CN111033182A - 具有中央信号处理器的电感传感器模块组件 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例涉及一种新颖的电感旋转位置传感器，其包括具有形成在印刷电路板上的发射线圈和接收线圈的传感器模块，并且信号处理器位于由发射线圈和接收线圈包围的中心区域中。这种布置允许更紧凑的传感器模块。整个传感器模块可以放置在空腔内，该空腔的直径通常与被感测位置的旋转元件的直径相同。该布置还允许在靶的末端上形成耦合器。该传感器与分动箱轴和分动箱的环形孔同心。该传感器是非接触式的，没有可移动部件。

Description

具有中央信号处理器的电感传感器模块组件

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月21日提交的美国临时申请62/548,053的优先权，其内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体上涉及位置传感器。更具体地，本发明涉及电感位置传感器。

发明背景

已知提供电感旋转传感器，其具有印刷在印刷电路板(PCB)上的发射器和接收线圈。耦合器通常安装在旋转构件上的靶上。耦合器与线圈间隔开。耦合器允许在接收线圈中产生涡流，该涡流与耦合器相对于线圈的旋转位置成比例。处理器确定与涡流成比例的电压，然后将其作为输出信号。处理器通常以ASIC的形式提供，ASIC从线圈的外圆周径向向外安装到PCB上。然而，这种布置难以用于某些包装要求。

发明内容

在本发明的一实施例中，提供了一种电感传感器，其包括传感器模块、信号处理器和壳体。壳体具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。圆形腔设置在第一表面中。圆形腔具有第一内径。传感器模块包括发射线圈和接收线圈。发射线圈具有第二内径和第一外径。接收线圈和信号处理器设置在发射线圈的第二内径内。发射线圈的第一外径在圆形腔的第一内径之内。传感器模块在圆形腔的第一内径内关于圆形腔的中心轴线是同心的。

在本发明的另一实施例中，电感传感器组件包括传感器模块、信号处理器、轴和壳体。轴具有第一外径、第一端和第二端，其中第二端与第一端相对。突出部从轴的第一端延伸并且在第一外径内。壳体具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。圆形腔设置在第一表面中。圆形腔具有第一内径。环形壁从第一表面纵向延伸，以形成围绕圆形腔的圆周。圆形腔具有第一内径。传感器模块具有发射线圈和接收线圈。发射线圈具有第二内径和第二外径。接收线圈和信号处理器设置在发射线圈的第二内径内。轴的第一外径和发射线圈的第二外径在圆形腔的第一内径之内。轴和传感器模块在圆形腔的第一内径内关于圆形腔的中心轴线是同心的。

在本发明的又一实施例中，电感传感器组件包括壳体、传感器模块、信号处理器、环形盖、外壳和轴。壳体具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。圆形腔设置在第一表面中。环形壁从第一表面纵向延伸，从而形成围绕圆形腔的圆周。圆形腔具有第一内径。传感器模块具有信号处理器。传感器模块设置在圆形腔的第一内径内。环形盖具有从前表面到后表面纵向延伸的圆柱形环形腔，以形成内表面和相对的外表面。环形盖被构造成设置在圆形腔的第一内径内。外壳具有第一外壳表面、第二外壳表面和环形孔。环形孔沿纵向轴线延伸。第一外壳表面具有相对于环孔的环形表面部分。轴具有第一外径、第一端和第二端，其中第二端与第一端相对。半圆形突出部从轴的第一端延伸并且在第一外径内。半圆形突出部形成直边缘耦合器。轴的第二端被构造成设置在外壳的环孔内。第一端的直边缘耦合器被构造成延伸到环形盖的圆柱形环形腔中。传感器模块具有发射线圈和接收线圈。发射线圈具有第二内径和第二外径。接收线圈具有第三外径。发射线圈和接收线圈同轴地布置在圆形印刷电路板上，使得接收线圈的第三外径设置在发射线圈的第二内径之内。信号处理器设置在接收线圈的第三外径内。轴的第一外径和发射线圈的第二外径在环形孔的第一内径之内。传感器模块、环形盖、外壳和轴在圆形腔的第一内径内关于圆形腔的中心轴线是同心的。轴的第二端被构造成在环形孔内旋转，并且直边缘耦合器在环形盖的圆柱形环形腔内旋转，使得传感器模块用于感测直边缘耦合器。

结合附图，根据以下详细描述，将更加充分地理解本文描述的实施例所提供的这些以及附加特征。

附图的简要说明

在附图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，且不旨在限制由权利要求书限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中，相似的结构用相似的附图标记表示，并且其中：

图1示意性地描绘了根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的电感传感器组件的分解图；

图2示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的发射机线圈和接收线圈电感传感器的俯视图；

图3示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的包括图1的信号处理器的电感传感器的俯视图；

图4示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图3的信号处理器的单独的俯视图；

图5示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的轴的立体图；

图6示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的电感传感器组件的立体图；

图7示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的电感传感器组件的主视图；以及

图8示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的电感传感器组件的立体图，示出了圆柱形分动箱内的轴。

具体实施方式

本发明的实施例针对一种新型电感旋转位置传感器，其包括具有在PCB上形成的发射线圈和接收线圈的传感器模块，并且信号处理器位于由发射线圈和接收线圈包围的中心区域中。这种布置允许更紧凑的传感器模块。整个传感器模块可以放置在空腔内，该空腔的直径通常与被感测位置的旋转元件的直径相同。该布置还允许在靶的末端形成耦合器。传感器与轴和孔同心。传感器是非接触式的，没有可移动部件。

现在参考图1-4，其中，图1示意性地示出了电感传感器组件10的分解图，图2-3示意性地示出了电感传感器组件10的组装图，且图4示意性地示出了轴35的单独的视图。电感传感器组件10包括壳体15，传感器模块20，环形盖25，弹性构件30，轴35和外壳40(图8)。

壳体15可以是包覆模(overmold)，并且包括第一表面42a和与第一表面42a相对的第二表面42b。圆形腔44设置在第一表面42a中。环形壁46从第一表面42a纵向延伸，从而形成圆形腔44的外径或圆周C1。圆形腔44具有连续的环形内表面48，从而形成第一内径D1和后表面50。壳体15的第一表面42a包括从环形壁46径向向外延伸的一对耳部54。这对耳部54中的每个都具有构造用于紧固件的第一孔口56，例如但不限于螺栓、螺钉、螺栓和螺母、钉子、铆钉等。壳体15还设置有用于将传感器模块20的输出连接到远程系统的连接器52。从后表面50延伸离开的可以是多个电子引脚连接器60。多个电子引脚连接器60可以被构造成与传感器模块20接合，如下面更详细地讨论的。

传感器模块20具有信号处理器61(图6)。传感器模块20设置在圆形印刷电路板(PCB)62上。圆形PCB 62还包括与圆形PCB 62的外边缘相邻的多个孔64。多个孔64可以包括被构造成与多个孔64或与多个孔64接触的任何电气对象相互作用的电连接或电迹线，使得当圆形PCB 62抵靠后表面50安置时，多个电子引脚连接器60与多个孔64对齐并至少与之接触，从而使得传感器模块20通信地耦合到壳体15的连接器52。这样，应当理解，圆形PCB 62的第二外径或第二圆周C2基本上小于或与圆形腔44的内径D1相似，使得圆形PCB 62可插入或安置在圆形腔44内。还应理解，在圆形PCB 62安置在圆形腔42内的情况下，多个电子引脚连接器60可延伸穿过多个孔64。

此外，应当理解，圆形PCB 62在安装就位时可以或可以不与后表面50接触。此外，还应当理解，虽然多个电子引脚连接器60和多个孔64分别被图示为位于圆形腔44和圆形PCB 62的顶部附近，但是这种布置是出于说明的目的，并且多个电子引脚连接器60和多个孔64可以分别位于圆形腔44中或圆形PCB62上的任何位置。

在本文中使用短语“通信地耦合”来描述电感传感器组件10的各种部件的互连性，以感测在分动箱环境内集成在轴的端部内的靶，并且意味着这些部件通过电线、光纤或无线方式连接，以便可以在部件之间交换电、光和/或电磁信号。应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，包括连接系统的各个部件的其他连接方式，在此未具体描述。

环形盖25具有圆柱形环形腔室66，该圆柱形环形腔室66从前表面68到后表面70纵向延伸，以形成内表面72a和相对的外表面72b。内表面72a具有第二内径D2。前表面68可以是第一环形表面。环形盖25被构造成布置在圆形腔44的第一内径D1内。这样，外表面72b的第三外径或第三圆周C3可以与第一内径D1基本相似或小于第一内径D1。此外，当环形盖25至少部分地安置在圆形腔44中时，后表面70被构造成与圆形PCB 62相邻。这样，在一些实施例中，环形盖25的后表面70可以邻接或接触圆形PCB 62的至少一部分。环形盖25可以是旋转焊接盖。

环形盖25的内表面72a包括第一凹槽74。此外，环形盖25的外表面72b包括第二凹槽76。第一凹槽74和第二凹槽76分别与前表面68和后表面70间隔开。此外，第一凹槽74可以是环形的，沿内表面72a的圆周延伸，而第二凹槽76可以是环形的，沿外表面72b的圆周延伸。

弹性构件30可以是具有第三内径D3的O形圈。第三内径D3被构造成与环形盖25的外表面72b的第二凹槽76夹紧配合。弹性构件30可以由适于将壳体15径向地密封在外壳40(图8)内的任何材料构成，如下文更详细的讨论。

轴35具有第一端80和第二端82。第二端82与第一端80相对。第二端具有第四外径或第四圆周C4，其通常大于电感传感器组件10的最大圆周。第一端80具有斜面部分84，斜面部分84在第一端80内形成较小的平面部分86。突出部88从轴的第一端80的平面部分86延伸。这样，突出部88在第四外径或第四圆周C4内。即，突出部88在任何方向上均不径向延伸超过第四圆周C4。此外，应当理解，突出部88不延伸超过环形盖25的第二内径D2，如下面详细解释的。突出部88可以是半圆形的，具有直径D4并形成直边缘耦合器90、面部分96和侧壁部分98，如将在本文中更详细地讨论的。这样，在此，该突出部可以被称为半圆形突出部88，但是，该突出部不限于半圆形。半圆形突出部88可具有斜切边缘部分92。面部分96在斜切边缘部分92和直边缘耦合器90之间延伸。面部分96被构造成定位在距传感器模块20预定距离处，如下面将更详细描述的。多个齿轮94可从第二端82沿圆形方向对称地突出或延伸。在一些实施例中，多个齿轮94可形成第四圆周C4的至少一部分。在其他实施例中，第四圆周由轴35的边缘形成。

具有第一端80的直边缘耦合器90的半圆形突出部88被构造成延伸到环形盖25的圆柱形环形腔66中。这样，斜面部分84和/或平面部分86可以与环形盖25的前表面68接触。应当理解的是，半圆形突出部88可以在纵向方向上延伸到圆柱形环形腔66中预定距离，使得面部分和直边缘耦合器90距环形盖25的后表面70预定距离。

应当理解，轴35的半圆形突出部88被构造成在环形盖25的圆柱形环形腔66内旋转，使得在旋转期间传感器模块20可以感测半圆形突出部88的直边缘耦合器90，如将在本文中更详细地讨论的。此外，还应当理解，轴35可以是分动箱轴。另外，应当理解，半圆形突出部88可包括键槽，该键槽被构造成与环形盖25的第一凹槽74接合。这样，键槽将与轴35一起在环形盖25的第一凹槽74内旋转。

应当理解，传感器模块20，环形盖25，弹性构件30，轴35和外壳40(图8)在圆形腔42的第一内径D1内关于圆形腔42的中心轴线100是同心的。此外，应当理解，轴35可以是分动箱轴，而外壳40(图8)可以是分动箱。

现在参考图5-7，更详细地描述传感器模块20。传感器模块20包括发射线圈102、接收线圈104和信号处理器61。信号处理器61测量和处理由传感器模块20产生和接收的信号。信号处理器61还连接到第二多个引脚110，其发送传感器模块20的各种信号。发射线圈102通常是环形的，并且可以包括多个绕组，可以根据设计参数根据需要对其进行调节。发射线圈102被示出为具有环形形状，但是在不脱离本发明的范围的情况下其他实施例也是可能的。

发射线圈102具有内径D5和外径或圆周C5。接收线圈104包括从相对于中心点106同轴的外径或圆周C7径向向外延伸的多个线圈104a，以形成虚拟的内径D6并形成外径或圆周C6。这样，如图5-6中所示，接收线圈104可以相同地偏移预定程度。

发射线圈102和接收线圈104同轴地布置在圆形PCB 62上，使得接收线圈104的第六圆周C6布置在发射线圈102的内径D5内。此外，如图6所示，信号处理器61设置在接收线圈104的圆周C6内。这样，该布置允许如上所述将圆形PCB 62插入圆形腔44(图1)内。即，信号处理器61的布置具有可被装配到单个封装中的小型化设计，使得该布置允许信号处理器61与轴35和圆形腔44同心。

此外，应当理解，可以在圆形PCB 62上至少部分地在接收线圈圆周C6的外部设置多个离散部件108。这些离散部件108可以包括电容器、电阻器或本领域已知的其他基本电子部件。此外，如本领域技术人员所知，圆形PCB 62用于制造传感器模块20，发射线圈102和接收线圈104被制造在PCB上。而且，发射线圈102和接收线圈104可以被制造在电路板上。此外，PCB或电路板不需要是圆形的，可以采用其他形状，例如但不限于正方形、卵形、六边形、椭圆形等。

传感器模块20中的发射线圈102由外部电源(未示出)供电。传感器模块20用于测量轴35的半圆形突出部88的直边缘耦合器90的旋转位置，如图5中所示。半圆形突出部88的直边缘耦合器90用作耦合器，使得接收线圈104用于检测和测量直边缘耦合器90。信号处理器61通过比较半圆形突出部88和传感器模块20之间的耦合系数计算半圆形突出部88的旋转位置。

随着半圆形突出部88绕发射线圈102的轴线旋转，直边缘耦合器90与接收线圈104重叠的部分发生变化。这继而改变了突出部和接收线圈104之间的耦合系数的量。使用由接收线圈104测量到的信号，信号处理器61生成表示轴35相对于传感器模块的旋转位置的输出信号。

现在参考图8，示意性地示出了外壳40内的轴35的立体图。外壳40通常是被构造成分动箱的圆柱形外壳。外壳40具有第一外壳表面112a、第二外壳表面112b，以及沿中心或纵向轴线100延伸的环形孔114。第一外壳表面112a具有相对于环形孔114的环形表面部分116。外壳40包括一对从环形孔114径向向外延伸的凸缘118。该对凸缘118中的每个都具有第二孔口120，第二孔口120被构造成用于紧固件，例如但不限于，螺栓，螺钉，螺栓和螺母，钉子，铆钉等。一对耳部54和一对凸缘118被构造成彼此邻接，使得第一孔口56和第二孔口120沿着中心或纵向轴线100对准，从而允许将壳体15安装到外壳40。

轴35放置在外壳40内。轴35的第二端82(图1)朝向第二外壳表面112b，并且轴的第一端80朝向环形表面部分116。如本领域技术人员所理解的，轴35通过分动箱的机械力或电力旋转。当壳体15安装到分动箱40上时，弹性构件30(图1)和环形盖25(图1)与环形孔114夹紧配合。也就是说，当环形盖25至少部分地安置在外壳40内时，弹性构件30可与环形孔114接触。这样，壳体15可以密封在外壳40中。因此，整个传感器模块20可以容纳在环形孔114内，以允许径向密封和能够感测轴35的第一端80，而无需调整外壳40和/或无需延伸轴35。

从前面可以看出，本公开提供了具有轴和环形孔的同心感测模块旋转位置传感器。此外，整个PCB和感应线圈都安装在环形孔的内部，从而允许径向密封并在不延伸轴的情况下接近轴的端部。而且，感测靶被并入轴的几何形状中，而不是被附接到或安装至轴的单独的靶。这种布置允许在传感器模块中没有任何移动部件的情况下进行非接触式感测。

注意，本文中可以使用术语“基本上”和“大约”来表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定度。这些术语在本文中也被用来表示定量表示可以不同于所陈述的参考的程度，而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化。

尽管这里已经图示和描述了特定的实施例，但是应该理解，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以做出各种其他改变和修改。而且，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要结合使用。因此，所附权利要求书旨在涵盖权利要求书所要求保护的主题范围内的所有此类变化和修改。

Claims (20)

1.一种电感传感器，包括：

传感器模块；

信号处理器；以及

具有空腔的壳体；

其中，所述传感器模块具有发射线圈和接收线圈，所述发射线圈具有第二内径和第一外径，所述接收线圈和所述信号处理器设置在所述发射线圈的所述第二内径内，所述发射线圈的所述第一外径在所述空腔内。

2.根据权利要求1所述的电感传感器，其中，所述壳体具有第一表面和相对的第二表面，所述空腔设置在所述第一表面中，所述空腔是圆形的并且具有第一内径。

3.根据权利要求2所述的电感传感器，其中，所述传感器模块在所述空腔的所述第一内径内关于所述空腔的中心轴线是同心的。

4.根据权利要求1所述的电感传感器，其中，所述发射线圈和所述接收线圈形成在印刷电路板上。

5.根据权利要求4所述的电感传感器，其中，所述印刷电路板是圆形的，所述印刷电路板的板外径与所述空腔的所述第一内径基本相同。

6.根据权利要求4所述的电感传感器，其中，所述发射线圈和所述接收线圈同轴地布置在所述印刷电路板上。

7.根据权利要求2所述的电感传感器，还包括：

从所述第一表面纵向延伸以形成所述空腔的圆周的环形壁，

其中，所述传感器模块设置在所述空腔内。

8.根据权利要求1所述的电感传感器，还包括：

具有第二外径的所述接收线圈，

其中，所述信号处理器设置在所述接收线圈的所述第二外径内。

9.一种电感传感器组件，包括：

传感器模块；

信号处理器；

轴，所述轴具有第一外径、第一端，以及第二端，所述第二端与所述第一端相对，突出部从所述轴的所述第一端延伸并在所述第一外径内；以及

壳体，所述壳体具有空腔；

其中，所述传感器模块具有发射线圈和接收线圈，所述发射线圈具有第二内径和第二外径，所述接收线圈和所述信号处理器设置在所述发射线圈的所述第二内径内，所述轴的所述第一外径和所述发射线圈的所述第二外径在所述空腔的第一内径内。

10.权利要求9所述的电感传感器组件，其中，所述壳体具有第一表面和相对的第二表面，所述空腔是圆形的，所述空腔设置在所述第一表面中，环形壁从所述第一表面纵向延伸，所述环形壁形成围绕所述空腔的圆周。

11.根据权利要求9所述的电感传感器组件，其中，所述轴和所述传感器模块在所述空腔的所述第一内径内关于所述空腔的中心轴线是同心的。

12.根据权利要求9所述的电感传感器组件，其中，所述轴被构造成使所述突出部转动。

13.根据权利要求9所述的电感传感器组件，其中，所述突出部是半圆形的，形成直边缘耦合器。

14.根据权利要求13所述的电感传感器组件，其中，所述传感器模块被构造成感测所述直边缘耦合器。

15.根据权利要求10所述的电感传感器组件，其中，所述发射线圈和所述接收线圈形成在印刷电路板上，所述发射线圈和所述接收线圈同轴地布置在所述印刷电路板上，所述印刷电路板的板周长基本上与所述空腔的所述第一内径相同，使得所述传感器模块和所述轴的所述突出部的至少一部分设置在所述空腔的所述第一内径内。

16.根据权利要求9所述的电感传感器组件，还包括：

具有第三外径的所述接收线圈，

其中，所述信号处理器设置在所述接收线圈的所述第三外径内。

17.根据权利要求10所述的电感传感器组件，还包括：

环形盖，所述环形盖具有从前表面到后表面纵向延伸以形成内表面和相对的外表面的圆柱形环形腔室，所述环形盖被构造成设置在所述空腔的所述第一内径内；以及

外壳，所述外壳具有第一外壳表面、第二外壳表面，以及环形孔，所述环形孔沿纵向轴线延伸，所述第一外壳表面具有相对于所述环形孔的环形表面部分。

18.根据权利要求17所述的电感传感器组件，其中，所述壳体的所述第一表面具有一对耳部，每个耳部具有第一孔口，所述外壳的所述第一外壳表面具有一对凸缘，每个凸缘具有第二孔口，所述一对凸缘和所述一对耳部被构造成彼此邻接，所述第一孔口和所述第二孔口对准，使得使用紧固件将所述壳体连接到所述外壳。

19.根据权利要求17所述的电感传感器组件，其中，所述传感器模块、所述环形盖、所述外壳和所述轴在所述空腔的所述第一内径内关于所述空腔的中心轴线是同心的。

20.根据权利要求17所述的电感传感器组件，其中，所述外壳是分动箱，并且所述轴是分动箱轴。

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