專利名稱：使用線性霍爾效應(yīng)傳感器、具有增強線性磁體配置的位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及位置傳感器，具體地說，涉及磁體厚度和間隔各不相同以提供所需通量密度-沖程(stroke)特性的位置傳感器。
背景技術(shù)：
在Worcester，MA.的Allegro MicroSystems公司的題為“線性霍爾效應(yīng)傳感器”的申請信息出版物中描述了典型的線性位置傳感器。例如圖1示出了這種線性位置傳感器，此圖選自上述出版物。每個這種位置傳感器都由磁場組件20和線性霍爾效應(yīng)傳感器22組成。磁場組件20包括兩個或四個矩形磁體24和軟磁殼26。線性霍爾效應(yīng)傳感器22在圖紙上的左右方向橫穿磁體所創(chuàng)建的磁場。當(dāng)霍爾效應(yīng)傳感器22位于位置D＝0時，磁通密度為零(0)。這種配置在上述出版物中被稱為“推挽”法。
圖2示出了所謂的“推挽”法，其中霍爾效應(yīng)傳感器28在相同極性的兩個磁體30間運動。圖上的運動是在垂直(或上下)方向。當(dāng)距離D對應(yīng)于兩個磁體30之間的中點時，磁通密度為零(0)。應(yīng)指出，在此例中磁體30也是矩形。
圖3示出了另一種方法雙極滑移(slide-by)模式。圖3選自Honeywell的題為“霍爾效應(yīng)傳感和應(yīng)用、微型開關(guān)傳感和控制”的出版物。根據(jù)該出版物，在“雙極滑移模式”中，線性霍爾效應(yīng)傳感器32相對兩個矩形磁體34運動，這兩個矩形磁體安裝在磁板36上，并以固定距離彼此分隔開。圖3示出了磁場如何作為距離38的函數(shù)而改變，距離38是磁場組件42的中心線40與傳感器32的中心44分開的距離。
上述所有位置傳感器在它們的沖程范圍內(nèi)都有明顯的非線性。
圖10是美國專利6,215,299中圖2的復(fù)制件。眾所周知，在這種配置中，沿運動方向使用單個磁體提供磁體相對兩端的南北極。相信，用這種配置時，所公開的傳感器僅對磁體的漏通量起作用，這又影響了傳感器的整體性能。所以需要有一種這樣的位置傳感器其中通量密度-沖程范圍可被更好地控制，并在其沖程范圍內(nèi)可獲得改進(jìn)的線性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于包括磁場傳感器的類型的位置傳感器中的磁場組件及配置該磁場組件的方法提供了通量密度-沖程特性的改進(jìn)控制和線性。磁場組件中的第一和第二磁體定位在磁板表面上，并以某一間距彼此分隔開。第一磁體的磁軸對于磁板表面基本橫向，且第一磁體的極性與第二磁體的極性相反。第一和第二磁體的厚度沿位置傳感器的沖程方向選擇性地改變，并選擇間距，以便能為位置傳感器提供預(yù)定的通量密度-沖程特性。
在本發(fā)明的磁場組件的一個實施例中，第一和第二磁體各自的厚度以線性方式改變，以便平面表面被設(shè)置成面對磁場傳感器，并與相對磁板表面橫向的側(cè)面成銳角。還最好使平面表面成角度，以使第一和第二磁體的厚度在磁場組件的相對端為最大，而朝磁場組件中心的方向為最小。在具有線性通量密度-沖程特性的具體優(yōu)選實施例中，該銳角選擇為大約60度。
在本發(fā)明的磁場組件的又一實施例中，磁場組件可定位成以間隙長度距離相對位置傳感器的磁場傳感器運動，且間距選擇成大于間隙長度。在優(yōu)選實施例中，間距選擇為大于間隙長度的5倍。
本發(fā)明的磁場組件適合于線性和旋轉(zhuǎn)傳感器應(yīng)用。在線性應(yīng)用中，第一和第二磁體可具有對于磁板表面是橫向的、并基本平行于位置傳感器沖程方向的側(cè)面。在旋轉(zhuǎn)傳感器應(yīng)用中，位置傳感器可具有傾斜沖程，且第一和第二磁體可具有對于磁板表面是橫向的并沿傾斜沖程是弧形的側(cè)面。在旋轉(zhuǎn)傳感器應(yīng)用中，第一和第二磁體可具有沿位置傳感器的沖程方向改變的寬度尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器包括上述磁場組件和磁傳感器，例如霍爾效應(yīng)傳感器。
所以本發(fā)明的目的就是提供一種方法和裝置，其中通過改變磁板上相互分開的第一和第二磁體的厚度，并選擇磁體間的間距和間隙長度距離，來配置磁場組件，以提供所需的通量密度-沖程特性。
本發(fā)明的又一目的是提供一種配置方法和位置傳感器裝置，其中磁場組件的第一和第二磁體放置在磁板上，以某一間距相互分開，且每個磁體的厚度各不相同，以使每個磁體提供一個面對磁傳感器的平面表面，且與之成銳角。
結(jié)合附圖閱讀了以下對本發(fā)明某些優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明后，更易理解本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點。


圖1示出常規(guī)的線性位置傳感器。
圖2示出常規(guī)的所謂“推挽”線性位置傳感器法。
圖3示出稱為雙極滑移模式的另一常規(guī)線性位置傳感器法。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器。
圖5示出在所示位置傳感器配置中使用本發(fā)明磁場組件實施例的一個實例。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器實施例的一組通量密度-沖程曲線。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例在磁體角度為60度且間隙長度Lg為0.284mm時的通量密度-沖程特性。
圖8示出本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)實施例的磁場組件頂視圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的圓柱傳感器的幾何圖形。
圖10是美國專利6,215,299中圖2的復(fù)制件。
具體實施例方式
現(xiàn)在參閱圖4，圖中示出根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器。特別是圖中示出位置傳感器的磁場組件50的截面圖，根據(jù)本發(fā)明使用了提供改進(jìn)線性的線性霍爾效應(yīng)傳感器。由圖4可見，面對霍爾效應(yīng)傳感器56的(磁體54的)側(cè)面52與磁體54的垂直側(cè)面60形成角度58。角度58最好相對垂直側(cè)60是銳角。而且，磁體54放置在磁板62上，并以間距為D(64)分開。箭頭66示出了磁場組件50的運動方向。
圖5示出使用本發(fā)明的位置傳感器所示實施例的一個實例，其中磁體組件50安裝在輪轂68上，輪轂68又放在運動裝置(線性電機或線性音圈傳動器，未示出)的軸上。
圖6示出在磁體54的側(cè)面52和側(cè)面60之間角度58的幾個不同值的一組通量密度-沖程曲線。如圖所示，90度角具有最明顯的曲率，而大約60度角看來產(chǎn)生了最線性的響應(yīng)。
圖7描繪了在磁體角度為60度且霍爾效應(yīng)傳感器56和磁體54的上角之間的間隙長度Lg為0.284mm時的通量密度-沖程特性。對于本發(fā)明的這個實施例，磁體54彼此分隔開的間距D(64)大約為1.8mm。所以，對于該特定配置，間距選擇為大于間隙長度距離，且在此實例中，大了5倍。所選的幾何尺寸可在4.5mm的沖程范圍內(nèi)獲得位置傳感器在3％以內(nèi)的線性輸出。從上述說明和附圖可知，根據(jù)本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)位置傳感器中磁場組件的一種新配置，它改進(jìn)了傳感器特性的線性，且也可用來根據(jù)需要形成傳感器特性。一般來說，改變磁場組件中磁體的厚度，以影響位置傳感器的通量密度-沖程特性的形狀。厚度的這種改變是沿位置傳感器的沖程方向進(jìn)行的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，厚度以線性方式改變，以使每個磁體上都提供了一個平面表面，其面對霍爾效應(yīng)傳感器，并與磁體的垂直側(cè)面成角度。在優(yōu)選實施例中，選擇該表面的傾斜，以使磁體厚度在磁場組件的兩端最大，而朝磁場組件的中心方向最小。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過改變?nèi)齻€參數(shù)，即，磁體角度、磁體間距離以及磁體與線性霍爾效應(yīng)傳感器之間的距離，可顯著改進(jìn)線性。
上述本發(fā)明的配置比以前的傳感器配置具有許多優(yōu)點。在本發(fā)明中，磁體組件包括具有所選不同厚度的分離磁體，它們安裝在軟磁板或?qū)嶓w上。軟磁板用作返回路徑，它影響分離磁體和磁組件所產(chǎn)生的磁通量分布。所得磁路使磁通量可以被集中，以增加磁通量的法向分量，這種分量可由霍爾傳感器檢測。所以，和以前的傳感器配置中單磁體情況相比，本發(fā)明增加了磁體組件磁通量的法向分量并減少切向分量。和以前的傳感器配置相比，磁體組件的大小例如高度也可最小化。于是，位置傳感器本身的總高度也可成比例地減小。
而且，使用分離的磁體可以使每個磁體與另一個無關(guān)地磁化，使其磁特性可更適于對由磁體的所選厚度變化而產(chǎn)生的磁通量分布產(chǎn)生期望的效應(yīng)。例如，可用比單磁體配置中所用材料的能量乘積更高的材料作本發(fā)明中的磁體。和以前的傳感器相比，這又使得可以進(jìn)一步降低位置傳感器的高度。
還應(yīng)理解，按照本發(fā)明，雖然本發(fā)明描述的實施例在磁場組件50中使用磁體54的對稱配置，但其它配置也可采用，取決于所尋求的位置傳感器的通量密度-沖程特性。所以，按照本發(fā)明，通過改變磁場組件中每個磁體的形狀和磁體間的相對間隔，以及磁體和霍爾效應(yīng)傳感器之間的間隙長度，就可以獲得位置傳感器的各種通量密度-沖程特性。
而且，應(yīng)理解，在此描述的每個磁體不一定由一塊磁體構(gòu)成，而可由某種形狀的分立磁體組合來提供。磁體材料可以是模壓或燒結(jié)的釹硼鐵，或釤鈷，或其它適合的材料。
另外，雖然所述實施例是本發(fā)明的線性位置傳感器應(yīng)用，但是本發(fā)明的概念也可用于旋轉(zhuǎn)位置傳感器。圖8示出本發(fā)明旋轉(zhuǎn)實施例的磁場組件70的頂視圖。和上述線性實施例相同，旋轉(zhuǎn)實施例的磁體72在磁場組件的兩端74具有最大厚度，隨之厚度逐漸減小，到磁場組件的中心為最小。這樣，就提供了面對霍爾效應(yīng)傳感器的斜面。而且，由于該旋轉(zhuǎn)實施例中磁體72和磁板76的曲率，磁體74彼此分隔的距離可徑向改變。對于磁板表面是橫向的磁體72的側(cè)面可描述為沿旋轉(zhuǎn)沖程方向的弧形。
雖然本發(fā)明的位置傳感器已描述為使用線性霍爾效應(yīng)傳感器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解到，在本發(fā)明精神的范圍內(nèi)，其它類型的磁傳感器也可采用。
例如，參閱圖9，現(xiàn)說明本發(fā)明的又一實施例。該實施例示出的是截面圖，它具有磁環(huán)的形式，有兩個徑向磁化的環(huán)形磁體，其間距為D。在所示配置中，磁環(huán)具有的內(nèi)部尺寸允許其在位置信息要被檢測的現(xiàn)有軸上滑動并與之耦接?；蛘?，磁路可作成實圓柱形，并配有適當(dāng)?shù)奶卣饕詫⒋沤M件連接到要監(jiān)控其位置的軸上。最好根據(jù)以上為本發(fā)明其它實施例提出的標(biāo)準(zhǔn)來選擇徑向磁化的環(huán)形磁體的厚度、間隔以及其它尺寸特征。
環(huán)形磁體和磁環(huán)(返回路徑)共用一公共軸。使用時，該磁組件的運動方向通常平行于該公共軸，且磁傳感器放置在平行于該公共軸的平面上，并距公共軸和磁組件有一徑向距離。圖9配置的一個重要優(yōu)點在于它對繞軸線的任何角度軸失準(zhǔn)都極度不敏感。這樣，即使由于缺少抗轉(zhuǎn)動裝置或其它原因，軸以某個角度繞其軸旋轉(zhuǎn)，磁傳感器仍將繼續(xù)與磁組件保持合適的對準(zhǔn)。在實際應(yīng)用中，例如在線性音圈傳動器中，不可避免地存在軸的某些角運動。所以，圖9的配置在那種情況下特別有用。本文所用的術(shù)語和表述都是說明性的而非限制性的，使用這些術(shù)語和表述時并不排除所示和所述特征或其各部分的等效物，應(yīng)認(rèn)識到，在所要求的本發(fā)明的范圍內(nèi)各種改動都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種用在包含磁場傳感器并具有沖程方向的類型的位置傳感器裝置中的磁場組件，所述磁場組件包括第一和第二磁體，它們置于磁板表面上，并以某一間距彼此分隔開，其中所述第一磁體具有對所述磁板表面基本橫向的磁軸，且所述第一磁體的極性和所述第二磁體的極性相反；以及其中所述第一和第二磁體的截面厚度沿所述沖程方向選擇性地改變，并選擇所述間距，以使能為所述位置傳感器提供預(yù)定的通量密度-沖程特性。
2.如權(quán)利要求1所述的磁場組件，其中所述第一和第二磁體中每一個的厚度都以線性方式改變，以便提供面對所述磁場傳感器的平面表面，并且所述平面表面與對所述磁板表面橫向的側(cè)面成銳角。
3.如權(quán)利要求2所述的磁場組件，其中使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁體的厚度在所述磁場組件的相對端為最大，而朝所述磁場組件的中心方向為最小。
4.如權(quán)利要求3所述的磁場組件，其中所述磁場組件可定位成以間隙長度距離相對所述磁場傳感器運動，且其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離。
5.如權(quán)利要求4所述的磁場組件，其中所述銳角選擇為大約60度。
6.如權(quán)利要求5所述的磁場組件，其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離的5倍。
7.如權(quán)利要求1所述的磁場組件，其中所述第一和第二磁體具有對所述磁板表面是橫向的并基本平行于所述位置傳感器沖程方向的側(cè)面。
8.如權(quán)利要求1所述的磁場組件，其中所述位置傳感器具有旋轉(zhuǎn)沖程，并且所述第一和第二磁體具有對所述磁板表面是橫向的且沿所述旋轉(zhuǎn)沖程是弧形的側(cè)面。
9.如權(quán)利要求8所述的磁場組件，其中所述第一和第二磁體具有的寬度尺寸沿所述位置傳感器的沖程方向而改變。
10.如權(quán)利要求1所述的磁場組件，其中所述磁場傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。
11.一種具有沖程方向的位置傳感器裝置，包括磁場傳感器；以及磁場組件，其包括第一和第二磁體，它們置于磁板表面上，并以某一間距彼此分隔開；其中所述第一磁體具有的磁軸相對所述磁板表面基本橫向，且所述第一磁體的極性和所述第二磁體的極性相反，并且所述磁場組件定位為以間隙長度距離相對所述磁場傳感器運動；以及其中所述第一和第二磁體的厚度被選擇為沿所述位置傳感器的沖程方向改變，并選擇所述間隙長度距離和所述間距，以便為所述位置傳感器提供預(yù)定的通量密度-沖程特性。
12.如權(quán)利要求11所述的位置傳感器，其中所述第一和第二磁體中每一個的厚度都以線性方式改變，以便提供平面表面，其面對所述磁場傳感器，并與對所述磁板表面橫向的側(cè)面成銳角。
13.如權(quán)利要求12所述的位置傳感器，其中使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁體的厚度在所述磁場組件的相對端為最大，而朝所述磁場組件的中心方向為最小。
14.如權(quán)利要求13所述的位置傳感器，其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離。
15.如權(quán)利要求14所述的磁場組件，其中所述銳角選擇為大約60度。
16.如權(quán)利要求15所述的位置傳感器，其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離的5倍。
17.如權(quán)利要求11所述的位置傳感器，其中所述第一和第二磁體具有對所述磁板表面是橫向的且基本平行于所述位置傳感器沖程方向的側(cè)面。
18.如權(quán)利要求11所述的位置傳感器，其中所述位置傳感器具有旋轉(zhuǎn)沖程，且所述第一和第二磁體具有對所述磁板表面是橫向的且沿所述旋轉(zhuǎn)沖程是弧形的側(cè)面。
19.如權(quán)利要求18所述的位置傳感器，其中所述第一和第二磁體具有的寬度尺寸沿所述位置傳感器的沖程方向而改變。
20.如權(quán)利要求11所述的位置傳感器，其中所述磁場傳感器是霍爾傳感器。
21.一種配置用在包含磁場傳感器和沖程方向的類型的位置傳感器裝置中的磁場組件的方法，所述方法包括以下步驟將第一和第二磁體置于磁板表面上，以某一間距彼此分隔開，其中所述第一磁體具有的磁軸對于所述磁板表面基本橫向，且所述第一磁體的極性和所述第二磁體的極性相反；以及沿所述沖程方向選擇性地改變所述第一和第二磁體的厚度，并選擇所述間距，以便為能所述位置傳感器提供預(yù)定的通量密度-沖程特性。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述選擇性改變步驟包括如下步驟以線性方式改變所述第一和第二磁體中每一個的厚度，以便提供平面表面，所述平面表面面對所述磁場傳感器，并與對所述磁板表面橫向的側(cè)面成銳角。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述選擇性改變步驟還包括如下步驟使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁體的厚度在所述磁場組件的相對端為最大，而朝所述磁場組件的中心方向為最小。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述磁場組件可定位成以間隙長度距離相對所述磁場傳感器運動，并且其中所述選擇性改變步驟還包括將所述間距設(shè)置為大于所述間隙長度距離的步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中在成角度步驟中，將所述銳角選擇為大約60度。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中在選擇性改變步驟中將所述間距選擇為大于所述間隙長度距離的5倍。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述提供步驟包括如下步驟將所述第一和第二磁體配置成具有對所述磁板表面是橫向的且基本平行于所述位置傳感器沖程方向的側(cè)面。
28.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述位置傳感器具有旋轉(zhuǎn)沖程，并且所述提供步驟包括如下步驟將所述第一和第二磁體配置成具有對所述磁板表面是橫向的且沿所述旋轉(zhuǎn)沖程為弧形的側(cè)面。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述提供步驟包括如下步驟將所述第一和第二磁體配置成具有沿所述位置傳感器沖程方向改變的寬度尺寸。
30.一種用在包含磁場傳感器并具有沖程方向的類型的位置傳感器裝置中的磁場組件，所述磁場組件包括第一和第二磁體，它們置于具有圓柱形截面的磁返回路徑的表面上，并以某一間距彼此分隔開，其中所述第一磁體具有對所述磁返回路徑表面基本橫向的磁軸，且所述第一磁體的極性和所述第二磁體的極性相反；以及其中所述第一和第二磁體的截面厚度沿所述沖程方向選擇性地改變，并選擇所述間距，以便能為所述位置傳感器提供預(yù)定的通量密度-沖程特性。
31.如權(quán)利要求1所述的磁場組件，其中所述第一和第二磁體是環(huán)形磁體，且所述磁返回路徑是磁環(huán)。
32.如權(quán)利要求30所述的磁場組件，其中所述第一和第二環(huán)形磁體中每一個的截面厚度都以線性方式改變，以便提供面對所述磁場傳感器的傾斜表面，并且所述傾斜平面與相對所述磁環(huán)表面橫向的側(cè)面成銳角。
33.如權(quán)利要求31所述的磁場組件，其中使所述傾斜表面成角度，以使所述第一和第二環(huán)形磁體的截面厚度在所述磁場組件的相對端為最大，而朝所述磁場組件的中心方向為最小。
34.如權(quán)利要求32所述的磁場組件，其中所述磁場組件可定位為以間隙長度距離相對所述磁場傳感器運動，且其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離。
35.如權(quán)利要求33所述的磁場組件，其中所述銳角選擇為大約60度。
36.如權(quán)利要求34所述的磁場組件，其中所述間距選擇為大于所述間隙長度距離的5倍。
37.如權(quán)利要求30所述的磁場組件，其中所述第一和第二環(huán)形磁體具有相對所述磁返回路徑表面是橫向的且基本平行于所述位置傳感器沖程方向的側(cè)面。
38.如權(quán)利要求30所述的磁場組件，其中所述磁場傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場組件及其配置方法，用在包括磁場傳感器的類型的位置傳感器中。磁場組件中的第一和第二磁體位于磁板(返回路徑)表面上，并以某一間距彼此分隔開。第一磁體具有相對磁板表面基本橫向的磁軸，且第一磁體的極性和第二磁體的極性相反。第一和第二磁體的厚度沿沖程方向選擇性地改變，并沿磁傳感器和磁場組件間的間隙長度距離來選擇間距，以便能為位置傳感器提供預(yù)定的通量密度－沖程特性。
文檔編號G01B7/14GK1781013SQ200480009362
公開日2006年5月31日 申請日期2004年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者M·戈德金 申請人:Bei傳感器及系統(tǒng)有限公司