專利名稱：高分辨率編碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在高分辨率應用的場合使用的、設有相當多數(shù)目磁極對的編碼器，這些磁極對具有一閾值磁通密度。本發(fā)明尤其適用在傳感軸承中用作磁編碼靶，它能根據(jù)各種汽車應用的要求提供相當高分辨率的輸出信號。
本發(fā)明可根據(jù)具體的用途，用細長形編碼器或環(huán)狀編碼器或其它構形的編碼器。例如，一個細長形編碼器可以用來確定減震器桿的位置。當使用在傳感軸承中時，本發(fā)明的編碼器被設計成單件裝置，它能夠安裝在具有外軸承圈及內軸承圈的軸承上，或安裝在具有固定止推板及旋轉止推板的軸承上。本發(fā)明可以適用于多種結構的軸承，其中包括滾珠軸承、滾柱軸承、園椎滾子軸承及滾針軸承。無論是止推軸承還是徑向軸承結構均能被應用;此外園椎軸承也包括在內。具有滾動部件，帶有或不帶有定位圈或保持架或隔柵的抗摩擦軸承也包括在內，以及還包括沒有滾動部件的滑動軸承。
傳統(tǒng)的軸承編碼器采用的N-S磁極對(MPP)的數(shù)目一般遠小于最大可能的磁極對數(shù)目。磁極對的數(shù)目少將導致分辨率較低。由于對于許多與編碼器配合使用的汽車軸承產(chǎn)品來說較低分辨率尚可接受，所以，最大限度增加磁極數(shù)目的技術尚未得以正常開發(fā)。增大MPP的數(shù)目使相鄰極對的極距減小，因而也就減小了由每個MPP發(fā)出的磁通密度。因此，如果對于一個專門產(chǎn)品應用，要求一個特定的最小磁通密度時，必須注意保證不要在一個編碼器上設置太多的MPP，以免使磁通密度下降到小得不可接受的低值。保證合適的磁通密度最簡單的方法是保持相對大的極間距，這將導致MPP數(shù)目相對減少。另一方面，當對于一個專門的應用，對其分辨率的要求不嚴格時，這是不成問題的;但是，如果要求相當高的分辨率時，本發(fā)明的編碼器則是極為有用的。
現(xiàn)有技術中傳感軸承的一個典型編碼器具有的最小極間距約為0.150英寸，這相當于在直徑約為2英寸的一個環(huán)狀編碼器上約有40個磁極對?，F(xiàn)有技術的一個例子公開在美國專利US4732494中，其標題為“具有數(shù)據(jù)傳感器的軸承或滾柱軸承”，公告日為1988年3月22日，持有人為Roger Guers及Georges Godard。
本發(fā)明的編碼器提供了在可磁化體上精確定位的相當多數(shù)目的MPP，以便滿足高分辨率應用的需要。更重要的是，對每個編碼器的全部MPP數(shù)目具有一個與每個極對相對應的最優(yōu)的磁通密度。這個磁通密度-MPP數(shù)的組合對于專門的應用，例如軸承，具有單一的及新穎的數(shù)值范圍。描述該磁通相對于極間距關系的方程式為Fr＝(K1)(X)-(K2)(140X2)+(K3)(7920X3)式中K1＝158至1056高斯/英寸K2＝158至1056高斯/英寸2K3＝158至1056高斯/英寸3
X＝相鄰MPP之間的極間距，及Fr為當K1，K2及K3數(shù)值相等時，在+20℃溫度下的標準磁通密度范圍(單位為高斯)。
該方程式適用于編碼器的外表面與傳感器的傳感部分之間的氣隙為0.036英寸的情況。這里所有磁通密度都是利用一個霍耳傳感器對0.036英寸的相同尺寸氣隙測量的。該方程式也適用于大多數(shù)磁性材料，例如鐵酸鍶(Strontiumferrite)，鐵酸鋇(barium ferrite)，釤鈷(Samarium-cobalt)或釹鐵硼(neodymium-lron-boron)。
一個環(huán)形編碼器的MPP數(shù)可以方便地確定，因為MPP數(shù)＝(D)(T)/X式中D＝環(huán)形編碼器的直徑，及X＝極間距簡言之，本發(fā)明的編碼器包括一可磁化體，沿該可磁化體以等距離布置多個磁極對(MPP)。該編碼器的MPP數(shù)目較高，其中每個MPP具有一個預定的最小值或閾值磁通密度。這個數(shù)值是重要的，例如，以保證一個安裝在編碼器附近的霍耳傳感器通過一個空氣隙進行接通與關斷，該空氣隙對于具體產(chǎn)品的構造具有某一最大值。這個相當多數(shù)目的MPP，其中每個具有一個最小值或閾值磁通密度，為產(chǎn)品提供了相當高的分辨率性能。
使編碼器磁化的方法包括以下的步驟(a)研究具體應用的技術條件，確定為得到所需分辨率的磁極對(MPP)數(shù)目，并確定哪種編碼器結構最適于該具體應用;
(b)確定與用于該具體應用的該具體編碼器構造相應的最大空氣隙;
(c)確定，用于保證在通過最大空氣氣隙的條件下，及加上其它任何已知變量的最劣條件(如溫度)時，能使傳感器開通與關斷的最小或閾值磁通密度;
(d)確定哪種磁性材料能滿足制造該編碼器的要求，這樣就能在該編碼器上布置足夠數(shù)目的MPP，每個MPP具有精確的位置，并且其磁通密度至少等于上述步驟(c)所確定的數(shù)值，以便能滿足專門應用的高分辨率的要求;
(e)在由上述步驟(d)確定出的符合要求的一組磁性材料中進行選擇，以選出最佳的材料，它具有最經(jīng)濟的成本效益并能滿足該具體應用的性能要求;及(f)將在上述步驟(e)中選出的最佳材料制成的環(huán)形體進行磁化，使其至少具有對于該專門高分辨率的應用所需的MPP數(shù)目，以致使每個MPP具有的磁通密度至少等于在上述步驟(c)中確定的數(shù)值。
參照以下的詳細說明及附圖，將使本發(fā)明及其許多優(yōu)點能進一步為人理解。其附圖為

圖1本發(fā)明的一個細長形編碼器的透視圖;
圖2本發(fā)明的適用于止推軸承的環(huán)形編碼器的透視圖;
圖3一個環(huán)形編碼器的軸端視圖，它表示沿徑向軸承中編碼器的園周布置的磁極對;
圖4圖2中編碼器的徑向側視圖，說明在止推軸承中使用的編碼器磁極對發(fā)出的磁通;
圖5由圖1至4所示編碼器產(chǎn)生的磁通密度正弦輸出曲線圖，及圖6對于相應的磁通密度能夠得到的最小極間距的曲線圖。
參照附圖，尤其是圖1及圖2，本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括一個編碼器20，它可具有如圖1所示的細長形結構，或是具有如圖2所示的環(huán)形結構。在每種情況下，編碼器20具有沿該編碼器等距離定位的多個磁極對(MPP)22。該編碼器必須是用一種金屬性的可磁化材料制成。優(yōu)選的材料是“填充”了高性能可磁化材料的合成材料，例如鐵酸鍶或鐵酸鋇。其它能提供單位材料體積高磁通密度的填充材料也可使用，例如釹鐵硼或釤鈷，但是鐵酸鍶及鐵酸鋇能以低成本提供足夠的磁通密度，因而從成本-效益的觀點來看應予優(yōu)先。“填充系數(shù)”是可磁化材料填充到編碼器中的體積百分比。例如填充系數(shù)為33%鐵酸鍶的合成樹脂編碼器由占體積33%的鐵酸鍶及占體積67%的合成樹脂組成。磁通密度與充填系數(shù)的關系是非常線性及成正比的。例如充填系數(shù)為33%的鐵酸鍶編碼器具有的磁通密度(F33)，將根據(jù)下列方程式隨充填系數(shù)變化F＝(K/0.33)×(F33)式中，F(xiàn)為以充填系數(shù)K修正的磁通密度，F(xiàn)33為充填系數(shù)是33%的磁通密度，K為編碼器的充填系數(shù)。
充填系數(shù)為80%的一編碼器具有的磁通密度大約為充填系數(shù)為40%的類似編碼器磁通密度的二倍。此外，如果由釹鐵硼作成的編碼器的磁通密度大約為具有同樣充填系數(shù)的、由鐵酸鍶作成的類似編碼器磁通密度的1.6倍的話，則具有100%充填系數(shù)的釹鐵硼編碼器的具有的磁通密度為具有33%充填系數(shù)的鐵酸鍶編碼器磁通密度的1.6/0.33倍，或約4.8倍。
依產(chǎn)品結構MPP可以在各種方向上取向。圖3及4分別描繪了典型的用于徑向軸承的及止推軸承的編碼器上的MPP的定向。磁場33在圖3及4上用虛線示出。對于徑向軸承編碼器，其峰值磁通量33從編碼器沿徑向向外伸展，如圖3所示。相反地，圖4中的止推軸承編碼器具有的最大磁通密度是由編碼器軸向發(fā)出的。磁場最密的部分一般取向在磁通檢測器或傳感器的方向上，以便使得用于專門產(chǎn)品構造的傳感器的靈敏度最好。傳感器本身的取向在一定程度上依賴于所使用的傳感器的類型;例如，一個安裝在一集成電路(I.C)芯片上的霍耳傳感器相對于被傳感的編碼器的表面垂直地安裝。與其相比，安裝在-I.C.芯片上的磁阻傳感器應相對于霍耳傳感器芯片的取向旋轉90度，以便能最佳地檢測編碼器的磁通。如以上討論的，這里所提供的磁通密度數(shù)值是由利用霍耳傳感器產(chǎn)生的，它的傳感部分被定位在距被測編碼器表面約0.036英寸處。
磁通密度的大小必須使傳感器足以在最劣條件下對磁通檢測，該最劣條件也就是最高溫度，編碼器及傳感器之間的最大空氣隙。能被控制、以提供所需閾值磁通密度的基本因素是填充系數(shù)，它是在合成基體材料中填充的按體積計算的可磁化材料的量。
使編碼器磁化的方法包括與以上所述相同的基本步驟。
不同的產(chǎn)品及應用具有不同的分辨率的要求。在討論編碼器的分辨率時，關鍵的參數(shù)是磁極對(MPP)數(shù)目，它與極間距是緊密相關的。圖5參照由MPP產(chǎn)生的磁場來說明極間距的意義;此外，在圖3及4中用字母“X”表示極間距大小。極間距指的是相鄰MPP之間的距離，也即從一個N極的磁通密度峰值到相鄰的S極的磁通密度峰值的距離。決定對一專門應用采用哪一種構造的編碼器除分辨率外還涉及許多因素。例如，在一個傳感軸承產(chǎn)品的應用中，必須考慮是徑向軸承還是止推軸承。此外，由軸承承受的負載推算出要使用的軸承類型，即滾珠軸承或滾柱軸承等。其他因素可包括使用或根本不使用滾動部件，如果使用時，需知使用的是一個定位圈或保持架還是隔柵。最后，但并非不重要的，最終的因素是最佳產(chǎn)品結構能否采用提供所需分辨率的編碼器的結構。如果不能，必須選取另外的產(chǎn)品結構。
除分辨率的要求外，另外必須滿足的條件是磁通的要求。即使MPP的數(shù)目能滿足某一分辨率的要求，每個MPP還必須在最劣條件下的具有最小或閾值磁通密度，以便保證所使用的傳感器能檢測出該磁通并產(chǎn)生出足夠大的做為結果的輸出信號。例如，如果一個產(chǎn)品必須工作的溫度范圍是已知的，用其可能的最高溫度計算磁通密度，因為磁通密度根據(jù)下式隨溫度的增加而降低
Ft＝(Fr)｛1-(K)(＾T)｝式中Ft為對于真實溫度修正的磁通密度;Fr為在參考溫度下的磁通密度;K為專門材料的熱系數(shù)，及＾T為真實溫度減去參考溫度的值。
對于鐵酸鍶及鐵酸鋇，其熱系數(shù)約為每攝氏度0.18%;因而用于鐵酸鍶及鐵酸鋇的方程式為Ft＝(Fr)｛1-(0.18%/每攝氏度)(＾T)｝因而，如果閾值磁通密度是在產(chǎn)品經(jīng)受的最高溫度下給出時，則該傳感器能在最劣溫度條件下提供合適的輸出信號。除去溫度外，其它任何能影響磁通密度的因素在決定閾值磁通密度時作類似的考慮。
然后考慮可磁化材料，以便確定哪種材料對于提供由上述步驟(a)至(c)獲得的MPP數(shù)及磁通密度的組合是最佳的。各種稀土磁鐵，例如釹鐵硼磁鐵，能以最少量的材料提供特別強的磁通密度;然而它們的成本高于某些磁性較差的材料，例如鐵酸鍶與鐵酸鋇。能滿足分辨率需要的最便宜的材料通常選作為最佳材料。
例如，在許多涉及汽車的應用中，由鐵酸鍶或鐵酸鋇制作的編碼器通常能提供足夠多的MPP數(shù)目及合適的磁通密度;因此，在這些應用中可以使用這些材料替代磁性較強的，但更貴的材料，如釤鈷。
一旦材料被選好，就使材料成型為所需的編碼器構形，并按要獲得所需分辨率必須的MPP數(shù)目將該材料磁化。例如如圖2至4的編碼器中的一個環(huán)形編碼器，可以是在鐵酸鍶材料的直徑為2.6英寸的園環(huán)中磁化上360個MPP。該編碼器能夠在距離磁鐵表面約0.036英寸的距離處提供約10高斯的磁通密度。該編碼器的極間距約為0.023英寸，其厚度(T)為0.028英寸。
編碼器的厚度(T)是一個重要的變量，因為在編碼器材料用量固定時，通過優(yōu)化編碼器厚度與極間距的比例，可以使該編碼器產(chǎn)生的磁通達到一最大值。本發(fā)明者所作出的研究表明該比例約1.25為最佳，也即，該編碼器的厚度必須是極間距尺寸的1.25倍左右。對于許多產(chǎn)品應用，該比例的范圍在1.25+/-25%內是可以接受的。圖3及圖4分別標明了在徑向軸承及止推軸承中使用的環(huán)狀編碼器的厚度(T)及極間距(X)。
圖6表示上文討論過的最佳磁極間距離與磁通密度關系的曲線。對于已知空氣氣隙所需的閾值磁通密度，可利用該曲線確定可使用的最大極間距。這個極間距就提供了特定的MPP數(shù)目。例如，一旦對于給定磁通密度的極間距被確定，就能在一環(huán)狀編碼器上磁化的MPP數(shù)目可以利用下式進行計算MPP數(shù)目＝(D)(T)/X式中D為環(huán)狀編碼器的直徑，X為極間距。
對于專門的編碼器，在給定磁通密度時，計算出的MPP數(shù)目的80%至100%的范圍被認為是對現(xiàn)有技術的改進。圖6中的曲線是充填系數(shù)為33%的鐵酸鍶作成的合成樹脂編碼器的曲線。磁通密度的測量是當編碼器的外表面與霍耳傳感器傳感部分之間的空氣氣隙為0.036英寸時，在+20℃時作出的。
權利要求
1.一種編碼器，其特征在于具有一定厚度及寬度的一個可磁化體，及沿該可磁化體等距離地布置多個磁極對(MPP)，所述MPP在相鄰極對間存在一極間距，所述極間距的取值范圍從約0.010英寸至約0.050英寸的數(shù)值范圍，每個所述MPP具有的參考磁通密度(Fr)的值，在距所述編碼器表面0.036英寸的距離處、在約+20℃溫度時是在約2高斯至約700高斯的范圍中。每個所述Fr值根據(jù)下式與極間距值的取值范圍有關Fr=(K1)(X)-(K2)(140X2)+(K3)(7920X3)式中K1=158至1056高斯/英寸K2=158至1056高斯/英寸2K3=158至1056高斯/英寸3X=相鄰MPP之間的極間距，及Fr為當K1，K2及K3數(shù)值相等時，在+20℃溫度下的參考磁通密度范圍(單位為高斯)。
2.根據(jù)權利要求1的一種編碼器，其特征在于所述溫度在約攝氏-40°至約攝氏+200°的范圍中變化，所述參考磁通密度(Fr)根據(jù)下式隨溫度變化Ft＝(Fr)｛1-(K4)(＾T)｝式中Fr為在20℃時的參考磁通密度(單位為高斯);Ft為某一溫度時的磁通密度;＾T為真實溫度減去20℃的差;及K4為對于所述可磁化體的溫度系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1的一種編碼器，其特征在于取所述厚度等于極間距的1.25倍使所述的磁化體的厚度優(yōu)化，它相當于使可磁化體厚度在約0.0125英寸到約0.0625英寸的范圍內取值。
4.根據(jù)權利要求3的一種編碼器，其特征在于所述厚度系數(shù)變化為+/-25%。
5.一種編碼器，其特征在于一可磁化體由鐵酸鍶及鐵酸鋇形成的材料組中的一種材料制成，其填充系數(shù)為33%，所述磁化體有一定厚度和寬度，沿該可磁化體等距離地布置多個磁極對(MPP)，所述MPP的相鄰極對間存在一極間距，所述極間距的取值范圍約0.010英寸至約0.050英寸，每個所述MPP在距所述編碼器表面0.036英寸的距離處，約+20℃溫度時具有的磁通密度(Fr)的值，在約2高斯至約158高斯的范圍內，所述每個Fr值根據(jù)下式與極間距值的取值范圍相關Fr＝(K5)(X)-(K6)(140X2)+(K7)(7920X3)式中K5為158至230高斯/英寸;K6為158至230高斯/英寸2;K7為158至230高斯/英寸3;X為相鄰MPP之間的極間距;及Fr為當K5，K6及K7數(shù)值相等時，在+20℃溫度下，參考磁通密度的范圍(單位為高斯)。
6.根據(jù)權利要求5的一種編碼器，其特征還在于所述溫度在約-40℃至約+200℃的范圍中變化，所述參考磁通密度(Fr)根據(jù)下式隨溫度變化Ft＝(Fr)｛1-(K8)(＾T)｝式中Fr為在20℃及填充系數(shù)為33%時的磁通密度;Ft為填充系數(shù)為33%時的特定溫度下的磁通密度;＾T為真實溫度減去20℃的差;及K8為對于鐵酸鍶或鐵酸鋇的溫度系數(shù)(每攝氏度約為0.18%)。
7.根據(jù)權利要求6的一種編碼器，其特征在于所述特定溫度的磁通密度(Ft)根據(jù)下式隨填充系數(shù)變化F＝(K9/0.33)×(Ft)式中F為特定溫度及填充系數(shù)時的磁通密度，及K9為鐵酸鍶或鐵酸鋇的真實填充系數(shù)。
8.根據(jù)權利要求5的一種編碼器，其特征在于取所述的可磁化體厚度等于極間距的1.25倍使其厚度優(yōu)化，它相當于使該可磁化體厚度在約0.0125英寸到約0.0625英寸范圍內。
9.根據(jù)權利要求8的一種編碼器，其特征在于所述厚度系數(shù)可在+/-25%內變化。
10.一種編碼器，其特征在于一環(huán)狀體由鐵酸鍶及鐵酸鋇形成的材料組中的一種材料制成，其填充系數(shù)為33%，具有多個圍繞在該環(huán)形體園周上布置的、在園周上隔開的磁極對(MPP)，并且極間距為0.010英寸，所述編碼器的外表面的直徑在約0.50英寸至8.00英寸的范圍中，每個所述的MPP在距所述編碼器表面0.036英寸的距離處，約+20℃溫度時具有的參考磁通密度(Fr)的值，在約2高斯至約158高斯的范圍內，所述每個磁極密度值根據(jù)下式與極間距值的范圍相關Fr＝(K5)(X)-(K6)(140X2)+(K7)(7920X3)式中K5為158至230高斯/英寸;K6為158至230高斯/英寸2;K7為158至230高斯/英寸3;X為相鄰MPP之間的極間距;Fr為當K5，K6及K7數(shù)值相等時，在+20℃溫度下的參考磁通密度范圍(單位為高斯);及MPP數(shù)目＝(D)(T)/X，該式中D為編碼器的直徑。
11.根據(jù)權利要求10的一種編碼器，其特征在于所述溫度在約-40℃至約+200℃的范圍內變化，及所述參考磁通密度(Fr)根據(jù)下式隨溫度變化Ft＝(Fr)｛1-(K8)(＾T)｝式中Fr為在20℃及填充系數(shù)為33%時的磁通密度;Ft為填充系數(shù)為33%時的特定溫度下的磁通密度;＾T為真實溫度減去20℃之差;及K8為對于鐵酸鍶及鐵酸鋇的溫度系數(shù)，該系數(shù)為每攝氏度0.18%。
12.根據(jù)權利要求11的一種編碼器，其特征在于所述特定溫度時的磁通密度(Ft)根據(jù)下式隨填充系數(shù)變化F＝(K9/0.33)×(Ft)式中F為特定溫度及填充系數(shù)時的磁通密度，及K9為鐵酸鍶或鐵酸鋇的真實填充系數(shù)。
13.根據(jù)權利要求10的一種編碼器，其特征在于取所述的可磁化體厚度等于極間距的1.25倍使所述厚度優(yōu)化，它相當于使該可磁化體厚度的取值范圍約為0.0125英寸到約0.0625英寸。
14.根據(jù)權利要求13的一種編碼器，其特征在于所述厚度系數(shù)變化為+/-25%。
15.一種對軸承組件中的編碼器的磁化方法，所述方法的特征在于具有下列步驟(a)研究具體應用的技術要求，以便確定為得到所需分辨率的磁極對數(shù)目，并確定哪種軸承構形最適于該具體應用;(b)確定與用于該具體應用的該專門軸承構形相關的最大空氣氣隙;(c)確定所需的閾值磁通密度，保證在最大空氣隙的條件下，能使傳感器開通與關斷;(d)確定哪種磁性材料能滿足制造該編碼器的要求，以致能在該編碼器上布置足夠數(shù)目的磁極對，每個磁極對具有精確的位置，并且其磁通密度至少等于上述步驟(c)所確定的值，以便能滿足具體應用的高分辨率的要求;(e)在由上述步驟(d)確定出的符合要求的磁性材料組中作出選擇，以選出具有最好的成本效益的最佳的材料，并能滿足該具體應用的性能要求;(f)將在上述步驟(e)中選出的最佳材料制成的環(huán)形體磁化，使其至少滿足該具體高分辨率的應用所需的磁極對數(shù)目，以致使每個磁極對的磁通密度至少等于在上述步驟(c)中確定的閾值。
全文摘要
用于諸如高分辨率傳感軸承中的編碼器，具有最佳磁通密度的多個磁極對，編碼器磁化的方法如下1.確定為達所需分辨率的磁極對數(shù)目及軸承結構；2.確定軸承產(chǎn)生的最大空氣隙；3.確定在最大氣隙條件下能使傳感器正常工作的磁極對閾值磁通密度；4.確定使編碼器具有達閾值磁通密度要求的最少磁極對數(shù)；5.選定制作編碼器的材料；6.將選定材料制成編碼器，并使其最少的磁極對能滿足閾值磁通要求。
文檔編號G01D5/14GK1050432SQ90107829
公開日1991年4月3日 申請日期1990年9月18日 優(yōu)先權日1989年9月18日
發(fā)明者邁克爾·C·布勞爾, 阿爾弗雷德·J·桑托斯 申請人:托林頓公司