JP2008544293A - 線形及び回転誘導位置センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】部品の位置に関連する信号を供給するための装置は、励磁コイル、及び励磁コイルの近くに配置された受信コイルを含む。励磁コイルは、励磁コイルが交流電源のような電気エネルギ源によって励起されると磁束を発生する。受信コイルは、受信コイルと励磁コイルの間の誘導結合により励磁コイルが励起されると受信信号を生成する。受信コイルは、複数の区画を有し、誘導結合は、区画の少なくとも2つに相対する電圧を誘導する傾向がある。本発明の実施形態は、線形センサ、回転センサ、及びレシオメトリック検知の改良のための新しい構成を含む。
【選択図】図1A
Description
本出願は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている2005年6月27日出願の米国特許仮出願出願番号第60/694、384号に対する優先権を請求するものである。
本発明は、誘導位置センサ、特に線形センサ、及び同じく回転位置センサに関する。
しかし、回転センサは、ある一定の用途、例えば、自動車の電子スロットル制御において測定することができる移動距離を本質的に制限する。線形センサ、又は線形成分を含む運動に対して敏感なセンサの使用は、より長い移動範囲にわたってより敏感な測定を提供することができる。
誘導センサの受信コイルからの信号は、ノイズと製造上の変動、例えば部品分離における変動とによって変動する傾向がある。このような共通モード因子に対して補正された位置信号を与える改良センサは、特に、多くの他の可能な用途の中でもとりわけ電子スロットル制御用途に関して大きな商業上の関心が寄せられるであろう。
基準信号は、どのように得られても、ノイズ、電源電圧変動、及び製造上の変動のような結合器位置と相関性のない受信信号の変動を補正するために用いることができる。基準信号は、少なくとも2つの受信信号の非位相感応整流を用いて、又は別の基準コイルから得ることができる。
ペダル構成要素のようなその位置が検知される部品は、機械的に結合器要素に結合される。結合器要素は、部品に取り付けられた金属板のような導電性構成要素とすることができる。例えば、結合器要素は、導電板、ほぼU字形導電体、平面内で巻いたコイル、又はコイル間で誘導結合を修正することができる他の構成要素とすることができる。結合器要素は、通常銅板のような導電材料で作られる励磁コイルと受信コイルの間の電磁束結合を遮断する渦板とすることができる。
受信コイルは、好ましくは、励磁コイルと同じ平面内に形成される。検知される部品の移動に反応して、結合器要素は、励磁コイルと受信コイルの間の誘導結合の程度、及び従って励磁コイルのAC磁界によって受信コイル内に誘導された電流に影響を与えるように、2つのコイルと平行な平面内で移動され、コイルに対して間隔を開けずに配置される。
電子回路は、部品位置に比例している位置信号を得るために用いることができる。例えば、受信コイル及び距離調節器から得られた信号の位相感応整流、続いてアナログ分割を用いると、共通モード効果を排除することができる。代替的に、受信コイルの出力から距離調節コイルの出力を差し引くと、受信コイル信号は、共通モード信号を除去することによって正常化される。
様々なコイル信号から位置信号を供給するための電子回路は、励磁コイルの境界の外側の距離調節コイルの外側区画の範囲の回路基板上に配置することができる。
従って、部品がそれに取り付けられた結合器要素を有する部品位置を判断するための誘導線形位置センサは、励磁コイルと、励磁コイルを励起するための交流励起供給源と、励磁コイル電界によって受信コイル内に誘導された信号が結合器要素の位置の関数であるように構成された受信コイルと、(任意的に)信号が結合器要素位置と実質的に無関係であるが、結合器要素とコイルの間の間隙に関連するように構成された距離調節コイルとを含む。励磁コイル、受信コイル、及び任意的な距離調節コイルは、総称的にコイルアセンブリと呼ぶことができ、プリント基板上に形成することができる。
内側区画及び外側区画からの信号は、差動構造の一部として相殺する傾向があり、軸線方向においてDMと励磁コイルの間の間隙と相関性がある信号を供給する。しかし、DMからの信号は、一般的に、結合器要素の位置とは実質的に無関係である。
図3A−3Bは、2つの可能なLMコイル構成を示し、第1のコイル30は、区画A及びBを有し、第2のコイル32は、C及びDとラベル付けされた区画を有する。2つのコイルの直列接続は、信号コイルの出力電圧の2倍のマグニチュードを提供することになり、他の因子は同一である。
用いる電子回路は、本発明者の現在特許出願中の出願に説明したものと類似とすることができる。
内側区画は、例えば、前方向を有し、外側区画は後方向を有する。用語前方及び後方の使用は、単に区画内の誘導電圧の反対の向きを指すものである。
図8Bは、明確にするためにDM84だけを示している。この差動構造には、巻回84Bによって形成された外側区画のそれと反対の巻き方向を有する巻回84Aによって形成された内側区画がある。この実施例では、両区画は、励磁コイルの内側に位置するので、反対巻回方向は、差動構造に対して必要である。
図8Cは、明確にするためにLM86だけを示している。LMは、左及び右区画(用語左及び右は、この図に対して便宜上用いられる)を有する。他の実施例では、LMは、全体に蝶ネクタイ形状のような他の構造、又は結合器が結合器位置を判断することができるような手法で移動する時に区画間の誘導結合が修正される他の構成を有することができる。
破線の卵形は、LMの後方区画(励磁コイルの内側)及びDMの後方区画(励磁コイルの外側)に対して励磁器の容量結合がある場合の領域を示している。この領域では、DMの前方区画は、LMの内側に位置するので、励磁器を有する容量結合は、それほど重要ではない。従って、LM及びDMへの容量結合の影響は制御することができ、容量結合が別の共通モードタイプ因子になるように等しくすることができ、位置検知への影響は、レシオメトリック検知によって大部分は排除することができる。
図10の構成は、容量結合誘導電流が地面に移動するより短い距離を有するので、図9のそれと比較して低インピーダンスを示す。
しかし、DM信号の間隙感度は、誘導子としてDMコイルを含む共振回路を形成することによって高めることができる。例えば、コンデンサを直列で(又は並列で)設けて、共振回路を形成することができる。更に、レジスタを直列に設けて、Qファクター(Q)を調節することができる。
従って、共通モード又は基準信号基準コイルを提供するための改良された構成は、受信コイルとほぼ同一平面上の基準コイルと、共振回路を形成する少なくとも1つのコンデンサと、任意的に共振回路のQファクターを修正するレジスタとを含む。
ここまで説明した実施例は、全体的に線形センサを有するが、本発明の実施形態はまた、部分的に又は完全に回転する位置センサを含む。
線形センサの幾何学形状は、回転センサのそれに変形することができ、これは、ほぼ円筒形態を有するセンサ巻線(コイルアセンブリ)と同心結合器要素との間の間隙の対称性に起因して間隙変動に耐性である。例えば、図27及び28を参照されたい。
センサは、このような幾何学形状が変化した後に類似の手法で作動する。好ましくは、結合器は、ここで138及び140で示すように対称的に置換された2つの結合器要素(又は渦板)を有する。この形式のセンサは、更に以下に説明するように、部分的又は完全な回転センサとして用いることができる。
図14A−14Cは、回転センサのための変形を示し、回転は、図の平面内で起こる。例えば、矩形142は、図1Aに示すコイルアセンブリの全体の形状に対応する場合があり、これは、全体的に平面形態144でなくてアーク形状に変形することができる。この形式の変形は、部分的回転センサ、すなわち、線形及び回転成分の両方を含む移動に敏感なセンサに好ましいトポロジーを得るために用いることができる。
より長い線形移動のための線形センサは、2つよりも多い区画を有する線形調節コイル(LM)を用いて得ることができる。2つのLMの使用は、連続位置信号出力を容易に得ることができる。
結合器要素は、例えば、図1Bに示すような板又はほぼU字形構造とすることができる。可能な結合器位置は、174に破線で示されている。図示のように、結合器要素は、ほぼ左から右方向に移動し、励磁コイルと4つの区画との間の誘導結合を修正する。
図17は、LMからの信号及び反転信号に対応する、図16に示す構成の2つのLMから得られる4つの信号を示している。従って、線形信号は、それぞれ通常信号及び反転信号から得られる示す線形セグメントと統合することによって得ることができる。線形セグメントのこの形式の統合のための電子回路は、本発明者の現在特許出願中の出願に更に説明されている。
曲線LM#1は、第1のLM182から得られ、曲線LM#2は、第2のLM184から得られる。LM#1’及びLM#2’は、反転バージョンである。各信号は周期的であり、実質的に線形の区画を仮想接地(VG)レベルの周りの極太傾斜線として示している。
電子回路を用いると、距離信号は、LMコイルから発生させることができ、その結果、別のDMは必要ではない。DM信号は、1つ又はそれよりも多くの専用DMコイル又はLMコイルの組合せのいずれかによって提供することができる。後者の場合には、コイルアセンブリは、励磁コイル及び同じ形式のいくつかのコイルを含むことができ、それからの信号は、DM信号及び1つ又はそれよりも多くのLM信号の両方を得るために用いることができる。位置信号は、DM信号及びLM信号(これは一連のLM信号から選択することができる)から得られるレシオメトリック信号であり、電子回路によって生成される。各LMからの信号は、位相感応整流を受けて、線形位置決定のための信号を与え、非位相感応整流信号は、間隙と相関性があるが結合器位置とは相関性がない信号を与えるために用いられる。
所定数の極(区画)を用いて、LMは、ある一定の距離、すなわち、モジュラスにわたる位置を測定することができ、その外側では、信号は、付加的区画にわたる結合器要素移動の場合には、非線形になるか又はそれ自体を繰り返す。延長距離の測定値は、コイルの反復構造を使用し、又は移動したモジュラス距離の数を判断することができる他の情報を使用して、移動したモジュラス距離の数を追跡することによって測定することができる。
4つのLMのこの組合せは、共通モード信号(間隙又は距離信号)を特殊なDMコイルを必要とせずに判断することができる。
図19Bは、戻りワイヤが接続を簡略化するためにコイルアセンブリの片面で先端を切り取られる場合の別の形式のコイル巻線を示している。接続を簡略化するこの手法は、当業技術で公知である。この構成は、単一処理のための信号の様々な位相に必要なだけ多くのLMコイルを可能にする。LMの全ての戻りワイヤは、コイルセットの一端で(左端部で)接続される。
線形位置信号は、各LMによって提供された信号から得ることができる。別のDMコイルによって提供された他の実施例では、間隙信号は、この場合は1つ又はそれよりも多くの個々のLMコイル信号の非位相感応整流によって整流信号の次の組合せを備える。
図23は、図21と類似の代替構成を示している。図は、励磁コイル250(励起供給源252を有する)、LM254、256、258、及び260を含む全コイル構成を262で示している。レシオメトリック信号のためのDM信号を生成するために、(254、256、258、及び260)からの全てのLM信号は、位相非感応手法で整流され、図20の214の信号を得るために組み合わされる。LMの信号のいずれか1つは、図20の210のような線形信号を得るために位相感応手法で整流することができる。
次に、2つの信号の比率(214による分割210)は、ノイズ、間隙、オフセット(例えば、間隙に対して直交方向に沿って)、又はEMI干渉のようなあらゆる共通モード信号がないセンサ信号として得ることができる。この手法は、DMなしのレシオメトリック検知のあらゆる例に用いることができる。
図24の円筒形幾何学形状は、コイルアセンブリの内側又は外側のいずれかの強磁性材料の効果に対してより感受性が低い。検知コイルのこの構成で、受信コイル上の強磁性材料の周囲又はコアの影響を著しく低減することができる。DMコイル及びLMが同じ幾何学形状である場合、コイルは同じ方法で反応する。従って、LMコイルから基準信号を得ることによって、改良されたレシオメトリック検知が可能である。
2つの縁部間に、縁部間隙286が存在する場合がある。この間隙が、例えば重なりによって実質的に排除される場合、多重巻回センサも作ることができる。
図26は、2つの結合器要素290及び292を含む結合器294の中心を通って延びる強磁性コア296を示している。しかし、結合器の数(円筒変形における)は、前方/後方巻線対の数により任意とされるであろう。例えば、前方/後方巻線対の1対を示す図21のようなセンサは、1つの結合器のみが良好であるが、2つの前方/後方巻線対を示す図18のようなセンサの場合には、2つの結合器が良好である、等々である。
円筒変形の結合器のこの数は、1つの結合器のみを用いることができる(勿論、F/B巻線の2つの対には、2つの結合器が用いられる)線形対応物とはかなり異なっている。284のようなコイルアセンブリ(図25参照)は、結合器及びその外側と同心とすることができる。ここでもまた、円筒形幾何学形状コイルアセンブリは、特に特殊なDMコイルなしで、このような状況下で十分に機能する。
図28は、ネジ切りスリーブ(詳細は示さず)上に形成されたセンサコイルアセンブリ322内で回転する外側ネジ切り面を有するスリーブ324の内面上の結合器320を示している。この配置は、図27の構成に用いることができる。
位相非感応整流は、共通整流のダイオード降下を排除するために印加することができる。高周波整流は、ギルバートセルで行うことができ、低周波整流は、図29の回路を用いることができる。スーパーダイオードは、低速移動信号を整流するために用いることができる。
本発明は、上述の例示的実施例に限定されない。実施例は、本発明の範囲の制限を意図するものではない。本明細書に説明した方法、装置、及び構成などは例示的であり、本発明の範囲の制限を意図するものではない。そこにおける変更及び他の使用が当業者には想起されるであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定されるものである。
12 励起供給源
14 距離調節器)
16 受信コイル
18 結合器要素
Claims (26)
- 部品の位置に関連する信号を供給するための装置であって、
コイルが電気エネルギの供給源によって励起された時に磁束を発生する励磁コイルと、
前記励磁コイルの近くに配置され、該励磁コイルが受信コイルと該励磁コイルの間の誘導結合によって励起された時に受信信号を発生する受信コイルと、
を含み、
前記受信コイルは、複数の区画を有し、前記誘導結合は、該区画の少なくとも2つにおいて反対の電圧を誘導する傾向があり、
前記誘導結合は、前記受信信号が部品の位置に関連するように該部品の移動によって修正される、
ことを特徴とする装置。 - 前記部品に機械的に結合され、前記受信信号が前記部品位置に関連するように前記励磁コイルと前記受信コイルの間の前記誘導結合を修正する結合器要素を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記結合器要素は、金属板を含むことを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記結合器要素は、導電材料のほぼU字形構造体を含み、前記励磁コイル及び受信コイルを含むコイルアセンブリが、少なくとも部分的に、該U字形構造体の内部部分内に位置していることを特徴とする請求項3に記載の装置。
- 前記受信コイルは、全体的に細長く、第1の端部及び第2の端部を有し、
前記受信コイルの第1区画が、第1の端部に近い主要区域を有し、
前記受信コイルの第2の区画が、前記第1の区画よりも前記第2の端部に近い主要区域を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 線形位置センサであり、線形経路に沿う前記部品の前記位置に関連する信号を供給し、
前記受信コイルは、前記線形経路に沿って全体的に細長くなっている、
ことを特徴とする請求項5に記載の装置。 - 前記受信コイルは、ほぼ矩形の周囲を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記受信コイルは、2つのほぼ三角形の区画を含むことを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 回転センサであり、
前記受信コイル及び励磁コイルは、ほぼ円筒形の基板上に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記ほぼ円筒形の基板と同心のほぼ円形の経路に沿って移動する結合器要素を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の装置。
- ほぼ円筒形の表面を通って延びるシャフトに対する回転センサであることを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 前記励磁コイルが励起された時に前記部品の前記位置とは実質的に無関係の基準信号を供給する基準コイルを更に含み、
前記基準信号は、前記基準コイルと前記励磁コイルの間の誘導結合によって誘導される、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 線形位置センサであり、
前記基準コイルは、前記励磁コイルの内側に位置する第1の区画と該励磁コイルの外側に位置する第2の区画とを有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の装置。 - 前記位置と実質的に線形関係を有する位置信号を発生するように作動可能な電子回路を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記部品位置は、ペダルの位置であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 各々が2つ又はそれよりも多くの区画を含む複数の受信コイルを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 線形位置センサであり、
前記励磁コイルは、ほぼ矩形である、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 部品の部品位置を判断するための装置であって、
コイルが電気エネルギの供給源によって励起された時に磁束を発生する励磁コイルと、
前記励磁コイルの近くに配置され、該励磁コイルが受信コイルと該励磁コイルの間の誘導結合によって励起された時に複数の受信信号を発生する複数の受信コイルと、
移動可能であり、前記部品位置と相関性がある結合器要素位置を有し、かつ各受信信号が該部品位置と相関性があるように前記励磁コイルと前記受信コイルの間の前記誘導結合を修正する結合器要素と、
前記複数の受信信号から前記結合器要素位置とは実質的に無関係の基準信号を発生する電子回路と、
を含み、
前記部品位置は、前記受信信号及び前記基準信号の少なくとも一方から導出されたレシオメトリック信号から判断される、
ことを特徴とする装置。 - 前記基準信号は、前記結合器位置と相関性のない前記受信信号の変動を補償するために用いられることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 前記基準信号は、非位相感応整流受信信号の組合せから得られることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 前記複数の受信コイルは、前記励磁コイルと実質的に同一平面であることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 線形位置センサであり、
前記励磁コイルは、前記部品の線形移動の方向に沿って細長くなっている、
ことを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 回転センサであり、
前記励磁コイル及び受信コイルは、ほぼ円筒形の基板上に支持されている、
ことを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 前記部品は、前記ほぼ円筒形の基板内で回転可能であることを特徴とする請求項23に記載の装置。
- 受信信号が、更に、前記結合器要素と前記受信コイルの間のオフセットを判断するために用いられ、
前記オフセットは、回転軸に沿っており、該オフセットは、前記部品が回転すると変化する、
ことを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 前記オフセットは、前記部品によって為された回転の数を判断するために用いられ、
装置は、多重巻回回転センサである、
ことを特徴とする請求項25に記載の装置。
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