CN102654385B - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器装置，用于确定轴（4）的旋转角，其具有至少一个布置在轴（4）上的锁止环（12），其中，至少一个锁止环（12）的外表面（40）的半径随着周期n/360°变化，以及其中，传感器装置（2）具有至少一个位置固定地安装的第一磁性传感器（32），该第一磁性传感器配设于至少一个锁止环（12）并且在轴（4）转动时检测受至少一个锁止环（12）影响的磁场（58），其中n是整数。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及一种传感器装置和一种用于确定旋转角的方法。

背景技术

在扭矩传感器和旋转角传感器领域中，迄今常使用磁性测量原理。在这种扭矩传感器中，通常用霍尔传感器识别在旋转运动中变化的磁场并且将求得的信号转换成旋转角信号或扭矩信号。

按照现有技术，为了实现扭矩传感器，将磁性单元（MU=“Magnet Unit（磁性单元）”）和引导磁通的环（FTU=“Flux Tube Unit（挠性管单元）”）安装到两根通过扭杆（扭力杆）相互连接的轴上。传感器单元（SU=“Sensor Unit（传感器单元）”）经由插头或环形插塞连接固定在环绕的壳体上。在此，没有转数计就不能集成明确的转向角测量功能。

由EP 2 078 930 A1和EP 2 080 991 A1分别公开了旋转角传感器，用它们可以确定轴相对定子的转动。在此，旋转角传感器包括包围轴的大齿轮，大齿轮与固定在定子上的小齿轮配合作用，从而在轴转动时也使固定在定子上的小齿轮发生转动。从固定在定子上的小齿轮的转动中可以以第一种方式确定轴的旋转角。此外在轴上还固定着磁体，磁体在轴转动时同样旋转。这个磁体的基于转动而发生变化的磁场被磁性传感器检测到，从而可以以第二种方式检测轴的旋转角。在这两个述及的文本中也规定，固定在轴上的磁体可以是圆形的。作为备选，这个磁体的圆周也能构造成椭圆的。

发明内容

在这种背景下提出有独立权利要求特征的传感器装置和方法。本发明其它的设计方案由从属权利要求和说明书得出。

本发明涉及一种传感器装置，其也可以用作汽车的转向装置的转向角传感器并且组装在按磁性原理进行测量的扭矩传感器中，其中，传感器装置按照游标原理工作，但仅用一个齿轮就足够。此外对传感器装置来说不需要转数计。因此在现有的扭矩传感器方案中能按游标原理无需转数计地更为廉价地集成针对多次轴转动的转向角测量，其中，同时能减少运动的因而受到磨损的构件。

在本发明的框架内，也规定取消磁通单元和传感器单元之间的分离。传感器单元在此经由滑动轴承与磁通单元连接。因此存在有精确地相互协调一致的公差的构件。滑动轴承提供在磁通单元和传感器单元之间的径向公差。轴向公差则经由滑动轴承相对磁通单元的锁止环确保，锁止环设计成所谓的正弦圈的形式。

因此为轴向的锁止环配设第二功能。在此考虑的是，按照游标原理工作的迄今为止的没有转数计的转向角传感器，具有两个与主齿轮有不同传动比的测量齿轮，主齿轮位于轴上。当这些测量齿轮中的一个具有相对在轴上的主齿轮的偶数传动比时，那么也可以备选地产生它的旋转角信息。

在这个背景下，在本发明的设计方案中，通过使正弦圈的外表面以及因而外形对应有整数和/或偶数周期的环形调制的正弦形，赋予至少一个设计成正弦圈的锁止环这个功能。因此正弦圈的外表面在轴转动时，根据穿过正弦圈的磁场的渗透影响固定的磁场，其中，这个由永磁体产生的固定的磁场被调制。这种通过调制带来的变化可以被磁性传感器测量到，磁性传感器设计成霍尔集成电路（Hall-IC）或类似的异向性磁阻集成电路（AMR-IC）或用于测量异向性磁阻效应的开关电路。

因此为了旋转角测量，通过正弦圈可以产生整数和/或偶数的正弦信号以及通过单个的测量齿轮可以产生有非偶数传动比的第二正弦信号。

在小的轴向和径向结构高度下，为传感器装置实现一种十分紧凑的构造方式，其中，为了求出旋转角而使用游标原理。此外，旋转角信号以及因而转向角信号直接在为传感器装置接通电压后存在。传感器装置用尽可能少的构件实现。

通常在本发明中，除了轴之外，仅有一个额外运动的构件，即测量齿轮，因而仅需要很少的磨损零件。在传动装置构造为冠状齿轮传动装置时，在测量齿轮和磁通单元之间设不临界的径向公差。此外，在有印制电路板的传感器单元和布置在其上的作为磁性传感器的霍尔传感器之间，需要短的公差链，因为该公差链通过滑动轴承直接相互规定公差。

在按表面贴装技术（SMT，Surface Mounting Technology）的印制电路板的构造中，不需要按通孔插装技术（THT，Through Hole Technology）的布线构件。针对所有可能的轴直径仅需要一个标准化的传感器单元。针对转向角功能，永磁体的安装在锁止环上进行，所以可以尽量利用印制电路板，这要比磁体在正弦圈上的安装更为成本低廉。此外，获得一种相对简单的构造和连接技术。

按本发明的传感器装置为此设计成，实施所述方法的所有步骤。在此，这个方法的单个步骤也可以由传感器装置的单个部件实施。此外，传感器装置的功能或传感器装置的单个部件的功能被转换成所述方法的步骤。此外还可能的是，所述方法的步骤实现为传感器装置的至少一个部件的或整个传感器装置的功能。

本发明其它的优势和设计方案由说明书和附图得出。

当然，前面所述和接下来尚待阐述的特征不仅可以如所述那样结合，也可以以其它方式结合或单独使用，而不会脱离本发明的框架。

附图说明

图1从不同角度示出了按本发明的传感器装置的实施形式的第一细节图；

图2是按本发明的传感器装置的第二细节示意图；

图3是按本发明的传感器装置的第三细节示意图；

图4是构造成按本发明的传感器装置的一个部件的正弦圈的设计方案的图表；

图5是按本发明的传感器装置的第四细节示意图；

图6是用按本发明的传感器装置实施按本发明的方法的第一张图表；

图7是按本发明的传感器装置的第五细节示意图；

图8是按本发明的传感器装置的第六细节示意图；

图9是按本发明的传感器装置的第七细节示意图；

图10是按本发明的传感器装置的第八细节示意图；

图11是用于实施按本发明的方法的第二张图表；

图12是用于实施按本发明的方法的第三张图表；

图13是由现有技术公开的扭矩传感器的第一细节图；

图14是由现有技术公开的扭矩传感器的第二细节图；

图15是由现有技术公开的转向角传感器的示意图。

具体实施方式

本发明借助附图的实施形式示意性示出并且接下来参考附图加以详细说明。

附图被连续且综合性地说明，相同的附图标记标注相同的部件。

在图1a、1b、1c、2a、2b中从各种视角示出了按本发明的传感器装置2的实施形式的各种细节，传感器装置2适用于求出围绕轴线6转动的轴4的旋转角。

规定，轴4被套筒8包围，套筒与轴4抗扭地连接。在这个套筒8上设主齿轮10。此外，在套筒8上抗扭地固定以及因而布置着所谓的设计成正弦圈的锁止环12。此外，套筒8具有所谓的磁通单元14，磁通单元包括两个磁通导环16、18并且可以在喷塑工艺中制造。

在正弦圈和磁通单元14之间布置有滑动轴承20，滑动轴承在此经由固定元件46固定在未进一步示出的构件上，例如固定在围绕的传感器壳体上。滑动轴承20可以通过喷塑制造并且同时为了在套筒8上的支承功能也提供针对测量齿轮24和传感器单元28的固定可能性。因此在轴4围绕轴线6转动时，会出现轴4和套筒8相对构件以及因而相对滑动轴承20转动，套筒包围磁通单元14并且在套筒上布置着主齿轮10和正弦圈。在此，锁止环12沿磁通单元14的方向轴向锁定滑动轴承20。

测量齿轮24经由夹紧固定装置22能转动地固定在滑动轴承20上，永磁体26集成在测量齿轮中。这个测量齿轮24的齿啮合在主齿轮10的齿中。因此在轴4围绕轴线6转动时，测量齿轮24也会发生转动。主齿轮10和测量齿轮24在此设计成冠状齿轮传动装置的部件。在此，主齿轮10的齿朝轴4的轴向取向。测量齿轮24的一根轴线垂直于轴4的轴线6取向。

此外，在滑动轴承20以及因而也在未进一步示出的构件上布置有传感器单元28，传感器单元包括印制电路板30，在此总共三个磁性传感器32、34、36以及一个永磁体38布置在这个印制电路板上。

设计成正弦圈的锁止环12的设计方案的细节尤其在图1b中可以看到。在此，图1b示出了，锁止环12的外表面40具有半径 ，其中，在这种情形下，n=3以及因而是整数并且r₀对应圆42的半径，圆42在此也可以被称为所谓的圆形正弦波过零。通过r_A确定半径r（）随之变化的幅度。在传感器装置2的所述实施形式中规定，锁止环12由铁磁材料构成。

在轴4转动一个旋转角时，锁止环12与轴4同步地转动。由此又使锁止环12相对传感器单元28以及也相对永磁体38和在印制电路板30上与之对置的第一磁性传感器32转动。锁止环12的外表面40与第一磁性传感器32的间距在轴4转动时周期性地变化。通过锁止环12的运动，由永磁体38产生的磁场在空间上被调制成正弦波形并且因而发生变化。永磁体38的磁场的这种空间上的变化被第一磁性传感器32检测到，并且由此提供用于求出轴4的旋转角的第一信号。

在轴4转动时，测量齿轮24作为用于检测轴4的旋转角的第二模块和集成在测量齿轮24中的永磁体26经由主齿轮10转动。因此由永磁体26产生的磁场也发生转动，该磁场被第二磁性传感器34检测到。以此方式提供用于求出轴4的旋转角的第二信号。

第三磁性传感器36布置在磁通单元14的两个磁通导环16、18之间。对它的功能的细节则借助接下来的附图3说明。

三个布置在印制电路板30上的磁性传感器32、34、36作为传感器单元28的部件也可以设计成霍尔传感器或用于测量异向性磁阻效应的异向性磁阻传感器。

此外图1c示出了与轴4轴向连接的扭力杆44和与滑环以及传感器单元28连接的固定元件46，滑动轴承20和传感器单元28经由该固定元件与印制电路板30一起固定在未示出的构件上。

锁止环12在图1a中以剖面以及在图1b中以俯视图示意性示出。图1c用剖视图结合传感器单元2的其它部件以及轴4示出了这个正弦圈。通常套筒8提供用于锁止环12以及滑动轴承20的装配面。规定滑动轴承20的轴向轴承间隙由锁止环12限定边界。

图3除了在图1和2中已经介绍的传感器装置2的部件外，还示出了另一些部件，用这些部件可以求出在第一轴4和第二轴48之间的扭矩，第一轴和第二轴能够围绕共同的轴线6转动并且经由扭力杆44相互连接。为此，在第二轴48上设所谓的磁性单元50，磁性单元包括磁极轮52，磁极轮经由套筒54固定在第二轴48上并且因而能与第二轴48同步地转动。

由磁极轮52产生的变化的磁场在扭力杆44扭动或扭转时产生磁通单元14的磁通导环16、18中的磁通的变化，磁通可以被第三磁性传感器36检测到并且是两根轴4、48之间扭转的衡量尺度。通过磁通单元14以及第三磁性传感器36能够确定在两根轴4、48之间的扭矩。

图4所示的图表说明了在所谓的展开的形式中的设计成正弦圈的锁止环12的外表面40的半径r（）的周期性变化，其中，外表面40从极坐标映射到笛卡尔坐标上。轴4的圆周和圆42的圆周相对这个外表面40示出。外表面40包括正弦函数的至少一个整数的周期，在这个例子中是三个完整的周期。作为传感器单元的部件的锁止环12由铁磁材料制造，例如由镍铁金属板制成。

在图5中示出的按本发明的传感器装置的实施形式的细节包括带两个磁性传感器32的两个传感器单元28，磁性传感器在此关于轴4错开90°地分别布置在印制电路板30上，还包括在印制电路板30上对置布置的永磁体38。

在此规定，在锁止环12的外表面40上示出一个有三个周期的正弦函数。在正弦圈的最大圆周附近通常布置至少一个磁性传感器32和直接堆垛于其后的永磁体38。各一个永磁体38的磁场58被其中一个磁性传感器32测量，其中，磁场在空间上正弦形地受锁止环12影响，也就是说，根据齿圈的位置的间距，交替地将更大和更小的磁通导入磁性传感器32。在锁止环12的转动运动中，磁场58发生变化并且在磁性传感器32中产生了正弦形信号。

因为信号变化在正弦曲线的最大和最小处（亦即90°和270°）最小，所以选择性的第二传感器单元28可以布置成，使在两个传感器单元28的其中一个内始终在正弦曲线的侧面中存在信号变化。选择性的第二传感器单元28在此用于提高测量分辨率。

图6的图表包括横坐标60，沿横坐标60记录用度数表示的角。沿纵坐标62记录三条正弦形曲线64、66、68的值。在图6的图表中，第一正弦曲线64示出了轴4的正弦形转动运动。第二正弦曲线66说明锁止环12的外表面40的圆周的变化曲线。第三正弦曲线68则说明测量齿轮24的在此有2.9个周期的正弦形转动。

用图6的图表说明了按游标原理的旋转角测量的函数。在该例子中，轴4转动一圈就在配设于锁止环12的第一磁性传感器32中产生了三个完整的（整数的）周期（第二正弦曲线66）。冠状齿轮传动装置的布置在传感器单元28上的测量齿轮24具有一个传动比，该传动比不等于正弦圈的传动比，通常不是整数的，其中在所示例子中，轴4转动一圈，通过测量齿轮24实施仅2.9圈转动。随测量齿轮24一起转动的永磁体26也在所配设的第二磁性传感器34中产生了带一个频率的正弦第二条曲线函数（第三正弦曲线56），这个频率至少略不同于由第二正弦曲线66所示的正弦函数的频率。通过两个具有不同频率的正弦函数的结合，也可以通过轴4的多次转动来计算出清楚的旋转角。

通常主齿轮10每实施一圈转动，测量齿轮24就实施m+c圈转动。在此，m为整数，例如，m≥2，以及0<c<1。在当前例子中m=2且c=0.9。此外规定，在轴4转动一圈时，通过锁止环12覆盖n个周期以及通过测量齿轮24覆盖m + c个周期。因此锁止环12和测量齿轮24始终具有两个不同的周期性，这两个周期彼此相差n-（m + c），因为n和m是整数且0<c<1。在当前例子中，周期彼此相差0.1，因而通过这个差在确定旋转角时可以使用游标原理。

在此，偶数的正弦信号不是通过齿轮，而是通过锁止环12产生，锁止环12承担起将传感器单元28的滑动轴承20轴向锁定在磁通单元14上的功能作为第二功能。第二正弦信号的非整数的曲线由测量齿轮24提供。

图7中示意性示出了冠状齿轮传动装置的测量齿轮24连同集成的永磁体26和用于提供在滑动轴承20上的固定-支承功能的夹紧固定装置22的细节。

图8示意性示出了滑动轴承20、与滑动轴承连接的固定元件46和测量齿轮24作为传感器单元28的部件。

规定传感器单元28经由滑动轴承20能相对轴4转动地定位在磁通单元14和设计成正弦圈的锁止环12之间。在传感器单元28上布置着针对用来测量旋转角的游标函数的测量齿轮24。在滑动轴承20上也规定了用于印制电路板30的固定可能性。在这个例子中，固定可能性包括塑料栓塞70，印制电路板30例如通过热敛缝固定在该塑料栓塞上。传感器单元28在径向锁定在环绕的构件上或壳体上。为此设两个固定元件46。

图9a示出了业已借助图2a以俯视图示出的传感器装置2的部件，没有滑动轴承20和固定元件46。

图9b示意性示出了磁通单元14的由铁磁材料构成的磁通导环16、18的细节。在此，两个磁通导环16、18包括相互啮合的支爪72。

图10在俯视图中示意性示出了磁性单元50的磁极轮52，该磁极轮经由套筒54固定在第二轴48上。

磁极轮52包括多个在径向交替布置的磁极74，磁极产生磁场。这个磁场在第二轴48相对第一轴4转动时被磁通单元14增强并且被第三磁性传感器36检测到，从而可以确定在两根轴4、48之间的角差以及因而扭矩。

在图11中示出的图表包括横坐标76和纵坐标78，沿纵坐标记录以毫米为单位的半径。在此规定，横坐标76和纵坐标78在轴4的中点相切，轴4的轴线6也延伸经过该中点。此外，在图表中还示出了锁止环12的外表面40和表示外表面40的正弦波过零的圆42。通过第二个圆82示出了第一磁性传感器32的位置，第一磁性传感器32在求出轴4的旋转角时检测到由锁止环12引起的空间调制以及因而检测到由永磁体38产生的磁场58的变化。

在图12中示出的图表包括横坐标84，沿该横坐标记录角，以及还包括纵坐标86，沿该纵坐标记录以毫米为单位的半径。在该图表中，通过正弦形的曲线88表示锁止环12的外表面40。通过第一直线90表示正弦形的曲线88的平均值。第二直线92表示轴4的直径，直径在此为15 mm。通过正弦形的曲线88表示的锁止环12的外表面40的半径在最小17 mm以及最大23 mm之间变化。

因此传感器装置2为了确定轴4的旋转角而包括至少一个布置以及因而固定在轴4上的锁止环12，其中，至少一个锁止环12的外表面的半径随着周期n /360°发生变化。在此，半径的值随着周期性函数f（n /360°）变化。传感器装置2具有至少一个位置固定地安装的第一磁性传感器32作为传感器单元28的部件，该第一磁性传感器配设于至少一个锁止环12并且在轴4转动时检测到一个被至少一个锁止环12在空间上周期性调制的以及因而影响的磁场58，这个磁场由永磁体38产生。通常n为了确定锁止环12的外表面40而是整数，其中n例如≥2。

在一种设计方案中，至少一个锁止环12可以设计有n个尖端的星形或设计成n角形。此外，至少一个锁止环12由铁磁材料构成。倘若为了检测至少一个锁止环12的运动而设两个检测两个永磁体38的调制的磁性传感器32，那么磁性传感器32和永磁体38相互错开90°+2 k 90°布置。

传感器装置2通常包括至少一个位置固定地安装的第一磁性传感器32，该第一磁性传感器提供用于确定旋转角的第一信号。此外，传感器装置2还包括一个用于检测轴4的转动的附加的模块和至少一个位置固定地安装的第二传感器，该第二传感器配设于附加的模块，检测附加的模块的运动并且由此提供至少一个用于确定旋转角的第二信号。

如借助图1至12示意性所示，传感器装置2可以具有布置在轴4上的主齿轮10和作为附加的模块位置固定地安装的测量齿轮24，其中，主齿轮10和测量齿轮24的齿相互啮合，以及测量齿轮24在轴4转动时同样发生转动。传感器装置2从测量齿轮24的转动中提供至少一个用于确定旋转角的第二信号。

在此，测量齿轮实施m + c次转动，而轴4实施一次转动，其中，m为整数且0<c<1，例如c=0.5或0.9。

为了确定旋转角，由至少一个位置固定地安装的磁性传感器检测受锁止环12影响的磁场58。在此，用至少一个位置固定地安装的磁性传感器32经由第一信号提供轴4的旋转角的至少一个第一值。用于检测轴4的转动的附加的模块的运动被至少一个位置固定地安装的第二传感器检测到，其中，用至少一个位置固定地安装的第二传感器经由第二信号提供用于确定旋转角的至少一个第二值。在此，至少一个第一值和至少一个第二值按照游标原理相互制约。

图13示意性示出了由现有技术公开的用于测量扭矩的装置150，该装置包括两个有弯曲的支爪152的测量环154。这个装置150被称为罗伯特·博世股份有限公司（RobertBosch GmbH）的磁性测量扭矩传感器TSS-1。

图14示出了图13的装置150的细节，亦即传感器单元156、指数-霍尔元件158、指数-磁体160、所谓的挠性管单元162和磁性单元164，其中挠性管单元162包括两个测量环154。

为了制造这个装置150，必须使用挖切取式钎焊工艺（Schöpflötverfahren）或波钎焊工艺（Wellenlötverfahren），这些工艺通常比标准回流过程更为费时费力和昂贵。在这种方案中无法额外集成转向角测量。

由现有技术还公开了在图15中示意性示出的转向角传感器170，用该转向角传感器可以确定设计成转向柱172的轴的旋转角以及因而转向角。这个转向角传感器170包括一个主齿轮174、两个测量齿轮176、磁体178、设计成微控制器的开关电路180以及传感器元件182，传感器元件在此设计成有模数转换器以提供批量数据传递的GMR元件（巨磁阻元件）。

这个转向角传感器按游标原理工作。在此规定，测量齿轮176具有不同数量的齿以及因而不同的传动比，从而使测量齿轮176不同速地改变其相对主齿轮174的旋转位置。

由两个被测量齿轮176求出的当前的角的结合，可以通过数学函数计算出总角。因此用这个测量原理可以不用转数计地覆盖多次轴转动的测量范围。

Claims (8)

1.用于确定轴（4）的旋转角的传感器装置，所述传感器装置包括：

轴（4），该轴（4）具有至少一个设计成正弦圈的锁止环（12），其中所述正弦圈的外表面（40）具有半径，其中r₀是定义所述正弦圈的过零点的圆的半径，r_A确定半径r（）随之变化的幅度，n是完整周期的数量，而/360°是在0°到360°之间变化的角度，所述至少一个锁止环（12）布置在轴（4）上，以及

至少一个位置固定地安装的第一磁性传感器（32），该第一磁性传感器配设于所述至少一个锁止环（12）并且在轴（4）转动时检测受至少一个锁止环（12）影响的磁场（58），其中n是整数。

2.按权利要求1所述的传感器装置，其中，所述至少一个锁止环（12）由铁磁材料构成，并且影响由永磁体（38）产生的磁场（58）。

3.按权利要求1所述的传感器装置，其中，至少一个位置固定地安装的第一磁性传感器（32）提供用于确定旋转角的至少一个第一信号，其中传感器装置（2）具有用于检测轴（4）的转动的附加的模块和至少一个位置固定地安装的第二传感器，该第二传感器配设于附加的模块，其中至少一个位置固定地安装的第二传感器检测附加的模块的运动并且由此提供至少一个用于确定旋转角的第二信号。

4.按权利要求3所述的传感器装置，其具有布置在轴（4）上的主齿轮（10）和作为附加的模块的位置固定地安装的测量齿轮（24），其中主齿轮（10）和测量齿轮（24）的齿相互啮合，其中测量齿轮（24）在轴（4）转动时同样发生转动，并且其中传感器装置（2）从测量齿轮（24）的转动中提供至少一个用于确定旋转角的第二信号。

5.按权利要求4所述的传感器装置，其中，当轴实施一圈转动时，测量齿轮（24）实施m +c圈转动，其中m是整数且0<c<1。

6.用于确定轴（4）的旋转角的方法，其中至少一个固定在轴（4）上的锁止环（12）包括正弦圈，其中所述正弦圈的外表面（40）具有半径，其中r₀是定义所述正弦圈的过零点的圆的半径，r_A确定半径r（）随之变化的幅度，n是完整周期的数量，而/360°是在0°到360°之间变化的角度，并且其中检测受所述至少一个锁止环（12）影响的磁场（58），其中n是整数。

7.按权利要求6所述的方法，其中由至少一个位置固定地安装的磁性传感器（32）检测受所述至少一个锁止环（12）影响的磁场（58），其中用所述至少一个位置固定地安装的传感器（32）经由第一信号提供用于轴（4）的旋转角的至少一个第一值，并且其中由至少一个位置固定地安装的第二传感器检测附加的模块的运动以检测轴（4）的转动，其中用所述至少一个位置固定地安装的第二传感器经由第二信号提供至少一个用于确定旋转角的第二值。

8.按权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个第一值和至少一个第二值按游标原理相互关联。