CN104956187B - 用于制造传感元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测编码器磁铁(37)沿运动方向(94)的位置的传感器(48)，该传感器包括：沿运动方向(94)延伸的第一线圈(74)；与第一线圈(74)对齐的第二和第三线圈(76)，该第二和第三线圈沿运动方向(94)观察关于对称点(96)彼此对称地布置并且与第一线圈(74)相应地形成第一变压器和第二变压器，该第一变压器和第二变压器的变压比取决于编码器磁铁(37)的位置；以及磁性的不对称结构，该磁性的不对称结构改变所述变压器中的一个相对于另一个的变压比。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造传感元件的方法以及这种传感元件。
背景技术
DE 44 259 03 C3和EP 238 922 B1公开了位置传感器，所述位置传感器按照基于称为PLCD的永磁线性非接触式位移的线性位置测量的原理工作。这种位置传感器也是通常所说的线性感应位置传感器，其被称为LIPS。
发明内容
本发明的目的是改进已知的位置传感器。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。优选的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的一个方面，用于检测编码器磁铁沿运动方向的位置的传感器包括：沿运动方向延伸的第一线圈；与第一线圈对齐的第二线圈和第三线圈，该第二线圈和第三线圈沿运动方向关于对称点彼此对称地布置并且与第一线圈相应地形成第一变压器和第二变压器，该第一变压器和第二变压器的变压比取决于编码器磁铁的位置；以及磁性的不对称结构，该不对称结构改变所述变压器中的一个相对于另一个的变压比。
所述传感器因此在其测量区域方面对称地构造。不对称结构在下文中应理解为所述传感器中的元件，该元件将不对称结构引入测量区域的这种对称结构中。该元件因此不必在每个方面都不对称地构造，仅应使得测量区域内的对称结构变形。
在所述传感器的一个改进方案中，磁性的不对称结构包括几何的不对称结构。
在所述传感器的另一个改进方案中，沿编码器磁铁的运动方向看布置在前方的变压器的变压比通过磁性不对称结构而比沿编码器磁铁的运动方向看布置在后方的变压器的变压比大。
在所述传感器的另一个改进方案中，不对称结构包括第二线圈相对于第三线圈的不对称的几何结构。
在所述传感器的一个附加的改进方案中，第二线圈相对于第三线圈的不对称几何结构包括第二线圈相对于第三线圈的不对称的圈数和/或缠绕密度。
在所述传感器的一个另选的改进方案中，不对称结构包括第一线圈的几何结构的取决于位置的变化。
在所述传感器的一个优选的改进方案中，不对称结构包括一元件，该元件使得第一变压器的第一线圈与第二线圈之间的耦合相对于第二变压器的第一线圈与第三线圈之间的耦合改变。
在所述传感器的一个特殊的改进方案中，元件包括沿运动方向看取决于位置的横截面几何结构。
在所述传感器的一个特别优选的改进方案中，元件从对称点看不对称地布置。
所述传感器特别优选地为线性位置传感器——LIPS。
根据本发明的另一个方面，一种用于操控车辆的制动设备的装置包括制动踏板和根据前述权利要求中任一项所述的传感器，该制动踏板用于通过沿运动方向移动制动踏板来调节制动力的，该传感器用于检测制动踏板沿运动方向的位置和用于输出取决于制动踏板的检测到的位置的、显示待调节的制动力的信号。
附图说明
结合下文对示例性实施例的描述使得本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现这些特性、特征和优点的方式和方法更清楚且更容易理解，结合附图进一步阐述所述示例性实施例，其中：
图1示出具有位置传感器的串列式主缸，
图2示出图1的位置传感器的示意图，
图3示出线性位置传感器的透视图，
图4示出图3的线性位置传感器的特性曲线，
图5示出图3的线性位置传感器的截面图，
图6示出另选的线性位置传感器的截面图，
图7示出另一个另选的线性位置传感器的截面图，
图8示出另一个另选的线性位置传感器的截面图，和
图9示出另一个另选的线性位置传感器的截面图。
在图中用相同的附图标记表示相同的技术元件且仅描述一次。
具体实施方式
参考图1，其示出具有位置传感器4的串列式主缸2。
串列式主缸2还具有压力活塞6，该压力活塞沿运动方向8在壳体10中可动地布置，其中，压力活塞6的运动可以通过未示出的脚踏板控制。压力活塞6本身被划分成初级活塞12和次级活塞14，其中，初级活塞12封闭壳体10的入口且次级活塞12将壳体10的内室划分成初级腔室16和次级腔室18。在壳体10的入口的区域中，在初级活塞12上布置有次级密封圈20，该次级密封圈使得壳体10的内室与环境空气隔离。在看入壳体10的内室时，在次级密封圈20之后跟随有初级密封圈22，该初级密封圈密封初级活塞12与壳体10的壁之间的缝隙。次级活塞14上的压力密封圈24使得初级腔室16的压力与次级腔室18的压力隔离。此外，次级活塞14上的另一个初级密封圈26密封次级活塞14与壳体10的壁之间的缝隙。初级活塞12通过第一弹簧28靠着次级活塞14支承，而次级活塞通过第二弹簧30靠着壳体底部支承。通过第一和第二接口32、34可以相应地为初级腔室16和次级腔室18供给未示出的液压液体。
由于对于本领域技术人员来说串列式主缸的工作方式是已知的，因此不对其进行详细说明。
位置传感器4具有滑块36形式的取样件(Probekoerper)，该滑块在其顶端具有编码器磁铁37，向绘图平面内观察，该编码器磁铁可被推到还要描述的传感器电路38的下方。为了推动滑块36，初级活塞12具有凸缘40，滑块36靠着该凸缘。凸缘40和初级活塞12因此共同形成测量对象，其位置通过位置传感器4的还要描述的传感器电路38确定。传感器电路38由位于布线载体42如引线框架、印刷电路板或另一基板上的多个印刷导线构成。为了进行保护以防止例如污染可以将罩盖46放置到具有传感器电路38的印刷电路板42上。
参考图2，其示出图1的位置传感器4。
位置传感器的电路38包括转换器48，该转换器在当前的实施例中设计为线性感应位置传感器(LIPS)。LIPS 48检测编码器磁铁37的磁场50并基于该磁场来输出电编码器信号(未标示)到电路38。该编码器信号由第一信号处理芯片52和第二信号处理芯片54转换测量信号(未示出)，由该测量信号得出滑块36的位置以及进而得出凸缘40和初级活塞12的位置。由此产生的测量信号最后可以在位置传感器4的传输接口56处通过线缆(未示出)输出且继续传输到更高的信号处理单元(未示出)，例如(未示出的)车辆中的电动机控制器。
电路38可以包括保护元件58，用于保护两个信号处理芯片52、54例如防止过电压。此外可以在电路38与LIPS 48之间布置有屏蔽板60，该屏蔽板屏蔽电路38与转换器38之间的电磁场并且因此避免电路38对LIPS 48的影响。
在当前的实施例中，LIPS 48通过形锁合部件62在规定的位置中布置在布线载体42上。在此，保护部件64围绕布线载体42和转换器48。
在图3中示出LIPS 48的透视图。LIPS 48包括带有绕组空间的线圈架66，该绕组空间通过四个连接板68分成一个中间部段70和两个侧部段72。线圈架66承载沿芯(在图3中没有示出)延伸的初级线圈74，该初级线圈在当前情况下应设定为单层的。在初级线圈74的两个相对设置的边缘区域上，线圈架66承载紧密缠绕的次级线圈76以用于测量感应电压。
也就是说，在LIPS 48中的线圈74、76能够以两种不同的方式区分。一方面，这些线圈作为测量变压器的一部分相互作用，其中，初级线圈74激励磁场且在次级线圈76中感应出感应电压。初级线圈74和次级线圈76原则上任意地且不必须以图3中所示的方式设计。当前实施例中的LIPS 48应能够利用比率式信号处理装置进行分析，因此以前述方式实现了初级线圈74和次级线圈76的选择。连接到这种LIPS 48上的信号处理装置执行两个次级线圈76上的感应电压的各一次测量并且利用适合的算法计算出两个测量的感应电压，该算法的目标是抑制干扰。在最简单的情况下，这可以通过次级线圈76的适合的串联来实现。优选地，这通过模拟的或数字的信号处理装置实现，该信号处理装置在形成数学映射的情况下提供了很大程度的自由度，利用该数学映射从两个感应电压中计算出位置值。
此外，线圈74、76根据其几何构型可以划分成：具有较小的缠绕密度的线圈74，该线圈被几乎沿整个芯长度缠绕(在当前的示例性实施例中是初级线圈74)；以及这样的线圈，该线圈紧凑地具有较大的缠绕密度且被缠绕在(未示出的)芯的特定的位置(在当前的示例性实施例中是次级线圈76)。
其它关于LIPS的工作方式的细节例如可由文献DE 4425903C3和EP 238922B1得出。
LIPS 48具有图4中所示的特性曲线78，在该特性曲线中将待测量的变量、即编码器磁铁37的位置80和显示出待测量的变量的输出变量、即次级线圈76上的感应电压82进行对比。
根据使用情况，对于LIPS 48期望的是：要么特性曲线78在所有位置都始终具有相同的斜率，要么具有斜率不同的持续稳定区。
如果LIPS 48的特性曲线78具有线性轮廓，那么LIPS 48的测量结果可以在模拟的控制器中、测量装置中或为了显示手动操作的读数(关于专业术语的注释：线性位置测量＝线性运动运动；线性特性曲线＝测得位置与输出变量之间的线性关系)而被直接进一步处理。因此，目前在绝大多数情况下试图使LIPS 48构造成具有线性特性曲线78。如果特性曲线78根据原则应设计为非线性的，那么该特性曲线可以在数字式系统中以简单的方式被修正。在这种情况下，LIPS 48的灵敏度以及进而其准确度和其分辨率是恒定的且受线性特性曲线的斜率影响。
具有取决于位置精度需求和分辨率需求以及进而在整个测量范围上考虑的带有非线性特性曲线的使用例子是电动液压制动系统，该制动系统具有图1中所示的串列式主缸2，在该串列式主缸中使用LIPS 48来测量制动踏板位置。LIPS 48通过制动踏板位置检测驾驶员目的且使用相关的控制系统(未进一步示出)中的测量结果。在沿正常的道路交通中运动的乘用车中，制动踏板位置在绝大多数时候处于静止位置或接近静止位置，而发生相当于全制动的严重偏转的制动踏板是少有的驾驶情况。这种情况对于车辆安全性有重要意义，然而恰恰不需要制动踏板中最高的敏感性(Feingefuehl)。而对于制动系统中关于控制质量的最高要求在许多制动操作中以低延迟提出，因为在这些制动操作中，制动操作的敏感控制对于舒适性和驾驶响应是关键的。在此意义上的高舒适性可以通过以下方式实现：提高开始区域中位置传感器的准确度和分辨率，必要时以测量区域端部处的相应的值为代价。驾驶员通过高准确度受益，因为系统则特别以可复制的方式关于所实现的减速对制动踏板的特定偏转作出响应。驾驶员将受益于高分辨率，因为测量变量的有潜在干扰性的离散化在数字式系统中则保持隐藏。
LIPS 48因此应这样配置，使得其特性曲线78适配于应用场合。另一方面，LIPS 48的线圈74、76应尽可能少地从测量区域的端点上突出。这是与电动液压的制动系统特别相关的一种构型，其中在测量区域的开始处及其附近处的高准确度和分辨率是必要的且同时在测量区域的该部分中的结构空间尤其受限。例如可以将以下部分视为测量区域的开始处：该部分包括制动踏板的静止位置以及带有较小延迟的制动，也就是说特别是这样的区域，其在正常道路交通的行驶中在不出现紧急情况时被持续使用。
在该示例性实施例中，在开始处LIPS 48的特性曲线78被有意地为非线性的。该非线性的特性曲线78可用于通过使非线性的特性曲线78适配于相应应用场合的取决于位置的准确度需求和分辨率需求来提高LIPS 48的性能。
分辨率和准确度在LIPS 48的非线性的特性曲线较陡的位置局部地增加，也就是说测量变量的特定变化会导致输出变量的剧烈变化(＝较高的灵敏度)。相反地，分辨率和准确度在非线性的特性曲线78较平缓地延伸的位置局部地降低。通常，仅受限的值范围可用于输出变量，因此必须为局部提高特性曲线78的陡度以及提高在其它位置的分辨率和准确度而牺牲这些特性中的某个特性。
斜度与分辨率和准确度的关联性的原因在于，同样由LIPS 48或信号处理其它阶段作为输出变量转换为感应电压82的干扰和噪音通常不会通过特性曲线78(也就是关于测量变量)在其振幅方面变化。在特性曲线78的任何点处，干扰和噪音因此具有特性变量(振幅、功率谱密度、均方根值等)的典型值，该典型值向下限制相邻值的可区别性。特性曲线78越陡，则作为测量变量的、待检测的位置80的相关的可区别的值就彼此越接近，这例如在图4中示出。
如果在图4的例子中设定为存在感应电压82的、作为输出变量的输出值81、83的可区别性且所述输出值的区别在于输出差84，则在特性曲线78的平缓区域中产生待检测的位置80的、作为测量变量的两个值86、88的可区别性，这两个值的区别在于第一测量差90。而在特性曲线78的陡的区域中，在感应电压82中的相同的输出差84产生第二测量差92，该第二测量差小于第一测量差90且因此和该第一测量差不同。对于可区别性的需要的区间直接是分辨率。由于许多干扰在大多时候同样仅在感应电压82中特定的区间内起输出变量的作用，因此在准确度方面的关系是类似的。
在上述制动系统的范围内，例如有利的是，将LIPS 48在待检测的位置80的下方值范围内设计为不易受干扰的，因为驾驶员在该值范围内(如已经提到的)可能比在待检测的位置80的上方值范围内以更敏感的方式操纵制动踏板。为此，LIPS 48的特性曲线78在下方值范围内的斜度可以设计为比在上方值范围内低。
为此，在当前实施例的范围内，更改由线圈74、76得出的变压器的几何构型。替代LIPS 48的完全对称设计，符合目的地将至少一个不对称结构装入变压器中，其中，LIPS 48的至少一个部件(绕组之一、绕组对的一半或芯)关于一平面是不对称的，该平面垂直于测量方向布置在待测量的位置80的测量区域的中心处。在相应的不对称结构中，芯的饱和和/或感应电压82对测量结果变化的影响取决于编码器磁铁37的位置80，由此实现了特性曲线78中的期望的非线性。
在下面的另一处示出例如用于产生带有期望的特性曲线变化的不对称结构的多个可行形式。这些可行形式原则上是可组合的。其作用在组合中通常会加强。由于LIPS 48的工作原理的严格的非线性而可以设定为，不能按照叠加原理对该组合进行处理。由线圈74、76组成的变压器的构型的特定变化的影响因此也取决于构型的其它变化。
各个结构变化见下文(“开始”的定义如上所述，其与“结束”相对应，涉及测量区域以及编码器磁铁37的待检测的位置)：
1.(图3中未示出的)芯的长度的变化
a.芯在开始处的延长
b.芯在结束处的缩短。
2.次级绕组的圈数的变化
a.次级绕组在开始处的圈数增加
b.次级绕组在结束处的圈数减少。
3.初级绕组的缠绕密度的取决于位置的变化
a.缠绕密度在开始处增加
b.缠绕密度在结束处减少。
4.如果在圈外部设有第二芯(磁轭芯(Rueckschlusskern))
a.磁轭芯在开始处的材料横截面减少
b.磁轭芯在结束处的材料横截面增加。
从结构1.a.变化至结构3.a.导致了感应较高的电压，这一般是优点。然而其代价是额外的材料消耗以及较高的安装空间需求，特别是在开始处。因此，尽管电压降低，从结构1.b.至结构3.b.的互补结构变化仍然是有利的，因为相应节省了材料和安装空间。
图5额外示出了传感器的测量区域94的比例。测量区域94的开始处(通过测量区域的箭头方向表明)和结束处明显位于两个次级线圈76之间，因为LIPS 48的输出电压在编码器磁铁37(未示出)到达次级线圈附近时达到极值。如果编码器磁铁37移动超过该点，则对于该位置获得与在测量区域94内一样的测量结果。因此，编码器磁铁37必须维持与次级线圈76之间的最小间距，通过该最小间距限制了测量区域94。测量区域94的中心因此标记出关于线圈架66和测量变压器的上面提到的对称平面并因此出于清楚的原因带有附图标记96。
在图5中，用于构造由线圈74、76组成的测量变压器的LIPS 48的芯98关于对称平面96不对称地布置，这通过芯98在开始处延长和/或在结束处缩短而实现。
图6示出了对应于上面列出的第2b点的解决方案。次级线圈76在测量区域94的结束处相对于次级线圈76在测量区域94的开始处具有更少的圈数、例如仅一半的圈数。图6的芯98可以在此以及在所有下面的附图中也关于对称平面96对称地使用。通过具有较少圈数的次级线圈76而减少了在测量区域94的结束处的安装空间需要，而相反的措施(第2a点)导致在开始处安装空间需要增加。由于次级线圈76在结束处的圈数的减少会导致在测量区域94的开始处的特别重要的区域中准确度和分辨率的增加，因此可以总体上减小LIPS 48的尺寸，从而将值降低到初始水平。因此随后可以也在测量区域的开始处实现安装空间的节省。同样的情况也适用于下面讨论的附图。
图7同样示出按照上面的第2.b点的解决方案。在这种情况下，次级线圈76在测量区域94的结束处在长度上减少了一半。该措施的技术效果明显类似于图6的技术效果。相对于图6的优点在于，现在要么可以缩短LIPS 48的总长度，或者可以在外部尺寸相同的情况下增大次级线圈76之间的间距，由此可以实现较大的测量区域94。
图8示出按照上面的第3.b点的解决方案。初级线圈74的缠绕密度在到达测量区域94的结束处时减半。优选的是，缠绕密度不是跳跃式地、而是沿测量区域94连续地改变，因为在跳跃处附近LIPS 48的局部分辨率可能降低到零。
在图9中示出按照上面的第4.b点的解决方案。在这种情况下，线圈74、76由磁轭芯100包围，该磁轭芯在根据之前附图的LIPS 48的其它变型中也是可选择设置的。图8的特征在于，该磁轭芯100的横截面积取决于测量区域94内的位置并且朝向测量区域94的结束处增大。在这种情况下，根据图8的LIPS 48的实施例既用于代表沿径向具有可变横截面(如所示出地)的，也代表与其垂直的、也就是沿周向的可变横截面的情形。此外，磁轭芯100不必须属于LIPS 48的测量变压器的半截面图示，因为只要磁轭芯100位于测量变压器的一个位置处，则就足以实现所述功能。
Claims (9)
1.一种用于检测编码器磁铁(37)沿运动方向(94)的位置的传感器(48)，该传感器包括：
-沿该运动方向(94)延伸的第一线圈(74)；
-与该第一线圈(74)对齐的第二线圈和第三线圈(76)，所述第二线圈和第三线圈沿该运动方向(94)观察关于对称点(96)彼此对称地布置并且与第一线圈(74)相应地形成第一变压器和第二变压器，所述第一变压器和第二变压器的变压比取决于该编码器磁铁(37)的位置；以及
-磁性的不对称结构，该不对称结构改变所述变压器中的一个相对于另一个的变压比；
其中沿所述编码器磁铁(37)的运动方向(94)看布置在前方的变压器的变压比通过磁性不对称结构比沿所述编码器磁铁(37)的运动方向(94)看布置在后方的变压器的变压比大。
2.根据权利要求1所述的传感器(48)，其中，磁性的不对称结构包括几何的不对称结构。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(48)，其中，所述不对称结构包括第二线圈(76)相对于第三线圈(76)的不对称的几何结构。
4.根据权利要求3所述的传感器(48)，其中，第二线圈(76)相对于第三线圈(76)的所述不对称的几何结构包括第二线圈(76)相对于第三线圈(76)的不对称的圈数和/或缠绕密度。
5.根据权利要求1或2所述的传感器(48)，其中，所述不对称结构包括第一线圈(74)的几何结构中的取决于位置的变化。
6.根据权利要求1所述的传感器(48)，其中，所述不对称结构包括元件(98、100)，该元件使得该第一变压器的第一线圈(74)与第二线圈(76)之间的耦合相对于该第二变压器的第一线圈(74)与第三线圈(76)之间的耦合改变。
7.根据权利要求6所述的传感器(48)，其中，所述元件(98、100)包括沿运动方向(94)看取决于位置的横截面几何结构。
8.根据权利要求6或7所述的传感器(48)，其中，所述元件(98、100)从对称点(96)看不对称地布置。
9.一种用于操控车辆的制动设备(2)的装置，该装置包括制动踏板和根据前述权利要求中任一项所述的传感器(48)，该制动踏板用以通过沿运动方向(94)移动制动踏板来调节制动力，该传感器用于检测制动踏板沿运动方向(94)的位置和用于输出取决于制动踏板的检测到的位置的、显示待调节的制动力的信号。
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