本發(fā)明涉及一種轉角傳感器，借助該轉角傳感器例如能夠確定軸和另一構件之間的轉角。

背景技術：

為了測量轉角，已知例如轉角傳感器，在這些轉角傳感器中，磁鐵借助相應的磁場傳感器被轉動。磁場向量的測量能推斷出轉角。這種傳感器也對外部磁場做出反應，這些外部磁場例如通過電流由相鄰布置的電線引起并且可能對干擾非常敏感。

另一類轉角傳感器利用渦流效應。在此，例如金屬靶借助傳感器線圈運動，用交流電壓供給該傳感器線圈并且在靶中感應出渦流。這導致傳感器線圈的電感減小并且通過頻率改變推斷出轉角。例如線圈是振蕩電路的構件，該振蕩電路的共振頻率在電感改變時被偏移。但是，這類轉角傳感器能夠具有相對于安裝公差（首先是靶的傾斜）的高橫向靈敏度。也能夠通過外部的電磁場干擾產生的頻率（注頻鎖相:injectionlocking），因為這通常以幾十兆赫茲的頻率范圍工作。

另外，文獻us7191759b2，us7276897b2，ep0909955b1，us6236199b1和ep0182085b1公開了基于耦合線圈的轉角傳感器。在這些文獻中，在唯一的勵磁線圈中建立電磁交變場，該電磁交變場耦合到多個接收線圈中并且在那里分別感應出電壓。能轉動地支承的導電的靶被用于測量轉角，該靶與其角度位置有關地影響勵磁線圈和接收線圈之間的感應耦合。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施方式能夠以有利的方式實現(xiàn)，確定軸和另一構件之間的轉角，使得外部干擾和/或構件公差僅對測量具有小的影響。

本發(fā)明涉及一種轉角傳感器，該轉角傳感器尤其能夠應用在具有高電磁干擾場的環(huán)境中。例如，能夠在發(fā)動機室中或在發(fā)動機室附近使用該轉角傳感器，例如用于確定節(jié)氣門的位置、bldc電動機（無刷直流電動機）的轉子位置、油門踏板的位置或凸輪軸的位置。

根據本發(fā)明的實施方式，轉角傳感器包括具有至少兩個線圈的定子元件、相對于定子元件能轉動地支承的轉子元件，實施該轉子元件用于與轉角有關地不同程度地與至少兩個線圈的每一個感應耦合或者以一個感應元件不同程度地覆蓋該至少兩個線圈，并且包括分析處理單元用于確定轉子元件和定子元件之間的轉角。也能夠承載分析處理單元（例如ic，即集成電路，或asic，專用集成電路）的定子元件能夠例如布置在軸的、在其上固定有轉子元件的端部的對面。轉子元件能夠承載靶或感應元件，該靶或感應元件隨軸一起運動、覆蓋線圈并且由此改變線圈的電感。

另外分析處理單元實施成用于借助三相輸入導線給三個線圈供給三相交流電壓。該交流電壓的單個電壓能夠例如是分別呈120度角的相位差和/或具有相同的頻率和/或相同的幅值或相同的量值。在通常情況下，分析處理單元提供相對彼此呈120度角偏移的電壓作為交流電壓，這些電壓具有相同的頻率和相同的量值。三相電壓系統(tǒng)常常存在并且也能夠在車輛中以簡單的方式產生。該交流電壓能夠例如是兆赫茲量級的頻率。另外分析處理單元實施成用于求得輸入導線中的至少一個支路電流的量值和/或相位，以便由此確定轉角。例如，由于能導電的、布置在轉子上的感應元件，線圈的電感被影響，這導致在輸入導線的三個導體中的不同支路電流。

例如，在每個輸入導線的導體中能夠布置有測量電阻，例如在三角形電路的角點和各個分析處理單元的交流電壓源之間。各個測量電阻不必設置為單獨構件，而是也能夠是分析處理單元的內電阻。

通過測量一個或多個支路電流（例如借助在各自測量電阻上的電壓），分析處理單元能夠確定在轉子元件和定子元件之間的當前的相對轉角。例如，支路電流（通常是正弦形式）是具有量值和相位的交流電流，借助在測量電阻上的電壓下降，該交流電流作為交流電壓被測量。在此，該分析處理單元能夠由支路電流的量值和/或相位確定轉角。

因為轉角傳感器以簡單的方式借助電感的相對改變這樣檢測轉角，那么借助線圈盡可能均勻的電磁場能夠僅小程度地影響該測量。以此，轉角傳感器相對于電磁干擾是耐用的。因為能夠取消常常在傳感器線圈外部延伸的附加的勵磁線圈，那么用于傳感器的制造空間是小的。

根據本發(fā)明的實施方式實施分析處理單元，用于求得在輸入導線中兩個或三個支路電流的量值和/或相位，以便由此確定轉角。不必測量所有三個支路電流。例如也能夠基于僅兩個支路電流來確定轉角。

根據本發(fā)明的實施方式，這些支路電流或當前的支路電流在線圈的相同電感的情況下相加為零。換言之，在線圈的外部接頭上的電壓相互抵消（例如在呈120度角的相位差的、相同幅值的支路電流情況下）。當線圈具有相同的電感時，這些支路電流也都相同。如果這些電感通過轉子元件的轉動而改變，這些支路電流則將不同。

根據本發(fā)明的實施方式實施分析處理單元用于由至少一個支路電流的量值和/或相位確定在定子元件和轉子元件之間的軸向距離。除當前的轉角之外，兩個組件之間的距離（例如通過對時間的取平均值）也能夠被確定，以便這樣減少在確定角度時的系統(tǒng)錯誤。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈是平面線圈。在此，平面線圈理解為是這樣的線圈，它的所有匝或繞組（原文：windung）基本處于一個平面中。平面線圈能力例如僅具有它的直徑的1%的高度。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈布置在電路板上和/或電路板中。例如匝或繞組能夠全部裝在電路板的兩側上。在具有多個平面的電路板中，線卷或繞組也能夠在該電路板內部延伸。電路板也能夠承載用于分析處理單元的構件和/或ic。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈在軸向方向上至少部分地相互覆蓋。這些線圈能夠在定子元件中基本布置在一個平面中（例如在電路板上或內部），其中，這些線圈在周向方向上相對彼此偏移。這些線圈中的每個基本能夠布置在與軸向方向垂直的平面中。兩個線圈在軸向方向上至少部分相互覆蓋能夠理解為：這兩個線圈在軸向方向上觀察時至少部分相互覆蓋。這也可以理解為：這兩個線圈在沿軸向方向投影到一個垂直于軸向方向的平面上時至少部分相互覆蓋。

根據本發(fā)明的實施方式，這些線圈中的每一個具有至少兩個在周向方向上彼此相繼的繞組或區(qū)段。從軸向視角看（即以在轉子元件的轉動軸線方向上的觀察方向來看），線圈能夠具有多個環(huán)。在此，繞組或區(qū)段能夠包括一個或多個線圈的導線環(huán)，這些導線環(huán)完全環(huán)繞由該線圈所環(huán)繞的面積。這些繞組能夠在一平面中延伸，該平面基本垂直于轉子元件的轉動軸線延伸。

根據本發(fā)明的實施方式，這些線圈中的每一個具有至少一個第一繞組和至少一個第二繞組，其中，該至少一個第一繞組和該至少一個第二繞組反方向地走向。當以交流電壓供給線圈時，則該線圈產生電磁交變場，該電磁交變場在第一繞組中（基本上）在第一方向上走向并且在第二繞組中在相反的第二方向上走向。第一方向和第二方向能夠基本平行于轉子元件的轉動軸線地走向。

由線圈產生的交變場在轉子元件中感應出電流（與轉子元件的位置有關），這些電流又產生交變場，這些交變場與該線圈或它的繞組相互作用并且因此改變電感。

作用在線圈上的并且基本均勻地通過兩個反方向走向的繞組延伸的外部電磁場在該線圈中產生電流，這些電流基本相互抵消（在繞組具有同樣大的電感的情況下）。以這種方式能夠平衡外部干擾場。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈的第一繞組和第二繞組在定子元件的周向方向上相互交替地布置。以這種方法，每個線圈產生一個繞組鏈，這些繞組彼此相繼地相互反向地走向。

根據本發(fā)明的實施方式，由第一繞組環(huán)繞的面積等于由第二繞組環(huán)繞的面積。當這些繞組中的每一個具有相同數量的導線環(huán)時，則引起：該線圈已經基本抑制均勻的干擾場。在此可能的是：一個或多個線圈具有不同大小的繞組。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈的繞組環(huán)繞不同大小的面積。在一個線圈多個繞組的情況下也可能的是：線圈具有不同大小的繞組，使得雖然線圈相互覆蓋，但是繞組卻相互錯開地布置。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈的繞組相互錯開地布置。由此，轉子元件或位于其上的感應元件不同程度地覆蓋不同線圈的至少部分相互覆蓋的繞組，使得得到相關線圈的不同電感。

根據本發(fā)明的實施方式，線圈布置在轉子元件的僅一個角度區(qū)域中。例如，線圈能夠圍繞轉子元件的轉動軸線中心點以α/n（n是線圈數量，α是傳感器的感應范圍，小于等于360度角）相互錯開地布置。也可能的是：這些線圈完全相互覆蓋并且僅它們的繞組相互錯開地布置。

根據本發(fā)明的實施方式，這些線圈中的每一個完全環(huán)繞定子元件。所有線圈能夠或沿區(qū)段圓?。ㄐ∮?60度角）或滿圓?。ǖ扔?60度角）圍繞定子元件布置?？梢岳斫猓谶@種情況下，由線圈環(huán)繞的面積不是必須覆蓋定子元件的軸線或中心。即，線圈能夠僅布置在定子元件的邊緣區(qū)域中。

根據本發(fā)明的實施方式，轉子元件具有至少一個感應元件或目標件，該感應元件或目標件布置在轉子元件的一角度區(qū)域中。換言之，轉子元件僅部分環(huán)繞感應元件。正如這些線圈一樣，感應元件能夠僅設置在轉子元件的邊緣區(qū)域中。感應元件可以是金屬目標件，該目標件在轉子元件上能轉動地、在軸向方向上與定子元件對置地布置。該感應元件能夠由全材料或由電路板上的導體制成。該感應元件也能夠通過在以整體材料中的缺口例如銑削槽或作為沖壓件被提供。

根據本發(fā)明的實施方式，感應元件在軸向方向上基本僅覆蓋一個線圈的一個繞組。感應元件和線圈的該繞組能夠基本布置在一垂直于軸向方向的平面中。如果感應元件和繞組在軸向方向上至少部分地相互覆蓋，則能夠理解為：該感應元件和該繞組在軸向方向上觀察時至少部分地相互覆蓋。這也能夠理解為：該感應元件和該繞組在沿軸向方向投影到垂直于軸向方向的平面上時至少部分地相互覆蓋。

以這種方式，感應元件僅改變最多一個繞組的電感并且轉角傳感器獲得最大分辨率。也可能的是：轉子元件包括多個感應元件，這些感應元件例如以相同的距離在周向方向上圍繞轉動軸線布置。

附圖說明

接下來參照附圖描述本發(fā)明的實施方式，其中，附圖和描述都不作為對本本發(fā)明的限制。

圖1示意性示出根據本發(fā)明的實施方式的轉角傳感器。

圖2示意性示出根據本發(fā)明的另一實施方式的轉角傳感器。

圖3a,3b和3c示意性示出用于圖2中的轉角傳感器的線圈布置。

圖4示出用于圖2中的轉角傳感器的感應元件。

圖5示意性示出根據本發(fā)明的另一實施方式的轉角傳感器。

圖6a,6b和6c示意性示出用于圖5中的轉角傳感器的線圈布置。

圖7示出用于圖5中的轉角傳感器的感應元件。

這些圖示僅是示意性并且并非與尺寸一致。相同的參考標記在這些圖示中表示相同或相同作用的特征。

具體實施方式

圖1示出由定子元件12和轉子元件14構成的轉角傳感器10。轉子元件14能夠固定在構件的軸16上，例如在節(jié)氣門、馬達、凸輪軸、油門踏板等的軸上，或者由該軸16提供。軸16能夠圍繞軸線a轉動并且定子元件12在相應的軸向方向上與轉子元件14対置。例如，定子元件12固定在構件的殼體上。

定子元件12包括電路板18，在該電路板上布置有多個在該電路板18平面中的線圈20。電路板18可以是多層電路板18并且線圈20的導體能夠位于電路板18的兩側并且能夠位于電路板18的這些單層之間。用于分析處理單元22的其他構件能夠位于電路板18上。分析處理單元22能夠給線圈20供給多相交流電流并且也能夠通過測量來確定定子元件12和轉子元件14之間的相對轉角。

轉子元件14包括一個或多個感應元件24，這些感應元件在軸向方向上與線圈20対置。感應元件24能夠如圖1中示出的一樣地布置在另一電路板上，該電路板固定在軸16上。也可能的是：感應元件24通過加工軸16的端部來產生。

當分析處理單元22給線圈20供給交流電壓時，該交流電壓產生磁場，該磁場又在由導電材料制成的感應元件24中感應出渦流。這些渦流又產生磁場，這些磁場與線圈20交互作用并且改變線圈20的電感。基于這些改變的電感，分析處理單元22能夠確定轉角。

圖2中示出轉角傳感器10。該轉角傳感器具有第一線圈20a、第二線圈20b和第三線圈20c。在該實施例中，這三個線圈20a，20b，20c覆蓋圍繞軸線a小于360度（這里例如是120度）的僅一個角度范圍。為了更清楚，這些線圈的每一個不覆蓋全部的角度范圍。

這三個線圈20a，20b，20c在第一接頭26上與分析處理單元22連接并且在那里由該分析處理單元22給這三個線圈供給具有三個單個電壓v1,v2,v3的三相交流電壓。另外的接頭28與接頭26這樣連接：由這三個線圈20a，20b，20c產生三角形電路30。在此，第一線圈20a的另一接頭28與第二線圈20b的第一接頭26連接。第二線圈20b的另一接頭28與第三線圈20c的第一接頭26連接。并且，第三線圈20c的另一接頭28與第一線圈20a的第一接頭26連接。以這種方式，該三角形電路30連接在一起。交流電壓的單個電壓v1,v2,v3能夠具有相同的頻率和相同的幅值，并且在此具有分別呈120度角的相位差。

借助三相輸入導線32，分析處理單元22給該三角形電路30供給交流電壓v1,v2,v3。在輸入導線32的每個支路中有測量電阻rm1，rm2，rm3，借助這些測量電阻，分析處理單元22能夠測量在各個電阻上下降的電壓vm1，vm2，vm3。之后，從這些電壓vm1，vm2，vm3能夠確定各自對應的支路電流。

由于這三個線圈20a，20b，20c的、通過感應元件24的與轉角有關的位置引起的不同電感，這些支路電流也與該轉角有關。尤其每個支路電流的量值和/或相位與該轉角有關。從這三個支路電流的量值和/或相位中，分析處理單元22則能夠確定轉角。

當第一線圈20a、第二線圈20b、第三線圈20c的電感大小相等時，輸入導線32的支路中的電流也大小相等。通過能導電的、在軸向方向上觀察是與這三個線圈20a，20b，20c對置的感應元件24，線圈20a，20b，20c的電感改變，并且引起支路電流的不平衡性。通過根據量值和相位測量所有這三個支路電流（通過根據量值和相位方面測量或檢測或確定在電阻上下降的電壓）既能夠確定感應元件24或轉子元件14與傳感器元件12在軸向方向上的距離，也能夠確定感應元件的位置并且從而確定轉角。

圖2進一步示出：這三個線圈20a，20b，20c被實施為具有多個處于一個平面中的繞組34的平面線圈。這三個線圈20a，20b，20c在周向方向上相互錯開地布置在定子元件12上。它們沿軸向方向觀察或在俯視視角中沿軸向方向至少部分相互覆蓋。

圖3a，3b和3c示意性示出用于這三個線圈20a，20b，20c的可能的線圈布置。圖3a中的線圈20a包括各一個第一繞組34a和一個第二繞組34b。兩個繞組34a，34b大小相同或環(huán)繞相同的面積。這兩個繞組沿周向方向相互錯開。

圖3b和3c中的線圈20b和20c各包括兩個第一繞組34a和一個第二繞組34b。第二繞組34b在周向方向上布置在所述第一繞組34a之間。這兩個第一繞組34a大小不同和/或分別小于第二繞組34b。這兩個第一繞組34a所環(huán)繞的面積之和相當于第二繞組34a所環(huán)繞的面積。

在圖3a，3b和3c中示出的線圈20a，20b，20c能夠這樣安裝在轉角傳感器中，使得這些線圈完全相互覆蓋。在此，對線圈20a，20b，20c中的每一個供給單個交流電壓v1,v2,v3，如在圖2中示出的一樣。以這種方式，線圈20b，20c的環(huán)繞不同大小的面積的繞組34a，34b相對于線圈20a的繞組34a，34b而錯開，使得一個線圈20a，20b，20c的繞組34a，34b分別總是與另一線圈的繞組34a，34b僅部分地相互覆蓋。以這種方式可以實現(xiàn)用于由這三個線圈20a，20b，20c覆蓋的角度范圍的最大角度分辨率。

線圈20a，20b，20c中的每一個包括方向相反的繞組，這些繞組能夠被劃分為具有第一走向的第一繞組34a和具有方向相反的第二走向的繞組34b。每個線圈的繞組34a，34b在周向方向上圍繞軸線a彼此相繼地布置，使得產生具有變化走向的繞組鏈。

第一繞組34a和第二繞組34b分別環(huán)繞相同的面積，使得通過線圈20a，20b，20c中的每一個的均勻（干擾）磁場在各個的繞組34a，34b中產生電流，其中，一個線圈20a，20b，20c中的各個電流相互抵消。

圖4示出感應元件24并且由于直觀性原因僅示出一個線圈，即第一線圈20a。但是，下面的實施方式也能夠適用于第二線圈20b和第三線圈20c。如圖4示出，感應元件24幾乎與繞組一樣大，即從軸向角度觀察或在沿軸向方向的投影中覆蓋沿周向幾乎相同的面積。這些繞組34a，34b中的每一個產生一個磁場，該磁場又在感應元件24中產生渦流，這些渦流又產生磁場，這些磁場在各自的繞組中產生電流并且這樣改變各自繞組34a，34b的電感并且因此改變線圈20a，20b，20c的總電感。因此，線圈20a，20b，20c的電感根據具有感應元件的轉子元件14的角度位置而改變。因為不同線圈20a，20b，20c的繞組34a，34b相互錯開地布置，感應元件24則附加地不同程度地改變每個線圈20a，20b，20c的電感，使得產生轉角傳感器10的好的角度分辨率。

圖5至7示出類似圖2至4中的圖示。當不做其它說明時，這些實施方式相應地適用于圖2至4。

在圖5至7中示出轉角傳感器10，該轉角傳感器的第一線圈20a、第二線圈20b和第三線圈20c完全包圍傳感器元件12。線圈20a，20b，20c相同地構造。如在圖2中一樣，這些線圈20a，20b，20c相互錯開地布置在轉子元件12上。線圈20a，20b，20c的6個繞組34a，34b全部分別環(huán)繞相同面積，以便抵消外部干擾場。繞組的數量不限于6個，但應是偶數個，以便抵消干擾場。從繞組的數量和張開角度得到傳感器的周期性。

圖7示出轉子元件14的實施方式并且由于直觀性原因示出定子元件12的僅第一線圈20a的實施方式。圖7示出：在轉子元件14上也能夠布置有三個感應元件24。通過這三個呈120度角相互錯開的感應元件24，能夠在120度角的單一區(qū)域中得到公差的更好抵消，這些感應元件分別大致覆蓋一個繞組34a，34b。

最后指出：術語如“具有”，“包括”等不排除其他元件，并且術語如“一個”不排除多個的情況。在權利要求中的參考標記不視為對本發(fā)明的限制。