CN112461108A - 感应位置传感装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

感应位置传感器可以配置为检测第一构件和第二构件之间的相对位置。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的发射天线。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的接收天线。感应位置传感器可以包含处理电路，该处理电路配置为基于由提供给发射天线的信号引起的在接收天线中感应的接收信号来提供一个或多个信号，该一个或多个信号指示第一构件和第二构件之间的相对位置。发射天线和接收天线中的一个或多个可以包含一个或多个绕组。一个或多个绕组的形状可以是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。

Description

感应位置传感装置及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月19日提交的题为“感应位置传感装置及其方法(Inductive Position Sensing Apparatus and Method for the Same)”的美国临时申请第62/888,743号的优先权的权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体涉及传感两个构件之间的相对位置。
背景技术
已知各种形式的感应位置传感器用于检测第一构件相对于第二构件的位置。在一些情况下，一个构件可以携带发射天线和接收天线，而另一构件可以携带耦合元件。可以布置发射天线和接收天线，使得在存在耦合元件的情况下，由流过发射天线的交流电流产生的场在接收天线中感应电动势，该电动势产生的电流取决于耦合元件相对于发射天线和接收天线的位置。通过分析该电流，可以确定两个构件的相对位置。
发明内容
本公开的实施例的各方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，或者可以从该描述中了解，或者可以通过实施例的实践而了解。
本公开的一个示例方面涉及一种感应位置传感器，该感应位置传感器配置为检测第一构件和第二构件之间的相对位置。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的发射天线。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的接收天线。感应位置传感器可以包含处理电路，该处理电路配置为基于由提供给发射天线的信号引起的在接收天线中感应的接收信号来提供一个或多个信号，该一个或多个信号指示第一构件和第二构件之间的相对位置。发射天线和接收天线中的一个或多个可以包含一个或多个绕组。一个或多个绕组的形状可以是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波(scaled harmonic)的组合。
参考以下描述和所附权利要求，各种实施例的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图图示了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释相关原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施例的包含处理电路的示例感应位置传感器的选择部分的示意图。
图2描绘了根据本公开的示例实施例的绕组的示例配置。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例感应位置传感器。
图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例感应位置传感器。
图5描绘了根据本公开的示例实施例的示例正弦波形和具有相加的一个或多个缩放谐波的对应失真波形的曲线图。
图6描绘了根据本公开的示例实施例的示例感应位置传感器。
图7描绘了根据本公开的示例实施例的示例感应位置传感器。
图8描绘了根据本公开的示例实施例的位置传感方法。
具体实施方式
现在将详细参考实施例、附图中图示的一个或多个示例。以实施例的解释，而不是本公开的限制的方式提供示例。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下可以对实施例进行各种修改和变化。例如，图示为或描述为一个实施例的部分的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本公开的方面旨在涵盖这样的修改和变化。
本公开的示例方面涉及位置传感器，并且更具体地涉及感应位置传感器。在特定方面，感应位置传感器可以具有一个或多个正弦形状的绕组，在正弦形状的绕组中集成该正弦的一个或多个缩放谐波。
感应位置传感器可以确定两个构件(诸如，第一构件和第二构件)之间的相对位置。感应位置传感器可以包含布置在第一构件上的发射天线。发射天线可以包含一个或多个发射绕组。感应位置传感器可以包含布置在第一构件上的接收天线。接收天线可以包含一个或多个接收绕组。第二构件可以是或可以包含耦合元件。耦合元件可以包含磁性或导电材料。例如，在一些实施例中，耦合元件可以由导电和/或磁性(例如铁磁性)材料制成和/或可以包含导电和/或磁性(例如铁磁性)材料的一个或多个区域。在一些实施例中，耦合元件可以是谐振器，诸如包含电感器和/或电容器的谐振器。
可以将振荡信号提供给发射天线的一个或多个发射绕组。提供给发射天线的振荡信号可以在接收天线的一个或多个接收绕组中感应电动势。在存在耦合元件的情况下，由流过发射天线的交流电流产生的磁场可以在接收天线中(例如，通过电磁场)感应电动势，该电动势产生的信号取决于第二构件相对于发射天线和接收天线的位置。例如，耦合元件可以以基于第二构件和/或耦合元件位置可检测的方式来修改电磁场。以这种方式，传感器可以用于检测两个构件之间的相对位置(例如，线性和/或旋转位置)。
在一些情况下，诸如在线性传感器中，天线的长度大约等于组合有路径长度的耦合元件的长度。路径长度通常由第二构件(特别是导电元件)的所需运动程度限定。可以沿着诸如线性方向、弧(例如，曲线)方向和/或旋转方向的测量方向来限定路径长度。
在一些情况下，诸如在旋转传感器中，具有相对短的路径长度的位置传感器可以包含一个或多个形状类似于方波形的绕组。可能期望提供和/或测量来自具有变化的耦合元件位置的绕组的信号，该绕组类似于正弦波形。形状类似于方波形的绕组可以包含大量(例如，理论上无限的)基本波长的空间谐波。尽管绕组具有类似于方波形，但是可以使用方波形的绕组来提供和/或测量相对平滑的正弦信号。例如，具有方形绕组的传感器可以与耦合元件一起使用，该耦合元件沿着测量方向的长度为绕组的波长的大约25％至大约50％。这可以允许耦合元件具有沿着测量方向由第二元件的长度引起的平均效果。作为另一示例，耦合元件与绕组之间的分离(例如，气隙)可以有助于减少较高的空间谐波(例如，由方形绕组产生的谐波)与耦合元件的相互作用。例如，与较低的空间谐波相比，电磁场的较高空间谐波在分离中具有更快的衰减率。作为另一示例，在绕组中可以采用多个匝或圈，以产生多个强度的电磁场。例如，可以采用类似于阶梯状方波形的绕组来产生多个强度的电磁场。作为另一示例，可以调节绕组中的匝的位置以最小化某些空间谐波。
然而，方波形的绕组对于具有较长路径长度的传感器可能是不切实际的。例如，耦合元件相对于路径长度的长度可能不足以提供平均效果。例如，在一些情况下，耦合元件沿测量方向的长度可以是绕组波长的大约5％至大约25％。另外，可能不期望增加耦合元件的长度。
解决该问题的一种方法是在方波形的绕组中增加更多的匝或阶梯(step)。然而，这可能不期望地增加绕组的尺寸。例如，如果传感器在印刷电路板上制造，则这可能表现为传感器宽度的增加。在一些情况下，诸如在使用方形绕组的传感器中，可以通过使用具有线圈波长50％的耦合元件来克服(例如，在旋转传感器中)宽度的增加，该耦合元件可以容纳为多个匝或圈提供阶梯状方波。但是，在使用方形绕组且气隙相对较低的传感器中，由方形绕组产生的谐波会影响传感器的线性度。因此，在一些情况下，使用方形绕组会带来与测量来自方形绕组的相对平滑的正弦信号相关联的挑战。
电感传感器也可以具有形状类似于正弦波形的绕组。例如，绕组(例如，印刷电路板上的绕组)的宽度可以沿着绕组的长度以正弦方式变化。类似于正弦波形的绕组可以提供比方波绕组的大量的优势。例如，绕组的形状可以有助于绕组上的信号类似于纯正弦波形(例如，包含最小或不包含附加谐波内容的正弦波形)。对于第二构件相对较短(例如，绕组波长的大约5％至大约25％)的情况，这可能是特别有益的。作为另一示例，这在气隙相对小的情况下可能是有益的。
除了确保信号类似于正弦波形之外，还可能期望最大化位置传感器的传递函数。例如，位置传感器的传递函数可以是接收天线处的信号强度与发送天线处的信号强度的比率。最大化位置传感器的传递函数可以有助于检测和/或解释绕组处的信号。另外，一些设备可能包含对传递函数的最小要求。例如，可能需要传递函数大于某个阈值，以便设备中的其它组件(例如，用于驱动和/或解释绕组处的信号的组件)可以有效地操作。
在一些情况下，在绕组和耦合元件之间具有大的分离度(例如，大的气隙)的传感器可能具有低的传递函数。因此，为了改善函数，可以修改(例如，增加)传递函数和/或增加信号强度。增加信号强度可能需要增加信号的电压、电流、功率或其它电特性，这可能是不期望的。例如，由于尺寸限制、安全限制或其它考虑，增加信号强度可能需要更多的功率和/或是不切实际的。
除了最大化传递函数之外，还可能期望最小化传感器的尺寸，尤其是传感器的宽度，传感器的宽度很大程度上取决于绕组的宽度。较宽的绕组可以增加信号强度，提供更好地检测和/或解释绕组处的信号。这可能导致信号强度和传感器宽度之间的权衡。
根据本公开的示例方面，具有发射天线和/或接收天线的位置传感器的一个或多个绕组可以具有类似于正弦波形的形状，其中该正弦波形的一个或多个缩放谐波被添加到该正弦波形中。例如，一个或多个绕组的宽度可以根据组合有(例如，添加)一个或多个缩放谐波的正弦波形而沿着一个或多个绕组的长度变化。这可以允许在无需增加传感器的宽度的情况下改善信号强度和传递函数。
一个或多个缩放谐波可以包含正弦波形的一个谐波和/或多个谐波。术语“谐波”可以指代复合波形(complex waveform)中的分量基本波形(component basic waveform)，该复合波形表示为一个或多个分量基本波形，诸如通过傅立叶变换获得的频率分量的叠加。例如，正弦波形的谐波可以指代具有与正弦波形相同的结构(例如，相位)并且具有为原始周期的倍数的周期的波形。例如，正弦波形的三次谐波(third harmonic)可以在正弦波形完成其第一周期的相同点处完成其第三周期。根据本公开的示例方面，谐波在空间上(即，沿着一个或多个绕组的长度)被限定。
在一些实施例中，可以缩放与一个或多个谐波相关联的幅度。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是与正弦波形相关联的幅度的因子。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的整数倍。另外和/或可替代地，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的分数或非整数倍。例如，在一个示例实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度可以缩放到正弦波形的幅度的1/6。在一个或多个缩放谐波包含多个谐波的实施例中，多个谐波中的每一个可以独立缩放。
在具有多个绕组，诸如在发射天线和接收天线中的一个或多个中的多个绕组的实施例中，每个绕组可以具有相关联的相位。在一些实施例中，每个绕组的相位可以偏移。例如，根据本公开的一个示例实施例包含在发射天线和接收天线中的一个或多个中的三个绕组。三个绕组中的每一个可以异相(out of phase)120度。例如，三个绕组中的第一个绕组的形状可以对应于从零度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。三个绕组中的第二个绕组的形状可以对应于从120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。三个绕组中的第三个绕组的形状可以对应于从240度或-120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。
绕组可以以任何合适的配置来布置。例如，在一个示例实施例中，绕组以Y形或星形配置布置，使得公共节点耦合到每个绕组。在一些实施例中，公共节点耦合到基准(reference)，诸如接地。在一些实施例中，在公共节点和基准之间包含一个或多个电容器或其它电抗元件。例如，在这种配置中，可以在绕组的未耦合至公共节点的节点之间限定绕组处的差分信号。例如，具有以Y形或星形配置的三个节点的实施例可以具有未耦合到公共接地的三个节点，并且可以在三个节点的对之间限定差分信号。
每个绕组可以以并行(in parallel)间隔配置而布置。例如，每个绕组可以布置在多层电路板(诸如印刷电路板)的唯一(unique)层上。例如，如果绕组被圆形地布置，诸如用于检测旋转运动，则绕组可以被同心地布置并且沿着由多层电路板的深度限定的方向间隔开(例如，跨多层)。作为另一示例，如果绕组被线性地布置，诸如用于检测线性运动，则绕组可以沿着相同的轴线或方向被布置。绕组可以被布置为使得由每个绕组的宽度限定的方向基本上平行。例如，由每个绕组中的正弦波形和一个或多个缩放谐波限定的平面可以是平行的。
每个绕组可以具有大约相同的匝数或周期。例如，每个绕组可以横穿正弦波形的大约一个周期。作为另一示例，每个绕组可以横穿正弦波形的大约两个周期。作为另一示例，每个绕组可以横穿正弦波形的非整数周期，诸如正弦波形的大约一个半周期。
每个绕组可以具有并入其形状的相同一个或多个缩放谐波。例如，在一个示例实施例中，一个或多个缩放谐波可以是正弦波形的三次谐波。在天线中具有三个绕组的实施例中，每个绕组与天线中的其它绕组异相大约120度，包含三次谐波可能是有益的，因为绕组中缩放谐波分量对接收信号的贡献可以在差分测量中自然地消除。例如，尽管每个绕组的基波波长异相120度，但是三次谐波是同相的(即具有零度的相位分离)。因此，当提供或测量(诸如，在成对的绕组之间)差分信号时，可以减去三次谐波，并且该差分信号可以与具有纯正弦形状绕组的位置传感器中的对应信号基本上相同。类似地，根据本公开，具有多于或少于三个绕组的实施例可以有益地包含其它自然消除的谐波。这在具有任意奇数个绕组(诸如三个绕组、五个绕组等)的实施例中可能特别有利。
本公开的各方面可以提供许多技术效果和益处。例如，根据本公开的方面的系统和方法实现的一个示例技术效果可以是提供相对于纯正弦绕组的信号强度(例如，接收信号强度)和/或传递函数的增加，而不相应地增加所需的绕组宽度。例如，增加的信号强度可以表现为与振荡信号相关联的更大的幅度。作为另一示例，增加的信号强度可以表现为在耦合元件处的更强的相互作用。通过包含来自一个或多个谐波的贡献，以适当的缩放包含一个或多个自然消除的谐波可以允许增加绕组的基本波长的幅度，而无需增加绕组的宽度。例如，在一个或多个缩放谐波包含缩放为总振幅的1/6的三次谐波的实施例中，可以可能实现高达具有相同宽度的纯正弦绕组的大约1.15倍的信号强度。
例如，纯正弦绕组的空间傅立叶分解是与绕组频率相同的单个波形，其幅值为绕组的宽度。这被称为绕组的“基波(fundamental)”。通过将一个或多个缩放谐波并入绕组中，绕组的空间傅立叶分解可以具有与一个或多个缩放谐波有关的附加分量。根据本公开的示例方面，一个或多个缩放谐波可以在傅立叶域中独立于基波，同时在空间域中对绕组的宽度具有限制效果。例如，一个或多个缩放谐波可以允许增加基波的幅度，这可以允许增加绕组的灵敏度和/或改善的响应特性。如果不并入一个或多个缩放谐波，则基波幅度的增加可能表现为绕组宽度的增加。然而，可以选择一个或多个缩放谐波来抵消空间域中某些点处(例如，在取值基波振幅附近或接近基波的最大宽度、最大高度、最大值等的点处)的基波，以允许在无需增加绕组宽度的情况下实现基波幅度的增加。
特别是与纯正弦绕组相比，根据本公开的系统和方法可以提供多个优点。例如，根据本公开的示例方面配置的绕组可以允许与位置传感器相关联的更长的测量路径，因为更大的信号强度允许耦合元件在测量方向上具有减小的长度。作为另一示例，根据本公开的示例方面配置的绕组可以允许由增加的信号强度引起的更可靠的第二构件的检测。作为另一示例，根据本公开的示例方面配置的绕组可以允许由耦合元件在距离一个或多个接收绕组较远的距离处感应一个或多个接收绕组中的接收信号。作为另一示例，根据本公开的示例方面配置的绕组可以允许在(一个或多个)发射绕组处使用的功率量的减少，因为相对较弱的信号(例如，具有较低的电压、较低的电流、消耗较少的功率等)可以实现相当的性能。
通过根据本公开的示例方面的系统和方法实现的另一技术效果是相对于纯正弦绕组提供信号强度的增加，同时维持与纯正弦绕组相关联的相同响应特性。这称为“线性度(linearity)”。换言之，由具有纯正弦形状的绕组的系统和具有根据本公开配置的绕组的系统中的第一构件和第二构件之间的位置改变引起的位置信号的改变可以大致相同。换言之，维持了位置信号相对于距离的线性度。例如，位置信号可以与位置成线性关系变化。期望维持线性度以允许容易地改造现有系统和/或提供检测相对距离的已知且准确的方法。
本公开的一个示例方面涉及一种感应位置传感器，该感应位置传感器配置为检测第一构件和第二构件之间的相对位置。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的发射天线。感应位置传感器可以包含配置为设置在第一构件上的接收天线。感应位置传感器可以包含处理电路，该处理电路配置为基于由提供给发射天线的信号引起的在接收天线中感应的接收信号来提供一个或多个信号，该一个或多个信号指示第一构件和第二构件之间的相对位置。发射天线和接收天线中的一个或多个可以包含一个或多个绕组。一个或多个绕组的形状可以是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。
在一些实施例中，一个或多个绕组可以是奇数个绕组。在一些实施例中，一个或多个绕组的形状使得指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号随该相对位置线性变化。例如，在一些实施例中，至少部分地基于一个或多个绕组中的绕组的数量来选择一个或多个缩放谐波，使得在接收信号处消除一个或多个缩放谐波。例如，在一些实施例中，一个或多个缩放谐波包含正弦波形的三次谐波。例如，在一些实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度是正弦波形的幅度的大约1/6。在一些实施例中，一个或多个绕组以Y形或星形配置连接。在一些实施例中，第二构件可以是磁性或导电材料。在一些实施例中，第二构件的长度在一个或多个绕组中的一个或多个绕组的波长的大约5％至大约25％之间。
本公开的另一示例方面针对一种确定第一构件和第二构件之间的相对距离的方法。该方法可以包含向配置为设置在第一构件上的发射天线提供发射信号。该方法可以包含在配置为设置在第一构件上的接收天线处接收从发射信号引起的接收信号。该方法可以包含基于接收信号确定指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号。该方法可以包含传送指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号。发射天线和接收天线中的一个或多个可以包含一个或多个绕组。一个或多个绕组的形状可以是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。
在一些实施例中，一个或多个绕组包含三个绕组，三个绕组中的每个绕组以120度的相位分离分开。在一些实施例中，一个或多个绕组以Y形或星形配置连接。在一些实施例中，一个或多个缩放谐波包含正弦波形的三次谐波。在一些实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度是正弦波形的幅度的大约1/6。
现在参考附图，现在将阐述本发明的示例实施例。为了说明的目的，参考将缩放谐波并入一个或多个接收绕组(即，接收天线上的绕组)来讨论本公开的示例方面。本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的各方面可以应用于发射天线、接收天线和/或其任何附加天线或绕组。例如，在一些实施例中，发射天线可以包含具有类似于正弦波形的形状的一个或多个发射绕组，其中该正弦波形的一个或多个缩放谐波被添加到该正弦波形中。
图1描绘了根据本公开的示例实施例的，配置为检测第一构件和第二构件(图1中未示出)之间的相对位置的示例位置传感器100的选择部分的示意图。位置传感器100可以包含感应传感器元件101，该感应传感器元件101配置为耦合到第一构件(图1中未示出)。在一些实施例中，感应传感器元件101可以包含发射天线102和接收天线103，该接收天线103可以包含一个或多个接收绕组104、106、108。
在一些实施例中，耦合元件107可以设置在第二构件的至少一部分上。耦合元件107可以包含磁性或导电材料，使得第一构件相对于第二构件的移动可以基于耦合元件107和发射天线102产生的电磁场之间的相互作用来改变在接收天线103中感应的信号。
发射天线102和/或一个或多个接收绕组104、106、108可以电连接到处理电路110的各个端子。在该示例中，处理电路110为半导体集成电路设备的形式，诸如专用集成电路(ASIC)或专用标准产品(ASSP)。在其它示例中，处理电路110可以使用多个互连的设备和/或可以使用一个或多个合适的组件(例如，电子组件，诸如分立的电子组件)来实现。
如图1所示，处理电路110可以包含发射(TX)驱动级112，该发射驱动级可以配置为产生振荡电信号，以提供给发射天线102。在该示例中，TX驱动级112可以是自由运行的振荡器，其以驱动频率产生振荡电信号，该驱动频率由发射天线102的电感和与发射天线102并联连接的一个或多个电容器114的电容确定。通常将该驱动频率选择为在大约100kHz至约6MHz的范围内。振荡电信号的峰值幅度可以在大约10mA至1,000mA的范围内(例如，大约50mA)。如本文所使用的，与数值结合使用的术语“大约”意指在所述数值的20％以内。
向发射天线102提供振荡电流会在接收天线103的一个或多个接收绕组104、106、108中感应电动势，该电动势可以在一个或多个接收绕组104、106、108中感应信号(例如，电流、电压等)。如图1所示，一个或多个接收绕组104、106、108是分开的绕组，使得可以在一个或多个接收绕组104、106、108的每一个中感应分开的信号。一个或多个接收绕组104、106、108中的每一个电连接到处理电路110的分开的端子，一个或多个接收绕组104、106、108中的每一个中的信号被处理以提供一个或多个输出信号123、125、127。一个或多个输出信号123、125、127的相对幅度和极性指示第一构件和第二构件的相对位置(例如，相对线性位移)。在一些实施例中，一个或多个接收绕组104、106、108可以以Y形或星形配置连接。参考图2讨论示例Y形或星形配置。
可以在差分测量级113处获得信号的差分测量。在图1的实施例中，差分测量级被图示为发生在EMC滤波级115之前。应当理解，差分测量级113可以被包含在处理电路110中的任何级之前和/或之后。例如，差分测量级113可以被包含在EMC滤波级115之后。作为另一示例，差分测量级113可以被包含在解调级117之后。作为另一示例，差分测量级113可以被包含在低通滤波级119之后。
为了说明的目的，在差分测量级113，可以在任何输入信号(例如，来自绕组104、106、108的信号)之间获得差分测量，输入信号分别称为a、b和c。应当理解，可以在任意数量的输入信号之间限定差分测量。例如，在三个绕组以120度的相位分离隔开的实施例中，一个或多个缩放谐波是以正弦波形的总振幅的1/6缩放的三次谐波，通过进行差分测量D1＝a-b，D2＝b-c和D3＝c-a，可以获得根据本公开的示例方面的关于第一构件和第二构件之间的相对位置的线性响应。例如，尽管绕组的基波异相120度，但三次谐波可以同相并在差分测量中抵消。
一个或多个接收绕组104、106、108中的信号可以经过EMC滤波级115，该EMC滤波级115可以减少处于远离驱动频率的频率处的信号分量。例如，这些信号分量可能是由其它附近的电子组件产生的电信号的干扰引起的。
然后，滤波后的电信号可以经过解调级117，其中滤波后的电信号可以与来自TX驱动级112的解调信号混合。解调信号可以与驱动信号同相。在一些实施例中，来自一个或多个接收绕组104、106、108中的一些或全部的信号可以与驱动信号异相大约90°和/或大约180°。
在一些实施例中，解调的电信号可以通过低通滤波级119以从解调的电信号中去除高频。然后，解调的电信号可以通过增益与输出缓冲级121，这允许在处理电路110输出输出信号123、125、127之前应用可调增益。例如，输出信号123、125、127可以由处理电路以任何合适的方式输出。例如，输出信号123、125、127可以作为模拟电压电平输出，诸如如图1所示的三个模拟电压电平。作为另一示例，输出信号123、125、127可以被数字化。在一些实施例中，可以基于输出信号123、125、127来计算位置。例如，位置可以作为单个模拟电压、PWM信号或通过各种数字协议进行计算和输出。作为另一个示例，输出信号123、125、127(例如，数字化的输出信号)可以被变换成正弦输出(例如，两个正弦输出)，诸如正弦和余弦输出。例如，可以提供输出信号123、125、127以确定与第二构件相关联的位置。
在一些实施例中，发射天线102中的绕组和接收天线103中的一个或多个接收绕组104、106、108可以由导电迹线(conductive trace)形成。导电迹线可以形成在印刷电路板上或形成在定位在第一构件上和/或耦合到第一构件的其它基板上。例如，印刷电路板或其它基板可以形成多层结构。在一些实施例中，中间耦合元件107可以包含位于第二构件上的导电材料(例如，导电材料的图案)。另外和/或可替代地，在一些实施例中，绕组可以由缠绕在线圈管上的导线形成。在一些实施例中，每单位长度的匝数可以平滑地变化以产生线圈形状。
图2图示了根据本公开的示例方面的一个或多个绕组202、204、206的示例Y形或星形配置200。例如，一个或多个绕组202、204、206可以对应于图1的一个或多个接收绕组104、106、108。例如，Y形或星形配置200可以被包含在差分测量113处和/或差分测量113之前。为了说明的目的，图2的配置具有三个绕组202、204、206。本领域的普通技术人员将认识到，图2的配置可以应用于任何合适数量的绕组。
如图2所示，绕组202、204、206中的每一个的节点耦合到公共节点或基准201(例如，接地)。在一些实施例中，一个或多个电容器或电抗元件210可以耦合在基准201和绕组202、204、206之间。每个绕组的另一节点可以形成信号223、225、227。例如，在一些实施例中，信号223、225、227可以对应于图1的信号123、125、127。在一些实施例中，一个或多个电容器或电抗元件220可以耦合在另一节点处。
为了说明的目的，可以在任何信号223、225、227之间获得差分测量，信号223、225、227分别称为a、b和c。例如，在三个绕组以120度的相位分离隔开的实施例中，一个或多个缩放谐波是以正弦波形的总振幅的1/6缩放的三次谐波，通过进行差分测量D1＝a-b，D2＝b-c和D3＝c-a，可以获得根据本公开的示例方面的关于第一构件和第二构件之间的相对位置的线性响应。例如，尽管绕组的基波异相120度，但三次谐波可以同相并在差分测量中抵消。以这种方式，差分测量可以随着相对位置线性变化。
可以处理差分测量以确定第一构件和第二构件之间的相对位置。例如，可以使用反正切或角度函数来组合差分测量。例如，可以通过克拉克变换(Clarke Transform)来组合差分测量。组合差分测量结果以确定位置的一种示例方法给定如下：
Figure BDA0002639613270000121
例如，根据上述示例实施例，可以维持差分测量和相对位置之间的线性度。换言之，反正切或角度函数可以随着相对位置线性变化(例如，根据线性关系)。这可以使一个或多个缩放谐波本质上对位置响应的线性度没有影响，因为它可以在差分测量中自然地消除。
图3描绘了具有发射绕组302和具有一个或多个接收绕组304、306、308的接收天线303的感应传感器元件301的一种示例配置。一个或多个接收绕组304、306、308的形状是根据本公开的方面的正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。例如，一个或多个接收绕组304、306、308的宽度可以根据组合有(例如，添加)一个或多个缩放谐波的正弦波形而沿着一个或多个接收绕组304、306、308的长度变化。这可以允许在无需增加接收绕组304、306、308的宽度的情况下改善信号强度和传递函数。
一个或多个缩放谐波可以包含正弦波形的一个谐波和/或多个谐波，以限定一个或多个接收绕组304、306、308的形状。根据本公开的示例方面，谐波在空间上(即，沿着一个或多个接收绕组304、306、308的长度)被限定。
在一些实施例中，可以缩放与一个或多个谐波相关联的幅度。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是与正弦波形相关联的幅度的因子。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的整数倍。另外和/或可替代地，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的分数或非整数倍。例如，在一个示例实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度可以缩放到正弦波形的幅度的1/6。在一个或多个缩放谐波包含多个谐波的实施例中，多个谐波中的每一个可以独立缩放。
每个接收绕组304、306、308可以具有相关联的相位。在一些实施例中，每个接收绕组304、306、308的相位可以偏移。例如，每个接收绕组304、306、308可以异相120度。例如，接收绕组308的形状可以对应于从零度开始的一个正弦波形和一个或多个缩放谐波。接收绕组304的形状可以对应于从120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。接收绕组306的形状可以对应于从240度或-120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。
接收绕组304、306、308可以以任何合适的配置来布置。例如，在一个示例实施例中，接收绕组304、306、308以Y形或星形配置布置，使得公共节点耦合到每个接收绕组304、306、308。参考图2和4讨论示例Y形或星形配置。在一些实施例中，公共节点耦合到基准，诸如接地。在一些实施例中，在公共节点和基准之间包含一个或多个电容器或其它电抗元件。例如，在这种配置中，可以在不耦合到公共节点的节点之间限定绕组处的差分信号。例如，具有以Y形或星形配置的三个节点的实施例可以具有不耦合到公共接地的三个节点，并且可以在三个节点的对之间限定差分信号。
每个接收绕组304、306、308可以并行布置(arranged in parallel)。例如，每个接收绕组304、306、308可以布置在诸如印刷电路板的多层电路板的唯一层上。例如，如果绕组被线性地布置，诸如用于检测线性运动，则接收绕组304、306、308可以沿着相同的轴线或方向(例如，沿着纵向方向350)布置。可以布置绕组，使得由每个接收绕组304、306、308的宽度限定的方向基本上平行。例如，由每个接收绕组304、306、308中的正弦波形和一个或多个缩放谐波限定的平面可以是平行的。例如，每个接收绕组304、306、308可以平行于由纵向方向350和横向方向352限定的平面布置。
每个接收绕组304、306、308可以具有大约相同的匝数或周期。例如，每个接收绕组304、306、308可以横穿正弦波形的大约一个周期。作为另一示例，每个接收绕组304、306、308可以横穿正弦波形的大约两个周期。作为另一示例，每个接收绕组304、306、308可以横穿正弦波形的非整数周期，诸如正弦波形的大约一个半周期。
每个接收绕组304、306、308可具有并入其形状的相同一个或多个缩放谐波。例如，在一个示例实施例中，一个或多个缩放谐波可以是正弦波形的三次谐波。例如，每个接收绕组304、306、308可以与其它接收绕组304、306、308异相大约120度。在接收绕组304、306、308中包含三次谐波可能是有益的，因为接收绕组304、306、308中缩放谐波分量对接收信号的贡献可以在接收绕组304、306、308处的差分信号中自然地消除。例如，尽管每个接收绕组304、306、308的基波波长异相120度，但是三次谐波同相(即，具有零度的相位分离)。因此，当提供或测量接收绕组304、306、308之间的差分信号时，可以减去三次谐波，并且该差分信号可以与具有纯正弦形状绕组的位置传感器中的对应信号基本上相同。这将参考图2和图4-5进一步地讨论。
为了说明的目的，相对于三个接收绕组304、306、308图示了接收天线303。本领域的普通技术人员将理解，接收天线303可以包含任何合适数量的接收绕组，诸如奇数个接收绕组。
发射绕组302和一个或多个接收绕组304、306、308可以耦合到诸如印刷电路板的基板。发射绕组302和一个或多个接收绕组304、306、308可以配置为多层结构，该多层结构具有布置在印刷电路板或其它基板的不同层中的发射天线(例如，发射绕组302)或接收天线303(例如，一个或多个接收绕组304、306、308)的不同组件或部分。
根据本公开的示例方面，可以确定包含感应传感器元件301的第一构件(图3中未示出)与包含耦合元件344的第二构件(图3中未示出)之间的相对位置。例如，耦合元件344可以是整个第二构件。耦合元件344可以是第二构件的可以与发射绕组302和/或一个或多个接收绕组304、306、308相互作用的一部分。感应传感器元件301和耦合元件344可以由在垂直于纵向方向350的横向方向352上限定的间隔距离354间隔开。在一些实施例中，耦合元件344沿着纵向方向350的长度可以是发射绕组302和/或一个或多个接收绕组304、306、308的波长的大约5％至大约35％。
基于第二构件/耦合元件344相应电磁属性(例如，感应涡电流、磁导率等)的差异，可以检测第一构件相对于第二构件/耦合元件344在纵向方向350上(例如，如图3中箭头346所示)的移动。例如，感应传感器元件301可以检测耦合构件344中的涡电流。例如，沿着纵向方向350的移动可以基于耦合元件344与发射绕组302产生的电磁场之间的相互作用来改变在一个或多个接收绕组304、306、308中感应的电流。
图4描绘了根据本公开的示例方面的感应传感器元件401。感应传感器元件401可以以与图3的感应传感器元件301相似的方式采用。例如，感应传感器元件401可以用于确定第一构件和第二构件之间的相对位置。
感应传感器元件401可以包含一个或多个绕组。例如，感应传感器元件401包含发射绕组402和一个或多个接收绕组404、406、408。一个或多个接收绕组404、406、408的形状是根据本公开的方面的正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。例如，一个或多个接收绕组404、406、408的宽度可以根据组合有(例如，添加)一个或多个缩放谐波的正弦波形而沿着一个或多个接收绕组404、406、408的长度变化。这可以允许在无需增加接收绕组404、406、408的宽度的情况下改善信号强度和传递函数。
一个或多个缩放谐波可以包含正弦波形的一个谐波和/或多个谐波，以限定一个或多个接收绕组404、406、408的形状。根据本公开的示例方面，谐波在空间上(即，沿着一个或多个接收绕组404、406、408的长度)被限定。
在一些实施例中，可以缩放与一个或多个谐波相关联的幅度。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是与基波正弦波形相关联的幅度的因子。例如，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的整数倍。附加地和/或可替代地，一个或多个缩放谐波的幅度可以是正弦波形的幅度的分数或非整数倍。例如，在一个示例实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度可以缩放到正弦波形的幅度的1/6。在一个或多个缩放谐波包含多个谐波的实施例中，多个谐波中的每一个可以独立缩放。
每个接收绕组404、406、408可以具有相关联的相位。在一些实施例中，每个接收绕组404、406、408的相位可以偏移。例如，每个接收绕组404、406、408可以异相120度。例如，接收绕组408的形状可以对应于从零度开始的一个正弦波形和一个或多个缩放谐波。接收绕组404的形状可以对应于从120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。接收绕组406的形状可以对应于从240度或-120度开始的正弦波形和一个或多个缩放谐波。
接收绕组404、406、408可以以Y形或星形配置连接。在图4的实施例中，接收绕组404、406、408在公共端处连接以在绕组404、406、408的公共端处形成Y形或星形配置(例如，可替代地在连接到绕组404、406、408的电端子处以Y形或星形配置连接，诸如在图2的配置中)。例如，在一些实施例中，绕组404、406、408的公共端可以连接至基准，诸如接地。
图5描绘了示例正弦波形501、503、505和失真波形502、504、506的曲线图。例如，失真波形502、504、506可以是根据本公开的示例实施例的具有添加的一个或多个缩放谐波并且具有增加的基波波形的幅度的正弦波形501、503、505。例如，图5包含三个失真波形502、504、506，每个异相120度，具有增加的基波幅度，并且添加的三次谐波缩放为基波分量正弦波形501、503、505的总振幅的1/6。
根据图5所示的波形配置的绕组可以是特别有利的，因为图5所示的配置可以允许与失真正弦波形相关联的最小化的最大宽度。与正弦波形501、503、505相比，失真波形502、504、506具有增加的基波幅度。然而，如图5所示，失真波形502、504、506与正弦波形501、503、505相比占据大约相同的宽度。
例如，正弦波形501、503、505的空间傅立叶分解是与正弦波形501、503、505的频率相同的单个波形，其幅度为正弦波形501、503、505的幅度。这被称为正弦波形501、503、505的“基波”。通过将一个或多个缩放谐波并入失真波形502、504、506中，失真波形502、504、506的傅立叶分解可以包含一个或多个缩放谐波。根据本公开的示例方面，一个或多个缩放谐波在傅立叶域中可以独立于基波，同时对失真波形502、504、506的幅度(例如，最大幅度)具有限制效果。
例如，一个或多个缩放谐波可以允许增加基波的幅度，而无需增加宽度，这可以允许根据失真波形502、504、506来增加绕组的响应特性，同时维持空间特性。如果不并入一个或多个缩放谐波，则基波的幅度的增加可能表现为正弦波形501、503、505的幅度增加。然而，可以选择一个或多个缩放谐波以抵消空间域中某些点(例如，在基波最大幅度附近的点)处的基波，以允许在无需增加失真波形502、504、506的宽度的情况下实现增加基波的幅度。
例如，图5所示的配置并入了正弦波形501、503、505的三次谐波，该三次谐波被缩放为总幅度的1/6。如果失真波形502、504、506不包含缩放三次谐波，则它们将基本上模拟正弦波形501、503、505，但最大幅度为1.15，而不是1。然而，并入三次谐波可以在失真波形502、504、506最大值或幅度附近的点(例如，对于失真波形502而言大约为90度和270度)处抵消失真波形502、504、506，使得失真波形502、504、506和正弦波形501、503、505都可以具有最大幅度1，如图5所示，而失真波形502、504、506具有更大的基波。因此，相对于根据正弦波形501、503、505配置的绕组，根据失真波形502、504、506配置的绕组可以具有改善的信号响应特性，而无需较大的宽度。
图6图示了根据本公开的示例实施例的用于线性位置传感的位置传感器组装体600。位置传感器组装体600可以被配置为检测传感器元件602和构件604之间在纵向方向606(由箭头608表示)上的相对移动。构件604可以包含耦合元件610。例如，耦合元件610可以包含导电和/或磁性材料的一个或多个部分。传感器元件602可以耦合到附加构件(图6中未示出)。
传感器元件602可以包含一个或多个绕组(例如，发射和传感器绕组)，例如，如以上参考图2至图5所描述的。例如，根据本公开的方面，一个或多个绕组的形状可以是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。传感器元件602可以包含印刷电路板，在该印刷电路板上的绕组形成为导电迹线，例如参考图2至图5所描述的。传感器元件602可以包含任何合适数量的绕组，诸如奇数数量的发射和/或接收绕组。在各种发射和接收配置内，也可以采用更多数量的绕组(例如，三个或更多个)。例如，多个失真正弦形状绕组可以相对于彼此平移(例如，对于三个绕组为大约120度，对于五个绕组为大约72度)。处理电路可以配置为检测绕组的互感或自感属性。
传感器元件602(例如，包含接收绕组和/或发射绕组)可以在垂直于纵向方向606的横向方向616上与构件604和/或耦合元件610间隔开间隔距离618。在一些实施例中，间隔距离618可以在大约1mm至大约30mm的范围内。
图7示出了根据本公开的示例方面的用于旋转位置传感的位置传感器组装体700的一个实施例。位置传感器组装体700可以包含发射绕组702和一个或多个接收绕组704、706、708。一个或多个接收绕组704、706、708的形状是根据本公开的方面的正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。例如，图7的实施例包含以120度的相位分离隔开的三个绕组，其中一个或多个缩放谐波是缩放为正弦波形的总幅度的1/6的三次谐波。具有与一个或多个接收绕组704、706、708相同的基波幅度的纯正弦波形被图示为虚线714、716、718。从图7中可以看出，一个或多个接收绕组704、706、708可以具有减小的与纯正弦波形714、716、718相同的基波幅度相关联的宽度。因此，可以实现根据本公开的优点。
位置传感器组装体700可以基本上围绕旋转轴710布置，并配置为检测转子(未示出)的旋转运动。例如，转子可以包含周向可变耦合元件，当转子绕旋转轴710旋转时，在发射绕组702和/或在一个或多个接收绕组704、706、708处提供变化的电磁响应。位置传感器组装体700是3×120度传感器。例如，位置传感器组装体700的输出在耦合元件的每转中重复三次。在一些实施例中，位置传感器组装体700可以另外和/或可替代地包含弧形绕组。例如，绕组704、706、708可以延伸大约120度(例如，相对于360度)。
图8示出了根据本公开的方面的传感第一构件和第二构件之间的相对位置的示例性方法800的流程图。尽管图8出于说明和讨论的目的描绘了以特定顺序执行步骤，但是本文所讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。本领域普通技术人员在使用本文提供的公开内容时将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以省略、重新布置、组合本文公开的方法的各个步骤，包含未以各种方式说明和/或改编的步骤。此外，本文中可以参考以上参考图1至图7描述的位置传感器100、600、700来描述方法800。然而，应当理解，所公开的方法800可以用于使用具有任何其它合适配置的感应位置传感器来传感第一构件和第二构件之间的相对位置。
在802处，感应位置传感器可以向配置为设置在第一构件上的发射天线提供发射信号。例如，发射信号可以是振荡信号。例如，发射信号可以是提供给发射天线的一个或多个发射绕组的信号。提供给发射天线的信号可以感应场，诸如电磁场。在一些实施例中，一个或多个发射绕组的形状是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。
在804处，感应位置传感器可以在配置为设置在第一构件上的接收天线处接收由发射信号引起的接收信号。如本文所使用的，“接收信号”可以指代接收天线中感应的信号或由于处理接收天线中感应的信号而引起的信号。例如，由发射天线感应的场可以与第二构件的至少一部分相互作用，诸如设置在第二构件上的耦合元件。例如，该场可以在接收天线的一个或多个接收绕组中感应接收信号。在一些实施例中，一个或多个接收绕组的形状是正弦波形和该正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。在一些实施例中，第二构件的至少一部分包含磁性或导电材料。
发射天线和/或接收天线可以包含一个或多个绕组。例如，发射天线和/或接收天线可以包含奇数个绕组。例如，发射天线和/或接收天线可以包含三个绕组。在一些实施例中，三个绕组中的每个绕组以大约120度的相位分离分开。在一些实施例中，一个或多个绕组以Y形或星形配置连接。在一些实施例中，第二构件的长度在一个或多个绕组中的一个或多个绕组的波长的大约5％至大约25％之间。
在一些实施例中，至少部分地基于一个或多个绕组中的绕组的数量来选择一个或多个缩放谐波，使得在接收信号处消除一个或多个缩放谐波。在一些实施例中，可以通过处理接收信号来消除一个或多个缩放谐波。例如，在一些实施例中，一个或多个缩放谐波是正弦波形的三次谐波。在一些实施例中，一个或多个缩放谐波的幅度是正弦波形的幅度的大约1/6。
在806处，感应位置传感器可以基于接收信号确定指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号。例如，可以基于接收信号的一个或多个差分测量来确定相对位置。例如，在一些实施例中，可以在差分测量中自然地消除正弦波形的一个或多个缩放谐波。在一些实施例中，一个或多个绕组的形状使得指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号随该相对位置线性变化。例如，在一些实施例中，一个或多个信号可以由随位置线性变化的反正切或角度函数确定。
在808处，感应位置传感器可以传送指示第一构件和第二构件之间的相对位置的一个或多个信号。例如，一个或多个信号可以被计算到系统，诸如计算系统和/或机械系统，该系统可操作以基于第一构件和第二构件之间的相对位置执行一个或多个动作。
尽管已经关于其具体示例性实施例详细描述了本主题，但是应该理解，本领域技术人员在获得对前述内容的理解时可以容易地对这样的实施例产生变更、变化和等价。因此，本公开的范围仅作为示例而非限制，并且本主题公开不排除包含对本主题的这样的修改、变化和/或添加，这对于本领域普通技术人员是显而易见的。

Claims (15)

1.一种感应位置传感器，配置为检测第一构件和第二构件之间的相对位置，所述感应位置传感器包括：
发射天线，配置为设置在所述第一构件上；
接收天线，配置为设置在所述第一构件上；以及
处理电路，配置为基于由提供给所述发射天线的信号引起的在所述接收天线中感应的接收信号来提供一个或多个信号，所述一个或多个信号指示所述第一构件和所述第二构件之间的所述相对位置；
其中，所述发射天线和所述接收天线中的一个或多个包括一个或多个绕组，并且其中，所述一个或多个绕组的形状是正弦波形和所述正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个绕组包括奇数个绕组。
3.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，至少部分地基于所述一个或多个绕组中的绕组的数量来选择所述一个或多个缩放谐波，使得在所述接收信号处消除所述一个或多个缩放谐波。
4.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个绕组包括三个绕组，所述三个绕组中的每个绕组以大约120度的相位分离分开。
5.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个缩放谐波包括所述正弦波形的三次谐波。
6.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个绕组以Y形配置或星形配置连接。
7.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个缩放谐波的幅度是所述正弦波形的幅度的大约1/6。
8.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述一个或多个绕组的形状使得指示所述第一构件和所述第二构件之间的所述相对位置的所述一个或多个信号随所述相对位置线性变化。
9.根据权利要求1所述的位置传感器，其中，所述第二构件包括磁性材料或导电材料。
10.根据权利要求9所述的位置传感器，其中，所述第二构件的长度在所述一个或多个绕组中的一个或多个绕组的波长的大约5％至大约25％之间。
11.一种确定第一构件和第二构件之间的相对距离的方法，包括：
向配置为设置在所述第一构件上的发射天线提供发射信号；
在配置为设置在所述第一构件上的接收天线处接收从所述发射信号引起的接收信号；
基于所述接收信号确定指示所述第一构件和所述第二构件之间的相对位置的一个或多个信号；以及
传送指示所述第一构件和所述第二构件之间的所述相对位置的一个或多个信号；
其中，所述发射天线和所述接收天线中的一个或多个包括一个或多个绕组，并且其中，所述一个或多个绕组的形状是正弦波形和所述正弦波形的一个或多个缩放谐波的组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个绕组包括三个绕组，所述三个绕组中的每个绕组以大约120度的相位分离分开。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个绕组以Y形配置或星形配置连接。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个缩放谐波包括所述正弦波形的三次谐波。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个缩放谐波的幅度是所述正弦波形的幅度的大约1/6。
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