專(zhuān)利名稱(chēng)：包括磁化軸的傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及傳感器，尤其涉及包括磁化軸的傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在具有轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)的控制中，轉(zhuǎn)矩是感興趣的基本參數(shù)。于是， 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于感測(cè)施加到轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩的傳感器。不與轉(zhuǎn)軸接觸的 傳感器是期望的。非接觸傳感器可以產(chǎn)生和/或監(jiān)視與施加到軸上的轉(zhuǎn) 矩成比例的圍繞轉(zhuǎn)軸的磁場(chǎng)。
在一種已知配置中，可以沿著圓周磁化轉(zhuǎn)軸或它的一個(gè)或多個(gè)軸 向部分，即，在沿著與軸心同軸的圓形路徑的單個(gè)方向上磁極化轉(zhuǎn)軸 或它的一個(gè)或多個(gè)軸向部分。當(dāng)軸受到零轉(zhuǎn)矩時(shí)，由軸建立的磁場(chǎng)不 包括軸心方向上的分量。當(dāng)將轉(zhuǎn)矩施加到軸上時(shí)，圓周磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)矩 增大而越來(lái)越變成螺旋狀的。施加轉(zhuǎn)矩所引起的螺旋狀磁化包括軸心 方向上的軸向分量和圓周分量。軸向分量可以與施加的轉(zhuǎn)矩直接成比 例。位于軸附近的磁傳感器可以檢測(cè)軸向分量，并且提供指示施加到 軸上的轉(zhuǎn)矩水平的輸出。
在這樣的實(shí)施例中，軸的適當(dāng)磁化是操作的關(guān)鍵。系統(tǒng)中磁化軸 或組裝軸過(guò)程中的制造誤差可以導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)完全失敗。此外，軸
磁化可能隨時(shí)間而變?nèi)?。但是，?dāng)軸處在零轉(zhuǎn)矩時(shí)可感測(cè)軸向場(chǎng)分量 的缺乏不允許用于確定軸是否被適當(dāng)磁化或甚至究竟是否被磁化的 簡(jiǎn)單無(wú)源外部裝置。
提供在零轉(zhuǎn)矩具有靜軸向磁場(chǎng)的傳感器的一種已知手段涉及在 軸處在預(yù)定轉(zhuǎn)矩下的同時(shí)沿著圓周磁化軸。由于圓周場(chǎng)是在存在預(yù)定 轉(zhuǎn)矩的情況下感應(yīng)的，在磁化期間施加的轉(zhuǎn)矩下，出現(xiàn)不可測(cè)的軸向 場(chǎng)分量，并且，當(dāng)去除軸上的轉(zhuǎn)矩時(shí)，圓周場(chǎng)歪斜，導(dǎo)致靜軸向場(chǎng)分 量。盡管這樣的配置允許在零轉(zhuǎn)矩下的診斷，但也存在幾種缺陷。例 如，在預(yù)定轉(zhuǎn)矩下磁化軸是麻煩和昂貴的過(guò)程，不允許容易的大規(guī)才莫 生產(chǎn)。
另外，沿著圓周磁化的配置可能只允許測(cè)量轉(zhuǎn)矩，而不能測(cè)量位 置或速度。在一些應(yīng)用中，可能希望傳感器也能(或可替代地)利用 一組相同的電子線路來(lái)提供位置和/或速度感測(cè)。
于是，需要一種包括可以有效和成本劃算生產(chǎn)的在零轉(zhuǎn)矩下提供 可測(cè)量軸向場(chǎng)分量的磁化軸的傳感器系統(tǒng)。還需要一種提供轉(zhuǎn)矩、位 置、和/或速度的感測(cè)的包括磁化軸的傳感器系統(tǒng)。


通過(guò)參照相同標(biāo)號(hào)表示相同部分的附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施 例進(jìn)行如下詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，在附圖
中
圖i是按照本發(fā)明的示范性系統(tǒng)的方塊圖； 圖2圖解地例示了按照本發(fā)明的示范性傳感器；
圖3是例示軸的橢圓磁化的沿著圖2的A-A線取出的圖2的軸
的剖面圖4圖解地例示了按照本發(fā)明的另一種示范性傳感器；
圖5是軸和一對(duì)電極夾的透視圖，以例示在按照本發(fā)明的軸中引 起橢圓磁化的一種方法；
圖6是圖5的軸和電極夾的頂視圖7是沿著圖6的A-A線取出的圖6的軸和電極夾的剖面圖； 圖8是軸和相對(duì)于軸傾斜的電磁體的視圖，以例示在按照本發(fā)明
的軸中引起橢圓磁化的另一種方法；
圖9是沿著圖8的A-A線取出的圖8的軸和電磁體的剖面圖； 圖IO是軸和相對(duì)于軸傾斜的永磁體的視圖，以例示在按照本發(fā)
明的軸中引起橢圓磁化的另一種方法；
圖ll是沿著圖10的A-A線取出的圖IO的軸和永磁體的剖面圖； 圖12圖解地例示了通過(guò)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)變磁場(chǎng)的AC分析，具有
兩個(gè)橢圓磁化區(qū)的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例；
圖13圖解地例示了通過(guò)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)變磁場(chǎng)的AC分析，具有
兩個(gè)橢圓磁化區(qū)的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例，以便同時(shí)監(jiān)視除了轉(zhuǎn)矩之
外的軸參數(shù)；
圖14是圖13的軸的有源區(qū)的橫剖面，例示了圖13的兩個(gè)磁通 門(mén)線圏的徑向位移的例子；
圖15是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖15A是在電極夾組件之間取出的圖15的實(shí)施例的徑向剖面
圖16是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖17是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖18是利用如圖17所示的配置磁化并包括雙差分檢測(cè)器配置的 軸的側(cè)視圖19是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖20是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖20A是穿過(guò)電極夾組件取出的圖20的實(shí)施例的徑向剖面圖21是軸和電極夾的頂視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另
一種系統(tǒng)和方法；
圖21A是穿過(guò)電極夾組件取出的圖21的實(shí)施例的徑向剖面圖； 圖22是軸和電極夾的側(cè)視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另
一種系統(tǒng)和方法；
圖22A是穿過(guò)電極夾組件取出的圖22的實(shí)施例的徑向剖面圖； 圖23是軸和電極夾的頂視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另
一種系統(tǒng)和方法；
圖23A是穿過(guò)第一對(duì)電極夾組件取出的圖23的實(shí)施例的徑向剖
面圖23B是穿過(guò)第二對(duì)電極夾組件取出的圖23的實(shí)施例的徑向剖
面圖24是軸和電極夾的頂視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖24A是圖24的實(shí)施例的透視圖25是軸和電極夾的頂視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖25A是圖25的實(shí)施例的透視圖26是軸和電極夾的頂視圖，例示了按照本發(fā)明的磁化軸的另 一種系統(tǒng)和方法；
圖26A是圖26的實(shí)施例的透視圖27是包括第一和第二有源區(qū)的按照本發(fā)明的軸的側(cè)視圖； 圖27A是例示通過(guò)分接穿過(guò)軸中心的軸向電流來(lái)建立飽和帶的
按照本發(fā)明的軸的側(cè)視圖28是例示磁化按照本發(fā)明的軸的另一種系統(tǒng)和方法的軸和電
極夾的頂視圖29是例示磁化按照本發(fā)明的軸的另一種系統(tǒng)和方法的軸和電 極夾的頂視圖30圖解地例示了接觸柱的一個(gè)實(shí)施例；
圖31是在軸中建立磁化有源區(qū)的第一示范性配置中，軸和與軸
接觸的多個(gè)接觸柱的視圖32是在軸中建立磁化有源區(qū)的第二示范性配置中，軸和與軸
接觸的多個(gè)接觸柱的視圖33圖解地例示了為了在按照本發(fā)明的軸中建立第一和第二有
源區(qū)而提供不平衡電流的一種示范性系統(tǒng)和方法；
圖34圖解地例示了按照本發(fā)明的徑向和切向磁通門(mén)線圏；
圖35圖解地例示了按照本發(fā)明的軸向磁通門(mén)線圏；
圖36圖解地例示了圍繞按照本發(fā)明的軸放置三個(gè)磁通門(mén)線圏的
示范性外殼；
圖37圖解地例示了圍繞按照本發(fā)明的軸放置四個(gè)磁通門(mén)線圏的 示范性外殼；
圖38是按照本發(fā)明的示范性傳感器的傳感器輸出與轉(zhuǎn)矩之間關(guān) 系的曲線圖39是按照本發(fā)明的示范性傳感器的傳感器輸出與軸旋轉(zhuǎn)角之 間關(guān)系的曲線圖；以及
圖40是按照本發(fā)明的示范性傳感器的傳感器輸出與軸旋轉(zhuǎn)角之 間關(guān)系的曲線圖。
盡管如下的詳細(xì)描述從參照例示性實(shí)施例著手，但它們的許多替 代、修改、和改變對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。于 是，應(yīng)該廣義地觀看要求的主題。
具體實(shí)施例方式
本文提供的描述參照各種各樣示范性實(shí)施例。應(yīng)該明白，本文描 述的實(shí)施例是通過(guò)例示的方式，而不是通過(guò)限制的方式給出的。本發(fā) 明可以不偏離發(fā)明精神和范圍地包含到多種多樣的系統(tǒng)中。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖l,圖l以方塊圖形式示出了包括按照本發(fā)明的傳感 器104的系統(tǒng)100的一個(gè)示范性實(shí)施例。如圖所示，系統(tǒng)100可以包 括控制器106和受控制器106控制的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)108和110。傳
感器104可以監(jiān)視施加到軸102上的轉(zhuǎn)矩。在一個(gè)示范性實(shí)施例中， 軸102可以與拖拉機(jī)的功率輸出軸耦合，或形成拖拉機(jī)的功率輸出軸 的一部分。代表施加到功率輸出軸上的轉(zhuǎn)矩的輸出可以從傳感器104 耦合到控制器106?？刂破骺梢允桥渲贸身憫?yīng)于傳感器輸出來(lái)控制系 統(tǒng)108和110的微控制器，例如，包括適當(dāng)編程的微處理器和相關(guān)的 存儲(chǔ)器。
在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，軸102可以與車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向軸 耦合，或形成車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向軸的一部分。傳感器104可以將代 表施加到轉(zhuǎn)向輪軸上的轉(zhuǎn)矩的輸出提供給控制器106。控制器106可 以響應(yīng)于傳感器輸出，來(lái)控制一個(gè)或多個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)108和110。例如， 系統(tǒng)108可以包括制動(dòng)受施加到轉(zhuǎn)向輪軸上的轉(zhuǎn)矩影響的自動(dòng)制動(dòng)系 統(tǒng)。如果車(chē)輛的操作人員正在做躲避動(dòng)作，則傳感器104可以感測(cè)到 超過(guò)閾值水平的施加在轉(zhuǎn)向輪軸上的轉(zhuǎn)矩。對(duì)此作出響應(yīng)，控制器106 可以將控制信號(hào)提供給自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)108。然后，制動(dòng)系統(tǒng)108可以 有選擇地管理車(chē)輛制動(dòng)器來(lái)控制車(chē)輛。系統(tǒng)110可以包括引擎響應(yīng)和 其它參數(shù)受施加在轉(zhuǎn)向輪軸上的轉(zhuǎn)矩影響的牽引控制系統(tǒng)。
圖2圖解地例示了按照本發(fā)明的傳感器104a的一個(gè)示范性實(shí)施 例。例示的示范性傳感器系統(tǒng)包括圓柱形軸102a和磁場(chǎng)傳感器205， 圓柱形軸102a包括橢圓磁化有源區(qū)202?？梢酝ㄟ^(guò)磁化兩個(gè)無(wú)源區(qū) 204和206之間的均勻軸的一部分來(lái)建立有源區(qū)202。軸10h可以由 磁阻材料制成，所述磁阻材料能夠保持重復(fù)施加轉(zhuǎn)矩之后在其中引起 的磁化，并當(dāng)轉(zhuǎn)矩減小到零時(shí)使磁化返回到極化時(shí)建立的方向。呈現(xiàn) 這些特性的多種材料對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是眾所周知的。 在美國(guó)專(zhuān)利第6，553，847號(hào)中詳細(xì)描述了用于制成軸的一些示范性材 料，其教導(dǎo)在這里通過(guò)引用而并入。
可與本發(fā)明結(jié)合在一起使用的磁場(chǎng)傳感器205的多種配置對(duì)于 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)也是眾所周知的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中， 磁場(chǎng)傳感器可以配置成磁通門(mén)傳感器。根據(jù)感測(cè)的場(chǎng)的水平，也可以 或可替代地使用霍爾效應(yīng)傳感器。
繼續(xù)參照?qǐng)D2，按照本發(fā)明，當(dāng)軸在零轉(zhuǎn)矩下時(shí)，可以橢圓地磁 化有源區(qū)202。正如本文使用的那樣，"橢圓地磁化"和"橢圓磁化，，指 的是在圍繞軸的非圓形的橢圓路徑中以相對(duì)于軸的中心線的斜角建 立的軸的磁極化。例如，如圖所示，有源區(qū)202可以在相對(duì)于軸的中 心線212的斜角e由箭頭B所指的方向上極化。在一個(gè)實(shí)施例中，可 以給予極化方向在大約10°和大約80°之間的角度0的橢圓磁化。但是， 應(yīng)該明白，盡管角度e在圖2中被例示成小于90°,但根據(jù)橢圓磁化的 所需取向，角度0也可以大于90°，并可被選擇成在零轉(zhuǎn)矩建立所需幅 度的軸向分量250。此外，有源區(qū)可以在基本上與磁化B的方向平行 的第一端240與第二端242之間，在軸的軸向范圍上擴(kuò)展?？梢愿鶕?jù) 應(yīng)用來(lái)選擇有源區(qū)的軸向范圍，例如，以適應(yīng)軸的軸向位置上的制造 或操作容限。
橢圓磁化有源區(qū)202建立包括非零軸向分量250的磁場(chǎng)，當(dāng)軸 102處于零轉(zhuǎn)矩時(shí)，非零軸向分量250可被磁場(chǎng)傳感器感測(cè)。這允許 保證軸102的適當(dāng)磁化、安裝和/或校準(zhǔn)的診斷測(cè)試。當(dāng)以任何方向上 將轉(zhuǎn)矩施加到軸上時(shí)，橢圓磁化可從它在零轉(zhuǎn)矩下的原始位置歪斜， 導(dǎo)致磁場(chǎng)的軸向分量的幅度發(fā)生變化。磁場(chǎng)的軸向分量的變化可以與 施加的轉(zhuǎn)矩成比例。磁場(chǎng)傳感器205可以感測(cè)軸向分量的幅度，并且 提供代表施加到軸102上的轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)。
盡管在零轉(zhuǎn)矩感測(cè)到磁場(chǎng)的非零軸向分量250，可以校準(zhǔn)與磁場(chǎng) 傳感器205相關(guān)的電子線路以在零轉(zhuǎn)矩提供所需感測(cè)輸出。在一個(gè)實(shí) 施例中，可以將零轉(zhuǎn)矩的感測(cè)輸出設(shè)置成輸入電壓的一半。也可以將 電子線路配置成將零轉(zhuǎn)矩輸出重置成不同水平，以便允許例如保證軸 102的適當(dāng)磁化、安裝和/或校準(zhǔn)的診斷測(cè)試。
圖3是例示軸的橢圓磁化的沿著圖2的A-A線取出的圖2的軸 的剖面圖。A-A線是沿著相對(duì)于軸的中心線212成角度e的磁化方向B 取出的。這樣，軸的有源區(qū)的剖面圖是橢圓形的，例示出箭頭302所 指的有源區(qū)的橢圓磁化方向。
按照本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)可以包括具有多個(gè)磁化有源區(qū)的軸。例
如，圖4圖解地例示了包括具有第一 (202-1 )和第二 (202-2 )橢圓 磁化有源區(qū)的軸102b和相關(guān)的第一 (205-1 )和第二 ( 202-2 )磁場(chǎng)傳 感器的傳感器系統(tǒng)104b的示范性實(shí)施例。在例示的示范性實(shí)施例中， 箭頭Bl所指的有源區(qū)202-1的極化方向與箭頭B2所指的有源區(qū)202-2 的極化方向相比是反向的。為有源區(qū)提供相反磁化方向可允許利用傳 感器205-1和205-2來(lái)進(jìn)行差分感測(cè)以便于噪聲消除。盡管例示的實(shí) 施例示出了兩個(gè)有源區(qū)，但可以提供任意個(gè)有源區(qū)。另外，有源區(qū)可 以在相對(duì)于軸的中心線212的相同斜角上，或在不同角度上被橢圓磁 化。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5-7，圖5例示了在按照本發(fā)明的軸中引起橢圓磁 化的一種示范性系統(tǒng)和方法。 一般說(shuō)來(lái)，例示的示范性實(shí)施例通過(guò)在 相對(duì)于軸的中心線軸的斜角上提供穿過(guò)軸的有源區(qū)的電流來(lái)建立橢 圓磁化。圖5例示了軸102的一部分和第一 (550)和第二 (552 )電 極夾組件。第一電極夾組件550包括上夾502和下夾504。上夾502 可以包括限定軸孔的第一部分510的部分，以及下夾504可以包括限 定軸孔的第二部分512的部分。當(dāng)利用例如穿過(guò)孔514、 516、 518和 520的扣件將上夾502和下夾504接合在一起時(shí)，如圖7所示，由上 下夾部分限定的軸孔的第一部分510和第二部分512可以處在相反關(guān) 系的位置上，以限定具有橢圓形剖面的軸孔700。第二電極夾組件552 可以以與第一電極夾組件550相似的方式構(gòu)成，包括上夾506和下夾 508，它們接合在一起來(lái)限定具有橢圓形剖面的軸孔。
如圖6所示，當(dāng)?shù)谝粖A組件550的上夾502和下夾504以及第二 夾組件552的上夾506和下夾508圍繞軸102接合在一起時(shí)，第一 (550 )和第二 ( 552 )夾組件處在與橢圓磁化的預(yù)定角e相對(duì)應(yīng)的相 對(duì)于軸的中心線軸212的斜角上。電流源600可以耦合在第一和第二 電極夾組件之間，以便建立從第二夾組件到第一夾組件的箭頭所指的 流過(guò)軸的電流。電流I導(dǎo)致箭頭B所指的有源區(qū)202的橢圓磁化，并 進(jìn)一步例示在沿著圖6的A-A線取出的圖7的剖面圖中。橢圓磁化呈 現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩下的非零軸向分量。 在軸中感應(yīng)的場(chǎng)的幅度可以取決于預(yù)定應(yīng)用的要求。在一個(gè)實(shí)施
例中，可以使用400A的電流對(duì)軸進(jìn)行橢圓磁化，以便在軸表面實(shí)現(xiàn) 大約3000高斯的場(chǎng)強(qiáng)。軸磁化從軸表面到軸中心可以減小。在另一 個(gè)實(shí)施例中，電流源可以提供1，000A的電流用于橢圓磁化軸。
圖8-9例示了在按照本發(fā)明的軸中引起橢圓磁化的另一種示范 性系統(tǒng)和方法。在例示的示范性實(shí)施例中，利用處在相對(duì)于軸的中心 線212的斜角e的電磁體806將軸102磁化成包括有源區(qū)202。圖9是 沿著圖8的A-A線取出的圖8的軸和電磁體806的剖面圖，進(jìn)一步例 示了由電磁體806引起的有源區(qū)202的橢圓磁化。
圖10-11例示了在按照本發(fā)明的軸中引起橢圓磁化的另一種示 范性系統(tǒng)和方法。在例示的示范性實(shí)施例中，利用處在相對(duì)于軸的中 心線212的斜角0的永磁體1006將軸102磁化成包括有源區(qū)202。圖 ll是沿著圖IO的A-A線取出的圖IO的軸和永磁體1006的剖面圖， 進(jìn)一步例示了由永磁體1006引起的有源區(qū)202的橢圓磁化。
圖12例示了按照本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例104c。例示的 示范性實(shí)施例包括橢圓磁化的第一 (1280)和笫二 ( 1282)有源區(qū)。 可以通過(guò)提供如夾1212和1214之間的箭頭所示的從電極夾1212到 電極夾1214的電流來(lái)建立第一有源區(qū)1280。類(lèi)似地，可以通過(guò)提供 如夾1210和1208之間的箭頭所示的從電極夾1210到電極夾1208的 電流來(lái)建立第二有源區(qū)1282。傳感器140c可以包括磁通門(mén)線圏U05 和AC耦合磁強(qiáng)計(jì)1206。
在工作時(shí)，由于軸的有源區(qū)的橢圓磁化，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通門(mén)線 圏1205可以感測(cè)到交變磁極性。對(duì)于恒定的施加轉(zhuǎn)矩，磁強(qiáng)計(jì)1206 的輸出可以是振幅與施加的轉(zhuǎn)矩成比例的交變信號(hào)。交變信號(hào)的頻率 可以與軸速成比例，以便除了轉(zhuǎn)矩測(cè)量之外，還提供軸速測(cè)量。通過(guò) AC耦合磁強(qiáng)計(jì)1206，可以排除諸如常見(jiàn)模式場(chǎng)信號(hào)的任何非所需DC 或緩變磁場(chǎng)。
于是，具有橢圓磁化的傳感器104c產(chǎn)生由磁通門(mén)線圍1205感測(cè) 的時(shí)變磁場(chǎng)。只需一個(gè)磁通門(mén)線圏1205。傳感器104c的AC處理可
以排除非所需緩變常見(jiàn)模式磁場(chǎng)。因此，與傳統(tǒng)DC處理相比，可以 顯著降低信號(hào)處理的復(fù)雜性。另外，AC處理可以消除DC偏移和與 DC處理相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)噪聲(1/f噪聲)。也可以避免輸出中的DC漂 移，并且與傳統(tǒng)DC處理相比，可以改善輸出信號(hào)的信噪比(S/N)。
圖13例示了包括橢圓磁化的第一 (1380)和第二 ( 1382 )有源 區(qū)、和第一 (1302 )和第二 ( 1304 )磁通門(mén)線圏的傳感器的一個(gè)實(shí)施 例104d。第一 (1302 )和第二 ( 1304)磁通門(mén)線圏可以分別與相關(guān)的 磁強(qiáng)計(jì)1316和1311耦合。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，橢圓磁化可以產(chǎn)生由磁通門(mén) 線圏感測(cè)的時(shí)變磁場(chǎng)。除了監(jiān)視轉(zhuǎn)矩之外，圖13的傳感器104d可以 監(jiān)視諸如軸位置、軸速、和軸傳遞的動(dòng)力的參數(shù)。
磁通門(mén)線圏1302和1304可以圍繞軸放置，使得到相關(guān)磁強(qiáng)計(jì) 1316和1311的信號(hào)是時(shí)變的并相互存在90°相差。附加電路1318、 1320、 1322和1315可以直接或間接地利用磁強(qiáng)計(jì)1316和1311的輸 出之一或兩者來(lái)監(jiān)視轉(zhuǎn)矩、軸位置、軸速、和傳遞的動(dòng)力。
在例示在圖13中的示范性實(shí)施例中，^茲通門(mén)線圏1302和1304 相對(duì)于有源區(qū)1380和1382軸向隔開(kāi)，以便產(chǎn)生相互存在90M目差的 時(shí)變信號(hào)。磁通門(mén)線圏1302和1304也可以或可替代地，相對(duì)于軸沿 著圓周放置。例如，圖14例示了圍繞軸的圓周相互隔開(kāi)9()G以便提供 相互存在90M目差的時(shí)變信號(hào)的線圏1302和1304。
在工作時(shí)，()0磁強(qiáng)計(jì)1316的輸出信號(hào)可以是與從90^茲強(qiáng)計(jì)1311 輸出的時(shí)變電壓信號(hào)存在90M目差的時(shí)變電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)矩電路1318可 以接受來(lái)自磁強(qiáng)計(jì)1316和1311的輸出信號(hào)，并且在線端1350上提 供代表施加到軸上的轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)矩電路1318可以計(jì)算兩個(gè) 磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)的平方和的平方根的幅度，以便提供代表施加的轉(zhuǎn)矩 的輸出信號(hào)。
位置電路1320可以接受來(lái)自磁強(qiáng)計(jì)1316和1311兩者的輸出信 號(hào)，并且在線端1352上提供代表軸位置的輸出信號(hào)。位置電路1320 可以計(jì)算90°磁強(qiáng)計(jì)1311與()G磁強(qiáng)計(jì)1316的輸出信號(hào)比的反正切， 以便提供代表軸位置的輸出信號(hào)。
軸速電路1322可以接受來(lái)自卯。磁強(qiáng)計(jì)1311或0°磁強(qiáng)計(jì)1316 的一個(gè)輸出信號(hào)，并且在線端1354上提供代表軸速的輸出信號(hào)。軸 速電路1322可以分析輸入時(shí)變信號(hào)的頻率以確定軸速。最后，乘積 電路1315可以將轉(zhuǎn)矩電路1318的輸出信號(hào)與軸速電路1322的輸出 信號(hào)相乘，以確定通過(guò)軸傳遞的動(dòng)力。然后，可以在線端1356上提 供代表通過(guò)軸傳遞的動(dòng)力的輸出信號(hào)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí) 到提供電路1318、 1320、 1322、和1315的功能的各種電路配置。
按照本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)可以包括包括以其它或附加配置提供 的一個(gè)或多個(gè)有源區(qū)的軸。按照本發(fā)明的軸中的單個(gè)磁化有源區(qū)可以 包括至少部分相反的磁極化，以便當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將交變磁場(chǎng)極性傳遞 給與有源區(qū)相鄰放置的傳感器。單個(gè)磁化有源區(qū)中的相反磁極化可以 通過(guò)在軸向范圍軸中提供在徑向剖面中在至少部分相反方向上的電 流來(lái)建立。在這樣的配置下傳遞給傳感器的交變磁場(chǎng)可以使傳感器提 供可以用于感測(cè)軸上的轉(zhuǎn)矩、軸的旋轉(zhuǎn)和/或軸向位置、和/或軸的轉(zhuǎn) 速的正弦輸出。
轉(zhuǎn)到圖15，例如，可以利用第一和第二組電極夾組件在軸102 中形成有源區(qū)，所述電極夾組件被配置用于在有源區(qū)的第一徑向部分 中建立一般與軸心平行的由箭頭1508所指的第一電流、以及在有源 區(qū)的第二徑向部分中建立與第一電流相反的由箭頭1510所指的第二 電流。在例示的示范性實(shí)施例中，第一電極夾組件包括放置在軸上的 第一夾1500和相對(duì)于第一夾以隔開(kāi)和相反的關(guān)系放置在軸的相反側(cè) 的第二夾1502。第二電極夾組件包括放置在軸上的第一夾1504和相 對(duì)于第一夾以隔開(kāi)和相反的關(guān)系放置在軸的相反側(cè)的第二夾1506。第 一和第二電極夾組件沿著軸的長(zhǎng)度相互隔開(kāi)，以便建立有源區(qū)的軸向 長(zhǎng)度。
為了避免相鄰?qiáng)A的短路，可以利用具有隔離的地的兩個(gè)分立電流 源在例示的方向上建立電流。在各種各樣的示范性實(shí)施例中，為了簡(jiǎn)
單起見(jiàn)，未示出所述的電流源。取而代之，可以在相關(guān)電極夾上利用 "+，，和"一，，符號(hào)來(lái)指示電流源的正負(fù)端連接。如圖is所示，分立電流
源的正端可以分別與夾1500和1506連接，以及電流源的負(fù)端可以分 別與夾1502和1504連接。在夾之間的距離足夠大的配置下，可以使 用單個(gè)電流源來(lái)建立例示的電流。
圖15A是在第一和第二電極夾組件之間取出并例示有源區(qū)的徑 向剖面中的電流的方向的圖15的配置的徑向剖面圖。進(jìn)入紙面的電 流用"x，，表示，以及從紙面出來(lái)的電流用",，，表示。如圖所示，該配置 在軸的相同軸向范圍內(nèi)在相反方向上建立了電流。
軸中的相反電流可以在相同有源區(qū)中建立相反磁場(chǎng)。當(dāng)施加轉(zhuǎn)矩 時(shí)，有源區(qū)的一個(gè)部分可以建立正軸向場(chǎng)分量，而有源區(qū)的另一個(gè)部 分可以產(chǎn)生負(fù)軸向場(chǎng)分量。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，與軸相鄰放置的一個(gè)或多個(gè) 磁場(chǎng)傳感器可以感測(cè)到交變的正負(fù)場(chǎng)分量。傳感器可以提供指示軸的 轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速和/或軸位置的正弦輸出。
圖16例示了在按照本發(fā)明的軸中形成有源區(qū)的另一種電極夾配 置。如圖所示，可以利用以相對(duì)于軸心212的斜角0與軸耦合以便提 供至少部分橢圓接觸面的第一和第二組電極夾組件，在軸102中形成 有源區(qū)。在例示的示范性實(shí)施例中，第一電極夾組件包括成角度地放 置在軸上的第一夾1600、和相對(duì)于第一夾以隔開(kāi)的相反關(guān)系放置在軸 的相反側(cè)的第二夾1602，從而在第一和第二夾與軸之間提供部分橢圓 接觸面。第二電極夾組件包括成角度地放置在軸上的第一夾1604、和 相對(duì)于第一夾以隔開(kāi)的相反關(guān)系放置在軸的相反側(cè)的第二夾1606，從 而在第一和第二夾與軸之間提供部分橢圓接觸面。第一和第二電極夾 組件沿著軸的長(zhǎng)度相互隔開(kāi)，以便建立有源區(qū)的軸向長(zhǎng)度。
磁化有源區(qū)的電流可以通過(guò)將夾1600和1606與電流源的正端連 接，以及將夾1602和1604與電流源的負(fù)端連接，而在夾之間延伸的 箭頭所指的方向上建立。并且，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，交變正負(fù)場(chǎng)產(chǎn)生可以由 與軸相鄰放置的磁場(chǎng)傳感器感測(cè)的正弦場(chǎng)。傳感器可以提供指示軸的 轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速和/或軸位置的正弦輸出。在例示的實(shí)施例中，可以通過(guò)
調(diào)整角度e來(lái)調(diào)整傳感器偏移值，即，零轉(zhuǎn)矩下的傳感器輸出、以及
傳感器正弦輸出的相位和振幅。
圖17例示了在按照本發(fā)明的軸中形成第一和第二有源區(qū)的另一 種電極夾配置。在例示的示范性實(shí)施例中，如結(jié)合圖15所示和所述， 第一、第二和第三組電極夾組件可以以隔開(kāi)、相反關(guān)系與軸耦合。但 是，在圖17的實(shí)施例中，可以建立具有相反磁化的第一和第二有源 區(qū)，以l更于雙差分測(cè)量。尤其，夾1702、 1704和1710可以與單個(gè)電 流源或分立電流源的正端耦合，以及夾1700、 1706和1708可以與相 關(guān)負(fù)端連接，以建立如在夾之間所示的箭頭所指的電流。
盡管單差分感測(cè)配置可與按照本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)合在一起使用，但 在一些應(yīng)用中，差分測(cè)量可能將干擾信號(hào)當(dāng)作有效信號(hào)。例如，永磁 體產(chǎn)生差分測(cè)量可能拾取成有效信號(hào)的梯度。與永磁體相關(guān)的磁場(chǎng)可 能以非線性方式隨與磁體的距離增大而衰減。如果例如作為技工工具 的部件的永磁體位于進(jìn)行單差分測(cè)量的傳感器附近，則可能在傳感器 輸出信號(hào)中產(chǎn)生誤差。雙差分測(cè)量可以用于避免這樣的誤差。
圖18例示了包括例如利用圖17的配置和相關(guān)雙差分檢測(cè)器/磁 強(qiáng)計(jì)配置形成的第一和第二區(qū)域的軸。如圖所示，可以與各自有源區(qū) 相鄰地放置分立磁通門(mén)傳感器1802、 1804、 1806和1808,以^t在與 傳感器相鄰的箭頭所指的方向上感測(cè)磁場(chǎng)?？梢詫鞲衅鬏敵鎏峁┙o 雙差分檢測(cè)器1810，雙差分檢測(cè)器1810可以確定與每個(gè)夾組件相關(guān) 聯(lián)的傳感器輸出之間的差值之間的差值，即，差分的差分。這種雙差 分手段可以有效消除一階磁場(chǎng)梯度，并與在傳統(tǒng)差分測(cè)量的情況下增 加二倍不同，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度增加四倍。
圖19例示了在按照本發(fā)明的軸中形成第一、笫二和第三有源區(qū) 的另一種電極夾配置。在例示的示范性實(shí)施例中，如結(jié)合圖15所示 和所述，第一、第二、第三和第四組夾組件可以以隔開(kāi)、相反關(guān)系與 軸耦合。但是，在圖19的實(shí)施例中，夾1900、 1906、 l卯8和19U 可以是導(dǎo)電電極夾，而夾1902、 1904、 1910和1912可以是非導(dǎo)電夾。 夾l卯6和l卯8可以與單個(gè)電流源或分立電流源的正端耦合，以及夾 1900和1914可以與相關(guān)負(fù)端耦合，以建立如在夾之間所示的箭頭所 指的電流。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，例示電流所建立的磁化可以由例如軸向放置
在中間有源區(qū)的中心的 一個(gè)或多個(gè)傳感器感測(cè)，所述傳感器可以提供 指示轉(zhuǎn)矩、速度和/或位置的正弦輸出。
圖20例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極夾配置 的另一個(gè)示范性實(shí)施例。在例示的實(shí)施例中，第一(2002 )和第二 (2004)電極夾一般與軸102的軸平行地放置。第一電極放置在軸的 頂面上，而第二電極與第一電極相差近似180°地放置在軸的底面上。
可以通過(guò)將第一夾2002與電流源的正端連接而將第二夾2004 與電流源的負(fù)端連接，來(lái)建立用于磁化軸的有源區(qū)的電流。圖20A是 穿過(guò)第一和第二電極夾取出的圖20的配置的徑向剖面圖，箭頭例示 了有源區(qū)的徑向剖面中電流的最終方向。如圖所示，該配置建立了在 軸的相同軸向范圍內(nèi)在相反方向上的電流，并因此建立了相反方向上 的磁極性。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，與軸相鄰放置的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器可以 感測(cè)到交變的正負(fù)場(chǎng)分量。傳感器可以提供指示軸上的轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速 和/或軸位置的正弦輸出。
圖21例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極夾配置
的另一個(gè)示范性實(shí)施例。除了電極處在相對(duì)于軸心的角度e上之外，
圖21的實(shí)施例包括與圖20的配置相似的第一和第二電極夾。可以通 過(guò)將第一夾2102與電流源的正端連接以及將第二夾2104與電流源的 負(fù)端連接，來(lái)建立用于磁化軸的有源區(qū)的電流。這種配置導(dǎo)致了在軸 的相同軸向范圍內(nèi)在至少部分相反方向上在軸的表面上流動(dòng)和扭曲 的電流，并因此導(dǎo)致在軸的表面上流動(dòng)和扭曲的磁極性。并且，當(dāng)軸 旋轉(zhuǎn)時(shí)，交變磁場(chǎng)極性產(chǎn)生可以由與軸相鄰放置的磁場(chǎng)傳感器感測(cè)的 正弦場(chǎng)。傳感器可以提供指示軸上的轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速和/或軸位置的正弦
輸出。在例示的實(shí)施例中，可以通過(guò)調(diào)整角度e來(lái)調(diào)整傳感器偏移值，
即，零轉(zhuǎn)矩下的傳感器輸出、以及傳感器正弦輸出的相位和振幅。
圖22例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極夾配置 的另一個(gè)示范性實(shí)施例。除了第一(2202)、第二( 2204 )、第三(2206) 和第四(2208)電極夾一般與軸的表面平行并相互相差近似90°地配 備之外，圖22的實(shí)施例與圖20的實(shí)施例類(lèi)似?？梢酝ㄟ^(guò)將夾2204和2208與一個(gè)或多個(gè)電流源的正端連接以及將夾2202和2206與電 流源的負(fù)端連接，來(lái)建立用于磁化軸的有源區(qū)的電流。
圖22A是穿過(guò)電極夾取出的圖22的配置的徑向剖面圖，箭頭例 示了有源區(qū)的徑向剖面中電流的最終方向。如圖所示，該配置建立了 在軸的相同軸向范圍內(nèi)在相反方向上的電流，并因此建立了在軸的相 同軸向范圍內(nèi)在相反方向上的磁極性。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)一圏時(shí)，與軸相鄰放 置的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器可以感測(cè)到磁場(chǎng)極性的四次變化。傳感器 可以提供指示軸上的轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速和/或軸位置的正弦輸出。由于磁極 性的變化，正弦輸出可以具有比例如圖20的實(shí)施例更高的頻率。
圖23例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極夾配置 的另 一個(gè)示范性實(shí)施例。除了第一有源區(qū)由第一(2302 )和第二( 2304) 電極夾建立以及第二有源區(qū)由第三(2306)和第四(2308)電極夾建 立之外，圖23的實(shí)施例與圖20的實(shí)施例類(lèi)似?？梢酝ㄟ^(guò)將夾2302 和2306與一個(gè)或多個(gè)電流源的正端連接和將夾2304和2306與電流 源的負(fù)端連接，來(lái)建立用于磁化軸102的有源區(qū)的電流。圖23A是穿 過(guò)夾2306和2308取出的圖23的配置的徑向剖面圖，以及圖23B是 穿過(guò)夾2302和2304取出的圖23的配置的徑向剖面圖。
如圖所示，該配置建立了在軸的第一有源區(qū)中在相反方向上的電流， 并因此建立了在軸的第一有源區(qū)中在相反方向上的磁極性、以及在第 二有源區(qū)中在與第一有源區(qū)相反的方向上的相反電流。這種配置便于 由軸上的轉(zhuǎn)矩引起的磁通量變化的雙差分測(cè)量。
圖24和24A例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極 夾配置的另一個(gè)示范性實(shí)施例。圖24的實(shí)施例包括包括第一 (2400) 和第二 ( 2402 )夾的第 一電極夾組件和包括第一 (2406 )和第二( 2408 ) 夾的第二電極夾組件。用于磁化軸的有源區(qū)的電流可以通過(guò)如圖所 示，將電極夾與一個(gè)或多個(gè)電流源連接而在圖24中的箭頭方向上建 立。在例示的實(shí)施例中，電流可以釆取螺旋路徑，在軸的表面上90° 地流動(dòng)。
圖25和25A例示了按照本發(fā)明的電極夾配置的另 一個(gè)示范性實(shí) 施例。除了利用第一 (2502 )、第二 ( 2504 )和第三(2508)電極夾 組件來(lái)建立第一和第二有源區(qū)之外，圖25的實(shí)施例與圖24的實(shí)施例 類(lèi)似。用于磁化軸的有源區(qū)的電流可以通過(guò)如圖所示，將電極夾與一 個(gè)或多個(gè)電流源連接，而在圖25中的箭頭方向上建立。如上所述， 這種配置使雙差分測(cè)量成為可能。
圖26和26A例示了在按照本發(fā)明的軸中形成磁化有源區(qū)的電極 夾配置的另一個(gè)示范性實(shí)施例。圖26的實(shí)施例包括圍繞軸相隔60" 放置的二組三個(gè)電極。如圖所示，第一組(2602)的三個(gè)電極可以與 電流源的正端連接，以及第二組(2604)的三個(gè)電極可以與第二組的 三個(gè)電極連接，以便建立沿著圖26中的箭頭方向的電流。在這種配 置中，電流可以在軸的表面上60°地從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極，從 而建立更多磁極和更高頻的正弦輸出。
圖27例示了包括第一 (2702)和第二 ( 2704 )有源區(qū)的按照本 發(fā)明的軸，其中， 一個(gè)區(qū)域可以用于測(cè)量轉(zhuǎn)矩，而另一個(gè)區(qū)域可以用 于測(cè)量位置。轉(zhuǎn)矩區(qū)2702可以根據(jù)本文所述的任何一種方案被磁化。 位置感測(cè)區(qū)2704可以在線圈或永磁體中被磁化，以便簡(jiǎn)單地創(chuàng)建兩 個(gè)極。當(dāng)軸102旋轉(zhuǎn)時(shí)，生成不隨轉(zhuǎn)矩變化并可以用于測(cè)量軸旋轉(zhuǎn)位 置的正弦信號(hào)。
按照本發(fā)明，用于建立一個(gè)或多個(gè)磁化有源區(qū)的配置也可以在有 源區(qū)的相反側(cè)建立飽和帶。正如已知的那樣，飽和帶可被提供用于建 立有源區(qū)的強(qiáng)磁邊界，導(dǎo)致更穩(wěn)定并較少受附近含鐵物體影響的有源 區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，電流可以在例如如上所述利用電極夾組件來(lái)建 立磁化有源區(qū)之前軸向穿過(guò)軸。穿過(guò)軸的軸向電流可以在隨后建立的 有源區(qū)的任一側(cè)上建立強(qiáng)飽和帶。圖27A例示了使初始飽和電流流過(guò) 軸的中部，即，以便在例示箭頭的方向上建立飽和電流的另一個(gè)實(shí)施 例。這種配置可以用于在隨后形成的有源區(qū)的相反側(cè)上建立相反極性 的飽和帶。
飽和帶也可以利用電極夾配置來(lái)形成。例如，圖28例示了針對(duì)與圖15的實(shí)施例類(lèi)似的配置，將電極夾組件用于在有源區(qū)的相反側(cè) 上建立飽和帶的示范性配置。圖29例示了針對(duì)與圖20的實(shí)施例類(lèi)似 的配置，將電極夾組件用于在有源區(qū)的相反側(cè)上建立飽和帶的示范性 配置。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖30 -32，取代電極夾，可以將接觸柱用于建立形成 按照本發(fā)明的任何實(shí)施例的 一 個(gè)或多個(gè)有源區(qū)的電流。接觸柱可以用 于在軸中建立任何所需磁化。圖30例示了可以用于提供使電流穿過(guò) 軸的導(dǎo)電觸點(diǎn)的接觸柱3000的一個(gè)示范性實(shí)施例。柱3000可以包括 不導(dǎo)電固定板3006和導(dǎo)電接觸柱3010。可以在不導(dǎo)電固定板3006的 一部分與導(dǎo)電接觸柱3010的一部分之間配備彈簧3004，以便偏置接 觸柱3010靠在軸102上。
例如，如圖31所示，接觸柱，例如柱3102、 3104、 3106、 3108、 3110和3112可以圍繞軸耦合，與圖15的實(shí)施例類(lèi)似，以便建立沿著 箭頭方向的電流。圖31的實(shí)施例也可以用于通過(guò)相互成角度地排列 柱對(duì)并讓電流依次穿過(guò)相關(guān)對(duì)之間的軸來(lái)建立橢圓磁化。接觸柱可以 用于在軸中建立任何特征磁化。圖32例示了包括在軸的表面上分別 提供六個(gè)觸點(diǎn)3202、 3204、 3206、 3208、 3210和3212,以便建立獨(dú) 特磁特征的六個(gè)導(dǎo)電柱的一個(gè)示范性實(shí)施例。電流源可被編程成讓電 流依次穿過(guò)所選接觸柱對(duì)，以便在軸中形成磁特征，例如，沿著例示 箭頭的方向。磁特征可以用于進(jìn)行諸如轉(zhuǎn)速測(cè)量的附加非轉(zhuǎn)矩測(cè)量。 磁特征可以在軸的一 圏中提供幾個(gè)極，以便在速度感測(cè)中提供附加分
于正弦噪聲的時(shí)變信號(hào)。
并且，按照本發(fā)明的實(shí)施例可以將單個(gè)或多個(gè)電流源用于磁化軸 中的一個(gè)或多個(gè)有源區(qū)。在按照本發(fā)明的任何實(shí)施例中，分立源可以 用于平衡磁化電流或故意使磁化電流失衡，例如，以便調(diào)整傳感器增 益和偏移(在零轉(zhuǎn)矩下的輸出)。例如，如圖33所示，可以應(yīng)用分 立源3302和3304來(lái)建立如圖12所述的軸中的磁化帶。然后，可以 測(cè)量轉(zhuǎn)矩，以確定建立的偏移和增益。如果未建立所需的偏移和增益，
則可以修改源的輸出，例如，V1和/或V2，并可以測(cè)量偏移和增益。 可以重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到取得所需偏移和增益。這種手段可以用于消 除使特定軸與特定相關(guān)傳感器匹配的必要性。
一旦按照本發(fā)明磁化了軸，則可以用機(jī)械手段調(diào)節(jié)軸，以便使軸 穩(wěn)定和/或調(diào)整增益和偏移。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)振動(dòng)沖擊設(shè)備給予 軸的受控機(jī)械沖擊脈沖可以用于使軸穩(wěn)定。在另一個(gè)實(shí)施例中，分段 去磁的電磁線圏可以用于在磁化后調(diào)節(jié)軸。
在按照本發(fā)明的任何實(shí)施例中，與一個(gè)或多個(gè)有源區(qū)相關(guān)的磁場(chǎng) 分量可以由與軸相鄰放置的 一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器感測(cè)。在傳感器被 配置成磁通門(mén)傳感器的實(shí)施例中，磁通門(mén)線圏可以以與軸的徑向、軸 向和/或切向關(guān)系放置。圖34例示了徑向磁通門(mén)線圏3402和切向磁通 門(mén)線圏3404，以及圖35例示了軸向磁通門(mén)線圏3502。每個(gè)線團(tuán)可以 提供指示軸上的轉(zhuǎn)矩、軸轉(zhuǎn)速和/或軸位置的分立正弦輸出。
使用三個(gè)徑向線圏可以允許在排除常見(jiàn)模式場(chǎng)的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩 測(cè)量。例如，如圖36所示，三個(gè)徑向線圏3604、 3606和3608可以 布置在可以在軸102上滑動(dòng)以便將線圏放在軸的附近以便感測(cè)軸旋轉(zhuǎn) 時(shí)在有源區(qū)中生成的場(chǎng)的外殼3602中。來(lái)自三個(gè)線圏3604、 3606和 3608的輸出之和可被作為轉(zhuǎn)矩的指示，而線圏上的恒定場(chǎng)的綜合效應(yīng) 導(dǎo)致任何常見(jiàn)模式場(chǎng)分量的消除。在另一個(gè)實(shí)施例中，例如，如圖37 所示，可以將四個(gè)線圈3704、 3706、 3708和3710布置在在軸102上 滑動(dòng)的外殼中。修改圖37的實(shí)施例中的線圏的間隔使調(diào)整增益和偏 移成為可能。
按照本發(fā)明的傳感器可以產(chǎn)生正弦輸出，所述正弦輸出的振幅與 轉(zhuǎn)矩成比例。磁傳感器元件，例如，磁通門(mén)線圏可以安排成當(dāng)軸旋轉(zhuǎn) 時(shí)提供正弦和余弦信號(hào)。通過(guò)在磁強(qiáng)計(jì)中AC耦合輸出，可以從測(cè)量 中排除DC場(chǎng)。此外，在磁強(qiáng)計(jì)中可以對(duì)正弦和余弦輸出實(shí)現(xiàn)三角關(guān) 系，以確定轉(zhuǎn)矩和位置。具體地說(shuō)，轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)下式確定<formula>formula see original document page 22</formula>
以及位置可以通過(guò)下式確定 position = arctan(sin/cos)。
由于々(sii^+cos"只生成正數(shù)，按照本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括當(dāng)測(cè)量 負(fù)轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生負(fù)輸出的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，位置傳感器可以用于 確定瞬時(shí)轉(zhuǎn)角變化的方向。如果瞬時(shí)角度變化處在正方向，那么，轉(zhuǎn) 矩將具有第一預(yù)定極性。如果瞬時(shí)角度變化處在負(fù)方向，那么，轉(zhuǎn)矩 將具有與第一極性相反的極性。按照本發(fā)明的系統(tǒng)也可以或可替代地 使用通過(guò)特定線圏放置拾取的信號(hào)的DC平均值。如果正弦(轉(zhuǎn)矩相 關(guān))的DC平均值是正的，那么，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)矩是正的。如果DC平 均值是負(fù)的，那么，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)矩是負(fù)的。
正弦/余弦關(guān)系可以允許使用 一組電子線路(例如， 一個(gè)ASIC(專(zhuān) 用集成電路))來(lái)獲取位置和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速可以通過(guò)例如計(jì)數(shù)峰值振幅 的出現(xiàn)率而從一種正弦波中獲取。正弦/余弦關(guān)系也可以用于診斷。任 何對(duì)感測(cè)的正弦/余弦關(guān)系的偏離都可能觸發(fā)診斷信號(hào)。
按照本發(fā)明的傳感器也可以包括防老化算法。磁體(軟或硬材料) 可能隨時(shí)間和溫度而老化。這種變化在許多應(yīng)用中可能很小，并是可 接受的，但在某種關(guān)鍵性應(yīng)用中，這可能是不可接受的。按照本發(fā)明 的傳感器可以根據(jù)來(lái)自提供不隨轉(zhuǎn)矩改變的正弦輸出的一個(gè)或多個(gè) 線圏的參考信號(hào)，來(lái)校正正弦振幅(或所得計(jì)算轉(zhuǎn)矩)。例如，用于 在圖27的實(shí)施例中測(cè)量位置的萬(wàn)茲化帶2704可以產(chǎn)生振幅不隨施加的 轉(zhuǎn)矩變化但隨老化變化的正弦波。這種振幅隨老化的變化可以用作隨 著老化校正傳感器轉(zhuǎn)矩輸出的參考信號(hào)。例如，可以以相對(duì)于參考信 號(hào)的恒定比率來(lái)保持傳感器轉(zhuǎn)矩輸出的振幅。按照本發(fā)明的任何實(shí)施 例可以包含利用不隨轉(zhuǎn)矩變化的傳感器輸出的防老化算法。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖38 - 40，圖38 - 40為包括如圖20所示磁化的單個(gè) 磁化有源區(qū)和包括有源區(qū)的相反側(cè)上的第 一和第二徑向場(chǎng)線圏和有 源區(qū)的相反側(cè)上的第一和第二切向線圏的實(shí)施例提供了傳感器輸出 與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角之間關(guān)系的曲線圖。每個(gè)線圍可以處在有源區(qū)的中心，
線圏中心線處在離軸表面大約6mm的位置上。徑向和切向線團(tuán)輸出 的差分測(cè)量可以用于排除常見(jiàn)模式場(chǎng)。
圖38中的曲線3802例示了對(duì)于源自徑向線圏的正弦輸出，峰峰 輸出振幅與施加的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，以及曲線3804例示了對(duì)于源自 切向線圏的正弦輸出，峰峰輸出振幅與施加的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。如圖 所示，對(duì)于徑向和切向線圏兩者，輸出值基本上隨施加的轉(zhuǎn)矩線性變 化。
圖39包括對(duì)于-5.0 NM、 -2.5 NM、 0 NM、 2.5 NM、和5.0 NM 的施加轉(zhuǎn)矩，徑向線圏輸出與軸轉(zhuǎn)角之間關(guān)系的曲線3900。這些曲線 呈現(xiàn)峰到峰振幅隨轉(zhuǎn)矩增大而增大。圖40包括對(duì)于-5.0 NM、-2.5 NM、 0NM、 2.5NM、和5.0NM的施加轉(zhuǎn)矩，切向線圈輸出與軸轉(zhuǎn)角之間 關(guān)系的曲線4000。這些曲線呈現(xiàn)峰到峰振幅隨轉(zhuǎn)矩增大而增大，以及 不同轉(zhuǎn)矩值之間的相移。例如，曲線4004與5.0 NM的施加轉(zhuǎn)矩相關(guān)， 而與曲線4002存在相移的曲線4004與-5.0 NM的施加轉(zhuǎn)矩相關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了包括如下的傳感器具有至少一 個(gè)磁化有源區(qū)的軸，所述磁化有源區(qū)具有至少部分相反的磁極化；和 與有源區(qū)相鄰放置的磁傳感器。該傳感器可以配置成當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，響 應(yīng)于相反磁極化而提供正弦輸出。該正弦輸出可以代表施加在軸上的 轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了在用在監(jiān)視施加到軸上的轉(zhuǎn)矩 的傳感器系統(tǒng)中的磁阻軸中引起磁化的方法，該方法包括引導(dǎo)電流在 不是單個(gè)軸向的方向上穿過(guò)軸的軸向范圍。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了包括如下的傳感器具有存在 橢圓磁化的至少一個(gè)磁化有源區(qū)的軸；和配置成感測(cè)圍繞軸的磁場(chǎng)的 磁傳感器。該磁場(chǎng)可以代表施加在軸上的轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了包括如下的傳感器具有至少 一個(gè)磁化有源區(qū)的軸；圍繞軸放置并與笫一磁強(qiáng)計(jì)耦合并被配置成當(dāng) 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)提供第一正弦信號(hào)的第一磁通門(mén)線團(tuán)；圍繞軸放置并被配置 成當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)提供第二正弦信號(hào)的第二磁通門(mén)線圏，第二正弦信號(hào)與 第一正弦信號(hào)在相位上相差90G;和被配置成接收第一和第二正弦信 號(hào)并提供代表施加在軸上的轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)矩電路。
本發(fā)明的其它方面在前面的描述和相關(guān)圖形中給出。本文應(yīng)用的 術(shù)語(yǔ)和措詞用作描述性術(shù)語(yǔ)，而不是限制性術(shù)語(yǔ)，在使用這樣的術(shù)語(yǔ) 和措詞時(shí)，無(wú)意排斥所示和所述的特征(或它們的一些部分)的任何 等效物，并且，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)作出各種各 樣的修改。此外，本文公開(kāi)的各種各樣特征和方面可以相互組合。所 有這樣的改變和組合都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。還可以作出其它修改、 改變、或替代。于是，權(quán)利要求書(shū)旨在涵蓋所有這樣的等效物。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，包含具有至少一個(gè)磁化有源區(qū)的軸，所述至少一個(gè)磁化有源區(qū)具有至少部分相反的磁極化；和與所述有源區(qū)相鄰放置并被配置成當(dāng)所述軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，響應(yīng)于所述相反磁極化而提供正弦輸出的磁傳感器，所述正弦輸出代表施加到所述軸上的轉(zhuǎn)矩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述正弦信號(hào)的振幅 代表所述軸的旋轉(zhuǎn)位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述正弦信號(hào)的頻率 代表所述軸的速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述軸包含在所述有 源區(qū)的相反側(cè)上的磁化飽和帶。
5. —種在用在監(jiān)視施加到軸上的轉(zhuǎn)矩的傳感器系統(tǒng)中的磁阻軸中引起磁化的方法，所述方法包含在不是單個(gè)軸向的方向上引導(dǎo)電流穿過(guò)軸的軸向范圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法包含引導(dǎo)電流以相 對(duì)于軸心的斜角穿過(guò)所述軸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述斜角在大約10°到 8()G之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法包含引導(dǎo)第一和第 二電流在至少部分相反的方向上穿過(guò)所述軸的所述軸向范圍。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法包含引導(dǎo)第一和第 二電流在至少部分相反的圓周方向上穿過(guò)所述軸向范圍。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法包含引導(dǎo)第一和笫 二電流在至少部分相反的軸向上穿過(guò)所述軸向范圍。
11. 一種傳感器，包含具有至少一個(gè)磁化有源區(qū)的軸，所述至少一個(gè)有源區(qū)具有橢圓磁 化；和被配置成感測(cè)圍繞所述軸的磁場(chǎng)的磁傳感器，所述磁場(chǎng)代表施加 到所述軸上的轉(zhuǎn)矩。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中，所述橢圓磁化具有 在施加到所述軸的零轉(zhuǎn)矩下沿所述軸的中心線軸引導(dǎo)的非零軸向分 量，以及其中，所述磁傳感器被配置成感測(cè)零轉(zhuǎn)矩下的所述非零軸向 分量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中，所述橢圓磁化由在 一對(duì)電極夾之間驅(qū)動(dòng)的電流引起，所述一對(duì)電極夾被定向成相互平行 并被進(jìn)一步定向成與所述軸的中心線軸成一斜角，其中，所述橢圓磁 化具有在零轉(zhuǎn)矩下沿著所述軸的中心線軸的非零軸向分量，以及其 中，在零轉(zhuǎn)矩下的所述非零軸向分量至少部分取決于所述斜角的值。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中，所述橢圓磁化具有 在零轉(zhuǎn)矩下沿著所述軸的中心線軸的非零軸向分量，以及其中，當(dāng)所 述轉(zhuǎn)矩施加到所述軸上時(shí)，所述非零軸向分量改變。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中，由所述磁傳感器感 測(cè)的所述磁場(chǎng)當(dāng)所述軸旋轉(zhuǎn)時(shí)包含交變磁極性，以及所述磁傳感器提 供振幅代表施加到所述軸上的所述轉(zhuǎn)矩的正弦信號(hào)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器，其中，所述正弦信號(hào)的頻 率代表所述軸的速度。
17. —種傳感器，包含 具有至少一個(gè)磁化有源區(qū)的軸；圍繞所述軸放置并與第一磁強(qiáng)計(jì)耦合并被配置成當(dāng)所述軸旋轉(zhuǎn) 時(shí)提供第 一正弦信號(hào)的第 一磁通門(mén)線圏；圍繞所述軸放置并被配置成當(dāng)所述軸旋轉(zhuǎn)時(shí)提供第二正弦信號(hào) 的第二磁通門(mén)線圏，所述第二正弦信號(hào)與所述第一正弦信號(hào)在相位上 相差90°;以及被配置成接收所述第一和第二正弦信號(hào)并提供代表施加到所述 軸上的轉(zhuǎn)矩的輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)矩電路。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，其中，所述轉(zhuǎn)矩電路被配 置成計(jì)算所述第一正弦信號(hào)的平方和所述第二正弦信號(hào)的平方之和 的平方根，以便提供代表施加到所述軸上的轉(zhuǎn)矩的所述輸出信號(hào)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，進(jìn)一步包含被配置成接收 所述第一和所述第二正弦信號(hào)的至少一個(gè)并提供代表所述軸的速度 的輸出信號(hào)的軸速電路，其中，所述第一和第二正弦信號(hào)的所述至少 一個(gè)的頻率代表所述軸的所述速度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，進(jìn)一步包含用于計(jì)算所述 第二正弦信號(hào)與所述第一正弦信號(hào)之比的反正切的位置電路，其中， 所述反正切運(yùn)算的結(jié)果代表所述軸的位置。
全文摘要
傳感器(104b)包括軸(102b)和磁傳感器(205-1，205-2)。軸(102b)可以具有至少一個(gè)有源區(qū)(202-1，202-2)。磁傳感器(205-1，205-2)可被配置成感測(cè)圍繞軸(102b)的磁場(chǎng)(B1，B2)，并可以產(chǎn)生代表施加在軸(102b)上的轉(zhuǎn)矩、軸(102b)的轉(zhuǎn)速和軸(102b)的旋轉(zhuǎn)位置的輸出。
文檔編號(hào)G01L3/00GK101341383SQ200680047749
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2006年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者K·希達(dá)亞特, N·波利爾 申請(qǐng)人:石通瑞吉控制裝置公司