CN103403501A - 转向定位和扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种与轴组件一起使用的传感器电路，其中轴组件旋转地安装在壳体中，并且具有输入轴、输出轴以及连接输入轴和输出轴的扭力杆。围绕轴组件安装到壳体的CR线圈被供能并产生电磁场。RX线圈安装到轴组件并绕其旋转，且具有连接到电源电路的输出从而被来自第一线圈的电磁场激发时产生电能。电源电路给角度传感器供电，其将表示输入轴和输出轴之间角度的信号输送返回至第一线圈。

Description

转向定位和扭矩传感器

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年3月2日提交的美国临时专利申请61/448,256的优先权，其内容以参考方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及角度传感器，并且更具体地，涉及输入轴和输出轴之间的角度传感器。

背景技术

在用于机动车辆类型的转向系统中，转向系统一般包括连接到方向盘上的输入轴。然后输入轴通过扭力杆连接到输出轴上，输出轴依次通过联动装置（linkage）机械地连接到车轮上。结果，方向盘的旋转通过扭力杆、输出轴和转向联动装置使机动车辆的轮子转动。

在许多情况下，非常需要确定转向机构的输入轴和输出轴之间的角偏转。车辆管理系统利用输入轴和输出轴之间角偏转的度数，即扭力杆的角偏转，以确定方向盘扭矩和动力转向提供的辅助量。例如，如果车辆停止或接近停止时，即在车辆停放情况下，车辆的旋转一般会产生输入轴和输出轴之间相对较高的角偏转，因此需要增加的动力辅助用于转动车轮。此外，该偏转很少超过约20度。

除了转向的输入轴和输出轴之间的角偏转之外，在许多情况下需要知道车轮的角位置。因为方向盘一般能够完全地旋转三至四圈，所以需要记住旋转数目从而确定车轮的绝对角位置。

先前已经知道能够监测方向盘的输入轴和输出轴之间角偏转的系统。这些先前知道的系统一般利用转换器，其测量转向输入和输出轴之间的角扭矩。然而，因为转向输出轴能够旋转高达三至四次，所以需要先前已知的设备在转向杆内提供长长度的电缆，一般为带状电缆。提供了重组的带状电缆使得带状电缆能够围绕着转向杆缠绕两或三次，从而适应方向盘的多次旋转。

然而，该先前已知的解决方法在使用中证实为不是完全满意的。例如，长期使用之后电连接器（electrical connector）可以变得缠绕，其诱使或者甚至破坏电缆之间的电连接以及转向输入和输出轴之间的角传感器。当其发生时，用于转向系统的扭矩传感器的整体操作受到连累。

类似地，先前已经知道了在方向盘的多次旋转期间提供表示车辆角位置的输出信号的系统。然而，这些先前已知的系统证实为过度复杂并且构造昂贵。

发明内容

本发明提供了克服先前已知设备的上述缺点的扭矩传感器和车辆位置传感器。

简单扼要地，在本发明中，组合发送器/接收器线圈同轴地围绕着车辆转向杆安装，车辆转向杆包括输入轴、输出轴，以及将输入轴和输出轴连接在一起的扭力杆。此外，该发送器/接收器线圈相对于车辆是固定的，因此相对于转向杆是固定的。

优选地，发送器/接收器线圈包括具有导电线路（conductive trace）的PCB，其形成与转向杆同轴的盘绕圈（coiled loop）。电子电路，例如ASIC电连接到发送器/接收器线圈上。该接收线圈依次电连接到控制车辆整体操作的发动机控制单元（EUC）上。

包括RX线圈和接收线圈的浮动（floating）PCB然后同轴地安装到输出轴上，使得第二PCB与第二输出轴一致旋转。RX线圈的构造是圆形的。然而，接收线圈包括至少两个反向缠绕的接收线圈，更优选地包括八个约反向缠绕的接收线圈，其还同同轴地围绕着输出轴布置。因为RX线圈和接收线圈是在第二PCB上形成的，并且第二PCB连接到输出轴上，所以接收线圈和RX线圈与输出轴一致地旋转。此外，RX线圈和接收线圈耦合到也安装到第二PCB上的电子电路，例如ASIC上。

导电的多凸起耦合器安装到输入轴上，使得感应耦合器将接收线圈覆盖在连接到输入轴上的浮动PCB上面。耦合器和接收线圈之间的角度代表输入和输出轴之间的扭矩角度。

在操作中，以高频率，例如2-4兆赫供能固定PCB上的发送器/接收器线圈。发送器/接收器线圈产生的电磁能量进而供能浮动PCB上的RX线圈，其以电力给浮动PCB上的电路供电。浮动PCB还包含电路，例如ASIC，从而作为接收线圈上电压的函数确定输入轴和输出轴之间的角位置。

然后，第二电路以预定波特率产生数字输出信号，该预定波特率是由与固定PCB上发送器/接收器线圈上的发送频率相同的频率调制的。固定PCB上的电路解调来自于浮动PCB的信号，从而给车辆ECU提供需要的信息。

虽然扭矩传感器，即输入和输出轴之间的角度，优选地由感应传感器检测，但是可以替代地使用其它类型传感器，例如霍尔传感器。

因为浮动PCB板上的电路完全是由来自于固定PCB的电磁发送供电的，并且数据也是由固定PCB和浮动PCB之间的电磁发送传送的，所以完全避免了先前已知的需要特别长的电连接器以允许转向杆的多次旋转。相反，本发明利用的唯一电连接是来自于固定PCB的电连接。

为了确定车轮的实际角位置，第一齿轮优选地安装到输入轴或输出轴上，使得齿轮与输入轴或输出轴一致地旋转。该齿轮，依次与具有不同齿数的第二齿轮啮合。结果，第一齿轮和第二齿轮以不同旋转速度旋转。

位置传感器与齿轮中的每一个相联系，使得能够在任何时候确定两个齿轮的角位置。然而，因为齿轮以不同旋转速度旋转，所以通过转向输入和输出轴高达多次旋转的传感器，可以准确地确定第一齿轮的实际角位置，因此可以准确地确定车轮的角位置。

附图说明

当连同附图阅读时，参考下面的详细发明内容将更好地理解本发明，其中类似的参考符号指贯穿若干视图的类似部件，其中：

图1是说明本发明的优选实施例的侧视简图；

图2是其仰视图；

图3是优选实施例的分解图；

图4是说明发明操作的方框简图；

图5是说明本发明操作的示意图；

图6是说明调制电路的优选实施例的示意图；

图7是固定PCB的部分的示意图；

图8是说明车轮位置传感器的优选实施例的部分的俯视图；

图9是说明车轮位置传感器操作的图；

图10是说明固定PCB从浮动PCB所接收用于数字信号的信号的图；以及

图11是说明固定PCB从浮动PCB所接收用于模拟信号的信号的图。

具体实施方式

首先参考图1-3，说明了机动车辆中使用类型的转向杆10。转向杆10包括机械地连接到方向盘14上的输入轴12，以及通过联动装置（未显示）机械地连接到车轮上的输出轴16。

输入轴12和输出轴16彼此轴向对齐，并且通过扭力杆18机械地连接在一起。扭力杆18允许输入轴12作为施加到方向盘14中的扭矩量的函数相对于输出轴16轻微地旋转。然而，输入轴12相对于输出轴16的旋转量相对较小，一般不超过20度。

仍然参考图1-3，固定印刷电路板（PCB）20同轴地围绕着转向杆12安装，优选地邻近扭力杆18的一个末端。此外，固定PCB20相对于车辆自身是固定的，因此不会相对于转向杆10运动。

在固定印刷电路板20上形成圆形的发送器/接收器CR线圈22，使得CR线圈22与转向杆10同轴。CR线圈22耦合到电子电路24，例如ASIC上，其依次通过电缆26电连接到用于车辆的电子控制单元28上。

仍然参考图1-3，浮动PCB30连接到输出轴16上，使得浮动PCB30与输出轴16一致地旋转。在使得当激励时，固定PCB20上的RX线圈22与浮动PCB30上的RX线圈32感应耦合的位置上，在PCB板上通过导电线路形成圆形缠绕的RX线圈32。优选地，线圈22和32彼此同轴地对齐。具有至少两个反向缠绕圈（loop）36的接收线圈34也在浮动PCB30上通过导电线路形成。

导电耦合器38连接到输入轴12上，使得耦合器38与输入轴12一致地旋转。此外，该耦合器38可以呈现若干形状中的任何一种，例如如图3所示的多凸起形状。因为耦合器38连接到输入轴12上，并且浮动PCB30连接到输出轴16上，所以耦合器38和浮动PCB30之间的相对角度与施加到方向盘14上的扭矩成比例。

现在参考图1-4，固定PCB20上的ASIC24包括振荡器50，其以高频率，例如2-4兆赫振荡。该振荡器50电连接到固定PCB20上的CR线圈22上，因此激励CR线圈22。

CR线圈22产生的信号感应地耦合浮动PCB30上的RX线圈32。此外，RX线圈32电连接到ASIC52上，其通过动力调节器54，将来自于CR线圈22的入射电磁辐射转换为足以给浮动PCB30上的ASIC52供电的电动力。结果，不需要外部电线以给第二ASIC52供电。

浮动PCB30上的接收线圈36作为输入信号，还电连接到第二ASIC52上。因为接收线圈包括平均数目的反向缠绕圈36（图3），所以接收线圈36上的电压作为耦合器38相对于浮动PCB30的旋转位置的函数会变化。例如，接收线圈32上的零电压指明转向杆10的输入轴12和输出轴16之间的零偏转，然而正电压指明输入轴12和输出轴16之间的扭矩在一个方向上，并且负电压指明输入轴12和输出轴16之间的扭矩在相反的旋转方向上。

现在参考图5，说明一个设计，即Jordi Sacristan-Riquelme系统用于通过来自于固定PCB20上的CR线圈22的电磁辐射的发送，给第二ASIC52供电。虽然图4说明的电路是显然的，但是简单扼要地，第一ASIC24上的振荡器50以其共振频率供能LC电路，从而产生电磁辐射。该辐射被包含RX线圈32的LC电路检测到，从而给ASIC52供电。

现在参考图6，编程第二ASIC52从而产生以预定波特率，例如50,000Hz返回固定PCB板20的数字信号。例如，如图6所示，来自于图4说明的电路的动力耦合到端口60上，从而给调制电路62供电。以如振荡器50选择性地给RC网络供电相同的频率，打开和关闭转换器64。然而，数据输入端口66以调制频率，例如50K控制第二转换器68，从而选择性地使RC网络中的电容器Cmod接地。这依次引起固定PCB20上的发送器/接收器CR线圈22接收的振幅改变。

如图10所示，当ASIC2的输出是数字的时，数据以如RFID相同的方式被发送返回固定PCB。二进制数据的顺序经IEEE802.3被编码为波形，上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。然后通过图6显示的电路将波形振幅调制为信号。ASIC1以逆序解码数据，即其使用图7显示的电路将信号解调为编码的波形，然后将波形解码为二进制数据顺序。

如图11所示，当ASIC2的信号是模拟的时，首先结果转换为PWM波形，其中占空比（图中显示的td/tp）表示扭转角。例如，50%占空比指明输入轴和输出轴之间无扭转角。低于50%的占空比指明扭转角在一个方向上，大于50%的占空比指明扭转角在另一个方向上。然后，PWM波形通过图6中显示的电路振幅调制为信号。ASIC1使用图7中显示的电路将信号解调为PWM波形，用于进一步信号处理。

电路可以包括经编程从而输出输入轴和输出轴之间角度大小和方向的处理器。

现在参考图7，固定PCB板上的ASIC24经衰减器70接收CR线圈22上的信号，然后通过带通滤波器72和放大器74将作为线路26上的数据输出信号的信号耦合到ECU28上。

当第一齿轮上的扭矩传感器和角度传感器用作感应传感器，其能够分享系统的发送器和相同的传导耦合器。此类布置节省了部件，并且完全消除了这两个传感器之间可能的干扰。

从上述内容，可以看出本发明提供了用于通过扭力杆，例如机动车辆中的转向杆连接在一起的两个旋转元件的有效扭矩传感器。因为传感器的旋转部分，即浮动PCB完全是由来自于固定PCB20的入射辐射供电的，致使不需要使用额外电线来给浮动PCB30上的ASIC52供电。

还应该明白，即使用于输入轴12和输出轴16之间相对角度的传感器已经描述为感应传感器，但是在没有背离本发明精神的情况下，可以使用其它传感器。例如，可以替代地使用霍尔效应传感器，从而检测输入轴12和输出轴16之间的角度。或者，也可以使用其它类型的传感器。

现在参考图8，在许多申请中，例如机动转向杆，输出轴16可以旋转数圈。为了确定车轮的实际角度位置，不仅需要知道输出轴16的瞬时角位置，还要知道已知位置的输出轴16的旋转数目。

为了确定输出轴16的旋转数目，第一小齿轮连接到输出轴16上（或输入轴12），使得小齿轮80与输出轴16一致地旋转。此外，该小齿轮80具有已知的确定齿数。

第一小齿轮80与关于车辆固定轴旋转的第二小齿轮82啮合。然而，第二小齿轮82与第一小齿轮80具有不同的齿数，使得小齿轮80和82以不同的旋转速度旋转。

最好地如图9所示，通过多次旋转，例如四次旋转，显示两个小齿轮80和82的实际角位置。如图8所示，两个小齿轮80和82的实际角位置仅仅在输出轴16预定数目的完全旋转时相同。

传感器84，其可以是任何类型的传统传感器，可操作地与两个小齿轮80和82耦合，使得传感器84在任何时候能够确定两个小齿轮80和82的旋转位置。当在任何给定时间给出传感器80和82的位置，能够根据如合适处理器编程的图8显示的表，确定输出轴16的试剂旋转位置和旋转数目。

结果，用图1-6说明的扭矩传感器和图7-8说明的位置，可以确定机动车辆的转向系统的所有需要信息，用于发动机ECU的使用。

虽然已经描述了我的发明，但是在没有背离所附权利要求的精神或保护范围的情况下，于此相关的许多修改对于本领域内技术人员而言是显而易见的。

Claims (10)

1.一种连同安装在壳体内的旋转轴组件使用的传感器电路，所述轴组件具有输入轴、输出轴和连接所述输入轴至所述输出轴的扭力杆，所述传感器电路产生表示所述输入轴和输出轴之间角度的输出信号，所述传感器电路包括：

CR线圈，其安装到所述壳体上，并且环状地围绕着所述轴组件布置，当所述CR线圈受频率源激发时，其产生电磁场，

RX线圈，其安装到并围绕所述输入轴和所述输出轴中的一个，所述RX线圈连接到电源电路，从而当所述RX线圈受来自于所述CR线圈的电磁场的激发时产生电力，

角传感器，其由所述电源电路供电，并且安装到所述输入轴和所述输出轴中的一个上，所述角传感器产生至所述CR线圈的输出信号，其表示所述输入轴和所述输出轴之间的角度，

传感器输出电路，其接收所述CR线圈上的所述输出信号，并且产生表示所述输入轴和所述输出轴之间角度的传感器信号。

2.如权利要求1所述的传感器电路，其中所述角传感器包括：

接收线圈，其具有至少两个反向缠绕圈，并且安装到并围绕所述输入轴和所述输出轴中的所述至少一个，所述接收线圈设置在来自于所述CR线圈的所述电磁场内，

导电耦合器，其具有数目相应于安装到所述输入轴和所述输出轴中另一个上的所述接收线圈的反向缠绕圈数目的凸起，所述耦合器设置在所述接收线圈之上，使得来自于所述接收线圈的电压输出作为所述耦合器相对于所述接收线圈的角位置的函数变化，

输出电路，其安装在所述输入轴和所述输出轴中的所述一个上，并且由所述电源电路供电，所述输出电路接收所述接收线圈上的所述电压信号作为输入信号，并且产生所述传感器信号给所述CR线圈表示。

3.如权利要求2所述的传感器，其中所述CR线圈包括印刷电路板上的导电线路。

4.如权利要求2所述的传感器，其中所述RX线圈包括印刷电路板上的导电线路。

5.如权利要求2所述的传感器，其中所述接收线圈包括印刷电路板上的导电线路。

6.如权利要求2所述的传感器，其中所述RX线圈和所述接收线圈都包括印刷电路板上的导电线路。

7.如权利要求2所述的传感器，其中所述耦合器安装到所述输入轴上。

8.如权利要求2所述的传感器，其中所述RX线圈和所述接收线圈都包括安装到所述输出轴上的印刷电路板上的导电线路。

9.如权利要求1所述的传感器，其包括固定到所述轴组件用于随其旋转的主动小齿轮，和旋转地固定到所述壳体的从动小齿轮，以及计数器电路，其产生表示所述从动小齿轮旋转数目和方向的计数器信号。

10.如权利要求2所述的传感器，其中所述输出信号的频率变化为所述输入轴和所述输出轴之间的所述角位置的函数。

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