CN105765347A - 高分辨率多圈传感器相关的器件和方法 - Google Patents

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Abstract

高分辨率多圈传感器相关的器件和方法。在一些实施例中，位置感测器件可包括具有纵向轴线的轴以及具有磁体和磁传感器的第一传感器。所述磁体可耦接到所述轴，所述磁传感器可相对于所述磁体定位，以使得所述第一传感器允许对所述磁体相对于所述磁传感器的角位置的测量，从而允许对在所述轴的给定圈内的所述轴的对应角位置的确定。所述位置感测器件还可包括第二传感器，其耦接到所述轴并且配置为允许对所述轴的圈数的测量。所述第二传感器可包括一个或多个不同类型的感测功能以产生表示所述轴的圈数的输出。

Description

高分辨率多圈传感器相关的器件和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年09月11日提交的、发明名称为“DEVICESANDMETHODSRELATEDTOHIGH-RESOLUTIONMULTI-TURNSENSORS”的美国临时申请第61/876,738号的优先权，特此通过引用而将其公开内容明确地全部合并于此。
技术领域
本申请一般地涉及高分辨率多圈传感器相关的器件和方法。
背景技术
在许多机械和/或机电器件中，期望能够准确地确定旋转对象的状态。例如，诸如螺旋丝杠(jackscrew)之类的旋转对象通过其旋转向另一对象施加线性运动。在许多情况下，期望能够准确地确定线性移动对象的位置。这种确定可以基于知晓旋转对象的角位置。
发明内容
在一些实施方式中，本申请涉及一种位置感测器件，其包括具有纵向轴线的轴和具有磁体和磁传感器的第一传感器组件。所述磁体耦接到所述轴，所述磁传感器相对于所述磁体定位，以使得所述第一传感器组件允许对所述磁体相对于所述磁传感器的角位置的测量，从而允许对在所述轴的给定圈内的所述轴的对应角位置的确定。所述位置感测器件还包括第二传感器组件，其耦接到所述轴并且配置为允许对所述轴的圈数的测量。所述第二传感器组件包括非磁传感器。
在一些实施例中，所述第一传感器组件可具有角分辨率，从而通过所述第二传感器组件测量圈数允许贯穿所述轴的多个圈基本维持所述角分辨率。所述多个圈可以大于二个圈。
在一些实施例中，所述磁体可直接耦接到所述轴，从而在所述轴和所述磁体之间产生基本为零的机械回差。所述磁体到所述轴的直接耦接可包括具有第一侧和第二侧的磁体安装结构，所述第一侧附接到所述轴的一端，所述第二侧附接到所述磁体。所述磁体可配置为是双极的并且被沿直径方向磁化，从而产生到所述磁传感器的变化的正交和平行磁通量。
在一些实施例中，所述磁传感器可包括多个霍尔效应传感器、多个正弦-余弦磁致电阻(MR)传感器、多个巨磁致电阻(GMR)传感器、或集成垂直霍尔传感器。在一些实施例中，所述磁传感器可包括所述多个霍尔效应传感器，其实施在正交霍尔效应传感器组件中。所述正交霍尔效应传感器组件可配置为用作正弦-余弦传感器，其中在所述正交霍尔效应传感器组件处的正交和平行磁通量的变化被近似为正交的正弦和余弦。所述正交霍尔效应传感器组件可配置为通过用arctan(tan(α))这一量近似所述磁体的角位移来计算所述磁体的角位置，其中α为所近似的正交的正弦和余弦的相位。用sin(α)和cos(α)的比值近似所述角位移可允许对所述角位移的测量对于所测量的磁通量的幅值变化是稳定的。
在一些实施例中，所述第二传感器组件的非磁传感器可包括电传感器或诸如感应式传感器之类的电磁传感器。在一些实施例中，所述非磁传感器可包括所述电传感器，所述电传感器可包括电阻元件和滑动接触部，其配置为提供表示所述轴的圈数的可变电阻。
在一些实施例中，所述电传感器可包括：绕线电阻元件，其具有第一端和第二端；游标组件，其包括所述滑动接触部，所述游标组件配置为允许所述滑动接触部随着所述轴的转动而沿所述绕线电阻元件移动；以及集流器接触部，其电连接到所述滑动接触部，以使得所述绕线电阻元件的所述第一端和所述第二端以及所述集流器接触部形成电位计电路。所述电传感器还可包括电连接到所述绕线电阻元件的第一端和第二端的第一接触部和第二接触部、以及电连接到所述集流器接触部的集流器端子。所述电传感器可配置为生成表示在所述轴的行程范围内的所述轴的圈数的输出电压。
在一些实施例中，所述非磁传感器可包括所述感应式传感器。所述感应式传感器可包括金属靶，所述金属靶耦接到所述轴以允许当所述轴旋转时所述金属靶相对于感应元件的纵向移动。所述金属靶和所述感应元件可配置为允许对感应响应的测量，所述感应响应至少部分地取决于所述金属靶和所述感应元件之间的分隔距离。
在一些实施例中，所述感应元件可包括导电线圈。所述导电线圈可实施为在基本平坦的基板上的导电迹线的绕组。所述绕组可定义一平面，所述平面具有与所述纵向轴线大致平行的法线方向。
在一些实施例中，所述感应式传感器还可包括靶托，其配置为相对于所述轴和所述感应元件保持所述靶。所述靶托可配置为螺纹耦合到所述轴以实现所述纵向移动。所述靶托可配置为螺纹耦合到定义在壳体壁的内表面上的螺旋槽图案以实现所述纵向移动。
在一些实施例中，所述轴可配置为提供离合功能。在一些实施例中，所述轴可配置为没有离合功能。
在一些实施例中，所述第一传感器组件可配置为提供N位分辨率以产生用于所述轴的给定圈的角分辨率，所述第二传感器组件可配置为提供足以确定所述轴的圈数的M位分辨率。所述位置感测器件可在所述轴的多个圈的范围上具有M+N位有效分辨率。
在一些实施方式中，本申请涉及一种用于感测具有纵向轴线的轴的位置的方法。所述方法包括用第一传感器组件通过感测耦接到所述轴的磁体来测量给定圈内的所述轴的角位置。所述方法还包括用第二传感器组件测量所述轴的圈数。所述方法还包括结合所测量的所述轴的角位置和所测量的所述轴的圈数。所述第二传感器组件包括非磁传感器。
在一些实施例中，所述角位置和所述圈数可以被独立地测量。所述角位置和所述圈数的独立测量产生与所述角位置测量相关联的角分辨率，其贯穿所述轴的多个圈被基本维持。所述多个圈可以大于二个圈。在一些实施例中，所述非磁传感器可包括电传感器或感应式传感器。
在一些实施方式中，本申请涉及一种用于确定旋转对象的状态的系统。所述系统包括具有磁体和磁传感器的第一传感器组件。所述磁体耦接到所述旋转对象，所述磁传感器相对于所述磁体定位，使得所述第一传感器组件允许对所述磁体相对于所述磁传感器的角位置的测量，从而允许对在所述旋转对象的给定圈内的所述旋转对象的对应角位置的确定。所述系统还包括第二传感器组件，其耦接到所述旋转对象并且配置为允许对所述旋转对象的圈数的测量。所述第二传感器组件包括非磁传感器。
出于概述本申请的目的，已经在这里描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应理解，不一定根据本发明的任何特定实施例可以实现所有这些优点。因而，可以按照实现或优化如在这里教导的一个优点或一组优点的方式来实施或实现本发明，而不需要实现如在这里可以教导或建议的其它优点。
附图说明
图1示意性示出了包括角位置传感器和旋转传感器的位置感测器件。
图2示出了图1的器件的示例性实施例的立体图，其中角位置传感器可以实施为第一传感器，旋转传感器可以实施为第二传感器。
图3示出了图2的实施例的剖视图。
图4A和4B示意性示出了图1-3的角位置传感器的示例的侧视图和轴向视图。
图5A-5D示出了可如何配置图4A-4B的角位置传感器以操作来产生旋转轴的角位置的示例。
图6A-6C示出了可如何配置旋转传感器以提供这里描述的一个或多个特征的示例。
图7示出了可从具有这里描述的一个或多个特征的感测器件获得的输出的示例。
图8A-8C示出了这里描述的位置感测器件可以具有电旋转传感器、磁旋转传感器、和/或电磁旋转传感器。
图9示出了图8B的磁旋转传感器的示例。
图10示出了图8C的电磁旋转传感器的示例。
图11示出了图10的电磁旋转传感器的变型，其中旋转轴具有离合(clutch)机构。
图12A和12B示出了可用于图10和11的电磁旋转传感器的感测元件的示例。
具体实施方式
如果有的话，在这里提供的小标题仅仅为了方便起见，而不一定影响要求保护的发明的范围或含义。
这里公开了与高分辨率位置感测器件相关的示例器件和方法。如这里描述的，这种感测器件可以设计和实现为具有诸如更小滞后(hysteresis)之类的期望功能的多圈感测器件。在一些实施例中，这种更小滞后可以由例如与位置感测器件的一个或多个部件相关联的更小机械回差效应(mechanicalbacklasheffect)来实现。
图1示意性示出了在一些实施方式中，位置感测器件100可以包括角位置传感器部件102和旋转传感器部件104。图2和3示出了这些传感器部件可如何组合以产生在可包括多圈的旋转范围上的高分辨能力等的示例。图4和5示出了可如何实现角位置传感器102的示例。图6A-6C示出了可如何实现旋转传感器104的示例。图7示出了可从具有这里描述的一个或多个特征的感测器件100获得的输出的示例。
图2示出了具有第一传感器102(这里也称为传感器1)和第二传感器104(这里也称为传感器2)的位置感测器件100的示例。第一传感器102可为图1的角位置传感器102。在一些实施例中，第一传感器102可被配置为产生旋转轴116在给定圈内的角位置。第二传感器104可为图1的旋转传感器104。在一些实施例中，第二传感器104可被配置为产生由旋转轴116完成的圈数。因为这两个测量可以彼此独立，所以这些测量的组合可以受益于在多圈上扩展的与第一传感器102相关联的高分辨率。此外，如在这里描述的，这种在多圈上的高分辨率性能可以实现为具有减小的或可忽略的滞后效应。
如图2所示，位置感测器件100可以包括壳体110，其被配置为容纳第一传感器102和第二传感器104两者。壳体110可以包括一个或多个被配置为支承第一传感器102、第二传感器104、旋转轴116、和/或其他相关部件的结构。
图2还示出壳体110可以耦接到安装结构，安装结构具有便于不同安装选项的尺寸。例如，法兰114可以具有允许位置感测器件100的面板安装的尺寸。
在一些实施例中，第一传感器102可为非接触磁传感器。这里将参照图4和5更详细地说明与这种传感器相关联的示例。如图2所示，这种非接触磁传感器可以包括用于提供输入电力和用于输出表示轴116的角位置的信号的端子120、122和124。端子120可为用于接收供应电压(例如，5V直流)的电源端子，端子124可为接地端子。端子122可为用于输出表示轴116的角位置的信号的输出端子。这里将更详细地描述这种输出信号的示例。
在一些实施例中，第二传感器104可为具有与市面供应器件(例如，伯恩斯3541H或3549H)类似的设计的精密电位计器件。在一些实施例中，这种电位计器件可以包括有利特征，包括例如带有导电塑料涂层的复合电阻绕线元件。这类电阻元件利用导电塑料元件的长运行寿命而表现出绕线元件的稳定性。有利特征还可包括良好的回差(backlash)性能。例如，低于1度的机械回差是可以预期的。在一些实施例中，这种特征可通过游标(wiper)元件直接耦接到轴来促成。将参照图3更详细地描述关于这种耦接的示例。
图2示出在一些实施例中，可以沿壳体110的圆柱壁提供与第二传感器104的电位计相关联的电端子。例如，电阻元件(图2未示出)的两端可以被电连接到第一端子130和第二端子132，游标(图2未示出)可被电连接到集流器(collector)端子134。这里将更详细地描述关于这些端子的示例。
图3示出图2的示例位置感测器件100的剖视图。更特别地，示出了第一传感器102和第二传感器104可相对于轴116如何配置和布置的示例。
轴116示出为通过第一轴套(bushing)176和第二轴套178可转动地固定到壳体上。这些轴套中的每个可包括用于提高不同负载(例如，侧向负载)下的磨损特性的轴承面(例如，黄铜和青铜)。在图3所示的示例配置中，第一轴套176示为模制到将第一传感器102和第二传感器104分隔开的隔墙(partition)142中。第二轴套178示为模制到前盖结构174中。这种轴套配置可以提供诸如提高机械稳定性以及改善制造工艺之类的有利特征。
由轴套176、178支承的轴116示为使其端部耦接到磁体安装结构150。磁体安装结构150示为具有使磁体152安装于其上的尺寸。在一些实施例中，这种耦接配置可产生磁体152和轴116的基本直接机械耦接。在这种直接耦接配置中，轴116的旋转可以基本直接地转移给磁体152，从而减小或消除与第一传感器102相关联的机械回差。
在图3的示例中，磁体152和感测组件162为第一传感器102的一部分。这里将参考图4和5来更加详细地描述可以如何通过感测组件162来感测磁体152的旋转(进而轴的旋转)的示例。
感测组件162示为安装在壳体110的端帽118的内侧。用于第一传感器102的集成电路(IC)传感器160示为是感测组件162的一部分；端帽118可以适当地具有容纳IC传感器160的尺寸。端帽118还示为支承与第一传感器102相关联的电端子120(图2所示)、122、124。
在图3的示例中，端帽118、隔墙142以及其间的圆柱壁140示为限定第一空间144，第一空间144具有容纳第一传感器102的各部分的尺寸。如这里所述，隔墙142可以配置为支承轴套176。
如图3进一步示出的，与第二传感器104相关联的各种部件可以设置在隔墙142和前盖结构174之间。在示例中，隔墙142和前盖结构174之间的圆柱壁170示为限定凹陷特征(recessedfeature)200，凹陷特征200具有接收和支承绕线元件190的外侧部分的尺寸。因此，凹陷特征200可用作用于绕线元件190的支承结构。在一些实施例中，这种支承结构可以具有一尺寸以提供更加均匀的间隔，从而提高位置分辨能力。在一些实施例中，用于绕线元件190的支承结构200可配置为允许绕线元件190接合到其上，从而例如以稳固的方式促成前述均匀间隔特征。
在一些实施例中，圆柱壁170可实现为由诸如塑料之类的材料模制而成的单片，而支承结构200(用于绕线元件190)定义在内表面上。也可实现圆柱壁170和/或支承结构200的其他配置。
对于绕线元件190的示例配置，其在前盖结构174一侧的第一端193示为电连接到第一端子130。类似地，绕线元件190的在隔墙142一侧的第二端194示为电连接到第二端子132。
在一些实施例中，用于第一端子130和第二端子132中的每个的电连接可包括例如由模制结构136保持在位的冲压金属。模制结构136又示为通过合适的安装特征而固定到圆柱壁170。
在图3中，用于第二端子132的电连接示为包括接触特征192，其在第二端194处或附近衔接绕线元件190。电连接第二端子132和其对应的接触特征192的连接部分示为被成型(例如，两个90度弯曲)以实现第二端子132的期望位置，和/或通过模制结构136提供充分包封。用于第一端子130的电连接也可以关于绕线元件190的第一端193以类似的方式进行配置。
在一些实施例中，绕线元件190可以配置为用作螺纹以将游标的旋转运动转换为轴向位移。这种配置可以允许游标覆盖绕线元件190的多匝。
在图3所示的示例中，游标组件180可以配置为在绕线元件190的多匝(例如，多圈)上提供前述功能。游标组件180可以为具有啮合(engagement)特征186的环状物，啮合特征186径向向外延伸并且与绕线元件190啮合，从而在游标组件180和绕线元件190之间形成螺纹-螺纹型啮合。在一些实施例中，游标组件180可以由电绝缘材料形成，各种电接触特征可如这里描述的那样形成于其上。
在一些实施例中，游标组件180可配置为形成与绕线元件190的局部的滑动电接触。例如，滑动接触特征可形成在啮合特征186的一侧(例如，沿轴向方向)，从而允许接触特征和绕线元件190的对应局部电接触。
接触特征187可设置在游标组件180的内侧；接触特征187可配置为与集流器接触部196接合。可提供啮合特征186的滑动接触部分与接触特征187之间的电连接，从而将啮合特征186的滑动接触部分与集流器接触部196电连接。集流器接触部196示为电连接到集流器端子134，以使得在沿绕线元件190的各个位置处，啮合特征186的滑动接触部分都与集流器端子134电接触。
在图3所示的示例配置中，轴116的旋转运动可如下传递到游标组件180。内套筒188示为设置在轴116的位于隔墙142和前盖结构174之间的部分周围，以使得内套筒188与轴116一起转动。外套筒189示为设置在内套筒188周围，以使得外套筒189与内套筒188一起(进而和轴116一起)转动。轴116和内套筒188之间以及内套筒188和外套筒189之间的连结(joint)可以以多种方式实现，包括例如压配、粘接等。还将理解的是，尽管在两个示例套筒的上下文中进行了描述，但是轴116和集流器接触部196之间的区域可以形成有更少或更多数量的结构。还将理解的是，在一些实施例中，可以适当地设置轴本身的尺寸以提供与一个或多个套筒相关联的间隔和引导功能中的一些或全部。
在图3所示的示例中，外套筒189可以包括其上可以安装或形成集流器接触部196的外表面。外套筒189还可包括沿外套筒189的外部轴向延伸的导槽183。导槽183可以具有一尺寸以容纳形成在游标组件180内侧的对应的引导块181。
引导块181被陷在引导槽183内导致游标组件180被迫与轴116一起转动。如这里所述的，由于示例的与绕线元件190的螺纹-螺纹相互作用，这种游标组件180的旋转导致游标组件180的轴向运动。在一些实施例中，引导块181和引导槽183的配合可配置为随着轴116转动而提供引导块181在引导槽183中的期望滑动运动，同时降低机械回差效应。
随着游标组件180以上述示例方式轴向移动，其接触特征187保持电连接到集流器接触部196。在一些实施例中，集流器接触部196可配置为与轴116一起旋转，从而允许这种与接触特征187的连续滑动电连接。集流器接触部196还示为包括接触特征197，接触特征197在集流器接触部196与轴116一起旋转时与接触环198接合并且提供与接触环198的电连接。接触环198可电连接到集流器端子134，由此形成沿绕线元件190的给定位置的啮合特征186的滑动接触部分和集流器端子134之间的电连接。
图4A和4B示意性描绘了这里参考图3描述的磁体152的示例配置以及其相对于磁传感器160(例如，感测组件162的一部分，也示于图3中)的非接触位置的分离侧视图和轴向视图。磁体152示为通过磁体安装结构150安装到轴116。
在一些实施例中，磁体152可配置为是双极性的并且沿直径被磁化，从而产生到磁传感器160的可变正交和平行磁通量。在一些实施例中，这种磁体可与磁传感器分隔开例如大约1mm±0.5mm的工作距离，磁传感器160可配置为以变化的分辨率读取磁体152的角位置，包括例如10-16位(bit)分辨率。也可使用其他分隔距离和/或其他分辨能力。
图5A-5D示出这种磁通量可以如何被检测到从而确定图4A-4B的磁体152(进而轴116)相对于磁传感器160的角位置的示例。在一些实施方式中，磁传感器160可包括具有表示为H1-H4的霍尔效应传感器的正交(quadrature)霍尔效应传感器组件352。这些霍尔效应传感器可以或可以不形成为集成传感器。尽管在霍尔效应传感器的上下文中描述了磁传感器160，但是将理解，也可以实施其他类型的传感器。例如，可以(例如，以桥配置)使用正弦-余弦磁致电阻(MR)传感器、巨磁致电阻(GMR)传感器、或集成垂直霍尔传感器。
图5A示出了在一些实施方式中，磁传感器组件352可配置成操作为正弦-余弦传感器，其中磁传感器组件352处的正交和平行磁通量(例如，图5B中的360)的变化可近似为正交的正弦和余弦。这种霍尔效应传感器的输出可由模拟接口350处理，模拟接口350配置为提供诸如放大和调节354以及转换为数字数据356从而产生一个或多个输出358之类的功能。在一些实施例中，前述读出装置的后端部分可被配置为提供具有A/D，D/A和串行通信能力的可编程接口。
在图5A和5B所示的示例中，霍尔效应传感器H1-H4示为分别输出+正弦信号、+余弦信号、-正弦信号、-余弦信号。这些信号可基于电流(I)和磁场(B)的相互作用导致的霍尔电压(VH)。相应地，对这些信号的感测可产生通量值H1-H4，其可表示为如下：
H 1 = a ^ · sin ( α ) - - - ( 1 a )
使得：
H 1 - H 3 = 2 a ^ · s i n ( α ) - - - ( 2 a )
H 2 - H 4 = 2 a ^ · c o s ( α ) - - - ( 2 b )
基于上述差分读数，信号可近似为正弦和余弦信号。这些信号可用于计算磁体相对于磁传感器的角位移(A)。例如，A值可以估计如下：
( H 1 - H 3 ) / ( H 2 - H 4 ) = ( 2 a ^ · s i n ( α ) ) / ( 2 a ^ · c o s ( α ) ) = t a n ( α ) - - - ( 3 a )
A≈arctan((H1-H3)/(H2-H4))＝arctan(tan(α))＝α(3b)
因此，如图5C所示，正交的正弦和余弦信号(384，380)的读数可产生磁体的角位移(A)，其可估计为与相位角α成线性关系。这种线性估算由斜线382、386和388描绘。
在一些情况下，霍尔传感器的幅值可能由于诸如机械失配、内磁场变化、温度变化、和/或外磁场之类的影响而发生变化。然而，如图5D所示，这些影响可能会影响信号幅值，但不会影响正弦/余弦的比值。因此，上述通过正弦/余弦比值或相位角α来估计角位移的示例可以产生稳定的传感器。
图6A-6C示出了一些可以对这里描述的第二传感器104实施的附加特征。图6A和6C示出了可以如何用第二传感器104获得电位计功能的示例。如这里所述，绕线元件，诸如具有导电塑料涂层的混合电阻绕线元件，可被表示为在标为“1”和“3”的端子(分别为132和130)之间的电阻元件400。与标为“2”的端子(134)连接的滑动接触部402(图3中的186)可沿电阻元件400处于电接触。以上述方式配置，端子132和端子134之间的电阻可表示为R1，端子134和端子130之间的电阻可表示为R2。基于滑动接触402所处的位置，R1和R2的值可呈反比例变化，R1和R2的总和约为端子132和端子130之间的电阻元件400的总电阻。端子134可以用作集流器端子，可以以多种方式利用所得电位计电路，包括例如用作分压器。与这种分压器电路相关联的电压可允许确定轴116已经顺时针或逆时针转动了多少。基于这种信息，可以获得圈数信息。这里将更详细地描述这样的示例。
图6A和6B示出第二传感器104可按多种方式配置以适应不同的应用。例如，可以选择轴116的尺寸(例如，直径d1)。在另一示例中，可以实施诸如面板安装(利用法兰114)之类的安装选项。在另一示例中，可以恰当地选择各种其他尺寸，诸如壳体直径(d4)、端子安装结构的尺寸(d2、d3)、以及端子的大小和取向(410，集流器端子和终端端子之间的角偏差θ)。注意，当第一传感器102(图6A和6B未示出)位于轴116背面时，第二传感器104的前述示例配置可基本保持不变。
图7示出可从这里描述的位置感测器件100获得的输出信号的示例。信号轨迹500表示来自第一传感器102的循环输出，信号轨迹504表示来自第二传感器104的输出。尽管二者都在5V操作范围的示例上下文中进行了描述，但是将理解，也可实施其他输出电压范围。还将理解，第一传感器102和第二传感器104的输出电压范围可相同也可不同。此外，尽管第二传感器的操作范围在10圈(3600度)的示例上下文中进行了描述，但是将理解，也可实施其他圈数范围。
如这里描述并且图7进一步示出的，第一传感器102可配置为用于给定圈的角位置传感器。相应地，示出十个这种角位置轨迹，对应于十圈。对于给定圈，诸如第六圈(表示为502)，第一传感器的输出电压可在该圈的360度上从零到5V近似线性地变化。
还如这里描述并且图7进一步示出的，第二传感器104可配置为用于确定其行程范围内的圈数的旋转传感器104。信号轨迹504可表示例如轴在其完全逆时针位置(例如，0V输出)和转10圈后的完全顺时针位置(例如，5V输出)之间的旋转位置。由于这里描述的第二传感器104的示例配置，输出电压(由电位计电路产生)和轴旋转位置之间的关系可近似为线性的。
注意，由于使用了两个独立的传感器(102，104)，所以能以非常高的分辨率确定轴的绝对位置，即便两个传感器中的任一个或二者的分辨率不是那么高。例如，假设角位置传感器102产生0-360度范围内的上述角位移值A。此外，假设能以例如14位的分辨率测量这种角位移值A。利用这种配置，角位置传感器102可对于任何给定圈提供精细的分辨率，旋转传感器104可配置为具有较低的分辨率(例如，4位)以简单地确定轴完成的圈数。
在前面的示例中，由角位置传感器102提供的每角度分辨率(per-angleresolution)可贯穿旋转运动的整个范围得到维持，该旋转运动在一些情况中可涉及轴的多个圈。因此，操作为圈计数器的旋转传感器104和角位置传感器102的高分辨能力相结合可产生在宽的旋转运动范围上高分辨率的位置感测器件。
在前面的示例中，角位置传感器102可具有用于给定圈的14位分辨率，旋转传感器104可具有足以确定从0至15的圈数的4位分辨率。在每圈中，角位置传感器102可提供大约0.02度(360/(214))的角分辨率。因为旋转传感器104提供圈数信息，所以在0到15范围内的任意圈中的角位置可受益于0.02度的分辨率。因此，整个运动范围的角分辨率保持在大约0.02度，有效地产生在0到15圈(包括端点)范围上的18位角分辨率。在图7的10圈示例的上下文中，具有0.02度分辨率的10圈本质上产生180,000个微步(micro-step)(3,600/0.02)，这相当于大约17.5位的分辨率。
在另一示例中，假设角位置传感器102具有12位分辨率，旋转传感器104具有用于10圈范围的3.25位分辨率。于是，用于整个运动范围的角分辨率可保持在大约0.0879(360/212)，产生40960个微步，这相当于大约15.25位的分辨率。
除了上述高分辨率性能之外，独立圈数确定(通过旋转传感器104)功能还能实现许多其他有利特征。例如，虽然旋转传感器具有高线性度(例如，0.25％)，但是其作为圈计数器的角色可消除其对线性度的贡献。因此，如果角位置传感器102具有例如对于给定圈0.5％的线性度，那么示例的10圈上的总体线性度可估计为0.5％/10，或0.05％。
在另一示例中，位置感测器件100的总体滞后性能也可受益于独立圈数确定(通过旋转传感器104)功能。尽管旋转传感器的示例(例如，伯恩斯3541H或3549H)在此处描述为具有小于1度的机械回差性能，但是当旋转传感器104用作低分辨率圈计数器时，这种回差不一定显现。因此，位置感测器件100的任何滞后基本归因于角位置传感器102。在一些实施例中，磁体(例如，图3和4的152)直接耦接到轴116可导致角位置传感器102具有相当于大约0.2度的滞后，这在很多应用中是可忽略不计的。
在另一示例中，位置感测器件100的预期寿命也可受益于独立圈数确定(通过旋转传感器104)功能。因为由于在一些多圈应用中使用低分辨率而输出衰减并不那么重要，所以可以实现例如2000万轴旋转的预期寿命(其大约是高分辨率应用中使用的旋转传感器的预期寿命的四倍)。
注意，参考图2、3和6A-6C描述的各种示例与图1的示例旋转传感器104相关。更特别地，如图8A所示，这种旋转传感器是基于例如电阻相关测量的电旋转传感器。
还应注意，图1的旋转传感器104也可基于其他测量形式。图8B和8C示出在一些实施例中，图1的旋转传感器104可为磁旋转传感器(图8B中的104)或电磁旋转传感器(图8C中的104)。这里将更详细地描述这种磁和电磁旋转传感器的示例。在图8B和8C的位置感测器件100的每个中，角位置传感器102可类似于这里参考图2-5和7描述的示例。相应地，图8A-8C的位置感测器件可提供这里描述的各种期望功能。
为了这里描述的目的，电磁旋转传感器可包括也可不包括永磁体。在这里关于图10-12描述的各种示例中，电磁旋转传感器不包括永磁体。如这里描述的，这种电磁旋转传感器可配置为感应式传感器。
图9示出具有角位置传感器102和磁旋转传感器104的位置感测器件100的示例。在图9的示例中，角位置传感器102可类似于这里参考图2-5和7描述的示例。
在图9的示例中，旋转轴600示为包括由轴套608支承的第一段602，轴套608又安装在安装帽组件610中。旋转轴600示为还包括从第一段602延伸到角位置传感器102的磁体安装结构150的第二段606。磁体安装结构150可配置为保持磁体152，如这里描述的那样。
旋转轴600的第二段606可耦接到磁体支架620，以使得磁体支架620被迫与第二段606一起旋转，并且还允许磁体支架620沿第二段606纵向滑动。磁体支架620还示为包括在其外周的螺纹特征616，这种螺纹特征可具有一尺寸以与限定在壳体612的内表面上的螺旋槽614相配合，从而在磁体支架620和螺旋槽614之间形成螺纹啮合。因此，旋转轴600的旋转导致磁体支架620的螺纹特征616与螺旋槽614啮合，从而使磁体支架620沿第二段606纵向滑动。
磁体支架620还示为具有一尺寸以保持环状磁体622。这种磁体可具有关于旋转轴600的旋转纵轴的圆柱对称性，并且具有沿这种纵轴的磁极。因此，环状磁体622可随着旋转轴600的旋转而相对于第二段606纵向移动。
在图9的示例中，旋转轴600的第二段606可具有比第一段602更小的横向尺寸。这种横向尺寸的过渡可产生坡形(tapered)部分604，可选择这种坡形部分604的位置以限制磁体支架620的行程。
在图9的示例中，磁传感器626示为设置在壳体612的一部分处，从而检测由磁体622产生的磁场的一个或多个分量。磁传感器626可沿纵向定位在例如磁体622的纵向行程范围的中点处或其附近。来往于磁传感器626的电连接可通过位于角位置传感器102的端帽上的多个端子628来促成。
在一些实施例中，磁传感器626可配置为通过测量磁体622的纵向位置来确定旋转轴600的圈数。这种确定可通过例如用圈数校准磁传感器626的响应来实现。在一些实施例中，如这里描述的，如果是用于确定这种圈数，那么由磁传感器626提供的测量不需要具有高分辨性能。在一些实施例中，这种圈数可包括旋转轴600的多圈。
在一些实施例中，隔墙624可设置来将角位置传感器102和磁旋转传感器104隔离开。这种隔墙可包括磁屏蔽材料以防止或减小与两个传感器102和104相关联的磁场之间的操作干扰。
图10示出具有角位置传感器102和电磁旋转传感器104的位置感测器件100的示例。在图10的示例中，角位置传感器102可类似于这里参考图2-5及7描述的示例。
在图10的示例中，旋转轴650示为包括由安装帽组件656支承的第一段652。旋转轴650示为还包括从第一段652延伸到角位置传感器102的磁体安装结构150的第二段654。磁体安装结构150可配置为保持磁体152，如这里描述的那样。
旋转轴650的第二段654可与靶托(targetholder)664螺纹耦合，以使得当轴650转动时，靶托664纵向移动。靶托664可具有一尺寸以保持金属靶666，在图10的示例中，金属靶666可具有垫圈形结构。因此，金属靶666可随着轴650的转动而纵向移动。
在图10的示例中，线圈组件668示为设置在旋转轴650的第二段654的一纵向末端处或其附近。这种线圈组件可包括例如在基板层上的金属迹线的绕组(winding)。绕组可包括端子，从而用作电感器。如这里描述的，提供给这种电感器的交流信号可导致因与金属靶666上建立的涡流感应耦合而引起的可检测的阻抗变化。这种阻抗变化取决于金属靶666和金属迹线绕组之间的距离。因此，可以测量金属靶666的纵向位置。此外，可基于这种测量的校准而获得旋转轴650的圈数。
在图10的示例中，电路组件670示为设置在壳体壁660的内部上。这种电路组件可包括配置为例如基于所测量的绕组内的阻抗变化来处理上述圈数判定的集成电路672。电路组件670还可配置为给绕组提供交流信号。来往于电路组件670的电连接可通过位于角位置传感器102的端帽上的多个端子674而促成。
在一些实施例中，如这里描述的，如果是用于确定这种圈数，由图10的前述感应式传感器提供的测量不需要具有高分辨性能。在一些实施例中，这种圈数可包括旋转轴650的多圈。
图11示出具有角位置传感器102和电磁旋转传感器104的位置感测器件100的示例。在图10的示例中，角位置传感器102可类似于这里参考图2-5和7描述的示例。电磁旋转传感器104可基于与图10的示例类似的感应耦合；然而，旋转轴和旋转至平移的机械实施方式有所不同。
更特别地，在图11的示例中，旋转轴700可配置为提供离合功能。旋转轴700示为包括由安装帽组件736支承的第一段702。旋转轴700示为通过耦接件708耦接到第二段712，耦接件708可包括尺寸适合接收第一段702的第一开口706。耦接件708还可包括尺寸适合接收第二段712的一端的第二开口710。第二段712的另一端示为延伸到角位置传感器102的磁体安装结构150。磁体安装结构150可配置为保持磁体152，如这里描述的那样。
在图11的示例中，第一段702的进入第一开口706内的部分可包括用于对应的O形环的一个或多个槽，从而允许第一段702被稳固地保持在耦接件708的第一开口内。第二段712的进入第二开口710内的部分可具有允许例如第二段712和第二开口710之间的摩擦配合(frictionfit)的尺寸。这种摩擦配合可配置为允许在某些条件下一部件相对于另一部件旋转地滑动。例如，如果旋转轴700试图转动超过纵向移动部分(例如，靶托726)的行程范围，则可以以离合(clutch)方式发生这样的滑动以阻止这种运动。
在图11的示例中，耦接件708可耦接到靶托724，以使得靶托724被迫与耦接件708一起旋转，并且还允许靶托724沿耦接件708纵向滑动。靶托724还示为包括在其外周的螺纹特征722，这种螺纹特征可具有一尺寸以与定义在壳体718的内表面上的螺旋槽720配合，从而在靶托724和螺旋槽720之间形成螺纹啮合。因此，旋转轴700的旋转导致靶托724的螺纹特征722与螺旋槽720啮合，并且从而使靶托724沿耦接件708纵向滑动。
靶托724可具有一尺寸以保持金属靶726，在图11的示例中，金属靶726可具有垫圈形结构，其具有一尺寸以绕耦接件708装配。因此，金属靶726可随着轴700的旋转而和靶托724一起纵向移动。
在图11的示例中，线圈组件728示为设置在隔墙714上，隔墙714基本将角位置传感器102和电磁旋转传感器104分隔开。这种线圈组件可包括例如在基板层上的金属迹线的绕组。绕组可包括端子，从而用作电感器。如这里描述的，提供到这种电感器的交流信号可导致因与金属靶726上建立的涡流感应耦合而引起的可检测的阻抗变化。这种阻抗变化取决于金属靶726和金属迹线绕组之间的距离。因此，可以测量金属靶726的纵向位置。此外，可基于这种测量的校准而获得旋转轴700的圈数。
在图11的示例中，用于前述感应测量操作的电路组件可以也可以不居于位置感测器件100内。例如，导体可提供绕组和多个端子732之间的电连接；对测量的处理可在位置感测器件100外执行。在另一示例中，用于执行这种测量处理的电路可实施在端帽730上。这种电路可配置为例如基于所测量的绕组阻抗变化来处理前述圈数确定。
在一些实施例中，如这里描述的，如果是用于确定这种圈数，则由前述图11的感应式传感器提供的测量不需要具有高分辨性能。在一些实施例中，这种圈数可包括旋转轴700的多圈。
图12A示出可用于图10和11的示例中的感应式感测配置的分离视图。如这里描述的，这种感测配置可包括金属靶750(图10中的666，图11中的726)以及线圈752(图10中的668，图11中的728)。如图12A的侧视图所示，金属靶750和线圈752可分隔开距离d。如这里描述的，这种分隔距离可通过轴(图12A中未示出)的旋转而纵向变化。
距离d可以确定金属靶750和线圈752之间的感应耦合量。这种感应耦合可表示为图12B所示的电路。更具体地，当在表示线圈752的LR电路762的节点764和节点766之间提供交流信号时，涡流电流可建立在表示金属靶750的LR回路760中。因此，LR回路760和LR电路762之间的感应耦合可模拟为变压器，这导致阻抗R随分隔距离d而变化。R的这种变化可通过多种方式来测量，包括例如通过在线圈侧形成LC电路并且测量减小旋转传感器104的功率损耗的谐振阻抗。
本申请描述了各种特征，没有单个特征单独地代表这里描述的优点。将理解，对普通技术人员显而易见的是，这里描述的各种特征可被组合、修改或省略。除了这里特别描述的之外，其他组合和子组合将对普通技术人员显而易见，并且旨在形成本申请的一部分。这里关于各种流程步骤和/或阶段描述了各种方法。将理解的是，在许多情况下，某些步骤和/或阶段可合并到一起，以使得在流程图中显示的多个步骤和/或阶段可作为单个步骤和/或阶段来执行。此外，某些步骤和/或阶段可分为附加的子成分以单独执行。在一些情况下，可重新安排步骤和/或阶段的顺序，可完全省略某些步骤和/或阶段。此外，这里描述的方法应理解为是开放的，以使得除了这里显示和描述的之外的附加步骤和/或阶段也可被执行。
这里描述的系统和方法的一些方面可利用例如计算机软件、硬件、固件、或计算机软件、硬件和固件的任意组合来有利地实施。计算机软件可包括存储在计算机可读介质(例如，非暂时性计算机可读介质)中的计算机可执行代码，其在运行时执行这里描述的功能。在一些实施例中，计算机可执行代码由一个或多个通用计算机处理器运行。本领域技术人员将理解，根据本申请，可利用在通用计算机上运行的软件实施的任何特征或功能也可利用硬件、软件或固件的不同组合来实施。例如，这样的模块可利用集成电路的组合完全以硬件实施。替代地或附加地，这种特征或功能可利用设计来执行这里描述的特定功能的专用计算机而不是通用计算机来完全或部分地实现。
多个分布式计算装置可替代这里描述的任何一个计算装置。在这种分布式实施例中，一个计算装置的功能被分散(例如，在网络上)，以使得一些功能在每个分布式计算装置上执行。
一些实施例可参照方程式、算法和/或流程图来描述。这些方法可利用可在一台或多台计算机上运行的计算机程序指令来实施。这些方法也可实施为计算机程序产品，无论是单独地还是作为装置或系统的部件。就此而言，每个方程式、算法、框、或流程的步骤、以及它们的组合可通过硬件、固件和/或软件来实施，软件包括一个或多个体现在计算机可读程序代码逻辑中的计算机程序指令。将理解，任何这种计算机程序指令可被加载到一个或多个计算机上，包括但不限于通用计算机或专用计算机，或者制造机器的其他可编程处理装置，以使得在计算机或其他可编程处理装置上执行的计算机程序指令实施方程式、算法和/或流程中指定的功能。将理解，每个方程式、算法、和/或流程图中的框，以及它们的组合，可通过执行特定功能或步骤的基于专用硬件的计算机系统或专用硬件和计算机可读程序代码逻辑装置的组合来实施。
此外，计算机程序指令，诸如体现在计算机可读程序代码逻辑中，也可存储在计算机可读存储器中(例如，非暂时性计算机可读介质)，其可指示一个或多个计算机或其他可编程处理装置以特定方式运作，以使得存储在计算机可读存储器中的指令实施流程框中指定的功能。计算机程序指令也可加载到一个或多个计算机或其他可编程计算装置上以使得一系列操作步骤在一个或多个计算机或其他可编程计算装置上被执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程处理装置上执行的指令提供用于实施方程式、算法、和/或流程框中指定的功能的步骤。
这里描述的一些或全部方法和任务可通过计算机系统执行并全部自动化。计算机系统，在一些情况下，可包括多个不同的计算机或计算装置(例如，物理服务器、工作站、存储阵列等)，它们在网络上通信和交互操作以执行所描述的功能。每个这种计算装置通常包括处理器(或多个处理器)，其执行存储在存储器或其他非暂时性计算机可读存储介质或器件中的程序指令或模块。这里公开的各种功能可体现在这种程序指令中，尽管一些或全部所公开的功能可替代地实施在计算机系统的专用电路系统(例如，ASIC或FPGA)中。计算机系统包括多个计算装置时，这些装置可以但无需共同定位。所公开的方法和任务的结果可通过将物理存储器(诸如固态存储器芯片和/或磁盘)转变成不同状态而被永久存储。
除非上下文清楚地另有要求，否则贯穿说明书和权利要求书，要按照与排他性或穷尽性的意义相反的包括性的意义，也就是说，按照“包括但不限于”的意义来阐释术语“包括(comprise)”、“包含(comprising)”等。如在这里一般使用的术语“耦接”是指两个或更多元件可以直接连接、或者借助于一个或多个中间元件来连接。另外，当在本申请中使用时，术语“在这里”、“上面”、“下面”和相似含义的术语应该是指作为整体的本申请，而不是本申请的任何具体部分。在上下文允许时，使用单数或复数的以上详细描述中的术语也可以分别包括复数或单数。提及两个或更多项目的列表时的术语“或”，这个术语涵盖该术语的以下解释中的全部：列表中的任何项目、列表中的所有项目、和列表中项目的任何组合。术语“示范性的”这里专门用来指“用作示例(example)、实例(instance)、例证(illustration)”。这里描述的任何实施方式作为“示范性的”并不一定被解释为首选或优于其他实现。
本申请不意欲限于这里描述的实施方式。本申请描述的各种实施方式的修改对本领域技术人员是显而易见的，并且这里定义的一般原则在不脱离本申请精神或范围下，可应用于其他实施方式中。可以将在这里提供的本发明的教导应用于其他方法和系统，而不限于上述的方法和系统，并且可以对上述的各个实施例的元素和动作进行组合，以提供进一步的实施例。相应地，可以按照多种其他形式来实施在这里描述的新颖方法和系统；此外，可以做出在这里描述的方法和系统的形式上的各种省略、替换和改变，而没有脱离本申请的精神。所附权利要求和它们的等效物意欲涵盖如将落入本申请的范围和精神内的这种形式或修改。

Claims (32)

1.一种位置感测器件，包括：
轴，其具有纵向轴线；
第一传感器组件，其具有磁体和磁传感器，所述磁体耦接到所述轴，所述磁传感器相对于所述磁体定位，以使得所述第一传感器组件允许对所述磁体相对于所述磁传感器的角位置的测量，从而允许对在所述轴的给定圈内的所述轴的对应角位置的确定；以及
第二传感器组件，其耦接到所述轴并且配置为允许对所述轴的圈数的测量，所述第二传感器组件包括非磁传感器。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一传感器组件具有角分辨率，从而通过所述第二传感器组件测量圈数允许贯穿所述轴的多个圈基本维持所述角分辨率。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述多个圈大于二个圈。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述磁体直接耦接到所述轴，从而在所述轴和所述磁体之间产生基本为零的机械回差。
5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述磁体到所述轴的直接耦接包括具有第一侧和第二侧的磁体安装结构，所述第一侧附接到所述轴的一端，所述第二侧附接到所述磁体。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，所述磁体配置为是双极的并且被沿直径方向磁化，从而产生到所述磁传感器的变化的正交和平行磁通量。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述磁传感器包括多个霍尔效应传感器、多个正弦-余弦磁致电阻(MR)传感器、多个巨磁致电阻(GMR)传感器、或集成垂直霍尔传感器。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，所述磁传感器包括所述多个霍尔效应传感器，其实施在正交霍尔效应传感器组件中。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述正交霍尔效应传感器组件配置为用作正弦-余弦传感器，其中在所述正交霍尔效应传感器组件处的正交和平行磁通量的变化被近似为正交的正弦和余弦。
10.根据权利要求9所述的器件，其中，所述正交霍尔效应传感器组件配置为通过用arctan(tan(α))这一量近似所述磁体的角位移来计算所述磁体的角位置，其中α为所近似的正交的正弦和余弦的相位。
11.根据权利要求10所述的器件，其中用sin(α)和cos(α)的比值近似所述角位移允许对所述角位移的测量对于所测量的磁通量的幅值变化是稳定的。
12.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第二传感器组件的非磁传感器包括电传感器或感应式传感器。
13.根据权利要求12所述的器件，其中，所述非磁传感器包括所述电传感器，所述电传感器包括电阻元件和滑动接触部，其配置为提供表示所述轴的圈数的可变电阻。
14.根据权利要求13所述的器件，其中，所述电传感器包括：
绕线电阻元件，其具有第一端和第二端；
游标组件，其包括所述滑动接触部，所述游标组件配置为允许所述滑动接触部随着所述轴的转动而沿所述绕线电阻元件移动；以及
集流器接触部，其电连接到所述滑动接触部，以使得所述绕线电阻元件的所述第一端和所述第二端以及所述集流器接触部形成电位计电路。
15.根据权利要求14所述的器件，其中，所述电传感器还包括电连接到所述绕线电阻元件的第一端和第二端的第一接触部和第二接触部、以及电连接到所述集流器接触部的集流器端子。
16.根据权利要求12所述的器件，其中，所述电传感器配置为生成表示在所述轴的行程范围内的所述轴的圈数的输出电压。
17.根据权利要求12所述的器件，其中，所述非磁传感器包括所述感应式传感器，所述感应式传感器包括金属靶，所述金属靶耦接到所述轴以允许当所述轴旋转时所述金属靶相对于感应元件的纵向移动。
18.根据权利要求17所述的器件，其中，所述金属靶和所述感应元件配置为允许对感应响应的测量，所述感应响应至少部分地取决于所述金属靶和所述感应元件之间的分隔距离。
19.根据权利要求18所述的器件，其中，所述感应元件包括导电线圈。
20.根据权利要求19所述的器件，其中，所述导电线圈实施为基本平坦的基板上的导电迹线的绕组。
21.根据权利要求20所述的器件，其中，所述绕组定义一平面，所述平面具有与所述纵向轴线大致平行的法线方向。
22.根据权利要求17所述的器件，其中，所述感应式传感器还包括靶托，其配置为相对于所述轴和所述感应元件保持所述靶。
23.根据权利要求22所述的器件，其中，所述靶托配置为螺纹耦合到所述轴以实现所述纵向移动。
24.根据权利要求22所述的器件，其中，所述靶托配置为螺纹耦合到定义在壳体壁的内表面上的螺旋槽图案以实现所述纵向移动。
25.根据权利要求1所述的器件，其中，所述轴配置为提供离合功能。
26.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一传感器组件配置为提供N位分辨率以产生用于所述轴的给定圈的角分辨率，所述第二传感器组件配置为提供足以确定所述轴的圈数的M位分辨率，从而所述位置感测器件在所述轴的多个圈的范围上具有M+N位有效分辨率。
27.一种用于感测具有纵向轴线的轴的位置的方法，所述方法包括：
用第一传感器组件通过感测耦接到所述轴的磁体来测量给定圈内的所述轴的角位置；
用第二传感器组件测量所述轴的圈数，所述第二传感器组件包括非磁传感器；以及
结合所测量的所述轴的角位置和所测量的所述轴的圈数。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述角位置和所述圈数被独立地测量。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述角位置和所述圈数的独立测量产生与所述角位置测量相关联的角分辨率，其贯穿所述轴的多个圈被基本维持。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述多个圈大于二个圈。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，所述非磁传感器包括电传感器或感应式传感器。
32.一种用于确定旋转对象的状态的系统，所述系统包括：
第一传感器组件，其包括磁体和磁传感器，所述磁体耦接到所述旋转对象，所述磁传感器相对于所述磁体定位，使得所述第一传感器组件允许对所述磁体相对于所述磁传感器的角位置的测量，从而允许对在所述旋转对象的给定圈内的所述旋转对象的对应角位置的确定；以及
第二传感器组件，其耦接到所述旋转对象并且配置为允许对所述旋转对象的圈数的测量，所述第二传感器组件包括非磁传感器。
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