专利名称：使用线性霍尔效应传感器、具有增强线性磁体配置的位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及位置传感器，具体地说，涉及磁体厚度和间隔各不相同以提供所需通量密度-冲程(stroke)特性的位置传感器。
背景技术：
在Worcester，MA.的Allegro MicroSystems公司的题为“线性霍尔效应传感器”的申请信息出版物中描述了典型的线性位置传感器。例如图1示出了这种线性位置传感器，此图选自上述出版物。每个这种位置传感器都由磁场组件20和线性霍尔效应传感器22组成。磁场组件20包括两个或四个矩形磁体24和软磁壳26。线性霍尔效应传感器22在图纸上的左右方向横穿磁体所创建的磁场。当霍尔效应传感器22位于位置D＝0时，磁通密度为零(0)。这种配置在上述出版物中被称为“推挽”法。
图2示出了所谓的“推挽”法，其中霍尔效应传感器28在相同极性的两个磁体30间运动。图上的运动是在垂直(或上下)方向。当距离D对应于两个磁体30之间的中点时，磁通密度为零(0)。应指出，在此例中磁体30也是矩形。
图3示出了另一种方法双极滑移(slide-by)模式。图3选自Honeywell的题为“霍尔效应传感和应用、微型开关传感和控制”的出版物。根据该出版物，在“双极滑移模式”中，线性霍尔效应传感器32相对两个矩形磁体34运动，这两个矩形磁体安装在磁板36上，并以固定距离彼此分隔开。图3示出了磁场如何作为距离38的函数而改变，距离38是磁场组件42的中心线40与传感器32的中心44分开的距离。
上述所有位置传感器在它们的冲程范围内都有明显的非线性。
图10是美国专利6,215,299中图2的复制件。众所周知，在这种配置中，沿运动方向使用单个磁体提供磁体相对两端的南北极。相信，用这种配置时，所公开的传感器仅对磁体的漏通量起作用，这又影响了传感器的整体性能。所以需要有一种这样的位置传感器其中通量密度-冲程范围可被更好地控制，并在其冲程范围内可获得改进的线性。
发明内容
本发明用于包括磁场传感器的类型的位置传感器中的磁场组件及配置该磁场组件的方法提供了通量密度-冲程特性的改进控制和线性。磁场组件中的第一和第二磁体定位在磁板表面上，并以某一间距彼此分隔开。第一磁体的磁轴对于磁板表面基本横向，且第一磁体的极性与第二磁体的极性相反。第一和第二磁体的厚度沿位置传感器的冲程方向选择性地改变，并选择间距，以便能为位置传感器提供预定的通量密度-冲程特性。
在本发明的磁场组件的一个实施例中，第一和第二磁体各自的厚度以线性方式改变，以便平面表面被设置成面对磁场传感器，并与相对磁板表面横向的侧面成锐角。还最好使平面表面成角度，以使第一和第二磁体的厚度在磁场组件的相对端为最大，而朝磁场组件中心的方向为最小。在具有线性通量密度-冲程特性的具体优选实施例中，该锐角选择为大约60度。
在本发明的磁场组件的又一实施例中，磁场组件可定位成以间隙长度距离相对位置传感器的磁场传感器运动，且间距选择成大于间隙长度。在优选实施例中，间距选择为大于间隙长度的5倍。
本发明的磁场组件适合于线性和旋转传感器应用。在线性应用中，第一和第二磁体可具有对于磁板表面是横向的、并基本平行于位置传感器冲程方向的侧面。在旋转传感器应用中，位置传感器可具有倾斜冲程，且第一和第二磁体可具有对于磁板表面是横向的并沿倾斜冲程是弧形的侧面。在旋转传感器应用中，第一和第二磁体可具有沿位置传感器的冲程方向改变的宽度尺寸。
根据本发明的位置传感器包括上述磁场组件和磁传感器，例如霍尔效应传感器。
所以本发明的目的就是提供一种方法和装置，其中通过改变磁板上相互分开的第一和第二磁体的厚度，并选择磁体间的间距和间隙长度距离，来配置磁场组件，以提供所需的通量密度-冲程特性。
本发明的又一目的是提供一种配置方法和位置传感器装置，其中磁场组件的第一和第二磁体放置在磁板上，以某一间距相互分开，且每个磁体的厚度各不相同，以使每个磁体提供一个面对磁传感器的平面表面，且与之成锐角。
结合附图阅读了以下对本发明某些优选实施例的详细说明后，更易理解本发明的这些和其它目的、特征和优点。
图1示出常规的线性位置传感器。
图2示出常规的所谓“推挽”线性位置传感器法。
图3示出称为双极滑移模式的另一常规线性位置传感器法。
图4示出根据本发明的位置传感器。
图5示出在所示位置传感器配置中使用本发明磁场组件实施例的一个实例。
图6示出根据本发明的位置传感器实施例的一组通量密度-冲程曲线。
图7示出根据本发明实施例在磁体角度为60度且间隙长度Lg为0.284mm时的通量密度-冲程特性。
图8示出本发明的旋转实施例的磁场组件顶视图。
图9示出根据本发明的圆柱传感器的几何图形。
图10是美国专利6,215,299中图2的复制件。
具体实施例方式
现在参阅图4，图中示出根据本发明的位置传感器。特别是图中示出位置传感器的磁场组件50的截面图，根据本发明使用了提供改进线性的线性霍尔效应传感器。由图4可见，面对霍尔效应传感器56的(磁体54的)侧面52与磁体54的垂直侧面60形成角度58。角度58最好相对垂直侧60是锐角。而且，磁体54放置在磁板62上，并以间距为D(64)分开。箭头66示出了磁场组件50的运动方向。
图5示出使用本发明的位置传感器所示实施例的一个实例，其中磁体组件50安装在轮毂68上，轮毂68又放在运动装置(线性电机或线性音圈传动器，未示出)的轴上。
图6示出在磁体54的侧面52和侧面60之间角度58的几个不同值的一组通量密度-冲程曲线。如图所示，90度角具有最明显的曲率，而大约60度角看来产生了最线性的响应。
图7描绘了在磁体角度为60度且霍尔效应传感器56和磁体54的上角之间的间隙长度Lg为0.284mm时的通量密度-冲程特性。对于本发明的这个实施例，磁体54彼此分隔开的间距D(64)大约为1.8mm。所以，对于该特定配置，间距选择为大于间隙长度距离，且在此实例中，大了5倍。所选的几何尺寸可在4.5mm的冲程范围内获得位置传感器在3％以内的线性输出。从上述说明和附图可知，根据本发明，已发现位置传感器中磁场组件的一种新配置，它改进了传感器特性的线性，且也可用来根据需要形成传感器特性。一般来说，改变磁场组件中磁体的厚度，以影响位置传感器的通量密度-冲程特性的形状。厚度的这种改变是沿位置传感器的冲程方向进行的。在本发明的优选实施例中，厚度以线性方式改变，以使每个磁体上都提供了一个平面表面，其面对霍尔效应传感器，并与磁体的垂直侧面成角度。在优选实施例中，选择该表面的倾斜，以使磁体厚度在磁场组件的两端最大，而朝磁场组件的中心方向最小。
在本发明的优选实施例中，已经发现，通过改变三个参数，即，磁体角度、磁体间距离以及磁体与线性霍尔效应传感器之间的距离，可显著改进线性。
上述本发明的配置比以前的传感器配置具有许多优点。在本发明中，磁体组件包括具有所选不同厚度的分离磁体，它们安装在软磁板或实体上。软磁板用作返回路径，它影响分离磁体和磁组件所产生的磁通量分布。所得磁路使磁通量可以被集中，以增加磁通量的法向分量，这种分量可由霍尔传感器检测。所以，和以前的传感器配置中单磁体情况相比，本发明增加了磁体组件磁通量的法向分量并减少切向分量。和以前的传感器配置相比，磁体组件的大小例如高度也可最小化。于是，位置传感器本身的总高度也可成比例地减小。
而且，使用分离的磁体可以使每个磁体与另一个无关地磁化，使其磁特性可更适于对由磁体的所选厚度变化而产生的磁通量分布产生期望的效应。例如，可用比单磁体配置中所用材料的能量乘积更高的材料作本发明中的磁体。和以前的传感器相比，这又使得可以进一步降低位置传感器的高度。
还应理解，按照本发明，虽然本发明描述的实施例在磁场组件50中使用磁体54的对称配置，但其它配置也可采用，取决于所寻求的位置传感器的通量密度-冲程特性。所以，按照本发明，通过改变磁场组件中每个磁体的形状和磁体间的相对间隔，以及磁体和霍尔效应传感器之间的间隙长度，就可以获得位置传感器的各种通量密度-冲程特性。
而且，应理解，在此描述的每个磁体不一定由一块磁体构成，而可由某种形状的分立磁体组合来提供。磁体材料可以是模压或烧结的钕硼铁，或钐钴，或其它适合的材料。
另外，虽然所述实施例是本发明的线性位置传感器应用，但是本发明的概念也可用于旋转位置传感器。图8示出本发明旋转实施例的磁场组件70的顶视图。和上述线性实施例相同，旋转实施例的磁体72在磁场组件的两端74具有最大厚度，随之厚度逐渐减小，到磁场组件的中心为最小。这样，就提供了面对霍尔效应传感器的斜面。而且，由于该旋转实施例中磁体72和磁板76的曲率，磁体74彼此分隔的距离可径向改变。对于磁板表面是横向的磁体72的侧面可描述为沿旋转冲程方向的弧形。
虽然本发明的位置传感器已描述为使用线性霍尔效应传感器，但本领域技术人员会理解到，在本发明精神的范围内，其它类型的磁传感器也可采用。
例如，参阅图9，现说明本发明的又一实施例。该实施例示出的是截面图，它具有磁环的形式，有两个径向磁化的环形磁体，其间距为D。在所示配置中，磁环具有的内部尺寸允许其在位置信息要被检测的现有轴上滑动并与之耦接。或者，磁路可作成实圆柱形，并配有适当的特征以将磁组件连接到要监控其位置的轴上。最好根据以上为本发明其它实施例提出的标准来选择径向磁化的环形磁体的厚度、间隔以及其它尺寸特征。
环形磁体和磁环(返回路径)共用一公共轴。使用时，该磁组件的运动方向通常平行于该公共轴，且磁传感器放置在平行于该公共轴的平面上，并距公共轴和磁组件有一径向距离。图9配置的一个重要优点在于它对绕轴线的任何角度轴失准都极度不敏感。这样，即使由于缺少抗转动装置或其它原因，轴以某个角度绕其轴旋转，磁传感器仍将继续与磁组件保持合适的对准。在实际应用中，例如在线性音圈传动器中，不可避免地存在轴的某些角运动。所以，图9的配置在那种情况下特别有用。本文所用的术语和表述都是说明性的而非限制性的，使用这些术语和表述时并不排除所示和所述特征或其各部分的等效物，应认识到，在所要求的本发明的范围内各种改动都是可能的。
权利要求
1.一种用在包含磁场传感器并具有冲程方向的类型的位置传感器装置中的磁场组件，所述磁场组件包括第一和第二磁体，它们置于磁板表面上，并以某一间距彼此分隔开，其中所述第一磁体具有对所述磁板表面基本横向的磁轴，且所述第一磁体的极性和所述第二磁体的极性相反；以及其中所述第一和第二磁体的截面厚度沿所述冲程方向选择性地改变，并选择所述间距，以使能为所述位置传感器提供预定的通量密度-冲程特性。
2.如权利要求1所述的磁场组件，其中所述第一和第二磁体中每一个的厚度都以线性方式改变，以便提供面对所述磁场传感器的平面表面，并且所述平面表面与对所述磁板表面横向的侧面成锐角。
3.如权利要求2所述的磁场组件，其中使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁体的厚度在所述磁场组件的相对端为最大，而朝所述磁场组件的中心方向为最小。
4.如权利要求3所述的磁场组件，其中所述磁场组件可定位成以间隙长度距离相对所述磁场传感器运动，且其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离。
5.如权利要求4所述的磁场组件，其中所述锐角选择为大约60度。
6.如权利要求5所述的磁场组件，其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离的5倍。
7.如权利要求1所述的磁场组件，其中所述第一和第二磁体具有对所述磁板表面是横向的并基本平行于所述位置传感器冲程方向的侧面。
8.如权利要求1所述的磁场组件，其中所述位置传感器具有旋转冲程，并且所述第一和第二磁体具有对所述磁板表面是横向的且沿所述旋转冲程是弧形的侧面。
9.如权利要求8所述的磁场组件，其中所述第一和第二磁体具有的宽度尺寸沿所述位置传感器的冲程方向而改变。
10.如权利要求1所述的磁场组件，其中所述磁场传感器是霍尔效应传感器。
11.一种具有冲程方向的位置传感器装置，包括磁场传感器；以及磁场组件，其包括第一和第二磁体，它们置于磁板表面上，并以某一间距彼此分隔开；其中所述第一磁体具有的磁轴相对所述磁板表面基本横向，且所述第一磁体的极性和所述第二磁体的极性相反，并且所述磁场组件定位为以间隙长度距离相对所述磁场传感器运动；以及其中所述第一和第二磁体的厚度被选择为沿所述位置传感器的冲程方向改变，并选择所述间隙长度距离和所述间距，以便为所述位置传感器提供预定的通量密度-冲程特性。
12.如权利要求11所述的位置传感器，其中所述第一和第二磁体中每一个的厚度都以线性方式改变，以便提供平面表面，其面对所述磁场传感器，并与对所述磁板表面横向的侧面成锐角。
13.如权利要求12所述的位置传感器，其中使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁体的厚度在所述磁场组件的相对端为最大，而朝所述磁场组件的中心方向为最小。
14.如权利要求13所述的位置传感器，其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离。
15.如权利要求14所述的磁场组件，其中所述锐角选择为大约60度。
16.如权利要求15所述的位置传感器，其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离的5倍。
17.如权利要求11所述的位置传感器，其中所述第一和第二磁体具有对所述磁板表面是横向的且基本平行于所述位置传感器冲程方向的侧面。
18.如权利要求11所述的位置传感器，其中所述位置传感器具有旋转冲程，且所述第一和第二磁体具有对所述磁板表面是横向的且沿所述旋转冲程是弧形的侧面。
19.如权利要求18所述的位置传感器，其中所述第一和第二磁体具有的宽度尺寸沿所述位置传感器的冲程方向而改变。
20.如权利要求11所述的位置传感器，其中所述磁场传感器是霍尔传感器。
21.一种配置用在包含磁场传感器和冲程方向的类型的位置传感器装置中的磁场组件的方法，所述方法包括以下步骤将第一和第二磁体置于磁板表面上，以某一间距彼此分隔开，其中所述第一磁体具有的磁轴对于所述磁板表面基本横向，且所述第一磁体的极性和所述第二磁体的极性相反；以及沿所述冲程方向选择性地改变所述第一和第二磁体的厚度，并选择所述间距，以便为能所述位置传感器提供预定的通量密度-冲程特性。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述选择性改变步骤包括如下步骤以线性方式改变所述第一和第二磁体中每一个的厚度，以便提供平面表面，所述平面表面面对所述磁场传感器，并与对所述磁板表面横向的侧面成锐角。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述选择性改变步骤还包括如下步骤使所述平面表面成角度，以使所述第一和第二磁体的厚度在所述磁场组件的相对端为最大，而朝所述磁场组件的中心方向为最小。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述磁场组件可定位成以间隙长度距离相对所述磁场传感器运动，并且其中所述选择性改变步骤还包括将所述间距设置为大于所述间隙长度距离的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，其中在成角度步骤中，将所述锐角选择为大约60度。
26.如权利要求25所述的方法，其中在选择性改变步骤中将所述间距选择为大于所述间隙长度距离的5倍。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述提供步骤包括如下步骤将所述第一和第二磁体配置成具有对所述磁板表面是横向的且基本平行于所述位置传感器冲程方向的侧面。
28.如权利要求21所述的方法，其中所述位置传感器具有旋转冲程，并且所述提供步骤包括如下步骤将所述第一和第二磁体配置成具有对所述磁板表面是横向的且沿所述旋转冲程为弧形的侧面。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述提供步骤包括如下步骤将所述第一和第二磁体配置成具有沿所述位置传感器冲程方向改变的宽度尺寸。
30.一种用在包含磁场传感器并具有冲程方向的类型的位置传感器装置中的磁场组件，所述磁场组件包括第一和第二磁体，它们置于具有圆柱形截面的磁返回路径的表面上，并以某一间距彼此分隔开，其中所述第一磁体具有对所述磁返回路径表面基本横向的磁轴，且所述第一磁体的极性和所述第二磁体的极性相反；以及其中所述第一和第二磁体的截面厚度沿所述冲程方向选择性地改变，并选择所述间距，以便能为所述位置传感器提供预定的通量密度-冲程特性。
31.如权利要求1所述的磁场组件，其中所述第一和第二磁体是环形磁体，且所述磁返回路径是磁环。
32.如权利要求30所述的磁场组件，其中所述第一和第二环形磁体中每一个的截面厚度都以线性方式改变，以便提供面对所述磁场传感器的倾斜表面，并且所述倾斜平面与相对所述磁环表面横向的侧面成锐角。
33.如权利要求31所述的磁场组件，其中使所述倾斜表面成角度，以使所述第一和第二环形磁体的截面厚度在所述磁场组件的相对端为最大，而朝所述磁场组件的中心方向为最小。
34.如权利要求32所述的磁场组件，其中所述磁场组件可定位为以间隙长度距离相对所述磁场传感器运动，且其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离。
35.如权利要求33所述的磁场组件，其中所述锐角选择为大约60度。
36.如权利要求34所述的磁场组件，其中所述间距选择为大于所述间隙长度距离的5倍。
37.如权利要求30所述的磁场组件，其中所述第一和第二环形磁体具有相对所述磁返回路径表面是横向的且基本平行于所述位置传感器冲程方向的侧面。
38.如权利要求30所述的磁场组件，其中所述磁场传感器是霍尔效应传感器。
全文摘要
本发明公开了一种磁场组件及其配置方法，用在包括磁场传感器的类型的位置传感器中。磁场组件中的第一和第二磁体位于磁板(返回路径)表面上，并以某一间距彼此分隔开。第一磁体具有相对磁板表面基本横向的磁轴，且第一磁体的极性和第二磁体的极性相反。第一和第二磁体的厚度沿冲程方向选择性地改变，并沿磁传感器和磁场组件间的间隙长度距离来选择间距，以便能为位置传感器提供预定的通量密度－冲程特性。
文档编号G01B7/14GK1781013SQ200480009362
公开日2006年5月31日 申请日期2004年2月13日 优先权日2003年2月14日
发明者M·戈德金 申请人:Bei传感器及系统有限公司