[发明专利]转向定位和扭矩传感器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年3月2日提交的美国临时专利申请61/448,256的优先权，其内容以参考方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及角度传感器，并且更具体地，涉及输入轴和输出轴之间的角度传感器。

背景技术

在用于机动车辆类型的转向系统中，转向系统一般包括连接到方向盘上的输入轴。然后输入轴通过扭力杆连接到输出轴上，输出轴依次通过联动装置（linkage）机械地连接到车轮上。结果，方向盘的旋转通过扭力杆、输出轴和转向联动装置使机动车辆的轮子转动。

在许多情况下，非常需要确定转向机构的输入轴和输出轴之间的角偏转。车辆管理系统利用输入轴和输出轴之间角偏转的度数，即扭力杆的角偏转，以确定方向盘扭矩和动力转向提供的辅助量。例如，如果车辆停止或接近停止时，即在车辆停放情况下，车辆的旋转一般会产生输入轴和输出轴之间相对较高的角偏转，因此需要增加的动力辅助用于转动车轮。此外，该偏转很少超过约20度。

除了转向的输入轴和输出轴之间的角偏转之外，在许多情况下需要知道车轮的角位置。因为方向盘一般能够完全地旋转三至四圈，所以需要记住旋转数目从而确定车轮的绝对角位置。

先前已经知道能够监测方向盘的输入轴和输出轴之间角偏转的系统。这些先前知道的系统一般利用转换器，其测量转向输入和输出轴之间的角扭矩。然而，因为转向输出轴能够旋转高达三至四次，所以需要先前已知的设备在转向杆内提供长长度的电缆，一般为带状电缆。提供了重组的带状电缆使得带状电缆能够围绕着转向杆缠绕两或三次，从而适应方向盘的多次旋转。

然而，该先前已知的解决方法在使用中证实为不是完全满意的。例如，长期使用之后电连接器（electrical connector）可以变得缠绕，其诱使或者甚至破坏电缆之间的电连接以及转向输入和输出轴之间的角传感器。当其发生时，用于转向系统的扭矩传感器的整体操作受到连累。

类似地，先前已经知道了在方向盘的多次旋转期间提供表示车辆角位置的输出信号的系统。然而，这些先前已知的系统证实为过度复杂并且构造昂贵。

发明内容

本发明提供了克服先前已知设备的上述缺点的扭矩传感器和车辆位置传感器。

简单扼要地，在本发明中，组合发送器/接收器线圈同轴地围绕着车辆转向杆安装，车辆转向杆包括输入轴、输出轴，以及将输入轴和输出轴连接在一起的扭力杆。此外，该发送器/接收器线圈相对于车辆是固定的，因此相对于转向杆是固定的。

优选地，发送器/接收器线圈包括具有导电线路（conductive trace）的PCB，其形成与转向杆同轴的盘绕圈（coiled loop）。电子电路，例如ASIC电连接到发送器/接收器线圈上。该接收线圈依次电连接到控制车辆整体操作的发动机控制单元（EUC）上。

包括RX线圈和接收线圈的浮动（floating）PCB然后同轴地安装到输出轴上，使得第二PCB与第二输出轴一致旋转。RX线圈的构造是圆形的。然而，接收线圈包括至少两个反向缠绕的接收线圈，更优选地包括八个约反向缠绕的接收线圈，其还同同轴地围绕着输出轴布置。因为RX线圈和接收线圈是在第二PCB上形成的，并且第二PCB连接到输出轴上，所以接收线圈和RX线圈与输出轴一致地旋转。此外，RX线圈和接收线圈耦合到也安装到第二PCB上的电子电路，例如ASIC上。

导电的多凸起耦合器安装到输入轴上，使得感应耦合器将接收线圈覆盖在连接到输入轴上的浮动PCB上面。耦合器和接收线圈之间的角度代表输入和输出轴之间的扭矩角度。

在操作中，以高频率，例如2-4兆赫供能固定PCB上的发送器/接收器线圈。发送器/接收器线圈产生的电磁能量进而供能浮动PCB上的RX线圈，其以电力给浮动PCB上的电路供电。浮动PCB还包含电路，例如ASIC，从而作为接收线圈上电压的函数确定输入轴和输出轴之间的角位置。

然后，第二电路以预定波特率产生数字输出信号，该预定波特率是由与固定PCB上发送器/接收器线圈上的发送频率相同的频率调制的。固定PCB上的电路解调来自于浮动PCB的信号，从而给车辆ECU提供需要的信息。

虽然扭矩传感器，即输入和输出轴之间的角度，优选地由感应传感器检测，但是可以替代地使用其它类型传感器，例如霍尔传感器。