專利名稱：包含塑性元件的位置編碼器的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及渦流傳感器組件，其中基于位置相關的渦流損耗來確定編碼元件 相對于線圈組件的位置，并且本發明特別涉及用于這種傳感器組件的編碼元件。
背景技術：
在許多技術領域中，必須以由相應的使用目的規定的精度來確定運動物體的位 置。為此，開發了許多傳感器系統，其中通過例如光、電、磁和其它作用，至少可以以足夠高 的精度來測量兩個元件之間的相對位置。特別是在正使用非常嚴格的環境條件例如高操作 溫度與強磁場相結合(例如這可能由大操作電流所引起)的技術部分中，通常使用傳感器 組件，在所述傳感器組件中使用位置相關的渦流的生成來確定部件的位置。為此，在這種渦 流傳感器組件的一些實例中，檢測到由渦流引起的一個或多個線圈的衰減，其中所述一個 或多個線圈被設置作為固定部件，而活動部件包括適當材料的軌道，導致了位置相關的渦 流的生成并且因此導致了衰減。基于所述位置相關的渦流，通過所生成的衰減(例如可基 于頻率變化、相位變化、振幅變化或所述參數的組合來確定)與軌道的特定設計的相關性， 能夠確定運動軌道相對于一個或多個固定線圈的位置。在這方面的一個重要應用是確定電機的轉子的位置從而確定用于供給適當的電 流和電壓值的適當的控制信號。例如，對于電機需要非常可變的轉速和適度大的控制帶寬 的多個應用目的來說，重要的是實時地以高分辨率(resolution)注入電壓或電流值，這在 許多情況下需要相對精確地判斷轉子的位置。例如，對于近似永久勵磁的同步電機或無刷 直流電機的有效操作來說，重要的是依據在角形部分內部使用的磁體的磁極數量來非常確 切地獲知轉子的位置，以便使定子繞組以適當的形式供給能量，從而獲得理想的操作模式。 為此，通常使用無觸點傳感器機構，其中使用基于例如磁開關或霍耳傳感器的傳感器組件， 然而所述傳感器組件相對復雜并且還易受噪聲的影響，其中在許多應用中通常不能達到必 要的空間分辨率。由于特別是用于檢測角位置，通常需要將編碼元件與電機的轉子窄空間 地聯結，因此在編碼元件附近可能出現大電流或強磁場以及相對高的溫度，使得根據渦流 原理的傳感器在此變得特別有用，這是因為一方面它們可被設計為不被強的外部磁場干 擾，而另一方面在傳感器組件被激活時允許轉子位置的高空間分辨率。在這種常規的傳感器組件中，典型地使用例如與電機的轉子相聯結的編碼輪，該 編碼輪的外圍包括適當形成的例如形式為正弦變化的金屬導體(例如，為銅或鋁)的軌 道，所述軌道由線圈組件讀取。因此所述編碼輪與電機的轉子機械接觸，除對于強磁場的理 想的抗擾性以外，它還必須適于電機的其它操作條件，例如，相對于當前溫度(prevailing temperature)、必要的速度范圍等。另一方面，相對于渦流傳感器系統的集成，在大規模制 造中也需要高的恒定精度，從而允許傳感器的始終如一的功能而在安裝過程中不需要為最 終用途進行復雜的調節工作。因此，通常，在常規的編碼輪中，相對于強度的嚴格的機械特 性、無噪聲運轉以及必要的電特性，即通過近似正弦變化的線圈對導電性的位置相關的調 節，在編碼輪的制造、編碼輪的最終裝配以及調節時需要相應的努力。
發明內容
因此，考慮到上述情況，本發明的目的是提供用于基于渦流的傳感器組件的編碼 元件，其中可以改善與必要的電行為相結合的機械穩定特性和精度特性和/或可以在較小 的努力下實現所述特性。根據本發明的一個方案，上述目的通過一種用于在傳感線圈組件中產生位置相關 的渦流損耗的位置編碼器來實現。所述位置編碼器包括底座，所述底座由塑料制成并且其 表面在操作過程中將在傳感線圈組件的方向上定向。此外，所述位置編碼器包括軌道，所述 軌道通過在塑料的表面中的凹槽和/或突起形成在所述底座中，所述軌道沿預定運動方向 延伸并且至少在與預定運動方向垂直的方向上變化。此外，還存在涂層，其至少設置在所述 軌道上并且包括導電材料。因此，根據本發明的位置編碼器包括由塑料制成的底座，因此相對于材料成分以 及相對于形狀和尺寸，該底座均可以通過非常柔性且有效的方式以高精度和低制造成本制 成。此處，位置編碼器的一個表面，即承載相對于位置相關的渦流生成而形成的軌道的表 面，首先通過塑性材料按其形狀成形而預先確定，以便軌道也可以例如通過與底座相同的 操作以高精度和較小的努力制成。因此，例如沿運動方向，即在位置編碼器的操作過程中對 位置編碼器相對于傳感線圈組件的位置進行檢測的方向，所構造的軌道的空間結構可以通 過結構測量以高精度限定，例如通過注射成型的方式同時軌道的電特性通過涂層來調節。 這樣，一方面能夠通過底座的塑性材料實現適于相應目標的理想的機械穩定性，其中另一 方面以非常小的制造努力保證了軌道路徑的非常精密的結構，在最終分析中該軌道路徑提 供了理想的空間分辨率。電特性即軌道的導電性由涂層確保，因此這提供了選擇適當材料 例如適當的金屬、合金、半導體材料、導電塑料等的高度靈活性，其中相對于實現所生成的 導電軌道的整體精度，涂層的涂覆沒有那么重要，這是由于位置相關的軌道的導電性基本 上是由以塑性材料形成的外形的幾何形狀給定的。在一個優選實施例中，軌道被構造為在表面中的突起。這意味著在所述實施例中 在操作過程中面向傳感線圈組件的表面顯示出沿運動方向的適當設計的突起，該運動方向 示出了理想的空間變化。由于在表面中形成的軌道的突起結構，可以自動地獲得在操作過 程中突起部相對于傳感線圈組件距非突起部的不同距離，以便由于該結構，在與軌道的表 面相比較低的底座的表面之間的渦流行為中實現了明顯的差異，即使該表面部分地或全部 地涂覆導電材料，該表面也對渦流生成施加非常小的影響從而簡化了涂覆過程。在另一個優選實施例中，軌道的高度沿預定運動方向恒定而軌道的寬度沿預定運 動方向是可變的。這意味著位置相關的渦流生成能力是由橫向變化即由軌道寬度的變化產 生的，而該軌道根據基本恒定的值從表面抬起。在另一個優選結構中，軌道的高度沿預定運動方向變化。因此，在所述實施例中， 相對于固定傳感線圈組件，可以通過軌道的變化高度、從而通過軌道表面的變化距離以及 從而通過用作信號區域的涂層的變化距離實現位置相關的渦流的生成。可以在塑料底座中 通過有效的方式實現軌道的表面形態的相應設計，其中使用了適當的制造方法，例如注射 成 型方法等。因此，可以通過可再生且有效的方式實現適當的高度輪廓。在另一個優選設計中，與軌道的高度相結合，軌道的寬度也沿預定運動方向變化。由傳感線圈組件引起的軌道對變化磁場的響應行為可以以非常有效的方式來調制，其中， 可以使用兩個自由度，兩個自由度一起允許沿運動方向每單位長度一個強變化。此外，由于 渦流行為的雙重調制，可以實現較低的容錯，這是由于一個尺寸的相應的制造不準確度可 能具有不太明顯的影響。在一個優選實施例中，預定方向的運動是旋轉運動。這意味著位置編碼器被構造 為沿與旋轉運動相對應的彎曲路徑來檢測位置，其中在一個優選實施例中至少可以在理想 的角范圍內檢測相應的機械的轉子的角位置。在這種情況下，根據本發明的位置編碼器可 以用于至少在角形部分的范圍內確定轉子的位置，這例如在永久勵磁的同步電機或無刷直 流電機中是重要的，以實現定子線圈的最優控制。
在另一個優選的變型中，所述底座適于緊固到回轉式機械的轉子或與回轉式機械 相聯結的元件上。因此根據本發明的位置編碼器可以通過有效且精確的方式制造，如上所 述，其中進一步給出了隨后以適當的方式將所述編碼器與回轉式機械相聯結的可能性。因 而可以實現位置編碼器的獨立、因此便宜并且精確的制造，其中通過對例如注射成型等的 適當選擇可以實現適應相應的回轉式機械的高度靈活性。因此，一方面對回轉式機械和位 置編碼器的制造給出了高度的獨立性，另一方面在底座的結構上可以考慮回轉式機械的特 定特征。在一個優選實施例中，所述表面在與轉子的旋轉軸垂直的方向上定向。這意味著 在該組件中并入到該表面中的軌道和由此限定的信號區域也在與轉子的旋轉軸垂直的方 向上定向，導致了“軸向”布局，其中傳感線圈組件在軸向上與表面間隔開并因此與軌道間 隔開。如果在軸向上給出了足夠的結構容積，則由于傳感線圈組件可以定位在由轉子預先 確定的直徑內，因此這導致了徑向上的非常緊湊的結構。在另一個優選的設計中，所述表面與轉子的旋轉軸平行定向。這意味著所述表面 以及因此軌道可以被構造在編碼輪的周向上，并且因此可以通過傳感線圈組件在徑向上讀 取。如果需要的話，這實現了徑向上的緊湊結構，如果將回轉式機械設置在電機和相應的傳 動裝置之間的驅動軸上，則這對汽車工業中的特定應用將會是尤其有益的。在一個實施例中，涂層至少部分地設置在所述表面上。如上所述，由于軌道的表面 形態，可以實現對渦流行為的有效調制而不需要涂層的準確位置。這意味著在必要時，可以 將涂層涂覆到軌道上或者還涂覆到部分或全部的表面上，由此，基于所使用的制造方法，由 于不需要選擇性應用涂層，因此可以使制造程序相應地簡化。在其它情況下，涂層的材料成 分可以設計為一方面它可產生理想的導電性，而另一方面還允許對底座或至少表面的理想 的保護作用或鈍化，以便可以通過有效的方式調節電行為和表面特性二者。在另一個優選的實施例中，涂層設置在底座的至少另一個表面上。如上所述，涂層 可以用作鈍化材料，以便優選地底座的其它部分也可以因此被覆蓋。此外，由于底座的至少 另一個表面設置有涂層，因此能夠在多種不同的涂覆方法中進行選擇，這根本不允許選擇 性沉積或只是在很大的努力下允許，因此在此相對于涂層的材料組分和制造成本給出了高 度的靈活性。在另一個實施例中，涂層包含金屬。因為大量的金屬或合金是可用的，因此可以通 過非常有效的方式建立導電性，這一方面示出了理想的高導電性，而另一方面示出了關于 化學穩定性等的適當的行為。在其它情況下，適當的金屬可以以任意理想的方式包含在涂層中以便實現必要的導電性以及機械和化學的標準。在一個示例性實施例中，涂層設置為金屬層。因此可以實現非常有效的導電性調 制，其中可以將待涂覆的金屬的量保持為相對小，這是由于可以通過適當的方式調節金屬 層的厚度。在此可行的是，僅僅軌道的表面，即主要用作生成渦流的軌道的信號區域，或底 座的其它部分或整個底座可以設置有金屬層，在這種情況下導致了特別有效的制造可能 性。這意味著在這種情況下，底座可以以高精度制造，塑料軌道形成在底座中，然后可以涂 覆金屬層而不需要對目標的應用作進一步測量或選擇性去除部分的涂層。在一個優選實施例中，涂層至少包括一個第一局部層和形成在所述第一局部層上 方的一個第二局部層，其中所述第一局部層和/或所述第二局部層設置為導電層。這意味 著為涂層設置的層狀結構為理想特性的設定帶來了高度的靈活性，例如相對于導電性、對 嚴格的環境條件的抵抗性，例如相對于侵蝕、機械強度等。例如，可以應用層狀結構，其中， 首先第一局部層直接涂覆到軌道或底座上，所述第一層確保隨后沉積在其上的材料的必要 的高粘附力。然后可以相對于理想的導電性而選擇所述材料。如果需要的話，其后可以具有 一個或多個另外的層，這取決于相應的應用。在一個示例性實施例中，涂層的最外局部層是 導電層，以便在傳感線圈組件和位置編碼器之間的給定平均距離處，由于導電層定位為最 外層，因此呈現出對渦流生成的高靈敏度。在另一個實施例中，涂層的最外局部層被設置作 為位于其下方的一個或多個局部層的保護層，所述一個或多個局部層中的至少一個局部層 被構造為導電層。因此，理想的導電材料，例如，金屬、金屬合金等，可以相對于它們的電行 為來選擇，而最外層可用于鈍化，以便可以通過適當的方式整體地調節涂層的例如抗蝕性、 表面硬度等。此處，最外局部層可設置為適度薄的層，以便傳感線圈組件和軌道之間的有效“空 隙”的尺寸不會無謂地增大。在并入理想的應用之前或并入的過程中，保護層的設置(可依 次僅適用于軌道或導電材料或者還可以適用于底座的較大區域或整個區域)為位置處理 器的制造和處理帶來了更高的可靠性，而且還在嚴格的環境條件下在位置編碼器的操作過 程中導致了更可靠的功能。在一些實施例中，用作導電材料的局部層和用作保護材料的局 部層不是以相同的方式構造以覆蓋整個區域的，即，導電局部層可以基本上限制在軌道的 區域，而保護層可以設置在底座的大部分表面區域上，以便整體或至少部分地為底座提供 由保護層產生的表面特性。在另一個優選的實施例中，涂層是導電性半導體材料，其與軌道協作從而確保理 想的位置相關的渦流行為。例如，通常的半導體材料，諸如非晶硅等，可以通過公知的方法 諸如相對低溫的CVD (化學氣相沉積)，以非常有效的方式涂覆到載體材料即底座體或其一 部分上，導致了整體上的低制造成本和制造方法的高精度。還可以通過相應地采取半導體 材料而在大范圍內調節理想的導電程度。在一些情況下，導電性半導體材料也可用作塑性 材料的有效鈍化，從而不再需要另外的保護層，因而實現了底座表面的高度的化學和機械 的抗性。在一個優選實施例中，軌道在預定運動方向上形成為連續軌道。這意味著沿著運 動方向，即，沿著軌道的縱向，所述軌道是連續的，以便渦流可以沿運動方向連續地生成而 與傳感線圈組件的結構無關。這可以通過渦流行為的連續變化，在 給定尺寸的位置編碼器 處即在預定運動方向上的給定長度處產生高度的空間分辨率。由于特別是最后達到的位置相關的渦流行為通過結構測量的方式例如通過在底座的表面中形成軌道來實現，因此即使 相對復雜的軌道形狀，例如正弦曲線形狀或其它彎曲的形狀，也可以作為連續的單元制造， 然后在進一步的組裝或以及在操作過程中可以基本保持軌道的形狀。在另一個優選實施例中，在預定運動方向上的軌道包括空間上的周期性部分，從 而在每個周期性部分內可以實現理想的高空間分辨率。在回轉式位置編碼器中，需要在特 定的角形部分內依據所用的極對來識別轉子的角度相關位置，因此通過設置相應數目的周 期性部分，可以通過有效的方式模仿軌道中的“電”旋轉角，從而在電相關的每個角形部分 內可以實現對回轉式機械的定子線圈的理想的精確控制。在另一個優選實施例中，底座包括另一個軌道，所述另一個軌道通過塑料的凹槽 和/或突起形成在表面中，沿預定運動方向延伸并且至少在與預定運動方向垂直的方向上 變化。由于設置了所述另一個軌道，因此在必要時能夠通過適當的方式例如降低空間分辨 率來調節測量范圍，以有利于較長的測量路徑。這意味著通過對軌道和另一個軌道的不同 調制，可以擴大測量范圍，例如，軌道確保了在小的周期性重復部分內的必要的精確分辨 率，而另一個軌道允許對剛檢測到的部分的識別。在本發明的另一個方案中，上述目的通過用于在傳感線圈組件中產生位置相關的 渦流損耗的位置編碼器而實現。此處，位置編碼器包括由非導電性載體材料和導電材料構 成的底座。進一步設置了由導電材料限定的軌道，該軌道嵌在非導電性材料中，沿預定運動 方向延伸，并且至少沿與預定運動方向垂直的方向變化以便生成位置相關的渦流。在另一個實施例中，提供了一個表面，在位置編碼器的操作過程中該表面必須朝 向傳感線圈組件定向并且基本上是非成形的。由于位置編碼器的所述設計結構，導電材料設置在底座體中以便軌道形成于其 中，由此，由于軌道嵌在底座中，并且由于在另一個實施例中表面覆蓋了軌道，因此在非常 嚴格的操作條件下實現了高度的機械和化學的完整性。此外，能夠通過該結構以精確且可 再生的方式提供用于位置相關的渦流的生成的軌道，其中實現了位置編碼器的理想的高機 械穩定性，或其中導電材料可以有助于增強底座的非導電性載體材料的穩定性。在一個示例性實施例中，導電材料以成形元件的形式設置。這意味著成形元件形 式的導電材料，例如，適當設計的金屬件形式的導電材料，可以在底座的制造過程中例如通 過在注射成型中定位等有效地插入非導電性載體材料中，以便可以以高度的可再生性實現 非常有效的制造過程。在一個實施例中，成形元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分 相對于所述表面具有第一距離，所述第二部分相對于所述表面具有第二大距離。這樣，成形 元件可以設置為穩定的相干元件，例如金屬件，并可以在非導電性載體材料中適當地定位， 以便距所述表面具有第一小距離的部分可以作為用于生成位置相關的渦流的有效軌道，而 具有較大距離的第二部分可以用于非導電性載體材料的機械穩定性和/或成形元件的更 好的定位，而不對渦流的生成產生任何明顯的影響。這意味著特別是當成形元件被設置作 為固有穩定的元件時，可以實現所述元件在非導電性載體材料中的有效定位以及位置編碼 器的固有穩定性的增加。
有益地，底座被構造為用于旋轉運動的位置檢測，以便所述底座可以有益地用于 與電機例如永久勵磁的同步電機、無刷直流電機、異步電機等的結合，如已經在前述方案下 詳細說明的，位置編碼器對于所需的特性例如化學穩定性、機械穩定性、形狀等是適用的，其中可以使用可再生的便宜且精確的制造方法。而且，在位置編碼器的變型即具有適當的軌道形式的集成導電材料的非導電性載體材料中，可以設置軸向和徑向的變型，以便同樣 是相對于傳感器組件的位置或類型，實現了高度的結構靈活性。
在附隨的專利權利要求中限定了另外的優選實施例，并且這些另外優選實施例通 過以下參照附圖對另外的示例性實施例的詳細說明而變得顯而易見，其中圖Ia示意性地示出了根據一個實施例的用于具有單個高架軌道的回轉式機械的 位置編碼器的立體圖；圖Ib示意性地示出了根據示例性實施例的用于線性運動的位置編碼器的頂視 圖；圖Ic和Ic示意性地示出了根據多個實施例的圖Ia的位置編碼器的橫截面圖；圖Ie和If分別相應地示出了根據示例性實施例的用于徑向結構的回轉式機械的 位置編碼器的橫截面圖和局部頂視圖；圖Ig示意性地示出了一個實施例的橫截面圖，其中軌道以根據示例性實施例的 適當設計的“凹陷”或凹槽的形式設置在塑性材料中；圖Ih示意性地示出了橫截面圖，其中用于產生理想的導電性的涂層以多個局部 層的形式設置；圖Ii和Ij分別相應地示出了頂視圖和橫截面圖，其中局部相關的渦流生成行為 通過改變軌道的高度而實現；圖Ik至Im分別示意性地示出了根據示例性實施例的與傳感線圈組件相結合的位 置編碼器的橫截面圖和頂視圖；圖In示意性地示出了根據示例性實施例的具有多個編碼器軌道的位置編碼器的 頂視圖；圖2a至2c示意性地示出了位置編碼器的橫截面圖，其中導電材料集成到非導電 性載體材料中，其形成了根據另外的示例性實施例的位置相關的軌道；以及圖2d示意性地示出了位置編碼器的頂視圖，其中示出了導電材料的基本上呈二 維的結構。
具體實施例方式現在將參考附圖對本發明的另外的示例性實施例進行說明。圖Ia示意性地示出了位置編碼器100的立體圖，所述位置編碼器100在所說明 的實施例被設置用于確定回轉式機械諸如電機的轉子的角位置，例如永久勵磁的同步電機 的轉子的角位置等。位置編碼器100包括底座101，在所說明的實施例中該底座由塑料制 成，其中任意理想的適當的材料混合物可以用作所述塑性材料。特別是可以使用在顯示必 要的機械穩定性的相應的回轉式機械的速度范圍內的適當的材料。也可以通過適當的方式 選擇底座101的厚度，此處底座101被構造為盤的形式并具有用于緊固到回轉式機械的旋 轉軸或轉子上的相應的孔105，從而實現必要的穩定性并因而確保小的結構高度。例如，底 座101的厚度可以是幾毫米到幾厘米。位置編碼器100進一步包括表面106，在位置編碼器100的操作過程中表面106朝向傳感線圈組件，如下文將詳細描述的，其中表面106的一 部分位于線圈的“檢測區域”中，這取決于相應的傳感線圈組件的結構。在所說明的實施例 中，軌道102以突起的形式設置在表面106的上方，突起的寬度沿運動方向104變化，以便 獲得不同的寬度102a、102b，并且在線圈102的寬度102a、102b之間的分配以及沿運動方向 104的路徑，即在這種情況下的旋轉角，至少在單個部分中是明確給定的。軌道102可采用 的不同的寬度102a、102b的值取決于傳感線圈組件的橫向檢測面積，其中典型地可以使用 Imm或更小的最小寬度，以及幾mm或更大例如幾厘米的最大寬度。此外，軌道102的形狀 不限制為特定的設計，只要至少在特定的部分內在渦流行為的形成或調制與在運動方向或 縱向104上的位置之間給出了明確的分配即可。例如，示出的是連續或相干的正弦形式，但 其它形式也是可行的，例如三角形設計等。此外，位置編碼器100包括至少在軌道102的信 號區域上的涂層103，涂層103與表面106平行并且提供了軌道102的導電性，以便在由傳 感線圈組件檢測渦流生成期間可用的導電材料的各自的有效數量或表面也根據寬度102a、 102b沿而運動方向104變化。此處涂層103呈任意理想的導電材料的形式，例如金屬、金屬 合金、導電半導體、導電塑料等。
圖Ib示意性地示出了根據另一個實施例的位置編碼器100的頂視圖，其中位置編 碼器被構造為沿平直的運動方向104檢測位置。在這種情況下，例如底座體101設置為長 方形材料件，從而限定了其上依次形成有軌道102的表面106。對于底座101和軌道102的 塑性材料以及涂層103的選擇，可以應用與上述圖1的轉子位置編碼器100相同的標準。圖Ic示意性地示出了圖Ia的轉子位置編碼器100沿截面線Ic的橫截面圖。如 圖所示，位置編碼器100包括底座101，在底座101上形成有表面106和軌道102。此外，所 說明的實施例中的涂層103恰好形成在軌道102的與表面106平行的表面上。在其它實施 例中，涂層103可以示出對表面106和底座101的任意理想程度的覆蓋，如下文將要進行詳 細說明的。可以通過有效的方式制造位置編碼器100，其中首先將底座101與軌道102 —起 制造，例如，這可以以基于適當的模板的注射成型方法為基礎來實現。在其它情況下還可以 通過銑削底座101來制造軌道102。在其它實施例中，如果軌道102設置為連續的軌道，則 軌道102可以通過單獨的制造過程制造，其中，適當的塑性材料以特殊方式鑄造或制造。因 此軌道102可以通過熱處理或其它方法設置在底座101上。從而可以實現底座101包括軌 道102的可靠且可再生的形狀，以便功能性行為即位置相關的渦流生成基本上通過結構測 量來固定，其中可以直接考慮在選擇底座101和軌道102的材料上的靈活性以及多種應用 時的形狀。在其它實施例中軌道可由彼此分開的單個部分制成，單個部分與底座101 —起 制成或也可制成為隨后緊固到底座101上的單獨的單元。在一些實施例中，然后例如可以通過涂覆方法，例如通過濺射、電鍍、化學氣相沉 積、物理氣相沉積等涂覆適當的材料來制造涂層103。這可以局部完成，以便如圖Ic所示， 涂層103恰好設置在信號區域上，即，設置在軌道102的與表面106平行的表面上，然而在 其它涂覆方法中，在較大區域上進行涂層103的涂覆，或者隨后以選擇性方式再次去除涂 層的一部分。在一些實施例中，涂層103包括金屬，諸如銅、鋁或相應的合金，從而可以在涂 層103中獲得理想的高表面導電性。在其它情況下，導電材料可以以摻雜半導體材料、導電 性塑性材料等形式設置在涂層103中。
圖Id示意性地示出了根據另一個實施例的位置編碼器100，其中涂層103至少覆 蓋表面106，如果需要的話，還進一步覆蓋底座101的表面。如果需要的話，涂層103還可 以幾乎整體地覆蓋底座101，其中對底座101延伸超過軌道103的覆蓋對信號行為的影響 很小，這是因為由于軌道102的突起結構，在適當的信號區域103a和其它較低的表面部 103b之間提供了足夠大的距離，以便恰好通過信號區域103a的變化寬度來實現對渦流行 為的不同調制。這意味著由于在位置編碼器100的右部分示出的軌道102的位置處，區域 延伸非常大的下部103b對傳感線圈組件的影響小很多，使得在整體上在右側的較小的信 號區域103a同樣實現了相應較小的渦流，因此與位置編碼器100的右部分示出的軌道102 的位置相比，在圖Id的左部分中，由于與傳感線圈組件等距離處的較大的橫向延伸，信號 區域103a實現了較強的渦流的生成。
圖Ie示意性地示出了在徑向實施例中即在表面106與位置編碼器100的旋轉軸 107基本平行布置的實施例中的位置編碼器100的橫截面圖，而在圖la、Ic和Id示出的“軸 向”實施例中，表面106沿基本垂直于旋轉軸107的方向定向。因此，如圖所示，底座101的 表面106被主要構造為柱面，在該柱面上軌道102設置有沿運動方向變化的理想寬度。對 于所述實施例，還可以獲得上述關于底座106、軌道102和涂層103的制造和材料選擇的益 處。圖If示意性地示出了表面106和涂層103的一部分的頂視圖，其中軌道102形成 于表面106中。圖Ig示意性地示出了根據另一個實施例的位置編碼器100，其中軌道102以凹槽 的形式形成在表面106中，導致了與圖Id相比基本相反的行為。這意味著在圖Ig所示的 實施例中，在傳感線圈組件的影響下，在左側的兩個位置中，可以預期到相對大的渦流，而 由于軌道或凹槽102的較大的橫向尺寸，在右側生成了相當小的部分渦流，這是由于現在 導電表面103a、103b設置有足夠大的距離，例如幾毫米。對于底座101和軌道102的制造， 與上述相同的標準是可行的。這意味著沿橫向變化的凹槽形式的軌道102可以通過任意適 當的方法形成，例如注射成型方法、銑削等。圖Ih示意性地示出了根據另一個實施例的位置編碼器100，其中涂層103至少包 括第一局部層113和第二局部層123，如果需要的話還可以設置另外的層。在一個實施例 中，局部層113被設置作為導電材料，例如在所說明的實施例中，局部層113至少涂到表面 106的整個區域上。在所說明的實施例中，局部層123是涂層103的最外層，并且此處可 用作導電層113的鈍化的適當的保護層。例如，層123可以設置為任意理想的適當的介質 材料，從而給予層113中的導電材料特定的理想特性，例如，關于化學抗性等。例如，層123 可以以塑性材料的形式設置，例如設置為聚合體材料，或者它還可以例如以二氧化硅、氧化 鋁、玻璃材料、塑料、聚合材料的形式設置為無機涂層，這取決于理想的表面性質等。在這種 情況下，涂層123設置有足夠的厚度以便一方面展現出理想的保護作用，而另一方面不會 無謂地增加傳感線圈組件和電操作表面103a之間的有效距離。例如，適當的涂層可以設置 有從幾微米到幾十或幾百微米的范圍內的幾乎任意的理想層厚，或者在必要時，也可以有 更大的厚度。包含導電材料的局部層113還可以設置有相對小的層厚，這是例如由于其機 械完整性可以由位于其上方的層123確保。因此可以以導電材料方面較小的材料花費來 實現理想的電行為，因而確保了位置編碼器100的理想的表面質量。如果需要的話，層113和123可以表現出對底座101不同程度的蓋以改進功能行為，如果需要的話，或節省材料成 本。例如，層113的導電材料可以僅設置在特定的部位例如信號區域103a上或任意地設置 在表面106上，然而在必要時，層123幾乎可以設置在整個底座101上，以實現理想的保護 動作。在其它實施例中，層123是導電材料，而層113用作對于底座101的材料以及對于位 于其上方的層展示出良好的粘附力的粘合層。此處層113可以是導電材料或也可以是絕緣 材料。圖Ii示意性地示出了根據另一個實施例的位置編碼器100的頂視圖，其中軌道 102以幾乎恒定的寬度設置在表面106上。在所述實施例中，通過軌道102沿運動方向的 “高度調制”的方式來實現位置編碼器100的功能所需的對渦流行為的調制。 圖Ij示意性地示出了沿圖Ii的截面線Ij的橫截面圖，該圖示出了用于生成大 渦流的位置(左側)以及用于生成小渦流的位置(右側)。這意味著軌道102具有沿運動 方向變化的高度，以便涂層103距傳感線圈組件的距離也變化并且因而響應于位置對渦流 行為進行調制。在所述實施例中，通過任意上述的方法有效地涂覆了具有導電材料的涂層 103，然而在其它實施例中還可以通過箔材料來設置有效涂層，這是特別地由于軌道102的 相對恒定寬度允許通過輥子等來涂覆。在另外的示例性實施例中，對圖Ii和Ij示出的軌道102的高度調制還可以與寬 度的相應變化以有效的方式結合，如前述實施例說明的，以便沿運動方向104而對渦流行 為進行非常有效且充分的位置相關的調制，這是由于涂層103的導電材料的高度因此距離 以及橫向尺寸正在變化。這在位置沿運動方向變化時產生了很大的渦流響應的變化率，使 得相鄰位置輸出明顯不同的信號。圖Ik示意性地示出了根據軸向實施例的位置編碼器100的布局，例如如圖Ia所 示，其中位置編碼器100安裝在回轉式機械170例如電機上。這意味著位置編碼器100與 機械170的轉子180機械地聯結，以便其繞旋轉軸107旋轉。此外，傳感線圈組件150與 線圈102固定地軸向間隔開安裝，以便通過涂覆涂層103而建立軌道102與組件150中的 一個或多個線圈之間的相互作用，其中由于組件150中的一個或多個線圈的局部相關的衰 減，相應的信號對于評估單元160是可用的。圖11示意性地示出了根據徑向實施例的位置編碼器100，如圖Ie所示，其中垂直 于旋轉軸107的軌道102現在由傳感線圈組件150讀取。圖Im示意性地示出了處于軸向布局，即旋轉軸107基本垂直于表面106定向的具 有相應的傳感線圈組件150的位置編碼器100的頂視圖。圖In示意性地示出了根據另外的實施例的位置編碼器100，其中設置了至少一個 另一個軌道102η，并且示出了響應于位置而沿運動方向變化的渦流行為。因此可以獲得更 多的位置信息，例如軌道102、102η表示不同的縱向測量范圍。例如，在所說明的實施例中， 軌道102包括多個周期性重復的部分112a，…，112b，這對傳感線圈組件而言是相同的單 元，但由于每個部分112a、112b內較大的空間調制因此允許理想的高空間分辨率。另一方 面，軌道102b表現出較小的空間分辨能力，S卩，渦流行為沿運動方向104的變化沒有那么明 顯，但是獲得了較大的測量路徑，即，在所說明的實例中，可以任意地蓋360度的整個周長 的較大的角范圍。軌道102η可以與軌道102相同的方式制造，在這種情況下還導致了高度 的可再生性和精度。更具體地，通過軌道102、102η的結構固定，能夠實現軌道之間的較小的空間距離，在給定尺寸的表面106和底座體101處分別產生了高“信息密度”。應該注意的是，也可以在徑向實施例中設置具有多個軌道102、102n的相應的結 構，或可以設置混合的實施例，此處一個或多個軌道設置為軸向軌道，如圖In所示，而一個 或多個軌道可以設置為徑向軌道，例如圖Ii中示出和說明的單個軌道。現在將參考圖2a至2d說明另外的示例性實施例，其中在位置編碼器的底座中實 現了渦流行為的有效結構，此處在示例性實施例中底座基本上是由封閉導電材料的非導電 性載體材料構成的。圖2a示意性地示出了位置編碼器200的橫截面，位置編碼器200被設置作為軸向 轉子位置編碼器。位置編碼器200包括底座201，底座201在所說明的實施例中主要由非導 電性材料例如塑料構成，導電材料203局部地插入其中，以便因而限定了導致理想的位置 相關的渦流行為的軌道202，如上所述。此外，在所說明的實施例中，形成了至少在軌道202 上方蓋導電層203的表面206。在所說明的實施例中，例如，導電材料203以成形材料件例 如含金屬的材料件的形式設置，在一些示例性實施例中導電材料203表現出適度高的固有 穩定性，以便即使所述底座設置有適度小的厚度，導電材料203的設置也可以提高底座201 的機械穩定性。例如，導電材料203可以例如通過沖壓以適當成形的金屬板的形式設置，然 后其以適當的方式插入底座201的材料中。為此，如果需要的話，固有穩定形式的導電材料 203例如可以注射成型，而導電材料203被塑性材料完全封閉。這意味著在這種情況下，獲 得了不成形的表面206，其可能簡化了位置編碼器200的處理和安裝，還為導電材料203提 供了相應的保護。另一方面，可以通過使材料203成形而以有效且可再生的方式來實現對 渦流行為的理想調制。可以通過適當的方式將在導電材料203上方的表面206的材料厚度 設定得如此小，以便可以實現理想的保護動作并且將相對于編碼器線圈組件的相應的“空 隙”保持在較小值。應該注意的是，在示例性實施例中，表面202形式的底座體201的非導 電性材料不需要覆蓋整個導電材料203，而且用作實現基本平整的表面，而導電材料203的 突起部形成表面202的一部分。此外，應該注意的是，軌道202還可以由底座內的“突起”部 限定。圖2b示意性地示出了在另一個實施例中的位置編碼器200，其中相應的孔203b設 置在導電材料203的降低的部分中，以便例如在對導電材料203進行注射成型時，可發生塑 性材料與導電材料203的有效“齒接”而不對渦流行為產生實質影響，這是由于降低的部分 難以對任意速度的渦流行為產生任何影響。結果，可以通過成形材料的方式以有效方式保 持軌道202的空間限定，而通過孔203b實現底座201的高穩定性。圖2c示意性地示出了根據另一個示例性實施例的位置編碼器200的橫截面圖，其 中底座201上的導電材料203以基本上“二維”或平面的布局設置，其中基于相應的凹槽或 孔203b實現渦流行為的相應的結構或調制。例如，在一個實施例中，以導電材料件的形式 設置導電材料203，其優選地是固有穩定的，其中孔203b沿運動方向設置以便有效作用的 導電材料的數量有效地響應于位置而變化。例如，在圖2c的左側，由于較小數量的孔203b， 實現了導電材料203的高填充度，因此生成了相應的大渦流，而在圖2c的右側，導電 材料 203的相當小的填充度引起了相當小的渦流形成。可以基于任意理想的適當方法例如通過導電材料203的注射成型來制造圖2c的 位置編碼器200，其中孔203b再次導致形成主體部的底座201的非導電性材料與導電材料203的有效齒接。因此可以產生還適于非常高的速度的非常穩定的位置編碼器。圖2d示意性地示出了如可以在圖2c的實施例中使用的導電材料203的頂視圖， 其中孔203b確保了沿運動方向的位置相關的渦流響應。在另外的實施例中設置了徑向布局，其中導電材料203設置在底座201的表面上， 然而其中生成了沒有與表面206相似的明顯的構造(topology)的表面。當導電材料203也 用于增加底座的穩定性時，它也可以以適當的方式設置在徑向實施例中，從而以與圖2a至 2c中所示的方式相似的方式延伸越過底座的較大部分，然而，其中除了邊緣上的情況以外， 不需要對軌道的生成進行調制，這在徑向實施例中由傳感線圈檢測出。在另外的實施例中， 如果需要不止一個軌道，還能夠使用徑向和軸向組合的形式。因此，本發明提供了位置編碼器，其中底座基本上由非導電性材料特別是塑性材 料構成，其中可以通過非常有效且可再生的方式實現位置相關的渦流生成，在一些方案中 通過突起和/或凹槽的方式在底座的表面上形成了適當的軌道，其中然后可以涂覆適當的 涂層，或者在其它示例性實施例中在基本由塑料制成的底座內制造適當成形的導電材料。 底座和相關聯的軌道的設計允許幾乎任意理想的適當尺寸的位置編碼器的設計與相應的 應用一致，即長度或直徑可以有效地適用于運動部件的尺寸或其形狀，其中可以以小成本 并且同時以小的制造公差完成制造。
權利要求
一種位置編碼器，其用于在傳感線圈組件中產生位置相關的渦流損耗，所述位置編碼器包括底座，其由塑料制成并且其表面在操作過程中將在所述傳感線圈組件的方向上定向；軌道，其通過在塑料的表面中的凹槽和/或突起形成在所述底座中，所述軌道沿預定運動方向延伸并且至少在與所述預定運動方向垂直的方向上變化；以及涂層，其至少設置在所述軌道上并且包括導電材料。
2.根據權利要求1所述的位置編碼器，其中所述軌道被形成為在所述表面中的突起。
3.根據權利要求2所述的位置編碼器，其中所述軌道的高度沿所述預定運動方向恒 定，并且所述軌道的寬度沿所述預定運動方向變化。
4.根據權利要求2所述的位置編碼器，其中所述軌道的高度沿所述預定運動方向變化。
5.根據權利要求4所述的位置編碼器，其中所述軌道的寬度沿所述預定運動方向變化。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的位置編碼器，其中預定方向的運動是旋轉運動。
7.根據權利要求6所述的位置編碼器，其中所述底座適于緊固到回轉式機械的轉子或 與所述回轉式機械相聯結的元件上。
8.根據權利要求7所述的位置編碼器，其中所述表面在與所述轉子的旋轉軸垂直的方 向上定向。
9.根據權利要求7所述的位置編碼器，其中所述表面與所述轉子的旋轉軸平行定向。
10.根據前述任一項權利要求所述的位置編碼器，其中所述涂層至少部分地設置在所 述表面上。
11.根據權利要求10所述的位置編碼器，其中所述涂層設置在所述底座的至少另一個表面上。
12.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中所述涂層包含金屬。
13.根據權利要求12所述的位置編碼器，其中所述涂層被設置為金屬涂層。
14.根據權利要求12所述的位置編碼器，其中所述涂層包括第一局部層和形成在所 述第一局部層上的第二局部層，其中所述第一局部層和/或所述第二局部層被設置為導電層。
15.根據權利要求14所述的位置編碼器，其中所述第二局部層是所述涂層的最外局部 層并被構造為導電層。
16.根據權利要求14所述的位置編碼器，其中所述第二局部層是所述涂層的最外局部 層并用作位于其下方的所述第一局部層的保護層，所述第一局部層被構造為導電層。
17.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中所述涂層包括導電性半導體 材料。
18.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中所述軌道在所述預定運動方 向上被形成為連續軌道。
19.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中在所述預定運動方向上的所 述軌道包括空間上的周期性部分。
20.根據權利要求18所述的位置編碼器，其中所述底座包括另一個軌道，所述另一個軌道通過塑料的凹槽和/或突起形成在所述表面中并且沿所述預定運動方向延伸并且至 少在與所述預定運動方向垂直的方向上變化。
21.根據權利要求19所述的位置編碼器，其中所述軌道和所述另一個軌道沿所述運動 方向不同地變化。
22.用于在傳感線圈組件中產生位置相關的渦流損耗的所述位置編碼器，包括 底座，其由非導電性載體材料和導電材料構成；軌道，其由所述導電材料限定，所述軌道嵌在所述非導電性材料中并且沿預定運動方 向延伸，并且至少沿與所述預定運動方向垂直的方向變化以便生成位置相關的渦流。
23.根據權利要求22所述的位置編碼器，其中所述導電材料以成形元件的形式設置。
24.根據權利要求22或23所述的位置編碼器，其中所述底座被形成為適于旋轉運動的 位置檢測的形狀。
25.根據權利要求23所述的位置編碼器，其中所述成形元件包括第一部分和第二部 分，所述第一部分相對于所述表面具有第一距離，所述第二部分相對于所述表面具有第二 大距離。
26.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中所述導電材料是金屬。
27.根據權利要求26或23所述的位置編碼器，其中所述成形元件被構造為固有穩定的 元件。
28.根據權利要求25所述的位置編碼器，其中至少所述第二部分包括所述載體材料包 含于其中的通孔。
29.根據前述權利要求中任一項所述的位置編碼器，其中所述載體材料是塑性材料。
30.根據權利要求24所述的位置編碼器，其中所述表面被設置為與所述旋轉運動的旋 轉軸垂直。
31.根據權利要求22至30中任一項所述的位置編碼器，其中在操作過程中將在所述傳 感線圈組件的方向上定向的表面基本上是非成形的。
全文摘要
本發明公開了一種位置傳感器，特別是包括底座的轉子位置傳感器。在所述底座的表面內形成了設置有導電涂層的軌道，用于評估信號。由于所述軌道形成在所述底座內，因此通過設計測量獲得了對渦流行為理想的位置相關的調制，導致了低制造公差和降低的生產成本。
文檔編號G01D5/20GK101842665SQ200880113436
公開日2010年9月22日 申請日期2008年9月10日 優先權日2007年11月9日
發明者維利·維默爾, 魯道夫·克龍阿維特 申請人:沃格特電子元件有限責任公司