JP2017173320A - タッチプレートなどのための電磁誘導式変位センサー用の検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】消費が低い電磁誘導式変位センサー用の検出回路を提供する。【解決手段】電磁誘導式変位センサーＣＰの磁気回路のインダクタンスＬｘの変動を検出する検出回路ＣＤは、第１のフリップフロップＢＤ１と、パルス発生器ＧＰと、クロック信号生成器ＧＨと、第２のフリップフロップＢＤ２とを有する。第１のフリップフロップＢＤ１は、しきい値電流までコイルＢＮをチャージするために十分な持続時間を有するチャージパルスを有する第１の信号Ｕ１を供給し、第１の信号Ｕ１は、コイルＢＮの第１の端子に与えられ、パルス発生器ＧＰは、基準パルスを有する基準信号Ｕ４を供給するように構成している。クロック信号生成器ＧＨは、チャージパルスと基準パルスを周期的に同時にトリガーするように構成しており、第２のフリップフロップＢＤ２は、基準パルスのトレーリングエッジにおける第１の信号Ｕ１の状態をとる出力信号Ｕ５を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導式変位センサー用の検出回路に関する。

このようなセンサーは、例えば、タッチプレートと呼ばれる水泳競技大会用のタイミングシステムにおいて、プレートに対する水泳選手の圧力を検出するために用いられている。この種のプレートは、水泳プールのフィニッシュ壁に固定されており、水泳選手がタッチプレートに圧力を加えると、プレートが壁の近くの方に動く。このアプローチ運動がセンサーによって検出されると、水泳選手のタイムを測定するクロノメーターが、中間タイムを止めたり記録したりする。

電磁誘導式変位センサーは、通常、検出回路によって供給される高周波数の交流電流によって励起されるコイルを有する。コイルを有する導電性又は強磁性の部品がコイルに近づくと、コイルによって形成される磁気回路内で損失が発生し、この部品とエアギャップがそれらを分離し、かつ／又はコイルのインダクタンスを変更する。このようにして、回路の損失、又はこのインダクタンスの変動を測定することによって、コイルに対するこの部品の変位を特定することができる。

この種の検出回路の短所は、その検出回路において電流が恒久的に消費され続けるということである。したがって、磁気回路又はそのインダクタンスにおける損失しきい値（例えば、タッチプレートに対する水泳選手の圧力に対応するしきい値）を超えたことを示すことができるような消費が低い検出回路の必要性がある。

本発明の目的は、上で提起された必要性に応えることである。

このために、本発明は、電磁誘導式変位センサーの磁気回路のインダクタンスの変動を検出する検出回路に関し、第１のフリップフロップと、パルス発生器と、クロック信号生成器と、及び第２のフリップフロップとを有する。前記第１のフリップフロップは、しきい値電流までコイルをチャージするために十分な持続時間を有する電圧パルスであるチャージパルスを有する第１の信号を供給するように構成しており、前記第１の信号は、前記コイルの第１の端子に与えられ、前記パルス発生器は、基準パルスを有する基準信号を供給するように構成しており、前記クロック信号生成器は、前記チャージパルスと前記基準パルスを周期的に同時にトリガーするように構成しており、前記第２のフリップフロップは、前記基準パルスのトレーリングエッジにおける第１の信号の状態をとる出力信号を生成するように構成している。

電磁誘導式変位センサー、より正確には、可変インダクタンスの変位センサーは、既知の形態で、コイルと一体化された強磁性体の固定部分を有する。この固定部分に対して動くことができる強磁性体部分がこの固定部分の近くに位置しているときに、固定部分と、及びエアギャップと直列に接続された可動部分とを有する磁気回路は閉じる。磁気回路のリラクタンスＲは、固定部分（ｆ）、可動部分（ｍ）及びエアギャップ（ｅ）によって形成されたセグメントのリラクタンスの和と等しい。すなわち、Ｌ_f／μ₀μ_fＳ_f＋Ｌ_m／μ₀μ_mＳ_m＋Ｌ_e／μ₀Ｓ_eである。ここで、Ｌは、磁気回路のセグメントの長さ、μは、その比透磁率、Ｓは、その断面積、μ₀は、真空透磁率を表している。なお、磁気回路のリラクタンスは、エアギャップの長さに比例して変わる。すなわち、可動部分と固定部分の間の間隔に比例して変わる。エアギャップが短いほど、磁気回路のリラクタンスが低くなり、コイルのインダクタンスが高くなる。

本発明によると、最先端技術における慣行に反して、コイルは、高周波数の交流電流によって励起されず、一連のチャージパルスによって励起される。より正確には、可変リラクタンス磁気回路に配置されたコイルに、第１のフリップフロップＢＤ１によって、電圧が周期的に与えられる。この電圧をコイルに与える時点において、コイルを流れる電流は、ＲＵ／Ｎ₂の所与のレートで増加し始める。ここで、Ｒは、磁気回路のリラクタンス、Ｕは、印加電圧、Ｎは、コイルの巻数を表している。

インダクタンスが高いほど、固定された電流値に達するために必要なチャージパルスの持続時間が長くなり、この逆も成り立つ。

チャージパルスの周期的な比は、実質的に１％未満であり、エネルギー消費が低いセンサーを得ることが可能になる。各チャージパルスは、１ナノジュール未満の電力消費を示している。すなわち、１０μＷ未満の消費である。したがって、タッチプレート上のセンサーアセンブリーの消費は抑制される。また、これらのチャージパルスが１００００Ｈｚを超える周波数で繰り返されると仮定すると、待ち時間が１００μ秒未満であるセンサーを得ることができる。

第２のフリップフロップＢＤ２は、基準パルスの持続時間とチャージパルスの持続時間の間の比較器としてはたらく。インダクタンスが低い場合、チャージパルスは、基準パルスのトレーリングエッジにおいて終了する。反対に、インダクタンスが高い場合、チャージパルスは、基準パルスのトレーリングエッジ上にて依然として進行中である。したがって、検出回路によって、インダクタンスがしきい値よりも高いかどうかを示す出力信号を供給することが可能になる。

また、本発明に係る検出回路は、すべての技術的に可能な組み合わせにおいて、以下の特徴の一又は複数を備えることができる。

一実施形態において（これに限定されない）、当該検出回路は、前記コイルの第２の端子において観測される前記第２の信号が第１の比較しきい値を超えたときに、状態を変更させる第３の信号を供給するように構成している比較器を有し、前記第１のフリップフロップは、前記状態の変更によって前記チャージパルスが終了するように構成している。

一実施形態において（これに限定されない）、前記第１のフリップフロップは、クロック信号が与えられる第１の非同期入力ＳＥＴと、及び前記第３の信号が与えられる第２の非同期入力ＣＬＥＡＲとを有するフリップフロップである。

一実施形態において（これに限定されない）、当該検出回路は、前記コイルの前記第２の端子と当該検出回路のアースとの間で分岐している抵抗を有する。

一実施形態において（これに限定されない）、前記比較器は、前記第２の信号が与えられる入力を有するシュミット式トリガーである。

一実施形態において（これに限定されない）、前記パルス発生器は、前記出力信号の状態の１つによって、前記基準パルスの初期の持続時間が減少し、前記状態の他の１つによって、前記基準パルスをその初期の持続時間に戻すように構成している。

一実施形態において（これに限定されない）、前記パルス発生器は、クロックパルスが与えられる第１の非同期入力ＴＲＩＧと、及び前記出力信号が与えられる第２の入力とを有する。

一実施形態において（これに限定されない）、前記第２のフリップフロップは、前記第１の信号が与えられる第１の同期入力と、及び前記基準信号が与えられる第２の入力ＣＬＫとを有するフリップフロップＤである。

例として与えられる以下の説明（これに限定されない）を添付図面を参照しながら読むことによって、他の特別な特徴及び利点が明らかになるであろう。

コイルのインダクタンスの変動を検出する回路を示しており、この回路は、前記コイルの端子に接続している。 検出回路の異なる点において観察されるいくつかの信号の時系列的な進展を示すタイミング図である。

図１は、本発明に係る検出回路ＣＤを示している。検出回路ＣＤは、可変インダクタンスコイルＢＮのインダクタンスＬｘに応じてバイナリ出力信号Ｕ５を生成することができ、コイルＢＮは、電磁誘導式変位センサーＣＰの一部を形成している。より正確には、検出回路ＣＤは、インダクタンスＬｘが第１のインダクタンスしきい値Ｌｏｎよりも大きい場合に出力信号Ｕ５が高い値になり、インダクタンスＬｘが第２のインダクタンスしきい値Ｌｏｎ−ｄＬよりも低い場合に出力信号Ｕ５が低い値になるように構成している。

検出回路ＣＤは、クロック信号Ｕ０を生成することができるクロック信号生成器ＧＨを有する。クロック信号Ｕ０の周波数は、センサーの所望の待ち時間の逆の関係であるように選ばれる。例えば、待ち時間が１００μ秒のセンサーが望まれる場合、クロック信号を周波数１０ｋＨｚとなるように選ぶ。実際に、下で明らかになるように、クロック信号Ｕ０のストロークはそれぞれ、インダクタンスＬｘの変動の検出に潜在的に結びつくシステムの質問をトリガーさせる。

また、検出回路ＣＤは、クロック信号Ｕ０に応じた第１のバイナリ信号Ｕ１及び第３のバイナリ信号Ｕ３を生成することができる基準ＢＤ１が与えられる第１のフリップフロップ（例えば、必須ではない、フリップフロップＤやフリップフロップＳＲ）を有する。より正確には、クロック信号Ｕ０は、下降側のエッジによってトリガーされる第１のフリップフロップＢＤ１の第１の非同期入力ＳＥＴに与えられ、第３の信号Ｕ３は、第１のフリップフロップＢＤ１の第２の非同期入力ＣＬＥＡＲに与えられる。これも、下降側のエッジによってトリガーされる。したがって、クロック信号Ｕ０が低状態になると、第１信号Ｕ１は高状態になり、チャージパルスを開始させ、第３の信号Ｕ３が低状態になると、第１信号Ｕ１は低状態になり、チャージパルスを終了させる。コイルＢＮの第１の端子には、第１信号Ｕ１が与えられる。

さらに、検出回路ＣＤは、コイルＢＮの第２の端子と検出回路ＣＤのアースの間に接続された抵抗Ｒｓを有する。コイルＢＮの第２の端子にて観測される信号は、第２の信号Ｕ２と呼ばれる。第２の信号Ｕ２は、抵抗Ｒｓの端子における電圧を表しており、コイルＢＮを流れる電流に比例する。

また、検出回路ＣＤには、シュミット（Schmitt）式フリップフロップＳＴがある。これは、しきい値フリップフロップ又はシュミット式トリガーとも呼ばれ、第２の信号Ｕ２の関数として第３の信号Ｕ３を生成することができる。より正確には、シュミット式トリガーＳＴは、第２の信号Ｕ２を第１の比較しきい値Ｓｅ１及び第２の比較しきい値Ｓｅ２と比較する。第２の信号Ｕ２が第１の比較しきい値Ｓｅ１より大きくなると、第３の信号Ｕ３が低状態になり、非同期入力ＣＬＥＡＲを介して信号Ｕ１を低状態に再初期化するようにチャージパルスを終了させる。第２の信号Ｕ２が第２の比較しきい値Ｓｅ２よりも小さくなると、第３の信号Ｕ３は、信号Ｕ１に対して何ら影響を与えずに高状態になる。

また、検出回路ＣＤには、矩形パルス発生器ＧＰがある。これは、クロック信号Ｕ０と出力信号Ｕ５の関数として基準パルスＩＰ４を有する基準信号Ｕ４を生成することができる。より正確には、下降側のエッジがトリガーされる発生器ＧＰの第１の非同期入力ＴＲＩＧにクロック信号Ｕ０が与えられる。これによって、クロック信号Ｕ０が低状態になると、基準信号Ｕ４は、同様に、所定の持続時間の間低状態になって、これによって、基準パルスＩＰ４を形成する。下で説明するように、出力信号Ｕ５は、潜在的には基準パルスＩＰ４の持続時間を変更させるように用いられる。変位センサーＣＰに対する、所望の検出しきい値の関数としての所定の初期持続時間ｔｐｗ４は、基準パルスＩＰ４に割り付けられるが、この基準パルスＩＰ４の持続時間は、可能性としては、出力信号Ｕ５の状態の関数として持続時間ｄｐｗの分短くされる。より正確には、クロック信号Ｕ０の下降側のエッジにおいて出力信号Ｕ５が低状態であれば、基準パルスＩＰ４の持続時間は、所定の初期持続時間ｔｐｗ４である。他方では、クロック信号Ｕ０の下降側のエッジにおいて出力信号Ｕ５が高状態であれば、基準パルスＩＰ４の持続時間は、持続時間ｔｐｗ４−ｄｐｗである。

持続時間ｔｐｗ４を調整して、したがって、また、センサーの検出しきい値を調整するために、検出回路ＣＤは、パルス発生器ＧＰの入力に接続された調整要素ＥＲを有する。これは、例えば、可変容量であってデジタルカウンターの出力値をプログラミングできるような抵抗である。

また、検出回路ＣＤは、さらに、例えば、タイプＤである基準ＢＤ２に与えられる第２のフリップフロップを有する。これは、第１信号Ｕ１と基準信号Ｕ４の関数として出力信号Ｕ５を生成することができる。より正確には、第１信号Ｕ１が第２のフリップフロップＢＤ２の同期入力Ｄに与えられ、基準信号Ｕ４が入力Ｄのサンプリングを稼働させている第２のフリップフロップＢＤ２のクロック入力ＣＬＫに与えられる。したがって、基準信号Ｕ４の上昇側のエッジにおいては、出力信号Ｕ５は、第１信号Ｕ１の値であり、第３の信号Ｕ３が低状態になると、第１信号Ｕ１も同様に、低状態になる。このＢＤ２の入力ＤにおけるＵ１の新しい値は、次の基準パルスＩＰ４におけるＵ５にて見えるようになる。

この回路の動作の理解を助けるために、図２において時系列で信号Ｕ１〜Ｕ５を示した。初期において、コイルＢＮのインダクタンスＬｘは、第１のインダクタンスしきい値Ｌｏｎよりも高い。そして、クロック信号Ｕ０の第１の下降側のエッジＦＤ１と第２の下降側のエッジＦＤ２の間で、コイルＢＮのインダクタンスＬｘは、第２のインダクタンスしきい値Ｌｏｎ−ｄＬよりも小さくなる。クロック信号Ｕ０と基準信号Ｕ４が、初期にて高状態であり、第１信号Ｕ１と第２の信号Ｕ２が、低状態であり、第２の信号Ｕ２がＵ３を高状態にセットするものと仮定する。また、出力信号Ｕ５が初期に低状態であると仮定する。これらの初期状態はすべて、検出デバイスの起動時に容易にセットすることができる。

クロック信号Ｕ０の第１の下降側のエッジＦＤ１において、第１信号Ｕ１が低状態から高状態になる。このときにコイルＢＮに電圧が与えられ、コイルＢＮがチャージされ、第２の信号Ｕ２が現れるにしたがって、抵抗Ｒｓの端子における電圧が上昇する。抵抗Ｒｓの端子における電圧が上昇して、第１の比較しきい値Ｓｅ１に達すると、第３の信号Ｕ３が高状態から低状態になる。第３の信号Ｕ３は、低状態になるときに、第１の信号Ｕ１が高状態から低状態になることをトリガーさせる。そして、コイルＢＮが放電され、第２の信号Ｕ２を示すタイミング図が現れるにしたがって、抵抗Ｒｓの端子における電圧が再びゼロまで減少する。抵抗Ｒｓの端子における電圧が減少して、第２の比較しきい値Ｓｅ２に達すると、信号Ｕ１に何ら影響を与えずに第３の信号Ｕ３は低状態から高状態になる。そして、第１の信号Ｕ１と第２の信号Ｕ２がそれらの初期の低値に戻り、第３の信号Ｕ３がその初期の高値に戻る。

これと並行して、クロック信号Ｕ０の第１の下降側のエッジＦＤ１において、基準信号Ｕ４が高状態から低状態になり、そして、持続時間ｔｐｗ４の後に、再び低状態から高状態になる。高状態になるときに、基準信号Ｕ４は、出力信号Ｕ５上への第１の信号Ｕ１の再複写をトリガーさせる。このように、コイルＢＮのインダクタンスＬｘが初期に高いので、持続時間ｔｐｗ４の後に基準信号Ｕ４が再び高状態になるときに、第１の信号Ｕ１は、引き続き高状態になっている。すなわち、第１の信号Ｕ１の矩形パルスの持続時間ｔｐｗ１は、基準信号Ｕ４の矩形パルスの持続時間ｔｐｗ４よりも大きい。したがって、出力信号Ｕ５が低状態から高状態になる。このようにして、インダクタンスの変化が検出される。センサーがタッチプレートに関係づけられている場合、このセンサーは、タッチプレートに圧力が与えられていることを検出する。

そして、第２のクロックエッジＦＤ２は、第１の信号Ｕ１が再び低状態から高状態になるようにする。これに対して、コイルＢＮのインダクタンスＬｘは、第２のインダクタンスしきい値Ｌｏｎ−ｄＬよりも小さくなっており、したがって、コイルＢＮは、以前よりもチャージが速くなっている。したがって、持続時間ｔｐｗ４−ｄｐｗの後に基準信号Ｕ４が再び高状態になったときに、第１の信号Ｕ１は既に再び低状態になっている（上において、クロック信号Ｕ０の下降側のエッジにおいて出力信号Ｕ５が高状態にあるときに、基準パルスの持続時間ｔｐｗ４−ｄｐｗであることに言及したことを思い出してほしい）。すなわち、第１の信号Ｕ１の矩形パルスの持続時間ｔｐｗ１は、基準信号Ｕ４の矩形パルスの持続時間ｔｐｗ４−ｄｐｗよりも小さい。そして、出力信号Ｕ５が、高状態から低状態になる。

なお、出力信号Ｕ５が高状態であるときの基準パルスＩＰ４の持続時間を短くすることによって、インダクタンスＬｘが第１のインダクタンスしきい値Ｌｏｎよりも高いが、この回路の電気的なノイズ及びセンサーの機械的な振動のおかげでランダムに変動してこのしきい値Ｌｏｎを幾つかの地点において超えるような場合に、出力電圧Ｕ５を安定にすることができる。基準パルスＩＰ４が短くなるので、出力電圧Ｕ５が上記のような変動のおかげで再びランダムに低状態になることを防ぐことができる。

当然、本発明は、図示した例に限定されず、当業者に明らかな多くの変種及び変形が可能である。

ＢＤ１ 第１のフリップフロップ
ＢＤ２ 第２のフリップフロップ
ＢＮ コイル
ＣＤ 検出回路
ＣＬＥＡＲ 第２の非同期入力
ＣＰ 電磁誘導式変位センサー
ＧＨ クロック信号生成器
ＧＰ パルス発生器
ＩＰ１ チャージパルス
ＩＰ４ 基準パルス
Ｌｘ インダクタンス
Ｒｓ 抵抗
Ｓｅ１ 第１の比較しきい値
ＳＥＴ 第１の非同期入力
ＳＴ 比較器
ｔｐｗ１、ｔｐｗ４ 持続時間
ＴＲＩＧ 第１の非同期入力
Ｕ０ クロック信号
Ｕ１ 第１の信号
Ｕ２ 第２の信号
Ｕ３ 第３の信号
Ｕ４ 基準信号
Ｕ５ 出力信号

Claims (8)

1. 電磁誘導式変位センサー（ＣＰ）の磁気回路のインダクタンス（Ｌｘ）の変動を検出する検出回路（ＣＤ）であって、
   第１のフリップフロップ（ＢＤ１）と、パルス発生器（ＧＰ）と、クロック信号生成器（ＧＨ）と、及び第２のフリップフロップ（ＢＤ２）とを有し、
   前記第１のフリップフロップ（ＢＤ１）は、しきい値電流までコイル（ＢＮ）をチャージするために十分な持続時間（ｔｐｗ１）を有する電圧パルスであるチャージパルス（ＩＰ１）を有する第１の信号（Ｕ１）を供給するように構成しており、
   前記第１の信号（Ｕ１）は、前記コイル（ＢＮ）の第１の端子に与えられ、
   前記パルス発生器（ＧＰ）は、基準パルス（ＩＰ４）を有する基準信号（Ｕ４）を供給するように構成しており、
   前記クロック信号生成器（ＧＨ）は、前記チャージパルス（ＩＰ１）と前記基準パルス（ＩＰ４）を周期的に同時にトリガーするように構成しており、
   前記第２のフリップフロップ（ＢＤ２）は、前記基準パルス（ＩＰ４）のトレーリングエッジにおける第１の信号（Ｕ１）の状態をとる出力信号（Ｕ５）を生成するように構成している
   ことを特徴とする検出回路（ＣＤ）。
2. 前記コイル（ＢＮ）の第２の端子において観測される前記第２の信号（Ｕ２）が第１の比較しきい値（Ｓｅ１）を超えたときに、状態を変更させる第３の信号（Ｕ３）を供給するように構成している比較器（ＳＴ）を有し、
   前記第１のフリップフロップ（ＢＤ１）は、前記状態の変更によって前記チャージパルス（ＩＰ１）が終了するように構成している
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出回路（ＣＤ）。
3. 前記第１のフリップフロップ（ＢＤ１）は、クロック信号（Ｕ０）が与えられる第１の非同期入力（ＳＥＴ）と、及び前記第３の信号（Ｕ３）が与えられる第２の非同期入力（ＣＬＥＡＲ）とを有するフリップフロップである
   ことを特徴とする請求項２に記載の検出回路（ＣＤ）。
4. 前記コイル（ＢＮ）の前記第２の端子と当該検出回路（ＣＤ）のアースとの間で分岐している抵抗（Ｒｓ）を有する
   ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の検出回路（ＣＤ）。
5. 前記比較器（ＳＴ）は、前記第２の信号（Ｕ２）が与えられる入力を有するシュミット式トリガーである
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の検出回路（ＣＤ）。
6. 前記パルス発生器（ＧＰ）は、前記出力信号（Ｕ５）の状態の１つによって、前記基準パルス（ＩＰ４）の初期の持続時間（ｔｐｗ４）が減少し、前記状態の他の１つによって、前記基準パルス（ＩＰ４）をその初期の持続時間（ｔｐｗ４）に戻すように構成している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の検出回路（ＣＤ）。
7. 前記パルス発生器（ＧＰ）は、クロックパルス（Ｕ０）が与えられる第１の非同期入力（ＴＲＩＧ）と、及び前記出力信号（Ｕ５）が与えられる第２の入力とを有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の検出回路（ＣＤ）。
8. 前記第２のフリップフロップ（ＢＤ２）は、前記第１の信号（Ｕ１）が与えられる第１の同期入力（Ｄ）と、及び前記基準信号（Ｕ４）が与えられる第２の入力（ＣＬＫ）とを有するフリップフロップ（Ｄ）である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の検出回路（ＣＤ）。

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