CN116659556A - 具有高准确性的磁位置传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有高准确性的磁位置传感器系统。包括磁源(102)以及相对于该磁源可移动的传感器设备(101)的位置传感器系统(100)。磁源包括交替磁极的第一轨道(T1)以及相等数量的交替磁极、但相对于第一轨道180°相移的第二轨道(T2)。传感器设备被配置成用于测量多个磁场分量，该多个磁场分量包括在面向第一轨道(T1)的第一传感器位置(A)处的第一磁场分量，以及在面向第二轨道(T2)的第二传感器位置(B)处的、平行于第一磁场分量被定向的第二磁场分量；以及用于从所述多个磁场分量得出第一差信号(diff1)和第二差信号(diff2)，并且用于基于这些差信号来确定位置

Description

具有高准确性的磁位置传感器系统

技术领域

本发明总体上涉及磁位置传感器系统领域，并且更具体地涉及线性位置或角位置传感器系统。

背景技术

磁位置传感器系统，特别是线性位置或角位置传感器系统在本领域中是已知的。它们提供能够测量线性位置或角位置而无需进行物理接触的优点，因此避免了机械磨损、划痕、摩擦等问题。

存在位置传感器系统的许多变体，可解决以下要求中的一项或多项：使用简单或便宜的磁结构、使用简单或便宜的传感器设备、能够在相对较大的范围内进行测量、能够以高准确性进行测量、仅需要简单的算法、能够以高速进行测量、对定位误差高度稳健、对外部干扰场高度稳健、提供冗余、能够检测错误、能够检测错误并且纠正错误、具有良好的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)等。

通常这些要求中的两个或更多个相互冲突，因此需要作出权衡。

总是存在改进或替代的空间。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供对外部干扰场高度不敏感的位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供具有改进的准确性(例如，具有增加的灵敏度和/或增加的分辨率)的位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供适合在工业、机器人或汽车环境中使用的位置传感器系统。

本发明的实施例的目的是提供位置传感器系统，其中，位置传感器设备的成本被降低(例如，更小的芯片面积)。

本发明的实施例的目的是提供位置传感器系统，其中，传感器设备的安装要求被放宽。

本发明的实施例的目的是提供位置传感器系统，其对老化效应(例如，与未对准、机械磨损、温度变化、退磁等相关的老化效应)更稳健。

这些目的和其他目的通过本发明的实施例被实现。

根据第一方面，本发明提供了一种位置传感器系统，该位置传感器系统用于确定传感器设备的位置(例如，x)，该传感器设备可沿预定义路径相对于磁源移动或者该磁源可沿预定义路径相对于传感器设备移动，该位置传感器系统包括：磁源，该磁源包括沿第一轨道布置的第一多个(例如,N1)交替磁极，并且包括沿第二轨道布置的第二多个(例如,N2)交替磁极，其中,磁极的中心由预定义的(例如,线性或角度或圆周)极距(例如,pp)间隔开；其中,第一轨道(例如,T1)的中心线(例如,C1)与第二轨道(例如,T2)的中心线(例如,C2)以预定义的轨道距离(例如，dt)间隔开，并且其中第一轨道(例如，T1)的磁化与第二轨道(例如，T2)的磁化基本上是180°相移的；并且其中，第二多个(例如，N2)等于第一多个(例如，N1)；其中，传感器设备包括沿着预定义路径跨越小于1.40倍极距的距离(或间隔开小于1.40倍极距的距离)的多个磁传感器；其中，多个磁传感器被配置成用于测量多个磁场分量，多个磁场分量包括位于第一轨道(例如，T1)上方但优选地不位于第二轨道上方的第一传感器位置(例如，A)处的第一磁场分量(例如，BxA、BzA)，以及位于第二轨道(例如,T2)上方但优选地不位于第一轨道上方的第二传感器位置(例如，B)处的、平行于第一磁场分量的第二磁场分量(例如，BxB、BzB)；传感器设备进一步被配置成用于从所述多个磁场分量得出多个差信号(例如，diff1、diff2)，以及从所述多个差信号(例如，diff1、diff2)得出所述位置。

多个差信号优选地彼此线性独立。

或者换句话说：穿过第一传感器元件并且垂直于由第一轨道和第二轨道形成的表面(例如，平面或圆柱形表面)定向的第一假想线与第一轨道相交。同样地，穿过第二传感器元件并且垂直于所述表面定向的第二假想线与第二轨道相交。

“预定义路径”也可以被称为“相对移动的路径”。

此类系统的主要优点是第一差信号和第二差信号对外部磁干扰场高度不敏感，并且因此从其得出的线性位置或角位置对外部干扰场也高度不敏感。

优点是第一轨道和第二轨道基本上是180°相移的，因为此类磁体不会遭受轨道之间的串扰。

优点是第一传感器和第二传感器位于第一轨道和第二轨道上，因为这些信号以独立于极距(仅取决于轨道宽度)的方式相移。

在其中第一传感器信号和第二传感器信号是180°相移的一些实施例中(参见例如，图4至图8B以及图10至图14B)，这些信号之间的差提供大约两倍的信号幅度(因此改进信噪比)，并且抵消(或很大程度上降低)外部干扰场。

在实施例中，沿预定义路径的传感器之间的最大距离(例如，线性、角度或圆周距离)，小于1.40倍极距、或小于1.30倍极距、或小于1.20倍极距、或小于1.10倍极距、或小于1.00倍极距极距、或小于0.90倍极距、或小于0.75倍极距、或小于0.60倍极距、或小于0.40倍极距。

在实施例中，沿预定义路径的传感器之间的最大距离(例如，线性、角度或圆周距离)等于极距的约1.00倍(±5％)、或等于极距的约0.67倍(±5％)、或等于极距的约0.50倍(±5％)。

预定义路径例如可以具有至少5.0mm或至少10mm的长度。路径可以例如是长于5mm或长于10mm的直线、或者具有大于3.0mm、或大于4.0mm的半径的圆形路径。

位置传感器系统可以是角位置传感器系统或线性位置传感器系统。

在实施例中，面向传感器设备的北极和南极的数量为至少四个北极和四个南极、或至少六个北极和六个南极、或至少八个北极和八个南极、或至少十个北极和十个南极、或至少十二个北极和十二个南极、或至少十六个北极和十六个南极、或至少二十个北极和二十个南极。

优选地，第一和第二传感器位置(A，B)位于基本上垂直于预定义路径的虚拟线段上，例如，在线性位置传感器系统的情况下，位于与移动方向横向的线段上，或者在角位置传感器系统的情况下位于径向定向的线段上。

第二轨道可与第一轨道相邻。第一轨道和第二轨道之间可以存在凹槽。

第一轨道(T1)的磁极具有预定义的(线性或角度的)极距，并且第二轨道(T2)的磁极具有相同的预定义的极距。

在实施例中，所述多个差信号包括在第一轨道(例如,T1)上方的第一传感器位置(例如，A)处测得的第一信号与在第二轨道(例如，T2)上方的第二传感器位置(例如，B)处测得的第二信号之间确定的至少一个差。

在实施例中，预定义路径是线性的，并且第一轨道是线性的，并且第二轨道是线性的。

此类位置传感器系统可以被称为“线性位置传感器系统”。

预定义的路径、第一轨道的中心线和第二轨道的中心线优选地彼此平行。

在实施例中，第一轨道和第二轨道中的每一个包括至少两个磁极对(两个磁极面向上，两个磁极面向下)、或至少三个磁极对、或至少四个磁极对、或至少五个磁极对、或至少六个磁极对(例如，如图3中所图示)。

在实施例中，第一轨道和第二轨道具有带有共同中心的圆形或环形形状，并且传感器设备位于距所述中心的非零距离处。

此类位置传感器系统可以被称为“角位置传感器系统”。

预定义路径、第一轨道的中心线和第二轨道的中心线优选地位于同心圆上。

在实施例中，第一轨道和第二轨道中的每一个包括至少四个磁极对(例如，顶表面的两个北极和两个南极，以及底表面的两个北极和两个南极)、或者至少六个磁极对、或至少八个磁极对(例如，如图1中所图示)、或至少十个或十二个或十四个磁极对、或至少十六个磁极对(例如，如图2中所图示)。

在实施例中，磁源可绕旋转轴线旋转，并且第一轨道和第二轨道是位于垂直于旋转轴线的单个平面内的同心圆形轨道。

在本实施例中，磁源可以沿轴向方向被磁化，即，剩余磁场可以平行于旋转轴线。传感器设备的衬底可以垂直于旋转轴线被定向。

在该实施例中，第一轨道T1具有带有第一半径的第一圆形中心线，以及第二轨道T2具有带有小于第一半径的第二半径的第二圆形中心线，并且第一和第二半径之间的差等于预定义轨道距离“dt”。

传感器设备优选地被安装在平面轨道“上方”0.5至5.0mm范围内的距离处。

在实施例中，磁源可绕旋转轴线旋转，并且第一轨道和第二轨道为绕所述旋转轴线的圆柱形轨道，并且在所述旋转轴线的轴向方向上被间隔开；其中，第一轨道具有第一外半径(例如，R1)，并且第二轨道具有等于第一外半径的第二外半径(例如，R2)。

在该实施例中，磁源可以在径向方向上被磁化，即，剩余磁场可以垂直于旋转轴线。

传感器设备优选地被安装在圆柱形轨道“上方”0.5至5.0mm范围内的距离处。

在实施例中，传感器设备进一步被配置成用于测量第三传感器位置(例如，C)处的第三磁场分量(例如，BzC)，并且用于测量第四传感器位置(例如，BzD)处的第四磁场分量(例如，BzD)；其中，第一、第二、第三和第四是四个不同的传感器位置；并且其中，第三和第四磁场分量被定向为平行于或正交于第一磁场分量(例如，BzA)；并且其中，多个差信号包括第一差信号(例如，diff1)和第二差信号(例如，diff2)，其中，第一差信号(例如，diff1)是第一磁场分量(例如，BzA)与第二磁场分量(例如，BzB)之间的差，并且第二差信号(diff2)是第三磁场分量(例如，BzC)与第四磁场分量(例如，BzD)之间的差。

本实施例的示例在图4至图7中，以及在图11至图13中被示出。

如果第一和第二差信号还是基本上90°相移的，并且如果它们具有大致相同的幅度，则这是优点，因为在这种情况下可以使用反正切函数容易地计算出线性位置或角位置。然而，这不是绝对必要的，因为对两个差信号进行缩放使得它们具有相同的幅度是可能的，和/或如果两个信号不是90°相移的，则使用所谓的“修改的反正切函数”是可能的。

在实施例中，第一和第二以及第三和第四磁场分量平行于衬底被定向(通常被表示为：Bx)

在实施例中，第一和第二以及第三和第四磁场分量垂直于衬底被定向(通常被表示为：Bz)

在实施例中，第一和第二磁场分量平行于衬底被定向(通常被表示为：Bx)，以及第三和第四磁场分量垂直于衬底被定向(通常被表示为：Bz)，例如，如图14B所示。

在实施例中，传感器设备包括四个水平霍尔元件。

在实施例中，传感器设备包括四个垂直霍尔元件。

在实施例中，传感器设备包括位于距第一轨道和第二轨道预定义的距离处的衬底；并且第一、第二、第三和第四传感器位置是四个不同的传感器位置(例如，A、B、C、D)；并且第一、第二、第三和第四磁场分量(例如，BzA、BzB、BzC、BzD)在垂直于衬底的方向(例如，Z)上被定向。

该实施例的示例在图4至图7中，以及在图11至图13中被示出。

衬底可以是半导体衬底。传感器设备可以被封装在模制封装中并且可以具有多个引脚(通常称为“半导体芯片”)。

磁传感器或磁传感器元件可以被并入在所述衬底中，或者可以被安装到所述衬底。

在实施例中，半导体设备仅包括单个半导体衬底。

在实施例中，传感器设备包括四个水平霍尔元件，优选地不与集成磁通量集中器(integrated magnetic flux concentrator，IMC)相邻。

在实施例中，传感器设备包括位于距第一轨道和第二轨道预定义的距离处的衬底；并且第一、第二、第三和第四传感器位置是四个不同的传感器位置(例如，A、B、C、D)；并且第一、第二、第三和第四磁场分量(例如，BxA,BxB,BxC,BxD)在平行于衬底的方向(例如，X)上被定向，并且与相对移动的预定义路径相切。

本实施例的示例在图4至图7中，以及在图11至图13中被示出。

在实施例中，传感器设备包括四个垂直霍尔元件。

在实施例中，第一传感器位置(例如，A)和第二传感器位置(例如，B)位于基本上横向于预定义路径被定向的第一线段上；并且第三传感器位置(例如，C)和第四传感器位置(例如，D)位于正交于第一线段被定向的第二线段上。

此类实施例在图4至图6中，以及图11和图12中被图示。

在实施例中，第一传感器位置(例如，A)和第二传感器位置(例如，B)位于基本上横向于预定义路径被定向的第一线段上；并且第三传感器位置(例如，C)和第四传感器位置(例如，D)位于基本上平行于第一线段被定向的第二线段上。

此类实施例在图7和图13中被图示。

在实施例中，第一和第三传感器位置(A，C)基本上以1/2极距被间隔开，并且同样地，第二和第四传感器位置(B，D)基本上以1/2极距被间隔开。在这种情况下，可选地乘以常数K的比率R的反正切公式可以被用于确定位置。

在实施例中，第一和第三传感器位置(A，C)以在从极距的20％至45％范围内的距离被间隔开，并且同样地，第二和第四传感器位置(B，D)以在从极距的20％至45％范围内的距离被间隔开。在这种情况下，具有不同于1.0的常数C和/或具有不同于0.0的常数T的反正切公式[3]可以被用于确定位置。

在实施例中，第一和第三传感器位置(A，C)以在从极距的55％至80％范围内的距离被间隔开，并且同样地，第二和第四传感器位置(B，D)以在从极距的55％至80％范围内的距离被间隔开。在这种情况下，具有不同于1.0的常数C和/或具有不同于0.0的常数T的反正切公式[3]可以被用于确定位置。

在实施例中，第一线段和第二线段重合，这意味着四个传感器位置是位于单个线上的四个不同的传感器位置，例如，如图8B或图14B所图示。

在实施例中，第一线段和第二线段以至少0.5mm间隔开。

在实施例中，传感器设备进一步被配置成用于在第一传感器位置(例如，A)处或在位于穿过第一传感器位置(例如，A)和第二传感器位置(例如，B)的虚拟线上的第三传感器位置(例如，C)处测量正交于第一磁场分量(例如，BzA)的第三磁场分量(例如，BxA)，并且用于在第二传感器位置(例如，B)处或在位于穿过第一传感器位置(例如，A)和第二传感器位置(例如，B)的虚拟线上的第四传感器位置(例如，D)处测量正交于第二磁场分量(例如，BzB)的第四磁场分量(例如，BxB)；并且多个差信号包括第一差信号(例如，diff1)与第二差信号(例如，diff2)，其中，第一差信号(例如，diff1)为第一磁场分量(例如，BzA)与第二磁场分量(例如，BzB)之间的差，并且第二差信号(例如，diff2)是第三磁场分量(例如，BxA)与第四(例如，BxB)磁场分量之间的差。

本实施例的示例在图8A和图14A中被示出。

传感器设备优选地被定向成使得互连第一和第二传感器位置(A，B)的虚拟线段[AB]基本上垂直于预定义路径被定向。

本实施例的主要优点是仅存在两个传感器位置，这些传感器位置中的位置与极距无关，这意味着特定的传感器芯片可以与多种不同的磁体一起被使用。

在实施例中，传感器设备包括两个2D传感器，第一2D传感器位于第一轨道(T1)上方的第一传感器位置(A)处，并且第二2D传感器位于第二轨道(T2)上方的第二传感器位置(B)处。每个2D传感器可以包括集成磁通量集中器以及两个水平霍尔元件，例如，如图19中所图示，或者可以包括水平霍尔元件以及至少一个垂直霍尔元件，例如，如图20中所图示。

在实施例中，多个差信号包括第一差信号(例如，diff1)和第二差信号(例如，diff2)；并且位置被确定为第一差信号与第二差信号的比率的函数(例如，反正切函数)。

在实施例中，位置根据或通过使用以下公式中的一个来确定：其中，diff1为第一差信号，diff2为第二差信号，R为第一差信号与第二差信号的比率，并且K和M是不同于1.0(例如，大于1.05或小于0.95)的预定义常数；并且其中，T是不同于0(例如，具有大于至少0.05的绝对值)的预定义常数。

K的值可以不同于1.0(例如，可以小于0.95或大于1.05)。M的值可以等于1.0，或者可以不同于1.0。例如，M的值可以小于0.95或大于1.05。T的值可以等于0.0，或者可以不同于0.0(例如，绝对值大于0.05)。K、M、T的值可以通过模拟或通过校准来确定，并且可以被硬编码，或者可以被存储在传感器设备的非易失性存储器中。

在线性位置传感器系统的情况下，线性位置可以通过将值phi的值乘以与极距相关的预定义常数(例如，L)来计算。

在实施例中，传感器设备进一步被配置成用于在第三传感器位置(例如，C)处测量平行于第一磁场分量(例如，BzA)的第三磁场分量(例如，BzC)；并且第一和第二传感器位置(例如，A、B)以1/3极距被间隔开(使得第一和第二信号是240°相移的，因为它们位于不同的轨道上)，并且其中，第一和第三传感器位置(例如，A、C)以2/3极距被间隔开(使得第一和第三信号是120°相移的，因为它们位于相同的轨道上)；并且其中，传感器设备被配置成用于：确定第一、第二和第三磁场分量的平均(例如，Bzavg)；并且用于将第一差信号(例如，diff1)确定为第一磁场分量(例如，BzA)与所述平均(例如，Bzavg)之间的差；并且用于将第二差信号(例如，diff2)确定为第二磁场分量(例如，BzB)与所述平均(例如，Bzavg)之间的差；以及用于将第三差信号(例如，diff3)确定为第三磁场分量(例如，BzC)与所述平均(例如，Bzavg)之间的差；并且用于基于第一、第二和第三差信号来确定位置。

本实施例的示例在图9、图10和图5中被示出。

三个差信号为“三相信号”，即，具有基本上相同的幅度，以及基本上是120°相移的。如何基于三相信号来计算位置是已知的。在实施例中，使用公知的克拉克变换将三相信号转换为正交信号I、Q，并且位置被确定为这些正交信号的比率的函数(例如，作为所述比率的反正切函数)。

磁源可以是或可以包括永磁体。永磁体可以包括铁氧体、或者诸如FeNi或镍-铁氧体之类的复合材料、或者可以包括塑料粘结磁体。

磁源可以包括各向同性材料、或者可以包括各向异性磁材料。

在实施例中，磁材料包括或主要包括铁氧体、SmCo、FeNdB、或塑料粘结磁体或塑料粘结磁粉。

在实施例中，第一轨道(例如，T1)具有在从1.0至3.0mm的范围内、或者在从1.5至2.5mm的范围内的第一宽度(例如，w1)；并且其中，第二轨道(例如，T2)具有在从1.0到3.0mm的范围内、或者在从1.5到2.5mm的范围内的第二宽度(例如，w2)；并且其中，第一传感器位置(例如，A)与第二传感器位置(例如，B)之间的距离(例如，ds)是在从1.0mm到3.0mm的范围内、或者在从1.5mm到2.5mm的范围内的值。

在实施例中，位置传感器系统是角位置传感器系统，并且磁源被安装到轴，并且其中，传感器设备被配置成用于确定轴的第一角位置；并且其中，位置传感器系统进一步包括机械地连接(例如，直接地或间接地(例如，经由多个齿轮))到所述轴的双极磁体，并且进一步包括第二传感器设备，第二传感器设备被配置成用于确定轴的第二角位置；以及其中，位置传感器系统进一步被配置成用于组合第一角位置和第二角位置。优点是所组合的位置是至少360°范围内的高准确性值。

在实施例中，多个磁传感器仅包括霍尔传感器。

在实施例中，多个磁传感器仅包括水平霍尔传感器；或者

在实施例中，多个磁传感器仅包括垂直霍尔传感器；或者

在实施例中，多个磁传感器包括至少一个水平霍尔传感器和至少一个垂直霍尔传感器。

在实施例中，第一传感器位置(例如，A)与第二传感器位置(例如，B)之间的距离(例如，ds)小于第一轨道(例如，T1)的宽度(例如，w1)与第二轨道(例如，T2)的宽度(例如，w2)的总和、或小于所述总和的80％、或小于所述总和的70％、或小于所述总和的60％、或小于所述总和的50％、或少于所述总和的40％。

在实施例中，第一传感器位置(例如，A)与第二传感器位置(例如，B)之间的距离(例如，ds)小于轨道距离(例如，dt)的2.00倍、或小于轨道距离(例如，dt)的1.50倍、或小于轨道距离(例如，dt)的1.25倍、或小于轨道距离(例如，dt)的1.00倍、或小于轨道距离(例如，dt)的0.90倍。

根据第二方面，本发明还提供在根据第一方面的位置传感器系统中使用的位置传感器设备；该位置传感器设备包括衬底；该衬底包括：第一磁传感器，用于在第一传感器位置(例如，A)处测量第一磁场分量(例如，BzA)，以及第二磁传感器，用于在第二传感器位置(例如，B)处测量第二磁场分量(例如，BzB)，以及第三磁传感器，用于在第三传感器位置(例如，C)处测量第三磁场分量(例如，BzC)；其中，第一、第二和第三磁场分量是平行的，并且在平行于(例如，X)或垂直于(例如，Z)衬底的方向上被定向；其中，第一、第二和第三磁传感器位于三角形的角处，该三角形具有长度上相等的第一边和第二边，并且具有比第一边和第二边长至少10％或短至少10％的第三边；位置传感器设备进一步包括处理单元，该处理单元被配置成用于确定第一和第二以及第三磁场分量的平均(例如，Bzavg)，并且用于将第一差信号(例如，diff1)确定为第一磁场分量与平均值之间的差，并且用于将第二差信号(例如，diff2)确定为第二磁场分量与平均值之间的差，并且用于将第三差信号(例如，diff3)确定为第三磁场分量与平均值之间的差；并且用于将这三个差信号转换为正交信号(例如，使用克拉克变换)，并且用于基于这些正交信号来计算角位置(例如，使用正交信号比率的反正切函数)。

在变体中，第三边的长度比第一边和第二边长至少20％，或者比第一边和第二边的短至少20％。

在三个磁传感器被配置成用于测量平行于衬底的磁场分量(例如，Bx)的情况下，磁传感器优选地被定向成使得它们的最大灵敏度的轴线平行于第三边。

根据第三方面，本发明还提供了磁源，包括：沿第一轨道(例如，T1)布置的第一多个(例如，N1)交替磁极；沿第二轨道(例如，T2)布置的第二多个(例如，N2)交替磁极；其中，第一轨道(例如，T1)的中心线(例如，C1)与第二轨道(例如，T2)的中心线(例如，C2)以预定义的轨道距离(例如，dt)间隔；其中，第一轨道(例如，T1)的磁化与第二轨道(例如，T2)的磁化基本上是180°相移的；并且其中第二多个(例如，N2)等于第一多个(例如，N1)。

在实施例中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)是基本上位于平面内的圆形轨道；并且其中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)是同心轨道；并且其中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)在垂直于平面的方向上被磁化。

在实施例中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)被定位在圆柱形表面上；并且其中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)在垂直于圆柱形表面的方向上被磁化。

在实施例中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)是基本上被定位在平面内的直线轨道；并且其中，第一轨道(例如，T1)和第二轨道(例如，T2)在垂直于平面的方向上被磁化。

在所附独立权利要求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与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书中明确阐述的那样。

参考此后所描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考此后所描述的(一个或多个)实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的角位置传感器系统的说明性示例。

图2示出了根据本发明的另一实施例的角位置传感器系统的说明性示例。

图3示出了根据本发明的实施例的线性位置传感器系统的说明性示例。

图4至图10示出了可在图1中示出的角位置传感器系统的传感器设备中使用的各种传感器布置。

图11至图15示出了可在图2中图示的角位置传感器系统的传感器设备中，或在图3中图示出的线性位置传感器系统中使用的各种传感器布置。

图16示出了具有三条模拟曲线的图；每条曲线图示出作为传感器设备相对于如图1所示的位置传感器系统的磁源的角位置的函数的角误差，该位置传感器系统具有如图4中图示的传感器布置。三条曲线图示出位置传感器系统的准确性相对较高，但角误差对径向安装偏移有些敏感。

图17示出了具有三条模拟曲线的图；每条曲线图示出作为传感器设备相对于如图1所示的位置传感器系统的磁源的角位置的函数的角误差，该位置传感器系统具有如图7中所图示的传感器布置。三条曲线图示出位置传感器系统的准确性相对较高，但角误差对径向安装偏移有些敏感。

图18示出了具有三条模拟曲线的图；每条曲线图示出作为传感器设备相对于如图1所示的位置传感器系统的磁源的角度位置的函数的角误差，该位置传感器系统具有如图8中图示的传感器布置。三条曲线图示出位置传感器系统的准确性相对较高，并且图示出角误差对径向安装偏移更高度不敏感。

图19示出了可在图8A和图14A的传感器布置中使用的传感器结构的示例。

图20示出了可在图8A和图14A的传感器布置中使用的另一传感器结构的示例。

图21示出了可在图1至图3的系统中使用的传感器设备的高级框图。

图22示出了位置传感器系统的框图，该位置传感器系统包括如图1至图3所图示的位置传感器系统，该位置传感器系统包括用于确定细化位置的具有双轨道的磁源，并且包括用于确定粗略信号的经典位置传感器系统，并且进一步包括用于将精细信号和粗略信号组合成高准确性绝对位置的处理器(例如，ECU)。

这些附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的大小可被放大且未按比例绘制。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，相同的附图标记指代相同或类似的要素。

具体实施方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，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的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的大小可被放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不与本发明实践的实际缩减对应。

此外，说明书中和权利要求书中的术语第一、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、以排名或以任何其他方式来描述序列。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的实施例能够以与本文中所描述或图示的顺序不同的顺序进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。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的实施例能够以与本文中所描述或图示的定向不同的定向进行操作。

应当注意，权利要求书中所使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。由此，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。由此，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和组件B构成的设备。它意味着对于本发明而言，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所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，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，但是可以指代不同实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开会对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式被组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开并辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，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，此种公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，具体实施方式所附的权利要求由此被明确并入到本具体实施方式中，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这些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，并且形成如会由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施例均可以以任何组合来使用。

在本文中所提供的说明书中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。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，除非另有明确提及，否则术语“磁传感器设备”或“传感器设备”是指包括至少一个“磁传感器”或至少一个磁“传感器元件”的设备，优选地被集成在半导体衬底中。传感器设备可以被包括在封装中，也被称为“芯片”，虽然这不是绝对必要的。传感器设备优选地包含半导体衬底。

在本文档中，术语“传感器元件”或“磁传感器元件”或“磁传感器”可以指代能够测量磁量的组件或一组组件或子电路或结构，诸如，例如磁阻(magneto-resistive，MR)元件、GMR元件、XMR元件、水平霍尔板、垂直霍尔板、包含至少一个(但优选地，四个)磁阻元件的惠斯通电桥等或其组合。

在本发明的某些实施例中，术语“磁传感器”或“磁传感器结构”可以指代包括一个或多个集成磁集中器(IMC)(也被称为集成磁通量集中器)，以及被布置在IMC的外围附近的一个或多个水平霍尔元件的布置，例如具有两个彼此间隔180°的水平霍尔元件的盘状IMC(例如，如图19中所图示)，或具有四个彼此间隔90°的水平霍尔元件的IMC(未被示出)。

在本文档中，表述“磁场向量的平面内分量”和“磁场向量在传感器平面中的投影”含义相同。如果传感器设备是或包括衬底，这也意指“平行于衬底的磁场分量”。

在本文档中，表述“向量的平面外分量”和“向量的Z分量”和“向量在垂直于传感器平面的轴上的投影”含义相同。

在本文档中，单词“磁体”、“磁结构”和“磁源”被用作同义词。

本发明的实施例通常使用被固定到传感器设备并且具有三个轴X、Y、Z的正交坐标系来描述，其中X轴和Y轴平行于衬底，并且Z轴垂直于衬底。此外，在线性位置传感器系统的情况下，X轴优选地被定向成“平行于相对移动的方向”(例如，如图3中所图示)，或者在弯曲的移动轨迹的情况下，被定向成“与移动轨迹相切”或者被定向在“圆周方向”上，即，在包括可旋转磁体的角位置传感器系统的情况下，与具有位于旋转轴线上的中心的假想圆相切(例如，如图1或图2中所图示)。在角位置传感器系统的情况下，其他轴(Y或Z)之一优选地被定向成平行于磁体的旋转轴线。

在本文档中，表述“空间导数”或“导数”或“空间梯度”或“梯度”被用作同义词。在本发明的上下文中，梯度通常被确定为在X方向上间隔开的两个位置处测得的两个值之间的差。理论上，梯度被计算为两个值之间的差除以传感器位置之间的距离“dx”，但在实践中除以“dx”经常被省略，因为所测得的信号无论如何都需要被缩放。因此，在本发明的上下文中，磁场差(ΔBx)和磁场梯度dBx/dx可互换地被使用。

在本文档中，术语“磁场分量By的幅度”意指“在磁体的整个360°(电气)旋转范围内By信号的绝对值的最大值”，以及对于“Bx的幅度”和“Bz的幅度”也是同样。

在本申请中，水平霍尔板通常由H1、H2等来指代，来自这些水平霍尔板的信号通常由h1、h2等来指代；垂直霍尔板通常由V1、V2等来指代；以及来自这些垂直霍尔板的信号通常由v1、v2等来指代。

在本发明的上下文中，公式arctan(x/y),atan2(x,y),arccot(y/x)被认为是等效的。

在本申请中，表述“传感器设备位于某一轴向和径向位置处”实际上意指该传感器设备的传感器的中心位置位于指定的轴向位置和径向位置处。

在本申请中，作为磁源的一部分的术语“轨道”，在谈论角位置传感器系统时通常指代环形或环状或圆柱形对象，例如如图1和图2中所图示，并且在谈论线性位置传感器系统时通常指代束形对象，例如如图3中所图示。

图1、图2和图3的磁源的轨道具有分别在径向方向R、轴向方向A和横向方向Y上延伸的“宽度”。

如本文中所使用的术语“轨道中心线”指代位于轨道表面、宽度中间的虚拟线或曲线。例如，在图1中，中心线是具有等于相应的轨道的内半径和外半径的平均的半径的圆；在图2中，中心线是具有等于轨道的外半径的半径的圆，并且位于宽度的一半(在轴向方向上)；在图3中，中心线是轨道中间的直线(横向方向的一半)。

如本文中所使用的表述“轨道由距离dt间隔开”意指轨道的中心线由所述距离“dt”间隔。

本发明涉及包括磁源和可相对于磁源移动的传感器设备的线性位置和角位置传感器系统，并且具体地涉及具有高分辨率(或高灵敏度)和高准确性(或小误差)的位置传感器系统。

本发明提供一种位置传感器系统(例如，线性位置或角位置传感器系统)，包括磁源和传感器设备。传感器设备可相对于磁源移动，或磁源可相对于传感器设备移动。传感器设备被配置成用于确定其相对于磁源的位置。

根据本发明的某一重要方面，磁源包括具有相等数量的磁极的两个相邻轨道(例如，两个同心轨道或两个平行轨道)，这些磁极以使得两个轨道的“相邻极”具有相反的极性的方式被组织。在图1的布置中，这意味着例如内轨道T1的磁南极在相同角位置处与外轨道T2的磁北极相邻。在图2的布置中，这意味着例如上轨道T1的磁南极在相同角位置/>处与下轨道T2的磁北极相邻。在图3的布置中，这意味着例如左轨道T1的磁南极在相同线性位置X处与右轨道T2的磁北极相邻。

传感器设备包括多个磁传感器，该多个磁传感器被配置成用于测量多个磁场分量，例如，至少三个磁场分量(参见例如图9、图10、图15)或至少四个磁场分量(参见例如图4至图8，或图11至图14)。这些磁场分量中的至少第一个磁场分量在面向第一轨道T1或位于第一轨道T1上方或位于第一轨道T1外部的第一传感器位置“A”处被测量，并且这些磁场分量中的至少第二个磁场分量在面向第二轨道T2或位于第二轨道T2上方或位于第二轨道T2外部的第二传感器位置“B”处被测量。第一磁场分量和第二磁场分量被平行定向。取决于具体的传感器配置，第三磁场分量和可选的第四磁场分量可以在第一轨道T1上方和/或第二轨道T2上方被测量，或者在第一轨道上方的第三分量和在第二轨道上方的第四分量以及它的/它们的定向可以与第一磁场分量相同或不同。

传感器设备进一步被配置成用于从所述多个磁场分量得出(例如，计算出)多个(例如，两个或三个)差信号，并且用于从所述多个(例如，两个或三个)差信号得出(例如，计算出)所述位置。

更具体地，在一些实施例中(参见例如图4至图8，或图11至图14)，传感器设备进一步被配置成用于测量四个磁场分量，并且用于确定两个成对差信号，并且用于将所述位置确定为这些差信号的比率的函数(例如，反正切函数)。在其他实施例中(参见例如图9、图10、图15)，传感器设备被配置成用于测量三个平行磁场分量，并且用于确定这三个值的平均，并且用于确定三个所测得的分量中的每一个与平均分量之间的三个成对的差，从而得到一组三相信号，并且用于应用变换(例如，克拉克变换)以用于将三相信号转换为正交信号(通常表示为I和Q)，并且用于将所述位置确定为这些正交信号的比率的函数(例如，反正切函数)。

此类系统的主要优点是第一差信号和第二差信号对外部磁干扰场高度不敏感，并且因此从其得出的线性位置或角位置对外部干扰场也高度不敏感。

优点是第一轨道和第二轨道基本上是180°相移的，因为此类磁体不会遭受轨道之间的串扰。

优点是第一传感器和第二传感器分别位于第一轨道和第二轨道上，因为这允许它们的信号被180°相移而无需将这些传感器以1.0极距间隔开；或者因为这允许它们的信号被240°相移而无需将这些传感器以4/3极距间隔开。

在其中第一和第二传感器信号是180°相移的一些实施例中(参见例如，图4至图8B以及图10至图14B)，这些信号之间的差提供大约两倍的信号幅度(因此改进信噪比)，并且抵消(或大大降低)外部干扰场。

现在参考附图。

图1示出了角位置传感器系统100的说明性示例。系统包括磁源102以及传感器设备101，传感器设备101可相对于磁源移动，或磁源可相对于传感器设备101移动。磁源102包括位于平面内的两条圆形轨道T1、T2。第一轨道T1也可以被称为“内轨道”。第二轨道T2也可以被称为“外轨道”。第一轨道T1具有第一宽度“w1”。第二轨道T2具有第二宽度“w2”。第一宽度w1可以等于第二宽度w2，但这不是绝对必要的。

第一轨道T1和第二轨道T2是相邻轨道。第一轨道T1具有第一中心线c1，该第一中心线c1的一部分以虚线示出。第二轨道T2具有第二中心线c2。第一中心线c1为具有第一半径的圆，并且第二中心线c2为具有第二半径的同心圆。两条中心线c1、c2之间的距离“dt”是常数，并且被称为“轨道距离”。

此类磁源102可以例如通过生产两个轴向磁化的环形磁体，并且随后将它们机械地接合(例如，通过胶合)来构造。

生产磁源102的另一种方式是基于使用相对强的电流来对磁材料(本领域本身已知的技术，但不适用于这种特定的拓扑)进行磁化。

生产磁源102的另一种方式是通过使用用于制造粘合的磁体的技术。这种技术本身也是已知的，但不适用于这种特定的拓扑。通常，将包含磁性颗粒的、称为“原料”的混合物注入模具的腔体中，并且在模制期间，一个或多个永磁体位于腔体附近但位于腔体外部。

在实施例中，磁源由各向同性磁性材料制成，或完全由各向同性磁性材料制成。材料例如可以是或包括钕或铁氧体，但也可以使用其他各向同性磁材料。

在实施例中，磁源由各向异性材料制成。

在实施例中，磁源由SmCo或FeNdB制成。

作为特定的示例，磁源102可以具有如图1中所图示的形状，该形状具有14.0mm的外径(外轨道)，以及6.0mm的内径(内轨道)。每个轨道的宽度w1、w2可以等于2.0mm，以及厚度(或高度)H可以是1.0mm。

每个轨道在其上表面处可以具有例如4个北极和4个南极，由此每个轨道可以在其上表面处具有八个磁极，每个磁极跨越360°/8＝45°(机械)的角范围；或者每个轨道在其上表面处可以具有12个磁极，每个磁极跨越360°/12＝30°(机械)的角范围；或者每个轨道可以具有16个磁极，每个磁极跨越360/16＝22.5°(机械)的角范围。

在优选的实施例中，每个轨道在其上表面处具有至少四个北极和至少四个南极，或者在其上表面处具有至少六个北极和至少六个南极，或者在其上表面处具有至少八个北极和至少八个南极。

传感器设备101被配置成用于确定该机械角范围内的角位置。每个轨道的极的数量越高，机械角范围就越小，并且磁定位系统100就越灵敏。

传感器设备102包括具有多个磁传感器的衬底。衬底可以是半导体衬底。衬底可以具有矩形形状。磁传感器可以以各种方式被布置，例如如将在图4至图10中更详细地描述的那样。

传感器设备被配置成用于在距磁源从0.5mm至5.0mm范围内的预定义距离处进行移动，或磁源被配置成用于在距传感器设备从0.5mm至5.0mm范围内的预定义距离处进行移动。传感器设备101的相对移动的路径为圆形路径，具有与磁源相同的中心。

图2示出了角位置传感器系统200的说明性示例，角位置传感器系统200可以被视为图1的位置传感器系统100的变体。已经针对图1的系统100描述的大部分内容也适用于此，并且将不再重复。图2的角位置传感器系统200与图1的角位置传感器系统100之间的主要差异在于磁源202的轨道形成圆柱形表面。这些轨道优选地(在垂直于圆柱形表面的方向上)被径向磁化。传感器设备201被布置在圆柱形表面之外。该位置也可以被称为“在赤道上”。传感器设备201可以包括图11至图15中描述的传感器布置中的任何传感器布置。传感器设备201优选地位于距磁源202约0.5至约5.0mm范围内的固定距离处(通常被称为“气隙”)。

图3示出了线性位置传感器系统300的说明性示例，该线性位置传感器系统300可以被视为图1的位置传感器系统100的变体，并且被视为图2的位置传感器系统200的变体。图3的线性位置传感器系统300与图1的角位置传感器系统100之间的主要差异在于磁源302的轨道T1、T2是位于平面中的两条笔直轨道。这些轨道优选地在垂直于所述平面的方向Z上被磁化。传感器设备301位于该平面上方，并且相对移动的路径为在X方向上被定位的直线，由白色箭头指示。传感器设备301可以包括图11至图15中描述的传感器布置中的任何传感器布置。传感器设备优选地位于距磁源202约0.5至约5.0mm范围内的固定距离处(通常被称为“气隙”)。

图4至图10示出了可被用于图1的传感器设备101中的各种传感器布置。

图4图示了具有四个感测点A、B、C、D的传感器布置，并且还示出了这些感测点相对于磁源的可能位置和/或定向。四个感测点可以位于菱形的角上，或者位于正方形的角上。传感器设备(图4中未明确示出)会包括四个磁传感器，所述传感器位置中的每个传感器位置处有一个磁传感器。

传感器设备优选地被定向成使得传感器位置A和B位于被径向定向的虚拟线上。传感器位置A与B之间的距离不是关键的。第一传感器位置A位于第一轨道T1上方并且第二传感器B位于第二轨道T2上方就足够了。由于第一轨道T1的极性与第二轨道T2的极性相反，位置A和B的信号是180°相移的，因此这些信号之间的差异基本上使所测得的磁场分量的幅度加倍，并且基本上抵消了恒定的外部干扰场。位置A和B可以位于轨道的中心线上，但这不是绝对必要的。如果A与B之间的距离小于轨道距离“dt”(参见图1)，则它是优点，因为它允许减小衬底的大小。

传感器位置C和D优选地都位于第一轨道T1的上方，或者都位于第二轨道T2的上方。理想地，传感器位置C和D彼此相距恰好1.0极距(由角度ψ所指示)，在这种情况下，在位置C和D处测得的信号基本上是180°(电气地)相移的。在这种情况下，如图4所示的公式[1]或[2]可用于计算传感器设备相对于磁体的角位置。第一差信号diff1可以在从位于A和B处的传感器获得的信号之间被计算。第一差信号diff1表现得像余弦。第二差信号diff2可以在从位于C和D处的传感器获得的信号之间被计算。第二差信号diff2表现得像正弦。如果diff1和diff2的幅度基本上相同，则可以使用公式[1]。如果diff1和diff2的幅度不同，则可以使用公式[2]。K的值是常数，其可以通过模拟或通过执行校准来确定，并且可以被存储在传感器设备的非易失性存储器2121中(参见例如图21)。K的值可以被选择为基本上等于diff1的幅度与diff2的幅度的比率。

然而，不要求位置C和D彼此相距恰好1.0极距。如果它们不是被1.0极距间隔开，则角位置可以使用公式[3]来计算。M和T的值是常数，其可以通过模拟或通过执行校准来确定，并且可以被存储在传感器设备的非易失性存储器2121中(参见例如图21)。

尽管不是绝对必要的，但优选的是点C和D位于垂直于虚拟线段A-B的虚拟线段C-D上。

在特定实施例(被称为示例4A)中，传感器布置包括四个水平霍尔元件(未明确示出)，每个传感器位置A、B、C、D处有一个水平霍尔元件。由这些霍尔元件提供的信号指示在相应的位置处在Z方向上被定向的磁场分量Bz。通过将由A处的传感器提供的信号与由B处的传感器提供的信号相减，第一差信号diff1被获得，其与(BzA-BzB)成比例，并且表现得像余弦信号。通过将由C处的传感器提供的信号与由D处的传感器提供的信号相减，第二差信号diff2被获得，其与(BzC-BzD)成比例，并且表现得像正弦信号。

在另一个实施例(被称为示例4B)中，传感器布置包括四个垂直霍尔元件(未明确示出)，每个传感器位置A、B、C、D处有一个垂直霍尔元件，并且在X方向上按它们的最大灵敏度的轴线、垂直于线段[AB]被定向。由这些霍尔元件提供的信号指示在相应的位置处在X方向上被定向的磁场分量Bx。通过将由A处的传感器提供的信号与由B处的传感器提供的信号相减，第一差信号diff1被获得，其与(BxA-BxB)成比例，并且表现得像余弦信号。通过将由C处的传感器提供的信号与由D处的传感器提供的信号相减，第二差信号diff2被获得，其与(BxC-BxD)成比例，并且表现得像正弦信号。

注意，使用公式[1]至[3]确定的值也被称为“电角度”。但是与该电角度对应的机械角度仅是该电角度的一部分。例如，在图1的示例中，第一轨道在其上表面处具有4个北极和4个南极，并且机械角度/>可以被计算为电角度/>除以4。

图16将图示包括如图1所示的磁源并且使用如图4所图示布置的四个水平霍尔元件的传感器系统的模拟结果。如从图16可以领会的，当传感器设备被安装在其预期位置时，此类系统(不具有后处理)的角误差非常小(例如，在±0.05°内)，但当传感器设备无意地从其原始安装位置偏移±20μm时，最大角误差略有增加(至约±0.20°)。

可选地，附加的后处理步骤可以被应用，例如，用于进一步减小剩余误差。该后处理步骤可以例如包括分段线性近似校正或查找表，可选地具有插值。此类后处理技术在本领域中是已知的，并且因此在本文中不需要被更详细地描述。

在特定实施例中，磁源具有如图1中所图示的两个圆形轨道，并且每个轨道具有2.0mm的宽度，由此中心线被间隔开2.0mm。然而，点A与点B之间的距离可以是小于轨道距离或大于轨道距离的值。例如，点A与点B之间的距离可以是在从0.8mm至1.6mm范围内的值，或者在从1.0mm至1.4mm范围内的值(例如，约等于1.2mm)。在特定实施例中，点A、B、C、D位于具有在从约0.5mm至约1.1mm范围内、或者在从约0.6mm至约1.0mm范围内的边长(例如，约等于0.8mm)的正方形的角处。

图5图示了具有四个感测点A、B、C、D的传感器布置505，并且还示出了这些感测点相对于磁源的可能位置和/或定向。图5的传感器布置505可被视为图4的传感器布置405的变体，主要差异在于点D、A和C位于垂直于线段A-B的线段上。点D、C和B位于三角形的角处。优选地，点A位于点D与点C之间的中间。针对图4描述的一切其他内容加以必要修改在这里也适用。

与图4中提及的公式相同的公式在这种情况下也可以被使用。更具体地，在传感器位置C与D之间的距离基本上等于1.0极距(由角度ψ指示)的情况下，公式[1]可以被用于确定传感器布置相对于磁源的位置。但这不是绝对必要的，并且点C与点D之间的距离也可以大于或小于1.0极距，并且可以替代地使用公式[2]或公式[3]。

当使用图5的传感器布置505时，高准确性(或高灵敏度)以及针对外部干扰场、针对温度变化、针对老化效应和针对退磁效应的高稳健性的相同优点也被实现。

图6图示了具有四个感测点A、B、C、D的另一传感器布置605，以及这些感测点相对于磁源的可能位置和/或定向。图6的传感器布置605可被视为图5的传感器布置505的变体，主要差异在于点D、A和C位于垂直于线段A-B的线段上。点D、C和A位于三角形的角处。优选地，点B位于点D与点C之间的中间。针对图5描述的一切其他内容加以必要修改在这里也适用。与图4中提及的公式相同的公式在这种情况下也可以被使用。

当使用图6的传感器布置605时，高准确性(或高灵敏度)以及针对外部干扰场、针对温度变化、针对老化效应和针对退磁效应的高稳健性的相同优点也被实现。

图5和图6可以被看作是两种极端情况，其中，包含点C和点D的假想线段从包含点A的位置(图5中的“左侧”)移动到包含点B的位置(图6中的“右侧”)，但本发明不限于此，并且包含点C和点D的线段也可以假设中间位置，这意味着线段C-D在点A与点B之间的某一位置处与线段A-B相交。

图7图示了具有四个感测点A、B、C、D的另一传感器布置705，并且示出了这些感测点相对于磁源的可能位置和/或定向。图7的传感器布置705可以被视为图5的传感器布置505的变体，主要区别在于图5的点C现在位于内轨道而不是外轨道上，但位于距点B1/2极距距离处。在这种情况下，四个点A、B、C、D位于梯形上，如图7的(c)部分中所图示。针对图5描述的一切其他内容加以必要修改在这里也适用。与图4中提及的公式相同的公式在这种情况下也可以被使用，以及相同的优点也被实现。

图17将图示包括如图1所示的磁源并且使用如图7所图示布置的四个水平霍尔元件的传感器系统的模拟结果。如从图17可以领会的，当传感器设备被安装在其预期位置时，此类系统(不具有后处理)的角误差非常小(例如，在±0.10°内)，但当传感器设备无意地从其原始安装位置偏移±20μm时，最大角误差略有增加(至约±0.20°)。

在图7的变体中，四个点A、B、C、D位于如图7(a)所描绘的梯形或截断的三角形的角处。如果传感器设备被移位成使得线段C-D和线段A-B被径向地定向，则与图4中呈现的公式相同的公式仍然可以被使用，并且类似的结果被预期。

在图7的另一个变体中，四个点A、B、C、D位于矩形上(例如，如图7的(b)部分中所描绘)。与图4中所呈现的公式相同的公式仍然可以被使用，但由公式[1]至[3]提供的角误差可能会随着A与D之间的距离、和/或C与B之间的距离偏离1/2极距而增加。然而，取决于应用，约±5°的误差可能仍然被允许，特别是考虑到如果每个轨道包括16个极，则机械角度是例如1/16。注意，该误差可以通过应用后处理步骤(例如，通过使用具有插值的查找表，和/或通过使用分段线性近似函数)被减少。

图8A图示了仅具有两个感测点A和B的传感器布置，但是在每个感测点处两个正交磁场分量被测量，即在圆周方向X上(即，与穿过感测点的假想圆相切),定向的一个场分量Bx以及在垂直于磁源表面的Z方向上定向的一个场分量Bz。

图8A还示出了这些感测点相对于磁源的可能位置。传感器布置优选地被定向成使得传感器位置A和B位于虚拟线上，该虚拟线相对于磁源的中心被径向地定向。传感器位置A与B之间的距离不是关键的。如果一个传感器位置(例如，A)位于外轨道上方并且第二传感器位置(例如，B)位于内轨道上方就足够了。

由于第一轨道T1与第二轨道T2的极性相反，位置A和B处测得的信号是180°相移的，因此这些信号之间的差异基本上使所测得的磁场分量Bx和Bz的幅度加倍，并且基本上抵消了恒定的外部干扰场。位置A和B可以位于轨道的中心线上，但这不是绝对必要的。如果A与B之间的距离小于轨道距离“dt”(参见图1)，则它是优点，因为它允许减小衬底的大小。

传感器布置被配置成用于在位置A处测量以下各项：在X方向上定向的磁场分量BxA和在Z方向上定向的磁场分量BzA，并且用于在位置B处测量以下各项：在X方向上定向的磁场分量BxB和在Z方向上定向的磁场分量BzB。此类测量例如可以通过使用如图19中所图示、或如图20中所图示的传感器结构来完成，这将进一步被解释。

返回参考图8A，通过将信号BxA与BxB相减，表现得像余弦信号的第一差信号diff1可以被获得，以及通过将信号BzA与BzB相减，表现得像正弦信号的第二差信号diff2可以被获得。如果两个差信号的幅度相同，则公式[1]可以被应用以确定角位置，即：如果差信号的幅度不同，则公式[2]可以被应用，即：/>K为预定义常数，其可以通过模拟或通过执行校准测试被确定，并且其可以被存储在传感器设备的非易失性存储器中(参见例如图21)。在这两种情况下，R＝diff1/diff2。

图18将图示包括如图1所示的磁源并使用如图19所示的传感器布置的传感器系统的仿真结果，该传感器布置相对于如图8A中所图示的磁源被布置。如从图18可以领会，当传感器设备被安装在其预期位置时，此类系统(不具有后处理)的角误差非常小(例如，在±0.02°内)，但当传感器设备无意地偏离其原始安装位置±20μm时，此类系统(不具有后处理)的角误差也非常小，可能是因为信号Bx和Bz在相同位置处被测量时相移90°而与极距无关。

尽管在这种情况下附加的后处理步骤也可以被应用，但对于大多数应用来说，这通常可以被省略。

该实施例的主要优点是传感器设备可以高度紧凑，因为它仅需要两个传感器位置，并且它们之间的距离高度独立于磁源的尺寸，不仅是极距，而且是轨道宽度，因为如上文所提及，点A位于外轨道上方并且点B位于内轨道上方就足够了，并且因为它们都不需要位于轨道的中心线上。

图8B图示出具有位于直线上的四个不同感测点A、B、C、D的传感器布置805b，并且其中，感测点中的两个感测点位于第一轨道上，以及另外两个感测点位于第二轨道上。图8B的传感器布置805b可以被视为图8A的传感器布置805a的变体，在这个意义上，在两种布置中，两个磁场分量Bx和两个磁场分量Bz被测量，但是在图8A的情况下，Bz分量在与Bx分量相同的传感器位置处被测量，而在图8B的情况下，四个磁场分量在四个不同位置处被测量。在这种情况下与图8A中提及的公式相同的公式也可以被使用，并且相同的优点也被实现。优选地，传感器位置的布置相对于第一轨道与第二轨道之间的转换是对称的，但这不是绝对必要的。如上文已经提及的，如果差信号diff1、diff2的幅度相同，则公式[1]可以被使用，并且如果diff1的幅度与diff2的幅度不同，则公式[2]可以被使用。与图20中示出的传感器布置略微不同的传感器布置(其中，例如两个垂直霍尔元件位于两个水平霍尔元件之间，或两个水平霍尔元件位于两个垂直霍尔元件之间)可以在这种情况下被使用。四个传感器位置之间的距离不是关键的，但是两个内部传感器位置(图14B中的C和D)之间的距离优选地是两个外部传感器位置(图14B中的A和B)之间的距离的至少50％，优选地至少60％，或至少70％，或至少80％，或至少90％。

在实施例中，Bx在A和B处被测量，并且Bz在C和D处被测量。

在另一个实施例中，Bz在A和B处被测量，并且Bx在C和D处被测量。

在另一个实施例中，Bx在A和D处被测量，并且Bz在C和B处被测量。

在另一个实施例中，Bx在C和B处被测量，并且Bz在A和D处被测量。

图9图示了仅具有三个感测点A、B和C的传感器布置905。在每个感测点处一个磁场分量被测量，例如，在垂直于传感器设备的衬底并且垂直于磁源的表面的Z方向上被定向的Bz。图9还示出了这些感测点相对于磁源的可能位置。

如图9中可以看到，一个传感器位置(例如，C)位于一个轨道上方，并且另一传感器位置(例如，A和B)位于另一轨道上方。

优选地，三个传感器位置位于等腰三角形上。等腰三角形可以是等边三角形，但那不是必须的，并且在优选的实施例中，等腰三角形不是等边三角形。优选地，边中的一个(在图9中示出的示例中，A-B边)的长度)比其他边至少短10％或至少长10％。

在优选的实施例中，感测点B与C之间的距离小于轨道距离“dt”。在特定的示例中，第一轨道的轨道宽度w1和第二轨道的轨道宽度w2等于2.0mm，并且位置B与C之间的距离是在从0.5至1.8mm的范围内的值、或是在从0.6到1.6mm的范围内的值、或是在从0.7到1.4mm的范围内的值(例如，等于约0.8mm、或等于约1.0mm、或等于约1.2mm)。

优选地，感测点A和C以1/3极距被成角度地间隔(由角度ω所指示)，并且优选地，感测点C和B以1/3极距被成角度地间隔，并且优选地，感测点A和B是以2/3极距(由角度ψ所指示)被成角度地间隔，使得在这些位置处所测得的信号BzA、BzB、BzC是120°相移的。由此，在没有外部干扰场的情况下，所测得的信号为三相信号。用于计算三相信号的角位置的技术在本领域中是已知的，并且可以使用任何此类技术来确定传感器设备相对于磁结构的角位置。为了完整性，一种此类技术将在这里被解释。

在实施例中，磁场分量BzA、BzB、BzC的平均例如，根据以下公式被计算：

Bzavg＝(BzA+BzB+BzC)/3

其中，Bzavg是平均Bz分量，以及BzA、BzB、BzC相应地是在位置A、B、C处测量的在Z方向上被定向的磁场分量。

理想地，在没有外部干扰场的情况下，这个平均Bzavg应该等于零。实际上，平均不会恰好等于零，例如，由于以下中的一项或多项：

安装公差、磁源缺陷、外部干扰场等。

从测量的信号以及从平均信号中，三个差信号可以被导出，例如，根据以下公式：

diff1＝(BzA-Bzavg)

diff2＝(BzB-Bzavg)

diff3＝(BzC-Bzavg)

这些差信号中的每一个都表现得像带有大约为零的直流值(DC-value)的正弦信号。这些差信号相对于彼此是120°相移的，并且它们一起形成三相信号。该三相信号可以使用已知的技术(例如，使用公知的克拉克变换(Clarke transformation))被转换成两相信号，从而得到两个信号，被称为I和Q。这些信号是90°相移的，并且理想地，具有相同的幅度。可选地，幅度校正可以被应用于三相信号，或被应用于两相信号。然后，传感器设备相对于磁源的角位置可以例如，根据以下公式被计算为信号I与Q的比率R的函数：

R＝Q/I,

如上文所提及，可选地，后处理步骤可以被应用，以进一步改进结果。此类后处理步骤可以包括使用查找表(可选地具有插值)，或者可以包括使用分段线性近似函数。

主要优点在于这种传感器布置可以高度紧凑，并且外部干扰场的影响可以被大大减少甚至完全消除。

注意，具有特定尺寸的特定传感器设备可与具有略微变化的极数和/或略微变化的极距和/或略微变化的轨道宽度和/或略微变化的内径和外径的各种磁源结合使用。实际上，通过径向地向内或向外移位传感器设备，可以确保传感器位置A与B之间的距离基本上等于2/3极距。这种径向位移可能对在A、B、C处测得的信号的幅度具有一些影响，但是任何幅度变化都可以以已知方式被校正，例如，通过将所测得的信号乘以相应的预定义常数，该常数可以通过模拟或通过校准来确定，并且可以被存储在传感器设备的非易失性存储器2121中(参见例如图21)。

在上文描述的传感器布置的变体中，传感器设备被配置成用于在传感器位置A、B、C处分别测量平行于衬底(例如，在X方向上)定向的三个磁场分量BxA、BxB、BxC。X方向平行于线段A-B。在实施例中，传感器设备包括三个垂直霍尔元件，该三个垂直霍尔元件位于具有三个角A、B、C并且具有三个边[AB]、[BC]和[CA]的等腰三角形上。边[AB]的长度可以比边[AC]的长度和边[BC]的长度中的每一个短至少10％或长至少10％。针对图9描述的一切其他内容加以必要的修改在这里也适用。在另一实施例中，传感器设备包括被配置成用于测量三个磁场分量BxA、BxB、BxC的至少三个磁阻(magneto-resistive，MR)元件。

图10图示了可以被视为图9的传感器布置905的变体的传感器布置1005。主要差异在于，在这种情况下，传感器点中的一个传感器点(例如，A)位于外轨道上，以及另外两个传感器点(例如，B和C)位于内轨道上。其主要优点是具有如图10所示的传感器布置的传感器设备甚至可以比具有图9的传感器布置的传感器设备更紧凑，因为图10中的点B与点C之间的距离可以小于图9的点A与点B之间的距离，同时仍以2/3极距被成角度地间隔(与120°相移对应)。针对图9描述的一切其他内容在这里也适用。

在实施例中，传感器布置1005包括用于在传感器位置A、B、C处测量BzA、BzB、BzC的三个水平霍尔元件。

在变体中，传感器布置1005包括按其在X方向上的最大灵敏度轴线定向的三个垂直霍尔元件，被配置成用于在传感器位置A、B、C处分别测量三个磁场分量BxA、BxB、BxC。

在另一变体中，传感器布置1005包括被配置成用于在传感器位置A、B、C处相应地测量三个磁场分量BxA、BxB、BxC的至少三个磁阻(MR)元件。

技术读者将理解如图9中所图示的配置以及如图10中所图示的配置，尽管磁体大小和/或极距略有不同，但仅通过将传感器设备绕Z轴旋转180°就可以被获得。或者换句话说，这意味着具有特定尺寸并且具有如图9或图10中所图示的传感器布置的特定传感器设备可以被用于具有各种尺寸和/或极距的磁源。

图11至图15示出了各种传感器布置，其可以在图2和图3中示出的系统200、300的传感器设备201、301中被使用。提醒读者图4至图10的传感器布置可以与如图1中所图示的磁源102结合使用，以形成角位置传感器系统100。这些传感器布置中的许多也可以与如图2中所图示的磁源202结合使用，以形成角位置传感器系统200，或与如图3中所图示的磁源302结合使用，以形成线性位置传感器系统300。此类布置的示例现在将在图11至图15中更详细地被图示。

图11示出了传感器布置1105，其包括与图4中的四个传感器位置类似或相同的四个传感器位置A、B、C、D。上文针对图4的传感器布置405所描述的一切加以必要的修改在这里也适用，意味着例如，图11的两个轨道是直的而不是圆形的，并且线段A-B在横向方向上被定向而不是在径向方向上被定向。

与图4中呈现的公式相同的公式在这里也适用。优选地，点C与点D之间的距离等于极距的1.0倍，但是与图4至图10中示出的布置形成对照，图11中示出的磁源的极距是固定的并且不能通过在横向方向Y上移位传感器设备来增加或减小。在图2的角传感器系统200的情况下，其中传感器设备201被安装在“赤道上”，由传感器设备看到的极距可随着变化的气隙而略微被增加或减小。但是如上文已经描述的，这可以通过使用公式[2]或公式[3]而不是公式[1]来解决。

此外，在线性位置传感器系统的情况下(例如，如图3所示)，角度例如，通过将角度/>乘以常数L通常被转换成线性距离X，例如，根据以下公式：/>其中X是线性位置，并且L是预定义的常数。L的值可以被确定为极距(以mm表示)除以π(pi＝约3.1416)。为了获得绝对位置，整数(n)倍的极距可以以本领域本身已知的方式被添加。这在数学上可以被写为：/>其中pp是极距距离。“n”的值可以(例如，通过计数，从参考位置开始)被动态地确定，或者可以使用机械地耦合到第一传感器系统的第二传感器系统来确定(也参见图22)。

如图4中的情况，传感器布置1105可以包括用于测量BzA至BzD的四个水平霍尔元件，或者可以包括用于测量BxA至BxD的四个垂直霍尔元件，或者可以包括用于测量BxA至BxD的四个MR元件。

考虑到只有曲线中的一条曲线将是可适用的，即极距与传感器点C与点D之间的距离对应的曲线，图16的模拟结果也适用于图11的传感器配置。但如上文所解释，任何失配都可以通过使用公式[2]或公式[3]在很大程度上被校正。

图12示出了包括以与图5或图6的传感器布置类似的方式布置的四个传感器位置A、B、C、D的传感器布置1205。但图12的传感器布置1205也可以被视为图11的传感器布置1105的变体，其中传感器点C和点D朝向点A横向地移位。针对图5描述的一切其他内容以及其变体，或图6以及其变体，或图11以及其变体加以必要的修改在这里也适用。

图13示出了包括以与图7(特别是7的(b)部分)中的传感器布置705类似的方式布置的四个传感器位置A、B、C、D的传感器布置1305。但图13的传感器布置1305也可以被视为图11的传感器布置1105的变体，其中传感器点C和点D被移位。针对图7描述的一切其他内容以及其变体，或图11以及其变体加以必要的修改在这里也适用。

考虑到只有曲线中的一条曲线将是可适用的，即极距与传感器点A与点C之间(以及B与D之间)的距离对应的曲线，图17的模拟结果也适用于图13的配置。但如上文所解释，任何失配都可以通过使用公式[2]或公式[3]在很大程度上被校正。

图14A示出了仅包括以与图8A的传感器布置805类似的方式布置的两个传感器位置A、B的传感器布置1405。在每个传感器位置处两个磁场分量被测量：在X方向上定向的Bx，以及在Z方向上定向的Bz。如图14A所示的公式是可适用的。图19或图20的传感器结构可以被使用，但是当然，能够在Y方向上间隔开的两个位置A、B处测量Bx和Bz的其他传感器结构也可以被使用。

与图8A的情况类似，传感器不需要恰好地位于轨道的中间，但是可以以小于或大于轨道距离“dt”的距离“ds”间隔开。

在说明性的示例中，第一轨道的宽度w1，以及第二轨道的宽度w2为2.0mm，因此中心线与轨道之间的距离“dt”也等于2.0mm。然而，优选地，传感器位置A、B之间的距离“ds”小于轨道距离“dt”，例如，“ds”可以是在从0.5mm至1.8mm的范围内的值，或者是在从0.6mm至1.6mm范围内的值(例如，等于约0.8mm、或等于约1.0mm、或等于约1.2mm、或等于约1.4mm)。通过选择(ds<dt)，例如，ds为dt的20％至90％，传感器设备的衬底的大小可以被减小。

该实施例的主要优点是传感器设备仅需要两个传感器位置，此外这些两个传感器位置可以相对紧密地被定位在一起，特别是在距离“ds”处，该距离“ds”在很大程度上独立于轨道距离“dt”以及独立于极距“pp”。

考虑到只有一条曲线中的一条曲线将是可适用的，图18的模拟结果取决于横向移位(在Y方向上)也适用于图14的结构。

图14B图示出具有位于直线上的四个不同感测点A、B、C、D的传感器布置1405b，以及其中，感测点中的两个感测点位于第一轨道上，以及另外两个感测点位于第二轨道上。图14B的传感器布置1405b可以被视为图8A的传感器布置805a的变体，以及图14A的传感器布置1405a的变体。

图15示出了包括仅三个传感器位置A、B、C的传感器布置1505，该传感器布置1505以与图9或图10的传感器布置类似的方式布置。图15的传感器布置1505也可以被视为图11的传感器布置1105的变体，传感器布置1505仅具有三个传感器位置，其中A和B，以及B和C以1/3极距间隔开，因此A和C以2/3极距间隔开。与图9中提供的公式相同的公式在这里也适用。

图16示出了使用商用的软件模拟程序获得的具有三条模拟曲线的图。每条曲线图示出作为如图1所示的位置传感器系统100的传感器设备的角位置的函数的角误差，位置传感器系统100包括：

如图1中所图示被定形的磁源102，磁源102具有6.0mm的内径，以及14.0mm的外径。磁源被轴向地(在Z方向上)磁化，以及具有两条相邻的轨道，每条轨道具有2.0mm的宽度，每条轨道在其上表面(面向传感器设备)处具有等距地间隔的、16个北极和16个南极，每个磁极具有360°/32＝11.25°的极距。磁源材料可以是或可以包括合金粉芯铁氧体，具有220kA/m磁化；

以及具有如图4中所图示的传感器布置405的传感器设备101，传感器设备101包括四个水平霍尔元件(或并联或串联地被连接以用于改进信噪比的四对水平霍尔元件)，被配置成用于在四个位置A、B、C、D处测量Bz分量BzA、BzB、BzC、BzD，该四个位置A、B、C、D位于具有1200μm的对角线(由此具有约849μm的四个边)的虚拟正方形的角处并且位于轨道上方约0.5mm的气隙处。

当使用公式[1]时，每条曲线示出作为磁源102相对于传感器设备101的机械角位置的函数的模拟角误差(以度为单位)。

在传感器设备被安装成使得点B和点D位于具有3.0mm(6.0mm/2的内径)+2.0(内轨道宽度)+0.35mm(径向向外，朝向外轨道中心线)＝5.35mm的半径的假想圆上的情况下，带有黑色圆的曲线示出了模拟角误差(以度为单位)。在该位置(被称为“参考位置”或“设想位置”)，差信号diff1和diff2具有相同的幅度，并且因此是正交信号。

在传感器设备被安装在相对于“参考位置”径向向内20μm的位置处的情况下，带有黑色正方形的曲线示出了模拟角误差。

在传感器设备被安装在相对于“参考位置”径向向外20μm的位置处的情况下，带有黑色三角形的曲线示出了模拟角误差。

考虑到使用具有相同内径和外径的双极环形磁体的经典角位置传感器系统的角误差约为±0.3°(在设想的温度范围和外部影响下)，以及假设安装误差小于±20μm，可以理解的是，由本发明提出的解决方案比现有系统更准确。

图17示出了具有三个模拟曲线的图，表示如图1所示的位置传感器系统100的角误差，包括如针对图16所描述的相同的磁源，但是包括具有在如图7的(b)部分中所图示的矩形上布置的四个水平霍尔元件的传感器设备，其中距离[AB]＝[CD]＝1200μm，并且距离[AD]＝[BC]＝849μm。图17的曲线的误差与图16的曲线的误差相当。

图18示出了具有三个模拟曲线的图，这些曲线表示如图1所示的位置传感器系统100的角误差，该位置传感器系统100包括如针对图16所描述的相同的磁源，但是包括具有带有在如图8中所图示的点A和点B处布置的两个所谓的“2D磁像素”的传感器布置的传感器设备。这可以例如使用如图19或如图20中所图示的传感器设备来实现。图18的模拟针对图19的传感器结构被执行，其中每个传感器包括具有约190μm的直径的集成磁集中器(IMC)盘，以及在IMC盘相对侧上布置的两个水平霍尔元件。在图18的模拟中，两个传感器位置A、B位于轨道的中心线上，因此在Y方向上以距离ds＝2.0mm被间隔开。

在传感器被安装在参考位置的情况下(其中，传感器点A距外半径的间隔与传感器点B距内半径的间隔相等)，带有黑色圆的曲线示出了模拟角误差(以度为单位)。可以看出，最大误差小于约±0.03°，这相比于现有技术改进了约10倍。

在传感器设备被安装在相对于参考位置径向向内20μm的位置处的情况下，带有黑色正方形的曲线示出了模拟角误差。在传感器设备被安装在相对于参考位置径向向外20μm的位置处的情况下，带有黑色三角形的曲线示出了模拟角误差。可以看出，误差或多或少保持相同。

除了上文提及的优点(对于老化、温度效应和外部干扰场高度稳健)之外，图8A和图8B的传感器布置还提供以下优点：传感器设备的尺寸独立于极距，并且很大程度上独立于轨道宽度，以及(最后但并非最不重要的)误差高度独立于径向安装位置。发现误差也高度独立于径向安装位置(即，在X方向上的移位)，因此，具有如图8A或图8B中所图示的传感器布置的传感器设备的安装需求可以严重被放宽。

需要指出的是，图6至图18的模拟还指示图2的角位置传感器系统200与具有如图4至图10中所图示的传感器布置的传感器设备201组合的准确性；并且还指示图3的线性位置传感器系统300与具有如图11至图15中所图示的传感器布置的传感器设备301组合的准确性。

就发明人所知，如图1至图3中所图示的磁源在本领域中不是已知的。

具有三个或四个水平霍尔元件或具有三个或四个垂直霍尔元件或具有三个或四个磁阻元件、用于在三个或四个传感器位置处测量平行定向的三个或四个磁场分量的传感器设备在本领域中是已知的，以及因此不需要在这里更详细地被描述。

然而，图8A和图14A的传感器布置包含两个2D磁像素，并且可能需要更多解释。两个可能的实施例在下文被提供，但本发明不限于此，并且能够于在Y方向上被间隔开的两个不同位置处测量两个正交磁场分量(例如，平行于衬底的Bx，以及垂直于衬底的Bz)的其他传感器结构，也可以被使用。

图19示出了可以在图8A和14A的传感器布置中被使用的传感器结构的示例。图19的传感器结构包括两个传感器S1和S2。每个传感器是“2D磁像素”以及包括集成磁集中器(IMC)和在IMC盘的外围处布置的两个水平霍尔元件。可以看出，IMC盘沿Y方向被间隔开，并且两个水平霍尔元件沿X方向被间隔开。在设想的应用中，IMC盘的中心之间的距离“ds”可以是在从500μm至3000μm范围内的值，但优选地，是在从600μm至2500μm范围内的值、或者是在从600μm至2000μm范围内的值、或者是在从700μm至1600μm的范围内的值。假设由霍尔元件H1、H2、H3、H4提供的信号分别被称为h1、h2、h3、h4，则由第一传感器S1测得的Bz分量与(h1+h2)成比例，由第一传感器S1测得的Bx分量与(h1-h2)成比例，由第二传感器S2测得的Bz分量与(h3+h4)成比例，并且由第二传感器S2测得的Bx分量与(h3-h4)成比例。如果对信号缩放进行抽象(无论如何都需要进行)，则可以写成Bz1＝(h1+h2)、Bx1＝(h1-h2)、Bz2＝(h3+h4)以及Bx2＝(h3h4)。在图8A和图14A的布置中，Bx1与Bx2分量的第一差ΔBx被计算，以及Bz1和Bz2分量的第二差ΔBz被计算。如图8A和图14A中所提及，角(以及可选地，线性)位置可以从这些差信号的比率得出。

在图19的变体中(未明确示出)，代替四个单独的霍尔元件H1、H2、H3、H4，并联或串联连接的四对两个相邻霍尔元件可以被使用。第一对会包含基本上位于与图19的H1相同的位置处的两个水平霍尔元件，第二对会包含基本上位于与图19的H2相同的位置处的两个水平霍尔元件，等等。通过这样做，所测得的磁场分量的信噪比可以被改进。

图20示出了可在图8A和图14A的传感器布置中使用的另一传感器结构的示例。图20的传感器结构包括沿Y方向间隔开的两个传感器S1和S2。每个传感器包括水平霍尔元件(例如，H1)，以及按其在X方向上的最大灵敏度轴线被定向的垂直霍尔元件(例如，V1)。在设想的应用中，水平霍尔元件中心之间的距离“ds”可以是在从500μm至3000μm范围内的值，但优选地，是在从600μm至2500μm范围内的值、或者是在从600μm至2000μm范围内的值、或者是在从700μm至1600μm范围内的值。假设由霍尔元件H1、H2提供的信号被称为h1、h2，并且由垂直霍尔元件V1、V2提供的信号被称为v1、v2，并且对缩放进行抽象，由第一传感器S1测得的Bx和Bz分量可以被写成Bx1＝v1；Bz1＝h1。同样地，由第二传感器S2测得的Bx和Bz分量可以被写成Bx2＝v2；Bz2＝h2。根据这些信号，两个差信号ΔBx、ΔBz可以被确定，并且角(以及可选的，线性)位置可以从这些差信号的比率得出。

在图20的变体中(未明确示出)，传感器S1、S2中的每一个包含两个垂直霍尔元件(而不是仅一个)，位于霍尔元件的相对侧。或者换句话说，在本实施例中，水平霍尔元件位于两个垂直霍尔元件之间，并且从两个垂直霍尔元件获得的信号会被添加或被平均。以这种方式，Bx的更准确的值可以被获得。

在另一个变体中(参考图8B和图14B来描述)，传感器设备也包括两个水平霍尔元件，以及两个垂直霍尔元件，但是它们位于位于直线上的四个不同传感器位置处。在实施例中，两个水平霍尔板可以是由“ds”间隔开的外部传感器元件，并且两个垂直霍尔板可以位于两个水平霍尔板之间。在另一个实施例中，两个垂直霍尔板可以是外部传感器元件，由“ds”间隔开，以及两个水平霍尔板可以位于两个垂直霍尔板之间。其他变体也是可能的。

图21示出了可在本发明的实施例中使用的传感器设备2120的高级框图。为了完整性，可能的硬件的简要说明在这里被提供。

位置传感器设备2120包括多个磁传感器元件SE1至SE3(例如，如图9中所图示布置的三个水平霍尔元件、或如图4中所图示布置的四个水平霍尔元件、或如图20中所图示的两个水平霍尔元件以及两个垂直霍尔元件，等等)。尽管未明确示出，但传感器设备2120通常还包括偏置电路系统、读出电路系统、一个或多个放大器、模数转换器(analog-to-digitalconvertor，ADC)等。此类电路在本领域中是公知的，以及不是本发明的主要焦点。

位置传感器设备2120进一步包括处理电路2122，例如，可编程处理单元，其被配置成用于从传感器元件接收信号或从其得出的信号(例如，在放大和数字化之后)，并且被配置成用于以如上文描述的方式来确定角位置和/或线性位置(例如，根据图4至图15中提供的公式)。线性位置或角位置可以在设备的输出处例如以数字或模拟方式被提供。

位置传感器设备2120可以包括非易失性存储器2121，其可以包括用于获得和处理传感器信号的计算机可执行指令。非易失性存储器2121还可以包括一个或多个常数，诸如在公式[2]中使用的常数“K”、或在公式[3]中使用的常数“M”和“T”、或在式[4]中使用的常数“L”，但当然也可以包含其他信息。

图22示出了包括第一子系统和第二子系统的位置传感器系统2200的框图。

第一子系统包括具有双轨道的第一磁源2230(例如，如图1至图3中所图示)和第一位置传感器设备2231，并且被配置成用于提供高度准确的(例如，具有小于±0.15°的误差)但具有相对小的测量范围(例如，360°/16＝22.5°的范围)的第一位置。

“实际机械角度”可以被计算为如上文所描述的那样确定的角度与角范围的整数倍的总和。同样地，“实际机械线性位置”可以被计算为上文所描述的位置X与线性极距的整数倍的总和。该整数的值可以(例如，通过计数，从已知位置开始)被动态地确定，或者可以通过使用机械地耦合(例如，通过直接使用共用轴、或间接使用齿轮机构、或以其他合适的方式)到第一子系统的第二位置传感器系统来确定。应当注意的是，例如，在多转向系统(例如，方向盘)的情况下，要被确定的角位置可以是在从0°至360°范围之外的值。

第二子系统包括双极磁体形式的第二磁源2232和第二位置传感器设备2233，并且被配置成用于提供不太准确、但跨360°角范围的第二位置。

图22的位置传感器系统2200进一步包括外部处理器(例如，电子控制单元，ECU)，其通信地连接到第一传感器设备2231和第二传感器设备2233，并且被配置成用于组合两个信号，从而生成具有相对大的范围(例如，跨360°或大于360°的范围)的高准确性位置传感器信号。用于组合此类信号的算法在本领域中是已知的，以及因此在此处不需要被更详细地解释。

在实施例中，第一磁源2230和第二磁源2232经由公共轴2240被机械地连接。在图22中，轴被图示为用于两个子系统的贯通轴，但这不是绝对必要的，并且第一磁源和第二磁源中的任何一个都可以被安装在轴的一端。

在另一个实施例中，第一磁源2230和第二磁源2232经由齿轮箱被机械地连接。在图22的系统的变体中，不存在外部处理器(ECU)，但是第一传感器设备2231被配置成用于将其输出信号提供给第二传感器设备2233，并且第二传感器设备还被配置成用于组合两个信号。

Claims (16)

1.一种位置传感器系统(100；200；300)，用于确定传感器设备(101；201；301)的位置所述传感器设备(101；201；301)能沿预定义路径相对于磁源(102；202；302)移动、或者所述磁源(102；202；302)能沿预定义路径相对于所述传感器设备(101；201；301)移动，所述位置传感器系统包括：

-所述磁源(102；202；302)，包括沿第一轨道(T1)布置的第一多个(N1)交替磁极，并且包括沿第二轨道(T2)布置的第二多个(N2)交替磁极，

其中，磁极的中心以预定义极距(pp)被间隔开；

其中，所述第一轨道(T1)的中心线(C1)与所述第二轨道(T2)的中心线(C2)以预定义轨道距离(dt)被间隔开，

并且其中，所述第一轨道(T1)的磁化与所述第二轨道(T2)的磁化基本上是180°相移的；

并且其中，所述第二多个(N2)等于所述第一多个(N1)；

其中，所述传感器设备(101；201；301)包括沿所述预定义路径跨越小于所述极距(pp)的1.40倍的距离的多个磁传感器；

其中，所述多个磁传感器被配置成用于测量多个磁场分量，所述多个磁场分量包括位于所述第一轨道(T1)上方的第一传感器位置(A)处的第一磁场分量(BxA，BzA)，以及位于所述第二轨道(T2)上方的第二传感器位置(B)处的、平行于所述第一磁场分量的第二磁场分量(BxB，BzB)；

所述传感器设备，进一步被配置成用于从所述多个磁场分量得出多个差信号(diff1、diff2)，并且用于从所述多个差信号(diff1、diff2)得出所述位置。

2.根据权利要求1所述的位置传感器系统(300)，

其中，所述多个差信号包括在所述第一轨道(T1)上方的所述第一传感器位置(A)处测得的第一信号与在所述第二轨道(T2)上方的所述第二传感器位置(B)处测得的第二信号之间确定的至少一个差。

3.根据权利要求1所述的位置传感器系统(300)，

其中，所述预定义路径、所述第一轨道(T1)和所述第二轨道(T2)中的每一个都是线性的。

4.根据权利要求1所述的位置传感器系统(100；200)，

其中，所述第一轨道(T1)和所述第二轨道(T2)具有带有共同中心的圆形或环形形状，并且其中，所述传感器设备(101；201)位于距所述中心的非零距离处。

5.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述传感器设备进一步被配置成用于在第三传感器位置(C)处测量第三磁场分量(BxC，BzC)，并且用于在第四传感器位置(D)处测量第四磁场分量(BxD，BzD)；

其中，所述第一传感器位置(A)、第二传感器位置(B)、第三传感器位置(C)和第四传感器位置(D)是四个不同的传感器位置；

并且其中，所述第三磁场分量和所述第四磁场分量平行于或正交于所述第一磁场分量(BxA，BzA)被定向；

并且其中，所述多个差信号包括第一差信号(diff1)和第二差信号(diff2)，其中，所述第一差信号(diff1)是所述第一磁场分量(BxA，BzA)与所述第二磁场分量(BxB，BzB)之间的差，并且所述第二差信号(diff2)是所述第三磁场分量(BxC，BzC)与所述第四磁场分量(BxD，BzD)之间的差。

6.根据权利要求5所述的位置传感器系统，

其中，所述传感器设备包括位于距所述第一轨道(T1)和所述第二轨道(T2)预定义距离(g)处的衬底；

并且其中，所述第一传感器位置、所述第二传感器位置、所述第三传感器位置和所述第四传感器位置是四个不同的传感器位置；

并且其中，所述第一磁场分量(BzA)、所述第二磁场分量(BzB)、所述第三磁场分量(BzC)和所述第四磁场分量(BzD)在垂直于所述衬底的方向(Z)上被定向。

7.根据权利要求5所述的位置传感器系统，

其中，所述传感器设备包括位于距所述第一轨道(T1)和所述第二轨道(T2)预定义距离(g)处的衬底；

并且其中，所述第一传感器位置(A)、所述第二传感器位置(B)、所述第三传感器位置(C)和所述第四传感器位置(D)是四个不同的传感器位置；

以及其中，所述第一磁场分量(BxA)、所述第二磁场分量(BxB)、所述第三磁场分量(BxC)和所述第四磁场分量(BxD)在平行于所述衬底的方向(X)上被定向，并且与所述预定义路径相切。

8.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述传感器设备(101、201、301)进一步被配置成用于在所述第一传感器位置(A)处或位于穿过所述第一传感器位置(A)和所述第二传感器位置(B)的虚拟线上的第三传感器位置(C)处测量正交于所述第一磁场分量(BzA)的第三磁场分量(BxA)，并且用于在所述第二传感器位置(B)处或位于穿过所述第一传感器位置(A)和所述第二传感器位置(B)的所述虚拟线上的第四传感器位置(D)处测量正交于所述第二磁场分量(BzB)的第四磁场分量(BxB)；

并且其中，所述多个差信号包括第一差信号(diff1)和第二差信号(diff2)，其中，所述第一差信号(diff1)是所述第一磁场分量(BzA)与所述第二磁场分量(BzB)之间的差，并且所述第二差信号(diff2)是所述第三磁场分量(BxA)与所述第四磁场分量(BxB)之间的差。

9.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述多个差信号包括第一差信号(diff1)和第二差信号(diff2)；

并且其中，所述位置被确定为所述第一差信号与第二差信号(diff1，diff2)的比率的函数。

10.根据权利要求9所述的位置传感器系统，

其中，所述位置是根据以下公式之一被确定的：

或

或

其中，diff1是所述第一差信号，diff2是所述第二差信号，R是所述第一差信号与所述第二差信号的比率，并且K和M是不同于1.0的预定义常数，例如K和M大于1.05或小于0.95；并且其中，T是不同于0的预定义常数，例如T具有大于至少0.05的绝对值。

11.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述传感器设备进一步被配置成用于在第三传感器位置(C)处测量平行于所述第一磁场分量(BxA，BzA)的第三磁场分量(BxC，BzC)；

其中，所述第一传感器位置(A)与所述第二传感器位置(B)以1/3极距被间隔开，并且其中，所述第一传感器位置(A)与所述第三传感器位置(C)以2/3极距被间隔开；

并且其中，所述传感器设备被配置成用于：

-确定所述第一磁场分量、所述第二磁场分量和所述第三磁场分量的平均(Bzavg)；以及用于

-将第一差信号(diff1)确定为所述第一磁场分量(BzA)与所述平均(Bzavg)之间的差；以及用于

-将第二差信号(diff2)确定为所述第二磁场分量(BzB)与所述平均(Bzavg)之间的差；以及用于

-将第三差信号(diff3)确定为所述第三磁场分量(BzC)与所述平均(Bzavg)之间的差；以及用于

-基于所述第一差信号(diff1)、所述第二差信号(diff2)和所述第三差信号(diff3)确定所述位置。

12.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述第一轨道(T1)具有在从1.0至3.0mm范围内、或在从1.5至2.5mm范围内的第一宽度(w1)；

并且其中，所述第二轨道(T2)具有在从1.0至3.0mm范围内、或在从1.5至2.5mm范围内的第二宽度(w2)；

并且其中，所述第一传感器位置(A)与所述第二传感器位置(B)之间的距离是在从1.0mm至3.0mm范围内、或在从1.5mm至2.5mm范围内的值。

13.根据权利要求1所述的位置传感器系统(2200)，

其中，所述磁源(102；202)被安装到轴(2240)，并且其中，所述传感器设备(101；201)被配置成用于确定所述轴的第一角度值；并且

其中，所述位置传感器系统(2200)进一步包括直接或间接机械地连接到所述轴的两极磁体(2232)，并且进一步包括被配置成用于确定所述轴的第二角位置的第二传感器设备(2233)；

并且其中，所述位置传感器系统(2200)进一步被配置成用于将所述第一角位置和所述第二角位置进行组合。

14.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述多个磁传感器仅包括霍尔传感器；或者

其中，所述多个磁传感器仅包括水平霍尔传感器；或者

其中，所述多个磁传感器仅包括垂直霍尔传感器；或者

其中，所述多个磁传感器包括至少一个水平霍尔传感器和至少一个垂直霍尔传感器。

15.根据权利要求1所述的位置传感器系统，

其中，所述第一传感器位置(A)与所述第二传感器位置(B)之间的距离(ds)小于所述第一轨道(T1)的宽度(w1)与所述第二轨道(T2)的宽度(w2)的总和、或小于所述总和的80％、或小于所述总和的70％、或小于所述总和的60％、或小于所述总和的50％、或小于所述总和的40％；

或者其中，所述第一传感器位置(A)与所述第二传感器位置(B)之间的距离(ds)小于所述轨道距离(dt)的2.00倍、或小于所述轨道距离(dt)的1.50倍、或小于所述轨道距离(dt)的1.25倍、或小于所述轨道距离(dt)的1.00倍、或小于所述轨道距离(dt)的0.90倍。

16.一种在根据权利要求1所述的位置传感器系统中使用的位置传感器设备，所述位置传感器设备包括衬底，

所述衬底包括：第一磁传感器，用于在第一传感器位置处测量第一磁场分量(BzA)；以及第二磁传感器，用于在第二传感器位置处测量第二磁场分量(BzB)；以及第三磁传感器，用于在第三传感器位置处测量第三磁场分量(BzC)；

其中，所述第一磁场分量、所述第二磁场分量和所述第三磁场分量是平行的，并且在平行于所述衬底(X)或垂直于所述衬底(Z)的方向上被定向；

其中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器位于三角形的角处，所述三角形具有长度上相等的第一边和第二边，并且具有比所述第一边和所述第二边长至少10％或短至少10％的第三边；

所述位置传感器设备进一步包括处理单元，所述处理单元被配置成用于确定所述第一磁场分量和所述第二磁场分量以及所述第三磁场分量的平均(Bzavg)，

并且用于将第一差信号(diff1)确定为所述第一磁场分量与所述平均之间的差，并且将第二差信号(diff2)确定为所述第二磁场分量与所述平均之间的差，并且将第三差信号(diff3)确定为所述第三磁场分量与所述平均之间的差；并且用于将这三个差信号转换成正交信号，并且用于基于这些正交信号来计算角位置。