CN110621963B - 具有磁性组件的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有磁性组件的传感器，其中，该磁性组件包含布置在载体上的磁环，该磁环设置用于布置在轴上，其中，磁环由磁性的或能够磁化的弹性的带制成，该带缠绕到载体上并通过粘附固定在该载体上。

Description

具有磁性组件的传感器

技术领域

本发明涉及一种具有磁性组件的传感器，其尤其用于机电的助力转向装置的旋转角度传感器或转矩传感器，以及一种制造传感器的方法，该传感器用于测量机电的助力转向装置的转向轴的绝对转向角。

背景技术

转向角传感器测量汽车方向盘的转弯角度。相应地，概念“转向角”在该说明书中应理解为转向轴以及与其耦合的方向盘的旋转角度，而并非汽车转向的车轮的转弯角度。该信息还由行驶动力学调节装置、电子稳定程序(ESP)所需。在此种旋转角度的确定中，普遍的问题在于，转向轴可能旋转多圈，以将转向系统从转向限位器移动至转向限位器。因此，在通常使用的传感器中需要不断地记录和存储方向盘实际的旋转角度位置，因为常用的角度传感器只能够测量最大360°，但汽车方向盘具有+/-720°(总共四圈)或更大的角度范围。

在转矩传感器中也使用旋转角度传感器。在此，两个彼此邻接的、能够旋转的轴部件通过扭转弹簧弹性地彼此耦合。如果一个轴部件通过由汽车驾驶员施加的转矩而相对于另一轴部件旋转，那么相对旋转角度则基本上与引入的转矩成正比。对于准确地确定转矩重要的是，能够精确地测量旋转角度。

对于上述两个目的使用此种传感器，其中，磁性的部件与轴耦合，并且磁场传感器检测该部件与磁场传感器的相对旋转。

尤其在用于汽车中时，需要该传感器结构的高程度的可靠性，其中，在此种应用中可能出现高温和低温、快速的温度变化以及振动形式的机械负载。该负载对于永磁性的零件、例如磁环在旋转的载体、尤其在汽车转向装置的转向轴上的固定可能造成问题。

由文件WO 2010/031554 A2和WO 2016/096179 A1已知此种结构，其中，磁环安装在套筒状的载体上并在那借助单独的零件形状配合地固定或粘贴。文件EP 1 123 794 A2展示了一种结构，其中，首先为载体套筒设置插件，然后以注塑工艺在其上成型以磁性颗粒填充的塑料材料。后一零件随后构成磁环。

上述三种结构制造都复杂。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种具有磁性组件的此种类型的传感器，其制造简单并尤其防故障。此外，本发明的目的还在于，实现一种用于制造具有磁性组件的特别防故障的传感器的方法。

该目的由本发明的传感器以及方法实现。

在一种具有包含用于布置在轴上的磁性件的磁性组件的传感器中，其中，该磁性件由磁性的或能够磁化的柔性的带制成，该带施加在载体区段或通过粘附固定在载体区段上，传感器对由于温度变动或振动造成的机械负载不敏感，因为该带能够跟随热力造成的载体尺寸的变化，而不会产生可能对磁性材料在载体区段上的放置造成影响的撕裂或塑性变形。此种传感器可优选在汽车转向装置中用作转矩传感器和/或转向角传感器。

在汽车转向装置、即用于汽车的助力转向装置中，包含能够围绕转向轴轴向旋转地支承的转向轴和传感器，该传感器具有与转向轴相连的磁性件和与其共同作用的、空间位置固定的传感单元，根据本发明，磁性件由磁性地或者能够磁化的柔性的带制成，该带施加在转向轴的载体区段上并且通过粘附固定在该载体区段上。

该传感器可包含转矩传感单元和/或转向角传感单元。转矩传感单元测量上转向轴相对于与其通过扭杆相连的下转向轴的旋转而作为向上转向轴手动施加的转矩的衡量标准。与此不同，转向角传感单元则测量转向轴实际的转向角，其中将转矩传感单元与下转向轴结合。

可设置使集成的结构单元具有转矩传感单元和转向角传感单元。在此，转矩传感单元和转向角传感单元节约空间地组装在集成的结构单元内。

载体区段可优选构造为载体，该载体也可构造为单独的零件。但也可考虑并可以在轴本身上构造载体区段，磁性件施加在其上。

也优选的是，载体区段或载体至少区域地构造为柱状、优选圆柱状。在一种优选的实施形式中，载体优选构造为载体套筒，因为该结构形状能够尤其简单并可靠地固定在轴上。带通过缠绕施加到载体区段或载体上，尤其施加到柱状零件或上述载体套筒上。优选柱状、尤其优选圆柱状的套筒形式的载体在此具有对缠绕有利的形状。

然而也可考虑并可能的是，为载体设置平坦的、尤其完全平面的或拱曲的表面区段，带装配、尤其粘贴在该表面区段上。在此，带可以在装配之前优选匹配于表面区段地冲裁。

在此，带可以使用磁性地或能够磁化的材料涂覆。尤其也可以使带由其中包含铁磁性或软磁性颗粒的塑料薄膜制成。带优选在一面自粘地涂覆，从而其能够按照胶带的方式缠绕或粘贴在载体上。

该带可为弹性的且柔性的。但柔性的带即已足够。

一种尤其优选的实施形式规定，带多层地施加到载体上。由此可使带保持得薄并在载体上缠绕足以实现所需材料厚度并首先实现可靠探测所需磁场的那么多层。材料在载体上缠绕地越厚，能够获得的磁场强度则越大。

在根据本发明的用于制造具有包含放置在载体上的磁环的磁性组件的传感器的方法中规定，提供载体，该载体为传感器传感装置的一部分，并还提供磁性的或能够磁化的带，其在另一方法步骤中施加到载体上，载体能够首先设计得使其可靠地与待探测其移动的轴相连。然后能够通过缠绕或粘贴为该载体施加能够磁化的或磁性的带，从而在载体上实现耐久的、弹性的或能够延展的磁性的层。如此制造的传感器结构尤其对在汽车运行时必然存在的温度变动和振动造成的机械应力不敏感。

在根据本发明的方法中，带尤其可以沿着载体优选环形的周面缠绕在载体上，从而最终产生磁环。

带优选具有自粘的涂层，从而其能够通过粘附固定在载体上。优选在载体上缠绕多层的带，从而单个层相对薄并且仍旧实现了多个磁性的层充足的材料厚度。在一种优选的实施形式中，带在施加到载体上之后磁化。

一种替代的实施形式规定，带为环形的橡胶弹性带。此种带可例如由填充了软磁性颗粒的EPDM制成。优选EPDM具有至少60体积百分比(Vol.％)的软磁性填充材料。

在所有前述实施形式中，传感器可有利地用于汽车的助力转向装置中。

附图说明

下文中根据附图进一步阐述本发明优选的实施形式。在此，相同或功能相同的零件在附图中以同样的附图标记标注。其中示出了：

图1示出了具有电机、转矩传感器和转向角传感器的机电的助力转向装置的空间视图，

图2示出了转矩传感器和转向角传感器的集成的结构单元的细节图，

图3示出了布置在转向轴上的集成的结构单元的分解图，

图4由第一侧示出了集成的结构单元的分解图，

图5由第二侧示出了集成的结构单元的分解图，

图6以透视图示出了传感器结构的在运行中旋转的零件，

图7示出了图6中的零件的分解图，

图8示出了在载体套筒上的磁环形式的磁性件，

图9示出了图8中的磁环和载体套筒的另一视图，

图10示出了具有另一载体套筒的磁环，

图11示出了图10中的零件的另一视图，

图12示出了构造在传感齿轮上的磁性件，其根据本发明的方法制造，以及

图13，14和15示出了一种传感器结构，其中，磁性件直接施加在轴上。

具体实施方式

图1至3示出了汽车具有电机2的机电的助力转向装置1，该电机在转向柱上支持驾驶员的转向运动。为了实现支持，电机的转子通过传动装置6、例如蜗轮传动装置与转向轴300的转动耦合。转向轴300具有上转向轴3和下转向轴4，其通过扭杆5彼此相连并能够围绕转向轴轴线301旋转地支承。上转向轴3与未示出的方向盘直接旋转固定地相连。电机2通过传动装置6驱动下转向轴4，该下转向轴与未示出的齿条转向传动装置相连。电机2具有转子位置传感器(RPS)7。此外，设置具有转矩传感单元9和转向角传感单元10的集成的结构单元8。转矩传感单元9检测上转向轴3相对于下转向轴4的旋转作为向上转向轴3手动施加的转矩的衡量标准。转向角传感器10则相反测量下转向轴3实际的转向角。

转矩传感单元9具有与上转向轴3旋转固定地连接的、构造为磁环11(永磁体)的磁性件以及磁轭12。属于其的传感单元13空间位置固定地与电机2的单元相连。

在图4和5中详细地示出了集成的结构单元8的构造。传感单元13具有带有外壳盖15的外壳14以及布置在其中的磁轭16和布置在电路板17上的磁传感器18。磁轭12,16用于将磁通集中在磁传感器18处。

磁传感器18探测与磁环11相连的轴3相对于与磁轭12相连的下轴4的旋转。

除了转矩传感单元9的磁传感器18以外，在电路板17上还设置有转向角传感单元10的传感元件19。

磁环11由第一齿轮20借助指向外部的第一齿部202周侧地环绕，该第一齿轮为转向角传感单元10的一部分。该齿部与转向轴轴线301同心地布置并与下转向轴4旋转固定地耦合。在第一齿轮20的该第一齿部202中啮合第二齿轮21的环绕的指向外部的第二齿部212，该第二齿轮在第一齿轮20上滚动并在外壳14的容纳部中能够围绕第二齿轮轴211旋转地支承。第二齿轮轴211相对于转向轴轴线301平行且偏置地布置。在该第二齿轮21中，第三齿轮23又能够围绕第三齿轮轴231旋转地偏心地引导。相应地，第三齿轮轴231相对于第二齿轮轴211并相对于转向轴轴线301平行且偏置地布置。第三齿轮具有环绕的指向外部的第三齿部232。第四齿轮24的环绕的指向内部的第四齿部242布置在外壳14内的容纳部22中并与第三齿部232啮合，从而该第三齿部232沿着该第四齿部242滚动。齿轮20,21,23构成正齿轮传动装置，其中，所有转轴301,201,211,231彼此平行且彼此偏置地布置。

上转向轴3的旋转运动因此通过传动装置传递至第三齿轮23，在该第三齿轮中布置由磁性件25构成的永磁体。然后，第三齿轮23的旋转借助电路板17上的传感元件19测量。在该示例中，磁性件25构造为磁性带，其粘贴在端面上，如在图12中更清晰地示出。然而替代地也可考虑并可能的是，使磁性的基质25集成在第三齿轮23中或甚至构成整个第三齿轮。

转向角传感单元10的传感元件19优选为霍尔传感器，其相对于第三齿轮23的永磁体或磁性件25静止地布置。

在图6中由另一透视角度示出了随着转向轴3或未示出的下转向轴4旋转的零件以及第三齿轮23。图7中以类似的视角、但以分解视图示出了这些零件。在此，图7示出了沿着转向轴3的纵轴方向成行的磁轭12、磁环11和载体套筒111、该载体套筒在此实施形式中设置用于承载磁环11并尤其也定义其形状。

在图8中进一步示出了由载体套筒111和磁环11组成的磁性组件。磁环11通过将弹性带113缠绕在载体套筒111的外部的圆柱形周面上构成。在此，在图8至10中示出了该带113尚未完全缠绕的状态，从而展示缠绕技术。在制成的状态下，该带完全地缠绕并且应没有带的局部从载体上伸出，如在根据图14的实施例的示例中所示的。弹性的带在此单面涂覆有自粘的粘合剂。该粘贴面朝向载体套筒111的外表面。此外，弹性的带113设计为磁性的或能够磁化的，其中，铁磁性颗粒或者嵌入弹性带113的塑料材料中，或者施加在弹性带113的表面上。承载铁磁性颗粒的表面在此为带113的背离粘贴面的表面，其在图8的示图中朝向外，即方向背离载体套筒111。在图8的示图中，弹性带113尚未完全地缠绕到载体套筒111上。在该优选的实施例中，缠绕过程包括多个工序或多层。在图8中，带113的松散的末端尚未粘贴到位于其下方的、事先缠绕的一圈上，并为了展示带113如何施加到载体套筒111上。一旦带113在载体套筒111上施加了设定的厚度，带则构成磁环11，该磁环或者已经磁化，或者能够在外部的磁场中磁化，从而能够通过磁传感器18探测磁环11的磁场。

图9示出了彼此轴向间隔的磁环11和载体套筒111。该示图展示了磁环11通过将弹性带113自粘地缠绕在载体套筒111的外部圆柱形侧面114上而获得其形状。弹性带113能够延展并因此对于载体套筒111的直径由于热力影响产生的变化不敏感。由于温度变化产生的应力一方面通过带113的弹性和可延展性消除，另一方面通过带113的材料厚度相比于根据开头所述现有技术的传统的一件式且实心的磁环的材料厚度更低而最小化。

在图10中示出了磁环11的另一实施形式。在该实施形式中，设置环形的载体套筒112，其承载其中嵌有或其上施加有铁磁性颗粒的弹性带113并为缠绕物提供所需的环形结构。在此形式中，载体套筒112可或者放置到直径匹配的另一载体套筒111上，或者直接安装到转向轴3上，载体套筒112随后与该转向轴旋转固定地连接。

类似于图9，图10的组件也由两个同心地彼此匹配地嵌入的零件组成，其在图11中彼此间隔地示出。图11明显地示出了在使用弹性带113的条件下由缠绕过程构成的磁环11的外部结构由载体套筒112的外部周面决定。

图12最后示出了具有磁性件或磁性基质25的第三齿轮23，其结构和功能在上文中已经进行了说明。在此实施例中，磁性件25由此构成，即，将弹性带116粘贴到齿轮23的端面117上。借助带116的伸出的区段116a在图中展示了优选事先冲裁成形的带如何一层一层地粘贴。弹性带116在此情况下同样为具有铁磁特性的带，如上文中针对带113所述的那样。带116也在其朝向端面117的内侧自粘地涂覆，从而其通过粘附而持久地固定在端面117上。在该带116中，铁磁颗粒同样或者嵌入材料中，或者布置在其背离粘合层的外表面上。根据图12示出的带116的伸出的区段116a在组装状态下完全地粘贴，这在图6中示例性地示出。

在图13,14和15中示出了根据本发明的一个实施例，其中，磁性件11作为柔性的带113以多层直接地缠绕在轴的载体区段302上，该载体区段与轴一件式地、例如甚至与轴集成地构造。在此，在图13中示出了具有载体区段302的轴300的局部。如图14中所示，柔性的带113围绕载体区段302缠绕。在此，为了构成制成的磁性件11将带的自由末端也压紧，如图15中所示。

Claims (10)

1.用于机动车的助力转向装置(1)，该助力转向装置包含围绕转向轴轴线(301)可旋转地支承的转向轴(300)和具有磁性组件的传感器，其中，该磁性组件包含磁性件(11,25)，所述磁性件(11,25)与所述转向轴(300)旋转固定地相连，所述传感器还包括与该磁性件共同作用的、空间位置固定的传感单元(13)，其特征在于，该磁性件(11,25)由磁性的或能够磁化的柔性的带(113,116)制成，该带施加到转向轴(300)的载体区段(302)上，并通过粘附固定在该载体区段(302)上，所述载体区段(302)包括一个圆柱形区域，所述带以多层缠绕到该区域上。

2.根据权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于，所述载体区段构造为载体(111,112,117)，并且柔性的带(113,116)施加到该载体(111,112,117)上并通过粘附固定在该载体(111,112,117)上。

3.根据权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于，所述带(113,116)涂覆有磁性的或能够磁化的材料。

4.根据权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于，所述带(113,116)为其中包含铁磁性颗粒的塑料薄膜。

5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的助力转向装置，其特征在于，所述带(113,116)具有自粘的涂层。

6.用于制造具有磁性组件和空间位置固定的传感单元(13)的传感器的方法，该磁性组件包含布置在载体(111,117)上的磁性件(11,25)，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

提供载体(111,117)，该载体为传感器的传感装置的一部分，

提供磁性的或能够磁化的弹性的带(113,116)，

将该带(113,116)施加到该载体(111,112)上；

其中，所述带(113,117)沿着载体(111,112)的周面(114)缠绕到所述载体(111,112)上，多层的所述带(113,116)施加到载体(111,112,117)上，且所述带(113,116)通过粘附固定在载体(111,112)上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述带(113,116)在施加到载体(111,112)上之后磁化。

8.根据权利要求6-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述载体与轴(3)相连。

9.根据权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于，所述传感器包含转矩传感单元(9)和/或转向角传感单元(10)。

10.根据权利要求9所述的助力转向装置(1)，其特征在于，集成的结构单元(8)具有转矩传感单元(9)和转向角传感单元(10)。

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