CN108267108A - 一种用于测量角度位置的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量角度位置的装置，包括：旋转体，相对于支承体在两个极限位置之间摆动，旋转体和支承体一个相对于另一个旋转的摆动角θ小于或等于150°；永磁体，沿延伸圆弧延伸，延伸弧形对应于圆心在主旋转轴线上的圆弧，延伸圆弧对着延伸角α；以及磁传感器，相对于主旋转轴线偏心定位；永磁体和磁传感器，一个固定在旋转体上，另一个固定在支承体上，并总是磁耦合；在永磁体的延伸角α和摆动角θ间有以下关系：α>θ‑30°，其中，永磁体沿直径极化，且极化方向相对于与主旋转轴线垂直的直线形成小于或等于10°的角度，直线通过主旋转轴线和通过延伸圆弧的第一端。该装置能够获得连续的测量信号和在整个测量范围中的相对较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量角度位置的装置，特别是一种用于测量不大于150°的旋转/摆动角的装置。
背景技术
已知在很多工业应用中，旋转/摆动机械元件的角度位置非常重要。
因此，随着时间的推移，已经开发了多种测量系统，至少近年来，这些测量系统都是基于非接触的磁测量，该磁测量使用在永磁体和磁传感器之间的相互作用(通常为霍尔效应传感器)。
第一种已知类型涉及使用磁传感器，该磁传感器安装成使得它与要测量角度位置的本体的旋转轴线轴向对齐，并与相对于该旋转轴线偏心定位的永磁体磁耦合。
不过，这种类型的装置在尺寸方面有相当大的缺点，且在需要自由地轴向接近旋转体时不可使用。
因此，为了克服这个缺点，已经开发了用于测量旋转体相对于固定体的角度位置的测量系统，其中，磁体安装成使它与旋转体一起旋转，霍尔效应传感器安装在固定体上并在与旋转轴线间隔开和靠近磁体的位置。这种类型的实例在专利文献WO88/07172A1、EP0665416、WO98/08060、WO98/55828、US6310473、WO02/061366、EP1291615、WO2004/046653、WO2007/122055、DE102006060808、WO2011/006515、WO2011/139469、US2013/147466、DE102012203158、DE102013106395中介绍。
更详细地说，在一些情况中，磁体有完整圆形或环弧的形状，而在其它情况中，磁体有圆弧形状(当轴向看时，环的一部分)，该圆弧只覆盖圆周的一部分(见文献WO98/08060、WO98/55828、US6310473、WO02/061366、EP1291615和WO2011/139469)。
而且，在一些现有技术的方案中，磁体径向极化(磁化)，而在其它情况中，磁体沿直径极化(特别见文献US6310473、WO2004/046653和WO2011/139469)。
在沿直径极化的永磁体(该永磁体有圆弧形状)的所有情况中，根据现有技术，总是只有使用两个可选的极化方向：与圆弧所对的弦平行的方向或者垂直于该弦的方向。
关于霍尔效应传感器相对于磁体的位置，在现有技术中，它径向定位在磁体的侧部，也就是说，在更外侧或更内侧的圆上，以及定位在磁体上面，也就是说，轴向对齐。
此外，为了保证足够的测量可靠性，在现有技术的方案中，在大部分情况中使用磁通传送器，该磁通传送器与永磁体耦合。
在仔细研究现有技术方案之后，申请人断定它们都不是完全没有缺点。
特别是，它们通常表现出较差的灵敏度，从而使得它们在要测量的摆动相对较小或者需要良好精度的情况中不可用。
发明内容
在这里，形成本发明基础的技术目的是提供一种用于测量角度位置的装置，它克服了上述缺点。
特别是，本发明的技术目的是提供一种用于测量角度位置的装置，该装置能够获得连续的测量信号和在整个测量范围中的相对较高的灵敏度。
本发明的另一技术目的是以有竞争力的成本来实现它。
所述的技术目的和目标基本通过如下所述的用于测量角度位置的装置来实现。
一种用于测量角度位置的装置，包括：支承体；旋转体，该旋转体相对于支承体绕主旋转轴线在两个极限位置之间摆动，该旋转体和支承体一个相对于另一个旋转的摆动角θ的幅值小于或等于150°；永磁体，该永磁体主要位于与主旋转轴线垂直的平面中，并在该平面中沿延伸圆弧延伸，该延伸圆弧对应于圆心在主旋转轴线上的圆弧，该圆弧通过的延伸角α对应于圆心在主旋转轴线上的所述圆弧所对的中心角；以及磁传感器，该磁传感器相对于主旋转轴线偏心定位；永磁体和磁传感器一个固定在旋转体上，另一个固定在支承体上，并定位成这样，在旋转体相对于支承体旋转的过程中在由支承体和旋转体采用的任何彼此相对位置，都使得磁传感器与永磁体磁耦合；其中，在永磁体的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：α>θ-30°，其中，永磁体沿直径极化，且极化方向相对于与主旋转轴线垂直的直线形成小于或等于10°的角度，该直线通过主旋转轴线和通过延伸圆弧的第一端。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：在永磁体的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：α<θ+10°。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：在永磁体的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：α<θ。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：在永磁体的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：α＝θ-2δ，其中，δ＝5°±2°。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：在旋转体相对于支承体旋转的过程中，磁传感器在垂直于主旋转轴线的平面中相对于永磁体沿摆动圆弧移动，该摆动圆弧对应于圆心在主旋转轴线上的圆弧，且该圆弧所对着的中心角等于摆动角θ；由摆动角和延伸角所对着的中心角定位成使它们的相应平分线在从主旋转轴线出来的半平面中共面。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：在旋转体相对于支承件旋转的过程中，磁传感器在垂直于主旋转轴线的平面中相对于永磁体沿摆动圆弧移动，该摆动圆弧对应于圆心在主旋转轴线上的圆弧，且该圆弧所对着的中心角等于摆动角θ；由摆动角和延伸角所对着的中心角定位成使它们的相应平分线在从主旋转轴线出来的半平面中共面。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：极化方向相对于与主旋转轴线垂直的直线形成小于或等于5°的角度，该直线通过主旋转轴线和通过延伸圆弧的第一端。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：磁传感器是霍尔效应磁传感器，它能够检测沿两个或三个正交的检测轴线的磁感应强度分量。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：磁传感器至少在摆动角的中心区域处直接面对永磁体，并可选地沿平行于旋转轴线的方向或沿着相对于旋转轴线的径向方向而与该永磁体间隔开。
根据所述的用于测量角度位置的装置，其中：旋转体绕主旋转轴线相对于支承体在两个极限位置之间摆动，该旋转体和支承体一个相对于另一个旋转的摆动角θ大于或等于90°。
附图说明
通过下面参考附图的详细说明，将更清楚本发明的其它特征和优点，这些附图表示了用于测量角度位置的装置的几个优选的非限定实施例，附图中：
图1是处于测量范围的中间位置中的永磁体和磁传感器的彼此相对布置的示意平面图(平行于主旋转轴线来看)，该永磁体和磁传感器是根据本发明的装置的部件；
图2是永磁体的磁化方向的示意平面图；
图3是根据本发明的测量装置的示意平面图，其中，磁传感器和永磁体在彼此相对的中间位置中；
图4表示了图3的测量装置，其中，磁传感器和永磁体在彼此相对的第一极限位置中；
图5表示了图4的测量装置，其中，磁传感器和永磁体在彼此相对的第二极限位置中；
图6是根据本发明制造的测量装置细节的局部轴测图，该测量装置应用于设备的摆动体；以及
图7用虚线表示了使用根据本发明的测量装置可获得的输出信号的实例，并用实线表示了为随后使用而进行调节的相同信号。
具体实施方式
参考上述附图，参考标号1表示整个根据本发明的用于测量角度位置的装置。
本发明的核心在于申请人已经能够令人惊讶地证实，与现有技术装置相比，本发明可以获得连续和分辨率更好的输出信号，这是由于使用了具有圆环(环形)形状的永磁体，该永磁体与相对于旋转轴线偏心定位的线性磁传感器相关联，还由于磁体的尺寸、它的极化以及磁体和传感器彼此相对的摆动角的特殊组合。
通常，根据本发明的测量装置1包括支承体2和旋转体3，该旋转体3能够相对于支承体2绕主旋转轴线4在两个极限位置(图4和5)之间旋转/摆动，该旋转体3和支承体2一个相对于另一个旋转的摆动角θ的幅值小于或等于150°(在正常操作中，旋转体3摆动的角度不能大于150°)。当摆动角θ有大于或等于90°的幅值时，本发明甚至更有利。在图3至5中表示了这种情况的示意图，其中主旋转轴线4垂直于纸张，且只是为了强调相对彼此的运动，旋转体3表示为有梯形设计，支承体2表示为有矩形设计。
测量装置1还包括永磁体5和磁传感器6，它们中的一个固定在旋转体3上，另一个固定在支承体2上，永磁体5和磁传感器6也被定位成这样，在旋转体3相对于支承体2旋转的过程中在由支承体2和旋转体3采用的任何彼此相对的位置，都使得磁传感器6与永磁体5磁耦合。
根据本发明的第一个重要方面，在垂直于主旋转轴线4的平面中，永磁体5沿着延伸圆弧延伸，该延伸圆弧对应于圆心在主旋转轴线4上的圆弧。因此永磁体5相对于主旋转轴线4延伸一定角度α，该角度α对应于由延伸圆弧所对的中心角。
优选是，在优选实施例中，磁体形成这样，即当轴向看时(也就是说，平行于主旋转轴线4)，它有环的一部分的形状。在3D中，它优选是可以对应于螺旋实体的一部分，例如，在图6的实施例中，该磁体有基本矩形的横截面(除了在边缘处的小斜面之外)。在这种情况中，永磁体5有：平的上表面7和平的下表面8，它们基本相等且平行；弯曲内表面9，该弯曲内表面面向主旋转轴线4，且与之平行；弯曲外表面10，该弯曲外表面10与弯曲内表面9平行；以及两个端面11，每个端面11位于它们自身的平面中，该平面通过主旋转轴线4。在端面11所处于的这两个平面之间的角度等于永磁体5的延伸角α。而且，在该实施例中，如所有类似的延伸圆弧那样，该延伸圆弧可以用连接螺旋实体的各单独横截面的中心点(重心)的弧来标识。
对于磁体的与主旋转轴线4平行的厚度以及它的径向宽度，它们可以每次根据设计要求来设定。根据本发明的创造性方面，永磁体5沿直径极化(也就是说，总是平行于它自身地穿过整个磁体)，并有极化方向12，该极化方向12相对于参考直线13形成小于或等于10°的角度λ，优选是小于5°，该参考直线13垂直于主旋转轴线4，并穿过主旋转轴线4和穿过延伸圆弧的第一端。在图2所示的情况中，参考直线13是相对于旋转轴线的径向直线，它经过一个端面11的中心点(两个端面中的哪一个并不重要，甚至假定永磁体5的实质上对称)。磁传感器6相对于主旋转轴线4偏心地定位，且优选是霍尔效应磁传感器6，该霍尔效应磁传感器6能够检测沿两个或三个正交检测轴的磁感应分量的强度。优选是它将定位成这样，使得它的两个检测轴线在与主旋转轴线4垂直的平面内。
为了保证在磁传感器6和永磁体5之间的磁耦合，磁传感器6优选是至少当旋转体3和支承体2彼此相对定位在摆动角的中心区域时直接面对永磁体5(在它们之间有较小间隙，该间隙大小将取决于由永磁体5产生的磁场强度以及磁传感器6的灵敏度，且优选是使得磁传感器6浸没在具有能由磁传感器6感测的强度的磁场中)。根据需要，磁传感器6可以选择地与沿与旋转轴线平行的线(如在附图中，它面对平的上表面7或平的下表面8)或沿相对于旋转轴线为径向的线(因此，在内侧-面对弯曲内表面9-或在外侧-面对弯曲外表面10-与磁体并排)而与永磁体5间隔开。
根据本发明的还一新颖方面，在永磁体5的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：
α>θ-30°，
优选是也有这样的关系：
α<θ+25°
更优选是有这样的关系：
α<θ+20°
还更优选的是有这样的关系：
α<θ+10°。
不过更优选是，永磁体5的延伸角α小于摆动角θ，也就是说有以下关系：
α<θ。
在优选实施例中，特别是，在永磁体5的延伸角α与摆动角θ之间有以下关系：
α＝θ-2δ
其中，δ＝5°±2°。
而且，永磁体5和磁传感器6优选地以这样的方式彼此相对定位，使得磁传感器6相对于永磁体5的行程基本相对于平面对称，该平面经过延伸角α的平分线和经过主旋转轴线4。
换句话说，在旋转体3相对于支承体2旋转的过程中，磁传感器6在垂直于主旋转轴线4的平面中相对于永磁体5沿摆动圆弧移动，该摆动圆弧对应于圆心在主旋转轴线4上的圆弧，且该圆弧所对着的中心角等于摆动角θ。而且，摆动角θ和延伸角α布置成使它们的平分线在从主旋转轴线4出来的半平面中共面。
如由图1中可见，在摆动角θ大于延伸角α的优选实施例中，磁传感器6的行程在永磁体5的各端面处超过该永磁体5一附加角度，该附加角度等于δ＝5°±2°。根据本发明的用于测量角度位置的装置1的操作类似于普通测量装置1的操作。
图7特别用虚线突出表示了可从根据本发明制造的测量装置1的磁传感器6获得的输出信号的实例，其中，摆动角θ等于125°，延伸角α等于115°，且极化方向12对应于穿过永磁体5的多个端面11中的一个的上述参考方向。
同样在图7中，实线表示了磁传感器6的输出的线性化，通过在本领域中采用的正常计算和校正技术来获得。
本发明带来了重要的优点。
实际上，由于本发明能够制造一种用于测量角度位置的装置，该装置能够使得连续的测量信号(在整个测量范围内不中断)与相对较高水平的灵敏度组合。
而且，当延伸角选择为小于摆动角时，能够以非常低的成本获得那些结果。
最后，应当注意，本发明相对容易生产，甚至与实现本发明相关的成本也不是非常高。
上述本发明可以以多种方式进行变化和改变，而并不脱离本发明构思的范围。
所有细节都可以用其它技术上等效的元件来代替，使用的材料以及多个部件的形状和尺寸都可以根据需要而变化。
Claims (10)
1.一种用于测量角度位置的装置，包括：
支承体(2)；
旋转体(3)，该旋转体相对于支承体(2)绕主旋转轴线(4)在两个极限位置之间摆动，该旋转体和支承体一个相对于另一个旋转的摆动角θ的幅值小于或等于150°；
永磁体(5)，该永磁体主要位于与主旋转轴线(4)垂直的平面中，并在该平面中沿延伸圆弧延伸，该延伸圆弧对应于圆心在主旋转轴线(4)上的圆弧，该圆弧通过的延伸角α对应于圆心在主旋转轴线(4)上的所述圆弧所对的中心角；以及
磁传感器(6)，该磁传感器相对于主旋转轴线(4)偏心定位；
永磁体(5)和磁传感器(6)一个固定在旋转体(3)上，另一个固定在支承体(2)上，并定位成这样，在旋转体(3)相对于支承体(2)旋转的过程中在由支承体(2)和旋转体(3)采用的任何彼此相对位置，都使得磁传感器(6)与永磁体(5)磁耦合；
其中，
在永磁体(5)的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：
α>θ-30°，
其中，永磁体(5)沿直径极化，且极化方向(12)相对于与主旋转轴线(4)垂直的直线形成小于或等于10°的角度，该直线通过主旋转轴线(4)和通过延伸圆弧的第一端。
2.根据权利要求1所述的用于测量角度位置的装置，其中：
在永磁体(5)的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：
α<θ+10°。
3.根据权利要求1所述的用于测量角度位置的装置，其中：
在永磁体(5)的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：
α<θ。
4.根据权利要求1所述的用于测量角度位置的装置，其中：
在永磁体(5)的延伸角α和摆动角θ之间有以下关系：
α＝θ-2δ
其中，δ＝5°±2°。
5.根据权利要求1所述的用于测量角度位置的装置，其中：在旋转体(3)相对于支承体(2)旋转的过程中，磁传感器(6)在垂直于主旋转轴线(4)的平面中相对于永磁体(5)沿摆动圆弧移动，该摆动圆弧对应于圆心在主旋转轴线(4)上的圆弧，且该圆弧所对着的中心角等于摆动角θ；由摆动角和延伸角所对着的中心角定位成使它们的相应平分线在从主旋转轴线(4)出来的半平面中共面。
6.根据权利要求2至4中任意一项所述的用于测量角度位置的装置，其中：在旋转体(3)相对于支承件(2)旋转的过程中，磁传感器(6)在垂直于主旋转轴线(4)的平面中相对于永磁体(5)沿摆动圆弧移动，该摆动圆弧对应于圆心在主旋转轴线(4)上的圆弧，且该圆弧所对着的中心角等于摆动角θ；由摆动角和延伸角所对着的中心角定位成使它们的相应平分线在从主旋转轴线(4)出来的半平面中共面。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于测量角度位置的装置，其中：极化方向(12)相对于与主旋转轴线(4)垂直的直线形成小于或等于5°的角度，该直线通过主旋转轴线(4)和通过延伸圆弧的第一端。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于测量角度位置的装置，其中：磁传感器(6)是霍尔效应磁传感器(6)，它能够检测沿两个或三个正交的检测轴线的磁感应强度分量。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于测量角度位置的装置，其中：磁传感器(6)至少在摆动角的中心区域处直接面对永磁体(5)，并可选地沿平行于旋转轴线的方向或沿着相对于旋转轴线的径向方向而与该永磁体(5)间隔开。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于测量角度位置的装置，其中：旋转体(3)绕主旋转轴线(4)相对于支承体(2)在两个极限位置之间摆动，该旋转体和支承体一个相对于另一个旋转的摆动角θ大于或等于90°。
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