专利名称：应答系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从具有至少一个设置在定子上的读出线圈的静止侧向具有至少一个设置在主轴上的应答线圈的旋转侧的无接触地感应传输能量的应答系统。这种应答系统在实际生活中变得越来越重要。所述系统在无源的变型方案中用作标识介质和存储介质或者在有源的变型方案中用于传感器数据处理。无线的数据通信允许使用信息和控制信息的双向交换。在这个技术领域中可以实现微型的独立测量系统。目前，在市场上可供应多种应答开关回路和应答系统。
背景技术：
这种应答系统的一个例子由DE 19924830已知。这种装置用于测量温度和空气压力以及用于监控汽车轮胎的磨损。温度和压力的测量借助于硫化到轮胎侧壁(Reifenwange)内的电子应答器进行，该应答器按收发机(Transceiver)的要求将测量值感应地以数字载波频率法通过径向地集成到轮胎侧壁内的、作为应答线圈的扁平线圈传输到具有发送线圈的、安装在汽车上的收发机上。应答器已知由一个或者几个硅芯片以及几个外面的部件构成，温度传感器和微型机械式压力传感器与微处理器和所属的分析及传输电子装置一起集成在所述硅芯片上。收发机与应答器之间的通信以载波的数字形式实现，其中收发机向应答器发出指令，该应答器例如通过进行测量、对测量值进行补偿和线性化并且通过传输测量数据和/或其它的存储在应答器中的数据对所述指令进行应答。
用于过程监控的传感器或者用于过程优化的执行器不再可从工具机械制造中忽略掉。测量值接收器(Aufnehmer)主要安装在接下来还可以良好地接通的位置。这导致，例如对于旋转的构件如主轴中，只能在定子上间接地测量转子上的物理性能。无线的传输方法虽然充分已知，但是机械制造的要求是这种系统必需独立地(autark)工作。因此除了优选可感应地实现的数据传输以外，还要附加地进行能量耦合输入。但是不能简单地采用已知的方法，例如使用应答技术，因为在这种系统的开发中没有充分地考虑机械制造的特殊要求。
例如由于涡流损失和其它附加的效果会出现信号干扰，所述信号干扰使得数据传输明显地变得困难。此外在数据传递的范围内还会出现复合(komplex)的电容和阻抗变化以及几何形状和材料引起的电感波动。
为了避免这种干扰，由DE 19610284已知一种天线线圈，具有至少一个线圈绕组，其中线圈的一侧设有一个导电的、基本上覆盖导体回路(Leiterschleife)的区域并构成开口回路的屏蔽装置。因此应该减小干扰电场的影响。由于通过频率选择性的电路搭接屏蔽装置中的中断部也能够抑制磁性干扰场的影响。
在设计感应耦合的系统时，在直接的环境中的材料发挥重要作用。例如线圈的复合阻抗与频率和材料的磁和电性能相关地变化。所施加的交变场在材料中产生涡流损失，所述涡流损失使得向旋转的系统耦合输入功率变得困难。在感应耦合系统中的一个重要的特征是线圈的耦合，其中应该实现尽可能高的耦合系数。所以应满足，振荡回路的性能越高，则在次级线圈中所需的电流越小，因为损失下降。对于实际的应用，应答线圈中常见的功率例如是在5伏为10mW，但是这在读出线圈中引起170mA的电流。
发明内容
本发明的目的是，这样改变所述类型的应答系统，即，使得读出线圈的周围环境，尤其是定子由具有较小磁导率(Permeabilitt)的、导电良好的材料，优选是铝制成和/或在应答线圈区域内在定子的内周中设置由高磁导率的材料制成的层。
该目的在一种所述类型的应答系统中这样来实现，即读出线圈的周围环境尤其是定子由具有较小磁导率的、导电良好的材料优选是铝制成。
例如由铝制成的定子主要具有两个作用。一方面，减小应答线圈的电感。其原因在于导电能力良好的铝中的涡流损失。但出人意料的是，与期望相反，线圈阻抗并且从而损失功率同样明显地下降。这种措施有利地提高了应答线圈的性能并且从而也提高在静止侧与旋转侧之间的功率传递。由于并联震荡回路的较好的性能，在谐振时功率吸收以及电压过高明显好于没有铝定子的情况。因此在希望达到应答线圈的固定功率时在读出线圈中只需要较小的电流。所以电流密度下降，使得读出线圈也有利地可以具有较小的尺寸。
如果应答线圈和/或读出线圈设计成扁平线圈，则可以以有利地较少的费用制造线圈。此外这种扁平线圈需要较小的空间。它们可以在事后有利地补充装备到现有的机器上。
如果读出线圈设计成围绕U形芯卷绕的线圈，则可以实现有利的较高的磁流。制造费用是较小的，因为这种芯按标准是在市场上可获得的。
如果应答线圈和/或读出线圈作为扁平线圈在内部和/或外部设置在定子和/或转子的圆柱形外周上，则线圈的安装尤其简单。
如果应答线圈和/或读出线圈在内部和/或外部设置在定子和/或转子的端侧，则可以在各线圈之间实现特别好的耦合。但是这种安装方法的不利之处是，必需设置自由轴端。对于这种装配方式，一种具有铁氧体薄壳芯的线圈特别有利。由此由于较高的磁通量有利地得到良好的耦合。
如果扁平线圈优选作为印刷有导体的薄膜配备成自粘的(selbstklebend)，则扁平线圈的装配明显变得容易。
在其上进行测量的、旋转的轴的大多数由高合金的锰铬钢或者普通的工具钢构成。可以这样以出人意料地高的程度改善静止的与旋转的部分之间的功率传输，即在扁平线圈与转子或者定子之间设置高磁导率的材料制成的层，优选为无定形金属制成的或者不导电的铁氧体的金属制成的薄膜。这种效应可以这样来解释，即通过铁氧体引导磁通量，并因此在周围金属材料中出现较小附生的涡流。
高磁导率材料的层的厚度在0.01mm与1mm之间就已经足够了。
此时，如果读出线圈设计得比应答线圈宽，则是有利的。为了向微系统供能，通常应答线圈在主轴的轴向上例如是3mm宽，而卷绕在铁氧体的U形芯的读出线圈例如总共是20mm宽，就足够了。
通过将扁平线圈设计成优选为多层的、旋转对称的平面线圈，则可实现有利地均匀的能量传递。通多层的平面线圈可以容易地使电感和圈数与要求相匹配。应答线圈可以有利地与微系统所需的供电电压和负载电阻相匹配。
如果扁平线圈由具有基本上平行的导体的、可任意地切断的薄膜带构成，则应答线圈的适配变得特别简单，其中在带弯曲成一圆柱形之后，导体端部偏移一导体间距地相互接通而组合成线圈。
在一种实施形式中，扁平线圈设置在主轴和/或定子的环形槽中，线圈有利地受保护地支承并固定在其轴向位置上。即使在振动时它们也不会移动。
如果高磁导率的薄膜具有比主轴和/或定子包围线圈的材料的磁导率高的磁导率，则可以对于线圈与其金属的周围环境之间的层实现适合的材料选择。
在一种特别有利的实施形式中设想，主轴由钢，尤其是铬锰钢构成，并在由无定形金属构成的层上设置优选设计成旋转对称的扁平线圈的应答线圈。该组合在试验中得到最好的功率传输。在读出线圈中的电流可以通过这种措施降低到1/5。
尤其在这样一种组合中，对于系统得到有利地良好的耦合，在该组合中定子由铝构成，并在由铁氧体薄膜构成的层上设置优选设计成旋转对称的扁平线圈的发送线圈。
如果在定子和/或转子与铁氧体薄膜之间设置由导电良好的材料、优选是铜构成的层，在确定的情况下可还可以进一步改善这种耦合。
最后有利地设定，读出线圈卷绕在铁氧体芯上，并设计成在读出线圈的区域内中断由高磁导率的材料或者由铁氧体的材料制成的、在设置定子的内周上的层。
现在根据几个优选的实施例借助于
本发明，其中相同的附图标记按功能标识相同的部分。各附图具体显示图1至4以示意图示出应答线圈和读出线圈不同设置的选择，图5示出多层平面线圈的示意性结构，图6示出在接触区域内多层平面线圈的垂直剖视图，图7示出多层平面线圈的另一种实施形式，图8示出用于制造平面线圈的薄膜的俯视图，图9示出示意示出的应答-读出线圈布置的垂直剖视图，图10以水平剖视图示出应答-读出线圈对的另一种实施形式，和图11以垂直剖视图示出图10中剖面线XI-XI上的详细视图。
具体实施例方式
在图1至4中示意地示出了读出线圈和应答线圈的不同的结构。
在图1中卷绕在壳形的或者E形的铁氧体芯23上的读出线圈2与旋转对称地卷绕的应答线圈4相对。这里应答线圈连同其导体14表示为在卷绕在具有U形横截面的环形芯24上的线圈体。
这里，U形轮廓的自由分支25与E形的铁氧体芯23中间的和靠外的分支25相对。
在图2中示出一种旋转对称的轴向的变形方案。应答线圈4在此固定在转子11的端侧13上，而读出线圈2同轴地固定在定子1的端侧12上。读出线圈或者应答线圈的两个导体围绕相对的铁氧体薄壳芯26中间的轴颈卷绕。
图3中的布置原则上对应于图1中示出的布置，但是其中定子1包围转子11，并且读出线圈2取代壳形或E形铁氧体芯23而具有U形铁氧体芯，读出线圈的导体围绕该U形铁氧体芯进行缠绕。在这种情况下导体围绕U形铁氧体的底边缠绕。但是该导体也可以围绕两个自由分支25卷绕。
图4示出包括两个旋转对称的、相对的线圈的一对线圈，即读出线圈2和应答线圈4。两个线圈载体27设计成具有U形横截面的环形芯24，但是其中分支25的自由端彼此相对。
取代在图1至4中所示的环形芯，这里示出的应答线圈在制造技术上较有利地以平面线圈的形式实现，如图5所示的那样。导体14的一部分分别施加到薄膜15上，并从而形成平面线圈19的一部分。接通点27施加在薄膜15相对的面上。下一层设有完全相同的接通点，但是所述接通点分别位于另一层相对的侧面上，从而在叠合时，一层的触点与另一层的对应触点接触，而另外两个接通点可供用于外部接通。此时，如果每个平面的平面线圈的导体14都设计成螺旋形，则在其中一层中电流由外向内流，而在另一层中反向流动。平面线圈既可以用作读出线圈也可以用作应答线圈。但是当该平面线圈绕主轴设置时，该平面线圈不构成旋转对称的线圈。平面线圈在定子中或转子上扫过的圆周越大，则能量的传输就可以越均匀地进行。
图6中以垂直剖视图示意地示出使平面线圈的两个层接通的可能性。在平面线圈的下层28上，接通点27设计成接通凸起部30，该接通凸起部在两个层28和29的彼此贴靠时穿过相对的开口31，并与接通面32相接触。然后通过适合的方法使凸起部30与面32相连接。
以这样的方式几乎可以相互重叠布置任意多的平面线圈，例如如图7所示。
可以特别经济地实现这样一种平面线圈，在这种线圈中，例如如图8所示，在薄膜15上并排地设置多个导体14。在端部33上的各接通点27通过在区域34内适合的导体分布相对于在区域35中的导体14偏移一个导体间距，使得例如在缠绕转子时导体在恰当的接通之后组合成绕组。线圈在其对角相对的端部上分别具有一个外部接触的绕组端部36。通过相应的切断，这种薄膜也可以用于不同的直径。
在图9中借助于平面线圈19示出读出线圈和应答线圈的布置，该平面线圈布置对应于图4中所示的结构。在此定子1优选由导电良好的材料例如铝制成。在读出线圈2与定子1之间设置层18，该层优选由铁氧体的材料，尤其是0.2mm厚的铁氧体薄膜构成，如该材料由Epcos公司以F96的产品名称销售。在薄膜与转子之间也可以设置例如0.05mm厚的薄铜层。读出线圈2优选制成旋转对称的线圈，该线圈在适合的位置按已知的方式与读写装置连接。同样设计成旋转对称的平面线圈19的应答线圈4与该读出线圈相对。
在该应答线圈与多数由工具钢制成的转子11-多数情况是机床主轴3-之间设置具有0.025mm厚度的层17，该层由高导磁率的材料即无定形的软磁性金属制成，例如由Vakuumschmelze Hanau以名称为Vitrobac销售的材料。
图10示出具有读出线圈2的另一实施形式的水平剖视图的俯视图，其中线圈8卷绕在U形铁氧体芯7上，并且是卷绕在芯7的自由分支25上。在此读出线圈2位于铝制的壳体37内，并在该壳体内通过填料(Verguβmasse)38固定。线圈2的周围环境5也可以由其它常见的材料如结构钢形成。但优选同样由铝制成。定子1的内周9在读出线圈2的区域内由所述层18带形地覆盖。但是该带在读出线圈2的区域39内中断。
图11示出图10中剖面线XI-XI上的细节的垂直剖面图。中断的铁氧体层18附加地在其朝向定子1一侧上具有例如由铜制成的、导电良好的层22。在环形的槽21内设置旋转对称的、在轴向上明显较窄的应答线圈4。在设计成平面线圈19的应答线圈4与转子11之间设置所述的高导磁率的软磁性层17。该层17比应答线圈4的轴向尺寸宽。
以这样的方式可以特别廉价地实现足够的功率用于微芯片和具有已知的分析和传输电子装置的传感器，如在当今的应答系统中常见的传感器。这里，应答线圈常见的尺寸是例如为6mm的轴向长度，设置在转子与定子之间的层具有例如为7mm的轴向长度。如果铁氧体的层例如具有0.2mm的厚度，而高导磁率的层具有0.025mm的厚度，就足够了。这种平面线圈的厚度约为0.1mm。这种线圈在约125kH的频率下运行。
在这种应答系统所使用的其它频率下，采取相应的匹配措施。以这样的方式可以形成这样线圈对，所述线圈即使在机械制造中常见的金属环境中也能提供出人意料的高性能。所述应答线圈可与载荷相匹配。由于按本发明的措施，较小尺寸的发送线圈就足够向转子上的微系统供给能量。发送线圈25mm×25mm×25mm的尺寸是常见的。当然也可以将多个线圈分别统一在一个系统内。
线圈优选按串连谐振运行，其中可在静止的和运动的部分之间进行特别好的能量传输。所述措施使得相对于空气线圈产生10倍以上的改善。
附图标记表1定子2读出线圈3主轴4应答线圈5周围环境6扁平线圈7U形芯8线圈9定子周边10转子周边11转子12定子端侧13转子端侧14导体15薄膜1617无定形的软金属的金属层18不导电的铁氧体的金属层19旋转对称的平面线圈20薄膜带21环形槽22铜层23铁氧体芯24环形芯25分支26铁氧体薄壳芯27接通点28下层
29上层30接通凸起部31开口32接通面33端部34区域35区域36绕组端部37壳体38填料39区域
权利要求
1.一种应答系统，用于从具有至少一个设置在定子(1)上的读出线圈(2)的静止侧向具有至少一个设置在主轴(3)上的应答线圈(4)的旋转侧进行无接触的感应能量传输，其特征在于所述读出线圈(2)的周围环境(5)、尤其是定子由磁导率较小的、导电良好的材料、优选由铝制成和/或在应答线圈区域内在定子的内周中设置由高磁导率的材料制成的层。
2.按上述权利要求所述的应答系统，其特征在于所述应答线圈(4)和/或读出线圈(2)设计成扁平线圈(6)。
3.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述读出线圈(2)设计成围绕U形芯(7)卷绕的线圈(8)。
4.按权利要求1至3任一项所述的应答系统，其特征在于所述应答线圈(4)和/或读出线圈(2)作为扁平线圈(6)在内部和/或外部设置在定子和/或转子(11)的圆柱形周边(9、10)上。
5.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述应答线圈(4)和/或读出线圈(2)在内部和/或外部设置在定子(1)和/或转子(11)的一端侧(12、13)上。
6.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于优选作为印刷有导体(14)的薄膜(15)的所述扁平线圈(6)自粘地配备。
7.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于在扁平线圈(8)与转子(11)或者定子(1)之间设置有高磁导率材料的层(17、18)，优选作为无定形金属(17)的或者不导电的铁氧体的金属(18)的薄膜。
8.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述高磁导率材料的层(17、18)的厚度在0.01mm与1mm之间。
9.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于读出线圈(2)设计得比应答线圈(4)宽。
10.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述扁平线圈(6)设计成优选是多层的旋转对称的平面线圈(19)。
11.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述扁平线圈由具有基本上平行的导体(14)的薄膜带(20)构成，该薄膜带是可任意地切断的，其中，在带弯曲成一圆柱形之后，导体端部偏移一导体间距地彼此接通，从而组合成一线圈。
12.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述扁平线圈(6)设置在主轴(3)和/或定子(1)的环形槽(21)内。
13.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于高磁导率的层(17)具有这样的磁导率，该磁导率比主轴(3)和/或定子(1)包围线圈(2、4、6、8)的材料的磁导率更高。
14.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于所述主轴(3)由钢、尤其是铬锰钢构成，并且在由无定形的金属构成的层(18)上设置优选设计成旋转对称的扁平线圈(6)的应答线圈。
15.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于定子由铝构成，并且在由铁氧体薄膜构成的层上设置优选设计成旋转对称的扁平线圈的读出线圈(2)。
16.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于在定子(1)和/或转子(11)与铁氧体薄膜(18)之间设置由导电良好的材料、优选是铜制成的层(22)。
17.按上述权利要求任一项所述的应答系统，其特征在于读出线圈(22)卷绕在铁氧体芯上，并且由高磁导率的材料或者由铁氧体的材料制成的、设置在定子(1)的内周边上的层在读出线圈(2)的区域内中断地形成。
全文摘要
本发明涉及一种应答系统，用于从具有至少一个设置在定子(1)上的读出线圈(2)的静止侧向具有至少一个设置在主轴(3)上的应答线圈(4)的旋转侧无接触地进行感应能量传输。为了该系统也能够在常用金属材料的机械结构中通过电机引起的干扰场的附近用于独立的传感器应用场合，设想读出线圈(2)的周围环境(5)尤其是定子由较小磁导率的、导电良好的材料优选是铝制成。应答线圈(4)和/或读出线圈(2)作为扁平线圈(6)在内部和/或外部设置在定子和/或转子(11)的圆柱形周边(9、10)上。在扁平线圈(8)与转子(11)或定子(1)之间设置高磁导率的材料的层(17、18)，优选作为无定形的铁氧体的金属(17)的或者不导电的铁氧体的金属(18)的薄膜。
文档编号G06K7/08GK101084512SQ200580043695
公开日2007年12月5日 申请日期2005年10月18日 优先权日2004年10月28日
发明者T·杰格, P·韦斯 申请人:普罗-麦克龙模件系统有限及两合公司