專利名稱：具有線性磁通密度的磁體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有線性磁通密度的磁體，該磁體磁通密度線性地變化。 尤指一種具有線性磁通密度的磁體，通過改變磁體的形狀和磁化模式，使用磁 通傳感器更精確地測量與相對磁體線性變化的位移成比例的位移，同時也使磁 通密度對應于位移線性地(或直線地)變化。
背景技術：
磁體是具有磁力并能吸附鐵粉的物體。術語"永磁體"意指具有強磁力的 磁體，其產品用于工業(yè)中。永磁體通常被稱為磁體。
磁體能夠吸附放置于其周圍的鐵片。受磁力作用的空間稱為磁場。也就是 說，磁體產生磁場。磁場的形狀可以通過由鐵粉得到的磁場圖案而確定。如果 在磁體上放置一張厚的白紙，再將鐵粉均勻撒在白紙上，就可以看到磁場圖案。
將小磁針放置在所述圖案上時，小磁針指向磁力線方向。磁力線從磁體的N極 指向磁體的S極。
兩磁極之間的力遵循庫侖定律，其中力與兩磁極之間的距離的平方成反比， 與磁極強度成正比。磁極強度和兩磁極之間的距離的乘積定義為"磁矩"。磁極 實質上由一對具有相同強度的N極和S極構成，因而磁距不應視為磁極強度而 應視為一個基本物理量。磁矩是一個從S極指向N極的矢量。計算兩個磁距之 間的力時，力與距離的四次方成反比。因此，兩個磁體之間的吸引力隨兩個磁 體彼此接近而增大，隨兩個磁體彼此距離增大而快速減小。
通過改變磁疇的形狀、配置和方向實現(xiàn)磁化。上述各特征幾乎不變的物體 一旦被磁化，即使磁場減小到0也不會恢復到初始狀態(tài)，因而仍保留有磁矩。 這種具有大剩余磁化強度的物體是永磁體。
術語"磁通量"意指在垂直于磁通密度或磁感應方向上的截面積分得到的
量。磁通量的單位在CGS單位系統(tǒng)中是麥克斯韋(Maxwells), Mx,而在MKS 單位系統(tǒng)或SI單位系統(tǒng)中是韋伯(Webers), Wb。當通過線圈的磁通量隨時間 變化時，在線圈的兩端感應出與變化率成比例的電壓(法拉第電磁感應定律)。 電壓的方向與阻止電流引起的磁場變化方向相同。這稱為"楞次定律"。磁通量 由通過永磁體或線圈的電流而產生。
對應于檢測磁場的各方法已經(jīng)有不同類型的傳感器，最廣為人知的傳感器 是霍爾傳感器?；魻杺鞲衅饕韵率龇绞焦ぷ?，即當電流流過半導體器件(霍爾 器件)的電極時沿垂直于半導體器件(霍爾器件)的方向施加磁場，在垂直于 電流和磁場的方向上即可產生電勢。
最簡單的用于測距的儀器是使用永磁體和傳感器來檢測磁通量的儀器。該 儀器能測量隨相對于永磁體的距離變化而變化的磁通密度，并根據(jù)傳感器產生 的電勢來測量距離。
然而，由于永磁體產生的磁通密度不是隨距離而線性產生，因此需要在儀 器中提供用于非線性補償?shù)某绦蚧螂娐芬允乖搩x器用作傳感器來有效地測量距 離。因此，該儀器僅當滿足此條件時才可以起精確測量距離的作用。此外，為 了補償取決于距離的單一磁場產生的非線性磁通密度的分布，已經(jīng)對通過不同 類型的磁體與多個磁體的結合使用來獲得具有線性磁通密度的結構開展了廣泛 的研究。
近來，已經(jīng)研究出了不同類型的非接觸式距離測量儀器，每一儀器在線性 范圍或者在角度范圍內，都可以檢測物體的絕對位置，并測量線性位移和角位 移。
現(xiàn)有多種非接觸方式的檢測測量位置的方案。盡管使用滑動電阻或電位計 的儀器是最典型的，但其可靠性不能令人滿意。盡管光學定位器具有用于讀取 光學范圍如狹縫范圍的光學傳感器，但其結構更加復雜。此外，盡管記錄在磁 介質上的磁范圍被磁傳感器讀取，其結構依然復雜，而且不能檢測絕對位置。
也就是說，只有兩個任意點之間的距離可以測量。本發(fā)明提供一種具有線
性磁通密度的磁體，通過此種磁體可以檢測到待檢測物體的絕對位置，而且此 種磁體結構非常簡單、測量范圍大、可靠性高。
傳統(tǒng)的儀器設計為在磁傳感器14相對永磁體12并沿永磁體12的極軸方向
移動時測量距離。圖l是用于檢測位置的傳統(tǒng)的儀器(下文稱"位置探測儀")
的透視圖。圖中，永磁體12與磁傳感器14相對設置。在這種情況下，永磁體 12和磁傳感器14之間的距離L可能變化。也就是說，允許兩個元件相對移動。 磁傳感器14相對于永磁體12沿著永磁體12的極軸方向移動。從永磁體12產 生的磁場被磁傳感器14中的敏感磁感應器件檢測到，距離L由從磁傳感器14 輸出的顯示信號顯示并檢測。然而，在上述描述的結構中，具有高度線性特性 曲線的有效距離非常短。
此外，如圖2所示，閉合磁路28包括U形磁軛22、永磁體24和具有磁阻 感應元件如Barber電極型元件的磁傳感器26。磁傳感器26相對于永磁體24沿 著垂直于永磁體24的極軸方向移動。然而，在上述結構中，也難以得到精確的 線性特性曲線
發(fā)明內容
技術問題
因而，需要一種具有線性磁通密度的磁體，通過改變磁體的形狀和磁化模 式，可以使用磁通傳感器更精確地測量與相對磁體線性變化的位移成比例的位 移，同時也使得磁通密度對應于位移線性地(或直線地)變化。
技術方案
為了解決上述問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有線性磁通密度的 磁體，通過改變磁體的形狀和磁化模式，可以使用磁通傳感器更精確地測量與 相對磁體線性變化的位移成比例的位移，同時也使得磁通密度對應所述位移線 性地(或直線地)變化。
本發(fā)明通過使用這樣一種結構，不再需要典型的誤差校正過程，即將磁通 密度的非線性變化轉換為線性變化的復雜過程，消除了在誤差修正過程中產生 的位置相關誤差。該結構通過對磁體形狀、磁化強度以及磁化范圍的改變使從 磁極表面發(fā)出的磁通密度線性變化，并可通過一傳感器測量磁極表面發(fā)出的線 性磁通密度。其中傳感器位于遠離磁極表面一預先設定的距離處，與磁極表面 平行，并且在平行磁極表面的方向移動。這樣就可以根據(jù)傳感器產生的電壓精 確測量絕對距離。因而， 一種更加精確的使用磁體的位置傳感器能夠得以實施。


圖1為傳統(tǒng)的位置檢測儀的透視圖2為傳統(tǒng)的使用U形磁軛的位置檢測儀的透視圖3為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖4為典型磁體的磁通密度沿平行極軸方向變化的曲線圖5為有效使用區(qū)間中呈現(xiàn)線性的曲線圖13為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖7為典型磁體中的磁通密度沿垂直極軸的方向變化的曲線圖16為本發(fā)明的磁體的形狀和磁化模式的示意圖9為本發(fā)明的磁通密度變化曲線圖10為本發(fā)明的另一實施例的磁體形狀和磁化模式示意圖11為本發(fā)明的另一實施例的磁通密度變化曲線圖12為本發(fā)明的圖11中的畫圈部分A的放大視圖13為本發(fā)明的取決于磁通密度的邊界變化示意圖14和15為使用磁顯示器得到的、測量位置處磁體的磁通量分布的照片；
和
圖16為本發(fā)明的三角形和矩形(Rectangular )磁體的磁通密度變化曲線圖。
實施本發(fā)明的最佳方式
本發(fā)明提供一種具有線性磁通密度的磁體，該磁體被用于測量距離的傳感
器，其中該磁體被配置成矩形(Rectangular)形狀，并且磁體的N極和S極以 正弦波的形式從矩形(Rectangular)形狀磁體的邊緣處沿對角線方向被磁化。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例將參考下面的附圖描述如下。
圖1為傳統(tǒng)的位置檢測儀的透視圖，圖2為傳統(tǒng)的使用U形磁軛的位置檢 測儀的透視圖，圖3為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖，圖4為典型磁體 的磁通密度沿平行極軸方向變化的曲線圖，圖5為有效使用區(qū)間中呈現(xiàn)線性的 曲線圖，圖13為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖，圖7為典型磁體中的磁 通密度沿垂直極軸的方向變化的曲線圖，圖13為本發(fā)明的磁體的形狀和磁化模 式的示意圖，圖9為本發(fā)明的磁通密度變化曲線圖，圖10為本發(fā)明的另一實施 例的磁體形狀和磁化模式示意圖，圖ll為本發(fā)明的另一實施例的磁通密度變化 曲線圖，圖12為本發(fā)明的圖11中的畫圈部分A的放大視圖，圖13為本發(fā)明 的取決于磁通密度的邊界變化示意圖，圖14和15為使用磁顯示器得到的、測 量位置處磁體的磁通量分布的照片，和圖16為本發(fā)明的三角形和矩形 (Rectangular)磁體的磁通密度變化曲線圖。
圖1為傳統(tǒng)的位置檢測儀的透視圖，圖2為傳統(tǒng)的使用U形磁軛的位置檢 測儀的透視圖。如上所述，傳統(tǒng)的位置檢測儀存在問題，因為沒有精確的線性 磁通密度，并且呈現(xiàn)線性磁通密度的范圍相對小。
圖3為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖。磁體分為N極和S極，兩極 具有相同的面積，并且被磁化。盡管使用典型磁體的傳感器釆用了使用傳感器 測量離磁體極軸變化的距離的方案，本發(fā)明釆用測量線性變化的距離的方案， 傳感器位于垂直極軸的方向上并遠離N極或S極的表面以一預定的距離，并且 與磁極的表面平行。傳統(tǒng)方案的缺點是難以實現(xiàn)線性，因為磁通密度不能隨相 對磁體的距離變化而線性變化，而是與距離的平方成反比。
本發(fā)明的重要環(huán)節(jié)在于磁通密度，其從磁極的表面發(fā)出，能通過改變磁體 的形狀、調節(jié)磁化的強度和范圍而線性變化，從而通過與磁極的表面平行移動 的傳感器測量從磁極表面產生的線性磁通密度，并且根據(jù)傳感器產生的電壓精 確測量出絕對距離。
圖4為典型磁體中的磁通密度沿平行極軸方向變化的曲線圖。從圖中可看 出磁通密度的極性被改變，并且線性區(qū)間非常小，因為磁通密度變化的測量是 沿著與彼此相對的N極和S極的側面平行移動的方向進行的。
圖5為有效使用區(qū)間中呈現(xiàn)線性的曲線圖，示出了呈現(xiàn)線性而且可被用于 傳感器的區(qū)間，此區(qū)間僅約為總區(qū)間的20%。
圖13為典型磁體的形狀和磁化模式的示意圖，示出了磁通量密度的測量， 該磁通密度從圖3所示的相同的磁體發(fā)出，沿垂直極軸方向完成，并且平行于 磁極的表面。
圖7為典型磁體的磁通密度沿垂直極軸的方向變化的曲線圖，并且是表示 使用如圖13中所示的形狀得到的測量值的圖。盡管這個圖示出的線性區(qū)間比圖 5中所示的區(qū)間寬一點，但可以看到該區(qū)間不超過總區(qū)間的20%到30%。
圖16為本發(fā)明的磁體形狀和磁化模式曲線圖，并且示出了磁體的N極和S 極以正弦波的形式從矩形形狀的磁體的左上角沿著對角線方向被磁化。
一般地，磁力的強度被定義為與測量距離的平方成反比。因而，在典型磁 體的形狀(例如，環(huán)或條)中和磁體被磁化到預定強度的結構中，取決于位移 的磁力強度的變化用二次函數(shù)圖表示，不是線性的。
因此，通過改變典型磁體的形狀和磁化模式，本發(fā)明的磁體被制造成磁力 強度線性變化的結構。
當磁體沿如圖16中虛線所示的對角線方向被磁化時，依賴于位置的N極 的磁通密度與距離的平方成反比，并且磁通量沿對角線方向分布。因而，當在 距N極l口的位置處測量磁通密度時，取決于位置的磁通密度在磁通密度圖中 不是線性地變化。因此磁體磁化模式的改變使得磁通密度在一特定區(qū)間呈現(xiàn)線 性變化，如圖16a中的實線所示。
為了使磁通密度在特定區(qū)間內隨距離線性地變化，磁體被制造成使其磁化 模式稍微扭曲并沿對角線方向變化的結構，如圖16所示。
在圖16中，在磁體0 12的區(qū)間內測量傳感器的位移。傳感器置于離磁極 表面一預定距離d的位置處，垂直磁體的極軸，并且平行于磁極的表面移動。 與稍微呈現(xiàn)非線性的區(qū)間0~12的兩端不同，區(qū)間2 10可以被用來作為精度更 高的位置傳感器的使用區(qū)間。
為了測量由實際距離決定的磁通密度的變化，對應每一距離磁通密度的變 化使用可編程霍爾集成電路(IC)測量。所使用的可編程霍爾IC是Micronas 的元件，并且具有±0.1%的誤差率。實驗結果示于圖9中。
圖9為本發(fā)明的磁通密度變化曲線圖，并且表明對應每一距離的磁通密度 值在特定區(qū)間內(2~8口 )是線性的。因此，可以看出磁體的磁化模式改變后， 在特定區(qū)間對應每一距離的磁通密度值可能是線性的。然而，當被測磁通密度 處的距離增加時，由于磁力強度與距離的平方成反比，因此磁體的磁化模式必 須根據(jù)測量的距離而設定。
圖10為本發(fā)明的另 一 實施例的磁體形狀和磁化模式示意圖。磁體底部的寬 度為W，并且可根據(jù)需要調節(jié)，磁體的S極的左側的高度為Sdl，磁體的S極 的右側的高度為Sd2。此外，磁體的N極的左側的高度為Ndl,磁體的N極的 右側的高度為Nd2。 N極配置在S極上。因此，在這種S極和N極配置的情況 下，磁體左側的總高度為Sdl+ Ndl，磁體右側的總高度為Sd2 + Nd2，因而磁 體具有矩形(Rectangular)形狀，并且磁體右側的高度大于左側的高度。
當磁體的形狀用數(shù)值表示時，磁體S極的左側的高度為1,磁體S極的右 側的高度為2，磁體N極的左側的高度為1，磁體的N極的右側的高度為2。 因此，在這種S極和N極配置的情況下，磁體左側的總高度為2，磁體右側的 總高度為4，因而磁體具有矩形(Rectangular)形狀，并且磁體右側高度是左側 高度的2倍。
優(yōu)選N極和S極被磁化成使得磁體的左表面和右表面的相應寬度比為1~ 2: 2~4。
磁體被磁化成具有如圖IO所示的結構，測量對應每一距離的磁通密度的變
化，測量位置隨點A和點Bl到B4之間的直線的角度變化而變化，其中點A 距磁體右表面邊緣上端任意距離d,點Bl到B4與磁體左表面上的點B形成不 同角度。圖11中描繪了測量值中呈現(xiàn)最佳線性度的位置，描述如下。
如圖10，根據(jù)角度變換測量位置，即可發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)最佳線性度的位置。此外, 要考慮的是1)受磁通影響的邊界隨著磁通密度的增大而變窄，和2)受磁通 影響的邊界隨著磁通密度的減小而變寬。
與磁極表面有一定距離的初始測量點A可以變動。此外，磁體的形狀可以 改變，因為磁體的左側和右側高度比可以改變。
如圖13所示，磁通密度的邊界隨磁通密度的增大而變窄，磁通密度的邊界 隨磁通密度的減小而變寬。因此，測量時測量位置隨與圖10中點A的角度不 同而改變，點A周圍的磁通密度增大，邊界就變窄。點A周圍的磁通密度具有 與測量距離的平方成反比的特性。相反，遠離點A的被測距離處的磁通密度的 變化率小于點A處的，因為點B處的磁通密度小。因此，通過調整測量位置和 角度，在選定的區(qū)間中取決于距離的磁通密度的變化可以呈現(xiàn)極好的線性。
圖11為本發(fā)明的另一實施例的磁通密度變化曲線圖。圖中，通過調整測量 位置和角度，在選定的區(qū)間中取決于距離的磁通密度的變化可以呈現(xiàn)極好的線
圖中，部分A表示輕微非線性的區(qū)間。圖12中示出了部分A的放大視圖。 圖12為根據(jù)本發(fā)明的圖11中的畫圈部分A的放大視圖，其中部分A處的 誤差值被放大10倍。
在實施例中，考慮圖的全部特性，在從1.5口到9.5口 (相差8.0口)的位移 區(qū)間里呈現(xiàn)幾乎接近直線的特性。也就是說，當磁體或可編程霍爾IC在8.0口 的范圍內移動時，可根據(jù)距離檢測到位置。當在應用中使用此特性時，可實現(xiàn) 位置檢測。因此，當用可編程霍爾IC將初始值設為0,用程序將最大值設為最 大距離(例如，6口)時，機械裝配的偏差產生的誤差等可利用程序設定，因此 誤差可得到補償，從而進一步提高精確度。
圖14和15為使用實際的磁顯示器得到的在測量位置處磁體磁通量分布照 片。如照片所示，磁通密度高的部分顯示為暗色，而磁通密度低的部分顯示為 亮色。因此，從照片中可看出磁通密度與距離成比例變化。實際磁顯示器主要 用于觀測S極和N極之間的邊界表面。使用磁顯示器在某種程度上可測到磁通 分布的形狀?？删幊袒魻朓C主要用于精確測量磁通密度。此外，高斯計可用于
測量磁通密度。因此，當使用可編程霍爾IC測量磁通密度時，可得到更精確的
測量值。
圖16為本發(fā)明的三角形和矩形(Rectangular)磁體的磁通密度的變化曲線 圖，而且示出了通過矩形(Rectangular)磁體的磁化模式的改變使矩形 (Rectangular)磁體獲得更精確的磁通密度而得到的結果，和通過三角形(梯 形)磁體的形狀和磁化模式的改變而得到的結果，兩者幾乎重疊?？梢缘贸鼋Y 論磁通密度在實際磁體有效區(qū)間內即在0 12范圍的區(qū)間內，隨距離線性變 化?？梢垣@得具有線性磁通密度的磁體，該磁體通過對絕對位置的精確檢測而 實現(xiàn)精確控制。
工業(yè)實用性
本發(fā)明通過使用這樣一種結構，不再需要典型的誤差校正過程，即將磁通 密度的非線性變化轉換為線性變化的復雜過程，消除了在誤差修正過程中產生 的位置相關誤差。該結構通過對磁體形狀、磁化強度以及磁化范圍的改變使從 磁極表面發(fā)出的磁通密度線性變化，并可通過一傳感器測量磁極表面發(fā)出的線 性磁通密度。其中傳感器位于遠離磁極表面一預先設定的距離處，與磁極表面 平行，并且在平行磁極表面的方向移動。這樣就可以根據(jù)傳感器產生的電壓精 確測量絕對距離。因而， 一種更加精確的使用磁體的位置傳感器能夠得以實施。
權利要求
1、一種具有線性磁通密度的磁體，所述磁體被用于測量距離的傳感器中，其特征在于所述磁體被配置成具有矩形形狀，所述磁體的N極和S極以正弦波的形式從所述具有矩形形狀的磁體的邊緣沿著對角線方向被磁化。
2、 如權利要求1所述的磁體，其特征在于構成所述磁體的N極或S極 根據(jù)沿直線變化的距離的變化而產生線性磁通密度，所述直線相距所述磁體的 N極或S極的表面一預定距離并與所述磁體的N極或S極的表面平行。
3、 如權利要求2所述的磁體，其特征在于所述磁通密度由構成所述磁體 的N極或S極產生，并隨所述磁體的N極或S極的表面線性地變化。
4、 如權利要求1-3中任一所述的磁體，其特征在于所述磁通密度由構成 所述磁體的N極或S極產生，由基于沿直線變化的距離的傳感器測量，所述直 線相距所述磁體的N極或S極的表面一預定距離，并與所述磁體的N極或S 極的表面平行，所述磁通密度隨距離的變化而保持線性。
5、 一種具有線性磁通密度的磁體，所述磁體被用于測量距離的傳感器中， 其特征在于所述磁體被配置成左表面高于其右表面，且其頂表面傾斜，所述 磁體被配置成具有矩形形狀。
6、 如權利要求5所述的磁體，其特征在于構成所述磁體的N極或S極 根據(jù)沿直線變化的距離的變化而產生線性磁通密度，所述直線遠離所述磁體的 N極或S極的表面一預定距離，并形成于點A和任意點B之間，如圖5a所示。
7、 如權利要求6所述的磁體，其特征在于構成所述磁體的N極或S極 被磁化成使得所述磁體的左表面和右表面的相應寬度比為1~2: 2~4。
8、 如權利要求7所述的磁體，其特征在于所述磁體的所述磁通密度隨所 述磁體的N極或S極的表面線性地變化。
9、 如權利要求5-8中任一所述的磁體，其特征在于所述磁體的所述磁通 密度由基于沿著直線變化的距離的傳感器測量，所述直線遠離所述磁體的N極 或S極的表面一預定距離并形成于點A和任意點B之間，如圖5a所示，所述磁通密度隨距離的變化而保持線性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有線性磁通密度的磁體，該磁體磁通密度線性地變化。尤指一種具有線性磁通密度的磁體，通過改變其磁體的形狀和磁化模式，使用磁通傳感器可以精確測量出與相對磁體線性變化的位移成比例的位移，因而使得磁通密度對應于位移線性地(或直線地)變化。本發(fā)明磁體配置成矩狀形狀或梯形形狀，以便通過使用磁通傳感器更精確地測量與相對磁體線性變化的位移成比例的位移，同時也使得磁通密度值對應于矩形形狀或梯形形狀的磁化模式線性地(直線地)變化。
文檔編號H01F7/02GK101395681SQ200780007282
公開日2009年3月25日 申請日期2007年1月3日 優(yōu)先權日2006年1月10日
發(fā)明者金時煥 申請人:(株)慶東Network