CN102822638A - 磁性旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性旋转编码器，为了对轴（1）的旋转角度进行精细分辨，该磁性旋转编码器包括：激励单元，该激励单元对将要监测的旋转进行成像并且绕着旋转轴线（20）旋转；用于对每转进行精细分辨的固定式精细分辨率传感器单元（2）；以及电子处理单元。所述旋转编码器的特征在于，所述激励单元包括两个第一永磁体（7，7），这两个第一永磁体彼此间隔开地相对于所述旋转轴线对称布置，使得这两个第一永磁体的延伸穿过各自重心的磁化矢量（21，21）相对于公共磁力线沿着相同方向延伸，并且形成直接连接所述永磁体（7，7）的中央磁场空间（9），并且至少所述精细分辨率传感器单元被布置成使得该精细分辨率传感器单元能够使用中央磁场空间的磁场（10）来进行测量。

Description

磁性旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中阐述的类型的磁性旋转编码器。

背景技术

EP 1243891B1提出了一种旋转编码器，这种旋转编码器具有呈永磁体形式的致动元件，该致动元件提供用于绝对测量精细位置值所需的磁场，如借助于四分仪霍尔探针来实现，该霍尔探针的霍尔元件以交叉关系相连。在这样的情况下，磁场的振幅和均匀性起到了重要角色。

就此来说，如果使用单个双极永磁体，将导致以下缺点：这种布置仅仅允许使用永磁体的返回磁场或者所谓的漏磁场，这种磁场既不是均匀磁场，也不是特强磁场，更不与旋转角度成线性关系。特别地，已经发现所使用的漏磁场的低磁场强度是一个重大障碍，因为弱磁场需要高水平的电放大并由此导致噪音增加。在这样的情况下，对来自外部和内部干扰的磁场敏感性随着磁场强度下降而增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种在该说明书的开头部分所述类型的旋转编码器，从而可得到磁场强度更大和/或均匀性更好和/或线性更好的磁场，以便特别用于精细位置值测量。

为了该目的，本发明提供了权利要求1中叙述的特征。

根据本发明，从现有技术已知的单独永磁体实际上被分成两个部分，这两个部分彼此间隔开地相对于所述旋转轴线大致对称布置，使得这两个部分的延伸穿过它们各自重心的磁化矢量相对于公共磁力线沿着相同方向延伸，并且形成其中具有磁场的中央磁场空间，该磁场基本上更有利于精细分辨率传感器单元，并且依赖于各自的设计构造，该磁场相比于永磁体的漏磁场具有更好的均匀性和/或线性度，且与之相比具有更大的磁场强度。

由权利要求1限定的装置既可以在单匝中使用又可以相对于多匝使用，也就是说，既可以在仅用于精细分辨不超过360°的旋转角度的旋转编码器中使用，又可以在除了精细分辨之外还对所执行的转数进行计数的旋转编码器中使用。

准绝对精细分辨率转数计数旋转编码器能够对所覆盖的转数进行计数，而与外部电源无关，当有外部电源时，该旋转编码器能够递送正在发生的角度值，该角度值由一转中的精细位置值和输转计数值构成。然而，相对于能够被计数的转数和使用持续时间，其受到绝对旋转编码器所没有的限制。准绝对旋转编码器包括例如传输解决方案、电池支持系统或者具有多匝传感器系统的旋转编码器，该多匝传感器系统与被定向的磁畴一起工作，并且涉及使用由诺沃泰克（Novotechnik）提供的、名称为“Multiturn-Sensor kontaklos,SeriesRSM2800analog”的旋转编码器。

这样的限制并不适用于在DE 10259223B3中描述的绝对转数计数器。用于对转数进行计数和存储计数值所需的电力从将要监测的主体的动能获得。其中其速度趋于零的临界情况这样来解决，即在一定距离上积累能量并且在预定点将该能量突然释放。这是通过韦根元件来实现的，该韦根元件的被预加应力的韦根线适合于提供磁畴，该磁畴通过外部磁场来切换。在这种情况下，布洛赫壁也就是说磁畴之间的过渡区域大致以音速在韦根线上通过并且在围绕的线圈中产生电压脉冲，该电压脉冲供给计数存储单元。所述韦根线的触发和预加应力取决于磁场的均匀性，特别是磁场大小。使用永磁体作为致动元件。

根据权利要求3，在根据本发明的旋转编码器的第一主要变型中，所述两个永磁体被布置成使得它们的磁化矢量位于垂直于所述旋转轴线延伸的公共直线上。因此，具有两个永磁体，这两个永磁体彼此轴向间隔开，相同地取向，并且优选具有相同尺寸，也就是说，在它们各自的磁场方面具有相同强度，并且其磁化矢量相互对准。在这种情况下，两个永磁体中的一个的北极朝向另一个永磁体的南极。在这样的方式下，特别当两个永磁体之间的轴向间隔保持较小时，在这里被称为中央磁场空间的中间空间中，具有非常强且均匀的主磁场，可以通过固定式精细分辨率传感器单元检测的该主磁场的磁场强度随着激励单元相对于该精细分辨率传感器单元采取的旋转角度正弦地变化。

在第一子变型中，至少实现最优磁场状态的所述精细分辨率传感器单元被直接布置在所述中央磁场空间中。然而，在这种情况下应注意，当使用霍尔探针装置作为所述精细分辨率传感器单元（其测量平面垂直于旋转轴线），有必要设置磁场偏转效应，使得初始也垂直于旋转轴线的中央磁场空间的磁力线获得垂直于所述测量平面的分量。这样的偏转可以通过小铁磁板来实现，该铁磁板不可旋转地连接到霍尔探针装置，也就是说，该铁磁板也不与磁场一起旋转，如本技术领域所公知的那样。

这方面的缺点在于，随着在穿过所述铁磁板的磁场中由旋转运动引起的磁场强度变化，在该铁磁板中出现磁滞效应，该磁滞效应导致测量信号的误差。

为了减轻这些问题，在根据本发明的第二子变型中设置成这样，即所述精细分辨率传感器单元不直接布置在中央磁场空间本身中，而是与该中央磁场空间以如下的接近度布置，即使得该精细分辨率传感器单元可以使用其有利磁场条件来进行角度测量。

为此，可以将所述精细分辨率传感器单元沿着旋转轴线方向以偏移关系定位在实际中央磁场空间之外，并且可以在其远离中央磁场空间的一侧设置铁磁偏转体，该偏转体与激励单元一起旋转并且将磁场的相当大部分拉出中央磁场空间，由此使磁场变形，使得正被讨论的磁力线利用垂直分量穿过所述精细分辨率传感器单元的作用表面或多个作用表面。这里，在理想的情况下，利用位于圆形偏转体处的磁体之间的均匀磁场实现正弦磁场。当在包括铁磁材料的轴上使用这种旋转编码器装置时，该轴自身能够直接执行这种偏转体的功能。如果不可能这样的话，可以使用合适的铁磁板，该铁磁板可以被安装成与激励单元一起旋转。

因此，通过这种装置，保持了由精细分辨率传感器单元检测到的磁场强度与旋转角度的正弦相关性。因为铁磁偏转体也执行激励单元的永磁体装置的旋转，因此穿过该铁磁偏转体的磁场的磁场强度不发生变化，所以也不会发生磁滞效应。

根据本发明的上述两个子变型的具体优点在于，它们允许旋转编码器的直径最小，该旋转编码器相对于外部干扰磁场被屏蔽。在对应于现有技术状态的装置（其中精细分辨率传感器单元必须布置在其中的激励单元的永磁体或磁体的漏磁场中）中，对于上述干扰保护来说必需的铁磁体盖必须相对于磁极保持相当小的最小间隔，否则将弱化漏磁场而使得漏磁场对于精细位置测量而言不再足够。所描述的根据本发明的解决方案消除了上述缺点，因为或者直接在两个永磁体之间的主区域中进行测量或者紧邻所述主区域进行测量，该磁场不仅比漏磁场明显更强和更均匀，而且通过由于铁盖引起的工作位置的偏移甚至略微增加，该铁盖对于屏蔽作用来说可能是必需的，并且直接延伸到两个永磁体的布置在外侧的极。因此，这种屏蔽盖以及整个旋转编码器一起相比于现有技术可以具有明显更小的直径。

根据权利要求4，在第二主要变型中，两个第一永磁体的磁化矢量平行于旋转轴线延伸，该旋转轴线在这两个第一永磁体之间，在这样的情况下，这两个第一永磁体在几何学上面向相反方向。在两个永磁体之间的中央磁场空间中给出了“零线”，该“零线”平行于旋转轴线，并且两个永磁体的磁场沿着零线彼此抵消。在该零线周围设置磁场，该磁场的将被测量的分量直接对应于随着旋转角度而正弦变化的磁化矢量的大小。该中央磁场空间中的磁力线至少在该零线的直接环境中大致平行于所述旋转轴线（所述精细分辨率传感器单元使用该旋转轴线）延伸，使得它们以所需方式垂直地穿过霍尔探针装置的与之相垂直的测量平面，而无需使用偏转体。因为这里没有任何偏转体，所以也不会发生任何磁滞效应。

原则上，可以使用两个不同的承载板来相对于所述旋转轴线呈居中的关系布置所述精细分辨率传感器单元和计数模块，但是优选地设置单个板，所述精细分辨率传感器单元和计数模块安装在该单个板上，使得所述精细分辨率传感器单元和计数模块处于该单个板的相对两侧上。这种单个板的变型是用于定位目的的最简单最廉价的解决方案。

如果使用带有磁敏元件的韦根元件作为所述计数传感器装置，则所述存储单元优选包括带有相应的电子测量系统的FRAM存储器。

如果将所述韦根元件和相关的磁敏元件布置在两个第一永磁体的主磁场中，在在精细分辨方面没有任何特别高的要求的情况下，这时最不昂贵的解决方案。

如果所述韦根元件位于所述两个第一永磁体的公共漏磁场中，则如果在小型结构尺寸方面没有极端要求，那么这是最不昂贵的解决方案。

如果在计数操作中用于检测旋转方向的磁敏元件以及所述精细分辨率传感器单元组合在一起而形成测量模块，则是有利的，因为这些元件因而可以采取单个集成电路的形式，并且自动地消除了布置磁敏元件的问题。

在每个方面的最佳解决方案中都提供了另外两个永磁体，所述另外两个永磁体的磁化矢量平行于所述两个第一永磁体的磁化矢量延伸，并且所述另外两个永磁体的主磁场弱于所述两个第一永磁体的主磁场，其中所述韦根元件位于所述另外两个永磁体的主磁场中。这使得两个主磁场的磁场强度一方面最佳地适应于韦根元件的要求，另一方面最佳地适应于精细分辨率传感器单元的要求。

另外，在所附权利要求中阐述了根据本发明的旋转编码器的进一步有利构造和改进。

附图说明

以下参照附图以示例的方式通过实施例对本发明进行描述，在附图中：

图1示出了根据本发明的旋转编码器的第一实施例的高度示意性的侧视图，其中两个第一永磁体的磁化矢量位于垂直于旋转轴线延伸的公共直线上，并且由韦根元件形成的计数传感器单元布置在这两个第一永磁体的漏磁场区域中；

图2示出了图1的旋转编码器的俯视图，其中为了清楚起见省略了计数传感器单元；

图3示出了根据本发明的旋转编码器的第二实施例的与图1对应的侧视图，其中两个第一永磁体的磁化矢量也位于垂直于旋转轴线延伸的公共直线上，并且由计数模块形成的计数传感器单元布置在这两个第一永磁体的漏磁场区域中；

图4示出了图3的旋转编码器的俯视图，其中为了清楚起见省略了计数传感器单元；

图5示出了根据本发明的旋转编码器的第三实施例的与图3对应的侧视图，其中两个第一永磁体的磁化矢量再次位于垂直于旋转轴线延伸的公共直线上，由计数模块形成的计数传感器单元布置在这两个第一永磁体的漏磁场区域中，并且精细分辨率传感器单元在轴线方向上从中央磁场空间偏移，铁磁偏转体提供了贯穿该精细分辨率传感器单元的作用表面或多个作用表面的垂直磁力线通路；

图6示出了图5的旋转编码器的俯视图；

图7示出了根据本发明的旋转编码器的第四实施例的与图1对应的侧视图，其中两个第一永磁体的磁化矢量再次位于垂直于旋转轴线延伸的公共直线上，并且由韦根元件形成的计数传感器单元布置在第二对永磁体的中央磁场空间中，该第二对永磁体与两个第一永磁体同轴地取向，在该第二对永磁体的中央磁场空间中布置有精细分辨传感器单元；

图8示出了图7的旋转编码器的俯视图；

图9示出了根据本发明的旋转编码器的第五实施例的与图1对应的侧视图，其中两个第一永磁体的磁化矢量成在空间上彼此相对的关系，并且平行于旋转轴线指向，由韦根元件形成的计数传感器单元布置在这两个第一永磁体的漏磁场区域中；以及

图10示出了图7的旋转编码器的俯视图，其中为了清楚起见省略了计数传感器单元。

具体实施方式

应该强调的是附图并不是按真实比例绘制。在各个附图中的相同元件由相同的附图标记表示。在图1中由附图标记8表示的旋转编码器是以上讨论的第一主要变型的示例，其中可以在图1以及图4、7和8中发现根据第一子变型的实施例，而在图5和6中示出第二子变型的示例。图9和10示出了根据第二主要变型的实施例。

图1示出了两个第一永磁体7、7，这两个第一永磁体7、7的磁化矢量21、21被彼此对准，使得它们位于垂直于旋转编码器的旋转轴线20延伸的公共直线8上。这两个永磁体7、7形成了根据本发明的旋转编码器的激磁单元的组成部件，该组成部件不可旋转地连接到主体（例如轴）上，该主体可沿着双箭头的方向旋转（仅在图5中示出）。

如所示出的，两个相同取向的永磁体7、7在它们的磁化矢量21、21的方向上间隔开，该间隔出于清楚起见以非常放大的比例示出，特别是与在旋转轴线20的方向上测量得到的永磁体7、7的高度相比而言。在图1中的右侧的永磁体7的北极朝向布置在左侧的永磁体7的南极。在这两个磁极之间形成有具有极其均匀的强磁场10的中央磁场空间9，该强磁场10与激磁单元相对于精细分辨率传感器单元2的旋转角度正弦地相关，该精细分辨率传感器单元2固定地布置在该中央磁场空间处，也就是说，该精细分辨率传感器单元也不执行永磁体7、7的绕着旋转轴线20的旋转运动。精细分辨率传感器单元2例如可以包括四分仪霍尔探针，该霍尔探针的霍尔元件以交叉关系连接。由于这里单个霍尔元件位于在图1中水平并且延伸通过直线8的平面中，因此使用了梅利克斯（Melexis）霍尔元件，其中与测量平面（也就是说与磁场敏感表面）平行地布置的铁磁板用于提供磁场偏转。

两个第一永磁体7、7形成公共漏磁场11，在该漏磁场11中布置计数传感器单元，该计数传感器单元用于转数计数并且也是固定的，而且由韦根元件5形成，该韦根元件5包括韦根线14和围绕该韦根线的线圈15，至少当直线8在相应的整转中穿过至少一个预定角位置时该线圈15输出转数计数脉冲，该转数计数脉冲的能量在外部能量供给出现故障的情况下也能够用于计数和存储单元（未示出）的能量供给，如例如从上述DE 10259223B1所公知的那样。为了检测旋转方向，可以设有磁敏元件（未示出），例如单个的霍尔元件，并且该磁敏元件可以与精细分辨率传感单元2相组合以提供测量模块。两个永磁体7、7中的每个永磁体还形成了单独的漏磁场，该漏磁场的磁力线配置出于清楚原因而没有示出。

如从图2中可以看到的，在该实施例中，永磁体7、7是呈现圆盘形状且在直径方向上被磁化并以特定均匀性为特征的磁体。

图3中所示的实施例与图1中所示的实施例的不同之处在于，布置在第一永磁体7、7的漏磁场11中的计数传感器单元由多匝传感器装置形成，该多匝传感器单元与定向磁畴一起操作并且与必要的电子测量系统共同形成了计数模块12。例如，在Novotechnik的称为“Multiturn-Sensor kontaklos,Series RSM2800analog”的临时数据页中描述了这种多匝传感器装置。

另外，该图概略地示出了固定板6，该固定板6具有均通过保持元件13、13安装在该固定板6的下侧上的精细分辨率传感器单元2和安装在固定板6的上侧上的计数模块12，所述保持元件13、13与旋转轴线20呈居中关系。该固定板同时用作精细分辨率传感器单元2和计数模块12的电布线。根据本发明，固定板6被定位成使得精细分辨率传感器单元2位于中央磁场空间9中，而计数模块12位于两个第一永磁体7、7的公共漏磁场11中。

可以从图4中看出，两个第一永磁体7、7为立方形构造并且在它们惯性轴中的一个惯性轴上被磁化。

这同样适合于图5和6中示出的实施例的两个永磁体7、7，图5和图6所示的实施例与上述实施例的不同之处在于，精细分辨率传感器单元2在轴向方向上略微向下偏移地布置并且明确地位于实际中央磁场空间9之外，但是如此接近该中央磁场空间而使得该精细分辨率传感器单元2能够利用在这里遍布的磁场10来测量旋转角度。因此，精细分辨率传感器单元2的磁敏元件（由霍尔元件形成）的在这里被再次定向成垂直于旋转轴线20的作用表面具有以垂直分量贯穿该表面的磁力线。设置铁磁偏转体，该铁磁偏转体在这里由将被监测的轴1本身形成。图5中的上端非常靠近中央磁场空间9，使得该上端吸收了在那里遍布的强均匀磁场的一部分，从而使得精细分辨率传感器单元2的霍尔元件具有以所需方式穿过的磁通量。磁场10的正弦角度或旋转位置相关度对于被吸收分量来说被完全保持，因为在轴形式的偏转体处的磁体之间的均匀磁场出现正弦磁场。

这种布置的优点在于，磁场强度在偏转体中不会变化，该偏转体也可以由与轴1的端部相对应的单独铁磁体形成，因为该偏转体也与激励单元的永磁体7、7一起旋转。这样，避免了否则会导致测量误差的磁滞效应。

在图7和8所示的实施例中，两个第一永磁体7、7也是立方体形的，并且在它们的惯量轴中的一个惯性轴上被磁化。此外，这里还具有另外两个永磁体17、17，这两个永磁体17、17以与两个第一永磁体7、7相同的方式布置在这两个第一永磁体7、7的正上方，但是具有更大的间隔，使得这两个永磁体17、17的磁化矢量19、19平行于第一永磁体7、7的磁化矢量21、21延伸。在第一模拟中，所述的另外永磁体17、17在旋转轴线20的方向上扩大了均匀中央磁场空间9，使得可以在其中定位再次由韦根元件5形成的固定式计数传感器单元，所述韦根元件包括韦根线14和围绕着韦根线14的线圈15并且以与参照图1和2描述的方式相同的方式工作。

在图7中，第二永磁体17、17的下侧直接位于第一永磁体7、7的上侧。这里，在旋转轴线20的方向上也可以具有间隔。在第一永磁体7、7或者在另外永磁体17、17的主磁场中，可以使用计数模块12来代替韦根元件5，同时可以将公共安装板布置在计数模块12和精细分辨率传感器单元2之间。

在图9和10所示的实施例中，两个永磁体7、7的磁化矢量21、21平行于旋转轴线20延伸，并且呈现在空间上相对指向的关系，但是在磁性方面它们相对于两个永磁体7、7的公共磁力线沿着相同方向延伸，在这种情况下，如在其他实施例中那样，所述两个永磁体7、7“串联联接”。所述两个永磁体7、7被布置使得旋转轴线20近似在所述两个永磁体7、7之间的相互间隔的中心延伸穿过永磁体7、7的中央磁场空间9。在第二区域中具有中性线，所述两个永磁体7、7的磁场沿着该中性线相互抵消，在理想情况下，也就是说，在永磁体7、7具有相等强度并且相对于旋转轴线对称布置的情况下，该中性线与旋转轴线20重合。

在紧邻中性线的环境中，也就是说在以这种方式形成的中央磁场空间中，磁力线在空间上沿着相反方向延伸并且非常接近平行于旋转轴线20，使得磁力线水平地延伸并且与旋转角度正弦相关地穿过由精细分辨率传感器单元2限定的水平面。这样，可以使用霍尔元件装置来用作所述精细分辨率传感器单元2，而无需磁场偏转元件。

在所有的实施例中，可以使用GMR元件作为用于方向检测的磁敏元件。

Claims (13)

1.一种磁性旋转编码器，为了对轴（1）的旋转角度进行精细分辨，该磁性旋转编码器包括：

激励单元，该激励单元对将要监测的旋转进行成像并且在这种情况下绕着旋转轴线（20）旋转；

用于对每转进行精细分辨的固定式精细分辨率传感器单元（2）；以及

电子处理装置；

其特征在于：

所述激励单元包括两个第一永磁体（7，7），这两个第一永磁体彼此间隔开地相对于所述旋转轴线对称布置，使得这两个第一永磁体的延伸穿过它们各自重心的磁化矢量（21，21）相对于公共磁力线沿着相同方向延伸，并且形成直接连接所述永磁体（7，7）的中央磁场空间（9）；并且

所述精细分辨率传感器单元（2）被布置成使得该精细分辨率传感器单元能够使用所述中央磁场空间（9）的磁场（10）来进行测量。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述旋转编码器采取对所述轴（1）的旋转进行计数的至少准绝对旋转编码器的形式，并且还包括用于检测至少整转数的固定式计数传感器单元（3）以及用于存储转数计数值的计数值存储单元。

3.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于，所述两个第一永磁体（7，7）的磁化矢量（21，21）以相互对准的关系布置在垂直于所述旋转轴线（20）延伸的直线（8）上。

4.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于，所述两个第一永磁体（7，7）的磁化矢量（21，21）平行于位于所述两个第一永磁体之间的所述旋转轴线（20）延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述计数传感器装置与所述计数值存储单元组合在一起，以形成计数模块（12），该计数模块（12）包括所需的电子测量装置和与被定向的磁畴一起工作的多匝传感器装置。

6.根据权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，所述计数模块（12）还被布置成使得该计数模块（12）能够使用所述两个第一永磁体（7，7）的所述中央磁场空间（9）的磁场（10）来进行测量。

7.根据权利要求5所述的旋转编码器，其特征在于，所述计数模块（12）位于所述两个第一永磁体（7，7）的公共漏磁场（11）中。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述计数传感器装置包括韦根元件（5）和磁敏元件，并且布置在所述两个第一永磁体（7，7）的中央磁场空间（9）中，所述韦根元件（5）包括韦根线（14）和围绕着所述韦根线（14）的线圈（15）。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述计数传感器装置包括韦根元件（5）和磁敏元件，并且布置在所述两个第一永磁体（7，7）的公共漏磁场（11）中，所述韦根元件（5）包括韦根线（14）和围绕着韦根线（14）的线圈（15）。

10.根据权利要求8或9所述的旋转编码器，其特征在于，所述磁敏元件和所述精细分辨率传感器单元（2）被组合在一起而形成测量模块。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，设有另外两个永磁体（17，17），所述另外两个永磁体（17，17）的磁化矢量（19，19）平行于所述两个第一永磁体（7，7）的磁化矢量延伸，并且所述另外两个永磁体（17，17）的位于所述中央磁场空间（9）中的磁场（16）弱于所述两个第一永磁体（7，7）的在所述中央磁场空间（9）中的磁场，所述另外两个永磁体（17，17）的所述磁场（16）中的所述韦根元件（5）位于所述中央磁场空间（9）中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述精细分辨率传感器单元（2）包括与磁场偏转装置固定连接的至少一个霍尔元件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述精细分辨率传感器单元（2）包括与和所述激励单元一起旋转的磁场偏转装置相关联的至少一个霍尔元件。

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