CN111284560A - 转向位置旋转传感器配件 - Google Patents

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Abstract

本文的实施例针对转向位置旋转传感器，该转向位置旋转传感器包括：壳体，其限定了内部空腔；中心轴，其延伸穿过该壳体；以及齿轮，其耦接到该中心轴，其中，该齿轮相对于延伸穿过该中心轴的中心旋转轴线偏离中心定位。转向位置旋转传感器还可以包括：磁体，其耦接到齿轮；第一霍尔效应传感器，其邻近齿轮定位并与磁体同心；以及第二霍尔效应传感器，其邻近中心轴定位且与中心旋转轴线同心，其中第一霍尔效应传感器和第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。

Description

转向位置旋转传感器配件
技术领域
本公开涉及一种用于测量转向位置(steering position)的传感器配件，并且尤其涉及一种具有齿轮减速转动计数(gear reduction turn count)的旋转转向位置传感器。
背景技术
例如，机动车辆方向盘的绝对角位置(也称为转向角或旋转角)被需要用于监视或控制车辆动态控制***。动态控制***评估旋转角并将其转换为各种控制执行器，诸如制动器。使用旋转角作为输入的其他典型应用包括例如转矩矢量***、偏航控制***、底盘控制的稳定性增强***、电动助力转向、线控转向***和导航***。
方向盘位置传感器在汽车应用中用于对机动车辆的转向功能进行电子监视。特别地，位置传感器用于在用户转动方向盘时确定转向轴的角位置。在一些示例中，齿轮可能具有耦接到轴的齿。所述齿与布置在第二齿轮和第三齿轮上的齿接合。这三个齿轮的齿数不同。绝对位置传感器的配对可以靠近第二齿轮和第三齿轮定位，以生成与齿轮的角位置相对应的输出。只要已知齿轮中的每个上的齿数，就可以基于绝对位置传感器的输出来计算转向轴的角位置。然而，许多电流传感器利用微处理器来确定转向柱的完整转数，从而增加了传感器配件的成本。
鉴于上述情况，需要一种改进的、成本有效的转向位置旋转传感器配件。
发明内容
提供本发明内容以简化形式介绍一系列概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
在一个或多个实施例中，配件可包括转向位置旋转传感器，该转向位置旋转传感器包括：壳体；中心轴，其延伸穿过壳体；以及齿轮，其耦接到中心轴，其中，齿轮相对于延伸穿过中心轴的中心旋转轴线偏离中心定位。该配件还可以包括：磁体，其耦接到齿轮；以及第一霍尔效应传感器，其邻近齿轮定位并且与磁体同心。该配件还可以包括：第二霍尔效应传感器，其邻近中心轴定位并且与中心旋转轴线同心，其中第一霍尔效应传感器和第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
在一个或多个实施例中，转向位置旋转传感器配件可包括：壳体，其限定内部空腔；中心轴，其延伸穿过壳体；以及齿轮，其耦接到中心轴，其中，齿轮相对于延伸穿过中心轴的中心旋转轴线偏离中心定位。该配件还可以包括：磁体，其耦接到齿轮；以及第一霍尔效应传感器，其邻近齿轮定位并且与磁体同心。该配件还可以包括：第二霍尔效应传感器，其邻近中心轴定位并且与中心旋转轴线同心，其中第一霍尔效应传感器和第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
在一个或多个实施例中，转向位置旋转传感器配件可包括：壳体，其限定内部空腔；中心轴，其延伸穿过壳体；以及一个或多个齿轮，其耦接到中心轴，其中，一个或多个齿轮相对于延伸穿过中心轴的中心旋转轴线偏离中心定位。该配件还可以包括：磁体，其耦接到一个或多个齿轮，其中，磁体被定位于壳体的内部空腔内；以及第一霍尔效应传感器，其邻近一个或多个齿轮定位并且与磁体同心。该配件还可以包括：第二霍尔效应传感器，其邻近中心轴定位并且与中心旋转轴线同心，其中第一霍尔效应传感器和第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
附图说明
附图示出了迄今为止为其原理的实际应用而设计的所公开的输出转向位置旋转传感器的示例性方法，并且其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的转向位置旋转传感器的透视图；
图2是根据本公开的示例性实施例的图1的转向位置旋转传感器的侧截面图；
图3是示出根据本公开的示例性实施例的图1的转向位置旋转传感器的磁体的电接口的电路图；并且
图4是示出根据本公开的示例性实施例的图1的转向位置旋转传感器的输出功能的曲线图。
附图不一定按比例绘制。附图仅是表示，并不意图描绘本公开的特定参数。此外，附图旨在描绘本公开的示例性实施例，并且因此不被认为是对范围的限制。
此外，为了说明清楚，一些附图中的某些元件可以被省略或未按比例示出。为了说明清楚，这些横截面视图可以是以“切片”或“近视”横截面视图的形式，省略了在“真实”横截面视图中另外可见的某些背景线。此外，为清楚起见，在某些附图中可以省略一些附图标记。
具体实施方式
现在将参考附图进行本公开，在附图中示出了各种方法。然而，应当理解，转向位置旋转传感器可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的方法。相反，提供这些方法是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在附图中，相同的附图标记始终指的是相同的元件。
本文的实施例提供一种用于测量旋转超过360度的转向轴的绝对转向角的装置和相关联的方法，以减少测量误差并简化计算过程。在一些示例性实施例中，转向角可以大于1440°(例如，+720、-720)。本公开的另一个目的是提供一种使用第一可旋转体和第二可旋转体来测量绝对转向角的方法，其中，第一可旋转体和第二可旋转体中的一个耦接到转向轴。
现在参考图1-图2，将描述根据本公开的实施例的输出转向位置旋转传感器(以下称为“传感器配件”)100。传感器配件100可以包括布置在壳体102内的多个霍尔效应传感器。在一些实施例中，壳体102可以包括底座104和包围中心空腔108的盖106。中心空腔108内是延伸穿过壳体102的中心轴110、以及耦接到中心轴110的齿轮112或多个齿轮组。如示出的，齿轮112可以相对于延伸穿过中心轴110的中心旋转轴线A-A偏离中心地定位。齿轮112和中心轴110配合地接合，以便一起旋转。
传感器配件100可以为多转位置应用提供齿轮减速。许多旋转位置应用既需要直接使用应用中位置的绝对位置，也需要知道***完成了多少转。可能的暗示可以包括其中它们可能是由于只能容纳720或1440总旋转的导线或液压管路而导致旋转的物理限制的应用。在本实施例中，中心轴110可以耦接到可旋转的转向柱(未示出)。当转向柱旋转时，中心轴110也随之旋转，并且因此齿轮112也随之旋转。中心轴110以与中心轴110和齿轮112之间的传动比(gear ratio)成比例的周期旋转。例如，4：1的比率意味着对于齿轮112的每次旋转，中心轴110旋转两圈。可以提供其他传动比。
齿轮112可以包括贴附在其上的磁体118。如示出的，磁体118可以被***齿轮112的一端中，在第一霍尔效应芯片或传感器122的下方(以示出的取向)。磁体118可以与齿轮112一起旋转，并且与霍尔效应传感器122同心地对准。磁体118固定到齿轮112，使得磁场随齿轮112旋转，并被磁化，使得N-S磁极性垂直于齿轮112和磁体118的旋转轴对准。第一霍尔效应传感器122位于壳体102内，紧密靠近磁体118，使得磁体118的旋转产生来自第一霍尔效应传感器122的信号，该信号与齿轮112的旋转角成比例。
第二霍尔效应芯片或传感器124可以邻近中心轴110定位，并与中心旋转轴线A-A同心。在一些实施例中，中心轴110包括耦接至其的第二磁体117。第一霍尔效应传感器122可以通过一个或多个磁屏蔽125与第二霍尔效应传感器124分离。在示出的实施例中，磁屏蔽125例如沿着齿轮112的外表面129围绕磁体118同心地延伸。在其他实施例中，附加的磁屏蔽可以定位于传感器配件100的不同位置处，例如围绕中心轴110。磁屏蔽125可以是可操作以影响磁场重叠的任何材料或形状。例如，通过利用可以比其周围的材料更好地传导磁通量的材料围绕第一霍尔效应传感器122和/或第二霍尔效应传感器124，磁场将倾向于沿着磁屏蔽的材料流动并且避开内部的物体。
第三霍尔效应芯片或传感器128也可以邻近中心轴110定位，并与中心旋转轴线A-A同心。如图2中最佳地示出的，第一霍尔效应传感器122和第二霍尔效应传感器124可以直接耦接到被定位于壳体102的中心空腔108内的印刷电路板(PCB)132的内侧130。第三霍尔效应传感器128可以直接耦接到PCB132的外侧134。如示出的，第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128可以耦接到PCB 132的相对侧。可以理解，第一霍尔效应传感器122、第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128是非限制性的，并且在其他实施例中可以变化。
在一些实施例中，第一霍尔效应传感器122、第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128可以例如通过一组导线或PCB迹线物理地和电地耦接到PCB 132，其可以提供它们之间的输入/输出。PCB 132还可包括用于将组件和霍尔芯片粘贴到其上的焊盘。PCB132可以是刚性或柔性PCB。尽管未示出，但是PCB 132还可以包括在那里耦接到输出信号导线、电源线和地线。在一些实施例中，PCB 132可以包括一系列小的刚性印刷电路板，其可以使用PCB 132和/或导线来互连。
如上面指示出的，在一些实施例中，齿轮112和中心轴110以为了产生不均匀磁场(例如，磁场以周期性方式变化)的这样的方式进行操作，其中磁场变化将根据霍尔效应在导体中引起的电势差中产生对应的变化。第一霍尔效应传感器122、第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128可以检测霍尔芯片(例如，载流导体)的独立感测元件所经历的磁场的变化，并且可以基于此霍尔效应现象进行构造。在一个实施例中，使用霍尔效应，第一霍尔效应传感器122、第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128辅助检测转向柱并生成与旋转转向位置成比例的电数字信号。可以理解，在其他实施方式中可以使用大于或少于三个霍尔效应传感器。
在非限制性实施例中，传感器配件100可以如下装配。第一，可以提供两级过度模制壳体102。第二，模制的中心轴110和齿轮112可以耦接到壳体102。例如，中心轴110可以通过壳体的中心槽133***，该中心槽133沿着中心旋转轴线A-A延伸。在一些实施例中，中心轴110可包括沿其外表面的一个或多个O形环，以在中心轴110与限定中心槽133的一个或多个壁之间提供密封。齿轮112可***到偏心槽(off-center slot)135中。中心槽133和偏心槽135允许中心轴110和齿轮112分别在其中旋转。中心轴110和齿轮112的对应齿或花键可彼此接合。
第三，可以将磁体添加到中心轴110和齿轮112中的一个或多个。在一些实施例中，磁体是构造成沿着中心轴110和齿轮112旋转的盘。在一些实施例中，磁体可以径向极化。第四，第一霍尔效应传感器122、第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128可以固定到PCB 132。第五，PCB可以在中心轴110和齿轮112上固定到壳体102。应当理解，尽管该装配方法在上面被描述为一系列动作或事件，但是除非特别说明，否则本公开内容不受这些动作或事件的叙述顺序的限制。例如，根据本公开，除了这里示出和/或描述的那些以外，某些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。另外，可能不需要所有示出的动作或事件来实施根据本公开的方法。
在一些实施例中，传感器配件100能够从第二霍尔效应传感器124和第三霍尔效应传感器128生成与中心轴110的位置有关的4个脉冲宽度调制(PWM)/模拟输出信号。传感器配件100还能够从第一霍尔效应传感器122生成用于齿轮112的转动计数的2个PWM/模拟信号。这在图3的电路图200中进行展示。在示出的非限制性示例中，传感器配件100可以包括冗余电接口，其中在每种情况下，输出信号(例如，OUTPUT1-4)可以是PWM(例如，PWM1-4)或模拟(例如，ANALOG1-2)。通过将输出与零位置会是什么进行比较，可以由信号提供转动计数。在模拟信号的情况下，零电压点可能为2.5v，并且然后当传感器以顺时针方向驱动直至行程结束时，它将移动至4.5v。当以逆时针方向旋转时，它将降至0.5v。然后，信号指示可以根据该读数确定计数。此外，PWM对应于占空比。
图4是示出由传感器配件100生成的示例输出函数的曲线图300。如示出的，绝对位置的重复PWM覆盖在满量程电压范围的顶部。
总之，本文的实施例提供至少以下技术效益/优点。第一，传感器配件提供了一种低成本的解决方案。通过利用塑料齿轮组和壳体构造，该传感器可以在批量生产中比机械加工零件更便宜。另外，由于需要更少的组件，因此电子***可以比微处理器更便宜、更简单、更强健。第二，EMC/EMI保护更加强健。第三，由于***的冗余性而提高了安全性。具体地说，冗余电路的配对确保了在发生重大错误时将能够使***/车辆静止。由于这些信号可以是彼此的镜像，因此诊断哪个信号有错误也更加简单。第四，通过利用屏蔽式磁***，由于消除了或显着减小了磁信号***之间串扰的可能性，因此可以减小传感器的整体大小。第五，传感器***提供了大量的灵活性，即，实际上可以生成任何数量的信号组合来支持最终用户的需求。像这样，可以改变传动比以增加或减少信号翻转之前的转数。
本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。因此，术语“包括”、“包含”或“具有”及其变体是开放式表达，并且可以在本文中互换使用。
如本文中所使用的，短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放式表达，其在操作中是连接的和分离的。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”中的每个意指单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。
所有方向参考(例如，近端、远端、上部、下部、向上、向下、左、右、横向、纵向、前面、后面、顶部、底部、上面、下面、垂直、水平、径向、轴向、顺时针和逆时针)仅用于标识目的，以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于本公开的位置、取向或用途。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接、耦接、连接和结合)将被广义地解释，并且可包括元件的收集之间的中间构件以及元件之间的相对运动。像这样，连接参考不一定推断出两个元件直接连接并且彼此成固定关系。
此外，标识参考(例如，主要、次要、第一、第二、第三、第四等)并非旨在表示重要性或优先级，而是用于将一个特征与另一个特征区分开。附图仅出于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。
此外，在一些实施例中，术语“基本”或“基本上”以及术语“约”或“大约”可以互换使用，并且可以使用本领域普通技术人员可接受的任何相对度量来描述。例如，这些术语可以用作与参考参数的比较，以指示能够提供预期功能的偏差。尽管是非限制性的，但与参考参数的偏差可以例如小于1％、小于3％、小于5％、小于10％、小于15％、小于20％，等等。
本公开的范围不受本文描述的具体实施例的限制。实际上，除了本文描述的那些之外，根据前面的描述和附图，本公开的其他各种实施例和对本公开的修改对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，本文出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的背景下描述了本公开。本领域普通技术人员将认识到，实用性不限于此，并且出于任何数量的目的，可以在任何数量的环境中有益地实施本公开。因此，以下阐述的权利要求应鉴于如本文描述的本公开的全部广度和精神进行解释。

Claims (20)

1.一种配件，包括：
壳体；
中心轴，其延伸穿过所述壳体；
齿轮，其耦接到所述中心轴，所述齿轮相对于延伸穿过所述中心轴的中心旋转轴线被偏离中心定位；
磁体，其耦接到所述齿轮；
第一霍尔效应传感器，其邻近所述齿轮定位并与所述磁体同心；以及
第二霍尔效应传感器，其邻近所述中心轴定位并且与所述中心旋转轴线同心，其中所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
2.根据权利要求1所述的配件，还包括在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，其中，所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器耦接到所述PCB。
3.根据权利要求2所述的配件，所述PCB包括内侧和外侧，其中所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器直接耦接到所述内侧。
4.根据权利要求3所述的配件，还包括第三霍尔效应传感器。
5.根据权利要求4所述的配件，其中，所述第三霍尔效应传感器直接耦接到所述PCB的外侧，并且其中所述第三霍尔效应传感器与所述中心旋转轴线同心。
6.根据权利要求1所述的配件，其中，所述中心轴包括第二磁体。
7.根据权利要求1所述的配件，其中，所述磁屏蔽围绕所述磁体同心地延伸。
8.根据权利要求1所述的配件，其中，所述齿轮和所述中心轴相互作用以提供大约4：1的齿轮减速。
9.一种转向位置旋转传感器配件，包括：
壳体，其限定了内部空腔；
中心轴，其延伸穿过所述壳体；
齿轮，其耦接到所述中心轴，所述齿轮相对于延伸穿过所述中心轴的中心旋转轴线被偏离中心定位；
磁体，其耦接到所述齿轮；
第一霍尔效应传感器，其邻近所述齿轮定位并与所述磁体同心；以及
第二霍尔效应传感器，其邻近所述中心轴定位并且与所述中心旋转轴线同心，其中所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
10.根据权利要求9所述的转向位置旋转传感器配件，还包括在所述壳体的内部空腔内的印刷电路板(PCB)，其中，所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器耦接到所述PCB。
11.根据权利要求10所述的转向位置旋转传感器配件，所述PCB包括内侧和外侧，其中所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器直接耦接到所述内侧。
12.根据权利要求11所述的转向位置旋转传感器配件，还包括第三霍尔效应传感器，其中所述第三霍尔效应传感器直接耦接到所述PCB的外侧，并且其中所述第三霍尔效应传感器与所述中心旋转轴线同心。
13.根据权利要求9所述的转向位置旋转传感器配件，其中，所述中心轴包括第二磁体。
14.根据权利要求9所述的转向位置旋转传感器配件，其中，所述磁屏蔽围绕所述磁体同心地延伸。
15.根据权利要求9所述的转向位置旋转传感器配件，其中，所述齿轮和所述中心轴相互作用以提供大约4：1的齿轮减速。
16.一种转向位置旋转传感器配件，包括：
壳体，其限定内部空腔；
中心轴，其延伸穿过所述壳体；
齿轮，其耦接到所述中心轴，所述齿轮相对于延伸穿过所述中心轴的中心旋转轴线被偏离中心定位；
磁体，其贴附到所述齿轮，所述磁体定位于所述壳体的内部空腔内；
第一霍尔效应传感器，其邻近所述齿轮定位并与所述磁体同心；以及
第二霍尔效应传感器，其邻近所述中心轴定位并且与所述中心旋转轴线同心，其中所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器由磁屏蔽分离。
17.根据权利要求16所述的转向位置旋转传感器配件，还包括在所述壳体的内部空腔内的印刷电路板(PCB)，其中，所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器耦接到所述PCB。
18.根据权利要求17所述的转向位置旋转传感器配件，所述PCB包括内侧和外侧，其中，所述第一霍尔效应传感器和所述第二霍尔效应传感器直接耦接到所述内侧。
19.根据权利要求18所述的转向位置旋转传感器配件，还包括第三霍尔效应传感器，其中所述第三霍尔效应传感器直接耦接到所述PCB的外侧，并且其中所述第三霍尔效应传感器与所述中心旋转轴线同心。
20.根据权利要求19所述的转向位置旋转传感器配件，其中，所述中心轴包括第二磁体，并且其中，所述磁屏蔽围绕所述磁体和所述第二磁体中的至少一个同心地延伸。
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