DE112018007672T5

DE112018007672T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Drehpositionserfassung

Info

Publication number: DE112018007672T5
Application number: DE112018007672.5T
Authority: DE
Inventors: David Witts; Timothy Biggs; Paul Smith; Peter Constantinou
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: Kyocera Avx Components Werne De GmbH
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2021-03-11
Also published as: CN116412843A; US20210372823A1; WO2019229404A1; US11698275B2; CN112368548A; CN112368548B; US20240011800A1

Abstract

Bereitgestellt werden Drehpositionssensoren. In einer beispielhaften Implementierung kann ein Drehpositionssensor ein erstes Glied und ein zweites Glied umfassen, wobei eines von dem ersten und dem zweiten Glied eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne aufweist, und das andere von dem ersten und dem zweiten Glied ein zwischengeordnetes Kopplungselement aufweist. Die Empfangsantenne weist mindestens eine leitende Empfangswicklung auf, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Satz von Stromschleifen und einen zweiten Satz von Stromschleifen bildet. Das zwischengeordnete Kopplungselement umfasst ein leitendes Material, das in einem Muster angeordnet ist. Das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten und des zweiten Satzes von Stromschleifen sind gegenseitig so angeordnet, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die von einem Hintergrundmagnetfeld in dem ersten Satz von Stromschleifen induziert wird, durch eine elektromotorische Kraft, die von dem Hintergrundmagnetfeld in dem zweiten Satz von Stromschleifen induziert wird, im Wesentlichen ausgeglichen wird.

Description

Technisches Gebiet
Beispielhafte Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen eine induktive Erfassung der relativen Drehposition zwischen zwei Gliedern.
Allgemeiner Stand der Technik
Es sind verschiedene Formen von induktiven Positionssensoren zum Detektieren der Position eines ersten Glieds relativ zu einem zweiten Glied bekannt. In einigen Fällen trägt ein Glied eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne, während das andere Glied ein zwischengeordnetes Kopplungselement trägt. Die Sendeantenne und die Empfangsantenne sind so angeordnet, dass, bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements, ein Magnetfeld, das von Wechselstrom, der durch die Sendeantenne fließt, erzeugt wird, ein Nullsignal in der Empfangsantenne induziert (die Sendeantenne und die Empfangsantenne werden dann als ausgeglichen bezeichnet). In Gegenwart des zwischengeordneten Kopplungselements induziert ein Magnetfeld, das von Wechselstrom, der durch die Sendeantenne fließt, erzeugt wird, jedoch eine elektromotorische Kraft in der Empfangsantenne, die einen Strom erzeugt, der abhängig von der Position des zwischengeordneten Kopplungselements relativ zu der Sende- und der Empfangsantenne ist. Durch Analysieren dieses Stroms kann die relative Position der zwei Glieder bestimmt werden.
Kurzdarstell ung
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Drehpositionssensor bereitgestellt, der ein erstes Glied und ein zweites Glied umfasst, wobei eines von dem ersten und dem zweiten Glied eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne aufweist, und das andere von dem ersten und dem zweiten Glied ein zwischengeordnetes Kopplungselement aufweist. Die Sendeantenne weist mindestens eine leitende Sendewicklung auf, die so angeordnet ist, dass Strom, der durch die leitende Sendewicklung fließt, ein Magnetfeld erzeugt, und die Empfangsantenne weist mindestens eine leitende Empfangswicklung auf, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Satz von Stromschleifen und einen zweiten Satz von Stromschleifen bildet, die so angeordnet sind, dass Strom, der in der leitenden Empfangswicklung fließt, in dem ersten Satz von Stromschleifen in einem ersten Drehsinn fließt und in dem zweiten Satz von Stromschleifen in einem zweiten Drehsinn, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt ist, fließt. Das zwischengeordnete Kopplungselement umfasst ein leitendes Material, das in einem Muster angeordnet ist, sodass die elektromotorische Nettokraft, die in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne erzeugt wird, induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert. Das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen und des zweiten Satzes von Stromschleifen sind gegenseitig so angeordnet, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die in dem ersten Satz von Stromschleifen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds durch eine elektromotorische Kraft, die in dem zweiten Satz von Stromschleifen von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, im Wesentlichen ausgeglichen wird.
Weitere Aspekte sind in den begleitenden Ansprüchen dargelegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die nur beispielhaft gegeben sind, ersichtlich, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erfolgt.
Figurenliste

1 zeigt die Hauptkomponenten eines Drehpositionssensors;
2 zeigt eine Draufsicht des Layouts einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne an einem ersten Glied des Drehpositionssensors gemäß einem ersten Beispiel;
3 zeigt eine Draufsicht eines leitenden Musters, das ein zwischengeordnetes Kopplungselement an einem zweiten Glied des Drehpositionssensors gemäß dem ersten Beispiel bildet;
4A zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die die Sendeantenne des Drehpositionssensors gemäß dem ersten Beispiel bildet;
4B zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Sinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem ersten Beispiel bildet;
4C zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Cosinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem ersten Beispiel bildet;
5 zeigt schematisch elektromotorische Kräfte, die in der in 4B veranschaulichten Sinuswicklung von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld bei Fehlen des in 3 veranschaulichten zwischengeordneten Kopplungselements erzeugt werden;
6 zeigt schematisch elektromotorische Kräfte, die in der in 4B veranschaulichten Sinuswicklung von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in Gegenwart des in 3 veranschaulichten zwischengeordneten Kopplungselements erzeugt werden;
7 zeigt eine Draufsicht des Layouts einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne an einem ersten Glied des Drehpositionssensors gemäß einem zweiten Beispiel;
8 zeigt eine Draufsicht eines leitenden Musters, das ein zwischengeordnetes Kopplungselement an einem zweiten Glied des Drehpositionssensors gemäß dem zweiten Beispiel bildet;
9A zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die die Sendeantenne des Drehpositionssensors gemäß dem zweiten Beispiel bildet;
9B zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Sinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem zweiten Beispiel bildet;
9C zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Cosinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem zweiten Beispiel bildet;
10 zeigt schematisch elektromotorische Kräfte, die in der in 9B veranschaulichten Sinuswicklung von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld bei Fehlen des in 8 veranschaulichten zwischengeordneten Kopplungselements erzeugt werden;
11 zeigt schematisch elektromotorische Kräfte, die in der in 9B veranschaulichten Sinuswicklung von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in Gegenwart des in 8 veranschaulichten zwischengeordneten Kopplungselements erzeugt werden;
12 zeigt eine Draufsicht des Layouts einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne an einem ersten Glied des Drehpositionssensors gemäß einem dritten Beispiel;
13A zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die die Sendeantenne des Drehpositionssensors gemäß dem dritten Beispiel bildet;
13B zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Sinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem dritten Beispiel bildet;
13C zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Cosinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem dritten Beispiel bildet;
14 zeigt schematisch elektromotorische Kräfte, die in der in 13B veranschaulichten Sinuswicklung von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in Gegenwart eines zwischengeordneten Kopplungselements erzeugt werden, das mit dem in 8 gezeigten übereinstimmt;
15 zeigt eine Draufsicht des Layouts einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne an einem ersten Glied des Drehpositionssensors gemäß einem vierten Beispiel;
16A zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die die Sendeantenne des Drehpositionssensors gemäß dem vierten Beispiel bildet;
16B zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Sinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem vierten Beispiel bildet;
16C zeigt das Layout einer leitenden Wicklung, die eine Cosinuswicklung der Empfangsantenne des Drehpositionssensors gemäß dem vierten Beispiel bildet;
17 zeigt ein zwischengeordnetes Kopplungselement gemäß dem vierten Beispiel;
18 zeigt ein zwischengeordnetes Kopplungselement gemäß einem fünften Beispiel;
19 zeigt ein zwischengeordnetes Kopplungselement gemäß einem sechsten Beispiel;
20 zeigt ein zwischengeordnetes Kopplungselement gemäß einem siebten Beispiel; und
21 zeigt ein zwischengeordnetes Kopplungselement gemäß einem achten Beispiel.

Ausführliche Beschreibung
Ein Drehpositionssensor gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird nun mit Bezug auf 1 bis 6 beschrieben. Wie in 1 schematisch gezeigt, weist der Drehpositionssensor in diesem Beispiel eine Sendeantenne 1, eine Empfangsantenne, die von einer Sinuswicklung 3 und einer Cosinuswicklung 5 gebildet wird, und ein zwischengeordnetes Kopplungselement 7 auf. Die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne sind auf einem ersten Glied (nicht gezeigt) gebildet, und das zwischengeordnete Kopplungselement 7 ist auf einem zweiten Glied (ebenfalls nicht gezeigt) in einer solchen Weise gebildet, dass eine relative Drehbewegung zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied eine entsprechende relative Drehbewegung zwischen einerseits der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne und andererseits dem zwischengeordneten Kopplungselement bewirkt.
Die Sendeantenne 1, die Sinuswicklung 3 und die Cosinuswicklung 5 werden jeweils von einer jeweiligen leitenden Wicklung gebildet, wobei die Enden jeder leitenden Wicklung elektrisch mit jeweiligen Anschlüssen der Verarbeitungsschaltung 9 verbunden sind. In diesem Beispiel liegt die Verarbeitungsschaltung 9 in der Form einer integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung, wie beispielsweise einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) oder einem anwendungsspezifischen Standardprodukt (Application Specific Standard Product - ASSP), vor. In anderen Beispielen könnte die Verarbeitungsschaltung 9 alternativ mehrere miteinander verbundene Vorrichtungen nutzen und/oder unter Verwendung einer oder mehrerer geeigneter Komponenten (z. B. elektronische Komponenten, wie beispielsweise diskrete elektronische Komponenten) implementiert werden.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Verarbeitungsschaltung 9 eine TX-Treiberstufe 11, die ein oszillierendes elektrisches Signal zum Zuführen zu der Sendeantenne 1 erzeugt. In diesem Beispiel ist die TX-Treiberstufe 11 ein frei schwingender Oszillator, der ein oszillierendes elektrisches Signal mit einer Antriebsfrequenz erzeugt, die von der Induktivität der Sendeantenne 1 und der Kapazität eines Kondensators 13, der mit der Sendeantenne 1 parallelgeschaltet ist, bestimmt wird. Diese Antriebsfrequenz wird normalerweise so gewählt, dass sie wenige MHz, zum Beispiel im Bereich von etwa 1 MHz bis etwa 6 MHz, beträgt. Die Verwendung der Bezeichnung „etwa“ in Verbindung mit einem Zahlenwert soll sich hier auf innerhalb von 20 % des angegebenen Zahlenwerts beziehen.
Ein Zuführen eines oszillierenden Stroms zu der Sendeantenne 3 induziert elektromotorische Kräfte in der Sinuswicklung 3 und der Cosinuswicklung 5, die ein Fließen von Strom in der Sinuswicklung 3 und der Cosinuswicklung 5 bewirken. Wie in 1 gezeigt, sind die Sinuswicklung 3 und die Cosinuswicklung 5 separate Wicklungen, sodass in der Sinuswicklung 3 und der Cosinuswicklung 5 separate Ströme fließen. Die Sinuswicklung 3 und die Cosinuswicklung 5 sind elektrisch mit separaten Anschlüssen der Verarbeitungsschaltung 9 verbunden, wobei der Strom, der in der Sinuswicklung 3 fließt, so verarbeitet wird, dass er ein Sinusausgangssignal 23 bereitstellt, und der Strom, der in der Cosinuswicklung 5 fließt, so verarbeitet wird, dass er ein Cosinusausgangssignal 25 bereitstellt. Die relativen Stärken des Sinusausgangssignals 23 und des Cosinusausgangssignals 25 zeigen die relative Drehposition des ersten Glieds und des zweiten Glieds an.
Beim Eintreten in die Verarbeitungsschaltung 9 durchläuft Strom, der in der Sinuswicklung 3 fließt, zunächst eine EMV-Filterstufe 15, um Signalkomponenten mit Frequenzen abseits der Antriebsfrequenz zu reduzieren. Die herausgefilterten Signalkomponenten können beispielsweise durch Interferenz von elektrischen Signalen verursacht werden, die von anderen in der Nähe befindlichen elektrischen Komponenten erzeugt werden.
Das gefilterte elektrische Signal durchläuft anschließend eine Synchrondemodulationsstufe 17, in der das gefilterte elektrische Signal mit einem Demodulationssignal aus der TX-Treiberstufe 11 gemischt wird. Das Demodulationssignal ist in Phase mit dem Treibersignal, und da das zwischengeordnete Kopplungselement 7 aus einem leitenden Material gebildet ist, ist das elektrische Signal von der Sinuswicklung 3 um 180° phasenverschoben zu dem Treibersignal. Das demodulierte elektrische Signal, das aus der Synchrondemodulation resultiert, weist dementsprechend eine Basisbandkomponente, deren Stärke in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert, und Komponenten höherer Frequenz mit doppelter Antriebsfrequenz und mit höheren Oberschwingungen der Antriebsfrequenz auf.
Das demodulierte elektrische Signal durchläuft anschließend eine Tiefpassfilterstufe 19, um die Komponenten höherer Frequenz entsprechend den Oberschwingungen des Treibersignals zu entfernen, wobei die Basisbandkomponente übrigbleibt, und durchläuft anschließend eine Verstärkungs- und Ausgangspufferstufe 21, die es ermöglicht, dass eine anpassbare Verstärkung angewendet wird, bevor das Sinusausgangssignal 23 von der Verarbeitungsschaltung 9 ausgegeben wird.
Wie aus 1 ersichtlich wird, wird auch Strom, der in der Cosinuswicklung 5 induziert wird, einer EMV-Filterung 15, Synchrondemodulation 17, Tiefpassfilterung 19 und Verstärkungs- und Ausgangspufferung 21 in der Verarbeitungsschaltung 9 unterzogen, bevor er als das Cosinusausgangssignal 25 ausgegeben wird.
Die Sendeantenne 1, die Sinuswicklung 3 und die Cosinuswicklung 5 werden von Leiterbahnen gebildet, die auf dem ersten Glied angeordnet sind, während das zwischengeordnete Kopplungselement 7 von einem Muster 31 von leitendem Material gebildet wird, das auf dem zweiten Glied angeordnet ist.
In diesem Beispiel zeigt 2 das Layout von Leiterbahnen auf dem ersten Glied, und 3 zeigt das Muster 31 von leitendem Material auf dem zweiten Glied. Zur einfachen Erklärung zeigen 4A, 4B und 4C jeweils einzeln die Leiterbahn, die die Sendeantenne 1 bildet, die Leiterbahn, die die Sinuswicklung 3 bildet, und die Leiterbahn, die die Cosinuswicklung 5 bildet. Aus 2 wird ersichtlich, dass die Leiterbahnen im Allgemeinen drehsymmetrische Muster bilden, die auf der Drehachse 29 des ersten Glieds zentriert sind.
Wie in 4A ersichtlich, weist die Leiterbahn, die die Sendeantenne 1 bildet, einen inneren Satz von Schleifen 41, die einen mittleren Abschnitt umgeben, der sich mit einer ersten radialen Erstreckung 49a von der Drehachse 29 erstreckt, und einen äußeren Satz von Schleifen 43, die den inneren Satz von Schleifen 41 so umgeben, dass ein Kreisring zwischen dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43 über eine zweite radiale Erstreckung 49b gebildet wird, auf. Ausgehend von dem Betrachtungspunkt aus 4A fließt ein Antriebsstrom, der der Leiterbahn an Anschluss 45 zugeführt wird, in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn) um den äußeren Satz von Schleifen 43 und in dem entgegengesetzten Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) um den inneren Satz von Schleifen 41. Der Antriebsstrom fließt anschließend zu Anschluss 47 (es versteht sich, dass der radiale Abschnitt der Leiterbahn, der den inneren Satz von Schleifen 41 kreuzt, und der radiale Abschnitt der Leiterbahn, der den äußeren Abschnitt von Schleifen kreuzt, jeweils elektrisch von dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43 isoliert sind). Durch Zuführen eines oszillierenden elektrischen Signals zu der Sendeantenne 1 wird ein Magnetfeld, das Feldkomponenten einer Polarität aufweist, durch den Kreisring zwischen dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43, und von entgegengesetzter Polarität durch den mittleren Abschnitt, der von dem inneren Satz von Schleifen 41 umschlossen ist, erzeugt.
Wie in 4B gezeigt, bildet die Sinuswicklung 3 zwei Sätze von Stromschleifen. Strom, der in dem ersten Satz von Stromschleifen 51a-51d in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn) fließt, fließt in dem zweiten Satz von Stromschleifen in dem anderen Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn). Die Stromschleifen 51 des ersten Satzes sind mit den Stromschleifen 53 des zweiten Satzes in symmetrischer Weise winklig verschränkt. Bei Verlauf in einer Drehrichtung wiederholt sich das Layout der leitenden Wicklung, die die Sinuswicklung 3 bildet, dementsprechend periodisch, wobei jede Periode eine Schleife 51 des ersten Satzes und eine Schleife 53 des zweiten Satzes umfasst. In diesem Beispiel gibt es vier Perioden, wobei jedoch eine andere Anzahl von Perioden verwendet werden könnte.
In einer ähnlichen Weise, wie in 4C gezeigt, bildet die Cosinuswicklung zwei Sätze von Stromschleifen, wobei Strom in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn) in den Stromschleifen 61a-61d des ersten Satzes und in dem anderen Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) in den Stromschleifen 63a-63d des zweiten Stromsatzes fließt. Die Stromschleifen 61 des ersten Satzes sind mit den Stromschleifen 63 des zweiten Satzes in symmetrischer Weise winklig verschränkt. Bei Verlauf in einer Drehrichtung wiederholt sich das Layout der leitenden Wicklung, die die Cosinuswicklung 5 bildet, dementsprechend periodisch, wobei jede Periode eine Schleife 61 des ersten Satzes und eine Schleife 63 des zweiten Satzes umfasst. Die Cosinuswicklung 5 weist die gleiche Anzahl von Wicklungen wie die Sinuswicklung 3 auf, ist jedoch in Bezug auf die Sinuswicklung 3 um ein Viertel einer Periode winkelversetzt.
Bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements 7 gleichen sich die elektromotorischen Kräfte, die von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, direkt in der Sinuswicklung 3 induziert werden, gegenseitig so aus, dass kein Strom als direkte Folge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, in der Sinuswicklung 3 fließt. Ferner, wie in 5 schematisch gezeigt, gleichen sich elektromotorische Kräfte, die in der Sinuswicklung 3 von beliebigen alternierenden Hintergrundmagnetfeldern, die über die Erstreckung der Sinuswicklung 3 im Wesentlichen einheitlich sind, induziert werden, bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements 7 im Wesentlichen gegenseitig aus, was in im Wesentlichen keinem zugehörigen Stromfluss resultiert. In einer ähnlichen Weise, bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements 7, gleichen sich die elektromotorischen Kräfte, die von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, direkt in der Cosinuswicklung 5 induziert werden, gegenseitig so aus, dass kein Strom als direkte Folge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, in der Cosinuswicklung 5 fließt, und gleichermaßen gleichen sich elektromotorische Kräfte, die von beliebigen alternierenden Hintergrundmagnetfeldern, die über die Erstreckung der Cosinuswicklung 5 im Wesentlichen einheitlich sind, in der Cosinuswicklung 5 induziert werden, gegenseitig im Wesentlichen aus, was in im Wesentlichen keinem zugehörigen Stromfluss resultiert.
Wie in 3 gezeigt, wiederholt sich auch das Muster 31 von leitendem Material, das das zwischengeordnete Kopplungselement bildet, periodisch in einer Drehrichtung, mit der gleichen Anzahl von Perioden (in diesem Beispiel vier) wie die Sinuswicklung 3 und die Cosinuswicklung 5. Jede Periode entspricht einem Sektor 33 eines Kreises und wird von zwei benachbarten, nicht überlappenden Teilsektoren 35a, 35b gebildet. In dem ersten Teilsektor 35a fehlt leitendes Material über eine erste radiale Erstreckung 37a hinweg, die sich von der Mitte des Musters zu einer ersten radialen Position erstreckt, während leitendes Material über eine zweite radiale Erstreckung 37b hinweg, die sich von der ersten radialen Position zu einer zweiten radialen Position erstreckt, vorhanden ist. Auf dem zweiten Teilsektor 35b ist leitendes Material über die gesamte erste radiale Erstreckung 37a hinweg vorhanden, während leitendes Material über die zweite radiale Erstreckung 37b hinweg fehlt, sodass die Teilmuster in dem ersten und dem zweiten Teilsektor 35a, 35b komplementär sind. An dem Übergang von der ersten radialen Erstreckung 37a und der zweiten radialen Erstreckung 37b ist ein Spalt zwischen dem leitenden Material in dem ersten Teilsektor 37a und dem zweiten Teilsektor 37b vorgesehen, um zu verhindern, dass ungewollte Stromschleifen gebildet werden.
6 zeigt das leitende Muster 31 des zwischengeordneten Kopplungselements 7, das die Sinuswicklung 3 überlagert, in einer relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds. Im Hinblick auf das Magnetfeld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, erfolgt über die erste radiale Erstreckung 37a des leitenden Musters 31 eine Kopplung in die Stromschleifen 51 des ersten Satzes von Stromschleifen, wohingegen über die zweite radiale Erstreckung 37b des leitenden Musters 31 eine Kopplung in den zweiten Satz von Stromschleifen erfolgt. Da die Polarität des Magnetfelds, das von der ersten Sendeantenne 1 über die erste radiale Erstreckung 37a erzeugt wird, jedoch entgegengesetzt zu der Polarität des Magnetfelds ist, das von der Sendeantenne 1 über die zweite radiale Erstreckung 37b erzeugt wird, wirken die induzierten elektromotorischen Kräfte gemeinsam, um einen Strom in der Sinuswicklung 3 zu erzeugen. Die Stärke des Stroms, der in der Sinuswicklung 3 infolge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, induziert wird, wird in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds gemäß einer ersten sinusförmigen Funktion variieren. Gleichermaßen wird die Stärke des Stroms, der in der Cosinuswicklung 5 infolge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds gemäß einer zweiten sinusförmigen Funktion, die um 90° phasenverschoben zu der ersten sinusförmigen Funktion ist, variieren.
Im Hinblick auf ein beliebiges alternierendes Hintergrundmagnetfeld schirmt das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements 7 benachbarte Abschnitte der Empfangsantenne ab. Das Muster 31 des zwischengeordneten Kopplungselements 7 und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen 51 und des zweiten Satzes von Stromschleifen 53 der Sinuswicklung 3 sind jedoch gegenseitig so angeordnet, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die von dem verbleibenden alternierenden Hintergrundmagnetfeld in dem ersten Satz von Stromschleifen 51 induziert wird, durch eine elektromotorische Kraft, die von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in dem zweiten Satz von Stromschleifen 53 induziert wird, im Wesentlichen ausgeglichen wird. Dies gilt unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds. Für Komponenten eines beliebigen Hintergrundmagnetfelds mit Frequenzen nahe der Antriebsfrequenz, die durch die EMV-Filterung und die Synchrondemodulation nicht herausgefiltert werden würden, entfernt dies eine mögliche Rauschkomponente aus dem Signal entsprechend dem Strom, der von dem Feld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, induziert wird, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
Das mit Bezug auf 1 bis 6 beschriebene Beispiel unterscheidet sich von herkömmlichen Ausgestaltungen hinsichtlich des Musters des leitenden Materials 31, das das zwischengeordnete Kopplungselement 7 bildet, und des Layouts der Leiterbahn der Sendeantenne 1. Wie vorstehend erörtert, können die Unterschiede eine Reihe von technischen Effekten und Vorteilen erzielen. Zum Beispiel können die Unterschiede einen Ausgleich von elektromagnetischen Kräften, die in der Sinuswicklung 3 und der Cosinuswicklung 5 von einem einheitlichen alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert werden, unabhängig von der relativen Drehposition zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied erzielen. Ein weiterer Drehpositionssensor gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird nun mit Bezug auf 7 bis 9 beschrieben, wobei sich der Drehsensor hinsichtlich des Layouts der Sendeantenne und der Empfangsantenne von herkömmlichen Ausgestaltungen unterscheidet, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
In diesem Beispiel zeigt 7 das Layout von Leiterbahnen, die die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 71 an dem ersten Glied bilden, und 8 zeigt das Muster 81 von leitendem Material auf dem zweiten Glied. Zur einfachen Erklärung zeigen 9A, 9B und 9C jeweils einzeln die Leiterbahn, die die Sendeantenne 1 bildet, die Leiterbahn, die die Sinuswicklung 3 bildet, und die Leiterbahn, die die Cosinuswicklung 5 bildet. Aus 7 wird ersichtlich, dass die Leiterbahnen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne im Allgemeinen drehsymmetrisch um die Drehachse 29 des ersten Glieds sind.
Wie in 9A ersichtlich, weist die Leiterbahn, die die Sendeantenne 1 bildet, im Wesentlichen das gleiche Layout wie die Leiterbahn auf, die die Sendeantenne des vorhergehenden Beispiels bildet, wie in 4A veranschaulicht, und dementsprechend wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um auf die gleichen Merkmale zu verweisen. Insbesondere weist die Leiterbahn einen inneren Satz von Schleifen 41, die einen mittleren Abschnitt umgeben, der sich mit einer ersten radialen Erstreckung 49a von der Drehachse 29 erstreckt, und einen äußeren Satz von Schleifen 43, die den inneren Satz von Schleifen 41 so umgeben, dass ein Kreisring zwischen dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43 über eine zweite radiale Erstreckung 49b gebildet wird, auf. Ausgehend von dem Betrachtungspunkt von 9A fließt ein Antriebsstrom, der der Leiterbahn an Anschluss 45 zugeführt wird, in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn) um den äußeren Satz von Schleifen 43 und in dem entgegengesetzten Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) um den inneren Satz von Schleifen 41. Der Antriebsstrom fließt anschließend zu Anschluss 47 (es versteht sich, dass der radiale Abschnitt der Leiterbahn, der den inneren Satz von Schleifen 41 kreuzt, und der radiale Abschnitt der Leiterbahn, der den äußeren Abschnitt von Schleifen kreuzt, jeweils elektrisch von dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43 isoliert sind). Durch Zuführen eines oszillierenden elektrischen Signals zu der Sendeantenne 1 wird ein Magnetfeld, das Feldkomponenten einer Polarität aufweist, durch den Kreisring zwischen dem inneren Satz von Schleifen 41 und dem äußeren Satz von Schleifen 43, und von entgegengesetzter Polarität durch den mittleren Abschnitt, der von dem inneren Satz von Schleifen 41 umschlossen ist, erzeugt.
Wie in 9B gezeigt, bildet die Sinuswicklung der Empfangsantenne 71 zwei Sätze von Stromschleifen. In dem ersten Satz von Stromschleifen 91a-91d fließt Strom in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn), während in dem zweiten Satz von Stromschleifen 53a-53d Strom in dem anderen Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) fließt. Die Stromschleifen 91, 93 sind jeweils aus einer ersten Teilschleife innerhalb einer ersten radialen Erstreckung 95a und einer zweiten Teilschleife innerhalb einer zweiten radialen Erstreckung, die sich über die erste radiale Erstreckung in einer nicht überlappenden Weise erstreckt, gebildet, wobei die erste Teilschleife von der zweiten Teilschleife winkelversetzt ist. Die Stromschleifen 91 des ersten Satzes sind mit den Stromschleifen 93 des zweiten Satzes in symmetrischer Weise winklig verschränkt. Dementsprechend, bei Verlauf in einer Drehrichtung wiederholt sich das Layout der leitenden Wicklung, die die Sinuswicklung 3 bildet, periodisch über Sektoren eines Kreises, wobei ein Sektor 97 einen ersten Teilsektor umfasst, der winklig benachbart zu einem zweiten Teilsektor ist, wobei der erste Teilsektor innerhalb einer ersten radialen Erstreckung 95a eine Teilschleife von einer des ersten Satzes von Stromschleifen 91 und innerhalb einer zweiten radialen Erstreckung 95b eine Teilschleife von einer des zweiten Satzes von Stromschleifen 93 umfasst, und wobei der zweite Teilsektor innerhalb der ersten radialen Erstreckung 95a eine Teilschleife von einer des zweiten Satzes von Stromschleifen 93 und innerhalb der zweiten radialen Erstreckung 95b eine Teilschleife von einer des ersten Satzes von Stromschleifen 91 umfasst. In diesem Beispiel gibt es vier Perioden, wobei jedoch eine andere Anzahl von Perioden verwendet werden könnte.
In einer ähnlichen Weise, wie in 9C gezeigt, bildet die Cosinuswicklung zwei Sätze von Stromschleifen, wobei Strom in einem Drehsinn (z. B. im Uhrzeigersinn) in den Stromschleifen 101a-101d des ersten Satzes und in dem anderen Drehsinn (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) in den Stromschleifen 103a-103d des zweiten Stromsatzes fließt. Die Stromschleifen 101 des ersten Satzes sind mit den Stromschleifen 103 des zweiten Satzes in der gleichen Weise wie bei der in 9B veranschaulichten Sinuswicklung in einer symmetrischen Weise winklig verschränkt, sind jedoch in Bezug auf die Sinuswicklung um ein Viertel einer Periode winkelversetzt.
Bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements gleichen sich die elektromotorischen Kräfte, die von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, direkt in der Sinuswicklung induziert werden, gegenseitig so aus, dass kein Strom als direkte Folge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, in der Sinuswicklung 3 fließt. Ferner, wie in 10 schematisch gezeigt, gleichen sich elektromotorische Kräfte, die in der Sinuswicklung von beliebigen Hintergrundmagnetfeldern, die über die Erstreckung der Sinuswicklung im Wesentlichen einheitlich sind, induziert werden, bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements im Wesentlichen gegenseitig aus, was in im Wesentlichen keinem zugehörigen Stromfluss resultiert. In einer ähnlichen Weise, bei Fehlen des zwischengeordneten Kopplungselements, gleichen sich die elektromotorischen Kräfte, die von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, direkt in der Cosinuswicklung induziert werden, gegenseitig so aus, dass kein Strom als direkte Folge des Magnetfelds, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, in der Cosinuswicklung fließt, und gleichermaßen gleichen sich elektromotorische Kräfte, die von beliebigen Hintergrundmagnetfeldern, die über die Erstreckung der Cosinuswicklung im Wesentlichen einheitlich sind, in der Cosinuswicklung induziert werden, gegenseitig im Wesentlichen aus, was in im Wesentlichen keinem zugehörigen Stromfluss resultiert.
Wie in 8 gezeigt, wiederholt sich auch das Muster 81 des leitenden Materials, das das zwischengeordnete Kopplungselement bildet, periodisch in einer Drehrichtung, mit der gleichen Anzahl von Perioden (in diesem Beispiel vier) wie die Sinuswicklung und die Cosinuswicklung. Jede Periode entspricht einem Sektor eines Kreises und wird von zwei benachbarten, nicht überlappenden Teilsektoren gebildet. In dem ersten Teilsektor 35a fehlt leitendes Material, während in dem zweiten Teilsektor 35b leitendes Material vorhanden ist. Dies entspricht einer herkömmlichen Ausgestaltung für ein zwischengeordnetes Kopplungselement.
Im Hinblick auf ein beliebiges alternierendes Hintergrundmagnetfeld sind das Muster 81 des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen 91 und des zweiten Satzes von Stromschleifen 93 der Sinuswicklung gegenseitig so angeordnet, dass, wie in 11 gezeigt, eine beliebige elektromotorische Kraft, die in dem ersten Satz von Stromschleifen 91 von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, durch elektromotorische Kraft, die in dem zweiten Satz von Stromschleifen 93 von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, im Wesentlichen ausgeglichen wird. Dies gilt unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds. Für Komponenten eines beliebigen Magnetfelds mit Frequenzen nahe der Antriebsfrequenz, die durch die EMV-Filterung und die Synchrondemodulation nicht herausgefiltert werden würden, entfernt dies eine mögliche Rauschkomponente aus dem Signal entsprechend dem Strom, der von dem Feld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, induziert wird, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
In den mit Bezug auf 1 bis 6 und 7 bis 11 beschriebenen Beispielen erstrecken sich die Sendeantenne und die Empfangsantenne über 360°, und daher können Daten, die die relative Position des ersten und des zweiten Glieds anzeigen, über einen vollständigen Bereich einer Drehbewegung hinweg bereitgestellt werden (es versteht sich, dass die bereitgestellten Daten keine eindeutige Position anzeigen, sondern stattdessen eine von einer beschränkten Anzahl an möglichen Positionen anzeigen). In anderen Drehsensoren kann die relative Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Glied innerhalb eines Winkelbereichs beschränkt sein. Bei solchen Anordnungen ist es bekannt, die Sendeantenne und die Empfangsantenne gemäß dem Bereich der Winkelbewegung nur über einem Sektor des ersten Glieds vorzusehen. Herkömmliche Anordnungen können jedoch unter dem Problem des Rauschens leiden, das von alternierenden Hintergrundmagnetfeldern verursacht wird. 12 bis 14 stellen eine Drehposition gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar, die Layouts von Sendeantenne und Empfangsantenne nutzen, um solches Rauschen für einen Drehpositionssensor zu reduzieren, der einen beschränkten Bewegungswinkelbereich aufweist.
12 zeigt das Layout der leitenden Wicklungen, die die Sendeantenne und die Empfangsantenne an dem ersten Glied bilden. Zur einfachen Erklärung zeigen 13A bis 13C jeweils die Leiterbahn 131, die die Sendeantenne bildet, die Leiterbahn 141, die die Sinuswicklung der Empfangsantenne bildet, und die Leiterbahn 151, die die Cosinuswicklung der Empfangsantenne bildet.
Wie in 13A gezeigt, weist die Leiterbahn 131, die die Sendeantenne bildet, eine erste Schleife 133a, die im Allgemeinen mit einem ersten kleineren Kreisbogen eines auf der Drehachse zentrierten Kreises ausgerichtet ist, und eine zweite Schleife 133b, die der ersten Schleife diametral entgegengesetzt ist und im Allgemeinen mit einem zweiten kleineren Kreisbogen des auf der Drehachse zentrierten Kreises ausgerichtet ist, auf. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt fließt Strom durch die erste Schleife 133a und die zweite Schleife 133b in entgegengesetzten Drehsinnen (d. h. ausgehend von der Perspektive in 13A im Uhrzeigersinn durch die erste Schleife 133a und entgegen dem Uhrzeigersinn durch die zweite Schleife 133b, oder umgekehrt), sodass ein alternierender Strom, der durch die Leiterbahn 131 fließt, infolge eines Stromflusses durch die erste Schleife 133a ein Magnetfeld erzeugt, das eine entgegengesetzte Polarität zu dem Magnetfeld aufweist, das infolge eines Stroms erzeugt wird, der durch die zweite Schleife 133b fließt. Es versteht sich, dass die erste Schleife 133a und die zweite Schleife 133b durch zwei separate Leiterbahnen verbunden sind, die voneinander isoliert sind, aber im Wesentlichen dem gleichen Pfad folgen.
Wie in 13B gezeigt, weist die Leiterbahn 141, die die Sinuswicklung der Empfangsantenne bildet, einen ersten Satz von Stromschleifen, der zwei Stromschleifen 143a, 143b umfasst, und einen zweiten Satz von Stromschleifen, der zwei Stromschleifen 145a, 145b umfasst, auf. Die Leiterbahn 141 ist so gewickelt, dass ein Strom, der in der Leiterbahn 141 fließt, in einem ersten Drehsinn durch den ersten Satz von Stromschleifen 143 und in dem entgegengesetzten Drehsinn durch den zweiten Satz von Stromschleifen 145 fließen würde. Eine Stromschleife 143a des ersten Satzes von Stromschleifen und eine Stromschleife 145a des zweiten Satzes von Stromschleifen sind im Allgemeinen mit der ersten Schleife 133a der Leiterbahn 131 der Sendeantenne ausgerichtet, aber winklig voneinander beabstandet, und gleichermaßen sind die andere Stromschleife 143b des ersten Satzes von Stromschleifen und die andere Stromschleife 145b des zweiten Satzes von Stromschleifen im Allgemeinen mit der zweiten Schleife 133b der Leiterbahn 131 der Sendeantenne ausgerichtet, aber winklig voneinander beabstandet. Jede Stromschleife 143 des ersten Satzes von Stromschleifen ist einer Stromschleife 145 des zweiten Satzes von Stromschleifen diametral entgegengesetzt. Es versteht sich, dass die erste Schleife 143a des ersten Satzes von Stromschleifen und die zweite Schleife 143b des ersten Satzes von Stromschleifen durch zwei separate Leiterbahnen verbunden sind, die voneinander isoliert sind aber im Wesentlichen dem gleichen Pfad folgen.
Wie in 13C gezeigt, entspricht das Layout der Leiterbahn 151 der Cosinuswicklung der Empfangsantenne im Wesentlichen dem Layout der Leiterbahn der Sinuswicklung, gedreht um ein Viertel einer Periode.
In diesem Beispiel ist das Muster des leitenden Materials, das das zwischengeordnete Kopplungselement bildet, das gleiche wie das in 8 gezeigte und wird unter Verwendung des gleichen Bezugszeichens 81 bezeichnet.
Im Hinblick auf ein beliebiges alternierendes Hintergrundmagnetfeld sind das Muster 81 des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen 143 und des zweiten Satzes von Stromschleifen 145 der Sinuswicklung gegenseitig so angeordnet, dass, wie in 14 gezeigt, eine beliebige elektromotorische Kraft, die in einer Stromschleife des ersten Satzes von Stromschleifen 143 von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, durch elektromotorische Kraft, die in einer Stromschleife des zweiten Satzes von Stromschleifen 145 von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, im Wesentlichen ausgeglichen wird. Dies gilt unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds. Für Komponenten eines beliebigen Hintergrundmagnetfelds mit Frequenzen nahe der Antriebsfrequenz, die durch die EMV-Filterung und die Synchrondemodulation nicht herausgefiltert werden würden, entfernt dies eine mögliche Rauschkomponente aus dem Signal entsprechend dem Strom, der durch das Feld, das von der Sendeantenne 1 erzeugt wird, induziert wird, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beinhalteten alle eine Verwendung eines neuartigen Sendeantennenlayouts in Kombination mit entweder einem neuartigen Empfangsantennenlayout oder einem neuartigen leitenden Muster, das auf dem zwischengeordneten Kopplungselement gebildet ist. Es wird nun ein Beispiel mit Bezug auf 15 bis 17 beschrieben, das ein neuartiges leitendes Muster auf dem zwischengeordneten Kopplungselement verwendet.
15 zeigt die Leiterbahnen, die auf dem ersten Glied gebildet sind, um die Sendeantenne und die Empfangsantenne zu bilden. Zur einfachen Erklärung sind die Leiterbahn 171, die die Sendeantenne bildet, die Leiterbahn 181, die die Sinuswicklung bildet, und die Leiterbahn 191, die die Cosinuswicklung bildet, in 16A bis 16B jeweils getrennt gezeigt. Wie in 16A gezeigt, wird die Leiterbahn, die die Sendeantenne bildet, von einem Satz von Schleifen gebildet, die auf der Drehachse zentriert sind und einen ähnlichen Radius aufweisen. Wie in 16B und 16C gezeigt, sind die Leiterbahn 181, die die Sinuswicklung für die Empfangsantenne bildet, und die Leiterbahn, die die Cosinuswicklung für die Empfangsantenne bildet, im Wesentlichen die gleichen wie die, die jeweils in 4B und 4C gezeigt sind.
In diesem Beispiel, wie in 17 gezeigt, liegt das leitende Material 201 auf dem zwischengeordneten Kopplungselement in der Form eines durchgehenden Musters unterschiedlicher Dicke vor. Insbesondere erstreckt sich das leitende Material 201 in diesem Beispiel über die gesamte Erstreckung der Empfangsantenne und weist Bereiche mit einer ersten Dicke d₁ und Bereiche mit einer zweiten Dicke d₂ auf. Im Vergleich von 17 mit 8 wird ersichtlich, dass die Bereiche, die in dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 17 die erste Dicke d₁ aufweisen, im Wesentlichen den Bereichen entsprechen, in denen leitendes Material in 8 fehlt, und die Bereiche, die in dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 17 die zweite Dicke d₂ aufweisen, im Wesentlichen den Bereichen entsprechen, in denen leitendes Material in 8 vorhanden ist. Der Fachmann wird verstehen, dass in Bezug auf das Magnetfeld, das durch alternierenden Strom, der durch die Leiterbahnen 171 der Sendeantenne fließt, erzeugt wird, elektromagnetische Kräfte in den Leiterbahnen 181, 191 der Empfangsantenne in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds aufgrund des Musters von leitendem Material 201 in dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 8 induziert werden. Ferner schirmt die durchgehende Erstreckung des leitenden Materials 201 des zwischengeordneten Kopplungselements aus 17 über der Empfangsantenne die Empfangsantenne gegen alternierende Hintergrundmagnetfelder ab, wodurch Rauschen reduziert wird. In diesem Beispiel ist die Differenz zwischen der ersten Dicke d₁ und der zweiten Dicke d₂ von der gleichen Größenordnung wie etwa die Breite der Schleifen der Sinuswicklung und der Cosinuswicklung, was in einer guten Signalstärke resultiert.
In einigen Ausführungsformen könnte das zwischengeordnete Kopplungselement aus 17 durch das zwischengeordnete Kopplungselement aus 18 ersetzt werden, um die Signalstärke zu erhöhen. In diesem Beispiel wird eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material 211 auf einem nicht leitenden Substrat 213 (wie beispielsweise einer Leiterplatte) mit einem Muster gebildet, das mit dem Muster des leitenden Materials des zwischengeordneten Kopplungselements aus 8 übereinstimmt. Angesichts der Dünne des ferromagnetischen Materials wird ein alternierendes Hintergrundmagnetfeld im Wesentlichen ungehindert durch das zwischengeordnete Kopplungselement aus 18 hindurchgehen. Dementsprechend wird eine beliebige elektromotorische Kraft, die von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in einer Stromschleife des ersten Satzes von Stromschleifen 141 induziert wird, durch elektromotorische Kraft ausgeglichen, die von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld in einer Stromschleife des zweiten Satzes von Stromschleifen 143 induziert wird.
17 und 18 veranschaulichen zwischengeordnete Kopplungselemente, bei denen das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements die gesamte Empfangsantenne überlappt, wodurch es die Empfangsantenne gegen ein beliebiges alternierendes Hintergrundmagnetfeld abschirmt. In einigen Ausführungsformen wird das zwischengeordnete Kopplungselement durch alternierende Sektoren aus leitendem Material und ferromagnetischem Material in dem gleichen Muster wie in 17 und 18 gezeigt, gebildet. In einer solchen Anordnung gibt es eine Rauschkomponente in dem Strom, der in der Sinuswicklung und der Cosinuswicklung fließt, da das ferromagnetische Material die Empfangsantenne nicht gegen ein alternierendes Hintergrundmagnetfeld abschirmt. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird jedoch weiter verbessert, wenn das Signal verstärkt wird, da sowohl das leitende Material als auch das ferromagnetische Material, in einer kooperativen Weise in Anbetracht der Differenz der Phasenverschiebungen, die von dem leitenden Material und dem ferromagnetischen Material ausgeübt werden, zu der Signalkomponente des Stroms, der in der Sinuswicklung und in der Cosinuswicklung fließt, beitragen.
Obgleich die zwischengeordneten Kopplungselemente aus 3 und 8 Muster aufweisen, die durch einheitliche Erstreckungen von leitendem Material gebildet werden, ist dies nicht notwendig. Wie in 19 gezeigt, könnte das Muster aus 3 durch ein Muster 221 ersetzt werden, bei dem jede Erstreckung von leitendem Material durch eine leitende Schleife ersetzt wird, die dem Umfang dieser Erstreckung entspricht. Bei dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 19 wird ein alternierendes Hintergrundmagnetfeld elektromotorische Kräfte induzieren, die bewirken, dass Ströme, die den gleichen Richtungssinn aufweisen, so in jeder Schleife fließen, dass sie ein Magnetfeld erzeugen, das dem Hintergrundmagnetfeld entgegengesetzt ist. Auf diese Weise stellt das zwischengeordnete Kopplungselement aus 19 eine Abschirmwirkung in Bezug auf ein alternierendes Hintergrundmagnetfeld in einer ähnlichen Weise zu dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 3 bereit. Dementsprechend könnte, für Ausführungsformen, die das zwischengeordnete Kopplungselement aus 3 nutzen, alternativ das zwischengeordnete Kopplungselement aus 19 verwendet werden.
In ähnlicher Weise zeigt 20 ein Muster 231 einer Leiterbahn, das anstelle des zwischengeordneten Kopplungselements aus 8 verwendet werden könnte.
Die Leiterbahnen, die Schleifen in dem zwischengeordneten Kopplungselement aus 19 bilden, könnten alternativ verkettet werden, um eine geschlossene leitende Wicklung 241 (d. h. eine leitende Wicklung, bei der die Enden miteinander verbunden sind), wie in 21 gezeigt, oder mehrere geschlossene leitende Wicklungen, wie in 22 gezeigt, zu bilden, in denen die Leiterbahn vier leitende Flügel 251a-251d bildet, in denen jede leitende Wicklung ausgeglichene Sätze von Schleifen im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn in Bezug auf ein einheitliches Hintergrundmagnetfeld bildet. Bei den zwischengeordneten Kopplungselementen aus 21 und 22 resultiert, anstelle einer Abschirmung der Empfangsantennen gegen Hintergrundmagnetfelder, das Ausgleichen der leitenden Wicklungen in Bezug auf Hintergrundmagnetfelder in keinen Nettostromflüssen in dem zwischengeordneten Kopplungselement aufgrund des alternierenden Hintergrundmagnetfelds. Daher entfernen die zwischengeordneten Kopplungselemente aus 21 und 22 die Abschirmungswirkung des zwischengeordneten Kopplungselements gegenüber alternierenden Magnetfelder effektiv, anstatt die Abschirmwirkung des zwischengeordneten Kopplungselements in Bezug auf die leitenden Wicklungen der Empfangsantenne auszugleichen. Da die Empfangsantennen selbst in Bezug auf Hintergrundmagnetfelder ausgeglichen sind, wird Rauschen in den Empfangsantennen, das von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld erzeugt wird, im Wesentlichen verhindert. Dementsprechend könnte, für Ausführungsformen, die das zwischengeordnete Kopplungselement aus 3 nutzen, alternativ das zwischengeordnete Kopplungselement aus 21 oder 22 verwendet werden.
In dem Beispiel aus 12 bis 14 ist jede Schleife des ersten Satzes von Schleifen einer Schleife des zweiten Satzes von Schleifen diametral entgegengesetzt. In einigen Ausführungsformen können die unterschiedlichen Segmente relativ zueinander um ein beliebiges Vielfaches der Hälfte der Periodizität des leitenden Musters des zwischengeordneten Kopplungselements gedreht werden.
Obgleich die Empfangsantenne in allen der vorstehend aufgeführten Beispiele sowohl eine Sinuswicklung als auch eine Cosinuswicklung aufweist, ist dies nicht notwendig, und es könnte nur eine der Sinuswicklung und der Cosinuswicklung verwendet werden. In solchen Anordnungen könnte ein Rückkopplungssignal genutzt werden, um die Stärke des oszillierenden Antriebsstroms, der an der Sendeantenne angelegt wird, so zu variieren, dass Positionsinformationen einzig aus dem Strom abgeleitet werden können, der in der einzelnen Sinus-/Cosinuswicklung fließt. Die vorstehenden Ausführungsformen sind als veranschaulichende Beispiele der vorliegenden Offenbarung zu verstehen.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind vorgesehen. Es versteht sich, dass ein beliebiges Merkmal, das in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschrieben wird, allein oder in Kombination mit anderen beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und auch in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen beliebiger anderer Ausführungsformen, oder einer beliebigen Kombination von einer beliebigen anderen der Ausführungsformen verwendet werden kann. Überdies können auch Äquivalente und Abwandlungen, die vorstehend nicht beschrieben sind, eingesetzt werden, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung, der in den begleitenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Drehpositionssensor, der ein erstes Glied und ein zweites Glied umfasst, wobei eines von dem ersten und dem zweiten Glied eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne aufweist, und das andere von dem ersten und dem zweiten Glied ein zwischengeordnetes Kopplungselement aufweist, wobei die Sendeantenne mindestens eine leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass Wechselstrom, der in der mindestens einen leitenden Wicklung fließt, ein alternierendes Sendemagnetfeld erzeugt, wobei die Empfangsantenne eine leitende Wicklung umfasst, die in einem Layout angeordnet ist, das einen ersten Satz von Stromschleifen und einen zweiten Satz von Stromschleifen aufweist, die so angeordnet sind, dass Strom, der in der leitenden Wicklung fließt, in dem ersten Satz von Stromschleifen in einem ersten Drehsinn fließt und in dem zweiten Satz von Stromschleifen in einem zweiten Drehsinn, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt ist, fließt, und wobei das zwischengeordnete Kopplungselement ein leitendes Material umfasst, das in einem Muster angeordnet ist, sodass die elektromotorische Kraft, die in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem alternierenden Sendemagnetfeld induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert, wobei das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen und des zweiten Satzes von Stromschleifen gegenseitig so angeordnet sind, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die in dem ersten Satz von Stromschleifen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, durch elektromotorische Kraft, die in dem zweiten Satz von Stromschleifen von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds im Wesentlichen ausgeglichen wird.
Drehpositionssensor nach Anspruch 1, wobei sich das Layout der leitenden Wicklung der Empfangsantenne periodisch in einer Winkelrichtung wiederholt, und das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements ein Teilmuster umfasst, das sich in der Winkelrichtung mit der gleichen Periode wie die leitende Wicklung periodisch wiederholt.
Drehpositionssensor nach Anspruch 2, wobei der erste Satz von leitenden Schleifen und der zweite Satz von leitenden Schleifen so in der Winkelrichtung verschränkt sind, dass eine Winkelperiode der leitenden Wicklung der Empfangsantenne eine von dem ersten Satz von Stromschleifen winklig benachbart zu einer von dem zweiten Satz von Stromschleifen umfasst, wobei das Teilmuster des leitenden Materials des zwischengeordneten Kopplungselements komplementäre radiale Abschnitte umfasst, sodass es entlang eines Radius mindestens eine erste radiale Erstreckung, in der leitendes Material vorhanden ist, und mindestens eine zweite radiale Erstreckung, in der leitendes Material fehlt, gibt, und wobei die Sendeantenne so angeordnet ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das sich in einer ersten Polarität über die erste Erstreckung hinweg und in einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, über die zweite radiale Erstreckung hinweg in die Empfangsantenne einkoppelt.
Drehpositionssensor nach Anspruch 3, wobei die Sendeantenne so angeordnet ist, dass sie das alternierende Sendemagnetfeld so erzeugt, dass das alternierende Sendemagnetfeld in jede von dem ersten Satz von Stromschleifen und dem zweiten Satz von Stromschleifen mit der ersten Polarität in einem radialen Abschnitt benachbart zu einer Achse des Drehpositionssensors und mit der zweiten Polarität in einem radialen Abschnitt distal von der Achse des Drehpositionssensors einkoppelt.
Drehpositionssensor nach Anspruch 2, wobei jede Periode der leitenden Wicklung der Empfangsantenne einem Sektor eines Kreises entspricht, wobei der Sektor einen ersten Teilsektor umfasst, der winklig benachbart zu einem zweiten Teilsektor ist, wobei der erste Teilsektor innerhalb einer ersten radialen Erstreckung eine von dem ersten Satz von Stromschleifen, und innerhalb einer zweiten radialen Erstreckung eine von dem zweiten Satz von Stromschleifen umfasst, und wobei der zweite Teilsektor innerhalb einer ersten radialen Erstreckung eine von dem zweiten Satz von Stromschleifen, und innerhalb einer zweiten radialen Erstreckung eine von dem ersten Satz von Stromschleifen umfasst, wobei das Teilmuster des leitenden Materials des zwischengeordneten Kopplungselements einen Teilsektor, in dem leitendes Material vorhanden ist, benachbart zu einem Teilsektor, in dem leitendes Material fehlt, umfasst.
Drehpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die Sendeantenne eine erste Stromschleife innerhalb eines ersten Segments des ersten Glieds und eine zweite Stromschleife innerhalb eines zweiten Segments des ersten Glieds umfasst, wobei die erste Koppelschleife und die zweite Stromschleife der Sendeantenne so angeordnet sind, dass sie Magnetfelder entgegengesetzter Polaritäten erzeugen, wobei die Empfangsantenne mindestens eine von dem ersten Satz von Stromschleifen und mindestens eine von dem zweiten Satz von Stromschleifen innerhalb des ersten Segments und mindestens eine von dem zweiten Satz von Stromschleifen innerhalb des zweiten Segments umfasst, wobei das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements so angeordnet ist, dass, wenn ein leitendes Material benachbart zu einer Stromschleife des ersten Satzes von Stromschleifen in dem ersten Segment vorhanden ist, leitendes Material benachbart zu einer Stromschleife des zweiten Satzes von Stromschleifen in dem zweiten Segment vorhanden ist.
Drehpositionssensor nach Anspruch 6, wobei das erste und das zweite Segment diametral entgegengesetzt sind.
Drehpositionssensor nach Anspruch 1, bei dem das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements in einem dreidimensionalen Muster angeordnet ist, das sich benachbart zu der Erstreckung der Empfangsantenne erstreckt, um die Empfangsantenne gegen das Hintergrundmagnetfeld abzuschirmen, wobei erste Bereiche des leitenden Materials in größerer Nähe zu der Empfangsantenne als zweite Bereiche des leitenden Materials angeordnet sind, sodass der Strom, der in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne erzeugt wird, induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert.
Drehpositionssensor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements benachbarte Abschnitte der Empfangsantenne gegen ein alternierendes Hintergrundmagnetfeld abschirmt, und wobei das Layout der leitenden Wicklung so angeordnet ist, dass, unabhängig von der relativen Drehposition in dem ersten und dem zweiten Glied, elektromotorische Kräfte, die in dem ersten Satz von Spulen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld, das sich durch das zwischengeordnete Kopplungselement hindurchbewegt, induziert werden, durch elektromotorische Kräfte, die in dem zweiten Satz von Spulen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld, das sich durch das zwischengeordnete Kopplungselement hindurchbewegt, induziert werden, ausgeglichen werden.
Drehpositionssensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements eine oder mehrere geschlossene leitende Wicklungen umfasst, wobei jede geschlossene leitende Wicklung einen ausgeglichenen Satz von Schleifen im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn in Bezug auf ein einheitliches Hintergrundmagnetfeld umfasst.
Drehpositionssensor nach Anspruch 8, wobei der erste und der zweite Satz von Stromschleifen der Empfangsantenne eine zugeordnete Breite aufweisen, und wobei die ersten Bereiche des leitenden Materials des zwischengeordneten Kopplungselements um eine Distanz in der Größenordnung von etwa der Breite des ersten und des zweiten Satzes von Stromschleifen näher an der Empfangsantenne sind, als die zweiten Bereiche des leitenden Materials des zwischengeordneten Kopplungselements.
Drehpositionssensor nach Anspruch 1, bei dem das leitende Material des zwischengeordneten Kopplungselements in einem dreidimensionalen Muster angeordnet ist, das sich benachbart zu der Erstreckung der Empfangsantenne erstreckt, um die Empfangsantenne gegen das Hintergrundmagnetfeld abzuschirmen, wobei ein Muster von ferromagnetischen Material auf dem leitenden Material gebildet ist, wobei das Muster von ferromagnetischem Material so angeordnet ist, dass der Strom, der in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne erzeugt wird, induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert.
Drehpositionssensor, der ein erstes Glied und ein zweites Glied umfasst, wobei das erste Glied eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne aufweist und das zweite Glied ein zwischengeordnetes Kopplungselement aufweist, wobei die Sendeantenne mindestens eine leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass Wechselstrom, der in der mindestens einen leitenden Wicklung fließt, ein alternierendes Sendemagnetfeld erzeugt, wobei die Empfangsantenne mindestens eine leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Satz von Stromschleifen und einen zweiten Satz von Stromschleifen bildet, die so angeordnet sind, dass Strom, der in der leitenden Wicklung fließt, in dem ersten Satz von Stromschleifen in einem ersten Drehsinn, und in dem zweiten Satz von Stromschleifen in einem zweiten Drehsinn, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt ist, fließt, und wobei das zwischengeordnete Kopplungselement Bereiche von leitendem Material und Bereiche von ferromagnetischem Material umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, sodass der Strom, der in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem Magnetfeld, das von der Sendeantenne erzeugt wird, induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert.
Drehpositionssensor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitende Wicklung der Empfangsantenne eine erste leitende Wicklung ist, und wobei die Empfangsantenne ferner eine zweite leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass die relativen Stärken der Ströme, die in der ersten und der zweiten Wicklung induziert werden, die Drehposition des ersten und des zweiten Glieds anzeigen, wobei die zweite leitende Wicklung so angeordnet ist, dass sie einen dritten Satz von Stromschleifen und einen vierten Satz von Stromschleifen bildet, die so angeordnet sind, dass Strom, der in der zweiten leitenden Wicklung fließt, in dem dritten Satz von Stromschleifen in einem ersten Drehsinn und in dem vierten Satz von Stromschleifen in einem zweiten Drehsinn, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt ist, fließt, wobei das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des dritten Satzes von Stromschleifen und des vierten Satzes von Stromschleifen gegenseitig so angeordnet sind, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die in dem dritten Satz von Stromschleifen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, durch elektromotorische Kraft, die in dem vierten Satz von Stromschleifen von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds im Wesentlichen ausgeglichen wird.
Drehpositionssensor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Erregungsschaltung, die so angeordnet ist, dass sie der Sendeantenne ein oszillierendes elektrisches Signal zuführt; und eine Verarbeitungsschaltung, die so angeordnet ist, dass sie Strom, der in der Empfangsantenne fließt, verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die relative Drehposition des ersten und des zweiten Glieds anzeigt.
Drehpositionssensor nach Anspruch 15, wobei die Erregungsschaltung und die Verarbeitungsschaltung in einer integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung integriert sind.
Verfahren zum Erfassen der relativen Drehposition eines ersten Glieds und eines zweiten Glieds, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen eines oszillierenden Erregungssignals zu einer Sendeantenne, die auf dem ersten Glied gebildet ist, wobei die Sendeantenne mindestens eine leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass Wechselstrom, der in der mindestens einen leitenden Wicklung fließt, ein alternierendes Sendemagnetfeld erzeugt, Verarbeiten mindestens eines Signals von einer Empfangsantenne, die auf dem ersten Glied gebildet ist, infolge eines Stroms, der von dem alternierenden Sendemagnetfeld in einem zwischengeordneten Kopplungselement, das auf dem zweiten Glied gebildet ist, induziert wird, wobei die Empfangsantenne eine leitende Wicklung umfasst, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Satz von Stromschleifen und einen zweiten Satz von Stromschleifen bildet, die so angeordnet sind, dass Strom, der in der leitenden Wicklung fließt, in dem ersten Satz von Stromschleifen in einem ersten Drehsinn, und in dem zweiten Satz von Stromschleifen in einem zweiten Drehsinn, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt ist, fließt, wobei das zwischengeordnete Kopplungselement ein leitendes Material umfasst, das in einem Muster angeordnet ist, sodass die elektromotorische Kraft, die in der leitenden Wicklung der Empfangsantenne von dem alternierenden Sendemagnetfeld induziert wird, in Abhängigkeit von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds variiert, und wobei das Muster des zwischengeordneten Kopplungselements und das Layout des ersten Satzes von Stromschleifen und des zweiten Satzes von Stromschleifen gegenseitig so angeordnet sind, dass eine beliebige elektromotorische Kraft, die in dem ersten Satz von Stromschleifen von einem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, durch elektromotorische Kraft, die in dem zweiten Satz von Stromschleifen von dem alternierenden Hintergrundmagnetfeld induziert wird, unabhängig von der relativen Drehposition des ersten und des zweiten Glieds im Wesentlichen ausgeglichen wird.