CN104583727A

CN104583727A - 用于使用多极磁体来测量绝对角位置的布置、方法和传感器

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Publication number: CN104583727A
Application number: CN201380044101.2A
Authority: CN
Inventors: C·肖特; S·休伯
Original assignee: Melexis Technologies NV
Current assignee: Melexis Technologies NV
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: KR102373646B1; KR20150042782A; US20220341756A1; KR20190045400A; EP2888558A1; EP2888558B1; US10309801B2; US11592318B2; KR20200088507A; GB2505226A; WO2014029885A1; JP6236452B2; US20210018336A1; KR102135333B1; US11391601B2; GB201215052D0; US20150226581A1; US20190242724A1; JP2015526730A; HK1208903A1

Abstract

用于测量转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的布置(1)，该布置包括安装在转子(2)上的多极磁体(5)以及安装在定子(3)上的传感器(6)，且该传感器(6)包括有被组织成两个组群(S,T)或四个组群(S,T,U,V)的、用于测量磁场分量(Br,Bt,Bz)的多个传感器元件(HH,VH)。用于计算角位置(α)的方法包括得到每一组群中的各元件的信号的和、这两个和的比、以及反正切函数。替换地，该方法可包括得到信号的和、和的差值、差值的比以及反正切函数。集成传感器(6)以及这样的布置(1)或传感器(6)在汽车环境中的使用。

Description

用于使用多极磁体来测量绝对角位置的布置、方法和传感器

发明领域

本发明涉及使用磁场的位置传感器的领域。更具体地，本发明涉及用于使用磁场来精确确定小于360°的角位置的非接触式布置和方法。

发明背景

对旋转角的测量在各种应用中被需要，诸如手动的电开关或者对电机或阀等的位置测量。取决于成本和准确度限制，该任务可通过各种方法(诸如机械接触、电势计、光学编码器或磁编码器)来完成。

现代的集成电路技术提供将磁传感器及其读出和角计算电子器件集成在单个管芯上的可能性。这允许以有竞争性的成本和良好的性能提供机械旋转检测器，该检测器由附连到转子的永磁体和附连到定子的单片集成传感器组成。具有磁体的转子和具有传感器的定子之间不存在机械接触允许密封地封装该传感器。这准许在残酷环境条件下进行无磨损的角测量。

随着电气***的紧凑性的增加，特别是在伴随混合引擎***的到来的汽车中，这样的位置传感器被附加地暴露于来自邻近的携带强电流(例如，大于100A)的电流导体的外部磁场。为了在这样的条件下保持高感测准确性，该传感器可通过铁磁屏蔽来屏蔽，或者它必须被造得对这样的场有固有稳健性。这可通过测量场梯度而非绝对场来实现，因为只要传感器尺寸较小，该传感器上的任何外部场在第一近似中都被假定为是恒定的。

对应于该要求的传感器从EP0916074B 1知晓。它描述了使用源自非旋转对称磁体(尤其是两极磁体)的磁场来进行非接触式角度测量的方法和布置，藉此与旋转轴平行的轴向场分量(Bz)由在与该旋转轴垂直的平面内部的若干分开的点处的传感器元件(所谓的“水平霍尔元件”)测量。因此，在完全相对的传感器元件值之间的差被得到，以使得来自恒定的外部(干扰)场的任何信号都被减去因此它不再出现在角信号中。

所描述的方法和布置的缺点在于其针对小角度测量的应用。

US20020021124描述了使用用于使磁场线弯曲的一个或多个所谓的磁场聚集器(简称为“IMC”)结合位于该IMC下面的各水平霍尔元件或成切线地位于该IMC边缘的各垂直霍尔元件的位置传感器。

发明概述

本发明的目的在于提供一种基本上对外部磁场不敏感的用于测量转子相对于定子的绝对角位置的传感器和布置和方法。

具体地，本发明的各实施例的目的在于提供一种这样的具有增加的敏感度的用于测量小于360°的角位置的传感器和布置和方法。

通过根据本发明的各实施例的布置和方法和传感器来完成上述目的。

在第一方面，本发明提供一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。该布置包括：

-转子，所述转子能围绕旋转轴旋转；

-定子，所述定子具有相对于该旋转轴的固定位置；

-安装在所述转子上的用于创建磁场的磁源，所述磁源是具有至少四个磁极并提供相对于旋转轴周期性重复的磁场图案的多极磁体；

-传感器，所述传感器被安装在所述定子上并包括多个传感器元件，所述传感器元件用于测量所述磁场的至少一个磁场分量并用于提供指示所述至少一个磁场分量的测量信号，所述传感器被定位成基本上以所述旋转轴为中心，并在距所述磁源第一距离处被定位在与所述旋转轴基本上垂直的平面中；所述传感器元件被基本上定位在处于距所述旋转轴第二距离处的圆上，并被取向为用于检测所述至少一个磁场分量；以及

-用于计算所述转子距所提供的传感器信号的角位置的装置。

在第二方面，本发明提供一种用于测量转子相对于定子的角位置的布置。该布置包括：转子，所述转子能围绕旋转轴旋转；定子，所述定子具有相对于所述旋转轴的固定位置；安装在所述转子上的用于创建磁场的磁源，所述磁源是具有多个用于生成相对于旋转轴周期性重复的磁场图案的磁极的多极磁体，磁极数为至少四个；传感器，所述传感器被安装在所述定子上并包括多个传感器元件，所述传感器元件用于测量所述磁场的至少一个磁场分量并用于提供指示所述至少一个磁场分量的测量信号，所述传感器被定位成基本上以所述旋转轴为中心，并在距所述磁源第一距离处被定位在与所述旋转轴基本上垂直的平面中；所述传感器元件被基本上定位在处于距所述旋转轴第二距离处的圆上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量；所述多个传感器元件被划分成至少第一组群和第二组群，每一组群内的元件被定位在所述圆上的等距角位置处，所述第一组群中的元件和所述第二组群中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源的磁极数；用于从所提供的信号中计算所述转子的角位置的装置，所述用于计算的装置适用于计算由所述第一组群中的传感器元件提供的信号的第一和或第一平均，并适用于计算由所述第二组群中的传感器元件提供的信号的第二和或第二平均，并适用于基于从由所述第一和、第一平均、第二和及第二平均组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子的所述角位置。

使用磁场来确定角位置的优点在于传感器是非接触式，并由此在固定部分和可移动部分之间不存在机械接触由此不存在磨损。这样的传感器可在恶劣环境中被有利地使用。

使用包括多个传感器元件的单个集成传感器的优点在于各个体传感器元件或若干传感器间不对准的风险被消除，并且那些传感器的互连可被忽略。

这样的布置的优点在于第一元件组群被布置用于测量所谓的正弦信号，而第二元件组群被布置用于测量余弦信号，从而一起形成正交信号，所述角位置可从该正交信号准确地确定。

这样的布置的优点在于它允许磁源的切向场分量、径向场分量或轴向场分量中的任何一者而非(仅)轴向场分量被测量。

这样的布置的优点在于它不要求将铁磁磁轭附加到定子以用于对转子的磁场进行整形，该附加会增加组件成本和劳动力。

这样的布置的优点在于磁源在磁体以及旋转轴的紧密附近处创建磁场，其中在位于与旋转轴同心的圆上、并距磁体较短距离的位置处的各磁场分量具有随旋转角以基本上周期性(例如，正弦或余弦)的方式改变并且随距旋转轴的距离以基本上线性的形式变化的切向场分量和/或径向场分量和/或轴向场分量。这样的磁体的示例是具有含正方形、圆形或多边形截面的圆柱形形状的磁体。

由这样的布置提供的角位置的优点在于或可能在于对位置偏移误差的稳健性(例如，基本上对位置偏移误差不敏感)。这提供了不必进行校准以补偿位置误差的进一步优点。

由这样的布置提供的角位置的优点在于或可能在于对均匀外部磁场的稳健性(例如，基本上对均匀外部磁场不敏感)。

磁源可以是具有圆形、正方形或多边形(例如，六边形)的多极盘。该多极磁体可以但不一定提供有中央开口，例如中央圆柱开口(由此基本上形成环状体)。

传感器元件的数目至少等于磁源的极数，但为了得到改进的功能也可以是那个数目的两倍。

在根据本发明的布置的各实施例中，多极磁体是永磁体。使用永磁体来生成磁场具有不需要施加功率来生成磁场的优点。

在根据本发明的布置的各实施例中，多极磁体具有中央圆柱开口。

在根据本发明的布置的各实施例中，多极磁体具有至少六个磁极。

这样的布置的优点在于它提供了较高的敏感度。

具有六极磁体或有更多极的磁体的布置的优点在于在角范围为0到120°。越多磁极可用，角敏感度范围变得越小。

在根据本发明的布置的实施例中，多极磁体具有含外径和内径的环形形状，并且该传感器中的圆具有为该磁体的外径的l.到30％的直径。

这样的布置的优点在于传感器元件被定位到的圆的直径基本上独立于环形磁体的尺寸。这允许传感器和磁体尺寸被基本上彼此独立地选择。这还允许独立于磁体对传感器进行定标的进一步技术。

在根据本发明的布置的各实施例中，测量到的至少一个磁场分量包括该磁场的被基本上取向为在该圆的切向的切向场分量。

一个优点在于这样的源自多极环形磁体或盘形磁体的切向场根据定子和转子之间的角距离提供基本上正弦的信号，并在于该切向场分量的幅度随距旋转轴的距离以基本上线性的方式改变，从而提供优良的位置偏移校正并允许对本技术进行定标。

在根据本发明的布置的各实施例中，传感器元件包括垂直霍尔效应元件，该垂直霍尔效应元件具有含在该圆切向的法线的板。

一个优点在于这样的霍尔元件理想地适合于测量(仅)切向场分量，同时对轴向或径向场分量不敏感。

使用垂直霍尔效应元件的优点在于由于这些垂直霍尔效应元件被构建在半导体(例如，硅、衬底)的深度方向中，因此占据较少的半导体面积。

在根据本发明的布置的各实施例中，每一感测元件包括一对水平霍尔效应元件以及IMC分段，所述一对水平霍尔效应元件被彼此毗邻地定位在圆上并具有与旋转轴基本上垂直地定向的板，所述IMC分段用于使局部切向磁场弯曲成与这些板基本上垂直的方向。

这样的布置的优点在于水平霍尔元件可被使用，其提供更高的敏感度并以更小的偏移为特征。

结合IMC来使用水平霍尔元件的优点在于IMC以无源方式提供信号放大。

在根据本发明的布置的各实施例中，测量到的至少一个磁场分量包括该磁场的被基本上在该圆的径向上取向的径向场分量。

一个优点在于这样的源自多极环形磁体或盘形磁体的径向场根据定子和转子之间的角距离提供基本上正弦的信号，并在于该径向场分量的幅度随距旋转轴的距离以基本上线性的方式改变，从而提供优良的位置偏移校正并允许对本技术进行定标。径向场和切向场提供相同的优点。

在这样的实施例中，传感器元件可包括垂直霍尔效应元件，该垂直霍尔效应元件具有含垂直于旋转轴并与旋转轴相交的法线的板。

一个优点在于这样的霍尔元件理想地适合于测量(仅)径向场分量，同时对轴向或切向场分量不敏感。

使用垂直霍尔效应元件的优点在于由于这些垂直霍尔效应元件被构建在半导体(例如，硅、衬底)的深度方向中因此占据较少的半导体面积。

使用垂直霍尔元件的进一步优点在于不需要IMC。

在根据本发明的布置的各实施例中，用于计算的装置适用于计算第一和与第二和的比或第一平均与第二平均的比，并适用于基于所述比的反正切或反余切来确定转子的角位置。

一个优点在于角位置可通过相对简单的算法来计算。测角函数可借助查找表可任选地用线性内插来实现。该表可被存储在非易失性存储器中。

在根据本发明的布置的各实施例中，传感器元件的数目是多极磁体的磁极数的两倍。该传感器进一步包括基本上位于圆上的第三磁传感器元件组群和第四磁传感器元件组群，第三组群和第四组群中的磁传感器元件被取向成用于检测至少一个磁场分量。第三组群和第四组群中的每一者内的传感器元件被定位在圆上的等距角位置处，第三组群中的元件和第一组群中的元件之间的角距离等于2xl80°＝360°除以磁源的磁极数，并且第四组群中的元件和第一组群中的元件之间的角距离等于3xl80°＝540°除以磁源的磁极数。

用于计算的装置进一步适用于计算由第三组群中的各元件提供的信号的第三和或第三平均，并用于计算由第四组群中的各元件提供的信号的第四和或第四平均。用于计算的装置进一步适用于基于从由第一和、第一平均、第二和、第二平均、第三和、第三平均、第四和以及第四平均组成的组中选择的一个或多个数字来确定转子的角位置。

该实施例的优点在于可提供冗余性，该冗余性可用于通过对这些分量的公差(例如，磁场的非理想性)、该集成电路的未对准、该集成电路内的公差等求平均来进一步增加准确性。

此实施例的优点还在于在一些情况下，例如在两个测量到的角度偏离超过给定阈值时，它可提供可靠的测量或可指示误差。

在根据本发明的布置的各实施例中，每一传感器元件包括水平霍尔效应元件，并且该布置进一步包括集成的磁聚集器，该磁聚集器包括位于这些水平霍尔元件顶部的中央部分以及位于距这些霍尔元件某距离处并以径向方向定向的多个细长部分。

在根据本发明的布置的各实施例中，每一传感器元件包括水平霍尔效应元件，并且该布置进一步包括集成的磁聚集器，该磁聚集器包括中央部分以及各自位于这些霍尔元件之一的顶部并以径向方向定向的多个细长部分。

在根据本发明的布置的各实施例中，用于计算的装置进一步适用于计算第一和与第三和之间的第一差，并用于计算第二和与第四和之间的第二差。用于计算的装置进一步适用于计算第一差与第二差的比，并用于基于所述比的反正切或反余切来确定转子的角位置。

一个优点在于通过使用此特定算法，由这样的布置提供的角位置附加地对恒定的外部场梯度稳健(例如，对恒定的外部场梯度基本上不敏感)，或换言之对非均匀的外部磁场的零阶项和一阶项不敏感。通过这种方式，由携带电流的导体引起的磁场可被显著地降低。尤其在汽车环境中，特别是在引擎罩下面的汽车环境中，此优点无法被低估。

在本发明的第三方面中，提供了在汽车环境中使用这样的布置来计算角位置。

尤其地，优点在于在引擎罩下面使用提出的布置，其中由于该布置对其零阶项及一阶项两者都高度不敏感，因此在各导体中流动的相当大的电流可导致大的干扰场。

在本发明的第四方面，提供了用于使用如上所述的布置来确定转子相对于定子的角位置的方法。该方法包括下列步骤：计算由第一传感器元件组群提供的各信号的第一和或第一平均；计算由第二元件组群提供的各信号的第二和或第二平均；基于从由所述第一和、第一平均、第二和以及第二平均组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述转子的角位置。

在根据本发明的方法的各实施例中，该方法进一步包括将每一对中的元件的信号相减以便提供用于计算第一和与第二和或者第一平均与第二平均的经组合信号的步骤。

此配置中的每一对水平霍尔元件事实上提供单个值。

在根据本发明的方法的各实施例中，该方法进一步包括：计算第一和与第二和的比或第一平均与第二平均的比；基于所述比的反正切或反余切来确定转子的角位置。

在根据本发明的方法的各实施例中，该方法进一步包括：计算由第三组群中的传感器元件提供的信号的第三和或第三平均，并计算由第四组群中的传感器元件提供的信号的第四和或第四平均；基于从由第一和、第一平均、第二和、第二平均、第三和、第三平均、第四和及第四平均组成的组中选择的一个或多个数字来确定转子的角位置。

在根据本发明的方法的各实施例中，该方法进一步包括以下步骤：计算第一和与第三和之间的第一差以及第二和与第四和之间的第二差以及第一差与第二差的比；以及，基于所述比的反正切或反余切来确定转子的角位置。

根据第五方面，本发明提供一种用于测量转子相对于定子的角位置的集成传感器电路，所述转子能围绕旋转轴旋转并包括安装在所述转子上的用于创建磁场的磁源，所述磁源是具有多个用于生成相对于所述旋转轴周期性重复的磁场图案的磁极的多极磁体，磁极数为至少四个；所述定子具有相对于所述旋转轴的固定位置，所述集成传感器电路可在处于距所述磁源第一距离处的、与所述旋转轴基本上垂直的平面中被安装到在所述多极磁体的附近并与所述旋转轴成一直线的定子上。所述集成传感器电路包括：多个传感器元件，每一传感器元件均适用于测量所述磁场的至少一个磁场分量，并适用于提供指示所述至少一个磁场分量在该传感器元件的位置处的强度的测量信号，所述传感器元件基本上被定位在距所述旋转轴一距离处的圆上并被取向为用于检测所述至少一个磁场分量；所述多个传感器元件被划分成第一组群和第二组群，每一组群内的元件被定位在所述圆上的等距角位置处，所述第一组群中的元件和所述第二组群中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源的磁极数；用于从所提供的信号中计算所述转子的角位置的装置；并且，其中所述用于计算的装置适用于计算由所述第一组群中的各元件提供的信号的第一和或第一平均，并适用于计算由所述第二组群中的各元件提供的信号的第二和或第二平均，并适用于基于从由所述第一和、第一平均、第二和及第二平均组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子的所述角位置。

这样的集成电路的优点在于它提供准确的角位置，该角位置对外部磁场基本上不敏感或对其具有降低的敏感度，并且该角位置对所述集成电路相对于所述旋转轴的定位误差基本上不敏感或对其具有降低的敏感度，同时提供改善的敏感度。此集成电路理想地适合于在其中总角度小于360°(例如，在4极磁体被使用的情况下小于180°或在6极磁体被使用的情况下小于120°等)的***中测量绝对角位置。例如在如控制阀的应用中，这可提供更准确的定位。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，每一传感器元件包括垂直霍尔效应元件，该垂直霍尔效应元件具有含在圆切向上的法线的板。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，每一感测元件包括一对水平霍尔效应元件以及IMC分段，所述一对水平霍尔效应元件被彼此毗邻地定位在圆上并具有与旋转轴基本上垂直地定向的板，所述IMC分段用于使局部切向磁场弯曲成与这些板基本上垂直的方向。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，每一传感器元件包括垂直霍尔效应元件，该垂直霍尔效应元件具有含与所述旋转轴垂直并与所述旋转轴相交的法线的板。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，用于计算的装置进一步适用于计算第一和与第二和的比或第一平均与第二平均的比，并适用于基于所述比的反正切或反余切来确定所述转子的角位置。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，传感器元件的数目是多极磁体的磁极数的两倍；并且，所述集成电路进一步包括基本上被定位在圆上的第三磁传感器元件组群和第四磁传感器元件组群，所述第三组群和所述第四组群中的磁传感器元件被取向用于检测至少一个磁场分量，所述第三组群和所述第四组群的每个组群内的传感器元件被定位在所述圆上的等距角位置处，所述第三组群中的元件和所述第一组群中的元件之间的角距离等于2x180°＝360°除以所述磁源的磁极数，并且所述第四组群中的元件和所述第一组群中的元件之间的角距离等于3xl80°＝540°除以所述磁源的磁极数；并且用于计算的装置进一步适用于计算由第三组群中的各元件提供的信号的第三和或第三平均，并用于计算由第四组群中的各元件提供的信号的第四和或第四平均；并且用于计算的装置进一步适用于基于从由第一和、第一平均、第二和、第二平均、第三和、第三平均、第四和及第四平均组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述角位置。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，每一传感器元件包括水平霍尔效应元件，并且所述集成电路进一步包括集成的磁聚集器，该磁聚集器包括位于所述水平霍尔元件顶部的中央部分以及位于距所述霍尔元件一距离处并以径向方向定向的多个细长部分。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，每一传感器元件包括水平霍尔效应元件，并且该集成电路进一步包括集成的磁聚集器，该磁聚集器包括中央部分以及各自位于所述霍尔元件之一的顶部并以径向方向定向的多个细长部分。

在根据本发明的集成电路的各实施例中，用于计算的装置进一步适用于计算第一和与第三和之间的第一差，并用于计算第二和与第四和之间的第二差；并且用于计算的装置进一步适用于计算第一差与第二差的比，并用于基于所述比的反正切或反余切来确定所述转子的角位置。

在本发明的第六方面中，提供了在计算汽车环境中使用这样的集成电路来计算角位置。

在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利要求的特征组合，而不仅如权利要求中显式陈述的那样。

参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的且得以说明。

附图简述

图1示出了使用两极条形磁体来进行绝对角位置测量的现有技术布置。

图2示出了根据本发明的各实施例的使用四极磁体来进行绝对角位置测量的布置。恒定的外部场也被示出。

图3示出了如本发明的各实施例中可使用的具有十二个极并具有中央圆柱形开口的轴向磁化环形磁体。

图4示出了如本发明的各实施例中可使用的具有四个极并具有中央圆柱形开口的轴向磁化环形磁体。

图5示出了如本发明的各实施例中可使用的没有中央开口但具有形成四个极对(八个极)的表面磁化的盘形磁体。

图6示出了具有中央开口并具有两个极对的多极环形磁体的示例，如在俯视图(图6的底部)中示出并在侧视图(图6的顶部)中示出的。图6还示出了各传感器元件在位于距该磁体一距离处并被取向为与旋转轴垂直的平面中的位置。

图7示出了图6的四极环形磁体的、在磁体表面以下3mm的距离处的切向场分量的模拟。外圆和中间圆对应于该环形磁体的外径和内径。内圆对应于可放置这些传感器元件的假想圆。

图8示出了位于假想圆上并被取向成用于测量图7的切向磁场分量的四个垂直霍尔传感器元件的位置和取向的示例。

图9示出了图6的四极环形磁体的、在磁体表面以下3mm的距离处的径向场分量的模拟。与图7相同的环形被示出。

图10示出了根据本发明的各实施例的传感器的四个垂直霍尔传感器元件的位置和取向的示例，这些元件位于假想圆上并被取向成用于测量图9的径向磁场分量。

图11示出了对图6的四极环形磁体的、在磁体表面以下3mm的距离处的轴向场分量的模拟。与图7相同的环形被示出。

图12示出了根据本发明的各实施例的传感器的四个水平霍尔传感器元件的位置和取向的示例，这些元件位于假想圆上并被取向成用于测量图11的轴向磁场分量。

图13示出了图11的轴向磁场分量的根据半径的强度。

图14示出了图9的径向磁场分量的根据半径的强度。

图15示出了图7的切向磁场分量的根据半径的强度。

图16示出了具有中央圆柱形开口的六极环形磁体。一些场线被示为在环形磁体外部，但磁场不是在那里测量的，而是在磁体以下测量的。三个粗黑箭头指示有三个传感器元件的第一组群(未示出)的取向，三个粗白箭头指示三个传感器元件的第二组群(未示出)的取向，所有传感器元件均适用于测量磁场的切向场分量。

图17示出了根据本发明的各实施例的传感器的六个垂直霍尔传感器元件的位置和取向的示例，这些元件位于假想圆上并适用于测量在如图2所示的布置中的图16的磁体的切向磁场分量。

图18示出了在与图16的六极磁体结合使用时可从图17的传感器元件中获得的正弦和余弦信号的示例。

图19示出了如可结合图16的六极环形磁体使用的、具有水平霍尔板元件和集成磁聚集器(IMC)对的传感器的实施例。

图20示出了与图16所示相同的具有中央圆柱形开口的六极环形磁体。

三个粗黑箭头指示有三个传感器元件的第一组群(未示出)的取向，三个粗白箭头指示有三个传感器元件的第二组群(未示出)的取向，所有传感器均适用于测量径向场分量。

图21示出了根据本发明的各实施例的传感器的六个垂直霍尔传感器元件的位置和取向的示例，这些元件位于假想圆上，并适用于测量在如图2所示的布置中的图20的磁体的径向磁场分量。

图22示出可从图21的传感器元件中获得的正弦和余弦信号的示例。

图23示出了具有十二个被取向成用于测量六极磁体的径向磁场分量的垂直霍尔传感器元件的传感器的示例。它具有两倍的图21的传感器的传感器元件的数目，其可用于具有增加的准确性或可靠性的检查。在另一实施例中，该相同的布置(但具有其他算法)还可用于以对外部的恒定场以及对外部的恒定场梯度基本不敏感的方式测量角位置。

图24示出了图2的布置，但改成恒定的外部场(即由导电线引起的外部场)被示出。

图25是图23的传感器的变型，该变型具有十二个被取向成测量图16的六极磁体的切向磁场分量的垂直霍尔传感器元件，该变型基本上对任何方向的恒定外部场和/或具有恒定梯度的外部场稳健。

图26示出了根据本发明的具有十二个水平霍尔元件以及集成磁聚集器的传感器的实施例，该集成磁聚集器包括中央盘以及多个细长条带，这些霍尔元件被布置在中央盘下面。

图27示出了图26所示的传感器的实施例的变型，这些霍尔元件被布置在这些细长条带下面。

图28示出了根据本发明的各方面的供结合图4所示的四极环形磁体一起使用的八个传感器元件的布置。

附图仅仅是示例性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。

权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

在不同附图中，相同参考标记指示相同或相似元件。

详细描述

将针对具体实施例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定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际缩影。

说明书和权利要求书中的术语第一、第二等等被用于区分相似元件，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或其它方式上的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。

此外，说明书和权利要求书中的术语在……之上、在……之下等等被用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。

注意，权利要求书中所使用的术语“包括”不应当被解释为局限于其后所列出的手段；它并不排除其它元件或步骤。因此它应当被解读为指定所述特征、整数、步骤或部件如所述及的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或其群组的存在或添加。因此，表述“包含装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的设备。这意味着相对于本发明而言，设备的相关组件是A和B。

贯穿本说明书，对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的多个位置中短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定指的是同一实施例，但也可能是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员根据本公开内容显而易见的是，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合。

类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将本公开内容连成整体，并帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面。

然而，本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每一个权利要求中显式地记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映的，各发明性方面在于比以上公开的单个实施例的所有特征要少的特征。因此，随详细描述所附的权利要求在此明确地被纳入到此详细描述中，其中每个权利要求自身作为本发明的单独实施例。

此外，尽管此处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没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文中提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其它实例中，未详细示出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。/；

当对“外部(不想要的)磁场”作出引用时，意指除由安装在转子处的“磁源”(例如永磁体)引起的磁场以外的磁场。

具有“旋转对称”场的磁源意指在该磁源被围绕其轴旋转了小于360°的角度(例如，对于四极环形磁体或盘形磁体而言为旋转了180°，或者对于六极环形磁体或盘形磁体而言为旋转了120°)后，磁场看上去相同。

均匀外部场意指具有恒定幅度和恒定方向的场。这样的场可被描述为恒定矢量(Bxo、Byo、Bzo)

图1示出了使用如EP0916074B 1中描述的两极条形磁体来进行绝对角位置测量的现有技术布置。该布置具有围绕旋转轴21相对于定子27旋转的转子22。条形磁体23被安装在转子22以用于创建磁场，该磁场的一些磁通线被示出。传感器被定位在磁体“以下”的某距离处(z方向)，该传感器具有四个传感器元件24、25、26，这四个传感器元件中的三个被示出。这些传感器元件是用于感测该磁场的轴向场分量B_⊥.(例如，以与旋转轴平行的垂直Z方向定向的场线)的霍尔元件。在EP0916074B 1的描述和权利要求书中显式地提出了这些传感器元件将被组织在至少两个传感器对中，或者为了增加准确性而被组织在多个对中，并提出了该磁场相对于旋转轴不具有旋转对称。

图2示出了包括传感器6的布置1，在该情况下，该传感器6为用于进行转子2相对于该传感器6被固定地安装到的定子(未示出)的绝对角位置测量的集成电路。转子2可绕旋转轴4旋转，并且包括具有至少四个磁极(即Np＝4)的多极磁铁5，在该情况下，多极磁铁5为具有(以亮灰色和暗灰色指示的)四个极的盘形永磁体。该磁体5在预定距离处或在预定距离范围内创建该磁场的三个圆柱形分量(径向、切向、轴向)中的至少一者的周期性重复的磁通强度图案，例如正弦磁通强度图案。

该磁场相对于旋转轴4旋转对称，并且在该示例中以180°的周期重复其自身。这意味着该角度传感器仅测量处于0°到180°范围内的机械角。对于六极磁体而言，可测范围为0°到120°等等。

传感器6被布置在磁体5“以下”的距离d1处，并被定位成与旋转轴4基本上成一直线，并且还被定位在与旋转轴4基本上垂直的平面β中。传感器6包括被定位在与旋转轴4基本上垂直的平面β中的、用于测量一个或多个磁场分量Br、Bt、Bz的至少四个传感器元件，以及用于从那些传感器元件提供的信号来计算机转子2的角位置α的装置，如将进一步描述的。在本发明的各实施例中，距离d1在零和磁体5的外径之间。在特定实施例中，距离d1可被选为在该磁体外径的10％和30％之间。如果磁体不呈圆形，则该直径可以是外切圆的直径。替换地，对于不呈圆形的磁体，距离d1可在零和该磁体的边长之间，该边长是该磁体的最大边的长度。

图3到图5只示出了可以与图2的传感器6一起使用的多极磁体5的一些类型示例，但可以使用许多更多的类型，只要磁体5是具有至少四个极(北极和南极)的、用于创建围绕旋转轴4的旋转对称磁场B的多极磁体，该场分别具有切向和/或径向和/或轴向场分量Bt、Br、Bz，当在具有处于旋转轴4的中心、并被定位在距该磁体距离d1处的假想圆上测量这些分量时，这些分量在角度α方面以基本上正弦或余弦的方式改变，并且这些分量优选地还以基本上线性的方式改变，例如以线性方式从该假想圆的中心改变到特定半径值。后者将在图13到图15中进一步解说。

图3示出了如本发明的各实施例中可使用的具有十二个极(六个极对)并具有中央圆柱形开口的轴向磁化环形磁体。将注意，该极数(在所解说的实施例中为12个)只是示例，并且根据本发明的各实施例，也可使用具有四个极(见图4)、六个极(见图16和图20)、八个极(见图5)、十个极、或甚至更多个极(一般为2k个极，k是大于1的整数)的环形磁体。然而，可以测量到的最大角α根据以下公式随极数的增加而减小：720°/Np，其中Np是极数。

图5示出了没有中央开口并具有表面磁化(在所示的示例中，为顶部表面)的盘形磁体5。然而，如可领会地，在绘制从每一N极到相邻S极的场线(未示出)时，该磁体实际上创建具有满足以上特性的切向场分量的磁场。如通过比较图3、图4和图5可领会的，该磁体中的中央开口并不需要；该磁体还可以是盘形磁体。在又一些替换实施例中，该磁体不需要具有圆形形状：它可具有正方形形状或多边形形状。该磁体甚至可以具有各槽。该磁体的重要特征是在旋转的径向场分量Br和/或切向场分量Bt和/或轴向场分量Bz的重复磁通场，例如为具有720°/Np的周期的正弦曲线，Np是磁体的极数。

在下文中，将假设磁体5是多极环形磁体，但如已经解释的，本发明不限于环形磁体。

图6示出了具有中央开口并具有四个极(两个北极和两个南极)的四极环形磁体的实施例，如在俯视图(图6的较下部)中示出并在侧视图(图6的较上部)中示出的。在特定示例中，环形磁体5可具有约12mm的外径OD、约8mm的内径ID和约4mm的高度h，但本发明并不限于此。这些传感器元件相对于磁体的位置也被示出，但出于说明的目的未按比例示出。这些传感器元件E基本上被定位在距磁体5的平坦底部表面距离d1处，并且基本上被定位在位于与旋转轴4基本上垂直的平面β中的、具有在旋转轴4上的中心点、并具有直径d2的假想圆(未示出)上。将详细描述该示例。随后，技术人员可对其他磁体类型或尺寸执行相同的测试、模拟或测量。

第一算法

图7示出了由图6的四极环形磁体创建的磁场的、在磁体表面以下3mm的距离d1处测量到的切向场分量Bt的模拟结果。这些模拟结果是用有限元模拟工具通过3D磁模拟获得的。在模拟结果之上绘制了三个圆，外圆和中间圆对应于环形磁体5的外径和内径(在分别具有12mm和8mm的直径的示例中)。内圆8表示可放置这些传感器元件的假想圆8的示例。将注意，在现有技术中，环形磁体被用于进行脉冲编码(例如，对极出现的整数次数进行计数，而不是对其分数进行计数)，尽管该磁场分量在中间圆和外圆(在本示例中为分别具有8mm和12mm的直径的圆)之间最大的事实，但据发明人所知，该传感器随后总是被定位在环形磁体下面或外部，而永远都不会在该环形磁体的“内部”(即，在小于该磁体的内径的径向距离处)。此外，凭直觉无法相信这些场线在该环形的中央附近表现为线性方式，更别提在距其轴向距离d1处表现为线性方式了。应注意，磁场可由单个磁体5生成，并且不需要铁磁磁轭等(也参见图6)。这降低了组件成本和制造成本，并降低了未对准的风险。

图8示出了具有被取向成用于测量假想圆8的切向场Bt的四个传感器元件VH1-VH4(在该情况中为垂直霍尔传感器元件)的传感器的第一实施例。在该示例中，这些传感器元件被布置成两组群：由传感器元件VH2和VH4组成的第一组群S以及由传感器元件VH1和VH3组成的第二组群T。第一组群S中的传感器元件VH2、VH4分别提供信号S1和S2。第二组群T中的传感器元件VH1、VH3分别提供信号T1、T2。第一组群的信号S1和S2被相加(而不像EP0916074B1中那样被相减)以形成第一和sum1，第二组群的信号T1和T2被相加以形成第二和sum2：

sum1＝S1+S2； (1)

sum2＝T1+T2； (2)

每一组群S、T内的各传感器元件被定位成以例如720o/Np＝例如对于四极磁体而言为180°的角距离等距地间隔，例如VH1和VH3被定位成间隔180°，VH2和VH4也被定位成间隔180°。

第一组群S中的元件VH2和第二组群T中的元件VH1之间的角距离等于180°除以磁源5的磁极数Np，例如，VH2和VH1之间的角距离为180°/4＝45°。

通过将传感器元件VH1和VH3定位成间隔180°，并且将传感器元件VH2和VH4定位成间隔180°(一般为720°/Np，其中Np是极数，在该示例中Np＝4)，并且将第一组群S中的传感器元件VH2相对于第二组群T中的元件VH1定位成处于180°/Np＝45°的角位置处，sum1的值如极对数乘以转子2的角位置的正弦函数(例如，在所示的示例中为四极的情况下为转子2的角位置的2倍即2α；或者在六极磁体的情况下为3α)那样改变，并且sum2的值如极对数乘以转子2的位置的余弦函数(例如，在四极磁体的情况下为2α，或者在六极磁体的情况下为3α)那样改变，除了可在制造期间确定或者可在校准期间测量并不被进一步考虑的预定义的偏移以外。随后(对于所示的示例)可如下计算比R：

R＝sum1/sum2＝tan(2α) (3)

并且角度α可随后被如下计算：

α＝(arctan R)/2。 (4a)

替换地，角度α也可被如下计算：

α＝(arccotan(sum2/sum1))/2 (4b)

或通过使用等效公式来计算。

应注意，取代计算每一组群S、T的值的和，还可计算每一组群的平均值，并计算第一平均avg1和第二平均avg2等的比，这可获得角位置α相同的结果，因为该平均是和除以2，并因此比R将保持不变。

图8的配置对传感器6相对于旋转轴4的位置偏移误差基本上不敏感(或至少具有降低的敏感度)，因为由VH1和VH3生成的信号T1和T2(至少部分地)彼此补偿：如果一个信号由于径向位置偏移而较大，则另一个较佳得为较小于同一量。这同样适用于由传感器VH2和VH4提供的信号S1和S2。对于沿着旋转轴4的偏移，因此在z方向中，和(S1+S2)以及和(T1+T2)两者都会增加或减少相同的因数，使得用于进行角计算的这两者之间的比不会受到影响。

图8的配置还对均匀的外部磁场Bext(参见图2)不敏感，因为由每一组群中的传感器所测量到的值在被相加时彼此抵消，因为在一方面传感器元件VH1和VH3被取向成在相反的方向中，且在另一方面VH2和VH4被取向成在相反的方向中。由于比从各场分量的和或平均中获得的事实，这些磁场分量的绝对值是不相关的，而仅其相对值有关。这意味着该方法对老化、磁体上的公差和温度高度稳健。由于对于四极磁体而言，正弦和余弦函数以2α而非α改变，α是转子相对于定子旋转的机械角，因此具有四极磁体的传感器6与现有技术中的传感器相比具有更高的敏感度，尽管该现有技术中的传感器具有相同数目的传感器元件的事实。另一方面，该传感器可测量的角位置范围为180°。图8中的传感器元件VHi(i＝l到4)被认为位于单个平面β上(参见图2)，即使该传感器元件VHi的“霍尔板”实际上将被构建在衬底的深度方向上。然而，当各霍尔板的中心位于假想圆8上时，并当各霍尔板的相对尺寸与假想圆8的直径相比小得多(例如比它小因数10或更多)时，这些传感器元件可被认为位于平面β上，而不考虑如在轴向方向Z中测量到的“高度”。

图9示出了对由图6的四极环形磁体所创建的磁场B的、在磁体表面以下约3mm的距离d1处测量到的径向磁场分量Br的(使用与图7相同的工具和参数的)模拟结果。在该模拟结果的顶部，绘制了与图7所示相同的三个圆。应注意，该磁场可由单个磁体5生成，并且不需要铁磁磁轭等(也参见图6)。这降低了组件成本和制造成本，并降低了未对准的风险。

图10示出了具有被取向成用于测量假想圆8上的径向场的四个传感器元件VHi(i＝1到4)(在该情况中为垂直霍尔传感器元件)的传感器的第二实施例。这些传感器元件再次被布置成两组群：由传感器元件VH2和VH4组成的第一组群S以及由传感器元件VH1和VH3组成的第二组群T。第一组群S中的传感器元件VH2、VH4分别提供信号S1和S2。第二组群T中的传感器元件VH1、VH3分别提供信号T1、T2。第一组群的信号S1和S2被相加(而不像EP0916074B1中那样被相减)以形成第一和sum1，第二组群的信号T1和T2被相加以形成第二和sum2。

sum1＝S1+S2； (5)

sum2＝T1+T2； (6)

通过将传感器元件VH1和VH3定位成间隔180°，并且将传感器元件VH2和VH4定位成间隔180°(一般为720°/Np，其中Np是极数，在该示例中Np＝4)，并且将第一组群S中的传感器元件VH2相对于第二组群T中的元件VH1定位成处于180°/Np＝45°的角位置处，在所示的4极实施例中，sum1的值如转子2的角位置的两倍即2α的正弦函数那样改变，并且sum2的值如2α的余弦函数那样改变，除了预定义的偏移以外。

随后可如下计算比R：

R＝sum1/sum2＝tan(2α) (7)

并且角度α可随后被如下计算：

α＝(arctan R)/2 (8)

如以上所述，角度α还可以使用反余切函数来计算。

将注意，取代计算一组群的各值的和，还可计算每一组群S、T的平均值，计算这些平均值的比R等，这将获得角位置α的相同的结果，因为该平均是和除以2，并由此比R将保持不变。

图10的配置对传感器6相对于磁体5的位置偏移误差基本上不敏感，因为由VH2和VH4生成的信号S1、S2在被相加时彼此补偿：如果一个信号由于径向位置偏移而较大，则另一个较佳得为小同一量。这同样适用于VH1和VH3。图10的配置还对均匀的(例如，恒定的)外部磁场Bext不敏感，因为由每一组群中的传感器测量到的值彼此抵消(因为这些传感器元件被取向成在相反的方向中)。由于比得自各场分量的和或平均的事实，这些磁场分量的绝对值是不相关的，而仅其相对值有关。这意味着该方法对老化、磁体上的公差和温度高度稳健。

图11示出了对图6的磁体的在磁体表面以下3mm的距离处的轴向场分量Bz的模拟结果。与图7相同的环形被示出。初看起来，该场看上去非常像图7中示出的切向场或图9中示出的径向场，但存在轻微的缺点，该缺点将相对于图12描述。

图12示出了具有被取向成用于测量假想圆8的轴向场的四个传感器元件HH1到HH4(在该情况中为水平霍尔传感器元件)的传感器的第三实施例。这些传感器元件再次被布置成两组群：由传感器元件HH1和HH3组成的第一组群S以及由传感器元件HH2和HH4组成的第二组群T。应注意，相同组群S或T中的在本实施例中被定位成间隔720°/4＝180°的所有传感器元件(例如第一组群S中的元件HH1和HH3或HH2和HH4)被取向成使得它们针对相同的场方向生成具有相同符号的值(例如，针对该平面中的场为正值)。组群S、T彼此独立，使得两个组群都可具有相同的取向或可具有不同的取向。

第一组群S中的传感器元件HH1、HH3分别提供信号S1、S2。第二组群T中的传感器元件HH2、HH4分别提供信号T1、T2。第一组群的信号S1和S2被相加(而不像EP0916074B1中那样被相减)以形成第一和sum1，第二组群的信号T1和T2被相加以形成第二和sum2。

sum1＝S1+S2； (9)

sum2＝T1+T2； (10)

通过将传感器元件HH1和HH3定位成间隔等距的角位置(例如180°)，并且将传感器元件HH2和HH4定位成间隔180°(一般为720°/Np，其中Np是极数，在该示例中Np＝4)，并且将第一组群S中的传感器元件HH1相对于第二组群T中的元件HH2定位成处于180°/Np＝45°的角位置处，sum1的值像转子2的位置角度的2倍即2α的正弦函数那样改变，并且sum2的值像2α的余弦函数那样改变，除了预定义的偏移以外。

随后可如下计算比R：

R＝sum1/sum2＝tan(2α) (11)

并且角度可随后被如下计算：

α＝(arctan R)/2 (12)

如以上所述，角度还可以使用反余切函数来计算。

应注意，取代计算一组群的各值的和，还可计算每一组群的平均值以及这些平均值的比等，这将获得类似的结果。图12的配置在某种程度上对传感器6相对于磁体5的位置偏移误差敏感，如将相对于图13解释的。由于比得自这些场分量的和或平均的事实，这些磁场分量的绝对值是不相关的，而仅其相对值有关。这意味着该方法对老化、磁体上的公差和温度高度稳健。该实施例的缺点在于图12的配置对均匀的(例如，恒定的)外部磁场Bext非常敏感，因为由每一组群中的传感器测量到的值不会彼此抵消(因为这些传感器元件被取向为在相同的方向中)。然而，由于仅水平霍尔元件被使用，因此它们仅对外部Bz场敏感而不对Bx、By敏感。

通过图7到图12，解释了包括四极环形磁体以及四个传感器元件的布置，这四个传感器元件被布置在假想圆上并被取向成用于测量一个磁场分量Br、Bt、Bz，其中这些传感器元件被划分成两组群S、T，其中每一组群S、T中的元件(在Br和Bt的情况下)被取向成在相反的方向中或(在Bt的情况下)被取向成在相同的方向中，并且其中每一组群中的元件以等距位置定位，并且这些组群的位置间隔45°，该布置可用于通过计算每一组群中的元件的信号的和或平均的比R的反正切或反余切来确定传感器相对于磁体的角位置。

接着将参考图13到图15描述这些传感器的位置误差敏感度(尤其是径向位置敏感度)。

图13示出了在线A-A上测量的、图11的轴向磁场分量Bz的根据半径r的强度。垂直轴示出了磁通密度(以T为单位)。如图所示，该场在中心附近以非常非线性的方式表现，而在从距中央约2.0到约4.0mm的区域以线性方式表现，其中场强度的范围为从约15mT到40mT。为了将图12的传感器元件HH1到HH4放置成使得它们对位置偏移高度不敏感，这些传感器元件将必须被定位在这些线性区域中，例如假想圆将需要具有约4到8mm的直径。然而，这限制了传感器技术(例如，CMOS技术)的缩小比例，并且由于磁体尺寸和线性区域的位置之间的关系，禁止可独立于磁体尺寸来选择传感器尺寸。尽管在位置偏移误差方面不是完美的，但即使假想圆的直径会在“非线性”区域中选择(例如，在所示的实施例中小于4mm)，图12的传感器仍将能够在不存在外部磁场(例如在外部磁场被屏蔽)的情况下测量该角位置。此外，提到了函数Bz(r)在距中心约1mm到约2mm的距离处是“接近”线性的，该偏差在大多数应用中都可被很好的接受。并且即使在0mm到1mm的范围内，该曲线的范围在中心的左边是负的，并在中心的右边是正的，由此总是存在对偏移误差的至少一部分补偿。

图14示出了在线A-A上测量到的、图9的径向磁场分量Br的根据半径的强度的类似绘图。将注意，绘制了(从-3mm到+3mm的)较小部分。如可以看见的，场强Br(r)在中心附近处高度线性，线性范围从约-1.5mm延伸到约+1.5mm，并且该场强Br的范围为从0mT到约17mT。当这些传感器元件位于灰色矩形所指示的区域中时，每一组群中的传感器元件将补偿或抵消位置偏移。由于该矩形包括中心，这些传感器元件之间的距离d2可变得如所期望的那样小，因此集成电路的管芯大小对位置误差(也被称为“离轴误差”)没有影响，并且可独立于磁体尺寸来选择。用于测量该场分量Br的传感器的假想圆8的合适直径d2将是0.0(不包括0.0，但该直径可下降几微米)和3.0mm之间的任何直径，实践中为从0.1到3.0mm的任何直径(例如，为约0.5mm、约1.0mm、约1.5mm、约2.0mm、或约2.5mm或之间的任何值)。两个相对传感器元件之间的距离越小，该信号越小。因此最优值将在典型半导体的线性范围内尽可能的大，(例如，1和10 mm2之间的硅、管芯)。实践上，环形直径因此在1mm和3mm之间。然而，如果1.0mm的直径d2被选择，则可以补偿的最大位置偏移是0.5mm，即该直径的一半。

图15示出了在线A-A上测量到的、图7的切向磁场分量Bt的根据半径的强度Bt(r)的类似绘图。将注意，绘制了从-4mm到+4 mm的一部分。如可以看见的，该场强在中心附近处高度线性，线性范围从约-2.5mm延伸到约+2.5 mm，并且该场强Bt的范围为从0mT到约27mT。当这些传感器元件位于矩形所指示的区域中时，每一组群中的传感器元件将补偿或抵消位置偏移。由于该矩形包括中心，这些传感器元件之间的距离d2可变得如所期望的那样小，因此集成电路的管芯大小对位置误差(也被称为“离轴误差”)没有影响，并且可独立于磁体尺寸来选择。用于测量该场分量Bt的传感器的假想圆8的合适直径d2将是0.0mm和5.0 mm之间的任何直径，实践中为从0.1mm到5.0mm的任何直径(例如，为约0.5mm、约1.0mm、约1.5mm、约2.0mm、约2.5mm、约3.0mm、约3.5mm、约4.0mm、约4.5mm或之间的任何值)。然而，如果1.0mm的直径d2被选择，则可以补偿的最大位置偏移是0.5mm，即该直径的一半。

在比较图14和图15时，将注意，该磁体的切向场分量Bt(图15)的磁场强度和径向场分量Br(图14)的磁场强度的区别仅为约10％，因此当传感器元件和旋转轴4之间的距离r2相同时，这两个方案提供基本相同的性能(准确度、分辨率)。

接着将参考图16到图22解释具有六极环形磁体的布置。

作为示例，图16示出了具有中央圆柱形开口的六极环形磁体5。也可替换地使用具有圆形或多边形形状的六极盘形磁体。磁体5在该磁体附近的旋转轴4周围生成周期性重复的磁场图案B。一些磁场线被示为在环形磁体外部，但该磁场B不是在该环形外部测量的，而是在中央磁体开口的“下面”和“内部”测量的，与图6所示的布置类似，该中央磁体开口在与旋转轴4垂直、并在距磁体表面为轴向距离d1处的平面β中，但现在是针对六极磁体来说的。三个粗黑箭头指示有三个传感器元件的第一组群S(未示出)的取向(而非位置)。由它们生成的信号由S1、S2、S3指示。三个粗白箭头指示用于生成信号T1、T2、T3的三个传感器元件的第二组群T(未示出)的取向。

径向场分量和切向场分量的测量可基于3相正弦-余弦感测的原理。以下等式对这样的测量有效：

其中，Bmag表示要测量的磁场(例如，由六极磁体5创建的场)的幅度，且Bext表示单向外部磁场在相对于定子的角度下的幅度。

并且：

sum1＝S1+S2+S3＝3*Bmag*sin(3α)； (19)

sum2＝T1+T2+T3＝3*Bmag*cos(3α)； (20)

并且：

比R＝sum1/sum2＝tg(3α), (21)

因此，恒定磁场Bext的幅度被消除。

图17示出了适配于在位于平面β的假想圆8处测量磁场的切向场分量Bt的六个传感器元件VH1到VH6。传感器6可以通过使用在所指示的箭头的方向上敏感的所谓的“垂直霍尔板”传感器元件来实现。在其中六极磁体5具有12mm的外径的示例中，假想圆可具有在0mm和约3mm之间的直径d2。在本文中没有重现对该六极磁体的模拟，但获得了与图7和图9和图11的那些结果非常相似的结果，除了场示出了六个“黑色”区域而非四个“黑色”区域以外。并且，切向场分量Bt、径向场分量Br或轴向场分量Bz的场强的曲线可获得与图13、图14和图15的那些曲线非常相似的曲线，从这些曲线可确定“线性区域”的位置和/或最大尺寸。

回过头来参考图7，将从以下这些传感器元件中计算角位置α。传感器元件VH1到VH6被组织成各自有三元件的两个组群S、T(一般来说，对于具有Np个极的磁体而言，每一组群中的传感器元件将由Np/2个传感器元件组成)。第一组群S具有提供信号S1、S2和S3的传感器元件。组群S中的传感器元件VH1、VH2、VH3以彼此相距120°的角距离位于假想圆上。一般来说，对于具有Np个极的磁体来说，该角距离将是720°/Np。第二组群T具有提供信号T1、T2和T3的传感器元件。组群T中的传感器元件VH4、VH5、VH6也以彼此相距120°的角距离位于假想圆上。第一组群S中的传感器元件VH1和第二组群T中的传感器元件VH4之间的距离为180°/Np＝30°，其中对于六极磁体而言Np＝6。可看见在VH2和VH5之间并在VH3和VH6之间有相同的角距离。一般来说，对于具有Np个极的磁体来说，不同组群S、T中的元件之间的角距离将是180°/Np。因此，第一和sum 1被计算成由第一组群S中的传感器元件所生成的信号S1、S2、S3的和：

sum1＝S1+S2+S3～sin(3α), (22)

其中"～"意指“与……成比例”。

并且第二和sum 2被计算成由第二组群T中的元件所生成的信号T1、T2、T3的和：

sum2＝T1+T2+T3～cos(3α) (23)

随后可将比R计算成：

R＝sum1/sum2＝tan(3α) (24)

并且角度α可随后被计算成：

α＝(arctan R)/3 (25)

在本发明的各实施例中，传感器6可以是例如用CMOS技术实现的集成电路，并且用于计算角度α的装置可被嵌入在相同的芯片上。这样的芯片可进一步包括用于模数转换器(未示出)以及数字信号处理器(DSP)，该模数转换器用于将测量到的信号Si、Ti进行数字化，该数字信号处理器提供有用于基于前述公式或等效公式或表格或以本领域的技术人员公知的任何其他方式来计算角度α的算法。

将注意到，代替计算某一组群的值的和，还可计算每一组群的平均值，以及这些平均的比等，这可针对比R并针对角度α获得相同的结果。

图17的配置对传感器6的偏移误差不敏感，因为由VH1、VH2、VH3生成的信号彼此补偿。这同样适用于传感器元件VH4、VH5、VH6。图17的配置也对均匀的外部磁场Bext不敏感，因为由于每一组群S、T中的各传感器元件间的120°的旋转由这些传感器元件测量到的值彼此抵消。由于比得自这些场分量的和或平均的事实，这些磁场分量的绝对值是不相关的，而仅其相对值有关。这意味着该方法对老化、磁体上的公差和温度高度稳健。使用图16的六极磁体可由图17所示的传感器元件VH1到VH6测量的角位置范围为120°。一般来说，对于具有Np个极的磁体而言，角范围为720°/Np。

将注意，每一组群的传感器元件(例如，第一组群S中的元件VH1、VH2、VH3)形成规则的多边形(而不是成对地位于该圆的相对直径侧)。在图17中，该多边形为三角形。该几何概念可被扩展到用于测量具有多于六个极的多极磁体的传感器，例如对于具有8个极的磁体(Np＝8)而言，这些传感器将被定位在正方形上。为了不使绘图变得模糊，没有示出第二组群T中的传感器元件VH4、VH5、VH6的三角形。但是易于明白，在所示的实施例中，T-三角形的位置(由元件VH4、VH5、VH6的组群形成的三角形)可通过旋转S-三角形(由元件VH1、VH2、VH3的组群形成的三角形)多于180°/Np＝30°来容易地获得，因为在本示例中，对于六极磁体而言Np＝6。

图18示出了例如和信号sum1和sum2(或平行信号avg1和avg2)的经组合的正弦信号和余弦信号的示例，经组合的正弦信号和余弦信号可在图17的传感器元件正相对于环形磁体旋转时从这些传感器元件的组群S、T中获得。如所指示的，两个和信号之间的相位差为30°，并且这些信号具有120°的周期，该周期是图17的传感器可测量的最大角度范围。

图19示出了用于测量图16所示的六极环形磁体的切向场分量Bt的传感器6的另一实施例。

传感器6看上去很像图17所示的传感器6，除了每一垂直霍尔板传感器元件VHi被(短IMC中的)两个毗邻的水平霍尔板元件和集成磁性聚集器的对替换以外。该IMC在本地将与芯片表面平行的磁场转换成与该表面垂直的场，或者换言之，将切向场分量Bl和径向场分量Br转换成轴向场分量Bz。该磁场的垂直分量随后被常规的平面霍尔元件(也被称为“水平霍尔板”元件)感测到。磁性聚集器也用作无源磁性放大器并改善传感器性能。

该对毗邻传感器元件的信号H1、H2被相减，以便形成单个信号S1。在相同的操作期间，来自外部(不想要的)场的任何Bz场被减去，以使得它不会影响对S1的读取。这同样适用于可从其他对获得的信号。

将注意，IMC作出附加增益，但它还将局部切向场分量(磁通线)旋转到基本上垂直于水平霍尔元件Gi、Hi(i＝1到6)的轴向方向。前者在此后由乘法(*IMC)指示，但后者无法以简单的方式用公式来表达。因此，S1＝(H1-H2)～(在图17的VH1的位置处的)切向场分量Bt的强度乘以因数IMC，或S1＝(H 1-H2)*IMC。将注意，缩写IMC在本文中用于指示集成的磁聚集器本身，或者其放大值。从上下文中将清楚两个含义中的哪一个被预期。同样S2＝(H3-H4)*IMC、S3＝(H5-H6)*IMC、T1＝(G1-G2)*IMC、T2＝(G3-G4)*IMC且T3＝(G5-G6)*IMC。从这些信号Si和Ti中，第一和sum1以及第二和sum2(或第一平均和第二平均)可如之前所描述的那样来计算，并计算比R和角度α。本实施例的优点在于可使用“水平霍尔板”元件，该元件的敏感度为更灵敏约2-4倍(这取决于所应用的技术)，并且其特征为偏移(以及随温度和寿命方面的偏移漂移)，该偏移比“垂直”霍尔元件小约5-10倍。

将注意，图19的布置不测量(如图11针对四极磁体所示的)磁场的轴向分量Bz。

由于构建了两个霍尔板之间的接近一个间隙的差异，因此公共模式部分(Bz分量)被消除。对于有差别的部分(例如，H1上与H2上相比不同的Bz部分)，它仅添加具有相同周期的谐信号作为径向场/切向场，并因此只添加信号。

与磁场类似，IMC具有某种周期性。IMC的尺寸是：(a)厚度，该厚度由技术确定，和(b)环宽度，其是设计问题。厚度和宽度必须被取为使得一方面它们给出关于霍尔设备的良好的(例如最高的)增益，但另一方面，必须不存在来自磁场带来非线性的饱和效应。合适的尺寸可以通过常规的测试或通过尝试和误差来确定。

图20示出了与图16所示相同的具有中央圆柱形开口的六极环形磁体。如前，三个粗黑箭头指示有三个传感器元件的第一组群S(图20中未示出)的取向，并且三个粗白箭头指示有三个传感器元件的第二组群T(图20中未示出)的取向，所有传感器元件均适用于测量径向场分量Br。由第一组群S中的传感器元件生成的信号用S1、S2、S3来指示。由第二组群T的传感器元件生成的信号用T1、T2、T3来指示。

图21示出用于使用图20的六极环形磁体来确定绝对位置α的传感器6的六个垂直霍尔传感器元件的位置和取向的实施例。这些传感器元件位于具有直径d2的假想圆上，并适用于在距图20的磁体轴向距离d1处并与该磁体的旋转轴4成一直线的平面β中测量该磁体的径向磁场分量Br，如图2所示。这是图17所示的实施例的变型，并且针对图17的传感器6所述的所有事物也适用于图21的传感器，除了该磁场分量的取向以及这些传感器元件的相应取向以外。

图22示出可从图21的传感器6中获得的经组合的正弦信号sum1和余弦信号sum2的示例。将注意，这些信号在原理上与图18的那些信号相同，但这些信号通过测量径向场分量Br而非切向场分量Bt而生成。图17和图21的方案两者在准确性、分辨率、对传感器位置偏移的不敏感度和对恒定的外部磁场Bext的不敏感度方面基本上等效。该概念可被扩展成其他具有至少四个磁极和中央圆柱形孔的多极环形或盘形磁体。

图23示出了具有十二个垂直霍尔传感器元件VH1到VH2的、被取向成用于测量六极磁体(例如图16的六极环形磁体)的径向磁场分量Br的传感器6的示例。在将该传感器6与图17和图21的传感器进行比较时，将注意到，图23的传感器具有两倍的传感器元件数。在图23所示的示例中，所有传感器元件都被取向为用于测量径向场分量Br，但那不是绝对需要的，并且这些元件中的所有元件或一半元件可被取向为用于测量切向场分量Bt。在该最后的示例中，传感器6将被看成图17所示的传感器和图21所示的传感器中的传感器元件的组合。该冗余可用于得到改善的准确性或改善的位置偏移不敏感度或改善的对磁体的不规则性的拒绝或仅用作可靠性检查。

根据本发明的各实施例，这些传感器元件被组织成各自有三个传感器元件的四个组群S、T、U、V，一个组群中的传感器元件的数目等于磁体的极数Np的一半。每一组群中的各元件等距地分布，因此在720°除以极数的角距离处，由此720°/Np＝120°处，因为对于六极磁体来说Np＝6。第一组群S中的元件因此为VH12、VH4和VH8，第二组群T中的元件为VH3、VH7、VH11。第三组群U中的元件为VH2、VH6、VH10。第四组群V中的元件为VH1、VH5、VH9。

第二组群T中的各元件位于当第一组群S中的各元件被旋转180°/Np(例如对于图23的示例中的六极磁体而言为30°)以上时将得到的各位置处。第三组群U中的各元件位于当第一组群S中的各元件被旋转2x(180°/Np)(例如，2x30°＝60°)以上时将得到的各位置处。第四组群V中的各元件位于当第一组群S中的各元件被旋转3x(180°/Np)(例如，3x30°＝90°)时将得到的各位置处。

第一组群S可包括传感器VH12、VH4和VH8，并且其信号S1、S2、S3将被相加以形成经组合的信号和1。第二组群T可包括传感器VH3、Vh7和VH11，并且其信号T1、T2、T3将被相加以形成经组合的信号和2。第三组群U可包括传感器VH2、VH6和VH10，并且其信号U1、U2、U3将被相加以形成经组合的信号和3。第四组群V可包括传感器VH1、VH5和VH9，并且其信号V1、V2、V3将被相加以形成经组合的信号和4。

第一角度α1可随后例如被计算成[arctan(sum1/sum2)]/3+offset1，并且第二角度α2可随后例如被计算成[arctan(sum3/sum4)]/3+pffset2，其中offset1(偏移1)和offset2(偏移2)可以在测量制造期间(例如，通过校准)确定。值offset2和offset1一般将改变约60°。取决于应用，这些角度α1和α2可被求平均以形成单个角度α，或者这两个角度α1和α2可被比较，并且如果其值之差高于给定阈值，则误差信号可由传感器提供以指示一问题。

将注意，在绘图中，第二、第三和第四组群T、U、V相对于第一组群S以逆时针方向旋转，但它们也可以顺时针方向旋转。用于计算角度的公式将是相同的，但得到的转子相对于定子的角位置将以相反的方向被测量到。然而，这样的传感器和方法会得到相同的优点。

第二算法

本发明的另一方面将参考图23到图28来解释。将注意，图23用于描述两个不同的实施例，这取决于哪些公式用于计算该角位置。以上描述的大多数实施例对均匀的外部磁场Bext(例如具有恒定的幅度和恒定的方向的场)是稳健的，如图2中的箭头所指示的。以上描述的大多数实施例对位置偏移误差也是稳健的，然而这些实施例中没有一个实施例对不均匀的外部磁场是稳健的。

经过几年的在角传感器领域中的持续研究，发明人已惊奇地发现也有可能消除或至少部分地补偿具有恒定梯度的磁场。这意味着外部磁场和/或磁场分量可在X和/或Y和/或Z方向上以线性方式改变，而不会显著地影响所测量的角度。

图24示出了汽车应用中的典型示例，其中角位置传感器6位于承载电流的导体的附近。公知这样的承载电流的导体周围的磁场的幅度可通过以下公式来描述：

H＝1/2πr (26)

其中，I是流经该导体的电流，r是观察到该场的地方距该导体的距离，并且B或H两者都用于描述磁场，其中B＝μ·H，其中μ是取决于材料(或介质)的值。在距线路预定义的非零距离处的小区域上，例如在传感器6所定义的小区域上，由该线路中的电流所引起的磁场可用恒定场加上恒定场梯度来近似。

与其中外部场Bext在传感器芯片的所有位置上都恒定的图2相反，图24的磁场Bext不是在传感器芯片上都恒定。仅当该传感器芯片处于距导体相对较大的距离处时，外部场才可用其零阶项来近似，即用恒定矢量(Bxo,Byo,Bzo)来近似。

然而，当该传感器芯片较接近该导体时，该零阶项不再是良好的近似。可明白，这样的场的幅度与1/r成正比。因此，该场包含非线性的梯度。作为示例，当角位置传感器被放置在距承载I＝400A的直流导体25.0mm的距离处时，传感器将看见由该电流生成的约3.2mT的磁通密度。如果该传感器具有约1.0mm的物理尺寸，则该传感器较接近该导体的部分看见3.14mT的场，并且较远离该导体的部分看见3.27mT的场。因此，可认为该外部场在传感器表面上不是恒定的，但在25.0mm的相对较大距离处的这样的1.0mm的小距离上，该场可用其零阶项和一阶项来近似，而二阶项和更高阶项是可忽略的。换言之，恒定的值加上恒定的(三维)梯度。发明人已惊奇地发现有可能不仅显著地补偿零阶项(即，如以上所讨论的均匀场)还可显著地补偿这些一阶项(恒定梯度)，如接下来将描述的。

能够显著地补偿这样的恒定梯度的第一布置是图23的配置结合六极永磁体(例如图20所示的六极环形磁体)，但使用以下等式来计算角位置：

sin(3α)＝(S1+S2+S3)-(U1+U2+U3)； (27)

cos(3α)＝(T1+T2+T3)-(V1+V2+V3)； (28)

ratio(比)＝sin(3α)/cos(3α)＝tan(3α)； (29)

α＝(arctan ratio)/3； (30)

替换地，可使用以下等效公式组：

sum1＝S1+S2+S3； (31)

sum2＝T1+T2+T3； (32)

sum3＝U1+U2+U3； (33)

sum4＝V1+V2+V3； (34)

diff1＝sum1-sum3； (35)

diff2＝sum2-sum4； (36)

ratio(比)＝diff1/diff2＝tan(3α)； (37)

α＝(arctan ratio)/3； (38)

该位置传感器6具有十二个垂直霍尔感测元件VH1到VH12，其适用于测量如图20所示的六极磁体的径向场分量(Br)。在所示的实施例中，传感器元件被划分成四个各自有三个元件的组群S、T、U、V。一般来说，一个组群中的元件数等于磁极数Np除以二。每一组群内的元件(例如，第一组群S中的VH12、VH4、VH8)位于间隔120°(一般为：720°/Np)的角距离处。

第二组群T中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了180°/Np(例如，当Np＝6(六极磁铁)时为30°)以上后将采用的各位置处。第三组群U中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了360°/Np以上(例如，当Np＝6时为60°)后将采用的各位置处。第四组群V中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了540°/Np以上(例如，当Np＝6时为90°)后将采用的各位置处。位置传感器具有用于根据以上公式(27)到(38)或等效公式来计算角位置α的装置。

模拟已示出了这样的传感器具有以下特性：

1)这样确定的位置α对位置偏移基本上不敏感(或至少具有降低的敏感度)。

2)这样确定的位置α对恒定的外部磁场基本上不敏感(或至少具有降低的敏感度)。

3)这样确定的位置α对具有(例如在X、Y、Z方向中的任何一个方向中线性地改变的)基本上恒定梯度的外部磁场基本上不敏感(或至少具有减少的敏感度)。据发明人所知，这一技术效果没有被现有技术的角位置传感器获得。这样的传感器对于其中需要准确地确定角位置的工业或汽车应用是理想的，甚至在其中存在诸如由在(相对)邻近导体中流动的电流引起的不想要的磁场的环境中也是理想的。

图25示出了具有被布置在虚拟圆上的各等距位置处的、要结合六极环形磁体或六极盘形磁体来使用的十二个传感器元件VH1到VH12的角位置传感器的另一实施例。

该位置传感器6具有十二个垂直霍尔感测元件VH1到VH12，其适用于测量如图16所示的六极磁体的切向场分量Bt。在所示的实施例中，传感器元件VH1到VH12被划分成四个各自有三个元件的组群S、T、U、V。一般来说，当这些元件被划分成四个组群时，一组群中的元件数等于极数除以2。每一组群中的元件(例如组群S中的VH12、VH4、VH8)位于间隔120°的角距离(一般为：720°/Np)处。第二组群T中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了180°/Np(例如，如六极磁体的Np＝6，为30°)以上后将采用的各位置。第三组群U中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了360°/Np(例如，为60°)以上后将采用的各位置处。第四组群V中的各元件位于第一组群S中的各元件在旋转了540°/Np(例如，为90°)以上后将采用的各位置处。

与图24的实施例所使用的相同的公式可用于计算角位置α：

sin(3α)＝(S1+S2+S3)-(U1+U2+U3)； (39)

cos(3α)＝(T1+T2+T3)-(V1+V2+V3)； (40)

ratio(比)＝sin(3α)/cos(3α)＝tan(3α)； (41)

α＝(arctan ratio)/3； (42)

并且该传感器具有以下相同的优点：i)对位置偏移基本上不敏感；并且ii)对恒定的外部磁场基本上不敏感，并且iii)对恒定的外部场梯度基本上不敏感。

图26示出了具有如可在磁性的角位置传感器中使用的十二个磁感测元件的布置的另一实施例，该磁性的角位置传感器对位置偏移、并对恒定的外部磁场、并对恒定的外部场梯度基本上不敏感。在该实施例中，磁感测元件是布置在圆上的各等距位置处的所谓的水平霍尔元件，但此外，该传感器还包括集成的磁聚集器(被缩写为IMC)。该IMC包括位于水平霍尔元件顶部的中央部分11以及位于距该霍尔元件某距离处并以径向方向取向的多个细长部分10(例如，呈梯形的条带)。使用用于使径向和切向磁场线弯曲的磁聚集器的原理可从US20020021124中获知。可通过实验确定这些聚集器的合适的(例如，最优的)形状和尺寸(例如，长度、宽度、厚度)。在所示的示例中，聚集器包括中央圆盘和在该中央圆盘周围的十二个梯形“太阳射线”，每霍尔传感器一“太阳射线”。这样的集成磁聚集器IMC可用作构造传感器设备时的后处理。由于磁场的由IMC产生的局部偏转，霍尔元件HH1等测量径向分量Br和(与该图的平面垂直的)垂直分量Bz的组合。径向分量Br由于该IMC而被放大一因数，该因数一般在1和10的范围内，这取决于实际的IMC几何图形，而Bz分量被从其减去。因此，由每一霍尔元件生成的霍尔电压Vh例如为Vh＝SEx(5Br-Bz)，其中SE是霍尔元件敏感度。

图27示出了图26的实施例的变型，其中这些霍尔元件被定位在细长聚集器(“太阳射线”)的内边缘下面。在该情况下，霍尔元件再次测量具有0和10之间的特定增益的径向场分量Br，并且还测量垂直分量Bz。但是，与图26的实施例相比，Bz分量现在具有相反的符号。因此，由每一元件生成的霍尔电压将为Vh＝SE×(5 Bx+BZ)，其中SE是霍尔元件敏感度。

在数学项中，对恒定的外部磁场和对恒定的磁场梯度的不敏感度可被描述如下。对图24作出参考。在实践中，可存在引起外部场的许多外部源，但以下出于讨论的目的，仅考虑由在导体中流动的电流引起的磁场Bext。磁场Bext是三维函数，这取决于位置(x,y,z)。局部地，在角位置传感器的传感器区域上，该场可用其零阶项和一阶项来近似，如以下公式所表达的：

B_{s} = (\begin{matrix} {Bx}_{0} \\ {By}_{0} \\ {Bz}_{0} \end{matrix}) + (\begin{matrix} \frac{dBx}{dx} & \frac{dBx}{dy} & \frac{dBx}{dz} \\ \frac{dBy}{dx} & \frac{dBy}{dy} & \frac{dBy}{dz} \\ \frac{dBz}{dx} & \frac{dBz}{dy} & \frac{dBz}{dz} \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} x_{s} \\ y_{s} \\ z_{s} \end{matrix}) - - - (43)

其中(B_xo,B_yo,B_zo)是由该函数的零阶项形成的三维(恒定)矢量，且dBn/dm是当n＝x,y,z且m＝x,y,z时的场梯度，并且(x_s,y_s,z_s)是传感器芯片上的坐标。

如果传感器平面被定义为z＝0(例如，如果如图24所示的那样来定位X、Y、Z轴)，则该等式减少为：

B_{s} = (\begin{matrix} {Bx}_{0} \\ {By}_{0} \\ {Bz}_{0} \end{matrix}) + (\begin{matrix} \frac{dBx}{dx} & \frac{dBx}{dy} & \frac{dBx}{dz} \\ \frac{dBy}{dx} & \frac{dBy}{dy} & \frac{dBy}{dz} \\ \frac{dBz}{dx} & \frac{dBz}{dy} & \frac{dBz}{dz} \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} x_{s} \\ y_{s} \\ z_{s} \end{matrix}) - - - (43)

其中dBx/dx、dBx/dy、dBx/dz、dBy/dx等是恒定的。

以上参考图23到图27解释的以及其中角度是根据公式(27)或更高来计算的所有实施例通过组合所指示的这十二个传感器元件的信号而有共同之处。

1)有矢量(BxO,ByO,BzO)的任何均质外部磁场基本上被抵消(或至少被降低)，并且不干扰对角位置的测量，但此外

2)任何恒定的梯度场也基本上被抵消(或至少被降低)并且不干扰角度测量。

使用如图24所示的布置的模拟结果以及如图25所示的十二个霍尔传感器的配置以及公式(39)到(42)已惊奇地示出DC分量基本上被完全消除，同时第一阶系数dBn/dm至少被降低了因数2，优选地至少被降低了因数5，更优选地至少被降低了因数10。在特定模拟中，当有400A的电流流经导体时，在25mm的距离处的磁场为3.2mT，并且磁场梯度为130μΤ/mm(每mm微特斯拉)。因此，具有1mm的尺寸的经典传感器将测量剩余的130μΤ的误差信号。准确的有限元件模拟已证明通过使用图25的传感器并结合公式[39]到[42]，剩余的误差信号将被降低到低于5μΤ，这是模拟噪音水平。这可被如下解释：对零阶项的抵消好像由具有相同的“重心”和相同幅度(相同半径)的两个组群的值被相减从而获得零结果的事实造成。梯度(一阶项)的抵消好像与三相交替电流相当。任何潜在的梯度方向都对应于三相周期中的特定时刻，但无论哪个时刻被查看，这三个相位的和总是为零。

显然，这样的传感器的主要优点在于该传感器可测量具有改善的准确度的位置，即使在存在由一个或多个导体中流动的电流引起的外部磁场时(诸如为在车辆的“引擎罩下”的情况下)也是如此。

图28示出了本发明的另一实施例，其中位置传感器6具有八个水平霍尔元件HH1到HH8，但没有使用磁聚集器，因此这些霍尔元件对垂直场分量Bz敏感。该传感器将与四极环形磁体一起使用，四极环形磁体的一个示例在图6中示出。图11示出了由这样的磁体提供的垂直场分量Bz的示例。

八个霍尔元件HH1到HH8被划分成四个组群S、T、U、V，每一组群包括该磁体的极数的一半，因此有2个元件(对于四极磁体而言Np＝4)。每一组群中的元件等距地分布，因此在720°/Np＝180°的角距离处。第二组群T中的各元件位于在第一组群S中的元件被旋转了180°/Np或在本示例中为45°以上时所采用的各位置处。第三组群U中的各元件位于在第一组群S中的各元件被旋转了2x180°/Np或在本示例中为90°以上时所采用的各位置处。第四组群V中的各元件位于在第一组群S中的各元件被旋转了3x180°/Np或在本示例中为135°以上时所采用的各位置处。

传感器和转子之间的角位置被计算如下：

sum1＝S1+S2 (45)

sum2＝T1+T2 (46)

sum3＝U1+U2 (47)

sum4＝V1+V2 (48)

diff1＝sum1-sum3 (49)

diff2＝sum2-sum4 (50)

ratio(比)＝diff1/diff2＝tan(2α)；(51)

并且角度α可随后被计算为：

α＝(arctan R)/2 (52)。

模拟已示出传感器具有以下特性：

1)这样确定的位置α对位置偏移基本上不敏感(或者至少具有减少的敏感度)，(即使在假想圆的直径太小的情况下是不完美的，如参考图13所讨论的)，

2)这样确定的位置α对恒定的外部磁场基本上不敏感(或至少具有降低的敏感度)，

3)这样确定的位置α对“一些”恒定的场梯度(尤其是dBz/dx和dBz/dy)基本上不敏感(或者至少具有降低的敏感度)，但与六极磁体相反，不对其他一阶项dBx/dx、dBx/dy、dBy/dx和dBy/dy不敏感。然而，该实施例仍是现有技术传感器的改进，其不对任何场梯度进行补偿。

初步模拟看上去指示由图25的传感器(具有十二个传感器元件结合六极磁体)获得的优点也可用八极磁体结合十六个霍尔元件、或者十极磁体和二十个霍尔元件来获得，这些霍尔元件被划分成按如上类似的方式布置的四个组群并使用类似于如上所述的[39]到[42]的公式，但稍稍适用于考虑每组群不同数目的元件。实际上，八极磁体将用十六个传感器元件来测量，这十六个传感器元件被划分成四个组群S、T、U、V,每一组群均具有4个传感器元件，这4个传感器元件位于虚拟圆上的360°/4＝90°的等距角处，第二组群T中的各元件位于当第一组群S中的各元件将被旋转180°/Νρ＝22.5°(因为对于八极磁体，Np＝8)以上时将采用的各位置处。第三组群U中的各元件位于当第二组群T中的各元件将被旋转另一180°/Νρ＝22.5°以上时将采用的各位置处，并且第四组群V中的各元件位于当第三组群U中的各元件将被旋转另一180°/Νρ＝22.5°以上时将采用的各位置处。然而，具有八个极的配置的缺点在于角范围降低到0°到90°的范围，并且磁体的尺寸和公差随着极数的增加而减少。但是本发明不限于八极，并且以类似的方式，由十极磁体引起的磁场可用二十个传感器元件来测量，这二十个传感器元件被划分成四个组群S,T,U,V，每一组群均具有5个传感器元件，这5个传感器元件位于虚拟圆上的360°/5＝72°的等距角处，第二组群T中的各元件位于当第一组群S中的各元件将被旋转180°/Νρ＝18°(因为对于十极磁体，Np＝10)以上时将采用的各位置处。第三组群U中的各元件位于当第二组群T中的各元件将被旋转另一18°以上时将采用的各位置处，并且第四组群V中的各元件位于当第三组群U中的各元件将被旋转另一18°以上时将采用的各位置处。

下表汇总了若干预想的具有4极和6极环形磁体的传感器的最重要的特征，这些实施例中的大多数在以下详细描述。一些模拟和测试仍在继续。

表1：

其中，"s-ins"表示“基本上不敏感”，并且其中算法1基于以下公式：以上描述的arctan(Σ(Si)/Σ(Ti))，如例如用公式[22]到[25]来简化的，并且其中算法2基于以下公式：以上描述的arctan((Σ(Si)-Σ(Ui))/(Σ(Ti)-Σ(Vi))，如例如用公式[39]到[42]来简化的。

(*1)该结构对梯度不稳健。

(*2)该结构对Bx和By梯度不稳健。

(*3)该结构对所有梯度都稳健，因为此处Bx和By没有影响。仅Bz被测量，并且Bz上的恒定梯度被抵消。

(*4)初步测试指出离轴情况并不完全稳健。然而，一直到0.7mm都十分好，但随后角误差增加。

Claims

1.用于测量转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的布置(1)，所述布置包括：

-所述转子(2)，所述转子(2)能围绕旋转轴(4)旋转；

-所述定子(3)，所述定子(3)具有相对于所述旋转轴(4)的固定位置；

-安装在所述转子(2)上的用于创建磁场(B)的磁源(5)，所述磁源(5)是具有用于生成相对于所述旋转轴(4)周期性重复的磁场图案(B)的多个(Np个)磁极的多极磁体，磁极数(Np)为至少四个；

-传感器(6)，所述传感器(6)安装在所述定子(3)上并包括多个传感器元件(VH,HH)，所述多个传感器元件用于测量所述磁场(B)的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)并用于提供指示所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)的测量信号(Si,Ti)，所述传感器(6)被定位成基本上以所述旋转轴(4)为中心，并在距所述磁源(5)第一距离(d1)处被定位在与所述旋转轴(4)基本上垂直的平面(β)中；

-所述传感器元件(VH,HH)基本上被定位在距所述旋转轴(4)第二距离(r2)处的圆(8)上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)；

-所述多个传感器元件(VH,HH)被划分成至少第一组群(S)和第二组群(T)，每一组群(S,T)内的元件被定位在所述圆(8)上的各等距角位置处，所述第一组群(S)中的元件和所述第二组群(T)中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)；

-用于从所提供的信号(Si,Ti)中计算所述转子(2)的角位置(α)的装置，所述用于计算的装置适用于计算由所述第一组群(S)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)，并适用于计算由所述第二组群(T)中的传感器元件(VHi,HHi)提供的信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)，并适用于基于从由所述第一和(sum1)、第一平均(avg1)、第二和(sum2)及第二平均(avg2)组成的组中选择的一个或多个值来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

2.根据权利要求1所述的布置(1)，其特征在于，所述多极磁体(5)是永磁体。

3.根据权利要求2所述的布置(1)，其特征在于，所述多极磁体(5)具有中央圆柱形开口。

4.根据权利要求2或3所述的布置(1)，其特征在于，所述多极磁体(5)具有至少六个磁极(N,S)。

5.根据权利要求2到4中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，所述多极磁体(5)具有含外径(OD)和内径(ID)的环形形状，并且其中所述传感器中的所述圆(8)具有为所述磁体(5)的外径(ID)的l到30％的直径(d2)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，测量到的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)包括所述磁场(B)的基本上被取向为在所述圆(8)的切向上的切向场分量(Bt)。

7.根据权利要求6所述的布置(1)，其特征在于，所述传感器元件包括垂直霍尔效应元件，所述垂直霍尔效应元件具有含与所述圆(8)相切的法线的板。

8.根据权利要求6所述的布置(1)，其特征在于，每一感测元件包括一对水平霍尔效应元件(G,H)以及IMC分段，所述一对水平霍尔效应元件彼此毗邻地位于所述圆(8)上并具有与所述旋转轴(4)基本上垂直地取向的板，所述IMC分段用于使局部切向磁场(Bt)弯曲成与所述板基本上垂直的方向。

9.根据权利要求2到5中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，测量到的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)包括所述磁场(B)的被基本上取向为在所述圆(8)的径向的径向场分量(Br)。

10.根据权利要求9所述的布置(1)，其特征在于，所述传感器元件包括垂直霍尔效应元件，所述垂直效应元件具有含垂直于所述旋转轴(4)并与所述旋转轴(4)相交的法线的板。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，

所述用于计算的装置适用于计算所述第一和(sum1)与所述第二和(sum2)的比(R)或所述第一平均(avg1)与所述第二平均(avg2)的比(R)，并适用于基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

12.根据权利要求1到10中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，

传感器元件(VH,HH)的数目是所述多极磁体(5)的所述磁极数(Np)的两倍；

并且其中，所述传感器(6)进一步包括基本上位于所述圆(8)上的磁传感器元件(VH,HH)的第三组群(U)和第四组群(V)，所述第三和第四组群(U,V)中的磁传感器元件被取向成用于检测至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)，所述第三和第四组群(U,V)中的每一个内的传感器元件被定位在所述圆(8)上的各等距角位置处，所述第三组群(U)中的元件和所述第一组群(S)中的元件之间的角距离等于360°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)，并且所述第四组群(V)中的元件和所述第一组群(S)中的元件之间的角距离等于540°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)；

并且其中所述用于计算的装置(7)进一步适用于计算由所述第三组群(U)中的各元件提供的信号的第三和(sum3)或第三平均(avg3)，并适用于计算由所述第四组群(V)中的各元件提供的信号的第四和(sum4)或第四平均(avg4)；

并且其中所述用于计算的装置(7)进一步适用于基于从由所述第一和(sum1)、所述第一平均(avg1)、所述第二和(sum2)、所述第二平均(avg2)、所述第三和(sum3)、所述第三平均(avg3)、所述第四和(sum4)以及所述第四平均(avg4)组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

13.根据权利要求12所述的布置(1)，其特征在于，

每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，

并且其中所述布置进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括位于所述水平霍尔元件的顶部的中心部分(11)以及位于距所述霍尔元件一距离处并被取向成在径向方向中的多个细长部分(10)。

14.如权利要求12所述的布置(1)，其特征在于，

每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，

并且其中所述布置进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括中心部分(11)以及各自位于所述霍尔元件之一的顶部并被取向成在径向方向中的多个细长部分(10)。

15.根据权利要求12-14中的任一项所述的布置(1)，其特征在于，

所述用于计算的装置(7)进一步适用于计算所述第一和(sum1)与所述第三和(sum3)之间的第一差(diff1)，并适用于计算所述第二和(sum2)与所述第四和(sum4)之间的第二差(diff2)；

并且其中所述用于计算的装置进一步适用于计算所述第一差(diff1)与所述第二差(diff2)的比(R)，并适用于基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的角位置(α)。

16.在汽车环境中使用根据权利要求1-15中的任一项所述的布置来计算角位置。

17.用于使用前述权利要求中的任一项所述的布置来确定转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的方法，包括：

-计算由传感器元件的第一组群(S)提供的各信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)；

-计算由元件的第二组群(T)提供的各信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)；

-基于从由所述第一和(sum1)、所述第一平均(avg1)、所述第二和(sum2)以及所述第二平均(avg2)组成的组群中选择的一个或多个数字来确定所述转子(2)的角位置(α)。

18.根据从属于权利要求8时的权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将每一对中的元件的信号(Hi，Gi)相减以便提供用于计算所述第一和及所述第二和(sum1，sum2)或者所述第一平均及所述第二平均(avg1，avg2)的经组合信号(Si，Ti)的步骤。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

-计算所述第一和(sum1)与所述第二和(sum2)的比(R)或所述第一平均(avg1)与所述第二平均(avg2)的比；

-基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的角位置(α)。

20.根据从属于权利要求12时的权利要求17或18所述的方法，其特征在于，进一步包括：

-计算由所述第三组群(U)中的传感器元件提供的信号的第三和(sum3)或第三平均(avg3)，并计算由所述第四组群(V)中的传感器元件提供的信号的第四和(sum4)或第四平均(avg4)；

-基于从由所述第一和(sum1)、所述第一平均(avg1)、所述第二和(sum2)、所述第二平均(avg2)、所述第三和(sum3)、所述第三平均(avg3)、所述第四和(sum4)及所述第四平均(avg4)组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，

进一步包括计算所述第一和(sum1)与所述第三和(sum3)之间的第一差(diff1)以及所述第二和(sum2)与所述第四和(sum4)之间的第二差(diff2)以及所述第一差(diff1)与所述第二差(diff2)的比(R)；

-以及基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

22.用于测量转子(2)相对于定子(3)的角位置(α)的集成传感器电路，所述转子(2)能围绕旋转轴(4)旋转并且包括磁源(5)，所述磁源(5)被安装在所述转子(2)上用于创建磁场(B)，所述磁源(5)是具有用于生成相对于所述旋转轴(4)周期性重复的磁场图案(B)的多个磁极(Np)的多极磁体，磁极数(Np)至少为四个；所述定子(3)具有相对于所述旋转轴(4)的固定位置，所述集成传感器电路能在处于距所述磁源(5)第一距离(d1)处的、与所述旋转轴(4)基本上垂直的平面(β)中在所述多极磁体(5)附近并与所述旋转轴成一直线地被安装到所述定子，所述集成传感器电路包括：

-多个传感器元件(VH,HH)，每一传感器元件适用于测量所述磁场(B)的至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)，并适用于提供指示所述至少一个磁场分量在所述传感器元件的位置处的强度的测量信号(Si,Ti)，

-所述传感器元件基本上被定位在距所述旋转轴(4)一距离(r2)处的圆(8)上，并被取向成用于检测所述至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)；

-所述多个传感器元件(VH,HH)被划分成第一组群(S)和第二组群(T)，每一组群(S，T)内的元件被定位在所述圆(8)上的各等距角位置处，所述第一组群(S)中的元件和所述第二组群(T)中的元件之间的角距离等于180°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)；

-用于从所提供的信号(S，T)中计算所述转子(2)的角位置(α)的装置(7)；

其中：

-所述用于计算的装置(7)适用于计算由所述第一组群(S)中的各元件提供的信号(Si)的第一和(sum1)或第一平均(avg1)，并适用于计算由所述第二组群(T)中的各元件提供的信号(Ti)的第二和(sum2)或第二平均(avg2)，并适用于基于从由所述第一和(sum1)、所述第一平均(avg1)、所述第二和(sum2)及所述第二平均(avg2)组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

23.根据权利要求22所述的集成电路，其特征在于，每一传感器元件(VH，HH)包括垂直霍尔效应元件，该垂直霍尔效应元件具有含在所述圆(8)切向的法线的板。

24.根据权利要求22所述的集成电路，其特征在于，每一感测元件包括一对水平霍尔效应元件(G,H)以及IMC分段，所述一对水平霍尔效应元件被彼此毗邻地定位在所述圆(8)上并具有与所述旋转轴(4)基本上垂直地取向的板，所述IMC分段用于使局部切向磁场(Bt)弯曲成与所述板基本上垂直的方向。

25.根据权利要求22所述的集成电路，其特征在于，每一传感器元件包括垂直霍尔效应元件，所述垂直霍尔效应元件具有含与所述旋转轴(4)垂直并与所述旋转轴(4)相交的法线的板。

26.根据权利要求22-25中的任一项所述的集成电路，其特征在于，所述用于计算的装置(7)进一步适用于计算所述第一和(sum1)与所述第二和(sum2)的比(R)或所述第一平均(avg1)与所述第二平均(avg2)的比，并适用于基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

27.根据权利要求22-26中任一项所述的集成电路，其特征在于，

并且其中，所述集成电路进一步包括基本上位于所述圆(8)上的磁传感器元件(VH,HH)的第三组群(U)和第四组群(V)，所述第三和第四组群(U,V)中的磁传感器元件被取向成用于检测至少一个磁场分量(Br,Bt,Bz)，所述第三和第四组群(U,V)中的每一个内的传感器元件被定位在所述圆(8)上的各等距角位置处，所述第三组群(U)中的元件和所述第一组群(S)中的元件之间的角距离等于360°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)，并且所述第四组群(V)中的元件和所述第一组群(S)中的元件之间的角距离等于540°除以所述磁源(5)的磁极数(Np)；

并且其中所述用于计算的装置(7)进一步适用于计算由所述第三组群(U)中的各元件提供的信号(Ui)的第三和(sum3)或第三平均(avg3)，并适用于计算由第四组群(V)中的各元件提供的信号(Vi)的第四和(sum4)或第四平均(avg4)；

并且其中所述用于计算的装置(7)进一步适用于基于从由所述第一和(sum1)、所述第一平均(avg1)、所述第二和(sum2)、所述第二平均(avg2)、所述第三和(sum3)、所述第三平均(avg3)、所述第四和(sum4)以及所述第四平均(avg4)组成的组中选择的一个或多个数字来确定所述角位置(α)。

28.根据权利要求27所述的集成电路，其特征在于，

每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，

并且其中所述集成电路进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括位于所述水平霍尔元件的顶部的中心部分(11)以及位于距所述霍尔元件一距离处并被取向成在径向方向中的多个细长部分(10)。

29.根据权利要求27所述的集成电路，其特征在于，

每一传感器元件包括水平霍尔效应元件(HH1)，

并且其中所述集成电路进一步包括集成的磁聚集器，所述磁聚集器包括中心部分(11)以及各自位于所述霍尔元件之一的顶部并被取向成在径向方向中的多个细长部分(10)。

30.根据权利要求27到29中任一项所述的集成电路，其特征在于，

并且用于所述计算的装置进一步适用于计算所述第一差(diff1)与所述第二差(diff)的比(R)，并适用于基于所述比(R)的反正切或反余切来确定所述转子(2)的所述角位置(α)。

31.在汽车环境中使用根据权利要求22-30中的任一项所述的集成电路来计算角位置。