CN102141371A - 用于确定传感器装置和磁场之间的角度的角度传感器和方法 - Google Patents

用于确定传感器装置和磁场之间的角度的角度传感器和方法 Download PDF

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Abstract

用于确定传感器装置(2)和磁场之间的角度的角度传感器(1)具有产生磁场的、可相对于传感器装置(2)调整到关于旋转轴线(5)的不同的旋转位置中的磁体(3)。为了检测相对于所述旋转轴线(5)横向地定向的第一磁场分量，传感器装置(2)具有第一磁场传感器(7)，为了检测相对于由旋转轴线(5)和第一磁场分量展开的平面横向地设置的第二磁场分量，传感器装置(2)具有第二磁场传感器(8)。传感器装置(2)的第三磁场传感器(9)检测在旋转轴线(5)的方向上定向的第三磁场分量。为了调整传感器装置(2)相对于磁场的旋转轴线的位置，使传感器装置(2)如此相对于磁体(5)定位，使得第三磁场分量在很大程度上与旋转位置无关。

Description

用于确定传感器装置和磁场之间的角度的角度传感器和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定传感器装置和磁场之间的角度的角度传感器(Winkelgeber)，具有产生磁场的、可被相对于传感器装置调整到关于旋转轴线的不同的旋转位置中的磁体，其中，传感器装置具有用于检测相对于旋转轴线横向地定向的第一磁场分量的第一磁场传感器和用于检测第二磁场分量的第二磁场传感器，所述第二磁场分量相对于由旋转轴线和第一磁场分量展开的平面横向地设置。此外，本发明还涉及一种用于确定传感器装置和可围绕旋转轴线相对于传感器装置旋转的磁场之间的角度的方法，其中，提供传感器装置并且产生磁场，其中，借助于所述传感器装置指示相对于旋转轴线横向地定向的第一磁场分量的第一测量值和用于检测相对于由旋转轴线和第一磁场分量展开的平面横向地设置的第二磁场分量的第二测量值，其中，借助于这些测量值确定传感器装置和磁场之间的角度。
背景技术
这样的角度传感器和这样的方法在实践中是已知的。角度传感器具有磁盘，所述磁盘可绕旋转轴线旋转地支承在支承部件上并且关于旋转轴线同心地设置。磁盘在其圆周上具有一些磁极，这些磁极在圆周方向上是彼此错开的。在旋转轴线的方向上在磁盘的旁边或者下方设置有半导体芯片，所述半导体芯片以其芯片平面与旋转轴线垂直地并且与磁盘的平面平行地定向。在半导体芯片中集成有两个磁场传感器，它们的测量轴线位于芯片平面内并且彼此错开90°。借助于磁场传感器测量磁场的位于旋转轴线上或者附近的位置的x分量和y分量的磁场分量。在半导体芯片中集成有分析处理装置，所述分析处理装置由这样获得的磁场分量借助于反正切函数求得传感器装置和磁场之间的角度并且产生相应的角度测量信号。所述角度传感器具有以下缺点：由于机械公差和/或磁体磁化中的公差，在传感器装置的测量位置和磁场的旋转轴线之间可能出现偏差。由此在角度测量时可能出现非线性的测量误差。
发明内容
本发明的任务在于提供一种在开始部分所述类型的角度传感器，所述角度传感器可以在传感器装置安装在磁体上时以简单的方式被调整，使得其能够实现高的测量精度。此外，本发明的任务还在于提供一种开始部分所述类型的方法，所述方法能够以简单的方式实现传感器装置和磁场之间的角度的精确测量。
所述任务在角度传感器方面如下解决：传感器装置具有用于检测在旋转轴线的方向上定向的第三磁场分量的第三磁场传感器。
有利地，通过第三磁场传感器能够实现在安装角度传感器时测量磁场的指向旋转轴线的方向的分量并且如此相对于磁场定位传感器装置，使得在磁体或者磁场的旋转运动时指向旋转轴线的方向的第三磁场分量在很大程度上是恒定的。那么，传感器装置精确地定位在磁旋转轴线上并且因此关于磁场对称。以所述方式调整的角度传感器能够实现高的测量精度。
在本发明的一个有利的实施方式中，传感器装置是集成到半导体衬底中的，其中，第一磁场传感器和第二磁场传感器分别具有至少一个垂直的、相对于半导体衬底的平面横向地设置的霍尔板(Hall-Platte)，而第三磁场传感器具有至少一个与半导体衬底的平面平行地或者在半导体衬底的平面中设置的水平的霍尔板。磁场传感器可以由此成本有利地集成到半导体衬底中。避免了偏转磁通的高耗费的磁通导体。
有利地，第一磁场传感器的至少一个垂直的霍尔板的面重心与第二磁场传感器的至少一个垂直的霍尔板的面重心一致。那么，可以在同一测量位置上测量第一和第二磁场分量。
在本发明的一个优选的构型中，第一磁场传感器的垂直的霍尔板穿过第二磁场传感器的垂直的霍尔板。那么，对于两个霍尔板仅仅需要相对较小的芯片面积。
在本发明的一个有利的实施方式中，在半导体衬底的延伸平面的俯视图中，水平的霍尔板的面重心和第一磁场传感器和/或第二磁场传感器的垂直的霍尔板的面重心彼此叠置。角度传感器由此能够实现更高的测量精度。
有利地，第三磁场传感器具有用于第三磁场分量的模拟的测量信号输出端，在半导体芯片上设有具有模拟的温度信号输出端的温度传感器，以及测量信号输出端和温度信号输出端可通过开关装置选择地或者交替地与模拟/数字转换器的输入端连接。因此，模拟/数字转换器可被用于数字化第三磁场分量和温度信号。模拟/数字转换器的数字输出端为了测量信号的继续理可以与数字的信号处理器级连接。借助于温度信号可以补偿或者减弱磁场分量的测量信号的温度依赖性。
在本发明的一个符合目的的构型中，磁体借助于支承部件以可相对于传感器装置围绕旋转轴线旋转地支承，其中，在支承部件和传感器装置之间设置有调整装置，借助于所述调整装置旋转轴线可被在第一磁场分量的方向上和在第二磁场分量的方向上相对于传感器装置调整。借助于调整装置，传感器装置可以在安装角度传感器时以简单的方式被定位在磁场的磁旋转轴线上。根据需要，调整装置可以具有附加的调整轴线，借助于所述调整轴线磁体可被在第三磁场分量的方向上相对于传感器装置调整。当然也可以在制造设备上设置调整装置，并且在磁体上位置正确地定位之后将传感器装置固定在用于磁体的支承部件上，例如借助于粘接剂。
在开始部分所述类型的方法方面，上述任务如下解决：
a)根据旋转位置检测在旋转轴线的方向上定向的第三磁场分量的测量信号，
b)求得所述测量信号的波动，并且将所述测量信号的波动与给定值或者给定值范围进行比较，
c)对于所述波动与给定值或者给定值范围不一致的情况，
i)相对于旋转轴线横向地相对于磁场移动传感器装置，
ii)然后重复步骤a)到c)，
d)对于所述波动与给定值或者给定值范围一致的情况，检测第一和第二测量值，并且借助于这些测量值确定传感器装置和磁场之间的角度。
在此，波动尤其理解为测量信号的最大值和最小值之间的差别。本发明基于以下知识：如果第三磁场传感器并且因此传感器装置设置在旋转轴线上，则第三磁场分量在围绕旋转轴线旋转磁场时保持恒定。如果第三磁场分量在旋转运动时出现的波动位于预先给定的给定值范围之外或者与预先给定的给定值不一致，则一直相对于旋转轴线横向地相对于旋转轴线移动传感器装置，直到波动位于给定值范围之内或者与给定值一致并且因此传感器装置的测量位置除允许的公差外接近旋转轴线。
在所述方法的一个优选的构型中，
如果旋转轴线和传感器装置设置在第一相对位置中，则根据旋转位置检测第三磁场分量的第一测量信号，并且求得第一测量信号的波动，
将传感器装置在第一方向上相对于旋转轴线定位，并且将传感器装置置于另一相对位置中，
对于所述另一相对位置，根据旋转位置检测第三磁场分量的另一测量信号，并且确定所述测量信号的波动，
确定最后检测到的测量信号的波动和之前检测到的测量信号的波动之间的变化，
一直重复最后三个步骤，直到波动的变化改变其正负号，
其中，随后如此实施步骤a)到d)，使得在第二方向上进行步骤i)中的移动，所述第二方向与第一方向垂直地并且与旋转轴线垂直地定向。
即，首先在第一方向上然后在第二方向上相对于磁旋转轴线定向传感器装置。由此能够将传感器装置快速并且准确地定位在旋转轴线上。
第一磁场分量和第二磁场分量优选位于与旋转轴线垂直设置的平面内并且彼此垂直地定向。那么，磁场分量相应于笛卡尔坐标系的轴。这能够实现角度传感器的简单并且快速的调整。此外可以通过由第一和第二磁场分量的商形成反正切和/或借助于所谓的CORDIC算法以相对较小的计算开销由第一和第二磁场分量求得角度。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的实施例。附图部分示意性地示出：
图1：用于确定集成到半导体芯片中的传感器装置和可围绕旋转轴线旋转的磁场之间的角度的角度传感器，其中，传感器装置的测量位置在侧向上与旋转轴线间隔开，
图2：集成到半导体芯片中的电路的框图，
图3：传感器装置的对磁场的x分量敏感的磁场传感器的测量信号，其中，横坐标表示以度为单位的角度而纵坐标表示以毫特斯拉为单位的所测量的磁场的x分量Bx，
图4：传感器装置的对磁场的y分量敏感的磁场传感器的测量信号，其中，横坐标表示以度为单位的在传感器装置和磁场之间的角度而纵坐标表示以毫特斯拉为单位的所测量的磁场的y分量By，
图5：角度传感器的测量信号中的角度误差的图示，所述角度误差在传感器装置的测量位置与磁场的旋转轴线在径向上间隔开时产生，
图6：类似于图1的示图，然而其中传感器装置的测量位置设置在磁旋转轴线上，
图7：类似于图5的示图，然而其中传感器装置的测量位置设置在磁旋转轴线上。
具体实施方式
在整体上以1表示的、用于确定传感器装置2和磁场之间的角度的角度传感器为了产生磁场而具有圆盘状的磁体3。磁体3借助于支承部件4可围绕机械的旋转轴线5旋转地支承。在图1中可以看出，旋转轴线5与笛卡尔坐标系的z轴一致。
磁体3与旋转轴线5垂直地磁化并且在其圆周上具有一个北极和一个南极，它们关于旋转轴线5彼此错开180°。由于制造公差，磁场的对称轴线在侧向上略微与旋转轴线5间隔开。
但是也可以考虑磁体3的其他构型，其中，磁体在其圆周上具有多个极对。在圆周方向上，北极和南极在此相互交替。
为测量磁场，传感器装置2具有半导体芯片，所述半导体芯片具有半导体衬底6，在所述半导体衬底中集成有磁场传感器7、8、9。第一磁场传感器7对于在坐标系的x方向上定向的第一磁场分量是敏感的。第二磁场传感器8对于在坐标系的y方向上定向的第二磁场分量是敏感的而第三磁场传感器9对于在坐标系的z方向上定向的第三磁场分量是敏感的。第一和第二磁场分量彼此垂直地并且与机械的旋转轴线5垂直地设置。
如在图1中可以看出的那样，第一磁场传感器7和第二磁场传感器8分别具有垂直的霍尔板。这些霍尔板关于半导体衬底6的延伸平面的法线彼此旋转180°并且在中间穿过。也可以考虑，这些垂直的霍尔板在z方向上彼此堆叠地设置并且在中间交叉。这些垂直的霍尔板也可以具有两个或者多个板元件，所述两个或多个板元件设置在一个平面内并且在径向上关于旋转轴线5彼此间隔开。
第三磁场传感器9具有设置在垂直的霍尔板上方的水平的霍尔板。水平的霍尔板的面重心设置在垂直的霍尔板的交叉线上方或者垂直的霍尔板的交叉线的直线延长线上。
在图2中可以看出，第一磁场传感器7具有第一测量信号输出端，其通过第一模拟/数字转换器10与信号处理器11的第一数字输入端连接。以相应的方式，第二磁场传感器8具有第二测量信号输出端，其通过第二模拟/数字转换器12与信号处理器11的第二数字输入端连接。
第三磁场传感器9具有第三测量信号输出端，其与开关装置13的第一输入端连接。在开关装置13的第二输入端上连接了集成到半导体衬底6中的温度传感器14的温度信号输出端。开关装置13的输出连接端子与信号处理器11的第三数字输入端连接。借助于开关装置13可以将第三磁场传感器9的测量信号输出端和温度传感器14的温度信号输出端交替地与信号处理器11的第三数字输入端连接。相应的输入端的选择通过一个寻址信号实现，所述寻址信号由信号处理器11通过地址线路施加到开关装置13的地址信号输入端15上。
在支承部件4和传感器装置之间设置有调整装置17，借助于所述调整装置旋转轴线5可至少在第一磁场分量的方向上和在第二磁场分量的方向上相对于传感器装置2调整。
在制造角度传感器1时，借助于在附图中未详细示出的支承部件使传感器装置2在磁体3的磁场中如此定位，使得传感器装置2的测量位置位于磁旋转轴线的预先确定的一侧，与磁旋转轴线间隔开(图1)。磁旋转轴线可以由于安装和/或磁化公差而略微与机械的旋转轴线5偏离并且特别是与机械的旋转轴线5平行地错开。
如在图3和图4中可以看出的那样，由于传感器装置2的所述错误定位，对于第一和第二磁场分量分别产生基本上正弦或者余弦形状的测量信号的相位误差
Figure BSA00000448629400061
或
Figure BSA00000448629400062
在图3中，第一磁场分量的具有相位误差的测量信号在过零的区域内由虚线表示，而相应的没有误差的测量信号通过实线表示。以相应的方式，在图4中表示出第二磁场分量的相位误差
Figure BSA00000448629400071
在这些相位误差上还加上幅度误差，在图3和图4中未对其进行详细表示。
如果由具有误差的磁场分量借助于反正切运算或者借助于CORDIC算法来确定传感器装置2和磁场之间的角度，则角度信号具有非线性的角度误差，其在图5中示例性地示出。
为了避免这样的角度误差，在实施真正的角度测量之前调整传感器装置2相对于磁旋转轴线的位置。所述调整优选在安装角度传感器1时进行。但也可以在后来的时刻实施或者重复所述调整。
在第一方法步骤中，在传感器装置2之前被置于的相对位置中，根据旋转位置检测在旋转轴线5的方向上定向的第三磁场分量的第一测量信号。为此，使磁体3围绕旋转轴线5旋转，同时测量和记录第三磁场分量。然后求得第一测量信号的波动，其方式是，计算出测量信号的最大值和最小值之间的差。在必要时，可以首先对第一测量信号进行滤波，以便平滑或者去除可能包含其中的干扰。
在第二方法步骤中，使传感器装置2在第一方向上朝着旋转轴线5移动并且置于另一相对位置中。
在第三方法步骤中，对于所述另一相对位置根据旋转位置检测第三磁场分量的另一测量信号。对于所述另一测量信号，以与第一测量信号时相应的方式求得波动。
在第四方法步骤中，确定最后检测到的另一测量信号的波动和之前检测到的第一测量信号的波动之间的变化。
在第五方法步骤中，在保持使传感器装置2相对于磁旋转轴线运动的方向的情况下一直重复方法步骤2到4，直到测量信号的波动的变化改变其正负号或者等于零。
从如此得到的相对位置出发，以相应的方式重复方法步骤1至5，其中使传感器装置2在方法步骤2中在第二方向上朝着旋转轴线上移动，所述第二方向与第一方向垂直地并且与旋转轴线5垂直地延伸。如果在第五方法步骤中测量信号的波动的变化改变其正负号或者等于零，则传感器装置2的测量位置位于磁旋转轴线上或者紧邻磁旋转轴线(图6)。
现在，测量第一和第二磁场分量，并且在信号处理器中由第一和第二磁场分量的数字信号借助于反正切函数确定传感器装置2和磁场或者磁旋转轴线之间的角度。在此，在必要时可以借助由温度传感器14提供的温度信号补偿所测量的磁场分量的由温度波动决定的变化。以角度测量信号的形式向半导体芯片的角度信号输出端16输出所测量的角度值。通过图7与图5的比较，明显看出角度误差现在比调整前小得多。

Claims (10)

1.用于确定传感器装置(2)和磁场之间的角度的角度传感器(1)，具有产生所述磁场的、可被相对于所述传感器装置(2)调整到关于旋转轴线(5)的不同的旋转位置中的磁体(3)，其中，所述传感器装置(2)具有用于检测相对于所述旋转轴线(5)横向地定向的第一磁场分量的第一磁场传感器(7)和用于检测第二磁场分量的第二磁场传感器(8)，所述第二磁场分量相对于由所述旋转轴线(5)和所述第一磁场分量展开的平面横向地设置，其特征在于，所述传感器装置(2)具有用于检测在所述旋转轴线(5)的方向上定向的第三磁场分量的第三磁场传感器(9)。
2.根据权利要求1所述的角度传感器(1)，其特征在于，所述传感器装置(2)集成到半导体衬底(6)中，并且，所述第一磁场传感器(7)和所述第二磁场传感器(8)分别具有至少一个垂直的、相对于所述半导体衬底(6)的平面横向地设置的霍尔板，所述第三磁场传感器(9)具有至少一个与所述半导体衬底(6)的平面平行地设置或者在所述半导体衬底(6)的平面内设置的、水平的霍尔板。
3.根据权利要求2所述的角度传感器(1)，其特征在于，所述第一磁场传感器(7)的所述至少一个垂直的霍尔板的面重心与所述第二磁场传感器(8)的所述至少一个垂直的霍尔板的面重心一致。
4.根据权利要求2或3所述的角度传感器(1)，其特征在于，所述第一磁场传感器(7)的垂直的霍尔板穿过所述第二磁场传感器(8)的垂直的霍尔板。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的角度传感器(1)，其特征在于，在所述半导体衬底(6)的延伸平面的俯视图中，所述水平的霍尔板的面重心和所述第一磁场传感器(7)和/或所述第二磁场传感器(8)的垂直的霍尔板的面重心彼此叠置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的角度传感器(1)，其特征在于，所述第三磁场传感器(9)具有用于所述第三磁场分量的、模拟的测量信号输出端，在所述半导体芯片上设置有具有模拟的温度信号输出端的温度传感器(14)，并且所述测量信号输出端和所述温度信号输出端可通过开关装置(13)交替地与模拟/数字转换器的输入端连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的角度传感器(1)，其特征在于，所述磁体(3)借助于支承部件(4)可相对于所述传感器装置(2)围绕所述旋转轴线(5)旋转地支承，在所述支承部件(4)和所述传感器装置(2)之间设置有调整装置(17)，借助于所述调整装置，所述旋转轴线(5)可被在所述第一磁场分量的方向上和所述第二磁场分量的方向上相对于所述传感器装置(2)调整。
8.用于确定传感器装置(2)和可围绕旋转轴线相对于所述传感器装置(2)旋转的磁场之间的角度的方法，其中，提供所述传感器装置(2)并且产生所述磁场，其中，借助于所述传感器装置(2)检测相对于所述旋转轴线横向地定向的第一磁场分量的第一测量值和相对于由所述旋转轴线和所述第一磁场分量展开的平面横向地设置的第二磁场分量的第二测量值，其中，借助于这些测量值确定所述传感器装置和所述磁场之间的角度，其特征在于，
a)根据旋转位置检测在所述旋转轴线的方向上定向的第三磁场分量的测量信号，
b)求得所述测量信号的波动，并且将所述测量信号的波动与给定值或者给定值范围进行比较，
c)对于所述波动与所述给定值或者给定值范围不一致的情况，
i)相对于所述旋转轴线横向地相对于所述磁场移动所述传感器装置(2)，
ii)然后重复步骤a)到c)，
d)对于所述波动与所述给定值或者给定值范围一致的情况，检测所述第一和第二测量值，并且借助于这些测量值确定所述传感器装置(2)和所述磁场之间的角度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
对于所述旋转轴线和所述传感器装置(2)之间的第一相对位置，根据旋转位置检测所述第三磁场分量的测量信号，并且求得所述第一测量信号的波动，
在第一方向上相对于所述旋转轴线定位所述传感器装置(2)，并且将所述传感器装置(2)置于另一相对位置中，
对于所述另一相对位置，根据旋转位置检测所述第三磁场分量的另一测量信号，并且求得所述测量信号的波动，
确定最后检测到的测量信号的波动和之前检测到的测量信号的波动之间的变化，
一直重复最后三个步骤，直到波动的变化改变它的正负号或等于零，
之后如此实施步骤a)到d)，使得在第二方向上进行步骤i)中的移动，所述第二方向与所述第一方向垂直地并且与所述旋转轴线垂直地定向。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述第一磁场分量和所述第二磁场分量位于与所述旋转轴线垂直地设置的平面内并且彼此垂直地定向。
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