JP2011525236A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

検出素子と、検出素子から電磁場が放射されるように検出素子に結合された発振器（３０）とを含む、物体の位置を測定するための位置センサ（１０’）および方法。信号を提供するように構成された出力素子の出力が、発振器（３０）の電気特性の変化に依存して変動する。検出素子に対する物体位置の変化が、発振器（３０）の電気特性を変化させる。検出素子は、所定の物体位置で信号を乱すように構成された少なくとも１つの不連続点を含む。あるいは、検出素子の近くで温度の変化に対して信号を補正するように構成された温度補償機構がある。

Description

本発明は、位置センサに関し、詳細には非接触電磁位置センサに関する。

非接触位置センサは、物体の動きを制限したりその動きに影響を及ぼしたりすることなくその物体の位置と相対運動を検出するために使用される。物体が金属かまたは導電性のとき、そのような非接触位置検出は、物体が動くときにコイルの物体に電磁結合された部分が変化するように物体をコイルを通過させることによって達成されてもよい。コイルには、特定の周波数と電圧を有する電気振動が与えられてもよい。コイルに対する物体のカバレッジまたは結合が変化するときに周波数および／または電圧が変化し、これは、導電性物体中に引き起こされるうず電流損の変化による場合もある。物体中に渦電流によって生成される磁界は、物体が磁性体かどうかによりコイルのインダクタンスを増減し得るので、カバレッジが大きくなると発振器周波数が増減し得る。発振器電圧、発振器周波数、およびコイルなどのセンサ素子に対する物体位置に関する較正曲線が導出されてもよい。

そのような装置は、例えばエンジン内で規則的なサイクルで前後に動くピストンの位置の検出に特定用途を有する場合がある。しかしながら、コイルと物体両方のインダクタンスと導電率は、温度とともに変化することがある。この変化は、発振器の周波数と電圧に影響を及ぼし、したがって位置センサの精度に影響を及ぼす。これは、温度変化が早いかまたは変化速度が変わるときに特に問題である。

そのような非接触位置センサは、例えばバルブ、シリンダおよびポンプ内に作動油がある状態で使用される場合もある。作動油の温度の上昇によって物体（たとえば、ピストン）とコイルの温度が上昇し、それにより電気抵抗が高くなって発振器電圧が下がる。この１つの理由は、ピストンのうず電流損とコイルの抵抗が両方とも温度と共に増大することである。更に、作動油の加熱作用で、コイル基材および封止として使用される絶縁材料（たとえば、エポキシ樹脂）の絶縁特性が変化し、コイルのキャパシタンスが変化し発振器周波数が変化することがある。

駆動発振器と接続ケーブルの温度の変化は、発振器の電圧と周波数や他の電気特性に影響を及ぼし得る。接続ケーブルのインダクタンスとキャパシタンスが温度と共に変化し、発振器の構造に使用される能動部品と受動部品の特性も影響を受け得る。

また、温度サイクルは、発振器部品の経年劣化を加速させる原因になり、そのような経年劣化によって、発振器の電圧と周波数が温度だけでなく時間によりずれる場合がある。

その影響は、物体位置の正確な決定を複雑にし妨害となるが、その理由は、その影響が、物体位置に対する発振器の電圧と周波数の関係を変化させるからである。これは、規則的な再較正を必要とする場合があるが、特に装置が劣悪な環境または離れた環境で使用されている場合には、最初の較正曲線が決定された後では困難かまたは不可能な場合がある。したがって、装置の特性が変化したときに位置センサの精度が低下することがあり、結果は、位置センサが最初にセットアップまたは製造されたときに決定された最初の較正曲線から逸脱する。そのような環境では、物体の動きとその位置は、発振器出力から正確に決定できなくなる。

したがって、これらの問題を克服する位置センサが必要とされる。

本発明の第１の態様によれば、検出素子と、検出素子から電磁場が放射されるように検出素子に結合された発振器と、発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するように構成された出力素子とを包含し、検出素子に対する物体位置の変化が発振器の電気特性を変化させ、さらに、検出素子が、所定の物体位置での信号を乱すように構成された少なくとも１つの不連続点を有する、物体の位置を測定するための位置センサが提供される。物体が検出素子に対して動くとき、出力信号が変動することがある。検出素子内または検出素子のまわりの不連続点または乱れの存在が、物体が特定の指定された点に達したときに出力信号を歪ませることがある。不連続点は、局所点におけるセンサ素子の電気特性に影響を及ぼすか電気特性を変化させる任意の特徴形状でよい。不連続点は、バルクまたは定格電気特性と比べて出力信号への影響が鋭いまたは突然であっても小さいことが好ましい。したがって、出力信号は、物体が不連続点の上または近くを通るときにマーカーの特徴的な形状を含んでもよく、したがってこの瞬間での位置が、より正確に決定され、較正点として使用され得る。

位置センサは、更に、信号の乱れを検出するように構成された較正器を包含することが好ましい。較正器を使用して、出力信号における検出マーカーを解釈し、その検出マーカーを使用して以前に決定された位置に対する電流信号を補正してもよい。

任意選択で、較正器は、信号に少なくとも１階の微分を適用することによって信号の乱れを検出するように構成されてもよい。これは、マーカー点または乱れを検出する好都合な方法である。信号の２次微分は、また、これがベースラインと交差する信号を生成するときに適用され、より容易に検出されることがある。他の乱れ検出方法が使用されてもよい。

任意選択で、較正器は、複数の位置および対応する事前記録信号の較正データを含んでもよい。

較正器は、更に、較正データと乱れが検出されたときの信号の値とに基づいて補正率を計算することによって信号を較正するように構成されることが好ましい。補正率は、システムがセットアップされたときに決定されてもよい。

任意選択で、検出素子は、物体に対する２つ以上の位置で信号を乱す不連続点を有する。乱れの単一位置を使用して信号を補正してもよいが、２つ以上の乱れ位置が精度を高める。あるいは、物体移動の長さの単一点で１対の乱れを使用してもよく、実際にはいくつかの対を使用してもよい。

有利的には、較正器は、更に、信号に適用される補正率ａおよびｂを計算することによって信号Ｖ（ｘ）を較正するように構成されてもよく、ここで、２つの不連続点における信号の較正データはＶｃ１とＶｃ２であり、２つの不連続点における測定信号は、Ｖ１とＶ２であり、従って次の式が得られ、
Ｖｃ１＝ａ＋ｂＶ１
Ｖｃ２＝ａ＋ｂＶ２
任意の位置での較正信号（Ｖ_calibrated（ｘ））は、次の式で求められ、
Ｖ_calibrated（Ｘ）＝ａ＋ｂ．Ｖ（ｘ）
補正率ａおよびｂは、次の式で求められる。
ａ＝Ｖｃ１−Ｖ１．［（Ｖｃ１−Ｖｃ２））／（Ｖ１−Ｖ２）］
ｂ＝［（Ｖｃ１−Ｖｃ２）／（Ｖ１−Ｖ２）］。

較正器は、アナログ回路でもデジタル回路でもよいことが好ましい。アナログ回路は、プログラム可能なオフセットおよび利得機能を有する増幅器回路を有してもよい。デジタル領域では、アナログ−デジタル変換が出力信号に適用されてもよい。

任意選択で、検出素子は、電線から構成されたコイルである。しかしながら、検出される物体の性質により他の形の検出素子が使用されてもよい。

電線の歪みによってコイル直径の変化が生じることが好ましい。そのような歪みまたは乱れは、より容易に検出することができる信号振幅の変化を生成する。

任意選択で、検出素子は、多重巻平面コイルでよく、多重巻かつ／または平面でもよい。あるいは、コイルは、ソレノイドでもよい。

不連続点は、コイルの幅、コイルの巻き径および／または巻線密度（巻数／ｍｍ）の局所的な増加または減少によって引き起こされてもよい。

発振器は、ロビンソン発振器であることが好ましい。そのような自己制御式発振器は、より単純な構造とより高い感度を提供し、より幅広いタイプの物体を検出することができる。

任意選択で、検出素子は、容量性検出素子でもよい。この場合、不連続性は、キャパシタンスに影響を及ぼす局所的変化によって生じてもよい。これは、たとえば、キャパシタ電極の離隔距離の変化、物体との重なりの変化、表面積の変化、または局所的な材料の有無によって生じる誘電特性の変化でよい。

本発明の第２の態様によれば、検出素子と、検出素子から電磁場が放射されるように検出素子に結合された発振器と、発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するように構成された出力素子とを包含し、検出素子に対する物体位置の変化が発振器の電気特性を変化させ、検出素子の近くの温度の変化に対して信号を補正するように構成された温度補償機構とを包含する、物体の位置を測定するための位置センサが提供される。したがって、検出素子が物体の位置を測定または検出するとき、センサ素子内およびセンサ素子のまわりの温度に対する影響が決定され、出力結果において補正されてもよい。これは、位置検出精度を改善することがある。

温度補償機構は、更に、検出素子の電気特性を監視することによって検出素子の近くでの温度の変化を補償するように構成されることが好ましい。これにより、センサ素子が同じ時間と場所における位置と温度を決定するのでより正確な較正が可能になる。また、これにより、外部温度監視装置および関連回路が不要になる。

任意選択で、電気特性は、検出素子の両端の電圧降下、検出素子内の電流、検出素子の抵抗、検出素子のインピーダンスのうちの任意の１つまたは複数からなるグループから選択されてもよい。これらの特性は互いに温度に依存することがあるのでどの特性を監視してもよい。

温度補償機構は、更に、検出素子の両端の電圧降下を測定するために検出素子に結合された電流供給源と電圧計を包含することが好ましい。これは、温度による変化を測定するのに好都合な特性を提供する。

有利的には、温度補償機構は、信号と電圧降下を合算して温度補償信号を提供するように構成されてもよい。これは、温度補償手順を単純化する。しかしながら、他の信号処理および補正または較正手順が使用されてもよい。

信号と電圧降下は、重み係数に従って合算されることが好ましい。重み係数は、セットアップまたは製造時に決定されてもよく、さらなる較正改善として働く。

センサ素子は、コイルであることが好ましい。しかしながら、例えばストリップ線路やキャパシタなどの他のセンサ素子が使用されてもよい。

発振器の電気特性は、周波数と電圧のいずれかまたは両方であることが好ましい。両特性は、物体がセンサ素子と重なるか相互作用するときに変動する。

本発明の第３の態様によれば、往復ピストン素子と、前述のような位置センサとを包含し、往復ピストン素子の位置を検出するように構成された往復ピストンが提供される。様々なタイプのピストンが使用されてもよい。位置センサは、また、例えば、モバイル・アクチュエータ、産業用アクチュエータ、航空宇宙用アクチュエータ、回転アクチュエータ、油圧および空気圧ハンマ、油圧および空気圧ドリル、油圧ピストン・ポンプ回転斜板、モータ回転斜板、電気油圧弁、空気圧弁、手動弁、スプール弁、圧力安全カートリッジ弁ポペット、サーボおよび電気油圧弁スプールなどの測定および制御装置の位置を検出するために使用されてもよい。

本発明の第４の態様によれば、検出素子を提供するステップと、検出素子から電磁場が放射されるように発振器を検出素子に結合するステップと、発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するステップとを含み、検出素子に対する物体位置の変化が発振器の電気特性を変化させ、更に、検出素子が、所定の物体位置で信号を乱すように構成された少なくとも１つの不連続点を含む、物体の位置を検出する方法が提供される。

方法は、更に、信号の乱れを検出するステップを含むことが好ましい。

本発明の第５の態様によれば、検出素子を提供するステップと、検出素子から電磁場が放射されるように発振器を検出素子に結合するステップと、発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するステップとを含み、検出素子に対する物体位置の変化が発振器の電気特性を変化させ、検出素子の近くでの温度の変化に対して信号を補正するステップとを含む、物体の位置を検出する方法が提供される。

温度補償機構は、更に、検出素子の電気特性を監視することによって検出素子の近くでの温度の変化を補償するように構成されることが好ましい。

以上述べた方法は、コンピュータ上でコンピュータ・プログラムとして実行されるソフトウェアで実施されてもよく、専用論理集積回路やマイクロコントローラなどのハードウェアで実現されてもよい。

本発明はいくつかの方法で実施されてもよく、実施形態が、単なる例として添付図面を参照して説明される。
発振器とコイルを含み物体の移動を検出するために使用される非接触位置センサの概略図である。 図１の位置センサからの出力例のグラフである。 較正曲線を含む図１の位置センサからの出力信号例のグラフである。 先行技術の位置センサからの電子回路の概略図である。 単なる例としての本発明の一実施形態による位置センサの電子回路の概略図である。 図１の位置センサの出力の温度補正システムの概略図である。 単なる例としての本発明のさらに他の実施形態による位置センサの概略図である。 図７の位置センサからの出力のグラフである。 本発明のさらに他の実施形態による位置センサの概略図である。 図９の位置センサからの出力のグラフである。 図７の位置センサからの出力のグラフである。 図１１に示された出力の１次微分の結果を示す図である。 図１１に示された出力の２次微分の結果を示す図である。 図７または図９に示された位置センサの出力と較正の例のグラフである。 図が単純化するように示され、必ずしも一律の倍率で示されていないことに注意されたい。

図１は、非接触位置センサ１０の概略図を示す。この特定の例では、監視される物体は、エンジン内にあってもよい金属ピストン２０である。ピストン２０は、矢印５０で示されたように動く。ピストン２０は、移動時、コイル４０の形状のセンサ素子と重なるが物理的に接触しない。ボックス６０は、ピストン２０の動く範囲を示す。発振器３０は、コイル４０を特定の周波数で駆動する。

図１に示された例では、コイル４０は、ロビンソン発振器３０によって駆動された長方形平面コイルである。ピストン２０の端部は、長方形コイル４０の上を一定の高さで動き、その結果、各サイクル中にピストンが往復するときに、コイル４０のピストンによって覆われた部分が変化する。ロビンソン発振器３０からの復調出力は、コイルのカバレッジに比例して変化することがあり、したがって、ピストン２０の位置を決定するために使用されてもよい。

復調発振器出力電圧は、発振器電圧としても知られることがあり、ピストン２０の金属のうず電流損の増大によって、カバレッジが大きくなるほど低下することがある。ピストン２０内の渦電流によって生成された磁界が、コイル・インダクタンスを減少させるので、発振器周波数は、カバレッジが大きくなるほど高くなることがある。次に、発振器電圧および／または発振器周波数をピストン位置に関連付ける較正曲線を導出することができる。図２は、ロビンソン発振器３０から復調出力を例示する。信号出力は、発振器の電気特性が変動するときに変化する。ピストン２０が動く範囲は、矢印７０で示される。線８０は、ロビンソン発振器３０からの発振器電圧を示し、線９０は、ピストン２０位置と共に変化する発振器周波数を示す。

図３は、ピストン位置ｘに対する発振器出力電圧Ｖのグラフを示す。較正曲線が線１１０として示され、較正データが取得されたときの温度と異なる温度での位置センサ１０の応答が線１２０として示される。ピストン２０が特定の位置にある状態でかつ較正曲線１１０が取得されたときの装置の温度と異なる温度に装置がある場合の測定値１６０が得られる。この測定値１６０でのピストン２０の実際の位置は、線１３０として示される。しかしながら、較正曲線１１０に対する導出ピストン位置１４０を参照するために較正曲線１１０が使用されるときは、ピストン位置の誤差１５０が生じる。換言すると、較正と実測の間のこの特定の温度差のために、測定された発振器電圧値１６０は、補正位置１３０ではなく誤ったピストン位置１４０を示す。

図４は、先行技術の非接触位置センサ内に使用された電気構成素子２００を示す。この先行技術の位置センサを使用して、図３のグラフ１００に示された結果を生成することができる。この先行技術の回路２００では、コイル４０とキャパシタＣ１からタンク回路２１０が構成される。タンク回路２１０は、帰還ループ２４０を介して制限増幅器２３０からの交流入力２２０によって駆動される。

図５は、本発明の一実施形態による電気回路２００’を例示する。類似の構成素子は、以上の図に提供された参照数字と同じ参照数字を有する。タンク回路２１０と制限増幅器２３０に加えて、図５の回路２００’には、直流（ＤＣ）入力３００がある。したがって、コイル４０は、交流（ＡＣ）入力２２０と直流入力３００の両方によって駆動される。先行技術の装置２００のセンサ素子４０が、直流成分のない交流電流によって駆動されることに注意されたい。回路２００’は、抵抗器Ｒ１とキャパシタＣ２から構成された低域フィルタを有する。この低域フィルタは、交流成分を除去して、コイル４０の温度と共に変動する直流値を生成するために使用される直流成分だけを残す。この直流出力は、直流バッファおよびアンプ３１０を通り、抵抗器Ｒ２とＲ３およびキャパシタＣ３によってさらにフィルタリングされる。出力温度依存信号３２０は、温度と共に変動し、したがってコイル４０の温度の決定たは補正に使用されてもよい。

交流成分は、更にピストン２０の位置を決定すると解釈され、通常の手法で復調される。次に、コイル両端の直流電圧をコイル温度の基準として使用できるが、その理由は、コイル（たとえば、銅や他の適切な金属）の電気抵抗が、約２０℃の通常の周囲温度から約１００℃以上の場合もある例えば作動油温度の範囲内の温度で線形的に変動することがあるからである。

換言すると、コイル４０は、ピストンや他の物体の動きを検出する位置センサ１０のみならず抵抗温度計としても機能する。次に、回路２００’からの直流出力を使用して発振器電圧応答を補正してもよい。これは、動作範囲に亘るいくつか温度に１組の較正曲線を提供することによって達成されてもよく、それらの較正曲線は、予め決定されてもよい。これらの個々の較正測定の間でさらに他の較正曲線が補間されてもよい。

図６は、位置センサ１０の出力信号を温度変化に対して較正し補正するために使用される装置とプロセスの概略図を示す。近似として、発振器電圧と直流電圧は、これらが両方ともコイル４０の電気抵抗に大きく依存するので温度に応じて線形的に変動する。さらに、発振器電圧は、温度が高くなるほど低下し、直流電圧は、温度が高くなるほど上昇する。２つの電圧を適切な比率（システムのセットアップまたは較正の際に決定された）で加算することによって、ピストン２０の位置によって変動するが温度が変化しても一定のままの温度制御された発振器電圧信号が生成される場合がある。グラフ４００は、ピストン２０位置が一定で位置センサ１０の装置の温度が変化する場合の温度Ｔに応じて変動する概略的な復調発振器交流電圧を示す。グラフ４１０は、温度Ｔに応じて変動するときのコイル４０の両端の直流電圧の変化の概略図である。乗算器４２０で直流電圧に利得係数Ｋを掛け、加算器４３０によって直流成分と交流成分を合算して、グラフ４４０として示された温度補正電圧出力を生成することができる。換言すると、温度変化によって逆方向の交流成分と直流成分が生じるので、２つの信号を特定の増倍率に従って合算して温度変化の影響を補償することができる。

温度補正した発振器電圧応答を温度変化に対して補正してもよく、これは重要な改良であるが、構成素子が経年劣化しシステムの他の物理的変化が生じるので信号がさらにずれることがある。そのような影響を補正するために、さらに他の較正技術を組み合せまたは単独で使用してもよい。位置センサ１０’というセンサ素子の小さな逸脱または乱れが、その長さに沿った特定点に生じる。そのような乱れは、センサ素子の応答にわずかな影響を及ぼす。たとえば、センサ素子として働く図７のコイル４０’は、特定点５００におけるコイル直径の変化を示す。類似の特徴には、前述したものと同じ参照番号が与えられている。そのような乱れは、動く物体またはピストン２０によって遮られるようにコイル４０’の長さに沿った１つまたは複数の位置に導入されてもよい。図７に例示された機構は、物体またはピストン２０によって生じたような、コイル４０’の長さに沿った２つの位置５０４，５０５にある乱れ５００を有する（４つの乱れ５００が、各乱れがコイル長に沿った同じ位置の２対で示されている）。図７では、乱れを引き起こす特徴形状は、既知の距離だけ離され、ピストン２０の端部が各サイクル中にそれらの特徴的な形状の上を定期的に掃引するように位置決めされる。図７では、コイル４０’の乱れが長方形プロファイルを有するが、例えば三角形や半円形などの他の形状を使用することもできる。

図７に示されたコイル幅の減少のようなコイル４０’の応答を局所的に変化させる特徴的な形状は、乱れがないかまたは通常の検出素子と比較して発振器電圧の大きさの変化を生成する。コイル４０’の電圧応答は、図８にグラフとして示される。電圧応答８０’は、乱れ５００の場所５０４，５０５に対応する２つの特徴的な形状５１０を含む。この特定の例では、曲線８０’の傾斜は、これらの点５０４，５０５で減少する。コイル４０’の乱れまたはコイル形状のわずかな変化は、これらの特徴的な形状の存在によって生じる電圧応答８０’の形の変化が、乱れのないコイル４０または通常の検出素子によって生成される発振器応答の全体的な実質的に線形の形と比較して相対的に小さくなるように選択されてもよい。詳細には、発振器電圧は、一般に、ピストン位置に応じて単調に変動し、その結果、測定されるピストン２０や他の物体の各位置に対応する発振器電圧の固有値が残る。

図９は、図７の位置センサ１０’に示されたものと類似のコイル４０”を有する位置センサ１０”を示す。しかしながら、図９の乱れ５００’は、コイル４０”の直径を局所的に大きくする点が異なる。結果として生じる発振器の電圧応答は、図１０に線８０”として示され、グラフの類似の位置５１０’に対応する特徴形状を有する。これらの特徴形状は、線形位置５０４および５０５と対応する。しかし、これらの特定の局所的箇所では、電圧応答の傾斜がわずかに増大する。

図１１〜図１３は、コイル応答におけるこれらの乱れ５００’，５００を検出するための方法を例示する。復調された最初の信号は、図１１に線８０’として示される。この応答曲線８０’の１次微分が図１２に示され、２次微分が図１３に示される。２次微分曲線がベースラインと交差する場所で、乱れ５００，５００’の位置を示すマーカー・パルス５２０が検出される。マーカー・パルス５２０が生成された瞬間と位置で物体が点５０４，５０５を遮ったと推定できる。

そのような信号処理は、例えば電子構成素子を使用して達成されてもよくコンピュータ・プログラムで達成されてもよい。乱れ５００，５００’の位置が分かった後で、以下のように分析を進めることができる。

システム・セットアップ時の最初の較正手順の際に、乱れが見つかった場所、即ちマーカー・パルス５２０が生成されたときの２つの距離位置５０４，５０５で発振器電圧を測定することができる。これらの２つの位置の発振器電圧は、Ｖｃ１とＶｃ２でよい。図８は、較正曲線１１０’を示し、この曲線１１０’上には２つの特定の発振器電圧がある（分かりやすくするために乱れは省略されている）。位置センサ１０の実際の応答は、後日に記録されてもよい。この後者の応答は、線１２０’として示される。２つのマーカー位置５２０で測定された発振器電圧は、Ｖ１とＶ２である。したがって、Ｖ１とＶ２は、温度変化および経年劣化や他の影響による構成素子のずれにより必ずしもＶｃ１とＶｃ２と等しくならない。

測定した発振器電圧信号Ｖ１およびＶ２にオフセットと利得を含む数学的変換を適用して、それらの信号を較正線１１０’と一致させることができる。この変換は、以下のように記述される場合がある。
Ｖ_calibrated（ｘ）＝ａ＋ｂ．Ｖ（ｘ） 式１
２つのマーカー点において、
Ｖｃ１＝ａ＋ｂＶ１ 式２
Ｖｃ２＝ａ＋ｂＶ２ 式３
これらの２つの式を解くと
ａ＝Ｖｃ１−Ｖ１．［（Ｖｃ１−Ｖｃ２）／（Ｖ１−Ｖ２］）］ 式４
ｂ＝［（Ｖｃ１−Ｖｃ２）／（Ｖ１−Ｖ２））］ 式５

次に、この変換を使用して、測定した発振器電圧値を較正後の任意の時間に記録されたように補正し、元の較正を使用してピストン２０または物体の適正な位置を決定することができる。

補正の精度は、生成されたマーカー・パルス５２０の精度にある程度依存することがある。較正をさらに改善するために、数サイクルまたは数百サイクルにわたってＶ１とＶ２の値を取得し精度を高めてもよい。このように、任意の特定のシステム・ノイズによって生じる可能性のあるマーカー・パルス５２０の位置のジッタが平均化され、従って大きさが減少することがある。

当業者によって理解されるように、前述の実施形態の詳細は、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく変更されてもよい。

たとえば、発振器としてロビンソン発振器と前述したが、他のタイプの発振器を使用してもよく、たとえば、ファンデルポール限界発振器またはロビンソン発振器とファンデルポール発振器の間の中間特性を有する任意の発振器変形物、特に共振回路のインダクタ（または、キャパシタ）の変化に対応する発振器回路が使用されてもよい。発振器を駆動する交流周波数は、高周波周波数でもよい。物体は、導電性でなくてよく、発振器の電気特性を他の方法で変化させてもよい。たとえば、物体の存在または接近によってセンサ素子の磁気または電気感受性が変化し、この変化を検出して位置の変化を決定してもよい。

センサ素子は、コイルでもよいが、他の形態をとってもよい。コイルは、様々な形状を有することができ、１巻または複数巻でもよい。コイルまたはセンサ素子の乱れは、コイルの電線の歪みやセンサ素子に対する他の小さな修正以外の内部または外部の特徴形状によって引き起こされてもよい。同じ効果を得るためにセンサ素子またはコイルの他の代替形状を使用してもよい。

あるいは、センサ素子は、キャパシタ（たとえば、キャパシタＣ１）でもよく、その結果、検出される物体が、物体位置の変化を示すキャパシタンスに影響を及ぼすことになる。センサ素子は、キャパシタの一部でもよい。たとえば、機械式位置検出応用例では、検出素子は１対の容量電極でよく、この１対の容量電極に対して誘電体構成素子（たとえば、プラスチック）が動いてキャパシタンスを変化させ、それにより発振器周波数または振幅を変化させる。類似の機構が流体測定に使用されてもよい。しかしながら、検出素子が、容量性装置の一方の電極からなり、キャパシタの他方の電極が、検出される物体によって形成され、その位置がキャパシタンスを変化させてもよい。

物体２０は、直線的に移動するように前述したが、例えば円形運動や不規則運動などの他のタイプの運動を検出することもできる。前述のセンサは、他のタイプの機械的測定ならびに液面測定に使用されてもよい。

以上の実施形態の特徴の多くの組合せ、変更または代替は、当業者には容易に明らかになり、本発明の一部を構成するものである。

４０ コイル、２００’ 電気回路、２１０ タンク回路、２２０ 交流（ＡＣ）入力、２３０ 制限増幅器、３００ 直流（ＤＣ）入力、３１０ 直流バッファおよびアンプ
、３２０ 出力温度依存信号。

Claims (25)

1. 物体の位置を測定するための位置センサであって、
   検出素子と、
   前記検出素子から電磁場が放射されるように前記検出素子に結合された発振器と、
   前記発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するように構成された出力素子とを包含し、前記検出素子に対する物体位置の変化が、前記発振器の電気特性を変化させ、
   さらに、前記検出素子が、所定の物体位置において前記信号を乱すように構成された少なくとも１つの不連続点を有する位置センサ。
2. 更に、前記信号の前記乱れを検出するように構成された較正器を包含する、請求項１に記載の位置センサ。
3. 前記較正器が、前記信号に前記少なくとも１階の微分を適用することによって前記信号の前記乱れを検出するように構成された、請求項２に記載の位置センサ。
4. 前記較正器が、複数の位置とそれに対応する事前記録信号の較正データを含む、請求項２または３に記載の位置センサ。
5. 前記較正器が、更に、乱れが検出されたときに前記較正データと前記信号の値とに基づいて補正率を計算することによって前記信号を較正するように構成された、請求項４に記載の位置センサ。
6. 前記検出素子が、物体に対する２つ以上の位置で前記信号を乱す不連続点を有する、請求項２から５のいずれか１項に記載の位置センサ。
7. 前記較正器が、更に、前記信号に適用される補正率ａおよびｂを計算することによって信号Ｖ（ｘ）を較正するように構成され、前記２つの不連続点における前記信号の前記較正データがＶｃ１とＶｃ２であり、前記２つの不連続点における前記測定信号が、Ｖ１とＶ２であり、したがって、
   Ｖｃ１＝ａ＋ｂＶ１
   Ｖｃ２＝ａ＋ｂＶ２
   任意の位置における前記構成信号Ｖ_calibrated（ｘ）が、次の式で求められ、
   Ｖ_calibrated（Ｘ）＝ａ＋ｂ．Ｖ（ｘ）
   前記補正率ａおよびｂが、次の式で求められる、
   ａ＝Ｖｃ１−Ｖ１． ［（Ｖｃ１−Ｖｃ２）／（Ｖ１−Ｖ２）］および
   ｂ＝［（Ｖｃ１−Ｖｃ２）／（Ｖ１−Ｖ２）］）
   請求項６に記載の位置センサ。
8. 前記較正器が、アナログまたはデジタル回路である、請求項２〜７のいずれか１項に記載の位置センサ。
9. 前記検出素子が、電線から構成されたコイルである、請求項２〜８のいずれか１項に記載の位置センサ。
10. 前記コイルが、平面またはソレノイドである、請求項９に記載の位置センサ。
11. 前記電線の歪みによりコイル直径の変化が生じる、請求項１０に記載の位置センサ。
12. 物体の位置を測定するための位置センサであって、
    検出素子と、
    前記検出素子から電磁場が放射されるように前記検出素子に結合された発振器と、
    前記発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するように構成された出力素子であって、前記検出素子に対する物体位置の変化が前記発振器の前記電気特性を変化させる出力素子と、
    前記検出素子の近くでの温度の変化に対して前記信号を補正するように構成された温度補償機構とを包含する位置センサ。
13. 前記温度補償機構が、更に、前記検出素子の電気特性を監視することによって前記検出素子の近くでの前記温度の変化を補償するように構成された、請求項１２に記載の位置センサ。
14. 前記電気特性が、
    前記検出素子の両端の電圧降下、前記検出素子内の電流、前記検出素子の抵抗、前記検出素子のインピーダンス、キャパシタンスのうちの任意の１つまたは複数からなるグループから選択された、請求項１３に記載の位置センサ。
15. 前記温度補償機構が、更に、前記検出素子の両端の前記電圧降下を測定するために前記検出素子に結合された電流供給源と電圧計を包含する、請求項１３または１４に記載の位置センサ。
16. 前記温度補償機構が、更に、前記信号と電圧降下を合算して温度補償信号を提供するように構成された、請求項１５に記載の位置センサ。
17. 前記信号と電圧降下が、重み係数に従って合算される、請求項１６に記載の位置センサ。
18. 前記検出素子が、コイルまたは容量性素子である、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の位置センサ。
19. 前記発振器の前記電気特性が、周波数と電圧のいずれかまたは両方である、請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の位置センサ。
20. 前記検出素子が、多重巻平面コイルである、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の位置センサ。
21. 前記発振器が、ロビンソン発振器またはファンデルポール発振器である、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の位置センサ。
22. 物体の位置を検出する方法であって、
    検出素子を提供するステップと、
    前記検出素子から電磁場が放射されるように前記検出素子に発振器を結合するステップと、
    前記発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するステップとを含み、前記検出素子に対する物体位置の変化が、前記発振器の電気特性を変化させ、
    更に、前記検出素子が、所定の物体位置で前記信号を乱すように構成された少なくとも１つの不連続点を含む方法。
23. 更に、前記信号の乱れを検出するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 物体の位置を検出する方法であって、
    検出素子を提供するステップと、
    前記検出素子から電磁場が放射されるように前記検出素子に発振器を結合するステップと、
    前記発振器の電気特性の変化に依存して変動する信号を提供するステップとを含み、前記検出素子に対する物体位置の変化が前記発振器の電気特性を変化させ、
    前記検出素子の近くでの温度の変化に対して信号を補償するステップとを含む方法。
25. 前記温度の補償が、更に、前記検出素子の電気特性を監視することによって前記検出素子の近くでの前記温度の変化に対する補償をするように構成された、請求項２４に記載の方法。

Images