CN104769394A - 检测运动构件的运动的磁性测量装置和对应的传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测运动构件的运动的磁性测量装置(1a)，其包括至少一个永磁体(5)和用于检测至少一个磁性参数的至少一个传感器元件(7)，其中，所述至少一个永磁体(5)和所述至少一个传感器元件(7)以可相对运动的方式彼此间隔地布置，其中，运动构件的运动引起所检测的至少一个磁性参数的变化，所述参数可被评估以获得运动构件的旋转角度和/或位置，本发明也涉及一种具有这种磁性测量装置(1a)的用于检测运动构件的运动的传感器装置。根据本发明，设置至少一个屏蔽元件(10、10a)，其由导磁性材料制成并且布置成至少部分地包围所述至少一个永磁体(5)和/或所述至少一个传感器元件(7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1前序部分所述的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置和根据独立权利要求6前序部分所述的用于检测运动构件的运动的传感器装置。
背景技术
在文献DE 10 2009 055 104 A1中描述了一种用于在平移运动的构件处检测位移的磁场传感器装置。在所描述的磁场传感器装置中，在运动构件处磁性系统的磁场的空间分量的方向沿着待检测的位移发生变化，从而可相应地探测其相对于位置固定的传感器的位置。在线性的且可在另一自由度中运动的构件处存在至少一个磁体作为磁性系统的组成部分，至少一个对置的位置固定的对磁场敏感的传感器以预定的距离被分配给所述至少一个磁体。
在文献DE 10 2007 024 867 A1中描述了一种用于无接触地检测旋转角度的测量装置。所描述的测量装置包括第一主体，磁体以相对于旋转轴线具有径向距离的方式布置在该第一主体上，并且测量装置包括第二主体，其具有用于产生测量信号的对磁场敏感的元件。在此，对磁场敏感的元件和磁体在第一和第二主体之间相对运动时相对于相对运动的圆形轨道切向地布置，其中，磁体在相对于旋转轴线垂直于径向方向上布置的平面中径向地被磁化或极化。
在文献DE 10 2008 020 153 A1中描述了一种角度检测装置。所描述的装置包括：具有至少一个磁性北极区域和至少一个磁性南极区域的旋转元件，北极区域和南极区域交替地围绕旋转中心布置；具有磁性板和检测元件的磁场检测区段，检测元件检测在垂直于磁性板的方向上的磁性分量大小；确定旋转元件的旋转角度的计算单元。磁场检测区段布置成，磁性板垂直于第一方向定向，磁场强度在该第一方向上最大，其中，磁场检测区段检测在第一方向上和第二方向上的磁性分量的大小，第二方向相应于这样的方向，即，磁性的北极区域和南极区域在周向上布置在该方向上。
发明内容
相对地，根据本发明的具有独立权利要求1所述特征的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置和根据本发明的具有独立权利要求6所述特征的用于检测运动构件的运动的传感器装置具有的优点是，借助于屏蔽元件使杂散磁场的影响最小化。
本发明的实施方式以有利的方式使屏蔽元件能够简单地集成到现有设计中，从而不需要额外的安装体积。
本发明的核心在于，使用由铁磁性材料或导磁性材料制成的屏蔽元件。该屏蔽元件布置成，其至少部分地包围检测磁场的至少一个传感器元件和/或产生磁场的至少一个磁体。由此，例如可设置不仅包围所述至少一个传感器元件而且也包围所述至少一个磁体的屏蔽元件。替代地，可设置包围所述至少一个传感器元件或所述至少一个磁体的屏蔽元件。此外，可设置两个屏蔽元件，其中，第一屏蔽元件包围所述至少一个传感器元件并且第二屏蔽元件包围所述至少一个磁体。由此，可保护通过所述至少一个磁体的磁场产生和/或通过所述至少一个传感器元件对所产生的磁场的的检测不受外部磁场干扰并提高测量精度。本发明的实施方式不仅可用于检测旋转运动的构件的旋转角度而且可用于检测平移运动的构件的位置。
本发明的实施方式提供了用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，其包括至少一个永磁体和用于检测至少一个磁性参数的至少一个传感器元件。该至少一个永磁体和至少一个传感器元件以可相彼此运动的方式彼此间隔地布置，其中，运动构件的运动引起所检测的至少一个磁性参数的变化，该参数可被评估以获得运动构件的旋转角度和/或位置。根据本发明设置至少一个屏蔽元件，其由导磁性材料制成并且布置成至少部分地包围所述至少一个永磁体和/或所述至少一个传感器元件。为了改变所获得的至少一个磁性参数，至少一个传感器或至少一个磁体与可动的构件相连接。
根据本发明的磁性测量装置优选地应用在用于检测运动构件的运动的传感器装置中，该传感器装置包括测量值发送器和测量值接收器。
通过在从属权利要求中阐述的措施和改进方案，可以有利地改善在独立权利要求1中给出的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置和在独立权利要求6中给出的用于检测运动构件的运动的传感器装置。
在根据本发明的传感器装置的有利设计方案中，至少一个屏蔽元件例如可实施成具有圆形横截面或有棱角的横截面的框架或U形件或空心体。实施成框架的至少一个屏蔽元件可实施成封闭的或具有间隙的。框架例如可通过压制或焊接封闭。间隙例如可具有直的或阶梯形的或倾斜的或锯齿形的轮廓。在此，间隙的轮廓优选地如此选择，使得框架在运输期间不会相互钩住。为了与传感器设计方案的结构要求相匹配，所述至少一个屏蔽元件也可实施成任意其它几何形状。由此，所述至少一个屏蔽元件例如也可实施成盆形件或罩。
在根据本发明的传感器装置的有利设计方案中，测量值接收器可具有第一壳体，所述至少一个传感器元件布置在该第一壳体中。测量值发送器可具有第二壳体，所述至少一个永磁体布置在该第二壳体中。第一壳体可通过例如实施成空心铆钉的连接元件与第二壳体相连接。
在根据本发明的传感器装置的另一有利设计方案中，所述至少一个屏蔽元件可被集成到第一壳体和/或第二壳体中或者至少部分地包围第一壳体和/或第二壳体。所述至少一个屏蔽元件可与第一壳体和/或第二壳体相匹配并且具有至少一个凹口和/或变化的尺寸。所述至少一个屏蔽元件可具有凹口并且在高度和/或厚度上变化，以能够与测量值发送器的壳体和/或测量值接收器的壳体相匹配。此外，所述至少一个屏蔽元件可实施成部分地或完全地包围第一壳体和/或第二壳体的屏蔽罩，或者实施成被集成到第一壳体和/或第二壳体中的屏蔽盆形件。
在根据本发明的传感器装置的另一有利设计方案中，壳体可具有凹口，所述至少一个屏蔽元件被插入该凹口中。在此，所述至少一个屏蔽元件优选地实施成具有比凹口更大的外直径的开槽框架并且在张紧的情况下被插入凹口中。
在根据本发明的传感器装置的另一有利设计方案中，运动构件可相应于踏板或转向柱。
附图说明
在附图中示出并在以下描述中详细解释本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示具有相同或相似功能的部件或元件。
图1示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第一实施例的示意性剖视图，
图2示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第二实施例的示意性剖视图，
图3示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第三实施例的示意性剖视图，
图4示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第四实施例的示意性剖视图，
图5示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第五实施例的示意性剖视图，
图6示出了用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置的第六实施例的示意性剖视图，
图7示出了屏蔽元件的第一实施例的示意性立体图，其用于根据本发明的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，
图8示出了屏蔽元件的第二实施例的示意性立体图，其用于根据本发明的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，
图9示出了屏蔽元件的第三实施例的示意性立体图，其用于根据本发明的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，
图10示出了屏蔽元件的第四实施例的示意图，其用于根据本发明的用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，
图11示出了屏蔽元件的第五实施例的示意性图，其用于根据本发明的用于测量运动构件的运动的磁性测量装置，
图12示出了在预装配的状态中的用于检测运动构件的运动的根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意性立体图，
图13示出了在部分装配的状态中的用于检测运动构件的运动的根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意性立体图，
图14示出了在已装配的状态中的用于检测运动构件的运动的根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意性立体图，
图15示出了在已装配的状态中的用于检测运动构件的运动的根据本发明的传感器装置的第二实施例的示意性立体图，
图16示出了在已装配的状态中的用于检测运动构件的运动的根据本发明的传感器装置的第三实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
为了检测旋转轴的角度，从现有技术中已知，检测在轴中央的磁体的旋转运动。为此，利用相应感应的磁传感器，例如AMR和/或GMR传感器、霍尔传感器、具有集成的磁场集中器的霍尔传感器等检测磁矢量绕旋转轴线的旋转。对于所使用的传感器元件，检测旋转的磁矢量是重要的。在例如实施成圆磁体的在传感器元件之前旋转的磁体中，磁矢量也旋转。该旋转运动通过位于前方的传感器元件检测，该传感器元件为ASIC(专用集成电路)的一部分并且探测与磁体表面平行的磁矢量。这在二维或三维的霍尔传感器中通过间接的角度检测经由定向的磁通密度的反正切函数实现。这种霍尔传感器可明确无歧义地在360°上探测圆磁体的角位置。AMR传感器使直接角度检测成为可能，并且由原理所决定，直接检测磁矢量的角度。用于检测角度或位移的装置在车辆中可应用于各种不同的用于车辆制动系统的操纵装置中，用于照明宽度调节，用于轴的角位置检测，特别是也用于在制动踏板处的驾驶员制动愿望检测或在油门踏板处的驾驶员加速愿望检测。在例如通过被电流流过的导体产生的杂散磁场的作用下，可影响磁通密度，从而可产生信号偏差。
为了检测平移运动的滑块的位置，可检测至少一个与滑块相联接的磁体的平移运动。为此，利用相应感应的磁传感器沿着至少一个磁体检测磁矢量的旋转，这些磁传感器例如实施成AMR和/或GMR传感器、霍尔传感器、具有集成的磁场集中器的霍尔传感器或其它2D或3D霍尔传感器或AMR传感器。对于传感器元件重要的是检测旋转的磁矢量。由此，例如可使用平移运动的棒式磁体。随着棒式磁体的移动，磁场矢量相对于一个固定点的方位发生变化。磁场矢量的方位变化可通过至少一个传感器元件检测和评估。在2D或3D霍尔传感器元件中，这通过磁通密度的反正切或者间接地通过非平面的磁场分量的角度检测实现。这种霍尔传感器可明确无歧义地在360°上探测圆磁体的角位置。
如可从图1至6中看出的那样，用于检测运动构件的运动的根据本发明的磁性测量装置1a、1b、1c、1d、20a、20b的所示出的实施例包括至少一个具有磁性北极区域N和磁性南极区域S的永磁体5、25和至少一个用于检测至少一个磁性参数的传感器元件7、27。所述至少一个永磁体5、25和所述至少一个传感器元件7、27以可相对于彼此运动的方式彼此间隔地布置，其中，运动构件的运动引起所检测的至少一个磁性参数的变化，可对该磁性参数进行评估以获得运动构件的旋转角度和/或位置。根据本发明，设置至少一个屏蔽元件10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g，其由导磁性材料制成并且布置成，其至少部分地包围所述至少一个永磁体5、25和/或所述至少一个传感器元件7、27。
如还可从图1至6中看出的那样，至少一个屏蔽元件10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g布置成，所述至少一个屏蔽元件10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g的竖轴或者说纵轴线优选地垂直于感应平面，该感应平面例如由沿着x方向的磁通密度Bx和沿着y方向的磁通密度By展开。
在图1至4中示出的实施例中，根据本发明的磁性检测装置1a、1b、1c、1d用于检测围绕旋转轴线3旋转运动的不可见的构件的旋转角度，至少一个永磁体5与该构件相联接。在未示出的替代实施例中，传感器元件7与旋转运动的不可见的构件相连接并且至少一个永磁体5位置固定地布置。
在图5和图6中示出的实施例中，根据本发明的磁性检测装置20a、20b用于检测沿着运动方向9平移运动的不可见的构件的位置，所述至少一个永磁体25与该构件相联接。在未示出的替代实施例中，传感器元件27与平移运动的不可见的构件相连接并且至少一个永磁体25位置固定地布置。
如还可从图1中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第一实施例中实施成上方和下方敞开的框架10a或空心体，其具有圆形的或有棱角的横截面，并且其不仅包围传感器元件7而且包围永磁体5。
如还可从图2中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第二实施例中实施成下方敞开的盆形件10b或空心体，其具有圆形的或有棱角的横截面，并且其不仅包围传感器元件7而且包围永磁体5。
如还可从图3中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第三实施例中实施成上方和下方敞开的框架10c，其具有圆形的或有棱角的横截面，并且其仅仅包围传感器元件7。
如还可从图4中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第四实施例中实施成上方和下方敞开的框架10d，其具有圆形的或有棱角的横截面，并且其仅仅包围永磁体5。
如还可从图5中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第五实施例中实施成下方敞开的盆形件10e或U形件，其具有有棱角的横截面，并且其完全包围传感器元件27并且部分地包围永磁体25。
如还可从图6中看出的那样，屏蔽元件10在所示出的第五实施例中实施成环或在前方和后方敞开的空心体，其具有有棱角的横截面，并且其包围传感器元件27和永磁体25。
如从图7至11中看出的那样，在所示出的实施例中，实施成框架的屏蔽元件10分别包括具有间隙14a、14b、14c、14d、14e的基体12a、12b、12c、12d、12e。
如还可从图7中看出的那样，所示出的屏蔽元件10的基体12a具有圆形的横截面和具有阶梯形轮廓的间隙14a。
如还可从图8中看出的那样，所示出的屏蔽元件10的基体12b具有有棱角的横截面和具有倾斜轮廓的间隙14b。
如还可从图9中看出的那样，所示出的屏蔽元件10的基体12c具有有棱角的横截面和具有倾斜轮廓的间隙14c。此外，基体12c的两个侧面具有不同的高度，并且在基体12c的另外两个侧面中引入凹口16。
如还可从图10中看出的那样，所示出的屏蔽元件10的基体12d具有有棱角的或圆形的横截面和具有直的轮廓的间隙14d。
如还可从图11中看出的那样，所示出的屏蔽元件10的基体12e具有有棱角的或圆形的横截面和具有锯齿形轮廓的间隙14e。
如可从图12至16中看出的那样，用于检测运动构件58的运动的根据本发明的传感器装置30a、30b、30c的所示出的实施例分别包括测量值发送器50和测量值接收器40a、40b、40c。如还可从图12至16中看出的那样，测量值接收器40a、40b、40c具有第一壳体42a、42b、42c，在第一壳体中布置有所述至少一个传感器元件7。测量值发送器50具有第二壳体52，所述至少一个永磁体5布置在该第二壳体52中。此外，第一壳体42a、42b、42c通过例如实施成空心铆钉的连接元件44与第二壳体52相连接。为了将传感器装置30a、30b、30c固定在车辆中，可将螺钉引导穿过空心铆钉并且固定地拧紧在相应的容纳部中。
如还可从图12至16中看出的那样，根据本发明的传感器装置30a、30b、30c的所示出的实施例用于检测操纵杆58的旋转运动，操纵杆58与未示出的踏板相联接，以检测在制动踏板或油门踏板处的驾驶员愿望。如还可从图12至16看出的那样，测量值发送器50在所示出的实施例中实施成相同的。在此，与所述至少一个永磁体5相连接的轴通过操纵杆5克服回位弹簧59的力从未示出的踏板处旋转。优选地实施成ASIC(专用集成电路)的至少一个传感器元件7以限定的反映磁性气隙的距离位于永磁体5上方。所述至少一个传感器元件7检测根据所述至少一个永磁体5的旋转运动而变化的至少一个磁性参数。由此，所述至少一个传感器元件7可将信号提供给ASIC的连接在之后的评估电路，该信号可被转换成操纵杆5经过的绝对旋转角度。
如还可从图12至16中看出的那样，测量值发送器50的壳体52具有凹口54，实施成具有圆形横截面的开槽框架10d的屏蔽元件10、10d被插入该凹口54中。以有利的方式，屏蔽元件10、10d实施成具有比凹口54更大的外直径并且在张紧的情况下被插入和定位在凹口54中。附加地，密封件56布置在凹口54中，密封件56贴靠在屏蔽元件10、10d的内侧上。
如还可从图12至14中看出的那样，根据本发明的传感器装置30a的所示出的第一实施例具有仅仅一个屏蔽元件10、10d，其布置在测量值发送器50的第二壳体52中，使得其包围至少一个永磁体5。
如还可从图15中看出的那样，除了布置在测量值发送器50的第二壳体52中的屏蔽元件10、10d，根据本发明的传感器装置30b的所示出的第二实施例还具有另一实施成罩10g的屏蔽元件10，该屏蔽元件10部分地包围测量值发送器40b的第一壳体42b并且由此部分地包围至少一个传感器元件7。
如还可从图16中看出的那样，除了布置在测量值发送器50的第二壳体52中的屏蔽元件10、10d，根据本发明的传感器装置30c的所示出的第三实施例还具有另一实施成盆形件10b的屏蔽元件10，该屏蔽元件被集成到测量值接收器40c的第一壳体42中并且包围所述至少一个传感器元件7。
通过至少一个屏蔽元件，本发明的实施方式能够使外部杂散磁场的影响最小化并且能够使屏蔽元件简单地集成到现有的壳体设计中，从而不需要额外的安装体积。
Claims (14)
1.一种用于检测运动构件的运动的磁性测量装置，其包括至少一个永磁体(5、25)和用于检测至少一个磁性参数的至少一个传感器元件(7、27)，其中，所述至少一个永磁体(5、25)和所述至少一个传感器元件(7、27)以可相对运动的方式彼此间隔地布置，其中，所述运动构件(58)的运动引起所检测的至少一个磁性参数的变化，所述参数能够被评估以获得所述运动构件(58)的旋转角度和/或位置，其特征在于，设有至少一个屏蔽元件(10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g)，所述至少一个屏蔽元件由导磁性材料制成并且布置成至少部分地包围所述至少一个永磁体(5、25)和/或所述至少一个传感器元件(7、27)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述至少一个屏蔽元件(10)为具有圆形横截面或有棱角的横截面的框架(10a、10c、10d)或U形件(10e)或空心体(10f)。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，为框架(10a、10c、10d)的所述至少一个屏蔽元件(10)是封闭的或具有间隙(14a、14b、14c、14d、14e)的。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述间隙(14a、14b、14c、14d、14e)具有直的或阶梯形的或倾斜的或锯齿形的轮廓。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述至少一个屏蔽元件(10)为盆形件(10b)或罩(10g)。
6.一种用于检测运动构件的运动的传感器装置，其具有测量值发送器(50)和测量值接收器(40a、40b、40c)，其特征在于，设有根据前述权利要求1至5中任一项所述的磁性测量装置(1a、1b、1c、1d、20a、20b)。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其特征在于，所述测量值接收器(40a、40b、40c)具有第一壳体(42a、42b、42c)，所述至少一个传感器元件(7、27)布置在所述第一壳体中。
8.根据权利要求6或7所述的传感器装置，其特征在于，所述测量值发送器(50)具有第二壳体(52)，所述至少一个永磁体(5、25)布置在所述第二壳体中。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于，所述第一壳体(42a、42b、42c)通过连接元件(44)与所述第二壳体(52)相连接。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述至少一个屏蔽元件(10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g)集成到所述第一壳体(42a、42b、42c)和/或所述第二壳体(52)中或者至少部分地包围所述第一壳体(42a、42b、42c)和/或所述第二壳体(52)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述至少一个屏蔽元件(10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g)与所述第一壳体(42a、42b、42c)和/或所述第二壳体(52)相匹配并且具有至少一个凹口(16)和/或变化的尺寸。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述壳体(52)具有凹口(54)，所述至少一个屏蔽元件(10、10d)插入所述凹口中。
13.根据权利要求12所述的传感器装置，其特征在于，所述至少一个屏蔽元件(10)为具有比所述凹口(54)更大的外直径的开槽框架(10d)并且在张紧的情况下插入所述凹口(54)中。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述运动构件(58)相应于踏板或转向柱。
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