用于使用多極磁體來測(cè)量絕對(duì)角位置的布置、方法和傳感器的制造方法
【專利說明】用于使用多極磁體來測(cè)量絕對(duì)角位置的布置、方法和傳感 □ □ 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及使用磁場(chǎng)的位置傳感器的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于使用磁場(chǎng) 來精確確定小于360°的角位置的非接觸式布置和方法。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 對(duì)旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量在各種應(yīng)用中被需要，諸如手動(dòng)的電開關(guān)或者對(duì)電機(jī)或閥等的位 置測(cè)量。取決于成本和準(zhǔn)確度限制，該任務(wù)可通過各種方法（諸如機(jī)械接觸、電勢(shì)計(jì)、光學(xué) 編碼器或磁編碼器）來完成。
[0004] 現(xiàn)代的集成電路技術(shù)提供將磁傳感器及其讀出和角計(jì)算電子器件集成在單個(gè)管 芯上的可能性。這允許以有競(jìng)爭(zhēng)性的成本和良好的性能提供機(jī)械旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器，該檢測(cè)器由 附連到轉(zhuǎn)子的永磁體和附連到定子的單片集成傳感器組成。具有磁體的轉(zhuǎn)子和具有傳感器 的定子之間不存在機(jī)械接觸允許密封地封裝該傳感器。這準(zhǔn)許在殘酷環(huán)境條件下進(jìn)行無磨 損的角測(cè)量。
[0005] 隨著電氣系統(tǒng)的緊湊性的增加，特別是在伴隨混合引擎系統(tǒng)的到來的汽車中，這 樣的位置傳感器被附加地暴露于來自鄰近的攜帶強(qiáng)電流（例如，大于100A)的電流導(dǎo)體的 外部磁場(chǎng)。為了在這樣的條件下保持高感測(cè)準(zhǔn)確性，該傳感器可通過鐵磁屏蔽來屏蔽，或者 它必須被造得對(duì)這樣的場(chǎng)有固有穩(wěn)健性。這可通過測(cè)量場(chǎng)梯度而非絕對(duì)場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹?要傳感器尺寸較小，該傳感器上的任何外部場(chǎng)在第一近似中都被假定為是恒定的。
[0006] 對(duì)應(yīng)于該要求的傳感器從EP0916074B 1知曉。它描述了使用源自非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁 體（尤其是兩極磁體）的磁場(chǎng)來進(jìn)行非接觸式角度測(cè)量的方法和布置，藉此與旋轉(zhuǎn)軸平行 的軸向場(chǎng)分量（Bz)由在與該旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面內(nèi)部的若干分開的點(diǎn)處的傳感器元件（所 謂的"水平霍爾元件"）測(cè)量。因此，在完全相對(duì)的傳感器元件值之間的差被得到，以使得來 自恒定的外部（干擾）場(chǎng)的任何信號(hào)都被減去因此它不再出現(xiàn)在角信號(hào)中。
[0007] 所描述的方法和布置的缺點(diǎn)在于其針對(duì)小角度測(cè)量的應(yīng)用。
[0008] US20020021124描述了使用用于使磁場(chǎng)線彎曲的一個(gè)或多個(gè)所謂的磁場(chǎng)聚集器 (簡(jiǎn)稱為" MC"）結(jié)合位于該MC下面的各水平霍爾元件或成切線地位于該MC邊緣的各 垂直霍爾元件的位置傳感器。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 本發(fā)明的目的在于提供一種基本上對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感的用于測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定 子的絕對(duì)角位置的傳感器和布置和方法。
[0011] 具體地，本發(fā)明的各實(shí)施例的目的在于提供一種這樣的具有增加的敏感度的用于 測(cè)量小于360°的角位置的傳感器和布置和方法。
[0012] 通過根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的布置和方法和傳感器來完成上述目的。
[0013] 在第一方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的角位置的布置。該布置 包括：
[0014] -轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子能圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；
[0015] -定子，所述定子具有相對(duì)于該旋轉(zhuǎn)軸的固定位置；
[0016] -安裝在所述轉(zhuǎn)子上的用于創(chuàng)建磁場(chǎng)的磁源，所述磁源是具有至少四個(gè)磁極并提 供相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸周期性重復(fù)的磁場(chǎng)圖案的多極磁體；
[0017] -傳感器，所述傳感器被安裝在所述定子上并包括多個(gè)傳感器元件，所述傳感器元 件用于測(cè)量所述磁場(chǎng)的至少一個(gè)磁場(chǎng)分量并用于提供指示所述至少一個(gè)磁場(chǎng)分量的測(cè)量 信號(hào)，所述傳感器被定位成基本上以所述旋轉(zhuǎn)軸為中心，并在距所述磁源第一距離處被定 位在與所述旋轉(zhuǎn)軸基本上垂直的平面中；所述傳感器元件被基本上定位在處于距所述旋轉(zhuǎn) 軸第二距離處的圓上，并被取向?yàn)橛糜跈z測(cè)所述至少一個(gè)磁場(chǎng)分量；以及
[0018] -用于計(jì)算所述轉(zhuǎn)子距所提供的傳感器信號(hào)的角位置的裝置。
[0019] 在第二方面，本發(fā)明提供一種用于測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的角位置的布置。該布置 包括：轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子能圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；定子，所述定子具有相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸的固定位 置；安裝在所述轉(zhuǎn)子上的用于創(chuàng)建磁場(chǎng)的磁源，所述磁源是具有多個(gè)用于生成相對(duì)于旋轉(zhuǎn) 軸周期性重復(fù)的磁場(chǎng)圖案的磁極的多極磁體，磁極數(shù)為至少四個(gè)；傳感器，所述傳感器被安 裝在所述定子上并包括多個(gè)傳感器元件，所述傳感器元件用于測(cè)量所述磁場(chǎng)的至少一個(gè)磁 場(chǎng)分量并用于提供指示所述至少一個(gè)磁場(chǎng)分量的測(cè)量信號(hào)，所述傳感器被定位成基本上以 所述旋轉(zhuǎn)軸為中心，并在距所述磁源第一距離處被定位在與所述旋轉(zhuǎn)軸基本上垂直的平面 中；所述傳感器元件被基本上定位在處于距所述旋轉(zhuǎn)軸第二距離處的圓上，并被取向成用 于檢測(cè)所述至少一個(gè)磁場(chǎng)分量；所述多個(gè)傳感器元件被劃分成至少第一組群和第二組群， 每一組群內(nèi)的元件被定位在所述圓上的等距角位置處，所述第一組群中的元件和所述第二 組群中的元件之間的角距離等于180°除以所述磁源的磁極數(shù)；用于從所提供的信號(hào)中計(jì) 算所述轉(zhuǎn)子的角位置的裝置，所述用于計(jì)算的裝置適用于計(jì)算由所述第一組群中的傳感器 元件提供的信號(hào)的第一和或第一平均，并適用于計(jì)算由所述第二組群中的傳感器元件提供 的信號(hào)的第二和或第二平均，并適用于基于從由所述第一和、第一平均、第二和及第二平均 組成的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)值來確定所述轉(zhuǎn)子的所述角位置。
[0020] 使用磁場(chǎng)來確定角位置的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器是非接觸式，并由此在固定部分和可移 動(dòng)部分之間不存在機(jī)械接觸由此不存在磨損。這樣的傳感器可在惡劣環(huán)境中被有利地使 用。
[0021] 使用包括多個(gè)傳感器元件的單個(gè)集成傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于各個(gè)體傳感器元件或若 干傳感器間不對(duì)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)被消除，并且那些傳感器的互連可被忽略。
[0022] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于第一元件組群被布置用于測(cè)量所謂的正弦信號(hào)，而第二元 件組群被布置用于測(cè)量余弦信號(hào)，從而一起形成正交信號(hào)，所述角位置可從該正交信號(hào)準(zhǔn) 確地確定。
[0023] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于它允許磁源的切向場(chǎng)分量、徑向場(chǎng)分量或軸向場(chǎng)分量中的 任何一者而非（僅）軸向場(chǎng)分量被測(cè)量。
[0024] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于它不要求將鐵磁磁軛附加到定子以用于對(duì)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)進(jìn) 行整形，該附加會(huì)增加組件成本和勞動(dòng)力。
[0025] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于磁源在磁體以及旋轉(zhuǎn)軸的緊密附近處創(chuàng)建磁場(chǎng)，其中在位 于與旋轉(zhuǎn)軸同心的圓上、并距磁體較短距離的位置處的各磁場(chǎng)分量具有隨旋轉(zhuǎn)角以基本上 周期性（例如，正弦或余弦）的方式改變并且隨距旋轉(zhuǎn)軸的距離以基本上線性的形式變化 的切向場(chǎng)分量和/或徑向場(chǎng)分量和/或軸向場(chǎng)分量。這樣的磁體的不例是具有含正方形、 圓形或多邊形截面的圓柱形形狀的磁體。
[0026] 由這樣的布置提供的角位置的優(yōu)點(diǎn)在于或可能在于對(duì)位置偏移誤差的穩(wěn)健性 (例如，基本上對(duì)位置偏移誤差不敏感）。這提供了不必進(jìn)行校準(zhǔn)以補(bǔ)償位置誤差的進(jìn)一步 優(yōu)點(diǎn)。
[0027] 由這樣的布置提供的角位置的優(yōu)點(diǎn)在于或可能在于對(duì)均勻外部磁場(chǎng)的穩(wěn)健性 (例如，基本上對(duì)均勻外部磁場(chǎng)不敏感）。
[0028] 磁源可以是具有圓形、正方形或多邊形（例如，六邊形）的多極盤。該多極磁體可 以但不一定提供有中央開口，例如中央圓柱開口（由此基本上形成環(huán)狀體）。
[0029] 傳感器元件的數(shù)目至少等于磁源的極數(shù)，但為了得到改進(jìn)的功能也可以是那個(gè)數(shù) 目的兩倍。
[0030] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，多極磁體是永磁體。使用永磁體來生成磁場(chǎng) 具有不需要施加功率來生成磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0031] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，多極磁體具有中央圓柱開口。
[0032] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，多極磁體具有至少六個(gè)磁極。
[0033] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于它提供了較高的敏感度。
[0034] 具有六極磁體或有更多極的磁體的布置的優(yōu)點(diǎn)在于在角范圍為0到120°。越多 磁極可用，角敏感度范圍變得越小。
[0035] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的實(shí)施例中，多極磁體具有含外徑和內(nèi)徑的環(huán)形形狀，并且 該傳感器中的圓具有為該磁體的外徑的1.到30%的直徑。
[0036] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器元件被定位到的圓的直徑基本上獨(dú)立于環(huán)形磁體 的尺寸。這允許傳感器和磁體尺寸被基本上彼此獨(dú)立地選擇。這還允許獨(dú)立于磁體對(duì)傳感 器進(jìn)行定標(biāo)的進(jìn)一步技術(shù)。
[0037] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，測(cè)量到的至少一個(gè)磁場(chǎng)分量包括該磁場(chǎng)的被 基本上取向?yàn)樵谠搱A的切向的切向場(chǎng)分量。
[0038] 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這樣的源自多極環(huán)形磁體或盤形磁體的切向場(chǎng)根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子之 間的角距離提供基本上正弦的信號(hào)，并在于該切向場(chǎng)分量的幅度隨距旋轉(zhuǎn)軸的距離以基本 上線性的方式改變，從而提供優(yōu)良的位置偏移校正并允許對(duì)本技術(shù)進(jìn)行定標(biāo)。
[0039] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，傳感器元件包括垂直霍爾效應(yīng)元件，該垂直 霍爾效應(yīng)元件具有含在該圓切向的法線的板。
[0040] -個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這樣的霍爾元件理想地適合于測(cè)量（僅）切向場(chǎng)分量，同時(shí)對(duì)軸向 或徑向場(chǎng)分量不敏感。
[0041] 使用垂直霍爾效應(yīng)元件的優(yōu)點(diǎn)在于由于這些垂直霍爾效應(yīng)元件被構(gòu)建在半導(dǎo)體 (例如，硅、襯底）的深度方向中，因此占據(jù)較少的半導(dǎo)體面積。
[0042] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，每一感測(cè)元件包括一對(duì)水平霍爾效應(yīng)元件以 及頂C分段，所述一對(duì)水平霍爾效應(yīng)元件被彼此毗鄰地定位在圓上并具有與旋轉(zhuǎn)軸基本上 垂直地定向的板，所述MC分段用于使局部切向磁場(chǎng)彎曲成與這些板基本上垂直的方向。
[0043] 這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于水平霍爾元件可被使用，其提供更高的敏感度并以更小的 偏移為特征。
[0044] 結(jié)合IMC來使用水平霍爾元件的優(yōu)點(diǎn)在于IMC以無源方式提供信號(hào)放大。
[0045] 在根據(jù)本發(fā)明的布置的各實(shí)施例中，測(cè)量到的至少一個(gè)磁場(chǎng)分量包括該磁場(chǎng)的被 基本上在該圓的徑向上取向的徑向場(chǎng)分量。
[0046] -個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這樣的源自多極環(huán)形磁體或盤形磁體的徑向場(chǎng)根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子之 間的角距離提供基本上正弦的信號(hào)，并在于該徑向場(chǎng)分量的幅度隨距旋轉(zhuǎn)軸的距離以基本 上線性的方式改變，從而提供優(yōu)良的位置偏移校正并允許對(duì)本技術(shù)進(jìn)行定標(biāo)。徑向場(chǎng)和切 向場(chǎng)提供相同的優(yōu)點(diǎn)。
[0047] 在這樣的實(shí)施例中，傳感器元件可包括垂直霍爾效應(yīng)元件，該垂直霍爾效應(yīng)元件 具有含垂直于旋轉(zhuǎn)軸并與旋轉(zhuǎn)軸相交的法線的板。
[0048] 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這樣的霍爾元件理想地適合于測(cè)量（僅）徑向場(chǎng)分量，同時(shí)對(duì)軸向 或切向場(chǎng)分量不敏感。
[0049] 使用垂直霍爾效應(yīng)元件的優(yōu)點(diǎn)在于由于這些垂直霍爾效應(yīng)元件被構(gòu)建在半導(dǎo)體 (例如，硅、襯底）的深度方向中因此占據(jù)較少的半導(dǎo)體面積。