垂直梯度測量角傳感器、系統(tǒng)以及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及磁場傳感器，并且更具體地涉及對在旋轉(zhuǎn)軸上的磁場分量的 至少兩個梯度進行取樣的梯度測量磁場角傳感器（gradiometric magnetic field angle sensor)，其中磁場分量大體上垂直于旋轉(zhuǎn)軸。
【背景技術】
[0002] 磁場傳感器可以用于感測轉(zhuǎn)軸件（shaft)或其它物體的旋轉(zhuǎn)角。例如，可以在轉(zhuǎn) 軸件上安裝磁體，并且可以將磁場傳感器布置為緊鄰磁體，以便感測隨著磁體與轉(zhuǎn)軸件一 起旋轉(zhuǎn)而由磁體引發(fā)的磁場。當緊挨或鄰近轉(zhuǎn)軸件（即，偏離轉(zhuǎn)軸件的旋轉(zhuǎn)軸（axis of rotation))地安裝磁場傳感器時，傳感器通常稱為"離軸（off-axis)"磁場角傳感器。通 常在轉(zhuǎn)軸件的末端不可用作傳感器用的位置、或者簡單地轉(zhuǎn)軸件上沒有可用空間時，實施 離軸磁場角傳感器。而"軸上（on-axis)"磁場傳感器一般來講是這樣的傳感器：傳感器被 安裝在轉(zhuǎn)軸件末端處或者在轉(zhuǎn)軸件末端附近，大體上與旋轉(zhuǎn)軸在一直線上（in-line)或者 在旋轉(zhuǎn)軸上。在一些實施例中，軸上磁場角傳感器可以包括梯度計，使得軸上磁場梯度傳感 器測量旋轉(zhuǎn)軸上的磁場梯度。在一些應用中，可以通過以下方式充分逼近地測量梯度：在靠 近軸線相對側和在軸線相對側上的取樣點處對該磁場取樣，并將樣本組合，諸如通過減法 來將樣本組合。
[0003] 在許多應用中，一般都偏好于磁場角傳感器，無論離軸的還是軸上的磁場角傳感 器，這種磁場角傳感器廉價而且也相對于外部磁場和其它干擾（disturbance)穩(wěn)健。而一 些常規(guī)方法的缺點是，要求有具有磁靈敏度相同并且高度線性的傳感器元件的至少兩個傳 感器襯底。雖然一些方法通過使用霍爾效應傳感器元件來解決線性度的要求，但是在降低 或消除了線性度要求的情況下也有機會使用其它非霍爾式方法。許多常規(guī)方法使用更強力 并且因此更昂貴的磁體，這在考慮成本的情況下又是一個缺點。另外，在不對裝配公差進行 精密控制的情況下，可能降低許多常規(guī)磁場角傳感器的準確性。許多常規(guī)軸上磁場角傳感 器的又一缺點是背景磁場所造成的誤差。一般來講，存在與常規(guī)磁場角傳感器相關聯(lián)的許 多缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的各個實施例涉及磁場傳感器，諸如梯度測量磁場角傳感器，其中傳感器 元件具有相對于磁體的旋轉(zhuǎn)軸的大體上的軸上布置。
[0005] 在一個實施例中，提供了一種磁場角傳感器，其被配置用于確定相對于旋轉(zhuǎn)軸的 磁場源旋轉(zhuǎn)位置，該磁場角傳感器包括：裸片，其包括第一表面，并且其被布置成與旋轉(zhuǎn)軸 在一直線上，使得旋轉(zhuǎn)軸的投影（projection)基本上垂直于第一表面地延伸穿過裸片；至 少三個磁場傳感器元件，其被布置為在裸片的第一表面上圍繞著旋轉(zhuǎn)軸的投影，該至少三 個磁場傳感器元件被配置用于感測由磁場源引發(fā)的磁場的至少兩個梯度，該至少三個磁場 傳感器元件對基本上垂直于旋轉(zhuǎn)軸并與第一表面平行的磁場分量是靈敏的；以及電路系 統(tǒng)，其被配置用于通過確定該至少兩個梯度的至少一個線性組合、并且從該至少一個線性 組合得出旋轉(zhuǎn)位置，來確定磁場源的旋轉(zhuǎn)位置。
[0006] 在一個實施例中，一種確定相對于旋轉(zhuǎn)軸的磁場源旋轉(zhuǎn)位置的方法包括：設置至 少三個磁場傳感器元件，其被布置為在表面上、圍繞著旋轉(zhuǎn)軸至表面上的投影，該至少三個 磁場傳感器元件被配置用于感測由磁場源引發(fā)的磁場的磁場分量的至少兩個梯度，磁場分 量基本上垂直于旋轉(zhuǎn)軸并且與表面平行；以及設置耦合至該至少三個磁場傳感器元件的電 路系統(tǒng)，以通過確定該至少兩個梯度的至少一個線性組合并且從該至少一個線性組合得出 旋轉(zhuǎn)位置，來可操作地確定磁場源的旋轉(zhuǎn)位置。
【附圖說明】
[0007] 結合附圖考慮本發(fā)明的各種實施例的以下詳細描述，可以對本發(fā)明進行更透徹地 理解，其中：
[0008] 圖IA是根據(jù)一個實施例的軸上傳感器系統(tǒng)的透視圖。
[0009] 圖IB是圖IA的傳感器系統(tǒng)的一部分的框圖。
[0010] 圖2是根據(jù)一個實施例的傳感器系統(tǒng)的側截面圖。
[0011] 圖3是根據(jù)一個實施例的傳感器裸片的平面圖。
[0012] 圖4是根據(jù)一個實施例的傳感器裸片的平面圖。
[0013] 圖5A是根據(jù)一個實施例的磁體和傳感器的側視圖。
[0014] 圖5B是圖5A的平面圖。
[0015] 圖6A是根據(jù)一個實施例的磁體和傳感器的側視圖。
[0016] 圖6B是圖6A的平面圖。
[0017] 圖7是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0018] 圖8是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0019] 圖9是根據(jù)一個實施例的磁體和傳感器的透視圖。
[0020] 圖IOA是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0021] 圖IOB是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0022] 圖IOC是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0023] 圖IOD是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0024] 圖IOE是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0025] 圖IOF是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0026] 圖IlA是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0027] 圖IlB是圖IlA的傳感器和磁體的透視圖。
[0028] 圖IlC是圖IlB的傳感器和磁體的透視圖。
[0029] 圖IlD是圖IlB的傳感器和磁體的平面圖。
[0030] 圖IlE是圖IlB的傳感器和磁體的透視圖。
[0031] 圖IlF是圖IlB的傳感器和磁體的側截面圖。
[0032] 圖12A是根據(jù)一個實施例的磁體的平面圖。
[0033] 圖12B是圖12A的磁體的透視圖。
[0034] 圖13是根據(jù)一個實施例的磁體的透視圖。
[0035] 圖14A是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0036] 圖14B是根據(jù)一個實施例的半橋電路的框圖。
[0037] 圖14C是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0038] 圖14D是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0039] 圖15是根據(jù)一個實施例的半橋電路的框圖。
[0040] 圖16是根據(jù)一個實施例的半橋電路的框圖。
[0041] 圖17是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0042] 圖18是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0043] 圖19是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0044] 圖20是根據(jù)一個實施例的傳感器的平面圖。
[0045] 雖然本發(fā)明可以有各種修改以及替代形式，但其具體內(nèi)容已經(jīng)通過示例方式在附 圖中示出并且將詳細描述。然而，應當理解，并不旨在使得本發(fā)明限制于所描述的具體的實 施例。相反地，旨在涵蓋落在如由所附的權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所 有修改、等同以及替代。
【具體實施方式】
[0046] 本發(fā)明的各個實施例涉及磁場傳感器，諸如梯度測量磁場角傳感器，其中傳感器 元件相對于磁體的旋轉(zhuǎn)軸大體被布置在軸上。在一個實施例中，角傳感器相對于產(chǎn)生磁場 的磁體的旋轉(zhuǎn)軸被布置在軸上，角傳感器可以檢測并且分析磁場以確定磁體的角位置。傳 感器可以包括布置在傳感器封裝中的襯底或裸片上的多個傳感器元件，諸如兩個傳感器元 件。在磁體旋轉(zhuǎn)時，磁體產(chǎn)生磁場，諸如具有垂直于旋轉(zhuǎn)軸的分量的并且作用于角傳感器上 的不均勻磁場。該多個傳感器元件可以檢測該分量以及其它分量，例如其中每個元件在其 相應位置處感測至少一個分量的梯度測量傳感器，并且可以對來自元件的信號進行比較以 估計或確定磁體的角位置或移動角度。因此，本發(fā)明的各個實施例提供許多優(yōu)點，包括針對 給定了梯度測配置的均勻磁干擾場（homogeneous magnetic disturbance field)的穩(wěn)健 性。
[0047] 參見圖1A，描繪軸上角傳感器系統(tǒng)100的一個不例。傳感器系統(tǒng)100包括磁體 102,磁體被安裝或以其它方式附著至轉(zhuǎn)軸件104,使得磁體102與轉(zhuǎn)軸件104 -起旋轉(zhuǎn)。在 一個實施例中磁體102可以包括永久磁體,或者在其它實施例中可以包括另一個磁場源， 諸如電磁體、在電流流過其中時產(chǎn)生磁場的簡單線圈（例如，由導線或者其它導體構成）。 在又一些實施例中，磁場源（例如，磁體102)可以與轉(zhuǎn)軸件104不耦合、或以其它方式與傳 感器105 -起布置在固定位置中，并且另一磁性部件（諸如鐵的部分）旋轉(zhuǎn)，并且造成可由 傳感器105感測到的、磁場的改變。
[0048] 仍然參見圖1A，傳感器105包括襯底或裸片106,并且被布置在磁體102和轉(zhuǎn)軸件 104附近。在系統(tǒng)100中，傳感器105被布置成大體上與轉(zhuǎn)軸件104同軸，其中裸片106取 向成垂直于該軸。盡管在本文中一般稱為裸片，但在各種實施例中裸片106可以包括襯底、 裸片、電路板或其它結構，包括半導體材料、陶瓷、玻璃、環(huán)氧樹脂（例如，玻璃纖維增強環(huán) 氧樹脂，諸如FR4)或者其它合適材料，具有或不具有封裝，并且本文對術語裸片的使用不 應視為限于任何特定的實施例、或相對于權利要求書。
[0049] 裸片106的主要平面，即在圖IA的取向上面向上方、并且其上安裝有磁場傳感器 元件108的xy平坦表面，被布置成垂直于轉(zhuǎn)軸件104的旋轉(zhuǎn)軸，如圖所示。在其它實施例 中，裸片106可以被反轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，使得相同xy表面面向下方，或者該裸片以其它適合方式布 置。在一個實施例中兩個磁場傳感器兀件108布置在裸片106上，而在本文所討論的其它 實施例中一般可以使用更多或更少的傳感器元件108。在各個實施例中裸片106、磁體102 和/或轉(zhuǎn)軸件104的相對位置可以變化，傳感器元件1