CN102822634B - 感应式位置传感器 - Google Patents

Abstract

旋转位置传感器，具有被高频电流源励磁的发射机线圈。第一接收机线圈包括偶数N个环路，其中第一接收机线圈的相邻环路被相反卷绕。第二接收机线圈也包括N个环路，其中相邻环路被相反卷绕。此外，第二接收机线圈与所述第一接收机线圈在角度上偏移180/N度。由导电材料构成的非圆形耦合器相对于线圈可旋转地安装，使得耦合器元件置于所述第一接收机线圈和所述第二接收机线圈的至少一部分之上。电路处理来自所述第一接收机线圈和所述第二接收机线圈的输出信号并且产生表示所述耦合器的旋转位置的输出信号。

Description

感应式位置传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年1月25日提交的美国临时专利申请No.61/297,841的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及旋转传感器。

背景技术

在自动化交通工具中，节气门踏板传统上通过线缆机械地连接到发动机节气门。然而，在更现代的交通工具中，节气门位置传感器机械地连接到踏板并且产生指示节气门踏板的下压程度的电信号。这种系统有时被称为“电传操纵”系统。

在之前已知的一种类型的节气门位置传感器中，所述传感器包括被高频源激励并且在高频源的频率处产生电磁辐射的发射机线圈或者激励线圈。此外，该发射机线圈通常以圆形图案排列，但是可以可替换地使用其它图案配置。

接收机线圈也被布置在与发射机线圈相邻的节气门位置传感器中。因此，当发射机线圈由于接收机与发射机线圈之间的感应耦合而被激励时，接收机线圈产生接收机信号。

然而，不同于发射机线圈，接收机线圈包括至少第一环路和第二环路，当在平面中观看时，所述第一环路和第二环路关于彼此相反地卷绕。因此，发射机线圈与接收机线圈的第一环路之间的感应耦合产生与发射机线圈与接收机线圈的第二环路之间的感应耦合的极性相反的电压。接收机线圈的环路被串联连接，使得接收机输出信号是来自接收机线圈的第一环路和第二环路的信号的组合或者和。

为了产生表示节气门位置的输出信号，节气门位置传感器中可旋转地安装耦合器元件，使得耦合器元件与节气门踏板的下压和释放同步地旋转。此外，这种耦合器元件置于发射机线圈线圈和接收机线圈两者的一部分之上。耦合器元件由导电材料构成，其通过在耦合器元件内产生涡流而抵消磁通量。因此，基于耦合器的旋转，发射机与接收机线圈的第一环路和第二环路之间的感应耦合改变，因而产生从整个接收机线圈输出的指示耦合器的角度位置并且因而指示节气门踏板的位置的电压。

假定耦合元件与发射机和接收机线圈精确地同心，并且耦合器元件与发射机线圈和接收机线圈之间的空间在耦合器元件的整个运动期间保持恒定，则从接收机线圈的输出提供了耦合器元件的角度位置的精确指示，并且因而提供了节气门踏板的位置的精确指示。然而，在实践中，节气门位置传感器的制造期间的制造公差有时产生节气门位置传感器，其中耦合器元件不与发射机线圈和接收机线圈精确地同心和/或在耦合器元件的整个枢转或者旋转运动期间，耦合器元件在耦合器元件与发射机线圈和接收机线圈之间不维持均匀的间距。耦合器元件与发射机线圈和接收机线圈的同心性的任何缺乏，以及在耦合器元件的旋转或枢转期间耦合器元件与接收机线圈之间的间隔中的变化将改变发射机线圈与接收机线圈的第一环路和第二环路之间的感应耦合，结果，提供来自接收机线圈的输出信号，该输出信号在相同角度位置从具有精确定位的耦合器元件的节气门位置传感器变化。

发明内容

本发明提供克服之前已知的节气门位置传感器的上述问题的节气门位置传感器。

简要的说，本发明的节气门位置传感器包括发射机线圈，其优选为以具有多个环路的圆形构造卷绕。接收机线圈被高频交流电流源激励，当被励磁时，发射机线圈产生电磁辐射。此外，发射机线圈通常印刷在印刷电路板上。

第一接收机线圈也被印刷在与发射机线圈相邻的印刷电路板上。接收机线圈包括彼此串联电耦合的至少两个分立的线圈区段，并且优选为四个或者更多个分立的线圈区段。对于四个分立的线圈区段，接收机线圈将包括四个分立的环路，其中每个交互的环路占据圆的九十度并且其中交互的环路彼此相反地卷绕。然而，全部环路彼此串联电连接，使得来自接收机线圈的整个电气输出由接收机线圈的全部环路上的感应电压的和组成。因此，由于交互环路彼此相反卷绕，假定在发射机线圈和四个环路中的每个之间具有相同的感应耦合，则接收机线圈上的输出将是零。

第二接收线圈也形成在印刷电路板上，该第二接收线圈在形状上与第一接收机线圈相同，但是旋转45度或者180/N度，其中N等于接收机线圈中的环路的数量。

与之前已知的节气门位置传感器同样，耦合器元件相对于发射机线圈和接收机线圈两者可移动地定位。该耦合器元件依据耦合器元件的角度位置改变发射机线圈与所述第一接收机线圈和第二接收机线圈两者之间的感应耦合。由于耦合器元件机械地耦合到节气门踏板，所以耦合器元件的旋转位置直接对应于节气门踏板的位置。

此外，耦合器元件被配置为使得耦合器元件的旋转运动将使第一接收机线圈上感应的电压以正弦函数变化。然而，由于第二接收机线圈相对于第一接收机线圈有效地旋转90度，所以在耦合器元件的旋转期间，在第二接收机线圈上产生的电气输出以余弦函数变化。因此，通过求解分别来自第一接收机线圈和第二接收机线圈的正弦和余弦输出信号的反正切函数，耦合器元件的角度位置并且因而节气门踏板的实际位置可以被准确地确定。

本发明的主要优点是从第一接收机线圈和第二接收机线圈感测到的角度对节气门位置传感器的变化不敏感，诸如耦合器元件与接收机线圈之间的气隙、温度等，这是由于分别来自第一接收机线圈和第二接收机线圈的正弦信号和余弦信号将以相同因数缩放。

附图说明

参照以下详细描述，当结合附图阅读时，将具有对本发明的更好的理解，其中贯穿多个附图中，类似的附图标记表示类似元件，其中：

图1是说明了本发明的优选实施例的分解示意图；

图2A和图2B是说明了第一和第二接收线圈的平面图；

图3是说明了耦合元件的可替换的形状的图示；以及

图4A和图4B是类似于图2A和图2B的图示，但是说明了其修改。

具体实施方式

首先参照图1，说明了根据本发明的节气门位置传感器10的分解图。节气门位置传感器10包括发射机线圈12，该发射机线圈12优选地包括耦合到高频交流电流源14的导电材料的多个圆形环路。发射机线圈12优选地印刷在印刷电路板上，从而当被高频交流电流源14励磁时，发射机线圈12产生高频电磁场。

现在参照图1，图2A和图2B，节气门位置传感器还包括第一接收线圈16以及第二接收线圈18。此外，第一接收线圈16以及第二接收线圈18两者也印刷在印刷电路板上并且一般与发射机线圈12对齐。

如图2A最佳地显示，第一接收机线圈16包括四个分离的环路20、22、24和26。每个环路20-26占据第一接收机线圈16的整个圆的90度。然而，相邻的环路20-26彼此相反地卷绕。

例如，假定第一接收机线圈16的环路20当看向平面中时以顺时针方向卷绕，环路22以逆时针方向卷绕，环路24以顺时针方向卷绕，并且环路26以逆时针方向卷绕。然而，每个环路20-26彼此串联连接，使得从接收机线圈16提供单个两线输出端28。

由于接收机线圈16中的相邻的环路20-26以相反方向卷绕，所以在发射机线圈的励磁后，在这些环路20-26上的感应电压将具有相反的电压。因而，如果发射机线圈12和全部四个环路20-26之间的感应耦合相同，则第一接收机线圈16的输出端28上的电压将是零。

第二接收机线圈18与第一接收机线圈16大致相同，除了第二接收机线圈18旋转45度或者180/N度以外，其中N等于环路20-26的数量。类似于第一接收机线圈16的第二接收机线圈18的全部环路20-26彼此串联地电连接，使得来自第二接收机线圈的输出端30上的电压输出等于第二接收机线圈18的全部四个环路20-26上的感应电压的和。

类似于之前已知的节气门位置传感器，耦合器元件32(图1)与接收机线圈16、18和发射机线圈12同心。此外，耦合器元件32由导电材料制成，从而发射机线圈12的励磁将在耦合器元件32中产生涡流，并且因而影响发射机线圈12与两个接收机线圈16和18之间的感应耦合。如图3所示，耦合器元件32的实际形状将基于接收机线圈中的环路的数量而改变。

例如，耦合器元件32可以具有大致的三角形形状，如图3中的60、61和62所示。这种大致的三角形耦合器元件60-62将在例如第一接收机线圈和第二接收机线圈均具有三个凸缘时使用。

可替换地，耦合器元件32可以是大致的椭圆形状，如图3中的65和66所示。这种耦合器元件将在每个接收线圈包括四个凸缘时使用。在图3中的67和68示出了耦合器元件32的其它形状。

耦合器元件32机械地连接到节气门位置，使得耦合器元件32的旋转位置与节气门踏板的下压成比例地改变。因此，节气门踏板的下压将使耦合器元件32旋转并且改变第一接收机线圈16和第二接收机线圈18两者的环路20-26中的感应电压。

更具体地，随着耦合器元件32在顺时针方向上旋转，来自第一接收机线圈16的输出端28上的感应电压将以正弦函数改变。相反地，由于第二接收机线圈18从第一接收机线圈16有效地旋转90度，所以来自第二接收机线圈18的输出端30上的感应电压将以耦合器元件的旋转角度的余弦函数改变。

因此，为了获得耦合器元件的旋转角度，并且因而获得节气门踏板的位置，必须分别获得来自第一接收机线圈16和第二接收机线圈18的输出端28和输出端30上的正弦和余弦函数两者的反正切。该反正切函数在以下给出。

$\∂=\frac{a\tan 2(y,x)}{N},a\tan 2(y,x)=2\arctan \left(\frac{y}{\sqrt{x^{2+}{y}^2}+x}\right)$

本发明的主要优点是由于线圈和耦合器元件之间的气隙、温度、湿度等造成的第一接收机线圈16或者第二接收机线圈18上的感应电压的任何不准确性将被正弦函数和余弦函数两者的相同的误差因数缩放。因此，由于环境状况或者制造公差引起的任何这种误差被自动补偿和抵消。

尽管本发明描述了具有一对接收机线圈的节气门位置传感器，每一个线圈具有四个接收环路，但是接收线圈可以具有任何偶数的接收环路。例如，图4A和图4B分别说明了第一接收线圈50和第二接收线圈52，其均具有六个分离的环路。

以上对本发明进行了说明，在不背离如所附权利要求的范围定义的本发明的精神的情况下对其进行的很多修改将对本领域技术人员而言变得显然。

Claims (5)

1.一种旋转位置传感器，包括：

发射机线圈，所述发射机线圈适于被高频电流源励磁，

第一接收机线圈，所述第一接收机线圈与所述发射机线圈相邻并且关于轴线同心布置，所述第一接收机线圈具有偶数N个环路，其中所述第一接收机线圈的相邻环路被相反卷绕，

第二接收机线圈，所述第二接收机线圈与所述发射机线圈相邻并且关于所述轴线同心布置，所述第二接收机线圈具有N个环路，其中所述第二接收机线圈的相邻环路被相反卷绕，其中所述第二接收机线圈与所述第一接收机线圈在角度上偏移180/N度，

非圆形耦合器，所述非圆形耦合器由导电材料构成并且可旋转地绕所述轴线安装，使得所述耦合器置于所述第一接收机线圈和所述第二接收机线圈的至少一部分之上，

电路，所述电路处理来自所述第一接收机线圈和所述第二接收机线圈两者的输出信号并且产生表示所述耦合器的旋转位置的输出信号，

其中所述电路计算来自所述第一接收机线圈和所述第二接收机线圈的输出信号的反正切。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，N等于4。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中，N等于6。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述耦合器的形状是三角形。

5.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述耦合器的形状是椭圆形。