CN1532513A - 一种霍尔位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种霍尔位置传感器，包含永磁体和霍尔元件，并且霍尔元件的输出电压随其与永磁体相对位置的变化而变化，所述相对位置的变化方式为，使永磁体与霍尔元件相对表面的重叠部分的面积和/或该重叠部分上各处的气隙长度随着永磁体与霍尔元件之间的相对运动而改变。由上可见，在本发明的霍尔位置传感器中，霍尔元件输出电压的变化不仅与重叠面积的变化有关，而且还与气隙形状的变化相关，因此在重叠面积无法表征相对位置变化时仍然可借助气隙形状来表征，由此可以扩展相对位置的变化范围。此外，通过设计气隙形状、重叠面积和输出电压三者合适的组合关系，可以获得所需的相对位置与霍尔元件输出电压之间的对应关系。

Description

一种霍尔位置传感器

技术领域

本发明涉及磁电式传感器，特别涉及一种用于测量微位移的霍尔位置传感器。

背景技术

位移或位置传感器是一类重要的基本传感器，包括电位器式、电感式、电容式、电涡流式和霍尔式等多种传感器。霍尔式位移或位置传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此是一种常用的位移或位置传感器，其基本工作原理是保持霍尔元件的激励电流不变，并使霍尔元件与永磁体之间作相对运动，则所移动的位移或者霍尔元件与永磁体的相对位置与输出的霍尔电势存在一定的对应关系，由此，可根据输出的霍尔电势确定出相对位移或位置。

图1a示出了按照现有技术的一种霍尔位置传感器，它包括产生磁场的永磁体1和作为磁敏部件的霍尔元件2，其中，永磁体1安装在运动的工件上，霍尔元件2的输出电压与永磁体1产生的穿过霍尔元件2的磁力线数量或总磁道数成正比。如图1所示，永磁体1与霍尔元件2相对的表面为平面并且互相平行，因此当永磁体1沿着平行于霍尔元件2表面的方向X移动时，霍尔元件2的输出电压按照下式变化：

$V\left(x\right)=\frac{k\×B\×S}{D}---\left(1\right)$

其中，V(x)为霍尔元件的电压输出，x为永磁体1在X方向上所处的位置；k为霍尔元件的内禀常数，其与永磁体1的位置无关；S为永磁体1与霍尔元件2相对表面的重叠面积或者说是永磁体1在霍尔元件2表面上的投影面积，其与永磁体1在X方向上所处的位置线性相关；B为永磁体1产生的磁场在霍尔元件2上的磁场强度，由于永磁体1与霍尔元件2相距较近，因此可认为磁场强度B在永磁体1与霍尔元件2重叠面积范围内是均匀一致的；D为永磁体1与霍尔元件2相对表面之间的间距(以下又称为气隙长度)，由于永磁体1与霍尔元件2相对的表面为平面并且互相平行，再加上永磁体1沿着平行于霍尔元件2表面的方向移动，所以重叠部分各处的气隙长度D始终保持不变并且相等。

图1b示出了上述这种霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系。如图1b所示，当永磁体1表面左侧边缘与霍尔元件2表面右侧边缘表面对齐时，它们的重叠面积为0，因此输出电压V(x)为0，并且永磁体1相对霍尔元件2的位置x在图1b中取值为0。随着永磁体1沿水平方向向左移动(即图1a中箭头所示方向X)，永磁体1与霍尔元件2的重叠面积逐渐增大，在图1b中则表现为输出电压V(x)随着相对位置x值的增大而线性增大。当永磁体1与霍尔元件2完全重叠时，永磁体1处于与开始时位置相距W的位置，这里W为霍尔元件2的宽度，此时重叠面积最大，相应地，输出电压V(x)也最大。随着永磁体1继续沿水平方向向左移动，永磁体1与霍尔元件2的重叠面积逐渐减小，在图1b中则表现为输出电压V(x)随着相对位置x值的增大而线性减小。当永磁体1表面右侧边缘与霍尔元件2表面左侧边缘表面对齐时，永磁体1处于与开始时位置相距2W的位置，此时重叠面积又变为0，相应地，输出电压V(x)也为0。

为了得到上述图1b所示永磁体1相对位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系，必须假设永磁体1的宽度L与霍尔元件2的宽度W相等。如果永磁体1的宽度L大于或小于霍尔元件2的宽度W，则当永磁体1处于与开始位置相距W的位置x后，由于重叠面积不会随x的进一步增大而马上减小，因此在随后的一段位置范围内，输出电压V(x)将保持最大值不变(此时图1b中的三角形将变为梯形)，从而导致这段范围的永磁体1位置无法确定。由此可见，这种霍尔位置传感器的位置检测范围基本上由霍尔元件的宽度W决定。通常情况下，霍尔元件的宽度较窄，因此这种结构的霍尔位置传感器的检测范围受到较大的限制。

此外，在这种结构的霍尔位置传感器中，永磁体1的相对位置x与霍尔元件2的输出电压V(x)是线性相关的，但是在某些应用中(例如用于缝纫机踏板或汽车油门踏板的位置传感器)，永磁体1的相对位置x与霍尔元件2的输出电压V(x)之间呈非线性关系可能更好，为此，还必须增加一个转换过程，将霍尔电压线性输出值转换为其他数值，从而实现输出电压与相对位置的非线性关系，这增加了应用系统的处理负担和复杂度，并且不利于降低系统的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种霍尔位置传感器，它不但具有更宽的位置检测范围，而且可以根据需要，使永磁体相对霍尔元件的位置与霍尔元件输出电压之间具有各种对应关系。

本发明的发明目的通过下列技术方案实现：

一种霍尔位置传感器，其包含永磁体和霍尔元件，并且霍尔元件的输出电压随其与永磁体相对位置的变化而变化，所述相对位置的变化方式为，使永磁体与霍尔元件相对表面重叠部分的面积和/或该重叠部分上各处的气隙长度随永磁体与霍尔元件之间的相对运动而改变。

比较好的是，在上述霍尔位置传感器中，永磁体与霍尔元件相对的表面为非平行面，并且永磁体的运动方向平行于霍尔元件表面。更好的是，永磁体与霍尔元件相对的表面为斜面。或者，永磁体与霍尔元件相对的表面为曲面。或者，永磁体与霍尔元件相对的表面为折面。

比较好的是，在上述霍尔位置传感器中，永磁体与霍尔元件相对的表面为平行面，并且永磁体的运动方向与霍尔元件表面不平行。

比较好的是，在上述霍尔位置传感器中，永磁体与霍尔元件相对的表面为非平行面，并且永磁体的运动方向与霍尔元件表面不平行。

比较好的是，在上述霍尔位置传感器中，霍尔元件与永磁体相对的表面为非平面。

由上可见，在本发明的霍尔位置传感器中，霍尔元件输出电压的变化不仅与重叠面积的变化有关，而且还与气隙形状(即重叠部分气隙长度的空间分布)的变化相关，因此在重叠面积无法表征相对位置变化时仍然可借助气隙形状来表征，由此可以扩展相对位置的变化范围。此外，通过设计气隙形状、重叠面积和输出电压三者合适的组合关系，可以获得所需的相对位置与霍尔元件输出电压之间的对应关系。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，将进一步理解本发明的目的、特征和优点，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，其中：

图1a和1b示出了按照现有技术的一种霍尔位置传感器及其特性曲线。

图2a和2b示出了按照本发明第一较佳实施例的霍尔位置传感器及其特性曲线。

图3a和3b示出了按照本发明第二较佳实施例的霍尔位置传感器及其特性曲线。

图4a和4b示出了按照本发明第三较佳实施例的霍尔位置传感器及其特性曲线。

图5a和5b示出了按照本发明第四较佳实施例的霍尔位置传感器及其特性曲线。

图6a和6b示出了按照本发明第五较佳实施例的霍尔位置传感器及其特性曲线。

具体实施方式

在上述现有技术的霍尔位置传感器中，由于气隙长度D和永磁体的磁场强度B不变，只有永磁体与霍尔元件相对表面重叠部分的面积S随着永磁体与霍尔元件相对位置的变化而变化，因此限制了传感器的检测范围。本发明的核心思想是使霍尔元件输出电压的变化还与气隙形状(即重叠部分气隙长度的空间分布)的变化相关，因此在重叠面积S无法表征相对位置变化时仍然可借助气隙形状来表征，由此可以扩展相对位置的变化范围，应该理解的是，在本发明中，重叠面积的变化和气隙形状的变化可以同时发生，也可以在重叠面积发生变化时气隙形状不变，还可以是气隙形状发生变化时重叠面积不变。此外，通过设计气隙形状、重叠面积和输出电压三者合适的组合关系，可以获得所需的相对位置与霍尔元件输出电压之间的对应关系。

以下借助几个较佳实施例描述本发明的霍尔位置传感器。在下述实施例中，均假设永磁体运动而霍尔元件静止不动，但是值得指出的是，也可以将霍尔元件安装在工件上而永磁体静止不动，甚至是霍尔元件和永磁体都运动，这三者在实质上是等价的，因此说明书以下描述中虽然仅以第一种情形为例，但是就本发明的精神和实质而言，应该理解为包含所有三种情形。

第一较佳实施例

图2a和2b示出了按照本发明第一较佳实施例的霍尔位置传感器的工作原理，该霍尔位置传感器包括永磁体1和霍尔元件2，其中，永磁体1安装在运动工件上，并且永磁体1的宽度L大于霍尔元件2的宽度W。如图2a所示，永磁体1与霍尔元件2相对的表面皆为平面但是永磁体平面为左高右低的斜面(相对水平向左的运动方向而言)，即两个平面的法线呈一定的夹角，并且永磁体1仍然沿着平行于霍尔元件2表面的方向X移动。

图2b示出了该霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系。当永磁体1的相对位置从0向W变化时，重叠面积S在增大，由此导致输出电压V(x)增大。值得指出的是，在本实施例中，气隙形状也在变化，具体而言，永磁体表面越靠近开始位置部分的气隙长度越小，换句话说，新增加的重叠部分的气隙长度在不断减小，由此导致输出电压V(x)进一步的增大。当永磁体1的相对位置由W向L变化时，虽然重叠面积S不再增大，但是气隙形状仍然在变化，具体而言，重叠部分各处的气隙长度仍然在不断减小，由此导致输出电压V(x)继续增大直至最大值。当永磁体1的相对位置由L向L+W变化时，重叠面积S开始减小，重叠部分各处的气隙长度不变，由此导致输出电压V(x)不断减小直至为0。

由上可见，本实施例通过将永磁体1相对霍尔元件2的表面由平面改为左高右低的斜面(相对水平向左的运动方向而言)，将检测范围从0～2W拓宽到0～L+W。

第二较佳实施例

图3a和3b示出了按照本发明第二较佳实施例的霍尔位置传感器的工作原理。如图3a所示，本实施例与第一实施例的不同之处在于，永磁体1与霍尔元件2相对的表面为右高左低的平面(相对水平向左的运动方向而言)。

图3b示出了该霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系。当永磁体1的相对位置从0向W变化时，重叠面积S在增大，由此导致输出电压V(x)增大。值得指出的是，在本实施例中，气隙形状也在变化，虽然与第一实施例不同，永磁体表面越靠近开始位置部分的气隙长度越大，即，新增加的重叠部分的气隙长度在不断增大，但这只是使输出电压V(x)增大的速率减小。当永磁体1的相对位置由W向L变化时，虽然重叠面积S不再增大，但是由于重叠部分各处的气隙长度仍然在不断增大，由此导致输出电压V(x)开始减小。当永磁体1的相对位置由L向L+W变化时，重叠面积S开始减小，重叠部分各处的气隙长度不变，由此导致输出电压V(x)不断减小直至为0。

由上可见，本实施例通过将永磁体1相对霍尔元件2的表面由平面改为右高左低的斜面(相对水平向左的运动方向而言)，也可将检测范围从0～2W拓宽到0～L+W。

第三较佳实施例

图4a和4b示出了按照本发明第三较佳实施例的霍尔位置传感器的工作原理。如图4a所示，本实施例与第一实施例的不同之处在于，永磁体1与霍尔元件2相对的表面为左高右低的曲面(相对水平向左的运动方向而言)。

图4b示出了该霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系，其工作原理和检测范围与第一和第二实施例的相同，因此不再赘述。但是由于永磁体相对表面为曲面，因此新增加重叠部分的气隙长度的变化不再是线性的，由此导致输出电压V(x)也非线性地增大和减小。

第四较佳实施例

图5a和5b示出了按照本发明第四较佳实施例的霍尔位置传感器的工作原理。如图5a所示，本实施例与第一实施例的不同之处在于，永磁体1与霍尔元件2相对的表面为折面，其中左边的平面部分宽度为W，右边下折斜面的宽度为L-W。

图5b示出了该霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系，其工作原理和检测范围与第一～三实施例的相同，因此不再赘述。但是由于永磁体相对表面为折面，因此新增加重叠部分的气隙长度的变化在相对位置W处有突变，由此导致关系曲线由三段斜率不同的线段构成。

在上述第一～四实施例中，永磁体1表面相对霍尔元件2表面而言，都是非水平面，永磁体1的运动方向则平行于霍尔元件2表面，从而使得在相对运动期间，当永磁体1与霍尔元件2相对表面重叠部分面积无变化时，重叠部分各处的气隙长度在变化，从而扩展了检测范围。另外，通过对永磁体1相对霍尔元件2表面形状的适当设计，可以得到所需的相对位置与输出电压之间的对应关系。

第五较佳实施例

图6a和6b示出了按照本发明第四较佳实施例的霍尔位置传感器的工作原理。如图6a所示，本实施例与前述现有技术霍尔位置传感器的不同之处在于，永磁体1的移动方向X与霍尔元件2表面呈一个夹角。

图6b示出了该霍尔位置传感器中永磁体1相对霍尔元件2的位置x与霍尔元件2输出电压V(x)之间的关系。当永磁体1的相对位置从0向W变化时，不仅重叠面积S在增大，而且气隙形状也在变化，具体而言，在本实施例中，重叠部分各处的气隙长度相等并且同幅度地减小，由此导致输出电压V(x)增大。当永磁体1的相对位置由W向L变化时，虽然重叠面积S不再增大，但是重叠部分各处的气隙长度仍然在不断减小，由此导致输出电压V(x)继续增大至最大值。当永磁体1的相对位置由L向L+W变化时，重叠面积S开始减小，重叠部分各处的气隙长度仍在减小，此时如果重叠面积S减小对输出电压的影响超过重叠部分气隙长度减小对输出电压的影响，则输出电压V(x)将不断减小直至为0；此时如果重叠面积S减小对输出电压的影响弱于重叠部分气隙长度减小对输出电压的影响，则如图6b所示，输出电压V(x)仍然将不断增大，直至重叠面积S减小对输出电压的影响超过重叠部分气隙长度减小对输出电压的影响才开始减小，最后为0。

同样，在本实施例中通过将永磁体1相对霍尔元件2的运动方向由平行改为非平行，将检测范围从0～2W拓宽到0～L+W。

在上述第五实施例中，永磁体1表面相对霍尔元件2表面而言为水平面，但是永磁体1的运动方向与霍尔元件2表面不平行。从而使得在相对运动期间，当永磁体1与霍尔元件2相对表面重叠部分面积无变化时，重叠部分各处的气隙长度也在变化，从而扩展了检测范围。

但是本发明的实施并不仅仅局限于上述几种方式，例如可以既使永磁体相对霍尔元件的表面为非平行面，又使永磁体的运动方向与霍尔元件表面不平行，这也可以扩展检测范围，根据需要提供相对位置与输出电压的对应关系。而且在上述实施例中，仅将永磁体表面改为非平行面，实际上也可以同时使霍尔元件表面为非平面，只要使得在永磁体与霍尔元件相对表面重叠部分面积无变化时重叠部分各处的气隙长度发生变化即可。

Claims (8)

1.一种霍尔位置传感器，其包含永磁体和霍尔元件，并且霍尔元件的输出电压随其与永磁体相对位置的变化而变化，其特征在于，使永磁体与霍尔元件相对表面重叠部分的面积和/或该重叠部分上各处的气隙长度随永磁体与霍尔元件之间的相对运动而改变。

2.如权利要求1所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为非平行面，并且永磁体的运动方向平行于霍尔元件表面。

3.如权利要求2所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为斜面。

4.如权利要求2所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为曲面。

5.如权利要求2所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为折面。

6.如权利要求1所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为平行面，并且永磁体的运动方向与霍尔元件表面不平行。

7.如权利要求1所述的霍尔位置传感器，其特征在于，永磁体与霍尔元件相对的表面为非平行面，并且永磁体的运动方向与霍尔元件表面不平行。

8.如权利要求1～7中任意一项所述的霍尔位置传感器，其特征在于，霍尔元件与永磁体相对的表面为非平面。

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