 제4항에 있어서,
   신호 U가 0과 같아질 때까지 바이어싱 전류들 I₁ 및 I₂를 조절하는 단계는, 제1 바이어싱 전류 I₁을 I₁ = I * sin δ * cos θ 로서 그리고 제2 바이어싱 전류를 I₂ = I * (sin δ - cos δ) * sin δ * sin θ 로서 제공하고 신호 U가 0과 같아질 때까지 각도 θ를 변화시킴으로써 일어나며, 양 I는 공칭 전류 세기를 나타내고, 양 θ는 각도를 나타내고, 양 δ는 제1 감도 방향 및 제2 감도 방향이 포함하는 각도를 나타내며,
   각도 α는 α = θ - 90° 또는 α = θ + 90°로 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   각도 δ는 90°인 것을 특징으로 하는 방법.

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