CN111609872A - 用于旋转角度检测和3d操纵杆功能的传感器系统 - Google Patents

用于旋转角度检测和3d操纵杆功能的传感器系统 Download PDF

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Abstract

用于旋转角度检测和3D操纵杆功能的传感器系统。传感器系统和包括其的操纵杆，其中传感器系统包括磁场传感器、第一和第二磁源。第一磁源可相对于传感器的敏感表面旋转并产生至少四极阶的第一磁场贡献。第二磁源可关于敏感表面枢转并产生第二磁场贡献。传感器配置成在敏感表面上的多个横向测量位置中的每一个处至少检测第一和第二磁场贡献的叠加场的平面内分量；获得指示第一磁场贡献的至少两个平面内分量的场梯度的测量值；获得指示第二磁场贡献的至少两个平面内分量的场均值的测量值；以及从场梯度测量值确定第一源的旋转角度并从场均值测量值确定第二源的两个角方向。横向测量位置安排成关于敏感表面上的中心位置的至少两对径向相对的测量位置。

Description

用于旋转角度检测和3D操纵杆功能的传感器系统
技术领域
本发明总体上涉及位置感测领域，并且特别地涉及用于在具有旋转角度检测和3D操纵杆功能的应用中确定3D位置的非接触式磁场感测设备。
背景技术
操纵杆控制器通常用于模拟飞行控制或用于飞机交通工具的驾驶和导航。单个控制元件(即操纵杆)结合了多轴线控制，并且可由一只手操作。
在国际申请WO 01/69343 A1中公开了由单个操纵杆手柄实现的全三轴线控制，其中通过使轴旋转来控制第三轴线。使用霍尔效应(Hall-effect)传感器的非接触式测量是针对操纵杆的优选选择，因为其可以减少机械磨损。WO 01/69343 A1提供了三个磁体和用于提供三个独立的输出信号的三个对应的霍尔传感器，每个控制轴线一个霍尔传感器，从所述输出信号中提取操纵杆取向和手柄旋转。
迈来芯公司(Melexis)的MLX30333绝对位置传感器IC使用先进的平面霍尔技术来提供3D操纵杆功能，所述功能仅使用单个位置传感器和单个磁体即可输出两个角度。
仅需一个位置传感器并且易于组装的全三轴线控制器仍然是一个尚未解决的问题。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种传感器系统，所述传感器系统包括单个磁场传感器，所述磁场传感器用于在操纵杆应用中进行位置感测、既提供旋转角度检测又提供3D功能。
上述目的是通过根据本发明的传感器系统实现的。
在本发明的第一方面，公开了一种用于在操纵杆中使用的传感器系统。所述传感器系统包括磁场传感器，所述磁场传感器具有敏感表面、第一磁源和第二磁源。所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，并且在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献。所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度α限定。所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，并且在所述敏感表面处产生第二磁场贡献。关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向θ、φ限定。此外，所述磁场传感器被配置用于：针对在所述敏感表面上提供的多个横向测量位置中的每一个横向测量位置，至少检测所产生的第一和第二磁场贡献的叠加场的平面内分量。所述多个横向测量位置被横向地安排并且被安排成关于所述敏感表面上的中心位置的至少两对径向相对的测量位置。在与同一对横向测量位置相对应的测量位置处检测到所述叠加场的相同平面内分量。所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量，获得指示所述第一磁场贡献的至少两个平面内分量的场梯度的测量值；以及基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的至少两个进一步检测到的平面内分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的至少两个平面内分量的场均值的测量值。除此之外，所述磁场传感器被配置用于从所述获得的场梯度测量值中确定所述第一磁源的所述旋转角度α，以及从所述获得的场均值测量值中确定所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ。
在本发明的优选实施例中，所述对的径向相对的测量位置被安排成与中心位置等距。这简化了针对场梯度和场均值的测量，因为可以忽略或至少析出所述叠加场的检测到的分量的距离相关加权。典型地，将所述横向测量位置定位成靠近所述中心位置，其中，靠近意味着处于某平面内距离处，所述平面内距离比所述第二磁源产生的所述第二磁场贡献在所述敏感表面所在平面内演化的特征长度尺度小，但与所述第一磁场源产生的所述第一磁场贡献在同一平面内演化的特征长度尺度处于相同的数量级或更大。
根据本发明的一些实施例，所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的进一步检测到的平面外分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的平面外分量的场均值的测量值。考虑到所述第二磁源的磁化强度的变化(例如，热变化)和/或由所述第二源的机械漂移或枢转移动所引起的、所述第二磁源关于所述敏感表面的表面法向距离的变化，涉及所述第二磁场贡献的所述平面外分量的另外实施例具有可以获得更加鲁棒的传感器系统的优点。
根据本发明的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于：通过结合所述叠加场的所述多个检测到的空间分量中与所述敏感表面上的同一对横向测量位置相对应的所述检测到的空间分量之和和/或之差，获得指示所述场梯度和/或所述场均值的测量值。在信号处理单元中计算检测到的场分量之和和之差是易于实施的，并且非常适合通过所述传感器系统快速且能量高效地确定所述旋转角度和所述两个角方向。因此，在本发明的优选实施例中，所述传感器系统还包括信号处理单元或位置确定模块(例如，计算机程序产品的可加载且可执行指令)，所述信号处理单元或位置确定模块被配置用于组合所述检测到的空间分量之和和/或之差，并且基于此确定所述旋转角度和所述两个角方向。
根据本发明的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于：通过提供所述第二磁源的物理模型以将所述第二磁场贡献在所述中心位置处产生的变化与所述两个角方向θ、φ的变化进行关联而从所述获得的场均值测量值中确定所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ，并且通过将在所述中心位置处获得的所述场均值测量值用作模型约束来确定所述两个角方向作为所述物理模型的解。这种物理模型可以是将所述第二磁场贡献在所述中心位置处产生的分量描述为所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ的函数的一组(非线性)等式，例如将所述第二磁场贡献描述为与作为第二磁源的点状偶极子源相关联的偶极场的等式。
根据本发明的一些实施例，所述磁场传感器被配置用于检测所述叠加场的、针对所述多个横向测量位置中的至少一个横向测量位置和针对所述中心位置的两个不同的平面内分量或者一个平面内分量和一个平面外分量。由于可以减少在所述敏感表面上提供的多个测量位置，因此在所述多个横向测量位置中的一个横向测量位置和在所述中心位置处检测到所述叠加场的不止一个分量是有利的。因此，可以更紧凑地提供磁场感测元件(例如，霍尔效应探针)，并且可以在所述传感器的敏感表面上分布更少的所述磁场感测元件，这允许例如基于半导体芯片的磁场传感器的区域高效实施。
根据本发明的一些实施例，在连接每对横向测量位置中的两个横向测量位置的线之间形成的角度是45弧度的整数倍。该特定的角度间隔具有可以获得所述第一磁场贡献的平面内投影的同相分量和正交分量(例如，正交三角信号sin和cos)的优点。同相分量和正交分量的比率具有另一个优点：它独立于所产生的第一磁场贡献的矢量范数(例如，场强)，例如独立于所述第一磁源的磁场强度或磁化强度并且独立于所述第一磁源相对于所述敏感表面的表面法向距离，这允许通过所述传感器系统确定更加鲁棒的旋转角度。
在另一方面，本发明涉及一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括具有敏感表面、第一磁源和第二磁源的磁场传感器，所述第一磁源和第二磁源分别用于在所述敏感表面处产生第一磁场贡献和第二磁场贡献。所产生的第一磁场贡献为至少四极阶。所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，其中，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度α限定，而所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，其中，关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向θ、φ限定。此外，所述磁场传感器被配置用于：检测所产生的第一和第二磁场贡献的叠加场的、在所述敏感表面上的中心位置处的三个空间分量；提供所述第二磁源的物理模型以将所述叠加场在所述中心位置处产生的变化与所述旋转角度α和所述两个角方向θ、φ的变化进行关联；以及通过将在所述中心位置处检测到的、所述叠加场的分量用作模型约束来确定所述第一磁源的所述旋转角度和所述第二磁源的所述两个角方向作为所述物理模型的解。这种物理模型可以是将所述叠加场在所述中心位置处产生的分量描述为所述第一磁源的所述旋转角度α和所述第二磁源的所述两个角方向θ、φ的函数的一组(非线性)等式，例如将作为所述第一和第二磁场贡献的线性叠加的所述叠加场描述为分别与作为第一和第二磁源的点状四极子源和偶极子源相关联的四极场和偶极场的等式。
在第一或第二方面的实施例中，用于可旋转安装的第一磁源的旋转轴线可以在所述中心位置处与所述磁场传感器的所述敏感表面相交。
在本发明的实施例中，所述第一磁源可以是四极、六极或八极永磁体，和/或所述第二磁源可以是偶极电磁体或偶极永磁体。
在本发明的一些实施例中，由所述第二磁源在所述敏感表面处产生的所述第二磁场贡献可以近似为具有逐渐消失的场梯度的恒定磁场，尤其是在所述第二磁源的枢轴点位于接近所述敏感表面的情况下，例如处于所述中心位置与所述横向测量位置之间的距离大小的表面法向距离处。更一般地，即使由所述第二磁源在所述敏感表面处产生的所述第二磁场贡献不能由恒定的磁场很好地近似，与所述第二磁场贡献相关联的场梯度优选地足够弱以至于可以忽略不计，例如大致满足以下条件：dBm2,z/dx＝0，dBm2,z/dy＝0，dBm2,x/dz<<|gradx,y Bm1|且dBm2,y/dz<<|gradx,y Bm1|，例如与由所述第一磁源产生的较强的平面内场梯度相比较弱的场梯度。
在本发明的优选实施例中，所述磁场传感器包括多个磁场感测元件，所述多个磁场感测元件被安排在所述敏感表面上的所述多个测量位置处。所述多个磁场感测元件中的至少一个包括由平面霍尔效应探针、磁阻探针、竖直霍尔效应探针和磁通门探针组成的组中的至少一个，其中，可以将探针配置为单轴线或多轴线探针。
在又另一方面，本发明公开了一种操纵杆，所述操纵杆包括根据前述方面的任何实施例的传感器系统。所述操纵杆可以进一步包括手柄，所述手柄可围绕所述操纵杆的、与所述第一磁源的旋转轴线相对应的纵向轴线旋转。另外地，所述手柄可围绕所述操纵杆的、与所述第二磁源的枢转移动相对应的两个横向轴线枢转。
本发明的实施例的优点是仅需要单个位置感测磁场传感器以在应用中准确地提供角度旋转检测和3D操纵杆功能。这在依赖于操纵杆以实施角度旋转检测和3D操纵杆功能的飞行控制设备中可能是特别令人感兴趣的，例如用于在所有三个方向X、Y和Z上产生平移，或者在俯仰、滚转和偏转角度方面产生指定的旋转。仅包括单个磁场传感器有可能节省这些设备的制造成本、简化其设计、使其更快且更可靠。
由两个磁源产生的磁场的非接触式测量是有利的，因为它消除了操纵杆应用中的机械磨损，从而延长了这些设备的寿命。
将感测到的叠加场分解为第一磁场贡献和第二磁场贡献的优点是：所述传感器系统能够检测并补偿杂散磁场、磁源磁化强度的热漂移、以及所述磁源的相对位置和取向的偏移，从而使测量更加鲁棒且准确。
在本发明的一些实施例中，所述第一磁源可以是在所述敏感表面处没有显著的偶极矩的多极永磁体，例如具有2+2n’个极的磁体，其中n’为整数，诸如四极、六极或八极磁体。所述第二磁源可以是偶极磁体。这些磁体很容易获得，例如作为永磁体或激励线圈装置(arrangement)，并且使用具有更多极的第一磁体可能会在所述磁场传感器的所述敏感表面处产生磁场的离散的n重旋转对称性(仍然破坏了圆形对称性)，因此允许在其上实施更多数量的磁场感测元件(例如平面霍尔探针)，并且从所述磁场感测元件中可获得关于待检测叠加场及其分解为的第一和第二磁矢量场贡献的更高阶的校正项。然后，应用更高阶的校正方案增加了所述传感器系统用于确定角方向和旋转角度的准确性。
根据本发明的实施例，所述第一磁源可以被定位在所述磁场传感器的所述敏感表面上方，其方式为使得所述第一磁源的磁极被安排在平行于所述敏感表面的平面中，并且所述第二磁源可以被定位在所述磁场传感器的所述敏感表面下方，其方式为使得所述第二磁源与所述磁场传感器分开预定的距离，并且所述第二磁源处于静止时针对某参考位置和源取向的偶极矩垂直于所述敏感表面取向。所述两个磁源的这种构型是有益的，因为它利用了常用的市售磁体(例如典型地呈圆柱形状的轴磁体)的对称性。对于所述两个磁体的这种对准构型，位置偏移被最小化，这使得所述传感器系统校准更便当。
根据本发明的实施例，在枢转移动过程中，所述第二磁源与所述敏感表面之间的相对位置的变化可以被限制于半球形表面部分上。换言之，所述第二磁源的中心点关于所述敏感表面的可能的相对位置可以被限制于球形盖的表面上。这样的实施例具有的优点是：所述第二磁源的中心与所述敏感表面上的所述中心位置之间的距离被很好地控制并且大体上保持恒定、与处于静止的所述第二参考源位置中的预定表面法向距离相对应。因此，可以方便地仅通过两个坐标、优选地通过仰角和方位角来一起表征所述第二磁源的相对位置和取向变化。在这样的实施例中，消除了所述第二磁场贡献在所述中心位置处的变化的矢量范数，这简化了为了确定所述第二磁源的所述角方向所需的信号处理和分析。然而，例如通过检测所述叠加场的平面外分量而获得的关于所述矢量范数的另外信息仍可被用于提高所述传感器系统的准确性。此外，这样的实施例特别地非常适合于操纵杆应用，在所述操纵杆应用中，所述手柄以允许其在假想的半球形表面部分上运动的方式被安装。所述手柄的位置以仰角和方位角表示。考虑到所述第二磁体关于所述单个位置传感器的所允许运动路径中的高度对称性以及三角函数公式的可用性，涉及球形角度坐标的计算会更加高效。
根据本发明的实施例，所述第二磁源可以处于固定位置处并且所述磁场传感器可以附接至轴(例如操纵杆手柄)。因此，借助于所述轴来关于所述磁场传感器放置所述第二磁场产生装置(means)。更具体地，所述轴可以与所述磁场传感器一起被耦接至常平架安装件或球窝型安装件。这可以提供用于调节根据本发明的实施例的所述第二磁源与所述磁场传感器之间的相对位置的装置。
根据本发明实施例的关于所述第二磁场产生装置的所述磁场传感器的这种机械常平架悬件或球窝型安装件满足了约束所述第二磁源相对于所述磁场传感器的运动路径的先前要求。它是一种众所周知的可靠的机械耦接装置。
根据本发明的另一个实施例，可以使用例如胶水等耦接手段将所述第二磁源机械地耦接至所述第一磁源。第一和第二磁源可以一起附接至轴(例如操纵杆手柄)，使得所述第二磁源的中心位置在用户对所述轴施加动作的情况下保持恒定并且仅改变其相关联的磁矩取向。这可以独立于所述第一磁源绕旋转轴线的旋转而发生。
根据本发明的实施例，所述第一磁源可以围绕垂直于所述敏感表面(即，与其成九十度弧度角)的旋转轴线旋转。限制所述第一磁源在平行于所述敏感表面所在平面中发生的旋转移动是有益的，因为在所述敏感表面处所产生的第一磁场贡献也动态地反映了所述第一磁源的极的离散的n重旋转对称性排布。
在本发明的实施例中，所述第一磁源可以附接至轴(例如操纵杆)，并且用于旋转所述第一磁源的装置由所述轴的机械旋转装置提供。除了在操纵杆应用中已经由操纵杆手柄提供的旋转装置之外，该实施例不需要用于所述第一磁源的单独的旋转装置。因此，集成到操纵杆应用中是特别容易的。无需对所述轴或手柄的进一步控制，从而避免沿轴的中空部走线而带来相关的屏蔽和磨损问题。
在本发明的实施例中，所述磁场传感器可以包括在所述中心位置处的三轴线磁场感测元件，或者多个磁场感测元件(例如至少四个磁场感测元件)。磁场感测元件可以包括单轴线或多轴线平面或竖直霍尔效应探针。平面霍尔效应探针平行于所述磁场传感器的所述敏感表面并且形成所述磁场传感器的敏感区域。它们是众所周知的、理想地适合于集成到集成传感器芯片中并适合于其中的处理的磁场感测元件。这意味着高度紧凑的感测电路系统和传感器系统成为可能。所述感测电路系统和传感器系统的小型化节省了成本并且使下游集成更加容易，例如用于诸如节气门位置或方向盘位置感测的汽车应用的小型霍尔传感器。此外，平面集成霍尔探针不需要昂贵的或引进的/国外的探针材料并且可以被制造为p掺杂的半导体衬底中的n阱。可替代地，霍尔探针也可以被转印到平面衬底上。
在本发明的实施例中，所述磁场传感器可以进一步包括多个磁通集中器，所述多个磁通集中器被安排在所述敏感表面上用于将所产生的磁场贡献的磁通密度集中在所述敏感表面上的多个位置处，在所述位置处提供了磁场感测元件。
磁通集中器具有易于用作铁磁薄膜层以用于集成到集成传感器芯片中的优点。这些磁通集中器将磁场线集中在其内部以及其边缘上。由于这些磁通集中器的高磁导率值，磁通集中器通常具有以下特点：磁场线以近九十弧度的角度进入和离开这些磁通集中器的表面。因此，所述磁通集中器的集中作用对于磁场传感器灵敏性是有益的，因为由所述磁场感测元件(例如，平面霍尔探针)感测到的磁场被局部地增强，从而增加了信噪比。由于简化了磁场线的计算或预测，因此进入和离开所述磁通集中器表面的磁场线的接近九十弧度的角度便于所述磁场传感器的设计。
在本发明的实施例中，所述多个磁通集中器可以包括例如圆盘状的第一磁通集中器，所述第一磁通集中器与在参考位置和取向中的第一磁源和第二磁源的中心在同一轴线上对准。一组例如楔形的第二磁通集中器可以围绕着在其中心的所述第一磁通集中器呈圆形地且大体上等距地安排。在这种情况下，在所述一组第二磁通集中器中的每一个的内边缘与所述第一磁通集中器的边缘之间会产生间隙。
这类实施例具有的优点是：集中所述间隙附近的磁场线并且使其弯曲成接近九十弧度的角度，使得所述磁场线几乎垂直于敏感表面延伸。将平行于所述敏感表面延伸的磁场线流重定向到垂直于所述敏感表面的方向上，使得能够使用集成平面霍尔探针。所述集成平面霍尔探针仅检测以直角穿透其表面的磁场部分。因此，可以将磁通集中器堆叠在集成平面霍尔探针的顶部，而不丢失由所述两个磁体产生的磁场的平行分量的可检测性。圆形安排是有利的，因为其与许多圆柱状磁体的旋转对称性一致。
在本发明的优选实施例中，所述磁场传感器可以是集成半导体器件，例如半导体传感器芯片。
这使得能够在更便宜、更紧凑的应用设备中制造密集集成的低成本磁场传感器和传感器系统。集成半导体器件可以被表面安装在印刷电路板上并且仅需要少量的磁性材料用于磁场感测。
在本发明的实施例中，所述传感器系统(例如所述传感器系统的所述磁场传感器)可以进一步包括处理单元，所述处理单元被适配用于确定并补偿第二磁源(例如第二磁体)的参考位置的偏移量。所述参考位置中的所述偏移量被定义为：在所述第二磁源的枢转移动之前，在表面法向距离d2处，所述第二磁源关于所述磁场传感器的敏感表面的默认位置或空转位置与表面法线取向(例如，零仰角)的偏差。所述处理单元可以进一步被适配用于确定并补偿由所述第一磁源的旋转轴线与所述磁场传感器的所述敏感表面形成的九十弧度参考角度的偏移量。
在所述传感器系统的校准程序中可以使用被适配用于确定并补偿偏移量的处理单元。就可以在不损害传感器系统整体准确性的情况下补偿与所述两个磁源的定位有关的误差的意义而言，这是有益的。这极大地减轻了对所述两个磁源(例如，两个磁体)的位置误差裕度的严格控制，这使得组装步骤的要求更少、更快且更便宜。在许多实际设置中，它还赋予传感器系统更高的鲁棒性。
在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的具体且优选的方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且可以酌情且并不仅仅如权利要求中清楚陈列地那样与其他从属权利要求的特征组合。
出于概括本发明以及相对于现有技术实现的优点的目的，上文已经描述了本发明的某些目的和优点。当然，应理解的是，根据本发明的任何具体实施例，不一定可以实现所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现本文可能教导或建议的其他目的或优点。
本发明的上述和其他方面将从下文描述的(多个)实施例中变得清楚并且将参考所述实施例来进行阐述。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式来进一步描述本发明，在附图中：
图1是现有技术传感器系统的视图，所述系统使用一个集成磁通集中器和四个霍尔探针以准确地确定放置在磁场传感器上方的轴磁体的旋转角度。
图2是现有技术传感器系统的视图，所述系统使用多个集成磁通集中器和八个霍尔探针以准确地确定放置在磁场传感器上方的轴四极场产生磁体的旋转角度。
图3示出了本发明的示例性实施例，所述实施例包括磁场传感器、顶部八极磁体和底部偶极磁体的安排，所述安排用于在同一应用中确定旋转角度并提供3D操纵杆功能，所述磁场传感器具有多个集成磁通集中器和八个霍尔探针，所述顶部八极磁体在所述磁场传感器处产生四极场。
图4展示了在磁场传感器的敏感表面处产生的磁体矢量场贡献。
图5是磁场传感器的顶视图，示出了磁通集中器、霍尔探针、以及第一磁场贡献和第二磁场贡献两者的特征场线。
图6是磁场传感器的、沿着连接集成磁通集中器的南极的方向的简化侧视图，在所述侧视图中绘出了第一磁场贡献和第二磁场贡献的场线。
图7是磁场传感器的、沿着连接集成磁通集中器的北极的方向的简化侧视图，在所述侧视图中绘出了第一磁场贡献和第二磁场贡献的场线。
图8和图9是根据本发明的可替代实施例的磁场传感器的示意性顶视图，其中在中心测量位置处提供具有三轴线感测功能的至少一个磁场感测元件。
图10和图11是根据本发明又其他实施例的磁场传感器的示意性顶视图，其中在四个横向测量位置和一个中心测量位置处提供具有单轴线或双轴线感测功能的多个磁场感测元件。
图12至图15是根据本发明实施例的使用传感器系统的3D操纵杆的示意图。
附图仅为示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，其中一些元件中的大小可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于本发明的实践的实际减小。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
具体实施方式
将关于具体实施例并参考某些附图来对本发明进行描述，但本发明不限于此并且仅由权利要求限制。
说明书中和权利要求中的术语“第一”、“第二”等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述顺序，无论是时序上、空间上、排序上还是以任何其他方式。应理解的是，这样使用的术语在恰当的情况下是可互换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或展示的其他顺序来操作。
此外，在说明书和权利要求中使用的诸如顶部、底部、正面、背面、前面、后面、下方、上方等方向性术语用于参考所描述的附图的取向的描述性目的，而不一定用于描述相对位置。因为本发明实施例的部件可以被定位在多个不同的取向上，所以除非另有说明，否则方向性术语仅用于说明性目的，并且绝不旨在是限制性的。因此，要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且在此所描述的本发明实施例与在此所描述或展示的相比能够以其他取向操作。
要注意的是，权利要求中所使用的术语“包括”不应该被解释为限于其后所列出的装置；其不排除其他元件或步骤。因此，应将其解释为指明如提到的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他的特征、整数、步骤或部件、或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应局限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着关于本发明，所述设备的仅有的相关部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及是指结合实施例所描述的特定特征、结构或特性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”在贯穿本说明书中各地方的出现不一定、但可以全都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合，如从本公开将对本领域普通技术人员显而易见的。
类似地，应理解的是，在对本发明的示例性实施例的描述中，为了简化本公开并帮助理解各创造性方面中的一个或多个方面，本发明的各种特征有时被归并在单个实施例、附图、或其描述中。然而，本公开的方法不应解释为反映下述意图：所要求保护的发明需要比在每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求反映的，创造性方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，特此将具体实施方式之后的权利要求明确结合到此具体实施方式中，其中，每项权利要求独立地代表本发明的单独实施例。
此外，虽然本文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而没有其他特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内并形成不同实施例。例如，在以下权利要求中，要求保护的实施例中的任何实施例都可以以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，阐述了很多具体细节。然而，应理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，未详细示出众所周知的方法、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。
定义
磁场是通用术语并且应被理解为在使用霍尔探针等进行磁场测量的情况下更具体地指磁通密度场。
产生磁场的磁体可以包括固体永磁体和电磁体，对于所述电磁体，典型地围绕磁芯绕组的电流导体是磁性的来源。在本申请的上下文中，术语磁场产生装置和磁源可互换地使用。
当在本发明公开内容中提及磁场传感器的敏感表面上的一对径向相对的测量位置时，意味着被安排在一条直径上的两个测量位置，即，所述两个测量位置被安排在一条直线上或通过一条直线相连接，所述直线穿过敏感表面上的圆形(假想的)轮廓的中心位置。所述对的径向相对的测量位置与这个中心位置不必是等距的，但典型地被安排成与其等距。
当在本发明公开内容中提及磁场传感器的敏感表面上的特定位置处的场均值(例如，指示场均值的测量值)时，意指该位置处的场的平均值。这个平均值或均值场是例如包括平面内分量和平面外分量的平均值的矢量实体。
本发明的第一方面的实施例是针对一种传感器系统，所述传感器系统用于在例如3D操纵杆应用的应用中检测旋转角度并提供3D操纵杆功能。在图3中描绘了本发明的示例性实施例，其中，传感器系统包括单个磁场传感器1和作为第一和第二磁场产生装置的两个永磁体2、3，所述两个永磁体被安排成紧邻磁场传感器1。磁场传感器1至少部分是扁平的并且限定了彼此相对的第一敏感表面10和第二敏感表面15。在本发明的优选实施例中，这些可以是集成磁场传感器芯片的顶表面和底表面。第一磁体2可以被置于敏感表面10(例如磁场传感器1的顶表面)的上方，并且第二磁体3可以被置于第二表面15(例如所述磁场传感器的底表面)的下方。
此外，第一磁体2(例如八极磁体)以这种方式被定位使得其在敏感表面10处产生四极磁场贡献。它的磁极(点状)位于平行于磁场传感器1的敏感表面10的平面中。在图3中，这个平面由两条正交线21贯穿，所述两条正交线连接相同极性的磁极并且在被贯穿的平面中是反射对称的线。因此，第一磁体2和从其发散的磁场在磁极平面中和在第一敏感表面10处均具有离散的、双重旋转对称性(即，比连续的圆形对称性具有较少对称性)。
第二磁体3(例如偶极永磁体)以这种方式被定位使得处于静止时其偶极矩沿着线31取向，所述线连接所述第二磁体的两个极：“N”和“S”。在本发明的优选实施例中，如在图3中所示出的，处于静止时，线31大体上垂直(例如，表面法线)于磁场传感器1的敏感表面10，即，大体上平行于相应的表面法线11。沿着表面法线方向11在处于静止的第二磁体3与第一敏感表面10之间存在预定距离，所述预定距离包括第二表面15与第二磁体3之间的空气间隙。针对第二磁场产生装置3的如此限定的静止位置还描述了关于第二磁场产生装置3绕表面法线11的枢轴移动的参考位置。或者，以不同的方式表达，预定距离与处于静止的第二磁场产生装置3的磁矩的垂直取向(例如第二磁体的偶极矩取向31)一起限定参考位置，所述参考位置是针对第二磁场产生装置(例如第二磁体3)与磁场传感器1的敏感表面10之间的相对位置的动态变化。预定距离取决于在应用中所感测到的相对位置的范围，例如针对方位角和仰角的角度范围、第二磁体3的尺寸和强度等，但典型地是在毫米范围内，例如0.5mm至20mm或更大。可以更方便地根据在敏感表面10处所产生的磁场强度来确定预定距离。这具有避免磁场传感器1的饱和效应和非线性传递特性的优点。10mT至100mT的磁场强度是非限制性示例。
第一磁场产生装置(例如第一磁体2)可围绕其对称轴线旋转，所述对称轴线与第一磁场产生装置2的旋转轴线叠合，限定了绕所述轴线的旋转角度。通过将第一磁体2附接到轴22(例如操纵杆手柄)的内壁或末端部分，可以实现旋转动作。在与图12至图15有关的说明书部分中进一步详细说明这个方面。在图3的实施例中，第一磁体2的旋转轴线平行于表面法线11。然而，由于组装瑕疵，在旋转轴线与敏感表面10之间形成的角度可能不同于90弧度，例如小于90弧度的角度(例如在80至90弧度之间的角度)是可容许的。
在相对于磁场传感器1的敏感表面10的三维空间中，第二磁体3是可移位的。这可以通过将磁场传感器1附接到轴(例如，操纵杆手柄)的末端部分上来实现，其方式为使得传感器1仍可关于第一磁体2旋转。通过这样做，磁场传感器1可关于第二磁体3主动地移位。例如，将磁场传感器1附接到手柄的内部圆柱体或杆的末端部分，并且将第一磁体2机械地耦接到手柄的环绕中空管，所述管关于所述内部圆柱体/杆是可旋转的。这样，磁场传感器1可以相对于第二磁体3沿着假想的半球形表面的一部分(即，球形盖)移位。相对位移可以依据方位角和仰角坐标来表征；这限定了第二磁体3关于磁场传感器1的敏感表面10的动态相对位置。
在图3中进一步展示的，磁场传感器1还包括具有单轴线或多轴线(例如三轴线)感测功能的多个磁场感测元件13，所述多个磁场感测元件在传感器1的敏感表面10上的多个相应测量位置A至H处提供。所述多个测量位置关于传感器1的敏感表面10上的中心位置“P”被横向地安排，在所述中心位置处，第一磁场产生装置2的旋转轴线与敏感表面10相交，并且可以由磁通集中器14覆盖所述中心位置。例如，可以沿着以中心位置“P”为中心的圆形轮廓布置所述多个横向测量位置A至H。这个圆形轮廓可以对应于圆形状磁通集中器14的边缘。此外，横向测量位置A至H优选地被安排成关于中心位置“P”的至少两对径向相对的测量位置，即，由穿过敏感表面10与关于第一磁体2的旋转轴线之间的相交点的虚拟直线所连接的横向测量位置。例如，图3的实施例包括四对径向相对的横向测量位置{(A，E)；(B，F)；(C，G)；(D，H)}，所述横向测量位置沿着以中心位置为中心的圆的圆周以45弧度间隔布置。沿圆的圆周的连续横向测量位置对之间的45弧度间隔具有的优点是：从与两个连续对相对应的感测元件13获得的输出信号提供了针对依赖于由第一磁体2产生的四极第一磁场贡献的旋转角度的同相分量和正交分量。然而，本发明的实施例不限于这种特定的角度间隔，而是可以被配置用于针对不同的角度间隔(例如针对15弧度、30弧度、60弧度等间隔)提供有用的输出信号，所述不同的角度间隔不会引起纯正交信号。磁场感测元件13的非限制性示例包括平面或竖直1D或2D霍尔探针、xMR系列的磁通门或磁阻元件、或其组合。所述多个磁场感测元件13可以平行于磁场传感器1的敏感表面10布置。
典型地，将横向测量位置A至H定位成靠近中心位置“P”，其中，靠近意味着处于某平面内距离处，所述平面内距离比第二磁场产生装置3产生的第二磁场贡献在敏感表面10的平面内演化的特征长度尺度小，但与第一磁场产生装置2产生的第一磁场贡献在同一平面内演化的特征长度尺度处于相同的数量级或更大。这具有的效果是，在针对局部场梯度的测量值中，第二磁场贡献的场梯度比由第一磁体2的更高阶磁极产生的第一磁场的场梯度弱得多，所述第二磁场贡献的场梯度是通过使第二磁体3关于具有表面法向偶极矩的参考位置枢转而引起的。因此，可以在不显著影响针对第一磁场贡献的局部场梯度的测量值的情况下，忽略第二磁场贡献中的较弱梯度。由于敏感表面10处的第一磁场贡献至少为在中心位置“P”处具有对称中心的四极阶，因此与一对横向测量位置相对应的测得输出信号的组合指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在该对横向测量位置中的一个位置处的相同平面内分量，所述组合指示第一磁场贡献在中心位置“P”处的梯度的平面内分量。还是出于对称的原因，在中心位置“P”处的第一磁场贡献大体上为零，借助于用于积分的均值定理，这通过均值场测量、例如通过对与一对横向测量位置相对应的测得输出信号求平均同样适用于第一磁场贡献在中心位置“P”处的近似。因此，与一对横向测量位置相对应的测得输出信号的组合指示(例如，等于或成比例于)
第二磁场贡献在中心位置“P”处的相同平面内分量，所述组合指示第一磁场贡献在中心位置“P”处的均值场(即，平均值场)的平面内分量。
另外地，在磁场传感器1的敏感顶表面10处可以存在多个磁通集中器12、14。所述多个磁通集中器12、14可以分为两种磁通集中器：例如圆盘状的第一磁通集中器14和一组例如楔形的第二磁通集中器12。第一磁通集中器14与处于静止的第一磁体2和第二磁体3的中心在公差内轴向且径向对准。对准轴线大体上等于磁场传感器1的表面法线11。所述一组例如楔形的第二磁通集中器12围绕第一磁通集中器14呈圆形地且大体上等距地安排，所述第一磁通集中器位于这组第二磁通集中器的中心、覆盖了敏感表面的中心位置，在所述中心位置处，用于产生磁场2的第一装置的旋转轴线与敏感表面10相交。
第二磁通集中器12中的每一个的内边缘与第一磁通集中器14的边缘之间产生间隙16。霍尔探针13位于靠近间隙16的中心部分处，典型地关于中心稍微偏移，使得它们至少部分地被相应的位于上方的第二磁通集中器12覆盖。在图3的具体实施例中，围绕中心磁通集中器14安排了八个第二磁通集中器12，并且所述八个第二磁通集中器12中的每一个至少部分地覆盖八个平面霍尔探针，所述八个平面霍尔探针是磁场感测元件13的非限制性示例、在磁场传感器芯片1的衬底内制造。本发明的可替代实施例可以包括不同数量的磁场感测元件13，例如三个、四个、五个或六个磁场感测元件13，并且所述多个磁场感测元件13可以被不等距地安排在圆上，但是例如可以被安排在六边形的拐角点上、在长方形的拐角点之间的四个中点处和/或在其拐角点处。
所述两个磁场产生装置(例如两个磁体2、3)在磁场传感器1的敏感表面10处产生第一和第二磁场贡献，所述第一和第二磁场贡献在磁场传感器1的敏感表面10处叠加为合成叠加磁场4。在图4中展示了在磁场传感器1的敏感表面10处的示例性叠加磁场4。磁场线的流动是通过整合或连接一系列磁场矢量40获得的。
磁通集中器12、14(如果提供的话)典型地由高磁导率和低矫顽力的铁磁材料(例如，由坡莫合金或Mu金属)的薄层形成，使得它们强烈放大外部产生的磁场并示出非常少的磁滞效应。例如，借助于集成霍尔探针、磁阻元件或其他种类的磁场感测元件13，这导致磁场传感器1关于外部产生的叠加场的检测灵敏性增加。它还提高了检测准确性。
此外，薄层磁通集中器12、14理想地适合于与基于晶片技术的半导体芯片集成。由于其高磁导率，磁通集中器修改磁通(例如磁场线)，其方式为使得磁通在所述磁通集中器的边缘附近和边缘处以几乎直角的角度延伸。这是特别有利的，因为可以将平面集成霍尔探针放置于在两个相邻集成磁通集中器12、14之间形成的间隙16的下方和附近，同时仍被邻近磁场线的重要部分以接近90弧度的角度穿透，所述平面霍尔探针是具有正方形(quadratic)或十字形的磁场感测元件13的示例。可替代地，可以将平面集成霍尔探针放置成靠近单个集成第一磁通集中器14的边缘。邻近的场线源自遥远的、外部产生的平行磁场。在没有磁通集中器的情况下，将无法实现接近90弧度角的穿透。本质上，磁通集中器12、14使叠加场的平面内磁场线或矢量分量(即平行于传感器1的敏感表面10取向的场线或分量)偏离朝向传感器1的表面法线方向，其为用于使用仅对叠加场的平面外分量敏感的磁场感测元件13(例如水平霍尔板)进行感测构成了更有利的方向。
另外地或可替代地，可以在间隙16的每一侧上提供两个磁场感测元件13(未示出)。这是有利的，因为可以增加信噪比并且可以补偿由不完美的制造所引起的杂散场或各个霍尔探针的偏移量。
可替代地或另外地，可以将竖直霍尔探针用作磁场感测元件13以实施本发明，在这种情况下，优选地将其插入在相邻的磁通集中器之间形成的间隙16中，从而提高其灵敏性。然而，即使在不存在磁通集中器12、14的情况下，竖直霍尔探针也可以用作磁场感测元件13以实施本发明，如将在下面进一步解释的。对磁场感测元件13的选择的另一替代方案包括使用磁通门或磁阻感测元件，诸如基于磁阻、巨磁阻、各向异性磁阻、庞磁阻或异常磁阻的感测元件。
图1和图2是用于使用单个多极磁体来检测旋转角度的传感器系统的示例。简要地参考图1，描绘了如前所述的磁场传感器和具有磁性的、径向相对的磁极N-S的轴磁体。轴磁体2的径向相对极在垂直于旋转轴线的平面中具有相反的极性。磁场感测元件被组织成成对的磁场感测元件，其关于敏感表面10的中心位置被安排成彼此径向相对，在所述中心位置处，轴磁体2的旋转轴线与敏感表面10相交。在紧靠间隙区域16的区域内，由轴磁体2产生的、被集中且被弯曲的磁场线的竖直分量穿过每一对感测元件中的第一磁场感测元件，其穿过方向与穿过同一对中的第二磁场感测元件的方向相反。
现在参考图2中描绘的传感器系统，提供了轴磁体2，所述轴磁体在垂直于其旋转轴线(例如，与轴22叠合)的平面中具有极性相同的径向相对的极N-N和S-S。在此，在紧靠间隙区域16的区域内，由轴磁体2产生的被集中且被弯曲的磁场线的竖直分量穿过每一对感测元件中的第一磁场感测元件，其穿过方向与穿过同一对中的第二磁场感测元件的方向相同。这也在图5至图7中得以表示，其中，由图2的实施例的轴磁体2产生的磁场B的磁场线沿着x方向Bx 41或沿着y方向By 42渐近地延伸，例如在敏感表面10的包括磁场感测元件13的部分的外侧和外围。磁场线在间隙部16附近弯曲，使得它们显示出大量的、大体上在表面法线方向上穿过磁场感测元件13的竖直分量Bz，所述间隙部分是在一组第二磁通集中器12中的一个与例如圆盘状的第一磁通集中器14之间形成的。
在下文中，首先描述了一种情形：单个磁源(例如第一磁体2)在磁场传感器1的敏感表面10处产生磁场贡献，并且不产生进一步的磁场贡献，例如，由外部杂散磁场或较小的内部磁扰动引起的进一步磁场贡献。这种情形在图1或图2中得以展示，其中单个轴磁体2被放置在磁场传感器1上方，其方式为使得所述单个轴磁体的中心和旋转轴线相对于敏感表面10的表面法线11对准，并且其中没有其他(第二)磁体或杂散磁场。如果情况是这样，则在传感器1的敏感表面10处，所产生的磁场的竖直分量Bz很小，并且因此当与所产生的磁场的所感测到的平面内部分BII相比时，其贡献可忽略不计。然而，如果存在的话，可以借助于磁通集中器沿着表面法线方向(例如，竖直的z方向)局部地重定向磁场的感测到的平面内部分BII。
在本发明的实施例中，两个径向相对的磁场感测元件13、例如平面或竖直的集成霍尔板(例如，呈十字形)被适配用于感测另外的未受扰动的外部施加磁场B的平面内投影的平面内分量BII。在此，感测平面内投影的平面内分量BII可以包括感测局部竖直偏离的平面内分量。两个径向相对的磁场感测元件13典型地被用于增加信噪比并平衡在所施加的磁场中的、或者由磁通集中器12、14的瑕疵所引起的、或这两者的微小不均匀性。即使将两个径向相对的磁场感测元件13组合成对享有传递鲁棒的检测信号的益处，但每个轴线的单个磁场感测元件13足以检测沿着这个相同轴线的平面内磁场的矢量分量BII。通过组合、例如通过对由磁场感测元件13传递的输出信号进行相加或相减、例如通过对由两个径向相对的磁场感测元件13输出的霍尔电压进行相加或相减来实现求平均效果。两个信号是相加还是相减取决于(偏离的)磁场线相对于各自的磁场感测元件13的穿过方向。对于图1中示出的轴磁体2，磁场线被偏离成使得其以相反的方向穿过一对磁场感测元件13，因此选择了它们的输出信号(例如，霍尔电压)之差。与此相反，对于图2中示出的轴磁体2，磁场线被偏离成使得其以相同的方向穿过同一对的径向相对磁场感测元件13。因此，对关于该对所产生的输出信号进行求和。如果寻求差分信号而不是平均信号，则可以反转算术运算的符号。
在所产生的磁场B是由紧邻磁场传感器1放置的可旋转磁体2引起的情况下，当由两个径向相对的磁场感测元件13测量时，几何因子cos(α)考虑了平面内分量BII的角度依赖性。角度α可以描述可旋转磁体2围绕其旋转轴线并且相对于连接成对的两个径向相对磁场感测元件的虚拟线的旋转角度。这条虚拟线可以例如与敏感表面10的第一轴线和空间方向重合，例如与敏感表面10上的磁场传感器1的x轴线重合，并且所述旋转角度α是关于x轴线限定和确定的。根据等式1的关系，例如当连接磁体2的径向相对极的线21平行于x轴取向时，可旋转磁体2关于参考位置旋转角度α将因此改变由磁体2产生的磁场的平面内分量Bx，其中，最大可检测的平面内分量由BII给出，BII是磁体2产生的磁场的平面内投影的矢量范数。
Bx＝B||cos(α) (1)
类似地，根据等式2的关系，在敏感表面10上沿着不同的第二轴线(例如，沿着磁场传感器1的y轴线)对准的一对磁场感测元件13将检测到正交的平面内分量By。
By＝B||sin(α) (2)
到目前为止所描述的可检测的平面内分量Bx和By对于偶极场产生磁体2的旋转是有效的。如果可旋转磁体2适用于在敏感表面10处产生四极场，例如图2中示出的情况，则分别沿x轴线和y轴线测量的两个正交的平面内分量Bx和By如等式3中指示的。由于磁体2的双重对称性以及磁极的极性从S变为N，因此平面内分量对旋转角度的角度依赖性是两倍旋转角度，例如2α。
By＝-B||cos(2α)＝-Bx (3)
在这种情况下，通过测量成对的径向相对磁场感测元件13，获得与旋转角度的正弦成比例的项，例如与sin(2α)成比例的正交信号，对于这些磁场感测元件，将每对的两个感测元件13连接的虚拟线是关于x轴或y轴(例如沿着如在等式4中所述的x-y方向)以±45弧度角取向的。
Bx-y＝B||sin(2α) (4)
作为结果，沿着两个不同方向、优选地彼此正交或以45°对准的两对磁场感测元件13允许鲁棒地确定由第一磁体2产生的磁场的旋转角度α。实际上，由每一单独的一对磁场感测元件13以非接触方式执行的两个磁场测量值的比率构成了旋转角度α的度量，该度量不取决于确切的平面内量值大小，即由磁体2产生的磁场的平面内矢量范数BII。在具体实施例中，可以将与两倍旋转角度的正切(例如，tan 2α)相对应的比率提供给用户。根据相同的或其他的实施例，处理单元(例如可以在芯片上或芯片外提供的处理单元)、或被加载到处理单元中并由处理单元执行的位置确定模块可以被配置用于执行反正切运算以便确定旋转角度α。可替代地，处理单元可以被配置用于在与传感器系统一起提供的查找表中执行搜索以确定用于第一和第二平面内分量的特定测量比率Bx/By的旋转角度α。查找表可以存储在存储器中，所述存储器可以是芯片上的或芯片外的，并且可以在例如共集成微控制器电路的处理单元中实施插值技术，以使查找搜索结果精细到更准确的值。除此之外，如等式1至等式4所指示的，Bx 41、By 42或Bxy可以由磁场传感器1输出。
到目前为止所描述的情形并未考虑存在诸如例如第二磁体3之类的另外磁源或关于仅由第一磁体2产生的初始理想磁场的扰动场。关于初始磁场的扰动可能是在磁场传感器1的制造过程中由于温度漂移、第一磁体2的位置或对准的偏移、或由不对称、梯度等引起的偏移所造成的初始磁场变化结果。由接近磁场传感器1的其他磁体产生的寄生磁场、补充磁场以及扰动都可以归纳为杂散磁场。为了在应用中可靠地检测旋转角度α，磁场传感器1必须免受杂散磁场的影响。
鲁棒的磁场传感器1在存在杂散磁场Berr的情况下实施旋转角度测量。为了实现这种鲁棒性，针对敏感表面10的每个感测轴线提供一个以上的磁场感测元件13(例如平面霍尔探针)通常是可取的。当然，对于以上讨论的理想情况，这将仅提供冗余信息。然而，从图5至图7看出的是，根据本发明的实施例，如果将第二磁场产生装置作为传感器系统的一部分提供，则在磁场传感器1的敏感表面10处将存在三个新的磁性实体。这些新的磁性实体是杂散磁场矢量Berr(例如由第二磁体3产生的第二磁场贡献)的矢量分量Berr_x 43、Berr_y 44和Berr_z 45，并且现在被磁场感测元件13感测到。这些新的磁性实体与为了确定第一磁体2的旋转角度α而试图提取的平面内磁场分量Bx 41和By 42重叠。
在本发明的实施例中，由第一和第二磁场贡献在磁场传感器1的敏感表面10处产生的叠加磁场将被分解回为第一和第二磁场产生装置的对应磁场(矢量场)贡献。用于确定第一磁体2的旋转角度α的感兴趣量是仅第一磁场贡献的两个正交平面内分量的比率，例如在图3的具体实施例中的同相分量和正交分量的比率，因此，必须从针对叠加场的平面内分量的测量值(例如，受第二磁场(矢量场)贡献Berr影响的测量值)中提取所述比率。用于确定第二磁体3的(动态)相对位置的进一步感兴趣量是仅第二磁场贡献的两个正交平面内分量，例如Berr_x和Berr_y，它们也必须从针对叠加场的平面内分量的测量值(例如，受第一磁场(矢量场)贡献影响的测量值)中提取。如果已经通过测量确定了第二磁场贡献的两个独立的平面内分量，则第二磁体3的相对位置(例如就两个几何变量仰角θ和方位角φ而言)可以是从测量值导出的。因此，将叠加场分解为第一和第二磁场贡献允许旋转角度和相对位置两者的相互确定。
当传感器系统在使用中时，可以如下获得叠加场到第一和第二磁场贡献的这种分解。首先，与八个横向测量位置A至H中的每个位置相对应的水平霍尔探针13感测叠加场的平面外分量(即，B叠加,z)与局部重定向的平面内分量(即B叠加,x、B叠加,y、B叠加,x-y或B叠加,y-x)的组合，其中，与同一对径向相对横向测量位置相对应的霍尔探针被安排用于感测同一平面外分量和平面内分量组合。在等式5中给出了关于第一对横向测量位置(A，E)和第三对横向测量位置(C，G)的感测到的组合的所产生输出信号HHA、HHE和HHC、HHG的示例。可以针对关于分别涉及x-y和y-x方向上的平面内分量的剩余两对横向测量位置(B，F)和(D，H)的感测到的组合导出类似的关系。
Figure BDA0002392607490000221
在下一步骤中，形成针对八个横向测量位置A至H的所产生输出信号的组合，以获得第一测量值和第二测量值，所述第一测量值指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心位置“P”处的第一平面内分量(例如，Berr,x)，所述第二测量值指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心位置“P”处的第二平面内分量(例如，Berr,y)。形成进一步的组合以获得第三测量值和第四测量值，所述第三测量值指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在第一对横向测量位置A、E中的一个位置处的第一平面内分量(例如Bx)，所述第四测量值指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在第二对横向测量位置B、F中的一个位置处的第二平面内分量(例如Bx-y)。
可以通过确定第一对横向测量位置A、E的霍尔探针输出信号的(加权)差来获得第一测量值。例如，处理单元(未示出)正在确定如等式6中所述的输出信号差HHA-HHE，或按比例加权的输出信号差(例如a*HHA-(1-a)*HHE)。类似地，可以通过确定第三对横向测量位置C、G的霍尔探针输出信号的(加权)差来获得第二测量值。可以使用相同的处理单元来确定如等式6中所述的输出信号差HHC-HHG，或按比例加权的输出信号差(例如b*HHC-(1-b)*HHG)。从等式6中显然的是，如果对第一对和第三对横向测量位置A、E和C、G两者的输出信号进行求和，或者如果对第一对和第三对横向测量位置A、E和C、G两者的输出信号进行求平均(例如，均值场测量)，则也可以获得进一步的(第五)测量值，所第五测量值指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心位置“P”处的平面外分量(例如，Berr,z)。在此，已经作出这样的假设：第二磁场贡献的平面外分量相比第一磁场贡献的平面外分量占绝大部分，这通常是合乎情理的。然而，如果假设无效，则本发明的实施例也可以例如通过感测叠加场在另外的测量位置处的平面外分量而运作。
Figure BDA0002392607490000231
第一和第二测量值是基于以下见解：第二磁场贡献沿x轴的平面内分量(例如，Berr_x 43)在求平均动作过程中被抵消，因为它们以相反的方向穿过与同一对横向测量位置(A，E)相对应的磁场感测元件13。这在图6中示出，对于本发明的实施例，其中第一磁场产生装置是四极场产生磁体2。此外，第一磁场贡献具有沿x轴的平面内分量(例如图6中的Bx41)，所述平面内分量以相同的方向穿过与同一对横向测量位置(A，E)相对应的磁场感测元件13，从而在求平均动作过程中它们得以保留。在模拟方式中，将与同y轴对准的一对横向测量位置(C，G)相对应的两个霍尔探针13的霍尔电压贡献HHC和HHG相加会导致第二磁场贡献沿y轴取向的平面内分量的(例如，Berr_y 44的)抵消效果，因为它们以相反的方向穿过所述两个霍尔探针。这在图7中得以展示，对于本发明的实施例，其中第一磁场产生装置是四极场产生磁体2。本实施例的特别令人满意的特征由以下事实给出：第二磁场贡献包括平面外分量(例如Berr_z 45)，如果如在等式6中所陈述的明智而审慎地组合四个磁场感测元件所产生的输出信号，则可以方便地抵消所述平面外分量。
然后可以将获得的、第二磁场贡献的平面内分量用于处理单元，例如用作位置确定模块的输入，所述位置确定模块由处理单元加载并执行，以确定分配给物理模型中的常数的数值，所述物理模型表达了第二磁场贡献的所测得平面内分量与传感器系统的第二磁体3的两个自由未知数(例如两个几何变量仰角θ和方位角φ)之间的关系。可以在物理模型中使用可选的进一步输入，除其他项外，所述进一步输入还包括第二磁场贡献的所测得平面外分量、第二磁体的预定磁化强度、在参考位置中第二磁体到敏感表面的预定表面法向距离。用于表达这种关系的物理模型可以表示为一组等式，例如等式6中的至少两个独立等式，所述一组等式将第二磁场贡献的所测得平面内分量与第二磁体的2D角取向(例如，方位角φ和仰角θ)进行关联。用于表达所产生的磁场贡献Berr的一种方式是解析为点偶极磁场。可以例如通过位置确定模块求解等式6中的一组两个或三个独立等式以获得两个未知数θ、φ的数值作为输出，从而确定第二磁体3的2D相对位置。
可以通过确定第一对横向测量位置A、E的霍尔探针输出信号的(加权)和，确定第三对横向测量位置C、G的霍尔探针输出信号的(加权)和，并且从彼此中减去这两个之前确定的(加权)和来获得第三测量值。这导致第一磁场贡献的旋转角度相关的平面内投影的同相分量。例如，相同的处理单元还被配置用于确定如在等式7中指示的输出信号总和HHA+HHE，或按比例加权的输出信号总和(例如a*HHA+(1-a)*HHE)，如等式7中所述的输出信号总和HHC+HHG，或按比例加权的输出信号总和(例如b*HHC+(1-b)*HHG)，以及这两个确定的总和之差或加权差(例如等式7中的(HHA+HHE)-(HHC+HHG))。
Figure BDA0002392607490000251
类似地，可以通过确定第二对横向测量位置B、F的霍尔探针输出信号的(加权)和，确定第四对横向测量位置D、H的霍尔探针输出信号的(加权)和，以及从彼此中减去这两个之前确定的(加权)总和来获得第四测量值。这也在等式8中得以表达并且导致第一磁场贡献的旋转角度相关的平面内投影的正交分量。处理单元可以进一步被配置用于以类似于第三测量的步骤来执行第四测量的步骤。
(BH2+BH6)-(BH4+BH8)＝4B||sin(2α) (8)
本实施例的一个特别的优点是，由一对或多对磁场感测元件13传递的输出信号的线性组合增加了由磁场传感器1执行的测量的鲁棒性。此外，有利的是，由等式8和等式7导出的正交分量和同相分量的比率与两倍旋转角度α的正切成比例，并且与第一磁场贡献的平面内投影的磁场大小BII无关。因此，可容易获得针对旋转角度α的输出信号，并且可以由处理单元提取所述输出信号。该比率以鲁棒的方式确定旋转角度α，例如对敏感表面10处的叠加场的绝对大小的变化不敏感，例如温度引起的磁场强度漂移、第一磁体2或第二磁体3的高度未对准等。另外，该发现有利地扩大了相对于两个磁体2、3的定位的可接受公差范围。
在本发明的一些实施例中，磁场感测元件13输出信号(例如读出电压)的更多线性组合是可能的。由此发现令人惊讶的效果是可以分别确定第二磁场贡献沿所有三个轴线x、y和z的分量。这种认知伴随许多优点。例如，其允许关于第二磁体3在其参考位置中的定位来校准磁场传感器1。如果第二磁体3偏离其理想位置，例如横向偏离或具有在参考位置不是表面法线的偶极矩，则传感器系统安排的对称性将被破坏并且第二磁场贡献中会出现扰动。由于这些扰动构成了系统测量误差源，因此非常有必要补偿它们的存在，通过合适的处理单元可能实现所述补偿。例如，对由预定偶极强度的第二磁体3产生的第二磁场贡献的平面外分量的认知允许校准第二磁体3与传感器1的敏感表面10之间的表面法向距离，而对由预定偶极强度的第二磁体3产生的第二磁场贡献的平面内分量的认知允许关于敏感表面10上的中心位置“P”的正确居中以及例如通过比较两个正交的平面内分量的值并使其在校准过程中大体上相等而允许处于参考位置的第二磁体的表面法向偶极矩取向。本发明的实施例不限于仅第二磁场产生装置相对于敏感表面10的校准，而是还可以包括第一磁场产生装置相对于敏感表面10的校准。例如，如果在旋转第一磁场产生装置时，将同相分量和正交分量的相对幅度彼此进行比较以使其相等，则可以在校准过程中获得第一磁场产生装置的旋转轴线的表面法线取向。
现在参考图8描述传感器系统的另一实施例，其示出了作为该传感器系统的一部分的磁场传感器50的示意性顶视图。传感器系统进一步包括用于产生磁场的第一装置和第二装置(未示出)，例如第一磁体和第二磁体。第一磁体和第二磁体可以分别被提供为四极磁体和偶极磁体。第一磁体和第二磁体相对于磁场传感器的定位可以与先前针对图3的实施例所描述的相同，但并不限于此。下面参考关于图12至图15的实施例中的操纵杆进一步描述了定位两个磁体以及与其相关联的旋转和调节装置的可替代方式。用于产生磁场的第一和第二装置各自被适配用于在磁场传感器50的敏感表面10处产生磁场，在所述敏感表面处，所产生的两个磁场贡献为一个叠加场，所述叠加场是由磁场传感器50感测到的合成磁场。本实施例的磁场传感器与图3的实施例的区别在于：在磁场传感器50的敏感表面10的区域中提供了中心测量位置“C”而不是多个横向测量位置，在所述中心测量位置处，关于第一磁体的旋转轴线穿通敏感表面10、例如中心位置。磁场传感器在测量位置“C”处包括至少一个磁场感测元件，该磁场感测元件被配置用于测量叠加场在一组空间方向中的每个方向上的分量，其中，所述一组空间方向包括至少三个独立的空间方向，例如3D欧几里德坐标系的三个经典空间方向，其原点在测量位置“C”处。所述至少一个磁场感测元件可以被提供为单个三轴线磁性探针(例如，集成矢量磁力计，例如基于磁阻的矢量磁力计)，或者可以被提供为彼此紧邻的两个或更多个磁场感测元件，例如，水平地或竖直地邻近的感测元件。例如，第一磁场感测元件(例如，双轴线竖直霍尔探针)被配置用于感测叠加场的平面内分量，而第二磁场感测元件(例如，单轴线水平霍尔探针)被配置用于感测叠加场的平面外分量。在图8的实施例中，在测量位置“C”处提供了三个磁场感测元件。第一感测元件“HH”可以与水平霍尔探针、例如集成水平霍尔板相对应，以用于感测叠加场的例如在关于敏感表面10的表面法线方向上的平面外分量。进一步地，第二感测元件“VH1”和第三感测元件“VH2”可以与两个竖直霍尔探针、例如集成竖直霍尔板相对应，它们沿着敏感表面10上的不同方向、例如沿着敏感表面10所在平面上的两个正交方向对准。第二和第三磁场感测元件被适配用于感测叠加场的两个独立的(例如，非平行的)平面内分量。因此，所述至少一个磁场感测元件被适配用于测量叠加场在单个测量位置“C”处的每个分量。因此，所述至少一个磁场感测元件的输出信号包括相对于叠加场的三个空间矢量分量的测量结果。
所述至少一个磁场感测元件的输出信号被发送至处理单元51(例如，芯片上处理器、控制器等)，在所述处理单元中，所述输出信号被用作位置确定模块52的输入，例如可执行的计算机指令或可被加载到处理单元51中以由其执行的已安装软件/固件。位置确定模块被配置用于使用相对于叠加场的三个空间(矢量)分量的测量结果来确定和输出用于产生磁场的两个装置(例如，两个磁体)中的每个装置的几何构型。几何构型可以由用于产生磁场的第一装置的旋转角度、以及由用于产生磁场的第二装置的方位角和仰角来限定；在本发明的相同或其他实施例中，几何形状的其他参数化也是可能的。
此外，位置确定模块52可以包括或请求进一步的输入，所述进一步的输入不受动态变化的磁场测量的影响。例如，在可以假定所述进一步的输入为常数的情况下，每个磁体的总磁场强度(例如，矢量范数)可以构成这种进一步的输入。在校准或组装传感器系统的过程中可以获得所述常数值。每个磁体的总磁场强度可以被假定为常数的这样一种情况与将第一和第二磁体布置在针对测量位置“C”的恒定距离处的情况相对应。例如，第一磁体关于敏感表面10可旋转地安装，在预定的高度(例如，距敏感表面的间隙距离)处绕与敏感表面正交的旋转轴线旋转，并且可枢转的第二磁体具有在测量位置“C”处的枢转点，以便在以测量位置“C”为中心的球形盖上是可移动的。对于这种构型，通过被约束在球形盖上的枢转移动，第一磁体的旋转角度的变化和/或第二磁体的相对位置的变化(例如，方位角和/或仰角的变化)不会引起测量位置“C”与两个磁体中的每一个之间的距离的变化。对于已知的、例如每个磁体的测得磁化强度，这确定了由这两个磁体产生的每个磁场贡献的总磁场强度(矢量范数)并且因此在测量位置“C”处产生的叠加场的总磁场强度。如果第二磁体的枢轴点位于其他位置，则在确定几何构型时可以使用场范数的角度相关表达式。为了处理这两个磁体中的每个磁体的磁化强度随温度的变化，位置确定模块可以通过为每个磁体提供温度模型，并进一步还通过获得传感器系统的温度、例如通过温度感测元件在每个磁体的位置处或在磁场传感器处执行温度测量来考虑这一点。
位置确定模块52的输入和可选的进一步输入被用于确定分配给物理模型中的常数的数值，所述物理模型表达测量位置“C”处的测得(矢量)叠加场与三个自由未知数(例如，传感器系统的几何变量)之间的关系，所述三个自由未知数是通过参考两个磁体各自的几何构型完整地限定叠加场所需的。例如，用于表达这种关系的物理模型可以被表示为一组等式，例如等式11中的至少三个独立等式，所述一组等式将叠加场的所测得分量与第一磁体的旋转角度α和第二磁体的2D角取向(例如，方位角φ和仰角θ)中的一个或多个进行关联。磁场的线性叠加特性已用于导出等式11，对于叠加场B叠加中的每一个(第一磁体Bm1产生的第一磁场贡献和第二磁体Bm2产生的第二磁场贡献)，等式11是包括例如在方向x、y(平面内)和z(平面外)上的三个独立分量的矢量等式。由第一磁体Bm1和第二磁体Bm2产生的磁场贡献在等式10中得以限定，这是在根据它们的(预先)确定的数值已评估了所有的恒定参数之后，所产生的磁场贡献B’m1和B’m2在测量位置“C”处的重新限定。用于表达所产生的磁场贡献B’m1和B’m2的一种方式是解析为点四极磁场和点偶极磁场。已经假设第一磁体绕旋转轴线的倾斜以及第一磁体位置的平面内位置和第二磁体的枢轴点距测量位置的偏移是可以忽略的。这典型地是由传感器系统的对准公差保证的。相应的磁化强度M1和M2以及相应的表面法向距离d1和d2是预先确定的进一步输入，例如关于第一磁体和第二磁体的、从传感器系统校准或测试中已知的。可以通过位置确定模块52求解等式11中的一组三个独立等式以获得这三个未知数的数值作为位置确定模块的输出。
Figure BDA0002392607490000291
Figure BDA0002392607490000292
Figure BDA0002392607490000293
刚刚描述的实施例具有降低测量复杂性的优点；在单个位置“C”处的仅三个独立测量足以确定第一磁体的旋转角度和第二磁体的相对位置，从而为包括根据图8的实施例的传感器系统的操纵杆实现3D操纵杆功能。在测量复杂性(例如，磁场感测元件的数量及其位置)与所获得的旋转角度和相对位置的准确性或鲁棒性之间需要权衡。因此，关于图8的实施例适用于传感器系统，所述传感器系统存在严格的对准公差并在温度稳定的环境中运行。
图9示出了图8的实施例的变体：通过仅提供与磁通集中器相结合的水平霍尔探针，促进作为磁场传感器60的磁场感测元件的霍尔探针的平面集成。其中，在测量位置“C”处叠加场的平面内分量被局部地重定向为竖直方向，这使得能够仅使用水平霍尔探针HX1、HX2、HY1和HY2，例如水平霍尔板。叠加场的平面内分量的重定向发生在中央磁通集中器14的外边缘附近，水平霍尔探针被放置在所述外边缘附近。适当形状的磁通集中器14(例如，圆形或正方形)会导致叠加场的不同平面内分量在不同的水平霍尔探针处沿着敏感表面10的表面法线方向重定向，例如，针对两个水平霍尔探针HX1、HX2，叠加场的沿x轴的平面内分量被重定向成沿着表面法线方向(例如z轴)，而针对两个水平霍尔探针HY1、HY2，叠加场的沿y轴的平面内分量被重定向成沿着表面法线方向。因此，位于集中器的对边的多对霍尔探针被适配用于感测在连接该对中的两个霍尔探针的虚拟线的方向上的平面内分量。例如，第一对霍尔探针HX1、HX2被适配用于感测叠加场的x分量，而第二对霍尔探针HY1、HY2被适配用于感测叠加场的y分量。由于由一对霍尔探针中的第一霍尔探针感测到的重定向平面内分量穿过第一霍尔探针的方向与穿过该对中的第二霍尔探针的方向相反，例如，针对霍尔探针HX1，从+z到-z，而针对霍尔探针HX2，从-z到+z，因此由每对霍尔探针HX1、HX2和HY1、HY2执行的、指示(例如，等于或成比例于)测量位置“C”处局部重定向的叠加场的局部场梯度的测量提供了在敏感表面10的测量位置“C”处的原始的(即，未重定向的)叠加场的平面内分量的测量。对于图9的实施例，可以通过将由一对霍尔探针中的霍尔探针提供的输出信号相减来获得指示x方向或y方向上的局部场梯度的测量值，例如通过处理单元51确定差值sig_out(HX1)-sig_out(HX2)和sig_out(HY1)-sig_out(HY2)，或霍尔探针输出信号的按比例加权的差。注意的是，与针对重定向的叠加场的局部场梯度有关的测量对叠加场的平面外分量不敏感，所述平面外分量不受局部磁通重定向的影响并且在输出信号相减过程中抵消。这对于叠加场的、在多对径向相对的测量位置处具有大体上相等的大小的平面外分量是真的，例如对于叠加场的、其大小在敏感表面的被测量位置占据的区域部分上方缓慢变化的平面外分量。与第一磁源以及由第一磁源在敏感表面处产生的至少四极场的反对称性相比，与第二磁源相关联的较弱磁场梯度通常是这种情况。对于图9的实施例，可以通过执行关于在测量位置“C”处的重定向叠加场的局部均值(即，平均值)场测量来获得叠加场的平面外分量(例如，在z方向上)，例如通过将由至少一对霍尔探针中的霍尔探针提供的输出信号相加，例如由处理单元51确定和sig_out(HX1)+sig_out(HX2)、sig_out(HY1)+sig_out(HY2)和sig_out(HX1)+sig_out(HX2)+sig_out(HY1)+sig_out(HY2)中的至少一个，或者霍尔探针输出信号的按比例加权的和。技术人员将认识到，对于图9的实施例，在磁场传感器60的敏感表面10上提供的与磁通集中器14相结合的磁场感测元件的安排提供了与图8的实施例中所示出的功能等效的功能。
参考图10，描述了根据传感器系统的又一个实施例的磁场传感器70，所述磁场传感器能够通过还确定由用于产生磁场的第二装置产生的至少第二磁场贡献的总磁场强度(即，矢量范数)，来对在敏感表面处的叠加场执行更加准确且鲁棒的测量。如前面已解释的，测量至少第二磁场贡献的总场强具有以下优点：如果枢转点同敏感表面与关于第一磁体的旋转轴线之间的相交点不重合，则主动考虑第二磁体的磁化强度随温度的变化以及考虑磁场传感器的敏感表面与可枢转的第二磁体之间的变化的表面法向距离。注意的是，当关于等式3和等式4如所描述的那样执行比率测量时，可以消除由用于产生磁场的第一装置产生的第一磁场贡献的变化的总磁场强度(即，矢量范数)的影响。
如针对图8和图9的前述实施例，在图10中仅展示了传感器系统的磁场传感器70的示意性顶视图。传感器系统的第一和第二磁体相对于磁场传感器的定位可以与先前针对图3的实施例所描述的相同，但并不限于此。下面参考关于图12至图15的实施例中的操纵杆进一步描述了定位两个磁体以及与其相关联的旋转和调节装置的可替代方式。然而，在磁场传感器70的敏感表面10上提供了多个测量位置：被布置在敏感表面10与关于第一磁体的旋转轴线之间的相交点处的中心测量位置“C”，以及四个横向测量位置L1至L4。横向测量位置L1至L4被组织成在中心测量位置“C”的相对侧上提供的成对测量位置，例如形成第一对的位置L1和L2以及形成第二对的位置L3和L4。关于每个横向测量位置，并且优选地还针对中心测量位置“C”提供了磁场感测元件。对于图10的示例性实施例，针对横向测量位置L1至L4中的每个横向测量位置提供相应的竖直霍尔探针“VH1”至“VH4”，并且在中心测量位置处提供水平霍尔探针“HH”。与第一对横向测量位置L1、L2相对应的磁场感测元件“VH1”、“VH2”各自被适配用于测量叠加场在敏感表面10处的第一相同平面内分量，使得由这些磁场感测元件产生的测得输出信号的差或加权差大体上指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的梯度的第一平面内分量，并且进一步使得由这些磁场感测元件产生的测得输出信号的和或加权和大体上指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的第一平面内分量。同样地，与第二对横向测量位置L3、L4相对应的磁场感测元件“VH3”、“VH4”各自被适配用于测量叠加场在敏感表面10处的不同于第一平面内分量的第二相同平面内分量，使得由这些磁场感测元件产生的测得输出信号的差或加权差指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的梯度的第二平面内分量，并且进一步使得由这些磁场感测元件产生的测得输出信号的和或加权和大体上指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的第二平面内分量。与中心测量位置“C”相对应的磁场感测元件“HH”被适配用于测量叠加场在中心测量位置“C”处的平面外分量。
每对测量位置中的测量位置优选地彼此径向相对地定位，即，通过虚拟直线相连接，所述虚拟直线穿过敏感表面10与关于第一磁体的旋转轴线之间的相交点，不过与优选位置的偏差在预先确定的公差(例如关于所产生的、针对涉及场梯度和均值场(即，平均值场)的测量值或针对所确定旋转角度和相对位置的准确性减小所表达的公差)内得到支撑。典型地，每对测量位置中的测量位置都与中心测量位置“C”等距地定位，不过一对中的两个磁场感测元件所产生的、与它们到中心测量位置“C”的距离成比例的输出信号的权重可以被实施以补偿不等距的位置。此外，在敏感表面10的平面中第二对测量位置L3、L4关于第一对L1、L2旋转45弧度的角度，以产生用于第一磁体的正交输出信号。然而，本发明的实施例不限于该特定角度，而是可以被配置用于提供针对不同角度(例如，15弧度、30弧度、60弧度等)的、不是纯正交信号的有用输出信号。
典型地，将横向测量位置定位成靠近中心测量位置，其中，靠近意味着处于某平面内距离处，所述平面内距离比第二磁场贡献在敏感表面10所在平面内演化的特征长度尺度小，但与第一磁场贡献在敏感表面10所在平面内演化的特征长度尺度处于相同的数量级或更大。这具有的效果是，在针对局部场梯度的测量值中，第二磁场贡献的场梯度比由第一磁体的更高阶磁极产生的第一磁场的场梯度弱得多，所述第二磁场贡献的场梯度是由关于具有表面法向偶极矩的参考位置枢转第二磁体而引起的。因此，可以在不显著影响针对第一磁场贡献的局部场梯度的测量值的情况下，忽略第二磁场贡献中的较弱梯度。
由于敏感表面10处的第一磁场贡献至少为在中心测量位置“C”处具有对称中心的四极阶，因此与一对横向测量位置相对应的测得输出信号的组合指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在该对横向测量位置中的一个位置处的相同平面内分量，所述组合指示第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的梯度的平面内分量。换句话说，可以利用等式12中的关系，这是由于第一磁场贡献在敏感表面10上的对称性的结果。类似的关系适用于第二对横向测量位置L3、L4。还是出于对称的原因，在中心测量位置“C”处的第一磁场贡献大体上为零，借助于用于积分的均值定理，这通过均值场测量、例如通过对与一对横向测量位置相对应的测得输出信号求平均、例如通过使用等式13的关系(类似的关系适用于第二对横向测量位置L3、L4)同样适用于第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的近似。因此，与一对横向测量位置相对应的测得输出信号的组合指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的相同平面内分量，所述组合指示第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的均值场(即，平均值场)的平面内分量。
Figure BDA0002392607490000331
Figure BDA0002392607490000332
因此，在传感器系统的操作过程中，可以通过确定第一对横向测量位置L1、L2的霍尔探针输出信号的(加权)差来获得第一测量值，所述第一测量值指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在该第一对横向测量位置L1、L2中的一个横向测量位置处的第一平面内分量。由于与第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的场梯度相比，第二磁场贡献的场梯度可忽略不计，因此该第一测量值非常好地近似，并且大体上等于代表仅第一磁场贡献在第一对横向测量位置L1、L2中的一个横向测量位置处的测量值。处理单元(未示出)正在确定输出信号差ssig_out(VH1)-sig_out(VH2)，或按比例加权的输出信号差(例如a*sig_out(VH1)-(1-a)*sig_out(VH2))。类似地，可以通过确定第二对横向测量位置L3、L4的霍尔探针输出信号的(加权)差来获得第二测量值，所述第二测量值指示(例如，等于或成比例于)第一磁场贡献在该第二对横向测量位置L3、L4中的一个横向测量位置处的第二平面内分量。可以使用相同的处理单元来确定输出信号差sig_out(VH3)-sig_out(VH4)，或按比例加权的输出信号差(例如b*sig_out(VH3)-(1-b)*sig_out(VH4))。进一步地，可以通过确定第一对横向测量位置L1、L2的霍尔探针输出信号的(加权)和来获得第三测量值，所述第三测量值指示(例如，等于或成比例于)第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的第一平面内分量。再次，相同的处理单元可以用于确定输出信号总和ig_out(VH1)+sig_out(VH2)，或按比例加权的输出信号总和(例如a*sig_out(VH1)+(1-a)*sig_out(VH2))。同样地，可以通过确定第二对横向测量位置L3、L4的霍尔探针输出信号的(加权)和来获得第四测量值，所述第四测量值指示(例如，等于或成正比于)第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的第二平面内分量。再次，相同的处理单元可以用于确定输出信号总和sig_out(VH3)+sig_out(VH4)，或按比例加权的输出信号总和(例如b*sig_out(VH3)+(1-b)*sig_out(VH4))。对于图10中示出的实施例，第二平面内方向是在x-y方向上，例如不与第一平面内方向正交，例如y方向。可选地，在第五测量中可以通过水平霍尔探针“HH”来测量叠加场在中心测量位置“C”处的平面外分量。
接下来，划分第一和第二测量结果以消除第一磁场贡献的矢量范数对旋转角度确定的影响。实际上这是可能的，因为第一和第二测量结果分别与敏感表面10上的、旋转角度相关的第一磁场贡献投影的同相分量和正交分量相对应。在图10的实施例中，由连接每对横向测量位置中的对应横向测量位置的两条虚拟线所围成的角度相当于45弧度角。考虑到由第一磁体产生的四极场的双重对称性，旋转角度依赖性为两倍旋转角度，例如2α＝90弧度角。因此，第一对和第二对横向测量位置为与敏感表面10上的第一磁场贡献投影相对应的磁场矢量提供同相分量和正交分量是真的。如先前关于图3的实施例的等式2和等式3详细描述的，可以例如通过接收第一和第二测量结果的位置确定模块(未示出)来针对第一和第二测量结果的比率评估反正切函数，以获得第一磁体的旋转角度。
接下来，例如通过使用从投影中导出的关系Bm2,x＝Bm2,x-y*sqrt(2)-Bm2,y，第四测量值被用于生成经修改的第四测量值，所述经修改的第四测量值代表第二磁场贡献的x分量。第三测量值已经代表了第二磁场贡献的y分量。第三测量值和第四测量值或经修改的第四测量值被用作位置确定模块(未示出)的两个独立输入，以用于确定关于第二磁体的两个未知数几何变量，例如方位角φ和仰角θ。例如，位置确定模块可以包括求解器(例如非线性或迭代求解器)，以用于对解析表达式(例如，点偶极磁场)与因变量φ、θ之间的关系进行求反，所述解析表达式是针对第二磁场贡献在中心测量位置“C”处所确定的x分量和y分量。在这种情况下，将第二磁场贡献的矢量范数的预定值或可替代地第二磁体的磁化强度预定值、和预定的表面法向距离值d2假定为位置确定模块的恒定的进一步输入。
在其变体中，第二磁场贡献在中心测量位置“C”处的矢量范数被当作进一步输入变量(即，被假定为非恒定的)，从而提供了更鲁棒的传感器系统。这意味着需要进一步的独立测量值来导出该矢量范数的唯一数值。这可以通过以下方式实现：获得第一磁场贡献在横向测量位置处的平面内投影的矢量范数、如果第一测量值和第二测量值被提供为同相分量和正交分量则配置位置确定模块以确定第一测量值和第二测量值的二次均值。基于在横向测量位置处的该平面内矢量范数，位置确定模块或处理单元确定第一磁体的磁化强度M1(例如四极矩)，并使用该中间结果来确定第一磁场贡献在中心测量位置“C”处的平面外分量。然后，通过从第五测量值中减去第一磁场贡献在中心测量位置“C”处确定的平面外分量来产生经修改的第五测量值。最终，除了第三测量值和(经修改的)第四测量值之外，位置确定模块还使用经修改的第五测量值来对解析表达式(例如，点偶极磁场)与因变量φ、θ和|Bm2|之间的关系进行求反，所述解析表达式是针对第二磁场贡献在中心测量位置“C”处确定的x分量、y分量和z分量。
图11示出了图10中实施例的变体，其中磁场传感器90的敏感表面10上的中心测量位置“C”包含两个另外的磁场感测元件，例如两个竖直的霍尔探针VH5和VH6，所述两个另外的磁场感测元件形成用于感测叠加场在测量位置“C”处的平面内分量的十字形2D竖直霍尔探针，所述平面内分量大体上等于第二磁场贡献在测量位置“C”处的平面内分量。因此，对于该实施例，不需要均值场测量来获得第二磁场贡献在测量位置“C”处的平面内分量，例如，无需确定由在成对的横向测量位置处提供的磁场感测元件产生的霍尔探针输出信号的(加权)和。除了这个区别之外，图11的实施例还以与关于图10的实施例的相同方式运行。
在图10和图11中提及的实施例中，可以将水平霍尔探针与磁通集中器(例如，以测量位置“C”为中心的圆形或环形磁通集中器)相组合地提供，而不是在横向测量位置处提供竖直霍尔探针。处理单元(例如，包括或被适配用于加载和执行位置确定模块的指令的处理单元)可以被提供在芯片上以用于芯片制造的磁场传感器，或者可以经由合适的互连器和/或有线或无线通信通道被提供在芯片外。
在本发明的一些实施例中，传感器系统的处理单元可以关于干扰由两个磁体2、3产生的叠加场的静态外部杂散磁场执行校准步骤，例如通过当第二磁场产生装置的相对位置在动态变化时移除所述第二磁场产生装置的所记录平面外分量中的恒定偏移或背景传感器信号。可替代地，冗余的一组磁场感测元件可以用于此目的，所述一组磁场感测元件以不受第一和第二磁场贡献影响的方式被安排。
磁体2、3典型地可以具有在5mm至15mm之间的范围内的直径/主轴线。通常选择它们到磁场传感器1的第一敏感表面10或到第二表面15(例如，顶表面/底表面)的距离以避免磁场传感器1的磁饱和。场强度典型在10mT至100mT之间的范围内变化并且相应的工作空气间隙典型介于0.5mm至20mm之间。取决于成本因素、可操作的温度范围、漂移、老化效应等，这两个磁体2、3的材料可以选自以下硬铁氧体、钐钴、铝镍钴、钕中的一种，但不限于此。可替代地，线圈装置可以被激励以产生磁性偶极子、磁性四极子等。
本发明不限于使用偶极永磁体或四极永磁体，并且适用于六极磁体、八极磁体等。对于那些实施例，选择不同数量或不同几何安排的磁场感测元件13并形成所述磁场感测元件的输出信号的不同线性组合可能是方便的。然而，传感器准确性的增益可能伴随着传感器速度的损失和成本的增加，并且因此对于每个具体目标应用，必须仔细选择那些设计自由度。可替代实施例可以包括两个或更多个可能相同的感测单元，其中，每个感测单元至少包括前面提及的磁场感测元件13(所述磁场感测元件的读出是可组合的)，并且可选地包括几何安排的磁通集中器12、14。然而，第二个或更多个感测单元不需要额外的磁体。这种另外的冗余进一步增大了信噪比、增加了旋转角度和3D位置测量的准确性、并且即使在感测单元之一发生故障的情况下也可以确保磁场传感器1的可操作性。为此目的，传感器系统可以进一步包括合适的处理单元，以用于实施自诊断测试例程。
磁场传感器1的输出可以是模拟的，例如比率或数字格式的，例如12位或16位数字信号。除其他方面外，优选的通信接口还可以是串行SPI协议或SENT协议。此外，使用脉冲宽度调制式(PWM)信号作为磁场传感器1的输出信号可能是有利的，因为这是电力输送系统的常用信号类型。
在本发明的优选实施例中，集成磁场传感器1芯片优选地被封装为SOIC-8或TSSOP16封装，并且可以通过它们的连接器端子与外部设备通信。这是有利的，因为它提供了通过线路末端校准来完全配置和指定磁场传感器1输出转换特性的可能性。在本发明的具体实施例中，校准步骤可以包括关于两个外部磁体2、3的定位的偏移校准，但不限于此。可以执行其他校准程序步骤，诸如由于制造瑕疵而引起的磁场感测元件13的偏移补偿、如果进一步放大传感器信号则进行的增益调节、所产生的磁场的热漂移补偿、范围和过滤设置、相对于传感器线性度或钳位水平的设置等。使用外部编程单元来通信并校准磁场传感器1可能特别实用。
在第二方面，本发明的实施例涉及具有3D功能的操纵杆，所述操纵杆包括根据第一方面的任何所述实施例的传感器系统。操纵杆可以进一步包括手柄，所述手柄可围绕操纵杆的纵向旋转轴线旋转并且可围绕操纵杆的两个横向轴线枢转。操纵杆手柄的纵向轴线与第一磁源的旋转轴线相对应。用于调整第二磁源关于敏感表面的相对位置或源取向的装置被提供作为操纵杆的一部分，以允许操纵杆手柄的枢转移动。
在本发明的示例性实施例中，在图12中展示的，在磁场传感器1的敏感表面处产生四极场的第一磁体2被附接在轴22(例如操纵杆的手柄)的中空部内。轴或手柄机械地设置有旋转装置，使得轴22或手柄的旋转带来磁体2的旋转，但不引起磁场传感器1的旋转，也不引起第二磁体3的旋转。这种旋转装置可以包括轴承中的内轴83，所述内轴被轴22的外管围绕，使得外管可相对于内轴83旋转，但是也可以想到其他旋转装置。在具体应用中，这可以在Z方向上产生平移，或者可以与偏转角度相对应。另外地，操纵杆设置有能够实现其3D功能的机械装置。这可以是附接至操纵杆的轴22上的常平架安装件84、球窝型安装件等。根据这样的实施例，磁场传感器1被制造为集成芯片(例如集成半导体芯片)，并且还经由内轴83的末端部分耦接至操纵杆的轴22，而第二磁体3保持在基座处的固定位置。作为结果，操纵杆的轴22或手柄可绕其轴线旋转，从而使第一磁体2能够关于磁场传感器1及其顶表面/敏感表面10旋转。此外，操纵杆的轴22或手柄在3D空间中也是可移位的(例如通过常平架安装件84)，从而使第二磁体3相对于磁场传感器1移位。这种移位典型地发生在假想的具有中心80的球或半球的一部分的二维表面上，所述中心位于第二磁体3处并且因此可以在方位角坐标
Figure BDA0002392607490000381
和仰角坐标θ(例如，每个至少+/-30度，每个高达+/-70度)方面表征；在特定应用中，这可能会在X方向和Y方向上都产生平移，或者可能与滚转角度和俯仰角度相对应。
图13展示了使用任何所描述的传感器系统的3D操纵杆的另一实施例，对于所述3D操纵杆，第一和第二磁场产生装置(例如，第一和第二磁体2、3)通过合适的耦接装置机械地固定并且位于磁场传感器1上方。提供旋转装置并且还限定旋转轴线82的操纵杆手柄可以关于位于磁场传感器1的敏感表面上的虚拟旋转中心80倾斜。因此，第一磁体2和第二磁体3两者都可以在三维空间中移位，并且它们的中心在球81的假想部分上移动。
在图14中，3D操纵杆的特征在于针对操纵杆手柄和针对相关联的旋转轴线82的旋转中心80，所述旋转中心与磁场传感器1上方的第一磁体2和第二磁体3的中心位置重合。对于该3D操纵杆和所包括的传感器系统，第一和第二磁场产生装置彼此机械地固定，并且第二磁场产生装置(例如第二磁体3)具有关于磁场传感器1的恒定相对中心位置。然而，其相关联的磁力矩仍可在其取向上旋转并且可以通过仰角和方位角来表征。
在针对3D操纵杆和其中包括的传感器系统的实施例中，如图15所示出的，第一和第二磁场产生装置被定位在磁场传感器1的上方，并且机械地耦接至提供旋转轴线的操纵杆轴。然而，在这个具体实施例中，第一和第二磁体2、3并不彼此直接耦接，而是彼此间隔一定距离定位。因此，第一磁体2具有关于磁场传感器1的恒定中心位置，而第二磁体3可在半球81的假想部分上的3D空间中移位。
尽管在附图和前述描述中已经详细展示和描述了本发明，但是这种展示和描述被视为说明性的或示例性的而非限制性的。前述描述详述了本发明的某些实施例。然而，将理解的是，不管前述描述在文本方面看起来多么详细，都可以用许多方式实践本发明。本发明并不限于所公开的实施例。
在实践所要求保护的发明时，本领域技术人员可以通过学习附图、公开内容、以及所附权利要求来理解并且实现所公开实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，而不定冠词“一(a)”、“一个(an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中陈述的若干项的功能。在彼此不同的从属权利要求中陈述的某些措施的简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被理解为对范围进行限制。

Claims (20)

1.一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括：
-磁场传感器(1；70；90)，所述磁场传感器具有敏感表面(10)，
-第一磁源(2)，所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，以用于在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献(B；Bm1)，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度(α)限定，以及
-第二磁源(3)，所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，以用于在所述敏感表面处产生第二磁场贡献(Berr；Bm2)，关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向(θ，φ)限定，
其中，所述磁场传感器被配置用于：
-针对在所述敏感表面(10)上提供的多个横向测量位置(A至H)中的每一个横向测量位置，至少检测所产生的第一磁场贡献和第二磁场贡献的叠加场(B叠加)的平面内分量，所述多个横向测量位置被横向地安排并且被安排成关于所述敏感表面上的中心位置(P)的至少两对径向相对的测量位置，以用于至少检测所述叠加场的、在与同一对相对应的测量位置处的相同平面内分量，
-基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量，获得指示所述第一磁场贡献的至少两个平面内分量(Bx，Bx-y)的场梯度的测量值，
-基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的至少两个进一步检测到的平面内分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置处的至少两个平面内分量(Berr,x，Berr,y)的场均值的测量值，
-从所获得的场梯度测量值确定所述第一磁源(2)的所述旋转角度(α)，并且从所获得的场均值测量值确定所述第二磁源(3)的所述两个角方向(θ，φ)。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器进一步被配置用于：基于所述叠加场的、与所述多个横向测量位置相对应的多个检测到的空间分量和/或基于所述叠加场的、在所述中心位置处的进一步检测到的平面外分量，获得指示所述第二磁场贡献在所述中心位置(P)处的平面外分量(Berr,z)的场均值的测量值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于：通过结合所述叠加场的所述多个检测到的空间分量中与所述敏感表面上的同一对横向测量位置相对应的检测到的空间分量的和以及/或者差，获得指示所述场梯度和/或所述场均值的测量值。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于：通过提供用于所述第二磁源(3)的物理模型以将在所述中心位置处产生的所述第二磁场贡献的变化与所述两个角方向(θ，φ)的变化进行关联而从所述获得的场均值测量值确定所述第二磁源(3)的所述两个角方向(θ，φ)，并且通过将在所述中心位置处的所获得的场均值测量值用作模型约束来确定所述两个角方向作为所述物理模型的解。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器被配置用于检测所述叠加场的、针对所述多个横向测量位置中的至少一个横向测量位置和针对所述中心位置的两个不同的平面内分量、或者平面内分量和平面外分量。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的传感器系统，其中，在连接每对横向测量位置中的两个横向测量位置的线之间形成的角度是45弧度的整数倍。
7.一种用于在操纵杆中使用的传感器系统，所述传感器系统包括：
-磁场传感器(50；60)，所述磁场传感器具有敏感表面(10)，
-第一磁源(2)，所述第一磁源相对于所述敏感表面可旋转地安装，以用于在所述敏感表面处产生至少四极阶的第一磁场贡献(B；Bm1)，所述第一磁源关于所述敏感表面的旋转移动由旋转角度(α)限定，以及
-第二磁源(3)，所述第二磁源关于所述敏感表面可枢转到多个源取向，以用于在所述敏感表面处产生第二磁场贡献(Berr；Bm2)，关于所述敏感表面的每个源取向由两个角方向(θ，φ)限定，
其中，所述磁场传感器被配置用于：
-检测在所述敏感表面上的中心位置(C)处的所产生的第一磁场贡献和第二磁场贡献的叠加场(B叠加)的三个空间分量，
-提供用于所述磁源(2，3)的物理模型以将在所述中心位置处产生的所述叠加场的变化与所述旋转角度(α)和所述两个角方向(θ，φ)的变化进行关联，
-通过将在所述中心位置处的所述叠加场的检测到的分量用作模型约束来确定所述第一磁源的所述旋转角度和所述第二磁源的所述两个角方向作为所述物理模型的解。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中，可旋转安装的所述第一磁源(2)的旋转轴线在所述中心位置(C；P)处与所述磁场传感器的所述敏感表面(10)相交。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，进一步包括机械耦接装置，所述机械耦接装置在所述第一磁源(2)与所述第二磁源(3)之间，用于将所述第一磁源维持在关于所述第二磁源的恒定的相对位置处。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中，所述第一磁源(2)和所述第二磁源(3)被定位在所述敏感表面(10)的同一侧，和/或其中，所述第一磁源和所述第二磁源被定位在所述敏感表面的相反侧。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中，当所述第二磁源正被枢转时，独立于所述旋转角度，所述第二磁源(3)的中心关于所述磁场传感器的相对位置是恒定的，和/或其中，当所述第二磁源正被枢转时，所述第二磁源(3)的中心的所述相对位置在球形表面(81)上移动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中，所述第一磁源是四极、六极或八极永磁体，和/或其中，所述第二磁源是偶极电磁体或偶极永磁体。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器包括多个磁场感测元件(13)，所述多个磁场感测元件被安排在所述敏感表面上的所述多个测量位置处。
14.根据权利要求13所述的传感器系统，其中，所述多个磁场感测元件中的至少一个磁场感测元件包括由平面霍尔效应探针、磁阻探针、竖直霍尔效应探针和磁通门探针组成的组中的至少一个。
15.根据权利要求13或14所述的传感器系统，其中，所述磁场传感器进一步包括多个磁通集中器(12，14)，每个磁通集中器被安排在所述敏感表面上，使得所述叠加场的通量集中在所述磁场感测元件处。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，进一步包括处理单元(51，52)，所述处理单元被适配用于确定并补偿所述第一磁源和所述第二磁源中的每一个磁源的中心的相对位置和/或取向的偏移量。
17.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，进一步包括可旋转的轴(22；83)和可枢转的保持构件，所述可旋转的轴耦接至所述第一磁源或所述磁场传感器，以用于使所述第一磁源绕所述轴的纵向轴线(82)并且相对于所述敏感表面旋转，所述可枢转的保持构件用于紧固所述磁场传感器或所述第二磁源并且用于使所述第二磁源相对于所述敏感表面枢转。
18.根据权利要求17所述的传感器系统，其中，所述可枢转的保持构件耦接至常平架安装件或球窝型安装件，或者是常平架安装件或球窝型安装件的形成部分。
19.一种操纵杆，包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统。
20.根据权利要求19所述的操纵杆，进一步包括手柄，所述手柄能够围绕所述操纵杆的、与所述第一磁源(2)的旋转轴线相对应的纵向轴线旋转，并且所述手柄能够围绕所述操纵杆的、与所述第二磁源(3)的枢转移动相对应的两个横向轴线枢转。
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