专利名称：多周期绝对位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性位置传感器领域，该磁性位置传感器包括至少一永久磁体。更确切地，本发明涉及角度大于几十度且可以到达数圈的线性或旋转磁性位置传感器领域。位置传感器的一种特别有用的用途在于，位置传感器被用来测量汽车方向柱的角度位置，本申请也不例外。本发明还涉及在第一轴和第二轴之间检测转矩的磁性装置领域，所述第一轴和第二轴由扭杆相连，尤其被使用在汽车方向柱上。
背景技术：
在该申请的情况下，方向柱和方向盘的角位，对于例如车辆稳定性的电监控程序 (英语为 ESP Electronic Stability Program)以及电动助力转向(英语 EPS :Electric Power Steering)等功能而言是必要的信息。转向角度信息，而且由此轮胎的转向角度信息也同样能够用于例如转向灯、轨�？刂�、自动泊车等辅助功能。单圈传感器本身并不能检测大多数汽车(方向盘应当能转动超过一圈的汽车)的方向柱位置。一种解决方法可以是把360°传感器和“首圈top tour”相关联，从而得知方向盘处于哪一圈中。在例如申请WO 07014599中对此进行了描述。这种系统在受压时假设初始位置。此后的所有位置都与该起始位置相关。该类系统的问题因此在于，每次发生汽车的接触时都要重新确定该初始位置。如果该系统不存储方向盘最后的角位，或者如果当接触被切断时角度发生改变时，则在发生接触时所显示的角度将错误。方向柱应用规格十分严格。实际上，该应用需要可以达到+/-720° (+/-2圈)甚至+/-1440° (+/-4圈)的绝对传感器，其精度小于+/-1 °且分辨率小于0.1°。为此，存在用来测量角度并应用电位测量、光学、感应或磁性质等多种技术的不同的绝对多圈解决方案。如专利文献EP 1219527或US 6，848，187所描述的光学解决方案较为复杂、昂贵且被证实与发动机舱的安装不匹配，因为其不符合温度与环境条件。例如专利文献US 6，384，598描述的感应解决方案，方向柱的开发与实用的成本很尚。电位测量解决主要在成本和简单性上具有很大的优点。例如在现有技术中，已知专利文献US 5，200，747提出了一种绝对多圈传感器，该传感器由两个360°电位传感器构成。然而，可以注意到该方案的主要缺点在于接触以及电位计的轨道间的摩擦，这降低了传感器的使用寿命。而且，磁轨在接触灰尘、油脂或其它液体时会劣化。因此，趋势是用非接触系统替代电位计。同样也已知现有技术的非接触磁性解决方案，其根据两旋转传感器的连续相位差计算旋转构件的绝对位置，例如专利申请US2005/00028^86、JP 2006/119082、US 6，941，241、US 5，930，905和US6, 466，889中所描述。所述传感器的原理相同其由与方向柱相连的齿轮构成，该齿轮驱动两个齿数稍不同的小齿轮，所述两个小齿轮各自连接在一个磁体上。各磁体的旋转由磁敏探测器检测，随后，通过算法处理相移信号。所测得的绝对角度的精确度因此取决于来自两个不同传感器的两个信号间的差，并同时取决于计算的算法。将两信号相减以获得唯一测量值是有缺陷的粗略值。比起由取两传感器之一得到的精确度，该方法降低了两个传感器获得的精度。两个传感器之一的最小错误、最小机械相移， 小齿轮内最小的间隙都会造成角度测量的误差。而且，需要十分精细的算法来计算出旋转构件的绝对角度。使用机械减速器并非是完全非接触方法，并且因此在系统内增加了摩擦 (齿轮机构的小齿轮是磨损零件，因此限制了使用寿命)。而且，增加小齿轮以及完整传感器组装的复杂性都使整体成本提高变得成本很高且不能获得较小的体积。为推导出旋转构件的位置而对连续相移进行测量的相同原理也可以在以下专利或专利申请中找到US 2003/0145663，EP 1 353 151, US6, 515, 571, US 7，215，112。这些文献提出两个多极磁体或带有两个多极轨道的一个磁体，这两个多级轨道包含稍有不同的多个极对，以产生依赖于待检测旋转构件的角度的连续相移。同样，该原理还被记载在专利申请W02008101702中，其提出单个磁体和具有不同角宽的极的单个轨道。这种多极磁体的原理仍然采用了齿数略有不同的两个齿轮的原理，并且具有与上述提到的原理相同的缺点。还已知在现有技术中，申请WO 2005/076860描述了一种绝对多圈转矩及位置传感器，其中，旋转构件的位置测量依据专利US 5，200, 747的原理，即通过两个传感器的偏差实现位置的测量直接连接在旋转构件上的360°传感器以及由被称为日内瓦(Ger^ve) 式齿轮驱动的第二增量传感器。与专利US5，200，747不同的是，所使用的传感器不是电位测量型的，而是非接触磁性传感器。两个传感器中的每一个具有磁环和间隔90°的两个磁敏元件，所述元件测量由磁体生成的磁场的径向分量且形成两正交的正弦波信号，将正弦波信号解码从而在360度范围上确定位置。该申请WO 2005/076860解决了专利US 5，200，747的借助接触来测量的问题，但
仍然具有使用了机械减速器的主要缺点，机械减速器较为复杂且造成摩擦、组装和使用寿命上的问题。该方法的另一缺点在于包含两个探测器，这可能导致由于一个探测器相对于另一探测器的错误放置所引起测量误差。同样，空间上存在间隔90°的两个集成电路也增加了传感器的最终成本，因为印刷电路的表面可能较大并且接线数量增加。此外，现有技术中还已知申请人的专利申请WO 2007/057563描述的360°旋转位置传感器，其使用一个磁敏探测器，以确定磁环或直径与磁环基本一致的磁盘的角位。在该专利中，对于由磁体产生的磁场方向灵敏的探测器被设置在磁体外部，由此能获得具有贯穿轴的旋转传感器，该传感器例如被用来测量方向柱的旋转角度。此外，在该申请中描述了该传感器与运动减速相关的应用，从而能在传感器上把多圈旋转限制为小于或等于一圈的旋转。该方法的主要缺点在于使用系数为η的减速器，这相应地降低了分辨率和精确度，因此表现为不足以应用在例如精确度和分辨率都要求很高的方向柱上。而且，该方法还使用与上述描述的发明具有相同缺点的机械减速系统。此外，现有技术中还已知申请人提出的专利申请WO 2009/047401，其中描述了用于实现绝对多圈检测的非接触360°位置传感器。第一非接触传感器被用来测量旋转构件从0到360°的旋转角度而第二传感器被用来确定旋转构件完整的旋转圈数。系数为η的连续减速机械系统被集成在两传感器之间。该方法因此能增加测量值的可靠性，并使之更好地适应不同的几何配置O圈传感器、3圈传感器等，无论圈数如何都具有相同的精确度和分辨率)，尤其是在装置具有贯通轴的情况下。然而，该传感器的精确度由测量旋转构件的绝对旋转角度的传感器精确度决定，其精确度的范围在+/_2deg，还不足以应用在汽车方向柱上。然而，该方法尤其也使用了具有上述所列举缺点的机械减速系统。同样，现有技术中还已知专利DE102007039051，其描述了基于使用Wiegandt布线的一种计圈技术。每次当磁性传输通过该布线前侧，布线的瞬变磁畴定向会在环绕该布线的线圈内产生电压，该电压被计数单元使用，以获得圈数的增量并被存储在非易失性存储器中。然而，该方法依赖于一整套Wiegandt布线(对磁体通过进行检测)+线圈(检测布线中的磁调制)+计数单元(发送检测到一个整圈的信息)+非易失性存储器(存储完成的圈数)，因此需要许多元件来运行。而且，在所描述的配置中，传感器仅能在轴的一端实现， 至于贯通轴的实施例则不可能适用。最后，为了计算圈数并为了知道该数量是增加还是减少，传感器必须被供给电流才能令辅助探测器确定旋转方向。现有技术中还已知与计圈方案相关的磁性转矩传感器，例如专利US2006/0236784 所描述的示例。其简单地提出端对端设置的磁性转矩传感器与磁性多圈位置传感器。该方案会导致形成较大的体积，且不得不使用多个印刷电路或一个柔性印刷电路，因为霍尔元件处于不同的平面，以及导致在转矩传感器和位置传感器间的磁性的互相影响。此外，在现有技术中，可以看到申请人提出的专利申请W02009/047401，其中描述了一种转矩和位置传感器，其中，位置传感器的磁体还同时巧妙地集成在定子部分上。然而，圈数的倒计数需借助机械减速系统，该减速系统具有该专利第一部分已经列举的缺点。 而且，以该传感器获得的精确度在360度的+/-0. 5% (即角位精确度为+/-2度)，该精确度对于方向柱的应用不够令人满意。
发明内容
本发明提出通过实现具有可靠性和提高的精度的非接触位置传感器来解决由现有技术中存在的问题。为此，本发明提出一种磁性位置传感器，包括至少一个磁化单元，第一磁敏探测器以及第二磁敏探测器；第一和第二磁敏探测器彼此相对地固定；磁化单元在位移行程上相对于所述第一和第二磁敏探测器可移动且在各时刻具有绝对位置；所述磁化单元在所述第一磁敏探测器周围产生磁�。么懦∫环矫婢哂蟹ㄏ蚍至浚硪环矫嬷辽倬哂星邢蚍至炕蚝嵯蚍至浚龃懦≡诜植加谖灰菩谐躺系腘个周期上以正弦和周期性的方式改变，其中N是大于1的数；所述第一磁敏探测器能够测量三个磁场分量中的至少两个，以便确定针对所述磁化单元的位置的第一数据，第二磁敏探测器以绝对、增量和可逆方式测量磁场的完整转数，以便确定针对磁体的位置的第二数据，所述第二磁敏探测器可被供电或不供电， 所述传感器包括根据第一和第二数据计算所述磁体的绝对位置的模块。在一般情况下的位置传感器实施例中，第一磁敏探测器测量由磁化单元(1)产生的磁场的三个分量之中的两个(或直接测量角度)，并且根据这两个分量(其振幅通常不同)对磁化单元的位置进行解码，需要使所使用的分量归一化，以便计算反正切，从而推导出位置。反正切和归一化能够或者由独立的元件实现，或者直接由探测器(例如MELEXIS90316，HAL 3625)对磁场的两个分量的测量值积分来实现，即计算磁场的两个分量的反正切和归一化。通过例如，适当地选择探测器的位置和取向、形成特定的磁体的几何形状、实现特定的极化、或者在第一探测器处设置磁场集中器，可以获得使磁场具有大体相同的值的特别有利的效果。通过第一探测器在对位置解码后的输出，获得依赖于磁化单元相对该第一探测器的位置的线性的且周期性的信号。在这种情况下，第二磁敏探测器被用来识别当前所处的周期，由此以绝对方式确定磁化单元相对于探测器的位置。实际上，输出信号在期望的行程上重复η次，不能仅由第一探测器发出的第一信号来推导磁化单元的位置，这是本发明提出增加能够根据产生第一探测器所检测到的磁场的同一磁体，来确定处于哪一线性部分的第二探测器的原因。举例而言，可以使用基于磁矩的旋转的分量(如在专利EP153MWB1和ΕΡ1740909Β1描述的)。 磁畴在由磁化单元产生的磁场(磁畴存在于磁场中)旋转的同时连续旋转，但仅在每次磁场旋转时在磁回路内传播，以便在处理结束和输出时获得在磁场旋转的整个360度范围上绝对的但以离散方式递增或递减的信号。由此使得能够以绝对方式识别所处的周期。此外， 由于这种分量基于磁畴的旋转，即使当探测器未被供电并且在磁体和第二磁敏探测器(所谓的ASIC)之间存在偏移时，磁畴也旋转并且依赖于所述偏移而较强或较弱地传播。一旦建立电接触，则不会丢失任何位置。该系统通常被称为TPO(《True Power 0η》，真实电源开启)并且在2个运动方向上运行而不会产生磁滞。与专利DE 102007039051(其中计圈组件需要经由与Wiegand布线关联的线圈发送寻址非易失性存储器的电脉冲)不同的是，在此所使用的分量本身能够通过物理特性的改变实现对圈数的测量和计算(见图7)。因此所实现的组件较紧凑并且在要求对贯通轴进行检测的情况下，允许被偏移到磁体周围。而且，其能够计算转动的圈数和转圈的方向(增量或减量)，而不需要对传感器供电(以《True Power On))或TPO模式运行)。由本申请提出的方案能够实现完全非接触的方案，因此可以省却额外的机械部件并且使传感器简化，降低其成本并增加其精确度。该方案还能够提高测量的可靠性，并且尤其在贯通轴装置的情况下，有利的是适合于不同的几何构造O圈传感器、3圈传感器等)同时使其符合所希望的精度。根据一个具体的实施例-磁化单元具有沿位移方向以连续方式改变的磁化方向，例如申请人的专利申请 FR2898189所描述的示例；-磁化单元具有沿位移方向线性改变的磁化方向；-磁化单元的南北磁极相互交替；-磁化单元为单向磁化并且其尺度的至少之一以非连续的方式改变，以便在其周围产生切向和法向(或轴向)分量的正弦变化，例如专利申请FM909170所描述的那样。另一方面，根据可选的实施例-磁化单元为环状并且具有在垂直于磁化单元的旋转轴的平面上的磁化方向；-磁化单元为盘状并且具有垂直于盘平面的磁化方向。需要明确的是，在本发明构思下，只要能够实现由磁化单元在其周围产生的磁场分量的正弦改变，则可以采用现有技术任何已知的方法。在磁体周围，磁场产生周期实质上为2pi/N的切向分量(Bt)、法向分量(Bn)和横向分量(Βζ)。&ι和Bz分量具有相同的相位，而Bt分量则被相移四分之一个周期。在必要的情况下，利用对磁场的两个分量的测量值积分的第一磁敏探测器，计算磁场的两个分量的反正切并对其进行归一化。如果借助第一探测器在围绕磁体的空间中的点测量Bt和分量，则可以利用以下公式，获知磁体在除2pi/n处以外的线性位置
Btθ = arctan(Gi—)，除 2pi/n 以外，其中
Bn- θ 磁体的角位，而Gt(如果需要的话)是放大切向分量的增益。在更一般的情况下，可以使用以下公式
Btθ = arctan(G——)，其中，Bnz = kn. Bn+kz. Bz
Bnz在通常情况下，根据振幅通常不同的两个分量对磁化单元的角位编码，需要对所使用的两个分量归一化以计算反正切，由此推导出线性位置。线性部分在长度为2pi/N的周期上的精确度约为+/-0.3%。因此，周期越�。簿褪撬礜越大，则角精度越高，因此能够调整周期数量N，以便满足希望的精度。优选地，第一和第二磁敏探测器被设置在同一印刷电路上。探测器C3)可受磁场的完整旋转数Nr限定，可以根据应用来区别该探测器(3)。 例如，如果探测器被集成在包括N个周期的磁化单元表面上，其最大可发送Nr个不同增量值，因此最终传感器将是绝对的且在Nr/N的圈数上具有很高的精度。因此如果希望在确定的圈数上获得绝对传感器，则应调整磁化周期的数量，以获得具有适当圈数的绝对传感器。根据一具体的实施例，本发明可以是针对线性应用设计的。磁化单元因此沿位移方向线性延伸。在这种情形中，可采用磁化方向沿位移方向连续改变的带状磁体。第一探测器测量径向、法向和轴向分量，以在一周期内确定磁体的位置。第二绝对增量探测器被用来计算由磁体发射的磁场的转数。按照另一实施例，磁化单元具有在小于360°的角宽上延伸的形状。因此，通过结合第一和第二探测器的信号获得的位置信号非常精确。本发明还提出实现包括如前所述的位置传感器的转矩传感器。为此，本发明提出用于检测由扭杆连接的第一轴和第二轴之间的转矩的磁性检测装置，该装置尤其用于汽车方向柱，其包括如前所述的位置传感器；第一磁性转子结构， 其与第一轴关联并且包括多个辐射定向的磁体；第二定子结构，其与第二轴关联并且包括两个齿冠，所述两个齿冠上延伸有轴向定向且交叠排列的齿，以及第三固定磁通约束结构， 其由两个磁通量锁闭部件构成，所述磁通量锁闭部件限定至少一个磁隙，所述磁隙中设置有至少一个第三磁敏探测器。根据优选的实施方式-第一、第二和第三探测器被设置在同一印刷电路上；-磁化单元为围绕所述齿的环状；-多个磁体属于磁化单元。由此该结构允许仅通过增加一个磁体和两个探测器并且通过重复利用转矩传感器的所有其它部件，来获得轴向和径向体积与单独一个转矩传感器的体积相同的多圈绝对位置转矩传感器。在该结构中，转矩传感器的磁体和位置传感器的磁体是同心的，且所有霍尔元件都位于垂直于传感器旋转轴的磁体的中位面上。这种结构具有能够使所有霍尔元件位于同一印刷电路上并消除一个传感器对另一传感器的磁影响的优点。此外，通过使构成这种集成传感器的部件成为一体化部件，以降低该集成传感器的成本位置传感器的磁体和转矩传感器的同心环可以同时模制而成因此仅构成单个部件，对于构成单个且是同一印刷电路的一部分的转矩和位置传感器的霍尔探测器也是如此。根据一个优选的实施例，将选择角宽与位置传感器的磁体的周期的角宽相同或者周期为其K倍的集流器角宽。该实施例提出一种转矩传感器和多圈位置传感器的方案，其将第一优选实施例与例如专利FR287^96所描述的磁性转矩传感器相关联并针对两个传感器使用单个一体化磁体。因此，该磁体可成为转矩传感器和位置传感器的磁场源，所有的电组件被设置在同一印刷电路上。在该结构中，应使转矩传感器的定子在轴向上相互远离，以便第一和第二探测器能够测量由磁化单元产生的磁场。其轴向体积更大，但由于仅使用单个磁体因而可以降低传感器的成本。如果不使转矩定子彼此远离，则可以把转矩传感器的磁体延伸直至在轴向上超过一个或多个定子并把第一和第二探测器设在其外周。这同样使得能够只包括单个磁体，但缺点在于具有用于与转矩传感器相关的探测器和用于位置传感器的探测器的两个不同的印刷电路。本发明还涉及一种用于检测由扭杆连接的第一轴和第二轴之间的转矩的磁性检测装置，所述磁性检测装置尤其用于汽车方向柱，其包括如前所述的位置传感器，辅助磁化单元和辅助磁敏探测器；位置传感器的磁化单元，其与第一轴关联，以便使位置传感器能够发送关于所述第一轴的角位θ 1的第一位置信息；辅助磁化单元与第二轴关联并且相对于辅助磁敏探测器可移动，该辅助磁敏探测器能够发送关于第二轴的角位θ 2的第二位置信息；所述装置包括中央�？椋弥醒肽？槟芄桓莸谝缓偷诙恢眯畔⒌慕岷希扑愕谝恢岷偷诙嶂涞慕俏徊睿�
权利要求
1.一种磁性位置传感器(A)，包括至少一个磁化单元(1)，第一磁敏探测器O)以及第二磁敏探测器(3)；所述第一和第二磁敏探测器(2、；3)彼此相对地固定；所述磁化单元(1)在位移行程上相对于所述第一和第二磁敏探测器(2、；3)能够移动且在各时刻具有绝对位置；所述磁化单元(1)在所述第一磁敏探测器( 周围产生磁�。么懦∫环矫婢哂蟹ㄏ蚍至浚硪环矫嬷辽倬哂星邢蚍至炕蚝嵯蚍至浚龃懦≡诜植加谖灰菩谐躺系腘个周期上以正弦和周期性的方式改变，其中N是大于1的数；所述第一磁敏探测器( 能够测量三个磁场分量中的至少两个，以便确定针对所述磁化单元(1)的位置的第一数据；其特征在于，所述第二磁敏探测器(3)能够以绝对、增量和可逆方式测量磁场的完整转数，以便确定针对磁体(1)的位置的第二数据，所述第二磁敏探测器C3)被供电或者不被供电；所述传感器包括根据所述第一和第二数据计算所述磁体(1)的绝对位置的�？�。
2.按照权利要求1所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)具有沿位移方向以连续方式改变的磁化方向。
3.按照权利要求2所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)具有沿位移方向线性改变的磁化方向。
4.按照权利要求1所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)的南北磁极相互交替。
5.按照权利要求1所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)为单向磁化并且其尺度的至少之一以非连续的方式改变。
6.按照权利要求1至5中任意一项所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)为环状并且具有在垂直于所述磁化单元(1)的旋转轴的平面上的磁化方向。
7.按照权利要求1至5中任意一项所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)为盘状并且具有垂直于盘平面的磁化方向。
8.按照权利要求1至5中任意一项所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)具有在小于360°的角宽上延伸的形状。
9.按照权利要求1至5中任意一项所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述磁化单元(1)沿位移方向线性延伸。
10.按照权利要求1至9中任意一项所述的磁性位置传感器(A)，其特征在于，所述第一和第二磁敏探测器(2、；3)被设置在同一印刷电路(4)上。
11.一种用于检测由扭杆连接的第一轴和第二轴之间的转矩的磁性检测装置，所述磁性检测装置尤其用于汽车方向柱，所述磁性检测装置包括按照权利要求1至10中任意一项所述的位置传感器(A)；第一磁性转子结构(7)，其与所述第一轴关联并且包括多个辐射定向的磁体(8)，第二定子结构(20)，其与所述第二轴关联并且包括两个齿冠(10、11)，所述两个齿冠上延伸有轴向定向且交叠的齿(12、13)，以及第三固定磁通约束结构(14)，其由两个磁通量锁闭部件(15、16)构成，所述磁通量锁闭部件限定至少一个磁隙(18)，所述磁隙中设置有至少一个第三磁敏探测器(17)。
12.按照权利要求11所述的磁性检测装置(A)，其中，第一、第二和第三探测器0、3、 17)被设置在同一印刷电路Ga)上。
13.按照权利要求11或12所述的磁性检测装置，其中，所述磁化单元(1)为围绕所述齿(12、13)的环状。
14.按照权利要求11或12所述的磁性检测装置，其中，所述多个磁体(8)属于所述磁化单元(1)。
15.一种用于检测由扭杆连接的第一轴和第二轴之间的转矩的磁性检测装置，所述磁性检测装置尤其用于汽车方向柱，所述磁性检测装置包括按照权利要求1至10中任意一项所述的位置传感器(A)，辅助磁化单元(Ib)和辅助磁敏探测器(2b)；所述位置传感器(A)的磁化单元(Ia)，其与第一轴( 关联，以便所述位置传感器(A) 能够发送关于所述第一轴(5)的角位θ 1的第一位置信息；所述辅助磁化单元(Ib)与第二轴(6)关联并且相对于所述辅助磁敏探测器Ob)能够移动，所述辅助探测器Ob)能够发送关于第二轴(6)的角位θ 2的第二位置信息；所述装置包括中央�？椋鲋醒肽？槟芄桓菟龅谝晃恢眯畔⒑退龅诙恢眯畔⒌慕岷希扑闼龅谝恢�( 和所述第二轴(6)之间的角位差，即
全文摘要
本发明涉及包括至少一块永磁体的磁性位置传感器，本发明还涉及在由扭杆相连的第一和第二轴之间检测转矩的磁性装置。本发明旨在实现能识别磁化单元的绝对位置和多个周期的装置。本发明的目的因此在于提出一种磁性位置传感器(A)，其包括至少一个磁化单元(1)、第一磁敏探测器(2)以及第二磁敏探测器(3)。第二磁敏探测器(3)能够以绝对、递增和可逆方式测量磁场的完整转数，从而确定相对于磁体(1)位置的第二数据，所述第二磁敏探测器(3)可以被供电或不被供电。传感器还包括根据分别来自第一和第二探测器(2、3)的第一和第二数据来计算磁体(1)绝对位置的计算模块。
文档编号G01D5/249GK102472642SQ201080030819
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者斯特凡·比韦尔西, 杰拉尔德·马松 申请人:移动磁体技术公司
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