用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器组件技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1的类型的用于无接触地检测转动角度的传感
器组件。
背景技术
由现有技术已知各种感应式转动角度传感器。在多数情况下，在激励线圈和一个
或多个传感器线圈之间的耦合受到耦合元件(目标物)的转动角度位置的影响。耦合系数的
评估需要昂贵的电子设备。转动角度信号走向的形状通常明显取决于使用的传感器线圈和
目标物的几何形状和布置。
文献DE 197 38 836 A1例如公开了一种感应式角度传感器，其具有定子元件、转
子元件和评估电路。定子元件具有被周期性的交流电压加载的激励线圈以及多个接收线
圈。转子元件根据其相对于定子元件的角度位置预定在激励线圈和接收线圈之间的感应式
耦合的强度。评估电路从在接收线圈中感应的电压信号中确定转子元件相对于定子元件的
角度位置。
发明内容
与此相比，具有独立权利要求1的特征的、根据本发明的用于无接触地检测转动角
度的传感器组件具有的优点是，转动角度的测量可通过确定多个单线圈、优选地三个或六
个圆形布置的线圈的电感进行。有利地，评估和控制单元产生的评估信号的信号走向与3相
正弦信号非常相似，从而可以简单的计算法则进行评估。单独的探测线圈具有特别的几何
结构。
三相的正弦的信号走向具有的优点是，可以相对简单的计算规则从单独的探测线
圈的测得的电感中推出转动角度(Scott-T-变换)。有利地，机械公差(例如目标物的错位或
倾斜)可通过简单的数学关系简单地考虑到。正弦、余弦和/或正切函数以及其反函数可通
过为评估和控制单元的一部分的微控制器相对简单地处理。
三相的信号走向通过圆形地布置三个或六个线圈实现。根据目标物的金属面的数
量获得90°或180°的周期性。因此，当目标物具有四个金属面时，可实现90°的周期性。如果
目标物具有仅仅两个金属面，可实现180°的周期性。
为了获得正弦信号，相应调整线圈的几何形状。根据本发明的传感器组件的实施
方式包括线圈组件，在其中各探测线圈或子线圈的各线匝的导体电路之间的间距如此调
整，即，线圈的电感在目标物的金属面扫过时改变，使得出现转动角度信号的正弦的走向。
本发明的实施方式提供了一种用于无接触地检测旋转构件的转动角度的传感器
组件，旋转构件与盘状的目标物耦联，目标物具有至少一个金属面并且与具有至少一个平
面式的探测线圈的线圈组件结合产生用于确定旋转构件的当前的转动角度的至少一种信
息。根据本发明，线圈组件包括三个平面式的探测线圈，探测线圈均匀分布地布置在圆的圆
周处，并且旋转目标物包括至少两个金属面，金属面由于涡流效应根据重叠度影响平面式
的探测线圈的电感，其中，评估和控制单元产生代表探测线圈的电感变化的、基本上正弦的
评估信号并且为了算出转动角度进行评估。
通过在从属权利要求中提及的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中
说明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件。
特别有利的是，平面式的探测线圈可分别包括具有相反的缠绕方向的两个子线
圈，子线圈可彼此相对而置地布置在圆的圆周处。由于两个子线圈的相反的缠绕方向而在
发射和干扰信号耦合方面获得有利的EMV特性。此外，通过将子线圈相对而置地布置在圆周
处获得很小的相对于装配公差的敏感性。
在根据本发明的传感器组件的有利的设计方案中，平面式的子线圈可相应实施为
具有预定的张角的相同的圆部段和/或圆环部段。在使用三个平面式的探测线圈时，平面式
的探测线圈的张角优选地分别具有的值在100°至120°的范围中。在使用三个被划分的探测
线圈时，平面式的子线圈的张角相应具有的值在50°至60°的范围中。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，在各探测线圈或子线圈的
两个圆弧形伸延的导体电路区段之间的间距可尽可能小，并且在各探测线圈或子线圈的两
个沿径向伸延的导体电路区段之间的间距如此选择，即，沿径向伸延的导体电路区段尽可
能均匀地分布在各探测线圈或子线圈的可用面上。由此可获得各探测线圈或子线圈的足够
大的电感，因此可有利地使电感变化的检测和评估变得简单。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，金属面可分别实施为具有
预定的张角的相同的圆部段和/或圆环部段。金属面的张角可根据金属面的数量分别具有
的值在50°至120°的范围中。
为了产生有相移的基本上正弦的三个评估信号，相关的目标物例如可具有四个在
圆的圆周处均匀分布地布置的金属面，金属面分别具有60°的张角。评估和控制单元由三个
探测线圈的通过目标物的旋转运动引起的电感变化产生有相移的基本上正弦的三个评估
信号并且对评估信号进行评估，以算出在90°的明确定义范围中的转动角度。为了将明确定
义范围增大到180°，目标物可具有两个彼此相对而置地布置在圆的圆周处的金属面，金属
面分别具有120°的张角，其中，评估和控制单元由三个探测线圈的通过目标物的旋转运动
引起的电感变化产生有相移的基本上正弦的三个评估信号并且对评估信号进行评估，以算
出在180°的明确定义范围中的转动角度。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在下文的说明中对其进行进一步阐述。在
附图中，相同的附图标记表示实施相同或相似功能的零件或元件。
图1示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的第一实施例
的示意性的俯视图。
图2示出了用于图1的根据本发明的传感器组件的线圈组件的第一实施例的示意
性的俯视图。
图3示出了用于图2的线圈组件的探测线圈的示意性的俯视图。
图4示出了由图1的根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件产生
的评估信号的特征曲线图。
图5示出了根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件的第二实施例
的示意性的俯视图。
图6示出了用于图5的根据本发明的传感器组件的线圈组件的第二实施例的示意
性的俯视图。
图7示出了用于图6的线圈组件的探测线圈的示意性的俯视图。
图8示出了由图5的根据本发明的用于无接触地检测转动角度的传感器组件产生
的评估信号的特征曲线图。
具体实施方式
如由图1至图8可见的那样，根据本发明的用于无接触地检测旋转构件的转动角度
的传感器组件1、1A的示出的实施例分别包括：与旋转构件耦联的目标物20、20A，目标物具
有环形盘状的基体22、22A，基体具有至少一个金属面24、24A；和线圈组件40、40A，其具有至
少一个平面式的探测线圈42、44、46、42A、44A、46A，探测线圈布置在圆形的电路板30、30A
上。目标物20、20A与线圈组件40、40A结合产生至少一种信息以用于确定旋转构件的当前的
转动角度。根据本发明，线圈组件40、40A包括三个平面式的探测线圈42、44、46、42A、44A、
46A，探测线圈均匀分布地布置在圆的圆周处，并且旋转目标物s20、20A包括至少两个金属
面24、24A，该至少两个金属面由于涡流效应根据重叠度影响平面式的探测线圈42、44、46、
42A、44A、46A的电感。在此，评估和控制单元10产生基本上正弦的、代表探测线圈42、44、46、
42A、44A、46A的电感变化的评估信号K1、K2、K3、K1A、K2A、K3A并且对其进行评估以算出转动
角度。在下文中参考图3至图8对评估信号K1、K2、K3、K1A、K2A、K3A进行进一步说明。
如由图1至图8进一步可见的那样，线圈组件40、40A在示出的实施方式中布置在圆
形的电路板30、30A上并且与评估和控制单元10电气连接。显然，电路板30、30A不必是圆形
的，电路板30、30A还可具有其他合适的形状。目标物20、20A的在附图中透明地示出的环形
盘状的基体22、22A以预定的保持不变的轴向间距布置在电路板30、30A上方或下方。在示出
的实施例中，未进一步示出的旋转构件可为轴，该轴以足够的侧向间隙被引导通过电路板
30、30A中的圆形开口并且不可相对转动地与目标物20、20A的基体22、22A连接。
如由图1至图3进一步可见的那样，线圈组件40的第一实施例包括分布地布置在圆
形线圈组件40的圆周上的三个探测线圈42、44、46。如由图1进一步可见的那样，根据本发明
的传感器组件1的示出的第一实施例的目标物20包括两个圆环部段状的金属面24，金属面
分别具有的张角的值在100°至120°的范围中。如尤其由图2可见的那样，平面式的探测线圈
42、44、46分别实施为具有预定的张角的相同的圆环部段，张角具有的值在100°至120°的范
围中。
如由图3进一步可见的那样，具有厚度B的导体电路L(其形成相关的探测线圈42、
44、46的相应的绕组并且示例性地示出了其中的第一探测线圈42)具有圆弧形的导体电路
区段LB和沿径向伸延的导体电路区段LR。圆弧形伸延的导体电路区段LB相对于彼此具有的
间距dK优选地选择得尽可能小，以便将尽可能多的线圈线匝N安置在探测线圈42、44、46的
可用面上。线圈线匝的最大的数量N可近似通过等式(1)算出。
在此，ra表示对应的探测线圈42、44、46的外半径，ri表示内半径，rm表示在对应的
探测线圈42、44、46的中心中露出的面的径向大小，并且B表示导体电路宽度。在两个圆弧形
的导体电路区段LB之间的最小的导体电路宽度B以及最小的间距dK例如为125μm。对于其余
参数的值，例如ra＝8.35mm、ri＝4mm并且rm＝0.75mm。对于示出的实施例，通过上述公式从
中得到匝数N＝7.7。
沿径向伸延的导体电路区段LR的间距dR如此选择，即，沿径向伸延的导体电路区段
LR尽可能均匀地分布在对应的探测线圈42、44、46的整个可用面上。合适的导体电路间距dR
可通过等式(2)近似算出。
在示出的第一实施例中，间距dR例如为480μm。代表在线圈的中心和最外边的径向
导体电路区段LR之间的垂直间距的长度X可通过等式(3)确定。
在此，θ表示左边和右边的线圈半部的沿径向伸延的导体电路区段LR彼此围成的
角度，α表示圆形的导体电路区段LB的张角。在线圈组件40的示出的第一实施例中：θ＝
120°，并且α＝100°。
如由根据图4的相关的特征曲线图可见的那样，产生的有相移的三个评估信号K1、
K2、K3近乎正弦地伸延，其中，评估和控制单元10通过评估第一探测线圈42产生第一评估信
号K1、通过评估第二探测线圈44产生第二评估信号K2并且通过评估第三探测线圈46产生第
三评估信号K3。图1示例性地示出了目标物20在转动角度为0°时的位置，其中，根据定义来
确定。探测线圈42、44、46的张角分别为100°，并且目标物20的金属面24的张角分别为120°。
由于使用仅仅两个金属面24，转动角度测量区域为180°。在示出的根据图4的特征曲线图
中，沿着竖直轴线绘出谐振频率，其由于相应的探测线圈42、44、46的电感变化而改变。显然
还可使用其他合适的可测量的物理参数，以检测和示出相应的探测线圈42、44、46的电感变
化。
如由图5至图7进一步可见的那样，线圈组件40A的第二实施例包括分布地布置在
圆形的线圈组件40A的圆周上的三个探测线圈42A、44A、46A，探测线圈分别分成两个子线圈
42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A。因此，总共有六个子线圈42.1A、42.2A、44.1A、
44.2A、46.1A、46.2A均匀分布地布置在圆形的线圈组件40A的圆周上。相应的探测线圈42A、
44A、46A的两个子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A分别如此分布地布置在圆
形的线圈组件40A的圆周上，即，横向的位置公差以一级近似来补偿。在示出的第二实施例
中，相应的探测线圈42A、44A、46A的两个子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A彼
此相对而置地布置在圆形的线圈组件40A的圆周上。相应的探测线圈42A、44A、46A两个子线
圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的缠绕方向相反，从而在从约三个线圈直径起
的间距处的磁场非常小并且可补偿干扰信号耦合。
如尤其由图6可见的那样，平面式的子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、
46.2A分别实施为相同的圆环部段，其具有50°的预定的张角。在示出的实施例中，第一探测
线圈42A由两个平面式的子线圈42.1A和42.2A构成，第二探测线圈44A由两个平面式的子线
圈44.1A和44.2A构成，并且第三探测线圈46A由两个平面式的子线圈46.1A和46.2A构成。
如由图5进一步可见的那样，根据本发明的用于无接触地检测旋转构件的转动角
度的传感器组件1A的示出的第二实施例的目标物20A包括四个圆环部段状的金属面24A，金
属面具有60°的张角。图5示例性地示出了目标物20A在转动角度为0°时的位置，其中，根据
定义来确定。显然，目标物20A的中点在正y方向(相当于图平面的定向)上的移动引起增大
对第三探测线圈46A的第二子线圈46.2A的覆盖并且引起缩小对第三探测线圈46A的第一子
线圈46.1A的覆盖。相同的关系适用于第二探测线圈44A的子线圈44.1A和44.2A。在目标物
20A的该位置中，对于第一探测线圈42A的子线圈42.1A和42.2A来说该关系不适用，因为由
于目标物20A沿径向方向较大的设计，通过目标物20A沿y方向的很小的(<直径的5％)移动
对子线圈42.1A、42.2A通常没有影响。
可行的是，逐个地测量六个子线圈42.1A和42.2A、44.1A和44.2A以及46.1A和
46.2A的电感并且根据下文的准则执行修正，其中，Lm代表子线圈的电感的算出的平均值，
其可由相应的探测线圈42A、44A、46A的子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的
测得的电感得到并且根据等式(4)确定。在此，L1和L2分别代表对应的子线圈42.1A、42.2A、
44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的测得的电感。
Lm＝(L1+L2)/2 (4)
计算可在评估和控制单元10中进行。在示出的第二实施例中，探测线圈42A、44A、
46A的两个子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A电气地串联。因为在子线圈
42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A之间的k<0.02的耦合系数相对很小，所以将电感
相加。因此，平均值的形成几乎“相似”地进行，而没有复杂的计算。此外减少了在线圈组件
40A和评估和控制单元10之间的接头的数量。为了降低干扰敏感性并且为了降低场发射，子
线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A如上文已经提到的那样分别反向地缠绕。由
此降低在远场中的磁场强度。在均匀的干扰场下，在两个子线圈42.1A、42.2A、44.1A、
44.2A、46.1A、46.2A中感应出具有相应不同符号的相同的电压。由于串联，两个电压在理想
情况下抵消成零。
如由图7进一步可见的那样，具有厚度B的导体电路L(其形成探测线圈42A、44A、
46A的子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的相应的绕组并且示例性地示出了
其中的第一探测线圈42A的第一子线圈42.1A)类似于第一实施例具有圆弧形的导体电路区
段LB和沿径向伸延的导体电路区段LR。圆弧形伸延的导体电路区段LB相对于彼此具有的间
距dK优选地选择得尽可能小，以便将尽可能多的线圈线匝N布置在子线圈42.1A、42.2A、
44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的可用面上。线圈线匝的最大的数量N可近似通过等式(1)算出。
类似于第一实施例，在两个圆弧形的导体电路区段LB之间的最小的导体电路宽度B以及最
小的间距dK例如为125μm。其余参数的值例如为ra＝8.35mm、ri＝4mm并且rm＝0.75mm。类似
于第一实施例，从中得到子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、46.1A、46.2A的匝数为N＝7.7。
类似于第一实施例，沿径向伸延的导体电路区段LR的间距dR如此选择，即，沿径向
伸延的导体电路区段LR尽可能均匀地分布在对应的子线圈42.1A、42.2A、44.1A、44.2A、
46.1A、46.2A的整个可用面上。合适的导体电路间距dR同样可通过等式(2)近似算出。在示
出的第二实施例中，间距dR例如为230μm。此外，在线圈组件40A的示出的第二实施例中:θ＝
60°并且α＝50°。
如由根据图8的相关的特征曲线图可见的那样，产生的有相移的三个评估信号
K1A、K2A、K3A类似于第一实施例近似正弦地伸延，其中，评估和控制单元10通过评估具有子
线圈42.1A和42.2A的第一探测线圈42A产生第一评估信号K1A、通过评估具有子线圈44.1A
和44.2A的第二探测线圈44A产生第二评估信号K2A并且通过评估具有子线圈46.1A和46.2A
的第三探测线圈46A产生第三评估信号K3A。此外，在子线圈42.1A和42.2A、44.1A和44.2A以
及46.1A和46.2A之间存在对称性。在目标物20A相对于线圈组件40A的精确居中的位置中，
在相应的配对部之间和评估信号K1A、K2A、K3A之间没有差别。由于使用四个金属面24A，转
动角度测量区域为90°。类似于根据图4的特征曲线图，在图8中示出的特征曲线图中沿着竖
直轴线绘出了谐振频率，其由于相应的探测线圈42A、44A、46A的电感变化而改变。显然还可
使用其他合适的可测量的物理参数，以检测和示出相应的探测线圈42A、44A、46A的电感变
化。