磁角度传感器及磁角度传感装置的制作方法

本发明属于角度传感技术领域，涉及一种角度传感器，尤其涉及一种磁角度传感器及磁角度传感装置。

背景技术：

随着测量和工业控制领域的发展，对角度测量和位置感测技术的需求也在不断增加。磁角度传感器可以提供角度测量和位置感测应用中的磁场的感测。

目前使用的磁角度传感器，基于原理主要分为霍尔型和磁阻型。霍尔型磁角度传感器的灵敏度较低，不适合提供高精度的角度测量。而磁阻型磁角度传感器又有三种类型，分别为各向异性磁阻(amr)磁角度传感器、巨磁阻(gmr)磁角度传感器和隧道结磁阻(tmr)磁角度传感器。虽然这三种磁阻型磁角度传感器都是基于磁阻原理的，但是它们的设计结构却差别很大。对于巨磁阻(gmr)磁角度传感器和隧道结磁阻(tmr)磁角度传感器来说，由于存在磁滞和较大的角度误差，难以满足高精度的角度测量的需要。对于传统的各向异性磁阻(amr)磁角度传感器而言，虽然具备高的角度测量精度，但是只能提供180°的角度测量范围，而在很多实际应用中，期望能提供360°的角度测量范围。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的磁角度传感器，以便克服现有磁角度传感器存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种磁角度传感器及磁角度传感装置，可提供360°的角度测量范围，同时能具备高的角度测量精度。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种磁角度传感器，所述磁角度传感器包括：

磁场感测机构，用以根据感测的磁场输出相应的输出信号；以及

至少一金属线圈，靠近所述磁场感测机构设置，各金属线圈与磁场感测机构保持设定的角度；所述金属线圈在通入设定电流的状态下，能使磁场感测机构的输出信号发生变化。

作为本发明的一种实施方式，所述磁角度传感器进一步包括：

线圈供电模块，连接所述金属线圈，用以为所述金属线圈提供电流；以及

线圈通电控制模块，连接所述线圈供电模块，用以控制所述线圈供电模块输送至线圈的电流。

作为本发明的一种实施方式，所述线圈通电控制模块用以控制所述线圈供电模块输送至线圈电流的通断，或者/并且，所述线圈通电控制模块用以控制在通电状态下通入的电流值。

作为本发明的一种实施方式，所述磁角度传感器配合一角度检测装置，用以检测外界磁场角度；

所述磁场感测机构在线圈断电状态下，根据外界磁场信号生成输出信号；所述磁场感测机构在线圈通电状态下，根据线圈产生的磁场信号及外界磁场信号形成的叠加磁场生成输出信号；

所述角度检测装置分别获取所述磁场感测机构分别在线圈断电状态下和通电状态下的输出信号，并根据所述磁场感测机构的输出信号解算外界磁场的角度。

作为本发明的一种实施方式，所述角度检测装置包括：

磁场角度估算单元，用以根据所述磁场感测机构分别在线圈通电状态下和断电状态下输出信号的变化，判断外界磁场角度的范围，以确定其角度的范围在0～180°，还是180°～360°；

磁场角度解算单元，用以根据所述磁场感测机构分别在线圈通电状态下和断电状态下的输出信号以及磁场角度估算单元的估算结果，解算出外界磁场的角度。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场角度估算单元判断外界磁场角度范围的方法包括：

根据线圈不通电时磁场感测机构输出的第一输出信号v1和第二输出信号v2，计算出对应于0～180°范围内的角度α；

根据线圈通电时磁场感测机构输出的第三输出信号v1’和第四输出信号v2’，计算出对应于0～180°范围内的角度α’；

通过对比角度α’与角度α之间的大小关系，来估算外界磁场的角度是位于0～180°的区间还是180°～360°的区间。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场角度解算单元解算外界磁场的角度的方法包括：

结合上述磁场角度估算单元的结果，即外界磁场的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间，以及线圈不通电时计算出的角度α；

当外界磁场的角度是位于0～180°的区间时，解算得到外界磁场h的角度即为α；

当外界磁场的角度是位于180°～360°的区间时，解算得到外界磁场h的角度为α+180°。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场感测机构通过惠斯登电桥设计，磁场感测机构包括至少两路惠斯登电桥，每路惠斯登电桥包括四组磁阻单元。

作为本发明的一种实施方式，所述磁阻单元包括amr或者gmr或者tmr类型的磁阻单元。

作为本发明的一种实施方式，所述金属线圈为外置线圈，所述磁场感测机构和金属线圈是分立的。

作为本发明的一种实施方式，所述金属线圈为内置线圈，所述磁场感测机构和内置线圈集成在一颗传感器芯片内部。

作为本发明的一种实施方式，所述金属线圈的形状可以根据产生磁场的需要进行特定的设计，包括但不限于并列长条形、平面螺旋形、螺线管类型、亥姆霍兹线圈类型等。

作为本发明的一种实施方式，当金属线圈通过一定的电流时，就会在磁场感测机构产生一个确切方向和大小的第一磁场h0；金属线圈产生的第一磁场h0与外界磁场h矢量叠加为叠加磁场h0+h，叠加磁场h0+h作用于磁场感测机构；

作为本发明的一种实施方式，所述磁场感测机构位于第一平面；所述磁角度传感器包括一个金属线圈，所述金属线圈位于第二平面；第二平面与第一平面形成设定角度。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场感测机构位于第一平面；所述磁角度传感器包括至少两个金属线圈，两个金属线圈分别位于第二平面、第三平面；第二平面、第三平面分别与第一平面形成设定角度。

一种磁角度传感装置，包括磁角度传感器、角度检测装置；

所述磁角度传感器包括：

-磁场感测机构，用以根据感测的磁场输出相应的输出信号；

-至少一金属线圈，靠近所述磁场感测机构设置，各金属线圈与磁场感测机构保持设定的角度；所述金属线圈在通入设定电流的状态下，能使磁场感测机构的输出信号发生变化；

-线圈供电模块，连接所述金属线圈，用以为所述金属线圈提供电流；以及

-线圈通电控制模块，连接所述线圈供电模块，用以控制所述线圈供电模块输送至线圈的电流；

所述角度检测装置用以检测外界磁场角度；所述磁场感测机构在线圈断电状态下，根据外界磁场信号生成输出信号；所述磁场感测机构在线圈通电状态下，根据线圈产生的磁场信号及外界磁场信号形成的叠加磁场生成输出信号；所述角度检测装置分别获取所述磁场感测机构分别在线圈断电状态下和通电状态下的输出信号，并根据所述磁场感测机构的输出信号解算外界磁场的角度。

作为本发明的一种实施方式，所述角度检测装置包括：

磁场角度估算单元，用以根据所述磁场感测机构分别在线圈通电状态下和断电状态下输出信号的变化，判断外界磁场角度的范围，以确定其角度的范围在0～180°，还是180°～360°；

磁场角度解算单元，用以根据所述磁场感测机构分别在线圈通电状态下和断电状态下的输出信号以及磁场角度估算单元的估算结果，解算出外界磁场的角度。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场角度估算单元判断外界磁场角度范围的方法包括：

根据线圈不通电时磁场感测机构输出的第一输出信号v1和第二输出信号v2，计算出对应于0～180°范围内的角度α；

根据线圈通电时磁场感测机构输出的第三输出信号v1’和第四输出信号v2’，计算出对应于0～180°范围内的角度α’；

通过对比角度α’与角度α之间的大小关系，来估算外界磁场的角度是位于0～180°的区间还是180°～360°的区间。

作为本发明的一种实施方式，所述磁场角度解算单元结算外界磁场的角度的方法包括：

结合上述磁场角度估算单元的结果，即外界磁场的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间，以及线圈不通电时计算出的角度α；

当外界磁场的角度是位于0～180°的区间时，解算得到外界磁场h的角度即为α；

当外界磁场的角度是位于180°～360°的区间时，解算得到外界磁场h的角度为α+180°。

本发明的有益效果在于：本发明提出的磁角度传感器及磁角度传感装置，可提供360°的角度测量范围，同时能提供高的角度测量精度。

附图说明

图1为本发明一实施例中磁角度传感器的空间结构示意图。

图2为本发明一实施例中磁角度传感器磁场感测部分的平面示意图。

图3为本发明一实施例中磁角度传感器金属线圈的平面示意图。

图4为本发明一实施例中磁角度传感器另一种金属线圈的平面示意图。

图5为本发明一实施例中磁角度传感器另一种金属线圈的平面示意图。

图6为本发明一实施例中磁角度传感器另一种金属线圈的示意图。

图7为本发明一实施例中磁角度传感器中金属线圈通电与不通电时的磁场感测部分的输出信号对比图。

图8为本发明一实施例中磁角度传感器中金属线圈通电与不通电时计算得出的外界磁场角度的对比图。

图9为本发明一实施例中磁角度传感器经过分析得到的0～360°的角度测量范围。

图10为本发明一实施例中磁角度传感器的另一种空间结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

本发明揭示了一种新型磁角度传感器，图1为本发明一实施例中磁角度传感器的空间结构示意图，图2为本发明一实施例中磁角度传感器磁场感测部分的平面示意图，图3为本发明一实施例中磁角度传感器金属线圈的平面示意图；请参阅图1至图3，在本发明的一实施例中，所述磁角度传感器包括：磁场感测机构10和金属线圈20。

所述磁场感测机构10位于平面1内，磁场感测机构10通过惠斯登电桥设计，磁场感测机构10包括两路惠斯登电桥，每路惠斯登电桥由四组amr磁阻单元形成。所述金属线圈20位于平面2内，所述金属线圈20由一层金属组成。

所述金属线圈20的形状可以根据产生磁场的需要进行特定的设计，如图4、5、6所示，包括但不限于并列长条形、平面螺旋形、螺线管类型、亥姆霍兹线圈类型等。

金属线圈20与磁场感测机构10保持一定的角度(如可以是0～180°)。当金属线圈20通过一定的电流时，就会在磁场感测机构10产生一个确切方向和大小的磁场h0。金属线圈20产生的磁场h0与外界磁场h矢量叠加为h0+h，叠加磁场h0+h作用于磁场感测机构10。

图7所示，在外界磁场h的角度在0～360°变化时，金属线圈20不通电时在磁场感测机构10的两路惠斯通电桥产生的输出信号分别为v1和v2；金属线圈20通过一定的电流时，金属线圈20产生的磁场h0与外界磁场h相叠加的磁场h0+h在磁场感测机构10的两路惠斯通电桥产生的输出信号分别为v1’和v2’。很明显可以看出，金属线圈20通电时磁场感测机构10的输出信号v1’和v2’偏离了金属线圈20不通电时磁场感测机构10的输出信号v1和v2。

根据金属线圈20不通电时磁场感测机构10的输出信号v1和v2，可以解算出对应于0～180°范围内的角度α。根据金属线圈20通电时磁场感测机构10的输出信号v1’和v2’，可以解算出对应于0～180°范围内的角度α’。角度α和α’的计算公式如下所示：

图8所示，在外界磁场h的角度在0～360°变化时，金属线圈20不通电时计算出的角度α变化为曲线81，金属线圈20通电时计算出的角度α’变化为曲线82。如图8中示意的那样，当角度α’分布曲线82位于角度α分布曲线81的下方，即角度α’小于角度α时，外界磁场h的角度位于0～180°的区间；当角度α’分布曲线82位于角度α分布曲线81的上方，即角度α’大于角度α时，外界磁场h的角度位于180°～360°的区间。

因此，根据金属线圈20不通电时计算出的角度α与金属线圈20通电时计算出的角度α’的大小关系，可以估算出外界磁场h的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间。

当外界磁场h的角度是位于0～180°的区间时，可以解算得到外界磁场h的角度即为α，当外界磁场h的角度是位于180°～360°的区间时，可以解算得到外界磁场h的角度为α+180°。

图9所示，结合估算得出的外界磁场h的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间，以及金属线圈20不通电时计算出的角度α，可以解算得到外界磁场h在0～360°范围内的确切角度。

结合各向异性磁阻(amr)磁角度传感器自身具备的角度测量精度高的优点，本发明介绍的新型磁角度传感器，可同时提供360°的角度测量范围和高的角度测量精度。

本发明揭示了一种新型磁角度传感器，请参阅图10，所述磁角度传感器包括：磁场感测机构10、金属线圈201和金属线圈202。所述磁场感测机构10、金属线圈201和金属线圈202可以集成在一颗传感器芯片内部。

所述磁场感测机构10位于平面1内，磁场感测机构10通过惠斯登电桥设计，磁场感测机构10包括两路惠斯登电桥，每路惠斯登电桥由四组amr磁阻单元形成。

所述金属线圈201和金属线圈202分别位于平面2、平面3内。所述金属线圈201和金属线圈202互相成一个固定的角度。所述金属线圈201和金属线圈202的形状可以根据产生磁场的需要进行特定的设计。

金属线圈201和金属线圈202分别与磁场感测机构10保持一定的角度。当金属线圈201通过一定的电流时，就会在磁场感测机构10产生一个确切方向和大小的磁场h01。当金属线圈202通过一定的电流时，就会在磁场感测机构10产生另一个确切方向和大小的磁场h02。金属线圈201通电产生的磁场h01与外界磁场h矢量叠加为h01+h，金属线圈202通电产生的磁场h02与外界磁场h矢量叠加为h02+h，金属线圈201和金属线圈202同时通电产生的磁场h01、h02与外界磁场h矢量叠加为h01+h02+h，叠加磁场作用于磁场感测机构10。

类似于上述实施例，金属线圈201和金属线圈202分别或者同时通电时，根据叠加磁场作用于磁场感测机构10产生的输出信号而计算出的角度α’相对于不通电时磁场感测机构10产生的输出信号而计算出的角度α之间的大小关系，也可以估算外界磁场h的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间。

当外界磁场h的角度是位于0～180°的区间时，可以解算得到外界磁场h的角度即为α，当外界磁场h的角度是位于180°～360°的区间时，可以解算得到外界磁场h的角度为α+180°。

结合估算得出的外界磁场h的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间，以及金属线圈201和金属线圈202不通电时计算出的角度α，可以解算得到外界磁场h在0～360°范围内的确切角度。

所述线圈也可以由三层或者更多层金属线圈组成，金属线圈通电时产生的磁场与外界磁场h叠加共同作用于磁场感测机构10，以达到估算外界磁场h的角度是位于0～180°还是180°～360°的区间，进而解算得到外界磁场h在0～360°范围内的确切角度。

本发明还揭示一种磁角度传感装置，包括磁角度传感器、角度检测装置。所述磁角度传感器包括：磁场感测机构、至少一金属线圈、线圈供电模块、线圈通电控制模块。

磁场感测机构用以根据感测的磁场输出相应的输出信号；至少一金属线圈靠近所述磁场感测机构设置，各金属线圈与磁场感测机构保持设定的角度；所述金属线圈在通入设定电流的状态下，能使磁场感测机构的输出信号发生变化；线圈供电模块连接所述金属线圈，用以为所述金属线圈提供电流；线圈通电控制模块连接所述线圈供电模块，用以控制所述线圈供电模块输送至线圈的电流。

所述角度检测装置用以检测外界磁场角度；所述磁场感测机构在线圈断电状态下，根据外界磁场信号生成输出信号；所述磁场感测机构在线圈通电状态下，根据线圈产生的磁场信号及外界磁场信号形成的叠加磁场生成输出信号；所述角度检测装置分别获取所述磁场感测机构分别在线圈断电状态下和通电状态下的输出信号，并根据所述磁场感测机构的输出信号解算外界磁场的角度。

综上所述，本发明提出的磁角度传感器及磁角度传感装置，可提供360°的角度测量范围，同时能提供高的角度测量精度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。