CN113108689A - 多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块 - Google Patents

多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块 Download PDF

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Abstract

本发明的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块包括：主齿轮磁铁，具有第一磁铁部，所述第一磁铁部在圆周面部上下配置由相互不同的极性交替配置的磁条构成的主轨道和游标轨道，所述主轨道和所述游标轨道的极性分布为以一个以上的极性差相互错开配置，主齿轮配置在上侧，并且连接于扭矩轴的一侧；小齿轮磁铁，连接于所述主齿轮，并且由第二磁铁部构成，所述第二磁铁部由齿数少于主齿轮的小齿轮及设置在所述小齿轮的磁铁形成；电路板，配置在所述主齿轮磁铁和小齿轮磁铁的下部；第一、二传感器部，设置在所述电路板，分别感应所述第一、二磁铁部的磁力；外壳，具有上下结合并容纳所述主齿轮磁铁、小齿轮磁铁、电路板的容纳空间，并且被扭矩轴贯通。

Description

多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块
技术领域
本发明涉及多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器，更详细地说，涉及如下的扭矩角度传感器模块：在检测旋转角度时可精确的检测根据多旋转的绝对角度位置，在检测扭矩时也可将角度传感器的磁场的干涉最小化的同时利用扭矩轴的扭转量检测扭矩。
背景技术
通常，作为用于保障汽车转向稳定性的装置使用用单独的动力进行辅助的辅助转向装置。以往，作为如此的辅助转向装置使用了液压驱动装置，但是在最近使用动力损失少并准确性优秀的电动势转向装置(EPS,Electronic Power Steering System)。
基于由车速传感器、扭矩传感器及角度传感器等感应的行驶条件及驾驶员操作信息由电子控制装置(Electronic Control Unit)驱动马达，由电动式转向装置确保转动稳定性并且提供快速的恢复力，使得驾驶员能够安全行驶。
车速传感器感应正在行驶的汽车的行驶速度；扭矩传感器(Torque Sensor)感应施加于扭矩轴的扭矩，输出比例于感应到的扭矩的电信号；角度传感器(Angle Sensor)为输出比例于转向轴的旋转角的电信号的装置。
近来，提出了在这些传感器中将感应驾驶员的转向轮操作信息的扭矩传感器和角度传感器合二为一的扭矩角度传感器(TAS)，而且正在增加使用。
图1是示出如上所述的现有的扭矩角度传感器的分解立体图。
扭矩角度传感器从上部开始由上部外壳100、转子500及定子600、PCB 400、主齿轮410及副齿轮420和下部外壳300构成。
以所述PCB 400为基准，在上侧配置执行扭矩传感器的感应作用的转子500和定子600，在下侧配置起到角度传感器作用的齿轮410、420。
扭矩传感器的情况下，沿着连接于扭矩轴一侧的转子500的外周面配置磁铁，在这外周面具有与磁铁的极性对应的凸出片，并且配置连接于扭矩轴另一侧的定子600，进而根据相互旋转量的差异检测磁通量，由此检测扭矩轴的扭矩，向电子控制装置发送。
角度传感器的情况下，随着驾驶员旋转转向轮，附着于驱动轴的主齿轮410联动进行旋转，同时出现旋转角度的差异，此时由霍尔传感器(Hall IC)401、402识别在附着于副齿轮420的磁铁的磁场变化，计算电信号，发送至电子控制装置，其中所述副齿轮420附着于主齿轮410。
然而，现有技术为所述角度传感器根据主齿轮和副齿轮之间的啮合结构出现齿隙(一对齿轮之间的间隙；backlash)，因此出现很难准确检测转向角的问题。
另外，现有技术的扭矩传感器为在外周面配置有磁铁的转子和配置扭矩传感器的定子构成在扭矩轴的两侧，而角度传感器单元由附着于副齿轮的磁铁和霍尔传感器构成。即，现有技术的情况下，扭矩传感器单元和角度传感器单元分开构成，进而增加零部件数量，由此出现提高制造成本并加大体积的问题。
(现有技术文献)
(专利文献)
(专利文献0001)KR 10-1681778B,2016.12.01.,图3
(专利文献0002)KR 10-1427218B,2014.08.13.,图1
(专利文献0003)KR 10-1468323B,2014.12.02.,图11
(专利文献0004)KR 10-1772205B,2017.08.28.,图1
发明内容
(要解决的问题)
本发明是用于解决如上所述的问题的提出的，目的在于，可测量根据多旋转的绝对角度位置，并且使扭矩的测量不受其他传感器的磁场的影响，可精确测量角度及扭矩，而且将扭矩角度传感器模块的尺寸小型化和轻量化。
(解决问题的手段)
本发明的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块包括：
主齿轮磁铁，具有第一磁铁部，所述第一磁铁部在圆周面部上下配置由相互不同的极性交替配置的磁条构成的主轨道(master track)和游标轨道(nonius track)，所述主轨道和所述游标轨道的极性分布为以一个以上的极性差相互错开配置，主齿轮配置在上侧，并且连接于扭矩轴的一侧；
小齿轮磁铁，连接于所述主齿轮，并且由第二磁铁部构成，所述第二磁铁部由齿数少于主齿轮的小齿轮及设置在所述小齿轮的磁铁形成；
电路板，配置在所述主齿轮磁铁和小齿轮磁铁的下部；
第一、二传感器部，设置在所述电路板，分别感应所述第一、二磁铁部的磁力；
外壳，具有上下结合并容纳所述主齿轮磁铁、小齿轮磁铁、电路板的容纳空间，并且被扭矩轴贯通。
优选为，在所述外壳内设置定子、线圈电路和第三传感器部；
所述定子为设置在所述电路板的下侧的导电性材料，并且设置在与设置有所述主齿轮磁铁的扭矩轴一侧的相反侧；
所述线圈电路为了感应所述定子的旋转角度而印刷于所述电路板的上面或者下面；
所述第三传感器部测量所述线圈电路激励的电磁力。
优选为，所述第二磁铁部将面对电路板的下面分半，以配置N极和S极。
优选为，所述主齿轮和小齿轮的齿数比为1：N(在此，N>1)；优选为，所述N为在N的倍数中不包括质数(Prime Number)。
(发明的效果)
通过本发明，具有如下的效果：可测量根据多旋转的绝对角度位置，进而在切断电源之后再启动时也可检测绝对角度的位置，不仅消除由齿隙引起的误差，可检测高精确度的绝对角度位置，而且扭矩也不与磁场发生干扰，可精确测量扭矩，而扭矩传感器由印刷于电路板的形态的线圈电路和定子构成，因此构成简单，可将扭矩角度传感器模块的尺寸小型化和轻量化。
附图说明
图1是示出现有技术的扭矩角度传感器模块的结构的分解立体图。
图2是示出本发明的一实施例的扭矩角度传感器模块的分解立体图。
图3是用于说明检测根据多旋转的绝对位置的方法的图。
图4是示出本发明的一实施例的小齿轮磁铁的立体图。
(附图标记说明)
10：主齿轮磁铁 11：第一磁铁部
12：主齿轮 20：小齿轮磁铁
21：第二磁铁部 22：小齿轮
30：电路板 31：第一传感器部
32：第二传感器部 40：定子
50：外壳 51：上部盖
52：下部盖 53：主体部
具体实施方式
以下，参照附图，根据其实施例更加详细说明本发明。
本实施例举例说明扭矩角度传感器模块，所述扭矩角度传感器模块设置在汽车的转向轴用于测量转向轴的旋转角和扭矩。
根据作为本实施例的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块的分解立体图的图2，首先对检测旋转角进行说明。
为检测旋转角，使用主齿轮磁铁、小齿轮磁铁、第一、二传感器部及计算部，所述第一、二传感器部感应设置在各个磁铁的第一、二磁铁部的磁力。
主齿轮磁铁10由第一磁铁部11和主齿轮12构成。第一磁铁部11在圆周面部上下配置由相互不同的极性交替配置的磁条构成的主轨道(master track)和游标轨道(noniustrack)。所述主轨道和所述游标轨道的极性分布为以一个极性差相互错开配置。主齿轮12配置在主齿轮磁铁10的上侧。第一磁铁部11及/或者主齿轮12连接于未示出的转向轴，而相互结合的第一磁铁部11和主齿轮12当然可随着转向轴的旋转以相同的角度进行旋转。
主轨道和游标轨道的磁力变化由设置在电路板30的第一传感器部31测量，由第一传感器部31测量的值通过计算部(未示出)可换算为旋转角度。例如，根据图3的大三角波形，可用由第一磁铁部11测量的值知道旋转轴的旋转角。图3的左侧Y轴为通过第一磁铁部决定并且从计算部输出的信号值。图3的上端X轴表示转向轴的转数及旋转角度。
第一磁铁部通过游标(Nonius)计算从主轨道和游标轨道产生的感应信号(SensingSignal)可测量转向轴的旋转角和旋转方向，但是在汽车的电源被切断之后重新供电的情况下只通过第一磁铁部无法知道实际转向轮的位置。这是因为如图3的蓝色三角波形，在旋转180度时(A1)和旋转540度时(A1')由第一传感器部及计算部计算的信号值A1、A1'相同。
在本实施例中，为了在转向轴旋转1次以上时也掌握绝对旋转角度，配置了连接于主齿轮磁铁10的小齿轮磁铁20。
小齿轮磁铁20具有连接于所述主齿轮12的小齿轮22。在本实施例中，以1：3.2设定了主齿轮12和小齿轮22的齿数比。即，若主齿轮12旋转一圈，则小齿轮22旋转3.2次。
如图4所示，小齿轮22的下侧配置有第二磁铁部21，所述第二磁铁部21将面对电路板的下面分半配置N极和S极。
第二磁铁部也可形成在圆周面。
第二磁铁部21的磁力测量通过设置在电路板30的第二传感器部32执行，并且通过计算部计算其值。
可如图3的黄色三角波形求得小齿轮的旋转角。
在转向轴旋转180度时，第一磁铁部的信号值为A1，在转向轴旋转540度时，第一磁铁部的信号值为A1'，两个值相同，但是此时第二磁铁部的信号值为分别不同的B1、B2。
据此，计算部识别第一磁铁部的信号值为A1(A1')，但是通过第二磁铁部的信号值B1、B2差异，可以知道在B1的情况下转向轴旋转180度，在B2的情况下转向轴旋转540度。
如上所述，不使用齿数比，而是只用由第一磁铁部产生的信号值直接感应旋转角度，并且通过第二磁铁部的信号值针对转向轮的多旋转感应转数，进而没有因为齿隙或者长时间使用时发生齿轮磨损而出现的误差，可精确地检测转向轴的绝对旋转角。
为此，所述主齿轮和小齿轮的齿数比优选具有1：N，所述N大于1，更加优选为不包括在N的倍数中的质数(Prime Number)。例如，齿数比为1：2.2的情况下，N＝2.2在倍数中包括质数11，因此进行游标计算的内部计算时不能整除，需要在低于预定少数点的单位进行四舍五入，因此虽然出现累积错误(Error)的次数小，但会出现累积错误，因此优选为不包括倍数中的质数。
通过图3说明转向轴只单向旋转，但是在对于反向旋转的情况，构成为第一磁铁部和第一传感器部也可感应旋转方向，因此根据上述说明可充分计算出其绝对角度位置。
以下，对测量扭矩进行说明。
转向轮的旋转轴中的一部分可加工为扭矩轴(未示出)，而且在扭矩轴的一侧连接所述主齿轮磁铁，在另一侧连接定子。
在本实施例中，在扭矩轴一侧的旋转角度和另一侧的旋转角度出现差异的情况下，根据其角度差计算扭矩量。
用于测量扭矩轴另一侧的旋转角度的结构如下。
在设置所述主齿轮磁铁10的扭矩轴(未示出)的一侧和相反侧设置定子40，定子40位于所述电路板30的下侧。另外，在电路板30的上面或者下面形成线圈电路(未示出)，所述线圈电路根据所述定子40的旋转感应电磁力。所述定子为具有导电性的材料，优选可以是Al、Cu等。
据此，通过感应定子的旋转和由线圈电路感应的电磁力的第三传感器部(未示出)及计算部可决定定子的旋转角度。定子的旋转角度和主齿轮组件的旋转角度因为扭矩轴的扭转出现角度差Δd，根据角度差的大小灵活利用查询表(Look-up table)，可求得施加于转向轴的扭矩。
所述主齿轮磁铁、小齿轮磁铁、电路板、定子、线圈电路及各种传感器和计算部可收纳于容纳这些的外壳内。
另外，计算部和传感器也能够以一个IC形式制造。
本实施例的外壳区分为上部盖51、下部盖52、主体部53，在主体部53上侧配置主齿轮磁铁10、小齿轮磁铁20，而在下侧配置电路板30和定子40，上下侧分别被上部盖51及下部盖52封闭。
由于本扭矩角度传感器模块设置在转向轴，因此当然配置有贯通外壳的通孔，而且应结合于转向轴或者在位置上与转向轴发生干扰的构件当然全部具有通孔。
虽然在上述说明中未说明计算部的计算方式及具体的传感器种类，但是只要是在该领域就有常规知识的人可容易实现本发明。
另外，在本实施例中说明了计算部包括在扭矩角度传感器模块内，但是所述计算部的作用可由车辆内ECU执行，因此在扭矩角度传感器模块可省略此。
另外，本扭矩角度传感器模块当然具有用于向外部发送测量出的旋转角度及扭矩值的连接器、CAN通讯收发器等。

Claims (4)

1.一种多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块，其特征在于，包括：
主齿轮磁铁，具有第一磁铁部，所述第一磁铁部在圆周面部上下配置由相互不同的极性交替配置的磁条构成的主轨道和游标轨道，所述主轨道和所述游标轨道的极性分布为以一个以上的极性差相互错开配置，主齿轮配置在上侧，并且连接于扭矩轴的一侧；
小齿轮磁铁，连接于所述主齿轮，并且由第二磁铁部构成，所述第二磁铁部由齿数少于主齿轮的小齿轮及设置在所述小齿轮的磁铁形成；
电路板，配置在所述主齿轮磁铁和小齿轮磁铁的下部；
第一、二传感器部，设置在所述电路板，分别感应所述第一、二磁铁部的磁力；
外壳，具有上下结合并容纳所述主齿轮磁铁、小齿轮磁铁、电路板的容纳空间，并且被扭矩轴贯通。
2.根据权利要求1所述的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块，其特征在于，
在所述外壳内设置定子、线圈电路和第三传感器部；
其中，所述定子为设置在所述电路板的下侧的导电性材料，并且设置在与设置有所述主齿轮磁铁的扭矩轴一侧的相反侧；
所述线圈电路为了感应所述定子的旋转角度而印刷于所述电路板的上面或者下面；
所述第三传感器部测量所述线圈电路激励的电磁力。
3.根据权利要求1所述的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块，其特征在于，
所述第二磁铁部将面对电路板的下面分半，以配置N极和S极。
4.根据权利要求1所述的多旋转绝对位置检测扭矩角度传感器模块，其特征在于，
所述主齿轮和小齿轮的齿数比为1：N(在此，N>1；在N的倍数中不包括质数)。
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