CN106959072B - 角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度传感器，其在盘的一侧上包含两个可扫描的磁图案，以及两个磁传感器。两个磁传感器相对于彼此固定地布置。盘和两个磁传感器围绕盘的旋转轴线相对于彼此可旋转。两个传感器的第一磁传感器关联至第一磁图案，且适配为当第一磁图案和第一磁传感器相对于彼此旋转时、输出第一电信号。两个传感器的第二磁传感器关联至第二磁图案，且适配为当第二磁图案和第二磁传感器相对于彼此旋转时、输出第二电信号。第一磁图案包含数量为N1的第一螺旋部分，其规则地分布在第一环中。第二磁图案包含数量为N2的第二螺旋部分，其规则地分布在第二环中。第一环和第二环围绕盘的中心点同心地布置。N1与N2不同，N1不同于N2‑1，N1不同于N2+1，且N1和N2是互质的。

Description

角度传感器
技术领域
本发明涉及用于确定旋转轴线的绝对角度位置的角度传感器，特别是电动机的转子的旋转轴线的绝对角度位置，所述角度传感器包括具有两个可扫描的磁图案的盘，以及靠近盘布置的两个磁传感器，以扫描两个磁图案。
背景技术
在DE 100 38 296 A1和DE 10 2005 042 616 A1中公开了用于确定旋转轴线的绝对角度位置的角度传感器。该角度传感器包括具有两个磁图案的盘，该两个磁图案可由磁传感器(例如霍尔传感器)扫描。每个图案包含均匀地分布在环中的阿基米德螺旋区段。两个环中的螺旋区段的数量相差一。
由于两个环中的螺旋区段的数量仅相差一，这些已知的角度传感器需要每个环中大量的螺旋区段，以便实现角度位置确定所需的精度。然而，环中的大量的螺旋区段意味着相邻的螺旋区段之间的距离减小，这提高了生产成本，且使得测量容易受到外部磁杂散场的影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以低成本生产的角度传感器。
该目的通过权利要求1所述的特征来实现。本发明的其它有利实施例在从属权利要求中阐述。
本发明的要点在于，如果两个环中的一个环中的螺旋的数量N1与两个环中的另一个环中的螺旋的数量N2是互质的，且数量N1不同于数量N2-1和N2+1，则环中的螺旋的数量可以显著减少。
本发明的角度传感器可以在半导体基体上制造，这是特别具有成本效益的。此外，本发明的角度传感器适用于中空轴应用，并且比上述已知的角度传感器更不容易受到外部磁杂散场的影响。这使得本发明的角度传感器在确定绝对角度位置时是磁性稳健且精确的。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的在角度传感器中使用的盘的原理几何结构；
图2a示出了螺旋的第一结构；
图2b示出了螺旋的第二结构；
图2c示出了螺旋的第三结构；
图2d示出了图2c所示的盘的截面，其包含两个磁传感器；
图3示出了根据本发明的磁阻桥(用作磁传感器)的四个磁阻层相对于在角度传感器中使用的盘的半径的取向；
图4a示出了磁阻桥的四个磁阻层相对于磁图案的第一布置；
图4b示出了磁阻桥的四个磁阻层相对于磁图案的第二布置；
图5示出了根据本发明第二实施例的在角度传感器中使用的盘的原理几何结构；
图6示出了根据本发明第三实施例的在角度传感器中使用的盘的原理几何结构。
具体实施方式
根据本发明的角度传感器包括盘(其具有固定地附接到盘的一侧的两个可扫描的磁图案)，以及相对于彼此固定地布置的两个磁传感器。盘和两个磁传感器关于盘的对称轴线/旋转轴线相对于彼此可旋转。例如，当角度传感器用于电动机中时，盘同心地固定至电动机的旋转轴线，以便相对于两个磁传感器可旋转，所述两个磁传感器经由支承件固定地布置在电动机的外壳上。两个磁传感器中的第一磁传感器与两个磁图案中的第一磁图案相关联，面向第一磁图案(的一部分)，以便能够扫描/感测由第一磁图案产生的磁场，且适配为：当第一磁图案和第一磁传感器相对于彼此旋转时，输出对应于所感测的磁场的第一电信号。两个磁传感器中的第二磁传感器与两个磁图案中的第二磁图案相关联，面向第二磁图案(的一部分)，以便能够扫描/感测由第二磁图案产生的磁场，且适配为：当第二磁图案和第二磁传感器相对于彼此旋转时，输出对应于所感测的磁场的第二电信号。磁阻传感器(XMR传感器)，优选为各向异性磁阻桥(AMR桥)，用于第一磁传感器和/或第二磁传感器。
现在参考图1，示出了根据本发明第一实施例的在角度传感器中使用的盘。
图1示出了盘100的原理几何结构。如该图所示，盘100在外(圆)周边105与内(圆)周边103之间延伸。内周边103和外周边105相对于盘100的中点104同心地布置。第一磁图案101和第二磁图案102固定地形成在盘100的侧面上。第一磁图案101包含数量为N1的第一螺旋部分111，其规则地分布在包围第一磁图案101的第一环中，且第二磁图案102包含数量为N2的第二螺旋部分112，其规则地分布在包围第二磁图案102的第二环中。第一环和第二环相对于盘100的中心点/中点104同心地布置。第一环围绕第二环。第一螺旋部分111的数量N1不同于第二螺旋部分112的数量N2。优选地，第一磁图案101(即外部磁图案)的第一螺旋部分111的数量N1大于第二磁图案102(即内部磁图案)的第二螺旋部分112的数量N2。根据本发明，数量N1和N2是互质的，其中数量N1不同于N2-1和N2+1。除了1以外，没有数可以同时整除N1和N2。具体地，对于图1中的盘，N1等于9，且N2等于7。
虽然未在图1中明确地示出，但第一磁图案101和第二磁图案102的每个螺旋部分在盘100的径向方向上示出非零的宽度；并且属于相同磁图案的所有螺旋在盘100的径向方向上具有(基本上)相同的宽度。在图1中，仅示出了螺旋的引导，例如，螺旋的边界线或螺旋的中间。
第一磁图案101的螺旋部分111是根据以下等式的阿基米德螺旋部分：
Figure BDA0001138715570000031
其中
Figure BDA0001138715570000032
且i＝1，2，...N1，
R和
Figure BDA0001138715570000033
是极坐标系的极坐标，其包含盘100的中点作为原点，C1是螺旋部分111的间距(pitch)，且
Figure BDA0001138715570000034
是相应的螺旋的起始角。
类似的是，第二磁图案102的螺旋部分112是根据以下等式的阿基米德螺旋部分：
Figure BDA0001138715570000035
其中
Figure BDA0001138715570000036
且j＝1，2，...N2，
C2是螺旋部分112的间距，且
Figure BDA0001138715570000037
是相应的螺旋的起始角。
然而，本发明并不强制第一磁图案和/或第二磁图案的螺旋部分是阿基米德螺旋。本发明还可应用于使用具有磁图案的盘的角度传感器，所述磁图案的螺旋部分具有圆渐开线的形式。
第一磁图案101的螺旋部分(在下文中简称为“螺旋”)在与盘100的对称轴线/旋转轴线(基本上)平行的方向上被磁化。第一磁图案101的相邻的螺旋的磁化彼此相差至少第一预定量，使得：当沿着垂直于螺旋111的方向从一个螺旋至另一个螺旋时，由第一磁图案101的螺旋111产生的磁场在两个不同的预定值之间交替。
类似的是，第二磁图案102的螺旋112部分在与盘100的轴线(基本上)平行的方向上被磁化。第二磁图案102的相邻的螺旋的磁化彼此相差至少第二预定量，使得：当沿着垂直于螺旋112的方向从一个螺旋至另一个螺旋时，由第二磁图案102的螺旋112产生的磁场在两个不同的预定值之间交替。
优选地，第一磁图案和/或第二磁图案的相邻的螺旋显示不同的磁极。在这样的磁配置中，磁传感器可以高精度地检测磁场的变化。
尽管在图1中，盘100在盘100的同一侧上包含第一磁图案101和第二磁图案102，但这对于本发明不是强制性的。此外，本发明还可应用于类似的传感器，其所使用的盘在盘的一侧上具有第一磁图案，且在盘的另一侧上具有第二磁图案。
图2a、图2b和图2c中的任意一个示出了可以在根据本发明的角度传感器中使用的盘上实现的螺旋的结构。这些图中所示的螺旋的磁化可以通过例如以下方式来实现：被磁化的模制形式、通过线圈磁化的双极磁轨、磁记录头或印刷方法。
图2a所示的盘由两个磁化盘半部211和212形成。盘半部212在其一侧上示出凸起201和202，其形状对应于符合上述等式的阿基米德螺旋或圆渐开线。盘半部212的另一侧与盘半部211的一侧组合/结合，使得组合盘在上侧(包括凸起)示出一个磁极(例如N极)，且在下侧示出另一个磁极(例如S极)。由于该结构，在组合盘包含凸起的上侧上的磁场，根据凸起(的形状)而调制/变化。这意味着在对应于凸起的区域中的磁感B与对应于(相邻的)凸起之间的区域的磁感相差一预定量。凸起201产生第一磁图案101，且凸起202产生第二磁图案102。
在图2b所示的盘中，螺旋(221-224)由附接/结合到载体盘215的一个(上部)侧面的磁化层(或轨道)形成。优选地，层/轨道显示(基本上)均匀的磁化。对应于相邻的螺旋的磁化层显示不同的磁极。在图2b中，“白色螺旋”显示S极。螺旋的形状对应于符合上述等式的阿基米德螺旋或圆渐开线。螺旋221和223形成/对应于第一磁图案101，且螺旋222和224形成/对应于第二磁图案102。
此外，图2b示出了对应于第一磁图案101的第一磁传感器231和对应于第二磁图案102的第二磁传感器232。
在图2c所示的盘中，形成螺旋241-244的磁化的层/轨道被集成到载体盘235的一个(上部)侧面/表面中，并且不从盘的侧面伸出。通过集成在载体盘235中，螺旋被保护，且螺旋和磁传感器之间的(不期望的)撞击不会发生。如图2c所示，对应于相邻的螺旋的磁化的层/轨道显示不同的磁极，且螺旋的形状对应于符合上述等式的阿基米德螺旋或圆渐开线。螺旋241和243对应于第一磁图案101，且螺旋242和244对应于第二磁图案102。
在图2b和图2c中，对应于第一磁图案101的螺旋都具有相同的宽度，而与它们的磁化无关。类似的是，对应于第二磁图案102的螺旋也都具有相同的宽度，而与它们的磁化无关。优选地，对应于第一磁图案101的螺旋和对应于第二磁图案102的螺旋两者都具有相同的宽度，而与它们的磁化无关。
此外，图2b和图2c示出了：第一磁图案101的相邻的螺旋直接彼此相邻，并且第二磁图案102的相邻的螺旋直接彼此相邻。这意味着在两个相邻的螺旋之间不存在非磁化区域。
图2d示出了图2c的截面的放大图，其包含第一磁传感器231和第二磁传感器232。优选地，这些传感器是各向异性磁阻桥(AMR桥)。第一磁传感器231对应于第一磁图案，且靠近/相对于第一磁图案布置，以便在包含第一磁图案的盘的完全的机械旋转期间检测磁感应矢量的N1个完整旋转，其中N1是形成第一磁图案的螺旋的数量。类似的是，第二磁传感器232对应于第二磁图案，且靠近/相对于第二磁图案布置，以便在包含(第一磁图案和)第二磁图案的盘的完全的机械旋转期间检测磁感应矢量的N2个完整旋转，其中N2是形成第二磁图案的螺旋的数量。
换而言之，磁图案及其相关的磁传感器布置为使得，在磁盘的完全机械旋转期间，磁传感器经过(穿过)相应的磁图案的每个螺旋。
第一磁传感器和第二磁传感器中的每一个适配为响应于检测到的磁感应来输出余弦信号和正弦信号。余弦信号和正弦信号中的每一个包含对应于由相应的磁传感器检测到的磁感应的旋转数的周期数。
此外，根据本发明的角度传感器包含处理单元(未在图中示出)，例如数字信号处理器(DSP)，适配为基于由第一磁传感器231输出的余弦信号和正弦信号来确定第一反正切信号，基于由第二磁传感器232输出的余弦信号和正弦信号来确定第二反正切信号，以及基于第一反正切信号和第二反正切信号来确定对应于盘的绝对角度位置的信号。由于数量N1和N2是互质的，盘的绝对角度位置由该信号唯一地确定。
图3示出了磁阻桥231的四个磁阻层相对于根据本发明的角度传感器中使用的盘100的半径的取向。该图示出了磁阻桥231的四个磁阻层在方向307上对准，方向307垂直于相应的磁图案的任意螺旋的切线309，从而与盘100的半径形成角度Γ。具有附图标记308的角度Γ由下述公式得出：
Γ＝arctan(R/C)，
R是桥231相对于盘100的原点104的径向位置，且C是相应的螺旋的间距。
图4a和图4b所示的AMR桥231和232中的每一个包含四个磁阻结构/层416-419。图4a和图4b示出了这四个磁阻层相对于盘100的磁图案的螺旋的布置。磁阻层416和418适配为响应于检测到的磁场产生余弦信号，且磁阻层417和419适配为响应于检测到的磁场产生正弦信号。
图4a示出了盘100和AMR桥231沿垂直于螺旋243的切线的线的横截面。根据该图所示的布置，AMR桥231布置为使得：包含四个磁阻层416-419的表面的平面平行于盘100。另外，该图示出了AMR桥231的宽度D(其基本上由四个磁阻层416-419的大小确定)匹配螺旋241-243中的任意一个的宽度。磁图案的螺旋的宽度也表示为极间距。
图4b示出了在包括四个磁阻层416-419的平面中沿着垂直于螺旋243的切线的线的盘100的横截面。根据该图所示的布置，AMR桥231布置为使得：包含四个磁阻层416-419的表面的平面垂直于盘100。另外，图4b示出了四个磁阻层416-419在垂直于任一螺旋的切线的方向上对齐，且AMR桥231的宽度D等于螺旋241-243中的任意一个的宽度。
图4a和图4b中所示的布置是特别有利的，这是由于它们不受外部磁杂散场的影响。
图5示出了根据本发明第二实施例的在角度传感器中使用的盘500的原理几何结构。盘500与第一实施例的盘100的不同在点于，其还在盘500的包含第一磁图案101和第二磁图案102的侧面上包括圆形磁结构550。圆形磁结构550具有圆形磁化，其围绕盘500的中点/中心点104同心地布置，并且围绕第一磁图案101和第二磁图案102。N1是第一磁图案101的螺旋的数量，且N2是第二磁图案102的螺旋的数量。在本发明的第二实施例中，数量N1和N2是互质的，其中数量N1不同于N2-1和N2+1。具体地，对于图5中的盘，N1等于9，且N2等于7。
根据本发明的第二实施例的角度传感器还包括第三磁传感器(未在图6中示出)，以感测由圆形磁结构550产生的磁场。通过感测圆形磁结构550的磁场，第二实施例能够确定圆形磁结构550的位置，从而执行偏心误差校正。
图6示出了根据本发明的第三实施例的在角度传感器中使用的盘600的原理几何结构。盘600与第一实施例的盘100的不同点在于，内部磁图案的螺旋602的旋转方向与外部磁图案的螺旋111的旋转方向相反。N1是外部磁图案的螺旋111的数量，且N2是内部磁图案的螺旋602的数量。另外，在本发明的第三实施例中，数量N1和N2是互质的，其中数量N1不同于N2-1和N2+1。具体地，对于图6中的盘，N1等于9，且N2等于7。
在图2a、图2b和图2c中所示的螺旋的任一结构可以实现在根据本发明的第二实施例和第三实施例的角度传感器的盘上。
根据本发明的角度传感器可应用于例如电机反馈系统、着陆空气制动器、起动器发电机、电动机和转向角中。
附图标记
附图标记 说明
100，500，600 盘
101 第一磁图案
102 第二磁图案
103 内周边
104 中心(中点)
105 外周边
111 第一螺旋部分(的中心线)
112 第二螺旋部分(的中心线)
201 第一凸起
202 第二凸起
211 下部盘部件
212 上部盘部件
215，235 载体盘
221，222 磁化的螺旋部分，N极，位于载体盘的侧面上
223，224 磁化的螺旋部分，S极，位于载体盘的侧面上
241，242 磁化的螺旋部分，N极，位于载体盘的侧面上
242，244 磁化的螺旋部分，S极，位于载体盘的侧面上
231，232 第一磁传感器和第二磁传感器(AMR桥)
306 盘的半径
307 螺旋的切线的垂直线
308 螺旋的垂线与盘的半径之间的角度Γ
309 磁图案的螺旋的切线
416，418 产生正弦信号的AMR桥的磁阻层/结构
417，419 产生余弦信号的AMR桥的磁阻层/结构磁阻

Claims (14)

1.角度传感器，包括在盘(100)的侧面上的两个可扫描的磁图案(101，102)，以及两个磁传感器(231，232)，
其中所述两个磁传感器(231，232)相对于彼此固定地布置，
所述盘(100)和所述两个磁传感器(231，232)围绕所述盘的旋转轴线相对于彼此可旋转，
所述两个传感器中的第一磁传感器(231)关联至第一磁图案(101)，且适配为：当所述第一磁图案(101)和所述第一磁传感器(231)相对于彼此旋转时，输出第一电信号，
所述两个传感器中的第二磁传感器(232)关联至第二磁图案(102)，且适配为：当所述第二磁图案(102)和所述第二磁传感器(232)相对于彼此旋转时，输出第二电信号，
所述第一磁图案(101)包含数量为N1的第一螺旋部分(111)，其规则地分布在第一环中，
所述第二磁图案(102)包含数量为N2的第二螺旋部分(112)，其规则地分布在第二环中，
所述第一环和所述第二环围绕所述盘(100)的中心点(104)同心地布置，
N1与N2不同，
其特征在于：
N1不同于N2-1，N1不同于N2+1，
N1和N2是互质的，并且
所述第一磁传感器(231)包含第一磁阻桥，所述第一磁阻桥的宽度(D)等于所述第一螺旋部分(111)的一个螺旋(243)的宽度。
2.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第一磁图案(101)的螺旋和/或所述第二磁图案(102)的螺旋在与所述盘(100)的旋转轴线平行的方向上被磁化，
所述第一磁图案(101)的相邻的螺旋的磁化彼此相差至少第一预定量，和/或
所述第二磁图案(102)的相邻的螺旋的磁化彼此相差至少第二预定量。
3.如权利要求2所述的角度传感器，其中所述第一磁图案(101)的相邻的螺旋(221，223)显示不同的磁极，和/或
所述第二磁图案(102)的相邻的螺旋(222，224)显示不同的磁极。
4.如权利要求2或3所述的角度传感器，所述第一磁图案(101)的螺旋(221，223)都具有相同的宽度，和/或所述第二磁图案(102)的螺旋(222，224)都具有相同的宽度。
5.如权利要求2或3所述的角度传感器，其中所述第一磁图案(101)的相邻的螺旋(221，223)彼此直接相邻，和/或
所述第二磁图案(102)的相邻的螺旋(222，224)彼此直接相邻。
6.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第一磁阻桥沿所述第一磁图案(101)的螺旋(243)的宽度方向具有四个磁阻结构/层(416-419)，其布置为使得所述第一磁阻桥的宽度(D)匹配所述第一磁图案(101)的螺旋(243)的宽度，和/或
所述第二磁传感器(232)包含第二磁阻桥，所述第二磁阻桥沿所述第二磁图案(102)的螺旋(244)的宽度方向具有其他四个磁阻层，其布置为使得所述第二磁阻桥的宽度匹配所述第二磁图案(102)的螺旋(244)的宽度。
7.如权利要求6所述的角度传感器，其中所述第二磁阻桥的宽度等于所述第二磁图案(102)的螺旋(244)的宽度。
8.如权利要求6所述的角度传感器，其中所述第一磁阻桥和所述第二磁阻桥是各向异性的磁阻桥。
9.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第二环布置在所述第一环的内部，且N1大于N2。
10.如权利要求9所述的角度传感器，其中N1＝7且N2＝5。
11.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第一螺旋部分(111，221，223)和所述第二螺旋部分(112，222，224)是阿基米德螺旋。
12.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第一螺旋部分(111)和所述第二螺旋部分(112)在相同的方向上旋转。
13.如权利要求1所述的角度传感器，其中所述第一螺旋部分(111)和所述第二螺旋部分(112)在相反的方向上旋转。
14.如权利要求1所述的角度传感器，还包括在所述盘(500)的侧面上的圆形磁结构(550)，其围绕所述盘(500)的中心点(104)同心地布置，环绕所述第一环和所述第二环；以及
第三磁传感器，用于感测由所述圆形磁结构(550)产生的磁场。
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