CN100520302C - 平衡磁线性位移传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁线性位移传感器。按照一个实施例，位移传感器包括：具有传感器平板表面的霍尔换能器元件；以及具有纵向尺寸的至少一个磁体，在位移检测过程中霍尔元件沿着纵向尺寸检测与传感器平板表面正交的磁场分量。所述磁体包括设置在其相对的纵向两侧的第一和第二极面以及相对于纵向尺寸正交定向的极化轴线。第一极面对着霍尔元件并且其特征是：具有非平面表面，所述非平面表面这样成形，以便在线性位移检测过程中产生由霍尔元件检测的基本上线性的正交磁场分量。

Description

平衡磁线性位移传感器
技术领域
各实施例一般地涉及用于检测和跟踪目标对象相对位置的磁传感器。这些实施例还涉及配置成提供线性磁电响应，而同时最优地补偿传感器的排列布局允差的磁传感器。
背景技术
磁检测装置具有许多检测用途，包括导航、电流检测以及线性和角度位置和位移检测。磁传感器提供非接触确定位置用的装置，涉及诸如轴旋转、磁墨水存在、车辆方向等参数，利用磁传感器的优点之一是，所述传感器的输出是在不使用接触的情况下产生的。这是有好处的，因为触点可能随着时间而退化因而使系统失效。
霍尔传感器是普通的磁传感器类型，它具有许多用途，包括检测目标对象的线性位移。图1A图解说明用来检测所需目标对象的位移的霍尔效应线性位移传感器10的传统实现方案。位移传感器10一般包括与永磁体4相对定位的霍尔换能器元件2。
按照已知的霍尔效应传感器工作原理，霍尔元件2是一种磁电换能器，它把来自永磁体4的一部分磁能量转换为诸如通过自动反馈控制系统等检测和使用的电压信号。具体地说，霍尔元件2包括一个平板，其取向与所描绘的x-y平面平行并且与磁体4相对定位，使得它的平坦的检测表面设置成平行地与矩形棒形磁体4的纵向表面6对置。尽管在图1A中没有明确描绘，但是本专业的技术人员现会意识到，在实际应用中，磁体4和霍尔元件2耦合到给定系统内的支持点，使得磁体4和/或霍尔元件2可以线性地沿着所描绘的霍尔定位方向彼此相对运动。
如图1A所示，霍尔元件2一般设置成离开磁体4的相对的纵向表面6一段z＝1.75mm的距离，具有在y方向的L＝18.0mm的长度、在z方向的H＝5.75mm的高度和在x方向的5.0mm的宽度。在y方向的霍尔位置可以是例如在指定终点Y1和Y2之间的15mm线性段，所述指定终点Y1和Y2对称地偏离磁体4的极化端大约d＝1.5mm。
这样设计作为线性位移检测装置的传感器10，以便确定磁体4和霍尔元件2在y方向上沿着上表面6在Y1和Y2之间的相对线性运动，并实时地由霍尔元件2跟踪所述相对线性运动，霍尔元件2检测磁体4所产生的磁场z分量(Bz)的强度和极性。由霍尔元件2检测出来的磁场正交分量z分量的强度和极性，按照沿着霍尔元件2相对于磁体4的长度在指定的检测位置之间的线性移动路径的磁场强度和角度而变化。
图1B图解说明的曲线图，描绘当磁体4在y方向上相对于霍尔元件2线性移动时所检测的磁场的正交分量Bz的变化的磁场强度。如图1B所示，当霍尔元件2横过与磁体4的上表面6平行的一段线性路径时场分量Bz以非线性方式变化，当霍尔元件2接近每一个相反的磁极端面时变化陡峭，而在Bz基本上为零的磁体的中点变化平缓。霍尔传感器2的电压输出响应与所观察的Bz分量成正比，因此类似地是非线性的。
霍尔元件2的非线性换能器响应在实践中是有害的，它会造成检测出来的传感器输出线性下降，并增大使检测出来的输出线性化所需的附加的信号处理系统开销。就平缓信号区域跟踪准确性的损失而论，传感器响应中的这种非线性特别成问题。
授予Okumura等人的美国专利No.6,496,003探讨非线性霍尔传感器输出问题，它公开一种磁体整形技术，其中以这样一种方式使对着霍尔元件并在每一端以各自极面为界的磁体表面呈拱形弯曲，使得磁体相对于霍尔元件线性移动时正交磁场分量发生线性变化。这种磁体整形技术沿着拱形表面造成辅助N-S极对，使被检测的磁场分量线性化，并因而使传感器输出响应线性化。尽管对霍尔传感器输出的线性化是有效的，但是Okumura的装置非常容易因霍尔元件相对于磁体的横向位置变动而造成线性输出误差。
鉴于上述，仍旧需要一种线性位移磁传感器，它具有基本上线性的输出响应，而同时把磁传感器组件的结构和定位变动所引起的线性输出误差减到最小。本发明满足这样一种需要。
发明内容
以下提供本发明的摘要，以便于理解本发明一些独特的革新特征，不打算作完全的描述。把整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，就可以对本发明的不同的方面作全面的评价。
这里公开磁线性位移传感器。按照一个实施例，一种磁线性位移传感器包括：
具有传感器平板表面的霍尔元件；以及
具有纵向尺寸的至少一个磁体，在位移检测过程中，所述霍尔元件沿着所述纵向尺寸检测与所述传感器平板表面正交的磁场分量，所述磁体包括设置在其相反的纵向两侧的第一和第二极面并且具有相对于所述纵向尺寸正交定位的极化轴线，所述第一极面对着所述霍尔元件并且具有非平面的表面，其中，所述至少一个磁体的第一极面的表面轮廓从所述纵向尺寸的每个端部以凸弧的方式一般地向上倾斜，并且在所述端部之间大约中点处达到峰值，以便在线性位移检测过程中产生由所述霍尔元件检测的基本上线性的正交磁场分量。
按照另一个实施例，一种磁线性位移传感器包括：
具有传感器平板表面的霍尔元件；以及
第一和第二永磁体，所述第一和第二永磁体各自具有设置在凸的成形纵向侧面上的第一极面和设置在其相对的纵向侧面上的第二极面，并且所述第一和第二永磁体各自具有相对于所述纵向尺寸正交地定向的极化轴线，所述第一和第二永磁体的每一个的第一极面的表面轮廓从所述纵向尺寸的每个端部以凸弧的方式一般地向上倾斜，并且在所述端部之间大约中点处达到峰值，以便在线性位移检测过程中产生由所述霍尔元件检测的基本上线性的正交磁场分量，所述第一和第二永磁体这样彼此配置，使得所述第一和第二永磁体的所述第一极面的凸成形的表面彼此相对地定位，以便在它们之间形成检测走廊，所述霍尔元件平板设置在所述检测走廊内，基本上在所述各成形的第一极面之间的中心。
在以下详细描述中本发明的所有目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
在所有这些附图中，相似的标号是指相同或功能相似的元件，这些附图包含在说明书中并形成其一部分，进一步图解说明本发明，并连同本发明的详细说明一起用来解释本发明的原理。
图1A图解说明先有技术的磁线性位移传感器；
图1B描绘图1A的位移传感器所检测的正交磁场分量；
图2A图解说明根据本发明的一个比较示例的磁线性位移传感器；
图2B描绘图2A的线性位移传感器所检测的正交磁场分量；
图3A图解说明根据本发明一个实施例的磁线性位移传感器；
图3B描绘图3A的线性位移传感器所检测的正交磁场分量；
图4A图解说明按照一个优选实施例的磁线性位移传感器；
图4B描绘图4A的线性位移传感器所检测的正交磁场分量；
图5A图解说明在根据本发明一个优选实施例的磁线性位移传感器内使用的示例性永磁体的透视图；
图5B描绘图5A图解说明的永磁体的轮廓图，示出根据本发明的极面的侧面轮廓；以及
图5C图解说明图5A和5B描绘的永磁体极面轮廓的参数细节图。
具体实施方式
在以下参照附图的描述中，以优选实施例的形式描述本发明。尽管是就达到本发明目的的最佳方式来描述本发明的，但是本专业的技术人员现会意识到，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，考虑这些传授可以进行各种变化。
本发明涉及磁线性位移传感器装置和系统，包括这样的磁线性位移传感器装置和系统：它提供基本上线性的霍尔响应输出而同时把制造和装配允差和波动所引起的输出响应误差减到最小。更具体地说，如参照附图更详细说明的，本发明使用霍尔类型的换能器元件，与一个或多个具有轮廓和极化特性的磁体结合，使霍尔元件以线性方式在磁体附近横移时能够检测基本上线性的正交磁场分量。应该指出，在这里利用的”线性位移传感器”是指霍尔传感器装置在检测霍尔元件和一个或多个磁体之间的线性运动方面的特性，而不应解释为排除可以包括用于把角度或旋转目标运动变换为传感器上线性运动的角度转换装置的系统。
附图中相似的标号全都指类似的和相应的部分，现参照附图，具体地说参照图2A，图解说明根据本发明一个比较示例的磁线性位移传感器15。按照所描绘的示例，磁线性位移传感器15一般按照霍尔效应传感器原理工作，并包括相对的一对磁体14和16，它们每一个一般都附在线性移动的支持点上(未示出)。磁体14和16最好是稀土装置，诸如钕铁硼(NeFeB)磁体，具有Br＝10000高斯的剩余磁感应值和1的相对导磁率。磁体14和16推荐的尺寸和轮廓在图5A-5C中图解说明。
位移传感器15还包括霍尔换能器元件12，在侧面轮廓图示出所述霍尔换能器元件12带有它的传感器平板并且相对于磁体这样设置，使得在线性位移检测过程中检测出一个与霍尔元件传感器平板表面正交的指定磁场分量。如下面解释的，磁线性位移传感器15与带有补充磁体设计的先有技术相比取得改善，它提供线性输出响应，能抵御霍尔元件和磁体表面之间所描绘的z方向上定位方差引起的输出响应误差。
如所描绘的实施例所示，这样极化第一和第二磁体14和16，使得各自北-南极面设置在每一个磁体的纵向末端，使磁极化轴线平行于线性霍尔位置检测路径。另外，以彼此纵向相对的方式定位磁体14和16，导致交叉相反磁化。在所描绘的示例中，霍尔元件12相对于所述磁体在所描绘的y方向上线性移动，并限于指定点Y1和Y2之间15毫米的范围，每一个指定点都偏离磁体14和16的极化端d＝4.0mm的距离。
为了在Y1和Y2之间获得线性输出响应，第一磁体14面向内的纵向表面18形成凸弧形或凸拱形的轮廓，使得在沿着所描绘的霍尔位置线的线性移动范围内，磁体14产生的正交磁场分量Bz以线性方式变化，如霍尔元件12所检测到的。在每一端极化的磁体的纵向侧面轮廓是先有技术中已知的，诸如授予Okumura等人的美国U.S.No.6,496,003中所公开的。Okumura公开一种霍尔类型的传感器，利用磁体整形产生线性响应。但是，所述先有技术没有解决霍尔元件对磁体定位不准确所引起的传感器输出误差的重大来源。
磁线性位移传感器15与带有减少或消除由所述磁体在所描绘的z方向对霍尔元件12定位不准确所引起的传感器输出误差设计的先有技术相比，取得了改善。具体地说，如图2A所示，以相对于第一磁体14彼此纵向相对的方式设置第二磁体，以便形成边界对称的检测走廊，霍尔元件12在所述检测走廊内可移动地定位在沿着所指示的y方向霍尔位置移动线上。所述检测走廊分别由磁体14和16的成形的表面18和19定界，当霍尔元件12对表面18和19沿着所述霍尔位置线从Y1移动至Y2时，在z方向变化距离z1和z2。每一个磁体14和16都贡献横过在这些磁体之间形成的检测走廊的长度的磁力线。
霍尔元件12在检测走廊内这样取向，使得它的平板表面与图解说明的x-y平面平行，霍尔元件12检测由磁体14和16产生的每一个磁场的z分量的相对强度和方向(亦即，极性)。因为场强度与霍尔元件12和磁体14和16之间的距离成正比，所以在z方向上引起磁体场强度贡献减少的制造位置误差被另一个磁体较大的磁场贡献所平衡，沿着所述线性检测路径上每一个点上造成稳定的检测场强度，即使在磁体和霍尔元件之间在z-位置上有变动。
图2B描绘由磁线性位移传感器15沿着15毫米霍尔检测路径在Y1和Y2之间检测的所述磁场的组合正交场强度分量Bz。如图2B所示，所检测的Bz是基本上线性的信号，从Y1处的大约646高斯到y2处的-646高斯。图2B所示的检测信号是在以下假定下产生的：对于每一个磁体14和16，剩余磁感应值Br＝10000高斯，相对磁导率为1，长度L＝23.0mm，x方向宽度为4.0mm，而高度从每一端的H＝4.23mm起以向上凸出的方式倾斜变化至5.6mm的峰值。所描绘的信号还假定，霍尔元件12分别和磁体14和16之间基本上对称的z方向距离Z1和Z2，从检测走廊中心点处的3.4mm最小值变化到每一个霍尔位置终点y1和Y2处的4.0mm的最大值。
如上面解释的，线性位移传感器15的双磁体设计把在所描绘的z方向上磁体相对于霍尔元件的位置偏移造成的线性输出误差减到最小。但是，已经发现，上述实施例不能适当地解决其它制造和装配波动，诸如造成磁体旋转和磁化对齐造成的响应输出误差。图3A和4A图解说明替代的实施例，所述替代的实施例使用不同的传感器配置解决所述问题，它产生使抵御磁体或磁化对不准所引起的响应误差的能力大得多的磁场分布。
首先参见图3A，图中图解说明使用改善的磁体配置的磁线性位移传感器20，所述改善的磁体配置把线性输出误差减到最小，用于低误差容限用途。和位移传感器15的情况一样，线性位移传感器20使用霍尔效应传感器原理，来检测一个或多个磁体和霍尔换能器装置之间的相对线性移动。如图3A所示，线性位移传感器20一般包括具有与所描绘的x-z平面平行定位的传感器平板表面的霍尔元件22。这样，相对于永磁体24这样设置霍尔元件22，以便当霍尔元件22相对于磁体24沿着所描绘的霍尔位置线从y1移动到y2时检测出磁场的正交的y分量By。类似于图2A中所描绘的传感器配置，磁体24具有面对霍尔元件22的轮廓纵向侧面26，以便实现By的沿着所述线性检测路径的线性变化。
与图2A所描绘的实施例形成对照，磁体24包括设置在磁体的相反的纵向侧面的第一和第二磁面。这样，磁体24的磁极化轴线23相对于纵向尺寸和霍尔检测路径正交定向，两个极面中的一个(在所描绘的实施例中，南极)形成面向霍尔元件22的纵向侧面。沿着所述线性检测路径的结果磁场分布显著地较少受磁体24的布局或磁定位的对不准所引起的线性变动的影响。在将磁体24如图3A中所示地定位和极化的情况下，检测的磁场的By分量在所述检测路径上以基本上线性的方式变化，如图3B所描绘的。
更具体地说，参见图3A，结合图3B，给定磁体的尺寸为长度L＝23.0mm、宽度4.0mm(图3A中未示出)、而高度以对称地凸斜的方式从两端的4.23mm变化到中心的5.60mm，沿着线性位移检测路径从Y1＝0mm至Y2＝15.0mm所检测的磁场分量从323高斯线性地改变到-323高斯，Y1和Y2带有d＝4.0mm的偏移量。对于磁化方向，典型的制造允差是在标称的5度内。本发明人已经发现，就对磁化方向误差造成的线性误差较不敏感而言，由线性位置传感器20产生的磁场分布优于由具有类似地成形的纵向面并且其中磁体的极化轴线与霍尔路径平行的传感器(诸如Okumura所公开的)产生的磁场分布。与这样的先有技术传感器相比，5度的磁化方向误差在传感器20内产生小得多的线性误差。
现将位移传感器20的响应与具有类似地成形的表面但具有与纵向霍尔位置路径平行的极化轴线的传感器(诸如Okumura所公开的)的响应加以比较。除在z方向上对不准以外，Okumura传感器对磁极化方向误差最敏感，由5度磁化对不准产生大约2.6％的附加线性误差。
假定大约0.6％的基线误差，这使Okumura传感器具有3.2％的单一贡献因数的最大误差。相反，传感器20对磁体旋转最敏感，从理想值旋转5度的磁体，线性误差为1.1％。还假定0.6％的基线误差，这使传感器20具有1.9％的单一贡献因数的最大误差。预先考虑在组件结构和布局方面的预期变动，这样，与其中极化轴线平行于霍尔方向路径的按先有技术成形的传感器相比，传感器20的输出线性误差小大约1.3％。
尽管在减小对由磁体24的位置和磁化定向的制造定位允差引起的线性输出误差的敏感度方面，磁线性位移传感器20表现出优越的线性响应特性，但是霍尔元件位置在所描绘的z方向上相对于磁体24的偏移却可能造成低误差容限用途无法接受的传感器输出误差。
这个问题由图4A图解说明的本发明的优选实施例解决。具体地说，图4A描绘磁线性位移传感器30，它包括按照与图3A中描绘的相同的方法相对于霍尔元件32定位和极化的第一磁体36。类似于传感器20中磁体24的轮廓成形和磁化，这样极化相对的磁体34和36，使得成形的内表面38和39是极面，导致磁化轴线与线性传感器路径正交。在具有类似于传感器20的磁场分布的情况下，相对于磁体旋转和传感器磁体的磁化定向，位移传感器30显示类似地减小对由制造和装配允差产生的线性输出误差的敏感度。
另外，并且在所描绘的实施例的一个重要的特征中，第二磁体34提供与由图2A中描绘的磁体对提供的平衡功能类似的场平衡功能，使得由霍尔元件在z方向上的定位误差所引起的线性输出误差被减到最小。
图4B中图解说明磁线性位移传感器30的传感器响应，该图描绘从Y1处的646高斯到y2处的-646高斯的磁场的相对线性响应。对于图4B中描绘的响应，假定与图3B中提出的相同的磁体尺寸和特性。
图5A-5C图解说明永磁体的相对大小和轮廓成形，所述永磁体可以有利地与这里公开的线性位移传感器实施例一起使用。具体地说，并参见其中示出永磁体40的透视和轮廓图的图5A和5B，永磁体40具有大约23.0mm均匀长度L，大约4.0mm的均匀宽度W和高度H，所述高度H以弧形的方式变化，使得结果成形表面具有以下特征：以凸的方式从具有4.228mm的末端高度的每一个横向边缘42起一般地向上倾斜，而在纵向尺寸的大致中点，在高度5.60mm处达到峰值。图5C图解说明根据本发明一个优选实施例在图5A和5B描绘的永磁体的极面轮廓的参数细节图。
在这里提出的实施例和示例，最佳地解释本发明和它的实际应用并以此使本专业的技术人员能够实现和利用本发明。但是，本专业的技术人员将会认识到，上面的描述和示例只是为了举例说明的目的而提出的。本发明的其它变化和修改对本专业的技术人员将是显而易见，后附的权利要求书的意图是覆盖这样的变化和修改。
以上的描述不是想要穷举或限制本发明的范围。在不脱离以下权利要求书的范围的情况下，考虑到上述传授，许多修改和变化都是可能的。可以设想，本发明的使用可以涉及具有不同的特性的组件。我们的意图是，本发明的范围由充分认识所有方面的等效物的后附的权利要求书定义。

Claims (11)

1.一种磁线性位移传感器，包括：
具有传感器平板表面的霍尔元件；以及
具有纵向尺寸的至少一个磁体，在位移检测过程中，所述霍尔元件沿着所述纵向尺寸检测与所述传感器平板表面正交的磁场分量，所述磁体包括设置在其相反的纵向两侧的第一和第二极面并且具有相对于所述纵向尺寸正交定位的极化轴线，所述第一极面对着所述霍尔元件并且具有非平面的表面，其中，所述至少一个磁体的第一极面的表面轮廓从所述纵向尺寸的每个端部以凸弧的方式向上倾斜，并且在所述端部之间中点处达到峰值，以便在线性位移检测过程中产生由所述霍尔元件检测的线性的正交磁场分量。
2.如权利要求1所述的磁线性位移传感器，其中所述霍尔元件和所述磁体以这样一种方式相互定位，其中所述磁体的凸成形的第一极面对着所述霍尔元件，并且其中所述传感器平板表面与所述磁体的所述极化轴线平行地取向。
3.如权利要求1或2所述的磁线性位移传感器，其中所述至少一个磁体可以在线性检测路径上相对于所述霍尔元件移动，所述检测路径与所述至少一个磁体的所述纵向尺寸平行。
4.如权利要求1或2所述的磁线性位移传感器，其中所述霍尔元件耦合到固定的支持点。
5.如权利要求4所述的磁线性位移传感器，其中所述至少一个磁体耦合到线性移动支持点，以便在所述霍尔元件和所述至少一个磁体之间进行相对线性位移。
6.如权利要求1或2所述的磁线性位移传感器，其中所述霍尔元件的传感器平板表面设置成与所述至少一个磁体的所述纵向尺寸正交。
7.如权利要求1或2所述的磁线性位移传感器，其中所述至少一个磁体包括第一和第二永磁体，所述第一和第二永磁体这样彼此配置，使得所述第一和第二永磁体的第一极面的所述表面轮廓彼此相对，以便在它们之间形成检测走廊，所述霍尔元件平板设置在所述检测走廊内，处于所述第一和第二永磁体的成形的第一极面之间的中心。
8.如权利要求1或2所述的磁线性位移传感器，其中所述至少一个磁体中的每一个的特征是：具有23.0mm的长度、4.0mm的宽度和变化的高度H，其中H以对称地凸倾斜的形式，从端部处的4.23mm变化到中心处的5.60mm。
9.一种磁线性位移传感器，包括：
具有传感器平板表面的霍尔元件；以及
第一和第二永磁体，所述第一和第二永磁体各自具有设置在凸的成形纵向侧面上的第一极面和设置在其相对的纵向侧面上的第二极面，并且所述第一和第二永磁体各自具有相对于所述纵向尺寸正交地定向的极化轴线，所述第一和第二永磁体的每一个的第一极面的表面轮廓从所述纵向尺寸的每个端部以凸弧的方式向上倾斜，并且在所述端部之间中点处达到峰值，以便在线性位移检测过程中产生由所述霍尔元件检测的线性的正交磁场分量，所述第一和第二永磁体这样彼此配置，使得所述第一和第二永磁体的所述第一极面的凸成形的表面彼此相对地定位，以便在它们之间形成检测走廊，所述霍尔元件平板设置在所述检测走廊内，在所述各成形的第一极面之间的中心。
10.如权利要求9所述的磁线性位移传感器，其中所述各第一极面中的每一个的表面轮廓在纵向尺寸的端部由横向边缘定界，并且其中所述第一极面的所述轮廓的特征是：从每一个所述横向边缘起一般地向上倾斜并在所述各横向边缘之间大约中点处达到峰值。
11.如权利要求9或10所述的磁线性位移传感器，其中所述第一和第二永磁体中每一个的特征是：具有23.0mm的长度、4.0mm的宽度和变化高度H，其中H以对称地凸形倾斜的方式从所述各端部处的4.23mm变化至所述中心处的5.60mm。
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