CN101273194A - 可变磁阻位置传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种位置传感器(10)，其具有由霍耳效应器件(24)形成的转换器(14)和在外壳(20)内固定在低磁导率间隙(26)的任一侧的永磁体(22)。固定到活动构件(16)例如EGR阀柱塞的目标(12)在间隙(26)内移动。目标(12)具有沿行进方向(18)随位置变化而变化的磁通调节特性。在一些实施方案中，通过随位置来改变目标(12)的截面，获得可变的磁阻。在一些实施方案中，具有大体上恒定的磁阻的第二目标(12b)固定到活动构件(16)，并在由第二转换器界定的间隙(26)内移动。第二转换器(14b)的输出用来使第一转换器(14a)的输出规范化并补偿异常，例如漂移和除在活动构件(16)的行进方向以外的移动。

Description

可变磁阻位置传感器
发明背景
技术领域
本发明通常涉及一种结合有霍耳效应器件的位置传感器，且更具体地说，涉及用于跟踪EGR阀柱塞(valve plunger)位置的系统。
背景技术
排气再循环(EGR)用于通过在燃烧过程中降低气缸内的温度和通过防止提前点火而改进机动车发动机的性能。污染物一氧化二氮(NOx)趋于在高温下形成。而且在高温下，气缸内的燃油空气混合物在没有火花时趋于在压缩冲程(compression stroke)中而不是燃烧冲程(combustion stroke)中提前点火。
为了降低气缸内的温度，EGR阀在进气冲程中允许少量惰性气体从排气系统进入气缸。EGR阀通常具有柱塞，该柱塞的位置决定了被允许重新进入气缸的废气量。在一些系统中，柱塞连接到由进气歧管(manifold)产生的真空所控制的膜片(diaphragm)。在其他系统中，柱塞由电磁阀或步进电机电子地控制。也可以采用气动控制或液压控制。
当发动机冷却或处于怠速时，EGR阀通常保持闭合，而当发动机升温并以部分油门运行时，EGR阀保持开启。当EGR阀未能正常打开时，NOx排放增加并可能发生提前点火。如果EGR阀未能正常关闭，则可能发生怠速不稳(rough idling)、迟滞(hesitation)和失速(stalling)。
在许多系统中，排放控制模块(ECM)或其他车载电脑监控EGR阀以确保正常运行。在具有电磁阀或步进电机驱动的EGR阀的系统中，ECM或车载电脑控制EGR阀柱塞的位置。
重要的是，为了向车辆的ECM提供准确的信息，应精确测量柱塞的位置。一些位置传感器使用霍耳效应器件，霍耳效应器件测量在其上的磁场入射(magnetic field incident)中的变化。在一些系统中，霍耳效应器件相对于静止的永磁体或磁体移动，以使霍耳效应器件上的磁场入射随位置而变化。在其他系统中，一个或更多个永磁体相对于静止的霍耳效应器件移动。在这些系统中，在任一情况下，霍耳效应器件包括独立移动的两个不同部分。
这些系统不便于使用。霍耳效应器件和永磁体都受发动机室的恶劣环境的影响。霍耳效应器件通常形成于易于在高温时发生故障的硅片中。典型的铁基铁磁材料将在约1400°F，即深度运行状况下内燃机废气的温度，失去其永磁性。
因为这些零件中任何一个都可能发生故障，所以它们应可易于拆卸以供更换。然而，永磁体和霍耳效应器件的分别安装需要替换两个零件。此外，难以相对于霍耳效应器件准确定位永磁体，因为它们安装到不同的结构，而其中一个结构是可移动的。因此，磁体或霍耳效应器件的替换都需要重新校准位置传感器。
因此，将提供一种将永磁体和霍耳效应器件集成到单个装置中并易于使用和校准的EGR位置传感器，这是现有技术中的进步。
发明内容
本发明被开发以响应技术的目前状态，且特别地，响应现有技术中还未被当前可用的EGR传感器完全解决的问题和需求。因此，本发明被开发来提供一种能克服现有技术中许多或全部上述缺点的检测设备和方法。
一个实施方案中，目标固定到活动构件，该活动构件沿着行进方向的移动是待检测的。行进方向可以是平移的或转动的。该目标调节跨过磁通源(flux source)例如永磁体与磁场传感器例如霍耳效应器件之间间隙的磁通量。
目标配置有沿目标随位置变化而变化的磁通调节特性(flux modulatingproperty)，以使跨过间隙的磁通量帮助识别目标在间隙外或内的部分。在一个实施方案中，磁通调节特性是目标的磁阻(reluctance)。可通过由高磁导率材料构成目标并与沿着目标行进方向的位置成比例地改变目标的截面，来实现磁阻的变化。在一个实施方案中，只改变目标伸到间隙中的距离而不改变目标的宽度。在一些实施方案中，磁通集中器在间隙附近从永磁体延伸到霍耳效应器件以提高磁通的流动。
在一些实施方案中，具有恒定磁通调节特性例如磁阻的第二目标可在具有第二磁场传感器的第二间隙内移动。第二磁场传感器与第一磁场传感器一样可检测来自于相同磁通源的磁通，或者可使用另外的磁通源。第二磁场传感器的输出可用来使第一磁场传感器的输出规范化以减少噪声和其它异常。因为第二磁场传感器的输出中的变化可能由诸如非行进方向上的移动、漂移等因素引起，所以第二磁场传感器的输出提供了用于抵消这些异常对第一磁场传感器的输出所起的影响的测量值。
本发明提供了优于现有技术的优点。贯穿本说明书提到特点、优点或相似的语言并不意味着可用本发明实现的特点和优点应在或在本发明的任何单个实施方案中。相反，提到特点和优点的语言应理解为意味着结合实施方案所描述的具体特点、优点和特征包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书，对特点和优点的论述以及相似的语言可以但不必参考相同的实施方案。
此外，所描述的本发明的特点、优点和特征可在一个或更多个实施方案中以任何合适的方式组合。相关领域的技术人员将认识到，可不具有特定实施方案的一个或更多具体特点或优点而实现本发明。在其他实例中，将在某些实施方案中认识到其它特点和优点，其可能没有在本发明的所有实施方案中出现。
本发明的特点和优点将由下列描述和所附权利要求变得更加充分地显而易见，或者可通过如在下文中提出的对本发明的实现认识到这些特点和优点。
附图说明
为了易于理解本发明的优点，将通过参考在附图中展示的具体实施方案，对在上文中简单描述的本发明做更加详细的描述。应理解，这些图形仅描绘了本发明典型的实施方案，因而不应被认为是对本发明范围的限制，通过使用附图，将用附加的特征和细节描述和说明本发明，其中：
图1是根据本发明的目标和传感器的侧视图；
图2是根据本发明的传感器的剖视图；
图3是根据本发明的目标的截面侧视图；
图4是根据本发明的具有磁通图案的图示的目标和传感器的示意图的顶视图；
图5是根据本发明的代表传感器的输出的曲线图；
图6是根据本发明的目标的可替换的实施方案的截面侧视图；
图7是根据本发明的代表结合图6的目标的传感器的输出的曲线图；
图8是根据本发明的传感器和目标的安装系统的侧视图；
图9是根据本发明的结合了校准开关的传感器和目标系统的侧视图；
图10是根据本发明的双目标系统的透视图；
图11是根据本发明的双目标系统和相应的传感器的顶视图；
图12是根据本发明的适合于在转动的位置传感器中使用的目标的透视图；以及
图13是根据本发明的适合于在转动的位置传感器中使用的双目标系统的透视图。
具体实施方式
贯穿本说明书提到“一个实施方案”、“实施方案”或相似的语言意味着结合该实施方案所描述的特定的特点、结构或特征包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，词组“在一个实施方案中”、“在实施方案中”或相似的语言贯穿本说明书出现可以但不必全都参考相同的实施方案。
此外，所描述的本发明的特点、优点和特征可在一个或更多实施方案中以任何合适的方式组合。相关领域的技术人员将认识到，可不具有特定实施方案的一个或更多具体特点或优点而实现本发明。在其他实例中，将在某些实施方案中认识到其它特点和优点，其可能没有在本发明的所有实施方案中出现。
参考图1，位置传感器10可包括目标12和转换器(transducer)14。该目标可安装到位置正被测量的活动构件16，例如EGR阀的柱塞。活动构件16通常具有至少一个行进方向18，该行进方向在图1的实施方案中是平移的。转换器14通常安装到静止的构件例如机动车车身、发动机结构或EGR阀外壳。转换器14还可安装到固定到静止构件的支架。
参考图2，转换器14包括外壳20、磁通源22和磁场感测器件24。磁通源22和磁场感测器件24固定到外壳20以使它们之间存在间隙26。在一些实施方案中，外壳20包围磁通源22和磁场感测器件24，并由例如高温塑料、陶瓷或非铁磁性金属例如铝等具有与磁场低交互作用的材料制成。在其他实施方案中，磁通源22和磁场感测器件24被暴露。
磁通源22可体现为永磁体或维持在大体上恒定的或可预测的磁通的电磁体。磁通感测器件24可体现为霍耳效应器件。可替换地，其它磁场传感器，例如基于磁性多层膜的巨磁电阻效应(GMR)的自旋晶体管，可用来检测来自于磁通源22的磁场。接线32耦合到磁场感测器件24并提供地、电源和输出线。固定到外壳20或接近外壳的机动车车架的整体连接器34可固定于线束(wiring harness)或类似物。可替换地，可使用尾缆(pigtailcable)。
在一些实施方案中，磁通集中器36在间隙26附近从磁场感测器件24延伸到磁通源22。磁通集中器36通常用可透磁材料制成，例如磁性软铁。磁通集中器36可起到增强磁场感测器件24上的磁通入射的作用。在一些实施方案中，孔38或槽38形成于磁通集中器36中以容纳接线30。
参考图3，目标12通常具有沿行进方向18变化的磁通调节特性。在所展示的实施方案中，磁通调节特性是目标12的位于间隙26中的部分的磁阻。该磁阻可通过沿行进方向随位置改变目标12的截面而得到改变，以使取决于目标12的位置而有更多或更少的材料被设置在间隙26内。在所展示的实施方案中，目标的高度40被改变。在其他实施方案中，厚度随位置改变而改变。在另外其他实施方案中，构成目标的材料的磁阻可随位置的变化而变化。在另外其他实施方案中，厚度、高度或磁阻中的两个或更多可随位置的改变而改变。在所展示的实施方案中，目标12具有斜度42，以使当目标12沿行进方向18以恒定速度移动时，间隙24内的材料量将线性变化。
参考图4，在运转中，在没有目标12时，来自于磁通源22的磁通将沿着路径50前进。然而，当目标12移动进入间隙26中时，跨间隙26的磁阻降低。因此，磁通将被引导沿着路径52穿过目标12，并在磁场感测器件24上入射。另外地，目标12可包含在某些条件下增大流出磁通源22的总磁通的软磁材料。因此，位于间隙26内的材料量越大，磁场感测器件24上的磁通路径52入射量将会越大。
为了准确地感测磁场内的变化，垂直于行进方向18的方向54、56上的变化可能需要被减少或被补偿。在一些实施方案中，活动构件16可被限制为仅在行进方向18上移动。在方向54上发生变化的地方，跨间隙26的磁阻不再仅由位于间隙26内的材料量改变。跨空气间隙的磁阻与空气间隙长度成反比。因此，当目标12的任一侧的空气间隙改变时，将发生磁阻的非线性变化。当方向56上的改变发生时，间隙26中的材料量不再如由目标12的斜度42确定的方式反映沿行进方向18的变化，而是由斜度42和在方向56上的变化共同确定。
参考图5，当目标12以恒定速度移动时，转换器14的输出由曲线60代表。尽管曲线60不是线性的，但是其部分62大体上是线性的，且末端部分64、66没有显著不同于线性的形状。在一些实施方案中，活动构件16的运动范围可限制到线性部分62。可替换地，校准与数字处理可用于补偿非线性部分64、66。
参考图6，在一些实施方案中，可以沿行进方向18串联地布置多个目标12来使用它们。这种目标结构的输出展示在图7中。车载计算机可通过计算倾斜区域70和大体上垂直的区域72的数量来确定行进方向和移动的距离。在单个周期74内，车载计算机可如对单个目标12一样确定目标12的位置。
参考图8，转换器14可固定到接纳一个或更多个紧固件82例如有头螺钉的法兰(flange)80。紧固件82可将法兰80固定到静止构件例如机动车车身、发动机设备或EGR阀外壳，或者固定到支架或类似结构，而该支架或类似结构固定到静止构件。槽(groove)84或密封装置(gland)84可形成于外壳20的底部以容纳O形圈，密封外壳20底部到法兰80间的间隙，从而防止污染物进入外壳20。连接器34可与外壳24相对地从法兰延伸并固定到线束或类似物。
参考图9，在一些实施方案中，可通过参考位置开关90帮助校准。如在所展示的实施方案中，参考位置开关90可设置在活动构件16行进范围的末端点。可替换地，参考位置开关90可放置在沿着行进范围方向的另一个位置。如图9中所示，开关90可由目标14触发。可替换地，独立机构可固定到活动构件16并触发开关90。开关90可电耦合到ECM92或其他车载计算机。
ECM可使用开关90的输出校准传感器10。如图5中所示，传感器10的输出是非线性的。因此，为了计算上补偿非线性，必须知道曲线上的位置。参考位置开关可起到确定曲线60上的位置的作用。在其他实施方案中，该开关可标示活动构件在其行进范围的开始处。ECM92也可使用开关90的已知位置来确定添加到传感器的输出或从传感器的输出减去的偏移量，以补偿传感器10在某一位置由漂移或其它偏差源产生的任何非零输出。
参考图10，在传感器10的一些实施方案中，多个目标12a、12b用来补偿垂直方向上的移动，以及补偿因温度变化和其他环境影响而产生的漂移。如在上文所论述的，目标12a可具有变化的磁通调节特性，例如沿行进18的距离的变化的磁阻。目标12b可具有沿行进18的距离恒定的、或大体上恒定的磁通调节特性。
参考图11，多个转换器14a、14b，分别对应于目标12a、12b，可接近活动构件16固定，并将它们的间隙26设置为与目标12a、12b相互作用。不同于因漂移和在垂直方向54、56上的移动引起的变化，转换器14b可提供恒定的输出信号。因此，14b的信号可被ECM92用来使转换器14a的输出规范化以补偿这些异常。
参考图12，在一些实施方案中，行进方向18可以是转动的而不是平移的。在这些实施方案中，目标12可具有随围绕转动轴92的角度的变化而改变的磁通调节特性。在磁通调节特性是由目标12截面确定的磁阻的地方，目标的高度40可随角度位置变化而改变。目标12可体现为用于与参考目标12b结合的目标12a，以补偿不同于沿行进方向的移动和漂移。
本发明可以其他具体形式体现而不背离其主旨或基本特征。所描述的实施方案应被认为在所有方面中仅是示例性的并且不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附权利要求而不是由在前的描述指示。权利要求的等价的含意和范围中的所有变化应包含在权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种用于检测目标移动的设备，所述设备包括：
磁通集中器，其包括高磁导率材料，所述磁通集中器定形为设置一包含高磁阻区域的磁间隙；
永磁体，其耦合到所述磁通集中器并配置为建立一跨所述磁间隙的磁场；
磁传感器，其定位成测量跨所述磁间隙的磁通；以及
目标，其设置成穿过所述磁间隙行进并响应于行进距离的变化而调节跨所述磁间隙的磁阻。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述目标由低磁阻材料形成。
3.如权利要求2所述的设备，其中构成所述目标的低磁阻材料的量在至少一个方向上单一地变化。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应器件。
5.一种用于检测移动的设备，所述设备包括：
活动构件；
导向装置，其固定到所述活动构件以允许所述活动构件在行进方向的运动；
目标，其沿着所述活动构件、大体上平行于所述行进方向延伸，并具有沿垂直于所述行进方向的方向变化的截面；
磁场感测器件，其固定到具有输出线的支撑物；以及
至少一个磁通源，其固定到相对于所述磁场感测器件定位的所述支撑物，以在所述磁场感测器件上施加磁通，所述目标相对于所述磁场感测器件和所述至少一个磁通源定位以干扰在所述磁场感测器件上施加磁通。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述行进方向是转动的，所述截面相对于所述行进方向的转动轴在径向方向改变。
7.如权利要求5所述的设备，其中所述行进方向是平移的。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述截面单一地变化。
9.如权利要求5所述的设备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应器件。
10.如权利要求5所述的设备，其中所述至少一个磁通源是永磁体。
11.一种用于测量位移的方法，所述方法包括：
提供活动构件；
提供耦合到所述活动构件并对应于所述活动构件移动的目标，所述目标具有磁通调节特性，所述磁通调节特性沿所述目标的至少一个维度变化；
提供磁场感测器件；
提供相对于所述磁场感测器件定位的磁通源，以在所述磁场感测器件上施加磁通，所述目标相对于所述磁场感测器件和所述磁通源定位以干扰在所述磁场感测器件上施加磁通；
移动所述活动构件不确定的量；以及
测量所述磁场感测器件的激励的变化以确定所述目标的移动。
12.如权利要求11所述的方法，其进一步包括：
提供电耦合到所述磁场感测器件的控制装置，以测量来自所述磁场感测器件的输出信号。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
提供接近所述目标并电耦合到所述控制装置的基本位置传感器，所述传感器设置成在至少一个点沿所述点的运动范围啮合所述活动构件和所述目标的至少一个；
移动所述活动构件以使所述活动构件和所述目标中的至少一个开始与所述基本位置传感器啮合以启动所述基本位置传感器；以及
当所述基本位置传感器启动时校准所述控制装置。
14.如权利要求11所述的方法，其进一步包括：
提供固定到支撑物的第二磁场感测器件；
提供具有磁通调节特性的第二目标，所述磁通调节特性沿所述第二目标的至少一个维度大体上恒定，所述第二目标耦合到所述活动构件并被限制成大体上对应于所述活动构件运动，所述目标相对于至少一个磁通源中的一个和所述第二磁场感测器件定位以干扰在所述第二磁场感测器件上施加磁通；以及
用所述第二磁场感测器件的输出使所述第一磁场感测器件的输出规范化。
15.一种EGR位置传感器，所述传感器包括：
EGR阀，其包括：
气缸，其固定到车辆，和
柱塞，其位于所述气缸内并可在相对所述气缸的纵向的方向滑动；
目标，其耦合到所述柱塞并被限制为相应于所述柱塞移动，所述目标具有沿至少一个方向随位置的变化而改变的截面；
磁场感测器件，其固定到所述车辆；以及
磁通源，其接近所述磁场感测器件固定到所述车辆以在所述磁场感测器件上施加磁通，所述目标相对于所述磁场感测器件和所述磁通源定位以干扰在所述磁场感测器件上施加磁通。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述目标固定到所述柱塞，沿所述柱塞纵向延伸。
17.如权利要求15所述的设备，其中所述截面以径向方向单一地变化。
18.如权利要求15所述的设备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应器件。
19.如权利要求15所述的设备，其进一步包括电耦合到所述磁场感测器件的排放控制模块。
20.一种用于检测移动的设备，所述设备包括：
活动构件；
至少一个磁通源；
第一磁场感测器件和第二磁场感测器件，所述每个磁场感测器件相对于所述至少一个磁通源中的一个定位成感测由所述至少一个磁通源中的一个产生的磁通；
第一目标和第二目标，所述第一目标和所述第二目标具有磁通调节特性，所述磁通调节特性沿所述目标的至少一个维度变化，所述目标耦合到所述活动构件并被限制为大体上相应于所述活动构件移动，所述第一目标相对于所述第一磁场感测器件定位以调节在所述第一磁场感测器件上施加磁通，所述第二目标相对于所述第二磁场感测器件定位以调节在所述第二磁场感测器件上施加磁通；
控制装置，其电耦合到所述第一磁场感测器件和所述第二磁场感测器件，所述控制装置配置成比较来自第一磁场感测器件和第二磁场感测器件的信号以实现误差校正。
21.如权利要求25所述的设备，其中所述目标由低磁阻材料形成，且其中所述磁通调节特性是构成所述目标的低磁阻材料的量。
22.如权利要求21所述的设备，其中构成所述目标的低磁阻材料的所述量随平行于所述目标的所述至少一个维度的位置中的变化而单一地改变。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述第一磁场感测器件和第二磁场感测器件是霍耳效应器件。
24.如权利要求23所述的设备，其中所述至少一个磁通源是永磁体。
25.如权利要求24所述的设备，其包括至少一个磁通集中器，所述磁通集中器将所述至少一个永磁体耦合到所述第一磁场感测器件和所述第二磁场感测器件中的至少一个。
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