CN101424508B - 用于制造一种感应式阻尼元件以及一种感应式电涡流致动元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造感应式阻尼元件的方法，例如一种感应式传感器的阻尼元件，传感器可在电涡流阻尼作用下产生随行程或者角度变化的线圈信号。使用导电金属薄膜替代用铜、铝或者黄铜冲出的金属片。在制作载有感应式阻尼元件的转子或者滑块的过程中，从料卷上放出金属薄膜，将其压印在塑料载体上，同时利用热压模将其冲出；然后将金属薄膜的剩余部分卷绕到第二料卷上。本发明还介绍了一种感应式电涡流致动元件，可以使其在规定的距离内经过一列紧密相邻的扁平线圈或者平线圈，以便通过电涡流阻尼作用来改变三个线圈的电感。感应式致动元件的轮廓形状基本上为菱形，其特征在于，菱形的至少两个边向内弯曲。

Description

用于制造一种感应式阻尼元件以及一种感应式电涡流致动元件的方法
技术领域
本发明涉及一种感应式电涡流致动元件。例如在专利文件EP 1 672323 A2中就公开了一种此类装置。
背景技术
此类致动元件以预先设定的距离在一排紧密排列的扁平线圈(也称作平线圈)之上移开。其所涉及的是一种相对运动，即原则上可以使感应式致动元件运动，或者使一排扁平线圈运动，或者使两者皆运动。仅根据相对运动进行测量。
该装置可作为测量装置使用，可通过电涡流阻尼作用来改变线圈列中基本上三个线圈的电感。例如，该专利申请说明书的附图5所示为一种直线排列的扁平线圈列，附图15所示为一种弧形排列的线圈列。可确定滑块或转子相对于线圈列的位置，也就是可测量行程或角度。
经验证明，菱形轮廓形状的感应式致动元件较为有益，可沿着运动方向适当延伸，从而可通过电涡流阻尼作用改变线圈列主要三个线圈的电感。就这一大小关系而言，可以更为精确地分析线圈的测量信号。尤其可以根据不等于零的三个测量点构成一个近似的钟形曲线，其顶点就是行程或者角度信号的分析结果。
经验证明，菱形轮廓形状最好基本上覆盖三个线圈元件，也就是可通过电涡流阻尼作用改变三个线圈的电感。例如，当菱形正好在三个线圈元件的其中某一个线圈元件上时，相邻的线圈元件应产生一个明显不等于零的信号值，以便能够可靠地构成旨在进行分析的钟形曲线。而当菱形恰好在两个线圈之间时，相邻线圈(第三和第四个线圈元件)仍然应产生不等于零的信号。然后就可按照致动元件所有可能出现的停留点平均值来影响三个线圈的电感。如果选择比较短的菱形，在某些测量点(停留点)上仅会出现两个信号值，且不足以构成钟形曲线；如果所选择的菱形长度较大，则钟形曲线将会变得不必要地宽，且将无法足够精确地确定顶点(位置选择性太小)。即使是特殊应用情况，即线圈列具有不均匀分布的线圈，或者甚至当某一个线圈有故障时，也要极好地对三个相邻线圈施加影响。
所述文献除了公开了菱形形状之外，还公开了以下认识：即某些情况下使用圆形或圆环形阻尼面(也就是更好相交的阻尼曲线)能够取得更好的结果。而进一步的研究表明，测量精度将会因此变得更高，且更圆的轮廓形状反而会起到反作用。
发明内容
本发明的目的在于，以上述认识为出发点，进一步提高感应式传感器的测量精度。
为此，本发明根据大量可能存在的影响参数，作出了如下选择：
-应保留紧密的平线圈列，且要么是直线布置的传感器阵列，或者是圆弧形传感器阵列。
-其中位置选择性涡流致动元件应平均覆盖线圈列中的三个紧密相邻的平线圈。这种情况下可保留实践证明行之有效的分析机构，其根据三个或更多不等于零的测量值算出近似的钟形曲线。
-涡流致动元件的轮廓原则上应保留菱形；但应对该菱形进行优化，从而改善整个系统的精度。
令人惊奇的是，采用凹边就可得到不同于菱形的结果。采用两个凹边可以使局部分布的测量点更加接近于钟形。旨在进行角度测量，通过中心线弯曲对两个内边的内凹程度进行强化。外边可以用于线性行程测量，可以适当减少外边的内凹程度，甚至过度补偿，以便进行角度测量。如果因角度测量的需要而使得弯曲半径小于线圈几何定点所需的边弯曲半径，则外边甚至可以向外凸出。
本发明的优点在于，调整阻尼元件的几何外形比修改电子求值函数更加容易。对于线性行程测量而言，已确定具有(四边)改型菱形形状的阻尼片或者阻尼膜有利于信号分析，每一个位置中的三个测量点均很好地位于规定的钟形曲线上。各个线圈信号中尚且存在的测力误差微不足道，不影响分析。还发现热压成型法特别适合于这种锐边、锐角的轮廓形状。
根据本发明的一个方面，使感应式电涡流致动元件在规定的距离内经过一列紧密相邻的扁平线圈，以便通过电涡流阻尼作用来改变三个扁平线圈的电感，并且感应式电涡流致动元件的菱形轮廓形状的至少两个边向内弯曲。本发明的有利改进还在于行程测量和角度测量。另外，所有四条边的弯曲方式适合于所有实施方式。有利的还有，内边和外边可以有不同弯曲方式用于角度测量。
为了线性行程测量而确定的阻尼元件几何形状也能够相应地用于测定角向位置，只要调整阻尼线圈列的径向结构即可。这种情况下可以将菱形的中心线根据平线圈列的半径沿着运动方向弯曲。如同针对线性行程测量所做的描述一样，以这种方式也可使求值函数十分接近于钟形曲线。
本发明所用的方法类似于编号为DE 10 2004 033 083 A1的文献所公开的方法。该文献所公开的是一种可用于行程或角度测量的电涡流传感器，包括一个传感器以及一个(或两个)用于在传感器导电区内产生电涡流的线圈。传感器和传感器线圈可以沿着运动方向相对运动。传感器具有一个适当的导电迹线，使得线圈的感抗可在沿运动方向扫描迹线时连续变化，以这种方式可以实现行程或角度测量。
可以根据差分原理进行信号分析，也就是根据两个传感器信号之差确定测量值，且传感器均以机械方式连接，因此可以在运动过程中感知同样的扰动性距离变化。然后在计算差值时忽略距离的影响。传感器迹线可以相对于中心线对称分布。可以将导电膜涂布在并非导电体上的方式来制作迹线。适合作为迹线的材料尤其是铝和铜。
文献DE 101 50 194 A1披露公布了另外一种现有技术，即将构成线圈或天线的印刷电路板迹线集成于一个IC卡基材上。该印刷电路板迹线可以由导电聚合物或者金属材料(铜，铝)构成。也可使用热压成型法来铺设印刷电路板迹线、制作线圈或天线。
使用下述阻尼元件使线圈衰减，例如可将此类感应系统用于转向角传感器。迄今为止所采用的现有技术是用铜片冲压成阻尼元件的特殊形状，并且冲孔。然后利用冲孔将冲压好的铜片固定起来进行喷塑，以便形成用来测定角度的转子。这种现有技术条件下已知的方法具有一些缺点。
其中的一个大问题是，在生产过程中为了继续加工的需要而在阻尼元件上冲出的固定孔，因为这些孔会在感应式传感器装置分析信号的过程中引起干扰。
还会出现的问题是，就某些阻尼元件的形状而言(例如菱形)，必定会遇到需要制作锐边的问题。利用冲压法很难制成此类锐边，或者在喷塑时很难将此类形状固定于工具中。
在加工好的片材中(喷塑处理后的铜片材)还能发现其它缺点。由于纵向热膨胀系数不同，会导致部件在喷塑后的冷却过程中出现扭曲。这种扭曲会造成无法遵守所需的加工误差，或者扭曲的部件会造成信号分析过程中的波动。
本发明也可消除现有技术的这些缺点，并且可使用一种方法来制作电涡流传感器的感应式阻尼元件，所述方法(i)可避免装配孔，使用所述方法(ii)可以制作锐边轮廓形状，且所述方法(iii)不会形成载体(转子或滑块)扭曲。
这通过将金属薄膜成型于载体上的热压成型步骤、尤其是通过将金属薄膜于成型于塑料载体上的热压成型步骤来实现。根据该方法，采用与铜片具有相同电气特性的薄膜作为阻尼元件，利用热压法将其成型于塑料部件上。最好从料卷上放出薄膜，然后利用热压模将其压印在塑料载体上，同时或者随后冲出轮廓形状，以便利用下一个料卷卷绕剩余薄膜。
该方法能够实现本发明所述阻尼元件的锐边形状和复杂形状。所采用的热压模根据所需的阻尼元件轮廓形状相应设计而成，不仅可用来将薄膜传递到塑料基材上，也可用来冲出形状。阻尼元件的表面也非常平整或非常平坦，因为热压模能够以均匀的压力压印薄膜。
此外，这一种金属薄膜的成本低于从前所使用的铜片或金属片。还有一个比传统方法好的优点是误差较小，因为利用热压法可以实现精确压印。当需要改变轮廓形状时，该方法的优点非常突出，因为只要更换热压模，就可制作新的形状。
发明人已经在申请人的场所内对含有使用本发明所述方法制成的阻尼元件的转子进行过测试。薄膜在试验过程中具有和铜片一样的感应性能，且薄膜也能牢固附着在塑料上，可以消除传统制造方法的所有缺点。
附图说明
以下将根据附图1～4对本发明所述电涡流致动元件的一个实施例进行说明。相关阻尼元件的轮廓形状及其作用在其余的附图5～8中进行解释。其中：
附图1：一个转子的横截面，其中包括一个根据现有技术制成的、且没有因温度变化而引起的扭曲的阻尼元件(应有状态)；
附图2：一个转子的横截面，其中包括一个根据现有技术制成的、且因温度变化(冷却)而扭曲的阻尼元件(实际状态)；
附图3：一个转子的横截面，其中包括一个本发明所述的阻尼元件(可能状态)；
附图4：附图3(可能状态)所示转子的俯视图，其中包括一个本发明所述的阻尼元件；
附图5：根据本发明所述用于测量行程的菱形阻尼元件；
附图6a：如附图5，包括电子分析功能；
附图6b：如附图6a，但用于测量角度；
附图7：“计算行程或角度”特性曲线为实际行程或角度的函数，以及
附图8：本发明关于材料(附图8a)或者关于改型轮廓形状(附图8b、8c和8d)的实施方式。
具体实施方式
附图1和2所示为转子1的横截面，转子1包括一个根据现有技术制成的阻尼元件3。该阻尼元件3由一块铜片构成，其通过注塑被封装在转臂2之中，也就是将其通过压力注塑包封。附图1中所示为应有状态，转子1、2、3没有因温度变化而扭曲；附图2所示为实际状态，转子1、2、3已因温度变化而扭曲，尤其是因为注塑后的冷却过程而扭曲。
附图1所示应有状态与附图2所示实际状态之间的差别是因为热膨胀系数不同而引起的。铜片或铝片3具有不同于塑料臂2的纵向热膨胀系数。这种扭曲会导致无法遵守加工误差，或者导致热敏感性部件在信号分析过程中引起波动。
而附图3和附图4中根据本发明所述的产品则与此不同(附图3为横截面，附图4为俯视图)，其形状根据本发明所述制成。金属薄膜3a压印在载体上，该载体尤其是由转子1和转臂2组成的塑料载体。金属薄膜3a(铜薄膜、铝薄膜或类似材料)的导电特性与附图1和附图2所示现有技术制成的铜片3一样。金属薄膜3a的轮廓形状如附图4所示为具有锐边的复杂形状，尤其是感应式阻尼元件3a具有近似于菱形的轮廓形状。例如，附图5和附图6a所示为内凹的菱形3d，附图6b所示为弯曲的菱形3b。
附图8概括了优选的菱形。附图8a所示为现有技术条件下用于测量行程的典型菱形(3为金属片，3a为金属薄膜)；而附图8c所示则为内凹的菱形3d，可改善行程测量精度。附图8b所示为根据附图8a(行程测量)弯曲而成的菱形3c，用于测量角度；附图8d所示为根据附图8c(行程测量)弯曲而成的菱形3b，用于改善角度测量精度。
附图3中金属薄膜3a的热膨胀系数与载体或转臂2的热膨胀系数基本上一致，因为金属薄膜3a很薄。
通过一道热压工序将金属薄膜3a压印在载体上(塑料载体由转子1和转臂2构成)，从而形成按照本发明的感应式电涡流致动元件。在进行热压时，从料卷上放出金属薄膜3a。然后通过热压模将阻尼元件3a压印在塑料载体1、2上。热压模在完成压印之后(或者同时)从金属薄膜上冲出阻尼元件3a。然后将剩余金属薄膜卷绕在另一个料卷上。
感应式阻尼元件3a的载体可以是适合于用来测量角度的转子1；但也可以是由用来测量行程的进行直线运动的滑块构成。
热压法是一种更加快速而且更加经济的加工工艺。将薄膜放在可加热的热压模上，在一定压力和温度下将适当的金属薄膜压在热塑性塑料上。在热压过程中冲出薄膜，并且使其与塑料融合在一起。该方法的特点是工序较少，且投资成本相对较低；此外，还可迅速改变布局，并且价格低廉。
市面上可以买到厚度为18-100微米的适当薄膜。薄膜底面有涂层，例如由棕氧化物(Braunoxid)构成，该涂层能够使薄膜非常好地附着在塑料上。由于可使用薄膜表面，因此热压工艺也适合于无铅连接技术。
若干热塑性塑料均适用于本方法，尤其是在平面中进行布局时。使用既可以调节压力，也可以调节行程的伺服压机来执行压印操作。例如压力可以为20kN，最大压力为35kN。力分辨率精度为10N，行程分辨率精度为6微米。通过测量系统对于压印过程检测。特别适合进行热压的是压力可调的工艺，可在达到设定压力后结束热压过程。
温度达400℃的高性能压机加热装置可按照+/-1℃的精度调节温度。
例如可通过HSC铣削将轮廓布局转变为适当的热压模。适合作为热压模材料的例如可以是某种可淬火的钢材。
视所使用的热塑性塑料而定，注塑件在热压过程结束后可能会或多或少有些变形。如果在热压之前对部件进行回火处理，就能明显减小变形。
附图5和附图6a所示为使用一种菱形阻尼元件3d进行行程测量。按照本发明的菱形轮廓形状至少有两个边向内弯曲。附图5和附图6a所示菱形的中心线沿着相对运动方向在线圈列上成一条直线，从扁平线圈的线性阵列上滑过，从而可测量行程。根据附图5和附图6a所示的对于行程测量的方式，优选将菱形轮廓形状的所有四条边均向内弯曲。
附图6b所示菱形的中心线是一条沿相对运动方向的圆弧，从扁平线圈的圆弧形阵列上滑过，从而可测量角度。位于圆弧内侧的边的弯曲程度大于指向外侧的边，以便进行角度测量。例如，附图6b中所示的外边并不弯曲，但也可以略微内凹(向内弯曲)或者外凸(向外弯曲)。附图8概括了本发明关于材料(附图8a)以及改型轮廓形状(附图8b、8c和8d)的实施方式。通过热压法制作、冲出薄膜3a、3b、3c和3d。如下所述，即使不采用热压法，而是采用传统方法制作改型菱形轮廓形状3b、3c和3d，也能发挥作用。
如果边按照附图5和附图6a所示向内弯曲，就会使求值函数十分接近于钟形曲线，从而几乎不会出现测量误差，也就是说，即使现在所存在的误差也是微不足道，不会影响分析。附图5所示为分析功能的方框图。
正弦波振荡器产生具有恒定振幅以及恒定频率(例如f＝12MHz)的交变电流。将该电流放大，然后通过多路转接器将其依次馈入六个传感器线圈1～6的每一个线圈之中。线圈数可以改变，线圈数通过测量行程(或者测量角度)来决定。
如果将由良好导电材料制成的致动器3或者3d越过线圈1～6上方进行移动，线圈的电感L就会因为涡流损耗而减小。线圈的感抗因此也会与电感和馈电频率成正比地减小。
当制动器3、3d没有覆盖线圈时，电感例如有1000nH。当制动器3、3d覆盖线圈时，则电感有200nH。该过程通常被称作“阻尼”。感抗为75Ohm(无阻尼)或15Ohm(有阻尼)。
对馈入电流而在线圈1～6上产生的电压降进行整流，然后将其送给微处理器(模拟-数字-转换器-输入端)进行处理。微处理器以循环方式(尤其是以固定的时间间隔)测量传感器线圈1～6的电压(如前所述，与电感成正比)，并且保存每一次循环的电压，然后计算行程(对比附图6a)或者计算角度(对比附图6b)。
六个线圈针对某一个致动器位置x的六个测量值记录在附图6a和附图6b所示的上方图表中。将菱形致动器的中心定义为致动器位置x。根据某种查找算法，从这六个测量值中找出最大的测量值。将该最大值减去六个值中的每一个值，从而得出附图6a和附图6b中的下方图表。该步骤被称作归零化，因为没有被致动器覆盖的所有线圈的值均以这种方式变成大约等于零。
通过钟形曲线使这些归零化值的曲线近似于公式y＝a·e-b(x-c)2。得出准确的致动器位置x作为钟形曲线最大值的位置。
由于钟形曲线的方程式包含三个未知参数a、b和c，因此必须列出三个方程，才能计算参数c。参数c就是顶点或最大值的位置。由于线圈的间距通常一样大，因此方程组的解算可以简化。
经验证明，下列致动器形状特别有利于进行这种计算
-基本上为菱形，
-长度大约为线圈长度的三倍，
-具有一个线圈的宽度，且
-其边均略微向内弯曲。
与文献EP 1 688 709 A2所述的重心计算法相比，其优点在于：仅将三个阻尼最强的线圈值用于进行分析。因此没有阻尼的线圈的偏差对结果没有影响。此外，运算所需时间与线圈的数量无关。
与根据抛物线插值法计算顶点的方法相比，其优点在于：使用抛物线进行插值不能与测量值精确保持一致。尽管可以使抛物线近似于测量点，但始终留有剩余误差，因此无法消除所谓的周期性直线性误差。以下将根据附图7来说明本发明消除周期性直线性误差的方法。
当致动器在某一个线圈所在区域内经过所述行程(或者模拟地经过所述角度)运动时，就会得到一条基本上呈线性上升的曲线(不考虑起始区和终止区内的误差)。但仅当致动器的中心点在第二个线圈和倒数第二个线圈之间时，这种说法才成立，否则就不能忽略起始区和终止区内的误差。当致动器位于更左边(在第二个线圈前面)或者位于更右边(在倒数第二个线圈后面)时，就可以将左侧或者右侧相邻点的钟形曲线测量值y(x)当成零。因此尽管可以从左向右扩大测量范围，但误差也会随着致动器远离线性测量区域而变大。
此外，如附图7所示，在中间区域还存在周期性直线性误差(放大视图)。这种周期性出现的误差取决于理想钟形曲线与归零化测量值是否相符。相符程度越好，则该误差越小。如果精确相符，则周期性直线性误差就会消失，采用本发明所述的菱形形状就能实现这一点。
附图标记对照表
1   转子
2   转臂
3   金属片制成的阻尼元件或者感应式电涡流致动元件
3a  作为菱形阻尼元件的薄膜
3b  改型菱形型式的阻尼元件
3c  蝙蝠状菱形型式的阻尼元件
3d  内凹菱形型式的致动元件
x   致动器的位置
y   传感器线圈1*～6*的归零化测量值

Claims (13)

1.一种感应式电涡流致动元件
-使其在规定的距离内经过一列紧密相邻的扁平线圈，
-以便通过电涡流阻尼作用来改变三个扁平线圈的电感，并且
-感应式电涡流致动元件的菱形轮廓形状具有以下特征，
-菱形轮廓形状的至少两个边向内弯曲。
2.根据权利要求1所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，所述菱形的中心线沿相对运动方向成一条直线，并且滑过扁平线圈的直线阵列，用于测量行程。
3.根据权利要求1所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，所述菱形的中心线沿相对运动方向成一条圆弧，并且滑过扁平线圈的圆弧形阵列，用于测量角度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的感应式电涡流致动元件，其菱形轮廓形状的四条边向内弯曲。
5.根据权利要求3所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，位于圆弧内侧的边比菱形轮廓形状指向外侧的边更加弯曲。
6.根据权利要求5所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，菱形轮廓形状指向外侧的边内凹向内弯曲，或者不弯曲，或者外凸向外弯曲。
7.根据权利要求1～3、5、6中任一项所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，所述感应式电涡流致动元件包括一个载体，且采用热压法将金属薄膜压印在塑料载体上作为近似于菱形的感应式阻尼元件。
8.根据权利要求7所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，近似于菱形的感应式阻尼元件是通过热压模从金属薄膜上冲出后压印形成的。
9.根据权利要求7所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，金属薄膜与铜片一样具有同样的导电特性。
10.根据权利要求8所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，所冲出的感应式阻尼元件具有复杂的锐边形状。
11.根据权利要求7所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，金属薄膜的热膨胀系数与载体的热膨胀系数基本一致。
12.根据权利要求7所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，感应式阻尼元件的载体构成一个转子。
13.根据权利要求7所述的感应式电涡流致动元件，其特征在于，感应式阻尼元件的载体构成一个直线运动的滑块。
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