CN112240740A

CN112240740A - 转动计数器和旋转角度的感测

Info

Publication number: CN112240740A
Application number: CN202010697557.0A
Authority: CN
Inventors: U·奥塞勒克纳
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: CN112240740B; US11441888B2; DE102019119670A1; US20210018308A1

Abstract

本公开涉及转动计数器和旋转角度的感测。提出了一种离轴计数器，该离轴计数器被布置为以整数为模来对围绕旋转轴线旋转的磁场源的磁极进行计数。此外，提供了一种旋转角度感测设备和一种用于确定旋转角度的方法。

Description

转动计数器和旋转角度的感测

技术领域

本公开涉及转动计数器和旋转角度的感测。

背景技术

在很多应用中，不能出于角度测量的目的而直接访问轴的末端。作为一种解决方案，可以通过测量X-Y(X-Z或Y-Z)分量来使用磁性3D传感器。传感器位于轴外(也称为“离轴”)，即不在轴的旋转轴线上。轴本身具有磁性编码器，该磁性编码器具有至少两个磁极(一个称为N，另一个称为S)。请参考[2018年7月31日的英飞凌的应用指南的“Out of Shaftwith magnetic 3D sensor”，其可在以下网址公开获取：https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Out_of_Shaft-AN-v01_00-ZH.pdf？fileId＝5546d46265257de801653898ba536074]。

US 2015/0137797 A1公开了一种离轴磁场角度传感器。

发明内容

目的是改进用于感测例如轴的旋转角度的现有解决方案，并且特别是能够对旋转圈数进行有效计数。

这是根据独立权利要求的特征来解决的。其他实施例由从属权利要求得出。

本文中提出的示例可以特别地基于以下解决方案中的至少一种。可以利用以下特征的组合来达到期望的结果。该方法的特征可以与设备、装置或系统的任何(一个或多个)特征进行组合，反之亦然。

提供了一种离轴计数器，该离轴计数器被布置为以整数为模来对围绕旋转轴线旋转的磁场源的磁极进行计数。

离轴计数器可以是离轴角度传感器、通轴角度传感器或旋转角度传感器，或者是其一部分。

注意，“模计数”是指在计数时应用模运算：离轴计数器(也称为转动计数器或磁极计数器)具有预定义的数字范围，例如从0到最大值(或数字)TC_max-1，并且它可以从0(或任何值<TC_max)到TC_max-1进行计数；如果计数器示出值TC_max-1并且随后的待计数的磁极通过，则计数器随后将产生值0，即递增TC_max-1得出计数范围的第一值。因此，转动计数器以TC_max为模进行计数。

计数器也可以反向计数。在这种情况下，在值0之后为值TC_max-1。

模运算示例性地缩写为术语“mod(a，b)”，其中a是要进行“模b”计数的计数值(例如，“TC”)(b是例如极对的数目P)。例如：mod(4，5)＝4；mod(4，4)＝0；mod(4，3)＝1。

离轴计数器可以特别地用在磁场角度感测系统中，特别是通轴磁角度系统，其中磁场源耦合到轴并且随轴旋转。感测系统可以另外包括布置在与旋转轴线同心的圆上(也称为读取圆)的至少一个感测元件(传感器)。如果使用若干感测元件，则它们优选地可以彼此间隔开，使得它们可以基本上均匀地分布在该读取圆上。

至少两个感测元件可以在传感器封装中组合在一起，使得传感器封装确定两个非平行的磁场分量。每个传感器元件可以是以下中的一项：AMR(各向异性MR)传感器、GMR(巨型MR)传感器、TMR(隧道MR)传感器、霍尔板或垂直霍尔效应器件。

可以选择将转动计数器与若干感测元件之一集成在一起，其中该感测元件仅检测单个磁场分量。在读取圆周围可以布置有其他感测元件(如本文中所述)，该其他感测元件可以用于(至少一次)检测其他非平行磁场分量。

换言之，可以选择将转动计数器与检测两个非平行的磁场分量之一的磁感测元件定位在一起。然而，该检测到的磁场分量有益地提供旋转磁场，该旋转磁场允许转动计数器进行如本文中描述的计数。

而且，可以提供一种电路系统，该电路系统耦合到至少一个感测元件和离轴计数器，并且被配置为提供通过组合来自至少一个感测元件和离轴计数器的信号而确定的指示磁场源(例如，环形磁体)围绕旋转轴线的旋转位置的信号。

本文中描述的解决方案特别地允许一种成本高效的方法来高精度地确定(例如，轴的)角位置，以在高转速下提供系统的高稳定性，并且针对磁场源的不同直径灵活地缩放磁场。

根据一个实施例，磁场源能够机械地耦合在轴上，特别是固定在轴上，并且磁场源包括以下中的至少一项：

-永磁体；

-环形磁体；

-注塑铁氧体。

根据一个实施例，整数是可编程的。

因此，该整数可以在制造包括计数器的芯片之后设置或重置。这可以经由例如EEPROM等存储器来实现，或者经由可以设置为低或高的专用引脚(计数器或包括计数器的设备的引脚)来实现。作为备选，至少一个电阻器可以连接到引脚，从而允许芯片检测电阻值并且基于该电阻值来设置整数。

根据一个实施例，磁场源是多极磁体。

多极磁体可以特别地具有环形或甜甜圈形状，并且可以围绕可旋转轴机械地耦合，其中该轴围绕旋转轴线旋转。

在磁场源包括偶极磁体的情况下，所生成的单个信号的整个周期可以对应于轴的为360°的旋转。在磁场源包括P个极对的情况下，则每360°旋转将生成P个完整周期。

根据一个实施例，该整数等于多极磁体的极对的数目P的整数倍。

根据一个实施例，多极磁体是环形磁体或甜甜圈形磁体，并且其中多极磁体的磁极布置在环形磁体的底部或顶部处的平面或弯曲表面上。

根据一个实施例，多极磁体是环形磁体或甜甜圈形磁体，并且其中多极磁体的磁极布置在环形磁体的弯曲表面上。

注意，环形磁体或甜甜圈形磁体可以包括具有矩形、圆形或椭圆形轮廓的任何环形结构。另外，轮廓的至少一个边缘可以是直的或弯曲的。

因此，转动计数器的芯片的主表面可以垂直于多极磁体的半径矢量，多极磁体的磁极在平坦表面上。如果磁体具有圆形或环形形状，则平坦表面可以是圆形表面。

作为备选，转动计数器的芯片的主表面可以垂直于多极磁体的旋转轴线，多极磁体的磁极在弯曲表面上。

在两个变体中，芯片可以有利地位于磁极附近；芯片不在旋转轴线上，而是在半径与磁体的平均直径相当的读取圆上。

根据一个实施例，计数器被实现为芯片上或封装中系统，特别是与一个附加感测元件相邻的系统。

根据一个实施例，计数器布置在与旋转轴线同心的圆上。

根据一个实施例，计数器包括具有磁化图案(pattern)的微磁环路结构，其中微磁环路结构被布置为监测投射在微磁环路结构的主表面上的磁场。

注意，微磁场环路结构的磁化图案通过磁场、特别是通过磁场源的所施加的磁场而旋转。

根据一个实施例，微磁环路结构是XMR设备的层上的环路结构，其中XMR设备的该层是自由层。

XMR设备可以是GMR(巨型MR)、TMR(隧道MR)或AMR(各向异性MR)设备。

自由层特别是指由具有磁化的材料制成的层，该磁化易于通过外部施加的磁场而旋转。形状各向异性是指由于(例如，线的)纤细的形式，磁化只能(例如，线的)正向或反向定向。

环路结构可以包括不具有磁畴(domain)发生器的闭环结构(或螺旋结构)。编程设备允许通过反转环路结构的臂或部分中的极性来添加标记。然后，当被磁场搅动时，该标记会在环路结构中无休止地运行，从而启用模计数器。有关环路结构的详细信息，请参考DE102008 037 975A1。

特别有利的是，转动计数器不需要任何电能。即使没有施加能量，它也不会错过任何脉冲。

根据一个实施例，该计数器包括至少一个电路系统或者是至少一个电路系统的一部分，其中该至少一个电路系统被布置用于

-将由微磁环路结构检测到的磁性图案转换为数字，

-将数字映射到间隔，该间隔对应于以整数为模进行计数。

因此，计数器可以特别地包括微磁环路结构，该微磁环路结构被布置为使得该环路结构中的磁性图案可以经由由磁场源提供的外部磁场而旋转。计数器还可以包括用于将磁性图案转换成数字并且用于提供与这样的数字相对应的电信号的第一电路系统。另外，计数器可以包括通过将数字映射到如本文所解释的预定义间隔来实现模计数的第二电路系统。

注意，可以通过设置间隔来对模计数器进行编程。这可以通过修改该电路系统或其一部分来进行。

可以选择的是，微磁环路结构包括若干子计数器，并且计数器是由子计数器计数的值的LCM。然后，可以基于子计数器的值将计数器编程为合适的值。

注意，第一电路系统和第二电路系统可以是分离的或者组合在单个电路系统中。还可以选择的是，第一电路系统和/或第二电路系统与另一(第三)电路系统组合(例如，与磁角度感测元件或这种磁角度感测元件的一部分有关)。

根据一个实施例，计数器在芯片上实现，该芯片包括主表面，使得与主表面基本平行的磁场分量的旋转被计数。

另外，提供了一种旋转角度感测设备，该设备包括

-能够机械地耦合到旋转轴的磁场源；

-被布置为检测磁场源的磁场的至少一个磁角度感测元件，

-其中至少一个磁角度感测元件围绕旋转轴线布置，特别是在垂直于旋转轴线的至少一个平面上，

-根据前述权利要求中任一项所述的离轴计数器。

根据一个实施例，磁场源是多极磁体。

根据一个实施例，该设备还包括电路系统，该电路系统耦合到至少一个感测元件和离轴计数器，并且被配置为通过组合来自至少一个感测元件和离轴计数器的信号来提供指示磁场源围绕旋转轴线的旋转位置的信号。

因此，通过至少一个感测元件和通过转动计数器来检测由多极磁体(例如，环形或甜甜圈形状)提供的磁场，并且来自至少一个感测元件和转动计数器的信号被组合以确定旋转角度(包括旋转数)。

此外，提出了一种用于利用如本文中描述的旋转角度感测设备来确定旋转角度的方法，其中该方法包括：

-通过组合来自至少一个感测元件和离轴计数器的信号来提供指示磁场源围绕旋转轴线的旋转位置的信号。

附图说明

参考附图示出和说明了实施例。附图用于说明基本原理，因此仅示出了理解基本原理所必需的方面。附图未按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1示出了用于转动计数器的示例性布置；

图2示出了用于转动计数器的备选布置；以及

图3示出了用于基于由感测元件和转动计数器306提供的信号来确定旋转位置的示例性示图。

具体实施方式

本文中示例性地描述的实施例尤其涉及磁角度传感器。每个磁角度传感器可以包括围绕带有环形磁体的旋转轴放置的至少一个(有利地是若干个)传感器元件(也称为传感器芯片、传感器封装器或传感器)。

传感器元件可以放置在读取圆上，该读取圆可以围绕旋转轴线基本同心并且相对于磁体表面轴向地少量移动。这种小的轴向移动称为间隙或气隙(AG)。

AG可以优选地尽可能小；然而，它需要足够大以防止旋转部件与静止的传感器元件碰撞。通常，AG可以在1mm到3mm之间的范围内。

面对传感器元件的磁体的表面不必是平坦的，它可以具有浮雕结构。在这种情况下，限定传感器封装与磁体之间的最小间隙的旋转位置也限定气隙；换言之，如果间隙的大小在旋转过程中波动，则最小间隙可以被视为气隙。

在本文中讨论的示例中，使用右手笛卡尔坐标系(x，y，z)，其中z轴与轴的旋转轴线相同。径向或方位角位置或坐标定义为

R²＝x²+y²

并且

即，参考圆柱坐标系(R，ψ，z)，其中z轴与旋转轴线相同。注意，ψ表示方位角坐标，

表示(例如，轴的)旋转角度。

优选地，N个传感器元件(例如，霍尔板、MAG-FET、垂直霍尔效应器件、或磁电阻器，如GMR或TMR或AMR)放置在读取圆上，其规则角度间隔为360°/N，这导致N个传感器元件跨读取圆基本均匀分布。

对于N＝3，传感器封装放置在读取圆上的0°、120°和240°处(其中0°位置是任意的)。对于N＝4，传感器封装放置在90°的整数倍处。对于N＝5，传感器封装放置在72°的整数倍等处。对于N＝2，传感器元件也可以放置在0°和90°处。

如果传感器元件位于如下角度位置处

其中i＝0、1、……、N-1，则系统可以计算总和

其中该复数的自变量表示轴的角位置，即

ψ＝arctnn₂{Co，Si}，

其可以通过已知的CORDIC算法来有效地计算(例如，参见https://en.wikipedia.org/wiki/CORDIC)。在US 2015/0137797 A1中也描述了关于如何计算角位置ψ的细节。

B(ψ_i)是在读取圆上的角位置ψ_i处测得的磁场，j是虚数

磁场B可以是轴向磁场分量B_z，或者可以是某种其他磁场分量(例如，径向或方位角场、或者在某个其他方向上的场分量)。

本文中描述的解决方案特别地提出使用多极磁体作为磁场源。多极磁体可以具有环路结构，它特别地可以围绕轴耦合或布置(例如，固定)，该轴围绕旋转轴线旋转。

该多极磁体包括P个极对，它们可以跨360°的环来分布(布置)。因此，多极磁体的每个磁极的方位角大小为

有P个磁北极和P个磁南极，它们的大小可以相等，并且可以交替布置。

可以选择数目P使得磁场适合于感测元件(也称为磁场感测元件或磁感测元件)。

例如，数目P可以大于1。另一方面，如果数目P太大，则磁极变得太小(对于给定直径)，并且鉴于气隙，磁场衰减太多，并且感测元件可能无法提供准确测量。而且，对于大量极对P，磁场相对于感测元件与磁体之间的距离的斜率相对较大，这导致磁场相对于气隙呈指数下降。由于磁环结构可能具有安装公差，因此静止的感测元件与旋转磁体表面之间的距离会在旋转期间发生变化。因此，磁体可以偏心地安装，或者磁体可以摆动。因此，磁体的旋转对称轴线与旋转轴线不一致，但是两个轴线都可以倾斜。

由于气隙的尺寸通常在几毫米的范围内(例如，在1mm到3mm之间)，因此磁极的示例性的(并且优选的)尺寸可以为大约10mm。如果轴的直径为20mm，则磁环的内径可以为25mm。直径20mm与直径25mm之间的空间可以用于将磁环附接到轴。磁环的径向厚度可以为5mm，这导致磁体的外径为35mm。如果其外径处的磁极尺寸为10mm，则将导致5或6个极对(35*π/10＝11)。

如果轴较厚使得磁体外径为70mm，则可以使用两倍数目的极对。

注意，磁极的大小约为10mm可能是有利的，因为它们可以高精度来制造。如果磁极明显较小，则制造精度可能会降低。另外，极大的磁极尺寸的制造精度可能会受到影响，因为它们的材料组成或磁属性(诸如剩磁)可能变得不均匀。

作为感测元件，可以利用范围在1mm到3mm之间的气隙来将至少一个感测元件放置在环形磁体附近。有几种放置(一个或多个)感测元件的方法：

(1)传感器芯片可以包括检测两个不平行的磁场分量的两个感测元件。例如，两个垂直霍尔器件(VHall)可以放置在传感器芯片上使得它们检测环形磁体的径向磁场分量B_r和方位角磁场分量B_ψ。该系统可以基于这两个磁场分量B_r和B_ψ来计算旋转角度

如下所示：

因子k可以被选择以最小化差异

其中

是磁体的机械旋转角度，P是多极磁体的极对数。

注意，旋转角度

可能会相对于机械旋转角度

而失真。这种失真可能是系统的，并且可以取决于磁体及其磁极的几何形状和/或磁传感器元件与磁体的距离。因子k解释了这种系统偏差。

传感器芯片可以包括至少两个传感器元件，其中每个传感器元件可以是以下之一：AMR(各向异性MR)传感器、GMR(巨型MR)传感器、TMR(隧道MR)传感器、霍尔板或垂直霍尔效应器件。

在使用饱和或强磁场GMR传感器或饱和TMR传感器的情况下，这样的传感器提供磁场分量B_r/B和B_ψ/B，其中

这将进一步得到

在使用AMR传感器的情况下，这样的传感器提供磁场分量

和

而不是B_r和B_ψ。这将得到AMR传感器的旋转角度，如下：

然后，可以选择因子k以最小化项

(2)若干传感器芯片可以(基本上)等距地布置在与旋转轴线同心并且正交于旋转轴线的读取圆上。例如，五个芯片可以在0°、72°、144°、216°和288°处放置在读取圆上。每个传感器芯片只能检测单个磁场分量，例如轴向分量B_z。这可以例如通过霍尔板来实现。

如上所述，这些芯片的信号可以组合以提供CO信号和SI信号，并且旋转角度

可以如下计算：

例如，k通常可以接近或等于1。

在版本(1)和(2)中，当多极磁体旋转360°时，传感器芯片输出从0°到360°旋转P倍的角度

因此，该系统具有P重(P-fold)歧义：无法将角度A与角度A+360°/P或角度A+2*360°/P或者与角度A*(P-1)*360°/P区分开。在某些用例场景中，这种歧义可能是无关紧要的(例如，如果角度传感器用于控制具有P个极对的无刷DC电机)。但是，在很多其他情况下，需要将角度A与角度A*(P-1)*360°/P区分开。这可以根据以下方法来实现。

注意，多极磁体的P重周期性将磁感测元件的误差减小了P倍：如果每个磁感测元件在旋转角度

中的角度误差为1°，则系统确定

以得出机械角度

并且这将总体角度误差隐式地减小到1°/P。因此，有利的是，减小了磁极的尺寸(而不损害其制造精度)。

本文中描述的示例是所谓的转动计数器(也称为磁性转动计数器或磁极计数器或计数器)。该转动计数器可以被实现为放置在读取圆上或靠近读取圆的封装中芯片上的微磁系统。转动计数器可以特别地被布置为对通过其附近的磁极的数目进行计数。如上所述，转动计数器可以有利地与其他感测元件组合。

转动计数器可以特别地对与用于感测旋转角度的

的磁角度传感器相同的多极磁体的磁极进行计数。换言之，转动计数器可以对仅N极或仅S极或其任何组合进行计数。

在下文中，示例性地假定转动计数器对N极进行计数。

有利地，转动计数器可以是或者可以包括GMR器件，该GMR器件监测投射到其芯片的主表面的磁场。GMR器件不需要用于激励目的的电力。在示例性实施例中，转动计数器可以是GMR器件的自由层的螺旋形状，并且可以是在螺旋的一端的磁畴发生器。

该器件包括可磁化材料的细螺旋(也称为环路结构)。螺旋具有线，该线允许在线的旁边、即正向或反向被磁化。该方向(正向或反向)能够编码一个比特。磁畴发生器可以被实现为盘形区域(或任何表面区域)，其中磁化可以经由外部施加的磁场而容易地沿任何方向旋转。磁畴发生器可以耦合到螺旋：当外部磁场进一步旋转时，磁场使磁畴发生器中的磁化相干地旋转，而细长螺旋中的磁畴保持不受影响。最后，与细长螺旋结构的第一部分相比，磁畴发生器中达到180°的磁矩方向相反。然后，磁畴发生器在螺旋的这一部分中拉动磁化，直到最终切换其极性。通过明显的弯曲而与第一部分分离的、在螺旋内部更远的区域(部分)因此不受影响。因此，磁畴发生器已经将新的磁畴注入到螺旋中。

每当足够强度的平面内磁场旋转360°时，这都会沿螺旋线将磁畴拉动预定义距离。这些磁畴沿着螺旋的位置可以由磁场感测元件读出，该磁场感测元件需要电能来进行这种读取过程。因此，转动计数器可以在没有电源的情况下进行计数，但是可能需要电源来被读出。参考[2006年10月的IEEE Trans.on Magnetics的第42卷的第10期的第3297至3299页的R.Mattheis等人的“Multiturn Counter Using the Movement and Storage of 180°Magnetic Domain Walls”]。

这是特别有利的，因为即使在没有电力的情况下，这种转动计数器也不会错过脉冲。在上电之后，该系统可能因此能够读出转动计数器的状态并且了解相关的P个多极。

因此，该系统能够计算旋转角度

该角度还指示通过的极对数，如下：

注意，TC指示由转动计数器提供的值(状态)，并且旋转角度

如上所述由传感器元件确定。

有利地，特定强度的磁场被施加到转动计数器。例如，至少18mT并且不超过44mT的磁场可以是示例性设置。该磁场强度范围与本文中讨论的由多极磁体生成的磁场兼容。

而且，转动计数器可以具有的值的范围例如从0到TC_max-1。因此，转动计数器的计数范围为0到TC_max-1；如果转动计数器达到值TC_max-1，并且磁场在同一方向上进一步旋转，则转动计数器将示出值0。因此，转动计数器进行“模TC_max”计数。

注意，在一些应用中，转动计数器可以沿一个或多个正向和/或反向方向计数。在进行反向计数的情况下，TC_max-1跟随值0。

值TC_max优选地可以是极对数P的整数倍。根据示例性实施例，数目TC_max等于极对数P。作为选择，下式可以适用：

TC_max＝i·P

其中i＝1、2、3、……、n是非负整数。

因此，该系统可以如下确定旋转角度：

其中mod(TC，P)指示从TC中减去P的次数如此多以致于结果处于闭合区间[0，P-1]中。

在示例性实施例中，转动计数器对平行于芯片的主表面的磁场分量的旋转进行计数。

一种选择是，极对数P可以不同于将由转动计数器进行计数的值TC_max。在这种情况下，极对数可以如下确定：

其中

trunc()：截断十进制数字，

Do：磁体(环)的外径，

Pz：磁体的单个磁极的磁极尺寸，例如3mm、5mm或7mm。

取决于磁体的制造过程，可能存在具有最高精确度的优选磁极尺寸。这得出给定Pz。外径Do由相应用例场景得出。这允许根据上式来确定极对数P。

在真实世界场景中，数字P可以在10到25之间变化。可以选择的是，提供若干转动计数器，并且组合这些转动计数器的输出。优选地，每个这样的转动计数器使用不同的数字TC_max。

转动计数器特别地有两种可能性来对平行于芯片的主表面的磁场分量的旋转进行计数：多极磁体的磁极可以在磁体的平面(顶部或底部)上，或者多极磁体的磁极可以在磁体的(内或外)环的弯曲表面上。

图1示出了用于转动计数器的示例性布置。该布置包括多极磁体101，该多极磁体101可以布置在轴(未示出)上或机械地耦合到该轴，以围绕旋转轴线102旋转。旋转轴线102沿z方向延伸。

注意，图1中未示出用于确定旋转角度

的其他感测元件。但是，除了转动计数器，还可以布置这些感测元件。

箭头108示出了多极磁体101内部的磁化矢量场。这些场线主要平行于(ψ，z)平面(即，它们基本上正交于径向方向)。

多极磁体101包括分段，每个分段是极对103。每个极对103包括S极104和N极105。转动计数器106可以实现为芯片，其中芯片或芯片的有效表面垂直于径向方向107(r方向)布置。这保证了平行于芯片表面的磁场分量，当一个极对通过芯片时，该磁场分量旋转360°。

在图1中，多极磁体101的S极104和N极105位于多极磁体101的上平面上。转动计数器106检测z方向B_z上的磁场分量和多极磁体101的方位角磁场分量B_ψ，并且被布置为经由磁场投影来对围绕旋转轴线102的通过的S-N极数进行模计数：

在这种情况下，转动计数器106可以优选地实现为引线封装。

图2示出了包括多极磁体201的备选布置，该多极磁体201可以布置在轴(未示出)上或机械地耦合到该轴，以围绕旋转轴线202旋转。旋转轴线202沿z方向延伸。

箭头208示出了多极磁体201内部的磁化矢量场。这些场线主要正交于z轴。

多极磁体201包括分段，每个分段是极对203。每个极对203包括S极204和N极205。转动计数器206可以实现为芯片，其中多极磁体201的磁极布置在多极磁体201的外环的弯曲表面(即，外表面)上。芯片的有效表面垂直于旋转轴线202布置。这保证了平行于芯片表面的磁场分量，当一个极对通过芯片时，该磁场分量旋转360°。

在图2中，多极磁体201的S极204和N极205位于多极磁体201的外表面上。转动计数器206检测多极磁体201的径向磁场分量B_r和方位角磁场分量B_ψ，并且被布置为基于经过的S-N极来对芯片表面上的磁场的旋转进行计数：

在这种情况下，转动计数器206可以被实现为SMD(表面安装器件)。

图3示出了包括具有若干极对302的多极磁体301的示例性示图。多极磁体301生成影响感测元件304(其可以包括至少一个、特别是至少两个感测元件，例如XMR或霍尔器件)以及转动计数器306的磁场。感测元件提供旋转角度

另外，转动计数器306可以包括若干子计数器，每个子计数器是具有不同的TC_max值(即不同的计数范围)的转动计数器。这允许通过利用不同的子计数器来覆盖较大的计数范围，其中较大的计数范围是所选择的子计数器的计数范围的最小公倍数(LCM)。

有利地，感测元件304和转动计数器306可以彼此相邻地定位，优选地在同一芯片上或者至少在同一壳体或封装内。如果这些感测元件跨围绕轴的读取圆而部署，则这尤其可以适用于感测元件的选择。在这点上，图3示例性地示出了壳体303。

另外，存储器308也可以位于壳体303中。存储器308可以用于存储磁体301的极对数P。在如上所述的mod(TC，P)的计算中，该数目可能是必需的。

感测元件304将XMR角(也称为旋转角度

)提供给处理单元305。此外，极对数P从存储器308被提供给处理单元305(或由处理单元305从存储器308读取)。处理单元305生成信息

转动计数器306的输出以及极对数P(来自存储器)被提供给处理单元307，该处理单元307确定信息

如上所述。

取决于数目P，可以使用一个以上的计数器，并且可以组合这几个计数器的结果。

组合单元309因此基于来自处理单元305和处理单元307的输出来确定旋转角度

如下：

具有AMR角度传感器的实施例：

作为一种选择，各向异性磁阻(AMR)可以用作磁角度传感器。当自由层(通常为坡莫合金)的磁化改变其相对于电流线的对准时，AMR示出不同的电阻。磁化根据来自多极环形磁体的磁场而旋转。与诸如GMR或TMR等其他XMR相比，AMR具有cos(2α)依赖性，其中α是坡莫合金磁化与电流线之间的角度。

因此，如果多极磁体仅旋转一个极，则AMR角度传感器输出360°，而如果多极磁体旋转极对，则AMR角度传感器输出720°。换言之，对于多极磁体的单个旋转，AMR角度传感器输出2*P个旋转，而对于多极磁体的单个旋转，GMR、TMR和霍尔传感器仅输出P个旋转(其中P是多极磁体的极对数)。

因此，可以通过利用对磁极进行计数的转动计数器来解决这种2P重歧义，而不管它们是N极还是S极。换言之：使用AMR可能需要转动计数器，该转动计数器对所施加的平面内磁场的每个半圈旋转(180°)进行计数。

在示例性实施例中，这种与AMR传感器兼容的转动计数器可以包括两个转动计数器，其仅对所施加的平面内磁场的完整旋转进行计数，但是这两个转动计数器TC₁和TC₂可以沿着读取圆移位奇数个磁极。因此，旋转角度可以如下计算：

其中转动计数器TC₁和TC₂都以P或其整数倍为模进行计数(如上所述)。

其他示例和实施例

有利地，可以用P个极对来实现转动计数器，P个极对以P的整数倍为模进行计数。例如，如果P＝6，则转动计数器以6为模进行计数，并且它可以用于具有2、3或6个极对的多极磁体。

轴直径存在很大的范围，例如从4mm到40mm。这导致磁体的外径在8mm到50mm的范围内。另一方面，磁极尺寸的变化可能不会达到50/8，因为对于直径较小的磁体，这可能会导致较小的磁极，而对于直径较大的磁体，这可能会导致较大的磁极。但是，如果磁极较小，则制造工作会增加，从而导致成本更高，并且从磁极中产生的磁场的幅度相对于气隙(即，相对于垂直于磁体的表面的距离)呈指数下降。有关更多详细信息，请参考[2012年的Progress In Electromagnetics Research B的第38卷的71-105的“U.Ausserlechner:CLOSED ANALYTICAL FORMULAE FOR MULTI-POLEMAGNETIC RINGS”，其可从http:// www.jpier.org/PIERB/pierb38/05.11112606.pdf获取]。

因此，小磁极在位于固定气隙处的传感器上提供弱磁场。在传感器芯片的取向使得气隙距离垂直于主芯片表面的情况下，气隙可以包括间隙和保护涂层的总和(模块的第二级封装和传感器元件本身的第一级封装)。

在很多情况下，气隙距离可以平行于主芯片表面。在这种情况下，气隙被进一步增加了芯片上的敏感元件的横向距离和横向尺寸。例如，可以存在围绕有源芯片区域的密封环和用于从晶片锯切芯片的切口。另外，转动计数器的有源器件可以具有例如400μm的特定尺寸。因此，转动计数器的有效体积可能距磁体约2mm至3mm(由于存在气隙)。在某些情况下(例如，较小的磁体直径、较小的轴直径)，可以将其减小到0.5mm的尺寸，在其他情况下，甚至可以达到6mm的尺寸。因此，磁极可以有利地具有相似的尺寸，例如大约5mm。在常见用例中，可能有很多具有不同的极对数P的系统。因此，传感器芯片可以有利地具有足够的通用性以与各种极对数P一起使用。

为了满足该需求，可以提供若干环路(也称为环路结构)。第一环路可以用于对P＝2个极对进行计数，第二环路可以用于对P＝3个极对进行计数，第三环路可以用于对P＝4个极对进行计数，等等。在这种情况下，该系统可以包括可编程存储器(例如，EEPROM)，该可编程存储器允许选择与磁体的极对数相匹配的计数环路。因此，除了所选择的环路，所有环路均无效。

作为备选，可以提供包括若干环路的转动计数器。然后，转动计数器对大数进行计数，该大数是n₁、n₂、n₃、……、n_i的最小公倍数(LCM)，其中是n₁、n₂、n₃、……、n_i是不同的极对数。

例如，n₁＝2，n₂＝3和n₃＝4。在该示例中，LCM等于12。因此，转动计数器能够对具有2、3、4、6或12个极对的多极磁体进行计数。

在这种情况下，该系统包括用于存储实际极对数P的可编程的存储器(例如，EEPROM)，因为要计算值“mod(TC，P)”以确定旋转角度(如上所述)。

以12为模进行计数的转动计数器和包括P＝6个极对的多极磁体的示例如下：最初，可以将转动计数器设置为TC＝0。在磁体旋转一次之后，转动计数器示出TC＝6。下一通过的磁极导致转动计数器递增(TC＝7)。但是，该系统以6为模计算数字或对TC进行计数，即

mod((TC,P)＝mod((7,6)＝1。

因此，该系统示出TC＝1的角度值。因此，转动计数器适用于具有P＝6个极对的这种多极磁体，尽管其溢流与数目P不匹配；实际上，溢流12是极对数的两倍。

当磁体进一步旋转时，转动计数器将产生TC值8、9、10、11和12，即，在磁体完成第二次完整旋转之后，计数器将再次以TC＝0开始。

因此，有利的是，(例如，板载或单独地)提供了用于转动计数器的存储器、以及用于写入和读取该存储器的装置。

在示例性实施例中，转动计数器以及存储器可以共享相同的封装或壳体。作为一种选择，用于计算“mod(TC，P)”的处理装置也是该封装或壳体的一部分。这样做的优点是，可以减少接线工作，从而降低成本。

在另一选择中，转动计数器和磁角度传感器位于同一封装或壳体中，特别是彼此相邻(优选地尽可能彼此靠近)。

角分辨率随着极对数P的增加(即，磁极尺寸的减小)而增加。另一方面，较小的磁极尺寸降低磁场的均匀性。磁角度传感器与转动计数器之间的相关性可能很重要，因为该系统必须知道这两者之间的角度偏移。在理想情况下，相同的磁场可能会影响磁角度传感器以及转动计数器。如果磁角度传感器和转动计数器彼此紧邻，则可以(几乎)实现这一点。这两者之间的间隔可以小于单个磁极的大小。示例性地，该间隔可以小于1mm。

但是，例如可以通过使磁角度传感器相对于转动计数器移动一个磁极的大小来补偿磁角度传感器与转动计数器之间的较大间隔。在这种情况下，只要转动计数器前面存在南极，则磁角度传感器前面就会存在北极，这会导致两个元件上的磁场相移180°。

另一选择是，磁角度传感器可以包括用于检测磁场的强度的装置。这种装置的示例基于辅助信号信道，该信道允许检测“磁体丢失”情况。这种装置的另一示例是直接测量磁场的强度的角度传感器的霍尔传感器部分。

因此，如果转动计数器与磁角度传感器紧密间隔，则磁角度传感器能够检测或测量磁场的强度，并且能够确定磁场在允许的范围内。这个允许的范围可以适用于磁角度传感器和转动计数器两者。这个选择提高了系统的可靠性。

有多种可能性将磁角度传感器和转盘放置在彼此附近。例如，转动计数器可以位于专用芯片上，而磁角度传感器可以位于不同的专用芯片上。两个芯片可以并排放置在引线框架的管芯焊盘上，也可以背对背放置，其中管芯焊盘位于它们之间(一个芯片在管芯焊盘的上侧上面朝上，而另一芯片在下侧上面朝下)。而且，两个芯片可以叠置使得较大芯片粘在管芯焊盘上，而较小芯片粘在较大芯片的顶部，其中两个芯片都面朝上。作为备选，转动计数器可以与磁角度传感器在同一芯片上实现(两者可以共享一个芯片或管芯)。在这种情况下，两个芯片共享(基本上)相同的z坐标(z垂直于芯片)。另外，芯片可以并排放置，或者可以以嵌套方式布置(例如，转动计数器的环路可以使磁角度传感器的磁场敏感元件循环)。在这种情况下，转动计数器和磁角度传感器的重心一致。

将转动计数器和磁角度传感器放置在同一芯片上还具有可以节省空间的优点，否则将需要焊盘。

尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员很清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本发明的一些优点。对于本领域技术人员很清楚的是，执行相同功能的其他组件可以适当地替换。应当提到，参考特定附图解释的特征也可以与其他附图的特征相结合，即使在没有明确提及的情况下。此外，本发明的方法可以在使用适当的处理器指令的所有软件实现中来实现，或者在利用硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现相同结果的混合实现中来实现。对本发明构思的这种修改旨在由所附权利要求书覆盖。

Claims

1.一种离轴计数器，被布置为以整数为模来对围绕旋转轴线转动的磁场源的磁极进行计数。

2.根据权利要求1所述的计数器，其中所述磁场源能够机械地耦合在轴上，特别是固定在轴上，并且所述磁场源包括以下至少中的至少一项：

-永磁体；

-环形磁体；

-注塑铁氧体。

3.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述整数是可编程的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述磁场源是多极磁体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述整数等于所述多极磁体的极对的数目P的整数倍。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的计数器，其中所述多极磁体是环形磁体或甜甜圈形磁体，并且其中所述多极磁体的磁极布置在所述环形磁体的底部或顶部处的平面或弯曲表面上。

7.根据权利要求4或5中任一项所述的计数器，其中所述多极磁体是环形磁体或甜甜圈形磁体，并且其中所述多极磁体的磁极布置在所述环形磁体的弯曲表面上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述计数器被实现为芯片上或封装中系统，特别是与一个附加感测元件相邻的系统。

9.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述计数器布置在与所述旋转轴线同心的圆上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述计数器包括具有磁化图案的微磁环路结构，其中所述微磁环路结构被布置为监测投射在所述微磁环路结构的主表面上的磁场。

11.根据权利要求10所述的计数器，其中所述微磁环路结构是在XMR设备的层上的环路结构，其中所述XMR设备的所述层是自由层。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的计数器，包括至少一个电路系统或作为至少一个电路系统的一部分，其中所述至少一个电路系统被布置用于

-将由所述微磁环路结构检测到的磁性图案转换为数字，

-将所述数字映射到间隔，所述间隔对应于以整数为模进行计数。

13.根据前述权利要求中任一项所述的计数器，其中所述计数器被实现在芯片上，所述芯片包括主表面，使得与所述主表面基本平行的磁场分量的旋转被计数。

14.一种旋转角度感测设备，包括

-磁场源，能够机械地耦合到可旋转轴；

-至少一个磁角度感测元件，被布置为检测所述磁场源的磁场，

-其中所述至少一个磁角度感测元件围绕旋转轴线布置，特别是在垂直于所述旋转轴线的至少一个平面上，

-根据前述权利要求中任一项所述的离轴计数器。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述磁场源是多极磁体。

16.根据权利要求14或15中任一项所述的设备，还包括电路系统，所述电路系统被耦合到所述至少一个感测元件和所述离轴计数器，并且被配置为通过组合来自所述至少一个感测元件和所述离轴计数器的信号来提供指示所述磁场源围绕所述旋转轴线的旋转位置的信号。

17.一种用于利用根据权利要求14至16中任一项所述的旋转角度感测设备来确定旋转角度的方法，其中所述方法包括：

-通过组合来自所述至少一个感测元件和所述离轴计数器的信号来提供指示所述磁场源围绕所述旋转轴线的旋转位置的信号。