CN109211100B - 旋转角传感器装置、激光雷达系统、工作装置和用于激光雷达系统的运行方法 - Google Patents

旋转角传感器装置、激光雷达系统、工作装置和用于激光雷达系统的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旋转角传感器装置，其用于具有转子和定子的光学系统并且尤其用于激光雷达系统以确定所述转子与所述定子之间的旋转角和/或取向，所述旋转角传感器装置构造为具有：基于定子的并且抗扭地在所述定子上安装或可安装的线圈装置作为传感器元件用于接收交变磁场；基于转子的并且抗扭地在所述转子上安装或可安装的靶用于主动产生交变磁场；其中，所述线圈装置和所述靶如此在所述定子或所述转子上安装或可安装，使得根据在定子与转子之间的旋转角和/或取向而出现在所述线圈装置与所述靶之间的不同的覆盖和/或空间相邻性连同所述靶的交变磁场对所述线圈装置的相应不同的影响。

Description

旋转角传感器装置、激光雷达系统、工作装置和用于激光雷达 系统的运行方法
技术领域
本发明涉及一种旋转角传感器装置，其用于具有转子和定子的光学系统并且尤其用于激光雷达系统、一种像这样的激光雷达系统、工作装置和尤其机动车。
背景技术
在工作装置、车辆和其他机器和设施的应用中，越来越多地应用运行辅助系统或传感器装置用于检测运行环境。除了基于雷达的系统或基于超声波的系统之外，也应用基于光的检测系统，例如所谓的激光雷达系统(英语：LiDAR：light detection andranging)。
在采样或扫描的激光雷达系统中，初级光在产生之后导向通过要检测的视界。在此使用所谓的微扫描器，其具有转子和定子。转子容纳光学器件、传感机构和光源的至少一部分并且相对于定子借助驱动装置可控地可转动。转子的全部构件优选无线地——基于定子——供能。对于驱动装置的换向并且对于图像重构需要关于转子相对于定子的取向和关于其时间上的发展的信息作为必然要确定的运行参数，这些运行参数迄今必须通过多个传感器来检测。
发明内容
根据本发明的旋转角传感器装置与此相比具有如下优点，即借助相对简单的装置可随时可靠地求取转子相对于定子的取向，其在运行开始也作为初始条件。这根据本发明的旋转角传感器装置的特征通过以下方式来实现，即实现一种旋转角传感器装置，其用于具有转子和定子的光学系统并且尤其用于激光雷达系统以确定转子与定子之间的旋转角和/或取向，所述旋转角传感器装置构造为具有：(i)基于定子的并且抗扭地在定子上安装或可安装的线圈装置作为传感器元件用于接收交变磁场；以及(ii)基于转子的并且抗扭地在转子上安装或可安装的靶(Target)用于主动产生交变磁场。根据本发明，线圈装置和靶如此在定子或转子上安装或可安装，使得根据在定子与转子之间的旋转角和/或取向而出现在线圈装置与靶的之间的不同的覆盖和/或空间相邻性连同靶的交变磁场对线圈装置的相应不同的影响。基于靶的交变磁场在转子中或在转子上对传感器元件的线圈装置的不同影响，可以通过其测量推断在定子与转子之间的旋转角和/或取向。
以下构型示出本发明的优选扩展方案。
在本发明的一个有利的扩展方案中，旋转角传感器装置设置用于尤其主动给靶通电以便主动产生交变磁场。基于该措施例如省去在定子的区域中设置激励线圈或诸如此类的必要性。此外，通过主动通电可产生较高的磁场强度。由此开辟一种可能性：在靶与以线圈装置形式的传感器元件之间的较大的间距。
附加地或替代地，为了尤其主动给靶供能，尤其第一电压源例如具有尤其第一匹配网络或组件或者根据尤其第一匹配网络或组件的方式、优选具有并联连接的在约5MHz至约20MHz的频率范围中短接的、进一步优选具有在约1MHz处约1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器或者根据其方式和/或用于匹配输入信号的频率、幅度和/或相位地构造。
此外，附加地或者替代地，靶可以构造为与这样的电压源连接或可连接，并且为此，根据本发明的旋转角传感器装置可以尤其具有相应的连接装置。
在根据本发明的旋转角传感器装置的另一构型方式中，用于传感器元件的或传感器元件的线圈装置具有至少一个线圈元件作为接收线圈。
在该情况下特别有利的是，单个地或任意相互组合地：
相应的线圈元件构造为平面线圈；
相应的线圈元件在截面中或在线圈绕组的平面中具有如下外形，即具有偶数个相互相邻的相同的子绕组(Teilwicklung)或子绕线(Teilwindung)，具有相互相反的环绕方向直接相邻的子绕组或子绕线；
相应的线圈元件具有第一和第二连接端；
线圈装置具有多个尤其相同构造的相互串联连接的相互扭转的和/或均匀覆盖全角的线圈元件；和/或，
用于传感器元件的线圈装置关于在定子与转子之间的转动轴线镜像对称地和/或转动对称地构造。
这些措施单个地或相互任意组合地改善根据本发明提供的旋转角传感器装置的灵敏性和分辨能力。
当根据本发明的方案的另一改进方案，靶根据尤其平面的、尤其在与通过接收线圈的线圈装置的线圈元件限定的平面平行的平面中具有连接端和一个或多个绕组和/或一个或多个绕线的发送线圈的方式构造时，产生特别紧凑的并且在其测量灵敏性方面进一步提高的根据本发明的旋转角传感器装置。
附加地或替代地，可以设有一种基本上根据短接环的方式的构型。该短接环具有特别简单的具有相应简化的场走向的结构。
与最后讨论的技术措施相关联地，有利地提供不同的另外的构型。
因此，靶可以具有相同多个第一区段和第二区段，它们分别相互相同地、总体上相同地以交替顺序和/或尤其关于所基于的在定子与转子之间的转动轴线均匀覆盖全角地构造。
靶的相应的第一区段可以设置用于关于在定子与转子之间的转动轴线以较大的间距的和/或沿较大的半径的通过电流。
靶的相应的第二区段可以设置用于关于转动轴线以较小的间距的和/或沿较小的半径的通过电流。
靶的相应的第一区段和靶的相应的第二区段可以在此分别在输入侧和输出侧与关于在定子与转子之间的转动轴线、沿圆周方向在前和在后的第二区段或第一区段借助连接区段电连接，其中，所述连接区段为了径向的通过电流而将沿圆周方向彼此相继的第一和第二区段径向或基本上径向延伸地相互连接。
靶可以关于在定子与转子之间的转动轴线镜像对称地和/或转动对称地构造。
根据本发明的旋转角传感器装置的结构型式的紧凑性和通过根据本发明的旋转角传感器装置的证明的灵敏性可以进一步提高，其方式是，传感器元件的线圈装置和靶如此在定子或转子上安装或可安装，使得线圈装置和靶位于相互平行的平面中和/或相互略微间隔开地布置，优选以小于5毫米的间距、优选以小于2毫米的间距以及进一步优选地以小于1毫米的间距。
如果根据本发明的旋转角传感器装置的另一有利的扩展方案，用于传感器元件的线圈装置构造为定子侧电路板结构或者其一部分；和/或，靶构造为转子侧电路板结构或者其一部分，则可以实现进一步的结构空间节省。
此外，本发明涉及一种用于光学检测尤其用于工作装置和/或车辆的视界的激光雷达系统，所述激光雷达系统构造为具有转子、定子、用于使转子相对于定子绕转动轴线旋转的装置、尤其是驱动装置以及根据本发明构型的用于确定转子与定子之间的旋转角和/或取向的旋转角传感器装置。
线圈装置抗扭地安装在定子上。靶抗扭地安装在转子上。
转子和尤其由转子包括的具有光源单元的发送光学器件和/或具有探测装置的接收光学器件设置用于尤其借助感应来无线供能。
定子为此具有构造用于产生和发出交变磁场的初级线圈。转子具有在磁耦合中的构造用于接收初级线圈的交变磁场并且用于产生感应电压作为运行电压的次级线圈，其中，初级线圈和次级线圈相互磁耦合，尤其分别与和/或通过铁氧体元件或铁氧体芯磁耦合。
对于特别紧凑的结构型式，分别设置的铁氧体元件或铁氧体芯可以相应地在几何结构和/或材料方面构型。
因此，在根据本发明的激光雷达系统的一种特别有利的扩展方案中设置，定子侧初级线圈的铁氧体元件构造在用于传感器元件的线圈装置之下，或者定子侧初级线圈和/或其载体部分穿孔地构造和/或至少部分包围定子侧初级线圈的铁氧体元件。
附加地或替代地，转子侧次级线圈的铁氧体元件可以被结构化用于在凹槽中容纳靶和/或具有材料改变的区域作为靶，尤其以植入和/或涂层的形式。
在本发明的另一附加的或替代的构型方式中，在旋转角传感器装置中，为了给所述靶供能，所述转子具有第一电压源地构造，所述第一电压源尤其具有尤其第一匹配网络或组件或者根据尤其第一匹配网络或组件的方式、优选具有并联连接的在约5MHz至约20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处约1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器或者根据其方式和/或用于匹配输入信号的频率、幅度和/或相位和/或与用于能量馈入的转子侧次级线圈电磁耦合。
附加地或替代地，在旋转角传感器装置中，为了给所述转子和尤其所述转子的驱动装置、由所述转子包括的具有光源单元的发送光学器件和/或具有探测装置的接收光学器件供能，所述转子可以具有第二电压源，所述第二电压源尤其具有整流器或者根据整流器的方式和/或具有第二匹配网络、尤其以或根据优选具有在1μF至100μF的范围中的电容的平滑电容器的形式或方式和/或与用于能量馈入的转子侧次级线圈电磁耦合。
附加地或替代地，为了供能并且尤其为了给所述定子中的初级线圈馈电，可以构造有发电机，尤其连同匹配双信器一起和/或用于产生和提供馈电信号，所述馈电信号具有：(i)供电信号的在约10kHz至500kHz范围中的第一分量用于给所述转子的除所述靶以外的另外的构件供电；以及(ii)供电信号的在约5MHz至约20MHz范围中的第二分量用于给所述靶供电。
本发明此外也涉及一种工作装置和尤其车辆，其构造为具有根据本发明的用于光学检测视界的激光雷达系统。
根据本发明的另一方面也实现一种用于根据本发明的激光雷达系统的运行方法，其中，在转子中无线接收的供电信号：(i)一方面借助变流器或其他装置在幅度、频率和/或相位方面进行转换，以便运行旋转角传感器装置的靶并且尤其激励靶的发送线圈；和/或，(ii)另一方面借助整流器、借助第二匹配网络、尤其以或根据优选具有在1μF至100μF的范围中的电容的平滑电容器的形式或方式和/或借助其他装置进行转换，以便运行激光雷达系统的在转子中的另外的构件，尤其转子的驱动装置、由转子包括的具有光源单元的发送光学器件和/或具有探测装置的接收光学器件。
在根据本发明的运行方法的一种优选的扩展方案中，为了供能并且尤其为了给所述初级线圈馈电，尤其通过发电机并且尤其连同所述定子中的匹配双信器一起产生和提供所述供电信号，所述供电信号具有：(i)在约10kHz至500kHz范围中的第一分量用于给所述转子的除所述靶以外的另外的构件供电；以及(ii)在约5MHz至约20MHz范围中的第二分量用于给所述靶供电。
附图说明
参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1根据示意性的方框图的形式示出根据本发明的激光雷达系统的一种实施方式的结构；
图2在示意性的和部分剖开的侧视图中示出在使用根据本发明的旋转角传感器装置的一种实施方式的情况下根据本发明的激光雷达系统的一种实施方式的细节；
图3和4在示意性的俯视图中示出根据本发明可应用的用于传感器元件的线圈装置的实施方式；
图5以图形的形式示出借助作为传感器元件的根据本发明的线圈装置的一种实施方式可探测的信号；
图6示出用于构建和提供供电信号给初级线圈的匹配双信器的一种实施方式的电路图；
图7和8在示意性俯视图中示出根据本发明可应用的靶的实施方式。
具体实施方式
下面参考图1至8详细描述本发明的和背景技术的实施例。相同的和等同的以及相同或等同起作用的元件和构件以相同附图标记表示。不是在其出现的每次情况下都复述所表示的元件和构件的详细描述。
所示出的特征和另外的特性可以以任意形式相互分离并且任意相互组合，而不脱离本发明的核心。
图1以示意性的方框图的形式示出根据本发明的激光雷达系统1的一种实施方式，其具有光学器件10。
根据图1的激光雷达系统1在其光学装置10中具有发送光学器件60，该发送光学器件具有光学路径61，该发送光学器件由具有例如在此以激光器的形式的光源65-1的光源单元65馈电并且必要时在通过射束成型光学器件66之后并且经由偏转光学器件62发出初级光57到视界50中用于检测场景的位于那里的对象52。
此外，根据图1的激光雷达系统1具有接收光学器件30，其具有光学路径31，所述接收光学器件通过作为初级光学器件的镜组34接收由在视界50中的对象52反射的次级光58并且将该次级光通过次级光学器件35传输给具有传感器元件或探测元件22的用于探测的探测装置20。次级光学器件35可以具有带通滤波器，以便降低散射光的影响。
具有光源65-1的光源单元65的以及探测装置20的控制通过控制通道42或41借助控制与分析处理单元40实现。控制与分析处理单元40也可以承担在转子200与定子100之间的能量传输和/或数据传输以及尤其转动驱动装置的控制。但控制与分析处理单元40尤其通过控制系统45借助通过总线46与发送单元47、接收单元49和相关单元48的连接设置用于实施视界50的评估。
由图1也得知，控制与分析处理单元40与定子100相关联地构造，相反，激光雷达系统1的光学装置10基本上容纳在转子200中。
根据图1的根据本发明的激光雷达系统1的运行的控制和相应的运行方法的执行在使用在图1中示出的控制系统45的情况下实现，其中，发送单元47、接收单元49和相关单元48通过总线46相互联接并且通过控制线路41和42与激光雷达系统1的在转子100中的光学装置10和尤其与光源单元65和发送光学器件60的或接收光学器件30的探测单元20作用连接。
图2在示意性的和部分剖开的侧视图中示出在使用根据本发明的旋转角传感器装置5的一种实施方式的情况下根据本发明的激光雷达系统1的一种实施方式的细节。
定子100在根据图2的实施方式中除了包括具有铁氧体元件或铁氧体芯301的定子侧初级线圈102之外还包括定子侧电路板结构103，所述定子侧电路板结构与转子200相对于定子100的旋转角的取向的确定相关联地具有线圈装置105作为或用于传感器元件。
转子200除了包括具有发送光学器件60和接收光学器件30的光学装置10以及激光雷达系统1的另外的元件304之外还包括具有铁氧体元件或铁氧体芯302的次级线圈201，其中，在次级线圈201中与初级线圈102和铁氧体元件301、302磁耦合地感应的电压一方面提供给电压转换器303和尤其整流器，以便生成用于激光雷达构件304的运行电压。电压转换器303在此构造为具有匹配组件206，例如具有并联连接的平滑电容C2。
另一方面，供电信号由次级线圈201提供给另外的匹配组件202，以便给具有相应激励线圈204的靶203为了其运行而提供运行电压并且因此引起靶203的激励。所述另外的匹配组件202可以具有与电压转换器303的输入端并联连接的电容C1或由其组成，该电容对于供电信号的确定的和/或高频的分量短接电压转换器303的输入端。
在根据图2的实施方式中，具有传感器元件的线圈装置105的或用于传感器元件的电路板结构103直接构造在初级线圈102的铁氧体元件301之上，其中，接近或直接相邻地设置和布置有靶203充当可控地可运行的激励器。
转子200相对于定子100可绕转动轴线500转动，其中，应用相应的转动驱动装置，其在此未示出。
为了通过经由铁氧体芯301和302耦合的由初级线圈102和次级线圈201组成的装置从定子100到转子200的能量传输，构造有发电机101，所述发电机给初级线圈102在定子侧施加交流电压。与转子200的电磁耦合那么导致在次级线圈201中感应的电压，其经由整流器303提供给激光雷达系统1的另外的构件304用于其运行，而另一方面通过变流器202中转地导致靶203的激励。
根据一种优选的实施方式，通过以匹配双信器或适配双信器106的形式的匹配组件匹配地给初级线圈102提供由两个分量叠加的供电信号，如这也与图7相关联地阐述的那样。
图3和4在示意性的俯视图中示出根据本发明可应用的作为或用于在定子100的区域中的传感器元件的线圈装置105的实施方式。
图3示出在定子侧可应用的接收线圈103.1的一种实施方式的一个示例，如其例如可以根据本发明构造为用于作为传感器元件的线圈装置105的电路板结构103的元件。
根据图3的接收线圈103.1或接收器线圈由具有一个或多个绕线的绕组103.3形成。在图3中示出的实施方式中，接收器线圈103.1的绕组103.3在定子侧：
(a)由第一区段或第一子绕组103.4形成，所述第一区段或第一子绕组具有用于基于第一子绕组103.4或其绕线的取向的电流的第一环流方向，该环流方向通过第一箭头103.6示出；以及
(b)由第二区段或第二子绕组103.5形成，所述第二区段或第二子绕组具有用于基于第二子绕组103.5或其绕线的取向的电流的第二环流方向，该环流方向通过第二箭头103.7示出。
接收线圈的或接收器线圈103.1的接触可以通过用于绕组103.3的接触的第一和第二连接端104.1和104.2实现。
图4示出在定子100中的用于传感器元件的线圈装置105的结构，优选与电路板结构相关联地构造，该结构具有第一接收线圈或接收器线圈103.1和与之相同地构造的第二接收线圈或接收器线圈103.2，然而所述第二接收线圈或接收器线圈相对于第一接收器线圈103.1沿顺时针旋转90°。作为传感器元件的线圈装置105的第一和第二接收器线圈103.1和103.2分别具有一个绕组103.1，该绕组具有第一子绕组103.4和第二子绕组103.5以及第一和第二连接端104.1或104.2。在其他方面，与图3相关联地说明的特性对于第一和第二接收线圈103.1、103.2中的每一个有效。
图5以图形70的形式示出借助作为传感器元件的根据本发明的线圈装置105的一种实施方式可探测的信号或通过接收线圈103.1的相应的区段或子绕组103.4和103.5中转的子信号。根据本发明的一个优选的构型方式，靶203在构造上并且尤其在几何结构上如此设计，使得在接收线圈103.1和103.2中通过感应引起的和接收的信号——其在图形70中(其中，在横坐标71上绘出时间，而在纵坐标72上绘出信号强度)如其在轨迹73和74中示出的那样——具有相应的正弦形的变化曲线，必要时具有相应的相移。通过相应执行的计算方法随后可以推断转子200关于定子100的取向和/或旋转角以及其变化。
图6示出用于构建和提供供电信号给初级线圈102的匹配双信器106的一种实施方式的电路图，该匹配双信器106由具有电容113、114、116、117、119和电感115、118的网络构建，所述电容和电感以在图6中示出的方式与初级线圈——其通过线圈的电感102-1和电阻102-2代表——连接，以便通过连接端或端口111和112将两分量的供电信号经匹配地馈入初级线圈102中。
图7和8在示意性的俯视图中示出根据本发明可应用的靶203的实施方式。
在图7中示出作为发送线圈204的靶203，更确切地说，基本上根据具有绕线的短接环的方式，在其唯一的中断部上构造具有与匹配组件202的连接的第一连接端204.1和第二连接端，所述匹配组件通过转子200上的感应地耦合到定子侧初级线圈102上的次级线圈201来馈电。
根据图7的靶203环绕在定子100与转子200之间的垂直于图平面的转动轴线500具有三倍旋转对称或转动对称。靶203由靶203的绕组204.3或绕线的一系列的交替布置的第一和第二区段204.4和204.6形成。第一和第二区段204.4和204.6分别基本上沿转动对称的圆周方向在与转动轴线500的固定间距或半径上延伸，亦即一方面对于第一区段204.4以较大的间距，而对于第二区段204.6以更靠近轴线500的更小的间距或半径。靶203的绕组的或绕线204.3的每个第一区段204.4借助各一个径向区段204.5在输入侧和输出侧与靶203的绕组的或绕线204.3的各一个第二区段204.6导电连接。相应地，靶203的绕组的或绕线204.3的每个第二区段204.6在输入侧和输出侧借助各一个径向区段204.5与靶203的绕组的或绕线204.3的各一个第一区段204.4导电连接。
图7还示出整流器205，该整流器充当根据图2的电压转换器303的或电压转换器303的一部分并且与另一匹配组件206例如平滑电容器耦合，以便馈给激光雷达系统的直流电压分量304。
第一和第二区段204.4或204.6跨越360°的全角，更确切地说，优选以相同的角α、α’，如这与图8相关联地示出的那样。
根据以下说明进一步阐述本发明的这些和另外的特征和特性。
本发明尤其涉及以所谓的激光雷达宏扫描仪形式的激光雷达系统1，其中，所需要的所有光学元件304和尤其作为光源65-1的激光器和具有探测元件22的探测装置20位于转子200上，但是激光雷达系统1也根据扫描仪的方式构造，其中，镜转动用于射束偏转并且因此扫描视界50和包含在其中的具有对象52的场景。
在两种情况下，借助脉冲式光源65-1——例如激光器——发出初级光57的射束并且其反射作为次级光58被探测，以便实现间距测量并且拍摄场景的“图像”。旋转系统1的供能可以无线地例如通过定子侧的初级线圈102或转子侧的次级线圈201的组合实现，相反，在许多常规的激光雷达系统的情况下借助滑环工作。
为了电机换向并且为了场景图像的计算，必须已知转子位置。为此应用旋转角传感器装置5。
在此常规地对于这样的旋转角传感器应用耦合的线圈。在激励线圈中形成交变电磁场，该交变电磁场耦合到常规的旋转角传感器的多个接收线圈中并且在那分别感应一个电压。对于旋转角的测量需要可旋转支承的能导电的靶，该靶根据其角位置并且相对于接收线圈影响在激励线圈与接收线圈之间的感应式耦合。
具体地，激励场负责靶结构中的感应电压，该电压导致通过电流，通过电流自身感应磁场，该磁场随后在激励线圈中感应电压。出于电磁兼容的原因，激励线圈的场发射受限，由此同样引起在具有线圈结构的传感器电路板与靶之间的受限的最大间距。小的间距可以导致在宏扫描仪的一些实现中方案的排除。
本发明的一个任务是，实现感应式旋转角传感器装置5集成到无线供能的扫描光学系统中并且尤其集成到相应的激光雷达系统1中。
传感器5的靶203在此根据本发明直接通电，从而在传感器电路板103上不再需要激励线圈并且在靶203与用于传感器元件的定子侧线圈装置105的接收线圈103.1、103.2之间的较大的间距是可能的。
因此，本发明的核心是，感应式旋转角传感器装置5集成到无线供能的扫描光学系统中并且尤其集成到激光雷达系统1中。无线供能的转子200给感应式旋转角传感器装置5的靶203直接供能，从而可以省去在定子100侧上的激励，亦即在以下位置上：在该位置放置旋转角传感器装置5的定子侧线圈装置105的接收线圈103.1、103.2。
用于感应式能量传输的和用于旋转角测量的激励线圈或初级线圈102是相同的并且被施加以信号，所述信号具有至少两个份额。
此外形成如下优点：
-测量原理独立于外部磁场，所述外部磁场例如由电机的定子线圈生成(外场不敏感性：
Figure GDA0003464585330000111
)。
-总体构成简单的系统1。
-相对少附加的硬件费用是必要的。
-绝对位置可以在传感器的明确唯一性范围中已经在系统启动时已知。这尤其对于BLDC电机特别在同步电机中的电机换向是重要的。
-能量传输和传感器信号的传输不相互干扰。
-总体上产生可简单实现的冗余方案，例如根据ISO 26262，用于旋转角传感器5，其尤其具有集成另外的接收线圈并且无附加成本的可能性。
-根据本发明的方案总体上是公差稳健的并且温度稳定的，亦即热膨胀不导致测量误差。
-总体上产生根据本发明的旋转角传感器5的相对高的测量灵敏度或灵敏性。
-根据本发明设置的测量原理独立于许多另外的外部影响，如空气湿度、润滑剂等。
根据本发明的系统作为具有所需要的构件的激光雷达系统1在图2中示出。
转子200绕旋转轴线500可旋转地支承。与之对置地存在假定为位置固定的定子100。
激光雷达系统1的构件304的和在转子200上的另外的构件的供能通过初级线圈102实现，通过发电机101给初级线圈102施加具有几十kHz至几百kHz的频率范围的交流电压信号并且该初级线圈102耦合到次级线圈201中。
发电机101的交流电压信号具有至少两个频率份额，如上所述的那样，其中，第一频率位于几十kHz至几百kHz的范围中，而第二频率位于几个MHz(例如10MHz)的范围中。尽管初级线圈102在图2中示意性地作为圆柱形线圈示出，但初级线圈102也可以例如在电路板结构103上实现为电路板技术中的超环面线圈(Toroidspule)或平面线圈。
为了可以给线圈有效地施加由至少两个频率组成的信号，例如应用适配双信器106，进一步的描述与图6相关联地实现。
为了确保有效的能量传输，可以应用铁氧芯301和302。
在转子200上使次级线圈201与电路组件202——其例如具有电容C1和靶203——连接。该电路组件必须在一些区域中构造为能导电的。例如可以涉及电路板或由铝制成的或具有铝的经铣削的或经冲压的部分。此外还可能的是，相应地结构化铁氧体元件302并且装入能导电的元件或使至少铁氧体元件302设有能导电的涂层。
电路组件202可如此度量，使得该电路组件对于在几个MHz范围中的第二频率形成短接。如果涉及电容器，则该电路组件例如应具有在10MHz处1Ohm的阻抗和/或具有约15nF的电容。
由靶203发出的交变电磁场影响在初级线圈或激励线圈103与至少两个接收线圈103.1、103.2之间的感应式耦合，所述至少两个接收线圈集成在电路板结构103上。除了这些构件之外，电路板结构也可以承载初级线圈或激励线圈102以及另外的电构件。
图3示出接收线圈103.1的基本结构。
接收线圈103.1连同其绕组103.3分别具有相同大面积的和相同大数目的右和左延伸的子绕线103.4和103.4。360°的测量区域需要各一个子绕线103.4、103.5，180°的测量区域需要各两个，120°的测量区域需要各三个，等等。
适合考虑的是，相邻的子绕线103.4、103.5总是必须具有相反的环绕方向。
为了能够实现稳健地逆算成旋转角，优选使用例如根据图4的至少两个接收线圈103.1和103.2。这些接收线圈必须相对扭转测量区域的四分之一地布置。如果使用三个接收线圈，则必须使这些接收线圈扭转测量区域的三分之一。
在转子200的次级侧上可以借助电压转换器303例如整流或以其他形式进一步处理交流电压，例如借助平滑化或在平滑化的情况下，转换到其他的频率、幅度和/或相位上，以便随后给激光雷达系统1的另外的构件304供电。这些另外的构件在此没有被进一步示出，但至少包含光源65-1例如激光器以及探测装置20，该探测装置具有一个或多个探测元件22。
用于在转子200与定子100之间的无线数据传输的所需要的构件、用于转子200的旋转的电机以及为此需要的控制装置同样未示出。
根据本发明，定子100例如包括电路板结构103，其至少承载旋转角传感器5的线圈装置105的接收线圈103.1和103.2。
定子侧铁氧体元件301可以或者如所示那样布置在电路板结构103之下或者至少部分包围该铁氧体元件301。此外可以考虑，电路板结构103具有穿孔，通过所述穿孔，定子侧铁氧体元件301至少部分地突破电路板结构103。
根据本发明的系统1在转子侧具有靶203作为可控制的激励器。该靶203必须在一些区域中实施为能导电的。例如可以涉及电路板或由铝制成的经铣削的或经冲压的部分。此外还可能的是，相应地结构化转子侧铁氧体元件302并且装入能导电的元件或使至少铁氧体元件302设有能导电的涂层。
对于本发明决定性的是，主动给靶203供电、即通电。为此，根据本发明，电压源——例如以电压转换器202的形式(尤其根据变换器的形式)——在转子侧集成，所述电压源在频率、可选地幅度和/或相位方面调制次级线圈201的感应电压。次级线圈201的感应电压可以具有在数百个kHz范围中的频率，而可以给靶203供以具有在几个MHz——例如5MHz范围中的频率的电压。
图3示出在电路板结构103上的具有总共360°的测量区域的接收线圈103.1的示意图。
接收线圈103.1分别具有相同大面积和相同大数目的右和左延伸的子线圈或子绕线103.4、103.5。360°的测量区域需要各一个子绕线，180°的测量区域需要各两个，等等。适合考虑的是，相邻的子绕线103.4、103.5总是必须具有相反的环绕方向。
为了能够实现稳健地逆算成旋转角，优选使用例如根据图4的至少两个接收线圈103.1和103.2。这些接收线圈必须相对扭转测量区域的四分之一地布置。如果使用三个接收线圈，则必须使这些接收线圈扭转测量区域的三分之一。
图4示意性地示出两个接收线圈103.1、103.2在电路板结构103上的布置。
所示出的两个接收线圈103.1、103.2基本上具有相同的几何结构，然而出于清晰性的原因以稍微不同的直径示出。
为了解调所接收的信号，优选地重构靶的激励信号的载波，亦即AC/AC转换器202的输出信号，例如借助已知的载波恢复技术。
在以靶203的激励信号相位正确地解调接收信号之后，示例性地对于根据图4的两个接收线圈产生接收线圈103.1和103.2的信号，如其在图5中在图形70的轨迹73和74中示出的那样。
优选地，靶203的几何结构如此设计，使得接收信号的幅度正弦地随旋转角变化，如图5中所示。在两个接收线圈103.1、103.2的情况下，在上述扭转中产生正弦/余弦系统，其可以通过除法和反正切计算转换成旋转角。
替代地，具有相应其他逆算算法的其他信号形式也是可能的，例如具有线性幅度曲线作为旋转角的函数。
在三个接收线圈的情况下，在有利的构型中产生三个在电方面移相120°的信号，它们必须首先借助克拉克变换如图5中那样换算到两相系统中。
与电路组件202并联地存在整流电路205，例如作为根据图2的电压转换器303的一部分，该整流电路经由可选择的匹配网络204——例如具有在1μF与100μF之间的电容的平滑电容器C2——给转子200上的所有另外的构件304供以直流电压。
这些另外的构件304在此没有进一步示出，但可以具有光源65-1例如激光器和探测器22。
用于在转子200与定子100之间的无线数据传输的所需要的构件、用于使转子200旋转的电机以及为此需要的控制装置同样未示出。
为了可以给线圈和尤其初级线圈102有效施加信号并且尤其是馈入信号，其由至少两个频率组成，可以应用适配双信器或匹配双信器106作为匹配装置。
适配双信器或匹配双信器106可以具有根据图6的拓扑。Lc和Rc表示激励线圈102的取代元件。端口H表示具有在几个MHz的范围中的第二频率的高频信号的连接端，端口C表示在几十kHz至几百kHz范围中的第一频率的连接端。
示例性地示出用于10MHz的高频(用于旋转角测量)的和用于100kHz的低频(用于能量传输)的度量。
Ltrap和Ctrap的组合必须阻止10MHz的频率并且允许100kHz的频率通过。为了实现足够高的品质和因此阻断效果，Ltrap应具有在1μH范围中的电感。
对于Ctrap那么得出250pF。
绝缘Liso应对于10MHz尽可能少地具有影响，亦即具有高电感值。
对于100kHz路径，短接是最优的。实践中有意义的折衷是相同地设置激励线圈102的电感Liso，亦即约1μH至4μH。
电路的另外的元件必须如下度量：
左侧的Ct应如此度量，使得借助由Liso和Lc组成的并联电路实现10MHz的共振频率，例如在约50pF与约1nF之间。
右侧的Ct应如此度量，使得借助由Liso和Lc组成的串联电路实现100kHz的共振频率，即在约1nF与500nF之间。
Cm一般应如此度量，使得在相应高和低的频率下产生在-5jΩ的范围中的阻抗，例如具有3nF的Cm和300nF的右侧Cm。
图7示出作为发送线圈或发送器线圈204包括在转子200上的用于供电的所需的构件在内的根据本发明的靶203的原理图。
图7尤其示出转子侧次级线圈201，其中，出于清晰度的原因仅仅示出一个绕线。通过电压转换器202将由初级线圈102通过次级线圈201接收的信号转换成其他的频率、幅度和/或相位的交流电压并且直接对靶结构203供电，在所述靶结构中因此发生通过电流。
靶结构203可以如所示那样基本上是短接环。然而优选地，靶具有3个或更多个绕线，以便实现足够高的电感。原则上应力争的是，靶结构203的阻抗匹配于转换器202的阻抗，以便实现最大的通过电流。该通过电流又负责最大的磁场和在定子100的接收线圈103.1、103.2中的最大感应的电压。
靶203优选根据图7或8如此构造，使得在角范围α中，通过电流集中在靶203的绕组204.3的外部圆弧形元件204.4上，其具有外半径，并且在一个直接相邻的角范围α’上通过电流发生在位于内部的圆弧形元件204.6上。位于其之间的是径向延伸的导电元件或区段204.5，所述导电元件或区段在其延长部中全部在靶结构203的转动轴线500的点对称中心相交。这两个角范围α和α’的和相应于测量区域。优选适用的是α＝α’。
替代地，靶元件203也可以包含电路板上的更复杂的结构。可以涉及单层式电路板，但也可以涉及多层式电路板。

Claims (46)

1.一种旋转角传感器装置(5)，其用于具有转子(200)和定子(100)的光学系统以确定所述转子(200)与所述定子(100)之间的旋转角和/或取向，
所述旋转角传感器装置构造为具有：
基于定子的并且抗扭地在所述定子(100)上安装或可安装的线圈装置(105)作为传感器元件用于接收交变磁场；以及
基于转子的并且抗扭地在所述转子(200)上安装或可安装的靶(203)用于主动产生交变磁场；
其中，所述线圈装置(105)和所述靶(203)如此在所述定子(100)或所述转子(200)上安装或可安装，使得根据在定子(100)与转子(200)之间的旋转角和/或取向而出现在所述线圈装置(105)与所述靶(203)之间的不同的覆盖和/或空间相邻性连同所述靶(203)的交变磁场对所述线圈装置(105)的相应不同的影响；
所述旋转角传感器装置设置为用于主动给所述靶(203)通电以便主动产生交变磁场；
其中，为了给所述靶(203)供能，构造第一电压源(202)，和/或，所述靶(203)与第一电压源(202)已连接或可连接。
2.根据权利要求1所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述光学系统构造为激光雷达系统(1)。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，
其中，所述第一电压源(202)构造为用于匹配输入信号的频率、幅度和/或相位；和/或，所述靶(203)为了与所述第一电压源(202)连接而构造有连接装置。
4.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，
其中，所述第一电压源(202)构造为具有第一匹配网络或组件或者根据第一匹配网络或组件的方式构造。
5.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，
其中，所述第一电压源(202)构造为具有并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器或者根据并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器的方式构造。
6.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述传感器元件的或用于所述传感器元件的线圈装置(105)具有至少一个线圈元件(103.1、103.2)作为接收线圈。
7.根据权利要求6所述的旋转角传感器装置(5)，其中，
相应的线圈元件(103.1、103.2)构造为平面线圈；
相应的线圈元件(103.1、103.2)在截面中或在线圈绕组(103.3)的平面中具有如下外形，即具有偶数个相互相邻的相同的子绕组(103.4、103.5)或子绕线，具有相互相反的环绕方向直接相邻的子绕组(103.4、103.5)或子绕线；
相应的线圈元件(103.1、103.2)具有第一连接端(104.1)和第二连接端(104.2)；
所述线圈装置(105)具有多个线圈元件(103.1、103.2)；和/或，
所述线圈装置(105)关于在定子(100)与转子(200)之间的转动轴线(500)镜像对称地和/或旋转对称地构造。
8.根据权利要求7所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述多个线圈元件(103.1、103.2)相同地构造，相互串联连接地、相对扭转地和/或均匀覆盖全角地构造。
9.根据权利要求6所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述靶(203)：
根据具有连接端(204.1、204.2)和一个或多个绕组(204.3)和/或一个或多个绕线的发送线圈(204)的方式构造；和/或，
根据短接环的方式构造。
10.根据权利要求9所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述发送线圈(204)平面地构造和/或在与通过所述接收线圈的线圈装置(105)的线圈元件(103.1、103.2)限定的平面平行的平面中构造。
11.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，其中，
所述靶(203)具有相同多个第一区段(204.4)和第二区段(204.6)，它们分别相互相同地、总体上相同地以交替顺序和/或均匀覆盖全角地构造；
所述靶(203)的相应的第一区段(204.4)设置用于关于在定子(100)与转子(200)之间的转动轴线(500)以较大的间距的和/或沿较大的半径的通过电流，而所述靶(203)的相应的第二区段(204.6)设置用于关于所述转动轴线(500)以较小的间距的和/或沿较小的半径的通过电流；
所述靶(203)的相应的第一区段(204.4)和所述靶(203)的相应的第二区段(204.6)在输入侧和输出侧分别与关于在定子(100)与转子(200)之间的转动轴线(500)、沿圆周方向在前和在后的第二区段(204.6)或第一区段(204.4)借助连接区段(204.5)电连接，所述连接区段为了径向的通过电流而将沿所述圆周方向彼此相继的第一区段(204.4)和第二区段(204.6)径向延伸地相互连接；和/或，
所述靶(203)关于在定子(100)与转子(200)之间的转动轴线(500)镜像对称地和/或旋转对称地构造。
12.根据权利要求11所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述相同多个第一区段(204.4)和第二区段(204.6)关于所基于的轴线(500)均匀覆盖全角地构造。
13.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述传感器元件的线圈装置(105)和所述靶(203)如此在所述定子(100)或所述转子(200)上安装或可安装，使得所述线圈装置(105)和所述靶(203)位于相互平行的平面中和/或相互略微间隔开地布置。
14.根据权利要求13所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述线圈装置(105)和所述靶(203)以小于5毫米的间距布置。
15.根据权利要求13所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述线圈装置(105)和所述靶(203)以小于2毫米的间距布置。
16.根据权利要求13所述的旋转角传感器装置(5)，其中，所述线圈装置(105)和所述靶(203)以小于1毫米的间距布置。
17.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器装置(5)，其中，
用于所述传感器元件的线圈装置(105)构造为定子侧电路板结构(103)或者其一部分；和/或，
所述靶(203)构造为转子侧电路板结构或者其一部分。
18.一种用于光学检测视界(50)的激光雷达系统(1)，
具有转子(200)、定子(100)、用于使所述转子(200)相对于所述定子(100)绕转动轴线(500)旋转的装置以及根据权利要求1至17中任一项所述的用于确定所述转子(200)与所述定子(100)之间的旋转角和/或取向的旋转角传感器装置(5)；
其中，所述线圈装置(105)抗扭地安装在所述定子(100)上，而所述靶(203)抗扭地安装在所述转子(200)上。
19.根据权利要求18所述的激光雷达系统(1)，其中，所述激光雷达系统(1)设置为用于工作装置和/或车辆。
20.根据权利要求18所述的激光雷达系统(1)，其中，所述用于使所述转子(200)相对于所述定子(100)绕转动轴线(500)旋转的装置构造为驱动装置。
21.根据权利要求18所述的激光雷达系统(1)，其中，
所述转子(200)设置用于无线供能；以及
所述定子(100)为此具有构造用于产生和发送交变磁场的初级线圈(102)，而所述转子(200)具有构造用于接收所述初级线圈(102)的交变磁场并且用于产生感应电压作为运行电压的次级线圈(201)，所述初级线圈和所述次级线圈相互磁耦合。
22.根据权利要求21所述的激光雷达系统(1)，其中，由所述转子(200)包括的具有光源单元(65)的发送光学器件(60)和/或具有探测装置(20)的接收光学器件(30)设置用于无线供能。
23.根据权利要求21所述的激光雷达系统(1)，其中，所述无线供能借助感应进行。
24.根据权利要求21所述的激光雷达系统(1)，其中，所述初级线圈(102)和所述次级线圈(201)分别与铁氧体元件(301、302)磁耦合。
25.根据权利要求21所述的激光雷达系统(1)，其中，
所述定子侧初级线圈(102)的铁氧体元件(301)构造在用于所述传感器元件的线圈装置(105)之下，或者所述定子侧初级线圈(102)和/或其载体部分穿孔地构造和/或至少部分包围所述定子侧初级线圈(102)的铁氧体元件(301)；和/或，
所述转子侧次级线圈(201)的铁氧体元件(302)被结构化用于在凹槽中容纳所述靶(203)和/或具有材料改变的区域作为靶(203)。
26.根据权利要求25所述的激光雷达系统(1)，其中，所述材料改变的区域以植入和/或涂层的形式构造。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，
为了给所述靶(203)供能，所述转子(200)具有第一电压源(202)，所述第一电压源用于匹配输入信号的频率、幅度和/或相位和/或与用于能量馈入的转子侧次级线圈(201)电磁耦合；和/或，
为了给所述转子(200)供能，所述转子(200)具有第二电压源(303)。
28.根据权利要求27所述的激光雷达系统(1)，其中，所述第一电压源(202)构造为具有第一匹配网络或组件或者根据第一匹配网络或组件的方式构造。
29.根据权利要求27所述的激光雷达系统(1)，其中，所述第一电压源(202)构造为具有并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器或者根据并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器的方式构造。
30.根据权利要求27所述的激光雷达系统(1)，其中，所述第二电压源(303)构造为用于给所述转子(200)的驱动装置、由所述转子(200)包括的具有光源单元(65)的发送光学器件(60)和/或具有探测装置(20)的接收光学器件(30)供能。
31.根据权利要求27所述的激光雷达系统(1)，其中，所述第二电压源构造为具有整流器或者根据整流器的方式构造和/或构造为具有第二匹配网络(206)和/或构造为与用于能量馈入的转子侧次级线圈(201)电磁耦合。
32.根据权利要求31所述的激光雷达系统(1)，其中，所述第二匹配网络(206)以平滑电容器的形式或根据平滑电容器的方式构造。
33.根据权利要求32所述的激光雷达系统(1)，其中，所述平滑电容器构造为具有在1μF至100μF的范围中的电容。
34.根据权利要求18至26或28至33中任一项所述的激光雷达系统(1)，其中，为了给所述定子(100)中的初级线圈(102)馈电，构造有发电机(101)。
35.根据权利要求34所述的激光雷达系统(1)，其中，所述发电机(101)构造为连同匹配双信器(106)一起和/或用于产生和提供馈电信号，所述馈电信号具有：
(i)在10kHz至500kHz范围中的第一分量用于给所述转子(200)的除所述靶(203)以外的另外的构件供电；以及
(ii)在5MHz至20MHz范围中的第二分量用于给所述靶(203)供电。
36.一种工作装置，其具有根据权利要求18至35中任一项所述的用于光学检测视界(50)的激光雷达系统(1)。
37.根据权利要求36所述的工作装置，其中，所述工作装置构造为车辆。
38.一种用于激光雷达系统(1)的运行方法，所述激光雷达系统根据权利要求18至35中任一项构造，其中，在所述转子(200)中无线接收的供电信号：
一方面借助第一匹配网络或组件在幅度、频率和/或相位方面进行转换，以便运行所述旋转角传感器装置(5)的靶(203)；和/或，
另一方面借助整流器和/或借助第二匹配网络(206)进行转换，以便运行所述激光雷达系统(1)的在所述转子(200)中的另外的构件(304)。
39.根据权利要求38所述的运行方法，其中，所述在所述转子(200)中无线接收的供电信号借助并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器或者根据并联连接的在5MHz至20MHz的频率范围中短接的、具有在1MHz处1Ohm阻抗的、具有15nF电容的电容器的方式在幅度、频率和/或相位方面进行转换。
40.根据权利要求38所述的运行方法，其中，所述在所述转子(200)中无线接收的供电信号借助第一匹配网络或组件在幅度、频率和/或相位方面进行转换，以便激励所述靶(203)的发送线圈(204)。
41.根据权利要求38所述的运行方法，其中，所述第二匹配网络(206)以平滑电容器的形式或根据平滑电容器的方式构造。
42.根据权利要求41所述的运行方法，其中，所述平滑电容器构造为具有在1μF至100μF的范围中的电容。
43.根据权利要求38所述的运行方法，其中，所述在所述转子(200)中无线接收的供电信号借助所述整流器和/或借助所述第二匹配网络(206)进行转换，以便运行所述转子(200)的驱动装置、由所述转子(200)包括的具有光源单元(65)的发送光学器件(60)和/或具有探测装置(20)的接收光学器件(30)。
44.根据权利要求38所述的运行方法，其中，为了给所述定子(100)中的初级线圈(102)馈电，产生和提供馈电信号，所述馈电信号具有：
(i)在10kHz至500kHz范围中的第一分量用于给所述转子(200)的除所述靶(203)以外的另外的构件供电；以及
(ii)在5MHz至20MHz范围中的第二分量用于给所述靶(203)供电。
45.根据权利要求44所述的运行方法，其中，通过发电机(101)产生和提供所述馈电信号。
46.根据权利要求45所述的运行方法，其中，通过所述发电机(101)连同所述定子(100)中的匹配双信器(106)一起产生和提供所述馈电信号。
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