專利名稱：行程達(dá)360°的磁角位置傳感器的制作方法
行程達(dá)360。的磁角位置傳感器
本發(fā)明涉及角度可達(dá)360。的磁旋轉(zhuǎn)位置傳感器領(lǐng)域，更具體地講，涉 及用于測(cè)量車輛轉(zhuǎn)向柱角位置的位置傳感器，但是這種應(yīng)用并不是唯一的。
根據(jù)磁場(chǎng)來(lái)探測(cè)角度的傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)
和運(yùn)動(dòng)部件沒(méi)有機(jī)械接觸，所以沒(méi)有磨損， 對(duì)臟污不靈敏， 制造成本低， 使用壽命長(zhǎng)。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道存在描述旋轉(zhuǎn)傳感器的專利EP1083406，該傳 感器具有環(huán)形磁體和二個(gè)磁敏元件，測(cè)量由磁鐵所生磁場(chǎng)的徑向分量并生
成二個(gè)方波正弦信號(hào)，這些信號(hào)在解碼后被用來(lái)在360°范圍上探測(cè)位置。
這個(gè)方案的缺點(diǎn)是存在兩個(gè)探頭，這樣就可能由于一個(gè)探頭相對(duì)于另 一個(gè)探頭的位置不正確而引起測(cè)量誤差。另外，存在二個(gè)空間偏離90°的集 成電路也使該傳感器的最終成本增加，因?yàn)橛∷㈦娐繁砻鎱^(qū)域可能很大， 接點(diǎn)數(shù)目會(huì)增加。
在現(xiàn)有技術(shù)中還知道存在能在一個(gè)位置上測(cè)量磁場(chǎng)的兩個(gè)分量的探頭 (霍爾效應(yīng)探頭，譬如Melexis制造的MLX90316或者磁致電阻探頭。)
在現(xiàn)有技術(shù)中還知道存在專利US06316935，描述能夠旋轉(zhuǎn)360°的位置 傳感器(見(jiàn)

圖1)，用磁致電阻探頭來(lái)確定基本沿直徑方向磁化的圓盤磁鐵 的角位置。在該專利中，對(duì)該磁鐵所生磁場(chǎng)的方向敏感的磁致電阻探頭位 于該磁鐵下面，而且基本就在旋轉(zhuǎn)軸上。該探頭測(cè)量該磁鐵旋轉(zhuǎn)軸上的磁 場(chǎng)的Bx和By分量(見(jiàn)圖2)。磁鐵和探頭的這種結(jié)構(gòu)限制了該傳感器的 使用。這是因?yàn)?，在采用旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量具有通軸的系統(tǒng)(譬如轉(zhuǎn)向柱) 的角位置的情況下，這種磁鐵和探頭結(jié)構(gòu)是不可能被采用的，其原因是轉(zhuǎn)
向柱的尺寸使它無(wú)法給它的旋轉(zhuǎn)軸上的磁致電阻元件定位。
本發(fā)明提出解決上述問(wèn)題的方法是，設(shè)法使用在沿直徑方向磁化的環(huán) 形磁鐵或圓盤磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸之外的單個(gè)點(diǎn)上(用物理術(shù)語(yǔ)講，如果磁場(chǎng)分
量的測(cè)點(diǎn)之間的距離小于5mm，就認(rèn)為測(cè)量在單個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行。)同時(shí)測(cè)得 的兩個(gè)磁場(chǎng)分量(徑向的和切向的，或者說(shuō)軸向的和切向的)來(lái)確定它的 角位置，盡管這個(gè)角與磁場(chǎng)角并不對(duì)應(yīng)(注意只有當(dāng)測(cè)量在這同一個(gè)磁 體的軸上進(jìn)行時(shí)，磁場(chǎng)的方向才會(huì)與磁鐵的角位置"對(duì)正")。所以，下面描 述的解決方案就是要能夠降低傳感器的成本并提高測(cè)量的可靠性，同時(shí)以 有利方式使它適應(yīng)不同的幾何結(jié)構(gòu)，特別是設(shè)備具有通軸的情況。
如果我們考慮沿直徑方向磁化的環(huán)形或圓盤磁鐵周圍空間內(nèi)的任何 點(diǎn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)由這個(gè)磁鐵所生磁場(chǎng)的徑向分量和軸向分量是兩個(gè)同相的正 弦曲線，而切向分量則是與該磁場(chǎng)的兩個(gè)其他分量的相角相差90°的正弦曲 線(見(jiàn)圖3)。所以，能夠利用該磁場(chǎng)的相角相差卯。的一對(duì)分量(切向和 徑向分量或者切向和軸向分量)并采用如下公式來(lái)解碼該磁鐵的角度
其中a是旋轉(zhuǎn)角；F,是磁場(chǎng)的徑向或軸向分量；Fu^是^的幅值； F2是磁場(chǎng)的切向分量；^nax是K的幅值。
根據(jù)這兩個(gè)幅值通常不同的分量對(duì)磁鐵的角位置進(jìn)行解碼，需要對(duì)所 用的兩個(gè)分量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才能夠執(zhí)行反正切計(jì)算而從中導(dǎo)出角度。 這些解碼和標(biāo)準(zhǔn)化功能或者通過(guò)獨(dú)立的元件(4)進(jìn)行，或者通過(guò)直接由將 兩個(gè)磁場(chǎng)分量的測(cè)量、該角度的解碼以及這兩個(gè)磁場(chǎng)分量的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)合到
一起的探頭(譬如MLX90136)進(jìn)行。
經(jīng)濟(jì)上有利的方法是采用單個(gè)SMD (表面安裝器件)類型的集成電路， 其印刷電路表面區(qū)域比采用磁鐵周圍相隔90。排列的兩個(gè)探頭的情況小得多。
在優(yōu)選實(shí)施例中，磁致電阻元件包括至少一對(duì)其靈敏度軸相互平行的 磁致電阻傳感器，這一對(duì)傳感器由垂直于上述靈敏度軸的鐵磁磁軛實(shí)現(xiàn)磁
耦合，上述磁軛被安裝在和該旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上，或者被安裝在和穿過(guò)
旋轉(zhuǎn)軸的平面相平行的平面上。作為示例方法，磁敏元件可以包括Melexis 生產(chǎn)的、帶有組合磁通集中器的探頭MLX90136，該探頭包括4個(gè)共面?zhèn)?感器(所以，靈敏度軸是平行的)。這4個(gè)霍爾元件位于構(gòu)成磁軛的鐵磁 圓盤邊緣之下。它們?cè)诳臻g上相隔90。。磁場(chǎng)在(具有高相對(duì)磁導(dǎo)率的)鐵 磁圓盤的附近彎曲。磁力線垂直于磁通集中器的表面，而且它們穿過(guò)霍爾 元件，所以能夠測(cè)量該探頭平面內(nèi)的兩個(gè)磁場(chǎng)分量。而且，因?yàn)榇帕€在 鐵磁圓盤附近被集中，所以由這些霍爾元件測(cè)量的磁場(chǎng)被放大。每個(gè)軸(X 軸和Y軸，或者X軸和Z軸)上的霍爾元件被連接到能夠提供這兩個(gè)霍爾 元件的(用來(lái)抵消該磁場(chǎng)軸向分量的)電壓差的信號(hào)處理電路，該電壓差 則由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大和采樣。該數(shù)字信號(hào)處理電路將每個(gè)分量乘以一 個(gè)可編程增益(這樣就能夠獲得幅值基本相等的正弦曲線)并在執(zhí)行除法 和反正切計(jì)算之前(針對(duì)探頭參數(shù)中與溫度相關(guān)的偏移、正交性、波動(dòng)) 進(jìn)行各種補(bǔ)償。舉例來(lái)說(shuō)，在集成電路的輸出中能夠以正比于角度的電壓 形式得到這個(gè)角度。
本發(fā)明以有利的形式采用由具有直徑方向各向異性的塑性鐵磁體來(lái)制 造的環(huán)形磁鐵，這樣就能夠用最低的可能成本獲得很好的性能。而且，使 用具有各向異性的磁鐵有助于磁化過(guò)程。這是因?yàn)閭鞲衅鞯男阅?輸出信
號(hào)的線性度)直接取決于能否獲得良好的沿直徑方向的磁化。也可以使用 各向同性磁鐵，但是用來(lái)使磁鐵獲得沿直徑方向的"良好"磁化的磁化過(guò)程卻 比較復(fù)雜。這是因?yàn)椋刂睆椒较虼呕h(huán)形磁鐵所必須的磁化磁場(chǎng)雖然很 容易由通電的簡(jiǎn)單線圈來(lái)獲得，但卻由于空氣和要被磁化的材料之間的磁 導(dǎo)率不同而使磁力線彎曲，其彎曲程度與兩種介質(zhì)之間的邊界折射率有關(guān)， 其關(guān)系如下
tan(o;,) 一 A/ri tan("2) 〃a
這種彎曲轉(zhuǎn)化為非直徑方向的材料磁化，所以就轉(zhuǎn)化為圖IO所示的兩 個(gè)所測(cè)分量的變形。正如同一圖10所示，這兩個(gè)信號(hào)不是兩個(gè)相角相差90°
的正弦曲線，在解碼相角的過(guò)程中，這會(huì)轉(zhuǎn)化成相當(dāng)可觀的非線性，圖10
還顯示了根據(jù)該磁場(chǎng)的兩個(gè)分量解碼所得的信號(hào)。
在各向同性材料的情況下，為了糾正和補(bǔ)償磁鐵內(nèi)部磁力線的、導(dǎo)致 "不良"直徑方向磁化的這種彎曲，磁鐵的外形就不采用圓形，而是選用基本 為橢圓的形狀(見(jiàn)圖11)。
在使用探頭MLX90316時(shí)，也能夠按照特別補(bǔ)償非線性誤差的方式為 這種探頭編程。補(bǔ)償是通過(guò)對(duì)整個(gè)傳感器范圍的不同增益進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。在這種編程情況下，圖12顯示了如下內(nèi)容
由非線性傳遞函數(shù)解碼所得的信號(hào)；
已解碼信號(hào)的非線性。
在各向同性磁鐵或具有徑向各向異性的磁鐵的情況下，也能夠采用在 該磁鐵外圍服從正弦規(guī)律的徑向磁化方法來(lái)漸進(jìn)磁化磁鐵。這種磁化方式 能夠避免由于磁力線折射所引起的磁化方向的誤差，而在沿直徑方向磁化 的情況下確實(shí)會(huì)出現(xiàn)這種誤差。
在需要輸出信號(hào)冗余的應(yīng)用情況下，自然可以設(shè)想通過(guò)使用相對(duì)于旋
轉(zhuǎn)軸而言和第一測(cè)點(diǎn)有角度偏移的第二測(cè)點(diǎn)來(lái)使系統(tǒng)變成雙份。最好能夠
具有兩個(gè)相似的外殼，每個(gè)外殼將兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量和解碼組合到一起，一
個(gè)信號(hào)是切向的，另一個(gè)信號(hào)來(lái)自徑向和軸向分量的組合，對(duì)這兩個(gè)信號(hào)
都做了特別的增益調(diào)節(jié)，以便提供兩個(gè)獨(dú)立的角位置信號(hào)。
在對(duì)與旋轉(zhuǎn)幾圈的方向盤相聯(lián)的轉(zhuǎn)向柱位置進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用情況中，
可以看出，必須測(cè)量大于360。的行程。這時(shí)，能夠采用根據(jù)本發(fā)明的傳感 器并通過(guò)將它和運(yùn)動(dòng)減速器相聯(lián)來(lái)將幾圈范圍的旋轉(zhuǎn)減少到傳感器內(nèi)小于 或等于l圈的旋轉(zhuǎn)。
參考下述附圖可以更好地理解本發(fā)明
圖1表示沿直徑方向磁化的圓盤磁鐵所產(chǎn)生的磁力線，
圖2表示位于磁鐵旋轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)(圖1所示的0點(diǎn))上的3個(gè)磁感 圖3表示位于磁鐵旋轉(zhuǎn)軸外的點(diǎn)上的3個(gè)磁感應(yīng)分量， 圖4表示本發(fā)明的總體視圖，
圖5表示采用徑向和切向感應(yīng)分量的旋轉(zhuǎn)傳感器的視圖，
圖6表示位于圖5所示結(jié)構(gòu)空間內(nèi)任何點(diǎn)上的3個(gè)磁感應(yīng)分量(測(cè)
點(diǎn)位于磁鐵的中平面)，
圖7表示采用軸向和切向感應(yīng)分量的旋轉(zhuǎn)傳感器的視圖，
圖8表示對(duì)相對(duì)磁導(dǎo)率(p》等于1的材料磁化后的磁鐵內(nèi)部的磁
力線，
圖9表示對(duì)相對(duì)磁導(dǎo)率(n》等于1.2的材料磁化后的磁鐵內(nèi)部的磁 力線，
圖IO表示在沿"直徑方向"磁化的各向同性圓環(huán)磁鐵上測(cè)得的信號(hào)的 徑向和切向磁感應(yīng)分量以及非線性特性，
圖ll表示在沿"直徑方向"磁化的各向同性的、具有基本橢圓外形的 磁鐵上測(cè)得的信號(hào)的徑向和軸向磁感應(yīng)分量以及非線性特性，
圖12表示在各向同性磁鐵上測(cè)得的、采用非線性傳遞函數(shù)解碼的信
號(hào)，
圖13表示具有漸進(jìn)徑向磁化的磁鐵， 圖14表示磁鐵周圍空間內(nèi)任意點(diǎn)上的3個(gè)磁感應(yīng)分量， 圖15表示根據(jù)本發(fā)明的、帶有減速器以便用于多圈應(yīng)用場(chǎng)合的傳感 器組合，
圖16表示位于磁通集中器邊緣的4個(gè)霍爾元件， 圖17表示存在磁通集中器情況下的磁力線，
圖18表示采用4個(gè)霍爾元件和磁通集中器的探頭的信號(hào)處理框圖，
圖19和圖20表示根據(jù)本發(fā)明的、磁鐵為磁瓦的第二實(shí)施例，
圖21表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中包含磁敏元件的探頭位于
空心圓柱磁鐵的內(nèi)部，
圖22、圖23和圖26表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中探頭與屏
蔽外部磁場(chǎng)的屏蔽罩相連接，
圖24和圖25表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中該傳感器與軸承 相連接。
圖1表示采用沿直徑方向磁化的圓盤磁鐵所獲得的典型磁力線。磁力 線被畫在通過(guò)磁鐵中心的、與磁鐵磁化方向共線的平面上。在圖2和圖3 中，對(duì)位于磁鐵旋轉(zhuǎn)軸上的測(cè)點(diǎn)和位于比磁鐵外軸半徑更大的半徑上的測(cè) 點(diǎn)，畫出了徑向(Bx)、切向(By)和軸向(Baxial)磁感應(yīng)分量。圖2 表示，在軸上某點(diǎn)，作為磁鐵旋轉(zhuǎn)度的函數(shù)的磁感應(yīng)分量X和Y幅值相等， 軸向分量為0，與在磁鐵上方的位置無(wú)關(guān)。從圖3可以看出，3個(gè)磁感應(yīng)分 量都不為0，徑向和軸向分量同相，而切向分量與其他兩個(gè)分量在相角上相 差90。。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的傳感器，包括基本上徑向磁化的環(huán)形永久磁鐵 (1);這個(gè)磁鐵在空間任何一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)具有由兩個(gè)磁敏元件測(cè) 量的徑向或軸向分量(3)以及切向分量(2)，測(cè)量元件的信號(hào)經(jīng)由對(duì)這 兩個(gè)分量執(zhí)行解碼和標(biāo)準(zhǔn)化的處理元件(4)加以處理，以便輸出一個(gè)正比 于該磁鐵角位置的電氣信號(hào)。
圖5表示用作轉(zhuǎn)向柱傳感器的傳感器結(jié)構(gòu)，利用磁鐵(1)產(chǎn)生的磁場(chǎng) 的徑向和切向分量。這種結(jié)構(gòu)采用沿直徑方向磁化的、被直接安裝到轉(zhuǎn)向 柱或者驅(qū)動(dòng)軸(5)上的環(huán)形磁鐵。探頭平面按照有利的方式被定位成和該 磁鐵的對(duì)稱平面共面，以便在出現(xiàn)探頭(6)定位誤差的情況下能夠限制該 磁場(chǎng)的軸向分量的影響。這是因?yàn)?，?duì)于這種特定的結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)的軸向分 量是O，所以，即使探頭沒(méi)有被正確定位，該探頭測(cè)得的軸向分量在切向分 量上的投影也會(huì)是O。在這種特定的結(jié)構(gòu)中，采用的探頭將兩個(gè)磁場(chǎng)分量測(cè) 量值的集成、兩個(gè)分量的標(biāo)準(zhǔn)化以及基于相角相差卯。的兩個(gè)信號(hào)的角度解 碼組合到一起。根據(jù)一個(gè)希望的變體形式，該磁鐵被直接粘接到轉(zhuǎn)向柱。
圖7表示用作轉(zhuǎn)向柱傳感器的傳感器結(jié)構(gòu)，利用磁鐵(1)產(chǎn)生的磁感 應(yīng)的軸向和切向分量。對(duì)這種結(jié)構(gòu)，不存在會(huì)導(dǎo)致徑向分量被明顯抵消的 探頭位置，而在探頭(4)定位不良的情況下，這種抵消會(huì)產(chǎn)生一定的切向
分量，從而造成輸出信號(hào)的失真。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，探頭的位置將按有利的 方式加以選擇，以便將徑向分量降低到最小，同時(shí)維持其他兩個(gè)分量具有 最優(yōu)幅值。在這種特定的結(jié)構(gòu)中，采用的探頭將兩個(gè)磁場(chǎng)分量測(cè)量值的集
成、兩個(gè)分量的標(biāo)準(zhǔn)化以及基于相角相差90。的兩個(gè)信號(hào)的角度解碼組合到一起。
圖8表示在為了獲得沿直徑方向的磁化而進(jìn)行磁化后，具有相對(duì)磁導(dǎo)
率等于l (Hr=l，就如空氣一樣)的環(huán)形磁鐵的內(nèi)部和外部的磁力線。磁 力線穿過(guò)磁鐵而不發(fā)生任何變形，這樣就能夠得到正確的沿直徑方向的磁 化。
圖9表示具有相對(duì)磁導(dǎo)率等于1.2的環(huán)形磁鐵在磁化后的內(nèi)部和外部的 磁力線。磁力線在穿過(guò)磁鐵時(shí)發(fā)生了變形，該變形是由于空氣的相對(duì)導(dǎo)磁 率(n,l)和磁鐵的相對(duì)導(dǎo)磁率(在本情況下是^=1.2)的差引起的。所 以，磁力線的這個(gè)偏差就轉(zhuǎn)化為沿直徑方向的不良磁化。為了解決這個(gè)問(wèn) 題，當(dāng)然可以采用具有希望磁化方向的各向異性磁鐵。在各向同性磁鐵情 況下，將會(huì)很難獲得沿直徑方向的良好磁化，這樣就會(huì)導(dǎo)致圖IO所示的結(jié) 果。為了糾正并補(bǔ)償這種磁化誤差，可以采用基本上為橢圓外形的磁鐵。 在這種磁鐵上測(cè)量的感應(yīng)分量如圖ll所示。在由于磁力線折射率的差別， 而且也由于測(cè)量間隙的變化所造成的非線性特性方面，可以看出明顯的改 進(jìn)。
在采用各向同性環(huán)形磁鐵的情況下，會(huì)由于磁化過(guò)程中磁鐵表面的磁 力線折射而產(chǎn)生不良的直徑方向磁化，這時(shí)，如果采用可編程探頭對(duì)非線 性傳遞函數(shù)進(jìn)行編程，就能夠部分地補(bǔ)償該信號(hào)的非線性(見(jiàn)圖12)。
在采用各向同性磁鐵或者具有徑向各向異性的磁鐵的情況下，圖13表 示在1圈范圍內(nèi)的剩余磁化強(qiáng)度具有正弦變化的環(huán)形磁鐵。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 圖14所示的信號(hào)。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明的傳感器，和與減速器輸出相連的環(huán)形磁鐵被組 合到一起，以便測(cè)量位于該減速器輸入端的元件的大于360。的行程。舉例 來(lái)說(shuō)，這可以被用于轉(zhuǎn)向柱需要在幾圈范圍內(nèi)探測(cè)方向盤角位置的情況。
圖15的示例表示和行星齒輪減速器相連的傳感器，不過(guò)，只要所形成的組 合能夠適用于該應(yīng)用情況，可以使用任何其他減速系統(tǒng)。
圖16表示磁通集中器(19)和位于元件(19)邊緣下方并間隔90°的4 個(gè)霍爾元件(15、 16、 17和18)。每個(gè)霍爾元件(15、 16、 17和18)有 一根沿Z軸走向的、垂直于磁通集中器(19)的XOY平面的探測(cè)軸。元件 15和16測(cè)量沿X軸的磁感應(yīng)，元件17和18測(cè)量沿Y軸的磁感應(yīng)。4個(gè) 元件(15、 16、 17和18)和磁通集中器(19)的磁軛(19)被安裝在封裝 該組件以便形成單個(gè)部件的外殼內(nèi)。
圖17表示存在磁通集中器(19)時(shí)在沿和X軸及Y軸之一垂直的截 面上的磁力線。磁力線彎曲穿過(guò)霍爾元件(17)和(18)，并變得垂直于 該集中器表面。
圖18表示信號(hào)處理框圖。信號(hào)Vx和Vy從霍爾元件15(提供信號(hào)Vzl)、 16 (提供信號(hào)V^)和17 (提供信號(hào)VJ 、 18 (提供信號(hào)Vz4)獲得。它 們的差被增益模塊(21)(包括電子增益和鐵磁集中器19的增益)放大， 經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)而到達(dá)數(shù)字信號(hào)處理模塊(23):該模塊執(zhí)行對(duì)所 測(cè)振幅的校正，并提供輸出信號(hào)(V。ut)。
在圖19和圖20中，磁鐵(1)是沿直徑方向磁化的圓柱磁瓦。這種沿 直徑方向的定向能夠描述無(wú)窮多個(gè)相對(duì)于磁瓦(1)的方向。圖19和圖20 是這種磁化所釆取的方向的兩個(gè)示例。在圖19中，相對(duì)于磁鐵(1)的中 心而言，磁化是徑向的，而在圖20中是切向的。所以，這些示例沒(méi)有構(gòu)成 任何實(shí)質(zhì)性的限制。
圖21表示第二實(shí)施例，其中探頭(6)位于構(gòu)成圓環(huán)的圓柱或空心磁 鐵(1)的內(nèi)部。事實(shí)上，如果容納傳感器的系統(tǒng)尺寸需要如此，讓探頭(6) 這樣放置可能是有利的。
圖22和圖23表示本發(fā)明所描述的、與屏蔽外部磁場(chǎng)的屏蔽罩(81) 相連的傳感器。事實(shí)上，如果該傳感器要被用于受到污染的環(huán)境，保證對(duì) 外部信號(hào)不靈敏是有利的。在圖22中，磁鐵(1)被安裝在鐵磁磁軛(71) 上，而磁軛本身又被安裝在軸(5)上。探頭(6)位于磁鐵(1)的前方，
其方向能夠測(cè)量該磁場(chǎng)的切向和徑向分量。它被屏蔽罩(81)包圍，屏蔽 罩則按照非限定性示例方式采用通常用于這種功能的材料來(lái)制造，譬如具 有高磁導(dǎo)率的合金。由于探頭(6)對(duì)軸向磁場(chǎng)不靈敏，所以屏蔽罩(81) 最好沿磁鐵平面位于探頭(6)周圍。在圖23中，可以看到與相同傳感器 相連的相同屏蔽功能，但是探頭(6)的安裝方式能夠測(cè)量該磁場(chǎng)的切向和 軸向分量。在這個(gè)實(shí)施例中，由于探頭(6)對(duì)徑向磁場(chǎng)不靈敏，所以屏蔽 罩(81)最好沿和磁鐵(1)相切的平面位于探頭周圍。按照這種方式放置， 屏蔽罩(81)就能夠保證在測(cè)量過(guò)程中對(duì)外部磁場(chǎng)不靈敏。在圖22和圖23 中，屏蔽罩(81)擁有小尺寸的摺疊薄板形式。
圖22和圖23所示的屏蔽罩(81)是一種有益的解決方案，可以使尺 寸最小，但并非限定如此。熟悉該技術(shù)的人員所了解的所有屏蔽手段無(wú)疑 都能夠和該位置傳感器組合到一起。譬如說(shuō)，在圖26中，屏蔽罩(81)用 一個(gè)環(huán)表示，完全包圍由磁鐵(1) +探頭(6)構(gòu)成的組件。
由于根據(jù)本發(fā)明的傳感器按照非限定性方式特別適合于包含通軸的應(yīng) 用場(chǎng)合，所以能夠設(shè)想將該傳感器放置在緊挨軸承(譬如滾珠軸承)的位 置。圖24和圖25表示本發(fā)明所描述的、和滾珠軸承相連的傳感器的兩個(gè) 實(shí)施例。圖24的探頭(6)對(duì)切向和軸向磁場(chǎng)靈敏，而圖25中的探頭(6) 對(duì)切向和徑向磁場(chǎng)靈敏。在這兩種情況下，滾珠軸承(91)位于該傳感器 附近，以便形成緊湊的組件。在理想情況下，磁鐵(1)和傳感器的尺寸， 以及敏感元件的位置，都應(yīng)當(dāng)根據(jù)軸承(91)尺寸以及包括該傳感器和軸 承(91)的組件的總體尺寸加以選擇。
權(quán)利要求
1、一種包含運(yùn)動(dòng)部件的角位置傳感器，該運(yùn)動(dòng)部件包括至少一個(gè)基本為圓柱形的、圍繞其軸旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵(1)、至少二個(gè)磁敏元件(2，3)以及至少一個(gè)處理電路(4)，該處理電路提供與該運(yùn)動(dòng)部件的絕對(duì)位置相關(guān)的信號(hào)，其特征在于，磁敏元件(2，3)基本位于同一點(diǎn)，并且測(cè)量磁場(chǎng)的切向分量以及磁場(chǎng)的徑向和/或軸向分量，以提供二個(gè)相角基本相差90°的正弦信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的磁位置傳感器，其特征在于，包括至少一個(gè)磁通 集中元件和二對(duì)磁敏元件，這些磁敏元件的靈敏度軸相互平行，上述諸元 件的位置靠近垂直于上述平行靈敏度軸的磁軛的外圍，上述諸元件中的二 個(gè)元件測(cè)量該磁場(chǎng)的徑向和/或軸向分量，另外二個(gè)元件測(cè)量該磁場(chǎng)的切向 分量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的磁位置傳感器，其特征在于，為了提供相角相差 卯。的兩個(gè)信號(hào)，這些磁敏元件所提供的信號(hào)被每?jī)蓚€(gè)一組加以組合。
4、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處 理電路(4)采用相角相差90°的、來(lái)自至少兩個(gè)磁敏元件的兩個(gè)電信號(hào)進(jìn) 行反正切計(jì)算。
5、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處 理電路(4)允許調(diào)節(jié)用于解碼該角度的兩個(gè)信號(hào)的增益。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的磁位置傳感器，其特征在于，磁場(chǎng)的測(cè)量、增益 的調(diào)節(jié)以及反正切解碼的計(jì)算被集成到同一個(gè)外殼之中。
7、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，永久磁鐵(1) 是空心圓柱。
8、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁敏元 件基本上位于該磁鐵的中平面。
9、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，永久磁鐵(l) 粘接到要測(cè)量其位置的旋轉(zhuǎn)軸。
10、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，永久磁鐵 (1)被粘接到鐵磁磁軛。
11、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，該永久磁 鐵基本上沿直徑方向磁化。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求1至10中任一個(gè)的磁位置傳感器，其特征在于， 永久磁鐵(1)是基本上沿直徑方向磁化的磁瓦。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求1至10中任一個(gè)的角位置傳感器，其特征在于, 該磁鐵在一圈范圍內(nèi)具有漸進(jìn)的正弦磁化。
14、 根據(jù)前任一述權(quán)利要求的磁位置傳感器，其特征在于，信號(hào)處理 電路(4)允許傳遞函數(shù)的非線性編程。
15、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，包括測(cè)量 由該磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)的徑向和切向分量的探頭。
16、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，包括測(cè)量 由該磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)的軸向和切向分量的探頭。
17、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，該磁鐵用 各向異性材料制造，而且具有基本上為圓形的外部形狀。
18、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，該磁鐵用 各向同性材料制造，而且具有基本上為橢圓的外部形狀。
19、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，其行程小 于或等于360°。
20、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，與運(yùn)動(dòng)減速器相關(guān)聯(lián)， 其特征在于，該磁鐵被固定到該減速器的輸出。
21、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的角位置傳感器，其特征在于，包括對(duì)磁 場(chǎng)進(jìn)行屏蔽的裝置。
22、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的角位置傳感器，其特征在于，該屏蔽裝 置在所述磁敏元件附近擁有摺疊薄板的形狀。
23、 根據(jù)權(quán)利要求21的角位置傳感器，其特征在于，該屏蔽裝置具有 圓柱環(huán)的形狀。
24、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的角位置傳感器，其特征在于，與機(jī)械軸 承部件相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包含運(yùn)動(dòng)部件的角位置傳感器，該運(yùn)動(dòng)部件包括至少一個(gè)基本為圓柱形的、圍繞其軸旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵(1)、至少二個(gè)磁敏元件(2，3)以及至少一個(gè)處理電路(4)，該處理電路提供與該運(yùn)動(dòng)部件的絕對(duì)位置相關(guān)的信號(hào)，其中，磁敏元件(2，3)基本位于同一點(diǎn)，并且測(cè)量磁場(chǎng)的切向分量以及磁場(chǎng)的徑向和/或軸向分量，以提供二個(gè)相角基本相差90°的正弦信號(hào)。
文檔編號(hào)G01D5/14GK101384883SQ200680051074
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者D·弗拉商, N·葉蘭斯 申請(qǐng)人:移動(dòng)磁體技術(shù)公司