Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10261
(13) U
(46) 2014.08.30
(51) МПК
G 01B 7/30 (2006.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
РУЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
(21) Номер заявки: u 20130974
(22) 2013.11.22
(71) Заявитель: Белорусский государст-
венный университет (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексее-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Устройство для определения углового положения руля автомобильного транспорта,
содержащее механизм передачи вращения колонки рулевого колеса, немагнитный корпус
с крышкой, выполненный полым, цилиндрическим с внутренней резьбой, в который вкру-
чен немагнитный палец, на одном торце которого выполнен паз прямоугольной формы, в
котором без люфта размещен шток в форме прямоугольного параллепипеда, кинематиче-
ски связанный с механизмом передачи вращения колонки рулевого колеса, а другой торец
пальца кинематически связан с постоянным магнитом, установленным с возможностью
совместного с пальцем осевого перемещения внутри указанного корпуса, причем непод-
вижный магниточувствительный элемент, размещенный на плоском держателе, выполнен
с возможностью плавной регулировки расстояния от крышки корпуса, подключен к входу
микроконтроллера с CAN-шиной интерфейса для передачи данных в форме кода Грэя в
электронную систему управления движением автомобиля, отличающееся тем, что ука-
занный постоянный магнит намагничен перпендикулярно осевому перемещению и вы-
полнен с двумя полюсными наконечниками в виде пластины со ступенькой, высота
Фиг. 1
BY10261U2014.08.30

2. BY 10261 U 2014.08.30
2
которой приближенно равна половине ширины пластины полюсного наконечника; магни-
точувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры p-n-типа про-
водимости, обладающей Z-эффектом и L-образной вольт-амперной характеристикой,
подключен через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего напряжения,
выполненному с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питаний подключен к p-
области и установлен в зазоре упомянутых полюсных наконечников так, что плоскость
раздела p- и n-областей структуры перпендикулярна пластинам полюсных наконечников
магнита.
(56)
1. Патент RU 2312363, МПК G 01P 3/488, C 01B 7/30, G 01D 5/12, 2007.
2. Сысоева С. Автомобильные: датчики положения. Современные технологии и Новые
перспективы. Ч. 3. Физические основы и коммерческие перспективы технологии полупро-
водниковых и пермаллоевых магниторезистивных датчиков //Компоненты и технологии. -
№ 4. - 2005.
3. Патент BY на полезную модель 5310 U, МПК G 01R 7/30, 2009 (прототип).
4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М.: ДМК Пресс, 2001. - С. 87.
5. А. с. СССР 1739402, МПК H 01L 29/06, 1992.
Полезная модель относится к измерительному оборудованию автомобильного транс-
порта, в частности к электронному устройству для определения угла поворота руля, и мо-
жет использоваться для измерения абсолютного углового положения руля в диапазоне
углов не менее ± 1080° непосредственно после включения зажигания даже в отсутствие
перемещений руля и после кратковременных прерываний напряжения.
Известен программируемый датчик абсолютного углового положения для автомо-
бильного транспорта [1], который состоит из двух механически не взаимосвязанных и
изолированных друг от друга частей с постоянным воздушным зазором в пространстве
между ними. Одной частью является роторный узел, другая часть представляет собой ста-
тор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, предоставляющих
через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом.
Магнитная система датчика состоит из программируемой в EEPROM интегральной схемы
двухосевого магнитного углового энкодера с линейным аналоговым, широтно-импульсно
модулированным или последовательным выходом и вращающегося цилиндрического ди-
польного диаметрально намагниченного магнита, взаиморасположение которых в рабочем
режиме устройства обеспечивает детектирование угла поворота магнитного вектора, па-
раллельного поверхности интегральной схемы. При этом угол вычисляется по сигналам
массива планарных элементов Холла, чувствительных к перпендикулярным компонентам
магнитного поля. Датчик обеспечивает высокую точность определения абсолютного угло-
вого положения объекта только в диапазоне углов от 0 до 360°, что явно недостаточно для
его непосредственного использования для измерения абсолютного углового положения
рулевого колеса, поскольку необходим диапазон детектируемых углов не менее ± 1080°.
Кроме того, низкие уровни сигналов с массива планарных элементов Холла характеризу-
ются низкой помехозащищенностью, поэтому находки внешних электромагнитных полей
могут вызвать сбои в работе датчика.
В транспортных средствах известно применение датчика [2] абсолютного углового
положения рулевого колеса LWS 3 с AMP-магниточувствительными элементами. Поворот
руля вращает шестерню, ведущую две другие шестерни, на которых установлены посто-
янные магниты. AMP-магниточувствительные элементы регистрируют угловые положе-
ния магнитов и вырабатывают аналоговые сигналы, через АЦП подаваемые на вход

3. BY 10261 U 2014.08.30
3
микроконтроллера. Количество зубьев в ведомых шестернях различно, что обеспечивает
их вращение с разными скоростями. Сканируя оба фактических угла поворота, можно вы-
числить общий угол поворота руля даже без счетчика оборотов. После нескольких оборо-
тов руля каждая шестерня возвращается в свое начальное положение. Благодаря системе
шестерен обеспечивается достаточная точность измерений в угловом диапазоне ± 780°.
Угол и скорость поворота руля выводятся в формате CAN. Количество магниточувстви-
тельных элементов не менее 2-х и зависит от архитектуры избыточности (дублирования
компонент), т.е. 4, 6 и т.д., которые могут не только повышать надежность функциониро-
вания, но и снижать ее при зависании микроконтроллера вследствие обработки дополни-
тельного числа сигналов.
Другими недостатками описанного устройства являются сложность механической
конструкции датчика, содержащей три шестерни, механизм их возврата и малый уровень
детектируемых магнитных полей AMP-элементами, т.е. слабая помехозащищенность от
внешних электромагнитных полей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является дат-
чик угла поворота рулевого колеса автомобиля [3] (прототип). Он содержит корпус, меха-
низм передачи вращения колонки рулевого колеса, постоянный магнит, установленный с
возможностью вращения, по крайней мере один неподвижный магниточувствительный
элемент Холла, вырабатывающий аналоговый сигнал, через АЦП подаваемый на вход
микроконтроллера, CAN-шину интерфейса. При этом корпус выполнен цилиндрическим,
полым с внутренней резьбой, в который вкручен немагнитный палец, на одном торце ко-
торого выполнен паз прямоугольной формы, в пазу без люфта размещен шток в форме
прямоугольного параллепипеда, кинематически связанный с механизмом передачи вра-
щения колонки рулевого колеса, а на другом торце пальца укреплен цилиндрический маг-
нит, намагниченный аксиально, установленный с возможностью вращения и совместного
с пальцем осевого перемещения внутри магнитомягкого ярма, установленного соосно в
немагнитном корпусе, причем ярмо выполнено в виде кольца одинаковой высоты с маг-
нитом и содержит две внутренние одинаковые радиальные проточки, а магниточувстви-
тельный элемент Холла размещен на плоском держателе в средней части ярма с
возможностью плавной регулировки расстояния от торца корпуса и нормалью к пластине
Холла, направленной вдоль радиуса.
Вследствие относительно низкой чувствительности элемента Холла к магнитным по-
лям и генерируемого им сигнала в аналоговой форме требуется АЦП для преобразования
его в цифровой формат, а также использование небронированной магнитной системы
"магнитно-полуоткрытого типа" отрицательно влияет на помехозащищенность прототипа
от внешних электромагнитных полей, которые обычно в избытке присутствуют в устрой-
ствах автомобильной техники.
Поэтому задачей, решаемой в настоящей предложенной полезной модели, является
повышение помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям, в том числе квази-
статическим магнитным полям.
Устройство для определения углового положения руля автомобильного транспорта
содержит механизм передачи вращения колонки рулевого колеса, немагнитный корпус с
крышкой, выполненный полым, цилиндрическим с внутренней резьбой, в который вкру-
чен немагнитный палец, на одном торце которого выполнен паз прямоугольной формы, в
котором без люфта размещен шток в форме прямоугольного параллепипеда, кинематиче-
ски связанный с механизмом передачи вращения колонки рулевого колеса, а другой торец
пальца кинематически связан с постоянным магнитом, установленным с возможностью
совместного с пальцем осевого перемещения внутри указанного корпуса, причем непод-
вижный магниточувствительный элемент, размещенный на плоском держателе, выполнен
с возможностью плавной регулировки расстояния от крышки корпуса, подключен к входу

4. BY 10261 U 2014.08.30
4
микроконтроллера с CAN-шиной интерфейса для передачи данных в форме кода Грэя в
электронную систему управления движением автомобиля.
Оно отличается тем, что указанный постоянный магнит намагничен перпендикулярно
осевому перемещению и выполнен с двумя полюсными наконечниками в виде пластины
со ступенькой, высота которой приближенно равна половине ширины пластины полюсно-
го наконечника; магниточувствительный элемент, выполнен в виде полупроводниковой
структуры p-n-типа проводимости, обладающей Z-эффектом [4] и L-образной вольт-
амперной характеристикой, подключен через нагрузочное электросопротивление к источ-
нику питающего напряжения, выполненному с функцией постоянной ЭДС, причем плюс
питания подключен к p-области, и установлен в зазоре упомянутых полюсных наконечни-
ков так, что плоскость раздела p- и n-областей структуры перпендикулярна пластинам по-
люсных наконечников магнита.
Анализ элементов устройства, приведенных в отличительной части, показывает, что
некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических
решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является но-
вым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функ-
ционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое
устройство соответствует критерию "новизна" по действующему законодательству.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе.
На фиг. 2 - вид сверху, а на фиг. 3 - выходной сигнал с магниточувствительного эле-
мента как функция угла поворота макета рулевого колеса.
Устройство может встраиваться в рулевую колонку и содержит полый немагнитный
цилиндрический корпус 1 с внутренней резьбой, в который вкручен немагнитный палец 2,
на одном конце (торце) которого выполнен паз в форме прямоугольного параллепипеда, в
паз заходит без люфта шток 3 механизма передачи вращения колонки рулевого колеса
(шток 3 может вращаться в подшипниках), а на другом торце немагнитного пальца 2 уста-
новлен механизм преобразования вращательно-поступательного движения в чисто посту-
пательное осевое перемещение постоянного магнита 4 (например, посредством шарика и
немагнитной прокладки, которые цифрами не обозначены, хотя конструкция может быть
и другой), причем постоянный магнит 4 намагничен перпендикулярно осевому перемеще-
нию, установлен с возможностью совместного с немагнитным пальцем 2 перемещения
вдоль оси симметрии цилиндрического корпуса. Магнит 4 целесообразно использовать из
высокоэнергетичных материалов, например SmCo5 или неодим-железо-бор. Магнит 4 со-
держит полюсные идентичные наконечники 5, предпочтительно из армко-железа, выпол-
ненные в виде пластины со ступенькой, высота которой приближенно равна половине
высоты пластины.
Магниточувствительный элемент 6 выполнен в виде полупроводниковой структуры
p-n-типа проводимости, обладающей Z-эффектом [4] и L-образной вольт-амперной харак-
теристикой, подключен через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего
напряжения, выполненному с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подклю-
чен к p-области. Магниточувствительный элемент 6 размещен неподвижно на плоском
держателе 7 с возможностью плавной регулировки расстояния от торца корпуса 1. Способ
формирования p- и n-областей описан в [5]. Вектор индукция магнитного поля B0 прикла-
дывается в плоскости, параллельной плоскости раздела p- и n-областей. Магниточувстви-
тельный элемент 6 генерирует частотно-импульсный выходной сигнал при величине
индукции магнитного поля B0, находящейся в диапазоне (30 < B0 < 1000) мТл [4]. Такие
структуры поставляются фирмой VZ Sensor Ltd, Россия, г. Москва (Институт проблем
управления).
Разъем 8 магниточувствительного элемента 6 установлен в крышке 9 корпуса и слу-
жит для подвода напряжения питания и съема выходного частотно-импульсного сигнала,
который подается на вход микроконтроллера (не показан, поскольку описан в прототипе)

5. BY 10261 U 2014.08.30
5
и в дальнейшем, после обработки, передается по CAN-шине интерфейса в электронную
систему управления движением автомобиля. Немагнитная крышка 9 выполнена профиль-
ной с П-образными направляющими под полюсные наконечники 5. Внутри П-образных
направляющих размещены пружинящие элементы 10, находящиеся в наполовину сжатом
состоянии и поджимающие в конечном счете магнит 4 с полюсными наконечниками 5 к
немагнитному пальцу 2.
Устройство работает следующим образом. Поворот руля вращает шток 3, который в
одном из концов выполнен в форме прямоугольного параллепипеда и вставлен в паз пря-
моугольной формы немагнитного пальца 2 практически без люфта, но и без трения. Вра-
щение штока 3 вызывает вращение немагнитного пальца 2, имеющего крупную внешнюю
резьбу, и одновременное его перемещению вдоль оси на величину шага резьбы при каж-
дом его повороте на 360°. Присутствие смазки в трущихся поверхностях резьбы необхо-
димо, однако может поддерживаться отдельным устройством в автоматическом режиме.
Вращение рулевого колеса на три оборота влево или вправо (максимально возможное
число оборотов) соответственно вызывает поворот немагнитного пальца 2 в корпусе 1 на
угол до ± 1080°. При этом постоянный магнит 4 перемещается вдоль оси корпуса 1. При
этом в зазоре полюсных наконечников 5 в месте расположения элемента 6 меняется вели-
чина вектора индукции магнитного поля, которая направлена перпендикулярно оси пере-
мещения пальца 2. Магниточувствительный элемент 6 вырабатывает однозначный и
достаточно линейный от угла поворота руля (фиг. 3) частотно-импульсный сигнал. Вы-
ходной сигнал подается на вход микроконтроллера (не показан), обрабатывается в соот-
ветствии с заложенным алгоритмом, как правило, линеаризуется и передается по CAN-
шине интерфейса в форме кода Грэя в электронную систему управления движением авто-
мобиля.
Следует отметить, что явление управляемой скачковой проводимости (Z-эффект) воз-
никает в структурах с L-образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том,
что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля
проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно,
амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного
процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с S-образной вольт-
амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными фи-
зическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шну-
ре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магнито-
чувствительного элемента 6 является способность не только воспринимать магнитное
поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла
без дополнительных электронных схем.
Следовательно, вышеизложенные введения свидетельствуют о выполнении при ис-
пользовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении отно-
сится к измерительному оборудованию транспорта, в частности к электронным устройст-
вам абсолютного углового положения рулевого колеса;
для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в нижеизложенной
формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью
вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому
заявляемое устройство соответствует требованию "промышленная применимость" по дей-
ствующему законодательству;
средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новиз-
ной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявите-
лем технического результата, а именно: повышения помехоустойчивости к внешним
электромагнитным полям, в том числе к квазистатическим магнитным полям, за счет при-
менения магниточувствительного элемента с Z-эффектом, который генерирует помехо-

6. BY 10261 U 2014.08.30
6
устойчивый частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 % от на-
пряжения питания) без применения электронных схем преобразования.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.