CN102713524A - 用于确定目标的位置和方向的磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁传感器，用于确定部件(2)的位置，该部件(2)首先凭借旋转运动(R)在有限角行程的旋转中是可移动的，其次沿平移轴(X)且在有限线性行程的平移中是可移动的；所述传感器包括磁化目标(3)及系统(5)，所述磁化目标(3)安装并固定到所述可移动部件(2)上，且表现为径向磁化的部分圆柱体的形式，该部分圆柱体具有与所述平移轴(X)一致的对称轴，所述系统(5)用于测量所述磁化目标的磁场以确定所述目标在三维空间中的位置。根据本发明，为了确定所述目标的位置和方向，所述系统(5)在单点处作用以测量所述磁场在两个正交平面中的方向，所述两个正交平面中的一个平面(P1)垂直于所述旋转运动(R)，且所述两个正交平面中的另一个平面(P2)垂直于平移运动(X)。

Description

用于确定目标的位置和方向的磁传感器
技术领域
本发明涉及非接触式磁传感器的技术领域，该非接触式磁传感器适用于确定可移动部件的位置，所述可移动部件结合线性运动和旋转运动沿特定轨迹移动。
背景技术
本发明在汽车领域发现一种尤为有利但非专用性的应用，所述汽车用于配备具有有限线性和旋转运动并且需要得知其位置的各种部件。
本发明在用于汽车变速箱(gearbox)的位置传感器的技术领域发现一种尤为有利的应用。
在现有技术中，例如，从专利申请FR 2 904 394可知，用于汽车变速箱的位置传感器包括将被固定到变速箱的变速致动器棒杆(gear-change actuatorrod)上的磁化目标(magnetized target)。所述致动器棒杆在旋转和平移方向是可移动的，并根据变速杆(gear-change stick)的运动来移动。所述传感器还包括霍尔效应元件(Hall-effect component)，其适用于测量三个正交方向上的磁场从而以一视角确定目标在空间中的位置和方向，以便由此推断出所述变速杆的位置。
考虑到获得可靠的以下测量的难度，上述磁传感器的缺陷涉及其准确性的缺乏，所述测量包括：不管目标的任何平移运动来测量目标的旋转运动，以及不管目标的任何旋转运动来测量目标的平移运动。此外，所获得的测量对空气间隙(air gap)的变化(即，对目标与霍尔效应测量元件之间的距离的变化)是非常敏感的。
专利FR 2 786 266描述了一种用于确定在平移和旋转方向可移动的部件的位置的传感器。根据一个特征，这种传感器包括在两个内部铁磁定子和两个外部铁磁定子之间可移动的径向磁化半环(radially magnetized half-ring)。两个内部定子是半月形的，且在它们之间限定了第一空气间隙；而两个外部定子是环的形式，且限定了第二空气间隙。霍尔效应探头(probe)被安装在这些空气间隙中的每一个内。当磁化环在旋转和平移方向移动时，其使两个次级(secondary)空气间隙的每一个中的磁场发生变化。这种传感器能够根据通过两个霍尔效应探头测量到的磁场振幅来确定部件的位置。这种传感器需要使用多个铁磁部件，导致了整体尺寸的限制。此外，这种传感器的准确性与探头的正确布置有关。
以类似方式，专利FR 2 829 574描述了一种用于确定在平移和旋转方向可移动的物体的位置的传感器。这种传感器包括接合在同轴圆柱场组件(coaxial cylindrical field assembly)内部的圆柱磁铁(cylindrical magnet)，该圆柱磁铁限定两个磁路，每个磁路限定一空气间隙，在所述空气间隙中设置有对磁场振幅敏感的传感器。这种传感器能够根据通过设置在所述空气间隙中的传感器测量到的磁场振幅来确定磁场组件及磁铁的轴相对位置和角相对位置。铁磁场组件的使用导致了这种位置传感器生产的整体尺寸限制。此外，该位置传感器的缺陷涉及到与其探头正确布置有关的准确性的缺乏。
发明内容
因此，本发明目的在于通过提供一种能够确定部件位置的新型磁传感器来弥补现有技术的缺陷，所述部件在线性和旋转方向是可移动的，该磁传感器在所述部件的整个行进期间，甚至在面对测量空气间隙的相对较大变化时，都具有高准确性。
为了实现这个目的，本发明提供一种磁传感器，用于确定部件的位置，该部件首先凭借旋转运动在有限角行程的旋转中为可移动的，其次沿平移轴且在有限线性行程的平移中为可移动的；所述传感器包括磁化目标及系统，所述磁化目标安装并固定到所述可移动部件上，且表现为径向磁化部分圆柱体的形式，该部分圆柱体具有与所述平移轴一致的对称轴，所述系统用于测量所述磁化目标的磁场以确定所述目标在三维空间中的所述位置。
根据本发明，为了确定所述目标的位置和方向，所述系统在单点处作用以测量所述磁场在两个正交平面中的方向，所述两个正交平面中的一个平面垂直于所述旋转运动，且所述两个正交平面中的另一个平面垂直于平移运动。
本发明还涉及具有一个或多个如下特征的磁传感器：
·所述测量系统处理测量信号及测量信号，所述测量信号与所述磁场在垂直于所述旋转运动的所述平面中的方向成比例，所述测量信号与所述磁场在垂直于所述平移运动的所述平面中的方向成比例；
·所述测量系统包括对所述磁场的方向敏感的测量装置；
·所述测量系统包括霍尔效应单元，该霍尔效应单元对所述磁场沿三个相互正交轴的分量敏感；
·所述测量系统包括级，该级用于处理与所述磁场在垂直于所述旋转运动和所述平移运动的平面中的方向成比例的所述测量信号，由此以输出与所述目标的位置和方向对应的信号；
·所述测量系统包括级，该级用于对与所述目标的位置和方向对应的所述信号进行量化，以便输出二进制信号；
·所述部分圆柱体从一端到另一端被径向地磁化；
·所述部分圆柱体在其中心部被径向地磁化并在所述中心部的两端以倾向圆周方向的展开方向进行磁化；
·所述磁化目标安装并固定到以变速致动器棒杆的形式存在的可移动部件上。
本发明还提供一种变速箱，其包括变速致动器棒杆，该变速致动器棒杆在有限行程的旋转和平移中是可移动的，且包括本发明的磁传感器。
附图说明
参考附图，各种其它特征从以下给出的描述中体现出来，所述附图示出本发明的非限制性示例。
·图1是示出本发明一个实施例的磁传感器的示意性透视图；
·图2是本发明磁传感器的俯视图；
·图3是本发明磁传感器的正视图；
·图4是本发明的磁化目标的另一个示例的示意图；
·图5是本发明磁传感器的测量系统的功能方框图；
·图6A到图6C是示出没有平移运动时在三个旋转位置上的位置传感器的视图；
·图7A到图7B是根据磁化目标的平移运动x而测量磁场方向α和平移运动方向St的信号的曲线；
·图8A到图8C示出没有旋转时在平移中三个位置上的位置传感器的视图；
·图9A和图9B是示出根据磁化目标的旋转ω而测量磁场方向和旋转方向Sr的信号的曲线。
具体实施方式
如图1到图3所更准确显示的，本发明涉及磁传感器1，其适用于确定在一般意义上不仅沿平移轴X平移而且关于平移轴X旋转的可移动部件2的位置。传感器1包括安装并通过适当方法固定到可移动部件2上的磁化目标3。为了确定三维空间中磁化目标3的位置和方向，磁传感器1还包括用于测量磁化目标3的磁场B的方向的系统5。与可移动的磁化目标3相比，测量系统5是静止的。
因此，磁传感器1适用于确定磁化目标3的位置，从而确定部件2的位置，磁化目标3和部件2不仅凭借关于平移轴X的旋转运动R在有限角行程ω中旋转地可移动，而且还沿平移轴X在有限线性行程x中平移地可移动。
根据本发明，磁化目标3是具有与平移轴X一致的对称轴的部分圆柱体(part-cylinder)。因此，通过彼此平行且每个具有以平移轴X为中心的弯曲的内表面31和外表面32来限定磁化目标3。通过外围边缘33、34来限定表面31、32。例如，磁化目标3具有大约几毫米(mm)量级的厚度，且对着(subtend)一定角度，该角度视旋转角的待测量的变化而定。例如，该角度的范围可位于40°到110°的范围内。在示出的示例中，磁化目标3在彼此平行且垂直于平移轴X的平面中具有相对的边缘33，以及还具有在彼此平行且平行于平移轴X的方向上纵向延伸的相对的外围边缘34。在该示例中，磁化目标3的投影内接于一矩形中。当然，根据待检测的部件2的轨迹，磁化目标3可具有不同的形状。
根据本发明的一个特征，磁化目标3被径向地磁化，即，使磁轴朝向垂直于运动轴X的径向方向并穿过运动轴X(图2)。在如图2所示的第一实施例中，磁化目标3是从一个外围边缘34到另一个外围边缘34被径向地磁化。换句话说，磁化目标3的磁轴在部分圆柱体的整个角测量期间都穿过运动轴X。在如图4所示的另一个实施例中，磁化目标3在其中心部是如上所述被径向地磁化，以及在外围边缘34处是在倾向圆周方向的变化方向上被磁化。因此，磁化目标3的磁轴方向逐渐变化，该渐变从磁化目标3的中心部的径向开始并向外围边缘34的圆周磁化接近。
根据本发明的另一个特征，为了确定可移动目标2的位置和方向，系统5在单点上作用以测量两个正交平面中的磁场B的方向，两个正交平面中的一个平面P1垂直于旋转运动R，且两个正交平面中的另一个平面P2垂直于平移X上运动。因此，换句话说，所谓的平移平面P1平行于运动轴X，而垂直于旋转运动R，且所谓的旋转平面P2垂直于运动轴X。
因此，测量系统5使得能够在平移平面P1中测量磁场的方向α，以及在旋转平面P2中测量磁场的方向
Figure BPA00001545107200051
由可移动目标3释放的磁场B包括平移平面P1中的分量Bt以及旋转平面P2中的分量Br。从图1中可以清楚地看出，分量Br和Bt分别位于旋转平面P2和平移平面P1中，且所述分量具有共同的原点O。
因此，从图3中可以更清楚的看出，测量系统5能够测量根据可移动目标3在平移中相对于测量系统5的位置而改变的磁场的分量Bt的方向α(图3)。在原点O处测量垂直于旋转R的平面P1中的场分量Bt的方向使得能够检测磁化目标3的位置。图6A到图6C示出没有旋转时磁化目标3在沿运动轴X的平移运动x期间的行进。由于角α的变化是单调的(monotonic)，因此，测量信号Vα也是单调的(图7A)。
类似的，测量系统5能够测量根据可移动目标3在旋转中相对于测量系统5的位置而改变的磁场分量Br的方向
Figure BPA00001545107200052
(图2)。在原点O处测量垂直于平移运动x的平面P2中的场分量Br的方向使得能够测量磁化目标3的方向。图8A到图8C示出没有平移时磁化目标3在其凭借旋转运动R的旋转ω期间的行进。由于角的变化是单调的，因此，测量信号也是单调的(图9A)。
从图5中可以清楚地看出，测量系统5包括测量装置6，该测量装置6可以是直接对磁场的方向敏感，或者其可分别重组(reconstitute)与角α、
Figure BPA00001545107200055
成比例的信号Vα、
Figure BPA00001545107200056
所述角α、
Figure BPA00001545107200057
表示出平面P1和P2中的磁场方向。例如，利用霍尔效应技术对沿着与测量系统5相关联的坐标轴系统中三个轴x、y、z的场分量进行测量，使这些角α、
Figure BPA00001545107200061
能够被确定。
应当注意的是，测量系统5测量与三维空间中单点处相关的磁场B的方向，而没有使用目的在于引导测量系统中的磁通量的定子元件。换句话说，测量系统5直接测量由磁化目标3产生的磁场的自然方向。在单测量点处测量磁场的方向而不使用磁极片(pole pieces)有利于在有限的整体尺寸内集成这种传感器。
通过电增益级(electrical gain stage)7来处理由测量装置6传递的信号Vα、以产生两个线性信号St、Sr(图7B、图9B)，所述两个线性信号反映出可移动目标3分别在平移x和旋转ω中的运动。应当注意的是，平移x中的运动在反映旋转运动R的信号Sr上的影响非常小。反过来，旋转运动R在反映平移运动的信号St上的影响也非常小。本发明的磁传感器构成结合了在旋转R和平移x中的运动的鲁棒传感器。由于系统5所测量方向的磁场不会根据测量系统5和磁化目标3之间的距离变化而改变很多，因此，在实际中认为这种传感器对于测量系统5和磁化目标3之间的距离变化是相对不敏感的。
在不同的实施例中，测量系统5包括用于对所述级7所传递的信号St、Sr进行量化(quantizing)的级8。该实施例输出唯一的信号Su，所述信号Su是信号St、Sr的结合，且对应于二进制信号(binary signal)。
磁传感器1在汽车的变速箱上的应用尤为有利但并非专用性的。为此，将磁化目标3固定到或设置在用于致动变速箱变速的棒杆上。因此，本发明的磁传感器1使得能够确定变速杆的位置，其中该变速杆的运动对应于上述棒杆在变速杆的控制下的旋转和平移运动。
本发明不限于描述和示出的示例，在不脱离本发明范围的情况下，可进行各种修改。

Claims (10)

1.一种磁传感器，用于确定部件(2)的位置，该部件(2)首先凭借旋转运动(R)在有限角行程(ω)的旋转中是可移动的，其次沿平移轴(X)且在有限线性行程(x)的平移中是可移动的；所述传感器包括磁化目标(3)及系统(5)，所述磁化目标(3)安装并固定到所述可移动部件(2)上，且表现为径向磁化的部分圆柱体的形式，该部分圆柱体具有与所述平移轴(X)一致的对称轴，所述系统(5)用于测量所述磁化目标的磁场以确定所述目标在三维空间中的位置；所述传感器的特征在于，为了确定所述目标的位置和方向，所述系统(5)在单点处作用以测量所述磁场在两个正交平面中的方向，所述两个正交平面中的一个平面(P1)垂直于所述旋转运动(R)，且所述两个正交平面中的另一个平面(P2)垂直于平移运动(X)。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述测量系统(5)处理测量信号(Vα)及测量信号
Figure FPA00001545107100011
所述测量信号(Vα)与垂直于所述旋转运动(R)的所述平面(P1)中的所述磁场的方向成比例，所述测量信号
Figure FPA00001545107100012
与垂直于所述平移运动(X)的所述平面(P2)中的所述磁场的方向成比例。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，所述测量系统(5)包括对所述磁场的方向敏感的测量装置(6)。
4.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，所述测量系统(5)包括霍尔效应单元，该霍尔效应单元对所述磁场沿三个相互正交轴的分量敏感。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的磁传感器，其特征在于，所述测量系统(5)包括级(7)，该级(7)用于处理与垂直于所述旋转运动(R)和所述平移运动(X)的平面中的所述磁场的方向成比例的所述测量信号
Figure FPA00001545107100013
由此以输出与所述目标的位置和方向对应的信号(St，Sr)。
6.根据权利要求5所述的磁传感器，其特征在于，所述测量系统(5)包括级(8)，用于对与所述目标的位置和方向对应的所述信号进行量化，以便输出二进制信号。
7.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述部分圆柱体从一端(34)到另一端(34)被径向地磁化。
8.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述部分圆柱体在其中心部被径向地磁化，并在所述中心部的两端以倾向圆周方向的展开方向进行磁化。
9.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述磁化目标(3)安装并固定到以变速致动器棒杆的形式存在的可移动部件上。
10.一种变速箱，包括变速致动器棒杆，该变速致动器棒杆在有限行程的旋转和平移中是可移动的，所述变速箱的特征在于，包括根据权利要求1到9中任一项所述的磁传感器(1)。
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