CN101501454B - 用于检测机器的可动部件的位置的位置编码器和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于旋转体的旋转角检测传感器系统，其相对干扰磁场和干扰电场具有减小的灵敏度。旋转角检测传感器系统包括附到机器的旋转体且能够和该旋转体一起移动的编码器结构。静止传感器组件相对该编码器结构设置并供应至少一个用于确定角位置的传感器信号。传感器组件包括第一感应元件，其电感应取决于编码器结构的角位置。

Description

用于检测机器的可动部件的位置的位置编码器和方法

技术领域

本发明涉及一种检测诸如机器尤其是电机的转子这种可动部件的位置的系统和方法，包括附在转子上并可以与转子一起移动的编码器结构，以及与所述编码器结构以相对关系定位的静止传感器组件，其中所述传感器组件提供至少一个传感器信号，由该传感器信号可推导出所述位置。 

背景技术

从WO 02/084849A1中可获知上述类型的装置和方法。该文件中所述的设备具有附到转子上的环，该环具有交替地可磁化的各个段。与所述可磁化环元件相对，设置有静止磁体传感器元件。在可磁化传感器环的各个段内的感应的进行引起传感器元件中的磁化的交替变化，其中传感器元件的信号的波形随电角的位移而产生；从这些信号中可计算出模拟信号，以描述所述转子的角位置。 

因为公知的传感器基于磁性测量原理，所以其对磁干扰和电干扰敏感。这在将传感器用于汽车领域时是尤其不利的，在汽车领域中传感器被暴露于严苛的环境条件下并且可能出现高达1000安培的电动机电流。 

因此本发明的一个目的是提供一种结合相关的测量过程来检测可动部分诸如转子的位置的系统和方法，其可以减少对磁干扰场和电干扰场的敏感。 

发明内容

所述目标被上述类型的系统所解决，其中传感器组件包括第一感应线圈构件，且其中编码器结构被构造为实现感应线圈元件的电感应取决于运动或取决于位置而变化。 

当编码器结构由于可动部件(旋转体)的运动而相对于传感器组件移动时，所述可动部件在特定实施方式中可表示电机的转子，至少传感器组件的感应的行为取决于编码器结构的位置而改变，从而基于对传感器组件的适当控制，可相应改变输出信号的振幅和/或相位和/或频率。因此，在本发明的系统中，和传统技术相反，如果编码器结构至少局部地由传导材料组成，那么编码器结构的涡流损失将会相对于影响传感器组件的传感器信号而被利用，从而相比于传统的磁测量过程，本发明的系统感应电磁感应可显著耐用。 

也就是，所述系统的操作行为由该感应元件的电感应的变化引起。 

为此，所述编码器结构可被构造为例如其宽度和面积或通常是传导性相应于其位置而改变。当例如与感应元件相对的编码器结构的宽度和面积 改变时，由于在编码器结构中产生的涡流损失量改变所以感应元件的电感应也改变。 

根据本发明的一个有利的实施方式，编码器结构包括关于角度周期地变化的结构，例如，宽度和面积改变。这样，传感器组件可输出周期性改变的信号，从该信号可检测出角位置。 

当所述变化的结构具有正弦构造时可能是有利的。根据该布置，传感器组件将由于编码器结构的正弦轨道(track)而减幅，由此允许高效的评估或计算编码器结构的位置。在其它实施方式中，编码器结构可以表现出其它的“阻尼模式”，诸如三角结构、至少局部矩形的结构等，其中宽度改变至少是逐步的。通常，可使用能够使由电感应变化引起的信号变化和转子的位置之间的关系明确的其它构造。 

所述编码器结构可优选地设置在转子的径向内部或径向外部位置的环上。在这种构造中，如果考虑具有转子的机器，则在转子的机械旋转过程中的角度检测周期可连续重复。如果编码器结构附在转子的内侧处，则将传感器组件定位在与编码器结构对置的内侧处可能是有利的。在另一方面，如果编码器结构附到转子的外侧处，则传感器组件通常设置在转子外侧。 

在其它实施方式中，编码器结构轴向地设置在转子处。随后，适当构造的相应的传感器组件可相对于转子轴向地定位。 

根据本发明的一个有利实施方式，传感器组件至少包括具有两个由AC电压源供电的谐振电路和具有感应构件的传感器系统，所述感应构件在阻尼状态下或在影响由编码器结构引起的电感应的期间产生包括位置信息的输出信号。从所述谐振电路，可获得相移和/或幅度差，其根据编码器结构的位置而改变。在这种情况下，传感器系统的精确度由AC电压源的元件和谐振电路的元件的公差确定，由此基于各个元件的适当质量而提供有效的系统操作。所述谐振电路可以设置为串联谐振电路或并联谐振电路。 

在其它实施方式中，传感器组件的感应构件用作与其相关联的振荡器的构件，并且由电感应的变化引起的振荡器的频率差可以得到评估或计算从而获得所希望的位置信息。 

在本发明的尤其有利的实施方式中，传感器组件包括至少两个相同的上述类型的传感器系统，其彼此机械地移置。由于这样机械地移置传感器系统，可产生对应于编码器结构的不同位置的相同形状的时移信号，其可被用于精确地确定编码器结构的绝对位置。 

根据本发明的有利的实施方式，传感器组件的传感器系统彼此极接近地设置。这样，通过传感器输出信号的基本相同的改变，可消除转子和附在其上的编码器结构的不平衡的径向偏斜。 

有利的是电路设置在传感器组件的下游，其将至少一个传感器信号转换为包括位置信息的信号。通过使用所述电路，可将传感器组件测量的相位和/或幅度和/或频率的差转换为直接表示待检测的角位置的信号。 

在一些实施方式中，当电路包括用于分接(tap)和处理传感器组件的传感器信号的对称信道时可能是有利的。当由传感器组件输出的信号在其信号形状相同时，由于电路信道的对称构造可确保传感器信号的相同处理。这样，所述被处理过的传感器信号可以被处理以获得更精确的输出信号。 

在一些实施方式中，所述传感器系统以移置的方式排列，尤其以90°移置。这样，当例如编码器组件具有相应构造时，可产生正弦和余弦信号。 

优选地，用于在传感器组件中产生振荡的AC电压源的频率处于500KHz到约5MHz范围内。在该范围内，传感器组件可更有效地受编码器结构的涡流损失的影响。 

在一些实施方式中，所述谐振电路被调整为AC电流源的频率。这样，可实现相对于制造公差而平衡谐振电路，以获得高的评估灵敏度，其中可在用于被衰减的传感器组件的谐振频率的附近的适当值处选择操作频率。 

当包含位置信息的信号包括正弦信号和余弦信号且计算模块设置在下游时是尤其有利的，所述计算模块可从正弦信号和余弦信号计算反正切函数。这样可直接表示角位置。 

在本发明的进一步的方案中，设置有旋转角检测传感器系统。该系统包括旋转体和附到旋转体上并能够与旋转体一起旋转的编码器结构。此外，该系统包括静止传感器组件，其具有一个或多个感应元件，并以与所述编码器结构对置并且其间有间隔的方式设置。所述旋转角检测传感器系统的特征在于所述一个或多个感应元件形成为平面形状。 

本发明的一个目的也通过用于检测机器的诸如转子的可动部件的方法而被解决。所述方法包括通过改变连接到所述可动部件的编码器结构的位置来改变传感器组件的电感应，以及检测所述传感器组件的电感应的变化。而且，基于检测到的电感应的变化来确定所述可动部件的位置。 

基于涡流原理的技术提供可动部件关于磁和电干扰区的位置检测的基本的灵敏度。 

通过传感器组件的两个振荡传感器系统的相位差可检测电感应的变化。 

这样可例如基于传感器组件中的谐振电路完成有效的评估，其中可以精确的方式评估编码器组件中取决于位置的涡流损失。为此，可基于具有相应相位差的模拟信号完成评估。 

在一个优选实施方式中，基于传感器组件的两个振荡传感器系统的幅度差检测电感应的变化。 

在另一优选实施方式中，通过传感器组件的两个振荡传感器系统的频率差来检测电感应的变化。 

在这些情况下，可使用诸如微控制器或微处理器这些经检验的信号处理装置，以获得高度的设计灵活性。 

根据本发明的另一方案，所述目的由一种已在引入部分中描述的系统所解决，其中所述传感器组件包括第一感应元件，即，缺少磁芯的线圈，且其中编码器结构被构造以引起感应元件的取决于位置的电感应值。 

除了上述的有利效果外，由于缺少磁芯，所以在线圈外部磁场中的材料可能对传感器组件的磁化或饱和没有贡献，从而所获得的输出信号可能适当地对强磁场敏感，这尤其可能发生在电机中。 

为此，编码器中的传导性以取决于角度的方式变化，从而编码器结构的取决于位置的结构获得了高度灵活性。 

在一个实施方式中，在移动可动部件时以穿过线圈的至少一个轨迹(trace)或轨道的形式设置传导性材料。可以根据各种方式在各种适合的位置处，例如强干扰场的外侧等处，设置该至少一个轨道。所述轨道可并入到转子的一部分内，或者所述轨道可通过适当的支撑结构附到转子上。 

在一个实施方式中，轨道包括随着移动方向变化的宽度，从而实现取决于有效位置的传导性的调制。 

在另一实施方式中，该至少一个轨道至少在一段中包括恒定宽度，从而在所述一段中的传导性的调制可通过其它措施获得，例如薄层电阻的控制调整等。通过改变不同段的宽度，每个段包括取决于位置的传导性，可调整相应的偏移，由此提供额外将信息编码到所述至少一个轨道内的可能性。 

在一个示例性实施方式中，导电材料的区域部分(area fraction)在一段内沿着运动方向变化，由此获得有效的调制。为此，特别应用的材料可被选择性地移除，或者为了获得取决于位置的区域部分，转子的基材可被合适地形成图案。 

在这种情况下，至少基于所述段，在运动方向上平均传导性可变化，由此提供电势以获得在单一轨道内的更不精确和更精确的位置分辨率。例如，所希望的角分辨率可依赖于极对的数量，同时不精确的分辨率可涉及各种极对的位置，从而涉及用于整个分辨率的位置。 

在另外的实施方式中，第一轨道和第二轨道设置在编码器结构中，且所述传感器组件包括没有磁芯的第二线圈，其中第一线圈被沿着第一轨道引导且第二线圈被沿着第二轨道引导。这样，通过使用多个线圈和/或具有不同空间分辨率的轨道，可减小传感器组件关于运动方向的尺寸。 

在另一实施方式中，可动部件由基材制成，且编码器结构通过改变一部分基材的传导性来实现。这样，编码器结构可基于可动部件的现有元件形成，从而可减少编码器结构所需的体积并且可能更容易制造。 

在另一实施方式中，可动部件由传导性基材制成，并且编码器结构是通过将减少传导性或增加传导性的材料附到和/或并入基材中而形成的。例如，如果由较差传导性材料制成，则可直接在可动部件上沉积一层高传导性材料。例如，基材包括钢，而用于形成编码器结构的材料包括铜、铜合金、银、它们的合金等。 

用于形成编码器结构的材料可并入到基材中，从而获得基本平面的结构。 

在另一实施方式中，材料的一层厚度小于40μm且优选的在2μm到35μm的范围内。 

在另一实施方式中，编码器结构包括传导性的冲孔或冲压部分。这样，可通过节约成本的制造过程来实现传导性的调制，这可以在大的片数以及减少的制造公差的基础上来实施。 

在另一实施方式中，编码器结构包括浮凸导体结构，由此也可获得上述优点。 

在另一实施方式中，编码器结构包括印刷导体结构。这样，对于轨道可实现几乎任何形状，从而考虑到评估传感器信号，可选择适当的具有高再现性和非常精确限定的侧向尺寸的设计。 

在另一实施方式中，编码器结构包括模制的集成装置(MID)。根据该技术，可形成相应的三维导体结构，其适应于转子的形状或其它载体材料。 

除了在前述方案中所描述的编码器结构的形状之外，传导性可以逐步的方式改变，由此实现可代表近似于所希望的形状的阶段函数，所希望的形状诸如正弦波形，由此便于制造传导性结构。 

除了目前所讨论的线圈的方案外，在一些实施方式中第一线圈包括平面线圈。通过该几何形状，可通过使用多种制造技术和载体材料来获得减小的体积。 

例如，平面线圈设置为载体材料上的传导线。在这种情况下，可使用在印刷布线板领域中和在半导体制造领域中使用的确立的制造过程。因此可使用诸如FR4、陶瓷等的适当材料。然而，诸如绝缘体、半导体等的衬底可以结合适当的制造技术而被使用。 

在一个实施方式中，平面线圈的一些部分形成在载体材料中的不同层上，从而每个单独层可以平面制造技术形成，然而也可以设置大量的绕线。例如，载体材料包括多层板。 

在另一实施方式中，载体材料为薄片材料，从而可将线圈制成所希望的形状，用于增强效率或用于便于并入机器。 

此外，所述载体材料可以是模制的集成装置(MID)。 

在另一实施方式中，第一线圈包括安装在载体材料上的缠绕线圈。这样，可获得大量绕线并且因此可获得高效率，其中线圈具有气隙线圈的特性，由此提供如上所述的对于干扰的降低的灵敏度。 

在另一实施方式中，传感器组件包括第二振荡电路，所述第二振荡电路具有可以与第一线圈有基本相同构造的线圈。 

在另一实施方式中，第一和第二线圈沿着转子运动的方向定位，其间具有与关于第一和第二线圈各自的输出信号的180°的相位差对应的间隔。因此，通过获得各自信号的差，可有效抑制干扰成分。 

除了涉及为获得传感器组件的输出信号而提供电路的实施方式外，在一个有利的实施方式中，传感器组件和电路在空间上彼此分离，且通过有线连接诸如电缆来连接。这样，传感器组件可独立于所述电路地被定位于机器中，从而可为电路选择例如考虑到环境条件而言是合适的位置。 

在另一实施方式中，设置没有有源电子元件的传感器组件，由此允许传感器组件被定位于或集成于增加温度的区域中，而不必要求增加可导致增加制造成本的电路。 

在另一方案中，本发明涉及一种形成用于机器的转子位置传感器系统的方法。该方法包括提供与转子一起旋转的编码器结构，并且所述编码器结构具有取决于所述转子的角位置的传导性。该方法进一步包括提供传感器组件，其可以相对于所述编码器结构以静止的方式定位，所述传感器组件可以提供由在所述编码器结构中所引起的涡流得到的取决于角度的输出信号。此外，提供电子电路以便处理取决于角的输出信号，其中至少所述电子电路是注塑模制的。这样，实现了电路的增强的可靠性，尤其是在汽车领域中遇到的复杂条件下。 

在一个实施方式中，电子电路形成在载体上，且是直接被注塑模制的，由此实现节约成本的制造过程。在其它情况下，所述电子电路安装在外壳中，且所述外壳是注塑模制的，基本不受空气包围。 

在另一实施方式中，传感器组件和电子电路以同样的过程来注塑模制，由此得到紧凑的结构。 

在另一实施方式中，提供了一种编码器结构，其包括改变机器的一部分转子的传导性。这样，制造转子所需的元件无论如何可用于形成编码器结构，由此获得尺寸、制造成本等方面的优点。 

改变传导性可包括将导电材料沉积在转子的基材上和/或并入到转子的基材中。 

在一个实施方式中，提供一种编码器结构，其包括通过打孔、冲压、压纹、印刷或三维模制(MID)来形成传导性结构。 

在一个实施方式中，在传感器组件和电子电路之间设置有电缆连接，从而电子装置可被定位于遭受增加的环境影响的外部区域。 

附图说明

在所附的权利要求书中定义了进一步的有利的实施方式。另外，将结合附图在下文中描述本发明的进一步的实施方式，在附图中： 

图1A-1E为根据本发明的实施方式的传感器系统的实例，其中设置有串联谐振电路、并联谐振电路和具有连接到其的感应器的振荡器，以便检测由编码器结构引起的电感应的变化； 

图2示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的与编码器结构有关的传感器线圈的配置和从其所获得的各个传感器信号； 

图3A和图3B为示出关于本发明的旋转角传感器的一种形式的图； 

图4A到4C为示出关于本发明的旋转角传感器的一种形式的图； 

图5A和5B为示出关于本发明的旋转角传感器的一种形式的图； 

图6A和6B为示出在图4中所使用的静止传感器组件的配置实例的图； 

图7A到7C为示出多个感应元件的配置实例的图； 

图8为示出多个感应元件和一个编码器结构以相对方式设置的状态的图； 

图9A到9C为示出多个感应元件的其它配置实例的图； 

图10A和10B为示出根据本发明的一个实施方式的编码器结构的一个配置实例的图； 

图11A和11B为示出编码器结构的另一配置实例的图； 

图12为示出编码器结构形成于自旋转体中的情况下的配置实例的图； 

图13A-13C示意性示出了在本发明的实施方式中使用的电路的工作行为，以便分别计算相位差、幅度差和频率差； 

图14示出了图13A所示的电路的实施方式的方框图； 

图15示意性示出了根据本发明如何可以达到幅度的最优变化； 

图16A、16B示意性示出了传感器系统的轴向定位； 

图16C示出了传感器系统的径向排列； 

图16D到16G示意性示出了根据示范性实施方式用于调制传导率的各种轨道； 

图16H示出了轨道在载体材料上的附着或沉积； 

图16I到16L示出在本发明的传感器系统中使用的各种气隙线圈； 

图16M和16N示出了其它实施方式的若干编码器轨道和相应线圈；以及 

图160示意性示出具有在空间上分离的电路和线圈组件的传感器系统。 

附图标记 

1-电动机                   2-转子(可动部件) 

2a-转子轴                  3-编码器结构 

4-传感器组件               5、5a、5b-传感器系统 

6a、6b-谐振电路            7-编码器环 

8-电路                     9-传感器信号 

10-模拟电压                11-电路输出部 

13-计算模块                14-电路输入部 

15-放大器和滤波器          16-比较器 

17-控制单元                18-异或门 

19-低通滤波器              20-缓冲级 

21-调压器 

31、32、33-旋转角传感器    41-磁体 

43-定子                    51-印刷电路板(PCB) 

52-感应元件                53-外壳 

54-ASIC                    55-周边电路形成区 

110、120-内转子电动机      130、140-外转子电动机 

C-a、C-b-电容器            cos-余弦波信号 

L1、L2、L3、L4-感应元件    P-操作点 

A-幅度                     R-a、R-b-电阻器 

sin-正弦波信号             V-AC电压源 

ω0-谐振频率               ωB-操作频率 

ωu-具有强衰减的谐振频率        Os1、Os2-振荡器 

300、3B、3C、3D-轨道            200-轴 

8A-电缆连接                     4D-基材 

4E-线圈厚度                     D-导体厚度 

4A-线圈、绕线4B-载体材料 

具体实施方式

图1A到图1E示出了在本发明的一个实施方式中使用的传感器系统5的基本结构。 

传感器系统5是感应位置传感器。该感应位置传感器实际上被构造为具有两个谐振电路6a和6b，根据图1A的实施方式所述谐振电路6a和6b以并联配置来设置。谐振电路6a包括串联连接的线圈或感应器L1、电阻器R-a和电容器C-a，而谐振电路6b包括串联连接的线圈或感应器L2、电阻器R-b和电容器C-b。 

理想的是所述感应器L1和L2以平面类型(平面形式)配置来设置。在示范性示出的实施方式中，电容器C-a和C-b被设置为分离的装置。 

通过与两个谐振电路并联连接的AC电压源V将电压施加到两个谐振电路6a和6b。一般将AC电压源V的频率f设定在从大约500kHz到大约5MHz的范围内。 

串联谐振电路6a和6b与AC电压源的频率f同步并被调节为非操作状态，更确切地说是接近谐振频率而无衰减的状态。因此可能获得串联谐振电路6a和6b的高灵敏度，并且在这种情况下，如稍后参照图15所解释的，通过适当地选择操作频率，与编码器结构和感应元件L1、L2之间的间隔相关的一定程度的公差(tolerance)能够得到稳定。该调节的精确性是依赖于AC电压源V的配置元件的公差和依赖于串联谐振电路6a和6b的装置L、R和C而确定的。那些公差越小，传感器系统5的操作性能就改善得越大。 

在作为编码器结构的可动传导结构进入感应器L1和L2的磁场的情况下，产生的涡流引起产生于两个共振电路6a和6b之间的相位差。如下所详细描述的，该相位差实际上取决于编码器结构和谐振电路6a和6b的性质。存在一种产生最大值+/-90°，更确切的为180°的dPhi的相位差的情况。 

图1B示出了这样一个实施方式：谐振电路6a和6b为并联谐振电路，且从相应的电阻器R-a、R-b和与相应电阻器相关的并联谐振电路之间的各个节点获得信号。而且在该情况下，可以获得由编码器结构产生的电感应的改变决定的相位差。 

图1C示出了另一个实施方式：其中谐振电路6a和6b被设置为串联谐振电路。在这种情况下，获得两个电路的最大电压的差dUss作为用于表示位置信息的电感应的变化的基础，dUss表示幅度差。 

图1D示出了这样一个实施方式：其中谐振电路6a和6b被设置为并联谐振电路以确定幅度差dUss。 

图1E示出了这样一个实施方式：其中感应元件L1和L2与相应的振荡器Os1和Os2连接；因此，那些感应元件部分地形成对应的振荡器以检测改变感应器的振荡行为；从而确定频率差df。 

图2示意性示出了与传感器组件4相关的编码器结构3的配置。在该实施方式中，传感器组件4包括第一传感器系统5a和第二传感器系统5b，传感器系统5a具有如图1所示的传感器系统5的感应元件L1和L2，传感器系统5b具有感应元件L3和L4，根据本发明的一个实施方式，传感器组件4还包括信号处理电路8和从信号处理电路8获得的随时间t变化的电压信号U。 

在稍后描述的实施方式中，编码器结构3附到与可动部件连接的气缸环7的表面，在本实施方式中所示可动部件为电动机1的转子2，并且因此编码器结构3可以与可动部件一起移动。在一实施方式中，电动机表示其中将角信号用于电整流的执行永磁力激发的机器。然而，在本发明的另一个实施方式中，编码器结构3可设置在转子2的径向上的内侧部分中。根据本发明的另一个有利的实施方式，编码器结构3也可以设置在转子2的轴向上。 

在该图所示的实施方式中，被设为正弦波形式的编码器结构3设置在转子2径向上的外侧部分的环7中。其中所使用的正弦波形状是有利的，因为编码器结构3可提供具有正弦轨迹形状的衰减区，并且随后由于该衰减区，在传感器系统5中检测到的传感器信号9被处理为正弦波形式，因此可能容易地执行评估/计算。 

大体上，依赖于角度而变化的另一种结构可以被用作编码器结构3。例如，可设置重复三角形结构作为编码器结构。此外，还可以利用依赖于位置而改变电感应的另一种形状，例如逐步改变宽度的矩形结构。 

编码器结构3可以由例如铝、钢、铜、插线板、导电箔或包含金属的塑料材料制成。唯一的要求是所述结构是传导的或者包括传导的配置元件。所述结构不必是磁体。 

例如，在第一传感器系统5a的谐振电路6a和6b的结构中的传感器线圈L1和L2以与编码器结构3对置的方式设置，并且传感器系统5b的传感器线圈L3和L4以90°的角位移来设置。传感器的感应器L1、L2和L3、L4定位在编码器结构3的前面，从而相应一对感应器形成180°的角偏移，结果在传感器系统5a和5b中的相应一对感应器可产生微分信号。那些微分信号中的每一个包含可动部件或转子2的位置。例如，因为设置了两个 传感器系统5a和5b，所以可获得对应于编码器结构3的配置具有90°的相移的两个微分信号，且所述微分信号为正弦波信号和余弦波信号。还可以从这两个微分信号获得绝对位置，这意味着也可以确定编码器结构3的移动方向。 

在关于本发明的旋转角检测传感器(下文称为“旋转角传感器”)中，以与编码器结构相对的方式设置的附到像诸如转子的旋转体的可动部件的编码器结构(产生涡流的部件)和感应元件(或具有内置感应元件的静止传感器组件)被设定为必要配置。 

换句话说，仅通过满足上述的编码器结构和感应元件(静止传感器组件)以相对的关系设置这样一种结构条件，就可以将旋转角传感器发展成不同的结构变体，优点是该旋转角传感器可灵活地适用于各种用途且可改善设计的自由度。 

关于本发明的旋转角传感器的形式在图3到图5中示出。图3到图5中的每幅图，图A示出旋转角传感器的整体构造图(必要部分的立体图)，而图B示出当图A的旋转角传感器应用到电动机时的安装实例(局部横截面图)。 

下文中将进一步详细地描述每种形式。 

图3示出旋转角传感器的一种形式，其中编码器结构3设置在径向上且在转子2的内圆周表面一侧上，而静止传感器组件4以与编码器结构3相对的方式设置。 

图4示出旋转角传感器的一种形式，其中编码器结构3设置在转子2的轴向上(转子的横向侧)，而静止传感器组件4以与编码器结构3相对的方式设置。 

图5示出旋转角传感器的一种形式，其中编码器结构3设置在径向上且在转子2的外圆周表面侧上，而静止传感器组件4与编码器结构3相对设置。 

首先，在图3A所示的旋转角传感器31中，编码器结构3形成在径向上且在转子2的内圆周表面侧上，更精确地，编码器结构3在附到转子轴2a的转子2的圆柱部2b的内圆周表面上。此外，静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式设置在内侧。 

应注意的是，静止传感器组件4在图3A的左侧示出，该传感器组件从转子2和编码器结构3上拆卸和分离。在后续图4A和图5A中，也以类似的方式示出静止传感器组件4。 

该旋转角传感器31具有对于安装到诸如所谓的永磁型同步电动机或内转子型的永磁型无刷电动机的径向型传感器的实例而言理想的结构，其具有例如磁体定位在转子2的表面部上且电动机在转子2的中心部内具有空间的结构。因为旋转角传感器31具有图3A的构造，所以旋转角传感器 31可以定位在转子2的内侧，并因此存在电动机的轴长度等不必为了传感器的布置而增加的优点。 

图3B示出在图3A中的旋转角传感器31应用到内转子型电动机的情况下的安装实例。图3B所示的电动机是内转子型电动机，更确切的是内转子电动机110。该内转子电动机110具有这样的构造：磁体41设置在转子2的表面部(外圆周表面)，具有线圈42的定子43以与该磁体41相对的方式来定位。此外，图3A的旋转角传感器31被配置以便使编码器结构3设置在转子2的内圆周表面中，且静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式来定位。静止传感器组件4设置在构件43a中，构件43a在与旋转轴平行的方向上从定子43延伸出来。定子43被构造为具有由电磁钢板的叠层板制成的定子芯。 

因为如前所述所述电动机在转子2的中心部具有空间且旋转角传感器31可以定位在转子2的内侧，所以无需为了安装旋转角传感器31而增加电动机110的轴长度。 

在图4A所示的旋转角传感器32中，编码器结构3形成在转子2的轴向(与径向垂直的方向)上，这意味着在转子2的横向侧上，更确切地说在附到转子轴2a的转子2的板状部2c的横向侧上。此外，静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式定位在内侧上。 

该旋转角传感器32具有适合作为安装到电动机的轴向型传感器的实例的结构，所述电动机具有这样的结构：例如，力作用在外侧的定子和内侧的转子2之间。更确切地，在具有上述结构的电动机中，定子定位在转子2的右外侧，且电动机在转子2的横向侧上具有空间。因此，因为旋转角传感器32具有图4A的构造，由编码器结构3和静止传感器组件4组成的旋转角传感器32可设置在该空间中，因此该传感器具有和传感器的安装相关的易用性优越的优点。 

图4B示出在图4A的旋转角传感器32应用到内转子型电动机(内转子电动机)的情况下的安装实例。图4B所示的内转子电动机120具有这样的构造：磁体41设置在转子2的表面部(外圆周表面)内，具有线圈42的定子43以与该磁体41相对的方式被定位。此外，图4A的旋转角传感器32被构造以使编码器结构3设置在转子2的横向侧上，且静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式被定位。静止传感器组件4设置在定子43中。除了围绕着由编码器结构3和静止传感器组件4组成的旋转角传感器32之外的其它构造与图3B的内转子电动机110几乎相同。 

如前所述，旋转角传感器32在力作用于内转子电动机120的定子43和转子2之间的情况下是合适的，其中附属于定子43的线圈42定位在转子2的右外侧上，且电动机在转子2的横向侧上具有空间，从而旋转角传感器32可以定位在该空间中，因此与传感器的安装相关的易用性优越。 

此外，图4C示出作为改变的实例的在图4A的旋转角传感器32应用到电动机的情况下的安装实例，其中所述电动机具有与图4B的内转子电动机 120不同的结构。虽然在图4B的内转子电动机的情况下转子2比定子43设置在更内侧上，但是图4C所示的电动机为外转子电动机130，其中转子2比定子43设置在更外侧上。该外转子电动机130具有这样的构造：磁体4 1设置在转子2的内侧，具有线圈42的定子43以与该磁体41相对的方式被定位。定子43被构造为具有由电磁钢板的层叠板制成的定子芯。此外，图4A的旋转角传感器32被构造以使编码器结构3设置在转子2的横向侧上，且静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式被定位。静止传感器组件4设置在构件43b内，构件43b在与旋转轴垂直的方向上延伸，旋转轴与定子43在图中未示出的部分处连接。 

在图5A所示的旋转角传感器33中，编码器结构3形成在转子2的径向上且在外圆周表面侧上，更确切地，在附到转子轴2a的转子2的环形部2d的外圆周表面上。此外，静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式被定位在外侧。 

该旋转角传感器33具有在诸如外转子型的永磁型同步电动机或外转子型的永磁型无刷电动机的情况下适于传感器安装的结构，例如，其中所述电动机在转子2的外侧具有空间，且该旋转角传感器被分类到与图3A的旋转角传感器31类似的径向型传感器。因为旋转角传感器33具有图5A的构造，唯一必要的是编码器结构3直接形成在转子2的外圆周表面上且静止传感器组件4与所述编码器结构3相对安装，因此该传感器具有传感器安装非常简单的优点。 

图5B示出图5A的旋转角传感器应用到外转子型电动机，更确切地说是外转子电动机的情况。图5B所示的外转子电动机140具有这样的构造：磁体41设置在转子2的内侧，且具有线圈42的定子43以与该磁体41相对的方式被定位。定子43被构造为具有由电磁钢板的层叠板制成的定子芯。此外，图5A的旋转角传感器33被构造以使编码器结构3设置在转子2的外圆周表面，且静止传感器组件4以与该编码器结构3相对的方式被定位。静止传感器组件4设置在构件43c内，该构件43c在与旋转轴平行的方向上延伸，旋转轴与定子43连接。除了围绕着由编码器结构3和静止传感器组件4组成的旋转角传感器33之外的其它构造与图4C的外转子电动机130几乎相同。 

如前所述，电动机在转子2的外侧具有空间，唯一必要的是编码器结构3直接形成在转子2的外圆周表面上，且静止传感器组件4与编码器结构3相对安装，因此旋转角传感器33的安装非常简单。 

前述旋转角传感器的所有实施方式的结构特征在于静止传感器组件没有必要横跨旋转轴。更确切地，可以不改变具有转子、旋转轴等的传统结构而安装那些旋转角传感器，并且因为那些传感器可以被安装到具有多种旋转装置的产品，从而那些旋转角传感器在多功能性方面优越。 

应注意的是，根据本发明的旋转角传感器并不局限于前述的那些结构实例和应用实例，而是在不背离本发明的范围和精神的情况下可以作出各种修改和变更。 

随后，将参照附图详细描述上述旋转角传感器的每种构造。 

图6为示出在图4中使用的静止传感器组件4的构造实例的图，其中图6A示出表示在与编码器结构3相对侧上的静止传感器组件4前视图的状态，图6B示出表示静止传感器组件4的后视图的状态。 

根据图6，在本发明的实施方式中静止传感器组件4被构造为：四个感应元件52形成在印刷电路板(PCB)51前表面中；算术处理ASIC(应用型专用集成电路)54和在其中形成有周边电路的周边电路形成区55设置在印刷版电路(PCB)51的后表面中；以及这些各个部件整体由外壳53覆盖。在下文中，各个部件(感应元件、ASIC和PCB)统称为内部传感器。 

无磁性/不导电材料用于外壳53的构件。这是因为在每个感应元件52中由流动电流激励出的磁通量被引导尽可能多地穿过(影响)编码器结构3，从而更有效地产生涡流。更详细地解释，假设在诸如汽车使用的使用环境严苛的条件下使用旋转角传感器，理想的是在外壳53内采用具有高强度和优热阻的树脂模制体。 

这里，在每个感应元件52以与编码器结构3相对的方式定位的情况下，感应元件52可形成为暴露状态且可被填充材料和覆盖体所包封。此外，通过应用过模制(overmolding)处理方法，可将内部传感器模制以密封在外壳53内，并且取决于使用环境和该旋转角传感器的用途，可以做出各种改变。 

并且，承担实际传感器功能部分的多个感应元件、ASIC和其它周边电路形成/安装在普通电子电路基板中，所述普通电子电路基板呈现为聚酰亚胺基板，由玻璃、纤维及环氧树脂制成的叠层基材作为基材等。更确切地，因为内部传感器被调制以便实现尺寸的减小且通过利用普通电子电路技术/安装技术等能稳定地实现制造，所以该内部传感器还具有可以实现减少成本的优点。 

总之，为了使具有多个感应元件的旋转角传感器实现优越的检测精度，有必要使各个感应元件间的相对布置精度和感应元件与编码器结构之间的布置精度两者都达到高精度，然而，根据关于本发明的旋转角传感器，如稍后描述的，所述多个感应元件是通过利用具有形成在其中的线圈图案的印刷电路板(PCB)的多层结构而一体形成的，因此通过仅考虑编码器结构和内部传感器(或静止传感器组件)之间的布置精度，能容易地满足高精度的布置条件。 

然后，将通过参照图7来详细说明每个感应元件的构造。虽然图7应当是示出多个感应元件的构造实例的图，但是为了便于说明仅示出了在图6A中所示的四个感应元件52中的一个。此时，图7A示出与编码器结构3相对形成在PCB表面的一侧的线圈图案52A，而图7B示出定位在PCB的底层中的另一侧的线圈图案52B，所述PCB具有形成在其中的图7A的线圈图案52A。此外，图7C示出表示图7A中一侧和图7B中另一侧的线圈图案52A 和52B层叠的整体结构的状态。在图7C中，形成在底层的另一侧的线圈图案52B的外周以虚线示出。 

图7A到图7C示出多个感应元件中的每个具有多层结构，其中具有形成于其中的线圈图案的多个PCB是层叠的。 

具有两层结构的感应元件52(52A、52B)用于该实施方式中，但是唯一必要的是用于激励出期望磁通量所需的线圈匝的数目是通过调整线圈图案的叠层数目来设定的。 

此时，在图7中所示的一侧的线圈图案52A和另一侧的线圈图案52B具有互逆关系，因此具有线圈图案52A和52B容易形成于PCB中的优点。 

并且，感应元件52形成为平面结构(平面形式)并以与稍后描述的编码器结构3的平面相对的方式被定位。由此，由感应元件52所激励的磁通量的影响范围变大到编码器结构3，并且结果有效产生涡流，从而可期望改善传感精度。 

此外，关于该实施方式的感应元件52被构造成具有矩形空心部的感应元件52而不采用包括在一般感应元件(线圈元件)中的那种磁芯。这是因为由于关于本发明的旋转角传感器是以从约500kHz到约5MHz的相对高的频率的激励频率来驱动的，所以所需要的感应可以设定得低。更确切的，因为不需要沉重的磁芯，在旋转角传感器的重量减少的方面有很大的效果。 

这里，将使用PCB的多层结构的感应元件作为该实施方式的实例进行说明，然而显然即使例如线绕式线圈也可以获得该实施方式类似的效果，只要线圈以平面形式缠绕在空心上并且多个这样的线绕式线圈可以精确地定位在PCB上。 

图8为示出静止传感器组件4的多个感应元件52以与编码器3相对的方式定位的状态的图。 

各个感应元件52以与在编码器结构3的宽度上周期性改变的相位差90°对应的方式设置。然后，所有四个感应元件52的相位差为90°×3＝270°。 

此时，多个感应元件52的每一个都形成为：空心部的纵向尺寸L大于编码器结构3的最大宽度尺寸Wmax。因为感应元件52以这样的尺寸条件设定，所以可能增加当由感应元件52产生磁通量时在编码器结构3中产生的涡流的产生度，结果可以期望改善传感精度。 

这里将说明设定上述空心部的尺寸条件的另一个原因。在感应元件52的空心部以如纵向尺寸和横向尺寸相等的正方形和圆形的条件设定的情况下，与单独的感应元件52相对的编码器结构3的涡流产生区扩展得超过了所需，且出现相邻的感应元件52与涡流产生区重叠的可能性。因为上述原因，存在传感精度退化且测量/检测误差增加的可能性。 

由于上述原因，希望的是满足作为形成感应元件52的空心部和编码器结构3的条件的下列条件(条件1)，这意味着换句话说，只要满足下列条件，不仅矩形形状而且椭圆形形状等也可用作感应元件的空心部的形状。 

(条件1) 

感应元件的空心部的纵向尺寸>感应元件的空心部的横向尺寸 

感应元件的空心部的纵向尺寸>编码器结构的最大宽度尺寸 

例如，可以基于过孔(via)的直径确定W的值，所述过孔可被用于通往PCB的另一层的路线。 

因此对于目前PCB技术来说典型的值可为：W＝1.28mm，宽W＝0~2mm。然而，如果合适可以使用其它值。 

关于“感应元件的空心部的纵向尺寸>编码器结构的最大宽度尺寸”的条件，通过该条件可以调整或确定对抗编码器结构的耐受性和偏斜(runout)的传感器性能和其耐用性。 

例如，典型值可以为：L＝11.3~14.5mm结合Wmax＝11.0mm，宽L＝5.2~25mm(或更大)结合Wmax＝5.0~20mm(或更大)。 

在某些实施方式中，在轴向传感器构造中可使用梯形形状。 

随后，将说明关于本发明的适于旋转角传感器的感应元件的另一实例。图9示出所述感应元件的另一形式的实例。 

作为感应元件52的另一形式的实例，图9A示出与编码器结构3相对形成在PCB的表面上的一侧的线圈图案52C；而图9B示出定位在具有形成在其中的图9A的线圈图案52C的PCB的底层中的另一侧的线圈图案52D。此外，图9C示出表示图9A中的一侧的线圈图案52C和图9B中的另一侧的线圈图案52D层叠的整体结构的状态。在图9C中，在底层的另一侧的线圈图案52D的外周以虚线示出。 

从图9A到图9B可看出，形成感应元件52的一侧线圈图案52C和另一侧的线圈图案52D这样形成：那些线圈图案以除部分外不相互重叠的方式来定位，这与图7所示的线圈图案52A和52B不同的一点。 

这里，图7所示的线圈图案52A和52B具有这样的构造：在上层和底层的线圈图案之间容易产生杂散电容，这意味着当被认为是电等效电路时，感应器L和杂散电容器C组成并联谐振电路。此时，在杂散电容C增加的情况下，感应元件52的谐振频率朝向低频率转移。然而，在L-C并联谐振电路的情况下，在谐振频率中的阻抗Z变为最大值，因此当为了驱动感应元件52而在从约500kHz到约5MHz的频率下施加电压时，电阻分量变高。结果，出现不能充分获得产生涡流所必要的磁场强度且传感精度退化的可能性。 

在另一方面，根据图9所示的线圈图案52C和52D的构造，谐振频率可维持在高频率，这是因为可能减少电流在感应元件52中流动时在PCB的上层的线圈图案52C和底层的线圈图案52D之间产生的杂散电容C。因此，存在能增加由感应元件52激励的磁通量产生的磁场强度的效果。 

接下来，将参照图10详细说明关于本实施方式的编码器结构。图10A示出表示用于图5A的旋转角传感器31的径向型的编码器结构3的前视图的状态，图10B示出表示用于图4A的旋转角传感器32的轴向型的编码器结构3的前视图的状态。 

图10A或图10B所示的编码器结构3被构造成每个具有传导性且通过接收由上述感应元件52激励的磁通量而产生涡流，并被以与诸如转子2的旋转体一起旋转移动的方式安装。 

诸如铝、钢、铜和银的传导金属材料可被列为适用于编码器结构3的材料。这里，唯一必要的是根据旋转角传感器的使用条件适当地选择材料，例如，如果假定该传感器在涉及高湿度和盐水损坏(brine damage)的条件下使用，则使用防锈效果好的铝。 

并且，编码器结构3被形成为如图10A所示对称定位的正弦波曲线的形状，这意味着换句话说，编码器结构3被形成以便当诸如转子2的旋转体旋转移动时编码器结构3的宽度尺寸在特定位置处周期地增大和减小。 

在另一方面，形成图10B所示的编码器结构3，使得虽然该结构并未构造成使正弦波曲线对称定位，但其宽度尺寸周期地增大和减小，因此在本发明中，如图10A或图10B所示的这样的编码器结构3被定义为正弦波曲线型。应注意的是，图10A和图10B分别示出了相当于编码器结构3的周期改变中的一个相位的范围。 

这里，编码器结构3并不局限于正弦波曲线型，而是可以形成如图11A所示的菱形、图11B所示的三角形或与其相当的形状。并且，该编码器结构不仅可以被构造成如图所示其宽度连续变化，而且还可以被构造成图中未示出的宽度逐步变化。 

在如图10B所示的该实施方式的实例中，编码器结构3具有8个宽度尺寸增大或减小的区域。为了便于后文中的说明，那8个区域被称作8-相位构造。 

在本发明中，这种相位构造对实际的传感精度并没有任何影响，而可以考虑旋转体的直径和制造条件而简单地增大或减小。 

更确切地，例如，在诸如发电厂中发电机的转子的旋转体具有大尺寸的情况下，形成这种旋转体的1-相位的编码器结构是非常困难的。因此，唯一必要的是准备大量相当于1-相位的编码器结构，其具有易于制造的形状和尺寸，从而那些编码器结构被组装到转子中。 

在另一方面，在小的旋转机器的情况下，具有多相位构造的编码器结构很难形成于旋转体中。因此，唯一必要的是形成具有至少一个或更多相位的编码器结构。 

因为如上所述构造的编码器结构采用传导材料并具有简单的形状，所以可能应用如下所述的各种制造方法。 

作为一般实例，可列出将掩模匹配到编码器结构的形状这种处理应用到旋转体，并由此应用到其上的电镀方法、金属蒸汽沉积方法、溅射方法和丝网印刷方法。上述处理适于大量生产，因此可以获得固定质量的编码器结构。此时，上述丝网印刷方法可以采用将由传导材料粉末、树脂、溶剂等的揉合混合物制成的糊状物印刷/干燥这种状态，或采用在印刷/干燥之后执行烘烤的这种状态。 

并且，可通过冲压处理/切断处理而形成期望形状的盘状构件和薄体构件以用作编码器结构。在这种情况下，通过诸如粘合夹具这种器件容易地安装编码器结构，这在将定位夹合适地放置在旋转体上的同时执行，因此可以无需改变传统旋转体的结构而安装编码器结构，并且具有该编码器在多功能方面优越的优点。 

此外，在旋转体具有传导性的情况下，编码器结构可如图12所示在旋转体自身的径向或轴向上形成，并且在该情况下，浇铸/切割处理等都是合适的。 

当通过使用上述器件在旋转体中安装编码器结构时，需要考虑下列条件。 

例如，在旋转体具有传导性的情况下，相对比较旋转体和编码器结构的传导性，并且在编码器结构的传导性大于旋转体的传导性的情况下，通过利用上述电镀方法、金属蒸汽沉积方法、溅射方法和丝网印刷方法等可将编码器结构直接形成在旋转体上。不必说在旋转体不具有传导性的情况下，编码器结构也可以直接形成于旋转体上。 

并且，当如图12所示编码器结构3和诸如转子2的旋转体一体形成的情况下，理想的是具有期望尺寸的水平差3a设置在编码器结构3和旋转体之间。 

作为设定该水平差3a的尺寸的方法，列出这样的方法作为实例：通过基于旋转体的传导性、感应元件的结构条件、外加电流/电压条件等的磁场分析模拟，可以预先获得在旋转体内侧由感应元件激励的磁通量穿过的深度。 

因此，只要所述最大值是根据安装有旋转角传感器的机器的尺寸限制而确定的，在这种构造中的编码器结构的水平差的最小值就不必限于任何特定值，并且不必特地描述所述水平差的最大值。 

下面将描述传感器组件的电路构造的实施方式。 

靠近包括线圈L1、L2和L3、L4的传感器系统5，设置有电路8用于执行所述微分信号的评估或计算。在所示的实施方式中电路8首先产生输出信号10。 

图13A示意性示出了在本发明中使用的电路8的实施方式的操作行为。在该实施方式中，电路8以ASIC(特定用途集成电路)的形式设置，这根据一示例性实施方式在图14中详细示出。电路8工作以从第一和第二传感器系统5a、5b的谐振电路6a、6b的以dphi表示的相位差9在电路输出11处产生模拟电压V(dphi)10。如图2和图13A所示，在电路输出11处的电压10包括正弦信号“sin”和余弦信号“cos”。 

在图13B中，传感器系统5a、5b的差信号9以dUss表示，在第一级8a中所述差信号9被转换成相应的幅度差信号，随后这些信号被供给到第二评估级8b，所述级可以微控制器等的形式提供以从中确定所需的位置信息。 

图13C示出另一实施方式，在其中获得差信号9作为频率差df，例如基于如图1E所示的传感器系统5a、5b的排列。可再次将微分信号9供给到评估电路8，例如微处理器等。当使用可能设置诸如ADC等的内部资源的微处理器时，可使用以允许处理信号9。同样可以使用取决于应用可以并入一个或更多集成电路的其它专用元件。 

对应于图13A的信号处理，图14示出了根据本发明的一个实施方式的电路8的方框图。应该理解图14中所示的加点线区域表示外部元件而不是电路8的部件。 

如上所述，附到转子2上的编码器结构3和相位的相应符号之间的相位关系将基于传感器系统5a、5b来确定。在示出的实施方式中，在图14中左手侧以点线方式示出的传感器系统5输出传感器信号9，以便对应于相位差dphi，传感器信号9被电路8在电路输入14处接收。使用模块15，所述被接收的传感器信号9被放大并被滤波。之后，比较器16通过对比输入电压和参考电压Vref将放大和过滤后的模拟信号转换为数字信号，其中只分别产生高电平和低电平。 

如果在该过程中获得零值的幅值，则该信号将不再被处理。控制电路17可激活电路8的诸如滤波器19等的内部元件的控制。 

产生的数字信号将进一步被异或门18处理，所述异或门18产生具有高谐频部分的方波信号。然后异或门18的输出信号被供应给低通滤波器19。低通滤波器19的输出信号被输出到缓冲级20，缓冲级20还从调压器21接收5V±10％的电压信号Vcc。缓冲级20在电路输出11处输出正弦信号sin和余弦信号cos作为模拟电压10。 

如图14所示，由传感器系统5输出的信号dphi在两个对称信道12中处理。每个信道包括用于每一个谐振电路6a、6b的放大器和滤波器15、用于放大器和过滤器15的输出信号的两个比较器16、用于结合比较器16 的信号的异或门18、用于异或门18的输出信号的低通滤波器19和用于输出模拟电压信号，即，正弦和余弦信号10的缓冲级20。 

为了提供用于复杂环境条件的精确测量系统，电路8的温度稳定性高且电路8的电磁干扰(EMI)灵敏度被维持在低电平。此外，考虑到可能的补偿偏差，提供对应于相位位置的输出电压10作为非常精确的信号是有利的。 

电路8的下游设置有计算模块13，其被构造为结合输出电压10的正弦信号sin和余弦信号cos为反正切信号。这样可获得线性输出信号，从该信号中可直接推断出编码器结构3的位置，从而推断出转子2的位置。 

图15示意性示出基于本发明如何获得最优化的幅度相关性。图15例如以幅度的形式示出关于谐振电路6a、6b的操作频率ω的灵敏度。从图15中可明显看出，在相应的谐振频率处谐振电路6a、6b的灵敏性最高。曲线B示意性示出了在编码器结构3相对于各个传感器线圈距离小的情况下幅度的行进。在该情况下，编码器结构3的阻尼效应高且导致产生阻尼系统的谐振频率ωu，其中谐振频率偏离无阻尼或低阻尼谐振频率ω0(曲线A)。当穿过编码器结构3时发生相应的幅度差，由于通常与编码器结构3距离近，所述幅度差可被线圈有效地估计。当例如由于制造公差等增大所述距离时，穿过编码器结构时的平均阻尼效果显著较低，并由此对于固定的操作频率，在通过编码器结构的形状来改变阻尼效果时所述灵敏性也被降低。在该情况下，微分信号的灵敏度的损失可通过适当选择更高的操作频率ωB而得到一定程度的补偿，即，操作点P更靠近具有平均起来较低程度的阻尼的阻尼系统的“平均”谐振频率，从而仍然可获得足够高的微分信号。也就是，即使对于在穿过编码器结构时导致的总体减少阻尼的增加的平均距离，通过增加对应于操作频率ωB的操作点P，可获得相对强的微分信号。 

如果例如由编码器环7的偏斜或不平衡引起的编码器结构3的增加的距离导致传感器组件4的较低阻尼，则可通过适当选择更靠近如图15中箭头所示的平均谐振频率ω0的操作点P来增加灵敏度，由此增加输出信号，从而可足够精确地检测转子2的角位置。这样编码器3和传感器组件4之间的距离的改变可例如为约2mm，但仍可达到足够高的幅度。因为转子2的轴承的位置以及从而附到其上的编码器结构3的位置在径向上可变，并且在轴向上可能发生变化。因此可能编码器结构3移动远离传感器组件4，从而相应的相对关系不理想。取决于环境，可能发生几毫米的轴向公差。对于这种情况，感应器L1、L2的线圈的设计可适当适应地修改，以便将公差平衡为例如5mm。 

传感器系统5可被设计成任何合适的构造，且可取决于编码器结构3的位置而相对于转子2处于径向或轴向关系。取决于编码器结构3和相关的传感器组件4的排列，可在径向内侧和轴向外侧以及在轴向上执行编码器结构3的采样。 

在本发明的本实施方式中，为了通过微分信号的基本相同的幅度变化，例如正弦和余弦电压，来消除编码器环7的不平衡，传感器系统5彼此靠近定位，例如相隔几毫米的距离。 

在所述实施方式中示出传感器系统5设置在旋转电机的转子处。在其它实施方式中为了确定可动部件的移动位置和/或方向，编码器结构3和传感器系统5a和/或5b可设置在任何相对于彼此移动的物体处，所述相对彼此移动物体在此一般被表示为可动部件和定子。例如，可以检测线性驱动系统的位置和方向。此外，当不必确定移动方向或者可以其它方式确定时，可动部件可设置有单独传感器系统5a或5b。因此，提供了用于角测量和/或距离测量的有效手段，其中与纯磁系统相比，基于除了别的以外通过在编码器结构中的涡流损失的电感应变化，可实现关于干扰的高度耐用性。 

基于如一些实施方式中所描述的转子编码器，彼此相对旋转的部件的角位置，尤其是电机的转子的角位置可以以非接触和高耐用的方式确定，通过该方式例如永久激励机器、异步机器等的电机的控制可以通过使用耐用的和节约成本的传感器系统以高效的方式执行。 

例如，在编码器系统的信号的基础上可获得的0到360°的角位置可以基本对应于同步机器的正弦电流整流的周期，所述周期对应于定子中的极对的数目。例如如果同步机器包括7个极对，则在对应于51.43°的角的一个机械转动过程中，角检测的周期可从0到360°重复7次。 

用于检测可动部件的位置尤其是转子的角位置的本发明系统，以及与其相关的方法在应用到汽车领域中的启动器/发生器应用时尤其有利，其中电路8暴露到严苛的环境条件下，并且感应位置传感器不得不关于高达1 000安培的高电动机电流不灵敏。此外，因为可执行永久激励同步电动机或无刷DC电动机或异步机器的控制，根据本发明的传感器系统可有利地应用到设置在车辆中的电驱动系统中，例如在混合传动列车或纯电驱动中。 

现在将参照图16A到图160并且还参照前面的附图说明进一步的示范性实施方式。 

图16A示意性示出了传感器组件4和编码器结构3的轴向排列，编码器结构3形成在合适的载体材料7A上或可以直接形成在位于轴200上的转子2的基底材料中。转子2的基底材料可被理解为用于使得转子2操作的材料。例如，基底材料可以为用于支撑诸如磁体等的元件的材料。 

图16B示出了沿着图16A的线IIc-IIc的剖面，其中在该实施方式中的编码器结构3包括单轨道300，其周期性地延伸穿过转子的整个机械旋转。 

图16C示意性示出了径向排列，其中在一个实施方式中，编码器结构3位于径向上轴200和传感器组件4a之间，由此形成径向“外部”构造。如果通过传感器组件4b从“内部”“读出”编码器结构3，则设置相应的 内部横卧构造。为此，编码器结构3可设置在转子2的环或任何其它部件的内表面上。 

图16D示意性示出了编码器结构3的另一实施方式，其中为了简便以线性方式表示轨道300。其传导性取决于位置的编码器结构3由传导材料的块制造，所述传导材料具有与运动方向即图16D中的水平方向垂直的变化的横向延伸。可将单独的块连接从而获得阶梯函数，其中所述阶梯函数可表示期望函数例如正弦函数的近似。在该情况下，单独的段3b表示单个周期，在其中为控制机器1需要转子2的位置的精确信息。通过“数字化”单独的段3b中的轨道300的形状，可简化相应的制造过程，其中单独的块的横向尺寸，即运动方向上的尺寸可适于单独的段3b内所期望的分辨率。 

图16E示出近似于三角形形状的阶梯函数的近似值作为一个实例。 

图16F示出编码器结构3的实施方式，其中轨道300的宽度至少在每个段3b中基本恒定，其中传导性的调制是通过相对于传导材料改变传导材料的面积部分而获得的。例如，可以在传导材料的带状部中例如通过蚀刻、钻孔等形成变化的密度和/或尺寸的凹处或洞。这样，可有效调整对沿着运动方向产生涡流有贡献的传导性材料的量，其中可通过使用高精度制造技术来完成该图案结构。此外，该图案结构技术还可以有效地直接应用到转子2的材料上，而不用提供额外的载体材料。 

图16G示意性示出编码器结构3的一个实施方式，其中除了单个段3b中的位置信息外，在单个轨道300中可获得进一步的信息，其中所述进一步的信息允许识别至少一些段3b。在所示的实施方式中，提供预期的偏移，从而传导性材料的最大延伸或最大量至少在一些段中改变。这种类型的额外编码，也可被认为是输出信号的“调幅”，可与编码器结构3的其它实施方式结合使用。特别的，通过以合适的方式适用各个凹处或空腔的密度和/或尺寸，图16G所示的实施方式可获得各个段中平均传导性的改变。 

图16H示意性示出一实施方式，其中编码器结构3设置在载体材料7a中或其上。在这种情况下，载体材料7a可以是传导性材料，例如d，或表示绝缘材料。即使当使用传导性载体材料时，该载体材料可以是转子2的基材，也可达到编码器结构中传导性的适当的修改。例如，轨道300可由具有增加的传导性的材料形成，例如，轨道300可以由铜等形成，以便和周围减少的传导性的材料相比，以这种增加的传导性的材料可感应出更高的涡流。类似地，可以使用减少的传导性的材料或绝缘材料以获得希望的传导性的调制。如图所示，取决于轨道300的材料的特性，轨道300的材料可以具有约2微米到50微米的厚度。在轨道300为高传导性材料的情况下，几微米的厚度D是足够的，而减少的传导性的导体或绝缘体可有利地设置有增加的厚度D，以便相对于传感器组件4获得设置在轨道300下的材料的增加的距离。 

图16I-16L示出了关于线圈4a的结构的另外的实施方式。 

在图16I中，线圈4a具有平面构造，其中以传导材料或传导线形式的线圈4a的各个绕线以横向方式设置在单个平面中。在图的右手部，示出诸如印刷电路板的载体材料设置在形成有各个绕线的单个平面上的一部分。在其它实例中，多个绕线可设置在诸如多层印刷板的载体材料的不同层上。 

此外，所述载体材料可以以柔性材料4c的形式设置，以便可制造具有曲率的平面线圈，这对于径向排列是有利的，如图16A和16B所示。 

图16J示出了平面构造，其中绕线基本由传导性材料形成而不具有载体材料。为此，诸如铜片材料、铝片材料等的材料可被冲压成为所希望的形状。 

图16K示出一实施方式，其中线圈4a一体形成在材料4d中，这即使在复杂的环境条件下也能增加线圈的完整性。为此，包括载体材料4b或不包括载体材料的线圈4a可以适当的材料来注塑模制，以便可达到所希望的稳定性。在注塑模制过程中，没有必要完全将线圈嵌入材料4d中，而是导体的表面可以保持未被覆盖，或线圈的覆盖可以最好是小的，以便结合材料4d的厚度4e获得关于编码器结构3的所希望的缝隙。 

图16L示出了缠绕线圈形式的线圈4a，其中绕线形成在载体材料4f上。如果需要，这些缠绕的线圈4a可以以所希望的方式设置在材料4d上或其中，如上所述。 

图16M示出了具有如结合图2所描述的四个有类似功能的传感器线圈L1、…、L4的传感器组件4的一个实施方式。在这种情况下，设置有两个轨道300、3b，其在考虑中具有关于单独的区域180°的空间相移。因此，限定传感器组件5a的线圈L1、L2可位于关于运动方向的相同位置。这对于限定第二传感器组件5b的线圈L3、L4也是适用的。此外，线圈L1、L3彼此空间偏移90°，并且线圈L2、L4也空间偏移90°，以便可获得输出信号，如上所述。这样，可减小传感器系统5a、5b的横向尺寸。 

图16N示出另一变体，其中由各个线圈L1、…、L4读出四个轨道300、3b、…、3d，其中通过设计轨道300、…、3d实现希望的空间相移。也就是，如果线圈L1和L2，即传感器系统5a读出轨道300和3b，则这些轨道具有180°的相移。这对于轨道3c和3d也是适用的。此外，轨道3b和3c具有90°的相移。 

所示出的设置有多个轨道300、…、3d的实施方式将表示与其它轨道相比至少一个轨道具有不同空间周期或可能根本不具有周期构造的实例。因此，一个或多个轨道300、…、3d可基于更不精确的空间分辨率用于评估。为此，如上关于单独轨道300所讨论的，可通过适合的传感器组件来对该轨道采样。这样，例如，可以获得越过转子2的整个机械回转的位置，其中通过在编码器结构的一个周期内的变化来确定精细的分辨率，例如在360°的正弦变化中。 

图160示出另一实施方式，其中通过电缆连接将传感器组件5和电路8连接，所述电缆连接被构造以便当将传感器组件5的各个输出信号供应到电路8时获得对于干扰的降低的灵敏度。例如，至少用于传导输出信号的连接线可设置有屏蔽或设置为双绞线。由于所述电缆连接，传感器组件5可位于机器1内任何希望的位置处，而不需要用于忍受机器1内普遍的环境条件的电路8的耐用性结构。例如，可能在传感器组件5的附近出现适度高温，例如150℃或更高，这将需要用于电路8的特殊测量，由此可能增加成本。例如，设计用于高温的集成电路显著更贵。通过提供电缆连接8a，可实现有效的热解耦，或者可将电路8布置在各个干扰区外。为此，传感器组件可由电路部件构造，这可只受一点温度影响，也就是，传感器组件可以缺少半导体部件，从而位置检测本质上不会受外部影响的影响。在一个实施方式中，如结合图2所描述地构造传感器组件，从而以相同方式作用于所有部件的外部影响，诸如温度，可有效地减少或通过各个输出信号的不同而被补偿。 

Claims (29)

1.一种用于检测机器的转子(2)的位置的系统，该系统包括编码器结构(3)，其附到所述转子(2)上并能与所述转子一起移动；以及静止传感器组件(4)，其与所述编码器结构(3)对置定位，并提供至少一个传感器信号(9)，由所述传感器信号能够确定所述位置，其中所述传感器组件(4)包括第一感应线圈构件，并且所述编码器结构(3)被构造为致使所述感应线圈构件的电感应取决于运动而变化，

所述第一感应线圈构件形成为平面形状，其中所述第一感应线圈构件的空心部具有沿着所述编码器结构的运动方向延伸的宽度和与所述宽度垂直延伸的长度，其中所述宽度小于所述长度，且其中所述长度大于形成在所述编码器结构上的编码器轨迹的最大宽度。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述编码器结构包括导电材料。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述编码器结构(3)包括相对于角位置周期性变化的结构。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述变化的结构在形状上为正弦形、三角形或部分矩形。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器组件(4)包括第一谐振电路(6a、6b)，且所述第一感应线圈构件是所述第一谐振电路(6a、6b)的一部分。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述传感器组件具有第二谐振电路(6a、6b)，第二谐振电路(6a、6b)包括第二感应线圈构件，且其中所述第一和第二谐振电路形成第一传感器系统。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一感应线圈构件用作第一振荡器的一部分。

8.如权利要求7所述的系统，其中设置有用作第二振荡器的一部分的第二感应线圈构件，且其中第一振荡器和第一感应线圈构件、第二振荡器和第二感应线圈构件形成第一传感器系统(5)。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述传感器组件(4)包括偏置于第一传感器系统的第二传感器系统(5)。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一和第二传感器系统在结构上相同。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述第一和第二传感器系统(5)彼此极接近，从而所述编码器结构以基本相同的方式影响第一和第二传感器系统。 

12.如权利要求中1所述的系统，其中电路(8)设置在传感器组件(4)的下游，电路(8)将传感器信号(9)转换为电路输出(11)处的信号，所述信号包含角信息。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述电路(8)被构造为从传感器信号的相位差和/或幅度差和/或频率差获得包含角信息的信号。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述电路(8)包括用于接收和处理传感器组件(4)的传感器信号(9)的分量的对称信道(12)。

15.如权利要求6所述的系统，其中所述第一和第二谐振电路(6a、6b)的第一和第二感应线圈构件(L1、L2)被定位以输出彼此具有相移的输出信号。

16.如权利要求1所述的系统，其中设置有频率(f)在约500KHz和约5MHz之间的AC电压源(V)，所述AC电压源至少与所述第一感应线圈构件耦合。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述传感器组件(4)包括第一谐振电路(6a、6b)，且所述第一感应线圈构件是所述第一谐振电路(6a、6b)的一部分，并且其中所述传感器组件具有第二谐振电路(6a、6b)，第二谐振电路(6a、6b)包括第二感应线圈构件，且其中所述第一和第二谐振电路形成第一传感器系统，其中所述第一和第二谐振电路(6a、6b)被调整到AC电压源(V)的频率(f)。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述第一和第二谐振电路被基于所述编码器结构和传感器组件之间的距离而调整到AC电压源的频率。

19.如权利要求5所述的系统，其中所述第一谐振电路为串联谐振电路。

20.如权利要求5所述的系统，其中所述第一谐振电路为并联谐振电路。

21.如权利要求12所述的系统，其中所述电路包括产生正弦信号(sin)和余弦信号(cos)的第一模块，且其中所述电路(8)包括计算模块(13)，计算模块(13)从所述正弦信号(sin)和余弦信号(cos)计算反正切函数。

22.一种旋转角检测传感器系统，包括：

旋转体；

编码器结构，其附到所述旋转体上并能与所述旋转体一起转动；以及

静止传感器组件，其具有至少一个或多个感应元件，并以与所述编码器结构对置并且其间具有间隔的方式设置，其中 

所述一个或多个感应元件形成为平面形状，并且其中所述感应元件的空心部具有沿着所述编码器结构的运动方向延伸的宽度和与所述宽度垂直延伸的长度，其中所述宽度小于所述长度，且其中所述长度大于形成在所述编码器结构上的编码器轨迹的最大宽度。

23.如权利要求22所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述静止传感器组件被以规定在500kHz到5MHz范围内的频率驱动。

24.如权利要求22所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述静止传感器组件至少包括所述感应元件和集成电路，以通过对从所述感应元件输出的信号执行算术处理来计算旋转角。

25.如权利要求22所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述编码器结构被构造为具有至少一个或多个相位的平面部，其宽度尺寸周期性变化。

26.如权利要求25所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述编码器结构的所述平面部被设置为垂直于所述旋转体的径向。

27.如权利要求26所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述编码器结构形成在所述旋转体的外圆周表面上。

28.如权利要求26所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述编码器结构形成在所述旋转体的内圆周表面上。

29.如权利要求25所述的旋转角检测传感器系统，其特征在于，所述编码器结构的所述平面部被设置为垂直于所述旋转体的轴向。 

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