专利名称：感应式位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及位置传感器，更具体地涉及感应式位置传感器。
背景技术：
在机动车辆中，传统上油门踏板通过缆线机械连接到发动机油门。但是，在更现代 的车辆中，油门位置传感器被机械连接到踏板上，并产生指示油门踏板位置的电输出信号， 该位置随着驾驶员踩下油门踏板而变化。这种系统有时被称为“电传操纵(fly by wire)“ 系统。在一种先前已知类型的油门位置传感器中，该传感器包含通常形成在印刷电路板 上的环形缠绕的发射器线圈。该发射器线圈被高频交流源激励，从而该发射器线圈产生电 磁辐射。尽管发射器线圈通常被布置成环形模式，但作为替代也可以使用其它模式配置。接收器线圈也被形成在印刷电路板上且距离发射器线圈非常近。该接收器线圈通 过电感耦合接收来自发射器线圈的电磁辐射，并且产生输出信号作为从发射器线圈接收到 的信号的结果。但是，与发射器线圈不同，接收器线圈包含在平面上看来沿相反方向缠绕的第一 线匝/回路(loop)和第二线匝。因此，发射器线圈和接收器线圈第一线匝之间的电感耦合 产生一电压，该电压的极性与发射器线圈和接收器线圈第二线匝之间的电感耦合所产生的 电压的极性相反。因此接收器输出是来自发射器线圈的彼此串联的第一线匝和第二线匝的 信号的结合或总和。为了产生代表油门位置的输出信号，耦合器元件可转动地安装在油门位置传感器 中并随着油门踏板的踩下和释放同步地转动。此外，该耦合器元件是由导电材料(比如金 属)构建成的，以消除从发射器线圈接收到的磁通量。耦合器元件覆盖发射器线圈的一部分和接收器线圈的一部分。因此，在发射器线 圈被激励时，随着耦合器元件的转动，发射器线圈与接收器线圈的第一线匝和第二线匝的 电感耦合被改变。这一可变的电感耦合因而产生来自接收器线圈的电压输出，该电压输出 指示耦合器元件的角位置并因此指示油门踏板的位置。为了从这些先前已知的油门位置传感器中得到准确的信号，重要的是耦合器元件 与发射器线圈和接收器线圈同心，并且耦合器元件与发射器线圈和接收器线圈之间的间隔 在耦合器元件的整个运动中保持恒定。但是，由于制造油门位置传感器时的制造公差，耦合 器元件经常与发射器线圈和接收器线圈不是精确同心的和/或耦合器元件与发射器线圈 和接收器线圈之间的间隔在耦合器元件的枢轴运动过程中稍微有些改变。耦合器元件与发射器线圈和接收器线圈之间的这种同心性缺失以及耦合器元件与发射器线圈和接收器线 圈之间的间隔在耦合器元件转动过程中的变化将改变发射器线圈与接收器线圈的第一线 匝和第二线匝之间的电感耦合，从而在同样的角位置下产生来自接收器线圈的输出信号， 该输出信号与来自具有精确定位的耦合器元件的油门位置传感器的输出信号不同。
发明内容
本发明提供一种油门位置传感器，其克服了先前已知的油门位置传感器的上述缺
点O总体上，本发明的油门位置传感器包含优选缠绕成环形结构的发射器线圈。该发 射器线圈由高频交流电源激励，从而当该发射器线圈被激励时产生电磁辐射。此外该发射 器线圈优选被形成在印刷电路板上。接收器线圈也被形成在印刷电路板上且距离发射器线圈非常近。但是与发射器线 圈不同的是，接收器线圈包含彼此串行互连的四个不同的线圈部分。这四个不同的线圈部 分包含相对地缠绕的第一线匝和第二线匝以及两个相对地缠绕的补偿线圈。接收器线圈的第一线匝位于发射器线圈的第一部分周围，而类似地，接收器线圈 的第二线匝位于发射器线圈的直径上相对的第二部分周围。第一补偿线圈位于发射器线圈 的第一部分内部但是沿第二方向(即与接收器线圈的第二线匝相同的方向)缠绕。相反， 第二补偿线圈位于发射器线圈的第二部分内部但是沿第一方向(即与接收器线圈的第一 线匝相同的方向)缠绕。接收器线圈第一线匝和第二线匝以及第一补偿线圈和第二补偿线圈被定位为足 够靠近发射器线圈，从而与发射器线圈感应地耦合。但是，由于第一线匝和第二线匝与第一 补偿线圈和第二补偿线圈彼此串行连接/串联，因此来自接收器线圈的第一线匝和第二线 匝与第一补偿线圈和第二补偿线圈的电压总和构成了来自油门位置传感器的输出信号。耦合器元件相对于发射器线圈和接收器线圈可移动地定位，并改变发射器线圈和 接收器线圈之间的作为耦合器元件的角位置的函数的电感耦合。优选地，该耦合器元件被 安装成可绕着与发射器线圈和接收器线圈的轴线同心的轴线转动。此外，耦合器元件被成 形为使得耦合器元件的转动改变耦合器元件覆盖接收器线圈的第一线匝和第二线匝的程 度，从而改变来自接收器线圈的输出信号。在实践中，接收器线圈的第一补偿线圈和第二补偿线圈补偿耦合器元件旋转轴与 发射器线圈和接收器线圈的轴线的对准误差，并补偿耦合器元件与发射器线圈和接收器线 圈之间的间隔变化。如随后将更详细地描述，接收器线圈的第一补偿线圈和第二补偿线圈 将补偿耦合器元件与发射器线圈和接收器线圈的小的不对准以及耦合器元件与发射器线 圈和接收器线圈之间的间隔变化。例如，由于耦合器元件的不对准导致的发射器线圈与接 收器线圈的第一线匝之间的电感耦合的减小会被沿着与接收器线圈的第二线匝相同的方 向缠绕的第一补偿线圈之间的电感耦合的减小所抵消。反之亦然。
通过参考结合附图来阅读的详细描述，将会更好地理解本发明，在整个一系列视 图中类似的参考符号指示类似的部件，且其中
4
图1是图示说明本发明的优选实施例的平面示意图，为了清晰起见移除了一些部 件；图2是类似于图1的视图，但是图示说明设置在发射器线圈和接收器线圈之上的 耦合器元件；图3是类似于图2的视图，但是图示说明相对于传感器的轴线不对准的耦合器元 件；以及图4是图示说明本发明的位置传感器的侧视图，其中耦合器元件相对于发射器线 圈和接收器线圈倾斜。
具体实施例方式首先参照图1，这里示意性图示出根据本发明的油门位置传感器10。该油门位置 传感器10包含印在印刷电路板13上的发射器线圈12。发射器线圈12包含至少一个且优 选若干个环形线匝(loop)，这些线匝围绕传感器10的轴线14基本上同心地形成。一个高频交流电源16与发射器线圈12的端子电连接。因而，当高频交流电源16 被启动时，发射器线圈12产生在高频交流电源16的频率上的电磁辐射。接收器线圈20同样印在印刷电路板13上，且该接收器线圈20具有形成来自传感 器10的输出信号的两个端子22和24。接收器线圈20包含第一线匝26。该第一线匝围绕 发射器线圈12的大约一半的外周界沿第一方向缠绕。接收器线圈20的第二线匝28围绕 发射器线圈12的外周界沿与第一方向相反的第二方向缠绕，并且处于在直径上与第一线 匝26相对的位置。接收器线圈还包含第一补偿线圈30，该第一补偿线圈位于发射器线圈12的内部 并且与第一线匝26在发射器线圈12的同一半上。但是，这一补偿线圈30是沿与接收器线 圈的第二线匝28相同的方向缠绕的，因此与接收器线圈的第一线匝20的方向相反。类似 地，第二补偿线圈32位于发射器线圈12内部并且在直径上与第一补偿线圈30相对。这一 第二补偿线圈32沿与接收器线圈20的第一线匝26相同的方向缠绕，因此与接收器线圈20 的第二线匝28的方向相反。线匝26和28以及补偿线圈30和32都围绕传感器10的轴线14同心地形成在印 刷电路板13上。此外，接收器线圈20的第一线匝26和第一补偿线圈30实质上形成了接 收器线圈20的第二线匝28和第二补偿线圈32的镜像。接收器线圈20的线匝26和28以及补偿线圈30和32被印在印刷电路板13上。 此外，第一线匝26和第二线匝28以及第一补偿线圈30和第二补偿线圈32彼此串行连接 /串联，从而整个接收器线圈20由具有两个端子22和24的线路构成。因为接收器线圈20的线匝26和28是彼此相反缠绕的，所以由发射器线圈12在 线匝20和28中感应出的电压在极性上彼此相反。同理，因为补偿线圈30和32也是相反 缠绕的，由发射器线圈12在被激励时在补偿线圈30和32中感应出的电压也在极性上彼此 相反。类似地，接收器线圈20的第一线匝26上的电压的极性与第一补偿线圈30上的感应 电压相反，而接收器线圈20的第二线匝28上的电压的极性与第二补偿线圈32上的感应电 压相反。因此，在接收器线圈20的输出端子22和24上的电压等于在接收器线圈20的第 一线匝26和第二线匝28以及第一补偿线圈30和第二补偿线圈32上的感应电压之和。
现在参照图2，耦合器元件40围绕传感器外壳的轴线14可转动地安装到传感器 10上。这一耦合器元件40是由响应于反射器线圈12产生的电磁辐射而产生涡流的材料 (比如金属)构建成的。如图2所示，耦合器元件40包含半圆形部分42，该部分覆盖接收器线圈20的第一 线匝26的一部分和第二线匝28的一部分。耦合器元件42还包括当耦合器元件40与传感 器10的轴线14精确同心时完全覆盖补偿线圈30和32的圆形部分44。因此，耦合器元件依据耦合器元件40相对于传感器10的角位置来改变发射器线 圈12与接收器线圈20的第一线匝26和第二线匝28之间的电感耦合。耦合器元件40机 械连接到车辆的油门踏板41，从而耦合器元件40的角位置随着油门踏板41的位置成比例 地变化。例如，图2所示的耦合器元件40被显示为处于中性位置，其中耦合器元件40的半 圆形部分42覆盖接收器线圈20的第一线匝26和第二线匝28的均等部分。因此，在这一 位置上，发射器线圈12在第一线匝26上感应的电压将与在接收器线圈20的第二线匝28 上感应的电压大小相等但是极性相反。这样，在接收器线圈20的输出端子22和24之间的 感应电压将为零。但是，如果耦合器元件40被转动，例如沿顺时针方向转动，则发射器线圈 12与接收器线圈20的第一线匝26之间的电感耦合将增加，同时发射器线圈12与接收器线 圈20的第二线匝28之间的电感耦合将减小。这样继而在接收器线圈的输出端子22和24 之间产生一电压，该电压的量值与耦合器元件40围绕传感器轴线14的角位置成比例地变 化。当耦合器元件40被精确地安装成与传感器10的轴线14同心时，耦合器元件40 的圆形部分44完全且均等地覆盖补偿线圈30和32。这样，由发射器线圈12在第一补偿 线圈30上感应的电压与发射器线圈在第二补偿线圈32上感应的电压大小相等但是极性相 反。因此，来自两个线圈30和32的感应电压互相抵消。但是，由于制造公差，耦合器元件40并不总是与传感器10的轴线精确地对准。接 着参考图3，这里放大示出了传感器10，其中耦合器元件40与外壳轴线14不同心，而是被 安装于偏离轴线14 一个小量X的轴线50上，这在图3中放大示出。由于图3中可见的耦 合器元件40的向右偏移，耦合器元件40不再遮盖接收器线圈20的全部第一线匝26，因而 减小了耦合器元件40对第一线匝26的影响。但是，同时耦合器元件40对第一补偿线圈30 的影响也减小，因而由发射器线圈12在接收器线圈20的第一线匝26上感应的电压与在第 一补偿线圈30上感应的电压都增加。但是由于接收器线圈20的第一线匝26与第一补偿 线圈30相反缠绕，第一线匝26上的感应电压的增加被第一补偿线圈30上相反极性的感应 电压的增加自动抵消，从而消除或者至少最小化由于耦合器元件轴线相对于传感器外壳轴 线14的不对准所导致的对接收器线圈端子22和24上的输出电压的影响。现在参见图4，在耦合器元件40相对于发射器线圈和接收器线圈12倾斜的情况 下，如图4中放大所示，耦合器元件40对接收器线圈20的第一线匝26的增大的影响被耦 合器元件40对第一补偿线圈30的增大的影响抵消。同样，由于第二接收器线匝28与第二 补偿线圈32之间相对于耦合器元件40的增大的间隙，耦合器元件40对接收器线圈20的 第二线匝28的减小的影响被耦合器元件40对第二补偿线圈32的减小的影响抵消。从前述内容可知，本发明提供一种位置传感器，特别适用作油门位置传感器，其提供对耦合器元件的不对准和耦合器元件相对于发射器线圈和接收器线圈的倾斜的自动补 偿。虽然己经描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，在不背离由随附权利要求的范 围所限定的本发明的宗旨情况下，许多变化是显而易见的。
权利要求
一种位置传感器，其包括环形发射器线圈，其在被电源激励时产生电磁辐射，接收器线圈，其具有围绕所述发射器线圈的第一部分沿第一方向缠绕的第一线匝、围绕所述发射器线圈的直径上相对的第二部分沿与所述第一方向相反的第二方向缠绕的第二线匝、在所述发射器线圈的所述第一部分内部沿所述第二方向缠绕的第一补偿线圈和在所述发射器线圈的所述第二部分内部沿所述第一方向缠绕的第二补偿线圈，所述第一线匝、所述第二线匝、所述第一补偿线圈和所述第二补偿线圈串联在一起，当所述发射器线圈被激励时，由于所述发射器线圈和所述接收器线圈之间的电感耦合，所述接收器线圈产生电输出信号，以及可动式耦合器元件，其改变所述发射器线圈和所述接收器线圈之间的电感耦合，所述电感耦合是所述耦合器元件的位置的函数，从而改变当被所述发射器线圈激励时来自所述接收器线圈的电输出信号。
2.根据权利要求1所述的发明，其中所述发射器线圈被形成在印刷电路板上。
3.根据权利要求1所述的发明，其中所述接收器线圈被形成在印刷电路板上。
4.根据权利要求1所述的发明，其中所述耦合器元件是金属的并且可相对于所述发射 器线圈转动。
5.根据权利要求1所述的发明，其中所述耦合器元件可相对于所述发射器线圈围绕一 轴线转动。
6.根据权利要求1所述的发明，其中所述发射器线圈包含多个同心环形线匝。
全文摘要
本发明涉及一种位置传感器，该位置传感器具有环形发射器线圈，该发射器线圈在被交流电源激励时产生电磁辐射。接收器线圈具有围绕发射器线圈的一部分沿第一方向缠绕的第一线匝以及围绕发射器线圈的直径上相对部分沿与第一方向相反的第二方向缠绕的第二线匝。此外，接收器线圈包含在发射器线圈的第一部分内部沿第二方向缠绕的第一补偿线圈以及在发射器线圈的第二部分内部沿第一方向缠绕的第二补偿线圈。接收器线圈的第一线匝、第二线匝和第一补偿线圈、第二补偿线圈彼此串行电连接。可动式耦合器元件改变发射器线圈和接收器线圈之间的作为耦合器位置的函数的电感耦合，从而改变当被发射器线圈激励时来自接收器线圈的电输出信号。
文档编号G01D5/20GK101939615SQ200880126503
公开日2011年1月5日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者G·Y·金 申请人:Ksr科技公司