磁铁装置和位置感测系统的制作方法

专利名称：磁铁装置和位置感测系统的制作方法
技术领域：
磁铁装置和位置感测系统技术领域[0001]本实用新型一般地涉及磁铁装置和位置感测装置，并且更具体地涉及用于探测转 轴的角度位置范围的位置感测装置中使用的磁铁装置。
背景技术：
[0002]使用位置感测装置来探测转轴的角度位置在行业中是已知的。[0003]传统上，机械接触式位置感测装置被使用来探测转轴的角度位置。然而，机械接触 式位置感测装置具有一些缺点，包括机械磨损、测角精度和可靠性低以及没有自诊断能力。[0004]已有建议使用电子感测系统以产生两状态信号来反映转轴的角度位置。具体地 说，电子感测系统包括响应转轴的转动产生模拟电子信号的感测装置，并且该电子感测系 统进一步处理模拟信号以产生两状态信号以表示转轴的角度位置。更具体地说，磁铁装置 被附接在转轴上并且适于与转轴一起转动。在磁铁装置绕转轴转动时，磁铁装置对感测装 置产生磁通密度变化/磁场变化。感测装置响应磁通密度变化/磁场变化产生模拟电子信 号，然后该模拟电子信号被转换成两状态信号。[0005]因此，有必要提供一种改进的磁铁装置，用于产生磁通密度变化/磁场变化以适 用于更加精确地反映转轴的角度位置。[0006]还有必要提供一种改进的感测装置，该感测装置产生两状态信号以适用于使用磁 通密度变化/磁场变化更加精确地反映转轴的角度位置。实用新型内容[0007]在第一方面，本实用新型提供一种磁铁装置，用于提供与探测位置相关的磁场强 度变化/磁场变化，该磁铁装置包括[0008]磁铁部件，适于被安装在转轴上并且随该转轴一起转动，当该磁铁部件绕转轴转 动时，该磁铁部件产生与探测位置相关的磁场强度变化/磁场变化；以及[0009]磁通密度集中器，集中/聚集磁场强度变化/磁场变化的密度。[0010]根据第一方面，所述磁铁装置与感测装置一起使用，该感测装置具有探测位置，感 测元件位于该探测位置，其中[0011]感测装置包括具有前侧和后侧的感测元件；[0012]磁通密度集中器包括磁通密度集中元件，邻近所述感测元件的后侧。[0013]根据磁铁装置的第一方面，其中[0014]磁铁部件具有位于磁铁部件相对两侧的第一侧面和第二侧面，[0015]磁通密度集中器进一步包括第一和第二磁通密度集中元件，[0016]第一磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第一侧面；以及[0017]第二磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第二侧面。[0018]根据第二方面，本实用新型提供一种位置感测系统，用于产生两状态信号以表示 转轴的角度位置范围，该位置感测系统包括[0019]在第一方面中所描述的磁铁装置，用于产生磁场强度变化/磁场变化；[0020]感测装置，用于响应磁场强度变化/磁场变化以产生电子信号；以及 处理电路，用于响应所述电子信号产生两状态信号。[0022]根据位置感测系统的第二方面，其中[0023]处理电路包括阈值电路，用于提供钟形函数曲线上的阈值电压；以及[0024]指示电路；[0025]其中，当所感测到的电子信号的电压超过(或低于)所述阈值电压时，所述指示电 路产生第一信号状态，而当所感测到的电子信号的电压低于(或超过)所述阈值电压时，产 生第二信号状态。[0026]根据位置感测系统的第二方面，其中[0027]当双极磁铁绕转轴转动360度时，响应在一个维度上的磁通密度变化/磁场变化， 所述阈值电压和钟形函数曲线在安装位置感测系统之前被校准。[0028]根据在第二方面，位置感测系统进一步包括[0029]调节电路，用于通过监控和更新符合钟形函数曲线的电子信号的最小峰值和最大 峰值来调节两状态信号的宽度以补偿操作条件的变化，包括空隙的变化、环境温度的变化 以及所使用的部件的参数变化。[0030]通过提供磁铁装置和位置感测系统，本实用新型克服了以上所提及的现有技术中 的缺点。


[0031]参考附图将对本实用新型进行描述，其中[0032]图1A描述根据本实用新型的位置感测系统100，其示出位置感测系统100中转轴 108的侧视图；[0033]图1B描述图1A的位置感测系统100，其示出图1A中所示的转轴108的俯视图；[0034]图1C描述位置感测系统100，其示出图1B中所示的转轴108沿图1B中线A-A的 截面图；[0035]图2描述图1A-C中所示的磁铁装置102和感测装置104的示意性实施例；[0036]图3A-C描述根据本实用新型的图1A-C中所示的磁铁装置102和感测装置104的 三个实施例；[0037]图4A-C描述根据本实用新型的图1A-C中所示的磁铁装置102A-C和感测装置 104A-C的另外三个实施例；[0038]图5A描述位置感测系统100中的处理线路106的一个实施例的更详细的结构；[0039]图5B描述位置感测系统100中的处理线路106的另一个实施例的更详细的结构 106，；[0040]图6描述图5A中所示的处理单元504的更详细的结构；[0041]图7A描述了钟形函数曲线702，其反映由图2中所示的磁铁204所产生的磁通密度变化/磁场变化；[0042]图7B描述了钟形(bell-shaped)函数曲线706，其反映由图3A-B和图4A-B中所 示的磁铁(304A，304B，404A 或 404B)和磁通密度集中器(308A1，308A2 ；308C1,308C2 ；309B或者309C)所产生的磁通密度变化/磁场变化；[0043]图8A描述钟形(bell-shaped)函数曲线802，其反映由图2中所示的感测元件202 感测到的电压输出；[0044]图8B描述钟形(bell-shaped)函数曲线806，其反映由图3A，3B，4A或4B中所示的感测元件(302A或302B)感测到的电压输出；[0045]图SC描述了基于校准(或模拟)程序中的钟形(bell-shaped)函数曲线806形成具有第一信号状态和第二信号状态的两状态信号107的方案；[0046]图9A-B示出使用正两状态信号107或负两状态信号107’来表示图1A-C中所示的转轴108的转动范围；以及[0047]图10示出发动机控制系统900，其中图1A-C中所示出的处理线路106的输出111 被用于控制汽车中的发动机。
具体实施方式
[0048]现参考具体实施例，在附图中示出其示例。在具体实施例的详细描述中，方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“左边”、“右边”等参考附图所描述的方向来使用。 由于本实用新型实施例的部件可被设置成许多不同的方向，方向性术语被用作说明的目的而决不是限制。尽可能地，所有附图中使用的相同或相似的标记和符号表示相同或相似的部分。[0049]图1A描述根据本实用新型的位置感测系统100，示出位置感测系统100中的转轴 108的侧视图。[0050]在图1A中，位置感测系统100包括磁铁装置102、感测装置104、处理线路106和转轴108。感测装置104通过连接109与处理线路106电连接，而磁铁装置102被安装到转轴108上并且适合于绕转轴108的轴心112 (如图1C中所示)与转轴108 —起转动。感测装置104位于磁铁装置102的上方并且与磁铁装置102分隔开一距离D (或空隙)183。 当磁铁装置102绕转轴108的轴112转动时，磁铁装置102可对感测装置104所在的位置 (或探测位置)产生磁通密度变化，转而产生磁场变化。当感测装置104受到磁铁装置102 的磁通密度变化/磁场变化，感测装置104可产生电信号(例如PWM，SENT等)。作为示例性的实施例，感测·装置104可包括霍尔效应电路，用于响应由磁通密度变化所引起的磁场变化产生电信号。感测装置104将所感应到的电信号输送到处理线路106，处理线路106响应所述感应到的电信号转而在其输出端(即，连接111)产生两状态信号110。[0051]如图1A所示，转轴108可沿其纵向(或其长度方向)成直线地移动，并且也可以绕轴心112 (如图1C中所示)转动。当转轴108沿其纵向成直线地移动时，处理线路106 在其输出端111保持其两状态信号的输出状态。换句话说，对于转轴108的直线运动，处理线路106不改变在输出111上的两状态信号的输出状态，因为感测装置104不能从转轴的直线运动中探测到任何磁通密度变化和/或磁场变化。然而，当转轴108绕其轴112转动时，处理线路106可根据转轴108的转动角度，在其输出端111处，于￥^和Vis之间改变两状态的电压输出。换句话说，处理线路106响应转轴108的转动角度，在\^和Vis之间转换其两状态输出111。[0052]图1B描述了图1的位置感测系统100，示出转轴108的俯视图。在转轴108的俯视图中，感测装置104应被示出位于磁铁装置102的上方(隔开距离D 183)。为了更好地 说明本实用新型的原理，感测装置104示意性地位于图2中的转轴108侧边，但使用虚线 129来反映磁铁装置102和感测装置104之间的上述实际上下位置关系。[0053]如图1B中所示，磁铁装置102具有沿转轴108纵向(或长度方向)上的长度L以 确保当转轴108沿其纵向成直线地移动时感测装置104始终在磁铁装置102的有效的探测 区域内。虚线114表示沿转轴108的纵向上的中心线，而虚线115和117限定了转轴108 的转动范围(-LI，+LI)。换句话说，当转轴108绕轴心112向左转动和向右转动时，中心线 114分别朝虚线115和117转动。[0054]图1C描述了图1B的位置感测装置100，示出沿图1B中的线A-A的转轴108的截面图。[0055]如图1C中所示，转轴108可从其中心位置(由转轴108上的直径方向上的中心线 113示出)朝左转动直到转轴108到达其左转动界限-Lm(由虚线121示出)或者朝右转动 直到转轴108到达其右转动界限+Lm(由虚线123示出)。直径方向上的中心线113经过并 切割转轴108纵向上的中心线114和轴心112。因此，两条虚线121和123限定转轴108的 整个(或最大的)转动范围(_Lm，+Lm)。在整个转动范围(_Lm，+Lm)内，两条虚线115和 117限定转轴108内部的转动范围(-LI，+LI)。在图1C中所示的具体实施例中，整个转动 范围和内部的转动范围关于转轴108上的轴112和中心线113对称。换言之，相对于轴心 112和中心线113而言，-Lm和-LI之间的转动范围分别等于+Lm和+LI之间的转动范围。 然而，非对称设置的转动范围对本领域技术人员来说也是可能的。此外，将转轴108的整个 转动范围(_Lm，+Lm)扩大到360度也是可能的。为了更清楚地限定图1A-C中的部件之间 的位置关系，应当注意的是转轴108直径方向上的中心线113是经过轴心112的直线并且 垂直于沿转轴108纵向上的中心线114。[0056]协同工作时，感测装置104和处理线路106可探测转轴108的角度位置并且在输 出端111上产生两状态指示信号107。具体地说，当转轴108在转动范围(_L1，+L1)内时， 处理线路106可产生第一信号状态(如图1C中示出的高电压状态Vs或如图9B中示出的 低电压状态Vffi);当转轴108在转动范围(-LI，+LI)之外(或超出该转动范围)时，处理 线路106产生第二信号状态(如图1C中示出的低电压状态Vis或如图9B中示出的高电压 状态Vs)。然后，两状态指示信号107通过处理线路106的输出端111被输送到E⑶(发动 机控制单元)902 (如图10所示)。[0057]图2描述了图1A-C中所示的磁铁装置102和感测装置104的示意性实施例。[0058]如图2中所示，磁铁装置102包括具有南极和北极的磁铁204，磁铁204的南极被 附接在转轴108的表面上，感测装置104的前表面205和磁铁204的北极的表面被设置为 相互面对。磁铁204的南极和北极与转轴108的轴112和转轴108径向上的中心线113对 齐。感测装置104与磁铁204分隔开一距离(或空隙)183D并且与磁铁204共平面。如图1B中所示，磁铁204具有长度L和沿转轴108纵向上的中心线114。为了更加有效地探测 来自磁铁204的磁通密度变化，作为一个实施例，感测装置104的感测点与磁铁204纵向中 心线114对齐。[0059]如图2中所示，感测装置104包括感测元件202,该感测元件可以是霍尔效应 传感器或磁阻(magneto-resistive)传感器，在暴露于旋转(或变化)磁场时能产生电信号。更具体地，霍尔效应传感元件202可以是载流的半导体膜(current-carrying sem1-conductor membrane),在受到垂直于膜表面的磁通密度变化/磁场变化时产生垂直 于电流方向的低电压。如图2中所示，磁通密度/磁场在空隙183内沿三维坐标203 (Bx，By， Bz)变化。感测装置104通常被设计为探测沿Bx或By中的一维或两维的磁场变化。感测元 件202可被配置设在对由转动的磁铁204引起的磁通密度变化/磁场变化敏感和灵敏的探 测位置。在图2中,B代表磁通密度；Bx表示沿轴108的径向方向(the radial direction) 上并且垂直于感测元件202的磁通密度测量；而By表示与轴108相切(tangential to)并 且与感测元件202共平面的磁通密度测量。[0060]图3A-C描述了图1A-C中所示的感测系统100的三个实施例。[0061]如图3A中所示，感测装置104A具有前侧305A和后侧306A，而磁铁装置102A包括 具有南极和北极的双极磁铁304A。磁铁304A的南极被附接在转轴108的表面上。感测装 置104的前表面305A和磁铁304A的北极的表面设置为彼此相互面对。磁铁304A的南极 和北极与转轴108上的径向中心线113对齐。感测装置104A包括感测元件302A并且该感 测装置104A与磁铁304A分隔开一段距离(或空隙)D 183，并且与磁铁304A共平面。双极 磁铁304A和探测位置(感测元件302A所在的位置)是在同一平面上，该平面垂直于双极 磁铁304A的转动的轴向方向。为了集中/聚集由磁铁304A产生的磁通密度，一对磁铁集 中器308A1和308A2分别位于双极磁铁304A的两侧并且邻近该双极磁铁304A。[0062]如图3B中所示，感测装置104B具有前侧305B和后侧306B，并且磁铁装置102B包 括具有南极和北极的双极磁铁304B。磁铁304B的南极被附接在转轴108的表面上。感测 装置104B的前表面305B和磁铁304B的北极的表面设置为彼此相互面对。磁铁304B的南 极和北极与转轴108上的中心线113对齐。感测装置104B包括感测元件302B并且该感测 装置104B与磁铁304B分隔开一段距离(或空隙)D 183，并且与磁铁304B共平面。与图 3A中所示的结构相类似的，双极磁铁304B和探测位置(感测元件302B所在的位置)是在 同一平面上，该平面垂直于双极磁铁304B转动的轴向方向。为了集中/聚集由磁铁304B 产生的磁通密度，磁通密度集中器309B被设置在感测装置302B的后侧并且邻近该感测装 置 302B。[0063]如图3C中所示，感测装置104C具有前侧305C和后侧306C，并且磁铁装置102C包 括具有南极和北极的双极磁铁304C。磁铁304C的南极被附接在转轴108的表面上。感测 装置104C的前表面305C和磁铁304C的北极的表面设置为彼此相互面对。磁铁304C的南 极和北极与转轴108上的中心线113对齐。感测装置104C包括感测元件302C，并且该感测 装置104C与磁铁304C分隔开一段距离(或空隙)D 183，并且与磁铁304C共平面。与图 3A中所示的结构相类似的，双极磁铁304C和探测位置(感测元件302C所在的位置)是在 同一平面中，该平面垂直双极磁铁304C的转动的轴向方向。为了集中/聚集由磁铁304C 产生的磁通密度，一对磁铁集中器308C1和308C2分别位于双极磁铁304C的两侧并且邻近 该双极磁铁304C。为了进一步集中/聚集由磁铁304C产生的磁通密度，磁通密度集中器 309C被设置在感测元件302C的后侧并且邻近该感测元件302C。[0064]在图3B，3C，4B和4C中，在感测元件302B (或302C)和集中器309B (或309C)之间 的距离必须使由304B (或304C)所产生的磁场分布形状(topology)是可以调节的。作为一 个实施例，该距离可以被选择为0. 1mm，但是各种距离变量也是可能的。例如，根据304B (或304C)所产生磁场分布形状(topology)，在感测元件302B (或302C)和集中器309B (或 309C)之间的距离可以从O.1mm到5mm之中选择。[0065]在图3A，3C，4A和4C中，在磁铁304A或304C (或404A或404C)和集中器308A1 和308A2 (或308C1和308C2)之间的距离必须使由304A和304C (或404A和404C)产生的 磁场分布形状(topology)是可以调节的。作为一个实施例，该距离可以被选为O.1mm,但是 各种变量也是可能的。例如，根据由304A和304C(或404A和404C)产生的磁场分布形状 (topology)，在磁铁 304A 或 304C (或 404A 或 404C)和集中器 308A1 和 308A2 (或 308C1 和 308C2)之间的距离可以从O.1mm到IOmm之中选择。[0066]在图3A-C和4A-C中，基于磁铁304A-C和404A-C的参数，包括磁铁尺寸、磁铁性 质、转动半径和预期性能，来确定/选择距离(或空隙)D183。在本实用新型的一个实施例 中，距离(或空隙)D 183选为2mm，但是也可是其他各种变量。例如，距离(或空隙)D 183 可以选为从Imm到3mm的值。集中器(308A1、308A2、308C1、308C2、309B和309C)可以由铁 磁材料或钢铁材料(包括具有高密度铁的金属合金、非奇异性(non-exotic)材料和非贵重 金属)制成。[0067]如图1B中所示，图3A-C中所示的磁铁304A-C具有沿转轴108纵向方向上的长度 L。为了更加有效地探测来自磁铁304A-C的磁通密度变化，作为一种实施，图3A-C中所示 的感测元件302A-C的感测点与磁铁304A-C的纵向中心线114对齐。感测元件302A，302B 或302可以是霍尔效应传感器或者磁阻(magneto-resistive)传感器。[0068]图4A-C描述了图1A-C中所示的位置感测系统100的其他三个实施例。[0069]在图4A-C中，其他三个实施例分别具有与图3A-C中的结构基本相同的结构，除了 图4A-C中所示的磁铁402A-C的磁极方向不同于图3A-C中所示的磁铁302A-C的磁极方向。 如图4A-C中所示，磁铁404A-C的每个北极被附接在转轴108的表面上。感测装置104A-C 的前表面305A-C和磁铁404A-C的南极的表面分别设置为彼此相互面对。磁铁404A-C的 北极和南极与转轴108上的直径方向上的中心线113对齐。[0070]图5A更详细地描述了位置感测系统100中的处理线路106的一个实施例。如图 5A所示，处理线路106包括模拟/数字转换线路502、数字处理单元504和指示电路508，所 有这些线路都通过连接503、505和507电连接在一起。模拟/数字转换线路502通过连接 109与感测装置104的输出电连接，该模拟/数字转换线路502从感测装置104 (或104A-C) 接收模拟电子信号作为输入、将该模拟电子信号处理(或转)成数字电子信号，并且将数字 化的电子信号通过连接503输送到处理单元504。然后，处理单元504处理数字化的电子 信号从而确定转轴108是否在转动范围(-LI，+LI)内。基于处理单元504的确定，当转轴 108在转动范围(-LI，+LI)内时，处理单元504将指示电路508的两状态输出111设置成 第一信号状态(如图1C中所示出的高电压状态Vs或如图9B中所示出的低电压状态Vis)； 当转轴108在转动范围(-LI, +LI)之外(或超出该转动范围)时,处理单元504将指示电 路508的两状态输出111设置成第二信号状态(如图1C中所示出的低电压状态Vis或如图 9B中所示出的高电压状态V高)。[0071]更具体地，指示电路508的两状态输出111可根据连接505和507上出现的两个控 制信号，也就是根据连接505上的状态控制信号(具有第一控制信号状态和第二控制信号 状态)和连接507上的触发信号(或触发脉冲)，指示电路508被设置在高电压状态(V高)或低电压状态(Vte)。当数字处理单元504将触发脉冲输送到连接507上并且将状态控制 信号输送到连接505上时，指示电路508被设置成与出现在连接505上的状态控制信号相 同的信号(或电压)状态。当触发信号没有被输送到连接507上时，指示电路508保持其 当前的输出状态，而不受出现在连接505上的状态控制的信号(或电压)状态的影响。作 为一个实施例，指示电路508的逻辑功能可以通过使用J-K寄存器或D寄存器来实现。[0072]因此，当处理单元504确定转轴108在转动范围(_L1，+L1)内时，处理单元504将 第一控制信号状态(高控制状态信号或低控制状态信号)输送到连接505上并且将触发信 号输送到连接507上，这将指示电路508设置成第一信号状态(如图1C中所示出的高电压 状态Vs或如图9B中所示出的低电压状态Vffi)。当处理单元504确定转轴108在转动范围 (-LI，+LI)之外(或超出该转动范围)时，处理单元504将第二控制信号状态(低控制状 态信号或高控制状态信号)输送到连接505上并且将触发信号输送到连接507上，这将指 示电路508设置成第二信号状态(如图1C中所示出的低电压状态Vis或如图9B中所示出 的高电压状态Vs)。[0073]图5B更详细地描述了位置感测系统100中的处理线路106的另一个实施例106’。 如图5B中所示，处理线路106’包括模拟处理装置924和极化线路928。模拟处理装置924 具有输入和输出，其输入与连接109连接；而其输出通过连接925与极化线路928连接。该 极化线路928具有输出，该输出与输出端111相连。[0074]模拟处理装置924从感测装置104(或104A-C)的输出来接收电子信号并且处理 该电子信号，从而当转轴108在转动范围(_L1，+L1)内时，产生第一状态触发信号；并且当 转轴108在转动范围(-LI，+LI)之外(超出该转动范围)时，产生第二状态触发信号。响 应第一状态驱动信号，极化线路928被设置成第一状态信号(如图1C中所示出的高电压状 态Vs或如图9B中所示出的低电压状态Vffi);响应第二状态驱动信号，极化线路928被设 置成第二状态信号(如图1C中所示出的低电压状态Vis或如图9B中所示出的高电压状态[0075]更具体地，使用与图SB的描述相关的校准(或模拟)程序获得阈值电压。然后， 经校准的(或已模拟)而获得的阈值电压被设置在模拟处理装置924内。当感测装置104 所感应到的电压大于或等于阈值电压时，模拟处理装置924产生第一状态驱动信号从而将 极化线路928设置成第一状态信号(如图1C中所示出的高电压状态Vs或如图9B中所示 出的低电压状态Vffi)。当感测装置104(或104A-C)所感应到的电压小于阈值电压时，模拟 处理装置924产生第二状态驱动信号从而将极化线路928设置成第二状态信号(如图1C 中所示出的低电压状态Vis或如图9B中所示出的高电压状态V高)。[0076]模拟处理装置924可使用低通滤波器或其他类似的模拟电路装置来实现。[0077]图6描述了图5中所示的处理单元504更详细的结构。如图6中所示，处理单元 504包括处理器(或CPU) 602、寄存器604、存储装置606、输入/输出线路608和总线610。 处理器602、寄存器604、存储装置606和输入/输出线路608分别通过连接603、605、607 和609与总线610相连。存储装置606可存储程序(即，指令系列)、参数(例如，如图7B 和SB中所示出的参考电压)和数据(包括数字化的电子信号)，寄存器604可存储(或缓 冲存储)参数和数据，而输入/输出线路608可接收至处理单元504的输入信号，并且可将 处理单元504内的信号发送出处理单元504 (如发送到连接505和507上)。寄存器604可基于保存在该寄存器中的内容为一个或多个CPU操作周期提供和保持信号状态，以便处理 器602可在CPU操作周期内执行操作。[0078]通过执行储存在存储装置606中的程序，处理器(或CPU) 602可控制寄存器604、 存储装置606和输入/输出线路608的操作，并且可对寄存器604和存储装置606上执行 读/写操作。输入/输出线路608可从模拟/数字转换线路502处接收输入信号并且将处 理器(或CPU)602的输出信号发送到指示电路508。为了执行比较逻辑运算，处理器(或 CPU) 602包括逻辑运算单元(未示出)，逻辑运算单元具有比较器612，该比较器可执行输入 613和615这两个来源的比较运算以在输出617上产生比较结果。处理器(或CPU) 602可基 于输出617上的比较结果确定后续操作。更具体地，基于该比较结果，处理器(或CPU)602 可产生所期望的状态控制信号和触发信号(或触发脉冲)并且将它们发送到连接505和 507 上。[0079]图7A描述了钟形(bell-shaped)函数曲线702，该函数曲线反映当磁铁204绕转 轴108转动时由图2中所示的磁铁204所产生的与感测元件202的探测点相关的沿一个维 度(X维或Y维)的磁通密度变化/磁场变化。如图7A所示，钟形函数曲线702关于垂直 的中心线703对称，该垂直的中心线对应转轴108径向上的中心位置。如图7A中所示，当 磁铁204在离图2中所示的感测装置104最远位置处(对应线703)时，钟形函数曲线702 上的磁通密度在其最小值。当磁铁204朝离感测装置104最近距离的位置(对应线703) 转动时，钟形函数曲线702上的磁通密度逐渐增大至最大值。当磁铁204从最近距离的位 置朝离感测装置104最远位置处(对应线711)转动时，钟形函数曲线702上的磁通密度于 是减小至最小值。[0080]图7B描述了钟形(bell-shaped)函数曲线706，其反映当磁铁(304A，304B，404A 或404B)绕转轴108转动时，由如图3A-B和图4A-B中所示的磁铁(304A，304B，404A或 404B)和磁通密度集中器(308A1，308A2 ；308C1,308C2 ;309B或309C)所产生的与感测元件 (302A或302B)的探测点相关的沿一维(X维或Y维)的磁通密度变化。如图7B所示，钟形 函数曲线706关于垂直的中心线707对称，该垂直的中心线对应转轴108径向上的中心位 置。如图7B中所示，当磁铁(304A，304B，404A或404B)在离图3A-B和图4A-B中所示的感 测装置104A或104B最远位置处(对应线713)时，钟形函数曲线706上的磁通密度在其最 小值。当磁铁(304A，304B，404A或404B)朝离感测装置104A或104B最近距离的位置(对 应线707)转动时，钟形函数曲线706上的磁通密度逐渐增大至最大值。当磁铁(304A，304B， 404A或404B)从最近距离的位置朝离感测装置104A或104B最远位置处(对应线711)转 动时，钟形函数曲线706上的磁通密度减小至最小值。[0081]在图7A中，线704表示钟形(bell-shaped)函数曲线702上的磁通密度最大值 和磁通密度最小值之差值的百分之70(70% )处的磁通密度。在图7B中，线708表示在 钟形(bell-shaped)函数线706上的磁通密度最大值和磁通密度最小值之差值的百分之 70(70% )处的磁通密度。[0082]应当注意的是，图7B中的钟形函数曲线706比图7A中的钟形函数曲线702更陡。 为了更好的比较图7A-B中所示的两个钟形函数曲线的性能，基于钟形函数曲线702的密度 输出率Gl被定义为[0083](I)Gl = H1/W1[0084]其中Gl是Hl与Wl之间的比例，在钟形函数曲线702上磁通密度输出的一预定百 分比(例如70%)处测得，而Hl代表钟形函数曲线702上预定百分比的磁通密度值，而Wl 代表与钟形函数曲线702上预定百分比的磁通密度值相对应的转动角度范围。[0085]同样的，基于钟形函数曲线706的密度输出率G2被定义为[0086](2) G2 = H2/W2[0087]G2是H2与W2之间的比例，在钟形函数曲线706上一预定百分比(例如70% )的 磁通密度输出处测得，其中H2代表钟形函数曲线706上预定百分比的磁通密度值，而W2代 表与钟形函数曲线706上预定百分比的磁通密度值相对应的转动角度范围。[0088]因此，钟形函数曲线706上的密度输出率G2大于钟形函数曲线702上的密度输出 率Gl (G2 > Gl)，因为函数曲线706比函数曲线702更加陡。[0089]图8A描述了钟形(bell-shaped)函数曲线802，其反映如图2中所示的感测元件 202响应根据图7A中所示的钟形函数曲线702的磁通密度变化/磁场变化所感应到的电压输出。[0090]图8B描述了钟形(bell-shaped)函数曲线806，其反映图3A，3B，4A或4B中所示 的感测元件(302A或302B)响应根据图7B中所示的钟形函数曲线706的磁通密度变化/ 磁场变化所感测到的电压输出。[0091]作为电压输出，图8A中所示的钟形函数曲线802(电压函数曲线)与图7A中所 示的钟形函数曲线702(磁密度函数曲线)成比例。同样的，图SB中所示的钟形函数曲线 808 (电压函数曲线)与图7B中所示的钟形函数曲线708 (磁密度函数曲线)成比例。[0092]为了更好地比较图8A-B中所示的两条钟形函数曲线的性能，基于函数线802的电 压输出率G3被定义为[0093](3) G3 = H3/W3[0094]G3是H3与W3之间的比例，在钟形函数曲线802上一预定百分比(例如70% )的 电压输出处测得，其中H3代表钟形函数曲线802上一预定百分比的电压，而W3代表与钟形 函数曲线802上预定百分比的电压值相对应的转动角度范围。[0095]同样的，基于钟形函数曲线806上的电压输出率G4被定义为[0096](4) G4 = H4/W4[0097]G4是H2与W2之间的比例，在钟形函数曲线806上一预定百分比(例如70% )的 电压输出处测得，其中H4代表钟形函数曲线806上一预定百分比的电压，而W4代表与钟形 函数曲线806上预定百分比的电压值相对应的转动角度范围。[0098]因此，电压函数曲线806上的电压输出率G4大于电压函数曲线802上的电压输出 率G3(G4 >G3)，因为电压函数曲线806比电压函数曲线802更陡。[0099]在图8A中，线804表示在函数曲线802上电压最大值和电压最小值之差值的百分 之70(70%)的电压。在图8B中，线808表示函数曲线806上电压最大值和电压最小值之 差值的百分之70(70% )的电压。[0100]根据一个实施例,在校准(或模拟)程序中产生电压输出曲线806和阈值线808。 具体地，当磁铁装置304A (或304B)围绕转轴108的轴心112持续转动，感测装置104A (或 104B)响应由磁铁装置102A (或102B)产生的沿一维(X维或Y维)的磁通密度变化/磁场 变化产生符合函数曲线806的电信号。[0101]在执行校准(或模拟)程序时，处理装置(例如处理线路106)处理符合函数曲线 806(图SB中所示)的模拟电子信号以产生如线808所示的阈值电压。具体地说，在处理 线路106内部，模拟/数字转换器502从感测装置104A (或104B)接收模拟电子信号(符 合函数曲线806)，将它们转换成数字电子信号，并且将数字化的电子信号输送到处理单元 504中的输入/输出线路608。在接收数字化的电子信号之后，处理单兀504中的处理器 (CPU)602将它们储存入存储装置606中，并且随后使用如下数学公式(5)将数字化的电子 信号转换成阈值电压808 [0102](5)阈值电压808 =(电压最大值-电压最小值)x(预定的百分比值)[0103]在本实用新型中，预定的百分比值选为70%，但是其他百分比值也是可能的。[0104]图SC描述了基于在校准(或模拟)程序中的钟形函数曲线806以形成具有第一信 号状态(高电压Vft)和第二信号状态(低电压V )的两状态信号107的方案。基于数学 公式(5)，图5A中所示的数字处理线路106 (或图5B中所示的模拟处理线路106’)通过将 等于或大于阈值电压808的钟形函数曲线806上的所有电压点(或电压)匹配(或指定) 为第一两状态信号(高电压W并且通过将小于阈值电压808的钟形函数曲线806上的 所有电压点(或电压)匹配(或指定)为第二两状态信号(低电压Vffi)，从而产生两状态 信号107。当校准(或模拟)输出被传送到示波器时，图SB中所示的电子信号可以从示波 器中观察到。[0105]在图SB中，为了应对(或抵消)位置感测系统100的操作条件的变化(包括空隙 的变化，环境温度的变化，以及所使用部件参数的变化)，两状态信号107的宽度可以通过 调节阈值电压808的值来补偿。根据一个实施例，在校准(或模拟)程序中所产生的阈值 电压808被储存入存储装置506中以便处理单元504可在以后实地使用时使用它来探测转 轴108的转动范围。根据另一个实施例，在校准(或模拟)程序中所产生的阈值电压808 被设置入模拟处理装置924以便模拟处理装置924可在以后实地使用时使用它来探测转轴 108的转动角。[0106]应当注意的是，电子非接触式感测装置不可避免地要遇到制造和/或运转中的操 作条件的变化，包括但不限于，空隙的变化、环境温度变化、和所使用部件的参数变化。对于 测量的精确性，尤其对于探测汽车上的齿轮轴的空档位置范围来说，具有调节/补偿能力 是关键性的。而使用两状态信号来表示角度位置范围是进行调节/补偿(包括宽度和/或 偏移)的基础。为了便于位置感测系统100的维修，在实地使用时，可通过执行储存在处理 线路106中的校准(或模拟)程序来执行校准(或模拟)步骤。作为一个实施例，通过监测 和更新符合钟形函数曲线(806)的电子信号的最大和最小峰值来调节两状态信号的宽度。 这种做法是调节两状态信号的可行的和有效的方式。[0107]图9A-B说明了正两状态信号107或负两状态信号107’都可被用于来表示转轴 108的转动范围(-LI, +LI)。[0108]具体地，如图9A中所示，当转轴108在转动范围(-LI，+LI)内时，图5A中所示的 处理线路106将指示电路508设置在如线907所示的高电压状态V高；当转轴108超出转 动范围(-LI,+LI)(或在转动范围之外)时,数字处理线路106中的处理单元504将指示电 路508设置在如线909所示的低电压状态V低。[0109]或者，如图9B所示，两状态信号107’可以是两状态信号107的反相。因此，在图9B中，当转轴108在转动范围(-LI，+LI)内时，图5A中所示的处理线路106 (或处理线路 106’ )将指示电路508设置在如线917所示的低电压状态Vis ;当转轴108超出转动范围 (-LI,+LI)(或在转动范围之外)时,处理单元504将指示电路508设置在如线919所示的高电压状态V胃。[0110]图10描述了发动机控制系统900，其中处理线路106(或处理线路106’)的两状态输出111被用于控制汽车中的发动机。在图10中，发动机控制系统900包括感测装置104， 处理线路106和ECU (发动机控制单元)902。在发动机控制系统900中，转轴108被用作变速杆，并且转动范围(-LI，+LI)反映变速杆的空档位置范围。[0111]如图10中所示，E⑶(发动机控制单元)902从处理线路106(或处理线路106’ ) 接收连接111上的两状态信号作为其输入，并且从汽车的离合器传感电路(未示出)接收输入903。输入903指示汽车的离合器是否被踩压。当E⑶902基于连接111上的两状态信号探测到变速杆停留在空档位置范围有了一时间段时(例如5秒)，它关闭汽车的发动机， 以节省汽油。当E⑶902基于连接903上的输入探测到汽车的离合器正被踩压，E⑶902基于连接111上的两状态信号探来判断测变速杆是否在空档位置范围内。E⑶902只在变速杆在空档位置范围内时启动发动机。因此，变速杆的空档位置范围的探测精度对保证汽车的合理操作来说是非常重要的。[0112]应当注意的是，钟形函数线806所产生的与转轴108的转动角设置相关的两状态信号比钟形线802所产生的两状态信号更加窄。应当理解的是，当位置感测系统100被用于探测汽车中的变速杆的空挡位置范围时，较窄的两状态信号107是尤其理想的。[0113]在实地使用时，图5A中所示的数字处理线路106或者图5B中所示的模拟处理线路106’响应转轴108的转动角度使用以下步骤将指示线路508设置成第一信号状态和第二信号状态在实地使用时，根据一个实施例，当转轴108正转动一角度时，感测装置104A(或 104B)响应由磁铁装置102A或102B产生的沿X维和/或Y维的磁通密度变化和/或磁场变化产生电子信号。所感应到的电压符合图8B中所示出的钟形函数曲线808。感测装置 104A(或104B)将电子信号传送到处理线路106中的处理器(CPU)602。[0115]处理器(CPU)602将所感应到的电压与阈值电压808作比较。如果所感应到的电压值等于或者大于阈值电压808，处理器(CPU) 602分别在连接505和507上产生相应的状态控制信号和触发信号，从而将指示电路508设置成第一信号状态(如图1C中所示的高电压状态Vs或如图9B中所示的低电压状态Vis)。如果所感应到的电压值小于阈值电压808， 处理器(CPU) 602分别在连接505和507上产生相应的状态控制信号和触发信号，从而将指示电路508设置成第二信号状态(如图1C中所示的低电压状态Vis或如图9B中所示的高电压状态^)。[0116]执行用于设置指示电路508的具体步骤的程序(或指令集)可以被储存在存储装置606中，并能够被处理器(CPU) 602执行。[0117]在实地使用时，根据另一个实施例，当转轴108正转动一角度时，感测装置 104A (或104B)响应由磁铁装置102A或102B产生的沿一维(X维和/或Y维)的磁通密度变化和/或磁场变化产生电子信号。所感应到的电子信号符合图8B中所示出的钟形函数曲线808。[0118]当感测装置104A(或104B)所感应到的电信号的电压大于或等于阈值电压，模拟 处理装置924产生第一状态驱动信号以将极化线路928设置成第一状态信号(如图1C中所 示出的高电压状态Vs或如图9B中所示出的低电压状态Vffi)。当感测装置104A(或104B) 所感应到的电信号的电压小于阈值电压时，模拟处理装置925产生第二状态驱动信号以将 极化线路928设置成第二状态信号(如图1C中所示出的低电压状态Vffi或如图9B中所示 出的高电压状态Vs)。[0119]为了降低ECU系统的成本，期望的是简化该系统的控制单元的结构。达到这种期 望的一个事项(或条件)是在该控制单元处将处理线路106或感测装置104的输入转换成 两状态逻辑输入。这种转换可以由带有机械开关的传感器来实现，缺点是测量精度低和可靠性差。[0120]应当注意到，如图3C或4C中所示的位置感测系统所能产生的钟形函数曲线甚至 比由图3A-B和图4A-B中所示出的感测系统所产生的钟形函数曲线更加陡，这是因为图3C 或4C中所示的位置感测系统具有两组磁密度集中器308C1、308C2和309C。然而，图3C或 4C中所示的位置感测系统产生两状态信号的实现原理与图3A-B和图4A-B中所示的位置感 测系统产生两状态信号的实现原理相同。因此，图3C或4C中所示的位置感测系统能够产 生的两状态信号窄于图3A-B和4A-B中所示的感测系统所产生的两状态信号。[0121]可以对本文所描述的实施例进行各种改变和变型而不脱离本实用新型的精神和 范围，对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，如果这样的改变和变型在附加的权利要 求和其等同物的范围内，说明书意在覆盖本文中所描述的各种实施例的改变和变型。
权利要求1.一种磁铁装置，用于提供与探测位置相关的磁场强度变化/磁场变化，所述磁铁装置包括 磁铁部件(304A-C，404A-C)，适于被安装在转轴(108)上并且随着所述转轴一起转动，当所述磁铁部件绕转轴转动时，所述磁铁部件产生与探测位置相关的磁场强度变化/磁场变化；以及 磁通密度集中器(308A1，308A2，308C1，308C2，309B, 309C)，所述磁通密度集中器集中/聚集磁场强度变化/磁场变化的密度。
2.根据权利要求1所述的磁铁装置，其中 所述磁铁装置与感测装置(104A-C) —起使用，所述感测装置(104A-C)具有探测位置，感测元件(302A-C)位于所述探测位置。
3.根据权利要求2所述的磁铁装置，其中 所述感测装置包括具有前侧(301B-C)和后侧(303B-C)的感测元件； 所述磁通密度集中器包括磁通密度集中元件(309B，309C)，邻近所述感测元件的后侧(303B-C)。
4.根据权利要求3所述的磁铁装置，其中 磁铁部件(304A，304C, 404A, 404C)具有位于磁铁部件相对两侧的第一侧面和第二侧面， 磁通密度集中器进一步包括第一和第二磁通密度集中元件(308A1，308A2，308C1，308C2)， 第一磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第一侧面；以及 第二磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第二侧面。
5.根据权利要求1所述的磁铁装置，其中 磁铁部件(304A，304C, 404A, 404C)具有位于磁铁部件相对两侧的第一侧面和第二侧面， 磁通密度集中器包括第一和第二磁通密度集中元件(308A1，308A2，308C1，308C2)， 第一磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第一侧面；以及 第二磁通密度集中元件邻近所述磁铁部件的第二侧面。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的磁铁装置，其中 所述磁通密度集中器增大了所述磁铁部件的磁场强度变化/磁场变化的输出率。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的磁铁装置，其中 每个磁通密度集中元件由铁磁材料制成。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的磁铁装置，其中 安装所述磁铁部件使得沿转轴的径向方向设置所述磁铁部件的北极和南极。
9.根据权利要求8所述的磁铁装置，其中 所述磁铁部件和所述探测位置是在相同的平面上，该平面垂直于所述磁铁部件转动的轴向方向。
10.根据权利要求9所述的磁铁装置，其中 所述磁铁部件与第一和第二磁通密度集中元件(308A1，308A2，308C1，308C2) —起绕所述转轴转动。
11.根据权利要求10所述的磁铁装置，其中 第一和第二磁通密度集中元件侧面的中心线与所述磁铁部件的侧面的中心线对齐。
12.根据权利要求8所述的磁铁装置，其中 磁通密度集中元件(309B，309C)的中心线和探测位置与经过磁铁部件的南极和北极的中心线对齐。
13.根据权利要求1所述的磁铁装置，其中 所述磁铁装置与感测装置(104A-C) —起使用，所述感测装置具有探测位置，感测元件(302A-C)位于所述探测位置； 感测装置具有前侧(305A-C)和后侧(306A-C)，在磁铁部件转动过程中当所述磁铁部件正面向所述感测装置的前侧时，所述探测感应装置的前侧面向所述磁铁部件的北极或南极，所述感测装置与所述磁铁部件分开一段距离；以及南极或北极被附接在转轴上。
14.一种位置感测系统，用于产生两状态信号以表示转轴角度位置范围，所述位置感测系统包括 权利要求1-13中任一项所述的磁铁装置，产生磁场强度变化/磁场变化； 感测装置(104A-C)，用于响应磁场强度变化/磁场变化以产生电子信号；以及 处理电路(106，106’)，用于响应所述电子信号产生两状态信号。
15.根据权利要求14所述的位置感测系统，其中 所述感测装置具有前侧(305A-C)和后侧(306A-C)，在所述磁铁部件的转动过程中当所述磁铁部件正面向所述感测电路的前侧时，感测电路的前侧面向所述磁铁部件的北极或南极， 所述感测装置与所述磁铁部件分开设置。
16.根据权利要求15所述的位置感测系统，其中 所述感测电路被用于感测转轴的角度位置范围。
17.根据权利要求16所述的位置感测系统，其中 角度位置范围是变速杆上的空档位置范围。
18.根据权利要求17所述的位置感测系统，其中 所述感测装置包括霍尔效应感应器。
19.根据权利要求15所述的位置感测系统，其中 处理电路包括阈值电路出04，924)，用于提供钟形函数曲线(806)上的阈值电压(808);以及 指示电路(508，928)； 其中当所感测到的电子信号的电压超过所述阈值电压时，所述指示电路产生第一信号状态，而当所感测到的电子信号的电压低于所述阈值电压时，产生第二信号状态。
20.根据权利要求15所述的位置感测系统，其中 处理电路包括阈值电路出04，924)，用于提供钟形函数曲线(806)上的阈值电压(808);以及 指示电路(508，928)； 其中当所感测到的电子信号的电压低于所述阈值电压时，所述指示电路产生第一信号状态，而当所感测到的电子信号的电压超过所述阈值电压时，产生第二信号状态。
21.根据权利要求19或20所述的位置感测系统，其中 当双极磁铁绕转轴转动360度时，响应在一个维度上的磁通密度变化/磁场变化，所述阈值电压和钟形函数曲线(806)在安装位置感测系统之前被校准。
22.根据权利要求21所述的位置感测系统，其中 响应转轴的角度位置变化，所述两状态信号在第一信号状态和第二信号状态之间切换。
23.根据权利要求22所述的位置感测系统，进一步包括 调节电路(504，924)，用于通过监控和更新所述电子信号的最大峰值和最小峰值调节所述两状态信号以补偿操作条件的变化，包括空隙的变化、环境温度的变化以及所使用的部件的参数变化。
24.根据权利要求23所述的位置感测系统，其中所述两状态信号通过监控和更新所述电子信号的最大峰值和最小峰值来调节。
25.根据权利要求23所述的位置感测系统，其中 所述两状态信号的宽度通过监控和更新所述电子信号的最大峰值和最小峰值来调节。
专利摘要本实用新型公开了一种磁铁装置，用于提供与探测位置相关的磁场强度变化/磁场变化。该磁铁装置包括磁铁部件，该磁铁部件适于被安装在转轴上并且被转动以在所述磁铁部件绕转轴转动时产生与探测位置相关的磁场强度变化/磁场变化。为了集中/聚集磁场强度变化/磁场变化的密度，该磁铁装置包括磁通密度集中器。
文档编号G01B7/30GK202836504SQ20122031508
公开日2013年3月27日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年4月16日
发明者何赛德-奥利弗·萨尔瓦多, 薛启鑫, 周遥 申请人:泰科电子(上海)有限公司, 泰科电子公司