CN109959331B

CN109959331B - 多冗余位置传感器装置

Info

Publication number: CN109959331B
Application number: CN201811464730.1A
Authority: CN
Inventors: J·M·科洛姆; O·F·里巴斯
Original assignee: Fico Triad SA
Current assignee: Fico Triad SA
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: JP7099942B2; US20190170833A1; CN109959331A; EP3495830A1; JP2019101044A; EP3495830B1; US11054487B2

Abstract

本发明涉及多冗余位置传感器装置。用于检测换档装置(10)中的换档杆(20)的位置的多冗余位置传感器装置(100)包括第一磁传感器(200)和面向第一磁传感器(200)的第二磁传感器(300)，所述传感器(200、300)之一是双管芯磁传感器。极化磁体(400)布置在传感器(200、300)之间，使得它可以以至少一个自由度旋转，由此基于极化磁体(400)相对于第一和第二磁传感器(200、300)的角位置的信号可以被输出以控制车辆变速器，所述角位置与换档杆位置相对应。

Description

多冗余位置传感器装置

技术领域

本公开涉及用于机动车辆的电子换档装置，并且具体地涉及用于检测所述换档装置中的换档杆的位置以控制车辆变速器的装置。

背景技术

当前的电子换档装置包括位置传感器，用于检测换档杆的位置，基于此将电信号输出到机动车辆中的电子控制单元(ECU)以控制变速。在已知的换档装置中，将输出到ECU的所述信号与预定值进行比较，以便确定它们是否正确。

当前电子变速杆中使用的位置传感器的示例是三维霍尔效应传感器，其布置成检测附接到换档杆的磁体在三个不同空间轴线上的位置。传感器将电信号输出到机动车辆中的ECU，以便根据检测到的换档杆位置来控制变速器。

另外，为了安全起见，检测换档杆位置的冗余是当前变速杆的重要要求。有了冗余，即使在传感器出现故障的情况下，也可以检测到当被致动以控制车辆变速器时换档杆的位置。

冗余位置检测装置可以执行换档杆位置的附加确定，以便即使在至少一个位置传感器失效或出现故障的情况下也适当地确保车辆变速器的控制的安全性。当换档杆的两个或更多个位置传感器输出不同信号时，可能发生至少一个位置传感器出现失效或故障的这种情况。结果，档位传感器装置可能提供换档杆位置的错误指示。在某些情况下，如果传感器发生故障，也有可能执行安全操作。安全操作可以是例如停止机动车辆，将变速杆设置到确定的安全变速位置等。警告信号也可以单独产生或与安全操作组合以便使故障引起车辆司机的注意。

通过使用多个磁传感器来提供冗余，所述多个磁传感器通常布置在同一平面上并且彼此相邻。在这种情况下，为了确保所有传感器都检测换档杆位置，磁体必须是大尺寸的或必须使用多个磁体。否则，磁体不能被所有磁传感器都正确地检测，并且它们的信号将是不可靠的。冗余级别越高，所需的磁传感器的数量越大，因此磁体或所需磁体的数量越大。使用诸如传感器、磁阻元件等多个部件来提供多重冗余使得组件体积庞大，具有不希望的重量和复杂性，导致已知位置传感器装置的高成本，这也占用了需要大安装空间的大量空间。

US2016265895公开了一种传感器装置，其包括多个第一和第二磁阻元件。磁阻元件包括在基板上线性排列的铁磁和非磁层的叠层。永磁体布置在第一和第二磁阻元件之间。永磁体可以沿纵向轴线移位，使得可以导出磁场源沿纵向轴线的位置。

多层磁阻元件仍然使组件不合需要地复杂和昂贵。另外，已经发现，利用上述结构，由磁阻元件检测的磁场根据磁体和磁阻元件之间的距离而急剧减小。

因此，需要一种换档杆位置传感器装置，利用该换档杆位置传感器装置可以在降低成本的同时精确且准确地检测换档杆的位置。

发明内容

本位置传感器装置的目的是增强控制车辆变速器的安全性。这是通过在确定机动车辆换档装置中的换档杆的位置时提供多重冗余(例如双重、三重冗余或甚至更高)以及高精度来实现的。由于本位置传感器装置的有利配置，上述目的以最少数量的部件获得，由此有利地降低了复杂性并因此降低了成本。

本多重冗余位置传感器装置可以是机动车辆换档装置中的检测模块的一部分，用于检测换档杆的位置，以便将电信号输出到机动车辆中的电子控制单元(ECU)，以便根据检测到的换档杆位置控制变速器。

本传感器装置包括第一磁传感器和第二磁传感器。两个磁传感器彼此面对地布置。第一几何轴线由第一和第二磁传感器限定。这种第一几何轴线可以例如由垂直于两个磁传感器的线限定。

一个磁传感器是双管芯磁传感器。两个磁传感器都是双管芯磁传感器的实施方式当然是可能的。在一个优选示例中，第一磁传感器是单管芯磁传感器，第二磁传感器是双管芯磁传感器。这种布置可以提供三重冗余。

双管芯磁传感器包括第一和第二传感器管芯，也称为硅晶片或硅管芯，它们被集成在彼此分开的单个小封装中。传感器管芯被配置为彼此独立地操作以提供冗余。

极化磁体布置在第一磁传感器和第二磁传感器之间。极化磁体布置在磁传感器之间，使得它可以以至少一个自由度旋转。例如，极化磁体可以布置成使得它可以围绕第二几何轴线旋转。所述第二几何轴线可以是例如极化磁体的纵向几何轴线。可选地，极化磁体可以布置成围绕磁体自身中的点上的倾斜轴线旋转。

两个磁传感器都被配置为检测极化磁体的旋转运动，例如极化磁体在三个空间轴线上的运动，例如，当传感器是三维类型时。结果，基于极化磁体相对于第一和第二磁传感器的角位置的针对每个传感器管芯的一个信号可以输出到ECU以控制车辆变速器，所述角位置对应于换档杆位置。然后，所述信号由ECU相互比较，以获得换档杆位置。

在本传感器装置的一个示例中，第一几何轴线和第二几何轴线彼此重合或平行。然而，在另一个不同的示例中，第一几何轴线和第二几何轴线彼此垂直。不排除第一几何轴线和第二几何轴线的其它不同的相对布置。

可以设想，在使用中，第一和第二磁传感器之间的极化磁体的旋转运动进一步通过第二几何轴线相对于第一几何轴线的偏离而被组合。不排除第一和第二磁传感器之间的极化磁体的其它不同旋转，例如围绕点旋转。

还可以提供磁体支撑件以支撑极化磁体。磁体支撑件的一个示例可以是球接头，其可以例如包括适于在其中接收极化磁体的球构件。可能优选的是，球构件被配置成使得极化磁体以该极化磁体不相对于球构件移动的方式装配在其中。因此，球构件被配置成，随着球构件被驱动，例如随着使用者致动换档杆，使极化磁体相对于第一和第二磁传感器旋转。结果，允许极化磁体根据两度或自由度或三度或自由度移动。应注意，除了球接头之外的接头可以替代地用于在其中接收极化磁体，例如圆柱形接头。

在一个优选示例中，极化磁体具有两个相对的面。极化磁体的每个面中都包括至少一个北极和至少一个南极。这是径向极化磁体的情况。

在另一个优选实例中，极化磁体的一个面中包括单个北极，而极化磁体的另一个面中包括单个南极。这是纵向极化磁体的情况

尽管第一和第二磁传感器可以是二维磁传感器，但优选的是第一和第二磁传感器是三维磁传感器。

可以提供两个印刷电路板(PCB)。具体地，第一磁传感器可以连接到第一PCB，第二磁传感器可以连接到第二PCB。两个PCB可以彼此电连接，例如，通过合适的电连接器，虽然这不是必需的。第一和第二PCB之间的连接不是必不可少的。最重要的一点是传感器信号到达ECU以确定磁体位置。

在极化磁体的中心和第一印刷电路板之间限定了分隔距离。在极化磁体的中心和第二印刷电路板之间也限定了间隔距离。可能有利的是，所述间隔距离随着极化磁体旋转而保持恒定，例如当使用者致动换档杆而被驱动时。

上面已经描述的传感器装置提供了增加的可靠性和真正的冗余。这是由这样一种传感器装置实现的，由于仅需要单个极化磁体，所以由于更简单而降低了复杂性并因此降低了成本。由于提供双管芯磁传感器，与提供并联组装的两个单管芯传感器相比，整体尺寸也有利地减小，这导致尺寸减小。而且，当第一磁传感器是单管芯磁传感器而第二磁传感器是双管芯磁传感器时，与第一磁传感器相关联的印刷电路板尺寸小。

本文还描述了一种换档装置。本发明的换档装置包括可移动以控制车辆变速器的换档杆和如上所述的多冗余位置传感器装置，用于检测换档杆的位置，以便将电信号输出到机动车辆中的电子控制单元(ECU)，以便根据检测到的换档杆位置控制变速器。

在本换档装置中，如上所述，极化磁体布置在第一和第二磁传感器之间，使得随着使用者致动换档杆，磁体可以以至少一个自由度旋转。作为极化磁体的旋转运动的结果，由于比较至少三个不同的信号，基于其相对于第一和第二磁传感器的角位置的更可靠的信号被输出以控制车辆变速器。

本换档装置还可包括上述球接头，用于在其中接收极化磁体。球接头构造成随着换档杆被致动而使极化磁体相对于第一和第二磁传感器旋转。与球接头不同的其它接头可以替代地用于在其中接收极化磁体。

本换档装置可以配置成使得换档杆具有一个自由度或两个自由度。还设置有连接杆，用于将换档杆机械地连接到磁体支撑接头，在磁体支撑接头处接收极化磁体。

可以进一步提供一种限制机构。限制机构优选地形成在换档杆中。然而，限制机构可以形成在连接杆中，或者可选地形成在换档杆和连接杆中。限制机构被构造成在其被致动时锁定换档杆以防绕其自身旋转。限制机构可以由环形成，该环被成形为限制换档杆绕其自身旋转的旋转。

本位置传感器装置的一个重要优点是仅需要单个磁体来获得多冗余，例如三重冗余。根据传感器的类型，可以获得更高级别的冗余。例如，如果第一磁传感器是单管芯磁传感器而第二磁传感器是双管芯磁传感器，则可以提供三重冗余，如上所述。如果第一磁传感器和第二磁传感器都是双管芯磁传感器，则可以提供四倍冗余。因此，可以根据需要容易地增加稳健性，而不需要额外的磁体和传感器来检测换档杆位置。

另一个优点是输出到ECU的至少三个不同信号在多冗余位置传感器装置中与预定值进行比较以确定它们是否正确。

本发明的多冗余位置传感器装置的示例的其它目的，优点和特征对于本领域技术人员来说在阅读说明书后将变得明显，或者可以通过其实践来学习。

附图说明

下面将参考附图通过非限制性示例描述本多冗余位置传感器装置的特定实施方式，其中：

图1是换档杆中的位置传感器装置的一个例子的立体图，该换档杆具有一个自由度以将运动传递到极化磁体；

图2是图1中所示的换档杆的沿图3中AA线的剖视图；

图3是图1中所示的换档杆的俯视图；

图4是换档杆中的位置传感器装置的另一个例子的正视图，该换档杆具有一个自由度以将运动传递到极化磁体；

图5是图4所示的换档杆沿图4中AA线的剖视图；

图6是图4所示的换档杆沿图4中BB线的俯视图；

图7是换档杆中的位置传感器装置的又一个例子的立体图，该换档杆具有两个自由度以将运动传递到极化磁体；

图8是图7中所示的另一个换档杆沿图9中AA线的剖视图；

图9是图7中所示的换档杆的俯视图；和

图10是换档杆的立体剖视图，更详细地示出了连接杆。

具体实施方式

本位置传感器装置100的三个有利示例在下面给出并且在附图中示出，附图示出了机动车辆换档装置10，在该机动车辆换档装置中安装有所述位置传感器装置100。

附图中所示的换档装置包括可移动地安装在壳体中的换档杆20。换档杆20可以由使用者致动以控制车辆变速器。换档装置10还包括多冗余位置传感器装置100，用于在换档杆20被致动时检测换档杆20的位置。未示出的电子控制单元(ECU)根据检测到的换档杆20的位置而被输入电信号，以便控制变速器。

单管芯磁传感器200由单个传感器管芯形成。双管芯磁传感器300由集成在单个封装中的两个传感器管芯形成，这两个传感器管芯彼此分开以便彼此独立地操作以提供双冗余。结果，磁传感器200、300的组合在检测换档杆20的位置时提供三重冗余，以适当地确保车辆变速器控制的安全性，即使在至少一个传感器装置失效或出现故障的情况下也是如此，这可能在由三个传感器管芯提供的对应于换档杆20的位置的信号不同时发生。

极化磁体400布置在第一和第二磁传感器200、300之间。极化磁体400布置成使得随着使用者致动换档杆20而旋转以控制车辆变速器。

利用上述配置，基于极化磁体400相对于三个传感器管芯的角位置并且对应于换档杆20的位置的三个信号可以输出到ECU以控制车辆变速器。然后，ECU将来自至少三个信号的值相互比较，以检测换档杆20的位置。

垂直于第一和第二磁传感器200、300的线限定第一几何轴线Y1。极化磁体400可围绕其旋转的线限定第二几何轴线Y2。在图4、图5和图6所示的例子中，极化磁体400是径向型的，北极和南极在同一面上。如图4、图5和图6所示，第二几何轴线Y2对应于极化磁体400的纵向几何轴线450。在图1、图2和图3所示的例子中，极化磁体400是纵向型的，一个面上有北极，另一个面上有南极。第二几何轴线Y2垂直于极化磁体400的纵向几何轴线450。在图4至图6所示的本传感器装置100的示例中，第一几何轴线Y1和第二几何轴线Y2彼此重合。在图1至图3中所示的本传感器装置100的示例中，第一几何轴线Y1和第二几何轴线Y2彼此垂直。在图7至图9中，没有定义纵向几何形状。

在使用中，可以进一步允许第一和第二磁传感器200、300之间的极化磁体400的旋转运动，以便检测具有两个自由度的运动。

在图1至图3和图7至图10所示的示例中，提供了纵向类型的极化磁体400，即，在一个面中具有北极，在相对面中具有南极。在这种情况下，传感器装置100包括能够检测两个自由度的运动的三维磁传感器200、300，因此适合于检测纵向极化磁体400围绕水平旋转轴线Y2的旋转。

在图4至图6所示的示例中，提供了径向类型的极化磁体400，即，在同一面中具有北极和南极。在这种情况下，传感器装置100包括能够检测一个自由度的运动的二维磁传感器200、300，因此适合于检测径向极化磁体400围绕竖直旋转轴线Y1的旋转。

如图8所示，提供了球接头500。所述球接头500包括球构件550，球构件550适于在其中容纳纵向类型的极化磁体400，其中一个面中有北极，相对面中有南极。纵向极化磁体400被接收到球构件550中，使得它们在使用时不会相对于彼此移动。因此，球构件550构造成在该球构件550被致动时使极化磁体400相对于第一和第二磁传感器200、300移动。

还提供了两个印刷电路板(PCB)250、350。具体地，第一磁传感器200连接到第一PCB 250，第二磁传感器300连接到第二PCB 350。两个PCB通过连接器彼此电连接。如可以看到的，与单管芯磁传感器200相关联的PCB 250的尺寸小于与双管芯磁传感器300相关联的PCB 350的尺寸。

第一距离d1限定在极化磁体400的中心与第一磁传感器200之间。第二距离d2限定在极化磁体400的中心与第二磁传感器300之间。随着极化磁体400因使用者致动换档杆20而被驱动旋转，两个距离d1、d2保持恒定，即，它们不会变化。在第一和第二磁传感器200、300与极化磁体400之间总是存在间隙。

为了锁定换档杆20以防在其被使用者致动时绕其自身旋转，提供了限制机构。如图10中详细示出的，限制机构被构造成在使用时限制换档杆20或连接杆600或这两者绕其自身的旋转。可以设计至少两个限制机构的示例。在第一示例中，如图1至图5所示，限制机构700与换档杆20相关联。在第二示例中，如图8所示，限制机构750与连接杆600相关联，连接杆600将换档杆20机械地连接到球接头550，如下所述。

本换档装置10中的换档杆20可构造成具有一个自由度，如图1至图6所示；或具有两个自由度，如图7至图10所示。

如上所述，换档装置10可以配置成使得换档杆20具有一个自由度或两个自由度以将旋转传递到极化磁体400。

在如图7所示的具有两个自由度的换档杆20中，设置有连接杆600，其将换档杆20机械地连接到球接头550，极化磁体400附接到球接头550。

在具有一个自由度的换档杆20中，可以不需要连接杆600，并且可以简化换档装置10。具有一个自由度的换档杆20仍然可以包括具有固定轴线的连接杆600，其可以在换档杆20被致动时围绕该固定轴线旋转。

在上述任何示例中，当以高精度检测机动车辆换档装置10中的换档杆20的位置时，多冗余位置传感器装置100提供了更高的稳健性，更高的可靠性和真正的冗余度。由于部件数量减少，因此仅需要单个极化磁体400就可以更简单地实现这一点。而且，由于极化磁体400仅执行旋转运动，因此与具有多个并行组装的单管芯传感器的执行线性运动的现有技术检测装置相比，实现了尺寸减小的紧凑系统。结果，有利地降低了成本，同时还提高了控制车辆变速器的安全性。

尽管本文仅公开了本多冗余位置传感器装置的多个特定实施方式和示例，但是本领域技术人员将理解，其它替换示例和/或用途以及其显而易见的修改和等同物是可能的。例如，尽管霍尔传感器元件的使用是优选的，因为它们能够测量几乎相同的磁场并因此确保同步输出信号，但是可以使用其它不同的传感器元件。

此外，本公开涵盖所描述的特定示例的所有可能组合。

与附图相关并放在权利要求中的括号中的附图标记仅用于试图增加权利要求的可理解性，并且不应被解释为限制权利要求的范围。

因此，本公开的范围不应受特定示例的限制，而应仅通过公平阅读所附权利要求来确定。

Claims

1.一种用于检测换档装置(10)中的换档杆(20)的位置的多冗余位置传感器装置(100)，该传感器装置(100)包括：

第一磁传感器(200)，所述第一磁传感器(200)位于第一印刷电路板(250)上；

面向所述第一磁传感器(200)的第二磁传感器(300)，所述第二磁传感器位于所述第一磁传感器(200)和所述第一印刷电路板(250)下方的第二印刷电路板(350)上，其中所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)中的至少一者是双管芯磁传感器，由所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)限定与所述第一磁传感器(200)和所述第二磁传感器(300)垂直的第一几何轴线(Y1)，由此使所述第一印刷电路板(250)和所述第二印刷电路板(350)沿着与所述第一几何轴线(Y1)垂直的轴线水平地延伸；以及

极化磁体(400)，所述极化磁体(400)布置在所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)之间，使得所述极化磁体(400)能以至少一个自由度旋转，由此基于所述极化磁体(400)相对于所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)的角位置的信号能被输出以控制车辆变速器，所述角位置与换档杆位置相对应。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，其中，所述极化磁体(400)被布置成使得其能够围绕第二几何轴线(Y2)旋转。

3.根据权利要求2所述的传感器装置(100)，其中，所述第一几何轴线(Y1)和所述第二几何轴线(Y2)彼此重合或平行。

4.根据权利要求2或3所述的传感器装置(100)，其中，在使用中，所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)之间的所述极化磁体(400)的旋转运动进一步通过所述第二几何轴线(Y2)相对于所述第一几何轴线(Y1)的偏离而被组合。

5.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，其中，所述传感器装置还包括用于在其中接收所述极化磁体(400)的磁体支撑件(500)，并且所述磁体支撑件(500)被配置为随着该磁体支撑件(500)被致动而使所述极化磁体(400)相对于所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)移动。

6.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，其中，所述极化磁体(400)具有两个相对的面，每个面中都包括至少一个北极和至少一个南极，或者所述极化磁体(400)的一个面中包括单个北极，而所述极化磁体(400)的另一个面中包括单个南极。

7.根据权利要求2所述的传感器装置(100)，其中，所述第一几何轴线(Y1)和所述第二几何轴线(Y2)彼此垂直。

8.根据权利要求3所述的传感器装置(100)，其中，所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)是二维磁传感器。

9.根据权利要求1、2、5至7中任一项所述的传感器装置(100)，其中，所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)是三维磁传感器。

10.根据权利要求4所述的传感器装置(100)，其中，所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)是三维磁传感器。

11.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，其中，所述极化磁体被布置成使得所述极化磁体(400)与所述第一印刷电路板(250)之间的间隔距离(d1)和所述极化磁体(400)与所述第二印刷电路板(350)之间的间隔距离(d2)在所述极化磁体(400)移动时保持恒定。

12.根据权利要求1或2所述的传感器装置(100)，其中，所述第一磁传感器是单管芯磁传感器(200)，并且所述第二磁传感器是双管芯磁传感器(300)。

13.一种换档装置(10)，该换档装置包括能移动以控制车辆变速器的换档杆(20)以及用于检测所述换档杆(20)的位置的根据权利要求1至12中任一项所述的多冗余位置传感器装置(100)，其中所述极化磁体(400)布置在所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)之间，使得所述极化磁体(400)能随着所述换档杆(20)被使用者致动而以至少一个自由度旋转，由此，基于所述极化磁体(400)相对于所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)的角位置的信号被输出以控制车辆变速器。

14.根据权利要求13所述的换档装置(10)，其中，所述换档装置还包括用于在其中接收所述极化磁体(400)的磁体支撑件(500)，并且该磁体支撑件被配置为随着所述换档杆(20)被致动而使所述极化磁体(400)相对于所述第一磁传感器(200)和第二磁传感器(300)移动。

15.根据权利要求14所述的换档装置(10)，其中，所述换档装置还包括连接杆(600)，该连接杆用于将所述换档杆(20)机械地连接到所述磁体支撑件(500)。