设计成测量轴或类似物的角位置的感应式位置传感器的制作方法
本发明涉及一种设计成测量轴或类似物的角位置的感应式位置传感器。
背景技术：
这种类型的传感器具有的优点是允许确定机械部件或任何其它元件的位置，而无需与期望获知其位置的部件接触。该优点意味着这种传感器在所有类型的工业中的应用是非常多的。这种传感器同样用在大众市场应用中，例如已在其中实现本发明的汽车领域。但是，它能够用在其它各种不同的领域中。
感应式传感器的运行原理是基于在高频下运行的变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合变化，并且不使用磁路。这些绕组之间的耦合根据可移动导（电）体部件（通常称为“靶”）的位置而变化。在靶中感应的电流实际上将改变在次级绕组中感应的电流。通过适配绕组的构型并了解注入初级绕组中的电流，测量次级绕组中感应的电流使得可以确定靶的位置。
文献ep0182085描述了这种感应式传感器的原理。
为了将这种感应式传感器集成在装置（尤其电子装置）中，已知的是如何在印刷电路卡片上制造上述变压器。然后，通过在印刷电路卡片上描绘的轨道形成初级绕组和次级绕组。然后，初级绕组例如由外部高频源供电，且之后次级绕组是由初级绕组中的电流流通所产生的磁场所感应的电流的所在地。靶（其是导电部件，例如金属的）可以具有简单的形状。例如，它可以是从金属板剪切下的部件。为了制造线性传感器，用于形成靶的剪切件例如是矩形的，而对于旋转传感器，该剪切件例如将是具有适合于部件运动的半径和角度的角度扇形的形式。
通常，两组次级绕组被设计用于在传感器的一个完整行程上实现靶的位置的正弦函数和余弦函数。这些函数（cos和sin）是众所周知的，并且可以由电子系统容易地处理。通过形成正弦与余弦的比然后应用反正切函数，可以获得靶的位置的图像。正弦和余弦函数的自变量是靶的位置的线性（或仿射）函数，其行程因此表示这些三角函数的空间周期的几乎大部分。
从物理观点来看，由于本领域技术人员已知的电磁集肤效应现象，实现了初级电路和次级电路之间的耦合的改变。初级电路由高频源供电，在整个传感器中发生的现象是高频现象。期望获知其位置的靶是实心导体部件，并且是大量感应电流的所在地。这些感应电流的穿透深度相对较浅（因此名为集肤效应）。例如，在铝制靶的情况下，其为50
当不可能将传感器放置在轴的端部以确定所述轴的角位置时，已知的是如何为轴提供在线性传感器对面放置的螺旋。实际上，如果考虑相对于固定点旋转的螺旋，则从该固定点看到轴向位移的表面。因此，好像靶在传感器前面线性运动。
因此，线性传感器可以通过适配靶的形状来给出关于轴的角位置的指示。然而，当期望确定其角位置的轴轴向运动时，即使仅为寄生运动，角度测量也由于该轴向运动而出错。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是能够以感应技术（无接触），在径向位置（即通过定位于轴的侧面而不是在轴的端部处）中，对轴向游隙不敏感地实施轴或类似物的角位置的测量。
优选地，允许实施该测量的传感器将具有减小的占地面积。
有利地，这种传感器也将允许测量纵向位移（沿着轴的旋转轴线）。这将允许例如同时测量角位置和/或旋转速度和轴向位移。同样，这种纵向位移的测量可以用来量化寄生纵向运动。
为此目的，本发明提出一种设计成测量轴或类似物的角位置的感应式位置传感器，感应式位置传感器包括支撑件，在该支撑件上一方面实现初级绕组，并且另一方面实现相对于彼此反相的至少两个次级绕组，每个次级绕组由一组彼此同相的至少两个环路限定。
根据本发明，次级绕组串联连接，并且每一个相对于中间线对称地设置，以便每次在该中间线的每一侧上形成图案，这两个图案在它们之间在所述中间线的范围中具有间隔。
这种传感器设计成与具有彼此并排的两个螺旋的双螺旋一起运行，两个螺旋是方向相反的并且彼此分隔开。上文限定的两个图案是分开的，使得即使携带呈双螺旋形状的靶的轴纵向位移（例如寄生振动），每个图案也可以保持面对螺旋而不受另一个影响。
因此，所提出的传感器允许获得仅取决于携带靶的轴的角位置的信号，而对纵向位置中的任何变化（寄生的或期望的）不敏感。实际上，可以抵消由所提出的次级电路的环路中的纵向位移引起的磁通量的变化。
在第一实施例中，上述感应式位置传感器是这样的：每个图案包括与第二绕组的第二组环路相邻的第一绕组的第一组环路，第一绕组的环路具有与第二绕组的环路类似的形式，并且第一组的环路数量等于第二组的环路数量。
在上述位置传感器的替代实施例中，每个图案包括与第二绕组的第二组环路相邻、并且与第二绕组的第三组环路相邻的第一绕组的第一组环路，第一绕组的环路具有为第二绕组的环路的表面积的两倍的表面积，对于这三组，环路的数量是相等的，并且第一组环路的环路布置在第二组环路的环路与第三组环路的环路之间，以便形成垂直于中间线的环路的对齐。
为了使所描述的感应式位置传感器还能够进行纵向位置的测量，该传感器还有利地包括相对于彼此反相并且彼此串联连接的至少两个附加次级绕组；每个附加次级绕组由一组彼此同相的至少两个环路限定；附加次级绕组的环路以与另外的附加次级绕组的环路关于所述中间线对称的方式布置，并且一个附加次级绕组的环路在中间线的一侧与另外的附加次级绕组的位于中间线相同侧的环路形成图案，该图案与由附加次级绕组的另外的环路形成的图案分开。
本发明同样涉及由感应式位置传感器和靶形成的组件，其特征在于，位置传感器是如上所述的位置传感器，其特征在于，靶包括螺距相反的两个螺旋，并且其特征在于，感应式位置传感器布置成面对靶，使得一方面，次级绕组的一个图案位于面对一个螺旋且次级绕组的另一个图案位于面对另一个螺旋，并且另一方面，使得每个螺旋（18，20）位于既面对第一次级绕组且又面对与第一次级绕组反相的第二次级绕组。
最后，本发明涉及一种用于非接触式测量轴的角位置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
·为轴的外表面提供方向相反的两个螺旋，螺旋沿角度测量范围彼此远离隔开预先确定的距离，该预先确定的距离取决于轴的估计轴向位移，
·为感应式位置传感器提供一个初级绕组和至少两个次级绕组，一个次级绕组由一组彼此同相的至少两个环路限定，
·将每个次级绕组的环路设置成面对螺旋，使得当轴的角位置变化一个值时，那么，一方面对于一个次级绕组，在面对一个螺旋的环路中感应的磁通量变化与在面对另一个螺旋的环路中感应的磁通量变化相同，并且另一方面，在面对一个螺旋的一个次级绕组的环路中感应的磁通量变化与在另外的次级绕组的环路中感应的磁通量变化是相同但相反的，面对一个螺旋的环路与面对另一个螺旋的环路分开一段距离，该距离对应于使螺旋沿角度测量范围分开的距离，
·激励初级绕组并测量在次级绕组上的信号，
·确定轴的角位置，所测量的信号对应于轴的位置的角度值，与轴的轴向位移无关。
为了便于该方法的实施，可以例如将螺旋设置成相对于轴的圆柱形表面的横向平面对称地布置在所述圆柱形表面上。
有利地，这种方法还允许测量轴的轴向位移。为此目的，那么它还可能涉及以下步骤：
·为传感器提供至少两个附加次级绕组，
·将每个附加次级绕组的环路设置成面对螺旋，使得当轴的角位置变化一个值时，那么，一方面对于一个次级绕组，在面对一个螺旋的环路中感应的磁通量变化与在面对另一个螺旋的环路中感应的磁通量变化是相同但相反的，并且另一方面，在面对一个螺旋的一个次级绕组的环路中感应的磁通量变化与在另外的次级绕组的环路中感应的磁通量变化是相同的，面对一个螺旋的环路与面对另一个螺旋的环路分开一段距离，该距离对应于使螺旋沿角度测量范围分开的距离，
·测量附加次级绕组上的信号，
·确定轴的轴向位置，在附加次级绕组的范围中测量的信号对应于轴的位置，与轴的角位置无关。
附图说明
本发明的细节和优点将从以下参考所附示意图进行的描述中更好地显现出来，其中：
-图1是轴的侧视图，在轴上要进行角位置（和可选地轴向位置）的测量，
-图2是图1的轴的横断面视图，示出了非接触式位置传感器，
-图3示意性地示出了能够用于图2中所示的传感器的初级绕组，
-图4至图7示意性地示出了能够用于图2中所示的传感器的次级绕组，
-图8非常示意性地示出了面对轴的次级绕组，沿给定范围（小于360°）测量轴的角位置，
-图9非常示意性地示出了面对轴的次级绕组，沿360°的范围为该轴测量角位置，且
-图10和图11是类似于图8和图9的视图，用于轴的实施例变型，在轴上进行角位置的测量。
具体实施方式
图1示出了具有纵向轴线14的轴12。该轴12被驱动旋转并且它的角位置以角度θ给出。它能够在对应于纵向轴线的纵向方向上以侧向平移β运动。平移的位移可以是寄生位移（因此其例如为十分之一毫米的量级）和/或受控位移。
例如，这可以是机动车辆的凸轮轴。该轴12具有圆柱形区域16，在该圆柱形区域16上产生第一螺旋18和第二螺旋20。此处所示出的优选实施例中的这两个螺旋具有相同的特征，并且相对于轴12的横向平面对称地布置。因此，这两个螺旋具有相同的螺距，但方向相反。此处假设它们围绕圆柱形区域16延伸360°。假设轴12沿纵向轴线14的最大侧向位移是δ。因此，第一螺旋18将与第二螺旋20分隔开至少等于2δ的距离。
第一螺旋18和第二螺旋20各自与在集成电路板上实施的位置传感器22配合，集成电路板本身安装在与连接器26相关联的支撑件24上。位置传感器22安装在平行于轴12的纵向轴线14的平面中，面对螺旋并靠近它们，但与它们没有接触。图2在关于轴12的横截面中示出了位置传感器22相对于轴的位置。在螺旋和位置传感器22之间保留有毫米量级（从0.5mm至5mm）的自由空间。
首先，位置传感器22适用于独立于其侧向位置（即，独立于其沿纵向轴线14的位置）确定轴12的角位置。此外，作为选择，同样提供沿其纵向轴线14确定轴12的位置。
为了确定角位置（角度θ），位置传感器22是感应式传感器，其包括与次级电路（图4或图5）相关联的初级电路28（图3）。以本领域技术人员已知的方式，初级电路28由高频信号激励，并且靶，此处为螺旋（第一螺旋18和第二螺旋20），实现与相对应的次级电路的耦合。通过测量次级电路的端子处的电压（信号），可以获知螺旋相对于位置传感器22的位置并因此获知轴12的角位置。
与初级电路一样，次级电路印刷在板上，也称为pcb（印刷电路板）。在图4中示出第一种形式的次级电路，并且在图5中示出实施例变型。
在图4的实施例中，次级电路具有串联连接并且相对于彼此反相的两个绕组。在该图4中注意到编号为1至4的四个环路的存在。环路1和4形成第一绕组：它们串联连接并且同相。同样，环路2和3形成第二绕组：它们串联连接并且同相。第一绕组连接至第二绕组并与第二绕组反相。
四个环路1，2，3和4沿着与轴12的纵向轴线14平行的轴线对齐。它们各自具有基本上相同的表面积，使得在没有靶的情况下由初级电路在它们的每一个中感应的磁通量具有相同的绝对值。环路1和2设计成面对第一螺旋18，而环路3和4设计成面对第二螺旋20。环路1和2形成图案m，图案m与由环路3和4形成的图案m相对于中间线aa'对称。在相同的图案m（1和2或3和4）中，每次存在至少一个环路与相同图案的另一个环路反相。还注意到两个图案m是分开的。两个图案之间的间隔距离（在图4中对应于环路2和环路3之间的间隔距离）与使第一螺旋18与第二螺旋20分开的距离相同，例如2δ。
图5示出了图4中所示的次级电路的实施例变型。此处发现了编号为5至10的六个环路。次级电路由串联连接和相对于彼此反相的两个绕组形成。环路5，7，8和10形成第一绕组：它们串联连接并且同相。环路6和9形成第二绕组。它们串联连接并且同相，但与环路5，7，8和10反相。
此处同样地，次级电路的环路沿着与轴12的纵向轴线14平行的轴线对齐。环路5，6和7形成第一图案m'，其与由环路8，9和10形成的第二图案m'沿中间线aa'对称。这两个图案是关于中间线aa'对称的，并且彼此分开一距离，此处该距离也对应于使第一螺旋18与第二螺旋20分开的距离，或2δ。
在每个图案中，一个绕组的环路的表面积等于另一个绕组的环路的表面积。因此，此处在第一图案中有环路5和7，每个环路具有基本上等于环路6的表面积的一半的表面积。因此，由初级电路在图案中的绕组的环路中感应的磁通量与由初级电路在另一个绕组的环路中感应的磁通量在绝对值上相同。
参考图8解释借助于位置传感器22测量轴12的角位置θ的原理。在该图中，假设位置传感器22包括叠加在图4的次级电路上的图3的初级电路28。
在图8中（其是非常示意性的图），示出了第一螺旋18，第二螺旋20以及仅图4的次级电路，和它的四个环路1，2，3和4。在该图中示出了横坐标轴z和对应于角位置θ的纵坐标轴。假设次级电路（环路1，2，3和4）是固定的。螺旋各自由倾斜带表示：这对应于当轴12在螺旋18，20前面旋转时由螺旋18，20的传感器（次级电路）所感知到的。
图8对应于轴12的一个角位置和一个轴向位置。如果轴12旋转，那么表示螺旋的倾斜带沿图8中的纵坐标轴上升或下降。如果轴12轴向移位，那么倾斜带相对于传感器沿横坐标轴移位。
在图8的特定情况下，假设角位置的测量是在小于360°的预定范围内进行的。
当轴12旋转并且θ增加时，环路1的自由表面积减小。当轴12朝向增大z移位时，环路1的自由表面积增加。假设
因此会有：
将相同的推理应用于其它环路，获得：
在次级电路的端子上测量的信号将与在环路1，2，3和4中流通的磁通量的总和成比例。
因此，有：
或
因此显露出，次级电路的端子上的信号与轴12的角位置成比例，并且对轴12的轴向位移z不敏感。
可以用图5中所示的次级电路进行类似的证明。这导致相同的结果：信号与轴的旋转角度成比例，并且对该轴12的轴向位置z的变化不敏感。
在上述计算中，假设了每次只有单一的环路1，单一的环路2，单一的环路3和单一的环路4。为了获得更高的敏感度，明显可以每次叠加多个环路，以增加感应的磁通量，并因此获得更好的敏感度。
从上述计算中也显露出，适当的是永久地使每个螺旋同时面对两个绕组（图4和图8的实施例中的1，4和2，3），以便获得上述所计算的涉及平移位移的磁通量补偿。此处只需使绕组的几何形状适配螺旋的几何形状。环路的尺寸和位置适配于螺旋的间距，适配于它们的宽度，适配于它们的位置以及适配于沿所讨论的测量范围的它们的最大平移位移。因此，每个螺旋沿角度测量范围位于同时面对第一次级绕组和面对与第一次级绕组反相的第二次级绕组。
图9示出了在360°上的角位置的测量。测量原理此处保持相同。适配螺旋端部的形状，使得对于沿整个测量范围（即360°）的相同角度变化，感应的磁通量的变化保持相同。因此，此处设置螺旋围绕轴2延伸360°并且螺旋的端部相对于轴12位于径向平面中。同样适当的是确保圆柱形区域16不具有在距离螺旋端部小于δ的距离处形成靶的凸台或类似物。
如图10所示，可以连接螺旋以形成v字形。对于对多个极实施的测量，例如对于具有多个极的马达的轴，可以在设置用于位置测量的圆柱形区域16处提供多个螺旋或v字形。
沿轴12的纵向轴线14的横向位移可以是寄生运动。然而，它可以涉及受控运动，并且因此有意义的是同样能够测量轴12沿其纵向轴线z的位移。
由于存在方向相反的两个螺旋，同样能够测量轴12的纵向位移。此处提出在用于测量角位置的次级电路上和在初级电路28上叠加附加次级电路。
此处提出使用例如在图6中或在图7中所示的附加次级电路。
此处所提出的附加次级电路类似于图4和图5的次级电路。再次发现两个反相绕组和两个图案，每个图案具有一个绕组的环路和另一个绕组的环路，使得在一个图案中，一个绕组的环路的表面积对应于另一个绕组的环路的表面积。与图4和图5的次级电路相比，图6和图7的附加次级电路再次在一侧具有相同的图案，但是另一个图案（同样与第一图案分开一段距离，该距离对应于使螺旋分开的距离）是反相的。因此，此处可以将第二图案限定成与第一图案相同的图案，但是沿着纵向轴线偏移了一段距离，该距离对应于图案长度加上使两个螺旋分开的距离。以另一种方式描述，可以认为一个图案的一个绕组的一个环路与另一个图案的另一个绕组的一个环路对称。
简而言之，如通过比较图4和图6清楚地看到的，图6的附加次级电路的环路再次具有与图4的次级电路的环路相同的形状，但是两个图案之间的连接是反向的。因此，指示图6的环路：1，2，3'和4'。同样，在图7中，将具有环路5，6，7，8'，9'和10'。
附加次级电路的端子上的信号对应于由初级电路28在该电路的环路中感应的磁通量。如上已经进行的，计算附加次级电路的每个环路中的磁通量。如上所述，将再次发现对于环路1和2的相同的磁通量以及对于环路3'和4'的反向的磁通量（相对于环路3和4）。因此，有：
在附加次级电路的端子上测量的信号将与在环路1，2，3'和4'中流通的磁通量的总和成比例。
因此，有：
或
因此显露出，附加次级电路的端子上的信号与轴12的纵向位置成比例，并且它对轴12的旋转位移θ不敏感。
因此，通过在位置传感器22上叠加具有如在图4或图5中所示的次级电路和再者如在图6或图7中所示的附加次级电路的初级电路28，可以精确地测量一方面轴12的角位置θ，和另一方面轴12的轴向位置z。
因此，上述实施例使得可以同时测量轴的角位置θ，而不受其轴向位置z的影响，同时也能够测量该轴的轴向位置z。因此，相同的位置传感器能够进行两种位置测量（角度的和纵向的）。在提交本专利申请时，发明人所知现有技术中尚未完成这种使用单一传感器的双重测量。
所提出的位置传感器（角度的和/或纵向的）具有减小的占地面积。它还可以用于制造轴的角速度传感器（也称为“解角器”）。
所提出的优选实施例具有以螺旋形状的靶，两个螺旋具有相同的螺距但方向相反。可以设想通过相应地适配环路，为两个螺旋设置不同的螺距。
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