CN102869954B - 具有线性输出的旋转弧位置传感器 - Google Patents

Abstract

一种旋转位置传感器包括构件，轴与所述构件相连，使得所述构件的移动旋转所述轴。弧形永磁体联接到所述轴的周边，用于随其一起旋转。相邻的第一和第二磁场集中器在它们之间限定间隙。传感器结构设置在所述间隙中。在所述构件移动从而引起轴和磁体的旋转时，所述集中器和传感器结构保持固定，其中，所述磁体提供磁极，所述磁极改变间隙中的磁场。所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应，以识别所述构件的位置。

Description

具有线性输出的旋转弧位置传感器

本申请要求于2010年5月5日提交的美国临时申请No.61/331,577的较早申请日的权益，上述申请在此作为参考引入该说明书。

技术领域

本发明涉及磁性传感器，且更具体地涉及用于车辆的旋转位置传感器。

背景技术

旋转位置传感器用于车辆变速器中以确定接合哪个档位，例如驻车档、倒档、空档、驱动档和低速档（PRNDL）。由位置传感器提供的信息有助于控制一些车辆功能，例如灯，且可以防止在错误档位时车辆起动。

变速器的脏、振动、高温、填充流体腔室使得其为苛刻环境，不适合于大多数类型的角位置传感器技术。适合于该环境的许多现有旋转位置（尤其是磁性）传感器由于其旋转性质而具有大的线性误差，必须由电子器件补偿。此外，车辆的制造和使用通常可以导致金属碎片。许多常规磁性位置传感器收集该碎片，其必须被清理掉以有效地操作。用于该类型应用的常规旋转位置传感器还具有低效磁路。

需要提供一种具有磁体的旋转位置传感器，所述磁体具有减小的占地面积，从而不太可能吸引碎片，同时具有比常规旋转位置传感器磁路更强和更有效的磁路。

发明内容

本发明的目的是满足上述需要。根据本发明的原理，该目的通过提供一种旋转位置传感器获得，所述旋转位置传感器包括构件，轴与所述构件相连，使得所述构件的移动旋转所述轴。弧形永磁体联接到所述轴的周边，用于随其一起旋转。相邻的第一和第二磁场集中器构造和设置成在它们之间限定间隙。传感器结构设置在所述间隙中。在所述构件移动从而引起轴和磁体的旋转时，所述集中器和传感器结构构造和设置成保持固定，其中，所述磁体提供磁极，所述磁极改变间隙中的磁场。所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应，以识别所述构件的位置。

根据本发明的另一方面，提供一种用于位置传感器的磁路结构。所述磁路结构包括：可旋转轴；弧形永磁体，所述弧形永磁体联接到所述轴的周边，用于随其一起旋转；相邻的第一和第二磁场集中器构造和设置成在它们之间限定间隙；以及设置在所述间隙中的传感器结构。在轴和磁体旋转时，所述集中器和传感器结构构造和设置成保持固定，其中，所述磁体提供磁极，所述磁极大致线性地改变间隙中的磁场。所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应。

根据本发明的又一方面，一种感测构件位置的方法提供与所述构件相连的可旋转轴。弧形永磁体设置在所述轴上，所述磁体限定磁极，在磁体的外部径向表面处限定且跨过整个表面指向同一方向。还设置固定传感器结构。所述方法确保在所述构件移动从而引起轴和磁体的旋转时，所述磁体大致线性地改变传感器结构处集中的磁场，所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应，以识别所述构件的位置。

本发明的其它目的、特征和特性以及操作方法及相关结构元件的功能、制造的部件和经济性的组合将在考虑以下详细描述和所附权利要求参考附图后更清楚，其全部形成该说明书的一部分。

附图说明

本发明将从其优选实施例的以下详细描述结合附图更好地理解，其中，相同的附图标记表示相同部件，其中：

图1是实施例的旋转弧位置传感器的俯视图。

图2是限定磁路的图1的传感器的部件的透视图。

图3是图2的磁路的磁体和集中器的示意图，其中，磁体以第一位置显示。

图4是图3的磁体和集中器的示意图，其中，示出了磁体旋转到第二位置。

图5是图2的磁路的磁体和集中器的示意图，示出了磁体和集中器之间的边缘关系。

图6是位置传感器输出（例如，旋转角度（deg.））对比场强度（高斯）的曲线图。

具体实施方式

参考图1，根据本发明实施例示出了旋转弧位置传感器，总体上以10表示。本发明提供位置传感器以确定任何旋转元件（例如，轴）的位置。在实施例中，传感器10用于车辆自动变速器以确定接合哪个档位，例如驻车档、倒档、空档、驱动档和低速档（PRNDL）。传感器10包括与掣子板14相连的可旋转轴12。掣子板14形成有多个掣子15，用于将自动变速器闩锁在选定换档位置（PRNDL），例如以美国专利No.6,658,960所公开的方式，其内容在此作为参考引入该说明书。因而，掣子板14的移动引起轴12的旋转。

弧形永磁体16固定到轴12的周边，从而随其一起旋转。磁体16优选为对角（diametrically）（不是径向）磁化，因为这给予传感器10的输出期望线性，如下文更充分所述。使用径向型磁化可导致输出更多显现为S形，而不是直的传递曲线。该S形可以用昂贵的可编程磁场传感器补偿，但是线性输出可以使用较便宜的部件，且可能是更希望的。将昂贵的可编程传感器与该较直曲线结合可具有减少线性误差的复合效果。

第一和第二磁场集中器（分别为18和20）设置在壳体21中，总体上靠近磁体，但是不附连到轴上，因而相对于磁体12处于固定位置。如图2最佳地所示，大致弧形集中器处于隔开关系，从而在它们之间限定间隙22。集中器18和20优选由NiFe材料（或，具有类似B-H场的材料）制成，以避免在传感器10上强加磁滞误差。在用于要求较低应用时，集中器可以使用较不稳固的材料。集中器18，20的形状应当是将传感器结构上的磁场集中于距磁体16一定距离处的形状，而沿磁体延伸经过两侧。

磁体18和集中器18，20的对齐对于传感器10的线性是重要的。参考图3，在磁体16旋转时，其左侧外边缘26应当不延伸显著地超过集中器18的最近外边缘28。类似地，参考图4，在磁体以相反方向旋转时，其右侧外边缘30应当不延伸显著地经过集中器20的最近外边缘32。参考图5，线A可以从磁体的边缘26到集中器18上的唇缘的边缘沿磁体的磁化方向画出。该线A是如果配置需要磁体延伸超出该位置将显著地增加非线性的良好指示。增加集中器18，20连同磁体16的弧长将防止非线性的该增加。在实施例中，磁体16移动±25°通过在任一侧上集中器弧长的~45度获取（留下传感器结构的5度间隙22）。

用于确定磁场改变的传感器结构设置在集中器18，20之间限定的间隙22中。在实施例中，传感器结构包括相对于集中器18，20保持固定的至少一个常规霍耳效应传感器24。一对霍耳效应传感器24以背对背的布置显示在间隙22中。每个传感器24响应于间隙22中的磁场改变而改变其输出电压。在轴12和因而磁体16旋转时，间隙22中的磁场改变。传感器24还用于帮助抵消环境磁场、非线性、内部应力、外部AC场影响、或甚至温度改变。如图3最佳地示出，间隙22包括较大间隙部分34和较小间隙部分36。霍耳效应传感器24设置在较小间隙部分36中。较大间隙部分34总体上靠近磁体16且促使磁场主要通过霍耳效应传感器24的表面。因而，传感器10的磁路结构由磁体16、集中器18，20和传感器24限定。

期望测量角度可以基于磁体的弧长和集中器的弧长变化。在实施例中，每个集中器18，20具有大约65弧度配置，磁体16具有大约90弧度配置，北极垂直于霍耳效应传感器24。对于所需应用，集中器18，20和/或磁体16的弧长、长度或直径可以选择，连同用于磁体16、集中器18，20或轴12的材料一起。

如图3和4所示，不管磁体16的弧形形状，磁体16的外部径向表面29处的北极跨过表面29指向相同方向。参考图3，当支承磁体16的轴12从左向右旋转（集中器18，20和传感器24保持固定）时，间隙22中的磁场从正变为负（改变方向）。这是由于磁体16的北极越来越多地集中于右侧集中器20上，且越来越少地集中于左侧集中器18上。这引起集中器之间的不平衡，在间隙22中反映为间隙22中的磁场从正变为负。如果磁体16以相反方向（图4）旋转，情况将相反（间隙22中的磁场从负变为正），主要在集中器18，20的间隙22中再一次发生不平衡，传感器24位于所述间隙22中。由于系统的几何形状，从正到负或从负到正的该转变是线性的（图6）。在实施例中，在霍耳效应传感器24处提供大约±800高斯以确保外部场免疫性。

因而，磁体16提供操控传感器24处的观察场的磁极（只推型（pushonly）配置），而不是使用常规位置传感器中的同时对抗的磁极（推-拉型配置）。集中器18，20引导磁场垂直于磁体16通过磁场传感器结构（例如，传感器24）。

通过减少磁体16的占地面积（不需要环形磁体）和将磁体在传感器壳体内隔离更深，在制造期间碎片将不太可能粘附到壳体。传感器10减少线性误差，增加在更大旋转角度内输出的线性。此外，磁路能针对被测量系统标度，几何形状简化，比用于这种车辆应用的常规磁路更强且更有效。传感器10提供对外部场的附加保护，从而减少潜在误差，尤其是在可存在强AC信号的混合动力电动车辆中。最后，磁体尺寸、集中器尺寸的减小以及去除罩（由于增加的磁路效率和强度）提供显著的成本节省。

虽然旋转弧位置传感器10已经结合识别变速器的多个分立位置中的一个进行描述，但是可以理解的是，传感器10可以用作绝对位置传感器，识别运动角度内的任何位置。

为了图示本发明的结构和功能原理以及图示实施优选实施例的方法，已经示出和描述了前述优选实施例，且在不偏离这种原理的情况下，可以对前述优选实施例进行变化。因而，本发明包括所附权利要求精神内涵盖的所有变型。

Claims (18)

1.一种用于位置传感器的磁路结构，所述磁路结构包括：

可旋转轴；

弧形永磁体，所述弧形永磁体联接到所述轴的周边，用于随其一起旋转；

一对相邻的磁场集中器，其构造和设置成在它们之间限定间隙；以及

设置在所述间隙中的传感器结构，所述间隙由容纳传感器结构的第一部分和总体上靠近磁体且比第一部分更大的第二部分形成，从而将磁场推动到传感器结构，所述磁体具有的弧长小于该对相邻的磁场集中器的弧长加上间隙的距离的总和，

其中，在轴和磁体旋转时，所述集中器和传感器结构构造和设置成保持固定，其中，所述磁体提供磁极，所述磁极大致线性地改变间隙中的磁场，所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应。

2.根据权利要求1所述的磁路结构，其中，传感器结构包括垂直于磁体设置的至少一个霍耳效应传感器。

3.根据权利要求2所述的磁路结构，其中，一对霍耳效应传感器以背对背的布置设置在所述间隙中。

4.根据权利要求1所述的磁路结构，其中，磁极在磁体的外部径向表面处限定，且跨过整个表面指向同一方向。

5.根据权利要求4所述的磁路结构，其中，磁体被对角地磁化。

6.根据权利要求1所述的磁路结构，其中，磁体具有相对的外边缘，且构造和设置成使得在其以两个方向中任一个旋转时，磁体的外边缘不延伸显著地超出集中器的最近外边缘。

7.根据权利要求1所述的磁路结构，其中，每个集中器具有大致弧形形状。

8.根据权利要求7所述的磁路结构，其中，每个集中器具有大约65弧度配置，磁体具有大约90弧度配置。

9.一种旋转位置传感器，包括：

构件；

轴，所述轴与所述构件相连，使得所述构件的移动旋转所述轴；

弧形永磁体，所述弧形永磁体联接到所述轴的周边，用于随其一起旋转；

构造和设置成在它们之间限定间隙的一对相邻的磁场集中器；以及

设置在所述间隙中的传感器结构，所述间隙由容纳传感器结构的第一部分和总体上靠近磁体且比第一部分更大的第二部分形成，从而将磁场推动到传感器结构，所述磁体具有的弧长小于该对相邻的磁场集中器的弧长加上间隙的距离的总和，

其中，在所述构件移动从而引起轴和磁体的旋转时，所述集中器和传感器结构保持固定，其中，所述磁体提供磁极，所述磁极改变间隙中的磁场，所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应，以识别所述构件的位置。

10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述构件是具有多个掣子的掣子板，所述多个掣子限定车辆的自动变速器的换档位置作为位置。

11.根据权利要求9所述的传感器，其中，传感器结构包括垂直于磁体设置的至少一个霍耳效应传感器。

12.根据权利要求11所述的传感器，其中，一对霍耳效应传感器以背对背的布置设置在所述间隙中。

13.根据权利要求9所述的传感器，其中，磁极在磁体的外部径向表面处限定，且跨过整个表面指向同一方向，且其中，所述磁极大致线性地改变磁场。

14.根据权利要求13所述的传感器，其中，磁体被对角地磁化。

15.根据权利要求9所述的传感器，其中，磁体具有相对的外边缘，且构造和设置成使得在其以两个方向中任一个旋转时，磁体的外边缘不延伸显著地超出集中器的最近外边缘。

16.根据权利要求1所述的磁路结构，其中，每个集中器具有大致弧形形状。

17.一种感测构件位置的方法，所述方法包括：

提供与所述构件相连的可旋转轴；

将弧形永磁体设置在所述轴上，所述磁体限定磁极，在磁体的外部径向表面处限定且跨过整个表面指向同一方向；

提供一对相邻的磁场集中器，其构造和设置成在它们之间限定间隙；

在所述间隙中提供固定传感器结构；

确保在所述构件移动从而引起轴和磁体的旋转时，所述磁体大致线性地改变传感器结构处集中的磁场，所述传感器结构构造和设置成对磁场的改变作出响应，以识别所述构件的位置，所述间隙由容纳传感器结构的第一部分和总体上靠近磁体且比第一部分更大的第二部分形成，从而将磁场推动到传感器结构，所述磁体具有的弧长小于该对相邻的磁场集中器的弧长加上间隙的距离的总和。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述传感器结构设置为至少一个霍耳效应传感器。