專利名稱：腳踏車的角量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及腳踏車的角量傳感器。這里所用的詞組“角量”總體上用以表示以某些方式和旋轉(zhuǎn)運動關(guān)聯(lián)或相關(guān)的物理量，例如角位置、角速度、角加速度、角矩、扭矩等等。
本發(fā)明方案的改進尤其關(guān)注對于腳踏車，例如賽車的可能的應(yīng)用，尤其意在電機驅(qū)動的變速器中的可能的應(yīng)用和/或?qū)崿F(xiàn)諸如檢測鏈條的運動、檢測所述運動的方向、自行車底托架的角位置(“相位”)或速度(踏板節(jié)奏)等的功能。
所設(shè)想的在腳踏車上的應(yīng)用利用了一個傳感器的關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)上和操作上的連接。目標在于傳感器應(yīng)當(dāng)具有內(nèi)在的堅固性、連接的簡易性、高精確性、以及恒定的性能，這些特征構(gòu)成了利用現(xiàn)有的方案難于獲得的質(zhì)量。
例如，電勢式傳感器的使用與內(nèi)在的關(guān)鍵性因素有關(guān)。這類傳感器通常包括相互滑動接觸的至少兩部分(在絕大多數(shù)情況下，它們是在一個電阻槽上滑動的一個管腳或電刷)。為了正確地協(xié)作，這些部分必須精確地連接并且一定不能受到由于振動和/或相關(guān)于旋轉(zhuǎn)方向的改變而產(chǎn)生的應(yīng)力的影響，而這種影響實際上幾乎不可避免，或者還要對環(huán)境因素非常敏感，例如部件特性隨溫度或吸收的潮氣的變化，上述所有的因素都不利于電勢式傳感器。
光學(xué)式傳感器(也就是，目前稱做光學(xué)“編碼器”的類型)至少部分地克服了上述缺陷。然而，這種傳感器有些昂貴，已證實它對應(yīng)力敏感，并且通常需要大量接頭以提供360度的完全檢測。此外，編碼器類型的光學(xué)傳感器本質(zhì)上是數(shù)字傳感器，其檢測行為基于被檢測的旋轉(zhuǎn)運動通向經(jīng)過光學(xué)傳感器前面的交替的亮和暗帶或部分。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于腳踏車的角量傳感器，它能夠克服在先技術(shù)方案的固有缺陷。
根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過具有如所附權(quán)利要求所述的特征的傳感器而實現(xiàn)。
簡單地說，本發(fā)明的方案基于優(yōu)選地使用了線性霍耳效應(yīng)傳感器和模擬輸出端的結(jié)合，即，為了生成傳感信號，其可能的值在一個連續(xù)的范圍內(nèi)，而不是例如如同在數(shù)字類型的角度傳感器的情況下的離散的范圍內(nèi)，后者的輸出信號只能表現(xiàn)為不同的值(即，“0”和“1”)。
優(yōu)選地，本發(fā)明使用一對機械式霍耳效應(yīng)傳感器，二者相互交錯90度，并且磁性部分不相接觸。這樣就可能產(chǎn)生相互呈90度異相的兩個電信號，具有優(yōu)選的正弦特性曲線，或者其他的線性特性曲線，或者是根據(jù)重復(fù)/周期函數(shù)而變化的特性曲線。
另一方面，由現(xiàn)有技術(shù)可知，使用霍耳效應(yīng)半導(dǎo)體傳感器能夠在輸出端提供和感應(yīng)成比例的電壓。尤其是，這類傳感器既可以在輸出端提供線性的模擬信號也可以提供具有單或雙極性的數(shù)字信號。
通過將不同的傳感器和/或不同極性的磁極結(jié)合在一起可能將不同的傳感器功能結(jié)合在一起，包括檢測轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、和位置的功能。
實際上正是上述的特征以及大范圍的實施(還關(guān)于溫度變化)和顯著的可靠性促使上述傳感器成功地應(yīng)用于汽車界和家庭應(yīng)用，尤其是用于控制發(fā)動機。
例如，由US-A-5 332 965可知一種傳感器，設(shè)計為檢測諸如蝶形閥的部件的角位置，它包括一個霍耳效應(yīng)傳感器和多個磁通集中器。磁通集中器結(jié)構(gòu)設(shè)計為完成霍耳效應(yīng)傳感器的輸出特性的線性化作用。通過改變磁通集中器和磁體之間的距離來校準傳感器。在一個實施例中，磁通轉(zhuǎn)換器完成傳感器的溫度補償作用，其中該傳感器氣密密封從而不受磨損和/或振動現(xiàn)象的影響。
由EP-B-0 733 881可知另一種非接觸式角位置傳感器，它包括一個位于環(huán)形磁鐵中心位置的霍耳效應(yīng)傳感器。
還有，由US-A-6 104 187可知一種非接觸式磁阻角度傳感器，它包括兩個各向異性的磁阻(AMR)元件，它們相互轉(zhuǎn)過45度并包含在各自的電阻橋內(nèi)。所論傳感器設(shè)計為用在連接于蝶形閥或諸如踏板的元件上的位置檢測器中，特別注意保證傳感器的零位是溫度穩(wěn)定的。
下面參照附圖僅以非限制性的示例的方式說明本發(fā)明，附圖中

圖1是本發(fā)明的傳感器的軸向截面圖；圖2是沿圖1的II-II線的截面圖；圖3和4示出本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生信號時可能的曲線；以及圖5以框圖的形式示出本發(fā)明的傳感器的可能的連接結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的信號處理電路結(jié)構(gòu)。
圖1中，標號1總體上表示一個腳踏車的角量傳感器(關(guān)于詞組“角量”的含義，讀者可以參見本說明書開始時所做的術(shù)語澄清說明)，它基本由一個以2表示的固定部分或者定子以及一個以3表示的可動部分或者轉(zhuǎn)子構(gòu)成。
在所示的實施例中(再次重申，實施例僅是示例，它特別指傳感器1在腳踏車上的可能應(yīng)用)，傳感器1的固定部分或者定子2具有整體圓柱/管狀形狀并且制成為具有機械強度和抗沖擊、抗振動、以及抗外部因素(溫度、水分、油和燃料、各種灰塵等等)的內(nèi)在特性，其中這種安裝在腳踏車上的部件通常易于暴露于這些外部因素。
相應(yīng)的結(jié)構(gòu)細節(jié)可以部分地從附圖中看出，這些細節(jié)本身是公知的。這里指出所述細節(jié)本身對于理解本發(fā)明的實施不是必要的。
簡單地說，應(yīng)當(dāng)注意上述定子部分2通常包括一個外殼20，例如由金屬材料制成，插入在其中的是一個或多個異型構(gòu)件21、22、23，它們具有整體上為管狀的結(jié)構(gòu)(例如具有杯形結(jié)構(gòu))，這使得所述構(gòu)件由于它們隨后插入在外殼20內(nèi)而相互匹配。
構(gòu)件21、22、23的整體環(huán)形或管狀結(jié)構(gòu)目的在于有助于插入轉(zhuǎn)子部分3。后者基本上構(gòu)造為一個軸30，它可以繞其自己的軸線X30旋轉(zhuǎn)。在所示的具體實施例中，軸線X30還確定了外殼20的主軸。
傳感器1設(shè)計為在輸出端提供代表角量(角位置、角速度等)的信號，這些角量是軸30相對于外殼20的可能的運動的特征，并且因此是連接于軸30和外殼20的部分和/或元件可能的相對運動的特征。
軸30可以是“被動”軸，即設(shè)計為由一個元件(未示出)驅(qū)動，其中該元件相對于外殼20的旋轉(zhuǎn)特性將被檢測，也可以是“主動”軸，它利用機構(gòu)31帶動可動元件(附圖中沒有具體示出)，上述情況是由電機(附圖中沒有示出，但為公知形式)驅(qū)動軸30旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動作用的結(jié)果。
附圖中示出的傳感器1可以集成制造在電機/致動器中，例如安裝在諸如賽車的腳踏車上的電機驅(qū)動的變速器的電機/致動器。
標號32表示兩個軸承，它們支撐軸30并且引導(dǎo)軸30相對外殼20處于一個精確和規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運動中(即圍繞軸線X30)。
標號33表示各種密封元件，同樣具有公知形式，它們連接于軸承32和/或外殼20的端部。
最后，標號34表示兩個貝勒維爾(Belleville)墊圈，設(shè)計為向剛才所述的全體部件提供小量的軸向彈性預(yù)載(即，沿軸線X30的方向)，以避免不希望的振動現(xiàn)象和/或間隙。
另一方面，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白，上述結(jié)構(gòu)細節(jié)僅以非限制性的示例的形式在此加以說明，并且很清楚一定不能解釋為以任何限制本發(fā)明的范圍的方式。
本發(fā)明的方案的一個重要特征在于，例如安裝在位于定子的一個以22表示的部分的凹槽35內(nèi)的是一組霍耳效應(yīng)傳感器，它包括一個連接于定子2的固定或定子部分以及一個連接于轉(zhuǎn)子3的可動或轉(zhuǎn)子部分。
尤其是，該套傳感器的固定或定子部分包括兩個沿軸線X30相互按照90度(參見圖2的角度α)有角度地交錯安裝的霍耳效應(yīng)傳感器41、42(其類型公知)。
標號43表示一組位于傳感器41和42下面的供電/信號線。傳感器41和42優(yōu)選地安裝在環(huán)形的支撐機座44上。機座44圍繞軸30，盡管它當(dāng)然相對于傳感器1的定子部分2安裝在一個固定位置。
傳感器的可動或轉(zhuǎn)子部分由一個固定在軸30上的磁性材料(本例中也根據(jù)公知的標準)的環(huán)狀件構(gòu)成。所述固定例如可以是通過插入一個管狀套筒或襯套37，該套筒或襯套隨著軸30圍繞軸線X30旋轉(zhuǎn)運動。
可以得到的總體結(jié)果是在傳感器41和42的信號線上——該信號線在圖5中以431和432表示，存在具有如圖3和4中以S1和S2表示的正弦特性曲線的兩種信號(這將在下文中詳細研究)。
傳感器41、42和/或環(huán)狀件36的一個重要特征(尤其是關(guān)于后者的磁化特性)在于，信號S1和S2是周期信號(通常對應(yīng)于軸30旋轉(zhuǎn)過360度具有“電”周期)，從而被設(shè)定為線性或模擬信號，即，其值隨時間在一個連續(xù)的范圍內(nèi)變化的可能的值的范圍內(nèi)變化，而不是如同在數(shù)字信號的情況下的離散的范圍內(nèi)變化的信號。
盡管當(dāng)前的優(yōu)選實施例旨在利用具有正弦波形的信號S1和S2，但是本發(fā)明的方案還可以利用不同類型的信號，例如三角形信號、鋸齒形信號等來實施。
本發(fā)明的方案尤其有利地適于采用線性的、量值成比率的(即，當(dāng)電壓變化時信號質(zhì)量不變)、溫度補償?shù)幕舳?yīng)傳感器41、42來進行實施。傳感器41、42可以包含，例如，以霍耳效應(yīng)線性傳感器(Hall-Effect Linear Sensors)為商品名，由美國麻薩諸塞州伍斯特的阿勒格微系統(tǒng)公司(Allegro Microsystems，Worcester，Massachusetts)生產(chǎn)的部件。
當(dāng)使用具有單對電極的徑向磁化環(huán)36時，上述類型的傳感器能夠產(chǎn)生如圖3和4所示類型的輸出波形。
鑒于信號S1和S2的波形當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時實際上不發(fā)生變化，因此這樣配置的系統(tǒng)可能得到外殼20和軸30的(并且從而傳感器1的定子部分2和轉(zhuǎn)子部分3的)相對角位置的高精度指示，并且同時不必借助于如同在電勢傳感器的情況中那樣必須包含可動部分和固定部分之間的接觸，尤其是滑動接觸的傳感器元件。
輸出信號S1和S2都是模擬類型。因而利用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以從所述信號得到對應(yīng)于被測信號的數(shù)字值。分辨度惟一地取決于轉(zhuǎn)換器的分辨度，并且因此，沒有這種轉(zhuǎn)換器的話分辨度甚至能夠相當(dāng)高，從而形成在一種特別復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)。
由兩個沿軸線X30按90度交錯的傳感器41和42產(chǎn)生的兩個信號S1和S2的可用性使得關(guān)聯(lián)于以下的任何不確定性具有絕對確定性的分辨度，即關(guān)聯(lián)于—i)每個傳感器41和42的信號在轉(zhuǎn)過360度的過程中，即在一個旋轉(zhuǎn)周期中，同一個值呈現(xiàn)出兩次；以及—ii)旋轉(zhuǎn)方向。
注意在圖3中，由信號S1表示的同一個值對應(yīng)于不同的旋度值，例如，45度和135度。如果在上述的角位置處做有符號標記，同時信號S1呈同一個值，而信號S2呈相反符號標記的值，則關(guān)于位置的不確定性可以得以解決。從而，給定由S1呈現(xiàn)的同一個值，則例如，如果S2的值為負那么被檢測的位置對應(yīng)于45度，如果S2的值為正那么被檢測的位置對應(yīng)于135度。
如果為了使相應(yīng)于45度和135度的角度值簡化，上述例子能夠明確地應(yīng)用于四個象限，即應(yīng)用于軸30繞軸線X30的任何旋轉(zhuǎn)角位置。
圖3和圖4之間的比較可以理解由傳感器41和42產(chǎn)生的兩個信號S1和S2的可用性還能夠使得關(guān)于旋轉(zhuǎn)方向的不確定性得以解決。
假如當(dāng)軸30沿某一個方向轉(zhuǎn)動時，信號S1和S2的曲線是表示在圖3中的曲線。如果旋轉(zhuǎn)方向相反，則信號S1和S2的曲線是表示在圖4中的曲線。
實際上，參照圖2的截面圖—如果軸30沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，傳感器41的信號S1比傳感器42產(chǎn)生的信號S2超前90度(見圖2)；以及—如果軸30沿順時針方向轉(zhuǎn)動，則相反地，傳感器42產(chǎn)生的信號S2比傳感器41產(chǎn)生的信號S1超前(見圖3)。
因而可以進行運動方向的判別，例如通過檢測信號S1在由A表示的時間間隔內(nèi)的導(dǎo)數(shù)的符號，其中在時間間隔A內(nèi)信號S2呈正值。
同時，在圖3的情況中，信號S1在時間間隔A內(nèi)具有負導(dǎo)數(shù)，在圖3的情況中，所述導(dǎo)數(shù)為正。
選擇信號S1或S2中的哪一個來進行所述判別在任何情況下都是無關(guān)緊要的。例如，通過檢測信號S2在信號S1呈正值的時間間隔內(nèi)的導(dǎo)數(shù)的符號可以得到同樣的結(jié)果。
同樣，進行在其中一個信號為正值的時間間隔內(nèi)的運動方向的所述確認僅僅是一個簡單的選擇問題。事實上通過在所考慮的信號為負值的時間間隔內(nèi)進行判別也以得到同樣的結(jié)果。
還有，不借助于信號的導(dǎo)數(shù)符號的檢測也可以進行同樣的判別?？梢匀菀椎乩斫?相應(yīng)的判別可以利用實現(xiàn)觸發(fā)電路功能的軟件級的任何類型的程序模塊來進行)，在圖3所指的旋轉(zhuǎn)方向中，信號S1為正的半周期比信號S2同樣為正的半周期超前90度。相反，在圖4所指的相反的旋轉(zhuǎn)方向中，信號S2的正半周期比信號S1的正半周期超前90度。顯然，利用信號S1和S2的負半周期也可以類似地進行檢測功能。
圖3和4的曲線還表示出傳感器1還能夠在多次旋轉(zhuǎn)中完成其功能，這是一個很重要的特征，例如，為了控制致動器到達的位置值，傳感器設(shè)計為在多次旋轉(zhuǎn)上實現(xiàn)其功能。上述應(yīng)用的一個典型例子是用于致動電機驅(qū)動的自行車變速器的電動馬達的應(yīng)用。
用于構(gòu)造本發(fā)明的傳感器的部件類型使得能夠提供一個位置傳感器，該位置傳感器能夠克服不可避免地困擾電勢或光學(xué)類型的其它方案的困難。
本發(fā)明的傳感器具有相對簡單的結(jié)構(gòu)并且就其應(yīng)用于存在污垢、振動等的環(huán)境中，例如用于腳踏車的觀點看它相當(dāng)堅固。
圖5的框圖示出由傳感器1產(chǎn)生的信號S1和S2的處理形式。相應(yīng)的處理操作可以在一個集成在固定位置的在一個單元50內(nèi)進行(例如，利用一個集成的微控制器單元)，或者在位于遠程位置的單元50內(nèi)進行，如同這樣一種情況，即上述處理操作以集中的方式通過利用還實現(xiàn)“腳踏車系統(tǒng)”內(nèi)的其他處理功能的控制單元來進行。
信號處理可以包括自校準、線性化、相位關(guān)聯(lián)等的處理。一旦信號線431和432上的信號S1和S2已經(jīng)經(jīng)過連接于單元50的相應(yīng)的轉(zhuǎn)換單元51進行了模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，則上述處理根據(jù)已知標準進行。
信號S1和S2由轉(zhuǎn)換單元51轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式后，它們就可以在例如由微控制器或微處理器(公知類型)構(gòu)成的模塊52內(nèi)進行處理。
作為直接使用為了進行處理而被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的信號S1、S2的替換，同樣的信號還可以用于在連接于模塊52的換算表53(例如一個查找表)的結(jié)構(gòu)中的檢索功能。
在這種情況下，信號S1和S2不是用于以直接的形式(即，當(dāng)其從模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換操作出來時)進行進一步的處理操作，而是用于在表53中檢索一對相應(yīng)的值。
所述一對相應(yīng)的值的確定從信號S1和S2的一對值從模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換出來時開始，并根據(jù)給定的標準(例如，最小矢量距離的標準)或者甚至根據(jù)失真邏輯。推薦以下這些應(yīng)用采用這一選擇，例如，來自傳感器1的信號將被用做執(zhí)行控制操作期間的驅(qū)動和/或參量信號，和/或用于執(zhí)行其目的是避免誤差傳播的不希望的現(xiàn)象的算法。
正如已經(jīng)講過的—并且不應(yīng)將以上僅為示意性的舉例解釋成限制本發(fā)明的范圍—本發(fā)明的傳感器可以用于，例如，和自行車的底托架結(jié)合使用，和由后者驅(qū)動的可動部分結(jié)合使用。利用傳感器獲得的信息隨后可以是，例如—鏈條的運動指示；—所述運動的方向；—踏板節(jié)奏；和/或—相對于參考點(例如，相對于設(shè)置在由所述底托架驅(qū)動以促使變速換檔的齒輪上的所謂的“預(yù)置換檔點”或“快速換檔齒廓”)的角位置。
當(dāng)然，在不損害本發(fā)明的原理的情況下，相對于本文僅以示例的方式說明和示意的內(nèi)容可以改變結(jié)構(gòu)的細節(jié)和實施例，而不脫離如所附權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種腳踏車的角量傳感器(1)，包括可以圍繞一個給定軸線(X30)進行相對旋轉(zhuǎn)運動的一個第一部分(2)和一個第二部分(3)，其特征在于，所述傳感器包括一個集成固定在所述第一部分(2)和所述第二部分(3)中的一個(3)上的磁化元件(36)；至少一對霍耳效應(yīng)傳感器(41、42)，沿所述給定軸線(X30)有角度地相互交錯布置，并且集成固定在所述第一部分(2)和所述第二部分(3)中的另一個(2)上；所述霍耳效應(yīng)傳感器(41、42)感測所述磁化元件(36)的存在從而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(S1、S2)，該信號的值在連續(xù)的范圍內(nèi)變化，所述相應(yīng)的輸出信號(S1、S2)的值惟一地確定所述第一部分(2)和所述第二部分(3)相對于所述給定軸線(X30)的相對位置。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，它包括一對沿所述給定軸線(X30)有角度地相互交錯90度布置的所述霍耳效應(yīng)傳感器(41、42)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，所述磁化元件(36)是圓環(huán)形狀。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述磁化元件(36)在相對于所述給定軸線(X30)的直徑方向上的單對電極上磁化。
5.如權(quán)利要求3或4所述的傳感器，其特征在于，所述磁化元件(36)圍繞所述第一部分(2)和所述第二部分(3)中的一個(3)固定。
6.如以上權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，它連接有一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換單元(51)用于將所述輸出信號(S1、S2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換單元(51)集成在傳感器(1)中。
8.如權(quán)利要求6或7所述的傳感器，其特征在于，它連接有一個處理單元(52)用于處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的所述輸出信號(S1、S2)。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于，所述處理單元(52)連接有一個換算表(53)，用于從轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的所述相應(yīng)的輸出信號(S1、S2)開始產(chǎn)生另外的對處理有用的數(shù)字信號。
10.如權(quán)利要求8或9所述的傳感器，其特征在于，所述處理單元(52)集成在所述傳感器(1)中。
11.如以上權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，它連接于腳踏車的至少一個部件，從而所述相應(yīng)的輸出信號(S1、S2)指示所述腳踏車部件的角量。
12.用于電機驅(qū)動的自行車變速器的致動器，其特征在于，它包括如以上權(quán)利要求中任一項所述的傳感器。
全文摘要
傳感器包括可以圍繞一個給定軸線(X30)進行相對運動的一個固定或者定子部分(2)以及一個可動或者轉(zhuǎn)子部分(3)，在轉(zhuǎn)子部分(3)的軸(30)上固定有一個磁化元件(36)，該磁化元件例如由一個在直徑方向上的單對電極上磁化的環(huán)狀件構(gòu)成。安裝在固定部分上的是一對沿旋轉(zhuǎn)軸線(X30)有角度地相互交錯90度布置的霍耳效應(yīng)傳感器(41、42)。霍耳效應(yīng)傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的模擬形式的輸出信號，即信號值在連續(xù)范圍內(nèi)變化。由傳感器產(chǎn)生的輸出信號值惟一地確定上述固定部分(2)和可動部分(3)相對于旋轉(zhuǎn)軸線的相對位置。
文檔編號G01D5/244GK1399121SQ02126570
公開日2003年2月26日 申請日期2002年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者詹弗蘭科·古代爾佐 申請人:坎培諾洛有限公司