JP2004184426A - 誘導減衰カプラを備えた角度位置センサ - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】 図５

Description

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。

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。」
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。

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。

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設けられている。

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13、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1４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1３は、１MHzの周波数Fcをもつ信号源17によって駆動される。

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。

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1３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。

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。

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。

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。d2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。

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。

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。

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。

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。
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。

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（図１）の０度から360度までの回転角に正確に比例する。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。

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。

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。

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。

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360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2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。

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Fc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。

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。

この発明に関する角度位置センサの側面図である。 図１の送信部分および受信部分の平面図である。 図１のカプラディスクの平面図である。 図３の平面図を数学的により詳しく表した平面図である。 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５の１部分の詳細略図である。 図５の１部分の詳細略図である。 図７の動作を表す波形である。 図５の１部分の詳細略図である。 図５の動作を示す波形である。 図５の動作を示す波形である。 図５の動作を示す波形である。 図５の動作を示す波形である。 図５の動作を示す追加波形(A)〜(I)とタイミング図である。 本発明の線形性を示すグラフである。 図３の代替実施態様の平面図である。 図３の代替実施態様の平面図である。 図２の詳細構造を示す平面図である。 図２の詳細構造を示す平面図である。 図２の詳細構造を示す平面図である。 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

Claims (2)

1. 軸周りの回転を検知する角度位置センサにおいて、
   軸上に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であって、前記受信ディスクが、前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、前記送信ディスクが、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いる送信ディスクおよび受信ディスクと、
   前記送信ディスク及び前記受信ディスクの間に配置され、前記軸周りに回転可能なカプラディスクであって、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、該パターンが、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前記パターンの中間位置とを備えるカプラディスクと、
   前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続された手段であって、前記カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、前記信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、前記カプラディスクの回転角度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と、
   前記移相を検知する手段と、
   を備え、前記カプラディスクに保持された前記対称導電パターンが、２つの最大及び最小位置を有し、前記カプラディスクの１回転ごとに２サイクルを有するような２つのテーパーパターンを含むことを特徴とするセンサ。
2. 軸周りの回転を検知する角度位置センサにおいて、
   軸上に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であって、前記受信ディスクが、前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、前記送信ディスクが、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いる送信ディスクおよび受信ディスクと、
   前記送信ディスク及び前記受信ディスクの間に配置され、前記軸周りに回転可能なカプラディスクであって、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、該パターンが、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前記パターンの中間位置とを備えるカプラディスクと、
   前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続された手段であって、前記カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、前記信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、前記カプラディスクの回転角度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と、
   前記移相を検知する手段と、
   を備え、前記カプラディスクに保持された前記対称導電パターンが、４つの最大及び最小位置を有し、前記カプラディスクの１回転ごとに４サイクルを有するような４つのテーパーパターンを含むことを特徴とするセンサ。

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