JP2013518247A - 誘導位置センサ - Google Patents

Abstract

高周波電流源によって通電される送信コイルを備えたロータリポジションセンサを提供する。第１の受信コイルは偶数のＮ個のループを含み、第１の受信コイルの有する隣接するループは逆方向に巻かれている。第２の受信コイルはまた、Ｎ個のループを含み、隣接するループは逆方向に巻かれている。さらに、第２の受信コイルは、第１の受信コイルから１８０／Ｎ度だけ角度を付けてオフセットされる。導電性材料からなる非円形カプラは、カプラ要素が第１および第２の受信コイルの少なくとも一部上に重なるように、コイルに対して回転可能に装着される。回路は、第１および第２の受信コイルからの出力信号を処理し、カプラの回転位置を表わす出力信号を生成する。

Description

関連する出願の相互参照
この出願は、２０１０年１月２５日に出願されこの明細書中に引用により援用される米国仮特許出願連続番号第６１／２９７，８４１号の優先権を主張する。

発明の背景
Ｉ．発明の分野
この発明は概して回転センサに関する。

ＩＩ．関連技術の説明
自動車車両においては、スロットルペダルは、従来より、ケーブルによって機械的にエンジンスロットルに接続されている。しかしながら、現代の車両においては、スロットルポジションセンサがペダルに機械的に接続されており、スロットルペダルの押下げ度合いを示す電気信号を生成する。このようなシステムはしばしば「フライ・バイ・ワイヤ（fly by wire）」システムと称される。

或る種の公知のスロットルポジションセンサにおいては、センサは送信コイルまたはエキサイタコイルを含む。この送信コイルまたはエキサイタコイルは、高周波源によって励磁され、高周波源の周波数で電磁放射を発生させる。さらに、この送信コイルは典型的には円形パターンに配置されるが、但し、他のパターン構成が代替的に用いられてもよい。

受信コイルがまた、スロットルポジションセンサにおいて送信コイルに隣接して配置される。結果として、送信コイルが受信コイルと送信コイルとの間の誘導結合によって励磁されると、受信コイルが受信信号を発生させる。

しかしながら、受信コイルは、送信コイルとは異なり、平面図で見たときに互いに対して逆方向に巻かれた少なくとも第１および第２のループを含む。結果として、送信コイルと受信コイルの第１のループとの間の誘導結合により、送信コイルと受信コイルの第２のループとの間の誘導結合とは逆の極性を有する電圧が生じる。受信コイルのループは、受信機出力信号が受信コイルの第１のループからの信号と第２のループからの信号との組合せまたはこれら信号の合計となるように、直列に接続される。

スロットルの位置を表わす出力信号を生成するために、カプラ要素は、このカプラ要素が、スロットルペダルを踏込んだり緩めたりするのと同期して回転するように、スロットルポジションセンサ内で回転可能に装着される。このカプラ要素はさらに、送信コイルおよび受信コイル両方の一部に重なる。カプラ要素は導電性材料で構成されており、これが、カプラ要素内の渦電流の発生による磁束を相殺する。結果として、カプラが回転すると、送信コイルと、受信コイルの第１および第２のループとの間の誘導結合が変化し、これにより、カプラの角度位置と、これによりスロットルペダルの位置とを表わす電圧出力が受信コイル全体から生成される。

連結要素が送信コイルおよび受信コイルとぴったりと同心であると想定し、かつ、カプラ要素と送信コイルおよび受信コイルとの間にある空間がカプラ要素の移動中ずっと一定のままであると想定すると、受信コイルからの出力は、カプラ要素の角度位置と、これによりスロットルペダルの位置とを正確に示すこととなる。しかしながら、実際には、スロットルポジションセンサの製造中の製造公差のせいで、しばしば、製造されるスロットルポジションセンサにおいては、カプラ要素が、送信コイルおよび受信コイルとぴったりと同心ではなくなり、ならびに／または、カプラ要素が、カプラ要素の全体的な回動もしくは回転運動中に、カプラ要素と送信コイルおよび受信コイルとの間の間隔さえも維持しなくなってしまう。送信コイルおよび受信コイルとのカプラ要素の同心性が欠如し、かつ、カプラ要素の回転または回動中におけるカプラ要素と受信コイルとの間の空間が変動することにより、送信コイルと受信コイルの第１および第２のループとの間の誘導結合が変化することとなり、これにより、さらに、カプラ要素が同じ角度位置で正確に位置決めされているスロットルポジションセンサと異なる出力信号が受信コイルから供給される。

発明の概要
この発明は、公知のスロットルポジションセンサの上述の問題を克服するスロットルポジションセンサを提供する。

簡潔には、この発明のスロットルポジションセンサは、好ましくは複数のループを有する円形構成に巻かれた送信コイルを含む。受信コイルは、通電されると、送信コイルが電磁放射を発生させるように、高周波交流源によって励磁される。送信コイルは、さらに、典型的にはプリント回路基板上に印刷される。

第１の受信コイルがまた、プリント回路基板上において送信コイルに隣接して印刷される。受信コイルは、互いに直列に電気的に結合された少なくとも２つ、好ましくは４つ以上の別個のコイル部分を含む。４つの別個のコイル部分について、受信コイルは４つの別個のループを含み得る。この場合、交流ループは各々、円のうち９０度を占めており、交流ループは互いとは逆方向に巻かれている。しかしながら、受信コイルからの電気出力全体が受信コイルのすべてのループ上の誘導電圧の合計で構成されるように、すべてのループは互いに直列に電気的に接続される。結果として、交流ループは、互いとは逆方向に巻かれるので、送信コイルと４つのループの各々との間の誘導結合が同一であるとすると、受信コイル上の出力は０になるだろう。

第２の受信コイルがまた、プリント回路基板上において第１の受信コイルと同じ形状に形成されるが、４５度または１８０／Ｎだけ回転させられている。ここでＮは受信コイルにおけるループの数に等しい。

公知のスロットルポジションセンサと同様に、カプラ要素は、両方の送信コイルおよび両方の受信コイルに対して相対的に移動可能に位置決めされる。このカプラ要素は、カプラ要素の角度位置の関数として、送信コイルと第１および第２の両方の受信コイルとの間の誘導結合を変化させる。カプラ要素がスロットルペダルに機械的に結合されているので、カプラ要素の回転位置はスロットルペダルの位置にちょうど対応する。

カプラ要素はさらに、カプラ要素の回転運動が第１の受信コイル上で誘導された電圧を正弦関数として変化させるように、構成される。しかしながら、第２の受信コイルが第１の受信コイルに対して実質的に９０度回転するので、カプラ要素の回転中に第２の受信コイル上で生成された電気出力は余弦関数として変化する。結果として、カプラ要素の角度位置と、これにより、スロットルペダルの実際の位置とは、第１の受信コイルおよび第２の受信コイルからのそれぞれの正弦出力信号および余弦出力信号の逆正接関数を解くことによって正確に決定され得る。

この発明の主要な利点は、第１の受信コイルおよび第２の受信コイルからのそれぞれの正弦信号および余弦信号がともに同じ係数によってスケーリングされることになるので、第１および第２の両方の受信コイルからの検知された角度が、スロットルポジションセンサにおけるカプラ要素と受信コイルとの間の空隙、温度などの変動による影響を受けないことである。

この発明は、以下の詳細な説明を参照しつつ添付の図面に関連付けて読まれるとより良く理解されるだろう。添付の図面においては、同様の参照符号はいくつかの図全体にわたって同様の部品を指している。

この発明の好ましい実施例を示す概略的な分解図である。 第１の受信コイルを示す平面図である。 第２の受信コイルを示す平面図である。 連結要素についての代替的な形状を示す図である。 図２Ａと同様であるが、その変形例を示す図である。 図２Ｂと同様であるが、その変形例を示す図である。

発明の好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、この発明に従ったスロットルポジションセンサ１０の分解図が示される。スロットルポジションセンサ１０は送信コイル１２を含む。この送信コイル１２は、好ましくは、高周波交流源１４に結合された導電性材料からなる複数の円形ループを含む。送信コイル１２は、好ましくは、高周波交流源１４によって通電されたときに送信コイル１２が高周波電磁場を発生させるように、プリント回路基板上に印刷される。

ここで図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、スロットルポジションセンサはまた、第１の受信コイル１６および第２の受信コイル１８を含む。さらに、第１の受信コイル１６および第２の受信コイル１８もまた、プリント回路基板上に印刷され、送信コイル１２と概ね位置合わせされている。

図２Ａから最もよく分かるように、第１の受信コイル１６は４つの別個のループ２０、２２、２４および２６を含む。各々のループ２０〜２６は、第１の受信コイル１６の円全体のうち９０度を占めている。しかしながら、隣接するループ２０〜２６同士は、互いとは逆方向に巻かれている。

たとえば、第１の受信コイル１６のループ２０が平面図で見て時計回りの方向に巻かれていると想定すると、ループ２２は反時計回りの方向に巻かれ、ループ２４は時計回りの方向に巻かれ、ループ２６は反時計回りの方向に巻かれる。しかしながら、ループ２０〜２６は各々、単一の２線出力２８が受信コイル１６から供給されるように、互いに直列に接続される。

受信コイル１６における隣接するループ２０〜２６同士が逆方向に巻かれているので、送信コイルの通電時のこれらのループ２０〜２６上の誘導電圧は、逆の電圧となるだろう。このため、送信コイル１２と４つのすべてのループ２０〜２６と間の誘導結合が同一であれば、第１の受信コイル１６の出力２８上の電圧は０になるだろう。

第２の受信コイル１８は、第２の受信コイル１８が４５度または１８０Ｎ度（ここで、Ｎはループ２０〜２６の数に等しい）だけ回転することを除いては、第１の受信コイル１６と実質的に同一である。第２の受信コイル１８のループ２０〜２６は全て、第１の受信コイル１６と同様に、第２の受信コイルからの出力３０を介して出力される電圧が、第２の受信コイル１８の４つのすべてのループ２０〜２６上の誘導電圧の合計と等しくなるように、互いに直列に電気的に接続される。

カプラ要素３２（図１）は、公知のスロットルポジションセンサと同様に、受信コイル１６および１８ならびに送信コイル１２と同心である。カプラ要素３２はさらに導電性材料で構成されており、このため、送信コイル１２を通電させることによって、カプラ要素３２内に渦電流が生成され、これにより、送信コイル１２と２つの受信コイル１６および１８との間の誘導結合に影響が及ぼされる。図３に図示のとおり、カプラ要素３２の実際の形状は受信コイルにおけるループの数に応じて異なることとなる。

たとえば、カプラ要素３２は、図３において６０、６１および６２で図示されるような概して三角形を有していてもよい。このような概して三角形のカプラ要素６０〜６２は、たとえば、第１および第２の両方の受信コイルが３つのローブを有している場合に用いられるだろう。

代替的には、カプラ要素３２は、図３において６５および６６で示されるような楕円形状であってもよい。各々の受信コイルが４つのローブを含んでいるようなカプラ要素が用いられてもよい。カプラ要素３２についてのさらに他の形状が、図３において６７および６８で示される。

カプラ要素３２は、カプラ要素３２の回転位置がスロットルペダルの押下げに比例して変化するように、スロットル位置に機械的に接続される。結果として、スロットルペダルを押下げることにより、カプラ要素３２が回転させられ、第１の受信コイル１６および第２の受信コイル１８の両方のループ２０〜２６における誘導電圧が変化することとなる。

より特定的には、カプラ要素３２が時計回りの方向に回転するのに応じて、第１の受信コイル１６からの出力２８上の誘導電圧が正弦関数として変化することとなる。逆に、第２の受信コイル１８が第１の受信コイル１６から実質的に９０度回転するので、第２の受信コイル１８からの出力３０上の誘導電圧は、カプラ要素の回動角度の余弦関数として変化することとなる。

結果として、カプラ要素の回転角度と、これによりスロットルペダルの位置とを得るために、第１の受信コイル１６および第２の受信コイル１８からのそれぞれの出力２８および３０上で正弦関数および余弦関数の両方の逆正接を取る必要がある。この逆正接関数は以下のとおり与えられる。

この発明の主要な利点は、コイルとカプラ要素との間の空隙、温度、湿度などの変動によってもたらされる第１の受信コイル１６または第２の受信コイル１８上の誘導電圧の如何なる不正確性も、正弦関数および余弦関数の両方に関して同じ誤差要因によってスケーリングされ得ることである。結果として、環境条件または製造公差によるこのような如何なる誤差も、自動的に補償され、相殺される。

この発明を、各々が４つの受信ループを有する１対の受信コイルを備えたスロットルポジションセンサとして説明してきたが、受信コイルは、偶数であれば如何なる数の受信ループを有していてもよい。たとえば、各々が６つの別個のループを有する第１の受信コイル５０および第２の受信コイル５２が図４Ａおよび図４Ｂにそれぞれ示される。

我々の発明をここまで記載してきたが、その多くの変形例が、添付の特許請求の範囲によって規定される発明の精神から逸脱することなく、本発明が属する技術分野の当業者にとって明らかになるだろう。

Claims (7)

1. ロータリポジションセンサであって、
   高周波電流源によって通電されるよう適合された送信コイルと、
   前記送信コイルに隣接し、軸を中心として同心状に配置された第１の受信コイルとを含み、前記第１の受信コイルは偶数のＮ個のループを有し、第１の受信コイルの有する隣接するループは逆方向に巻かれ、前記ロータリポジションセンサはさらに、
   前記送信コイルに隣接し、前記軸を中心として同心状に配置された第２の受信コイルを含み、前記第２の受信コイルはＮ個のループを有し、第２の受信コイルの有する隣接するループは逆方向に巻かれ、前記第２の受信コイルは、１８０Ｎ／度だけ前記第１の受信コイルから角度を付けてオフセットされ、前記ロータリポジションセンサはさらに、
   前記カプラが前記第１および第２の受信コイルの少なくとも一部の上に重なるように、前記軸を中心として回転可能に装着された導電性材料からなる非円形カプラと、
   前記第１および第２の両方の受信コイルからの出力信号を処理し、前記カプラの回転位置を表わす出力信号を生成する回路とを含む、ロータリポジションセンサ。
2. 前記送信コイルは、前記第１および第２の受信コイルに同心状に巻かれる、請求項１に記載のセンサ。
3. Ｎは４と等しい、請求項１に記載のセンサ。
4. Ｎは６と等しい、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記カプラは三角形である、請求項４に記載の発明。
6. 前記カプラは楕円形である、請求項３に記載の発明。
7. 前記回路は、前記第１および第２の受信コイルからの出力信号の逆正接を計算する、請求項１に記載の発明。