CN110809707B - 具有延伸穿过印刷电路板的次级线匝的感应位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应位置传感器，包括至少两个次级绕组（4、6），所述次级绕组由形成在印刷电路板的两个相对面上并被分成第一和第二区段（1、2）的多个线匝（10）组成。第一和第二区段（1、2）在线匝的宽度上分成在印刷电路板的一个面上的第一部分（11、21）和在相对面上的第二部分（12、22）。第一区段（1）的第二部分（12）由第二区段（2）的第一部分（21）延伸，并且第一区段（1）的第一部分（11）连接到相邻线匝的第二区段（2）的第二部分（22）。部分（11、12；21、22）通过穿过印刷电路板的相应通路（31至34）两两连接。

Description

具有延伸穿过印刷电路板的次级线匝的感应位置传感器

技术领域

本发明涉及一种感应位置传感器。

背景技术

这种传感器的优点是可以确定机械零件或任何其他元件的位置，而不需要与希望确定位置的零件接触。这一优点使得这些传感器在各种行业中有许多应用。这种传感器也用于消费型应用，例如汽车领域，在该领域内优选实施本发明。然而，本发明可以用于多种其他领域。

感应传感器的工作原理是基于变压器初级绕组和次级绕组之间的耦合变化，该变压器在高频下工作并且不使用磁路。这些绕组之间的耦合随着导电移动零件的位置而变化，导电移动零件通常被称为“目标”。具体而言，目标中感应的电流会改变次级绕组中感应的电流。通过调整绕组的配置并了解注入初级绕组的电流，测量次级绕组中感应的电压可以确定目标的位置。

为了将这种感应传感器结合到设备中，特别是电子设备中，已知的做法是在印刷电路板上生产上述变压器。初级绕组和次级绕组由印刷电路板上的走线组成。初级绕组然后例如由外部电源供电，次级绕组然后经受由流过初级绕组的电流产生的磁场感应的电压。

导电的目标例如是金属的零件，其形状可以是简单的。例如，它可以是从金属板上切割的零件。为了制造线性传感器，目标例如被切割成矩形，而对于旋转传感器，它将被切割成例如具有适合零件运动的半径和角度的角区段的形状。

通常，两组次级绕组被设计成在传感器的一次完整行程中获取目标位置的正弦和余弦函数。这种余弦和正弦函数是众所周知的，并且可以容易地被电子系统处理。通过确定正弦和余弦的比率，然后应用反正切函数，获得目标位置的图像。正弦和余弦函数的自变量是目标的位置的线性或仿射函数，其行程因此代表这些三角函数的空间周期的较多或较少的部分。

为了获得能够可靠地被测量的感应电流，优选设置大量的线匝或大尺寸的线匝。第二种选择与制造紧凑型传感器不兼容。正因为如此，通常选择设置大量的线匝。

为了限制印刷电路板上占据的空间，特别是文献FR-A-3 002 034已经提出在印刷电路板上的两个不同层上制造用于形成次级绕组的线匝。为了实现这一点，应该制造穿过印刷电路板的通路，以允许连接由此产生的线匝。这种线匝在线匝的纵向方向上具有连续的第一和第二区段。每个线匝部分具有线性或角扇形形状。当从远处观察线匝时，该线匝的平均平面可以被视为相对于板的平面倾斜。

这种感应传感器对气隙的变化表现出一定程度的敏感度。然而，优选的是，这种传感器对除了期望测量的位置之外的几何变化不敏感，这些几何变化可能是气隙的变化或偏心率的变化。以最接近的现有技术提出的方式成形线匝无法解决几何变化的问题。

发明内容

本发明所基于的问题是设计一种具有次级线匝布置的感应传感器，该次级线匝布置使得传感器对几何变化和对偏心率不敏感。

为此，本发明涉及一种感应位置传感器，其包括初级绕组和至少两个次级绕组，每个次级绕组由形成在印刷电路板的两个相对面上的多个线匝组成，每个次级绕组包括线匝，每个线匝具有基本相同形状，并且所述线匝在称为纵向的方向上对齐，具有每次在纵向方向上的偏移，所述线匝中的每一个在线匝的长度上被分成互补且连续的第一区段和第二区段，其特征在于：

·第一区段在线匝的宽度内被分成布置在印刷电路板的被称为第一面的面上的第一部分和布置在印刷电路板的与第一面相对的面上的第二部分，相对的面被称为第二面，第一区段的第一和第二部分互补；

·第一区段的第二部分在线匝的长度上由第二区段的第一部分延伸，该第一部分布置在印刷电路板的第一面上；

·第二区段的第一部分在线匝的宽度上由第二区段的第二部分延伸，该第二部分布置在印刷电路板的第二面上，第二区段的第一和第二部分在宽度上划分第二区段，同时是互补的；

·第一区段的第一部分连接到相邻线匝的第二区段的第二部分；

·第一区段的第一和第二部分、第一区段的第二部分和第二区段的第一部分、第二区段的第一部分和第二区段的第二部分以及相邻线匝的第二区段的第二部分和第一区段的第一部分通过穿过印刷电路板的相应通路连接。

技术效果是校正和平衡现有技术的具有分别为上部区段和下部区段的两个纵向区段的线匝。这种线匝的问题是它沿其长度方向的外观是倾斜的。通过将每个区段分成位于不同高度处和印刷电路板的相对面上的两个横向部分，通过不再是不同高度的两个区段的形状，线匝的图案在长度上更加平衡。

每个区段被划分成一些横向部分，第一区段的第一部分相对于现有技术的线匝是保持不变的，并且第二部分通过放置在印刷电路板的另一面上而降低。对于第二区段，第一部分升高，且第二部分保持不变。

这使得对气隙变化的敏感度和对偏心率变化的敏感度大大降低，并且传感器的线性度得到增强。

具体地，计算表明，对于360°传感器的0.5 mm的目标的偏心率，在实施本发明之前，线性度在1.5%左右，并且对气隙的敏感度为0.5%。实施本发明后，线性度接近0.5%，并且对气隙的敏感度接近0.3%。传感器的性能提高了两倍量级。

此外，由于每一线匝穿过印刷电路板四次，所以它更好地固定在适当的位置，并且线匝没有相对于印刷电路板纵向或横向移动的风险。

有利的是，对于每一线匝：

·第一区段的第一和第二部分分别在印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，它们的横向边缘的相对的端部通过第一通路连接；

·第一区段的第二部分和第二区段的第一部分分别在印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，它们的纵向边缘的相对的端部通过第二通路连接；

·第二区段的第一和第二部分分别在印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，它们的横向边缘的相对的端部通过第三通路连接；

·相邻线匝的第二区段的第二部分和第一区段的第一部分分别在印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，它们的纵向边缘的相对的端部通过第四通路连接。

有利的是，第一区段的第一部分的纵向边缘的端部和第四通路之间的连接以及第二区段的第一部分的纵向边缘的端部和第二通路之间的连接在平行于印刷电路板的同一个平面中，第二和第四通路具有相同的长度。这使得可以具有有助于线匝的平衡的对称。

有利的是，第一通路和第三通路具有相同的长度。

有利的是，第一区段以及第二区段的相应第一和第二部分的纵向边缘在重叠的平面中朝向彼此。

有利的是，第一和第二区段具有相同的长度，并且两个相邻线匝之间的纵向方向上的偏移小于第一或第二区段的长度。这使得可以优化在给定面积上的线匝数。

有利的是，两个线匝之间的纵向偏移是恒定的。这使得可以便于使用在次级绕组的端子处进行的电压测量。

有利的是，第一区段或第二区段的第一和第二部分分开，使得第一区段或第二区段的相应第一和第二部分接收等量的磁通量。

有利的是，初级绕组围绕次级绕组，并且具有包括纵向延伸的线性部分的线匝。

有利的是，同一个次级绕组的线匝彼此连接，使得在这些线匝中由交变磁场感应的电动势相加在一起。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见，附图以非限制性示例的方式给出，其中：

- 图1是根据现有技术的位置传感器的两个次级绕组的俯视示意图；

- 图2是图1的次级绕组的透视示意图；

- 图3是根据现有技术的线匝的透视示意图；

- 图4至图7是根据本发明的一个实施例的线匝的透视示意图，对于线匝的第一或第二纵向区段的特定部分的这些图中的每一个，具有相应的阴影线；

- 图8是图4至图7所示的线匝的示意图，其中线匝部分相对于使用虚线表示的根据图3所示现有技术的线匝进行了修改。

具体实施方式

图1示出了第一次级绕组4和第二次级绕组6的俯视图，且图2是图1的次级绕组的透视图。这两个绕组中的每一个具有线匝10a。这些线匝10a与现有技术一致，但是如果忽略线匝10a的形状，并且仅对于线匝10a的堆叠布置来说，下面描述的图1和图2可以用于说明本发明。

应该注意的是，对于这些绕组中的每一个，线匝10a都基本相似，但是每次都在图1通过纵向轴线A示出的纵向方向上相对于彼此偏移。

两个相邻线匝之间的纵向偏移每次可能相同。此外，同样优选地，当从上方看时，第二次级绕组6相对于第一次级绕组4相对于垂直于纵向轴线的横向平面（未示出）对称。两个绕组的线匝数相同，并且线匝的面积也相同。

如图3所示，在现有技术中，并且不是对于本发明，每个线匝10a具有第一上部区段1和第二下部区段2，第一区段1对应于蚀刻在印刷电路板（未示出）的一层上的走线，并且第二下部区段2对应于蚀刻在同一印刷电路板的另一相对层上的走线。形成第一区段1和第二区段2的所述走线之间的电连续性由穿过印刷电路板的通路32提供，其中图2中的附图标记为16的段提供电连续性。

以以下方式提供两个相邻线匝之间的电连续性：线匝10a的第一上部区段12通过穿过印刷电路板的另一通路34连接到相邻线匝的第二下部区段2，印刷电路板内的段提供所述电连续性。在图1和图2所示的实施例中，每个第一上部区段1和每个第二下部区段2可以采用不规则半六边形的形状。

因此，每个第一上部区段1和每个第二下部区段2都采用整体凹形的形状，线匝10a的第一区段1的凹面相对于同一线匝的第二下部区段2的凹面反向定向。

更一般地说，在次级绕组中，第一上部区段1的凹面朝向第一侧，并且第二区段2的凹面朝向与第一侧相对的一侧。因此，有可能具有圆弧、椭圆弧、半八边形等形状的下部和/或上部部分。当从上方观察时，可以看到相对于穿过通路32、34的直线，第一上部区段1和相应的第二下部区段2之间存在一定的对称性。由于线匝间存在偏移，对称性并不完美。

回到图1和图2，段16（其中一个在图2中被引用，其位置也对应于它们所连接的通路的位置）与两个平行的段对齐，这两个平行的段被布置在纵向轴线A的两侧并与其垂直，即它们穿过印刷电路板。这两个段不是相对于纵向轴线A对称布置的，而是在由纵向轴线限定的纵向方向上偏移。

第一次级绕组4和第二次级绕组6在横向对称平面的水平上连接，使得对于给定的可变磁通量，在第一次级绕组4中感应的电动势与在第二次级绕组6中感应的电动势相反。在同一个绕组中，应当注意，在每个线匝10a中由可变磁通量感应的电动势加在一起。

最后，在图1和图2的左侧，可以看到两条连接走线18的存在，其允许次级绕组连接到用于测量其端子处的电压的装置。

由第一次级绕组4和第二次级绕组6形成的组件使得可以例如当导电目标靠近这些绕组移动时获得正弦函数。为了在目标移动期间获得余弦函数，已知的做法是使用叠加在第一组绕组上的另一组绕组。

图3示出了根据现有技术的单个线匝。这种线匝10a在线匝的长度上被分成被称为上部区段的第一区段1和第二下部区段2，第一和第二区段1、2互补且连续。如上所述，在第一和第二区段1、2的纵向边缘之间的相应接合处，在线匝10a的纵向边缘上提供两个通路32和34。

对于现有技术的线匝10a，如果第一区段1或第二区段2分别在线匝的宽度上被人工分成第一和第二部分11、12；21、22，相应的两个部分的对通过布置在印刷电路板的同一个相应的面上（该面被称为第一区段1的第一面，或者被布置在第二区段2的第二面上）而基本上处于相同的水平。因此，第一和第二区段1、2 的“人造”的第一和第二部分11、12；21、22中的对中的每一对之间的水平没有差异。

根据本发明的感应位置传感器与现有技术的感应位置传感器具有以下共同特征。

从图1和图2中可以看出，对于现有技术的传感器，尽管除了用线匝10代替的线匝10a的特征之外，对于根据本发明的传感器仍然有效，但是感应位置传感器包括初级绕组和至少两个次级绕组4、6，每个次级绕组包括多个线匝10，每个线匝10形成在印刷电路板的两个相对面上。

次级绕组4、6包括线匝10，每个线匝具有基本相同的形状，所述线匝10在称为纵向的方向上对齐，具有每次在纵向方向上的偏移。所述线匝10中的每一个在线匝10的长度上被分成互补且连续的第一区段1和第二区段2。

图4至图8示出了形成根据本发明的感应位置传感器的次级绕组的一部分的线匝10。

根据本发明，第一区段1在线匝10的宽度内被分成布置在印刷电路板的被称为第一面的面上的第一部分11和布置在印刷电路板的与第一面相对的面上的第二部分12，相对的面被称为第二面，第一区段1的第一和第二部分11、12互补。

第一区段1的第二部分12在线匝10的长度上由第二区段2的第一部分21延伸，该第一部分布置在印刷电路板的第一面上，第二区段2的第一部分21在线匝10的宽度上由第二区段2的第二部分22延伸，该第二部分布置在印刷电路板的第二面上，第二区段2的第一和第二部分21、22在宽度方向上划分第二区段2，同时是互补的。

第一区段1的第一部分11也连接到相邻线匝的第二区段的第二部分。成对分组的第一区段1的第一和第二部分11、12、第一区段1的第二部分12和第二区段2的第一部分21、第二区段2的第一部分21和第二区段2的第二部分22以及相邻线匝的第二区段的第二部分和第一区段1的第一部分11分别通过穿过印刷电路板的相应通路31至34两两连接。

因此，对于线匝10的两个区段1、2中的每一个，该区段1或2在区段1、2的两个横向部分11、12；21、22之间具有高度差。对于每个区段1、2，部分11或21在印刷电路板的第一面上，而相关的另一部分12或22在印刷电路板的第二面上。因此，不再有现有技术所设想的上部区段1或下部区段2，而是区段1、2纵向划分线匝10，每个区段1、2在印刷电路板的两个面上划分，电路板一个面上的第一区段1的部分11或12由另一个面上的第二区段2的部分22或21延伸，反之亦然，同一区段1、2的两个部分11、12；21、22位于印刷电路板的不同面上。

在图4至图8中，第一和第二区段1、2的部分11、12；21、22被描绘为相对平坦的，但是这也可以是不同的情况。类似地，同一个第一区段1或第二区段2的部分11、12； 21、22不一定大小相等；重要的是相同的磁通量流过它们。因此，第一区段1或第二区段2的相应两个部分11、12；21、22可以被主要划分，使得同一个区段1或2的两个部分11、12或21、22，例如第一区段1的第一和第二部分11、12或第二区段2的第一和第二部分21、22接收等量的磁通量。

在图4中，第一区段1的第二部分12用阴影表示，以便使它能看得更清楚。在图5中，第二区段2的第一部分21用阴影化表示，而在图6中，第二区段2的第二部分22用阴影表示。在图7中，第一区段1的第一部分11用阴影表示。在图8中，相对于图3所示的现有技术的线匝10a修改过的线匝10的部分用虚线示出。

第一和第二区段1、2的对齐不一定是线性的。它也可以是圆形的，或者可能是椭圆形的。本领域技术人员将会理解，这种对齐对应于希望确定其位置的物体的运动方向。在这种情况下，这最通常是使用线性位置传感器的线性运动。然而，它也可以是沿着弯曲的、最常见的圆形轨迹的运动。

对于每一线匝，第一区段1的第一和第二部分11、12可以分别在印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，它们横向边缘的相对的端部通过第一通路31连接。

第一和第二区段1、2可以是半六边形，然而，对于第一区段1的第二部分12和对于第二区段2的第二部分22通过相对于第一区段1的第一部分11或第二区段2的第一部分21布置在印刷电路板的另一面上而下沉。线匝10可以通过形成线性部分来生产，并且线性部分的数量受到限制，不会过度地对线匝的面积造成不利影响。

对于每一线匝，第一区段1的第二部分12和第二区段2的第一部分21可以分别在印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，其纵向边缘的相对的端部通过第二通路32连接；该第二通路32也可以用于连接到与目前描述的线匝10相邻的线匝。

第二区段2的第一和第二部分21、22可以分别在印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，其横向边缘的相对的端部通过第三通路33连接。第一通路31的顶端部或底端部可以沿着线匝10的纵向轴线与第三通路33的顶端部或底端部对齐。

最后，相邻线匝10的第二区段2的第二部分22和第一区段1的第一部分11分别在印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，其纵向边缘的相对的端部通过第四通路34连接。

第一区段1的第一部分11的纵向边缘的端部和第四通路34之间的连接以及第二区段2的第一部分21的纵向边缘的端部和第二通路32之间的连接可以在平行于印刷电路板的同一个平面中，第二通路和第四通路34具有相同的长度。

这同样适用于第一通路31和第三通路33的公共长度。四条通路31至34也可以具有相同的长度。

第一区段1以及第二区段2的相应第一和第二部分11、12的纵向边缘可以在重叠的平面中朝向彼此。第一区段1的第二部分12的纵向边缘的一个端部可以连接到第二通路32的下端部，第二区段2的第一部分21的纵向边缘的一个端部可以连接到第二通路32的上端部。

第一和第二区段1、2的长度可以相等，并且两个相邻线匝10之间的在纵向方向上的偏移可以小于第一区段1或第二区段2的长度。这种在纵向方向上的偏移可以是恒定的。

参考图1、图2和图4至图8中的任何一个，同时记住这些图中所示的线匝10a必须用根据本发明的线匝10代替，初级绕组可以通过具有包括纵向延伸的线性部分的线匝10来围绕次级绕组4、6。根据本发明的传感器可以包括两组次级绕组4、6，一组用于获取正弦函数，另一组用于获取余弦函数。

这些次级绕组组4、6中的一个可以包括例如两个次级绕组4、6，这两个次级绕组相对于中轴线A对称布置，并且连接成使得在第一次级绕组4、6的线匝10中感应的电动势与在第二次级绕组4、6的线匝10中感应的电动势相反。可以有两个以上的次级绕组4、6，特别是冗余次级绕组4、6。

同一个次级绕组4、6的线匝10可以彼此连接，使得在这些线匝10中由交变磁场感应的电动势相加在一起。

本发明不限于上述实施例以及通过非限制性示例呈现的变型。它还涉及在所附权利要求限定的范围内的本领域技术人员能想到的所有变型。

Claims (10)

1.一种感应位置传感器，包括初级绕组和至少两个次级绕组（4、6），每个次级绕组由形成在印刷电路板的两个相对面上的多个线匝（10）组成，每个次级绕组（4、6）包括线匝（10），每个线匝具有基本相同的形状，并且所述线匝（10）在被称为纵向的方向上对齐，具有每次在纵向方向上的偏移，所述线匝（10）中的每一个在线匝的长度上被分成互补且连续的第一区段（1）和第二区段（2），其特征在于：

·所述第一区段（1）在线匝的宽度上被分成布置在所述印刷电路板的被称为第一面的面上的第一部分（11）和布置在所述印刷电路板的与所述第一面相对的面上的第二部分（12），所述相对的面被称为第二面，所述第一区段（1）的第一和第二部分（11、12）互补；

·所述第一区段（1）的第二部分（12）在线匝的长度上被所述第二区段（2）的第一部分（21）延伸，该第一部分（21）布置在所述印刷电路板的第一面上；

·所述第二区段（2）的第一部分（21）在线匝的宽度上被所述第二区段（2）的第二部分（22）延伸，该第二部分（22）布置在所述印刷电路板的第二面上，所述第二区段（2）的第一和第二部分（21、22）在宽度上划分所述第二区段（2），同时是互补的；

·所述第一区段（1）的第一部分（11）连接到相邻线匝的第二区段（2）的第二部分（22）；

·所述第一区段（1）的第一和第二部分（11、12）、所述第一区段（1）的第二部分（12）和所述第二区段（2）的第一部分（21）、所述第二区段（2）的第一部分（21）和所述第二区段（2）的第二部分（22）以及相邻线匝的第二区段（2）的第二部分（22）和第一区段（1）的第一部分（11）通过穿过所述印刷电路板的相应的通路（31至34）连接。

2.根据前一项权利要求所述的感应位置传感器，其特征在于，对于每一线匝：

·所述第一区段（1）的第一和第二部分（11、12）分别在所述印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，其横向边缘的相对的端部通过第一通路（31）连接；

·所述第一区段（1）的第二部分（12）和所述第二区段（2）的第一部分（21）分别在所述印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，其纵向边缘的相对的端部通过第二通路（32）连接；

·所述第二区段（2）的第一和第二部分（21、22）分别在所述印刷电路板的第一面和第二面上具有横向边缘，其横向边缘的相对的端部通过第三通路（33）连接；

·相邻线匝的第二区段（2）的第二部分（22）和第一区段（1）的第一部分（11）分别在所述印刷电路板的第二面和第一面上具有纵向边缘，其纵向边缘的相对的端部通过第四通路（34）连接。

3.根据前一项权利要求所述的感应位置传感器，其特征在于，所述第一区段（1）的第一部分（11）的纵向边缘的端部和所述第四通路（34）之间的连接以及所述第二区段（2）的第一部分（21）的纵向边缘的端部和所述第二通路（32）之间的连接在平行于所述印刷电路板的同一平面中，所述第二通路和第四通路（34）具有相同的长度。

4.根据权利要求2或3所述的感应位置传感器，其特征在于，所述第一通路（31）和所述第三通路（33）具有相同的长度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的感应位置传感器，其特征在于，所述第一区段（1）和第二区段（2）的相应第一和第二部分（11、12；21、22）的纵向边缘在重叠的平面中朝向彼此。

6.根据前述权利要求中任一项所述的感应位置传感器，其特征在于，第一和第二区段（1、2）具有相同的长度，并且两个相邻线匝（10）之间的在纵向方向上的偏移小于第一区段（1）或第二区段（2）的长度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的感应位置传感器，其特征在于，两个线匝（10）之间的纵向偏移是恒定的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的感应位置传感器，其特征在于，所述第一区段（1）或所述第二区段（2）的相应第一和第二部分（11、12；21、22）分开，使得所述第一区段（1）或所述第二区段（2）的相应第一和第二部分（11、12；21、22）接收等量的磁通量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的感应位置传感器，其特征在于，所述初级绕组围绕所述次级绕组（4、6），并且具有包括纵向延伸的线性部分的线匝。

10.根据前一项权利要求所述的感应位置传感器，其特征在于，同一个次级绕组（4、6）的线匝（10）彼此连接，使得在这些线匝（10）中由交变磁场感应的电动势相加在一起。

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