CN111247396B - 包括开关和图案化磁体的旋转位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种旋转位置传感器包括可旋转的图案化环形磁体，在一个实施例中，所述可旋转的图案化环形磁体安装在致动器的输出轴上并且包括多对北极和南极部分，所述多对北极和南极部分围绕所述环形磁体的圆周以交替关系延伸并且限定在所述环形磁体上间隔预定距离的多个周向延伸的磁场切换点，所述多个周向延伸的磁场切换点对应于适于由开关诸如霍尔效应开关感测的所述环形磁体的多个预定的唯一位置。在一个实施例中，所述环形磁体包括在所述环形磁体上具有不同的预定长度和预定位置的多对北极和南极部分以及切换点，所述切换点分别对应于要感测的多个预定环形磁体位置。

Description

包括开关和图案化磁体的旋转位置传感器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年11月7日提交的美国临时专利申请序列号62/582,83的提交日期时的优先权和益处，该申请的公开和内容明确地以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本发明总体涉及一种旋转位置传感器，并且更具体地涉及一种带有包括开关和图案化磁体的旋转位置传感器的致动器。
背景技术
致动器在汽车工业中用于致动车辆发动机部件，包括例如车辆发动机涡轮增压器的叶片。
目前，致动器的位置是经由使用旋转位置传感器而确定的。传统上，已使用感测和测量由磁体产生的磁场的大小和/或方向中的变化的基于霍尔效应传感器的传感器来感测致动器的输出轴的位置。也使用了位置传感器，其包括霍尔效应开关/闩锁和在可旋转输出轴上的简单磁体。反向偏置的霍尔效应开关/闩锁还已与包括适于由霍尔效应开关/闩锁感测的空隙或其他特征的输出轴结合使用。
本发明涉及一种新的、简单的且低廉的旋转位置传感器，其适于用于例如使用开关和被安装到致动器的输出轴的可旋转图案化环形磁体的车辆发动机部件致动器中。
发明内容
本发明总体涉及一种旋转位置传感器，其包括可旋转环形磁体，所述可旋转环形磁体包括至少第一对北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；以及开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的所述相应北极和南极部分的所述长度是预定的以对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的一个或多个位置。
在一个实施例中，所述北极和南极部分具有不同的长度以用于感测所述环形磁体的不同位置。
在一个实施例中，所述环形磁体被安装到致动器的输出轴。
在一个实施例中，所述环形磁体被安装到所述输出轴的端面，并且所述环形磁体相对于所述输出轴在轴向上被磁化。
在一个实施例中，所述开关是霍尔效应开关。
在一个实施例中，所述可旋转环形磁体包括多对北极和南极部分，其围绕所述环形磁体的圆周以交替的北极和南极的关系延伸并且限定围绕所述环形磁体的圆周以预定间隔关系延伸的多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的预定的多个位置。
本发明还涉及一种旋转位置传感器，其适于感测在致动器上的可旋转输出轴的位置，所述旋转位置传感器包括：环形磁体，所述环形磁体被安装到所述输出轴并且可响应于所述输出轴的旋转而旋转，所述环形磁体被磁化为包括多个北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；以及开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体和所述输出轴相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的所述相应北极和南极部分的所述长度对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的多个位置。
在一个实施例中，所述北极和南极部分具有对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的不同位置的不同长度。
在一个实施例中，所述环形磁体被安装到所述环形磁体的端面，并且在与所述输出轴成轴向的方向上被磁化。
在一个实施例中，所述可旋转环形磁体包括多对北极和南极部分，其围绕所述环形磁体的圆周以交替的北极和南极的关系延伸并且限定围绕所述环形磁体的圆周以预定间隔关系延伸的多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的预定的多个位置。
本发明还涉及一种致动器，其包括限定内部腔室的壳体；位于所述内部腔室中的致动器马达；位于包括可旋转的输出齿轮总成的所述壳体内的多个齿轮；以及旋转位置传感器，所述旋转位置传感器包括被安装到所述输出齿轮总成并且可响应于所述输出齿轮总成的旋转而旋转的环形磁体，所述环形磁体被磁化以包括多个北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；以及开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体和所述输出齿轮总成相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的所述相应北极和南极部分的所述长度对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体和所述输出齿轮总成的多个位置。
在一个实施例中，所述环形磁体已经按包括多对沿直径相对的北极和南极部分的图案被磁化，所述多对沿直径相对的北极和南极部分围绕所述环形磁体的圆周以交替且邻接的关系延伸并且限定多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点围绕所述环形磁体的圆周延伸并且对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体和所述输出齿轮总成的所述多个位置。
在一个实施例中，所述开关是霍尔效应开关。
在一个实施例中，所述输出齿轮总成包括输出齿轮，其具有限定适于接纳所述环形磁体的环形腔室的端面。
在一个实施例中，所述输出齿轮的所述端面限定多个凹槽，并且所述环形磁体包括装配在所述多个凹槽内用于使所述环形磁体在所述输出齿轮上分度的多个指状物。
本发明的其他优点和特征将更易于从以下对本发明的优选实施例的详细描述、附图以及随附权利要求而变得明显。
附图说明
可以从以下对附图的描述将最好地理解本发明的这些和其他特征：
图1是根据本发明的并入有旋转位置传感器的致动器的透视图；
图2是图1中所示的致动器的分解透视图；
图3是图1中所示的致动器的竖直横截面视图；
图4是致动器输出齿轮总成的透视图并且描绘出由安装在输出齿轮上的图案化环形磁体的多个磁性南极和北极对产生的磁场的方向；
图5是致动器输出齿轮总成的俯视图并且描绘出安装在输出齿轮上的图案化环形磁体的多个磁性南极和北极对；以及
图6是描绘出本发明的旋转位置传感器的性能的图。
具体实施方式
图1-图5描绘了根据本发明的一种车辆发动机部件致动器10，其并入有旋转位置传感器总成110。
致动器10包括由周向延伸的外部竖直壁22限定的部件壳体20，该周向延伸的外部竖直壁22包括顶部的周向延伸的径向端面或唇缘或凸缘24并且限定了与内部中空部件腔室30连通的顶部壳体开口26。
印刷电路板或基板40以大致正交于竖直壳体壁22的大致水平的关系延伸，安置在壳体壁22的径向端面24之上并且覆盖顶部壳体开口26。
印刷电路板40包括被安装在其顶部和底部的外表面或面上的多个电气部件42，其包括霍尔效应闩锁/开关112，霍尔效应闩锁/开关112在所示实施例中安置在印刷电路板40的顶部外表面或面上。印刷电路板40还限定了延伸通过其本体并且终止于在印刷电路板40的顶部和底部外表面中的相应开口中的一对圆形通孔44和46。
致动器10包括电动致动器马达50，其位于且安置在内部壳体腔室30中。细长可旋转的马达输出轴52在竖直方向以及大致间隔且平行于竖直壳体壁22和正交于印刷电路板40的取向上从马达50向外延伸，并且包括延伸通过在印刷电路板40中限定的通孔44的远侧齿状端54。
致动器10还包括可旋转的中间齿轮总成60，其包括竖直的细长齿轮轴62，该竖直的细长齿轮轴62包括齿状下端64，以及在其上端处的水平行星齿轮66，该水平行星齿轮66带有外部周向延伸的齿状竖直侧面68。
中间齿轮总成60以一种关系位于致动器10中，其中齿状下端64延伸通过限定于印刷电路板40中的通孔46并且进入壳体内部腔室30，以及行星齿轮66以与印刷电路板40的外部上表面间隔开且与其平行的关系和取向位于且定位在致动器10和印刷电路板40的外部，在该关系和取向中，齿轮66的齿状竖直端面68与马达输出轴52的齿状远端54成齿状接合关系。
致动器10仍还包括可旋转的输出齿轮总成70，可旋转的输出齿轮总成70位于内部壳体腔室30中并且包括竖直的细长齿轮轴72和在其上端处的水平行星齿轮74，水平行星齿轮74包括外部周向延伸的齿状竖直侧面76。
输出齿轮总成70以一种关系位于并安置在壳体20的内部腔室30中，其中齿轮轴72以大致间隔且平行于竖直壳体壁22的关系进行取向并且包括联接到壳体20的下基壁29且适于连接到适于由致动器10进行致动的车辆发动机部件的下齿状端78，该车辆发动机部件包括例如车辆发动机涡轮增压器的叶片。行星齿轮74延伸并且以间隔且平行于印刷电路板40的下外表面或面的关系进行取向。
在壳体腔室30中的一对轴承77安装输出轴72以在壳体20中且相对于壳体20旋转。
行星齿轮74包括顶部外径向端表面或面75，其限定延伸至齿轮74的端面75中并且进一步限定多个凹槽79的内部环形且周向延伸的腔室或凹部77。一对相对且间隔开的凹槽79限定在相对的间隔开的齿轮壁中并且延伸至其中，该齿轮壁以共线关系限定环形腔室77，而凹槽79中的另一个则在输出齿轮74上与该对凹槽79间隔开且延伸至限定环形腔室77的齿轮壁中内部齿轮壁中。
根据致动器10的操作，致动器马达50的致动导致马达输出轴52的旋转，这继而导致经由联接到马达输出轴52的中间齿轮66联接到马达输出轴52的致动器中间齿轮总成60的旋转，这继而导致经由联接到中间齿轮轴62的下端64的输出齿轮74联接到中间齿轮总成60的致动器输出齿轮总成70的旋转，这继而导致致动器输出轴72的旋转，这继而导致联接到车辆发动机部件的输出齿轮轴62的下端78的旋转，这继而导致车辆发动机部件(未示出)的激活，诸如例如车辆发动机涡轮增压器的叶片的激活/移动。
致动器10还包括根据本发明的且适于感测输出齿轮轴72的旋转位置且因此感测联接到输出齿轮轴72的车辆发动机部件(未示出)的位置的旋转位置传感器110。
旋转位置传感器110包括图案化环形磁体114，其以大致间隔且平行于印刷电路板40的下外水平表面或面的关系被安装到且安置在输出齿轮总成70的水平行星齿轮74的上外水平端面75上。图案化环形磁体114可响应于输出齿轮轴总成70的齿轮74的旋转而旋转。
具体地并且如图4和图5中所示，图案化环形磁体114安置在限定于输出齿轮74的径向端面75中的环形腔室77的内部中。环形磁体114还包括从环形磁体114的本体的外侧表面或面中的一个或两个向外正交延伸的多个舌片或指状物115。
更具体地，环形磁体114包括从环形磁体114的相对侧以沿直径相对的且共线的关系向外延伸的第一对指状物115。环形磁体114还包括第三指状物115，其在环形磁体114上与该对指状物115间隔开并且从环形磁体114的内侧表面向外延伸。
更具体地，图案化环形磁体114以一种关系安置且位于限定在输出齿轮74的顶部外面中的环形腔室77中，其中在环形磁体114上的该对舌片115分别延伸至限定于输出齿轮74的顶部外面75中的该对凹槽79中，以及在环形磁体1114上的舌片115中的第三个延伸至形成于输出齿轮74的顶部外面75中的凹槽79中的第三个中。
根据本发明，舌片115和凹槽79的组合适于将环形磁体114在输出齿轮74上正确地进行定位/分度，并且该对配合的舌片115和凹槽79防止环形磁体114以逆向/反向关系安置在输出齿轮74上。
旋转位置传感器110还包括霍尔效应开关或闩锁112，其以覆盖环形图案化环形磁体114且大致与其竖直共线对齐的关系和取向被安装和安置在印刷电路板40的顶部外表面上。在所示的实施例中，印刷电路板40位于霍尔效应开关/闩锁112和图案化环形磁体114之间并且使霍尔效应开关/闩锁112与图案化环形磁体114分离。
开关112可以包括适合于感测在图案化环形磁体114的磁极取向的方向中的变化的任何元件，包括例如霍尔效应开关/闩锁、MR(磁共振开关)或TMR(隧道磁阻)开关。
根据本发明，环形磁体114被磁化，以产生包括多个曲线形状并且周向延伸的毗邻且邻接对的北和南磁场极部分或分段的磁场图案，该磁场图案适于允许感测磁体114的多个位置并且因此适于允许感测致动器输出轴总成70的多个唯一且不同的位置，这继而允许确定车辆部件的位置，诸如例如车辆发动机涡轮增压器的叶片的位置。
在图4中所示的实施例中，已按一种方式和磁场图案对环形磁体114进行磁化，该磁场图案包括相对于输出齿轮74在轴向上沿着环形磁体114的圆周延伸的多对北和南磁场极部分或分段。在未示出的另一实施例中，其中环形磁体114围绕输出齿轮74的外周面76，可以按一种方式和磁场图案对环形磁体114进行磁化，该磁场图案包括相对于输出齿轮74在径向上沿着环形磁体114的圆周延伸的多对北和南磁场极分段或部分。
此外，在图4和图5的实施例中，环形磁体114已按一种方式和磁场图案进行磁化，该磁场图案包括多个交替的北(N)极和南(S)极部分或分段，并且更具体地，在所示的实施例中，第一对沿直径相对的和曲线形的北极部分或分段130和132和第二对沿直径相对的和曲线形的南极部分或分段134和136以毗邻、邻接和交替的北极和南极关系围绕环形磁体114的圆周延伸。
更进一步地，在所示的实施例中，环形磁体114按一种关系进行图案化，其中北和南磁极部分或分段130、132、134以及136中的每一个包括与适于被感测的唯一且不同的预定且预先选择的输出轴位置中的每一个对应的不同的预定且预先选择的长度。
更进一步地，根据本发明，具有预定且预先选择的长度的多个磁极部分或分段130、132、134以及136限定并形成多个预定且预先选择的磁极接口或切换点140、142、144和146，即沿着环形磁体114的圆周的多个预定且预先选择的点或位置，其中由环形磁体114产生的磁场的磁化取向/方向从北切换至南，且反之亦然，并且该多个预定且预先选择的磁极接口或切换点对应于适于由霍尔效应开关/闩锁112感测和确定的多个唯一预定且预先选择的输出轴位置。
图6的图描绘出四个切换点140、142、144和146，并且因此四个唯一的输出轴位置适于被感测。
根据本发明，应当理解，形成和限定在环形磁体114中的多个磁极部分或分段130、132、134和136的数量和长度并且因此是沿着环形磁体114的圆周延伸的多个磁极接口或切换点140、142、144和146的数量和位置可以依据适于由霍尔效应开关/闩锁112感测的唯一且单独的输出轴位置的数量而变化。
在不脱离本发明的新颖特征的精神和范围的情况下，可以实现如上所述的对带有旋转位置传感器的致动器的许多变化和修改。应当理解，没有旨在或不应推断出相关于本文所示的特定旋转位置传感器的限制。当然，其旨在由随附权利要求涵盖落在权利要求的范围内的所有这样的修改。

Claims (12)

1.一种旋转位置传感器，其包括：
可旋转环形磁体，所述可旋转环形磁体包括至少第一对北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；
输出轴总成，所述输出轴总成具有限定腔室的端面，所述环形磁体被安装到所述腔室，所述输出轴总成和所述环形磁体两者中的一个限定凹槽，所述输出轴总成和所述环形磁体两者中的另一个包括装配在所述凹槽内用于使所述环形磁体在所述输出轴上索引的指状物；以及
开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的相应北极和南极部分的所述长度是预定的以对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的一个或多个位置。
2.如权利要求1所述的旋转位置传感器，其中所述北极和南极部分中的每一个具有不同的长度以用于感测所述环形磁体的不同位置。
3.如权利要求1所述的旋转位置传感器，其中所述环形磁体相对于所述输出轴总成在轴向上被磁化。
4.如权利要求1所述的旋转位置传感器，其中所述开关是霍尔效应开关。
5.如权利要求1所述的旋转位置传感器，其中所述可旋转环形磁体包括多对北极和南极部分，所述多对北极和南极部分围绕所述环形磁体的圆周以交替的北极和南极的关系延伸并且限定围绕所述环形磁体的所述圆周以预定间隔关系延伸的多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的预定的多个位置。
6.一种适于感测在致动器上的可旋转的输出轴总成的位置的旋转位置传感器，所述旋转位置传感器包括：
环形磁体，所述环形磁体被安装到所述输出轴总成并且能响应于所述输出轴总成的旋转而旋转，所述环形磁体被磁化为包括多个北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；
所述环形磁体被安装到所述致动器的输出齿轮，所述输出齿轮限定适于接纳所述环形磁体的环形腔室的端面以及至少一个第一凹槽，以及所述环形磁体具有装配在所述至少一个第一凹槽内用于使所述环形磁体在所述输出齿轮上索引的至少一个第一指状物；以及
开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体和所述输出轴总成相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的相应北极和南极部分的所述长度对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的多个位置。
7.如权利要求6所述的旋转位置传感器，其中所述北极和南极部分具有对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的不同位置的不同长度。
8.如权利要求6所述的旋转位置传感器，其中所述环形磁体在与所述输出轴总成成轴向的方向上被磁化。
9.如权利要求6所述的旋转位置传感器，其中所述环形磁体包括多对北极和南极部分，所述多对北极和南极部分围绕所述环形磁体的圆周以交替的北极和南极的关系延伸并且限定围绕所述环形磁体的所述圆周以预定间隔关系延伸的多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体的预定的多个位置。
10.一种致动器，其包括：
壳体，所述壳体限定内部腔室；
致动器马达，所述致动器马达位于所述内部腔室中；
多个齿轮，所述多个齿轮位于包括可旋转的输出齿轮的所述壳体内；以及
环形磁体,其被安装到所述输出齿轮并且能响应于所述输出齿轮的旋转而旋转，所述环形磁体被磁化以包括多个北极和南极部分，所述北极和南极部分中的每一个具有长度；
所述输出齿轮限定适于接纳环形磁体的环形腔室的端面以及至少一个第一凹槽，以及所述环形磁体具有装配在所述至少一个第一凹槽内用于使所述环形磁体在所述输出齿轮上索引的至少一个第一指状物；以及
开关，所述开关与所述环形磁体间隔开并且适于感测响应于所述环形磁体和所述输出齿轮相对于所述开关的旋转而由所述环形磁体产生的磁场的变化，所述环形磁体的相应北极和南极部分的所述长度对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体和所述输出齿轮的多个位置。
11.如权利要求10所述的致动器，其中所述环形磁体已经按包括多对沿直径相对的北极和南极部分的图案被磁化，所述多对沿直径相对的北极和南极部分围绕所述环形磁体的圆周以交替且邻接的关系延伸并且限定多个北极和南极切换点，所述多个北极和南极切换点围绕所述环形磁体的所述圆周延伸并且对应于适于由所述开关感测的所述环形磁体和所述输出齿轮的所述多个位置。
12.如权利要求10所述的致动器，其中所述开关是霍尔效应开关。
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