本發(fā)明涉及用于確定旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的絕對(duì)角度位置的角度傳感器，特別是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的絕對(duì)角度位置，所述角度傳感器包括具有兩個(gè)可掃描的磁圖案的盤(pán)，以及靠近盤(pán)布置的兩個(gè)磁傳感器，以?huà)呙鑳蓚€(gè)磁圖案。
背景技術(shù)：
：在de10038296a1和de102005042616a1中公開(kāi)了用于確定旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的絕對(duì)角度位置的角度傳感器。該角度傳感器包括具有兩個(gè)磁圖案的盤(pán)，該兩個(gè)磁圖案可由磁傳感器(例如霍爾傳感器)掃描。每個(gè)圖案包含均勻地分布在環(huán)中的阿基米德螺旋區(qū)段。兩個(gè)環(huán)中的螺旋區(qū)段的數(shù)量相差一。由于兩個(gè)環(huán)中的螺旋區(qū)段的數(shù)量?jī)H相差一，這些已知的角度傳感器需要每個(gè)環(huán)中大量的螺旋區(qū)段，以便實(shí)現(xiàn)角度位置確定所需的精度。然而，環(huán)中的大量的螺旋區(qū)段意味著相鄰的螺旋區(qū)段之間的距離減小，這提高了生產(chǎn)成本，且使得測(cè)量容易受到外部磁雜散場(chǎng)的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：因此，本發(fā)明的目的是提供一種可以低成本生產(chǎn)的角度傳感器。該目的通過(guò)權(quán)利要求1所述的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其它有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中闡述。本發(fā)明的要點(diǎn)在于，如果兩個(gè)環(huán)中的一個(gè)環(huán)中的螺旋的數(shù)量n1與兩個(gè)環(huán)中的另一個(gè)環(huán)中的螺旋的數(shù)量n2是互質(zhì)的，且數(shù)量n1不同于數(shù)量n2-1和n2+1，則環(huán)中的螺旋的數(shù)量可以顯著減少。本發(fā)明的角度傳感器可以在半導(dǎo)體基體上制造，這是特別具有成本效益的。此外，本發(fā)明的角度傳感器適用于中空軸應(yīng)用，并且比上述已知的角度傳感器更不容易受到外部磁雜散場(chǎng)的影響。這使得本發(fā)明的角度傳感器在確定絕對(duì)角度位置時(shí)是磁性穩(wěn)健且精確的。附圖說(shuō)明圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)的原理幾何結(jié)構(gòu)；圖2a示出了螺旋的第一結(jié)構(gòu)；圖2b示出了螺旋的第二結(jié)構(gòu)；圖2c示出了螺旋的第三結(jié)構(gòu)；圖2d示出了圖2c所示的盤(pán)的截面，其包含兩個(gè)磁傳感器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的磁阻橋(用作磁傳感器)的四個(gè)磁阻層相對(duì)于在角度傳感器中使用的盤(pán)的半徑的取向；圖4a示出了磁阻橋的四個(gè)磁阻層相對(duì)于磁圖案的第一布置；圖4b示出了磁阻橋的四個(gè)磁阻層相對(duì)于磁圖案的第二布置；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)的原理幾何結(jié)構(gòu)；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)的原理幾何結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器包括盤(pán)(其具有固定地附接到盤(pán)的一側(cè)的兩個(gè)可掃描的磁圖案)，以及相對(duì)于彼此固定地布置的兩個(gè)磁傳感器。盤(pán)和兩個(gè)磁傳感器關(guān)于盤(pán)的對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)/旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)相對(duì)于彼此可旋轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)角度傳感器用于電動(dòng)機(jī)中時(shí)，盤(pán)同心地固定至電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，以便相對(duì)于兩個(gè)磁傳感器可旋轉(zhuǎn)，所述兩個(gè)磁傳感器經(jīng)由支承件固定地布置在電動(dòng)機(jī)的外殼上。兩個(gè)磁傳感器中的第一磁傳感器與兩個(gè)磁圖案中的第一磁圖案相關(guān)聯(lián)，面向第一磁圖案(的一部分)，以便能夠掃描/感測(cè)由第一磁圖案產(chǎn)生的磁場(chǎng)，且適配為：當(dāng)?shù)谝淮艌D案和第一磁傳感器相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)于所感測(cè)的磁場(chǎng)的第一電信號(hào)。兩個(gè)磁傳感器中的第二磁傳感器與兩個(gè)磁圖案中的第二磁圖案相關(guān)聯(lián)，面向第二磁圖案(的一部分)，以便能夠掃描/感測(cè)由第二磁圖案產(chǎn)生的磁場(chǎng)，且適配為：當(dāng)?shù)诙艌D案和第二磁傳感器相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)于所感測(cè)的磁場(chǎng)的第二電信號(hào)。磁阻傳感器(xmr傳感器)，優(yōu)選為各向異性磁阻橋(amr橋)，用于第一磁傳感器和/或第二磁傳感器?，F(xiàn)在參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)。圖1示出了盤(pán)100的原理幾何結(jié)構(gòu)。如該圖所示，盤(pán)100在外(圓)周邊105與內(nèi)(圓)周邊103之間延伸。內(nèi)周邊103和外周邊105相對(duì)于盤(pán)100的中點(diǎn)104同心地布置。第一磁圖案101和第二磁圖案102固定地形成在盤(pán)100的側(cè)面上。第一磁圖案101包含數(shù)量為n1的第一螺旋部分111，其規(guī)則地分布在包圍第一磁圖案101的第一環(huán)中，且第二磁圖案102包含數(shù)量為n2的第二螺旋部分112，其規(guī)則地分布在包圍第二磁圖案102的第二環(huán)中。第一環(huán)和第二環(huán)相對(duì)于盤(pán)100的中心點(diǎn)/中點(diǎn)104同心地布置。第一環(huán)圍繞第二環(huán)。第一螺旋部分111的數(shù)量n1不同于第二螺旋部分112的數(shù)量n2。優(yōu)選地，第一磁圖案101(即外部磁圖案)的第一螺旋部分111的數(shù)量n1大于第二磁圖案102(即內(nèi)部磁圖案)的第二螺旋部分112的數(shù)量n2。根據(jù)本發(fā)明，數(shù)量n1和n2是互質(zhì)的，其中數(shù)量n1不同于n2-1和n2+1。除了1以外，沒(méi)有數(shù)可以同時(shí)整除n1和n2。具體地，對(duì)于圖1中的盤(pán)，n1等于9，且n2等于7。雖然未在圖1中明確地示出，但第一磁圖案101和第二磁圖案102的每個(gè)螺旋部分在盤(pán)100的徑向方向上示出非零的寬度；并且屬于相同磁圖案的所有螺旋在盤(pán)100的徑向方向上具有(基本上)相同的寬度。在圖1中，僅示出了螺旋的引導(dǎo)，例如，螺旋的邊界線(xiàn)或螺旋的中間。第一磁圖案101的螺旋部分111是根據(jù)以下等式的阿基米德螺旋部分：其中且i＝1，2，...n1，r和是極坐標(biāo)系的極坐標(biāo)，其包含盤(pán)100的中點(diǎn)作為原點(diǎn)，c1是螺旋部分111的間距(pitch)，且是相應(yīng)的螺旋的起始角。類(lèi)似的是，第二磁圖案102的螺旋部分112是根據(jù)以下等式的阿基米德螺旋部分：其中且j＝1，2，...n2，c2是螺旋部分112的間距，且是相應(yīng)的螺旋的起始角。然而，本發(fā)明并不強(qiáng)制第一磁圖案和/或第二磁圖案的螺旋部分是阿基米德螺旋。本發(fā)明還可應(yīng)用于使用具有磁圖案的盤(pán)的角度傳感器，所述磁圖案的螺旋部分具有圓漸開(kāi)線(xiàn)的形式。第一磁圖案101的螺旋部分(在下文中簡(jiǎn)稱(chēng)為“螺旋”)在與盤(pán)100的對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)/旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)(基本上)平行的方向上被磁化。第一磁圖案101的相鄰的螺旋的磁化彼此相差至少第一預(yù)定量，使得：當(dāng)沿著垂直于螺旋111的方向從一個(gè)螺旋至另一個(gè)螺旋時(shí)，由第一磁圖案101的螺旋111產(chǎn)生的磁場(chǎng)在兩個(gè)不同的預(yù)定值之間交替。類(lèi)似的是，第二磁圖案102的螺旋112部分在與盤(pán)100的軸線(xiàn)(基本上)平行的方向上被磁化。第二磁圖案102的相鄰的螺旋的磁化彼此相差至少第二預(yù)定量，使得：當(dāng)沿著垂直于螺旋112的方向從一個(gè)螺旋至另一個(gè)螺旋時(shí)，由第二磁圖案102的螺旋112產(chǎn)生的磁場(chǎng)在兩個(gè)不同的預(yù)定值之間交替。優(yōu)選地，第一磁圖案和/或第二磁圖案的相鄰的螺旋顯示不同的磁極。在這樣的磁配置中，磁傳感器可以高精度地檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。盡管在圖1中，盤(pán)100在盤(pán)100的同一側(cè)上包含第一磁圖案101和第二磁圖案102，但這對(duì)于本發(fā)明不是強(qiáng)制性的。此外，本發(fā)明還可應(yīng)用于類(lèi)似的傳感器，其所使用的盤(pán)在盤(pán)的一側(cè)上具有第一磁圖案，且在盤(pán)的另一側(cè)上具有第二磁圖案。圖2a、圖2b和圖2c中的任意一個(gè)示出了可以在根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器中使用的盤(pán)上實(shí)現(xiàn)的螺旋的結(jié)構(gòu)。這些圖中所示的螺旋的磁化可以通過(guò)例如以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：被磁化的模制形式、通過(guò)線(xiàn)圈磁化的雙極磁軌、磁記錄頭或印刷方法。圖2a所示的盤(pán)由兩個(gè)磁化盤(pán)半部211和212形成。盤(pán)半部212在其一側(cè)上示出凸起201和202，其形狀對(duì)應(yīng)于符合上述等式的阿基米德螺旋或圓漸開(kāi)線(xiàn)。盤(pán)半部212的另一側(cè)與盤(pán)半部211的一側(cè)組合/結(jié)合，使得組合盤(pán)在上側(cè)(包括凸起)示出一個(gè)磁極(例如n極)，且在下側(cè)示出另一個(gè)磁極(例如s極)。由于該結(jié)構(gòu)，在組合盤(pán)包含凸起的上側(cè)上的磁場(chǎng)，根據(jù)凸起(的形狀)而調(diào)制/變化。這意味著在對(duì)應(yīng)于凸起的區(qū)域中的磁感b與對(duì)應(yīng)于(相鄰的)凸起之間的區(qū)域的磁感相差一預(yù)定量。凸起201產(chǎn)生第一磁圖案101，且凸起202產(chǎn)生第二磁圖案102。在圖2b所示的盤(pán)中，螺旋(221-224)由附接/結(jié)合到載體盤(pán)215的一個(gè)(上部)側(cè)面的磁化層(或軌道)形成。優(yōu)選地，層/軌道顯示(基本上)均勻的磁化。對(duì)應(yīng)于相鄰的螺旋的磁化層顯示不同的磁極。在圖2b中，“白色螺旋”顯示s極。螺旋的形狀對(duì)應(yīng)于符合上述等式的阿基米德螺旋或圓漸開(kāi)線(xiàn)。螺旋221和223形成/對(duì)應(yīng)于第一磁圖案101，且螺旋222和224形成/對(duì)應(yīng)于第二磁圖案102。此外，圖2b示出了對(duì)應(yīng)于第一磁圖案101的第一磁傳感器231和對(duì)應(yīng)于第二磁圖案102的第二磁傳感器232。在圖2c所示的盤(pán)中，形成螺旋241-244的磁化的層/軌道被集成到載體盤(pán)235的一個(gè)(上部)側(cè)面/表面中，并且不從盤(pán)的側(cè)面伸出。通過(guò)集成在載體盤(pán)235中，螺旋被保護(hù)，且螺旋和磁傳感器之間的(不期望的)撞擊不會(huì)發(fā)生。如圖2c所示，對(duì)應(yīng)于相鄰的螺旋的磁化的層/軌道顯示不同的磁極，且螺旋的形狀對(duì)應(yīng)于符合上述等式的阿基米德螺旋或圓漸開(kāi)線(xiàn)。螺旋241和243對(duì)應(yīng)于第一磁圖案101，且螺旋242和244對(duì)應(yīng)于第二磁圖案102。在圖2b和圖2c中，對(duì)應(yīng)于第一磁圖案101的螺旋都具有相同的寬度，而與它們的磁化無(wú)關(guān)。類(lèi)似的是，對(duì)應(yīng)于第二磁圖案102的螺旋也都具有相同的寬度，而與它們的磁化無(wú)關(guān)。優(yōu)選地，對(duì)應(yīng)于第一磁圖案101的螺旋和對(duì)應(yīng)于第二磁圖案102的螺旋兩者都具有相同的寬度，而與它們的磁化無(wú)關(guān)。此外，圖2b和圖2c示出了：第一磁圖案101的相鄰的螺旋直接彼此相鄰，并且第二磁圖案102的相鄰的螺旋直接彼此相鄰。這意味著在兩個(gè)相鄰的螺旋之間不存在非磁化區(qū)域。圖2d示出了圖2c的截面的放大圖，其包含第一磁傳感器231和第二磁傳感器232。優(yōu)選地，這些傳感器是各向異性磁阻橋(amr橋)。第一磁傳感器231對(duì)應(yīng)于第一磁圖案，且靠近/相對(duì)于第一磁圖案布置，以便在包含第一磁圖案的盤(pán)的完全的機(jī)械旋轉(zhuǎn)期間檢測(cè)磁感應(yīng)矢量的n1個(gè)完整旋轉(zhuǎn)，其中n1是形成第一磁圖案的螺旋的數(shù)量。類(lèi)似的是，第二磁傳感器232對(duì)應(yīng)于第二磁圖案，且靠近/相對(duì)于第二磁圖案布置，以便在包含(第一磁圖案和)第二磁圖案的盤(pán)的完全的機(jī)械旋轉(zhuǎn)期間檢測(cè)磁感應(yīng)矢量的n2個(gè)完整旋轉(zhuǎn)，其中n2是形成第二磁圖案的螺旋的數(shù)量。換而言之，磁圖案及其相關(guān)的磁傳感器布置為使得，在磁盤(pán)的完全機(jī)械旋轉(zhuǎn)期間，磁傳感器經(jīng)過(guò)(穿過(guò))相應(yīng)的磁圖案的每個(gè)螺旋。第一磁傳感器和第二磁傳感器中的每一個(gè)適配為響應(yīng)于檢測(cè)到的磁感應(yīng)來(lái)輸出余弦信號(hào)和正弦信號(hào)。余弦信號(hào)和正弦信號(hào)中的每一個(gè)包含對(duì)應(yīng)于由相應(yīng)的磁傳感器檢測(cè)到的磁感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)數(shù)的周期數(shù)。此外，根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器包含處理單元(未在圖中示出)，例如數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)，適配為基于由第一磁傳感器231輸出的余弦信號(hào)和正弦信號(hào)來(lái)確定第一反正切信號(hào)，基于由第二磁傳感器232輸出的余弦信號(hào)和正弦信號(hào)來(lái)確定第二反正切信號(hào)，以及基于第一反正切信號(hào)和第二反正切信號(hào)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于盤(pán)的絕對(duì)角度位置的信號(hào)。由于數(shù)量n1和n2是互質(zhì)的，盤(pán)的絕對(duì)角度位置由該信號(hào)唯一地確定。圖3示出了磁阻橋231的四個(gè)磁阻層相對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器中使用的盤(pán)100的半徑的取向。該圖示出了磁阻橋231的四個(gè)磁阻層在方向307上對(duì)準(zhǔn)，方向307垂直于相應(yīng)的磁圖案的任意螺旋的切線(xiàn)309，從而與盤(pán)100的半徑形成角度γ。具有附圖標(biāo)記308的角度γ由下述公式得出：γ＝arctan(r/c)，r是橋231相對(duì)于盤(pán)100的原點(diǎn)104的徑向位置，且c是相應(yīng)的螺旋的間距。圖4a和圖4b所示的amr橋231和232中的每一個(gè)包含四個(gè)磁阻結(jié)構(gòu)/層416-419。圖4a和圖4b示出了這四個(gè)磁阻層相對(duì)于盤(pán)100的磁圖案的螺旋的布置。磁阻層416和418適配為響應(yīng)于檢測(cè)到的磁場(chǎng)產(chǎn)生余弦信號(hào)，且磁阻層417和419適配為響應(yīng)于檢測(cè)到的磁場(chǎng)產(chǎn)生正弦信號(hào)。圖4a示出了盤(pán)100和amr橋231沿垂直于螺旋243的切線(xiàn)的線(xiàn)的橫截面。根據(jù)該圖所示的布置，amr橋231布置為使得：包含四個(gè)磁阻層416-419的表面的平面平行于盤(pán)100。另外，該圖示出了amr橋231的寬度d(其基本上由四個(gè)磁阻層416-419的大小確定)匹配螺旋241-243中的任意一個(gè)的寬度。磁圖案的螺旋的寬度也表示為極間距。圖4b示出了在包括四個(gè)磁阻層416-419的平面中沿著垂直于螺旋243的切線(xiàn)的線(xiàn)的盤(pán)100的橫截面。根據(jù)該圖所示的布置，amr橋231布置為使得：包含四個(gè)磁阻層416-419的表面的平面垂直于盤(pán)100。另外，圖4b示出了四個(gè)磁阻層416-419在垂直于任一螺旋的切線(xiàn)的方向上對(duì)齊，且amr橋231的寬度d等于螺旋241-243中的任意一個(gè)的寬度。圖4a和圖4b中所示的布置是特別有利的，這是由于它們不受外部磁雜散場(chǎng)的影響。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)500的原理幾何結(jié)構(gòu)。盤(pán)500與第一實(shí)施例的盤(pán)100的不同在點(diǎn)于，其還在盤(pán)500的包含第一磁圖案101和第二磁圖案102的側(cè)面上包括圓形磁結(jié)構(gòu)550。圓形磁結(jié)構(gòu)550具有圓形磁化，其圍繞盤(pán)500的中點(diǎn)/中心點(diǎn)104同心地布置，并且圍繞第一磁圖案101和第二磁圖案102。n1是第一磁圖案101的螺旋的數(shù)量，且n2是第二磁圖案102的螺旋的數(shù)量。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，數(shù)量n1和n2是互質(zhì)的，其中數(shù)量n1不同于n2-1和n2+1。具體地，對(duì)于圖5中的盤(pán)，n1等于9，且n2等于7。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的角度傳感器還包括第三磁傳感器(未在圖6中示出)，以感測(cè)由圓形磁結(jié)構(gòu)550產(chǎn)生的磁場(chǎng)。通過(guò)感測(cè)圓形磁結(jié)構(gòu)550的磁場(chǎng)，第二實(shí)施例能夠確定圓形磁結(jié)構(gòu)550的位置，從而執(zhí)行偏心誤差校正。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的在角度傳感器中使用的盤(pán)600的原理幾何結(jié)構(gòu)。盤(pán)600與第一實(shí)施例的盤(pán)100的不同點(diǎn)在于，內(nèi)部磁圖案的螺旋602的旋轉(zhuǎn)方向與外部磁圖案的螺旋111的旋轉(zhuǎn)方向相反。n1是外部磁圖案的螺旋111的數(shù)量，且n2是內(nèi)部磁圖案的螺旋602的數(shù)量。另外，在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，數(shù)量n1和n2是互質(zhì)的，其中數(shù)量n1不同于n2-1和n2+1。具體地，對(duì)于圖6中的盤(pán)，n1等于9，且n2等于7。在圖2a、圖2b和圖2c中所示的螺旋的任一結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例和第三實(shí)施例的角度傳感器的盤(pán)上。根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器可應(yīng)用于例如電機(jī)反饋系統(tǒng)、著陸空氣制動(dòng)器、起動(dòng)器發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向角中。附圖標(biāo)記附圖標(biāo)記說(shuō)明100，500，600盤(pán)101第一磁圖案102第二磁圖案103內(nèi)周邊104中心(中點(diǎn))105外周邊111第一螺旋部分(的中心線(xiàn))112第二螺旋部分(的中心線(xiàn))201第一凸起202第二凸起211下部盤(pán)部件212上部盤(pán)部件215，235載體盤(pán)221，222磁化的螺旋部分，n極，位于載體盤(pán)的側(cè)面上223，224磁化的螺旋部分，s極，位于載體盤(pán)的側(cè)面上241，242磁化的螺旋部分，n極，位于載體盤(pán)的側(cè)面上242，244磁化的螺旋部分，s極，位于載體盤(pán)的側(cè)面上231，232第一磁傳感器和第二磁傳感器(amr橋)306盤(pán)的半徑307螺旋的切線(xiàn)的垂直線(xiàn)308螺旋的垂線(xiàn)與盤(pán)的半徑之間的角度γ309磁圖案的螺旋的切線(xiàn)416，418產(chǎn)生正弦信號(hào)的amr橋的磁阻層/結(jié)構(gòu)417，419產(chǎn)生余弦信號(hào)的amr橋的磁阻層/結(jié)構(gòu)磁阻當(dāng)前第1頁(yè)12