CN101568804B - 传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括磁体(2)、磁场传感器(3)和可扭转或可旋转支杆(4)的传感器装置(1)，其特征在于磁体(2)放置于磁场传感器(3)的下侧并且可扭转或可旋转支杆(4)放置于磁场传感器(3)的上侧，其中支杆(4)包括与磁场传感器的平面形成倾角的下表面(6)。

Description

传感器
技术领域
本发明涉及特别是磁阻效应传感器的传感器装置，更确切地说是基于各向异性磁阻(AMR)的传感器。
背景技术
基于AMR技术的角度传感器根据已有技术由包含磁感应元件和产生外部磁场的外部永磁构造的组件构成，其中磁感应元件由镍铁合金制成并且能够测量外部磁场的方向。永磁体附接在其角度有待测量的机构上。改变机构的方位即改变了永磁体的方向从而改变了由传感器测量的磁场的方向。永磁体必须产生足够强的磁场来使得感应材料内部的磁场强度方向充分地平行于外部磁场。
针对AMR元件可以将阻抗表示为R＝R0+ΔR0*cos2α，其中R0是元件的基本阻抗，ΔR0是由于AMR效应引起的最大阻抗变化量，以及α是磁场强度的方向与流经该元件的电流方向之间的夹角。项cos2α用于确定角度传感器中的磁场角度。由于这个项可以表示为(cos2α+1)/2，很显然传感器的输出取决于双倍的磁场角度。对大于180°的磁场角度来说此项成为重复性的。因此，利用此机制的AMR角度传感器的磁场角度范围限制在180°内。
DE 4317512A1公开了一种AMR传感器并且在这种情况下不是采用项cos2α来提供关于角度的信息，而是传感器位于其输出由所应用磁场的方向调制的线性工作区域内。显然传感器工作在其线性区域内并且因此所应用的需要测量角度的外部磁场只能是微弱的，正如地磁场的情况。显然在这种装置中传感器不工作在饱和模式。这种传感器例如已知的磁指南针的缺点是其对干扰角度测量的外部杂散磁场比较灵敏。非饱和传感器的另一个缺点是其信噪比较低。
WO 2006/035350A1和WO 2006/035371A1公开了基于饱和AMR的诸如例如最初设计使用这种传感器的操纵杆等对磁导材料部件的倾角极其敏感的传感器构造。这种传感器对X和Y两个方向上的倾角很敏感。这种传感器的原理是使静止放置于传感器下侧的永磁体的磁力线弯曲。永久磁场或更精确地说处在传感器平面中的永久磁场分量具有足够的强度使传感器完全饱和。这种弯曲是通过相对于磁体位置改变磁导材料部件的位置实现的。弯曲的作用是使磁场方向局部发生改变而磁场强度仍保持不变。
US 6326781B1公开了一种将永磁体附接在旋转部件上并且将旋转永磁体置于传感器元件上的磁阻传感器。这种磁体的杂散磁场必然是不饱和的，这使得传感器噪声大并且对外部磁场敏感。杂散磁场必须具有均匀强度因而磁体相对于传感器必须相对较大。这是非常不经济的。此外，需要合并的传感器和磁体是独立的部件。所以，此方案不是单传感器方案。完整的传感器部件由两个独立的成90°放置的传感器组成，因而此方案是多芯片方案。所以相应地增加了成本。
US 2004/0160220A1公开了通过旋转永磁体和传感器的方式对物体角度位置进行测量的装置。在这个已有技术文件中永磁体也被附在旋转部件上。永磁体构造必须偏心附着在旋转部件上，这可能引起旋转部件的不平衡。永磁体构造必须较传感器大。这也是不经济的。此外，传感器和磁体是需要合并的独立的部件。所以，此方案不是单传感器方案。完整的传感器部件由两个独立排列的垂直于基片安装的传感器组成，因而此方案是多芯片方案并且不经济。
发明内容
本发明的目的是构建使用例如在WO 2006/035350A1和WO2006/035371A1中描述的AMR磁场传感器的传感器装置来测量0至360°之间的角度，并且此传感器的生产成本较低。
根据本发明的传感器装置包括磁体、磁场传感器和可扭转或可旋转支杆，其中将磁体放置于磁场传感器的一侧并且将可扭转或可旋转支杆放置于磁场传感器的另一侧，其中支杆包括与磁场传感器的平面形成倾角的下表面。
因而传感器构造包括外壳是有利的，其中支杆的下表面置于外壳中。
根据本发明的一个实施例，外壳包括凹槽并且至少将部分支杆放置于外壳的凹槽内是有利的。从而将凹槽用来对正支杆或者将凹槽用作或支撑外壳和支杆间的支座是有利的。
根据本发明的另一实施例，传感器构造包括外壳是有利的，其中支杆的下表面置于外壳的外部。
根据本发明提出的传感器具有多个优点。由于AMR传感器的物理原理，在传感器完全饱和时只有相对于AMR传感器小于180°的磁场角度能被测量。这是由传感器阻抗与(电流和磁场强度方向之间的)角度α之间的cos(2α)关系造成的。本发明的传感器构造能够测量在整个360度范围内的角度，同时仍使用AMR传感器技术并且仍使用处于饱和模式的传感器，于是具有诸如低噪声和对外部磁场的低灵敏度的所有优点。
在根据已有技术的AMR角度传感器中，需要强永磁体以产生磁场。永磁体附着在需要测量角度的旋转机构上。传感器必须处于磁场的均匀部分，这表明磁体阵列大于传感器组件本身。这需要空间。在根据本发明提出的传感器中，永磁体是传感器组件本身的一部分并且可以小于组件。因此在需要测量角度的机构周围不需要额外的空间并且原则上能够测量例如直径在1-2mm或更小数量级的极小部件的旋转角度。这提供更多的设计自由度。
对传统的角度传感器来说需要强磁场以使得传感器内的磁场强度完全饱和。由于磁体与传感器有一定距离并且必须较传感器大，所以磁体的尺寸必须足够大以产生此强磁场。在根据本发明提出的传感器中同样提供了强磁场并且所有磁性组件均处于饱和状态。因为磁体更接近于传感器，所以磁体的尺寸可以更小而其产生的磁场强度与传统角度传感器产生的磁场强度相当。较小的磁体可以降低装置的成本。此外，磁体和传感器之间的距离是固定的并且因此传感器感测的磁场强度同传感器与需要测量角度的机构之间的距离无关。
在根据已有技术的传统传感器中，磁场与需要测量角度的机构一起移动。这引起机构周围的磁场变化。尤其是在机构以一定的频率旋转时，变化磁场能在附近的电子设备中产生干扰感应电压。在根据本发明提出的传感器中，产生的磁场是静止的。所以，环境感应到恒定磁场并且不产生涡流电流。
由于根据本发明提出的传感器中的永磁体可能较传统角度传感器中所需永磁体小，由磁体产生的可能影响环境的杂散磁场可更小。
在根据已有技术的传统角度传感器中，磁场强度是由所施加的磁场旋转的。超过180°的磁场旋转也使磁场强度旋转超过180°。在磁场强度的旋转过程中，尽管所施加磁场很强，但磁畴壁可能会改变位置。在根据本发明提出的传感器中，磁场强度方向本身仅旋转超过非常小的角度，保持畴壁不受扰动。这能在输出信号中实现低噪音。
在根据已有技术的传统AMR角度传感器中，从角度到输出信号的转换应用了AMR元件的电阻与磁场强度和磁场方向间的角度α之间的物理关系R＝R0+ΔR0*cos2α。在本发明提出的传感器中该转换则是旋转角度与支杆底部的倾角之间的几何关系。倾角最终转换为输出信号。
附图说明
通过以下参考附图对本发明示例性实施例的描述使得本发明的上述及其他特征和优点更加明显，其中：
图1例示了四个本发明传感器装置的示意图；
图1a例示了本发明传感器的示意图；
图1b例示了本发明传感器的示意图；
图1c例示了本发明传感器的示意图；
图1d例示了本发明传感器的示意图；
图2例示了本发明传感器的示意图；
图3例示了本发明传感器的示意图；
图4例示了本发明传感器的示意图；
具体实施方式
图1例示了四个本发明传感器装置1的示意图。图1a示出永磁体2位于包含传感器的平面3(称作感应板3)的下部。在感应板3上部放置柱形支杆4。采用可选转或可扭转方式安装支杆4，其中将驱动元件与支杆4相连的机械连接可以例如在外壳之外实现。柱形支杆4的旋转长轴5与传感器表面垂直。距离感应板3的传感器表面最近的柱形支杆4的下侧部件6由磁导材料制成。在下侧部件的表面与传感器表面完全平行时，支杆绕其长轴的旋转不会改变下表面相对传感器3的方位。然而，一旦支杆4的下侧部件6相对支杆的旋转轴产生微小的倾斜，支杆4绕其长轴的旋转将改变倾斜表面相对传感器3的方位，从而在X和Y方向上产生一定的倾角并且在传感器的X和Y惠斯顿电桥中产生伴生信号。
图1a表示当支杆下侧部件的底面在某个方向倾斜时的示意图。图1b表示支杆旋转90°后的传感器1。支杆4下侧部件的可见边与传感器3的平面平行。图1c表示支杆旋转180°后的传感器1，图1d表示支杆旋转270°后的传感器1。
图2例示了根据本发明的可以包含能旋转的一体式支杆10的传感器1的另一个实施例。在这个实施例中将具有较低末端的支杆集成在传感器的外壳11中。这具有支杆10始终位于传感器芯片的中心并且与传感器3距离较近可增强信号强度的优点。需要在传感器的外壳11外将需要测量角度的机构附接到组装传感器上。这种独立组件也可以用作例如小型非接触式电位计。
根据本发明的另一实施例，组装传感器15和支杆16可以是相互独立的。组件或外壳18中的凹槽17可以使支杆16对准中心并且支杆16或至少支杆的一部分被置入凹槽中，其中支杆的一角作为调整中心和/或作为支座。
根据本发明的另一实施例，组装的传感器20和支杆21可以完全相互独立。传感器组件20的顶部是平的。支杆21优选大于角传感器组件20，这使得需要确定角度的机构的设计具有更大的自由度。只要斜面的直径大于传感器20的尺寸，支杆21相对传感器的校正便不再严格。

Claims (6)

1.一种基于各向异性磁阻的传感器装置(1)，包括：
磁体(2)；
磁场传感器(3)和
可旋转支杆(4)；
其特征在于，磁体(2)放置于磁场传感器(3)的一侧并且可旋转支杆(4)放置于磁场传感器(3)的另一侧，其中支杆(4)包括由磁导材料制成的与磁场传感器(3)的平面形成倾角的下表面，
所述支杆具有与磁场传感器平面垂直的旋转长轴。
2.根据权利要求1的传感器装置，其中传感器装置(1)包括外壳(11，18)，其中支杆的下表面(6)放置在外壳(11，18)内。
3.根据权利要求1或2的传感器装置，其中外壳(11，18)包括凹槽(17)并且至少将支杆(16)的一部分放置在外壳(18)的凹槽内。
4.根据权利要求3的传感器装置，其中凹槽(17)用来使支杆(16)对准中心。
5.根据权利要求3的传感器装置，其中凹槽(17)用作外壳(18)与支杆(16)间的支座。
6.根据权利要求1的传感器装置，其中传感器装置包括外壳(20)，其中支杆(21)的下表面放置在外壳之外。
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