专利名称：感应位置传感器的制作方法
技术领域：
0002本发明涉及非接触式感应传感器，其用于测量诸如摆动的油门踏板(throttle pedal)的可移动零件的位置。
背景技术：
0003诸如汽车的机动车配备了用户操作的控制装置来控制发动机转速。一般来说，用户操作的控制装置包括踏板臂，在该踏板臂的底端具有脚踏板，通常称为加速器踏板或油门踏板。该踏板组件提供了油门控制信号，其被发送给与发动机相关联的发动机油门控制装置。通常，在加速器踏板和发动机油门控制装置之间具有一机械连接，且油门控制信号是机械信号。然而，最近的发展趋势已经是电控油门控制系统，该系统有时也被称为线传飞控(Fly-by-Wire)系统，在该系统中加速器踏板或其它的用户操作的控制装置与发动机油门控制装置之间建立了电通信，油门控制信号是电信号。出于经济上可接受的考虑，这种电子油门控制系统应当是可靠的，并且制造起来不能过于昂贵。因此，需要一种改进的感应位置传感器，用于发动机控制应用。类似地，存在许多其它的位置传感应用，改进的感应位置传感器可为它们带来好处。
发明内容
0004一种用于确定可移动零件的零件位置的装置，其包括发射机线圈、接收机线圈以及耦合器(coupler)元件，当所述发射机线圈受到电能源激励时，其产生电磁辐射；所述接收机线圈靠近所述发射机线圈放置，当所述发射机线圈被激励时，由于所述接收机线圈和所述发射机线圈之间的感应耦合或电感耦合(inductive coupling)，所述接收机线圈产生接收机信号。所述耦合器元件是可移动的并且具有一耦合器元件位置，该位置通过例如机械链接(attachment)或其它机械连接而与所述零件位置相关。所述耦合器元件修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合，使得所述接收机信号与所述零件位置相关，并且所述耦合器可能是一个金属盘、传导环(conductingloop)，或包含有多个传导环。
0005在代表性的实例中，接收机线圈包括第一回路结构(loopconfigurration)和第二回路结构，当从相同方向看时，所述第一回路结构和第二回路结构具有相反的绕组方向。所述发射机线圈和所述第一回路结构之间的感应耦合产生第一信号，所述发射机线圈和所述第二回路结构之间的感应耦合产生第二信号，所述接收机信号是所述第一信号和所述第二信号的组合，例如反向的第一电压和第二电压之和。
0006发射机线圈可以是具有一匝或多匝的环(loop)。在其它实例中，发射机线圈可包括第一回路结构和第二回路结构，所述第一回路结构和第二回路结构具有相反的绕组方向，这样所传输的电磁通量具有空间上变化的磁场方向，包括相反磁场方向的区域。然后，可使用耦合器元件来修正趋于在接收机线圈中感应的相反的信号的比率。
0007耦合器的旋转或线性运动可用来修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合，例如通过修正接收机线圈内的第一电压和第二电压之比，接收机线圈具有第一和第二部分，该第一和第二部分以相反方向(例如，顺时针和逆时针)缠绕。耦合器元件位置可与踏板位置相关，例如，踏板运动可机械地耦合到所述耦合器元件的角度位置。
0008在本发明的其它实例中，感应传感器包括参考线圈，当所述发射机线圈被激励时，由于所述发射机线圈和所述参考线圈之间的第二感应耦合，所述参考线圈产生参考信号。所述参考线圈与所述耦合器元件位置基本无关。所述参考信号能够被用来补偿所述接收机信号中与所述耦合器位置改变无关的任何变化，例如是由于共模因子(common mode factor)而产生的变化，所述共模因子诸如为温度、发射机的激励电压，以及相对的线圈和耦合器分离的变化。可提供电子电路来形成比率信号，所述比率信号是所述参考信号和所述接收机信号之比，所述比率信号被用来确定所述零件位置。
0009图1是激励器(exciter)的绕组或发射机线圈和接收机线圈的示意图，两者都形成在印刷电路板上，并结合本发明一起使用；0010图2是印刷电路板的侧视图，其包含了本发明的参考线圈及相关联的耦合器(coupler)；0011图3图解说明了耦合器到位的激励器和接收机线圈的平面图；0012图4图解说明了使用在本发明中的参考线圈，其覆盖在图1-3的电路板上面，但是为了清楚的目的单独示出该参考线圈。
0013图5是一个系统的示意图，该系统使用了本发明的传感器来产生具有代表机动车中油门踏板位置的数值的输出控制信号；0014图6显示了根据本发明实例的感应传感器；0015图7是感应传感器的示意图；0016图8显示了参考线圈的设计；0017图9是参考线圈的示意图；0018图10A显示了耦合器元件的示意图；0019图10B显示了接收机线圈的简化示意图；0020图11显示了接收机线圈的又一个示意图；0021图12图解说明了双极发射机线圈，其可用在本发明的实例中；以及0022图13图解说明了作为耦合器元件使用的传导环。
具体实施例方式
0023本发明的实例包括感应位置传感器，其适于用作机动车中的油门踏板位置检测器或其它可移动物体位置的检测器。在代表性实例中，该传感器包括发射机线圈和接收机线圈，它们都通过印刷电路技术形成于印刷电路板上面。当发射机线圈被激励时(例如，通过交流电流源)，在发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合在接收机线圈中感应产生接收机信号。连接到可移动物体的耦合器元件在空间上修正发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合，允许接收机信号被用来寻找可移动物体的位置。
0024描述的感应位置传感器使用由交流源供电的发射机线圈(有时称为激励线圈)、接收机线圈(或捡拾线圈)以及导电元件，所述接收机线圈用于响应由发射机线圈产生的时变磁场，来产生感应信号，所述导电元件位于所述线圈附近，从而使所述时变磁场在耦合器元件中产生涡流，该耦合器元件修正在接收机中感应的电流，该电流为耦合器元件位置的函数。
0025耦合器元件连接到可移动的零件，例如机动车的油门踏板，将要测量的是该零件的位置，这样耦合器的角度(或旋转)位置就是油门元件的位置的函数。由此，接收机或捡拾线圈中所感应产生的电压是变化的；通过检测所接收的电压，就可确定耦合器元件的位置，从而可确定油门踏板的位置。这个信号可用来控制车辆发动机的速度。
0026本发明的实例包括接收机线圈，其具有以相反方向缠绕的部分，例如接收机线圈的第一部分以逆时针方向缠绕，而第二部分以顺时针方向缠绕，这两部分优选地具有不同的空间范围(即，没有完全重叠)。术语第一回路结构和第二回路结构被用于这样的部分。来自这样的接收机线圈的接收机信号将不仅对接收机线圈和发射机线圈之间的通量耦合或磁通量耦合(flux coupling)的幅值敏感，而且还对源于发射机线圈并穿过接收机线圈的磁通线(flux line)的空间分布敏感。
普通传感器实例0027感应位置传感器实例包括连接到激励的交流电流源的发射机线圈以及接收机线圈。所述发射机线圈和接收机线圈由同一个印刷电路板来支撑，两者基本是共面的或位于同一板的不同层上面。可移动的耦合器元件邻近于该板被支撑，并且修正发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合。在一个实例中，耦合器元件绕旋转轴旋转，该旋转轴可以是发射机线圈和接收机线圈两者之一或两者的中心轴。耦合器元件位置通过修正发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合，来修正由所述发射机线圈感应的接收机信号的振幅。
0028在上文所描述的传感器实例中，接收机信号的振幅还是耦合器元件和印刷电路板之间的缝隙(gap)的函数，该缝隙随制造情况而固有地变化到一定程度。为了校正接收机信号由所述缝隙和其它共模信号(例如激励器或电源电压的变化、EMC、以及温度变化)引起的变化，也可使用参考线圈，例如形成于发射机线圈和接收机线圈同一个印刷电路板上面的参考线圈。参考线圈接收与接收机线圈同样的信号，但其被配置的方式使得参考信号对于耦合器元件的旋转位置的变化不敏感。信号调节或处理电路接收接收机信号和参考信号，并形成比率信号，该比率信号代表接收机信号和参考信号之比。该比率信号是与耦合器元件位置相关的，但在合理的变化范围内，其与缝隙变化和其它共模因子基本是无关的，这将在后文中进一步讨论。
0029可配置印刷电路板，使其具有用于电能的输入，以及用于提供接收机信号和参考信号的输出。可替换地，电路板上的电子电路可用来产生作为接收机信号和参考信号之比的比率信号。可使用信号处理电路来将接收机信号除以参考信号，以基本上去除不是耦合器元件位置的函数的信号变化。
0030根据本发明实例的感应传感器包含发射机线圈(其还可被称为激励线圈)、接收机线圈以及耦合器元件。所述发射机线圈连接到诸如考毕兹振荡器(Colpitts Oscillator)的交流电流源，所述耦合器元件以相对于所述发射机线圈和接收机线圈的物理关系或实体关系(physical relationship)被支撑，使得耦合器元件的位置影响到发射机线圈和接收线圈之间的感应耦合的强度。由接收机线圈提供的接收机信号可与耦合器元件的位置相关。
发射机线圈0031发射机线圈可以是传统圆形线圈设计中的一个或多个回路，或者可使用其它结构。也被称为激励线圈的发射机线圈由交流电流激励。该激励源或交流电流可能是诸如考毕兹振荡器这样的电子振荡器或其它电子振荡器。
0032当发射机线圈受到电能激励时，其辐射出电磁辐射。在发射机线圈和任何其它的附近线圈之间存在感应耦合，其在该线圈中感应出信号。
0033发射机线圈可以是具有一匝或多匝的圆形线圈。通过交流电流源为该发射机线圈提供激励信号。发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合在接收机线圈中产生接收机信号。
耦合器元件0034耦合器元件修正发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合。在本发明的实例中，耦合器元件并不需位于发射机线圈和接收机线圈之间，尽管作为简便的配置它可以这样设置。此外，在本发明的实例中，耦合器元件不需要修正发射机线圈和接收机线圈之间的全部通量耦合，而是可以仅仅修正通量耦合的空间分布。如果耦合器元件是传导盘，则其还被称为涡流盘(eddy plate)。
0035耦合器元件可以是导电元件，其具有大体平坦的形状并且可包括一个或多个径向延伸的瓣片(lobe)，并且该导电元件被支撑以使其绕发射和接收线圈的中心线旋转，同时其瓣片(一个或多个)平行并靠近印刷电路板。瓣片的结构或形状可能十分依赖于接收机线圈的结构。
0036耦合器元件连接到，或以别的方式机械地耦合到可移动的物体，所以该耦合器元件的旋转位置是该可移动物体位置的函数。接收机线圈的结构，如在下文中进一步讨论的，可以是这样的其使得电压在接收机线圈的输出处产生，并且该电压是耦合器元件位置的函数。
0037在车辆应用实例中，耦合器元件被连接到，或以别的方式机械耦合到可移动的踏板臂或其它车辆控制臂，所以耦合器元件的旋转位置是该可移动臂的位置的函数。
0038耦合器元件可具有相对于接收机线圈的初始位置，在该位置处接收机信号最小。随着耦合器元件从其初始位置移动，它就修正发射机线圈与第一和第二回路结构之间的感应耦合。在本发明的实例中，在耦合器元件初始配置或结构(configuration)中，第一和第二信号具有相近的幅值和相反的相位，因此该两个信号趋于彼此抵消。当耦合器元件移动时，发射机线圈和第一回路结构之间的感应耦合增加，同时发射机线圈和第二回路结构之间的感应耦合减少。随着第一和第二信号之间的幅值之差增加，接收机信号增强。
接收机线圈0039术语“接收机信号”一般可用来表示在接收机线圈中感应产生的信号，也可表示基于接收机线圈中感应产生的信号的任何调节的信号。
0040在下面讨论的实例中，单独一个接收机信号由接收机线圈提供，该接收机信号可包含来自形成于第一和第二回路结构中的第一和第二信号的贡献。接收机线圈可包括第一回路结构和第二回路结构，它们分别提供第一和第二信号。然后，接收机信号是所述第一和第二信号的某种组合。
0041例如，第一和第二回路结构可被配置，以产生具有相反相位的信号，接收机信号是第一和第二信号的组合，因此当第一和第二信号具有相近的幅值时，接收机信号具有最小值。接收机信号也可被称之为差信号，这是因为接收机信号的幅值是在第一回路结构中感应产生的第一信号幅值和第二回路结构中感应产生的第二信号幅值之差。
0042在本发明的其他实例中，接收机线圈可从分离的回路结构向电子电路提供分离的第一和第二信号，用于处理。
0043接收机线圈的第一和第二回路结构可被配置，以对于穿过接收机线圈的给定磁通量变化，提供相反极性的第一和第二电压。可配置接收机线圈，以使得第一和第二信号在不存在耦合器元件的情况下趋于相互抵消。所述的耦合器元件还可具有零位置，在该位置处耦合器元件同等地阻挡到第一回路结构和第二回路结构的通量传输，因此第一信号和第二信号有效地彼此抵消。当耦合器元件相对于初始位置在第一方向移动时，其较多阻挡了感应产生第二信号的磁通量，同时较少阻挡了感应产生第一信号的磁通量。因此，第一信号的幅值增加，第二信号的幅值减少，并且接收机信号在幅值上增加。该耦合器元件还可以在第二方向移动，在该方向上第二信号的幅值增加，而第一信号的幅值减少。
参考线圈0044在本发明的进一步实例中，提供了一种有时可被称为差动模拟物(dummy)的参考线圈，该参考线圈提供基本与耦合器元件的位置无关的参考信号。然而，该参考信号易受到相同因子的影响，这些相同的因子一般可被称为共模因子，其影响接收机信号的强度。共模因子可包括下列的一个或多个在耦合器元件和发射机(或接收机)线圈之间的耦合器缝隙、施加到发射机线圈的激励电压的变化、环境电磁场感应产生的接收机噪声、温度变化等等。
0045可校准感应传感器以使得该传感器输出具有标准形式，其与传感器制造中的产品变化无关。在自动化系统中，线圈(其可被支撑在印刷电路板上面)和耦合器元件(其被连接到加速器踏板)之间的耦合器缝隙强烈地影响着接收机线圈中感应产生的信号，并且在大规模生产过程中对这个耦合器缝隙的精确控制是困难的。然而，校准过程可能是错误源并且是昂贵的。
0046传统的感应传感器需要诸如温度的共模因子的宽阔校准曲线。例如，传统的感应传感器可包含温度传感器、温度校正因子查找表，以及实现温度校正的电路。使用根据本发明实例的比率信号能够避免许多这个额外的复杂度以及相关联的不可靠性。
0047通过以接收机信号和参考信号之比来确定比率信号，共模因子的影响可被极大地抑制，所以比率信号就基本上与共模因子无关，但还与耦合器位置相关。该比率信号可通过模拟电路来确定。
0048参考线圈可以和接收机线圈一定程度地相似，但能够配置成使得通过发射机线圈在参考线圈中感应产生的参考电压基本上与耦合器元件的位置无关。下文将进一步讨论实例，例如在与图8相关的讨论中。发射机线圈和参考线圈之间的感应耦合受到相类似的共模因子的影响，就如同影响发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合一样。这些因子包括耦合器元件和支撑发射机线圈和接收机线圈的印刷电路板之间的缝隙，或者耦合器元件和发射机线圈或其它支撑发射机线圈的结构之间的缝隙。
0049可使用参考线圈来获得补偿的其它共模因子包括由于发射机线圈的交流电流电源的变化所导致的接收机信号变化、由来自与传感器操作无关的杂散电磁信号的感应电压所导致的变化、温度变化等等。
0050在车辆应用中，耦合器元件可被机械地连接到油门踏板，所以耦合器元件的旋转位置是油门踏板位置的函数。本发明实例的应用包括这样的结构其中耦合器元件被连接到需要监控其位置的可移动零件，并且发射机线圈、接收机线圈和支撑电路布置在诸如印刷电路板的衬底上。所述衬底由可移动零件在其中移动的外壳或其它结构所容纳，或者所述衬底在可移动零件在其中移动的外壳或其它结构附近固定。例如，可移动零件可以是踏板，并可配置踏板外壳以容纳印刷电路板，在该印刷电路板上印刷线圈。产品组件变化可能引起耦合器元件和印刷电路板之间的缝隙的变化，并且参考线圈的使用允许对这种制造变化进行补偿，而不需要大量的校准过程。
0051线圈排列可以采取多种形式。例如，线圈可以用不同数目的磁极(pole)缠绕，它们将影响传感器的位置分辨率。配置接收机线圈，以使得耦合器元件的位置调制接收机信号的振幅。如果使用参考线圈的话，则可配置该参考线圈以使参考信号与耦合器元件的位置基本无关，这样就使得采用参考信号和接收机信号获得的比率信号也与耦合器元件的位置相关，但与诸如温度的因子基本无关。
0052在一个实例中，发射机线圈、接收机线圈，以及参考线圈都被印刷在印刷电路板上，该印刷电路板可以是多层印刷电路板。在其它实例中，所述线圈可形成在分离的结构上。
0053图1以平面解说明了一种形式的发射机和接收机绕组。也可形成诸如在图4中示意性地图解说明的可选参考线圈，并且该参考线圈与位于同一印刷电路板上面的发射机和接收机线圈相重叠。
0054发射机线圈12由一个或多个印刻的回路组成，所述回路具有大体半圆形的形状，并形成在印刷电路板(PCB)10上面。可形成于同一PCB上的振荡器14被连接到发射机线圈并为该发射机线圈提供交流电流(激励信号)，产生交替改变的电磁场，该电磁场随后通过感应耦合在其它邻近的线圈中感应产生信号。
0055接收机线圈16具有外周界，其优选地位于由发射机线圈12限定的区域之内。在这个实例中，接收机线圈包含第一和第二回路结构16a和16b，每个所述结构都表示一圆形区域的大约90度的扇形。两个回路16a和16b通过换向连接18连接在一起，在交叉的电导体之间没有电连接。接收机线圈被配置，以使得如果电流在接收机线圈16中流动，则电流将在区16a和区16b中反向流动。如图1中图解说明的，当顺时针电流在区16a中流动时，逆时针电流在区16b中流动。
0056因此，接收机线圈包含第一回路和第二回路，所述回路以相反的方向缠绕(即，顺时针和逆时针，反之亦然)，并且所述回路具有不同的空间范围。在图1图解说明的实例中，第一和第二回路具有非重叠的空间范围，尽管在其它实例中可能有一些重叠。
0057通过使用可移动的耦合器元件来修正在发射机线圈和接收机线圈之间的通量耦合的空间分布，接收机信号以与耦合器元件的位置相关的方式变化。
0058在这一实例中，第一回路提供第一信号并且第二回路提供第二信号，在该实例中第一电压通过与发射机线圈的感应耦合感应产生，第二电压由第二回路和发射机线圈之间的感应耦合感应产生。由于第一和第二回路具有相反向的绕组(即，顺时针和逆时针，反之亦然)，因此第一和第二电压是相反的。
0059如果发射机和两个回路之间的感应耦合是类似的，则所感应产生的电压将趋于彼此相反，并且接收机信号将是最小值，该最小值可能是0。
0060图1显示了两个回路结构，其被排列为大约半圆的布置。在线性位置传感器中，这种回路结构可以排列成线性布置。此外，可有任何数量的连续回路结构。
0061图2显示了耦合器元件20，其以导电材料制成，且基本平行于电路板10并在电路板10附近被支撑。联系图1，该图是一个顶视图，其中的板被显示为水平剖面图。耦合器元件减少了发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合。该图中显示了发射机线圈10和接收机线圈16。耦合器元件可例如是自支撑的金属盘，或者是支撑在衬底上的金属膜，例如形成在铜涂敷电路板中的金属膜。
0062图3以平面图显示了耦合器元件20，与振荡器14相连接的发射机线圈12以及接收机线圈16覆盖了电路板10。耦合器元件20通过连接部件24在基本平行于发射机和接收机线圈所在平面的平面内绕枢轴22旋转。
0063如果耦合器元件相对于两个回路位于中间，则其大约以相等的程度阻挡发射机线圈和两个回路之间的通量耦合。这样，在每个回路中所感应产生的电压大约相等但反向(等效地，感应产生的交流电压是异相的)，因此接收机信号将是最小值。但是，当耦合器元件绕着枢轴22旋转时，例如顺时针旋转时，其将较多地阻挡发射机线圈和第二回路(在图1的右侧)之间的通量耦合，并且将较少地阻挡发射机线圈和第一回路(在图1的左侧)之间的通量耦合。这样，在第一回路中所感应产生的电压幅值将极大地超过在第二回路中所感应产生的电压幅值，从而接收机信号将会增加。
0064这个结构的另一个特征在于其对于耦合器元件的旋转方向是敏感的，例如如果接收机信号的相位是确定的。相关联的电路可把反相的交流电压转换为例如相对于所定义的地电压的相反符号的直流电压。
0065例如，耦合器元件20可以是基本90度扇形的形式，所以其能够在任何时刻盖住接收机线圈16a或16b之一或发射机回路12的基本一半。
0066图3可以对应于某个应用，在其中耦合器元件20由汽车油门踏板的枢轴可用踏板臂(pivot able pedal arm)驱动，因此耦合器元件20的角度(或旋转)位置就是踏板位置的函数。在这一应用中，接收机信号与踏板位置相关，并且可用来控制发动机转速。
0067图4图解说明了一参考线圈，其可连同线圈12和16一起，以对称关系重叠在电路板10上面。该参考线圈如同其它线圈一样由相同的电路板来支撑，并可能位于多层电路板之内。
0068参考线圈26具有类似于接收机线圈16的结构，但其仅仅使用单独一个回路。因此，耦合器元件20的角度(旋转)位置不影响到参考线圈26内感应产生的电流。耦合器元件20大致覆盖参考线圈的一半，与参考线圈(在一定角度范围之内)的旋转位置无关，并且在线圈26中感应产生的电流的幅值基本同样与耦合器20的旋转位置无关。然而，诸如电磁干扰、激励电压变化、由温度变化产生的变化，以及耦合器元件20和印刷电路板10之间的缝隙位置变化这样的共模信号将会影响到参考线圈26中感应产生的电压，并且影响的方式与这些共模信号影响接收机线圈14中感应产生的电压的方式相同。
0069图5是电子电路的简化示意图，该电路可并入根据本发明实例的感应传感器。提供该电子电路用于处理传感器输出信号，以得到例如用于车辆发动机的控制信号。
0070振荡的交流电流源14耦合到激励线圈12。耦合器20在此为方便起见而图解说明为布置在激励线圈12和接收机线圈16及参考线圈26之间。接收机线圈16和参考线圈26的输出通过放大器44和46被传输，并分别被提供给一对乘法器48和50。乘法器48和50还接收振荡器信号14作为它们的第二输入，它们起到解调器的作用。解调乘法器48和50的输出被分别提供给一对低通滤波器(LPF)52和54。低通滤波器的输出传递到除法器56。
0071低通滤波器提取出常数参考线圈信号和来自滤波器52的大致是耦合器24位置函数的信号。通过除法器56进行的将耦合器相关信号除以参考线圈信号的操作，大致除去了共模变化，例如由于耦合器元件和印刷电路板之间的缝隙变化造成的信号电平变化、激励器电压变化、电子噪声等等。
0072除法器56的输出构成了控制信号58。在汽车的应用中，该信号可用来控制发动机的转速。可增加其它电路来在预定点处将信号增益调整为0，并调整输出信号的箝位电平的上限和下限。
0073在图1中，发射机线圈被显示为包含单匝线圈。然而，也可使用多匝。类似地，接收机线圈的第一和第二回路结构可包括多匝。
0074在示例性的汽车应用中，油门踏板机械结合到耦合器元件，以使得踏板位置控制耦合器元件的位置。例如，耦合器元件可在包容电子电路和支撑的发射机和接收机线圈的电路板平面内旋转。
0075图6显示了感应传感器的再一个实例，其包括旋转盘60，该旋转盘60具有多个导电片(patch)，例如耦合器元件62。感应传感器还包含接收机线圈64、参考线圈66以及接收机线圈68。参考线圈更为清楚地显示在图8中。
0076接收机线圈由连接到接收机线圈末端86和88的交流电流源激励。激励的接收机线圈产生电磁场，该电磁场通过感应耦合在参考线圈66和接收机线圈68中感应产生信号。发射机线圈和参考线圈及信号线圈两者之间的感应耦合通过诸如耦合器元件62的耦合器元件来修正(减少)。然而，在发射机线圈和参考线圈之间的感应耦合对于旋转的耦合器的角度位置并不敏感。相反，接收机信号对于旋转盘60的角度位置是敏感的，因此接收机信号和参考信号之比就与旋转耦合器的角度位置相关，同时也如上文所述的经过了共模因子(例如，发射机线圈和旋转盘之间的缝隙)校正。接收机信号在接收机线圈末端70和72之间获得。
0077接收机线圈的外周界包括连续的分段，例如78、74和76，在其中连续的分段交替作为第一回路结构或第二回路结构的一部分。例如，外分段74是与内分段82相同的回路结构的一部分，其通过径向轮辐80相连，所述外分段74和内分段82两者都是第一回路结构的部分，而外分段76、78以及内分段84是第二回路结构的部分。如所图解说明的，在作为第二回路结构部分的诸如80的径向轮辐之后隐蔽有第二径向轮辐，该隐蔽的轮辐是第一回路结构的部分。两个回路结构通过换向连接互连，从而在第一回路结构中的第一信号以及第二回路结构中的第二信号彼此相反，并且如果到两个回路的每一个的感应耦合相同，该两个信号可抵消。所述抵消例如当旋转的耦合器被移除时发生。在位置传感器应用中，如果旋转的耦合器元件可移到某个位置，在该位置处到一个回路结构的感应耦合减少，而到另一个回路结构的感应耦合增加，则以与耦合器元件位置相关的形式改变接收机信号。
0078在这一实例中，第一回路结构包括多个径向延伸的瓣片，所述瓣片由内分段、径向轮辐、外分段、径向轮辐、内分段等等形成。第一和第二回路结构的径向瓣片在示于图6的接收机线圈之内交替。另外，如显示在图6的实例中的，耦合器元件是一分段，其角度宽度两倍于第一或第二回路结构的径向瓣片的角度宽度。如所显示的，接收机线圈基本整个由径向导体或者与径向方向正交的元件形成。
0079图7是根据本发明的另一实例的感应传感器的简化示意图。该传感器包含接收机线圈(下文讨论)、参考线圈104、旋转耦合器103和发射机线圈100，所述旋转耦合器103具有诸如102的导电耦合器元件。
0080接收机线圈分别包含第一和第二回路结构106和108。这些回路结构为图解说明的方便而被分开。然而，如果需要，接收机线圈可包括这种分离的回路结构。图解说明于右侧的接收机线圈实际包含诸如110和112的瓣片，其具有交替的标记S和N。这种命名法指示第一和第二回路结构，它们被互连，所以流过一个瓣片的逆时针电流将作为顺时针电流流过相邻的瓣片，并在连续径向延伸的瓣片中感应产生交替方向的磁场。换句话说，当两个回路结构被暴露在来自激励的发射机线圈的电磁场中时，交叉的连接可被用来在接收机线圈中产生相反的感应电压。
0081旋转耦合器102绕轴103的旋转修正了发射机线圈100和接收机线圈的两个回路结构之间的感应耦合，但没有显著地影响发射机线圈和参考线圈104之间的感应耦合。
0082图8显示了实例参考线圈结构，其具有外匝120和两个内匝。将在本说明书其它地方更详细地讨论使用参考线圈来基本抵消共模因子的影响。通过啮合连接122将两个内匝连接到外匝，该啮合连接122避免了电导体之间的电接触。参考信号是在124处获得的感应电压。
0083图9进一步图解说明了穿过外回路126的单匝和内回路128的两匝的电流流动。参考信号将是在130处的参考电压输出，其是内回路和外回路之内的相反感应电压之和。
0084如果参考线圈被连接到电流源，则沿着内匝和外匝的电流方向将具有相反的方向，例如如图9中的箭头所图解说明的沿外匝顺时针方向，沿内匝逆时针。
0085在该实例中，参考线圈具有外径Do和内径Di。参考线圈的一般拓扑可使当移除耦合器时输出为0，这可通过以如下关系配置参考线圈来实现niDi2＝noDo2，其中ni是内匝的匝数，no是外匝的匝数。在图8和9的实例中，参考线圈具有一个外匝和两个内匝。
0086实例参考线圈是被设计用于电子油门控制应用的。在一个实例中，参考线圈的内径(2匝)为17.7mm，以及外径(1匝)为25mm。在另一个实例中，参考线圈的内径(3匝)为14.4mm，以及外径(1匝)为25mm。
0087参考信号可被认为是两个电流的和一个电流由包含内匝(一个或多个)的一个线圈产生，相反的电流由包含外匝(一个或多个)的第二线圈产生。耦合器元件阻挡了到该第二线圈外匝的部分感应耦合，导致了合成信号。然而，该合成信号基本与耦合器元件的位置无关。
0088可设计参考线圈，以使得在线圈结构的径向部分中的感应信号被抵消。
0089图10A图解说明了耦合器元件140，其例如可被支撑在旋转盘142之上。耦合器元件具有内周界、圆形圆弧以及具有外耦合器直径DCO的外周界，所述圆形圆弧具有内耦合器直径DCi，该直径对应于从旋转轴测量的弧半径的两倍。
0090图10B图解说明了接收机线圈的简化示意图。耦合器元件140对着一对接收机线圈的相邻瓣片。在该简化示意图中，并未示出接收机线圈中用于获得接收机电压的接头(tap)。交替的外分段144和146分别对应于第一和第二回路结构部分，在其中流过接收机线圈的电流以相反的方向(顺时针和逆时针)流动。如果同一电流穿过该线圈流动，则电流方向在相邻的外分段之间、也在相邻的内分段之间交替改变。径向轮辐对应于来自第一回路的导体和来自第二回路的导体，所述来自第一回路的导体将电流从内分段运载到外分段，所述来自第二回路的导体以相反的方向运载电流。接收机线圈具有分别为DRI和DRI的内接收机直径和外接收机直径。
0091根据本发明实例的感应传感器包含图10A的耦合器元件、图10B的接收机线圈，以及具有激励器直径DE的多个圆匝的发射机线圈。在本发明的实例中，内耦合器直径大约等于内接收机直径，外耦合器直径大约等于激励器直径，并且激励器直径大于(或者可大约等于)外接收机直径。耦合器、接收机线圈以及发射机线圈具有公共的中心轴。
0092图10B图解说明了具有同心的内周界和外周界的接收机线圈，每个周界都包含了弯曲的传导分段、以相反方向携带电流的交替分段。接收机线圈可包含多个这种结构的同心组件，较小结构的外径大约等于下一个大结构的内径。在其它实例中，示于图10B中的径向轮辐可以是电阻元件。
0093图11显示了接收机线圈的另一个图解说明，其中连续的外传导分段150和152以相反方向携带电流。如果电流穿过线圈，则连续的瓣片154和156产生相反的磁场。
0094在本发明的其他应用中，其它机械元件可被用于驱动耦合器。耦合器运动可以是线性的、旋转的或一个或多个方向旋转和线性运动的某个组合。
0095耦合器元件可以是将要测量其位置的可移动零件的固有部分，或者可以连接到该可移动零件，或者以其它方式被机械连接，使得耦合器元件位置与可移动零件位置相关。
双极发射机线圈0096在本发明的其它实例中，发射机线圈可被配置为如图12所示。箭头代表交流电流激励的一个循环中电流的方向。发射机线圈具有可被称之为双极的某种结构，其具有第一回路160和第二回路162，它们的内部区域分别由顺时针和逆时针电流环绕。这样，两个发射机线圈回路产生了具有相反磁通量方向的磁场。这种结构可被描述为具有两个瓣片，每个瓣片大约180度。然而，更多数目的瓣片，诸如4、6、8或其它数目都是可以使用的，以使得接收机线圈从不同的空间区域产生相反的磁通量。
0097使用如图12所示的发射机线圈，在没有耦合器元件的情况下，在接收机线圈(例如在该例子中可以是一个或多个圆形匝)中感应产生的电压可被配置到0，这是由于来自两个相反磁场的通量耦合的相反影响造成的。然而，可使用耦合器元件以选择性地阻挡来自第一或第二回路的磁通量，这导致了与耦合器位置相关的接收机信号。与上文讨论的其他实例一样，耦合器元件修正发射机线圈和接收机线圈之间的通量耦合的空间分布，导致了与耦合器位置相关的接收机信号。
0098发射机线圈可产生电磁通量，其在特定时刻具有磁场方向的空间分布，并且一耦合器元件用来修正该空间分布，使得接收机信号与耦合器位置相关。作为整体幅值的总通量耦合不需要在耦合器元件移动时改变。
其它耦合器元件结构0099耦合器元件依靠产生于耦合器元件中的涡流来阻挡发射机线圈和接收机线圈之间的感应耦合，该涡流有效地为该接收机线圈屏蔽了通量。耦合器元件不需要是盘状的。
0100图13图解说明了另一种可能的耦合器元件实例。当诸如踏板的可移动零件移动时，盘184可旋转，其具有两个布置其上的耦合器元件，它们为第一耦合器环180和第二耦合器环182的形式。通过由发射机线圈产生的磁通量，可在这些环中产生涡流，并且这些涡流有效地为接收机线圈屏蔽通量，该屏蔽方式类似于相似尺寸的传导盘(conducting plate)。因此，耦合器元件可以为传导盘、传导环或诸如有孔钻入其中的盘的其它结构的形式，例如以减少重量或允许流体通过该耦合器元件，或者是一般具有一个或多个孔(aperture)但具有至少一个传导周界环的盘。
0101在发射机线圈是圆形环，例如如图6中示出的，并且所述耦合器元件绕某一个轴旋转的实例中，所述耦合器元件可被配置以具有周界，该周界包含内圆形圆弧和外圆形圆弧，内和外圆形圆弧通过径向侧连接。在本说明书中，半径和圆形圆弧指的是以中心轴为中心的几何形状。耦合器元件周界可以是盘的外边缘，或者是例如导电回路的路线。
信号调节0102信号调节装置和方法被描述于2005年4月8日提交的申请人的联合待审美国临时专利申请第60/＿，＿号中，其标题为“SignalConditioning System for Inductive Position Sensor”。
0103在本发明的实例中，接收机信号有效地被耦合器元件位置调制，而参考信号基本与耦合器元件位置无关。接收机信号的放大，其后跟着接收机信号和激励信号(提供到发射机线圈)的相乘，这之后跟随着低通滤波，这些处理可被用来给出接收机信号，其是与耦合器元件位置相关的直流电压。类似地，参考信号也可被放大，和激励器信号相乘，以及被低通滤波以提供是直流电压的参考信号，该信号随也影响接收机信号的共模因子而变化。然后，接收机信号除以参考信号，得到比率信号，其也与耦合器元件的位置相关，但是基本上与共模因子无关。在本发明的实例中，在本段中所描述的乘法和除法步骤通过模拟电路来执行。
0104然后，如上所述的并也对应于图6中58的模拟除法器的输出可被进一步放大。输出电压的范围可被箝位到上和下平稳值(plateau value)，并且放大器增益被调整以获得所需的坡度或斜率(角度位置相对于输出电压)。可使用微调电阻器来调整增益斜率到所需数值。例如，可使用电阻器的激光微调，烧去碳带(carbon strip)以获得所需的微调电阻，或者也可在某些应用中使用传统的滑动变阻器。在汽车电子油门控制应用中，可在工厂校准期间执行一次这种微调调节。比例传感(使用了参考线圈)的使用极大地降低了对以后校准调节的需求。
0105在本发明的实例中，整个信号调节可通过模拟电路来执行。数字信号处理器并不需要。在其它实例中，比率信号可通过模拟除法来形成，但数字电路用来将信号输出调节到希望的上和下平稳值。
0106输出电压可以不完全线性依赖于位置。可定义可用的线性范围，外推到虚地(其可能相对于实地(true ground)是负电压)。比率信号可形成为(接收机信号+A)/(参考信号+B)的比率，其中参考信号和接收机信号是指例如分别通过接收机和参考信号的解调和低通滤波获得的直流电压。A和B是由于在轻微非线性响应的范围假定是线性的而造成的虚地校正。可用线性范围的宽度可由位置准确度规格(specification)来确定。校正项A和B很可能是非常接近的，并且在某些实例中，可对A和B两者使用相同数值的虚地校正。
0107可使用进一步的校准步骤来调节下和上平稳电压。后面的讨论与汽车实例有关。可使用空转平稳长度(某些小压力下气动踏板(gas pedal)的常数低平稳电压)。常数电压可被加到输出电压以获得所需的坡度位置，并且这也调节了空转平稳长度。可调节空转位置(低平稳电压)，例如使用虚地调节。例如，虚地可以是相对于底盘地大约2.5V，用于大约0-5V的电压输出范围。使用位于电路板上面的ASIC之内的可切换电阻器可实现校准，并且只需在传感器工厂制造期间被进行一次。
0108如果使用参考线圈(或差动模拟物)输出来补偿共模因子，则本发明的实例不需要存储器，例如，用于存储温度校准数据的存储器。
0109根据本发明的感应传感器包括用于汽车应用中的非接触式感应传感器，其包括使用发射机绕组、接收机绕组、可旋转的耦合器以及第三线圈的传感器。所述发射机绕组通过交流电流激励；所述可旋转耦合器连接到油门踏板，其位置与绕组有关，用于改变感应产生于接收线圈中的发射机信号振幅；所述第三线圈接收类似于接收机信号的信号，该信号基本与耦合器旋转位置无关，用于补偿所接收的信号在耦合器和线圈之间的缝隙变化以及其它共模信号。
0110根据本发明实例的感应位置传感器的其它应用包括电子悬吊(electronic suspension)控制、车辆负载重量检测、电子刹车控制、电子离合器控制、手动油门控制、一维或多维加速表(例如，通过检测由于加速引起的物体的相对惯性移动)、电子驾驶控制(例如，方向盘旋转、可调节伸缩位置是否合适，以及轮子角度)、胎压传感器(例如，检测由于压力引起的位移)、偏航(yaw)，颠簸(pitch)和摇晃(roll)控制、座椅位置检测，以及旋转速度(在本发明的一些实例中)。根据本发明实例的发动机转速(油门)控制包括船舶发动机转速控制、飞机引擎转速控制、任何类型车辆的手动控制，等等。
0111本发明的实例可在小线性标度上制造，诸如微尺度，例如如MEM结构，并且可被用在微电子系统、微流动控制、计算机存储器驱动控制等等方面。
0112在本发明的其它实例中，耦合器元件可包括传导流体、流动材料或其它可变形的材料。本发明的实例可被用来确定传导材料的分布，例如接近发射机和接收机线圈的传导材料的范围。
0113在其它实例中，参考线圈和接收机线圈可被集成到单一的结构中。可提供切换来切换接收机线圈配置到参考线圈，并可再次返回接收机线圈配置。特定的传感器应用需要冗余的传感器元件。这样，传感器可能包括两个或多个发射机线圈、接收机线圈，以及参考线圈。
0114本发明并不限于上文说明的实例。实例并无意限定本发明的范围。在此描述的方法、装置、合成物等等都是示例性的，并无意作为对本发明范围的限定。本领域技术人员可以想到其中的变化和其它使用。本发明的范围由所附权利要求来定义。
0115在本说明书中提到的专利、专利申请或公开在此以引用的方式并入本文，就如同每个单独的文件是特定地和单独地指示以引用方式并入本文一样。具体来说，2004年4月9日提交的美国临时专利申请第60/561,065号；2004年4月9日提交的第60/561,007号；2004年8月2日提交的第60/589,192号、2005年4月7日提交的第60/＿＿，＿＿号，以及2005年4月8日提交的第60/＿＿，＿＿号，均在此全部并入本文。
0116在描述了我的发明后，我要求保护所附的权利要求限定的范围。
权利要求
1.一种用于确定可移动零件的零件位置的装置，其包括发射机线圈，当所述发射机线圈受到电能源激励时，所述发射机线圈产生电磁辐射；接收机线圈，其靠近所述发射机线圈放置，当所述发射机线圈被激励时，所述接收机线圈由于所述接收机线圈和所述发射机线圈之间的感应耦合而产生接收机信号；以及耦合器元件，该耦合器元件是可移动的并且具有与所述零件位置相关的耦合器元件位置，所述耦合器元件修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合，使得所述接收机信号与所述零件位置相关。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述耦合器元件包括金属盘。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述接收机线圈包括第一回路结构和第二回路结构，所述第一回路结构和第二回路结构具有相反的绕组方向。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述发射机线圈包括第一回路结构和第二回路结构，所述第一回路结构和第二回路结构具有相反的绕组方向。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述发射机线圈和所述第一回路结构之间的感应耦合产生第一信号，所述发射机线圈和所述第二回路结构之间的感应耦合产生第二信号，所述接收机信号是所述第一信号和所述第二信号的组合。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述接收机信号具有的接收机信号的幅值是所述第一信号的幅值和所述第二信号的幅值之差。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一和第二信号的相位相反，所述接收机信号是所述第一信号和所述第二信号之和。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述耦合器元件位置是所述耦合器元件的角度位置，所述耦合器元件的旋转修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述接收机线圈包括第一回路结构和第二回路结构，所述感应耦合在所述第一回路结构中产生第一电压和在所述第二回路结构中产生第二电压，其中所述耦合器元件的旋转修正所述第一电压和所述第二电压之比。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一回路结构和所述第二回路结构两者都是径向延伸的瓣片。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述零件位置是踏板的位置，所述踏板的运动被机械地耦合到所述耦合器的角度位置。
12.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括参考线圈，当所述发射机线圈被激励时，由于所述发射机线圈和所述参考线圈之间的第二感应耦合，所述参考线圈产生参考信号，所述第二感应耦合与所述耦合器元件位置基本无关。
13.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括电子电路，该电路可工作以形成比率信号，所述比率信号是所述参考信号和所述接收机信号之比，所述比率信号被用来确定所述零件位置。
14.一种用于确定可移动零件的零件位置的装置，其包括发射机线圈，当所述发射机线圈受到电能源激励时，所述发射机线圈产生电磁辐射；接收机线圈，其靠近所述发射机线圈放置，当所述发射机线圈被激励时，所述接收机线圈由于所述接收机线圈和所述发射机线圈之间的感应耦合而产生接收机信号；参考线圈，当所述发射机线圈被激励时，由于所述接收机线圈和所述参考线圈之间的第二感应耦合，所述参考线圈产生参考信号；以及耦合器元件，该耦合器元件是可移动的并且具有与所述零件位置相关的耦合器元件位置，所述耦合器元件修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合，使得所述接收机信号与所述零件位置相关，所述参考信号与所述耦合器元件位置基本无关，使用所述接收机信号和所述参考信号来确定所述零件位置，所述参考信号用于补偿所述接收机信号中与所述耦合器位置不相关的变化。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述可移动零件包括电子油门控制的踏板臂，所述装置进一步包括向发动机提供速度控制的电子电路。
16.根据权利要求14所述的装置，所述装置提供比率信号，所述比率信号通过代表所述接收机信号的接收机电压和代表所述参考信号的参考电压的除法运算获得。
17.根据权利要求16所述的装置，所述除法是模拟除法。
全文摘要
一种用于定位传感的感应位置传感器，其包括发射机线圈和接收机线圈。当所述发射机线圈受到交流电流源激励时，所述接收机线圈产生接收机信号。可移动的耦合器元件修正所述发射机线圈和所述接收机线圈之间的感应耦合，使得所述接收机信号对于所述耦合器元件位置敏感。例如，所述耦合器元件可绕发射机线圈和接收线圈的公共中心轴旋转。在其他实例中，配置参考线圈，以使得提供的参考信号对于所述耦合器元件角度位置的变化是基本不敏感的。所述接收机信号和参考信号之比对于所述耦合器元件位置是敏感的，但对于那些以基本相同程度影响参考信号和接收机信号的共模因子基本不敏感。
文档编号B60K26/00GK1950676SQ200580014519
公开日2007年4月18日 申请日期2005年4月11日 优先权日2004年4月9日
发明者李重圭 申请人:Ksr国际公司