倾斜容差式位移传感器的制作方法

本发明涉及一种位移传感器和一种利用该位移传感器确定相对位置的方法。

背景技术

基于涡流原理的旋转角传感器是已知的。测量信号可以是包括测量线圈的谐振电路的频率变化，该测量线圈布置在导电轨道上。导电轨道沿测量路径改变其宽度，使得测量线圈与导电轨道的重叠沿测量路径发生改变。测量线圈在导电轨道中感应出涡电流，这导致测量线圈的电感变化。

这种旋转角传感器例如在de102004033083a1中示出。

容差鲁棒设计通常需要使用多个测量线圈和多个导电轨道，这些通常具有相同的几何形状，但是沿着待测量物体的圆周方向交错布置。

除了测量方向上的移动(例如围绕x轴的旋转)之外，还可能由于容差而发生测量线圈与导电轨道之间的位移和距离变化(即，在x方向和z方向上的移动)。此外，可能会围绕y轴倾斜。因为涡流效应具有强烈的距离依赖性，所以倾斜和距离变化对于测量方法而言可能特别关键。

技术实现要素：

本发明的实施例可以有利地提供容差鲁棒的位移传感器。

本发明的实施例的想法尤其可以被认为是基于下面描述的想法和认识。

本发明的一个方面涉及一种位移传感器。位移传感器可以是线性位移传感器，利用该线性位移传感器可以确定两个部件沿直线测量路径的相对位置。位移传感器也可以是旋转角传感器，利用该旋转角传感器可以确定两个部件相对于彼此围绕旋转轴线的相对旋转。

根据本发明的一个实施例，位移传感器包括：电感元件，具有导电的至少一个测量轨道元件，该至少一个测量轨道元件沿着测量路径延伸；传感器元件，能够相对于电感元件沿着至少一个测量轨道元件移动，其中传感器元件包括至少一个测量线圈，该至少一个测量线圈被布置在该至少一个测量轨道元件的上方，其中至少一个测量线圈和至少一个测量轨道元件的重叠沿着测量路径发生变化，使得至少一个测量线圈的电感取决于测量线圈在测量路径上的位置。

此外，电感元件具有导电的两个校正轨道元件，它们相对于测量路径并排地布置，并且传感器元件具有两个校正线圈，它们相对于测量路径并排地分别布置在两个校正轨道元件中的一个校正轨道元件上，并且校正线圈与校正轨道元件的重叠沿着测量路径是恒定的。

电感元件可以是例如(近似柔性的)印刷电路板，测量轨道元件和校正轨道元件在该印刷电路板上被构造为一个或多个印制导线。该印刷电路板可以布置在要测量其运动的部件上，但是如果部件是导电的，则电感元件也可以直接由待测量的部件提供。例如，测量轨道元件可以是该部件上的升高。此外，校正轨道元件可以由该部件直接提供。

一个或多个测量轨道元件和校正轨道元件可以分别由相互分离的导电轨道形成。然而，一个或多个测量轨道元件和/或校正轨道元件也可以仅由一个导电轨道提供。例如，一个或两个测量轨道元件可以由导电轨道的边缘提供。校正轨道可以由导电轨道的中间提供。

每个线圈(测量线圈和/或校正线圈)可以在电感元件上分别具有导电轨道，该导电轨道提供相应的测量轨道元件。然而，也可以仅由一个导电轨道提供多个轨道元件(测量轨道元件和/或校正轨道元件)。

传感器元件可以是印刷电路板，其中测量线圈和/或校正线圈被设计为平面线圈。传感器元件还可以包括其他部件，例如可以在线圈中感应交流电和/或测量这些线圈中的交流电压的频率的控制器。

校正线圈的基面可以基本上对应于测量线圈的基面。校正线圈的面积也可以小于测量线圈的面积。

电感元件和传感器元件可相对于彼此移动。例如，电感元件可以布置在轴上，该轴可相对于传感器元件旋转。传感器元件和电感元件也可以固定到部件上，该部件可在测量路径的方向上相对于彼此移位。

利用校正线圈，可以抵消电感元件相对于传感器元件的倾斜，也可以抵消位移传感器的这两个元件的相对距离变化。

在此，(一个或多个)测量线圈和校正线圈被加载交流电压，该交流电压在相应的(一个或多个)测量轨道元件和校正轨道元件中感应出涡电流，从而改变相应的线圈(感应线圈或校正线圈)的电感。这些线圈可以连接到谐振电路，该谐振电路的频率随着相应的电感而变化。该频率可以被评估为相应线圈的测量信号。

因为一个或多个测量轨道元件例如沿测量路径改变其宽度，所以相应的测量线圈的电感以及相关的频率发生改变。因此，从频率可以推断出测量线圈沿测量路径的位置。

然而，因为测量信号还取决于测量轨道元件与测量线圈的距离(即，在z方向上的距离)，所以可以通过倾斜或距离变化改变测量信号，使得该测量信号可以借助于校正线圈来进行校正。

校正线圈相对于测量路径并排地布置，即当测量路径沿y方向时，校正线圈沿x方向。由于校正线圈与相应的校正轨道元件的重叠不取决于在测量路径上的位置，所以可以从校正线圈的测量信号(即，由校正线圈的电感所产生的交流电压的频率)推断出校正线圈对于校正轨道元件的距离。基于对于每一个校正线圈所确定的距离和位移传感器的已知几何形状(例如校正线圈彼此的距离以及校正线圈与一个或多个测量线圈的距离)可以推断出(一个或多个)测量线圈与相应的测量轨道元件的距离。通过该距离，例如可以校正测量线圈的频率。总的来说，容差对测量结果的影响几乎可以被抵消。

使用位移传感器可以增加测量精度，因为可以执行距离校正和倾斜校正。此外，可以廉价地制造位移传感器，因为安装容差可以更大。

根据本发明的一个实施例，测量轨道元件沿测量路径具有可变的宽度。例如，测量轨道元件可以改变其宽度，使得相对于测量路径产生正弦测量信号。与路径相关的正弦频率可以特别容易地被评估(例如，通过应用反三角函数)。

根据本发明的一个实施例，两个校正轨道元件沿测量路径具有恒定的宽度。校正轨道元件可以比相应的校正线圈更宽。例如，沿着测量路径的校正线圈总是可以被校正轨道元件完全覆盖。

根据本发明的一个实施例，至少一个测量轨道元件布置在两个校正轨道元件之间。当校正轨道元件在x方向上(即正交于y方向测量路径)被布置在测量轨道元件之外时，得出校正线圈在x方向上的更大距离，由此提高校正精度。

根据本发明的一个实施例，至少一个测量线圈布置在两个校正线圈之间。如果校正线圈在x方向上布置在测量线圈旁边，则传感器元件可以在y方向上(即，在测量路径的方向上)保持特别短。总的来说，可以以可行的最小设计结构在x方向上产生最大的距离。

根据本发明的一个实施例中，电感元件具有两个导电的测量轨道元件，它们沿着测量路径相对于测量路径并排地布置，其中传感器元件具有两个测量线圈，它们相对于测量路径并排地布置在两个导电的测量轨道元件上。换句话说，位移传感器可包括在x方向上彼此并排的两个测量线圈。

根据本发明的一个实施例中，两个测量轨道元件的截面形状相同，并且测量轨道元件彼此交错地布置，使得在相应的测量线圈中感应出测量信号，测量信号相对于测量路径位置是彼此延迟的。例如，两个测量轨道元件可以被成形为使得一个测量线圈沿测量路径产生正弦测量信号，而另一个测量线圈产生余弦测量信号(即，90°相移的正弦信号)。根据商，可以使用arctan函数计算路径位置。

根据本发明的一个实施例，校正轨道元件和测量轨道元件并排地延伸，并且由导电的轨道形成。测量轨道元件和校正轨道元件可以由电感元件上的相同导电结构提供。于是，相关的测量线圈和相关的校正线圈可以沿测量路径连续地布置。在这种情况下，校正线圈的面积可以小于测量线圈的面积。例如，校正线圈可以仅覆盖不具有可变宽度的导电轨道的一部分。

根据本发明的一个实施例，测量线圈由间隔地相对于测量路径并排布置的两个子线圈形成，两个子线圈被布置在两个测量轨道元件上方。校正线圈可以相对于测量路径(即，相对于x方向)布置在两个子线圈之间。在此可行的是，校正线圈在y方向上(即，沿着测量路径)与两个子线圈间隔。该校正线圈可以布置在校正轨道元件上方，该校正轨道元件布置在两个测量轨道元件之间。

两个并排布置的测量线圈可以以这种方式分成两个子线圈。此外，可以为这些测量线圈中的每一个提供校正线圈，该校正线圈相对于x方向布置在两个子线圈之间。以这种方式，可以实现特别紧凑的电感元件，因为对于测量线圈和校正线圈的每种组合仅需要存在一个导电轨道(其然后在边缘提供两个测量轨道元件并且在中间提供校正轨道元件)。

在这种情况下，校正线圈被构造在面积和/或在x方向上的延伸方面被构造成小于测量线圈，因为测量线圈覆盖导电轨道的整个宽度(两个测量轨道元件和校正轨道元件)。校正线圈可以集成在传感器元件中以节省空间。

根据本发明的一个实施例，校正轨道元件被两个测量轨道元件置于两侧，并且校正轨道元件和测量轨道元件由导电轨道形成。

(在边缘)形成两个测量轨道元件并(在中间)形成校正轨道元件的导电轨道于是可以具有等于校正轨道元件的宽度的最小宽度。例如，该最小宽度可以比校正线圈的宽度大约30％。

根据本发明的一个实施例，位移传感器是线性位移传感器。例如，电感元件可以沿线性测量路径布置。利用线性位移传感器，例如可以测量两轮车辆的偏斜深度。此外，这种线性位移传感器可以用在制动系统中。而且，可以在具有这种线性位移传感器的自动变速器中测量档位。

根据本发明的一个实施例，位移传感器是旋转角传感器。例如，电感元件可以围绕旋转轴布置在轴上。这种旋转角传感器可用于测量凸轮轴位置。利用这种旋转角传感器，也可以确定可变阀设置的偏心轴角度。而且，这种旋转角传感器可以用作用于电动车辆的电动机的转子位置传感器。

本发明的另一方面涉及一种用于确定位移传感器的传感器元件和电感元件的相对位置的方法，如上文和下文所述。例如，该方法可以由控制器执行，该控制器也可以布置在传感器元件上。

根据本发明的一个实施例，该方法包括：测量两个校正线圈的两个校正频率信号；从相应的校正频率信号确定相应的校正线圈与电感元件的距离；从校正线圈的距离确定至少一个测量线圈与电感元件的距离；测量至少一个测量线圈的至少一个测量频率信号；基于所确定的相应的测量线圈的距离校正至少一个测量频率信号；从所校正的至少一个测量频率信号确定相对位置。

执行该方法并且位于控制器中的算法可以实现为计算机程序，需要很少的计算能力并且可以构造成标准的微控制器。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中附图和描述都不应被解释为限制本发明。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的线性位移传感器。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的旋转角传感器。

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的用于位移传感器的电感元件。

图4示出了根据本发明的实施例的位移传感器的示意性横截面。

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的用于位移传感器的电感元件。

图6示意性地示出了根据本发明的实施例的用于位移传感器的电感元件。

图7示出了根据本发明的实施例的位移传感器的示意性横截面。

图8示出了频率对电感元件与线圈之间的距离的依赖性。

图9示出了频率对测量路径的依赖性。

这些附图仅是示意图而非按比例绘制。相同的附图标记在附图中表示相同或等同的特征。

具体实施方式

图1示出了线性位移传感器10a形式的位移传感器10，其包括传感器元件12和电感元件14。传感器元件12和电感元件14可沿测量路径m相对于彼此移位。将参考图3至图9更详细地解释传感器元件12和电感元件14的结构。

例如，电感元件14可以是印刷电路板，其安装在部件16上，该部件16与传感器元件12的相对位置将被确定。此外，可以将电感元件14设置为导电部件16的结构。

在传感器元件12上(其也可以包括印刷电路板17)，可以存在控制器18，控制器18如下所述可以从位于传感器元件12中的线圈确定传感器元件12沿着测量路径m的路径位置。

在该图和随后的图中，测量路径m沿y方向对齐，而宽度方向由x方向确定。传感器元件12和电感元件14的距离在z方向上确定。

图2示出了旋转角传感器10b形式的位移传感器10，其包括传感器元件12和电感元件14。传感器元件12和电感元件14可绕轴线a相对于彼此旋转。因为电感元件围绕轴16'缠绕，所以导致传感器元件12和电感元件14沿(弯曲的)测量路径m可相互移动。

传感器元件12和电感元件14(如果假想从轴16'展开)可以与图1中相同地构造。例如，电感元件14可以是柔性印刷电路板和/或通过轴16'的表面构造来提供，如果该轴是导电的。

在图1中，轴a在x方向上对齐。假设轴16'旋转并且传感器元件12固定，则测量路径m(局部地)在y方向上延伸。

图3示出了电感元件14，其包括例如(柔性)印刷电路板22，多个导电的轨道元件20a、20b、20c、20d作为金属化层或印制导线构造在该印刷电路板上。轨道20a、20b、20c、20d也可以构造为导电部件16、16'上的凸起或凹陷。

在线性位移传感器10a中，电感元件14是平坦的。在旋转角传感器10b中，电感元件14弯曲成圆形或弧形的(如果仅检测360°的一部分)。

轨道元件20a至20d分成两个测量轨道元件20a、20b和两个校正轨道元件20c、20d。两个测量轨道元件20a、20b彼此并排地和/或沿测量路径m的方向(即，在y方向上)延伸。此外，测量轨道元件20a、20b在两个校正轨道元件20c、20d之间延伸，这两个校正轨道元件也在测量路径的方向上延伸。

此外，在每个轨道元件20a、20b、20c、20d上方设置有与轨道元件相关联的测量线圈24a、24b、24c、24d。在测量轨道元件20a、20b上方分别具有测量线圈24a、24b。在校正轨道元件20c、20d上方分别具有校正线圈24c、24d。测量线圈24a、24b和校正线圈24c、24d被并排布置(在x方向)，其中测量线圈24a、24b被布置在两个校正线圈24c、24d内部。此外，所有线圈24a、24b、24c、24d可以具有相同的尺寸或具有相同的面积。

测量轨道元件20a、20b被构造为，使得相关联的测量线圈的重叠随着轴16'的旋转或部件16的平移而改变。每个测量轨迹元件20a、20b在x方向上的宽度沿y方向改变，使得相关联的测量线圈24a、24b的重叠沿y方向或沿着测量路径改变。以这种方式，每个测量线圈24a、24b产生一个测量信号，该测量信号基本上取决于相应测量线圈24a、24b在测量路径m上的位置。

每个测量轨道元件20a、20b的边缘在此可以(在x方向或负x方向)部分地向外弯曲，以便形成被周期性重复的弧形结构。而且，每个测量轨道元件20a、20b可以相对于平行于测量路径延伸的中心轴镜像对称。

两个测量轨道元件20a、20b可以在截面上相同地成形，但是沿着测量路径m相对于彼此移位，以便在校正线圈24a、24b中产生不同的测量信号。如图所示，测量轨道元件20a、20b可以移动半个周期，从而产生最大不同的测量信号。

校正轨道元件20c、20d不需要是结构化的，并且可以具有与旋转/平移或测量路径无关的几何形状。只有校正线圈24c、24d应始终沿着测量路径与校正轨道元件20c、20d具有相同的重叠(例如完全覆盖)。以这种方式，校正线圈生成24c，24d产生不取决于测量路径的测量信号，但是取决于各校正线圈24c、24d与电感元件14(在z方向上)的距离。

可以不需要对于校正线圈24c、24d单独的校正轨道元件20c、20d，并且校正线圈24c、24d可以被配置在导电部件16、16'的表面。

图4示出了位移传感器10(以旋转角传感器10b的形式)的横截面，其上示出了传感器元件12相对于电感元件14的倾斜。线圈24a至24d的距离不同于标称距离znom，导致测量线圈24a、24b的测量信号被扭曲，然而可以通过校正线圈24c、24d的测量信号进行校正。

图5和图6示出了电感元件14的另外的实施例，其中校正轨道元件20c、20d和测量轨道元件20a、20b彼此集成在一起。

在图3中，校正轨道元件20c、20d和测量轨道元件20a、20b各自由单独的导电轨道(即，与其他轨道分开的轨道)提供。在图5和图6中，与图3中的测量轨道元件20a、20b具有相同形状的导电轨道分别被分成两个测量轨道元件20a(或20b)和一个校正轨道元件20c(或20d)。应当理解的是，这种划分是通过线圈24a至24d的布置实现的，两个测量轨道元件20a(或20b)和校正轨道元件20c(或20d)进行可以连接在一起或者可以由单个的金属化层来提供。然而，测量轨道元件20a(或20b)和校正轨道元件20c(或20d)也可以彼此分开。

与图3中相同的，每个测量轨道元件20a、20b的一个边缘可以部分地(在x方向上或在负x方向上)向外弯曲，从而产生周期性重复的弧形结构。另一个边缘可以是直的或平行于测量路径延伸。

总之，由测量轨道元件20a(或20b)和校正轨道元件20c(或20d)形成的轨道的宽度可沿测量路径在最小宽度和最大宽度之间周期性地变化。最小宽度可以是校正轨道元件20c(或20d)的宽度。

在图5中，测量线圈24a(或24b)在宽度方向(x方向)上完全覆盖相关的测量轨道元件20a(或20b)和校正轨道元件20c(或20d)。测量线圈24a(或24b)可以与由相关轨道元件形成的轨道的最大宽度一样宽。

校正线圈24c(或24d)仅在宽度方向(x方向)上覆盖校正轨道元件20c(或20d)。校正线圈24c(或24d)可以是一样宽的或比相关的轨道元件所形成的轨道的最小宽度稍窄。

测量线圈24a、24b在x方向上彼此并排地布置。校正线圈在x方向上并排布置。在此，校正线圈在y方向上或在测量路径m的方向上与测量线圈24a、24b间隔开。

在图6中，线圈24a至24d的布置和校正线圈24c、24d的形状与在图5中一致，每个测量线圈24a、24b被分成两个子线圈26。每个子线圈26大约与相关的测量轨道元件20a或20b的最大宽度一样宽。以这种方式，可以增加由测量线圈20a、20b输出的测量信号的范围。特别地，与图4的结构相比，最小测量信号减小。

图7示出了具有电感元件14和图6中的线圈结构的线性位置传感器形式的位移传感器10的横截面。类似于图4，线圈24a至24d的距离由于倾斜而可能与标称距离znom不同。

图7还示出了，测量轨道元件20a、20b和校正轨道元件20c、20d可以布置在印刷电路板22的与传感器元件12相对的一侧上。测量轨道元件20a、20b和校正轨道元件20c、20d也可以布置在印刷电路板22的面向传感器元件12的一侧上。

线性位移传感器10a和旋转角传感器10b都可以具有与图3、图5或图6对应的结构。

参照图8和图9，将描述控制器18可以执行的方法，以确定传感器元件12相对于电感元件14位于测量路径m的哪个位置。

测量线圈24a、24b和校正线圈24c、24d均可以连接到谐振电路，谐振电路由控制器18激励以振动。各个谐振电路的频率取决于相应线圈24a至24d的电感，而线圈24a至24d的电感又取决于相应线圈与其相关轨道元件20a至20d的重叠。这些频率由控制器18作为测量信号被检测。

首先，控制器可以在运行时间内测量两个校正线圈24c、24d的频率，并且基于这些频率确定电感元件14与相应的校正线圈24c、24d之间的距离zc、zd(参照图4和图7)。图8示出了线圈24a至24d的频率与其与电感元件14的距离之间的关系。该关系例如被内插在控制器18中或者可以被存储为表格，控制器18从频率可以计算出距离(反之亦然)。

从位移传感器10的已知的几何形状，特别是线圈24a至24d在x方向上的位置，可以从距离zc、zd中确定距离za、zb。在图4的实施例中，校正线圈24c、24d位于测量线圈24a、24b的外部，这可以通过线性插值来完成。在图7的实施例中，距离可以被设置为等于(za＝zd和zb＝zd)，因为校正线圈24c、24d与测量线圈24a、24b关于x方向位于相同的位置。

通过距离za、zb，控制器现在可以校正测量线圈的测量频率。

图9示出测量线圈24a、24b的测量信号，它们是在没有倾斜的情况下(即，在校准的情况下)由测量线圈24a、24b产生的。

这里，f0是在没有发生重叠时(例如，当移除电感元件14时)产生的最小频率。最小频率f0取决于线圈几何形状和谐振电容(而不取决于距离和电感元件14)并且可以通过校准来确定。

fmin(znom1,2)是在最小重叠下(在标称距离znom1,2下)的频率，而fmax(znom1,2)在最大重叠下(在标称距离znom1,2下)的频率。第一校正线圈24a的标称距离znom1和第二校正线圈24b的标称距离znom2由设计和样本方差限定，并且可以通过校准来确定。通过在校准期间经过整个测量范围，控制器可以确定每个测量线圈24a、24b的最小频率fmin(znom1,2)和最大频率fmax(znom1,2)。

从借助校正线圈24c、24d所确定的测量线圈24a、24b的距离za，zb，控制器18现在可以确定相应测量线圈24a、24b在该距离处在最大重叠下的(经校正的)频率fmax(za,b)。这可以通过图8中所示的关系来完成。

现在可以利用这些经校正的最大频率fmax(za,b)来校正测量线圈的测量频率fm1,2，例如通过以下线性校正：

fcor1，2＝(fm1，2-f0)/(fmax(za，b)-f0)*fmax(znom1，2)

从经校正的频率fcor1,2，控制器18然后可以确定测量路径上的位置y。例如，测量轨道元件20a、20b可以成形为使得通过测量路径m产生正弦测量信号。此外，测量轨道元件20a、20b可以在测量路径m的方向上彼此偏移，使得产生偏移90°的测量信号。然后可以借助

y＝arctan(fcor1/fcor2)

从经校正的频率fcor1,2计算出路径位置或旋转角y。通过校正使得该结果与校准时的相应结果相匹配。

最后应当注意，诸如“包括”、“具有”等术语不排除其他元件或步骤，诸如“一个”的术语不排除多个。权利要求中的附图标记不应视为限制。