包括偏轴不灵敏多极磁体的传感器系统的制作方法

本发明涉及一种使用多极磁体的传感器系统。

背景技术：

传感器系统、特别是线性或角位置传感器系统是本领域已知的。在这样的系统中，通常生成不均匀磁场(例如，通过静态电流、或通过永磁体)，并且由包括一个或多个传感器元件以及读出电路和处理器的传感器设备来测量所述不均匀磁场，所述处理器基于测量值来计算线性或角位置。

本领域已知用于确定角位置的各种传感器布置和各种技术，各自具有其优点和缺点，例如，在成本、紧凑性、角范围、准确性、信号灵敏度、对不想要的外部场的鲁棒性、对位置误差(例如，轴向或径向偏移)的鲁棒性、处理能力、处理复杂性等方面。

例如，us2002021124a1描述了一种用于使用磁场集中器和水平霍尔效应元件来检测磁场方向的传感器。

wo9854547a1描述了一种具有四个传感器元件的、布置在两极磁体附近的磁旋转传感器。角位置被计算为差信号之比的arctan函数。这种布置被认为对偏移和灵敏度变化、以及对恒定外部磁场是鲁棒的。

wo2014029885a1描述了一种用于使用多极磁体来测量绝对角位置的传感器布置。本文所描述的一些实施例对位置误差高度鲁棒、和/或对恒定外部磁场鲁棒、和/或对恒定外部场梯度鲁棒，例如，通过使用更复杂的算法、和/或通过使用更复杂的磁体和/或更高数量的传感器元件。

总是存在改进空间或替代方案。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的是提供一种对位置误差和/或对随时间的位置误差漂移高度鲁棒或更鲁棒的传感器系统(例如，角位置传感器系统)。

本发明的实施例的另一个目的是提供一种传感器系统，所述传感器系统尽管机械漂移(位置误差变化)和/或存在振动的情况下在其寿命期间也更准确。

本发明的特定实施例的目的是提供一种包括多极环形磁体和传感器设备的角位置传感器系统，其中，减小了所述传感器设备和所述环形磁体由于机械漂移和/或机械磨损和/或机械振动引起的位置误差(例如，轴向位移和/或径向偏移)。

这些目的是通过根据本发明的实施例的传感器系统和多极环形磁体来实现的。

根据第一方面，本发明提供了一种传感器系统，所述传感器系统包括磁场发生器以及布置在距所述磁场发生器一定距离处的传感器设备。所述传感器设备被适配用于测量或确定至少一个磁场分量和/或至少一个磁场(空间)梯度分量。所述磁场发生器包括具有n个数量的(例如，n至少为4)极对的多极磁体(例如，多极环形磁体)，所述多个极对被轴向磁化以生成围绕轴线基本上旋转对称的n极磁场。所述磁体包括多个凹槽和/或突起(例如，细长突起)、或凹槽与突起的组合。所述凹槽和/或突起以围绕所述轴线旋转对称模式来布置，并且形状和大小(例如，具有带切口的横截面)设定为在围绕所述轴线的中心区域中提供基本上恒定的磁场梯度。凹槽和/或突起的数量可以等于数量n。

因此，所述磁场发生器可以被配置为生成包括多个极的多极磁场。所述多极磁场可以围绕所述轴线基本上旋转对称。所述多个凹槽和/或细长突起可以形成具有围绕所述轴线旋转对称的形状的机械或磁性周期性特征。此机械或磁性周期性特征的尺寸可以为使得减小所述多极磁场的至少一个磁性量或至少一个导出量的空间不均匀性或空间非理想性。“空间不均匀性”是指“空间中不同位置处的不均匀性”，因此是x、y、z的函数。

换言之，具有所述周期性特征的此磁场发生器的场梯度至少在围绕所述轴线的相对较小圆柱形空间中比不具有所述周期性特征的相同磁场发生器的场梯度更均匀或更恒定。

此磁场发生器的优点在于：生成了更均匀或更理想的信号，从而允许传感器系统对传感器设备相对于所述磁场发生器的位置误差更鲁棒。因此，这种传感器系统对诸如机械磨损等老化影响更鲁棒。

实施例的优点在于：可以以无源的方式(即，无需能量或无需处理功耗)减小或补偿不均匀性或非理想性。

在优选实施例中，“减小空间不均匀性或非理想性”意味着在位于垂直于轴线的平面中的圆形区内测量的、在特定方向上的场梯度是“基本上恒定的”。

所述至少一个磁场梯度可以例如包括至少四个空间场梯度dbx/dx、dbx/dy、dby/dx和dby/dy。

在实施例中，所述机械或磁性周期性特征是围绕所述轴线的具有与磁场周期相同的周期性的旋转对称。

在实施例中，所述机械或磁性周期性特征是围绕所述轴线的具有720°除以极数量的周期性的旋转对称。

例如，具有带四个磁极(两个“北极”和两个“南极”)的表面的所谓“四极环形磁体”具有720°/4＝180°的旋转对称性，因为如果环形磁体围绕其轴线旋转超过180°，则磁场(如可以由位于轴线附近的传感器设备看见的)将看起来相同。

在实施例中，基于下式在围绕所述轴线360°的角范围内确定所述机械或磁性特征的所述形状的尺寸。可以在感兴趣体积中定义最大信号误差，例如，在预定义距离范围内距所述磁场发生器一定距离处、并且在与所述轴线偏移小于预定义半径处。此最大信号误差可以被表示为δθ最大＝max|θ-θm|，其中，δθ最大是在感兴趣体积内评估的最大偏差，并且θ是在感兴趣体积内评估的围绕所述轴线的角位置。θm可以通过下式来计算：

可以针对感兴趣体积(例如，在预定义网格上)内的多个位置例如使用有限元模拟方法来模拟磁场。如上所述，感兴趣体积优选基本上覆盖围绕轴线的完整角旋转(即，基本上360°)。

在一些实施例中，通过最小化所述最大偏差来确定尺寸。可替代地，所述尺寸可以通过选择其所述最大偏差小于预定义阈值的尺寸来确定。

例如，可以优化凹槽或细长突起的参数，例如，宽度、高度和/或长度。例如，针对所述(多个)参数的多个值(的组合)，可以在感兴趣体积内模拟并评估磁场以确定偏差|θ-θm|。然后，可以选择产生感兴趣体积内的最大偏差的最小值或足够小值的参数或参数组合。

在实施例中，所述多个凹槽和/或细长突起中的每一个可以位于多极磁体的相邻极之间的过渡部处或附近。

在实施例中，所述多极磁体可以由单种磁化材料组成。

在实施例中，所述多极磁体可以由各自包括由单种磁化材料的至少四个区段或区域组成。

在实施例中，所述多极磁体可以是或者包括永磁体。

在实施例中，所述多极磁体可以包括位于距所述轴线预定义距离处的恰好四个或至少四个、或者恰好六个或至少六个永磁体。

使用永久磁体是有利的，因为其允许以无源的方式(即，无需消耗功率)产生磁场。

在实施例中，永磁体由单个单片材料制成。

在实施例中，所述多极磁场发生器是具有被轴向磁化的数量为至少四个的极对的磁体，例如环形磁体或盘形磁体；并且所述机械或磁性周期性特征包括具有预定义形状和尺寸的相同数量(n)的凹槽或结构。

在实施例中，所述凹槽和/或突起可以径向地取向和/或轴向地取向。

在实施例中，所述凹槽和/或突起具有恒定的横截面。

优点是：可以例如通过研磨来容易地且径向地产生这样的凹槽。

在实施例中，所述横截面具有单个矩形切口。

在实施例中，所述横截面具有单个正方形切口。

在实施例中，所述横截面具有星形或星形线形切口。

在实施例中，所述横截面具有至少两个或至少三个矩形切口。

在实施例中，所述横截面具有至少两个或至少三个正方形切口。

在实施例中，所述横截面具有梯形切口。

在实施例中，所述横截面具有基本上椭圆形切口。

在实施例中，所述横截面具有多边形切口。

在实施例中，所述凹槽或突起仅位于磁体的一个平面表面处、在相邻极之间的过渡部处。

在实施例中，所述凹槽或突起位于磁体的两个平面表面上、在相邻极之间的过渡部处。

在磁体的两个表面上提供这样的凹槽或突起的优点在于：其减小了在组装传感器系统期间不正确安装(翻转)磁体的风险。磁体的相反侧上的凹槽或突起对由传感器设备测量的磁场没有显著影响。

在实施例中，所述传感器设备可以是线性位置传感器系统、或角位置传感器系统。

优选地，所述传感器设备是包含半导体设备(例如，cmos设备)的集成芯片(ic)。

在实施例中，所述传感器设备包括位于与磁场发生器的平面表面平行的平面中的至少三个磁性传感器元件，所述至少三个磁性传感器元件不共线。

这种传感器设备的优点在于：其可以测量或确定平面内场梯度，例如dbx/dx、dbx/dy、dby/dx、dby/dy。

在实施例中，所述传感器系统是位置传感器系统；并且所述传感器设备可移动地布置在距所述多极磁场发生器一定距离处。

磁场梯度分量可以根据所述传感器设备相对于所述多极磁场发生器的位置而变化，作为具有基本频率和高次谐波的基本上正弦信号；并且所述凹槽和/或突起可以被适配用于减小所述高次谐波。

更具体地，如果周期函数被描述为具有主分量和多个高阶分量(也称为“高次谐波”)的傅里叶级数。这些谐波导致待测量位置的不准确，如果传感器设备相对于磁场发生器的位置进一步偏移传感器系统设计用于的设想位置，则这种不准确变得更加明显。在本发明的实施例中，所述机械或磁性周期性特征被选择为使得所述周期性函数的高次谐波分量中的一些或全部系数小于主分量的幅度的预定义分数，例如，小于5％、或小于2％、或小于1％、或小于5000ppm、或小于2000ppm。

优点在于：可以通过计算机模拟(具体地，使用有限元建模)来确定所述周期性特征的最佳几何形状。

在实施例中，所述传感器设备被适配用于测量或确定在与所述多极磁场发生器平行的平面中所述多极磁场的一个或多个场梯度。

在实施例中，所述传感器系统是角位置传感器系统。

在本实施例中，所述机械或磁性周期性特征优选地被适配用于减小在距磁场发生器一定距离处的平面中测量的所测得平面内磁场梯度dbx/dy和dby/dx的空间不均匀性或非理想性。

在实施例中，传感器设备的平面被布置在距磁体的一定轴向距离处，并且传感器设备的中心位于距所述环形磁体的纵向轴线的一定径向偏移处；并且所述多个凹槽或结构的形状和尺寸被设计成使得对于所述传感器设备的中心在半径为1.4mm且位于在从1.5mm至4.5mm范围中的轴向距离处的虚拟圆柱体之内的任何位置，角位置误差小于0.5°。

在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的具体且优选的方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且可以酌情且并不仅仅如权利要求中清楚陈列地与其他从属权利要求的特征组合。

本发明的这些和其他方面根据在下文中描述的(多个)实施例将是显而易见的并且将参考所述实施例对其进行阐述。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的传感器系统。

图1(a)示出了具有周期性特征的四极环形磁体的顶视图，所述周期性特征采用位于所述环形磁体的平面表面处的径向取向凹槽的形式。

图1(b)示出了图1(a)的四极环形磁体的侧视图，所述四极环形磁体相对于传感器设备来布置，所述传感器设备位于距所述环形磁体一定轴向距离、并且在与所述环形磁体的中心轴线一定径向偏移处。

图2以透视图示出了图1的环形磁体的变体，其具有略微不同的凹槽。

图3示出了针对1.4mm的径向偏移以及从1.5mm至4.5mm的各种轴向位置，当使用具有14mm外径的经典环形磁体(具有三角形的曲线)对比使用如由本发明提出的具有附加周期性特征的环形磁体(具有正方形的曲线)时，图1(b)的传感器系统的最大位置误差(在角范围内)。

图4示出了：对于1.5mm的轴向距离以及从0.0至2.0mm的各种径向偏移，当使用具有14mm外径的经典环形磁体(具有三角形的曲线)对比使用如由本发明提出的具有附加周期性特征的环形磁体(具有正方形的曲线)时，图1(b)的传感器系统的最大位置误差(在角范围内)。

图5示出了经典四极环形磁体(不具有图2所示的凹槽)的磁场值bx、by、bz和空间场梯度dbx/dx、dbx/dy、dby/dy、dby/dx、dbz/dy、dbz/dx的模拟曲线。

图6是图5所示曲线的灰度版本。

图7示出了图2的四极环形磁体的磁场值bx、by、bz和空间场梯度dbx/dx、dbx/dy、dby/dy、dby/dx、dbz/dy、dbz/dx的模拟曲线。

图8是图7所示曲线的灰度版本。

图9(a)是经典环形磁体的图6的曲线dbx/dy的放大视图。

图9(b)是图2的环形磁体的图8的曲线dbx/dy的放大视图。

图10概括了本发明的原理。

图10(a)示出了图5的曲线dbx/dy的放大视图，并且另外示出了具有四个传感器元件、位于相对于环形磁体轴线的零径向偏移处的传感器设备的示意表示。

图10(b)示出了图10(a)的曲线dbx/dy，并且另外示出了具有非零径向偏移的传感器设备的位置。

图10(c)示出了图7的曲线dbx/dy，并且另外示出了具有四个传感器元件、位于非零径向偏移处的传感器设备的示意表示。

图11示出了根据本发明的磁场发生器的几个实施例。

附图仅为示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，其中一些元件中的大小可能被夸大并且未按比例绘制。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。

具体实施方式

将关于具体实施例并参照某些附图来对本发明进行描述，但本发明不限于此并且仅由权利要求限制。所描述的附图仅为示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，其中一些元件中的大小可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实践的实际减小。

此外，说明书中和权利要求中的术语“第一”、“第二”等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述顺序，无论是时序上、空间上、排序上还是以任何其他方式。应理解的是，这样使用的术语在恰当的情况下是可互换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或展示的其他顺序来操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等用于说明性目的并且不一定用于描述相对位置。要理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且在本文所描述的本发明实施例与本文所描述或展示的相比能够以其他取向操作。

应注意的是，在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列举的手段；其并不排除其他元件或步骤。因此，应将其解释为指明如提到的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他的特征、整数、步骤或部件、或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应局限于仅由部件a和b组成的设备。这意味着关于本发明，所述设备的仅有的相关部件是a和b。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及是指结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书中各地方的出现不一定、但可以全都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合，如从本公开将对本领域普通技术人员显而易见的。

类似地，应理解的是，在对本发明的示例性实施例的描述中，为了简化本公开并帮助理解各创造性方面中的一个或多个方面，本发明的各种特征有时被归并在单个实施例、附图、或其描述中。然而，本公开的方法不应解释为反映下述意图：所要求保护的发明需要比在每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如以下权利要求反映的，创造性方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，特此将具体实施方式之后的权利要求明确结合到此具体实施方式中，其中，每项权利要求独立地代表本发明的单独实施例。

此外，虽然本文所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征而没有其他特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内并形成不同实施例。例如，在以下权利要求中，要求保护的实施例中的任何实施例都可以以任何组合来使用。

在本文所提供的描述中，阐述了很多具体细节。然而，应理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，未详细示出众所周知的方法、结构和技术，以免模糊对本说明的理解。

在本文档中，术语“磁场发生器”和“磁场源”意思相同。

本发明涉及一种包括磁场发生器的传感器系统，例如角位置传感器系统。多极磁场发生器通常被布置在距传感器设备一定距离处。

所述传感器系统可以是线性或角位置传感器系统11，其包括多极环形磁体12，并且包括例如采用集成电路13形式的传感器设备3，所述集成电路包括用于测量所述磁场的一个或多个值、和/或用于测量或计算从其导出的值(例如，场梯度可以由差分电路来测量，或者可以通过加上或减去几个值来计算)的至少三个或至少四个传感器元件。所述传感器设备通常还包括用于基于这些测得的和/或计算的值来计算线性或角位置的处理器。

如在背景部分中所提出的，非常期望的是建立一种传感器系统，所述传感器系统能够以对(传感器设备相对于磁场发生器的)位置偏移高度鲁棒、并且对灵敏度变化(例如，绝对磁场强度)高度鲁棒、并且对恒定外部磁场高度鲁棒(即，具有恒定幅度或取向)、并且可选地还对恒定场梯度高度鲁棒、或这些特性中的至少一些的方式来高度准确地测量某个值(例如，线性位置或角位置值)。并且非常期望的是提供一种磁场发生器(也称为“磁场源”)，所述磁场发生器提供更适用于实现这些目标中的一个或多个目标的磁场。

随着部件大小的不断减小，以经济的方式正确地定位部件(其中至少一个部件可相对于另一个移动)变得越来越困难，特别是在生产环境中。主要的挑战是构思或开发对位置误差高度不灵敏的传感器系统或传感器布置。然而，这样的传感器系统将更容易安装，因为可以放宽公差。

甚至更具挑战性的是创建一种在传感器系统的整个寿命期间对机械漂移鲁棒的传感器系统。虽然可以通过生产期间进行校准测试——在其中，测量各个值(与特定偏移相关)并将其存储在传感器设备中以供稍后使用——来处理由于传感器设备和磁源的未对准而引起的安装误差，但是如果偏移例如由于机械漂移或磨损而随时间漂移，则此解决方案不再起作用。使用校准的已知解决方案不能再使用，因为偏移位置是未知的。

本发明的发明人面临以下问题：设计一种对位置误差更加鲁棒而不会显著降低传感器系统的准确性和/或不会显著降低对恒定的外部场和/或(不想要的)外部场梯度的鲁棒性的传感器系统(及其零件)。

本发明人提出了提供一种传感器系统1的想法，这种传感器系统包括传感器设备3以及包括多个极(或极对)的多极磁场发生器2。传感器设备3被布置在距所述多极磁场发生器2一定距离处，并且被适配用于测量或确定至少一个磁场分量和/或至少一个磁场梯度分量，例如，平面内磁场分量bx、by，或平面外场分量bz，或平面内场梯度dbx/dy、dby/dx、dbx/dx、dby/dy、dbz/dx、dbz/dy或平面外梯度dbz/dz、dbx/dz、dby/d，或其组合。

多极磁场发生器2包括具有n个数量的极对或极的多极磁体，所述多个极对或极被轴向磁化以生成n极磁场。所述多极磁场围绕轴线5基本上旋转对称。磁场发生器2进一步包括机械或磁性周期性特征4，所述机械或磁性周期性特征具有同样围绕所述轴线5旋转对称的形状，并且其尺寸为使得减小所述多极磁场的至少一个磁性量bx、by、bz或至少一个导出量dbx/dx、dbx/dy、dby/dx、dby/dy、dbz/dx、dbz/dy、dbx/dz、dby/dz、dbz/dz的空间不均匀性或空间非理想性。

所述磁体包括多个凹槽14和/或细长突起，所述凹槽和/或细长突起以围绕轴线5的旋转对称模式来布置，如以便在围绕轴线5的中心区域中提供基本上恒定的磁场梯度，例如，在从距磁场源约1.5mm至约4.5mm范围中在距离dz处的圆柱体区域，所述圆柱体区域具有小于5mm、或小于4mm、或小于3mm、或小于2.0mm、或小于1.5mm、或小于1.0mm的半径。

“减小空间不均匀性或非理想性”意味着使得待测量的量在磁场源附近的有限空间中基本上或显著恒定，更具体地在距磁场源从约1.5mm至约4.5mm范围的距离dz处的圆柱体区域，所述圆柱体区域具有小于5mm、或小于4mm、或小于3mm、或小于2.0mm、或小于1.5mm、或小于1.0mm的半径。

例如，在线性或角位置传感器的情况下，在这种情况下测量或导出的信号可以是根据线性或角位置θ的基本上正弦信号，减小不均匀性或非理想性可以意味着减少所述基本上正弦信号的高次谐波。

当本文提到磁场发生器具有n个极时，实际上意味着传感器设备可以“看到”或测量或经历n个极，但很可能多极磁场发生器实际上具有n个极对(因此2×n个极)，其中只有一半是对传感器设备“可见的”。这例如是图1(b)所示的所谓“四极环形磁体”的情况，所述磁体实际上具有四个轴向磁化的极对，但是只有一半的极是对传感器设备可见的。这种环形磁体通常被称为“四极环形磁体”。

明确指出的是，本发明的原理将适用于能够测量和/或处理源自多极磁场源2的磁场值的任何现有传感器设备3。仅作为示例而不是限制本发明，如本发明的实施例中可以使用的传感器设备3可以包括：被布置用于测量垂直于传感器设备基底取向的磁场分量bz的多个水平霍尔元件，或者围绕圆圈布置且取向用于测量径向场分量br的多个竖直霍尔元件，或者围绕圆圈布置且取向用于测量切向场分量br的多个竖直霍尔元件，或者具有用于测量径向或切向场分量br、bt或另一平面内场分量bx、by的imc的多个水平霍尔元件，或者其他合适的传感器元件；并且包括用于基于测量值例如使用arctan或arctan2函数(也称为反正切函数)、或使用傅里叶变换、或使用任何其他合适的数学函数或算法来计算线性位置或角位置的电路或处理器。

在优选实施例中，传感器系统1是角位置传感器系统11，并且传感器设备3是例如如wo2014029885a1中所描述的主要基于平面内磁场梯度dbx/dy和dby/dx的测量的角位置传感器设备13，所述文档通过引用以其全文结合在此，具体地与能够测量相对于四极环形磁体的角位置的传感器设备相关的那些部分，但如以上已经提及的，本发明并不限于此。

参照附图。

图1(a)示出了顶视图，并且图1(b)示出了四极环形磁体12的侧视图，所述四极环形磁体可以看作是多极磁场发生器2的示例。图1(a)的环形磁体12是具有被轴向磁化的四个极对的永磁体。

与经典的环形磁体(参见例如wo2014029885a1的图4)相比，图1所示的环形磁体另外具有周期性特征或周期性结构4，所述周期性特征或周期性结构在图1的示例中具有径向取向的凹槽14的形式，所述凹槽具有恒定的横截面。但本发明不限于此特定特征，并且也可以使用其他特征，例如具有非恒定横截面的凹槽轮廓或突起轮廓。

图1(b)示出了图1(a)的四极环形磁体的侧视图，并且还示出了传感器设备3，在图1(b)的示例中，位于距环形磁体12的表面7一定距离“dz”(也称为“气隙”)处的集成半导体设备13。传感器设备13(或实际上由传感器设备内的传感器元件限定的中心点)定位成与环形磁体12的中心轴5径向偏移“dr”(也称为“偏轴(offaxis)”)。理想地，当然，传感器设备13安装在距表面7的预定义距离处，例如dz＝恰好1.50mm，并且相对于中心轴线5具有零径向偏移，意味着dr＝0.00mm，但是在实践中，轴向距离dz和径向距离dr将略微变化。如以上已经提及的，在生产期间通过校准测试可以容易地处理恒定的偏移，但是目前尚未解决随时间的偏移漂移。

从wo2014029885a1中已知，角位置可以从平面内梯度dby/dx和dbx/dy导出。这些梯度可以例如基于由至少三个非共线的(即，不位于单个直线上)传感器元件获得的信号来计算。

本发明人提出了解决与错误定位(相对于设想位置的轴向偏移和/或径向偏移)相关的问题以及解决不在传感器设备13中但在多极磁体发生器中的机械漂移问题的想法。更具体地，对于采用n极环形磁体形式的永磁体的示例，本发明人提出了向环形磁体添加周期性特征的想法。在图1的示例中，周期性特征是具有两个矩形横截面的凹槽，但是也可以使用其他凹槽。

图2以透视图示出了图1的环形磁体的变体，其具有略微不同的凹槽。图2的环形磁体具有施加到环形磁体的平面表面的四个凹槽，每个凹槽位于北极与南极之间的过渡部处。与其中每个凹槽具有两个矩形切口的图1相反，图2的凹槽仅具有单个矩形切口。

从图1(a)可以看出，环形磁体12本身具有180°的旋转对称性(意味着当环形磁体围绕轴线5旋转超过180°时，由磁体生成的磁场看起来相同)。在图2中可以看出，所述周期性特征或周期性结构具有90°的旋转周期、或换言之每90°发生一次。对于六极磁体，所述周期性特征将是每60°施加一次，如图11(f)所示等。

在优选实施例中，周期性特征4是施加到环形磁体12的将面向传感器设备13的表面7的凹槽14，但是当然也可以将凹槽施加在环形磁体的两侧7、8上，以避免在生产期间错误放置环形磁体。然而，应当理解，根据本发明的实施例，借助于例如由细长突起例如由径向布置的几何变化的细长区域来调制磁体的局部厚度的其他手段，可以实现类似的效果。

在优选实施例中，凹槽具有恒定的横截面，这更易于生产但不是绝对必需的。

凹槽可以从内径延伸到外径，但这不是绝对必需的，并且例如从内径开始并且例如在内径与外径之间的约中间停止的凹槽(参见图11c)也将起作用。

如图2所示，凹槽或突起可以施加在相邻极之间的过渡部6处。例如，凹槽、例如径向对准的细长凹槽可以施加在过渡部处。可替代地，细长突起、例如径向对准的细长突起可以施加在其间，例如在过渡部之间居中。

在图1(b)所示的特定示例中，凹槽14的横截面具有可以例如通过研磨经典环形磁体来生产的两个矩形切口，但本发明并不限于此，并且也可以使用具有其他形状的横截面，例如，具有单个矩形切口的横截面、或具有两个矩形切口的横截面、具有单个正方形切口的横截面、具有至少两个正方形切口的横截面、或具有梯形切口的横截面、或具有基本上椭圆形切口的横截面、或具有多边形切口的横截面等。在图1(b)的示例中，凹槽具有根据半径的恒定深度(h1至h2是恒定的，并且h1至h3是恒定的)，并且在图2中，凹槽还具有恒定深度15，但这也不是绝对必需的，并且凹槽的深度可以随半径而变化，例如线性地或非线性地，例如朝向轴线单调递增或单调递减。

意外地发现，这种凹槽可以显著提高磁体12相对于传感器设备13的轴向和/或径向位移的鲁棒性，或者换句话说，可以显著减小机械偏移漂移对传感器系统11寿命的影响。

图3示出了：对于范围从1.5mm至4.5mm、步长为0.5mm的轴向距离(或气隙)的各个值，使用经典环形磁体(没有凹槽)、以及具有凹槽14的相同环形磁体的图1(b)传感器系统1的最大位置误差(在角范围内)，假设传感器设备13位于1.4mm的径向偏移处。

如从具有三角形的曲线可以看出，使用没有凹槽14的经典环形磁体，误差约为0.8°(如果传感器设备2位于距磁体1.5mm处)；而使用具有凹槽的环形磁体14，误差小于0.1°，如从具有正方形的曲线可以看出。应注意的是，使用具有凹槽14的环形磁体的误差信号低于没有凹槽的经典环形磁体，因此具有凹槽的环形磁体甚至不是折衷，而是明显改进。

将通过示例来解释本发明的原理，但是本发明当然不限于此特定示例，而是可以更一般地应用，如由权利要求所描述的。

在示例中，多极磁场发生器是四极环形磁体，具有以下尺寸：厚度h1为3.5mm、内径d1＝5.0mm、外径d2＝14.0mm，如图1和图2所展示的。

在北极与南极之间的每个交叉处，四个凹槽14被施加到环形磁体12。凹槽径向取向，并且具有带有两个矩形切口的横截面。使用有限元模型来优化这些切口的尺寸，如下所述。

通过确定值d3、d4、h2、h4找到凹槽14的最佳尺寸，其中定义为实际角度θ与角位置θm之间的最大偏差(绝对值)的如可以由角位置传感器13基于平面内场梯度来确定(测量和/或计算)的位置误差信号δθ被最小化。

更具体地，对于给定的磁场，环形磁体12相对于传感器设备13的相对角位置θm(或反之亦然)可以使用以下公式或等效公式来计算：

并且最大位置误差信号可以使用以下公式或等效公式计算：

δθ最大＝max|θ-θm|(2)

应注意的是，上文arctan2的公式化被认为是更加数学上合理且一致的表达的简写。如本领域所公知的，此函数可以被定义为应用于复数x+iy的自变量函数的主值，其中，i表示虚数单位，即-1的平方根。

对于此特定示例，凹槽14的最佳值为：d3＝3.6mm、d4＝1.8mm、h2＝3.17mm并且h3＝3.01mm。

当讨论图5至图10时，将进一步给出对这种改进的解释。

图4示出了：对于范围从0.0mm至2.0mm、步长为0.2mm的径向偏移(或偏轴)的各个值，使用经典环形磁体(没有凹槽)、以及相同但是具有最佳凹槽14的环形磁体的图1(b)的传感器系统1的最大位置误差(在角范围内)，假设传感器设备13位于距磁体12的1.5mm的轴向距离(气隙)处。

如从具有三角形的曲线可以看出，使用没有凹槽14的经典环形磁体，误差约为2°(如果传感器设备位于约2mm的偏轴处)；而使用具有最佳凹槽14的环形磁体，误差将小于0.3°，如从具有正方形的曲线可以看出。再次应注意的是，使用具有凹槽14的环形磁体的误差信号低于没有凹槽的经典环形磁体。

图5示出了经典四极环形磁体(不具有图2所示的凹槽)的磁场值bx、by、bz和空间场梯度dbx/dx、dbx/dy、dby/dy、dby/dx、dbz/dy、dbz/dx的模拟幅度曲线。图6示出了用于说明目的的采用灰度的相同曲线。

角位置θ可以主要根据曲线中心周围的小区域中的dbx/dy和dby/dx的值来计算，因为这是传感器设备的传感器元件所在的位置，如图10(a)所展示的，其中示出了具有四个传感器元件的传感器设备用于说明目的。

如在图5的dbx/dy和dby/dx曲线中可以看出，在具有菱形形状的中心区域内测量的空间梯度值的幅度或多或少是恒定的或均匀的。这与wo2014029885a1的图14和图15一致，表明平面内场分量br(r)和bt(r)的幅度在“线性区域”中根据半径而或多或少线性地变化。测量的梯度dbx/dy和dby/dx的实际值像θ的正弦和余弦函数一样变化，因此通过测量这些正交梯度，可以使用arctangens函数来确定角位置。

然而，wo2014029885a1没有描述的是，在偏移的情况下，与空间梯度相关的正弦函数不再是只有“基本频率”的纯正弦的，而是包含“高次谐波”。本发明的发明人认识到，角域中的高次谐波是由菱形区域内的空间梯度的非均匀性或不均匀性引起的。因此，他们进一步认识到，通过使轴线附近的场梯度更均匀，将自动抑制谐波。并且他们通过提供多个凹槽还进一步成功地减少了这些不均匀性。

图7示出了图2的四极环形磁体的磁场值bx、by、bz和空间场梯度dbx/dx、dbx/dy、dby/dy、dby/dx、dbz/dy、dbz/dx的模拟幅度曲线。

图8示出了用于说明目的的采用灰度的相同曲线。

图9(a)是经典环形磁体的图6的曲线dbx/dy的放大视图。

图9(b)是图2的环形磁体的图8的曲线dbx/dy的放大视图。

从这些图中可以理解，特别是从图9(b)看出，具有凹槽的环形磁体的场梯度dbx/dy(在围绕轴线的基本上圆形区域中)比没有凹槽的环形磁体(如图9(a)所示)的场梯度dbx/dy更加均匀。

凹槽的结果是在基本上圆形区域(由白色箭头指示)内的任何地方测量的场梯度值基本上与偏移位置无关，而是仅取决于传感器设备与环形磁体之间的角度θ，与图9(a)的情况相反，其中测量的场梯度值不仅取决于所述角位置，而且还(在很大程度上)取决于偏移位置。

图10再次概括了这些原理。

图10(a)示出了没有凹槽的经典环形磁体的情况。如果传感器设备完美位于中间，并且无限小(意味着所有传感器元件都精确地位于同一点，这将是理想的但在实践中不可能)，则计算出的信号将是作为角度θ函数的、没有高次谐波的完美正弦波。

参照图10(b)，如果磁场不具有均匀的梯度，则测量值将因点而不同(尽管是略微不同)。这转变为角域中的高次谐波。如果偏移位置是固定的，则可以例如通过校准并且通过使用查找表(如在现有技术中所做的那样)来校正误差，但是由于在机械漂移的情况下偏移位置未知，因此这种技术不起作用。

参照图10(c)，相反，如果磁场具有均匀的梯度或更均匀的梯度，则这些高次谐波被抑制，并且梯度信号更好地接近没有高次谐波的真正的正弦和余弦信号。

通过环形磁体作为示例描述了本发明，但是本发明不限于此，并且也可以使用其他磁体。

图11示出了具有有着各种形状的凹槽的磁体的若干实施例。

图11(a)是如以上图1和图2所描述的四极环形磁体。所述磁体是具有圆柱形开口、并具有从内径延伸到外径的四个凹槽的环形磁体。

在变体(未示出)中，环形磁体的底部是封闭的，因此，此磁体可以看作是其中心具有圆柱形空腔、并且具有沿径向方向延伸的四个凹槽的盘形磁体。所述凹槽可以具有矩形横截面或其他横截面(例如椭圆形、梯形、两个矩形、三角形等)。

图11(b)是图11(a)的环形磁体的具有正方形外周边而不是圆形外周边的变体。

图11(c)是图11(c)的环形磁体的其中凹槽不从内径延伸到外径而是在约中间停止的另一变体。凹槽延伸超过半径的约60％或约70％或约80％或约90％的其他变体当然也将起作用。

图11(d)是图11(c)的环形磁体的不具有中心开口的另一变体。本实施例也可以称为具有凹槽的盘形磁体。

图11(e)是图11(d)的盘形磁体的其中凹槽不在整个直径上延伸而是仅在其一部分上延伸的变体。

图11(f)是图11(a)的环形磁体的具有六个极对而不是四个的变体。

其他变体也是可能的。

虽然在本发明的不同附图和不同实施例中解释了各个特征，但是可以设想，在阅读本文档时，可以组合不同实施例的特征，这对于技术人员来说是显而易见的。

附图标记

1.传感器系统

2.多极磁场发生器

3.传感器设备

4.周期性特征

5.轴线

6.两个相邻极之间的过渡部

7.环形磁体面向传感器设备的表面

8.环形磁体背离传感器设备的表面

11.角位置传感器

12.多极环形磁体

13.集成电路

14.凹槽

15.凹槽的深度