感应式的位置传感器的制作方法

1.本发明涉及一种感应式的位置传感器、尤其是弧形传感器，具有定子元件以及接收系统，所述定子元件具有被加载有周期性的交流电压的励磁线圈，其中，励磁线圈的信号感应式地输入耦合到接收系统中，所述位置传感器具有转子元件，所述转子元件根据所述转子元件相对于定子元件的角位置影响励磁线圈和接收系统之间的感应式的耦合的强度，并且位置传感器具有评估电路，所述评估电路用于从感应到接收系统中的电压信号中确定转子元件相对于定子元件的角位置。


背景技术：

2.感应式的位置传感器在现代机动车中在具有大量边界条件的各种应用中使用。尤其是，将感应式的位置传感器用于转子的角位置将被检测的位置，以实现精确控制。这例如在用于机动车、尤其是电动和混合动力车辆的转向柱、制动系统或驱动器上是必要的。
3.在已知的感应式的位置传感器中通常使用能够检测确定的角范围的系统。这对于大多数使用领域是足够的。通过将角检测限制在确定的范围上，相对于在整个可能的角范围上的角检测、例如在全旋转的传感器中的360
°
，可以节省成本。这些位置传感器作为现有技术中的弧形传感器是已知的。在设计这些位置传感器时，迄今为止通常将励磁线圈设计得与接收系统类似大，以便实现感应式的位置传感器的尽可能小的结构形式。这尤其是在弧形传感器和线性传感器的情况下可能导致励磁线圈对在接收系统中所感应的电压信号的干扰性影响并且损害对角的确定。如果励磁线圈的影响要尽可能小，则这意味着，励磁线圈相对于接收系统必须尽可能大。在设计位置传感器时，迄今为止试图在多个设计步骤中在位置传感器的大小的最小化和励磁线圈对接收系统的影响的最小化之间达到最优。这些设计步骤增加了成本和开发工作，并且提高了成本。同样，通过迭代的设计步骤不能自动确定的是，找到了最优的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明基于此。
5.本发明的基本问题是，这样改进已知的位置传感器、尤其是弧形传感器(segmentsensor)，使得在确定角方面的误差最小化并且同时可以实现尽可能小的结构尺寸。
6.根据本发明，所述任务通过如下方式来解决，即位置传感器具有单值性范围，在所述单值性范围中可单值地确定角位置，接收系统在第一角范围上延伸，其中，所述第一角范围是n1＝n*e，其中，n≥1，并且所述励磁线圈在第二角范围上延伸，其中，第二角范围是n2＝m*e，其中，m≥2，其中，m和n是正整数，并且m＞n。
7.单值性范围被理解为如下范围，在该范围中可以借助位置传感器单值地确定角。该单值性范围可以处于0
°
和360
°
之间。因为位置传感器被使用在不同的位置上，所以传感器必须单值地检测的单值性范围可以是非常不同的。但是，该单值性范围是并且通过系统
的边界条件来预设并且可以在设计位置传感器时用作输入参量。
8.在根据本发明的感应式的位置传感器中可能的是，如果根据单值性范围来设计励磁线圈和接收系统所延伸经过的角范围，则可以使励磁线圈对在接收系统中感应出的电压信号的影响最小化。
9.借助模拟可以表明，如果接收系统在第一角范围上延伸并且励磁线圈在第二角范围上延伸(他们被实施为单值性范围的倍数)，则可以在确定角方面实现误差的最小化。在此适用的是，所述倍数为正整数并且第二角范围大于第一角范围。
10.可以规定，m≥n+1，优选地，m＝n+1。为了实现误差的最小化，第二角范围可以是单值性范围的任何倍数，所述单值性范围大于第一角范围。但是这与应实现位置传感器的尽可能紧凑的结构形式的期望相反。因此优选的是以下可能性，即，第二角范围是单值性范围的倍数，该倍数比第一角范围所设计有的倍数正好大1。因此，当第一角范围与单值性范围一致时，对应于这些要求的最小角范围相应于此，这相应于n＝1，并且第二角范围相应于双倍的单值性范围，其中，m＝2。
11.如果希望输入耦合到接收系统中的信号的更高的信号强度，则可以规定，第一角范围以n＝2来设计。在这种情况下，励磁线圈与接收系统之间的感应式的耦合的强度受到转子元件的较大区域的影响，这增强了影响。最小的可能的第二角范围在这种情况下是选择m＝3。
12.可以规定，所述转子元件的几何结构能够分别通过两个具有不同半径的围绕着中心点的圆形轨道来描述，其中，所述两个圆形轨道中的第一圆形轨道的第一半径小于所述两个圆形轨道中的第二圆形轨道的第二半径，并且外轮廓的区段交替地并且均匀地在所述第一或第二圆形轨道上延伸，并且所述区段的端部通过在各所述圆形轨道之间的径向连接部而与在相应另外的圆形轨道上的相应相邻的区段连接。
13.由此产生的转子元件的几何结构与具有一定数量的翼片和空隙的转子的之外轮廓相对应。因此可以规定，具有第二半径的圆形轨道上的区段分别构成翼片，并且具有第一半径的圆形轨道上的区段分别构成空隙。通过转子元件的几何结构可以确定位置传感器的单值性范围。在此，存在根据以下公式可确定单值性范围e的可能性：
14.e＝360
°
/转子元件的翼片的数量。
15.转子元件的翼片的数量在许多情况下由于其他情况是确定的大小并且对于位置传感器的设计来说是已知的。通过所说明的转子元件的翼片的数量与单值性范围之间的关系，在翼片的数量已知的情况下可以直接确定单值性范围。
16.存在如下可能性，即，第一接收系统具有至少两个、优选两个或三个第一导体回路。此外，可以规定，所述第一导体回路分别构造均匀重复的回路结构。特别有利地可以规定，改变所述均匀重复的回路结构的第一导体回路的卷绕方向，其中，通过改变所述卷绕方向来撑开一个面。通过改变卷绕方向，由第一导体回路周期性地撑开的面的积分路径改变。由第一转子元件输入耦合到第一接收系统中的磁场导致导体回路上的信号电压幅值，其与表达式∫brda成比例，其中，br是第一导体回路中由转子元件引起的磁场强度，并且a是由第一导体回路撑开的面。
17.可以规定，定子元件和评估电路布置在印刷电路板上，其中，评估电路布置在励磁线圈之内并且布置在接收系统的导体回路之外。如所描述的布置提供如下优点，即，励磁线
圈和接收系统的引线不彼此交叉，如在评估单元布置在励磁线圈外的情况下那样。由此避免对输入耦合到接收系统中的信号的进一步影响。另外的优点可以在于，利用在印刷电路板上的未利用的空间，这有助于感应式的位置传感器的紧凑的结构形式。
18.为了提高系统的冗余性可以规定，在印刷电路板上布置有第二接收系统和/或第二评估电路。可以规定，励磁线圈的信号感应式地输入耦合到第一和第二接收系统中。同样存在的可能性是，在印刷电路板上布置有第二励磁线圈。
19.直到这里，以具有作为感应式的耦合元件的转子元件的弧形传感器为例阐述了本发明所基于的问题和其根据本发明的解决方案。然而，问题和解决方案对于线性位移传感器是完全类似的。在现代机动车中在应检测耦合元件的纵向位置的地方使用线性传感器，以便实现精确的控制。
20.可以规定，感应式的位置传感器尤其是线性传感器，
[0021]-所述位置传感器具有定子元件以及接收系统，所述定子元件具有加载有周期性的交流电压的励磁线圈，其中，所述励磁线圈的信号感应式地输入耦合到所述接收系统中，
[0022]-所述位置传感器具有耦合元件，所述耦合元件根据所述耦合元件相对于所述定子元件的线性位置影响励磁线圈和接收系统之间的感应式的耦合的强度，
[0023]-所述位置传感器具有评估电路，所述评估电路用于从感应到所述接收系统中的电压信号中确定所述耦合元件相对于所述定子元件的所述线性位置，
[0024]
其特征在于，
[0025]-所述位置传感器具有单值性范围e，在所述单值性范围中能够单值地确定纵向位置，
[0026]-所述接收系统在第一纵向范围上延伸，其中，所述第一纵向范围是l1＝m*e，其中，n≥1，
[0027]-所述励磁线圈在第二纵向范围上延伸，其中，所述第二纵向范围是l2＝m*e，其中，m≥2，
[0028]
其中，m和n是正整数，并且m＞n。
[0029]
单值性范围被理解为如下范围，在该范围中可以借助位置传感器单值地确定纵向位置。该单值性范围在理论上可以处于0mm和∞之间，但是当然通过线性传感器的尺寸来限制。因为位置传感器被使用在不同的位置上，所以传感器必须单值地检测的单值性范围可以是非常不同的。但是，该单值性范围是并且通过系统的边界条件来预设并且可以在设计位置传感器时用作输入参量。
[0030]
在根据本发明的感应式的位置传感器中可能的是，如果根据单值性范围来设计励磁线圈和接收系统所延伸经过的纵向范围，则可以使励磁线圈对在接收系统中感应出的电压信号的影响最小化。
[0031]
类似于模拟结果将假设，如果接收系统在第一纵向范围上延伸并且励磁线圈在第二纵向范围上延伸(他们被实施为单值性范围的倍数)，则在确定纵向位置时可以实现误差的最小化。在此适用的是，所述倍数是正整数并且第二纵向范围大于第一纵向范围。
[0032]
可以规定，m≥n+1，优选地，m＝n+1。为了实现误差的最小化，第二纵向范围可以是单值性范围的任何倍数，所述单值性范围大于第一纵向范围。但是这与应实现位置传感器的尽可能紧凑的结构形式的期望相反。因此优选的是以下可能性，即，第二纵向范围是单值
性范围的倍数，该倍数比第一纵向范围所设计有的倍数正好大1。因此，当第一纵向范围与单值性范围一致时，对应于这些要求的最小纵向范围相应于此，这相应于n＝1，并且第二纵向范围相应于双倍的单值性范围，其中，n＝2。
[0033]
如果希望输入耦合到接收系统中的信号的更高的信号强度，则可以规定，第一纵向范围以n＝2来设计。在这种情况下，励磁线圈与接收系统之间的感应式的耦合的强度受到耦合元件的较大区域的影响，这增强了影响。最小的可能的第二纵向范围在这种情况下是选择m＝3。
[0034]
可以规定，所述耦合元件的形状是矩形状的或者矩形的，例如具有规则分布的冲孔的金属条。金属条的保持填充有材料的区域可以被称为游标，类似于转子状的耦合元件中的翼片。
[0035]
借助于由此产生的耦合元件的几何结构可以确定位置传感器的单值性范围。在此存在这样的可能性，即，所述单值性范围e可确定为规则分布的冲孔中的一个冲孔与游标之和。
[0036]
存在如下可能性，即，第一接收系统具有至少两个、优选两个或三个第一导体回路。此外可以规定，所述第一导体回路分别构造均匀重复的回路结构。特别有利地可以规定，改变所述均匀重复的回路结构的第一导体回路的卷绕方向，其中，通过改变所述卷绕方向来撑开一个面。通过改变卷绕方向，由第一导体回路周期性地撑开的面的积分路径改变。由第一耦合元件输入耦合到第一接收系统中的磁场导致导体回路上的信号电压幅值，其与表达式∫b1da成比例，其中，bl是第一导体回路中由耦合元件引起的磁场强度，并且a是由第一导体回路撑开的面。
附图说明
[0037]
下面借助附图更详细阐述本发明。在此，示出：
[0038]
图1示出感应式的位置传感器的示意图；
[0039]
图2示出定子元件的示意图；
[0040]
图3示出针对接收系统与励磁线圈的不同关系确定角方面的误差的图形表示。
具体实施方式
[0041]
根据本发明的优选实施例构造的感应式的位置传感器1包括印刷电路板9，在该印刷电路板上布置有定子元件2。
[0042]
此外，感应式的位置传感器1包括转子元件5。转子元件5相对于印刷电路板9可旋转地布置。可以看到在转子元件5的外半径上的区段。这些可以被假定为翼片7。转子元件5的内半径上的区段可假设为空隙8。在此，翼片7和空隙8分别定义了位置传感器1的单值性范围e。单值性范围e被理解为如下范围，在该范围中可以借助位置传感器1单值地确定角。根据以下公式可以计算位置传感器的单值性范围：
[0043]
e＝360
°
/转子元件5的翼片的数量。
[0044]
图2示出图1中的定子元件2的放大的截取部分。包括励磁线圈3以及接收系统4的定子元件布置在印刷电路板9的朝向转子元件5的一侧上。印刷电路板9在其实际造型方面与定子元件2的形状相适配。接收系统4包括两个第一导体回路4a、4b。第一导体回路4a、4b
构成周期性重复的回路结构，所述回路结构通过改变卷绕方向而撑开一个面。
[0045]
感应式的位置传感器1具有在此未单值示出的振荡电路，该振荡电路在感应式的位置传感器1的运行期间产生周期性的交流电压信号，第一励磁线圈3由该周期性的交流电压信号供电。转子元件5在其旋转时影响在励磁线圈3和接收系统4之间的感应式的耦合的强度。
[0046]
通过转子元件5根据其相对于定子元件2的角位置来影响励磁线圈3与接收系统4之间的感应式的耦合的强度，可以确定转子元件5与接收系统4之间的角。该角对于许多应用、尤其是在机动车中越来越重要。为了能够确定在传感器的单值性范围e内的角，励磁线圈3和接收系统4必须至少在传感器1的该角范围上延伸。通过励磁线圈3的端部区域，产生励磁线圈3对输入耦合到接收系统4中的信号的影响。这种影响是不期望的，因为由此会在确定角方面出现误差。图2示出优化设计励磁线圈3和接收系统4的关系并将误差最小化的可能性。为此可能的是，不仅励磁线圈3而且接收系统4都比单值性范围e大整数倍。对于接收系统4适用的是，倍数也可以是1，由此接收系统4与单值性范围e一样大。此外，前提是励磁线圈3必须总是大于接收系统4。在当前情况下，接收系统4所延伸经过的角范围对应于单值性范围e，并且励磁线圈3所延伸经过的角范围是单值性范围e的2倍。
[0047]
感应式的位置传感器1还具有评估电路6，用于由输入耦合到接收系统4中的信号确定转子元件5相对于定子元件2的角位置。所述评估电路6布置在所述励磁线圈3之内并且布置在所述接收系统4的导体回路4a、4b之外。这种布置提供的优点是，可以优化地利用在印刷电路板9上的未利用的空间。如果评估电路6处于励磁线圈3之外，则印刷电路板9的所需尺寸更大，这增加了印刷电路板的成本。
[0048]
图3示出在通过励磁线圈3对输入耦合到接收系统4中的信号的影响来确定角方面对于励磁线圈3的不同大小所预期的误差的图形表示。在此，相对于所述感应式的位置传感器的所确定的角绘出了所述传感器的按百分比计算的误差。在这种情况下，接收系统4与传感器的单值性范围e一样大。该图示示出预期误差的模拟。可以看出，对于整数值m，误差是最小的。该图形示出对于m＝2和m＝3的最小值。所述图形的延续是可能的，所述延续对于所有整数m示出最小值。从该图形得出，在确定角方面的误差(该误差由于励磁线圈3对输入耦合到接收系统4中的信号的影响而产生)可以通过励磁线圈3和接收系统4相对于传感器的单值性范围e的设计而被最小化。在该数学关系上非常特别有利的是如下事实，即，在传感器的已知的通过转子元件5的几何结构确定的单值性范围e的情况下，可以立即进行励磁线圈3和接收系统4的设计。这可以减少开发工作，并且保证优化的结果。
[0049]
附图标记列表
[0050]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感应式的位置传感器
[0051]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
定子元件
[0052]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
励磁线圈
[0053]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收系统
[0054]
4a、4b 第一导体回路
[0055]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子元件
[0056]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
评估单元
[0057]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
翼片
[0058]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空隙
[0059]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
印刷电路板
[0060]eꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器的单值性范围