CN100595522C - 磁阻在无触点位置传感器上的应用和相应的传感器 - Google Patents
磁阻在无触点位置传感器上的应用和相应的传感器 Download PDFInfo
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Abstract
根据预定的应用，制造一导电体(1)，其具有承受一永磁体(11)的磁效应的磁感表面(10)，所述表面(10)的面积根据其相对于磁体的相对位置而变化，所述磁体和磁感表面之间的相对位置是变化的，这引起该导电体的至少一个物理性质的改变，同时记录所述导电体的物理性质的变化，这种变化和磁体(11)的位置有关。
Description
本发明涉及磁阻，在此也称作RMS(抗磁饱和)，用于传感器领域。
更准确地，本发明在此涉及该磁阻在无触点位置传感器上的应用，以及传感器本身。
在此通常涉及下列物理现象：
一导电体，可以看到AC电流沿导电体外周分布。
这种现象通常称作趋肤效应(skin efiect)。
所述导电外层(skin)的深度由下列公式所决定：
其中：
δ是导电外层深度；
ρ是导电体在欧姆信号强度计(ohms.meter)中的电阻系数；
μ0是自由空间的导磁率(4π×10-7)；
μr是在材料中的导磁率；以及
f是频率(赫兹)。
因此，频率f越大，导电外层深度越小。
此外，导电体的电阻由下列公式给定：
其中：
R是导电体的电阻(欧姆)；
ρ是导电体在欧姆信号强度计(ohms.meter)中的电阻系数；
L是导电体的长度(米)；以及
A是导电体的横截面积。
应当注意，在该趋肤效应现象中，当给定的导电体(其他东西也一样)的频率f增大、面积A减小时，所测定的电阻R因此显著增大。
如果将一磁场用于一合适材料制成的导电体，则将改变该材料的导磁率(Mr)。
这样具有将所述测定电阻R的降低与没有施加所述外界磁场的相同导电体进行比较的作用。
这种现象已经被用来测量典型地具有很高的准确性的绝对磁场，同时已经研发了应用了磁阻原理尤其是特大的磁阻的传感器。它们以很高的频率(在特大磁阻的情况下大于1GHz)进行工作，特别地使用无定形材料形成作为传感元件的导电体。
这里所产生的问题是如何扩展磁阻的应用领域，在上述物理现象的基础上，不必非常准确的测量所述磁场以及不必产生至今所需的高成本，特别是对上述传感器，尤其是它们的发展与特大磁场相关。
在本文中此处提出将磁阻现象应用于无触点传感器上，具有以下特别的特点：
a)提供一种导电体，其具有受一永磁体的磁效应作用的磁感表面，该表面的面积根据它相对于磁体的相对位置而改变；
b)所述的磁体和导电体磁感表面之间的相对位置是变化的，这引起该导电体的至少一个物理性质的改变；和
c)记录在步骤b)中获得的所述导电体的物理性质的变化，这种变化和磁体的位置有关。
这样，可以应用磁阻现象，尤其是在汽车工业领域，那里的应用条件和已知的现有的传感器不同。
优选地，在步骤b)和c)中，已记录的导电体发生变化的物理性质是该导电体的阻抗。
特别地，所述电阻通过磁体和导电体磁感表面之间的相对位置而改变，记录该电阻是容易且低成本的程序，另外不必高精度的进行记录。
因为选择使用磁阻来制造这样一种位置传感器是非常经济的，同时因为本方法的目的不会导致严格数量的测量，所以建议在步骤b)中导电体承受的AC电压在几千赫到至少一百兆赫之间变化。
尽管通过应用如此范围的频率产生的效果比已知频率(特大磁场情况下大于1GHz)的情况要小，该效果仍然保持足够检测此处所述类型的传感器。
关于得到导电体上可变的表面积，现在指出下列一个或其他变量被推荐：
-或者，通过改变导电体的横截面获得该可变表面积；
-或者，通过改变承受磁体磁效应的导电体的密度获得该可变表面积。
所述术语“密度”应当理解为是工作时通过磁体看到的导电体区段(假定是不变的横截面)的长度。
例如，磁体一起面向三个靠近的区段运动与相同磁体对于相同位移和相同长度的区段而言只对着两个较远隔开的区断相比，密度较高。
因此，承受磁场作用的导电体的表面可以根据磁体的运动位置而改变，即使导电体的横截面保持不变。
应当清楚所述磁体和导电体之间的相对位移可以特别是平移或转动。
在后面的实例中，特别建议，满足低成本、有效性和可靠性的目标：
-在步骤a)中，导电体缠绕成使得在外部周围它具有基本上沿着一个螺旋发展的一些区段；
-在步骤b)中，施加在彼此相对的磁体和所述螺旋之间的相对转动。
除了利用所述磁阻现象，本发明还应用于位置传感器，特别是机动车的位置传感器，包括：
-一传导轨道区，具有对磁体的磁场敏感的表面、物理性质和终端；
-一永磁体，用来在磁感表面产生所述的磁场；
-一电源，产生AC电压穿过所述传导轨道区的终端；
-位移装置，使磁体和磁感表面之间的相对位置发生变化；
-记录装置，记录由所述相对位置产生的传导轨道区的至少一个物理性质的变化。
已经指出，建议记录装置包括记录电阻或所述传导轨道区电阻的变化。
为了达到低成本、可靠性和有效性的预期目的，也建议导电体包括或含有(至少在其磁感区域)一顺磁材料或铁磁材料。
此外，为了进一步加强传感器的有效性，或其灵敏性，还建议：
-磁体相对于磁感表面沿位移方向移动；和
-传导轨道区具有，主要地或专有地，不与磁***移的方向垂直的传导轨道部分。
为了相似的目的，和补充地或可选择地，建议所提供的磁体具有聚集磁场的磁极片。
在下面更加详细的描述中，由附图表示具体的实施例，其中：
-图1表示根据本发明的无触点位置传感器的一个实例的示意图，是在所述磁阻基础上设计的；
-图2表示带有磁极片的位置传感器的侧视图；以及
-图3，4，5，6，7和8表示导电体(在上文也称作传导轨道区)的不同几何图。
因此本方法的目的是具有不必进行精确数量测量(外部磁场的测量相当于GMI传感器的情况)的优点。
在下文，还考虑在受到磁效应的敏感表面10中，导电体1的物理性质是处于刺激频率的该导电体的阻抗，特别是电阻R，其必须是变化的，以便允许应用磁阻(或RMS)现象。
在明确处理附图前，还应当注意本发明的位置传感器，优选特别是在顺磁性材料或铁磁材料制造的导电体的电阻R变化的基础上，承受频率f的AC电压，通常如下所述：
-一永磁体，产生已知的磁场，沿所述导电体的反向移动；
-它“妨碍”和部分或全部地消除发生在其受影响区域的趋肤效应；
-导电体的电阻R因此被改变；以及
-测量所述电阻留出磁体被放置的位置。
然而，对于给定的导电体，有可能只是它的形状，和承受磁体效应的表面区域，根据该磁体的位置而改变。这样，一线性导电体将在局部具有一电阻，其在永磁体产生的磁场效应下发生改变，但是从整体上看，它的电阻是不变的，即使它比没有磁体存在时测量的电阻小得多。
通过用合适的材料制造导电体，并且用承受根据磁***置而改变的磁体效应的表面区域，该磁体将屏蔽不同的区域，导电体的总电阻将改变。
这可以通过不同的方式有利地达到，尤其是：
-通过改变导电体的横截面。这很容易实现，例如通过将导电体固定在PCB(印刷电路板)上。只需产生不同宽度的轨道(组成所述导电体)并获得所需要的效果，和/或改变承受磁体作用的导电体的密度。将PCB上蚀刻了传导轨道作为例子，例如只需生成大间距或小间距的线圈或“曲流”以实现所述效果。
因为经济或性价比的原因，用铁磁材料如μ-金
代替昂贵的无定形材料将更有优势。允许使用低价格的磁体，但仍然能得到极好的效果。这样，将μ-金膜应用于PCB上。然后蚀刻轨道。
现在，μ-金
是一种软磁合金，具有晶体结构，考虑在其生产过程中发生各种处理，该结构相对稳定并具有良好的导热性。它是以镍和铁为基础的合金(如镍77％、铁14％、铜5％和钼4％)。
可以使用另一种已知的磁合金品牌镍铁导磁合
但可用其他的材料。例如，可以用铁，但是那有必要改变与传感器相连的AC电流的工作频率，以达到更好的表现。
图1表示导电体1，供有一交流供电电压，如AC电源3，在5处接地。
然后，在导电体1的终端1a，1b之间产生一交流输入电压U1。
特别是对顺磁或铁磁材料制造的导电体1，所述电压U1的频率在几百赫兹和小于一千兆赫之间，在几千赫兹和小于100兆赫之间为宜，最好(对于这些材料)是在5千赫到50兆赫之间。
在输出端(终端1c)，导电体1连接一伏特计来测量输出信号的振幅。
有可能使用一振幅-调整的AC电源来进一步帮助电子设备根据传感元件的电阻变化测量输出电压。
导电体1界定一传导轨道区10，也称作电阻轨道，包括传感器的感应部分，在导电体通过的地方，其具有一磁感表面(由轮廓10限定)受到面向其设置的永磁体11的磁效应。
如图2所示，传导轨道区10特别形成在一支撑基质上，通常称作PCB(印刷电路板)，一般用来生产电子卡片。
面向这些电阻轨道的是磁体11，在图1和2中，它沿与轨道延伸方向平行的方向11a平移。
在图1(也可用于图3至8所示的其他几何排列的电阻轨道)所示的实施中，该敏感传导元件可以使用一电位计的方式被使用。然而，优选使用一惠斯通电桥(Wheastone bridge)或其一个变体，或甚至是其他已知的方法。给定导电体在区域10的几何形状，其电压比U3/U4将依靠磁体11的位置而改变，U3和U4分别是终端1a，1c和1b，1c之间的AC电压。
在图1中，但也在图3中，可移动的磁体11在电阻轨道区10的整个宽度上延伸，以便使得磁感表面尽可能的宽。
磁体和导电体1的磁感表面之间的相对移动可由任何合适的元件或元件组，如电机轴、凸轮轴、曲轴(汽车发动机的)，或别的离合器，悬架等产生。
图6表示驱动磁体11旋转的一电机轴12的一端的示意图，其固定在一自由端上。
在图1和3至5中，磁体的移动是(或包括)平移，导轨可以引导和确定该横向位移沿着方向11a(见图3中的点化线14a和14b)。
应当注意，导电体1在其中间部分典型地具有一基本直线的区段13，其具有非常小倾斜的斜面11a并在敏感区域10的长度L上延伸，使得，在该区域中，导电体10在所述基本直线的中间连接区段的两侧，因此中轴11a的两侧具有两个(大约)相似的区域15a，15b，它们由锯齿或弯曲的部分组成，沿轴11a分别沿一个方向和相反方向增加和减少，并大致界定出两个相对的三角区。终端1c在区段13的一端(图1)。
还是在图1中，该区段是直线。因此如果磁体沿11a移动，交流输出信号U2随一恒定的斜面而改变，如图1底部的曲线所示。
在图4中，在中间部分中改变了电阻轨道1的几何形状，其中，在中间形成一平面，该平面出现在倾斜的中间区段13(在13a处)和发生上下相接近的锯齿状物的地方的每一侧，分别是25a和25b，一定数量连续相邻的锯齿状物(此处，每侧三个)具有受磁效应的相同的区域。
因此，获得一平面17，如图4底部的曲线U2＝f(L)所示，曲线的水平部分使得可以通过分别对比均是恒定的上游斜面17a和下游斜面17b，识别一特殊位置，如此处磁体相对于整体区域10的中间位置。
更普遍地，可通过适应导电体的密度变化，根据电阻轨道1的几何形状和沿此轨道的几何形状变化的位置获得一选择曲线。
图3和5表示两个其他几何形状的传导轨道区10，其在改变受磁效应的导电体的密度基础上被制造出来，即图3中的锯齿形和大体的三角形，锯齿形具有在锯齿状物之间的间隙，其沿一个方向减小，在图5中沿位移11a方向减小。
通过依靠是否需要增加或减少反应信号来增加或减少横截面，与移动磁体产生的效应相连，也可以如前所述，补充或替换地，在导电体1的横截面上工作。
在图3中可以看到倾斜角α，它在垂直于磁体11的位移11a轴线的方向19a和平行于(在此，全部)由在区域10中的导电体1形成的锯齿状物的侧边21和23的方向19b之间，导电体1，其中0°＜α＜90°。
此处，角α的范围是2°至10°。
因为所述轨道区域的其他区段，即底部和端部区段如25和27，平行或几乎平行于位移轴线11a，因此，显著地或在此情况下排他地具有传导轨道区，其具有部分21，23，35，27，它们不与磁***移方向11a垂直。
所获得的效果是使测量得到的曲线平滑，如果不是的话，对零值α来说，它只具有沿曲线的小幅跳跃。
另外，为了在可控成本内加强测量的灵敏度，如图2所示磁体11可以优选带有磁极片29a，29b，它们位于横向于位移轴线11a的侧中的任一侧。
在图6，7和8中，本发明的位置传感器用于测量旋转位移，如图6实施例中的轴端12，此处具有的电阻轨道区10和矩形磁体11正方形图案，但是区域10的几何形状可对应于图4的几何形状，在正方形而非矩形的区域上。
因此可获得以cosθ和sinθ形式的变化，从中可以通过公式θ＝arctan(sinθ/cosθ)得到角度θ。
图7和8分别表示，与导电体30和31对应的两个传导轨道。
为了界定磁感区域10，导电体30和31均缠绕成使得在其外部分别具有区段30a，30b；31a，31b，可以看到这些区段大致遵循螺旋。此外，磁体将面向该螺旋转动以便获得此处所需的磁阻传感器。
Claims (11)
1、在无触点位置传感器上磁阻的应用，其中：
a)生产一导电体(1)，具有受一永磁体(11)的磁效应作用的磁感表面(10)，该表面的面积根据它相对于磁体的相对位置而改变；
b)所述磁体和导电体磁感表面之间的相对位置是变化的，这引起该导电体的至少一个物理性质(R)的改变；和
c)对在步骤b)中获得的所述导电体的物理性质的变化进行记录，这种变化和磁体(11)的位置关联。
2、如权利要求1所述的应用，其特征在于，在步骤b)和c)中，变化和被记录的所述导电体的物理性质是该导电体的阻抗。
3、如权利要求1或权利要求2所述的应用，其特征在于，在步骤b)中，导电体(1)受一AC电压作用，该电压在几千赫到至少一百兆赫之间变化。
4、如权利要求1所述的应用，其特征在于，在步骤a)中，所述表面(10)的面积通过改变导电体(1)的横截面而改变。
5、如权利要求1所述的应用，其特征在于，在步骤a)中，所述表面的面积通过改变受磁体磁效应作用的导电体(1)的密度而改变。
6、如权利要求1所述的应用，其特征在于：
-在步骤a)中，导电体缠绕为使得在外部周围具有区段(30a，30b；31a，31b)，它们大致沿一个螺旋(30，31)发展；
-在步骤b)中，彼此相对的磁体(11)和所述螺旋之间的相对转动被施加。
7、一种位置传感器，包括：
-一传导轨道区(1，10)，具有对磁体(11)的磁场敏感的表面、物理性质和终端(1a，1b，1c)；
-一永磁体(11)，用来在磁感表面产生所述的磁场；
-一电源(3)，产生穿过所述传导轨道区的终端的AC电压；
-位移装置(12)，使磁体和磁感表面(1)之间的相对位置发生变化；
-记录装置(9)，记录由所述相对位置变化产生的传导轨道区的至少一个物理性质的变化。
8、如权利要求7所述的位置传感器，其特征在于，所述记录装置包括用来记录电阻(R)或所述传导轨道区电阻的变化的装置(9)。
9、如权利要求7或权利要求8所述的位置传感器，其特征在于，导电体(1)包括顺磁材料或铁磁材料。
10、如权利要求7所述的位置传感器，其特征在于，
-磁体(11)相对于磁感表面沿位移方向(11a)移动；和
-传导轨道区(10)，具有不与磁***移的方向(11a)垂直的传导轨道部分(21，23，25，27)。
11、如权利要求7所述的位置传感器，其特征在于，磁体(11)带有用来聚集磁场的磁极片(29a，29b)。
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