线性旋转感应式位置传感器的制作方法

专利名称：线性旋转感应式位置传感器的制作方法
线性旋转感应式位置传感器相关申请交叉引用0001该申请已要求2005年6月27申请的序号为60/694， 384的美 国临时申请的优先权，该申请的全部内容并入此文中供参考。技术领域0002本发明涉及感应式位置传感器，具体涉及线性传感器，并且也 包括旋转式位置传感器。
背景技术：
0003在同时待决的专利申请11/399， 150， 11/102， 046及11/400， 154 中说明了感应式旋转传感器，所有这些申请的内容并入此文中供参考。0004然而，旋转式传感器内在地限制可以在某些应用中测量的行进 距离，例如，汽车的电子节流阀控制。线性传感器的使用，或者对运动 敏感、包括线性元件的传感器在更长的行进范围内可以提供更加灵敏的WU里o0005由于噪声和制造变化，例如部件拆分的变化，来自感应式传感 器的接收线圈的信号易于变化。改进的传感器给出针对这种共模因素校 正后的位置信号，这在许多其他可能的应用中将具有很大的商业利益， 特别是对于电子节流阀控制应用。发明内容0006用于提供与可移动部件(可移动是指线性运动、旋转、或者运 动类型的任意组合)的位置相关的信号的装置包括励磁线圈及靠近励磁 线圈设置的接收线圈。当电源，如交流电源，使励磁线圈通电时励磁线 圈产生磁通。当励磁线圈通电时由于接收线圈和励磁线圈之间的电感耦 合，接收线圈产生接收信号。接收线圈有多个部分，电感耦合将在至少 两个部分中感生极性相反的电压。线圈组件包括励磁线圈、 一个或多于一个接收线圈及可选的参考线圈。线圈组件可以在基底上形成，例如作为在可用于支持信号处理的电子电路的印刷电路板上的金属磁轨(metal tmck)。0007电感耦合被部件的移动而改变，所以接收信号与部件的位置相 关联。例如，连接元件可以机械地连接到部件，以便当连接元件移动时， 连接元件改变励磁线圈和接收线圈之间的电感耦合，所以接收信号与连 接元件的位置相关联并因此与部件的位置相关联。连接元件可以包括金 属板，通常是U形的金属结构，或者改变电感耦合的其他结构。0008在本发明的一些实施例中，接收线圈通常是细长的，具有第一 端和第二端，接收线圈第一部分的主要区域接近第一端，与第一部分相 比，接收线圈的第二部分的主要区域更接近第二端。第一部分和第二部 分的绕组方向相反，励磁线圈和第一部分之间的电感耦合感生第一电压， 励磁线圈和第二部分之间的电感耦合感生第二电压，第一信号和第二信 号的相位相反，接收信号是包括第一电压和第二电压的结合。0009励磁线圈可以具有大致细长的周界，例如大致为矩形的周界， 并且对于线性传感器励磁线圈通常是平面的。接收线圈(多个)可能位 于与励磁线圈平面平行的平面内，也可能大致与励磁线圈共面，或者与 例如底板印刷电路板或其他基底的宽度有一定偏移。此文中所述的新型 旋转传感器的励磁线圈可能是大体为圆柱形的几何形状。0010在本发明的一些实例中，接收线圈包括至少两个部分。这些部 分根据所需位置敏感信号的特性可能是三角形的、菱形的或者其他形状。 连接元件的运动改变励磁线圈和这两部分或更多部分之间的电感耦合的 相对程度。线性位置传感器提供和部件沿线性轨迹的位置相关的信号。 可以将旋转传感器配置成使线圈组件(励磁线圈，接收线圈和可选的参 考线圈)设置于大致柱面上，并且该装置可以是轴延伸通过大致柱面的 旋转传感器。参考信号可用来针对共模因素校正接收信号，其可以通过 单独的参考线圈来获取。在其他的实例中，使用多个接收线圈，并且参 考信号是通过合并从各参考线圈获取的信号而获得的。0011参考线圈可以被配置成提供与励磁线圈通电时部件的位置基本 无关的信号，并且可用于比例度量的信号处理(例如模拟分度)来针对共模因素校正与位置有关的信号。参考信号也可以用于估计线圈组件和 连接元件之间的间隙或者偏移，例如测定所绕匝数。如果使用参考线圈， 其第一部分可位于励磁线圈内， 一个或者更多其他的部分位于励磁线圈 外。0012可以提供电子电路以用于产生与要测量的位置基本成线性关系 的位置信号，或者是电压相对线性位置的关系，电压相对角度位置的关 系，沿弧形路径的位置，或者是线性运动和旋转的组合的其他位置。部 件位置可以是脚踏板的位置，机械地连接到连接元件的位置的脚踏板的 运动，例如用于电子节流阀应用。这个装置可以包括用于对引擎提供速 度控制的电子电路。0013因此，根据本发明的实施例用于确定部件的部件位置的装置包 括励磁线圈，当电源将励磁线圈通电时励磁线圈产生磁通；靠近励磁 线圈设置的多个接收线圈，当励磁线圈通电时由于接收线圈和励磁线圈 之间的电感耦合，接收线圈产生多个接收信号；可移动的连接元件，其 位置与部件位置相关联，连接元件改变励磁线圈与接收线圈之间的电感 耦合以便每个接收信号都与部件位置相关联； 一电子电路，其提供由至 少一个接收信号以及参考信号得出的比例度量信号。该电子电路可以使 用至少两个接收线圈来产生参考信号，以便参考信号基本与连接元件的 位置无关。可替代的，可以使用单独的参考线圈。0014但是所获得的参考信号也可用于补偿与连接元件位置不相关联 的接收信号的变化，例如噪声、供电电压的变化和制造变化。参考信号 可以通过对至少两个接收信号的非相敏整流来获得，或者通过使用单独 的参考线圈获得。附图的详细说明0015

图1A-1C分别用平面图和截面图展示线性感应式传感器；0016图2A-2B展示距离调制器具有外部部分的线性感应式传感器；0017图3A-3B展示可以用于线性调制器的线圈的两种结构；0018图4展示倾斜补偿线性调制器；0019图5图解说明如何能将电子电路包含在距离调制器的外部部分中；0020图6展示在外部部分中有更多匝数的距离调制器；0021图7展示距离调制器在励磁线圈外面有两个部分的线性传感器；0022图8A-8C展示线性传感器的可替代结构；0023图9展示在外部部分接地的距离调制器；0024图IO展示在内部部分接地的距离调制器；0025图ll展示包括距离调制器的谐振电路；0026图12展示距离调制器的电压输出相对于间隙的传递函数；0027图13A-13B展示线性传感器结构到旋转传感器的圆柱体几何结 构的变换；0028图14A-14C说明从线性到部分旋转结构的变换及到完全旋转传 感器的变换；0029图15展示跨越较长距离的线性检测的结构；0030图16展示跨越较长距离的线性检测的可替代结构；0031图17展示来自4-LM传感线圈结构的信号，两条连续曲线来自 两个LM，两条断开曲线是相反的信号；0032图18， 19A及19B说明跨越较长距离的线性检测的更进一步的 结构；0033图20图解说明LM信号的非相敏整流以提供共模信号；0034图21-23图解说明不需要单独的DM线圈的线性检测的进一步结 构；0035图24展示对于不需要单独的DM线圈的比例度量旋转传感器到 圆柱体几何结构的几何变换；0036图25-26展示在铁磁环境中圆柱几何体旋转传感器的应用；0037图27展示使用圆柱几何体线圈组件的旋转传感器；0038图28说明对于圆柱几何结构的旋转检测，连接器到旋转套筒的 连接；0039图29说明获得共模信号的整流电路；和0040图30展示三个接收线圈的布置。
具体实施方式
0041此发明涉及用于提供和机械部件(例如可沿线性轨迹移动的部 件)的位置相关的电信号的感应式传感器。此发明的实施例包括与电子 节流阀控制一起使用的高分辨线性传感器。0042其位置要被感测的部件，例如脚踏板元件，被机械地连接到连 接元件。连接元件可以是连接到部件的导电元件，例如金属板。例如， 连接元件可以是导电板，大体U形的导体，在平面内缠绕的线圈，或者 其他的能够改变线圈之间电感耦合的元件。连接元件可以是阻挡励磁线 圈和接收线圈(多个)之间磁通耦合的整流板，通常由导电材料制成， 例如铜板。0043当部件移动时，连接元件相对于至少两个线圈移动。励磁线圈 (也可以称作发射线圈)连接到正弦交变电源(激励源，例如考毕兹 (Colpitts)振荡器)并且产生磁通。也存在接收线圈，其在线性传感 器中可以被称作线性调制器(LM)。在旋转式传感器中，接收线圈也可以 称作旋转调制器(RM)。接收线圈也可以称作传感线圈。在下面的例子中， 术语LM(线性调制器)有时也用于旋转传感器的接收线圈，例如具有大致 为圆柱体形式的线圈组件。0044接收线圈优选与励磁线圈在同一平面形成。响应要识别部件的 运动，连接元件在与两个线圈平行的平面内移动，并且与线圈的间隔小， 以便影响励磁线圈和接收线圈之间的电感耦合程度，并因此影响由励磁 线圈的交流电场在接收线圈中感生的电流。0045在发明的一些实施例中，接收线圈被缠绕成串联连接的一对线 圈段。 一个线圈段的主要区域位于连接元件运动的一端并且在连接元件 运动的另一端的区域削减到最小区域。第二线圈段在运动端具有最小区 域，在该运动端第一线圈具有主要区域，反之亦然。线圈段被缠绕成使 得每段线圈中感生的电压极性相反。例如，接收线圈的各段可以相反方 向缠绕或者采用相反的旋向(handedness)。信号产生自两个接收线圈段 的串联组合。当连接元件位于其行进一端附近时， 一段的电感耦合更强， 当连接元件朝其行进另一端移动时，第一段的电感耦合削弱同时第二段 的电感耦合增强。因此，接收信号与连接元件的位置相关。使用相敏整流，可以获得与位置成基本线性关系的位置信号。0046连接元件的平面和励磁及接收线圈缠绕的平面之间的间隙的任何变化都将导致接受信号的变化。接收信号结果的其他变化可能由于励 磁供电电压的变化、温度的变化、外部的电磁信号(电噪声)，以及类似的变化，通常称作共模信号。第三段，称作距离调制器(DM)，是在该设 备上形成的。这个线圈也可以称作参考线圈。距离调制器可以是以一种 输出信号基本不受连接元件位置影响的方式缠绕而成的线圈，但是它的 输出信号将受到间隙变化以及其他共模信号的影响。0047距离调制器(DM)的功能也可以通过接收线圈的组合，或者接 收线圈的各部分的组合来提供。0048电子电路可用来获得与部件位置成比例的位置信号。例如，对 从接收线圈和距离调制器获得的信号进行相敏整流，然后进行模拟分度， 可以消除共模效应。可替代地，通过从接收线圈的输出中减去距离调制 器线圈的输出，通过移除共模信号使接收线圈的信号标准化。0049在本发明的一个实施例中，励磁线圈和接收线圈是在印刷电路 板上形成的，并且连接元件移动到靠近该电路板。距离调制器可以被制 成以便利用由励磁线圈产生的铁磁通分布的特性。通过形成励磁线圈使 得励磁线圈的相对侧沿电路板的相对纵向元件延伸，其在连接元件的运 动方向上是伸长的，这些线圈段生成的场将延伸超过励磁区域。0050距离调制器基本上可以形成为两个(或多于两个)串联部分， 一个设置于励磁线圈所形成的区域内，并且至少一个设置在该区域外部。 这种结构允许从距离调节线圈获得更大增益，因此获得连接元件的直线 行进的更大长度。由于通过励磁线圈内部区域的磁通密度将大于该区域 外部的磁通密度，所以距离调制器超出励磁线圈边界之外的部分可能需 要比位于励磁线圈内的部分更多的匝数，以使这两部分产生相等的幅度。0051本发明的可替代实施例中，距离调制器具有三个部分， 一内部 部分围绕在励磁线圈的边界内，两个外部部分在励磁线圈边界之外。这 种设计易于抵消励磁线圈与距离调制器位于励磁线圈之外的部分之间的 电容耦合。0052用于从许多线圈信号提供位置信号的电子电路可被设置到位于距离调制器线圈外部部分的边界内、励磁线圈范围之外的电路板上。0053因此，用于确定部件位置的感应式线性位置传感器(该部件带 有连接到其上的连接元件)包括励磁线圈；用于给励磁线圈通电的交 流激励源；接收线圈，其被构造成使得通过励磁线圈磁场在接收线圈中 感生的信号是连接元件位置的函数；以及(可选择的)距离调制器线圈， 其被构造成使得信号基本与连接元件的位置无关但与连接元件和线圈之 间的间隙有关。励磁线圈(多个)，接收线圈(多个)，可选的距离调制 器线圈(多个)可以整体地称作线圈组件，并且也可以在印刷电路板上 形成。0054电子电路接收来自线圈组件的各种信号并且提供与连接元件位 置相关的位置信号。接收线圈可以在励磁线圈界线内形成。距离调制器 可以部分在励磁线圈界线内形成，部分在励磁线圈界线外部形成，并且 距离调制器被构造成使得励磁线圈在距离调制器中感生的磁通量基本与 连接元件的位置无关，由此，距离调制器的输出可用来校正接收输出以 消除各种共模信号和间隙变化的影响。0055图1A展示根据本发明一个实施例的、配置用于线性感应式传感 的线圈组件。线圈组件包括励磁线圈10，激励源12，距离调制器(DM线 圈)14，接收线圈，在这个实例中是线性调制器(LM)线圈]6和连接元 件18。励磁线圈10由激励源通电，励磁线圈与距离调制器14和线性调 制器16两者之间存在电感耦合，电感耦合在这两个线圈中产生信号。来 自距离调制器的信号与DM和连接元件之间的间隙有关，与连接元件的位 置基本无关。0056图1B单独展示了LM。线性调制器包括两部分，在图中标示为A 和B，它们是一对近似三角形的绕组方向相反的绕组。LM产生与连接元 件的位置相关的输出信号。因此，在每部分感生的电压将相反，因为在 这个实例中LM在励磁线圈之内。LM或在任何其他实例中的任何接收线圈 不必完全位于励磁线圈内，但是可以近似地(或者基本上)位于线圈内。 当连接元件从它的指定位置18移动到更靠近左侧的位置时，来自LM的 信号由于线性调制器的A和B两部分成比例变化的作用而变化，这归因 于电感耦合被连接元件不同程度的阻挡。0057线性调制器具有不同的结构，这样说的原因是由于在没有连接 元件时，这两个大致为三角形的部分所起的作用通常将抵消。因此，励 磁线圈和线性调制器之间的电感耦合随连接元件18的位置的变化而改 变。因为这两部分线圈的绕组方向相反，并且这两部分都位于励磁线圈 内部，所以在每部分感生的电压是相反的。这可以通过将一部分称作前 向、另一部分称作后向来说明。 一部分(前向)将产生与励磁同相的信 号，另一部分(后向)产生异相信号。因此，对LM所有输出信号的相敏 整流可以确定连接器的位置。0058由于处于图中所示位置的连接元件，励磁线圈与LM的A部分之 间的电感耦合被阻挡的程度大于励磁线圈与LM的B部分之间的电感耦合 被阻挡的程度。当连接元件向左移动时，励磁线圈与标示为A和B两部 分之间的相对电感耦合按比例改变。如果连接元件位于最左侧的位置同 时仍然在励磁线圈的范围内，B部分的电感耦合将很大程度上被削减。在 后者的情况中，LM的输出电压将由在A部分产生的信号支配。0059在这些图中的实线代表导电元件，例如电线、排线、或者其他 细长的电子导体。在优选的实例中，这些线代表印刷电路板上的轨迹， 印刷电路板可能是双面的、多层的或者适合于应用的其他构造。同一个 电路板也可以支持接收来自线圈的信号的电子电路，并且也可能包括激 励源振荡器。两条线的交叉通常不代表有电互相连接。线圈可以在基底 上形成，例如印刷电路板(PCB)，但是在大多数实例中基底都未示出。0060图1C展示了图1A的断面A-A'的剖面图。该图展示了支撑励磁 线圈10、 DM 14及LM 16的印刷电路板19。在剖面图中连接元件18显示 为大致U形，但是其他形式的连接元件，例如板形，也可以使用。图1B 图解说明了两个励磁线圈(IO和IO，)及DM线圈(14和14，)的使用； 这种布置通过提供冗余也提高了线性传感器的可靠性，但根据应用可能 不需要。两个标号都为10的励磁线圈展示在电路板19的相反表面上。0061连接元件可能由折叠铜板制成，或者可以替代地包括任何导电 材料。连接元件的U形结构有助于补偿间隙变化，特别是倾斜(如图所 示)所以在这个实例中距离调制器是一个简单的环路，并且没有差动结 构。在这种结构中连接元件补偿间隙和倾斜。线圈组件至少部分位于大致为U形的连接元件内。0062图2A展示了另一种线圈结构，例如其可以与大致为板形结构的 连接元件一起使用。线圈结构包括励磁线圈20，激励源22， DM24和LM 26。连接元件显示在28。在这个实例中，DM具有基本位于励磁线圈内的 一个内部部分24A，位于励磁线圈外部的一个外部部分24B。内部部分和 外部部分具有前向部分和后向部分。在此文中，术语前向和后向指的是 由和励磁器的电感耦合在每部分感生的电压方向，并且由于励磁线圈外 的磁通方向与在励磁线圈内的磁通方向相反，所以前向和后向是相反的。 励磁线圈在励磁线圈内产生的磁通密度明显更强，使得DM的外部部分需 要更多的匝数。0063DM可能对间隙距离不够敏感，解决这个问题的一种方法是提供 不平衡的差动结构，这种结构的外部部分大于内部部分，并且/或者外部 部分的匝数更多。但是，也可以使用下面所述的其他方法。0064作为差动结构的一部分，内部部分和外部部分的信号通常抵消， 并且提供与在轴向方向上DM和励磁线圈之间的间隙相关联的信号。但是， 来自DM的信号通常基本与连接元件的位置无关。0065为了清楚，图2B单独展示了 DM 24。差动结构的两部分的绕组 方向是相同的，这是因为来自励磁线圏的磁通方向从励磁线圈内部到励 磁线圈外部是反向的。0066图3A-3B展示了两种可能的LM线圈结构，第一线圈30具有A 和B两部分，第二线圈32具有标示为C和D的两部分。两个线圈的串联 连接将提供两倍于单一线圈输出电压幅值的幅值，其他因子是相同的。0067图4展示了在图3A-3B中所示的两个线圈30和32串联连接形 成的LM线圈34。这种结构消除了连接元件相对LM平面倾斜的影响。本 发明的实例可能包括这样的倾斜补偿LM，特别是当连接元件大致是类似 板形的元件，不是如图1B所示的通常的U形结构。但是为了说明简单， 更加简化的线圈结构，如图3所示的线圈30，可能展示在更多的实例中。0068图5展示了在相似于图2所示的线圈组件中的励磁线圈50，激 励源52， DM 54。为清楚起见，连接元件和LM没有示出。这张图说明了 如ASIC 56的电子电路可以位于DM线圈54的外部部分内。电子电路对磁通的影响很小，因此对励磁线圈和DM之间的电感耦合影响很小。0069所用的电子电路可以类似于同时待决的申请中描述的那样。0070图6展示了在外部部分具有更多匝数的DM。线圈组件包括励磁 线圈60以及DM64，励磁线圈60由激励源62供电。为清楚起见，连接 元件和LM在图中没有示出，但是可以如上图2A所示相对于励磁线圈被 构造。DM64内部部分64A具有单一的一匝，外部部分64B具有三匝。术 语内部和外部分别指励磁线圈60周界的内部和外部。0071例如内部部分具有前向方向，外部部分具有后向方向。术语前向和后向的使用只表示在这些部分中感生的电压方向相反。0072图7展示了励磁线圈70，激励源72和DM线圈74。 DM结构具有 一个内部部分(74A)和两个外部部分(74B和74C)，如图所示在内部部 分的上面和下面。DM是差动结构，例如，外部部分具有后向部分方向， 内部部分具有前向部分方向。再次说明，在本文中，术语前向和后向用 来表示感生的电压的相对方向。为清楚起见，LM线圈和连接元件没有示 出。0073如果DM有同方向的几部分位于励磁线圈内，并且一个或者多于一个相反方向的部分位于励磁线圈外，则励磁线圈的电容耦合可以得到 控制。与图7相似的DM设计使得电容耦合的影响受到控制，因此励磁线 圈和DM之间的电容耦合与励磁线圈和LM之间的电容耦合相似。更具体 地，励磁线圈和画前向/后向部分之间的电容耦合抵消了。再参考图6， 励磁线圈和DM的内部及外部部分之间的电容耦合也可以受到控制，例如 通过在邻近线圈段的各匝之间的间隙。这将进一步结合图9展开讨论。0074图8A-8C展示了包括励磁线圈80，激励源82， DM 84及LM 86 的另一种结构。连接元件的一个可能的位置如88所示，连接元件从这个 位置(如图所示)向左或者向右移动。这种设计与图6的结构相比增益 较小并且位置测量范围很有限。但是，DM能够完全位于励磁线圈之内。0075为了清楚起见，图8B单独展示了 DM 84。在这种差动结构中， 包括由绕线84A所界定的一个内部部分，其绕组方向与由绕线84B所界 定的外部部分的绕组方向相反。在这个例子中，两部分均位于励磁线圈 内，因此在差动结构中要求有相反的绕线方向。0076为了清楚起见，图8C单独展示了LM86。 LM有左侧部分和右侧 部分(使用术语左侧和右侧以方便参照此图进行说明)。在其他的例子中， LM可能是其他的结构，例如整体的蝶形领结形状，或者其他的结构，在 这些结构中当连接器以允许其位置被测定的方式移动时这些部分之间的 电感耦合被改变。0077图9展示了外部部分接地的DM结构。电容耦合也受到函接地 的位置的影响。该图展示了励磁线圈90，激励源92及画94。 LM96为了清楚用虚线表示。DM具有内部部分(也就是在励磁线圈内)和相反旋 向的(方向)在励磁线圈外的外部部分。在此例中，使外部部分接地。 这样有助于为电容耦合感生的电流提供更高的阻抗，因为靠近励磁线圈 产生的电流在到达接地前要通过较长的长度。0078DM的内部部分是前向部分，外部部分是后向的。LM的两个部分 是前向和后向，如图中左上和右下所示。在这个例子中，为了平衡DM和 LM的电容耦合，DM前向部分的绕线位于LM后向部分绕线之内。0079虚线椭圆展示了存在励磁器与LM的后向部分(位于励磁线圈内) 和DM的后向部分(位于励磁线圈外)的电容耦合的区域。在这个区域中， DM的前向部分位于LM内，因此和励磁器的电容耦合是不太重要的。因此， LM和DM h的电容耦合的影响可以得到控制，并且可以被平衡，以便电容 耦合成为另一个共模类型因素，其对位置检测的影响可以通过按比例度 量检测很大程度得到消除。0080图10展示了与图9非常相似的一种结构，但是接地被连接到内 部部分。该图展示了励磁线圈100，激励源102及DM 104， DM具有相反 方向的内部部分和外部部分，接地被连接到内部部分。LM没有示出，但 是可以类似于图9被构造，例如部分绕线的一部分106位于DM内部部分 与励磁线圈之间。0081与图9的结构相比，图IO的结构显示出低阻抗，这是因为电容 耦合感生的电流行进到地的距离较短。0082对于大范围的距离检测，连接元件的相对尺寸与接收线圈的面 积相比是小的，例如，与旋转传感器相比，其连接元件可能大约是接收 线圈(在这个例子中是旋转调制器)尺寸的一半。由于连接元件的小尺寸，DM电感耦合的变化可能不够大而不能补偿间隙的变化。0083但是，DM信号的间隙敏感性可以通过形成包括DM线圈作为电感 器的谐振电路来提高。例如，电容器可以串联(或者并联)方式提供来 形成谐振电路。更进一步，电阻器可以串联方式提供来调节质量因数(Q)。0084图ll展示了一种可能的构造，包括励磁线圈110，激励源112， DM 114，电阻器116及电容器118和电容器119。这对电容器提供用于调 节例如，按比例度量电路的输入的分压器。这个电路允许使用更小的连 接元件。0085因此， 一种用于提供共模或者参考信号的改进的参考线圈结构 包括与接收线圈大致共面的参考线圈，及用于形成谐振电路的至少一个 电容器，以及可选择的用于改变谐振电路的Q因数的电阻器。0086图12展示了 DM内所感生的电压相对间隙的有代表性的曲线120。 DM的电感随距连接元件的间隙(物理间隔)的变化而变化。在这个例子 中，谐振频率被调整以便零间隙与刚好在电压相对间隙的传递函数的下 斜坡上的一点相对应，也就是谐振峰值的稍微偏右侧的一点。就是被标 记为"零间隙"的这条线。可以通过调节电阻器改变下斜坡的坡度。因 此，DM电压输出对间隙的依存性通过所使用间隙的实际值处的传递函数 斜坡(这一点标记为"对间隙的DM传递函数")来提高。0087到目前为止举出的例子大部分是线性传感器；但是，本发明的 实施例也包括部分或者完整的旋转位置传感器。0088图13A展示了大致为平面的线圈组件的变换，例如，图1A的形 式变换到圆柱形式。在这个例子中，平面形式如矩形130所示，圆柱形 式将被投影到曲面132上。间隔134具有最小的影响。0089线性传感器的几何形状可以被转换成旋转传感器的几何形状， 由于大致为圆柱形状的传感器绕组(线圈组件)之间的间隙对称，并且 有同心的连接元件，例如，见图27和28，所以旋转传感器允许有间隙变 化。0090传感器在这种几何形状转化后以相似的方式进行工作。优选的， 连接器现在有对称放置的两个连接元件(或者称整流板)，如图138和140 所示。这种类型的传感器可以如下面进一步讨论的那样用作部分或者完整的旋转传感器。0091图13B展示了从支撑在物体136上的连接元件134到具有大致 圆柱几何结构的连接元件138的相关变换。0092图14A-14C展示了旋转型传感器的变换，旋转在图的平面内进 行。例如，矩形142可以与图1A所示的线圈组件的大致形状相对应，并 且可以转换成大致的弧形，但是是平面形式144。这种类型的转换可用于 获得适合于部分旋转传感器的拓扑，也就是对包括线性分量和旋转分量 的运动敏感的传感器。0093图14B和14C展示了到适合于旋转传感器(包括完全是旋转运 动而没有线性分量的传感器)的拓扑的相应变换。例如，矩形146可能 与图1A所示的线圈组件的大致形状相似，例如，转换成圆形148。类似 的，矩形连接元件115转换成一个或者多于一个大致弧形的片段152，其 被旋转物体154支撑。在这个例子中，物体154的旋转通过弯曲的线圈 组件148检测。0094用于较长线性运动的线性传感器可以通过使用带有多于两部分 的线性调节线圈(LM)来获得。两个LM的使用很容易获取连续的位置信 号输出。0095图15展示了包含励磁线圈160，激励源162和LM的线圈组件， LM包括多个部分164， 166， 168及170。在这个例子中，相邻的部分具 有相反的旋向，例如，交替的逆时针/顺时针部分。在这个例子中，LM可 以称作四极线圈，具有四个极或者四个部分。0096连接元件可以是平板，或者大致的U形结构件，例如，如图1B 所示。 一种可能的连接位置如174的虚线所示。如图所示，连接元件通 常按从左到右的方向移动，改变励磁线圈与这四部分之间的电感耦合。0097图16展示了一种可替代的包括励磁线圈180，激励源182，两 个四极LM线圈的结构，在这种结构中，相应的部分被每部分的近一半区 域重叠。为了更加清楚的表示第二LM 184相对第一LM 182的位置，用 虚线表示第二LM 184。 DM和连接器没有示出。0098图17展示了从图16所示的结构的两个LM获得的四个信号，对 应于来自每个LM的信号和反相信号。因此，线性信号可以通过分别拼凑分别从正常的和反相的信号中获得的专用线性片断来获取。用于拼凑这 种线性片断的电子电路在同时待决的申请中有进一步说明。0099曲线LM#1是从第一 LM， 182获得的，曲线LMft2是从第二 LM 184 获得的。LM#1'与LM#2'是反相形式。每个信号都是周期性的，大致为 线性的部分显示为关于虚地(VG)电平的更粗的倾斜线。具有LM线圈提供的DM信号的感应式传感器0100使用电子电路，距离信号可以通过LM线圈产生，使得不需要单 独的DM线圈。DM信号可以通过一个或者多于一个专用的固线圈，或者 LM线圈的结合来获得。在后一种情况中，线圈组件可以包括励磁线圈和 许多个同类型的线圈，来自其中的信号可以用于获得DM信号和一个或者 多于一个LM信号两者。位置信号通过电子电路产生，位置信号是从簡 信号和一个LM信号(可能从一组LM信号中挑选的)获得的按比例度量 信号。来自每个LM的信号经过相敏整流以给出用于线性位置确定的信号， 非相敏整流信号的组合用于给出与间隙相关，但是与连接元件的位置无 关的信号。0101图18展示了包括励磁线圈190，激励源192，四极LM194的线 圈组件。I'M的重复结构表示唯一的信号仅在有限的范围内才能获得，如 标记为"一个模量"的双箭头所示。0102对于一定数目的极(部分)，LM可以在一定距离内测量位置、模 量，在该范围以外信号或者变成非线性的，或者在连接元件越过附加部 分的情况下重复它本身。跨越距离的测量可以通过使用线圈(多个)的 重复结构记录行进距离的模量的数目来测量，或者使用其他的信息来测 量，通过这些信息可以确定行进距离的模量的数目。0103图19A展示了具有四个LM的结构，每个LM是四极线圈。这四 个LM是194 (与图18所示相同)，196， 198和200。励磁线圈与图18中 的190相同。01044个LM的结合使得不需要专用DM线圈也可以确定共模信号(间 隙或者距离信号)。0105图19B展示了另一种类型的线圈绕组，为了简化连接，返回线在线圈组件的一侧被截平。简化连接的这种方法在本领域中是公知的。这种结构允许有和信号的不同相位所需的LM线圈一样多的LM线圈，用 于信号处理。LM的所有返回线都连接在线圈组(coil set)的一端(左 端)。0106图18和19A展示了差动线圈，从其中挑选信号以获得线性位置 响应是简单的，但是在图19A的结构中有很多返回线，这在图19B中被 简化。模拟的按比例度量信号处理可以用来获得为共模因素补偿的位置信号。0107线性位置信号可以从每个LM提供的信号中获得。间隙信号，在 其他的例子中由单独的DM线圈提供，在这个例子中由两个或者多于两个 的单个LM线圈信号的非相敏整流提供，随后合并经整流的信号。0108在这个例子中，如图18所示的四个LM线圈被设置在相对于彼 此的模量距离的l/8处。相敏整流用于从LM线圈中生成四个信号，四个 线圈标示为LM1， LM2， LM3和LM4。这四个信号用于找到位置。同时，来 自每个LM的信号经过无相敏的整流，如在均方(RMS)估计中，标示为 Vcl， Vc2， Vc3和Vc4。 DM信息是通过合并Vcl， Vc2， Vc3和Vc4来针 对共模因素例如间隙或者偏移校正而得到的。与DM相当的信号也可以称 作共模信号或者参考信号，并且是与参考信号相当的信号，这在同时待 决的申请中有说明，并且可以类似的用于按比例度量检测。0109因此匿线圈的功能由LM线圈的结合给出，也用于多模量线性 定位。不需要单独的"专用"DM线圈。取而代之，用于非相敏整流的电 路产生共模信号。已获得的共模信号可以用于按比例度量检测。因此没 有实体DM线圈，线圈体被简化，可以用于共模校正的真实的共模信号被 获得。0110图20是展示LM1信号(线210)的相敏整流的图，LM1信号作 为连接器位置(x轴)的函数基本上是线性的。y轴是电压，VG是虚地。 由LM1信号和LM2信号的相位非敏感整流所获得的信号以虚线216和218 示出。合并(在这个例子中是相加)这两个信号得出共模信号214，信号 214基本上与连接器的位置无关。信号210除以共模信号214得到按比例 度量信号212，信号212是由传感器提供的位置信号。相除可以是模拟或者数字相除，如同时待决的申请中所述的。除法运算不一定是模拟除法, 也可以通过微型计算机用数字方式实现。0111在同时待决的申请中所述的电子电路可以用于本发明的实施例， 例如经修改加入非相敏整流器(可选择的如电压加法器的信号合并器) 以给出共模信号，共模信号也可以称作参考信号，随后像在同时待决的申请中所述的参考信号那样处理。例如，由同一发明人申请于2006年6 月26日、同时待决的美国临时专利申请"Steering Angle Sensor"被 并入本文中作为参考。此申请，部分上，描述了带有间隙检测以识别多 个匝数(超过一个模量，在此模量是指独特接收线圈信号能被获得的范 围)的磁盘传感器。本发明的实施例包括带有偏移检测的圆柱形传感器 以检测多个匝数(超过一个模量)，如以下对照图27所述。偏移基本上 与线圈组件的圆柱形式的中心长轴、旋转轴平行。0112图21展示了另一种结构，包括励磁线圈220、激励源222、第 一LM 224、第二LM 226、第三LM 228和第四LM 230。该图在232处展示了整个线圈组件，连接元件没有表示出。为了清楚起见，图中分别展 示了LM线圈，连同LM每个部分的旋向(前向或者后向)。第一LM， 224， 有两个部分，其他LM的部分相对于此被位移。其他的LM每个都有三部 分，但是每个I,M的最初和最末的部分在线圈组件的一端被截平以便总长 度与第一LM的长度相同。0113这些LM绕组提供LM信号对位置的依从关系的正弦曲线。对于 励磁线圈内部面积的集约使用，只要维持前向和后向绕组面积的平衡， 就可以修改LM线圈。平衡意味着前向和后向面积的比例使得在没有连接 器时线圈所感生的电压是零。该图展示了用于正弦波的2极传感器绕组 的例子。为了减少LM返回线的交叉(LM的返回线穿过励磁器)修改了接 地方案。0114图22展示了与图21相似的构造，LM的各部分的形状有细微不 同。它包括励磁线圈240，激励源242， LM 244 (上面的图只示出了第一 LM，下面的图示出了全部LM)，其他的LM246， 248和250。 2极LM的构 造给出取决于输出电压相对位置的依从关系的三角波。0115图23展示了与图21相似的另一种结构。该图在262处展示了整个线圈结构，包括励磁线圈250 (带有激励源252)， LM254， 256， 258 及260。为了产生用于按比例度量信号的DM信号，来自(254， 256， 258， 260)的所有LM信号以相位非敏感的方式进行整流并且合并得到图20中 的信号214。 LM的任何一个信号都可以以相敏的方式进行整流来得到如 图20中210的线性信号。0116然后这两个信号的比例(210除以214)可以作为传感器信号被 获得，这个信号不受任何共模信号的影响，如噪声，间隙，偏移(举例 来说，沿相对间隙的正交方向)，或者电磁干扰。这些方法可以用于不受 DM影响的按比例度量检测的任何实例。0117图24展示了从线性传感器到旋转式传感器的圆柱形几何结构的 几何结构变换。线圈组件280与图21 (线圈组件232)所示相似。如果 基底是弹性的，例如弹性聚合物，传感器可以形成于圆柱体形式284中。 电子电路282在这两种结构中可以相同。连接元件没有示出，但是可以 是在线圈组件之内或者之外绕中心轴(X)旋转的弯曲的板。可以使用两 个连接元件，如图13B所示。0118图21-24的结构无需专用DM线圈也可以使用，因为共模信号可 以通过LM信号的非相敏整流来获得。使用LM图形的相敏整流来获得位置数据-0119图24的圆柱几何结构对铁磁物质的影响不太敏感，铁磁物质位 于线圈组件之内或者之外。由于传感线圈的这种结构，铁磁物质的围绕 物或者磁芯对接收线圈的影响明显减小。如果DM线圈和LM是相同的几 何结构形状，那么线圈以相同的方式作出反应。因此，通过获得来自LM 线圈的参考信号，可以改善按比例度量检测。0120在两个边缘之间可能有边距286。如果通过例如重叠可以有效地 消除间隙，则也可以制成多匝传感器。0121图25展示了位于线圈组件284外的铁磁物质286。圆柱体几何 结构线圈组件，特别是不带专用DM线圈，在此种情况下工作良好。0122图26展示了延伸穿过包括两个连接元件290和292的连接器294 中心的铁磁核心296。但是连接器的数目(在向圆柱体变换中)根据前向 /后向绕组对的数目可以是任意的。例如，图21的传感器示出了一对前向/后向绕组对，只用一个连接器是适合的，但是在图18所示的传感器 例子中展示了两对前向/后向绕组对，两个连接器是适合的，等等。0123圆柱体变换的连接器的数目与线性变换相应部件的数目有很大区别，在线性变换中可以只使用一个连接器(当然对于两对前向/后向绕组使用两个连接器)。线圈组件如284 (见图25)可以与连接器同心，并 位于其连接器之外。再次说明，圆柱体几何结构线圈组件，特别是不带 专用DM线圈，在此种情况下工作良好。0124图27展示了组件的部分分解图，该组件包括旋转轴310，具有 螺纹外表面308。在印刷电路板上的传感器线圈组件302由螺纹套筒300 支撑，套筒300的内螺纹表面与螺纹表面308啮合。连接器306绕轴310 旋转。电子电路304提供位置信号。套筒312用于将连接器306联接到 旋转轴310。连接器306与线圈组件之间的偏移随轴310的转动发生变化。 共模信号可用于测量偏移，进而确定旋转数目，而且为了给出相对旋转 角度的线性输出选择一个LM。为了确定连接元件相对于传感器线圈组件 PCB的偏移，可以检测DM信号，或者检测来自LM线圈的共模信号，以便 可以测量出超过一个模量的角度。偏移是通过当旋转轴转动时螺纹套筒 的旋转产生的。DM信号还将是相对CR的按比例度量信号，并且当偏移最 小时处于其最大值。0125因此，连接元件相对传感器PCB的偏移随旋转而变化，可以确 定参考信号(根据接收线圈的非相敏整流或者使用专用参考线圈，在此 没有示出)，使得超过一个模量的角度可能被测量出来。当旋转轴转动时 由螺纹表面的旋转产生偏移。参考信号可能相对于励磁信号是按比例度 量的，并且当偏移最小时处于最大值。0126图28展示了位于带有外螺纹表面的套筒324的内表面上的连接 器320，连接器320在螺纹套筒(细节未示出)上形成的传感器线圈组件 322内旋转。这种布置可以用于图27的结构。0127图29展示了间隙信号或者共模信号的整流。该电路展示了励磁 信号(CR) 340的输入及接收线圈信号(所示为RM，或者LM) 342。信号 进入模拟乘法器(344)，然后被滤波和整流。输出可以用作共模信号。 类似的电路可以使用来自两个或者多于两个接收线圈的信号。0128相位非敏感整流可以用于消除普通整流的二极管压降。高频整流可以使用吉伯-单元(Gilbert-cell)来实现，低频整流可以使用图29 的电路。超级二极管(Super-diode)可以用来整流移动缓慢的信号。0129图30展示了三个接收线圈(RM，旋转调制器)，例如线圈350， 布置成彼此相差120度相位，基本上是平面结构。线圈的直流整流如所 示那样使用一组二极管进行，最好没有二极管压降，并且能产生如曲线 所示的AM (参考)电压。比例定义为RM相敏整流的信号除以AM电压， 因此比例曲线的线性函数有一些如图所示的线性部分。因此，很容易获 得用于多个匝数检测的锯齿曲线。通过调整RT的极性很容易将120度的 相角差映射到一个模量，因为物理角度的一个模量对应着360度电相位。 因此为了得到线性按比例度量曲线不需要线性化AM和RM这两条曲线。 并且反相电路不需要得到按比例度量信号的线性曲线。0130在此说明书中提及的专利、专利申请或者公开作为参考同等程 度地并入到本文中，正如各个文件被具体并分别地说明被并入本文作为 参考。具体是，2005年6月27日申请的美国临时申请美国序列号为 60/694， 384被并入本文以供参考。2006年6月26日申请的美国临时申 请美国序列号60/—，—标题是"Steering Angle Sensor"以及美国专 利申请序号11/399， 150; 1 ] ,/102， 046及11/400， 154均出自同一发明 人，它们都被并入本文以供参考。0131这项发明不仅限于以上所述的说明性实例。这些实例不旨在作 为发明范围的限制。方法装置组成及在此所述的类似物是示例性的，并 且不旨在作为限制本发明的范围。本领域技术人员可作出变化并用作其 它用处。发明的范围由权利要求的范围定义。0132我已阐述了发明，我要求保护
权利要求
1.一种用于提供和部件位置相关的信号的装置，该装置包括一个励磁线圈，当电源使该励磁线圈通电时，所述励磁线圈产生磁通；一个接收线圈，其靠近所述励磁线圈设置，当所述励磁线圈被通电时，由于所述接收线圈与所述励磁线圈之间的电感耦合，所述接收线圈产生接收信号，所述接收线圈具有多个部分，所述电感耦合将在至少两个部分感生极性相反的电压，通过部件的运动所述电感耦合被改变使得所述接收信号与所述部件的位置相关。
2. 如权利要求1所述的装置，进一步包括机械地连接到所述部件的 连接元件，所述连接元件改变所述励磁线圈与所述接收线圈之间的所述电感耦 合以便所述接收信号与所述部件位置相关。
3. 如权利要求l所述的装置，其中所述连接元件包括金属板。
4. 如权利要求3所述的装置，其中所述连接元件包括导电材料组成 的大致U形结构、线圈组件，该线圈组件包括至少部分位于所述U形结 构内部的所述励磁线圈和所述接收线圈。
5. 如权利要求l所述的装置，其中所述接收线圈是大致细长的，具 有第一端和第二端，所述接收线圈的第一部分的主要区域接近第一端， 与所述第一部分相比，所述接收线圈的第二部分的主要区域更加靠 近所述第二端。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述装置是线性位置传感器，所述装置提供与沿线性轨迹的所述部件位置相关的信号， 所述接收线圈沿线性轨迹大致是细长的。
7. 如权利要求l所述的装置，其中所述接收线圈具有大致为矩形的周边。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述接收线圈包括两个大致为三 角形的部分。
9. 如权利要求1所述的装置，其中所述装置是旋转传感器，所述接 收线圈和所述励磁线圈被设置在大致为圆柱形的基底上。
10. 如权利要求所述9的装置，进一步包括沿与大致为圆柱形的基 底同心的大致圆形轨迹运动的连接元件。
11. 如权利要求所述9的装置，所述装置是轴延伸通过所述大致柱 面的旋转传感器。
12. 如权利要求所述1的装置，进一步包括参考线圈，当所述励磁 线圈通电时所述参考线圈提供基本与所述部件的位置无关的信号。
13. 如权利要求12所述的装置，所述装置是线性位置传感器，所述 参考线圈具有位于所述励磁线圈内的第一部分和位于所述励磁线圈外的 第二部分。
14. 如权利要求1所述的装置，进一步包括可操作产生与所述位置 基本成线性关系的位置信号的电子电路。
15. 如权利要求l所述的装置，其中所述部件位置是脚踏板的位置。
16. 如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括多个接收线圈， 每个接收线圈包括两个或者多于两个部分。
17. 如权利要求17所述的装置，其中所述装置是线性位置传感器， 所述励磁线圈近似为矩形。
18. —种用于确定部件的部件位置的装置，其包括一个励磁线圈，当电源使该励磁线圈通电时，所述励磁线圈产生磁通；多个接收线圈，它们被设置为靠近所述励磁线圈，当所述励磁线圈 通电时由于所述接收线圈和所述励磁线圈之间的电感耦合，所述接收线 圈产生多个接收信号；连接元件，该连接元件是可移动的并且连接元件的位置与所述部件 位置相关，所述连接元件改变所述励磁线圈与所述接收线圈之间的所述 电感耦合以便每个接收信号与所述部件位置相关；一电子电路，该电子电路产生来自一个或者更多个接收信号的参考 信号，所述参考信号与所述连接元件的位置基本无关；所述部件位置是从由所述接收信号中的至少一个和所述参考信号获 得的按比例度量信号确定的。
19. 如权利要求18所述的装置，其中所述参考信号用于补偿所述接 收信号中与连接位置不相关的变化。
20. 如权利要求18所述的装置，其中所述参考信号通过对至少两个 接收信号使用非相敏整流获得。
21. 如权利要求18所述的装置，其中所述多个接收线圈与所述励磁 线圈基本共面。
22. 如权利要求18所述的装置，其中所述装置是线性位置传感器，所述励磁线圈沿所述部件的直线行进方向是细长的。
23. 如权利要求18所述的装置，其中所述装置是旋转传感器，所述 励磁线圈和接收线圈被大致为圆柱形的基底支撑。
24. 如权利要求24所述的装置，所述部件在所述大致为圆柱形的基 底内是可旋转的。
25. 如权利要求25所述的装置，其中接收信号进一步用于确定所述 连接元件与所述接收线圈之间的偏移，所述偏移是沿旋转轴的，所述偏移随所述部件旋转而变化。
26. 如权利要求25所述的装置，其中所述偏移用于确定所述部件完 成的旋转次数，所述装置是多旋转传感器。
全文摘要
提供与部件位置相关的信号的装置包括励磁线圈以及靠近该励磁线圈设置的接收线圈。当电源，例如交流电源，使励磁线圈通电时励磁线圈产生磁通。当励磁线圈通电时由于接收线圈与励磁线圈之间的电感耦合，接收线圈产生接收信号。接收线圈具有多个部分，电感耦合将在至少两个部分感生极性相反的电压。本发明的实施例包括线性传感器、旋转传感器和改进的按比例度量检测的新结构。
文档编号G01D5/22GK101253390SQ200680031420
公开日2008年8月27日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月27日
发明者J·K·李 申请人:Ksr科技公司