CN102472636B - 霍尔效应感应装置 - Google Patents

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Abstract

一种感应装置，有效地感应磁铁(110)和霍尔效应传感器(202)彼此的相对运动状态。霍尔效应传感器具有霍尔板(204)，并且容纳在表面安装装置中。磁铁构造为产生磁场，其方向主要平行于霍尔板。感应装置包括磁场聚集装置(206)，用于改变磁场的方向主要垂直于霍尔板。

Description

霍尔效应感应装置
技术领域
本发明涉及包括第一部件和第二部件以及感应装置的设备，感应装置用于采用霍尔效应传感器感应第一部件和第二部件相对于彼此的位置、速度或加速度。本发明还涉及采用这样设备的感应装置。
背景技术
本文中采用下面的术语。词语″物理部件的运动状态″是指该物理部件相对于某些预定的基准系统的位置和/或速度和/或加速度。词语″两个物理部件的相对运动状态″是指该物理部件彼此相对的位置和/或速度和/或加速度。本文中采用的词语″运动量″是指表示运动状态的物理量。
两个物理部件的相对运动状态可采用任何种类的感应技术测量。已知感应技术的示例基于决定磁场强度或磁场强度上的变化率，作为第一物理部件相对于第二物理部件的相对位置或相对速度的表示。磁性感应是遥感技术的示例。就是说，它是不接触的，磁性感应装置与第一部件和第二部件不进行任何物理接触。结果，磁性感应装置实际上不受润滑油的存在例如部件上污物累积的影响，并且如果适当设计，也不受外源磁场的影响。
磁性感应器典型地采用霍尔效应传感器。霍尔效应传感器提供输出电压，其大小和极性表示磁场成分垂直于称为″霍尔板″的传感器感应部分的强度和方向。
磁性感应装置可与通轴轴承物理地集成。于是，感应装置用于决定例如轴承的内环和外环之间的旋转角。例如，如果内环相对于轴保持静止，并且外环相对于支撑轴的框架保持静止，则传感器提供的输出信号表示轴相对于框架围绕轴的轴线的旋转角。
SKF制造的一种通轴感应器轴承单元设计为自动方式，使运行更容易且更精确。根据现有技术，所提供的SKF技术针对于位置、旋转角和速度感应，这些传感器集成在轴上的轴承位置，它们在这里传输数据到标准的电子控制器。控制器监视着电伺服电动机需要输出的功率水平，以用舵轮帮助驱动器。传感器能使功率帮助操纵更加精确，对于全部驱动条件的左锁定一直到右锁定，包括高速公路停车。对于更多的背景信息，例如，请见SKF的“总目录”，2005版，″Mechatronics″章节，″感应器轴承单元″部分，或者美国专利6,043,643，通过引用结合于此。
作为通轴感应装置的已知示例，与轴承集成，并且构造为在汽车操纵应用中的绝对角感应。感应装置包括直径磁化的双极环。该环的磁场主要径向地延伸在该环的平面中。该环连接到轴且随轴转动，其角度位置相对于静止部件感应。感应装置具有一个或多个霍尔效应传感器，用于感应该磁场的径向成分。霍尔效应传感器容纳在静止部件上。霍尔效应传感器以90度角的位置间隔围绕环定位。霍尔效应传感器产生输出电压，该电压取决于感应磁场的大小，进而取决于双极环相对于霍尔效应传感器的相对角度位置。输出电压转换成数字数据，并且经受数据处理，以提供表示轴的角度位置的输出。轴的角度位置和/或其变化率决定了伺服电动机输出的帮助量，也可与其它输入量相结合，例如车辆的运行速度。
所用的霍尔效应传感器包含在电子装置中，例如，具有单一的线性(SIL)封装，其引线焊接到印刷电路板(PCB)。容纳霍尔效应传感器的电子装置是所谓的“通孔”设计，并且引线在装置可焊接到PCB前插入PCB的孔中。霍尔效应传感器的霍尔板基本上定向为垂直于PCB。
发明内容
本发明人认识到，由表面安装装置(SMD)类型的霍尔效应传感器装置代替SIL类型的霍尔效应传感器装置会影响感应装置的设计。对此说明如下。
正如所知的那样，SMD是电子装置，其封装构造为直接安装在PCB的表面上。SMD典型地远小于它们的通孔设计的功能配对物，而且，它们更适合于在PCB上的电子电路的自动化组件。
首先考虑基板，例如其上安装有通孔型霍尔效应传感器的PCB。霍尔效应传感器的感应区域(即霍尔板)定向为垂直于基板。现在考虑SMD型的霍尔效应传感器，其安装在基板上。SMD型的霍尔效应传感器的感应区域现在定向为平行于基板。因此，如果通孔型霍尔效应传感器由它们的SMD配对物取代，则感应装置需要修改为使SMD霍尔效应传感器的磁场和霍尔板相对于彼此定位，以使霍尔板能感应磁场。
本发明的一个方面涉及包括第一物理部件、第二物理部件和感应装置的设备。所述感应装置构造为感应第一物理部件和第二物理部件相对于彼此的运动状态。所述感应装置包括相对于第一物理部件静止的磁铁和相对于第二物理部件静止的一个或多个霍尔效应传感器。每个霍尔效应传感器具有霍尔板并且容纳在电子表面安装装置中。所述磁铁构造为产生磁场，使磁场方向主要平行于霍尔板。根据本发明，所述感应装置包括磁场聚集装置，用于在每个霍尔效应传感器的位置上改变磁场的方向基本上垂直于霍尔板。
磁场聚集装置提供磁通引导装置，也就是说磁场聚集装置朝着霍尔效应传感器的霍尔板弯曲磁力线。磁场聚集装置由适当的材料制造，该材料具有大于100的高相对磁渗透性μr。优选地，磁场聚集装置由大于300的相对磁渗透性μr的材料制造，更优选的大于500。这样材料的示例为钢等级AISI 430的铁素体不锈钢。这样的钢具有1000至3000的相对磁渗透性μr，具有约6μΩm的低导电性，并且可通过压制成型或深冲压进行精确处理。
在基于SMD型的霍尔效应传感器的设计中，磁场聚集装置能使设计者重复使用具有通孔型的霍尔效应传感器的传统感应装置的很多元件和规格(form-factor)。设计及其元件的重复使用是重要的，例如，对设备的制造者、感应装置的制造者、部件的提供者等，因为重复使用能最小化从采用通孔元件到采用SMD元件的转移成本。
还应当注意的是，如果用SMD类型之一取代通孔型的霍尔效应传感器且引入磁场聚集装置时，感应装置的规格的临界尺寸没有改变或者基本上没有改变的话，则这是有利的。如果必须要求改变临界尺寸，例如，长度、宽度或厚度，则会要求修改设备自身，以便容纳经过修改的感应装置，因此增加了成本。
在本发明的设备实施例中，磁铁设置在第一平面中，磁场聚集装置设置在平行于第一平面的第二平面中，并且霍尔效应传感器设置在第一平面和第二平面之间，且具有基本上平行于第一平面的霍尔板。
在设备的进一步实施例中，第一物理部件包括轴，轴围绕其轴线相对于第二物理部件可旋转。感应装置与轴通过轴承单元物理地集成，轴通过轴承单元机械地连接轴到第二物理部件。
考虑感应装置物理地与轴承集成，以形成例如通过轴的传感器轴承单元。感应装置的空间构造可修改，但是实际上可能的修改由单元的(标准)尺寸以及在一件机械中可用于安装该单元的空间所限定。已知的通过轴传感器轴承单元可通过由SMD型的霍尔效应传感器和磁场聚集装置的结合取代通孔型的霍尔效应传感器而修改，实际上不改变该单元的尺寸。
本发明还涉及感应装置，用于感应磁铁和霍尔效应传感器相对于彼此的运动状态。霍尔效应传感器具有霍尔板，并且容纳在表面安装装置中。磁铁构造为产生磁场，磁场方向主要平行于霍尔板。所述感应装置包括磁场聚集装置，用于改变磁场的方向主要垂直于霍尔板。
在感应装置的一个实施例中，磁铁设置在第一平面中，磁场聚集装置设置在平行于第一平面的第二平面中，并且霍尔效应传感器设置在第一平面和第二平面之间的第三平面中。
在进一步的实施例中，感应装置与通过轴的轴承单元物理地集成。
总之，霍尔效应传感器感应的磁场需要在霍尔效应传感器的位置上具有特定的方向。所需的方向取决于霍尔效应传感器是否为通孔型或SMD型。一种类型所用的方向与另一种类型所用的方向相差90度。通过引入磁场聚集装置从而改变了磁力线的方向在90度以上，基于通孔霍尔效应传感器的感应装置的设计可容易地适合于SMD型霍尔效应传感器的使用，反之亦然。于是，该设计的其它部件可重复使用，并且可以极大地保持所述感应装置的规格。
附图说明
本发明通过示例且参考附图进行详细的说明，附图中：
图1是测量轴旋转角的传统设备的示意图；
图2是本发明的测量轴旋转角的设备的示意图；
图3和4是示出本发明测量相对线性位移的应用的示意图；以及
图5和6是示出本发明的感应器轴承单元的示意图。
全部附图中，类似或对应的特征由相同的参考标号表示。
具体实施方式
图1是传统设备100的示意图，该传统设备100包括彼此可相对运动的第一部件102和第二部件104。这里的传统设备100在下文称为″第一设备100″。在所示的示例中，第一部件102包括轴。轴102可围绕其轴线106相对于保持静止的第二部件104旋转。第一设备100还包括感应装置，用于感应轴102相对于静止的第二部件104的旋转量。感应装置包括磁铁环110，其与轴102同轴设置，并且连接到轴102。感应装置还包括一个或多个霍尔效应传感器，例如，霍尔效应传感器108，其容纳在静止的第二部件104。第一设备100中的霍尔效应传感器108为通孔型的，并且焊接到与静止的第二部件104连接的基板112。
磁铁环110构造为产生磁场，磁场相关部分的方向主要平行于磁铁环110的平面，即平行于基板112的径向场。磁铁环110例如为直径磁化的双极环。这样的磁化环110例如由填充有磁化粒子的热塑性塑料制作。霍尔效应传感器108的感应区域114(即霍尔板)面对磁铁环110的外圆周116。应当注意的是，磁铁环110的平面与霍尔效应传感器108相交。就是说，霍尔效应传感器108设置在磁铁环110的平面内以截取径向磁场。
现在，假设轴102从基准角位置开始在特定幅度的角度上围绕其轴线106旋转。则磁铁环110在磁化环110的平面中随着轴102在相同的角度上旋转。该旋转导致由霍尔效应传感器108感应的磁化环110的磁场随着角度位置改变。结果，轴102的旋转角度可源自于霍尔效应传感器108的输出信号。任选地，于是该输出信号的改变率代表着轴102的角速度。
本领域中已经知晓基于霍尔效应传感器操作的绝对角度解码器，而不需在这里进一步详细地讨论。静止的第二部件104例如包括支撑(未示出)，例如采用球轴承组件保持轴102的轴线106在固定的空间方向上，球轴承组件的内环固定到轴102，并且其外环固定到静止的第二部件104。霍尔效应传感器108和磁铁环110可与轴承单元物理地集成。对于SKF的感应器轴承单元的更多背景，例如请见SKF的2005版的″总目录″，″Mechatronics″章节，″感应器轴承单元″部分，以及上述的美国专利6,043,643。
图2是根据本发明的设备200的示意图，这里的设备200下面称为″第二设备200″。第二设备200具有与上面讨论的第一设备100相同的元件。然而，第二设备200与第一设备100的区别在于以下方面。取代第一设备100的通孔霍尔效应传感器108，第二设备200具有SMD型的霍尔效应传感器202，安装在基板112上。SMD型霍尔效应传感器202的感应区域(或：霍尔板)204定向为平行于基板112。根据本发明的第二设备200与第一设备100的区别还在于，第二设备200具有磁场聚集装置206，由具有相对高磁渗透性μr的材料制造，其示例已经在前面叙及。磁场聚集装置206用于改变磁力线的方向从径向方向到轴向方向，至少在SMD型霍尔效应传感器202的位置处。第二设备200中的磁场聚集装置206成型为具有中心开口的圆盘形状，设置为使得霍尔效应传感器202的霍尔板204位于圆盘206和磁铁环110之间的平面中。
优选地，SMD型霍尔效应传感器202的霍尔板安装为尽可能靠近磁场聚集装置206，在该示例中，圆盘206具有中心孔且由铁素体钢制造。于是，霍尔板和圆盘206之间的第一距离为1mm或更小的量级。圆盘206优选具有大于霍尔板的对应尺寸的径向尺寸，该径向尺寸是指圆盘的外直径和内直径之差。此外，圆盘206的径向尺寸优选地比霍尔板204和磁铁环110之间的轴向间隙在三倍或四倍。
磁力线形成闭环，如麦克斯韦方程所述。这样的环的实际路径取决于呈现在磁场内的物理材料的磁阻。磁力线的密度在最小磁阻的路径上最高。特定材料的磁阻大小与其相对磁渗透性μr成反比。因此，磁场聚集装置206可适当成型并且由适当的材料制造，以便在SMD型霍尔效应传感器202的位置处集中磁场，且具有呈现为垂直于SMD型霍尔效应传感器202的霍尔板204方向的磁场。由SMD型霍尔效应传感器202感应的磁场强度随着磁铁环110的角度位置而改变。本领域的技术人员已经知晓如何从磁场强度上的感应改变得到磁铁环110的角度位置，从而不在这里对这一点进行进一步讨论。
优选地，本发明的第二设备200的感应装置容放在具有高值磁渗透性μr的材料的圆柱外壳(这里未示出)中，以屏蔽感应装置受到来自感应装置外面的磁场影响，从而保持感应装置的输出信号的精度。外壳也由铁素体不锈钢适当制造，例如AISI 430。
图2仅用作示例以说明采用磁场聚集装置206以便修改磁场在SMD型霍尔效应传感器202位置的方向从而能够重新使用最初配备有通孔型的霍尔效应传感器108的感应装置设计的原理。在采用多个SMD型霍尔效应传感器的结合时或者在采用具有径向多极磁场的磁铁环时，该原理同样有效。
类似地，图2示出本发明的第二设备200，其中第二部件104保持静止。第二部件104承载着SMD型霍尔效应传感器202、基板112和磁场聚集装置206。反之，如果第一部件102，这里的轴102，保持静止，而第二部件104随着轴104同轴旋转，磁铁环110优选固定到第二部件104，而SMD型霍尔效应传感器204、基板112和磁场聚集装置206固定到轴102。该后者的构造有利于将由SMD型霍尔效应传感器202产生的信号连通到相关信号处理设备(未示出)的设计，例如，通过配线连接。
图3和4分别为第三设备300和第四设备400的示意图，示出了该原理也可应用于感应装置，所述感应装置用于检测两个物理部件相对于彼此的线性位置和/或线性速度和/或线性加速度。
图3所示的第三设备300包括第一部件302和第二部件304。第二部件304可沿着路径306相对于第一部件302线性运动。路径306画出为直线，但是，这仅为示例。第三设备300包括感应装置，用于提供表示第二部件304相对于第一部件302的当前位置的输出信号。感应装置包括线性磁铁阵列308，例如，海尔贝克阵列。如所知，海尔贝克阵列是永久磁铁的特殊构造，其在阵列一侧加强了磁场强度，而在阵列的另一侧减小了磁场强度的大小几乎到零。这是通过旋转阵列中的永久磁铁相对于阵列中的相邻永久磁铁的磁场图案获得的。所产生磁场的重要部分具有它的主要平行于基准平面310延伸的磁力线。
第二部件304容纳通孔型的霍尔效应传感器312，其霍尔板(未示出)面对磁铁阵列308。当第二部件304沿着路径306运动时，霍尔效应传感器312的输出表示第二部件304相对于磁铁阵列308的当前位置，因此表示第二部件304相对于路径306的当前位置。
第四设备400与第三设备300的区别在于，通孔型霍尔效应传感器312已经由SMD封装中的霍尔效应传感器402取代。在第三设备300中，通孔型霍尔效应传感器312的霍尔板面对磁铁阵列308。在第四设备400中，SMD型霍尔效应传感器402的霍尔板在图4中面朝上(或朝下)，即霍尔板具有平行于基准平面310的定向。第四设备400与第三设备300的区别还在于，磁场聚集装置404设置在SMD型霍尔效应传感器402之下。磁场聚集装置404由具有相对高磁渗透性μr的材料制造，其示例已经在前面叙及。磁场聚集装置404用于改变磁力线的方向从基本上平行于基准平面310的方向到在SMD型霍尔效应传感器402的当前位置上基本上垂直于基准平面310的方向。再者，应当注意的是，第三设备300的很多元件在第四设备400中重复使用，并且可保持第三设备300的规格。
优选地，第四设备400的感应装置容放在外壳(这里未示出)中，外壳的材料具有高数值的磁渗透性μr，以便屏蔽感应装置受到感应装置外面磁场的影响，从而保持感应装置的输出信号的精度。
图5是模块500的截面示意图，其中第二设备200的感应装置已经与滚动元件轴承502物理地集成。在图5的示意图中，感应装置由参考标号504表示。
滚动元件轴承502包括多个滚动元件，其中有滚动元件506和508，设置在轴承内环510的外表面和轴承外环512的内表面之间。典型地，滚动元件由保持架(未示出)保持。滚动元件能使内环510和外环512以低摩擦的方式彼此同轴旋转。第一密封514和第二密封516防止污物接触滚动元件，并且防止内环510和外环512之间的间隔中保持的润滑油溢出。在图2的第二设备200的构造中，内环510固定到轴102，而外环512固定到静止部件104。
感应装置504包括圆柱固定器518，圆柱固定器518相对于滚动元件轴承502同轴设置。固定器518在其径向外表面上承载磁铁环110。圆柱固定器518连接到滚动元件轴承502的旋转部分，即内环510。感应装置504还包括这里为金属盘形式的磁场聚集装置206以及与滚动元件轴承502同轴设置的金属圆筒524的组件。金属盘206和金属圆筒524例如已经通过焊接彼此连接。金属盘206和金属圆筒524二者都是具有相对高磁渗透性μr的材料。金属圆筒524固定到滚动元件轴承502的非旋转部分，即外环512。感应装置504还包括SMD型的霍尔效应传感器202，设置在金属圆盘206面对滚动元件轴承502的表面上。霍尔效应传感器206安装在例如钢上PCB类型的板112上。
图6是模块600的截面示意图，其中感应装置504已经与滚动元件轴承502物理地集成。模块600的构造与模块500的构造的区别在于，模块600设计为这样的方式，其中内环510连接到静止的、非旋转的第一部分(未示出)，而外环512连接到旋转的第二部分(未示出)。为了减少基准，模块600设计为用于这样的应用，其中轴102相对于基准的惯性坐标系固定并且其中部件104设计为围绕轴102旋转。
圆柱固定器518在其径向外表面上承载磁铁环110。圆柱固定器518连接到滚动元件轴承502的旋转部分，即外环512。模块600的感应装置504还包括这里为金属盘形式的磁场聚集装置206和金属圆筒524的组件。金属盘206和金属圆筒524例如已经通过焊接彼此连接。金属盘206和金属圆筒524二者都为具有相对高的磁渗透性μr的材料。金属圆筒524固定到滚动元件轴承502的非旋转部分，即内环510。另一金属圆筒602连接到金属环206，并且用作对外部磁场的屏蔽。密封516适合于容纳在所述另一金属圆筒602和外环516之间，或者所述另一金属圆筒602和金属圆筒518的轴向外侧表面之间。
在本发明的上述示例中，示出为磁场聚集装置206、404安装为相对于SMD型霍尔效应传感器204、402静止。应当清楚的是，作为功能上的可选择性，磁场聚集装置206、404可安装为相对于SMD型霍尔效应传感器204、402可运动。
此外，SMD型霍尔效应传感器206、404可附上盖板，盖板例如由奥氏体不锈钢(例如，AISI 316)或其它适当的非磁性材料制造，以使设备200、400能运行在化学侵蚀的环境中。

Claims (4)

1.一种包括第一物理部件(102；302)、第二物理部件(104；304)和用于感应该第一物理部件和第二物理部件相对于彼此运动状态的感应装置的设备(200；400)，其中
该感应装置包括相对于该第一物理部件静止的磁铁(110；308)和一个或多个相对于该第二物理部件静止的霍尔效应传感器(202；402)；每个霍尔效应传感器具有霍尔板并且容纳在电子表面安装装置中；
该磁铁构造为产生磁场，其方向基本上平行于该霍尔板；并且
该感应装置包括磁场聚集装置(206；404)，用于在该霍尔效应传感器的位置上改变该磁场的方向基本上垂直于该霍尔板，
其中该磁铁设置在第一平面中，该磁场聚集装置设置在平行于该第一平面的第二平面中，并且该一个或多个霍尔效应传感器设置在该第一平面和该第二平面之间的第三平面中。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
该第一物理部件包括围绕其轴线(106)相对于该第二物理部件可旋转的轴；并且
该感应装置与机械地连接该轴到该第二物理部件的轴通过轴承单元物理地集成。
3.一种感应装置，用于感应磁铁和霍尔效应传感器的相对于彼此的运动状态，其中：
该霍尔效应传感器具有霍尔板，并且容纳在表面安装装置中；
该磁铁构造为产生磁场，其方向基本上平行于该霍尔板；并且
该感应装置包括磁场聚集装置，用于改变该磁场的方向基本上垂直于该霍尔板，
其中该磁铁设置在第一平面中，该磁场聚集装置设置在平行于该第一平面的第二平面中，并且该霍尔效应传感器设置在该第一平面和该第二平面之间的第三平面中。
4.如权利要求3所述的感应装置，与滚动元件轴承(502)物理地集成，从而使该感应装置感应该轴承的内环(510)和外环(512)的相对运动状态。
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