CN101213417B - 旋转位置传感器 - Google Patents

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    • G01D2205/40—Position sensors comprising arrangements for concentrating or redirecting magnetic flux

Abstract

一种旋转位置传感器有磁性元件，该磁性元件中有空腔。磁通量压缩装置布置成基本包围该磁性元件，且磁场传感器位于空腔中。磁性元件可以有直线型部分。

Description

旋转位置传感器
技术领域
本发明实施例通常涉及位置传感器领域，特别是涉及包括磁性元件的位置传感器，该磁性元件有基本圆形孔，并有基本直线型(rectilinear)边缘。
背景技术
用于指示物体的运动的传感器可以利用所谓的“霍耳(Hall)效应”来产生，其中，在导体中的电性值将由于附近磁场的运动而变化。例如，授予Eguchi等的美国专利4392375公开了可绕磁性检测元件旋转的两个间隔开的永磁体。
授予Wolf的美国专利5818223公开了单个矩形磁体，该矩形磁体定位在磁性检测元件附近并可相对于该磁性检测元件旋转。在磁性检测元件的两侧的书挡形磁通量压缩装置(flux concentrator)用于集中磁通。在另一公开实施例中，当试图减小传感器的轴向长度时，将使用环形磁体，且包括检测元件(该检测元件夹在磁通量压缩装置之间)的类似结构位于环形磁体内。该装置的磁性检测元件的轴向定位很重要，且通过包括单独的非磁性导电壳体(该非磁性导电壳体有中心定位井，用于保持传感器/压缩装置结构)来试图保证中心定位。且还试图通过在井的底部确定用于接收传感器元件的凹槽来合适轴向定位。
这两种所述装置的缺点包括：只可以使用一个磁性检测元件；如上所述，磁性检测元件必须中心定位；离中心的任何偏差都可能影响传感器的精度；磁性元件并不象本发明那样有效使用磁性材料；以及所述装置的总体尺寸的减小受到限制。
在Wolf的装置中，传感器的传感器可能有由于径向不对称磁体而不能保证合适定向的问题。克服大致圆形磁体的可能错误定向的努力可以包括使磁性材料在它装配后磁化成合适方位。不过，这样的缺点是磁性材料预先布置为定向成特殊方向。离该特殊方向的任何变化都不是优选。
附图说明
通过下面结合附图的详细说明，将很容易理解本发明的实施例。为了便于说明，相似参考标号表示相似的结构元件。本发明的实施例将通过示例来示例说明，而不是由附图来限制。
图1是本发明第一实施例的透视图；
图2a和2b表示了所述实施例的一部分，表示了本发明实施例的磁性元件的两个方位；
图3a和图3b表示了另一实施例的一部分，表示了本发明实施例的磁性元件的两个方位；
图4a和图4b表示了另一实施例的一部分，表示了本发明实施例的磁性元件的两个方位；
图5表示了所述实施例的一部分，表示了本发明实施例的磁性元件的两个方位；
图6表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图7表示了本发明实施例的透视图；
图8表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图9表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图10表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图11表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图12表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图13表示了本发明实施例的侧视图或平面图；
图14是沿图13中的线14-14的剖视图；以及
图15是本发明实施例的等角透视图。
具体实施方式
在下面的详细说明中将参考附图，这些附图形成说明书的一部分，其中，在全部附图中，相似标号表示相似部件，且通过所示实施例表示了可以实现本发明的方式。应当知道，也可以采用其它实施例，且在可选实施例中可以进行结构或逻辑变化。因此，下面的详细说明并不是用于限制，且本发明实施例的范围由所附权利要求和它们的等同替换来确定。
下面的说明会包括术语例如内、外、下、之间、向上、向下、向外、向内、顶部、底部、高于、低于等等。这些术语只是用于说明目的，并不用于在说明书或附加权利要求中进行限制。也就是，这些术语只是相对于参考点的术语，并不意味着解释为进行限制，而是在下面的说明书中为了方便理解本发明的各个方面。
本发明实施例设置成对于旋转位移比较敏感，且对于径向和轴向位移很不敏感，和/或可以包括并不中心定位的磁性检测元件。实施例还可以包括多个磁性检测元件，它们可以用在或者不用在需要冗余或校验的设计中。还有，其它实施例可以使用处于不同方位的多个磁性检测元件，这可用于各种原因，包括提供更为线性的输出。
实施例例如可以通过在布置于特殊角度的磁场传感器上的最大或最小磁通量来输出离散事件的指示，例如油门踏板处于特殊方位。本发明实施例可以输出二进制信号，例如指示事件，也可以输出表示值的模拟信号，例如旋转量。例如，空载确认开关(IVS)可以布置成确认油门踏板处于特殊点或者在特殊点之前或之后。加速位置传感器(APS)可以布置成指示油门踏板的位置，该位置指示踏板的压低量。磁性检测元件可以定位在任意特殊方位，以便在最大检测磁通量发出事件信号。而且，磁性检测元件可以布置在任意角度，以便增加磁通量。
图1表示了本发明第一实施例的透视图。旋转位置传感器10可以包括磁性元件12，该磁性元件12内有空腔14。在本实施例或其它实施例中，该空腔可以经过或者可以不经过贯穿该磁性元件的所有路径。磁场传感器16(这里只表示了一部分)可以位于空腔14中。磁性元件12可以位于在本体20中限定的空心部分18内。该本体20可适于作如箭头22所示的旋转。该磁性元件12的直线型形状和本体20中类似形状的空心部分18将有助于在组装该传感器时保证该磁体的正确方位。在一个实施例中，本体20可以由透磁材料制成，以便增加空腔14内部的磁场强度。例如，该本体可以由实心(solid)金属件制成。
图2a和2b表示了本发明实施例的可能工作情况的局部平面图。均匀磁场由在磁性元件12的空腔14中基本上平行的线24来表示。磁场传感器16可以位于空腔14内并在该空腔14的中心处或附近。在一个实施例中，没有其它元件位于空腔14中来扰动该均匀磁场。因为该磁场的均匀性，磁场传感器16可以位于空腔14中的任意位置，包括偏离中心，从而更容易组装并降低了成本。本发明可以对磁场传感器16相对于磁性元件12的径向和轴向位移均有很高的容许度。
传感器10可以设置成与合适的硬件(未示出)耦合，以便例如输出信号或执行动作(例如根据磁性元件的位置而向发动机提供燃料)。在一个实施例中，该空腔可以为圆形孔，并可以以多种方式形成，包括钻孔或模制在该磁性元件中。
图3a和3b表示了本发明另一实施例的可能工作情况的局部平面图。该磁性元件32包括其中的空腔34。三个磁场传感器36a、36b和36c可以位于该空腔34中。均匀磁场可以表示为近似平行的线38。图3a表示了处于第一方位的磁性元件32。图3b表示了处于第二方位的磁性元件32。这三个磁场传感器36a、36b和36c分别可受到基本相同的磁通量变化的影响，这是由基本相同数目的线38穿过处于各自方位的磁场传感器36a、36b和36c来表示的。还有，在本发明的各个实施例中，磁场传感器的数目、尺寸、位置和方位可以根据应用而变化。
本发明实施例可以包括多个磁场传感器，该多个磁场传感器处于彼此不同的方位。图4a和4b表示了本发明其它实施例的可能工作情况的局部平面图。磁性元件42中包括空腔44。第一和第二磁场传感器46a和46b可在空腔44内定位于不同方位，例如相互垂直。均匀磁场由线48表示。图4a示出磁性元件42处于第一方位，其中，第一磁场传感器46a可受到最大量的磁通量的影响，这是通过有相对更大量的线48穿过磁场传感器46a来表示的。第二磁场传感器46b可以受到最小量的磁通量影响，这是通过有相对更少量的线48穿过磁场传感器46b来表示的。
另一方面，图4b表示了处于第二方位(例如45°)的磁性元件42，其中，第一磁场传感器46a和第二磁场传感器46b可以受到基本相同量的磁通量影响。当磁性元件42从第一方位运动至第二方位时，第一磁场传感器46a上的磁通量减小，而第二磁场传感器46b上的磁通量增加。
图5表示了本发明另一实施例的局部侧视图或平面图。传感器50可以包括磁性元件52，该磁性元件52在其内限定了空腔54。三个磁场传感器56a、56b和56c可以定位在空腔54中并处于不同方位，例如0°、60°和120°。当磁性元件52旋转时，入射到磁场传感器56a、56b和56c上的磁通量变化可以近似为正弦函数。当由线58表示的磁场与各磁场传感器56x(用x代表a、b或c)形成的角度为大约45°时，对于各磁场传感器56x来说，每旋转一度的磁通量变化量可以最大且最线性。还有，当磁通线58与各磁场传感器56x形成的角度为大约零度和旋转90°时，每旋转一度的磁通量变化量可以最小且线性程度最小。在本示例实施例中，使用处于不同方位的多个磁性检测元件，以更好地近似该传感器50的线性输出，以便为该输出提供总体线性。
图6表示了本发明另一实施例的平面图。旋转位置传感器60可以包括磁性元件62，该磁性元件中可以有空腔64。磁通量压缩装置66可以布置成基本环绕该磁性元件62。磁场传感器68可以位于空腔64内。线70表示由磁通量压缩装置66所集聚的磁场，该磁通量压缩装置66可以提高空腔64内部的磁场强度。该磁场可基本均匀地穿过该空腔。该磁性元件62可以包括直的或直线型的顶边缘72以及直的或直线型的底边缘74，它们相互基本平行。该磁性元件可以有曲线形端部76，该端部76的形状适合于装配在环形磁通量压缩装置66内。
在本实施例中或在任意实施例中，磁性元件可以为永磁体或者以任意合适方式磁化。磁性元件62的空腔64中的磁场70可以与一完整圆形磁体中的磁场一样强或更强，且它可以使用更少的磁性材料。例如，本发明人已经证明，与完整圆形磁体相比，磁性元件62使用的磁性材料可以少24％，且在空腔内部提供的磁场强度可以增加4％。
图7表示了本发明另一实施例的等角透视分解图。传感器80可以包括本体82，该本体82布置成包括接收面84，该接收面84形成或装配成确定一用于接纳磁通量压缩装置66的空腔86。空腔86包括凸耳88，该凸耳88布置成装配在磁通量压缩装置66中，并布置成接收磁性元件62。空腔86和凸耳88可以在本体82中提供对压缩装置66和磁性元件62的强制和可靠的定向。凸耳88可以形成于底侧表面上，例如通过模制，或者它们可以以其它方式加在该底侧表面上，包括但不局限于：卡扣布置、螺钉连接、螺栓连接或者销接就位。
图8表示了本发明第四实施例的侧视图或平面图。旋转位置传感器90可以包括磁性元件92，该磁性元件92中可以有空腔94。磁通量压缩装置96可以布置成基本环绕磁性元件92。磁通量压缩装置96可以包括一个或多个空腔或凹槽98，磁性元件的端部100可以装配于其中，这可以帮助保证容易安装、正确定向和可靠装配。端部100可以为曲线形，如图所示。顶部和底部边缘102可以为直线型。一个或多个磁场传感器104可以位于空腔94中。
图9表示了本发明第五实施例的侧视图或平面图，其中，旋转位置传感器110包括磁性元件112，该磁性元件112为总体直线型形状，例如矩形或正方形。磁性元件的端部114装配至确定于磁通量压缩装置118中的空腔或凹槽116内，这可以保证磁性元件112容易安装、正确定向和可靠装配至磁通量压缩装置118中。磁通量元件112中可以有空腔120，一个或多个磁场传感器122可以位于该空腔120中。
图10表示了本发明另一示例实施例的侧视图或平面图，其中，旋转位置传感器130包括磁性元件132，该磁性元件132可以有直线型形状，例如矩形或正方形，具有弯曲或圆角形外部拐角134。磁通量压缩装置136可以有类似和相应的内部拐角138，磁性元件可以装配在该磁通量压缩装置136中，这可以保证磁性元件132容易安装、正确定向和可靠装配至磁通量压缩装置136中。磁通量元件132中可以有空腔140，一个或多个磁场传感器142可以位于该空腔140中。
图11表示了本发明另一示例实施例的侧视图或平面图，其中，旋转位置传感器150包括磁性元件152，该磁性元件152可以包括凸起158，该凸起158装配至磁通量压缩装置154的空腔156中。该结构可以保证磁性元件152容易安装、正确定向和可靠装配至磁通量压缩装置154中。磁通量元件152中可以有空腔160，一个或多个磁场传感器162可以位于该空腔160中。
图12表示了本发明另一示例实施例的侧视图或平面图，其中，旋转位置传感器170包括磁性元件172，该磁性元件172位于磁通量压缩装置174中。磁性元件172和磁通量压缩装置174各自确定了键槽176的一部分176a和176b。键178的尺寸设置成适于装配在键槽176中，这可以保证磁性元件172容易安装、正确定向和可靠装配至磁通量压缩装置174中。磁通量元件172中可以有空腔180，一个或多个磁场传感器182可以位于该空腔180中。
图13表示了本发明另一示例实施例的侧视图或平面图，其中，旋转位置传感器190包括直线型磁性元件192，该磁性元件192可以位于直线型磁通量压缩装置194中。磁性元件192中可以有空腔196。磁场传感器198可以位于该空腔196中。可以知道，任意其它实施例的元件可以与本实施例或任意其它实施例的元件进行组合，包括但不局限于为了保证合适定向和可靠装配的元件以及具有多个磁性检测元件。
图14是沿图13中的线14-14的剖视图。在该实施例中，厚度200可以大致等于或大于空腔的直径202(如图13中所示)。这样的关系可以获得最佳性能，且对轴向位置误差的敏感性最小。
图15是本发明另一示例实施例的等角透视图。传感器210包括矩形磁性元件212，该磁性元件212位于矩形磁通量压缩装置214中。定位器216可以布置成使得磁性元件212可以确实位于磁通量压缩装置214中。定位器216可以形成于底侧表面上，例如通过模制，或者它们可以通过其它方式添加，这些方式包括但不局限于：卡扣装置或者螺钉连接、螺栓连接或销接就位。类似结构的定位器可以用于将磁通量压缩装置214保持就位并确实定位它。
尽管所示的不同实施例表示了不同数目、形状、尺寸和方位的磁性检测元件以及各种形状、尺寸和方位的磁性元件和磁通量压缩装置，但是本发明并不局限于此。根据磁性元件的尺寸、其中的空腔尺寸、磁场的强度、磁场传感器的灵敏度以及根据怎样使用传感器，实施例可以包括任意数目的传感器。各种用途可以包括但不局限于双加速器位置开关(APS)/空载确认开关(IVS)传感器，其中了使用两个独立的传感器元件。实施例还可以包括一个或多个磁场传感器，该磁场传感器设置成验证来自一个或多个另外磁场传感器的信号。
已经发现，本发明实施例对于磁场传感器相对于磁性元件的静态和动态失准(例如摇摆)并不敏感，反之亦然。实施例还允许有更宽松的设计工差，更便宜的部件(这些部件例如但不局限于轴承衬套)和匹配表面。一些实施例保证正确和可靠的对准。一些实施例将通过更少磁性材料来实施。一些实施例可以使用多个磁场传感器。
尽管这里已经通过优选实施例来表示和说明了特定实施例，但是本领域技术人员应当知道，用于实现相同目的的各种可选和/或等效实施例或实施方式可以代替所示和所述的实施例。本领域技术人员应当知道，本发明实施例可以以多种方式来实施。本申请将覆盖这里所述的实施例的各种改变或变化。因此，本发明实施例只由权利要求和它们的等效物来限定。

Claims (22)

1.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
2.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；以及
位于该空腔中的多个磁场传感器，其中，该多个磁场传感器中的至少一个磁场传感器设置成验证来自该多个磁场传感器中的另一磁场传感器的信号；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
3.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；其中，该磁场传感器是设置成输出模拟值的第一磁场传感器以及位于该空腔中并设置成输出二进制信号的第二磁场传感器；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
4.根据权利要求3所述的位置传感器，其中，该磁性元件为矩形，且该磁通量压缩装置为矩形。
5.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；以及
其中，该磁性元件包括基本直线型的顶部边缘和底部边缘以及曲线形端部；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
6.根据权利要求5所述的位置传感器，包括多个所述磁场传感器。
7.根据权利要求6所述的位置传感器，其中，该多个磁场传感器各自布置在彼此不同的方位。
8.根据权利要求5所述的位置传感器，其中，该曲线形端部为弓形，磁通量压缩装置为环形，并与该曲线形端部同轴，且磁通量压缩装置至少局部与该曲线形端部接触。
9.根据权利要求8所述的位置传感器，其中，该磁通量压缩装置的内表面布置成包括至少一个凹槽，该磁性元件具有伸入该至少一个凹槽中的部分。
10.根据权利要求5所述的位置传感器，其中，该磁通量压缩装置为环形形状。
11.根据权利要求5所述的位置传感器，其中，该磁通量压缩装置与该磁性元件的周边的至少一部分接触。
12.根据权利要求5所述的位置传感器，其中，该磁性元件为永磁体。
13.如权利要求5所述的位置传感器，其中，该磁性元件的至少一个直线型边缘基本平行于磁性元件的磁通线。
14.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；以及
其中，该磁通量压缩装置包括内表面，该内表面设置成具有两个凹槽，磁性元件具有两端，该两端的每一端布置成装配进该两个凹槽中相应一个凹槽内；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
15.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；以及
其中，该磁性元件限定键槽的第一部分，该磁通量压缩装置限定键槽的第二部分；该键槽的第一部分和键槽的第二部分限定一键槽；且该位置传感器还包括位于该键槽中的键；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
16.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的外部直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动；以及
其中，该空腔有一直径，磁性元件有一厚度，该厚度基本上等于或大于该直径；还包括
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
17.一种位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有相对的直线型边缘，且该磁性元件中布置有空腔；
磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置至少局部布置在该磁性元件的周边周围；
磁场传感器，该磁场传感器布置在空腔中；
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
18.一种旋转位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有一个或多个直线型边缘，且其中布置有空腔；以及
位于空腔中的一个或多个磁场传感器，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动，其中，该一个或多个磁场传感器是多个磁场传感器，且该多个传感器中的至少一个磁场传感器设置成验证来自该多个传感器中的另一磁场传感器的信号；还包括
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
19.根据权利要求18所述的位置传感器，还包括磁通量压缩装置，该磁通量压缩装置包围该磁性元件。
20.根据权利要求18所述的位置传感器，其中，该一个或多个磁场传感器是多个磁场传感器，这些磁场传感器相对于空腔的定向彼此不同。
21.根据权利要求18所述的位置传感器，其中，位于该空腔中的一个磁场传感器是偏心的。
22.一种旋转位置传感器，包括：
磁性元件，该磁性元件有一个或多个直线型边缘，且其中布置有空腔；以及
位于空腔中的一个或多个磁场传感器，磁性元件和磁场传感器设置成相对于彼此移动，
其中，该一个或多个磁场传感器是多个磁场传感器，且该多个传感器中的至少一个磁场传感器设置成输出模拟信号，而该多个传感器中的另一磁场传感器设置成输出数字信号；还包括
本体，该本体有接收表面，该接收表面形成为限定空心部分，该空心部分布置成接纳该磁通量压缩装置，该空心部分具有内边缘；以及
在该空心部分中与内边缘隔开的凸耳，该磁通量压缩装置设置在凸耳和内边缘之间，该磁性元件设置在凸耳之间。
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