CN110864612B - 磁位置传感器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了磁位置传感器系统和方法。一种位置传感器系统(200)，用于测量平面(230)外可移动目标(220)的位置(Z)，系统(200)包括：第一磁传感器(201)和第二磁传感器(202)，固定地布置在所述平面(230)中且间隔开距离(D)；第一和第二磁传感器(201，202)分别适于测量在所述平面中的至少一个相应的第一和第二平面内磁场分量(Bu1，Bv1)，(Bu2，Bv2)以获取至少相应的第一和第二值；连接到传感器的控制器(240)，用于获取所述值，且适于确定作为值和预定义距离(D)的函数的平面外位置(Z)。一种确定所述位置的方法(1200)。

Description

磁位置传感器系统和方法

发明领域

本发明总体涉及磁位置传感器系统领域，更具体地说，涉及一种用于确定对外部干扰场基本上不敏感的平面外位置的位置传感器系统。本发明还涉及一种确定所述线性位置的计算机实现的方法。

发明背景

磁传感器系统，特别是线性位置系统在本领域中是已知的。它们的优点是能够在不进行物理接触的情况下测量线性位置，从而避免机械磨损，划痕，摩擦等问题。

基本上存在两种不同类型的线性位置系统，这取决于(多个)传感器单元和可移动物体之间的距离是否恒定，或随着物体的移动而改变。

a)WO2018122283(A1)公开了一种位移传感器，其包括两个相对于磁换能器可滑动地布置的传感器单元。这两个传感器单元相对于磁换能器具有基本上恒定的距离。

b)本发明的图1示出了现有的线性位置系统，其中磁体可朝向和远离传感器装置移动。

本发明涉及第二种类型的线性位置传感器系统，其中可移动物体与(多个)传感器单元之间的距离随着物体的移动而变化。

图1中的系统的缺点在于该系统对于磁干扰场敏感，当磁干扰场存在时，会产生位置误差。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种对磁干扰场不太敏感的位置传感器系统，以及一种确定位置的方法。

本发明的特定实施例的目的是提供一种对磁干扰场不太敏感并且不会显著降低信号的S/N比的位置传感器系统，以及一种确定位置的方法。

本发明的特定实施例的目的是提供一种能够测量物体的平面外位置的线性位置传感器，该物体可朝向和远离平面移动。

这些目的通过根据本发明的实施例的位置传感器系统和确定位置的方法来实现。

根据第一方面，本发明提供了一种位置传感器系统，用于测量在平面外沿预定义轨迹可移动的目标的位置，该目标适于产生或修改磁场，该位置传感器系统包括：第一磁传感器和第二磁传感器，两个磁传感器固定地布置在所述平面中并且以预定义距离间隔开；第一磁传感器适于测量所产生或修改的磁场在所述平面中的至少一个第一平面内磁场分量，以获得至少第一值；第二磁传感器适于测量所产生或修改的磁场在所述平面中的至少一个第二平面内磁场分量，以获得至少第二值；控制器，通信地连接到第一和第二磁传感器，并且适于获得所述至少第一和第二值，并且适于基于这些值和预定义距离确定所述目标的平面外位置。

这个线性位置传感器的优点在于其允许确定永磁体(或附接至所述磁体的任何物体)的平面外位置，不是基于现有技术中通常进行的平面外场分量(Bz)的幅度，而是基于传感器的平面内场梯度，因为后者对外部干扰场不太敏感。

在一些实施例中，第一和第二磁传感器位于单个封装(称为“多管芯单封装”)中的不同管芯上。在一些实施例中，传感器被结合在不同的封装中(例如，印刷电路板上的两个不同的IC)。但是，如果传感器位于同一个基板(例如单芯片解决方案)上，则本发明也将起作用。

在实施例中，第二磁传感器与第一磁传感器不同。

在该实施例中，通常这两个传感器在两个不同的(分开的)半导体管芯上实现。

使用两个分开的磁传感器具有优点，因为相比于完全集成的解决方案，以这种方式两个传感器之间的距离要大得多。这允许以更大的信噪比(因为至少公式dB/dx或dB/dy中的分母显著增加，例如至少增加一个数量级)计算平面内场梯度。

这些实施例与普遍认为在单个芯片上集成功能总是意味着“更准确的结果”相反。对于如上所述的系统不一定是正确的，其中轴向磁化磁体位于距平面一定距离处，其中当在单个芯片(具有通常小于1毫米的尺寸)上测量时，梯度公式dBx/dx和dBy/dy的分子和分母都接近于零，导致大的相对误差。

在实施例中，第一磁传感器适于测量所述平面中仅一个第一磁场分量，以获得第一值；并且第二磁传感器适于测量所述平面中的仅一个第二磁场分量，以获得第二值。

在实施例中，控制器适于：a)确定至少一个平面内场分量的至少一个场梯度；以及b)确定作为所述至少一个确定的平面内场梯度的函数的平面外位置。

步骤a)的优点在于，梯度计算与距离“D”相关，该距离“D”与完全集成的解决方案相比相对较大。

使用该两步骤方法具有优点，因为步骤(a)得到对外部干扰场敏感性降低的值，以及步骤(b)可以通过设计或校准测试容易地确定。

在实施例中，步骤a)包括确定不同方向上的两个场梯度，并计算这两个场梯度的加权平均值，并且步骤b)包括确定作为所述加权平均值的函数的平面外位置。

在实施例中，步骤a)包括确定垂直方向上的两个场梯度，并计算这两个场梯度的平均值，并且步骤b)包括确定作为所述平均值的函数的平面外位置。

在实施例中，步骤b)包括：使用预定义的查找表或使用预定义的数学公式。

预定义的查找表可以是在设计期间或在模拟期间确定的预定义表，或可以在校准期间测量，并存储在嵌入或连接到所述控制器的非易失性存储器中。

注意，对距离D的依赖性可以被结合在存储在查找表中的值中。

在实施例中，预定义轨迹是直线；并且位置传感器系统是线性位置传感器系统。

可选地，直线和平面限定在45°至135°或80°至100°范围内的角度。

在实施例中，直线基本垂直于所述平面。

在实施例中，目标是轴向磁化的永磁体；并且轴向磁化方向基本上与直线平行。

在实施例中，目标是具有预定义尺寸和形状的铁磁性物体。

在实施例中，目标是永磁体，例如圆柱形磁体或块状磁体，或条形磁体或盘形磁体，或环形磁体。

在实施例中，永磁体是轴向磁化的圆柱形磁体，或轴向磁化的条形磁体，或轴向磁化的盘磁体，或轴向磁化的环形磁体。

在实施例中，永磁体具有圆形横截面的形状，外径为4至20mm，例如等于约5mm或约8mm或约12mm或约15mm或约18mm，或约20mm，并且传感器之间的距离“D”与磁体的外径的比值是范围为50％至100％，或60％至100％，或70％至100％，或80％至100％，或90％至100％内的值。

轴向磁化可与沿其目标可移动的所述直线基本平行。

在实施例中，预定义距离是范围在5mm至50mm，或5mm至30mm，或8mm至30mm内的值。

在实施例中，第一磁传感器是第一封装半导体器件，并且第二磁传感器是与第一封装半导体器件不同的第二封装半导体器件，并且第一和第二传感器装置安装在限定所述平面的印刷电路板上。

在实施例中，预定义轨迹是基本上与所述平面垂直的直线；并且第一磁传感器适于确定沿着第一内轴线的仅一个磁场分量；并且第二磁传感器适于确定沿着第三内轴线的仅一个磁场分量；并且第一内轴线与第三内轴线基本上重合；并且直线和平面的交点基本上位于第一磁传感器和第二磁传感器之间的中间的位置；并且控制器适于例如使用查找表基于该值计算可移动目标的平面外位置。

该系统的优点在于提供了一种优雅的解决方案，用于确定平面外位置，具有对外部杂散场的降低的敏感度，具有相对较高的信噪比(通过选择适当的D)，以及只需要非常简单的算术。

该系统的优点在于其对移动轴的位置误差非常不敏感，因此可以减少安装要求。

在实施例中，位置传感器系统进一步包括第三磁传感器和第四磁传感器；且第三磁传感器适于确定沿着第五内轴线的仅一个磁场分量；且第四磁传感器适于确定沿着第六内轴线的仅一个磁场分量；且第五内轴线和第六内轴线基本上重合并垂直于第一内轴线；且所述交点基本上位于第三磁传感器和第四磁传感器之间的中间的位置；且控制器可操作地连接到第三和第四传感器，并且适于例如使用查找表计算作为四个值和距离D的函数的可移动目标的平面外位置。

在实施例中，预定义轨迹是基本上垂直于所述平面的直线；且第一磁传感器适于确定沿第一内轴线和垂直于第一内轴线的第二内轴线的第一对磁场分量；且第二磁传感器适于确定沿第三内轴线和垂直于第三内轴线的第四内轴线的第二对磁场分量；且第一内轴线和第三内轴线基本上平行；且直线与平面的交点基本上位于第一磁传感器和第二磁传感器之间的中间的位置；且交点位于由第一内轴线和第二内轴线形成的角度的平分线上；且交点位于由第三内轴线和第四内轴线形成的角度的平分线上；并且控制器适于例如使用查找表计算作为值的函数的可移动目标的平面外位置。该系统的优点在于提供了一种优雅的解决方案，用于确定平面外位置，具有对外部杂散场的降低的敏感度，具有相对较高的信噪比(通过选择适当的D)，以及只需要非常简单的算术。

该系统的附加优点是允许检测传感器中的错误，因为(Bu1-Bu2+Bv1-Bv2)的值应该大约等于2*(Bu1-Bu2)并且也大约等于2*(Bv1-Bv2)。技术人员可以根据具体应用定义允许的偏差裕度。

优点在于和/差由四个值组成，这通常进一步改善了SNR。

在实施例中，位置传感器系统进一步包括：

第三磁传感器和第四磁传感器，两者都不同于第一和第二磁传感器，并且固定布置在所述平面中，且第四磁传感器位于距第三磁传感器所述预定义距离处；且第三磁传感器适于测量所产生或修改的磁场在所述平面中的第三对磁场分量；且第四磁传感器适于测量所产生或修改的磁场在所述平面中的第四对磁场分量；且直线和平面的交点基本上位于第一磁传感器和第二磁传感器之间的中间的位置；且交点也基本上位于由第三磁传感器的内轴线形成的角度的平分线上；且交点也基本上位于由第三磁传感器的内轴线形成的角度的平分线上；且控制器适于例如使用查找表计算作为值和距离D的函数的可移动目标的平面外位置。

该实施例的优点在于其提供冗余，因为平面外距离可以被确定两次。通过比较两个结果(例如Z1和Z2)，错误可以被检测到。如果没有错误被检测到，则这两个结果可以被平均以便获得更加准确的值。

根据第二方面，本发明还提供一种用于确定根据第一方面的位置传感器系统的目标的平面外位置的计算机实现的方法，该方法包括下列步骤：a)从第一传感器获取指示至少一个平面内场分量的仅一个或至少一个第一值；b)从第二传感器获取指示至少一个平面内场分量的仅一个或至少一个第二值；c)基于这些平面内场分量和传感器之间的距离，确定所述目标的平面外位置。

在实施例中，步骤c)包括：使用预定义的查找表和/或预定义的数学公式，确定作为所述值的求和和/或减法的函数的平面外位置。

在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

图1(a)是本领域已知的线性定位系统的透视图，该系统包括测量垂直于传感器平面的磁场分量Bz的单个传感器。图1(b)示出了如何将由图1(a)的传感器测量的幅度值Bz转换为高度位置。

图2(a)是本发明第一实施例的透视图，使用两个不同的磁传感器，在预定义距离D上间隔开。

图2(b)示出了如图2(a)所示的两个传感器在X轴上的各种位置测量的磁场分量Bx和Bz的曲线图，用于可动磁体的两个位置，说明了本发明的一些基本原理。

图3是图2系统根据本发明的实施例的实际实现的示意图，其中每个传感器包括两个水平霍尔元件和IMC，适于测量平面内磁场Bx。

图4是图2系统根据本发明的实施例的另一个实际实现的示意图，其中每个传感器包括两个垂直霍尔元件和IMC，适于测量平面内磁场Bx。

图5是根据本发明的另一个实施例的透视图，其使用两个不同的在预定义距离D上间隔开的磁传感器。两个传感器定向成使得移动轴与包含传感器的平面的交点P位于在内轴线的平分线上(在45°)。

图6是图5系统根据本发明的实施例的实际实现的示意图，其中每个传感器包括四个水平霍尔元件和IMC，适于测量两个平面内磁场分量Bx和By。

图7是图5系统根据本发明的实施例的另一个实际实现的示意图，其中每个传感器包括两个垂直霍尔元件，适于测量两个平面内磁场分量Bx和By。

图8示出了图5的变体，其中点P不是精确位于两个传感器之间的中点，以此说明该系统在安装或装配公差方面也高度鲁棒，尽管算式简单。

图9示出了图5的另一个变体，其中移动轴垂直于平面，但是轴向磁化轴略微偏离移动轴，以此说明该系统对磁化轴的倾斜误差也高度鲁棒，尽管算式简单。

图10示出了图3的变体，包括四个不同的传感器位于具有直径D的虚拟圆上，并且成90°角度隔开.

图11示出了图10和图4的变体，包括四个不同的传感器位于具有直径D的虚拟圆上，并且成90°角度隔开.每个传感器适于测量径向场分量。

图12示出了根据本发明实施例的，用于基于至少一个平面内场梯度的测量来确定物体的平面外位置(Z)的方法的流程图。

图13至图15示出了可以在本发明的实施例中使用的几个示例性的轴向磁化磁体。

图13示出了轴向磁化盘和圆柱形磁体。

图14示出了两个轴向磁化的环形磁体。

图15示出了轴向磁化的块状磁体(也叫做条形磁体)。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。

具体实施方式

将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性且非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他顺序操作。

另外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等等被用于描述性目的而不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明取向的之外的其他取向来操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各发明性方面中的一个或多个发明性方面的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

在本文档中，除非另外明确提及，否则术语“磁传感器”或“磁传感器装置”是指包括至少一个磁“传感器元件”的磁传感器装置。传感器或传感器装置可以被包括在封装(也被称为“芯片”)中，但这不是必须的。

在本文档中，术语“传感器元件”或“磁传感器元件”是指能够测量磁量的组件或子电路或结构，诸如例如，磁阻元件、水平霍尔板、垂直霍尔板、包含至少一个(但优选地为四个)磁阻元件的惠斯通电桥等。

在本文档中，表达“向量的平面内分量”和“在平面中向量的垂直投影的X分量和Y分量”含义相同。

在本文档中，表达“向量的平面外分量”和“向量的Z分量”含义相同。

在本文档中，表达“平面外位置”意指包含传感器的平面外的位置，例如垂直于该平面的轴上的位置，例如距所述平面的距离。

如已在背景部分描述的，图1(a)示出了本领域已知的线性位置系统，其中轴向磁化和圆柱形的永磁体120可以朝向或远离磁传感器装置101移动移动。传感器装置101适于测量由磁体120产生的磁场的垂直于传感器平面(例如，所谓的Bz分量)的磁场分量。可以例如使用水平霍尔元件来测量Bz分量。

传感器装置101通常包括激励电路、读出电路、模拟放大器、数字化器或ADC，以及用于将数字化信号转换成物体的高度位置Z的处理电路，如在本领域公知的，因此这里不需要更详细地解释。

图1(b)示出了在没有外部干扰场Bext的情况下，作为可移动物体的平面外位置Z的函数的可以通过传感器101测量的Bz场强度|Bz|的幅度的典型曲线图。可以看出，在没有干扰场Bext的情况下，Bz的每个值1对1对应于特定距离或Z位置，并且该系统的优点在于对于磁体与平面之间的距离相对较小的应用(例如小于30毫米，或小于20毫米，或小于15毫米，或小于10毫米，或在1至5毫米的范围内，或1至10毫米的范围内，或1至15毫米的范围内),例如，在磁体连接到可以按下的按钮的应用中，由该传感器测量的典型Bz信号相对较大。

然而，如果外部干扰场存在，则Bz的测量值是由磁体产生的值加上外部场的值，其通常不会产生正确的位置值z1，而是另一个低于或高于z1的值。因此，图1中的系统的缺点在于该系统对于磁干扰场敏感，当磁干扰场存在时，会产生位置误差，这是我们所不希望的。

期望使得图1的系统对于外部干扰场不太敏感，且在信噪比(SNR)不显著退化的情况下，发明者提出了提供：

位置传感器系统(例如，线性位置传感器系统)，用于测量沿着平面外预定义轨迹(例如，沿直线或弯曲曲线)可移动的目标(例如，具有预定义尺寸和形状的永磁体或铁磁性物体)的位置(例如，平面外位置)，该目标适于产生或修改磁场(例如局部产生的磁场)。位置传感器系统包括：第一磁传感器(例如，以第一半导体管芯或第一封装IC的形式)，第二磁传感器(例如，以第二半导体管芯或第二封装IC的形式)，以及控制器(例如，嵌入其中一个传感器或单独的控制器)。第二磁传感器与第一磁传感器不同(例如，在另一个半导体管芯上实现)。两个传感器固定地安排在所述平面中(例如，单个封装中的两个分立管芯，或PCB上的两个封装IC)并且间隔开预定义距离“D”(例如，在5至50mm的范围，或在10至30mm的范围)。第一磁传感器适于测量在所述平面内所述产生或修改的磁场的仅一个或至少一个第一平面内磁场分量，以获取仅一个第一值或至少第一值。第二磁传感器适于测量在所述平面内所述产生或修改的磁场的仅一个或至少一个第二平面内磁场分量，以获取至少第二值。控制器通信地连接到第一和第二磁传感器并且适于获取所述至少第一和第二值，并且适于基于这些值并基于预定义距离“D”，确定所述目标的平面外位置(例如，直线上的Z位置)。

本发明还提供了一种可由所述控制器执行的计算机实现的方法，用于基于所述至少两个值确定所述目标的所述平面外位置。

虽然本发明不限于具有永磁体作为可移动目标的系统，因为例如影响局部产生的磁场的可移动铁磁性物体也将起作用，但是进一步讨论的实施例将仅提及永磁体以便于描述。然而，本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。

图2(a)是本发明第一实施例的透视图，使用两个不同的磁传感器，在预定义距离D上间隔开。

在图2所示的特定系统200中，预定义轨迹是基本上垂直于所述平面230的直线221。第一磁传感器201适于确定沿着其第一内轴线U1的仅一个磁场分量Bu1。第二磁传感器202适于确定沿着其内轴线U2的仅一个磁场分量Bu2，该内轴线U2与第一传感器201的轴U1基本上重合。

磁体220相对于这两个传感器201、202可移动，使得磁体220可沿其移动的直线221与平面230的交点P基本上位于第一磁传感器201与第二磁传感器202之间中间的位置。

控制器240在示例性系统200中嵌入第二传感器202内，适于计算作为从传感器获取的值的函数的磁体220的平面外位置Z(例如，高度)。

在该特定情况下，第一传感器201将提供信号Bu1(与在第一传感器位置处测量的Bx场分量相关)，第二传感器202将提供信号Bu2(与在第二传感器位置处的Bx场分量相关)，并且控制器将使用以下公式集或等效公式集来计算平面内场梯度：

其中IPGF表示“平面内场梯度”，Bu1是从第一传感器获取的指示在第一传感器位置处测量的Bx场的值，Bu2是从第二传感器获取的指示在第二传感器位置处测量的Bx场的值，并且D是第一传感器和第二传感器之间的预定义距离，更具体地说，是第一磁传感器和第二磁传感器的磁中心之间的预定义距离。

本领域技术人员将认识到，距离“D”的除法可以包含在函数“f”中，因此可以使用以下简单公式容易地计算磁体的位置Z：

Z＝f(Bu1-Bu2) [3]

其可以由单个减法和查找表中的查找(以及可任选地插值，以本领域本身已知的方式)来实现。

图2(b)解释了这个公式背后的基本原理。

考虑到“当M在Z1处时的Bx”的曲线图，示出了假定磁体220在位置Z1处静止，将由第一传感器测量的针对沿X轴的各种位置的值Bu1，发明人观察到：

1)观察1：梯度dBx/dx在点P附近基本恒定，但是也距离点P相对较远(例如，距离为最大约50％或最大约60％或最大约70％或最大约80％或最大约90％或最大约100％的圆柱形磁体的半径)，因此可由位于点P的集成芯片测量的dBx/dx的值基本上与在大得多的距离上的值ΔBx/D相等，该距离为例如至少要大5至10倍，例如大于所述集成电路将使用的硅管芯的宽度(通常为1.0mm至2.0mm的量级)。在实践中这意味着公式的分子和分母都可以增大约5倍至约10倍，这显著改善了SNR(信噪比)。这是本发明的基本原理之一。

2)观察2：在点P左侧位置处测量的Bx1值与在P对面一侧相同距离位置处测量的Bx2的值相反，或在数学上表示：Bx1＝-Bx2。对于图2a所示的轴向磁化圆柱形磁体是如此，但对于其他磁体(例如，如图13至图15所示)也是如此，在此不限制本发明，因为例如具有六边形或八边形横截面的轴向磁化磁体也将起作用。

3)观察3：外部干扰场存在时，传感器1测量总场value1～Btot1＝(Bx1+Bext1)，传感器2测量总场值

value2～Btot2＝(Bx2+Bext2)，其中“～”意味着“正比于”。

4)假定外部干扰场是均匀的，且假定两个传感器有基本上相同的灵敏度，则测量值Bext1＝Bext2，且外部场的值可以通过使这两个值相减来消除：

(value1-value2)＝(Bx1+Bext1)-(Bx2+Bext2)＝Bx1-Bx2，理想情况下，其也等于2*Bx1，但实际上通常不是，也不需要是。

普遍认为，两个不同的传感器不可能具有相同的灵敏度，并且两个不同传感器的灵敏度确实不完全相同，但如果两个传感器匹配(例如相同的布局)，并且当使用局部温度补偿时，则可以基本相同。此外，发明者认识到在该特定应用中，即使外部场不被100％消除，如果磁体的信号Bx相对较大(如果传感器位于更远的位置，更接近X轴上对应于点“A”的位置，则是这种情况)，且假定与磁体的局部场相比外部干扰场相对较小，系统200实际上也可以很好地工作。或换句话说，两个传感器之间灵敏度不匹配的影响通过增大的距离D而减小。

考虑到“当M在Z2处时的Bx”曲线图，示出了假定磁体220在位置Z2处静止，将由第一传感器测量的沿X轴的各种位置的值Bu1，得到相同的观察(1)至(4)，但此外观察到该曲线图的斜率与磁体位于Z1时的曲线Bx的曲线图斜率不同。

换句话说，观察到Bx曲线图的斜率随着磁体在Z轴上移动而变化。更具体地，由点A-A'限定的值ΔBx/D大于由点B-B'限定的值ΔBx/D，并且斜率和磁体220的Z位置之间存在1对1的关系。

因此磁体的外部位置Z可以通过测量两个传感器位置处的值Bu1和Bu2，通过计算(Bu1-Bu2)/D，并通过应用斜率与Z位置(未示出)之间的逆关系来确定。如上所述，可以省略恒定值D的实际除法，并且可以将其合并到反函数“f”中。

技术人员可以取决于手边特定系统的所需精度选择合适的距离“D”，这可能尤其取决于可移动物体的尺寸和形状、轨迹、磁体或目标与平面间隔的距离，但也取决于预期的安装公差，系统的磨损等。在图2(b)所示的示例中，技术人员将优选选择距离D作为对应于位于峰值“之前”的点A或B的距离(从点P看)。例如技术人员可以选择D/2作为点P与最近峰值(在不同的曲线上)之间距离“dPP”的50％至100％，或从该值的60％至90％，或从该值的70％至90％，例如该值的约80％。

在实际实现中，轴向磁化的圆柱形磁体220的直径可以是例如约3mm至约20mm，并且其长度可以例如在直径的10％至300％的范围内。例如，盘或环形磁体可能具有为外直径的约10％或约20％的“厚度”，而细长的圆柱形磁体或管状环形磁体的长度可以是直径的约2倍或3倍。

在某些实施例中，两个传感器201、202位于平面230上的投影直径之外，虽然这不是绝对必需的，并且所述投影可以部分地与传感器重叠。

预定义距离D可以例如为5mm至50mm范围内的值，或5mm至30mm范围内的值。

在图2所示的特定示例中，磁体220可以沿其移动的预定义轨迹221是直线，垂直于平面230，但那不是绝对必须的，且轨迹也可以是歪斜或倾斜的线，以便与平面限定5°至90°范围内的角度，优选地至少10°或至少20°或至少30°或至少45°。这种系统称为线性位置传感器系统。

但是本发明不限于此，并且还可以用于确定磁体(或目标)在曲线上的位置，只要磁体的位置Z和平面内场梯度(或图2b的Bx曲线的线段的斜率)之间存在1对1的对应关系。

在某些实施例中，磁体不是完全轴向磁化的，但是磁化方向限定在约30°至90°的范围内的角度。此变体也可以非常好地应对，例如，通过选择适当的函数。

从图2(b)也可以理解，如果两个传感器间隔开与预定义值D稍微不同的值，则斜率ΔBx/D不会显著改变。然而，当使用校准数据将斜率转化到位置Z时，该偏差可以被完全补偿。

图3是根据图2的系统的系统300的可能实现方式的示意性俯视图。在系统300中，每个传感器301、302包括两个水平霍尔元件，布置在盘形磁聚集器(也称为“IMC”)的边缘附近。使用水平霍尔元件和IMC测量平面内场分量的原理在本领域中是公知的(例如，来自US20020021124)，因此在此不需要更详细地描述。

可以看出，第一传感器301需要测量在第一传感器位置处的仅一个场分量值(在该示例中：Bu1＝Bx)，并且第二传感器302需要测量在第二传感器位置处的相同的场分量(这里：Bx)。控制器，激励电路，读出电路等未在图3中示出。

图4是根据图2的系统的系统400的可能实现方式的示意性俯视图。在系统400中，每个传感器401、402包括适于测量平面内场分量Bx的“磁传感器元件”。各种“磁传感器元件”都可以被使用，诸如例如垂直霍尔元件，或对定向X方向的磁场敏感的磁阻传感器(例如，各向异性磁阻(AMR)或巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)传感器的惠斯通电桥)。控制器，激励电路，读出电路等未在图4中示出。

图5是根据本发明实施例的另一系统500的透视图，系统500使用两个不同的磁传感器，在预定义距离D上间隔开。这两个传感器501、502被定向成使得移动轴521和包含传感器的平面530的交点P基本上位于第一传感器501的内轴线U1、V1和第二传感器502的内轴线U2、V2的平分线上，或者换句话说，在45°处。磁体520可以在其上移动的预定义轨迹521是基本上垂直于平面530的直线521。第一磁传感器501适于确定第一对平面内磁场分量，例如，相对于内轴线U1，以及相对于垂直于U1的内轴线V1。第二磁传感器502适于确定第二对平面内磁场分量，例如，相对于内轴线U2，以及相对于垂直于U2的内轴线V2。两个传感器501和502被定向使得其内轴线U1与U2以及V1与V2基本上平行，但彼此偏移。磁体520可以沿其移动的移动轴521布置成使得直线521与传感器所在平面530的交点P基本上位于第一磁传感器501和第二磁传感器502之间的中间的位置。交点P位于由第一传感器的内轴线U1和内轴线V1形成的角度的平分线上，并且交点P位于由第二传感器的内轴线U2和内轴线V2形成的角度的平分线上。

控制器540是图5所示的系统中的单独组件(但它也可以嵌入其中一个传感器)，并且适于计算作为由第一传感器测量的值Bu1、Bv1和由第二传感器测量的值Bu2、Bv2以及预定义距离D的函数的可移动磁体的平面外位置Z。

更具体地，例如可以使用查找表，计算位置Z作为值(Bu1-Bu2+Bv1-Bv2)/D的函数。但是如上所述，既然D的值是常数，那么位置Z也可以使用考虑D的值的另一个查找表，使用值(Bu1-Bu2+Bv1-Bv2)的函数进行计算。

如图5所示的系统500(这里称为“45°处的两个传感器”)提供了相对于图2所示的系统200(这里称为“0°处的两个传感器”)的冗余，因为X方向上的梯度值和Y方向上的梯度值应该(在理想状态下)完全相同，然而实际通常并非如此。这些值之间的偏差可以被认为是系统不对称性的量度，其可以随时间劣化。通过监测该偏差，可以检测到错误。

位置Z优选地基于平均平面内场梯度来计算，其可以基于以下公式集或等效公式集来计算：

与上述相同，在[4]和[5]中可以省略D的除法。

图6是根据本发明的实施例的图5的系统500的可能实现的示意性俯视图表示。在该实施例中每个传感器601、602包括两对水平霍尔元件和盘形IMC，适于测量相对于互连两个传感器的假想线基本上成45°定向的Bu1和Bu2。该附图的主要目的在于示出水平霍尔板的相对位置。

图7是根据本发明的另一实施例的图5的系统500的另一可能实现的示意性俯视图表示。在该实施例中每个传感器701、702包括两个垂直霍尔元件，适于测量相对于互连两个传感器的假想线基本上成45°定向的Bu1和Bv1。该附图的主要目的在于示出垂直霍尔板的相对定向。

然而其他“磁传感器元件”也可以被使用，诸如例如对定向U方向和V方向的磁场敏感的磁阻传感器(例如，各向异性磁阻(AMR)或巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)传感器的惠斯通电桥)。控制器，激励电路，读出电路等未在图7中示出以便不使图过载。

图8(a)示出了图5的变体，其中点P位于从第一传感器801的磁中心到第二传感器802的磁中心的假想线上，但并不精确地位于中间。系统800仍将使用相同的等式，因为由第一传感器801提供的值中的一个或两个的小幅减小，将完全地或大部分地或至少部分地通过由第二传感器802提供的值中的一个或两个的小幅增加来补偿，以这样的方式使它们的差(例如，如果一个值是正的且另一个值是负的)保持基本上不变。实际上，如从图8(b)中可以理解的那样，点A和A'之间的斜率ΔBx/D与点B和B'之间的斜率ΔBx'/D基本上相同。

尽管未明确示出，如果交点P轻微地偏离所述虚拟线，至少部分补偿也会发生。因此，系统800对于安装或组装公差也高度鲁棒。

图9示出了图5的另一变体，其中移动轴921垂直于平面930，但是磁体920的磁化轴922相对于移动轴921略微倾斜。系统900仍将使用相同的等式，因为由第一传感器901提供的(多个)值的小幅减小将大部分地通过由第二传感器902提供的(多个)值的小幅增加来补偿，并且反之亦然，以这样的方式使得它们的差保持基本上未被倾斜角λ改变。如技术人员可以理解的，当完美轴向磁化的磁体以倾斜角λ附接到可移动物体(例如，旋钮或按钮)时，也会发生相同的现象。因此，系统900对于磁化轴922相对于移动轴921的倾斜误差也是高度鲁棒的。

在图9所示的系统的变体(未示出)中，磁化轴922完全平行于移动轴921，但是移动轴921不完全垂直于平面930，而是略微倾斜。相同的公式也适用于这种情况，因此系统900对于移动轴921的倾斜误差也是高度鲁棒的。

尽管未明确示出，实际上几种缺陷可能同时发生，诸如例如移动轴921不是完全线性的，和/或磁化轴922不是完全垂直于平面定向的，和/或移动轴与平面的交点P不是恰好位于两个传感器901、902之间的中间的位置等，但是本发明的实施例对这些非理想性的组合也相对不敏感。

图10示出了可以被看作图3变体的线性位置传感器系统1000。系统1000包括四个不同的传感器1001、1002、1003、1004，位于直径为D的虚拟圆上，且成90°角度分开。传感器1001和1002形成第一对。传感器1003和1004形成第二对。四个传感器1001-1004位于平面1030中。每个传感器适于提供两个值，指示X方向和Y方向上的磁场分量，其平行于相应的内轴线U轴和V轴，但是从其偏移。磁体1020可沿着移动轴或直线1021移动，移动轴或直线1021在点P与平面1030相交，点P位于第一和第二磁传感器1001、1002之间的基本上中间的位置，以及第三和第四磁传感器1003、1004之间的基本上中间的位置。交点P还位于形成由每对传感器的内轴线U轴和V轴形成的角度的平分线的虚拟线上。

控制器1040，此处示为单独组件，适于计算可移动磁体的平面外位置Z，作为从第一传感器1001获取的值Bu1、Bv1和从第二传感器1002获取的值Bu2、Bv2和从第三传感器1003获取的值Bu3、Bv3和从第四传感器1004获取的值Bu4、Bv4以及距离D的函数。

位置Z的值可以例如基于从所有传感器获取的八个值的组合进行计算，例如使用以下公式集或等效公式集来计算：

如上所述，值D可以从公式[7]中省略。公式[8]的函数可以例如使用查询表(以及任选地也使用线性插值)和/或使用数学公式进行计算。

然而图10的硬件也可以被认为是两对如图5所示的系统，导致磁体1020位置有两个值，例如基于从传感器1001和1002获取的值Bu1、Bv1、Bu2、Bv2的第一值Z1，以及基于从传感器1003和1004获取的值Bu3、Bv3、Bu4、Bv4的第二值Z2，因此产生两个应该相同的独立值。值Z1和Z2可以被用于功能安全目的，例如通过使用一对传感器作为主要对用于测量位置，而另一对作为次要对用于检测功能故障。

在图10所示的特定实施例中，只有一个外部控制单元1040，但是如上所述，控制单元1040也可能嵌入其中一个(或两个)传感器中。

图11示出了系统的示意性俯视图，该系统可以被认为是图10的变体或图4的变体。系统1100包括四个不同的传感器1101-1104，位于直径为D的虚拟圆上，且成90°角度分开。每个传感器适于测量径向定向的场分量。

与图10相似，如果四个传感器的值进行组合，则对于恒定的杂散场甚至外部场梯度高度鲁棒的系统可以被构建。

可替代地，从传感器1101和1102获取的值可以被组合来确定第一位置Z1，且从传感器1103和1104获取的值可以被组合来确定第二位置Z2，导致磁体1120的位置有两个值，可以被用于功能安全目的。

图12示出了根据本发明实施例的方法1200的流程图，用于基于至少一个平面内场梯度的测量来确定物体(例如，永磁体或铁磁性目标)的平面外位置Z。图12的方法1200包括以下步骤：

a)从第一传感器获取1201指示仅一个或至少一个平面内磁场分量(例如，Bx1，By1，Bu1，Bv1)的至少一个第一值；

b)从第二传感器获取1202指示仅一个或至少一个平面内磁场分量(例如，Bx2，By2，Bu2，Bv2)的至少一个第二值；

c)基于这些平面内场分量并基于传感器之间的距离D确定1203所述目标的平面外位置Z。

步骤c)可以包括：确定作为所述值的求和和/或减法的函数的平面外位置Z，以获取与平面内场梯度相等或成比例的值，并且使用预定义查找表和/或预定义数学公式将该场梯度转换为平面外位置Z。

在以上(在图2至图12中)所示的系统中，磁体是轴向磁化圆柱形磁体，但是本发明不限于此，其他磁体也可以被使用，例如：

-如图13所示，轴向磁化的盘或圆柱体磁体，

-如图14所示，轴向磁化的环形磁体。

使用具有圆形横截面的轴向磁化磁体是优点，因为所得磁场是旋转对称的。其主要优点在于磁体(或磁体所连接至的物体)的旋转对测量没有影响。

但是本发明不限于此，具有其他横截面的磁体也可以被使用，例如如图15所示的轴向磁化块状磁体(也称为条形磁体)、或者轴向磁化的具有正方形或六边形或八边形或其他合适的横截面的磁体(未示出)。

附图参考标记：

100、200等(线性)位置传感器系统

101、201等第一磁传感器

102、202等第二磁传感器

103、203等第三磁传感器

104、204等第四磁传感器

120、220等目标，例如永磁体或铁磁性物体

121、221等移动轴

122、222等磁体的磁化轴

130、230等平面(例如PCB)

140、240等控制器

150、250等IMC(集成磁聚集器)

D传感器装置(的磁中心)之间的距离

H1、H2等水平霍尔元件

P移动轴与平面的交点

U1、V1第一磁传感器的局部坐标系

U2、V2第一磁传感器的局部坐标系

U3、V3第一磁传感器的局部坐标系

U4、V4第一磁传感器的局部坐标系

VH1、VH2等垂直霍尔元件

X、Y参考坐标系

Claims (12)

1.一种用于测量在平面外沿着形成直线的预定义轨迹可移动的目标的位置的位置传感器系统，所述目标适于产生或修改磁场，所述位置传感器系统包括：

第一磁传感器和第二磁传感器，两个磁传感器都固定地布置在所述平面中且间隔开预定义距离，所述预定义轨迹是基本上垂直于所述平面的直线，并且所述直线和所述平面的交点基本上位于所述第一磁传感器和所述第二磁传感器的中间；

所述第一磁传感器适于测量所产生的或修改的磁场的、在平行于所述平面的第一方向上定向的第一磁场分量；

所述第二磁传感器适于测量所产生的或修改的磁场的、在平行于所述平面的所述第一方向上定向的第二磁场分量；以及

控制器，通信地连接到所述第一磁传感器和所述第二磁传感器，且适于：

a)确定所述第一磁场分量和所述第二磁场分量的梯度；以及

b)将所述目标沿所述直线的平面外位置确定为所述磁场梯度的函数。

2.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其特征在于，所述第二磁传感器与所述第一磁传感器不同。

3.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其特征在于，步骤b)包括：使用预定义的查找表或使用预定义的数学公式。

4.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中，所述目标是轴向磁化永磁体；并且

其中，轴向磁化方向基本上平行于所述直线。

5.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其特征在于，所述预定义距离是范围在5mm至50mm内的值。

6.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其特征在于，所述第一磁传感器是第一封装半导体器件，且所述第二磁传感器是与所述第一封装半导体器件不同的第二封装半导体器件，并且

其中所述第一磁传感器和所述第二磁传感器安装在限定所述平面的印刷电路板上。

7.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述第一磁传感器适于确定沿着第一内轴线的仅第一磁场分量；并且

其中，所述第二磁传感器适于确定沿着第三内轴线的仅第二磁场分量；并且

其中，所述第一内轴线和所述第三内轴线基本上重合；并且

其中，所述控制器适于基于值Bu1-Bu2计算所述可移动目标的所述平面外位置，其中，Bu1是所述第一磁场分量，并且Bu2是所述第二磁场分量。

8.根据权利要求7所述的位置传感器系统，进一步包括第三磁传感器和第四磁传感器；

其中，所述第三磁传感器适于确定沿着第五内轴线的仅第三磁场分量；并且

其中，所述第四磁传感器适于确定沿着第六内轴线的仅第四磁场分量；并且

其中，所述第五内轴线和所述第六内轴线基本上重合且垂直于所述第一内轴线；并且

其中，所述交点基本上位于所述第三磁传感器和所述第四磁传感器之间的中间的位置；并且

其中，所述控制器可操作地连接到所述第三磁传感器和所述第四磁传感器，且适于将所述可移动目标的所述平面外位置计算为所述第一磁场分量、所述第二磁场分量、所述第三磁场分量、所述第四磁场分量和所述预定义距离的函数。

9.根据权利要求8所述的位置传感器系统，

其中，所述第一磁传感器适于确定沿着第一内轴线和垂直于所述第一内轴线的第二内轴线的第一对磁场分量；并且

其中，所述第二磁传感器适于确定沿着第三内轴线和垂直于所述第三内轴线的第四内轴线的第二对磁场分量；并且

其中，所述第一内轴线和所述第三内轴线基本上平行；并且

其中，所述交点位于由所述第一内轴线和所述第二内轴线形成的第一角度的平分线上；并且

其中，所述交点位于由所述第三内轴线和所述第四内轴线形成的第二角度的平分线上；并且

其中，所述控制器适于将所述可移动目标的所述平面外位置计算为Bu1-Bu2+Bv1-Bv2，其中，Bu1、Bu2、Bv1和Bv2分别是所述第一磁场分量、所述第二磁场分量、所述第三磁场分量和所述第四磁场分量。

10.根据权利要求9所述的位置传感器系统，进一步包括：

第三磁传感器和第四磁传感器，两者不同于所述第一磁传感器和所述第二磁传感器，且固定地布置在所述平面中，所述第四磁传感器位于距所述第三磁传感器所述预定义距离处；

所述第三磁传感器适于测量所产生的或修改的磁场在所述平面中的第三对磁场分量；

所述第四磁传感器适于测量所产生的或修改的磁场在所述平面中的第四对磁场分量；

其中，所述直线与所述平面的交点基本上位于所述第一磁传感器和所述第二磁传感器之间的中间的位置；并且

其中，所述交点还基本上位于由所述第三磁传感器的内轴线形成的角度的平分线上；

其中，所述交点还基本上位于由所述第四磁传感器的内轴线形成的角度的平分线上；

其中，所述控制器适于将所述可移动目标的所述平面外位置计算为所述第一对磁场分量的值Bu1、Bv1、所述第二对磁场分量的值Bu2、Bv2、所述第三对磁场分量的值Bu3、Bv3、所述第四对磁场分量的值Bu4、Bv4和所述预定义距离的函数。

11.一种计算机实现的方法，所述方法用于确定根据权利要求1所述的位置传感器系统的目标沿直线的平面外位置，所述方法包括：

a)由所述第一磁传感器测量在平行于所述平面的所述第一方向上定向的所述第一磁场分量；

b)由所述第二磁传感器测量在平行于所述平面的所述第一方向上定向的所述第二磁场分量；

c)确定所述第一磁场分量和所述第二磁场分量的磁场梯度；

d)将所述平面外位置确定为所述磁场梯度的函数。

12.根据权利要求11所述的计算机实现的方法，其特征在于，步骤c)包括：通过对所述第一磁场分量和所述第二磁场分量的求和或减法来确定所述磁场梯度；

并且其中，步骤d)包括：使用预定义的查找表和/或预定义的数学公式来确定所述平面外位置。

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