同軸磁場角度傳感器、系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明一般來說涉及磁場傳感器，并且更具體地涉及具有包括在無刷直流（DC)電 機中的各種各樣的應用的同軸（〇n-axis)磁場角度傳感器、系統和方法。
【背景技術】
[0002] 磁場傳感器可以用來感測軸或其它物體的旋轉角度。舉例來說，磁體可以安裝在 軸上，并且可以將磁場傳感器布置成接近磁體以便當磁體與軸一起旋轉時感測由磁體感應 的磁場。當挨著或鄰近軸，即離開軸的旋轉軸線而安裝磁場傳感器時，該傳感器經常被稱為 "離軸"磁場角度傳感器。當軸的末端作為傳感器的位置不可用或者僅僅軸上沒有可用的空 間時，經常實施離軸磁場角度傳感器。一般來說，于是"同軸"磁場傳感器是這樣的一個事 物，其中傳感器安裝在軸的末端處或者靠近該末端，一般與旋轉軸線成一直線或者在旋轉 軸線上。在一些實施例中，同軸磁場角度傳感器可以包括梯度計，使得同軸磁場梯度傳感器 測量旋轉軸線上的磁場的梯度。在一些應用中，通過對在靠近軸線和軸線的相對側上的采 樣點處的磁場采樣并諸如由減法來組合樣本，可以足夠逼近地測量該梯度。
[0003] 在許多應用中，對于磁場角度傳感器來說，無論離軸還是同軸，存在廉價的同時相 對于外部磁場和其它干擾也魯棒（robust)并且對于組裝公差不敏感的普遍偏好。對于磁 場角度傳感器來說一個特定的應用是在無刷DC(BLDC)電機中用于在旋轉中檢測軸位置。 BLDC電機對于磁場傳感器提出了挑戰性的環境，因為它們通常包括強的旋轉磁體和承載大 電流的銅繞組，其兩者產生時變的磁場。這些場強烈地不均勻，這使得難以從角度傳感器信 號中消除它們的影響，并且它們的強度可能難以預測。總的傳感器尺寸也是考慮因素以便 避免將附加的質量或體積增加到BLDC電機。較小的梯度測量類型的傳感器在消除背景磁 場干擾方面也可以是更加高效的。因此，一般而言，存在與常規的磁場角度傳感器相關聯的 眾多缺點。
【發明內容】
[0004] 實施例涉及磁場傳感器，諸如具有相對于磁體或軸的旋轉軸線的傳感器元件的一 般來說同軸布置的磁場角度傳感器。
[0005] 在實施例中，磁場角度傳感器系統包括：軸，其繞旋轉軸線可旋轉；端部分，其與 所述軸一起可旋轉并且相對于所述旋轉軸線非旋轉對稱；傳感器管芯（die)，其與所述端 部分間隔開并且包括與所述旋轉軸線基本上垂直的第一表面；至少三個磁場傳感器元件， 其布置成繞所述旋轉軸線到所述第一表面的投影而在所述第一表面上相互間隔開；磁場 源；以及電路，其耦合到所述至少三個磁場傳感器元件并配置成當操作中所述端部分被磁 場源磁化并且當該端部分與所述軸一起旋轉時而改變由所述至少三個磁場傳感器元件感 測的磁場時，通過組合所述至少三個磁場傳感器元件的信號來估計所述軸的旋轉位置。
[0006] 在實施例中，一種方法包括：提供繞旋轉軸線可旋轉的軸；通過所述軸的非旋轉 對稱的端部分改變磁場；通過布置成在與所述旋轉軸線基本上垂直的表面上接近所述端部 分的至少三個磁場傳感器元件來感測經改變的磁場；以及通過對所述至少三個磁場傳感器 元件所感測的信號應用離散傅里葉變換來估計所述軸的角度位置。
【附圖說明】
[0007] 結合附圖考慮下面對本發明的各種實施例的詳細描述，可以更加完整地理解本發 明，在附圖中： 圖1是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0008] 圖2A是根據實施例的傳感器管芯和傳感器元件的俯視圖。
[0009] 圖2B是根據實施例的傳感器管芯和傳感器元件的俯視圖。
[0010] 圖2C是根據實施例的傳感器管芯和傳感器元件的俯視圖。
[0011] 圖2D是根據實施例的傳感器管芯和傳感器元件的俯視圖。
[0012] 圖3是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0013] 圖4是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0014] 圖5A是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0015] 圖5B是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0016] 圖5C是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0017] 圖是圖5C的軸的截面圖。
[0018] 圖5E是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0019] 圖6是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0020] 圖7是根據實施例的環形磁體、軸和傳感器封裝布置的半透明側視圖。
[0021] 圖8是對于與圖7的實施例類似的實施例的仿真結果的繪圖。
[0022] 圖9A是包括根據實施例的電路的傳感器系統的概念性框圖。
[0023] 圖9B是耦合到根據實施例的電路的傳感器系統的概念性框圖。
[0024] 圖IOA是根據實施例在各種方位角傳感器元件位置處的傳感器元件信號的繪圖。
[0025] 圖IOB是根據實施例在各種方位角傳感器元件位置處的傳感器元件信號的繪圖。
[0026] 圖IOC是根據實施例在各種方位角傳感器元件位置處的傳感器元件信號的繪圖。
[0027] 圖IOD是根據實施例在各種方位角傳感器元件位置處的傳感器元件信號的繪圖。
[0028] 圖IOE是根據實施例在各種方位角傳感器元件位置處的傳感器元件信號的繪圖。
[0029] 圖11是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0030] 圖12是根據實施例的同軸磁場傳感器系統的側視截面圖。
[0031] 雖然本發明服從各種修改和替換形式，但是其細節已經在附圖中通過示例的方式 被示出并且將被詳細地描述。然而，應當理解，意圖并非將本發明限制到所描述的特定實施 例。相反，本發明應覆蓋落入由所附的權利要求限定的本發明的精神和范圍之內的所有修 改、等同物和替換。
【具體實施方式】
[0032] 實施例涉及磁場傳感器，諸如具有相對于磁體或軸的旋轉軸線的傳感器元件的一 般來說同軸布置的磁場角度傳感器。在一個實施例中，磁場角度傳感器安裝在相對于可旋 轉的軸和磁體的一般來說同軸配置中。軸包括或者耦合到包括軟磁性材料的端部分，在實 施例中，其中該端部分具有接近傳感器的末端表面，其相對于通過軸的長度延伸的旋轉軸 線非旋轉對稱。傳感器包括布置在與軸和旋轉軸線大體上垂直的平面中的至少三個磁場感 測元件。形成傳感器的一部分或者耦合到傳感器的電路配置成通過組合至少三個磁場感測 元件的信號來估計軸的旋轉位置。因此，在實施例中，傳感器包括差分傳感器。雖然對于 傳感器的各種實施例存在眾多應用，但是除了其它應用以外，一些實施例可以尤其適合在 BLDC電機中使用或者與BLDC電機一起使用。
[0033] 參照圖1，描繪了同軸角度傳感器系統100的示例。傳感器系統100包括磁場源，諸 如與軸104相對地布置的永磁體102，其中至少部分地在其間布置耦合到印刷電路板（PCB) 108的傳感器封裝106。
[0034] 在實施例中，磁體102可以包括鐵氧體磁體。鐵氧體磁體可以比其它類型的磁體 (例如，稀土磁體）更不昂貴并有助于更低的總體系統成本，但是在其它實施例中可以使用 稀土或其它磁體，或者可以省去磁體102。舉例來說，磁體102可以包括鍶鐵氧體、鋇鐵氧 體或某些其它鐵氧體、AlNiCo、諸如NdFeB或SmCo之類的稀土材料，或者某些其它合適的材 料。一般來說，磁體102包括具有至少大約IOOmT的剩磁和足夠的矯頑力的材料，以確保磁 體102貫穿操作、存儲和制造溫度變化以及使用期限的穩定性。
[0035] 如由白色實線箭頭所描繪的，在實施例中，磁體102被軸向磁化，即磁體102的磁 化取向通常平行于軸104的旋轉軸線或者與軸104的旋轉軸線對準。在圖1中，旋轉軸線 通常與軸104所對準的z軸對準，即如由軸104上的箭頭所示的，軸104關于z軸旋轉，并 且磁體102在-Z方向上磁化。在其它實施例中，磁體102可以徑向或以其它方式被磁化， 但是通常磁體102是旋轉對稱的（S卩，具有幾何和磁對稱兩者，使得幾何形狀和磁化不依賴 于相對于旋轉軸線的方位角度)。舉例來說，在圖1的實施例中，磁體102包括圓柱體，但是 在其它實施例中可以實施磁體102的其它形狀和配置。然而，一般而言，磁體102具有旋轉 對稱，并且在操作中向磁場提供旋轉對稱。然而，軸104的末端表面的非旋轉對稱的配置打 斷了該旋轉對稱，這然后可以由傳感器元件檢測到。
[0036] 特別地，軸104包括與磁體102和傳感器封裝106相對的末端表面105。在實施例 中，軸104-般來說可以是旋轉對稱的（即，包括拉長的圓形圓柱體)而末端表面105相對于 旋轉軸線非旋轉對稱。在各種實施例中該非旋轉對稱可以采取許多不同的形式。在圖1的 實施例中，末端表面105是傾斜的，S卩，根據某個角度a不與旋轉軸線垂直，或者不與傳感 器封裝106和/或磁體102的相對的表面平行。在一個實施例中，a大約