專利名稱：用于液壓缸的位置測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于液壓缸的位置測量系統，其中，至少一個用于檢 測磁場的傳感器識別設置在液壓缸活JPfr上的困案，并由此確定所述活塞 的位置。
背景技術：
用于液壓舡的位置測量系統在對沖程長度的控制和調節需要準確地知 道活塞的位罝的愔況下使用。EP0 618 373B1公開了一種位置測量系統，其中，活S^t設置有凹槽 結構并且對該結構進行磁性掃描.通常采用非常深的結構，且所述結構填 充有陶瓷涂層.這種陶瓷涂層非常堅硬，但是其缺點是^的陶資顆粒會 磨蝕損壞液壓缸的密封系統，因此，具有陶瓷涂層的系統不適用于多氣釭 沖程的情況并且限制了其使用壽命。發明內容因此，本發明的目的是提供一種用于液壓缸的位置測量系統，其中活 塞桿的表面性質得到改進，從而減小磨損并由此延長所述系統的使用壽命，M本發明，所述目的通過提供如本發明的權利要求1所述的用于液 壓缸的位置測量系統而實現.在此，活塞桿的桿芯由具有高磁化率的金屬制成，并且具有jM^沿軸向的凹槽結構。所述凹槽結構填充有磁化率低于 桿芯的磁化率的金屬.軸向位置固定的磁體產生根據凹槽結構變化的磁 場，并由至少一個傳感器測量該磁場的變化。由于磁場的變化依賴于凹槽 結構的位置，活塞的位置可以通過測量所逸磁場的變化而確定。由于使用金屬來填充凹槽結構，這使活塞桿在^yt、磨損度、抗腐蝕 性和使用壽命等方面具有優良的表面性質，這些性質相當于不具有位置測量系統的活塞軒的性質。具體地，由此，所i^面非常光滑，從而諸如密封系統等的其它釭部件不會被損壞并且整個系統具有較長的使用壽命。進 一步講，使用金屬來填充凹槽結構，這使凹槽結構深度較小，從而其切口 效應可以忽略，并且對缸的構造不需要進行改變。而且，進行評估的整個 傳感器系統以及電子系統在無壓區域的系統中設置，不會受到壓力峰值的 損壞。總體上講，本發明提供了一種構造簡單且極為耐用的系統，所述系統可以低成本地制迭^L採作，特別是由于低磨損還可以用于多氣缸沖程的系統。而且，本發明的測量系統可以結合在任意缸中，而不用"質上改 變釭的構造。優選地，所迷至少一個傳感器沿特定方向測量所逸磁場，這樣增強了 傳感器對磁場臾化的炎歉l優選地，所u體是^體，其南北軸線根據所述傳感器(30、 40)的i更置和方向延伸。W地，所述南北軸線可相 對活塞徑向地Jl伸，而至少一個傳感器測量磁場的特定方向與軸向垂直地 延伸。由此，確保凹橫結構的軸向移位極大地影響傳感器測量的磁場，這 樣增強了位置齲重的準確度和可靠性。優選地，所述凹橫結構包括凹部和凸部，其中，優選地，在軸向上相 鄰的凹橫結構的凹部或凸部彼jW^巨離相同，進一步優選地，凹槽結構沿軸向具有周期性、具體4JM^為正弦曲線的形狀.通過這種周期性變化的結 構，當活1^速動時，由至少一個傳感器測量的磁場隨著活:i^f的運動周期性變化，因此便于位置的確定。所測量的雄場以這樣的一個周期的變化與活塞桿位置沿軸向通過兩相 鄰凹部或凸部間的距離的移位相對應。通過在所測量的磁場中對周期進行 計數，可以容易地計算活塞位置的相對運動。為了同時提供對絕對位罝的確定，優選地，可以省略個別凹部或凸部 以形成參考標記。優選地，參考標記設置為使位于兩個相鄰參考標記之間 的凸部或凹部的數目在整個所述凹槽結構上各不相同，從而每個位于兩參
考標記之間的間隔均由凸部或凹部的數目明確Ak4^.最i^E傳感器檢測 到第二參考標記后，由此還可以確切地指示活;g^f的絕對位置。本發明的用于液壓缸的位置測量系統、具體是具有本發明用于確定活 塞桿的絕對位置的參考標記的位置測量系統具有如下的優點，由于使用了 兩個傳感器，可以明確地識別參考標記，并由此得到僅具有幾個傳感器的 結構簡單、成本^*的構造.另外，所述系統可以采用小而節省空間的形 式實現，并且不需要相對活塞桿以固定的徑向位置安裝，這樣又能夠使所 述構造的結構簡羊，成本低廉。優選地，麥考標記設里為使兩個參考標記之間的距離在活塞桿上需要 對位置進行快速指示的區域中最小。通常，所述區M活塞桿的開始處和 末端部，參考標記間的距離較大的情況可以設置在活塞桿的中部一一在該 區域很少需要對位置進行快速指示。優選地，所迷高磁化率的金屬桿芯為鐵磁性的，填充在所述凹櫓結構 中的低1^化率的金屬為非鐵磁性的。優選地，所述金屬桿芯由鋼制成。優選地，填充所述凹橫結構的金屬基本由鉻組成。當然其它金屬或合 金也可以在此使用，僅僅取決于磁t化率的差異.具體地，也可以使用非鐵 磁性的鎳。設里有凹槽結構的金屬桿芯的磁化率和填充在凹槽結構金屬的 磁化羋的差異使由磁體產生的磁場強度取決于凹槽結構的位置一一尤其 是軸向上的位置而極大地變動。目前，磁場的變動可以通過傳感器測量， 優選地，所述傳感器位于磁t體和活:i^t之間，即直接鄰近活塞桿。因此， 使用鐵磁性材料作為桿芯是有利地，其大大增強了從外部作用的磁場，而 非鐵磁性材料不具有這種性質，與鐵磁性材料相比，非鐵磁性材料僅能在 非常有限的范圃內改變磁場，根據所使用的材料可以進行正向及負向改 變。在眾多M中，鋼是鐵磁性的，所以通常在液壓釭使用的由鋼制成的 活塞扦可以用于本發明的系統，而無需進行顯著的改變。另一方面，鉻是 非鐵磁性的，由于鉻還可以滿足活塞桿表面在硬度、粗糙度、抗腐蝕性和 使用壽命等方面的其余需要，因此其極適于用作填充凹槽結構的金屬。另外，優逸地，凹槽維構可以填充非鐵磁性的鎳合金，優選地，這種 非鐵磁性的鎳^r包^過10.5%的褲。這樣在抗腐蝕性方面更有利。
而且，這種填充凹柵結構的非鐵磁性的鎳M可被磨光并再次以鉻包覆。此外，優選地，可在高鐵磁性的金屬桿芯和填充凹槽結構的低鐵磁性 的金屬之間設置另一金屬層。所述金屬層的磁性不是決定性的，所以可以 借助該附加的金屬層決定改進諸如抗腐蝕性、使用壽命和與填充凹槽結構 的金屬的粘附力等性質.具體地，為此目的可以使用薄的鐵磁性的鎳層，其優選地電沉積或無電沉積在凹槽結構上，優選地其厚度小于50jrni。該 金屬層(具體是鎳層)主要用于改進桿的抗腐蝕性。所述金屬層可以是磁 性的，但因為所述金屬層均勻地在整個凹槽結構上生成，其不會改變由傳 感器測量的信號。優選地，敏槽結構交替地具有凹部和凸部，優選地，凹部相對凸部的 深度約為200fun.優選地，填充凹槽結構的金屬完全填充所述凹槽結構， 使得在所述凹部上方的金屬厚度大于200jtm。優選地，在凸部上方，填充 凹槽結構的金屬的厚度約為50jim。優選地，在金屬桿芯和填充凹槽結構 的金屬之間形成的附加金屬層的厚度可小于50jun。優選地，該金屬層電 沉積或無電沉積在金屬桿芯上。優選地，壤充凹櫓結構的金屬(即，具體是鉻)同樣繞金屬桿芯電沉 積在金屬桿芯或金屬層(具體是鎳)上。因為使用厚^b^過50^im的鉻層 會產生問題，即，在這樣的厚度層中會產生抗張應力而導致產生裂縫，因 此優選地填充U槽結構的金屬(即，具體是鉻)通過多層結構式方法施加。 在這種多層結構式方法中，所述金屬以每層小于50jun厚度以多層結構方 式施加，在各層之間各形成過渡區，所述過渡區可以減小應力。在這種一 層位于一層之上的多個薄層的結構中，大大降低了形成裂縫的頻率，并且 裂縫可在過渡區停止。通過再磨鯛活塞桿，去除了填充凹槽結構的過量的金屬，并使活塞桿 的表面光滑.優選地，填充凹槽結構的金屬(即，特別是鉻)的最小厚度 應當低于50ji鵬。通過再磨削活塞桿而得到光滑的表面，具體來說，在硬度、**yL、抗腐蝕性和使用壽命等方面與普通的活*#相比沒有不利之 處。
當凹槽結購填充有非鐵磁性的鎳合金時，優選地同樣通過電沉積實現。 但是，非鐵磁牲的鎳層也可以通過無電沉積形成。在再磨削活l^f而得到 光滑平面之后，優選地立刻將活塞桿以鉻層包復，優選地，所述鉻層同樣 通過電沉積實現并再次^面性質改進。優選地，用于測量磁場的傳感器包括磁阻傳感器，此外優選地，所述 磁阻傳感器包括多個磁阻電阻器結構.所使用的是傳統的磁阻傳感器或GMR (大型的磁阻電阻)傳感器.這兩種類型的傳感器都特別適合于測量 磁場，但GMR傳感器的功效更好。優選地，這些磁阻電阻器結構設置在 兩個橋接電路中，即正弦電路和余弦電路中，優選地，磁阻電阻器結構的 距離適合凹槽鳙構的周期長度。所述傳感器位于磁t體和活l^t之間，并且 因為所述部件在活塞桿以及凹槽圖案的軸向運動過程中最受影響，優選 地，所述傳感暴在軸向上測量磁場。優選地，由這種傳感器輸出的信號通過其正交信號推定，進一步地， 所述正交信號可以通過正交計數器推定并且提供分辨率為四分之一凹槽 結構周期長度的增量位置信號.所"交計數器對正弦信號和余弦信號的 傾##分進行計數，優選地，對兩種信號間的相位關系的分析提供了對所 述方向的描述.如果需類，較高的位置分辨率，優選地，可以通過由正弦信 號和余弦信號形成的系數而將分辨率增大至可以獲得優于1/360凹槽結構 周期長度的分辦率。優選地，本發明的位置測量系統包括彼此間在軸向上具有固定距離的 兩個傳感器.具體地，有利地是，在兩個傳感器之間的距離是多倍、在此 具體是兩倍凹橫結構的周期長度.通過比較兩個傳感器的信號可以識別省 略凹部或凸部形式的參考標記，這還可以提供對絕對位置的測量。如杲僅使用一個具有正弦橋和余弦橋的傳感器芯片，則不能明確地檢 測經過參考標記的情況。傳感器僅抝除測到磁場在一定周期內不再變化。 然而，這種情沈也可能是由于活塞桿不再移動而系統由此處于靜止狀態所 致。優選地，速種問趙可以通過使用笫二傳感器解決。如果傳感器經過省 略的凹部或凸部，笫一正交計數器的讀數首先保持恒定，而對應笫二傳感 器的笫二正交計數器繼續。如果現在第二傳感器經過同樣的省略凹部或凸 部，對應的笫二正交計數器的讀數停止。完全經過參考標記后，兩個正交計數器再次同步運行。通過這種信號可以明確地檢測到參考標記。優選地，如果位于相鄰參考標記之間的凸部或凹部的數目對于每個位 于兩個參考標記之間的間隔來說都是不同的，當經過第二參考標記時，通 過對介入的凹部或凸部進行計數以及通過從正弦信號和余弦信號之間的 相位關系確定逸動的方向可以明確地確定絕對位置。具體地，可以通過僅 使用兩個傳感審實現，這樣節約了成本并節省了空間.此外，優逸地，,本發明的用于液壓缸的位置測童系統包括傳感器 固定器，所述傳感器固定器包括滑動構件以及彈黃，傳感器和磁體設置在 該滑動構件中.優選地，由鋁制成的滑動構件和傳感器一起確保可以盡可能小且恒定的距離沿活塞桿的表面引導傳感器。滑動構件可移動地安** 殼體內，并通過彈黃向活塞桿的表面迫壓。優選地，面對活塞桿的滑動構 件的前側是彎曲的，優選地，滑動構件的內半徑小于活塞桿的半徑，從而滑動構件僅在其外緣上擱置在活:g^f上，并由此沿活S^t滑動。優選地，傳感器的平面與活:iif的表面之間的距離小于lmm。在這種距離時，由傳感器測量的磁場仍然會受到凹槽結構極大地影響，這樣可以對凹槽結構進行安全Jblt確的識別。在此，總體上應當注意的是，為了增大信號強度， 傳感器與凹槽錄構的距離不應該比凹槽結構的深度大4艮多，即至少在同樣 的數量級內.為了減小摩擦并增強抗磨損的保護，優選地，由鋁制成的滑動構件設 置有涂層。而且，優選地，該涂層為含有PTFE包含物的電沉積中間層。此外，本發明包括一種用于生產本發明的用于液壓缸的位置測量系統 的活塞桿的方法，其中，將本發明的凹槽圖案磨制到金屬桿芯中，在凹槽 結構上電沉積或無電沉積一層或多層>#化率低于桿芯的磁化率的金屬，具 體是使用鉻或非鐵磁性的鎳^r，并且其中，磨削填充凹槽結構的金屬而 獲得光滑的表面.優選地，在施加填充凹槽結構的金屬之前，根據此方法電沉積或無電 沉積另一個金屬層，具體是鎳層。優選地，在磨削填充凹橫結構的金屬之后，具體是當使用非鐵磁性鎳 ^r填充凹橫錄構時，本發明的方法還包括以下步驟電沉積或無電沉積沉積另一金屬層，具體^1^^層。在本發明的活*#上連續施加的困案稱為凹槽結構。有利地，這種凹 槽圖案以旋轉對稱的方式圍繞活塞桿的整個外周，所以當組裝活塞軒和傳 感器時，無需注意活塞fr的方向。可以在進行軸向運動的同時轉動活塞桿 而不會影響本發明的位置測量系統的測重結果。然而，顯然，這種凹槽圍 案在徑向上的延伸對于本發明的位置測量系統的功能不是決定性的.為了測量系統的運行，凹槽結構必須只有沿徑向的一種延伸，所ii^伸與所使 用的傳感器的延伸對應。如果這種延伸非常小，各凹部和凸部也可以在很 大程度上呈點狀。然而，對于本發明，軸向結構尤其重要，這種設罝也稱 為凹槽結構。顯然，因為該基本概念可以用于具有大致周期性標記的每種標尺(rule )，上迷用于確定活塞絕對位置的參考標記也可以完全獨立于標尺及 測量設備的具體設計而使用.在這種一般的絕對位置測量系統中，通it^ 略或改變的標記在所述標尺上形成參考標記。在標尺的逸動過程中檢測標記并由此測量標尺相對運動的傳感器可以 直接地或通過與第二傳感器比較而識別改變的或省略的標記以及由此識 別參考標記，所迷笫二傳感器在標尺的運動方向上與第 一傳感器有一定的 距離。為了明確緣識別出各個參考標記，優選地，參考標記設置為使設置在 兩個相鄰參考標記之間的標記的數目在整個凹槽結構各不相同，從而每個 位于兩個參考標記之間的間隔均由標記的數目明確一(￡。最遲在傳感器 檢測到第二參考標記之后，傳感器可以準確地指示標尺的絕對位置。正如在所邋特定系統中具體針對標記的數目和距離、參考標記和傳感 器所述的性質可以轉用至一般系統中，對于用于確定標尺的絕對位置的一 般參考標記同樣可獲得所迷特定系統的上迷優點。顯然，傳感器固定器的構造可以獨立于在活S^f上標記的具體設計而 使用，具體來說，傳感器固定器的滑動構件具有半徑小于活塞桿半徑的內彎曲部以;ML面涂層.
對于傳感器的構造同樣如此，所述傳感器同樣獨立于活塞桿上的標記 的具體設計。
在下文中，本發明將參照在附圖中困示的實施例進行詳細地描述，在附圖中困1示出了本發明的用于液壓缸的位置測量系統的實施例的示意性截 面圖，閨2示出了##本發明的活塞片的笫一實施例的示意性截面圖，圍3a示出了根據本發明的活塞ff的第二實施例的示意性截面圖，困3b示出了根據本發明的活塞片的笫三實施例的示意性截面圖，困4示出了##本發明的活*#的笫四實施例的示意性截面圖，其中 在活^f上設里有參考標記，困5a示出了根據凹槽結構變化的磁場Hy的示意性截面圖，圖5b示出了磁場Hyflm位于凹槽結構上方的軸向位罝沿軸向的變化，困6a示豳了在本發明的傳感器的一個實施例中正弦電路和余弦電路 的輸出信號，困6b示出了這些正弦信號和余弦信號通過其正交信號求得的結果， 圖7示出了本發明的傳感器固定器的一個實施例的立體圖，以及 圖8示出了本發明的傳感器固定器的剖切實施例的立體圖。
具體實施方式
用于液壓缸的位置測量系統的實施例如困1所示，所述位置測量系統 包括活l^f10，活*#10具有高磁化率的金屬桿芯13、大致沿軸向的凹 槽結構11、以及磁化率低于金屬桿芯13的磁化率的金屬12，金屬12填充 凹槽圍案11并且具有光滑的表面17。進一步地，本發明實施例的位置測 量系統包括^Ut體20，其中北極21和南極22設置為使^Jt體20的南北 軸線基本沿徑向延伸并由此垂直于活塞桿10的軸線。在^體20和活塞 桿10之間設置有磁〖傳感器30和40，它們在此構成磁P且傳感器芯片，所述 磁阻傳感器芯片由磁阻電阻器結構31、 41構成。磁阻電阻器結構31、 41 沿與活塞桿10的軸線平行且靠近活塞fr 10的表面17的一條直線設置。兩 個傳感器30和40具有固定的軸向距離，在示例性實施例中所i^巨離對應 于凹槽結構11的周期長度的三倍。磁體20和傳感器30、 40安裝在滑動構 件50中，滑動構件50經由涂層51置于活塞桿10的表面17上。圖2示出了本發明活塞桿10的第一實施例。凹槽結構11在活塞10的 長度上大致正弦地沿軸向延伸。在第一實施例中，凹槽結構11的波長為 2mm、深度約為200fim.凹槽結構11繞活S^f 10的整個外周基本徑向對 稱M削到活塞懺10的鐵磁性桿芯13中。凹槽結構11的深度對應于凹部 16和凸部15之間的桿芯13的厚度差。正如通常在液壓缸中那樣，活:g^f 10的桿芯13由鋼制成，并且，由于凹槽結構的深度小，其切口效應小到 可以忽略，所以所述釭的構造不必針對所述位置測量系統而特38M4改變。 在第一實施例中，由鐵磁性的鎳制成的薄的中間金屬層14施加于凹槽結構 11上.這種鐵磁性的鎳薄層14電沉積或無電沉積在桿芯13上且厚度小于 50pm.該中間層適于改ii桿的防腐蝕性。其可以是磁性的，但因為其均勻 地在整個結構上生成，因此不會改變由傳感器測量的信號形式。因此，凹 槽結構11以非鐵磁性的金屬填充，在此情況中以鉻填充。電沉積填充凹槽 結構11的鉻層12，且由于鉻層的厚度超過了 200ftm，因此使用多層結構 的鉻層。由于在厚層中會產生張應力而導致產生裂縫，使用超過50jim的 厚鉻層會產生問趙。這些裂縫會向下延伸至基底材料，從而形成腐蝕活塞 桿的腐蝕點。在多層結構式方法中，以厚度小于50jim的層施加鉻。在層 與層之間分別形成減小張力的過渡區。由此大大地降低了形成裂縫的頻 率，并且裂縫可在過渡區停止。由于采用電沉積，多層結構的鉻層均勻地 在鎳層14上生成，從而活塞fr 10的表面在施加了多層結構的鉻層后仍然 具有凹槽圖案11。所述凹槽圖案通過再磨削活塞桿10而去除，并且在磨 削后，鉻層12在突部16上的最小厚度仍然為50jim,通過對活l^f進行 再磨削可以獲得光滑的表面17，表面17的表面性質(硬度、磨損度、抗 腐蝕性、使用壽命)對應于不具有位置測量功能的普通系統的表面性質。 具體地，所i^4L面17的WSUL非常低，從而液壓缸的其余部件，特別是密 封系統，不會由于磨損而損壞，而且所述系統還適合用于多活塞沖程情況 的場合。由于使用鐵磁性的鋼作為桿芯13、非鐵磁性的鉻作為填充凹槽結 構11的金屬12，在凹槽結構11上得到較大的磁性差異，這將極大地改變 由磁體20產生的磁場。困3a示出了本發明活:i^t的第二實施例，其與活塞懺的第一實施例基 本對應，^^此#^層14省略。在笫一實施例中，鎳層14用于作為在極 端條件下使用的附加抗應蝕保護，進而也可以省略，如第二實施例所示， 由此，其構造變得更簡單并且可以節省成本。困3b示出了本發明活塞桿的笫三實施例，其中，凹橫結構ll填充有 電沉積的非^UIt性鎳層12。應當注意的是，電沉積的4^一般具有鐵磁性， 因此不適于填充凹槽結構.然而，由于^|:超過10.5%的磷混合在所述層 中，因此也可以電沉積非鐵磁性的鎳。這種非鐵磁性的鎳層更易于通過無 電沉積，但是逸種凹槽結構11的無電填充^^吏所述結構的深度過大，由于 均勻地生成了銀層12，生成后的鎳層12的表面仍然具有凹槽結構11。所 述凹槽結構通過對活:g^f進行再磨削而去除，從而得到光滑的表面18。最 終，活塞桿10按照慣例以鉻層19包襲。這種構造ii^硬度、磨損度、抗 腐蝕性、使用壽命和表面的光滑度等方面提供優良的性質，而且，易于施 加各個層并且成本低乘。另外，通過使用鐵磁性的桿芯13以及用非鐵磁性 的金屬12填充凹槽結構11，在凹槽結構11上得到較大的磁性差異，由此 磁體20產生的磁場發生極大的偏轉，當活:t^lD沿軸向移動通i^磁場時，傳感器30、 40測量磁場的偏轉。 磁場M凹槽錄構11周期性改變，從而通過對周期進行計數可以測量相對 位置。然而，對于絕對位置的測量還需要額外的信息，在如圖4所示的第 四實施例中，其以參考標記1的形式設置在本發明活塞桿10上。這些參考標記1通過省略凹部16和凸部15而設定在不同周期的凹槽結構11中。在 本發明活塞桿M)的笫四實施例中，參考標記1設置為位于兩相鄰參考標記1之間的凸部1S或凹部16的數目在整個凹槽結構11上各不相同，從而每
個兩參考標記之間的間隔均由兩參考標記之間的凸部或凹部的數目明確 地M。經過兩個連續的參考標記l就可以知道絕對位置.通過將參考標 記l設置在此活塞桿實施例上，可以指定到達參考點(即到達所指示的絕 對位置)的最大行程。如果例如在缸的終端位置需要特別快速的標記，則參考標記設置為兩參考標記之間的距離在終端位置為最小，如圖4所示。在本發明活塞軒10的第四實施例中，省略的凹部設置為從左側開始使 五個凹部位于最初的兩個省略的凹部之間。笫二和第三省略凹部之間有七 個凹部，第三和笫四省略凹部之間有九個凹部，以此類推.從右側開始， 笫一和第二省略凹部之間的距離是六個凹部。第二和笫三省略凹部之間的距離是八個凹部，接下來是十個、十二個，以此類推。在桿的中部實現距 離從偶數向奇數的轉變。在該實施例中，凹部的總數大約為1400。通過省略W部或凸部形式的參考標記1以及兩參考標記1之間可明確 識別出的距離，可以用快速且容易的方式對絕對位置進行可靠且準確地測 量，而無需使用復雜的圍案。困5a示出了位于困像敞(image segment)上方的本困中未示出的磁 體20的磁場一根據凹槽結構11進行改變。從頂部向底部延伸的線構成 磁場的磁力線，其中，線之間距離小^R^場強，而線之間距離較大代表 磁場較弱。與活塞桿10的表面17的距離大時，磁場未受到大程度地干擾， 進而均勻地沿徑向延伸，即從該困中的頂部向底部延伸。用于填充凹槽結 構11的非鐵磁性的金屬12的磁〖化率非常低，因此幾乎不能使磁場在其內 部增強.這樣，所述金屬實質上不會影響磁力線的路線，這點在圖中還可 以通it^力線在表面17沒有中斷的事實看出。然而，對于桿芯13由鐵磁 性金屬制成的情況則完全不同.桿芯金屬的磁化率非常髙，進而使磁場在 其內部增強，這點還可以通it^力線在凹槽結構ll處中斷的亊實看出。更 為靠M體20的凸部15中的磁場比更為遠離磁體20的凹部16中的磁場 強。這通it^困5a中凸部15上的磁力線比凹部16上的磁力線的距離小很多而看出。在凹槽結構ii上方的區域中，磁場不再徑向^yi伸，但沿軸向有一分量Hy， 一般分量Hy不等于O。在困5b中，在活塞桿10表面17略上方測量的磁場Hy的強度按照位 于凹橫結構11上方的位置表示。由于在該實施例中凹槽結構11基本呈正
弦曲線形狀，廳場沿軸向的分量Hy也呈這種形狀。凸部15或凹部16正上 方沿軸向的磁場Hy為O，但是，凹部16和凸部15之間的傾^分上方的磁場Hy或為正或為負，在該實施例中，傳感器設置在與活塞桿10的軸線平行且與活塞桿10的表面17的距離小于lmm的平面中。該實施例的永 >^體20和傳感器30、 40沿軸向牢固地安裝，因此在活塞桿10軸向運動過 程中傳感器測量的磁場Hy按正弦曲線調制。對磁場Hy—個周期的調制對 應于活塞桿通過兩個凹部之間的距離的運動。在該實施例中使用的傳感器30、 40構成磁1^>磁場傳感器。這些用于測 量已調制磁場的標準傳感器包括多個磁阻電阻器結構31、 41，磁阻電阻器 結構31、 41在兩個橋接電路中(正弦橋和余弦橋)連接.傳感器30、 40 的選擇使得在傳感器芯片上的電阻器的幾何距離適于要測量的磁場結構 的周期長度，并由此適于凹槽結構ll的周期長度。同樣還可以使用GMR 傳感器。困6a示出了正弦橋和余弦橋的信號，本發明具有凹槽結構11的活塞 桿10沿軸向移動通過傳感器,其中所迷傳感器橫向于測量方向自磁體的中 部偏罝2.6mm，并且傳感器30、 40的磁阻電阻器結構31、 41位于距離活 塞桿10的表面17距離為400jim處。圖6a清楚地示出了相對移位的測量 信號的正弦曲線。這兩個信號可以采用標準方法推定，然后提供所述位置。這種推定可 以通itjE交信號實現，如困6b所示。通過有滯后作用的比較電路，將信 號轉換為A-B正交信號。接下來，該信號由正交計數器進行推定，并且提 供分辦率為四分之一凹槽結構11周期長度的增量位置信號。正交計數器對 正弦信號和余豕信號的傾M分進行計數，其中對兩種信號間的相位關系 的分析提供了對運動方向的描述.如果需要更高的位置分辨率，可以通過 由正弦信號和余弦信號形成的商而增大分辨率。這樣，可以獲得優于1/360 凹槽結構11周期長度的分辨率。因此，使用傳感器30、 40提供了對活塞 桿的相對運動的極為精確的確定.然而，對予絕對位置的測量需要來自參考標記l的附加信息。當僅使 用一個傳感器^)、 40時，不能明確^測通過參考標記的情況。傳感器僅 能"發現" 一定周期內磁場不再變化。然而，這種情況也可能是由于活塞 桿10沒有移動所致。這種問趙可以通過使用兩個傳感器30、 40解決。傳感器30、 40沿軸 向拔:此之間具有固定的距離。在本發明的實施例中，該固定距離為4mm， 這對應于兩凹郜之間的距離.設置兩個傳感器使其間的距離對應于凹槽結 構11的周期長度的倍數，這樣可以具有如下優點如果在兩個傳感器中任 何一個之下都沒有參考標記，則兩個傳感器提供相同的信號。通過比較由 這兩個傳感器產生的信號，從而可以明確#測到參考標記1。為此，兩 個傳感器之間的距離應當小于兩個參考標記1之間的最小距離。當參考標 記移動通過傳慼器時，第一傳感器30的正交計數器的讀數首先保持恒定， 而第二傳感器40的正交計數器繼續。于是，參考標記1也移動通過笫二傳 感器40，從而笫二傳感器40的正交計數器的讀數沒有改變，而第一傳感 器30的正交計數器的讀數繼續。參考標記1通過兩個傳感器30、 40之后， 兩個正交計數器再次同步運行。由此，通過這樣的信號特性可以清楚地識 別參考標記l。如果第二麥考標記1也移動通過傳感器30、 40，通過對兩參考標記之 間的凹部16和凸部15進行計數以及通it^正弦信號和余弦信號間的相位 比較所確定運動的方向可以明確地確定當前特定的參考標記1。于是，可 以明確地知道活塞fr 10的絕對位置。特別4^在僅有兩個傳感器的情況時， 這樣節省了空間并節約了成本。圖7和困8示出了本發明傳感器固定器60的實施例的構造。傳感器固 定器60設計為以相當小且恒定的距離沿活塞fr 10的表面17引導兩個磁阻 傳感器30、 40.活塞桿表面17和傳感器30、 40之間的小距離非常重要， 這是因為只有距離凹槽結構11的距離較小才會使位于傳感器后的磁體20 的磁場通過凹橫結構ll顯著地改變。為了獲得良好的信號，應當盡可能靠 i^面17而由此盡可能靠近凹槽結構11來測量磁場。上^巨離在活:fcff IO的軸向運動過程中也應當保持恒定，從而不^H^測量結果失真。因此，本發明的傳感器固定器60的實施例包括由鋁制成的滑動構件 50，其支持傳感器30和40以及^4體20。滑動構件50在彈黃61的作用 下迫壓于活*# IO上，傳感器30、 40中的磁阻電阻器31、 41的平面與活 塞桿10的表面17之間的距離小于lmm。
滑動構件50的內側是彎曲的，使得其內半徑小于活:i^f的半徑，從而 滑動構件僅在其外緣上沿活:&#滑動。為了減小摩擦并增強抗磨損的保護，在此實施例中，由鋁制成的滑動構件50設置有涂層51。所述涂層為舍有PTFE包舍物的電沉積鎳層，整個傳感器固定器60在無壓區域中結合在缸蓋中。為了避免由于從外 界進入的灰塵所產生的磨損，將刮片和密封件或引導條設置在系統和外部 區域之間。由于整個傳感器系統和電子系統位于無壓區域，因此不會受到壓力峰 值的損壞，這進一步增加了所述構造的穗定性和使用壽命.與測量系統必須結合在缸的高壓區域中的磁阻(magnetrorestrictive) 測量系統相比，這是十分有利的，
權利要求
1. 一種用子液壓釭的位置測量系統，其包括磁體(20);至少一個 傳感器(30、 ^));以及活塞桿(IO)，該活塞桿具有髙磁化率的金屬桿 芯(13)和大歉沿軸向的凹槽結構(11);其特;We于所述凹橫錄構(ii)填充有磁化率低于所述桿芯(13)的磁化羋的 金屬(12),從而所述至少一個傳感器(30、 40)測量推^據所述凹橫結 構(11)的位置而變化的磁體(20)的磁場。
2. 如權利要求1所迷的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述至 少一個傳感器(30、 40)沿特定方向測量所逸磁場。
3. 如權利要求1所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所^ 體(20)是^Mt體，其南北軸線根據所述傳感器(30、 40)的設置和方 向延伸。
4. 如權利要求1所迷的用于液壓缸的位置測重系統，其中，所述凹 槽結構(11) ft括凹部(16)和凸部(15)。
5. 如權利要求4所述的用于M缸的位置測量系統，其中，在軸向 上相鄰的凹部(16)或凸部(15)之間的距離相同。
6. 如權利類求1或4所述的用于';^缸的位置測童系統，其中，所 述凹槽結構沿輛向具有大致周期性、具體是大致正弦曲線的形狀。
7. 如權利類求4或5所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，省 略個別凹部(16)或凸部(15)以形成參考標記(1)。
8. 如權利要求7所述的用于液壓釭的位置測量系統，其中，所述參 考標記(1)設置為使得位于兩個相鄰參考標記(1)之間的凸部(15) 或凹部(16)的數目在整個所述凹槽結構(11)上各不相同，從而兩參 考標記之間的備個間隔由凸部(15)或凹部(16)的數目明確g扭。
9. 如權利要求7所述的用于M缸的位置測量系統，其中，在所述 活塞桿(10)上需要對位置進行快速指示的區域中的參考標記(1)之 間的距離小于在其余區域中的參考標記(1)之間的距離。
10. 如權賴要求l所迷的用于液壓缸的位里測量系統，其中，所述 金屬桿芯(13 )為鐵磁性的，填充在所述凹槽結構(11)中的金屬(12) 為非^^磁性的.
11. 如權利要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述金屬桿芯(13)由鋼制成。
12. 如權利要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，填充 所述凹槽結構(11)的金屬(12 )包括鉻。
13. 如權利要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，填充 所述凹橫結構(11)的金屬(12)包括非鐵磁性的鎳M.
14. 如權利要求13所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 非鐵磁性的鎳^^包M過10.5%的砩，
15. 如權利要求1或12所迷的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 在所述金屬桿悉(13)和所述填充凹槽結構的金屬(12)之間設置中間 金屬層(14 )
16. 如權利要求15所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 中間金屬層(14)包括緣，
17. 如權利要求l所迷的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 填充凹槽結構的金屬(12)具有光滑的表面(17、 18),
18. 如權利要求1或17所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 在所述填充凹構結構的金屬(12)上iit置外部金屬層(19)。
19. 如權利要求18所述的用于^Lfi缸的位置測量系統，其中，所述 外部金屬層(19)包括鉻。
20. 如權利要求4所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 凹部(16)相對所述凸部(15)的深度約為200jim。
21. 如權利要求4所述的用于液壓釭的位置測量系統，其中，所述 填充凹槽結構(11 )的金屬(12 )在所述凹部(16 )上方的厚度大于200pm。
22. 如權壽換求4所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 填充凹槽結構(11 )的金屬(12 )在所述凸部(15 )上方的厚度約為50jun。
23. 如權科要求15或16所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 所述中間金屬層(14)的厚度小于50nm。
24. 如權禾緣求18或19所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 所述外部金JWI (19)的厚度約為50jim.
25. 如權#*求15或16所迷的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 所述中間^r屬暴(14)電沉積或無電沉積在所述金屬桿芯(13)上.
26. 如權斕要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，電沉 積或無電沉積所迷填充凹槽結構(11)的金屬(12)并將其磨削而獲得 光滑的表面(17、 18 )。
27. 如權利要求26所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 填充凹橫結構(11)的金屬(12)的施加包括多層結構式方法，使得所 述填充凹槽結輪(11)的金屬(12)包括一層接一層施加的多個層，其 中每層厚度小于50^im。
28. 如權利要求18或19所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中， 所i^卜部^"屬屋(19)通過電沉積或無電沉積形成。
29. 如權利要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 至少一個傳感驀(30、 40)為磁阻傳感器或GMR (大型磁阻電阻)傳 感器。
30. 如權利要求29所述的用于^ta缸的位置測量系統，其中，所述 傳感器包括多個磁阻或GMR電阻器結構(31、 41)。
31. 如權利要求30所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 磁阻或GMR電阻器結構(31、 41)設置在兩個橋接電路中，即正弦和 余弦電路中.
32. 如權利要求30所述的用于^L&缸的位置測量系統，其中，所述 磁阻或GMR電阻器結構(31、 41)之間的距離適合所述凹槽結構(11) 的周期長度.
33. 如權壽怯求31所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，由所 述傳感器(30、 40)輸出的信號通過其正交信號計算。
34. 如權利要求31所述的用于液壓缸的位置測重系統，其中，對所 述正弦電路和余弦電路的信號的相位關系的分析提供了對所述方向的描述。
35. 如權斥談求31所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 正弦電路和余錸電路的信號的商的形成增大了位置分析的準確度。
36. 如權禾怯求l所述的用于液壓釭的位置測量系統，其包括兩個 在軸向上具有圃定距離的傳感器.
37. 如權考映求36所迷的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述距離包括多倍、具體是兩倍所述凹槽結構(11)的周期長度。
38. 如權利要求37所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，通過 比較所述兩個傳感器(30、 40)的信號能夠檢測到所述參考標記(1)。
39. 如權利要求l所述的用于液壓缸的位置測量系統，其進一步包 括傳感器固定器(60)和彈* (61)，所述傳感器固定器(60)具有滑 動構件(50)，所述傳感器(30、 40)位于該滑動構件(50)中。
40. 如權利要求39所述的用于^La缸的位置測量系統，其中，所述 滑動構件(50)由鋁制成。
41. 如權利要求40所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 滑動構件(50)具有用于減小摩擦并增強抗磨損保護的涂層(51)。
42. 如權剩要求41所述的用于液壓缸的位置測量系統，其中，所述 涂層(51)由舍有PTFE包含物的電沉積鎳層構成。
43. 如權利要求39所述的用于^ta缸的位置測量系統，其中，所述 滑動構件(50)的內半徑小于所述活!Pfr (10)的半徑。
44. 一種用于生產如權利要求1所述的用于液壓缸的位置測量系統的活:i^t的方法，其包括將所述凹橫困案(11)磨制在所述ilr屬桿芯(13)上， 電沉積或無電沉積多層填充凹槽結構(11)的金屬(12)， 磨削填充W橫結構(11)的金屬(12)而獲得光滑的平面(17、 18 )。
45. 如權利要求44所述的用于生產活塞桿的方法，其中，在施加填 充凹槽結構(11)的金屬(12 )之前，電沉積或無電沉積金屬層(14),
46. 如權利要求44所述的用于生產活^f的方法，其中，在磨掉填 充凹槽結構(11)的金屬(12)而獲得光滑的平面(17、 l8)后，電沉 積或無電沉積外部金屬層(19 )。
全文摘要
本發明涉及一種用于液壓缸的位置測量系統，其包括至少一個傳感器、一個磁體以及活塞桿，活塞桿具有高磁化率的金屬桿芯和沿大致軸向的凹槽結構，其中，凹槽結構填充有磁化率低于桿芯磁化率的金屬，從而傳感器測量根據凹槽結構變化的桿芯磁場，由此可以確定活塞桿的相對位置和絕對位置。
文檔編號F15B15/28GK101144495SQ20071000566
公開日2008年3月19日 申請日期2007年3月8日 優先權日2006年3月8日
發明者格哈德·科斯曼 申請人:法國利勃海爾公司