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位置传感器

阅读：691发布：2020-05-12

IPRDB可以提供位置传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请公开了一种位置传感器(200)，其包括具有带有外部边界(208)的电导体(204)的目标(202)、至少部分位于导体(204)内的空隙(216)之间延伸的开口(212)，其中开口(212)中断在导体(204)内空隙(216)周围的电流路径。(216)、以及导体(204)的外部边界(208)和空隙，下面是位置传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种位置传感器，其包含：

目标，其包含：

具有外部边界的电导体；

至少部分位于所述导体内的空隙；以及

在所述导体的所述外部边界和所述空隙之间延伸的开口，其中所述开口中断在所述空隙周围的所述导体中的电流路径；以及定位为与所述目标相邻的励磁线圈，其中所述励磁线圈用于在所述电导体中感应出电流。

2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述空隙比所述导体的导电性弱。

3.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述空隙是自由空间。

4.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述导体的所述外部边界是圆形的。

5.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述空隙是圆形的。

6.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述开口是与所述空隙相同的材料。

7.根据权利要求1所述的位置传感器，进一步包含电耦合到所述线圈的处理器，其中所述处理器用于测量响应于由所述线圈在所述导体中感应出的电流的所述线圈的感应系数和所述线圈的谐振阻抗中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的位置传感器，进一步包含电耦合到所述线圈的处理器，其中所述处理器用于产生流过所述励磁线圈的电流。

9.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述目标是三维的。

10.根据权利要求9所述的位置传感器，其中所述空隙位于所述导体内。

11.一种用于位置感测装置的目标，所述目标包含：具有外部边界的导体；

至少部分位于所述导体中的空隙，所述空隙具有边界；以及在所述空隙的所述边界和所述导体的所述外部边界之间延伸的开口。

12.根据权利要求11所述的目标，其中所述空隙比所述导体的导电性弱。

13.根据权利要求11所述的目标，其中所述空隙是自由空间。

14.根据权利要求11所述的目标，其中所述导体的所述外部边界是圆形的。

15.根据权利要求11所述的目标，其中所述空隙是圆形的。

16.根据权利要求11所述的目标，其中所述开口是与所述空隙相同的材料。

17.根据权利要求11所述的目标，其中所述开口是自由空间。

18.根据权利要求11所述的目标，其中所述导体可定位为与线圈相邻并且用于改变响应于由所述线圈在所述导体中感应出的电流的所述线圈的感应系数和所述线圈的谐振阻抗中的至少一个。

19.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述目标是三维的，并且其中所述空隙位于所述导体内。

20.一种位置传感器，其包含：

目标，其包含：

具有外部边界的电导体；

至少部分位于所述导体内的空隙，所述空隙比所述导体的导电性弱；以及在所述导体的所述外部边界和所述空隙之间延伸的开口，其中所述开口中断在所述空隙周围的所述导体中的电流路径；

定位为与所述目标相邻的励磁线圈，其中所述励磁线圈用于在所述电导体中感应出电流；

电耦合到所述线圈的处理器，其中所述处理器用于测量响应于由所述线圈在所述导体中感应出的电流的所述线圈的感应系数和所述线圈的谐振阻抗中的至少一个，并且其中所述处理器用于产生流过所述励磁线圈的电流。

说明书全文

位置传感器

背景技术

[0001] 旋转编码器或位置传感器是基于感应到目标内的涡电流确定旋转目标的角位置的装置。励磁线圈在目标内感应涡电流，其中涡电流的强度与目标相对于线圈的位置成比例。涡电流改变线圈的感应系数，其中涡电流的强度与线圈中的感应系数的变化成比例。线圈的感应系数被测量以用于确定目标的角位置。目标的位置感测可以部分通过目标在x-y平面内的形状、目标沿垂直于x-y平面的z轴的高度或通过形状和高度参数两者而实现。

[0002] 上述位置传感器的一个问题是如果目标的形状被设置为使得目标的导电部分形成闭合电流路径，则该目标可以作为大寄生电感器。该大寄生电感器导致与原始目标设计预期的耦合方法相比可替代的耦合方法。尽管预期的测量机制是靠近线圈产生涡电流，但大寄生电感器可以导致在更大距离处产生附加涡电流。这些附加涡电流降低了紧密靠近处的励磁线圈中感应系数的总变化，这降低了位置感测的精度。

[0003] 附加地，对于具有两个或更多励磁线圈的系统，目标中寄生感应系数造成的闭合电流路径也可以导致在大距离处线圈之间的可替代的耦合路径。闭合电流路径可以在横向或竖直维度中，并进一步减小位置感测的精度。

发明内容

[0004] 位置传感器包括具有带有外部边界的电导体的目标、至少部分位于导体内的空隙、以及所述导体的外部边界和空隙之间延伸的开口，其中开口中断空隙周围的导体内的电流路径。

附图说明

[0005] 图1A是现有技术中的位置传感器的实施例的俯视平面图。

[0006] 图1B是图1A中位置传感器的立体图。

[0007] 图2A是具有降低或消除寄生电流路径的目标的示例位置传感器的俯视平面图。

[0008] 图2B是图2A中位置传感器的立体图。

[0009] 图3是心形目标300的俯视平面图。

[0010] 图4是三维目标的示例的侧剖视图

具体实施方式

[0011] 图1A是现有技术中的位置传感器100的实施例的俯视平面图，而图1B是位置传感器100的立体图。位置传感器100有时被称为旋转编码器。位置传感器100包括具有至少被外部边界106部分限定的导体104的目标102。导体是传导电流的材料。导体的示例包括导电金属。在一些示例中，导体104和/或外部边界106是圆形的或基本圆形的，但对于本领域技术人员显然的是，导体104和/或外部边界106可以是多种不同形状。目标102包括导体104内的空隙108，其中空隙108具有限定导体104的内部边界110的边缘。导体104是金属或导电材料，其使由磁场感应的电流能够如本文所述地流动。空隙108是开放空间或至少部分由使电流不流动的材料组成，或者空隙108可以包括具有比导体104更高电阻的材料。

[0012] 励磁线圈120定位为与目标102相邻并耦合到作为线圈120的电源的处理器122。处理器122除了作为电源，还测量下面进一步描述的线圈120的感应系数和/或谐振阻抗。处理器122产生流过线圈120的电流并生成通过图1B中的磁场线127显示的磁场126。磁场126在磁场126的域128处入射到目标102。在图1B的示例中，域128被显示为具有与线圈120的开口129的面积近似的面积的圆。磁场126在导体104中感应涡电流130，该涡电流130通过它们对线圈120的感应系数和/或谐振阻抗的作用而被测量。

[0013] 目标102附着到旋转物体(未显示)以便围绕轴线140旋转，并且线圈120被保持在固定位置中，使得目标102关于线圈120移动。随着目标102旋转，在磁场126内的由域128指示的导体104的面积变化。涡电流的强度是暴露于磁场126的域128的导体104的面积的函数。涡电流的强度影响线圈120的感应系数和谐振阻抗。当目标102相对于线圈120旋转时，处理器122测量线圈120的感应系数和/或谐振阻抗以确定目标102相对于线圈120的位置。位置传感器100的操作在2013年12月23日提交的George Pieter Reitsma的名为位置检测系统(Position Detecting System)的美国专利申请14,139,701中描述，其全部公开内容作为参考并入。

[0014] 包围空隙108的导体104的至少一部分为通过线圈120感应在导体104内的涡电流产生寄生路径150。例如，如果空隙108的形状使得其形成由路径150显示的闭合电流路径，则导体104可以发挥大电感器的功能。该路径150导致与目标102的原始设计中预期的耦合方法相比可替代的耦合方法。更明确地，对涡电流的原始设计通过路径130显示。路径150中的这些附加的涡电流改变线圈120的感应系数和/或谐振阻抗，其阻碍目标102相对于线圈120的位置的准确测量。一些位置传感器具有多个线圈，因此寄生路径可以影响所有线圈。

[0015] 在此描述的目标通过中断寄生电流的路径而克服了关于寄生电流路径的问题。图2A是具有目标202的位置传感器200的俯视平面图，目标202降低或消除了上述寄生电流路径。图2B是图2A中位置传感器200的立体图。目标202是与图1A和图1B中的目标102相同或基本类似的材料。例如，目标202具有传导电流的导体204。在一些示例中，导体204是导电金属。导体204具有形成导体204的外部边界的外边缘208。传统的导体，例如图1A和图1B中的导体104，具有连续的外边缘，但是在此描述的导体202具有自外边缘208向内延伸的开口
212，使得外边缘208中断如下所述的空隙周围的寄生电流路径。

[0016] 目标202具有形成或位于其中的空隙216。空隙216可以是空的空间或其可以被导电性比导体204弱的材料填充。空隙216被边界218限定或至少部分限定。如图2A所示，开口212在边界208和218之间延伸，以便延伸到空隙216并中断否则将在空隙216周围延伸的导体204中的电流路径。因此，与空隙216相邻的导体204不用作寄生电流的路径。

[0017] 图2A和图2B中的位置传感器200具有通过在导体204内产生电流路径236的励磁线圈234产生的磁场域230。耦合到线圈234的处理器238发挥图1B中处理器122的功能并向线圈234提供电流，并且测量响应于电流路径236中的电流的线圈234的感应系数和/或谐振阻抗。线圈234产生由磁场线242显示的磁场240。磁场240导致电流在路径236中流动，这影响线圈234的感应系数和/或谐振阻抗。线圈234的感应系数和/或谐振阻抗通过处理器238测量，并与导体204上的域230的面积直接相关。导体204上的域230的面积与目标200相对于线圈234的位置成比例。因此，线圈234的感应系数和/或谐振阻抗是导体204相对于线圈234的位置的函数。

[0018] 开口212阻碍空隙216周围的导体204中形成电流路径，因此在导体204内感应出的能量主要在路径236中产生电流。通过位于路径236中的电流，与寄生涡电流相关联的问题关于空隙216被消除，并且实现了更精确的位置感测。

[0019] 在操作中，目标202围绕轴线260旋转。轴线260被显示为基本在目标202的中心，但这不是必须的。处理器238产生流过线圈234的电流，并产生磁场240。磁场入射到导体204上并感应出在导体204中流动的电流。开口212阻碍寄生电流在空隙216周围流动，因此电流被保持在位于磁场240的域230中的路径236中。随着目标202旋转，导体204在域230中的量改变，这改变了线圈234的感应系数和谐振阻抗。处理器238测量所述感应系数和/或谐振阻抗并确定目标200相对于线圈234的位置。

[0020] 目标200和空隙216在此被描述为基本圆形的。其他目标的示例包括具有多个不同形状的导体和空隙。例如，导体和空隙可以是椭圆的或类似心形的以及许多不同的封闭路径形状。在目标的所有形状中，开口被从空隙提供以中断否则寄生涡电流将通过的路径。

[0021] 图3是具有心形形状的目标300的俯视平面图。目标300具有带有位于导体302内的空隙304的导体302。导体302和空隙304两者具有类似心形的形状，这在目标300旋转时，在定位为与目标300相邻的励磁线圈中提供了具体的阻抗/谐振模式。开口310中断了否则将在空隙304周围流动的电流路径。

[0022] 在一些示例中，目标可以具有三维形状，例如圆锥。在所有的形状中，开口存在以中断空隙周围的电流路径。图4是三维目标400的示例的侧剖视图。目标400具有导体402和空隙404。在图4的示例中，空隙404基本被导体402包围。在其他示例中，空隙404可以延伸到目标400的上表面410和下表面412。因为目标400的三维性质，多个开口420可以延伸到空隙404以中断空隙404周围的寄生电流路径。开口420可以是延伸一定距离的沟槽。

[0023] 虽然在此详细描述了位置传感器的一些示例，但应理解，本发明的概念可以各自其他方式实施和使用，并且所附权利要求意图被解释为包括这些变体，除非受现有技术限制。

标题	发布/更新时间	阅读量
位置传感器-专利编号CN105027047B	2020-05-11	781
位置传感器-专利编号CN105917195A	2020-05-12	1012
位置传感器-专利编号CN109324352A	2020-05-11	884
位置传感器-专利编号CN108574430A	2020-05-11	99
位置传感器-专利编号CN105408844A	2020-05-13	346
位置传感器-专利编号CN105074638A	2020-05-13	336
位置传感器-专利编号CN107430207A	2020-05-12	964
位置传感器-专利编号CN106482622A	2020-05-12	690
位置传感器-专利编号CN102822633B	2020-05-13	216
位置传感器-专利编号CN109313043A	2020-05-11	1025

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