专利名称：包括扭矩传感器和磁性速度传感器的功率传感器模块的制作方法
包括扭矩传感器和磁性速度传感器的功率传感器模块技术领域实施例涉及机械功率感测和机械功率测量。实施例还涉及通过将 扭矩传感器、速度传感器以及相关的元件包装在单个的壳体中而构建 功率传感器模块，从而省去冗佘并减少成本。此外，实施例还涉及具 有无线扭矩传感器和磁性速度传感器的功率传感器模块。发明背景机械经常将由发动机或马达产生的'动力用于例如钻孔或者转动车4仑的目的。同样，机才戒必须传递机械动力。机4成动力通过例如轴、盘 和齿轮的转动部件传递。例如，在轿车中发动机产生的动力必须传递力。曲轴通过离合器连接到变速器。离合器通过调节两个盘之间的摩 擦影响转动动力传递。迫使旋转盘面抵靠另 一盘面导致在接触面间传 递动力或者损失动力。有时，粘性液体会滞留在特定形成或者特定材质的两个盘面之间， 使得在两盘实际上没有接触时也传递动力。变速器通过传递动力的齿 轮组来调节动力。然后通过例如轴、盘以及齿轮更多的转动部件将动 力传送到提供原动力的车轮。轿车车轮本身可看作将动力传递到地球 表面的转动齿轮。人们经常期望知道发动机产生多大的动力。由于从发动机传递到 地面中损失了许多动力，他们还想知道每个转动部件传递多少动力以 及多少动力可用于车轮。将机械动力类似地传递到目的的任何机器都 有类似的损失。就扭矩和速度而言，可以计算出转动机械动力。扭矩是施加于产生转动的力。例如，某人使用1英尺(ft.)长的扳手通过将扳手的 一端放置在螺栓上并用100磅(lbs.)的力推其另 一端来尽力扭转螺栓。在该实例中，这个人施加了 100ft.-lbs的扭矩。对于在发 动机、马达或机械动力传递中4壬一领域中的那些技术人员而言，扭矩 是众人共知的概念。可用多种方式测量扭矩。 一种方式是测量例如转动轴的转动部件 的挠曲(flex)或者应变。在沿轴传递动力的任何时候，轴都会挠曲。传 递的动力越多，轴挠曲得越多。有时，特定设计部分的轴以测量扭矩。 短轴可制造的细一点以使其更挠曲。短轴可由挠曲不同于在轴的其余 部分使用的材料制造。代替使用更薄或者不同材料的区域，可使用和 扭矩相互作用的设备。不管轴的任何特性或区域，测量所述挠曲。用于测量挠曲的许多不同的常规技术的其中之一涉及测量轴上的 应力或应变。专利号为6,631,646的美国专利讨论了测量应变的设备。 另 一 技术涉及测量轴的两个区域之间的相对转动偏差。专利号为 6,817,528的美囯专利讨论了用于测量两个转动部件之间的相对转动 偏差的设备。因为在扭矩的影响下齿轮和盘也会挠曲，也可测量它们 之上的扭矩。而且，因为当转动部件挠曲时，整个转动部件挠曲，所以可测量 转动部件上的扭矩，甚至是转动部件上任何地方的扭矩。例如，凸缘可附着到轴上或者可作为轴的一部分形成。凸缘上的扭矩传感器可用 于测量轴上的扭矩。在发动机、马达或者机械动力传递中任一领域的 那些技术人员都知道测量被施加到转动部件上的扭矩的这些以及许 多其它方式。速度仅是筒单地表示事物前进的多快。转动速度是表示事物旋转 多快并且经常被测量每分钟的转数(rpm)。测量转速的一种方式是计算 单位时间内安装在转动部件上的标靶(target)通过静止传感器的次数。 另一方法是通常通过例如螺栓或齿轮的机械链路以正比于转动部件 的转速的速度驱动发电机，使得产生的电压是转动部件速度的函数。 在发动机、马达或者机械动力传递中任一领域中的那些技术人员知道测量转速的这些以及许多其它方式。可使用附着在转动部件上的传感器或者标靶来测量扭矩和速度。 有许多类型的转动部件。轴、齿轮、盘、螺栓、轮、飞轮、滑轮以及 绳索都是转动部件的实例。所有转动部件的共性是它们都转动。在发 动机、马达或者机械动力传递中任一领域中的那些技术人员知道这些 以及许多其它类型的转动部件。功率指在一定量的时间内产生、传输或者消耗的能量值。被转动 部件传递的动力比例于部件的转速与部件上的扭矩的乘积。下面的等式()可用来计算功率功率(hp)-转速(rpm"扭矩(ft-lbs)/5252 (1)其中，转速的单位是转数/每分钟，扭矩的单位是英尺-磅，以及功率的单位是马力。准确测量由转动部件传递的动力需要准确地测量速度和」扭矩。重型设备和其它大型机械经常包含测量速度和扭矩的传感器。一 般而言，这些机械在一个模块中进行扭矩感测而在另 一模块中进行速 度感测。这是因为机械的大小以及扭矩感测与速度感测在功能上不相 同并应单独置放的观点。此外，扭矩感测通常涉及专门的硬件以及对 机械设计的深谋远虑，然而速度感测可作为廉价的补救而被结合。结 果，可进行功率的测量，但是仅作为从速度感测模块中的一个测量和 从扭矩感测模块中的另 一测量而衍生的计算的结果。由于有效的功率测量是极端价格敏感的，因此例如汽车的一些应 用很少具有它们。功率测量的当前解决方案不适宜用于汽车发动机、 变速器以及驱动系统应用。许多类似的成本敏感性应用没有适当的方 式测量功率。大多数传感器需要承载信号和电源的电线。电源能使传感器操作。 输入信号一般承载到传感器的例如同步或者操作指令的控制信息。输 出信号一般承载到外部有足够低功率需要的传感器可无线地供电。这样的传感器经常通过感 应耦合接收电源和输入信号并且发送输出信号。因此，在本文中公开的实施例通过将扭矩传感器和速度传感器结 合在适用于许多价格敏感性应用中的单个功率传感器模块中直接解 决了常规系统和装置的缺点。发明概要因此，本实施例的一个方面是提供结合在单个的模块中的扭矩传感器和速度传感器。本实施例的另一方面是提供通过感应耦合将电磁能量传递给转动电^各的静止电路。本实施例的又 一 方面是测量转动部件的速度。本实施例的另 一 方面是提供磁性传感器以产生速度信号。本实施例的再另 一 方面是处理速度信号以产生速度测量。本实施例的额外方面是使用扭矩信号以产生扭矩测量。本实施例的又进一 步方面是从速度测量和扭矩测量产生功率测量。本实施例的另 一方面是将速度传感器和扭矩传感器封装在同 一 壳 体中。现在可如本文描述的达到上述的方面和其它目标和优点。如上所 述的，在一个方面，扭矩传感器和速度传感器结合在单个的模块中。 模块的两个主要部分是静止部分和转动部分。静止部分包括壳体、静 止电路以及速度传感器。转动部分包括用于速度传感器的标耙、扭矩 传感器以及转动电路。根据另一方面，测量例如转动电路的转动部件的速度。标耙被固 定在转动部件上。磁性速度传感器可固定在静止部分上。速度传感器 感测由标靶的移动导致的磁通量变化。可由磁性标把和/或由用于磁性偏压(magnetically bmsing)磁性速度传感器的磁体提供磁通量。速度传感器将由标靶的转动导致的磁通量变化转换为被称为速度信号的电 信号。在这种方式下，指示转动部件的速度的信号可被传到可处理信 号的外部电路中。将扭矩信号或者扭矩测量与速度信号一起处理可产 生功率测量。磁性标靶可以是例如北-南才及化环形磁体的多极磁体。通过利用位 于转动部件上的多极磁性标靶，省去了常规轴速度传感器中标靶所必需的重量、复杂性以及成本。或者，例如铁质标靶的磁性标靶可具有齿状或者槽状样式或者任 何其它类型的配置，使得标靶的转动导致磁性速度传感器处或者附近 的磁通量变化。在另一装置中，磁通量可由位于静止部分上的磁体提 供，磁体与速度传感器分离或者与速度传感器集成，用于磁性偏压速 度传感器。在这种情况下，标靶不必由磁体材料制造并且具有齿状或 者槽状样式或者任何其它类型的配置，使得标靶的转动导致在传感器 附近的磁通量变化。通过使用安装在转动部件上扭矩传感器、被固定在转动部件上的 转动电路、静止电路以及至少一个处理器来实现扭矩测量。扭矩传感 器本身可以是对于发动机、马达或者机械动力中任一领域的那些技术人员所共知的任何现有解决方案。另外，基于一个或多个SAW的传 感器可被用于扭矩感测。SAW是扭矩感测领域中相对新颖的，但是 它们展现了非常杰出的灵敏度并且便宜。另外，SAW通常需要非常 小的电源来进行驱动、控制和无线读取。根据另一方面，静止电路通过感应耦合将电磁能量传递给转动电 路。电连接至扭矩传感器的转动电路驱动扭矩传感器。感测转动部件 上扭矩的扭矩传感器产生基于所感测扭矩的扭矩传感器信号。扭矩传感器信号然后被传到转动电路上，在那里信号被转换成被转动电路发 送并且被静止电路接收的扭矩信号。静止电路将发送的扭矩信号转换 成扭矩信号并且使扭矩信号可处理。如此，指示转动部件上的扭矩的 信号可从转动扭矩传感器被传到可被处理的外部电路上。将速度信号或速度测量与扭矩信号 一起处理可产生功率测量。磁性标耙可被安装在转动电路上。通过将磁性标耙安装在转动电 路上，可减少组件和包装成本。而且，磁性速度传感器可被安装在静 止电路上，这进一步减少了成本。转动电路和静止电路可形成为印刷 电路板(PCB)。根据另一方面，可测量转动部件的速度。标靶或者被固定在转动 部件上或者被固定在转动电路上。速度传感器可被固定在静止电路 上。速度传感器探测标靶的移动。速度传感器产生被称为速度信号的 基于被探测的标靶的移动的电信号。这样，指示转动部件的速度的信 号可被传到可处理信号的外部电路上。将扭矩信号或者扭矩测量与速 度信号一起处理可产生功率测量。根据另一方面，速度传感器和扭矩传感器均可被封装在同一壳体 内。部分或者全部的壳体可以是静止的并且壳体具有让转动部件穿过 的开孔。例如，转动轴可通过壳体中的孔。或者，例如盘或者齿轮的 转动部件可被用作为部分的壳体。壳体被设计以封装功率传感器模块 的其它部分并且其还可用作其它目的。例如，壳体的一侧还可为部分 的球轴承组件。另一实例是壳体的一侧还可作为自动变速器的挠性盘(flex plate)。在本文给出的两个实例期望说明壳体或者部分的壳体可被 结合到发动机、马达、变速器或者驱动系统的其它功能部件的容易度 并且不想以任何方式限制这一方面。附图简述在附图中，同 一标号指示全部的单独视图中的同样或者功能相似 的部件并且这些图被结合在说明书中并组成说明书的一部分，结合发 明背景、发明概要以及详细描述，这些附图进一步说明了本发明，解 释了本发明的原理。
图1说明了根据优选实施例的分解图形式的功率传感器模块；图2说明了根据优选实施例的用于扭矩感测的操作流程； 图3说明了根据优选实施例的用于速度感测的操作流程； 图4说明了根据优选实施例的用于测量功率的操作流程； 图5说明了根据优选实施例的用于测量功率、速度和扭矩的操作 流程；图6说明了根据优选实施例的用于测量功率、速度和扭矩的操作 流程；图7说明了根据优选实施例的功率传感器模块； 图8说明了根据另一实施例的功率传感器模块； 图9说明了根据另一实施例的功率传感器模块； 图IO说明了根据另一实施例的功率传感器模块。详细描述附图中的图1说明了功率传感器模块100的一方面的分解图。包 括左侧壳体101和右侧壳体102的静止壳体封装了功率传感器模块的 其它部分。每侧的壳体均具有转动轴103穿过的开孔109。有多种等 效的方式构建壳体。在壳体内，转动轴103穿过静止电路107和转动 电路104。静止电路和转动电^各可形成为PCB。转动电路104被固定 在转动轴103上，使得其也可转动。扭矩传感器105也被固定在转动 轴103上。扭矩传感器105电连接至转动电路104。磁性速度传感器 108被固定在静止电路上并且标靶106被固定在转动电路上。在特定的实施例中，由同轴地被安装在转动PCB形式的转动电路 上的多极的北-南极化环形磁体组成标耙106，使得标耙的转动提供可 ^U兹性速度传感器108探测的变化的磁通量。环形磁体106被容纳在 于静止电路107面对转动电路的一侧上形成的对应的环形凹槽IIO(以 虚线示出)中，以能使转动电路104在非常靠近但标靶没有机械干扰静 止电路的情况下自由地转动。磁性速度传感器108被安装在静止电路 的相对侧上并且延伸穿过电路直到凹槽110,使得传感器可探测凹槽110内的转动环形磁体106的磁通量。图2说明了使用图1中示出的元件感测扭矩的操作方面。扭矩传 感器105产生通过直接电连接-陂传到转动电路104的扭矩传感器信 号。转动电路104将扭矩传感器信号转换成被发送给静止电路107的 所发送的扭矩信号。在该实施例中，用于发送扭矩传感器信号的电微 波传输带迹线(microstrip trace)ll被同轴地设置在转动电路104面对 静止电路的一侧(见图1)。用于接收扭矩信号的对称的微波传输带迹线 (没有示出)被布置在面对迹线111的静止电路107上。在操作期间， 转动电路104和静止电路107由大小约为1至1.5mm的小耦合器间隙 分开，且微波传输带迹线相互对齐，使得静止电路可接收发送的扭矩 信号。静止电路107然后将被发送的扭矩信号转换成扭矩信号201。 扭矩信号201可被进一步处理。静止电路107还将电磁能量发送给转 动电路104。转动电路104接收能量并且使用其驱动自己以及驱动扭 矩传感器105。扭矩传感器105可以是上述的、包括基于扭矩传感器 的SAW的广泛的扭矩传感器中的任一种。另一方面是静止电路107可将控制信号发送给转动电路104。控 制信号可被用于控制转动电路104的操作，例如，如果那些元件是部 分转动电路则调节放大器或调节器。如果扭矩传感器是具有控制信号 输入的类型，则控制信号也可^皮传到扭矩传感器。图3说明了使用在图1中示出的元件的速度感测的方面。被固定 于在图1中示出的转动轴103上的标靶106具有与转动轴103同样的 转动速度。磁性速度传感器108感测由标靶106的转动导致的磁通量 变化并且产生被称为速度信号301的电信号。在该实施例中，采用霍 尔(Hall)效应传感器作为磁性速度传感器108并且速度信号301可为一 系列的脉沖，对应于转动轴103的每次旋转，多极环形磁体的北-南极 的交变磁通量。由环形磁体106产生的磁场被静止电路107上的磁性 速度传感器108同轴地感测到。或者，例如通过将磁性速度传感器安 装在静止壳体102上可径向感测磁场。可通过处理速度信号103建立速度测量。在本实例中，处理速度信号的一种方式是计算一分钟内发生的脉冲次数并且除以多极磁体的极数。总数就是转动轴的rpm。将磁性速度传感器108安装在静止电路107上并且将标靶106安 装在转动电路104上使磁性速度传感器系统能与扭矩传感器和同一壳 体内的相关电路合并在一起以大大减少成本。而且，通过利用安装在 转动电路上的多极环形磁体或者其它磁性标靶，省去了常规轴速度传 感器中标把所必需的重量、复杂性和成本。图3意图示出速度感测的一个方面。在速度感测领域中的那些技 术人员知道许多功能等同的技术。例如，可使用具有齿状或者槽状样 式(没有示出)的铁质圆环实现类似的速度信号测量。在这 一 情况下， 速度信号301是一系列的对应于与标靶的槽或者齿有关的磁通量变化 的脉沖。也可采用其它类型的-兹性标靶。任何形状或形式的磁性标靶 可被使用使得标靶的转动导致在磁性传感器处或者附近的磁通量变 化导致，使传感器能产生需要的速度信号。例如，如果磁性标靶由位 于转动电路的一侧的磁块组成，速度信号301为一系列的脉冲， 一个 脉冲代表转动轴103的一周旋转。然后可通过计算一分钟内发生的脉 冲次数来处理速度信号。总量就是转动轴的rpm。可选地或者额外地，磁性速度传感器可以被与磁性速度传感器分 离或者为磁性速度传感器 一部分的静止电路上的磁体磁性偏压，在其 中标耙必须成形或者成样式，Y吏得标靶的转动导致磁性传感器处或者 附近的磁通量变化。在这种情况下，标靶不需要由磁性材料制造。磁性速度传感器可以是无源装置，例如基于可变磁阻装置的线圈； 可以是有源装置，例如Hall效应、磁阻或者感应装置；或者能将磁通 量变化转换成速度信号的任何其它类型的装置。磁性速度传感器可以 是由标准集成电路制造工艺产生的薄膜装置。最后，取代通过计算已 知时间段的脉冲数来获得速度，而是可用脉冲之间的时间计算速度。在图4中示出另一方面。在图4中，如在图2中示出的产生扭矩 信号并且如在图3中示出的产生速度信号。然而，在图4中，扭矩信号和速度信号都没有示出，因为它们都输入处理器401中，处理器401 使用它们产生功率测量402。处理器可以是模拟电子装置、数字电子 装置或者二者结合。处理器的显著特征是其接收至少一个信号或者测 量并且产生测量。信号和测量之间的差别是只有处理器可产生测量。在图5中示出另一方面。在图5中，如在图4中产生功率测量402。 然而，也可产生扭矩测量501和速度测量502。将扭矩信号作为输入 的处理器401产生扭矩测量501。将速度信号作为输入的不同处理器 401产生速度测量502。在图中没有示出的一个方面是单个处理器可 接收作为输入的扭矩信号和速度信号并且使用它们产生速度测量、扭 矩测量以及功率测量。在图6中示出另一方面。在图6中，如在图2中示出的产生扭矩 信号并且如在图3中示出的产生速度信号。然而，在图6中没有示出 扭矩信号因为其输入处理器40]，处理器401使用其产生扭矩测量 501。此外，在图6中没有示出速度信号因为其输入处理器401，处理 器401使用其产生速度测量502。而且，速度测量502和扭矩测量501 输入另一处理器401,处理器401使用它们产生功率测量402。图7说明了另一方面。图1以分解图形式示出设备，在其中可见 功率传感器模块的许多元件。图7说明了完全装配的功率传感器模块。 这样，由于壳体封装了功率传感器模块的其它部分，只可见左侧壳体 101、右侧壳体102以及转动轴103。图8说明了另一方面。盘901直接附着到转动轴103上。转动电 路104可附着到盘901或者附着到转动轴03上。如示出的直接安装 在盘901上的多极北-南极化环形磁体的标把106还可安装到转动电路 104上。转动电路104被示出为例如印刷电路板的圓型基片(substrate)， 在其上可安装电路元件。然而，对于一些应用，转动电路104还可作 为盘。扭矩传感器105被安装到盘901上。磁性速度传感器108和用 于容纳磁体06的凹槽110(以虚线示出)以类似于在图1中示出的第一 实施例的凹槽和磁性传感器的方式被设置在静止部分107上。左侧壳体902具有用于封装静止电路107的腔体。在一些应用中，左侧壳体 902还可以为静止电路107的基片。当图8中的功率传感器模块完全 装配时，左侧壳体902以及盘901形成封装除了伸进开孔903的转动 轴之外其它元件的壳体。图9说明了使用了齿轮1001的另一方面。齿轮IOOI是附着有转 动电路104和扭矩传感器105的转动部件。多极环形磁体形式的标靶 106被示出附着在转动电路104上，尽管标靶106可容易地附着到齿 轮1001上。转动电路104示出为例如印刷电路板的圓形基片，可将 电路元件安装在其上。然而，对一些应用，齿轮1004可以为用于转 动电路104的基片。左侧壳体1002被设计以保持静止电路107,在其 中形成标靶容纳凹槽110(以虛线示出)并且在其上安装磁性速度传感 器108。速度传感器108也可直接安装到左侧壳体1002。在一些应用 中，左侧壳体1002还可为静止电路107的基片。当功率传感器模块 完全装配时，左侧壳体1002和齿轮1004形成封装其它元件的壳体。图10说明了实施例的另一方面。其示出类似于在图1中示出的功 率传感器模块。其差别是多极圓形磁体形式的标靶106被安装在转动 电路104的后面而不是前面，^^得标靶不能干扰耦合器间隙。在该设 置中，不需要在静止电路]07上形成凹槽并且磁性速度传感器108可 安装在静止电路的表面上。可以理解上面公开的变化和其它特征、方面和功能或者其备选方 案可期望合并于许多其它不同的系统或应用中。例如，在一些应用中， 必须控制静止电路107和转动电路104之间的距离，并且没有足够的 空间用于扭矩传感器105,在这种情况下，扭矩传感器可位于转动电 路面向远离静止电路的相对侧上并且在转动电路的其它侧上通过vias 连接到微波传输带111。而且，可以理解本领域中的那些技术人员可随后进行各种当前未 预料和未期望的备选方案、修改、变型或改进，这些方案、修改、变 型或改进也意图被随附的权利要求所包括。
权利要求
1.一种适用于与转动轴一起使用的功率传感器模块，包括壳体以及布置于所述壳体内并且安装在转动部件上的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器产生基于施加到所述转动部件上的扭矩量的扭矩传感器信号；转动电路，其位于所述壳体内并且连接到所述转动部件上，使得所述转动电路获得所述扭矩传感器信号并产生被发送的扭矩信号；静止电路，其接收所述被发送的扭矩信号并且产生扭矩信号；标靶，其位于所述壳体内并且安装在所述转动部件上；以及位于所述壳体内的磁性速度传感器，其中所述标靶和所述磁性速度传感器适应并设置为使得所述速度传感器能将由所述标靶的转动所导致的磁通量变化转换成速度信号。
2. 如权利要求1所述的功率传感器模块，其特征在于，所述标靶 包括;兹性标耙。
3. 如权利要求2所述的功率传感器模块，其特征在于，所述标靶 包括多极环形磁体。
4. 如权利要求1所述的功率传感器模块，其特征在于，所述标靶 被安装在所述转动电路上。
5. 如权利要求l所述的功率传感器模块，其特征在于，所述磁性 速度传感器被安装在所述静止电路上。
6. 如权利要求1所述的功率传感器模块，其特征在于，包括与所 述磁性速度传感器分离、或者集成于所述磁性速度传感器中的磁体， 用于偏压所述磁性速度传感器，并且其中所述标靶具有槽状或齿状样 式。
7. 如权利要求1所述的功率传感器模块，其特征在于，所述磁性 速度传感器包括有源磁阻式、感应式或者霍尔效应传感器。
8. —种适用于与转动部件一起使用的功率传感器模块，结合有壳体；扭矩传感器，其位于所述壳体内并安装在所述转动部件上，其中 所述扭矩传感器产生基于施加到所述转动部件上的扭矩量的扭矩传感器信号；转动电路，其位于所述壳体内并连接到所述转动部件上，使得所述转动电路获得所述扭矩传感器信号并产生被发送的扭矩信号； 静止电路，其接收所述被发送的扭矩信号并产生扭矩信号； 标耙，其位于所述壳体内并安装在与所述转动电路相同的基片上；以及位于所述壳体内的磁性速度传感器；其中所述标靶和所述磁性速 度传感器适应并设置为使得速度传感器能将由所述标靶的转动所导 致的磁通量变化转换成速度信号。
9. 如权利要求8所述的功率传感器模块，其特征在于，所述标靶 包括多极环形磁体。
10. —种产生指示转动部件速度的速度信号并且同时产生指示位 于所述转动部件上的扭矩的扭矩输出信号的方法，所述方法包括下列 步骤将部件以及安装在所述部件上的标靶一起转动， 感测位于所述转动部件上的扭矩， 产生扭矩感测信号， 发送所述扭矩感测信号，从所述被发送的扭矩感测信号中产生扭矩输出信号， 在所述转动标靶处或者附近产生磁通量， 感测由所述标把的转动导致的磁通量变化，并且 将所述磁通量变化转换成速度信号。
全文摘要
一种适用于汽车和其它大体积应用的功率传感器模块将速度感测和扭矩感测操作合并在单个的单元中。利用磁性速度传感器进行速度感测。功率测量衍生于扭矩和速度。将扭矩感测和速度感测合并在单个的模块中而不是对它们每个使用单独的模块，可减少冗余并降低成本。
文档编号G01L3/24GK101243309SQ200680029387
公开日2008年8月13日 申请日期2006年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者G·奥布里恩 申请人:霍尼韦尔国际公司