CN211626378U - 扭矩角度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种扭矩角度传感器，用于检测车辆的方向盘转向柱的转向扭矩和角度，扭矩角度传感器包括一金属转子(4)、一主动齿轮(6)、与所述主动齿轮(6)啮合的至少一从动齿轮(8)、以及一PCB板(3)，其中所述主动齿轮(6)包括齿环(61)和多极性磁环(60)，所述齿环(61)同轴地固定在多极性磁环(60)的外表面，所述多极性磁环(60)包括若干个按相互颠倒的极性均匀排列的圆弧形磁段。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器、一种被配置用于监测车辆的转向状况的集成的扭矩角度传感器。
背景技术
扭矩角度传感器，将扭矩传感器和角度传感器集成组合在一起，用于测量车辆方向盘转向柱转动的角度和受到的扭矩大小。现有的扭矩角度传感器具有扭矩测量模块、角度测量模块、电路板和壳体，其中扭矩测量模块包括两个金属转子，角度测量模块包括主动齿轮和从动齿轮。电路板上设置有电磁传感元件、霍尔传感元件等元件，用以感测扭矩和角度信号。组装时，两个金属转子分别套设在方向盘转向柱的输入轴和输出轴上，主动齿轮方向盘转向柱的输入轴或输出轴上，从动齿轮与主动齿轮啮合。现有的扭矩角度传感器使用两个金属转子，对应地使用两个感测和采集该金属转子的芯片，然而，该芯片的成本高。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了扭矩角度传感器，其成本低。
首先，根据本实用新型的一个方面，它提供了一种扭矩角度传感器，用于检测车辆的方向盘转向柱的转向扭矩和角度，扭矩角度传感器包括一金属转子、一主动齿轮、与所述主动齿轮啮合的至少一从动齿轮、以及一PCB板，其中所述主动齿轮包括齿环和多极性磁环，所述齿环同轴地固定在多极性磁环的外表面，所述多极性磁环包括若干个按相互颠倒的极性均匀排列的圆弧形磁段。
根据一个可行实施方式，其中，所述主动齿轮的多极性磁环与齿环通过焊接、镶件注塑和压入连接方式中的至少一种方式固定在一起。
根据一个可行实施方式，其中，所述多极性磁环包括外圆周面和由外圆周面连接的两个相对的端面，所述齿环同轴地固定在多极性磁环的外圆周面和端面的至少其中之一上。
根据一个可行实施方式，其中，所述金属转子包括圆筒状的本体和从所述本体的外圆周沿径向均匀延伸设置的若干凸齿，所述凸齿之间设有空部，所述凸齿的形状大致相同。
根据一个可行实施方式，其中，所述凸齿和多极性磁环分别位于 PCB板的不同侧或相同侧。
根据一个可行实施方式，其中，所述金属转子和带有多极性磁环的主动齿轮分别被构造成设置在方向盘转向柱的输入轴、输出轴相互相对的端部上，分别与输入轴、输出轴同轴旋转，使得输入轴与输出轴间的扭矩可转化为金属转子与多极性磁环间的扭矩。
根据一个可行实施方式，其中，所述PCB板套设在输入轴或输出轴上，所述PCB板的面对金属转子的表面上设置有感应和采集所述金属转子的信号的部件。
根据一个可行实施方式，其中，所述PCB板通过电磁感应、电阻应变式传感、电感式传感、电容式传感、压电式传感、光电式传感或霍尔式传感的感应方式的其中之一来感应金属转子的旋转角度。
根据一个可行实施方式，其中，所述从动齿轮上固定设置有磁体，所述主动齿轮与从动齿轮的轴线平行。
根据一个可行实施方式，其中，所述PCB板上包括霍尔芯片、各向异性磁电阻芯片(AMR)、巨磁电阻芯片(GMR)和隧道磁电阻芯片 (TMR)中的一种芯片，用以感测和采集多极性磁环、主动齿轮和从动齿轮的旋转角度。
根据一个可行实施方式，其中，还包括上、下壳体，用以收容和限位所述主动齿轮及其多极性磁环、从动齿轮和PCB板。
与现有技术相比较，本实用新型传感器利用一个金属转子、带有多极性磁环的主动齿轮和从动齿轮即可检测车辆方向盘转动的转向扭矩和角度，PCB板上使用成本较低的霍尔芯片感测和采集多极性磁环、主动齿轮和从动齿轮的旋转角度，从而用于检测转矩信号和角度信号，因此省略了现有技术中的另一个金属转子，PCB板上相应地减少了一个感测和采集该另一个金属转子的成本较高的芯片，从而降低了成本，简化了产品结构。
附图说明
通过以下结合附图所作的详细描述，将更全面地理解本实用新型的前述和其它方面，附图包括：
图1示出了车辆的转向柱和被构造成检测方向盘转动的扭矩角度传感器的立体爆炸示意图。
图2示出了车辆的转向柱和图1所示的扭矩角度传感器的剖视示意图。
具体实施方式
下面通过示范性实施例详细描述本实用新型。
下面，将参看附图更为详细地描述本实用新型的一些示例性实施例，以便更好地理解本实用新型的基本思想和优点。
请参照图1和图2，车辆的转向柱包括自方向盘(未示出)的输入轴21、至转向轴连接器(未图示)的输出轴22以及连接在输入轴21与输出轴22之间的扭杆23。当方向盘受力后，扭杆23发生形变，利用扭杆23的材料的已知的力学特性，可以基于输入轴21相对于输出轴22的相对旋转角度来确定方向盘转向柱的转向扭矩，该相对旋转角度可表征扭杆的扭转变形。
本实用新型一实施方式的扭矩角度传感器，用于检测车辆方向盘转动柱的转向扭矩和角度，扭矩角度传感器包括一金属转子4、一主动齿轮6、与主动齿轮6啮合的至少一从动齿轮8、以及一PCB板3，其中主动齿轮6包括齿环61和多极性磁环60，齿环61同轴地固定在多极性磁环60的外表面，该多极性磁环60由若干个圆弧形磁段按相互颠倒的极性均匀排列。
金属转子4包括圆筒状的本体41和从该本体41的外圆周沿径向均匀延伸设置的若干凸齿40，凸齿40之间设有空部，各凸齿40的形状大致相同。
主动齿轮6套设并固定在输出轴22上，并且与从动齿轮8啮合，其中从动齿轮8上固定设置有磁体80，主动齿轮6与从动齿轮8的轴线平行。主动齿轮6的多极性磁环60与齿环61通过焊接、镶件注塑和压入连接方式中的至少一种方式固定在一起。多极性磁环60包括外圆周面和由外圆周面连接的两个相对的端面，齿环61同轴地固定在多极性磁环 60的外圆周面和端面的至少其中之一上。本实施方式中，齿环61同轴地固定在多极性磁环60的外圆周面上。
金属转子4、带有多极性磁环60的主动齿轮6分别被构造成设置在输入轴21、输出轴22相互相对的端部上，具体地，金属转子4的本体 41套设在输入轴21上，与输入轴21同轴旋转，主动齿轮6及其多极性磁环60套设在输出轴22上，与输出轴22同轴旋转，使得输入轴21与输出轴22间的扭矩可转化为金属转子4与多极性磁环60间的扭矩，对金属转子4与多极性磁环60间的扭矩测量即可完成方向盘转向柱的扭矩测量。凸齿40和多极性磁环60分别位于PCB板3的不同侧或相同侧，在本实施方式中，凸齿40和多极性磁环60分别位于PCB板3的不同侧。
本实施方式中，PCB板3套设在输入轴21或输出轴22上，PCB板 3的面对金属转子4的表面上设置有感应和采集金属转子4的信号的部件 (未图示)，当金属转子4转动时，金属转子4的凸齿40切割PCB板3 上产生的磁场，PCB板3通过电磁感应原理感应金属转子4的凸齿40的旋转角度，并乘以扭杆系数，获取输入轴21的转动角度信号。所述PCB 板3还包括霍尔芯片，用以感测和采集多极性磁环60的旋转角度。当主动齿轮6转动时，PCB板3采集多极性磁环60的旋转角度，并乘以扭杆系数，获取输出轴22的转动角度信号。根据输入轴21的转动角度信号和输出轴2的转动角度信号，可以计算得出车辆的方向盘转向柱的转向扭矩。可以理解，PCB板3也可采用其他常规方式，如电阻应变式传感、电感式传感、电容式传感、压电式传感、光电式传感和霍尔式传感中的一种方式感应所述金属转子4的角度信号。
所述PCB板3的霍尔芯片(未图示)，还用以感测和采集主动齿轮 6和从动齿轮8的旋转角度。当输入/输出轴转动角度大于360度时，且主动齿轮6驱动从动齿轮8，霍尔芯片将感知和计算该从动齿轮8上的磁体80的位置并向控制单元(未图示)输出一路圈数跟随信号，该信号与金属转子4测得的一路初始的角度信号，在ECU内部在通过游标算法耦合计算得出最终所需的精确角度信号。例如，多极性磁环60的循环角度是360/N，其中N是金属转子4的凸齿数，从动齿轮8的循环角度是 (360/Z1)*Z2，其中Z1是主动齿轮6的齿数，Z2是从动齿轮8的齿数，利用游标算法计算(360/N，(360/Z1)*Z2)的最小公倍数得出转角主动齿轮的绝对角度，例如当Z1＝45，Z2＝13，N＝12，则(360/N, (360/Z1)*Z2)的最小公倍数是1560，即所测得角度范围是1560度。根据实际需求，选择金属转子4的凸齿数N、主动齿轮的齿数Z1以及从动齿轮8的齿数Z2，来满足所需求的测量角度范围。在其他实施方式中，所述PCB板3上包括各向异性磁电阻芯片(AMR)、巨磁电阻芯片 (GMR)和隧道磁电阻芯片(TMR)中的一种芯片，用以感测和采集多极性磁环60、主动齿轮6和从动齿轮8的旋转角度。
根据实际固定需求，本实用新型传感器还包括上、下壳体1、2，用以收容和限位主动齿轮6、从动齿轮8和PCB板3。
本实用新型传感器利用一个金属转子、带有多极性磁环的主动齿轮和从动齿轮即可检测车辆方向盘转动的转向扭矩和角度，PCB板上使用成本较低的霍尔芯片感测和采集多极性磁环、主动齿轮和从动齿轮的旋转角度，从而用于检测转矩信号和角度信号，因此省略了现有技术中的另一个金属转子，PCB板上相应地减少了一个感测和采集该另一个金属转子的成本较高的芯片，从而降低了成本，简化了产品结构。
尽管这里参考特定实施例说明和描述了本实用新型，但是本实用新型并不限于所示的细节。而是，可以在本实用新型的范围内对这些细节进行各种修改。
Claims (11)
1.一种扭矩角度传感器，用于检测车辆的方向盘转向柱的转向扭矩和角度，转向柱包括输入轴(21)和输出轴(22)，扭矩角度传感器包括一金属转子(4)、一主动齿轮(6)、与所述主动齿轮(6)啮合的至少一从动齿轮(8)、以及一PCB板(3)，其特征是：所述主动齿轮(6)包括齿环(61)和多极性磁环(60)，所述齿环(61)同轴地固定在多极性磁环(60)的外表面，所述多极性磁环(60)包括若干个按相互颠倒的极性均匀排列的圆弧形磁段。
2.根据权利要求1所述的扭矩角度传感器，其中，所述主动齿轮(6)的多极性磁环(60)与齿环(61)通过焊接、镶件注塑和压入连接方式中的至少一种方式固定在一起。
3.根据权利要求2所述的扭矩角度传感器，其中，所述多极性磁环(60)包括外圆周面和由外圆周面连接的两个相对的端面，所述齿环(61)同轴地固定在多极性磁环(60)的外圆周面和端面的至少其中之一上。
4.根据权利要求3所述的扭矩角度传感器，其中，所述金属转子(4)包括圆筒状的本体(41)和从所述本体(41)的外圆周沿径向均匀延伸设置的若干凸齿(40)，所述凸齿(40)之间设有空部，所述凸齿(40)的形状大致相同。
5.根据权利要求4所述的扭矩角度传感器，其中，所述凸齿(40)和多极性磁环(60)分别位于PCB板(3)的不同侧或相同侧。
6.根据权利要求5所述的扭矩角度传感器，其中，所述金属转子(4)、带有多极性磁环(60)的主动齿轮(6)分别被构造成设置在方向盘转向柱的输入轴(21)、输出轴(22)相互相对的端部上，分别与输入轴(21)、输出轴(22)同轴旋转，使得输入轴(21)与输出轴(22)间的扭矩可转化为金属转子(4)与多极性磁环(60)间的扭矩。
7.根据权利要求6所述的扭矩角度传感器，其中，所述PCB板(3)套设在输入轴(21)或输出轴(22)上，所述PCB板(3)的面对金属转子(4)的表面上设置有感应和采集所述金属转子(4)的信号的部件。
8.根据权利要求7所述的扭矩角度传感器，其中，所述PCB板(3)通过电磁感应、电阻应变式传感、电感式传感、电容式传感、压电式传感、光电式传感或霍尔式传感的感应方式的其中之一来感应金属转子(4)的旋转角度。
9.根据权利要求8所述的扭矩角度传感器，其中，所述从动齿轮(8)上固定设置有磁体(80)，所述主动齿轮(6)与从动齿轮(8)的轴线平行。
10.根据权利要求9所述的扭矩角度传感器，其中，所述PCB板(3)上包括霍尔芯片、各向异性磁电阻芯片(AMR)、巨磁电阻芯片(GMR)和隧道磁电阻芯片(TMR)中的一种芯片，用以感测和采集多极性磁环(60)、主动齿轮(6)和从动齿轮(8)的旋转角度。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的扭矩角度传感器，其中，还包括上、下壳体(1、2)，用以收容和限位所述主动齿轮(6)及其多极性磁环(60)、从动齿轮(8)和PCB板(3)。
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