JP2016518608A - マイクロ誘導センサ - Google Patents

Abstract

誘導センサは、センサパッケージ及びカプラパッケージを含んでいる。センサパッケージは、信号プロセッサ、統合コンデンサ、フェライト層、送信コイル、２つの部分の受信コイル、及び個別部品を含んでいる。カプラパッケージは、統合されたコンデンサ、フェライト層、及びカプラコイルを含んでいる。センサパッケージの送信コイルは、外部電源によって通電され、それは、カプラパッケージのカプラコイルを順に通電する。センサは、その後、２つの部分の受信コイルを用いた検出及び測定によってセンサパッケージに対するカプラパッケージの回転位置を測定し、その信号はカプラパッケージによって戻される。信号プロセッサは、カプラパッケージ及びセンサパッケージの間の結合係数を比較することによってセンサパッケージに対するカプラパッケージの位置を計算する。

Description

関連出願の相互参照
［０００１］この出願は、２０１３年５月３日に出願された米国仮出願６１／８１９１１８号の優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に含まれる。

技術分野
［０００２］この発明は、一般に位置センサに関する。より詳細には、この発明は、誘導位置センサに関する。

［０００３］位置センサは、多くの場合、様々な機械制御システムで使用されている。一般的な位置センサは、容量センサ、ポテンショメータセンサ、及び磁気位置センサを含む。しかしながら、誘導センサは、車両で最も一般的に使用される位置センサの一つである。誘導センサは、ターゲット及び検出コイルの間の相互インダクタンスを測定することによってターゲットの位置を検出する。他の磁気位置センサと比較すると、誘導センサは、よりコスト効果的であり、これは、磁石を必要とすることがなく、代わりに電磁コイルを使用するからである。

［０００４］誘導センサは車両に磁気方式センサに代わって使用するのが望ましく、これは、誘導センサは一般により信頼性が高いからである。磁気センサは、磁石が劣化するにつれて性能が低下することがあり、周囲の環境からの磁気擾乱に対してより敏感になる。これとは対照的に、誘導センサは、磁石に依存するはなく、電気モーター及びオルタネーターなどの一般的な自動車機器からの干渉により耐性がある。しかしながら、十分な信号強度を保証するために、誘導センサは一般に従来の磁気センサよりも大きい。その結果、誘導センサは、より大きなアンテナ面積に起因するより多くの量の磁気放射も生ずる。

［０００５］本発明の実施形態は、センサパッケージ及びカプラパッケージを含んでいる。センサパッケージは、複数のピン、信号プロセッサ、統合キャパシタ、フェライト層、送信コイル、２つの部分の受信コイル、及び個別部品を含んでいる。カプラパッケージは、統合キャパシタ、フェライト層、及びカプラコイルを含んでいる。

［０００６］センサパッケージ内の送信コイルは、外部電源によって通電され、それは、カプラパッケージ内のカプラコイルに順に通電する。センサは、次いで、２つの部分の受信コイルでカプラコイルによって返された信号を検出及び測定することによってセンサパッケージに対するカプラパッケージの回転位置を測定する。信号プロセッサは、カプラパッケージ及びセンサパッケージの間の結合係数を比較することによってセンサパッケージに対するカプラパッケージの位置を算出する。

［０００７］製造されたカプラとして金属片を使用する従来の誘導センサに著しく対照的に、本発明はカプラとして共振器を使用している。カプラとして共振器を使用することにより、送信コイル及び結合器が、従来の誘導センサよりもはるかに高い品質係数（Ｑ係数）を有する発振器システムになることを可能にする。また、センサパッケージ及びカプラパッケージのフェライト層は、従来の誘導センサに対してコイルのサイズを著しく低減することを可能にする。

［０００８］カプラの渦電流は、２つの部分の受信コイルの信号の直接ソースである。従来のカプラと同じ磁場を受けたときに、共振器のカプラは、より多くの渦電流を発生する。そのため、同じ駆動電力を使用して、カプラとして共振器を用いた誘導センサは、従来の誘導センサよりも受信コイルにはるかに強い電磁界を発生させることができる。

［０００９］
図１は、センサパッケージ及びカプラパッケージを含む誘導センサの斜視図である。

［００１０］
図２は、センサパッケージの底面図を示している。

［００１１］
図３は、第１の実施形態に係るセンサパッケージ及び２つの部分の送信コイルの上面図を示している。

［００１２］
図４は、第２の実施形態に係るセンサパッケージ及び２つの部分の送信コイルの上面図を示している。

［００１３］
図５は、カプラパッケージの底面図を示している。

［００１４］
図６は、カプラパッケージの上面図を示している。

［００１５］本発明の実施形態は、センサパッケージ１０及びカプラパッケージ５０を含んでいる。センサパッケージ１０は、ピン１２、複数の信号プロセッサ１４、統合コンデンサ１６、フェライト層２０、送信コイル２２、２つの部分の受信コイル３０、及び個別部品４８を含んでいる。カプラパッケージ５０は、統合コンデンサ５６、フェライト層６０、及びカプラコイル７０を含んでいる。センサパッケージ１０内の送信コイル２２は外部電源（図示せず）によって通電され、それは、カプラパッケージ５０内のカプラコイル７０に順に通電する。センサ１０は、次に、２つの部分の受信コイル３０でカプラコイル７０によって戻された信号を検出及び測定することによって、センサパッケージ１０に対するカプラパッケージ５０の回転位置を測定する。信号プロセッサ１４は、カプラパッケージ５０及びセンサパッケージ１０の間の結合係数を比較することによってセンサパッケージ１０に対するカプラパッケージ５０の位置を算出する。

［００１６］センサパッケージ１０及びカプラパッケージ５０を含む本発明のセンサアセンブリは、一般に図１に示される。本発明の誘導センサ及びセンサパッケージ１０は、強化された信号強度のために単一のパッケージに収めることができる小型化設計を特徴としている。センサパッケージ１０は、カプラパッケージ５０の底面９２に対向する上面４２、及び反対側の底面４４を有している。フェライト層２０は、実質的にセンサパッケージ１０を通って延び、一般的に円形の形状を有しているが、センサパッケージ１０及びコイル２２、３０による他の形状も可能である。

［００１７］フェライト層２０の底面２２上に、複数の個別部品４８を有する統合コンデンサ１６が存在する。これらの個別部品４８は、キャパシタ、抵抗器、又は当技術分野で公知の他の基本的な電子部品を含むことができる。信号プロセッサ１４は、フェライト層２０の底面２２にも見出される。信号プロセッサ１４は、センサパッケージ１０によって生成及び受信された信号を測定及び処理する。信号プロセッサ１４は、センサパッケージ１０の様々な信号を送信するピン１２に接続されている。

［００１８］送信コイル２２及び２つの部分の受信コイル３０は、センサパッケージ１０の上面４２上にある。図３及び図４に示した送信コイル２２は、送信コイル２２の軸回りのフェライト層２０を有して一般に円形及び同心円状である。送信コイル２２は、設計パラメータに従い必要に応じて調節することができる複数の巻線を有している。送信コイル２２は円形の形状を有するように示されているが、他の実施形態が本発明の範囲から逸脱することなく可能である。

［００１９］２つの部分の受信コイル３０は、センサパッケージ１０の上面に送信コイル２２の内径の内側に存在する図３及び図４に示されている。センサパッケージ１０の２つの部分のコイル３０は、第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６を有している。第１の受信コイル３２は、第１の方向に巻かれたＮループを有している。図３に示した第１の好ましい実施形態では、第１の受信コイルループ３２ａ−ｄは、送信コイル２２の中心軸の周囲であって、送信コイル２２の内径内に配置されている。第１の受信コイルループ３２ａ−ｄは、送信コイル軸２２の周りに３６０／Ｎ度の間隔を置いて配置されている。例えば、図３に示すように、Ｎ＝４の第１の受信コイルループ３２ａ−ｄがあり、従って、第１の受信コイル３２の各ループ３２ａ−ｄは隣接する第１の受信コイル３２のループ３２ａ−ｄから９０度に亘って離間されている。

［００２０］第２の受信コイル３６は、第１の受信コイル３２とは反対方向に巻回されたＮループ３６ａ−ｄも有している第２の受信コイルループ３６ａ−ｄの各々は、隣接する第２の受信コイルループ３６ａ−ｄに対して送信コイル２２の軸の周りに３６０／Ｎ度の角度に亘り離間されている。第２の受信コイルループ３６ａ−ｄは、また、隣接する第１の受信コイルループ３２ａ−ｄから１８０／Ｎ度の角度に亘りオフセットされ、その逆もそうである。

［００２１］より簡単に、図３に示すように、送信コイル２２内の円形領域は、角度について２Ｎ個のセクションに分割されている。送信コイル２２軸の周りに角度について進むと、２つの部分の受信コイル３０のセクションが、第１の受信コイル３２のループ３２ａ−ｄ及び第２の受信コイル３６のループ３６ａ−ｄの間で交互に繰り返す。第１の受信コイル３２のループ３２ａ−ｄは第１の方向に巻回されているが、第２の受信コイル３６のループ部３６ａ−ｄは逆の第２の方向に巻回されている。このように、 第１の受信コイル３２のループ３２ａ−ｄは第２の受信コイル３６のループ３６ａ−ｄにのみ隣接し、第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６のループは互いに角度が１８０／Ｎ度だけオフセットしている。

［００２２］図４、３に示す第２の好ましい実施形態では、Ｎ＝６の第１の受信コイルのループ３２ａ−ｆがあり、したがって第１の受信コイル３２の各ループ３２ａ−ｆは隣接する第１の受信コイル３２のループ３２ａ−ｆから６０度だけ離間している。当業者であれば、第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６のＮループの数は、Ｎ個のセクションの異なる数を含むように同様に調整することができることを理解するであろう。

［００２３］カプラパッケージ５０は、上側６２と底側６６を有するフェライト層６０を有している。フェライト層６０は、上側６２に統合コンデンサ５６を、底側６６に非円形のカプラコイル７０を有している。カプラパッケージ５０のフェライト層６０の底側６６は、センサパッケージ１０の上側４２に対向している。図６に示されたカプラパッケージ５０の統合コンデンサ５６は円形であるが、この形状は例示であって他の構成も可能である。非円形のカプラコイル７０は、複数の巻線から作製され、センサパッケージ１０の送信コイル２２の軸の周りに整列させたときに、カプラコイル７０が第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６のループ３２ａ−ｄ、３６ａ−ｄの両方の少なくとも一部の上にあるように、大きさが決められる。

［００２４］図５に示されるカプラコイル７０は、一般的に卵形又は楕円形の形状を有しているが、カプラコイル７０はこの形状のみに限定されない。カプラパッケージ５０のカプラコイル７０は送信コイル２２及びセンサパッケージ１０の軸の周りに整列されたときに、カプラコイル７０が第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６のループ３２ａ−ｄ、３６ａ−ｄの両方の少なくとも一部の上にある。

［００２５］カプラパッケージ５０が送信コイル２２の軸の周りに回転するにつれて、第１及び第２の受信コイルのループ３２ａ−ｄ、３６ａ−ｄに重なるカプラコイル７０の部分は変化する。これによって、カプラパッケージ５０と第１の受信コイル３２及び第２の受信コイル３６のそれぞれとの間の結合係数の量は順に変化する。２つの部分のコイル３０によって測定された信号を使用し、プロセッサ１４は、センサパッケージ１０に対するカプラパッケージ５０の回転位置を表す出力信号を生成する。

［００２６］センサ１０及びカプラパッケージ５０の両方にフェライト層２０、６０を使用すると、電磁場を集束し、局所空間にエネルギーを保持する。電磁エネルギーは、したがって、センサ１０によってより効率的に信号を生成するために使用される。また、フェライト層２０、６０及び統合コンデンサ１６、５６の組み合わせはセンサ１０及びカプラパッケージ５０に電磁シールドを提供し、それは、他の構成部品からの電磁干渉の悪影響を低減する。このように、センサパッケージ１０及びカプラパッケージ５０の全体のサイズは、最小限に抑えることができる。

［００２７］他の好ましい実施形態では、プリント回路基板（ＰＣＢ）は、センサパッケージ１０及びカプラパッケージ５０の製造に使用される。送信コイル２２及び２つの部分の受信コイルは、当業者に知られているように、第１のプリント回路基板上に作製される。同様に、カプラコイル７０は、第２の第２のプリント回路基板上に製造される。第１のフェライトディスク２０は、第１のプリント回路基板の底側に配置され、第２のフェライトディスクは第２のプリント回路基板の上側に配置されている。フェライトディスク、プリント回路基板、及び追加の構成要素は、その後、ハウジング内に配置される。このように、プリント回路基板と及びフェライトディスクは、センサパッケージ１０及びカプラパッケージ５０を作製するために使用される。

［００２８］前述のことから、本発明は、センサパッケージに対するカプラパッケージの回転位置を表す出力信号を生成することができるマイクロ誘導回転位置センサを提供することが分かる。また、センサパッケージ及びカプラパッケージの両方は、プラスチックパッケージに個別にオーバーモールドすることができる。コイルは微細加工技術によって製造することもあり、それは、スパッタリング、化学蒸着、及び電着を含むが、これらに限定されない。微細加工技術を使用すると、より多くのコイルの巻回が小さい領域に構築できるようになる。センサパッケージの送信コイルは第１及び第２の受信ループの周りに同心円状に巻回されたことが示されているが、本発明はこの例示的な構成には限定されない。

［００２９］本発明は、上述の例示的な実施例には限定されない。実施例は、本発明の範囲を限定しようとするものではない。本明細書に記載される方法、装置、構成等は例示であって本発明の範囲を限定しようとするものではない。本明細書内の変更及び他の使用は、当業者に着想されるであろう。

Claims (20)

1. 送信コイル及び２つの部分の受信コイルを有し、前記２つの部分の受信コイルは第１の受信コイル及び第２の受信コイルを有するセンサパッケージと、
   カプラコイルを有するカプラパッケージとを含み、
   前記第１の受信コイルは第１の方向に巻回された複数の第１の受信ループを有し、前記第２の受信コイルは前記第１の方向と反対の第２の方向に巻回された複数の第２の受信ループを有する誘導センサアセンブリ。
2. 前記カプラパッケージに対向する前記センサパッケージの上側と、
   前記上側とは反対の前記センサパッケージの底側と、
   前記センサパッケージの前記上側及び前記底側の間に配置されたフェライト層とをさらに含む請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
3. 前記センサパッケージの前記フェライト層及び前記底側の間に配置された統合コンデンサをさらに含む請求項２に記載の誘導センサアセンブリ。
4. 前記送信コイルは複数の送信巻線を有して一般に円形であり、前記２つの部分の受信コイルは前記カプラパッケージに対向する前記センサパッケージの上側で前記送信コイルの中心軸の周りに前記送信コイルの内径内で同心円状である請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
5. 前記２つの部分の受信コイルは、等しい数の前記第１の受信ループ及び前記第２の受信ループを有する請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
6. 前記第１の受信ループは、送信コイル軸の周りに３６０／Ｎ度だけ離間され、Ｎは整数値である請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
7. 前記第２の受信ループは隣接する第１の受信ループから前記送信コイル軸の周りに１８０／Ｎ度だけ角度がオフセットされ、前記第２の受信ループは前記送信コイル軸の周りに３６０／Ｎ度だけ離間された請求項６に記載の誘導センサアセンブリ。
8. 各第１の受信ループは２つの第２の受信ループに隣接した角度であり、各第２の受信ループは２つの第１の受信ループに隣接した角度である請求項７に記載の誘導センサアセンブリ。
9. 前記センサパッケージが対向する前記カプラパッケージの底側と、
   前記底側の反対の前記カプラパッケージの上側と、
   前記カプラパッケージの前記上側及び前記底側の間に配置されたフェライト層とを含む請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
10. 前記カプラパッケージの前記フェライト層及び前記上側との間に配置された統合コンデンサをさらに含む請求項９に記載の誘導センサアセンブリ。
11. 前記カプラコイルは一般的に楕円形である複数のカプラ巻線を有し、前記カプラコイルは前記センサパッケージに対向する前記カプラパッケージの底側の前記送信コイルの中心軸の周りに整列され、前記カプラコイルは前記第１の受信ループ及び前記第２の受信ループの両方の少なくとも一部の上にある請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
12. 前記送信コイル及び２つの部分の受信コイルは第１のプリント回路基板の上側にあり、第１のフェライトディスクは前記第１のプリント回路基板の底面側にあり、
    前記カプラコイルは第２のプリント回路基板の底側にあり、第２のフェライトディスクは前記第２のプリント回路基板の上側にあり、
    前記第１のプリント回路基板の上側は前記第２のプリント回路基板の底側に対向する請求項１に記載の誘導センサアセンブリ。
13. 上側に送信コイル及び２つの部分の受信コイル、及び反対の底側に第１のフェライトディスクを有するセンサパッケージと、
    底側にカプラコイルを有し、前記底側は前記センサパッケージの前記上側に対向するカプラパッケージと、
    前記２つの部分の受信コイルの第１の受信コイルは第１の方向に巻かれた複数の第１の受信ループを有し、前記２つの部分の受信コイルの第２の受信コイルは前記第１の方向とは逆の第２の方向に巻かれた複数の第２の受信ループを含む誘導センサアセンブリ。
14. 前記送信コイル及び前記２つの部分の受信コイルは第１のプリント回路基板の上側にあり、前記第１のフェライトディスクは前記第１のプリント回路基板の底側にあり、
    前記カプラコイルは第２のプリント回路基板の底側にあり、第２のフェライトディスクは前記第２のプリント回路基板の上側にあり、
    前記第１のプリント回路基板の上側は、前記第２のプリント回路基板の底側に対向する請求項１３に記載の誘導センサアセンブリ。
15. 前記第１のフェライトディスク及び前記センサパッケージの前記底側の間に配置された第１の統合コンデンサと、
    前記カプラパッケージの上側の第２のフェライトディスクと、
    前記第２のフェライトディスク及び前記カプラパッケージの上面との間に配置された第２の統合コンデンサとをさらに含む請求項１３に記載の誘導センサアセンブリ。
16. 前記送信コイルは、複数の送信巻線を有して一般的に円形であり、前記２つの部分の受信コイルは前記センサパッケージの前記上側で前記送信コイルの中心軸の周りに前記送信コイルの内径内に同心円状である請求項１３に記載の誘導センサアセンブリ。
17. 前記２つの部分の受信コイルは、同数の第１の受信ループ及び第２の受信ループを有する請求項１３に記載の誘導センサアセンブリ。
18. 前記第１の受信ループは、送信コイル軸の周りに３６０／Ｎ度だけ離間され、Ｎは整数値である請求項１３に記載の誘導センサアセンブリ。
19. 前記第２の受信ループは隣接する第１の受信ループから前記送信コイル軸の周りに１８０／Ｎ度だけ角度がオフセットされ、前記第２の受信ループは前記送信コイル軸の周りに３６０／Ｎ度だけ離間された請求項１８に記載の誘導センサアセンブリ。
20. 各第１の受信ループは２つの第２の受信ループに隣接した角度であり、各第２の受信ループは２つの第１の受信ループに隣接した角度である請求項１９に記載の誘導センサアセンブリ。

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