專利名稱：場旋轉(zhuǎn)雙向磁位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非接觸式磁位置傳感器領(lǐng)域，其目的在于同時提供代表遵從兩個方向(平移和平移、平移和旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn))的位置的兩個獨(dú)立的輸出信號，。從磁場中檢測位置的傳感器具有多種優(yōu)點(diǎn)-不存在與活動部件的機(jī)械接觸，因此沒有磨損，-對污垢不靈敏，、
-生產(chǎn)成本低，-使用壽命長。大部分非接觸式磁位置傳感器都遵從單一方向(旋轉(zhuǎn)或平移)，但出現(xiàn)越來越多必須使用依據(jù)兩種方向的傳感器(雙向傳感器)的應(yīng)用，例如為了檢測傳動構(gòu)件的位置，或者在通常為旋轉(zhuǎn)和平移相結(jié)合的情況下。在這樣的應(yīng)用中，特別重要的是獲得沿一種方向的位置信息，而該位置信息不依賴于沿另一方向的位置(獨(dú)立的輸出信號)。
背景技術(shù)：
大部分現(xiàn)有的雙向傳感器使用連接在簡單或相對復(fù)雜的磁路上的永磁體，所述磁路由鐵磁材料制成，用來引導(dǎo)和/或集中由一個或多個永磁體產(chǎn)生的磁通量，但其有損于傳感器的成本和性能。因此，現(xiàn)有技術(shù)中已知有申請人提出的專利文獻(xiàn)FR2786266，其涉及依據(jù)兩個方向的位置傳感器，但這種傳感器中使用的磁體的體積和表面積限制了該傳感器對較長行程的實(shí)際運(yùn)用。所述傳感器還由于鐵磁定子導(dǎo)致較大的磁滯，并且傳感器的測量取決于剩磁感應(yīng)的變化，由此剩磁感應(yīng)必須被補(bǔ)償。此外，歐洲專利文獻(xiàn)EP800055描述了線性和角位置傳感器。由于是非線性的并且程度較弱，這些傳感器供給的模擬信號很難被應(yīng)用。這種傳感器需要多個隔開的測量點(diǎn)，用來測量沿兩個方向的相對位置。而且，需要使用導(dǎo)致磁滯的定子部件，而且敏感元件測量場幅度并因此對幾何公差和溫度敏感。專利文獻(xiàn)US4639667或W09716736描述的傳感器工作所依據(jù)的原理不能使其供給以兩個尺度代表位置的線性且獨(dú)立的信號。還存在僅把兩個獨(dú)立的單向傳感器端對端地配置的雙向傳感器，例如專利文獻(xiàn)WO2008138662和專利文獻(xiàn)US6175233描述的各自測量單個方向的兩個線性傳感器。每個傳感器都具有一個磁體和磁場檢測元件，因此帶來較大的體積且提高了實(shí)現(xiàn)成本。此外，這些傳感器測量磁場幅度并且因此其本身對幾何公差和溫度較為敏感。還已知現(xiàn)有技術(shù)中的專利文獻(xiàn)US7421923和US7293480是由變速桿嚙合帶動的速度檢測傳感器。這些專利提出的方案用于沿2種方向檢測位置，但其使用磁體且還要使用與待檢測檔位同樣多的、設(shè)置于一定空間中的霍爾傳感器。因此需要安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)以辨別唯一的位置并獲得速度的數(shù)字檢測。傳感器的倍增使這種方案的實(shí)施成本高昂，且不能提供即時地獲知位置的方法。
為了彌補(bǔ)上述的通過幅度測量檢測位置所產(chǎn)生的問題，存在測量磁場的轉(zhuǎn)動，也即是測量其方向而非幅度的位置傳感器。然而，這種方式主要應(yīng)用于單向而非雙向傳感器?，F(xiàn)有技術(shù)中已知例如申請人提出的專利文獻(xiàn)FR2898189和FR2909170所描述的傳感器，其使用磁場方向而非幅度來檢測磁體和磁敏探測裝置之間的相對位置。這種方向測量對溫度和機(jī)械間隙不敏感且不用安裝鐵磁部件，因此不存在磁滯。然而，通過根據(jù)兩個磁場分量計算單個的幅度比，所述傳感器僅能測量唯一的磁場方向，且因此僅能按照一種方向而非兩個方向來獲知活動磁體相對于磁敏探測裝置的相對位置。同樣，專利文獻(xiàn)和專利申請US6731108、US6960974和W02004015375通過使用磁場方向僅能測量磁體相對于一個或多個磁敏元件的線性位移。然而，對于行程大于20-25_的實(shí)際應(yīng)用，這些傳感器需要有被設(shè)置在行程的不同部分上的多個探測裝置，由此增加了傳感器的成本而且需要對探測裝置精確定位。然而，現(xiàn)有技術(shù)中還已知允許測量雙向位置并使用旋轉(zhuǎn)測量而非磁場幅度的技術(shù)方案，但其專門針對操縱桿(joysticks)應(yīng)用的情況。因此，專利申請US20070242043或US20090062064描述了用于操縱桿的傳感器，其包括沿厚度單向磁化的單個磁體，以及僅測量磁場的兩個分量并由此僅能測量單個磁場方向(由兩個磁場分量形成的角度)的探測裝置。這種原理不能供給沿兩個方向獨(dú)立的線性信號。而且，操縱桿式的系統(tǒng)僅限于旋轉(zhuǎn)而不能測量平移。此外，通過操縱桿系統(tǒng)可檢測到的角度局限于三十度左右。如果超過該角度，則磁體將遠(yuǎn)離探測裝置，探測裝置不再能探測到足夠的磁場以推導(dǎo)出位置。因此，為了實(shí)現(xiàn)用于大于40度角行程的實(shí)際應(yīng)用，傳感器需要由有設(shè)置在行程的不同部分上的多個探測裝置，這增加了傳感器的成本?，F(xiàn)有技術(shù)中還有用于測量兩個旋轉(zhuǎn)角的Melexis應(yīng)用指南，(http://ww.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333648. aspx),其中介紹了兩個操縱桿配置。第一種配置方案是雙極磁體的旋轉(zhuǎn)中心與測量中心混合，這需要體積大且機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，不便整合到應(yīng)用中。第二種配置方案是磁體的旋轉(zhuǎn)中心位于磁體后部(磁體位于其旋轉(zhuǎn)中心和磁敏元件之間)。在該情況下，三個磁場分量被用來確定兩個旋轉(zhuǎn)角。所使用的磁體是直徑相當(dāng)小的圓柱體，該圓柱體沿其厚度在幅度和方向上具有恒定的磁化。也就是在所述磁體任何點(diǎn)上的磁體磁化都具有相同的模，且垂直于磁體的上表面和下表面。這種非常特別的配置僅用于測量兩個角度并且用于較小的行程(三十多度)。實(shí)際上，為了能夠以所使用的算法來檢測磁體旋轉(zhuǎn)，必須使磁體的直徑非常小(理論上是帶有放射狀磁化的點(diǎn)磁體)，這意味著一使磁體發(fā)生較小的轉(zhuǎn)動，磁體就會遠(yuǎn)離磁敏元件，并且在探測裝置的磁敏元件處磁場變得太小而無法精確檢測磁體的旋轉(zhuǎn)。這就是為什么這種類型的系統(tǒng)需要有較大剩磁(典型地Br>l. 2T)并且較厚(厚度>10mm)的原因，正是因此而使其成本高昂且難以磁化，并且具有較大的軸向厚度(通常>10mm)從而產(chǎn)生體積問題。此外，按照這種方法，平坦磁體的表面和測量點(diǎn)之間的機(jī)械間隙會根據(jù)磁體的旋轉(zhuǎn)發(fā)生改變，從而造成對線性的損害，而且需要比必要的間隙更大的間隙來避免磁體邊緣與探測裝置支架碰撞。為了避免所述問題，理想的是使用直徑非常小的磁體，但這會帶來上面提到的問題。
發(fā)明內(nèi)容
因此，在此給出的本發(fā)明尤其以簡單和有效的方式提出彌補(bǔ)以上揭示的雙向傳感器問題(有限行程、僅能測量旋轉(zhuǎn)、具有強(qiáng)剩磁的厚磁體、體積大且成本高……)。特別地，我們提出按照任意兩個方向(平移-平移，平移-旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn))的絕對位置傳感器，所述傳感器能測量磁化元件和磁敏探測裝置之間的相對位移，其中磁敏探測裝置能測量基本位于同一點(diǎn)的至少兩個磁場分量，其對行程沒有高低限制，且優(yōu)選地測量磁場的方向而非其幅度。更確切地，我們提出一種至少兩個方向的磁位置傳感器，包括至少一個磁化元件(I)和探測裝置(6 )，所述探測裝置(6 )包括至少兩個磁敏元件(2 )和(3 )，所述磁敏元件(2 )和(3)基本上位于同一點(diǎn)并且其中的每一個測量由所述磁化兀件(I)產(chǎn)生的磁場的一個分量，所述磁化元件(I)相對于所述磁敏元件(2 )和(3 )可移動；以及至少一個處理電路(5 )，其能夠根據(jù)磁場分量的代數(shù)組合進(jìn)行角度和模計算，并提供代表活動元件分別沿所述兩個方向中的一個方向和另一個方向的位置的至少兩個獨(dú)立信號，其特征在于，沿著朝向所述探測裝置(6)設(shè)置的所述磁化元件的至少第一尺度，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件(I)的磁化矢量相對于所述磁化元件對著所述探測裝置(6)設(shè)置的 的表面的法向矢量是可變的，以按照所述第一尺度確定所述探測裝置(6)相對于所述磁化元件(I)的唯一位置。。磁化矢量的這種變化可以通過其方向沿尺度的至少之一的改變來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，磁化矢量的方向可以在被測行程上具有多個周期。磁化矢量的這種變化也可以通過磁化元件的尺度之一沿所述兩個方向中的至少一個方向改變，從而引起表面法向矢量方向的改變來實(shí)現(xiàn)。在所述情況下，可以根據(jù)不連續(xù)函數(shù)或按照正弦型連續(xù)函數(shù)來改變尺度。磁化矢量的這種變化也可以通過其幅度沿所述兩個方向中的至少一個方向的改變來實(shí)現(xiàn)。在任何情況下，磁化矢量沿所述兩個方向中的至少一個方向具有至少一次方向交換。在任何情況下，信號處理電路可以實(shí)現(xiàn)至少2次反正切函數(shù)計算或至少一次反正切計算和一次模計算。在任何情況下，信號處理電路也可以在兩個分量之間應(yīng)用修正系數(shù)之后，實(shí)現(xiàn)兩個磁場分量之比的反正切計算。在本發(fā)明的實(shí)施變型中，處理電路與磁敏元件被集成在單個組件上。在本發(fā)明的實(shí)施變型中，磁化元件由永磁體和至少一個鐵磁部件構(gòu)成。最后，優(yōu)選地，所測量的磁場分量沿至少兩個方向中的每一個方向，基本上按照正弦方式改變。通常,該傳感器具有唯一的磁化元件,磁化元件優(yōu)選地為稀土(SmCo, NdFeB)型永磁體或鐵氧體，具有較小的厚度以及基本等于所希望行程的長度和寬度，除了磁體尺寸之外對于行程沒有任何其它限制。傳感器僅使用單個磁敏探測裝置在單個點(diǎn)上測量3個磁場分量，由此能使體積最小并限制成本。該傳感器使用磁場分量之間的幅度比，能使磁體的磁特性不受溫度、時間變化的影響，而且也不對幾何公差和間隙變化敏感，從而使得能夠提出極為可靠的方案。所述傳感器沒有相對于磁敏元件固定的鐵磁部件，且因此不會產(chǎn)生任何磁滯，并保證結(jié)構(gòu)的簡單性。最后，傳感器能提供對于兩個方向中的每一個獨(dú)立的位置信息，這樣會具有相當(dāng)高的精確度。按照下述來更精確地定義傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)M是磁敏元件集中且測量磁場的三個分量的點(diǎn)，而O’是磁化元件(I)的面對與磁敏元件集成的探測裝置(6)的外表面的中點(diǎn)。將在如下情況下使用點(diǎn)O :所述兩個方向中的至少一個為“旋轉(zhuǎn)”(在這種情況下O為旋轉(zhuǎn)中心)。我們因此可以寫下如下矢量方程式
Γ =(JT)'+7)\4+Jm矢量@是恒量，其僅取決于磁體的幾何形狀，當(dāng)磁體為瓦形或球形的情況下，該 矢量的范數(shù)對應(yīng)于磁體的外半徑，而當(dāng)磁體為平行六面體的情況下，矢量范數(shù)為零。矢量@是恒量且沿磁體厚度定向，即U = Z0U，Z0 一般被稱作磁化元件和聚集磁敏元件的點(diǎn)M之間的間隙或氣隙。因此04 = Xi +對被定義為矢量，代表磁化兀件沿活動兀件朝向 和j的兩個方向相對于磁敏元件的位置。為了簡化起見，在以下所述方向用X和Y表示，且對應(yīng)分別沿 和j的位移。兩個方向X和Y因此可以是兩個平移，其中X和Y對應(yīng)長度，或者可以是一個平移和一個旋轉(zhuǎn)，其中X因此對應(yīng)長度，而Y對應(yīng)角度，最后，兩個方向可以是兩個旋轉(zhuǎn)，其中X和Y兩者都對應(yīng)角度。為了確定磁化元件相對于磁敏元件沿活動磁體的兩個方向X和Y的位置，因此需要確定坐標(biāo)X和Y。通常，無論是直線、柱體還是球體磁體，按照下述，厚度對應(yīng)沿正交于磁體上表面的單位矢量5定向的磁體尺寸，長度對應(yīng)沿相切于磁體上表面的矢量 定向的磁體尺寸，且深度對應(yīng)于同樣相切于磁體上表面且垂直于矢量了的矢量j定向的磁體尺寸。當(dāng)磁體為直線、柱體或球體時，所使用的坐標(biāo)系0，( i j 5 )分別是笛卡爾坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系或球面坐標(biāo)系。按照第一實(shí)施方式，傳感器由磁化元件(優(yōu)選地為永磁體)構(gòu)成，所述磁化元件生成磁場，其中，一方面在其表面測得(沿H)的法向分量，以及另一方面(沿 )測得的切向分量和(沿])的橫向分量，(按照被命名為λ X和λ y的基準(zhǔn)機(jī)械周期)發(fā)生周期性變化，沿表面的有效變化可以對應(yīng)一個或多個完整的周期或部分周期。按照一優(yōu)選的構(gòu)型，磁化元件將具有基本接近有效行程的長度和深度以及磁化作用，其中，磁化的方向以基本線性的方式沿兩個方向X和Y，且相對于其厚度、其長度及其深度發(fā)生變化。這意味著在磁化元件外表面的任何點(diǎn)A，磁化矢量M和法向矢量S之間的角度(Μ, ),且磁化矢量&和矢量I之間的角度(，沿方向X發(fā)生線性變化，且磁化矢量兌和矢量；5之間的，以及磁化矢量g和矢量 之間的角度沿方向Y發(fā)生線性變化。在該磁化元件附近，磁化生成磁場萬(云=Hxl + Zij >/-I- Bzn),其中，切向分量(Bx)Ji向分量(Bn)和橫向分量(By)，在沿方向X和Y的大部分行程上基本為正弦曲線。
我們因此考慮長度為Lx,寬度為Ly且厚度為Lz的一磁體，以及由磁化元件生成的磁場分量Bx、By、Bz的測量點(diǎn)M Cx, y, Z0)。+/-Yfflax是我們希望沿方向Y測量的最大行程，ymax小于、等于或大于磁化元件的寬度。+/-Xfflax是我們希望沿方向X測量的最大行程，Xmax小于、等于或大于磁化元件的長度。我們希望識別沿X和Y的位置，即X和y，Z0對應(yīng)于活動元件和固定元件之間的間隙。磁場分量By和Bz具有沿X的相同相位,而分量Bx偏離四分之一周期。在第一實(shí)
施方式中，磁化產(chǎn)生的磁場，其在M (X，y, Z0)的磁場分量將按照如下公式
權(quán)利要求
1.一種至少兩個方向的磁位置傳感器，包括至少一個磁化元件(I)和探測裝置(6)，所述探測裝置(6 )包括至少兩個磁敏元件(2 )和(3 )，所述磁敏元件(2 )和(3 )基本上位于同一點(diǎn)并且其中的每一個測量由所述磁化兀件(I)產(chǎn)生的磁場的一個分量，所述磁化兀件(I)相對于所述磁敏元件(2)和(3)可移動；以及至少一個處理電路(5)，其能夠根據(jù)磁場分量的代數(shù)組合進(jìn)行角度和模的計算，并提供代表活動元件分別沿所述兩個方向中的一個方向和另一個方向的位置的至少兩個獨(dú)立信號， 其特征在于，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件(I)的磁化矢量相對于所述磁化元件對著所述探測裝置(6)設(shè)置的的表面的法向矢量是可變的，以按照所述第一尺度確定所述探測裝置(6)相對于所述磁化元件(I)的唯一位置。
2.按照權(quán)利要求I所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化元件的所述磁化矢量的方向按照所述磁化元件的至少一個尺度可變。
3.按照權(quán)利要求2所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化矢量的方向在被測行程上具有多個周期。
4.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化元件的尺度之一沿所述兩個方向中的至少一個方向可變，弓I起所述法向矢量的方向的變化。
5.按照權(quán)利要求4所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述尺度按照不連續(xù)函數(shù)改變。
6.按照權(quán)利要求4所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化元件的所述尺度基本上按照正弦函數(shù)改變。
7.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化元件的所述磁化矢量的幅度沿所述兩個方向中的至少一個方向可變。
8.按照權(quán)利要求I所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化矢量的方向保持恒定且其幅度沿所述兩個方向中的至少一個方向，按照正弦方式改變。
9.按照權(quán)利要求I所述的磁位置傳感器，其特征在于，沿所述兩個方向中的至少一個方向，所述磁化元件的所述磁化矢量具有至少一次方向交換。
10.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述信號處理電路實(shí)現(xiàn)至少2次反正切計算。
11.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述信號處理電路實(shí)現(xiàn)至少一次反正切計算和一次模計算。
12.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，通過在兩個磁場分量之間應(yīng)用修正系數(shù)之后，計算這兩個分量之比的反正切，來實(shí)現(xiàn)沿至少一個方向的位置計算。
13.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述處理電路與所述磁敏元件被集成在單個組件上。
14.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所述磁化元件由永磁體和至少一個鐵磁部件構(gòu)成。
15.按照上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的磁位置傳感器，其特征在于，所測量的磁場分量沿至少兩個方向中的每一個方向，基本上按照正弦方式改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種至少兩個方向的磁位置傳感器，所述磁位置傳感器包括至少一個磁化元件(1)和探測裝置(6)，所述探測裝置(6)包括至少兩個磁敏元件，所述磁敏元件基本上位于同一點(diǎn)并且其中的每一個測量由所述磁化元件(1)產(chǎn)生的磁場的一個分量，所述磁化元件(1)相對于所述磁敏元件可移動；以及至少一個處理電路，其能夠根據(jù)磁場分量的代數(shù)組合進(jìn)行角度和模的計算，并提供代表活動元件分別沿所述兩個方向中的一個和另一個的位置的至少兩個獨(dú)立信號。根據(jù)本發(fā)明，按照所述磁化元件的尺度中的至少第一尺度，所述磁化元件(1)的磁化矢量相對于所述磁化元件對著所述探測裝置(6)設(shè)置的的表面的法向矢量是可變的，以按照所述第一尺度確定所述探測裝置(6)相對于所述磁化元件(1)的唯一位置。
文檔編號G01D5/14GK102725612SQ201080060916
公開日2012年10月10日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者杰拉爾德·馬松, 蒂里·多格 申請人:移動磁體技術(shù)公司