JP2007532872A - 誘導位置センサー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2004年4月9日出願の米国仮特許出願第60/561,065号、2004年8月2日出願の米国仮特許出願第60/598,192号、および「コモンモード補償巻線および単純化された信号処理を備えた誘導位置センサー」と題される2005年4月7日出願の米国仮特許出願第60/ , 号の優先権を主張している。それら文献の全ての内容が、参考されている。
参照信号は、例えば、温度、送信機の励起電圧、およびコイルとカプラーの相対的な分離における変化のようなコモンモード因子による、カプラー要素位置変化によらない受信機信号における如何なる変化も補償するために使用することができる。電子回路を、参照信号と受信機信号の比率である比率信号を形成するために提供することができる。
比率信号は、部分位置を決定するために使用される。
誘導位置センサーの一例は、励起交流電源に接続された送信機コイル、および受信機コイルを含む。送信機コイルおよび受信機コイルが、実質的に、同じ面、あるいは同じ回路板の異なる層の上で、同じプリント回路板上に支持される。移動可能なカプラー要素は回路板に近接して支持され、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合を変更する。一例において、カプラー要素は、送信機コイルおよび受信コイルの一方または両方の中心軸とすることができる回転軸の回りに回転する。カプラー要素位置は、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合の変化により、送信機コイルによって誘起される受信機信号の振幅を変更する。
送信機コイルは従来の環状コイル設計での1つ以上のループとすることができるが、他の構成も使用することができる。励起子コイルとも呼ばれる送信機コイルは交流電源によって励起される。励起電源又は交流電流は、コルピック発振器あるいは他の電子発振器のような電子式発振器とすることができる。電気エネルギーによって励起した時、送信機コイルは電磁放射を放射する。送信機コイルと他の近くのコイルの間に誘導結合があると、コイル中の信号が誘起される。
送信機コイルは1つ以上のターンがある環状コイルとすることができる。励起信号は交流電源によって送信機コイルに供給される。送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合は、受信機コイル中に受信機信号を生成する。
カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更する。本発明の一例では、カプラー要素は送信機コイルと受信機コイルの間に位置する必要はない。例え、それが、便利な構成であったとしても。さらに、本発明の一例では、カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の磁束結合の合計を変更する必要はなく、単に磁束結合の空間分配を変更することもできる。カプラー要素は、それが導電体プレートの場合、渦プレートと呼ばれることもある。
カプラー要素は、受信機信号が最小である、受信機コイルに対する最初の位置を有することができる。カプラー要素が最初の位置から移動するとともに、それは送信機コイルと第1および第2ループ構成の間の誘導結合を変更する。本発明の例では、カプラー要素の最初の配置構成では、第1と第2信号が同様の大きさで、反対の位相を有しており、それらは、互いに相殺する傾向がある。カプラー要素が移動するとともに、送信機コイルと第1ループ構成の間の誘導結合は増加し、同時に送信機コイルと第2ループ構成の間の誘導結合は減少する。第1及び第2信号間の強度差が増加するので、受信機信号は増加する。
用語「受信機信号」は、受信機コイルに誘導される信号、および受信機コイルに誘導された信号に基づいた任意の条件つきの信号を示すために一般に使用される場合がある。下に議論された例において、単一の受信機信号が、第1と第2ループ構成で形成された第1と第2信号からの寄付を含んで、受信機コイルによって提供される。受信機コイルは、第1と第2信号を提供する第1ループ構成および第2ループ構成をそれぞれ含むことができる。従って、受信機信号はそのとき第1と第2信号のある組み合わせである。例えば、第1と第2ループ構成は、反対位相の信号を生成するために形成するとこができ、受信機信号が、第1および第2信号の組み合わせであり、従って、第1と第2信号が同様の大きさを持っている場合、受信機信号は最小値を持つ。受信機信号の大きさが、第1ループ構成で誘導された第1信号の振幅と第2ループ構成で誘導された第2信号の振幅との差であるので、受信機信号は、差信号と名付けることができる。
受信機コイルの第1と第2ループ構成を、受信機コイルを介して磁束の変化を与えるために反対の極性の第1と第2電圧を供給するように形成することができる。第1信号と第2信号はカプラー要素がない状態で互いに打ち消すように、受信機コイルを形成することができる。カプラー要素は、さらにそれが第1ループ構成および第2ループ構成への磁束送信を等しく阻止するゼロ位置を有し、その結果、第1信号および第2信号は有効に相殺するようにすることができる。カプラー要素が、第1位置に対して第1方向に動くとともに、第2信号を誘導する磁束をより多く阻止し、かつ第1信号を誘導する磁束をより少なく阻止する。従って、第1信号の大きさが増加すると、第2信号の大きさが減少し、受信機信号の大きさは増加する。カプラー要素はさらに、第2信号の大きさが増加して、第1信号の大きさが減少する第2方向でも移動可能とすることができる。
本発明の更なる例では、カプラー要素の位置に実質的に依存しない参照信号を提供する、差のダミーと呼ばれる場合もある参照コイルが設けられる。しかしながら、参照信号は、一般的にコモンモード因子と呼ばれることもある受信機信号の強さに影響を及ぼすのと同じ因子に敏感である。コモンモード因子は、下記の1つ以上を含むことができる。カプラー要素と送信機(あるいは受信機)コイルとの間のカプラー・ギャップ、送信機コイルに印加された励起電圧における変動、受信機雑音を引き起こす環境電磁界、温度差およびその他同種のもの。
自動推進システムでは、(プリント回路板上で支持される場合がある)コイルと(アクセルペダルにリンクされる)カプラー要素の間のカプラー・ギャップは、受信機コイル中に誘導される信号に強く影響を及ぼす。また、このカプラー・ギャップは大量生産プロセスで正確にコントロールするのが難しい。しかしながら、校正プロセスは故障と費用高の原因となりうる。
本発明の例に従って比率信号を使用することにより、この追加的な複雑性および関連する信頼性の無さをかなり回避することかできる。
受信機信号および参照信号の比率として比率信号を決定することによって、コモンモード因子の影響は非常に抑えることができ、その結果、比率信号は、コモンモード因子に実質的に依存しないが、カプラー位置とは関連させられる。アナログ回路は比率信号を決定することができる。
参照コイルの使用して補償されることができる他のコモンモード因子は、送信機コイル用の交流電源における変動から生じる受信機信号変動、センサー・オペレーションと無関係な迷電磁気信号から引き起こされた電圧に起因する変化、温度差およびその他同種のものを含む場合がある。
1例において、送信機コイル、受信機コイルおよび参照コイルはプリント回路板上に印刷される。回路板は多層プリント配線基板とすることができる。他の例において、コイルは個別の構造上に形成することができる。
図1は、平面図で送信機と受信機の巻線の1つの形態を例示する。図4の中で概略的に例示されたオプションの参照コイルは、同じプリント回路板上で、送信機と受信機コイルへの重ね合せとして形成することができる。
受信機コイル16は、好ましくは送信機コイル12によって定められた領域内にある外周を有している。この例において、受信機コイルは第1と第2ループ構成16aおよび16bを含むが、これらの各々は、環状領域のおよそ90度のセクターを表わす。2つのループ16aおよび16bは、横断する導電体の間には電気的な接続の無い反転接続18によって接続される。この受信機コイルは、電流が受信機コイル16中を流れる場合、電流は、セクション16aおよび16bの中を逆方向で流れよう。図1で例示されるように、時計回り方向の電流がセクション16a内を流れる時は、反時計回り方向の電流がセクション16b内を流れる。
移動可能なカプラー要素を使用しての、送信機コイルと受信機コイルとの間の磁束結合の空間分配の変更によって、受信機信号は、カプラー要素の位置と関連した仕方で変化する。
この例において、第1ループは第1信号を提供し、第1電圧は送信機コイルとの誘導結合によって誘起され、第2ループは第2信号を提供し、第2電圧は第2ループと送信機コイルの間の誘導結合によって誘起される。第1と第2ループは、反対向きに捲かれており(即ち、時計回り方向と反時計回り方向又はその逆)、第1電圧と第2電圧とは逆である。
図1は、ほぼ半円の配置で構成された2つのループ構成を示す。線形位置センサーでは、そのようなループ構成は線形の配置で構成することができる。さらに、如何なる数の連続ループ構成も存在しえる。
図2は、回路板に実質的に平行で且つ近接する導電材料によって作られたカプラー要素20を示す。平面図である図1と関連して、回路板が水平断面として示されている。カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合を減少する。図は、送信機コイル10および受信機コイル16を示す。カプラー要素は、例えば自己支持金属板、あるいは、銅コート回路板として形成されたような基板上に支持された金属フィルムとすることができる。
カプラー要素が、2つのループに対して、中央に置かれると、ほぼ等しい程度で、送信機コイルと2つのループの間の磁束結合を阻止するであろう。
従って、各ループに引き起こされた電圧はほぼ同じになるだろうが、逆である(等しいが、誘起された交流電圧の位相はずれている。)、従って、受信機信号は最小になるであろう。
例えば、カプラー要素20は、それが、実質的的に90度の環状セクタの形態を有し、常に受信機ループ16aまたは16bの一方または送信機ループ12の実質的に半分を覆うことができるようにすることができる。
図3は、カプラー要素20が、自動推進体のアクセルペダルのピボット回転可能なペダルアームによって駆動される適用例に対応することができ、その結果、カプラー要素20の角度(あるいは回転)位置はペダル位置の関数となる。そのような適用例では、受信機信号はペダル位置と関連させられ、エンジン・スピードをコントロールするために使用することができる。
参照コイル26は受信機コイル16に対して同様の構成を有しているが、単に単一のループを使用する。したがって、カプラー要素20の角度(回転)位置は、参照コイル26へ誘導される電流に影響しない。カプラー20は、実質的に、(ある角度の範囲内の)参照の回転位置と無関係に、参照の半分をカバーする。また、コイル26へ誘導される電流の大きさは、カプラー20の回転した位置と無関係で、実質的に同じである。しかしながら、電磁干渉、励起電圧変動、温度変化によって作りだされた変動、およびカプラー要素20とプリント回路板10との間のギャップ位置における変動のようなコモンモード信号は、参照コイル14で誘起された電圧に影響するのと同じ方法で、受信機コイル26に誘起される電圧に影響する。
発振交流電源14は励起コイル12に結合される。カプラー20は、便宜のために、励起コイル12と受信機コイル16および参照コイル26との間に設置されてここでは例示されている。受信機コイル16と参照コイル26の出力は、アンプ44および46を通して、それぞれ、1対の乗算器48および50に供給される。復調器48および50は、さらにそれらの第2入力として発振器信号14を受信し、それらは、復調器の役割をする。復調乗算器48および50の出力は、一対のローパス・フィルタ52および54にそれぞれ供給される。ローパス・フィルタの出力は除算器56に渡される。
除算器56の出力は制御信号58を構成する。自動推進体の適用例では、これはエンジンの速度をコントロールするために使用されてもよい。別の回路を、信号の利得を前もって定義したポイントでゼロに調整し、また出力信号の上方および下方クランプレベルを調整するために、付け加えることができる。
例示的な自動推進への適用では、ペダル位置がカプラー要素の位置をコントロールするように、スロットルペダルはカプラー要素に機械的につながれる。例えば、カプラー要素は、電子回路を収容し且つ送信機と受信機コイルを支持する回路板の面の中で回転することができる。
図6は、カプラー要素62のような多くの導電パッチを有する回転するディスク60を含む誘導センサーのさらに別の例を例示する。誘導センサーはさらに送信機コイル64、参照コイル66および受信機コイル68を含んでいる。参照コイルは、図8の中でより明白に示される。
図9は、さらに、外部ループ126の単一ターンおよび内部ループ128の2つのターン通っての電流の流れを例示する。参照信号は130の基準電圧出力になり、内部ループおよび外部ループ内に反対された誘起された電圧の合計になる。
この例において、参照コイルは、外部直径D0と内部直径D1を有する。参照コイルの一般的な位相幾何形状は、カプラーが削除された場合、出力がゼロであるような状態である。それは次の関係:niDi 2=noDo 2を利用して、参照コイルを構成することにより達成することができる。niは内部ターンの数で、noは外部ターンの数である。図8および9の例では、参照コイルは1つの外部ターンおよび2つの内部ターンを有している。
図10Bは、受信機コイルの単純化された概略図を図示している。カプラー要素140は、受信機コイルの1対の隣接した突出部の範囲を定める。この単純化された概略図では、受信機電圧を得る受信機コイル中のタップは図示されていない。交互の外部のセグメント144および146は、第1と第2ループ構造の部品にそれぞれ相当する。受信機コイルを流れる電流は、反対方向(時計回り方向と反時計回り方向)で流れる。一定の電流がコイルを流れる場合、電流方向は、隣接した外部セグメント間、およびさらに隣接した内部セグメント間で交番する。放射状スポークは、内部セグメントから外部セグメントまで電流を運ぶ第1ループからの導電体、および反対方向に電流を運ぶ第2ループからの導電体に対応する。受信機コイルは内側受信機直径および外側受信機直径、それぞれDRIおよびDROを有している。
図10Bは、同心の内側周囲および外側周囲を有する、受信機コイルを図示している。各周囲は、湾曲した導電セグメント、反対方向の電流を運ぶ交替セグメントを含む。受信機コイルは、小さな構造の外径は、次に大きな構造の内径とほぼ等しくして、多くのそのような構造の同心の組合せを含むことができる。他の例において、10Bの中で示される放射状スポークは抵抗素子とすることができる。
発明の他の適用例では、カプラーを駆動するために他の機械的な要素を使用することができる。カプラー運動は線形、回転、あるいは回転と1つ以上の方向の直線運動との組合せとすることができる。
カプラー要素は、その位置が測定されることになっている移動可能な部分の組込み部分か、移動可能な部分に取り付けることができるか、あるいはそうでなければカプラー要素位置が移動可能な部分位置と関連させられるように機械的連結されることができる。
発明の他の例では、図12の中で示されるように、送信機コイルは形成されることができる。矢印は、交流励起の1つのサイクルの流れの方向を示した。送信機コイルは、バイポーラと名付けられることのできる構成を有し、第1ループ160および第2ループ162を有し、それらの内部領域は、それぞれ、時計回り方向電流および反時計回り方向電流によって囲まれる。従って、2つの送信機コイルループは、互いに逆抗する方向を有する磁界を生成する。この構成は、各々約180度の2つの突出部を有して、記述することができる。しかしながら、4、6、8あるいは他の数のようなより多くの突出部を使用することができる。その結果、送信機コイルは、異なる空間領域からの反対の磁束を生成する。
しかしながら、カプラー要素を、第1または第2ループからの磁束を選択的に阻止するために使用することができ、カプラー位置と関連させられる受信機信号を導く。上に議論された他の例でのように、カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の磁束結合の空間分配を変更して、カプラー要素の位置と関連する受信機信号を導く。
送信機コイルは、特別の時に、磁界方向にある空間分配を有する磁束を発生するが、カップラー要素は、受信機信号がカプラー位置と関連させられるように、空間分配を変更する。積分量としての全磁束結合は、カプラー要素の動きと共には変化する必要はない。
カプラー要素は、カプラー要素の中で生成された渦電流による送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を阻止し、磁束から有効に受信機コイルを保護する。カプラー要素はプレート状である必要はない。
図13は、カプラー要素の別の可能な例を図示しており、ペダルのような移動可能な部分が移動されるとともに回転するとこができるディスク184は、その上に配置された2つのカプラー要素を、第1カプラー・ループ180および第2カプラー・ループ182の形で有する。送信機コイルによって生成された磁束によって、渦電流がこれらのループの中で生成することがある。また、これらの渦電流は、同様の大きさの導電プレートに対するのと同様な方法で磁束から受信機コイルを有効に保護する。従って、カプラー要素は、導電プレート、導電ループあるいは、例えば、重量を減らすかあるいは磁束をカプラー要素を通り抜けさせるために空けられた穴を有するプレート、又は少なくとも一つの導電周辺ループを持っている1つ以上の開口を一般的に有するプレートのような他の構造の形態とすることができる。
信号処理装置および方法が、2005年4月8日出願の「誘導位置センサー用の信号処理システム」と題される同時継続米国仮特許出願第60/ , に記述される。
本発明の例では、受信機信号は、カプラー要素位置によって有効に変調される。しかし、参照信号はカプラー要素位置に実質的に依存しない。受信機信号は増幅され、受信機信号および(送信機コイルに供給された)励起信号と乗算され、ローパス・フィルタを通過し、カプラー要素の位置に関連するdc電圧である受信機信号を与えるために使用できる。同様に、参照信号も増幅され、励起信号と乗算され、ローパス・フィルタリングが施され、受信機信号にも影響するコモンモード因子に応じて変わるdc電圧である参照信号を提供する。その後、参照信号により受信機信号を除算したものは、カプラー要素の位置と関連するが、コモンモード因子とは実質的に無関係である。本発明の例では、このパラグラフに記述された乗算と除算のステップは、アナログ回路によって行なわれる。
出力電圧が位置に完全に線形的に依存しない場合もある。線形性の使用可能な範囲は仮想的なグラントを外挿して、定義することができる。それは真のグランドに対して負の電圧の場合がある。比率信号は(受信機信号+A)/(参照信号+B)の比として形成することができ、ここで、参照信号および受信機信号は、例えば、それぞれ受信機と参照信号の復調およびローパスフィルタリングすることによって得られたDCの電圧を意味している。AおよびBは、わずかに非線形応答の範囲にわたって線形であると想定することによる、仮想グランド補正である。使用可能な線形の範囲の幅は、位置の正確さの仕様によって決定することができる。補正項AおよびBは非常に類似して傾向がある。また、いくつかの例において、仮想グランド補正の同じ値をAとBの両方に対して使用することができる。
本発明の例は、このコモンモード因子が、参照コイル(あるいは差動ダミー)出力の使用して補償される場合、例えば、温度測定データを格納するためにメモリを必要としない。
本発明の例による誘導位置センサーの他の適用例は、電子サスペンションコントロール、乗り物の積載重量検知、電子ブレーキコントロール、電子クラッチコントロール、手操作コントロール、1次元以上の加速度計(例えば、加速により物体の相対的な慣性移動を検知することによる)、電子ステアリングコントロール(例えば、ハンドル回転、利用可能な場合は調整可能なテレスコーピング位置、及びハンドル回転角度)、タイヤ圧力センサー(例えば、圧力による変位を検知する)、ヨー、ピッチおよび回転コントロール、座席位置検知、および回転速度(本発明のいくつかの例)を含む。
本発明の例は、例えばMEMの構造のような、微視的な規模のような小さな距離目盛で例えば作り上げることができ、超小型電子システム、微小流体コントロール、コンピュータメモリー駆動コントロールおよび同種のもののにおいて使用することができる。
本発明の他の例では、カプラー要素は、電導流体、流体材料あるいは他の形状可変材料を含む場合がある。本発明の例は、送信機コイルと受信機コイルに近接する、導電材料の範囲のような導電材料の分布を決定するために使用されてもよい。他の例において、参照コイルおよび受信機コイルは単一の構造へ統合することができる。スイッチを、受信機コイル構成を参照コイルへ切り換え、そして、元に戻すために設けることができる。或るセンサー適用は、センサー要素に冗長性を要求する場合がある。従って、センサーは2個以上の送信機コイル、受信機コイルおよび参照コイルを含むことができる。
本明細書において言及された特許、特許出願あるいは出版物は、あたかも個々の文書が特別の目的をもって個別に参照されるようにして、同程度で参照されるためにここに開示されている。特に、2004年4月9日に出願された米国仮特許出願番60/561,065、2004年4月9日に出願された米国仮特許出願番60/561,007、2004年8月2日に出願された米国仮特許出願番号60/598,192、2005年4月7日に出願された米国仮特許出願番60/ , および2005年4月8日に出願された米国仮特許出願番60/ , がここに開示されている。
Claims (17)
- 移動可能な部分の部分位置を決定するための装置であって、
送信機コイルが電気エネルギー源によって励起される時、電磁放射を生成する送信機コイル、
送信機コイルに近接して配置され、受信機コイルと送信機コイルとの間の誘導結合により送信機コイルが励起される時に、受信機信号を生成する受信機コイル、および
移動可能であり、前記部分位置と関連するカプラー要素位置を有するカプラー要素を含み、
受信機コイルが前記部分位置と関連するように、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更する前記装置。 - カプラー要素が金属板からなる請求項を含む請求1記載の装置。
- 受信機コイルは第1ループ構成および第2ループ構成を含み、第1ループ構成および第2ループ構成は、反対の巻き方向を有している請求項1記載の装置。
- 送信機コイルは第1ループ構成および第2ループ構成を含み、第1ループ構成および第2ループ構成は、反対の巻き方向を有している請求項1記載の装置。
- 送信機コイルと第1ループ構成の間の誘導結合は第1信号を生成し、送信機コイルと第2ループ構成と間の誘導結合は第2信号を生成し、受信機信号は、第1信号と第2信号との組合せである請求項3記載の装置。
- 受信機信号は第1信号の大きさと第2信号の大きさの間の差である受信機信号強度を有している請求項5記載の装置。
- 第1および第2信号が逆位相を有し、受信機信号が第1信号および第2信号の合計である請求項5記載の装置。
- カプラー要素位置はカプラー要素の角度位置であり、カプラー要素の回転は、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更する請求項1記載の装置。
- 受信機コイルは第1ループ構成と第2ループ構成を含み、誘導結合は第1ループ構成に第1電圧そして第2ループ構成に第2電圧を発生し、
カプラー要素の回転は、第2電圧に対する第1電圧の比率を変更する請求項7記載の装置。 - 第1ループ構成および第2ループ構成の両方が放射状に伸びる突出部を有する請求項9記載の装置。
- 部分位置がペダルの位置であり、ペダルの移動がカプラー要素の角度位置に機械的につながれている請求項8記載の装置。
- 参照コイルを更に含み、この参照コイルは、送信機コイルが送信機コイルと受信機コイルとの間の第2誘導結合により励起される場合に、参照信号を生成し、第2誘導結合が、カプラー要素位置に実質的に依存しない請求項1記載の装置。
- 参照信号と受信機信号の比率である比率信号を形成するように動作可能な電子回路さらに含み、比率信号が部分位置を決定するために使用される請求項12記載の装置。
- 移動可能な部分の部分位置を決定するための装置において、
送信機コイルが電気エネルギー源によって励起される場合に、電磁放射を生成する送信機コイル、
送信機コイルが、受信機コイルと送信機コイルとの間の誘導結合により励起される場合に、受信機信号を発生する受信機コイル、
送信機コイルが、受信機コイルと参照コイルとの間の別の誘導結合により励起される場合に、参照信号を発生する参照コイル、および
移動可能であり、前記部分位置と関連するカップラー要素位置を有するカップラー要素、を含み、
前記カップラー要素が、受信機信号が部分位置と関連するように、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更し、
前記参照信号が、カップラー要素位置に実質的に依存しなく、
前記部分位置が受信機信号および参照信号を使用して決定され、参照信号がカップラー位置と関連しない受信機信号における変動を補償するために使用される、前記装置。 - 移動可能な部分は電子スロットル・コントロールのペダルアームを含み、エンジンに速度制御を供給する電子回路をさらに含む請求項14記載の装置。
- 受信機信号の表す受信機電圧を参照信号を表す基準電圧により除算することにより、得られる比率信号を提供する請求項14記載の装置。
- 前記除算が、アナログ除算である請求項16記載の装置。
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