CN108692648A - 用于非接触线性位置检测的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于非接触线性位置检测的传感器装置，具有：标靶，包括沿测量路径延伸的测量值发送器；磁场传感器，其与测量值发送器间隔且沿测量路径可相对移动地布置并且至少部分地覆盖测量值发送器。在此，测量值发送器被构造成可导磁，磁场传感器包括载体，其具有至少一个测量值接收器和至少一个永磁体，至少一个测量值接收器具有二维或三维的检测区域，至少一个永磁体产生局部磁场，局部磁场的磁通量被引入到测量值发送器中，测量值发送器具有器件，其适于根据磁场传感器沿测量路径的当前位置而影响所引入的磁通量，至少一个测量值接收器检测磁场的当前方向，评估和控制单元评估磁场的当前方向，以用于确定磁场传感器相对于测量路径的当前位置。

Description

用于非接触线性位置检测的传感器装置

技术领域

本发明涉及用于非接触线性位置检测的传感器装置。

背景技术

利用磁场的线性位置传感器基本上是已知的。存在磁传感器，磁传感器可以检测到与磁体的距离或与磁体的侧向位移。在这种磁传感器中可能视为不利的是，磁传感器只有非常有限的测量范围(<2cm)或需要非常强或非常大的磁体以覆盖更长的测量路径。然而也可以使用多个这样的磁传感器来覆盖更大的测量范围。在某些情况下，需要对脉冲进行计数，这就需要用另一种方法或另一端部传感器或基准点传感器对磁传感器进行编号。

此外，从现有技术已知基于涡流原理的具有用于非接触路径检测的涡流线圈的传感器装置。线圈通过由金属制成的标靶而电加载，使得至少三个线圈的振荡频率改变，从而可以从频率变化中导出线性位置。

例如从DE 10 2004 033 083 A1已知用于连续的路径测量或角度测量的涡流传感器。涡流传感器包括传感器和能够导电的发送器，其中传感器包括至少一个线圈以用于在能够导电的发送器中产生涡流。传感器和发送器可以在运动方向上彼此相对移动。通过以下方式可以实现时间连续的路径测量或角度测量，即，该发送器具有能够导电的轨道，该轨道被构造成使得当沿着运动方向扫描轨道时，线圈的复阻抗会连续变化。

发明内容

具有根据本发明的特征的用于非接触线性位置检测的传感器装置具有的优点是，使用简单构造的标靶和商业上通用的测量值接收器进行位置检测。因此，使用唯一的磁场传感器和简单构造的标靶，可以提供简单的和成本低廉的用于非接触线性位置检测的传感器装置。由于磁场传感器可供几乎每个规格使用，因此投资成本非常低。另外，根据本发明的用于非接触线性位置检测的传感器装置的实施方式可以很容易地扩展到10cm至30cm的大测量范围上。此外，传感器信息在接通后直接可供使用，而无需基准参量或增量式发送器，这对大多数汽车应用都是有利的。此外，有利地，可以容易使用许多不同的配置和设计，具有至少一个磁场传感器(该磁场传感器具有二维或三维的检测区域)以及具有带有不同灵敏度和有效范围的不同目标形式。这能够轻松适应不同的应用。磁敏原理的一般优点是对高频干扰(RFEMI)的基本免疫力。

本发明的实施方式提出一种用于非接触线性位置检测的传感器装置，具有：标靶，标靶包括沿着测量路径延伸的测量值发送器；以及磁场传感器，磁场传感器与测量值发送器间隔并且沿着测量路径能够相对移动地进行布置并且至少部分地覆盖测量值发送器。在这里，测量值发送器被构造成能够导磁，并且磁场传感器包括载体，载体具有至少一个测量值接收器和至少一个永磁体，至少一个测量值接收器具有二维或三维的检测区域，至少一个永磁体产生局部磁场，局部磁场的磁通量被引入到测量值发送器中，其中测量值发送器具有器件，器件适合于根据该磁场传感器沿着测量路径的当前位置而影响所引入的磁通量，其中至少一个测量值接收器检测磁场的当前方向，并且其中评估和控制单元评估磁场的当前位置，以用于确定磁场传感器相对于测量路径的当前位置。

测量值发送器的铁磁材料(例如钢)被选择成使得铁磁材料不会被所述至少一个永磁体磁化。由此可以以有利的方式防止磁场传感器漂移或显示滞后效应。

在本文中，评估和控制单元可以被理解为电仪器(例如控制器)或者可以处理或评估所检测到的传感器信号的结构组件。此外，评估和控制单元也可以集成到磁场传感器或测量值接收器中。评估和控制单元可以具有至少一个接口，该接口能够以硬件方式/或以软件方式构造。在以硬件方式的构造中，接口能够例如是包含了评估和控制单元的各种功能的所谓的系统ASIC的一部分。也可能的是，接口是固有的集成电路或至少部分地包括分立的结构元件。在以软件形式的构造中，接口能够是软件模块，例如在微控制器上除了其它软件模块外还存在该软件模块。也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品，计算机程序产品存储在机器可读的载体上，例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器，并且当评估和控制单元运行该程序时用于执行评估。

在本文中，测量值接收器被理解为一种结构单元，该结构单元包括至少一个传感器元件，该传感器元件直接或间接地检测物理参量或物理参量的变化，并且优选地将其转换为电传感器信号。

通过以下列举的措施和改型，对上述的用于非接触线性位置检测的传感器装置的有利改进是可行的。

尤其有利的是，测量值发送器可以具有至少一个气隙，该气隙具有预设的宽度和长度，该气隙的纵向方向以预设角度相对于测量路径延伸。这实现标靶的特别简单的设计，该标靶例如被设计为具有槽的钢板，该槽具有预设的长度和宽度。通过使用多个测量值接收器或多个气隙能够进一步改善检测，以提高分辨率、工作区域或对外部场的免疫力。

在传感器装置的一个有利的构造方案中，所述至少一个测量值接收器在气隙下方以在气隙的第一边缘处的初始位置和在气隙的第二边缘处的终止位置来检测磁场的方向，并且能够沿着测量路径在气隙的宽度上从初始位置向终止位置移动，并且能够在气隙的宽度上检测磁场的方向。所述至少一个测量值接收器能够例如被构造为霍尔传感器元件或GMR传感器元件或AMR传感器元件。这种传感器元件成本低廉地作为足够数量的批量产品可供使用。此外，所述至少一个测量值接收器能够布置在载体的朝向测量值发送器的表面上。

在传感器装置的另外的有利构造方案中，可以在所述至少一个测量值接收器和测量值发送器之间布置间隔件。间隔件将测量值接收器与测量值发送器分开，并且有利地保护测量值接收器免受环境影响，如免受水、灰尘、油等影响。

在传感器装置的另一有利构造方案中，在所述至少一个测量值接收器下方，在载体的背离于测量值发送器的表面上，布置有永磁体。另外，永磁体可以覆盖所述至少一个测量值接收器和气隙，其中两个磁导体朝测量值发送器的方向引导磁通量。

在传感器装置的一个备选的构造方案中，两个永磁体可以侧向地在所述至少一个测量值接收器旁边集成到载体中并且朝测量值发送器的方向对齐。此外，在载体的背离于测量值发送器的表面上布置有磁导体，并且该磁导体将两个永磁体彼此连接并且覆盖气隙。

在传感器装置的另一备选构造方案中，在所述至少一个测量值接收器下方的永磁体可以被集成到载体中。此外，所述至少一个测量值接收器可以覆盖该永磁体，其中在载体的背离于测量值发送器的表面上布置有磁导体，并且该磁导体覆盖测量值接收器和气隙。

在传感器装置的另一备选构造方案中，永磁体沿着测量路径的方向在所述至少一个测量值接收器前方或后方集成到载体中并且覆盖气隙。此外，在永磁体下方，在载体的背离于测量值发送器的表面上布置有磁导体，并且该磁导体覆盖永磁体和气隙。

在附图中示出本发明的实施例并且在随后的说明中更加详细地阐释本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记指代实施相同的或类似的功能的组件或元件。

附图说明

图1示出了用于非接触线性位置检测的根据本发明的传感器装置的实施例的示意图。

图2示出了用于非接触线性位置检测的根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意剖视图，具有在初始位置处的磁场传感器的第一实施例。

图3示出了根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意剖视图，具有在中间位置处的磁场传感器的第一实施例。

图4示出了根据本发明的传感器装置的第一实施例的示意剖视图，具有在终止位置处的磁场传感器的第一实施例。

图5示出了用于非接触线性位置检测的根据本发明的传感器装置的第二实施例的示意剖视图，具有在中间位置处的磁场传感器的第二实施例。

图6示出了用于非接触线性位置检测的根据本发明的传感器装置的第三实施例的示意剖视图，具有在中间位置处的磁场传感器的第三实施例。

图7示出了根据本发明的传感器装置的第三实施例的示意剖视图，具有在初始位置处的磁场传感器的第三实施例。

图8示出了用于非接触线性位置检测的根据本发明的传感器装置的第四实施例的示意剖视图，具有在中间位置处的磁场传感器的第四实施例。

图9示出了图8中的传感器装置的第四实施例的示意性俯视图。

图10示出了传感器装置的第四实施例的示意剖视图，具有在终止位置处的磁场传感器的第四实施例。

图11示出了图10中的传感器装置的第四实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

从图1至11中可见，用于非接触线性位置检测的传感器装置1、1A、1B、1C、1D的所示的实施例分别包括：标靶3，标靶包括沿着测量路径M延伸的测量值发送器4；以及磁场传感器10、10A、10B、10C、10D，磁场传感器与测量值发送器4间隔并且沿着测量路径M能够相对移动地布置并且至少部分地覆盖测量值发送器4。在这里，测量值发送器4被构造成能够导磁，并且磁场传感器10、10A、10B、10C、10D包括载体14A、14B、14C、14D，载体具有至少一个测量值接收器12和至少一个永磁体16A、16B、16C、16D，所述至少一个测量值接收器具有二维或三维的检测区域，所述至少一个永磁体16A、16B、16C、16D产生局部磁场7A、7B、7C、7D，局部磁场的磁通量被引入到测量值发送器4中。测量值发送器4具有器件5，器件适合于根据该磁场传感器10、10A、10B、10C、10D沿着测量路径M的当前位置A'、A、A”而影响所引入的磁通量。所述至少一个测量值接收器12检测磁场7A、7B、7C、7D的当前方向R，并且评估和控制单元评估磁场7A、7B、7C、7D的当前方向R，以用于确定磁场传感器10、10A、10B、10C、10D相对于测量路径M的当前位置A'、A、A”。

从图1至11还可以看出，所示实施例中的测量值发送器4被构造为具有槽的钢板，测量值发送器预设有气隙5A，该气隙5A具有预设的宽度B和长度L，该气隙的纵向方向以预设的角度相对于测量路径M延伸。当然，测量值发送器12也可以由另一种合适的铁磁材料制成。

从图1至11中进一步可见，在所示的实施例中，在气隙5A下方，在载体14A、14B、14C、14D的朝向测量值发送器4的表面上，仅布置有一个测量值接收器12。另外，在测量值接收器12和测量值发送器4之间布置有间隔件11。测量值接收器12能够例如被构造为霍尔传感器元件或GMR传感器元件或AMR传感器元件。在所示的实施例中，测量值接收器12具有二维检测区域并且可以在y-z平面中检测磁场7A、7B、7C、7D的方向R。备选地，测量值接收器12可以具有三维的检测区域，并且可以在x-y-z空间中检测磁场7A、7B、7C、7D的方向R。测量值接收器12在气隙5A的第一边缘5.1处以初始位置A'检测磁场7A、7B、7C、7D的方向R。测量值接收器12在气隙5A的第二边缘5.2处以终止位置A”检测磁场7A、7B、7C、7D的方向R。如果磁场传感器10、10A、10B、10C、10D或载体14A、14B、14C、14D与测量值接收器12和所述至少一个永磁体16A、16B、16C、16D沿着测量路径M移动，那么永磁体16A、16B、16C、16D在当前位置A'、A、A”处产生在气隙5A的宽度B上延伸的局部磁场7A、7B、7C、7D。由于气隙5A相对于测量路径M具有预设的角度，所以测量值接收器12在沿着测量路径M移动时，在气隙5A的宽度B上从初始位置A'向终止位置A”移动，并且在气隙5A的宽度B上检测磁场7A、7B、7C、7D的方向R。由于磁场7A、7B、7C、7D的方向在气隙5A的宽度B上变化，所以所检测到的磁场方向R表示测量值接收器12沿着测量路径M的当前位置A。

从图2至图4可以进一步看出，在具有磁场传感器10A的第一实施例的传感器装置1A的所示的第一实施例中，在测量值接收器12下方，在载体14A的背离于测量值发送器4的表面上，布置有永磁体16A。永磁体16A覆盖测量值接收器12和气隙5A。此外，两个磁导体18A朝测量值发送器4的方向引导磁通量并且使磁路闭合。磁路从永磁体16A的北极开始，经由左侧的磁导体18A，通过间隔件11延伸到测量值发送器4中，通过气隙5A并且再次延伸到测量值发送器4中，并且从那里通过间隔件11延伸到右侧的磁导体18A中，并且然后延伸到永磁体16A的南极中。从图2中进一步看到，测量值接收器12在磁传感器10A的所示的初始位置A'中检测在气隙5A的第一边缘5.1处从测量值发送器4发出的磁场7A的方向R。在图3中所示的磁场传感器10A的中间位置A中，测量值接收器12检测大致水平延伸的磁场7A的方向R。在图4中所示的磁场传感器10A的终止位置A”中，测量值接收器12检测在气隙5A的第二边缘5.2处进入测量值发送器4中的磁场7A的方向R。

从图5可以进一步看出，在具有磁场传感器10B的第二实施例的传感器装置1B的所示的第二实施例中，两个永磁体16B侧向地在测量值接收器12旁边被集成到载体14B中并且朝测量值发送器4的方向对齐。为了加强磁场7B并且使磁路闭合，在载体14B的背离于测量值发送器4的表面上布置有磁导体18B，该磁导体将两个永磁体16B彼此连接并且覆盖气隙5A。磁路从左侧永磁体16B的北极开始，通过间隔件11延伸到测量值发送器4中，通过气隙5A再次延伸到测量值发送器4中，并且从那里通过间隔件11延伸到右侧永磁体16B的南极中，并且从右侧永磁体的北极通过磁导体18B返回到左侧永磁体16B的南极中。由于靠近标靶2或测量值发送器4，所以两个永磁体16B可以比第一实施例的永磁体16A更小地构造。

从图6和图7可以进一步看出，在具有磁场传感器10C的第三实施例的传感器装置1C的所示的第三实施例中，在测量值接收器12下方的永磁体16C被集成到载体14C中。在这里，测量值接收器12覆盖永磁体16C。此外，在载体14C的背离于测量值发送器4的表面上布置有磁导体18C，并且该磁导体覆盖测量值接收器12和气隙5A。

如从图5和6进一步可以看出，通过这种布置产生了两个磁路。在这里，第一磁路从永磁体16C的北极起，通过测量值接收器12和间隔件11，通过气隙5A向气隙5A的第一边缘5.1并且延伸到测量值发送器4中，并且从那里通过间隔件11和载体14C延伸到磁导体18C中，并且返回到永磁体16C的南极中。第二磁路从永磁体16C的北极起，通过测量值接收器12和间隔件11，通过气隙5A向气隙5A的第二边缘5.2并且延伸到测量值发送器4中，并且从那里通过间隔件11和载体14C延伸到磁导体18C中，并且返回到永磁体16C的南极中。在图6中所示的磁场传感器10C的中间位置A中，这两个磁路的强度大小相同。在图7中所示的磁场传感器10C的初始位置A'中，左侧磁路的强度大于右侧磁路的强度。

从图8至图11可以进一步看出，在具有磁场传感器10D的第四实施例的传感器装置1D的所示的第四实施例中，永磁体16D沿着测量路径M的方向在测量值接收器12后方集成到载体14D中并且覆盖气隙5A。此外，在永磁体16D下方，在载体14D的背离于测量值发送器4的表面上布置有磁导体18D，并且该磁导体覆盖永磁体16D和气隙5A。在该构造中，永磁体16D可以更靠近标靶3或测量值发送器4布置，由此产生更大的磁场7D。在一个备选的未示出的实施例中，永磁体16D沿着测量路径M的方向在测量值接收器12前方集成到载体14D中。

如从图8和10进一步可以看出，通过这种布置也产生了两个磁路。在这里，第一磁路从永磁体16C的北极起，通过间隔件11延伸到测量值发送器4中，并且从那里在第一边缘5.1处延伸到气隙5A中，并且通过间隔件11延伸到磁导体18D中，并且返回到永磁体16D的南极中。第二磁路从永磁体16D的北极起，通过间隔件11延伸到测量值发送器4中，并且从那里在第二边缘5.2处延伸到气隙5A中，并且通过间隔件11延伸到磁导体18D中，并且返回到永磁体16D的南极中。在图8和图9中所示的磁场传感器10D的中间位置A中，这两个磁路的强度大小相同。在图10和图11中所示的磁场传感器10D的终止位置A'中，右侧磁路的强度大于左侧磁路的强度。

本发明的实施方式能够通过使用多个测量值接收器或多个气隙而进一步改善位置检测，以提高分辨率、工作区域或对外部场的免疫力。

Claims (14)

1.一种用于非接触线性位置检测的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，具有：

标靶(3)，所述标靶包括沿着测量路径(M)延伸的测量值发送器(4)；以及

磁场传感器(10、10A、10B、10C、10D)，所述磁场传感器与所述测量值发送器(4)间隔并且沿着所述测量路径(M)能够相对移动地布置并且至少部分地覆盖所述测量值发送器(4)，

其特征在于，

所述测量值发送器(4)被构造成能够导磁，并且

所述磁场传感器(10、10A、10B、10C、10D)包括载体(14A、14B、14C、14D)，所述载体具有至少一个测量值接收器(12)和至少一个永磁体(16A、16B、16C、16D)，所述至少一个测量值接收器具有二维或三维的检测区域，所述至少一个永磁体产生局部磁场(7A、7B、7C、7D)，所述局部磁场的磁通量被引入到所述测量值发送器(4)中，

其中所述测量值发送器(4)具有器件(5)，所述器件适合于根据所述磁场传感器(10、10A、10B、10C、10D)沿着所述测量路径(M)的当前位置(A、A'、A”)而影响所引入的磁通量，

其中所述至少一个测量值接收器(12)检测所述磁场(7A、7B、7C、7D)的当前方向(R)，并且

其中评估和控制单元评估所述磁场(7A、7B、7C、7D)的当前方向(R)，以用于确定所述磁场传感器(10、10A、10B、10C、10D)相对于所述测量路径(M)的当前位置(A、A'、A”)。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，其特征在于，所述测量值发送器(12)具有至少一个气隙(5A)，所述气隙具有预设的宽度(B)和长度(L)，所述气隙的纵向方向以预设的角度相对于所述测量路径(M)延伸。

3.根据权利要求2所述的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，其特征在于，所述至少一个测量值接收器(12)在所述气隙(5A)下方以在所述气隙的第一边缘(5.1)处的初始位置(A')和在所述气隙(5A)的第二边缘(5.2)处的终止位置(A”)来检测所述磁场(7A、7B、7C、7D)的方向(R)，并且能够沿着所述测量路径(M)在所述气隙(5A)的宽度(B)上从所述初始位置(A')向所述终止位置(A”)移动，并且在所述气隙(5A)的宽度(B)上检测所述磁场(7A、7B、7C、7D)的方向(R)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，其特征在于，所述测量值接收器(12)被构造为霍尔传感器元件或GMR传感器元件或AMR传感器元件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，其特征在于，所述至少一个测量值接收器(12)布置在所述载体(14A、14B、14C、14D)的朝向所述测量值发送器(4)的表面上。

6.根据权利要求5所述的传感器装置(1、1A、1B、1C、1D)，其特征在于，在所述至少一个测量值接收器(12)与所述测量值发送器(4)之间布置有间隔件(11)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置(1、1A)，其特征在于，在所述至少一个测量值接收器(12)下方，在所述载体(14A)的背离于所述测量值发送器(4)的表面上，布置有永磁体(16A)。

8.根据权利要求5所述的传感器装置(1、1A)，其特征在于，所述永磁体(16A)覆盖所述至少一个测量值接收器(12)和所述气隙(5A)，其中两个磁导体(18A)朝测量值发送器(4)的方向引导所述磁通量。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置(1、1B)，其特征在于，两个永磁体(16B)侧向地在所述至少一个测量值接收器(12)旁边集成到所述载体(14B)中并且朝测量值发送器(4)的方向对齐。

10.根据权利要求9所述的传感器装置(1、1B)，其特征在于，在所述载体(14B)的背离于所述测量值发送器(4)的表面上布置有磁导体(18B)，并且所述磁导体(18B)将所述两个永磁体(16B)彼此连接并且覆盖所述气隙(5A)。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置(1、1C)，其特征在于，在所述至少一个测量值接收器(12)下方的永磁体(16C)被集成到所述载体(14C)中。

12.根据权利要求11所述的传感器装置(1、1C)，其特征在于，所述至少一个测量值接收器(12)覆盖所述永磁体(16C)，其中在所述载体(14C)的背离于所述测量值发送器(4)的表面上布置有磁导体(18C)，并且所述磁导体(18C)覆盖所述测量值接收器(12)和所述气隙(5A)。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置(1、1D)，其特征在于，永磁体(16D)沿着所述测量路径(M)的方向在所述至少一个测量值接收器(12)前方或后方集成到所述载体(14D)中并且覆盖所述气隙(5A)。

14.根据权利要求13所述的传感器装置(1、1D)，其特征在于，在所述永磁体(16D)下方，在所述载体(14D)的背离于所述测量值发送器(4)的表面上布置有磁导体(18D)，并且所述磁导体(18D)覆盖所述永磁体(16D)和所述气隙(5A)。