JP5108143B2 - 処理回路構成 - Google Patents
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Description
上記装置は、位置センサとともに提供されてもよく、位置センサは、例えば誘導性または容量性の位置センサであってもよい。位置センサは、例えば、混合器、増幅器、インバータ、および/またはローパスフィルタなどの、ある処理回路構成を含んでもよい。位置センサは、1つまたは複数の(例えば励起巻線または電極などの)励起素子と、1つまたは複数の(例えば検知巻線または検知電極などの)検知素子とを含んでもよい。励起素子は、目標装置を励起させるために使用されてもよく、検知素子は、前記励起素子によって励起されたときに前記目標装置によって生成される信号を検知するために使用されてもよい。あるいは、励起素子と検知素子との間に直接結合される信号が検知されてもよい。
図1は、可動目標3の位置を検知するための誘導性位置センサ1を概略的に図示している。図示するように、センサ1は、接続インタフェース20によって励起および処理回路構成10に接続される、第1、第2、および第3の巻線13、14、および15を保持する回路基板8を含む。図示するように、巻線13は、接続インタフェース20上の端子AおよびBに接続され、巻線15は、接続インタフェース20上の端子1および2に接続され、巻線14は、接続インタフェース20上の端子3および4に接続される。この実施形態では、目標3は、電磁共振器12を含み、図2に図示されるように、励起回路構成26は、励起信号を巻線14および15に印加して、共振器12を共振させる。図1および2に示すように、巻線14および15は、x軸(測定経路)に沿って幾何学的にパターン化され、その結果として、巻線14および15と、共振器12との間の電磁結合は、x軸に沿った位置の関数として変化する。したがって、共振器12によって生成される信号は、x軸に沿った位置によって変化することになる。この共振器信号は、その後、巻線13へと結合し、検出回路構成24によって処理されて、x軸に沿った目標3の位置が確定され、確定された位置が、ディスプレイ44上に表示される。
[センサ設計]
図1は、センサ巻線13、「正弦」励起巻線14、および「余弦」励起巻線15を形成するセンサPCB8上の導体トラックを概略的に図示し、センサ巻線13、「正弦」励起巻線14、および「余弦」励起巻線15の全てがPCB8の長さに沿って延在している。PCB8は、2層PCBであり、(目標3に最も近い)上部層上の導体トラックが実線で示され、(目標3から最も遠い)下部層上の導体トラックが点線で示されている。励起巻線14および15は、目標3が移動し得る範囲にほぼ相当するピッチ(Lx)を有する。
[励起および検出回路構成−1]
図6は、使用され得る励起回路構成24および検出回路構成26の一形態を図示するブロック図である。図示するように、励起回路構成24は、接続インタフェース20の端子1に印加されるAC駆動電圧31-1を生成するように動作可能な信号発生器30を含む。励起回路構成はまた、AC電圧31-1を反転して、接続インタフェース20の端子2に印加される、反転されたAC電圧33-1を生成するインバータ32-1を含む。結果として、対称正弦的励起信号が、励起巻線15の両端に印加される。励起回路構成はまた、±90°移相器52を含み、±90°移相器52は、+90°位相シフトまたは−90°位相シフトを励起信号31-1に適用して、位相直角励起信号31-2を形成する。図示するように、この位相直角励起信号31-2は、接続インタフェース20の端子3と、接続インタフェース20の端子4に印加される、反転されたAC励起信号33-2を生成するインバータ32-2に印加される。AC電圧31および33は、0.1V〜10Vの範囲の振幅と、100Hzと10MHzとの間の周波数とを有し得る。本質的ではないが、対称な励起電圧31および33で励起巻線14および15の両端を駆動することによって、センサが好ましくない容量性結合効果に対して感度が低下することを本発明者は発見した。
[位相オフセット]
当業者が理解するであろうように、増幅器34、フィルタ68、および位相検出器56は全て、作動条件(例えば、温度)に応じて変化することになる測定に位相オフセットを導入することになる。これらの位相オフセットは、確定される位置に誤差を導入することになる。この問題に対処するために、励起回路構成24は、交互モードで動作するように、コントローラ59によって制御され、目標3の位置によって依然として変化する位相測定を行いながら位相オフセットを除去するように、異なるモードで得られる位相測定値が組み合わされる。具体的には、第1のモードでは、コントローラ59は、第1の時間間隔中に+90°位相シフト90を適用するように移相器52を制御し、第2のモードでは、コントローラ59は、第2の時間間隔中に−90°位相シフトを適用するように移相器52を制御する。励起信号に適用されるこの位相シフトの結果として、位相検出器によって測定された位相は、図7Aに図示されるように、2つのモードにおいて異なるように変化することになる。具体的には、第1のモードの間、測定された位相Φ1は、Lminにおける下方位相値からLmaxにおける上方位相値まで変化することになり、第2のモードの間、測定された位相Φ2は、Lminにおける上方位相値からLmaxにおける下方位相値まで変化することになる。しかしながら、双方の測定値は、増幅器34、フィルタ68、および位相検出器56によって、図7Aに点線で図示された同じ位相オフセットを受けることになる。したがって、これらの2つの間隔において取得された位相測定値を減算することによって、共通の位相オフセットが相殺されることになり、図7Bに図示されるように、目標3の位置によって変化する単一の位相測定値が残る。
[更新レート]
理想的には、コントローラ59は、位相測定値が、できる限り迅速に、好ましくは、励起信号31の期間ごとに1回、更新され得るように2つのモードを制御することになる。しかしながら、回路構成要素によって導入される位相オフセットも時間に依存することになるため、位相測定値ができる限り迅速に、好ましくは、励起信号31の期間ごとに1回、更新され得るようにコントローラ59が2つのモードを制御することは、多少の困難さを生じる。具体的には、コントローラ59が第1のモードから第2のモードへ切り替わるときに、入力信号の変化に対してフィルタ68が安定するのに一定時間がかかる。このセトリング期間中に、位相オフセットは変化し、おそらく励起信号の多くのサイクル後にだけ安定することになる。この問題は、位相オフセットが時間変化しないように、フィルタ68が安定するのを待つことによって対処され得る。しかしながら、位相オフセットが時間変化しないようにフィルタ68が安定するのを待つことは、位相測定値が更新され得るレートを減少させることになる。
[励起および検出回路構成−2]
図10は、使用され得る代替の励起回路構成24と検出回路構成26とを図示するブロック図である。上述のように、センサは、ある範囲の周波数にわたって動作し得る。しかしながら、AC励起信号31および33を使用する代わりに、印加されるクロック信号49によって規定されるタイミングにてデジタル信号を出力する、(例えばROMなどの)デジタル波形発生器48を使用することが可能である。図示するように、この実施形態では、デジタル波形発生器48は、図11に図示された01、02、03、および04と表示された4つの信号を生成する。図示するように、信号01および02は、(周期Tを有する)周期的な2つのレベル信号であり、信号02は、信号01に対して周期の1/4だけ位相がシフトされている。信号03は、2つのレベル信号01および02を、混合器82-1および82-2を使用して本質的に正弦的である3つのレベル信号に変換するのに使用される制御信号である。具体的には、混合器82-1は、信号01が論理ローであるときに、混合器82-1からの出力がゼロとなり、信号01が論理ハイであり、かつ、信号03が論理ハイであるときに、混合器82-1からの出力がVとなり、信号01が論理ハイであり、かつ、信号03が論理ローであるときに、混合器82-1からの出力が−Vとなるように動作する。同様の混合処理は、信号02について、混合器82-2によって実行される。この混合処理の結果は、互いに位相が90°ずれている図11に同様に図示された3つのレベルの正弦的信号をもたらす。図10に示すように、第1実施形態におけるAC励起信号の代わりに、これらのデジタル生成された正弦的信号は、その後、前と同様に、端子1、2、3、および4を介して励起巻線14および15に印加される。デジタル波形発生器48によって生成される第4の信号04は、信号01および02と同じ周期を有し、位相検出器56のための同期を提供するために使用される矩形波信号である。
[励起および検出回路構成−3]
双方の上記実施形態では、位相検出器56は、励起周波数における信号の位相を測定するように動作する。当業者が理解するであろうように、位相検出器56が位相を測定できる精度は、使用される励起信号の周波数に依存し、低い周波数によって高い精度が達成される。しかしながら、低い励起周波数は低い信号対ノイズ比をもたらし得る。この問題は、2つの異なる周波数、すなわち、高周波搬送波信号と低周波変調信号とを使用することによって克服され得る。この問題の克服が達成され得る1つの方法は、図14に図示されており、上述した第2の実施形態に基づいている。
[励起および検出回路構成−4]
上述したシステムでは、励起信号は、図1に示された励起巻線14および15の2つの端部に印加され、センサ巻線13から取得された信号は、検出回路構成26に接続された。代替のセンサ設計では、巻線14および15が検出回路構成26に接続され、巻線13が励起回路構成24に接続されるように、これらの巻線の役割が逆転され得る。巻線14および15が検出回路構成26に接続され、巻線13が励起回路構成24に接続されることは、図19に示された電気的等価回路に概略的に図示されている。当業者が理解するであろうように、こうした構成によって、上述した検出信号の2つの部分は、2つの異なる巻線14および15内に誘導された後、検出回路構成にて混合されて、式(2)によって規定される信号が生成される。式(2)によって規定される信号の位相は、測定される位置によって変化する。
[励起および検出回路構成−5]
図21は、この反転型センサ設計とともに使用され得る代替の励起および検出回路構成の形態を図示しているブロック図である。この実施形態では、高周波パルス列61が、励起巻線13を励起するために使用される。図示するように、この実施形態では、デジタル波形発生器48によって生成される制御信号は、検出回路構成26の動作を制御するのに使用される。具体的には、制御信号01は、ローパスフィルタ68に向かう、2つのセンサ巻線14および15からの信号の多重化を制御するのに再び使用される。しかしながら、図示するように、マルチプレクサ76からの信号は、混合器82-3から出力される混合器制御および符号制御信号によって制御される一組の反転型スイッチ62-1および62-2に最初に印加される。この制御信号は、図16に示す82-3と表示されたプロットに図示する制御信号と同じように生成され、同じ形態を有している。したがって、スイッチ62は、高周波励起信号をダウンコンバート(復調)して、低周波成分を残すように動作する。低周波成分は、前述のように、VcosおよびVsinによって当該低周波成分自体が変調される。さらに、スイッチ62を制御するのに使用されるパルス列の位相変化に起因して、所望の正弦的信号が、上述した第3実施形態と同様の方法で得られる。したがって、ローパスフィルタ68に向かって入力される信号は、図17に示す68-1と表示されたプロットに図示する信号と同じ形態を有することになる。この信号は、その後、前述のように、フィルタリングされ、処理される。
[変形形態および他の代替形態]
図1に図示された一般的な形態のセンサ巻線とともに使用され得る異なる形態の励起および検出回路構成を図示する複数の実施形態が上記で説明された。当業者が理解するであろうように、いくつかの変形および代替を上記実施形態に対して施すことができ、これら変形および代替の一部をここで説明する。
上記実施形態では、目標は、上記または各励起巻線を駆動することによって励磁された共振器を含み、センサボードに対する目標の位置によって変化する信号が、上記または各励起巻線内で生成された。当業者が理解するであろうように、このような共振器の使用は本質的ではない。他の電磁気装置が使用されてもよい。例えば、短絡コイル、金属スクリーン、またはフェライト片が使用されてもよい。容量性の実施形態では、目標は、指、他の電極、または、液体のレベルが検知され、液体自体が励起電極とセンサ電極との間の結合に作用するタンク内の液体であってもよい。別の種類のセンサでは、(例えばWO2005/085763に記載されているような)磁化可能な材料の膜を伴うDC磁石が、共振器の代わりに使用されてもよい。さらなる代替形態では、上記または各励起巻線/電極は、可動部材によって保持されてもよく、上記または各センサ巻線/電極は、固定部材上に保持されてもよい(または、その逆であってもよい)。したがって、センサは、LVDTタイプのセンサであってもよい。この場合、目標上の別個の電磁気装置が、励起およびセンサ巻線と相互作用して、位置によって変化する信号を生成する必要はない。しかしながら、この実施形態に付随する不都合な点は、この実施形態が2つの部分に対するコネクタを必要とするということである。
Claims (24)
- 位置センサとともに使用するための装置であって、
該装置は、
検知される位置によって位相が変化する、周期的に変化するセンサ信号が前記位置センサから取得されるように、前記位置センサを駆動するための信号を生成するように動作可能な信号発生器と、
前記センサ信号の前記位相が第1の関数に従って前記位置によって変化する第1のモードと、前記センサ信号の前記位相が第2の異なる関数に従って前記位置によって変化する第2のモードとの間で切り替わるように前記信号発生器を制御するように動作可能なコントローラと、
位相検出器であって、i)前記第1のモードの開始と、前記センサ信号が基準レベルを交差するときとの間の時間に依存する、前記センサ信号の第1の位相測定値を前記第1のモードの間に確定し、ii)前記第2のモードの開始と、前記センサ信号が基準レベルを交差するときとの間の時間に依存する、前記センサ信号の第2の位相測定値を前記第2のモードの間に確定し、iii)前記第1の位相測定値と前記第2の位相測定値との差を生成して、位相差測定値を取得し、iv)前記位相差測定値を使用して確定された、検知される位置の指示を出力する、ように動作可能な、位相検出器とを備え、
前記コントローラは、前記第1のモードおよび前記第2のモードの対応する開始時間に対して、前記センサ信号が前記基準レベルを交差するタイミングが実質的に同じであるように、前記第1のモードと前記第2のモードとのうちの少なくとも一方において生成される信号の開始位相を設定するように、前記信号発生器を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記信号発生器は、前記位置センサのセンサ素子を励起するための励起信号を生成するように動作可能であり、
前記コントローラは、1つまたは複数の前記励起信号の前記開始位相を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1または請求項2に記載の装置であって、
前記信号発生器は、前記位置センサの混合スイッチを制御するための混合制御信号を生成するように動作可能であり、
前記コントローラは、1つまたは複数の前記混合信号の前記開始位相を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - いずれかの前記請求項に記載の装置であって、
前記コントローラは、前記信号発生器を制御して、前記第1のモードと前記第2のモードとの間で繰り返し切り替わるように動作可能であり、
今回の第1のモードのために使用される前記開始位相は、以前の第1のモードにおいて取得された位相測定値に基づいている
ことを特徴とする装置。 - いずれかの前記請求項に記載の装置であって、
前記コントローラは、前記信号発生器を制御して、前記第1のモードと前記第2のモードとの間で繰り返し切り替わるように動作可能であり、
今回の第2のモードのために使用される前記開始位相は、以前の第2のモードにおいて取得された位相測定値に基づいている
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の装置であって、
前記信号発生器は、AC信号を生成するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の装置であって、
前記信号発生器は、前記位置センサを駆動するためのデジタル信号を生成するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の装置であって、
前記信号発生器は、1つまたは複数の高周波信号と、1つまたは複数の低周波信号とを生成するように動作可能であり、
前記低周波信号は、前記高周波信号を変調するのに使用され、
前記高周波変調信号は、前記位置センサのセンサ素子を励起するのに使用される
ことを特徴とする装置。 - いずれかの前記請求項に記載の装置であって、
前記コントローラは、前記第1のモードの間に、前記センサ信号の前記位相が、第1の線形関数に従って前記位置によって変化し、前記第2のモードの間に、前記センサ信号の前記位相が、第2の異なる線形関数に従って前記位置によって変化するように、前記信号発生器を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項9に記載の装置であって、
前記コントローラは、前記第1のモードの間に、前記センサ信号の前記位相が、正の傾きを有する線形関数に従って前記位置によって変化し、前記第2のモードの間に、前記センサ信号の前記位相が、負の傾きを有する線形関数に従って前記位置によって変化するように、前記信号発生器を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の装置であって、
前記位相検出器は、前記第1の位相測定値から前記第2の位相測定値を減算することによって前記位相測定値の差を生成するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の装置であって、
前記位相検出器は、前記センサ信号が、前記各モードの開始から基準レベルを通過するのにかかる時間を確定することによって、前記第1の位相測定値と、前記第2の位相測定値とを確定するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜12のいずれかに記載の装置であって、
前記コントローラは、前記信号発生器が前記第1のモードまたは前記第2のモードで動作する期間の終わりに向かって前記センサ信号が前記基準レベルを交差するように、前記第1のモードと前記第2のモードとのうちの少なくとも一方において生成される信号の開始位相を設定するように、前記信号発生器を制御するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜13のいずれかに記載の装置であって、
前記コントローラは、前記センサ信号の周期的変化に対応する周波数で前記第1のモードと前記第2のモードとの間で切り替わるように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 請求項14に記載の装置であって、
前記モード間で切り替わる間の時間は測定間隔であり、
前記開始位相は、対応する測定間隔が終わる直前に前記センサ信号が前記基準レベルを交差するように選択される
ことを特徴とする装置。 - 請求項15に記載の装置であって、
前記開始位相は、前記対応する測定間隔の終わりから前記測定間隔の1/10と1/15との間に前記センサ信号が前記基準レベルを交差するように選択される
ことを特徴とする装置。 - 請求項1〜16のいずれかに記載の装置であって、
前記位相検出器は、前記確定された位相差測定値と、前記各モードの間に適用される前記各開始位相とに基づいて、測定される位置を確定するように動作可能である
ことを特徴とする装置。 - 位置を検知するための位置検知素子と、請求項1〜17のいずれかに記載の装置とを備える位置センサ。
- 請求項18に記載の位置センサであって、
誘導性に基づくセンサ、または容量性に基づくセンサである位置センサ。 - 請求項18または請求項19に記載の位置センサであって、
励起素子と、検知素子とを備える位置センサ。 - 請求項20に記載の位置センサであって、
前記励起素子は、目標装置を励起させるためのものであり、
前記検知素子は、前記励起素子によって励起されたときに前記目標装置によって生成される信号を検知するためのものである
ことを特徴とする位置センサ。 - 請求項18〜21のいずれかに記載の位置センサであって、
検知される位置によって位相が変化する信号を生成するために前記位置センサの検知素子から取得される信号を混合するための混合回路構成を備える位置センサ。 - 請求項18〜22のいずれかに記載の位置センサであって、
さらに、
前記装置によって処理される前に、前記位置センサから取得される前記信号を処理するための増幅器および/またはローパスフィルタを備える位置センサ。 - プログラム可能なコンピュータ装置を、請求項1〜17のいずれかの装置として構成させるためのコンピュータ実行可能命令を含む、コンピュータ実行可能命令製品。
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