CN101375131B - 具有高分辨率磁道和低分辨率磁道的磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种传感设备包括第一和第二磁体组件。第一磁体组件包括具有相应的第一和第二反向磁场和相应的第一和第二尺寸的第一和第二磁体。第一尺寸相对小于第二尺寸。第二磁体组件位于距第一磁体组件一定距离处。第二磁体组件包括具有与第一磁场反向的第三磁场的第三磁体。

Description

具有高分辨率磁道和低分辨率磁道的磁传感器

相关申请

本申请要求2006年1月12日提交的美国临时申请No.60/758,333的权益，其全部内容通过引用而被结合在这里。

技术领域

本发明的实施例总体涉及磁传感器，并且特别地涉及具有高和低分辨率磁道的磁传感器。

背景技术

电磁式位置传感器通常具有两个或者更多磁道。每一个磁道提供特定磁性分辨率，例如高和低分辨率，并且包括多个电磁场发生磁体。这些电磁式位置传感器一般要求在磁道之间的间隙从而减轻磁道之间的相间磁干扰。然而，如果磁道之间的间隙不足够大，则由各个磁道产生的磁场相互作用。结果，传感器的准确度降低。另一方面，在磁道之间的大间隙减轻了相间磁干扰的同时，所形成的磁道通常更大了。

更加具体地，高分辨率磁道的磁体通常受到低分辨率磁道的磁体的影响。例如，邻近高分辨率磁道的一些部分的低分辨率磁道的南极场将北极场叠加在高分辨率磁道的所述部分上。在这种情形中，与由高分辨率磁道的磁体所产生的场的零交点处的南极相比，被叠加的北极场将产生更宽的高分辨率磁道的北极。零交点通常代表由高分辨率磁道的磁体所产生的磁场强度，其是在围绕高分辨率磁道的不同角度位置处被测量的。类似地，邻近高分辨率磁道的一些部分的低分辨率磁道的北极场将南极场叠加在高分辨率磁道的所述部分上。在这种情形中，与由高分辨率磁道的磁体所产生的场的零交点处的北极相比，被叠加的南极场将产生更宽的高分辨率磁道的南极。

发明内容

在一种形式中，本发明提供一种包括第一和第二磁体组件的传感设备。第一磁体组件包括具有相应的第一和第二反向磁场和相应的第一和第二尺寸的第一和第二磁体。第一尺寸相对小于第二尺寸。第二磁体组件位于距第一磁体组件一定距离处，并且包括第三磁体。第三磁体具有与第一磁场反向的第三磁场。

在另一种形式中，本发明提供一种具有高和低分辨率磁道的传感设备。低分辨率磁道包括具有第一磁极和第一周向尺寸的第一磁体。高分辨率磁道与低分辨率磁道隔开，并且包括具有第二周向尺寸以及与第一磁极基本相同的磁极的第二磁体。高分辨率磁道还包括具有第三周向尺寸的第三磁体。第三周向尺寸不同于第二周向尺寸。第三磁体还具有与第一磁极反向的第三磁极。

在又一种形式中，本发明提供一种传感设备，它包括高和低分辨率磁道，以及反向场磁道。低分辨率磁道包括具有第一磁极的第一磁体。高分辨率磁道沿着周向围绕低分辨率磁道，利用第一间隙与低分辨率磁道间隔，并且具有一定周向尺寸。高分辨率磁道包括具有与第一磁极基本相同的磁极的第二磁体，以及具有与第一磁极反向的第三磁极的第三磁体，以及从第一磁体叠加的磁极。所述反向场磁道也沿着周向围绕高分辨率磁道，利用第二间隙与高分辨率磁道间隔，并且包括具有与第一磁极基本相同的第四磁极的第四磁体以减弱从第一磁体叠加的磁极。

通过考虑详细说明和附图可以清楚本发明的其它方面。

附图简要说明

图1是具有高和低分辨率磁道的传感设备的示意性顶视图；

图2是图1的传感设备的多个部分的详细示意性顶视图；

图3是用于图1的高和低分辨率磁道中的示例性楔形磁体。

图4是可替代的传感设备的示意性顶视图。

图5A是马达盖的示意性侧视图。

图5B是图5A的马达盖的示意性仰视图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应该理解本发明在其应用方面不限于下面说明中阐述的或附图中示意的构造和部件布置中的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实施或执行。而且应该理解，在这里使用的措词和术语是用于说明的且不应被视为是限制性的。在这里“包含”、“包括”或者“具有”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。除非另外规定或限定，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体被广义地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。而且，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

还将参考附图描述本发明实施例，其中在所有图中相同标号代表相同的元件。特定术语例如“顶部”、“底部”、“右”、“左”、“前部”、“朝前地”、“向前”、“背部”、“后”和“向后”被用于下面的说明中，仅仅为了使得描述相对清楚而非旨在进行限定。

本发明实施例涉及具有高和低分辨率磁道的传感设备。在一些实施例中，高分辨率磁道包括具有反向磁场的不同尺寸的磁体。低分辨率磁道包括类似尺寸的磁体。低分辨率磁道的一些磁体具有与由高分辨率磁道的一些磁体产生的磁场反向的磁场，并且因此将磁极叠加在高分辨率磁道上。在高分辨率磁道中产生与叠加磁极反向的磁极以消除或者补偿叠加磁极。在一个实施例中，高分辨率磁道的一些磁体的尺寸被配置为相对小于高分辨率磁道的其它磁体的尺寸以补偿由低分辨率磁道的磁体所产生的磁场。以此方式，由于叠加场引起的效应能够被消除或者减弱，从而北极和南极具有类似的零交点。

本发明的实施例还提供一种包括高和低分辨率磁道的传感器设备。每一个磁道包括多个磁体，并且每一个磁体产生磁场。结果，每一个磁道具有总磁场并且因此具有磁场图案(magnetic field pattern)。

在一些实施例中，高分辨率磁道的磁场图案基本被构成为补偿在高分辨率磁道上叠加的北极。图1示出具有高分辨率组件或者磁道104和低分辨率组件或者磁道108的磁传感设备100的示意性顶视图。一种示例性磁传感设备是结合在马达中的位置和方向传感系统。高和低分辨率磁道104、108由间隙112分离开。当低分辨率磁道108的磁体116的南极将北极叠加在高分辨率磁道104的部分120上时，部分120的磁体被构造成使得叠加北极的效应被减弱或最小化。类似地，当低分辨率磁道108的北极磁体132将南极叠加在高分辨率磁道104的部分136上时，部分136的磁体被构造成使得叠加南极的效应被减弱或者最小化。

虽然高和低分辨率磁道104、108被示为具有圆形形状，但高和低分辨率磁道104、108也能够具有其它形状，例如椭圆形状、多边形形状及其组合。进而，虽然在图1中示出一个低分辨率磁道108和一个高分辨率磁道104，但传感设备100也能够包括多个高分辨率磁道、多个低分辨率磁道、和/或多个高和低分辨率磁道的组合。

图2示出高分辨率磁道104的示例性部分120、136的详细示意性顶视图。特别地，具有相关联的北极的高分辨率磁道104的磁体124基本窄于具有相关联南极的高分辨率磁道104的磁体128，这将在下面详述。类似地，具有相关联南极的高分辨率磁道104的磁体140基本窄于具有相关联北极的高分辨率磁道104的磁体148，这将在下面详述。图2还示出了靠近部分120的中心184的磁体124比远离部分120的中心184的磁体124更窄，从而在靠近部分120的中心184的位置提供了更多的补偿。类似地，图2还示出了靠近部分136的第二中心188的磁体140比远离部分136的第二中心188的磁体140更窄，从而在靠近部分136的第二中心188的位置提供了更多补偿。虽然磁体124、128、140、148被示为楔形磁体，但磁体124、128、140、148也能够具有其它适当的规则或者不规则形状。进而，磁体124、128、140、148能够包括由不同材料，例如钕铁硼(“NdFeB”或者“NIB”)、钐钴(“SmCo”)、磁钢、陶瓷、铁素体等制成的永久磁体、临时磁体、电磁体等的组合。

在图2的实施例中，磁体的周向尺寸减小以最小化或减弱磁极效应。高分辨率磁道104的磁体的其它尺寸和参数能够被调节或者构造成使得，在高分辨率磁道104中存在反向、补偿或者抵消磁极。例如，为了在靠近部分120的中心184的位置提供更多补偿，与远离部分120的中心184的磁体124相比，在高分辨率磁道104中具有叠加磁极的磁体124能够轴向地在靠近中心184的位置以及沿着平行于高分辨率磁道104的轴线192的轴线更薄。在这种实施例中，与相邻磁体128相比，在高分辨率磁道104中具有叠加磁极的磁体124也能够沿着轴向更薄，从而为部分120提供补偿。可替代地，为了在靠近部分120的中心184的位置提供更多补偿，与远离部分120的中心184的磁体124相比，在高分辨率磁道104中具有叠加磁极的磁体124能够径向地在靠近中心184的位置并且沿着直径194更小。在这种实施例中，与相邻磁体128相比，在高分辨率磁道104中具有叠加磁极的磁体124也能够沿着径向更小，从而为部分120提供补偿。在其它实施例中，磁体124能够被构造成辐射磁场强度弱于相邻磁体128的磁场强度的磁场。

图3示出能够被用作图2的高分辨率磁道104的磁体124、128、140、148的示例性楔形磁体200。磁体200具有沿着磁体200的第一周向部分208的内部或者内周向尺寸204，以及沿着第二周向部分216的外部或者外周向尺寸212。磁体200还具有沿着磁体200的外部轴向边缘224的外部或者外轴向尺寸220、沿着磁体200的内部轴向边缘232的第二内部或者内轴向尺寸228，以及沿着径向边缘240的径向尺寸236。虽然外部轴向尺寸220和第二内部轴向尺寸228在图3中被示为基本相等，但是外部轴向尺寸220和第二内部轴向尺寸228在一些其它实施例中能够是不同的从而根据需要提供磁极补偿。例如，为了补偿叠加磁极，外部轴向尺寸220能够小于第二内部轴向尺寸228以降低相应的磁场强度。进而，如所述那样，为了补偿部分116、136处的叠加磁极，磁体124、140比相应的磁体128、148更窄。在一些实施例中，为了补偿部分116处的叠加北极(图1)，磁体124的内部周向尺寸204小于磁体128的内部周向尺寸204。磁体124的外部周向尺寸212也小于磁体128的外部周向尺寸212。类似地，为了补偿部分136处的叠加南极(图1)，磁体140的内部周向尺寸204小于磁体148的内部周向尺寸204。磁体140的外部周向尺寸212也小于磁体148的外部周向尺寸212。

图4示出可替代的传感设备400的示意性顶视图。传感设备400包括低分辨率磁道404和利用第一间隙409分离的高分辨率磁道408。传感设备400还包括利用第二间隙413与高分辨率磁道408分离的补偿磁道412。高分辨率磁道408具有沿着周向围绕低分辨率磁道404的内部周边410。磁体416在整个高分辨率磁道408上具有基本相同的尺寸。如前所述，高分辨率磁道408受到低分辨率磁道404的磁体420的影响。补偿磁道412沿着周向围绕外部周边422上的高分辨率磁道408。特别地，补偿磁道412提供相等强度的磁场，但该磁场具有相对于低分辨率磁道404所产生的磁场相反的磁场方向。补偿磁道412通常包括多个磁体424，如所述，该磁体424产生与由所述低分辨率磁道404的磁体420产生的磁场反向的磁场。因为补偿磁道412靠近高分辨率磁道408和低分辨率磁道404，因此由磁体420产生并且叠加在高分辨率磁道408的磁体416上的磁场几乎或者完全被由补偿磁道412的磁体产生的反向场所抵消。即，在高分辨率磁道408处测量低分辨率磁道404的零或者近零的净磁场效应。

这里的实施例能够被用于探测转向轮位置或者轮子位置，并且能够被用于其它关键角度位置感测应用、机器人应用、包装应用和制造组件应用中。进而，这里的实施例能够被用于其它设施，例如农业设施、运土(earth moving)设施、越野设备、铲车和道路车辆。

图5A和图5B分别示出了马达(未示出)的盖500的侧视图和仰视图。传感设备100、400能够靠近盖500地被结合在马达中。马达盖500包括具有高分辨率传感器508和多个换向传感器512的印刷电路板504。在一些实施例中，高分辨率传感器508被定位成靠近高分辨率磁道104，并且换向传感器512基本被定位成靠近低分辨率磁道108以获得马达的近似绝对位置。特别地，换向传感器512能够是基本异相的，例如以120°。在马达启动时，换向传感器512被通电，并且因此能够确定低分辨率磁道108的近似绝对位置。

因此，本发明主要提供一种传感设备。

Claims (16)

1.一种传感设备，包括：

第一磁体组件，包括

第一和第二磁体，具有

相应的彼此反向的第一和第二磁场，

其中所述第一磁体具有多个尺寸，包括内周向尺寸、外周向尺寸、内轴向尺寸、外轴向尺寸、和径向尺寸，并且所述第二磁体具有相应的多个尺寸，并且其中所述第一磁体的内周向或外周向尺寸相对小于所述第二磁体的相应的尺寸；和

第二磁体组件，其由所述第一磁体组件周向地围绕并位于距所述第一磁体组件一定距离处，所述第二磁体组件包括

具有与第一磁场反向的第三磁场的第三磁体。

2.根据权利要求1的传感设备，其中所述第一磁体组件是高分辨率磁道，并且其中所述第二磁体组件是低分辨率磁道。

3.根据权利要求1的传感设备，其中所述第一磁体组件具有磁体部分，所述磁体部分具有中心，所述第一磁体被定位成靠近所述中心，并且所述第一磁体组件还包括具有与所述第二磁场反向的第四磁场的第四磁体，其中所述第四磁体被定位成邻近所述第二磁体且远离所述中心，并且具有外周向尺寸，其中所述第一磁体的外周向尺寸相对小于所述第四磁体的外周向尺寸，并且其中所述磁体部分包括所述第一、第二和第四磁体。

4.根据权利要求1的传感设备，其中所述第一、第二和第三磁体是楔形的。

5.根据权利要求1的传感设备，还包括：

至少一个高分辨率传感器，其被定位成靠近所述第一磁体组件，并且被配置为感测所述第一和第二磁体中的至少一个磁体的位置；和

至少一个低分辨率传感器，其被定位成靠近所述第二磁体组件，并且被配置为感测所述第三磁体的位置。

6.根据权利要求5的传感设备，其中所述第一磁体组件被配置为相对于所述第二磁体组件旋转。

7.一种传感设备，包括：

低分辨率磁道，包括

具有第一磁极和第一周向尺寸的第一磁体；和

高分辨率磁道，其周向地围绕所述低分辨率磁道并与所述低分辨率磁道隔开，并且包括

具有第二周向尺寸且与所述第一磁极基本相同的磁极的第二磁体，和

具有不同于所述第二周向尺寸的第三周向尺寸且与所述第一磁极反向的第三磁极的第三磁体。

8.根据权利要求7的传感设备，其中所述第三周向尺寸小于所述第二周向尺寸。

9.根据权利要求7的传感设备，其中所述高分辨率磁道具有磁体部分，所述磁体部分具有中心，所述第三磁体被定位成靠近所述中心，并且所述高分辨率磁道还包括具有与所述第二磁极反向的第四磁极的第四磁体，其中所述第四磁体被定位成邻近所述第二磁体且远离所述冲心，并且具有第四周向尺寸，其中所述第三磁体的第三周向尺寸相对小于所述第四磁体的第四周向尺寸，并且其中所述磁体部分包括所述第三、第二和第四磁体。

10.根据权利要求7的传感设备，其中所述第一，第二，和第三磁体是楔形的。

11.根据权利要求7的传感设备，其中所述高分辨率磁道被配置为周向地围绕所述低分辨率磁道。

12.根据权利要求7的传感设备，还包括：

至少一个高分辨率传感器，其被定位成靠近所述高分辨率磁道，并且被配置为感测所述第二和第三磁体中的至少一个磁体的位置；和

至少一个低分辨率传感器，其被定位成靠近所述低分辨率磁道，并且被配置为感测所述第一磁体的位置。

13.根据权利要求12的传感设备，其中所述高分辨率磁道被配置为相对于所述低分辨率磁道旋转。

14.一种传感设备，包括：

低分辨率磁道，包括

具有第一磁极的第一磁体；

高分辨率磁道，周向地围绕所述低分辨率磁道，利用第一间隙与所述低分辨率磁道隔开，并且具有周向尺寸，且包括

具有与所述第一磁极基本相同的磁极的第二磁体，和

具有与所述第一磁极反向的第三磁极以及从第一磁体叠加的磁极的第三磁体；以及

反向场磁道，周向地围绕所述高分辨率磁道，利用第二间隙与所述高分辨率磁道隔开，并且包括

第四磁体，具有与所述第一磁极反向的第四磁极，并且被配置为减弱从所述第一磁体叠加的磁极。

15.根据权利要求14的传感设备，还包括：

至少一个高分辨率传感器，其被定位成靠近所述高分辨率磁道，并且被配置为感测所述第二和第三磁体中的至少一个磁体的位置；和

至少一个低分辨率传感器，其被定位成靠近所述低分辨率磁道，并且被配置为感测所述第一磁体的位置。

16.根据权利要求15的传感设备，其中所述高分辨率磁道被配置为相对于所述低分辨率磁道旋转。

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