角旋转传感器系统的制作方法

本发明一般涉及电动转向盘系统领域，并尤其涉及用于感测角旋转(angularrotation)位置和扭矩的系统和方法。

电动转向盘系统已被开发以满足更严格的燃料经济性标准。这是通过用无刷dc电动机(bldc)替换皮带驱动液压泵来实现的，无论是否需要协助，该皮带驱动液压泵都会持续运转。电动机仅在需要转向协助时才被激活，从而节省能量。另一主要优点是取消了皮带驱动的发动机附件，以及在被安装在发动机上的液压泵与被安装在底盘上的转向齿轮之间的几个高压液压软管。这极大地简化了制造和维护。通过结合电子稳定性控制，电动转向系统可立即改变扭矩协助电平以帮助驾驶员进行纠正性操作。结果，对低成本和可靠的转向盘感测系统的需求迅速增加。

图1例示了现有技术已知的电动转向盘系统10的高级框图，该电动转向盘系统10包括：转向盘20；转向角位置传感器30；扭矩传感器40；车速传感器50；电子控制单元(ecu)60；电动机70，在一个实施例中包括bldc电动机；减速齿轮80；和转向柱90。转向角位置传感器30被布置以跟踪转向盘20的旋转，并且ecu60被布置以响应于对转向角位置传感器30的跟踪来确定转向盘20的角位置(angularposition)。ecu60进一步与扭矩传感器40协作地布置以确定施加到转向盘20的扭矩。响应于经确定的角位置和所施加的扭矩，ecu60被布置成经由电动机70将协助扭矩施加到减速齿轮80或转向柱90。所施加的协助扭矩进一步响应于由车速传感器50检测到的车辆的速度。

如图所例示的，系统10主要依赖于转向角位置传感器30和扭矩传感器40。2010年6月1日授予hoeller等人的美国专利7,726,208的全部内容以引用方式并入本文中，其提出了组合的转向和扭矩传感器。遗憾的是，hoeller的设计需要若干个传感器电路，这因此需要用于转向角传感器元件和转向扭矩传感器元件的单独集成电路，这增加了成本。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的是克服现有技术方法和布置的缺点。这在本公开中由角旋转传感器系统提供，该角旋转传感器系统包括：输入轴；输出轴；耦合在输入轴和输出轴之间的扭转杆；包封输入轴的输入轴目标，该输入轴目标包括多个输入轴目标构件，该多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件呈现与该输入轴的纵向轴线平行的面；包封输出轴的输出轴目标，该输出轴目标包括多个输出轴目标构件，该多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件呈现与该输出轴的纵向轴线平行的面；齿轮目标，该齿轮目标的角速度呈现与输入轴的角速度的预定比率，该齿轮目标包括多个齿轮目标构件，该齿轮目标构件呈现与输入轴的纵向轴线并且与由齿轮目标的角旋转限定的平面正交的面；输入轴目标传感器，该输入轴目标传感器被布置成响应于多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件的面与输入轴目标传感器之间的相对运动来感测输入轴目标的角旋转；输出轴目标传感器，该输出轴目标传感器被布置成响应于多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件的面与输出轴目标传感器之间的相对运动来感测输出轴目标的角旋转；齿轮目标传感器，该齿轮目标传感器被布置成响应于多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件的面与齿轮目标传感器之间的相对运动来感测齿轮目标的角旋转；以及控制电路系统，该控制电路系统被布置成：响应于输入轴目标的感测到的角旋转和齿轮目标的感测到的角旋转来确定输入轴的角位置；响应于输入轴目标的感测到的角旋转和输出轴目标的感测到的角旋转来确定施加到输入轴的扭矩；以及输出该输入轴的经确定的角位置和扭矩。

在一个实施例中，角旋转传感器系统进一步包括印刷电路板(pcb)，输入轴目标传感器、输出轴目标传感器和齿轮目标传感器被设置在该pcb上，其中pcb限定平行于输入轴的纵向轴线的平面。在另一实施例中，角旋转传感器系统进一步包括：包封输入轴的第二部分的第一齿轮，该第一齿轮呈现第一齿数；以及呈现第二齿数的第二齿轮，该第二齿轮的齿与第一齿轮的齿相啮合，齿轮目标耦合到第二齿轮并且被布置成响应于第二齿轮的旋转而旋转，其中用于确定输入轴的角位置的布置进一步响应于第一齿数与第二齿数的比率。

在一个实施例中，第二齿轮垂直于第一齿轮。在另一实施例中，多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件从圆形底座延伸，该平行平面由该圆形底座限定。

独立地，各实施例提供了一种角旋转传感器系统，包括：包封输入轴的第一部分的输入轴目标，该输入轴目标包括多个输入轴目标构件，该多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件呈现与该输入轴的纵向轴线平行的面；包封输出轴的一部分的输出轴目标，该输出轴目标包括多个输出轴目标构件，该多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件呈现与该输出轴的纵向轴线平行的面；齿轮目标，该齿轮目标的角速度呈现与该输入轴的角速度的预定比率，该齿轮目标包括多个齿轮目标构件，该多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件远离输入轴延伸并且呈现与平行于该输入轴的纵向轴线的平面正交的面；输入轴目标传感器，该输入轴目标传感器被布置成响应于多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件的面与输入轴目标传感器之间的相对运动来感测输入轴目标的角旋转；输出轴目标传感器，该输出轴目标传感器被布置成响应于多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件的面与输出轴目标传感器之间的相对运动来感测输出轴目标的角旋转；齿轮目标传感器，该齿轮目标传感器被布置成响应于多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件的面与齿轮目标传感器之间的相对运动来感测齿轮目标的角旋转；以及控制电路系统，该控制电路系统被布置成：响应于输入轴目标的感测到的角旋转和齿轮目标的感测到的角旋转来确定输入轴的角位置；响应于输入轴目标的感测到的角旋转和输出轴目标的感测到的角旋转来确定施加到输入轴的扭矩量；输出输入轴的经确定的角位置和经确定的扭矩量。

在一个实施例中，角旋转传感器系统进一步包括印刷电路板(pcb)，输入轴目标传感器、输出轴目标传感器和齿轮目标传感器被设置在该pcb上，其中pcb限定平行于输入轴的纵向轴线的平面。在另一实施例中，角旋转传感器系统进一步包括：包封输入轴的第二部分的第一齿轮，该第一齿轮呈现第一齿数；以及呈现第二齿数的第二齿轮，该第二齿轮的齿与第一齿轮的齿相啮合，齿轮目标耦合到第二齿轮并且被布置成响应于第二齿轮的旋转而旋转，其中用于确定输入轴的角位置的布置进一步响应于第一齿数与第二齿数的比率。

在一个实施例中，第二齿轮垂直于第一齿轮。在另一实施例中，多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件从圆形底座延伸，该平行平面由该圆形底座限定。

独立地，各实施例提供了一种感测角旋转的方法，该方法包括：提供包封输入轴的第一部分的输入轴目标；提供包封输出轴的一部分的输出轴目标；提供齿轮目标，该齿轮目标的角速度呈现与输入轴的角速度的预定比率；感测输入轴目标的角旋转；感测输出轴目标的角旋转；感测齿轮目标的角旋转；响应于输入轴目标的感测到的角旋转和齿轮目标的感测到的角旋转来确定输入轴的角位置；响应于输入轴目标的感测到的角旋转和输出轴目标的感测到的角旋转来确定施加到输入轴的扭矩量；以及输出输入轴的经确定的角位置和经确定的扭矩量。

在一个实施例中，被提供的输入轴目标包括多个输入轴目标构件，该多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件呈现与输入轴的纵向轴线平行的面。在另一实施例中，对输入轴目标的角旋转进行的感测响应于多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件的面与输入轴目标传感器之间的相对运动。

在一个实施例中，输出轴目标包括多个输出轴目标构件，该多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件呈现与输出轴的纵向轴线平行的面。在另一实施例中，对输出轴目标的角旋转进行的感测响应于多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件的面与输出轴目标传感器之间的相对运动。

在一个实施例中，齿轮目标包括多个齿轮目标构件，该多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件远离输入轴延伸并且呈现与平行于该输入轴的纵向轴线的平面正交的面。在另一实施例中，对齿轮目标的角旋转进行的感测响应于多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件的面与齿轮目标传感器之间的相对运动。

在一个实施例中，被提供的输入轴目标包括多个输入轴目标构件，该多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件呈现与输入轴的纵向轴线平行的面，以及其中感测输入轴目标的角旋转响应于多个输入轴目标构件中的每一个输入轴目标构件的面与输入轴目标传感器之间的相对运动。在另一实施例中，输出轴目标包括多个输出轴目标构件，该多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件呈现与输出轴的纵向轴线平行的面，以及其中感测输出轴目标的角旋转响应于多个输出轴目标构件中的每一个输出轴目标构件的面与输出轴目标传感器之间的相对运动。在又一实施例中，齿轮目标包括多个齿轮目标构件，该多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件远离输入轴延伸并且呈现与平行于该输入轴的纵向轴线的平面正交的面；以及其中感测齿轮目标的角旋转响应于多个齿轮目标构件中的每一个齿轮目标构件的面与齿轮目标传感器之间的相对运动。

通过以下附图和描述，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。

附图说明

为更好地理解本发明及展示可如何实施本发明，现仅作为示例对附图作出引用，在整个附图中，相同的标记指代对应的元素或部分。

需要强调的是，所示的细节仅作为示例且出于对本发明的优选实施例的解说性讨论的目的，并且是为了提供对本发明的原理及概念性方面被认为是最有用且容易理解的描述而给出的。就这一点而言，未做出尝试以示出比基本理解本发明所需更为具体的本发明的结构细节，结合附图的描述使得本领域技术人员明了本发明的若干形式可如何在实践中实施。在附图中：

图1例示了现有技术已知的电动转向盘系统的高级框图；

图2a-2e例示了根据某些实施例的角旋转感测系统的各种视图；以及

图2f例示了根据某些实施例的角旋转感测系统的控制电路系统的操作方法的高级流程图。

优选实施例的详细描述

在详细解释本发明的至少一个实施例前，需要理解的是，本发明不限于其在下文描述中或附图阐释中提出的构造详图以及组件安排上的应用。本发明可适用于其他实施例或者以各种方式实践或执行。另外，需要理解的是，本文采用的措辞及术语是为了描述目的并且不应被视为限制。

图2a例示了根据某些实施例的角旋转感测系统100的高级示意图的各种视图。图2b例示了角旋转感测系统100，其中pcb220是部分透明的；图2c例示了圆形底座225的高级俯视图，并且其具有相对于pcb220处于不同位置处的多个细长构件240；图2d例示了pcb220的高级框图；图2e例示了输入轴120、输出轴140和扭转杆250的高级侧视图；以及图2f例示了输入轴目标传感器180、输出轴目标传感器190、齿轮目标传感器200和控制电路系统210的操作方法的高级流程图，图2a-2f一起被描述。

角旋转感测系统100包括：包封输入轴120的一部分115的输入轴目标110；包封输出轴140的一部分135的输出轴目标130；包封输入轴120的一部分155并与输入轴目标110的一端连通的齿轮150；被布置成与齿轮150啮合的齿轮160；齿轮目标170；弹簧175；输入轴目标传感器180；输出轴目标传感器190；齿轮目标传感器200；控制电路系统210；以及其上具有输入轴目标传感器180、输出轴目标传感器190、齿轮目标传感器200和控制电路系统210的印刷电路板(pcb)220。有利地，仅需要一个pcb220来代替现有技术的多个pcb。

输入轴目标110、输出轴目标130和齿轮目标170中的每一者包括：在其中心呈现孔230的圆形底座225；以及从圆形底座225的边缘以距孔230最大径向距离垂直延伸的多个细长构件240。在一个实施例中，各细长构件240均由导电材料构成。在一个实施例中，输入轴目标110、输出轴目标130和齿轮目标170中的每一者的细长构件240都彼此相似。在另一实施例中，齿轮目标170的细长构件240与输入轴目标110和输出轴目标130的细长构件240不同。

每个细长构件240都呈现外表面245，外表面245沿细长构件240的长度延伸(即从圆形底座225延伸)并朝向远离圆形底座225。输入轴120经由扭转杆250耦合到输出轴140，使得输入轴120、扭转杆250和输出轴140形成细长杆，其允许由于扭转杆250的作用而围绕共同中心纵向轴线产生临时角位移。在一个实施例中，输入轴120的部分115位于输入轴120的部分155与扭转杆250之间，使得输入轴目标110被定位在齿轮150和扭转杆250之间。在一个实施例中，齿轮150与输入轴目标110同轴地设置在相应圆形底座225的与相应细长构件240相对的面上。

输入轴120延伸穿过输入轴目标110的孔230，而输出轴140延伸穿过输出轴目标130的孔230。在一个实施例中，输入轴目标110的细长构件240和输出轴目标130的细长构件240均沿着共同的纵向轴线260远离扭转杆250延伸。输入轴目标110的每个细长构件240的外表面245与输出轴目标130的每个细长构件240的外表面245大致平行于输入轴120和输出轴140的共同纵向轴线260，即由输入轴120、扭转杆250和输出轴140形成的杆的共同纵向轴线。

齿轮150呈现第一齿数270，而齿轮160呈现第二齿数270，齿轮160的齿数270与齿轮150的齿数270的比率是预定值。齿轮160垂直于齿轮150定位，并且齿轮160的齿270与齿轮150的齿270啮合，使得齿轮150的旋转引起齿轮160的旋转，齿轮160的角速度与齿轮150的角速度的比率等于齿数比率的值。齿轮目标170以平行位置耦合到齿轮160，使得其细长构件240各自远离输入轴120延伸，并且其每个细长构件240的外表面245都与平面280正交，平面280平行于纵向轴线260。弹簧175从齿轮160穿过齿轮目标170的孔230延伸到壳体(未示出)。弹簧175在齿轮160上施加少量的力，这最小化了齿轮150和160的啮合中的任何间隙/边坡(slop)。

在一个实施例中，输入轴目标传感器180、输出轴目标传感器190和齿轮目标传感器200中的每一者都包括平面线圈。输入轴目标传感器180、输出轴目标传感器190和齿轮目标传感器200中的每一者都与控制电路系统210通信，并且控制电路系统210与电动机或其他ecu(未示出)通信以提供协助扭矩，如上文所描述的。在一个实施例中，pcb220呈现平行于纵向轴线260的大致平面形状。输入轴120与转向盘(未示出)机械连通，而输出轴140与转向柱(未示出)机械连通。

在操作中，在阶段1000中，当输入轴120因转向盘的旋转而旋转时，输入轴目标传感器180被布置成响应于它们之间的相对运动来感测输入轴目标110的角旋转。特别地，输入轴传感器180在输入轴目标110的细长构件240的外表面245被呈现给其时和在输入轴目标110的相邻细长构件240之间的间隙247被呈现给其时输出不同的电压量。如图2c所例示的，在第一位置290中，输入轴目标110的细长构件240直接正对pcb220，并且输入轴目标传感器180被布置成输出电压量，该电压量指示输入轴目标110的细长构件240相对于pcb220而言处于该位置。在第二位置300中，输入轴目标110的细长构件240与pcb220呈现角度α，并且输入轴目标传感器180被布置成响应于角度α而输出电压量。因此，控制电路系统210被布置成检测从位置290到位置300(呈现角度α)的变化，并响应于此确定输入轴120的角位置的变化。本领域技术人员将认识到，此类布置可辨别单个间隙247上的旋转，而不能区分多个间隙247上的旋转，即总辨别力等于360°/输入轴目标110的细长构件240的数量。

齿轮160因输入轴120的旋转而旋转，旋转速率是与齿轮150的齿数比率的函数，如上文所描述的。在阶段1010中，齿轮目标传感器200被布置成响应于齿轮目标传感器200与齿轮目标170之间的相对运动来感测齿轮目标170的角旋转，如上文关于输入轴目标传感器180所描述的。特别地，如上文关于输入轴目标传感器180所描述的，齿轮目标传感器200在齿轮目标170的细长构件240的外表面245被呈现给其时和在齿轮目标170的相邻细长构件240之间的间隙247被呈现给其时输出不同的电压。控制电路系统210被布置成从输入轴目标传感器180和齿轮目标传感器200两者接收检测电压。在阶段1020中，控制电路系统210被布置成响应于检测到的输入轴目标110和齿轮目标170的角旋转来确定输入轴120相对于其初始位置的角旋转。具体而言，控制电路系统210被布置成确定转向盘和输入轴120旋转了多少。在典型的车辆中，转向盘在每个方向上都可旋转达到540度。由于输入轴目标110和齿轮目标170之间的转速差，通过使用对输入轴目标110的旋转的测量和对齿轮目标170的旋转的测量，控制电路系统210可精确地确定在每个方向上达到并且大于540度的旋转量。特别地，输入轴目标110和齿轮目标170中的每一者的齿轮比率和细长构件240的相应数量被选择以便在允许运动的范围内为每次测量提供唯一的输出。

在阶段1030中，输出轴目标传感器190被布置成响应于输出轴目标传感器190与感测输出轴目标130之间的相对运动来感测输出轴目标130的角旋转，如上文关于输入轴目标传感器180所描述的。特别地，如上文所描述的，输出轴目标传感器200在输出轴目标130的细长构件240的外表面245被呈现给其时和在输出轴目标130的间隙247被呈现给其时输出不同的电压量。当角向力(angularforce)被施加到转向盘时，输入轴120立即相应地旋转。由于扭转杆250的扭转常数，输出轴140的旋转以及所导致的输出轴目标130的旋转滞后于输入轴120的旋转。在阶段1040中，控制电路系统210被布置成确定由输入轴目标传感器180和输出轴目标传感器190输出的电压量之间的差异，并且响应于经确定的差异和扭转杆250的扭转常数来确定施加到输入轴120的扭矩的量。在阶段1050中，控制电路系统210被布置成输出阶段1020中经确定的角旋转和阶段1040中经确定的所施加的扭矩的量。

有利地，单个pcb220被用于角旋转和扭矩检测两者。附加地，由于输入轴目标110和输出轴目标130的形状和位置，输入轴目标110和输出轴目标130的细长构件240在被相应的传感器检测时不会彼此干扰。

应当理解，为了清楚起见在单独实施例的上下文中描述的本发明的特定特征还可在单一实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见在单一实施例的上下文中描述的本发明的各个特征还可单独地或者以任何合适的子组合被提供。

除非以其他方式定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有如本发明所属的领域的普通技术人员共同理解的相同含义。虽然类似于或等同于本文所描述的方法可用于本发明的实践或测试，本文描述了合适的方法。

本文所提及的所有出版物、专利申请、专利及其他参考文献均以引用方式并入其整体中。如有冲突，以专利说明书及其定义为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在限制。

本文所使用的术语“包括”、“包含”、和“具有”以及它们的同源词都表示“包括但不一定限于”。

本领域技术人员将理解本发明不被限于上文已具体示出且描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求书定义，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及在阅读上述描述后本领域技术人员将作出的变化和修改。