CN103154672B - 多圈磁性绝对位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测能够承受超过360°转动的输入轴磁性绝对位置的检测装置，所述装置包括主磁传感器（2、6）、运动缩减部（1、4）以及第二磁传感器（7、9），主磁传感器（2、6）与转子（5）相连，测量在角度小于360°范围下轴的转动，并且包括主磁体（2），运动缩减部（1、4）把轴的转动转换为最大幅值不超过360°缩减转动，且第二磁传感器（7、9）测量缩减转动并包括第二磁体（9）。按照本发明，第二磁体（9）被设置在主转子（5）的上下面之间，且主磁体（2）具有P对电极，其中P大于1。

Description

多圈磁性绝对位置检测装置

技术领域

本发明涉及磁性位置传感器领域且更确切地，涉及磁检测装置，该磁检测装置用于精确地（通常以小于1度的精度）测量在多圈上转动的输入轴，例如方向柱的绝对位置，其位置应在可达到+/-1080°（+/-3圈）的角度上被检测。本发明还涉及能在紧凑配置下检测转矩的多圈绝对位置的磁性检测装置。

背景技术

已知申请人的专利申请WO2009/047401中提出使用两个位置传感器，一个借助所谓“精密”传感器用于获得输入轴位置，而另一个经由取决于运动转换的所谓“粗略”信息用于获得多圈信息。该传感器的益处之一在于这两种信息是绝对的。因此，即便在输入传感器受损的情况下，依然能保存诚然粗略的绝对信息。在应用于高安全水平的传感器研究中，与在前技术相比，其在可靠性上具有明显的优点。然而，从径面磁化的输入传感器得到的位置信息对例如方向柱等关键应用通常不足够精确，因为，在360°角的检测中，用非接触式传感器不能达到远小于+/-1°的精度，不符合大规模工业生产和应用可靠性的要求。

专利申请EP1830155A1针对该精度问题提供如下方案：其要求使用与输入轴相连且通过所谓“主磁体”的多极磁体实现的传感器，即所谓“主传感器”，并与被称为“第二传感器”或“圈位传感器”的绝对传感器配合，该绝对传感器可经由运动转换给出粗略的多圈位置。这种组合能构成精确传感器。

然而，在该申请中所描述的方法会同时导致体积过大，且不可能在相关应用的精度方面符合所有规格。此外，其仅示出用于两个磁敏检测器的两个AMR型磁阻检测器的应用，因而使可用性受到限制。

如表示出所提出配置的附图所证明，该方法实际上占用较大空间。实际上，在上述提出的三种情况中的二种中，运动转换以及第二传感器与主磁体分离，从而导致需使用两不同的印刷电路板且因此导致成本超额以及结构尺寸的增加。因此，由于体积过大，该方法不能简单地纳入其它机械电子装置（马达、传感器……）中。第三配置提出把齿轮传动***的轮之一集成在主转子上，但由于第二转子的轴正交于主转子的轴，因此这仍然未使轴向体积得到优化。

另一方面，本发明对磁阻检测器的使用作了特别规定。然而，如果其能很好地适用于所谓“轴端”的磁体配置，如检测器被定位在磁体的转动轴上的第二传感器的情况，其在磁体转动轴之外，例如集成在主转子上的配置中的使用的缺点在于所构成的方案具有明显的尺寸限制，正如将在以下解释的那样。

实际上，由多极磁体产生的法向、切向与轴向分量通常不具有相同的幅值及纯粹的正弦变化。磁角度的变化根据位移呈非线性，由此产生角度误差，还要注意的是，如上所述的（AMR型）磁阻元件经由其电阻的物理变化，可生成输出信号，该输出信号在180°的周期内在平面内与磁场转动直接成正比。

这些信号上的缺点有多种来源：检测器灵敏度缺点、磁化缺陷、接近磁体表面的检测器导致的畸变、第二磁体的接近导致的畸变，正如该方法的情况或仅仅是磁环存在的边缘效应（因为该磁环并非无穷长）。因此要求使用专利申请EP1830155中描述的人为方法（算法、存储器……），所述人为方法被用来测量两个分量的偏移量或依靠信息技术纠正这些误差。后者需要在处理电子器件中分配的计算能力，而这会造成损耗。因此，如专利申请EP1830155中描述的传感器配置明显适用于有利于正弦的并且目的在于经由尽可能线性的磁场角变化来使离差最小而使磁场的两个有效分量幅值相等的配置。因此需注意，通常，除非明显地离远离表面或使用非常多对磁极，在多极磁体表面测得的磁通量具有梯形形态。

由此得到的非一般性特征因此呈现出弊端。例如，宁可推荐因其有利于由检测器读取的磁感应正弦特征而具有很多对磁极，或者磁极对数减少但结合较大测量距离的几何形状，并且这种配置主要缺点在于较弱的信号幅值对外部干扰很灵敏或存在较大噪声水平。其它使得能够趋向于这种可实现磁场角度的线性变化磁平衡的配置也都存在缺点。因此，以较小直径为几何特征的多极转子，将表现为与位置需被检测的应用轴的直径在机械上不匹配。还或者，相对其直径非常高的磁环将进一步增加该传感器已过大的轴向体积。

另一方面，注意到若希望使用的印刷电路板可共用于两个传感器的两个检测器，AMR型检测器的使用要求必须在主磁体上利用被标记为Bz和Bt的轴向和切向磁分量，因为这是在第二传感器上利用的磁分量。这意味着检测器偏移于磁体的中平面，从而生成一轴向分量。其主要缺点在于，必须要求把主传感器的检测器定位在距磁体中平面十分精确的距离上，目的在于使轴向和切向分量趋向平衡，并在机械角度的变化过程中带来磁角度的线性变化。一旦磁环具有该方法中示出的缩小的轴向尺寸，这种平衡便不稳定。这样的传感器因此在轴向和径向间隙上不够可靠且这种配置类型利用的磁通量较弱，因为对于涉及轴向分量的部分，其主要基于使用漏磁通且需要高能磁体的特定磁体剩磁来设置可接受的磁通量。另一方面，该偏移最终要求主检测器和第二磁体之间较大程度的靠近，这会增加传感器的不精度，因为第二磁体会在主检测器上引起磁干扰。如果希望在磁体的其它方向上实现偏移，可预见的是，该方案在体积上还会进一步不便。

假设希望生成更稳定的磁配置，可设想使用由主磁体生成的法向和切向分量。由此导致传感器的配置占据很大的体积且十分昂贵，即正如该方法所描述的那样，需要使用两个印刷电路板。

同样需强调，正如该方案所要求的那样，在主磁体上使用很多对磁极将表现出在转动轴的转动时由检测器查看到的电频率，其会导致在电子器件指示的位置与真实位置之间的较大的滑动，或由于所使用处理电路的通频带的局限而引起分辨率损失。另一方面，磁极使用的数量越大，将越难以在该类型的多圈传感器上获得精确的绝对位置。

实际上，正如专利申请EP1830155所描述，以采用30个磁极的传感器为例，可获得角长12°（360/30）的磁体，由输入传感器在该磁体上给出的位置很精确。然而，第二传感器应在+/-1圈（+/-360°）上给出位置，从而对于精度为+/-0.5%的传感器，这在输入角度位置上产生+/-3.6°的误差。这已经代表了一种对应60%角长的误差。如果在该误差上，再增加第二传感器的磁滞后和机械滞后，因而将有很大的损失绝对信息的风险。

如果由此希望形成+/-2.5圈（+/-900°）的传感器，则对于精度为+/-0.5%的第二传感器，在输入角度位置上会产生+/-9°的误差。因此可理解为，第二传感器的固有的非线性误差（或滞后现象）已经为18°且因此不再能区分输入传感器位于哪个12°的磁极。诚然，专利申请EP1830155中描述的传感器还是绝对传感器，但不再同时是绝对和精确的位置传感器。如果希望重新赋予第二传感器绝对功能，需要具有小于+/-0.34%的精度，这意味着需要带有20个磁极的多极磁环，由于上述提到的原因，其因而不能向精确的主传感器定位。对于这种+/-2.5圈的传感器配置，专利申请EP1830155中描述的传感器提出使用第三检测器且在第二传感器和第三传感器之间建立有关偏移的测定，这会使该方案变得非常复杂。

该方案的主要缺点因此在于，或者因为主磁体需要有很多对磁极而使上述示例中的第二传感器必须具有极大的精度，或者若希望对第二传感器减少精度要求，则要有较少对的磁极。然而，应承认这些类型的磁性位置传感器可能遭受从来自输入传感器的多极磁体的影响开始的显著的外部磁影响。因此很难在车辆环境的典型环境下保持这种精度。本领域技术人员因此被导向第二种选择，但其不能被引向精确主传感器的一般性配置，除非减小磁环的直径或提高检测磁隙，然而这又带来前述的问题。

最后，对（给出绝对位置的）多圈传感器使用AMR，还意味着具有周期性为180°的绝对输出信号，也就是如果使用一个双极磁体则为0.5圈。这意味着最大缩减比应为8比4，即对于+/-2圈行程的8，相比于对于360°机械角上给出绝对位置的第二传感器的4。所述运动转换的大小因此比第二传感器在1圈上工作大得多。

在以往技术中，还已知与多圈传感器使用相关的转矩传感器的方案。

专利申请WO2005/076860介绍了多圈绝对位置传感器及转矩传感器的结构，其具有两个主要的缺点。一方面，因为其实际上由两个不同的传感器构成，即一个叠放在另一个上，因而体积很大。另一方面，需经离散运动转换获得多圈位置传感器的绝对位置，而在默认情况下，离散运动转换无法将输入轴的绝对位置保持在主传感器上。

在专利申请WO2009/047401中，即便解决了多圈位置的离散测量问题，因为要由转矩传感器和多圈绝对位置传感器的功能叠加来实现，因此两个传感器的联合依然占据很大体积，且主传感器为在一圈上的绝对类型，其由一个双极磁体构成，该双极磁体对构成转矩传感器的霍尔检测器造成较大的磁干扰，从而进一步给整体带来精度上的不足。

发明内容

本发明提出借助精确多圈位置传感器的一般且紧凑的方案以及借助第二传感器的整体精度来解决这些问题，该方案采用位于输入转子处的主磁体的多个磁极对，其取决于与输入转子相关的运动转换缩减比，本方案同时考虑了转矩传感器的集成能力。

如将被精度研究反映的内容所推动的那样，在所引述的现有文献的启发下，本领域技术人员试图不断地增加加主转子的磁极数量。

使很多的主磁体磁极对能使传感器保存其精度及多圈特性，并同时减少对第二传感器的精度要求。一方面，在主传感器上使用检测场方向的霍尔效应型磁敏检测器将磁分量之间的相对增益的校正或与铁磁集中器相关的磁阻型校正纳入到其中，这样可以为传感器赋予需任何额外校正电子器件的固有精度。因此所述元件整体能赋予按照本发明的传感器一般性特征。另一方面，运动转换与位于机械转换缩减的最后一级的第二绝对传感器有关。因此这种运动转换以及两个传感器被集成在主转子体积内，因而这赋予传感器如在所针对的应用中探求的紧凑性。

按照本发明的传感器还能为点火装置提供精确的绝对位置，这被称为“真启动(true power on)”。

本发明因此还提出，通过提出更紧凑的2轴相对位置传感器的机械集成来解决紧凑性问题，该机械集成通过如下来实现：一方面借助于采用多极型主磁体，其中，多极型主磁体由于从主磁体发射的场线的更短环回而对结构整体造成较弱的磁干扰；另一方面借助于基本上在由主磁体占据的体积片段内对运动转换进行的定位。由此，位置传感器的主磁体由于其多极特性，以同心方式被集成在转矩传感器内，因而在外部体积上限制了与转矩传感器收集部分的相互影响，且在内部体积上限制了与定子轮齿的相互影响。将注意到，由于磁体内径上不含磁通量，主磁体上的多极正弦型磁化能够有利地限制，甚至消除由于磁体在其内部体积中而在定子部分上造成的磁干扰。然而，无论对主磁体保留何种类型的磁化，为了消除主磁体对转矩传感器定子部分的相互影响，有利的是使主磁体与铁磁电枢相关联。

更特别地，本发明还涉及用于转动输入轴的磁性绝对位置检测装置，其包括：主转子，该主转子包括主磁体，主磁体与所述输入轴以及运动转换的驱动构件连成一体，输入轴实现n倍的360°行程，其中n大于1，

至少一个第一磁敏检测器，其在360度的磁角度上发出与由主磁体产生的磁场的方向成比例的信号，目的在于推导出输入轴的绝对位置测量值，

第二磁体，其具有两个磁极并在输入轴的转动作用下经由运动转换实现接近360度的行程，

至少一个第二磁敏检测器，其在接近360度磁角度上发出与由第二磁体产生的磁场的方向成比例的信号，并且能够从该信号推导出所述第二磁体的绝对位置测量值，

第二检测器和所述第二磁体构成以百分比表示的epsilon精确位置传感器,

第二磁体基本被定位在由所述主转子的上下面限定的高度H之内，

其特征在于，主磁体为多极且具有P对磁极，其中，P大于1。

所提出的多圈磁性绝对位置检测装置包括两个磁传感器，其中一个被称为主位置传感器，其被连接在输入转子上且提供在一个磁周期上的位置的精确位置，该磁周期对应输入转子在等于多极磁环的1对磁极的机械角度上的转动，另一个被称为第二位置传感器，其对本发明的传感器给出并非必须精确的绝对位置，并连接至介于主传感器和第二传感器之间的运动转换缩减的最后一级，从而使n=θ/α，其中θ是输入传感器的角度（严格大于0），而α是第二传感器的角度。

因此，由关系式n=θ/α联系起来的两个角度测量的结合，可允许获得绝对且精确位置的多圈传感器，其仅需要基础电子技术，借助由两个传感器生成的信号来确定位置，而不需任何校正或学习算法，或者存储一个或多个主传感器和第二传感器的误差。

在本发明的范围中可以非限定方式列出可使用的运动转换：被称为平行齿轮传动的运动转换或齿轮及旋进运动转换，以及最后借助多极齿轮的磁耦接的运动转换。理想地，运动转换占据基本包括在容纳主磁体的那一部分的体积片段。因此，第一缩减级可与磁体相邻，甚至以同心方式集成在磁体上，其目的在于减少轴向体积。缩减级可以被复制模制在磁体一侧或模制在磁体上。在非接触运动转换范围中，更好地，主磁体可构成转换的第一缩减级。

优选地，位置传感器的第二磁体以双极方式被磁化。其可以发出第二传感器轴的从0°到360°度的转动角的连续的绝对位置信息。理想地，传感器的有效行程将接近360°，基本对应输入转子360×n的转动角度，“n”可以为非整数但需要大于0。且没有什么妨碍本发明在小于360°的角α上应用，因而输入轴与输出轴之间存在更大的缩减比。该第二传感器的磁体可以是径向磁化或在柱体厚度方向上沿两个磁极磁化的柱体，还或者是沿其宽度或其长度之一磁化的平行六面体，其与位于磁体转动轴上的检测器关联。也可设想径向磁化的空心环，其与位于磁体转动轴外的检测器相关联。这些上述配置的示例不仅局限于360°绝对位置传感器的磁设计。在某些要求精度或寻求紧凑性的情况下，可在第二磁体附近添加屏蔽。

两个位置信息的合理组合允许从中推导出机械轴在多圈上的精确和绝对的位置信息。

与输入转子相连的主磁体的职能在于给出周期“T”的精确角度测量值，其精度对应于应用所希望的精度。其因此发出精细的信号。磁体可以是磁环或磁盘。按照第一变型，其磁化将为多极型，对于磁环为径向贯穿，而对磁盘为轴向贯穿。与主传感器关联的检测器在磁环的情况下被定位在磁体的中平面或在轴向上岔开，或者在磁盘的情况下位于中径上或与之径向岔开。优选地，在霍尔检测器的情况下其将利用切向径向分量或切向与轴向分量，或在使用连接至磁场集中器的磁阻检测器的范围下，直接利用切向与径向分量之间，或切向与轴向分量之间的磁角度。

对于霍尔型检测，与第二磁体关联的检测器还可辨识三个磁分量中的两个，或当使用磁阻时，辨识由3个分量中的2个组成的磁角度。

第二磁体和与之相关联的检测器构成精度为+/-epsilon（ε）的角度位置传感器，精度以百分比表示。因此，如果在第二传感器的轴的360°的转动上，第二传感器的精度为+/-0.5%，因而意味着给输入轴转动角度带来的角向误差为360×n的+/-0.5%。以+/-3圈传感器为例，由此定义的第二传感器将产生+/-10.8°的误差。

按照本发明，与检测360°磁角度检测器关联的多极主磁体应包括最小周期T，以度数表示为：

$T>2\·\frac{\mathrm{\ϵ}}{100}.360.n$

主磁体的磁极对数P被以下关系式限定并限制（E[x]是指x的整数部分）：

P＜E[50/ε·n]

最小数严格大于1对磁极。

在6圈传感器且其第二传感器精度为+/-0.5%的范围中，在360°磁角度上使用测量值，ε等于0.5，n等于6，且主转子将包括16对磁极，即接近最大的32个磁极。

如果进行检测的检测器为AMR型，如专利申请EP1830155A1所提出的，磁检测角因此为180°并且因此形成在单个磁极上。在该情况下，以度数表示的周期T的最大数因而可表达为：

$T>4\·\frac{\mathrm{\ϵ}}{100}.360.n$

且主磁体的最大磁极对数因此为：

P＜E[25/ε·n]

对于4圈传感器和180°检测器，如果第二传感器具有+/-0.5%的精度，则主转子包括最大12个磁极。对于6圈传感器，在此提出的按照本发明的主磁体包括最大8对磁极，即接近最大的16个磁极。因此可见，按照提出的本发明，即便使用AMR型检测，也应使主磁体具有较少的磁极对数。

在某些情况下，检测装置的以度数表示且记为Hyst并归并至输入轴上的源自机械滞后和磁滞后的幅值，可例如因由运动转换产生的显著摩擦而变得较大。因此，按照本发明，与检测360°磁角度的检测器相关联的多极主磁体应包括最小周期T，以度数表示为：

$T>2\·\frac{\mathrm{epsilon}}{100}\·360\·n+\mathrm{Hyst}$

且主磁体的最大磁极对数P为（E[x]是指x的整数部分）：

P＜E[360/T]

最小数严格大于1对磁极。

按照一种特定实施方式，主磁体内置在驱动构件的内体积中。

按照一种特定实施方式，P个磁极被正弦磁化。

按照另一种特定实施方式，P个磁极被径向磁化。

按照另一种特定实施方式，P个磁极被渐饱和磁化。

被径向磁化、正弦磁化或者渐饱和磁化的主磁体，可以在其表面与铁磁电枢关联，该表面是主磁体的对应于与检测器的读取表面相对的表面的表面。如果需要，其因此可把主磁体与附加的磁敏装置可能产生的相互影响在磁性上相隔离。然而，正弦磁化的特殊性允许把磁通量集中在磁体的外部（或内部）周边，从而能够有利地不用再使用这样的电枢。

饱和磁场中的正弦多极磁化或渐径向多极磁化，无论磁隙与磁极对数如何，都能在磁体表面产生基本呈正弦的磁通量，这与径向型的交替的传统多极磁化不同。在专利EP1989505中，可发现所有涉及这种磁化方式实施和使用的信息。渐饱和贯穿磁化的特征在于，磁化矢量的方向对于磁环为径向，或者对于磁盘为轴向，对于磁环，方向交替地指向磁环的轴或外部，而对于磁盘，从下表面指向外表面或从外表面指向下表面，按照磁极的极性且其幅值基本上从100%饱和到0%呈线性变化，。

按照一种特定实施方式，磁性位置检测装置与电子技术结合，其借助来自两个磁敏检测器的信号，在逻辑上推导出输入轴的精确的绝对位置。

按照一种特定实施方式，第二检测器和第二磁体包括定位在第二磁体附近呈铁磁件的屏蔽体。

按照一种特定实施方式，定位在磁体的磁化表面附近的磁敏检测器，是是霍尔效应类型（例如MELEXIS公司的MLX90333型或MLX90316型，还或者MLX91204型，或MICRONAS公司的HAL3625型……），其中的每一个能够提供代表由主磁体和第二磁体中的任一个产生的三个磁分量中的两个的不同信号B1和B2，这些信号随后由微控制器利用；或者能够通过把对两个读取磁分量的在把其中一个与增益相乘后的比值进行反正切的计算进行积分来直接提供代表机械转动角度的电信号。

从两个磁场分量出发（根据检测器的定向，与磁体相切以及与磁体正交或轴向相交），通过所考虑的两个分量的反正切运算来计算真实磁角度。当两分量的幅值不相同时，由该计算测得的磁场角度，其与所谓“电”的转动角度不同并等于由磁极对的数量P分割的机械转动角度。

按照一种特定实施方式，所述检测器能在把增益G与两个信号B1和B2中的一个相乘之后计算出电角度β：

$\mathrm{\β}=\mathrm{Arc}\tan g\left(\frac{G\·B1}{B2}\right)$

按照一种特定实施方式，磁敏检测器为磁阻型。

在磁阻型检测器的情况下，优选地，检测器可以与铁磁集中器关联，铁磁集中器的功能在于使由检测器显示的磁角度变化呈线性。该类型的整套检测器与集中器已经在申请人的专利申请WO2010/046550A1描述。因此还可以设计成把这些铁磁件与霍尔型检测器关联使用，其目的同样在于使所利用的2磁分量的幅值平均化。

按照一种特定实施方式，磁敏检测器中的至少一个与通量集中器关联。

按照一种特定实施方式，主磁体至少与两个磁敏检测器关联。

实际上，可设想在两个磁体中的一个或两个磁体附近使检测器加倍，目的在于或者实现冗余传感器，或者增加传感器的精度，或者降低其对外部磁场的敏感度。，实际上，当两个检测器优选地在电上定位成彼此相差90°时，可通过与各传感器关联的两个检测器实现精度的提高或对于干扰磁场更好的抗干扰性。两个磁分量可分别通过各自从两个检测器中的一个发出的两个磁分量的代数组合获得。专利申请WO2009101270给出这种配置的组合及使用的示例。

按照一种特定实施方式，当在磁体附近使检测器加倍时，这两个磁敏检测器在角度上岔开等于i·360/P+90/P度的角度，其中P是磁极的对数而i是可以为零的自然整数。

在另一实施方式中，按照本发明的磁性绝对位置检测装置包括检测称为“转矩传感器”的检测两个轴之间的相对转动的相对转动检测装置，例如通常位于车辆的电动辅助方向上。由此构成的该转矩传感器可以是申请人的专利或专利申请EP1269133和EP1774272中所要求的类型。转矩传感器由连接在方向柱的两个轴中的一个上的定子结构构成。磁体与另一轴关联。两个轴之间的相对转动角度通常等于+/-0.5°至+/10°。相对于另外两个转动实体固定的第三磁性部分可收集并集中来自定子部分的磁通量且通过至少一个霍尔效应检测器负责测量两个轴之间的相对角度的变化量。两个轴可拥有共同的相对于通量收集与集中结构的角度位移。可在多圈上，而非通常的+/-0.5圈至+/-4圈上完成两个轴的转动。

本发明特别地涉及一种磁性绝对位置检测装置且尤其用来检测方向柱的扭矩，其包括：

至少一个相对角度位置检测装置，检测由扭杆连接的共轴的输入和输出轴的相对角度，以从该角度推导出施加在扭杆上的扭转转矩，所述相对角度位置检测装置包括第一磁性转子结构和第二定子结构，所述第一磁性转子结构包括多个磁体，所述第二定子结构附近设置有至少一个磁敏检测器，主磁体基本与所述定子结构保持同心，其特征在于，所述相对角度位置检测装置的所述磁敏检测器以及所述第一和第二检测器基本被定位在由主转子的上下面限定的高度之内。

按照一种特定实施方式，定子结构由至少一个铁磁部分和塑料支撑件构成。

按照一种特定实施方式，铁磁部分、位置传感器的多极主磁体以及运动转换的驱动构件被集成在塑料支撑件上。

按照一种特定实施方式，在多极主磁体和转矩传感器的定子结构之间***铁磁环。

按照一种特定实施方式，运动转换的驱动构件与塑料支撑件为同一零件。

按照一种特定实施方式，塑料支撑件模制在多极主磁体上。

按照一种特定实施方式，转矩传感器的多个磁体的磁极对数P’等于主磁体的磁极对数P的k倍，k为整数。

按照一特别的实施方式，主磁体的磁极对数P等于多个磁体的磁极对数P’的k倍，k为非零整数。

实际上，如果P和P’通过正比系数关联，将保证转矩传感器对位置传感器的影响最小，并且反过来也一样。

传感器可能的机械构造带有贯穿轴，但没有什么能妨碍在被称为端轴的配置中应用该原理。

另一方面，即便目前所示的实施方式均代表转动传感器，也可以设计成把该发明应用于大行程线性位移传感器（通常为几十毫米）。在该情况下，线性位移轴通过运动转换啮合在按照本发明的传感器主转子上，由此把线性大行程转化为多圈角向行程。

同样，可设想与呈多极磁化的矩型或杆型扁平磁体相关联的线性位移轴，该位移轴经由线性-转动或转动-线性类型的运动转换啮合于磁体上，该磁体根据与运动转换缩减比相对应的比来给出关于缩减幅值的行程的有关的绝对信息。

附图说明

通过提供以下附图本发明将得到更好地理解，附图中：

图1：公开了按照现有技术的非匹配的磁敏检测器定位配置的磁角度按照机械角度的改变。

图2：公开了按照现有技术的匹配的磁敏检测器定位配置的磁角度按照机械角度的改变。

图3：按照正弦磁化的主磁体的优选实施方式。

图4a、4b、4c：按照集成了齿轮旋进转换的一种可能变形的根据本发明的具有贯穿轴的非接触多圈磁位置传感器的分解图，正面和侧面分解图。图5：按照本发明的具有贯穿轴的非接触多圈磁位置传感器，和由运动转换的驱动构件的主磁体以及相关联的测量检测器构成的组件实现的变型之一的等比例表示。

图6：按照第一实施方式的传感器的工作原理，以及该第一实施方式中的来自两个检测器中的每一个的两个精确且绝对的信号的示意图。

图7：按照第二实施方式的传感器的工作原理，以及该第二实施方式中的来自两个检测器中的每一个的两个精确且绝对的信号的示意图。

图8：基于盘状主磁体的一种按照本发明的传感器方案的示意图。

图9a、9b、9c和9d：公开了按照本发明，针对径向磁化配置与正弦磁化配置的径向和切向磁分量，以及后者的电角度和非线性按照机械角度的改变。

图10：提出按照一种根据本发明的可能的配置的、称之为“转矩传感器”的两轴间的相对转动传感器的机械构造，该转矩传感器与精确绝对多圈磁性位置相关联。

图11：提出按照另一种根据本发明的可能的配置的、称之为“转矩传感器”的两轴间的相对转动传感器的机械构造，该转矩传感器与精确绝对多圈磁性位置相关联。

图12：与精确绝对多圈磁性位置传感器相关联的称之为“转矩传感器”的两轴之间的相对转动传感器的实施方式的分离视图。

图13：在测量表上示出的滞后概念的视图。

具体实施方式

图1以具有30个磁极、高5mm并具有40mm内径和36mm外径（带磁轭）的为示例，示出利用按照现有技术文献EP1830155的传感器获得的磁场的非线性与转动结果。该示例特别地示出现有技术的缺点。对于1mm的轴向偏移，用于计算角度位置的切向分量之比因此为Bt/Bz=5至2mm的测定距离。灰色的点划线曲线表示由与主转子关联的第二磁敏检测器观测到的磁角度改变，并且黑色虚线表示在12°行程上的+/-22%的较大位置误差，即，+/-2.6°的误差，该误差是因使用未预先优化研究检测器相对于位于磁体的中间高度处的平面的最佳角度位置的磁体而导致的。

图2示出在同一传感器上，在主检测器相对于磁环轴的轴向偏移为4mm的情况下获得的结果。在2mm的测量距离时切向分量（Bt）和轴向分量（Bz）之比因而变为Bt/Bz=1.09，这会在12°行程上产生更能被接受的+/-0.14%位置误差，也就是+/-0.017°。该特定轴向位置是优选的但不够可靠，且鉴于对轴向分量的泄漏通量的研究，为了产生由检测器观测的250G的可接受的工作通量，对于磁环意味着1T的磁体剩磁，因而意味着采用在价格上存在弊端的烧结型NdFeB或SmCo磁体。另一方面，或者由于体积的原因，或者由于对于如果因希望保持传感器的紧凑性而由第二磁体引起的磁干扰的敏感性，轴向偏移必定很快产生问题。

图3按照所谓“正弦型”实施方式，示出主磁体（2）优选的实施方式。在该情况下，磁化方向在磁体内部以专利EP1989505所描述的方式转动。

在图4a、4b和4c中给出按照本发明的传感器的机械设计的示例。在由盖（3）封闭的盒体（10）内部，存在与输入轴相连的主磁体（5），该主磁体（5）上集成有由驱动构件（1）构成的运动转换。多极主磁体（2）与螺纹部结合。当输入轴转动时，第一磁敏检测器（6）读取并解释由主磁体生成的磁分量与磁角度的变化。齿轮轴（4）啮合在螺纹上并且其端部嵌入第二磁体（9），第二磁体的磁分量和磁角度在所述齿轮轴转动时变化且由第二检测器（7）读取。垫圈（8）或其它任何等同部件能够用来调节运动转换的机械力学，目的在于使后者的游隙最小。所提出的配置并不是对机械组合方式的限制，机械组合还可以是如已经提出的那样根据本发明设想机械组合，例如可以想见借助具有平行轴的齿轮传动来实现运动转换。另一方面，支持检测器（6）和（7）的印刷电路板（12）可平行于磁体（2）的平面，该平面沿其高度把后者一分为二。借助位于由主转子（5）上下面所限定的高度内部的第二磁体的定位，整个组件实现在轴向上紧凑。

特别地，图4c特别允许用来评价装置的紧凑型。由主磁体（2）和驱动构件（1）构成的主转子（5）的上下平面来限定高度H。

图5给出本发明的实施例的变型，尤其是带有运动转换的驱动构件（1）的主转子（5），该运动转换形成在模制在主磁体（2）上的塑料支撑件（16）上。在另一未示出的变型中，使用带平行轴的齿轮传动型转换，第一级可以是复制模模制的齿轮。重要的是如所请求保护的那样，通过提出把第二磁体（9）定位在由主转子（5）的上下平面限定的高度内部来强调整体上更为紧凑的特征。

图6示出本发明多圈传感器的工作原理。由检测主磁体（2）在其+/-n圈的转动的行程中产生的磁场的第一检测器（6）生成的信号的周期性被称为“精密信号”，其通常呈锯齿状轮廓。在该示例中，周期性表现为90°，即例如对于+/-3圈的传感器主磁体上的8个磁极。“粗略信号”曲线在+/-3圈上给出绝对信号，该绝对信号由因而构成的多圈绝对位置传感器的第二磁体（9）形成的检测器（7）生成。两个信号中的每一个在此通过介于0.5V和4.5V电信号之间的模拟变化示出。可以设想变化为PWM、SENT型，然而这并不对其它示例构成限制。同样，圈数或主磁体的磁极数也不局限于该示例。

在图7上，还示出对于+/-3圈传感器，在带16个径向磁化磁极的磁环的情况下获得的结果。

图8示出本发明的一个变形，其提出把多极磁盘用作主磁体（2）。以并非限制本发明的方式提出了两种配置，一种基于使用齿轮旋进型的转换，且另一种基于使用平行的齿轮传动的转换。第二磁体（9）被定位在由主转子（5）的上下面限定的高度内。实施方式因此具有紧凑的轴向结构。

图9a中，示出以磁环为例获得的径向与切向感应分量，该磁环具有8个径向磁化的磁极，高5mm且外直径为40mm而内直径为36mm（带磁轭）。在4mm的测量距离时分量之比Br/Bt=1.2。尽管分量具有非正弦的轮廓，使用等于0.42的增益G，能使电角度根据机械角度位移的变化呈线性。

在图9b上，灰色点划线曲线表示由与主转子（5）关联的磁敏检测器（6）显示的磁角度的改变，而黑色虚线表示在90°行程上+/-0.42%的位置误差，即使用磁体的所述配置导致的+/-0.38°的误差。

在图9c上，可见以磁环为例获得的径向与切向分量，该磁环具有8个按正弦方式磁化的磁极，高5mm且外直径为40mm而内直径为36mm（不带磁轭）。分量之比Br/Bt=1.7至2mm的测定距离。得益于正弦磁化，分量具有完全正弦形的轮廓，但2磁分量之间的幅值差，要求必须使用等于0.53的增益G，从而使根据机械角度位移的电角度的变化线性化。

在图9d上，灰色点划曲线表示由与主转子（5）关联的磁敏检测器（6）观测的磁角度的改变，而黑色虚线表示在90°行程上+/-0.05%的位置误差，即使用这种磁体及磁化的配置导致+/-0.05°的误差。由此示出了在使用正弦磁化的精度方面的益处。然而，应指出该特别的磁化方式按照几何构型以及主磁体上的磁极对数，以及所要求的应用和精度的限制。

图10示出绝对多圈磁性位置传感器与按照本发明的所谓“转矩传感器”的两轴间相对转动传感器的可能的第一组合方式。该转矩传感器包括具有按照沿轴向延展的轮齿延长的两铁磁环（17）形状的定子部分（15）、相对于定子部分（15）的多极磁体（14）以及收集在定子部分（15）中环回的磁通量的收集部分（11）以及检测由收集部分（11）收集的磁场强度的磁敏检测器（13）。在定子部分（15）的外部上以共轴和连成一体的方式安装多圈位置传感器的主磁体（2），在该主磁体前部设置并固定有第一磁敏检测器（6）。因此，当与输入轴相连的定子整体，围绕其转动轴转动时，其驱动主磁体（2）以及相对于主磁体（2）安装成一体的驱动构件（1）。齿轮轴（4）啮合在驱动构件（1）上并驱动设在第二磁敏元件（6）前方的第二磁体（9）转动。由此实现的组件因而十分紧凑且能允许在较小的高度下实现“转矩+位置”传感器，且能允许三个磁敏检测器（6、7和13）安装在同一印刷电路板（12）上（图10中未示出）。

图11示出绝对多圈磁性位置传感器与按照本发明的所谓“转矩传感器”的两轴间相对转动传感器的可能的第二种组合方法。在该配置中，不可见的主磁体（2）被模制在驱动构件（1）的内部，如图5所示。该驱动构件（1）被围绕定子部分（15）安装。测量主磁体（2）磁场的第一检测器（6）、测量第二磁体（9）磁场的第二检测器（7）以及转矩传感器的第三检测器（13）被安装在同一印刷电路板（12）上。该方式能实现如图10所示的更紧凑的实施方式。

图12示出转矩传感器的定子部分（15）的铁磁部分（17）。在主磁体（2）和定子部分（15）之间***铁磁环（18），从而使得能够实现磁屏蔽以防止由主磁体（2）感应产生的磁场对转矩传感器的干扰。

图13按照一般原理的方式以测量曲线示出根据以度数表示的被测轴的位置，以高斯为单位的传感器信号的改变。被称为Hyst的滞后是一个方向上与另一方向所获得信号之间的转动角度差。当存在滞后时，多圈位置传感器的最小周期大小应考虑到该滞后。

Claims (20)

1.一种用于转动输入轴的磁性绝对位置检测装置，包括：

主转子(5)，包括主磁体(2)，所述主磁体(2)与所述输入轴以及运动转换的驱动构件(1)连成一体，所述输入轴实现n倍的360°行程，其中n大于1，

至少一个第一磁敏检测器(6)，其在360度的磁角度上发出与由所述主磁体(2)产生的磁场的方向成比例的信号，目的在于推导出所述输入轴的绝对位置测量值，

第二磁体(9)，其具有两个磁极并在输入轴的转动作用下经由运动转换实现接近360度的行程，

至少一个第二磁敏检测器(7)，其在接近360度磁角度上发出与由所述第二磁体(9)产生的磁场的方向成比例的信号，并且能够从该信号推导出所述第二磁体的绝对位置测量值，

所述第二检测器(7)和所述第二磁体(9)构成以百分比表示的epsilon精确位置传感器,

所述第二磁体(9)被定位在由所述主转子(5)的上下面限定的高度H之内，

其特征在于，所述主磁体(2)为多极且具有P个磁极对，其中P大于1。

2.按照权利要求1所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，P小于360/T的整数部分，其中

其中，Hyst是所述检测装置的滞后幅值，以度数表示且被归并至所述输入轴。

3.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2)内置在所述驱动构件(1)的内体积中。

4.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被正弦磁化。

5.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被径向磁化。

6.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被渐饱和磁化。

7.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述检测装置与电子技术结合，该电子技术使得能够借助来自两个磁敏检测器(6、7)的信号，在逻辑上推导出所述输入轴的绝对位置。

8.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2)与至少两个磁敏检测器相关联。

9.按照上述权利要求8所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述两个磁敏检测器在角度上岔开的角度等于360·i/P+90/P度，其中i是可为零的自然整数。

10.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述第一和第二磁敏检测器(6、7)为霍尔效应类型，其中的每一个能够读取两个不同的信号B1和B2，其中B1和B2代表由所述主磁体(2)和所述第二磁体(9)中的任一个产生的3个磁分量中的2个。

11.按照权利要求10所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述检测器(6、7)能够在把增益G乘以两个信号B1和B2中的一个之后计算出电角度β，使得，

$\mathrm{\β}=\mathrm{Arc}\tan g\left(\frac{G\·B1}{B2}\right).$

12.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述磁敏检测器(6、7)中的至少一个为磁阻型。

13.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述磁敏检测器中的至少一个与通量集中器相关联。

14.按照权利要求1或2所述的磁性绝对位置检测装置，其用于检测方向柱的扭矩，包括：

至少一个相对角度位置检测装置，其检测由扭杆连接的共轴的输入和输出轴的相对角度以从该角度推导出施加在所述扭杆上的扭转转矩，所述相对角度位置检测装置包括第一磁性转子结构和第二定子结构(15)，所述第一磁性转子结构包括多个磁体(14)，所述第二定子结构附近设置有至少一个磁敏检测器(13)，

所述主磁体(2)与所述定子结构(15)保持同心，

其特征在于，所述相对角度位置检测装置的所述磁敏检测器(13)以及所述第一和第二检测器(6、7)被定位在由所述主转子(5)的上下面限定的高度之内。

15.按照权利要求14所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，在所述位置传感器的多极的主磁体(2)和所述相对角度位置检测装置的所述第二定子结构(15)之间***有铁磁环(18)。

16.按照权利要求14所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述相对角度位置检测装置的所述第二定子结构(15)由塑料支撑件(16)和铁磁部分(17)构成，多极的所述主磁体(2)以及所述运动转换的驱动构件(1)被集成在所述塑料支撑件(16)上。

17.按照权利要求16所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述运动转换的驱动构件(1)与所述塑料支撑件(16)为同一零件。

18.按照权利要求16所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述塑料支撑件(16)模制在多极的所述主磁体(2)上。

19.按照权利要求14所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述多个磁体(14)的磁极对数P’等于所述主磁体(2)的磁极对数P的k倍，其中k为整数。

20.按照权利要求14所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2)的磁极对数P等于所述多个磁体(14)的磁极对数P’的k倍，其中k为整数。