用于感测轴的位置或运动的方法、传感器以及印刷电路板技术

技术编号:14676388 阅读:145 留言:0更新日期:2017-02-19 01:31
本公开提出用于感测包括导电部的轴的位置或运动的方法、包括印刷电路板(PCB)的传感器、以及用于电容传感器的传感器PCB。该方法和传感器使用传感器PCB,该传感器PCB包括安装孔、形成至印刷电路板的至少一个电容器电极,轴的导电部能够被安装穿过安装孔,其中,电极的电极表面平行于安装孔的中心轴线延伸并且面向中心轴线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及运动传感器和位置传感器,并且更特别地涉及用于感测电机的转子的运动的电容传感器的用途。
技术介绍
运动控制系统通常需要位置反馈。例如,主动磁性轴承控制可能需要用于反馈信号的非接触式位置传感器以便能够使转子的位置保持在允许公差内。位置反馈能够通过例如涡流传感器、电感传感器、电容传感器或光学传感器来实现。电容位移传感器经常使用在工业中各种应用中,包括:精确定位、运动控制、半导体加工以及设备组装、厚度测量、工具计量以及装配线测试。为了测量两个导电材料之间的距离,电容感测系统可以利用用于估计平行板电容器的电容C的等式:C=ε0εrS/r,(1)其中,ε0是自由空间的电容率(电常数),εr是位于电容器板之间的间隙中的绝缘材料的相对静态电容率(介电常数),S是板的面积,以及r是板之间的距离。假设面积S和间隙中的材料(通常情况下是空气)的介电性质ε0εr保持恒定,则电容值C反映探针电极与靶之间的距离r的改变。电容感测系统可以配置成测量电容(或电容的改变)并且因此测量距离(或运动)。在电容器中电流i与电容值C以及与电容器两端的电压的变化率dv/dt成正比(i=Cdv/dt)。在使用电容位移传感器的情况下,可以实现对导电靶的位置和运动的高分辨率的测量。在对电机的转子进行位置测量的情况下,传感器梢端可以安装在轴的周围以用于每一个测量维度(自由度)上的测量。然而,精确的位置传感器和运动传感器在工业应用中也存在较多缺点。传感器可能是昂贵的并且制造复杂。这些传感器可能易于发生安装和组装错误。传感器可能给测量引入相当大的延迟。此外,传感器可能具有显著的温度依赖性并且可能对噪声敏感。当传感器例如与运动控制器或转子间接地进行接口连接时,传感器可能易受电磁干扰和/或机械损坏的影响。转子的电动机械的径向跳动还可能对控制系统构成大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于减轻上述缺点的方法以及用于实现该方法的设备。本专利技术的目的通过具有在独立权利要求中陈述的特征的方法以及设备来实现。本专利技术的优选实施方式公开在从属权利要求中。能够感测导电轴的位置或运动的电容传感器能够通过使用具有安装孔的印刷电路板(PCB)来实施,其中,轴能够被安装穿过安装孔。印刷电路板可以包括形成至PCB的至少一个电极(即电容器板)。电极与导电轴的表面形成电容器。所形成的电容器的电容能够被测量。由于电容响应于电极与轴的表面之间的间距,电容能够用于估算轴的位置。在印刷电路板中/上的电极的电极表面平行于安装孔的中心轴线延伸。PCB可以构造成使得形成至PCB的多个电容器电极面向中心轴线,并且形成为围绕中心轴线的环形形状。电极表面可以例如通过使用PCB孔镀覆工艺而形成。可以对安装孔的边缘进行镀覆,或者可以靠近安装孔使用导通孔或经镀覆的孔。PCB还可以包括形成至PCB的至少一个电容器电极,其中,电极的电极表面沿着与安装孔的中心轴线垂直的平面延伸。垂直地延伸的电容器电极可以通过使用PCB迹线层制造工艺比如蚀刻法来形成。所公开的传感器可以用于检测例如一维运动至六维运动。为了使灵敏度最大,传感器的测量电子器件可以利用LC(或LRC)共振、高频率振荡信号、滤波器以及差分放大器的用途。所公开的感测方法提供了用于位置感测的负担得起且稳健的方法。该感测方法提供了用于对导电靶的位置和运动或对导电靶的几何性质进行精确的非接触式测量的方法。通过将传感器制造在PCB上,能够显著地降低制造成本,能够提高系统的一体化程度,并且能够改善系统连接性和接口连接性。附图说明在下文中,参照附图借助于优选实施方式对本专利技术进行更详细的描述,在附图中:图1a示出了具有六个自由度的示例性轴;图1b示出了根据本公开的示例性装置;图2a至图2e示出了本公开的传感器PCB(印刷电路板)的示例性实施方式;图3a至图3c示出了通过使用导通孔实现的轴向电极的示例性实施方式;图4a至图4d示出了屏蔽的各种示例性实施例;以及图5示出了关于包括先前公开的传感器PCB的电容传感器的示例性电路图。具体实施方式本公开公开了用于感测包括导电部的轴的位置(例如位移)或运动的方法和传感器。该轴可以是例如电机的转子的金属轴。导电轴或包括导电部的轴的位置或运动可以通过使用传感器印刷电路板(PCB)准确地确定,该传感器印刷电路板包括安装孔以及围绕该安装孔形成的电容器电极,其中,该安装孔构造成接纳穿过安装孔的轴的导电部。传感器PCB能够用于检测六个自由度。在使用PCB的情况下,可以检测例如轴沿着笛卡尔坐标系的三个轴线x、y和z的平移(即运动、位移)以及轴的围绕轴线的旋转α、β和θ。图1a示出了具有六个自由度的示例性轴10。轴10呈具有中心轴线A的筒形形状。在图1a中,笛卡尔坐标系设置成使得z-轴线与中心轴线A重合。x-轴线和y-轴线沿着垂直于中心轴线A的平面延伸。在图1a中,x-轴线与y-轴线彼此垂直。在图1a中,z’指的是轴向位移,即指的是沿着中心轴线A(也是图1a中的z-轴线)的位移。x’和y’指的是径向位移,即指的是沿着垂直于中心轴线A的平面延伸的位移。在图1a中,位移x’和y’分别沿着x-轴线和y-轴线延伸。因此,位移x’和y’也相对于彼此垂直。轴可以设置成围绕中心轴线A旋转。在图1a中,θ’指的是轴围绕中心轴线A(也是图1a中的z-轴线)的旋转。α’和β’分别指的是围绕x-轴线和y-轴线的旋转。在下列段落中使用相同表示法的自由度。为了检测包括导电部的轴的位移或旋转,可以使用根据本公开的装置。根据本公开的装置可以包括根据本公开的传感器PCB以及轴,其中,轴的导电部安装至传感器PCB的安装孔。图1b示出了根据本公开的装置的示例性实施方式。在图1b中,轴10包括导电部,该导电部安装至传感器PCB12的安装孔11。根据本公开的传感器PCB可以包括面向安装孔的中心轴线的至少一个电容器电极。电极可以形成至传感器PCB,使得电极的电极表面平行于安装孔的中心轴线延伸,从而形成轴向电极表面。轴向电极表面可以通过例如在安装孔的内壁上进行导电镀覆(conductiveplating)而形成。图2a至图2e示出了公开的传感器PCB的示例性实施方式。在图2a中,PCB20包括圆形安装孔21。安装孔21的中心轴线B示出为虚线。由于孔21在图2a中具有圆形截面,所以中心轴线B穿过圆形截面的中心。然而,在更一般的情况下,能够认为中心轴线是例如穿过沿着PCB的平面截取的截面的重心的中心线。当轴的具有导电表面的部分安装至安装孔时,面向的轴的轴向电极表面与轴的上述表面一起形成电容器,其中,轴的该表面用作对向电极。该电容器的电容可以被测量并且径向位移可以基于电容来确定。轴向电极表面可以通过使用例如PCB孔镀覆工艺来形成。在图2a中,PCB20包括形成至印刷电路板的多个电容器电极22、23和24。图2b示出了电极22、23和24中的一者的截面。通过使用位于PCB20上的、围绕接纳到安装孔21中的轴的导电部的多个电容器电极,由于能够使噪声的影响以及轴的径向跳动最小,所以可以提高感测准确度。在图2a中,PCB20具有8个电容器电极22、23和24。可以使用四个检测器电极22和23作为共振检测电路的部分,并且可以使用另外四个电极24用于将轴电连接至PCB20的模拟信号本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于电容传感器的印刷电路板(PCB),所述电容传感器被配置成感测包括导电部的轴的位置或运动,其中,所述印刷电路板包括:安装孔,所述安装孔被构造成接纳穿过所述安装孔的所述导电部;至少一个电容器电极,所述至少一个电容器电极形成至所述印刷电路板,其中,所述电极的电极表面平行于所述安装孔的中心轴线延伸并且面向所述中心轴线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.14 EP 14159872.21.一种用于电容传感器的印刷电路板(PCB),所述电容传感器被配置成感测包括导电部的轴的位置或运动,其中,所述印刷电路板包括:安装孔,所述安装孔被构造成接纳穿过所述安装孔的所述导电部;至少一个电容器电极,所述至少一个电容器电极形成至所述印刷电路板,其中,所述电极的电极表面平行于所述安装孔的中心轴线延伸并且面向所述中心轴线。2.根据权利要求1所述的印刷电路板,其中,所述电极表面是通过使用PCB孔镀覆工艺而形成的。3.根据权利要求2所述的印刷电路板,其中,所述电极表面的至少一部分是通过在所述安装孔的内壁上进行导电镀覆而形成的。4.根据权利要求2所述的印刷电路板,还包括至少一个电容器电极孔,其中,所述电极表面的至少一部分是通过在所述至少一个电容器电极孔上进行导电镀覆而形成的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的印刷电路板,包括形成至所述印刷电路板的多个电容器电极,其中,所述电极的电极表面平行于所述安装孔的中心轴线延伸并且面向所述中心轴线,并且其中,所述电极形成围绕所述中心轴线的环形形状。6.根据前述权利要求中的任一项所述的印刷电路板,其中,所述印刷电路板被构造成容置用于实现电容传感器的测量电路的电气部件。7.根据前述权利要求中的任一项所述的印刷电路板,其中,所述印刷电路板包括至少一个屏蔽导电层,所述至少一个屏蔽导电层用于使所述至少一个电容器电极受到的电磁干扰最小。8.根据前述权利要求中的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员:基莫·托尔萨拉法尔·亚斯琴布斯基图奥莫·林德
申请(专利权)人:ABB瑞士股份有限公司
类型:发明
国别省市:瑞士;CH

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