磁角位置传感器制造技术

本发明专利技术涉及磁角位置传感器。本文中描述了一种磁角位置传感器系统。根据一个示例性实施例，所述角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面的传感器芯片。在所述传感器芯片中集成至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。

Magnetic angle position sensor

The invention relates to a magnetic angle position sensor. A magnetic angular position sensor system is described in this paper. According to an exemplary embodiment, the angular position sensor system includes a shaft rotating around the rotating shaft, wherein the shaft has a soft magnetic shaft end. The system also includes the axis and the shaft end spaced and limited sensor chip sensor plane basically perpendicular to the axis of rotation. At least four integrated magnetic field sensor element in the sensor chip, the two magnetic field sensor elements spaced from each other and are only sensitive to the magnetic field component in the first direction, and wherein the magnetic sensor element two are separated from each other and only sensitive to magnetic field component in the direction of second to and the first and second directions are not parallel to each other, and the first and second direction perpendicular to the axis of rotation.

【技术实现步骤摘要】
磁角位置传感器
本专利技术大体上涉及利用磁场传感器测量角值的角位置传感器，并且更特别地涉及具有各种应用的轴上角位置传感器、系统和方法，所述应用包括在无刷直流（DC）电机中的应用。
技术介绍
磁场传感器可以用于感测轴杆或其它对象的角位置。例如，可以将永磁体安装在轴杆上，并且磁场传感器可以布置成接近磁体以便在磁体与轴杆一起旋转时感测由磁体生成的磁场。当在距所述轴杆的旋转轴特定距离处靠近所述轴杆安装磁场传感器时，该传感器经常被称为“轴外”磁角位置传感器。在轴杆的前侧不可接近（例如，由于轴杆的具体使用或装配）并且因而传感器元件不能被安装在旋转轴上时，经常实现轴外磁角位置传感器。相反地，在面对轴杆的前侧的轴杆的一端处或接近于该处并且大体上与旋转轴对齐地或相对于旋转轴对称地安装“轴上”磁角位置传感器。在一些实施例中，可以将轴上磁场角传感器设计成测量磁场梯度。出于该目的，可以在旋转轴的相对侧处并且相对于旋转轴对称地布置的两个不同的点处测量磁场。然后可以通过组合两个测量出的磁场值（例如，通过相减）而对于许多应用来说足够近似确定梯度。在许多应用中，对于磁角位置传感器来说，总体设计目标是不昂贵的，同时还相对于外部磁场和其它干扰鲁棒并且对装配容差不敏感。针对磁场角传感器的一个特定应用是在无刷DC（BLDC）电机中，用于检测旋转期间的（角）轴杆位置。BLDC电机呈现对于磁场传感器来说的有挑战的环境，因为它们通常包括强旋转磁体和承载大电流的铜绕组，这二者产生随时间变化的磁场，该磁场干扰用于测量角位置的磁场并且因此导致测量误差。这些干扰磁场强烈地不均匀，这使得难以消除它们对角位置测量的影响。鉴于这些问题，存在对在磁角位置传感器的改进的一般需要。
技术实现思路
本文中描述了一种磁角位置传感器系统。根据一个示例性实施例，角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括传感器芯片，所述传感器芯片在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面。将至少四个磁场传感器元件集成在所述传感器芯片中，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。此外，所述系统包括磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，其中N是≥1的有限整数。所述系统还包括电路，所述电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的输出信号来计算所述轴杆的角位置。根据另一示例性实施例，所述角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括传感器芯片，所述传感器芯片在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面。将至少四个磁场传感器元件集成在所述传感器芯片中，其中所述磁场传感器元件中的第一和第二磁场传感器元件彼此间隔开并且对第一方向中的磁场分量敏感。所述磁场传感器元件中的第三和第四磁场传感器元件彼此间隔开并且对第二方向中的磁场分量敏感，其中第一和第二方向互不平行且垂直于所述旋转轴。此外，所述系统包括磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，藉此N是≥1的有限整数。所述系统还包括信号处理电路，所述信号处理电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成：计算表示由第一和第二磁场传感器元件感测到的磁场分量的差的第一信号；计算表示由第三和第四磁场传感器元件感测到的磁场分量的差的第二信号；以及通过组合至少第一和第二信号来计算所述轴杆的角位置。另外，本文中描述了一种电机装配件。根据一个示例性实施例，电机包括包含至少一个定子线圈的定子、至少包括具有前侧和软磁性轴杆端部的轴杆的转子以及印刷电路板（PCB），所述印刷电路板被布置成使得它面对所述轴杆的前侧。将至少一个传感器芯片附着到PCB并且与所述轴杆端部间隔开。在至少一个传感器芯片中布置至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向基本上互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。提供磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得在第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，并且N是≥1的有限整数。评估电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件，并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的至少四个输出信号来计算所述轴杆的角位置。此外，功率电子电路被布置在PCB上并且被耦合到所述定子线圈，并且被配置成将操作电流供应给所述定子线圈。此外，本文中描述了一种用于测量包括软磁性轴杆端部的轴杆的角位置的方法。根据一个示例性实施例，所述方法包括磁化所述轴杆端部，其中形成所述轴杆端部使得在基本上垂直于所述轴杆的旋转轴的传感器平面中的第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，藉此N是≥1的有限整数。所述方法还包括在所述传感器平面中的至少第一和第二位置处感测第一方向中的磁场分量，其中第二位置不同于第一位置，以及在所述传感器平面中的至少第三和第四位置处感测所述第二方向中的磁场分量，其中第四位置不同于第三位置。此外，所述方法包括基于在第一和第二位置处的磁场分量的差以及基于第三和第四位置处的磁场分量的差来计算所述轴杆相对于其旋转轴的角位置。附图说明可以参考以下描述和附图更好地理解本专利技术。各图中的组件不一定成比例，替代地将重点放在说明本专利技术的原理。另外，在各图中，相同的参考标号指定对应部分。在附图中：图1是图示出轴上角位置传感器的纵截面的截面图。图2图示出由于PCB上的高电流导致的干扰磁场。图3图示出根据一个实施例的轴上角位置传感器布置的纵截面以及通过绕着轴旋转的轴杆的横截面。图4图示出在轴上角位置传感器中使用的轴杆端部的三个不同示例。图5图示出在轴上角位置传感器中使用的轴杆端部的另一示例。图6图示出根据另一实施例的轴上角位置传感器布置的纵截面，其中该轴杆端部中的凹槽填充有永磁体。图7图示出具有3阶的旋转对称性的轴杆端部的示例。图8图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。图9以承载磁场传感器的电路板上的顶视图图示出图7中所示的柔性弹簧的两个示例性实现。图10图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。图11图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。图12-14图示出在磁角位置传感器中使用的磁场传感器元件的不同示例性布置。图15-16图示出轴上角位置传感器可以如何用在无刷DC（BLDC）电机中的两个不同示例。具体实施方式本文中描述的实施例涉及在磁角位置传感器中使用的磁场传感器，所述磁角位置传感器具有传感器元件相对于磁体或轴杆的旋转轴的轴上布置。在一个实施例中，在相对于可旋转轴杆的轴上配置中安装磁角位置传感器。该轴杆包括可以由软磁性材料或永磁体组成的端部。该轴杆的端部可以具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁角位置传感器系统，包括：可绕着旋转轴旋转的轴杆，所述轴杆具有软磁性轴杆端部；传感器芯片，在轴向与轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面；集成在所述传感器芯片中的至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感；第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴；磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的所述传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以及电路，被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的输出信号来计算所述轴杆的角位置。

【技术特征摘要】
2016.02.25 DE 102016103325.11.一种磁角位置传感器系统，包括：可绕着旋转轴旋转的轴杆，所述轴杆具有软磁性轴杆端部；传感器芯片，在轴向与轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面；集成在所述传感器芯片中的至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感；第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴；磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的所述传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以及电路，被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的输出信号来计算所述轴杆的角位置。2.根据权利要求1所述的磁角位置传感器系统，其中所述至少四个磁场传感器元件在由所述旋转轴到所述传感器平面上的投影定义的中心点周围被布置在所述传感器平面中。3.根据权利要求1或2所述的磁角位置传感器系统，其中所述磁场源包括至少一个永磁体。4.根据权利要求3所述的磁角位置传感器系统，其中所述传感器芯片被布置在附着到电路板的芯片封装中，并且其中所述至少一个永磁体被附着到所述芯片封装或所述电路板或所述轴杆端部。5.根据权利要求1到4中的任一项所述的磁角位置传感器系统，其中所述磁场源包括第一永磁体和至少第二永磁体；其中所述传感器芯片被布置在附着到电路板的芯片封装中，并且其中所述第一永磁体被附着到所述芯片封装或所述电路板，并且所述第二永磁体被附着到所述轴杆端部。6.根据权利要求1到5中的任一项所述的磁角位置传感器系统，其中所述轴杆端部具有被布置在其前侧中或其前侧上的至少一个凹槽或至少一个突出，所述凹槽或所述突出被定形成使得所述轴杆端部具有N阶的旋转对称性，N为有限整数。7.根据权利要求1到6中的任一项所述的磁角位置传感器系统，其中所述轴杆端部包括与所述轴杆同步地旋转的弹簧，所述弹簧在所述旋转轴的轴向中基本上是弹性的。8.根据权利要求7所述的磁角位置传感器系统，其中所述弹簧在垂直于所述旋转轴的方向中基本上不是弹性的。9.根据权利要求7或8所述的磁角位置传感器系统，其中所述弹簧被布置在传感器芯片和轴杆端部的前侧之间，并且其中经由间隔件将所述弹簧支撑在所述传感器芯片的芯片封装上。10.根据权利要求9所述的磁角位置传感器系统，其中所述间隔件被附着到所述弹簧或者所述间隔件由所述弹簧的凸起形成，并且其中所述弹簧被配置成在所述芯片封装上施加轴向力。11.根据权利要求1到10中的任一项所述的磁角位置传感器系统，其中所述至少四个传感器元件沿着与所述旋转轴共轴的圆形对称地分布。12.一种磁角位置传感器系统，包括：可绕着旋转轴旋转的轴杆，所述轴杆具有软磁性轴杆端部；传感器芯片，在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面；集成在所述传感器芯片中的至少四个磁场传感器元件，所述至少四个磁场传感器元件中的第一和第二磁场传感器元件彼此间隔开并且对第一方向中的磁场分量敏感，所述至少四个磁场传感器元件中的第三和第四磁场传感器元件彼此间隔开并且对第二方向中的磁场分量敏感，其中第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴；磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的所述传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：U奥瑟莱希纳，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE