CN108303562B - 退磁场鲁棒、扭转敏感的磁速传感器 - Google Patents

退磁场鲁棒、扭转敏感的磁速传感器 Download PDF

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Abstract

提供了被配置用于检测物体的旋转的磁性传感器模块、***和方法。磁性传感器模块包括在传感器平面中围绕轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线产生径向对称偏置磁场的轴向极化的背部偏置磁体，并且包括设置在磁性传感器的传感器平面中并且被配置用于响应于检测到径向对称偏置磁场而产生测量值的多个传感器元件的磁性传感器。多个传感器元件以等距角围绕轴向极化背部偏置磁体的中心轴线设置在圆形的圆周上。多个传感器元件被分组为多个配对，从而每个配对具有对于径向对称偏置磁场的不同平面内磁场分量敏感的敏感轴线。

Description

退磁场鲁棒、扭转敏感的磁速传感器
技术领域
本公开通常涉及感测轮速度，并且更特别地涉及磁速传感器。
背景技术
为了测量轮速度(例如在汽车应用中)通常铁磁性轮与磁敏传感 器以及安装至传感器的磁体组合使用。传感器产生输出脉冲。控制单 元对脉冲计数并且能够计算旋转轮的轮速度和真实角度。
在凸轮感测应用中，可以使用霍尔(Hall)单单元(monocell) 配置，其使能在齿轮的齿边缘处切换的输出。当铁目标轮在传感器前 旋转时，z磁化背部偏置传感器与Bz敏感单单元传感器组合产生正 弦信号。当齿部穿过传感器时，实现最大幅度，而当传感器面对齿轮 的槽口时，实现最小信号。因此，传感器装置在齿边缘上切换。
使用Hall单单元传感器的益处在于传感器是扭转不敏感的，从而 传感器将独立于安装位置工作而与其围绕其z轴线的旋转朝向无关。 因此，在使用螺栓安装期间，可以调节在传感器模块和轮之间的空气 间隙。也即，使用螺栓扭转传感器模块将调节空气间隙，并且可以不 管传感器的旋转朝向。相应地，由于扭转不敏感性而在传感器的安装 期间松弛了组装容差。
负面地，Hall单单元传感器在退磁场(stray-field)鲁棒性方面具 有缺点。退磁场是由位于传感器附近环境中的外部装置引起的磁场。 例如，位于车辆(例如对于混动车辆而言，由于靠近感测装置的、驱 动高电流的电流干线或者由于电感性电池充电)内的部件或者流过产 生磁场的列车***的轨道的电流可以引起退磁场扰动。
作为Hall单单元传感器的备选，可以使用差分Hall感测元件以 增大退磁场鲁棒性。在差分Hall传感器中，两个Hall极板被间隔开。 通过从第二Hall极板的Bz信号减去第一Hall极板的Bz信号而计算 输出信号，并且由于差分计算将抵消沿z方向的同质退磁场。
差分Hall信号在轮齿部的上升边缘处具有其信号最大值并且在 轮的齿部的下降边缘处具有其信号最小值。因此，与Hall单单元传感 器相反，差分Hall传感器的输出在齿部中心和槽口中心上切换。
然而，因为切换点是不同的，因此车辆的电子控制单元(ECU) 必须重新配置以调节切换点。进一步，差分Hall传感器的另一缺点在 于其并非扭转不敏感的。围绕其z轴线扭转传感器模块将导致减小的 信号。最坏情形是90°的扭转角，而Hall极板均感测相同的Bz场。 在该情形中差分信号不可获得，并且传感器无法检测齿部或槽口。
因此，均是扭转不容忍的改进装置可以是期望的。
发明内容
提供了磁性传感器模块、***和方法，其被配置用于检测物体的 旋转，并且更特别地用于检测物体的旋转速度。
实施例提供了一种磁性传感器模块，包括轴向极化的背部偏置磁 体以及磁性传感器，背部偏置磁体在传感器平面中产生围绕轴向极化 的背部偏置磁体的中心轴线径向对称的偏置磁场，磁性传感器包括设 置在磁性传感器的传感器平面中并且被配置用于响应于感测到径向 对称的偏置磁场而产生测量值的多个传感器元件。多个传感器元件围 绕轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线以等距角度设置在圆形的圆 周上。多个传感器元件分组为多个配对，从而传感器元件的第一配对 的第一传感器元件在圆形的圆周上相互相对设置并且具有对于径向 对称偏置磁场的第一平面内磁场分量敏感的第一敏感轴线，以及传感 器元件的第二配对的第二传感器元件在圆形的圆周上相互相对设置 并且具有对于径向对称偏置磁场的第二平面内磁场分量敏感的第二 敏感轴线。
实施例进一步提供了一种由磁性传感器测量旋转组件的旋转速 度的方法，磁性传感器包括设置在磁性传感器的传感器平面中的多个 传感器元件并且暴露至由轴向极化背部偏置磁体所产生的径向对称 偏置磁场的基本上相同的工作点。方法包括由多个传感器元件响应于 感测到径向对称偏置磁场而产生测量值，其中由旋转组件的旋转引起 多个传感器元件的测量值的变化；使用被配置用于基于测量值抵消沿 传感器元件的第一配对的第一敏感轴线方向和沿传感器元件的第二 配对的第二敏感轴线方向的差分计算而产生测量信号；以及输出测量 信号。传感器元件的第一配对对于径向对称偏置磁场的沿第一敏感轴 线方向的第一平面内磁场分量敏感，传感器元件的第二配对对于径向 对称偏置磁场沿第二敏感轴线方向的第二平面内磁场分量敏感，以及 测量信号基于旋转组件的旋转速度而在最大值和最小值之间振荡。
实施例进一步提供了一种被配置用于检测物体的旋转的磁性传 感器模块，包括磁性传感器，磁性传感器包括设置在磁性传感器的传 感器平面中并且被配置用于响应于感测到相对于物体旋转而改变的 时变磁场而产生测量值的多个传感器元件。多个传感器元件以基本上 等距角度设置在圆形的圆周上，并且多个传感器元件被分组为多个配 对，从而每个配对具有对于时变磁场的多个不同平面内磁场分量的一 个平面内磁场分量敏感的敏感轴线。磁性传感器模块进一步包括传感 器电路，传感器电路被配置用于从多个传感器元件接收测量值，使用 被配置用于沿多个不同平面内磁场分量的每一个的每个方向抵消退 磁场的差分计算而产生至少一个测量信号，以及输出至少一个测量信 号。
附图说明
在此参照附图描述实施例。
图1A和图1B示出了根据一个或多个实施例的齿轮的磁场感测 原理；
图2示出了根据一个或多个实施例的传感器布置的平面图；
图3示出了根据一个或多个实施例的轴向极化的圆柱体的背部偏 置磁体；
图4示出了根据一个或多个实施例的速度感测***；
图5A-图5D示出了根据一个或多个实施例的图4中所示传感器 的传感器电路的输出信号与目标轮的旋转速度的对比；
图6示出了根据一个或多个实施例的传感器***；
图7示出了根据一个或多个实施例的传感器模块；
图8示出了图7的传感器模块的平面图并且示出了根据一个或多 个实施例的在传感器模块周围环境中耦合成回路的磁场图案；
图9A-图9D示出了根据一个或多个实施例的图7中所示传感器 的传感器电路的输出信号与目标轮的旋转角度的对比；以及
图10示出了根据一个或多个实施例的由磁性传感器测量旋转组 件的旋转速度的方的流程图。
具体实施方式
在下文中，阐述多个细节以提供示例性实施例的更全面说明。然 而，对于本领域技术人员明显的是可以不采用这些具体细节实践实施 例。在其他情形中，以方框图形式或者以示意图而不是细节示出广泛 已知的结构和装置以便于避免模糊实施例。此外，下文中所述的不同 实施例的特征可以相互组合，除非上下文明确给出相反指示。
进一步，在以下说明书中采用等同或类似的参考数字标注等同或 类似元件或者具有等同或类似功能的元件。因为在附图中为相同或功 能等价的元件给出相同参考数字，可以省略对于采用相同参考数字所 提供元件的重复描述。因此，对于具有相同或相似参考数字的元件所 提供的说明可以相互互换。
应该理解的是当元件被称作“连接”或“耦合”至另一元件时， 其可以直接地连接或耦合至另一元件，或者可以存在***元件。相反， 当元件被称作“直接地连接”或“直接地耦合”至另一元件时，不存 在***的元件。用于描述元件之间相互关系的其他词语应该以类似方 式解释(例如“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直 接地相邻”等)。
在此所述或附图中所示的实施例中，任何直接电气连接或耦合也 即没有额外***元件的任何连接或耦合也可以由间接连接或耦合而 实施，也即具有一个或多个额外***元件的连接或耦合，或者反之亦 然，只要基本上维持了连接或耦合的一般目的，例如发送某一类型信 号或者发送某一类型信息。来自不同实施例的特征可以组合以形成其 他实施例。例如，关于一个实施例描述的变化或修改也可以适用于其 他实施例，除非相反指示。
如在此所使用的，信号调节涉及以如此方式操纵模拟信号以使得 信号满足下一级的需求以用于进一步处理。信号调节可以包括从模拟 转换至数字(例如经由模拟至数字转换器)、放大、滤波、转换、偏 置、范围匹配、隔离以及使得传感器输出适用于在调节之后处理所需 的任何其他处理。
实施例涉及传感器和传感器***，以及用于获得关于传感器和传 感器***的信息。传感器可以涉及将待测量的物理量转换为电信号例 如电流信号或电压信号的部件。物理量可以例如包括磁场、电场、压 力、力、电流或电压，但是不限于此。如在此所述的传感器装置可以 是电流传感器、高斯计、角度传感器、线性位置传感器、速度传感器 等等。
磁场传感器例如包括一个或多个磁场传感器元件，测量磁场的一 个或多个特性(例如磁场通量密度的量、场强度、场角度、场方向、 场朝向等)，对应于检测和/或测量产生磁场的元件(例如磁体、输运 电流的导体(例如引线)、地球或其他磁场源)的磁场图形。
根据一个或多个实施例，磁场传感器和传感器电路均容纳(也即 集成)在相同芯片封装(例如塑料密封的封装，诸如引线端接封装或 无引线封装，或者表面安装器件(SMD)封装)中。该芯片封装也称 作传感器封装。传感器封装可以与背部偏置磁体组合以形成传感器模 块、传感器装置等等。
包括在传感器封装中的一个或多个磁场传感器元件、或者简称磁 场传感器因此暴露至磁场，并且由每个磁场传感器所提供的传感器信 号(例如电压信号)正比于磁场的幅度，例如。进一步，应该知晓的 是，术语“传感器”和“感测元件”可以遍及该说明书而可互换的使 用，并且术语“传感器信号”和“测量值”可以遍及该说明书可互换 的使用。
传感器电路可以称作信号处理电路和/或信号调节电路，其从磁场 传感器元件接收形式为原始测量数据的信号(也即传感器信号)，并 且从传感器信号推导表示磁场的测量信号。传感器电路可以包括数字 转换器(ADC)，其将来自一个或多个传感器元件的模拟信号转换为 数字信号。传感器电路也可以包括数字信号处理器(DSP)，对数字 信号执行一些处理，如下所述。因此，传感器封装包括经由信号处理 和/或调节而调节并放大了磁场传感器的小信号的电路。
如在此所使用的传感器装置可以涉及包括如上所述传感器和传 感器电路的装置。传感器装置可以集成在单个半导体裸片(例如硅裸 片或芯片)上，尽管在其他实施例中可以使用多个裸片用于实施传感 器装置。因此，传感器和传感器电路布置在相同半导体裸片上或者在 相同封装中的多个裸片上。例如，传感器可以在一个裸片上且传感器 电路在另一裸片上以使得它们在封装内相互电连接。在该情形中，裸 片可以由相同或不同半导体材料诸如GaAs和Si构成，或者传感器可 以溅射至非半导体的陶瓷或玻璃板片。
磁场传感器元件包括但不限于Hall极板、垂直Hall效应器件、 或者抗磁传感器，通常称作XMR传感器，是对于各向异性抗磁 (AMR)、巨抗磁(GMR)、隧穿抗磁(TMR)等的总称。
图1A和图1B示出了根据一个或多个实施例的具有交替齿部2 和槽口3的齿轮1的磁场感测原理。特别地，齿轮1可以由吸引磁场 的铁磁性材料(例如铁)制成。此外，传感器设备4被配置为感测由 轴向极化的背部偏置磁体5所产生的磁场，其中传感器设备4和背部偏置磁体5包括传感器模块6。传感器设备4可以通常在此称作传感 器并且可以布置在传感器封装中。轴向极化的磁体5在传感器封装平 面(也即芯片平面)中产生径向对称的偏置磁场。直径极化的圆柱体 可以用作轴向极化磁体5。由轴向极化磁体5产生的磁场在磁体的中心处(也即在其中心轴线处)为零并且沿径向方向从中心轴线(例如 如所示的z轴线)增大。因此，由磁体5产生平面内磁场。
在此，传感器设备4内的传感器元件的传感器平面被设置为平行 于磁场的平面内分量。如图1A和图1B中所示，传感器平面沿相互 垂直的x和y方向对准，并且表示传感器元件的敏感轴线，从而传感 器元件对于传感器设备4的平面内磁场分量Bx(也即x平面中的磁场)或者对于平面内磁场分量By(也即y平面中的磁场)敏感。因 此，传感器元件对于由磁体5所产生的径向对称偏置磁场敏感。
图1A示出了轮1的路经传感器模块6的齿部2。在该情形中， 沿z方向朝向齿部2拉动由背部偏置磁体5所产生的径向对称偏置磁 场的磁场线。因此，拉动磁场线远离x和y轴线(也即传感器平面) 并且减小了沿x和y方向的感测到的磁场强度，从而在齿部2的中心处检测到最小场强。这可以不同于真实世界的应用，其中最小值可以 由于组装容差而不精确地出现中心处，而是基本上在齿部2的中心处 检测最小场强。
相反地，图1B示出了轮1的路经传感器模块6的槽口3。在该 情形中，并未沿朝向槽口3的z方向拉动(或较小拉动)由背部偏置 磁体5所产生的径向对称偏置磁场的磁场线。因此，磁场线相对于x 和y轴线(也即传感器平面)保持集中，并且沿x和y方向所感测到 的磁场强度在槽口3的中心处最大。这可以不同于真实世界的应用， 其中最大值可以并未精确地出现在中心处，而是可以基本上在槽口3 的中心处检测到最大场强。
当轮1旋转时，齿部2和槽口3交替路经传感器模块6，并且在 传感器设备4内的传感器元件感测沿x轴线和y轴线磁场强度的变化， 磁场强度作为正弦波而变化(也即作为信号调制)，其频率对应于轮 的旋转速度，该频率进一步对应于驱动轮旋转的驱动轴杆(例如凸轮 轴)的旋转速度。因此，传感器设备4的传感器电路从磁场传感器元 件接收信号(也即传感器信号)，并且从传感器信号推导测量信号， 测量信号表示作为信号调制的磁场。随后可以将测量信号作为输出信 号输出至外部控制器、控制单元或处理器(例如ECU)。外部装置对 输出信号的脉冲计数并且能够计算旋转轮的轮速度和真实角度。
图2示出了根据一个或多个实施例的传感器设备4的平面图。如 在此所使用，传感器设备4也可以称作传感器芯片布局，单个裸片传 感器或磁场传感器，并且包括至少四个磁场传感器元件10L、10R、 10U和10D(共同称作传感器元件10)，以及传感器电路8。传感器元件10设置在圆形12的圆周上而相互等间距。因此，传感器元件10 围绕圆形12的中心轴线11空间均等分布，从而所有传感器元件10 暴露至基本上相同(由于通常3％的组装容差所致)或精确地相同的 磁场工作点。例如，如上所述，由轴向极化的磁体5所产生的径向对 称磁场在磁体的中心处(也即在其中心轴线处)为零，并且从中心轴 线(例如如所示从z轴线)沿径向方向增大。因此，圆形12的中心 点设置为与磁体5的中心轴线重合，从而每个传感器元件10暴露至 基本上相同(由于通常3％的组装容差所致)或精确地相同的磁场工 作点。
传感器元件10可以例如是单轴或多轴XMR传感器元件，单轴或 多轴XMR传感器元件具有用于速度传感器的感测轴线，其与平面内 磁场分量Bx或By对准。在此，如参照图1A和图1B类似地如上所 述，对于该示例假设背部偏置磁体5产生径向对称的偏置磁场。额外地，传感器的传递函数具有高线性范围(+/-25mT)，并且在独立于 偏置场的宽范围内。也即，每个传感器元件10对于第一平面内磁场 分量(例如Bx分量)敏感，并且与此同时，其独立于第二平面内磁 场分量(例如By分量)。
在每个传感器元件10上的箭头指示传感器元件10的具有参考方 向的参考层的方向，从而传感器元件10L、10R的参考方向相同，并 且传感器元件10U、10D的参考方向相同。因此，传感器元件10L和 10R共用它们相同的参考方向，并且传感器元件10U和10D共用了它们自己的相同的参考方向。此外，成双的参考方向的符号也是可逆 的。这意味着在另一实施例中，传感器元件10L和10R也可以对于-Bx 方向敏感，而传感器元件10U和10D可以对于-By方向敏感。因此， 如果磁场精确地指向与参考方向相同的方向，则XMR传感器元件的电阻最大，并且如果磁场精确地指向与参考方向相反的方向，则XMR 传感器元件的电阻最小。
根据该示例，相对布置的传感器元件10L和10R可以具有沿x 方向的感测轴线，相对布置的传感器元件10L和10R被配置用于感测 平面内磁场分量Bx(也即对于x平面内的磁场敏感)。类似地，相 反布置的传感器元件10U和10D可以具有沿y方向的感测轴线，相 反布置的传感器元件10U和10D被配置用于感测平面内磁场分量By (也即对于y平面中磁场敏感)。
每个传感器元件10的传感器信号被提供至传感器电路8，其使用 抵消了沿x和y方向同质退磁场的差分计算而计算输出信号，并且平 面外磁场分量并未影响输出信号(也即传感器输出)。输出信号ROUT例如由以下式子计算：
ROUT＝RLEFT－RRIGHT－(RUP－RDOWN) (1)，或者
VOUT＝VLEFT－VRIGHT－(VUP－VDOWN) (2)
在此，RLEFT对应于传感器元件10L的电阻值，RRIGHT对应于传感 器元件10R的电阻值，RUP对应于传感器元件10U的电阻值，以及 RDOWN对应于传感器元件10D的电阻值。进一步，VLEFT对应于传感 器元件10L的电压值，VRIGHT对应于传感器元件10R的电压值，VUP对应于传感器元件10U的电压值，以及VDOWN对应于传感器元件10D 的电压值。式子(1)和(2)可以总结如下：
SEOUT＝SEA－SEB－(SEC－SED) (3)
其中SE对应于传感器元件，以及SEA和SEB对应于相对布置的 传感器元件的第一配对，以及SEC和SED对应于相对布置的传感器元 件的第二配对。
当传感器元件10是XMR传感器元件时，电阻值取决于沿感测轴 线方向的磁场强度而变化，并且XMR传感器元件的电阻值可以由传 感器电路8检测或者可以从传感器元件输出，作为表示电阻值的电压 值(也即电压值随着电阻值变化而变化)。在前者的情形中，电阻值 被输出作为传感器信号，并且在后者的情形中，电压值输出作为传感 器信号，然而，传感器信号不限于此。因此，可以由于差分计算而抵 消传感器平面中的外部退磁场并且平面外磁场分量并未影响传感器 输出。
备选地，传感器元件10可以例如是垂直Hall传感器元件(例如 Hall极板)，具有用于速度传感器的感测轴线，与平面内磁场分量 Bx或By的一个对准。在垂直Hall传感器元件中，由传感器元件10 所输出的电压值根据沿感测轴线方向的磁场强度而变化。因此，传感器平面中外部退磁场将由于差分计算而抵消，并且平面外磁场分量并 未影响传感器输出。
因此，传感器元件10可以是对于沿平面内方向磁场敏感并且因 此能够对其进行检测的任何传感器元件。例如，相对布置的传感器元 件10L和10R可以具有沿x方向对准的、配置用于感测平面内磁场分 量Bx的感测轴线(也即对于x平面中磁场敏感)。类似地，相对布 置的传感器元件10U和10D可以具有沿y方向对准的配置用于感测 平面内磁场分量By的感测轴线(也即对于y平面中磁场敏感)。
此外，传感器模块6包括轴向极化的圆柱形磁体，其中心轴线指 向轮1并且与中心轴线11重合。因此，磁体在传感器平面中产生了 径向对称的偏置磁场，从而每个传感器元件10暴露至基本上相同(由 于通常3％的组装容差)或精确地相同的磁场工作点。磁体可以是产 生径向对称磁场的任何形状(例如圆柱、立方体等)。
例如，图3示出了根据一个或多个实施例的轴向极化的圆柱形背 部偏置磁体15。图3进一步示出了在传感器平面中的平面内磁场分 布。磁场在平面中心处为零，并且沿径向方向增大。因此，由于径向 对称磁场分布，所有四个传感器元件10暴露至基本上相同(由于通 常3％的组装容差)或精确地相同的磁场工作点。
图4示出了根据一个或多个实施例的速度感测***400，包括传 感器模块16。特别地，轮1的一部分示出在轮1和传感器模块16之 间、以及更特别地在轮1和传感器设备4之间具有空气间隙17。传感 器设备4布置在圆柱形背部偏置磁体15上，或者与其耦合，从而传感器元件10之间的中心点(例如圆形12的中心11)对准在磁体15 的中心点(也即中心轴线)上。如上所述，传感器设备4(也即传感 器)包括磁性传感器元件10以及用于信号调节的Ic。
图5A－图5D示出了根据一个或多个实施例的图4中所示传感器 的传感器电路的输出信号与目标轮的旋转角度的对比。X轴线例如示 出了目标轮的旋转角度，示出了目标轮的从0°至45°的部分旋转。图 5B和图5D分别是图5A和图5B中所示它们配对线图的归一化表示。
特别地，图5A和图5B中所示输出信号是在对具有0.5mm的空 气间隙的传感器元件10的传感器信号应用式子(1)或(2)中的一 个之后的差分传感器信号。目标轮的形状(齿部2和槽口3)在每个 图中由矩形函数表示。在每个图上附加围绕其z轴线的传感器模块16 的不同扭转角度(0°，45°和90°)。目标轮的旋转例如开始于0°(在 该步骤处传感器面对槽口3)，在22.5°处传感器面对齿部2的中部， 以及在45°处传感器面对另一槽口3。
如图可见，传感器模块16的扭转对于输出信号几乎不具有影响。 特别地，目标轮的旋转调制了磁场，并且作为轮旋转角度的函数的清 除信号变化(调制)示出在图5A和图5B中所示的图中。然而，对 于不同扭转角度的归一化曲线在图5B中近似彼此重叠。由此可见， 可以得出结论，传感器模块16围绕其z轴线对于输出信号几乎不具 有影响。
进一步，如在图5B中可见，示出了图5A的归一化差分信号， 输出切换行为在齿部边缘上切换，在此输出信号在图上跨越x轴线。 备选地，可以编程传感器以在输出信号的任意阈值水平下切换。例如 在信号水平的70％处。因此，并非严格的是，传感器精确地切换与x 轴线的交叉。
类似地，图5C和图5D中所示的输出信号是在对于具有2.5mm 的空气间隙的传感器元件10的传感器信号应用式子(1)或(2)中 的一个之后的差分传感器信号。同样，在每个图上附加围绕其z轴线 的传感器模块16的差分扭转角度(0°，45°和90°)。目标轮的旋转例 如开始于0°(在该步骤处传感器面对槽口3)，在22.5°处传感器面对 齿部2的中部，以及在45°处传感器面对另一槽口3。
尽管与图5A和图5B中所使用的空气间隙相比空气间隙增大， 但是传感器模块16的扭转对输出信号几乎不具有影响。该现象从对 于图5D中所示不同扭转角度的近似重叠(归一化)曲线可见。
进一步，如在图5D中可见，示出了图5C的归一化差分信号， 输出切换行为在齿部边缘上切换，在此输出信号在图上跨越x轴线。 备选地，可以编程传感器以在输出信号的任意阈值水平处切换。例如 在信号水平的70％处。因此，并非严格的是传感器精确地切换与x轴线的交叉。
鉴于图5A－图5D，输出信号可以独立于安装角度(也即独立于 围绕其z轴线的扭转角度)。传感器设备4由于沿平面内方向(也即 x和平面)均抵消了同质退磁场的差分信号计算所致而对于退磁场是 鲁棒性的，并且平面外磁场分量并不影响输出信号。传感器电路8的 输出信号依从在齿部边缘上切换的输出。因此，无需在安装期间重新 配置外部控制单元(例如ECU)。进一步，简单的轴向极化的圆柱形 背部偏置磁体是足够的。因此，所述实施例提供了轮的退磁场鲁棒性、 对扭转不敏感的感测，并且以低成本磁性背部偏置解决方案(例如烧 结的铁氧体圆柱形磁体)实现。备选地，其他类型磁体(例如稀土磁 体)也可以适用于作为背部偏置磁体。
应该注意，尽管实施例涉及四个传感器元件10，但是可以实施四 个或更多个的N个传感器元件的任意偶数数目，从而相对布置的传感 器元件(也即每个相对布置的传感器元件配对，诸如传感器元件10R 和10L或者传感器元件10U和10D)具有平行于与圆形12的中心轴 线11交叉的径向方向的相同参考方向，以及N个传感器元件围绕圆 形12以等距角对准。
图6示出了图4中所示传感器***600的备选实施例。特别地， 图6示出传感器***600，传感器***600包括由交替的磁北极区段 62和磁南极区段63构成的磁化编码器轮61。因此，磁北极区段62 和磁南极区段63表示如上所述的齿部和槽口轮的齿部和槽口。如参照图2所述，传感器设备4的传感器元件10对于受轮61的磁北极区 段62和磁南极区段63所影响的磁场敏感。在此，因为由轮61有源 地产生磁场，因此可以省略背部偏置磁体。因此，传感器设备4的传 感器电路8通过检测交变磁场的变化而产生对应于轮61的旋转速度 的传感器输出。
传感器电路8可以将传感器输出信号(也即差分信号)发送至外 部处理器或控制器单元，诸如用于速度计算和确定的ECU，其接着可 以向用户或其他处理或输出部件(诸如显示器)提供速度测量。备选 地，传感器电路8可以被旁路绕过并且外部处理器或控制器单元可以 从传感器元件10接收传感器信号以用于计算差分信号并且从差分信 号计算轮旋转速度。
图7示出了根据一个或多个实施例的传感器模块70。特别地，图 7示出了差分横向Hall传感器，以及使能目标轮(例如齿状轮)的扭 转不敏感和退磁场鲁棒性感测的磁性背部偏置电路。
传感器模块70包括传感器封装71，其具有从其延伸的引线框架 72，位于传感器封装71的背部上并且沿(平面内)x方向被磁化的背 部偏置磁体74，第一磁通量引导件76a，以及第二磁通量引导件76b。
传感器封装71包括第一横向Hall传感器元件(例如Hall极板) 73a，第二横向Hall传感器元件(例如Hall极板)73b，以及传感器 电路(未示出)。第一横向Hall传感器元件73a和第二横向Hall传 感器元件73b(共同称作传感器元件73)具有平行于z轴线对准的敏 感轴线，其是传感器封装71的平面外部件并且对于磁场分量Bz敏感 (也即z平面中磁场)。在此，传感器封装71的背部指代与目标轮 最远的侧面，以及传感器封装71的正面沿z方向面对目标轮。
背部偏置磁体74沿x方向被磁化，平行于传感器封装71的平面 内部件。背部偏置磁体74可以例如是布置在第一磁通量引导件76a 和第二磁通量引导件76b之间、并且耦合至传感器封装71的背部的 块状或圆柱形磁体。
第一磁通量引导件76a和第二磁通量引导件76b位于磁体74的 相反磁极处，并由能够重定向由磁体74所产生磁场的材料(例如铁) 制成。特别地，图8示出了传感器模块70的平面图，示出了在传感 器模块70周围环境中在回路77中耦合的磁场图形。当磁体74被沿x 方向磁化时，磁性B场(通量线)沿x方向开始于点77a，磁场B的 一部分由第二磁通量引导件76b重定向在点77b和77c处，从而磁体 B场指向反平行于x方向，在点77d处穿过传感器封装71的(平面 内)x平面，以及磁场B的一部分由第一磁通量引导件76a在点77e 和77f处再次重定向，从而磁体B场沿x方向指向返回。
缺乏铁目标轮(或在槽口前端)时，磁性B场将从第二磁通量引 导件76b离开，并再次直接地耦合至第一磁通量引导件76a中。因此， 在传感器位置处(也即在传感器元件73处)没有强的负Bx场，并且 几乎没有Bz或By场。因此，Bz敏感的Hall极板被暴露至低Bz场，具有小的偏移。采用相反符号测量在第一横向Hall传感器元件73a 和第二横向Hall传感器元件73b上的Bz场。例如，由第一横向Hall 传感器元件73a所产生的传感器信号可以是低数值(例如对应于－ 8mT)，以及由第二横向Hall传感器元件73b所产生的传感器信号可 以是具有相反符号的低数值(例如对应于+8mT)。因此，传感器信 号的绝对值是相等的。
相反地，存在轮(或在齿部前面)时，将沿z方向朝向目标轮拉 磁场。在第一横向Hall传感器元件73a和第二横向Hall传感器元件 73b上的Bz场由于Bz场强度增大而以相反符号增大。也即，当由第 一横向Hall传感器元件73a所产生的传感器信号变得越来越负(例如 对应于－11mT)时，由第二横向Hall传感器元件73b所产生的传感 器信号以相同的量变得越来越正(例如对应于+11mT)。因此，传感 器信号的绝对值相等。
以此方式，当轮在传感器模块70前面旋转时，可以由传感器电 路获得信号调制。调制总是独立于安装角度(也即例如围绕其z轴线 的传感器旋转)而呈现对于退磁场的鲁棒性，因为它们被传感器元件 73的差分配置抵消。应该注意，可以优选的是在传感器元件73之间 中点可以放置在磁体74的横向中点上，从而传感器信号的(绝对值) 相反符号数值维持相等。
图9A－图9D示出了根据一个或多个实施例的图7中所示传感器 的传感器电路的输出信号与目标轮的旋转角度的对比。X轴线例如示 出了目标轮的旋转角度，示出了从0°至45°的目标轮的部分旋转。图 9B和图9D分别是图9A和图9C中所示它们配对图的归一化表示。
特别地，图9A和图9B中所示输出信号是在对于具有0.5mm空 气间隙的传感器元件的传感器信号应用差分式子(例如BzLEFT(73a) －BzRIGHT(73b))之后的差分传感器信号。目标轮的形状(齿部2和 槽口3)在每个图中由矩形函数表示。传感器模块70围绕其z轴线的不同扭转角度(0°和90°)附加在每个图上。目标轮的旋转例如开始 于0°(在该步骤处传感器面对槽口3)，在22.5°处传感器面对齿部2 的中部，以及在45°处传感器面对另一槽口3。
如图可见，传感器模块70的扭转对于输出信号几乎不具有影响。 特别地，目标轮的旋转调制了磁场，并且在图9A和图9B中所示的 图中示出了根据轮旋转角度的清除信号变化(调制)。然而，对于不 同扭转角度的归一化曲线在图9B中几乎相互重叠。由此可见，可以 得出结论，传感器模块70围绕其z轴线的扭转几乎对输出信号不具 有影响。
进一步，如在图9B中可见，示出了图9A的归一化差分信号， 输出切换行为在齿部边缘上切换，再次输出信号跨越图上x轴线。备 选地，传感器可以被编程为在输出信号的任意阈值水平处切换。例如 在信号水平的70％下。因此，并非严格的是传感器精确地切换与x轴线的交叉。
类似地，图9C和图9D中所示的输出信号是在对于具有2.5mm 的空气间隙的传感器元件的传感器信号应用差分式子(例如BzLEFT (73a)－BzRIGHT(73b))之后的差分传感器信号。同样，传感器模块70 围绕其z轴线的不同扭转角度(0°和90°)被附加在每个图上。目标 轮的旋转例如开始于在0°(在该步骤处传感器面对槽口3)，在22.5° 处传感器面对齿部2的中部，以及在45°处传感器面对另一槽口3。
尽管与图9A和图9B中所使用的空气间隙相比空气间隙增大， 但是传感器模块70的扭转对于输出信号几乎不具有影响。该现象从 对于图9D中所示不同扭转角度的近似重叠(归一化)曲线可见。
进一步，如在图9D中可见，示出了图9C的归一化差分信号， 输出切换行为切换在齿部边缘上，输出信号在此跨越图上x轴线。备 选地，传感器可以被编程为在输出信号的任意阈值水平切换。例如在 信号水平的70％。因此，并非严格的是传感器精确地切换与x轴线的 交叉。
传感器电路可以发送传感器输出信号(也即差分信号)至诸如 ECU之类的外部处理器或控制器单元，以用于速度计算和确定，其接 着可以向用户或其他部件提供速度测量。备选地，传感器电路可以被 旁路绕过，并且外部处理器或控制器单元可以从传感器元件73接收 传感器信号用于计算差分信号，并且从差分信号计算轮旋转速度。
图10示出了根据一个或多个实施例的由磁性传感器测量旋转组 件的旋转速度的方法1000的流程图。如上所述，磁性传感器包括多 个传感器元件，多个传感器元件被设置在磁性传感器的传感器平面中 并且暴露至由轴向极化背部偏置磁体所产生的径向对称偏置磁场的 基本上相同工作点。该方法包括响应于感测到径向对称偏置磁场由多 个传感器元件产生测量值(操作5)。由旋转组件的旋转引起多个传 感器元件的测量值的变化。方法进一步包括使用差分计算产生测量信 号，采用测量值作为对差分计算的输入(操作10)。由处理器执行的 差分计算被配置为基于测量值沿传感器元件的第一配对的第一敏感 轴线的方向以及沿传感器元件的第二配对的第二敏感轴线的方向抵 消退磁场。传感器元件的第一配对对于径向对称偏置磁场的沿第一敏 感轴线方向的第一平面内磁场分量敏感，以及传感器元件的第二配对 对于径向对称偏置磁场的沿第二敏感轴线方向的第二平面内磁场分 量敏感。因此，测量信号基于旋转组件的旋转速度而在最大值和最小 值之间振荡。最后，方法包括输出测量信号至外部装置(操作15)， 诸如ECU，以用于进一步处理。测量信号可以通过沿着有线连接或无 线连接传送而输出。
考虑到以上，由于它们的扭转不敏感和退磁场鲁棒性，可以通过 实施上述传感器模块而放松组装容差。
尽管在检测轮或凸轮轴速度的上下文中描述了以上实施例，传感 器可以用于检测当其旋转时产生磁场的正弦变化并且可以由传感器 感测到的任何旋转组件或物体的旋转速度。例如，铁轮和背部偏置磁 体可以用于产生时变的磁场。备选地，可以使用有源编码器轮(不具 有背部偏置磁体)以产生时变磁场。
进一步，尽管已经描述了各个实施例，对于本领域技术人员而言 明显的是，许多更多实施例和实施方式在本发明的范围内是可能的。 因此，不应限制本发明，除了所附权利要求及其等价形式的教导之外。 关于由上述部件或结构(组件、装置、电路、***等)所执行的各种 功能，用于描述这种部件的术语(包括对于“装置”的参考)意在对 应于执行所述部件的具体功能的任何部件或结构(也即功能等价)， 除非另外指示，即使结构上不等价于执行在此所示本发明示例性实施 方式中功能的所公开的结构。
进一步，以下权利要求因此包括至详细说明书中，其中每个权利 要求可以自身表示作为分立的示例性实施例。尽管每个权利要求可以 自身表示作为分立的示例性实施例，应该注意的是－尽管从属权利要 求可以在权利要求中涉及与一个或多个其他权利要求的具体组合－ 其他示例性实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立 权利要求的主题的组合。在此提出这种组合，除非陈述具体组合并非 是有意的。进一步，有意设计权利要求也包括任何其他独立权利要求 的特征，即使该权利要求并未直接从属于独立权利要求。
进一步应该注意的是，说明书中或权利要求中所公开的方法可以 由具有用于执行这些方法的各自动作的每一个的机制的装置而实施。
进一步，应该理解的是在说明书或权利要求中所公开的多个动作 或功能的公开可以不构造为在具体顺序内。因此，多个动作或功能的 公开将不限于特定的顺序，除非这些动作或功能为了技术原因而不可 互换。进一步，在一些实施例中单个动作可以包括或者分成多个子动 作。可以包括这些子动作和该单个动作的公开的一部分，除非明确地 排除。

Claims (24)

1.一种磁性传感器模块，被配置用于检测物体的旋转，包括：
轴向极化的背部偏置磁体，在传感器平面中围绕所述轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线产生径向对称的偏置磁场；
磁性传感器，包括多个传感器元件，所述多个传感器元件被设置在所述磁性传感器的传感器平面中并被配置用于响应于感测到所述径向对称的偏置磁场产生测量值，
其中所述多个传感器元件围绕所述轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线以基本上等距角设置在圆形的圆周上，
其中所述多个传感器元件被分组为多个配对，
其中传感器元件的第一配对中的第一传感器元件在所述圆形的圆周上相互相对设置并且具有对于所述径向对称的偏置磁场的第一平面内磁场分量敏感的第一敏感轴线，以及
其中传感器元件的第二配对中的第二传感器元件在所述圆形的圆周上相互相对设置并且具有对于所述径向对称的偏置磁场的第二平面内磁场分量敏感的第二敏感轴线。
2.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述第一敏感轴线垂直于所述第二敏感轴线。
3.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述第一敏感轴线和所述第二敏感轴线与所述轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线交叉并且与其垂直。
4.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述多个传感器元件中的每个传感器元件暴露至所述径向对称的偏置磁场的基本上相同的工作点。
5.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中：
在检测到所述径向对称的偏置磁场沿所述第一敏感轴线的第一方向的磁场强度变化时，由所述第一传感器元件产生的测量值变化，以及
在检测到所述径向对称的偏置磁场沿所述第二敏感轴线的第二方向的磁场强度变化时，由所述第二传感器元件所产生的测量值变化。
6.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述轴向极化的背部偏置磁体被配置为使得所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量根据具有交替的第一部分和第二部分的旋转组件的旋转而变化，
其中当靠近所述第一部分中的一个时，所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量较强，并且当靠近所述第二部分中的一个时，所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量较弱。
7.根据权利要求6所述的磁性传感器模块，其中，所述旋转组件是齿轮，以及所述第一部分是槽口并且所述第二部分是所述齿轮的齿部。
8.根据权利要求6所述的磁性传感器模块，其中，所述径向对称的偏置磁场在所述轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线处为零，并且沿径向方向在所述传感器平面中从所述中心轴线增大。
9.根据权利要求6所述的磁性传感器模块，其中，由所述多个传感器元件所产生的测量值基于所述旋转组件的旋转速度在最大值和最小值之间振荡。
10.根据权利要求6所述的磁性传感器模块，其中，当所述旋转组件旋转时，所述旋转组件引起所述径向对称的偏置磁场的所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量的正弦变化。
11.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述轴向极化的背部偏置磁体是轴向极化的圆柱形磁体。
12.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述磁性传感器进一步包括传感器电路，所述传感器电路被配置用于从所述多个传感器元件接收所述测量值，并且使用差分计算来产生测量信号，所述差分计算被配置用于基于所接收到测量值抵消沿所述第一敏感轴线的方向的退磁场和所述第二敏感轴线的方向的退磁场。
13.根据权利要求12所述的磁性传感器模块，其中，所述传感器电路被配置为使用所述差分计算和所述传感器元件的第一配对的接收到的测量值抵消沿所述第一敏感轴线的方向的所述退磁场，以及使用所述差分计算和所述传感器元件的第二配对的所接收到的测量值抵消沿所述第二敏感轴线的方向的所述退磁场。
14.根据权利要求12所述的磁性传感器模块，其中，所述传感器电路被配置为应用所述差分计算：
SEOUT＝SEA－SEB－(SEC－SED)，
其中SEA和SEB对应于由第一配对传感器元件所产生的测量值，SEC和SED对应于由所述传感器元件的第二配对所产生的测量值，以及SEOUT是所述测量信号。
15.根据权利要求12所述的磁性传感器模块，其中，所述传感器电路被配置为输出所述测量信号至外部装置。
16.根据权利要求12所述的磁性传感器模块，其中，所述轴向极化的背部偏置磁体被配置为使得所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量根据具有交替的第一部分和第二部分的旋转组件的旋转而变化，
其中当靠近所述第一部分中的一个时，所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量较强，并且当靠近所述第二部分中的一个时，所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量较弱。
17.根据权利要求16所述的磁性传感器模块，其中，所述旋转组件是齿轮，以及所述第一部分是槽口并且所述第二部分是所述齿轮的齿部。
18.根据权利要求16所述的磁性传感器模块，其中，由所述多个传感器元件所产生的测量值基于所述旋转组件的旋转速度在最大值和最小值之间振荡。
19.根据权利要求16所述的磁性传感器模块，其中，当所述旋转组件旋转时，所述旋转组件引起所述径向对称的偏置磁场的所述第一平面内磁场分量和所述第二平面内磁场分量的正弦变化。
20.根据权利要求16所述的磁性传感器模块，其中，由所述传感器电路所产生的测量信号基于所述旋转组件的旋转速度而在最大值和最小值之间振荡。
21.根据权利要求16所述的磁性传感器模块，其中，所述测量信号的频率正比于所述旋转组件的旋转速度。
22.根据权利要求1所述的磁性传感器模块，其中，所述磁性传感器模块围绕所述轴向极化的背部偏置磁体的中心轴线是扭转不敏感的。
23.一种由磁性传感器测量旋转组件的旋转速度的方法，所述磁性传感器包括多个传感器元件，所述多个传感器元件被设置在所述磁性传感器的传感器平面中并且暴露至由轴向极化的背部偏置磁体所产生的径向对称的偏置磁场的基本上相同工作点，所述方法包括：
响应于感测到所述径向对称的偏置磁场而由多个传感器元件产生测量值，其中由所述旋转组件的旋转引起所述多个传感器元件的测量值的变化；
使用差分计算来产生测量信号，所述差分计算被配置用于基于所述测量值抵消沿传感器元件的第一配对的第一敏感轴线的方向和传感器元件的第二配对的第二敏感轴线的方向的退磁场；
其中所述传感器元件的第一配对对于所述径向对称的偏置磁场沿所述第一敏感轴线的方向的第一平面内磁场分量是敏感的，
其中所述传感器元件的第二配对对于所述径向对称的偏置磁场沿所述第二敏感轴线方向的第二平面内磁场分量是敏感的，以及
其中所述测量信号基于所述旋转组件的旋转速度在最大值和最小值之间振荡；以及
输出所述测量信号。
24.一种被配置用于检测物体的旋转的磁性传感器模块，包括：
磁性传感器，包括多个传感器元件，所述多个传感器元件设置在所述磁性传感器的传感器平面中并且被配置用于响应于感测到相对于所述物体的旋转而变化的时变磁场产生测量值；
其中所述多个传感器元件以基本上等距角设置在圆形的圆周上；以及
其中所述多个传感器元件被分组为多个配对，从而每个配对具有对于所述时变磁场的多个不同平面内磁场分量中的一个平面内磁场分量敏感的敏感轴线；以及
传感器电路，被配置用于从所述多个传感器元件接收所述测量值，使用差分计算来产生至少一个测量值，以及输出所述至少一个测量值，所述差分计算被配置用于抵消沿所述多个不同平面内磁场分量中的每一个的方向的退磁场。
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