CN105387876B

CN105387876B - 离轴传感器

Info

Publication number: CN105387876B
Application number: CN201510553159.0A
Authority: CN
Inventors: U·奥塞勒克纳; M·莫茨
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: US9618365B2; CN105387876A; US20160061630A1; DE102015114608A1

Abstract

本发明的各个实施例涉及离轴传感器。一种角度传感器设备包括第一磁体轨道和第二磁体轨道、传感器部件、以及控制单元。第一磁体轨道和第二磁体轨道被固定到可旋转物体并且被配置为生成非均匀场。可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且非均匀场沿旋转方向比与旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度。传感器部件离轴定位，并且被配置为测量包括非均匀场的磁场以及提供磁场测量量。控制器单元从所述磁场测量量确定角度信息。

Description

离轴传感器

技术领域

本发明涉及角度传感器，更具体地涉及离轴角度传感器。

背景技术

感测系统利用传感器以检测特性如光、温度、运动等。一种常用的角度传感器是基于磁场的角度传感器。角度传感器测量磁场，并且基于磁场测量量来计算角度。

一种常用类型的角度传感器是共轴(on-axis)传感器，其与旋转物体如发动机轴柄轴向地对齐。另一种类型的角度传感器是离轴传感器，其不与该物体或轴柄轴向地对齐。相反，离轴传感器远离旋转物体的轴定位。

离轴传感器对于不能将它们设置在轴上的情况特别便利。然而，这些传感器在获得准确测量量方面可能面临挑战。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种角度传感器设备，包括：第一磁体轨道和第二磁体轨道，被固定到可旋转物体，并且被配置为生成非均匀场，其中可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且非均匀场沿旋转方向比与旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度；传感器部件，离轴地定位，并且被配置为测量包括非均匀场的磁场、以及提供磁场测量量；以及控制器单元，被配置为从磁场测量量确定角度信息。

根据本发明的另一实施例，提供了一种信号处理电路，包括：第一磁体轨道和第二磁体轨道，被固定到可旋转物体，并且被配置为生成非均匀场，其中可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且非均匀场沿旋转方向比与旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度；第一传感器元件，被配置为提供非均匀场的对于第一位置的第一磁场分量的值；第二传感器元件，被配置为提供非均匀场的对于第二位置的第二磁场分量的值，第二位置与第一位置不同；模数转换器，被配置为从第一磁场分量的值和第二磁场分量的值生成第一数字磁场分量的值和第一数字磁场分量的值；以及差分信号处理单元，被配置为从第一数字分量和第二数字分量过滤均匀场。

根据本发明的又一实施例，提供了一种操作离轴磁传感器的方法，方法包括：关于可旋转物体配置第一磁体轨道和第二磁体轨道，以在旋转时生成非均匀磁场，其中非均匀场沿移动方向比与移动方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度；获得在与可旋转物体离轴的第一位置处的第一磁场量；获得在与可旋转物体离轴的第二位置处的第二磁场分量，其中第二位置与第一位置以一个量间隔开；并且差分处理第一磁场分量和第二磁场分量，以移除干扰场、并且生成用于可旋转物体的角度信息。

附图说明

图1是使用多个所生成磁场来操作的离轴角度传感器系统的图。

图2是示出了使用两个所生成磁场的离轴角度传感器系统的图。

图3是示出了使用四个所生成磁场的离轴角度传感器系统的图。

图4是示出了使用正交传感器裸片和多个磁体轨道的离轴角度传感器系统的图。

图5是示出了使用正切传感器封装和多个磁体轨道的离轴角度传感器系统的图。

图6是可用于以上传感器系统的磁体轨道的图。

图7是可用于以上传感器系统的半径向(radially)磁化磁体轨道的图。

图8是可用于以上传感器系统的非均匀半径向磁化磁体轨道的图。

图9是示出了具有应用于鼓体/基体层的外表面的磁条的磁体轨道的修正视图的图。

图10是示出了具有应用于鼓体/基体层的外表面的磁条的磁体轨道的修正视图的另一个图。

图11是示出了具有应用于鼓体/基体层的外表面的磁条的磁体轨道的修正视图的另一个图。

图12是用于多个所生成磁场的控制电路的电路图。

图13是使用单个模数转换器的用于多个所生成磁场的控制电路的另一个电路图。

图14是可用于以上传感器系统的磁体轨道的半径向设置的图。

图15是示出了用于操作离轴磁传感器设备的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明，其中相似的附图标记始终用于指代相似的元件，并且其中所示的结构和设备无需是按比例的。

公开了用于助于角度传感器并且减少磁场中的干扰的设备、系统和方法。严苛环境如汽车系统中具有多种部件和条件影响电子设备、传感器和磁场。这些干扰可能导致错误的测量、传感器故障等。

图1是使用多个所生成磁场来操作的离轴角度传感器系统100的图。系统100以简化形式提供以助于理解。系统100可以用于严苛环境、汽车系统、车辆系统等。系统100可以构造在一个或多个设备中。

系统100包括第一磁体轨道102、第二磁体轨道104、第一传感器元件106、第二传感器元件108和控制单元110。传感器元件106和108测量由第一磁体轨道102和第二磁体轨道104生成的磁场，其被称为有用场。有用场传递旋转信息。然而，传感器元件106和108还测量存在的其他磁场，称为干扰场。干扰场一般会降低测量有用场的磁传感器的准确性和操作。然而，使用多个磁体轨道如102和104。磁体轨道被设置为增加轴向的场梯度，轴向一定与旋转方向不同。结果，多个磁体轨道增强有用场并且减少干扰场的影响。

磁体轨道102和104固定地附接到旋转物体。结果，磁体轨道102和104与旋转物体一起沿旋转方向或移动方向旋转。因此，磁体轨道102和104关于彼此/一个对于另一个地处于固定的相对位置。旋转物体一般相对较大如20mm；并且磁体轨道102和104甚至更大如30mm，因为它们必须围绕旋转物体。磁体轨道102和104在旋转时与旋转物体同步地移动。旋转物体可以是轴柄、发动机轴柄、凸轮轴柄、注入控制等。

磁体轨道102具有合适的形状或形式，包括平坦表面或弯曲表面的固体盘片。在静磁理论中，该块体磁体的磁场通过位于其表面上的等效磁荷来计算。在本申请的上下文中，我们将承载等效磁荷的表面视为磁体轨道。磁体轨道是细长的并且围绕旋转轴。它们一般是但不一定是环形的。磁体轨道102和104在物理上可以包括固体磁性材料(例如烧结或压制的磁粉)、磁性材料的条(strip)或条带(stripe)(例如塑料粘结条带(plastic bondedstripe))、磁体的表面等。在一个示例中，磁性材料的塑料粘结条带附接至软磁性的硬金属材料。因而，“软磁性”意味着该材料具有大的相对磁导率(一般大于500)，使得其可以甚至被弱的外部施加的磁场(例如80A/m)磁化、并且在该外部磁场的移除之后去磁化。这与硬磁性材料相反，硬磁性材料仅被大的外部施加的磁场(一般超过80kA/m)磁化、并且在该外部磁场的移除之后保持其磁化。磁体轨道包括硬磁性材料。术语“软磁性”和“硬磁性”无需涉及机械特性如“软”和“硬”。

轨道102和104具有相对较大的周界/圆周和对应的相对较大的直径并且具有相对较小的宽度。在一个实例中，每个轨道的宽度小于大约25mm。磁体轨道102和104基本上是圆形的并且围绕可旋转物体。轨道102和104可以彼此相连定位或者以间隙间隔开。在一个实例中，该间隙的宽度小于大约10mm。该间隙可以被配置为使得所检测磁场分量对于元件106和108的小的位置公差是稳定的。在一些情况中要求最小间隙，以提供所选择的磁化如所需要的高磁化质量。

在一个实例中，第一轨道102和第二轨道104位于弯曲表面上。该弯曲表面可以包括金属并且可以是鼓体或圆柱体的外表面。在另一个实例中，第一轨道102和第二轨道104位于围绕旋转轴的平坦表面上。

第一轨道102和第二轨道104被配置为具有相异的磁化或磁特性。通常，轨道102和104的磁化符号、幅度(magnitude)或方向相异，然而在特殊情况中它们具有相同的磁极性(南和北)、但是具有不同的幅度值。在一个实例中，第一轨道102具有相对较强的北极并且第二轨道104具有相对较弱的北极。结果，第一轨道102和第二轨道104在法线或切线方向中具有相异的场梯度。然而，沿轨道102和104的延长方向(移动方向)，与与之垂直的方向相比，场梯度更小。这是因为每个轨道的围绕旋转轴的长度大于两个轨道之间的距离的事实。因此，两个轨道建立磁场模式的新特性，即在与轨道长度垂直的两个相互正交方向中的至少一个上的增强的场梯度，并且该新特性可用于离轴角度传感器和元件106和108。在一个实例中，第一轨道102和第二轨道104关于中心面镜像对称。在另一个实例中，第一轨道102和第二轨道104具有互补的磁化，因而第一轨道102的磁北极对应于第二轨道104的磁南极并且第一轨道102的磁南极对应于第二轨道104的磁北极。

由轨道102和104生成的磁场在图1中被表示为第一场或场梯度116以及第二场或场梯度118。场强度的变化或场梯度一般是正弦的，并且可以通过改变轨道特征如宽度、厚度或轨道102与104之间的间隙来实现。所生成的磁场的一个实例在一个方向具有幅度，如100高斯；在该方向上，场梯度包括强度或每距离幅度变化，如每毫米1000高斯。另外，可以通过改变附近的软磁性材料的量来改变强度。例如，轨道可以附接到软磁钢衬片，其作为磁镜，因而增加由轨道102和104生成的磁场。因此，在一个实例中，钢衬片是穿孔的以稀释其磁镜像效应并且助于改变场强。也可以通过关于磁体轨道的表面法线而改变磁化的方向来实现强度的变化，如例如在图6的直径向(diametrically)磁化环中那样。下文讨论用于修改由磁体轨道生成的磁场的一些实例。

磁体轨道102和104可以被配置为是直径向磁化的。另外，轨道102和104被配置为具有单个极或多个极，但是它们通常具有相同数量的极。磁体轨道102生成第一磁场116，并且磁体轨道104生成第二磁场118。如上文所描述的，第一场和第二场相异，使得它们之间存在差异。在一个实例中，第一场和第二场是正弦的并且以一个相移相异。

第一元件106和第二元件108测量它们附近的磁场，以获得第一测量量112和第二测量量114。第一元件106和第二元件108以相对较小的距离分离。然而，该距离足以使得第一测量量112和第二测量量114能够用于确定关于可旋转物体的角度信息。第一元件106和第二元件108测量在2个(2D)或3个(3D)方向上的磁场。方向包括半径向、轴向和切向。可替换地，所测量的方向可以包括简单的x、y和z轴。

第一元件106更靠近第一轨道102，并且结果导致其受到场116的影响更多。类似地，第二元件108更靠近第二轨道104，并且其受到场118的影响更多。然而，两个元件都测量两个场116和118，又被称为有用场。要认识到可能存在的干扰场一般是均匀的。因此，干扰场在每个传感器元件处大约是相等的。结果，测量量112和114之间的差实质上移除或滤除了干扰场。

第一测量量112和第二测量量114被控制单元110用于滤除一个或多个干扰场并且确定关于可旋转物体的角度信息。角度信息包括角位置、旋转方向、旋转速度(每分钟转数)等。甚至在相对较大的磁干扰场如高达10毫特斯拉的场之下，也可以以合适的准确性获得角度信息。

图1显示两个磁体轨道102和104，但是要认识到还可以使用附加磁体轨道。附加轨道可以提供甚至更大的磁场强度变化。

另外，传感器元件106和108可以位于单个裸片上，或者位于独立的裸片上、但是位于同一封装中。另外，控制单元110可以在位于具有元件106和108的裸片上并且/或者在同一封装中。

图2是示出了使用两个所生成磁场的离轴角度传感器系统200的图。图2中显示的系统200使用两个磁体轨道以生成具有相异的场梯度的两个场。系统200可用于严苛环境、汽车系统、车辆系统等中。系统200可以构造在一个或多个设备中。

系统200包括传感器部件224、第一磁体轨道102和第二磁体轨道104。在上文关于图1也描述了第一磁体轨道102和第二磁体轨道104。系统200确定关于作为可旋转物体的轴柄220的角度信息。

轴柄220包括合适的材料如硬金属、钢等。轴柄220关于被显示为z又被称为轴向的轴旋转或移动。轴柄220可以连接到发动机、引擎、阀、方向盘、轮子、凸轮轴、注入控制等的一部分。轴柄220一般相对较大，如20mm或更大。

传感器部件224远离z轴定位、并且因此被称为离轴传感器部件，并且包括多个传感器元件，如上述元件106和108。该元件是磁敏元件如磁阻元件，其测量在2个(2D)或3个(3D)方向/维度中的周围磁场。

传感器元件以相对较小的轴向距离彼此间隔开。该布局被选择为使得每个元件经受来自另一个元件的相异的磁场。通过使用用于提供梯度场的多个磁体轨道102和104，该布局可以比其他系统更小。传感器元件一般平行于z轴。因此，由轨道102和104生成的并且由传感器元件观察到的场的组合具有梯度场，在这一点上其在相对较小的距离上改变幅度。因此，在一个实例中，该组合场在一毫米或两毫米内会改变。

在该实例中的磁体轨道102和104是环形的，并且形成/定位在弯曲表面如轴柄220的表面上。在轨道102和104之间存在间隙222。间隙222的范围可以从0到合适的值，如5mm。磁体轨道102和104一般具有大约相同的外径和周界。但是，它们的宽度(轴向)、厚度(半径向)和成分是相异的，从而使得生成的磁场强度相异。

传感器部件224测量磁场，其包括有用磁场和干扰磁场。有用磁场是由磁体轨道102和104生成的梯度磁场。干扰磁场是由其他部件如其他发动机、流经电线的电流等所导致的。磁场测量量传递关于轴柄220的角度信息，其包括但不限于每分钟的转数(角速度)、角位置、旋转方向等。控制单元或其他部件可以区分梯度磁场与干扰磁场，以增强准确性。

图3是示出了使用四个所生成磁场的离轴角度传感器系统300的图。图3中示出的系统300使用四个磁体轨道以生成四个具有相异的场梯度的场。系统300可用于严苛环境、汽车系统、车辆系统等中。系统300可以构造在一个或多个设备中。

系统300类似于上述系统200，并且可以参考具有相同附图标记的部件以便另外的描述。系统300确定关于可旋转物体轴柄220的角度信息。系统300包括传感器部件224、第一磁体轨道102、第二磁体轨道104、第一补充磁体轨道328和第二补充磁体轨道326。

补充轨道328和326可以被配置为改变由轨道102、104、328和326生成的组合场。补充轨道328和326可以被配置为均匀化该组合场。因此，如果传感器元件由于装配公差而偏离所选择的值，则当其与轨道102和104中的一个的距离减小时，其与轨道102和104中的另一个的距离增加。如果磁体轨道102和104均产生相同或实质上相似的场模式，则组合场值的变化小于来自每个磁体轨道的场。这可以减小由于传感器元件的位置公差导致的角度测量误差。

可替换地，补充轨道328和326可以被配置为生成相异的磁场模式，以进一步增加组合场的磁场梯度。例如，补充轨道328和326中的一个可以生成与轴柄220的旋转角度的正弦成正比的场，并且另一个可以例如生成与轴柄220的旋转角度的余弦成正比的场。在一个实例中，补充磁体轨道328和326被配置为通过使用相异的磁性材料的条带来生成相异的磁场模式。

图4是示出了使用正交传感器裸片和多个磁体轨道的离轴角度传感器系统400的图。该系统使用多个磁体轨道以生成在小距离上变化的磁场梯度。系统400可以构造在一个或多个设备中。

系统400类似于上述系统200。可以参考具有相同附图标记的部件以便另外的描述。系统400包括可旋转轴柄220、第一磁体轨道102、第二磁体轨道104和传感器裸片424。参考图4中所示的x、y和z方向描述系统400。

可旋转轴柄220关于沿又被称为轴向的z方向的轴旋转。第一磁体轨道102是围绕可旋转轴柄220的一部分的环形磁体。第二磁体轨道104也是围绕可旋转轴柄220的一部分的环形磁体。磁体轨道102和104被直径向磁化，具有类似的磁极性，但是具有相异的幅度或强度。

传感器封装424包括配置为在3个维度即x、y和z方向上测量该场(分量Bx、By和Bz)的第一和第二传感器元件。元件在轴或z方向上以一个量间隔开。元件形成在一个或多个传感器裸片上。传感器封装424被配置在正交方向上并且位于y、z平面中。

图5是示出了使用正切传感器封装和多个磁体轨道的离轴角度传感器系统500的图。系统500使用多个磁体轨道以生成在小距离上变化的磁场梯度。系统500可以构造在一个或多个设备中。

系统500类似于上述系统200。可以参考具有相同附图标记的部件以便另外的描述。系统500包括可旋转轴柄220、第一磁体轨道102、第二磁体轨道104和传感器裸片524。参考图5中所示的x、y和z方向描述系统500。

可旋转轴柄220关于沿又被称为轴向的z方向的轴旋转。第一磁体轨道102是围绕轴柄220的一部分的环形磁体。第二磁体轨道104也是围绕轴柄220的一部分的环形磁体。磁体轨道102和104被直径向磁化，具有类似的磁极性，但是具有相异的幅度和强度。

传感器封装524包括配置为在3个维度即x、y和z方向上测量该场(分量Bx、By和Bz)的第一和第二传感器元件。元件在轴和/或半径向上以一个量间隔开。传感器封装524被配置在正切方向上并且位于y、z平面中。

要认识到传感器裸片或封装可以配置成其他角度或方向，包括y、z平面与x、z平面之间的平面。

x、y、z方向(3D)中所测量的磁分量被称为正交分量并且指定为Bx、By和Bz。这些分量可用于计算在每个传感器元件处观察到的磁场的幅度。磁场的幅度B例如由B＝sqrt(Bx^2+By^2+Bz^2)给定。然后例如通过Bz/B来确定角度，其中，Bx＝B*sin(极角)*cos(方位角)并且By＝B*sin(极角)*sin(方位角)。

在2D传感器元件的实例中，元件检测磁场向量在平面如右手笛卡尔坐标系统的(x,y)平面上的投影的至少一个点。然后，元件106和108可以检测Bx和By磁场分量或者检测Bxy＝sqrt(Bx^2+By^2)。然后该平面内的角度由cos(角度)＝Bx/Bxy和sin(角度)＝By/Bxy限定。因此，不使用其他仅检测一个角度的元件。

图6是可用于以上传感器系统的磁体轨道600的图。磁体轨道600作为一个实例来提供，并且要认识到可以利用其他配置。

磁体轨道600是环形磁体，并且以在该实例中被显示为z的旋转轴为中心。磁体轨道600关于x、y平面配置。另外，磁体轨道600被直径向磁化，其中，北极在y方向上并且南极在相反(-y)方向上。被直径向磁化意味着磁化是大体上与垂直于旋转轴的单个方向对齐。磁北极位于磁体轨道600的上部。磁南极位于磁体轨道600的下部。显示了单独的场箭头，其指示磁体轨道600的极性。

要认识到，贯穿整个轨道600，磁化方向是大体平行的，但是可能由于磁体材料、磁化工艺、去磁效应等的限制而导致出现偏差。该偏差一般小于+/-10度。要认识到使用包括固体磁体的其他形状和/或配置可以实现类似的磁化。

磁体轨道600生成正弦磁场，在这一点上当磁体轨道600关于旋转轴旋转时磁场分量在某个位置正弦地变化。通过使得两个磁体轨道如轨道102和104生成按相位变化的正弦磁场，可以通过比较两个场的测量量来确定角度信息。在一个实例中，相移是90度，然而也可以利用其他相移。

图7是可用于以上传感器系统的半径向磁化磁体轨道700的图。磁体轨道700作为一个实例来提供，并且要理解也可以利用其他配置。

磁体轨道700也是形成为环形磁体，并且以在该实例中被显示为z的轴向为中心。但是要认识到也可以使用其他形状。

磁体轨道700被半径向磁化，因此其磁化实质上与半径向方向对齐，半径向方向是从中心向外延伸的方向。磁体轨道700的上部具有指向外的磁化，而磁体轨道700的下部具有指向内的磁化。

当旋转时，磁体轨道700不生成正弦磁场。相反，当轨道以相对恒定速度旋转时，场分量对时间具有矩形或三角形脉冲形状。但是，过冲条件可能出现在矩形脉冲的零转换和三角脉冲的变平的(flattened)零转换附近。

轨道700可以使用相对较低成本的材料来形成，例如使用如下的薄条带：在该薄条带的半径方向上轨道包括热粘结磁性材料的薄条带(例如1mm)。可替换地，可以使用块体磁性材料如烧结永磁铁氧体或稀土材料来形成轨道700。对于从两个或更多个半径向磁化的磁体轨道来确定在两个或更多个半径向生成场之间的角度而言，不生成正弦场可能是有问题的。

图8是可用于以上传感器系统的非均匀半径向磁化磁体轨道800的图。磁体轨道800作为一个实例来提供，并且要理解也可以利用其他配置。

磁体轨道800具有磁性材料并且被半径向磁化，与上述轨道700的情况类似的。但是轨道800的环的厚度是变化的或不均匀的。结果，磁场一般在环厚的地方更强并且在环薄的地方更弱。

磁体轨道800被显示为具有圆形外周界和椭圆形和内周界。要注意，也可以想到其他变化，包括椭圆形外周界和圆形内周界以及椭圆形外周界和椭圆形内周界。由于该椭圆形状导致由磁体轨道800的旋转生成正弦磁场。因此，通过多个磁体轨道生成了多重正弦磁场，其助于确定可旋转物体的角度信息。

图9是示出了磁体轨道900的修正视图的图，该磁体轨道900具有设置于鼓体/基体层的外表面的磁条带。仅显示了磁体轨道900的一部分以便示出轨道的几何形状的配置。

磁体轨道900包括第一轨道902和第二轨道904。第一轨道902包括半径向向内磁化部分/条908和半径向向外磁化部分/条906。第二轨道904具有类似的但是相异的配置。第二轨道904在包括半径向向外磁化部分/条912、和在向外磁化部分912上的半径向向内磁化部分/条910。第二轨道的磁化一般与第一轨道的磁化互补。

第一轨道902的左边界被显示为是带角度的几何形，其改变所生成的磁场的形状。第二轨道904的右边界也被显示为是带角度的几何形，以改变所生成的磁场的形状。因此，沿轨道改变几何形，以改变从其生成的磁场的强度。在一个实例中，改变几何形以使得第一轨道902和第二轨道904生成以一个相移分离的正弦磁场。

图10是示出了具有设置于鼓体/基体层的外表面的磁条带的磁体轨道1000的修正视图的另一个图。仅显示了磁体轨道1000的一部分以便示出轨道的几何形状的配置。

磁体轨道1000包括第一轨道1002和第二轨道1004。第一轨道1002包括半径向向内磁化部分/条1008和半径向向外磁化部分/条1006。第二磁道1004具有类似的但是相异的配置。第二轨道1004在包括半径向向外磁化部分/条1012、和在向外磁化部分1012上的半径向向内磁化部分/条1010。

第一轨道1002被显示为具有三角形配置。类似地，第二轨道1004被显示为具有相反的但是三角形的配置。改变三角形的形状或配置大小以改变所生成的磁场的强度。

图11是示出了具有设置于鼓体/基体层的外表面的磁条带的磁体轨道1100的修正视图的另一个图。仅显示了磁体轨道1100的一部分以便示出轨道的几何形状的配置。

磁体轨道1100包括第一轨道1102和第二轨道1104。第一轨道1102包括半径向向内磁化部分/条1108和半径向向外磁化部分/条1106。第二磁道1104具有类似的但是相异的配置。第二轨道1104在包括半径向向外磁化部分/条带1112、和在向外磁化部分1112上的半径向向内磁化部分/条带1110。

第一轨道1102的左边界被显示为是带角度的几何形，其改变所生成的磁场的形状。第一轨道1102的右边界也具有所显示的带角度的几何形。

第二轨道1104的右边界被显示为是带角度的几何形，以改变所生成的磁场的形状。类似地，其左边界也具有带角度的几何形。

沿轨道地变化或改变右边界和左边界的几何形，以改变从其生成的磁场的强度。在一个实例中，改变几何形以使得第一轨道1102和第二轨道1104生成以一个相移分离的正弦磁场。

另外，可以用其他合适的方式配置轨道，以在旋转时产生正弦场。在一个实例中，通过在的载体上形成孔洞来修改磁场，其中，稍后在载体上形成磁性材料。因此，在孔洞存在的位置处磁场强度更小，并且没有孔洞的位置处镜像该磁场从而产生更大的强度。

在另一个实例中，磁体轨道包括在第二环形轨道上形成的第一环形轨道。轨道具有相等的宽度和厚度，如以上图中所示的几何形偏差用于改变磁场强度。

图12是用于多重所生成磁场的控制电路1200的电路图。控制电路1200可以用在图1的控制单元110中或者与图1的控制单元110一起使用。控制电路1200获得或测量在第一位置和第二位置处的多个方向上的磁场分量，以使用差分处理基于所测量的分量确定角度信息。

电路1200包括第一传感器元件106、第二传感器元件108、第一模数转换器(ADC)1210、第二ADC 1212和信号处理单元1214。第一传感器元件106被配置为提供在第一位置处分别在x、y、z方向上的第一磁场分量，指定为Bx1、By1和Bz1。第二传感器元件108被配置为提供在第二位置处分别在x、y、z方向上的第一磁场分量，指定为Bx2、By2和Bz2。x、y和z方向是以上关于图4、5和其他图所描述的。第一位置和第二位置在z方向上以一个量分离，z方向也与旋转轴平行。

来自元件106和108的测量分量是模拟的。第一ADC 1210将第一分量Bx1、By1和Bz1转换成数字形式，并且第二ADC 1212将第二分量Bx2、By2和Bz2转换成数字形式。

信号处理单元1214接收数字形式的第一和第二分量。处理单元1214处理该分量以基于该分量生成差分信号。差分信号包括Bx1-Bx2、By1-By2和Bz1-Bz2。差分的信号和/或分量用于确定关于可旋转物体的角度信息。

图13是使用单个模数转换器的用于多重所生成磁场的控制电路1300的另一个电路图。控制电路1300可以用在图1的控制单元110中或者与图1的控制单元110一起使用。控制电路1300获得或测量第一位置和第二位置处的多个方向上的磁场，以使用差分处理基于所测量的分量确定角度信息。

电路1300包括第一传感器元件106、第二传感器元件108、模数转换器(ADC)1316和信号处理单元1214。第一传感器元件106被配置为提供在第一位置处分别在x、y、z方向上的第一磁场分量，指定为Bx1、By1和Bz1。第二传感器元件108被配置为提供在第二位置处分别在x、y、z方向上的第一磁场分量，指定为Bx2、By2和Bz2。x、y和z方向是以上关于图4、5和其他图所描述的。第一位置和第二位置在z方向上以一个量分离，z方向也与旋转轴平行。

来自元件106和108的测量分量是模拟的。分量在ADC之前彼此相减。ADC 1316接收来自元件106和108的模拟差分信号/分量，并且提供来自其的数字差分信号/分量。接收分量包括Bx1-Bx2、By1-By2和Bz1-Bz2。结果，电路1300可以比电路1200处理更大的均匀干扰场，因为干扰场在ADC之前被移除了。注意到，均匀干扰场是在第一位置和第二位置处基本上相等的磁场。

信号处理单元1214接收数字形式的差分分量，并且执行附加的处理，包括确定关于可旋转物体的角度信息。基于差分分量确定角度信息。

图14是可用于以上传感器系统的磁体轨道的半径向配置1400的图。提供配置1400作为一个实例，但是要认识到可以利用其他配置。配置1400提供设置在半径方向R的平面上而不是如上所示的平行设置的轨道。

该设置包括以旋转轴z为中心的第一轨道102和第二轨道104。轨道102和104可以位于包围旋转轴z的平面或平坦表面上。第一轨道102和第二轨道104被显示为基本上圆形的，但是设想了其他的形状。第一轨道102的内表面具有比第二轨道104的外表面更大的周界。结果，第一轨道102实质上围绕第二轨道104。另外，在第一轨道102的内表面和第二轨道104的外表面之间可以存在间隙或间隔，如图14中所示的。

磁体轨道102和104在一个实例中是直径向磁化的并且在另一个实例中是半径向磁化的。例如，可以改变或选择轨道102和104的轨道特征、宽度、厚度、边界等，以生成梯度场。

图15是示出了用于操作离轴磁传感器设备的方法1500流程图。方法1500使用固定到可旋转物体的多重磁体轨道，以生成即使在存在相对较大的干扰场的情况下也可以被准确地测量的非均匀场。

该方法在方框1502处开始，其中，在方框1502处配置第一磁体轨道和第二磁体轨道。第一磁体轨道和第二磁体轨道被配置为生成非均匀的组合场，在这一点上其磁场强度随着第一磁体轨道和第二磁体轨道的旋转位置而改变。在一个实例中，第一磁体轨道和第二磁体轨道生成以一个相移相异的正弦磁场。以上提供了合适的磁体轨道的一些实例。

在方框1504处，获得在与可旋转物体离轴的第一位置处的第一磁场分量。该场分量可以包括正交分量(3D)如Bx、By和Bz。可替换地，该场分量可以包括半径向分量和正切分量(2D)。传感器或传感器元件获得第一磁场分量。

在方框1506处，获得在与可旋转物体离轴的第二位置处的第二磁场分量。第二位置与第一位置以一个量在轴向上间隔开。该场分量可以包括正交分量或半径向分量和正切分量。第二传感器元件获得第二磁场分量。第一传感器元件和第二传感器元件之间的轴向间隔的量相对较小，如小于大约2mm。

在方框1508处，差分处理第一磁场分量和第二磁场分量，以移除或滤除干扰场并且生成可旋转物体的角度信息。在一个实例中，场分量彼此相减，以滤除所存在的任意干扰场。在另一个实例中，对于第一位置和第二位置计算第一磁场分量和第二磁场分量。然后第一磁场幅度和第二磁场幅度用于差分移除干扰场并且生成角度信息。

虽然以下将方法及其变化示出并且描述为动作或事件的序列，但是要认识到该动作或事件的所示的次序不被解释为用于限制。例如，一些动作可以例如以不同的次序发生和/或与除了本文所示和/或所述的那些动作或事件之外的其他动作或事件同时地发生。另外，不要求所有的所示动作来实现本公开的一个或多个方案或实施方式。本文描述的一个或多个动作可以在一个或多个分开的动作和/或阶段中执行。

要认识到所要求权利的主题可以使用标准编程和/或工程技术而实现为方法、装置、制品，以产生软件、固件、硬件或其组合来控制计算机实现所公开的主题(例如图1、2等中所示的系统/设备是可用于实现以上方法的非限制性的实例)。如本文所使用的术语“制品”意图包括从任意计算机可读设备、载体或介质可访问的计算机程序。当然，本领域的熟练技术人员会认识到在不脱离所要求的主题的范围和精神的前提下可以对该配置做出许多修改。

角度传感器设备包括第一磁体轨道、第二磁体轨道、传感器部件以及控制电路。第一磁体轨道和第二磁体轨道固定到可旋转物体并且被配置为生成非均匀场。可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且非均匀场沿旋转方向比沿与旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度。传感器部件离轴定位，并且配置为测量包括非均匀场的磁场并且提供磁场测量量。控制单元被配置为从磁场测量量确定角度信息。

信号处理电路包括第一传感器元件、第二传感器元件、模数部件和差分信号处理单元。第一传感器元件被配置为提供第一位置的第一磁场分量。第二传感器元件被配置为提供第二位置的第二磁场分量。模数部件被配置为从第一磁场分量和第二磁场分量生成第一数字磁场分量和第二数字磁场分量。差分信号处理单元被配置为从第一数字分量和第二数字分量滤除干扰场。

公开了用于操作离轴磁传感器的方法。第一磁体轨道和第二磁体轨道关于或围绕可旋转物体配置，以在旋转时生成非均匀场。在与可旋转物理离轴的第一位置处获得第一磁场分量。在与可旋转物理离轴的第二位置处获得第二磁场分量。第二位置与第一位置在轴向上以一个量间隔。第一磁场分量和第二磁场分量被差分处理，以移除干扰场并且生成可旋转物体的角度信息。

关于由上文描述的部件或结构(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，用于描述该部件的术语(包括称作“装置”)意图对应于执行所述部件的指定功能的任意部件或结构，除非另外指明不是这样，即使其在结构上没有等效于用于执行在本文所示的本发明的示例性实现中的功能的所公开结构。另外，虽然本发明的具体特征仅关于多个实现中的一个实现公开，但是该特征可以与其他实现的一个或多个其他特征组合，这是因为对于任意给定的或具体的应用所希望和有利。此外，关于在详细说明和权利要求中使用的术语“包含”、“具有”、“有”、“带有”或其变形的范围，该术语意图类似“包括”是开放式的。

Claims

1.一种角度传感器设备，包括：

第一磁体轨道和第二磁体轨道，被固定到可旋转物体，其中所述第一磁体轨道被配置为生成第一磁场并且所述第二磁体轨道被配置为生成第二磁场，其中所述第一磁体轨道具有与所述第二磁体轨道不同的磁特性，所述第一磁场和所述第二磁场组合以形成组合磁场，其中所述可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且所述组合磁场沿旋转方向比与所述旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度；

传感器部件，离轴地定位，并且被配置为测量包括所述组合磁场和干扰场的磁场，并且基于测量的磁场提供磁场测量量；以及

控制单元，被配置为从所述磁场测量量确定角度信息。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元被配置为从所述磁场测量量过滤所述干扰场的至少一部分以确定所述角度信息。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道包括选自于下列各项组成的组的材料：永磁体材料和软磁体材料。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述第二磁体轨道与所述第一磁体轨道邻近。

5.如权利要求1所述的设备，其中间隙存在于所述第二磁场轨道和所述第一磁场轨道之间，其中所述间隙被配置为提供稳定的被检测的磁场分量。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道位于围绕所述旋转轴的表面上，其中所述表面是弯曲表面和平坦表面中的一个。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道关于中心面镜像对称。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道具有互补的磁化模式，其中所述第一磁体轨道的磁北极对应于所述第二磁体轨道的磁南极，并且所述第一磁体轨道的磁南极对应于所述第二磁体轨道的磁北极。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道在所述传感器部件上旋转时生成正弦磁场。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道围绕所述旋转轴。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器部件包括：第一传感器元件和第二传感器元件，在轴向上以相对较小的量分离。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元包括信号处理电路，所述信号处理电路被配置为从所述磁场测量量实质上移除所述干扰场，其中所述信号处理电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置为从所提供的所述磁场测量量生成数字磁分量，其中所述干扰场由不包括所述第一磁场轨道和所述第二磁场轨道的一个或多个部件生成。

13.如权利要求1所述的设备，其中所述控制单元确定在第一位置处的第一磁场值和在第二位置处的第二磁场值，其中所述第一位置和所述第二位置位于一个封装中、并且在轴向和/或半径向上以一个量分离。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述第一磁体轨道包括第一部分和第二部分、并且具有大体上圆形的外周界，所述第一部分具有第一磁化方向，并且所第二部分具有第二磁化方向。

15.如权利要求14所述的设备，其中所述第一磁化方向与所述第二磁化方向相反。

16.一种信号处理电路，包括：

第一磁体轨道和第二磁体轨道，被固定到可旋转物体，并且被配置为生成组合场，其中所述组合场包括由所述第一磁体轨道生成的第一场和由所述第二磁体轨道生成的第二场，其中所述第一场不同于所述第二场，其中所述可旋转物体被配置为关于旋转轴旋转，并且所述第一磁场轨道和所述第二磁体轨道被布置为生成沿旋转方向比与所述旋转方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度的所述组合场；

第一传感器元件，被配置为基于第一位置的所述组合场来提供第一磁场分量的值；

第二传感器元件，被配置为基于第二位置的所述组合场来提供第二磁场分量的值，所述第二位置与所述第一位置相距一间隙距离；

模数转换器，被配置为从所述第一磁场分量的值和所述第二磁场分量的值生成第一数字磁场分量的值和第二数字磁场分量的值；以及

差分信号处理单元，被配置为从所述第一数字磁场分量和所述第二数字磁场分量过滤干扰场。

17.如权利要求16所述的电路，其中所述第一传感器元件是由下列各项组成的组中的一个：磁阻元件、霍尔板、和垂直霍尔效应器件。

18.如权利要求16所述的电路，其中所述差分信号处理单元进一步被配置为：根据所述可旋转物体的所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，生成角度信息。

19.一种操作离轴磁传感器的方法，所述方法包括：

关于可旋转物体配置第一磁体轨道和第二磁体轨道，以在旋转时生成组合磁场，其中所述组合磁场沿移动方向比与所述移动方向垂直的垂直方向具有更小的幅度梯度，并且所述组合磁场基于第一场和第二场，其中所述第一场不同于所述第二场；

获得在与所述可旋转物体离轴的第一位置处的第一磁场量；

获得在与所述可旋转物体离轴的第二位置处的第二磁场分量，其中所述第二位置与所述第一位置以一个量间隔开；并且

差分处理所述第一磁场分量和所述第二磁场分量，以移除干扰场、并且生成用于所述可旋转物体的角度信息。

20.如权利要求19所述的方法，其中配置所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道包括改变轨道特征，所述轨道特征包括由下列各项组成的组中的至少一项：轨道宽度、轨道厚度、以及所述第一磁体轨道和所述第二磁体轨道之间的间隔。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述第二位置与所述第一位置间隔开的所述一个量在轴向和半径向中的至少一个上。