磁性線性或旋轉(zhuǎn)編碼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述類型的磁性線性或旋轉(zhuǎn)編碼器。關(guān)于 此類編碼器的描述例如見于公開案DE 10 2007 039 050 Al和DE 10 2010 022 154 Al。
【背景技術(shù)】
[0002] DE 10 2009 023 515 Al和DE 10 2010 010 560聯(lián)系同類編碼器指出，為了取得 高度精確的測(cè)量結(jié)果，有必要借助例如四個(gè)磁場(chǎng)傳感器來(lái)測(cè)定表征相關(guān)位置的磁場(chǎng)值，以 便能根據(jù)所產(chǎn)生的例如四個(gè)測(cè)量值來(lái)形成兩個(gè)差值并根據(jù)這兩個(gè)差值形成一個(gè)商數(shù)（比 率差分法），從而消除疊加擾動(dòng)變量（例如疊加于測(cè)量磁場(chǎng)的外部磁場(chǎng)）和倍增擾動(dòng)變量 (例如與溫度相關(guān)的漂移現(xiàn)象）的影響。從理論上說(shuō)，此方法的應(yīng)用確實(shí)是獲得高精度測(cè)量 結(jié)果的必要條件。這種方法不受所用傳感器類型的影響，其詳情（也包括應(yīng)用于電感式位 置編碼器的情況）請(qǐng)參閱DE 42 24 225 Al。
[0003] 然而實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，即便采用比率差分法，測(cè)量結(jié)果也會(huì)受環(huán)境因素影響而波 動(dòng)，從而使得可得精度非期望地受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種能大幅提高測(cè)量精度的前述類型的線性或旋 轉(zhuǎn)編碼器。
[0005] 權(quán)利要求1中所概括的特征是本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案。
[0006] 本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)：采用比率差分法來(lái)獲得高精度測(cè)量結(jié)果的充分條件是，在 每個(gè)可能的位置上以及在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，高分辨率傳感器單元的所有磁場(chǎng)傳感器中受環(huán)境 參數(shù)影響的測(cè)量場(chǎng)以百分比計(jì)算的變化率至少在一個(gè)測(cè)量周期期間是相同的。測(cè)量周期是 指線性或旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生特定精度和特定分辨率的單個(gè)測(cè)量值所需要的時(shí)間。如果鐵磁回 路的晶體結(jié)構(gòu)在變化著的環(huán)境參數(shù)的明確范圍內(nèi)保持一般均質(zhì)或者在最簡(jiǎn)單的情況下初 步近似地保持不變（測(cè)量回路的磁阻Rni =恒定），就滿足了上述條件。借此例如確保激勵(lì) 磁場(chǎng)與每個(gè)磁場(chǎng)傳感器所感測(cè)到的測(cè)量場(chǎng)之間是線性關(guān)系。
[0007] 如果a、b、c和d是相應(yīng)磁場(chǎng)傳感器的信號(hào)，γ、Tl是倍增擾動(dòng)變量的因子并且Δ 是疊加擾動(dòng)變量，那么在存在純正弦和余弦信號(hào)的情況下，理想情況下（η = 1)實(shí)心軸旋 轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量值m適用以下公式：
[0009] 鐵磁材料的結(jié)構(gòu)和磁性能尤其會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生劇烈變化。因此根據(jù)本發(fā) 明，原則上需要對(duì)所述編碼器接觸測(cè)量場(chǎng)的所有鐵磁部件都進(jìn)行退火處理（即熱處理）以 穩(wěn)定這些鐵磁部件的晶體結(jié)構(gòu)，使得其在溫度正常波動(dòng)時(shí)（即在約-50°C至約+150°C的溫 度范圍內(nèi)）保持不變或保持均質(zhì)。
[0010] 但是一般而言，要達(dá)到本發(fā)明所力求達(dá)到的目標(biāo)，至少需要對(duì)緊鄰激勵(lì)磁場(chǎng)設(shè)置 的鐵磁元件如輒體和致偏體進(jìn)行熱處理。但這種情況下必須同時(shí)向外屏蔽激勵(lì)磁場(chǎng)，使得 所存在的剩余場(chǎng)強(qiáng)（這些剩余場(chǎng)強(qiáng)使得受溫度影響的鐵磁組件如起屏蔽作用的罩體能忍 受波動(dòng)）不再對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)方案，所述輒體和致偏體是用 經(jīng)退火處理的鐵磁金屬（優(yōu)選高導(dǎo)磁合金）制成。
[0011] 所述致偏體和輒體采用一體成型方案是有益的，但是如果磁分離物體能產(chǎn)生一體 式物體所具有的磁作用，就不一定必須采用一體成型方案。
[0012] 此外，有利地僅使用像IC和電容器這樣的在其殼體中不包含任何鐵磁組件的電 子組件。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就將這些電子組件遠(yuǎn)離激勵(lì)磁場(chǎng)布置，使得溫度波動(dòng)所引發(fā) 的磁性能變化實(shí)際不可能再影響測(cè)量場(chǎng)。
[0013] 為避免磁滯效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不良影響，優(yōu)選讓致偏體隨激勵(lì)單元一起運(yùn)動(dòng)， 亦即在旋轉(zhuǎn)編碼器中隨激勵(lì)單元一起旋轉(zhuǎn)。
[0014] 此外還須消除來(lái)自于外部的會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果的外部磁場(chǎng)。為此，所述傳感器除了 經(jīng)退火處理的輒體外還包含鐵磁屏護(hù)件，但該屏護(hù)件不必經(jīng)退火處理。所述屏護(hù)件的任務(wù) 是削弱外部磁場(chǎng)，使得由高導(dǎo)磁合金物體合圍形成的內(nèi)腔中的剩余磁場(chǎng)趨近于零或者僅產(chǎn) 生垂直于磁場(chǎng)傳感器的（疊加）干擾場(chǎng)。鑒于經(jīng)退火處理的元件對(duì)沖擊敏感，因?yàn)闆_擊會(huì) 使其晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài)，因此未經(jīng)退火處理的屏護(hù)件同時(shí)起機(jī)械保護(hù)作用。
[0015] 許多情況下無(wú)法通過(guò)退火來(lái)穩(wěn)定編碼器軸；就此而言，筒形或槽形輒體也連同致 偏體一起用于向外屏蔽激勵(lì)磁場(chǎng)。
[0016] 由此，通過(guò)上述步驟形成一種以正確的理論基礎(chǔ)應(yīng)用比率差分法來(lái)獲得極高精度 測(cè)量結(jié)果的磁性線性或旋轉(zhuǎn)編碼器。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，其中：
[0018] 圖1為本發(fā)明插設(shè)在軸體自由端上的旋轉(zhuǎn)編碼器（實(shí)心軸編碼器）的剖面示意 圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的實(shí)心軸編碼器的另一實(shí)施方式對(duì)應(yīng)于圖1的剖面圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器以另一比例繪制且對(duì)應(yīng)于圖1和圖2的剖面圖，該旋 轉(zhuǎn)編碼器具有中心通孔（空心軸編碼器），旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有待被監(jiān)測(cè)的軸體以兩端自由可及的 方式穿設(shè)于該中心通孔；
[0021] 圖4為圖3所示配置的右側(cè)部分沿箭頭I方向以另一比例繪制的俯視圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明的實(shí)心軸編碼器的另一實(shí)施方式對(duì)應(yīng)于圖1的剖面圖；及
[0023] 圖6為圖5所示的實(shí)心軸編碼器的高分辨率傳感器單元沿旋轉(zhuǎn)軸方向繪制的俯視 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 相同或相對(duì)應(yīng)的部件在附圖中用相同符號(hào)標(biāo)示，這些符號(hào)在圖3、圖5和圖6中部 分設(shè)有'。若下文中使用諸如"上"、"下"等表述，則其僅涉及相關(guān)附圖中的圖示內(nèi)容，因?yàn)?本發(fā)明的線性或旋轉(zhuǎn)編碼器使用時(shí)可采用任意一種空間定向。需要明確指出的是，為了說(shuō) 明重要的技術(shù)細(xì)節(jié)，附圖未按比例繪制。
[0025] 圖1示出包括軸體3的旋轉(zhuǎn)編碼器1，該軸體可繞其中心縱軸5沿雙向箭頭R所示 的兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。軸體3可以是待監(jiān)測(cè)軸體本身或者是編碼器軸，該編碼器軸以能夠明確 再現(xiàn)真正需要加以監(jiān)測(cè)的軸體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式例如通過(guò)傳動(dòng)裝置與該軸體機(jī)械耦接。
[0026] 在軸體3如圖1所示的上部自由端以抗扭方式安裝有由非鐵磁材料如塑料、鋁、黃 銅或類似材料構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型載體7。該載體通過(guò)其遠(yuǎn)離軸體3的、在圖1中位于上方的 平直端面支撐激勵(lì)單元8,該激勵(lì)單元與所述載體抗扭連接且包括圓柱形筒體9,該筒體相 對(duì)于縱軸5旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且由鐵磁材料構(gòu)成。
[0027] 筒體9的內(nèi)腔在此具有兩個(gè)沿軸向相接的不同直徑的區(qū)段11、12。直徑較小的區(qū) 段11與筒體9垂直于縱軸5延伸的底部14直接相接，位于外側(cè)的直徑較大的區(qū)段12則與 筒體9的上部開口連通。
[0028] 兩個(gè)徑向相對(duì)設(shè)置的主永磁體16、17相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸5對(duì)稱地安裝在下部區(qū)段11 的內(nèi)壁上，使得這些主永磁體的兩個(gè)磁極中的其中一個(gè)磁極分別貼靠在筒體9的內(nèi)壁上， 而其指向內(nèi)部的自由磁極N和S則朝向彼此。主永磁體16、17的磁偶極子優(yōu)選全部沿相 同方向分布，該方向由它們的兩個(gè)穿過(guò)相關(guān)主永磁體的重心且指向相同方向的磁化矢量定 義。由此形成直接連接兩個(gè)主永磁體16、17的中心場(chǎng)空間。
[0029] 兩個(gè)永磁體16、17中的每個(gè)永磁體均可沿周向例如延伸45°角度范圍，上述布置 方式使得這兩個(gè)永磁體通過(guò)形成一輒體的筒體9而磁相連。
[0030] 所述兩個(gè)磁體優(yōu)選同等大小且大體具有相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0031] 形成于所述磁體的磁極之間的磁場(chǎng)在與縱軸5同心布置且由鐵磁材料構(gòu)成的致 偏體18作用下而變形，該致偏體從筒體9的底部14沿縱軸5的方向向上凸出且具有圓形 輪廓。
[0032] 測(cè)量磁場(chǎng)變形所產(chǎn)生的結(jié)果是，并非所有從主永磁體16和17中的其中一個(gè)主永 磁體出發(fā)的磁力線都或多或少地沿直線且平行于筒體9的底部14地朝另一主永磁體17或 16延伸（參見圖中所示的磁力線21)，而是部分磁力線雖然從兩個(gè)磁極中的其中一個(gè)磁極 N或S出發(fā)，但其發(fā)生彎曲而進(jìn)入致偏體18,參見圖中示意性示出的兩條磁力線22、23。
[0033] 在變形磁場(chǎng)區(qū)域，即在致偏體18的上表面上方間隔較短的軸向距離處，固設(shè)有由 非鐵磁材料構(gòu)成的電路板形載體（未圖示），所謂固設(shè)就是該電路板形載體的安裝方式使 得其不隨軸體3、筒體9和主永磁體16、17 -起旋轉(zhuǎn)。
[0034] 在所述載體的底面上安裝有集成電路（IC) 24,在該集成電路中形成例如四個(gè)磁敏 元件25、26、27、28(從圖1的剖面圖中只能看到兩個(gè)磁敏元件27和26)，其作用面分布在 一個(gè)平行于筒體9的底部14且垂直于旋轉(zhuǎn)軸5的平面內(nèi)。如圖4所示，四個(gè)磁敏元件25、 26、27、28中的每個(gè)磁敏元件都如此這般布置在IC 24的四個(gè)角區(qū)中的其中一個(gè)角區(qū)，使得 在俯視圖平面中，這些磁敏元件相互間的距離遠(yuǎn)大于其在這個(gè)平面內(nèi)的尺寸（最高達(dá)到50 倍）。除這四個(gè)磁敏元件25、26、27、28外，IC 24還可以包含評(píng)價(jià)其輸出信號(hào)以及根據(jù)所述 輸出信號(hào)測(cè)定精確位置值所需要的全部電子電路或至少其中的一部分。
[0035] 磁力線22、23垂直于四個(gè)磁敏元件25、26、27、28的作用面（即平行于縱軸5)的 分量穿過(guò)這些作用面，從而可在其輸出端上分接電信號(hào)b、c、d、a，這些電信號(hào)的振幅會(huì)在軸 體3和激勵(lì)單元8旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化，這樣就可以根據(jù)所述振幅來(lái)測(cè)定軸體3的瞬時(shí)角位。
[0036] 形成于IC 24中的磁敏元件25、26、27、28例如可以是霍爾探針