CN103983183B - 一种方向盘转角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向盘转角传感器，包括：底座与顶盖，其中央设有中空部，底座与顶盖相互配合并通过螺栓固定；主动齿轮，其设置在底座与顶盖之间，主动齿轮与方向盘固定并以中空部为轴心转动；第一从动齿轮，其固定在底座内，并与主动齿轮啮合，第一从动齿轮的中央设有第一磁性元件；第二从动齿轮，其固定在底座内，并与主动齿轮啮合，第二从动齿轮的中央设有第二磁性元件；测量单元，其设置在底座与顶盖之间，用于测量第一磁性元件与第二磁性元件的旋转角度，根据旋转角度计算方向盘的绝对转角。本发明提供了一种非接触工作、测量方法简便、机械加工简单的汽车方向盘转角传感器。

Description

一种方向盘转角传感器

技术领域

本发明属于汽车转向传感器技术，尤其涉及一种方向盘转角传感器。

背景技术

公知地，汽车方向盘转角传感器是测量方向盘转向角度的电子部件，为汽车主动安全系统提供必需的方向盘转角信号。例如：电子稳定系统(ESP)有了方向盘转角信号可以实现防滑和防侧摆等高级功能；电动助力转向系统(EPS)有了精确的方向盘转角信号可以实现方向盘抖动的阻尼控制功能和将方向盘带到零位的主动回正控制功能；自适应前照灯系统(AFS)有了方向盘转角信号就可以自动调节照明角度，避免在坡道和弯道处出现照明盲区。

目前，汽车方向盘转角传感器中普遍采用了电位计式、电磁线圈式和磁敏芯片式三类转角传感器。电位计式传感器是美国BI公司专利技术，传感器基于滑动变阻器原理工作，输出方向盘的绝对转角信号，但接触式工作会严重影响器件的寿命和信号噪声；电磁线圈式传感器是德国Hella公司的专利技术，使用时除了电磁线圈，还必须附加角度芯片才能测得方向盘绝对转角；磁敏芯片式转角传感器主要是德国BOSCH公司LWS系列产品的专利技术，采用增量法测量最后只能输出相对转角信号，采用差角法测量可以直接输出绝对转角信号，而计算差角和判断方向又增加了逻辑计算单元的任务量。

发明内容

本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出了一种方向盘转角传感器。

本发明提出了一种方向盘转角传感器，包括：底座与顶盖，其中央设有中空部，所述底座与所述顶盖相互配合并通过螺栓固定；主动齿轮，其设置在所述底座与所述顶盖之间，所述主动齿轮与方向盘固定并以所述中空部为轴心转动；第一从动齿轮，其固定在所述底座内，并与所述主动齿轮啮合，所述第一从动齿轮的中央设有第一磁性元件；第二从动齿轮，其固定在所述底座内，并与所述主动齿轮啮合，所述第二从动齿轮的中央设有第二磁性元件；测量单元，其设置在所述底座与所述顶盖之间，用于测量所述第一磁性元件与第二磁性元件的旋转角度，根据所述旋转角度计算所述方向盘的绝对转角。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述第一从动齿轮的齿数与所述第二从动齿轮的齿数互为质数。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述主动齿轮的轴心为一中空柱体部，所述中空柱体部底部的外缘设有轮齿；所述中空柱体部嵌在所述中空部上自由旋转；所述中空柱体部的空心内表面设有轴向定位件，用于与所述方向盘固定并同步旋转。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述测量单元包括第一测量元件、第二测量元件与逻辑处理单元；所述第一测量元件正对于所述第一磁性元件设置，用于测量所述第一磁性元件的旋转角度；所述第二测量元件正对于所述第二磁性元件设置，用于测量所述第二磁性元件的旋转角度；所述逻辑处理单元分别与所述第一测量元件及所述第二测量元件连接，用于根据所述第一磁性元件及所述第二磁性元件的旋转角度计算所述方向盘的绝对转角；所述逻辑处理单元通过电极输出所述绝对转角的信号。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述第一测量元件与第二测量元件为角度芯片，所述角度芯片为HALL芯片、AMR芯片或者GMR芯片。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述逻辑处理单元将所述第一磁性元件的旋转角度作为主尺信号，将所述第二磁性元件的旋转角度作为游标信号，利用游标法计算所述方向盘的绝对转角。

本发明提出的方向盘转角传感器中，所述底座内部进一步设置有第一齿轮定位件与第二齿轮定位件，所述第一从动齿轮嵌在所述第一齿轮定位件上并绕所述第一齿轮定位件旋转，所述第二从动齿轮嵌在所述第二齿轮定位件上并绕所述第二齿轮定位件旋转。

本发明提出的方向盘转角传感器中，进一步包括：所述底座设置有第一中空定位柱，所述顶盖设置有第二中空定位柱，所述第一中空定位柱与所述第二中空定位柱相互配合，所述第一中空定位柱与所述第二中空定位柱的内部设有螺纹，用于固定所述螺栓。

本发明提出的方向盘转角传感器中，进一步包括：所述测量单元的边缘设置有定位孔，所述定位孔与所述第一中空定位柱配合，用于固定所述测量单元。

本发明方向盘转角传感器用于测量方向盘的转向角度，巧妙设计的主动齿轮组件和从动齿轮组件，将多颗角度芯片测量的角度信号通过游标法计算出方向盘的绝对转角，传感器测量转角方便、结构紧凑，装配简单。

附图说明

图1是本发明方向盘转角传感器的立体结构图。

图2是本发明方向盘转角传感器中底座的结构图。

图3是本发明方向盘转角传感器中主动齿轮、第一从动齿轮与第二从动齿轮的结构图。

图4是本发明方向盘转角传感器中测量单元的结构图。

图5是本发明方向盘转角传感器中顶盖的结构图。

图6是本发明方向盘转角传感器中从动齿轮旋转角度的信号波形图。

图7是本发明方向盘转角传感器中输出的绝对转角的信号波形图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的方向盘转角器中，包括底座1、顶盖2、主动齿轮3、第一从动齿轮4、第二从动齿轮5与测量单元6。底座1与顶盖2的中央设有中空部，底座1与顶盖2相互配合并通过螺栓7固定。主动齿轮3设置在底座1与顶盖2之间，主动齿轮3与方向盘固定并以中空部为轴心转动。第一从动齿轮4固定在底座1内，并与主动齿轮3啮合，第一从动齿轮4的中央设有第一磁性元件。第二从动齿轮5固定在底座1内，并与主动齿轮3啮合，第二从动齿轮5的中央设有第二磁性元件；测量单元6设置在底座1与顶盖2之间，用于测量第一磁性元件与第二磁性元件的旋转角度，根据旋转角度计算方向盘的绝对转角。

其中，第一从动齿轮4的齿数与第二从动齿轮5的齿数互为质数。主动齿轮3的轴心为一中空柱体部16，中空柱体部16底部的外缘设有轮齿；中空柱体部16嵌在中空部上自由旋转；中空柱体部16的空心内表面设有轴向定位件17，用于与方向盘固定并同步旋转。

测量单元6包括第一测量元件、第二测量元件与逻辑处理单元；第一测量元件正对于第一磁性元件设置，用于测量第一磁性元件的旋转角度；第二测量元件正对于第二磁性元件设置，用于测量第二磁性元件的旋转角度；逻辑处理单元分别与第一测量元件及第二测量元件连接，用于根据第一磁性元件及第二磁性元件的旋转角度计算方向盘的绝对转角；逻辑处理单元通过电极输出绝对转角的信号。第一测量元件与第二测量元件为角度芯片，角度芯片为HALL芯片、AMR芯片或者GMR芯片。逻辑处理单元将第一磁性元件的旋转角度作为主尺信号，将第二磁性元件的旋转角度作为游标信号，利用游标法计算方向盘的绝对转角。

其中，底座1内部进一步设置有第一齿轮定位件10与第二齿轮定位件11，第一从动齿轮4嵌在第一齿轮定位件10上并绕第一齿轮定位件10旋转，第二从动齿轮5嵌在第二齿轮定位件11上并绕第二齿轮定位件11旋转。

底座1设置有第一中空定位柱12，顶盖2设置有第二中空定位柱22，第一中空定位柱12与第二中空定位柱22相互配合，第一中空定位柱12与第二中空定位柱22的内部设有螺纹，用于固定螺栓7。

测量单元6的边缘设置有定位孔20，定位孔20与第一中空定位柱12配合，用于固定测量单元6

图1显示的是本发明方向盘转角传感器的立体结构图，从上至下依次设有顶盖2、测量单元6、主动齿轮3、第一从动齿轮4、第二从动齿轮5与底座1。底座1与顶盖2利用螺栓7固定。

参阅图5，顶盖2的中央设有中空部21，顶盖2的边缘设有四个第二中空定位柱22a、22b、22c、22d。参阅图2，底座1设有中空部8，绕中空部8设置有向上凸起的定位件9，中空部8与中空部21相对应。底座1的边缘设置有四个第一中空柱体部12a、12b、12c、12d，分别与第二中空定位柱22a、22b、22c、22d相对应，其内部均设有螺纹。参阅图1螺钉7a、7b、7c、7d分别通过顶盖2的中空定位柱22a、22b、22c、22d和底座1的中空定位柱12a、12b、12c、12d将底座1与顶盖2紧固。

参阅图2，底座1的内表面设有向上凸起的第一齿轮定位件柱10和第二齿轮定位件11，第一从动齿轮4和第二从动齿轮5分别镶套在第一齿轮定位件10和第二齿轮定位件11上。其中，第一从动齿轮4的齿数与第二从动齿轮5的齿数互为质数。本实施例中，第一从动齿轮4的齿数分别为37，第二从动齿轮5的齿数为8。

参阅图3，第一从动齿轮4内设有第一磁性元件4a，第二从动齿轮5设有第二磁性元件5a。第一磁性元件4a与第二磁性元件5a为两个相同的径向充磁的圆柱形磁铁，分别与第一从动齿轮4及第二从动齿轮5同轴旋转。径向充磁磁铁材料优选稀土钕铁硼或稀土钐钴。第一从动齿轮4和第二从动齿轮5与主动齿轮3啮合，由主动齿轮3驱动旋转。

主动齿轮3的轴心为一中空柱体部16，中空柱体部16嵌套在定位件9上，主动齿轮3在定位件9上自由旋转。中空柱体部16底部的外缘设有轮齿；中空柱体部16的空心内表面设有轴向定位件17，用于与方向盘固定并同步旋转。

参阅图4，测量单元6为一个圆形的测量电路板，其中央是中空的，与中空柱体部16相配合。测量单元6的边缘设置有4个定位孔20a、20b、20c、20d，该定位孔分别与第一中空柱体部12a、12b、12c、12d配合。进一步地，中空柱体部16与第一中空柱体部12a、12b、12c、12d的顶部设有凹部，测量单元的中央及定位孔20a、20b、20c、20d嵌套在凹部上，从而固定在底座1与顶盖2之间。

测量单元6中设有第一测量元件18a、第二测量元件18b和逻辑处理单元18c。第一测量元件18a和第二测量元件18b为角度芯片，优选为Hall元件、AMR元件或者GMR元件。第一测量元件18a正对于第一从动齿轮4设置，用于测量第一磁性元件4a的旋转角度得到第一旋转角度信号。第二测量元件18b正对于第二从动齿轮5设置，用于测量第二磁性元件5a的旋转角度得到第二旋转角度信号。逻辑处理单元18c将第一旋转角度信号作为主尺信号，将第二旋转角度信号的旋转角度作为游标信号，利用游标法计算方向盘的绝对转角。

进一步地，测量单元6至少包括两层，第一层包括至少两个相同的Hall、AMR或GMR第一测量元件18a与第二测量元件18b，以及逻辑处理单元18c。第二层主要刻蚀有至少四个长方形焊盘19。长方形焊盘19与逻辑处理单元18相连接。参阅图2与图4，底座1设置有至少四个接触电极13，电极13的中空外围套15设有卡扣14，电极包括电源、地线、信号输出引线，用于与测量单元6的焊盘19接触，向外界发送方向盘绝对转角的信号。

本发明中，主动齿轮3的齿数Z大于第一从动齿轮4的齿数Z1和第二从动齿轮5的齿数Z2，使第一从动齿轮4和第二从动齿轮5产生增速转动，且Z1>Z2，Z1和Z2互质。当主动齿轮3从-n圈位置转到+n(n＝0～5)圈位置，第一从动齿轮4转过n1圈，第二从动齿5轮转过n2圈。通过角度芯片测量第一从动齿轮4与第二从动齿轮5转过的角度，测量第一从动齿轮4得到n1个周期角度信号，测量第二从动齿轮5得到n2个周期角度信号，采用游标算法将n1个角度信号作为主尺信号，将n2个角度信号作为游标信号，通过查表得到主动齿轮转过的角度，即方向盘的绝对转角。

参阅图6和图7，本实施例中，主动齿轮3的齿数为90齿、第一从动齿轮4的齿数为37齿，第二从动齿轮5的齿数为8齿。方向盘有效转动范围是±2圈。第一测量元件18a测得第一从动齿轮4上的第一磁性元件4a的第一旋转角度信号为23a，第二测量元件18b测得第二从动齿轮5上的第二磁性元件4b的第二旋转角度信号为23b，逻辑处理单元18c将旋转角度信号23a作为主尺信号，旋转角度信号23b作为游标信号。参阅图6，根据游标信号23b(即旋转角度信号23b)将主尺信号(即旋转角度信号23a)分成37个区间，并事先将这些区间值写入逻辑处理单元18c中，逻辑处理单元18c根据第一测量元件18a和第二测量元件18b输出的实际信号进行查表确定该信号存在于在哪一个区间中，最后逻辑处理单元18c将区间值加上主尺信号值得到方向盘的绝对角度信号24，绝对角度信号24如图7。本例中方向盘在-2圈时对应角度为0°，复位时对应720°，+2圈时对应1440°。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (6)

1.一种方向盘转角传感器，其特征在于，包括：

底座(1)与顶盖(2)，其中央设有中空部，所述底座(1)与所述顶盖(2)相互配合并通过螺栓(7)固定；

主动齿轮(3)，其设置在所述底座(1)与所述顶盖(2)之间，所述主动齿轮(3)与方向盘固定并以所述中空部为轴心转动；

第一从动齿轮(4)，其固定在所述底座(1)内，并与所述主动齿轮(3)啮合，所述第一从动齿轮(4)的中央设有第一磁性元件；

第二从动齿轮(5)，其固定在所述底座(1)内，并与所述主动齿轮(3)啮合，所述第二从动齿轮(5)的中央设有第二磁性元件；所述第一从动齿轮(4)的齿数与所述第二从动齿轮(5)的齿数互为质数；

测量单元(6)，其设置在所述底座(1)与所述顶盖(2)之间，用于测量所述第一磁性元件与第二磁性元件的旋转角度，根据所述旋转角度计算所述方向盘的绝对转角；所述测量单元(6)包括第一测量元件、第二测量元件与逻辑处理单元；所述第一测量元件正对于所述第一磁性元件设置，用于测量所述第一磁性元件的旋转角度；所述第二测量元件正对于所述第二磁性元件设置，用于测量所述第二磁性元件的旋转角度；所述逻辑处理单元分别与所述第一测量元件及所述第二测量元件连接，用于根据所述第一磁性元件及所述第二磁性元件的旋转角度计算所述方向盘的绝对转角；所述逻辑处理单元将所述第一磁性元件的旋转角度作为主尺信号，将所述第二磁性元件的旋转角度作为游标信号，利用游标法计算所述方向盘的绝对转角。

2.如权利要求1所述的方向盘转角传感器，其特征在于，所述主动齿轮(3)的轴心为一中空柱体部(16)，所述中空柱体部(16)底部的外缘设有轮齿；所述中空柱体部(16)嵌在所述中空部上自由旋转；所述中空柱体部(16)的空心内表面设有轴向定位件(17)，用于与所述方向盘固定并同步旋转。

3.如权利要求1所述的方向盘转角传感器，其特征在于，所述第一测量元件与第二测量元件为角度芯片，所述角度芯片为HALL芯片、AMR芯片或者GMR芯片。

4.如权利要求1所述的方向盘转角传感器，其特征在于，所述底座(1)内部进一步设置有第一齿轮定位件(10)与第二齿轮定位件(11)，所述第一从动齿轮(4)嵌在所述第一齿轮定位件(10)上并绕所述第一齿轮定位件(10)旋转，所述第二从动齿轮(5)嵌在所述第二齿轮定位件(11)上并绕所述第二齿轮定位件(11)旋转。

5.如权利要求1所述的方向盘转角传感器，其特征在于，进一步包括：所述底座(1)设置有第一中空定位柱(12)，所述顶盖(2)设置有第二中空定位柱(22)，所述第一中空定位柱(12)与所述第二中空定位柱(22)相互配合，所述第一中空定位柱(12)与所述第二中空定位柱(22)的内部设有螺纹，用于固定所述螺栓(7)。

6.如权利要求5所述的方向盘转角传感器，其特征在于，进一步包括：所述测量单元(6)的边缘设置有定位孔(20)，所述定位孔(20)与所述第一中空定位柱(12)配合，用于固定所述测量单元(6)。