旋转角度传感器的制作方法

本发明涉及一种旋转角度传感器，通过该旋转角度传感器例如可以确定轴和另外的构件之间的旋转角度。

背景技术

为了测量旋转角度例如已知旋转角度传感器，在所述旋转角度传感器中磁体通过相应的磁场传感器旋转。磁场向量的测量允许推断出旋转角度。这类传感器也对外部的磁场做出反应，所述磁场例如通过由相邻布置的电缆线产生的电流引起并且可能是对干扰非常敏感的。

另一类型的旋转角度传感器利用涡流效应。在此，例如金属靶标在传感器线圈上方运动，该传感器线圈被供给以交变电压并且在靶标中感应出涡流。这导致传感器线圈的电感的减小并且允许通过频率变化推断出旋转角度。例如线圈是振荡回路的组成部分，该振荡回路的共振频率在电感改变时移动。然而这种类型的旋转角度传感器可以具有相对于装配公差(主要是靶标的倾斜)的高的横向灵敏度。所产生的频率也可以通过外部的电磁场干扰(injectionlocking，注入锁定)，因为通常以在几十mhz的范围内的频率工作。

ep0909955b1示出具有在靶标上短路的平面导体线环的旋转角度传感器，所述导体线环与励磁线圈的电磁交变场相互作用。

技术实现要素：

本发明的实施方式能够以有利的方式实现，提供稳固的、成本有利的和需要小的结构空间的旋转角度传感器。

此外，关于本发明的实施方式的想法可以视为以下面所描述的思想和认知为基础。

本发明涉及一种旋转角度传感器，该旋转角度传感器尤其可以使用在具有高电磁干扰场的环境中。旋转角度传感器例如可以使用在车辆中的马达室中或马达室附近，例如用于确定节气门的位置、bldc马达的转子位置、加速踏板的位置或凸轮轴的位置。在下面描述的旋转角度传感器是成本有利的，需要小的结构空间并且基于简单的测量原理。

根据本发明的实施方式，旋转角度传感器包括具有定子发射线圈和至少一个定子接收线圈的定子元件；相对于定子元件可围绕旋转轴线旋转地受支承的转子元件，该转子元件具有相互电连接的转子接收线圈和转子发射线圈；其中，转子接收线圈与定子发射线圈感应地耦合，使得通过定子发射线圈产生的电磁场在转子接收线圈中感应出电流，该电流流经转子发射线圈，从而转子发射线圈产生另外的电磁场；其中，所述至少一个定子接收线圈与转子发射线圈感应地耦合，使得该感应耦合与定子元件和转子元件之间的旋转角度相关，并且由转子发射线圈产生的所述另外的电磁场在所述至少一个定子接收线圈中感应出与角度相关的交变电压。

换言之，定子发射线圈可以被加载以交变电压，该交变电压通过定子发射线圈与转子接收线圈的感应耦合在转子接收线圈中感应出另外的交变电压。在转子接收线圈中产生的交变电压在转子发射线圈中产生电流，该电流通过转子发射线圈与一个或多个定子接收线圈的感应耦合在所述定子接收线圈中产生另外的交变电压，所述另外的交变电压可以被测量并且由它们的测量值可以获知在定子元件和转子元件之间的相对旋转角度。

所述至少一个定子接收线圈具有至少两个(或者说偶数个)圆环扇形的部分绕组，所述部分绕组将定子元件分成扇形部，并且转子发射线圈具有相同数量(即与圆环扇形的部分绕组的数量相同)的镰形的部分绕组，所述部分绕组沿周向方向相继地围绕旋转轴线。圆环扇形的部分绕组可以是圆扇形(例如半圆或四分之一圆)。但所述部分绕组也可以具有环扇、即由环的两条圆周线和两条径向走向的线限界的环区段的形状。

由此给定子接收线圈的每个部分绕组配属转子发射线圈的一个部分绕组，使得转子发射线圈的每个部分绕组可以在定子接收线圈的所配属的部分绕组中感应出交变场。在旋转角度不同的情况下出现镰形的部分绕组与圆环扇形的部分绕组的不同重叠，这导致不同大小的感应出的交变电压。

此外，交变电压的幅度与镰形的部分绕组和圆环扇形的部分绕组的重叠面积相关。该重叠面积可以通过镰形的部分绕组的形状来调节。因为在镰形的情况下重叠面积随着旋转角度非线性地增大，所以交变电压的幅度与旋转角度的函数相关性可以通过镰形来调节。尤其可以出现交变电压的幅度和旋转角度的正弦相关性。

圆环扇形的部分绕组可以具有两个带有不同半径的、圆弧形的导体区段和两个与圆弧形的导体区段的端部连接的、径向走向的导体区段。然而也可能的是，圆环扇形的部分绕组是圆环扇形的，即具有仅一个圆弧形的导体区段，该导体区段与两个在径向上几乎走向至旋转轴线的导体区段连接。此外，圆环扇形的部分绕组也可以是半圆形的。在此，限定部分绕组的圆环扇形部的内半径优选可以为所述圆环扇形部的外半径的5％、最大15％。旋转角度传感器基于简单的测量原理并且由此可以成本有利地实现，因为不需要在转子元件上的昂贵的磁体。通过线圈的布置和形状，所述旋转角度传感器需要较小的结构空间。此外，旋转角度传感器针对结构公差是稳固的，由此可以节省成本。

根据本发明的实施方式，镰形的部分绕组通过圆弧形的导体区段限界。以该方式，在定子接收线圈中感应出的交变电压的幅度与旋转角度的相关性是正弦函数。与旋转角度相关的正弦形信号可以被简单地分析处理并且换算成旋转角度。例如在两个定子接收线圈(双相系统)的情况下，可以由两个信号的商借助于反正切(arkustangen)确定旋转角度。在三个定子接收线圈(三相系统)的情况下，可以借助于三个信号的克拉克变换(clarke-transformation)和随后的反正切计算确定旋转角度。

通常地，定子接收线圈的部分绕组和转子发射线圈的部分绕组可以分别围绕旋转轴线对称地布置。定子接收线圈的部分绕组和/或转子发射线圈的部分绕组也可以基本上相同地或者说一致地实施。以该方式，每对部分绕组感应出的交变电压同样大。

根据本发明的实施方式，转子发射线圈由两个同样大的镰形的部分绕组构造。在此，部分绕组的圆弧形的或圆形的导体区段的直径可以相对彼此偏差小于10％。限定导体区段的圆例如可以具有相同的直径。由此有利地得到高的信号对称性和简单的逆计算。限定导体区段的圆的中心例如可以相对彼此偏移所述两个圆的平均直径的大约5％。

根据本发明的实施方式，转子发射线圈由四个相同大小的、例如在面积方面相同大小的镰形的部分绕组构造，并且部分绕组的圆弧形的或圆形的导体区段的直径的比例相对于2的平方根(约1.41)的偏差小于10％。由此导致，内部的印制导线区段过渡到相邻镰形的外部的印制导线区段中。由此有利地得出信号的特别准确的正弦形状。由此避免信号的例如朝着三角函数方向的变形。限定导体区段的圆的中心例如可以相对彼此偏移最大半径的1/6直至1/2、例如约1/4。

根据本发明的实施方式，定子接收线圈的圆环扇形的部分绕组和转子发射线圈的镰形的部分绕组分别沿周向方向依次相继地关于流经所述部分绕组的电流而言具有相反的定向。换言之，转子发射线圈的镰形的部分绕组沿周向方向产生基本上相对彼此反向平行走向的电磁场。当所述相对彼此反向平行走向的电磁场耦入到定子接收线圈的圆环扇形的部分绕组中时，所产生的交变电压通过串联相加。相反地，均匀的干扰场在圆环扇形的部分绕组中感应出的电压相互抵消。以该方式，可以强烈地减小干扰磁场(例如由于在靠近旋转角度传感器布置的电缆内部的高电流)的影响。

根据本发明的实施方式，镰形的部分绕组仅布置在转子元件的围绕旋转轴线的环形区域中。以该方式，在转子元件上产生围绕旋转轴线的并且可以用于转子元件的其他功能的面。环形区域可以通过围绕旋转轴线的、具有不同半径的两个同心圆限定。

转子接收线圈例如可以布置在转子元件的围绕旋转轴线的内部区域中，并且镰形的部分绕组可以围绕该内部区域。这样可以实现针对公差(尤其针对转子元件相对于定子元件的径向移动)的高稳固性以及非常小型化的和成本有利的传感器。

根据本发明的实施方式，转子接收线圈和/或定子发射线圈圆形地环绕旋转角度传感器的旋转轴线，其中，旋转轴线也可以是限定线圈的圆的中心。由此有利地产生特别均匀的磁场(定子发射线圈)或接收所产生的场的尽可能大的分量(转子接收线圈)。

根据本发明的实施方式，转子发射线圈和所述至少一个定子接收线圈分别具有偶数个部分绕组。以该方式，所述两个线圈可以分别具有相同数量的沿一个方向定向的和沿另一方向定向的部分线圈，使得外部干扰场可以完全被抵消。因此，在定子接收线圈中接收的信号根据旋转角度可以是围绕零线振荡的正弦函数或余弦函数。由此简化了分析处理，因为不需要费事的分析处理电子部件来由所感测的信号值逆运算出角度。分析处理例如可以借助于分开构造的电路或通过非常简单的处理器进行。

概念“转子发射线圈”要理解为“至少一个转子发射线圈”。这类似地适应于定子接收线圈、定子发射线圈和转子接收线圈。

根据本发明的实施方式，定子元件具有两个沿周向方向相对彼此偏移90°的定子接收线圈；或者，其中，定子元件具有三个沿周向方向相对彼此偏移120°的定子接收线圈。分别提供自身信号的多个定子接收线圈可以提高旋转角度传感器的精确性。在分析处理差分信号时，通过外部干扰场感应出的电压不再被包含在测量中，因为所述电压相同地作用于所有信号。在两个定子接收线圈的情况下可以分析处理一个差分信号。在三个定子接收线圈的情况下可以分析处理三个差分信号。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈和所述至少一个定子接收线圈是布置在定子电路板中和/或上的平面线圈。转子接收线圈和转子发射线圈也可以是布置在转子电路板中和/或上的平面线圈。旋转角度传感器的元件可以由简单制造的构件构造。所述线圈例如可以构造在电路板的单个层中或者电路板的两个层中，其中，在所述两个层中的印制导线可以通过过孔(敷镀通孔)相互连接。由此可以使用特别简单构造的和成本有利的电路板设计。

附图说明

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中，附图和说明书均不视为对本发明的限制。

图1示意性示出根据本发明的实施方式的旋转角度传感器。

图2示意性示出用于根据本发明的实施方式的旋转角度传感器的定子元件。

图3示意性示出用于根据本发明的实施方式的旋转角度传感器的转子元件。

图4示出阐释图3中的转子元件的几何关系的简图。

图5示意性示出用于根据本发明的另一实施方式的旋转角度传感器的转子元件。

图6示意性示出用于根据本发明的另一实施方式的旋转角度传感器的定子元件。

图7示意性示出用于根据本发明的另一实施方式的旋转角度传感器的定子元件。

图8示意性示出用于根据本发明的另一实施方式的旋转角度传感器的转子元件。

图9示出阐释图8中的转子元件的几何关系的简图。

图10示意性示出用于根据本发明的另一实施方式的旋转角度传感器的转子元件。

附图仅是示意性的并且不是按正确比例的。相同的附图标记在附图中表明相同的或相同作用的特征。

具体实施方式

图1示出由定子元件12和转子元件14组成的旋转角度传感器10。转子元件14可以固定在构件如节气门、马达、凸轮轴、加速踏板等的轴16上或者由该轴16提供。轴16可以围绕轴线a旋转并且定子元件12在相应的轴向方向上与转子元件14相对置。定子元件12例如固定在构件的壳体上。

定子元件12包括定子电路板18，在该定子电路板上布置有一个定子发射线圈20和多个定子接收线圈22。定子电路板18可以是单层的、双层的或多层的定子电路板18并且线圈20、22的导线可以位于定子电路板18的两侧上并且位于定子电路板18的各个层之间。在定子电路板18上可以存在用于控制单元24的其他结构元件。控制单元24可以给定子发射线圈20供应以交变电压(例如具有在1mhz和20mhz之间的、例如为5mhz的频率，和/或具有在0.5v至10v的范围中的、例如为1.5v的电压幅值)并且在每个定子接收线圈22中得到感应的交变电压。控制单元24基于这些测量可以确定定子元件12和转子元件14之间的相对旋转角度。

转子元件14包括转子电路板26。在转子电路板26上布置有一个转子接收线圈28和一个转子发射线圈30。转子电路板26可以是单层的、双层的或多层的电路板，并且线圈28、30的导线可以位于转子电路板26的两侧上和转子电路板26的各个层之间。

定子发射线圈20、定子接收线圈22a、22b、转子接收线圈28和转子发射线圈30的典型的外部尺寸(如直径)在4mm和50mm之间(优选为12mm)。

图2以俯视图示出用于图1中的旋转角度传感器10的定子元件12，该定子元件包括一个定子发射线圈20和两个定子接收线圈22a、22b。

定子发射线圈20基本上是圆形的，其中，轴线a是定子发射线圈20的中心，并且定子接收线圈22a、22b完全围绕该轴线。第一和第二定子接收线圈22a、22b相对彼此沿着周向偏移90°并且分别具有两个反向的部分绕组32a、32b(所述部分绕组仅在线圈22a中设有附图标记)。部分绕组32a、32b中的每个部分绕组是圆环扇形的并且尤其近似半圆形。部分绕组32a相对于绕组32b(关于电流而言)反向地定向。定子接收线圈的所述两个部分绕组32a、32b基本上共同覆盖由定子发射线圈20围绕的整个面积。由此可以产生特别高的接收信号。

图3以俯视图示出用于图1中的旋转角度传感器10的转子元件14，该转子元件包括一个转子接收线圈28和一个转子发射线圈30。

转子接收线圈28基本上呈圆形或圆弧形，其中，轴线a是定子发射线圈20的中心，并且转子发射线圈30完全围绕该轴线。转子接收线圈28和转子发射线圈30以它们的端部相互电连接，即例如短接或串联。转子接收线圈28可以与定子发射线圈20围绕相同的面积和/或与该定子发射线圈关于轴线a对准。定子发射线圈20和转子接收线圈28的几何形状可以是一致的。也可能的是，定子发射线圈20和转子接收线圈28在直径和/或单导线的数量方面是不同的，由所述单导线组成相应的线圈。因此定子发射线圈20例如可以具有两个、三个、四个或多个同向的导体线环，以便产生高的交变场。

转子发射线圈30具有两个分别呈镰形的、反向的部分绕组34a、34b。第一部分绕组34a相对于第二部分绕组34b(关于电流而言)反向地定向。部分绕组34a、34b的几何形状可以是一致的。部分绕组34a、34b位于围绕旋转轴线a的环形区域36中，并且布置在内部区域38外部，该内部区域不被转子发射线圈30覆盖。

所述两个镰形的部分绕组34a、34b由基本上呈圆弧形的导体区段40a、40b形成，所述导体区段在镰形的部分绕组34a、34b之间的过渡点处相交。在交叉点处，部分绕组34a、34b可以布置在转子电路板26的不同层中。

当控制单元24给定子发射线圈20加载以交变电压时，产生电磁交变场，该电磁交变场可以被转子接收线圈28接收并且在那里感应出电压，该电压产生电流。为此例如可以这样选择定子电路板18和转子电路板26之间的距离，使得定子电路板18位于转子电路板26的近场中。

定子发射线圈20的电磁场由于反向的部分绕组32a、32b或34a、34b可以在定子接收线圈22a、22b和转子发射线圈30中基本上不感应出电流。在转子接收线圈28中感应出的电流也流经转子发射线圈30，该转子发射线圈由此通过其部分绕组34a、34b产生两个反向地定向的电磁交变场。

这些交变场在定子接收线圈22a、22b中感应出交变电流，该交变电流对于定子接收线圈22a、22b中的每个定子接收线圈而言与定子元件12相对于转子元件14的相对旋转角度相关。

在定子接收线圈22a、22b中感应出的交变电流与定子接收线圈22a、22b的圆环扇形的部分绕组32a、32b和转子发射线圈30的镰形的部分绕组34a、34b的相对重叠基本上线性地相关。基于部分绕组的几何形状的选择，相对重叠面积不与旋转角度线性相关，并且所感应出的交变电压的取决于旋转角度的幅度可以通过镰形的部分绕组34a、34b的几何形状的选择来调节。如下面还阐释的那样，所感应出的交变电压的幅度例如可以与旋转角度的正弦相关。这简化了由定子接收线圈22a、22b产生的信号的分析处理。

图4示出阐释转子发射线圈30和其部分绕组34a、34b的几何形状的简图。圆弧形的导体区段40a、40b通过具有直径d1和d2的两个圆限定(即所述导体区段基本上在这些圆上延伸)，所述圆的中心相对彼此移动线段x。两个直径d1和d2可以选择得近似相同。线段x可以关于平均直径d＝(d1+d2)/2在0.05<x/d<0.5的范围内选择，其中，优选x/d＝0.15。所述直径大约在4mm至20mm之间并且优选为12mm。

图5示出另外的转子元件14，该另外的转子元件可以与图2中的定子元件12共同使用。在转子元件14中，转子接收线圈30布置在转子发射线圈28内部。转子接收线圈30位于环形区域36内部的内部区域38中。

通过转子发射线圈28的镰形的部分绕组34a、34b可以使用内部区域38，以便在那里集成转子接收线圈30。这可以具有以下优点：一方面转子元件14可以更小地并且成本更有利地制成，并且另一方面在转子接收线圈28中感应出的交变电压的幅度不取决于转子元件14和定子元件12之间的横向移动。

图6示出定子元件12的另一实施方式，该定子元件可以与图3和图5中的转子元件14共同使用。定子元件12包括第一定子接收线圈22a、第二定子接收线圈22b和第三定子接收线圈22c，所述定子接收线圈相对彼此偏移120°(并且所述定子接收线圈可以分别如图2中的定子接收线圈22a、22b那样构造)。

通过所述三个定子接收线圈22a、22b、22c，在定子元件12中感应出三个不同的交变电压(大致为信号1、信号2、信号3)，所述交变电压由此导致三相信号，该三相信号可以被分析处理。尤其不仅可以分析处理直接感应出的交变电压，而且可以分析处理它们相对彼此的差。通过分析处理信号1-信号2、信号2-信号3和信号3-信号1的差，可以补偿存在的偏移以及实现更准确的正弦形。可以简单地并且稳固地借助于克拉克变换实施对旋转角度的逆运算。

通过在图2至6中示出的定子元件12和转子元件14构造的旋转角度传感器10具有360°的周期或测量范围。因为对于许多应用、如节气门的旋转角度识别不需要360°的周期，所以在图7至10中描述具有180°周期的变型方案。

图7示出具有定子接收线圈22a的定子元件12，该定子接收线圈由四个相同的圆环扇形的(这里是四分之一圆形的)部分绕组34a、34b构造。部分绕组32a、32b沿围绕旋转轴线a的周向方向具有交替的定向。定子元件12可以具有另外的定子接收线圈，所述另外的定子接收线圈如定子接收线圈22a那样构造并且所述定子接收线圈相对彼此偏移确定的角度，如下面还阐释的那样。例如在存在两个定子接收线圈22a的情况下，所述两个定子接收线圈22a可以相对彼此偏移45°。

通常地，定子接收线圈22a可以具有相同数量的n/2个右旋部分绕组32a和n/2个左旋部分绕组32b。这导致，通过定子发射线圈20感应出的部分交变电压在总数上抵消并且作为输出信号发送0v给所有定子接收线圈22a。该事实也可以用于自诊断，因为旋转角度传感器10以该方式可以识别出，缺少转子元件12或者所述转子元件具有至少一个电中断部。

总共存在的部分绕组32a、32b的数量n确定旋转角度传感器10的周期，即信号的单值范围或测量范围。也有利的是，在转子元件14上的镰形的部分绕组34a、34b的数量等于在定子元件12上的圆环扇形的部分绕组32a、32b的数量。

对于周期per而言适用的是，

per＝360°/(n/2)

由该周期per和定子接收线圈22a、22b、22c的数量m(参见图2和6)也得出定子接收线圈22a、22b、22c相对彼此所需的几何扭转ξ:

对于m＝2，ξ＝per/(2*m)，并且，对于m≥3，ξ＝per/m

对于图2至6，由于存在n＝2个部分绕组32a、32b，得出周期为360°，然后对于双相系统(m＝2)得出接收线圈的90°的几何扭转(图2)。在三相系统中相应地得出120°的几何扭转(图6)。

对于图7，在存在n＝4个部分绕组32a、32b的情况下得出周期为180°，然后对于双相系统(m＝2)得出接收线圈的90°的几何扭转。在三相系统中，由于m＝3相应地得出60°的几何扭转。

图8示出用于图7中的定子元件12的转子元件14，该转子元件具有四个相同成形的镰形的部分绕组34a、34b。部分绕组34a、34b沿围绕旋转轴线a的周向方向具有交替的定向。正如在图7中的进行补偿的定子元件12上的定子接收线圈22a的部分绕组32a、32b那样，镰形的部分绕组34a、34b在几何上相对彼此沿周向方向移动90°。

如由图9得出，镰形的部分绕组34a、34b的几何形状又可以通过两个具有直径d3和d4的圆限定，所述圆的中心相对彼此偏移线段x。所述部分绕组34a、34b中的每个部分绕组通过两个圆弧形的导体区段40a、40b限界，所述导体区段基本上在这两个圆上走向。

已证明，当圆直径d3和d4具有根2的比例时，在定子接收线圈22a中可以获得最好的信号。可以如此选择线段x，使得在所述圆的交点处形成的两个角度β基本上同样大。在此，一个角度β通过由交点出发的圆周线和通过交点的直线限定，该直线与线段x成45°角度地走向。为此大约在1/6至1/2的范围内符合目的地选择x/d3，例如为1/4。

图10示出类似于图5的转子元件14，在该转子元件中，转子接收线圈28布置在转子发射线圈30内部。

最后要指出，概念如“具有”、“包括”等不排除其他元件或步骤并且概念“一个”不排除多个。在权利要求中的附图标记不视为限制。