Title:
Sensor
Document Type and Number:
Kind Code:
T5

Abstract:

Ein Sensor umfasst eine Quelle, die eine elektromagnetische Struktur enthält, die auf Empfangen von Energie ein elektromagnetisches Nahfeld erzeugt, und eine Detektionseinheit, die zumindest eine Spule enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet ist, so dass das elektromagnetische Nahfeld über eine induktive Kopplung einen durch die Spule fließenden Strom erzeugt. Der Sensor umfasst auch eine Messeinheit zum Messen einer Spannung über die Spule und einen Prozessor zum Detektieren eines Vorhandenseins einer Zielstruktur in der Nähe der Quelle auf Detektion einer Änderung in einem Wert der Spannung. Die Zielstruktur ist eine elektromagnetische Struktur, die sich in einem Abstand von der Quelle bewegt.





Inventors:
Wang, Bingnan, Mass. (Cambridge, US)
Teo, Koon Hoo, Mass. (Cambridge, US)
Application Number:
DE112016001563T
Publication Date:
01/04/2018
Filing Date:
03/30/2016
Assignee:
Mitsubishi Electric Corporation (Tokyo, JP)
International Classes:
G01V3/10; G01B7/004; G01D5/20; G01V15/00; H03K17/95
Attorney, Agent or Firm:
Pfenning, Meinig & Partner mbB Patentanwälte, 80339, München, DE
Claims:
1. Sensor, umfassend:
eine Quelle, die eine elektromagnetische Struktur enthält, die ein elektromagnetisches Nahfeld auf Empfangen von Energie erzeugt;
eine Detektionseinheit, die zumindest eine Spule enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet ist, so dass das elektromagnetische Nahfeld über eine induktive Kopplung einen durch die Spule fließenden Strom induziert;
eine Messeinheit zum Messen einer Spannung über die Spule; und
einen Prozessor zum Detektieren eines Vorhandenseins einer Zielstruktur in der Nähe der Quelle auf Detektion einer Änderung in einem Wert der Spannung, wobei die Zielstruktur eine elektromagnetische Struktur ist, die sich in einem Abstand von der Quelle bewegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend:
eine Energiequelle zum Zuführen der Energie an die Quelle über ein Energiesignal, das eine Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Zielstruktur eine resonante elektromagnetische Struktur mit der Resonanzfrequenz ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit ein Paar von verbundenen Spulen enthält, das eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, wobei der Wert der durch die Messeinheit gemessenen Spannung eine Differenz zwischen einer ersten Spannung über die erste Spule und einer zweiten Spannung über die zweite Spule repräsentiert, und wobei der Prozessor eine relative Position der Zielstruktur in Bezug auf die Quelle auf Grundlage des Werts der Spannung bestimmt.

4. Sensor nach Anspruch 3, wobei sich die resonante Struktur einer Trajektorie entsprechend in einer Ebene parallel zur elektromagnetischen Struktur der Quelle bewegt, ferner umfassend:
einen Speicher speichernd eine Zuordnung zwischen einer Reihe von Positionen der Zielstruktur auf der Trajektorie und einer Reihe von Werten der Spannungen, wobei der Prozessor die relative Position der Zielstruktur unter Verwendung der Zuordnung bestimmt.

5. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit ein Paar von verbundenen Spulen enthält, das eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, wobei die Messeinheit die Spannung über jede verbundene Spulen misst, umfassend eine erste Spannung, die über die erste Spule gemessen wird, und eine zweite Spannung, die über die zweite Spule gemessen wird, und wobei der Prozessor die erste Spannung und die zweite Spannung vergleicht, um eine relative Position der Zielstruktur in Bezug auf die Quelle zu bestimmen.

6. Sensor nach Anspruch 4, wobei sich die resonante Struktur einer Trajektorie entsprechend in einer Ebene parallel zur elektromagnetischen Struktur der Quelle bewegt, ferner umfassend:
einen Speicher speichernd eine Zuordnung zwischen einer Menge von Positionen der Zielstruktur auf der Trajektorie und einer Menge von entsprechenden Differenzen zwischen der ersten und der zweiten Spannung, wobei der Prozessor die relative Position der Zielstruktur unter Verwendung der Zuordnung bestimmt.

7. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit ein Paar von verbundenen Spulen enthält, das eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, wobei die Messeinheit die Spannung über jede verbundene Spulen misst, umfassend eine erste Spannung, die über die erste Spule gemessen wird, und eine zweite Spannung, die über die zweite Spule gemessen wird, und wobei der Prozessor eine relative Position der Zielstruktur in Bezug auf die Quelle auf Grundlage der ersten Spannung und der zweiten Spannung bestimmt.

8. Sensor nach Anspruch 7, ferner umfassend:
einen Speicher speichernd eine Zuordnung zwischen einer Menge von unterschiedlichen relativen Positionen der Zielstruktur und einer Menge von entsprechenden Paaren von Werten der ersten und der zweiten Spannungen, wobei der Prozessor die relative Position der Zielstruktur unter Verwendung der Zuordnung bestimmt.

9. Sensor nach Anspruch 3, wobei die verbundenen Spulen eine identische Form aufweisen und in Bezug auf die elektromagnetische Struktur der Quelle zentriert sind, so dass eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung unter einem Schwellenwert ist, wenn die Zielstruktur außerhalb des elektromagnetischen Nahfelds ist.

10. Sensor nach Anspruch 3, wobei der Prozessor für die relative Position der Zielstruktur bestimmt, dass sie mit den verbundenen Spulen ausgerichtet ist, wenn die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung während des Vorhandenseins der Zielstruktur innerhalb des elektromagnetischen Nahfelds einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung gleicht, wenn die Zielstruktur außerhalb des elektromagnetischen Nahfelds ist.

11. Sensor nach Anspruch 3, wobei der Prozessor Größen der ersten und der zweiten Spannung mit Referenzspannungen vergleicht, um ein Vorhandensein der Zielstruktur innerhalb des elektromagnetischen Nahfelds zu detektieren.

12. Sensor nach Anspruch 3, wobei die Detektionseinheit eine Vielzahl von verbundenen Spulen enthält, und wobei der Prozessor die relative Position der Zielstruktur auf Grundlage einer Kombination von Werten der Spannungen bestimmt, die über jede Spule der Detektionseinheit bestimmt wurden.

13. Sensor nach Anspruch 3, wobei die Detektionseinheit eine Reihe von Gruppen von verbundenen Spulen enthält, und wobei der Prozessor die relative Position der Zielstruktur auf Grundlage einer Kombination von Werten der Spannungen bestimmt, die über jede Spule der Detektionseinheit bestimmt wurden.

14. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Spule der Detektionseinheit eine 8förmige Spule ist.

15. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Spule der Detektionseinheit und die elektromagnetische Struktur der Quelle auf einer gedruckten Schaltung angeordnet sind.

16. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Zielstruktur mehrere resonante Strukturen enthält.

17. Sensor, umfassend:
eine Quelle, die eine elektromagnetische Struktur enthält;
eine Energiequelle zum Zuführen eines Leistungssignals mit der Resonanzfrequenz an die elektromagnetische Struktur, um ein magnetisches Nahfeld um die elektromagnetische Struktur zu erzeugen;
eine Detektionseinheit, die verbundene Spulen enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet sind, so dass das magnetische Nahfeld einen Strom induziert, der durch die verbundenen Spulen über eine induktive Kopplung fließt, wobei die verbundenen Spulen eine erste Spule und eine zweite Spule umfassen;
eine Messeinheit zum Messen von Spannungen über jede der verbundene Spulen, umfassend eine erste Spannung, die über die erste Spule gemessen wird, und eine zweite Spannung, die über die zweite Spule gemessen wird; und
einen Prozessor zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung und zum Bestimmen einer relativen Position einer Zielstruktur in Bezug auf die Quelle oder in Bezug auf das Paar von verbundenen Spulen auf Grundlage einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung.

18. Sensor nach Anspruch 17, wobei sich die Zielstruktur einer Trajektorie entsprechend bewegt, und wobei der Sensor ferner umfasst:
einen Speicher speichernd eine Zuordnung zwischen einer Menge von Positionen der Zielstruktur auf der Trajektorie und einer Menge von Paaren der ersten und der zweiten Spannung.

19. Sensor nach Anspruch 17, wobei der Prozessor die Position der Zielstruktur bestimmt, so dass sie mit verbundenen Spulen ausgerichtet ist, wenn die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung während des Vorhandenseins der Zielstruktur innerhalb des magnetischen Nahfelds gleich ist wie die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung, wenn die Zielstruktur außerhalb des magnetischen Nahfelds ist.

20. Sensor nach Anspruch 17, wobei der Prozessor Größen der ersten und der zweiten Spannung mit Referenzspannungen vergleicht, um ein Vorhandensein der Zielstruktur innerhalb des magnetischen Nahfelds zu detektieren.

Description:
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Positionssensor, und insbesondere einen kontaktlosen Sensor zum Bestimmen eines Vorhandenseins und/oder relativen Position einer Zielstruktur in der Nähe des Sensors.

Hintergrund der Erfindung

Positionssensoren, wie Bürsten, Schleifringe oder Drahtleiter wenden häufig Kontakte an, um die Position eines beweglichen Teils anzuzeigen. Die Beseitigung von Kontakten ist wünschenswert und kann elektrisches Rauschen und elektrische Störungen, die durch den elektrischen Schleifkontakt verursacht werden, reduzieren. Die kontaktlosen Sensoren halten einen Zwischenraum zwischen dem Sensor und einer Zielstruktur aufrecht. Es kann schwierig sein, den Erfassungsbereich bei Vorhandensein eines solchen physischen Zwischenraums aufrechtzuhalten.

Beispiele kontaktloser Sensoren umfassen kapazitätsbasierte Positionssensoren, laserbasierte Positionssensoren, Wirbelstromerfassungspositionssensoren und wandlerbasierte Linearverschiebungspositionssensoren. Während jeder Typ von Positionssensor seine Vorteile aufweist, kann jeder Typ von Sensor für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet sein. Die Größe der Kondensatoren kann den Sensor zum Beispiel dann unpraktisch machen, wenn der Positionssensor klein sein muss. Der optische Sensor kann beim Vorhandensein von Schmutz oder Fett versagen. Magnetsensoren erfordern Präzisionsgehäuse und mechanische Montage, um Fehler zu vermeiden, die durch die Magnet- oder Sensorfalschausrichtung verursacht werden, was in einigen Anwendungsfällen schwierig sein kann. Zudem können sich in einigen Anwendungsfällen die Größe des Zwischenraums zwischen dem Sensor und der Zielstruktur mit der Zeit verändern, und die Position der Zielstruktur kann Probleme hinsichtlich der Genauigkeit einiger linearer Positionssensoren verursachen.

Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem kontaktlosen Sensor zum Bestimmen eines Vorhandenseins und/oder relativen Position einer Zielstruktur, die in unterschiedlichen Abständen vom Sensor angeordnet ist.

[Zusammenfassung der Erfindung]

Einige Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass der Magnetfluss eines elektromagnetischen Nahfelds, das während der induktiven Kopplung verwendet wird, gegenüber irgendwelchen Veränderungen im elektromagnetischen Nahfeld empfindlich ist. Die Veränderungen im elektromagnetischen Nahfeld, die durch Änderungen des Magnetflusses verursacht werden, die zum Beispiel durch Messen der Spannung über die Spule detektiert werden können, die durch den Strom verursacht wird, der durch den Magnetfluss über die induktive Kopplung induziert wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass ein Vorhandensein einer externen elektromagnetischen Struktur, die sich innerhalb des elektromagnetischen Nahfelds bewegt, das Magnetfeld stört und somit auf Grundlage der Änderungen in den Messungen der Spannung detektiert werden kann. Zum Beispiel wird die resonante Kopplung der Zielstruktur, die die Form des magnetischen Nahfelds ändert, welche wiederum den Strom in den verbundenen Spulen ändert, der durch das Nahfeld erzeugt wird. Außerdem beeinflusst die Wirkung eines solchen Vorhandenseins das gesamte Nahfeld, wodurch die Detektion gegenüber dem Abstand zwischen der Quelle, die das Nahfeld erzeugt, und der Zielstruktur weniger empfindlich wird. Auf diese Weise kann das Vorhandensein der Zielstruktur innerhalb des Nahfelds selbst mit einem relativ großen Abstand von der Quelle detektiert werden.

Außerdem, wenn der Magnetfluss Strom über mehrere verbundene Spulen induziert, dann geben die Größe und/oder Differenzen zwischen den Spannungen unterschiedlicher Spulen die relative Position der Zielstruktur innerhalb des Nahfelds an. Zum Beispiel kann eine Trajektorie der potentiellen Bewegung der Zielstruktur abgetastet werden, um eine Kombination von Spannungen der verbundenen Spulen entsprechend der bestimmten Position der Zielstruktur auf der Trajektorie zu bestimmen.

Dementsprechend offenbart eine Ausführungsform einen Sensor, der eine Quelle umfasst, die eine elektromagnetische Struktur enthält, die ein elektromagnetisches Nahfeld auf Empfangen von Energie erzeugt; eine Detektionseinheit, die zumindest eine Spule enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet ist, so dass das elektromagnetische Nahfeld über eine induktive Kopplung einen Strom induziert, der durch die Spule fließt; eine Messeinheit zum Messen einer Spannung über die Spule; und einen Prozessor zum Detektieren eines Vorhandenseins einer Zielstruktur in der Nähe der Quelle auf Detektion einer Änderung in einem Wert der Spannung, wobei die Zielstruktur eine elektromagnetische Struktur ist, die sich in einem Abstand von der Quelle bewegt.

Eine weitere Ausführungsform offenbart einen Sensor, der eine Quelle umfasst, die eine elektromagnetische Struktur enthält, eine Energiequelle zum Zuführen eines Energiesignals mit der resonanten Frequenz an die elektromagnetische Struktur, um ein elektromagnetisches Nahfeld um die elektromagnetische Struktur zu erzeugen; eine Detektionseinheit, die verbundene Spulen enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet sind, so dass das magnetische Nahfeld einen Strom induziert, der über eine induktive Kopplung durch die verbundenen Spulen fließt, wobei die verbundenen Spulen eine erste Spule und eine zweite Spule umfassen; eine Messeinheit zum Messen von Spannungen über jede der verbundenen Spulen, umfassend eine erste Spannung, die über die erste Spule gemessen wird, und eine zweite Spannung, die über die zweite Spule gemessen wird; und einen Prozessor zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung und zum Bestimmen einer relativen Position einer Zielstruktur in Bezug auf die Quelle oder in Bezug auf das Paar von verbundenen Spulen auf Grundlage einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung.

[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]

1 ist eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

2 ist ein Blockdiagramm eines Sensors zum Bestimmen einer relativen Position der Zielstruktur in Bezug auf den Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

3 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der relativen Position der Zielstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

4 ist ein Beispiel einer Zuordnung zwischen verschiedenen Kombinationen der Werte der Spannungen und relativen Positionen der Zielstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

5A ist ein Beispiel einer elektromagnetischen Struktur, die durch den Sensor gemäß einer Ausführungsform verwendet wird.

5B ist ein Beispiel der Quellenstruktur, die mit einer Energiequelle 290 über zwei Anschlüsse verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform.

6 ist ein Beispiel einer Erfassungsstruktur, die eine Quellenstruktur und eine Detektionsstruktur enthält.

7A sind Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

7B sind Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

8A sind Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

8B sind Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

9 ist eine schematische Darstellung des Detektierens einer Position der Zielstruktur, die mehrere resonante Strukturen umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

10 ist eine schematische Darstellung der Erfassungsstruktur, die eine Quellenstruktur und eine Reihe von Gruppen von verbundenen Spulen enthält, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[Beschreibung der Ausführungsformen]

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor umfasst eine Quelle 110, die eine elektromagnetische Struktur zum Erzeugen eines elektromagnetischen Nahfelds auf Empfangen von Energie, und eine Detektionseinheit 120, die zumindest eine Spule enthält, die in der Nähe der Quelle angeordnet ist, so dass das elektromagnetische Nahfeld über eine induktive Kopplung einen Strom induziert, der durch die Spule fließt. Der Sensor enthält auch eine Messeinheit 130 zum Messen einer Spannung über die Spule der Detektionseinheit. In einigen Ausführungsformen wird die Spannung direkt gemessen. In alternativen Ausführungsformen wird die Spannung durch andere Messungen gemessen, die die Spannung analytisch definieren, z.B. die Messungen des Stroms.

Einige Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass ein Vorhandensein einer externen elektromagnetischen Struktur, wie einer Zielstruktur 60, die sich innerhalb des elektromagnetischen Nahfelds bewegt, das Magnetfeld stört und somit auf Grundlage von Änderungen in den Messungen der Spannung detektiert werden kann. Die resonante Kopplung der Zielstruktur, die die Form des magnetischen Nahfelds ändert, welche wiederum den Strom in den verbundenen Spulen ändert, der durch das Nahfeld erzeugt wird. Außerdem ist die Wirkung eines solchen Vorhandenseins innerhalb des gesamten Nahfelds spürbar, wodurch die Detektion gegenüber dem Abstand zwischen der Quelle, die das Nahfeld erzeugt, und der Zielstrukturweniger empfindlich wird. In dieser Weise kann das Vorhandensein der Zielstruktur innerhalb des Nahfelds selbst bei einem relativ großen Abstand von der Quelle detektiert werden.

Dementsprechend kann das Vorhandensein 140 oder Nichtvorhandensein 150 der Zielstruktur 160 in der Nähe der Quelle 110 unter Verwendung eines Prozessors 170 bestimmt werden, auf Grundlage der Detektion 145 oder Nichtdetektion 155 einer Änderung 135 in einem Wert der Spannung.

2 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensors 210 zum Bestimmen einer relativen Position einer Zielstruktur 220 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In einigen Implementierungen enthalten die Zielstruktur und der Sensor flache Oberflächen, die einander zugewandt sind. Die Zielstruktur enthält zumindest eine passive resonante Struktur, die Resonanz bei einer bestimmten Funkfrequenz f0 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die Bewegung der Zielstruktur uneingeschränkt. In alternativen Ausführungsformen bewegt sich die Zielstruktur einer Trajektorie 225 entsprechend, z.B. in einer Ebene parallel zur flachen Oberfläche des Sensors.

Der Sensor enthält eine Quelle, die eine Quellenstruktur 230 enthält, und eine Detektionseinheit, die eine Detektionsstruktur 240 enthält. Die Quellenstruktur ist eine elektromagnetische Struktur, die ein elektromagnetisches Nahfeld auf Empfangen von Energie erzeugt. Zum Beispiel ist die Quellenstruktur eine elektrischen Strom tragende Spule. Die Detektionseinheit ist zumindest eine angeordnete Spule. In einigen Ausführungsformen enthält die Detektionsstruktur ein Paar oder mehr von verbundenen Spulen.

Die Quellenstruktur 230 ist mit der Detektionsstruktur 240 induktiv gekoppelt 235 und kann in ein dielektrisches Substrat integriert werden, so dass die relative Position der Quelle und der Detektionsstrukturen fixiert ist. Die Quellenstruktur kann durch eine Funkfrequenzenergiequelle 270 gespeist werden. Zum Beispiel kann die Energiequelle 270 in einer Ausführungsform die Energie der Quelle über ein Energiesignal zuführen, das die gleiche Resonanzfrequenz aufweist wie die Zielstruktur. In dieser Ausführungsform kann die Zielstruktur mit der Quellenstruktur resonant gekoppelt 223 werden.

Auf Empfangen der Energie fließt der Magnetfluss durch jede Spule der Detektionsstruktur und erzeugt über jede Spule eine induzierte Spannung. Die induzierten Spannungen des Spulenpaars werden durch eine Messeinheit 250 aufgezeichnet. Die Spannungsinformationen werden an eine Verarbeitungseinheit 260 übermittelt und die Größen der Spannungen und/oder die Differenzen der Spannungen werden verwendet, um die Position 280 der Zielstruktur zu bestimmen.

Wenn die Quellenstruktur zum Beispiel einen Wechselstrom empfängt, wird ein magnetisches Nahfeld in der Nähe der Quellenstruktur erzeugt. Wenn die Detektionsstruktur in der Nähe der Quellenstruktur ist, fließt der Magnetfluss durch die Spulen der Detektionsstruktur und die induzierte Spannung wird an jeder Spule erzeugt. Wenn die Detektionsstruktur so angeordnet ist, dass die gleiche Menge des Magnetflusses durch jede Spule fließt, sind die induzierten Spannungen über jede der Spulen gleich. Wenn die verbundenen Spulen zum Beispiel eine erste Spule und eine zweite Spule enthalten, beträgt eine Differenz zwischen einer ersten Spannung über die erste Spule und einer zweiten Spannung über die zweite Spule null.

Wenn eine Zielstruktur im Nahfeld der Quellenstruktur platziert wird, kann die Resonanz der Zielstruktur angeregt werden, und das Magnetfeld wird mit der Zielstruktur gekoppelt. In der Zielstruktur wird Strom induziert, welcher ein induziertes Magnetfeld erzeugt. Aufgrund der Resonanz in der Zielstruktur kann das induzierte Magnetfeld Störung des gesamten Magnetflusses induzieren, der durch jede der Detektionsspulen fließt. In Abhängigkeit von der relativen Position der Zielstruktur zur Erfassungsstruktur ist die Änderung in der Magnetflussverteilung, die durch die Zielstruktur verursacht wird, unterschiedlich, und die induzierte Spannung ist an jeder Detektionsspule unterschiedlich. Die Differenz in der induzierten Spannung kann als eine Angabe der Position der Zielstruktur verwendet werden.

Wenn zum Beispiel ein Zentrum der Zielstruktur mit dem Zentrum der Detektionsstruktur ausgerichtet ist, dann ist die die Wirkung des durch die Zielstruktur erzeugten Magnetflusses zu jeder Spule gleich, und die induzierten Spannungen sind somit immer noch gleich, und die Differentialspannung ist Null. Wenn zwischen dem Zentrum der Zielstruktur und jenem der Detektionsstruktur ein Versatz vorhanden ist, ist die Wirkung des Magnetflusses, der durch die Zielstruktur erzeugt wird, auf den zwei Detektionsspulen asymmetrisch, wodurch sich eine Differentialspannung von ungleich null ergibt. Im Allgemeinen ist die Differentialspannung umso größer, je größer der Versatz ist. Die Beziehung zwischen einem Differentialspannungswert und der entsprechenden relativen Position kann zum Beispiel durch experimentelle Daten bestimmt werden, welche in einem Speicher 290 gespeichert werden können, der mit einem Prozessor der Verarbeitungseinheit operativ verbunden ist. Ein gemessener Differentialspannungswert wird an die Verarbeitungseinheit gesendet, welche diesen Wert dann den entsprechenden Positionsinformationen zuordnet.

3 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der relativen Position der Zielstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wenn in der Nähe der Erfassungsstruktur 310 keine Zielstruktur vorhanden ist, werden die induzierten Spannungen V1 und V2 aufgrund des Magnetfelds von der Quellenstruktur erzeugt 320. Wenn die Detektionsstruktur so angeordnet ist, dass der durch jede Spule fließende Magnetfluss gleich ist, sind die induzierten Spannungen gleich, und die Differenz in der Spannung ∆V ist Null. Wenn zwischen der Detektionsstruktur und der Quellenstruktur ein Versatz vorhanden ist, kann eine Differenz zwischen V1 und V2 vorhanden sein, wodurch ∆V ein Wert ungleich null wird. Die Informationen können in der Verarbeitungseinheit als Referenzwerte gespeichert 330 werden.

Der Sensor misst 340 ständig neue Werte von V1, V2 und ∆V, welche an die Verarbeitungseinheit zum Vergleichen mit gespeicherten Referenzwerten gesendet werden. Wenn keine Änderung detektiert wird, gibt es im Bereich 390 keine Zielstruktur. Wenn in den Messwerten 350 eine Änderung enthalten ist, dann werden diese Werte durch die Verarbeitungseinheit analysiert. Wenn sowohl V1 und V2 geändert sind, aber die neue Differentialspannung ∆V’ noch immer gleich ist ∆V 360, dann ist die Zielstruktur mit der Erfassungsstruktur ausgerichtet und ist auf Null-Position. Wenn der neue Differentialspannungswert ∆V’ anders ist als ∆V, dann ist die Zielstruktur im Bereich des Sensors, und nicht mit der Nullposition 370 ausgerichtet. Die Positionsinformationen werden dann durch die Verarbeitungseinheit bestimmt, unter Verwendung der vorgespeicherten Beziehung zwischen Differentialspannung und Position.

Einige Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass, wenn der Magnetfluss Strom durch mehrere verbundene Spulen induziert, die Größe und/oder Differenzen zwischen den Spannungen verschiedener Spulen die relative Position der Zielstruktur innerhalb des Nahfelds anzeigen. Zum Beispiel kann eine Trajektorie der potentiellen Bewegung der Zielstruktur abgetastet werden, um eine Kombination von Spannungen der verbundenen Spulen entsprechend der bestimmten Position der Zielstruktur auf der Trajektorie zu bestimmen. Dementsprechend bestimmen einige Ausführungsformen der Erfindung eine Zuordnung zwischen Informationen, die eine unterschiedliche Kombination der Werte der Spannungen über die Spulen der Detektionseinheit anzeigen, und einer relativen Position der Zielstruktur.

4 zeigt ein Beispiel der Zuordnung 410 zwischen unterschiedlichen Kombinationen der Werte der Spannungen 420 und 430 über die Spulen der Detektionseinheit und relativen Positionen 440 der Zielstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Zuordnung für verschiedene Werte der Spannungen, Differenzen zwischen den Spannungen oder beides bestimmt. In einigen Ausführungsformen wird die Zuordnung für unterschiedliche Positionen im Raum um den Sensor bestimmt. In alternativen Ausführungsformen wird die Zuordnung für Trajektorien 450 bestimmt, z.B. in einer Ebene parallel zur elektromagnetischen Struktur der Quelle.

In einer Ausführungsform enthält die Detektionseinheit zum Beispiel ein Paar von verbundenen Spulen, die eine erste Spule und eine zweite Spule enthalten. Die Messeinheit misst eine Differenz zwischen einer ersten Spannung über die erste Spule und eine zweite Spannung über die zweite Spule, und wobei der Prozessor eine relative Position der Zielstruktur in Bezug auf die Quelle auf Grundlage des Werts der Spannung bestimmt. In einigen Implementierungen bewegt sich die resonante Struktur einer Trajektorie entsprechend in einer Ebene parallel zur elektromagnetischen Struktur der Quelle, und der Speicher 290 speichert eine Zuordnung zwischen einer Reihe von Positionen der Zielstruktur auf der Trajektorie und eine Reihe von Werten der gemessenen Spannungen.

In einer weiteren Ausführungsform misst die Messeinheit die Spannung über jeder der verbundenen Spulen, umfassend eine erste Spannung, die über die erste Spule gemessen wird, und eine zweite Spannung, die über die zweite Spule gemessen wird. In einer Implementierung dieser Ausführungsform speichert der Speicher eine Zuordnung zwischen einer Reihe von Positionen der Zielstruktur auf der Trajektorie und eine Reihe von entsprechenden Differenzen zwischen der ersten und der zweiten Spannung. In alternativen Implementierungen speichert der Speicher eine Zuordnung 410 zwischen einer Reihe von unterschiedlichen relativen Positionen 440 der Zielstruktur und eine Reihe von entsprechenden Paaren von Werten der ersten 410 und der zweiten 420 Spannung.

Ein Vorteil der Verwendung von differentiellen Messungen ist die Toleranz gegenüber der Änderung in einem Zwischenraum zwischen Zielstruktur und Erfassungsstruktur. Da die Wirkung des Magnetflusses auf die induzierte Spannung der zwei Detektionsspulen ist gleich, selbst mit unterschiedlichen Zwischenraumgrößen. Die induzierten Spannungen V1 und V2 ändern sich gleichzeitig und die Differentialspannung V1–V2 wird gleich aufrechtgehalten. Solche Sensoren können als ein Positionsschalter verwendet werden, in welchem Fall nur der Nullpunkt durch den Sensor detektiert wird, auf Grundlage einer Nulldifferentialspannung, oder als ein linearer Positionssensor, in welchem Fall die Linearposition um den Nullpunkt durch die Änderung in der Differentialspannung detektiert wird. Ein Vorteil der Verwendung von resonanten Strukturen, die mit der Erfassungsstruktur gekoppelt sind, besteht darin, dass der Bereich viel größer sein kann als bei der herkömmlichen induktiven Kopplung, so dass zwischen der Zielstruktur und der Erfassungsstruktur eine größere Zwischenraumgröße möglich ist.

5A zeigt ein Beispiel unterschiedlicher elektromagnetischer Strukturen, die durch den Sensor gemäß einer Ausführungsform verwendet werden. In diesem Beispiel ist die Quellenstruktur 510 eine Quadratschleife mit einer einzigen Windung aus Kupferdraht, welche an den zwei Anschlüssen mit einer Energiequelle verbunden ist. Die Detektionsstruktur 520 ist eine 8-förmige Kupferspule, die auf der gleichen gedruckten Schaltung platziert ist, wie die Quellenstruktur 510. Die Spannungen an den zwei Öffnungen der Detektionsstruktur 520 werden gemessen. Die Zielstruktur 530 ist eine Quadratspirale mit mehreren Windungen und auf eine andere Platine gedruckt und mit einem Abstand d von der Quellenstruktur getrennt.

5B zeigt ein Beispiel der Quellenstruktur 510, die über zwei Anschlüsse 511 und 512 mit einer Stromquelle 290 verbunden ist. Allerdings können verschiedene Ausführungsformen verschiedene Konfigurationen der Quellenstruktur 510 verwenden. Zum Beispiel verwenden einige Ausführungsformen die Quellenstruktur, die durch Metalldrähte mit mehreren Wicklungen gebildet ist, welche dünne und flache Formen aufweisen können, wie sie in gedruckten Schaltungen verwendet werden, oder können durch verseilte Drähte oder Litzendrähte ausgebildet sein.

6 zeigt ein Beispiel einer Quellenstruktur 510 und einer Detektionsstruktur 520. Die Spannungen über die Anschlüsse 1 und 0 und 2 und 0 werden als V1 und V2 gemessen. In diesem Beispiel ist die Detektionsstruktur eine 8-förmige Spule. Ähnlich den Quellenstrukturen kann die Detektionsstruktur mit vielen verschiedenen Formen implementiert sein. Zum Beispiel verwenden einige Ausführungsformen die aus Metalldrähten mit mehreren Windungen gebildete Quellenstruktur, welche mit dünnen und flachen Formen ausgebildet sein können, wie sie in gedruckten Schaltungen verwendet werden, oder können aus verdrillten Litzen von Drähten oder Litzendrähten ausgebildet sein. Die Detektionsstrukturen können verschiedene geometrische Muster aufweisen.

Die 7A und 7B zeigen Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Die Detektionsstruktur 710 gemäß 7A ist eine 8-förmige Spule mit mehreren Windungen. Die Detektionsstruktur 720 gemäß 7B besteht aus zwei Spiralen mit mehreren Windungen, die am Ende verbunden sind.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Zielstruktur bei der Betriebsfrequenz resonant. Verschiedene Ausführungsformen gestalten die Zielstruktur mit hohem Qualitätsfaktor, um den Erfassungsbereich zu erweitern. Die resonante Zielstruktur kann auch viele verschiedene Formen aufweisen, die bei gedruckten Schaltungen implementiert werden können, oder als verseilte Drähte oder Litzendrähte.

8A und 8B zeigen Beispiele verschiedener geometrischer Muster der Detektionsstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. 8A zeigt ein Beispiel einer Multifaser-Spirale, die als die resonante Struktur ausgebildet ist. Metamaterial-Resonatoren können auch für die Zielstruktur verwendet werden. 8B zeigt ein Beispiel des Resonators 820, der durch ein Metamaterialkonzept entwickelt ist. Die effektive Kapazität ist durch die kleinen Zwischenräume in der Mitte der Strukturen bereitgestellt, und die effektive Induktivität ist durch die Metalldrähte bereitgestellt. Um den Qualitätsfaktor der Resonanz weiter zu erhöhten, können andere Maßnahmen ergriffen werden. Zum Beispiel sind dielektrische Materialien mit geringem Verlust als das Substrat der Zielstruktur zu bevorzugen.

Die Sensoren können auch als Teil eines größeren Sensors verwendet werden. Zum Beispiel können mehrere resonante Strukturen die Zielstruktur bilden, welche als ein Marker von Positionen oder eine lineare Skala dienen können. Die Erfassungsstruktur, die durch die Quelle und Detektionsstrukturen gebildet ist, kann auch mehrere Paare von Differentialspulen enthalten. In diesem Fall können mehrere Ausgangskanäle den linearen Erfassungsbereich erweitern oder einen Linearencoder bilden.

9 zeigt eine schematische Darstellung der Erfassungsstruktur 910, die eine Position der Zielstruktur 920 detektiert, umfassend mehrere resonante Strukturen 921 und 922, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die resonanten Strukturen können den gleichen oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen, und können die gleiche oder unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Das induzierte Magnetfeld auf der Zielstruktur ist auf verschiedenen Positionen unterschiedlich, und beeinflusst die induzierte Spannung unterschiedlich. Somit dient die Zielstruktur als eine Skala entsprechend unterschiedlichen Positionen, und kann durch den Sensor verwendet werden, um die Positionsinformationen zu bestimmen.

10 zeigt eine schematische Darstellung der Erfassungsstruktur 1010, die eine Quellenstruktur 1020 und eine Reihe von Gruppen 1031, 1032, 1033 von verbundenen Spulen der Detektionseinheit enthält, gemäß einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform kann der Prozessor die relative Position der Zielstruktur auf Grundlage einer Kombination von Werten der Spannungen bestimmen, die über jede Spule der Detektionseinheit bestimmt wurden, welche als drei unabhängige Messungskanäle dienen. Die gemessenen Spannungswerte sind für die drei Kanäle aufgrund des unterschiedlichen Einflusses der Zielstruktur verschieden.

In den Ausführungsformen können die resonanten Strukturen den gleichen oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen, und können die gleiche oder verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Das induzierte Magnetfeld auf der Zielstruktur ist an unterschiedlichen Positionen verschieden und wirkt sich auf die induzierten Spannungen unterschiedlich aus. Somit dient die Zielstruktur als eine Skala entsprechend unterschiedlichen Positionen, und kann vom Sensor verwendet werden, um die Positionsinformationen zu bestimmen. Die drei Messungskanäle können die Position der Zielstruktur unabhängig bestimmen. Somit können die zusätzlichen Kanäle als Redundanz als der erste Kanal dienen. Falls in der Nähe eines Kanals ein Objekt vorhanden ist und die Messung beeinflusst, helfen die redundanten Kanäle, die korrekten Positionsinformationen zu erhalten. Da die relativen Positionen zwischen den drei Messungskanälen bekannt sind, können die mehreren Kanäle auch zusammenarbeiten und als Teil eines Linearencoders dienen.

Die vorangehend erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in irgendeiner von verschiedenen Weisen implementiert werden. Zum Beispiel können die Ausführungsformen unter Verwendung einer Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden. Die Verwendung von Ordnungszahlen, wie ”erster”, ”zweiter” in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu modifizieren, bezeichnet an sich keine Priorität, Vorrang oder Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem anderem oder der Zeitfolge, in welcher Schritte eines Verfahrens durchgeführt werden, sondern wird lediglich zur Kennzeichnung verwendet, um ein Anspruchselement, das eine bestimmte Bezeichnung hat, von einem anderen Element, das eine gleiche Bezeichnung hat (bis auf die die Verwendung der Ordnungszahl) zu unterscheiden, um die Anspruchselemente zu unterscheiden.