CN101416020A - 具有变磁化方向的位置传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转、直线或曲线运动磁性传感器，其使用彼此相对运动的至少一个永磁体和至少一个磁敏元件，其特征在于，磁体提供的磁化方向沿运动方向实质上线性地变化，以排除旋转传感器时径向磁化的情况。

Description

具有变磁化方向的位置传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有至少一个永磁体的磁性位置传感器领域。
本发明特别提出使用永磁体，其具有沿运动方向变化的磁化方向。
背景技术
基于磁场检测位置的传感器可提供多种优点：
·与运动部分之间没有机械接触，因此没有磨损；
·对灰尘不敏感；
·制造成本低；以及
·使用寿命长。
如有可能，消除某些磁性传感器中存在的缺点是有益的，例如因铁磁性部件以及永磁体的剩磁感应导致的磁滞(剩磁感应取决于温度变化并且在某些情况下必须被补偿，此外，长时间后剩磁感应将会因磁体的老化而不可逆地减小)。
在现有技术中，专利文献FR2691534公开了一种线性位置传感器，其所用磁体的总体尺寸和长度限制了传感器在长运行行程中的应用。这种传感器还具有因铁磁性定子导致的磁滞，并且测量精度取决于必须被补偿的剩磁感应。
专利文献US6211668也公开了一种线性位置传感器，这种传感器中的磁场变化与其各个尺寸直接相关，这限制了在长运行行程场合的实际应用。这种传感器还测量磁场强度，这导致其受永磁体的剩磁感应随温度和时间的变化的影响。
专利文献US6731108、US6960974和WO2004/015375也是现有技术中已知的。它们能够测量磁体相对于一或多个磁敏元件的线性运动。然而，对于运行行程范围大于20mm至25mm的实际应用，这些传感器要求采用沿着运行行程的各个部位安置的多个探头，因而会增加传感器的成本并且要求对探头精确定位。
发明内容
本发明提出了一种磁性运动传感器来弥补一些或全部上述问题，所述磁性运动传感器使用至少一个永磁体和至少一个磁敏元件来检测旋转、直线或曲线运动，所述永磁体和磁敏元件被安装成可彼此相对运动，所述磁性运动传感器的特征在于，磁体提供的磁化方向沿运动方向实质上线性地变化，磁体沿所述运动方向在由所述运动方向和法向限定的面上运动，以便在传感器为旋转传感器时排除径向磁化的情况。
优选地，所述磁体由这样的磁体构成，在磁体表面测量，所述磁体产生的磁场的法向分量(normal component，Y)，以及磁场的切向分量(tangential component，X)和磁场的横向分量(transverse component，Z)二者中的至少一个，在运动行程内以N个周期发生周期性变化，其中N为整数。
在优选实施方式中，本发明提供了一种具有长直线运行行程的传感器。为此，移动磁体被使用，其长度大致对应于工作行程，磁体的磁化大致线性地沿运动方向变化。在磁体附近，这种磁化产生的磁场的切向分量(X)、法向分量(Y)和横向分量(Z)在行程的大部分中相对于磁体是大致正弦的。分量Y和Z具有相同的相位，而分量X相位偏移的四分之一个周期。
如果分量X和Y是在围绕磁体的空间中的某个点测量的，则可以通过下面的公式确定磁体的线性位置：
x = arctan ( B x max B y max B y B x )
其中：
X为线性位置；
Bx为磁场的切向分量；
Bxmax为Bx的幅值；
By为磁场的法向分量；
Bymax为By的幅值。
在更一般的情况下，可以使用下面的公式：
x ( t ) = arctan ( B x max B yz max B yz B x )
其中：
x为线性位置；
Bx为磁场的切向分量；
Bxmax为Bx的幅值；
Byzmax为Byz的幅值，Byz＝ky·By+kz·Bz
其中：
By为磁场的法向分量；以及
Bz为磁场的横向分量。
在一般的情况下，基于一般来说幅值不同的所述两个分量对磁体线性位置进行解码(decoding)，需要被使用的两个分量彼此正则化(normalized)，这样才能计算反正切，以由此推导出线性位置。反正切和正则化功能可以由分设的元件实现，或者直接由探头(例如MELEXIS 90316)实现，该探头集成测量磁场的两个分量、计算反正切以及使磁场的两个分量正则化。通过适宜地选择探头的位置和方向，可以特别地设置成使得Bxmax和Byzmax具有大致相同的值。
在所提供的传感器中，可以获得与运动成比例的磁场角度。其通过下述方式而满足测量平面相对于磁化平面倾斜的要求：
By1＝By cos(θ)-Bz sin(θ)
Bx1＝Bx
其中：
Bx1和By1为磁感应在测量平面中的分量；
Bx为磁感应的切向分量；
By为磁感应的法向分量；
Bz为磁感应的轴向分量；以及
θ为探头的倾斜角度。
现在就可以应用相同的公式但采用测量平面中的磁场分量：
X = arctan ( g · B y 1 B x 1 )
其中：
X为被测量的直线或旋转运动；
Bx1和By1为测量平面中的磁感应的分量；以及
g为可补偿幅值差异的增益(gain)。
这种设置使得能够在反正切计算之前调节将被应用的增益。
如果测量平面中磁场的两个分量Bx1、By1相等，则这些信号代表具有四分之一周期相位差的两个正弦波，因此被测量磁场的角度随从于运动。
这样，通过调节倾斜角度θ，可以通过计算
Figure A200780012307D00082
的反正切来直接测量运动，而不需要为补偿幅值差异而应用任何增益。
在现有技术状态中，已知磁阻探头用来测量磁场的角度。这样的探头具有两个惠斯通电桥，对于足够的磁场幅值，所述电桥的输出只取决于磁场角度，基于下述公式：
VA＝S·cos(2α)
VB＝S·sin(2α)
其中：
α为磁场的角度；
VA为第一惠斯通电桥的输出电压；以及
VB为第二惠斯通电桥的输出电压。
特过使用下述公式，可以直接获得磁场方向，以及因此而获得运动：
α = 1 2 arctan ( V B V A )
这种传感器在实际应用中可以带有沿着轴线X运动、移经固定磁体的探头，或者使磁体运动而探头固定；前一种方案例如占据的空间较小，而后一种方案更容易组装。
本发明的优点首先在于所获得的运行行程：所述行程只取决于磁体的尺寸。测量的结果不取决于磁体的剩磁感应或其随温度的变化，从而避免了需要对温度变化进行补偿。经济上的益处为传感器结构简单(探头面对着磁体安装，如有必要安装在铁磁性磁轭上，可选地嵌装在其中)。由于对测量信号的处理对应于角度计算，因此可以使用通常用作角位置传感器的探头(例如MLX90316)，其中所有的非线性校正可被用于这样的传感器。如果分量X和Y被用于测量运动，则传感器对沿着轴线Y和Z的偏移不敏感(迟钝)，这在制造和使用(传感器的耐用性)方面非常有益，并且能够显著降低成本。
利用磁性传感器制造中的常用手段难以实现前述磁化。特别地讲，难以产生作为位置的函数转动的磁化磁场。为了弥补这一点，下面描述一种方法，其中利用柔性磁体可以实现这种类型的磁化，并能以简单且容易的方式实现。
永磁体在圆柱形支持体的外周被磁化，该支持体不具备磁特性(这也使得磁体容易操纵)。一般而言，所使用的永磁体是由稀土或铁素体混合柔性塑料粘合剂(或由非柔性磁体的可变形组件)构成的磁体。在最简单的情况下，其为各向同性磁体-这使得能够利用支持体的几何形状来引导磁力线。在磁化过程中应用的磁场是均匀的或近乎均匀的，这在适宜尺寸的线圈中容易获得。
磁体然后沿长度方向展开并展平。所获得的磁化随位置线性地变化，并且围绕磁体的磁场分量使得能够应用前述测量技术。
为了降低边缘效应，在一个优选实施方式中，可以将磁体安置在线圈中，以便一旦磁体被展开即在边缘具有沿轴线X的磁化。为了增加被测量磁场的幅值，然后可以将磁体安装在铁磁性磁轭上。
由线圈形式的磁体中获得的磁化可能相对于预期的理想磁化(例如完美的径向)存在角误差，这是由于磁力线在磁体表面处弯曲。为了校正这种缺陷，可以使用略微校正的磁化分布模式(例如椭圆形)，或者为传感器的输出应用非线性转移函数(transfer function)，这是一种已经在某些测量电路(例如MLX90316)中得到应用的选项。
上面针对线性位置传感器解释的一些问题也存在于旋转磁性传感器中。例如，不得不消除磁体的剩磁感应，这总是一个缺点。在某些情况下，磁敏元件偏离旋转轴线设置(例如，如果在具体应用中存在贯通轴)。在这种情况下，本发明提出的传感器的优点是这样获得的，即使用的磁体的长度大致等于工作运行行程的长度。具有长行程(接近于360°)的旋转传感器通常不能用于短行程(它们的精度不足)。本发明所能提供的优点在于，利用改造的磁化方法，磁化方向在整个工作行程中提供的变化接近于360°。
为了由前面描述的线性传感器产生角或曲线位置传感器，只要利用利用随从于传感器行程曲线的磁体的柔性就足够了。在这种情况下，例如，可以将磁体安装在磁轭上，磁轭的直径大于磁化支持体的直径。通过这种方式，可以使用相同的位置计算技术获得行程短于360°的角位置传感器，其中被测量的磁场转动接近于360°，这提高了传感器的解析度。
在某些被测量的行程位置预先未知的组装方法中，存在实际问题。通过使用本发明，能以简单的方式解决该问题。只要将磁体围绕磁化支持体卷绕多次就足够了。一旦被卷绕，它就具有多个磁化角周期。这使得能够获得沿着磁体长度重复多次的角行程。容易嵌入一或多个特殊部分(磁化周期或多或少地更长)。例如，这可以用于增量型传感器。自然，在所有这些情况下，可以通过使用多个磁体而获得相同的效果。
一种特别的组件配置通过使用在相同位置具有不同磁化的多个轨道而能够实现位置测量。
在另一实施方式中，可以使用两个探头，借助于磁体的对称性，在相同位置测量磁场相同的分量。这可以用于消除或减小外部磁场的影响。
利用本发明描述的原理来实现预期的磁化的另一种方式是，使用非柔性磁体的可变形组件，例如磁体胶结在可变形支持体上，这使得能够通过折叠支持体来实现磁化的变化。
附图说明
通过阅读下面参照附图所做的描述，本发明可被更好地理解，在附图中：
-图1示出了本发明限定的磁化；
-图2示出了由磁体和探头形成的传感器的实施方式；
-图3示出了本发明限定的磁化所获得的磁场；
-图4示出了传感器的另一实施方式，包括安装在铁磁性磁轭上的磁体；
-图5示出了本发明限定的方法，用于磁化线圈中的柔性磁体；
-图6示出了磁体是如何被展开的；
-图7示出了在两个点测量法向分量的传感器；
-图8示出了在两个点测量切向分量的传感器；
-图9示出了在单一的点利用两个探头测量切向分量和法向分量的传感器；
-图10示出了曲线传感器的实施方式；
-图11a和11b示出了用于旋转传感器的磁体，该传感器的工作运行行程接近于90°；
-图12示出了围绕磁化支持体卷绕四次的磁体；
-图13示出了图12中的磁体如何被安装于线性位置传感器中；
-图14示出了图12中的磁体如何被安装于旋转传感器中；
-图15示出了产生不同的长度的周期的磁化；
-图16示出了其磁体安装在曲线形支持体上的传感器；
-图17示出了具有三个磁体和三个探头的传感器；
-图18示出了冗余型传感器；
-图19示出了具有沿宽度方向弯曲的磁体的传感器的实施方式；
-图20示出了具有沿宽度方向弯曲的磁体的传感器的另一实施方式；
-图21示出了线性传感器的磁力线分布；
-图22示出了传感器的另一实施方式，具有行程末端铁磁性部件的；
-图23示出了传感器的另一实施方式，其中测量探头是倾斜的；以及
-图24和25示出了传感器的另一实施方式，其中使用了屏蔽体来抵抗外部磁场。
具体实施方式
图1示出了磁体(1)，其具有以矢量
Figure A200780012307D00121
表示的磁化，该矢量的方向在由运动方向X和垂直于运动方向的方向(法向)限定的平面内沿着磁体长度线性变化。可以看到，磁体内的磁场中的磁力线是非共线的，这构成了本发明的一个基本原理。
图2示出了传感器的最小结构：磁体(1)，其相对于探头(11)沿轴线X限定的运动方向(5)运动，轴线Y被定义为磁体表面的法向。
图3示出了在磁体(1)附近的点产生的切向、法向和横向分量。分量Y和Z具有相同相位，而分量X的相位偏移四分之一周期。
图4示出了磁体(1)安装在相对于探头(11)运动的铁磁性磁轭(2)上。
图5示出了磁化磁体(1)的方法，磁体围绕圆柱形的支持体(3)卷绕，该支持体不具有任何磁特性。所产生的组件被安置在产生大致均匀磁场的线圈(4)内。
图6示出了磁体(1)，其沿着轴线X(长度方向)展开，并且被展平以获得沿着受测运动变化的磁力线。
图7、8和9示出了上述传感器的改型，其中磁体(1)，可选地安装在铁磁性磁轭(2)上，具有相同类型的磁化，但包括至少两个磁敏元件(11和12)，从而可以实现相同磁场分量的相位偏移的(优选偏移四分之一周期)的检测，所述磁场分量为法向(图7)和/或横向、切向(图8)。图9示出了使用两个探头沿着轴线X和Y测量磁场的实施方式。
图10示出了磁体(1)安装在曲线形支持体(2)上的实施例，探头(11)在沿支持体的运行行程上测量分量X(切向分量)和分量Y(法向分量)。
图11a示出了在示于图5的支持体上磁化的磁体(1)。这样，磁化被限定在由运动方向(5)和与其垂直的方向(法向)形成的平面(70)内，该垂直的方向位于磁体(1)运动的平面内。磁体(1)安装在支持体(2)上，该支持体的直径为磁化支持体的四倍。磁化方向是非均匀的，并且周期等于磁体长度，其相当于转动通过90°，这限定了传感器的最大运行行程。
图11b示出了在示于图5的支持体上磁化的磁体(1)。在这个实施例中，磁化限定在面(70)中，该面为非平面，并且由运动方向(5)和与其垂直的方向(法向)限定，该垂直的方向垂直于磁体(1)运动的平面。
图12示出了磁体(1)，其围绕磁化支持体(3)卷绕多次。一旦被展开，其即具有多个磁化角周期(见图13)。例如，这使得能够获得重复多次的角运行行程(例如，4乘以90°)。图14显示了这样的技术，其中包括围绕支持体(2)卷绕、然后被安装在支持体(3)上磁体(1)的磁化。这在受测运行行程的位置预先未知的某些组装方法中是有用的。
图15示出了提供出多个磁化角周期的传感器。容易嵌入一或多个特殊部分(20)(磁化周期或多或少地更长)。例如，这可以用于增量式传感器。在所有这些情况下，自然可以利用多个磁体获得相同的结果。
在图16中，磁体(1)被安装在磁轭上或安装在弯曲或曲线形的支持体(2)上，以便获得由探头(11)测量的特定的磁场配置。
图17示出了一种传感器的实施例，其设有被不同地磁化的多个轨道，其中三个磁体(31)、(32)和(33)安装在同一支持体(2)上，探头(11)、(12)和(13)测量每个磁体的磁场。
图18示出了具有两个探头(11)和(12)的冗余型传感器，所述探头在相同位置测量磁场分量Z。这可以用于消除或减小外部磁场的影响。
图19示出了传感器的实施方式，其中磁体(1)沿宽度方向是弯曲的，安装在磁轭(2)上，探头(11)测量磁场的法向和切向分量。
图20示出了传感器的另一实施方式，其中磁体(1)沿宽度方向是弯曲的，安装在磁轭(2)上，并且磁轭可被用作屏蔽体(如果它是铁磁性的)。探头(11)测量磁场的法向和切向分量。
边缘效应可能会减小传感器的有效运行行程。它们的影响显示于图21中。可以看到，磁体(1)和布置在直线(62)上的敏感元件(11)之间具有一段距离，在该直线上，行程末端磁力线位于运动方向的切向。在这种情况下，所获得的运行行程基本上等于磁体(1)的长度。如果传感器(11)安置在太近的直线(63)或太远的直线(61)上，则磁力线不再垂直，并且因此必须缩短运行行程以便获得传感器的正确操作。
对于磁体的某些尺寸，所必须的距离可能太接近于磁体(1)，因而无法实现，或是距其太远，因而可被测量的磁场太弱。为了具有最佳运行行程，两个铁磁性部件(41)和(42)被有利地分别安置在的磁体(1)相应端，从而使得磁力线位于运动方向的切向，如示于图22。
通过这种方式可获得的最大理论行程等于磁体(1)的长度。实际中，需要计入测量探头(11)的影响。
在所提供的传感器中，可以获得与运动成比例的磁场角度，其满足相对于磁化平面的倾斜测量平面的要求，如示于图23。因此，通过调节探头(81)的倾斜角度θ，可以通过计算
Figure A200780012307D00141
而直接测量运动，而不需要施加增益来补偿幅值的差异。
通过使用某种类型的磁阻探头，可以通过使用下面的公式直接获得磁场方向，并因此而获得运动：
α = 1 2 arctan ( V B V A )
在图23中，探头(81)因此可以是霍尔效应探头或各向异性磁阻(AMR)探头。
可以以下述方式添加铁磁性屏蔽体(31)，即针对外部磁场磁绝缘传感器的磁敏部分(11)。屏蔽体(31)的实施例在图24和图25中给出。外部磁力线主要穿过屏蔽体(11)的铁磁性材料，这是因为铁磁性材料相对于空气而言具有低磁阻，并且不影响测量。

Claims (25)

1、一种磁性运动传感器，其使用至少一个永磁体和至少一个磁敏元件来检测旋转、直线或曲线运动，所述永磁体和磁敏元件被安装成可彼此相对运动，所述磁性运动传感器的特征在于，磁体提供的磁化方向沿运动方向实质上线性地变化，其中磁体沿所述运动方向在由所述运动方向和法向限定的面上运动，以排除传感器为旋转传感器时径向磁化的情况。
2、根据权利要求1的磁性运动传感器，其特征在于，所限定的面为平面。
3、根据权利要求2的磁性运动传感器，其特征在于，所述永磁体是这样的磁体，在磁体表面测量，磁体产生的磁场的法向分量(Y)，以及磁场的切向分量(X)和磁场的横向分量(Z)二者中的至少一个，在运动行程内以N个周期进行周期性变化。
4、根据权利要求3的磁性运动传感器，其特征在于，磁体表面处产生的磁场的变化周期数N为整数。
5、根据权利要求3的磁性运动传感器，其特征在于，磁体表面处产生的磁场的变化周期数N等于1。
6、根据权利要求3、4或5的磁性运动传感器，其特征在于，在所述法向分量(Y)中，以及在所述切向分量(X)和横向分量(Z)二者中的至少一个中，所出现的变化是正弦形式的。
7、根据权利要求6的磁性运动传感器，其特征在于，法向分量(Y)和横向分量(Z)以相同的相位变化，切向分量(X)相位偏移四分之一个周期。
8、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，所述运动为直线运动。
9、根据权利要求1至6中任一的磁性运动传感器，其特征在于，所述运动为旋转运动，其行程不同于360°±5°。
10、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，所述运动为曲线运动。
11、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁体安装在铁磁性磁轭上。
12、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁体嵌在铁磁性磁轭中。
13、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁体由柔性材料制成。
14、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁体由多个非柔性磁体的离散的、可变形的组件构成。
15、根据权利要求8-10中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁体安装在弯曲或曲线形支持体上。
16、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，设有至少两个磁敏元件，用于测量在运动方向的切向上的磁场分量，以及测量磁场沿运动方向的法向分量和横向分量的线性组合。
17、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，还包括用于处理信号的电路，其使用来自至少两个磁敏元件的彼此相位偏移90°的两个电信号执行反正切计算。
18、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，通过用于处理信号的电路来调节两个信号的增益，用于对角度进行解码处理。
19、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，通过用于处理信号的电路来对转移函数进行非线性编程。
20、根据权利要求14的磁性运动传感器，其特征在于，磁场的测量、增益的调节、反正切解码的计算被集成在单一的公共壳体中。
21、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，包括多个磁体，它们限定出多个轨道，每个磁体的磁化方向沿运动方向连续地变化。
22、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，磁化方向在受测的运行行程中具有多个周期。
23、根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器，其特征在于，具有至少两个不同长度的磁化周期。
24、用于制造根据前述权利要求中任一的磁性运动传感器的方法，其特征在于，围绕实质上圆柱形支持体卷绕磁体，使磁体经历实质上均匀的磁场的作用，然后基于预期的运动成形磁体。
25、根据权利要求14的用于制造磁性运动传感器的方法，其特征在于，围绕实质上圆柱形支持体卷绕非柔性磁体的离散组件，使磁体经历实质上均匀的磁场的作用，然后基于预期的运动成形磁体。
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