CN205484398U - 传感装置、传感系统及转向系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种传感装置、传感系统和转向系统，其中，传感装置包括：随转动轴转动的编码器，该编码器具有由磁性材料构成的交替结构的外表面；与该外表面相对的，并且固定地布置在编码器外部的至少一个磁体；以及固定地布置在该至少一个磁体和编码器之间的至少一个感应元件，编码器的交替结构随编码器转动输出交替变化的信号，其中，感应元件是对磁场敏感的感应元件。通过上述方案，传感装置结构简单，体积减小。

Description

传感装置、传感系统及转向系统
技术领域
本实用新型涉及电子设备，特别涉及一种传感装置、传感系统以及转向系统。
背景技术
在各种应用中，经常需要测量各种转动轴(例如，车辆转向轴、电机转轴等)的转速、转动角度等物理量。
例如，一种常见的测量转动的传感装置是转向角度传感装置，其通常应用于车辆中，例如，其可以作为车辆电子稳定系统(ESP：Electronic StabilityProgram)系统、ABS系统等车载系统的一部分。用来测量方向盘的转动角度，还可能用来测量方向盘的转动方向、速度等。测量得到的方向盘的转动角度作为汽车实现转向幅度的依据，使汽车能够按照驾驶员的意图转向、行驶。
现有技术中提供了多种用于测量转动的传感装置，例如，包括光电耦合元件的传感器以及包括霍尔元件或巨磁阻元件的磁-电类传感器等。
但现有技术中的各种测量转动的传感装置结构一般比较复杂，体积较大。
实用新型内容
鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的传感装置、传感系统以及转向系统。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种传感装置，包括：随转动轴转动的编码器，该编码器具有由磁性材料构成的交替结构的外表面；与该外表面相对的，并且固定地布置在编码器外部的至少一个磁体；以及固定地布置在至少一个磁体和编码器之间的至少一个感应元件，所述交替结构使得感应元件的随编码器转动输出周期性信号，其中，感应元件对磁场敏感的感应元件。
在本实用新型的一个实施例中，交替结构为周期性结构。
在本实用新型的一个实施例中，至少一个感应元件的数量是多个感应元件，多个感应元件的布置使得任意两个相邻的感应元件的输出信号的相位差是相同的。
在本实用新型的一个实施例中，外表面是编码器沿转动轴方向的侧表面；至少一个磁体和至少一个感应元件沿编码器的径向圆周进行布置。
在本实用新型的一个实施例中，周期性结构为齿轮结构。
在本实用新型的一个实施例中，至少一个感应元件与齿轮结构的同一个部位相对齐。
在本实用新型的一个实施例中，至少一个磁体是多个磁体，多个磁体与多个感应元件一一对应。
在本实用新型的一个实施例中，对磁场敏感的感应元件是霍尔传感器或巨磁阻传感器。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种传感系统，包括上述的传感装置，还包括：计算单元，用于根据所述传感装置的输出信号来计算转动轴的转动速度和/或转动角度。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种转向系统，包括：上述的传感装置；处理部件，根据转向角度传感装置的输出信号确定转向角度；以及驱动部件，根据转向角度来驱动车轮的转向。
本实用新型的上述传感装置、系统以及转向系统利用霍尔效应或巨磁阻效应元件等对磁场敏感的感应元件，提供了一种结构简化、体积减小的转向角度测量系统。
附图说明
本实用新型的其它特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。
图1示出了传感装置的示例应用环境；
图2a和图2b示出了现有技术中基于霍尔效应或巨磁阻效应的转向角度传感器的结构示意图；
图3示出了根据本实用新型一个实施例的传感装置的结构示意图；
图4a和图4b示出了本实用新型实施例的传感装置的工作工程的示意图；
图4c示出了传感装置的示意输出波形；
图5a示出了根据本实用新型另一个实施例的传感装置的结构示意图；
图5b示出了多个感应元件的输出信号之间的关系；
图6示出了根据本实用新型另一个实施例的传感装置的结构示意图；
图7示出了根据本实用新型一个实施例的转向系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更充分地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了传感装置的示例应用环境，如图1所示，本实用新型提供的传感装置10安装在车辆的转向轴11上，转向轴11随方向盘12转动。转向角度传感装置10可以作为主要是ESP系统的一部分，其输出信号传递给ESP系统的控制和驱动部件13。例如，控制和驱动部件13包括电子控制单元(ECU：Electronic control Unit)、电动机、转向器等，并且根据转向角度传感装置10的输出信息控制车轮14等的转向。
图2a和图2b示出了现有技术中的基于霍尔效应/巨磁阻效应的转向角度传感器的结构示意图。如图所示，现有的这种类型的转向角度传感器结构一般比较复杂，除了磁体之外，通常包括主动齿轮和多个从动齿轮，并且这也导致了传感器的体积较大。此外，由于齿轮间的相互接触和影响，还可能带来噪音等问题。并且，这种类型的转向角度传感器安装不便，
以下详述本实用新型的各实施例。为更充分地理解本实用新型，在详细描述本实用新型的实施例之前，简要介绍本实用新型的部分实施例中涉及的霍尔效应和巨磁阻效应的原理。
霍尔效应是指，当垂直于电流方向，载流子(例如，电子和空穴)由于受到洛伦兹力发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向积累，积累的电子和空穴产生垂直于电流和磁场方向的电场，当载流子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，达到稳态，在垂直于电流和磁场的方向上形成稳定的内建电压，该内建电压称为霍尔电压。
巨磁阻效应是指磁场变化导致的磁性材料电阻的显著变化。
图3示出了根据本实用新型一个实施例的传感装置的结构示意图。该传感装置用于车辆的转向系统中，这种情况下，转动轴即是与方向盘相连的转向轴。具体地，图3示出的是沿轴向的截面视图，如图3所示，传感装置300包括：编码器31、布置在编码器31外部的磁体32以及布置在磁体32和编码器31之间的感应元件33。
结合图1可知，在实际使用时，编码器31附在与方向盘连接的转向轴30上，随转向轴30同步转动。磁体32和感应元件33的位置固定在编码器31外。当驾驶者转动方向盘时，转向轴30被转动，则编码器31也随之旋转。编码器31与被固定布置的磁体32和感应元件33形成相对的运动。
在本实用新型实施例中，编码器31中与磁体32和感应元件33形成相对运动的外表面311由磁性材料构成。当然，编码器31除外表面311之外的其它部分也可由磁性材料构成，例如，编码器31的整体都由磁性材料构成。这样，外表面311与感应元件33另一侧的磁体32一起，形成大体上垂直穿过感应元件33的磁场方向。例如，在图3示出的静态位置上，磁场方向可能大体是沿水平方向向右的。相应地，以感应元件33是霍尔传感器为例，其被布置为电流方向垂直于该磁场方向。
在图3示出的示例中，编码器31近似为柱形，编码器31的具有磁性的外表面311是编码器31沿转向轴30方向的侧表面。在这种情况下，磁体32和感应元件33在编码器31的径向上布置在编码器31的外部。
当然，编码器31的具有磁性的外表面311还可以有其他的实现方式。例如，编码器31的具有磁性的外表面311可以是编码器31的上表面或是下表面。在这种情况下，磁体32和感应元件33相对于编码器31的上表面或下表面固定地布置。这时，当转向轴30转动时，编码器31同样相对于磁体32和感应元件33发生转动。
本实用新型实施例中，编码器31的外表面311具有周期性的结构。例如，可以是规则的栅格结构、凹凸结构等。当编码器31转动时，编码器31的栅格结构或凹凸结构的不同部分交替地与感应元件33对准。在图3所示的具体示例中，周期性结构被示出是齿轮状的结构，其包括凸出的齿，以及相邻的齿间的齿槽。
磁体32可以是永磁体、软磁体等各种产生磁场的元件，本实用新型对此不做限制。
感应元件33可以是霍尔传感器和/或巨磁阻传感器。
上述的布置方式使得当编码器31相对于磁体32和感应元件33转动时，感应元件33与编码器31上的外表面311上的周期性结构的不同部分对准，即外表面311与磁体32之间的距离周期性变化。由此，在感应元件33上形成了周期性变化的磁场。
以感应元件33是霍尔传感器为例，根据上文介绍的霍尔效应原理，在霍尔传感器中的载流子受到的洛伦兹力周期变化时，与洛伦兹力平衡的电场力也随之变化。该电场力是由垂直于电流和磁场方向的霍尔电压提供的。也就是说，当编码器31转动时，将在作为感应元件33的霍尔传感器的垂直于电流和磁场的方向产生周期变化的霍尔电压。根据霍尔电压的变化，可以计算出转向的角度。
类似地，对于感应元件33是巨磁阻传感器的情形，磁场的变化导致电阻变化。因此，如果电压保持恒定，电流周期变化，同样可以据此计算出转向角度。编码器31的外表面311的周期结构的作用一方面在于通过改变距离来形成不同的霍尔电压，另一方面，其结构上的物理尺寸可以作为转向角度的反映。下面参照图4a-4c来说明图3所示的转向角度传感装置的工作过程。
图4a-图4c示出了本实用新型实施例的转向角度传感装置的工作过程和输出波形。假设图4a表示编码器31的第一位置，例如，可以是初始位置。在此位置上，感应元件33对齐编码器31的外表面311上的一个齿，在感应元件32垂直于磁场的方向产生较高电平的霍尔电压。当如图4b所示的，编码器41随转向轴顺时针转动一个较小的角度，在此位置上，感应元件33可能与编码器31的外表面311上的一个齿槽对齐，霍尔电压变为较低电平。当转动角度较大时，经过多个齿和齿槽，则产生如图4c所示的高低交替的电压信号。
另外，参照图4a和图4b，可以理解，当传感装置只有一个感应元件时，传感装置对转向角度的测量能够达到的精确度，部分地取决于编码器的外表面上的齿数，而且，齿数越多，转向角度传感装置能够分辨的转动角度越小。
需要说明的是，当只有一个感应元件时，根据该一个感应元件的输出信号难以准确地确定出转动的方向，这时，可以利用现有技术中确定转动方向的方式来确定方向，例如，可以通过光学检测来确定转向。
根据上文描述的本实用新型实施例的工作原理，使用其他类型的对磁场敏感的感应元件也是可行的，例如，磁敏电阻、磁敏晶体管或包括磁敏电阻、磁敏晶体管的集成电路等，只要能够感测由编码器转动所导致的磁场的周期性变化而输出相应的周期信号即可。
上述实施例以转向轴的转向角度测量为例，说明了本实用新型的传感装置的结构。然而，应该理解的是，本实用新型实施例的传感装置还可以用于测量电机转速等应用中，而不仅限用于测量转向轴的角度。
本领域技术人员可以理解，当用上述实施例中的传感装置的结构来测量转速时，尤其是转速较快时(例如，每秒经过多个周期)，编码器的外表面不必须是完全规则的周期性结构，而可以是简单的交替结构。例如，对于图3中的编码器，编码器沿轴向的侧表面仅部分地包含凸起部分。相应于这种结构，感应元件输出的是交替变化的信号，例如，当编码器转动到其凸起部分与感应元件相对齐时，感应元件输出高电平信号，其余时间输出低电平信号。
图5a示出了根据本实用新型另一个实施例的传感装置的结构示意图。如图5a所示，本实施例的传感装置包括多个感应元件33。与之前的实施例类似地，磁体固定地布置在编码器31之外，感应元件33位于磁体和编码器31之间，编码器31与感应元件33相对的外表面311具有磁性材料构成的周期性结构。具体地，磁体和多个感应元件33沿编码器31的径向上的圆周布置。
多个感应元件33可以是霍尔传感器、巨磁阻传感器或其组合。为简化附图，图中未示出磁体。当多个感应元件33中既包括霍尔传感器，也包括巨磁阻传感器时，传感装置中还可以包括信号转换电路，用于例如将霍尔传感器的周期性的电压信号转变成电流信号等，以便于角度的计算。
在本实用新型实施例的一种具体实现方式中，磁体为多个，多个磁体与多个感应元件一一对应。
具体地，在本实施例中，多个感应元件的布置使得任意两个相邻的感应元件的输出信号之间的相位差是相同的。这时，多个感应元件可以分散地对应于不同的齿，也可以相对密集的布置，对应于同一个齿。
图5b中示出了多个感应元件的输出波形图，如图5b所示，对于n个感应元件，假设一次高电平信号对应的相位差为α1，第一感应元件与第二感应元件之间的相位差为α2，第一感应元件与第三感应元件之间的相位差为α3，第一感应元件与第n个感应元件之间的相位差为αn，则有α2＝1/nα1，α3＝2/nα1，αn＝(n-1)/nα1。由此，本领域技术人员可以得知，当相邻的两个感应元件输出的先后出现，传感装置就能够得知转向轴发生了转动，因此该传感装置能够识别的最小角度对应于相位差α2＝1/nα1。可见，当感应元件数量n为多个时，能够提高传感装置的精度。
另一方面，与上一实施例类似地，转向角度的检测精度还取决于编码器的齿数。当齿数为z时，相位差α1对应的转向角度为360/z，由此，可以得知，该传感装置的精度为360/nz。本领域技术人员可以根据实际要求选取合适的齿数和感应元件数量以满足不同的精度需求。
图6示出了本实用新型实施例的传感装置的一种具体实施方式。如图6所示，通常，感应元件的尺寸较小，远小于编码器上的齿轮的尺寸。本实施例中，多个感应元件61、62、63沿编码器的圆周分布，与编码器上的同一个齿64对齐，布置方式使得任意两个相邻感应元件之间的弧度是相同的。这保证了任意相邻的两个感应元件的输出信号之间的相位差是相同的。
另外，应该理解，本实施例中的多个感应元件的结构，还使得能够根据多个感应元件的输出信号的相位差来确定转向轴转动的方向。
本实用新型上述各实施例提供的传感装置可以作为整体，被实现为单独的传感器。例如，该传感器包括封装的外壳，以及固定的部分和可活动部分等，磁体和感应元件固定在固定部分上，编码器设置为可活动旋转的部件。在使用时，将这样的转向角度传感器安装在转向轴上，使编码器随转向轴转动。当实现为这样的传感器时，其可以直接将霍尔电压作为输出信号，当然，传感器中还可以包括一些信号处理电路，例如整形电路等，对霍尔电压的信号进行处理，将处理后的信号作为输出信号。当然，本实用新型实施例中的转向角度装置也可以作为电子稳定系统等车载系统的一部分，全部或部分通过分立的电子元件来实现。
本实用新型上述的实施例中的传感装置，由编码器、感应元件和磁体构成，与现有技术中的包括多个主动齿轮和从动齿轮的结构相比，更加简单、占用体积小。此外，传感装置中的编码器、感应元件和磁体互不接触，与图2a和图2b中的传感器结构相比较，这种非接触性的结构同时避免了齿轮等相互接触导致的噪音等问题。
图7示出了根据本实用新型的一个实施例的转向系统的结构示意图，如图7所示，转向系统70包括传感装置71，处理部件72以及驱动部件73。
处理部件72可以是VCU(车辆控制单元)，或其他任何车载控制器，其根据传感装置71的输出信号计算处转向角度并且输出计算出的转向角度的信息。在一些实施方式中，其还可以根据传感装置71输出信号检测转向方向并且输出转向方向的信息。
驱动部件73可以包括转向器、电动机等，根据处理部件72的计算的转向角度以及转向方向驱动车轮的转向。
传感装置71、处理部件72和驱动部件73可以通过例如CAN总线74连接，或通过其它方式连接。
作为示例，本实用新型实施例中的转向系统可以是ESP系统，其中，处理部件、驱动部件等的具体的位置可参见图1。
本实用新型实施例还提供了一种传感系统，用于获取转速、转动角度等信息，该传感系统包括上述各实施例的传感装置，还包括：计算单元，用于根据传感装置的输出信号来计算转动轴的转动速度和/或转动角度。与传感装置类似地，该传感系统可以以集成、或分立的形式实现。
在示例中，该传感系统可以是测量电机转动的系统。其中，计算单元可以是MCU、单片机或专门的集成电路等，转动轴是电机的转轴。
本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离本实用新型实质的情况下做出各种变形和修改。本实用新型的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种传感装置，其特征在于，包括：
随转动轴转动的编码器，所述编码器具有由磁性材料构成的交替结构的外表面；
与所述外表面相对，并且固定地布置在所述编码器外部的至少一个磁体；以及
固定地布置在所述至少一个磁体和所述编码器之间的至少一个感应元件，所述交替结构使得所述感应元件随所述编码器转动输出交替变化的信号，
其中，所述感应元件是对磁场敏感的感应元件。
2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述交替结构为周期性结构。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个感应元件是多个感应元件，所述多个感应元件被布置为使得所述多个感应元件中的任意两个相邻的感应元件的输出信号之间的相位差是相同的。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述外表面是所述编码器沿所述转动轴方向的侧表面；
所述至少一个磁体和所述至少一个感应元件沿所述编码器的径向圆周布置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述周期性结构为齿轮结构。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个感应元件与所述齿轮结构的同一部位相对齐。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述至少一个磁体是多个磁体，以及，所述多个磁体与所述多个感应元件一一对应。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述对磁场敏感的感应元件是霍尔传感器或巨磁阻传感器。
9.一种传感系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的传感装置，还包括：计算单元，用于根据所述传感装置的输出信号来计算转动轴的转动速度和/或转动角度。
10.一种转向系统，用于测量车辆转向轴的转向角度，其特征在于，包括：
权利要求1-8任一项所述的传感装置；
处理部件，用于根据所述传感装置的输出信号确定所述转向角度；以及
驱动部件，用于根据所述转向角度来驱动车轮转向。
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