CN1735791A - 用于确定位置的装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于确定磁场敏感传感器单元在至少基本上为条形轮廓的磁体装置的磁场中沿着至少基本上为直线的运动坐标的位置的装置，该运动坐标平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴延伸，其中该磁场敏感传感器单元用于测量在至少基本上平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴的平面中延伸的磁场分量，测量的方式为至少基本上垂直于该纵轴，并且该磁体装置在至少基本上为条形轮廓的第一端的区域中具有磁北极，在至少基本上为条形轮廓的第二端的区域中具有磁南极，以及在南极和北极之间延伸的中心区域中具有至少基本上为条形轮廓的收缩。因此，可以比利用位置测量的范围更好地利用磁体装置的尺寸。

Description

用于确定位置的装置

本发明涉及一种用于确定磁场敏感传感器单元在至少基本上为条形轮廓的磁体装置的磁场中的位置的装置。

磁场敏感传感器，尤其是那些设计成磁阻传感器的传感器，可用于多种测量磁场的系统中。最常见的用途包括在机动车技术中用作防锁系统中或者内燃机电子控制系统(也称作发动机控制系统)中的发动机转速传感器，以及用于拾取旋转运动的角度传感器。然而，即使在机动车技术部分内的新用途中，使用磁场敏感传感器仍然是理想的，尤其是称作AMR传感器(“AMR”＝“各向异性磁阻”)的传感器，其甚至可以确定机动车技术的构成元件沿着至少基本上为直线的运动坐标的运动。

在Philips Semiconductors公司的数据单系列“DiscreteSemiconductors”中出现的1997年1月9日的数据单“General-Magnetic field sensors”第49页及其后中，给出了对于使用磁阻传感器的线性位置测量的说明。在图1中再现了该文中描述的装置并且示出了具有所谓标准桥的磁阻传感器的使用，即具有在这种情况下设计成条形磁体的磁体装置的四磁阻元件的惠斯通电桥电路。作为实例，该图示出了KMZ 10B型磁阻传感器的应用，其为PhilipsSemiconductors公司销售的。在上述数据单的第四页上更加详细地表示了这种传感器。如图1所示，在这种情况下由条形磁体生成的磁场的场线从该图中向上的磁北极到该图中向下的磁南极。该磁阻传感器设置在由直角坐标系x和y构成的平面中，在该平面中示意性示出的场线也存在并且同样条形磁体以其纵向中心轴设置。如果条形磁体相对于磁阻传感器的位置改变了，则在垂直于条形磁体的纵向中心轴延伸的y方向上的磁场强度以及在平行于条形磁体的纵向中心轴延伸的x方向上的磁场强度都在磁阻传感器的位置上变化。这两个磁场分量对于由传感器的惠斯通电桥电路输出的电桥输出信号具有影响。该电桥输出信号与y方向上的磁场强度成正比，但是传感器的敏感度随着x方向上的磁场强度的增加而降低。

在图1所示的设置中，x方向上的磁场强度对于所要测量的条形磁体相对于磁阻传感器的所有位置具有恒定的符号。这对于避免所谓的取向改变、即传感器转变特性的反向是重要的。如果该传感器位于磁体的上端，也就是说沿着朝向其北极的运动坐标推动该传感器，那么测得了由条形磁体生成的磁场在y方向上的磁场强度为负值。另一方面，如果该传感器位于磁体的下端，也就是说沿着朝向其南极的运动坐标推动该传感器，那么测得了由条形磁体生成的磁场在y方向上的磁场强度为正值。

然而，由于改变了x方向上的磁场强度，由该传感器输出的电桥输出信号不会与y方向上测得的磁场强度成正比地改变。图2通过举例的方式示出了当电源电压为5V时该电桥输出信号对于该传感器相对于条形磁体沿着该条形磁体的北极与南极之间的运动坐标的位置变化的随时间的变化，该位置变化对于长度为10mm的条形磁体为最大±5mm。电桥输出信号表示为毫伏单位的电压，其符号为“Uout/mV”，传感器相对于条形磁体沿着运动坐标的位置变化表示为直角坐标x的值，其是从条形磁体的南极和北极之间的中心算得的，符号为“x/mm”。

图2的图表示出了在传感器相对于条形磁体沿着运动坐标的该位置变化的整个范围内，在这种情况下为±5mm，其中位置变化的平均值-在这种情况下从约-3mm的x值到+3mm的x值-电桥输出信号与传感器相对于条形磁体的位置变化线性成正比的部分，而朝向整体示出的该位置变化范围的末端，在这种情况下为±5mm，电桥输出信号假设了由于显著降低的x方向上的磁场强度值造成的非线性轮廓。如果存在这种非线性轮廓，则电桥输出信号不能再用于需要的位置测量。在图1中由符号“位移范围”示出可以用作这种位置测量装置中的沿着条形磁体北极和南极之间的运动坐标范围。可以看出可以用于位置测量的沿着该运动坐标的该范围只是不充分地利用了条形磁体北极与南极之间的尺寸。利用如图1所示的设置，就必须选择磁体的长度，也就是条形磁体沿着运动坐标的尺寸，使其比可用于位置测量的范围大得多。在图1和2所示的实例中，所需要的条形磁体比可以用于位置测量的范围长约1.5倍。由于该设置所需的空间增大以及条形磁体所需的材料增加，因此是不利的。

本发明的目的是提供一种用于确定磁场敏感传感器单元在至少基本上为条形轮廓的磁体装置的磁场中的位置的装置，利用该装置可以比利用位置测量的范围更好地利用磁体装置的尺寸。

根据本发明，利用一种用于确定磁场敏感传感器单元在至少基本上为条形轮廓的磁体装置的磁场中沿着至少基本上为直线的运动坐标的位置的装置实现了本目的，该运动坐标平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴延伸，其中该磁场敏感传感器单元用于测量在至少基本上平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴的平面中延伸的磁场分量，测量的方式为至少基本上垂直于该纵轴，并且该磁体装置在至少基本上为条形轮廓的第一端的区域中具有磁北极，在至少基本上为条形轮廓的第二端的区域中具有磁南极，以及在南极和北极之间延伸的中心区域中具有至少基本上为条形轮廓的收缩。

本发明基于以下认识，如果可以在磁体装置的纵轴方向上，即在运动坐标的方向上或x方向上，甚至是在磁北极和南极的区域中磁体装置的末端处生成显著的磁场强度，则可以实现磁体装置的缩短。

本发明利用所述的认识，按照有利的方式通过根据本发明的方法获得了所述效果。由于磁体装置在中心的收缩，改变了场线在磁体装置在磁北极和南极的区域中的末端处的出口角，因此在x方向上生成了较大的磁场强度。因此，可以在不改变可用于位置测量的范围大小的情况下实现磁体装置的缩短。

通过对各种用途的简单实验，可以容易地确定和优化根据本发明的磁体装置的至少基本上为条形的轮廓的精确定形。然而，根据本发明的优选实施例，至少基本上为条形轮廓的收缩至少有一些部分对应于至少基本上符合椭圆形轮廓的形状。根据本发明的另一优选实施例，至少基本上为条形轮廓的收缩至少有一些部分对应于至少基本上符合接线轮廓的形状。利用在数学和结构方面清晰限定的这种轮廓，可获得可以容易再现的根据本发明的磁体装置的定形。

有利的是，利用磁阻元件的惠斯通电桥设计磁场敏感传感器单元，其纵向至少基本上沿着运动坐标延伸。由上述的PhilipsSemiconductors公司销售的KMZ 10 B型磁阻传感器按照简单而节约成本的方式给出了这种传感器单元。

为了将本发明用于确定第一物体和第二物体相对于彼此的相对位置的设置中，例如第一和第二机器元件的相对位置，有利的是将磁体装置连接到该第一物体以及将传感器单元连接到第二物体，以便确定第一物体相对于第二物体沿着运动坐标的位置。尤其是，将传感器单元连接到物体上一个，该物体相对于要连接到传感器单元的估计和控制装置被固定设置，并将磁体装置连接到设计成相对于所述第一物体移动的物体上。这样简化了由传感器单元输出的信号的传输以及还简化了向该传感器单元提供信号和功率。然而，还可以从相反方向将传感器单元和磁体装置连接到所述物体上，前提是已经为这些安装条件提供了适当的功率和信号。

在根据本发明的设置的优选用途中，由机动车的部件形成第一和第二物体。尤其是，由机动车的内燃机的部件形成第一和第二物体。在特别优选的用途中，第二物体包括机动车内燃机气门机构的部件，并且第一物体设计为具有能够相对于它移动的气门机构的部件。

本发明能够用作机动车内燃机的电磁气门机构的有利结构，其中为了调整将气门盘放在气门座上的速度需要测量连接到该气门盘的电枢在操作该气门的电磁致动器中的位置。应当考虑到，在机动车内燃机中的典型气门升程在8到12mm之间移动，在例外的情况下，可以出现更大的气门升程。因此，需要能够检测该范围内直线移动的设置。根据本发明的装置的优点不仅在于其紧凑的设计和鲁棒性，还因为其能够以必要的处理速度处理传感器输出信号的生成，从而适于上述目的。对于目前的机动车内燃机中出现的发动机速度而言，气门机构需要短的致动时间，从而导致电磁致动器3到10ms之间的转换时间，根据本发明的具有“AMR”传感器的设置具有足够快速的信号处理。而且，根据本发明的装置能够在任意操作状态下以及甚至是刚刚启动时提供关于被测位置的精确信息，即所谓的致动器的“绝对位置”。

参照附图所示的实施例进一步描述本发明，然而本发明不限于这些实施例。

图1示出了根据现有技术的利用具有所谓的标准电桥的KMZ 10 B型磁阻传感器进行线性位置测量的设置。

图2通过举例的方式示出了图1的设置中的KMZ 10 B型磁阻传感器的电桥输出信号随时间的变化。

图3示出了根据本发明的利用具有所谓的标准电桥的KMZ 10 B型磁阻传感器进行线性位置测量的装置的实施例。

图4通过举例的方式示出了图3的装置中的KMZ 10 B型磁阻传感器的电桥输出信号随时间的变化。

图5示意性地示出了作为本发明一种应用的实施例的机动车内燃机的气门机构。

在图3所示的本发明实施例中，同样示出了利用KMZ 10 B型磁阻传感器进行线性位置测量的设置，如根据1997年1月9日的上述数据单“General Magnetic field sensors”第四页。图3的设置示出了使用这种具有磁体装置的磁阻传感器，该磁体装置在这种情况下再次表示为条形磁体。如图3所示，在这种情况下该条形磁体生成的磁场的场线从图中向上的磁北极延伸到图中向下的磁南极。该磁阻传感器设置在由直角坐标系x和y构成的平面中，在该平面中示意性示出的场线也延伸并且条形磁体同样以其纵向中心轴设置。如果条形磁体相对于磁阻传感器的位置变化，则在垂直于条形磁体的纵向中心轴延伸的y方向上的磁场强度和在平行于条形磁体的纵向中心轴的x方向上的磁场强度在磁阻传感器的位置处改变。这两个磁场分量对于由传感器的惠斯通电桥电路输出的电桥输出信号都有影响。该电桥输出信号同样与y方向上的磁场强度成正比，但是该传感器的敏感度随着x方向上的磁场强度的增加而减小。

在图1所示的设置中，x方向上的磁场强度对于将要测量的条形磁体相对于磁阻传感器的所有位置具有恒定的符号。这对于避免所谓的取向改变、即传感器转变特性的反向是重要的。如果该传感器位于磁体的上端，也就是说沿着朝向其北极的运动坐标推动该传感器，那么测得由条形磁体生成的磁场在y方向上的磁场强度为负值。另一方面，如果该传感器位于磁体的下端，也就是说沿着朝向其南极的运动坐标推动该传感器，那么测得由条形磁体生成的磁场在y方向上的磁场强度为正值。

用于图3所示的设置中的条形磁体在其至少基本上为条形的轮廓的第一端处的磁北极和其至少基本上为条形的轮廓的第二端处的磁南极之间的中心区域中具有收缩。这就可以在条形磁体的纵轴方向上生成显著的磁场强度，即在运动坐标方向或者在x方向上，甚至是在磁北极和南极的区域中磁体装置的末端处。由于条形磁体在中心处的收缩，就改变了在磁北极和南极的区域中条形磁体末端处场线的出口角，因此在x方向上生成了更大的磁场强度。因此，可以在没有改变可用于位置测量的范围大小的情况下实现条形磁体的缩短。

图4通过举例的方式示出了当电源电压为5V时该电桥输出信号对于该传感器相对于条形磁体沿着该条形磁体的北极与南极之间的运动坐标的位置变化的随时间的变化，该位置变化对于长度为11mm的条形磁体为最大±5mm，电桥输出信号表示为毫伏单位的电压，其符号为“Uout/mV”，传感器相对于条形磁体沿着运动坐标的位置变化表示为直角坐标x的值，其是从条形磁体的南极和北极之间的中心算得的，符号为“x/mm”。

图4的图表示出了电桥输出信号随时间的变化，该变化目前在传感器相对于条形磁体沿着运动坐标的该位置变化的整个范围内与传感器相对于条形磁体的该位置变化线性成正比，因此甚至是在全部示出的该位置变化的范围末端处，在这种情况下为最大±5mm处，该电桥输出信号保持线性轮廓，而不管磁场强度在x方向上的显著减小值。因此，该电桥输出信号仍然可以用于理想的位置测量。在图4中同样由符号“位移范围”表示可以用在这种位置测量装置中的沿着条形磁体北极和南极之间的运动坐标的范围。可以看出可以用于位置测量的沿着该运动坐标的该范围至少几乎完全利用了条形磁体北极与南极之间的尺寸。利用如图4所示的设置，因此可以选择磁体的长度，也就是条形磁体沿着运动坐标的尺寸，使其仅与可以用于位置测量的范围一样大。这就显著减小了该装置所需要的空间以及条形磁体所需的材料。

图5以沿着气门轴1的纵向截面示意性地示出了作为本发明一种应用的实施例的机动车内燃机的气门机构。该气门机构包括由两个环形电磁体2、3构成的致动器，电磁体分别包括壶形铁心4和5，以及分别包括环形绕组6和7。在每种情况下，气门轴1引导通过一个圆柱开口10或11，在每种情况下该开口位于壶形铁心4和5的中心磁极8或9中。环形电磁体2、3彼此之间具有固定间隔，并且可设置为彼此的镜像。可磁化轮的盘形电枢21设置在它们之间。该电枢21固定连接到气门轴1并且随后者以及随连接到后者的气门盘12相对于环形电磁体2、3沿着气门轴1的纵轴13移动，该轴同时形成了气门轴1的运动坐标。可选择的是，提升气门盘12离开气门座14并且将其压在气门座上。图5中示出了部分圆柱头，其具有在气门盘侧上的用于气门轴1的第一导杆15，以及燃料混和物或废气的入口和出口通道16，还具有环形电磁体2、3的固定装置17。此外，按照与气门轴1同心的方式将螺孔18设置在固定装置17中，在该螺孔18中存在调整螺钉19，其形状匹配气门轴1的第二导杆20。

此外，按照与纵轴13同轴的方式将第一和第二弹簧片22、23固定设置在气门轴1上，在每种情况中，第一和第二压缩弹簧24和25分别由一端支撑在该弹簧片上。第一压缩弹簧24由其另一端支撑在圆柱块上，即在所示的实施例中，支撑在气门盘侧上的气门轴1的第一导杆15上。第二压缩弹簧25由其另一端支撑在调整螺钉19上，即在所示的实施例中，支撑在气门轴1的第二导杆20上。这样，第一压缩弹簧24用于关闭气门，也就是说将气门盘12压住气门座14。如果不存在致动器，那么第一压缩弹簧24将确保该气门紧紧关闭。第二压缩弹簧25用于打开气门，也就是说提升气门盘12，使其离开气门座14。如果不存在致动器，那么第二压缩弹簧25将确保该气门打开。这两个弹簧“相互”作用。利用这种设计，尤其是电枢21可保持在可以通过调整螺孔18中的调整螺钉19来调整的中心位置上。

如果电流流过第一电磁体2，其在图5中为上部电磁体，那么向上拉该电枢21，并且关闭气门。因此，如果电流流过第二电磁体3，其在图5中为下部电磁体，则电枢21向下移动并且打开气门。如果没有电流流过电磁体2或3，那么该电枢21由弹簧保持在前述的中心位置，并且该气门是半开的。

具有相互作用的压缩弹簧24、25以及致动器的这种设计方案的主要优点在于由此实现的转变原理。如果电流流过上部、第一电磁体2，则电枢21位于其上部位置，在该位置电枢紧紧挤住第一电磁体2，并且第二、上部弹簧25压缩且第一、下部弹簧松弛，以及如果因此关闭了气门并且要将其打开，那么关闭流过上部、第一电磁体2的电流。由于弹簧阻力，该电枢21继而摆动，直到其到达其下部的位置为止，理想的是直到其几乎到达该位置但是由于机械结构中的摩擦力还未完全到达该位置为止。在该下部位置，电枢21紧紧地挤住第二电磁体3，并且第二、上部弹簧25是松弛的，第一、下部弹簧24是压缩的，并且因此该气门是打开的。在这种情况下，下部、第二电磁体3仅需要具有微弱流过它的电流，以便将电枢21完全拉到其下部位置上。如果没有弹簧的设计方案，非常大的电流一定会流过下部、第二电磁体3，从而能够向电枢21施加足够大的磁力，这是因为电枢在约为8-12mm的典型气门升程的情况下的大行程以及在电枢21的上部位置处电枢21与下部、第二电磁体3之间的相应大间隔造成的。

为了测量包括气门轴1、气门盘12和电枢21的组件的位置，将包括容纳在非磁性外壳27中的条形磁体28的装置连接在远离气门盘12的气门轴1的末端26处。在所示实施例中，这种连接是通过背向气门盘12的气门轴1的末端26和壳体27上的螺纹实现的。条形磁体28与其北极与南极之间的纵轴对准，该轴与气门轴的纵轴13共轴。例如，北极背向气门盘12，南极面向气门盘12。因此，气门轴1的纵轴13也形成了条形磁体28的运动坐标。

磁阻传感器31放置在传感器固定装置29上，该固定装置在图5所示的实施例中安装在覆盖板30上，该覆盖板安装在环形电磁体2、3的固定装置17上。这种磁阻传感器31优选同样是KMZ 10 B型的。为此，传感器固定装置29装配有安装表面，其上以平面的方式固定了传感器31。在与图5的附图平面一致的平面中排列传感器31的磁阻元件，并且在该平面中还放置了条形磁体28的运动坐标；在其纵向上，传感器31的磁阻元件排列在条形磁体28的运动坐标的方向上。传感器31测量由条形磁体28生成的磁场的磁场分量，该条形磁体垂直于附图平面中的运动坐标。在图5中，由箭头32示出了沿着条形磁体28的北极与南极之间的运动坐标的范围，其可以用于这种位置测量的装置中。

Claims (8)

1.一种用于确定磁场敏感传感器单元在至少基本上为条形轮廓的磁体装置的磁场中沿着至少基本上为直线的运动坐标的位置的装置，该运动坐标平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴延伸，其中该磁场敏感传感器单元用于测量在至少基本上平行于至少基本上为条形轮廓的纵轴的平面中延伸的磁场分量，测量的方式为至少基本上垂直于该纵轴，并且该磁体装置在至少基本上为条形轮廓的第一端的区域中具有磁北极，在至少基本上为条形轮廓的第二端的区域中具有磁南极，以及在南极和北极之间延伸的中心区域中具有至少基本上为条形轮廓的收缩。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于至少基本上为条形轮廓的收缩至少有一些部分对应于至少基本上符合椭圆形轮廓的形状。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于至少基本上为条形轮廓的收缩至少有一些部分对应于至少基本上符合摆线轮廓的形状。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于利用磁阻元件的惠斯通电桥来设计磁场敏感传感器单元，其纵向至少基本上沿着运动坐标延伸。

5.根据前面至少一个权利要求所述的装置，其特征在于将磁体装置连接到第一物体以及将传感器单元连接到第二物体，以便确定第一物体相对于第二物体沿着运动坐标的位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于第一和第二物体是由机动车的部件形成的。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于第一和第二物体是由机动车的内燃机的部件形成的。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于第二物体包括机动车内燃机气门机构的部件，并且将第一物体设计为具有能够相对于它移动的气门机构的部件。

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