CN114076566A - 用于探测位置的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测在路径方向延伸的路径上的位置的传感器，包括：发射器元件，具有至少一个布置在中央的磁体和如在路径方向看到的在布置在中央的磁体前方和后方的两个布置在边缘的磁体，磁体的磁极被相对于路径方向横向地对准并且被设置为发射被发射器创造的在路径方向变化的磁场；测量换能器，被布置为输出取决于到达测量换能器的被发射器创造的磁场的测量信号，发射器元件和测量换能器被布置为使得是在路径方向相对于彼此可运动的；以及评价装置，其被设置为基于测量信号输出取决于测量换能器和发射器元件之间的相对位置的传感器信号；其中，在路径方向察看，布置在中央的磁体被布置为激发比布置在边缘的磁体大的磁通量。

Description

用于探测位置的传感器

技术领域

本发明涉及用于探测在路径方向延伸的路径上的位置的传感器并且涉及具有该传感器的车辆。

发明内容

本发明的一个任务是指定一种用于探测在路径方向延伸的路径上的位置的传感器，其以最小的可能的测量误差输出待被探测的位置。

根据本发明的一个方面，一种用于探测在路径方向延伸的路径上的位置的传感器，包括：发射器元件，具有至少一个布置在中央的磁体和如在路径方向看到的在布置在中央的磁体前方和后方的两个布置在边缘的磁体，磁体的磁极被相对于路径方向横向地对准并且被设置为发射被发射器创造的在路径方向变化的磁场；测量换能器，被设置为发射取决于到达测量换能器的被发射器创造的磁场的测量信号，发射器元件和测量换能器被布置为使得它们能够在路径方向相对于彼此运动；以及评价装置，被布置为基于测量信号输出取决于测量换能器和发射器元件之间的相对位置的传感器信号；布置在中央的磁体，如在路径方向看到的，被布置为激发比布置在边缘的磁体大的磁通量。

本发明的传感器是基于以下构思，即当发射器元件相对于测量换能器运动时，到达测量换能器的磁场的场矢量围绕横向轴线旋转，并且到达测量换能器的场矢量的取向是合适的用于确定发射器元件的相对于测量换能器的位置以及因此待被探测的位置的指标。然而，场矢量的量级当在路径上察看时不保持恒定。这些场矢量波动最终地导致待被探测的位置的测量误差。

为了将场矢量的量级在路径上保持尽可能恒定，尽可能短的磁极可以在路径上被布置为一个在另一个后方。然而，在测量中发现，场矢量的量级也能够在路径上被保持更恒定，如果被布置在在路径方向察看的发射器元件的中部的磁极比被布置在在路径方向察看的发射器元件的端部的磁极长的话。

因此，本发明的传感器以小的测量误差输出在在一个路径方向延伸的路径上的位置。与在其中大的数量的短距离磁极必须被布置以将场矢量保持为尽可能恒定的发射器元件相比，本发明的传感器使用显著地更少的磁极实现这一点并且因此也能够被更便宜地并且使用更少的所需要的安装空间制造。

在本发明的传感器的实施方式中，用于激发更大的磁通量的布置在中央的磁体比布置在边缘的磁体中的每个大30％至60％、优选地40％至50％、特别优选地44％。如果布置在边缘的磁体是在路径方向过于短的，那么它们将具有过于小的效果。如果它们是过于长的，那么它们的效果不能够实现尽可能恒定的场矢量，如上文描述的。在给定的配置中，该布置在边缘的磁体在与布置在中央的磁体的相互作用中的效果是对于实现尽可能恒定的场矢量来说最优的。

在本发明的传感器的另外的实施方式中，一个过渡磁体被布置在发射器元件中在布置在中央的磁体之前和之后，如在路径方向看到的，其被布置在边缘的磁体跟随，如在路径方向看到的。在与布置在中央的磁体的相互作用中，过渡磁体编码路径并且提供位置的能够通过路径被探测到的较高的分辨率。

在本发明的传感器的具体实施方式中，过渡磁体比布置在中央的磁体小或等于布置在中央的磁体并且比布置在边缘的磁体大。以这种方式，确保上述的获得在路径上尽可能恒定的场强度的效果被实现。

在本发明的传感器的优选的实施方式中，用于探测位置的测量范围如在路径方向看到的位于过渡磁体之间。本实施方式是基于以下构思，即场强度矢量的量级将总是相当大地朝向在路径方向看到的发射器元件的边缘改变。场强度矢量的最高的可能的恒定性主要地朝向在路径方向看到的发射器元件的中央被实现。这是为什么发射器元件的中央是对于利用本发明的传感器背后的构思特别地有利的位置。

在另一个实施方式中，本发明的传感器包括另外的测量换能器，另外的测量换能器被布置在测量换能器前方或后方，如在路径方向看到的，并且被设置为输出取决于到达测量换能器的被发射器创造的磁场的另外的测量信号，发射器元件和另外的测量换能器被布置为使得它们能够在路径方向相对于彼此运动，并且评价装置被设置为基于两个测量信号之间的差输出传感器信号。以这种方式，干扰性的平均值能够被从测量信号滤除并且位置探测中的任何误差能够被进一步地减少。

在本发明的传感器的特别地优选的实施方式中，被布置在边缘的磁体中的一个至少部分地位于用于探测位置的测量范围内。测试已经显示出，在该范围内，本发明的传感器的误差能够在上文提到的差示测量中被再一次显著地减少。

在本发明的传感器的又另一个实施方式中，路径方向是切线方向，使得待被探测的位置是角位置。

根据本发明的另一个方面，一种车辆包括：在驾驶方向可运动的底盘；两个前轮，支撑底盘，如在驾驶方向察看的在前部；两个后轮，支撑底盘，如在驾驶方向察看的在后部；方向盘，用于将转向轴围绕旋转轴线旋转以转动前轮；传感器中的一个，用于探测在转向轴的面向方向盘的部分和转向轴的面向前轮的部分之间的相对位置；以及马达，用于根据探测到的相对位置调整前轮的转动。

附图说明

本发明的上文描述的性质、特征和优点以及它们被实现的方式将参考下文的实施方式的描述变得更清楚，实施方式参考附图更详细地解释，在附图中：

图1是具有转向系统的车辆的示意性的透视图，

图2是用于探测位置的传感器的在作为用于来自图1的转向系统的扭矩传感器的应用中的形式的示意图，

图3是用于来自图1的转向系统的扭矩传感器的部分的配置的示意图，

图4是用于图2和3的扭矩传感器的可选择的可能的发射器元件的略图，

图5是用于图2和3的扭矩传感器的另外的可选择的可能的发射器元件的略图，

图6是用于图2和3的扭矩传感器的又另外的可选择的可能的发射器元件的略图，

图7示出了用于根据图3的扭矩传感器中的发射器元件的测量误差曲线的图解，

图8是根据图3的扭矩传感器的实施方式的略图，并且

图9示出了用于在根据图3的扭矩传感器中的根据图6使用的发射器元件的测量误差曲线的图解，

在附图中，相同的技术特征被提供相同的附图标记，并且仅被描述一次。附图是纯示意性的并且具体地不反映实际的几何比例。

具体实施方式

参考图1，图1是包括转向系统2的车辆1的示意性的透视图。

在本实施方式实施例中，车辆1包括被两个前轮3和两个后轮4支撑的底盘5。前轮3可以被转向系统2转动，使得车辆1能够被在曲线中驾驶。

转向系统2包括方向盘6，方向盘6被安装在第一转向轴7上，第一转向轴7进而被围绕旋转轴线8可枢轴转动地安装。第一转向轴7被引导入用于探测位置的传感器9中，在此以角位置的形式，并且在那里以未进一步地指定的方式被连接至扭转元件10。第二转向轴11在旋转轴线8上与第一转向轴7相反的侧部连接至扭转元件10，旋转轴线8进而在轮向齿轮12中结束。如果方向盘6被以转向扭矩13的形式的扭矩转动，那么转向扭矩13据此被传递经过转向轴7、11至轮向齿轮12，轮向齿轮12作为响应将前轮3转向以使用轮偏转角14在曲线中驾驶。

转向过程被辅助第二转向轴11转动的辅助马达15支持。为了该目的，转向扭矩13来源于在第一转向轴7和第二转向轴11之间的相关的角位置，其被传感器9探测到。辅助马达15然后将第二转向轴11转向，除了别的以外，根据探测到的转向扭矩13。

为了探测上述的角位置以及因此转向扭矩13，传感器9包括磁性发射器元件16，磁性发射器元件16连接至第一转向轴7，并且诱导磁场17。传感器9还包括连接至第二转向轴11的测量换能器18，测量换能器18将来自磁性发射器元件16的作为第一转向轴7的以及因此磁性发射器元件16的相关的角位置的函数的磁场17接收至第二转向轴11，并且将取决于接收到的磁场的测量信号20转发至评价装置21。测量信号20因此将待被探测的角位置作为信息携带。评价装置21基于测量信号20确定两个转向轴7、11的相对于彼此的角位置并且输出取决于其的传感器信号19，传感器信号19因此由于扭转元件10的弹性还取决于转向扭矩13。传感器信号19因此直接地取决于待被探测的转向扭矩13，使得辅助马达15能够直接地处理该信息以转动第二转向轴11。

参考图2，图2示出了传感器9的形式。

为了传感器9的描述，空间被假设在柱面坐标系中，柱面坐标系被轴向方向22、径向方向23和周向方向24跨越。轴向方向22在旋转轴线8的方向对准，而周向方向24围绕旋转轴线8圆周地对准。径向方向23径向地延伸至旋转轴线8。

在该柱面坐标系中，传感器9包括围绕旋转轴线8延伸以用于第一转向轴7的压紧配合接收的第一轴承套25，以及用于第二转向轴11的压紧配合接收的第二轴承套26。

在这种情况下，第一轴承套25具有止动构件27，磁场发射器元件16附接至止动构件27，例如借助于粘合剂。以这种方式，磁场发射器元件16在第一转向轴7上被保持静止，当后者被压动入第一轴承套25中时。

承载器28，在此以凸缘的形式，被形成在第二轴承套26上。印刷电路板容器30被借助于销钉29保持在承载器28上，销钉29在如在轴向方向22看到的相反的侧部被支撑在浮动轴承元件31上。以印刷电路板的形式的评价装置21被容纳在印刷电路板容器30中，测量换能器18进而电地并且机械地连接至印刷电路板容器30，例如通过锡焊。来自测量换能器18的测量信号20被在评价装置21中借助于电部件32处理，并且经过在图2中不进一步地可见的界面作为传感器信号19转发至辅助马达15。

当第一转向轴7在传感器9的操作期间被旋转，并且旋转被经过扭转元件10传输至第二转向轴11时，被以压紧配合方式保持在第一转向轴7上的第一轴承套25随着磁场发射器元件16旋转，并且被保持在第二转向轴11上的第二轴承套26随着测量换能器18旋转。由于第二转向轴11的惯性和扭转元件10的弹性，当第一转向轴7被转动时第一转向轴7相对于第二转向轴11扭曲。作为结果，磁场发射器元件16也在作为路径方向的周向方向24相对于测量换能器18旋转。

磁场发射器元件16的磁场17在周向方向24改变。因此，如果磁场发射器元件16相对于测量换能器18旋转，那么到达测量换能器18的磁场17改变。由于磁场发射器元件16的相对于测量换能器18的旋转以及因此待被传感器9探测的在在周向方向24延伸的路径上的位置由于扭转元件10的弹性取决于转向扭矩13的量级，因此到达测量换能器18的磁场17、测量信号20以及最终地传感器信号19也取决于转向扭矩13的量级。

磁场发射器元件16被以磁环节段的形式设计，磁环节段在径向环间距33被围绕旋转轴线8周向地引导。测量换能器18也被布置为具有在距旋转轴线8的距离处的径向环距离33，使得磁场发射器元件16和测量换能器18径向地重叠。在图2中，这些元件的在径向方向23的延伸中的中央被选择作为用于确定测量换能器18和磁场发射器元件16的径向环距离33的基准点。除径向重叠之外，磁场发射器元件16被布置在距测量换能器18的轴向测量距离34处。

磁场发射器元件16的结构在下文参考图3更详细地解释，图3示出了用于来自图1的转向系统的上文解释的传感器9的部分的配置的示意图。

磁场发射器元件16在此由五个分别的磁体组成，五个分别的磁体在作为路径方向的周向方向24排成一列。每个分别的磁体是具有北极35和南极36的偶极。偶极被取向为在轴向方向22跨越周向方向24并且因此横向于周向方向24。在周向方向24的连续的偶极的取向在每个情况中在轴向方向22是逆向的，使得磁场发射器元件16被设置为发射被发射器创造的在周向方向24变化的磁场。

位于如在周向方向24看到的外侧的分别的磁体在下文被称为布置在边缘的磁体37，而邻接布置在边缘的磁体37的分别的磁体在下文被称为过渡磁体38。所有的其他的与布置在边缘的磁体37相反的并且连接至过渡磁体38的分别的磁体在下文被称为布置在中央的磁体39。在图3的实施方式中，磁场发射器元件16具有但是不限于仅单一的布置在中央的磁体39。

在图3的实施方式中，分别的磁体37、38和39具有当在作为路径方向的周向方向24察看时的不同的长度。从在周向方向24看到的布置在中央的磁体39的长度40开始，两个布置在边缘的磁体37具有在周向方向24看到的长度41，长度41小于布置在中央的磁体的长度40。假设布置在中央的磁体39和两个布置在边缘的磁体37被相等地磁化，布置在中央的磁体39因此激发比两个布置在边缘的磁体37中的任一个大的磁通量。

布置在边缘的磁体37的这种较弱的磁通量激发原则上也能够以另一个方式实现，例如通过比布置在中央的磁体39更弱地磁化布置在边缘的磁体37。两个上文提到的用于与布置在中央的磁体39相比的布置在边缘的磁体37的较弱的磁通量激发的设计的组合将也是可能的。

与布置在中央的磁体39相比的布置在边缘的磁体37的磁通量激发的弱化背后的构思将在下文参考图4至6更详细地解释。

首先，图4示出了在其中所有的分别的磁体37、38、39激发相同的磁通量的情况。这意味着所有的分别的磁体37、38、39具有相同的长度并且被相等地磁化。这从经济的视角是期望的，因为磁场发射器元件16能够因此从统一标准元件被组装。

参考上文的图1，在图1中解释了到达测量换能器18的磁场17确定测量信号20中的描述待被探测的角位置的信息。该信息应该尽可能地与待被探测的角位置线性地相关。到达测量换能器18的磁场17的相位43已经证明是对于该目的合适的，但是仅在到达测量换能器18的磁场17的量级44在周向方向24保持恒定的条件下。

图4示出了在对于磁场发射器元件16的周向方向24到达测量换能器18的磁场17的量级44的曲线45，其由布置在中央的磁体39、两个过渡磁体38和两个布置在边缘的磁体37组成，如在图3中，虽然所有的分别的磁体37、38、39激发相同的磁通量。

虽然这样的磁场发射器元件16节省安装空间，但是到达测量换能器18的磁场17的量级44的曲线45在周向方向24的任何点不是恒定的，这将清楚的非线性引入测量中，当角位置被通过到达测量换能器18的磁场17的相位43探测时。为了改正这些非线性，滤波是必需的，如果完全可能的话，并且计算资源被需要以实施它们。

在周向方向24在某些区域中保持到达测量换能器18的磁场17的量级44恒定的一个方式在图5中示出。为了该目的，在图4中示出的磁场发射器元件16简单地被另外的布置在中央的磁体39补充。以这种方式，到达测量换能器18的磁场17的量级44能够至少在在周向方向24看到的最内的布置在中央的磁体39的区域中被保持恒定。这被图5的在磁场发射器元件16上方的曲线45'指示。

然而，非必要的安装空间被需要以用于实施。

也在图2的传感器9中实施的可选择的技术方案在图6中粗略示出。在此，布置在中央的磁体39被在与布置在边缘的磁体37相比的周向方向24延伸，并且因此激发比布置在边缘的磁体大的磁通量。使用该技术方案，到达测量换能器18的磁场17的量级44能够在布置在中央的磁体39的区域中被保持恒定。这被图6的在磁场发射器元件16上方的曲线45"指示。

上文解释的使用如在周向方向24看到的不恒定的磁通量将到达测量换能器18的磁场17的量级44保持恒定的构思将在下文借助于在图7中示出的测量结果的比较更详细地解释。

在图7中，在周向方向24的误差值46在坐标系中被作图。为了记录误差值46，第二转向轴11被固定并且第一转向轴7被在相对于第二转向轴11的周向方向24以及逆着相对于第二转向轴11的周向方向24旋转。以这种方式，第一和第二转向轴7、11之间的任何相对角位置可以被在周向方向24设置。

误差值46描述了，对于两个转向轴7、11之间的在周向方向24的实际的相对角位置，距被传感器9探测到的该实际的相对角位置的测量值的差。

在图7中，误差值46被使用短划线误差曲线47作图，这是根据图4的磁场发射器元件16在传感器9中被使用的结果。在该磁场发射器元件16中，分别的磁体37、38和39每个具有在周向方向24的12°的延伸，给予在周向方向24的60°的总的延伸。磁场发射器元件16在径向方向23在15.5mm和21.5mm之间进一步地延伸，并且具有在轴向方向22的5mm的高度。测量换能器18被定位在径向方向23在18.5mm并且在轴向方向22在磁场发射器元件16上方1.5mm。

在图7中，误差值46被使用实线误差曲线48作图，这是根据图3的磁场发射器元件16在传感器9中被使用的结果。在该磁场发射器元件16中，布置在中央的磁体39和过渡磁体38每个具有在周向方向24的12°的延伸，而布置在边缘的磁体37每个具有9°的延伸，再次地给予在周向方向24的54°的总的延伸。至于短划线误差曲线47的检测，磁场发射器元件16在径向方向23在15.5mm和21.5mm之间进一步地延伸并且具有在轴向方向22的5mm的高度。测量换能器18被定位在径向方向23在18.5mm并且在轴向方向22在磁场发射器元件16上方1.5mm。

短划线误差曲线47和实线误差曲线48之间的差使用虚线差值曲线49示出。

从两个误差曲线47和48的比较，以及从差值曲线49，非常明显的是，具有与布置在中央的磁体39相比缩短的布置在边缘的磁体37的磁场发射器元件16能够在显著地更大的角度范围以可比较地小的测量误差被使用，由此这样的磁场发射器元件16被设计为是甚至在周向方向24更紧凑的。

图8和9用于描述在图3至6中解释的磁场发射器元件16的在差示测量中的效果。为了该目的，来自图3的配置以另外的测量换能器18'扩展，另外的测量换能器18'被在周向方向24以30°与测量换能器18间隔。所有的其他的来自图3的配置，特别是几何尺寸，已经被保留。

在差示测量中，一个测量换能器18的测量信号20被从在图中未示出的另一个测量换能器18'的测量信号减去，以确定传感器信号19。类似于图7，用于两个转向轴7、11之间的相对角位置的差示测量的误差曲线47、48和差值曲线49在图9中被作图。

从误差曲线47、48和差值曲线49，非常明显的是在朝向布置在边缘的磁体37的旋转方向24看到的后部过渡磁体38的区域中的误差能够借助于具有在磁通量上被减弱的布置在边缘的磁体37的磁场发射器元件16几乎被取消。

Claims (10)

1.一种用于探测在路径方向延伸的路径上的位置的传感器，包括：

-发射器元件，具有至少一个布置在中央的磁体和如在所述路径方向看到的在所述布置在中央的磁体前方和后方的两个布置在边缘的磁体，所述磁体的磁极被相对于所述路径方向横向地对准并且被设置为发射被所述发射器创造的在所述路径方向变化的磁场，

-测量换能器，被布置为输出取决于到达所述测量换能器的被所述发射器创造的所述磁场的测量信号，所述发射器元件和所述测量换能器被布置为使得是在所述路径方向相对于彼此可运动的，以及

-评价装置，被设置为基于所述测量信号输出取决于所述测量换能器和所述发射器元件之间的相对位置的传感器信号，

-其中，在所述路径方向察看，所述布置在中央的磁体被布置为激发比所述布置在所述边缘的磁体大的磁通量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中用于激发所述更大的磁通量的所述布置在中央的磁体比所述布置在所述边缘的磁体中的每个大30％至60％、优选地40％至50％、特别优选地44％。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中一个过渡磁体被布置在所述发射器元件中在所述布置在中央的磁体之前和之后，如在所述路径方向看到的，其被所述布置在所述边缘的磁体跟随，如在所述路径方向看到的。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述过渡磁体比所述布置在中央的磁体小或等于所述布置在中央的磁体并且比所述布置在所述边缘的磁体大。

5.根据权利要求3所述的传感器，其中用于探测所述位置的测量范围如在所述路径方向看到的位于所述过渡磁体之间。

6.根据权利要求1或2所述的传感器，包括另外的测量换能器，所述另外的测量换能器被布置在所述测量换能器前方或后方，如在所述路径方向看到的，并且被设置为输出取决于到达所述测量换能器的被所述发射器创造的所述磁场的另外的测量信号，所述发射器元件和所述另外的测量换能器被布置为使得它们能够在所述路径方向相对于彼此运动，并且所述评价装置被设置为基于所述两个测量信号之间的差输出所述传感器信号。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中被所述布置在所述边缘的磁体中的一个至少部分地位于用于探测所述位置的测量范围内。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中上文提到的被所述布置在所述边缘的磁体和其的毗邻的过渡磁体位于所述测量范围内。

9.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述路径方向是切线方向，使得所述待被探测的位置是角位置。

10.一种车辆，包括：

-在驾驶方向可运动的底盘，

-两个前轮，支撑所述底盘，如在所述驾驶方向察看的在前部，

-两个后轮，支撑所述底盘，如在所述驾驶方向察看的在后部，

-方向盘，用于将转向轴围绕旋转轴线旋转以转动所述前轮，

-根据前述权利要求中任一项所述的传感器，用于探测在所述转向轴的面向所述方向盘的部分和所述转向轴的面向所述前轮的部分之间的相对位置，以及

-马达，用于根据探测到的相对位置调整所述前轮的转动。

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