JP4809829B2 - 誘導位置センサー - Google Patents

Description

関連する適用への言及
本出願は、2004年4月9日出願の米国仮特許出願第60/561,065号、2004年8月2日出願の米国仮特許出願第60/598,192号、および「コモンモード補償巻線および単純化された信号処理を備えた誘導位置センサー」と題される2005年4月7日出願の米国仮特許出願第60/669,145号の優先権を主張している。それら文献の全ての内容が、参考されている。

この発明は、回転するアクセルペダルのような移動可能な部分の位置の測定のための非接触誘導センサーに関係する。

自動車のような動力車両には、エンジン・スピードをコントロールするユーザ操作コントロールが提供されている。典型的には、ユーザ操作コントロールは、典型的にアクセルペダル、またはスロットルペダルと呼ばれるフット・ペダルを下方端に有するペダルアームを含む。ペダル・アセンブリーは、エンジンに関連したエンジン・スロットル・コントロールに送信されるスロットル制御信号を提供する。通常、アクセルペダルとエンジン・スロットル・コントロールの間には機械的な接続がある。また、スロットル制御信号は機械的な信号である。しかしながら、電子制御スロットル・コントロールシステムへの最近の傾向があり、これは、時々フライバイワイヤー・システムと呼ばれ、このシステムにおいては、アクセルペダルあるいは他のユーザ操作コントロールは、エンジン・スロットル・コントロールと電気的に通信する。スロットル制御信号は電子信号である。商業的に受け入れられるためには、そのような電子スロットル・コントロールシステムは信頼できるものでなければならないし、製造が過度に高価に成るべきではない。従って、エンジン・コントロール適用例のための改善された誘導位置センサーの必要性がある。同様に、改善された誘導位置センサーから利益を得られる他の多くの位置検出適用例がある。

移動可能な部分の部分位置を決定するための装置は、電気的エネルギー源によって励起される場合に電磁放射を生成する送信機コイル、送信機コイルに接近して設置され、送信機コイルが受信機コイルと送信機コイルの間の誘導結合により励起される場合に受信機信号を生成する受信機コイル、およびカプラー要素を含む。カプラー要素は移動可能で、例えば機械的な取り付けあるいは他の機械的な結合によって部分位置と関連するカプラー要素位置を有する。カプラー要素は、受信機信号が部分位置と関連するように送信機コイルと受信機の間の誘導結合を変更し、カプラー要素は、金属板、導電ループであるか、又は複数の導電ループから構成することができる。

代表例において、受信機コイルは第１ループ構成および第2ループ構成からなるが、第1ループ構成および第2ループ構成は、同じ方向から見られた時に反対の巻線方向を有している。送信機コイルと第１ループ構成の間の誘導結合は、第１信号を発生する。送信機コイルと第２ループ構成との間の誘導結合は第２信号を生成し、受信機信号は、互いに反対の第１および第２電圧の和の様な、第１信号と第２信号との組合せである。送信機コイルは1ターン以上のループとすることかできる。第１ループ構成と第２ループ構成は、送信された磁束が磁場の方向で空間変動を有するように反対の捲線方向を有しており、反対の磁場方向の領域を含む。従って、カプラー要素を、受信機コイルに誘起される傾向がある逆信号間の比率を変更するために使用することができる。

カプラー要素の回転あるいは直線運動は、例えば、反対の方向（具体的には、時計回り方向及び反時計回り方向）に捲かれた第１および第２部分を有する受信機コイル内で第２電圧に対する第１電圧の比を変更することによって、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合を変更するためにも使用することができる。カプラー要素位置は、例えばペダル位置と関連させられることができ、例えば、ペダルの動きはカプラー要素の角度位置に機械的に結合される。

本発明の他の例では、誘導センサーは参照コイルを含む。送信機コイルが、送信機コイルとカプラー要素位置に実質的に依存しない参照コイルとの間の第２誘導結合により励起される時に、参照コイルは参照信号を生成する。
参照信号は、例えば、温度、送信機の励起電圧、およびコイルとカプラーの相対的な分離における変化のようなコモンモード因子による、カプラー要素位置変化によらない受信機信号における如何なる変化も補償するために使用することができる。電子回路を、参照信号と受信機信号の比率である比率信号を形成するために提供することができる。
比率信号は、部分位置を決定するために使用される。

本発明の例は、自動車または他の移動可能な物体の位置におけるスロットルペダル位置検知器での使用に適応することができる誘導位置センサーを含む。代表例において、センサーは送信機コイルおよび受信機コイルを含み、これらは両方ともプリント回路板上にプリント回路技術によって形成される。送信機コイルおよび受信機コイルの間の誘導結合は、送信機コイルは、それが例えば交流電源によって励起される場合、受信機コイル中に受信機信号を誘起する。移動可能な物体に取り付けられたカプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を空間に変更し、受信機信号が移動可能な物体の位置を見出すために使用されることを可能にする。

AC電源によって電力が供給される送信機コイル（時々励起子コイルと呼ばれる)、送信機コイルによって生成された時間変動磁界に応じて誘導信号を生成するための受信機コイル（即ち、ピックアップ・コイル)、および時間変動磁場がカップラー要素に渦電流を発生し、カップラー要素の位置の関数で、受信機内に誘導される電流を変更するようにして、コイルに近接して設置された導電要素を使用する誘導位置センサーが記述される。

カプラー要素は、自動車のスロットルペダルのような、位置が測定されることになっている移動可能な部分に接続され、カプラーの角度（あるいは回転）位置がスロットル要素の位置の関数であるようにされる。したがって、受信機又はピックアップ・コイルに誘導された電圧は変化し、受信電圧を検知することによって、カプラー要素の位置およびしたがってスロットルペダルの位置を決定するとこができる。この信号は乗り物のエンジンの速度をコントロールするために使用することができる。

本発明の例は、反対方向に捲かれた部分を有する受信機コイルを含んでいる。例えば、受信機コイルの第１部分は、反時計回り方向に、捲かれており、第２部分は、時計回り方向に捲かれており、２つの部分は好ましくは、異なる空間の範囲を有している（即ち、完全にはオーバーラップしない）。用語、第１ループ構成および第２ループ構成はそのような部分に使用される。そのような受信機コイルからの受信機信号は、受信機コイルと送信機コイルとの間の磁束結合の強度に対してだけでなく、送信機コイルから始まり受信機コイルを通り抜ける磁束の空間分布にも敏感である。

一般的なセンサーの例
誘導位置センサーの一例は、励起交流電源に接続された送信機コイル、および受信機コイルを含む。送信機コイルおよび受信機コイルが、実質的に、同じ面、あるいは同じ回路板の異なる層の上で、同じプリント回路板上に支持される。移動可能なカプラー要素は回路板に近接して支持され、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合を変更する。一例において、カプラー要素は、送信機コイルおよび受信コイルの一方または両方の中心軸とすることができる回転軸の回りに回転する。カプラー要素位置は、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合の変化により、送信機コイルによって誘起される受信機信号の振幅を変更する。

上述されたセンサーの例では、受信機信号の振幅は、また、実質的に生産状況である程度変化するカプラー要素とプリント回路板との間のギャップの関数である。励起子または供給電圧の変化、EMCおよび温度差のような他のコモンモード信号と同様にギャップに起因する変化に対して受信機信号を修正するために、参照コイルも、例えば送信機コイルおよび受信機コイルと同じプリント回路板上で形成されて使用することができる。参照コイルは受信機コイルと同じ信号を受信するが、それは、参照信号が、カプラー要素の回転位置における変化に不感であるように構成される。信号処理回路は受信機信号および参照信号を受け取り、受信機信号と参照信号の比率を表す比率信号を形成する。比率信号はカプラー要素位置と関連するが、さらに下に議論されるように、合理的な変化内では、ギャップ変化および他のコモンモード因子に実質的に依存しなくすることができる。

プリント回路板は、電気エネルギー用入力、および受信機信号および参照信号を提供する出力を有して形成することができる。代替的に、回路板上の電気回路を、受信機信号と参照信号の比率のような比率信号を生成するために使用することができる。信号処理回路を、参照信号で受信機信号を除算して、カプラー位置の関数でない信号変化を実質的に除去するために使用することができる。

本発明の実施の形態に従う誘導センサーは、コルピッツ発振器のような交流電源に接続された送信機コイル(励起子コイルとも呼ばれる場合もある)、受信機コイル、および送信機コイルと受信機コイルに対して、カプラー要素の位置が送信機コイルと受信コイルの間の誘導結合の強さに影響するような物理的関係で支持されるカップラー要素を含む。受信機コイルによって提供される受信機信号はカプラー要素の位置と関連させることができる。

送信機コイル
送信機コイルは従来の環状コイル設計での1つ以上のループとすることができるが、他の構成も使用することができる。励起子コイルとも呼ばれる送信機コイルは交流電源によって励起される。励起電源又は交流電流は、コルピック発振器あるいは他の電子発振器のような電子式発振器とすることができる。電気エネルギーによって励起した時、送信機コイルは電磁放射を放射する。送信機コイルと他の近くのコイルの間に誘導結合があると、コイル中の信号が誘起される。
送信機コイルは1つ以上のターンがある環状コイルとすることができる。励起信号は交流電源によって送信機コイルに供給される。送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合は、受信機コイル中に受信機信号を生成する。

カプラー要素
カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更する。本発明の一例では、カプラー要素は送信機コイルと受信機コイルの間に位置する必要はない。例え、それが、便利な構成であったとしても。さらに、本発明の一例では、カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の磁束結合の合計を変更する必要はなく、単に磁束結合の空間分配を変更することもできる。カプラー要素は、それが導電体プレートの場合、渦プレートと呼ばれることもある。

カプラー要素は、形において一般的に平面で、1つ以上の放射状に伸びる突出部を含み、一つの突出部又は複数の突出部によって受信コイルの中心線の回りを回転でき、プリント回路板と平行で且つ近くに間隔を空けて支持することができる導電要素とすることができる。突出部の構成は、受信機コイルの構成に大きく依存する場合がある。カプラー要素は移動可能な物体に取り付けられるかまたは機械的に結合され、その結果、その回転位置は移動可能な物体の位置の関数である。さらに下に記述される受信機コイルの構成は、カプラー要素の位置の関数である電圧が受信機コイルの出力に現われるものとすることができる。

乗り物への適用例の一例では、カプラー要素は移動可能なペダルアームあるいは他の乗り物のコントロールアームに、取り付けられか、機械的に結合され、その結果、その回転位置は移動可能なアームの位置の関数である。
カプラー要素は、受信機信号が最小である、受信機コイルに対する最初の位置を有することができる。カプラー要素が最初の位置から移動するとともに、それは送信機コイルと第１および第2ループ構成の間の誘導結合を変更する。本発明の例では、カプラー要素の最初の配置構成では、第1と第2信号が同様の大きさで、反対の位相を有しており、それらは、互いに相殺する傾向がある。カプラー要素が移動するとともに、送信機コイルと第１ループ構成の間の誘導結合は増加し、同時に送信機コイルと第２ループ構成の間の誘導結合は減少する。第１及び第２信号間の強度差が増加するので、受信機信号は増加する。

受信機コイル
用語「受信機信号」は、受信機コイルに誘導される信号、および受信機コイルに誘導された信号に基づいた任意の条件つきの信号を示すために一般に使用される場合がある。下に議論された例において、単一の受信機信号が、第１と第2ループ構成で形成された第1と第2信号からの寄付を含んで、受信機コイルによって提供される。受信機コイルは、第1と第2信号を提供する第１ループ構成および第２ループ構成をそれぞれ含むことができる。従って、受信機信号はそのとき第1と第2信号のある組み合わせである。例えば、第１と第2ループ構成は、反対位相の信号を生成するために形成するとこができ、受信機信号が、第１および第２信号の組み合わせであり、従って、第１と第2信号が同様の大きさを持っている場合、受信機信号は最小値を持つ。受信機信号の大きさが、第１ループ構成で誘導された第１信号の振幅と第2ループ構成で誘導された第2信号の振幅との差であるので、受信機信号は、差信号と名付けることができる。

本発明の他の例では、受信機コイルは、個別のループ構造からの分離した第1及び第2信号を、処理のために電子回路へ供給する場合がある。
受信機コイルの第１と第2ループ構成を、受信機コイルを介して磁束の変化を与えるために反対の極性の第1と第2電圧を供給するように形成することができる。第１信号と第2信号はカプラー要素がない状態で互いに打ち消すように、受信機コイルを形成することができる。カプラー要素は、さらにそれが第1ループ構成および第2ループ構成への磁束送信を等しく阻止するゼロ位置を有し、その結果、第1信号および第2信号は有効に相殺するようにすることができる。カプラー要素が、第1位置に対して第1方向に動くとともに、第2信号を誘導する磁束をより多く阻止し、かつ第1信号を誘導する磁束をより少なく阻止する。従って、第1信号の大きさが増加すると、第2信号の大きさが減少し、受信機信号の大きさは増加する。カプラー要素はさらに、第2信号の大きさが増加して、第1信号の大きさが減少する第２方向でも移動可能とすることができる。

参照コイル
本発明の更なる例では、カプラー要素の位置に実質的に依存しない参照信号を提供する、差のダミーと呼ばれる場合もある参照コイルが設けられる。しかしながら、参照信号は、一般的にコモンモード因子と呼ばれることもある受信機信号の強さに影響を及ぼすのと同じ因子に敏感である。コモンモード因子は、下記の1つ以上を含むことができる。カプラー要素と送信機(あるいは受信機)コイルとの間のカプラー・ギャップ、送信機コイルに印加された励起電圧における変動、受信機雑音を引き起こす環境電磁界、温度差およびその他同種のもの。

センサー出力がセンサーの形状に関しての生産変動と無関係の標準形をとるように、誘導センサーを正確に校正することができる。
自動推進システムでは、（プリント回路板上で支持される場合がある）コイルと（アクセルペダルにリンクされる）カプラー要素の間のカプラー・ギャップは、受信機コイル中に誘導される信号に強く影響を及ぼす。また、このカプラー・ギャップは大量生産プロセスで正確にコントロールするのが難しい。しかしながら、校正プロセスは故障と費用高の原因となりうる。

従来の誘導センサーは、温度のようなコモンモード因子用の広範囲な校正曲線を必要とする。例えば、従来の誘導センサーは、温度補正を実行するために、温度センサー、温度補正因子の参照テーブルおよび回路を含んでいる場合がある。
本発明の例に従って比率信号を使用することにより、この追加的な複雑性および関連する信頼性の無さをかなり回避することかできる。
受信機信号および参照信号の比率として比率信号を決定することによって、コモンモード因子の影響は非常に抑えることができ、その結果、比率信号は、コモンモード因子に実質的に依存しないが、カプラー位置とは関連させられる。アナログ回路は比率信号を決定することができる。

参照コイルは受信機コイルにある程度類似しているかもしれないが、送信機コイルによって参照コイルに誘導された基準電圧を、カプラー要素の位置に実質的に依存しない方法で形成することができる。例えば、図8に関して実施例がさらに下に議論される。送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合に影響するように、送信機コイルと参照コイルとの間の誘導結合は、同様のコモンモード因子によって影響される。これらの要因は、カプラー要素と送信機コイルおよび受信機コイルを支持するプリント回路板との間のギャップ、または、カプラー要素と送信機コイルあるいは送信機コイルを支持する他の構造との間のギャップ、を含む場合がある。
参照コイルの使用して補償されることができる他のコモンモード因子は、送信機コイル用の交流電源における変動から生じる受信機信号変動、センサー・オペレーションと無関係な迷電磁気信号から引き起こされた電圧に起因する変化、温度差およびその他同種のものを含む場合がある。

乗り物への適用例では、回転位置がスロットルペダル位置の関数であるように、カプラー要素は、機械的にスロットルペダルに接続することができる。本発明の適用例は、カプラー要素が、位置がモニターされると望まれる移動可能な部分に取り付けられ、送信機コイル、受信機コイルおよび支持する回路がプリント回路板のような基板に配置される構成を含む。基板は、内部で移動可能な部分が動くハウジング又は他の構造によって収容可能か、又は、近接して固定される。例えば、移動可能な部分はペダルとすることができる。また、ペダルハウジングはコイルが印刷されるプリント回路板を収容するように形成することができる。製造組立変動が、カプラー要素とプリント回路板との間のギャップにおける変化に結びつく場合がある。また、参照コイルの使用は、広範囲な測定プロセスの必要無しでそのような生産変動に対する補償を可能とする。

コイル組立体は、多数の形態をとることができる。例えば、コイルは異なる数の磁極に巻くことができるが、それは、センサーの位置分解能に影響する。カプラー要素の位置が受信機信号の振幅を変調するように受信機コイルが形成される。参照コイルは、使用された場合、参照信号がカプラー要素の位置に実質的に依存しなく、その結果、参照信号および受信機信号を使用して導出された比率信号も、カプラー要素の位置と関連するが、実質的に温度のような要因とは無関係であるように形成することができる。
1例において、送信機コイル、受信機コイルおよび参照コイルはプリント回路板上に印刷される。回路板は多層プリント配線基板とすることができる。他の例において、コイルは個別の構造上に形成することができる。
図1は、平面図で送信機と受信機の巻線の1つの形態を例示する。図4の中で概略的に例示されたオプションの参照コイルは、同じプリント回路板上で、送信機と受信機コイルへの重ね合せとして形成することができる。

送信機コイル１２は、プリント回路板（ＰＣＢ）１０の上に形成されて、一般に半円の構成を有する1つ以上の印刷されたループから成る。同じPCBの上で形成することができる発振器１４は、送信機コイルに接続され、送信機コイルに交流（励起信号）を供給し、交番する電磁界を生成する。それは、続いて誘導結合によって他の近くのコイル中に信号を誘起する。
受信機コイル１６は、好ましくは送信機コイル１２によって定められた領域内にある外周を有している。この例において、受信機コイルは第1と第2ループ構成16aおよび16bを含むが、これらの各々は、環状領域のおよそ90度のセクターを表わす。2つのループ16aおよび16bは、横断する導電体の間には電気的な接続の無い反転接続18によって接続される。この受信機コイルは、電流が受信機コイル１６中を流れる場合、電流は、セクション１６aおよび１６bの中を逆方向で流れよう。図1で例示されるように、時計回り方向の電流がセクション16a内を流れる時は、反時計回り方向の電流がセクション16b内を流れる。

従って、受信機コイルは、第１ループおよび第２ループを含み、ループは反対方向（即ち、時計回り方向又はその逆）に捲かれ、且つ異なる空間の範囲を有している。図1に例示された例において、第１および第２ループは、重なった空間の範囲を持っていないが、他の例においては、いくらかの重なりがあるかもしれない。
移動可能なカプラー要素を使用しての、送信機コイルと受信機コイルとの間の磁束結合の空間分配の変更によって、受信機信号は、カプラー要素の位置と関連した仕方で変化する。
この例において、第１ループは第１信号を提供し、第１電圧は第１ループと送信機コイルとの誘導結合によって誘起され、第２ループは第２信号を提供し、第２電圧は第２ループと送信機コイルの間の誘導結合によって誘起される。第１と第2ループは、反対向きに捲かれており（即ち、時計回り方向と反時計回り方向又はその逆）、第１電圧と第２電圧とは逆である。

送信機と2つのループとの間の誘導結合が類似していれば、誘起された電圧は互いに逆抗する傾向があり、受信機信号は最小になり、それは0となる場合もある。
図1は、ほぼ半円の配置で構成された2つのループ構成を示す。線形位置センサーでは、そのようなループ構成は線形の配置で構成することができる。さらに、如何なる数の連続ループ構成も存在しえる。
図2は、回路板に実質的に平行で且つ近接する導電材料によって作られたカプラー要素２０を示す。平面図である図１と関連して、回路板が水平断面として示されている。カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の誘導結合を減少する。図は、送信機コイル10および受信機コイル16を示す。カプラー要素は、例えば自己支持金属板、あるいは、銅コート回路板として形成されたような基板上に支持された金属フィルムとすることができる。

図3は、発振器14に接続された送信機コイル１２および受信機コイル１６で、回路板10を覆った、カプラー要素２０の平面図を示す。カプラー要素２０は、送信機と受信機のコイルの面と実質的に平行な面で、接続部材２４によって、軸２２のまわりで回転される。
カプラー要素が、2つのループに対して、中央に置かれると、ほぼ等しい程度で、送信機コイルと2つのループの間の磁束結合を阻止するであろう。
従って、各ループに引き起こされた電圧はほぼ同じになるだろうが、逆である（等しいが、誘起された交流電圧の位相はずれている。）、従って、受信機信号は最小になるであろう。

しかしながら、カプラー要素が、例えば時計回り方向で、軸22の回りを回転すると、それはより大きな程度で送信機コイルと第２ループ(図1の右側)の間の磁束結合を阻止し、より少ない程度で送信機コイルと第１のループ(図1の左側)の間の磁束結合を阻止するであろう。従って、第１のループ中に誘起された電圧の大きさは第２ループ中に誘起された電圧より著しく大きくなるであろう。また、受信機信号は増加するであろう。

この配置の別の特徴は、例えば受信機信号の位相が決定される場合、カプラー要素の回転の方向を感知できるということにある。関連する回路は、それぞれ逆位相を有する交番電圧を、定められたグランド電圧に対して、それぞれ逆の極の直流電圧に変換する。
例えば、カプラー要素20は、それが、実質的的に90度の環状セクタの形態を有し、常に受信機ループ16aまたは16bの一方または送信機ループ12の実質的に半分を覆うことができるようにすることができる。
図３は、カプラー要素20が、自動推進体のアクセルペダルのピボット回転可能なペダルアームによって駆動される適用例に対応することができ、その結果、カプラー要素20の角度(あるいは回転)位置はペダル位置の関数となる。そのような適用例では、受信機信号はペダル位置と関連させられ、エンジン・スピードをコントロールするために使用することができる。

図4は、対称的な関係で、コイル12および16と共に回路板10に重ねることできる参照コイルを例示する。参照コイルは、恐らく多層回路板内に、他のコイルと同じ回路板によって支持することができる。
参照コイル26は受信機コイル16に対して同様の構成を有しているが、単に単一のループを使用する。したがって、カプラー要素20の角度(回転)位置は、参照コイル26へ誘導される電流に影響しない。カプラー20は、実質的に、(ある角度の範囲内の)参照の回転位置と無関係に、参照の半分をカバーする。また、コイル26へ誘導される電流の大きさは、カプラー20の回転した位置と無関係で、実質的に同じである。しかしながら、電磁干渉、励起電圧変動、温度変化によって作りだされた変動、およびカプラー要素20とプリント回路板10との間のギャップ位置における変動のようなコモンモード信号は、参照コイル14で誘起された電圧に影響するのと同じ方法で、受信機コイル26に誘起される電圧に影響する。

図5は、本発明の例に従って誘導センサーを組込んでもよい電子回路の単純化された概略図である。電子回路は、例えば、乗り物のエンジンのための制御信号を引き出すためにセンサー出力信号を処理するために提供される。
発振交流電源14は励起コイル12に結合される。カプラー20は、便宜のために、励起コイル12と受信機コイル16および参照コイル26との間に設置されてここでは例示されている。受信機コイル16と参照コイル26の出力は、アンプ44および46を通して、それぞれ、1対の乗算器48および50に供給される。復調器48および50は、さらにそれらの第２入力として発振器信号14を受信し、それらは、復調器の役割をする。復調乗算器48および50の出力は、一対のローパス・フィルタ52および54にそれぞれ供給される。ローパス・フィルタの出力は除算器56に渡される。

ローパス・フィルタは、一定の参照コイル信号および実質的にカプラー24の位置の関数であるフィルタ52からの信号を抽出する。除算器56によって、参照コイル信号でカプラー依存信号を割ると、カプラー要素とプリント回路板の間のギャップにおける変動、励起電圧における変動、電子雑音およびその他同種のものによる信号レベル変動のようなコモンモード変動が実質的に削除される。
除算器56の出力は制御信号58を構成する。自動推進体の適用例では、これはエンジンの速度をコントロールするために使用されてもよい。別の回路を、信号の利得を前もって定義したポイントでゼロに調整し、また出力信号の上方および下方クランプレベルを調整するために、付け加えることができる。

図1では、送信機コイルは単一のターンを含むこととして示された。しかしながら、多数のターンが使用されてもよい。同様に、受信機コイルの第1と第2ループ構成は多数のターンを有してもよい。
例示的な自動推進への適用では、ペダル位置がカプラー要素の位置をコントロールするように、スロットルペダルはカプラー要素に機械的につながれる。例えば、カプラー要素は、電子回路を収容し且つ送信機と受信機コイルを支持する回路板の面の中で回転することができる。
図6は、カプラー要素62のような多くの導電パッチを有する回転するディスク60を含む誘導センサーのさらに別の例を例示する。誘導センサーはさらに送信機コイル64、参照コイル66および受信機コイル68を含んでいる。参照コイルは、図8の中でより明白に示される。

送信機コイルは、送信機コイル端86および88に接続された交流電源によって励起される。励起された送信機コイルは電磁界を生成する。それは、誘導結合によって参照コイル66および受信機コイル68中に信号を誘起する。送信機コイルと参照コイルおよび信号コイルの両方との間の誘導結合は、カプラー要素62のようなカプラー要素によって変更（減少）される。しかしながら、送信機コイルと参照コイルとの間の誘導結合は、回転カプラーの角度の位置に敏感ではない。対照的に、受信機信号は、回転ディスク60の角度の位置に敏感である。その結果、受信機信号および参照信号の比率は、回転カプラーの角度の位置と関連させられ、同時に、送信機コイルと回転ディスクとの間のギャップのような、上に議論されるコモンモード因子に関して修正される。受信機信号は受信機コイル端70と72の間で得られる。

受信機コイルの外周は、78、74および76のような連続するセグメントを含み、連続するセグメントは、第１ループ構成あるいは第２ループ構成の一部であるように交替する。例えば、外部セグメント74は、放射状スポーク80によって接続された内部のセグメント82と同じループ構成の一部であり、両方とも第１ループ構成の部分である。外部のセグメント76、78および内部のセグメント84は第２ループ構成の一部である。例示されたように、80のような放射状スポーク、第2ループ構成の一部は、それの後ろの第２放射状スポークを隠す。隠されたスポークは第1ループ構成の部分である。2つのループ構成は、逆にする接続によって相互に連結させられ、その結果第1ループ構成の中の第1信号および第2ループ構成の中の第2信号は、互いに逆であり、2つのループの各々への誘導結合が同じならば、相殺する。例えば、回転カプラーが削除される場合、その相殺が生じる場合がある。位置センサーの適用例において、回転カプラー要素が、一方のループ構成への誘導結合が減少され、別のループ構成への誘導結合が増加させられる位置へ移動することができる場合、受信機信号はカプラー要素位置と関連する仕方で変化する。

この例において、第１ループ構成は、内部セグメント、放射状スポーク、外部セグメント、放射状スポーク、内部セグメントなどによって形成された、多くの放射状に伸びる突出部を含む。第1と第2ループ構成の放射状の突出部は、図6の中で示される受信機コイル内で交互になる。さらに、例の図6の中で示されるように、カプラー要素は、第１または第2ループ構成の放射状の突出部の角度幅の2倍の角度幅を持っているセグメントである。図示されるように、受信機コイルは実質的に完全に、半径方向に直角の放射状のコンダクタ、あるいは要素から作られる。

図7は、本発明の別の例による誘導センサーの単純化された概略図である。センサーは受信機コイル(下に議論される)、参照コイル104、102のような導電カプラー要素を有する回転カプラー103、および送信機コイル100を含む。受信機コイルは、106と108で第１と第2ループ構成をそれぞれ含む。これらのループ構成は説明の便宜のために分離される。しかしながら、もし望まれれば、受信機コイルはそのような分離されたループ構成を含むことができる。右に図示された受信機コイルは、交替するラベルSおよびNと共に、110と112のような突出部を有効に含んでいる。この集合体は第1と第2ループ構成を示しているが、これらは、1つの突出部を通過する反時計回り方向の流れが隣接した突出部に時計回り方向の電流を流すように相互に接続されており、連続の放射状に伸びる突出部の中に方向が交替する磁界を引き起こす。言いかえれば、交差接続は、2つのループ構成が励起された送信機コイルからの電磁界にさらされる場合に、受信機コイルの中に逆に誘起された電圧を作成するために使用することができる。軸103の回りで回転するカプラー102の回転は、送信機コイル100と受信コイルの2つのループ構成の間の誘導結合を変更するが、送信機コイルと参照コイル104の間の誘導結合に著しく影響を及ぼさない。

図8は参照コイル構造の一例を示すが、一つの外部ターン120および2つの内部ターンを有している。コモンモード因子の影響を実質的に除去する参照コイルの使用が、より詳細に他のところで議論された。2つの内部ターンは、軽く突出した接続122を通じて外部ターンに接続され、それは、電気的コンダクタ間での電気的な接触を回避する。参照信号は、124で得られる誘導電圧である。
図9は、さらに、外部ループ126の単一ターンおよび内部ループ128の2つのターン通っての電流の流れを例示する。参照信号は130の基準電圧出力になり、内部ループおよび外部ループ内に反対された誘起された電圧の合計になる。

参照コイルが電流源に接続されると、内部ターンおよび外部ターンに沿った電流の方向は、反対の向きであり、例えば、図9の中の矢印によって図示される様に、外部ターンに沿って時計回り方向であり、内部ターンに沿って反時計回り方向である。
この例において、参照コイルは、外部直径D₀と内部直径D₁を有する。参照コイルの一般的な位相幾何形状は、カプラーが削除された場合、出力がゼロであるような状態である。それは次の関係：n_iD_i ²＝n_oD_o ²を利用して、参照コイルを構成することにより達成することができる。n_iは内部ターンの数で、n_oは外部ターンの数である。図8および9の例では、参照コイルは1つの外部ターンおよび2つの内部ターンを有している。

例示の参照コイルは電子スロットル・コントロールへの適用のために設計された。一例において、参照コイルは、17.7mmの内径(2ターン)および外径(25mmの1つターン)を有していた。別の例において、参照コイルは、14.4mmの内径(3ターン)および25mmの外径(1つのターン)を有していた。参照信号は、内部ターンからなる1個のコイルによって生成される電流と、外部ターンからなる第２コイルによって生成される反対方向の電流との合計と見なすことができる。カプラー要素は、第2コイルへの誘導結合を部分的に阻止し、外部ターンに結果の信号を導く。しかしながら、結果の信号は、カプラー要素の位置に実質的に依存していない。参照コイルは、コイル構成の放射状の部分中の誘導された信号が打ち消されるように、設計することができる。

図10Aは、例えば、回転ディスク142上で支持されることができるカプラー要素140を図示している。カプラー要素は、内側周囲、回転軸から測定されるような弧の半径の2倍に相当する内側カプラー直径D_Clを有する環状弧、および外部カプラー直径Dcoを有する外側周囲を有している。
図10Bは、受信機コイルの単純化された概略図を図示している。カプラー要素140は、受信機コイルの1対の隣接した突出部の範囲を定める。この単純化された概略図では、受信機電圧を得る受信機コイル中のタップは図示されていない。交互の外部のセグメント144および146は、第1と第2ループ構造の部品にそれぞれ相当する。受信機コイルを流れる電流は、反対方向(時計回り方向と反時計回り方向)で流れる。一定の電流がコイルを流れる場合、電流方向は、隣接した外部セグメント間、およびさらに隣接した内部セグメント間で交番する。放射状スポークは、内部セグメントから外部セグメントまで電流を運ぶ第１ループからの導電体、および反対方向に電流を運ぶ第2ループからの導電体に対応する。受信機コイルは内側受信機直径および外側受信機直径、それぞれD_RIおよびD_ROを有している。

本発明の一例に従う誘導センサーは、図10Aのカプラー要素、図10Bの受信機コイルおよび励起子直径D_Eの多数の環状ターンを有する送信機コイルを含む。本発明の一例では、内側カプラーの直径は、内側受信機の直径とほぼ等しく、外側カプラーの直径は、励起子直径とほぼ等しい。また、励起子直径は外側受信機直径より大きい(あるいはほぼ等しい場合もある)。カプラー、受信機コイルおよび送信機コイルは共通の中心軸を有している。
図10Bは、同心の内側周囲および外側周囲を有する、受信機コイルを図示している。各周囲は、湾曲した導電セグメント、反対方向の電流を運ぶ交替セグメントを含む。受信機コイルは、小さな構造の外径は、次に大きな構造の内径とほぼ等しくして、多くのそのような構造の同心の組合せを含むことができる。他の例において、10Bの中で示される放射状スポークは抵抗素子とすることができる。

図11は、反対方向に電流を運ぶ、連続の外部導電セグメント150および152と共に、受信機コイルの別の実例を示している。電流がコイルを通過する場合、連続の突出部154および156は反対の磁界を生成する。
発明の他の適用例では、カプラーを駆動するために他の機械的な要素を使用することができる。カプラー運動は線形、回転、あるいは回転と1つ以上の方向の直線運動との組合せとすることができる。
カプラー要素は、その位置が測定されることになっている移動可能な部分の組込み部分か、移動可能な部分に取り付けることができるか、あるいはそうでなければカプラー要素位置が移動可能な部分位置と関連させられるように機械的に連結されることができる。

バイポーラ送信機コイル
発明の他の例では、図12の中で示されるように、送信機コイルは形成されることができる。矢印は、交流励起の1つのサイクルの流れの方向を示した。送信機コイルは、バイポーラと名付けられることのできる構成を有し、第１ループ160および第２ループ162を有し、それらの内部領域は、それぞれ、時計回り方向電流および反時計回り方向電流によって囲まれる。従って、2つの送信機コイルループは、互いに逆抗する方向を有する磁界を生成する。この構成は、各々約180度の2つの突出部を有して、記述することができる。しかしながら、4、6、8あるいは他の数のようなより多くの突出部を使用することができる。その結果、送信機コイルは、異なる空間領域からの反対の磁束を生成する。

図12の中で示されるような送信機コイルを使用すると、この例において1つ以上の環状ターンを有することができる受信機コイル中に誘起された電圧は、2つの反対方向の磁界からの磁束結合の逆の効果により、カプラー要素がない状態でゼロになるように構成することができる。
しかしながら、カプラー要素を、第1または第2ループからの磁束を選択的に阻止するために使用することができ、カプラー位置と関連させられる受信機信号を導く。上に議論された他の例でのように、カプラー要素は、送信機コイルと受信機コイルの間の磁束結合の空間分配を変更して、カプラー要素の位置と関連する受信機信号を導く。
送信機コイルは、特別の時に、磁界方向にある空間分配を有する磁束を発生するが、カップラー要素は、受信機信号がカプラー位置と関連させられるように、空間分配を変更する。積分量としての全磁束結合は、カプラー要素の動きと共には変化する必要はない。

他のカプラー要素の構成
カプラー要素は、カプラー要素の中で生成された渦電流による送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を阻止し、磁束から有効に受信機コイルを保護する。カプラー要素はプレート状である必要はない。
図13は、カプラー要素の別の可能な例を図示しており、ペダルのような移動可能な部分が移動されるとともに回転するとこができるディスク184は、その上に配置された2つのカプラー要素を、第１カプラー・ループ180および第２カプラー・ループ182の形で有する。送信機コイルによって生成された磁束によって、渦電流がこれらのループの中で生成することがある。また、これらの渦電流は、同様の大きさの導電プレートに対するのと同様な方法で磁束から受信機コイルを有効に保護する。従って、カプラー要素は、導電プレート、導電ループあるいは、例えば、重量を減らすかあるいは磁束をカプラー要素を通り抜けさせるために空けられた穴を有するプレート、又は少なくとも一つの導電周辺ループを持っている1つ以上の開口を一般的に有するプレートのような他の構造の形態とすることができる。

例えば、図6で示されるように、送信機コイルが環状ループである様な例において、カプラー要素が軸の回りを回転し、カプラー要素は内部の環状弧と外部の環状弧を含む周囲を有して構成することができ、内部及び外部の環状弧は放射状の側部によって接続されている。この情況では、半径および環状弧は、中心軸を中心とする幾何形状を意味している。例えば、カプラー要素周囲は、プレートの外側端あるいは導電ループの進路とすることができる。

信号処理
信号処理装置および方法が、2005年4月8日出願の「誘導位置センサー用の信号処理システム」と題される同時継続米国仮特許出願第60/669,478に記述される。
本発明の例では、受信機信号は、カプラー要素位置によって有効に変調される。しかし、参照信号はカプラー要素位置に実質的に依存しない。受信機信号は増幅され、受信機信号および(送信機コイルに供給された)励起信号と乗算され、ローパス・フィルタを通過し、カプラー要素の位置に関連するdc電圧である受信機信号を与えるために使用できる。同様に、参照信号も増幅され、励起信号と乗算され、ローパス・フィルタリングが施され、受信機信号にも影響するコモンモード因子に応じて変わるdc電圧である参照信号を提供する。その後、参照信号により受信機信号を除算したものは、カプラー要素の位置と関連するが、コモンモード因子とは実質的に無関係である。本発明の例では、このパラグラフに記述された乗算と除算のステップは、アナログ回路によって行なわれる。

上に記述されたようなアナログ除算器の出力は、図５において58に対応し、その後、さらに増幅される。出力電圧範囲は、上方および下方水準値にクランプされ、アンプ利得は、希望の傾斜(位置対出力電圧の角度)を得るために調整される。トリム抵抗器を目標値に利得傾斜を適合させるために使用することができる。例えば、希望の調整された抵抗を得るために炭素ストリップを燃やして剥ぎ取る抵抗器のレーザー・トリミングを使用することができるし、あるいは、従来の摺動抵抗器も、いくつかの適用例の中で使用することができる。自動推進体の電子スロットル・コントロールの適用例では、このトリム操作は、工場測定中に一度行うことができる。レシオメトリックセンシングの使用（参照コイルの使用）は、後者の校正調整の必要性を著しく減少する。

本発明の例では、全信号処理をアナログ回路によって行うことができる。ディジタル信号プロセサは必要ではない。他の例において、比率信号をアナログ除算によって形成し、ディジタル回路を、信号出力を所望の上方および下方水準値に調整するための使用することができる。
出力電圧が位置に完全に線形的に依存しない場合もある。線形性の使用可能な範囲は仮想的なグラントを外挿して、定義することができる。それは真のグランドに対して負の電圧の場合がある。比率信号は(受信機信号+Ａ)/(参照信号+B)の比として形成することができ、ここで、参照信号および受信機信号は、例えば、それぞれ受信機と参照信号の復調およびローパスフィルタリングすることによって得られたDCの電圧を意味している。AおよびBは、わずかに非線形応答の範囲にわたって線形であると想定することによる、仮想グランド補正である。使用可能な線形の範囲の幅は、位置の正確さの仕様によって決定することができる。補正項AおよびBは非常に類似して傾向がある。また、いくつかの例において、仮想グランド補正の同じ値をAとBの両方に対して使用することができる。

さらなる測定ステップが、下方及び上方水準電圧を調節するために使用することができる。次の議論は自動推進体の例に関係する。アイドル水準長さを使用することができる(アクセルペダルのある小さな押圧に対する一定の下方水準電圧)。定電圧を希望の傾斜位置を得るために出力電圧に加えることができる。また、これはさらにアイドル水準長さを調節する。アイドル位置は、例えば仮想グランド調節を使用して、調節することができる(下方水準電圧)。例えば、仮想グラントは、およそ0−5Vの電圧出力範囲にわたって、シャーシ・グランドに対しておよそ2.5Vとすることができる。校正は、回路板上のASICの内の切り替え可能な抵抗器を使用して、達成することができ、センサーの工場製造の間に一度だけ行われる必要がある。
本発明の例は、このコモンモード因子が、参照コイル(あるいは差動ダミー)出力を使用して補償される場合、例えば、温度測定データを格納するためにメモリを必要としない。

本発明による誘導センサーは、交流で励起される送信機巻線、受信機巻線、スロットルペダルに接続され且つ受信コイルに誘起される送信機信号の振幅を変えるための巻線に関して位置した回転可能なカプラー、および、受信機信号に似ているが、カプラー回転位置に実質的に依存しない信号を受け取り、他のコモンモード信号と同様にカプラーとコイルの間のギャップにおける変動に対して受信信号を補償するのに使用するための第3のコイル、を使用するセンサーを含む自動推進体の適用例で使用される非接触誘導センサーを含む。
本発明の例による誘導位置センサーの他の適用例は、電子サスペンションコントロール、乗り物の積載重量検知、電子ブレーキコントロール、電子クラッチコントロール、手操作コントロール、1次元以上の加速度計（例えば、加速により物体の相対的な慣性移動を検知することによる)、電子ステアリングコントロール（例えば、ハンドル回転、利用可能な場合は調整可能なテレスコーピング位置、及びハンドル回転角度）、タイヤ圧力センサー(例えば、圧力による変位を検知する)、ヨー、ピッチおよび回転コントロール、座席位置検知、および回転速度(本発明のいくつかの例)を含む。

本発明の例によるエンジン・スピード(スロットル)コントロールは、ボート・エンジン・スピード・コントロール、飛行機エンジン・スピード・コントロール、どんな種類の車両のための手操作コントロールおよび同種のものを含む。
本発明の例は、例えばMEMの構造のような、微視的な規模のような小さな距離目盛で例えば作り上げることができ、超小型電子システム、微小流体コントロール、コンピュータメモリー駆動コントロールおよび同種のもののにおいて使用することができる。
本発明の他の例では、カプラー要素は、電導流体、流体材料あるいは他の形状可変材料を含む場合がある。本発明の例は、送信機コイルと受信機コイルに近接する、導電材料の範囲のような導電材料の分布を決定するために使用されてもよい。他の例において、参照コイルおよび受信機コイルは単一の構造へ統合することができる。スイッチを、受信機コイル構成を参照コイルへ切り換え、そして、元に戻すために設けることができる。或るセンサー適用は、センサー要素に冗長性を要求する場合がある。従って、センサーは2個以上の送信機コイル、受信機コイルおよび参照コイルを含むことができる。

本発明は上述された説明例に制限されない。例は、発明の範囲に対する制限として意図されていない。方法、装置、構成、およびここに記述されたその他同種のものは例であり、発明の範囲に対する制限として意図されていない。変更および他の用途が当業者に思い浮かぶであろう。発明の範囲は特許請求の範囲によって定義される。
本明細書において言及された特許、特許出願あるいは出版物は、あたかも個々の文書が特別の目的をもって個別に参照されるようにして、同程度で参照されるためにここに開示されている。特に、2004年4月9日に出願された米国仮特許出願番60/561,065、2004年4月9日に出願された米国仮特許出願番60/561,007、2004年8月2日に出願された米国仮特許出願番号60/598,192、2005年4月7日に出願された米国仮特許出願番60/669,145および2005年4月8日に出願された米国仮特許出願番60/102,045がここに開示されている。

励起子即ち送信機コイルおよび受信機コイルの巻線の回路図であり、両方とも、プリント回路板上に形成され、本発明に関して使用される。 本発明の参照コイルおよび関連するカプラーを含むプリント回路板の側面図。 所定位置のカプラーを備えた励起子と受信機コイルの平面図。 図1-3の回路板に重ねられるが、明瞭の目的のために別々に示される本発明に関して使用される参照コイルの図。 本発明のセンサーの使用を使用する、自動推進の乗り物中のスロットルペダル位置を表す値を有する出力コントロール信号を生成するためのシステムの回路図。 本発明の一例による誘導センサーを示す。 誘導センサーの概略図。 参照コイルの設計例を示す。 参照コイルの概略図。 カプラー要素の概略図。 受信機コイルの単純化された概略図。 受信機コイルの一層の概略図。 本発明の例で使用することができるバイポーラの送信機コイルの説明図。 カプラー要素として使用される電導ループの説明図。

Claims (13)

1. 移動可能な部分の部分位置を決定するための装置であって、
   送信機コイルが電気エネルギー源によって励起される時、電磁放射を生成する送信機コイル、
   送信機コイルに近接して配置され、受信機コイルと送信機コイルとの間の誘導結合により送信機コイルが励起される時に、受信機信号を生成する受信機コイル、
   参照コイルであって、送信機コイルが送信機コイルと参照コイルとの間の第２誘導結合により励起される場合に、参照信号を生成し、第２誘導結合が、カプラー要素位置に実質的に依存しない、前記参照コイル、
   移動可能であり、前記部分位置と関連するカプラー要素位置を有するカプラー要素、および
   参照信号と受信機信号の比率である比率信号を形成するように動作可能な電子回路を含み、
   前記カプラー要素が、前記部分位置と関連するように、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更し、
   前記受信機コイルが、第１ループ構成および第２ループ構成を含み、第１ループ構成および第２ループ構成は、反対の巻き方向を有しており、
   前記比率信号が前記部分位置を決定するために使用される前記装置。
2. 前記受信機コイルと第送信機コイルとの間の誘導結合は、前記第１ループ構成に第１信号を、前記第２ループ構成に第２信号を生成し、受信機信号は、第１信号と第２信号との組合せである請求項１記載の装置。
3. 前記受信機信号は第１信号の大きさと第２信号の大きさの間の差である受信機信号強度を有している請求項２記載の装置。
4. 前記第１および第２信号が逆位相を有し、前記受信機信号が第１信号および第２信号の合計である請求項２記載の装置。
5. 前記カプラー要素位置は前記カプラー要素の角度位置であり、前記カプラー要素の回転は、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更する請求項１記載の装置。
6. 前記受信機コイルは第１ループ構成と第２ループ構成を含み、前記誘導結合は第１ループ構成に第１電圧そして第２ループ構成に第２電圧を発生し、
   前記カプラー要素の回転は、第２電圧に対する第１電圧の比率を変更する請求項４記載の装置。
7. 前記第１ループ構成および第２ループ構成の両方が放射状に伸びる突出部を有する請求項６記載の装置。
8. 前記部分位置がペダルの位置であり、ペダルの移動がカプラー要素の角度位置に機械的につながれている請求項５記載の装置。
9. 前記送信機コイル、前記受信機コイル、および前記参照コイルがプリント回路板によって支持されている請求項１記載の装置。
10. 移動可能な部分の部分位置を決定するための装置において、
    送信機コイルが電気エネルギー源によって励起される場合に、電磁放射を生成する送信機コイル、
    送信機コイルが、受信機コイルと送信機コイルとの間の誘導結合により励起される場合に、受信機信号を発生する受信機コイル、
    送信機コイルが、受信機コイルと参照コイルとの間の別の誘導結合により励起される場合に、参照信号を発生する参照コイル、および
    移動可能であり、前記部分位置と関連するカップラー要素位置を有するカップラー要素、を含み、
    前記カップラー要素が、受信機信号が部分位置と関連するように、送信機コイルと受信機コイルとの間の誘導結合を変更し、
    前記参照信号が、カップラー要素位置に実質的に依存しなく、
    前記部分位置が受信機信号および参照信号を使用して決定され、参照信号がカップラー位置と関連しない受信機信号における変動を補償するために使用される、前記装置。
11. 前記移動可能な部分は電子スロットル・コントロールのペダルアームを含み、エンジンに速度制御を供給する電子回路をさらに含む請求項１０記載の装置。
12. 前記受信機信号の表す受信機電圧を前記参照信号を表す基準電圧により除算することにより、得られる比率信号を提供する請求項１０記載の装置。
13. 前記除算が、アナログ除算である請求項１２記載の装置。

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