CN102725612A

CN102725612A - 场旋转双向磁位置传感器

Info

Publication number: CN102725612A
Application number: CN2010800609166A
Authority: CN
Inventors: 杰拉尔德·马松; 蒂里·多格
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: EP2496914B1; CN102725612B; EP2496914A2; WO2011055064A3; KR20120095950A; WO2011055064A2; KR101410196B1; FR2952430B1; US20120262162A1; US8970210B2; JP5538552B2; FR2952430A1; ES2600865T3; JP2013510292A

Abstract

本发明涉及一种至少两个方向的磁位置传感器，所述磁位置传感器包括：至少一个磁化元件（1）和探测装置（6），所述探测装置（6）包括至少两个磁敏元件，所述磁敏元件基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化元件（1）产生的磁场的一个分量，所述磁化元件（1）相对于所述磁敏元件可移动；以及至少一个处理电路，其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模的计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个和另一个的位置的至少两个独立信号。根据本发明，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件（1）的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置（6）设置的的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置（6）相对于所述磁化元件（1）的唯一位置。

Description

场旋转双向磁位置传感器

技术领域

本发明涉及非接触式磁位置传感器领域，其目的在于同时提供代表遵从两个方向（平移和平移、平移和旋转、旋转和旋转）的位置的两个独立的输出信号，。

从磁场中检测位置的传感器具有多种优点：

-不存在与活动部件的机械接触，因此没有磨损，

-对污垢不灵敏，

-生产成本低，

-使用寿命长。

大部分非接触式磁位置传感器都遵从单一方向（旋转或平移），但出现越来越多必须使用依据两种方向的传感器（双向传感器）的应用，例如为了检测传动构件的位置，或者在通常为旋转和平移相结合的情况下。在这样的应用中，特别重要的是获得沿一种方向的位置信息，而该位置信息不依赖于沿另一方向的位置（独立的输出信号）。

背景技术

大部分现有的双向传感器使用连接在简单或相对复杂的磁路上的永磁体，所述磁路由铁磁材料制成，用来引导和/或集中由一个或多个永磁体产生的磁通量，但其有损于传感器的成本和性能。

因此，现有技术中已知有申请人提出的专利文献FR2786266，其涉及依据两个方向的位置传感器，但这种传感器中使用的磁体的体积和表面积限制了该传感器对较长行程的实际运用。所述传感器还由于铁磁定子导致较大的磁滞，并且传感器的测量取决于剩磁感应的变化，由此剩磁感应必须被补偿。

此外，欧洲专利文献EP800055描述了线性和角位置传感器。由于是非线性的并且程度较弱，这些传感器供给的模拟信号很难被应用。这种传感器需要多个隔开的测量点，用来测量沿两个方向的相对位置。而且，需要使用导致磁滞的定子部件，而且敏感元件测量场幅度并因此对几何公差和温度敏感。

专利文献US4639667或WO9716736描述的传感器工作所依据的原理不能使其供给以两个尺度代表位置的线性且独立的信号。

还存在仅把两个独立的单向传感器端对端地配置的双向传感器，例如专利文献WO 2008138662和专利文献US6175233描述的各自测量单个方向的两个线性传感器。每个传感器都具有一个磁体和磁场检测元件，因此带来较大的体积且提高了实现成本。此外，这些传感器测量磁场幅度并且因此其本身对几何公差和温度较为敏感。

还已知现有技术中的专利文献US7421923和US7293480是由变速杆啮合带动的速度检测传感器。这些专利提出的方案用于沿2种方向检测位置，但其使用磁体且还要使用与待检测档位同样多的、设置于一定空间中的霍尔传感器。因此需要安装传感器网络以辨别唯一的位置并获得速度的数字检测。传感器的倍增使这种方案的实施成本高昂，且不能提供即时地获知位置的方法。

为了弥补上述的通过幅度测量检测位置所产生的问题，存在测量磁场的转动，也即是测量其方向而非幅度的位置传感器。然而，这种方式主要应用于单向而非双向传感器。

现有技术中已知例如申请人提出的专利文献FR2898189和FR2909170所描述的传感器，其使用磁场方向而非幅度来检测磁体和磁敏探测装置之间的相对位置。这种方向测量对温度和机械间隙不敏感且不用安装铁磁部件，因此不存在磁滞。然而，通过根据两个磁场分量计算单个的幅度比，所述传感器仅能测量唯一的磁场方向，且因此仅能按照一种方向而非两个方向来获知活动磁体相对于磁敏探测装置的相对位置。同样，专利文献和专利申请US6731108、US6960974和WO2004015375通过使用磁场方向仅能测量磁体相对于一个或多个磁敏元件的线性位移。然而，对于行程大于20-25mm的实际应用，这些传感器需要有被设置在行程的不同部分上的多个探测装置，由此增加了传感器的成本而且需要对探测装置精确定位。

然而，现有技术中还已知允许测量双向位置并使用旋转测量而非磁场幅度的技术方案，但其专门针对操纵杆（joysticks）应用的情况。因此，专利申请US20070242043或US20090062064描述了用于操纵杆的传感器，其包括沿厚度单向磁化的单个磁体，以及仅测量磁场的两个分量并由此仅能测量单个磁场方向（由两个磁场分量形成的角度）的探测装置。这种原理不能供给沿两个方向独立的线性信号。而且，操纵杆式的系统仅限于旋转而不能测量平移。此外，通过操纵杆系统可检测到的角度局限于三十度左右。如果超过该角度，则磁体将远离探测装置，探测装置不再能探测到足够的磁场以推导出位置。因此，为了实现用于大于40度角行程的实际应用，传感器需要由有设置在行程的不同部分上的多个探测装置，这增加了传感器的成本。

现有技术中还有用于测量两个旋转角的Melexis应用指南，(http://ww.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333648.aspx），其中介绍了两个操纵杆配置。第一种配置方案是双极磁体的旋转中心与测量中心混合，这需要体积大且机械机构复杂的系统，不便整合到应用中。第二种配置方案是磁体的旋转中心位于磁体后部（磁体位于其旋转中心和磁敏元件之间）。在该情况下，三个磁场分量被用来确定两个旋转角。所使用的磁体是直径相当小的圆柱体，该圆柱体沿其厚度在幅度和方向上具有恒定的磁化。也就是在所述磁体任何点上的磁体磁化都具有相同的模，且垂直于磁体的上表面和下表面。这种非常特别的配置仅用于测量两个角度并且用于较小的行程（三十多度）。实际上，为了能够以所使用的算法来检测磁体旋转，必须使磁体的直径非常小（理论上是带有放射状磁化的点磁体），这意味着一使磁体发生较小的转动，磁体就会远离磁敏元件，并且在探测装置的磁敏元件处磁场变得太小而无法精确检测磁体的旋转。这就是为什么这种类型的系统需要有较大剩磁（典型地Br>1.2T）并且较厚（厚度>10mm）的原因，正是因此而使其成本高昂且难以磁化，并且具有较大的轴向厚度（通常>10mm）从而产生体积问题。此外，按照这种方法，平坦磁体的表面和测量点之间的机械间隙会根据磁体的旋转发生改变，从而造成对线性的损害，而且需要比必要的间隙更大的间隙来避免磁体边缘与探测装置支架碰撞。为了避免所述问题，理想的是使用直径非常小的磁体，但这会带来上面提到的问题。

发明内容

因此，在此给出的本发明尤其以简单和有效的方式提出弥补以上揭示的双向传感器问题（有限行程、仅能测量旋转、具有强剩磁的厚磁体、体积大且成本高……）。

特别地，我们提出按照任意两个方向（平移-平移，平移-旋转或旋转-旋转）的绝对位置传感器，所述传感器能测量磁化元件和磁敏探测装置之间的相对位移，其中磁敏探测装置能测量基本位于同一点的至少两个磁场分量，其对行程没有高低限制，且优选地测量磁场的方向而非其幅度。

更确切地，我们提出一种至少两个方向的磁位置传感器，包括：至少一个磁化元件（1）和探测装置（6），所述探测装置（6）包括至少两个磁敏元件（2）和（3），所述磁敏元件（2）和（3）基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化元件（1）产生的磁场的一个分量，所述磁化元件（1）相对于所述磁敏元件（2）和（3）可移动；以及至少一个处理电路（5），其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个方向和另一个方向的位置的至少两个独立信号，其特征在于，沿着朝向所述探测装置（6）设置的所述磁化元件的至少第一尺度，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件（1）的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置（6）设置的的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置（6）相对于所述磁化元件（1）的唯一位置。。

磁化矢量的这种变化可以通过其方向沿尺度的至少之一的改变来实现。在这种情况下，磁化矢量的方向可以在被测行程上具有多个周期。

磁化矢量的这种变化也可以通过磁化元件的尺度之一沿所述两个方向中的至少一个方向改变，从而引起表面法向矢量方向的改变来实现。在所述情况下，可以根据不连续函数或按照正弦型连续函数来改变尺度。

磁化矢量的这种变化也可以通过其幅度沿所述两个方向中的至少一个方向的改变来实现。

在任何情况下，磁化矢量沿所述两个方向中的至少一个方向具有至少一次方向交换。

在任何情况下，信号处理电路可以实现至少2次反正切函数计算或至少一次反正切计算和一次模计算。

在任何情况下，信号处理电路也可以在两个分量之间应用修正系数之后，实现两个磁场分量之比的反正切计算。

在本发明的实施变型中，处理电路与磁敏元件被集成在单个组件上。

在本发明的实施变型中，磁化元件由永磁体和至少一个铁磁部件构成。

最后，优选地，所测量的磁场分量沿至少两个方向中的每一个方向，基本上按照正弦方式改变。

通常，该传感器具有唯一的磁化元件，磁化元件优选地为稀土（SmCo，NdFeB）型永磁体或铁氧体，具有较小的厚度以及基本等于所希望行程的长度和宽度，除了磁体尺寸之外对于行程没有任何其它限制。传感器仅使用单个磁敏探测装置在单个点上测量3个磁场分量，由此能使体积最小并限制成本。该传感器使用磁场分量之间的幅度比，能使磁体的磁特性不受温度、时间变化的影响，而且也不对几何公差和间隙变化敏感，从而使得能够提出极为可靠的方案。所述传感器没有相对于磁敏元件固定的铁磁部件，且因此不会产生任何磁滞，并保证结构的简单性。最后，传感器能提供对于两个方向中的每一个独立的位置信息，这样会具有相当高的精确度。

按照下述来更精确地定义传感器的运转：

设M是磁敏元件集中且测量磁场的三个分量的点，而O’是磁化元件（1）的面对与磁敏元件集成的探测装置（6）的外表面的中点。将在如下情况下使用点O：所述两个方向中的至少一个为“旋转”（在这种情况下O为旋转中心）。我们因此可以写下如下矢量方程式：

矢量

是恒量，其仅取决于磁体的几何形状，当磁体为瓦形或球形的情况下，该矢量的范数对应于磁体的外半径，而当磁体为平行六面体的情况下，矢量范数为零。

矢量

是恒量且沿磁体厚度定向，即z₀一般被称作磁化元件和聚集磁敏元件的点M之间的间隙或气隙。

因此

被定义为矢量，代表磁化元件沿活动元件朝向

和的两个方向相对于磁敏元件的位置。为了简化起见，在以下所述方向用X和Y表示，且对应分别沿

和

的位移。

两个方向X和Y因此可以是两个平移，其中X和Y对应长度，或者可以是一个平移和一个旋转，其中X因此对应长度，而Y对应角度，最后，两个方向可以是两个旋转，其中X和Y两者都对应角度。

为了确定磁化元件相对于磁敏元件沿活动磁体的两个方向X和Y的位置，因此需要确定坐标X和Y。

通常，无论是直线、柱体还是球体磁体，按照下述，厚度对应沿正交于磁体上表面的单位矢量

定向的磁体尺寸，长度对应沿相切于磁体上表面的矢量

定向的磁体尺寸，且深度对应于同样相切于磁体上表面且垂直于矢量

的矢量

定向的磁体尺寸。当磁体为直线、柱体或球体时，所使用的坐标系O,分别是笛卡尔坐标系、极坐标系或球面坐标系。

按照第一实施方式，传感器由磁化元件（优选地为永磁体）构成，所述磁化元件生成磁场，其中，一方面在其表面测得（沿

）的法向分量，以及另一方面（沿

）测得的切向分量和（沿

）的横向分量，（按照被命名为λx和λy的基准机械周期）发生周期性变化，沿表面的有效变化可以对应一个或多个完整的周期或部分周期。

按照一优选的构型，磁化元件将具有基本接近有效行程的长度和深度以及磁化作用，其中，磁化的方向以基本线性的方式沿两个方向X和Y，且相对于其厚度、其长度及其深度发生变化。

这意味着在磁化元件外表面的任何点A，磁化矢量

和法向矢量之间的角度

且磁化矢量

和矢量

之间的角度

沿方向X发生线性变化，且磁化矢量

和矢量

之间的角度

以及磁化矢量

和矢量

之间的角度沿方向Y发生线性变化。

在该磁化元件附近，磁化生成磁场其中，切向分量（Bx）、法向分量（Bn）和横向分量（By），在沿方向X和Y的大部分行程上基本为正弦曲线。

我们因此考虑长度为Lx，宽度为Ly且厚度为Lz的一磁体，以及由磁化元件生成的磁场分量Bx、By、Bz的测量点M（x，y，z₀）。

+/-y_max是我们希望沿方向Y测量的最大行程，y_max小于、等于或大于磁化元件的宽度。

+/-x_max是我们希望沿方向X测量的最大行程，x_max小于、等于或大于磁化元件的长度。

我们希望识别沿X和Y的位置，即x和y，z₀对应于活动元件和固定元件之间的间隙。

磁场分量By和Bz具有沿X的相同相位，而分量Bx偏离四分之一周期。在第一实施方式中，磁化产生的磁场，其在M（x，y，z₀）的磁场分量将按照如下公式：

\cdot Bx (x, y, z_{0}) = BxMAX * \cos (\frac{2 π}{λ_{x}} * x + φ) * \cos (\frac{2 π}{λ_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot By (x, y, z_{0}) = ByMAX * \sin (\frac{2 π}{λ_{x}} * x + φ) * \sin (\frac{2 π}{λ_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot Bz (x, y, z_{0}) = BzMAX * \sin (\frac{2 π}{λ_{x}} * x + φ) * \cos (\frac{2 π}{λ_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

其中，λx和λy分别是磁场分别沿X和Y旋转360度的波长，且其为非零常量，对应于由磁化元件表面和磁敏元件之间的间隙以及磁化元件几何特征决定的各传感器。

对于第一优选的实施方式，磁化在O'处正交于磁体的中心，且因此我们具有φ＝π/2。磁化可以例如沿X和Y旋转360度。这意味着磁化在磁化元件的长度上旋转360度，且在磁化元件的宽度上旋转360度，在所述情况下，λx=Lx且λy=Ly。我们因此在磁化元件上的任何点M（x，y，z₀）有：

\cdot Bx (x, y, z_{0}) = BxMAX * \cos (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}) * \cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot By (x, y, z_{0}) = ByMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}) * \sin (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot Bz (x, y, z_{0}) = BzMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}) * \cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

当然，沿由磁化元件生成的磁场，波长λy可以比磁化元件的宽度Ly大很多，正如图4、5和6所示，其中，λy比宽度Ly大得多，这意味着磁场在磁化元件的宽度上旋转小于360度。

如果在磁化元件旋转的空间任意点M上测量磁场分量Bx、By和Bz，可以得知沿方向X和Y的位置，并通过应用以下公式推导出x和y。对3个磁化分量的测量可例如由位于同一点且集成在被称为探测装置（6）的同一封装中的3个磁敏元件，通过使用MLX90333或HAL3625型的组件来实现。

从所述3个分量出发，我们可以进行如下计算（图9）：

atan(kxBz/Bx)

atan(kyBz/By)

其中，Bx、By、Bz是坐标x，y，z0中点M上测得的磁场分量，且kx、ky是为了标准化分量而分配给磁场分量测量值的修正增益系数。所述计算可以在包含磁敏元件的唯一组件内部实现，或因此可以通过位于探测装置外部的元件（微控制器、微处理器，ECU......）来实现。

通过应用所述公式，可获得：

A \tan t (kx \frac{Bz}{Bx}) = a \tan ((kx * BzMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}) *

\cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}) / (BxMAX * \cos (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}) * \cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}))

= a \tan ((kx * BzMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2})) / ((BxMAX * \cos (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2})))

= a \tan (kx * \frac{{Bz}_{\max}}{{Bx}_{\max}} * \tan (\frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2}))

= \frac{2 π}{L_{x}} * x + \frac{π}{2},

其中

kx = \frac{{Bx}_{\max}}{{Bz}_{\max}}

Atan(kxBz/Bx)因此是变量x的线性函数，且通过计算得到的估值使我们能够确定值x以及因此点M相对于磁化元件中心O'的沿方向X的位置。M是磁敏元件放置的点，我们因此能得知磁化元件相对于磁敏元件的相对位置。沿X的相对位置因此不取决于温度和间隙，且可以更大的精确度被确定（典型地小于全程的1%）。因此，当x=0时，所述输出量等于0，其可经由探测装置（6）的编程进行，因为原点的斜率和纵坐标仅取决于磁体及其磁化，因而可以编程。

我们同样可以计算arctan（ky Bz/By），

A \tan (ky \frac{Bz}{By}) = \frac{2 π}{L_{y}} * y + \frac{π}{2},

其中，

ky = \frac{{By}_{\max}}{{Bz}_{\max}}

这能推导出磁化元件相对于磁敏元件沿方向Y的相对位置，正如上述对沿X的位置所述。

因此，如第一实施方式所述的对信号的所述磁化和所述处理，使我们能够通过在相同点M上测得的3个磁场分量，确定磁化元件相对于磁敏元件沿两个方向X和Y的相对位置。

我们还能在同样的磁化中运用以下后续处理：

A \tan [\frac{\sqrt{(Kz * {Bz}^{2} + ky * {By}^{2})}}{Bx}]

和

A \tan [\frac{\sqrt{(Kz * {Bz}^{2} + Kx * {Bx}^{2})}}{By}]

按照第二实施方式，本发明包括生成磁场的一个磁化元件（优选地是一个永磁体），磁场中一方面是法向分量（沿

)，另一方面是切向分量(沿

)和横向分量(沿

)，所述分量在其表面测得，呈周期性变化（按照被称为λx和λy的基准机械周期），沿表面的有效变化可对应一个或多个完整周期或一部分周期。

按照所述第二实施方式，磁化元件的磁化方向仅沿两个方向中的一个方向，且相对于其厚度及其长度呈基本线性的变化。

这意味着在磁化元件的任意点A上，磁化矢量

和法向矢量

之间的角度，即

以及磁化矢量

和矢量

之间的角度，即沿方向X呈线性变化，但磁化矢量

和矢量

之间的角度沿方向Y保持恒定。

所述第二实施方式需要宽度较小的磁化元件（<30mm或角度相等），从而在磁化元件附近，由磁化生成的磁场，其相对于磁体的切向分量（Bx）、法向分量（Bn）和横向分量（By）在大部分行程上基本为正弦曲线，即与第一实施方式的分量具有相同的形状。宽度较小的磁体使我们能够借助边缘效应，在M点上获得沿方向Y变化的磁场，而无需使磁化元件具有可沿该方向变化的磁化。

对于所述优选的第二实施方式，磁化可以与磁体中心O’正交、相切或为其它关系，且因此在该情况下，我们具有Ф=[0;2π]，磁化可以沿方向X旋转360度，但却将沿方向Y旋转小于180度，对此我们例如给出λx=Lx且λy=2Ly。

因此，我们在磁化元件的任意点M(x,y，z0)上获得：

\cdot Bx (x, y, z_{0}) = BxMAX * \cos (\frac{2 π}{L_{x}} * x + φ) * \cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot By (x, y, z_{0}) = ByMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + φ) * \sin (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

\cdot Bz (x, y, z_{0}) = BzMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x + φ) * \cos (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

同样，对于优选的第一实施方式，我们可以计算出atan(kxBz/Bx)和

且因此获得：

所述函数的输出值在长度Lx的行程上变化2π。

所述函数的输出值在长度Ly的行程上仅变化π。

我们也能在该实施方式中，通过计算反正切来确定沿X的位置，并通过获知所述位置，可仅使用分量By的值来推导沿Y的位置。然而，后续处理具有的缺点在于直接使用分量，这意味着所述方法将对间隙z0和温度的变化较敏感，但当仅有几个离散的位置需要确定时，例如在变速箱上应用时，仅需要获知6个或7个具有给定间隔的速度且不需要获知中间位置，因此这种方法将非常合适。

按照优选的第三实施方式，磁体具有的磁化，其磁化方向将保持恒定，且为此，在磁化元件任意一点上的磁化矢量

将与

或或

保持共线，换言之，磁化将依据磁化元件的厚度、长度或宽度进行。相反，磁化元件具有的厚度将沿两个方向X和Y呈准正弦曲线状变化。这种与均匀磁化相结合的、厚度在半个周期上呈准正弦的变化会在磁体上生成磁场，磁场的分量基本呈正弦曲线并且以类似于上述第一实施方式的方式来表达这些分量。按照所述优选的第三实施方式，由所述磁化元件生成的磁场仅沿方向X和Y旋转约180度，对此我们例如给出λx=2Lx和λy=2Ly。为了确定位置x和y，对所述分量的处理等同于第一实施方式。

按照第四实施方式，磁化元件具有磁化，其磁化方向将保持恒定，为此，在磁化元件任意一点上的磁化矢量

将与或

或

保持共线，换言之，磁化将依据磁化元件的厚度、长度或宽度进行。相反，磁化元件具有的厚度将沿两个方向X和Y以准正弦方式变化。所述第四实施方式需要宽度较小的磁化元件（<30mm或角度相等），从而在所述磁化元件附近，由磁化生成磁场，磁场的切向分量（Bx）、法向分量（Bn）和横向分量（By）相对于磁体在大部分行程上基本呈正弦形状，即与第一实施方式的分量具有相同的形状。宽度较小的磁体使我们能够借助边缘效应，在M点上获得沿方向Y变化的磁场，而不需要使磁化元件的厚度沿方向Y变化。

与所述优选的第三实施方式相同的是，由所述磁化元件生成的磁场仅沿方向X和Y旋转约180度，对此我们例如给出λx=2Lx和λy=2Ly。为了确定位置x和Y，对所述分量的处理与第一实施方式相同。

按照第五实施方式，磁化元件的磁化方向仅沿两个方向中的一个方向，相对于其厚度及其长度呈基本线性的变化。

这意味着在磁化元件的任意点A上，磁化矢量

和法向矢量之间的角度，即以及磁化矢量

和矢量之间的角度，即

沿方向X呈线性变化，但磁化矢量

和矢量

之间的角度沿方向Y保持恒定。

此外，与第二实施方式不同的是，磁化元件具有沿两个方向之一（Y）的厚度变化，且根据呈阶梯状的非连续性函数发生变化。

在该情况下，我们可以仅使用磁场分量Bx和Bz，并进行以下后续处理：

A \tan (ky \frac{BZ}{By})

和

| | Bx \overset{&OverBar;}{i} + Bz \overset{&OverBar;}{j} | | = \sqrt{{Bx}^{2} + {Bz}^{2}}

在采用呈阶梯状的磁体的情况下，计算角度为我们提供了沿X的非常精确的线性位置信息，且模为我们提供了沿方向Y的大概位置信息。然而，当我们使用仅包括两个可测部件的探测装置时，例如MLX90316或其它，所述方法将非常有用，且可以使沿Y的位置离散化。磁体沿Y的阶梯数一般对应于我们可以离散的位置数。该实施方式可以在例如变速箱的应用中被用来辨认速度。

按照第六实施方式，磁化元件具有磁化，磁化方向优选地根据其厚度保持恒定，但不排除其它可能。这意味着在磁化元件任意一点上的磁化矢量

将与

保持共线。

相反，磁化矢量的幅度沿两个方向中的一个或这两个方向呈线性变化。这意味着在磁化元件任意一点上，磁化矢量

沿磁体厚度定向，但所述矢量的幅度沿方向X和Y中的一个方向或这两个方向以正弦方式变化。

因此我们得到：

且A(x,y)＝A₁ sin(x)+A₂ sin(y)+cons tan te,A1和A2是取决于磁化元件的恒量。

按照第七实施方式，在应用于至少一个方向是旋转（将标记为Y）的情况下，本发明由呈叠瓦状的磁化元件构成。按照该实施方式，磁化元件将具有径面磁化，其中，磁化方向沿其旋转方向Y，且仅相对于磁体厚度以基本线性的方式改变。

这意味着在磁化元件的任意点A上，磁化矢量

和法向矢量之间的角度，即

沿旋转方向Y线性变化，且磁化矢量

和矢量之间的角度，即

沿方向X保持恒定，X是平移方向。此外，径面磁化意味着在磁化元件

的任意点A上的磁化矢量

为共线，如图19所示。

该实施方式需要宽度较小的磁化元件（<30mm或角度相等），从而在磁化元件附近，由磁化生成的磁场的切向分量（Bx）、法向分量（Bn）和横向分量（By）相对于磁体在大部分行程上基本呈正弦形状，即与第一实施方式的分量具有相同的形状。宽度较小的磁体使我们能够借助边缘效应，在M点上获得沿方向X变化的磁场，而无需磁化元件具有可沿该方向变化的磁化。

按照所述优选的实施方式，磁化可以与磁体中心在O’正交、相切或为其它关系，且因此在该情况下，我们具有Ф=[0;2π]，磁化旋转的角度约等于磁体叠瓦角度。也就是如果我们具有90度的叠瓦，由该叠瓦生成的磁场分量旋转约90度。

按照第八实施方式，磁化元件具有基本接近有效行程的长度和深度，且其磁化方向沿两个方向以非连续方式变化。

这意味着在磁化元件的任意点A上，磁化矢量

和法向矢量

之间的角度，即

沿方向X或沿两个方向X和Y，在0度和180度之间交替，如图20所示。

在该磁化元件附近，磁化生成磁场

其中，磁场的切向分量（Bx）、法向分量（Bn）和横向分量（By）相对于磁体在大部分行程上沿方向X和Y基本呈正弦曲线，且通过应用与第一实施方式相同的后续处理，可推导出磁化元件相对于磁敏元件的沿两个方向X和Y的位置。

当然，所述实施方式并不是穷举的，且其它磁体结构或磁体几何形状也是可能的。

附图说明

本发明将在阅读参考以下附图所做的描述后得到更好的理解：

-图1示出现有技术的解决方法。

-图2a、2b和2c示出磁化元件的不同几何形状以及相关的参考坐标系。

-图3示出一种实施方式，其中，传感器由平行六面体磁化元件和探测装置构成。

-图4示出以按照本发明描述的实施方式之一的磁化获得的磁场分量Bx。

-图5示出以按照本发明描述的实施方式之一的磁化获得的磁场分量Bz。

-图6示出以按照本发明描述的实施方式之一的磁化获得的磁场分量By。

-图7示出沿磁场分量By沿X轴的变化，且其针对多个位置y。

-图8示出对磁场的处理，以便推导沿两个方向的两个位置。

-图9a、9b、9c示出为了确定沿X和Y的活动物位置x和y，对分量Bx、By、Bz进行的后续处理的不同算法。

-图10示出按照本发明的实施方式的输出信号，所述信号使得能够确定沿X方向但独立于沿Y的位置的位置。

-图11示出按照本发明的实施方式的输出信号，所述信号使得能够确定沿Y但独立于沿X的位置的位置。

-图12是按照本发明实施方式的直线形磁化元件俯视图，其厚度恒定且具有沿多个方向呈正弦状的磁化。

-图13是叠瓦状磁化元件的透视图，其厚度恒定且具有沿多个方向呈正弦状的磁化，其中，方向X为旋转且方向Y为平移。

-图14示出按照本发明实施方式的宽度较小且厚度恒定的直线形磁化元件，以及沿方向X的连续正弦状磁化。

-图15示出圆形磁化元件，其厚度以准正弦状沿多个方向改变，且基本沿厚度磁化。

-图16示出直线形磁化元件，其厚度以准正弦状沿方向X变化，且基本沿其厚度磁化。

-图17示出一个磁体，其厚度沿方向Y发生非连续变化，且具有沿方向X的正弦状磁化。

-图18是磁化元件的侧视和俯视图，其厚度恒定且具有沿其厚度的磁化，但磁化的幅度沿方向X呈正弦形状。

-图19是厚度恒定的叠瓦状磁化元件以及径向磁化的透视图，其中，磁化方向X为旋转，而方向Y为平移。

-图20是椭圆形磁化元件的剖面图和透视图，其厚度恒定且具有沿方向X和Y南北交替的磁化。

-图21示出直线性磁化元件，其宽度较小且厚度恒定且具有沿方向X的连续正弦状磁化，以及能减少边缘效应的与磁化元件相连的铁磁部件。

具体实施方式

图1示出现有技术的方法，该方法能测量两个旋转角度。在所述情况下，3个磁场分量被用来确定两个旋转角度。所使用的磁体是厚度恒定的圆柱体且仅沿其厚度磁化。这种非常特别的构型仅被用来测量两个角度，且用于非常短的行程，因为这种沿厚度的恒定磁化不适合用于测量大于三十度的角度。

图2a、2b、2c是使用在我们实施方式中的磁化元件（1）和探测装置（6）的透视图、正视图和侧视图，用于确定分别沿旋转和平移方向（图2a）、2平移方向（图2b）以及2旋转方向（图2c）的磁化元件（1）相对于探测装置（6）的位置（x，y）。

无论本发明的哪种实施方式，探测装置6相对于磁化元件1的移动保持在位移表面上，且无需经受围绕正交于该移动平面的轴的旋转。

此外，在图2a、2b、2c、3至6、10至14以及18至21的实施方式中，使探测装置的移动平面和磁化元件1的上表面分开的距离保持恒定。

因此，在图2a、13和19的实施方式中，探测装置6的位移表面由与磁化元件1的圆柱形上表面共轴的一个圆柱部分构成，在图2b、3至6、10至12、14、18和20至21的实施方式中，其由与磁化元件1的平面上表面平行的平面部分构成，且在图2c的实施方式中，其由与磁化元件1的球形上表面同心的球形部分构成。

相反，在图15和16的实施方式中，探测装置6在位移平面内移动，该移动表面由与磁化元件1的中面平行的平面构成，探测装置6和磁化元件1的不平上表面之间的距离在正恒量的范围内变化，正如在图15的实施方式中，探测装置6和磁化元件1沿X方向和Y方向中的每一个的相对位置呈正弦形状，而在图16的实施方式中探测装置6和磁化元件1沿X方向的相对位置呈正弦形状。

同样，在图17的实施方式中，探测装置在位移表面内移动，该移动平面由与磁化元件1的固定平面平行的平面构成，探测装置6和磁化元件1的不平上表面之间的距离在正恒量的范围内变化，正如探测装置6和磁化元件1沿Y方向的相对位置呈伪正弦形状。

当一个方向为旋转时，O是旋转中心，O’是磁化元件外表面的中心，当两个方向为平移时，

是零，但在其它情况下，其中，R_ext是磁化元件的外半径。M是在探测装置（6）内磁敏元件集中的点，A是M沿法向矢量在磁化元件（1）的外表面上的投影。

是分别用来确定O'、A和M的不同位置的坐标系。在图2a、2b和2c的情况中，坐标系分别是柱坐标系、笛卡尔坐标系和球坐标系，是在表面一点上的法向矢量，且

是在该表面同一点上的切向矢量。矢量

因此与矢量

在A点上共线，且其范数对应于间隙z0，间隙的测量值是由传感器测定的恒量。图2a、2b和2c显示

本发明的目的因此在于通过确定对（x、y），由此确定磁化元件（1）沿由矢量

定向的两个方向，相对于探测装置（6）的磁敏元件（2）和（3）的位置。

在所述图2a、2b、2c上，对各构型确定磁化元件（1）相对于坐标系的尺寸。在图2a的情况下，其分别涉及直线长度、角向长度和厚度。在图2b的情况下，其分别涉及长度、宽度和厚度。在图2c的情况下，其分别涉及第一角向长度、第二角向长度和厚度。

图3示出一个实施方式的俯视图，其中，传感器包括长度为Lx，宽度为Ly，中心为O（0，0，0）的平行六面体磁化元件（1），以及能在M（x，y，z0）上测量由磁化元件（1）生成的3个磁场分量（Bx，By，Bz）的探测装置（6），从而推导出元件（1）沿方向X和Y的相对于探测装置（6）的位置（x，y）。磁化元件（1）沿X的行程是（2xmax），沿Y的行程是（2ymax），其中，2xmax和2ymax分别基本等于Lx和Ly。

图4示出磁化元件（1）、探测装置（6）和在任意点M（x，y，z0）上的磁场分量（Bx），且其具有给定的间隙测量值z0，所述间隙测量值根据由本发明描述的实施方式之一的磁化元件的磁化测得。在该情况下，磁化元件（1）生成磁场，其磁场分量Bx沿两个方向X和Y呈正弦状变化，从而使

Bx ({x, y, z}_{0}) = BxMAX * \cos (\frac{2 π}{L_{x}} * x) * \cos (\frac{π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}} .

图5按照与上图相同的构型，示出在任意点（x、y）上的磁场分量（Bz），其中，间隙测量值为z0，其可以写成：

Bz (x, y, z_{0}) = BzMAX * \sin (\frac{2 π}{L_{x}} * x) * \sin (\frac{2 π}{L_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

图6按照与以上两图相同的构型，示出在任意点（x、y）上的磁场分量（Bz），其中，间隙测量值为z0，其可以写成：

Bz (x, y, z_{0}) = BzMAX * \sin (\frac{2 π}{λ_{x}} * x) * \cos (\frac{2 π}{λ_{y}} * y) * \frac{A}{z_{0}}

图7按照本发明的一个实施方式，示出沿由磁化元件（1）生成的磁场分量By（单位：高斯）沿方向X（单位：毫米）的变化，其中间隙z0给定，并将其用于沿不同的Y的8个位置。在该情况下，xmax=10，ymax=4，Bymax=400，phi=0，λ4=20且λ2=4且A=z0。

图8描述了对由磁化元件（1）生成且由探测装置（6）测得的磁场B的处理，所述处理能够根据位于同一点上的磁敏元件（2）和（3）中的至少两个，来测量3个磁场分量。一旦获得所述3个分量，处理电路（5）能从分量之间的代数组合中以及角度和模计算中，确定磁化元件相对于探测装置的沿X和Y的位置。处理电路（5）可以被集成在探测装置（6）中，或通过微控制器或ECU在外部实现。

图9a、9b、9c示出按照磁化元件和所选择磁化的类型，对分量Bx,By，Bz进行后续处理的不同算法，由此确定磁化元件相对于探测装置（6）沿X和Y的位置。图9a示出如何通过计算Atan(K1Bx/Bz)和Atan(K2By/Bz），来使用3个磁场分量，由此确定位置x和y。图9b示出如何通过计算Atan(K1Bx/Bz)和模

来仅使用2磁场分量，由此确定位置x和y。图9c示出如何通过计算

A \tan [\frac{\sqrt{{(K 1 * Bz)}^{2} + {(K 2 * By)}^{2}}}{Bx}]

和

A \tan [\frac{\sqrt{{(K 1 * Bz)}^{2} + {(K 2 * Bx)}^{2}}}{By}]

来使用3个磁场分量，从而确定位置x和y。

图10示出按照本发明实施方式的输出信号，该信号使得能够根据例如图4和图5所示的磁场分量Bx和Bz，通过使用图9a限定的处理方法，来确定沿X但独立于沿Y的位置的位置。通过计算(Kx*Bx/Bz)的反正切获得输出信号，这样可以给出沿X且独立于Y的线性输出信号，且无论什么样的间隙测量值z0，都能确定磁化元件（1）沿其X方向相对于探测装置（6）的位置。

按照同样的原理，图11示出使得能够确定沿Y但独立于沿X的位置的位置的输出信号。通过计算（Ky*By/Bz)的反正切获得该输出信号，所这样可以给出沿Y且独立于X的线性输出信号，且无论什么样的间隙测量值z0，都能确定磁化元件（1）沿其第二方向Y相对于探测装置（2）的位置。

图12示出厚度恒定的直线形磁化元件（1），且其磁化由矢量表示，其方向在结合位移方向X和Y以及与这些方向正交的方向（即Z方向）所确定的平面内，沿多个方向呈线性变化。在该图及其随后的图中，磁化元件（1）中的实线箭头代表在图2b所确定的坐标系中沿轴或的磁化方向，点圈示出输出磁化方向，而叉圈示出输入磁化方向。如可以观察到的那样，由此在磁化元件（1）内部确定的场线是非共线的，从而构成本发明的基础原理之一，且其能允许生成例如图4或5或6的磁场分量，但无论磁化元件的尺寸如何，phi=pi/2。

图13是厚度恒定的叠瓦状磁体（1）的透视图，且其磁化由矢量

表示，其方向在结合位移方向X和Y以及与这些方向正交的方向（即Z方向）所确定的平面内，沿多个方向呈线性变化。如可以观察到的那样，磁化元件（1）内部的场线是非共线的，从而这构成本发明的基础原理之一，且其能允许生成例如图4或5或6的磁场分量，但无论磁化元件的尺寸如何，phi=pi/2。在所述情况下，X是旋转方向，而Y是平移方向。

图14示出应用于厚度恒定的直线形磁化元件（1）的实施方式。按照这种特别的方式，磁化元件所具有的磁化由矢量

表示，其方向在由位移方向X及与其正交的方向Z确定的平面内，沿磁化元件的长度呈线性变化。如可以观察到的那样，磁化元件内部的场线是非共线的，从而这构成本发明的基础原理之一，且其能允许生成例如图4或5或6的磁场分量，在所述情况下，磁场元件的宽度Ly将很小。

图15示出磁化元件（1），其厚度沿径向呈准正弦形状变化，且基本沿厚度（方向z）磁化。无论磁体的尺寸如何，所述实施方式允许生成如下磁场分量：

-Bx(x,y，z0)=BxMAX*cos(2pi/λp*x+phi)*cos(2pi/λx*y)*A/z0

-By(x,y，z0)=ByMAX*sin(2pi/λp*x+phi)*sin(2pi/λ*y)*A/z0

-Bz(x,y，z0)=BzMAX*sin(2pi/λp*x+phi)*cos(2pi/λ*y)*A/z0

其中，phi=pi/2且λu=xmax且λe=ymax。从（5）实现的KxBx/Bz或KyBy/Bz的反正切计算中得到线性信号以及磁体沿两个轴X和Y相对于探测装置的位置信息。

图16示出磁化元件（1），其磁化方向基本沿厚度定向，而其厚度呈准正弦形状变化。按照该实施方式，如果磁化元件（1）的宽度Ly较小，所测得的磁场分量如下：

-Bx(x,y，z0)=BxMAX*cos(2pi/λp*x+phi)*cos(2pi/λx*y)*A/z0

-By(x,y，z0)=ByMAX*sin(2pi/λp*x+phi)*sin(2pi/λ*y)*A/z0

-Bx(x,y，z0)=BzMAX*sin(2pi/λp*x+phi)*cos(2pi/λ*y)*A/z0。

其中，phi=pi/2且λh=xmax且λe=ymax。从（5）实现的KxBx/Bz或KyBy/Bz的反正切计算中得到线性信号以及磁体（1）沿两个轴X和Y相对于探测装置（6）的位置信息。

图17示出磁体（1），其厚度沿Y以非连续方式改变，且其具有沿X的正弦状磁化。当磁化元件与探测装置（6）之间具有较大的间隙时，磁场分量重新变为连续，且我们可以计算KxBx/Bz的反正切以及（Bx+Bz）的模，从而推导出磁化元件（1）沿两个方向X和Y相对于探测装置（6）的位置。

图18是磁化元件（1）的侧视图和俯视图，其厚度恒定且具有沿其厚度的磁化，但磁化的幅度沿方向X呈正弦状。该图的情况能适于作为磁化元件（1）的各向异性磁体的应用。沿厚度的各向异性磁体使得能够获得具有更强剩磁感应的磁体。鉴于这种情况下，不具有沿方向Y的磁化变化，可在各向异性磁体不太宽的情况下借助边缘效应来实现该图的情况。

图19是叠瓦状磁化元件（1）的透视图，其厚度恒定且具有径向磁化，其磁化方向X为旋转，而方向Y为平移。这种径向磁化能够良好地对应磁化方向相对于厚度、且在该情况下磁化方向沿X方向的改变。鉴于这种情况，不具有沿方向Y的磁化变化，可在磁化元件（1）不太宽的情况下借助边缘效应来实现该图的情况。在该图情况下，还可以使用径向各向异性磁体。

图20示出椭圆形磁化元件（1）的剖面图和透视图，其厚度恒定且具有沿Z的磁化，且所述磁化带有沿轴X和Y的非连续性南北磁化更替。所述磁化在离磁化元件（1）的一定距离处产生如图4、5和6所述的磁场分量Bx、By、Bz。

图21示出在厚度恒定的直线形磁化元件（1）上所应用的磁化实施方式。按照该特别的实施方式，磁化元件（1）具有的磁化由矢量

表示，其方向在由位移方向X及与其正交的方向Z确定的平面内，沿磁化元件的长度呈线性变化。除了磁化元件，增加有铁磁部件（7），用来增加由磁化元件（1）产生的磁场且用来减少沿方向X的边缘效应。

正如行业技术人员在阅读本说明书后将理解，本发明涉及磁位置传感器，所述磁位置传感器能确定活动探测装置6相对于磁化元件1的二维位置，其包括探测装置具有沿两个位移方向中的至少第一方向具有较大移动幅度的情况。

为此，本发明可以使用在三个原理中所选择的一个或多个原理。

第一原理，可被用来沿双向位移中的第一尺度或两个尺度中的每个确定探测装置位置，其旨在使磁化元件具有分别沿所述第一尺度或两个尺度中的每一个的至少接近正弦形状的磁化。

第二原理，仅可被用来沿双向位移中的第二尺度确定探测装置位置，且仅用于在沿所述第二尺度的位移幅度有限的情况，其旨在通过使用由磁化元件借助边缘效应生成的接近正弦状的磁场测量值，来估算探测装置沿这一尺度的位置。

第三原理，可被用于沿双向位移中的第一尺度或两个尺度中的每个确定探测装置位置，其旨在通过使用由磁化元件生成的强度可变的磁场测量值，来估算探测装置沿所述第一尺度或两个尺度中的每一个的位置，其中磁化元件沿双向位移的第一尺度或两个尺度中的每一个具有恒定的磁化方向。

第三原理本身按照两不同的方式被实施。

例如参考图15至17所描述的第一方式，旨在赋予磁化元件的上表面沿位移的第一尺度或位移的两个尺度中的每一个正弦或伪正弦的形状，从而使探测装置6和磁化元件1的上表面之间的距离按探测装置分别沿第一尺度或两个尺度中的每一个的位置而发生改变。

例如参考图18所描述的第二方式，旨在使磁化元件具有强度沿位移的两个尺度之一改变的磁化。

Claims

1.一种至少两个方向的磁位置传感器，包括：至少一个磁化元件（1）和探测装置（6），所述探测装置（6）包括至少两个磁敏元件（2）和（3），所述磁敏元件（2）和（3）基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化元件（1）产生的磁场的一个分量，所述磁化元件（1）相对于所述磁敏元件（2）和（3）可移动；以及至少一个处理电路（5），其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模的计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个方向和另一个方向的位置的至少两个独立信号，

其特征在于，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件（1）的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置（6）设置的的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置（6）相对于所述磁化元件（1）的唯一位置。

2.按照权利要求1所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的所述磁化矢量的方向按照所述磁化元件的至少一个尺度可变。

3.按照权利要求2所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化矢量的方向在被测行程上具有多个周期。

4.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的尺度之一沿所述两个方向中的至少一个方向可变，引起所述法向矢量的方向的变化。

5.按照权利要求4所述的磁位置传感器，其特征在于，所述尺度按照不连续函数改变。

6.按照权利要求4所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的所述尺度基本上按照正弦函数改变。

7.按照上述权利要求中任意一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的所述磁化矢量的幅度沿所述两个方向中的至少一个方向可变。

8.按照权利要求1所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化矢量的方向保持恒定且其幅度沿所述两个方向中的至少一个方向，按照正弦方式改变。

9.按照权利要求1所述的磁位置传感器，其特征在于，沿所述两个方向中的至少一个方向，所述磁化元件的所述磁化矢量具有至少一次方向交换。

10.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路实现至少2次反正切计算。

11.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路实现至少一次反正切计算和一次模计算。

12.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，通过在两个磁场分量之间应用修正系数之后，计算这两个分量之比的反正切，来实现沿至少一个方向的位置计算。

13.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述处理电路与所述磁敏元件被集成在单个组件上。

14.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件由永磁体和至少一个铁磁部件构成。

15.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所测量的磁场分量沿至少两个方向中的每一个方向，基本上按照正弦方式改变。