本發(fā)明涉及運動傳感器和位置傳感器，并且更特別地涉及用于感測電機的轉(zhuǎn)子的運動的電容傳感器的用途。

背景技術(shù)：

運動控制系統(tǒng)通常需要位置反饋。例如，主動磁性軸承控制可能需要用于反饋信號的非接觸式位置傳感器以便能夠使轉(zhuǎn)子的位置保持在允許公差內(nèi)。位置反饋能夠通過例如渦流傳感器、電感傳感器、電容傳感器或光學(xué)傳感器來實現(xiàn)。

電容位移傳感器經(jīng)常使用在工業(yè)中各種應(yīng)用中，包括：精確定位、運動控制、半導(dǎo)體加工以及設(shè)備組裝、厚度測量、工具計量以及裝配線測試。

為了測量兩個導(dǎo)電材料之間的距離，電容感測系統(tǒng)可以利用用于估計平行板電容器的電容C的等式：

C＝ε₀ε_rS/r， (1)

其中，ε₀是自由空間的電容率(電常數(shù))，ε_r是位于電容器板之間的間隙中的絕緣材料的相對靜態(tài)電容率(介電常數(shù))，S是板的面積，以及r是板之間的距離。

假設(shè)面積S和間隙中的材料(通常情況下是空氣)的介電性質(zhì)ε₀ε_r保持恒定，則電容值C反映探針電極與靶之間的距離r的改變。電容感測系統(tǒng)可以配置成測量電容(或電容的改變)并且因此測量距離(或運動)。在電容器中電流i與電容值C以及與電容器兩端的電壓的變化率dv/dt成正比(i＝Cdv/dt)。

在使用電容位移傳感器的情況下，可以實現(xiàn)對導(dǎo)電靶的位置和運動的高分辨率的測量。在對電機的轉(zhuǎn)子進行位置測量的情況下，傳感器梢端可以安裝在軸的周圍以用于每一個測量維度(自由度)上的測量。

然而，精確的位置傳感器和運動傳感器在工業(yè)應(yīng)用中也存在較多缺點。傳感器可能是昂貴的并且制造復(fù)雜。這些傳感器可能易于發(fā)生安裝和組裝錯誤。傳感器可能給測量引入相當(dāng)大的延遲。此外，傳感器可能具有顯著的溫度依賴性并且可能對噪聲敏感。當(dāng)傳感器例如與運動控制器或轉(zhuǎn)子間接地進行接口連接時，傳感器可能易受電磁干擾和/或機械損壞的影響。轉(zhuǎn)子的電動機械的徑向跳動還可能對控制系統(tǒng)構(gòu)成大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供用于減輕上述缺點的方法以及用于實現(xiàn)該方法的設(shè)備。本發(fā)明的目的通過具有在獨立權(quán)利要求中陳述的特征的方法以及設(shè)備來實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式公開在從屬權(quán)利要求中。

能夠感測導(dǎo)電軸的位置或運動的電容傳感器能夠通過使用具有安裝孔的印刷電路板(PCB)來實施，其中，軸能夠被安裝穿過安裝孔。

印刷電路板可以包括形成至PCB的至少一個電極(即電容器板)。電極與導(dǎo)電軸的表面形成電容器。所形成的電容器的電容能夠被測量。由于電容響應(yīng)于電極與軸的表面之間的間距，電容能夠用于估算軸的位置。

在印刷電路板中/上的電極的電極表面平行于安裝孔的中心軸線延伸。PCB可以構(gòu)造成使得形成至PCB的多個電容器電極面向中心軸線，并且形成為圍繞中心軸線的環(huán)形形狀。電極表面可以例如通過使用PCB孔鍍覆工藝而形成?？梢詫Π惭b孔的邊緣進行鍍覆，或者可以靠近安裝孔使用導(dǎo)通孔或經(jīng)鍍覆的孔。

PCB還可以包括形成至PCB的至少一個電容器電極，其中，電極的電極表面沿著與安裝孔的中心軸線垂直的平面延伸。垂直地延伸的電容器電極可以通過使用PCB跡線層制造工藝比如蝕刻法來形成。

所公開的傳感器可以用于檢測例如一維運動至六維運動。為了使靈敏度最大，傳感器的測量電子器件可以利用LC(或LRC)共振、高頻率振蕩信號、濾波器以及差分放大器的用途。

所公開的感測方法提供了用于位置感測的負擔(dān)得起且穩(wěn)健的方法。該感測方法提供了用于對導(dǎo)電靶的位置和運動或?qū)?dǎo)電靶的幾何性質(zhì)進行精確的非接觸式測量的方法。通過將傳感器制造在PCB上，能夠顯著地降低制造成本，能夠提高系統(tǒng)的一體化程度，并且能夠改善系統(tǒng)連接性和接口連接性。

附圖說明

在下文中，參照附圖借助于優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行更詳細的描述，在附圖中：

圖1a示出了具有六個自由度的示例性軸；

圖1b示出了根據(jù)本公開的示例性裝置；

圖2a至圖2e示出了本公開的傳感器PCB(印刷電路板)的示例性實施方式；

圖3a至圖3c示出了通過使用導(dǎo)通孔實現(xiàn)的軸向電極的示例性實施方式；

圖4a至圖4d示出了屏蔽的各種示例性實施例；以及

圖5示出了關(guān)于包括先前公開的傳感器PCB的電容傳感器的示例性電路圖。

具體實施方式

本公開公開了用于感測包括導(dǎo)電部的軸的位置(例如位移)或運動的方法和傳感器。該軸可以是例如電機的轉(zhuǎn)子的金屬軸。導(dǎo)電軸或包括導(dǎo)電部的軸的位置或運動可以通過使用傳感器印刷電路板(PCB)準確地確定，該傳感器印刷電路板包括安裝孔以及圍繞該安裝孔形成的電容器電極，其中，該安裝孔構(gòu)造成接納穿過安裝孔的軸的導(dǎo)電部。

傳感器PCB能夠用于檢測六個自由度。在使用PCB的情況下，可以檢測例如軸沿著笛卡爾坐標系的三個軸線x、y和z的平移(即運動、位移)以及軸的圍繞軸線的旋轉(zhuǎn)α、β和θ。

圖1a示出了具有六個自由度的示例性軸10。軸10呈具有中心軸線A的筒形形狀。在圖1a中，笛卡爾坐標系設(shè)置成使得z-軸線與中心軸線A重合。x-軸線和y-軸線沿著垂直于中心軸線A的平面延伸。在圖1a中，x-軸線與y-軸線彼此垂直。

在圖1a中，z’指的是軸向位移，即指的是沿著中心軸線A(也是圖1a中的z-軸線)的位移。x’和y’指的是徑向位移，即指的是沿著垂直于中心軸線A的平面延伸的位移。在圖1a中，位移x’和y’分別沿著x-軸線和y-軸線延伸。因此，位移x’和y’也相對于彼此垂直。軸可以設(shè)置成圍繞中心軸線A旋轉(zhuǎn)。在圖1a中，θ’指的是軸圍繞中心軸線A(也是圖1a中的z-軸線)的旋轉(zhuǎn)。α’和β’分別指的是圍繞x-軸線和y-軸線的旋轉(zhuǎn)。在下列段落中使用相同表示法的自由度。

為了檢測包括導(dǎo)電部的軸的位移或旋轉(zhuǎn)，可以使用根據(jù)本公開的裝置。根據(jù)本公開的裝置可以包括根據(jù)本公開的傳感器PCB以及軸，其中，軸的導(dǎo)電部安裝至傳感器PCB的安裝孔。

圖1b示出了根據(jù)本公開的裝置的示例性實施方式。在圖1b中，軸10包括導(dǎo)電部，該導(dǎo)電部安裝至傳感器PCB 12的安裝孔11。

根據(jù)本公開的傳感器PCB可以包括面向安裝孔的中心軸線的至少一個電容器電極。電極可以形成至傳感器PCB，使得電極的電極表面平行于安裝孔的中心軸線延伸，從而形成軸向電極表面。軸向電極表面可以通過例如在安裝孔的內(nèi)壁上進行導(dǎo)電鍍覆(conductive plating)而形成。

圖2a至圖2e示出了公開的傳感器PCB的示例性實施方式。在圖2a中，PCB 20包括圓形安裝孔21。安裝孔21的中心軸線B示出為虛線。由于孔21在圖2a中具有圓形截面，所以中心軸線B穿過圓形截面的中心。然而，在更一般的情況下，能夠認為中心軸線是例如穿過沿著PCB的平面截取的截面的重心的中心線。

當(dāng)軸的具有導(dǎo)電表面的部分安裝至安裝孔時，面向的軸的軸向電極表面與軸的上述表面一起形成電容器，其中，軸的該表面用作對向電極。該電容器的電容可以被測量并且徑向位移可以基于電容來確定。軸向電極表面可以通過使用例如PCB孔鍍覆工藝來形成。

在圖2a中，PCB 20包括形成至印刷電路板的多個電容器電極22、23和24。圖2b示出了電極22、23和24中的一者的截面。通過使用位于PCB 20上的、圍繞接納到安裝孔21中的軸的導(dǎo)電部的多個電容器電極，由于能夠使噪聲的影響以及軸的徑向跳動最小，所以可以提高感測準確度。

在圖2a中，PCB 20具有8個電容器電極22、23和24?？梢允褂盟膫€檢測器電極22和23作為共振檢測電路的部分，并且可以使用另外四個電極24用于將軸電連接至PCB 20的模擬信號地線。在圖2a中，檢測器電極22和23以及接地電極24以交替的形式布置。然而，PCB上電極的數(shù)量和相對定位關(guān)系不受限于圖2a中公開的構(gòu)型。還可以使用其他數(shù)量的電極以及具有其他相對定位關(guān)系的電極。

每個電極22、23和24具有軸向電極表面25，該軸向電極表面25平行于安裝孔21的中心軸線延伸并且面向中心軸線B。軸向電極表面25是通過在安裝孔21的內(nèi)壁上進行導(dǎo)電鍍覆而形成的。電極22、23和24圍繞中心軸線B形成環(huán)形形狀。

傳感器PCB 20可以包括如圖2a和圖2b中所示的多個層。電容傳感器還可以包括如圖2c中所示的彼此上下堆疊的多個這種PCB。在圖2c中，所述多個PCB 20的經(jīng)鍍覆的邊緣一起形成較大的軸向電極表面25。

為了檢測軸的軸向位移，PCB還可以包括例如形成至印刷電路板的至少一個電容器電極，使得電極包括徑向電極表面，即沿著與安裝孔的中心軸線垂直的平面延伸的電容器表面。徑向電極表面可以通過例如使用PCB跡線層制造工藝比如蝕刻法而形成。

在圖2a至圖2c中，電極22、23和24還包括連接至軸向電極表面25的徑向電極表面26。替代性地，電容器電極可以形成為使得電容器電極包括僅一種類型的電極表面(軸向電極表面或徑向電極表面)。如圖2d中所示的，徑向電極表面26可以與軸向電極表面25分離開。獨立的徑向電極表面26可以用于檢測例如旋轉(zhuǎn)α’和β’。

用于檢測旋轉(zhuǎn)α’和/或β’的裝置可以包括根據(jù)本公開的傳感器PCB以及具有安裝至安裝孔的導(dǎo)電部的軸。PCB可以包括具有徑向電極表面的至少一個電容器電極，并且軸的導(dǎo)電部可以形成為使得由導(dǎo)電部與徑向電極表面形成的電容響應(yīng)于圍繞與軸的旋轉(zhuǎn)軸線垂直的軸線的旋轉(zhuǎn)角度中的至少一個旋轉(zhuǎn)角度。

圖2e示出了示例性裝置——在該示例性裝置中，傳感器PCB 20具有徑向電極26和軸向電極25，并且軸28設(shè)置有梢端，該梢端具有盤形形狀的導(dǎo)電延伸部27——的截面?zhèn)纫晥D。盤形延伸部27與徑向電極26形成電容。當(dāng)軸28傾斜(即圍繞軸線x旋轉(zhuǎn))時，圖2e中的徑向電極26中的一個徑向電極與盤形部27之間的距離減小，所述一個徑向電極與盤形部27之間的電容增大。同時，圖2e中的另一徑向電極26與盤形部27之間的距離增大，所述另一徑向電極26與盤形部27之間的電容減小。這兩個電容的差值能夠被測量并且旋轉(zhuǎn)α’可以基于該差值來確定。

此外，位移z’還可以通過監(jiān)測電容的測量值的平均值來確定。

在圖2a至圖2e中，徑向電極表面位于PCB 20(或成堆的PCB)的上層和下層上。然而，徑向電極表面也可以形成至PCB的中間層。

除了以圖2a和圖2b中的方式實現(xiàn)軸向電極22之外，可以以各種其他方式形成平行于中心軸線延伸的電極表面。例如，PCB可以包括至少一個電容器電極孔，其中，軸向電極表面的至少一部分是通過在電容器電極孔上進行導(dǎo)電鍍覆而形成的。電容器電極孔可以通過例如使用安置在安裝孔的邊緣附近的PCB導(dǎo)通孔來實現(xiàn)。

圖3a至圖3c示出了通過使用導(dǎo)通孔實現(xiàn)的軸向電極的示例性實施方式。圖3a示出了通過多個并排導(dǎo)通孔32形成的電容器電極31的軸向電極表面。導(dǎo)通孔32被鍍覆有導(dǎo)電材料。圖3b示出了導(dǎo)通孔32中的一個導(dǎo)通孔的截面。鍍層的面向安裝孔的一部分形成軸向電極表面。

如圖3c中所示，軸向電極表面可以替代性地通過使用靠近安裝孔的邊緣形成的經(jīng)鍍覆的長狹槽33來形成。

能夠感測導(dǎo)電軸的位置或運動的電容傳感器可以包括先前描述的傳感器PCB(或成堆的PCB)。為了提高一體化程度并且降低成本和噪聲敏感性，PCB還可以構(gòu)造成容置電氣部件，該電氣部件用于實現(xiàn)電容傳感器的測量電路。形成部件之間的連接的導(dǎo)電跡線還可以形成在傳感器PCB上。檢測信號發(fā)生電路和與控制系統(tǒng)進行接口連接的接口電路也可以安裝在傳感器PCB上。

傳感器PCB(或成堆的PCB)可以被封裝在導(dǎo)電殼中以保護傳感器免受一些電磁干擾。傳感器PCB還可以包括用于使至少一個電容器電極受到的電磁干擾最小的至少一個屏蔽導(dǎo)電層。例如，傳感器PCB的上層和下層(或成堆的PCB的上層和下層)還可以是連接至地電位的導(dǎo)電層。

圖4a至圖4d示出了屏蔽的各種示例性實施例。圖4a示出了軸向電極表面41在導(dǎo)電上下層42的作用下被電屏蔽的示例性實施方式的截面。

導(dǎo)電層還可以用于使電極之間的干擾最小。圖4b示出了軸向電極表面41通過位于PCB內(nèi)的導(dǎo)電層42而與徑向電極43分隔開的示例性實施方式。圖4c示出了可以用于檢測旋轉(zhuǎn)α’和/或β’(即軸的傾斜度)的傳感器PCB的示例性實施方式。在圖4c中，在兩個獨立的軸向電極41之間具有接地層42。

此外，為了提高防電磁干擾、防環(huán)境干擾或其他干擾的屏蔽性能，電容器電極可以至少部分地涂覆有保護涂層，比如環(huán)氧樹脂填料。與空氣相比較，在電容器電極上的保護涂層可以通過增大相對靜態(tài)電容率而提高傳感器準確度。因此，保護涂層的厚度可以構(gòu)造成使傳感器準確度最大。圖4d示出了軸向電極表面41除了通過導(dǎo)電上下層42之外還通過環(huán)氧樹脂填料44來屏蔽的示例性實施方式的截面。

通過使用已公開的傳感器PCB感測導(dǎo)電軸的位置或運動能夠以各種方式來實現(xiàn)。一種方法是測量將電容器充電至特定電壓水平所需的時間，或測量由電容器與電阻元件和/或感應(yīng)元件一起形成的振蕩器的共振頻率(LRC振蕩器或LC振蕩器的時間常數(shù))。

另一方法是將固定頻率的交流電壓施加到串聯(lián)的電容分壓器的兩端。串聯(lián)連接的電容中的第一電容是已知的。第二電容器的電容可以根據(jù)電容之間的比率來計算，其中，電容之間的比率對應(yīng)于輸出信號的幅值與輸入信號的幅值之間的比率。

感測準確度可以通過使用電容橋接配置來增大。例如，位于安裝孔的相反兩側(cè)上的一對電容器電極可以形成兩個振蕩器(LC或LRC)。例如，圖2a中的電極22可以形成這樣一對振蕩器。兩個振蕩器可以借助于由軸與位于PCB上的電容器電極形成的電容共用連接至模擬地平面的連接元件。在圖2a中，電極24形成該電容。

振蕩器的阻抗取決于導(dǎo)電軸的位置和所使用的檢測信號的頻率。這兩個振蕩器可以被供給有高頻率交流電壓。由于阻抗響應(yīng)于位置而改變，位置可以根據(jù)兩個振蕩器的所產(chǎn)生的交流信號的幅值來估算。

當(dāng)軸與兩個電容器電極(例如，在圖2a中的電極22)相距相同距離時，振蕩器具有相同的阻抗。因此，振蕩器的信號之差是零。然而，如果一個電極比另一個電極更靠近軸，則信號具有不同的幅值。信號的幅值之間的比率響應(yīng)于軸與電極相距的距離的比率。導(dǎo)電軸的相對位置和運動可以通過測量例如振蕩器的電流、電壓或功率的水平和改變來檢測。

為了測量兩個振蕩器的信號的差值，信號可以例如被解調(diào)和/或濾波并且被送至差分放大器。信號還可以被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并且差值可以在數(shù)字域中進行計算。

圖5示出了用于包括先前公開的傳感器PCB的電容傳感器的示例性電路圖。示例性電路可以用于確定例如電機的轉(zhuǎn)子的在一維空間中的徑向位移?？梢允褂美珙愃频碾娐窚y量其他位移(或旋轉(zhuǎn))。

在下文中，對關(guān)于圖2a的傳感器PCB 20的電路進行說明。然而，電路還可應(yīng)用于其他電極構(gòu)型。

在圖5中，使用附圖標記C₁、C₂和C₃示出由軸和位于傳感器PCB 20上的電極形成的電容；C₁表示由一個檢測電極22與軸形成的電容；C₂表示由位于安裝孔21的相反側(cè)上的另一檢測電極22與軸形成的電容；以及C₃表示由四個接地電極24與軸形成的電容。

圖5中的電路還包括電感L₁和L₂以及電阻R₁和R₂。這些電阻和電感可以被實施為例如釬焊在傳感器PCB 20上的部件。電容C₁和C₃、電感L₁和電阻R₁形成第一振蕩器。電容C₂和C₃、電感L₂和電阻R₂形成第二振蕩器。

在圖5中，傳感器包括交流信號發(fā)生電路51。電路包括交流信號發(fā)生器52和功率分配器53。交流信號發(fā)生器52通過功率分配器53向第一振蕩器和第二振蕩器供給高頻率交流信號。功率分配器53可以配置成使第一振蕩器與第二振蕩器之間的耦合最小。

傳感器還包括圖5中的測量電路54。測量電路54與第一振蕩器和第二振蕩器的LC元件以并聯(lián)的方式連接。電容C₁和C₃以及電感L₁是第一振蕩器的LC元件；電容C₂和C₃以及電感L₂是第二振蕩器的LC元件。測量電路54可以包括例如用于每個振蕩器的濾波器和檢測器。在圖5中，測量電路54包括用于每個振蕩器的串聯(lián)連接的濾波器55和功率檢測器56。

對于每個振蕩器，通過振蕩器的LC元件的信號的功率(或幅值)響應(yīng)于電極22與軸之間的距離。可以在檢測軸的位置的過程中利用該原理。在圖5中，功率檢測器56對由發(fā)生器52產(chǎn)生的交流信號的功率(或幅值)與通過LC元件的信號的功率(或幅值)之差進行測量。

為了確定相對位置，測量電路54還可以包括差分放大器57，該差分放大器57測量由功率檢測器56檢測的功率(或信號幅值)之差。

得到的差值可以用作位移或旋轉(zhuǎn)的指示信號。差值可以通過使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式并且使用在對軸的位置進行控制的控制系統(tǒng)中。

替代性地，信號還可以被單獨地測量并且被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且作為結(jié)果的位移和/或旋轉(zhuǎn)可以在計算裝置中被計算。

控制系統(tǒng)可以例如實施在計算裝置中。計算裝置可以是例如CPU(中央處理器)、DSP(數(shù)字信號處理器)、PLD(可編程邏輯電路)或FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)。

測量電路還可以與LC元件串聯(lián)連接。通過測量傳輸通過LC元件的交流信號功率(幅值)可以估算位置。

本公開的傳感器PCB還可以用于確定旋轉(zhuǎn)角度(即圍繞軸的旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)θ’)或旋轉(zhuǎn)速度。

安裝到傳感器PCB的安裝孔中的軸的導(dǎo)電部，或?qū)щ姴康难由觳靠梢孕纬蔀槭沟糜蓪?dǎo)電部與位于傳感器PCB上的電容器電極產(chǎn)生的電容是圍繞軸的旋轉(zhuǎn)軸線(例如中心軸線)的旋轉(zhuǎn)角度θ’的非常數(shù)函數(shù)。

例如，作為旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)的非常數(shù)電容能夠通過使用與圖2e中描繪的延伸部類似的盤形延伸部產(chǎn)生。例如通過將徑向延伸槽添加至圖2e中的面向徑向電極26的盤形部27的面，徑向電極26與盤形部27之間的電容可以響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)θ’而產(chǎn)生。對旋轉(zhuǎn)θ’的檢測可以與對旋轉(zhuǎn)α’和β’的檢測分離。傳感器PCB可以具有用于形成專用于檢測旋轉(zhuǎn)θ’的一組獨立的電容的獨立徑向電極，并且槽例如可以僅在盤形部的半徑的一部分上延伸。

旋轉(zhuǎn)角度還可以根據(jù)導(dǎo)電部與根據(jù)本公開的軸向電極之間的電容來計算。用于檢測軸的位移的軸向電極還可以用于檢測例如旋轉(zhuǎn)角度(或速度)。被接納到安裝孔中的導(dǎo)電部可以形成為使得軸向電極與導(dǎo)電部之間的電容用作旋轉(zhuǎn)角度θ’的非常數(shù)函數(shù)。

通過使用安裝到具有相對于旋轉(zhuǎn)軸線對稱的非圓形截面的安裝孔中的導(dǎo)電部，可以使位移的檢測與旋轉(zhuǎn)角度的檢測之間的耦合度最小。該導(dǎo)電部可以是具有例如橢圓形截面的可附接的梢端。替代性地，安裝到安裝孔中的導(dǎo)電部可以具有涂層(局部的涂層)，從而產(chǎn)生類似的電容分布。

形成在電極與安裝到安裝孔中的導(dǎo)電部(和/或?qū)щ姴康难由觳?之間的電容可以被測量，并且位移和/或旋轉(zhuǎn)能夠基于所測得的電容被確定。電容的測量可以通過例如使用如圖5中所示的差分放大器來實施。電容還可以獨立地被測量并且被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并且作為結(jié)果的位移和/或旋轉(zhuǎn)可以在計算裝置中進行計算。

對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的是，本發(fā)明的構(gòu)思可以以不同的方式來實施。本發(fā)明及其實施方式不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。