Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2615612C2 - Contactless true dual axis shaft encoder - Google Patents

Contactless true dual axis shaft encoder Download PDF

Info

Publication number
RU2615612C2
RU2615612C2 RU2014119723A RU2014119723A RU2615612C2 RU 2615612 C2 RU2615612 C2 RU 2615612C2 RU 2014119723 A RU2014119723 A RU 2014119723A RU 2014119723 A RU2014119723 A RU 2014119723A RU 2615612 C2 RU2615612 C2 RU 2615612C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
sensors
magnet
true
integrated
Prior art date
Application number
RU2014119723A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014119723A (en
Inventor
Сергей Геннадьевич Емельянов
Светлана Станиславовна Сысоева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный уинверситет" (ЮЗГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный уинверситет" (ЮЗГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный уинверситет" (ЮЗГУ)
Priority to RU2014119723A priority Critical patent/RU2615612C2/en
Publication of RU2014119723A publication Critical patent/RU2014119723A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2615612C2 publication Critical patent/RU2615612C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

FIELD: physics, measurement equipment.
SUBSTANCE: invention refers to measurement equipment, namely to the field of contactless measurement of the shaft rotation angle. Contactless true dual axis shaft encoder uses a magnetic system based on a small dipole diametrically magnetized magnet, accomplishing angular movement with two freedom degrees in the working plane parallel to the front surface of the Hall programmable dual axis encoder with integrated magnetic concentrating (IMC) discs, performing magnetic field physical conversion in the working plane into perpendicular, to which the Hall encoder with IMC is truly sensitive, also other types of sensors are used which are highly sensitive only to the magnetic field components on the working (XY) plane and completely or light sensitive to the magnetic field vertical component (Z), and the integral component of the true dual axis encoder can be mounted on either side of the board, and the insert, being the central structural component or element of the housing part, is rigidly connected to the housing and ensures accurate positioning in the stator housing relative to each other, dipole magnet rotor and the integral component of the dual axis magnetosensitive sensor with the optimum working distance between them. Moreover, the shaft encoder uses dipole magnet magnetized parallel to the plane in which the rotor performs working angular movement with two freedom degrees, there is also an integral true dual axis magnetosensitive sensor (encoder) with sine-cosine primary output signals included in the signal processing circuit, and an excess integral sensor that combines two magnetosensitive elements in one integrated housing.
EFFECT: invention provides for an increase in sensitivity, accuracy and reliability of the shaft encoder.
10 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области бесконтактных измерений угла поворота вала посредством магнитной системы, состоящей из дипольного магнитного ротора и бесконтактного двухосевого датчика (энкодера) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами магнитного поля, по которым вычисляется угол поворота магнита. Настоящее изобретение в большей степени предполагает использование датчиков на основе ТМР (туннельного магниторезистивного) эффекта и может использоваться частично или полностью для датчиков на основе ГМР (гиганского магниторезистивного) или АМР (анизотропного магнитного резистивного эффекта, датчиков Холла или других типов датчиков. Технические области применения включают автоэлектронику (датчики углового положения дроссельной заслонки, педали, угла рулевого колеса), переключение бесколлекторных двигателей, джойстики, измерение тока, электронные компасы и другие аналогичные применения в различных отраслях промышленности.The invention relates to measuring technique, namely, to the field of non-contact measurements of the angle of rotation of the shaft by means of a magnetic system consisting of a dipole magnetic rotor and a non-contact biaxial sensor (encoder) with sine-cosine primary output signals of the magnetic field, by which the rotation angle of the magnet is calculated. The present invention to a greater extent involves the use of sensors based on the TMP (tunneling magnetoresistive) effect and can be used partially or completely for sensors based on the GMP (giant magnetoresistive) or AMP (anisotropic magnetic resistive effect, Hall sensors or other types of sensors. Technical applications include car electronics (sensors of the angular position of the throttle, pedal, steering wheel angle), switching brushless motors, joysticks, measuring t eye, electronic compasses and other similar applications in various industries.

На данный момент в магнитной системе на основе дипольного ротора широко используются псевдодвухосевые датчики магнитного поля с планарными элементами Холла, которые на физическом уровне чувствительны к магнитному полю, перпендикулярному поверхности чувствительных элементов и поверхности микросхемы, но различными способами достигается их чувствительность к магнитному полю, параллельному поверхности корпуса микросхемы.At the moment, in a magnetic system based on a dipole rotor, pseudo-two-axis magnetic field sensors with planar Hall elements are widely used, which are physically sensitive to a magnetic field perpendicular to the surface of the sensitive elements and the surface of the microcircuit, but their sensitivity to a magnetic field parallel to the surface is achieved in various ways microcircuit case.

Аналогичное устройство описано в патенте №2301399 от 05.05.2005 (опубликованному 2007.06.20) «Бесконтактный датчик положения педали».A similar device is described in patent No. 2301399 dated 05.05.2005 (published 2007.06.20) “Non-contact pedal position sensor”.

Технический результат, достигнутый данным изобретением, состоит в повышении точности, чувствительности, надежности, расширении диапазона измеряемых углов практически до 360-градусного диапазона, повышении интерфейсных возможностей, улучшении стабильности сигнала, развитии адаптационных признаков к конкретным условиям работы.The technical result achieved by this invention is to increase the accuracy, sensitivity, reliability, expand the range of measured angles to almost 360-degree range, increase interface capabilities, improve signal stability, develop adaptive features to specific working conditions.

Датчик положения педали, раскрытый в описании, содержит ротор с магнитом, совершающий круговое движение относительно неподвижного статора в угловом диапазоне до 360°. Статор представляет собой программируемую интегральную схему двухосевого углового энкодера с интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов. Фактически устройство раскрывает высокоинтегрированный датчик, который содержит планарные элементы Холла, чувствительные к перпендикулярному магнитному полю, синусоидально изменяющемуся при круговом движении магнита.The pedal position sensor disclosed in the description contains a rotor with a magnet, making a circular motion relative to the stationary stator in an angular range of up to 360 °. The stator is a programmable integrated circuit of a two-axis angular encoder with an integrated cross-shaped array of sensitive elements. In fact, the device reveals a highly integrated sensor that contains planar Hall elements that are sensitive to a perpendicular magnetic field that changes sinusoidally with a circular motion of the magnet.

Планарные элементы Холла представляют собой плоские элементы, которые располагаются в корпусе микросхемы параллельно ее поверхности и чувствительны к магнитному полю, перпендикулярному поверхности корпуса микросхемы (в направлении Z-оси). При расположении в корпусе массива из двух, четырех или кратного четырем числа планарных элементов Холла с фазовым смещением в 90° для данного угла поворота в плоскости XY данный массив способен дать синусный и косинусный сигналы напряжения, пропорциональные величине магнитного поля по Z-оси. По синусно-косинусным сигналам возможно вычисление вначале арктангенса, а затем и самого уникального значения угла в плоскости XY в диапазоне до 360° – посредством использования алгоритма CoRDiC. Полученная посредством функции арктангенса угловая информация скомпенсирована в отношении вариаций магнитного поля (вследствие изменений воздушного зазора, эффектов воздействия температуры и старения).The planar Hall elements are flat elements that are located in the microcircuit housing parallel to its surface and are sensitive to a magnetic field perpendicular to the surface of the microcircuit housing (in the direction of the Z-axis). When an array of two, four, or four times four of the number of planar Hall elements with a phase shift of 90 ° is located for a given angle of rotation in the XY plane, this array is capable of generating sine and cosine voltage signals proportional to the magnitude of the magnetic field along the Z axis. Using sine-cosine signals, it is possible to first calculate the arc tangent, and then the most unique value of the angle in the XY plane in the range up to 360 ° - using the CoRDiC algorithm. The angular information obtained through the arc tangent function is compensated for magnetic field variations (due to changes in the air gap, effects of temperature and aging).

Но в действительности ввиду истинной чувствительности датчиков Холла к перпендикулярному полю статические и динамические измерения зазора, особенно вместе с эксцентриситетом, значительно расстраивают магнитную систему. Наклоны создают смещения синусно-косинусных сигналов и эмулируют несогласования чувствительностей планарных элементов, дополнительно страдающих от неортогональности сигналов и собственной сигнальной нелинейности – в итоге угловая ошибка будет выше, то есть точность на самом деле является намного хуже расчетной (0,5-1° в диапазоне 360°) и составляет несколько угловых градусов.But in reality, due to the true sensitivity of Hall sensors to a perpendicular field, static and dynamic gap measurements, especially together with eccentricity, significantly upset the magnetic system. Slopes create biases of the sine-cosine signals and emulate inconsistencies in the sensitivities of planar elements that additionally suffer from non-orthogonality of signals and intrinsic signal non-linearity - as a result, the angular error will be higher, that is, the accuracy is actually much worse than the calculated one (0.5-1 ° in the range 360 °) and amounts to several angular degrees.

Данное устройство отличается ограниченной чувствительностью вследствие измерительного принципа эффекта Холла, осуществляемого посредством планарных элементов. Параллельные компоненты поля в данной магнитной системе непосредственно в плоскости XY могут дать большие по амплитуде и величине скалярные значения синусно-косинусных сигналов, чем компоненты перпендикулярного магнитного поля.This device is characterized by limited sensitivity due to the measuring principle of the Hall effect, carried out by means of planar elements. Parallel field components in a given magnetic system directly in the XY plane can give scalar values of sine-cosine signals that are larger in amplitude and magnitude than components of a perpendicular magnetic field.

Процесс сборки аналога характеризуется недостаточной технологичностью. В данном устройстве использована микросхема, программируемая только однократно при производстве датчика. В описании аналога раскрыто, что соответствие механического и магнитного нуля задается программно и они могут не совпадать. Но по факту сборки возникают магнитные и механические погрешности, которые в данном устройстве для условий серийного производства компенсируются не только программно, но и аппаратно, а именно обеспечивается некоторое постоянное для всех датчиков соответствие ориентации намагниченности магнита (легкой оси) или магнитного нуля относительно микросхемы, обеспечиваемое до или после программирования нулевого положения посредством выравнивания диаметрально намагниченного магнита во втулке с пазами под отвертку, показывающими ориентацию магнитного поля, а затем магнит уже в этой втулке по пазам устанавливается в установочной втулке ротора с другими ориентирующими элементами. Хотя этот этап дает определенные преимущества, например позволяет использовать даже предварительно (до сборки) запрограммированные микросхемы, но его присутствие обременяет технологический процесс. Использование технологических выводов для программирования после сборки, которые перед окончательной установкой крышки обратно отпаиваются, также является избыточной операцией.The assembly process of the analogue is characterized by a lack of manufacturability. This device uses a chip programmable only once in the manufacture of the sensor. In the description of the analogue it is disclosed that the correspondence of mechanical and magnetic zero is set programmatically and they may not coincide. But upon the fact of assembly, magnetic and mechanical errors arise, which in this device for serial production conditions are compensated not only by software, but also by hardware, namely, a certain correspondence between the magnetization orientation of the magnet (light axis) or magnetic zero relative to the microcircuit is provided for all sensors, provided before or after programming the zero position by aligning the diametrically magnetized magnet in the sleeve with screwdriver slots showing the orientation magnetic field, and then the magnet already in this sleeve in the grooves is installed in the mounting sleeve of the rotor with other orienting elements. Although this stage provides certain advantages, for example, it allows the use of pre-programmed microcircuits even before assembly, but its presence burdens the process. The use of technological conclusions for programming after assembly, which are sealed off before the final installation of the cover, is also an unnecessary operation.

Впоследствии технический уровень допустил использование других микросхем, дающих возможность не однократного, а многократного программирования нулевого положения, которое также не обязательно должно соответствовать физическому нулю поля или легкой оси намагниченности магнита. Если программирование осуществляется после сборки, а не до сборки, необходимость в ориентирующих элементах отпадает. Кроме того, уровень развития техники допустил появление микросхем, программируемых только посредством функциональных, без дополнительных технологических, выводов.Subsequently, the technical level allowed the use of other microcircuits, which make it possible not only once but repeatedly to program the zero position, which also does not have to correspond to the physical zero of the field or the easy axis of magnetization of the magnet. If programming is carried out after assembly, and not before assembly, the need for orienting elements disappears. In addition, the level of technological development allowed the appearance of microchips programmed only by means of functional, without additional technological, conclusions.

Аналог не раскрывает существенных признаков для обеспечения полной трехмерной фиксации требуемого взаимного размещения микросхемы, магнита и других деталей – так, чтобы были соблюдены все допуски позиционирования и исключались вертикальные перемещения ротора, шатания, эксцентриситет, трение и биения деталей друг о друга. Поверх роторного узла установлена деталь, выполняющая функции ограничителя хода ротора преимущественно только по вертикали и только частично – в рабочей плоскости. Основной функцией данной детали является обеспечение рабочего воздушного зазора в магнитной системе.The analogue does not reveal essential features to ensure full three-dimensional fixation of the required mutual placement of the microcircuit, magnet and other parts - so that all positioning tolerances are observed and vertical rotor movements, reeling, eccentricity, friction and runout of parts are avoided. On top of the rotor assembly, a part is installed that acts as a limiter of the rotor travel mainly only vertically and only partially in the working plane. The main function of this part is to provide a working air gap in the magnetic system.

Устройство аналога характеризуется малым рабочим зазором между микросхемой и магнитом не выше 2 мм. В данном устройстве обеспечивается рабочее магнитное поле 45-75 мТл при стандартном рабочем расстоянии (воздушном зазоре) порядка 0,5-1 (не более 2) мм между датчиком с планарными элементами Холла и магнитом диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм, выбор которого является предпочтительным вариантом. При столь малом рабочем расстоянии в особенности опасно физическое разрушение микросхемы подвижным магнитом, защита от которого усложняет конструкцию компонента, выполняющего функции ограничителя хода ротора. Увеличение рабочего расстояния (зазора) будет приводить к ухудшению рабочей чувствительности датчика, одновременно к повышению паразитной чувствительности к нежелательным магнитным и механическим смещениям в 3D пространстве. Следствием будет общее снижение уровня точности. Большие рабочие расстояния будут делать конструкцию аналога более громоздкой. Также увеличение рабочего расстояния между магнитом и микросхемой будет требовать больших по размеру и величине намагниченности магнитов для достижения требуемых рабочих значений поля.The analog device is characterized by a small working gap between the microcircuit and the magnet no higher than 2 mm. This device provides a working magnetic field of 45-75 mT with a standard working distance (air gap) of the order of 0.5-1 (no more than 2) mm between the sensor with planar Hall elements and a magnet with a diameter of 6 mm and a height of 2.5 mm, selection which is the preferred option. With such a small working distance, physical destruction of the microcircuit by a movable magnet is especially dangerous, protection from which complicates the design of a component that acts as a limiter of the rotor's travel. An increase in the working distance (gap) will lead to a deterioration in the working sensitivity of the sensor, while also increasing spurious sensitivity to undesirable magnetic and mechanical displacements in 3D space. The result will be a general decrease in accuracy. Large working distances will make the design of the analogue more cumbersome. Also, increasing the working distance between the magnet and the microcircuit will require large magnets and magnetization magnets to achieve the required working field values.

Эти недостатки показывает следующий аналог данного изобретения, которым является «Бесконтактный датчик углового положения вала», раскрытый в патенте №2262659 от 26.10.2004 (дата публикации 2005.10.20). Изобретение описывает датчик положения дроссельной заслонки автомобильных двигателей.These disadvantages are shown by the following analogue of the present invention, which is the “Non-contact encoder of the angular position of the shaft” disclosed in patent No. 2262659 dated 10.26.2004 (publication date 2005.10.20). The invention describes a throttle position sensor of automobile engines.

Данное устройство имеет много общего с устройством, раскрытым в патенте №2301399. Устройство содержит основание в виде стакана со сквозным отверстием в дне, а также вставку со сквозным отверстием, выполненным в плоскости, параллельной плоскости дна основания. Аналогичные детали описаны в патенте №2301399 как корпус датчика и крышка-ограничитель. Имеются магнитодержатель, выполненный в виде тела вращения, магнитная система, печатная плата с размещенным на ней магнитоэлектрическим преобразователем, разъем, электрически соединенный с печатной платой, и крышка. Все эти детали также присутствуют и в патенте №2301399: микросхема запаяна на плате, использована та же магнитная система, а аналог магнитодержателя – это установочная втулка в патенте №2301399.This device has much in common with the device disclosed in patent No. 2301399. The device comprises a base in the form of a glass with a through hole in the bottom, as well as an insert with a through hole made in a plane parallel to the plane of the bottom of the base. Similar details are described in patent No. 2301399 as a sensor housing and a cover cap. There is a magnet holder made in the form of a body of revolution, a magnetic system, a printed circuit board with a magnetoelectric transducer placed on it, a connector electrically connected to the printed circuit board, and a cover. All these details are also present in patent No. 2301399: the microcircuit is sealed on the board, the same magnetic system is used, and the analog of the magnet holder is the mounting sleeve in patent No. 2301399.

Данное устройство использует и другие признаки, раскрытые в патенте аналога №2301399. В патенте аналога №2262659 один конец ротора введен в отверстие основания, а другой, предназначенный для прикрепления к нему магнитной системы, введен с возможностью вращения в отверстие вставки. При этом магнитодержатель в части, расположенной в полости основания, выполнен с двумя буртиками, один из которых через упругий элемент упирается в дно основания, другой – в плоскость вставки. Печатная плата установлена в полости крышки таким образом, что размещенный на ней магнитоэлектрический преобразователь расположен в зоне действия магнитной системы.This device uses other features disclosed in the patent analogue No. 2301399. In the patent of the analogue No. 2262659, one end of the rotor is introduced into the hole of the base, and the other, intended for attaching to it a magnetic system, is introduced with the possibility of rotation in the hole of the insert. In this case, the magnet holder in the part located in the cavity of the base is made with two shoulders, one of which abuts against the bottom of the base through the elastic element, the other into the insertion plane. The printed circuit board is installed in the cavity of the cover so that the magnetoelectric transducer placed on it is located in the range of the magnetic system.

Отличия от патента №2301399 состоят в том, что микросхема в патенте №2262659 запаяна с другой стороны платы, что увеличивает рабочее расстояние между микросхемой и магнитом, что, в свою очередь, требует применения более высокочувствительных микросхем, чем известные на момент публикации патента планарные псевдодвухосевые датчики Холла, и использования больших по размеру и более сильных по намагниченности магнитов – в противном случае функциональные характеристики датчика ухудшаются.Differences from patent No. 2301399 are that the microcircuit in patent No. 2262659 is sealed on the other side of the board, which increases the working distance between the microcircuit and the magnet, which, in turn, requires the use of more highly sensitive microcircuits than the planar pseudo-two-axis ones known at the time of publication of the patent Hall sensors, and the use of larger and stronger magnetization magnets - otherwise the functional characteristics of the sensor deteriorate.

Данное устройство практически неработоспособно со стандартными псевдодвухосевыми энкодерами с планарными элементами Холла и малыми магнитами рекомендуемых размеров диаметром 6 и высотой 2,5 мм. Дело в том, что минимальная толщина платы обычно 1 мм (при стандартном рабочем расстоянии для микросхем энкодеров Холла с планарными элементами порядка 0,5-1 мм), причем производители микросхемы размещают чувствительные элементы ближе к лицевой стороне, а не к тыльной. Также необходим минимальный зазор между магнитом и платой, чтобы избежать трения и биения магнита о плату. Фактически рабочее расстояние между микросхемой и магнитом в данном устройстве составляет не менее 2 мм, что в два раза выше, чем рекомендуется для обеспечения работоспособности планарного датчика Холла.This device is practically inoperative with standard pseudo-two-axis encoders with planar Hall elements and small magnets of the recommended sizes with a diameter of 6 and a height of 2.5 mm. The fact is that the minimum board thickness is usually 1 mm (with a standard working distance for Hall encoder chips with planar elements of the order of 0.5-1 mm), and chip manufacturers place sensitive elements closer to the front side, not the back. A minimum gap between the magnet and the circuit board is also required to avoid friction and beating of the magnet against the circuit board. In fact, the working distance between the microcircuit and the magnet in this device is at least 2 mm, which is two times higher than recommended to ensure the operability of the planar Hall sensor.

Повышение рабочих расстояний, продемонстрированное в патенте аналога №2301399, не только накладывает ограничения на компонентную базу и повышает размеры и требования к намагниченности магнитов, но и отрицательно влияет на подверженность устройства нежелательным магнитным и механическим смещениям в 3D пространстве, что также имеет следствием общее снижение уровня точности. Независимо от использованной технологии, любые типы датчиков чувствительны к любому статическому смещению магнитной системы относительно центра магниточувствительного элемента и эксцентриситету. Датчики Холла с планарными элементами чувствительны к вертикальным смещениям и наклонам, что усугубляется при одновременном воздействии радиальных статических и динамических смещений. В данном устройстве не предусмотрено никаких специальных мер по центрированию магнита относительно центра чувствительного массива элементов Холла, уменьшению эксцентриситета и чувствительности к вертикальным смещениям и наклонам.The increase in working distances demonstrated in analogue patent No. 2301399 not only imposes restrictions on the component base and increases the size and requirements for magnetization of magnets, but also negatively affects the exposure of the device to undesirable magnetic and mechanical displacements in 3D space, which also results in a general decrease in the level accuracy. Regardless of the technology used, any type of sensor is sensitive to any static displacement of the magnetic system relative to the center of the magnetically sensitive element and the eccentricity. Hall sensors with planar elements are sensitive to vertical displacements and inclinations, which is aggravated by the simultaneous action of radial static and dynamic displacements. This device does not provide any special measures for centering the magnet relative to the center of the sensitive array of Hall elements, reducing eccentricity and sensitivity to vertical displacements and inclinations.

Заявлено, что изобретение позволяет снизить трудоемкость и уменьшить стоимость изготовления датчика в условиях серийного производства, что не соответствует действительности, так как при серийном выпуске чрезвычайно важно обеспечить возможность программирования устройства после сборки для компенсации магнитных, механических допусков и рабочих условий. В данном устройстве вставка своей плоскостью с отверстием отделяет полость крышки, в которой располагается печатная плата, от полости основания, через которую проходит магнитодержатель, что само по себе не требуется. Основное назначение этой детали – обеспечение позиционирования микросхемы и магнита на требуемом рабочем расстоянии, а чем ни больше зазор, тем толще данная деталь.It is stated that the invention allows to reduce the complexity and reduce the cost of manufacturing the sensor in serial production, which is not true, since with serial production it is extremely important to ensure the possibility of programming the device after assembly to compensate for magnetic, mechanical tolerances and operating conditions. In this device, the insert with its plane with the hole separates the lid cavity, in which the printed circuit board is located, from the base cavity through which the magnet holder passes, which is not required by itself. The main purpose of this part is to ensure the positioning of the microcircuit and magnet at the required working distance, and the larger the gap, the thicker this part.

На момент публикации данного патента в 2005 году еще не была известна другая коммерчески доступная компонентная база высокоинтегрированных и программируемых датчиков Холла c ИМК на основе технологии Triaxis Melexis, вертикальных датчиков Холла (технология института им. Фраунгофера, лицензированная фирмам ams и Micronas), полностью интегрированных АМР датчиков (NXP) и ГМР датчиков (Infineon) и тем более ТМР датчиков.At the time this patent was published in 2005, another commercially available component base of highly integrated and programmable Hall sensors with IMC based on Triaxis Melexis technology, vertical Hall sensors (technology from the Fraunhofer Institute licensed by ams and Micronas), fully integrated by AMP, was not yet known. sensors (NXP) and GMR sensors (Infineon) and especially TMP sensors.

Применение АМР (анизотропных магниторезистивных) и ГМР (гигантских магниторезистивных) датчиков угла в составе автомобильных датчиков углового положения частично известно из уровня техники (статья С.С. Сысоевой «XMR-микросистемы - альтернатива датчикам Холла в системах контроля движения и тока» в журнале «Компоненты и Технологии» №4 за 2012 год).The use of AMR (anisotropic magnetoresistive) and GMR (giant magnetoresistive) angle sensors as part of automotive angle sensors is partially known from the prior art (article by S. S. Sysoeva “XMR microsystems - an alternative to Hall sensors in motion and current monitoring systems” in the journal “ Components and Technologies ”No. 4 for 2012).

В статье описаны примеры компонентной базы АМР датчиков NXP. Известно, что АМР датчики обычно хорошо работают со слабыми полями по достижении уровня рабочего поля выше некоторого значения порядка 25 кА/м), хотя представленные конструкции показывают либо малые зазоры и монтаж cо стороны платы, ближней к магниту, либо общие способы монтажа без применения платы, а также показывают использование больших по размеру и намагниченности магнитов с малыми зазорами.The article describes examples of the NXP AMR component base. It is known that AMR sensors usually work well with weak fields when they reach a working field above a certain value of the order of 25 kA / m), although the presented designs show either small gaps and mounting from the side of the board close to the magnet, or general mounting methods without using a board , and also show the use of large-sized and magnetized magnets with small gaps.

Например, применение АМР датчиков NXP раскрыто в патенте США №7230419 «Rotary position sensor», заявленном в июне 2005 года, а опубликованном в июне 2007 года, где в конструкции показан монтаж cо стороны платы, ближней к магниту.For example, the use of NXP AMP sensors is disclosed in US Pat. No. 7,230,419 to Rotary position sensor, announced in June 2005, and published in June 2007, where the design shows mounting on the side of the board close to the magnet.

Для ГМР датчиков высокого уровня интеграции Infineon в статье показан факт возможного гибкого монтажа этих компонентов с любой, преимущественно с верхней, стороны платы, на которой смонтирован датчик, так как высокая чувствительность датчика требует его удаления от стандартного магнита.For high-level GMD sensors of Infineon integration, the article shows the fact of the possible flexible installation of these components from any, mainly from the upper side of the board on which the sensor is mounted, since the high sensitivity of the sensor requires its removal from a standard magnet.

Вышеперечисленные компоненты обладают высокой чувствительностью к магнитному полю (причем, за исключением технологии Triaxis Melexis, чувствительностью именно к параллельным XY компонентам поля), достаточной для работы на таких рабочих расстояниях – порядка 2-5 мм и выше, а также многие из них обладают функциями многократного перепрограммирования передаточной характеристики и калибровочных коэффициентов в памяти EEPROM. Но в патентах аналогов и описаниях конструкций в статье не раскрыто использование данных возможностей для гибкого монтажа датчика с любой стороны платы, гибкого выбора компонентов, варьирования размерами магнитов, программирования основных параметров, включая чувствительность, компенсации допусков сборки, температурных и временных дрейфов.The above components are highly sensitive to the magnetic field (and, with the exception of Triaxis Melexis technology, it is sensitive to parallel XY field components), sufficient to work at such working distances - of the order of 2-5 mm and above, and many of them have functions of multiple reprogramming the transfer characteristic and calibration factors in the EEPROM. But the analogues patents and design descriptions in the article did not disclose the use of these capabilities for flexible mounting of the sensor on either side of the board, flexible selection of components, varying the size of magnets, programming of the main parameters, including sensitivity, compensation of assembly tolerances, temperature and time drifts.

Прототипом выбрано устройство, раскрытое в патенте № 2317522 «Программируемый бесконтактный датчик углового положения с линейным угловым диапазоном в пределах 360°» от 30.01.2006 (дата публикации 20.02.2008). В данном устройстве статор датчика включает наиболее актуальную на тот момент времени микросхему так называемого 3D углового энкодера Холла, технология которых отличается повышенной чувствительностью планарных элементов к компонентам параллельного поля в плоскости XY за счет интегрированных магнитоконцентрирующих (ИМК) дисков в составе подобных микросхем. Применение энкодера Холла с ИМК обеспечивает высокую чувствительность к рабочему 2D полю в плоскости XY 20-70 мТл. Микросхемы датчиков включают перепрограммируемую память EEPROM. Программирование формата, точек калибровки, смещения, направления вращения, чувствительности (усиления) аналоговой или ШИМ передаточной характеристики, температурной чувствительности, а также других калибровочных параметров осуществляется после сборки устройства.The prototype is the device disclosed in patent No. 2317522 "Programmable proximity sensor of angular position with a linear angular range within 360 °" from 01/30/2006 (publication date 02/20/2008). In this device, the sensor stator includes the most relevant at that time chip of the so-called 3D angular Hall encoder, the technology of which is characterized by increased sensitivity of planar elements to parallel field components in the XY plane due to integrated magnetically concentrating (IMC) disks in such microcircuits. The use of the Hall encoder with IMC provides high sensitivity to the working 2D field in the XY plane of 20-70 mT. Sensor ICs include EEPROM reprogrammable memory. The programming of the format, calibration points, displacement, direction of rotation, sensitivity (gain) of the analog or PWM transfer characteristics, temperature sensitivity, as well as other calibration parameters is carried out after assembly of the device.

Применение 3D энкодера Холла дает высокую чувствительность к рабочему 2D полю в плоскости XY до 20 мТл вниз и допускает более высокие рабочие расстояния. Применение такой микросхемы дает большую гибкость размещения магнита относительно статора, допускает еще более простые конструкции и полностью бесконтактные датчики, в которых ротор и статор могут не контактировать друг с другом (как в патенте №2312363 от 31.01.2006 «Бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в диапазоне 360°», дата его публикации 10.12.2007), возможность измерений углов в диапазоне 0...360° без «мертвых зон» с отсутствием при необходимости ограничивающих элементов (упоров и выступов) в конструкциях ротора и статора.The use of the 3D Hall encoder gives high sensitivity to the working 2D field in the XY plane up to 20 mT down and allows higher working distances. The use of such a microcircuit gives greater flexibility in the placement of the magnet relative to the stator, allows even simpler designs and completely non-contact sensors in which the rotor and stator may not be in contact with each other (as in patent No. 2312363 dated January 31, 2006 "Non-contact programmable absolute angle position sensor in 360 ° range ”, its publication date 10.12.2007), the ability to measure angles in the range 0 ... 360 ° without“ dead zones ”with the absence of, if necessary, limiting elements (stops and protrusions) in the rotor structures and with Ator.

Но по-прежнему имеет место чувствительность к смещениям в Z-оси, вследствие чего рабочие зазоры, вертикальные допуски позиционирования, наклоны и другие факторы все еще ограничивают чувствительность и точность датчика и возможность его адаптации к конкретным условиям работы.But there is still sensitivity to displacements in the Z-axis, as a result of which working gaps, vertical positioning tolerances, inclinations and other factors still limit the sensitivity and accuracy of the sensor and the possibility of its adaptation to specific working conditions.

Для достижения большей линейности и точности по-прежнему рекомендовано соблюдение оптимальных в данной сборке рабочих расстояний – с тем, чтобы горизонтальная плотность потока оставалась в диапазоне 20-70 мТл (45 мТл±25 мТл) на уровне ИС. Магниты должны выбираться исходя из соответствующего данному рабочему полю аксиального расстояния (зазора). Малые магниты диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм могут использоваться с рабочими расстояниями порядка 0,5-5 мм, но большие зазоры возможны только при обеспечении малого эксцентриситета. Для компенсации эксцентриситета при больших рабочих расстояниях применяются большие магниты.To achieve greater linearity and accuracy, it is still recommended that the operating distances that are optimal in this assembly be maintained - so that the horizontal flux density remains in the range of 20-70 mT (45 mT ± 25 mT) at the IP level. Magnets should be selected based on the axial distance (gap) corresponding to the given working field. Small magnets with a diameter of 6 mm and a height of 2.5 mm can be used with working distances of the order of 0.5-5 mm, but large gaps are possible only if a small eccentricity is ensured. To compensate for the eccentricity at large working distances, large magnets are used.

Сложной является проблема повышения точности при наличии большого эксцентриситета. Согласно данным Melexis, магнит должен быть в 10 раз больше, чем максимальный эксцентриситет для достижения нелинейности в 1°, и в 20 больше для достижения нелинейности в 0,3°. Difficult is the problem of increasing accuracy in the presence of a large eccentricity. According to Melexis, the magnet should be 10 times larger than the maximum eccentricity to achieve non-linearity of 1 °, and 20 more to achieve non-linearity of 0.3 °.

Большие магниты имеют следующие недостатки:Large magnets have the following disadvantages:

• Негомогенность (ухудшающая точность).• Inhomogeneity (degrading accuracy).

• Сильные поля требуют больших рабочих расстояний (рабочее поле для датчиков должно удерживаться до 70 мТл).• Strong fields require large working distances (the working field for sensors must be kept up to 70 mT).

• Большие магниты имеют более высокую стоимость.• Larger magnets have a higher cost.

Слишком малое расстояние повышает опасность электрического или магнитного насыщения. Влияние несовершенств магнитного материала на точность в этом случае также усиливается.Too small a distance increases the risk of electrical or magnetic saturation. The influence of imperfections in the magnetic material on accuracy is also enhanced in this case.

Поэтому в прототипе рекомендованы к использованию магниты только малых размеров, обеспечивающих рабочее магнитное поле, а рабочее расстояние ограничено до оптимального значения.Therefore, the prototype recommended the use of magnets of only small sizes, providing a working magnetic field, and the working distance is limited to the optimal value.

Это не истинно двухосевые, а в высокой степени двухосевые или 3D датчики, так как они фактически чувствительны не к параллельному полю, а к перпендикулярному, включая и собственные компоненты перпендикулярного поля, и полученные при преобразовании параллельных компонентов в перпендикулярные посредством ИМК.These are not truly biaxial, but highly biaxial or 3D sensors, since they are actually sensitive not to the parallel field, but to the perpendicular, including the intrinsic components of the perpendicular field, and obtained by converting parallel components to perpendicular through the IMC.

В MLX90316 использование функции ATAN (VY/VX) для вычислений угла путем просмотра таблиц (без использования алгоритма CoRDiC) допускает самокомпенсацию угловой информации в зависимости от вариаций магнитного поля (вследствие изменений воздушного зазора, эффектов воздействия температуры и старения) для обоих синусно-косинусных сигналов.In the MLX90316, using the ATAN function (VY / VX) to calculate the angle by viewing tables (without using the CoRDiC algorithm) allows the angle information to self-compensate for variations in the magnetic field (due to changes in the air gap, effects of temperature and aging) for both sine-cosine signals .

Но в действительности ввиду присутствия чувствительности датчиков Холла к перпендикулярному полю статические и динамические измерения зазора, особенно вместе с эксцентриситетом, расстраивают магнитную систему. Наклоны создают смещения сигналов VY и VX и эмулируют несогласования чувствительностей планарных элементов, дополнительно страдающих от неортогональности сигналов и собственной сигнальной нелинейности – в итоге угловая ошибка будет выше.But in reality, due to the presence of the sensitivity of the Hall sensors to the perpendicular field, the static and dynamic gap measurements, especially together with the eccentricity, upset the magnetic system. Slopes create biases of the VY and VX signals and emulate inconsistencies in the sensitivities of planar elements, which additionally suffer from non-orthogonality of signals and intrinsic signal non-linearity - as a result, the angular error will be higher.

В устройстве прототипа посредством введения конструктивного компонента, ограничивающего ход ротора, оптимизирован рабочий зазор и осуществлена механическая защита датчика, частично обеспечивается центрирование магнитной системы, уменьшены эксцентриситет вращения и наклоны ротора относительно корпуса, но необходимы более полные меры по уменьшению нежелательной вертикальной чувствительности датчика, усугубляемой недостаточным центрированием магнитной системы и присутствием/чувствительностью к эксцентриситету вращения, а также наклонам ротора относительно центра датчика.In the prototype device, by introducing a structural component restricting the rotor stroke, the working gap is optimized and the sensor is mechanically protected, the magnetic system is partially centered, the rotation eccentricity and the rotor inclination relative to the housing are reduced, but more complete measures are required to reduce the undesirable vertical sensitivity of the sensor, aggravated by insufficient centering the magnetic system and the presence / sensitivity of the eccentricity of rotation, as well as rotor slopes relative to the center of the sensor.

К недостаткам прототипа и аналогов относится также недостаточная надежность. Выход обычной микросхемы из строя приводит к полной неработоспособности любого из рассмотренных выше датчиков, что угрожает так называемой автомобильной функциональной безопасности, обеспечение которой актуализировано стандартом ISO26262. Для соответствия данному стандарту производители автомобильных датчиков встраивают по два интегральных компонента, а производители микросхем разрабатывают компоненты с двумя датчиками или кристаллами в интегральном корпусе – чтобы понизить вероятность сбоя в случае отказа одного из них.The disadvantages of the prototype and analogues also include insufficient reliability. The failure of a conventional microcircuit leads to the complete inoperability of any of the above sensors, which threatens the so-called automotive functional safety, the provision of which is updated by the ISO26262 standard. To comply with this standard, automotive sensor manufacturers integrate two integrated components, and chip manufacturers develop components with two sensors or crystals in an integrated housing to reduce the likelihood of failure in the event of failure of one of them.

Задачи изобретения – дальнейшее повышение чувствительности датчика к рабочему параллельному магнитному полю, повышение разрешения и точности, снижение нежелательной чувствительности к вертикальным и горизонтальным смещениям, общее повышение гибкости механического размещения в 3D пространстве датчика относительно магнита, платы, корпуса и деталей статора и ротора, дальнейшая миниатюризация, упрощение конструкции и монтажа, а также снижение энергопотребления, повышение надежности и функциональной безопасности.The objectives of the invention are to further increase the sensitivity of the sensor to a working parallel magnetic field, increase resolution and accuracy, reduce unwanted sensitivity to vertical and horizontal displacements, increase the flexibility of mechanical placement in the 3D space of the sensor relative to the magnet, circuit board, housing and parts of the stator and rotor, further miniaturization simplifying the design and installation, as well as reducing energy consumption, increasing reliability and functional safety.

Поставленные задачи решаются тем, что в бесконтактном истинно двухосевом датчике угла поворота вала на основе конструкции прототипа, использующем магнитную систему на основе малого дипольного диаметрально намагниченного магнита, совершающего угловое движение с двумя степенями свободы в рабочей плоскости, параллельной лицевой поверхности программируемого двухосевого энкодера Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими (ИМК) дисками, выполняющими физическое преобразование магнитного поля в рабочей плоскости в перпендикулярное, к которому истинно чувствителен датчик Холла с ИМК, используются другие типы датчиков, высокочувствительные только к компонентам магнитного поля в рабочей (XY) плоскости и полностью или сравнительно малочувствительные к вертикальной составляющей (Z) магнитного поля.The tasks are solved by the fact that in a non-contact true biaxial shaft angle sensor based on the prototype design using a magnetic system based on a small dipole diametrically magnetized magnet that performs angular motion with two degrees of freedom in the working plane parallel to the front surface of the programmable two-axis Hall encoder with integrated magnetically concentrating (IMC) disks that perform physical conversion of the magnetic field in the working plane into perpendicular e, which truly sensitive Hall sensor with IMC, other types of sensors are used, only highly sensitive to magnetic field components in the working (XY) plane and relatively or completely insensitive to the vertical component (Z) of the magnetic field.

Такими компонентами являются все магниторезистивные датчики на основе так называемых XMR эффектов – АМР, ГМР, ТМР, КМР (колоссальные магниторезистивные), ЭМР (экстраординарные магниторезистивные) и датчики Холла с вертикальными (не планарными) элементами, чувствительные только к компонентам магнитного поля в плоскости XY. ТМР датчики компании MDT среди всех коммерческих доступных на данный момент магниторезистивных компонентов обладают наиболее высокой чувствительностью, показывают наибольшее изменение в угловом сопротивлении, наиболее высокий уровень первичного сигнала без необходимости его усиления, характеризуются способностью детектирования слабых магнитных полей, высокой температурной стабильностью, широким диапазоном доступных рабочих расстояний, устойчивостью к механическим и магнитным смещениям. Эти и другие их преимущества в совокупности обусловили предпочтительный выбор именно этих компонентов для разработки базовых вариантов заявляемого устройства.These components are all magnetoresistive sensors based on the so-called XMR effects - AMR, GMR, TMP, KMP (colossal magnetoresistive), EMR (extraordinary magnetoresistive) and Hall sensors with vertical (non-planar) elements that are sensitive only to magnetic field components in the XY plane . Among all commercial magnetoresistive components currently available, MDT TMP sensors have the highest sensitivity, show the greatest change in angular resistance, the highest level of the primary signal without the need for amplification, are characterized by the ability to detect weak magnetic fields, high temperature stability, and a wide range of available working distances resistant to mechanical and magnetic displacements. These and their other advantages in the aggregate led to the preferred choice of precisely these components for the development of basic variants of the claimed device.

Вышеперечисленные датчики чувствительны именно к компонентам магнитного поля в XY плоскости. АМР, ГМР, ТМР и другие МР датчики, используемые в данном устройстве, чувствительны к направлению, но не величине магнитного поля в XY плоскости, а вертикальные датчики Холла чувствительны к абсолютным величинам компонентам магнитного поля в XY плоскости. Но все они по определению полностью нечувствительны к вертикальной составляющей (Z) магнитного поля. Все эти типы датчиков допускают возможность гибкого подбора магнитов различной геометрии и намагниченности, хотя некоторая чувствительность к наклонам и эксцентриситету у них все же имеется. Чувствительность к эксцентриситету является прямым следствием их истинно 2D чувствительности – датчик, высокочувствительный в плоскости XY, по определению, чувствителен и к любым нежелательным смещениям в данной плоскости, включая нецентрированное размещение микросхемы и магнита, эксцентриситет, наклоны микросхемы или магнита.The above sensors are sensitive specifically to the components of the magnetic field in the XY plane. AMR, GMR, TMP and other MR sensors used in this device are sensitive to direction, but not to the magnitude of the magnetic field in the XY plane, and vertical Hall sensors are sensitive to the absolute values of the magnetic field components in the XY plane. But all of them, by definition, are completely insensitive to the vertical component (Z) of the magnetic field. All these types of sensors allow flexible selection of magnets of various geometries and magnetizations, although they still have some sensitivity to tilting and eccentricity. Sensitivity to eccentricity is a direct consequence of their true 2D sensitivity - a sensor that is highly sensitive in the XY plane is, by definition, sensitive to any undesirable displacements in this plane, including the off-center placement of the microcircuit and magnet, eccentricity, inclination of the microcircuit or magnet.

Интегральный компонент истинно двухосевого датчика может быть смонтирован с любой стороны платы, что определяется требованием обеспечения оптимального рабочего расстояния между микросхемой и магнитом в магнитной системе и другими соображениями. Два компонента истинно двухосевого датчика могут быть смонтированы одновременно с обеих сторон платы с обеспечением рабочего расстояния между каждой микросхемой и магнитом в магнитной системе, что позволяет снимать два синусно-косинусных или угловых сигнала одновременно либо один из них в случае выхода одного из датчиков из строя (избыточная система).The integral component of a true biaxial sensor can be mounted on either side of the board, which is determined by the requirement to ensure the optimum working distance between the microcircuit and the magnet in the magnetic system and other considerations. Two components of a true biaxial sensor can be mounted simultaneously on both sides of the board to ensure the working distance between each microcircuit and the magnet in the magnetic system, which allows you to shoot two sine-cosine or angular signals at the same time or one of them in case of failure of one of the sensors ( redundant system).

В заявляемом бесконтактном истинно двухосевом датчике угла поворота вала центральный конструктивный компонент или элемент детали корпуса – вставка – жестко соединен с корпусом и обеспечивает точное позиционирование в корпусе статора друг относительно друга дипольного магнитного ротора и интегрального компонента двухосевого магниточувствительного датчика с оптимальным рабочим расстоянием между ними, ограничивает перемещение ротора до двух степеней свободы в рабочей плоскости, без осевых и радиальных смещений, эксцентриситета, наклонов посредством своих конструктивных элементов и поверхностей, точность расположения которых обеспечивается при производстве детали. Для достижения оптимального рабочего расстояния (зазора) между микросхемой и магнитом в базовой конструкции во вставке выполнено центральное круглое отверстие, одновременно обеспечивающее ограничение нежелательных перемещений ротора по вертикали и горизонтали, а также оптимальное размещение в нем микросхемы или магнита.In the inventive non-contact true biaxial shaft angle sensor, the central structural component or element of the housing part — the insert — is rigidly connected to the housing and ensures accurate positioning of the dipole magnetic rotor and the integral component of the biaxial magnetosensitive sensor with an optimal working distance between them in the stator housing, limits rotor movement to two degrees of freedom in the working plane, without axial and radial displacements, eccentricity, on clones through their structural elements and surfaces, the accuracy of which is ensured in the production of parts. To achieve the optimal working distance (gap) between the microcircuit and the magnet in the base design, a central circular hole is made in the insert, at the same time ensuring the restriction of undesirable rotor movements vertically and horizontally, as well as the optimal placement of the microcircuit or magnet in it.

В заявляемом бесконтактном истинно двухосевом датчике угла поворота вала используется дипольный магнит, намагниченный параллельно той плоскости, в которой ротор совершает рабочее угловое движение с двумя степенями свободы. Магнит имеет любую из следующих форм: сплошной цилиндр, диск, цилиндр или диск с центральным сквозным отверстием или несквозным (пазом) со стороны, примыкающей к магниточувствительному датчику при его установке в магнитодержатель, кольцеобразный магнит (с широким сквозным отверстием), магнит в форме прямоугольного параллелепипеда или куба.In the inventive non-contact true biaxial shaft angle sensor, a dipole magnet is used, magnetized parallel to the plane in which the rotor makes a working angular movement with two degrees of freedom. The magnet has any of the following forms: a solid cylinder, a disk, a cylinder or a disk with a central through hole or a through hole (groove) on the side adjacent to the magnetosensitive sensor when it is installed in a magnet holder, a ring-shaped magnet (with a wide through hole), a rectangular magnet box or cube.

В заявляемом бесконтактном истинно двухосевом датчике угла поворота вала интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами включен в схему обработки сигнала, которая формирует выходной сигнал, пропорциональный углу поворота с нулевым или опорным значением, относительно которого вычисляется угол поворота. Поскольку программирование после сборки датчика выходной передаточной характеристики и калибровочных коэффициентов дает преимущества компенсации магнитных, механических допусков, температурных коэффициентов и других параметров для адаптации к условиям сборки и эксплуатации, то схема обработки включает также перепрограммируемую память EEPROM для выполнения такого программирования.In the inventive non-contact true biaxial shaft rotation angle sensor, an integral true biaxial magnetosensitive sensor (encoder) with sine-cosine primary output signals is included in the signal processing circuit, which generates an output signal proportional to the rotation angle with a zero or reference value, relative to which the rotation angle is calculated. Since programming after assembling the output transfer characteristic and calibration coefficients gives the advantage of compensating magnetic, mechanical tolerances, temperature coefficients and other parameters to adapt to the conditions of assembly and operation, the processing circuit also includes a reprogrammable EEPROM memory for such programming.

В зависимости от уровня интеграции используемого интегрального компонента в бесконтактном истинно двухосевом датчике угла поворота вала схема обработки сигнала может быть интегрирована в интегральный модуль истинно двухосевого магниточувствительного датчика (энкодера) или в интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер), представляющий собой интегральную микросхему датчика.Depending on the level of integration of the integrated component used in the non-contact true two-axis shaft angle sensor, the signal processing circuit can be integrated into the integrated module of the true two-axis magnetosensitive sensor (encoder) or into the integrated truly two-axis magnetically sensitive sensor (encoder), which is an integrated sensor microcircuit.

Бесконтактный избыточный истинно двухосевой датчик угла поворота вала может включать избыточный интегральный датчик, объединяющий в одном интегральном корпусе два магниточувствительных элемента одного или разных типов, которые вырабатывают по два первичных синусно-косинусных выходных сигнала каждый, для этих первичных сигналов две внешние или интегрированные схемы обработки сигнала формируют двойной выходной сигнал, пропорциональный углу поворота.A non-contact redundant true biaxial shaft angle sensor may include a redundant integral sensor that combines two magnetically sensitive elements of one or different types in one integrated housing, which produce two primary sine-cosine output signals each, for these primary signals two external or integrated signal processing circuits form a double output signal proportional to the angle of rotation.

В бесконтактном избыточном истинно двухосевом датчике угла поворота вала одновременно два интегральных датчика одного или разных (в том числе избыточного) типов в корпусе статора устройства могут быть позиционированы с обеих сторон печатной платы и вырабатывать, как минимум, два первичных синусно-косинусных выходных сигнала каждый, для которых две внешние или интегрированные схемы обработки сигнала формируют, как минимум, двойной выходной сигнал, пропорциональный углу поворота.In a non-contact redundant true two-axis shaft angle sensor, simultaneously two integral sensors of one or different (including redundant) types in the stator housing of the device can be positioned on both sides of the printed circuit board and generate at least two primary sine-cosine output signals each, for which two external or integrated signal processing circuits form at least a double output signal proportional to the angle of rotation.

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала, в котором, как минимум, один интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами включен в схему обработки сигнала с микроконтроллером, выполняющим все функции обработки сигнала и допускающим подключение других типов датчиков, представляет собой бесконтактный истинно двухосевой сенсорный узел для измерения угла поворота вала.A non-contact true two-axis shaft angle sensor, in which at least one integral truly two-axis magnetically sensitive sensor (encoder) with sine-cosine primary output signals, is included in the signal processing circuit with a microcontroller that performs all the signal processing functions and allows the connection of other types of sensors, It is a non-contact, true biaxial sensor unit for measuring the angle of rotation of the shaft.

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала согласно заявляемому изобретению показан на фиг. 1-5.The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to the claimed invention is shown in FIG. 1-5.

На фиг. 1 показан общий вид заявляемого датчика, на фиг. 2 – вариант заявляемого устройства в разрезе с расположением интегрального датчика с обратной стороны платы, ближней к магниту (как в устройстве прототипа), на фиг. 3 – разрез варианта устройства с расположением интегрального датчика с верхней стороны платы, на фиг. 4 – избыточная конструкция с двумя датчиками, одновременно смонтированными с обеих сторон платы. На фиг. 5 показан разборный вид устройства.In FIG. 1 shows a General view of the inventive sensor, in FIG. 2 is a variant of the claimed device in section with the location of the integrated sensor on the reverse side of the board closest to the magnet (as in the prototype device), in FIG. 3 is a sectional view of an embodiment of the device with an integrated sensor located on the upper side of the board; FIG. 4 - redundant design with two sensors mounted simultaneously on both sides of the board. In FIG. 5 shows a collapsible view of the device.

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала состоит из двух основных сборочных единиц – статора 1 и ротора 2. Сборочная единица статора 1 включает сборочную единицу 3 корпуса с контактами, состоящую из собственно корпуса 5 с запрессованными в него контактами разъема 6. Основным функциональным компонентом статора 1 является электронный блок 4, объединяющий, как минимум, один интегральный компонент истинно двухосевого магниточувствительного датчика 7 или 8, установленный на плате 9 способом поверхностного монтажа, а также другие дискретные компоненты или элементы схемы электрической принципиальной устройства.The non-contact true two-axis shaft angle sensor consists of two main assembly units - the stator 1 and rotor 2. The assembly unit of the stator 1 includes the assembly unit 3 of the housing with contacts, consisting of the housing 5 itself with the contacts of the connector 6 pressed into it. The main functional component of the stator 1 is an electronic unit 4, combining at least one integral component of a true biaxial magnetosensitive sensor 7 or 8, mounted on the board 9 by surface mounting, as well as a friend e discrete components or elements of the electrical circuit principle of the device.

Ротор 2 состоит из магнита 10, установленного со стороны датчика 7 во вращающемся магнитодержателе 11.The rotor 2 consists of a magnet 10 mounted on the side of the sensor 7 in the rotating magnet holder 11.

Устройство также включает упругий элемент – возвратную пружину кручения 12. После установки магнита 10 в магнитодержатель 11 сборочный узел 2 собирается с пружиной 12 и затем устанавливается в корпус статора 3 с фиксацией свободного конца пружины 12 для ее работы на кручение при вращении ротора 2. После установки ротора 2 с пружиной 12 в корпус 3 устанавливается вначале центральная конструктивная вставка 13, а затем электронный блок 4 – плата 9 с датчиком 7 или 8 и другими компонентами и элементами.The device also includes an elastic element - a torsion return spring 12. After installing the magnet 10 in the magnet holder 11, the assembly 2 is assembled with the spring 12 and then installed in the stator housing 3 with the free end of the spring 12 fixed for torsion during rotation of the rotor 2. After installation rotor 2 with a spring 12 in the housing 3 is first installed central structural insert 13, and then the electronic unit 4 - board 9 with a sensor 7 or 8 and other components and elements.

Контакты 6 электрического разъема корпуса датчика запаиваются на плате 9 после ее монтажа в корпусе 3. После сборки устройство закрывается крышкой 14.The contacts 6 of the electrical connector of the sensor housing are sealed on the board 9 after it is mounted in the housing 3. After assembly, the device is closed by a cover 14.

Плата 9 установлена в корпусе 3 своей посадочной поверхностью 9 А на корпусную поверхность (плоские грани) 5 А посредством оплавляемых конструктивных корпусных элементов (штырей) 5 а, устанавливаемых в отверстия платы 9 а. При этом плата 9 центрирована относительно конструктивной детали – вставки 13, установленной в корпусе статора 1 посадочной поверхностью 13 Б на корпусную поверхность 5 Б посредством элементов вставки 13 б и элементов корпуса (отверстий) 5 б или отдельных крепежных компонентов 15. Плата 9 и вставка 13 могут быть установлены посредством различных или одних и тех же способов жесткого крепления этих деталей в корпусе, выбор которых не является принципиальным и допускает различные варианты (запрессовку, посадку на клей, термоусадку или термооплавление, резьбовое соединение). Плата 9 и вставка 13 могут быть установлены посредством элементов или компонентов крепления 5 а и 15, которые могут быть различными, одинаковыми или общими для обеих деталей (например, возможен вариант монтажа, когда поверхность 9 А платы 9 устанавливается не только на корпусную поверхность 5 А, но и непосредственно на верхнюю поверхность вставки 13 А).The board 9 is installed in the housing 3 with its landing surface 9 A on the housing surface (flat faces) 5 A by means of a fusible structural housing elements (pins) 5 a installed in the holes of the board 9 a. In this case, the board 9 is centered relative to the structural part - the insert 13 installed in the stator housing 1 by a seating surface of 13 B on the housing surface of 5 B by means of 13 b insert elements and 5 b housing elements (holes) or individual mounting components 15. The 9 board and insert 13 can be installed using different or the same methods of rigidly fixing these parts in the housing, the choice of which is not fundamental and allows various options (press-fit, fit onto adhesive, heat shrink or heat seal of the threaded connection). The board 9 and the insert 13 can be installed by means of fasteners 5 a and 15, which can be different, identical or common for both parts (for example, an installation option is possible when the surface 9 A of the board 9 is installed not only on the case surface 5 A , but also directly on the upper surface of the insert 13 A).

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала функционирует следующим образом.Contactless true biaxial shaft angle sensor operates as follows.

Ротор 2 совершает рабочее угловое движение в плоскости XY в угловом диапазоне до 360° включительно с двумя степенями свободы (по часовой стрелке и против часовой стрелки). Для ограничения углового диапазона менее 360° в корпусе 5 имеются упоры 5 в, а в детали магнитодержателя 11 с этой же целью выполнены выступы 11 в. Донная поверхность магнитодержателя 11 В с выступами 11 в сопряжена с соответствующей внутренней поверхностью 5 В с упорами 5 в. Вставка 13 обеспечивает оптимальный воздушный зазор в системе между микросхемой 7 и 8 и магнитом 10 и ограничивает вертикальные перемещения ротора 2 по оси Z посредством той же посадочной поверхности 13 Б, сопрягаемой с соответствующей поверхностью 11 Б магнитодержателя 11.Rotor 2 performs a working angular movement in the XY plane in an angular range up to 360 ° inclusive with two degrees of freedom (clockwise and counterclockwise). To limit the angular range to less than 360 ° in the housing 5 there are stops 5 V, and in the part of the magnet holder 11 with the same purpose protrusions 11 in. The bottom surface of the 11 V magnet holder with the protrusions 11 V is associated with the corresponding inner surface of 5 V with stops 5 V. The insert 13 provides an optimal air gap in the system between the microcircuit 7 and 8 and the magnet 10 and limits the vertical movement of the rotor 2 along the Z axis by means of the same seating surface 13 B, mating with the corresponding surface 11 B of the magnet holder 11.

ТМР компоненты не только допускают замещение датчиков Холла в конструкции прототипа, но и обеспечивают за счет собственной высокой чувствительности к параллельным компонентам магнитного поля большие рабочие расстояния – порядка 2-5 мм и выше, причем с тем же малым магнитом диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм, являющимся предпочтительным выбором в устройстве прототипа. ТМР компоненты допускают более гибкое механическое размещение в 3D пространстве датчика 7 и 8 относительно магнита 10 – с любой стороны платы 9. Применение ТМР компонентов демонстрирует дальнейшую миниатюризацию, возможность гибкого подбора магнитов любой формы и намагниченности вместе с варьированием рабочих расстояний, дальнейшее упрощение конструкции и монтажа.TMP components not only allow the replacement of Hall sensors in the design of the prototype, but also due to their own high sensitivity to parallel components of the magnetic field, large working distances are of the order of 2-5 mm and higher, with the same small magnet with a diameter of 6 mm and a height of 2, 5 mm, which is the preferred choice in the prototype device. TMP components allow more flexible mechanical placement in the 3D space of the sensor 7 and 8 relative to the magnet 10 - on either side of the board 9. The use of TMP components demonstrates further miniaturization, the possibility of flexible selection of magnets of any shape and magnetization along with varying working distances, further simplifying the design and installation .

Поскольку ТМР компоненты представляют собой истинно двухосевые компоненты, снижение нежелательной чувствительности к вертикальным смещениям и наклонам магнита 10 относительно датчика 7 и 8 достигается на физическом уровне.Since TMP components are truly biaxial components, a reduction in undesirable sensitivity to vertical displacements and tilts of magnet 10 relative to sensor 7 and 8 is achieved at the physical level.

Так как ТМР компоненты – это истинно двухосевые датчики, имеющие в плоскости XY не только высокую рабочую, но и паразитную чувствительность, в конструкциях могут быть приняты специальные меры по уменьшению нежелательных горизонтальных смещений магнитной системы, эксцентриситету вращения и наклонов ротора относительно центра датчика. Малый эксцентриситет позволяет использовать меньшие по размерам магниты, а больший эксцентриситет может быть скомпенсирован применением магнитов, больших по размерам и намагниченности.Since TMP components are truly biaxial sensors that have not only high working, but also parasitic sensitivity in the XY plane, special measures can be taken in designs to reduce unwanted horizontal displacements of the magnetic system, the eccentricity of the rotor and the slope of the rotor relative to the center of the sensor. A small eccentricity allows the use of smaller magnets, and a larger eccentricity can be compensated for by the use of magnets larger in size and magnetization.

Центральное сквозное отверстие 13 г во вставке 13 центрировано относительно микросхемы 7 и 8 и формирует цилиндр или усеченный конус с внутренней поверхностью 13 Г, обеспечивающий возможность углового движения ротора в плоскости XY с двумя угловыми степенями свободы. Эксцентриситет и нежелательные радиальные смещения магнитодержателя 11 с магнитом 10 относительно датчика 7 и 8 уменьшаются путем подбора соответствия размеров – высоты и внешних диаметров элементов 11 а и 11 б магнитодержателя 11, высоты и диаметра отверстия 13 г (площади внутренней поверхности 13 Г), высоты корпусной поверхности 5 Б для посадки донной поверхности 13 Б посредством элементов корпуса 5 б и элементов вставки 13 б. Для увеличения высоты отверстия 13 г во вставке 13 могут использоваться те же цилиндрические выступы 13 в, заимствованные из конструкции прототипа.The Central through hole 13 g in the insert 13 is centered relative to the microcircuit 7 and 8 and forms a cylinder or a truncated cone with an inner surface of 13 G, which allows the angular movement of the rotor in the XY plane with two angular degrees of freedom. The eccentricity and unwanted radial displacements of the magnet holder 11 with the magnet 10 relative to the sensor 7 and 8 are reduced by selecting the correspondence of the sizes — the height and outer diameters of the elements 11 a and 11 b of the magnet holder 11, the height and diameter of the hole 13 g (the area of the inner surface is 13 G), and the height of the case surface 5 B for landing the bottom surface 13 B through the elements of the housing 5 b and insert elements 13 b. To increase the height of the hole 13 g in the insert 13 can be used the same cylindrical protrusions 13 in, borrowed from the design of the prototype.

Микросхема 7 или 8 или магнит 10 в конструкции заявляемого устройства имеют весьма малые размеры, что допускает не только их гибкое размещение в корпусе 5, но и гибкую модификацию их взаимного вертикального позиционирования благодаря наличию круглого отверстия 13 г, допускающего варьирование рабочего расстояния (зазора) как за счет изменения вертикального положения магнита 10, так и за счет возможности вертикального позиционирования в пределах данного отверстия датчика 7.The microcircuit 7 or 8 or magnet 10 in the design of the inventive device is very small, which allows not only their flexible placement in the housing 5, but also the flexible modification of their mutual vertical positioning due to the presence of a 13 g round hole that allows varying the working distance (gap) as due to changes in the vertical position of the magnet 10, and due to the possibility of vertical positioning within this hole of the sensor 7.

Кроме того, применение ТМР и им подобных компонентов в конструкциях датчиков положения дроссельной заслонки демонстрирует другие преимущества – снижение энергопотребления, повышение надежности и функциональной безопасности. Выход обычной микросхемы из строя приводит к полной неработоспособности любого датчика, что угрожает так называемой автомобильной функциональной безопасности, обеспечение которой актуализировано стандартом ISO26262. Рассмотренные конструкции легко допускают размещение двух ТМР датчиков одновременно с обеих сторон платы и создание так называемой избыточной измерительной системы.In addition, the use of TMP and similar components in the design of throttle position sensors demonstrates other advantages - reduced energy consumption, increased reliability and functional safety. The failure of a conventional microcircuit leads to the complete inoperability of any sensor, which threatens the so-called automotive functional safety, the provision of which is updated by the ISO26262 standard. The considered designs easily allow the placement of two TMP sensors simultaneously on both sides of the board and the creation of the so-called redundant measuring system.

Избыточная конфигурация на основе двух датчиков 7 и 8, одновременно смонтированных с обеих сторон платы 9, показана на фиг. 4.A redundant configuration based on two sensors 7 and 8, simultaneously mounted on both sides of the board 9, is shown in FIG. four.

В заявляемом устройстве предпочтительно использование компонентов 7 и 8 максимально высокого уровня интеграции – уровня система на кристалле или система в корпусе, программируемых в EEPROM датчиков, с функциями ЦОС посредством микроконтроллеров, также допускающих подключение других типов датчиков – температуры, МЭМС датчиков инерции и превращение устройства из обычного датчика угла поворота в микроконтроллерный сенсорный узел. При отсутствии доступной компонентной базы высокоинтегрированных микросхем такая схема обработки может быть выполнена внешней по отношению к датчику 7 (датчикам 7 и 8) и размещена на плате 9.In the inventive device, it is preferable to use components 7 and 8 of the highest possible integration level - a system-on-a-chip level or a system in a housing, sensors programmable in the EEPROM, with DSP functions via microcontrollers, which also allow the connection of other types of sensors - temperature, MEMS inertia sensors and turning the device from conventional angle sensor in the microcontroller sensor assembly. In the absence of an accessible component base of highly integrated circuits, such a processing scheme can be performed external to the sensor 7 (sensors 7 and 8) and placed on the board 9.

В избыточной конфигурации любой из датчиков 7 и 8 может иметь максимально возможный уровень интеграции, а также может представлять собой избыточный компонент, что будет обеспечивать еще более высокую надежность и функциональную безопасность.In a redundant configuration, any of the sensors 7 and 8 can have the highest possible level of integration, and can also be a redundant component, which will provide even higher reliability and functional safety.

Поскольку ТМР компоненты, в частности, обладают сниженным энергопотреблением, то в случае их применения достигается снижение энергопотребления всего устройства, они также не требуют усиления и дополнительных компонентов и, следовательно, их точность не зависит от шумов вследствие усиления. Другие типы датчиков (АМР, ГМР, вертикальные датчики Холла), хотя и не могут обеспечить такое же снижение энергопотребления, но они вполне совместимы с текущими условиями питания в автомобиле, а за счет достигнутого ими уровня интеграции они также не требуют многих дополнительных компонентов схемы.Since TMP components, in particular, have reduced power consumption, in the case of their application, the energy consumption of the entire device is reduced, they also do not require amplification and additional components, and therefore their accuracy does not depend on noise due to amplification. Other types of sensors (AMR, GMR, vertical Hall sensors), although they cannot provide the same reduction in energy consumption, they are quite compatible with the current power conditions in the car, and due to the level of integration they achieved, they also do not require many additional circuit components.

По сравнению с прототипом заявляемый бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала характеризуется увеличенной чувствительностью именно к рабочему параллельному магнитному полю, что достигается применением интегрального компонента на основе любого из эффектов, чувствительных только к параллельным компонентам поля – ТМР (предпочтительно), АМР, ГМР, вертикальных датчиков Холла или других типов истинно двухосевых датчиков. Устройство допускает широкий спектр подходящей компонентной базы. За счет использования более высокочувствительного компонента достигается повышение разрешения и измерительной точности, в идеальных условиях эквивалентной разрешению. Так как в устройстве применяются специальные, включая конструктивные, меры по снижению нежелательной чувствительности к вертикальным, горизонтальным смещениям, наклонам, то условия функционирования датчика приближаются к идеальным и, следовательно, точность повышается именно в реальных рабочих условиях. В заявляемом датчике продемонстрированы общее повышение гибкости взаимного механического размещения в 3D датчика относительно магнита, платы, корпуса и деталей статора и ротора, дальнейшая миниатюризация, упрощение конструкции и монтажа и ряд частных преимуществ при применении отдельных компонентов, включая снижение энергопотребления ТМР компонентов.Compared with the prototype, the inventive non-contact true biaxial shaft angle sensor is characterized by increased sensitivity specifically to the working parallel magnetic field, which is achieved by using an integral component based on any of the effects that are sensitive only to parallel field components - TMP (preferably), AMR, GMR, vertical Hall sensors or other types of true biaxial sensors. The device allows a wide range of suitable component base. Through the use of a more highly sensitive component, an increase in resolution and measuring accuracy is achieved, in ideal conditions equivalent to resolution. Since the device uses special, including constructive, measures to reduce unwanted sensitivity to vertical, horizontal displacements, inclinations, the operating conditions of the sensor approach ideal and, therefore, the accuracy increases precisely in real operating conditions. The inventive sensor demonstrates a general increase in the flexibility of mutual mechanical placement in the 3D sensor relative to the magnet, circuit board, housing and parts of the stator and rotor, further miniaturization, simplification of design and installation, and a number of private advantages when using individual components, including reducing power consumption of TMP components.

Применение избыточных компонентов и избыточные конфигурации демонстрируют преимущества повышения надежности и функциональной безопасности. Заявленное устройство допускает гибкую модификацию конструкций от одной к другой.The use of redundant components and redundant configurations demonstrate the benefits of increased reliability and functional safety. The claimed device allows flexible modification of structures from one to another.

Технический результат, достигнутый данным изобретением, состоит в одновременном достижении всех вышеперечисленных преимущественных признаков, важнейшими из которых являются повышение чувствительности, точности и надежности, гибкий подбор компонентной базы, магнитов различной геометрии и гибкое варьирование их взаимного размещения в корпусе датчика, а также совместимо с любыми передовыми методами для адаптации устройства к требованиям конкретной измерительной системы, включая программирование после сборки, избыточные решения и концептуальные сенсорные узлы.The technical result achieved by this invention is to simultaneously achieve all of the above advantageous features, the most important of which are increased sensitivity, accuracy and reliability, flexible selection of the component base, magnets of various geometries and the flexible variation of their mutual placement in the sensor housing, and is also compatible with any best practices for adapting the device to the requirements of a particular measuring system, including post-assembly programming, redundant solutions, and conceptually sensor nodes.

Claims (10)

1. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала, использующий магнитную систему на основе малого дипольного диаметрально намагниченного магнита, совершающего угловое движение с двумя степенями свободы в рабочей плоскости, параллельной лицевой поверхности программируемого двухосевого энкодера Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими (ИМК) дисками, выполняющими физическое преобразование магнитного поля в рабочей плоскости в перпендикулярное, к которому истинно чувствителен датчик Холла с ИМК, отличающийся тем, что используются другие типы датчиков, высокочувствительные только к компонентам магнитного поля в рабочей (XY) плоскости и полностью или сравнительно малочувствительные к вертикальной составляющей (Z) магнитного поля, а интегральный компонент истинно двухосевого датчика может быть смонтирован с любой стороны платы, также центральный конструктивный компонент или элемент детали корпуса – вставка – жестко соединен с корпусом и обеспечивает точное позиционирование в корпусе статора друг относительно друга дипольного магнитного ротора и интегрального компонента двухосевого магниточувствительного датчика с оптимальным рабочим расстоянием между ними, кроме того, в датчике угла поворота вала используется дипольный магнит, намагниченный параллельно той плоскости, в которой ротор совершает рабочее угловое движение с двумя степенями свободы, также имеется интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами, включенный в схему обработки сигнала, и избыточный интегральный датчик, объединяющий в одном интегральном корпусе два магниточувствительных элемента.1. A non-contact true biaxial shaft angle sensor using a magnetic system based on a small dipole diametrically magnetized magnet that performs angular motion with two degrees of freedom in the working plane parallel to the front surface of the programmable two-axis Hall encoder with integrated magnetically concentrating (IMC) disks that perform physical conversion magnetic field in the working plane perpendicular to which the Hall sensor with IMC is truly sensitive, characterized in that other types of sensors are used, which are highly sensitive only to the components of the magnetic field in the working (XY) plane and are completely or relatively insensitive to the vertical component (Z) of the magnetic field, and the integral component of the true two-axis sensor can be mounted on either side of the board, also the central structural component or an element of the housing part — the insert — is rigidly connected to the housing and ensures accurate positioning of the dipole magnetic rotor relative to each other in the stator housing and an integral component of a biaxial magnetosensitive sensor with an optimal working distance between them, in addition, a dipole magnet magnetized in parallel with the plane in which the rotor makes a working angular movement with two degrees of freedom is used in the shaft angle sensor, there is also an integral true biaxial magnetosensitive sensor ( encoder) with sine-cosine primary output signals, included in the signal processing circuit, and a redundant integrated sensor, combining in one Ohm integrated case two magnetically sensitive elements. 2. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что такими компонентами являются все магниторезистивные датчики на основе так называемых XMR эффектов – АМР, ГМР, ТМР, КМР (колоссальные магниторезистивные), ЭМР (экстраординарные магниторезистивные) и датчики Холла с вертикальными (не планарными) элементами, чувствительные только к компонентам магнитного поля в плоскости XY.2. The non-contact true two-axis shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that such components are all magnetoresistive sensors based on the so-called XMR effects - AMR, GMR, TMP, CMR (colossal magnetoresistive), EMR (extraordinary magnetoresistive) and sensors Hall with vertical (non-planar) elements, sensitive only to the components of the magnetic field in the XY plane. 3. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что другие типы датчиков являются датчиками, чувствительными именно к компонентам магнитного поля в XY плоскости, АМР, ГМР, ТМР и другие МР, причем датчики, используемые в данном устройстве, чувствительны к направлению, но не величине магнитного поля в XY плоскости.3. The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the other types of sensors are sensors that are sensitive specifically to the components of the magnetic field in the XY plane, AMR, GMR, TMP and other MR, and the sensors used in this device are sensitive to the direction, but not the magnitude of the magnetic field in the XY plane. 4. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что два интегральных компонента истинно двухосевого датчика могут быть смонтированы одновременно с обеих сторон платы с обеспечением рабочего расстояния между каждой микросхемой и магнитом в магнитной системе, что позволяет снимать два синусно-косинусных или угловых сигнала одновременно либо один из них в случае выхода одного из датчиков из строя (избыточная система).4. The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the two integral components of the true biaxial sensor can be mounted simultaneously on both sides of the board, providing a working distance between each microcircuit and the magnet in the magnetic system, which allows you to remove two sinus -cosine or angular signal at the same time or one of them in case of failure of one of the sensors (redundant system). 5. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что во вставке выполнено центральное круглое отверстие, одновременно обеспечивающее ограничение нежелательных перемещений ротора по вертикали и горизонтали, а также оптимальное размещение в нем микросхемы или магнита.5. The non-contact true biaxial shaft rotation angle sensor according to claim 1, characterized in that the insert has a central circular hole that simultaneously limits unwanted rotor movements vertically and horizontally, as well as the optimal placement of a microcircuit or magnet in it. 6. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что дипольный магнит имеет любую из следующих форм: сплошной цилиндр, диск, цилиндр или диск с центральным сквозным отверстием или несквозным (пазом) со стороны, примыкающей к магниточувствительному датчику при его установке в магнитодержатель, кольцеобразный магнит (с широким сквозным отверстием), магнит в форме прямоугольного параллелепипеда или куба.6. The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the dipole magnet has any of the following forms: a solid cylinder, disk, cylinder or disk with a central through hole or through (groove) from the side adjacent to the magnetically sensitive sensor when installed in a magnet holder, an annular magnet (with a wide through hole), a magnet in the form of a rectangular parallelepiped or cube. 7. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что схема обработки сигнала, которая формирует выходной сигнал, пропорциональный углу поворота с нулевым или опорным значением, относительно которого вычисляется угол поворота, включает также перепрограммируемую память EEPROM для выполнения такого программирования, кроме того, и схема обработки сигнала может быть интегрирована в интегральный модуль истинно двухосевого магниточувствительного датчика (энкодера) или в интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер), представляющий собой интегральную микросхему датчика.7. The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the signal processing circuitry which generates an output signal proportional to the rotation angle with a zero or reference value, with respect to which the rotation angle is calculated, also includes a reprogrammable EEPROM memory to perform such programming, in addition, and the signal processing circuit can be integrated into the integrated module of a true biaxial magnetosensitive sensor (encoder) or into an integrated true biaxial mag thread-sensitive sensor (encoder), which is an integrated sensor chip. 8. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что избыточный интегральный датчик, объединяющий в одном интегральном корпусе два магниточувствительных элемента одного или разных типов, которые вырабатывают по два первичных синусно-косинусных выходных сигнала каждый, для этих первичных сигналов две внешние или интегрированные схемы обработки сигнала формируют двойной выходной сигнал, пропорциональный углу поворота.8. The non-contact true biaxial shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the redundant integrated sensor that combines two magnetically sensitive elements of one or different types in one integrated housing that produce two primary sine-cosine output signals each, for these primary signals, two external or integrated signal processing circuits form a double output signal proportional to the angle of rotation. 9. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, отличающийся тем, что одновременно два интегральных датчика одного или разных (в том числе избыточного) типов в корпусе статора устройства могут быть позиционированы с обеих сторон печатной платы и вырабатывать, как минимум, два первичных синусно-косинусных выходных сигнала каждый, для которых две внешние или интегрированные схемы обработки сигнала формируют, как минимум, двойной выходной сигнал, пропорциональный углу поворота.9. The non-contact true two-axis shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that at the same time two integral sensors of one or different (including redundant) types in the stator housing of the device can be positioned on both sides of the printed circuit board and produce, at a minimum, two primary sine-cosine output signals each, for which two external or integrated signal processing circuits form at least a double output signal proportional to the angle of rotation. 10. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала по п.1, в котором, как минимум, один интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами включен в схему обработки сигнала с микроконтроллером, выполняющим все функции обработки сигнала и допускающим подключение других типов датчиков, представляет собой бесконтактный истинно двухосевой сенсорный узел для измерения угла поворота вала. 10. The non-contact true two-axis shaft angle sensor according to claim 1, in which at least one integral truly two-axis magnetically sensitive sensor (encoder) with sine-cosine primary output signals is included in the signal processing circuit with a microcontroller that performs all signal processing functions and allowing the connection of other types of sensors, it is a non-contact, truly biaxial sensor unit for measuring the angle of rotation of the shaft.
RU2014119723A 2014-05-16 2014-05-16 Contactless true dual axis shaft encoder RU2615612C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119723A RU2615612C2 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Contactless true dual axis shaft encoder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119723A RU2615612C2 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Contactless true dual axis shaft encoder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014119723A RU2014119723A (en) 2015-11-27
RU2615612C2 true RU2615612C2 (en) 2017-04-05

Family

ID=54753272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014119723A RU2615612C2 (en) 2014-05-16 2014-05-16 Contactless true dual axis shaft encoder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2615612C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755082C1 (en) * 2021-02-12 2021-09-13 Олег Александрович Поваляев Measuring unit for voltage measurement
RU2755547C1 (en) * 2021-02-12 2021-09-17 Олег Александрович Поваляев Measuring module for measuring humidity
RU2756664C1 (en) * 2021-02-12 2021-10-04 Олег Александрович Поваляев Measuring module for measuring absolute pressure
RU207090U1 (en) * 2021-06-11 2021-10-12 Публичное акционерное общество "Электромеханика" STEERING ANGLE SENSOR

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108709491B (en) * 2018-08-14 2024-03-29 河北稳控科技股份有限公司 Non-contact structure deformation monitoring device and method
CN114323064B (en) * 2021-11-16 2023-10-13 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 Self-calibration method for double-shaft indexing mechanism of redundant rotary inertial navigation system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6867584B1 (en) * 2003-11-04 2005-03-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Non-contact type rotation-angle sensing device
RU63926U1 (en) * 2006-12-26 2007-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Калужский завод телеграфной аппаратуры" RACK POSITION SENSOR
RU2317522C2 (en) * 2006-01-30 2008-02-20 Курский государственный технический университет КурскГТУ Programmable contact-free angular movement indicator with linear angular range within limits of 360°
US20120223699A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-06 Honeywell International Inc. 360-degree angle sensor
RU2462724C2 (en) * 2010-12-13 2012-09-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Contactless angular position sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6867584B1 (en) * 2003-11-04 2005-03-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Non-contact type rotation-angle sensing device
RU2317522C2 (en) * 2006-01-30 2008-02-20 Курский государственный технический университет КурскГТУ Programmable contact-free angular movement indicator with linear angular range within limits of 360°
RU63926U1 (en) * 2006-12-26 2007-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Калужский завод телеграфной аппаратуры" RACK POSITION SENSOR
RU2462724C2 (en) * 2010-12-13 2012-09-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Contactless angular position sensor
US20120223699A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-06 Honeywell International Inc. 360-degree angle sensor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755082C1 (en) * 2021-02-12 2021-09-13 Олег Александрович Поваляев Measuring unit for voltage measurement
RU2755547C1 (en) * 2021-02-12 2021-09-17 Олег Александрович Поваляев Measuring module for measuring humidity
RU2756664C1 (en) * 2021-02-12 2021-10-04 Олег Александрович Поваляев Measuring module for measuring absolute pressure
RU207090U1 (en) * 2021-06-11 2021-10-12 Публичное акционерное общество "Электромеханика" STEERING ANGLE SENSOR

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014119723A (en) 2015-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2615612C2 (en) Contactless true dual axis shaft encoder
KR101953009B1 (en) Magnetic angular position sensor
US7112962B2 (en) Angular position detection utilizing a plurality of rotary configured magnetic sensors
US8450999B2 (en) Rotary position sensor
JP5840374B2 (en) Absolute encoder device and motor
JP5666886B2 (en) Rotary encoder
US20130200883A1 (en) Magnetic field sensor
JP6301970B2 (en) Magnetic linear or rotary encoder
JP4900835B2 (en) Angle detection device, valve device and non-contact volume
US20090140724A1 (en) Magnetic Field Sensor Assembly
US9851221B2 (en) Hall sensor insensitive to external magnetic fields
US20120038348A1 (en) Angle detection apparatus and position detection apparatus
KR20140135797A (en) Apparatus and method for the redundant, absolute position determination of a movable body
US6614223B2 (en) Analog angle encoder having a single piece magnet assembly surrounding an air gap
JP2007040850A (en) Rotating angle sensor
KR102383206B1 (en) Measuring device for a contactless rotation angle detection
US7710110B2 (en) Rotary sensor with rotary sensing element and rotatable hollow magnet
US11276517B2 (en) Multipole magnet, method of producing, and sensor system comprising same
JP2008151628A (en) Rotation sensor
JP7114315B2 (en) encoder
JP4925389B2 (en) Encoder
JP2002156204A (en) Magnetic sensor and angle sensor
RU2317522C2 (en) Programmable contact-free angular movement indicator with linear angular range within limits of 360°
WO2019171763A1 (en) Linear position sensor
JP2020088976A (en) motor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170512