CN208780115U - 感应位置传感器、谐振感应位置传感器及谐振转子 - Google Patents

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Abstract

本实用新型描述了感应位置传感器、谐振感应位置传感器及谐振转子。所述感应位置传感器可包括转子、两个或更多个励磁线圈以及两个或更多个接收线圈。所述线圈中的每一者和所述转子可感应耦合。所述两个或更多个接收线圈可被配置为生成接收到的电压，可通过所述转子的位置的两倍的正弦波形函数估计所接收到的电压。所述感应位置传感器可包括谐振部件。所述谐振部件可连接到所述两个或更多个励磁线圈之一或所述转子。集成电路可被配置为基于所述两个或更多个接收到的电压来确定所述转子的所述位置。

Description

感应位置传感器、谐振感应位置传感器及谐振转子
相关申请的交叉引用
本申请要求以发明人Jacques Jean Bertin的名义提交于2017年8月22日的名称为“Semiconductor and other Devices,Apparatuses,Systems,Applications,Processes and Methods”(半导体和其他设备、装置、系统、应用、过程和方法) 的美国临时申请62/548,941以及以发明人Jacques Jean Bertin的名义提交于2017 年11月2日的名称为“Inductive Position Sensor”(感应位置传感器)的美国实用申请15/802,000的优先权。
技术领域
本文所述的技术整体涉及用于确定物体的角位置和/或线性位置的设备和系统，具体地，涉及感应位置传感器、谐振感应位置传感器及谐振转子。更具体地讲，本文所述的技术整体涉及利用电磁原理(诸如感应)来确定物体的角位置和/或线性位置的电子设备和系统。
背景技术
位置感测设备(包括感应位置传感器)如今已被广泛使用。各种用途包括但不限于汽车和其他车辆、工厂环境、个人用品等等。感应位置传感器通常用于确定物体诸如制动踏板、节气门等等，下文定义为“目标”的位置。现今，感应传感器通常包括励磁线圈，该励磁线圈被配置为在电流流过该线圈时生成电磁场；接收线圈，该接收线圈被配置为检测由流过励磁线圈的电流在接收线圈中感应的电势、电压；以及转子。转子被配置为基于转子的位置来扰动在接收线圈中感应的电势量。转子通常直接或间接附接到目标，使得当目标的位置改变时，转子的相对位置也改变。转子位置的此类变化继而独特地扰动在接收线圈中感应的电压，使得可基于在接收线圈中感应的电势的变化来确定转子的位置，从而确定目标的位置。简而言之，转子可被限定为通过数学函数(各自为“传递函数”)影响励磁线圈与接收线圈之间的感应耦合。电路连接到接收线圈以基于在接收线圈中感应的相对振幅及其变化来检测和确定转子的相对位置。
已知的感应位置传感器的一个示例在美国专利9,528,858中有所描述，该专利以发明人Jacques Bertin的名义发布于2016年12月27日，并且名称为“Inductive Sensor”(感应传感器)，该专利的全部内容以引用方式并入本文。
更具体地讲，感应位置传感器通常使用单匝接收线圈，该单匝接收线圈以围绕一个或多个单匝或多匝励磁线圈(统称为“定子”)的旋转对称度进行布置。如例如图1A所示，定子100通常包括具有一个或多个第一回路101a-101n的第一线圈101，以及通常仅具有多匝单回路的第二线圈102。第一线圈101和第二线圈102通常都被牵拉到单层或多层PCB 104上。第一线圈101或第二线圈 102中的任一者可分别被配置为励磁线圈或接收线圈。如图所示，第一线圈101 通常包括被牵拉经过PCB 104的一个或多个层的多个回路101a-100n。图1B提供了第一线圈101的回路100a-110n被牵拉于此的PCB 106的底视图的表示。第二线圈102可以以顺时针或逆时针图案配置在顶层或第一层、第二层上，或者使用多层PCB 104的多个层进行配置。
如图1C所示，转子108的普通实施方案通常包括具有与第一线圈101所用的对称度类似的对称度的转子线圈110。转子线圈110通常被牵拉成使得其根据一个或多个传递函数随转子的角位置Θ来影响在第一线圈101与第二线圈 102之间生成的互感。
图1D中示出了感应位置传感器的电路112示意性表示。电路112包括充当励磁线圈的三个第一线圈101-1至101-3，其中每个线圈具有一个或多个回路 (未示出)。第一线圈101-1至101-3通常是对称的，并且通常分别彼此偏置120 度，其中每个回路转动90度。第一线圈101-1至101-3连接到交流电源(未示出)，该交流电源依次向这三个线圈中的每一者提供交流电。第一线圈101-1至 101-3中的每一者的“接通”和“断开”通常使用已知的设备诸如MOSFET晶体管和振荡器(未示出)来完成。电路112还包括充当接收线圈的第二线圈102，该线圈连接到信号处理器(未示出)。信号处理器被配置为检测由第一线圈101-1 至101-3在第二线圈102中感应的电压电势的振幅的变化。基于检测到的振幅及其变化，可确定转子110的相对角位置。
更具体地讲，流过第一线圈101-1至101-3的交流电生成第一电磁场，该第一电磁场由第一场线114-1至114-3表示。第一电磁场受到转子线圈110的位置的影响，使得第二线圈102基于第二经调整的电磁场116-1至116-3来感应生成电压电势。转子110对第一电磁场114的影响使得接收线圈102感测第二电磁场116，这通常被定义为可在数学上表示的转子“传递函数”。
虽然现今的感应位置传感器一般是可靠的，但与其他部件相比，它们通常需要过多的印刷电路板(PCB)空间。例如，现今的感应位置传感器可利用11mm2。相比之下，处理器可利用少至2-3mm2。现今的感应位置传感器也很复杂，其需要牵拉多个精密回路以形成第二线圈102。牵拉第二线圈需要附加的PCB面积，因此也需要附加的成本。随着处理器成本现在越来越接近传感器成本，需要降低感应位置传感器的形状因数和复杂性。
此外，电磁兼容性要求变得越来越严格。然而，在采用常规感应位置传感器时，定子100通常容易生成或接收非期望的电磁发射。例如，当第二线圈102 被配置为励磁元件时，其将充当天线并且发射非期望的电磁波。相反，当第二线圈102被配置为接收元件时，其通常容易受到外部电磁干扰的影响。此类干扰可影响传感器的准确性和灵敏性。
因此，需要能解决这些和其他需求的感应位置传感器。此类需求通过本公开的一个或多个实施方案来解决。
实用新型内容
本公开的各种实施方案整体涉及感应位置传感器及其制造和使用的系统。根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器包括励磁元件。励磁元件可包括电源、控制电路以及耦合到电源的第一励磁线圈。该第一励磁线圈可被配置为生成第一电磁场。感应位置传感器可包括第二励磁线圈，该第二励磁线圈耦合到电源，并且被配置为生成第二电磁场。感应位置传感器可包括第三励磁线圈，该第三励磁线圈耦合到电源，被配置为生成第三电磁场。感应位置传感器可包括控制电路，该控制电路被配置为控制来自电源的电流进入且通过第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈的一个或多个配对的流动。感应位置传感器可包括转子，该转子被配置为基于目标的当前位置来耦合到第一电磁场、第二电磁场和第三电磁场中的每一者。感应位置传感器可包括接收元件。接收元件可包括信号处理器。感应位置传感器可包括具有第一接收线圈的接收元件，该第一接收线圈耦合到信号处理器，被配置用于第一电磁场、第二电磁场和第三电磁场中的至少一者以感应第一电压。感应位置传感器可包括具有第二接收线圈的接收元件，该第二接收线圈耦合到信号处理器，被配置用于第一电磁场、第二电磁场和第三电磁场中的至少一者以感应第二电压。感应位置传感器可包括具有第三接收线圈的接收元件，该第三接收线圈耦合到信号处理器，被配置用于第一电磁场、第二电磁场和第三电磁场中的至少一者以感应第三电压。感应位置传感器可包括信号处理器，该信号处理器被配置为基于接收到的电压来确定转子的当前位置，其中接收到的电压是第一电压、第二电压和第三电压中的至少一者的组合。
根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器可包括环绕在定子芯周围的第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈。根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器可包括环绕在定子芯周围的第一接收线圈、第二接收线圈和第三接收线圈。对于至少一个实施方案，第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈中的每一者连接到公共励磁节点。对于至少一个实施方案，第一接收线圈、第二接收线圈和第三接收线圈中的每一者连接到公共接收节点。
根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器可包括被配置为三相电路的第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈。感应位置传感器可包括在定子芯上与第一励磁线圈偏置的第一接收线圈；并且第一接收线圈、第二接收线圈和第三接收线圈中的每一者可被配置为三相电路。在第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈中的每一者与转子之间可存在对应的励磁-转子互感。在第一接收线圈、第二接收线圈和第三接收线圈中的每一者与转子之间可存在对应的转子-接收互感。给定时间的转子位置可引起对应的励磁-转子互感与转子-接收互感的耦合。该耦合可反映在相应第一电压、第二电压和第三电压中的至少一者中。
根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器可包括将第一励磁线圈耦合到电源的第一励磁开关。实施方案可包括将第二励磁线圈耦合到电源的第二励磁开关。实施方案可包括将第三励磁线圈耦合到电源的第三开关。第一接收开关可将第一接收线圈耦合到信号处理器。第二接收开关可将第二接收线圈耦合到信号处理器。第三接收开关可将第三接收线圈耦合到信号处理器。控制电路可在第一时间将第一励磁开关、第二励磁开关和第三励磁开关配置为第二反串联构型。信号处理器可被配置为接收该接收到的电压，并且根据该接收到的电压来确定第一时间的转子位置。
根据本公开的感应位置传感器的至少一个实施方案，通过转子位置的正弦波形函数估计励磁线圈与转子之间以及转子与接收线圈之间产生的互感。对于至少一个实施方案，通过转子位置两倍的正弦波形函数估计接收到的电压。
根据本公开的感应位置传感器的至少一个实施方案，第一励磁线圈包括至少一组第一励磁回路，第二励磁线圈包括至少一组第二励磁回路，并且第三励磁线圈包括至少一组第三励磁回路。对于至少一个实施方案，第一励磁回路、第二励磁回路和第三励磁回路串联地牵拉在定子芯上。定子芯可包括多层印刷电路板。
根据本公开的感应位置传感器的至少一个实施方案，对于以下至少一者的初级-次级配对而言，接收到的电压与在给定时间在第一线圈、第二线圈和第三线圈之一与转子之间产生的互感成比例：第一接收线圈和第二接收线圈；第二接收线圈和第一接收线圈；第一接收线圈和第三接收线圈；第三接收线圈和第一接收线圈；第二接收线圈和第三接收线圈；以及第三接收线圈和第二接收线圈。对于至少一个实施方案，转子包括具有第一转子回路的转子线圈，第一励磁线圈包括第一励磁回路，并且第一转子回路与第一励磁回路对称。对于至少一个实施方案，转子包括谐振转子回路。
根据本公开的至少一个实施方案，谐振感应位置传感器可包括转子；两个或更多个励磁线圈，所述两个或更多个励磁线圈感应耦合到转子；两个或更多个接收线圈，所述两个或更多个接收线圈感应耦合到转子和所述两个或更多个励磁线圈中的每一者，并且被配置为生成接收到的电压；谐振部件，该谐振部件连接到所述两个或更多个励磁线圈之一或转子；以及集成电路，其中该集成电路被配置为基于所述两个或更多个接收到的电压来确定转子的位置。对于至少一个实施方案，所述两个或更多个励磁线圈可被配置为围绕定子芯的绞合励磁回路。对于至少一个实施方案，所述两个或更多个接收线圈可被配置为围绕定子芯的绞合接收回路。对于至少一个实施方案，转子可包括具有绞合转子回路的转子线圈。对于至少一个实施方案，绞合励磁回路和绞合接收回路中的一者或多者或每一者可与绞合转子回路对称。对于至少一个实施方案，绞合转子回路可包括电容器。
根据本公开的至少一个实施方案，用于感应位置传感器中的谐振转子可包括转子芯、转子线圈和谐振部件。对于至少一个实施方案，转子线圈可包括围绕转子芯牵拉的至少一个绞合转子回路。对于至少一个实施方案，谐振部件可连接到绞合回路以便为谐振转子提供感应-电容滤波。对于至少一个实施方案，至少一个绞合转子回路可与围绕定子的定子芯牵拉的励磁回路和接收回路中的至少一者对称。对于至少一个实施方案，定子与谐振转子的组合可被配置为提供谐振感应位置传感器。
附图说明
本文针对以下描述和附图中的至少一者进一步公开了由本公开的各种实施方案提供的设备、系统和方法的特征、方面、优点、功能、模块和部件。在附图中，相同类型的类似部件或元件可具有相同的参考标号(诸如108)，并带有附加的字母指示符(诸如108a、108n等)，其中该字母指示符指示带有相同参考标号(例如，108)的部件具有共同的特性和/或特征。此外，部件的各种视图可通过第一参考标记后跟连接号和第二参考标记来区分，其中出于该描述的目的，第二参考标记用于指定该部件的视图。如果在本说明书中仅使用了第一参考标记，则该描述适用于具有相同的第一参考标号的任何类似组件和/或视图，而不考虑任何附加的字母指示符或第二参考标号(如果有的话)。
图1A是与一个或多个常规感应位置传感器结合使用的定子的顶视图的示意性表示。
图1B是与一个或多个常规感应位置传感器结合使用的定子的底视图的示意性表示。
图1C是与一个或多个常规感应位置传感器结合使用的转子的示意性表示。
图1D是由一个或多个常规感应位置传感器形成的电路的示意性表示。
图2A是根据本公开的至少一个实施方案的用于感应位置传感器中的定子的示意性表示。
图2B是根据本公开的至少一个实施方案的向其中牵拉第一励磁线圈“X1”和第一接收线圈“R1”的定子的示意性表示。
图2C是根据本公开的至少一个实施方案的向其中牵拉第一励磁线圈“X1”、第二励磁线圈“X2”、第一接收线圈“R1”和第二接收线圈“R2”的定子的示意性表示。
图2D是根据本公开的至少一个实施方案的向其中牵拉第一励磁线圈“X1”、第二励磁线圈“X2”、第三励磁线圈“X3”、第一接收线圈“R1”、第二接收线圈“R2”和第三接收线圈“R3”的定子的示意性表示。
图2E是根据本公开的至少一个实施方案的用于感应位置传感器中的转子的示意性表示。
图2F是根据本公开的至少一个实施方案的具有牵拉在多层印刷电路板上的绞合回路设计的转子的示意性表示。
图2G是根据本公开的至少一个实施方案的在感应位置传感器的各种部件之间产生的互感的示意性表示。
图3A是根据本公开的至少一个实施方案的具有谐振励磁电路的感应位置传感器的示意性表示。
图3B是根据本公开的至少一个实施方案的具有谐振接收电路的感应位置传感器的示意性表示。
图3C是根据本公开的至少一个实施方案的具有谐振转子电路的感应位置传感器的示意性表示。
图3D是根据本公开的至少一个实施方案的用于具有谐振转子电路的感应位置传感器中的谐振转子的示意性表示。
图4A是根据本公开的至少一个实施方案的牵拉在与感应位置传感器一起使用的转子上的第一单匝线圈的示意性表示。
图4B是根据本公开的至少一个实施方案的串联地牵拉在与感应位置传感器一起使用的多层PCB转子上的第一线圈和第二线圈的示意性表示。
图4C是根据本公开的至少一个实施方案的在第一线圈的一半对称度偏置处牵拉在与感应位置传感器一起使用的多层PCB转子上的第二线圈的示意性表示。
图4D是曲线图，示出了根据本公开的至少一个实施方案的用于感应位置中的对称单线圈转子和多线圈转子每一者的振幅响应特征。
图4E是曲线图，示出了根据本公开的至少一个实施方案的用于感应位置中的对称单线圈转子和多线圈转子每一者的谐波响应特征。
图5A是根据本公开的至少一个实施方案的与感应位置传感器一起使用的角传感器的转子线圈的拉直表示。
图5B是根据本公开的至少一个实施方案的牵拉到与感应位置传感器一起使用的印刷电路板上的图5A角传感器的定子的示意性表示。
图5C是根据本公开的至少一个实施方案的牵拉到与感应位置传感器一起使用的印刷电路板上的谐振转子的示意性表示。
图6是根据本公开的至少一个实施方案的感应位置传感器作为线性位置传感器的用途的示意性表示。
具体实施方式
本文所述的各种实施方案涉及用于感应性地确定物体位置的设备和系统。如图2A至图2C所示，用于本公开的感应位置传感器中的定子的至少一个实施方案包括定子200，该定子具有至少两个励磁线圈(如X1和X2所指定)和至少两个接收线圈(如R1和R2所指定)。对于至少一个实施方案，可使用第三励磁线圈X3和第三接收线圈R3(如图2D进一步示出)。所述两个或更多个励磁线圈“X1-X3”和所述两个或更多个接收线圈“R1-R3”中的每一者分别偏置 120度，并且包括穿过多层定子芯208的绞合回路设计202a-n，如出于说明和解释的目的在图2A和图2B中针对单个线圈示出。PCB可提供线圈的定子芯 208，该定子芯用于在电流被迫流过线圈时生成电磁场。每个回路通常相对于紧邻的前一回路转动180度。应当理解，绞合回路设计202a-n的偏置性质使非预期电磁场和波(诸如图2A所示的顺时针(右手)场204a-d和逆时针(左手) 场206a-d)的生成和接收最小化。对称回路可用于每个线圈以使传感器传递函数的偶次谐波最小化。此外，当其中两个线圈串联连接时，可使传感器传递函数的第三次谐波最小化。然而，本领域的普通技术人员可将其他偏置量用于其他实施方案，相应地传递函数中具有可计算的变化。
在图2B至图2D中，示出了具有三个励磁线圈和三个接收线圈的定子的一个实施方案的表示。更具体地讲，图2B示出了已向其上牵拉第一励磁线圈X1 和第一接收线圈R1的定子的表示。图2C将图2C的定子示出为另外在其上牵拉有第二励磁线圈X2和第二接收线圈R2。图2D示出了图2D的定子，外加牵拉在其上的第三励磁线圈X3和第三接收线圈R3。应当理解，可根据本公开的实施方案使用任何数量的励磁和/或接收线圈。此外，应当理解，可使用任何已知的工艺将线圈牵拉到PCB或其他衬底上。这种牵拉可包括在任何给定工艺步骤处牵拉任何或所有线圈，并且本公开不应被视为限于线圈的顺序牵拉等等。线圈可使用任何已知或所需的化合物(诸如铜、铝、金或其他)牵拉、沉积或以其他方式形成在PCB或其他衬底中。根据至少一个实施方案，第一线圈、第二线圈和第三线圈(励磁和接收二者兼有)中的每一者被牵拉在PCB上。
在图2E中，示出了至少与图2A至图2D的定子实施方案一起使用的转子 210。转子210可制造在任何所需物质的转子芯213上，诸如PCB或其他衬底。转子210包括可被配置在线圈或任何其他导电形状中的导电材料。转子210的尺寸和构型可被设定为有利于检测旋转和/或线性运动的任何所需范围。转子 210可包括至少一个转子线圈212。转子线圈212可包括绞合回路设计(如图 2E所示)。如多层PCB或类似材料用于转子210的图2F中进一步示出，转子线圈212可包括牵拉在转子芯213的顶层和底层每一者之间的两个或更多个绞合回路214。
应当理解，通过使用以上针对至少一个实施方案所述的定子200和转子210 设计，每当牵拉线圈时，都会在相应励磁线圈与接收线圈之间生成互感。当所述两个或更多个励磁线圈和两个或更多个接收线圈分别使用公共励磁节点216 和公共接收节点218配置时，如图2G所示，这些互感表示如下：“M_xn_rn”(指定励磁线圈Xn与接收线圈Rn之间的感应，其中n为整数)；“M_xn_rtr”(指定励磁线圈Xn与转子“rtr”之间的感应；和M_rtr_rn(指定转子与接收线圈Rn 之间的感应。对于至少一个实施方案，M_xn_rtr和M_rtr_rn具有相同量值。对于至少一个实施方案，M_xn_rn比M_xn_rtr和M_rtr_rn小得多，并且M_xn_rtr、 M_rtr_rn和M_xn_rn中的每一者均大于零。
对于至少一个实施方案，M_xn_rn为最小化的。对于至少一个实施方案， M_xn_rtr和M_rtr_rn的振幅为最大化的。应当理解，根据转子的位置，一些互感可为零或负。
如图3A至图3C所示，用于至少一个实施方案中的集成电路310包括控制电路(未示出)，该控制电路被配置为控制励磁开关308X1-308X3和接收开关 308R1-308R3的操作。励磁开关308X1-308X3将对应励磁线圈连接到交流电源314。接收开关308R1-308R将对应接收线圈连接到信号处理器312。
根据本公开的至少一个实施方案，感应位置传感器可被配置为包括三个励磁线圈X1-X3，其中第一励磁线圈X1分别与第二励磁线圈X2和第三励磁线圈X3中的每一者偏置120度。这种构型可按照在给定励磁线圈与转子之间产生的互感在数学上表示为一组传递函数，如以下方程组1所示，其中“x”是转子的角位置。
方程组1
Mx1_rtr＝F(x)
Mx2_rtr＝F(x+120)
Mx3_rtr＝F(x+240)
此外，感应位置传感器可根据本公开的至少一个实施方案配置为包括三个接收线圈R1-R3，其中第一接收线圈R1与对应第一励磁线圈X1偏置90度，并且第一接收线圈R1分别与第二接收线圈R2和第三接收线圈R3中的每一者偏置120度。这种构型可按照在给定接收线圈与转子之间产生的互感在数学上表示为一组传递函数，如以下方程组2所示，其中“x”是转子的角位置。
方程组2
MR1_rtr＝F(x+90)
MR2_rtr＝F(x+210)
MR3_rtr＝F(x+330)
应当理解，可使用傅里叶级数估计F(x)。通过在转子中使用绞合回路，傅里叶级数中的常数项为零。此外，由于线圈(励磁和接收二者兼有)的对称度，傅里叶级数中的偶次谐波是最小化的。此外，傅里叶级数中的第五次和更高次谐波可以被忽略。因此，可使用方程组3所示的傅里叶级数估计励磁线圈X1-X3- 转子感应，并且可使用方程组4所示的傅里叶级数估计接收线圈-转子感应，其中A1是基波振幅并且A3是第三次谐波的振幅。
方程组3
MX1_rtr＝A1sin(x)+A3sin(3x)
MX2_rtr＝A1sin(x+120)+A3sin(3x+360)
MX3_rtr＝A1sin(x+240)+A3sin(3x+720)
方程组4
MR1_rtr＝A1sin(x+90)+A3sin(3x+270)
MR2_rtr＝A1sin(x+210)+A3sin(3x+630)
MR3_rtr＝A1sin(x+330)+A3sin(3x+990)
此外，应当理解，当线圈的三种组合X1R1、X2R2和X3R3发生感应时，接收线圈R1-R3接收到三相信号并且将三相信号提供给信号处理器，该信号处理器被配置为计算此时转子的位置“X”。此外，由于线圈设计的3相，可移除第三次谐波，使得接收到的信号R(x)与转子位置“x”的余弦的两倍成比例，如方程组5所示。AC励磁电流被迫流过反串联的线圈X1和X2(电流从集成电路 310流动到X1，到达公共节点并且通过X2但以相反方向返回到集成电路310，如由Xi-j所表示(其中“i”标识出“初级”或正向路径线圈并且“j”标识出“次级”或返回路径线圈)，如方程5中的负号(“-”)所表示。应当理解，本文出于标识线圈配对的目的而使用了“i-初级”和“j-次级”指示符。测量线圈R1和R2两端的感应电压，其中这两个线圈R1和R2是反串联的，如Ri-j和方程5中的第二负号(“-”)所表示。感应电压(即，接收到的电压)与励磁线圈和转子之间及转子和接收线圈之间的互感成比例，如方程5中的乘号(“*”)所表示。类似地，可计算R2-3(x)和R3-1(x)(或R3-2或R1-3或R2-1)。对于至少一个实施方案，可顺序地发生励磁以测量至少两个Ri-j(x)，从而计算位置“x”。对于至少一个实施方案，接收到的电压可计算为一个或多个Ri-j(x)位置的固定组合、随时间变化组合、复用等等。对于至少一个实施方案，可使用所有励磁线圈的并励，前提条件是励磁电流的相对振幅为已知的，使得x可从Ri-j的测量值提取。
方程组5
R1-2(x)＝[{A1sin(x)+A3sin(3x)}-{A1sin(x+120)+A3sin(3x+360)}]* [{A1sin(x+90)+A3sin(3x+270)}-{A1sin(x+210)+A3sin(3x+630)}] ＝[A1sin(x)-A1sin(x+120)]*[A1sin(x+90)-A1sin(x+210)] ＝-1.5A1 2cos(2x+210)
R2-3(x)＝[{A1sin(x+120)+A3sin(3x+360)}-{A1sin(x+240)+A3sin(3x+720)}]*[{A1sin(x+210)+A3sin(3x+630)}-{A1sin(x+330)+A3sin(3x+990)}] ＝[A1sin(x+120)-A1sin(x+240)]*[A1sin(x+210)-A1sin(x+330)] ＝-1.5A1 2cos(2x+270)
R3-1(x)＝[{A1sin(x+240)+A3sin(3x+720)}-{A1sin(x)+A3sin(3x)}]* [{A1sin(x+330)+A3sin(3x+990)}-{A1sin(x+90)+A3sin(3x+270)}] ＝[A1sin(x+240)-A1sin(x)]*[A1sin(x+330)-A1sin(x+90)] ＝-1.5A1 2cos(2x+150)
如方程组5所示，应当理解，可通过转子位置的正弦波形函数估计一个或多个接收到的电压。对于至少一个实施方案，该近似值是转子位置的两倍的函数。应当理解，接收到的电压信号通常在0.1至10毫伏的范围内。此类低电压可容易受到干扰的影响。根据本公开的至少一个实施方案，公开了谐振感应位置传感器。谐振感应位置传感器可包括谐振励磁电路300，该谐振励磁电路具有电连接到励磁线圈X1-X3中的一者或多者的电容器C1，如图3A所示；谐振接收电路302，该谐振接收电路具有电连接到接收线圈R1-R3中的一者或多者的电容器C2，如图3B所示；或谐振转子电路304，该谐振转子电路具有电连接到转子线圈212的电容器C3，如图3D和图3C所示。可根据已知的谐振(LC) 电路原理来选择电容器C1、C2和C3的电容。应当理解，对于至少一个实施方案，通过将谐振电路用于线圈之一，接收到的信号可以是利用非谐振电路时接收到的信号的十倍(10x)以上。此外，应当理解，谐振转子电路304可用于解决在励磁线圈X1-X3的迹线/回路和接收线圈R1-R3的迹线/回路可紧密接近时(诸如在此类迹线被牵拉在公共PCB上和/或与公共集成电路相连时)可产生的互感问题。这些互感可通过引入独立于转子位置的信号来干扰接收到的信号(如经由转子传输)。考虑到因励磁与接收线圈之间的任何互感而产生的接收到的电压通常将为正交的，而因谐振转子产生的接收到的电压将为同相的。应当理解，接收到的电压通常在使用谐振转子时将为同相的，并且励磁频率离因转子产生的接收到的电压的谐振不远。否则，接收到的电压可为正交的，并且叠加在直接来自励磁的接收到的电压上。此外，对于至少一个实施方案，谐振转子电路304可提供使用谐振电路可实现的增强信号强度，同时通过例如使用同步整流器移除正交信号而消除了因励磁与接收线圈之间的互感而引起的任何干扰。因此，应当理解，对于本公开的至少一个实施方案，可使用谐振转子。
此外，然而，应当理解，所生成的互感可能并不理想，尤其是在转子210 与定子200紧密接近且产生(A1的)最大振幅时或者在PCB 208较小时。可根据本公开的至少一个实施方案通过使用具有至少两个线圈402a-c的多线圈转子 400来解决这些问题。对于至少一个实施方案，多线圈转子400可包括电容器 (未示出)以提供谐振转子电路的有益效果。如图4A所示，第一转子线圈402a 可被牵拉在衬底404上。如图4B进一步示出，第二转子线圈402b可被牵拉在衬底404上。对于至少一个实施方案，线圈402a-402b可包括绞合回路设计。绞合回路设计可具有任何数量的回路，诸如回路402a1-402a4。对于至少一个实施方案，回路402a1-402a4可被对称地牵拉。对于至少一个实施方案，回路 402a1-402a4可相对于下一回路偏置90度。对于至少一个实施方案，回路 402a1-402a4可被牵连跨越单层或多层衬底404，诸如单层或多层PCB。对于至少一个实施方案，转子的对称度与对应定子的对称度匹配。多个转子线圈回路可用于形成连接在PCB的一个或多个层上的多个线圈。应当理解，许多线圈可存在于转子上方，并且对于至少一个实施方案，线圈旋转一半的旋转对称度将使得与第一组回路402a匹配的第二组回路402b的对齐，如图4C所示(其中略小于一半的旋转用于显示这两个回路402a和402b的基本上对齐)。
如图4D和图4E所示，对于本公开的至少一个实施方案，与单线圈转子200 相比，多线圈转子400可实现改善的性能。更具体地讲，在图4D和图4E中，多线圈转子的信号测量值在45度范围内显示。如图所示，预期信号周期出现于45度范围内，此时多线圈旋转对称度为90度。
如图5A所示，根据本公开的至少一个实施方案的形成传感器的工艺可包括以下操作：形成直型传感器500，然后将传感器500弯曲成圆形以形成旋转传感器。应当理解，所示的电容器“cap”可用简称替换。
在图5B中，根据本公开的至少一个实施方案的感应传感器502的布局被示出为使用节点504a-504n互连在PCB上。应当理解，当使用多个励磁线圈和多个接收线圈时，线圈某处的开口或“切口”用于有利于线圈与每个公共节点及与集成电路的互连。
在图5C中，示出了根据本公开的至少一个实施方案的谐振转子306的布局。与定子一样，谐振转子布局可基本上相同，外加电容器C3。
在图6中，根据本公开的至少一个实施方案示出了线性位置传感器600的实施方案。如图所示，对于单个绞合回路转子构型在具有绞合的两个或更多个回路构型的定子线圈上方移动而言，将产生互感。线性位置传感器600的操作原理与上文所讨论的旋转位置传感器实施方案的那些操作原理基本上相同，明显的例外是连接到线性位置传感器600的信号处理器(未示出)可被配置为将线性转子602的角位移转换为线性位移以代替角位移。例如，线性转子602移动跨越线性定子604一(1)英寸可使得如线性位置传感器所感测的转子相对于定子移动一(1)度。应当理解，对于至少一个实施方案，所感测的偏转角与目标的线性位移成比例。如图6进一步示出，在转子与线性定子604中的一个或多个接收线圈之间生成的互感的相对振幅可形成正弦曲线形式，其中转子移动相同周期将使得在线性转子的中间与线性定子的一个或多个回路的中间对齐时引起线性转子与线性定子的最大耦合。此外，应当理解，对于至少一个实施方案，线性位置传感器600可包括使用多励磁线圈和/或多接收线圈构型，如上文相对于本公开的其他实施方案所讨论。此外，线性位置传感器600可包括使用其上牵拉有一个或多个转子线圈的线性转子602。线性转子602可包括电容器，诸如电容器C3，以提供谐振线性转子。电容器可另选地用于提供谐振线性励磁电路或谐振线性接收电路。
因此，描述了感应位置传感器的各种实施方案。一个或多个此类实施方案可被配置为用作旋转或线性位置传感器。各种实施方案可包括使用牵拉到衬底上的对应励磁线圈附近的多个接收线圈。各种实施方案可包括使用谐振电路，诸如谐振励磁电路、谐振接收电路和谐振转子电路。各种实施方案可包括使用具有多个转子线圈的转子。此外，制造感应位置传感器的一个或多个实施方案的方法可根据已知和/或未来出现的制造原理和材料来使用。此外，根据本公开的实施方案的感应位置传感器的使用可结合任何已知或未来出现的目标一起出现。
虽然以上带着一定程度的特殊性或对一个或多个单独实施方案的参考描述了要求保护的实用新型的各种实施方案，但是本领域的技术人员能够对所公开的实施方案做出多种改变而不脱离要求保护的实用新型的精神或范围。术语“约”、“大约”或“基本上”的使用意指元件的值具有预期接近陈述值或位置的参数。然而，如本领域所熟知，可存在妨碍值恰好等于陈述值的微小变化。因此，预期差异(诸如10％差值)是本领域普通技术人员将预计和获知的合理差异，并且相对于本公开的一个或多个实施方案的陈述或理想目标而言是可接受的。还应当理解，术语“顶部”和“底部”、“左”和“右”、“上”和“下”、“第一”、“第二”、“之前”、“之后”和其他类似术语仅用于描述和便于参考的目的，并非旨在限于本公开的各种实施方案的任何元件的任何取向或构型或者或操作的任何序列。此外，术语“和”和“或”并非旨在以限制或扩展性质使用，并且覆盖本公开的实施方案的元件和操作的组合的任何可能范围。因此可以设想其他实施方案。这意味着，以上描述中所包含的且在附图中示出的所有内容应仅解释为对实施方案的举例说明，而不是限制性的。在不脱离以下权利要求中限定的本实用新型的基本要素的前提下，可对细节或结构做出改变。

Claims (10)

1.一种感应位置传感器，其特征在于，包括：励磁元件、转子和接收元件，
所述励磁元件包括：控制电路、第一励磁线圈、第二励磁线圈和第三励磁线圈，其中，
所述第一励磁线圈耦合到电源，被配置为生成第一电磁场；
所述第二励磁线圈耦合到所述电源，被配置为生成第二电磁场；
所述第三励磁线圈耦合到所述电源，被配置为生成第三电磁场；
所述控制电路控制来自所述电源的电流进入且通过所述第一励磁线圈、所述第二励磁线圈和所述第三励磁线圈的一个或多个配对的流动；
所述转子被配置为基于目标的当前位置来耦合到所述第一电磁场、所述第二电磁场和所述第三电磁场中的每一者；
所述接收元件包括：信号处理器、第一接收线圈、第二接收线圈和第三接收线圈，其中，
所述第一接收线圈耦合到所述信号处理器，被配置用于所述第一电磁场、所述第二电磁场和所述第三电磁场中的至少一者以感应第一电压；和
所述第二接收线圈耦合到所述信号处理器，被配置用于所述第一电磁场、所述第二电磁场和所述第三电磁场中的至少一者以感应第二电压；
所述第三接收线圈耦合到所述信号处理器，被配置用于所述第一电磁场、所述第二电磁场和所述第三电磁场中的至少一者以感应第三电压；并且
所述信号处理器基于接收到的电压来确定所述目标的所述当前位置，其中所接收到的电压是所述第一电压、所述第二电压和所述第三电压中的一者或任意组合。
2.根据权利要求1所述的感应位置传感器，其中，
所述第一励磁线圈、所述第二励磁线圈和所述第三励磁线圈中的每一者以及所述第一接收线圈、所述第二接收线圈和所述第三接收线圈中的每一者环绕定子芯；并且
所述第一励磁线圈、所述第二励磁线圈和所述第三励磁线圈中的每一者连接到公共励磁节点，并且被配置为三相电路；并且
所述第一接收线圈、所述第二接收线圈和所述第三接收线圈中的每一者连接到公共接收节点，并且被配置为三相电路；
所述第一接收线圈在所述定子芯上与所述第一励磁线圈偏置；
在所述第一励磁线圈与所述转子之间存在第一励磁互感；
在所述第一接收线圈与所述转子之间存在第一接收互感；
所述转子在给定时间的位置引起所述第一励磁互感与所述第一接收互感的耦合，所述耦合反映在所述第一电压中。
3.根据权利要求1所述的感应位置传感器，其中，所述感应位置传感器包括：
第一励磁开关，所述第一励磁开关将所述第一励磁线圈耦合到所述电源；
第二励磁开关，所述第二励磁开关将所述第二励磁线圈耦合到所述电源；
第三励磁开关，所述第三励磁开关将所述第三励磁线圈耦合到所述电源；
第一接收开关，所述第一接收开关将所述第一接收线圈耦合到所述信号处理器；
第二接收开关，所述第二接收开关将所述第二接收线圈耦合到所述信号处理器；
第三接收开关，所述第三接收开关将所述第三接收线圈耦合到所述信号处理器；
其中所述控制电路在第一时间将所述第一励磁开关、所述第二励磁开关和所述第三励磁开关配置为第一反串联构型；
其中所述控制电路在所述第一时间将所述第一接收开关、所述第二接收开关和所述第三接收开关配置为第二反串联构型；
其中所述信号处理器接收所接收到的电压，
其中所述信号处理器被配置为根据所接收到的电压来确定所述转子在所述第一时间的所述位置。
4.根据权利要求3所述的感应位置传感器，其中，
通过所述转子的位置的正弦波形函数估计在所述第一励磁线圈与所述转子之间的第一励磁互感和在所述第一接收线圈与所述转子之间的第一接收互感；并且
通过所述转子的位置两倍的正弦波形函数估计所接收到的电压。
5.根据权利要求1所述的感应位置传感器，其中，
所述第一励磁线圈包括第一组励磁回路；
所述第二励磁线圈包括第二组励磁回路；
所述第三励磁线圈包括第三组励磁回路；并且
所述第一组励磁回路、所述第二组励磁回路和所述第三组励磁回路在定子芯上串联地引出。
6.根据权利要求1所述的感应位置传感器，其中，
对于以下中的至少一者的初级-次级配对，所接收到的电压与在给定时间在所述转子与所述第一接收线圈、所述第二接收线圈和所述第三接收线圈之一之间产生的互感成比例：
所述第一接收线圈和所述第二接收线圈；
所述第二接收线圈和所述第一接收线圈；
所述第一接收线圈和所述第三接收线圈；
所述第三接收线圈和所述第一接收线圈；
所述第二接收线圈和所述第三接收线圈；以及
所述第三接收线圈和所述第二接收线圈。
7.一种谐振感应位置传感器，其特征在于，包括：
转子；
两个或更多个励磁线圈，所述两个或更多个励磁线圈感应耦合到所述转子；
两个或更多个接收线圈，所述两个或更多个接收线圈感应耦合到所述转子和所述两个或更多个励磁线圈中的每一者，并且被配置为生成两个或更多个接收到的电压；
谐振部件，所述谐振部件连接到所述两个或更多个励磁线圈之一或所述转子；和
集成电路；
其中所述集成电路被配置为基于所述两个或更多个接收到的电压来确定所述转子的位置。
8.根据权利要求7所述的谐振感应位置传感器，其中，
所述两个或更多个励磁线圈被配置为围绕定子芯的绞合励磁回路；
所述两个或更多个接收线圈被配置为围绕所述定子芯的绞合接收回路；
所述转子包括具有绞合转子回路的转子线圈。
9.一种谐振转子，用于感应位置传感器中，其特征在于，所述谐振转子包括：
转子芯；
转子线圈；和
谐振部件；
其中所述转子线圈包括围绕所述转子芯引出的至少一个绞合转子回路；
其中所述谐振部件连接到所述绞合回路并且为所述谐振转子提供感应-电容滤波。
10.根据权利要求9所述的谐振转子，其中，
所述至少一个绞合转子回路与围绕定子引出的励磁回路和接收回路中的至少一者对称。
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