专利名称：对漏磁通敏感性较小的磁传感单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁传感单元，其为汽车致动器中的主要系统，并且安装在致动器中。
JP-A-2000-88600中公开了一种具有磁性位置传感器的摆动致动器。在该致动器中，当致动器电机内部的磁路与磁通探测装置接近时，磁通探测装置就可探测到从磁路中泄漏的磁通。也即，存在磁通探测装置不能准确探测传感器磁体的磁通量的可能性。
根据本发明，磁传感单元具有致动器电机和磁性位置传感器。致动器电机具有磁路。磁性位置传感器用于通过磁性方式探测致动器电机的转动位置。磁性位置传感器包含磁通探测装置和磁通产生单元。磁通产生单元用于根据致动器电机的转动位置向磁通探测装置产生预定量的磁通量。磁通探测装置被安置在磁路之外的位置和方向上，在此，磁通探测装置对致动器电机磁路的漏磁通敏感性最小。
因此，由于磁通探测装置被安置在这样的位置和方向上，在此，磁通探测装置限于探测磁路的漏磁通，从而磁性位置传感器的以磁性方式探测的误差也就能得到限制。
如
图1A和1B所示，容纳在致动器内部的磁传感单元11具有致动器电机2，致动器电机2具有众所周知并作为其主要部分的电机结构。致动器电机2具有圆柱形电机壳体21和电机轴22。电机轴22在壳体21的一个端面中心伸出。而且，在电机壳体21的内部，致动器电机2具有由一对电机磁体231、232构成的磁路。电机磁体231、232的每一横截面均为弧形。另外，电机磁体231、232在电机轴22的圆周方向上呈对称形式地沿着电机壳体21的内表面布置。例如，磁体231、232由永久磁体制成。磁体231、232在电机轴22的直径方向上彼此相对布置。电机(未示出)储藏在被电机磁体231、232包围着的基本上为圆柱形的空间200中。磁体231、232的相对磁性表面分别是南极和北极。
在电机壳体21的一侧，驱动轴3设在与电机轴22垂直的方向上，而又没有彼此相交。驱动轴3通过齿轮系统(未示出)与电机轴22啮合，从而驱动轴3能够在其未与电机轴22直接啮合的情况下旋转。
磁传感单元11具有磁性位置传感器12。磁性位置传感器12包含磁通产生单元4(磁通产生装置)，磁通产生单元4又包括弧形传感器磁轭41和弧形传感器磁体42。传感器磁轭41和传感器磁体42的轴线与驱动轴3的轴线对应。传感器磁体42紧贴在与致动器电机2相对的传感器磁轭41的表面上。传感器磁体42的磁极在图1B中位于上下表面部分上。磁性变换器4与驱动轴3整体旋转。传感器磁体42的厚度在其一个圆周方向上逐渐增加。也即，与致动器电机2相对的传感器磁体42的磁性表面具有螺旋形斜坡。
而且，磁性传感器12具有用于探测磁通量的霍耳元件5(磁通探测装置)。霍耳元件5被安置在传感器磁体42的下方。霍耳元件5与传感器磁体42的下磁性表面相对。当传感器磁体42与驱动轴3一同旋转时，磁体42上的与霍耳元件5相对的部位的厚度会发生变化。传感器磁体42的较厚部位会产生较大的磁通量，传感器磁体42的较薄部位会产生较小的磁通量。因此，当传感器磁体42旋转时，霍耳元件5就可通过传感器磁体42的相对部位的厚度变化而探测磁通量大小的变化。由于霍耳元件5探测磁通量的方向与驱动轴3的轴线方向平行，所以霍耳元件5能够有效地探测传感器磁体42的磁通量。
总体上讲，当霍耳元件5被安置在与传感器磁体42的磁极表面的圆周面对的位置上时，霍耳元件5就能够探测驱动轴3的转动位置。然而，在这种致动器中，霍耳元件5被安置在穿过磁体231、232之间的间隙201、202的方向上，并位于电机轴22的直径方向上，也即与从一个电机磁体231、232指向另一个电机磁体的方向相垂直的方向上。通过霍耳元件5的这种布置所能提供的功能将在下面给以描述。
在霍耳元件5与电机2之间，设有圆盘形电机磁轭6(隔板)。电机磁轭6与传感器磁轭41平行。电机磁轭6的直径比电机壳体21的直径稍大。电机磁轭6用于收集电机磁体231、232的漏磁通ΦM，并将漏磁通ΦM重新返回给电机磁体231、232。因此，电机磁轭6能作为霍耳元件5的磁屏蔽板，从而电机磁轭6能够减小漏磁通对霍耳元件5的影响。
电机磁轭6上的与霍耳元件5相对的部位向霍耳元件5突出而形成台阶部分61。台阶部分61充当用于引导传感器磁体42的磁通量ΦS的磁轭，从而穿过霍耳元件5的磁通量能够得到增加。因此，霍耳元件5的磁探测性能能够得以提高。
霍耳元件5与电机磁体231、232之间的位置关系如下。如果使用上述电机2，在电机壳体21周围的磁体231、232的漏磁通就可被探测100测量到。如图2A和2B所示，在电机壳体21周围的任何部分上，漏磁通都是在三个方向上测量。这三个方向是电机轴22的轴线方向X、电机轴22的圆周方向Y和电机轴22的直径方向Z。测量结果如图3所示。图3中水平轴的电机位置(度)表示的是图2B中探测器100的转动位置，其中0°是霍耳元件5在致动器中的位置，霍耳元件5在电机2周围的圆周位置像电机位置一样也用水平轴表示。
在每次测量中，在方向X上测量的磁通量基本上为0。而且，在方向Y上测量的磁通量在90°和270°附近变为0，并且在其他电机位置具有与电机位置相对应的周期性固有值。与方向Y相反，在方向Z上的磁通量在0°和180°附近变为0，并且在其他电机位置具有与电机位置相对应的周期性固有值。此外，尽管在方向Z上测量的磁通量在90°和270°俯近具有较大的绝对值，但该绝对值比在方向Y上的磁通量的最大绝对值还要大。其原因如下所述。
磁体231、232的磁力线从它们北极(N)的磁性表面竖直产生，然后发生较大弯曲，最后竖直进入它们南极(S)的磁性表面。因此，在穿过磁体间隙201、202的每个方向上，也即在图3中电机位置的0°和180°处，方向Z上的磁通量较低。在从一个磁体231、232指向另一个磁体的每个方向上，也即在图3中电机位置的90°和270°处，磁通量较高。
而且，考虑以下原因，在穿过磁体间隙201、202的每个方向(0°和180°)上的磁通量比从一个磁体231、232指向另一个磁体的每个方向(90°和270°)上的磁通量低。磁体231、232绕着电机轴22对称布置，并且磁体231、232相对的磁性表面为不同磁极。因此，在穿过磁体间隙201、202的方向上，电机磁体231的磁通量与电机磁体232的磁通量被相互抵消。
如上所述，在穿过磁体间隙201、202的每个方向(0°和180°)上，泄漏的磁通较�。佣舳�5中的探测误差能够得到限制。
在穿过磁体间隙201、202的每个方向(0°和180°)上的磁通量有些变大。然而，在该致动器中，由于霍耳元件5被安置成用于探测方向Z上的磁通量，所以霍耳元件5基本上不会探测到磁通量，并且漏磁通的影响对霍耳元件5较小。
此外，方向X上的磁通量非常�。⑶一舳�5被安置用于探测方向Z上的磁通量。因此，从磁体231、232泄漏的磁通的影响非常小。
在该致动器中，霍耳元件5被安置在穿过磁体间隙201、202的每个方向上和电机轴22的直径方向上。然而，当霍耳元件5在与其磁性探测方向垂直的表面上移动时，漏磁通对霍耳元件5的影响是如下所述产生的。如果方向Y上的磁通密度定义为By，方向Z上的磁通密度定义为Bz，电机位置定义为θ(度)，则霍耳元件5探测到的磁通密度的大小等 Bz*cosθ+By*sinθ。
一个使用根据本发明磁传感单元的致动器实施例如图4和5所示。与图1中描述的构件相同的构件将以相同附图标记表示，并且因此也不再给以进一步的描述。在罩体71的内部，容纳有形成磁传感单元11的电机2、齿轮系统72等，从而驱动轴3能够利用电机2的转动力旋转。驱动轴3与电机22呈横向布置，并与电机轴22垂直，同时由轴承73支撑着。齿轮系统72被安置在电机2的上部和驱动轴3的内端之间的部分中。
在齿轮系统72中，斜齿轮721被安装在电机轴22上，该电机轴22在电机2的壳体21的上端面突出。第一齿轮723被安装在齿轮轴722上。而且，斜齿轮721与第一齿轮723啮合，从而电机轴22的旋转能被传递带着齿轮轴722旋转。齿轮轴722与驱动轴3平行布置。除了第一齿轮723以外，第二齿轮724也与齿轮轴722啮合，并且齿轮轴722的两端由两个齿轮支撑着。第二齿轮724与安装在驱动轴3一端上的第三齿轮725啮合。
齿轮725在圆盘形基部74的端面上突出，驱动轴3的轴线与基部74的轴线对应。而且，在基部74的端面上，除了齿轮725以外，还设有磁轭41和弧形阶梯部分741。在阶梯部分741上，安装有传感器磁体42。阶梯部分741的圆周成形得与齿轮725的圆周相同，并且基本上占一半圆周。在阶梯部分741的阶梯表面上，形成有弧形槽，从而磁轭41和磁体42能以这种顺序装配在该槽中。
霍耳元件5与传感器磁体42相对设置。霍耳元件5的磁性探测方向与驱动轴3平行。而且，霍耳元件5被安置在穿过磁体间隙201、202(图1所示)的每个方向上和电机轴22的直径方向上。
而且，齿轮轴722与驱动轴3之间形成了这样的位置关系。在这种位置关系中，当驱动轴3在致动器规格中要求的预定旋转角度范围内转动且霍耳元件5超过传感器磁体42的预定旋转角度范围时，齿轮725和齿轮724可在整个范围内啮合。
霍耳元件5的不同类型的输出特性通过不同类型的磁体42实现。不管磁体42的类型如何，磁传感单元11都能用于致动器中。三种类型的磁体42如图6A和6B、图7A和7B及图8A和8B中的第一至第三实例所示。每个磁体的转动位置和对应磁通密度之间的关系如图9所示。
图6A和6B中所示的作为第一实例的磁体42A(斜面弧形磁体单元)由磁体421、422(斜面弧形磁体部分)以这种方式整体构成，即每个磁体421、422在图6B的竖直方向上具有磁极。每个磁体421、422具有大致为90°的弧形，从而磁体42A具有大致为180°的弧形。每个磁体421、422具有向着每个面对表面逐渐变细的楔形。磁体421、422的各自厚度在每个连接部件中最小。在图6B中，磁体42A的上表面和下表面为磁性表面。与霍耳元件5相对的磁体42A的磁性表面具有斜面。磁体421的斜面是北极，磁体422的斜面是南极。磁体421、422是基本上相等的磁体，但相同磁性却相反布置。当磁体42A在被使用时，磁体421、422的厚度在它们的连接部件中最�。⑶掖盘�421、422的每一磁通量在每个连接部件中均被相互抵消。因此，在一个转动位置中，霍耳元件5所探测的磁通量变为0，并且磁通量的方向被反向。如果将磁通量被探测为0的转动位置定义为0°，则反向过来的磁通密度就能被霍耳元件5探测为负值。在这种情况下，磁通密度被探测为0的转动位置能被定义为标准点。在磁通量被探测为0的一点上，所探测的磁通量大小不会随温度变化。因此，标准点不会随温度而漂移，并且能实现致动器较高的测量精度。
如图7A和7B所示的作为第二实例的大致为180°的弧形磁体42B(斜面弧形磁体)为楔形，其上表面和下表面为磁性表面。磁体42B的厚度从一个圆周端到另一个圆周端逐渐变薄。与霍耳元件5相对的斜面是北极或南极。因此，根据驱动轴3的转动位置，磁通量在一个圆周方向上会被增加或降低。
如图8A和8B所示的作为第三实例的磁体42C(弧形磁体单元)以整体方式包含磁体(弧形磁体部分)423、424。每个磁体423、424具有大致为90°的弧形，从而磁体42C具有大致为180°的弧形。与霍耳元件5相对的磁体423的一个表面是北极，与霍耳元件5相对的磁体424的一个表面是南极。磁体423、424是基本上相等的磁体，但是相同磁性却相反。磁体423、424的厚度是固定值。当磁体42C被使用时，在它们的接部件中的磁通量会被相互完全抵消。因此，在驱动轴3的一个转角中，霍耳元件5中所探测的磁通量就会变为0，并且磁通量的符号会被取反。除了磁通密度变为0的转动位置以外的磁通量大小固定不变。
磁体42B的磁路的磁通量随着驱动轴3的旋转只会增加或降低。而且，在磁体42C的磁路中，只有磁通量的符号在预定转动位置会被颠倒。因此，磁体42A的磁路具有比磁体42B的磁路和磁体42C的磁路更好的输出特性。也即，在磁体42A的磁路中，除了在0°点的稳定性以外，也能实现直线特性。此外，与磁体42A、42B的磁路相比，较厚部分的厚度和较薄部分的薄度相同，磁体42A磁路磁通量的变化是磁体42B磁路磁通量的变化的两倍，从而磁体42A磁路的解析性能是磁体42B磁路的解析性能的两倍。
而且，当磁路的磁通量的特性能够满足预定条件，霍耳元件5与磁路之间的磁轭就不必设置。
在该实施例中，霍耳元件5的磁性探测方向被布置在电机轴22的直径方向，在此，磁通量在穿过磁体间隙231、232的每个方向上产生得最大，从而磁路的漏磁通的影响能得以最小化。然而，当漏磁通密度的特性能够满足预定条件，霍耳元件5的位置就不需局限于上述位置。
霍耳元件5作为磁通探测装置，用于探测传感器磁体42的磁通量。然而，磁通探测装置不局限于霍耳元件5。
鉴于本发明的目的，最好将霍耳元件5布置在穿过磁体间隙201、202的每个方向上。然而，并不局限于将霍耳元件5布置在那个位置上。
而且，介绍了包括两个磁体的磁路。然而，本发明能够用于在磁路形成磁场的区域布置多于两个磁体的情况。
权利要求
1.一种磁传感单元(11)，包括致动器电机(2)，其具有磁路(23)；和磁性位置传感器(12)，其用于通过磁性方式探测致动器电机(2)的转动位置，磁性位置传感器(12)包含磁通探测装置(5)；及磁通产生装置(4)，其根据致动器电机(2)的转动位置向磁通探测装置(5)产生预定大小的磁通量；磁传感单元(11)的特征在于磁通探测装置(5)被安置在磁路(2)之外的位置和方向上，在此，磁通探测装置(5)对磁路(23)的漏磁通(ΦM)的敏感性最小。
2.如权利要求1所述的磁传感单元(11)，其特征在于磁路(23)包含两个电机磁体(231，232)，其中所述电机磁体(231，232)被分开布置，并且电机磁体(231，232)的相对表面被磁化为不同的磁极；和磁通探测装置(5)的安置用于探测穿过电机磁体(231，232)之间的磁体间隙(201，202)并与从一个电机磁体(231，232)指向另一个电机磁体的方向相垂直的方向上的磁通量。
3.如权利要求1或2所述的磁传感单元(11)，其特征在于磁通探测装置(5)被这样安置，即磁通探测装置(5)的用于探测磁通量的方向与漏磁通(ΦM)的磁力线垂直。
4.如权利要求1至3中任一所述的磁传感单元(11)，其特征在于磁传感单元(11)包括隔板(6)，隔板(6)被安置在磁路(23)和磁性位置传感器(12)之间；隔板(6)作为用于收集向着磁通探测装置(5)泄漏的漏磁通(ΦM)的磁轭。
5.如权利要求4所述的磁传感单元(11)，其特征在于隔板(6)具有面对并向着磁通探测装置(5)突出的台阶部分(61)。
6.如权利要求1至5中任一所述的磁传感单元(11)，其特征在于磁通产生装置(4)包含由天然磁体制成的传感器磁体(42)，该传感器磁体(42)的一个磁性表面与磁通探测装置(5)相对，并向此处产生磁通。
7.如权利要求6所述的磁传感单元(11)，其特征在于传感器磁体(42)是基本由两个斜面弧形磁体部分(421，422)组成的斜面弧形磁体单元(42A)，其中所述弧形磁体部分(421，422)具有基本相同的形状，且具有相同的磁化力性能；所述弧形磁体部分(421，422)中的一个在磁通探测装置(5)的磁性探测方向上被磁化，另一个则在与磁性探测方向相反的方向上被磁化；每个斜面弧形磁体部分(421，422)分别具有与磁通探测装置(5)相对的倾斜磁性表面，且沿圆周方向呈楔形；和所述弧形磁体部分(421，422)的最薄圆周端被成形为一体，并且形成弧形磁体单元(42A)的最薄部分。
8.如权利要求6所述的磁传感单元(11)，其特征在于传感器磁体(42)是斜面弧形磁体(42B)，其中所述斜面弧形磁体(42B)在磁通探测装置(5)的磁性探测方向上被磁化；所述斜面弧形磁体(42B)具有与磁通探测装置(5)相对的倾斜磁性表面，且沿圆周方向呈楔形。
9.如权利要求6所述的磁传感单元(11)，其特征在于传感器磁体(42)是主要由两个弧形磁体部分(423，424)构成的弧形磁体单元(42C)，其中所述弧形磁体部分(423，424)具有基本相同的形状，且具有相同的磁化力性能；所述弧形磁体部分(423，424)中的一个在磁通探测装置(5)的磁性探测方向上被磁化，另一个则在与磁性探测方向相反的方向上被磁化；和磁体部分(423，424)被成形为一体，并且形成弧形磁体单元(42C)。
全文摘要
一种磁传感单元(11)包含致动器电机(2)和磁性位置传感器(12)。致动器电机(2)具有包含电机磁体(231，232)的磁路(23)。磁性位置传感器(12)包含传感器磁体(42)和用于探测磁通量的霍耳元件(5)。磁体间隙(201，202)形成在电机磁体(231，232)之间。霍耳元件(5)被安置在电机(2)的外面，用于在穿过磁体间隙(201，202)的方向上探测磁通量，该方向与从一个电机磁体(231，232)指向另一个电机磁体的方向垂直。在霍耳元件(5)的这种布置中，霍耳元件(5)探测到的从电机磁体(231，232)泄漏的磁通受到了限制。
文档编号G01D5/18GK1469105SQ0314890
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月24日 优先权日2002年6月26日
发明者德永政男, 武田宪司, 神谷知充, 充, 司 申请人:株式会社电装
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
