CN105164502B - 微感应传感器 - Google Patents

Abstract

一种感应传感器包括传感器封装件和耦合器封装件。传感器封装件包括信号处理器、集成电容器、铁氧体层、发射线圈、分成两部分的接收线圈和多个分立元件。耦合器封装件包括集成电容器、铁氧体层和耦合线圈。传感器封装件中的发射线圈由外部电源激励，其转而激励耦合器封装件中的耦合线圈。然后，通过利用分成两部分的接收线圈检测和测量耦合线圈返回的信号，传感器测量耦合器封装件相对于传感器封装件的转动位置。信号处理器通过比较耦合器封装件和传感器封装件之间的耦合系数来计算耦合器封装件相对于传感器封装件的位置。

Description

微感应传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年5月3日提交的美国临时申请61/819,118的优先权，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及位置传感器。更特别地，本发明涉及感应位置传感器。

背景技术

位置传感器经常用在各种机械控制系统中。一般的位置传感器包括电容传感器、电位器式传感器和磁位置传感器。然而，感应传感器是在车辆中应用最为广泛的位置传感器中的一种。感应传感器通过测量目标和感测线圈之间的互感来检测目标的位置。与其它电磁式位置传感器相比，由于感应传感器不需要磁体且代替地使用电磁线圈，因此感应传感器更具有成本效益。

由于感应传感器通常更为可靠，因此还希望它代替磁式传感器用在车辆中。随着磁体退化，磁传感器的性能会受损，并且磁传感器对于周围环境的磁干扰更为敏感。与此相反，感应传感器不依赖于磁体，更能承受诸如电动马达、交流发电机等常见汽车装置的干扰。然而，为了确保足够的信号强度，感应传感器通常比传统的磁传感器大。因此，由于感应传感器较大的天线区域，感应传感器还产生较大量的磁场辐射。

发明内容

本发明的实施方式包括传感器封装件和耦合器封装件。传感器封装件包括多个插针、信号处理器、集成电容器、铁氧体层、发射线圈、分成两部分的接收线圈和多个分立元件。耦合器封装件包括集成电容器、铁氧体层和耦合线圈。

传感器封装件中的发射线圈由外部电源激励，其转而激励耦合器封装件中的耦合线圈。然后，通过利用分成两部分的接收线圈检测和测量耦合线圈返回的信号，传感器测量耦合器封装件相对于传感器封装件的转动位置。信号处理器通过比较耦合器封装件和传感器封装件之间的耦合系数来计算耦合器封装件相对于传感器封装件的位置。

与使用金属件作为装配的耦合器的传统感应传感器形成明显的对比，本发明使用共振器作为耦合器。使用共振器作为耦合器允许发射线圈和耦合器成为比传统感应传感器具有更高质量系数(Q系数)的振荡系统。此外，与传统感应传感器相比，传感器封装件和耦合器封装件的铁氧体层使得线圈的尺寸明显减小。

耦合器上的涡流是分成两部分的接收线圈上的信号的直接来源。当受到与传统耦合器相同的磁场时，共振器耦合器将产生更多涡流。因此，使用相同的驱动源，与传统感应传感器相比，将共振器用作耦合器的感应传感器能够在接收线圈上产生更强的电磁场。

附图说明

图1示出了包括传感器封装件和耦合器封装件的感应传感器的立体图；

图2示出了传感器封装件的底侧视图；

图3示出了根据第一个实施例的传感器封装件和两部分发射线圈的顶侧视图；

图4示出了根据第二个实施例的传感器封装件和两部分发射线圈的顶侧视图；

图5示出了耦合器封装件的底侧视图；以及

图6示出了耦合器封装件的顶侧视图。

具体实施方式

本发明的实施例包括传感器封装件10和耦合器封装件50。传感器封装件10包括多个插针12、信号处理器14、集成电容器16、铁氧体层20、发射线圈22、分成两部分的接收线圈30和多个分立元件48。耦合器封装件50包括集成电容器56、铁氧体层60和耦合线圈70。传感器封装件10中的发射线圈22由外部电源(未示出)激励，其转而激励耦合器封装件50中的耦合线圈70。然后，通过利用两部分接收线线圈30检测和测量耦合线圈70返回的信号，传感器10测量耦合器封装件50相对于传感器封装件10的转动位置。通过比较耦合器封装件50和传感器封装件10之间的耦合系数，信号处理器14计算耦合器封装件50相对于传感器封装件10的位置。

本发明的包括传感器封装件10和耦合器封装件50的传感器组件总体上在图1中示出。本发明的感应传感器和传感器封装件10的特征在于，由于增强的信号强度能够嵌入单个封装件的最小化的设计。传感器封装件10具有顶侧42，该顶侧面向耦合器封装件50的底侧92，和相反的底侧44。铁氧体层20大致延伸至整个传感器封装件10并且大致为圆形，尽管根据传感器封装件10和线圈22、30的其它形状也是可能的。

在铁氧体层20的底侧22，有具有多个分立元件48的集成电容器16。这些分立元件48可以包括电容器、电阻器或本领域已知的其它基本的电子部件。在铁氧体层20的底部22上还可以发现信号处理器14。信号处理器14测量并处理由传感器封装件10产生和接收的信号。信号处理器14还连接到传输传感器封装件10的各种信号的插针12。

发射线圈22和分成两部分的接收线圈30位于传感器封装件10的顶侧42。图3和图4中示出的发射线圈22总体上为圆形，并且绕发射线圈22的轴线与铁氧体层20同心。发射线圈22具有可在必要时根据设计参数调节的多个绕组。发射线圈22被示出为圆形，然而其它实施例也是可能的，不会脱离本发明的保护范围。

图3和图4示出了分成两部分的接收线圈30，其在传感器封装件10的顶侧位于发射线圈22的内径的内侧。传感器封装件10的分成两部分的接收线圈30具有第一接收线圈32和第二接收线圈36。第一接收线圈32具有沿第一方向卷绕的N个环路。在图3示出的第一个优选实施例中，第一接收线圈环路32a-d绕着发射线圈22的中心轴线设置并且处于发射线圈22的内径内。第一接收线圈环路32a-d绕着发射线圈22的轴线间隔开360/N度。例如，如图3所示，存在N＝4个第一接收线圈环路32a-d，因此第一接收线圈32的各环路32a-d与相邻的第一接收线圈32的环路32a-d以90度间隔开。

第二接收线圈36也具有N个环路36a-d，N个环路36a-d沿着与第一接收线圈32相反的方向卷绕。第二接收线圈环路36a-d中的各环路绕着发射线圈22的轴线相对于相邻的第二接收线圈环路36a-d成角度地间隔开360/N度。第二接收线圈环路36a-d也与相邻的第一接收线圈环路32a-d以180/N度成角度地偏移，反之亦然。

更简单地，如图3所示，发射线圈22内侧的圆形区域成角度地被分成2N个部分。绕着发射线圈22的轴线成角度地行进，分成两部分的接收线圈30在第一接收线圈32的环路32a-d和第二接收线圈36的环路36a-d之间交替分区。第一接收线圈32的环路32a-d沿第一方向卷绕，而第二接收线圈36的环路36a-d沿着相反的第二方向卷绕。以这种方式，第一接收线圈32的环路32a-d仅与第二接收线圈36的环路36a-d相邻，第一接收线圈32的环路和第二接收线圈36的环路成角度地彼此偏移180/N度。

在图4，3所示的第二优选实施例中，存在N＝6个第一接收线圈环路32a-f，因此，第一接收线圈32的每个环路32a-f与相邻的第一接收线圈32的环路32a-f间隔开60度。本领域技术人员将了解，可以类似地调整第一接收线圈32和第二接收线圈36的N个环路的数目，以包括不同数目的N个部分。

耦合器封装件50具有铁氧体层60，铁氧体层60具有顶侧62和底侧66。铁氧体层60具有位于顶侧62的集成电容器56和位于底侧66的非圆形耦合线圈70。耦合器封装件50的铁氧体层60的底侧66面向传感器封装件10的顶侧42。图6中示出的耦合器封装件50的集成电容器56是圆形的，然而，该形状是示例性的，其它配置也是可能的。非圆形耦合线圈70由多个绕组制成并且尺寸化成使得当绕着传感器封装件10的发射线圈22的轴线排列时，耦合线圈70覆盖在第一接收线圈32和第二接收线圈36二者的环路32a-d和36a-d的至少一部分上。

图5中示出的耦合线圈70为大致椭圆形；然而，耦合线圈70不仅限于这种形状。当耦合器封装件50的耦合线圈70绕着发射线圈22和传感器封装件10的的轴线排列时，耦合线圈70将覆盖在第一及第二接收线圈环路32a-d和36a-d的至少一部分上。

在耦合器封装件50绕着发射线圈22的轴线转动时，耦合线圈70与第一及第二接收线圈环路32a-d和36a-d重叠的部分发生改变。这转而使耦合器封装件50和第一接收线圈32和第二接收线圈36中的每一者之间的耦合系数的量发生改变。使用由分成两部分的接收线圈30测量的信号，处理器14产生代表耦合器封装件50相对于传感器封装件10的转动位置的输出信号。

传感器封装件10和耦合器封装件50二者中的铁氧体层20、60的使用，聚焦了电磁场，并使能量保持在局部空间。因此，传感器10能更有效地使用电磁能来产生信号。此外，铁氧体层20、60和集成电容器16、56的组合为传感器封装件10和耦合器封装件50提供电磁屏蔽，这减少了来自于其它部件的电磁干扰的不利影响。以这种方式，能够使传感器封装件10和耦合器封装件50的整体尺寸最小化。

在另一优选实施例中，在传感器封装件10和耦合器封装件50的组装中使用了印刷电路板(PCB)。如本领域技术人员所知的，在第一PCB上组装发射线圈22和分成两部分的接收线圈。相似地，在第二PCB上组装耦合线圈70。第一铁氧体盘20布置于第一PCB的底侧，第二铁氧体盘布置于第二PCB的顶侧。铁氧体盘、PCB和额外的部件然后被布置于壳体内。以这种方式，将PCB和铁氧体盘用于形成传感器封装件10和耦合器封装件50。

从上述内容可以看出，本发明提供了一种微感应转动位置传感器，其能够产生代表耦合器封装件相对于传感器封装件的转动位置的输出信号。此外，传感器封装件和耦合器封装件二者均可以在塑料封装件中单独地嵌件成型。线圈可以由微制造技术制造，包括但不限于溅射、化学气相沉积和电镀。使用微制造技术允许在小面积内构建更多圈线匝数。传感器封装件的发射线圈被示出为绕着第一和第二接收环路同心地卷绕，然而，本发明不限于该示例性布置。

本发明不限于上述说明性示例。示例不意欲限制本发明的范围。这里描述的方法、设备、组成等是示例性的，不是要限制本发明的范围。本领域技术人员将了解其变化及其它用途。

Claims (19)

1.一种感应传感器组件，其包括：

具有顶侧的传感器封装件，所述传感器封装件具有发射线圈和分成两部分的接收线圈，所述发射线圈总体上为圆形，所述分成两部分的接收线圈具有第一接收线圈和第二接收线圈；以及

耦合器封装件，其具有位于所述耦合器封装件的底侧的耦合线圈，所述耦合器封装件的所述底侧面向所述传感器封装件的所述顶侧，所述耦合线圈为大致椭圆形且具有多个耦合绕组，所述耦合线圈绕着所述耦合器封装件的面向所述传感器封装件的底侧上的所述发射线圈的中心轴线排列；

其中所述第一接收线圈具有沿第一方向卷绕的多个第一接收环路，所述第二接收线圈具有沿着与所述第一方向相反的第二方向卷绕的多个第二接收环路；

所述多个第一接收环路绕着发射线圈的所述中心轴线设置，所述多个第一接收环路和多个第二接收环路中的每一个处于发射线圈的内径内；以及

所述耦合线圈覆盖在所述第一接收环路和所述第二接收环路二者的至少一部分上。

2.根据权利要求1所述的感应传感器组件，还包括：

面向所述耦合器封装件的所述传感器封装件的所述顶侧；

与所述顶侧相反的所述传感器封装件的底侧；以及

布置于所述传感器封装件的所述顶侧和所述底侧之间的铁氧体层。

3.根据权利要求2所述的感应传感器组件，还包括：

布置于所述铁氧体层和所述传感器封装件的所述底侧之间的集成电容器。

4.根据权利要求1所述的感应传感器组件，其中所述发射线圈为大致圆形并且具有多个发射器绕组，所述分成两部分的接收线圈绕着所述传感器封装件的面向所述耦合器封装件的顶侧的所述发射线圈的所述中心轴线在所述发射线圈的所述内径内同心。

5.根据权利要求1所述的感应传感器组件，其中所述分成两部分的接收线圈具有相等数目的第一接收环路和第二接收环路。

6.根据权利要求1所述的感应传感器组件，其中所述第一接收环路绕着发射线圈的轴线间隔开360/N度，N为整数值。

7.根据权利要求6所述的感应传感器组件，其中所述第二接收环路绕着所述发射线圈的轴线与相邻的第一接收环路成角度地偏移180/N度，所述第二接收环路绕着所述发射线圈的轴线间隔开360/N度。

8.根据权利要求7所述的感应传感器组件，其中各第一接收环路成角度地与两个第二接收环路相邻，各第二接收环路成角度地与两个第一接收环路相邻。

9.根据权利要求1所述的感应传感器组件，还包括：

面向所述传感器封装件的所述耦合器封装件的底侧；

与所述底侧相反的所述耦合器封装件的顶侧；以及

布置于所述耦合器封装件的所述顶侧和所述底侧之间的铁氧体层。

10.根据权利要求9所述的感应传感器组件，还包括：

布置于所述铁氧体层和所述耦合器封装件的所述顶侧之间的集成电容器。

11.根据权利要求1所述的感应传感器组件，其中所述发射线圈和分成两部分的接收线圈位于第一印刷电路板的顶侧，第一铁氧体盘位于所述第一印刷电路板的底侧，

所述耦合线圈位于第二印刷电路板的底侧，第二铁氧体盘位于所述第二印刷电路板顶侧，以及

所述第一印刷电路板的所述顶侧面向所述第二印刷电路板的所述底侧。

12.一种感应传感器组件，其包括：

传感器封装件，其具有位于所述传感器封装件的顶侧的发射线圈和分成两部分的接收线圈和位于所述传感器封装件的相反的底侧的第一铁氧体盘，所述发射线圈总体上为圆形；

以及

耦合器封装件，其具有位于所述耦合器封装件的底侧的耦合线圈，所述耦合器封装件的所述底侧面向所述传感器封装件的所述顶侧，所述耦合线圈为大致椭圆形且具有多个耦合绕组，所述耦合线圈绕着所述耦合器封装件的面向所述传感器封装件的底侧上的所述发射线圈的中心轴线排列；

其中所述分成两部分的接收线圈的第一接收线圈具有沿第一方向卷绕的多个第一接收环路，所述分成两部分的接收线圈的第二接收线圈具有沿着与所述第一方向相反的第二方向卷绕的多个第二接收环路；

所述多个第一接收环路绕着发射线圈的所述中心轴线设置，所述多个第一接收环路和多个第二接收环路中的每一个处于发射线圈的内径内；以及

所述耦合线圈覆盖在所述第一接收环路和所述第二接收环路二者的至少一部分上。

13.根据权利要求12所述的感应传感器组件，其中所述发射线圈和所述分成两部分的接收线圈位于第一印刷电路板的顶侧，所述第一铁氧体盘位于所述第一印刷电路板的底侧，

所述耦合线圈位于第二印刷电路板的底侧，第二铁氧体盘位于所述第二印刷电路板的顶侧，以及

所述第一印刷电路板的所述顶侧面向所述第二印刷电路板的所述底侧。

14.根据权利要求12所述的感应传感器组件，还包括：

布置于所述第一铁氧体盘和所述传感器封装件的所述底侧之间的第一集成电容器；

位于所述耦合器封装件的顶侧的第二铁氧体盘；以及

布置于所述第二铁氧体盘和所述耦合器封装件的所述顶侧之间的第二集成电容器。

15.根据权利要求12所述的感应传感器组件，其中所述发射线圈为大致圆形并且具有多个发射器绕组，所述分成两部分的接收线圈绕着所述传感器封装件的所述顶侧的所述发射线圈的所述中心轴线在所述发射线圈的所述内径内同心。

16.根据权利要求12所述的感应传感器组件，其中所述分成两部分的接收线圈具有相等数目的第一接收环路和第二接收环路。

17.根据权利要求12所述的感应传感器组件，其中所述第一接收环路绕着发射线圈的轴线间隔开360/N度，N为整数值。

18.根据权利要求17所述的感应传感器组件，其中所述第二接收环路绕着所述发射线圈的轴线与相邻的第一接收环路成角度地偏移180/N度，所述第二接收环路绕着所述发射线圈的轴线间隔开360/N度。

19.根据权利要求18所述的感应传感器组件，其中各第一接收环路成角度地与两个第二接收环路相邻，各第二接收环路成角度地与两个第一接收环路相邻。