JP2008509419A - 誘導性センサ - Google Patents
誘導性センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008509419A JP2008509419A JP2007525347A JP2007525347A JP2008509419A JP 2008509419 A JP2008509419 A JP 2008509419A JP 2007525347 A JP2007525347 A JP 2007525347A JP 2007525347 A JP2007525347 A JP 2007525347A JP 2008509419 A JP2008509419 A JP 2008509419A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- sensor
- coil
- excitation
- sensor according
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils
- G01D5/2093—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils using polyphase currents
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils
Abstract
対象物たとえば人間の指の温度または存在などの外部パラメータを検知するセンサは、(i)励起コイル(68、70)と、(ii)励起信号を生成するように動作することができ、生成された励起信号を励起コイルに加えるように構成される信号発生器(41、61、62、63)と、(iii)信号発生器により励起信号が励起コイルに加えられるのに応答して、電気信号がセンサ・コイルに生成されるように、通常受動共振回路の形で中間装置またはターゲット(74)を介して励起コイルに電磁的に結合することができるセンサ・コイル(74)と、(iv)センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定する信号プロセッサとを備える。たとえば、PTC抵抗またはNTC抵抗、あるいは対象物が近接することによって影響を受けるコンデンサを備えることにより、中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータの影響を受ける。やはり、センサは、たとえば中間装置における追加の共振回路によって、実質上励起信号と同じ周波数で更なる信号を生成することができ、信号プロセッサは、センサ・コイル内で生成される周期的な信号、および更なる信号から外部パラメータの値を決定する。たとえば、センサは、オペレータがいつ接触するかを検出するために、接触作動式の構成部品のアレイにおいて使用することができる。
Description
本出願は、英国特許出願第0417686.3号に基づく優先権を主張し、本明細書において完全に説明するように、ここに参考としてそのまま本明細書に援用する。
本発明は、検知装置、およびパラメータの値を検知するための方法に関する。
相対的に移動可能な2つの部材の位置を示す信号を生成するために、様々な形態の誘導性センサが使用されてきた。通常は、一方の部材が、励起コイルおよび2つ以上のセンサ・コイルをもち、他方の部材が、共振回路をもつ。共振回路とセンサ・コイルの各々との間の磁気結合は位置で変化し、その結果、共振回路の共振周波数で発振している信号を励起コイルに加えることにより、共振周波数において分離されているがその振幅が2つの部材の相対位置に応じて変化するセンサ・コイルの各々に、信号が誘起される。
国際公開第03/038379号に誘導性センサの一形態が記載されており、励起信号は、より低い周波数の信号で振幅変調される搬送波信号を含み、要素の位置を決定するために、センサ・コイル内に誘起される信号は、信号処理ユニット内で復調される。国際公開第2004/036148号には、センサの改善された形態が記載されており、信号処理ユニットは、励起信号の周波数とは少しだけ異なる中間周波数で第2の信号を生成し、この第2の信号をセンサ・コイルから受け取る信号と混合して、その位相が対象物の位置に関係する情報を含む低周波信号を生成する。対象物の位置を検出することのみならず、互いに異なる共振周波数を有する近接して配置された共振回路により、温度や湿度などの外部パラメータを検出するために、センサを使用してもよい。各共振回路についての位置の測定値を得ることにより、位置測定値における差は、こうした外部の環境パラメータの測定値を形成することができる。
国際公開第03/038379号パンフレット
国際公開第2004/036148号パンフレット
欧州特許出願公開第1442273号明細書
欧州特許出願公開第0760087号明細書
しかし、センサなどには、パラメータの単一の値を得るために、測定は、各共振回路のほぼ共振周波数において行わなければならないという不利な点がある。やはり、相対的に高いQ値(Q factors)を有する共振回路が使用され、その結果、決定すべきパラメータが変化することによって共振回路の共振周波数が変化するにつれて、受信信号の強度は、相対的に急激に減少することになる。共振回路のどちらかに対する信号の強さがシステムの雑音レベル未満に落ちる場合、パラメータの値を決定することはできない。
本発明によれば、
(i)励起コイルと、
(ii)励起信号を生成するよう動作することができ、生成された励起信号を励起コイルに加えるように構成された信号発生器と、
(iii)信号発生器により励起信号が励起コイルに加えられるのに応答して、センサ・コイル内に周期的な電気信号が生成されるように、中間装置を介して励起コイルに電磁的に結合することができるセンサ・コイルと、
(iv)センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定するよう動作することができる信号プロセッサとを備え、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータの影響を受け、センサは、通常は励起信号と同じ周波数であるが必ずしもその必要はない、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号と実質上同じ周波数で更なる信号を生成する手段を含み、信号プロセッサは、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から外部パラメータの値を決定するよう動作することができる、外部パラメータを検知するセンサが提供される。
(i)励起コイルと、
(ii)励起信号を生成するよう動作することができ、生成された励起信号を励起コイルに加えるように構成された信号発生器と、
(iii)信号発生器により励起信号が励起コイルに加えられるのに応答して、センサ・コイル内に周期的な電気信号が生成されるように、中間装置を介して励起コイルに電磁的に結合することができるセンサ・コイルと、
(iv)センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定するよう動作することができる信号プロセッサとを備え、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータの影響を受け、センサは、通常は励起信号と同じ周波数であるが必ずしもその必要はない、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号と実質上同じ周波数で更なる信号を生成する手段を含み、信号プロセッサは、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から外部パラメータの値を決定するよう動作することができる、外部パラメータを検知するセンサが提供される。
「外部パラメータ」という用語により、センサの各部分の位置、たとえば中間装置またはいわゆる「ターゲット」の位置に依存しないどんなパラメータをも意味する。したがって、たとえば、センサを使用して、中間装置によって生成される信号に影響を及ぼすことになるいかなる環境パラメータ、たとえば温度、湿度、電磁放射強度、化学種または生物学的種の存在あるいは濃度などを検出してもよい。検知される電磁放射は、どんな波長を有してもよく、たとえば赤外線、可視光線または紫外線、マイクロ波またはX線またはガンマ線であってもよい。
本発明によるセンサは、中間装置が、測定すべき外部パラメータにおける変化に敏感である場合に、外部パラメータにおけるいかなる変化も、たとえば共振周波数を変更すること、および/または共振回路の場合には装置のQ値を変更することにより、中間装置内を流れる電流に影響を及ぼすことになり、その結果、測定することができる中間装置の明白な位置における変化となる、ということに基づいて動作する。
本発明によるセンサには、別々に処理しなければならない2つの別々の信号ではなく、所与の周波数での単一の信号が、センサ・コイルによって検出されるという利点がある。さらに、処理される信号は実質上周波数が同じであり、したがって単一の信号を形成するので、中間装置からセンサ・コイルによって捕捉される信号が、システムまたは環境の雑音レベル未満に落ちた場合でも、その結果得られる信号を処理して、パラメータの値を決定することができる。たとえば、センサ・コイルによって受け取られる信号、および更なる信号(やはり、更なる中間装置からセンサ・コイルによって受け取られてもよい)が、互いに異なる位相、たとえば90°異なる位相を有する場合、信号のうちの1つが環境の雑音レベル未満の振幅を有する場合であっても、結果として検出される信号は、依然として測定可能な位相シフトを有することになる。信号のうちの1つが、90%低減させられた振幅を有する場合であっても、組み合わされた信号は、検出可能であり、依然として位相シフトは10°近辺となる。
本発明によるセンサはまた、外部パラメータにおける変化を検出するために使用される位相変化が、搬送波信号の周波数での位相ではないという利点を有し、その結果、いわゆるブレークスルー信号に起因する誤りは著しく低減させられ、しばしば実質上除去される。ブレークスルー信号は、センサ・コイルにより直接励起コイルから、すなわち中間装置を介して受け取られることなく捕捉され、したがって、中間装置を介して受け取られる信号に対して90°の位相差を有する信号である(それらは、共振回路を介して送られないので)。ブレークスルー信号は、励起信号と同相であり、中間装置からの信号とは位相が90°ずれているので、ブレークスルー信号からのどんな干渉も、パラメータの正確で決定的な測定値が検知されることを妨げることがある。すなわち、受信信号での変化を検出することができても、それらの変化の原因が何だったのかを言うことは難しいことがある。本発明によるセンサでは、通常、励起信号ではなく中間装置からの受信信号と同期することになり、いかなるブレークスルー信号をも排除する作用を有する同期検出器が、通常使用される。一方で、国際公開第2004/036148に記述されているセンサでは、検出されるものは、搬送周波数での信号の位相であり、その結果として、センサは、ブレークスルー信号にきわめて敏感になることがあり、決定的な検知が難しくなることがある。
通常、励起信号および更なる信号は、多くとも50%、また特に外部パラメータの少なくとも1つの値において、また好ましくはパラメータの測定値の範囲全体にわたって、多くとも10%だけ異なる周波数を有することになり、その結果、信号の強さは、あまりにも低い値にまで落ちることにはならず、処理される単一の信号のみが受け取られる。周波数が互いに異なる信号を使用することによって得られる利点は確かになく、したがって、励起信号および更なる信号は、通常、周波数が実質上正確に同じになる。
中間装置は、たとえば透磁率の高い物質、たとえばフェライトまたは導電性材料から形成される他のどんな数の装置を含んでもよい。あるいは、たとえば能動的または受動的な帯域通過装置(簡潔にするために、以下に共振器と呼ばれて記述されることになる)といった電気的な装置を使用してもよい。共振器は、共振周波数が、励起信号の周波数と実質上等しいことが好ましい。このようにして、望ましくないより高い高調波は、励起コイルと共振器の間の電磁結合により、効果的に除去される。共振器は、少なくとも検知すべきパラメータのある値に対して、たとえば少なくとも5、また特に少なくとも10の、相対的に高いQ値を有してもよく、本質的に、Q値における上限は、環境における変化に対して、また構成部品の電気的なパラメータの値における許容度範囲に対して、安定した共振周波数を確かなものにする能力によりセットされる。
更なる信号は、信号発生器により励起コイル向けに生成し、直接信号プロセッサに送ることが可能であり、または、更なる信号は、決定すべきパラメータに影響される必要はないので、信号プロセッサ自体によって生成することが可能である。しかし、ほとんどの場合、中間装置は、複数の共振器を備えることになり、それらの各々は、センサ・コイルを励起コイルに結合させ、その結果、周期的な電気信号および更なる信号の両方は、共振回路を介して送出される。必要なら、両方またはすべての共振回路は、たとえば互いに異なる方向に共振周波数をシフトすることにより、または回路のQ値を変更することにより、外部パラメータにおける変化に影響されてもよく、または各共振回路のうちの1つが、パラメータにおける変化に影響されてもよいが、他は、パラメータにおける変化に相対的に鈍感でもよい。
本発明によるセンサは、たとえば、パルス・エコー・タイプのセンサでも、また連続励起およびバランス型検知回路タイプのセンサでもよい。本発明の好ましい態様によれば、センサは、レシオメトリックでも、またそうでなくてもよい、連続的な励起タイプのセンサである。レシオメトリックなセンサは、システム内での変化、たとえば電源リップルに起因する信号レベルの変動、または中間装置とセンサの間の分離(および結合)における変化に対して、著しく感度が低いという利点を有する。好ましい実施形態は、レシオメトリックな誘導性センサ、たとえば欧州特許出願公開第1442273号に記載されているように、2つ(以上の)励起コイルを有し、単一のセンサ・コイルを有するセンサ、および欧州特許出願公開第0760087号に記載されているように、単一の励起コイルおよび2つ(以上の)センサ・コイルを有するセンサである。したがって、たとえば、そのまたはそれぞれの励起コイルは、直交空間に配置され、その結果、各ループ内を流れる同じ電流は直交関係で磁界を生成することになる1対の正弦ループを含んでもよい。そのまたはそれぞれの励起コイルのうちの1つのループは、コイルの平面に垂直な振幅が基準点からの距離の正弦として変化する磁界を生成するように構成されてもよいが、そのまたはそれぞれの励起コイルのうちのもう一方のループは、コイルの平面に垂直な振幅が基準点からの距離の余弦として変化する磁界を生成するように構成されてもよい。
本明細書で使用される用語「正弦(sine)」および「余弦(cosine)」は、厳密に三角関数と解釈されるものではないが、互いに直交の関係にあるすべての補関数を含むものである。たとえば、励起コイルで使用される波形は、おそらくデジタル信号、たとえば(必要なときは増幅後に)デジタル信号発生器から直接生成される方形波信号である。
他の態様によれば、本発明は、
励起信号を励起コイルに加える工程と、
測定されるパラメータを表す値を決定するために、励起信号を励起コイルに加えることに応答して、中間装置を介して電磁的に励起コイルに結合されたセンサ・コイル内で生成される信号を処理する工程とを含み、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータに影響され、更なる信号は、励起信号と実質上同じ周波数で生成され、外部パラメータの値は、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から決定される、外部パラメータを検知する方法を提供する。
励起信号を励起コイルに加える工程と、
測定されるパラメータを表す値を決定するために、励起信号を励起コイルに加えることに応答して、中間装置を介して電磁的に励起コイルに結合されたセンサ・コイル内で生成される信号を処理する工程とを含み、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータに影響され、更なる信号は、励起信号と実質上同じ周波数で生成され、外部パラメータの値は、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から決定される、外部パラメータを検知する方法を提供する。
次に、本発明によるセンサの様々な形態を、例として、各添付図を参照しながら説明する。
図1には、測定方向(図1では方向X)に沿って直線的な動きを可能にするために、支持具3にスライド可能なように取り付けられたセンサ要素1の位置を検出するための位置センサが概略的に示してある。プリント回路板(PCB)5は、支持具3に隣接した測定方向に沿って延び、その上に正弦コイル7、余弦コイル9および検知コイル11を形成する導電性トラックを印刷し、それらの各々は、制御ユニット13に接続される。支持具3に沿ったセンサ要素1の位置を表す数を表示するために、表示装置15も、制御ユニット13に接続される。
図1には、測定方向(図1では方向X)に沿って直線的な動きを可能にするために、支持具3にスライド可能なように取り付けられたセンサ要素1の位置を検出するための位置センサが概略的に示してある。プリント回路板(PCB)5は、支持具3に隣接した測定方向に沿って延び、その上に正弦コイル7、余弦コイル9および検知コイル11を形成する導電性トラックを印刷し、それらの各々は、制御ユニット13に接続される。支持具3に沿ったセンサ要素1の位置を表す数を表示するために、表示装置15も、制御ユニット13に接続される。
図1に示されるように、PCB 5は、一般的に、長手方向の軸が測定方向と位置が揃い、横方向の軸が測定方向と垂直に位置合わせされた長方形である。正弦コイル7、余弦コイル9および検知コイル11は、PCB 5の長手方向のエッジを介して制御ユニットに接続され、このエッジは、X=0の位置の値に対応し、位置の値は、PCB 5の長さに沿って、X=0に対応する長手方向のエッジから増大する。
次に、図1に示された位置センサの動作の概要を、図2を参照しながら示す。制御ユニット13は、それぞれ別の出力において同相信号I(t)および直交信号Q(t)を生成する直交信号発生器21を備える。同相信号I(t)は、この実施形態では2MHzである搬送周波数f0の発振している搬送波信号を、この実施形態では3.9KHzである変調周波数f1で発振する第1の変調信号を使用して、振幅変調することによって生成される。したがって、同相信号I(t)は、は次式の通りである。
同様に、直交信号Q(t)は、搬送周波数f0の発振している搬送波信号を、変調周波数f1で発振し、第1の変調信号とπ/2ラジアン(90°)位相がずれている第2の変調信号を使用して、振幅変調することによって生成される。したがって、直交信号Q(t)は次式の通りである。
同相信号I(t)は、正弦コイル7に加えられ、直交信号Q(t)は余弦コイル9に加えられる。
正弦コイル7はパターンで形成され、それにより、正弦コイル7を通して流れる電流は、第1の磁界B1を生成し、PCB 5に対して垂直に分解されるその磁界の強さ成分は、測定方向に沿って次式の関数により正弦曲線を描いて変化する。
上式で、Lは、X方向における正弦コイルの周期である。
同様に、余弦コイル9はパターンで形成され、それにより、余弦コイル9を通して流れる電流は、第2の磁界B2を生成し、PCB 5に対して垂直に分解されるその磁界の強さ成分も、測定方向に沿って正弦曲線を描いて変化するが、次式の通り、第1の磁界B1の位相からπ/2ラジアン(90°)の位相差を有する。
このようにして、測定方向に沿ってあらゆる位置で生成された合計の磁界BTは、第1の磁界B1からの第1の成分、および第2の磁界B2からの第2の成分によって形成されることになり、PCB 5に対して垂直に分解される第1および第2の成分の大きさは、測定方向に沿って変化する。
同相信号I(t)および直交信号Q(t)を、それぞれ正弦コイル7および余弦コイル9に加えることにより、PCB 5に対して垂直に分解される生成された合計の磁界成分BTは、変調周波数f1で変化し位相が測定方向に沿って変化する振幅包絡関数に従って、搬送周波数f0で発振する。したがって、
事実上、振幅包絡関数の位相は、測定方向に沿って回転する。
この実施形態では、センサ要素1は、共振周波数が搬送周波数f0に実質上等しい共振回路を備える。したがって、搬送周波数f0で発振し、変調周波数f1において測定方向に沿ったセンサ要素1の位置に依存する位相で変調される振幅を有する共振回路において、合計の磁界成分BTは電気信号を誘起する。次に、共振回路内に誘起される電気信号は磁界を生成し、その磁界は、搬送周波数f0で発振する検知される電気信号S(t)を検知コイル11内に誘起する。検知される信号S(t)の振幅はまた、変調周波数f1において、測定方向に沿ったセンサ要素1の位置に依存する位相で変調される。検知される信号S(t)は、位相検出器23に入力され、位相検出器は、検知される信号S(t)を復調して、搬送波周波数f0での成分を取り除き、励起波形に関連する、残っている振幅包絡関数の位相を検出する。次いで、位相検出器23は、検出された位相を表す位相信号P(t)を位置計算器25に出力し、位相計算器は、検出された位相を対応する位置の値に変換し、駆動信号を表示装置15に出力して、対応する位置の値を表示する。
変調周波数f1よりも高い搬送周波数f0を使用することにより、50/60Hzでの送電線などの低周波雑音源から離れた周波数で誘導性結合が行われるが、信号処理は依然として、デジタル処理により適した相対的に低い周波数で実行することができる。さらに、搬送周波数f0を増大させることにより、うまくセンサ要素1を小さくすることができ、このことは、多くの用途において重要な利点である。搬送周波数f0を増大させることで、信号強度もより高くなる。
次に、図1に示される位置センサの個別の構成部品を、より詳細に論じる。
図3Aに示されるように、正弦コイル7は、測定方向においてPCB 5に沿って中間にあるクロスオーバ点は別にして、全体的にPCB 5の周辺部のまわりで延びる導電性トラックによって形成され、クロスオーバ点において、PCB 5の横方向の各エッジ上の導電性トラックは、PCB 5の対応する横方向の対向エッジに向けて交差する。このようにして、事実上、第1の電流ループ21aおよび第2の電流ループ21bが形成される。信号が正弦コイル7に加えられるとき、電流は第1の電流ループ21aおよび第2の電流ループ21bのまわりを反対方向に流れ、したがって、第1の電流ループ21aのまわりを流れる電流は、第2の電流ループ21bのまわりを流れる電流によって生成される磁界と逆極性の磁界を生成する。この結果、PCB 5に対して垂直に分解され、上式3で与えられる第1の磁界B1の成分の磁界強度が、正弦関数的に変化するようになる。
具体的には、PCB 5に垂直に分解され、正弦コイル7を介して流れる電流によって生成される第1の磁界B1の成分の磁界強度は、測定方向に沿ってx=0の点でほぼゼロから、x=L/4(図3Aに示される位置A)で最大値へと変化し、次いで、x=L/2(図3Aに示される位置C)でゼロに戻り、次いで、x=3L/4での最大値(位置Aでの最大値に対して逆極性を有する)に変化し、次いで、x=Lでゼロに戻るように、正弦コイル7がレイアウトされる。したがって、正弦コイル7は、PCB 5に垂直で、正弦関数の1周期に従って変化する磁界成分を生成する。
図3Bに示されるように、余弦コイル9は、測定方向においてPCB 5に沿った方向のそれぞれ1/4および3/4に配置された2つのクロスオーバ点は別にして、全体的にPCB 5の周辺部のまわりで延びる導電性トラックによって形成される。このようにして、3つのループ23a、23bおよび23cが形成され、そのうち、外側のループ23aおよび23cは、内側のループ23bの半分のサイズである。信号が余弦コイル9に加えられるとき、電流は、外側のループ23aおよび23cのまわりをある方向に流れ、内側のループ23bのまわりをその反対方向に流れる。このようにして、内側のループ23bのまわりを流れる電流によって生成される磁界は、外側のループ23aおよび23cのまわりを流れる電流によって生成される磁界に対して極性が逆である。この結果、PCB 5に対して垂直に分解され、上式4で与えられる第2の磁界B2の成分の磁界強度は、正弦関数的に変化するようになる。
具体的には、PCB 5に対して垂直に分解され、余弦コイル9を介して流れる電流によって生成される第2の磁界B2の成分の磁界強度は、測定方向に沿ってx=0で最大値から、x=L/4(図3Bに示される位置A)でゼロに変化し、次いで、x=L/2(図3Bに示される位置C)で最大値(x=0での最大値に対して極性が逆である)に戻り、次いでx=3L/4でゼロに戻り、次いでx=Lで最大値(x=0での最大値と極性が同じである)に戻るように、余弦コイル9がレイアウトされる。したがって、余弦コイル7は、PCB 5に垂直で、上式4で与えられる余弦関数の1周期に従って変化する磁界成分を生成する。
図3Cに示されるように、検知コイル11は、全体的にPCB 5の周辺部のまわりで延びて単一のループを形成する導電性トラックによって形成される。
第1の電流ループ21aのまわりを流れる電流により検知コイル11内に誘起される電流が、第2の電流ループ21bのまわりを流れる電流により検知コイル11内に誘起される電流によって実質上相殺されるように、正弦コイル7がレイアウトされる。同様に、余弦コイル9については、外側のループ23a、23cにより検知コイル11内に誘起される電流は、内側のループ23bにより検知コイル11に誘起される電流によって相殺される。こうした平衡コイルを使用することには、正弦コイル7および余弦コイル9からの電磁放射が、単一の平面巻線よりも速い速度で距離とともに減少するという、更なる利点がある。これにより、依然として電磁放射に対する規制要求事項を満たしながら、より大きい駆動信号を使用することができる。電磁放射に対する規制要求事項が、ますます厳しくなっているので、このことは特に重要である。
前述の通り、発振している駆動信号が、正弦コイル7および余弦コイル9のうちの1つまたは両方に加えられるとき、同じ周波数で発振している信号が、センサ要素1の共振回路内に誘起される。しかし、駆動信号と誘起される信号の間には位相遅れが発生し(これは、外部パラメータの値を決定するために使用される位相遅れではないが)、位相遅れの量は、駆動信号の周波数と共振回路の共振周波数との間の関係に依存する。図5Aに示されるように、位相遅れは、共振回路の共振周波数付近でもっとも急激に変化し、共振周波数での位相遅れは、π/2ラジアン(90°)である。共振回路のQ値が高いほど、位相は共振周波数付近で急激に変化する。しかし、図5Bに示されるように、共振回路のQ値が低いほど、共振回路内に誘起される電気信号の振幅は少なくなる。したがって、共振回路についてQ値の値を選択するとき、信号強度と、周波数とともに位相が変化する速度との間で、妥協点に達することが必要である。
本発明によるLVPTセンサの一形態の総合的な設計が、図6に示してある。こうしたセンサでは、ほぼ2MHzの周波数の搬送波信号は、マイクロプロセッサ41内のユニット61によって生成され、互いに直交関係にあるユニット62および63によって生成される2つの変調信号によって変調される。次いで、変調された信号64および66は、図3Aおよび3Bに示されるような正弦および余弦の幾可学的形状を有する励起コイル68および70に送られ、それらの励起コイルから、変調された信号が送出され、通常は受動RLC共振回路である共振回路の形のターゲット72によって捕捉される。ターゲット72のインダクタは、図3Cに示される形のセンサ・コイルに信号を送出し、信号電圧は、励起コイルに対するターゲットの位置によって支配される変調位相シフトθを有する送出された信号の合計になり、ボックス74に示されるような一般的な形を有することになる。受信された信号は、位相シフトされた搬送波信号61と同期的に検出され、位相情報を含む受信された変調信号80を残しておくためにフィルタリングされる。ターゲットの位置84に関する情報を位相シフトθから得るために、この信号は、マイクロプロセッサによって生成される2つの変調信号と、ボックス82内で比較される。
同相信号I(t)、直交信号Q(t)、および逆相信号I_(t)を生成するために、また、位置の値を決定するのに検知される信号S(t)を処理するために使用される処理回路を、図7を参照しながら次に説明する。図7に示されるように、処理回路は、マイクロプロセッサ41、デジタル構成部品61、アナログ駆動回路81、およびアナログ信号処理構成部品91からなる。
マイクロプロセッサ41は、搬送周波数f0の2倍で(すなわち4MHzで)方形波信号を生成する第1の方形波発振器43を備える。この方形波信号は、マイクロプロセッサ41から直交デバイダ・ユニット63に出力され、直交デバイダ・ユニットは、方形波信号を2つに分割し、搬送周波数で同相デジタル搬送波信号+Iを形成し、搬送周波数で逆相デジタル搬送波信号−Iを形成し、やはり搬送周波数で直交デジタル搬送波信号+Qを形成する。以下に記述する通り、直交デジタル搬送波信号+Qは変調されて、正弦コイル7および余弦コイル9に加えられる駆動信号を形成するが、同相および逆相のデジタル搬送波信号±Iは、検知される信号S(t)を復調するために、同期検出を実行するのに使用される。
マイクロプロセッサ41は、変調周波数f1で変調同期信号MOD_SYNCを出力して基準タイミングを提供する、第2の方形波発振器45も備える。変調同期信号MOD_SYNCは、パルス幅変調(PWM)タイプのパターン発生器47に入力され、パターン発生器は、変調周波数f1、すなわち3.9KHzでの変調信号を表す、2MHzでのデジタル・データ・ストリームを生成する。具体的には、PWMタイプパターン発生器47は、同相信号I(t)または逆相信号I_(t)のどちらを生成すべきかに基づいて、位相が互いに直交する2つの変調信号、すなわち余弦信号COS、ならびに正の正弦信号または負の正弦信号±SINのいずれかを生成する。
余弦信号COSは、マイクロプロセッサ41によって出力され、第1のデジタル・ミクサ65、この実施形態ではNORゲートに加えられ、NORゲートは、余弦信号を直交デジタル搬送波信号、+Qと混合して、直交信号Q(t)のデジタル表現を生成する。正弦信号±SINは、マイクロプロセッサによって出力され、直交デジタル搬送波信号+Qとともに、第2のデジタル・ミクサ67、この実施形態ではNORゲートに加えられて、同相信号I(t)または逆相信号I_(t)のどちらかのデジタル表現を生成する。第1および第2のデジタル・ミクサ65、67からのデジタル信号出力は、それぞれ第1および第2のコイル・ドライバ回路83、85に入力され、次いで、コイル・ドライバ83、85によって増幅された信号出力は、それぞれ余弦コイル9および正弦コイル7に加えられる。
正弦コイル7および余弦コイル9に加えられる駆動信号のデジタル生成は、高周波の高調波雑音をもたらす。しかし、コイル・ドライバ65、67は、この高周波の高調波雑音のうちのいくらかを除去し、余弦および正弦コイル7、9の周波数応答特性も、この高周波の高調波雑音のうちのいくらかを除去する。さらに、センサ要素1内の共振回路は、共振周波数をはるかに上回る信号には応答せず、したがって、共振回路も、望ましくない高周波の高調波雑音のうちの一部分を除去することになる。
前述の通り、正弦コイル7および余弦コイル9に加えられる信号は、センサ要素1の共振回路内に電気信号を誘起し、次に、この信号は、検知される信号S(t)を検知コイル11内に誘起する。検知される信号S(t)は、アナログ信号処理構成部品91を介して送られる。具体的には、検知される信号S(t)は、初めに高域通過フィルタ増幅器93を介して送られ、高域通過フィルタ増幅器は、受信信号を増幅し、低周波雑音(たとえば、50ヘルツの電気の幹線供給装置からの雑音)およびどんなDCオフセットをも除去する。次いで、高域通過フィルタ93からの増幅された信号出力は、クロスオーバー・アナログ・スイッチ95に入力され、クロスオーバー・アナログ・スイッチは、直交デバイダ21によって生成される同相および逆相の方形波搬送波信号±Iを使用して、2MHzの搬送周波数で同期検出を実行する。前述の通り、センサ要素1の共振回路は、搬送波信号に対して実質上90°の位相シフトをもたらすので、直交デジタル搬送波信号+Qに対して90°位相がずれている同相および逆相のデジタル搬送波信号は、正弦コイル7および余弦コイル9に加えられ同期検出のために使用される駆動信号を生成するために使用される。
クロスオーバー・アナログ・スイッチ95からの信号出力は、完全に整流されたバージョンの、クロスオーバー・アナログ・スイッチ95への信号入力に実質上対応する(すなわち、元の各電圧ピークの間に存在する電圧ピークを形成するために、ゼロ電圧ライン上に折り重ねられる信号内の負の電圧の谷に一致する)。次いで、この整流された信号は、低域通過フィルタ増幅器97を介して送られ、この低域通過フィルタ増幅器は、本質的に、DC成分および変調周波数f1での成分を有する、時間平均された、または平滑化された信号を生成する。DC成分は、同期検出プロセスによって実行される整流の結果として現れる。
次いで、低域通過フィルタ増幅器97からの信号出力は、中心周波数が変調周波数f1である帯域通過フィルタ増幅器99に入力され、この帯域通過フィルタ増幅器は、DC成分を除去する。帯域通過フィルタ増幅器99からの信号出力は、比較器101に入力され、比較器は、入力信号を、センサ要素1の位置を決定するために、そのタイミングが変調同期信号MOD_SYNCのタイミングと比較される方形波信号に変換する。
本発明によるセンサはまた、たとえば図8に示されるような一般の形態の線形可変変位変換器(LVDT)として実装されてもよい。こうした形態の変換器では、搬送波信号は、ユニット80によって生成され、励起コイル・ドライバ82に送られ、図3Cに示されるような構成の単一のループの形での励起コイル84によって送出される。信号は、共振回路の形でのターゲット86によって捕捉され、1対のループの形でのセンサ・コイルに送出され、一方のセンサ・コイルは、図3Aに示されるような正弦構成であり、もう一方のセンサ・コイルは、図3Bに示されるような余弦構成である。ボックス88および90に示される受信信号は、それぞれsineθまたはcosθに比例する振幅を有する。センサ・コイルの各ループによって受信される信号は、多重化され、ボックス92において元の信号と同期される。ボックス94でフィルタリングされた後、ターゲットの位置に関する情報を有するdc信号96が残される。
図9から16を参照しながら、本発明による様々な形態のセンサを説明する。信号の生成および処理に関する電子装置については上に述べてきたので、ターゲットのみ説明する必要がある。これらのセンサの各々において、ターゲットは、1対の共振回路の形であり、各共振回路のうちの1つを基準として使用してもよいが、ターゲットにおいて単一の共振回路だけを使用し、基準としての信号発生器から送出信号に信号を注入することが可能である。さらに、ターゲットの位置または他の外部パラメータに関する情報など、追加の情報が求められる場合、ターゲットにおいて3つ以上の共振回路を使用することが可能である。
図9には、測定方向に沿って物理的に分離された各インダクタを有する2つの共振回路を使用する、本発明による温度センサ向けの簡略なターゲット回路が示してある。回路は、RLC回路の両半分がセンサの送信機周波数で共振するように同調されるコンデンサを備え、このことは、2つのインダクタが同じインダクタンスを有することを示唆する。さらに、各共振回路は、感温性の抵抗を有し、一方は、正の温度係数(PTC)を有し、もう一方は負の温度係数(NTC)を有する。励起コイルにより、電圧がインダクタの両端に誘起されるとき、様々な電流が共振回路の各々のまわりに流れ、当該温度での2つの抵抗の相対値に依存することになり、その結果、ターゲットの各々の側のQ値は、もう一方の側とは反対に、ある程度温度によって変化することになり、励起コイルに応答してターゲットによって生成される電磁界の振幅および空間的変動は、温度が変化するのに伴い変化することになる。
LVDTタイプのセンサについては、送出された磁界は、ターゲット全体にわたって全体的に均一であり、両方のインダクタの両端に同じ電圧が誘起されるが、温度が増大するにつれて、左側のループにおける電流は、右側のループにおける電流よりも小さくなる。インダクタL1よりもインダクタL2においてより高い磁界が生成されることになり、その結果として、受信コイルによって検知される合計の磁界は、L2の位置に向けて偏ることになり、その結果、ターゲットは、ターゲットの物理的中心の右に移動したように見えることになる。低い温度では、受信コイルは、ターゲットの中心の左に生成されるように見える磁界を検出することになる。したがって、温度が変化するにつれて、ターゲットの明白な位置は決定的に移動し、したがって、ターゲットは、遠隔温度センサとして利用されてもよい。
2つの共振回路、というより2つの共振回路のインダクタは、ある範囲で分離してもよい。各インダクタ間の分離が増大する場合、センサの分解能も増大するが、分離が90°(すなわち、正弦または余弦ループの4分の1)を超えて増大すると、2対のターゲットは破壊的に干渉を始め、その結果、信号レベルは落ちる。
ターゲットがLVPTタイプのセンサによって問合せをされるとき、送出される磁界はターゲット全体にわたって変化し、その結果、共振回路内の電流I1およびI2は、互いに異なり、通常は互いに異なる位相を有する。位相の変化は、搬送周波数または別の変調周波数のいずれかにおいて生じることがある。受信信号での位相は、2つの電流の相対振幅およびそれらの位相差の関数である。この場合の抵抗の作用は、検知されるコイル内に誘起される合計の電流の位相をバイアスすることであり、その結果、ターゲットの明白な位置が、ターゲットの温度に応じて変化する。
抵抗の各々が感温性である必要はない。2つの感温性抵抗を使用することで温度分解能が増大するが、たとえば一方の抵抗が、PTCまたはNTCのどちらかの感温性でよく、もう一方抵抗は、温度に対して安定である。あるいは、必要なら、サーミスタまたはサイリスタなど、他の感温性の構成部品を使用してもよい。やはり、共振回路のリアクタンス性の構成部品が、抵抗の代わりに感温性でもよい。たとえば、コンデンサ(たとえばY5Vタイプ)を使用してもよく、または感温性フェライトでもよい。この場合、大きなインピーダンスを追加すると、システムの共振周波数を動かすことになるので、追加の構成部品のインピーダンス(すなわち、キャパシタンスまたはインダクタンス)は、同調コンデンサC1、あるいはインダクタL1またはL2のインピーダンスよりも小さくなければならない。共振周波数のこの動きは、電流I1およびI2での変化をもたらすことになるが、2つの回路のうちの少なくとも1つは、送信機周波数での共振に近接していることが必要である。
さらに、2つの共振回路が共通のコンデンサを共用する必要はなく、確かに多くのシステムにおいて、各共振回路は、互いから分離されることになる。
図10には、光センサで利用されてもよいターゲットが示してある。この場合、ターゲットが暗がりの中にあるとき、感温性の構成部品の代わりに、1対のバック・ツー・バックのフォトダイオードが、左側の回路内を流れる電流を阻止する。ターゲットが照射されているとき、電流は回路の両側で流れ、誘導性センサは、ターゲットの位置における明白な変化を検出する。周波数選択性センサが望まれる場合、狭い光学帯域幅で検出するために、フォトダイオードは特殊化されてもよい。フォトダイオードが照射されるとき、ダイオード電圧降下に打ち勝つためには、生成される電圧は十分に高くなければならず、これは、ターゲットのインダクタの巻き数を増大させることによって達成されてもよい。
ダイオード、トランジスタなどの非線形デバイスをターゲット内で使用することで、温度センサ、光センサ、または他の形態のセンサで使用される場合でも、ターゲットは、励起信号とは異なる周波数、たとえばセンサ・コイルによって検知することのできる2倍の周波数(または、より高い高調波)で信号を生成することができる、という追加の利点がある。このようなシステムは、著しく改善された信号対雑音比を有するようにセンサを作ることができ、Sensopad Limited and David Alun Jamesの名における、「Sensing Apparatus and Method」と題する国際特許出願に記載され、やはり英国特許出願第0417686.3号から優先権主張され、ともに同日付に出願され、これらの開示を参考として本明細書に援用する。したがって、光検出器で使用されるターゲットは、光に敏感ではない1対のバック・ツー・バックのダイオードを片側に、また1対のバック・ツー・バックのフォトダイオードをもう片側に備えることもできる。
図9に示される温度検知ターゲットのように、2つの共振回路は、共通のコンデンサを共用する必要はないが、物理的および電気的に分離することができる。さらに、または代替的に、フォトレジスタまたはフォトトランジスタなどの他の感光性の構成部品を共振回路内に使用してもよい。
図11には、化学種または生物学的種に対するセンサにおいて使用してもよいターゲットが示してある。このターゲットは、ISFET、IMFET、あるいはFETまたはバイポーラ・トランジスタのような他の化学的または生物学的な検知用電気構成部品を使用する。ISFETのイオン選択性膜の表面に化学物質がより多く存在するにつれて、電流I1は、イオンが存在しないときのゼロから増大し、その結果として、ターゲットの明白な位置が移動し、イオンを検出することができる。
図12に示されるターゲットは、2つの部分に分かれているとみなすことができ、左側の部分は、同調回路L1、C1およびC3を備え、右側の部分は、同調回路L2、C2およびC3を備える。ターゲットが電磁界の近傍にあるとき、電圧は、各インダクタを横切って誘導結合される。これらの電圧が、ターゲットの各同調回路のいずれかの共振周波数のまわりの成分を有する場合、ターゲットのインピーダンスがその周波数で低くなるので、その側に流れる電流、I1またはI2のいずれかは、相対的に高くなる。これらの大電流は、センサ・コイルに強く再結合することになる。C1は、そのキャパシタンスが、環境における変化によって変化し、その結果、L1からセンサ・コイルに結合される信号の振幅も変化するように選択されるが、L2からセンサ・コイルに結合される信号の振幅は変化しないことになる。したがって、正味のセンサ信号は、それに応じて変化し、キャパシタンスの変化を決定できるようにする。
前述の通り、ターゲットの2つの共振回路は、共通のコンデンサを有してもよい。これにより、コンデンサ自体もしばしば環境に敏感であるために生じるいかなる変化をも排除する。しかし、共振回路は、励起巻線および検知巻線によって、直接ではないが誘導結合されることになるので、共振回路を接続する必要はない。こうしたターゲットの一形態が、図13に示してあり、互いに分離された2つの共振回路は、単一の基板に形成される。この場合、各コンデンサのうちの1つは、環境パラメータ、たとえば温度、湿度、または指の存在に敏感でもよく、他のコンデンサは鈍感である。
指を検知するターゲットの他の形態が、図15に示してある。この場合、抵抗R1は、C1の両端に接続される。指がターゲットに触れるとき、抵抗R1は短絡されることになり、それにより、その抵抗値が変化する。この抵抗の変化により、左側の回路の周波数応答は変化することになり、その共振周波数はシフトし、左側の回路はまた、右側の回路に対して異なるQ値を有することになる。このようにして、左側の回路から検知される信号は変化することになり、それにより、システムの平衡を崩し、指の存在を検出できるようにする。構成部品R1は、それが抵抗とみなされるかどうかを問わず、たとえば、空隙を有する2つの露出したパッドを備えてもよい。指が存在しないとき、パッドを横切る抵抗は大きく、通常は1MΩよりも大きいが、各パッドが指によって橋渡しされるとき、抵抗は1kΩの範囲の値にまで落ちる。確かに、こうした設計は、指が接近するときに、各パッドを横切るキャパシタンスの何らかの変化を示すことが可能であり、その結果、2重の効果が得られる。
特に、ターゲットの位置を決定するために検出される信号の位相角度を測定する複数の励起タイプのシステムにおいて利点をもつ、こうした形態のターゲットを使用してもよい。センサは、対象物、たとえば指が存在するか存在しないかを決定し、次いで、対象物が検出されたら、何らかの他のパラメータ、たとえばターゲットの位置を決定するように構成されてもよい。こうしたシステムは、たとえばコンソール上のアレイ上のノブなど、たとえば手動操作可能な装置が、それがいつ操作されていたのかを検出し、次いでノブがどの位置にセットされたのかを決定することができるようにすることもできる。たとえば100以上のセンサが各々ノブによって制御される、多数の装置アイテムを有する複雑なコンソールの場合、コンソールの各センサがどの位置にあるのか、またはそれに関連する他の定量値を決定するために、コンソールの各センサをポーリングするのに、かなりの長さの時間を要することがある。しかし、ノブが握られているのかどうかの検出は、2つの結果しかもたず、著しく速い。したがって、ターゲットが、握られたときにだけ定量するなど、何らかの機能を実行するために動作させられる、触れるべきノブまたは他の装置の一部分を形成するシステムにおいて、こうしたターゲットを使用することは可能である。
2つの共振回路を有するターゲットを使用する一実施形態では、回路のうちの1つ、たとえば図12から14に示される右側の回路は、励起周波数に同調されてもよい。コンデンサC1がその公称値(たとえば0%の湿度、または指が存在しない)にあるときに、もう一方の回路もこの周波数に同調される場合、センサ・コイル上の信号は、回路の各々からの信号により等しく生成されることになり、その結果として、センサは、2つの回路の平均位置を出力することになる。環境要因が変化するとき、たとえばターゲットが握られるとき、ターゲットの左側の回路の共振応答は、この周波数から離調し、その結果、センサ・コイル上の信号は、徐々にターゲットだけの右側の部分からの信号にますます支配されるようになる。
前述の温度センサのように、コンデンサのうちの1つのみが、環境に敏感なのではなく、両方のコンデンサが、他方に対して反対方向に敏感であるように構成することにより、センサをより敏感に作ることができる。たとえば、湿度ゼロにおいて、左側の回路は搬送周波数で共振してもよいが、右側の部分は共振していない。湿度が増大するにつれ、左側の共振回路は離調し、右側の部分はますます搬送周波数に同調するようになってもよく、その結果、(共振回路の対によって形成される)ターゲットの明白な位置は変化する。
このことは、以下のように数学的に説明することができる。すなわち、図6に示されるような複数の励起タイプのシステムにおいて、ターゲットの各々別個の部分が互いに異なる位置に配置されている場合、これは、検出される信号の位相シフトによって示される。左側の回路が、振幅変調された位相シフト0°を有するように物理的に配置される場合、右側の回路は、φのAM位相シフトを有するように物理的に配置される。左側の回路からの信号レベルはAであり、右側の回路からの信号レベルはBであり、その結果、検出コイル上の合計の信号は、これらの信号の合計である。
次いで、この信号は同期検出器および低域通過フィルタを介して送られて、AM成分のみを残す。
これは、次式で書き換えることができる。
ここで
したがって、公称の状況においては、2つの信号の振幅(A=B)が同じであるとき、θ=φ/2、すなわち検知された位置は、2対のターゲットの平均位置であることが分かる。右側の部分が離調しているとき、B→0、よってθ→0、すなわち検知された位置は、ターゲットの左側の部分の位置になる。それに応じて、左側の部分が離調している場合、A→0、その結果θ→φ、すなわち検知された位置は、ターゲットの右側の部分の位置になる。図16および17は、こうした数学的な表現を使用して生成された。
図6または8に示されるタイプのシステムでは、分離角がφである場合、ターゲットの重み付き平均位置は0°からφまでの範囲とすることができるので、ターゲットの位置を決定するために、検出される信号の位相角度を測定する複数の励起タイプのシステムでは、2つのターゲットの間の最大分離角は180°である。φが180°よりも大きい場合、角度は180°−φの値をとる。しかし、第2のターゲットが第1のターゲットを支配し、そのポイントで位相が逆転するまで、2つの回路からの信号は互いに位相がずれており、センサにおいて見えるもののすべては、位相変化なしに信号レベルが低減することであるので、180°においては、重み付き平均位置は、どんな中間の位置を通過することもなく、0°から180°に切り替わる。
各回路における相対電流の関数として、また共振回路の分離角φのいくつかの値に対して、2つの回路の重み付き平均位置が図16に示され、そこから、分離角が大きいほど、環境要因におけるいかなる所与の変化に対してもターゲット内の角度変化は大きくなるが、分離角φが増大するほど、センサの応答はますます非線形になることが分かる。やはり、図17を見て分かるように、分離角φが増大するほど、受信信号の振幅は減少する。すなわち、回路の分離角φが増大するほど、システムは、より正確になるが(非線形の場合)、それほど敏感ではなくなる。多くの用途について、各回路間の最適な分離角は、90°から150°、好ましくは120°から150°の範囲、また特に約135°である。というのも、これよりも著しく大きい角度では、信号対雑音レベルが問題になる程度にまで信号レベルが落ちることがあるからである。一方で、単に環境要因における変化に迅速に反応したいシステム、たとえばノブが握られているかどうかを決定したいシステムに対しては、以下の通りに、2つの回路の間の最適な間隔は、より大きく、たとえば170°から190°の角度間隔、また特に約180°になりそうである。
複数の励起システムに基づく実施形態では、ターゲットの2つのインダクタL1およびL2の両端に誘起される電圧が等しく、反対向きになるように、ターゲットを配置することが可能である。回転システムでは、これは、2つのインダクタを180°離して配置することによって達成されてもよい。回路の両側が搬送周波数に等しく同調している場合(すなわちC1=C2)、電流I1およびI2も等しく、反対向きになり、その結果、正味の信号はセンサ・コイルにもたらされない。しかし、指が近接することによりコンデンサC1の値が変化させられるとき、ターゲットのその側は搬送周波数から離調される。したがって、電流I1は著しく低減させられ、その結果、ほとんどもっぱらI2だけに起因する正味の信号が、センサ巻線上に誘起される。したがって、ノブに接触する指が存在しないとき、検知される信号はないが、ノブが接触されるとすぐに、信号がセンサ・コイル内に誘起され、この信号はノブの角位置を示す。
数学的には、これは、上式(6)を一点φ=180°と置き換えることと同等であるが、cos(x−180°)=−cos(x)であるから、同期検出器および低域通過フィルタの後の検知される信号は次式の通りである。
(A−B)cos(ω1)
すなわち、A>Bである場合、検知された位置は0°であり、B>Aである場合、検知された位置は180°であり、中間の検知位置は存在しない。A=Bのときには、検出される信号の振幅は小さく、こうした小さい信号を排除するように、閾値検出器回路を使用することもできる。
(A−B)cos(ω1)
すなわち、A>Bである場合、検知された位置は0°であり、B>Aである場合、検知された位置は180°であり、中間の検知位置は存在しない。A=Bのときには、検出される信号の振幅は小さく、こうした小さい信号を排除するように、閾値検出器回路を使用することもできる。
複数の検知タイプのシステムに基づく実施形態については、2つのインダクタL1およびL2の両端に誘起される電圧は、一般的に実質上等しい。しかし、これらの実施形態においては、2つのインダクタを180°分離する効果は、回路の両側が搬送周波数に等しく同調している場合に、各センサ・コイルに誘起される電圧が等しく、反対向きであるということであり、したがって、検知される正味の信号はない。ターゲットの一方の側が、指の存在によって離調しているとき、ターゲットのもう一方の側に起因する信号が優勢になり、検知巻線内に誘起される。したがって、2つのタイプのセンサ向けのターゲット内の信号は互いに異なるが、外部パラメータにおけるターゲット設計、および最終的に検知される変化は同じである。
ノブに触れることにより各センサのうちのいかなる1つのセンサもアクティブにされてよいように、多数のセンサが、たとえば様々なノブの形でコンソール内に配置されるシステムで使用されてもよい、前述のセンサの形態において、ターゲット内での共振回路の180°の分離は特に有利である。こうしたシステムでは、ノブの各々のセンサ・コイルを入力として多重化し、それらの電子装置が、各入力のうちのどれが閾値を超えるかを迅速に検知することが可能である。通常、ユーザは、どの時点においても単一のノブを回転するのに片手だけを使用するので、通常、各入力のうちの1つだけが閾値を超えることになる。ユーザの触れているノブが決定されると、そのノブに関連するセンサ上で、より遅い回転位置測定を行うことができる。
この実施形態は、複数の励起コイルを使用する回転センサに関して説明してきたが、他の形態のセンサ、たとえば複数のセンサ・コイルを使用する直線(2Dまたは3D)曲線、または他のセンサにも適用可能であり、それらのケースでは、180°の分離は、検知コイルの長さの2分の1に対応する。
Claims (30)
- (i)励起コイルと、
(ii)励起信号を生成するよう動作し、そして前記生成される励起信号を前記励起コイルに加えるように構成される信号発生器と、
(iii)前記信号発生器が前記励起信号を前記励起コイルに加えるのに応動して、周期的な電気信号がセンサ・コイル内に生成されるように、中間装置を介して前記励起コイルに電磁的に結合することができる前記センサ・コイルと、
(iv)前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定するよう動作可能な信号プロセッサとを備え、
前記中間装置は、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号が前記パラメータの影響を受けるよう検知される前記パラメータに敏感であり、前記センサは、前記周期的な電気信号と実質上同じ周波数で更なる信号を生成する手段を備え、前記信号プロセッサは、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な信号と前記更なる信号とから、外部パラメータの値を決定するよう動作することを特徴とする、外部パラメータを検知するセンサ。 - 前記励起信号と前記更なる信号とは、前記外部パラメータの少なくとも1つの値において、多くとも50%だけ異なる周波数を有することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記励起信号と前記更なる信号とは、前記外部パラメータの値の範囲を多くとも50%だけ上回って異なる周波数を有することを特徴とする請求項2に記載のセンサ。
- 前記中間装置は、定義された透磁率または誘電率の対象物を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記中間装置は、前記励起信号の周波数と実質上同じ共振周波数を有する共振器を備えることを特徴とする請求項4に記載のセンサ。
- 前記共振器は受動LC回路を備えることを特徴とする請求項5に記載のセンサ。
- 前記共振器は少なくとも10のQ値を有することを特徴とする請求項5または請求項6に記載のセンサ。
- 前記中間装置は複数の共振器を備え、前記複数の共振器の各々は前記センサ・コイルを前記励起コイルに結合させ、前記複数の共振器の少なくとも1つは前記更なる信号を前記センサ・コイル内に生成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記共振器の各々は、検知すべき前記外部パラメータでの変化により、もう一方とは反対に変化する共振周波数を有することを特徴とする請求項8に記載のセンサ。
- 前記各共振器のうちの少なくとも1つは検知すべき前記外部パラメータでの変化によって変化するQ値を有することを特徴とする請求項8に記載のセンサ。
- 前記共振器の各々は、検知すべき前記外部パラメータでの変化により、もう一方とは反対に変化するQ値を有することを特徴とする請求項10に記載のセンサ。
- 前記更なる信号を生成する前記共振器は、検知すべき前記外部パラメータでの変化に実質上鈍感であることを特徴とする請求項8に記載のセンサ。
- 前記励起コイルまたは前記センサ・コイルは少なくとも2つの正弦ループを備えることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記2つのループの各々は、前記2つのループのもう一方と直交する空間にあることを特徴とする請求項13に記載のセンサ。
- 前記またはそれぞれの励起コイルは、各ループ内に流れる同じ電流が直交関係にある磁界を生成するように、直交した空間に配置される1対の正弦ループを備えることを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記各共振器は、前記各ループの空間寸法の90°から150°の範囲での値に対応する距離だけ物理的に互いに分離されることを特徴とする請求項14または15に記載のセンサ。
- 前記センサ・コイル内で生成される前記信号は、前記共振器の各々からの前記信号の合計であり、前記信号プロセッサは、前記センサ・コイル内で生成される前記信号での位相シフトから前記外部パラメータでの変化を検知するよう動作することができることを特徴とする請求項8乃至16のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記中間装置は、前記外部パラメータのうちの1つの値において前記センサ・コイル内で生成される信号が実質上互いに相殺し合うように構成される1対の共振回路を備えることを特徴とする請求項8乃至15のいずれか1項に記載のセンサ。
- 検知すべき前記外部パラメータは対象物の存在であることを特徴とする請求項18に記載のセンサ。
- 検知すべき前記外部パラメータは人体構造の一部分の前記存在であり、前記一部分がないときには前記センサ・コイル内の前記信号は実質上互いに相殺し合うが、前記一部分があるときには前記共振器のうちの1つが離調することを特徴とする請求項19に記載のセンサ。
- 構造の前記一部分の前記存在が検出されるときには別の機能を実行するよう動作することができることを特徴とする請求項20に記載のセンサ。
- 構造の前記一部分が存在しているかどうかを判定し、それが存在しているときには、別の情報を得るために前記センサに問合せをするために、互いに異なるセンサを周期的にアドレッシングする構成を備えることを特徴とする請求項20または請求項21に記載の複数のセンサを備えるシステム。
- 決定される前記パラメータは温度であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のセンサ。
- 決定される前記パラメータは湿度であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のセンサ。
- 決定される前記パラメータは化学種または生物学的種の前記存在または濃度であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のセンサ。
- 決定される前記パラメータは電磁放射の強度であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記励起コイルおよびセンサ・コイルは一般的に同一平面上にあることを特徴とする請求項1乃至26のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記信号発生器はデジタル励起信号を生成するよう動作することができることを特徴とする請求項1乃至27のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記励起信号は少なくとも100KHzの周波数を有することを特徴とする請求項1乃至28のいずれか1項に記載のセンサ。
- 励起信号を励起コイルに加える工程と、
前記励起信号を前記励起コイルに加えることに応答して中間装置を介して前記励起コイルに電磁的に結合されたセンサ・コイル内に生成される信号を処理して、測定されるパラメータを表す値を決定する工程とを含み、
前記中間装置は、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号が前記パラメータの影響を受けるよう検知される前記パラメータに敏感であり、前記励起信号と実質上同じ周波数で更なる信号が生成され、前記外部パラメータの値は、前記センサ・コイル内に生成される前記周期的な信号と前記更なる信号とから決定されることを特徴とする、外部パラメータを検知する方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB0417686A GB0417686D0 (en) | 2004-08-09 | 2004-08-09 | Novel targets for inductive sensing applications |
PCT/GB2005/003126 WO2006016147A2 (en) | 2004-08-09 | 2005-08-09 | Inductive sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008509419A true JP2008509419A (ja) | 2008-03-27 |
Family
ID=32982735
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007525347A Pending JP2008509419A (ja) | 2004-08-09 | 2005-08-09 | 誘導性センサ |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1789757A2 (ja) |
JP (1) | JP2008509419A (ja) |
CN (2) | CN101019006A (ja) |
GB (1) | GB0417686D0 (ja) |
WO (1) | WO2006016147A2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015115054A1 (ja) * | 2014-01-31 | 2015-08-06 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 位置センサ |
JP6021136B1 (ja) * | 2016-02-03 | 2016-11-09 | 三菱重工工作機械株式会社 | 電磁誘導式位置検出器 |
Families Citing this family (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2461099B (en) * | 2008-06-20 | 2012-02-08 | Tt Electronics Technology Ltd | Position sensing apparatus and method |
DE102008042746A1 (de) * | 2008-10-10 | 2010-04-22 | Robert Bosch Gmbh | Sensorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems |
SE533704C2 (sv) * | 2008-12-05 | 2010-12-07 | Flatfrog Lab Ab | Pekkänslig apparat och förfarande för drivning av densamma |
US8698641B2 (en) | 2010-11-02 | 2014-04-15 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Body fluid discriminating sensor |
US9528815B2 (en) | 2013-02-08 | 2016-12-27 | Hamilton Sundstrand Corporation | Transformer based sensor arrangement |
US9870690B2 (en) * | 2013-10-08 | 2018-01-16 | General Electric Company | Methods and systems for a universal wireless platform for asset monitoring |
FR3021824B1 (fr) | 2014-05-30 | 2016-07-01 | Thales Sa | Adaptateur d'antenne |
CN104019833B (zh) * | 2014-06-13 | 2016-06-08 | 四川亚美动力技术有限公司 | 发动机油针位置传感器检测电路 |
DE102015101891A1 (de) * | 2015-02-10 | 2016-08-11 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums |
CN105785447A (zh) * | 2016-02-29 | 2016-07-20 | 杭州立方控股股份有限公司 | 一种介质感应式通道目标检测方法 |
KR102115520B1 (ko) * | 2017-04-03 | 2020-05-26 | 삼성전기주식회사 | 카메라 모듈의 액츄에이터 |
US11237649B2 (en) * | 2017-08-10 | 2022-02-01 | Mediatek Singapore Pte. Ltd. | Inductive beacon for time-keying virtual reality applications |
FR3079298B1 (fr) * | 2018-03-23 | 2020-11-27 | Safran Landing Systems | Dispositif de mesure d'une position d'un corps mobile par rapport a un corps fixe |
EP3583894A1 (en) * | 2018-06-18 | 2019-12-25 | Koninklijke Philips N.V. | Inductive sensing device and method |
EP3583892A1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-12-25 | Koninklijke Philips N.V. | Pressure sensing unit, system and method for remote pressure sensing |
EP3620109A1 (en) | 2018-09-04 | 2020-03-11 | Koninklijke Philips N.V. | Inductive sensing device and method |
DE102019103670A1 (de) * | 2019-02-13 | 2020-08-13 | Balluff Gmbh | Induktiver Sensor und Verfahren zu seinem Betrieb |
US10760928B1 (en) * | 2019-02-21 | 2020-09-01 | Microsemi Corporation | Planar linear inductive position sensor having edge effect compensation |
US11611140B2 (en) * | 2019-06-05 | 2023-03-21 | Kyocera Avx Components (Werne) Gmbh | Systems and methods for sensing a level of a volume of a liquid in a container using one or more antenna elements |
EP3750391B1 (de) * | 2019-06-14 | 2023-08-02 | Andreas Stihl AG & Co. KG | Verfahren zum andocken von einem autonomen mobilen grünflächenbearbeitungsroboter an eine dockingstation, dockingstationsystem, grünflächenbearbeitungssystem und system |
US11460326B2 (en) * | 2019-08-19 | 2022-10-04 | KYOCERA AVX Components (Werne), GmbH | Inductive position sensing apparatus and method for the same |
DE102019218399A1 (de) * | 2019-11-27 | 2021-05-27 | Infineon Technologies Ag | Induktiver winkelsensor mit abstandswertermittlung |
US20230087139A1 (en) * | 2021-09-17 | 2023-03-23 | Sensata Technologies, Inc. | Coil configuration |
CN115435669A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-06 | Oppo广东移动通信有限公司 | 测量装置及电子设备 |
CN115435668A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-06 | Oppo广东移动通信有限公司 | 测量装置及电子设备 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4578992A (en) * | 1982-11-05 | 1986-04-01 | Philip E. Galasko | Detection of a low pressure condition of a vehicle tire |
ES2068053B1 (es) * | 1991-07-17 | 1996-08-01 | Bozal Carlos Felipe Cobos | Dispositivo remoto para medir la presion de los neumaticos de un vehiculo. |
GB2394293A (en) * | 2002-10-16 | 2004-04-21 | Gentech Invest Group Ag | Inductive sensing apparatus and method |
-
2004
- 2004-08-09 GB GB0417686A patent/GB0417686D0/en not_active Ceased
-
2005
- 2005-08-09 EP EP05769737A patent/EP1789757A2/en not_active Withdrawn
- 2005-08-09 JP JP2007525347A patent/JP2008509419A/ja active Pending
- 2005-08-09 CN CNA2005800271290A patent/CN101019006A/zh active Pending
- 2005-08-09 CN CNA2005800271286A patent/CN101019005A/zh active Pending
- 2005-08-09 WO PCT/GB2005/003126 patent/WO2006016147A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015115054A1 (ja) * | 2014-01-31 | 2015-08-06 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 位置センサ |
JP2015145790A (ja) * | 2014-01-31 | 2015-08-13 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 位置センサ |
US9778073B2 (en) | 2014-01-31 | 2017-10-03 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Position sensor |
JP6021136B1 (ja) * | 2016-02-03 | 2016-11-09 | 三菱重工工作機械株式会社 | 電磁誘導式位置検出器 |
WO2017134842A1 (ja) * | 2016-02-03 | 2017-08-10 | 三菱重工工作機械株式会社 | 電磁誘導式位置検出器 |
US10605627B2 (en) | 2016-02-03 | 2020-03-31 | Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co., Ltd. | Electromagnetic induction type position detector |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB0417686D0 (en) | 2004-09-08 |
CN101019006A (zh) | 2007-08-15 |
EP1789757A2 (en) | 2007-05-30 |
WO2006016147A2 (en) | 2006-02-16 |
CN101019005A (zh) | 2007-08-15 |
WO2006016147A3 (en) | 2006-04-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008509419A (ja) | 誘導性センサ | |
EP1552250B1 (en) | Sensing apparatus and method | |
KR100917270B1 (ko) | 감지장치 및 감지방법 | |
US7196604B2 (en) | Sensing apparatus and method | |
EP3431318B1 (en) | Position detection device | |
US7298137B2 (en) | Position sensing apparatus and method | |
AU673429B2 (en) | Angular position encoder | |
US7451658B2 (en) | Sensing apparatus and method | |
US20080204116A1 (en) | Sensing Apparatus And Method | |
WO2004072653A2 (en) | Sensing apparatus and method | |
GB2374424A (en) | Induction sensing apparatus and method | |
GB2394295A (en) | Position sensing apparatus utilising signals induced in two resonators placed on a moving member | |
GB2461099A (en) | Position sensing apparatus and method with feedback control of excitation signal | |
WO2004020936A2 (en) | Multiturn absolute rotary position sensor with coarse detector for axial movement and inductive fine detector for rotary movement | |
AU2002246223A1 (en) | Sensing apparatus and method |