通过位置编码器磁体检测一次以上旋转的组合件的制作方法

专利名称：通过位置编码器磁体检测一次以上旋转的组合件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量具有一次以上回转的旋转的传感器组合件。
技术背景
为了指示一主体(后文中笼统地称为轴杆，但本发明不限于此)的旋转，在最简单 的情况下，只要使用以防扭矩的方式设置在轴处的指示器即可，其中所述指示器指示旋转 位置。
只要轴杆旋转了一次以上全回转，就无法再从这种简单的指示器读取旋转总量。
这种类型的指示器可用机械方式与轴杆耦合，但所述指示器也可以无接触的方式 耦合，例如以磁性方式耦合。
典型的已知解决方案是以偏心方式将永磁体设置在轴杆上，并通过对磁场敏感的 传感器(特别是多霍尔组合件)以无接触的方式检测其旋转位置。
此多霍尔组合件通常配置为芯片，其按照其测量平面(通常在芯片平面内)内的 向量来测量磁场的位置，因此测量磁场线的位置。
这种方法的优点是绝对磁场强度以及横穿测量平面的磁场的方向几乎不会影响测量结果。
为了指示超过一个以上回转的(所谓的多圈)旋转，有若干种方案可供选择。
轴杆与指示器之间存在传动比，所述传动比足够大，从而可用单个指示器来指示 最大转数。
这种组合件无疑是有缺点的指示器只能以精确度相对较小的方式来反映轴杆的 微小旋转角度变化。
还有一种可供选择的方案是使轴杆与两个指示器耦合，例如使所述两个指示器与 设置于其间的减速变速器的不同传动级耦合。
然而，这样的话第一指示器基本上只能表示已执行的完成回转，其中第二指示器 表示一次回转的各个部分。
一方面，为了获得增加的转数，需要更多数目的传动级，于是机械复杂性增加。
由于通常不是需要简单的指示针，而是需要能供应电信号的角度传感器元件(例 如，上文所述的对磁场敏感的角度传感器元件)，所以这种类型的配置又有这样的缺点如 EP 1076809中所述，用于不同传动级的角度传感器元件必须具有不同的配置，且不能是完 全相同的组件。
另一可供选择的方案是将减速变速器的至少一个传动级的传动比选择为相当低， 例如当使用齿轮变速器时，将传动比选择为N N+/-1，其中N是相互作用的齿轮上的齿的 数目。
然而，这样的话，轴杆的未减速的角度传感器元件就会指示在一次完整回转内的 旋转位置；然而，下一减速传动级的角度传感器元件指示背离已完成回转的数目的旋转位置。
然而，根据DE 102005035107还有DE 19821467A1已经知道了可如何通过相应的 电子处理器件，根据两个传感器元件的两个循环重复的信号的叠加来计算完整回转的数 目，然而，其中这两个信号相对于其循环长度而具有不同的相应传动比。
然而，使用这种解决方案的原理，特别是在出于上述原因应优选通过对磁场敏感 的传感器以无接触的方式来操作时，会发生许多无法用上述现有技术解决方案来解决的问 题。
另一方面，与任何传感器一样，角度传感器的目标是建立尽可能小的传感器，因为 其应在相关应用中占据尽可能最少的安装空间。
然而，由于设置在特定传动级上的磁体原则上还可能影响与相应的其它磁体相关 联的传感器，所以当磁体移动得越来越靠近彼此时，此限制条件将指示两个磁体组合件在 径向方向或在轴向方向上有相当大的偏移。
在磁体组合件及传动级将非常小且其之间的距离非常小的情况下(在实际应用 中，距离小于1cm)，为了节省安装空间，必须以受控的方式来影响磁体组合件所产生的磁 场，其中必须在将由传感器的角度传感器元件测量的有用磁场与对测量来说无关紧要的散 射磁场之间进行区分。
一个磁场组合件并不是仅由一个磁体配置而成，而是由两个磁体配置而成，所述 两个磁体相对于旋转轴彼此相反设置，例如其极轴以相反的极方向平行于旋转轴。对于此 磁体组合件来说，有用磁场是磁场的环形内部部分的一半，而散射磁场由设置在磁体外侧 上的两个相应磁场线圆圈以及内部磁场环的其余部分形成。
在此背景下，已知通过由可磁化材料制成的简单的绝磁屏蔽板在背后屏蔽对磁场 敏感的传感器及/或磁场组合件。然而，此类简单的屏蔽板还会以不合意的方式使有用磁 场偏转，且因此使这种类型的传感器的测量精度降级。发明内容
a)技术目标
因此，本发明的目标是提供一种这种类型的角度传感器组合件，其虽然配置简单， 但具有可能的最低安装高度，且仍然具有较高的测量精度。
b)解决方案
通过技术方案1的特征来实现上述目标。可从附属技术方案得出有利实施例。
首先，对磁通量导体元件的磁通量进行区分，特别是在方向方面进行区分，因此对 有源磁通量导体元件与无源磁通量导体元件之间的磁通量的向量进行区分。
将有源磁通量导体元件解释为磁体单元处的至少一个磁体的配置和布置其以有 源方式配置从磁体中出去的磁通量，因此配置有用磁场，使得磁场以可优化处理的形式到 达并穿透角度传感器元件。
将无源磁通量导体元件特别解释为通过额外元件(特别是由具有合适的剩磁的 材料(例如软铁)制成的元件)对残余磁场(其不用作有用磁场)且因此对散射磁场的空 间上受限的影响。
这种类型的无源磁通量导体元件必须与磁体组合件共同旋转，以便防止发生因剩 磁引起的测量误差。
这种类型的无源磁通量导体元件(例如)以径向方式(特别是以封闭环的方式) 包围磁体单元，且优选不接触磁体单元，特别是不接触磁体，因此与之相隔一段距离。这种 类型的边缘磁通量导体元件特别配置成磁通量导体环。
作为以上方式的替代或补充方式，可将磁通量导体元件的背离角度传感器元件的 背面配置成基底，且特别可配置成板状，作为磁通量导体板。因此，这种类型的磁通量导体 元件的特定部分(其也可一体式配置成罐状磁通量导体元件)用于不同的功能用途。
覆盖磁体单元的背面的基底用作护铁元件，以便在离护铁最短的路径上封闭从一 个磁体到另一个磁体的内磁场线路的背离角度传感器元件的部分。因此，磁体优选以接触 的方式直接搁置在磁通量导体元件的此部分上。选择此部分中的壁的厚度、几何形状及导 磁率，从而使得尽可能集中的磁通量只出现在护铁元件内而不出现在其外部，且因此磁通 量导体元件优选也不会发生磁饱和。
另一方面，外部圆周边缘用作对于内部磁场及外部磁场的磁通量限制元件，其包 围磁体，且优选突出超过磁体。选择边缘侧磁通量导体元件的壁的厚度、几何形状及材料性 质(特别是其导磁率)，使得磁体单元的穿透磁通量限制元件的外部环境的散射磁通量减 到最少，且散射磁通量以最优方式完全在磁通量限制元件内经过，并由磁通量导体元件使 其转向且因此受到限制。
另一无源磁通量导体元件可优选设置成平坦板状元件，其平行于通常也是平坦的 角度传感器单元的材料厚度非常小，特别是在其背离磁体单元的背面。在优选实施例中，板 状磁通量导体元件位于与角度传感器元件相同的平面内，这(例如)对于霍尔阵列可通过 以下方式来实现将板状磁通量导体元件安装在霍尔阵列的特定霍尔传感器之间，所述霍 尔传感器(例如)设置成正方形。
对于无源磁通量导体元件，当磁通量导体元件(例如)与外部齿一体式生产时，优 选选择剩磁μ为50到1000(特别是100到800)的材料，例如软铁材料。然而，当配置成 单独的组件时，磁通量导体元件应具有大于1000、最好大于5000的μ。
为了形成有源磁通量导体元件，一方面，磁体可以特定的方式设置，且其朝角度传 感器元件的磁场退出表面可以特定的方式配置。
在优选实施例中，磁体单元包含两个磁体，其彼此相对放置，且关于旋转轴对称， 极轴分别平行于磁体单元的旋转轴，其中一个磁体的磁极方向的定向与另一磁体的磁极方 向相反。在此实施例中，角度传感器元件优选设置成在轴向上略微偏离磁体，且在径向方向 上恰好位于磁体之间，因此位于旋转轴上。因此，磁体的朝传感器元件定向的磁极表面优选 从外边缘向下朝旋转轴倾斜，以便向传感器元件的测量部分传导磁场线的尽可能最大的部 分，其中磁场线从磁极表面退出。
在另一实施例中，磁体单元包含两个磁体，所述两个磁体又相对于磁体单元的旋 转轴设置为偏心且彼此对称相对，但其磁极方向完全相同，在此情况下，磁极方向确切地说 被设置为垂直于旋转轴，并且与旋转轴相交。在此情况下，角度传感器元件确切地说被设置 在两个磁体之间的中间空间中，因为有用磁场的磁场线并不在磁极表面之间向外弯曲成弧 形，而是在磁极表面之间从一个磁体到另一个磁体笔直延伸。在此背景下，确切地说，磁极 表面的凹曲度可引起朝角度传感器元件的测量部分的方向上的成束退出。
可以常规机械方式提供至少两个磁体单元的旋转连接，例如通过作为外部齿而直接应用于磁体单元或应用于单独组件的齿，其充当齿轮，磁体单元以防扭矩的方式连接到 所述齿轮。还可使用其它通过摩擦锁合、齿形带或类似物实现的机械连接。
除此之外，还存在无接触的可旋转耦合，例如通过沿圆周交替的磁化，其有助于实 施机械传动。
机械上最简单的配置是将外部齿直接设置在(例如)罐状磁通量导体元件的外 侧。然而，这样的话磁通量导体元件的材料的现有机械性质就必须足够作为预定参数，这可 (例如)使得所需的齿轮的高精度制造(这通常只能通过铣削或研磨来执行)变得更加困难。
另一种可供选择的方案是将所述齿制造在单独的齿轮上，所述单独的齿轮不用作 磁通量导体元件，其于是可由任何材料(例如抗断裂的钢，或塑料材料也可以)制成，以将 磁体单元以及磁通量导体元件的相应部分设置在齿轮的表面上或设置在齿轮的罐状凹进 中。因此，磁通量导体元件可以任何方式配置，且可(例如)仅包含边缘部分或者包含基底 状部分，或者包含所述两者，且可配置成一体式或者多组件，例如罐状磁通量导体元件。
特别是对于齿与磁通量导体元件的一体式配置，也可使用塑料材料，其嵌入有磁 性粒子，且因此确切地说，磁性粒子在塑料材料内的分布在磁通量导体元件上并是不均勻 的，而是根据相应的功能原理来控制的，且确切地说，在齿的部分中，尽可能根本不嵌入任 何磁性粒子。
因此，两个旋转单元(因此齿)优选直接彼此啮合，特别是考虑到整个角度传感器 应具有非常小的外部尺寸(例如直径小于2cm)以及其轴向长度，以便尽可能可通用，且也 为了能够具有电流多转电位计(其也具有这些最大尺寸)的功能。
为了避免磁体单元与其它非相关的角度传感器元件的不合意的相互影响，当然希 望增加这两个单元之间的距离，因此增加旋转轴的距离，通过在所述两个单元之间设置中 间齿轮，就可以简单的方式在机械上实现此目的。然而，这样做会增加传感器的配置尺寸。
关于角度传感器的传动部分，将啮合齿轮的速度比选择为尽可能小，因此尽可能 接近1，但又不等于1。在实际应用中可实现此目的，因为两个啮合齿轮中的齿数只相差一 个齿。对于这种“差速传动”，转数必须与第一齿轮的第一齿数一致，直到整个变速器再次达 到初始状态为止。
此转数相对于整个变速器再次实现完全相同的初始状态来说是必不可少的，其代 表角度传感器的测量范围。当要求此范围非常大时，可能有必要使用多个传动级，因此需要 不止两个具有角度传感器元件的相互作用的磁体单元，且因此还需要两个以上齿轮。
举例来说，当沿圆周分布的多个齿轮(例如四个齿轮，其分别配置有磁体单元和 相关联的角度传感器元件)围绕中间齿轮与磁体单元(其是在外部驱动的)相互作用时， 还可因此用特定变速器的相对少数的齿来实现变速器的非常高的总转数的测量范围。此 外，于是特定齿轮的齿数之间的差异将尽可能小。如有可能，齿数将只差一个齿。
因此，可选择旋转对称外壳作为角度传感器的外壳，其中优选对设置在外壳中的 中间位置的齿轮并对其磁体单元执行来自外部的驱动。
在角度传感器只包含两个磁体单元的情况下，所述两个磁体单元也可设置在无中 心的外壳中，例如圆弓形外壳、椭圆形外壳或开槽的孔形外壳，其中于是在外壳的一端的中 心设置驱动器。
基于小尺寸，对可旋转组件(其摩擦力尽可能低，但机械上仍不太复杂)的支撑也 非常重要，其中驱动穿过外壳到达外部的组件，因此驱动轴杆或轴杆头(shaft stub)，其中 所述组件支撑并非从外部直接驱动的磁体单元，或者所述组件支撑外壳中的磁体单元的齿 轮。
根据本发明，建议通过含铁流体直轴承(Ferro fluidic straightbearing)而不 是使用典型的滚动元件轴承来提供此支撑。
因此，将液体(含铁流体)用作相对于彼此移动的组件之间的滑动层，其中非常小 的可磁化粒子在含铁流体内游动或浮动。由于将相对于彼此而支撑的组件之一被配置成磁 性的，所以含铁流体的可磁化粒子附着到磁体的表面，且因此优选附着在磁线以特定的集 中方式从这些磁体中退出的位置(因此是角落或者边缘)。
以此方式，例如以防扭矩方式设置在齿轮处的轴杆延伸部分可被配置成磁体，其 通过含铁流体支撑在外壳中。于是作为轴向支撑，具有尽可能小的接触表面的金属组件设 置在支撑件的其中定位轴杆延伸部分的盲孔中，其中所述接触表面轴向定向，例如将具有 盲孔的直径的金属球按压到盲孔的基底中，且因此将金属球保留在此位置并用作(例如) 由塑料材料制成的外壳的轴向障碍物。这种类型的含铁流体支撑件进而具有可卸下的优 点，这意味着可防止轴杆延伸部分从盲孔不合意地向外移动，因为其以机械方式附接到基 底侧金属组件。
另一可供选择的方案是将磁性轴杆延伸部分以防扭矩的方式按压到外壳的盲孔 中，使其从外壳中轴向突出，且又通过含铁流体支撑件将磁体单元或其齿轮支撑在此心轴 延伸部分上。
此外，具有不同优缺点的不同磁体单元和角度传感器元件的组合件是可行的。
在机械上简单的配置中，磁体单元和/或其齿轮在同一平面内靠近彼此放置，且 角度传感器元件也在共用平面内与磁体单元和/或其齿轮相对设置。这有助于(例如)将 磁体单元和齿轮收容在第一半外壳(其例如配置成罐状)中，且设置角度传感器元件和可 能的相关联电子处理器件，其可设置在单独的电路板上，或者也设置在相应的角度传感器 元件内，所述角度传感器元件配置成作为外壳的第二半的罩盖(特别是罐状罩盖)中的芯 片。
另一实施例包含将两个角度传感器元件直接彼此相对地设置在同一电路板的两 侧，所述电路板的两侧定向成远离彼此，因此两个磁体单元也在共用的旋转轴上设置成彼 此相对。然而，在支撑磁体单元的两个齿轮之间必需有作为中间齿轮的第三齿轮。
另一可供选择的方案包含将磁体单元和/或其齿轮设置在同一平面上，但相对的 侧面不被磁通量导体元件覆盖。接着，将相关联的角度传感器元件关于磁体元件的平面设 置在相对的平面上。
在这种解决方案中，磁体单元和角度传感器元件的不合意的相互影响减到最少， 但也会增加外壳的机械复杂性。
这种复杂性只有在将两个完全相同的半壳用作外壳时才能减到最低，其中磁体单 元设置在每一半壳中，且另一相应磁体的相应角度传感器元件设置在磁体单元旁边。
所使用的传感器元件优选具有敏锐度完全相同的分辨力，且还具有完全相同的测 量精度，且确切地说配置成完全相同。
对于所有所描述的解决方案，至少两个角度传感器元件所供应的信号必须彼此一 起计算，才能计算出驱动轴杆的完整回转的确切数目，而360°以内的确切回转位置直接由 从外部驱动的磁体单元的角度传感器元件指示。这些电子处理器件单独设置在邻近于传感 器元件的电路板上，或者这些电子处理器件可以更高的集成度包含在微芯片中，其中通常 无论用什么方法将角度传感器元件配置成微芯片。
然而，当与前述实施例相反，至少两个磁体单元通过较大的传动比(例如，其显著 不同于1.0，因为两个齿轮之一是一个齿的齿轮，而另一个齿轮有许多齿)彼此耦合时，则 更加有用的是只用具有较高分辨力的角度传感器元件来扫描齿数较少的齿轮的磁体单元， 而对于另一磁体单元，用分辨力低得多的角度传感器元件就够了。
可使用所有类型的XMR元件作为角度传感器元件，例如AMR元件，还有霍尔阵列， 其中后者于是优选包括四个或四个以上特定的霍尔元件。
c)实施例


下文中参看图式更详细地描述本发明的实施例，其中
图1说明根据本发明的角度传感器的第一实施例的全貌图2说明具有中央齿轮的实施例；
图3说明具有含铁流体支撑件的第一实施例；
图4说明具有含铁流体支撑件的第二实施例；
图5说明具有较大传动比的实施例；
图6说明具有相对的角度传感器元件的实施例；
图7说明具有彼此相对且设置在若干平面内的角度传感器元件的实施例；
图8说明具有多个传动级的实施例；
图9说明特定磁体单元的各种实施例；
图10说明磁体单元中只有一个磁体的实施例；以及
图11说明磁体单元中的磁体的具体实施例。
具体实施方式
图Ia中以纵向截面图、图Ib中以俯视图说明根据本发明的角度传感器，其中只说 明了两个磁体单元5a、5b。
因此，显然两个齿轮la、Ib (每个轴杆上设置一个)彼此啮合，其中第一齿轮Ib的 轴杆2穿过下部外壳组件22a，且被从外部驱动而围绕旋转轴10旋转，而第二齿轮Ia只是 通过轴杆延伸部分11放置在外壳组件22a中，且以可旋转的方式支撑在其中。
因此，齿轮Ib具有32个齿，齿轮Ia具有31个齿，因而只有在轴杆2转了 32圈之 后，才再次到达相同的开始位置，且其之间的所有位置相对于轴杆2且/或相对于轴杆延伸 部分3因此相对于磁体单元fe、5b的角度位置而不同。
通过将磁体单元如或恥以防扭矩的方式设置在齿轮la、lb中的每一者上来检测 轴杆2及轴杆延伸部分3的旋转位置，齿轮la、lb由两个相应的磁体4a、4b制成，磁体4a、 4b是块状的，确切地说在图Ia的实施例中是立方体，其中所述磁体相对于旋转轴10、10'彼此对称地相对设置，其极轴与旋转轴平行，但关于两个磁体^、4b而彼此相对。
因此，磁体^、4b设置在相应齿轮la、lb的表面中的罐状凹进中，其中所述表面朝 角度传感器元件12定向，使得其附接到罐的基底，且确切地说罐的内部被包封化合物6包 封。
在离磁体单元fe、5b的尽可能最小的距离处(在此情况下，仍在齿轮la、lb中的 罐状凹进的外部)，相应的角度传感器元件12设置在每一旋转轴10、10 ‘上，其中所述角度 传感器元件能够测量由相关联的磁体单元(例如5a)产生的磁场，特别是关于在角度传感 器元件12的部分中的磁场线的方向，因此关于磁体向量的方向。因此，角度传感器元件12 作为平坦的芯片设置在电路板25的前侧。
此外，由铁磁材料制成的罐状屏蔽罩盖21设置在图Ia中的上部外壳组件22b中， 其中所述屏蔽罩盖像上部外壳组件22b —样是固定的，因此不会与磁体单元5ajb —起旋 转，且从背后并从圆周表面一起屏蔽所有角度传感器12，使其不受外部干扰磁场的影响。
图加与图Ia的区别在于，在承载两个磁体单元fe、5b的两个齿轮la、lb之间另 外设置有间隔物齿轮29，以便尤其是扩大两个角度传感器元件12之间的距离。因此，优选 轮流地驱动检测一完整回转之内的旋转位置的单元且因此驱动齿轮lb，然而，由于外壳的 配置，也可能必需驱动间隔物齿轮四，而不是作为中央齿轮。
图Ic和图Id说明截面图，其中另外说明了磁场线的走向。
中央磁场线环的上半部分是有用磁场19，因此磁场线将延伸穿过传感器的测量部 分，且其方向将由传感器来测量。
中央磁场线环13的下半部分以及两个外部磁场线环14形成磁体单元内部的散射 磁场，其不用于供角度传感器元件12处理，而是相反可能(例如)以不合意的方式影响其 它磁体单元的邻近角度传感器元件，且可能使其测量结果失真。
此外，图Ic中未说明来自附近的其它磁场线来源的外部散射磁场，其中磁场线来 源也可能以不合意的方式影响角度传感器元件12。
为了将此影响减到最小，因此一方面为了将外部散射磁场阻挡在外，但确切地说 还是为了传导内部散射磁场，且为了使有用磁场以尽可能好的方式与传感器单元对准，所 以使用有源或无源的磁通量导体元件。
在图Ia中，齿轮la、lb本身是通常由铁磁材料构成的此类无源磁通量导体元件， 其中磁通量导体元件的导磁率μ应在合适的范围内，大多是在500与1，000之间。
由于磁通量导体元件必须与相应的磁体单元fe、5b同步地共同旋转，以便防止磁 通量导体元件中存在剩磁，所以优选使一个或多个特定磁通量导体元件与每一磁体单元 如、恥相关联；在此情况下与一体式罐状齿轮Ia相关联，其以径向环形方式包封磁体单元 fe、5b，且另外作为磁通量导体罐8在远离角度传感器元件12的背面上完全将其覆盖。
在此情况下，穿过齿轮1的基底的轴杆2或轴杆延伸部分3也由相同的铁磁材料 形成，否则轴杆2或轴杆延伸部分3不能穿过磁通量导体元件。
图Ic说明内部散射磁场如何在其穿过磁通量导体罐8的空间(特别是径向空间) 延伸部分中急剧地聚集并减到最少，因此可用磁场19类似地通过定向为朝角度传感器元 件12的中央磁场线环的一半而加强。两个外部磁场线环14都不在散射磁场中。
因此，在图Ic中，另一磁通量导体元件另外作为磁通量导体板7'设置在角度传感器元件的侧面，直接位于角度传感器元件12处，磁通量导体板7‘还在此位置中、因此在 角度传感器元件12的测量部分中引导和集中磁场线，且因此改进测量结果。
在图3到图7中，不再说明外壳上部组件22b以及屏蔽罐21，此外，在图8中也不 说明角度传感器元件。
图3的解决方案与图1的解决方案的区别在于外壳基底组件2 中的轴杆延伸部 分11的支撑件的类型，对此还在图4中，将铁流体液M选作直轴承的润滑剂。
铁流体液中包含低摩擦力的金属粒子，特别是用显微镜才能看见的小圆金属粒 子。
根据图3a，将小齿轮轴杆11配置成支撑磁体23，其极方向横穿其旋转轴10'，且 因此与图Ia相反，不完全延伸穿过配置成齿轮Ia的磁通量导体罐8的基底，且轴杆延伸部 分11不到达磁体单元恥。
此支撑磁体23的磁场线具有这样的效应含铁流体M中所包含的金属粒子在支 撑磁体23的表面累积，并像小辊元件一样在轴杆延伸部分11与外壳之间作用，其中所述累 积将特别集中在支撑磁体23的可自如接近的外部边缘处。
在支撑磁体23在其中旋转的盲孔的基底处，优选固定由金属制成且配置成半球 形的轴向支撑组件26，其一方面用作支撑磁体23的轴向支撑件，另一方面还使支撑磁体23 保持在镗孔中，且因此防止齿轮1从外壳组件22上卸下，齿轮1是固定到支撑磁体23的表 面的。
为此，将保持滚珠沈(例如)按压到外壳的基底组件22a中，其中外壳基底组件 2 像外壳顶部组件22b —样，可由塑料或铝制成。
与此相反，实施图如中的含铁流体支撑件，使得支撑磁体23固定在下部外壳组件 22a中，并在磁体单元恥的方向上从下部外壳组件2 突出，使得背面具有相应凹进的齿轮 1以可旋转的方式支撑在被固定的支撑磁体23的此突出组件上，而其之间的含铁流体又用 作润滑剂。
图5到图7说明传动配置的其它解决方案，还部分地说明图1上的传感器组合件 的其它解决方案。
在图fe中，齿轮Ib只包含单个齿，因此其被配置成单齿齿轮31，而齿轮Ia包含多 个齿以及与之啮合的凹进。
在齿轮Ib的一完整回转之后，齿轮Ia只进一步旋转其一个齿的距离，使得其中提 供较大的传动比。
虽然角度传感器元件12和磁体单元fejb在图1中分别设置在共用平面内，但其 围绕单独的平行偏移旋转轴旋转。图6a说明一种解决方案，其中所有可旋转的元件均围绕 一共用旋转轴旋转，因为两个角度传感器元件12设置在电路板25的正面和背面上，且因此 不会在电路板25的平面内彼此偏移，且磁体单元fejb从电路板25的平面轴向偏移，并设 置在同一旋转轴10上，且关于彼此而相对定向。
齿轮la、lb以此方式同轴设置，但彼此轴向偏移，通过设置成与其邻近的间隔物 齿轮四’以可旋转的方式彼此耦合，其中磁体单元5ajb的齿轮la、Ib的齿数略有差别，确 切地说只相差单个齿。
而在此情况下，两个轴杆中仅有一者或其齿轮是从外部驱动的，因此下部齿轮Ia被直接驱动。
图7说明一种配置，其中磁体单元如、513围绕旋转轴10、10'旋转，旋转轴10、 10'在平行方向上彼此偏移。但磁体单元fe、5b的面设置在齿轮la、lb上，其中所述面定 向在不同方向上，且齿轮la、lb在共用平面内旋转。因此，角度传感器元件12于是设置在 两个电路板25a、2^上，所述电路板关于其平面而偏移，确切地说所述电路板是分离的电 路板。
因此，图8以俯视图说明一种解决方案，因此其视图与图Ib类似，其中具有磁体单 元恥的齿轮Ib设置在圆的中央，确切地说设置在旋转对称的外壳22的中央，且代表从外 部驱动的齿轮。
四个齿轮la、lC、ld、le围绕中央设置，其中所述齿轮分别仅与中央齿轮Ib啮合， 且还分别支撑磁体单元fe、5c、5d、5e。分别通过单独的相关联的角度传感器元件来检测所 述齿轮相对于磁场的旋转位置。
处理单元处理总共五个角度传感器元件的信号。由于相关联的齿轮分别包含在数 目上彼此略微不同且与中央齿轮略微不同的齿，其中齿数优选只相差一个齿，所以这产生 了五个周期性重复的信号曲线，其信号长度分别不同，使得只有在中央齿轮Ib转了许多圈 之后，才会出现与开始时完全相同的传动条件，因此所有磁体单元才会分别处于与开始时 的位置相同的旋转位置。这有助于检测非常高数目的总旋转。
与此相反，图8b说明外壳22，其被配置为经开槽的孔，因此具有两个半圆形末端， 其根据图1紧密地包封仅两个齿轮la、lb，因此所述外壳确切地说并不关于齿轮的被驱动 的轴杆而旋转对称。
图9a说明具有磁体单元fe等的特定齿轮Ia等，所述磁体单元(例如5a)的配置 分别与图1中的磁体单元完全相同，包含两个特定的磁体如、4b，但其周围配置不同。
因此，根据图9的磁通量导体元件被配置成磁通量导体罐8，但其与图1相反，齿不 是直接在其外侧上的，而是照常提供于单独的齿轮Ia上作为圆周齿，齿轮Ia以防扭矩的方 式与驱动轴杆2或轴杆延伸部分11连接，且无须由铁磁材料制成。在齿轮Ia的正面上，磁 通量导体罐8设置在中央，其凹进的方向远离齿轮la，其中磁体组合件如设置在凹进中。
虽然磁通量导体罐8在图9a中一体式配置，但其根据图9b由径向圆周磁通量导 体环9和形成罐的基底的单独的磁通量导体板7组成，所述导体环和导体板紧密地彼此邻 近。
在图9c中，磁通量导体罐8又一体式配置，但插入到齿轮Ia的配合面侧的凹进 中，而不是放置在齿轮Ia的平坦面上。
图9d说明一种变体，其与前述变体相比是简化的，其中只有一个磁通量导体板7 轴向设置在磁体如、4b与齿轮Ia中的凹进的基底之间。然而，磁体^、4b的径向外部上没 有将其包围的磁通量导体元件。
图IOa和图IOb说明一种解决方案，其中磁体单元fe原则上与图9a或图9b类似 地设置在齿轮(例如la)的可开放接近的面上，磁体组合件(例如5a)只由单个磁体4组 成，磁体4的磁极方向是横向定向的，因此垂直于磁体单元如的旋转轴10，且在俯视图中， 磁体4进一步包含圆形外部轮廓。
仅提供一个磁通量导体环9作为磁通量导体元件，其径向包围圆形磁体4，其中磁通量导体环9与磁体4 一样搁置在齿轮Ia的可接近面上。
磁体单元fe的极轴的这种类型的位置通常产生比根据图1的具有两个磁体的组 合件弱的有用磁场。
图IOc到图IOe说明磁体单元fe内的额外磁体组合件。
因此，对于根据图IOc的解决方案，除了图1中的每磁体单元两个磁体^、4b之 外，还在两个磁体之间的间隙中提供第三磁体如，其中第三磁体的极轴设置成横向于旋转 轴10，且第三磁体确切地说在其磁场线退出表面与两个磁体^、4b接触。因此，磁体如和 4c以及如和4b的相同磁极设置为彼此邻近。
图IOc以及图IOd和图IOe是意在使无用散射磁场减到最少且放大有用磁场的磁 体组合件，使得磁体组合件本身用作有源磁通量导体元件。
此背景下的一种已知的磁体布置是根据图IOe的所谓的海尔贝克(Halbach)布 置，其涉及一种由具有不同的磁极方向的离散磁体如等组合的圆环或多边形环，其中所述 多边形环与旋转轴10同轴设置。这种特定的已知磁极定向布置有助于提供非常优良的有 用磁场；但所述环形磁体制造起来非常复杂，因为占优势的力会将离散磁体如等推开。
图IOd说明一种杆状磁体的较简单的配置，所述磁体又由具有不同的已定义的极 轴定向的离散磁体如等组合，所述离散磁体如于是设置成纵向延伸部分横向于旋转轴10， 且关于旋转轴10对称。
此外，图11单独地说明磁通量退出表面20朝角度传感器元件定向的配置，其中 所述表面被说明为磁通量退出表面20，其以一倾斜角度朝磁体单元fe的中央倾斜，因此朝 旋转轴10或10'倾斜，这使得退出的磁场线更朝角度传感器元件的中央定向，且因此根据 图Ic原本将经过角度传感器元件12的一些磁场线仍然在测量部分中穿过角度传感器元件 12。
将进一步阐明角度传感器所涉及的尺寸范围。
整个角度传感器，包含外壳22a、22b，将具有最大36mm的直径和最大50mm的轴向 延伸，这两个尺寸最好小于20mm，这意味着(例如)齿轮la、lb的直径在5mm的范围内，且 其轴向延伸甚至可低于5mm。
因此，旋转轴的距离只是略大于5mm，且因此两个角度传感器元件12之间的间隙 甚至更小，因此不难发现无需测量磁通量传导，通过其它非相关联的磁体单元来替代地影 响角度传感器元件12有多容易。
参考标号和名称
la，b 齿轮
2驱动轴杆
3 轴承
4，4a，4b 磁体
5a，5b磁体单元
6包封/胶合连接
7,7'磁通量导体板
8磁通量导体罐
9磁通量导体环
10，10'旋转轴
11轴杆延伸部分
12角度传感器元件
13中央磁场线环
14外部磁场线环
15
16
17
18
19有用磁通量/有用磁场
20磁通量退出表面
21屏蔽罐
22 外壳
2 下部外壳组件
2 上部外壳组件
23支撑磁体
对含铁流体
25电路板
沈保持滚珠
27中间轴杆
观外部齿
29，29'间隔物齿轮
30电子处理器件
31单齿齿轮
权利要求
1.一种作为用于检测一个以上回转的位置编码器的磁体(4a等)的布置，其包括 至少两个以可旋转的方式支撑的磁体单元(5a，恥)，其相对于其可旋转性而操作性地连接，其中所述磁体单元中的一者经驱动而旋转，且所述磁体单元以不同的旋转速度但相 对于彼此以固定的速度比旋转；角度传感器元件(12)，其与每一磁体单元( ，5b)相关联，所述角度传感器元件(12) 检测所述磁体单元(5a，恥)的磁场，其中至少一个磁体单元(5a，恥)，确切地说每一磁体单元( ，5b)包含共同旋转的磁通量 导体元件；且每一磁体单元( ，5b)支撑至少一个磁体( 等)。
2.根据前述权利要求所述的布置，其中所述至少一个磁体(如，4b)优选相对于所述磁体单元(5a，恥)的相应旋转轴(10， 10')偏心设置，且/或所述角度传感器元件(1 具有相同的分辨力和相同的测量精度，且确切地说以相同 方式配置或完全相同。
3.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中对磁场敏感的所述角度传感 器元件(1 是测量磁体向量的元件，确切地说XMR元件，确切地说AMR元件，或霍尔阵列，确切地说由四个或四个以上特定霍尔元件组成，或垂直霍尔元件。
4.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述布置包含电子处理器件(30)，其经配置以根据所述两个角度传感器元件(12)的 信号，来检测确切地说由从外部直接驱动的所述磁体单元(5ajb)的完整回转的数目，且 确切地说所述电子处理器件(30)设置在所述传感器的所述外壳0 中，确切地说设置在配置 成芯片的所述角度传感器元件(1 中的一者上。 (旋转连接)
5.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁体单元(5a，恥)的旋 转连接是操作性机械连接，确切地说是通过齿，确切地说是通过外部齿08)；或者无接触 的操作性连接，确切地说是通过磁性耦合，所述磁体单元(5ajb)以可旋转的方式连接到 所述磁性耦合。(传动比)
6.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中外部长度，确切地说所述磁体单元的所述外部齿08)在其齿数方面的差别尽可能小， 确切地说只相差一个齿，因此形成差速传动；或所述两个磁体单元(5a，恥)以尽可能大的传动比操作性地连接，且确切地说对于所述 磁体单元( ，5b)处的外部齿(18)，所述一个磁体单元配置成单齿齿轮，且只有速度较低 的磁体单元( ，5b)处的角度传感器元件是高分辨力的角度传感器元件(12)。
7.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁通量导体元件和所述齿一体式配置，且所述磁体单元( ，5b)确切地说设置在 所述罐状磁通量导体元件的内部中，或所述磁通量导体元件是基于塑料的组件，其中嵌入有确切地说包封有磁性粒子，或所述磁通量导体元件和所述齿08)是单独的组件，且所述磁通量导体元件确切地说 由铁磁钢制成，且所述齿08)确切地说由塑料材料制成。(无源磁通量导体元件)
8.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中当所述齿与所述磁通量导体元件一体式配置时，所述磁通量导体元件由具有合适剩磁 μ，确切地说具有500到1000的μ，确切地说具有100到800的μ的材料制成，或对于将所述磁通量导体元件作为单独组件的配置，确切地说没有齿的配置，所述磁通 量导体元件由具有合适的剩磁μ，确切地说超过1000的μ，确切地说超过5000的μ的材 料制成。
9.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁通量导体元件径向包围所述磁体单元(5a，恥)，确切地说相隔一定距离作为轮 缘，确切地说以环形方式作为圆形或多边形磁通量导体环(9)包围所述磁体单元(5ajb)， 且/或所述磁通量导体元件在背离所述角度传感器元件(12)的背面上作为基底确切地说作 为磁通量导体板(7)覆盖所述磁体单元(5a，恥)，且确切地说配置成磁通量导体罐(8)。(有源磁通量导体元件)
10.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁体单元(5a，恥)的 所述至少一个磁体(4)具有特定组成、布置或配置的所述磁通量导体元件由离散元件组 成，其组成方式使得其散射磁场，确切地说其径向向外的散射磁场减到最少，但其有用磁场 彼此补充并放大。
11.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述角度传感器包含磁通 量集中器，其以受控的方式将磁场线向所述角度传感器元件引导，且所述磁通量集中器确 切地说配置成所述磁体单元( ，5b)的所述磁体(4)的表面朝所述角度传感器元件定向的 相应配置，且确切地说所述两个磁体( ，4b)偏心设置，且其极轴平行于所述旋转轴(10， 10')，且所述两个磁体( ，4b)包含磁通量退出表面(20)，所述表面在面朝所述角度传感 器元件(1 的侧面上朝所述旋转轴(10)倾斜。
12.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁体单元( ，5b)除了具有在所述旋转轴(10，10')的方向上的磁极方向的所述 两个偏心磁体Ga，4b)以外，还在其间包含磁体(4c)，其磁极导向横向于所述旋转轴(10， 10')，所述磁极从所述前两个磁体( ，4b)中的一者向所述四个磁体中的另一者( ，4b) 定向，且/或所述磁体单元(5ajb)的所述磁体布置是海尔贝克布置，确切地说是环形杆状海尔贝 克布置。(外壳形状)
13.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其收纳在外壳中，其中当在所述 旋转轴(10，10')的方向上观看时，所述外壳0 相对于输入轴杆旋转对称设置，或所述外壳具有圆弓形、三角形或经开槽的孔形的外部轮廓，且所述输入轴杆确切地说突出到所述外壳02)的末端部分中。 (多级传动)
14.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述角度传感器包括两个以上磁体单元( )，其分别具有不同速度比，确切地说参照 直接驱动的磁体单元(5a，5c, 5d，5e)，且确切地说所有磁体单元均设置在共用平面内，且确 切地说设置在所述旋转对称外壳0 中，且确切地说围绕中央从动磁体单元( ，5b)，以均勻的分布布置着至少四个磁体单元，其每一者分 别包括外部齿( )，且其齿数与相应的其它磁体单元(5a，5C，5dje)的齿数的差别尽可能(中间齿轮)
15.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中中间间隔物元件确切地说 中央齿轮设置在所述两个旋转的磁体单元( ，5b)之间，其中所述中间元件确切地说是所 述从动齿轮(Ic)，且所述两个磁体单元( ，5b)相对于所述中央齿轮彼此相对设置。(角度传感器元件的布置)
16.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述两个角度传感器元件(1 设置成在所述电路板0 的平面内没有偏移，且彼此 相对设置，且所述两个磁体单元(5a，恥)围绕共用旋转轴(10，10')旋转，或所述两个磁体单元围绕彼此平行设置的旋转轴(10，10')旋转，且所述磁体单元(5a， 5b)设置在齿轮(la，lb)的面上，以相对方向定向，或所述角度传感器元件(1 设置在同一电路板0 的两侧，定向成远离彼此，且所述磁 体单元( ，5b)相对于所述电路板0 彼此相对设置，所述磁体单元的定向彼此相反。(支撑件)
17.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中至少非从动的磁体单元 (5a, 5b)通过含铁流体支撑在外壳0 中的直轴承中，其中以含铁流体方式支撑的所述磁体单元(5a，恥)的所述轴杆延伸部分(11)是具有确切 地说横向于所述旋转轴(10，10')的磁极定向的磁体G)，其中所述磁体确切地说与所述 磁体布置的所述磁体直接接触，且确切地说所述磁性轴杆延伸部分(11)的外壳后侧端部与保持滚珠06)接触，所述保持滚珠被 按压到所述外壳0 的支撑镗孔中，所述外壳确切地说由塑料材料制成，或所述磁体单元(5a，恥)以含铁流体方式支撑以可相对于轴延伸部分而旋转，所述轴延 伸部分以防扭矩的方式设置在外壳0 中，且配置成磁体G)。(磁极导向)
18.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的布置，其中所述磁体单元(5a，恥)的所述两个磁体( ，4b)偏心设置，且相对于所述角度传感器 元件(1 对称设置，其具有平行的相对磁极定向，所述磁极定向设置成平行于所述磁体单 元( ，5b)的所述旋转轴(10)，且所述角度传感器元件(1 设置成从所述磁体( ，4b)轴 向偏移，或所述磁体( ，4b)偏心设置，且相对于所述角度传感器元件(1 对称，其中所述磁体 具有完全相同的磁极定向，所述磁极定向横向于所述磁体单元(5ajb)的所述旋转轴(10，10')而定向，且所述角度传感器元件(1 设置在所述磁体( ，4b)之间。
全文摘要
编码器磁体的旋转位置可由相应的传感器元件在大于360°的范围上扫描，其中磁体设置在合适变速器确切地说差速变速器的不同级上，且所述磁体由单独的传感器元件扫描，所述传感器元件的信号一起计算，并产生总转数。确切地说，当这种类型的组合件建构得非常小时，必须通过磁通量导体元件来避免对传感器元件的不合意的磁性干扰，因为所述干扰会使测量结果失真。因此，在有源磁通量导体元件与无源磁通量导体元件之间进行区分。
文档编号G01B7/30GK102032862SQ201010255650
公开日2011年4月27日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年10月6日
发明者克劳斯·曼弗雷德·施泰尼希, 彼得·沃思 申请人:Asm自动化传感器测量技术有限公司