專利名稱：多圈旋轉(zhuǎn)傳感器的制作方法
多圈旋轉(zhuǎn)傳感器
對相關(guān)應(yīng)用的交叉參考
本發(fā)明要求于2006年5月24日遞交的美國臨時專利申請No. 60/808,009的優(yōu)先權(quán)，并以參考的方式全文并入本文中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種確定可轉(zhuǎn)動體的絕對位置的技術(shù)，并且更具體地，但 不排他地涉及一種確定可轉(zhuǎn)動體的位置的方法、裝置、設(shè)備和系統(tǒng)，所述 可轉(zhuǎn)動體相對于預定的參考位置旋轉(zhuǎn)至少360度，包括但不限于車輛的方 向盤。
對許多電子控制的機械系統(tǒng)的需求是精確地檢測控制輸入裝置(例如 轉(zhuǎn)動軸)的角度位置。通常，通過應(yīng)用傳動裝置結(jié)構(gòu)，機械地優(yōu)化的系統(tǒng) 提供具有細微分辨率和改進的性能的控制功能性，所述傳動裝置結(jié)構(gòu)能夠 實現(xiàn)在系統(tǒng)控制的整個范圍上的輸入控制軸的多圈360度旋轉(zhuǎn)。在車輛轉(zhuǎn)
向控制系統(tǒng)中可以找到一個這樣的系統(tǒng)，其中通常是在正常運行時要利用 轉(zhuǎn)向軸的四整圈轉(zhuǎn)動(1440度轉(zhuǎn)動)。
通常需要使用軸交角輸入的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，需要檢測方法和設(shè)備提供 所述軸相對于已知的參照位置的整圈旋轉(zhuǎn)的總數(shù)量，以及需要對在當前旋 轉(zhuǎn)的絕對參考的360度范圍內(nèi)的軸位置的精確測量。典型地，這些精確的 多圈轉(zhuǎn)動測量需要在受限制的機械空間內(nèi)實施，并且需要最小化移動部 件。
在參考文獻中描述了用于檢測所需的多圈轉(zhuǎn)動絕對位置的通用結(jié)構(gòu)， 這些參考文獻尤其包括美國專利No. 5,930,905、 No.6,861,837Bl、 No.6，466,889Bl、 No.6,862，551Bl和No.6，941,241B2。所有這些方法和裝置 利用直接連接到轉(zhuǎn)動體以隨之轉(zhuǎn)動的主機械正齒輪和至少兩個附加的轉(zhuǎn) 動體，所述附加的轉(zhuǎn)動體由更小的與所述主齒輪接合的次級正齒輪致動并以己知的相對所述主正齒輪的比率轉(zhuǎn)動，如圖1所示。
一般，這兩個次級 齒輪以比所述主齒輪高得多的速度轉(zhuǎn)動。這些次級齒輪相對于固定到所關(guān) 心的轉(zhuǎn)動體的主齒輪，連接到用于確定每個次級齒輪的位置的傳感裝置。 應(yīng)用所述兩個次級齒輪之間的預定的齒輪比差值以產(chǎn)生具有相對輸出關(guān) 系的傳感器信號，所述傳感器信號隨著通過所述次級齒輪的不同的有效轉(zhuǎn) 速建立的絕對齒輪位置而變化。這種相對關(guān)系與所述主齒輪的整圈轉(zhuǎn)動的 數(shù)量成正比。
典型地，這些結(jié)構(gòu)具有兩個附加的且分離的轉(zhuǎn)動體，所述轉(zhuǎn)動體由具 有彼此接近的齒輪比的次級齒輪控制。在受限制的可用于容納通常的檢測 裝置的機械空間中，選擇顯著小于主齒輪且彼此相差一個齒輪齒數(shù)的兩個 次級齒輪變得普遍。這兩個外部的次級齒輪需要接近的機械公差，以確保 檢測的信號如所需基于預定的數(shù)學關(guān)系實現(xiàn)，并且一般不容忍由正常制造
公差和/或機械磨損帶來的機械異常(mechanical anomalies)。
此外，應(yīng)用多個齒輪，不但增加檢測系統(tǒng)的尺寸、復雜度和成本，而
且增加完工的和/或老化的/磨損的部件的機械公差對系統(tǒng)性能(包括精確
性和穩(wěn)定性)造成負面影響的可能性。
因而，需要在這個技術(shù)領(lǐng)域付出努力。
發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，本發(fā)明提供一種獨特的用于感測轉(zhuǎn)動位置的技術(shù)。 在另一實施例中，提供一種檢測轉(zhuǎn)動至少360度的轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動位置信息 的獨特的系統(tǒng)、設(shè)備、裝置和/或方法。
還一些實施例包括用于通過應(yīng)用直接連接到主轉(zhuǎn)動體上的檢測器和 僅一個附加的轉(zhuǎn)動體、以減小的復雜度和提高的可靠性提供多圈的絕對角 度位置信息的方法和裝置，其中所述主轉(zhuǎn)動體的位置是所需的，而不需要 兩個機械地配合以與所關(guān)心的主轉(zhuǎn)動體相關(guān)地轉(zhuǎn)動的次級轉(zhuǎn)動體。
在還一實施例中，提供緊湊的轉(zhuǎn)動角度檢測器，在所述檢測器內(nèi)直接 連接到轉(zhuǎn)動體或主測量軸的檢測單元與監(jiān)測機械連接到主轉(zhuǎn)動軸并與主 轉(zhuǎn)動軸相關(guān)聯(lián)地轉(zhuǎn)動的至少一個轉(zhuǎn)動體的檢測單元結(jié)合。兩個檢測單元提 供類似的具有細微周期差別的周期性信號。所述周期性信號被結(jié)合起來產(chǎn)生絕對位置信息，包括表述主軸的多圈360度(也就是大于360度)轉(zhuǎn)動
、、、通過下面的描述和附圖，其他實施例、形式、目的、特征、優(yōu)點、方 面和效果應(yīng)該變得明顯。
圖1是基于三個轉(zhuǎn)動體的現(xiàn)有技術(shù)傳感裝置的示意圖； 圖2是基于兩個轉(zhuǎn)動體的傳感裝置系統(tǒng)的示意圖； 圖3是目標轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動度數(shù)與主、次級傳感裝置度數(shù)輸出的對比圖； 圖4是目標轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動度數(shù)隨圖3中的主、次級輸出度數(shù)的信號差 值變化的圖5是目標轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動度數(shù)隨經(jīng)過修正的圖4中的度數(shù)的差值信號 變化的圖6是目標轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動度數(shù)隨圖5的修正的經(jīng)過縮放的度數(shù)差值信 號變化的圖7是包括圖4中的主和次級傳感裝置的信號處理系統(tǒng)的示意圖8是圖7中的所述系統(tǒng)的對比信號圖9是圖7中的所述系統(tǒng)的另一對比信號圖10是用于圖7中所示的所述系統(tǒng)的傳感裝置的電極圖案的部分簡 略視圖，其中相應(yīng)的拾取用虛線示出；
圖11是用于圖7中所示的所述系統(tǒng)的傳感裝置的機械傳動裝置的部 分簡略視圖，其中相應(yīng)的拾取用虛線示出；
圖12是用于圖11中的傳感裝置中的一個的拾取的部分簡略視圖。
具體實施例方式
為了促進理解本發(fā)明的原理的目的，將參考附圖中圖示的實施例，并 且應(yīng)用具體的語言描述實施例。還應(yīng)該理解到，這并不意味著對本發(fā)明保 護范圍進行限制。在所描述的實施例中任何改動和進一步的修改、以及這 里所述的本發(fā)明原理的任何更多的應(yīng)用對于與本發(fā)明相關(guān)的本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說是可以正常地預見。本發(fā)明的一個實施例將結(jié)合高分辨率電容編碼器角度檢測方法進行 描述。在一個實施例中，檢測裝置直接連接到控制軸以進行測量。這種檢 測裝置構(gòu)造成使得所述裝置的電輸出實際上適合提供預定的周期性的具 有逐步增長的波形的輸出；類似具有有效輸出圖案的鋸齒，等同于物理上 適于產(chǎn)生大于l (〉1)的傳動比的機械系統(tǒng)。這種主裝置輸出的電周期或 有效傳動被選擇成與第二檢測系統(tǒng)的機械周期或傳動相對應(yīng)，所述第二檢 測系統(tǒng)連接到主軸并與主軸一起轉(zhuǎn)動(見圖2)。第二檢測系統(tǒng)的機械傳動 構(gòu)造成使得次級轉(zhuǎn)動體的機械傳動比稍微低于主檢測裝置的有效電傳動 比一例如，主有效電傳動比=4: 1，而次級機械傳動比=3.8: l—有效地形 成電減慢移動的較小的次級齒輪(見圖3)。使用計算控制系統(tǒng)，例如微控 制器，將兩個位置信號(主有效傳動和次級機械傳動的)結(jié)合以開方，并 求出由不同的有效轉(zhuǎn)動比產(chǎn)生的兩個信號之間的變化的角相位差(見圖
4)。該差信號可以被定比例并進行邏輯操作以產(chǎn)生連續(xù)的線性增長的或降
低的信號(由轉(zhuǎn)動方向決定的斜率極性)，所述產(chǎn)生的連續(xù)的線性增長或
降低的信號在所設(shè)計的系統(tǒng)的整個范圍內(nèi)具有唯一的值；包括大于360度 的移動(見圖4和5)。
在電容編碼器檢測裝置的情況中，如圖7所述，表示0至lj 360度旋轉(zhuǎn) 的等效二進制數(shù)的共軸環(huán)形代碼圖案可以壓縮至適當?shù)慕嵌瓤缍?，并且?繞主測量軸的圓周重復，使得得到大于1的有效電傳動。在電容編碼器中， 用傳統(tǒng)的印刷電路板圖案化技術(shù)構(gòu)造這種圖案，并且這種圖案通常包括一 系列以表示轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動點的軸線為圓心的共軸的環(huán)形線段。圖案化的襯 底相對于轉(zhuǎn)動軸是固定并靜止的?；跍y量系統(tǒng)中所需的二進制分辨率在 徑向方向中重復這些共軸的環(huán)形圖案或"軌道"。形成每個共軸單元或軌 道的環(huán)形線段的數(shù)量和長度由所用的編碼系統(tǒng)確定；典型的，格雷碼，并 且用軌道表示位位置。通常地，公共所有的美國專利No. 7,119,718、 7,123,027禾B No. 7,138,807提供了各種基于電容的轉(zhuǎn)動傳感技術(shù)、方法、 裝置和系統(tǒng)，這些技術(shù)、方法、裝置和系統(tǒng)可以用來實現(xiàn)本申請的多個方 面；并在此以參考的方式全文并入本申請。在圖7的實例中，3位格雷碼 編碼器包括3個共軸環(huán)形軌道，分別表示最高有效位(MSB)， MSB-1和 最低有效位(LSB)。格雷碼序列為MSB和MSB-1位軌道產(chǎn)生兩個180度環(huán)狀環(huán)形段，并為LSB軌道產(chǎn)生四個90度環(huán)狀環(huán)形段。圖10進一步示 出了這種軌道圖案，如以下詳細地描述。
在基于電容編碼器的系統(tǒng)中，通過順序提供一系列的極性相反的同步 脈沖對到每個代碼道來以電學方法詢問代碼圖案。在每個軌道脈沖事件 內(nèi)，相反極性的信號同步地應(yīng)用到在交替或交錯圖案中的位軌道內(nèi)的鄰近 段。金屬拾取元件大致是矩形形狀，其中等效寬度近似等于LSB環(huán)形跨度， 長度等于由代碼軌道覆蓋的徑向距離，所述金屬拾取元件位于與代碼圖案 間隔固定的軸向距離的位置處。所述拾取元件定位成使得其長邊沿著從轉(zhuǎn) 動測量體的軸線投影的射線，并且跨過由共軸的位軌道覆蓋的整個徑向的 距離。所述拾取元件機械連接到要測量的轉(zhuǎn)動體，使得其角度位置相對于 靜止的編碼器圖案與所述轉(zhuǎn)動體一起移動。電容耦合將一系列的脈沖從所 述編碼器圖案傳送到所述拾取元件。所述拾取元件電連接到另一金屬圖 案，所述另一金屬圖案與編碼器襯底上的匹配圖案協(xié)作，所述拾取元件用 電容耦合將所述脈沖返回到靜止的控制系統(tǒng)，例如微控制器。所返回的脈 沖的極性、振幅和序列是拾取元件相對于靜止的編碼器圖案的轉(zhuǎn)動位置的 唯一表示。靜止的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)詢問脈沖的傳送和接收，以解碼表示測量 軸位置的拾取位置(見圖8)。
直接連接到所述測量軸的拾取元件所使用的3位編碼器圖案提供以固 定的轉(zhuǎn)動間隔發(fā)生的8個唯一的輸出狀態(tài)。如果所述圖案設(shè)計成表示360 度轉(zhuǎn)動(拾取元件的一整圈轉(zhuǎn)動)，這個圖案提供45度固有數(shù)字分辨率。 LSB軌道的軌道段具有等于編碼器分辨率兩倍的環(huán)形跨度:本示例中是90 度。如果所述3位圖案被環(huán)狀地壓縮成使得所述8個唯一轉(zhuǎn)換在只有90 度的跨度上以規(guī)則間隔發(fā)生，所述有效的編碼器分辨率得以提高，以提供 11.25度的間隔檢測。圍繞測量軸的圓周重復這種90度節(jié)段圖案4次將會 產(chǎn)生周期性3位信號，所述信號對每個全部360度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生4個全部范圍 的二進制序列(0到7)，因而不需要使用任何機械傳動部件或技術(shù)就產(chǎn)生 4: l的有效電傳動。圖10示出傳感裝置60的這種重復的軌道圖案，如下 面進一步描述。
檢測系統(tǒng)的這種有效虛傳動可以以編碼技術(shù)的等效操作、在其他傳感 技術(shù)中實現(xiàn)；例如連接到轉(zhuǎn)動體的光編碼器盤或通過轉(zhuǎn)動接觸刷詢問的導電墨圖案。在磁傳感技術(shù)中，通過應(yīng)用直接連接到測量軸(1: l機械傳動 比)的磁體可以實現(xiàn)同等的電傳動，并且形成周期性的磁極圖案使得產(chǎn)生 周期性磁場并通過磁場檢測器檢測，例如圍繞主測量軸的多極環(huán)形磁體， 所述多極環(huán)形磁體產(chǎn)生通過MR (磁阻)或霍爾效應(yīng)傳感器測量的正弦變 化的磁場。
通過使用兩個機械齒輪可以實現(xiàn)將電容性編碼延伸到第二轉(zhuǎn)動體上。 正齒輪以1: 1的傳動比直接連接到測量軸，這可以通過將轉(zhuǎn)向軸插入到 所述齒輪圓周中央的孔來在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中實現(xiàn)。次級齒輪與安裝軸的主齒輪 接合，以與所述主齒輪一起轉(zhuǎn)動。在一種結(jié)構(gòu)中，次級齒輪直徑小于主齒 輪，以最小化整個包裝的尺寸。直徑和齒輪結(jié)構(gòu)選擇成使得次級轉(zhuǎn)動體到 主轉(zhuǎn)動體的有效機械傳動比稍微小于建立在所述主電容性編碼器上的所 述有效電傳動。在所見的示例中，主齒輪的電傳動比是4:1，次級機械傳
動接近3.8:1。次級檢測器系統(tǒng)編碼器圖案不被電壓縮，并且對應(yīng)每個360 機械度數(shù)的旋轉(zhuǎn)表示一個完整的刻度周期。第二編碼器圖案的分辨率等同 于所述主圖案，并且包括相同數(shù)量的代碼道。次級轉(zhuǎn)動體連接到編碼器拾 取元件，象所述主系統(tǒng)一樣，并因此所述拾取元件將對應(yīng)所述主軸的每個 單個360度機械轉(zhuǎn)動，作圍繞編碼器圖案的多圈360機械轉(zhuǎn)動。圖10和 11提供以這種方式構(gòu)造的次級傳感裝置80的圖示，如下面進一步所述。
實際應(yīng)用中，在單個印刷電路板上包括兩個編碼器圖案，在制造時以 高精度和優(yōu)良的可重復性在原始電路板光刻工具中固定它們的相對位置， 并使匹配裝配元件、加工或長期老化所帶來的影響最小化(見圖10)。此 外，在基于磁性的解決方案中的擴展應(yīng)用容易用連接到次級轉(zhuǎn)動體的單個 磁體來實現(xiàn)。壓印在該磁體上的磁性圖案將適于構(gòu)造成產(chǎn)生由在主磁體中 執(zhí)行的周期性決定的每旋轉(zhuǎn)一周數(shù)量減少的整個刻度偏移。
基于微控制器的控制系統(tǒng)將來自主檢測器和次級檢測器的位置信息 解碼并標準化，以表示兩個信號，所述兩個信號被與位置差值成比例的增 大值偏移，所述位置差值由主系統(tǒng)和次級系統(tǒng)之間的有效傳動差值產(chǎn)生。 可以發(fā)現(xiàn)，這種差值是線性增加的函數(shù)(見圖4和圖5)。這個差值函數(shù)的 斜率與在實際傳感器中獲得的機械和電傳動的結(jié)合成比例，并且在實際傳
感器中的函數(shù)特性產(chǎn)生之后(見圖6)容易地被標以刻度。將簡單的常數(shù)乘法器應(yīng)用到差值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以得到有效比例因子的相對寬的范圍， 以在機械傳動系統(tǒng)中調(diào)整標準變化，這樣為生產(chǎn)制造穩(wěn)固的系統(tǒng)。差值函 數(shù)包括偶然不連續(xù)的極性改變。這些極性的不連續(xù)性容易通過添加修正常 數(shù)來修正。典型地，360度的添加將能精確地去掉所述不連續(xù)(比較圖4 和圖5)。
這種結(jié)構(gòu)提供整個刻度測量范圍大于360旋轉(zhuǎn)度數(shù)的撿測系統(tǒng)。在電
容性編碼器工具和任何其他基于數(shù)字的技術(shù)中，例如基于光-斷續(xù)器的光編 碼器或多極磁編碼器，檢測裝置的分辨率和精確性由主編碼器和次級編碼 器的固有數(shù)字分辨率以及有效傳動比來確定。所有數(shù)字編碼的位置檢測系 統(tǒng)的固有數(shù)字分辨率受可用的安裝區(qū)域、檢測方法的靈敏性以及編碼器圖 案處理的制造能力的限制。 一般被接受的說法是，高分辨率的數(shù)字位置檢 測需要大的圖案，用于改善信/噪性能和穩(wěn)固的生產(chǎn)制造。通過將電和機械 傳動與信號處理結(jié)合一起應(yīng)用，能改善轉(zhuǎn)動分辨率，超過每個編碼器固有
分辨率。在提供的示例中(主編碼器的電傳動為4:1)，由于編碼器靈敏性 的放大，固有分辨率從本來的3位增大到5位。
在操縱盤傳感器的情形中，安裝區(qū)域受到限制，并且不能期望通過增 大主編碼器圖案的固有數(shù)字分辨率來提高分辨率；因為既不能由于附加的 代碼道/位而增加主編碼器的直徑，也不能通過在有限的徑向空間中添加附 加的代碼道/位來挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的印刷電路板制造容量。附加地，為提高密度減 少代碼道幾何面積對所有傳感技術(shù)而言將會負面影響信/噪比，并且在超過 制造限制前可能達到信號檢測的極限。
在所述的電容性編碼器結(jié)構(gòu)中，通過增加用于確定拾取元件相對于編 碼器圖案的離散二進制位置的模擬信號脈沖的附加處理，可以提高檢測分 辨率。在由軌道的分辨率限定的軌道段上，基本系統(tǒng)操作將接收到的信號 的極性解釋為以邏輯"1"或"0"指示拾取位置。因而，在這里所述的3 位圖案的情形中，在LSB軌道上檢測到的"1"或"0"指示在包括所述軌 道的四個90度段中的一個段內(nèi)的拾取位置。當和其他位結(jié)合起來，就可 以將位置確定到已知的絕對45度節(jié)段內(nèi)。如所提到的，除了容易區(qū)分成 二進制狀態(tài)的極性信息之外，所接收的脈沖的振幅還表示在軌道段內(nèi)的相 對的拾取位置，并且能被處理成可以加入到本身的數(shù)字位置信息中的、在LSB分辨率范圍內(nèi)的精確位置，因而提供更大的分辨率。在實際環(huán)境中， 分辨率受包括在檢測控制系統(tǒng)中的模擬測量能力所限制，所述檢測控制系 統(tǒng)典型地依賴于包括在微控制器中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
與在具有編碼器技術(shù)的二進制應(yīng)用的情形一樣，模擬內(nèi)插法也受到編
碼器軌道單元的尺寸的影響。通過應(yīng)用由LSB單元產(chǎn)生的模擬信號值獲得 最小分辨率。在使用LSB段時，微控制器的模擬測量分辨率應(yīng)用到最小相 對位置跨度上。然而，具有最小角度跨度和最小物理尺寸的LSB單元也產(chǎn) 生最低的信/噪性能。此外，LSB的小尺寸產(chǎn)生不理想的信號干擾，所述 信號干擾通常損害所接收的電壓幅值和拾取位置之間的線性關(guān)系。這些不 理想的響應(yīng)可以在微控制器中通過查找表，或其他數(shù)學運算調(diào)整。然而， 在許多固有數(shù)字分辨率高達7或8位的應(yīng)用中，與根據(jù)LSB檢測范圍獲得 的額外的4或5位的分辨率比較時，由非線性行為產(chǎn)生的錯誤并不顯著， 并且可以假定簡單的線性關(guān)系。
在操縱盤的一些應(yīng)用中，有限的安裝空間在實際應(yīng)用時將基于電容的 主編碼器的分辨率限制在3或4位。正如所述，當與傳動機構(gòu)結(jié)合時3位 自然編碼器將產(chǎn)生固有的5位分辨率或11.25度。與之對比，在一些應(yīng)用 中通常為操縱控制系統(tǒng)尋求12位分辨率。為了獲得這種更高的分辨率， 希望通過內(nèi)插模擬信號獲得額外的7位信息。這樣高的辨別目標通常受到 來自緊湊構(gòu)造的編碼器圖案的小幾何尺寸和相對于角度拾取位置的模擬 信號的非線性特性兩者的消極影響。
為了改善與最小固有數(shù)字編碼器圖案分辨率結(jié)合的模擬內(nèi)插法，使用 特有的編碼器圖案，所述編碼器圖案允許在區(qū)分模擬響應(yīng)的非線性部分并 且用具有改善的線性特征的信號取代交替的等價信號的同時，使用更穩(wěn)固 的圖案單元。新的編碼器圖案潛在地包括增加一個代碼道；然而，正如下
面進一步解釋的，這種增加可以不總是必需的。對于這種細化，所述潛在 的加入的代碼道具有與前面所述的自然編碼器代碼道中的一個相同的環(huán) 形代碼段幾何尺寸，但相對于原始自然編碼器軌道在角度上轉(zhuǎn)過單元的角 度跨度的一半，所述單元包括選擇的軌道。在這里所述的示例中，LSB+1 軌道被選為內(nèi)插軌道。在3位的例子中，在相對于原始軌道環(huán)形地轉(zhuǎn)動90 度的附加的軌道中復制具有180度環(huán)形段的位1 (LSB+1)軌道，所述附加的軌道用位1S表示。用于內(nèi)插法計算的模擬信號是基于位1的尺寸的， 所述位1的尺寸是LSB的兩倍；這導致原始信號測量的信順性能的成比 例的改善。己經(jīng)識別到，模擬信號中最顯著的非線性行為發(fā)生在周期性信 號的峰值電平附近，所述周期性信號的峰值電平發(fā)生在拾取元件接近和通 過代碼段的中心的時候。表示當拾取元件接近和通過鄰近段時發(fā)生的極性 之間的轉(zhuǎn)變的部分典型地接近線性。通過轉(zhuǎn)動地偏置這兩個一樣的軌道， 線性部分總是可以用于從任何一個軌道的內(nèi)插。選擇用哪一個軌道通過基 于拾取元件編碼器位置的真值表來完成，所述拾取元件編碼器位置通過內(nèi) 插位(位1)、偏移的內(nèi)插位(位1S)和下一個更低級的位(本示例中，
位0或LSB)表示。在標準微控制器內(nèi)，通?？梢园l(fā)現(xiàn)IO個模擬到數(shù)字 轉(zhuǎn)換器。在這里描述的3位的例子中，7位值需要從原始的IO位接收到的 模擬信號中得到。能夠容易地實現(xiàn)所需分辨率的可靠獲取。見圖9。
應(yīng)用這種具有3位格雷碼方法的唯一結(jié)果是MSB已經(jīng)等同于MSB+1 并且偏離代碼段的一半角度距離。在這種特定情形中，上面所述的更為普 遍的情形中附加的1S環(huán)形不是必需的，并且可以使用MSB環(huán)形值。使用 兩個編碼器圖案和所述的內(nèi)插方法，可以得到高分辨率角度檢測系統(tǒng)，并 具有最小的機械部件和減小的電子復雜度。在看到的例子中，可以用兩個 3位編碼器的電詢問獲得具有12位分辨率的檢測系統(tǒng)，因而由兩個相對簡 單和粗糙的檢測系統(tǒng)表示了非常想要的結(jié)果。
接下來，描述另一詳細實施例，在圖中用附圖標記示出不同的方面和 特征。圖2用圖示意地示出了系統(tǒng)20，其包括具有主轉(zhuǎn)動體30和次級轉(zhuǎn) 動體40的車輛22，所述主轉(zhuǎn)動體30和次級轉(zhuǎn)動體40結(jié)合起來提供多圈 轉(zhuǎn)動位置傳感系統(tǒng)50。每個主體30和40響應(yīng)另一個的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)。再參 考圖11，主轉(zhuǎn)動體30還以用于車輛22的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸32的形式示 出。固定到轉(zhuǎn)向軸32以隨之轉(zhuǎn)動的是圍繞軸32的圓周設(shè)置的主齒輪152， 使得軸32延伸通過其中。主齒輪32包括圓周徑向齒154。主體30、軸32 和齒輪152的公共轉(zhuǎn)動軸線R1通過十字線指出以表示轉(zhuǎn)動軸線R1是垂直 于圖ll的視圖平面的。此外，次級轉(zhuǎn)動體40以具有圓周徑向齒164的主 齒輪162的形式示出。齒輪162通過由齒154和164形成的齒輪嚙合160 而被機械連接以隨齒輪152轉(zhuǎn)動。齒輪162具有轉(zhuǎn)動軸線R2，通過十字線示出以表示它也是垂直于圖11的視圖平面的。
參見圖7和10，系統(tǒng)50包括轉(zhuǎn)動位置傳感裝置60和轉(zhuǎn)動位置傳感裝 置80。信號處理電路100可操作地連接到裝置60和80,如下文進一步描 述。傳感裝置60包括面61，所述面限定傳感軌道63的大致同心的電極軌 道圖案62-具體地，如前面所述的三個軌道。軌道63由交替的TRUE (真 值，T)和COMPLEMENT (補值，C)導電的、弓形電極段70組成，這 些電極段70以二進制格雷碼格式設(shè)置(只有一些用附圖標記標示，并且 為清楚T和C命名沒有示出)。位于表面61上的外部導電拾取元件接收環(huán) 66限定軌道63。環(huán)66設(shè)置在位于表面61上的電接地的防護環(huán)69a和69b 之間。軌道63設(shè)置在軌道圖案78中，所述軌道圖案78被重復四次，每 個四分之一扇形區(qū)Q1、 Q2、 Q3和Q4—次，從而即使機械轉(zhuǎn)動比是l: 1 (為1)的情況下在電學上地提供相對于主體30和軸32的有效電轉(zhuǎn)動比 4: 1，這在下文進一步描述。
與軌道63相對的是拾取元件68，如圖lO和ll中虛線所標示的部分。 拾取元件68具有電導體，形狀與圖10和圖11中虛線畫出的輪廓一致， 其與面61相對并在兩者之間具有空氣間隙。這個形狀與最外側(cè)LSB軌道 72的每個段70的弧跨度、中間軌道74和最內(nèi)側(cè)MSB軌道76的弧跨度 相對應(yīng)(LSB+1 = MSB-1)。導電代碼拾取環(huán)64在圖7中示意地標示出， 并且在圖10和11中未示出。拾取環(huán)64與拾取元件68的導電導體是電連 續(xù)的，并且與環(huán)66相對，而在它們之間用空氣間隙層疊。拾取元件68固 定到軸32和齒輪152，用以隨它們一致地圍繞轉(zhuǎn)動軸線Rl轉(zhuǎn)動。
傳感裝置80包括面81，所述面限定傳感軌道83的大致同心的、電極 軌道圖案82。軌道83由交替的TRUE (T)和COMPLEMENT (C)導電 的、弓形電極段90組成，這些電極段以前面所述的二進制格雷碼形式設(shè) 置(為了清楚，只有一些用附圖標記標示)。軌道83用T和C標示對照地 標示，同時為了清楚避免與軌道63的類似的標示重疊。位于表面81上的 外部導電拾取元件接收環(huán)86限定軌道83。環(huán)86設(shè)置在位于表面81上的 電接地的防護環(huán)89a和89b之間。軌道83的圖案不象所述的與面61的壓 縮軌道圖案78相關(guān)的那樣重復。
與軌道83相對的是拾取元件88，如圖10和11中虛線所標識的部分。拾取元件88具有導電導體，形狀與圖10和11中用虛線勾畫的輪廓一致， 所述拾取元件與表面81相對，且其間具有空氣間隙。這個形狀與最外側(cè)
LSB軌道92的每個段90的弧跨度、中間軌道94和最內(nèi)側(cè)MSB軌道96 的弧跨度相對應(yīng)(LSB+1 = MSB-1)。導電代碼拾取環(huán)84在圖9中示意地 標示出，并且在圖12中也有示出。拾取環(huán)84與拾取元件88的導電導體 是電連續(xù)的，并且與環(huán)86相對，而在它們之間用空氣間隙層疊。圖12示 出一個用于拾取元件88的圖案的非限定示例，用以定位相對的面81。拾 取元件88和環(huán)84設(shè)置成承載在環(huán)形襯底85上的連續(xù)的導電圖案，所述 圖案的一種形式是可以用標準光刻技術(shù)、作為印刷電路板一樣準備。拾取 元件68和環(huán)64可以用類似的方式準備(未示出)；然而，在其他實施例 中，這樣的特征可以用不同的形式、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和/或配置提供。拾取元件 88固定到齒輪162，用以隨之一致地圍繞轉(zhuǎn)動軸線R2轉(zhuǎn)動。
如圖10所示，襯底150分別限定裝置60和80的面61和81，并且還 承載電路100。在所描述的非限定形式中，襯底設(shè)置成印刷電路板152， 所述印刷電路板限定孔154，軸32延伸通過孔154。板152能利用標準光 刻技術(shù)準備。
如圖7示出，處理電路100包括模擬拾取元件放大器102、微控制器 110、具有非限定的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線界面形式的計算機網(wǎng)絡(luò) 界面120和數(shù)字信號處理電路140。應(yīng)該認識到，在其他實施例中電路100 的部分或全部可以不用襯底150承載。從傳感裝置60和80的拾取元件68 和88接收信號的拾取元件放大器發(fā)送相應(yīng)的放大的信號到微控制器110。 放大器102包括多個通道，以同時容納兩個拾取信號和/或可以在不同拾取 信號之間根據(jù)用于內(nèi)插裝置60和80的時序分時。微控制器110包括運行 邏輯120和多個電路，用以以下文描述的方式運行。邏輯120可以通過軟 件程序、固件程序、硬件或它們的結(jié)合來限定。同樣，信號處理電路140 可以根據(jù)軟件、固件和/或硬件形式的運行邏輯行使功能(未示出)。微控 制器110包括軌道和保持電路122，所述保持電路122保持從放大器102 接收到的輸入信號，并提供在所需的時間長度內(nèi)維持所述輸入值、使其如 基于時間的控制器電路126所調(diào)節(jié)的那樣的能力，使得模擬到數(shù)字(A/D) 轉(zhuǎn)換器124能夠?qū)⒛M輸入信號電平轉(zhuǎn)換成代表性的數(shù)字形式。微控制器
19110包括網(wǎng)絡(luò)輸出信號序列128，用以根據(jù)預先限定的協(xié)議從A/D轉(zhuǎn)換器
124發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)。
微控制器110還包括代碼脈沖產(chǎn)生裝置(產(chǎn)生器)112，所述代碼脈 沖產(chǎn)生裝置112根據(jù)分別對應(yīng)每個段70和90的T/C (TRUE/COMPLIMENT)格雷碼指示提供脈沖的預先限定的序列到軌道 63和73。在運行時，應(yīng)該認識到，拾取元件68與軸32圍繞轉(zhuǎn)動軸線R1 轉(zhuǎn)動，并且通過齒輪152和162的嚙合160，拾取元件88作出響應(yīng)圍繞轉(zhuǎn) 動軸線R2轉(zhuǎn)動。因而，拾取元件68和88分別在軌道63和83上以這樣 的轉(zhuǎn)動移動。
傳感裝置60和80構(gòu)造成基于電容檢測的非接觸轉(zhuǎn)動位置編碼器。通 過將來自產(chǎn)生器112的相反極性的基于時間的脈沖對序列分別應(yīng)用到每個 軌道63和83，執(zhí)行電詢問。將這些相反的脈沖對同時提供到鄰近段70 和90，這里的所述鄰近元件70和90是在本文前面所述的交替/隔行交錯 的圖案中的一個給定的位軌道(72、 74或76和92、 94或96)內(nèi)，且此 外，在公共所有的美國專利No.7， 119， 718、 No.7， 123， 027禾n No.7， 138， 807 (前面以參考的方式已經(jīng)并入本文)中也有描述所述交替/隔行交 錯的圖案。對于系統(tǒng)50，圖8的信號/時序圖示出了詢問序列。
在詢問過程中，拾取元件68和88與軌道63和73電容耦合，以通過 裝置60的環(huán)64和66和裝置80的環(huán)84和86經(jīng)過電容耦合傳遞相應(yīng)的電 信號到放大器102。從拾取元件68和88返回的脈沖的極性、振幅和序列 是拾取元件68和88相對于各自的軌道圖案62和82的轉(zhuǎn)動位置的唯一表 示。系統(tǒng)50的電路100調(diào)節(jié)詢問脈沖的發(fā)送和接收，以為裝置60和80 解碼拾取位置，這表示軸32的位置的轉(zhuǎn)動測量。
對于裝置80，圖案82提供45度自然數(shù)字分辨率。LSB軌道92的段 90具有等于兩倍編碼器分辨率的環(huán)形跨度；在這個例子中是90度。通過 裝置60的圖案62中的3位圖案的環(huán)形壓縮，使得僅在90度的跨度上以 規(guī)則的間隔發(fā)生8個唯一的轉(zhuǎn)變，有效編碼器分辨率被提高以提供11.25 度間隔的檢測。如圖10所示，通過圍繞測量軸32的圓周重復四次所得圖 案78，周期性的3-位信號導致為每個完全的360度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生4個全范圍二 進制的序列(以10為基數(shù)0到7之間)-因而產(chǎn)生4: 1的有效的電傳動或有效轉(zhuǎn)動比，而不需要使用任何機械齒輪部件或技術(shù)。
在一個結(jié)構(gòu)中，齒輪162的直徑小于齒輪152，以最小化整體組裝尺
寸。直徑和齒輪結(jié)構(gòu)被選擇，使得次級轉(zhuǎn)動體40到主轉(zhuǎn)動體30的有效機 械傳動比稍微小于建立在主傳感裝置60上的有效電傳動。在一個非限定 的示例中，對所述主體30的有效轉(zhuǎn)動/傳動比(在電學上獲得的)是4: 1
(即使其機械轉(zhuǎn)動比是l: l或l)，并且次級機械轉(zhuǎn)動/傳動比接近3.8: 1。
對于示出的實施例，次級傳感裝置80不被電壓縮，并且對應(yīng)齒輪162的 旋轉(zhuǎn)的每個360機械度數(shù)表示一個全部刻度周期。而且，對于具有3.8: 1 的齒輪162機械轉(zhuǎn)動比的這個實施例，對軸32、齒輪152和拾取元件68 的每一個單個的360度機械轉(zhuǎn)動，拾取元件88圍繞編碼器圖案作多次360 機械轉(zhuǎn)動。
微控制器110和/或數(shù)字信號處理電路140解碼并正?；瘉碜匝b置60 和80的位置信息，以表示兩個轉(zhuǎn)動位置信號，這個兩個轉(zhuǎn)動位置信號被 偏置一個增加的值，所述增加的值與由齒輪152和162之間的有效轉(zhuǎn)動/ 傳送比差值產(chǎn)生的位置差成比例。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種差值是線性增加的函數(shù)
(見圖4和5)。差值函數(shù)包括偶然不連續(xù)的極性改變，這種極性改變可以 通過增加修正常數(shù)來修正。典型地，增加360度將精確地去掉這種不連續(xù)
(比較圖4和圖5)。差值函數(shù)的斜率與通過系統(tǒng)50獲得的機械和電傳動 的結(jié)合成比例，并且在所述函數(shù)表征后能夠被測量，如圖6所示。己經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，可以獲得相對寬范圍的有效比例因子，用以調(diào)整機械齒輪系統(tǒng)中的正 常的變化。
系統(tǒng)50提供大于360轉(zhuǎn)動度數(shù)的全部尺度測量范圍，和實際上檢測 軸32的多個整圈轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)一具體地可以用系統(tǒng)50量化四個這樣的轉(zhuǎn) 動。在系統(tǒng)50的應(yīng)用中，將電和機械傳動和信號處理結(jié)合起來使用可以 提高轉(zhuǎn)動分辨率，使其超過每個傳感裝置60和80單獨的固有分辨率，使 得分辨率從本身的3位增加到5位。如前面所述的，通過內(nèi)插模擬信號可 以尋求分辨率的進一步提高，所述模擬信號的內(nèi)插方法更加精確地確定拾 取元件相對于給定的軌道段的位置。具體地，除了由離散的二進制項辨別 的極性信息，接收到的脈沖的振幅表示在軌道段內(nèi)的相對的拾取位置，并 且可以處理成在LSB分辨率范圍內(nèi)內(nèi)插精確的位置以增加到自然數(shù)字位
21置信息，因而提供更高的分辨率。最細的分辨率可以通過使用LSB軌道段
產(chǎn)生(那些軌道72和92)的模擬信號值來獲得；然而，該模擬測量分辨 率被應(yīng)用在LSB段的最小相對位置跨度上，并且由于這些段的小尺寸，容 易產(chǎn)生最差的信/噪性能。在一些應(yīng)用中(包括一些轉(zhuǎn)向機械應(yīng)用)，受限 的安裝空間實際應(yīng)用時將基于電容的主編碼器的分辨率限制在3或4位。 正如所述，裝置60和80的3位自然編碼，當與傳動機械結(jié)合時，將會為 系統(tǒng)50產(chǎn)生自然的5位分辨率或11.25度。同時，這些應(yīng)用可尋求12位 的分辨率。為了獲得更高的分辨率，額外的7位信息希望來自模擬信號的 內(nèi)插。
為了改善結(jié)合最小自然數(shù)字編碼器圖案分辨率的模擬內(nèi)插性能，在區(qū) 分模擬響應(yīng)的非線性部分和用改進的線性特征代替交變的等同信號的同 時，采用允許使用更穩(wěn)固圖案單元的單位編碼器圖案。新的編碼器圖案潛 在地包括添加一個代碼道；然而，這個增加如下面進一步的解釋，并不總 是必需的。在這種細化過程，代碼道具有與前面所述的自然編碼器代碼道 中的一個一樣的環(huán)形代碼段幾何尺寸，但是相對于原始自然編碼器軌道有 角度地旋轉(zhuǎn)包括所選軌道的元件的角度跨度的一半。這個軌道可以是，也 可以不是所述自然圖案固有的。在這里給出的例子中，LSB+1軌道被選擇 成內(nèi)插軌道。在3位的例子中，在相對于原始軌道旋轉(zhuǎn)90度角的額外軌 道中復制具有180度環(huán)形段的位1 (LSB+1)軌道，并表示為位1S。用于 內(nèi)插計算法的模擬信號現(xiàn)在基于位1尺寸，所述位1的尺寸是LSB的兩倍； 帶來原始信號測量的信/噪音性能的成正比例的提高。已經(jīng)識別到，模擬信 號中最顯著的非線性行為發(fā)生在周期性信號的峰值電平附近，所述周期性 信號的峰值電平發(fā)生在拾取元件接近和通過代碼段的中心的時候。表示當 拾取元件接近和通過鄰近段時發(fā)生的極性之間的轉(zhuǎn)變的部分典型地接近 線性。通過轉(zhuǎn)動地偏置這兩個一樣的軌道，線性部分總是可以用于從任何 一個軌道的內(nèi)插。選擇用哪一個軌道可以通過基于拾取元件編碼器位置的 真值表來完成，所述拾取元件編碼器位置通過內(nèi)插位(位1)、偏移的內(nèi)插 位(位1S)和下一個更低級的位(本示例中，位0或LSB)表示。在這 里描述的3位的例子中，7位值需要從對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)化器124轉(zhuǎn)換的模擬信 號所接收的原始的10位中得到。圖9提供相應(yīng)于這種內(nèi)插細化過程的信號/時序圖。
應(yīng)用這種利用系統(tǒng)50的3位格雷碼的內(nèi)插法的結(jié)果是，MSB己經(jīng)等 同于MSB+1并且偏離代碼段的一半角度間距。這種具體情形中，因為對 所述圖案所需的環(huán)是己經(jīng)固有的，上面所述的更為普遍情形的附加的1S 環(huán)形是不需要的，并且可以使用自然軌道而不用其他的添加。應(yīng)用兩個圖 案62和82以及所述的內(nèi)插法技術(shù)，高分辨率角檢測系統(tǒng)產(chǎn)生，使得系統(tǒng) 50可以提供使用兩個3位裝置的電內(nèi)插法的12位分辨率輸出信號的解決 方案。
還可以想象到本申請的許多其它實施例。例如，在其它實施例中，可 以應(yīng)用更多的具有相應(yīng)的傳感裝置的轉(zhuǎn)動體以提供不同的傳感分辨率。在 其它例子中，可以通過除嚙合齒輪外的機械連接獲得不同的轉(zhuǎn)動比。根據(jù) 本申請，在還一例子中，光學、磁學或除電容外其它不同性質(zhì)和/或它們的 結(jié)合可以用來提供轉(zhuǎn)動位置傳感和編碼。此外，應(yīng)該認識到，微控制器110 和/或電路140可以分擔信號/數(shù)據(jù)處理任務(wù)、方法、技術(shù)、控制和本文中 描述的其它功能，或其中之一通過執(zhí)行相應(yīng)的運行邏輯能夠為具體應(yīng)用完 成所有所需的操作。事實上，在其它實施例中，兩者可以互為替換和/或用 其它處理器、控制器或類似的裝置替換或附加使用它們。
本發(fā)明的還一實施例的另一例子包括轉(zhuǎn)動主體，固定至所述主體的 第一傳感裝置的至少一部分隨之一致地轉(zhuǎn)動，用以提供至少一個表示主體 轉(zhuǎn)動的第一裝置信號；響應(yīng)于所述主體的轉(zhuǎn)動，以相對于所述主體的機械 轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部分，用以提供表示所述主體轉(zhuǎn)動的至 少一個第二裝置信號；表示所述第一傳感裝置的一部分相對于所述主體以 大于1的有效轉(zhuǎn)動比的轉(zhuǎn)動；和將所述至少一個第一裝置信號和所述至少 一個第二裝置信號處理成有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)，用以提供表示所述主體在整 個所需角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置的輸出信號。在一個非限定的形式中，所述 范圍跨度超過360度。
另一示例包括操縱系統(tǒng)，所述操縱系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向軸、第一傳感裝置和 第二傳感裝置。所述系統(tǒng)還包括用于轉(zhuǎn)動所述軸的裝置，固定至所述軸 的所述第一傳感裝置的至少一部分隨之一致地轉(zhuǎn)動，用以提供至少一個表 述軸轉(zhuǎn)動的第一裝置信號；用于以相對于所述軸的機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第二傳感裝置的至少一部分的裝置，用于提供表示這種轉(zhuǎn)動的至少一個第二 裝置信號；用于對相對于軸、以大于l的有效轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第一傳感裝 置的一部分的轉(zhuǎn)動操作進行建模的裝置；和用于處理至少一個第一裝置信 號和至少一個第二裝置信號作為所述有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)、以提供表示所述 軸在整個所需角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置的輸出信號的裝置。在一個非限定的 形式中，這個范圍對應(yīng)于所述軸的多圈旋轉(zhuǎn)。
另一示例包括轉(zhuǎn)動主體，連接至所述主體的第一傳感裝置的至少一 部分以第一機械轉(zhuǎn)動比、與其相關(guān)地轉(zhuǎn)動，并且提供至少一個表示主體轉(zhuǎn) 動的第一裝置信號；以相對于所述主體的第二機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動第二傳感裝 置的至少一部分，用以提供表示所述主體轉(zhuǎn)動的至少一個第二裝置信號；
并且提供表示所述主體在所需的角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置的角度輸出信號， 包括根據(jù)所述第一傳感裝置相對于所述主體的所述部分的有效轉(zhuǎn)動比處 理所述第一裝置信號和所述第二裝置信號。所述有效轉(zhuǎn)動比與所述第一機 械轉(zhuǎn)動比和所述第二機械轉(zhuǎn)動比不同。在一個非限定的形式中，所述角度
范圍跨度超過360度，和/或有效轉(zhuǎn)動比大于所述第二機械轉(zhuǎn)動比，所述第 二機械轉(zhuǎn)動比大于所述第一機械轉(zhuǎn)動比，并且所述第一機械轉(zhuǎn)動比是1。
還一示例涉及一種裝置，所述裝置包括第一傳感裝置和第二傳感裝 置，用以確定主體的轉(zhuǎn)動位置。所述裝置包括用于轉(zhuǎn)動所述主體的裝置，
連接到所述主體上的第一傳感裝置的至少一部分以第一機械轉(zhuǎn)動比、與其
相關(guān)地轉(zhuǎn)動，并且提供至少一個表示主體轉(zhuǎn)動的第一裝置信號；用于以相 對于所述主體的第二機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第二傳感裝置的至少一部分的 裝置，用于提供表示主體轉(zhuǎn)動的至少一個第二裝置信號；和用于提供表示 所述主體在大于360度的范圍上的轉(zhuǎn)動位置的角度輸出信號的裝置，包括 用于根據(jù)所述第一傳感裝置相對于所述主體的所述部分的有效轉(zhuǎn)動比、處 理所述第一裝置信號和所述第二裝置信號的裝置，所述有效傳動比不同于 第一機械轉(zhuǎn)動比和所述第二機械轉(zhuǎn)動比。
在另一示例中，轉(zhuǎn)動位置傳感系統(tǒng)包括第一傳感裝置和第二傳感裝 置。所述第一裝置的一部分固定到主體，所述主體的轉(zhuǎn)動將要被檢測并且 所述第二傳感裝置包括機械地連接到所述主體、從而相對其以機械傳動比 轉(zhuǎn)動的部分。還包括的是信號處理電路，所述信號處理電路響應(yīng)于來自所
24述第一傳感裝置和所述第二傳感裝置的信號，以提供將所述主體在所需的 角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置表示為連接到所述主體的所述第一傳感裝置的所 述部分的、大于l的有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)的輸出。
在另一示例中， 一種方法包括相對于傳感裝置的第二部分轉(zhuǎn)動第一 傳感裝置的第一部分，所述第一和第二部分中的一個限定至少三個傳感軌 道。從所述軌道確定多個第一位，其中每一個所述軌道對應(yīng)于來自不同的 一個所述軌道的信號，并且由所述第一位限定的每個不同的值表示不同的 轉(zhuǎn)動位置；從至少兩個軌道中選擇一個所述軌道作為所述第一位的函數(shù)； 為每個所選擇的所述一個軌道量化具有多個第二位的各自信號的大?。徊?br>
且提供第一裝置轉(zhuǎn)動位置值，所述值包括第一位和第二位，所述第一位在 數(shù)字上明顯多于所述第二位。
還一示例包括第一傳感裝置，所述第一傳感裝置具有用于相對于所
述第一傳感裝置的第二部分轉(zhuǎn)動所述第一傳感裝置的第一部分的裝置，其
中所述第一和第二部分中的一個限定至少三個傳感軌道；用于從所述軌道
確定多個第一位的裝置，第一位中的每一個響應(yīng)來自不同的一個所述軌道 的各自信號，并且由所述第一位限定的每個不同的值表示不同的轉(zhuǎn)動位
置；用于從至少兩個所述軌道中選擇一個所述軌道作為所述第一位的函數(shù) 的裝置；用于為每個所選擇的軌道量化具有多個第二位的各自信號的大小 的裝置；和用于提供第一裝置轉(zhuǎn)動位置值的裝置，所述值包括第一位和第 二位，所述第一位在數(shù)字上顯著多于所述第二位。
還一示例包括轉(zhuǎn)動主體，固定到所述主體上的第一傳感裝置的至少 一部分隨之一致地轉(zhuǎn)動；與所述轉(zhuǎn)動體相關(guān)地轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一 部分；處理來自所述第一傳裝置和所述第二傳感裝置的多個信號，以確定 所述主體在所需角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置，所述處理包括通過所述第一傳感 裝置和所述第二傳感裝置中的至少一個檢測信號的多個不同的離散圖案 中的一個，其中所述圖案每一個與所述主體的不同轉(zhuǎn)動位置相對應(yīng)，并且 每個通過第一組的位的不同值來表示；和量化與所述第一位中的一個對應(yīng) 的一個所述信號中的大小，以提供在數(shù)字上顯著少于所述第一位的第二組 的位。
還一實例包括第一傳感裝置，其包括構(gòu)造成相對于彼此轉(zhuǎn)動的第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分中的至少一個包括至少三個第 一裝置傳感軌道和連接到所述第一傳感裝置以確定第一位序列的處理電 路，每一個所述第一位對應(yīng)于來自不同的一個所述軌道的各自信號，所述 第一位的每個不同的值表示不同的轉(zhuǎn)動位置。處理電路包括邏輯，以從至 少兩個所述軌道中選擇一個軌道，并且量化來自所選的所述一個軌道的各 自信號的大小，以提供第二位序列，以及提供包括所述第一位和所述第二 位的轉(zhuǎn)動位置輸出，所述第一位在數(shù)字上顯著大于所述第二位。
這里所述的任何理論、操作機制、證據(jù)或發(fā)現(xiàn)意味著進一步加強對本 發(fā)明的理解，而不是讓本發(fā)明采用任何依賴于這些理論、操作機制、證據(jù) 或發(fā)現(xiàn)的形式。應(yīng)該理解到，雖然在上面說明書中用到詞"可優(yōu)選的"、"優(yōu) 選地"或"更佳的"來說明所述的特征可能是更希望的，但它可以不是必 須的，并且缺少這些詞所指示特征的實施例可以視為在本發(fā)明的保護范圍 內(nèi)，所述范圍由后面的權(quán)利要求來限定。在閱讀權(quán)利要求時，想要的是， 當用例如"一""至少一個""至少一部分"的時候，這里并不是限制所述 權(quán)利要求只有一個，除非在權(quán)利要求中給出了具體說明是"一個"。此外， 當用到"至少一部分"和/或"部分"，這些用詞包括一部分和/或整個部件， 除非具體說明不是這樣。雖然本發(fā)明用附圖和上面的說明書具體地進行說 明和描述，應(yīng)該認為這些說明和附圖在性質(zhì)上來說是描述性的而不是限定 性的，應(yīng)該理解到，只示出和描述選擇的實施例，并且所有的落在這里限 定的或通過后面的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神內(nèi)的修改、調(diào)整和等同物 都是被要求保護的。
2權(quán)利要求
1. 一種方法，其包括轉(zhuǎn)動主體，固定到所述主體上的第一傳感裝置的至少一部分隨著所述主體一致地轉(zhuǎn)動，以提供至少一個表示主體轉(zhuǎn)動的第一裝置信號；以相對于所述主體的機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部分，以提供表示所述主體轉(zhuǎn)動的至少一個第二裝置信號；以大于1的有效轉(zhuǎn)動比表示所述第一傳感裝置的所述部分相對所述主體的轉(zhuǎn)動；和將至少一個第一裝置信號和至少一個第二裝置信號處理成有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)，以提供表示所述主體在所需角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置的輸出信號。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述有效轉(zhuǎn)動比和所述機械轉(zhuǎn)動比 均相對于所述主體大于l，并且彼此不同。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括第一裝置拾 取元件，所述第一裝置拾取元件固定到所述主體并且定位為與限定多個傳 感軌道的第一裝置面相對，并且還包括通過具有所述第一裝置拾取元件的所述軌道確定多個第一位，每一個 所述第一位分別對應(yīng)于來自軌道中的不同的一個軌道的信號，所述第一位的每個不同值表示不同的轉(zhuǎn)動位置；選擇來自至少兩個所述軌道中的一個作為所述第一位的函數(shù)；和 對于所述軌道中的所述一個，量化具有多個第二位的各個信號的大 小，所述第一位在數(shù)字上顯著大于所述第二位。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述主體是轉(zhuǎn)向軸的形式，并且還包括與所述主體一致地轉(zhuǎn)動第一齒輪；轉(zhuǎn)動與所述第一齒輪嚙合的第二齒輪，使其以所述機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動， 所述第二傳感裝置包括固定到所述第二齒輪以隨之轉(zhuǎn)動的第二裝置拾取元件；和提供第二裝置信號，所述第二裝置信號對應(yīng)于由與所述第二裝置拾取 元件相對的第二裝置面限定的同心軌道圖案。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括限定多個傳 感軌道的第一裝置面，所述傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置面上重復 的次數(shù)等同于所述有效轉(zhuǎn)動比。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)動比是4，對應(yīng)于所述幾何圖 案的4個例圖，并且方法包括感測來自具有所述拾取元件的所述傳感軌道中每一個軌道的電容性耦合信號；和基于所述輸出信號檢測轉(zhuǎn)向軸的多圈轉(zhuǎn)動。
7. —種方法，其包括轉(zhuǎn)動主體，連接到所述主體上的第一傳感裝置的至少一部分以第一機 械轉(zhuǎn)動比與所述主體相關(guān)地轉(zhuǎn)動，并且提供至少一個表示主體轉(zhuǎn)動的第一裝置信號；以相對于所述主體的第二機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部 分，用以提供表示所述主體轉(zhuǎn)動的至少一個第二裝置信號；和提供表示所述主體在大于360度的范圍上的轉(zhuǎn)動位置的角度輸出信 號，包括根據(jù)所述第一傳感裝置的所述部分相對于所述主體的有效轉(zhuǎn)動比 處理所述第一裝置信號和所述第二裝置信號，所述有效轉(zhuǎn)動比與所述第一 機械轉(zhuǎn)動比和所述第二機械轉(zhuǎn)動比不同。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一機械轉(zhuǎn)動比為l，所述第二 機械轉(zhuǎn)動比大于1 ，以及所述有效轉(zhuǎn)動比大于所述第二機械轉(zhuǎn)動比。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括第一裝置拾 取元件，所述第一裝置拾取元件固定到所述主體并且定位成與限定多個傳 感軌道的第一裝置面相對，并且還包括確定來自具有所述第一裝置拾取元件的所述軌道的多個第一位，每一 個所述第一位對應(yīng)于來自不同的一個所述軌道的各自信號，每個所述第一 位的不同的值表述不同轉(zhuǎn)動位置；選擇來自至少兩個所述軌道中的一個軌道作為所述第一位的函數(shù)；和對于所述軌道中的一個，量化具有多個第二位的各自信號的大小，所 述第一位在數(shù)字上顯著大于所述第二位。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述主體是轉(zhuǎn)向軸的形式，并且還 包括與所述主體一致地轉(zhuǎn)動第一齒輪；轉(zhuǎn)動與所述第一齒輪嚙合的第二齒輪，用以以所述機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動， 所述第二傳感裝置包括固定到所述第二齒輪以隨之轉(zhuǎn)動的第二裝置拾取元件；和提供第二裝置信號，所述第二裝置信號對應(yīng)于由與所述第二裝置拾取 元件相對的第二裝置面限定的同心軌道的圖案。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括限定多個傳感軌道的第一裝置面，所述傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置面上重復 的次數(shù)與所述有效轉(zhuǎn)動比等同。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)動比是4，與所述幾何圖案 的4個例圖相對應(yīng)，并且所述方法包括感測來自具有所述拾取元件的每一個所述傳感軌道的電容耦合信號；和基于所述輸出信號檢測轉(zhuǎn)向軸的多圈的轉(zhuǎn)動。
13. —種裝置，其包括 可轉(zhuǎn)動的主體；第一傳感裝置，所述第一傳感裝置包括固定到所述主體以隨之一致地 轉(zhuǎn)動并提供多個第一裝置信號的第一部分；第二傳感裝置，所述第二傳感裝置包括機械地連接到所述主體、以相 對于所述主體以機械轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動并且提供多個第二裝置信號的第二部分； 和信號處理電路，所述信號處理電路響應(yīng)于所述第一裝置信號，以表示 所述第一部分相對于所述主體以不同于l和所述機械轉(zhuǎn)動比的有效轉(zhuǎn)動比 轉(zhuǎn)動的動作，所述信號處理電路包括邏輯線路，所述邏輯線路可操作地提 供表示所述主體在大于360度的角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置的輸出，作為所述 第一裝置信號和所述第二裝置信號基于所述有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)動體是車輛的轉(zhuǎn)向軸的形式，并且還包括連接到所述信號處理電路以接收所述輸出的計算機網(wǎng)絡(luò)。
15. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述信號處理電路包括用于確定 來自多個傳感軌道中的不同一個的第一組位的裝置，和用于內(nèi)插來自所選 的一個所述軌道的大小的第二組位的裝置。
16. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述機械轉(zhuǎn)動比大于l，并且所述 有效轉(zhuǎn)動比大于所述機械轉(zhuǎn)動比。
17. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述第一傳感裝置包括第一裝置拾取元件，所述第一裝置拾取元件固 定到所述主體并且與限定多個第一裝置傳感軌道的第一裝置面相對；和所述第二傳感裝置包括第二裝置拾取元件，所述第二裝置拾取元件與 限定多個第二裝置傳感軌道的第二裝置面相對。
18. 如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括 第一齒輪，所述第一齒輪固定到所述主體；第二齒輪，所述第二齒輪與所述第一齒輪嚙合，所述第二裝置拾取元 件固定到所述第二齒輪以隨之轉(zhuǎn)動；和襯底，所述襯底限定用于所述第一齒輪的圍繞第一轉(zhuǎn)動軸線的所述第 一裝置傳感軌道以及用于所述第二齒輪的圍繞第二轉(zhuǎn)動軸線的所述第二 裝置傳感軌道。
19. 一種方法，其包括相對于第一傳感裝置的第二部分轉(zhuǎn)動所述第一傳感裝置的第一部分， 所述第一部分和所述第二部分中的一個限定至少三個傳感軌道；確定來自所述軌道的多個第一位，所述第一位中的每一個與來自所述軌道中的不同一個的各自信號相對應(yīng)，由所述第一位限定的每個不同的值表示不同的轉(zhuǎn)動位置；從至少兩個所述軌道中選擇一個所述軌道作為所述第一位的函數(shù)；對于所述軌道中的所述一個，量化具有多個第二位的各自信號的大 ??；禾口提供第一裝置轉(zhuǎn)動位置值，所述第一裝置轉(zhuǎn)動位置值包括所述第一位 和所述第二位，其中所述第一位在數(shù)字上大于所述第二位。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，所述方法包括轉(zhuǎn)動主體，所述主體承載所述第一部分和所述第二部分中的一個，以 隨之一致地轉(zhuǎn)動；對以大于l的有效轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第一部分和所述第二部分中的一個 的轉(zhuǎn)動動作進行建模。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，所述方法包括以機械轉(zhuǎn)動比相對于所述主體轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部分； 用所述第二傳感裝置確定第二裝置轉(zhuǎn)動位置值；禾B 提供表示所述主體在大于360度的范圍上的轉(zhuǎn)動位置的角度輸出信號作為所述第一裝置轉(zhuǎn)動位置值和所述第二裝置轉(zhuǎn)動位置值的函數(shù)。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，所述方法包括轉(zhuǎn)動車輛的轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸承載所述第一部分和所述第二部分中 的一個以隨之一致地轉(zhuǎn)動；對以有效轉(zhuǎn)動比旋轉(zhuǎn)所述第一部分和所述第二部分中的一個的轉(zhuǎn)動 動作進行建模；以機械轉(zhuǎn)動比相對于所述軸轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部分，所述機 械轉(zhuǎn)動比大于1并且所述有效轉(zhuǎn)動比大于所述機械轉(zhuǎn)動比；和提供表示所述軸在大于360度的角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置作為所述有效 轉(zhuǎn)動比和所述機械轉(zhuǎn)動比的函數(shù)。
23. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括限定所述 傳感軌道的第一裝置面，并且所述傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置面 上重復多次，并且還包括用等于所述傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置 面上重復的次數(shù)的有效轉(zhuǎn)動比，表示所述第一傳感裝置的轉(zhuǎn)動。
24. —種方法，其包括轉(zhuǎn)動主體，固定到所述主體上的第一傳感裝置的至少一部分隨之一致 地轉(zhuǎn)動；關(guān)于所述主體的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動第二傳感裝置的至少一部分； 處理來自所述第一傳感裝置和所述第二傳感裝置的多個信號，以確定 所述主體在大于360度角度范圍上的轉(zhuǎn)動位置，所述處理包括用所述第一傳感裝置和所述第二傳感裝置中的至少一個檢測信號的多個不同的離散圖案中的一個，所述圖案每個與所述主體的不同 的轉(zhuǎn)動位置相對應(yīng)，并且每個通過第一組位的不同值表示；和量化與所述第一位中的一個相對應(yīng)的所述信號中的一個的大小， 以提供在數(shù)字上比所述第一位顯著少的第二組位。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)動以相對于所述主體大于l 的機械轉(zhuǎn)動比發(fā)生。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法包括對以大于所述機械轉(zhuǎn)動 比的有效轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第一傳感裝置的所述部分的轉(zhuǎn)動動作進行建模。
27. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第一傳感裝置包括第一裝置拾取元件，所述第一裝置拾取元件固 定到所述主體并與限定多個第一裝置傳感軌道的第一裝置面相對；和所述第二傳感裝置包括第二裝置拾取元件，所述第二裝置拾取元件與 限定多個第二裝置傳感軌道的第二裝置面相對。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述主體是用于車輛的轉(zhuǎn)向軸的 形式，并且所述第一裝置傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置面上重復多 次，并且還包括用等于所述傳感軌道的幾何圖案在所述第一裝置面上重復 的次數(shù)的有效轉(zhuǎn)動比，表示所述第一傳感裝置的轉(zhuǎn)動。
29. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一位的每一個與不同的每 個所述第一裝置傳感軌道相對應(yīng)，并且量化大小的步驟包括將所述信號中 的一個從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。
30. —種裝置，其包括第一傳感裝置，所述第一傳感裝置包括構(gòu)造成相對于彼此轉(zhuǎn)動的第一 部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分中的至少一個包括至少三 個第一裝置傳感軌道；和處理電路，所述處理電路連接到所述第一傳感裝置以確定第一位序 列，所述第一位中的每一個對應(yīng)于來自不同的一個所述軌道的各自信號， 所述第一位的每個不同值表示不同的轉(zhuǎn)動位置，所述處理電路包括邏輯線 路，以從至少兩個所述軌道中選擇一個軌道并且量化來自所述一個軌道的 各自信號的大小，以提供第二位序列和提供轉(zhuǎn)動位置輸出，所述轉(zhuǎn)動位置 輸出包括第一位和所述第二位，所述第一位在數(shù)字上顯著大于所述第二'位。
31. 如權(quán)利要求30所述的裝置，還包括轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸固定以隨 所述第一傳感裝置的所述第一部分和所述第二部分中的一個一致地轉(zhuǎn)動。
32. 如權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述處理電路包括用于表示以大 于l的有效轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動所述第一部分和所述第二部分中的一個的裝置。
33. 如權(quán)利要求31所述的裝置，還包括第二傳感裝置和用于以大于l 的機械轉(zhuǎn)動比相對于所述轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動所述第二傳感裝置的至少一部分的 裝置。
34. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述第一傳感裝置包括第一裝置 拾取元件，所述第一裝置拾取元件固定到所述主體并且與限定所述第一裝 置傳感軌道的第一裝置面相對；并且還包括第二傳感裝置，所述第二傳感 裝置包括與限定多個第二裝置傳感軌道的第二裝置面相對的第二裝置拾 取元件。
35，如權(quán)利要求34所述的裝置，還包括 可轉(zhuǎn)動的體；第一齒輪，所述第一齒輪固定到所述主體和所述第一裝置拾取元件以 隨之一致地轉(zhuǎn)動；第二齒輪，所述第二齒輪與所述第一齒輪嚙合，所述第二裝置拾取元 件固定到所述第二齒輪以隨之轉(zhuǎn)動；和襯底，所述襯底限定用于所述第一齒輪的圍繞第一轉(zhuǎn)動軸線的所述第 一裝置傳感軌道，并且限定用于所述第二齒輪的圍繞第二轉(zhuǎn)動軸線的所述 第二裝置傳感軌道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)動傳感系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)動傳感系統(tǒng)包括第一傳感裝置，所述第一傳感裝置包括固定到主體以隨之一致地轉(zhuǎn)動并提供多個第一裝置信號的第一部分；第二傳感裝置，所述第二傳感裝置包括機械連接到所述主體、從而以機械轉(zhuǎn)動比相對于所述主體轉(zhuǎn)動并提供多個第二裝置信號的第二部分；以及信號處理電路，所述信號處理電路響應(yīng)于所述第一裝置信號，以表示所述第一部分相對于所述主體以不同于1和所述機械轉(zhuǎn)動比的有效轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)動的動作。這個信號處理電路還包括邏輯線路，所述邏輯線路可操作以提供輸出，所述輸出表示所述主體在大于360度角度跨度上的轉(zhuǎn)動位置，作為所述第一裝置信號和所述第二裝置信號基于所述有效轉(zhuǎn)動比的函數(shù)。
文檔編號A01B69/00GK101534630SQ200780027945
公開日2009年9月16日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月24日
發(fā)明者杰弗里·托拉, 肯尼斯·A·布朗 申請人:Tt電子技術(shù)有限公司