CN105051483B - 使用有角度的采集器的位置测量 - Google Patents

Abstract

一种传感器，包括磁铁、第一采集器、第二采集器和磁敏元件。磁铁沿着路径移动。所述第一采集器配置成采集磁通量，并且所述第一采集器放置成关于平行于路径并且垂直于磁铁延伸的轴线呈角度。第二采集器配置成采集磁通量，并且放置成关于平行于路径并且垂直于磁铁延伸的轴线呈角度，并且平行于第一采集器。磁敏元件耦接至第一采集器和第二采集器。第一采集器和第二采集器采集磁通量，并且采集的磁通量随着磁铁沿着路径移动而变化，从而由第一采集器和第二采集器采集的磁通量指示磁铁沿着路径的位置。

Description

使用有角度的采集器的位置测量

技术领域

本发明涉及使用磁传感器的位置测量。尤其，本发明的实施例涉及可重复的位置测量，其通过检测磁铁相对于多个有角度的通量采集器的位置实现。

背景技术

存在很多已知类型的位置传感器，包括许多磁性位置传感器。典型的磁传感器中，磁铁被连接或另外地被耦接到移动的元件。当元件移动时，磁铁随之移动。一般而言，由于磁铁移动引起的磁场变化可以和位置相关联。相对于其它技术，磁感应有很多优点，包括当使用市场上可得到的感应集成电路(IC)(例如，基于霍尔的传感器和磁阻传感器)时，不受“污浊”环境的影响，并且相对简单。

发明内容

当前磁传感器的一个挑战或缺点在于，当使用其最大线性尺寸是测量范围的一小部分的磁铁(例如，当使用只有6mm长的圆柱体磁铁在50mm范围内进行可重复的测量)时，它们不能测量长范围。

在一个实施例中，本发明提供了基于磁性的位置传感器。传感器包括磁铁、第一采集器、第二采集器和磁敏元件。磁铁至少具有两个极，并且沿着路径移动。第一采集器具有第一端和第二端，并且被配置成采集磁通量。此外，第一采集器放置成关于平行于路径并且垂直于磁铁延伸的轴线成角度。第二采集器被配置成采集磁通量，并且被放置成关于平行于路径并且垂直于磁铁延伸的轴线成角度，并且平行于第一采集器。磁敏元件耦接到第一采集器和第二采集器。第一采集器和第二采集器采集磁通量，并且采集的磁通量随着磁铁沿着路径移动而变化，从而由第一采集器和第二采集器采集的磁通量指示了磁铁沿着路径的位置。

在另一实施例中，本发明提供了基于磁性的位置传感器，包括磁铁、至少一个磁敏元件、第一采集器、第二采集器和通用采集器。至少一个磁敏元件磁性耦接到磁铁的第一极。第一采集器耦接到至少一个磁敏元件中的一个，并且固定在恰当的位置上。第二采集器耦接到至少一个磁敏元件中的一个，并且固定在恰当的位置上。通用采集器被配置成沿着路径移动，并且具有磁性耦接至磁铁的第二极的第一端，以及第二端，第二端有角度以使当通用采集器放置在路径的第一端时，通用采集器的第二端只放置在第一采集器的上方，并且当通用采集器放置在路径的第二端(和路径的第一端相对)时，通用采集器只放置在第二采集器的上方。

通过考虑详细的描述和附图，本发明的其它方面将变得更清楚。

附图说明

图1是具有呈角度的采集器的位置测量系统的示意图；

图2是图1的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图3是图1的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图4是图1的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图5是图1的位置测量系统的输出的曲线图；

图6是可替代的位置测量系统的示意图；

图7A是图6的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图7B是图7A中示出的位置测量系统的示意性的侧视图；

图8A是图6的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图8B是图8A中示出的位置测量系统的示意性的侧视图；

图9A是图6的位置测量系统的示意图，其示出了磁铁的移动；

图9B是图9A中示出的位置测量系统的示意性的侧视图；

图10是图1的位置测量系统的输出曲线图；

图11A是另一位置测量系统的示意图；

图11B是图11A的位置测量系统的俯视图；

图12A和图12B示出了图11A和图11B的位置测量系统的通用采集器的移动；

图13是图11A、11B、12A和12B的位置测量系统的输出的比率的曲线图；

图14A是图11A的位置测量系统的替代实施例的示意图；

图14B是图14A的位置测量系统的俯视图。

具体实施方式

在详细讲解本发明的任何实施例之前，将理解的是，本发明在其应用时不限制于以下描述中陈述的或以下附图中示出的构件的结构和布置的细节。本发明能涵盖其它实施例，并且可以采用不同方式实践或实施。此外，没有一个元件或特征应该仅仅被认为是不可缺少的或必要的，因为它被描述成这里讲解或陈述的特定实施例或示例的部分。

图1采用位置测量系统100的形式示出了本发明的实施例。系统100包括磁敏元件(例如，霍尔效应传感器)105、顶部采集器110、底部采集器115和磁铁120。箭头122指示磁铁120的移动路径。箭头122还表示关于磁铁120的轴线。顶部采集器110和底部采集器115彼此平行地，并且关于轴线122呈角度地放置。虽然图示出了采集器110和115精确地彼此平行，但是他们不是必须要精确地平行。因此，说明书和权利要求书中的术语“平行”的使用旨在描述一般关系而不是意指采集器110和115精确地彼此平行。此外，虽然图中将移动路径和轴线122显示成垂直于磁铁130，但是对于移动路径和轴线122来说不是必须要和磁铁130垂直(例如，可以使磁铁130倾斜)。图中描绘的采集器110和115之间的区域(即，间隙)表示采集器110和115之间的边界线，当磁铁130沿着路径移动时，磁铁130的极经过边界线。可以想到，当从磁铁130看时，采集器110和115被放置在偏移的平面中，并且实际上重叠。在这种情况下，边界线将难以区分，但是边界线将仍然存在，以使磁铁130的极穿过。

采集器110和115放置成使得磁铁的通量的主要部分流过磁路元件125和126，以及磁敏元件105。采集器110和115以及磁路元件125和126由磁导率相对高的材料制成。在示出的实施例中，磁铁120是永久磁铁，磁铁120在它的中间处具有北极，在上端130和下端135处具有南极。磁铁120沿着这样的路径移动：该路径垂直于磁铁120的长度，平行于采集器110和115的平面，并且和采集器110和115的平面相距一固定距离。箭头140指示磁铁120的移动方向。如图2所示，当磁铁120大致在它的移动范围的中间时，在磁敏元件105处存在很少或不存在通量。当磁铁在第一方向上从中间移动时，北极移动越过顶部采集器110，并且下部南极135移动越过底部采集器115(见图3)。当磁铁120在这个方向上移动时，通量从顶部采集器110流向底部采集器115，这期间通量的量不断增加并且磁敏元件105的输出变得更正向。相反地，当磁铁在第二放向上从中间移动时，北极移动越过底部采集器115并且上部南极135移动越过顶部采集器110(参见图4)。当磁铁120在这个方向上移动时，通量从底部采集器115流向顶部采集器110，在这期间通量的量不断增加并且磁敏元件105的输出变得更负向。图5示出了磁敏元件105的基于磁铁120位置的可能的输出曲线图。

图6采用位置测量系统200的形式示出了本发明的另一实施例。系统200包括磁角度传感器205、顶部采集器210、中上部采集器215、中下部采集器220、底部采集器225和磁铁230。采集器210、215、220和225放置成彼此平行并且关于磁铁230有角度。再次，采集器210、215、220和225以及磁路元件235由磁导率相对高的材料制成。在示出的实施例中，磁铁230是永久磁铁，其具有单个极对-北极240和南极245。磁铁230可以是包括多个磁铁和/或极片的磁铁组件。

磁铁230这样移动：垂直于磁铁230的长度，平行于采集器210、215、220和225的平面，并且与采集器210、215、220和225的平面相距一固定距离。箭头250指示磁铁230的移动方向。如图7A所示，当磁铁230在其移动范围的第一端260处，磁角度传感器205检测到第一通量角度265(例如，270°)。当磁铁230大致在其移动范围的中间270时，磁角度传感器205检测到第二通量角度275(例如225°或和第一通量角度265相距45°左右)(参见图8)。当磁铁230在其移动范围的第二端280时，磁角度传感器205检测到第三通量角度285(例如180°或和第一通量角度265相距90°)(参见图9A)。

图7B、8B和9B分别示出了U型磁铁205在第一端260、中间270和第二端280处相对于采集器210、215、220和225的位置。当磁铁230放置在第一端260时(例如，图7A和7B)，磁通量从中上部采集器215移动到底部采集器225。当磁铁230从第一端260移动到中间270时，磁通量移动越过多个路径(例如，从顶部采集器210和中上部采集器215到中下部采集器220和底部采集器225)。当磁铁230放置在第二端280时(例如，图9A和9B)，磁通量从顶部采集器210移动到中下部采集器220。通量角度随着磁铁230的移动路线相对线性地变化。图10示出了磁角度传感器205的基于磁铁230的位置的可能的输出曲线图。

当磁铁230改变位置时，传感器205处的通量角度发生单调变化。如果磁铁230和采集器210、215、220和225之间的间隙改变，测量到的角度不显著改变。传感器205处的通量密度的大小可以改变，但是沿着每个磁路路径的通量比率大致保持相同。通常认为相对于位置测量系统100，测量系统200中的角度单调变化提供了磁铁位置的更精确测定。

图11A和11B示出了本发明的又一可替代实施例-位置测量系统400。系统400包括通用采集器405、第一采集器410、第二采集器415、第一磁传感器420(耦接至第一采集器410)、第二磁传感器425(耦接至第二采集器415)、磁铁430、以及磁路元件435。如图所示，第一采集器410和第二采集器415、磁铁430、传感器420和425、以及磁路元件435彼此相对放置。为了增加检测到的磁通量，传感器420和425分别定位在采集器410和415的附近(即，邻近采集器410和415)。通用采集器405包括下降元件440，下降元件440成角度放置(即，磁性特征)从而下降元件440的第一端450和第一采集器410共享轴线455，并且下降元件440的第二端460和第二采集器415共享轴线465。通用采集器405在由箭头470示出的方向上移动。当通用采集器405在其移动范围的第一端时(参见图12A)，与第一采集器410的磁性耦合发生。当通用采集器405向它的移动范围的第二端移动时(参见图12B)，磁性耦合从第一采集器410转变到第二采集器415。图13示出了磁传感器420和425的基于通用采集器405的位置的可能的输出的比率的曲线图。

图14A和14B示出了本发明的另一实施例-位置测量系统500。系统500包括通用采集器505、第一采集器510、第二采集器515、磁角度传感器520、磁铁530和磁路元件535。如图示出的，第一采集器510、第二采集器515、磁铁530、传感器520和磁路元件535彼此相对放置。通用采集器505包括下降元件550，下降元件550和通用采集器405一样是成角度设置的。当通用采集器505移动通过它的运动范围时，如上面先前的实施例中讨论的，磁角度传感器520检测到的通量角度改变。

通用采集器405/505可以是冲压的一片材料，并且具有相对高的磁导率和相对低的磁滞。

在上述构造中，磁铁可以是永久磁铁(例如，铁氧体、铝镍钴合金、钐钴、钕铁硼或其它类型的磁铁)。尽管在多数应用中，由于较低的系统成本，将选择永久磁铁，但是磁铁也可以是有源磁场发生器，例如，电磁铁。

还是在上述构造中，磁铁具有简单的形状。然而，可以使用其它形状的磁铁来改善性能或满足包装约束。作为示例，为了更好的将通量线引导到采集器，磁铁可以呈“U”形。此外，磁铁可以采用能够减少对正交于系统设法测量的运动的方向上的运动的影响的形状。例如，磁极可以比采集器更宽或更窄，从而运动“上”或“下”将对磁极和相关采集器之间的耦合产生更小的影响。此外，本说明书中的磁铁可以包括作为磁铁组件的部分的多个极片。

由于可重复的传感器性能，使不移动的构件和他们的相关联磁路关于彼此大致保持固定是重要的。因此，使用机械约束将采集器保持在适当的位置。例如，可以使用超模压塑料支撑或灌封将部件保持在适当的位置。

使传感器关于磁路元件和磁通集中器(concentrator)保持在适当的位置上也是重要的，磁通集中器引导通量到(多个)传感器。

在使用磁敏元件的构造中，优选地传感器本身是霍尔效应传感器或其它可测量通量密度的磁传感器。在使用磁角度传感器的构造中，传感器可以是磁阻传感器(例如，AMR、GMR和TMR)或基于霍尔角度传感器。通常，在单个设备中使用了多个霍尔传感器来集中地测量磁通的角度。也可以使用可以测量通量角度的其它技术。在上述实施例中可使用商用传感器(例如，来自Allegro、Micronas、Infineon、NXP等)。

上面将采集器和磁路元件描述成简单的形状，但是他们可以是复杂的3维形状。例如，采集器可以是相对平坦的，并且具有耳片，耳片垂直于采集器从一边(顶边、底边或侧边)凸出，并且最终延伸到传感器区域。延伸到(多个)传感器的磁路元件可以是任何形状的并且可以连接到采集器的任何地方。有效地，磁路元件是相应的磁采集器的一部分。在另一构造中，传感器可以紧邻采集器放置，从而没有来自采集器的可辨认的磁路元件。本领域技术人员将意识到这没有改变本发明中的概念。

通量采集器和磁路元件被设计成和本申请中期望的通量密度相匹配。设计考虑采集器或磁路元件可能饱和的通量水平。饱和导致磁路磁阻改变并且因此将导致针对磁铁位置的测量从期望的测量值发生改变。

同样地，也可以修改磁铁的定向(采集器和磁铁之间的距离)和磁铁关于采集器的相对定向。

当磁铁不直线移动时，也可以创建遵循磁铁路径的采集器。例如，如果磁铁沿着曲线移动，那么采集器可以设置成沿着曲线的内侧或外侧安装，只要磁铁和采集器之间的距离大致为常量，输出信号(比率或角度)将随着磁铁位置连续改变。

在随附权利要求书中陈述了本发明的各个特征和优点。

Claims (25)

1.一种基于磁性的位置传感器，包括：

磁铁，所述磁铁具有至少两个极，所述磁铁沿着路径移动，并且所述至少两个极大体上朝向相同方向；

第一采集器，所述第一采集器具有位于所述路径的第一端的第一端和位于所述路径的第二端的第二端，所述第一采集器被配置成采集磁通量，其中穿过所述第一采集器的第一端和所述第一采集器的第二端的第一轴线被放置成不与平行于所述路径延伸的第二轴线平行并且相对于所述第二轴线呈一非直角的角度，其中所述第一采集器与所述第一轴线对齐；

第二采集器，所述第二采集器被配置成采集磁通量，所述第二采集器具有位于所述路径的第一端的第三端和位于所述路径第二端的第四端，其中穿过所述第二采集器的第三端和所述第二采集器的第四端的第三轴线被放置成不与平行于所述路径延伸的所述第二轴线平行并且相对于所述第二轴线呈一非直角的角度，所述第二采集器大体上平行于所述第一采集器，导致所述第二采集器与所述第一采集器之间的间隙，所述间隙沿着所述路径大体上是均匀的，其中所述第二采集器与所述第三轴线对齐；以及

磁敏元件，所述磁敏元件耦接到所述第一采集器和所述第二采集器；

其中，所述第一采集器和所述第二采集器朝向大体上相同的方向，而且所述磁铁的所述至少两个极朝向所述第一采集器和所述第二采集器；

其中，随着所述磁铁沿着所述路径移动，所述磁铁变化地与所述第一采集器、所述第二采集器或者两者交叠；

其中，由所述第一采集器和所述第二采集器采集的磁通量随着所述磁铁沿着所述路径移动而变化，从而由所述第一采集器和所述第二采集器采集的磁通量指示所述磁铁沿着所述路径的位置。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁铁具有第一中间极和在所述磁铁的每端上的相对极。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中，当所述磁铁靠近所述第一采集器的第一端放置时，所述第一采集器靠近所述中间极放置，所述第二采集器靠近所述相对极中的一个放置，从而当所述磁铁靠近所述第一采集器的第二端放置时，所述第二采集器靠近所述中间极放置，所述第一采集器靠近另一相对极放置。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁敏元件是霍尔效应传感器。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁敏元件是磁角度传感器。

6.根据权利要求5所述的传感器，还包括第三采集器和第四采集器，所述第三采集器和所述第四采集器平行于所述第一采集器和所述第二采集器放置，并且所述第三采集器和所述第四采集器放置在所述第一采集器和所述第二采集器之间。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述第一采集器、所述第二采集器、所述第三采集器和所述第四采集器全部在同一平面上。

8.根据权利要求6所述的传感器，所述第一采集器、所述第二采集器、所述第三采集器和所述第四采集器全部耦接至所述磁敏元件。

9.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述磁铁具有两个极。

10.根据权利要求9所述的传感器，其中，随着所述磁铁沿着所述路径移动，由所述第一采集器、所述第二采集器、所述第三采集器和所述第四采集器在所述磁角度传感器处采集的通量的通量角度转动。

11.根据权利要求1所述的传感器，其中，由所述磁敏元件检测到的所述磁通量指示所述磁铁的位置。

12.一种基于磁性的位置传感器，包括：

固定在适当位置的磁铁；

至少一个磁敏元件，所述磁敏元件磁性地耦接至所述磁铁的第一极；

第一采集器，所述第一采集器耦接至所述至少一个磁敏元件中的一个，并且所述第一采集器固定在适当的位置；

第二采集器，所述第二采集器耦接至所述至少一个磁敏元件中的一个，并且所述第二采集器固定在适当的位置；以及

通用采集器，所述通用采集器磁性地耦接至所述磁铁的第二极，并且被配置成沿着线性路径在两个端部之间移动，所述通用采集器包括具有第一端和第二端的成角度的磁性特征，其中所述成角度的磁性特征相对于一平面成角度，所述平面穿过所述第一采集器从所述线性路径垂直地延伸；

其中，所述成角度的磁性特征的第一端沿着第一轴线移动并且耦接于所述磁铁和所述第一采集器之间的第一磁通量，所述成角度的磁性特征的第二端沿着第二轴线移动并且耦接于所述磁铁和所述第二采集器之间的第二磁通量；

其中，由所述第一采集器采集的所述第一磁通量和由所述第二采集器采集的所述第二磁通量随着所述通用采集器沿着所述线性路径的移动而变化，从而所述第一磁通量不同于所述第二磁通量并且所述第一磁通量和所述第二磁通量指示所述通用采集器沿着所述线性路径的位置。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述至少一个磁敏元件是霍尔效应传感器，所述第一采集器耦接至第一霍尔效应传感器，并且所述第二采集器耦接至第二霍尔效应传感器。

14.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述至少一个磁敏元件是磁角度传感器，其中所述第一采集器和所述第二采集器都耦接至所述磁角度传感器。

15.根据权利要求14所述的传感器，其中，由所述第一采集器采集的所述第一磁通量和由所述第二采集器采集的所述第二磁通量的通量角度随着所述通用采集器沿着所述路径的移动而转动。

16.一种基于磁性的位置传感器，包括：

磁铁组件，所述磁铁组件沿着线性路径移动并且包括具有至少两个极的磁铁；

至少两个具有边界线的磁采集器，在所述磁铁组件沿着所述线性路径移动的同时，所述边界线至少部分地由所述磁铁组件穿过，所述至少两个磁采集器中的每个大体上朝向相同的方向；

磁传感器，所述磁传感器耦接至所述至少两个磁采集器；

其中，所述磁铁的所述至少两个极与所述至少两个磁采集器彼此朝向；

其中，所述至少两个磁采集器包括第一采集器，所述第一采集器具有与所述线性路径的第一端一起定位于第一平面内的第一端以及与所述线性路径的第二端一起定位于第二平面内的第二端，所述第一平面和所述第二平面垂直于所述线性路径的第一轴线；

其中，穿过所述第一采集器的第一端和所述第一采集器的第二端的第二轴线相对于所述线性路径的所述第一轴线不平行地定位并且成非垂直的角度；

其中，在所述磁铁组件沿着所述线性路径移动的同时，所述磁传感器生成与所述磁铁组件的位置相关的信号。

17.根据所述权利要求16所述的传感器，其中，所述磁传感器测量在所述磁采集器之间的位置处的通量密度。

18.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述磁传感器测量在所述磁采集器之间的位置处的通量角度。

19.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述采集器所在的第三平面和所述磁铁组件的所述线性路径平行。

20.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述磁铁组件包括北极和南极，从而一些磁通量将通过所述采集器在极之间移动。

21.一种基于磁性的位置传感器，包括：

通用采集器，所述通用采集器沿着线性路径在两个端部之间移动，所述通用采集器具有和所述线性路径不平行的磁性特征，所述磁性特征与所述线性路径成非垂直的角度；

至少两个磁采集器，所述至少两个磁采集器包括磁性地耦接至所述磁性特征的第一采集器和第二采集器；

磁通量源；以及

至少一个磁传感器；

其中，所述磁通量源的一极磁性地耦接至所述通用采集器的磁性特征，所述磁通量源的另一极经由所述至少一个磁传感器遍及所述线性路径的长度磁性地耦接至所述至少两个磁采集器；

其中，在所述通用采集器沿着所述线性路径移动的同时，所述至少一个磁传感器生成与所述通用采集器的位置相关的信号；

其中，所述磁性特征的第一端沿着第一轴线移动并且耦接于所述磁通量源和所述第一采集器之间的第一磁通量，所述磁性特征的第二端沿着第二轴线移动并且耦接于所述磁通量源和所述第二采集器之间的第二磁通量，随着所述通用采集器沿着所述线性路径的移动，所述第一磁通量不同于所述第二磁通量；

其中所述磁性特征相对于一平面成角度，所述平面穿过所述第一采集器从所述线性路径垂直地延伸。

22.根据权利要求21所述的传感器，其中，所述至少一个磁传感器测量靠近所述磁采集器的位置处的通量密度。

23.根据权利要求22所述的传感器，其中，所述磁通量源是永久磁铁。

24.根据权利要求22所述的传感器，其中，所述至少一个磁传感器测量靠近所述磁采集器的位置处的通量角度。

25.根据权利要求22所述的传感器，其中，所述通用采集器上的磁性特征是表面，和所述通用采集器的其它部分相比，所述表面离所述至少两个磁采集器更近。