旋转位置传感器及其制造方法与流程

本主题公开涉及一种旋转位置传感器。本主题公开进一步涉及一种制造旋转位置传感器的方法。

背景技术：

卡车或拖车的底盘的高度由电子水平控制(elc)系统调节。elc系统包括角度传感器，所述角度传感器借助于两个连杆连接到轮轴。角度传感器附接至车辆的底盘。主要竖直定位的连杆的一端联接至轮轴。主要水平定位的连杆的一端联接至角度传感器的旋转轴线。两个连杆的另一端借助于铰链结构联接在一起。当轮轴线相对于底盘上/下移动时，这种移动导致角度传感器的旋转轴线的旋转。角度传感器测量旋转轴线的角度。所测量的角度指示车辆的高度。所测量的车辆高度允许elc系统调节车辆的高度。elc系统还包括针对具有气动悬架的卡车/拖车/公共汽车的轴升降功能。轴升降功能的示例是：1)公共汽车的下跪功能，允许儿童、老人和残疾人更容易进出车辆；2)在平坦的道路上降低卡车/拖车的高度，以减少燃料消耗。

测量旋转角度的感测ic可以是可从加利福尼亚州库比蒂诺的amsusainc.获得的amsas5048磁性旋转位置传感器集成电路(as5048ic)。as5048ic是一款易于使用的360°角度位置传感器。as5048ic测量磁体的旋转角度的绝对位置，并且由带有磁体的霍尔传感器、模拟数字转换器和数字信号处理组成。零位置可以被编程。这简化了整个系统的组装，因为磁体的零位置不需要机械对准。感测as5048ic容许未对准、空气间隙变化、温度变化以及外部磁场。可以使用的具有类似功能的另一种感测集成电路(ic)是可从新罕布什尔州纳舒厄的melexisinc.获得的mlx90365三轴位置传感器ic。

感测ic的编程能力有助于开发者调整ic中的参数，使得感测ic的输出信号关于输出值和传递曲线具有所需的输出特性。elc系统中的角度传感器只需测量小于360°的有限范围内的角度。通过使用上述标识的感测ic，角度传感器能够测量整个360°范围内的角度，并可用作旋转位置传感器。已知的旋转位置传感器包括可旋转部分和固定部分。可旋转部分借助于具有旋转轴线的轴承可旋转地联接至固定部分。偶极磁体附接至可旋转部分，其中磁矩方向垂直于旋转轴线。感测单元附接至固定部分并且被构造成测量偶极磁体的旋转角度的绝对位置。

技术实现要素：

本技术的目的是提供一种旋转位置传感器，其相对容易制造并且具有优于已知旋转位置传感器的以下优点，比如：提高的产品寿命；产品寿命期间提高的输出精度；承受高疲劳强度要求的坚固性；以及高抗磁性。

根据本主题技术的第一方面，该目的通过以下旋转位置传感器实现，其具有：第一结构和第二结构，第一结构借助于具有旋转轴线的轴承可旋转地联接至第二结构；附接至第一结构的偶极磁体，其中磁矩方向垂直于旋转轴线；以及感测单元，其附接至第二结构并且被构造成测量偶极磁体的旋转角度的绝对位置，其中第一结构包括在旋转位置传感器的外部可检测到的对准特征，其中偶极磁体附接至第一结构，使得对准特征和偶极磁体的磁矩方向在第一结构上具有限定的旋转角度关系。

通过从属权利要求中提及的措施可以达成实施本技术的有利实施例和再一些方式。

本技术基于以下认识：当偶极磁体的旋转轴线与测量偶极磁体的磁矩方向的感测ic的中心对准时，将偶极磁体安装在旋转轴上时的角度安装变化可以通过对感测ic的相应参数进行编程很容易地校准。然而，当偶极磁体的旋转轴线与感测ic的中心未对准时，由于偶极磁体的旋转轴线与感测ic的中心的偏心，所测量的旋转角度将出现误差。

图3示出了具有两条曲线的曲线图，其中y轴上是由于磁体的偏心引起的误差，x轴上是磁体的磁矩的角度。在一条曲线中，偏心为0.3mm，而在另一条曲线中，偏心为0.6mm。可以看出，绝对误差在角度为-90°、0°、90°附近最小，并且在约-45°和45°处最大。在旋转传感器(特别是elc系统的角度传感器)的寿命期间，轴承的磨损在由使用旋转传感器的设备的设计引起的某一特定方向上将是最大的。实际上，该特定方向通常对应于旋转传感器最常测量的角度。由于这种磨损，偶极磁体的旋转轴线具有相对于感测ic的中心移位的间隙，并且因此偶极磁体将相对于感测ic的中心偏心地旋转。如果移位方向与偶极磁体的磁矩大致平行或垂直，则传感器的最常使用角度的绝对误差将最小。因此，如果移位(即最大磨损的方向)不与偶极磁体的磁矩平行或垂直，则最常使用角度的测量值将偏离实际角度，从而导致设备的不正确调平。现有的感测ic不要求偶极磁体的磁矩相对于感测ic具有预定角度来校准旋转传感器。由此，磁体在轴上的取向是未知的。然而，根据本技术，为了减少由于传感器的轴承的磨损导致的输出信号的误差，传感器包括在传感器的外部可检测到的指示偶极磁体的磁矩的特征。这允许技术人员将旋转位置传感器定位在设备中，使得在旋转位置传感器的寿命期间偶极磁体的磁矩方向与最大预期磨损方向大致平行或垂直。

在一实施例中，对准特征是以下中的至少一个但不限于：第一结构的外部的图案；第一结构的外部的非轴对称部分；第一结构中的孔；和/或第一结构的突起。原则上，可以使用在组装后的旋转位置传感器的外部可检测到的并且允许人或机器人将第一结构以预定旋转角度定位在安装工具或设备中的任何特征。

在一实施例中，第一结构包括轴，并且偶极磁体附接至轴的一端。由于偶极磁体不需要电连接，因此该实施例优于其中感测单元附接至轴的一端的实施例。

在再一实施例中，第一结构进一步包括附接至轴的另一端的联接元件。通常，联接元件的形状取决于旋转位置传感器的应用以及如何将旋转位置传感器安装在设备中。通过在用于特定应用的传感器的制造期间将偶极磁体相对于联接元件以预定角度位置定位在轴的一端上，可以制造传感器，使得当在所述应用中应用传感器时，偶极磁体的磁矩方向与预期轴承最大磨损的方向直接对齐或垂直。

在再一实施例中，轴被压配合在联接元件中。该特征允许使用简单的制造工艺来联接联接元件和轴，其中联接元件相对于轴的旋转角度可以根据待制造的旋转位置传感器的应用而容易地调整。

在再一实施例中，焊接加强了联接元件与轴之间的连接。这在杠杆附接至联接元件并且平行于第一结构的旋转轴线的力作用在杠杆上的情况下是有利的。

在另一实施例中，本主题技术涉及一种制造旋转位置传感器的方法，该旋转位置传感器包括：具有磁矩方向的偶极磁体，该偶极磁体附接至第一结构；感测单元，其附接至第二结构，第一结构借助于具有旋转轴线的轴承结构可旋转地联接至第二结构。所述方法包括以下步骤：提供包括在旋转位置传感器的外部可检测到的对准特征的第一联接结构；以及将偶极磁体附接至第一联接结构，使得偶极磁体的磁矩方向垂直于旋转轴线，并且相对于第一联接结构上的对准特征的径向位置具有预定旋转角度。

通过以下结合通过示例方式示出各实施例的各种特征的附图的详细描述，其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

在下文中，将参考附图基于以下描述来解释这些和其它方面、性质和优点，其中相同的附图标记表示相同或相当的部分，并且其中：

图1以截面图示意性地示出了旋转位置传感器中的磨损效果；

图2a、图2b和图2c示意性地示出了偏心定位的旋转位置传感器的三个旋转角度；

图3示出了由于偏心引起的误差随角度变化的曲线图；

图4示出了旋转位置传感器的透视图；

图5示出了图4中所示的旋转位置传感器的横截面；

图6示出了旋转位置传感器的联接元件的截面图；

图7示意性地示出了第一结构的实施例的局部截面图；

图8示意性地示出了用于将轴压配合在联接元件中的组装工具部分的透视图；

图9示意性地示出了在压配合之前的图8的截面图；

图10示意性地示出了在压配合之后的组装工具部分的截面图；以及

图11示意性地示出了沿着图9中的平面xi-xi的截面图。

具体实施方式

从以下结合附图阐述本技术的代表性实施例的某些优选实施例的详细描述，本领域普通技术人员将更容易明白本文公开的技术的优点和其它特征。

图1以截面图示意性地示出了旋转位置传感器中的磨损效果。旋转位置传感器100是包括第一结构102和第二结构104的传感器装置。第一结构102借助于具有旋转轴线108的轴承结构106可旋转地联接至第二结构104。轴承结构可以包括一个或更多个具有相同旋转轴线的较小轴承。偶极磁体110附接至第一结构，其中磁矩方向垂直于旋转轴线108。感测单元112附接至第二结构104并且被构造成测量偶极磁体110的磁矩方向相对于感测单元112的取向的绝对角度。因此，如果第一结构102相对于第二结构104旋转x度，则磁矩方向相对于感测单元112的角度将相应地改变。感测单元112是测量磁体的旋转角度的绝对位置的集成电路(ic)，并且由霍尔传感器、模拟数字转换器和数字信号处理组成。这些ic在本领域中称为磁性旋转位置传感器。ic对正交以及平行于ic表面施加的磁通密度敏感。

当将旋转位置传感器100作为电子水平控制传感器应用时，第二结构104附接至车辆(未示出)的框架，并且第一结构102借助于两个连杆联接至车辆的轮轴线或轮框架。竖直连杆或多或少地(差不多)竖直定位，并且水平连杆或多或少地水平定位。水平连杆的一端联接至第一结构，并且竖直连杆的一端联接至轮轴线。连杆的另两端借助于铰链联接。当轮相对于车辆的框架向上移动时，竖直杠杆将在与轮的大致相同的方向上移动，使得水平杠杆绕旋转位置传感器的旋转轴线旋转。在图1中，水平杠杆由附图标记114示意性地示出。

当车辆行驶时，联接在一起的水平连杆和竖直连杆的端部将向上/向下而且沿大致平行于旋转轴线的方向移动。连杆具有约50cm的长度，并且可以在平行于旋转位置传感器的旋转轴线的旋转轴线的方向上以约28hz的频率共振。大致平行于旋转轴线108的这种移动可以表示为作用在连杆上的共振力f。该力f将导致轴承上的摩擦，并且因此在轴承中出现磨损。由于磨损，偶极磁体110的旋转轴线可能倾斜并且不与感测单元112的测量中心对齐。在该情况下，偶极磁体110相对于感测单元112的磁通敏感区域的测量中心偏心地旋转。

已经发现，偶极磁体110距穿过感测单元112的中心的旋转轴线108并且垂直于磁通敏感区域的位移引入了由感测单元112测量的角度值的误差。更进一步，已经发现，该误差取决于偶极磁体110的位移方向与磁矩方向之间的角度。

图2a示意性地示出了感测单元212和偶极磁体210。感测单元212的敏感区域的中心228与偶极磁体210的旋转轴线208不重合。换言之，感测单元212的中心228与偶极磁体210的旋转轴线208是偏心的，并且位移方向与磁矩方向之间的角度(用穿过旋转轴线208的箭头指示)为0°。在图2b和图2c中，位移方向与磁矩方向之间的角度分别为45°和90°。

图3示出了由于偏心引起的误差随角度变化的曲线图。示出了两条曲线。第一曲线，其中偶极磁体210的旋转轴线208与感测单元212的磁通敏感区域的中心228之间的偏心或距离为0.3mm，并且第二曲线，其中偏心为0.6mm。所述角度对应于偶极磁体210的磁矩方向(用箭头指示)与穿过磁体210的旋转轴线和感测单元212的中心228的线之间的角度。本领域技术人员将从该曲线图中了解到，当角度为0°和90°时，由于偏心引起的误差为0。更进一步，绝对误差在大约45°处最大，并且随着偏心的增加而超过(morethan)线性地增加。

这意味着，当感测单元212的中心228与偶极磁体210的旋转轴线208之间的线的方向和磁矩方向平行或垂直时，无论偏心如何，由感测单元测量的角度值的误差都很小。

在图1中，第一结构102包括轴102a和联接结构102b。联接结构102b也是水平杠杆114。作用在杠杆114上的平行于轴102a的旋转轴线108的力f将导致轴承上的摩擦，从而导致轴承的磨损并最终导致轴102a的旋转轴线的倾斜。偶极磁体110的旋转轴线108将远离附接至第二结构104的感测单元112的中心移动，并且偶极磁体110将相对于感测单元112的中心偏心地旋转。应指出的是，移动的方向大致平行于力f作用在杠杆114上的点与轴102a的旋转轴线之间的最短线的方向。从图3看，当偶极磁体110的磁矩方向与移动方向平行或垂直时，由于偏心引起的误差可以忽略不计。因此，利用直杠杆，当偶极磁体110附接至第一结构102使得磁矩方向与杠杆114平行或垂直时，由于偏心引起的误差最小。

在制造旋转位置传感器100之后，偶极磁体110位于旋转位置传感器100的内部。通过在第一结构102上提供在旋转位置传感器100的外部可检测到的对准特征，其中偶极磁体110附接至第一结构102，使得偶极磁体110的磁矩方向和对准特征在第一结构102上具有限定的旋转角度关系，技术人员或组装装置能够将旋转位置传感器应用于设备中，使得磁矩方向与预期的最大倾斜的角度方向平行或垂直，所述预期的最大倾斜是由于作用在第一结构上的力和/或旋转位置传感器100的轴承的磨损造成的。当杠杆114直接地或间接地刚性地联接至第一结构102的轴102a时，杠杆114的远侧端部与第一结构102的轴102a的旋转轴线之间的最短线的方向必须与偶极磁体110的磁矩方向大致平行或垂直。通过在旋转位置传感器100上具有对准特征，人或机器可以容易地验证杠杆114的远侧端部是否相对于第一结构102上的对准特征处于正确角度。

图4示出了根据本技术的旋转位置传感器100的透视图，并且图5示出了截面图。旋转位置传感器包括第一结构102和第二结构104。第二结构104优选地由金属而不是塑料制成，并且形成有用于安装的孔130。第二结构104形成用于轴承结构106和第一结构102的轴102a的引导件。

在本实施例中，轴承结构106包括两个轴承106a、106b。轴承106a、106b压配合在第二结构104中并将轴102a保持在径向位置。借助于轴承结构106，第一结构102的轴102a可在第二结构104中旋转。第一结构102进一步包括联接结构102b。联接元件102b被构造成将例如杠杆(未示出)附接至第一结构102。联接元件102b形成用于接收杠杆的通道120以及用于将杠杆固定到其上的安装孔122。

轴102a的远侧端部118通过压配合固连到联接元件102b。在一实施例中，轴102a是硬金属17-4ph销。偶极磁体110在轴102a的近侧端部126处固连在腔体102d中。通过将偶极磁体110粘合到腔体102d中提供低成本且坚固的连接。轴102a的近侧端部126位于由第二结构104形成的空间124中。

第二结构104包括壳体部分104a和联接部分104b。在一实施例中，壳体部分104a由aisi1018碳钢制成。可以使用其它金属。aisi1018碳钢的优点是这种钢屏蔽感测单元112免受外部磁场(1000a/m)的影响，误差<0.3％vs。联接部分104b是金属载体，其构造成将旋转位置传感器100附接至设备(未示出)的底盘。联接部分104b优选地焊接至壳体部分104a。

更进一步，感测单元112在偶极磁体110附近附接至第二结构104的壳体部分104a。感测单元112包括测量磁体的旋转角度的绝对位置的感测ic。在旋转位置传感器的产品寿命初期，感测单元112和偶极磁体110布置在壳体部分104a中，使得偶极磁体110相对于穿过感测单元112的磁通敏感区域的中心且垂直于磁通敏感区域的轴线同轴地旋转。如以上所说明的，由于轴承结构106a、106b的磨损和作用在第一结构102上的力，偶极磁体110的旋转轴线可能远离感测单元112的磁通敏感区域的中心移动。感测单元112附接至印刷电路板(pcb)。通过将连接器部分104c安装到壳体部分104a，将pcb固连在壳体中。在一实施例中，连接器部分104c是连接器-柔性封装。在图5所示的旋转位置传感器100中，旋转位置传感器的第二结构104包括：壳体部分104a、联接部分104b、pcb和连接器部分104c。

联接元件102b是非轴对称部分，并且将偶极磁体110定向到第一结构102，使得偶极磁体110的磁矩方向相对于联接元件102b具有预定的旋转角度。通过每次将第一结构102连同联接元件102b定位在安装工具中的特定角度位置，可以完成适当的取向。当元件置放机被构造成以指定角度位置拾取具有磁矩的偶极磁体110并且第一结构102相对于元件置放机以指定角度位置定位时，元件置放机能够将具有磁矩的偶极磁体110相对于联接元件102b以限定旋转角度关系定位在第一结构102的轴102a的近侧端部126上。通过在旋转位置传感器100的规格表中指定磁矩相对于第一结构102的联接元件102b的旋转角度，人或机器可以使用联接元件102b作为在旋转位置传感器100的外部可检测到的对准特征。该对准特征允许确定偶极磁体110的磁矩方向是否对应于由于轴承106a、106b的磨损导致偶极磁体110从感测单元100的中心的最大移动是预期的或垂直于所述方向的方向。可以使用的对准特征是但不限于以下：第一结构的外部的图案；标记；凹槽；和/或一个或更多个孔，只要这些孔在旋转位置传感器的外部可见。图5和图6中示出了第一联接结构的轴102a中的孔102c。

图6以轴102a的远侧端部118插入其中的侧视图示出了旋转位置传感器100的联接元件102b的截面图。轴102a具有从近侧端部126到远侧端部118增大的变化直径。在图5中，可以看到，轴承106a、106b的通行孔具有与轴102a的直径相匹配的不同直径。更进一步，轴102a的刚好在压配合上方的部分具有直径d3并且在压配合内部的部分具有直径d2。联接元件102b通过深冲压制成并且具有带有开口的凸缘128，轴102a的远侧端部118压配合在所述开口中。用于制造联接元件102b的板的厚度是t1。凸缘128的开口具有直径d1。各直径具有以下关系：d3<d1<d2。在一实施例中，d1＝10.25±0.05mm，d2＝10.335+0.03mm，d3＝10.1+0.05mm。凸缘128的开口成锥形。凸缘128的外部具有带有高度h3的竖直部分，接着是具有三个半径r1、r2、r3的锥形部分。凸缘128的外部继续作为旋转位置传感器100的第一部分的水平表面。三个半径r1、r2、r3选择成使得第一结构中的应力最小并且传感器100可以承受1500万次±10nm力矩和±45°旋转的循环。高度h3是最小高度，以确保轴102a通过压配合工艺垂直于联接元件102b的长度方向稳定地定位。可以在附图标记60指示的位置处提供圆形摆动激光焊接，以加强轴102a与联接元件102b之间的联接。联接元件102b的杠杆部分包括孔122，以借助于例如紧固件(比如螺栓和螺母)将例如连杆附接至联接元件。

图7示意性地示出了第一结构102的另一实施例的局部截面图。在该实施例中，第一结构102包括轴102a和联接元件102b。轴102a也压配合在联接元件102b的中心开口中，并且优选地通过圆形摆动焊接进一步固定。联接元件102b可以用深冲压工艺形成。

图8示意性地示出了用于将轴102a压配合在联接元件102b中的组装工具部分80、82、84的透视图。存在三个组装工具部分，其中第一组装工具部分80构造成将联接元件102b接收在预定唯一位置。第一组装工具部分80进一步包括具有中心轴线的中心开口，以接收轴102a和联接元件102b。联接元件102b安置在第一组装工具部分80的径向凹口94中，使得联接元件102b定位在所述预定唯一位置。换言之，联接元件102b插入径向凹口94中以在第一组装工具部分80中设定联接元件102b的旋转位置。第二组装工具部分82构造成沿第一组装工具部分80的轴向方向按压轴102a。

另外参考图9，可选地，提供第三组装工具部分84。当轴102a包括垂直于轴102a的中心轴线的孔102c时，使用第三组装工具部分84。孔102c在旋转位置传感器100的制造期间以及在组装后的旋转位置传感器100的外部可见孔102c时用作对准特征。孔102c可用于指示第一结构102上的偶极磁体110的磁矩方向。第三组装工具部分84包括末端88，该末端装配在轴102a的孔102c中。第一组装工具部分80的圆形壁90形成有细长开口92，使得第三组装工具部分84的末端88能够定位在轴102a的孔102c中。细长开口92具有的长度至少是轴102a沿着其中心轴线移动以将轴102a在其最终位置压配合在联接元件102b中的距离。由于径向凹口94和细长开口92的取向是固定的，第三组装工具84允许将轴102a的孔102c相对于联接元件102b以预定旋转角度定位。

图9示意性地示出了在将轴102a压配合在联接元件102b中之前的图8中的组装工具部分80、82、84的截面图。图10示意性地示出了在将轴102a压配合在联接元件102b中之后的组装工具部分80、82、84的截面图。第一和第二组装工具80、82允许将轴102a压配合到联接元件104b，使得联接元件102b中的开口的中心轴线与轴102a的中心轴线对准。图11示意性地示出了沿着图9中的平面xi-xi的截面图。可以看到，联接元件102b唯一地定位在第一组装工具中。

根据本技术的制造旋转位置传感器100的方法包括以下动作：提供第一结构102，该第一结构包括在旋转位置传感器100的外部可检测的对准特征；以及将偶极磁体110附接至第一联接结构102，使得偶极磁体110的磁矩方向垂直于旋转轴线并且相对于第一联接结构102上的对准特征的径向位置具有预定旋转角度。

附接动作包括以下子动作：使第一联接结构旋转，使得轴中的孔102c与第二结构104的对准结构40对准，其中对准结构40是凹口(参见图4)；在对准特征中插入锁定销(未示出)，所述对准特征是孔102c；将第二联接结构104定位在组装工具上的预定位置；夹持工具(未示出)使偶极磁体110具有限定的磁矩方向；以及通过将夹持工具移动到夹持工具相对于组装工具具有预定取向的位置(比如通过视觉地或机械地参考对准结构40)，将偶极磁体附接至轴102a的近侧端部126。

锁定销确保第一结构102在第二结构104中具有预定旋转角度。这允许元件置放机将磁体110以预定旋转角度定位到第一结构102，同时第二结构104相对于元件置放机保持在预定取向和位置。

制造第一结构102的方法包括以下动作：提供第一组装工具80，所述第一组装工具包括具有中心轴线的用于接收轴部分102a的通孔以及在通孔的一端处用于接收联接元件102b的对准结构94，使得联接元件102b的开口与通孔对齐；提供联接元件102b；将联接元件102b定位在第一组装工具80的对准结构94上；提供轴102a；将轴部分102a的远侧端部118穿过联接元件102b的开口定位并且定位在通孔中；以及通过推动第二组装工具82抵靠轴部分102a的远侧端部118而使轴102a沿轴向方向移动，将轴102a的远侧端部118压配合在联接元件102b的开口中。

可选地，所述方法包括激光焊接一起形成压配合的轴部分102a和联接元件102b的表面的动作。在所述方法的实施例中，激光焊接动作包括沿着围绕中心轴线的摆动路径移动激光束以生成圆形波状焊接。

虽然已经根据若干实施例描述了本发明，但是可想到的是，在阅读说明书和研究附图之后，其替代物、修改、排列和等同物对于本领域技术人员将变得显而易见。本发明并不局限于所示出的实施例。在不背离所附权利要求的范围的情况下可以进行改变。