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，通过所述旋转角度传感器例如能够确定轴和一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，其中，使磁体转动通过相应的磁场传感器。对磁场矢量的测量则允许推导出旋转角度。这样的传感器也对外部磁场作出反应，所述外部磁场例如可以通过相邻布置的电流缆线的电流引起并且是对干扰非常敏感的。

另一种旋转角度传感器利用涡电流效应。在此，例如使金属目标运动通过传感器线圈，所述传感器线圈被供以交流电压并且在该目标中感应涡电流。这导致传感器线圈的感应系数降低并且允许通过频率改变推导出旋转角度。例如，线圈为震荡回路的组成部分，所述震荡回路的谐振频率在感应系数改变时移动。然而，这种旋转角度传感器可以相对于安装公差(主要是目标的倾斜)具有高的横向灵敏性。通过外部电磁场产生的频率也会被干扰(锁相，injectionlocking)，因为通常以数十mhz范围内的频率工作。

由文献us7191759b2，us7276897b2，ep0909955b1，us6236199b1和ep0182085b1还已知基于耦合的线圈的旋转角度传感器。在这些文献中，在激励线圈中构建交变电磁场，所述交变电磁场耦合到多个接收线圈中并且在那里分别感应一电压。为了测量旋转角度，使用能转动地支承的、能导电的目标，所述目标根据其角度位置影响激励线圈和接收线圈之间的感应耦合。在ep0909955b1和us6236199b1中，短路的平面导体环位于目标上，所述导体环与激励线圈的交变电磁场交互作用。

技术实现要素：

本发明的实施方式能够以有利的方式实现，以这样的方式和方法确定轴和一另外的构件之间的旋转角度，使得外部干扰和/或构件公差对测量仅产生小的影响。

本发明涉及一种旋转角度传感器，所述旋转角度传感器尤其能够在具有高的电磁干扰场的周围环境中使用。旋转角度传感器例如可以在车辆的发动机室中或者发动机室附近使用，例如用于确定节流阀位置、bldc-马达的转子位置、驾驶踏板位置或者凸轮轴位置。下面所述的旋转角度传感器成本有利，需要小的安装空间，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；相对于定子元件能转动地支承的、具有相互电连接的转子接收线圈和转子发射线圈的转子元件；其中，所述转子接收线圈与定子发射线圈以感应的方式耦合，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电流，该电流流过转子发射线圈，使得转子发射线圈产生一另外的电磁场；并且其中，至少一个定子接收线圈与转子发射线圈以感应的方式耦合，从而感应耦合与定子元件和转子元件之间的旋转角度有关，并且由转子发射线圈产生的电磁场在至少一个定子接收线圈中感应至少一个与角度有关的交变电压。

控制单元(所述控制单元例如可以被布置在定子元件上)可以给定子发射线圈供以交变电流，使得定子发射线圈产生电磁场，该电磁场在转子接收线圈中又产生交变电流。以这样的方式将能量从定子元件经由电磁场传递给转子元件。然后转子接收线圈中感应的电流被用于给转子发射线圈通电，例如其方式为将转子发射线圈直接与转子接收线圈连接，并且转子接收线圈的电流也直接流过转子发射线圈。然后转子发射线圈产生一(另外的)电磁场，该电磁场在至少一个定子接收线圈中产生交变电流。定子元件也可以承载多个定子接收线圈。

转子发射线圈与一个或者多个定子接收线圈之间的感应耦合与转子元件和定子元件之间的旋转角度有关。这可以例如通过线圈不同大小的重叠(沿转动轴线的观察方向)和/或通过线圈绕组(windungen)不同程度的重叠来实现。在一个或者多个定子接收线圈中感应的交变电流可以根据旋转角度而具有与定子发射线圈中的供应交变电流不同地高的振幅和/或不同的相位。例如通过测量或者求取该相位和/或振幅，控制单元能够确定旋转角度。

也可以承载控制单元(例如ic)的定子元件可以在几何结构方面例如相对于一轴的端部布置，定子元件固定在所述端部上。定子元件可以包括例如具有定子发射线圈和至少一个定子接收线圈的定子电路板。转子元件可以承载目标或者说具有转子接收线圈和转子发射线圈的转子电路板，该目标或者说该转子电路板与轴携同运动。

附加地，转子发射线圈具有反向延伸的绕组。至少一个定子接收线圈也具有反向延伸的绕组，这些反向延伸的绕组实施为用于产生相反定向的电磁场。

在此应理解为，一个线圈可以具有由多个导体环构建的一个导体。一个导体环可以是分别将被线圈绕转的面几乎完全环绕一次的导体的一个区段。

一个线圈(例如转子发射线圈和/或定子接收线圈)还可以具有从轴向视角来看(即以沿转子元件的转动轴线的视角方向)不重叠的多个绕组。

在此，一个绕组可以包括线圈的一个导体环或者多个导体环，所有导体环均环绕被线圈绕转的相同的面。绕组可以在基本上正交于转子元件转动轴线延伸的平面中延伸。一个线圈的两个不同的绕组通常不相互重叠。

对于每个线圈而言(转子发射线圈和/或定子接收线圈)，被一定向的绕组绕转的面可以等于被一另外的定向的绕组绕转的面。

反向延伸地定向的绕组导致线圈中的基本上均匀的外部场基本上不会感应电流。这一方面适用于由定子发射线圈产生的场，也适用于例如可以通过附近电导线产生的外部干扰场。

转子发射线圈和定子接收线圈(多个定子接收线圈)的绕组还可以根据旋转角度而不同程度地重叠。以这样的方式，线圈在不同的旋转角度下不同程度地耦合，由此，可以由在一个或者多个定子接收线圈中感应的电流导出旋转角度。

根据本发明的实施方式，转子元件具有变频器，所述变频器接通在转子接收线圈和转子发射线圈之间并且实施为用于将来自转子接收线圈中的交变电流转变成一另外的频率的、用于转子发射线圈的交变电流。在感应交变电流被导入到转子接收线圈之前，该交变电流可以在转子元件中被整流并且然后被逆变到一另外的频率上(变频器)。所产生的电磁场和在至少一个定子接收线圈中感应的电流此时具有与用于给定子发射线圈通电的交变电流不同的频率。一方面可以通过整流抑制转子接收线圈中感应的干扰电流。另一方面从定子元件到转子元件的能量传递与测量频率脱耦。

包括变频器(例如无源整流器和可控逆变器)的电子电路可以完全通过转子接收线圈的电流来运行。换言之，逆变器的控制装置也可以通过该电流来运行。

电子电路还可以包括用于转子元件自检的部件，所述部件例如可检测转子元件上两个线圈的阻抗，以便检测其是否受损。

根据本发明的实施方式，转子元件具有电容器，所述电容器与转子接收线圈和/或转子发射线圈形成震荡回路。如果通过具有其谐振频率的电磁场激励震荡回路(lc谐振回路)，则产生高效的能量传递，因而在转子接收线圈中产生大的电流进而也在转子发射线圈中产生大的电流。由此，在至少一个定子接收线圈中也感应高的交变电流。用于给定子发射线圈通电的交变电压的频率则可以处于震荡回路的谐振频率范围内。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈和/或转子接收线圈在一匝(windung)中围绕转子元件的一转动轴线。定子发射线圈和/或转子接收线圈两者均可以基本上为圆形的发射线圈，所述发射线圈的中心点可以处于转动轴线附近。两个线圈均可以包括一个或者多个导体环。转动轴线可以与两个线圈的平面重心叠合。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈完全围绕至少一个定子接收线圈。定子接收线圈(多个定子接收线圈)和尤其是所述定子接收线圈的绕组可以布置在定子发射线圈内部。转子接收线圈也可以完全围绕转子发射线圈和尤其是所述转子发射线圈的绕组。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈与转子接收线圈之间的感应耦合与角度无关。替代地或者附加地，定子发射线圈和转子接收线圈可以沿轴向方向重叠。这例如在基本上圆形的、沿轴向方向重叠的线圈中是这样的情况。两个线圈沿轴向方向至少部分地重叠，可以如此理解为，当沿轴向方向观察两个线圈时，两个线圈至少部分地重叠。这也可以如此理解为，两个线圈在沿轴向方向投影到正交于轴向方向的平面上时至少部分地重叠。

根据本发明的实施方式，至少一个定子接收线圈和/或转子发射线圈具有偶数个绕组。如果有同样多分别不同定向的、分别绕转相同面的绕组，那例如基本上均匀的干扰磁场则不会感应电流。

在一情况中，定子接收线圈(多个定子接收线圈)的几何结构基本上可以相当于转子发射线圈的几何结构。定子接收线圈(多个定子接收线圈)和转子发射线圈可以具有相同数量的绕组。但是也可能的是，定子接收线圈(多个定子接收线圈)和转子发射线圈具有不同数量的绕组。

一个定子接收线圈可以例如具有两个绕组，两个反向延伸的绕组均可以绕转一半圆形的面。

根据本发明的实施方式，定子元件包括两个相互成90°错开的定子接收线圈、三个相互成120°错开的定子接收线圈或者一般而言n个相互成360°/n错开的定子接收线圈，其中，n为大于1的整数。在每个定子接收线圈有两个绕组的情况下，以这样的方式能够实现最大的角度分辨率。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈、一个或者多个定子接收线圈、转子接收线圈和/或转子发射线圈为平面线圈。在此，一个平面线圈理解为一个线圈，所述线圈的绕组基本上全部处于一个平面中。平面线圈可以例如具有它的直径仅1％的高度。

根据本发明的实施方式，定子发射线圈和/或一个或者多个定子接收线圈被布置在定子元件的定子电路板上和/或定子电路板中。转子发射线圈和/或转子接收线圈也可以被布置在转子元件的转子电路板上和/或转子电路板中。例如相应的线圈的绕组可以全部被安置在定子电路板的两侧上。在电路板具有多平面的情况下，绕组也可以在电路板内部延伸。相应的电路板也可以承载用于控制单元的构件和/或ic(即集成电路)或者asic(即专用集成电路)、用于震荡回路的电容器和/或变频器。

根据本发明的实施方式，旋转角度传感器还包括控制单元，所述控制单元实施为用于给定子发射线圈供以交变电压并且用于感测至少一个定子接收线圈中感应的至少一个交变变流，并由所述交变电流确定定子元件和转子元件之间的旋转角度。控制单元能够测量定子接收线圈中交变电流的相位和/或振幅，并从中例如确定定子接收线圈中交变电流之间的相移。然后能够由相移计算旋转角度。

根据本发明的实施方式，控制单元实施为用于由感应的交变电流确定定子元件和转子元件之间的轴向间距。除了当前旋转角度之外，也可以确定两个元件之间的间距(例如通过关于时间的平均值)，以便如此减少确定角度时的系统误差。

附图说明

下面参照附图阐述本发明的实施方式，其中，附图和说明均不作为对本发明的限制。

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2a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在第一相对位置中的定子元件和转子元件。

图2b示意性示出图2a中的在第二相对位置中的定子元件和转子元件。

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的一替代实施方式。

图4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的一替代实施方式。

图5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的一替代实施方式。

图6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的一替代实施方式。

图7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的一替代实施方式。

图8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的一替代实施方式。

图9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的一替代实施方式。

附图仅为示意性的而非根据尺寸比例。附图中相同的参考标记表示相同或功能相同的特征。

具体实施方式

图1示出包括定子元件12和转子元件14的旋转角度传感器10。转子元件14可以固定在构件例如节流阀、马达、凸轮轴、驾驶踏板等的轴16上或者由所述轴16提供。轴16能够围绕轴线a转动，并且定子元件12沿相应的轴向方向与转子元件14相对置。例如定子元件12固定在构件的壳体上。

定子元件12包括定子电路板18，在所述电路板上布置有定子发射线圈20和多个定子接收线圈22。定子电路板18可以是多层的定子电路板18，并且线圈20，22的导体可以处于电路板18的两侧上且处于电路板18的各层之间。用于控制单元24的另外的构件可以处于定子电路板18上。控制单元24可以给定子发射线圈20供以交变电压(例如介于1mhz和20mhz之间)，并且在每个定子接收线圈22中可以求取感应交变电压。控制单元24可以基于这些测量确定定子元件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上布置有转子接收线圈28和转子发射线圈30。转子电路板26可以是多层的电路板，并且线圈28、30的导体可以处于转子电路板26的两侧上且处于转子电路板26的各层之间。另外的构件可以处于转子电路板26上，如参照图4和5进一步阐释的那样。

图2a示出相互布置在第一角度位置中的定子元件12和转子元件14。定子元件12和转子元件14可以安装在图1中的旋转角度传感器10中，为了图解的目的，在图2a中已将其彼此翻转，从而能够以俯视图示出两个元件12，14。两个元件12，14的轴线通常应该相同。

定子发射线圈20基本上为圆形，并且完全围绕定子接收线圈22a，22b，其中，轴线a是定子发射线圈20的中心点。第一和第二定子接收线圈22a，22b相互成90°错开，并且分别具有两个反向延伸的绕组32a，32b(仅在线圈22a中的设有参考标记)。绕组32a，32b中的每个绕组为半圆形。绕组32a相对于绕组32b(参考电流)反向延伸地定向。两个绕组32a，32b绕转相同的面。定子接收线圈22a，22b可以具有相同的几何结构。

转子接收线圈28基本上也为圆形，并且完全围绕转子发射线圈30，其中，轴线a是定子发射线圈20的中心点。转子接收线圈28和转子发射线圈30的通过它们的端部相互电连接。转子接收线圈28可以与定子发射线圈20一样绕转相同的面，并且/或者与所述定子发射线圈相对于转动轴线a对准。定子发射线圈20和转子接收线圈28的几何结构可以是相同的。

转子发射线圈30具有两个分别为半圆形的反向延伸的绕组34a，34b。第一绕组34a相对于第二绕组34b(参考电流)反向延伸地定向。两个绕组32a，32b均绕转相同的面。定子接收线圈22a，22b和转子发射线圈30的几何结构也可以是相同的。特别是定子接收线圈22a，22b的绕组32a，32b可以如转子发射线圈30的绕组34a，34b一样地构建。

当控制单元24以交变电压加载定子发射线圈20时，产生交变电磁场，该交变电磁场可以被转子接收线圈28接收并且在那里感应一电压，该电压产生电流。为此，可以例如如此选择定子电路板18和转子电路板26之间的间距，使得定子电路板18处于转子电路板26的附近场中。

定子发射线圈20的电磁场在定子接收线圈22a，322b和转子发射线圈30中由于反向延伸的绕组32a，32b或者说34a，34b而基本上不能感应电流。在转子接收线圈28中感应的电流也流过转子发射线圈30，由此，该转子发射线圈通过其绕组34a，34b产生两个相反定向的交变电磁场。

这些交变场在定子接收线圈22a，22b中感应交变电流，该交变电流对于每个转子接收线圈22a，22b而言与定子元件12相对于转子元件14的相对旋转角度有关。如果定子接收线圈22a，22b具有与转子发射线圈30相同的几何结构，并且/或者如果定子接收线圈22a，22b的右转和左转绕组32a，32b的数量与转子发射线圈30的右转和左转绕组34a，34b相同，则能够获得强烈的信号。

在图2a中，定子元件12和转子元件14如此定向，使得转子发射线圈30在第一定子接收线圈22a中感应最大交变电流，而在第二定子接收线圈22b中不感应或者几乎不感应交变电流。其原因在于，定子接收线圈22a的绕组32a，32b和转子发射线圈30的绕组34a，34b分别最大程度地重叠，而在线圈30，22b中绕组分别仅一半重叠且感应电流彼此抵消。

在图2b中情况相反，定子元件12和转子元件14如此定向，使得转子发射线圈30在第二定子接收线圈22b中感应最大交变电流，而在第一定子接收线圈22a中不感应或者几乎不感应交变电流。

图3示出转子元件14的一另外的可行设计。在此，转子接收线圈28具有多个导体环，这些导体环可以全部在一个平面中延伸。转子接收线圈28可以具有螺旋形的设计。

图4示出转子元件14的一另外的实施方式，其中，变频器36接通在转子接收线圈28和转子发射线圈30之间。

变频器36可以由一电子电路来提供，所述电子电路例如在转子电路板26上的一ic中存在。变频器36可以包括整流器和逆变器，所述整流器和逆变器对感应的交变电流(首先)进行整流，(然后)将其逆变到一另外的频率上，例如双倍频率或者一半频率。由此，有效地抑制可能会耦合输入的干扰信号。通过选择一另外的频率，还能通过频率选择式读取将从定子发射线圈20耦合输入到定子接收线圈22a，22b中与从转子发射线圈30耦合输入到定子接收线圈22a，22b中区分开。

转子元件14上或者说转子电路板26上的电子电路还可以通过附加的电子部件被用于转子元件14的自检。例如当转子元件14上的导体电路中断时，这可以例如通过阻抗测量来识别。

图5示出转子元件14的一另外的实施方式，其中，电容器38被接入到转子发射线圈30中。电容器38也可以作为构件被布置在转子电路板26上，例如作为芯片电容器。电容器38可以与两个线圈(转子接收线圈28和转子发射线圈30)串联，并且可以与这些线圈形成谐振回路或者说震荡回路。谐振频率可以例如处于数mhz范围内。

为了得到大的测量信号，可以如此确定电容器38的尺寸，使得震荡回路的谐振频率相当于激励频率，即相当于定子发射线圈20中交变电流的频率(例如13.56mhz)，并由此也相当于线圈(转子接收线圈28和转子发射线圈30)中交变电流的频率。为了使频率运动到正确的范围内，也可以匹配(这例如以二次方形式提高感应系数)转子接收线圈28的导体环数量(例如如图3中所示的)。

图6，7，8示出类似于图3，4，5的转子元件14，其中，转子发射线圈30具有四个绕组34a，34b，其中，分别两个绕组34a沿第一方向定向且两个绕组34b沿相反的第二方向定向。相应的定向或者说合成的电流在图6，7，8中以箭头表明。一般而言，转子发射线圈30可以具有偶数个绕组34a，34b与相同数量的反向延伸的绕组34a，34b。反向延伸的绕组34a，34b围绕转动轴线a沿周向方向交替地布置。

定子接收线圈22a，22b也可以分别具有偶数个绕组32a，32b与相同数量的反向延伸的绕组32a，32b。反向延伸的绕组32a，32b也可以围绕转动轴线a沿周向方向交替地布置。例如定子接收线圈22a，22b可以具有与转子发射线圈30相同的设计。

图7示出转子元件14的一另外的实施方式，该转子元件类似于图6具有用于转子发射线圈30的四个绕组34a，34b，并且其中，类似于图4，变频器36接通在转子接收线圈28和转子发射线圈30之间。

图8示出转子元件14的一另外的实施方式，该转子元件类似于图6具有用于转子发射线圈30的四个绕组34a，34b，并且其中，类似于图5，电容器38被接入到转子发射线圈30中。

图9示出定子元件12的一实施方式，所述定子元件具有相互成120°错开的第一定子接收线圈22a、第二定子接收线圈22b和第三定子接收线圈22c(并且这些线圈可以分别如图2a和2b中相互成90°错开的定子接收线圈22a，22b那样构建)。

一般而言，定子接收线圈22a，22b，22c之一的绕组32a，32b的数量n确定定子元件12或者说旋转角度传感器10的周期。周期为360°/(n/2)。例如图2a，2b和9中所示的定子元件12具有360°的周期。与图6，7和8中的转子发射线圈30相应且具有四个绕组的定子接收线圈具有180°的周期。

周期确定旋转角度传感器10的角度测量范围，因为仅在周期范围内，旋转角度与定子接收线圈22a，22b，22c中感应的电压才会有单义的对应关系。例如图2a，2b和9中的定子元件12或者说旋转角度传感器10具有360°的角度测量范围，因为定子接收线圈22a，22b，22c与转子发射线圈30的感应耦合在360°角度测量范围上是单义的。控制单元24可以由两个、三个或者n个在定子接收线圈22a，22b，22c中测量的电压值通过数学运算来确定旋转角度。

在两个电压值的情况下，这可以在可选的偏移补偿之后通过振幅的arctan计算进行。由三个电压值可以通过clarke变换来计算两相(无偏移的)信号，然后借助于arctan计算通过该信号确定旋转角度。

为了通过多个定子接收线圈22a，22b，22c在一确定的旋转角度下产生尽可能独立的电压值，定子接收线圈22a，22b，22c在几何结构上相互错开地布置在定子元件12上。一般而言，在具有m个定子接收线圈22a，22b，22c的m相系统的情况下，几何结构上的错开量适用：错开量＝周期/m(如果m＞＝3)，或者错开量＝周期/4(如果m＝2)。

在图2a和2b中，两个定子接收线圈22a，22b相互成90°＝360°/4在几何结构上错开。以这样的方式，在两个定子接收线圈22a、22b中产生相互成90°相位错开的交变电压。

在图9中，三个定子接收线圈22a，22b，22c相互成120°＝360°/3在几何结构上错开。以这样的方式，在三个定子接收线圈22a，22b，22c中产生相互成120°相位错开的交变电压。

最后要指出，术语如“具有”、“包括”等等不排除另外的元件或者步骤，并且术语“一””或者“一个”不排除多个。权利要求中的参考标记不应被视为限制。