CN1230659C - 角度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种角度传感器，包括固定于旋转轴上的磁铁和设置于中性探测位置C以使其朝向磁铁的霍耳装置，由此根据霍耳装置的输出探测磁铁的旋转角度。磁性体附于磁铁的各个磁极以使在轴的圆周上最大磁通量部分远离中性探测位置C，所以使得磁通量分布偏向与霍耳装置相反的方向。

Description

角度传感器
技术领域
本发明涉及一种角度传感器，更具体地是一种在其中彼此相对设置磁铁和磁探测器以根据磁探测器的输出探测磁铁与磁探测器的相对旋转角度的角度传感器。
背景技术
如图10所示，在典型的现有角度传感器中，设置磁探测器2，通过使中心O与旋转轴心相一致而使其面朝附于旋转轴(图中未示出)的矩形磁铁1，并根据固定的磁探测器2的输出来探测磁铁1的旋转角度。
磁探测器是一种霍耳(Hall)装置或磁电阻器件(magnetic resistor)，分别与垂直通过该装置的磁通量密度的幅度成正比地产生输出电压或改变其电阻。例如，在霍耳装置的情况下，如图11中的曲线所示，当相对磁铁1的霍耳装置圆周位置从A、B、C、D以及E变化时，输出电压也随之改变。
在这种类型的角度传感器中，为了提高探测的精度，在整个要被探测的角度范围内，角度和输出之间的关系应当是线性的。可探测角度范围还应当更宽。这样，有必要提高磁探测器的输出线性并增大电有效角(electrical effective angle)范围。
下面将给出磁探测器的输出线性和电有效角度范围的详细情况。当磁探测器2相对于磁铁1位于位置A时，这个位置接近磁铁1的S极。当来自N极的磁通量为正时，在磁探测器2中的负磁通量密度为最大且输出电压为最小。相反，当磁探测器2位于位置E时，这个位置接近N极，这样输出电压为最大。当磁探测器2位于位置C时，与磁探测器2正交的磁通量为0，则输出电压为0。在此说明中，位置C被称为“中性探测位置”，且当磁探测器2位于位置C进行探测时，这种状态被称为“中性探测状态”。
理想的输出特性如图11中的直线X所示，图12所示为输出特性与直线X之间的偏差，这种偏差用探测范围(此情况下为±60°)与最大可变电压(此情况下为0.15V)之比表示。为了实现输出与角度的线性关系，偏差应当更小。
电有效角度范围包括保持输出线性时所能探测到的角度。根据传感器用途不同，有效角度范围是不一样的，在所有的用途中不见得总需要宽角度范围。不过，尽管可以将具有宽有效角度范围的传感器用于窄角度范围，但不能将具有窄有效角度范围的传感器用于宽角度范围。所以，具有较宽电有效角度范围的传感器更实用。一种显示出图11所示特性的现有角度传感器的电有效角度范围是±60°。
以前，从高可制造性的角度出发，形成了长方体的磁铁，且这种长方体磁铁产生的磁通量如图13所示。如图10所示，当磁铁1围绕中心O转动时，根据长度L推断在位置B和D之间输出电压的梯度。根据磁极和磁探测器2之间的距离(半径r)来推断在位置A的S极最大磁通量密度的输出电压和在位置E的N极最大磁通量密度的输出电压，且随着两者之间距离减小，输出电平(磁通量密度)增大。
不过，在位置A和E(±90°)的输出特性有轻微弯曲且可以保持输出线性的有效角度范围至多大约为±60°。
如图14A和图14B所示，日本未审查专利申请公开No.2000-121309公开了可以提高磁探测器输出线性的角度传感器。将半圆形磁铁5插入旋转轴6的侧凹槽中，这样中心P就偏离了旋转轴6的中心O，并且固定霍耳装置7使其朝向磁铁5。
在上述公开中公开的角度传感器中，形成的磁铁5为半圆形以使磁极部分尖锐。所以磁通量密度偏离了中心O(见图15)，由此在有效角度范围内提高了输出特性的线性。然而该有效角度范围至多大约为±60°，并且不能被进一步提高。此外，由于形成的磁铁5为半圆形，提高了制造成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的优选实施例提供了一种角度传感器，通过增大电有效角度范围来提高输出线性以明显地提高探测精度，而不会增加形成磁铁的成本。
根据本发明的优选实施例，一种角度传感器包括磁铁和磁探测器，所述磁铁和磁探测器彼此相对设置以根据磁探测器的输出探测磁铁与磁探测器的相对旋转角度。磁性体附于至少磁铁的N极和S极其中之一以使N极和/或S极的最大磁通量部分远离磁探测器的中性探测位置，以致与连接磁铁N极中心和S极中心的直线相比，连接N极最大磁通量部分和S极最大磁通量部分的直线距离磁探测器更远。
根据本发明优选实施例的角度传感器，通过将磁性体附于磁铁上，可以将磁极(最大磁通量部分)设置于希望的位置，并因此将最大磁通量部分设置于离开磁探测器的中性探测位置。这样，可以增大电有效角度范围并提高探测到的输出的线性，由此极大地提高探测精度。
最大磁通量部分为磁通量会聚的磁极，且实质上与磁极的中心一致。
在本实施例的角度传感器中，将磁极实质上设置于通常具有圆形横截面的轴的中心，使得在轴的圆周方向，最大磁通量部分与磁探测器的中性探测位置隔开。
优选地，最大磁通量部分距离中性探测位置约为90°或更大。例如，如果磁性体的端部位于磁探测器从中性探测位置旋转120°的位置，则可以达到大约±110°的电有效角度。
在本发明优选实施例的角度传感器中，可以无需特别处理形成磁铁，这样不会增加磁铁的制造成本。优选地，磁铁为长方体，在这种情况下，可以最经济地构成磁铁并易于使其具有磁性。不过，磁铁并不限于这种形状，可以为圆柱体、多边形柱体或其他适当形状。
从稳定特性的角度出发，优选地，将磁性体附于磁铁的每一个N极和S极。在这种情况下，优选地将磁性体附于磁铁上使得磁性体彼此关于连接磁探测器的中性探测位置和磁铁中心的直线线对称(line-symmetrical)，由此显示出更稳定的特性。
只要得到能够实现本发明优点的磁通量分布，可以将磁性体构造为任意形状，例如圆弧形、三角形或多边形。可以通过压制磁性材料粉末或弯曲平坦磁性体来形成磁性体，且必要时可以进行切割。
根据本发明优选实施例的角度传感器，通过将磁性体附于磁铁，可以使磁铁形成的最大磁性部分位于远离磁探测器的中性探测位置的位置。这样，可以增大电有效角度范围并提高有效角度范围内探测到的输出的线性，由此增强探测精度。此外，不需要特别的处理用于形成磁铁，则可以廉价地形成磁铁。
参照附图，从下面对实施例的详细说明可以使本发明的其他特点、要素、特性和优点更加清楚明了。
附图说明
图1所示为根据本发明优选实施例的角度传感器基本构造的透视图；
图2所示为根据本发明优选实施例的角度传感器基本构造的前视图；
图3所示为用于根据本发明优选实施例角度传感器的磁铁和磁性体形成的磁通量分布示意图；
图4A和4B所示为根据本发明优选实施例的角度传感器中磁性体位置的示意图；
图5所示为根据本发明优选实施例的角度传感器的剖面图；
图6所示为图5所示角度传感器的分解透视图；
图7所示为图5所示角度传感器的输出特性曲线；
图8所示为图7中输出特性与理想输出之间的偏差曲线；
图9A到图9F所示为磁铁和磁性体各种改进的前视图；
图10所示为现有角度传感器中使用的磁铁和磁探测器之间的位置关系；
图11所示为现有角度传感器的输出特性曲线；
图12所示为所示为图11中输出特性与理想输出之间的偏差曲线；
图13所示为长方体磁铁形成的磁通量分布；
图14A和14B所示分别为现有角度传感器中改进磁铁形状的前视图和透视图；以及
图15所示为半圆形磁铁形成的磁通量分布。
具体实施方式
通过对其优选实施例的演示，下面将参考附图对根据本发明的角度传感器进行说明。尽管给出了磁铁直径的数值和磁铁与磁探测器之间位置关系的表示，但这些仅为例子且本发明并不限制于此。
下面首先参考图1至图3对本发明优选实施例的基本构造进行说明。
如图1和2所示，在本发明优选实施例的角度传感器中，将实质上为长方体的磁铁15固定于轴10上，磁铁15可以沿着箭头a所示方向以及反方向旋转，用作磁探测器的霍耳装置20固定于中性探测位置C使其朝向磁铁15。磁性体16附于磁铁15端部的N极和S极。如图2中的P1所示，轴10的旋转中心和磁铁15的中心彼此是一致的。
优选地，形成的磁性体16为圆弧形，在中性探测状态下，该磁性体以P2为中心向远离中性探测位置C方向延伸。如图3所示，由于磁性体16向远离磁铁15磁极的方向延伸，由磁铁15和磁性体16形成的磁通量密度偏向与霍耳装置20相反的方向。即显示出最大磁通量的部分是磁性体16的端部，且沿着轴10的圆周方向，这些部分与霍耳装置20的中性探测位置C间隔很大。最大磁通量密度的方向如图1中箭头b所示。
能够低成本制造实质上具有长方体形状并优选通过从磁铁锭上切片形成的磁铁15，并易于使其具有磁性。沿磁化方向(图2中的垂直方向)磁铁15的长度为例如3毫米，宽度为例如2毫米(图2中的水平方向)，而厚度为例如大约2毫米至大约4毫米(图2中的深度方向)。由于在本发明优选实施例中磁性体16附于磁铁15的极，提供这种宽度程度的磁铁15足够保证最小的强度水平和作为磁铁的退磁水平。
尽管磁铁15的中心与轴10的旋转中心P1相一致，也可以偏离旋转中心P1。在本发明的优选实施例中，霍耳装置20的输出特性不仅单独受到磁铁15形成的磁力线分布的影响，还受磁铁15和磁性体16形成的磁力线分布的影响，这样，磁铁15的中心位置就那么不重要了。
优选地，通过弯曲例如铁等厚度为3毫米的平坦磁性材料形成磁性体16，该磁性体16包括与磁铁15的磁极接触的部分以及弧形部分。优选实质上与磁铁15厚度相同的磁性体16的宽度应足以大于集成于霍耳装置20中的半导体芯片的大小(约为0.2毫米见方)。
如图2所示，以P2为中心、半径为例如4毫米的部分圆周构成了各个磁性体1 6的弧形部分。沿着X方向，中心P2偏离了旋转中心P1的距离为例如2.46毫米。弧形部分的端部位于到旋转中心大约±120°的位置，且沿X方向距离中心P2例如大约0.5毫米。
将霍耳装置20垂直设置于中性探测位置C，朝向磁铁15的中心，距离旋转角P1为半径r2，例如大约7毫米。
如图4A所示，在本优选实施例中，在中性探测状态，与连接磁铁15的N极中心N2和S极中心S2的直线L2相比，连接N极最大磁通量N1和S极最大磁通量S1的直线L1距离霍耳装置20更远。磁性体16附于磁铁15上以使磁性体16彼此关于连接霍耳装置20的中性探测位置和磁铁15中心O的直线L3是线对称的。
可以将磁性体16仅固定于磁铁15的一个磁极上。图4B所示为将一个磁性体16固定于磁铁15的N极的例子。在这种情况下，S极最大磁通量S1与磁铁15的S极的中心S2相一致，且与连接磁铁15的N极中心N2和S极中心S2的直线L2相比，连接N极最大磁通量N1和S极最大磁通量S1的直线L1距离霍耳装置20更远。
现在参考图5和6，通过对本发明优选实施例的演示给出一种角度传感器特殊结构的说明。
磁铁15附于利用连接件12固定于轴11端部的轴10上，且磁铁15与磁性体16一起被固定器13固定。该角度传感器进一步包括盖子14、轴承17、弹簧18和O形环19。将霍耳装置20固定于配有凹槽(socket)22的基板21上。
在根据本实施例构造的角度传感器中，霍耳装置20关于磁铁15(包括轴10和11)的旋转角度的输出特性如图7所示。图7显示出在从中性探测位置C(0输出)的±110°宽角度范围内，可以得到显示出高线性的输出特性。即，相当地增加了电有效角度范围。
与图12所示相同，图8所示为与理想输出特性的偏差(用与最大可变电压的比率表示)。比较图8和图12，可以看出本优选实施例相当地减小了偏差从而提高了探测精度。
在此优选实施例中，优选地将磁铁15形成为小长方体，并且能够低成本制造并易于使其磁化。
可以将磁铁15和磁性体16构造为任意形状并以任意方式制造。例如，磁铁15不是长方体，而可以为圆柱体或多边形柱体或其他适当的形状。可以通过压制磁性材料粉末代替弯曲平坦磁性体来形成磁性体，且必要时可以进行切割。
在图9A和9B中，表示了通常将弧形磁性体16附于磁铁15的例子。在图9C和9D中，表示了通常将三角形磁性体16附于磁铁15的例子。在图9E中，表示了将多边形磁性体16附于磁铁15的例子。如上例子所述，通过将磁性体16的结构变为例如三角形或多边形，可以以希望的方式设置霍耳装置20的输出特性。在图9F中，表示了将通常三角形磁性体16附于圆柱磁铁15的例子。
本发明的角度传感器并不限于上述优选实施例，且可以进行改变或调整而不脱离本发明实质。
例如，作为磁探测器，可以使用磁电阻器件来取代上述霍耳装置。可以使磁铁和磁性体均附于旋转轴或以希望的方式设置磁铁、磁性体与磁探测器之间的位置关系。特别地，尽管在上述优选实施例将霍耳装置20的初始位置设为中性探测位置C，也可以根据设计目的将其设置在任意位置。
本发明并不限于上述优选实施例，且可以在权利要求所述的范围内进行各种修改。本发明的技术范围包括通过适当地结合了各个不同优选实施例的技术特征得到的实施例。

Claims (13)

1.一种角度传感器，包括：
磁铁；以及
磁探测器，该磁探测器面向磁铁设置，以根据磁探测器的输出探测磁铁与磁探测器的相对旋转角度；其中
磁性体附于至少磁铁的N极和S极其中之一，以使所述N极和S极其中之一的最大磁通量部分远离磁探测器的中性探测位置，以致与连接磁铁的N极的中心和S极的中心的直线相比，连接N极的最大磁通量部分和S极的最大磁通量部分的直线距离磁探测器更远。
2.根据权利要求1所述的角度传感器，其中将磁铁设置于具有圆形横截面的轴的中心，使得在轴的圆周方向，最大磁通量部分与磁探测器的中性探测位置隔开。
3.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体的端部位于从磁探测器的中心探测位置旋转120°的位置。
4.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体附于磁铁的每一N极和S极。
5.根据权利要求4所述的角度传感器，其中将磁性体附于磁铁上，以使磁性体彼此关于连接磁探测器的中性探测位置和磁铁中心的直线线对称。
6.根据权利要求1所述的角度传感器，其中将磁性体构造为弧形。
7.根据权利要求1所述的角度传感器，其中将磁性体构造为三角形。
8.根据权利要求1所述的角度传感器，其中将磁性体构造为多边形。
9.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体由压制的磁性材料粉末制成。
10.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体通过弯曲平坦磁性体制成。
11.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体具有长方体形状。
12.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体具有圆柱体形状。
13.根据权利要求1所述的角度传感器，其中磁性体具有多边柱体形状。
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