JP2001082915A - 誘導減衰カプラを備えた角度位置センサ - Google Patents

誘導減衰カプラを備えた角度位置センサ

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JP2001082915A JP2000244156A JP2000244156A JP2001082915A JP 2001082915 A JP2001082915 A JP 2001082915A JP 2000244156 A JP2000244156 A JP 2000244156A JP 2000244156 A JP2000244156 A JP 2000244156A JP 2001082915 A JP2001082915 A JP 2001082915A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の概括的な目的は改良された角度位置
センサを提供する。 【解決手段】 非接触型角度位置センサは送信ディスク
と受信ディスクを、間に導電減衰パターンを有するカプ
ラディスクと共に並置する。送信ディスクと受信ディス
クを完全に囲む誘導コイルのパターンは、中間のカプリ
ングディスク上の対称導電パターンの角度位置に応じて
個々に減衰される誘導カプリングを具備する。送信ディ
スクは、受信コイルが受信し復調し加算した時に、その
相が中間カプラの角度位置を示す事が可能な独自の正弦
波信号を提供する信号源で駆動される。カプラ上の導電
パターンは線形出力を提供するように設計されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は誘導減衰カプラを
有する角度位置センサ、より詳細にはその間に配置され
た回転可能なカプラを備えて誘導結合された送信ディス
クおよび受信ディスクを有する非接触型センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年自動車産業や航空宇宙産業で要求さ
れる厳しい信頼性と平均故障時間間隔（MTBF）に適合す
るため、位置センサは設計の段階から非接触タイプを基
準とする必要が生じている。これは内部に使用する部品
の磨耗や亀裂を最小限に抑える必要があるためである。
特に自動車用部品では設計は価格、量産性及び高信頼性
に適合する必要がある。いわゆる遮蔽インダクタンスを
用いた非接触型センサの一例が米国特許第4,986,124号
に述べられている。この特許では１組の駆動巻き線と検
知巻き線を１つのプリント基板上に配置し、軸またはピ
ンに近接して導電性スクリーンを組み込む事によって、
回転中に検知巻き線を遮蔽することが可能となる。上記
特許の要約にあるように、その動作は次のとおりであ
る。（12欄33行目）「遮蔽インダクタンスセンサからの
変換器出力は基本的に振幅変調搬送周波数である。搬送
要素は通常信号処理の最初の段階で同期変調することに
よって除去される。信号の大きさに対する入力変数（回
転）の伝達機能はあらゆる位置計測装置にとって最も重
要な特性である。」
【０００３】しかし検出された振幅を使用するのは、特
に自動車などの工業用途では適当ではない。この種の振
幅は、発信器と受信器の分離や、また送信信号の出力レ
ベルの影響を受ける。前述した不確定さに起因する誤差
のために、許容できる性能が得られないからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】それゆえ、本発明の概
括的な目的は改良された角度位置センサを提供すること
である。
【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、 軸上に、それらの間に該軸の周りに回転可能なカ
プラディスクを配して、互いに向き合って並置された、
１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクおよび受
信ディスクを備えた、軸周りの回転を検知する角度位置
センサを提供する。受信ディスクは、前記受信ディスク
に沿って円形パターンに区画配置された、所定数の独立
した誘導コイルを保持している。送信ディスクは、受信
ディスクのコイルに誘導結合するために、予め定められ
た無線周波数で信号源によって駆動されるコイル手段を
保持している。カプラディスクは、受信ディスクに保持
された複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び
最小の減衰を与える回転角度位置と、最大位置および最
小位置の間にありほぼ線形比例する減衰を与えるパター
ンの中間位置を備えた、誘導結合を減衰するための対称
導電パターンを有している。カプラのそれぞれの角度位
置に関して信号源から送信された誘導信号を復調し加算
し、この加算によって、カプラの回転に比例して変化す
る移相をもつほぼ正弦波形を生成する手段が、受信ディ
スクに保持された複数のコイルに接続されている。移相
を検知する手段がもけられている。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１に示すように、軸線10はカプ
ラディスク12が回転可能に支持されたシャフト11を含む
（図３も参照）。このディスクはプラスチックなどの絶
縁材で作られ、図1に示すようにほぼ円形の送信ディス
ク13と受信ディスク14の間に配置される。これらのディ
スクは互いに固定されている。図2に２つのディスク1
3、14を示すが、実質的に同一のものである。送信ディ
スクは、図６に示すように直列に接続されたT1からT6で
表される６個の渦巻きループアンテナパターンで構成さ
れている。受信ディスク13も同様に図６に示すR1からR6
で表される６個の同一の渦巻きループアンテナパターン
を有するが、各々の受信コイルはその一部が示されてい
るように、別々にデジタルミキサー回路16に接続され
る。送信ディスク12は、１MHzの周波数Fcをもつ信号源1
7によって駆動される。
【０００６】図2について述べると、送信ディスク13と
受信ディスク14は、ディスクに沿って円形パターンとし
て区画配置された、所定の数（この場合６個）の独立し
た渦巻き導電コイルを保持している。前記パターンはデ
ィスクを完全に360度囲んでいる。したがって、渦巻き
ループアンテナ状のそれぞれのコイルは、必要な60度の
区画となるように構成される。
【０００７】実際にはインダクタンスを大きくするため
に、それぞれのコイル例えばR1は、R1/1、R1/2、R1/3お
よびR1/4で示された４つの部分に分割される（図17参
照）。これらの層１−４は、図16に示すように送信ディ
スク12および受信ディスク14上にサンドイッチ状つまり
積層構造として配置される。このように、各送信および
受信ディスクは、実際には３つの一体に積層されたサブ
ディスクを持つことになる。この方法で実質的にインダ
クタンスは増加するが、特に径の大きなディスクを使用
する場合には必ずしも必要ではない。
【０００８】次に図3に示すカプラディスクについて述
べると、このディスクは、絶縁ディスク12に保持された
三日月状の対称な導電パターン21を具備する。以下に説
明するが、図13、14に示すように他にも適切なパターン
がある。この導電カプラパターンが、図1に示すように
送信ディスク13と受信ディスク14の間に配置されると、
両ディスク間の誘導結合を減衰する。
【０００９】図4について説明するが、このようなパタ
ーン21は、部位22が送信ディスク13と受信ディスク14の
間に正確に配置されると、１個の最大の減衰回転角度位
置を有する。R1~R6で形成される13および14のコイルパ
ターンは同一であり、互いに間に空間を置いてあい対し
ている。このために動作が向上される。三日月状パター
ン21は、また23で表される１個の最小減衰位置を有す
る。勿論、これは最小の減衰導電層が送信および受信コ
イル間にある誘導カプリングに影響を及ぼす位置であ
る。
【００１０】図4の三日月状パターンは、回転角度に対
して線形もしくはパルス幅変調の出力を得るには理想的
な形であると考えられる。図１２には、この三日月状パ
ターンによって達成される実質的には線形を示す実際の
曲線が表されている。該パターンは軸10の回転とd1 、d2 、
d3 、d4で示される４個の直径に関係して形成される。d 2
はカプラディスク21の開口の直径である。これは内径で
あり、ディスクの外径はd1である。パターン21の斜線を
施した領域の面積は、内径と外径で囲まれたディスクの
領域の面積のちょうど１/２に等しい。該パターンは、
内径d2と外径d1の中間にあり、24で示された中間の点線
の円をもうけることで形成される。次いで直径d4の円が
描かれ、この円は一側で円24に接し、他側で内径d2に接
している。次いで三日月状の部分が、垂線上の直径23の
一端が中間円24に接し、他端が外径円ｄ1に接するもう
１つの円26によって形成されている。したがって、d3=1
/4.(3d1+d2)およびd4=1/4.(d1+3d2)である。
【００１１】もう一度強調すると,この種の形は、図４
に示すパターンを用いて実測した出力である図12にも示
されているが、最大点22と最小点23の間で実質的に線形
比例する減衰を与える。
【００１２】図５は発信器すなわち信号源17の回路図
で、その信号源は、受信ディスク14と誘導結合されてお
り、回転カプラによって減衰される発信ディスク13のコ
イルに、信号Fcを発信する。信号源17は、また入力31と
して６個の受信コイルを具備するデジタルミキサーおよ
び波形発生装置16にも接続される。出力系統32上でRSフ
リップフロップ回路にセット(S)信号が発信される。
【００１３】カプラディスクは、それぞれの受信コイル
すなわちR1~R6の位置に応じて、カプラパターンに基づ
く振幅信号を中断したり減衰したりするので、カプラの
任意の角度位置で６個の別々の振幅信号を同時に生成す
る。チャンネル数を６個にしたのは、結果的に線形性が
0.5%以上改善できたからである。しかし変調器のコスト
低減の観点から３個のチャンネル数が適している場合も
ある。
【００１４】ミキサー（復調器）からの６つの信号は増
幅器A1（図６も参照）によって加算され、次いで増幅器
A2を制限する低域フィルターに入力される。
【００１５】増幅器A2の出力信号を図10a、10b、10cお
よび10dに示す。これらの正弦波は４つの別々のカプラ
位置（当然１度に出力されるのは１個のカプラ位置であ
るが）に関連しており、ここではカプラ回転に応じて移
相が変動する。図10a~10dのカプラ位置は、角回転が０
°から90°の場合を表す。それぞれの受信コイルの振幅
は回転に応じて減衰され、それぞれのコイルの振幅はR1
からR6で示される。
【００１６】図５について述べると、コンパレータA3
が、次にこの波形を、RSフリップフロップのR入力を駆
動する出力36において、方形波に変換する。RSフリップ
フロップ出力はパルス幅変調（PWM）出力で、該パルス
幅はシャフト11の０度から360度までの回転角に正確に
比例する（図１）。能動低域フィルターA4はアナログ変
換に対してPWMを与え、図示したようにアナログ電圧を
出力する。図12に示すのが電圧出力である。回転は独自
の測定装置を使用して取り出した比例デジタルスケール
で表される。実用的には回転は単に５度おきに０度から
355度までトレースされる。
【００１７】図11(A)から11IはRSフリップフロップの動
作を示し、図11(C)、11(F)および11(I)に発生したパル
ス幅変調出力が表示されている。R1、R2、R3は当然異な
る回転での入力である。図11(C)は回転角が10度以下の
場合、図11(F)は中間の場合、そして図11(I)は355度ま
での場合のPWM出力を示す。
【００１８】図４に示された単一テーパーパターンは、
回転ごとに１動作サイクルを与える。線形テーパートレ
ースを適用することで、ピークからピークまでの線形誤
差は最小に出来る。カプラディスクパターン21が対称で
ない場合には、１つの直線に関して１つのピークがもう
１つのピークより大きい結果となる。換言すれば測定に
誤差が発生したことになる。
【００１９】図13、14に示すように斜線を施した部分は
代替案の導電パターン21'と21''である。図13では２つ
のテーパーパターンが示されており、これは1回転に２
サイクルを生成し、図14では1回転に４サイクルを生成
する。パターン21'と21''はそれぞれ１つ以上の最小と
最大を有する。
【００２０】図９は図５をより詳細に示したもので、デ
ジタルミキサーおよび波形発生装置16がその機能要素と
ともに示されている。デジタル波形発生装置41は発信器
17とその信号Fcにより駆動される。LO1からLO6で示され
る６つの出力ライン上に、互いに60度づつ移相された６
つの局所発信器信号が生ずる。換言すれば、それらは36
0度を分割した受信コイルの数、すなわちN=6によって移
相されている。図10a~10dについて説明すると、これ
は、その相が回転に比例するほぼ正弦波信号を発信す
る。更に正弦波信号という事実は図12に示すように線形
であることを意味する。局所発信器信号は、別の入力と
して受信ディスクからの６つの出力ライン31を具備する
42aから42fで表された６つのミキサーを駆動する。した
がって、６つの受信コイルのそれぞれ１つが移相された
局所発信器信号の１個づつに対応する。換言すれば、図
12に示すように受信コイルの実際の物理的方位（互いに
60度である）は、局所発信器信号の必要な移相と一致す
る。ミキサー42a―42fの出力は加算増幅器A1で加算され
て、Fm. (０°)として、また次いで60度増で表される。
【００２１】以上述べたことは、デジタル波形発生装置
を示している図７、8に詳細に示されている。図に示す
ように、局部発信器信号LO1~LO6は実際には信号源17のF
cに移相信号Fmを加えたものである。これらの方形波信
号は図８に示される。好ましい実施態様では、前述した
ように、Fmは10kHzに等しく、図８の信号はMユニット46
で除して得られ、実際には10ビットのデコーダである。
またMで除した値はほぼ100となる。デジタルミキサー47
は６つの独立したミキサー47a―47fを有し、それらは、
図示した局所発信器出力を生成するために、１つの入力
としてのFc信号源と他にデコーダ46の出力を有してい
る。したがって、局所発信器信号の数は受信コイルの数
に等しい。
【００２２】上述のようにして、改良された非接触型角
度位置センサが提供される。いかなる微同調もなしに１
％以下の線形性が容易に達成できる。本センサ装置は３
つの別々のディスクの位置合わせについては比較的許容
度を有している。更にこの技術はトランシーバの概念を
基本としているので、電磁干渉や電磁場感磁率の影響は
最小限にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に関する角度位置センサの側面図であ
る。
【図２】図１の送信部分および受信部分の平面図であ
る。
【図３】図１のカプラディスクの平面図である。
【図４】を数学的により詳しく表した図３の平面図であ
る。
【図５】本発明を表している図１を具体的にした簡略回
路図である。
【図６】図５の１部分の詳細略図である。
【図７】図５の１部分の詳細略図である。
【図８】図７の動作を表す波形である。
【図９】図５の１部分の詳細略図である。
【図１０ａ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｂ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｃ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｄ】図５の動作を示す波形である。
【図１１】図５の動作を示す追加波形(A)〜(I)とタイミ
ング図である。
【図１２】本発明の線形性を示すグラフである。
【図１３】図３の代替実施態様の平面図である。
【図１４】図３の代替実施態様の平面図である。
【図１５Ａ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１５Ｂ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１５Ｃ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１６】組合された図２および図15A、15Bおよび15C
の側面図である。
【図１７】図16の回路図である。
【符号の説明】
10 軸線 11 シャフト 12 カプラディスク 13 送信ディスク 14 受信ディスク 16 デジタルミキサー回路 17 信号源 21 誘導パターン 31 入力 32 出力 46 デコーダ A1、A2 増幅器 A3 コンパレータ A4 能動低域フィルター R1〜R6 受信コイル T1〜T6 渦巻きアンテナループ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジム ビー ヴォン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91326 ノースリッジ タートル スプリ ングス ロード 19761

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軸上に、それらの間に該軸周りに回転可
    能なカプラディスクを配して、互いに向き合って並置さ
    れた、１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクお
    よび受信ディスクを備え、 前記受信ディスクは、前記受信ディスクに沿って円形パ
    ターンに区画配置された、所定数の独立した誘導コイル
    を保持しており、 前記送信ディスクは、前記受信ディスクの前記コイルに
    誘導結合するために、予め定められた無線周波数で信号
    源によって駆動されるコイル手段を保持しており、 前記カプラディスクは、前記受信ディスクに保持された
    前記複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び最
    小の減衰を与える回転角度位置と、該最大および最小位
    置の間にありほぼ線形比例する減衰を与えるパターンの
    中間位置を備えた、前記誘導結合を減衰するための対称
    導電パターンを有しており、 前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続され、
    前記カプラのそれぞれの角度位置に関して前記信号源か
    ら送信された誘導信号を復調し加算し、この加算によっ
    て、前記カプラの回転に比例して変化する移相をもつほ
    ぼ正弦波形を生成する手段、および前記移相を検知する
    手段を備えていることを特徴とする軸周りの回転を検知
    する角度位置センサ。
  2. 【請求項２】 前記移相を検知する手段がパルス幅変調
    手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の角度位置
    センサ。
  3. 【請求項３】 前記パルス幅変調手段がRSフリップフロ
    ップを含むことを特徴とする請求項２に記載の角度位置
    センサ。
  4. 【請求項４】 前記送信ディスクの前記コイル手段が前
    記受信ディスクの前記誘導コイルとほぼ類似しており、
    数が等しく、またそれぞれのコイルが互いに間に空間を
    置いてあい対していることを特徴とする請求項１に記載
    の角度位置センサ。
  5. 【請求項５】 前記カプラディスクが保持する対称導電
    パターンは、１個の最小位置と１個の最大位置を持ち、
    三日月形状であることを特徴とする請求項１に記載の角
    度位置センサ。
  6. 【請求項６】 前記カプラディスクが内径と外径を有
    し、前記導電パターンの面積が前記内径と外径の間のデ
    ィスク面積の半分と等しいことを特徴とする請求項５に
    記載の角度位置センサ。
  7. 【請求項７】 前記コイルのそれぞれがインダクタンス
    を増すために複数の層を具備することを特徴とする請求
    項１に記載の角度位置センサ。
  8. 【請求項８】 前記受信ディスクが保持するコイルの数
    が6かそれ以上であることを特徴とする請求項１に記載
    の角度位置センサ。
  9. 【請求項９】 前記復調手段が前記受信コイルの数と等
    しい複数の局所発信器信号を生成することを特徴とする
    請求項１に記載の角度位置センサ。
  10. 【請求項１０】 前記局所発信器信号が、360度を該受
    信コイルの数で除した角度だけ互いに移相されているこ
    とを特徴とする請求項9に記載の角度位置センサ。
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