專利名稱：多個(gè)方向上的距離的無接觸測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)多個(gè)方向上的距離進(jìn)行無接觸測(cè)量的設(shè)備，并且特別涉及一種多軸位置傳感器。
對(duì)于無接觸位置測(cè)量，感應(yīng)傳感器可被使用。這種傳感器的工作原理是基于對(duì)依賴于傳感器和目標(biāo)體之間的距離的傳感器線圈的電感或阻尼的測(cè)量。依賴于目標(biāo)材料(鐵磁性或?qū)щ娦?，或者兩?和測(cè)量頻率，線圈的電感或阻尼會(huì)是產(chǎn)生主導(dǎo)效應(yīng)的因素。
為以低成本獲得高可再現(xiàn)性，扁平傳感器線圈可被集成在電路板上。使用扁平線圈的依照現(xiàn)有技術(shù)的傳感器顯示出垂直于傳感器線圈平面的高位置靈敏度。對(duì)傳感器線圈平面內(nèi)的側(cè)向x-和y-位置的測(cè)量原本是困難的。為在單個(gè)電路板上集成用于測(cè)量多個(gè)方向上的距離的多軸感應(yīng)傳感器，線圈繞組必須接近于目標(biāo)體所處的電路板的邊緣而被集中以獲得足夠大的靈敏度。然而，當(dāng)使用電路板時(shí)，繞組將總是被散布在表面上以獲得足夠高的匝數(shù)。因此，該設(shè)置的電感或靈敏度將是低的，并且對(duì)應(yīng)地，單個(gè)電路板上傳感器的集成不能被認(rèn)為是令人滿意的。
US 4,642,595公開了一種操縱桿，其具有繞所述體的同心線圈，以及在主線圈旁的許多附加線圈，其中，所述體被形成為由鐵氧體材料制成的芯。
US 4,825,157公開了另一種操縱桿，其作為霍爾傳感器工作并且使用磁芯。
兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)文檔都公開了磁性且非導(dǎo)電性芯體的用途。
依照所述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是克服所述缺點(diǎn)。
在本發(fā)明中，找到了對(duì)這些問題的解決方案，從而允許在單個(gè)電路板上集成多軸感應(yīng)傳感器。
依照從屬權(quán)利要求的各種實(shí)施例包括在這些傳感器的應(yīng)用中的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
典型地被實(shí)現(xiàn)為線圈的若干電感以使目標(biāo)體的位置可被測(cè)量的方式被設(shè)置。在該情況下的位置測(cè)量指的是對(duì)所述體可在空間上進(jìn)行的所有旋轉(zhuǎn)和平移的測(cè)量。根據(jù)設(shè)置，一個(gè)、兩個(gè)或直至所有六個(gè)軸可被同時(shí)測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體的情況下，繞其對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)不能被測(cè)量(5自由度(DOF)測(cè)量)。與該領(lǐng)域內(nèi)的大多數(shù)其他公知設(shè)備形成對(duì)比，繞其對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)被認(rèn)為是較不重要的。
在如US 4,642,595中的現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中，磁場(chǎng)被引導(dǎo)于磁體內(nèi)。如果所述體正在一個(gè)方向上移動(dòng)(例如向左)，則所述側(cè)上的檢測(cè)器較鄰近于鐵氧體芯并且收到較大的磁場(chǎng)。
依照本發(fā)明，轉(zhuǎn)子由全導(dǎo)電性圓柱制成，例如鋼或鋁。渦流避免了磁場(chǎng)存在于所述材料內(nèi)。因此，如果所述體正在一個(gè)方向上移動(dòng)(例如向左)，則磁場(chǎng)在所述側(cè)上被目標(biāo)體的渦流部分抑制。總磁場(chǎng)向相反方向移動(dòng)(例如向右)。相反側(cè)上的檢測(cè)器接收較大的信號(hào)。如果同心線圈和目標(biāo)體之間的間隙與其直徑相比是小的，則總磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)比目標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)大得多。這導(dǎo)致高靈敏度。
現(xiàn)在將結(jié)合在附圖中示出的示例性實(shí)施例來描述本發(fā)明，在附圖中

圖1示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第一配置的示意性透視圖，圖2示出依照?qǐng)D1的設(shè)備的示意性平面圖，圖3示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第二配置的示意性平面圖，圖4示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第三配置的示意性平面圖，其具有信號(hào)處理設(shè)置，圖5示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第四配置的示意性平面圖，圖6示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第五配置的示意性平面圖，圖7示出依照?qǐng)D6的設(shè)備的示意性斷面?zhèn)纫晥D，圖8示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第六配置的示意性平面圖，圖9示出依照?qǐng)D8的設(shè)備的示意性斷面?zhèn)纫晥D；圖10示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第七配置的示意性平面圖，并且圖11示出依照?qǐng)D10的設(shè)備的接線電路布局。
圖1示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第一配置的示意性透視圖。線圈1被纏繞于導(dǎo)電性可移動(dòng)目標(biāo)體2上并且由通過線3和發(fā)生器13的高頻電流來激勵(lì)。目標(biāo)體2是導(dǎo)電體但不是由鐵磁材料制成。與小獨(dú)立線圈僅繞目標(biāo)體放置的常規(guī)設(shè)置不同，所述線圈以使其繞組完全包圍所述體的方式被設(shè)置。因此，與常規(guī)設(shè)置相比，線圈1的電感是高的。這種線圈1的場(chǎng)被在導(dǎo)電體2中感應(yīng)的渦流抑制。這導(dǎo)致可移動(dòng)體2和線圈1之間的間隙10中的場(chǎng)集中。所述場(chǎng)高度依賴于間隙大小10。這樣，體2的位置對(duì)總的場(chǎng)分布具有大影響。
該效應(yīng)并不改變線圈1的電參數(shù)，這是因?yàn)樗鲶w的一側(cè)上增加的間隙11被相反側(cè)上減小的間隙補(bǔ)償。總場(chǎng)大約是恒定的，然而，場(chǎng)的分布隨體位置而變化。磁場(chǎng)傳感器4被用于沿線圈1的繞組繞所述體2測(cè)量場(chǎng)分布的不對(duì)稱性。傳感器4被或多或少地設(shè)置在空心圓柱設(shè)備的相同平面14內(nèi)。所得到的設(shè)置對(duì)于小的側(cè)向目標(biāo)體運(yùn)動(dòng)(X和Y方向)具有好的靈敏度，易于制造，并且由于線圈1的大電感，可以以相對(duì)低的頻率來工作。
申請(qǐng)人準(zhǔn)備有依照本發(fā)明的設(shè)備，其中，體2的直徑為20毫米。形成繞體2的平面的基板14的內(nèi)邊緣具有21毫米的直徑。因此，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，間隙大小10是0.5毫米。
該實(shí)施例被選擇和設(shè)置以使體2的直徑和間隙10的寬度之間有40∶1的關(guān)系。如果體2向右移動(dòng)例如0.3毫米，則間隙12減小到0.2毫米，相反的間隙增加到0.8毫米。因此磁場(chǎng)將向左側(cè)移動(dòng)大約12毫米。
設(shè)備的工作如下。靜止線圈1在環(huán)形基板14上盡可能鄰近于基板14的內(nèi)周邊地包圍可移動(dòng)目標(biāo)體2。這樣的距離可降低到0.2毫米。典型地處于100千赫到10兆赫范圍內(nèi)的高頻交流電3被產(chǎn)生于發(fā)生器13內(nèi)并且通過線圈1。這種設(shè)置的好處是其緊湊性一可僅使用小空間來實(shí)現(xiàn)大線圈電感。磁場(chǎng)傳感器4被實(shí)施為線圈。繞目標(biāo)體2設(shè)置的這些附加線圈4被用于測(cè)量由高頻場(chǎng)感應(yīng)的電壓，所述場(chǎng)由線圈1產(chǎn)生。這些電壓依賴于目標(biāo)體的位置并因此得到用于X-和Y-方向的獨(dú)立位置信號(hào)。
線纜3與設(shè)備的尺度相比可以是長(zhǎng)的，例如100比1，并且僅允許相對(duì)低的頻率。
用于高頻交流電的可能頻率范圍依賴于設(shè)備的尺度。所述頻率必須足夠高以使所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的實(shí)質(zhì)部分(substantial part)不能進(jìn)入導(dǎo)電體2；換句話說，在導(dǎo)電體2中感應(yīng)的渦流移位和抑制線圈1的磁場(chǎng)。
圖2示出依照?qǐng)D1的設(shè)備的示意性平面圖。在所有附圖中，相同的特征具有相同的參考數(shù)字。在圖1和2的實(shí)施例內(nèi)，使用四個(gè)線圈4。
產(chǎn)生這種位置信號(hào)的類似設(shè)置亦可通過提供較多或較少的傳感線圈來實(shí)現(xiàn)，如針對(duì)圖3和4中所示的實(shí)例。在圖3內(nèi)，依照本發(fā)明的設(shè)備的第二配置使用3個(gè)線圈4，而圖4示出六個(gè)線圈4。
即使每線圈的繞組數(shù)是低的(例如五匝)，并且即使線圈大小是小的(例如10毫米線圈直徑)，依照本發(fā)明的線圈的設(shè)置亦導(dǎo)致足夠大的電感。結(jié)果，該測(cè)量原理適合于在電路板(PCB)上的集成。電路板的使用亦確保了在與圖1中所示相同的平面14中在一個(gè)生產(chǎn)步驟中提供所有線圈1和4的可能性，允許可再現(xiàn)及低成本的制造過程以及最優(yōu)的線圈布置。線圈1和線圈4可以很接近于目標(biāo)體2地被豎起放置為多層設(shè)置，得到更加改進(jìn)的分辨率，見圖7。對(duì)于所有提及的實(shí)施例，在導(dǎo)電體2中感應(yīng)的渦流抑制線圈1的場(chǎng)。導(dǎo)電體2然后幾乎沒有磁場(chǎng)線。這導(dǎo)致可移動(dòng)體2和固定線圈1之間的間隙10中的所述場(chǎng)集中。
通過添加附加的線圈，與常規(guī)傳感器原理的組合允許測(cè)量垂直的z方向上的距離。
只要渦流效應(yīng)占優(yōu)，就有可能使用鐵磁目標(biāo)體，因此所述電感設(shè)置仍可使用。
線圈1和4形成耦合電感的系統(tǒng)。所得到的信號(hào)可基于對(duì)線圈阻抗的測(cè)量而被估計(jì)。這可以按照不同方式來實(shí)現(xiàn)。高頻交流電3亦可被施加于線圈4，代替將其連接到線圈1，這樣的電流，從而在線圈1中產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)。被施加于線圈4的電流可被選擇具有彼此的相位偏差或具有不同的頻率。
典型為約100皮法的電容器可被并聯(lián)連接到線圈4和1以補(bǔ)償線圈的感抗電流，其由此降低線纜中的電流。這得到強(qiáng)烈地依賴于目標(biāo)體2的位置的諧振電路。在所呈現(xiàn)的設(shè)置中，由于電感的耦合，與單個(gè)獨(dú)立線圈相比，諧振頻率變得明顯較低。較低的電流和較低的頻率兩者對(duì)通過連接到該設(shè)置的線纜進(jìn)行的信號(hào)傳輸都是有利的。
圖4示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第三配置的示意性平面圖，其具有信號(hào)處理裝置。通過圖4中的裝置5進(jìn)行的信號(hào)處理可被差動(dòng)地實(shí)現(xiàn)以消除傳感器漂移。此外，公知的同步解調(diào)6可被使用。然而，我們必須注意，對(duì)信號(hào)的多個(gè)不同的處理裝置和處理方法可從現(xiàn)有技術(shù)中獲得。信號(hào)處理裝置5優(yōu)選地與線圈1和4一起被集成在基板上。然而，必須指出，饋線3和測(cè)量線的小靈敏度允許分離傳感器及其信號(hào)處理裝置。
可使用其他磁場(chǎng)傳感器來代替線圈4，比方說例如，如霍爾傳感器可被使用。圖5示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第四配置的示意性平面圖，其具有三個(gè)磁場(chǎng)傳感器，使用霍爾傳感器4而不是線圈。
圖6示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第五配置的示意性平面圖，并且圖7示出依照?qǐng)D6中的線VII-VII的依照?qǐng)D6的設(shè)備的示意性斷面?zhèn)纫晥D。在圖6的實(shí)施例內(nèi)，Z-方向上軸向目標(biāo)體位置可另外通過測(cè)量到目標(biāo)體2上的臺(tái)階或槽口(notch)22的距離(或間隙)來確定。在該設(shè)置中，距離測(cè)量可通過估計(jì)線圈4的信號(hào)之和或通過估計(jì)線圈1的阻抗來實(shí)現(xiàn)。圖7實(shí)際上在一個(gè)附圖中示出了兩個(gè)不同的實(shí)施例。在圖7的左手側(cè)，線圈1在基板上和下被準(zhǔn)備于最內(nèi)的周邊上，并且線圈4在距離z軸的較大距離內(nèi)被準(zhǔn)備在與線圈1相同的平面內(nèi)。在圖7的右手側(cè)，多層設(shè)置被示出，其中線圈4被準(zhǔn)備成夾在線圈1的兩個(gè)部分之間。
圖8示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第六配置的示意性平面圖，并且圖9示出依照?qǐng)D8的設(shè)備的斷面?zhèn)纫晥D。借助附加線圈7，測(cè)量裝置可以被擴(kuò)展到附加的自由度(DOF)。圖8示出這種附加線圈7分別在線圈1和4的徑向外側(cè)被提供的設(shè)置。在圖8的實(shí)施例內(nèi)，Z-方向上軸向目標(biāo)體的位置可另外通過測(cè)量到目標(biāo)體2的較大圓柱部分22的間隙20來確定。除了X-、Y-和Z-方向上的位移以外，這些線圈7還允許估計(jì)關(guān)于X-和Y-軸的旋轉(zhuǎn)(傾斜)角度。從圖9中可以看出，線圈4和7被提供在面對(duì)較大圓柱部分22的基板14的下表面上，而圓柱包圍線圈1在另一個(gè)基板側(cè)上被提供于基板14的內(nèi)周邊處。
圖10示出依照本發(fā)明的設(shè)備的第七配置的示意性平面圖，并且圖11示出依照?qǐng)D10的設(shè)備的接線電路布局。線圈1由4個(gè)分離的繞組組成。每個(gè)線圈4都被串聯(lián)連接到線圈1的對(duì)應(yīng)繞組。這導(dǎo)致較少的連接接線。為較好地觀察，圖10僅示出繞組的一匝。激勵(lì)信號(hào)13被饋送給所有線圈4，并且線圈4的阻抗被測(cè)量。圖11示出兩層接線板。實(shí)線示出頂層上的接線，虛線示出底層上的接線，并且點(diǎn)是兩個(gè)層之間的互連。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)導(dǎo)電體(2，22)的多個(gè)方向上的距離(10，20)進(jìn)行無接觸測(cè)量的設(shè)備，包括多個(gè)感應(yīng)元件(1，4，7)，特征在于所述多個(gè)感應(yīng)元件(1，4，7)的至少一個(gè)(1)基本上在所述體(2)周圍放置，并且在于其他感應(yīng)元件或其他磁場(chǎng)傳感器(4，7)被提供在所述一個(gè)感應(yīng)元件(1)的附近。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，所述感應(yīng)元件(1，4，7)是線圈，尤其是印刷線圈。
3.如權(quán)利要求2的設(shè)備，其中，所述其他線圈(4，7)是在所述體(2)周圍不同角度位置上放置的單個(gè)線圈，并且所述一個(gè)線圈(1)被繞在所述體(2)上。
4.如權(quán)利要求2或3的設(shè)備，其中高頻電流被饋送給所述一個(gè)線圈(1)，并且來自其他線圈(4，7)的輸出信號(hào)被檢測(cè)。
5.如權(quán)利要求1到3中一項(xiàng)的設(shè)備，其中，所述高頻電流被饋送給繞所述體(2)的感應(yīng)元件(1)，其中，所述頻率足夠高以使所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大部分不能進(jìn)入所述導(dǎo)電體(2)。
6.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中，所述其他線圈(4；7)以偶數(shù)被提供并且其中相對(duì)的線圈被差動(dòng)地耦合。
7.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中，所述其他線圈(4，7)被并聯(lián)地提供有電容以形成諧振電路。
8.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中，所述體(2)包括法蘭部分(22)，并且其中另外的單個(gè)線圈(7)在法蘭部分(22)的表面附近所述體(22)周圍的不同角度位置上被放置。
9.如權(quán)利要求1到8中任何一項(xiàng)的設(shè)備用于操縱桿、轉(zhuǎn)向齒輪、馬達(dá)轉(zhuǎn)子或計(jì)算機(jī)輸入裝置的角度檢測(cè)。
10.如權(quán)利要求1到8中任何一項(xiàng)的設(shè)備用于控制磁性軸承的位置。
全文摘要
一種用于對(duì)導(dǎo)電體(2，22)的多個(gè)方向上的距離(10，20)進(jìn)行無接觸測(cè)量的設(shè)備，包括多個(gè)感應(yīng)元件(1，4，7)，所述多個(gè)感應(yīng)元件(1，4，7)的至少一個(gè)(1)基本上繞所述體(2)放置。其他感應(yīng)元件或其他磁場(chǎng)傳感器(4，7)被提供在所述一個(gè)感應(yīng)元件(1)的附近。具有這些特征的所述設(shè)備允許在單個(gè)電路板上集成多軸感應(yīng)傳感器。
文檔編號(hào)G01D5/20GK1708671SQ200380101947
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者菲利普·布勒 申請(qǐng)人:梅科斯特拉克斯勒股份公司