CN106796119A - 用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件 - Google Patents

用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件(1)，其中，旋转构件与盘状的目标物(20)耦联，目标物具有至少一个金属面(24)并且与具有至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的线圈组件(40)结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)包括具有相反的缠绕方向两个子线圈(42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2)，子线圈彼此相对而置地布置在圆的圆周上，其中，旋转的目标物(20)的至少一个金属面(24)由于涡流效应根据重叠度影响至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的电感。

Description

用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1的类型的用于无接触地检测转动角度的传感器组件。
背景技术
由现有技术已知不同的感应式转动角度传感器。在多数情况下，在激励线圈和一个或多个传感器线圈之间的耦合受到耦合元件(目标物)的转角位置的影响。耦合系数的评估需要昂贵的电子设备。
文献DE 197 38 836 A1例如公开了一种感应式角度传感器，其具有定子元件、转子元件和评估电路。定子元件具有被周期性的交流电压加载的激励线圈以及多个接收线圈。转子元件根据其相对于定子元件的角度位置预定在激励线圈和接收线圈之间的感应式耦合的强度。评估电路从在接收线圈中感应的电压信号中确定转子元件相对于定子元件的角度位置。
发明内容
与此相对，根据本发明的、具有独立权利要求1的特征的用于无接触地检测转动角度的传感器组件具有的优点是，转动角度的测量可通过确定多个单线圈的电感进行。优选地，评估和控制单元产生具有信号走向的评估信号，该信号走向与3相正弦信号或线性走向非常相似，从而评估可用简单的计算规则进行。此外，通过两个子线圈的相反的缠绕方向在发射和干扰信号耦合方面得到有利的EMV特性。此外，通过将子线圈相对而置地布置在圆周处得到很小的相对于装配公差的敏感性。
本发明的实施方式提供了一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件，旋转构件与盘状的目标物耦联，该目标物具有至少一个金属面并且与具有至少一个平面式的探测线圈的线圈组件结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个平面式的探测线圈包括具有相反的缠绕方向的两个子线圈，子线圈彼此相对而置地布置在圆的圆周上，其中，旋转的目标物的至少一个金属面由于涡流效应根据重叠度影响至少一个平面式的探测线圈的电感。
通过在从属权利要求中提及的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中说明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件。
特别有利的是，评估和控制单元可产生代表至少一个探测线圈的电感变化的至少一个评估信号并为了算出转动角度进行评估。根据探测线圈更确切地说子线圈和/或在目标物处的金属面的数量和实施方式，评估和控制单元可产生不同的评估信号。
在根据本发明的传感器组件的有利的设计方案中，平面式的子线圈和/或金属面可相应实施为具有预定的张角的相同的圆部段和/或圆环部段。平面式的子线圈的张角优选地具有的值在50°至70°的范围中。金属面的张角具有的值在40°至110°的范围中。金属面的张角取决于布置在目标物上的金属面的数量和评估信号的期望的信号走向。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，线圈组件可包括三个平面式的探测线圈，其六个子线圈可均匀分布地布置在圆的圆周上。这使得能够简单地产生有相移的基本上正弦的三个评估信号或有相移且具有线性区的三个评估信号，线性区可通过简单的计算规则进行评估以确定转动角度。为了产生有相移的基本上正弦的三个评估信号，相关的目标物例如可具有均匀分布地布置在圆的圆周上的四个金属面，金属面分别具有60°的张角。评估和控制单元由三个探测线圈的通过目标物的旋转运动引起的电感变化产生有相移的基本上正弦的三个评估信号并且对评估信号进行评估算出转动角度。
替代地，目标物可具有均匀分布地布置在圆的圆周上的四个金属面，金属面分别具有45°的张角。评估和控制单元由三个探测线圈的通过目标物的旋转运动引起的电感变化产生有相移且具有线性区的三个评估信号并且对线性区进行评估，以便在90°的明确定义区域中算出转动角度。为了将明确定义区域放大到180°，目标物可具有彼此相对而置的布置在圆的圆周上的两个金属面，金属面分别具有104°的张角，其中，评估和控制单元由三个探测线圈的通过目标物的旋转运动引起的电感变化产生具有线性区的有相移的三个评估信号。评估和控制单元评估线性区，以便在180°的明确定义区域中算出转动角度。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，金属面的侧缘可分别由直线或有不同夹角的至少两条直线或凹曲线或凸曲线形成。通过由具有不同夹角的至少两条直线或凹曲线或凸曲线形成边缘可调节产生的评估信号的信号走向并且放大线性区。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在下文的说明中对其进行详细阐述。在附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似功能的零件或元件。
图1示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的线圈组件的实施例的示意性的俯视图。
图2示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的第一实施例的示意性的俯视图。
图3示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的第二实施例的示意性的俯视图。
图4示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的第三实施例的示意性的俯视图。
图5至图7分别示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的目标物的金属面的实施例。
图8示出了由图2的根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件产生的评估信号的特征曲线图。
图9示出了由图3的根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件产生的评估信号的特征曲线图。
图10示出了由图4的根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件产生的评估信号的特征曲线图。
具体实施方式
如由图1至图4可见的那样，根据本发明的用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件1、1A、1B的示出的实施例分别包括：与旋转构件耦联的目标物20、20A、20B，目标物具有环形盘状的基体22、22A、22B，基体具有至少一个金属面24、24A、24B、24C、24D、24E；和线圈组件40，其具有至少一个平面式的探测线圈42、44、46。目标物20、20A、20B与线圈组件40结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息。根据本发明，至少一个平面式的探测线圈42、44、46包括具有相反的缠绕方向的两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2，子线圈彼此相对而置地布置在圆的圆周上。在此，旋转的目标物20、20A、20B的至少一个金属面24、24A、24B、24C、24D、24E由于涡流效应根据重叠度影响至少一个平面式的探测线圈42、44、46的电感。
如由图1至图4进一步可见的那样，在示出的实施方式中，线圈组件40布置在圆形的电路板30上并且与评估和控制单元10电气连接。显然，电路板30不必是圆形的，电路板30还可具有其他合适的形状。评估和控制单元10产生代表至少一个探测线圈42、44、46的电感变化的至少一个评估信号Kl、K2、K3、K1A、K2A、K3A、K1B、K2B、K3B并且评估至少一个评估信号Kl、K2、K3、K1A、K2A、K3A、K1B、K2B、K3B以算出转动角度，下文中参考图8至图10进一步说明评估信号。在示出的根据图8至图10的特征曲线图中，沿着竖直轴线标绘了谐振频率，其由于相应的探测线圈42、44、46的电感变化而改变。显然还可使用其他合适的可测量的物理参数，以检测和示出相应的探测线圈42、44、46的电感变化。
目标物20、20A、20B的在附图中透明地示出的环形盘状的基体22、22A、22以预定的保持不变的轴向间距布置在电路板30上面或下面。在示出的实施例中，未进一步示出的旋转构件可为轴，其以足够的侧向间隙被引导穿过电路板30中的圆形开口并且不可相对转动地与目标物20、20A、20B的基体22、22A、22连接。
如由图1至图4进一步可见的那样，在示出的实施例中，线圈组件40包括分布地布置在圆形的线圈组件40的圆周上的三个探测线圈42、44、46，探测线圈分别分成两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2。因此，总共有六个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2均匀分布地布置在圆形的线圈组件40的圆周上。相应的探测线圈42、44、46的两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2分别在圆形的线圈组件40的圆周上分布地布置，从而以一级近似补偿了横向位置公差。在示出的实施例中，相应的探测线圈42、44、46的两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2彼此相对而置地布置在圆形的线圈组件40的圆周上。相应的探测线圈42、44、46的两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2的缠绕方向相反，从而在从约三个线圈直径起的间距中磁场非常小并且可平衡干扰信号耦合。
如尤其由图1可见的那样，平面式的子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2分别实施为具有60°的预定的张角的相同的圆环部段。在示出的实施例中，第一探测线圈42由两个平面式的子线圈42.1和42.2构成，第二探测线圈44由两个平面式的子线圈44.1和44.2构成，并且第三探测线圈46由两个平面式的子线圈46.1和46.2构成。
如由图2进一步可见的那样，根据本发明的用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件1的示出的第一实施例的目标物20包括四个圆环部段状的金属面24，金属面具有60°的张角。如由根据图8的相关的特征曲线图可见的那样，产生的有相移的三个评估信号Kl、K2、K3几乎正弦地伸延，其中，评估和控制单元10通过评估具有子线圈42.1和42.2的第一探测线圈42产生第一评估信号Kl、通过评估具有子线圈44.1和44.2的第二探测线圈44产生第二评估信号K2、并且通过评估具有子线圈46.1和46.2的第三探测线圈46产生第三评估信号K3。此外，在子线圈42.1和42.2、44.1和44.2以及46.1和46.2之间存在对称性。在目标物20相对于线圈组件40的精确居中的位置中，在相应的配对部之间和在评估信号Kl、K2、K3之间没有差别。
图2示例性地示出了在转动角度为0°时目标物20的位置，其中，通过定义来确定。明显的是，目标物20的中点沿正y方向(相当于图平面的定向)的移动引起增大对第三探测线圈46的第二子线圈46.2的覆盖，并且引起缩小对第三探测线圈46的第一子线圈46.1的覆盖。相同的关系适用于第二探测线圈44的子线圈44.1和44.2。在目标物20的该状态下该关系不适用于第一探测线圈42的子线圈42.1和42.2，因为由于目标物20在径向方向上较大的设计，目标物20沿y方向的很小的移动(<直径的5％)通常对子线圈42.1、42.1没有影响。
可行的是，逐个地测量六个子线圈42.1和42.2、44.1和44.2以及46.1和46.2的电感并且按照下文的准则(1)执行修正，其中，Lm代表子线圈的电感的算出的平均值，该平均值由测得的相应的探测线圈42、44、46的子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2的电感得到，其中，L1和L2分别表示对应的子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2的测得的电感。
Lm＝(Ll+L2)/2 (1)
计算可在评估和控制单元10中进行。在示出的实施例中，探测线圈42、44、46的两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2电气地串联。因为在子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2之间具有k<0.02的耦合系数相对很小，所以将电感相加。因此，平均值的形成几乎“相似”地实现，而没有复杂的计算。此外，减少了在线圈组件40和评估和控制单元10之间的接头的数量。为了降低干扰敏感性并且为了降低场发射，子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2如上文已经提及的那样分别反向地缠绕。由此降低远场中的磁场强度。在均匀的干扰场下，在两个子线圈42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2中感应出具有相应不同符号的相同的电压。由于串联连接，两个电压在理想情况下抵消成零。
如由图3和图9进一步可见的那样，评估信号KlA、K2A、K3A的信号走向可通过目标物24的金属面24A的张角从根据本发明的传感器组件1A的第一实施例中的60°变化到在示出的第二实施例中的45°来线性化，以便在宽的范围中无接触地检测旋转构件的转动角度。
如由图3进一步可见的那样，根据本发明的传感器组件1A的示出的第二实施例的目标物20A类似于第一实施例包括四个圆环部段状的金属面24A，然而金属面分别具有45°的张角。如由根据图9的相关的特征曲线图可见的那样，产生的有相移的三个评估信号KlA、K2A、K3A在宽的范围中具有线性走向。类似于第一实施例，评估和控制单元10通过评估具有子线圈42.1和42.2的第一探测线圈42产生第一评估信号KlA、通过评估具有子线圈44.1和44.2的第二探测线圈44产生第二评估信号K2A、并且通过评估具有子线圈46.1和46.2的第三探测线圈46产生第三评估信号K3A。在示出的第二实施例中，评估和控制单元10评估线性区，以便在90°的明确定义区域中算出转动角度。
为了对曲线走向进行微调，可改变目标物20A的金属面24A的形状，金属面在第一实施例和第二实施例中作为侧缘24.1、24.1A具有直线。
如由图5进一步可见的那样，在金属面24C的示出的实施例中，侧缘42.1C分别由有不同夹角的两条直线形成，其中，金属面24C总体镜像对称地实施。
如由图6进一步可见的那样，在金属面24D的示出的实施例中，侧缘42.1D分别由凹曲线构成，其中，金属面24D总体镜像对称地实施。
如由图7进一步可见的那样，在金属面24E的示出的实施例中，侧缘42.1E分别由凸曲线构成，其中，金属面24E总体镜像对称地实施。
如由图4和图10进一步可见的那样，在根据本发明的传感器组件1B的示出的第三实施例中，评估信号K1B、K2B、K3B的信号走向可通过使用具有两个金属面24B的目标物20B和将张角调整成104°来线性化，以便同样在宽的范围中无接触地检测旋转构件的转动角度。然而，通过使用仅仅两个金属面24B，相比于第二实施例，明确定义区域从90°变大到180°。
如由图4进一步可见的那样，根据本发明的传感器组件1B的示出的第三实施例的目标物20B包括两个圆环部段状的金属面24B，金属面分别具有104°的张角。如由根据图10的相关的特征曲线图可见的那样，产生的有相移的三个评估信号K1B、K2B、K3B在宽的范围中具有线性的走向。类似于第一实施例和第二实施例，评估和控制单元10通过评估具有子线圈42.1和42.2的第一探测线圈42产生第一评估信号K1B、通过评估具有子线圈44.1和44.2的第二探测线圈44产生第二评估信号K2B、并且通过评估具有子线圈46.1和46.2的第三探测线圈46产生第三评估信号K3B。在示出的第三实施例中，评估和控制单元10评估线性区，以便在180°的明确定义区域中算出转动角度。

Claims (10)

1.一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件，其中，所述旋转构件与盘状的目标物(20、20A、20B)耦联，该目标物具有至少一个金属面(24、24A、24B、24C、24D、24E)并且与具有至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的线圈组件(40)结合产生用于确定所述旋转构件的当前的转动角度的至少一种信息，其特征在于，所述至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)包括具有相反的缠绕方向的两个子线圈(42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2)，子线圈彼此相对而置地布置在圆的圆周上，其中，旋转的目标物(20、20A、20B)的至少一个金属面(24、24A、24B、24C、24D、24E)由于涡流效应根据重叠度影响所述至少一个平面式的探测线圈(42、44、46)的电感。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，评估和控制单元(10)产生代表所述至少一个探测线圈(42、44、46)的电感变化的至少一个评估信号(Kl、K2、K3、K1A、K2A、K3A、K1B、K2B、K3B)并且为了算出所述转动角度进行评估。
3.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其特征在于，平面式的子线圈(42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2)和/或所述金属面(24、24A、24B、24C、24D、24E)分别为具有预定的张角的相同的圆部段和/或圆环部段。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，平面式的子线圈(42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2)的张角具有的值在50°至70°的范围中。
5.根据权利要求3或4所述的传感器组件，其特征在于，金属面(24、24A、24B、24C、24D、24E)的张角具有的值在40°至110°的范围中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述线圈组件(40)包括三个平面式的探测线圈(42、44、46)，探测线圈的六个子线圈(42.1、42.2、44.1、44.2、46.1、46.2)均匀分布地布置在圆的圆周上。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述目标物(20)具有均匀分布地布置在圆的圆周上的四个金属面(24)，金属面分别具有60°的张角，其中，所述评估和控制单元(10)由三个探测线圈(42、44、46)的通过所述目标物(20)的旋转运动引起的电感变化产生有相移的基本上正弦的三个评估信号(Kl、K2、K3)并且为了算出转动角度进行评估。
8.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述目标物(20A)具有均匀分布地布置在圆的圆周上的四个金属面(24A)，金属面分别具有45°的张角，其中，所述评估和控制单元(10)由三个探测线圈(42、44、46)的通过所述目标物(20A)的旋转运动引起的电感变化产生有相移且具有线性区的三个评估信号(K1A、K2A、K3A、K1B、K2B、K3B)，其中，所述评估和控制单元(10)评估线性区以在90°的明确定义区域中算出转动角度。
9.根据权利要求6所述的传感器组件，其特征在于，所述目标物(20B)具有彼此相对而置的布置在圆的圆周上的两个金属面(24B)，金属面分别具有104°的张角，其中，所述评估和控制单元(10)由三个探测线圈(42、44、46)的通过所述目标物(20B)的旋转运动引起的电感变化产生有相移且具有线性区的三个评估信号(K1B、K2B、K3B)，其中，所述评估和控制单元(10)评估线性区以在180°的明确定义区域中算出转动角度。
10.根据权利要求8或9所述的传感器组件，其特征在于，所述金属面(24、24A、24B、24C、24D、24E)的侧缘(24.1、24.1A、24.1B、24.1C、24.1D、24.1E)分别由直线或有不同夹角的至少两条直线或凹曲线或凸曲线形成。
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