CN114846300A - 具有双磁体的传感器布置 - Google Patents

Abstract

本主题涉及用于识别可移动部件的位置的装置、系统和方法。提供了一种位置传感器系统，其中霍尔效应传感器耦接到固定外壳，并且多个磁体耦接到可移动部件，该可移动部件可移动到感测位置，多个磁体在感测位置靠近霍尔效应传感器。在该配置中，多个磁体被布置成当多个磁体处于感测位置时产生具有指向霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

Description

具有双磁体的传感器布置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月26日提交的美国临时专利申请序列号62/953,652的优先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本文公开主题总体上涉及用于测量旋转系统的角位置的装置、系统和方法。更具体地，本文公开主题涉及使用霍尔效应传感器的传感器系统。

背景技术

非接触式传感器可用于监控移动部件的位置，因为非接触式传感器具有很少的移动部件，并且因此通常具有很高的耐用性。这种非接触式传感器的示例是可以测量磁场大小的霍尔效应传感器。典型的霍尔效应传感器布置如图1、图2A和图2B所示。这种布置包括由磁体载体11承载的单个磁体10(磁体10在磁体的整个宽度上被极化)和在基本上垂直于磁体的磁场方向的方向上与磁体10间隔开的霍尔效应传感器12。这种传感器布置的有效性依赖于磁体10产生具有足够粗调增益以确保传感器功能的磁场。

然而，在一些配置中，例如在传感器磁体10和霍尔效应传感器12被磁响应介质13的场分开的情况下，霍尔效应传感器12处的磁通量减少。这种减少在图2A所示的一个示例性配置中示出。额外地或可替代地，在一些配置中，围绕磁体10的磁体载体11或其它结构包括其它磁响应材料(例如钢)，其同样用于集中磁通量，导致霍尔效应传感器12处的磁通量减少，如图2B所示。在任何这些布置中，磁通量减少会降低粗调增益，并且因此降低传感器磁性能。此外，使用磁响应材料带来的设计限制可能会进一步限制传感器制造商提供或推荐的标准磁体的性能。

发明内容

根据本公开，提供了用于识别可移动部件的位置的装置。在一方面，提供了一种位置传感器系统，其中霍尔效应传感器耦接到固定外壳，并且多个磁体耦接到可移动部件，该可移动部件可移动到多个磁体靠近霍尔效应传感器的感测位置。在该配置中，多个磁体被布置成当多个磁体处于感测位置时产生具有指向霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

在另一方面，一种用于识别可移动部件的位置的方法包括将霍尔效应传感器耦接到固定外壳，将多个磁体布置在可相对于固定外壳移动的可移动部件上，并且将可移动部件移动到多个磁体靠近霍尔效应传感器的感测位置，其中多个磁体被布置成在多个磁体处于感测位置时产生具有指向霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

尽管上文已经陈述了本文公开主题的一些方面，并且这些方面通过当前公开主题而全部或部分地实现，但是如下文中最佳描述的，当结合附图进行描述时，其它方面将变得显而易见。

附图说明

本主题的特征和优点将从以下具体实施方式中更容易理解，该具体实施方式应当结合仅通过解释性和非限制性示例给出的附图来阅读，并且其中：

图1是传统霍尔效应传感器布置的局部侧剖视图。

图2A和图2B是示出传统霍尔效应传感器布置中的磁通量模式的局部侧剖视图。

图3是根据本公开主题的实施例的霍尔效应传感器布置的局部侧剖视图。

图4A和图4B是示出根据本公开主题的实施例的霍尔效应传感器布置中的磁通量模式的局部侧剖视图。

图5是根据本公开主题的实施例的结合霍尔效应传感器布置的旋转部件的侧剖视图。

图6是根据本公开主题的实施例的用于霍尔效应传感器布置的具有多个磁体的旋转部件的一部分的顶部立体图。

图7是根据本公开主题的实施例的霍尔效应传感器布置的侧示意图。

具体实施方式

本主题提供用于霍尔效应传感器系统的配置，其中多个磁体被布置以产生更加定向的磁场，该磁场在霍尔效应传感器的方向上具有更强的轴向通量集中。在一些实施例中，使用在磁体布置的整个长度上表现出极化的多个磁体的布置来代替在整个宽度上被极化的单个磁体。在一些实施例中，这种磁体布置包括以相反极性并排放置来完成磁回路的两个永磁体。

在图3示出的一个示例性布置中，传感器系统(通常表示为100)包括第一磁体101和布置在第一磁体101旁边的第二磁体105。第一磁体101被布置为具有至少大体上沿第一方向D1定向的第一磁极102、和至少大体上沿与第一方向D1基本相反的第二方向D2定向的第二磁极103。第二磁体105具有至少大体沿第二方向D2定向的第一磁极106，其中第二磁体105的第一磁极106的极性与第一磁体101的第一磁极102的极性相匹配。第二磁体105还具有至少大体沿第一方向D1定向的第二磁极107，其中第二磁体105的第二磁极107的极性与第一磁体101的第二磁极103的极性相匹配。第一磁体101和第二磁体105以相反极性并排布置的这种配置产生的聚集磁场的形状与典型传感器磁体的形状有些相似，但该磁场在第一方向D1和第二方向D2上更集中。

在一些实施例中，传感器系统100提供与上述传统传感器布置类似的传感器配置的改进性能。在图3所示的配置中，第一磁体101和第二磁体105共同由磁体载体110承载，并且霍尔效应传感器120在第一方向D1上与第一磁体101和第二磁体105间隔开。磁体载体110可相对于霍尔效应传感器120至少移动到第一磁体101和第二磁体105靠近霍尔效应传感器120的感测位置。在一些实施例中，这样的感测位置是具有第一磁体101和第二磁体105的磁体载体110(在霍尔效应传感器120可用于识别磁体载体110的相对位置的阈值内)靠近霍尔效应传感器120的位置。在一些实施例中，第一磁体和第二磁体105并排定位在磁体载体110中，使得两个磁体在处于该靠近的感测位置时与霍尔效应传感器120基本上等距。

由上述第一磁体101和第二磁体105的布置导致的磁场的定向集中有助于确保霍尔效应传感器120处的磁场具有足够的粗调增益来确保传感器功能。磁场的这种定向集中补偿了传统传感器系统中倾向于导致传感器功能退化的配置。在霍尔效应传感器120与第一磁体101和第二磁体102之间提供磁响应介质130的一些实施例中，因为第一磁体101和第二磁体105的布置产生定向磁场，所以磁响应介质130不会显著减小指向霍尔效应传感器120的磁场，如图4A所示。在一些实施例中，在传感器系统100的与霍尔效应传感器120相反的一侧存在其它磁响应材料会使下方磁极短路，导致在霍尔效应传感器120方向上的通量集中更高，如图4B所示。在一些实施例中，该其它磁响应材料包括由钢构成的磁体载体110或磁体载体110的一个或多个元件。

在一些实施例中，本主题为传感器系统100与在磁响应介质的场内移动的旋转构件相关联的装置提供特定实用性。在图5和图6所示的一个实施例中，磁响应装置(通常用200表示)包括轴210，转子230和磁体载体110与该轴210相互连接以限制转子230和磁体载体110与该轴210之间的相对旋转。在一些实施例中，外壳240基本上围绕轴210、转子230和磁体载体110定位。霍尔效应传感器120附接到外壳240或集成在外壳240内。此外，一个或多个磁极242附接到外壳240或集成在外壳240内，并且与磁极242相关联的磁场发生器245与转子230通过空隙250间隔开。磁响应介质130，例如磁响应粉末(例如铁粉)，被包含在空隙150内并且至少部分地填充空隙150，空隙150包括将磁体载体110与外壳240和霍尔效应传感器120间隔开的空间。在这种布置中，磁场发生器145是可控的，以使磁响应介质130在空隙150内对准磁通路径排列，并且因此引起转子230(和轴210)的扭转阻力的变化。

在这种旋转系统中，第一磁体101和第二磁体105可在平面内旋转，其中第一磁体101和第二磁体105的磁场所对准的第一方向D1与旋转平面基本正交。在这种布置中，磁体相对于霍尔效应传感器120移动，使得指向霍尔效应传感器120的通量集中的变化被识别为元件之间的相对位置的变化。在一些实施例中，这种位置变化包括磁体和霍尔效应传感器120之间的接近程度的变化，其中磁体在每次旋转中被旋转到磁体靠近霍尔效应传感器120的感测位置一次。额外地或可替代地，在一些实施例中，霍尔效应传感器120检测由磁体产生的磁场的角取向的变化，并且该角取向与磁体相对于霍尔效应传感器120的角位置相关。通过使用任何这样的配置中的传感器系统100，改进的磁场方向性补偿了由于磁响应介质使磁通路径短路而引起在霍尔效应传感器120处降低的场强。在一些实施例中，轴210或磁体载体110的元件中的一个或多个包括磁响应材料，例如钢，使得与霍尔效应传感器120相对的磁极被短路，导致在霍尔效应传感器120的方向上的集中进一步增强。

在一些实施例中，传感器系统100包括多个霍尔效应传感器120。因为本主题通过增加磁场的方向性而不是通过简单地增加磁体的强度来提供改进的传感器功能，因此传感器系统100被配置为不使靠近第一磁体101和第二磁体105的霍尔效应传感器120饱和。在一些实施例中，这种定向的通量集中还允许更好地区分在第一磁体101和第二磁体105的不同相对位置处所经历的磁场，这允许多个霍尔效应传感器120更精确地辨别旋转元件的相对位置。在一些实施例中，第一霍尔效应传感器120a和第二霍尔效应传感器120b相对于第一磁体101和第二磁体105定位在不同的相对距离处。如图7所示，在一些实施例中，第一霍尔效应传感器120a位于印刷电路板125的面向第一磁体101和第二磁体105的一侧，而第二霍尔效应传感器120b位于印刷电路板125的背向第一磁体101和第二磁体105的相对侧。

在不背离本主题的精神和本质特征的情况下，可以以其它形式实施本主题。因此，所描述的实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施例也在本主题的范围内。

Claims (15)

1.一种位置传感器系统，包括：

霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器耦接到固定外壳；和

多个磁体，所述多个磁体耦接到可移动到感测位置的可移动部件，所述多个磁体在所述感测位置靠近所述霍尔效应传感器；

其中，所述多个磁体被布置成在所述多个磁体处于所述感测位置时产生具有指向所述霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

2.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中所述多个磁体包括：

第一磁体，所述第一磁体被布置为具有在面向所述霍尔效应传感器的第一方向上定向的第一磁极、和在与所述第一方向实质上相反的第二方向上定向的第二磁极；和

第二磁体，所述第二磁体被布置在所述第一磁体旁边，所述第二磁体具有在所述第二方向上定向的第一磁极、和在所述第一方向上定向的第二磁极；

其中，所述第一磁体的所述第一磁极和所述第二磁体的所述第一磁极具有相同的极性；并且

其中，所述第一磁体的所述第二磁极与所述第二磁体的所述第二磁极具有相同的极性。

3.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中所述多个磁体在平面内是可旋转的；并且

其中，在与所述可移动部件可移动的所述平面实质上正交的方向上，所述霍尔效应传感器与所述可移动部件间隔开。

4.根据权利要求1所述的位置传感器系统，其中所述多个磁体彼此相邻地布置在附接到所述可移动部件的磁体载体上。

5.根据权利要求4所述的位置传感器系统，其中所述磁体载体包括由磁响应材料构成的一个或多个元件。

6.根据权利要求1所述的位置传感器系统，所述系统包括位于所述多个磁体和所述霍尔效应传感器之间的磁响应介质。

7.一种位置传感器系统，包括：

霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器耦接到固定外壳；

磁体载体，所述磁体载体耦接到能够在所述固定外壳内旋转的可移动部件；

磁响应介质，所述磁响应介质位于所述磁体载体和所述霍尔效应传感器之间；和

多个磁体，所述多个磁体在所述磁体载体上彼此相邻布置，所述多个磁体能够移动到所述多个磁体靠近所述霍尔效应传感器的感测位置；

其中，所述多个磁体被布置成在所述多个磁体处于所述感测位置时产生具有指向所述霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

8.根据权利要求7所述的位置传感器系统，其中所述磁体载体包括由磁响应材料构成的一个或多个元件。

9.根据权利要求7所述的位置传感器系统，其中所述多个磁体包括：

第一磁体，所述第一磁体被布置为具有在面向所述霍尔效应传感器的第一方向上定向的第一磁极、和在与所述第一方向实质上相反的第二方向上定向的第二磁极；和

第二磁体，所述第二磁体被布置在所述第一磁体旁边，所述第二磁体具有在所述第二方向上定向的第一磁极、和在所述第一方向上定向的第二磁极；

其中，所述第一磁体的所述第一磁极和所述第二磁体的所述第一磁极具有相同的极性；并且

其中，所述第一磁体的所述第二磁极与所述第二磁体的所述第二磁极具有相同的极性。

10.一种用于识别可移动部件的位置的方法，所述方法包括：

将霍尔效应传感器耦接到固定外壳；

将多个磁体布置在能够相对于所述固定外壳移动的可移动部件上；以及

将所述可移动部件移动到所述多个磁体靠近所述霍尔效应传感器的感测位置，其中所述多个磁体被布置成在所述多个磁体处于所述感测位置时产生具有指向所述霍尔效应传感器的通量集中的聚集磁场。

11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述多个磁体布置在所述可移动部件上包括：

将第一磁体布置为具有在面向所述霍尔效应传感器的第一方向上定向的第一磁极、和在与所述第一方向实质上相反的第二方向上定向的第二磁极；和

将第二磁体布置在所述第一磁体旁边，所述第二磁体具有在所述第二方向上定向的第一磁极、和在所述第一方向上定向的第二磁极；

其中，所述第一磁体的所述第一磁极和所述第二磁体的所述第一磁极具有相同的极性；并且

其中，所述第一磁体的所述第二磁极与所述第二磁体的所述第二磁极具有相同的极性。

12.根据权利要求10所述的方法，其中移动所述可移动部件包括在平面内旋转所述可移动部件；

其中，在与所述可移动部件能够移动的所述平面实质上正交的方向上，所述霍尔效应传感器与所述可移动部件间隔开。

13.根据权利要求10所述的方法，其中将所述多个磁体布置在所述可移动部件上包括将所述多个磁体彼此相邻地布置在附接到所述可移动部件的磁体载体上。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述磁体载体包括由磁响应材料构成的一个或多个元件。

15.根据权利要求10所述的方法，所述方法包括在所述多个磁体和所述霍尔效应传感器之间插入磁响应介质。

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