扭矩傳感設備的製作方法

2024-02-10 21:55:15

專利名稱：扭矩傳感設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及位置或速度的傳感，具體地但不是唯一的，涉及一種用於 測量扭矩的系統及其部件。
背景技術：
例如，扭矩測量系統施用於車輛中，用於測量施加到旋轉件(例如， 方向盤)的扭矩。為了測量扭矩，測量在沿扭杆的旋轉軸線的兩個點之間 的相對旋轉位移。
電感傳感器在過去已經用於非接觸式位置測量中。本發明致力於研究 用於結合在扭矩傳感器中感應的電感位置的技術。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用於產生表示施加到相對於殼體 可旋轉的扭杆的扭矩的旋轉位移信息的設備，其中在相對於殼體固定的發 射天線和相對於殼體固定的接收天線之間的電磁耦合根據相對於扭杆的 各間隔開的軸向位置固定的第一和第二諧振器而改變。第一和第二諧振器 具有分別不同的諧振頻率，以使由第一諧振器在接收天線中感生的信號區 別於由第二諧振器在接收天線中感生的信號。


現在將參照

本發明的實施例，其中
圖l示意性地顯示在方向盤和齒輪齒條式轉向機構的齒輪之間的連接 結構的截面視圖2示意性地顯示形成圖1中所示的連接結構的一部分的位置傳感器 的主要部件；
圖3是形成圖1中所示的連接結構的一部分的套筒構件的透視圖，所述
套筒構件上安裝有柔性印刷電路板；
圖4是展平時的圖3所示的柔性印刷電路板的平面視圖； 圖5是形成圖l中所示的連接結構的一部分的第一圓盤輪(pnck wheel)
的透視圖，所述圓盤輪上安裝有柔性印刷電路板； 圖6是圖1中所示的第一圓盤輪的平面視圖； 圖7是展平時的圖5所示的柔性印刷電路板的平面視圖； 圖8是形成圖1所示的連接結構的一部分的第二圓盤輪的透視圖，所述
第二圓盤輪上安裝有柔性印刷電路板；
圖9是展平時的圖8所示的柔性印刷電路板的平面視圖； 圖10示意性地顯示當安裝在圖1所示的連接結構中時的第一和第二圓
盤輪之間的位置關係的透視圖ll示意性地顯示套筒、第一圓盤輪和第二圓盤輪之間的位置關係的
分解圖12是當安裝在圖1所示的連接結構中時的套筒、第一圓盤輪和第二 圓盤輪之間的位置關係的透視圖13示意性地顯示形成圖11所示的位置傳感器的一部分的ASIC的主 要部件；
圖14是顯示形成圖1所示的連接結構的一部分的第一軸的第一檢測相 位角和絕對位置之間的關係的圖表；以及
圖15是顯示形成圖1所示的連接結構的一部分的第一軸的第二檢測相 位角和絕對位置之間的關係的圖表。
具體實施例方式
在本發明所示的實施例中，汽車具有連接到形成齒輪齒條式轉向機構 的一部分的齒輪的方向盤。圖l顯示了方向盤和齒輪之間的連接結構的橫 截面視圖。
第一細長的圓柱形軸1以一個縱向端5連接到方向盤(未示出)。如圖 l所示，第一軸1具有從遠離方向盤的縱向端7延伸到階梯狀區域9的直徑縮 小的軸向部分3。第二細長的圓柱形軸11以一個縱向端13連接到齒輪齒條
式轉向機構的齒輪(未示出)，並具有從遠離齒輪的縱向端17延伸的空心 軸向部分15，縱向端17此後稱為幵放端17。如圖1所示，第一軸l的直徑縮 小部分3安裝在第二軸11的空心部分15中，且第一軸l和第二軸ll軸向對 準，第一軸1的階梯狀區域9相鄰於第二軸11的開放端。鎖緊銷19將第一軸 l朝向直徑縮小部分3的端部7固定到第二軸11。
對於此說明書的其餘部分，術語軸向指第一和第二軸l和ll的公共縱 向軸的方向，術語徑向指遠離軸向垂直輻射的直線，而術語圓周方向指與 軸向和徑向均垂直的方向。
第一軸1和第二軸11相對於殼體21可旋轉地安裝，使得當汽車的駕駛 員轉動方向盤時，第一軸1和第二軸11均相對於殼體21旋轉。具體地，在 此實施例中，第一和第二軸的旋轉運動的範圍為相對於殼體21兩個整圈， 即，720°。
在此實施例中，轉向機構為電子助力轉向機構，其中電動機施加根據 由駕駛員施加到方向盤的扭矩而變化的輔助力。因此，必須監測駕駛員施
由駕駛員施加到方向盤的扭矩通過將第一軸l固定到第二軸ll的鎖緊 銷19傳遞到齒輪。然而，鎖緊銷19和第一軸1的階梯狀區域9與第二軸11 的開放端17之間的連接部之間的軸向距離造成了根據施加的扭矩變化的 階梯區域9和開放端17之間的相對旋轉位移。根據本發明，電感傳感器測 量階梯狀區域9和開放端17之間的相對旋轉位移，而施加的扭矩根據測量 的相對旋轉位移計算。
本發明的電感傳感器具有安裝到相對於殼體21固定的天線導向部25 上的天線構件23;安裝到相對於第一軸1固定的第一套筒構件29上的第一 中間連接件27 (在圖l中未示出)；以及安裝到相對於第二軸ll固定的第 二套筒構件33上的第二中間連接件31。天線構件2上形成有產生繞著第一 軸l和第二軸ll的圓周變化的磁場的發射天線(在圖l中未示出)以及接受 天線(在圖l中未示出)。發射天線相對於接收天線平衡，使得在沒有第 一中間連接件27和第二中間連接件31時，由於發射天線產生的磁場在接收 天線中將不會感生淨信號(netsignal)，但在第一中間連接件27和第二中 間連接件31存在時，根據第一軸l和第二軸ll的旋轉位置在接收天線中感
生信號。
在此實施例中，為了提高安全性，電感傳感器具有兩個獨立的傳感結 構，為第一軸l和第二軸ll的相對旋轉位移提供各自的讀數。依此方式， 如果一個傳感結構失效，則扭矩的測量可以依然利用通過另一個傳感結構 提供的相對旋轉位移讀數進行計算。如圖1所示，電感傳感器具有兩個
ASIC 35a、 35b，每個ASIC 35都由各自不同的兩個傳感結構中的一個使用。
圖2示意性地顯示了扭矩傳感電路的主要部件。在圖2中，第一傳感結 構41a和第二傳感結構41b通過虛線框示意顯示。
每個獨立的傳感結構41都具有兩個相關聯的勵磁繞組43(對於傳感結 構起到發射天線的功能)和一個傳感器繞組45 (對於傳感結構起到接收天 線的功能)。具體地，第一傳感結構41具有形成於天線構件23上並連接到 第一ASIC 35a的第一和第二勵磁繞組43a和43b以及第一傳感器繞組45a。 第一傳感結構還具有形成於第一中間連接件27上的第一諧振電路47a、和 形成於第二中間連接件31上的第二諧振電路47b。類似地，第二傳感結構 41b具有形成於天線構件23上並連接到第二ASIC 35b的第三和第四勵磁繞 組43c和43d以及第二傳感器繞組45b、形成於第一中間連接件27上的第三 諧振電路47c和形成於第二中間連接件31上的第四諧振電路47d。
在此實施例中，對於第一傳感結構41a，第一和第二勵磁繞組產生通 過分別環繞整個圓周的正弦和餘弦函數的二十個周期而變化的徑向磁場 分量，而第三和第四勵磁繞組產生通過分別環繞整個圓周的正弦和餘弦函 數的十九個周期而變化的徑向磁場分量。徑向磁場分量在根據第一軸l的 旋轉位置變化的第一諧振電路47a中感生信號，並在根據第二軸U的旋轉 位置變化的第二諧振電路中感生信號。在第一和第二諧振電路47a、 47b中 感生的信號在第一傳感器繞組45a中感生相對應的信號分量，所述信號分 量由第一ASIC35a處理，以確定第一軸l和第二軸ll之間的相對旋轉位移。 第二傳感結構41b以類似的方式工作。
每個傳感結構的ASIC 35a將計算的相對旋轉位移輸出到汽車的中心 控制單元49，中心控制單元49處理相對旋轉位移以計算施加到方向盤的扭 矩。
圖3示意性地顯示天線構件23和天線導向部25的透視圖。如圖所示，
天線導向部25為具有帶有凹進圓周部分的外表面的圓柱形套筒，其中天線
構件23固定安裝在所述凹進圓周部分中。在此實施例中，天線構件23為具 有比天線導向部25的凹進部分的圓周長的長度的兩層柔性印刷電路板 (PCB)材料的長方形薄片。天線構件23具有沉積在任一側上的利用通孔 連接的傳導軌道，以形成勵磁繞組43和傳感器繞組45。設置了六個為一組 共兩組的電觸點51，每組六個電觸點51都通過對應的ASIC 35連接傳感結 構的兩個勵磁繞組和傳感器繞組。
圖4是展平時的天線構件23的示意性平面視圖，其中形成於PCB—側 上的傳導軌道用實線表示，而形成於PCB的另一側上的傳導軌道用虛線表 示。如圖3所示，與第一傳感結構41a相關聯的傳導軌道61在PCB的橫向(當 天線構件23安裝在天線導向部25上時對應於軸向)上與和第二傳感結構 41b相關聯的傳導軌道63間隔開。
在此實施例中，用於每個傳感結構41的勵磁繞組43和傳感器繞組45 都包括平面線圈結構，所述平面線圈結構延伸過與天線導向部25的凹進部 分的圓周相對應的PCB的長度65。勵磁繞組產生具有垂直於PCB的磁場分 量的磁場，其中所述磁場分量分別以與在英國專利申請第GB 2374424A號 (其全部內容併入此處作為參考)說明的勵磁繞組基本相同的方式根據正 弦函數和餘弦函數的多個周期進行變化。此外，在此實施例中，傳感結構 的傳感器繞組由環繞全部長度61延伸的多個環形平面線圈形成。
圖5示意性地顯示第一中間連接件27和第一套筒構件29的透視圖。如 圖所示，第一套筒構件29具有用於容納第一軸1的圓柱形凹部71。第一套 筒構件29還具有其上安裝第一中間連接件27的導向部分73。導向部分73 具有中心都在圓柱形凹部71的軸線上的兩個相對的弧形部分75a和75b、以 及使兩個弧形部分75a、 75b相互連接的兩個相對的連接部分77a和77b。
圖6是顯示圓柱形凹部？1和導向部分73的第一套筒構件29 (即，當安 裝到第一軸l時沿軸向鎖緊)的平面視圖。如圖所示，相對的弧形部分75a、 75b每一個都環繞圓柱形凹部71延伸接近7(T，而連接部分77a、 77b在兩個 弧形部分75的外表面形成部分圓周的圓的內側延伸。
返回到圖5，兩個弧形部分75包括使弧形部分75接近為兩個連接部分 77的軸向長度的兩倍的凸出部分。依此方式，包括凸出部分的第一套筒構
件29的側面具有齒形外形。
第一中間連接結構包括具有通過通孔互相連接的沉積在任一側上的
傳導軌道的兩層柔性PCB 79，以形成用於第一和第三諧振電路47a、 47c 的感應器。圖7顯示了展平時的柔性PCB79的示意性平面視圖，在PCB79 一側上的傳導軌道用實線表示，在PCB 79另一側上的傳導軌道用虛線表不。
如圖7所示，PCB79具有兩個端部91a、 91b，所述端部的尺寸與導 向部分73的各弧形部分75的尺寸匹配；以及為縮小寬度並使兩個端部91 相互連接的連接部分93。連接部分93將兩個端部91分離開允許兩個端部91 安裝到導向部分73的兩個弧形部分75的外表面的距離，且連接部分93本身 安裝到導向部分73的一個連接部分77 (如圖4所示)。
用於第一諧振電路47a的感應器通過八個周期性間隔開的電流迴路結 構95a-95h的串聯連接形成，而用於第三諧振電路47c的感應器通過七個周 期性間隔開的電流迴路結構97a-97g的串聯連接形成。電流迴路結構95、 97被設置為使得當如圖5所示安裝到套筒構件29時，用於第一諧振電路47a 的電流迴路95在軸向上與第三諧振電路47c的電流迴路97間隔開。具體地， 在用於第一和第三諧振電路47a、 47c的電流迴路之間的軸向間隔等於用於 第一傳感結構41a的勵磁/傳感器繞組和用於第二傳感結構41b的勵磁/傳感 器繞組之間的軸向間隔。
如圖7所示，電流迴路結構95、 97形成於柔性PCB79的端部91中。兩 個端子99a和99b形成於柔性PCB 79的連接部分93中，其中電容器(未示出) 被安裝到柔性PCB 79，以與由電流迴路結構95形成的感應器形成第一諧振 電路47a，而兩個端子101a和101b形成於柔性PCB 79的連接部分93中，其 中電容器被安裝到柔性PCB 79，以與由電流迴路結構97形成的感應器形成 第三諧振電路47c。用於第一諧振電路47a的電流迴路結構95相鄰第一套筒 構件79的凸出部分安裝。
在此實施例中，第一諧振電路具有3.75MHz的諧振頻率，而第三諧振 電路具有5MHz的諧振頻率。此外，用於第一諧振電路47a的電流迴路結構 95的周期間隔對應於18。的角間隔(即，360。除以二十)，而用於第三諧 振電路47c的電流迴路結構97的周期間隔對應於18.95。的角間隔(即，360° 除以十九)。
圖8示意性地顯示了第二中間連接件31和第二套筒構件33的透視圖。 如圖所示，第二套筒構件33具有與第一套筒構件29基本相同的齒形形狀。
第二中間連接件33以與第一中間連接件29類似的方式由兩層的柔性 PCB111形成。圖9示意性地顯示了展平時的柔性PCB111的平面視圖，其 中一側上的傳導軌道用實線表示，而另一側上的傳導軌道用虛線表示。在 柔性PCB 111的端部中的八個電流迴路結構113a到113h與連接在端子U5a 和115b之間的電容器(未示出)串聯連接，以形成第二諧振電路47b，在 此實施例中，所述第二諧振電路具有.875MHz的諧振頻率，而在柔性PCB 111的端部中的七個電流迴路結構117a到117g與連接在端子119a和119b之 間的電容器(未示出)串聯連接，以形成第四諧振電路47d，在此實施例 中，所述第四諧振電路具有2.5MHz的諧振頻率。
用於第二諧振電路47b的電流迴路結構113的周期間隔對應於18。的角 間隔(即，360。除以二十)，而用於第四諧振電路的電流迴路結構117的 周期間隔對應於18.95。的角間隔(即，360°除以十九)。用於第四諧振電 路47d的電流迴路結構117相鄰第二套筒構件33的凸出部分安裝。
圖10示意性地顯示了當裝配連接結構時第一中間連接件27和第二中 間連接件31之間的位置關係的透視圖。如圖所示，第一和第二套筒構件的 齒形端相互鎖緊，使得一個套筒構件的弧形部分75的凸出部分位於與另一 套筒構件的連接部分77的外側相鄰的空間中。依此方式，第一諧振電路47a 的電流迴路結構沿軸向在與第二諧振電路47b的電流迴路結構相同的位置 處，但在圓周方向上間隔開。同樣，第三諧振電路47c的電流迴路結構沿 軸向在與第四諧振電路47d的電流迴路結構相同的位置處，但在圓周方向 上間隔開。
圖11示意性地顯示了指示第一套筒構件29和第二套筒構件31如何容 納在天線導向部25中的分解圖，而圖12示意性地顯示了定位於天線導向部 25內時的第一套筒構件29和第二套筒構件31。當裝配時，第一套筒構件29 和第二套筒構件33可旋轉地安裝在天線導向部25內，第一和第二諧振電路 47a、 47b的電流迴路結構沿軸向位於與第一和第二勵磁繞組43a、 43b以及 第一傳感器繞組45a相同的位置，而第三和第四諧振電路47c、 47d的電流
迴路結構沿軸向位於與第三和第四勵磁繞組43c、 43d以及第二傳感器繞組 45b相同的位置。
圖13示意性地顯示了第一ASIC35a的主要部件。第一正交信號發生器 151a產生正交對信號，在此實施例中，所述信號具有5kHz的頻率(此後稱 為調製頻率)。第二正交信號發生器151b以等於第一諧振電路47a的諧振 頻率的第一載波頻率產生正交信號，在此實施例中，所述頻率為3.75MHz。 第三正交信號發生器151c以等於第二諧振電路47b的諧振頻率的第三載波 頻率產生正交信號，在此實施例中，所述頻率為1.875MHz。
以調製頻率將正交對信號輸入到第一調製結構153a，所述第一調製結 構通過第一載波頻率下的同相信號以調製頻率調製同相信號I,以產生信號 I, (t)，並通過第一載波頻率下的同相信號I,以調製頻率調製正交信號以 產生信號Q, (t)。調製頻率下的正交對信號也輸入到第二調製結構153b， 所述第二調製結構通過第二載波頻率下的同相信號12以調製頻率調製同相 信號以產生信號12 (t)，並通過第二載波頻率下的同相信號12以調製頻率
調製正交信號以產生信號Q2 (t)。
然後，信號I, (0和12 (t)輸入到組合信號I, (t)和12 (t)的第一數 字混合器155a，且合成的組合信號通過第一線圈驅動器157a放大。通過第 一線圈驅動器157a輸出的放大信號供給到第一勵磁繞組43a。信號Q, (t) 和Q2 (t)輸入到第二數字混合器155b，且合成的組合信號通過第二線圈 驅動器157b放大，並供給到第二勵磁繞組43b。
以大約第一載波頻率供給到第一和第二勵磁繞組43a、43b的信號分量 在根據第一軸l的徑向位置而變化的第一諧振電路47a中感生諧振信號。在 第一諧振電路47a中感生的諧振信號進而在第一傳感器繞組45a中感生信 號。類似地，以大約第二載波頻率供給到第一和第二勵磁繞組43a、 43b的 信號分量在第二諧振電路47b中感生諧振信號，進而在第一傳感器繞組45a 中感生信號。
如同英國專利申請GB 2374424A中陳述的一樣，當在第一傳感器繞組 45a中感生的信號輸入到利用第一載波頻率下的正交信號Q,進行同步檢測 的第一同步檢測器159a中時，通過第一同步檢測器159a輸出的合成信號具 有調製頻率下的分量，所述分量的相位依賴於第一軸l的角位置。此相位
通過第一相位檢測器161a檢測。類似地，當在第一傳感器繞組45a中感生
的信號輸入到利用第二載波頻率下的正交信號Q2進行同步檢測的第二同
步檢測器159b中時，通過第二同步檢測器159b輸出的合成信號具有調製頻 率下的分量，所述分量的相位依賴於第二軸ll的角位置。此相位通過第二 相位檢測器161b檢測。
圖14顯示了表示通過第一相位檢測器161a檢測的相位和第一軸l的角 位置之間的關係的圖表。如圖14所示，作為在整個旋轉上的勵磁繞組的二 十個周期的結果，通過第一相位檢測器161a檢測的相位對應於第一軸l的 二十個不同的絕對旋轉位置。類似地，通過第二相位檢測器161b檢測的相 位對應於第二軸ll的二十個不同的旋轉位置。因此，第一ASIC35a不能確 定第一和第二軸l、 ll的絕對旋轉位置(在此說明書中，絕對旋轉位置指 軸相對於參考位置的旋轉位置；當軸可以旋轉大約兩個整圈時，絕對位置 不能明確地給出軸在其運動的整個旋轉範圍內的位置)。
儘管第一和第二軸l、 11能夠在接近720。的範圍內旋轉，但在第一和 第二軸l、 ll之間的相對旋轉位移不大於幾度，這也適當地在讀數的一個 周期內。因此，處理器163能夠計算並輸出第一和第二軸1、 ll之間的相對 旋轉位移，從而允許扭矩由中心控制單元49計算。
在第二傳感結構41b中，除了第一載波頻率設定為5MHz和第二載波頻 率設定為2.5MHz外，第二ASIC 35b基本上等於第一ASIC 35a。
如上所述，第二傳感結構41b中的勵磁繞組和諧振電路的周期性對應 於360。上的十九個周期。因此，如圖15所示，每個相位讀數對應於十九個 可能的旋轉位置。此外，至於第一傳感結構41a，雖然利用第二傳感結構 41b在絕對位置測量中存在模糊性，但第一軸l和第二軸ll之間的相對旋轉 位移的範圍明顯小於一個周期，因此，可以明確計算出相對旋轉位移。
在此實施例中，每個傳感結構41的ASIC 35將各計算出的相對旋轉位 移輸出到汽車的中心控制單元49，還將檢測的相位角輸出到汽車的中心控 制單元49。中心控制單元49利用計算的相對旋轉位移計算扭矩。此外，雖 然每個個別檢測的相位角不能明確地轉換成絕對的位置測量，但由於第一 傳感結構41a和第二傳感結構41b的周期性之間的差異，中心控制單元49能 夠利用遊標尺型計算從兩個傳感結構41的相位讀數確定絕對位置測量。 所述實施例的勵磁繞組43、傳感器繞組45和諧振電路47的特別結構具
有幾個優點。具體如下
(1) 通過利用諧振電路中的多個周期性間隔開的電流迴路結構，與 具有單個電流迴路結構的諧振電路相比，增加了每個諧振電路中感生的信 號。
(2) 通過在圓周平面中設置電流迴路結構，每一個電流迴路結構均
具有相對電流迴路結構，減少了對任何周圍電磁場的靈敏度。此外，減少 了對軸的旋轉軸線和發射及接收天線的圓形路徑的中心之間的輕微偏差 的靈敏度。此外，這種圓柱形的幾何形狀增加了發射/接收天線和諧振器 之間的軸向偏差的公差。
(3) 通過圓周間隔開與每個傳感結構中的每個諧振器相關聯的電流
迴路，減少了由相鄰諧振電路之間的耦合產生的噪聲。
(4) 通過將用於第一傳感結構的諧振電路的勵磁繞組、傳感器繞組 以及電流迴路結構與用於第二傳感結構的諧振電路的勵磁繞組、傳感器繞 組以及電流迴路結構軸向間隔開，減少了傳感結構之間的耦合所造成的噪聲。
(5) 通過採用所述齒形結構，已經發現，改進了對於電感傳感器延 伸過的給定軸向距離的性能。
改進方式和進一步的實施例
如上所述，利用諧振電路中的多個周期性間隔開的電流迴路結構具有 增加信號強度的優點。而在所述的實施例中，電流迴路結構的周期間隔與 對應的發射天線的周期匹配，諧振電路的周期可以為對應的傳輸線圈的周 期的任何整數倍數。
在每個諧振電路中不是必須使用多個電流迴路結構，可供選擇地，每 個諧振電路可以由單個電流迴路結構形成。
在所示的實施例中，諧振電路的勵磁繞組、傳感器繞組以及電流迴路 結構都設置在圓周表面上，導致上述優點(2)。然而，這也不是必須的， 例如，勵磁繞組、傳感器繞組以及電流迴路結構也可以形成於徑向表面上。 在一個實施例中，用於電流迴路結構的徑向表面通過共軸連接到第一和第
二軸的圓盤的表面提供。
雖然優選傳感結構的軸向間隔，但不是必須的。在可供選擇的實施例 中，用於第一和第三諧振電路的電流迴路結構(與第一軸一起旋轉)在公 共軸向位置處位於第一軸上，而用於第二和第四諧振電路的電流迴路結構 (與第二軸一起旋轉)在與第一和第三諧振電路的公共軸向位置軸向間隔 開的公共軸向位置處位於第二軸上。在此可供選擇的實施例中，用於第一 和第二傳感結構的發射天線和接收天線延伸過包含所有電流迴路結構的 軸向範圍。這種結構的一個優點在於其不需要相互鎖緊的齒形部分，因此， 可以測量從-180。到+180。的相對旋轉位移的整個範圍。此外，形成於相同
軸向位置處的用於諧振電路的電流迴路結構不需要沿圓周間隔開，而在一 個實施例中，諧振電路可以通過整個環繞各自軸延伸的電流迴路的各串聯 形成。
在所示的實施例中，在每個傳感結構中，同時激勵相關的諧振電路， 並將在傳感器繞組中感生的合成信號輸入到平行處理路徑，以平行測量與 每個諧振電路相關的調製頻率下的相位角。可供選擇地，諧振電路可以被 交替激勵，並將在傳感器繞組中感生的合成信號輸入到信號處理路徑，其 中同步檢測的頻率根據激勵的諧振電路改變。
在所示的實施例中，激勵信號產生及感應信號處理電路採用公開在
GB 2374424A中的一般原理。例如，可以採用激勵信號的產生和感應信號 的處理的替代形式。例如，代替在發射天線中具有兩個勵磁繞組和檢測在 由單個傳感器繞組形成的接收天線中感生的信號的相位，發射天線可以由 單個勵磁繞組形成，接收天線可以由兩個傳感器繞組形成，勵磁繞組和兩 個傳感器繞組之間的耦合隨著旋轉位置而變化。這種旋轉編碼器的一般原 理公開在WO 95/31696中。
在所示的實施例中，使用的載波頻率從1.875MHz到5MHz。雖然優選 載波頻率在100kHz到10MHz的範圍內以用比較便宜的激勵及同步檢測電 路實現良好的信號耦合，但可以理解，載波頻率的精確值(並因此使諧振 電路的諧振頻率)為設計選擇。調製頻率也為設計選擇。
在所示的實施例中，兩個傳感結構分別具有在360。上二十個周期以及 在360。上十九個周期的周期性，以便能夠進行絕對位置測量。將會理解，
可以使用可供選擇的周期性。此外，如果不需要絕對位置測量，則對於第 一和第二傳感結構的周期性可以相同。
雖然在所示的實施例中，絕對位置測量只參照殼體獲得，但將會理解, 在旋轉運動整個範圍內的絕對位置既可以通過採用額外的傳感器以計算 圈數來進行測量，也可以通過持續監測旋轉位置以便保持旋轉的軌道來進 行測量。
雖然為了安全的原因，在所示實施例中分開的ASIC用於兩個傳感結
構，但這不是必須的，在許多應用中，共用的ASIC可以用於兩個傳感結
構，同時仍然滿足安全需求。在一些應用中，合成的傳感結構不是必須的， 因此也不需要包括合成的傳感結構。
在所示的實施例中，每個ASIC的輸出都表示第一和第二軸之間的相 對旋轉位移，而中心控制單元確定施加的扭矩。將會理解，ASIC可以進 行線性化和/或校準處理。在可供選擇的實施例中，ASIC可以確定施加的 扭矩。在另一可供選擇的實施例中，每個ASIC的輸出都表示與第一和第 二軸相關的檢測的相位角，而中心控制單元計算相對旋轉位移和施加的扭 矩。
將會理解，具有許多可以用於在ASIC和中心控制單元之間傳遞數據 的傳統信號傳輸系統，例如，脈衝寬度調製或脈衝編碼調製。
雖然ASIC用在所示的實施例中，但這不是必須的，也可以採用任何 其他的處理裝置，包括使用分方電子部件(discrete electronic component)。
在所示的實施例中，天線和諧振電路利用PCB技術形成。但這不是必 須的，也可以可供選擇地使用用於設置傳感軌道(包括設置導線軌道)的 其他技術。
在所示的實施例中，扭矩傳感器測量施加到汽車的方向盤上的扭矩。 將會理解，在汽車中有許多地方施加扭矩並可以使用根據本發明的電感傳 感器。例如，可以測量施加到驅動軸上的扭矩。此外，本發明的感生扭矩 傳感器還具有在車輛工業之外的應用。例如，本發明的電感傳感器可以用 於測量施加到鑽孔機的扭矩。
在所示的實施例中使用扭杆結構，其中兩個杆彼此固定，並測量兩個 杆之間的相對旋轉運動。這在扭杆必須由剛性材料製作的應用中通常有 禾廿。然而，在其他應用中，可以接受較小剛性的材料，其中可以測量單個 杆的扭曲。換言之，可以測量相同構件的兩個軸向位置之間的相對旋轉位 移。
權利要求
1.一種用於產生表示施加到扭杆的扭矩的旋轉位移信息的設備，其中所述扭杆可相對於殼體繞旋轉軸線旋轉，所述設備包括第一諧振器，所述第一諧振器相對於所述扭杆的第一軸向位置固定，所述第一諧振器具有第一諧振頻率；第二諧振器，所述第二諧振器相對於遠離所述第一軸向位置的所述扭杆的第二軸向位置固定，所述第二諧振器具有不同於所述第一諧振頻率的第二諧振頻率；發射天線，所述發射天線相對於所述殼體固定；以及接收天線，所述接收天線相對於所述殼體固定，其中所述發射天線和所述第一諧振器之間的電磁耦合以及所述第一諧振器和所述接收天線之間的電磁耦合中的至少一個電磁耦合在所述第一軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，使得在所述接收天線中由第一諧振信號感生的信號在所述第一軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，其中所述第一諧振信號由所述發射天線所產生的電磁場在所述第一諧振器中感生，以及其中所述發射天線和所述第二諧振器之間的電磁耦合以及所述第二諧振器和所述接收天線之間的電磁耦合中的至少一個電磁耦合在所述第二軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，使得在所述接收天線中由第二諧振信號感生的信號在所述第二軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，其中所述第二諧振信號由所述發射天線所產生的電磁場在所述第二諧振器中感生。
2. 根據權利要求l所述的設備，其中所述發射天線可用於產生沿旋轉 測量路徑周期性變化的電磁場，以及其中所述第一和第二諧振器中的至少 一個諧振器包括根據所述發射天線的角周期的整數倍成角度間隔開的兩 個或更多個電流迴路。
3. 根據權利要求1或2所述的設備，其中所述發射天線、所述接收天 線以及所述第一和第二諧振器通過環繞所述扭杆沿軸向及圓周設置的傳 導繞組形成。
4. 根據權利要求3所述的設備，其中所述發射天線、所述接收天線以 及所述第一和第二諧振器中的至少一個形成於柔性印刷電路板上。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述兩個或更多個 電流迴路沿圓周設置有通常從所述扭杆的相對側彼此面對的電流迴路。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述第一諧振器和 所述第二諧振器包括形成於公共軸向位置的沿圓周間隔開的部分中的電 流迴路。
7. 根據權利要求1到5中任一項所述的設備，其中所述第一諧振器和 所述第二諧振器彼此軸向間隔開。
8. 根據權利要求1或2所述的設備，其中所述發射天線、所述接收天 線以及所述第一和第二諧振器通過環繞所述扭杆沿徑向和圓周設置的傳 導繞組形成。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述發射天線為第 一發射天線，而所述接收天線為第一接收天線，且其中所述設備還包括-第三諧振器，所述第三諧振器相對於所述扭杆的第三軸向位置固定， 所述第三諧振器具有不同於所述第一和第二諧振頻率的第三諧振頻率；第四諧振器，所述第四諧振器相對於遠離所述第三軸向位置的所述扭 杆的第四軸向位置固定，所述第四諧振器具有不同於所述第一、第二和第 三諧振頻率的第四諧振頻率；第二發射天線，所述第二發射天線相對於所述殼體固定； 第二接收天線，所述第二接收天線相對於所述殼體固定； 其中所述第二發射天線和所述第三諧振器之間的電磁耦合以及所述 第三諧振器和所述接收天線之間的電磁耦合中的至少一個電磁耦合在所 述第三軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，使得 在所述接收天線中由第三諧振信號感生的信號在所述第三軸向位置處隨 著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，其中所述第三諧振信號由 所述第二發射天線所產生的電磁場在所述第三諧振器中感生，以及其中所述發射天線和所述第四諧振器之間的電磁耦合以及所述第四 諧振器和所述接收天線之間的電磁耦合中的至少一個電磁耦合在所述第 四軸向位置處隨著所述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，使得在所 述接收天線中由第四諧振信號感生的信號在所述第四軸向位置處隨著所 述扭杆相對於所述殼體的旋轉位置而變化，其中所述第四諧振信號由所述 第二發射天線所產生的電磁場在所述第四諧振器中感生。
10. 根據權利要求9所述的設備，其中所述第一和第三諧振器由相對 於所述扭杆的共同圓周部分中的電流迴路形成，所述第一諧振器的電流回 路與所述第三諧振器的電流迴路軸向間隔開，其中所述第二和第四諧振器由相對於所述扭杆的共同圓周部分中的 電流迴路形成，所述第二諧振器的電流迴路與所述第四諧振器的電流迴路 軸向間隔開。
11. 根據權利要求10所述的設備，其中所述第一和第三諧振器形成於 固定到所述扭杆的第一齒形件的延伸區域上，其中所述第二和第四諧振器 形成於固定到所述扭杆的第二齒形件的延伸區域上，以及其中所述第一和 第二齒形件彼此互鎖，同時至少允許一些相對旋轉位移。
12. 根據權利要求9到11中任一項所述的設備，其中通過所述第一和 第二諧振器在所述第一發射天線和所述第一接收天線之間的電磁耦合隨 著第一角周期變化，而通過所述第三和第四諧振器在所述第二發射天線和 所述第二接收天線之間的電磁耦合隨著不同於所述第一角周期的第二角 周期變化。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述扭杆包括第一 細長軸和第二細長軸，所述第一細長軸和所述第二細長軸的縱向軸與所述 旋轉軸線對準，其中所述第一和第二軸在遠離所述第一和第二軸向位置的 軸向位置處連接。
14. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，還包括用於將激勵信號 提供給所述發射天線的激勵信號發生器、以及用於處理在所述接收天線中 感生的信號的信號處理器。
15. 根據權利要求14所述的設備，其中所述激勵信號發生器可用於同 時激勵所述第一和第二諧振器。
16. 根據權利要求14或15所述的設備，其中所述信號處理器可用於同 時處理由所述第一諧振器和所述第二諧振器在所述接收天線中感生的信 號。
17. 根據權利要求14所述的設備，其中所述激勵信號發生器可用於交替激勵所述第一和第二諧振器。
18. 根據權利要求14或17所述的設備，其中所述信號處理器可用於交 替處理由所述第一諧振器和所述第二諧振器在所述接收天線中感生的信 號。
19. 根據權利要求14到18中任一項所述的設備，其中所述信號處理器 可用於產生表示所述扭杆的所述第一和第二軸向位置之間的相對旋轉位 移的信號傳送信息。
20. 根據權利要求14到19中任一項所述的設備，其中所述信號處理器 可用於產生激勵信號，所述激勵信號包括周期載波信號，所述周期載波信 號具有通過具有第二頻率的周期調製信號調製的第一頻率，所述第一頻率 大於所述第二頻率。
21. 根據權利要求20所述的設備，其中所述信號處理器包括解調器， 所述解調器可用於解調在所述接收天線中產生的感生信號，以便以所述第 二頻率獲得解調信號。
22. 根據權利要求21所述的設備，其中信號處理器還包括相位檢測 器，所述相位檢測器可用於檢測所述第二頻率下的解調信號的相位。
23. —種用於提供表示施加到可相對於殼體旋轉的扭杆的扭矩的旋 轉位移信息的設備，其中在相對於所述殼體固定的發射天線和相對於所述 殼體固定的接收天線之間的電磁耦合根據相對於所述扭杆的間隔開的軸 向位置固定的第一和第二諧振器的旋轉位置而改變，其中所述第一和第二諧振器具有各自不同的諧振頻率，以便能夠區別 通過所述第一諧振器耦合在所述發射天線和所述接收天線之間的信號與 通過所述第二諧振器耦合在所述發射天線和所述接收天線之間的信號。
全文摘要
本發明公開了一種用於提供表示施加到可相對於殼體旋轉的扭杆的扭矩的旋轉位移信息的設備，其中在相對於殼體固定的發射天線和相對於殼體固定的接收天線之間的電磁耦合根據以間隔開的軸向位置固定到扭杆的第一和第二諧振器而改變。第一和第二諧振器具有各自不同的諧振頻率，以便能夠區別通過第一諧振器耦合在發射天線和接收天線之間的信號與通過第二諧振器耦合在發射天線和接收天線之間的信號。
文檔編號G01L3/10GK101189497SQ200680018679
公開日2008年5月28日 申請日期2006年5月30日 優先權日2005年5月27日
發明者斯特凡·呂爾, 科林·西爾斯, 維多利亞·克拉克 申請人:Tt電子技術有限公司;Ab電子有限公司