用于测量驱动机器的构件的运动和/或位置的磁信号装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量驱动机器的构件的运动和/或位置的磁信号装置。


背景技术：

2.对当今绝对位置系统在测量精度、结构尺寸和还有成本方面的要求通常有很大差异，但是越来越高。
3.转动编码器通常用于检测转动轴上的角度变化。在此，在用于确定转速或转动方向的增量编码器与用于确定绝对位置的绝对值编码器之间进行区分。为此，将光学扫描方法或基于磁传感器的方法与极轮相结合地使用。
4.对于高精度应用最常用的测量原理是光学的或光电的扫描。由光源(通常是红外发光二极管)产生的光束由光学器件(特别是聚光器)、整体量具(特别是光栅)以及扫描板(特别是光阑)引导到照相光学结构元件、优选光电二极管上。通过旋转设有狭缝的盘，将led与传感器之间的光束周期性地调制，由此传感器可以确定速度和位置。
5.然而，光学测量原理原则上对环境影响、如冲击和振动负载、污垢、温度波动和湿度非常敏感。尽管这些缺点可以通过特殊的壳体结构来补偿，但光学转动编码器所需的壳体结构会导致对安装可能性的一定限制。随着轴直径的大小的增加，用于编码器壳体和所需的滚珠轴承的成本比例过大地增加，使得从200毫米及以上的轴直径开始几乎不能实现经济可行的解决方案。
6.作为备选方案，可以提供利用磁性测量原理的转动编码器。由于其相对于冲击和振动以及对污垢、温度波动和湿度的不敏感性，主要是可以在光学转动编码器尽管有耗费的保护壳体但使用寿命有限的地方使用磁编码器。这是转动编码器暴露于高温、温度波动、污垢和灰尘负载和/或化学品和溶剂负载/污染的应用领域。
7.对固定在转动轴上的极轮和/或编码器的磁分布是用于传感器的信号编码器。这样的编码器例如从ep1030181a2已知。电子器件集成在具有高保护级别的扫描头中并且可以在需要时被完全封装。通过具有极轮和扫描头的两部分系统构造，磁编码器可以在没有耗费的保护壳体和附加的滚珠轴承的情况下使用，因此可以实现几乎无磨损的、具有非常长的使用寿命的解决方案。此外，这种系统不需要用于安装的自由的轴端部并且因此非常适用于集成在电动马达中、例如在电动汽车中。文献de102016218930a1示出另一种这样的产品。备选地，文献de102018217274a1例如示出对由分别与基于聚合物的中间件相连接的经烧结的部分磁体构成的环的制造。
8.目前的用于硬磁性有效层的制造方法由聚合物复合材料构并且在适用性方面具有限制。特别是受限的耐久性和相对于油脂和油的抵抗力以及在这种在现有技术中已知的层的精度方面的折中使得在现有技术中不可能将这种层用于高性能应用。


技术实现要素：

9.因此，本发明的目的是开发一种磁信号装置，该磁信号装置消除这些缺点并且进
一步发展现有技术。
10.该技术目的通过一种根据权利要求1所述的磁信号装置来实现。
11.根据一个特别实施方式，提供一种用于测量驱动机器的转动构件的位置的磁信号装置，所述信号装置与所述驱动机器的构件无相对旋转地耦联，并且所述信号装置具有支承元件和在所述支承元件上从气相直接沉积在所述支承元件上的硬磁层，所述硬磁层在关于所述硬磁层的成分的至少75重量百分比、优选至少85重量百分比、特别优选至少90重量百分比上由一种或多种以下化合物构成：ndfeb和/或co5sm和/或co2sm
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，并且所述硬磁层在其扫描区域中具有0.3t至1.3t的剩磁，并且所述硬磁层沿旋转方向具有磁结构，从而根据所述构件的转动角度能在所述硬磁层上经由传感器测量所述磁结构、例如不同高度的磁场强度和/或定向，以便能实现对所述构件的旋转和/或位置的结论。
12.根据本发明的极轮适用于在非常高的转速时使用，因为该极轮可以通过从气相沉积的硬金属层实现该层在支承元件上的高附着强度。此外，从气相直接沉积到支承元件上的硬磁层相对于油脂和油非常有抵抗力。由现有技术已知的或对于本领域技术人员以显而易见的方式得到的磁性层的特征在于用于热喷射、背喷射或喷射成型聚合物-磁性粉末的混合物的方法。与此相反，在本发明中，硬磁层本身借助于从气相沉积、例如通过空心阴极气流方法和/或pvd方法施加到基底上。目前在现有技术中使用的极轮具有复合层作为磁活性组分，该复合层由聚合物基体及掺入的磁粉末(通常由铁素体材料构成)构成。尽管这些层可价格有利地制造，但这些基于聚合物的层仅具有为+/-1
°
的位置精度并且不能在》120℃的温度之上使用。在此，由于生产原因，层厚度的可实现精度不好于+/-40μm。
13.此外，其容易受到油和油脂的影响，所述油和油脂通常在快速转动的部件和待冷却的系统中使用，因此无法达到必要的使用寿命。另一个缺点在于，这些复合溶液仅能用于最高约为10000至15000转/min(视直径而定)的转速，因为附着强度不足以承受较高的离心力。
14.由此，磁性转动编码器在精度和速度中以及在使用温度和使用寿命方面受到限制。因此，关于工业4.0、自动驾驶和电动马达(转子)控制的领域中所要求的必要的、不断增加的以及未来必要的精度，由现有技术已知的磁性增量编码器和绝对转动编码器受到限制。
15.因此，本发明的目的是开发一种磁信号装置，该磁信号装置消除这些缺点并且进一步发展现有技术。
16.根据本发明的一个特别实施方式，所述磁信号装置具有支承元件和/或支承结构以及施加在支承元件和/或支承结构上的没有聚合物含量的硬磁层，将所述硬磁层经由根据空心阴极气流溅射和/或空心阴极溅射和/或电镀和/或pvd和/或cvd和/或等离子体喷射的方法中的至少一种方法施加，由此至少75重量百分比的硬磁层特别是在具有/没有利用其他元素如fe、cu、zr的掺杂或合金化的情况下由一种或多种以下化合物如ndfeb和/或co5sm和/或co2sm
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构成，并且所述硬磁层在其扫描区域中具有0.1t至1.3t的剩磁。本发明的决定性特征在于没有聚合物组分(弹性体及热塑性塑料)以及存在纯金属合金层。因此，根据本发明的一个特别实施方式，能实现直至250℃的的最大使用温度(也是长期的)。这在现有技术教导的产品中是不可能的。在de 10 2016 218 930 a1中，例如pvd、电镀或蒸发方法用于：在由聚合物复合材料制成的磁构件上施加金属层(图5中的“6”)。在此，磁性有效层
通过喷射方法制造并且不像在所设想的本发明的产品中那样具有特别是通过pvd或空心阴极气流溅射制造的金属磁组分。
17.根据本发明的一个特别实施方式，所述硬磁层在其扫描区域中具有10μm至100μm之间、优选大于15μm、特别优选大于25μm或者25μm至60μm之间的平均厚度。
18.从现有技术已知不同的物理气相沉积方法、特别是cvd(化学蒸汽沉积)和pvd(物理蒸汽沉淀)方法。在pvd方法的领域中，例如可以经由空心阴极的辉光放电产生离子并且将如此产生的离子施加到表面上或进行溅射。在空心阴极溅射的情况下，要涂层的工件在此直接被涂层。如果空心阴极在此被气体、如稀有气体、如氩气穿流，则这被称为空心阴极-气流溅射。在此，气流将材料输送到基底。在等离子体喷射时，将适当的粉末在特别是通过电弧产生的等离子体中熔化并且投射到基底上。
19.根据一个示例性实施方式，例如借助于pvd、cvd和/或空心阴极溅射产生的硬金属层具有至少50％、优选至少75％的结晶度。
20.根据本发明的一个特别实施方式，所述硬磁层在扫描区域中具有15μm至80μm之间、优选25μm至60μm之间的平均厚度。在此，层厚度可以以小于等于+/-0.2μm、特别是小于等于+/-0.1μm的精度进行设定，由此精度与现有技术相比显著提高。
21.通过层厚度与磁极宽度之间的特别高的纵横比，本发明具有突出的性能、特别是在平面内定向磁化时。
22.根据本发明的一个特别实施方式，所述支承结构由陶瓷材料设置。
23.根据本发明的一个特别实施方式，所述支承结构由金属材料设置。
24.根据本发明的一个特别实施方式，在所述硬磁层上在所述扫描区域中方设置有另一层作为保护层，所述保护层用于保护所述硬磁层，所述另一层优选具有直至10μm的平均厚度。
25.根据本发明的一个特别实施方式，所述硬磁层感在扫描区域中包含由一系列过渡金属构成的其他合金元素、优选fe和/或zr和/或cu。
26.根据一个特别实施方式，硬金属层在此具有(关于硬金属层的成分)直至10％重量的合金元素的成分。
27.根据本发明的一个特别实施方式，所述磁信号装置构造为旋转对称的极轮。
28.根据本发明的一个特别实施方式，所述磁信号装置构造为旋转对称的编码器。
29.根据本发明的一个特别实施方式，在对所述硬磁层磁化时，在不同的可磁化区域之间可以实现小于等于+-0.1
°
的角度精度。这意味着：可以非常精细地实现磁化的结构。
30.根据一个实施方式，本发明的特征在于一种磁检测装置，所述磁检测装置包括根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置和具有传感器的传感器单元，所述传感器配备有xmr和/或霍尔测量原理。
31.磁阻式工作的传感器称为xmr传感器，这意味着：传感器在磁通量的影响下改变其电阻。在此，由现有技术已知所谓的amr、gmr和tmr传感器，其归属于xmr传感器。
32.根据本发明的一个特别实施方式，所述传感器和所述磁信号装置特别是在一个或多个轨道上具有10比特至20比特的分辨率。
33.根据一个实施方式，本发明的特征还在于一种根据权利要求11所述的检测装置。
34.根据一个特别实施方式，除了所述信号装置之外，所述磁检测装置还包括具有传
感器的传感器单元，传感器配备有xmr和/或霍尔测量原理。
35.根据一个特别实施方式，在所述传感器与所述磁信号装置之间设置有0.1mm至3mm之间的距离。
36.根据一个特别实施方式，所述传感器和所述磁信号装置特别是在一个或多个轨道上具有10比特至20比特的分辨率。
37.根据另一个实施方式，本发明的特征在于一种根据权利要求14的用于制造磁信号装置的方法。根据一个特别实施方式，将所述硬磁层直接从气相经由以下方法中的一种方法施加到所述信号装置的支承元件上：空心阴极气流溅射和/或空心阴极溅射和/或电镀和/或pvd方法和/或cvd方法和/或等离子体喷射。
附图说明
38.下面借助多个非限制性的示意图来解释本发明。附图中：
39.图1示出磁信号装置的示意性透视图；
40.图2以俯视图示出本发明的磁检测装置的示意图；
41.图3示出磁信号装置的一部分的剖视图。
具体实施方式
42.在图1中示意性地示出磁信号装置1。在此，磁信号装置1具有旋转对称的极轮2。该极轮2与轴3无相对转动地连接。轴3绕转动轴线4转动并且例如与传动装置或驱动机器(未示出)连接。以这种方式，可以利用极轮2测量所述轴3的转动和/或位置。如在图1之进一步可看到的那样，极轮具有对应的区段5、6、7、8、9、10、11、12，所述区段具有交替磁化的硬磁层作为磁极。在此，硬磁层经由适当的磁化装置磁化。如从图1和图2可看出的那样，硬磁层在此设置在极轮的前面上以及径向的周向面上。在图2中示出在径向的周向面的一部分上的各个极8、9、10、11。此外，示出检测器12，该检测器与极轮2成预定间地处设置。检测器12例如是基于xmr和/或霍尔测量原理的并且以高分辨率测量极轮2的转动和/或位置的检测器/传感器。
43.在图3中示意性地详细示出极轮2的构造。在此，极轮2具有支承结构13、例如陶瓷的和金属的盘。在该支承结构13上施加有根据本发明的硬金属层。在示出的情况下，硬金属层在此被施加到整个径向的周向面上和极轮的两个端面之一上。根据本发明的一个特别实施方案，硬磁层仅设置在传感器12的扫描区域中。根据本发明的另一个优选实施反射，在硬磁层之上设置有保护层15，该保护层保护所扫描的硬磁层免受损坏和/或环境影响。
44.根据本发明的一个特别实施方式，磁性转动编码器的系统固有缺点可以借助极轮的使用来补偿，所述极轮使用硬磁层代替基于聚合物的复合层，该硬磁层特别是钴钐层(cosm)、优选不应用聚合物基质。
45.居里温度大于700℃的cosm具有优异的耐温性。此外，该层的非常均匀的微晶结构与良好可控的层厚度相互配合地允许非常精确的磁化，其角度精度小于0.1
°
。如果将这种极轮与适当的传感器相组合，则可以实现直至18比特的分辨率。由此，不仅可以在已知的稳固性的同时实现目前仅由光学系统覆盖的精度。在此，可实现的精度也满足用于在电动马达中使用的用于控制作为转动变压器的备选品的转子的标准。
46.对于基底上的高精度应用，使用空心阴极气流溅射、pvd、pecvd、cvd或等离子体喷射、优选空心阴极气流或pvd方法。层厚度在1μm至150μm之间变动。金属材料如钢、不锈钢、铜、黄铜或铝适合作为基底，但非铁磁材料变得优选。
47.相对于现有技术相比的另一个优点是相对于有机溶剂、油以及油脂的不敏感性，因为特别是不使用碳基聚合物。特别在有利于油雾的环境(其尤其在高性能电动马达和电动汽车的驱动系的领域中出现)中，本创新构成用于提高效率的决定性附加值。此外，可以省去壳体并且应用直接放置到轴上的极轮和分开的评估单元(无轴承编码器)的组合。由此，一方面可以直接将测量单元集成、例如集成在电动马达中，此外不需要轴的用于安装的自由端部。
48.如果需要较高的转动速度，则在传统的系统中要么需要在极轮外部上的支撑环，要么必须使用齿轮作为信号编码器(反向偏置装置)。然而，这以牺牲精度为代价，此外这种配置要求传感器与车轮之间的间距非常小，这由于实际的公差而通常无法确保。

技术特征：
1.用于测量驱动机器的转动构件的位置的磁信号装置，其中，所述信号装置与所述驱动机器的构件无相对旋转地耦联，并且所述信号装置具有支承元件和在所述支承元件上从气相直接沉积在所述支承元件上的可磁化的硬磁层，所述硬磁层在关于所述硬磁层的成分的至少75重量百分比、优选至少85重量百分比、特别优选至少90重量百分比上由一种或多种以下化合物构成：
·
ndfeb和/或
·
co5sm和/或
·
co2sm
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并且所述硬磁层在其扫描区域中具有0.3t至1.3t的剩磁，并且所述硬磁层在磁化之后沿旋转方向具有磁结构，从而根据所述构件的转动角度能在所述硬磁层上经由传感器测量所述磁结构、例如不同高度中的磁场强度和/或定向，以便能实现对所述构件的旋转和/或位置的结论。2.根据权利要求1所述的磁信号装置，其特征在于，所述硬磁层在其扫描区域中具有10μm至100μm之间、优选大于15μm、特别优选25μm至60μm之间的平均厚度。3.根据权利要求1或2所述的磁信号装置，其特征在于，所述支承结构由非磁性材料、特别是陶瓷材料设置。4.根据权利要求1或2所述的磁信号装置，其特征在于，所述支承结构由金属材料设置。5.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，在所述硬磁层的扫描区域上设置有另一层作为保护层，所述保护层用于保护所述硬磁层，所述另一层优选具有直至10μm的平均厚度。6.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，所述硬磁层在其扫描区域中包含由一系列过渡金属构成的其他合金元素、优选fe和/或zr和/或cu。7.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，所述磁信号装置构造为旋转对称的极轮。8.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，在对所述硬磁层磁化时，在不同的磁化区域之间能实现小于等于0.1
°
的角度精度。9.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，所述支承元件构造为非磁性的。10.根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置，其特征在于，所述硬磁层经由以下方法中的至少一种方法施加到所述支承元件上：
·
空心阴极气流溅射
·
空心阴极溅射
·
电镀
·
pvd方法
·
cvd方法
·
等离子体喷射。11.磁检测装置，所述磁检测装置包括根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置和具有传感器的传感器单元，所述传感器配备有xmr和/或霍尔测量原理。12.根据权利要求11所述的磁检测装置，其特征在于，在所述传感器与所述磁信号装置
之间设置有0.1mm至3mm的距离。13.根据权利要求11或12所述的磁检测装置，其特征在于，所述传感器和所述磁信号装置特别是在一个或多个轨道上具有10至20比特的分辨率。14.用于制造根据上述权利要求中任一项所述的磁信号装置的方法，其特征在于，将所述硬磁层直接从气相经由以下方法中的一种方法施加到所述支承元件上：
·
空心阴极气流溅射
·
空心阴极溅射
·
电镀
·
pvd方法
·
cvd方法
·
等离子体喷射。

技术总结
本发明涉及一种用于测量驱动机器的构件的运动和/或位置的磁信号装置(1)，所述磁信号装置具有支承结构(13)和施加在所述支承结构上的硬磁层(14)，所述硬磁层(14)经由空心阴极通量溅射和/或电镀和/或PVD和/或CVD和/或等离子体喷射来施加，并且所述硬磁层在X质量百分比上由NdFeB和/或Co5Sm和/或Co2Sm


技术研发人员：W
受保护的技术使用者：米巴电动汽车有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/8/14