專利名稱：一種霍爾位置傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁電式傳感器，特別涉及一種用于測量微位移的霍爾位置傳感器。
背景技術：
位移或位置傳感器是一類重要的基本傳感器，包括電位器式、電感式、電容式、電渦流式和霍爾式等多種傳感器?；魻柺轿灰苹蛭恢脗鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此是一種常用的位移或位置傳感器，其基本工作原理是保持霍爾元件的激勵電流不變，并使霍爾元件與永磁體之間作相對運動，則所移動的位移或者霍爾元件與永磁體的相對位置與輸出的霍爾電勢存在一定的對應關系，由此，可根據(jù)輸出的霍爾電勢確定出相對位移或位置。
圖1a示出了按照現(xiàn)有技術的一種霍爾位置傳感器，它包括產(chǎn)生磁場的永磁體1和作為磁敏部件的霍爾元件2，其中，永磁體1安裝在運動的工件上，霍爾元件2的輸出電壓與永磁體1產(chǎn)生的穿過霍爾元件2的磁力線數(shù)量或總磁道數(shù)成正比。如圖1所示，永磁體1與霍爾元件2相對的表面為平面并且互相平行，因此當永磁體1沿著平行于霍爾元件2表面的方向X移動時，霍爾元件2的輸出電壓按照下式變化V(x)=k×B×SD---(1)]]>其中，V(x)為霍爾元件的電壓輸出，x為永磁體1在X方向上所處的位置；k為霍爾元件的內(nèi)稟常數(shù)，其與永磁體1的位置無關；S為永磁體1與霍爾元件2相對表面的重疊面積或者說是永磁體1在霍爾元件2表面上的投影面積，其與永磁體1在X方向上所處的位置線性相關；B為永磁體1產(chǎn)生的磁場在霍爾元件2上的磁場強度，由于永磁體1與霍爾元件2相距較近，因此可認為磁場強度B在永磁體1與霍爾元件2重疊面積范圍內(nèi)是均勻一致的；D為永磁體1與霍爾元件2相對表面之間的間距(以下又稱為氣隙長度)，由于永磁體1與霍爾元件2相對的表面為平面并且互相平行，再加上永磁體1沿著平行于霍爾元件2表面的方向移動，所以重疊部分各處的氣隙長度D始終保持不變并且相等。
圖1b示出了上述這種霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系。如圖1b所示，當永磁體1表面左側邊緣與霍爾元件2表面右側邊緣表面對齊時，它們的重疊面積為0，因此輸出電壓V(x)為0，并且永磁體1相對霍爾元件2的位置x在圖1b中取值為0。隨著永磁體1沿水平方向向左移動(即圖1a中箭頭所示方向X)，永磁體1與霍爾元件2的重疊面積逐漸增大，在圖1b中則表現(xiàn)為輸出電壓V(x)隨著相對位置x值的增大而線性增大。當永磁體1與霍爾元件2完全重疊時，永磁體1處于與開始時位置相距W的位置，這里W為霍爾元件2的寬度，此時重疊面積最大，相應地，輸出電壓V(x)也最大。隨著永磁體1繼續(xù)沿水平方向向左移動，永磁體1與霍爾元件2的重疊面積逐漸減小，在圖1b中則表現(xiàn)為輸出電壓V(x)隨著相對位置x值的增大而線性減小。當永磁體1表面右側邊緣與霍爾元件2表面左側邊緣表面對齊時，永磁體1處于與開始時位置相距2W的位置，此時重疊面積又變?yōu)?，相應地，輸出電壓V(x)也為0。
為了得到上述圖1b所示永磁體1相對位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系，必須假設永磁體1的寬度L與霍爾元件2的寬度W相等。如果永磁體1的寬度L大于或小于霍爾元件2的寬度W，則當永磁體1處于與開始位置相距W的位置x后，由于重疊面積不會隨x的進一步增大而馬上減小，因此在隨后的一段位置范圍內(nèi)，輸出電壓V(x)將保持最大值不變(此時圖1b中的三角形將變?yōu)樘菪?，從而導致這段范圍的永磁體1位置無法確定。由此可見，這種霍爾位置傳感器的位置檢測范圍基本上由霍爾元件的寬度W決定。通常情況下，霍爾元件的寬度較窄，因此這種結構的霍爾位置傳感器的檢測范圍受到較大的限制。
此外，在這種結構的霍爾位置傳感器中，永磁體1的相對位置x與霍爾元件2的輸出電壓V(x)是線性相關的，但是在某些應用中(例如用于縫紉機踏板或汽車油門踏板的位置傳感器)，永磁體1的相對位置x與霍爾元件2的輸出電壓V(x)之間呈非線性關系可能更好，為此，還必須增加一個轉換過程，將霍爾電壓線性輸出值轉換為其他數(shù)值，從而實現(xiàn)輸出電壓與相對位置的非線性關系，這增加了應用系統(tǒng)的處理負擔和復雜度，并且不利于降低系統(tǒng)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種霍爾位置傳感器，它不但具有更寬的位置檢測范圍，而且可以根據(jù)需要，使永磁體相對霍爾元件的位置與霍爾元件輸出電壓之間具有各種對應關系。
本發(fā)明的發(fā)明目的通過下列技術方案實現(xiàn)一種霍爾位置傳感器，其包含永磁體和霍爾元件，并且霍爾元件的輸出電壓隨其與永磁體相對位置的變化而變化，所述相對位置的變化方式為，使永磁體與霍爾元件相對表面重疊部分的面積和/或該重疊部分上各處的氣隙長度隨永磁體與霍爾元件之間的相對運動而改變。
比較好的是，在上述霍爾位置傳感器中，永磁體與霍爾元件相對的表面為非平行面，并且永磁體的運動方向平行于霍爾元件表面。更好的是，永磁體與霍爾元件相對的表面為斜面?；蛘撸来朋w與霍爾元件相對的表面為曲面?；蛘撸来朋w與霍爾元件相對的表面為折面。
比較好的是，在上述霍爾位置傳感器中，永磁體與霍爾元件相對的表面為平行面，并且永磁體的運動方向與霍爾元件表面不平行。
比較好的是，在上述霍爾位置傳感器中，永磁體與霍爾元件相對的表面為非平行面，并且永磁體的運動方向與霍爾元件表面不平行。
比較好的是，在上述霍爾位置傳感器中，霍爾元件與永磁體相對的表面為非平面。
由上可見，在本發(fā)明的霍爾位置傳感器中，霍爾元件輸出電壓的變化不僅與重疊面積的變化有關，而且還與氣隙形狀(即重疊部分氣隙長度的空間分布)的變化相關，因此在重疊面積無法表征相對位置變化時仍然可借助氣隙形狀來表征，由此可以擴展相對位置的變化范圍。此外，通過設計氣隙形狀、重疊面積和輸出電壓三者合適的組合關系，可以獲得所需的相對位置與霍爾元件輸出電壓之間的對應關系。


通過以下結合附圖對本發(fā)明較佳實施例的描述，將進一步理解本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點，附圖中相同或相似的單元采用相同的標號表示，其中圖1a和1b示出了按照現(xiàn)有技術的一種霍爾位置傳感器及其特性曲線。
圖2a和2b示出了按照本發(fā)明第一較佳實施例的霍爾位置傳感器及其特性曲線。
圖3a和3b示出了按照本發(fā)明第二較佳實施例的霍爾位置傳感器及其特性曲線。
圖4a和4b示出了按照本發(fā)明第三較佳實施例的霍爾位置傳感器及其特性曲線。
圖5a和5b示出了按照本發(fā)明第四較佳實施例的霍爾位置傳感器及其特性曲線。
圖6a和6b示出了按照本發(fā)明第五較佳實施例的霍爾位置傳感器及其特性曲線。
具體實施例方式
在上述現(xiàn)有技術的霍爾位置傳感器中，由于氣隙長度D和永磁體的磁場強度B不變，只有永磁體與霍爾元件相對表面重疊部分的面積S隨著永磁體與霍爾元件相對位置的變化而變化，因此限制了傳感器的檢測范圍。本發(fā)明的核心思想是使霍爾元件輸出電壓的變化還與氣隙形狀(即重疊部分氣隙長度的空間分布)的變化相關，因此在重疊面積S無法表征相對位置變化時仍然可借助氣隙形狀來表征，由此可以擴展相對位置的變化范圍，應該理解的是，在本發(fā)明中，重疊面積的變化和氣隙形狀的變化可以同時發(fā)生，也可以在重疊面積發(fā)生變化時氣隙形狀不變，還可以是氣隙形狀發(fā)生變化時重疊面積不變。此外，通過設計氣隙形狀、重疊面積和輸出電壓三者合適的組合關系，可以獲得所需的相對位置與霍爾元件輸出電壓之間的對應關系。
以下借助幾個較佳實施例描述本發(fā)明的霍爾位置傳感器。在下述實施例中，均假設永磁體運動而霍爾元件靜止不動，但是值得指出的是，也可以將霍爾元件安裝在工件上而永磁體靜止不動，甚至是霍爾元件和永磁體都運動，這三者在實質上是等價的，因此說明書以下描述中雖然僅以第一種情形為例，但是就本發(fā)明的精神和實質而言，應該理解為包含所有三種情形。
第一較佳實施例圖2a和2b示出了按照本發(fā)明第一較佳實施例的霍爾位置傳感器的工作原理，該霍爾位置傳感器包括永磁體1和霍爾元件2，其中，永磁體1安裝在運動工件上，并且永磁體1的寬度L大于霍爾元件2的寬度W。如圖2a所示，永磁體1與霍爾元件2相對的表面皆為平面但是永磁體平面為左高右低的斜面(相對水平向左的運動方向而言)，即兩個平面的法線呈一定的夾角，并且永磁體1仍然沿著平行于霍爾元件2表面的方向X移動。
圖2b示出了該霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系。當永磁體1的相對位置從0向W變化時，重疊面積S在增大，由此導致輸出電壓V(x)增大。值得指出的是，在本實施例中，氣隙形狀也在變化，具體而言，永磁體表面越靠近開始位置部分的氣隙長度越小，換句話說，新增加的重疊部分的氣隙長度在不斷減小，由此導致輸出電壓V(x)進一步的增大。當永磁體1的相對位置由W向L變化時，雖然重疊面積S不再增大，但是氣隙形狀仍然在變化，具體而言，重疊部分各處的氣隙長度仍然在不斷減小，由此導致輸出電壓V(x)繼續(xù)增大直至最大值。當永磁體1的相對位置由L向L+W變化時，重疊面積S開始減小，重疊部分各處的氣隙長度不變，由此導致輸出電壓V(x)不斷減小直至為0。
由上可見，本實施例通過將永磁體1相對霍爾元件2的表面由平面改為左高右低的斜面(相對水平向左的運動方向而言)，將檢測范圍從0～2W拓寬到0～L+W。
第二較佳實施例圖3a和3b示出了按照本發(fā)明第二較佳實施例的霍爾位置傳感器的工作原理。如圖3a所示，本實施例與第一實施例的不同之處在于，永磁體1與霍爾元件2相對的表面為右高左低的平面(相對水平向左的運動方向而言)。
圖3b示出了該霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系。當永磁體1的相對位置從0向W變化時，重疊面積S在增大，由此導致輸出電壓V(x)增大。值得指出的是，在本實施例中，氣隙形狀也在變化，雖然與第一實施例不同，永磁體表面越靠近開始位置部分的氣隙長度越大，即，新增加的重疊部分的氣隙長度在不斷增大，但這只是使輸出電壓V(x)增大的速率減小。當永磁體1的相對位置由W向L變化時，雖然重疊面積S不再增大，但是由于重疊部分各處的氣隙長度仍然在不斷增大，由此導致輸出電壓V(x)開始減小。當永磁體1的相對位置由L向L+W變化時，重疊面積S開始減小，重疊部分各處的氣隙長度不變，由此導致輸出電壓V(x)不斷減小直至為0。
由上可見，本實施例通過將永磁體1相對霍爾元件2的表面由平面改為右高左低的斜面(相對水平向左的運動方向而言)，也可將檢測范圍從0～2W拓寬到0～L+W。
第三較佳實施例圖4a和4b示出了按照本發(fā)明第三較佳實施例的霍爾位置傳感器的工作原理。如圖4a所示，本實施例與第一實施例的不同之處在于，永磁體1與霍爾元件2相對的表面為左高右低的曲面(相對水平向左的運動方向而言)。
圖4b示出了該霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系，其工作原理和檢測范圍與第一和第二實施例的相同，因此不再贅述。但是由于永磁體相對表面為曲面，因此新增加重疊部分的氣隙長度的變化不再是線性的，由此導致輸出電壓V(x)也非線性地增大和減小。
第四較佳實施例圖5a和5b示出了按照本發(fā)明第四較佳實施例的霍爾位置傳感器的工作原理。如圖5a所示，本實施例與第一實施例的不同之處在于，永磁體1與霍爾元件2相對的表面為折面，其中左邊的平面部分寬度為W，右邊下折斜面的寬度為L-W。
圖5b示出了該霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系，其工作原理和檢測范圍與第一～三實施例的相同，因此不再贅述。但是由于永磁體相對表面為折面，因此新增加重疊部分的氣隙長度的變化在相對位置W處有突變，由此導致關系曲線由三段斜率不同的線段構成。
在上述第一～四實施例中，永磁體1表面相對霍爾元件2表面而言，都是非水平面，永磁體1的運動方向則平行于霍爾元件2表面，從而使得在相對運動期間，當永磁體1與霍爾元件2相對表面重疊部分面積無變化時，重疊部分各處的氣隙長度在變化，從而擴展了檢測范圍。另外，通過對永磁體1相對霍爾元件2表面形狀的適當設計，可以得到所需的相對位置與輸出電壓之間的對應關系。
第五較佳實施例圖6a和6b示出了按照本發(fā)明第四較佳實施例的霍爾位置傳感器的工作原理。如圖6a所示，本實施例與前述現(xiàn)有技術霍爾位置傳感器的不同之處在于，永磁體1的移動方向X與霍爾元件2表面呈一個夾角。
圖6b示出了該霍爾位置傳感器中永磁體1相對霍爾元件2的位置x與霍爾元件2輸出電壓V(x)之間的關系。當永磁體1的相對位置從0向W變化時，不僅重疊面積S在增大，而且氣隙形狀也在變化，具體而言，在本實施例中，重疊部分各處的氣隙長度相等并且同幅度地減小，由此導致輸出電壓V(x)增大。當永磁體1的相對位置由W向L變化時，雖然重疊面積S不再增大，但是重疊部分各處的氣隙長度仍然在不斷減小，由此導致輸出電壓V(x)繼續(xù)增大至最大值。當永磁體1的相對位置由L向L+W變化時，重疊面積S開始減小，重疊部分各處的氣隙長度仍在減小，此時如果重疊面積S減小對輸出電壓的影響超過重疊部分氣隙長度減小對輸出電壓的影響，則輸出電壓V(x)將不斷減小直至為0；此時如果重疊面積S減小對輸出電壓的影響弱于重疊部分氣隙長度減小對輸出電壓的影響，則如圖6b所示，輸出電壓V(x)仍然將不斷增大，直至重疊面積S減小對輸出電壓的影響超過重疊部分氣隙長度減小對輸出電壓的影響才開始減小，最后為0。
同樣，在本實施例中通過將永磁體1相對霍爾元件2的運動方向由平行改為非平行，將檢測范圍從0～2W拓寬到0～L+W。
在上述第五實施例中，永磁體1表面相對霍爾元件2表面而言為水平面，但是永磁體1的運動方向與霍爾元件2表面不平行。從而使得在相對運動期間，當永磁體1與霍爾元件2相對表面重疊部分面積無變化時，重疊部分各處的氣隙長度也在變化，從而擴展了檢測范圍。
但是本發(fā)明的實施并不僅僅局限于上述幾種方式，例如可以既使永磁體相對霍爾元件的表面為非平行面，又使永磁體的運動方向與霍爾元件表面不平行，這也可以擴展檢測范圍，根據(jù)需要提供相對位置與輸出電壓的對應關系。而且在上述實施例中，僅將永磁體表面改為非平行面，實際上也可以同時使霍爾元件表面為非平面，只要使得在永磁體與霍爾元件相對表面重疊部分面積無變化時重疊部分各處的氣隙長度發(fā)生變化即可。
權利要求
1.一種霍爾位置傳感器，其包含永磁體和霍爾元件，并且霍爾元件的輸出電壓隨其與永磁體相對位置的變化而變化，其特征在于，使永磁體與霍爾元件相對表面重疊部分的面積和/或該重疊部分上各處的氣隙長度隨永磁體與霍爾元件之間的相對運動而改變。
2.如權利要求1所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為非平行面，并且永磁體的運動方向平行于霍爾元件表面。
3.如權利要求2所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為斜面。
4.如權利要求2所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為曲面。
5.如權利要求2所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為折面。
6.如權利要求1所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為平行面，并且永磁體的運動方向與霍爾元件表面不平行。
7.如權利要求1所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，永磁體與霍爾元件相對的表面為非平行面，并且永磁體的運動方向與霍爾元件表面不平行。
8.如權利要求1～7中任意一項所述的霍爾位置傳感器，其特征在于，霍爾元件與永磁體相對的表面為非平面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種霍爾位置傳感器，包含永磁體和霍爾元件，并且霍爾元件的輸出電壓隨其與永磁體相對位置的變化而變化，所述相對位置的變化方式為，使永磁體與霍爾元件相對表面的重疊部分的面積和/或該重疊部分上各處的氣隙長度隨著永磁體與霍爾元件之間的相對運動而改變。由上可見，在本發(fā)明的霍爾位置傳感器中，霍爾元件輸出電壓的變化不僅與重疊面積的變化有關，而且還與氣隙形狀的變化相關，因此在重疊面積無法表征相對位置變化時仍然可借助氣隙形狀來表征，由此可以擴展相對位置的變化范圍。此外，通過設計氣隙形狀、重疊面積和輸出電壓三者合適的組合關系，可以獲得所需的相對位置與霍爾元件輸出電壓之間的對應關系。
文檔編號G01B7/004GK1532513SQ0311587
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權日2003年3月19日
發(fā)明者徐性怡 申請人:上海鮑麥克斯電子科技有限公司