专利名称：场旋转双向磁位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及非接触式磁位置传感器领域，其目的在于同时提供代表遵从两个方向(平移和平移、平移和旋转、旋转和旋转)的位置的两个独立的输出信号，。从磁场中检测位置的传感器具有多种优点-不存在与活动部件的机械接触，因此没有磨损，-对污垢不灵敏，、
-生产成本低，-使用寿命长。大部分非接触式磁位置传感器都遵从单一方向(旋转或平移)，但出现越来越多必须使用依据两种方向的传感器(双向传感器)的应用，例如为了检测传动构件的位置，或者在通常为旋转和平移相结合的情况下。在这样的应用中，特别重要的是获得沿一种方向的位置信息，而该位置信息不依赖于沿另一方向的位置(独立的输出信号)。
背景技术：
大部分现有的双向传感器使用连接在简单或相对复杂的磁路上的永磁体，所述磁路由铁磁材料制成，用来引导和/或集中由一个或多个永磁体产生的磁通量，但其有损于传感器的成本和性能。因此，现有技术中已知有申请人提出的专利文献FR2786266，其涉及依据两个方向的位置传感器，但这种传感器中使用的磁体的体积和表面积限制了该传感器对较长行程的实际运用。所述传感器还由于铁磁定子导致较大的磁滞，并且传感器的测量取决于剩磁感应的变化，由此剩磁感应必须被补偿。此外，欧洲专利文献EP800055描述了线性和角位置传感器。由于是非线性的并且程度较弱，这些传感器供给的模拟信号很难被应用。这种传感器需要多个隔开的测量点，用来测量沿两个方向的相对位置。而且，需要使用导致磁滞的定子部件，而且敏感元件测量场幅度并因此对几何公差和温度敏感。专利文献US4639667或W09716736描述的传感器工作所依据的原理不能使其供给以两个尺度代表位置的线性且独立的信号。还存在仅把两个独立的单向传感器端对端地配置的双向传感器，例如专利文献WO2008138662和专利文献US6175233描述的各自测量单个方向的两个线性传感器。每个传感器都具有一个磁体和磁场检测元件，因此带来较大的体积且提高了实现成本。此外，这些传感器测量磁场幅度并且因此其本身对几何公差和温度较为敏感。还已知现有技术中的专利文献US7421923和US7293480是由变速杆啮合带动的速度检测传感器。这些专利提出的方案用于沿2种方向检测位置，但其使用磁体且还要使用与待检测档位同样多的、设置于一定空间中的霍尔传感器。因此需要安装传感器网络以辨别唯一的位置并获得速度的数字检测。传感器的倍增使这种方案的实施成本高昂，且不能提供即时地获知位置的方法。
为了弥补上述的通过幅度测量检测位置所产生的问题，存在测量磁场的转动，也即是测量其方向而非幅度的位置传感器。然而，这种方式主要应用于单向而非双向传感器。现有技术中已知例如申请人提出的专利文献FR2898189和FR2909170所描述的传感器，其使用磁场方向而非幅度来检测磁体和磁敏探测装置之间的相对位置。这种方向测量对温度和机械间隙不敏感且不用安装铁磁部件，因此不存在磁滞。然而，通过根据两个磁场分量计算单个的幅度比，所述传感器仅能测量唯一的磁场方向，且因此仅能按照一种方向而非两个方向来获知活动磁体相对于磁敏探测装置的相对位置。同样，专利文献和专利申请US6731108、US6960974和W02004015375通过使用磁场方向仅能测量磁体相对于一个或多个磁敏元件的线性位移。然而，对于行程大于20-25_的实际应用，这些传感器需要有被设置在行程的不同部分上的多个探测装置，由此增加了传感器的成本而且需要对探测装置精确定位。然而，现有技术中还已知允许测量双向位置并使用旋转测量而非磁场幅度的技术方案，但其专门针对操纵杆(joysticks)应用的情况。因此，专利申请US20070242043或US20090062064描述了用于操纵杆的传感器，其包括沿厚度单向磁化的单个磁体，以及仅测量磁场的两个分量并由此仅能测量单个磁场方向(由两个磁场分量形成的角度)的探测装置。这种原理不能供给沿两个方向独立的线性信号。而且，操纵杆式的系统仅限于旋转而不能测量平移。此外，通过操纵杆系统可检测到的角度局限于三十度左右。如果超过该角度，则磁体将远离探测装置，探测装置不再能探测到足够的磁场以推导出位置。因此，为了实现用于大于40度角行程的实际应用，传感器需要由有设置在行程的不同部分上的多个探测装置，这增加了传感器的成本。现有技术中还有用于测量两个旋转角的Melexis应用指南，(http://ww.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333648. aspx),其中介绍了两个操纵杆配置。第一种配置方案是双极磁体的旋转中心与测量中心混合，这需要体积大且机械机构复杂的系统，不便整合到应用中。第二种配置方案是磁体的旋转中心位于磁体后部(磁体位于其旋转中心和磁敏元件之间)。在该情况下，三个磁场分量被用来确定两个旋转角。所使用的磁体是直径相当小的圆柱体，该圆柱体沿其厚度在幅度和方向上具有恒定的磁化。也就是在所述磁体任何点上的磁体磁化都具有相同的模，且垂直于磁体的上表面和下表面。这种非常特别的配置仅用于测量两个角度并且用于较小的行程(三十多度)。实际上，为了能够以所使用的算法来检测磁体旋转，必须使磁体的直径非常小(理论上是带有放射状磁化的点磁体)，这意味着一使磁体发生较小的转动，磁体就会远离磁敏元件，并且在探测装置的磁敏元件处磁场变得太小而无法精确检测磁体的旋转。这就是为什么这种类型的系统需要有较大剩磁(典型地Br>l. 2T)并且较厚(厚度>10mm)的原因，正是因此而使其成本高昂且难以磁化，并且具有较大的轴向厚度(通常>10mm)从而产生体积问题。此外，按照这种方法，平坦磁体的表面和测量点之间的机械间隙会根据磁体的旋转发生改变，从而造成对线性的损害，而且需要比必要的间隙更大的间隙来避免磁体边缘与探测装置支架碰撞。为了避免所述问题，理想的是使用直径非常小的磁体，但这会带来上面提到的问题。
发明内容
因此，在此给出的本发明尤其以简单和有效的方式提出弥补以上揭示的双向传感器问题(有限行程、仅能测量旋转、具有强剩磁的厚磁体、体积大且成本高……)。特别地，我们提出按照任意两个方向(平移-平移，平移-旋转或旋转-旋转)的绝对位置传感器，所述传感器能测量磁化元件和磁敏探测装置之间的相对位移，其中磁敏探测装置能测量基本位于同一点的至少两个磁场分量，其对行程没有高低限制，且优选地测量磁场的方向而非其幅度。更确切地，我们提出一种至少两个方向的磁位置传感器，包括至少一个磁化元件(I)和探测装置(6 )，所述探测装置(6 )包括至少两个磁敏元件(2 )和(3 )，所述磁敏元件(2 )和(3)基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化兀件(I)产生的磁场的一个分量，所述磁化元件(I)相对于所述磁敏元件(2 )和(3 )可移动；以及至少一个处理电路(5 )，其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个方向和另一个方向的位置的至少两个独立信号，其特征在于，沿着朝向所述探测装置(6)设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)的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置(6)设置的 的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置(6)相对于所述磁化元件(I)的唯一位置。。磁化矢量的这种变化可以通过其方向沿尺度的至少之一的改变来实现。在这种情况下，磁化矢量的方向可以在被测行程上具有多个周期。磁化矢量的这种变化也可以通过磁化元件的尺度之一沿所述两个方向中的至少一个方向改变，从而引起表面法向矢量方向的改变来实现。在所述情况下，可以根据不连续函数或按照正弦型连续函数来改变尺度。磁化矢量的这种变化也可以通过其幅度沿所述两个方向中的至少一个方向的改变来实现。在任何情况下，磁化矢量沿所述两个方向中的至少一个方向具有至少一次方向交换。在任何情况下，信号处理电路可以实现至少2次反正切函数计算或至少一次反正切计算和一次模计算。在任何情况下，信号处理电路也可以在两个分量之间应用修正系数之后，实现两个磁场分量之比的反正切计算。在本发明的实施变型中，处理电路与磁敏元件被集成在单个组件上。在本发明的实施变型中，磁化元件由永磁体和至少一个铁磁部件构成。最后，优选地，所测量的磁场分量沿至少两个方向中的每一个方向，基本上按照正弦方式改变。通常,该传感器具有唯一的磁化元件,磁化元件优选地为稀土(SmCo, NdFeB)型永磁体或铁氧体，具有较小的厚度以及基本等于所希望行程的长度和宽度，除了磁体尺寸之外对于行程没有任何其它限制。传感器仅使用单个磁敏探测装置在单个点上测量3个磁场分量，由此能使体积最小并限制成本。该传感器使用磁场分量之间的幅度比，能使磁体的磁特性不受温度、时间变化的影响，而且也不对几何公差和间隙变化敏感，从而使得能够提出极为可靠的方案。所述传感器没有相对于磁敏元件固定的铁磁部件，且因此不会产生任何磁滞，并保证结构的简单性。最后，传感器能提供对于两个方向中的每一个独立的位置信息，这样会具有相当高的精确度。按照下述来更精确地定义传感器的运转设M是磁敏元件集中且测量磁场的三个分量的点，而O’是磁化元件(I)的面对与磁敏元件集成的探测装置(6)的外表面的中点。将在如下情况下使用点O :所述两个方向中的至少一个为“旋转”(在这种情况下O为旋转中心)。我们因此可以写下如下矢量方程式
Γ =(JT)'+7)\4+Jm矢量@是恒量，其仅取决于磁体的几何形状，当磁体为瓦形或球形的情况下，该 矢量的范数对应于磁体的外半径，而当磁体为平行六面体的情况下，矢量范数为零。矢量@是恒量且沿磁体厚度定向，即U = Z0U，Z0 一般被称作磁化元件和聚集磁敏元件的点M之间的间隙或气隙。因此04 = Xi +对被定义为矢量，代表磁化兀件沿活动兀件朝向 和j的两个方向相对于磁敏元件的位置。为了简化起见，在以下所述方向用X和Y表示，且对应分别沿 和j的位移。两个方向X和Y因此可以是两个平移，其中X和Y对应长度，或者可以是一个平移和一个旋转，其中X因此对应长度，而Y对应角度，最后，两个方向可以是两个旋转，其中X和Y两者都对应角度。为了确定磁化元件相对于磁敏元件沿活动磁体的两个方向X和Y的位置，因此需要确定坐标X和Y。通常，无论是直线、柱体还是球体磁体，按照下述，厚度对应沿正交于磁体上表面的单位矢量5定向的磁体尺寸，长度对应沿相切于磁体上表面的矢量 定向的磁体尺寸，且深度对应于同样相切于磁体上表面且垂直于矢量了的矢量j定向的磁体尺寸。当磁体为直线、柱体或球体时，所使用的坐标系0，( i j 5 )分别是笛卡尔坐标系、极坐标系或球面坐标系。按照第一实施方式，传感器由磁化元件(优选地为永磁体)构成，所述磁化元件生成磁�。渲校环矫嬖谄浔砻娌獾�(沿H)的法向分量，以及另一方面(沿 )测得的切向分量和(沿])的横向分量，(按照被命名为λ X和λ y的基准机械周期)发生周期性变化，沿表面的有效变化可以对应一个或多个完整的周期或部分周期。按照一优选的构型，磁化元件将具有基本接近有效行程的长度和深度以及磁化作用，其中，磁化的方向以基本线性的方式沿两个方向X和Y，且相对于其厚度、其长度及其深度发生变化。这意味着在磁化元件外表面的任何点A，磁化矢量M和法向矢量S之间的角度(Μ, ),且磁化矢量&和矢量I之间的角度(，沿方向X发生线性变化，且磁化矢量兑和矢量；5之间的，以及磁化矢量g和矢量 之间的角度沿方向Y发生线性变化。在该磁化元件附近，磁化生成磁场万(云=Hxl + Zij >/-I- Bzn),其中，切向分量(Bx)Ji向分量(Bn)和横向分量(By)，在沿方向X和Y的大部分行程上基本为正弦曲线。
我们因此考虑长度为Lx,宽度为Ly且厚度为Lz的一磁体，以及由磁化元件生成的磁场分量Bx、By、Bz的测量点M Cx, y, Z0)。+/-Yfflax是我们希望沿方向Y测量的最大行程，ymax小于、等于或大于磁化元件的宽度。+/-Xfflax是我们希望沿方向X测量的最大行程，Xmax小于、等于或大于磁化元件的长度。我们希望识别沿X和Y的位置，即X和y，Z0对应于活动元件和固定元件之间的间隙。磁场分量By和Bz具有沿X的相同相位,而分量Bx偏离四分之一周期。在第一实
施方式中，磁化产生的磁�。湓贛 (X，y, Z0)的磁场分量将按照如下公式
权利要求
1.一种至少两个方向的磁位置传感器，包括至少一个磁化元件(I)和探测装置(6)，所述探测装置(6 )包括至少两个磁敏元件(2 )和(3 )，所述磁敏元件(2 )和(3 )基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化兀件(I)产生的磁场的一个分量，所述磁化兀件(I)相对于所述磁敏元件(2)和(3)可移动；以及至少一个处理电路(5)，其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模的计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个方向和另一个方向的位置的至少两个独立信号， 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)的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置(6)设置的的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置(6)相对于所述磁化元件(I)的唯一位置。
2.按照权利要求I所述的磁位置传感器，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个尺度可变。
3.按照权利要求2所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化矢量的方向在被测行程上具有多个周期。
4.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的尺度之一沿所述两个方向中的至少一个方向可变，弓I起所述法向矢量的方向的变化。
5.按照权利要求4所述的磁位置传感器，其特征在于，所述尺度按照不连续函数改变。
6.按照权利要求4所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的所述尺度基本上按照正弦函数改变。
7.按照上述权利要求中任意一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件的所述磁化矢量的幅度沿所述两个方向中的至少一个方向可变。
8.按照权利要求I所述的磁位置传感器，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两个方向中的至少一个方向，按照正弦方式改变。
9.按照权利要求I所述的磁位置传感器，其特征在于，沿所述两个方向中的至少一个方向，所述磁化元件的所述磁化矢量具有至少一次方向交换。
10.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路实现至少2次反正切计算。
11.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路实现至少一次反正切计算和一次模计算。
12.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，通过在两个磁场分量之间应用修正系数之后，计算这两个分量之比的反正切，来实现沿至少一个方向的位置计算。
13.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述处理电路与所述磁敏元件被集成在单个组件上。
14.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所述磁化元件由永磁体和至少一个铁磁部件构成。
15.按照上述权利要求中至少一项所述的磁位置传感器，其特征在于，所测量的磁场分量沿至少两个方向中的每一个方向，基本上按照正弦方式改变。
全文摘要
本发明涉及一种至少两个方向的磁位置传感器，所述磁位置传感器包括至少一个磁化元件(1)和探测装置(6)，所述探测装置(6)包括至少两个磁敏元件，所述磁敏元件基本上位于同一点并且其中的每一个测量由所述磁化元件(1)产生的磁场的一个分量，所述磁化元件(1)相对于所述磁敏元件可移动；以及至少一个处理电路，其能够根据磁场分量的代数组合进行角度和模的计算，并提供代表活动元件分别沿所述两个方向中的一个和另一个的位置的至少两个独立信号。根据本发明，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)的磁化矢量相对于所述磁化元件对着所述探测装置(6)设置的的表面的法向矢量是可变的，以按照所述第一尺度确定所述探测装置(6)相对于所述磁化元件(1)的唯一位置。
文档编号G01D5/14GK102725612SQ201080060916
公开日2012年10月10日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年11月6日
发明者杰拉尔德·马松, 蒂里·多格 申请人:移动磁体技术公司
专业数控铣床产品供应商
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