CN106164621A - 用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测在运动的部件(5)上的位移的传感器组件(1)，其中，磁性测量组件(10)的磁场的至少一个空间分量由于部件(5)在需检测的位移上的运动而改变，并且由此可测出运动的部件(5)相对于位置固定的敏感的测量元件(16.1)的位置。根据本发明，至少一个与运动的部件(5)相连接的有效磁体(18)和至少一个位置固定地布置在敏感的测量元件(16.1)的测量区域中的支持磁体(12)产生磁场。

Description

用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1所述类型的用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件。
背景技术
由现有技术已知转速传感器和位置传感器，其可通过检测磁场的相应的变化识别和评估旋转运动或位置改变。在此通常使用本身已知的磁传感器，其可根据应用物和使用范围实施为霍尔传感器、AMR传感器、GMR传感器、TMR传感器，或者总的来说实施为xMR传感器并且例如可用于在机动车中马达或者传动或行驶动态系统中的控制。在设计这种用于借助于检测磁性角度在位移或角度上的改变磁性地测量位移和角度的传感器组件的磁体回路时，必须满足敏感的元件或评估模块(ASIC)在遵守限定的通量密度范围方面的要求。为了能够以高精度测量大位移(>20mm)，在借助于检测磁性角度在位移或角度上的改变来测量位移或角度时，通常使用至少两个可运动的磁体。它们提供共同的磁场(其在操纵位移或操纵角度上有尽可能大的(<360°)磁性角度改变)并且同时提供限定的磁通量密度。这意味着，必须将两个相对大的磁体集成在一个应用物的可运动的部分上，这出于结构空间原因不总是可行或仅能以复杂且因此昂贵的结构和厚重且因此同样昂贵的磁体实现。
对于使用的敏感的测量元件来说，重要的是检测转动的或旋转的磁场矢量。磁场矢量的这种转动或旋转运动通过敏感的测量元件来检测，该测量元件可为ASIC(专用集成电路，Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis)的一部分。这例如在二维或三维的霍尔传感器中通过经由定向的磁通量密度的反正切函数的间接的角度检测来实现。
文献DE 10 2009 055 104 A1例如公开了一种用于检测在运动的部件上的位移的磁场传感器组件，在其中，运动的部件的磁体系统的磁场的空间分量就其方向而言在需检测的位移上改变，并且可由此相应地测出该运动的部件相对于位置固定的传感器的位置。在可线性地且能以另一自由度运动的部件处存在作为磁体系统的组成部分的至少一个磁体或另一磁性部件，为其外周边以预定的间距对置地分配有至少一个位置固定的对磁场方向敏感的传感器，其中，磁体的磁场的优选方向相对于运动的部件的0°和90°之间的位移以预定的角度取向。
发明内容
相对于此，具有独立权利要求1所述特征的根据本发明的用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件的优点在于，至少一个小的且因此成本合适的磁体布置在应用物的不动的部分或传感器壳体中，例如直接布置在敏感的测量元件附近。在应用物的不动的部分中的位置固定的磁体回路可具有一个或多个小的磁体。此外，可由敏感的测量区域和具有至少一个位置固定的磁体的不动的夹紧区域组成的大的测量区域通过在应用物的可运动的部分上的至少一个更小的并且因此成本更合适的磁体实现，而不是照旧通过在可运动的部分上的两个明显更长的磁体实现。因为在可运动的部分上的更小的磁体可集成，它们比传统的磁体需要更少的结构空间，所以可有利地简化至少一个有效磁体的集成。至少一个不动的磁体用作支持磁体并且同样可设计得非常小并且由此成本合适，因为该磁体可安置成非常靠近敏感的测量元件。在敏感的测量元件的印刷电路板装配中，支持磁体可同样位于印刷电路板上，例如位于敏感的测量元件旁边或者位于敏感的测量元件的对置的印刷电路板侧面上。本发明的实施方式可用在评估磁通量密度方向的改变的所有的位移和/或角度发送器中，例如霍尔传感器、尤其是所谓的2D或3D霍尔传感器或xMR传感器，诸如AMR或GMR传感器。尤其是测量在两个或三个空间方向上的通量密度的敏感的测量元件通过磁体的磁化方向的组合和至少一个支持磁体相对于至少一个有效磁体的布置方案提供满足敏感的测量元件(例如具有至少一个通量集中器的3D霍尔传感器)的要求的足够多的可行途径。
可运动的至少一个有效磁体引起磁场矢量在不动的敏感的测量元件的位置处的旋转并且因此引起在敏感的测量区域中的信号改变。一旦至少一个有效磁体与不动的敏感的测量元件离得太远，则是不动的至少一个支持磁体在不动的敏感的测量元件的位置处引起不动的、本身不旋转的磁场矢量和足够的通量密度。不旋转的磁场矢量和由不动的至少一个支持磁体产生的磁场可用于在不动的夹紧区域中产生恒定的输出信号。至少一个支持磁体有意义地如此取向，即，使得当至少一个有效磁体离开敏感的测量元件的测量区域时该支持磁体的磁化方向保持最后测得的磁场方向，即提供恒定的测量角度，该恒定的测量角度在先前的测量直至离开敏感的测量元件的测量区域期间未通过至少一个有效磁体事先测量。
本发明的实施方式提供了一种用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件，其中，磁性测量组件的磁场的至少一个空间分量由于部件在需检测的位移上的运动而改变，并且由此可测出运动的部件相对于位置固定的敏感的测量元件的位置。根据本发明，至少一个与运动的部件相连接的有效磁体和至少一个位置固定地布置在敏感的测量元件的测量区域中的支持磁体产生磁场。
在从属权利要求中采取的措施和改进方案可实现在独立权利要求1中给出的用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件的有利的改进方案。
特别有利的是，不动的至少一个支持磁体在敏感的测量元件的位置处产生恒定的不动的第一磁场矢量。不动的至少一个支持磁体的恒定的不动的第一磁场矢量可在敏感的测量元件的位置处相对于敏感的测量元件的测量面的法线具有预定的角度。
在根据本发明的传感器组件的有利的设计方案中，可运动的至少一个有效磁体可在进入敏感的测量元件的测量区域中时在敏感的测量元件的位置处产生旋转的第二磁场矢量，其磁场与至少一个支持磁体的磁场叠加。为了在敏感的测量元件的位置处产生旋转的第二磁场矢量，可使多个有效磁体或仅仅一个有效磁体与运动的部件相连接。在使用多个有效磁体的情况下，其可实施成小于单个的有效磁体，以便在敏感的测量元件的位置处产生旋转的第二磁场矢量。通过合适地分布更小的有效磁体可最佳地利用存在于运动的部件上的结构空间并且产生期望的第二磁场矢量。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，至少一个有效磁体的磁化和至少一个支持磁体的磁化相对于彼此可具有预定的角度。通过磁体的预定的磁化方向可在敏感的测量元件的位置处预先设定磁场矢量相对于敏感的测量元件的测量面的法线的预定的角度范围，从而传感器组件的磁体回路可通过任意的磁化角度简单地与不同的使用情况和/或安装空间匹配。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，敏感的测量元件可布置在印刷电路板上，印刷电路板具有第一表面和第二表面。因此，不动的至少一个支持磁体例如可在印刷电路板的相同的表面上布置在敏感的测量元件旁边，或在印刷电路板的另一表面上布置在敏感的测量元件的下面或旁边，或布置在印刷电路板的通孔中。为了可将至少一个支持磁体实施得尽可能小，至少一个支持磁体优选布置成尽可能靠近敏感的测量元件，即，具有到敏感的测量元件尽可能小的距离。在使用多个支持磁体的情况下，可使各个支持磁体的可行的布置位置组合。通过选择至少一个支持磁体相对于敏感的测量元件的位置可在敏感的测量元件的位置处有利地以简单的方式预先设定不动的磁场矢量相对于敏感的测量元件的测量面的法线的角度。支持磁体的磁场的方向选择成与支持磁体的位置和可运动的至少一个有效磁体的磁化匹配。此外，不动的支持磁体可与铁磁的通量传导件一起装配。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，敏感的测量元件可实施为评估模块的一部分。评估模块优选地实施为ASIC(Anwendungsspezifischer integrierterSchaltkreis)。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，需检测的位移可以是平移运动或旋转运动。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在下文的说明中对其进行详细阐述。在附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似功能的构件或元件。
图1示出了根据本发明的用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件的实施例的示意性的剖面图。
图2示出了图1中的根据本发明的用于检测在运动的部件上的位移的传感器组件的磁性测量组件的各个构件的示意性的透视图。
图3示出了磁性测量组件的侧视图，以示出用来布置用于磁性测量组件的支持磁体的不同的位置。
图4示出了图3中的磁性测量组件的俯视图。
图5示出了磁性测量组件的侧视图，以示出用来布置用于磁性测量组件的支持磁体的其他位置。
图6示出了图5中的磁性测量组件的俯视图。
图7和图8分别示出了图2中的磁性测量组件的反映特征的特性曲线。
具体实施方式
如由图1和图2可见的那样，根据本发明的用于检测在运动的部件5上的位移的传感器组件1的示出的实施例包括磁性测量组件10，其中，磁性测量组件10的磁场的至少一个空间分量由于部件5在需检测的位移R上的运动而改变，并且由此可测出运动的部件5相对于位置固定的敏感的测量元件16.1的位置。根据本发明，至少一个与运动的部件5相连接的有效磁体18和至少一个位置固定地布置在敏感的测量元件16.1的测量区域中的支持磁体12产生磁场。
在示出的实施例中，运动的部件5代表运动的活塞，其例如通过操纵刹车踏板平移地在制动力放大器的缸7中运动。如由图1进一步可见的那样，至少一个支持磁体12和一个例如实施为ASIC的评估模块16位置固定地布置在印刷电路板14上，该印刷电路板固定在制动力放大器的壳体3处。如由图2进一步可见的那样，敏感的测量元件16.1实施为评估模块16的一部分。
不动的至少一个支持磁体12在敏感的测量元件16.1的位置处产生恒定的不动的第一磁场矢量。此外，不动的至少一个支持磁体12的恒定的不动的第一磁场矢量在敏感的测量元件16.1的位置处相对于敏感的测量元件16.1的测量面的法线具有预定的角度。磁场矢量的强度更确切地说长度取决于在支持磁体12和敏感的测量元件16.1之间的间距L1。
如由图2进一步可见的那样，可运动的至少一个有效磁体18在进入敏感的测量元件16.1的测量区域中时在敏感的测量元件16.1的位置处产生旋转的第二磁场矢量，其磁场与至少一个支持磁体12的磁场叠加。敏感的测量元件16.1的测量区域在图2中通过距离A表示。运动的至少一个有效磁体18的旋转的磁场矢量在不动的敏感的测量元件16.1的位置处的强度更确切地说实际的长度取决于到敏感的测量元件16.1的间距。旋转的磁场矢量的最大长度取决于在至少一个有效磁体18和敏感的测量元件16.1之间的空气间隙L2。
为了与不同的使用情况和/或使用空间相匹配，至少一个有效磁体18和至少一个支持磁体12的磁化相对于彼此具有预定的角度。
如由图3和图4可见的那样，不动的至少一个支持磁体12和敏感的测量元件16.1可布置在印刷电路板14的不同的表面14.1、14.2上。可通过选择至少一个支持磁体12相对于敏感的测量元件16.1的位置并且通过至少一个支持磁体12的磁化方向在敏感的测量元件16.1的位置处有利地以简单的方式预先设定不动的磁场矢量相对于敏感的测量元件16.1的测量面的法线的角度。在图3和图4中示出了用于布置用虚线画出的支持磁体12的不同的可行的位置。因此，支持磁体例如可直接布置在敏感的测量元件16.1上方或布置成以预定的角度到敏感的测量元件16.1具有不同的间距。替代地，在未示出的实施方式中，支持磁体12可在印刷电路板14的相同的表面14.1或14.2上布置在敏感的测量元件16.1旁边，或布置在印刷电路板14的通孔中。为了可将至少一个支持磁体12实施得尽可能小，至少一个支持磁体12优选布置成尽可能靠近敏感的测量元件16.1，即，布置成到敏感的测量元件16.1具有尽可能小的间距。
如由图3进一步可见的那样，可运动的至少一个有效磁体18在示出的实施例中被从右(N)向左(S)磁化，即，北极N布置在右边，而南极S布置在左边，其中，在示出的实施例中仅仅使用一个有效磁体18。替代地，可在运动的部件5处使用多个具有彼此协调的磁化方向和位置的有效磁体18，以在敏感的测量元件16.1的位置处产生旋转的第二磁场矢量。因此，至少一个有效磁体18例如也可具有在图示中从上向下(即，北极N在上边，南极S在下边)或从下向上(即，南极S在上边，北极N在下边)的磁化方向。此外，至少一个有效磁体18也可具有倾斜的磁化方向。对于至少一个支持磁体12并未给出磁化方向。根据至少一个支持磁体12的位置和可运动的至少一个有效磁体18的磁化可对至少一个支持磁体12预先设定不同的磁化方向。因此，可使至少一个支持磁体12例如沿与至少一个有效磁体18相同的方向、亦即从右向左磁化。替代地，对于至少一个支持磁体12还可考虑从上向下(即，北极N在上边，南极S在下边)或从下向上(即，南极S在上边，北极N在下边)的磁化方向。此外，至少一个支持磁体12可具有倾斜的磁化方向。至少一个支持磁体12和有效磁体18的磁化方向同样能够实现预先设定在敏感的测量元件16.1的位置处的对应的磁场矢量的方向。支持磁体12的在图4中示出的磁化方向是示例性的。显然也可预先设定其他的磁化方向。
如由图5和图6可见的那样，不动的支持磁体12不仅可布置在印刷电路板14的与敏感的测量元件16.1相同的表面14.1上，而且也可布置在印刷电路板14的另一表面14.2上。在该实施方式中也可通过选择至少一个支持磁体12相对于敏感的测量元件16.1的位置和通过至少一个支持磁体12的磁化方向来在敏感的测量元件16.1的位置处简单地预先设定不动的磁场矢量相对于敏感的测量元件16.1的测量面的法线的角度。在图5和图6中示出了用于布置用虚线画出的至少一个支持磁体12的不同的可行的位置。如上文已经阐述的那样，可对至少一个支持磁体12或至少一个有效磁体18预先设定任意的磁化方向，其中，支持磁体12和有效磁体18的在图5和图6中示出的磁化方向仅仅是示例性的。
如由图7和图8的反映特征的特性曲线可见的那样，可运动的至少一个有效磁体18引起在不动的敏感的测量元件16.1的位置处的磁场矢量的旋转并且进而引起在敏感的测量元件16.1的测量区域A中的信号变化。一旦至少一个有效磁体18与不动的敏感的测量元件16.1的位置离得太远，则是不动的至少一个支持磁体12引起不动的、不旋转的磁场矢量和足够的通量密度。恒定的磁场矢量用于产生在不动的夹紧区域中的恒定的输出信号。至少一个支持磁体12有利地如此取向，即，使得当有效磁体18离开敏感的测量元件16.1的测量区域A时该支持磁体的磁化方向保持最后测得的磁场方向，即，提供恒定的测量角，该恒定的测量角在先前的测量直至离开敏感的测量元件16.1的测量区域A期间并未事先测量。
在示出的实施方式中，需检测的位移R相应于运动的部件5的平移运动。替代地，根据本发明的用于检测在运动的部件5上的位移的传感器组件1的实施方式还可用于检测旋转运动。

Claims (10)

1.一种用于检测在运动的部件(5)上的位移的传感器组件，其中，磁性测量组件(10)的磁场的至少一个空间分量由于所述部件(5)在需检测的位移(R)上的运动而改变，并且由此能测出所述运动的部件(5)相对于位置固定的敏感的测量元件(16.1)的位置，其特征在于，至少一个与所述运动的部件(5)相连接的有效磁体(18)和位置固定地布置在所述敏感的测量元件(16.1)的测量区域中的至少一个支持磁体(12)产生磁场。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，不动的所述至少一个支持磁体(12)在所述敏感的测量元件(16.1)的位置处产生恒定的不动的第一磁场矢量。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，不动的所述至少一个支持磁体(12)的在所述敏感的测量元件(16.1)的位置处的恒定的不动的第一磁场矢量相对于所述敏感的测量元件(16.1)测量面的法线具有预定的角度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器组件，其特征在于，能运动的所述至少一个有效磁体(18)在进入所述敏感的测量元件的测量区域中时在所述敏感的测量元件(16.1)的位置处产生旋转的第二磁场矢量，其磁场与所述至少一个支持磁体(12)的磁场叠加。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述至少一个有效磁体(18)和所述至少一个支持磁体(12)的磁化相对于彼此具有预定的角度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述敏感的测量元件(16.1)布置在印刷电路板(14)上，该印刷电路板具有第一表面(14.1)和第二表面(14.2)。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，不动的所述至少一个支持磁体(12)在所述印刷电路板(14)的相同的表面(14.1)上布置在所述敏感的测量元件(16.1)旁边，或者在所述印刷电路板(14)的另一表面(14.2)上布置在所述敏感的测量元件(16.1)的下面或旁边，或者布置在所述印刷电路板(14)的通孔中。
8.根据权利要求6或7所述的传感器组件，其特征在于，不动的所述至少一个支持磁体(12)与铁磁的通量传导件装配在一起。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述敏感的测量元件(16.1)为评估模块(16)的一部分。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述需检测的位移(R)是平移运动或旋转运动。
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