CN102203560B - 具有场方向测量和磁通量收集器的磁位置传感器 - Google Patents

具有场方向测量和磁通量收集器的磁位置传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有场方向测量和磁通量收集器的磁位置传感器。本发明提出在一个且相同点测量两个磁感应强度分量并且使用磁通量收集器协调两个磁感应强度分量的幅值，以便使得该两个分量之间的幅值比接近1。为此目的，本发明提出一种非接触位置传感器，其包括发出磁场的至少一个永磁体、对磁场方向敏感的至少一个监测元件以及至少一对磁通量收集器，永磁体能够在位移方向上移动并且具有沿着位移方向上连续变化的磁化方向。每个磁通量收集器具有配置有端部的至少一部分，其大致沿着磁体的位移方向延伸。一对磁通量收集器的端部限定沿着磁体的位移方向取向的气隙。监测元件定位在所述气隙之外并且与端部大致等距离。

Description

具有场方向测量和磁通量收集器的磁位置传感器
技术领域
本发明涉及模拟非接触直线或旋转式位置磁传感器的领域。
从磁场方向监测位置的模拟传感器具有几个优势：
-与移动部件无机械接触，且因而无磨损；
-对污物不敏感；
-降低的生产成本；
-长寿命周期；
-对温度不敏感；
-对于永磁体的几何公差和定位降低的敏感性。
例如，与通过测量磁场的单一分量幅值来测量位置的传感器相反，借由磁场方向来测量位置的非接触位置传感器对于在永磁体的磁属性的温度影响不敏感。磁场方向的测量通过随温度相同变化的磁场的至少两个分量的比来实现。因此，该比的计算使得可能克服由温度引起的偏差。
背景技术
在测量磁场方向的旋转式传感器领域，存在使用永磁体和至少两个磁敏感构件的旋转式传感器，在该永磁体的旋转轴的尖端要测量位置，且磁敏感构件测量在移动轴的旋转轴线上的磁场方向。
然而，这些装置受限制，尤其是在测量穿过传感器自身的轴的位移时，因为在该情形中，不可能将磁敏感构件放置在系统的旋转轴线上。在直线传感器的情形中，存在使用轴向磁化盘磁体和测量磁场方向的至少两个磁敏感构件的结构，但是这些传感器的直线形成被限制在低至大约20mm，因为当要测量的行程增大时，用于测量磁场方向的两个部件的幅值太小。
从本申请人专利FR2893410的现有技术已知，使用由大致直径相反磁化环磁体所产生的磁感应强度的两个分量，这在靠近磁体的中位平面的单一且相同位置来测量。计算两个感应强度分量(径向和切向分量)的比的反正切使得可能得到磁场的角度位置，然而，有必要预先施加在这两个分量之间的校正因子，事实上在该传感器中，磁感应强度的两个分量的幅值是大致不同的。
通常，该比在1.5至4的范围内变化，但是磁体直径越大，该比越增大。该比的增大主要是因为切向分量减少。对于大直径磁体，切向分量的幅值使得其可与磁敏感构件不相容，该磁敏感构件常规用于这类传感器，且因此不再令人满意地保证磁体角度位置的测量。类似地，切向分量的小幅值使得传感器对于可施加到传感器上的磁破坏敏感。
该校正因子还可导致测量精度的问题，该因子越大，误差将越大。此外，得到在计算位置(反正切)之前两个分量之间的幅值比的必要性导致该系统与一些类型的磁敏感构件(例如，磁控电阻器)不相容。
此外，存在基于例如在专利EP1532425B1中描述的磁控电阻器的用于飞轮角度传感器的旋转计数的解决方案，其需要两个分量之间的比低于1.5并且两个分量的幅值接近200G。
这也从如图1a所述的专利US0208727的相关技术已知。该文献描述了以360°旋转的位置传感器，并且使用角度偏移90°的两个磁敏感探针A4、A5以及4个铁磁件A10，以便确定大致直径相反磁化盘磁体A2的角度位置。对于磁体A2所产生的磁感应强度幅值敏感的两个磁敏感构件A4、A5定位在4个铁磁件A10所限定的2个气隙中，铁磁件A10允许铁磁场分量的幅值相等。在该结构中，铁磁件的容量十分重要且这种传感器的结构是困难的，因为其需要精确地定位这些铁磁件A10。这导致重要的制造成本。
从专利文献US 2002/0179825和US 5,942,895的相关技术中也获知，所述文献分别描述了角度位置磁传感器和配置有选机的磁传感器，所述选机配置成将测量限制在被测磁场的一个分量。同时，这些文献的教导不允许从具有沿着其位移方向连续变化的磁化方向的磁体监测可靠位置、甚至不能回应上述提及的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题的全部或一部分，这借由磁通量收集器在单一且相同点测量磁感应强度的两个分量并且协调磁感应强度的两个分量幅值来实现，以便使得在磁感应强度的该两个分量之间的幅值比接近1。这种幅值比使得可能使用磁敏感构件的更大选择(霍尔效应探针，AMR…)。
在第一配置中，传感器包括大致直径相反磁化的环磁体、能够在单一且相同点测量磁感应强度的两个分量的监测元件以及两个磁通量收集器，所述磁通量收集器定位在磁体的外周边上。磁感应强度的两个分量在相对于收集器下面部的轴向偏移平面内测量。磁通量收集器可直接模制到传感器外壳中。
在另一配置中，磁通量收集器被折曲并且直接固定在支承监测元件的印刷电路上。
根据另一替代方式，收集器结合如在申请人的专利申请FR2898189中描述的非接触的角度或直线位置磁传感器，所述文献以引用的方式全文结合到本文。
所述替代方式不是限制性的。例如，收集器可结合非接触的绝对旋转计数磁系统。
由此，本发明涉及一种非接触位置传感器，其包括发出磁场的至少一个永磁体、对磁场方向敏感的至少一个监测元件以及至少一对磁通量收集器，永磁体能够在位移方向上移动并且具有沿着位移方向上连续变化的磁化方向。每个磁通量收集器具有配置有端部的至少一部分，其大致沿着磁体的位移方向延伸。一对磁通量收集器的端部限定沿着磁体的位移方向取向的气隙。监测元件定位在所述气隙之外并且与端部大致等距离。
已知的是，每个永磁体具有磁化，所述磁化方向有磁化矢量限定。磁化矢量限定在磁体内的磁场方向。该方向取决于磁体在生产时被极化的方式。例如，以“环”形式放置在足够均质单向磁场中的非极化磁体将具有沿着该磁场方向的磁化取向方向。在该情形中，磁场沿着垂直于磁体旋转轴线方向取向(也称为直径类型的磁化)，且在该磁体围绕其轴线旋转地移动时，于是，在磁体内部空间中的固定点看到的磁化方向将沿着直线运动连续可变。
优选地，永磁体的磁化方向以直线方式变化。这是磁化方向与磁体位移成比例变化的情形。
有利地，永磁体的磁化方向周期性地变化。这是当磁体移动预定距离时磁化方向采用同一值的情形。
优选地，永磁体是大致圆柱体状的。
有利地，永磁体是大致平行六面体形状。
优选地，磁通量收集器还具有折曲部分。
有利地，磁传感器包括两对收集器，每对收集器限定气隙，监测元件定位成与限定所述气隙的收集器的四个端部等距离。
优选地，监测元件能够以绝对方式计数磁体旋转的数量。
根据有利的实施例，传感器包括第二监测元件，其能够监测磁体在360°上的角度位置。
优选地，第二监测元件结合至少一对磁通量收集器。每个磁通量收集器具有配置有端部的至少一部分，其大致沿着磁体的位移方向延伸。该对磁通量收集器的端部限定沿着磁体的位移方向取向的气隙。监测元件定位在所述气隙之外并且与端部大致等距离。
有利地，监测元件定位在印刷电路的任一侧面上。
优选地，在至少一个监测元件附近设置磁屏蔽元件。
附图说明
在结合附图阅读详细示例性实施例之后，本发明的其它特征和优势将更显而易见，附图分别表示：
图1a是属于现有技术的旋转式传感器的截面图；
图1b是表示磁感应强度的径向和切向分量的曲线图，所述磁感应强度由现有技术的装置在位于径向相反磁化环磁体的外周边中的点测量；
图2是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有两个磁通量收集器；
图3是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有在两个不同外壳中的两个监测元件；
图4是表示由根据本发明的传感器测量的磁感应强度的径向和切向分量的曲线图，所述传感器具有在位于径向相反磁化环磁体的外周边中的点围绕永磁体定位的两个磁通量收集器；
图5是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有折曲的收集器；
图6是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有两个沿着两个方向折曲的收集器；
图7是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有两个磁通量收集器和平行于磁体外面部定位的探针；
图8是根据本发明的磁传感器的示例性实施例的透视图，所述磁传感器具有四个磁通量收集器；
图9是根据本发明的大行程直线磁传感器的第一示例性实施例的透视图，其具有两个收集器；
图10是根据本发明的大行程直线磁传感器的第二示例性实施例的透视图，其具有两个收集器；
图11a是表示用于根据本发明的旋转式传感器配置的环磁体的磁化方向的视图，所述环磁体用于测量大角度行程；
图11b是表示用于根据本发明的旋转式传感器配置的瓦形磁体的磁化方向的视图，所述瓦形磁体用于测量小角度行程；
图11c是表示用于根据本发明的旋转式传感器的另一配置的瓦形磁体的磁化方向的视图，所述瓦形磁体用于测量小角度行程；
图12是根据本发明的结构的示例性实施例的透视图，所述结构结合环磁体在360°上的角度测量以及永磁体的旋转数量的计数装置，其中2个收集器和两个部件设置在印刷电路的任一面部上；
图13a是表示在图13所示传感器的两个不同位置中靠近永磁体测量的磁感应强度的径向和切向分量的视图；
图13b是表示图12的传感器的两个监测元件的输出信号的视图；
图14是根据本发明的结构的示例性实施例的透视图，所述结构结合环磁体在360°上的角度测量以及永磁体的旋转数量的计数装置，其中2个收集器和两个部件设置在印刷电路的相同面部上；
图15是根据本发明的旋转式传感器的结构的示例性实施例的透视图，所述结构结合在360°上组合到2个收集器的环磁体的角度测量以及涉及2个收集器的永磁体的旋转数量计数装置；
图16是根据本发明的旋转式传感器的结构的示例性实施例的透视图，其使用盘磁体，所述盘磁体具有沿着位移方向的连续可变磁化方向；
图17是具有2个收集器和屏蔽件的旋转式传感器结构的示例性实施例的透视图，所述屏蔽件限制外部磁干扰的影响；
图18是根据本发明的结构的示例性实施例的透视图，所述结构包括两个磁通量收集器、监测元件以及多极磁体，其中磁化在一圈是定期的并且具有数个周期。
具体实施方式
图1a示出了根据现有技术的旋转式传感器的结构。大致直径相反磁化永磁体A1所产生的磁通量通过4个铁磁件A10被收集在其周边中，所述铁磁件A10形成2个测量气隙。在该两个测量气隙中，两个监测元件A4、A5测量磁感应强度沿着两条正交轴线的两个分量。
图1b示出了由在大致径向相反磁化环磁体的外周边中的现有技术装置测量的磁感应强度的两个径向分量BR和切向分量BT。于是，位置的计算通过将切向分量放大以及反正切计算磁感应强度的两个分量的比而得到。
图2示出了根据本发明的旋转式传感器的结构。两个磁通量收集器2a和2b定位在大致径向相反磁化环磁体1的周边。这些收集器形成由两个端部8和9限定的气隙7。沿着两个方向的感应强度测量由监测元件3在单个且相同点测量，所述监测元件3定位在PCB 4上并且定位在相对于磁通量收集器2a和2b的内表面偏移的平面内，因而在气隙7外部。可能的是在将分量标准化之后，磁体的角度位置计算通过两个感应强度分量的比的反正切计算来执行。
图3描述了根据本发明的大行程旋转式传感器的配置，其具有环磁体1、位于永磁体周边附近的两个磁通量收集器2a和2b、以及在两个不同外壳中的两个监测元件3，每个监测元件测量磁场的分量。在这种配置中，必须借由外部部件3b通过磁场的两个分量来实现角度计算。
图4是表示磁感应强度的径向分量BR和切向分量BT的曲线图，所述磁感应强度在单个和相同点测量，这取决于图3中装置的磁体10的旋转角度。鉴于该曲线图，看出的是，被测切向感应强度的径向分量BR和切向分量BT具有大致相同的幅值。
图5示出了根据本发明的旋转式传感器的实施例，其包括大致径向相反磁化永磁体1和折曲成要直接固定在PCB 4上的两个磁通量收集器2a和2b，所述PCB 4支承监测元件3。
图6表示根据本发明的旋转式传感器的实施例，其包括大致径向相反磁化永磁体1和折曲成要直接固定在支承监测元件3的PCB(未示出)上的两个磁通量收集器2a和2b，所述磁通量收集器2a和2b进一步折曲以增加在永磁体外面部前面的磁通量的收集表面。增加收集表面将增大在监测元件处磁场的切向分量。
图7表示根据本发明的配置，其中监测元件3被包含在外壳中，所述外壳平行于环磁体1的外表面放置。磁通量收集器2a和2b放置成以便收回在监测元件处磁体所产生的切向磁通量。
图8示出了根据本发明的传感器，其包括大致径向相反磁化环磁体1以及4个磁通量收集器2a、2b、2c和2d。这四个磁通量收集器限定一对基部，两个气隙7a和7b，所述气隙分别位于监测元件3的两侧。
图9示出了根据本发明的传感器的直线替代方式，其中带状磁体1具有磁化方向，该磁化方向沿着磁体1线性变化，两个磁通量收集器2a和2b定位在监测元件3的两侧上。收集器2a和2b的两侧平行于永磁体1的侧面。监测元件3测量相对于磁体1的纵向分量和垂直分量。在相同附图中，磁化方向沿着磁体的位移方向连续变化。
图10示出了根据本发明的传感器的第二直线替代方式，其中带状磁体1代表沿着磁体线性变化的磁化方向，两个磁通量收集器2a和2b定位在监测元件3的两侧上。收集器2a和2b的两侧垂直于永磁体1的侧面。监测元件3测量相对于磁体1的纵向分量和垂直分量。
图11a表示根据本发明要测量的大角度行程应用(即，接近360°)的旋转式传感器，其具有磁化方向，所述磁化方向在环磁体1的360°上连续变化。沿着磁体周边的磁化角度旋转在环磁体的整个周边是360°。
图11b表示根据本发明在受限行程(即，比360°小得多)上用于角度测量应用的旋转式传感器。磁体1的角度宽度被调节成测量有用行程，以便将必要磁容量减少至最小。在传感器的有用行程的被考虑磁体区段上表示磁化方向。沿着磁体1周边的磁化角度旋转大致等于要测量行程的被考虑磁体1的角度宽度。
图11c表示根据本发明在受限行程(比360°小得多)上用于角度测量应用的旋转式传感器。磁化方向也被表示并且在环磁体1的整个周边变化360°。
图12表示根据本发明的旋转式传感器的替代方式，其用于在数周旋转中要测量的元件在大于360°旋转的行程上的角度测量应用。该装置包括大致直径相反的磁化环磁体1、两个磁通量收集器2a和2b，以及能够以绝对方式测量磁体所执行的旋转数量的监测元件3。监测元件3布置成靠近磁通量收集器2a和2b端部中的一个。该监测元件3被放置在用作支承件的PCB 4的上部部分上。测量永磁体所产生的磁感应强度的径向和切向分量的第二监测元件5被放置在同一PCB 4下面。第二监测元件5使得可能获知在接近360°行程的永磁体1的角度位置。这种配置使得可能最小化植入两个监测元件3、5必要的PCB 4表面，但是可能将第二监测元件5放置在PCB 4的相同侧面，而与第一监测元件3角度偏移。
图13a表示在图12所示的结构的监测元件3和5处测量的磁感应强度的径向和切向分量。在监测元件3(其靠近磁通量收集器2a和2b的端部)，磁感应强度的径向分量BR3和切向分量BT3具有大致相等的幅值。然而，在监测元件5，磁感应强度的径向分量BR5和切向分量BT5之间的幅值比接近4。
在该部件(使得可能获知在磁体360°上的角度位置)的幅值比可被电子补偿，虽然导致稍微降低传感器性能。
图13b表示由图12的传感器的监测元件5提供的角度位置信号。第一信号S位置是线性的，其具有在磁体360°上的角度位置，且是周期性的，周期是360°。监测元件3所提供的第二信号S旋转使得可能以绝对方式获知磁体1所执行的旋转数量且因此具有“阶跃”形式，其增量表示经过附加的旋转。
图14表示图12所示的传感器的替代方式。该传感器分别组合两个监测元件3和5，以获知永磁体的旋转数量以及获知磁体在360°上的角度位置。监测元件3结合两个磁通量收集器2a和2b，以便补偿径向和切向分量的幅值偏差。在该附图中所示的配置中，监测元件3和5定位在印刷电路4的相同侧面上。
图15表示类似于图12的结构的传感器结构，不同之处在于，磁通量收集器2a、2b、2e和2f是4个，收集器2、即2a和2b结合监测元件3以计数永磁体的旋转数量，收集器2、即2e和2f结合监测元件5以测量永磁体在接近360°旋转上的角度位置。将两个收集器2e和2f结合监测元件5使得可能最小化在监测元件5处测量的径向和切向分量之间的幅值比。
图16表示使用盘磁体1的根据本发明的旋转式传感器的替代方式。示出了磁体1中磁化方向的变化。能够测量磁感应强度的轴向和切向分量的监测元件3定位在磁体1上方并且靠近在两个磁通量收集器2a和2b之间产生的气隙。
图17示出了根据本发明的旋转式传感器，其具有永磁体1、两个磁通量收集器2a和2b以及监测元件3，监测元件3能够在单一且相同点大致测量径向和切向分量。由铁磁材料制成的屏蔽件6围绕监测元件3和磁通量收集器2a和2b布置，以便最小化干扰外部磁场的影响。
图18示出了根据本发明的传感器。该结构包括永磁体1，其根据在120°角度上连续变化并且形式在整个环磁体上重复3次的功能磁化。借由监测元件3，测量靠近磁体以及靠近2个磁通量收集器2a和2b端部的磁感应强度。在磁体的完整旋转上的信号是周期性的，且其周期与永磁体的磁化周期相同。这种磁化使得可能改善信号在磁化形式的周期上的精度，结合周期计数装置使得可能以增加精度测量磁体在数周旋转上的角度位置。

Claims (17)

1.一种非接触位置传感器，其包括发出磁场的至少一个永磁体（1）、对磁场方向敏感的至少一个监测元件（3）以及至少一对磁通量收集器（2a，2b），永磁体（1）能够在位移方向上移动并且具有沿着位移方向可连续变化的磁化方向，其特征在于：
-每个磁通量收集器（2a，2b）具有配置有端部（8，9）的至少一部分，其大致沿着磁体（1）的位移方向延伸；
-一对磁通量收集器（2a，2b）的端部（8，9）限定沿着磁体（1）的位移方向取向的气隙（7）；以及
-监测元件（3）定位在所述气隙（7）之外并且与各端部（8，9）大致等距离。
2.根据权利要求1所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，永磁体（1）的磁化方向线性变化。
3.根据权利要求1所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，永磁体（1）的磁化方向周期性地变化。
4.根据权利要求1所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，永磁体（1）是大致圆柱体形。
5.根据权利要求1所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，永磁体（1）是大致平行六面体。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，磁通量收集器（2a，2b）还具有折曲部分。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，所述非接触位置磁传感器包括两对收集器（2a，2b和2c，2d），每对收集器（2a，2b和2c，2d）限定气隙（7a，和7b），监测元件（3）布置成与限定所述气隙（7a，和7b）的收集器（2a，2b和2c，2d）的四个端部等距离。
8.根据权利要求6所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，所述非接触位置磁传感器包括两对收集器（2a，2b和2c，2d），每对收集器（2a，2b和2c，2d）限定气隙（7a，和7b），监测元件（3）布置成与限定所述气隙（7a，和7b）的收集器（2a，2b和2c，2d）的四个端部等距离。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，监测元件（3）能够以绝对方式计数磁体的旋转数量。
10.根据权利要求6所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，监测元件（3）能够以绝对方式计数磁体的旋转数量。
11.根据权利要求7所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，监测元件（3）能够以绝对方式计数磁体的旋转数量。
12.根据权利要求8所述的非接触位置磁传感器，其特征在于，监测元件（3）能够以绝对方式计数磁体的旋转数量。
13.一种非接触角度位置磁传感器，其包括根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述非接触角度位置磁传感器包括至少第二监测元件（5），其能够测量磁体（1）在360°上的角度位置。
14.根据权利要求13所述的非接触角度位置磁传感器，其中，第二监测元件（5）结合至少一对磁通量收集器（2e，2f），其特征在于：
-每个磁通量收集器（2e，2f）具有配置有端部（10，11）的至少一部分，其大致沿着磁体（1）的位移方向延伸；
-该对磁通量收集器（2e，2f）的端部（10，11）限定沿着磁体（1）的位移方向取向的气隙（7c）；以及
-监测元件（3）定位在所述气隙（7c）之外并且与端部（10，11）大致等距离。
15.根据权利要求13或14所述的非接触角度位置磁传感器，其特征在于，监测元件定位在印刷电路（4）的任一侧面上。
16.根据权利要求13或14所述的非接触角度位置磁传感器，其特征在于，监测元件（3和5）共面。
17.根据权利要求13或14所述的非接触角度位置磁传感器，其特征在于，磁屏蔽元件（6）设置在至少一个监测元件（3，5）附近。
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