CN103983394A - 一种扭矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭矩传感器，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；第一转子与第二转子，其设置在底座与顶盖之间，第一转子与第二转子以中空部同轴旋转；磁性元件，其设置在第一转子与第二转子之间，与第一转子同步旋转，磁性元件具有至少一对磁极对；至少一个测量元件，其与第二转子连接，与第二转子同步旋转；输出电路，其固定在底座上，并与测量元件电气连接；当第一转子与第二转子之间发生相对转动时，测量元件检测磁性元件磁场强度来测量转动角位移得到扭矩，并通过输出电路输出与扭矩对应的电压信号。本发明采用线性元件直接测量磁性元件的线性磁强分量来测得转动角位移，直接输出电压信号。
Description
技术领域
本发明属于车辆转向传感器技术，尤其涉及一种扭矩传感器。
背景技术
公知地，汽车扭矩传感器也称汽车转向传感器，是汽车转向系统的重要电子部件之一，为转向器ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)实现助力控制提供必需的电压信号。传感器安装在转向柱中，转向柱中间的扭杆作为转向上下轴的连接件，同时传递转向上轴的受力。当方向盘转动后，转向上下轴的相对运动使扭杆发生形变产生扭矩，扭矩传感器通过检测这种形变大小测得扭杆的扭矩，输出两路比例电压信号，提供给转向器ECU决策助力大小，从而控制助力转向电机的动作。
目前汽车助力转向器，尤其是电动助力转向器中普遍采用了电位计式扭矩传感器和电磁感应式扭矩传感器。
电位计式扭矩传感器基于滑动变阻器原理工作，属于接触式器件。转向上下轴发生相对运动时引起多个电刷做相对运动，从而改变厚膜电阻值，直接输出线性电压信号。这种传感器的原理和制造工艺简单，且输出比例电压信号，但工作时产生摩擦容易磨损，久而久之信号噪声俞大，严重影响了扭矩测量精度。
电磁感应式扭矩传感器基于电磁感应原理工作，属于非接触式器件。工作时，铁磁性齿条与漏磁环发生相对位置变化，暴露在两个检测线圈中的铁磁性齿条的面积不同，两个线圈的电感不一样，两个线圈的电压信号存在差值，该差值与扭矩呈线性关系。传感器的性能对齿条的机械加工精度要求极高，实际应用中经常出现感应死区过大，高温条件下零位飘移严重。
发明内容
本发明克服了现有技术中的上述缺陷，提出了一种扭矩传感器。
本发明提出了一种扭矩传感器，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；第一转子与第二转子，其设置在所述底座与所述顶盖之间，所述第一转子与所述第二转子以所述中空部同轴旋转；磁性元件，其设置在所述第一转子与所述第二转子之间，与所述第一转子同步旋转，所述磁性元件具有至少一对磁极对；至少一个测量元件，其与所述第二转子连接，与所述第二转子同步旋转；输出电路，其固定在所述底座上，并与所述测量元件电气连接；当所述第一转子与所述第二转子之间发生相对转动时，所述测量元件检测所述磁性元件磁场强度来测量转动角位移得到扭矩，并通过所述输出电路输出与所述扭矩对应的电压信号。
本发明提出的扭矩传感器中，所述磁性元件为环形，所述磁性元件包括至少一对磁极对。
本发明提出的扭矩传感器中，所述测量元件的数量等于所述磁极对的数量。
本发明提出的扭矩传感器中，所述测量元件的感应面正对所述磁极对所在的径向平面。
本发明提出的扭矩传感器中，所述测量元件为线性元件，包括HALL元件、ARM元件与GMR元件。
本发明提出的扭矩传感器中，所述第一转子设置有第一限位件，所述第二转子设置有第二限位件；所述第二限位件上具有与所述第一限位件相对应的配合部；
当所述第一限位件与所述配合部不相配合时，所述第一转子与所述第二转子分别自由旋转；当所述第一限位件与所述配合部相配合时，所述第一转子与所述第二转子联动旋转。
本发明提出的扭矩传感器中，所述磁性元件通过嵌设在所述第一限位件中与所述第二转子固定。
本发明提出的扭矩传感器中，所述输出电路包括输出电极阵列与至少一个环形跑道电极，每一个所述环形跑道电极分别与所述输出电极阵列中的一个电极电气连接，每个所述测量元件设置有至少一个电刷，所述测量元件通过所述电刷与所述环形跑道电极接触，向所述输出电极阵列输出所述电压信号。
本发明提出的扭矩传感器中，所述顶盖的内部设有凸起的定位件，所述定位件与所述第一转子的轮廓对应，用于减少所述第一转子旋转时的轴向跳动。
本发明的扭矩传感器作为转向传感器应用于汽车助力转向系统中，尤其是电动助力转向器系统中，创新地采用线性元件直接测量转动角位移的方法，从而测得扭杆形变产生的扭矩，巧妙设计了被测环形元件和转动装置，结构紧凑，装配简单。本发明中的磁性元件采用稀土材料，通过改变磁性元件的尺寸来控制线性磁强分量所在的角位移区域的大小，避免了传统的塑胶多极磁栅的材料和充磁工艺要求高、磁栅磁强弱的缺点。
附图说明
图1是本发明扭矩传感器的立体结构图。
图2是本发明扭矩传感器中底座和顶盖的结构图。
图3是本发明扭矩传感器的第一转子与第二转子的结构图。
图4是本发明扭矩传感器的测量元件与输出电路的结构图。
图5是本发明扭矩传感器中具有两对磁极对的磁性元件的示意图。
图6是本发明扭矩传感器中具有两对磁极对的磁性元件的磁力线走向示意图。
图7是本发明扭矩传感器测量的角位移信号的直线图；其中，图7A是实施例中大型磁性元件转动产生的角位移信号；图7B是实施例中小型磁性元件转动产生的角位移信号。
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。
本发明扭矩传感器包括：底座1、顶盖2、第一转子4、第二转子5、磁性元件、测量元件7与输出电路8。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3固定。第一转子4与第二转子5设置在底座1与顶盖2之间，第一转子4与第二转子5以中空部同轴旋转。磁性元件6设置在第一转子4与第二转子5之间，与第一转子4同步旋转，磁性元件6具有至少一对磁极对。测量元件7的数量为一个或多个，其与第二转子5连接，与第二转子5同步旋转。输出电路8固定在底座1上，并与测量元件7电气连接。当第一转子4与第二转子5之间发生相对转动时，测量元件7检测磁性元件6磁场强度来测量转动角位移得到扭矩，并通过输出电路8输出与扭矩对应的电压信号。
图1显示的是本发明扭矩传感器。扭矩传感器从上至下依次设有顶盖2、第一转子4、磁性元件6、第二转子5、测量元件7、输出电路8与底座1。扭矩传感器为中空的，顶盖2与底座1的中央设有中空部，第一转子4与第二转子5以该中空部为轴心设置，两者可同轴旋转。磁性元件6与第一转子4固定，测量元件7与第二转子5固定，当第一转子4与第二转子5发生相对旋转时，测量元件7通过检测磁性元件6的磁场强度分量来测量磁性元件6的角位移，进而得到与扭矩相对应的电压信号。输出电路8始终与测量元件7接触，用于输出测量元件7的电压信号。
参阅图2，底座1的中央设有中空部10，顶盖2的中央设有中空部11，二者上下同轴设置并通过螺钉3固定。本实施例中，螺钉3包括4个螺钉：螺钉3a、3b、3c、3d分别通过顶盖2的中空定位柱18a、18b、18c、18d和底座1的中空定位柱16a、16b、16c、16d，螺钉3a、3b、3c、3d分别与中空定位柱16a、16b、16c、16d中螺纹相互配合将底座1与顶盖2紧固。顶盖2上设置有向下凸起的中心定位件13，第一转子4中央凸起的环形柱体部32(参阅图3)嵌套在中心定位件13上自由转动。底座1上设置有向上凸起的定位件12，第二转子5的中空柱体部22(参见图3)嵌套在定位件12上自由转动，
进一步地，顶盖2内绕第一转子4的边缘设置有凸起的环形定位件14，环形定位件14与第一转子4的外轮廓相对应，用于减少第一转子4转动时的轴向跳动。底座1沿中空部10的边缘设置有向上凸起的定位件12，用以定位第二转子5与输出电路8。
参阅图3，环形柱体部32的内表面设置有多个轴向定位卡爪21，本实施例中为6个轴向定位卡爪21。轴向定位卡爪21向顶盖2的中空部11延伸，与汽车转向器中的转向输入轴连接并固定，从而使第一转子4与转向输入轴同步转动。第二转子5中的中空柱体部22的内表面设置有多个轴向定位卡爪24，轴向定位卡爪24向底座1的中空部10延伸，与汽车转向器中的转向输出轴连接，从而使第二转子5与转向输出轴同步转动。
进一步地，第一转子4的边缘设置有向下凸起的至少一个第一限位件20，第二转子5上设置有向上突起的第二限位件21。第二限位件21之间设置有与第一限位件20相对应的配合部。当第一限位件20与配合部错开时，第一转子4与第二转子5可自由旋转，当第一限位件20与配合部相互配合时，第一转子4与第二转子5发生联动旋转。
本实施例中，第一限位件20为三个设置在第一转子4边缘的卡爪形结构20a，20b，20c，卡爪形结构20a，20b，20c所对应的圆心角均以θ1表示，卡爪形结构20a，20b，20c用于固定磁性元件6。第二限位件21为环形并且相互分开的三个限位件21a、21b和21c，限位件21a、21b和21c之间的空隙与卡爪形结构20a，20b，20c错开设置，限位件21a、21b和21c之间的空隙所对应的圆心角均以θ2表示，这些空隙形成配合部。当限位件20的卡爪在限位件21的空隙中±(θ2-θ1)/2范围转动时，第一转子4在第二转子5限定的范围自由转动；超过±(θ2-θ1)/2时，卡爪形结构20a，20b，20c分别与限位件21a、21b和21c碰触，使得第二转子5随第一转子4一起联动。
本实施例中，磁性元件6还能以粘结等方式固定在第一转子4上。除卡爪形结构以外，第一限位件20可以是其他与配合部相对应的形状。
参阅图5，本发明中的磁性元件6为一个环形的磁环，磁性元件6具有至少一对磁极对。若磁性元件6的磁极对数量为n，则产生n个线性磁强区。当磁性元件6具有两对磁极对时，其磁力线走向示意图如图6所示，其中产生的两个线性磁强区如图6所示的H1与H2，在一定角位移区域内，磁场强度分量大小与角位移成正比。本发明的磁性元件6采用径向充磁，优选稀土钕铁硼或者钐钴，通过改变磁性元件6的尺寸来控制线性磁强分量所在的角位移区域的大小，克服了传统的塑胶多极磁栅的材料和充磁工艺要求高、磁栅磁强弱的缺陷。
参阅图4，测量元件7为线性元件，用于直接检测所述线性磁强分量测得角位移大小来输出电压信号，线性元件为Hall元件、AMR元件或者GMR元件。若磁性元件6的磁极对数量为n，则测量元件7的数量同为n(其中，n为正整数)。测量元件7分别设置在磁性元件6的n个线性磁强区中间，测量元件7的感应面正对磁性元件6的磁极对所在的径向平面。本实施例中，磁性元件6的磁极对为两对，两个测量元件7呈180°设置在第二转子5上，与第二转子5同步旋转。
参阅图4，本实施例中两个测量元件7a，7b分别设置在L型的两个测量电路板9a，9b上。以测量电路板9a为例，测量电路板9a分为两层，其上层设置测量元件7a，其下层设置多个电刷29a，29b，29c，电刷29a，29b，29c与测量元件7a相连接。同样地，电刷29d，29e，29f与测量元件7b相连接。第二转子5设置有凹槽23a，23b(参阅图3)，测量电路板9a，9b的短边分别嵌入凹槽23a，23b中与第二转子5固定。第二转子5上进一步设有多个凹槽，便于根据磁极对的数量调整测量元件7的数量及位置。
参阅图4，输出电路8至少包括两层，第一层刻蚀有四个环形跑道电极28a、28b、28c、28d，第二层刻蚀有输出电极阵列27。输出电极阵列27包括四个长方形的输出电极27a、27b、27c、27d，输出电极27a、27b、27c、27d分别与环形跑道电极28a、28b、28c、28d连接。在第二转子5旋转时，测量元件7的电刷29始终与环形跑道电极28a、28b、28c、28d接触，从而将测量元件7的电压信号传输至输出电极阵列27中。参阅图2，底座1设置有多个接触电极15，接触电极15包括电源、地线、信号输出引线，接触电极15设置在中空外围套19中，中空外围套19设有卡扣17固定。接触电极15与输出电极阵列27相接触，将电压信号从扭矩传感器中引出，输出两个测量元件7的两路与扭矩相对应的电压信号。
输出电路8的外缘设置有定位孔26a、26b、26c、26d。定位孔26a、26b、26c、26d分别与底座1内的中空定位柱16a、16b、16c、16d相互配合，从而将输出电路8固定在底座1中。
参阅图7，线性磁强区H1和H2的大小由磁性元件6的尺寸决定，图7A是大型磁性元件直径为66mm得到的两路电压信号30a和30b，角位移区可以达到±8mm。图7B是小型磁性元件直径为50mm得到的两路电压信号31a和31b，角位移区减小至±5mm。
本实施例中，第一限位件20的卡爪形结构20a，20b，20c对应的圆心角都设为25°，第二限位件21的限位件21a、21b和21c之间的空隙对应的圆心角都设为是50°，通过精确设置的机械角度来限制卡爪形结构20a，20b，20c在空隙中的转动范围。卡爪形结构20a，20b，20c在不转动时分别停在空隙中间位置，同时由于磁性元件6没有位移，与磁性元件6的两个线性磁强区相对设置的两个测量元件7没有检测到磁强分量的变化，测量元件7输出的电压信号为零，表示。若卡爪形结构20a，20b，20c向左或向右转动0～12.5°，由于磁性元件6产生位移，两个测量元件7检测到磁强分量的变化，输出与位移量成正比的电压信号。直径66mm和50mm的磁性元件本身的尺寸直接可控，可精确控制线性磁强区的大小。在结构上，角度限位简单，可精确控制。整个测量过程中，磁性元件与测量元件无接触摩擦。
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 (9)
1.一种扭矩传感器，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(3)固定；
第一转子(4)与第二转子(5)，其设置在所述底座(1)与所述顶盖(2)之间，所述第一转子(4)与所述第二转子(5)以所述中空部同轴旋转；
磁性元件(6)，其设置在所述第一转子(4)与所述第二转子(5)之间，与所述第一转子(4)同步旋转，所述磁性元件(6)具有至少一对磁极对；
至少一个测量元件(7)，其与所述第二转子(5)连接，与所述第二转子(5)同步旋转；
输出电路(8)，其固定在所述底座(1)上，并与所述测量元件(7)电气连接；
当所述第一转子(4)与所述第二转子(5)之间发生相对转动时，所述测量元件(7)检测所述磁性元件(6)磁场强度来测量转动角位移得到扭矩，并通过所述输出电路(8)输出与所述扭矩对应的电压信号。
2.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述磁性元件(6)为环形，所述磁性元件(6)包括至少一对磁极对。
3.如权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，所述测量元件(7)的数量等于所述磁极对的数量。
4.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述测量元件(7)的感应面正对所述磁极对所在的径向平面。
5.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述测量元件(7)为线性元件，包括HALL元件、ARM元件与GMR元件。
6.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第一转子(4)设置有第一限位件(20)，所述第二转子(5)设置有第二限位件(21)；所述第二限位件(21)上具有与所述第一限位件(20)相对应的配合部；
当所述第一限位件(20)与所述配合部不相配合时，所述第一转子(4)与所述第二转子(5)分别自由旋转；当所述第一限位件(20)与所述配合部相配合时，所述第一转子(4)与所述第二转子(5)联动旋转。
7.如权利要求6所述的扭矩传感器，其特征在于，所述磁性元件(6)通过嵌设在所述第一限位件(20)中与所述第二转子(5)固定。
8.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述输出电路(8)包括输出电极阵列(27)与至少一个环形跑道电极(28)，每一个所述环形跑道电极(28)分别与所述输出电极阵列(27)中的一个电极电气连接，每个所述测量元件(7)设置有至少一个电刷(29)，所述测量元件(7)通过所述电刷(29)与所述环形跑道电极(28)接触，向所述输出电极阵列(27)输出所述电压信号。
9.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述顶盖(2)的内部设有凸起的定位件(14)，所述定位件(14)与所述第一转子(4)的轮廓对应，用于减少所述第一转子(4)旋转时的轴向跳动。
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