可变磁阻位置传感器的制作方法

专利名称：可变磁阻位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种结合有霍耳效应器件的位置传感器，且更具体地说，涉及用于跟踪EGR阀柱塞(valve plunger)位置的系统。
背景技术：
止提前点火而改进机动车发动机的性能。污染物一氧化二氮(NO》趋于在 高温下形成。而且在高温下，气缸内的燃油空气混合物在没有火花时趋于 在压缩冲程(compression stroke)中而不是燃烧冲程(combustion stroke)中提 前点火。为了 P争4氐气釭内的温度，EGR阀在进气沖程中允许少量惰性气体从排 气系统进入气缸。EGR阀通常具有柱塞，该柱塞的位置决定了被允许重新 进入气缸的废气量。在一些系统中，柱塞连接到由进气歧管(manifold)产生 的真空所控制的膜片(diaphragm)。在其他系统中，柱塞由电磁阀或步进电 机电子地控制。也可以采用气动控制或液压控制。当发动机冷却或处于怠速时，EGR阀通常保持闭合，而当发动机升温 并以部分油门运行时，EGR阀保持开启。当EGR阀未能正常打开时，NOx 排放增加并可能发生提前点火。如果EGR阀未能正常关闭，则可能发生 急、速不牙急(rough idling)、迟)'带(hesitation)牙口失速(stalling)。在许多系统中，排放控制模块(ECM)或其他车载电脑监控EGR阀以确 保正常运行。在具有电磁阀或步进电机驱动的EGR阀的系统中，ECM或 车载电脑控制EGR阀柱塞的位置。重要的是，为了向车辆的ECM提供准确的信息，应精确测量柱塞的位置。
一些位置传感器使用霍耳效应器件，霍耳效应器件测量在其上的磁
场入射(magnetic field incident)中的变化。在一些系统中，霍耳效应器件 相对于静止的永磁体或磁体移动，以使霍耳效应器件上的磁场入射随位置 而变化。在其他系统中， 一个或更多个永磁体相对于静止的霍耳效应器件 移动。在这些系统中，在任一情况下，霍耳效应器件包括独立移动的两个 不同部分。
这些系统不便于使用。霍耳效应器件和永磁体都受发动机室的恶劣环 境的影响。霍耳效应器件通常形成于易于在高温时发生故障的硅片中。典 型的铁基铁^磁材料将在约1400 ° F,即深度运行状况下内燃机废气的温度， 失去其永-磁性。
因为这些零件中任何一个都可能发生故障，所以它们应可易于拆卸以 供更换。然而，永磁体和霍耳效应器件的分别安装需要替换两个零件。此 外，难以相对于霍耳效应器件准确定位永^t体，因为它们安装到不同的结 构，而其中一个结构是可移动的。因此，磁体或霍耳效应器件的替换都需 要重新校准位置传感器。
因此，将提供一种将永磁体和霍耳效应器件集成到单个装置中并易于 使用和校准的EGR位置传感器，这是现有技术中的进步。

发明内容
本发明4皮开发以响应纟支术的目前状态，且特别地，响应现有4支术中还 未被当前可用的EGR传感器完全解决的问题和需求。因此，本发明被开 发来提供一种能克服现有技术中许多或全部上述缺点的检测设备和方法。
一个实施方案中，目标固定到活动构件，该活动构件沿着行进方向的 移动是待检测的。行进方向可以是平移的或转动的。该目标调节跨过磁通 源(flux source)例如永磁体与i兹场传感器例如霍耳效应器件之间间隙的石兹 通量。
目标配置有沿目标随位置变化而变化的磁通调节特性(flux modulating property )，以使跨过间隙的^兹通量帮助识别目标在间隙外或内的部分。在一个实施方案中，磁通调节特性是目标的磁阻(reluctance)。可通过由高磁 导率材料构成目标并与沿着目标行进方向的位置成比例地改变目标的截 面，来实现磁阻的变化。在一个实施方案中，只改变目标伸到间隙中的距 离而不改变目标的宽度。在一些实施方案中，磁通集中器在间隙附近从永 磁体延伸到霍耳效应器件以提高磁通的流动。在一些实施方案中，具有恒定^f兹通调节特性例如^兹阻的第二目标可在 具有第二^F兹场传感器的第二间隙内移动。第二^1场传感器与第一^f兹场传感 器一样可检测来自于相同磁通源的磁通，或者可使用另外的磁通源。第二 磁场传感器的输出可用来使第 一磁场传感器的输出规范化以减少噪声和 其它异常。因为第二磁场传感器的输出中的变化可能由诸如非行进方向上 的移动、漂移等因素引起，所以第二磁场传感器的输出提供了用于抵消这 些异常对第 一 磁场传感器的输出所起的影响的测量值。本发明提供了优于现有技术的优点。贯穿本说明书提到特点、优点或 相似的语言并不意味着可用本发明实现的特点和优点应在或在本发明的 任何单个实施方案中。相反，提到特点和优点的语言应理解为意味着结合 实施方案所描迷的具体特点、优点和特征包含在本发明的至少一个实施方 案中。因此，贯穿本说明书，对特点和优点的论述以及相似的语言可以但 不必参考相同的实施方案。此外，所描述的本发明的特点、优点和特征可在一个或更多个实施方 案中以任何合适的方式组合。相关领域的技术人员将认识到，可不具有特 定实施方案的一个或更多具体特点或优点而实现本发明。在其他实例中， 将在某些实施方案中认识到其它特点和优点，其可能没有在本发明的所有 实施方案中出现。本发明的特点和优点将由下列描述和所附权利要求变得更加充分地 显而易见，或者可通过如在下文中提出的对本发明的实现认识到这些特点 和优点。


为了易于理解本发明的优点，将通过参考在附图中展示的具体实施方 案，对在上文中简单描述的本发明做更加详细的描述。应理解，这些图形 仅描绘了本发明典型的实施方案，因而不应被认为是对本发明范围的限
制，通过使用附图，将用附加的特征和细节描述和说明本发明，其中 图1是根据本发明的目标和传感器的侧视图； 图2是根据本发明的传感器的剖视图； 图3是根据本发明的目标的截面侧视图4是^4居本发明的具有^f兹通图案的图示的目标和传感器的示意图的 顶视图5是才艮据本发明的代表传感器的输出的曲线图6是根据本发明的目标的可替换的实施方案的截面侧视图7是根据本发明的代表结合图6的目标的传感器的输出的曲线图8是根据本发明的传感器和目标的安装系统的侧视图9是根据本发明的结合了校准开关的传感器和目标系统的侧视图IO是根据本发明的双目标系统的透视图11是根据本发明的双目标系统和相应的传感器的顶视图12是根据本发明的适合于在转动的位置传感器中使用的目标的透 一见图；以及
图13是根据本发明的适合于在转动的位置传感器中使用的双目标系 统的透^L图。
具体实施例方式
贯穿本说明书提到"一个实施方案"、"实施方案"或相似的语言意味 着结合该实施方案所描述的特定的特点、结构或特征包含在本发明的至少 一个实施方案中。因此，词组"在一个实施方案中"、"在实施方案中"或 相似的语言贯穿本说明书出现可以但不必全都参考相同的实施方案。此外，所描述的本发明的特点、优点和特征可在一个或更多实施方案 中以任何合适的方式组合。相关领域的技术人员将认识到，可不具有特定 实施方案的一个或更多具体特点或优点而实现本发明。在其他实例中，将 在某些实施方案中认识到其它特点和优点，其可能没有在本发明的所有实 施方案中出现。参考图1,位置传感器10可包括目标12和转换器(transducer)14。该 目标可安装到位置正^t测量的活动构件16，例如EGR阀的柱塞。活动构 件16通常具有至少一个行进方向18,该行进方向在图1的实施方案中是 平移的。转换器14通常安装到静止的构件例如机动车车身、发动机结构 或EGR阀外壳。转换器14还可安装到固定到静止构件的支架。参考图2,转换器14包括外壳20、磁通源22和磁场感测器件24。磁 通源22和,兹场感测器件24固定到外壳20以-使它们之间存在间隙26。在 一些实施方案中，夕卜壳20包围磁通源22和磁场感测器件24，并由例如高 温塑料、陶覺或非铁磁性金属例如铝等具有与磁场低交互作用的材料制 成。在其他实施方案中，磁通源22和磁场感测器件24被暴露。磁通源22可体现为永磁体或维持在大体上恒定的或可预测的磁通的 电》兹体。》兹通感测器件24可体现为霍耳效应器件。可替换地，其它石兹场 传感器，例如基于磁性多层膜的巨磁电阻效应(GMR)的自旋晶体管，可用 来检测来自于磁通源22的磁场。接线32耦合到磁场感测器件24并提供 地、电源和输出线。固定到外壳20或接近外壳的机动车车架的整体连接 器34可固定于线束(wiring harness)或类似物。可替换地，可使用尾缆(pigtail csbls )。在一些实施方案中， 一磁通集中器36在间隙26附近从石兹场感测器件24 延伸到磁通源22。磁通集中器36通常用可透磁材料制成，例如磁性软铁。 磁通集中器36可起到增强磁场感测器件24上的磁通入射的作用。在一些 实施方案中，孑L38或槽38形成于磁通集中器36中以容纳接线30。参考图3,目标12通常具有沿行进方向18变化的磁通调节特性。在 所展示的实施方案中，磁通调节特性是目标12的位于间隙26中的部分的 磁阻。该磁阻可通过沿行进方向随位置改变目标12的截面而得到改变，以^f吏取决于目标12的位置而有更多或更少的材料^皮i殳置在间隙26内。在 所展示的实施方案中，目标的高度40被改变。在其他实施方案中，厚度 随位置改变而改变。在另外其他实施方案中，构成目标的材料的磁阻可随 位置的变化而变化。在另外其他实施方案中，厚度、高度或磁阻中的两个 或更多可随位置的改变而改变。在所展示的实施方案中，目标12具有斜 度42,以使当目标12沿行进方向18以恒定速度移动时，间隙24内的材 料量将线性变化。
参考图4,在运转中，在没有目标12时，来自于磁通源22的磁通将 沿着路径50前进。然而，当目标12移动进入间隙26中时，^^'司隙26的 磁阻降低。因此，磁通将被引导沿着路径52穿过目标12,并在磁场感测 器件24上入射。另外地，目标12可包含在某些条件下增大流出磁通源22 的总磁通的软磁材料。因此，位于间隙26内的材料量越大，磁场感测器 件24上的磁通路径52入射量将会越大。
为了准确地感测石兹场内的变化，垂直于行进方向18的方向54、 56上 的变化可能需要被减少或被补偿。在一些实施方案中，活动构件16可被 限制为仅在行进方向18上移动。在方向54上发生变化的地方，跨间隙26 的磁阻不再仅由位于间隙26内的材料量改变。跨空气间隙的磁阻与空气 间隙长度成反比。因此，当目标12的任一侧的空气间隙改变时，将发生 磁阻的非线性变化。当方向56上的改变发生时，间隙26中的材料量不再 如由目标12的斜度42确定的方式反映沿行进方向18的变化，而是由斜 度42和在方向56上的变化共同确定。
参考图5，当目标12以恒定速度移动时，转换器14的输出由曲线60 代表。尽管曲线60不是线性的，但是其部分62大体上是线性的，且末端 部分64、 66没有显著不同于线性的形状。在一些实施方案中，活动构件 16的运动范围可限制到线性部分62。可替换地，校准与数字处理可用于 补偿非线性部分64、 66。
参考图6,在一些实施方案中，可以沿行进方向18串联地布置多个目 标12来使用它们。这种目标结构的输出展示在图7中。车载计算机可通 过计算倾斜区域70和大体上垂直的区域72的数量来确定行进方向和移动的距离。在单个周期74内，车载计算机可如对单个目标12—样确定目标 12的位置。参考图8，转换器14可固定到接纳一个或更多个紧固件82例如有头 螺钉的法兰(flange)80。紧固件82可将法兰80固定到静止构件例如机动车 车身、发动才几设备或EGR阀外壳，或者固定到支架或类似结构，而该支 架或类似结构固定到静止构件。槽(groove)84或密封装置(gland)84可形成 于外壳20的底部以容纳O形圏，密封外壳20底部到法兰80间的间隙， 乂人而防止污染物进入外壳20。连接器34可与外壳24相对地从法兰延伸并 固定到线束或类似物。参考图9，在一些实施方案中，可通过参考位置开关90帮助校准。如 在所展示的实施方案中，参考位置开关卯可设置在活动构件16行进范围 的末端点。可替换地，参考位置开关90可放置在沿着行进范围方向的另 一个位置。如图9中所示，开关90可由目标14触发。可替换地，独立机 构可固定到活动构件16并触发开关90。开关90可电耦合到ECM92或其 他车载计算机。ECM可使用开关90的输出校准传感器10。如图5中所示，传感器10 的输出是非线性的。因此，为了计算上补偿非线性，必须知道曲线上的位 置。参考位置开关可起到确定曲线60上的位置的作用。在其他实施方案 中，该开关可标示活动构件在其^f亍进范围的开始处。ECM92也可使用开关 90的已知位置来确定添加到传感器的输出或从传感器的输出减去的偏移 量，以补偿传感器10在某一位置由漂移或其它偏差源产生的任何非零输 出。参考图10，在传感器10的一些实施方案中，多个目标12a、 12b用来 补偿垂直方向上的移动，以及补偿因温度变化和其他环境影响而产生的漂 移。如在上文所论述的，目标12a可具有变化的f兹通调节特性，例如沿行 进18的距离的变化的石兹阻。目标12b可具有沿行进18的距离恒定的、或 大体上恒定的i兹通调节特性。参考图11,多个转换器14a、 14b,分别对应于目标12a、 12b,可接 近活动构件16固定，并将它们的间隙26设置为与目标12a、12b相互作用。不同于因漂移和在垂直方向54、 56上的移动引起的变化，转换器14b可 提供恒定的输出信号。因此，14b的信号可被ECM92用来使转换器14a 的输出规范化以补偿这些异常。参考图12，在一些实施方案中，行进方向18可以是转动的而不是平 移的。在这些实施方案中，目标12可具有随围绕转动轴92的角度的变化 而改变的^t通调节特性。在》兹通调节特性是由目标12截面确定的,兹阻的 地方，目标的高度40可随角度位置变化而改变。目标12可体现为用于与 参考目标12b结合的目标12a,以补偿不同于沿行进方向的移动和漂移。本发明可以其他具体形式体现而不背离其主旨或基本特征。所描述的 实施方案应被认为在所有方面中仅是示例性的并且不是限制性的。因此， 本发明的范围是由所附权利要求而不是由在前的描述指示。权利要求的等 价的含意和范围中的所有变化应包含在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于检测目标移动的设备，所述设备包括磁通集中器，其包括高磁导率材料，所述磁通集中器定形为设置一包含高磁阻区域的磁间隙；永磁体，其耦合到所述磁通集中器并配置为建立一跨所述磁间隙的磁场；磁传感器，其定位成测量跨所述磁间隙的磁通；以及目标，其设置成穿过所述磁间隙行进并响应于行进距离的变化而调节跨所述磁间隙的磁阻。
2. 如权利要求l所述的设备，其中所述目标由低磁阻材料形成。
3. 如权利要求2所述的设备，其中构成所述目标的低^f兹阻材料的量 在至少一个方向上单一地变化。
4. 如权利要求1所述的设备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应器件。
5. —种用于检测移动的设备，所述设备包括 活动构件；导向装置，其固定到所述活动构件以允许所述活动构件在行进方向的 运动；目标，其沿着所述活动构件、大体上平行于所述行进方向延伸，并具 有沿垂直于所述行进方向的方向变化的截面；^f兹场感测器件，其固定到具有输出线的支撑物；以及至少一个磁通源，其固定到相对于所述磁场感测器件定位的所述支撑 物，以在所述石兹场感测器件上施加石兹通，所述目标相对于所述-兹场感测器 件和所述至少一个石兹通源定位以干扰在所述》兹场感测器件上施加;兹通。
6. 如权利要求5所述的设备，其中所述行进方向是转动的，所述截面相对于所述行进方向的转动轴在径向方向改变。
7. 如权利要求5所述的设备，其中所述行进方向是平移的。
8. 如权利要求7所述的设备，其中所述截面单一地变化。
9. 如权利要求5所述的设备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应器件。
10. 如权利要求5所述的设备，其中所述至少一个磁通源是永磁体。
11. 一种用于测量位移的方法，所述方法包括 提供活动构件；提供耦合到所述活动构件并对应于所迷活动构件移动的目标，所述目 标具有磁通调节特性，所述磁通调节特性沿所述目标的至少一个维度变 化；提供磁场感测器件；提供相对于所述磁场感测器件定位的》兹通源，以在所述磁场感测器件 上施加》兹通，所述目标相对于所述》兹场感测器件和所述》兹通源定位以干扰 在所述石兹场感测器件上施加-兹通；移动所述活动构件不确定的量；以及测量所述^f兹场感测器件的激励的变化以确定所述目标的移动。
12. 如权利要求11所述的方法，其进一步包括提供电耦合到所述磁场感测器件的控制装置，以测量来自所述磁场感 测器件的输出信号。
13. 如权利要求12所述的方法，其进一步包括提供接近所述目标并电耦合到所述控制装置的基本位置传感器，所述 传感器设置成在至少一个点沿所述点的运动范围啮合所述活动构件和所 述目标的至少一个；与所述基本位置传感器啮合以启动所述基本位置传感器；以及当所述基本位置传感器启动时校准所述控制装置。
14. 如权利要求11所述的方法，其进一步包括 提供固定到支撑物的第二磁场感测器件；提供具有磁通调节特性的第二目标，所迷磁通调节特性沿所述第二目 标的至少一个维度大体上恒定，所述第二目标耦合到所述活动构件并被限 制成大体上对应于所述活动构件运动，所述目标相对于至少一个^兹通源中 的一个和所述第二磁场感测器件定位以干扰在所述第二磁场感测器件上 施力口石兹通；以及用所述第二磁场感测器件的输出使所述第 一磁场感测器件的输出规 范化。
15. —种EGR位置传感器，所述传感器包括 EGR阀，其包括气缸，其固定到车辆，和柱塞，其位于所述气缸内并可在相对所述气缸的纵向的方向滑动；目标，其耦合到所述柱塞并被限制为相应于所述柱塞移动，所述目标具有沿至少一个方向随位置的变化而改变的截面； 》兹场感测器件，其固定到所述车辆；以及磁通源，其接近所述磁场感测器件固定到所述车辆以在所述磁场感测 器件上施加磁通，所述目标相对于所述磁场感测器件和所述磁通源定位以 干扰在所述》兹场感测器件上施加;兹通。
16. 如权利要求15所述的设备，其中所述目标固定到所述柱塞，沿 所述柱塞纵向延伸。
17. 如权利要求15所述的设备，其中所述截面以径向方向单一地变化。
18. 如权利要求15所述的^殳备，其中所述磁场感测器件是霍耳效应 器件。
19. 如权利要求15所述的设备，其进一步包括电耦合到所述磁场感 测器件的排放控制模块。
20. —种用于检测移动的设备，所述设备包括 活动构件；至少一个》兹通源；第一f兹场感测器件和第二^t场感测器件，所述每个^f兹场感测器件相对 于所述至少一个i兹通源中的一个定位成感测由所述至少一个》兹通源中的 一个产生的》兹通；第一 目标和第二目标，所述第一目标和所述第二目标具有磁通调节特 性，所述磁通调节特性沿所述目标的至少一个维度变化，所述目标耦合到 所述活动构件并^f皮限制为大体上相应于所述活动构件移动，所述第 一 目标 相对于所述第 一》兹场感测器件定位以调节在所述第一^兹场感测器件上施 加》兹通，所述第二目标相对于所述第二-兹场感测器件定位以调节在所述第 二》兹场感测器件上施加》兹通；控制装置，其电耦合到所述第一磁场感测器件和所述第二磁场感测器 件，所述控制装置配置成比较来自第一磁场感测器件和第二磁场感测器件 的信号以实现误差校正。
21. 如权利要求25所述的设备，其中所述目标由低磁阻材料形成， 且其中所述磁通调节特性是构成所述目标的低磁阻材料的量。
22. 如权利要求21所述的设备，其中构成所述目标的低磁阻材料的 所述量随平行于所述目标的所述至少一个维度的位置中的变化而单一地 改变。
23. 如权利要求22所述的设备，其中所述第一磁场感测器件和第二 磁场感测器件是霍耳效应器件。
24. 如权利要求23所述的设备，其中所述至少一个磁通源是永磁体。
25. 如权利要求24所述的设备，其包括至少一个磁通集中器，所述 磁通集中器将所述至少一个永磁体耦合到所述第一磁场感测器件和所述 第二i兹场感测器件中的至少 一 个。
全文摘要
公开了一种位置传感器(10)，其具有由霍耳效应器件(24)形成的转换器(14)和在外壳(20)内固定在低磁导率间隙(26)的任一侧的永磁体(22)。固定到活动构件(16)例如EGR阀柱塞的目标(12)在间隙(26)内移动。目标(12)具有沿行进方向(18)随位置变化而变化的磁通调节特性。在一些实施方案中，通过随位置来改变目标(12)的截面，获得可变的磁阻。在一些实施方案中，具有大体上恒定的磁阻的第二目标(12b)固定到活动构件(16)，并在由第二转换器界定的间隙(26)内移动。第二转换器(14b)的输出用来使第一转换器(14a)的输出规范化并补偿异常，例如漂移和除在活动构件(16)的行进方向以外的移动。
文档编号G01B7/30GK101273194SQ200680034235
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月26日 优先权日2005年9月26日
发明者阿尔佛雷德·斯卡普, 马太·L·施耐德 申请人:卡明斯公司