电感式角度传感器制造技术

一种电感式角度传感器，具有：振荡器电路，产生周期性AC信号并将其耦合到励磁线圈中；多个接收器线圈，其每个形成周期性重复环路结构且其布置分别形成接收器几何结构；评估电路，用于评估接收器线圈中感应的信号；移动的电感耦合元件，影响励磁线圈和接收器线圈之间的电感耦合强度；两个接收器几何结构，其接收器线圈的环路结构的周期性不同；两个编码器元件，具有周期性几何结构的导电齿，两个编码器元件的周期性不同，接收器线圈之一的环路结构的周期性各自与两个编码器元件之一的几何结构的周期性相关；第三编码器元件，有非对称几何结构的导电或铁磁延伸部，其仅在周期性重复环路结构的一部分中影响励磁线圈和接收器线圈之间的电感耦合强度。间的电感耦合强度。间的电感耦合强度。

【技术实现步骤摘要】
电感式角度传感器


[0001]本专利技术涉及电感式角度传感器和使用所述电感式角度传感器确定角度位置的方法。

技术介绍

[0002]本说明书涉及一种电感式角度传感器，特别是用于机器人中的臂角度确定，但也用于电马达或发电机的旋转变压器应用中。角度传感器，特别是覆盖360
°
测量范围的传感器，通常要求其形状为窄环，以便安装在贯穿轴布置中。

技术实现思路

[0003]一种电感式传感器系统包括励磁线圈，该励磁线圈将振荡磁场耦合到接收器线圈中。更详细地，如本文所使用的，电感式传感器，也称为涡流传感器设备，是使用涡流形成原理来感测位移的传感器。当移动或变化的磁场与导体相交时，就会形成涡流，反之亦然。换句话说，导电编码器元件影响感测几何结构中的磁场。如本文所使用的，导电元件或齿包括铁磁元件，这将产生相当的效果。
[0004]更详细地说，由AC供电的励磁线圈产生的快速变化的磁场在至少一个接收器线圈内产生电压。此外，当移位编码器的导电元件时，导电元件覆盖涡流传感器的因子改变，从而感测值改变。因此，可以确定位置，例如角位置。
[0005]该布置在设计上非常简单，生产过程低廉，并且允许高度精确和可靠的绝对角度确定。
[0006]最近，已经考虑机器人应用中的角度传感器技术及其使用磁编码器的可能实现，例如使用各向异性磁阻(AMR)的传感器。然而，必须考虑到，由于空间限制，标尺只能具有窄环的形状。
[0007]通常，传感器必须安装在宽度为10mm以下，优选为5mm以下的窄环内。r/>[0008]此外，还需要无参考运行的360
°
绝对测量。此外，再现性必须非常好，但是绝对测量精度不太重要。
[0009]再现性必须在0.1
°
以下，而绝对精度应优于1
°
。
[0010]为了确保360
°
检测，当使用传感器(例如AMR传感器)时，只能考虑单轨道编码的标尺，因为出于空间原因，在没有强信号串扰的情况下，两个或甚至三个平行游标轨道不能被容纳在窄标尺环上。然而，读取包括精确插值在内的绝对线性磁码所需的精力是相当大的，这在迄今为止一直是AMR方法的进一步追求的障碍。
[0011]在稳健的电感式传感器的开发中，已知使用类似游标的电感式传感器，其包括具有不同周期数的两个次级线圈，一个在另一个之上。因此，这种电感式传感器具有两个独立的接收器几何结构。这种电感式传感器相对于AMR途径的优势在于，编码器既不需要小的标尺结构，感测元件也不会产生串扰。
[0012]更详细地，在AMR传感器阵列的两个或三个轨道游标标尺的情况下，总是存在各个
标尺之间的串扰问题。单独地，相关联的标尺决定了传感器信号的周期性，而传感器只能被动地测量所呈现的磁场。因此，AMR传感器总是看到来自相邻标尺的散射场。
[0013]这在环形电感式传感器中从根本上是不同的。这里，由传感器产生的信号周期几乎仅由接收线圈的周期性决定。如果确保实际上在没有电流的情况下测量感应电压，则接收器线圈不会感知到其他线圈布置的存在。因此，通常不会发生串扰。
[0014]此外，通过计算多个传感器几何结构的两个接收到信号的相位差，可以基于游标标尺的原理来确定角位置。具有周期数不同的两个次级线圈的电感式角度传感器允许这种测量原理。
[0015]本专利技术的目的是提供一种用于电感式传感器的解决方案，其使得能够以简单且成本有效的方式实现角度位置的特别精确的检测。特别地，该目的是电感式传感器容许几何对准误差。甚至更具体地，该目的是减少由倾斜误差(即，相对于旋转轴线倾斜传感器或编码器)或偏心误差(即，传感器的旋转轴线不与编码器的旋转轴线对准)引起的对准误差的影响。
[0016]本专利技术的另一个目的是增加由接收器线圈产生的信号幅度，并避免由模糊的相位关系引起的角误差。另一个目的是简单而经济地制造电感式传感器。此外，一个目的是提供一种可连接到现有系统的传感器解决方案。特别地，该解决方案应当减少组装工作，特别是通过减少待组装的部件的数量，以及减少制造感测元件结构的制造工艺。另一个目的是提供简单的信号评估。另一个目的是提供一种重量轻的传感器。
[0017]该目的通过独立权利要求来解决。有利的实施例通过从属权利要求解决。
[0018]特别地，电感式角度传感器除了两个接收器几何结构和两个编码器元件之外，还包括第三编码器元件。如上所述，两个接收器几何结构允许通过使用游标标尺来提高分辨率。第三编码器元件被设计为具有非对称几何结构的导电或铁磁延伸部，该非对称几何结构仅在接收器线圈的周期性重复的环路结构的一部分中影响励磁线圈和每个接收器线圈之间的电感耦合的强度。换句话说，第三编码器元件的导电延伸部仅在接收器线圈的多个周期性重复环路的一部分中干扰信号。该第三编码器元件最小化了信号强度的方位角相关幅度的变化，从而减小了对准误差的影响。
[0019]更详细地，电感式角度传感器包括振荡器电路，该振荡器电路产生周期性AC信号并耦合到励磁线圈和若干接收器线圈中，每个接收器线圈形成周期性重复的环路结构，并且其布置分别形成接收器几何结构。此外，电感式角度传感器包括用于评估接收线圈中感应的信号的评估电路，以及影响励磁线圈和接收器线圈之间的电感耦合强度的移动的电感耦合元件。
[0020]AC供电的励磁线圈产生的快速变化的磁场在接收器线圈内引起电压。此外，当移动电感耦合元件时，电感耦合元件覆盖接收器线圈的的因子改变，从而感测值改变。因此，确定了编码器的角位置。
[0021]此外，耦合元件与至少两个接收器几何结构相互作用，由此两个接收器几何结构中的接收器线圈的环路结构的周期性是不同的。这种配置允许接收至少两个独立的信号。此外，这种配置允许每个振幅信号是周期性的，并且两个信号的周期不同。因此，基于这两个信号，可以确定相位差。该相位差对应于耦合元件的一个角位置，其可以以更高的精度被测量。换句话说，电感式传感器可以应用游标标尺的原理。
[0022]如这里所使用的，接收器线圈(也称为感测线圈)是电磁线圈，即电导体，例如成形的导线。换句话说，接收器线圈是具有多个环路的导体。如本文所使用的，环路是导体的匝或接收器线圈的绕组。
[0023]此外，每个接收器线圈由多个环路形成，其中每个接收器线圈的环路可以并排布置在感测平面中，用于覆盖测量范围。并排布置匝允许容易地形成平面线圈。
[0024]此外，匝可以被电连接。这种配置允许每个接收器线圈仅需要两个触头。更详细地，这种配置使得在每一匝中感应出电压，即响应于周期性AC信号。更详细地，电压之和就是感应信号。这种平面线圈可以被特别容易地制造，例如作为PCB。此外，这种平面线圈可以由柔性材料制成，因此，可以容易地连接到设备，例如，可以被弯曲以跟随柱表面。
[0025]在平面线圈的情况下，在两个邻接的匝的导线的交叉处，导体可以布置在两个层级上。例如，这些层级可以由绝缘层分开，或者导体可以布置在PCB的正面和背面上。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电感式角度传感器(1)，包括：振荡器电路(10)，产生周期性AC信号并将所述AC信号耦合到励磁线圈(100)中；多个接收器线圈(210，220)，所述多个接收器线圈中的每一个形成周期性重复的环路结构，并且所述多个接收器线圈的布置分别形成接收器几何结构；评估电路(20)，用于评估在所述接收器线圈中感应的信号；和移动的感应耦合元件(300b，300c)，影响所述励磁线圈和所述接收器线圈之间的感应耦合的强度；其中，所述角度传感器具有两个接收器几何结构(210，220)和两个编码器元件(310，320)；其中，在所述两个接收器几何结构中，接收器线圈的环路结构(212，222)的周期性是不同的；其中，第一编码器元件(310)和第二编码器元件(320)各自被设计为具有周期性几何结构的导电齿(310
‑
1，310
‑
2，
…
，310
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9，320
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1，320
‑
2，
…
，320
‑
10)，并且所述第一编码器元件的周期性不同于所述第二编码器元件的周期性；其中，所述接收器线圈之一的环路结构的周期性各自与所述第一编码器元件和第二编码器元件之一的几何结构的周期性相关；以及第三编码器元件，被设计为具有非对称几何结构的导电延伸部(330)，所述非对称几何结构仅在所述接收器线圈的周期性重复的环路结构的一部分中影响所述励磁线圈和每个所述接收器线圈之间的电感耦合的强度。2.根据权利要求1所述的电感式角度传感器，其中，所述三个编码器元件(310，320，330)彼此机械地联接。3.根据权利要求2所述的电感式角度传感器，其中，所述导电延伸部(330)连接所述第一编码器元件或第二编码器元件之一的两个相邻导电齿(320
‑
1，320
‑
10)。4.根据权利要求1至3所述的电感式角度传感器，其中，齿的宽度与所述周期性几何结构的周期长度之比小于0.5。5.根据权利要求1至4所述的电感式角度传感器，其中，所述耦合元件围绕旋转轴线旋转，并且其中，所述耦合元件(300b)和包括所述接收器线圈的接收器部段(200)布置在相对的盘上。6.根据权利要求1至4所述的电感式角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：A巴托斯，R皮珀，A梅森伯格，
申请(专利权)人：泰连感应德国有限公司，
类型：发明
国别省市：