CN102818517B - 包含具有基本正方形面的磁体的角度测量*** - Google Patents

包含具有基本正方形面的磁体的角度测量*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及包含具有基本正方形面的磁体的角度测量***。为了使得磁场线更加直并且彼此更加平行，本公开利用在其中具有通孔的基本正方形磁体。将了解的是，“基本正方形”磁体包括精确正方形的磁体以及近似正方形(例如，具有圆角或者其它与正方形的微小偏差)的磁体。通过提供更加直的且更加平行的磁场线，这种基本正方形磁体倾向于在测量轴的旋转角度时实现更大的精确度和准确度。

Description

包含具有基本正方形面的磁体的角度测量***
背景技术
磁场方向传感器，诸如巨磁阻(GMR)或各向异性磁阻(AMR)传感器，例如被用于各种各样的应用中。图1A-1B示出了磁场方向传感器100(例如，GMR传感器)在不同磁场下如何表现。该磁场方向传感器100包括夹在第一和第二铁磁合金层104，106之间的非磁性导电中间层102(例如，超薄铜层)。人工的反铁磁层107设置于第二铁磁合金层106下。还可以包括另外的层。如下面将更加详细了解的那样，该磁场方向传感器100的电阻根据施加到传感器100的磁场的幅度和方向而变化。
图1A示出了无外部磁场施加到传感器100的情形。在这种情形下，由于反铁磁耦合，第一和第二合金层104，106的磁矩朝着相反的方向(参见箭头108，110)，并且试图通过传感器100的电流112遇到大的电阻。
与之相反，在图1B中施加如箭头114所示的外部磁场以克服反铁磁耦合。在第一和第二合金层104，106内；这个磁场114倾向于对齐(align)磁矩，如箭头116，118所示。因此，相对于图1A，图1B中试图通过传感器100的电流120遇到小的电阻。因此，通过监测该传感器100的电阻，可以估算磁场(例如114)的幅度和/或方向。
GMR/AMR传感器的感兴趣的一种特定应用是确定旋转轴的角位置。在传统的解决方案中，可以把有时称为“钮扣(button)”磁体的永磁体安装到旋转轴的端部以便位于轴的旋转轴线中心。图2A-2C示出了这种钮扣磁体202在它旋转时的顶视图，其中磁场方向传感器200(例如，GMR或AMR)位于其上以便当钮扣磁体202旋转到其下时保持静止。在钮扣磁体202的界限内，磁场线204是直的并且彼此平行。当轴(并且由此钮扣磁体202)旋转时，通过传感器200的磁场线204的方向相应地变化。例如，在图2A(例如，0°角位置)中磁场线204倾向于对齐传感器200中一些层的磁矩，从而在传感器200中产生低电阻状态。然而，当磁场线204旋转时(图2B-90°角位置，图2C-180°角位置)它们不再如此强有力地对齐磁矩，并且传感器200的电阻可能成比例地增加。由于传感器200的电阻根据通过该处的磁场线204的方向性而变化，控制器(未示出)可以随时间测量传感器200的电阻以及持续地将任何给定时间处的电阻与相应的磁场方向相关。这样，该控制器可以在轴旋转时确定该轴的旋转角度。在其它情形中，角度计算由包含在传感器制造过程中的智能状态机和固件完成。最终如何计算角度取决于传感器集成水平。
不幸的是，在许多应用中，例如由于空间顾虑或者由于某一其它部件需要安装到轴的端部，在旋转轴的端部上安装圆形钮扣磁体是不可行的。例如，在交通工具中，电动驱动马达轴的两端可以用来驱动两个独立***，从而在轴端部没有给磁体和传感器留下通路。
因此，需要改进的角度感测技术，其中沿轴的长度而不是在轴的端部设置角度传感器。
附图说明
图1A-1B是描述磁场方向传感器可以如何操作的一个示例的等距图。
图2A-2C是安装在旋转轴顶端的传统钮扣磁体的顶视图。
图3A-3B分别为围绕可旋转轴径向安装的遭受一些缺点的环形磁体的侧视图和顶视图。
图4A-4B分别为根据一些实施例的围绕可旋转轴安装的正方形磁体的侧视图和顶视图。
图5A-5B分别为根据一些实施例的围绕可旋转轴安装的具有圆角的正方形磁体的侧视图和顶视图。
图6A-6B为根据一些实施例的具有圆角的正方形磁体的侧视图和顶视图。
图7是示出根据一些实施例的GMR或AMR角度传感器的一个实施例的框图。
图8是示出根据一些实施例的GMR感测阵列的一个实施例的框图。
具体实施方式
现在参考附图来描述所要求保护的主题，其中贯穿全文相同的附图标记用于表示相同的元件。在以下的描述中，出于解释的目的，阐明了许多具体细节以便提供对所要求保护的主题的彻底理解。然而，可以显而易见的是，没有这些具体细节，仍可以实施所要求保护的主题。
本公开的多个方面涉及用于测量旋转轴的角位置的技术。如下面将更加详细描述的那样，本公开的一些实施例包含围绕轴的轴向长度径向或周向安装的磁体。该磁体包括第一和第二面表面，每个面表面基本为正方形。将了解的是，本公开上下文中的“基本正方形”可以意指实际正方形或者近似正方形(例如，具有圆角的正方形)。通过针对旋转轴应用包含具有通孔的基本正方形磁体，可以进行相对于先前实施方式更加准确的角度测量。
图3A-3B分别示出了围绕可旋转轴302径向安装的并且遭受一些缺点的环形磁体300的侧视图和顶视图。与图2中示出的钮扣磁体相比，这种环形磁体300的优点是其包括通孔304，因此它可以围绕轴302的轴向长度安装。而且，由于该环形磁体300具有连续的圆形边缘306，其相对简单地制造并且在轴302旋转时表现出良好的平衡(例如，有限时“抖动”)。然而，不幸的是，与提供直的且平行的磁场线的传统钮扣磁体(例如，图2中的钮扣磁体202)不同，由于在磁体300中心的通孔304，该环形磁体300中的磁场线308不再是直的并且彼此平行。相比于传统钮扣磁体，这些“弯曲”的场线308使得准确的角度测量更加困难，进一步因传感器位置偏离中心而恶化。因此，对于许多应用而言图3的环形磁体300不够理想。
为了使得磁场线更加直并且彼此平行，本公开利用在其中具有通孔的基本正方形的磁体。将了解的是，“基本正方形”磁体包括精确正方形的磁体以及近似正方形(例如，具有圆角或者其它与正方形的微小偏差)的磁体。另外，尽管通孔在许多情况下是圆形的以容纳圆形轴，但是一般而言通孔可以具有任何其它形状，例如诸如正方形。通过提供更加直的且更加平行的磁场线，这种基本正方形的磁体倾向于在测量轴的旋转角度时实现更大的精确度和准确度。
图4A-4B分别示出了包含正方形磁体406的角度测量***400的侧视图和顶视图。该角度测量***400被配置为确定沿着轴线404延伸的旋转轴402的角度。包含中心地设置通过北极区域410和南极区域412的通孔408的正方形磁体406固定地安装到轴402。该正方形磁体406分别包含第一和第二面表面414、416。该第一和第二面表面414、416分别包含限定轴402所通过的通孔408的范围的第一和第二孔。
角度传感器418被配置为在轴402围绕其轴线404旋转时测量由该正方形磁体406产生的时变磁场。在许多实施例中，该角度传感器418包括具有一个或多个电阻器(例如，GMR或AMR电阻器)区域的半导体芯片。该角度传感器418通常位于与第一和/或第二面表面(416、418)平行的平面420内以使得电阻器区域基本沿着从轴线404延伸的恒定半径422居中。该角度传感器418通常位于正方形磁体406的内径424和外周界426之间的平面420上。
与图3的环形磁体300的圆形边缘306相比，磁体406的正方形面表面414、416有助于稍微“弄直”和平行化磁场线428。因此，该正方形磁体406比图3的环形磁体300促进更加精确的角旋转测量。
图5A-5B分别示出了角度测量***500的另一实施例的侧视图和顶视图。角度传感器500包含具有圆角504的基本正方形磁体502，而不是包含如图4A-4B的实施例中描述的实际正方形的第一和第二面表面。与先前讨论的实施方式相比，这些圆角504可以帮助进一步平行化磁场线，从而促进更加准确的角度测量。
包含中心地设置通过北极区域508和南极区域510的通孔506的基本正方形磁体502被固定地安装到轴512。该基本正方形磁体502分别包含第一和第二面表面514、516。该第一和第二面表面514、516具有圆角504并且分别包含限定轴512所通过的通孔506的范围的第一和第二孔。
角度传感器518被配置为在轴512围绕其轴线524旋转时测量由该基本正方形磁体502产生的时变磁场。在许多实施例中，该角度传感器518包括具有一个或多个电阻器(例如，GMR或AMR电阻器)区域的半导体芯片。该角度传感器518通常位于与第一和/或第二面表面(514、516)平行的平面520内以使得电阻器区域基本沿着从轴线524延伸的恒定半径522居中。在该平面520上，该角度传感器518通常位于基本正方形磁体502的内径526和外边缘528之间。
图6A-6B分别示出了根据一些实施例的具有圆角602的另一基本正方形磁体600的侧视图和顶视图。出于清楚目的，这个实施例未示出与先前实施例一样的轴或角度传感器，尽管该基本正方形磁体典型地与它们结合使用(参见例如，图5A-5B)。
该基本正方形磁体600包含第一面表面604，其具有围绕磁体的中心轴线608横向设置的周界606。该周界606包含与中心轴线608隔开第一距离dA的第一边缘610、以及垂直于第一边缘610并且与中心轴线608隔开第一距离dA的第二边缘612。圆形段614位于第一边缘610和第二边缘612之间并且与中心轴线608隔开比第一距离dA更大的第二(例如，径向)距离dB。
如果如线616所示的那样延伸，第一边缘和第二边缘610、612将在第一面表面604之外的交点618处相遇。交点618与中心轴线608隔开比第二距离dB更大的第三距离dC。
在一些实施例中，第二距离dB近似为第一距离加上第三距离的和的一半(即，dB＝(dA+dC)/2)。圆形角602的这种几何形状有助于在传感器将所在的距离(dsensor)处提供直的且平行的磁场线。
图7是示出角度传感器700(例如，图4A-4B中的角度传感器418和/或图5A-5B中的角度传感器518)的一个实施例的框图。如图所示，除磁阻(MR)区域702之外，角度传感器700可以进一步包含控制器704和存储器706，其中存储器706存储多个MR参数(例如，校准参数)值。角度传感器700进一步包括多个引脚708，诸如电源电压(VDD)引脚710、接地引脚712和数据I/O引脚714。
图8是大体示出根据一个实施例的GMR电阻器区域800(例如，图7中的MR电阻器区域702)的示意图。如图所示，GMR电阻器区域800包含一对GMR传感器电桥802和804，其中传感器电桥802由四个GMR电阻器806a-806d形成并且传感器电桥804由四个GMR电阻器808a-808d形成。根据图8的电桥实施方式，GMR传感器电桥802和804彼此正交设置并且分别被配置为感测旋转磁场的x分量和y分量，诸如在810处的虚线指示的磁场。
通过引脚710施加电源电压VDD到端子812并且在端子814和816处测量GMR传感器电桥802的电压信号Vx+和Vx-，以及在端子818和820处测量GMR传感器电桥804的电压信号VY+和VY-。响应于外部磁场诸如磁场810，GMR电阻器806a-806d和808a-808d中的一个或多个在它们的电阻方面变化，引起端子814和816处的电压信号Vx+和Vx-以及端子818和820处的电压信号VY+和VY-的变化，其表示磁场810相对于参考向量的角位置(例如0度)。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是这些实施例的变化也考虑为落入本公开的范围内。
如从上面的细节中可以了解的那样，根据本公开的角度测量技术可能在利用旋转轴的许多应用中是有益的。在一些应用中，这些技术可以用于测量相对角度和绝对角度这两者。实质上，相对角度是在单个360°旋转内测量的角位置，而绝对角度是可以说明不止一个360°旋转的角位置。例如，相对角位置可以测量相对于真实垂线的45°旋转(没有指示从先前测量开始通过了多少个360°旋转)，而绝对角位置可以指示相对于某个固定参考线的两个完整360°旋转加上45°旋转(例如，相对于固定参考线的765°旋转)。虽然GMR传感器可以用于测量实际上任何角度(例如，小于360度或者大于360度)，但是AMR传感器通常仅能测量180度或更小的角度。
在一些实施例中，基本正方形磁体可以使用注塑技术进行制造，其中橡胶或者塑性材料用可磁化材料进行灌注。在其它实施例中，基本正方形磁体可以用其它方式(例如，紧固件或者胶粘剂)耦合到轴。
进一步，尽管先前示出的实施例在每个磁体上仅示出了一个角度传感器，但是根据本发明也可以在各种方式的角度感测***中散布另外的(冗余的)角度传感器。如果存在，冗余角度传感器通常可以位于基本正方形磁体(例如，图4中的406)上的单个平面(例如，图4中的平面420)中。然而，在这些和其它实施方式中，冗余角度传感器也可以彼此“堆叠”。无论使用何种布置，冗余角度传感器可以有助于促进长时间周期的可靠角度感测。冗余角度传感器还呈现用于准确度确认和数据质量的机会；如果(例如)在PCB上已知角度传感器以180度的旋转分离，则在任何给定时间处这些传感器应该总是提供以180度分离的数据，因此确保数据质量和***准确度。
如本领域技术人员将了解的那样，不同的公司可以用不同的名称来表示部件。这里，本文档没有意在区分在命名而非功能上不同的部件。在本文档中术语“包含”和“包括”以开放式形式被使用，并且因此应该解释为意指“包括，但不限于...”。而且，术语“耦合”(以及其变化)意在意指间接或直接连接。因此，如果第一元件耦合到第二元件，则该连接可以是直接连接，或者可以是通过其它元件和连接件的间接连接。尽管这里提供了各种近似数值，但是这些数值仅仅是示例，不应该用于限制本公开的范围。
而且，尽管已经关于一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是在阅读和理解本说明书和附图的基础上，本领域技术人员将想到等效变更和修改。例如，尽管本申请参考上面的AMR和/或GMR传感器，但是将了解的是，其它磁阻(MR)传感器也考虑为落入本公开的范围内。例如，隧穿磁阻(TMR)是根据一些实施例可以用于角度传感器中的另一种类型的磁阻效应。也可以包含其他MR传感器。本公开包括所有这些修改和变更并且仅由随后的权利要求的范围来限制。特别关于由上面描述的部件(例如，元件和/或资源)执行的各种功能，用于描述这种部件的术语意在(除非另有指示)对应于执行所描述部件的指定功能(例如，功能上等效)的任何部件，即使结构上不等效于公开的执行在这里示出的本公开示例性实施方式中的功能的结构。另外，虽然本公开的特定特征可以关于若干实施方式中的仅一个进行公开，但是这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其它特征相组合，如对任何给定或特定应用可能所期望和有利的那样。另外，在这个申请以及随后权利要求中使用的冠词“一”和“一个”要被解释为意指“一个或多个”。
此外，就在具体实施方式或权利要求中使用术语“包含”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带有”或其变体来说，这些术语意在以类似于术语“包括”的方式包含在内。

Claims (16)

1.一种角度测量***，包括：
轴，沿着轴线延伸并且被配置为围绕轴线轴向旋转；
磁体，包含每个为基本正方形的第一和第二表面，其中第一和第二表面分别包含具有基本圆形形状的第一和第二孔，并且其中第一和第二孔限定该轴延伸通过的磁体中的通孔的范围；以及
角度传感器，被配置为在轴旋转时测量由磁体产生的时变磁场从而确定该轴的旋转角度，其中该角度传感器包含位于接近轴的磁体内周界和磁体外周界之间的磁体的第一表面上的感测区域。
2.如权利要求1的角度测量***，其中第一和第二表面是具有圆角的正方形表面。
3.如权利要求1的角度测量***，其中该轴适于围绕轴线旋转通过多于360度的绝对角度。
4.如权利要求3的角度测量***，其中该角度传感器被固定于与轴线隔开的位置。
5.如权利要求2的角度测量***，其中第一表面具有围绕该轴线横向设置的周界，该周界包括：
以第一距离与轴线隔开的第一边缘；
垂直于第一边缘并且以第一距离与轴线隔开的第二边缘；
在第一边缘和第二边缘之间并且以比第一距离更大的第二距离与轴线隔开的圆形段。
6.如权利要求5的角度测量***，其中第一边缘和第二边缘在延伸的情况下将在第一表面之外的交点处相遇，并且其中该交点与轴线以比第二距离更大的第三距离隔开。
7.如权利要求6的角度测量***，其中第二距离近似为第一距离加上第三距离的和的一半。
8.如权利要求1的角度测量***，其中该角度传感器包括：
半导体芯片，包含被布置为确定磁场方向性的磁阻阻性传感器布置。
9.如权利要求8的角度测量传感器，其中该半导体芯片包括一对彼此正交布置的MR传感器电桥。
10.如权利要求1的角度测量***，其中该角度传感器包括：
超薄的导电、非铁磁层；以及
一对铁磁层，夹在该导电、非铁磁层的相对侧周围。
11.一种***，包括：
轴，沿着轴线延伸；
磁体，具有基本正方形的具有圆角的相对表面，其中该磁体包含具有基本圆形形状的中心孔，该轴通过该中心孔并且该磁体通过该中心孔被安装到该轴；以及
角度传感器，被定位成通过在轴旋转时测量由磁体产生的时变磁场来确定轴的旋转角度，其中该角度传感器包含位于接近轴的磁体内周界和磁体外周界之间的磁体的一面上的感测区域。
12.如权利要求11的***，其中该轴适于围绕轴线旋转通过多于360度的绝对角度。
13.如权利要求11的***，其中该轴限于围绕轴线旋转360度或者更小。
14.如权利要求11的***，其中该角度传感器包括：
半导体芯片，包含被布置为协同确定磁场方向性的磁阻阻性(MR)传感器布置。
15.如权利要求14的***，其中该半导体芯片包括一对彼此正交布置的MR传感器电桥。
16.如权利要求11的***，其中该角度传感器包括：
超薄的导电、非铁磁层；以及
一对铁磁层，夹在该导电、非铁磁层的相对侧周围。
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