CN102597706A - 通轴旋转位置传感器 - Google Patents

Abstract

一种包括围绕可旋转通轴的外表面延伸的环形磁体的旋转位置传感器组件。一种传感器，测量由所述轴的旋转引起的由所述磁体产生的磁通量的方向的变化；以及磁极块对，位于所述磁体的对面并与所述磁体隔开。所述传感器位于所述磁极块对之间并且该磁极块引导磁通量穿过所述传感器，且在所述轴相对于所述传感器的旋转的全范围内，标准化所述传感器感应的磁通量的强度。

Description

通轴旋转位置传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有在2009年11月13日提交的美国临时申请No.61/281,132的申请日和公开内容的权益，该美国临时申请通过引用被明确地包含在此，该美国临时申请之中引用的所有参考文献同样通过引用被明确地包含在此。

技术领域

本发明涉及旋转位置传感器组件，更具体地，涉及使用霍尔效应传感器的非接触式旋转位置传感器组件。

背景技术

现有的用于检测和测量物体的旋转位置的非接触式旋转位置传感器组件包括磁体和霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器适于感应二维平面中的磁体所产生的磁场的方向。使用这种霍尔效应传感器来检测旋转位置传感器的轴的角度或者位置变得日益普及，在所述旋转位置传感器中，磁体可被安装在轴的一个末端表面，这就使得霍尔效应传感器可以被安装成与轴的中心线成同轴关系并位于轴的中心线的轴向位置上。

然而，这种布置在其中某个部件需要使用通轴并且不能在通轴的末端安装磁体的应用中并不合适。现有的感应这样的通轴传感器的角度和位置的装置和方法已证明包括各种限制，并且在某些应用中，这些装置和方法要求使用有定制的磁场测量能力的定制的霍尔效应传感器。

发明内容

本发明涉及旋转位置传感器组件，其包括：轴；磁体，位于所述轴上并且适于产生具有强度和方向的磁通量；传感器，位于所述磁体的对面并与所述磁体隔开，且适于感应和测量由所述轴的旋转位置的改变引起的由所述磁体产生的磁通量的方向的变化；磁极块对（a pair of magnet polepieces），位于所述磁体的对面并与所述磁体隔开，以及位于所述传感器相对的侧面并与所述传感器隔开，且适于引导磁通量穿过所述传感器。

在一个实施例中，每个磁极块包括位于所述传感器的对面并与所述传感器隔开的锥形末端，用于集中磁通量穿过所述传感器。

此外，在一个实施例中，磁体是环形的并围绕着所述轴，每个磁极块呈弧形并遵循所述轴的轮廓弯曲，而且所述磁体、所述传感器，和所述磁极块全部以大体共面的关系定位。

另外，根据本发明，在所述轴相对于所述传感器的旋转的全范围内，所述磁极块对标准化（nominalize）了所述磁体产生的磁通量的强度。

通过下文对本发明的实施例、附图和所附权利要求的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得更清晰。

附图说明

在形成本说明书的一部分的附图中，相似的数字在所有的图上被用来表示相似的部件：

图1是根据本发明的通轴旋转位置传感器组件的简化、放大、分解透视图；

图2是当通轴位于它的零（0）度旋转位置时，图1的通轴旋转位置传感器组件的简化、放大、俯视平面图，并且描绘了由环形磁体产生并被引导穿过传感器的磁场或磁通量；以及

图3是当通轴位于它的九十（90）度旋转位置时，图1的通轴旋转位置传感器组件的简化、放大、俯视平面图，并且描绘了由环形磁体产生并由磁极块引导穿过传感器的磁场或磁通量。

具体实施方式

图1-3描绘了根据本发明的通轴非接触式旋转位置传感器组件10的简化实施例，其包括至少下述关键元件：细长的、大体呈圆柱形的通轴12，适于耦合到需要测量其旋转位置或角位置的部件（未示出）；环形磁体14，围绕并耦合到通轴12的外部圆周表面16；霍尔效应传感器集成电路芯片17，位于环形磁体14的外部圆周表面20的对面并与外部圆周表面20隔开，且与环形磁体14的水平横截面轴大体共面；以及大体为弧形的磁极块对22和24，位于环形磁体14的外表面20的对面并与外表面20隔开，且与环形磁体14的水平横截面轴和霍尔效应传感器17两者大体共面。

在所示的实施例中，磁极块22和24位于霍尔效应传感器17的相对的侧面并与霍尔效应传感器17隔开，并且以使得相应的磁极块22和24遵循环形磁体14和轴12的轮廓的形式弯曲。

特别地，在所示的实施例中，每个磁极块22和24是一个大体扁平的、弧形的金属板，其沿着它的全长具有大体不变的厚度和宽度。而且，在所示的实施例中，磁极块22和24沿径向相对成彼此互为镜像，因而两者都具有同样的长度、厚度和宽度。更进一步，在所示的实施例中，每个弧形的磁极块22和24围绕磁体14和轴12的外周，从与传感器17的相应的端面44和46隔开的一个点延伸到与传感器17间隔九十度的点。尽管没有在此处示出或描述，应理解，磁极块22和24可以被安装在传感器组件支撑结构的表面，例如印刷电路板的表面（未示出）。

磁极块22和24中每一个都包括：内部或内侧大体为弧形并且纵向延伸的面26，所述面26与磁体14的外表面20隔开、位于外表面20的对面，并且遵循外表面20的轮廓弯曲；外部或外侧大体为弧形并纵向延伸的面28，所述面28与面26隔开、位于面26的对面，并且与面26为大体平行的关系；以及相对的横断面30和32，在纵向面26和28的末端之间延伸并连接纵向面26和28的末端。

更具体地，磁极块22和24中每一个的端面30大体是平直的，且其朝向大体垂直于磁极块22和24的面26和28并且垂直于磁体14的外表面。磁极块22和24中每一个的端面32位于集成电路芯片传感器17的相应的相对的侧面44和46的对面，并与侧面44和46隔开。然而，端面32不同于端面30，其区别在于端面32包括：第一平直段34，所述第一平直段34与传感器17的相应的相对的侧面44和46隔开且被配置为大体平行关系；以及第二锥形段或者角形段36，其以近似四十五度的角度远离传感器17相应的端面44和46以及第一平直段34形成锥度，并终止于相应的磁极块22和24中内表面26。

传感器17属于集成电路霍尔效应的种类之一，可从例如Melexis公司获得；传感器17适于安装在诸如印刷电路板（未示出）的传感器组件支撑结构的表面上；并且适于感应和测量由轴12和磁体14的旋转位置的改变引起的由磁体14产生的磁场或磁通量的方向的变化，而不是感应和测量由磁体14产生的磁场或磁通量的强度或密度的变化。

传感器17采用集成电路芯片的形式，其包括：侧面40，位于磁体14的外表面20的对面并与外表面20隔开；侧面42，位于侧面40的对面并与侧面40隔开；以及相对的端面44和46，在侧面40和42之间延伸。传感器17的端面44位于磁极块22的端面32的对面并与磁极块22的端面32隔开，以及传感器17的端面46位于磁极块24的端面32的对面并与磁极块24的端面32隔开。

图2描绘了当环形磁体14的北（N）-南（S）极的方向与传感器17大体共线时，由磁体14产生的磁通量或磁场的磁场线50中所选定的一些线的产生、运动、方位和方向，包括例如来自磁体14的北极（N）的至少一个第一磁通量线或磁场线50A的产生、运动、方位和方向，磁场线50A朝向并穿过传感器17，且在方位与方向上大体垂直于传感器17的相对的侧面40和42，并且在方位与方向上大体平行于传感器17的相对的端面44和46以及平行于相对的磁极块22和24的端面32。

在图2中对应于轴12的零（0）度的位置上，磁场线或磁通量线50的方向不被磁极块22和24所影响且对于轴12呈放射状。因磁极片22和24的存在而引导磁场线或磁通量线50中的一些远离传感器17所导致这个位置上磁通量或磁场50的强度的减少非常小。

图3描绘了当轴12（从而被支持于其上的环形磁体14）从图2的零（0）度位置被顺时针旋转九十（90）度到图3的位置时，磁场通量线50的产生、运动、方位和方向，其中图3中磁体14的北（N）极位于与磁极块22的端面30大体相对且共线的位置并且磁体14的南（S）极位于与磁极块24的端面30大体相对且共线的位置。在这个方位上，磁场线或磁通量线50中的一些，包括：例如磁场线或磁通量线50A、50B，和50C从磁体14的北（N）极出发，弧形地穿过磁极块22的总长，以大体垂直于传感器17的端面44和46的方向穿过传感器17，弧形地穿过磁极块24的总长，然后进入磁体14的南（S）极。

如图3所示，磁场线或磁通量线50的方向不受磁极块22和24的影响并且正切于轴12。然而，如图3所示，由于临近环形磁体14和传感器17的相应的磁极块22和24的存在，穿过传感器17的磁场线或磁通量线50的强度极大地增强。通常，在这个位置上并且在没有磁极块22和24的情况下，磁场线或磁通量线的强度在传感器17上会非常的小。然而，如图3中放置的磁极块22和24从磁体14的北（N）-南（S）极引导强场到达并穿过传感器17，因而大大增强了传感器17中的磁场或磁通量的强度，优选地增强至与当磁体14如图2中所示相对于传感器17定位时的传感器17中的磁场具有几乎相同的强度或密度。

因而，根据本发明，磁极块22和24的存在和使用确保了所感应的被引导穿过传感器17的磁场的强度或密度保持大体不变，即，无论轴12和磁体14相对于传感器17的位置如何，此时在轴12旋转的全范围内，所感应的被引导穿过传感器17的磁场的强度或密度被标准化或稳定于某个预设的标准值并且只在很小的强度范围内变化，以及更进一步地，确保当轴12和磁体14旋转时只有磁场线或磁通量线50的方向发生变化。

如上所述，霍尔效应传感器17是测量磁场方向的一种，只是鉴于传感器17必须具有在全部测量范围内的几乎不变的、标准化的磁场强度，所述全部测量范围例如图2的零度测量位置、图3的九十度测量位置，以及所有介于图2和图3的位置之间的中间测量位置（未示出）。此外，每个旋转位置的磁场或磁通量方向需要反映轴12的位置。总之，磁极块22和24的存在对磁场线或磁通量线50的方向只是稍有影响。磁体14已经相当好地满足了磁场的方向条件。然而，由磁极块22和24导致的磁场方向的任何小的变化，确实易于改进这方面的操作。

此外，根据本发明，具有各自的锥形端段36的磁极块22和24的存在和使用进一步集中了由磁体14产生的穿过传感器17的磁通量。

在不背离本发明的新颖性的精神和范围的情况下，所描述实施例的多个变种和修改可以实现，应理解，可以预测或应该能推测出，关于示例的特定传感器组件是非限制性的。当然，旨在覆盖所有这种落入权利要求范围内的修改。

Claims (11)

1.一种旋转位置传感器组件，包括：

轴；

磁体，位于所述轴上，适于产生具有强度和方向的磁通量；

传感器，位于所述磁体的对面并和所述磁体隔开，且适于感应和测量由于所述轴的旋转位置的改变而引起的由所述磁体产生的磁通量的方向的变化；以及

磁极块对，位于所述磁体的对面并和所述磁体隔开，所述磁极块位于所述传感器相对的侧面并和所述传感器隔开，且适于引导磁通量穿过所述传感器。

2.根据权利要求1所述的旋转位置传感器组件，其中每个磁极块包括锥形端，所述锥形端位于所述传感器的对面并与所述传感器隔开，且适于集中磁通量穿过所述传感器。

3.根据权利要求1所述的旋转位置传感器组件，其中每个磁极块是弧形的并遵循所述轴的轮廓弯曲。

4.根据权利要求1所述的旋转位置传感器组件，其中所述磁体、所述传感器，和所述磁极块对的位置呈大体共面的关系。

5.根据权利要求1所述的旋转位置传感器组件，其中在所述轴相对于所述传感器的旋转的全范围内，所述磁极块对标准化由所述磁体产生的磁通量的强度。

6.根据权利要求1所述的旋转位置传感器组件，其中所述磁体以环形呈现并围绕所述轴。

7.一种旋转位置传感器组件，包括：

细长的轴；

磁体，位于所述轴上，且适于产生具有强度和方向的磁通量；

传感器，与所述轴和所述磁体隔开，且适于感应和测量由所述轴的旋转位置的改变而引起的由所述磁体产生的磁通量方向的变化；以及

磁极块对，与所述轴和所述磁体隔开并位于所述传感器的相对的侧面，无论相对于所述传感器的所述轴和所述磁体的旋转位置如何，所述磁极块对适于保持磁通量的强度大体不变。

8.根据权利要求7所述的旋转位置传感器组件，其中所述磁体是围绕所述轴的环形磁体，每个磁极块遵循所述环形磁体的形状并包括位于传感器对面的锥形端，用于在所述传感器上集中磁通量。

9.一种旋转位置传感器组件，包括：

细长的轴，包括外表面；

环形磁体，围绕所述轴的外表面，所述磁体适于产生具有强度和方向的磁通量；

霍尔效应集成电路传感器芯片，与所述轴和所述磁体隔开，并且适于感应和测量由所述轴的旋转位置的改变引起的由所述磁体产生的磁通量的方向的变化；以及

第一和第二细长且呈弧形的磁极块，与所述轴和所述磁体隔开并位于所述霍尔效应集成电路传感器芯片的相对侧面，用于在所述轴相对于所述霍尔效应集成传感器芯片的旋转的全范围内标准化由所述霍尔效应集成电路传感器芯片感应的磁通量的强度。

10.根据权利要求9所述的旋转位置传感器组件，其中所述第一和第二磁极块包括位于所述霍尔效应集成电路传感器芯片对面的锥形端，用于集中穿过所述霍尔效应集成电路传感器芯片的磁通量。

11.根据权利要求9所述的旋转位置传感器组件，其中所述第一和第二磁极块的每个都具有相同的长度、厚度，和宽度。

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