Индуктивный датчик

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к конструированию индуктивных элементов, выполненных на печатных платах, и может использоваться в качестве датчиков для поиска и обнаружения предметов, изготовленных из магнитного или электропроводящего материала. Сущность: индуктивный датчик содержит плоские индуктивные элементы, расположенные на слоях печатной платы, группы контактных площадок с переходными металлизированными отверстиями, характеризуется тем, что плоские индуктивные элементы выполнены на слоях многослойной печатной платы в виде двухзаходных спиралей, расположенных по строкам и столбцам матрицы, внутри каждой двухзаходной спирали расположены контактные площадки первой группы, а снаружи каждой спирали - контактные площадки второй группы, двухзаходные спирали последующих слоев повернуты по отношению к двухзаходным спиралям предыдущих слоев на фиксированный угол, координаты положения контактных площадок первой группы предыдущего нечетного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок первой группы последующего четного слоя, координаты положения контактных площадок второй группы предыдущего четного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок второй группы последующего нечетного слоя, причем первая контактная площадка вторной группы первого слоя печатной платы и вторая контактная площадка второй группы последнего слоя печатной платы являются выводами индуктивных элементов. 1 з.п. ф-лы. 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструированию индуктивных элементов, выполненных на печатных платах, и может использоваться в качестве датчиков для поиска и обнаружения предметов, изготовленных из магнитного материала, или электропроводящих элементов, расположенных в диэлектрической среде.

Известны индуктивные датчики [1] содержащие две плоские спиральные обмотки, в зазор между которыми помещен профилированный медный или алюминиевый диск, при перемещении которого изменяется индуктивность датчика.

Недостатком известного индуктивного датчика являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью определения координат положения магнитного предмета на плоскости, а также невозможностью определения его формы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный индуктивный датчик индукционная катушка, в которой фотохимическим способом выполнены плоские спиральные индуктивные элементы, расположенные на слоях гибкой печатной платы с согласованными между собой направлениями закрутки витков индукционной катушки, а также контактные площадки с выполненными в них переходными металлизированными отверстиями с помощью которых обеспечивается электрическая связь внутренних витков плоских спиральных индуктивных элементов, расположенных на одном слое, с внутренними витками плоских спиральных индуктивных элементов, расположенных на другом слое печатной платы [2] Известному техническому решению также присущ отмеченный выше недостаток ограниченные функциональные возможности.

Достижение нового технического результата, заключающегося в обеспечении возможности определения координат положения магнитного предмета на плоскости, а также определения его формы, осуществляется в предлагаемом индуктивном датчике, содержащем плоские индуктивные элементы, расположенные друг против друга на слоях печатной платы с согласованными между собой направлениями закрутки витков, группы контактных площадок с выполненными в них переходными металлизированными отверстиями, тем, что датчик выполнен в виде многослойной печатной платы, состоящей из n слоев (n ≥ 4), плоские индуктивные элементы выполнены в виде двухзаходных спиралей, расположенных на слоях платы по строкам и столбцам матрицы, внутри каждой двухзаходной спирали расположены n контактных площадок первой группы по окружности диаметра D₁ <D, где D_{внутр.сп.} диаметр внутреннего витка спирали, а снаружи каждой спирали расположены n контактных площадок второй группы по окружности диаметра D₂ > D_{внеш.сп.}, где D_{внеш.сп.} диаметр внешнего витка спирали, причем, центры окружностей D₁ и D₂ совпадают с центром двухзаходной спирали, в каждой двухзаходной спирали концы внутренних витков, наиболее близких к ее центру, соединены с двумя контактными площадками первой группы, а концы внешних витков, наиболее удаленных от ее центра, подключены к двум контактным площадкам второй группы, двухзаходные спирали нечетных слоев выполнены с одинаковым направлением закрутки от их центра, противоположным направлению закрутки двухзаходных спиралей четных слоев, двухзаходная спираль j-го слоя (j 3, 4, 5, n) повернута по отношению к двухзаходной спирали (j-2)-го слоя печатной платы на угол ϕ = 2π/n, причем, координаты положения контактных площадок первой группы каждого нечетного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок первой группы последующего четного слоя, а координаты положения контактных площадок второй группы каждого четного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок второй группы последующего нечетного слоя, в каждом слое первая и вторая контактные второй группы расположены по отношению друг к другу под углом Ψ, не равным углу v, причем первая и n-ая во второй группе контактные площадки каждого индуктивного элемента, образованного пооследовательно соединенными и расположенными друг над другом двухзаходными спиралями, являются выводами указанного индуктивного элемента.

В другом варианте соединения элементов плоские индуктивные элементы соединены между собой в последовательные цепочки по строкам и столбцам матрицы, первые во второй группе контактные площадки, относящиеся к расположенным в начале каждой строки и каждого столбца матрицы плоским индуктивным элементам, являются первыми выводами индуктивного элемента, вторыми выводами которого являются n-ые во вторых группах контактные площадки, относящиеся к расположенным в конце каждой строки и каждого столбца плоским индуктивным элементам.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1-8 приведено изображение слоев восьмислойной печатной платы; на фиг. 9 приведено совмещенное изображение одного из слоев печатной платы и проекций предметов, размещенных на плоскости индукционного датчика; фиг. 10а,б поясняет принцип размещения контактных площадок первой и второй групп внутри и снаружи спиралей; фиг. 11 поясняет принцип межслойных соединений спиралей и образования многослойного индуктивного элемента; на фиг. 12а,б показаны варианты расположения выводов индуктивного датчика.

Индуктивный датчик выполнен в виде многослойной печатной платы (в приведенном примере число слоев n 8).

Изображения слоев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 приведены соответственно на фиг. 1-8. На слоях платы расположены плоские индуктивные элементы, выполненные в виде двухзаходных плоских спиралей 9 с центром в точке 10.

Двухзаходные спирали расположены на слоях платы по строкам и столбцам матрицы.

В приводимом примере прямоугольная матрица имеет размерность 4 х 4, однако, размерность матрицы может быть и большей в зависимости от конкретной области применения.

Внутри каждой спирали 9 расположена первая группа контактных площадок 11, а снаружи вторая группа контактных площадок 12.

Контактные площадки 11 первой группы расположены по окружности диаметра D₁, причем D₁ < D_{внутр.сп.}, где D_{внутр.сп.} диаметр внутреннего витка спирали (см. фиг.10).

Контактные площадки 12 второй группы расположены по окружности диаметра D₂, причем D₂ > D_{внеш.сп.}, где D_{внеш.сп.} диаметр внешнего витка спирали (см. фиг. 10).

Каждая группа содержит n контактных площадок, где n число слоев многослойной печатной платы.

Центры окружностей D₁ и D₂ совпадают с центром 10 двухзаходной спирали.

Внутренние витки спиралей 9 соединены с контактными площадками 11 первой группы, а внешние витки спиралей с контактными площадками 12 второй группы.

Двухзаходные спирали нечетных слоев выполнены с одинаковым направлением закрутки от центра, противоположным направлению закрутки двухзаходных спиралей четных слоев. Двухзаходная спираль j-го слоя (j 3, 4, 5, n) повернута по отношению к двухзаходной спирали (j-2)-го слоя печатной платы на угол v = 2π/n..

Поворот осуществлен таким образом, что координаты положения контактных площадок первой группы, соединенные с внутренними витками спиралей j-го нечетного слоя (j 1, 3, 5, n-1), cовпадают с координатами положения контактных площадок первой группы, соединенными с внутренними витками спиралей (j+1)-го четного слоя, координаты положения контактных площадок второй группы, соединенные с внешними витками спиралей k-го четного слоя (k 2, 4, 6, n-2), совпадают с координатами положения контактных площадок второй группы, соединенными с внешними витками спиралей (k+1)-го нечетного слоя. При этом в каждом слое первая и вторая контактные площадки второй группы расположены по отношению друг к другу под углом Ψ, не равным углу v..

Для каждого индуктивного элемента первая контактная площадка второй группы первого слоя печатной платы и вторая контактная площадка второй группы n-го слоя печатной платы являются выводами индуктивного этого элемента.

При наложении слоев 1-8 друг на друга матрицы индуктивных элементов совмещаются между собой.

При изготовлении многослойной печатной платы методом металлизации сквозных отверстий все слои склеиваются, прессуются, а в контактных площадках 11 и 12 выполняются сквозные переходные отверстия (на чертежах не показаны), в которых затем в соответствии с технологическим процессом осуществляется металлизация сквозных отверстий.

При этом, благодаря тому, что координаты положения контактных площадок 11 первой группы j-го нечетного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок (j+1)-го слоя, а координаты положения контактных площадок 12 второй группы k-го четного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок 12 второй группы (k+1)-го нечетного слоя, обеспечивается последовательное соединение плоских спиралей 9, расположенных на разных слоях. Необходимым условием правильного соединения является поворот спирали j-го слоя по отношению к спирали (j-2)-го слоя на угол ϕ. Кроме того, чтобы при таких последовательных дискретных поворотах спиралей первая контактная площадка второй группы 12 первого слоя и вторая контактная площадка второй группы 12 n-го слоя, являющиеся соответственно входом и выходом многослойной катушки индуктивности не совпали бы между собой (т.е. чтобы не получилось короткого замыкания индуктивного элемента), требуется выполнить дополнительное условие первая и вторая контактные площадки второй группы 12 на каждом слое должны быть расположены по отношению друг к другу под углом j, не равным углу v (см. фиг. 12).

Таким образом получается плата, толщина которой при n 8 не превышает 2 мм. В такой плате в каждой позиции матрицы образуется индуктивный элемент, состоящий из n плоских двухзаходных спиралей. Каждый такой индуктивный элемент состоит, по существу, из двух электрически разобщенных между собой обмоток, "вложенных" друг в друга.

Такой индуктивный элемент имеет 4 вывода, которые могут использоваться по разному в зависимости от конкретной области применения индуктивного датчика.

На фиг. 12а приведен случай, когда индуктивные элементы могут использоваться независимо один от другого, т.е. каждый из них имеет независимые выводы 13₁, 13₂, 14₁, 14₂, (по 4 шт. на каждый индуктивный элемент).

На фиг. 12 катушки индуктивности изображены упрощенно, в виде двух концентрических окружностей, к каждой из которых подключены две контактные площадки (выводы).

На фиг. 12б приведен другой случай, когда плоские индуктивные элементы соединены между собой в последовательные цепочки по сторонам и столбцам матрицы, первые во второй группе контактные площадки 13₁ и 14₁, относящиеся к расположенным в начале каждой строки и каждого столбца матрицы плоским индуктивным элементам, являются первыми выводами индуктивного датчика, вторыми выводами которого являются последние во вторых группах контактные площадки 13₂ и 14₂, относящиеся к расположенным в конце каждой строки и каждого столбца матрицы плоским индуктивным элементам.

Предлагаемый индуктивный датчик работает следующим образом.

Индуктивный датчик подключен своими выводами к блоку формирования и обработки сигналов (на чертежах не показан). Этот блок формирует сигналы, поступающие на входы индуктивного датчика, индуктивные элементы которого являются нагрузкой усилителей сигналов, расположенных в блоке.

Индуктивное сопротивление каждого индуктивного элемента зависит от индуктивности плоских спиралей. Значение индуктивности тем выше, чем больше величина магнитной проницаемости среды, окружающей эти спирали.

При размещении на поверхности индуктивного датчика предметов 15, 16 из магнитного материала (железа, никеля, магнитного сплава) индуктивность плоских спиралей, которые находятся под этими предметами, возрастает по отношению к величине индуктивности спиралей, которые не попали в зону расположения таких предметов (фиг. 9).

Возрастание индуктивности спиралей вызовет увеличение их индуктивного сопротивления, что приведет к изменению уровня сигнала в соответствующих усилительных каскадах блока формирования и обработки сигналов. При сравнении этого уровня сигнала с фиксированным пороговым уровнем в блоке (в соответствующем разряде) формируется логический сигнал ("0" или "1"). Совокупность логических сигналов для всех элементов матрицы, позволяет определить положение и форму предметов, находящихся на плоскости сенсорной панели (см. фиг. 9) по специальным алгоритмам обработки информации.

При этом сигналы с индуктивного датчика могут восприниматься либо с обмоток каждого индуктивного элемента (см. фиг. 12а), либо по строка и столбцам матрицы (см. фиг. 12б).

Способ подключения индуктивных элементов датчика к блоку формирования и обработки сигналов определяется поставленной технической задачей.

Если, например, требуется определять местоположение на плоскости сразу нескольких предметов и их форму, то первый способ подключения элементов (фиг. 12а) является более предпочтительным, однако в этом случае требуется большее количество коммутирующих и усилительных элементов в блоке формирования и обработки сигналов. При этом обмотки каждого индуктивного элемента могут включаться различным образом: a) в виде трансформатора с первичной и вторичной обмотками с обеспечением развязки между цепью опроса состояния элементов и цепью считывания сигналов;
б) в виде последовательного и согласованного включения двух обмоток, что повышает индуктивность каждого элемента, а также их чувствительность.

В том случае, если требуется установить наличие предмета (или предметов) с магнитными свойствами и определить границы положения этого предмета на плоскости без выявления особенностей его формы, предпочтительным является второй способ включения обмоток индуктивных элементов по строкам и столбцам матрицы (см. фиг. 12б). Этот способ является более экономичным по аппаратурным затратам, т. к. уменьшается общее число выводов с сенсорной панели, а также количество коммутирующих усилительных элементов в блоке формирования и обработки сигналов, что упрощает его схемную реализацию.

Кроме обнаружения, определения местоположения и формы магнитных предметов предлагаемый индуктивный датчик может использоваться и для поиска электропроводящих элементов, расположенных в немагнитной и диэлектрической среде, поскольку любой металлический предмет, выполненный, например, из меди, бронзы, латуни или другого сплава оказывает влияние на величину индуктивности плоского индуктивного элемента, расположенного на сенсорной панели. Указанное обстоятельство позволяет использовать индуктивный датчик, например, для поиска и определения местоположения стальной арматуры или электропроводки в стенках, а также во многих других случаях.

Таким образом, предлагаемый индуктивный датчик не только расширяет функциональные возможности, позволяя определять на плоскости двумерные координаты положения предмета и обеспечивать возможность определения формы предметов, но и расширяет область его применения, позволяя работать как с магнитными, так и с немагнитными электропроводящими материалами.

Источники информации:
1. Д.И.Агейкин и др. Датчики систем автоматического контроля и управления. Справочные материалы. Машгиз. М. 1959. с. 38.

2. Патент США N 3736543, M.Кл.5 Н 01 F 27/30, опублик. 1973 прототип.

Формула изобретения

1. Индуктивный датчик, содержащий плоские индуктивные элементы, расположенные друг против друга на слоях печатной платы с согласованными между собой направлениями закрутки витков, группы контактных площадок с выполненными в них переходными металлизированными отверстиями, отличающийся тем, что датчик выполнен в виде многослойной печатной платы, состоящей из n слоев (n ≥ 4), плоские индуктивные элементы выполнены в виде двухзаходных спиралей, расположенных на слоях платы по строкам и столбцам матрицы, внутри каждой двухзаходной спирали расположены n контактных площадок первой группы по окружности диаметра D₁ < D_{внутр.сп.}, где D_{внутр.сп.} диаметр внутреннего витка спирали, а снаружи каждой спирали расположены n контактных площадок второй группы по окружности диаметра D₂ > D_{внешн.сп.}, где D_{внеш.сп.} - диаметр внешнего витка спирали, причем центры окружности D₁ и D₂ совпадают с центром двухзаходной спирали, в каждой двухзаходной спирали концы внутренних витков, наиболее близких к ее центру, соединены с двумя контактными площадками первой группы, а концы внешних витков, наиболее удаленных от ее центра подключены к двум контактным площадкам второй группы, двухзаходные спирали нечетных слоев выполнены с одинаковым направлением закрутки от их центра, противоположным направлению закрутки двухзаходных спиралей четных слоев, двухзаходная спираль j-го слоя (j 3, 4, 5, n) повернута по отношению к двухзаходной спирали (j 2)-го слоя печатной платы на угол ϕ=2π/n, причем координаты положения контактных площадок первой группы каждого нечетного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок первой группы последующего четного слоя, а координаты положения контактных площадок второй группы каждого четного слоя совпадают с координатами положения контактных площадок второй группы последующего нечетного слоя, в каждом слое первая и вторая контактные площадки второй группы расположены по отношению друг к другу под углом ϑ, не равным углу ϕ.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая и n-ная во второй группе контактные площадки каждого индуктивного элемента, образованного последовательно соединенными и расположенными друг над другом двухзаходными спиралями, являются выводами указанного индуктивного элемента.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что плоские индуктивные элементы соединены между собой в последовательные цепочки по строкам и столбцам матрицы, первые во второй группе контактные площадки, относящиеся к расположенным в начале каждой строки и каждого столбца матрицы плоским индуктивным элементам, являются первыми выводами индуктивного элемента, вторыми выводами которого являются n-ые во вторых группах контактные площадки, относящиеся к расположенным в конце каждой строки и каждого столбца матрицы плоским индуктивным элементам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12