位置传感器的制造方法与工艺

本发明涉及用于确定沿感测方向的线性位置例如用于测量可移动的促动器元件的线性位移的位置传感器。更具体地，本发明涉及用于确定沿感测方向的线性位置的位置传感器，该传感器包括可相对于彼此移动的第一传感器部件和第二传感器部件。

背景技术：
具有经设计成相互位置关系非常严格的传感器部件的现有技术位置传感器通常由于传感器部件之间的内部机械摩擦和磨损而经受缩减的可用寿命。考虑到高的相关联成本，人们通常不期望替换或维修这种位置传感器，特别是当这种位置传感器用于复杂产品时。美国专利公开US-B-7276898公开了一种具有成形极(shapedpole)的长冲程霍尔位置传感器。壳体设置有定位构件和霍尔传感器。成形磁极和磁体被设置，并且它们其中之一与定位构件联接。霍尔效应传感器被设置并布置成感测成形磁极中的磁通量强度。因此，产生了随定位构件的位置变化的传感器输出。成形磁极和磁体的几何形状、尺寸和/或材料可以被改变以适应输出电压与位置的关系。

技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种准确可靠且成本低廉的位置传感器。本发明的第二目的在于提供一种特别适用于涡轮增压器中的位置传感器。根据本发明，提供了如上文限定的位置传感器，其中，第一传感器部件包括：环形磁体，该环形磁体的磁体轴线与感测方向一致，并且该环形磁体产生出沿感测方向呈轴向对称分布的磁场；以及磁场传感器，该磁场传感器被定位在磁体轴线上距环形磁体的第一距离处，其中，第二传感器部件包括能够在第一位置与第二位置之间沿感测方向移动穿过环形磁体的通量整形件，在第一位置中，通量整形件在大致距磁场传感器的第一距离处，通量整形件被布置用于为影响在环形磁体与磁场传感器之间的空间中的磁场。本发明还提供了非常可靠且容易制造的位置传感器，因为在位置传感器的相互运动的第一部件与第二部件之间不存在摩擦。此外，轴向对称允许迎合与第二部件(其线性位置被测量)相连的促动器元件的任何可能不对准或偏心运动。在另一个方面中，本发明涉及一种用于提供线性移动给促动器元件的促动器，例如，用于控制在涡轮增压器中的叶片位置的真空驱动促动器，该促动器包括根据本发明任一实施例所描述的位置传感器，其中，第二传感器部件与促动器元件连接。附图说明下文将参考附图利用数个示例性实施例对本发明加以更详细地讨论，在附图中：图1示出了根据本发明第一实施例的位置传感器的剖视图；图2示出了位置传感器的主元件及其相互定位的简化图；图3示出了根据本发明的位置传感器的第二实施例的示意图；图4示出了根据本发明另一个实施例的位置传感器部件的剖视图；图5示出了作为线性位置函数的根据本发明实施例的位置传感器的输出信号的图；图6示出了根据本发明的带有一体成型盖的位置传感器的实施例的剖视图；图7示出了根据本发明的带有超程止动块(overtravelstop)的位置传感器的实施例的剖视图；和图8示出了根据本发明的通量整形件(fluxshaper)的备选实施例的剖视图。具体实施方式线性位置传感器(例如还与促动器组合在一起)广泛地用于例如机动车应用场合(诸如涡轮增压器之类)。涡轮增压器增加了各种引擎设计的功率输出以及燃油效率，而不会增加引擎尺寸和重量。现代涡轮增压器在涡轮增压器内部装配有可调叶片，这些可调叶片利用单个真空促动器来促动。用在涡轮增压器中的现有技术位置传感器会经受部件之间的内部机械摩擦和磨损。这些位置传感器的使用寿命通常通过使用昂贵的材料来延长，所述材料例如具有高玻璃含量(例如40％－45％)的PPS塑料，因为这些塑料降低了部件之间的内部机械摩擦和磨损效果。此外，这些位置传感器采用了由钕制成的多个昂贵磁体来增加线性度和可靠度，从而进一步增加了组成部件的数量和制造成本。目前，要求用于例如机动车应用场合的线性位置传感器的寿命要非常长，并且同时要精度、线性度、可靠度高且成本低。本发明寻求提供一种用于例如涡轮增压器中的可靠的、准确的、低成本的位置传感器。根据本发明实施例的位置传感器没有内部摩擦，因为在内部传感器部件之间没有机械接触。另外，如由本发明其它实施例提供的位置传感器免除使用昂贵的磁体。并且，关于制造公差和温度变化引起的尺寸不确定性对本发明位置传感器的测量精度和可靠度没有明显效果。总体上，本发明提供了用于确定沿感测方向的线性位置的位置传感器。在图1、图3和图4中示出了这种位置传感器的横截面视图。图2示出了用于显示位置传感器的主元件的相互定位的简化图。如图2示意性示出，位置传感器包括可相对彼此移动的第一传感器部件和第二传感器部件。第一传感器部件包括：环形磁体2，该环形磁体具有与感测方向一致的磁体轴线1a，并产生出沿感测方向轴向对称分布的磁场；磁场传感器3，该磁场传感器3被定位在磁体轴线1a上距环形磁体2的第一距离l1处。第二传感器部件包括能够在第一位置与第二位置之间沿感测方向移动通过环形磁体2的通量整形件1，在第一位置中，通量整形件位于距磁场传感器3的大致第一距离l1处。通量整形件1被布置用于影响环形磁体2与磁场传感器3之间的空间中的磁场。例如，当通量整形件靠近磁场传感器3时，磁场线更加集中。这导致通量整形件1的位置与感测场强度之间的单调关系，并且在相互运动的第一和第二传感器部件之间不存在摩擦。图1示出了位置传感器10的第一实施例的剖视图，该位置传感器被安装在例如用于控制涡轮增压器中的叶片的真空促动器中。位置传感器10包括称为“通量整形件”1的长形轴对称构件，该构件沿着磁体轴线1a线性地移动穿过环形磁体2的轴对称孔2a。位置传感器10进一步包括被安装在载体11上的磁场传感器3，所述载体例如为带有用于处理来自磁场传感器3的信号的电子元器件的印刷电路板(PCB)。该磁场传感器3以沿环形磁体2的纵向轴线(磁体轴线1a)测得的固定距离l1远离环形磁体元件2定位。典型地，环形磁体2选择为永磁体，但其也可以为电磁体或者产生合适磁场的任何其它元件。如将在下面讨论地，由环形磁体2产生的磁场通过通量整形件1和磁场传感器3、以及二者之间的空间。位置传感器10的通量整形件1直接或间接地通过促动器杆5或其中定位有位置传感器10的促动器的其它移动部件移动。所示促动器为真空操作促动器，具有壳体9、以及采用波纹管式元件4a悬挂至促动器壳体9的杯形促动器本体4，所述波纹管式元件允许促动器本体4沿着如图所示的磁体轴线1a大致线性移动。弹性元件6(例如所示的螺旋弹簧)迫使静止位置中的促动器本体4抵靠促动器壳体9(在促动器杆5一侧上)。壳体9设置有真空管线连接件9a，其通过施加真空至壳体9、促动器本体4和位置传感器10之间的真空空间而使得促动器本体4能够朝向促动位置运动。促动器杆5例如利用图1实施例中所示的位于促动器本体4两侧上的夹紧环5a连接至促动器本体4，同时维持所述真空空间。衬套7被设置用于引导促动器杆5进入壳体9中。通量整形件1连接至促动器杆5或者连接至促动器本体4，从而其提供沿位置传感器10的磁体轴线1a的相同运动。例如可以采用螺纹连接来设置通量整形件1与促动器杆5的连接。在具体实施例中，如图1所示，通量整形件1是(外部)促动器杆5的端部件件。在许多促动器应用场合中，促动器杆5由软磁材料制成，并且可以经设计用作位置传感器10的通量整形件1。当然，在真空促动器的情况中，设置有运动的促动器杆5与壳体9的合适密封。当促动器经设计成通过沿着单一方向施加作用力于促动器杆5上(推杆形式的促动器杆5，例如，当促动器杆5自身被偏压以返回与促动器接触的位置时)而操作时，促动器杆5能够简易地接触促动器本体4，而无需任何更多连接机构。此情况下，例如图3中的实施例所示地，通量整形件牢固地附接至促动器本体4。环形磁体2和磁场传感器3布置在传感器壳体主体13中。传感器壳体主体13以允许与壳体9和促动器本体4形成关闭的真空空间的方式附接到促动器。在示出的实施例中，这通过利用壳体边缘22和相关联的密封构件23以及可能的壳体9的一个或多个紧固部件来实现。传感器壳体主体13进一步包括(标准化的)连接器部件21和一个或多个电引线20，其与设置在PCB11上的电子元器件接触。图2示出了在根据本发明实施例的位置传感器10的功能中起作用的多个尺寸。如所提到地，环形磁体2定位在距磁场传感器3的一定距离l1处，如图2所示，通量整形件(的端面)位于距磁场传感器3的第二距离l2处，该第二距离l2在最小距离和第一距离l1之间的操作范围上变化。环形磁体2设有(轴向的)孔2a，环形磁体2的内径d1大于通量整形件1的最大外径d2。内径d1和最大外径d2之间的差至少是1mm，例如为3mm。取决于实际应用场合和/或测量需求，通量整形件1可以具有沿其操作长度的不同直径(例如渐缩的几何形状或台阶形几何形状)，其中通量整形件1的操作长度被限定为通量整形件1的总体上确定位置传感器10的测量特性的区段(即，通量整形件1的在操作期间有效地影响靠近磁场传感器3的磁场的部分)。应该注意的是，不仅通量整形件1的在环形磁体2与磁场传感器3之间的空间中延伸的部分对磁场有影响，而且通量整形件的被定位在环形磁体2的孔2a内的部分、甚至通量整形件的在操作期间在环形磁体2的另一端延伸的部分也影响着磁场。如图所示的通量整形件1、环形磁体2和磁场传感器3的结构和取向具有通量整形件1中的B-H曲线中的磁滞在磁场传感器3的位置处被补偿的技术效果。通量整形件1经设计成大体轴向对称的杆，其具有为最大线性度而优化的径向几何形状。如在图1的实施例中进一步示出地，通量整形件1可移动地延伸穿过孔2a，而没有接触环形磁体元件2的内侧，从而在通量整形件1与环形磁体构件2之间产生空气间隙。尽管通量整形件1以纵向方式与孔2a大体对准，但是本发明实施例的优点在于通量整形件1相对于孔2a的任何可能偏心和/或不对准会最低程度地影响测量准确度。对于本领域技术人员来说容易理解的是，通量整形件1和环形磁体元件2所经受的制造公差和/或温度变化会引起尺寸偏差。通量整形件1和环形磁体元件2的所有可想到的实施例都在几何形状方面经设计成让空气间隙在存有这些尺寸偏差的情况下插置，从而确保通量整形件自由且无摩擦地运动穿过孔2a。如在图1、图3、和图4的实施例进一步示出且以进一步细节讨论地，位置传感器10的实施例包括磁场传感器3，该磁场传感器在传感器壳体主体13中对中地定位在磁体轴线1a上。磁场传感器通常选择为被安装在印刷电路板11上的霍尔传感器，但是任何合适的磁场传感器都会适用于本发明实施例。从环形磁体2发出的磁场穿过磁场传感器3，并在其连接末端上引起感应电压。通量整形件1经设计成影响环形磁体2发出的磁场。在一实施例中，通量整形件1由软磁材料(例如低碳钢)制成，从而它不会在暴露于磁场时变得被永磁化。这种材料可以以低成本容易地获得。环形磁体2例如从低成本磁性材料(例如铝镍钴合金)制成，而不是更昂贵的钕或钐钴型磁体。在另一实施例中，环形磁体2是电磁体。这将允许对位置传感器10中的感应磁通量精确地控制。使通量整形件1朝向磁场传感器3运动会让通过磁场传感器3的磁通量减少，导致在霍尔传感器的连接末端上的更低电压。相反地，使通量整形件1远离磁场传感器3运动会让通过磁场传感器3的磁通量增加，导致在该传感器的连接末端上的更高电压。因此，通量整形件1相对于磁场传感器3的特定位置与磁场传感器3的连接末端上的对应电压直接关联。应该注意的是，通量整形件1从不与磁场传感器3接触，这样永久的空气间隙被插置于通量整形件1和磁场传感器3之间(具有空气间隙长度l2)。应该注意的重要一点是，磁场传感器3不测量通量整形件1自身中的磁通量，但是它测量从环形磁体元件2发出的磁通量的一部分。当通量整形件1移动靠近或远离磁场传感器3时，通向整形件影响通过磁场传感器3的磁通量。结果，通量整形件1内的实际磁场强度并不受到特别关注。应该注意的另外一点是，通量整形件1是本发明位置传感器10中经设计成出于感测目的而有目的地操纵从环形磁体2发出的磁场的唯一元件。如在前面段落中所提到地，通量整形件1能够具有沿其操作长度的不同直径(例如渐缩的几何形状或预定的径向轮廓)。变化直径的技术效果在于通量整形件1的位置与磁场传感器3位置处的磁场强度之间的关系。例如，磁场强度可以作为磁场传感器3的连接末端上的电压而加以测量。通过为通量整形件1设置在其操作长度上的不同直径，可在通量整形件1的位置与磁场传感器3的连接末端上的电压之间获得更好的线性关系。如果需要，任何剩余的非线性行为能够由与霍尔传感器元件相同地集成在芯片上的专用电路补偿。具有的非线性关系理论上可以被布置在印刷电路板11上的合适电子系统处理，但是通量整形件1有目的地经设计成实现大体线性的关系，以便减少传感器复杂度和制造成本，从而使得位置传感器更好地适于大规模生产。图5中示出的示例是绘出了作为通量整形件1的所测距离(以及因此的促动器线性位置)的函数的磁场传感器3输出信号关系的图，其清楚地显示了非常良好的线性关系。图3示出了根据本发明的位置传感器10的另一实施例的剖视图。在该附图中，仅仅示出了位置传感器，而没有在实际操作中与其共同协作的任何其它促动器部件。在该实施例中，位置传感器10进一步包括与通量整形件1的远离磁场传感器3的第二端连接的安装盘15。该安装盘15具有的主表面大体垂直于位置传感器的感测方向。这允许将通量整形件1容易地附接(例如采用图3中描绘的焊接连接件16)到安装盘15，且随后将该组合安装至促动器的运动部件，诸如如图1中示出的真空促动器的促动器本体4的底表面。附接可以例如采用(点)焊接、螺栓连接或软钎焊技术实现。在该实施例中，促动器杆5(或总体上是具有线性运动的促动器元件)与促动器本体4的联接可以采用允许在不同于感测方向的方向上的一定相互运动(例如偏心、扭转等)的联接件来实现。图1、图3和图4中示出的实施例还设有靠近磁场传感器3的磁屏蔽元件8。该磁屏蔽元件由软磁材料制成，并增强了位置传感器10的要集中通过磁场传感器3的磁场。在该特定实施例中，磁屏蔽元件8具有在环形磁体2与磁场传感器3之间的整个空间沿周向方向延伸的杯的形式。这同样是为了(磁)屏蔽功能而提供，从而为位置传感器10消除了来自其它外部磁场(例如经常存在于机动车应用场合中)的影响。这种磁屏蔽元件8还改进信号增益，并减少位置传感器10的信号噪声，从而进一步改善测量精度。如上讨论地，采用磁场来确定线性位置的现有技术位置传感器用高等级材料制成壳体和壳体元件，以确保长的使用寿命并保持紧密制造公差。本发明的实施例可以以低得多的成本来制造。位置传感器10的第一和第二部件的无摩擦结构允许制造低成本的位置传感器10，例如采用模制技术来形成图4实施例的传感器壳体主体13。位置传感器10的第一部件的所有元件可以被包含在模制过程中在正确的相互位置处，从而有效地以低成本塑料材料(例如常规地使用在机动车应用场合的材料，从而消除了使用高等级、高强度塑料材料的需要)将壳体主体制成单一模制部件。在备选结构中，如作为图1和图3的实施例的一部分示出地，使用了两个壳体部件12、13，这两个壳体部件本身是可以被组装在一起的单一模制部件。再次地，传感器壳体主体13被布置用于保持磁场传感器3(以及相关联的PCB11和可选的磁屏蔽元件8)，并进一步包括连接器部件21和用于连接位置传感器10的相关联接线/引线20。第二壳体部件12被布置用于保持环形磁体2，例如利用延伸部件和环将环形磁体2保持在适当位置中。第二壳体部件12装配进由传感器壳体主体13提供的空间中，且可以利用所示的一个或多个摩擦螺栓14附接。因此，该实施例可以容易地利用以每次一个的方式填加元件以形成位置传感器10的连续过程来组装。除了具有如关于图1和图3中示出的实施例所描述的两个壳体部件的情形，图4还示出了传感器壳体主体13为单一模制部件的实施例。在该实施例中，传感器壳体主体13容纳环形磁体2、被安装在PCB11上的磁场传感器3、以及扁平的磁屏蔽元件8(以扁平盘的形式)。这种布置减少了组成部件的数量，并简化了位置传感器10的组装。注意到在该实施例中，PCB11布置在磁场传感器3的下方，且被安装在传感器壳体主体13上，从而进一步简化了位置传感器的组装。壳体边缘22靠近磁屏蔽元件8定位，从而使得传感器壳体主体13的大部分被接纳在图1所示的促动器壳体9的内部。在该构造中，扁平的磁屏蔽元件8足以屏蔽磁场传感器3和PCB11免受外部干扰，在促动器壳体9由强烈衰减这种干扰的合适材料制成的条件下。在图6示出的备选实施例中，磁屏蔽元件8的屏蔽功能通过将磁屏蔽元件8和促动器壳体设置成单件而得以进一步改善。即，位置传感器10现在设有一体成型的盖，该盖包括作为单件外壳或壳体的磁屏蔽元件8和促动器壳体9。一体成型盖不仅包括在环形磁体2与磁场传感器3的空间，一体成型盖还远超过第二壳体元件12延伸并与波纹管式元件4a联接。与例如图1和图3中示出的实施例相比，一体成型盖被看作磁屏蔽元件8，其具有沿周向方向屏蔽在环形磁体2与磁场传感器3之间的空间的杯形元件的形式。一体成型盖可以由金属材料制成，以增强位置传感器10的要集中穿过磁场传感器3的磁场。通过将磁屏蔽元件8和促动器壳体9制造为单件，位置传感器10的组成部件的数量和相关联的制造成本被进一步降低。同图1所示的磁屏蔽元件8一样，一体成型盖将磁场传感器3和PCB11与外部干扰(例如外部磁场)屏蔽开。在该实施例中，位置传感器10内的更大容积的空间与外部干扰屏蔽开，从而增加了信号增益并减少了信号噪声。由此，一体成型盖进一步优化了位置传感器10的测量精度。在示出的实施例中，真空管线连接末端9a布置在传感器壳体主体13上，并且包括与盖孔8a对准的真空通道9b，位置促动器10可以通过该盖孔而被促动。一体成型盖由于现在没有了真空管线连接件，因而可以容易地采用金属材料来制造。总的来说，伸出的真空管线连接末端9a可以通过传感器壳体主体13与一体成型的真空管线连接末端9a的注射模制过程而更容易且更便宜地制造。传感器壳体主体13进一步包括设有密封构件23的壳体边缘22。密封构件23确保传感器壳体主体13与一体成型盖的气密连接。在一实施例中，一个或多个摩擦螺栓14将传感器壳体主体13固定地附接至一体成型盖。在另一实施例中，一个或多个壳体边缘突出部22a将传感器壳体主体13固定地附接至一体成型盖，其中，一个或多个壳体边缘突出部22a在密封构件23设置进一步的压力，用以改进传感器壳体主体13与一体成型盖的密封布置。一个或多个壳体边缘突出部22a还确保了盖孔8a和真空通道9b的适当对准。密封构件23可以是大体对中在磁体轴线1a上的圆形的O型环，其中与密封构件23相比，盖孔8a和壳体边缘突出部22a更靠近磁体轴线1a定位。即，密封构件23包围壳体边缘突出部22a和盖孔8a以防止壳体边缘22与一体成型盖之间的气体泄漏。在备选实施例中，密封构件23可以是布置在传感器的塑料部件与金属部件之间的交界面处的密封胶。图7示出了设有超程止动块的位置传感器10的实施例的剖视图，其中通量整形件1关于磁体轴线1a的错位和偏心被扩大并清楚可见。在该实施例中，位置传感器10包括布置在环形磁体2与通量整形件1之间的环形超程止动块12a。该环形超程止动块12a至少部分插入环形磁体2中，并至少部分地覆盖所述环形磁体2的内表面。环形超程止动块12a具有比通量整形件1的最大外径d2更大的内径，以确保通量整形件1自由地运动穿过环形超程止动块12a。在一实施例中，环形超程止动块12a的内径和通量整形件的最大外径d2之间的差至少是1mm，例如是2mm。在示出的实施例中，通量整形件1关于磁体轴线1a错位，其中错位可包括关于磁体轴线1a的线性和/或旋转的偏移。虽然通量整形件1与环形磁体2之间的空气间隙基本上足以阻止接触，然而环形超程止动块12a提供了用于阻止通量整形件1和/或环形磁体2因二者之间的滑动接触而产生的任何磨损的预警测量。在通量整形件1相对于磁体轴线1a过度地偏移和/或偏心的情况下，环形超程止动块12a增加了位置传感器10的可用寿命和测量精度。在一实施例中，环形超程止动块12a由塑料材料制成，以阻止环形磁体2对通量整形件1的磨损和剐蹭，这样一来，万一环形超程止动块12a与通量整形件1接触，通量整形件1的原始形状和磁性属性保持不受影响。如果通量整形件1与环形超程止动块12a接触，位置传感器10的测量精度因此保持不受影响。图8示出了根据本发明的通量整形件1和安装盘15的备选实施例。在该实施例中，安装盘15包括设有柱形端部件15b的渐缩区段15a，通量整形件1被牢固地固定在柱形端部件15b中。该柱形端部件15b允许通量整形件1与安装盘15之间的强的、持久的连接，其中该连接能够承受周期性的载荷而不会因疲劳而断裂。例如，位置传感器10可以经受住涡轮机械应用场合中典型地在安装盘15和通量整形件1上施加周期性载荷的苛刻振动。安装盘15的柱形端部件15b允许通量整形件1被牢固地焊接或夹持至安装盘15，其中，柱形端部件15b的连接部分15c(例如被焊接或夹持的部分)不会吸收加载力矩本身，但是会首先阻止通量整形件1移出柱形端部件15c，即将通量整形件1保持在适当位置中。在示出的实施例中，通量整形件1进一步借助通量整形件1的外表面和柱形端部件15b的邻接的相合内表面与柱形端部件15b连接。这些表面大量吸收被施加在通量整形件1与安装盘15之间的连接上的载荷力矩。在一实施例中，连接部分15c是被夹持部分，其中柱形端部件15b通过把柱形端部件15b夹持至或者压向通量整形件而被固定地夹持至通量整形件1。在备选实施例中，连接部分15c是被焊接部分，其中柱形端部件15b被焊接至通量整形件1。如前面提到地，连接部分15c通常不吸收负载力矩，而仅仅将通量整形件1保持在适当位置中，从而阻止通量整形件1和安装盘15之间的连接因涡轮机械应用场合经常存在的恶劣振动而失败。为了进一步增加结构性连接，连接部15c可出现多次，例如作为双焊接部，这由于柱形端部件15b和通量整形件1的重叠高度而是可能的。在一有利实施例中，通量整形件1和安装盘15使用低成本制造技术例如深拉技术从单片金属制成。本发明实施例的位置传感器10具有多个优点。由于在通量整形件1和环形磁体2之间不存在机械接触，因此消除了这些部件之间的机械磨损，并且避免了使用昂贵的PPS塑料。本发明的实施例示例性地描述的位置传感器包括更少的部件，更易于制造且不会牺牲关于制造公差和温度变化的可靠性、测量准确度和坚固性。与其它目前可获得的位置传感器相比，本发明的位置传感器由于其简单性和低制造成本特别适于大规模生产。上文已参考附图中示出的多个示例性实施例描述了本发明实施例。某些部件或元件的修改和替换实施是可能的，并且这些修改和替换被包括在由所附权利要求书限定的保护范围内。