齿轮传感器PS-HR92系列的检测方式与结构优势

齿轮传感器 PS-HR系列

两轮车中FI化的发展

电子控制式FI（Fuel Injection：燃料喷射）系统以汽车及大型两轮车为中心发展而来，如今，该系统的应用得到了迅猛发展。以往，250cc级轻型摩托车(126～250cc)从复杂的结构与成本两方面考虑认为其难以实现FI化，但随着限制的加强以及世界标准化的发展，该系统在其中的应用也得到了不断的推进。
FI系统可在实时处理来自各类传感器的信息的同时，还可将各个气缸的进气、燃料供应量以及燃料喷射时间控制在理想状态，该系统超越了以往化油器方式的控制极限，可在从低速到高速的所有旋转范围中，将混合气与燃烧控制在接近理想的状态。
此外，该系统还实现了启动、低速行驶以及加速时燃料喷射的优化，同时，对于减速、高速时的燃料削减等也实现了精细控制。

125cc以下小型两轮车所要求的环保设计

在FI技术不断发展的背景下，适用于两轮车的环保限制也逐渐向WMTC(世界摩托车测试循环)推进，其排放气体的限值目标值比以往进一步降低了30%～60%，各国均面临着全新的挑战。
在这项全新的试验法中，总排量在高于50cc～低于150cc且最高速度在50km/h以下，同时总排量低于150cc且最高速度高于50km/h～低于100km/h的小型及中型两轮车也被分类为限值对象车辆"等级1"，其适用以城区行驶为对象的"PART 1"的试验循环，同时对CO、THC、NOx等D排量削减也拥有严苛的要求。

要求低价格高精度传感器的原因

两轮车用发动机的油门传动机构极为灵敏且直接，因此相比用于汽车用大型发动机的FI系统，其在FI化过程中对精细的制造技术以及细致的电子控制技术提出了更高的要求。
同时，在价格较低的50cc级轻便摩托车以及125cc级小型两轮车中，为了实现FI系统的进一步小型轻量化、省电化以及低成本化，确立合理化设计以及量产体制不可或缺。
在国际共识下，为适应力度不断强化，范围不断扩大的环保限制，新一代FI技术在取得不断地发展，而各类传感器作为FI系统的眼睛，在其设计及开发成果方面提出了更高的要求，使其能够实现比以往更高的精度以及更低的成本。

TDK的举措

TDK针对ATV(All Terrain Vehicles：全地形车。主要为用于农耕、狩猎、休闲等目的的四轮摩托车)，通过兼顾耐环境性与高精度感应能力的独特合理化结构设计，实现世界顶级的齿轮传感器并投入量产，同时，在使用成功案例以及长期稳定性方面也获得了众多好评。
ATV拥有极强的耐环境性能，其主要针对沼泽地、水田、砂砾、石粒飞蹦的严酷路面环境，以及雪中等恶劣环境进行设计，并且在油门全开的高温状态下进入严冬下积有薄冰的沼泽地中亦能保持正常行驶。

齿轮传感器在车速表显示以及2WD-4WD切换中起到将检测出的齿轮数传递至ECU的重要作用，由于其直接安装于ATV的离合器单元上，因此其与发动机处于同样的恶劣环境中，时刻会受到水淹、飞溅物体的冲击以及振动等影响。在此环境下使用的齿轮传感器要求拥有比汽车中应用的齿轮传感器更高的强韧性，而TDK则在切实满足这些要求的同时，在开发及量产体制中确立了独特的领域，使其在感应能力及成本方面拥有更大的优势。

齿轮传感器PS-HR92系列的检测方式与结构优势

TDK的齿轮传感器PS-HR92系列是一款定向耦合器连接型的最先进型号产品，为了支持用于50cc级轻便摩托车以及125cc级小型两轮车的合理化FI系统的开发，产品以在ATV领域中通过实际验证证实的耐环境结构以及耐噪音设计技术为基础，实现了超越以往产品的小型轻量化及低成本化。
通过优化了高灵敏度差动霍尔IC与磁铁配置的独有磁路设计，即使在怠速熄火后重新启动时，或在油门开度较低的部分油门领域中，也能实现抑制抖动的高精度零速(超低速)旋转检测。同时，依靠独特的外壳结构，其不仅在振动、淋水以及浸水状态下具备长期可靠性，同时还可应对-30°C的低温至+150°C的高温，具有十分优异的耐环境性，并且进行了低成本化。额定及电气特性示例如表1所示。

表1　齿轮传感器PS-HR92系列的额定及电气特性示例

驱动电源电压Vcc	4.75 to 16V
输出电路形式	集电极开路
输出电压Vout	V HIGH > Vcc-05V/V Low ≦ 0.4 V
输出电流Iout	15mA max.
占空比	50±15%（根据齿轮形状）
气隙	2.0mm max.（根据齿轮形状）
相应频率	0 to 12kHz
使用温度范围	–30 to +l50°C

适用

最适合用于FI系统规格的小排量两轮车速度传感器、凸轮角度传感器、曲轴角度传感器。当然，在削减属于WMTC等级2、等级3的中大型两轮车以及ATV、汽车的尾气排放，设计提高燃油经济性及发动机性能等方面，其优势也远远大于以往同类传感器。
凸轮角度传感器的应用示例如图1所示。

图1　齿轮传感器PS-HR92系列应用示例(凸轮角度传感器)

ECU根据凸轮角度传感器与曲轴角度传感器发出的检测信号，计算FI系统的点火时间、燃料喷射时间以及喷射量。
在通过优化A/FI值等提高排放气体抑制效果的FI系统中，在确保其能力的同时实现高精度的传感器信号以及稳定的输出是十分重要的条件。

优势、应用优点以及耐环境性

以下是关于TDK齿轮传感器PS-HR92系列特点以及优势的总结内容。表2所示为与以往使用电磁示波器的代表性模拟式之间的性能比较示例。在使用数字式的PS-HR92系列中则采用了高灵敏度的差动霍尔IC。即使气隙扩大至2mm，从零速至全开油门也能够输出高精度、高水平的电压波形。

表2　与模拟式的比较示例

检测/输出方式	数字式	模拟式
工作原理	差动型霍尔IC TDK差动霍尔IC型	电磁感应(电磁拾音器) 代表产品
操作温度范围	–30 to +150°C	–30 to +150°C
气隙	2.0mm max.(根据齿轮形状)	1.0mm max.(根据齿轮形状)
检测频率	0 to 12kHz	参照"旋转速度-输出电压比特性比较示例"(图2)
其他	可在零速旋转下进行检测 浪涌噪音耐受性强	无法在零速旋转时检测 噪音耐受性弱 需要波形整形电路

差动霍尔IC输出波形

电磁拾波器输出波形

图2为旋转速度-输出电压比特性比较示例。将500rpm的齿轮转速作为100%，则电磁示波器型产品的输出电压会随着齿轮转速降低而下降，在50rpm时将下降至大约原来的30%，此时将很容易发生错误工作。而差动型霍尔IC型产品的输出电压比则几乎不会发生变化。

图2　旋转速度-输出电压比特性比较示例

同时，如以下耐环境性一览(表3)、占空比-温度特性示例(图3)所示，其不仅能够适应温度范围在–30～+150°C的环境，同时在耐热冲击、耐冲击、耐振动等严酷的可靠性试验中表现出了无与伦比的耐久性。即使在ATV、两轮车中极为重视的耐水性(淋水耐久性)方面，也通过独特设计的密封结构实现了行业顶级的长期可靠性。

表3　PS-HR92系列的耐环境性

振动耐久	50 to 2000Hz(6分钟/循环)、20小时、294m/s2、3方向
耐热冲击	–30°C(30分钟) to 150°C(30分钟)×500循环
淋水耐久	JIS D 0203 S2
高温工作	150°C、500小时
低温工作	–30°C、500小时
瞬时电压特性	JASO D001-94 (A-1、A-2、B-1)
辐射场耐性	100V/m、1 to 200MHz

图3　占空比-温度特性示例(气隙:1.5mm/旋转速度:50rpm/齿轮模块:2)

检测信号的可靠性

汽车线束使用的是较低的电压，而在两轮车及ATV中则通过蓄电池直接供电来驱动线圈及继电器等各种控制部位，因此会较为频繁地产生破坏性浪涌噪音。
为了在如此严酷的电磁环境下保持高精度的感应能力，产品中内置了具有优异浪涌吸收能力的专用电路。其不仅具备辐射场耐性，同时还拥有强大的耐噪音性，使其能够满足JASO标准所规定的瞬时电压特性D001-94(A-1、A-2、B-1)。

细致周全的Design-in设计支援体制

对于用于两轮车，特别是50cc级轻便摩托车、125cc级小型两轮车等廉价规格车辆中的发动机的4行程、FI化方面，虽然在解决成本及结构方面的各项课题采取了各种措施，但对于齿轮传感器方面也需要完善体制，以便使其能够快速灵活地配合以上措施。
具体而言，则是针对作为检测对象的齿轮形状与材质，对磁场检测部位的霍尔器件配置、内置磁铁形状、磁性等齿轮传感器的设计规格进行优化的快速开发环境，而对于这样的Design-in体制，TDK也通过全力发挥支持公司取得多年成果的丰富磁场模拟模型，确立了强有力的支援体制。
此外，对于现行的量产车型，在通过改善抖动、提高感应精度等措施，满足各类改善要求的同时，还针对发生问题等需要迅速采取应对措施的情况，采取通过磁场模拟快速查明原因、讨论齿轮形状、提供改良方案等措施，积极开展对量产生产线产生直接作用的周全改良支援体制。

        审核编辑：彭菁