線性位置和旋轉(zhuǎn)位置磁傳感器、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 實(shí)施例一般地設(shè)及線性位置和旋轉(zhuǎn)位置磁傳感器、系統(tǒng)和方法，并且更特別地設(shè) 及單忍片角度傳感器和系統(tǒng)W及磁性目標(biāo)，其生成從不同信號(hào)分量得到的獨(dú)特比例。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多應(yīng)用中，使用磁場(chǎng)傳感器確定軸或其它旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)速度、位置或角度。 例如，霍爾傳感器或磁阻傳感器（諸如，GMR、AMR、TMR等）可W被布置在旋轉(zhuǎn)部件上或鄰近 于旋轉(zhuǎn)部件。在離軸感測(cè)中，旋轉(zhuǎn)部件包括具有永久磁化部分的磁性多極，W使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)部 件旋轉(zhuǎn)時(shí)離開旋轉(zhuǎn)軸線定位的傳感器觀察在磁場(chǎng)強(qiáng)度和/或方向上的波動(dòng)。
[0003] 在離軸系統(tǒng)中存在傳感器的許多可能軸向定向。一般而言，傳感器管忍的一個(gè)邊 緣保持與旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸線平行。更特別地，兩個(gè)主要定向最常用于圓柱體旋轉(zhuǎn)部件 (諸如凸輪軸）。首先，管忍的表面正切于圓柱體表面（其中圓柱體的軸線與旋轉(zhuǎn)軸線一 致）。其次，管忍的表面垂直于圓柱體表面。磁性目標(biāo)可W是在直徑上被磁化的部件，其在 沿著部件長(zhǎng)度的點(diǎn)處或者在部件的端部處安裝到旋轉(zhuǎn)部件上。常規(guī)的系統(tǒng)通過測(cè)量由在幾 個(gè)位置的每個(gè)處的多極引起的磁場(chǎng)來測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置。
[0004] 在相似的常規(guī)系統(tǒng)中，也可W使用沿著線性移動(dòng)磁性目標(biāo)布置的多個(gè)傳感器管忍 確定線性位置。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)〇化]實(shí)施例設(shè)及一種位置傳感器，其包括磁性目標(biāo)，該磁性目標(biāo)包括被配置為生成磁 場(chǎng)的磁性多極。該磁場(chǎng)包括在第一區(qū)域處的第一分量、第二分量、W及第Ξ分量，其中該第 一分量、第二分量、W及第Ξ分量在第一區(qū)域處彼此互相垂直。該位置傳感器還包括傳感器 管忍，其具有被配置為測(cè)量在第一區(qū)域處的第一分量的第一傳感器元件，和被配置為測(cè)量 實(shí)質(zhì)上在第一區(qū)域處的其它分量的其中一個(gè)的第二傳感器元件。
[0006] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一種磁性多極，其包括沿著第一方向布置的磁性南極和北極 的交替序列，所述交替序列被布置為使得由在第一區(qū)域處的磁性多極生成的磁場(chǎng)具有第一 分量、第二分量、W及第Ξ分量，其中該第一分量、第二分量、W及第Ξ分量在第一區(qū)域處互 相垂直。磁性多極可W被沿著期望的傳感器軌跡布置W使得第一分量沿著傳感器軌跡具有 不均勻的幅度。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一種確定可沿著第一方向運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的位置的方法，包 括沿著第一方向布置磁性多極，該磁性多極包括具有交替極性的多個(gè)磁極，在靠近磁性多 極并且被在第二方向上與磁性多極間隔開的第一區(qū)域處布置至少兩個(gè)磁傳感器元件，其中 第二方向垂直于第一方向，沿著第Ξ方向感測(cè)第一磁場(chǎng)分量，其中第Ξ方向在第一區(qū)域處 與第一方向和第二方向兩者都垂直W生成第一信號(hào)，沿著在第一區(qū)域處垂直于第Ξ方向的 第四方向感測(cè)第二磁場(chǎng)分量W提供第二信號(hào)，從第一信號(hào)得到指示第一磁場(chǎng)分量的信號(hào)歷 程的幅度的第一信息并且從第二信號(hào)得到指示第二磁場(chǎng)分量的信號(hào)歷程的幅度的第二信 息，W及組合第一信息和第二信息W便提供構(gòu)件的全局位置。
【附圖說明】
[0007] 考慮與隨附附圖有關(guān)的下面的詳細(xì)描述可W更全面地理解各實(shí)施例，在附圖中：
[000引圖1A為根據(jù)實(shí)施例的具有被偏屯、地安裝的磁性多極環(huán)的磁性目標(biāo)的平面視圖。
[0009] 圖1B為根據(jù)實(shí)施例的沿著線1B-1B的圖1A的磁性目標(biāo)的橫截面視圖，還示出磁 傳感器元件和傳感器管忍。
[0010] 圖1C為根據(jù)實(shí)施例的對(duì)應(yīng)于偏屯、地安裝的多極環(huán)的徑向、軸向和方位角場(chǎng)強(qiáng)度 的圖表。
[0011] 圖1D為根據(jù)實(shí)施例的具有楠圓形狀的被偏屯、地安裝的磁性多極環(huán)的磁性目標(biāo)的 平面視圖。
[0012] 圖2A為根據(jù)實(shí)施例的具有中斷的磁性多極的磁性目標(biāo)的平面視圖。
[0013] 圖2B為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的磁性目標(biāo)和傳感器管忍的透視圖。
[0014] 圖2C為根據(jù)實(shí)施例的永磁環(huán)的空間變化的圖表。
[0015] 圖2D為根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例的永磁環(huán)的空間變化的圖表。
[0016] 圖3為根據(jù)實(shí)施例的布置在磁性目標(biāo)與護(hù)罩之間的磁傳感器元件和傳感器管忍 的橫截面視圖。
[0017] 圖4為根據(jù)實(shí)施例的描繪用于使用單個(gè)傳感器管忍測(cè)量磁性目標(biāo)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位 置的方法的流程圖。
[001引圖5A和圖5B圖解根據(jù)實(shí)施例的線性位置傳感器和護(hù)罩。
[0019] 圖6為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的線性位置傳感器目標(biāo)的平面視圖。
[0020] 圖7為根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例的線性位置傳感器目標(biāo)的平面視圖。
[0021] 雖然實(shí)施例可W修改為各種修改和替代形式，但其中的特性已經(jīng)在附圖中W舉例 的方式示出并且將被詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解，意圖是不將本發(fā)明限制為所描述的特定實(shí) 施例。相反，意圖是覆蓋落入如由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、 等同物和替換。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 實(shí)施例設(shè)及用于檢測(cè)部件的角度和/或位置的傳感器、系統(tǒng)和方法。在各個(gè)實(shí)施 例中，可W布置永磁碼盤和碼帶W使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，單個(gè)離軸傳感器管忍或忍片可 W被用于收集足夠的數(shù)據(jù)W確定那個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)位置。在實(shí)施例中，運(yùn)可W使用繞著 偏屯、軸線布置的磁性碼盤來完成，并且/或者碼盤可W具有不規(guī)則的（例如，楠圓形的、中 斷的、或其它非環(huán)形的）形狀。在其它實(shí)施例中，單個(gè)傳感器忍片或管忍可W被用于收集足 的夠數(shù)據(jù)W確定線性移動(dòng)目標(biāo)的位置，線性移動(dòng)目標(biāo)具有被布置為提供作為它的位置的函 數(shù)的獨(dú)特磁性信號(hào)的磁性部分。
[0023] 圖1A和圖1B示出磁性目標(biāo)100,其可W用于測(cè)量附接的旋轉(zhuǎn)部件（諸如旋轉(zhuǎn)軸 (未示出））的旋轉(zhuǎn)位置。磁性目標(biāo)100包括第一部分102和永磁環(huán)（PMR) 104。第一部分 102是支撐PMR104的結(jié)構(gòu)部件。PMR104和第一部分102被剛性地附接到彼此。在實(shí)施例 中，PMR104是多磁極對(duì)的布置，其沿著路徑112(例如圓形路徑、楠圓形路徑、螺旋部分等） 分布。極對(duì)被沿著該路徑分布W使得磁性南極鄰近磁性北極并且反之亦然。在一些實(shí)施例 中，極對(duì)可W沿著PMR104規(guī)則地分布。運(yùn)樣的分布可W協(xié)助提供旋轉(zhuǎn)位置的更容易的計(jì) 算。在其它實(shí)施例中，極對(duì)可W沿著PMR104不規(guī)則地分布。運(yùn)樣的分布可能增加計(jì)算的 負(fù)擔(dān)但是另一方面可W協(xié)助針對(duì)全部旋轉(zhuǎn)位置確定獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)位置。在一些實(shí)施例中，極 對(duì)為相等的尺寸和形狀。在一些實(shí)施例中，極對(duì)可W具有變化的尺寸或變化的形狀或兩者。
[0024] 在示出的實(shí)施例中，第一部分102是盤，雖然在其它實(shí)施例中，第一部分102可W 具有被配置為支撐PMR(例如，PMR104)的任何其它幾何形狀。在各個(gè)實(shí)施例中，第一部分 102也可W被配置為安裝到旋轉(zhuǎn)部件（未示出），諸如凸輪軸。第一部分102可W例如通過 干設(shè)配合或螺紋接合而被安裝W與運(yùn)樣的部件一起繞著公共軸線C0R106共同旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn) 中屯、（C0R) 106是PMR104的旋轉(zhuǎn)中屯、。此外C0R106也是第一部分102的旋轉(zhuǎn)中屯、。第 一部分102可W例如是被配置為安裝到凸輪軸或其它軸的鐵鋼盤。如圖1A和圖1B所示， PMR104是環(huán)形環(huán)。在一些實(shí)施例中，所有的極對(duì)被布置為實(shí)質(zhì)上在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的平 面內(nèi)，如可W例如從圖1B觀察到那樣。在圖1A和圖1B所示的實(shí)施例中，PMR104是永久 磁性多極，其中極對(duì)被沿著具有內(nèi)徑R1和外徑R2的環(huán)分布。永磁體中屯、（CPM) 108是PMR 104的幾何中屯、。雖然PMR104可W關(guān)于CPM108對(duì)稱，但是在其它實(shí)施例中PMR104可W 被構(gòu)形為不關(guān)于CPM108對(duì)稱。多個(gè)磁性元件或區(qū)段110構(gòu)成PMR，并且是被永久磁化的 部分。因此，繞著PMR104的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向作為位置的函數(shù)而改變。在圖1A和圖1B所 示的實(shí)施例中，PMR104的各區(qū)段的磁化方向是軸向的，而在各個(gè)替換的實(shí)施例中，PMR104 的各區(qū)段可W被沿著方位角方向或者在更復(fù)雜的布置（諸如Ha化ach磁化）中被磁化。進(jìn) 一步地，雖然圖1A和圖1B的PMR104是環(huán)形的，但是在其它實(shí)施例中，PMR104可W是楠 圓形的，或者如例如在圖2A中描繪的實(shí)施例中描述的那樣被不規(guī)則地構(gòu)形。在一些實(shí)施例 中，PMR104被沿著傳感器軌跡112定位，如下面更詳細(xì)地描述的那樣。傳感器軌跡112是 繞著WC0R106為中屯、的旋轉(zhuǎn)軸線的虛擬圓，該圓的半徑由傳感器到旋轉(zhuǎn)軸線的徑向距離 確定。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，傳感器軌跡112是通過運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換獲得的虛擬軌跡，即， 假設(shè)可旋轉(zhuǎn)部分是固定的并且不可旋轉(zhuǎn)的傳感器是可旋轉(zhuǎn)的。換句話說，當(dāng)傳感器被安裝 為不可旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器相對(duì)于可旋轉(zhuǎn)部分（諸如例如PMR104)的各個(gè)位置是通過假設(shè)傳感 器為可沿著傳感器軌跡112旋轉(zhuǎn)并且可旋轉(zhuǎn)部分被固定來反映的。因?yàn)镻MR104被沿著傳 感器軌跡112定位，所W傳感器軌跡112沿著空氣間隙方向的投影完全位于PMR104的邊 界內(nèi)?？諝忾g隙是在傳感器元件與PMR104之間的最小距離，并且空氣間隙方向是沿著其 獲得最小距離的方向。 陽(yáng)02引在圖1A中，傳感器軌跡112的投影被完全包圍在PMR104內(nèi)，雖然PMR104的邊 界的徑向距離R3和R4變化。在實(shí)施例中，在相應(yīng)的傳感器元件114與PMR104之間的空 氣間隙在旋轉(zhuǎn)過程中是恒定的。其中沿著空氣間隙方向的傳感器軌跡投影完全在PMR104 的邊界內(nèi)的實(shí)施例允許恒定的空氣間隙距離，并且由此允許獲得具有沿著傳感器軌跡的至 少一個(gè)磁性部件的恒定幅度的振動(dòng)行為，而至少一個(gè)其它磁性部件由于不規(guī)則性（例如偏 屯、距e(參見圖1A)或螺旋形狀（參見圖2A)等）而具有帶有沿著傳感器軌跡的變化幅度的 振動(dòng)行為，如稍后將描述那樣。與此不同，其中空氣間隙在旋轉(zhuǎn)過程中改變的感測(cè)系統(tǒng)典型 地不允許實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)場(chǎng)部件的恒定幅度，因?yàn)樵趥鞲衅髟cPMR104之間的變化的徑 向距離針對(duì)所有的場(chǎng)部件對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。傳感器元件114被布置在傳感器管忍115上。 傳感器管忍115被安裝為不可旋轉(zhuǎn)。傳感器管忍115被定位在其中存在彼此相互垂直的Ξ 個(gè)伴隨磁場(chǎng)分量（即，軸向、方位角、和徑向）的區(qū)域中。在某些旋轉(zhuǎn)位置處，運(yùn)些分量的一 個(gè)或兩個(gè)可能消失（參見圖1C)。在各個(gè)實(shí)施例中，傳感器元件114可W是霍爾效應(yīng)傳感 器元件，或者磁阻傳感器元件。在實(shí)施例中，傳感器管忍115可W包括多個(gè)傳感器元件。例 如，在一些實(shí)施例中，傳感器管忍115可W包括對(duì)沿著徑向方向（即，與COR106正交的方 向）的磁場(chǎng)分量靈敏的傳感器元件114。在其它實(shí)施例中，傳感器管忍115可W包括對(duì)沿著 徑向方向的磁場(chǎng)分量靈敏的傳感器元件114,W及對(duì)沿著軸向方向（即，與COR106平行） 或方位角方向（即，正切于傳感器軌跡112)的磁場(chǎng)分量靈敏的第二傳感器元件114。傳感 器軌跡112是傳感器元件1