包括磁化轴的传感器系统的制作方法

专利名称：包括磁化轴的传感器系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及传感器，尤其涉及包括磁化轴的传感器系统。
背景技术：
在具有转轴的系统的控制中，转矩是感兴趣的基本参数。于是， 已经开发出用于感测施加到转轴上的转矩的传感器。不与转轴接触的 传感器是期望的。非接触传感器可以产生和/或监视与施加到轴上的转 矩成比例的围绕转轴的磁场。
在一种已知配置中，可以沿着圆周磁化转轴或它的一个或多个轴 向部分，即，在沿着与轴心同轴的圆形路径的单个方向上磁极化转轴 或它的一个或多个轴向部分。当轴受到零转矩时，由轴建立的磁场不 包括轴心方向上的分量。当将转矩施加到轴上时，圆周磁场随着转矩 增大而越来越变成螺旋状的。施加转矩所引起的螺旋状磁化包括轴心 方向上的轴向分量和圆周分量。轴向分量可以与施加的转矩直接成比 例。位于轴附近的磁传感器可以检测轴向分量，并且提供指示施加到 轴上的转矩水平的输出。
在这样的实施例中，轴的适当磁化是操作的关键。系统中磁化轴 或组装轴过程中的制造误差可以导致传感器系统完全失败。此外，轴
磁化可能随时间而变弱。但是，当轴处在零转矩时可感测轴向场分量 的缺乏不允许用于确定轴是否被适当磁化或甚至究竟是否被磁化的 简单无源外部装置。
提供在零转矩具有静轴向磁场的传感器的一种已知手段涉及在 轴处在预定转矩下的同时沿着圆周磁化轴。由于圆周场是在存在预定 转矩的情况下感应的，在磁化期间施加的转矩下，出现不可测的轴向 场分量，并且，当去除轴上的转矩时，圆周场歪斜，导致静轴向场分 量。尽管这样的配置允许在零转矩下的诊断，但也存在几种缺陷。例 如，在预定转矩下磁化轴是麻烦和昂贵的过程，不允许容易的大规才莫 生产。
另外，沿着圆周磁化的配置可能只允许测量转矩，而不能测量位 置或速度。在一些应用中，可能希望传感器也能(或可替代地)利用 一组相同的电子线路来提供位置和/或速度感测。
于是，需要一种包括可以有效和成本划算生产的在零转矩下提供 可测量轴向场分量的磁化轴的传感器系统。还需要一种提供转矩、位 置、和/或速度的感测的包括磁化轴的传感器系统。


通过参照相同标号表示相同部分的附图对本发明的示范性实施 例进行如下详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，在附图
中
图i是按照本发明的示范性系统的方块图； 图2图解地例示了按照本发明的示范性传感器；
图3是例示轴的椭圓磁化的沿着图2的A-A线取出的图2的轴
的剖面图4图解地例示了按照本发明的另一种示范性传感器；
图5是轴和一对电极夹的透视图，以例示在按照本发明的轴中引 起椭圆磁化的一种方法；
图6是图5的轴和电极夹的顶视图7是沿着图6的A-A线取出的图6的轴和电极夹的剖面图； 图8是轴和相对于轴倾斜的电磁体的视图，以例示在按照本发明
的轴中引起椭圆磁化的另一种方法；
图9是沿着图8的A-A线取出的图8的轴和电磁体的剖面图； 图IO是轴和相对于轴倾斜的永磁体的视图，以例示在按照本发
明的轴中引起椭圆磁化的另一种方法；
图ll是沿着图10的A-A线取出的图IO的轴和永磁体的剖面图； 图12图解地例示了通过轴旋转时的时变磁场的AC分析，具有
两个椭圓磁化区的传感器的另一个实施例；
图13图解地例示了通过轴旋转时的时变磁场的AC分析，具有
两个椭圆磁化区的传感器的另一个实施例，以便同时监视除了转矩之
外的轴参数；
图14是图13的轴的有源区的横剖面，例示了图13的两个磁通 门线圏的径向位移的例子；
图15是轴和电极夹的側视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图15A是在电极夹组件之间取出的图15的实施例的径向剖面
图16是轴和电极夹的侧视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图17是轴和电极夹的侧视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图18是利用如图17所示的配置磁化并包括双差分检测器配置的 轴的侧视图19是轴和电极夹的侧视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图20是轴和电极夹的侧视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图20A是穿过电极夹組件取出的图20的实施例的径向剖面图21是轴和电极夹的顶视图，例示了按照本发明的磁化轴的另
一种系统和方法；
图21A是穿过电极夹组件取出的图21的实施例的径向剖面图； 图22是轴和电极夹的侧视图，例示了按照本发明的磁化轴的另
一种系统和方法；
图22A是穿过电极夹组件取出的图22的实施例的径向剖面图； 图23是轴和电极夹的顶视图，例示了按照本发明的磁化轴的另
一种系统和方法；
图23A是穿过第一对电极夹组件取出的图23的实施例的径向剖
面图23B是穿过第二对电极夹组件取出的图23的实施例的径向剖
面图24是轴和电极夹的顶视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图24A是图24的实施例的透视图25是轴和电极夹的顶视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图25A是图25的实施例的透视图26是轴和电极夹的顶视图，例示了按照本发明的磁化轴的另 一种系统和方法；
图26A是图26的实施例的透视图27是包括第一和第二有源区的按照本发明的轴的侧视图； 图27A是例示通过分接穿过轴中心的轴向电流来建立饱和带的
按照本发明的轴的侧视图28是例示磁化按照本发明的轴的另一种系统和方法的轴和电
极夹的顶视图29是例示磁化按照本发明的轴的另一种系统和方法的轴和电 极夹的顶视图30图解地例示了接触柱的一个实施例；
图31是在轴中建立磁化有源区的第一示范性配置中，轴和与轴
接触的多个接触柱的视图32是在轴中建立磁化有源区的第二示范性配置中，轴和与轴
接触的多个接触柱的视图33图解地例示了为了在按照本发明的轴中建立第一和第二有
源区而提供不平衡电流的一种示范性系统和方法；
图34图解地例示了按照本发明的径向和切向磁通门线圏；
图35图解地例示了按照本发明的轴向磁通门线圏；
图36图解地例示了围绕按照本发明的轴放置三个磁通门线圏的
示范性外壳；
图37图解地例示了围绕按照本发明的轴放置四个磁通门线圏的 示范性外壳；
图38是按照本发明的示范性传感器的传感器输出与转矩之间关 系的曲线图39是按照本发明的示范性传感器的传感器输出与轴旋转角之 间关系的曲线图；以及
图40是按照本发明的示范性传感器的传感器输出与轴旋转角之 间关系的曲线图。
尽管如下的详细描述从参照例示性实施例着手，但它们的许多替 代、修改、和改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。于 是，应该广义地观看要求的主题。
具体实施例方式
本文提供的描述参照各种各样示范性实施例。应该明白，本文描 述的实施例是通过例示的方式，而不是通过限制的方式给出的。本发 明可以不偏离发明精神和范围地包含到多种多样的系统中。
现在转到图l,图l以方块图形式示出了包括按照本发明的传感 器104的系统100的一个示范性实施例。如图所示，系统100可以包 括控制器106和受控制器106控制的一个或多个系统108和110。传
感器104可以监视施加到轴102上的转矩。在一个示范性实施例中， 轴102可以与拖拉机的功率输出轴耦合，或形成拖拉机的功率输出轴 的一部分。代表施加到功率输出轴上的转矩的输出可以从传感器104 耦合到控制器106。控制器可以是配置成响应于传感器输出来控制系 统108和110的微控制器，例如，包括适当编程的微处理器和相关的 存储器。
在另一个示范性实施例中，轴102可以与车辆转向系统的转向轴 耦合，或形成车辆转向系统的转向轴的一部分。传感器104可以将代 表施加到转向轮轴上的转矩的输出提供给控制器106。控制器106可 以响应于传感器输出，来控制一个或多个车辆系统108和110。例如， 系统108可以包括制动受施加到转向轮轴上的转矩影响的自动制动系 统。如果车辆的操作人员正在做躲避动作，则传感器104可以感测到 超过阈值水平的施加在转向轮轴上的转矩。对此作出响应，控制器106 可以将控制信号提供给自动制动系统108。然后，制动系统108可以 有选择地管理车辆制动器来控制车辆。系统110可以包括引擎响应和 其它参数受施加在转向轮轴上的转矩影响的牵引控制系统。
图2图解地例示了按照本发明的传感器104a的一个示范性实施 例。例示的示范性传感器系统包括圆柱形轴102a和磁场传感器205， 圆柱形轴102a包括椭圆磁化有源区202。可以通过磁化两个无源区 204和206之间的均匀轴的一部分来建立有源区202。轴10h可以由 磁阻材料制成，所述磁阻材料能够保持重复施加转矩之后在其中引起 的磁化，并当转矩减小到零时使磁化返回到极化时建立的方向。呈现 这些特性的多种材料对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的。 在美国专利第6，553，847号中详细描述了用于制成轴的一些示范性材 料，其教导在这里通过引用而并入。
可与本发明结合在一起使用的磁场传感器205的多种配置对于 本领域的普通技术人员来说也是众所周知的。例如，在一个实施例中， 磁场传感器可以配置成磁通门传感器。根据感测的场的水平，也可以 或可替代地使用霍尔效应传感器。
继续参照图2，按照本发明，当轴在零转矩下时，可以椭圆地磁 化有源区202。正如本文使用的那样，"椭圆地磁化"和"椭圆磁化，，指 的是在围绕轴的非圆形的椭圆路径中以相对于轴的中心线的斜角建 立的轴的磁极化。例如，如图所示，有源区202可以在相对于轴的中 心线212的斜角e由箭头B所指的方向上极化。在一个实施例中，可 以给予极化方向在大约10°和大约80°之间的角度0的椭圆磁化。但是， 应该明白，尽管角度e在图2中被例示成小于90°,但根据椭圆磁化的 所需取向，角度0也可以大于90°，并可被选择成在零转矩建立所需幅 度的轴向分量250。此外，有源区可以在基本上与磁化B的方向平行 的第一端240与第二端242之间，在轴的轴向范围上扩展。可以根据 应用来选择有源区的轴向范围，例如，以适应轴的轴向位置上的制造 或操作容限。
椭圓磁化有源区202建立包括非零轴向分量250的磁场，当轴 102处于零转矩时，非零轴向分量250可被磁场传感器感测。这允许 保证轴102的适当磁化、安装和/或校准的诊断测试。当以任何方向上 将转矩施加到轴上时，椭圆磁化可从它在零转矩下的原始位置歪斜， 导致磁场的轴向分量的幅度发生变化。磁场的轴向分量的变化可以与 施加的转矩成比例。磁场传感器205可以感测轴向分量的幅度，并且 提供代表施加到轴102上的转矩的输出信号。
尽管在零转矩感测到磁场的非零轴向分量250，可以校准与磁场 传感器205相关的电子线路以在零转矩提供所需感测输出。在一个实 施例中，可以将零转矩的感测输出设置成输入电压的一半。也可以将 电子线路配置成将零转矩输出重置成不同水平，以便允许例如保证轴 102的适当磁化、安装和/或校准的诊断测试。
图3是例示轴的椭圆磁化的沿着图2的A-A线取出的图2的轴 的剖面图。A-A线是沿着相对于轴的中心线212成角度e的磁化方向B 取出的。这样，轴的有源区的剖面图是椭圆形的，例示出箭头302所 指的有源区的椭圆磁化方向。
按照本发明的传感器系统可以包括具有多个磁化有源区的轴。例
如，图4图解地例示了包括具有第一 (202-1 )和第二 (202-2 )椭圆 磁化有源区的轴102b和相关的第一 (205-1 )和第二 ( 202-2 )磁场传 感器的传感器系统104b的示范性实施例。在例示的示范性实施例中， 箭头Bl所指的有源区202-1的极化方向与箭头B2所指的有源区202-2 的极化方向相比是反向的。为有源区提供相反磁化方向可允许利用传 感器205-1和205-2来进行差分感测以便于噪声消除。尽管例示的实 施例示出了两个有源区，但可以提供任意个有源区。另外，有源区可 以在相对于轴的中心线212的相同斜角上，或在不同角度上被椭圆磁 化。
现在转到图5-7，图5例示了在按照本发明的轴中引起椭圆磁 化的一种示范性系统和方法。 一般说来，例示的示范性实施例通过在 相对于轴的中心线轴的斜角上提供穿过轴的有源区的电流来建立椭 圆磁化。图5例示了轴102的一部分和第一 (550)和第二 (552 )电 极夹组件。第一电极夹组件550包括上夹502和下夹504。上夹502 可以包括限定轴孔的第一部分510的部分，以及下夹504可以包括限 定轴孔的第二部分512的部分。当利用例如穿过孔514、 516、 518和 520的扣件将上夹502和下夹504接合在一起时，如图7所示，由上 下夹部分限定的轴孔的第一部分510和第二部分512可以处在相反关 系的位置上，以限定具有椭圆形剖面的轴孔700。第二电极夹组件552 可以以与第一电极夹组件550相似的方式构成，包括上夹506和下夹 508，它们接合在一起来限定具有椭圆形剖面的轴孔。
如图6所示，当第一夹组件550的上夹502和下夹504以及第二 夹组件552的上夹506和下夹508围绕轴102接合在一起时，第一 (550 )和第二 ( 552 )夹組件处在与椭圆磁化的预定角e相对应的相 对于轴的中心线轴212的斜角上。电流源600可以耦合在第一和第二 电极夹组件之间，以便建立从第二夹组件到第一夹组件的箭头所指的 流过轴的电流。电流I导致箭头B所指的有源区202的椭圆磁化，并 进一步例示在沿着图6的A-A线取出的图7的剖面图中。椭圆磁化呈 现零转矩下的非零轴向分量。 在轴中感应的场的幅度可以取决于预定应用的要求。在一个实施
例中，可以使用400A的电流对轴进行椭圆磁化，以便在轴表面实现 大约3000高斯的场强。轴磁化从轴表面到轴中心可以减小。在另一 个实施例中，电流源可以提供1，000A的电流用于椭圆磁化轴。
图8-9例示了在按照本发明的轴中引起椭圆磁化的另一种示范 性系统和方法。在例示的示范性实施例中，利用处在相对于轴的中心 线212的斜角e的电磁体806将轴102磁化成包括有源区202。图9是 沿着图8的A-A线取出的图8的轴和电磁体806的剖面图，进一步例 示了由电磁体806引起的有源区202的椭圆磁化。
图10-11例示了在按照本发明的轴中引起椭圆磁化的另一种示 范性系统和方法。在例示的示范性实施例中，利用处在相对于轴的中 心线212的斜角0的永磁体1006将轴102磁化成包括有源区202。图 ll是沿着图IO的A-A线取出的图IO的轴和永磁体1006的剖面图， 进一步例示了由永磁体1006引起的有源区202的椭圆磁化。
图12例示了按照本发明的传感器的另一个实施例104c。例示的 示范性实施例包括椭圆磁化的第一 (1280)和笫二 ( 1282)有源区。 可以通过提供如夹1212和1214之间的箭头所示的从电极夹1212到 电极夹1214的电流来建立第一有源区1280。类似地，可以通过提供 如夹1210和1208之间的箭头所示的从电极夹1210到电极夹1208的 电流来建立第二有源区1282。传感器140c可以包括磁通门线圏U05 和AC耦合磁强计1206。
在工作时，由于轴的有源区的椭圆磁化，当轴旋转时，磁通门线 圏1205可以感测到交变磁极性。对于恒定的施加转矩，磁强计1206 的输出可以是振幅与施加的转矩成比例的交变信号。交变信号的频率 可以与轴速成比例，以便除了转矩测量之外，还提供轴速测量。通过 AC耦合磁强计1206，可以排除诸如常见模式场信号的任何非所需DC 或緩变磁场。
于是，具有椭圆磁化的传感器104c产生由磁通门线围1205感测 的时变磁场。只需一个磁通门线圏1205。传感器104c的AC处理可
以排除非所需緩变常见模式磁场。因此，与传统DC处理相比，可以 显著降低信号处理的复杂性。另外，AC处理可以消除DC偏移和与 DC处理相关联的系统噪声(1/f噪声)。也可以避免输出中的DC漂 移，并且与传统DC处理相比，可以改善输出信号的信噪比(S/N)。
图13例示了包括椭圆磁化的第一 (1380)和第二 ( 1382 )有源 区、和第一 (1302 )和第二 ( 1304 )磁通门线圏的传感器的一个实施 例104d。第一 (1302 )和第二 ( 1304)磁通门线圏可以分别与相关的 磁强计1316和1311耦合。当轴旋转时，椭圆磁化可以产生由磁通门 线圏感测的时变磁场。除了监视转矩之外，图13的传感器104d可以 监视诸如轴位置、轴速、和轴传递的动力的参数。
磁通门线圏1302和1304可以围绕轴放置，使得到相关磁强计 1316和1311的信号是时变的并相互存在90°相差。附加电路1318、 1320、 1322和1315可以直接或间接地利用磁强计1316和1311的输 出之一或两者来监视转矩、轴位置、轴速、和传递的动力。
在例示在图13中的示范性实施例中，^兹通门线圏1302和1304 相对于有源区1380和1382轴向隔开，以便产生相互存在90M目差的 时变信号。磁通门线圏1302和1304也可以或可替代地，相对于轴沿 着圆周放置。例如，图14例示了围绕轴的圆周相互隔开9()G以便提供 相互存在90M目差的时变信号的线圏1302和1304。
在工作时，()0磁强计1316的输出信号可以是与从90^兹强计1311 输出的时变电压信号存在90M目差的时变电压信号。转矩电路1318可 以接受来自磁强计1316和1311的输出信号，并且在线端1350上提 供代表施加到轴上的转矩的输出信号。转矩电路1318可以计算两个 磁强计输出信号的平方和的平方根的幅度，以便提供代表施加的转矩 的输出信号。
位置电路1320可以接受来自磁强计1316和1311两者的输出信 号，并且在线端1352上提供代表轴位置的输出信号。位置电路1320 可以计算90°磁强计1311与()G磁强计1316的输出信号比的反正切， 以便提供代表轴位置的输出信号。
轴速电路1322可以接受来自卯。磁强计1311或0°磁强计1316 的一个输出信号，并且在线端1354上提供代表轴速的输出信号。轴 速电路1322可以分析输入时变信号的频率以确定轴速。最后，乘积 电路1315可以将转矩电路1318的输出信号与轴速电路1322的输出 信号相乘，以确定通过轴传递的动力。然后，可以在线端1356上提 供代表通过轴传递的动力的输出信号。本领域的普通技术人员将认识 到提供电路1318、 1320、 1322、和1315的功能的各种电路配置。
按照本发明的传感器系统可以包括包括以其它或附加配置提供 的一个或多个有源区的轴。按照本发明的轴中的单个磁化有源区可以 包括至少部分相反的磁极化，以便当轴旋转时，将交变磁场极性传递 给与有源区相邻放置的传感器。单个磁化有源区中的相反磁极化可以 通过在轴向范围轴中提供在径向剖面中在至少部分相反方向上的电 流来建立。在这样的配置下传递给传感器的交变磁场可以使传感器提 供可以用于感测轴上的转矩、轴的旋转和/或轴向位置、和/或轴的转 速的正弦输出。
转到图15，例如，可以利用第一和第二组电极夹组件在轴102 中形成有源区，所述电极夹组件被配置用于在有源区的第一径向部分 中建立一般与轴心平行的由箭头1508所指的第一电流、以及在有源 区的第二径向部分中建立与第一电流相反的由箭头1510所指的第二 电流。在例示的示范性实施例中，第一电极夹组件包括放置在轴上的 第一夹1500和相对于第一夹以隔开和相反的关系放置在轴的相反侧 的第二夹1502。第二电极夹组件包括放置在轴上的第一夹1504和相 对于第一夹以隔开和相反的关系放置在轴的相反侧的第二夹1506。第 一和第二电极夹组件沿着轴的长度相互隔开，以便建立有源区的轴向 长度。
为了避免相邻夹的短路，可以利用具有隔离的地的两个分立电流 源在例示的方向上建立电流。在各种各样的示范性实施例中，为了简
单起见，未示出所述的电流源。取而代之，可以在相关电极夹上利用 "+，，和"一，，符号来指示电流源的正负端连接。如图is所示，分立电流
源的正端可以分别与夹1500和1506连接，以及电流源的负端可以分 别与夹1502和1504连接。在夹之间的距离足够大的配置下，可以使 用单个电流源来建立例示的电流。
图15A是在第一和第二电极夹组件之间取出并例示有源区的径 向剖面中的电流的方向的图15的配置的径向剖面图。进入纸面的电 流用"x，，表示，以及从纸面出来的电流用",，，表示。如图所示，该配置 在轴的相同轴向范围内在相反方向上建立了电流。
轴中的相反电流可以在相同有源区中建立相反磁场。当施加转矩 时，有源区的一个部分可以建立正轴向场分量，而有源区的另一个部 分可以产生负轴向场分量。当轴旋转时，与轴相邻放置的一个或多个 磁场传感器可以感测到交变的正负场分量。传感器可以提供指示轴的 转矩、轴转速和/或轴位置的正弦输出。
图16例示了在按照本发明的轴中形成有源区的另一种电极夹配 置。如图所示，可以利用以相对于轴心212的斜角0与轴耦合以便提 供至少部分椭圆接触面的第一和第二组电极夹组件，在轴102中形成 有源区。在例示的示范性实施例中，第一电极夹组件包括成角度地放 置在轴上的第一夹1600、和相对于第一夹以隔开的相反关系放置在轴 的相反侧的第二夹1602，从而在第一和第二夹与轴之间提供部分椭圆 接触面。第二电极夹组件包括成角度地放置在轴上的第一夹1604、和 相对于第一夹以隔开的相反关系放置在轴的相反侧的第二夹1606，从 而在第一和第二夹与轴之间提供部分椭圆接触面。第一和第二电极夹 组件沿着轴的长度相互隔开，以便建立有源区的轴向长度。
磁化有源区的电流可以通过将夹1600和1606与电流源的正端连 接，以及将夹1602和1604与电流源的负端连接，而在夹之间延伸的 箭头所指的方向上建立。并且，当轴旋转时，交变正负场产生可以由 与轴相邻放置的磁场传感器感测的正弦场。传感器可以提供指示轴的 转矩、轴转速和/或轴位置的正弦输出。在例示的实施例中，可以通过
调整角度e来调整传感器偏移值，即，零转矩下的传感器输出、以及
传感器正弦输出的相位和振幅。
图17例示了在按照本发明的轴中形成第一和第二有源区的另一 种电极夹配置。在例示的示范性实施例中，如结合图15所示和所述， 第一、第二和第三组电极夹组件可以以隔开、相反关系与轴耦合。但 是，在图17的实施例中，可以建立具有相反磁化的第一和第二有源 区，以l更于双差分测量。尤其，夹1702、 1704和1710可以与单个电 流源或分立电流源的正端耦合，以及夹1700、 1706和1708可以与相 关负端连接，以建立如在夹之间所示的箭头所指的电流。
尽管单差分感测配置可与按照本发明的系统结合在一起使用，但 在一些应用中，差分测量可能将干扰信号当作有效信号。例如，永磁 体产生差分测量可能拾取成有效信号的梯度。与永磁体相关的磁场可 能以非线性方式随与磁体的距离增大而衰减。如果例如作为技工工具 的部件的永磁体位于进行单差分测量的传感器附近，则可能在传感器 输出信号中产生误差。双差分测量可以用于避免这样的误差。
图18例示了包括例如利用图17的配置和相关双差分检测器/磁 强计配置形成的第一和第二区域的轴。如图所示，可以与各自有源区 相邻地放置分立磁通门传感器1802、 1804、 1806和1808,以^t在与 传感器相邻的箭头所指的方向上感测磁场。可以将传感器输出提供给 双差分检测器1810，双差分检测器1810可以确定与每个夹组件相关 联的传感器输出之间的差值之间的差值，即，差分的差分。这种双差 分手段可以有效消除一阶磁场梯度，并与在传统差分测量的情况下增 加二倍不同，导致信号强度增加四倍。
图19例示了在按照本发明的轴中形成第一、笫二和第三有源区 的另一种电极夹配置。在例示的示范性实施例中，如结合图15所示 和所述，第一、第二、第三和第四组夹组件可以以隔开、相反关系与 轴耦合。但是，在图19的实施例中，夹1900、 1906、 l卯8和19U 可以是导电电极夹，而夹1902、 1904、 1910和1912可以是非导电夹。 夹l卯6和l卯8可以与单个电流源或分立电流源的正端耦合，以及夹 1900和1914可以与相关负端耦合，以建立如在夹之间所示的箭头所 指的电流。当轴旋转时，例示电流所建立的磁化可以由例如轴向放置
在中间有源区的中心的 一个或多个传感器感测，所述传感器可以提供 指示转矩、速度和/或位置的正弦输出。
图20例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极夹配置 的另一个示范性实施例。在例示的实施例中，第一(2002 )和第二 (2004)电极夹一般与轴102的轴平行地放置。第一电极放置在轴的 顶面上，而第二电极与第一电极相差近似180°地放置在轴的底面上。
可以通过将第一夹2002与电流源的正端连接而将第二夹2004 与电流源的负端连接，来建立用于磁化轴的有源区的电流。图20A是 穿过第一和第二电极夹取出的图20的配置的径向剖面图，箭头例示 了有源区的径向剖面中电流的最终方向。如图所示，该配置建立了在 轴的相同轴向范围内在相反方向上的电流，并因此建立了相反方向上 的磁极性。当轴旋转时，与轴相邻放置的一个或多个磁场传感器可以 感测到交变的正负场分量。传感器可以提供指示轴上的转矩、轴转速 和/或轴位置的正弦输出。
图21例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极夹配置
的另一个示范性实施例。除了电极处在相对于轴心的角度e上之外，
图21的实施例包括与图20的配置相似的第一和第二电极夹。可以通 过将第一夹2102与电流源的正端连接以及将第二夹2104与电流源的 负端连接，来建立用于磁化轴的有源区的电流。这种配置导致了在轴 的相同轴向范围内在至少部分相反方向上在轴的表面上流动和扭曲 的电流，并因此导致在轴的表面上流动和扭曲的磁极性。并且，当轴 旋转时，交变磁场极性产生可以由与轴相邻放置的磁场传感器感测的 正弦场。传感器可以提供指示轴上的转矩、轴转速和/或轴位置的正弦
输出。在例示的实施例中，可以通过调整角度e来调整传感器偏移值，
即，零转矩下的传感器输出、以及传感器正弦输出的相位和振幅。
图22例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极夹配置 的另一个示范性实施例。除了第一(2202)、第二( 2204 )、第三(2206) 和第四(2208)电极夹一般与轴的表面平行并相互相差近似90°地配 备之外，图22的实施例与图20的实施例类似。可以通过将夹2204和2208与一个或多个电流源的正端连接以及将夹2202和2206与电 流源的负端连接，来建立用于磁化轴的有源区的电流。
图22A是穿过电极夹取出的图22的配置的径向剖面图，箭头例 示了有源区的径向剖面中电流的最终方向。如图所示，该配置建立了 在轴的相同轴向范围内在相反方向上的电流，并因此建立了在轴的相 同轴向范围内在相反方向上的磁极性。当轴旋转一圏时，与轴相邻放 置的一个或多个磁场传感器可以感测到磁场极性的四次变化。传感器 可以提供指示轴上的转矩、轴转速和/或轴位置的正弦输出。由于磁极 性的变化，正弦输出可以具有比例如图20的实施例更高的频率。
图23例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极夹配置 的另 一个示范性实施例。除了第一有源区由第一(2302 )和第二( 2304) 电极夹建立以及第二有源区由第三(2306)和第四(2308)电极夹建 立之外，图23的实施例与图20的实施例类似。可以通过将夹2302 和2306与一个或多个电流源的正端连接和将夹2304和2306与电流 源的负端连接，来建立用于磁化轴102的有源区的电流。图23A是穿 过夹2306和2308取出的图23的配置的径向剖面图，以及图23B是 穿过夹2302和2304取出的图23的配置的径向剖面图。
如图所示，该配置建立了在轴的第一有源区中在相反方向上的电流， 并因此建立了在轴的第一有源区中在相反方向上的磁极性、以及在第 二有源区中在与第一有源区相反的方向上的相反电流。这种配置便于 由轴上的转矩引起的磁通量变化的双差分测量。
图24和24A例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极 夹配置的另一个示范性实施例。图24的实施例包括包括第一 (2400) 和第二 ( 2402 )夹的第 一电极夹组件和包括第一 (2406 )和第二( 2408 ) 夹的第二电极夹组件。用于磁化轴的有源区的电流可以通过如图所 示，将电极夹与一个或多个电流源连接而在图24中的箭头方向上建 立。在例示的实施例中，电流可以釆取螺旋路径，在轴的表面上90° 地流动。
图25和25A例示了按照本发明的电极夹配置的另 一个示范性实 施例。除了利用第一 (2502 )、第二 ( 2504 )和第三(2508)电极夹 组件来建立第一和第二有源区之外，图25的实施例与图24的实施例 类似。用于磁化轴的有源区的电流可以通过如图所示，将电极夹与一 个或多个电流源连接，而在图25中的箭头方向上建立。如上所述， 这种配置使双差分测量成为可能。
图26和26A例示了在按照本发明的轴中形成磁化有源区的电极 夹配置的另一个示范性实施例。图26的实施例包括围绕轴相隔60" 放置的二组三个电极。如图所示，第一组(2602)的三个电极可以与 电流源的正端连接，以及第二组(2604)的三个电极可以与第二组的 三个电极连接，以便建立沿着图26中的箭头方向的电流。在这种配 置中，电流可以在轴的表面上60°地从一个电极流到另一个电极，从 而建立更多磁极和更高频的正弦输出。
图27例示了包括第一 (2702)和第二 ( 2704 )有源区的按照本 发明的轴，其中， 一个区域可以用于测量转矩，而另一个区域可以用 于测量位置。转矩区2702可以根据本文所述的任何一种方案被磁化。 位置感测区2704可以在线圈或永磁体中被磁化，以便简单地创建两 个极。当轴102旋转时，生成不随转矩变化并可以用于测量轴旋转位 置的正弦信号。
按照本发明，用于建立一个或多个磁化有源区的配置也可以在有 源区的相反侧建立饱和带。正如已知的那样，饱和带可被提供用于建 立有源区的强磁边界，导致更稳定并较少受附近含铁物体影响的有源 区。在一个实施例中，电流可以在例如如上所述利用电极夹组件来建 立磁化有源区之前轴向穿过轴。穿过轴的轴向电流可以在随后建立的 有源区的任一侧上建立强饱和带。图27A例示了使初始饱和电流流过 轴的中部，即，以便在例示箭头的方向上建立饱和电流的另一个实施 例。这种配置可以用于在随后形成的有源区的相反侧上建立相反极性 的饱和带。
饱和带也可以利用电极夹配置来形成。例如，图28例示了针对与图15的实施例类似的配置，将电极夹组件用于在有源区的相反侧 上建立饱和带的示范性配置。图29例示了针对与图20的实施例类似 的配置，将电极夹组件用于在有源区的相反侧上建立饱和带的示范性 配置。
现在转到图30 -32，取代电极夹，可以将接触柱用于建立形成 按照本发明的任何实施例的 一 个或多个有源区的电流。接触柱可以用 于在轴中建立任何所需磁化。图30例示了可以用于提供使电流穿过 轴的导电触点的接触柱3000的一个示范性实施例。柱3000可以包括 不导电固定板3006和导电接触柱3010。可以在不导电固定板3006的 一部分与导电接触柱3010的一部分之间配备弹簧3004，以便偏置接 触柱3010靠在轴102上。
例如，如图31所示，接触柱，例如柱3102、 3104、 3106、 3108、 3110和3112可以围绕轴耦合，与图15的实施例类似，以便建立沿着 箭头方向的电流。图31的实施例也可以用于通过相互成角度地排列 柱对并让电流依次穿过相关对之间的轴来建立椭圆磁化。接触柱可以 用于在轴中建立任何特征磁化。图32例示了包括在轴的表面上分别 提供六个触点3202、 3204、 3206、 3208、 3210和3212,以便建立独 特磁特征的六个导电柱的一个示范性实施例。电流源可被编程成让电 流依次穿过所选接触柱对，以便在轴中形成磁特征，例如，沿着例示 箭头的方向。磁特征可以用于进行诸如转速测量的附加非转矩测量。 磁特征可以在轴的一 圏中提供几个极，以便在速度感测中提供附加分
于正弦噪声的时变信号。
并且，按照本发明的实施例可以将单个或多个电流源用于磁化轴 中的一个或多个有源区。在按照本发明的任何实施例中，分立源可以 用于平衡磁化电流或故意使磁化电流失衡，例如，以便调整传感器增 益和偏移(在零转矩下的输出)。例如，如图33所示，可以应用分 立源3302和3304来建立如图12所述的轴中的磁化带。然后，可以 测量转矩，以确定建立的偏移和增益。如果未建立所需的偏移和增益，
则可以修改源的输出，例如，V1和/或V2，并可以测量偏移和增益。 可以重复这个过程，直到取得所需偏移和增益。这种手段可以用于消 除使特定轴与特定相关传感器匹配的必要性。
一旦按照本发明磁化了轴，则可以用机械手段调节轴，以便使轴 稳定和/或调整增益和偏移。在一个实施例中，通过振动冲击设备给予 轴的受控机械冲击脉冲可以用于使轴稳定。在另一个实施例中，分段 去磁的电磁线圏可以用于在磁化后调节轴。
在按照本发明的任何实施例中，与一个或多个有源区相关的磁场 分量可以由与轴相邻放置的 一个或多个磁场传感器感测。在传感器被 配置成磁通门传感器的实施例中，磁通门线圏可以以与轴的径向、轴 向和/或切向关系放置。图34例示了径向磁通门线圏3402和切向磁通 门线圏3404，以及图35例示了轴向磁通门线圏3502。每个线團可以 提供指示轴上的转矩、轴转速和/或轴位置的分立正弦输出。
使用三个径向线圏可以允许在排除常见模式场的同时进行转矩 测量。例如，如图36所示，三个径向线圏3604、 3606和3608可以 布置在可以在轴102上滑动以便将线圏放在轴的附近以便感测轴旋转 时在有源区中生成的场的外壳3602中。来自三个线圏3604、 3606和 3608的输出之和可被作为转矩的指示，而线圏上的恒定场的综合效应 导致任何常见模式场分量的消除。在另一个实施例中，例如，如图37 所示，可以将四个线圈3704、 3706、 3708和3710布置在在轴102上 滑动的外壳中。修改图37的实施例中的线圏的间隔使调整增益和偏 移成为可能。
按照本发明的传感器可以产生正弦输出，所述正弦输出的振幅与 转矩成比例。磁传感器元件，例如，磁通门线圏可以安排成当轴旋转 时提供正弦和余弦信号。通过在磁强计中AC耦合输出，可以从测量 中排除DC场。此外，在磁强计中可以对正弦和余弦输出实现三角关 系，以确定转矩和位置。具体地说，转矩可以通过下式确定<formula>formula see original document page 22</formula>
以及位置可以通过下式确定 position = arctan(sin/cos)。
由于々(sii^+cos"只生成正数，按照本发明的系统可以包括当测量 负转矩时产生负输出的方法。在一个实施例中，位置传感器可以用于 确定瞬时转角变化的方向。如果瞬时角度变化处在正方向，那么，转 矩将具有第一预定极性。如果瞬时角度变化处在负方向，那么，转矩 将具有与第一极性相反的极性。按照本发明的系统也可以或可替代地 使用通过特定线圏放置拾取的信号的DC平均值。如果正弦(转矩相 关)的DC平均值是正的，那么，可以认为转矩是正的。如果DC平 均值是负的，那么，可以认为转矩是负的。
正弦/余弦关系可以允许使用 一组电子线路(例如， 一个ASIC(专 用集成电路))来获取位置和转矩。转速可以通过例如计数峰值振幅 的出现率而从一种正弦波中获取。正弦/余弦关系也可以用于诊断。任 何对感测的正弦/余弦关系的偏离都可能触发诊断信号。
按照本发明的传感器也可以包括防老化算法。磁体(软或硬材料) 可能随时间和温度而老化。这种变化在许多应用中可能很小，并是可 接受的，但在某种关键性应用中，这可能是不可接受的。按照本发明 的传感器可以根据来自提供不随转矩改变的正弦输出的一个或多个 线圏的参考信号，来校正正弦振幅(或所得计算转矩)。例如，用于 在图27的实施例中测量位置的万兹化带2704可以产生振幅不随施加的 转矩变化但随老化变化的正弦波。这种振幅随老化的变化可以用作随 着老化校正传感器转矩输出的参考信号。例如，可以以相对于参考信 号的恒定比率来保持传感器转矩输出的振幅。按照本发明的任何实施 例可以包含利用不随转矩变化的传感器输出的防老化算法。
现在转到图38 - 40，图38 - 40为包括如图20所示磁化的单个 磁化有源区和包括有源区的相反侧上的第 一和第二径向场线圏和有 源区的相反侧上的第一和第二切向线圏的实施例提供了传感器输出 与转矩和转角之间关系的曲线图。每个线围可以处在有源区的中心，
线圏中心线处在离轴表面大约6mm的位置上。径向和切向线團输出 的差分测量可以用于排除常见模式场。
图38中的曲线3802例示了对于源自径向线圏的正弦输出，峰峰 输出振幅与施加的转矩之间的关系，以及曲线3804例示了对于源自 切向线圏的正弦输出，峰峰输出振幅与施加的转矩之间的关系。如图 所示，对于径向和切向线圏两者，输出值基本上随施加的转矩线性变 化。
图39包括对于-5.0 NM、 -2.5 NM、 0 NM、 2.5 NM、和5.0 NM 的施加转矩，径向线圏输出与轴转角之间关系的曲线3900。这些曲线 呈现峰到峰振幅随转矩增大而增大。图40包括对于-5.0 NM、-2.5 NM、 0NM、 2.5NM、和5.0NM的施加转矩，切向线圈输出与轴转角之间 关系的曲线4000。这些曲线呈现峰到峰振幅随转矩增大而增大，以及 不同转矩值之间的相移。例如，曲线4004与5.0 NM的施加转矩相关， 而与曲线4002存在相移的曲线4004与-5.0 NM的施加转矩相关。
根据本发明的一个方面，提供了包括如下的传感器具有至少一 个磁化有源区的轴，所述磁化有源区具有至少部分相反的磁极化；和 与有源区相邻放置的磁传感器。该传感器可以配置成当轴旋转时，响 应于相反磁极化而提供正弦输出。该正弦输出可以代表施加在轴上的 转矩。
根据本发明的另 一个方面，提供了在用在监视施加到轴上的转矩 的传感器系统中的磁阻轴中引起磁化的方法，该方法包括引导电流在 不是单个轴向的方向上穿过轴的轴向范围。
根据本发明的又一个方面，提供了包括如下的传感器具有存在 椭圆磁化的至少一个磁化有源区的轴；和配置成感测围绕轴的磁场的 磁传感器。该磁场可以代表施加在轴上的转矩。
根据本发明的又一个方面，提供了包括如下的传感器具有至少 一个磁化有源区的轴；围绕轴放置并与笫一磁强计耦合并被配置成当 轴旋转时提供第一正弦信号的第一磁通门线團；围绕轴放置并被配置 成当轴旋转时提供第二正弦信号的第二磁通门线圏，第二正弦信号与 第一正弦信号在相位上相差90G;和被配置成接收第一和第二正弦信 号并提供代表施加在轴上的转矩的输出信号的转矩电路。
本发明的其它方面在前面的描述和相关图形中给出。本文应用的 术语和措词用作描述性术语，而不是限制性术语，在使用这样的术语 和措词时，无意排斥所示和所述的特征(或它们的一些部分)的任何 等效物，并且，应该认识到，可以在权利要求书的范围内作出各种各 样的修改。此外，本文公开的各种各样特征和方面可以相互组合。所 有这样的改变和组合都在本发明的范围之内。还可以作出其它修改、 改变、或替代。于是，权利要求书旨在涵盖所有这样的等效物。
权利要求
1.一种传感器，包含具有至少一个磁化有源区的轴，所述至少一个磁化有源区具有至少部分相反的磁极化；和与所述有源区相邻放置并被配置成当所述轴旋转时，响应于所述相反磁极化而提供正弦输出的磁传感器，所述正弦输出代表施加到所述轴上的转矩。
2. 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述正弦信号的振幅 代表所述轴的旋转位置。
3. 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述正弦信号的频率 代表所述轴的速度。
4. 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述轴包含在所述有 源区的相反侧上的磁化饱和带。
5. —种在用在监视施加到轴上的转矩的传感器系统中的磁阻轴中引起磁化的方法，所述方法包含在不是单个轴向的方向上引导电流穿过轴的轴向范围。
6. 根据权利要求5所述的方法，所述方法包含引导电流以相 对于轴心的斜角穿过所述轴。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述斜角在大约10°到 8()G之间。
8. 根据权利要求5所述的方法，所述方法包含引导第一和第 二电流在至少部分相反的方向上穿过所述轴的所述轴向范围。
9. 根据权利要求5所述的方法，所述方法包含引导第一和第 二电流在至少部分相反的圆周方向上穿过所述轴向范围。
10. 根据权利要求5所述的方法，所述方法包含引导第一和笫 二电流在至少部分相反的轴向上穿过所述轴向范围。
11. 一种传感器，包含具有至少一个磁化有源区的轴，所述至少一个有源区具有椭圆磁 化；和被配置成感测围绕所述轴的磁场的磁传感器，所述磁场代表施加 到所述轴上的转矩。
12. 根据权利要求11所述的传感器，其中，所述椭圆磁化具有 在施加到所述轴的零转矩下沿所述轴的中心线轴引导的非零轴向分 量，以及其中，所述磁传感器被配置成感测零转矩下的所述非零轴向 分量。
13. 根据权利要求11所述的传感器，其中，所述椭圆磁化由在 一对电极夹之间驱动的电流引起，所述一对电极夹被定向成相互平行 并被进一步定向成与所述轴的中心线轴成一斜角，其中，所述椭圓磁 化具有在零转矩下沿着所述轴的中心线轴的非零轴向分量，以及其 中，在零转矩下的所述非零轴向分量至少部分取决于所述斜角的值。
14. 根据权利要求11所述的传感器，其中，所述椭圆磁化具有 在零转矩下沿着所述轴的中心线轴的非零轴向分量，以及其中，当所 述转矩施加到所述轴上时，所述非零轴向分量改变。
15. 根据权利要求11所述的传感器，其中，由所述磁传感器感 测的所述磁场当所述轴旋转时包含交变磁极性，以及所述磁传感器提 供振幅代表施加到所述轴上的所述转矩的正弦信号。
16. 根据权利要求15所述的传感器，其中，所述正弦信号的频 率代表所述轴的速度。
17. —种传感器，包含 具有至少一个磁化有源区的轴；围绕所述轴放置并与第一磁强计耦合并被配置成当所述轴旋转 时提供第 一正弦信号的第 一磁通门线圏；围绕所述轴放置并被配置成当所述轴旋转时提供第二正弦信号 的第二磁通门线圏，所述第二正弦信号与所述第一正弦信号在相位上 相差90°;以及被配置成接收所述第一和第二正弦信号并提供代表施加到所述 轴上的转矩的输出信号的转矩电路。
18. 根据权利要求17所述的传感器，其中，所述转矩电路被配 置成计算所述第一正弦信号的平方和所述第二正弦信号的平方之和 的平方根，以便提供代表施加到所述轴上的转矩的所述输出信号。
19. 根据权利要求17所述的传感器，进一步包含被配置成接收 所述第一和所述第二正弦信号的至少一个并提供代表所述轴的速度 的输出信号的轴速电路，其中，所述第一和第二正弦信号的所述至少 一个的频率代表所述轴的所述速度。
20. 根据权利要求17所述的传感器，进一步包含用于计算所述 第二正弦信号与所述第一正弦信号之比的反正切的位置电路，其中， 所述反正切运算的结果代表所述轴的位置。
全文摘要
传感器(104b)包括轴(102b)和磁传感器(205-1，205-2)。轴(102b)可以具有至少一个有源区(202-1，202-2)。磁传感器(205-1，205-2)可被配置成感测围绕轴(102b)的磁场(B1，B2)，并可以产生代表施加在轴(102b)上的转矩、轴(102b)的转速和轴(102b)的旋转位置的输出。
文档编号G01L3/00GK101341383SQ200680047749
公开日2009年1月7日 申请日期2006年10月23日 优先权日2005年10月21日
发明者K·希达亚特, N·波利尔 申请人:石通瑞吉控制装置公司