JP5055647B2 - 誘導式位置センサ - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本願は、ここに引用により援用される、２００７年９月２１日に出願された米国仮特許出願連続番号第６０／９７４，２０６号、および２００８年９月１６日に出願された米国特許出願連続番号第１２／２１１，３６０号の優先権を主張する。

発明の分野
Ｉ．発明の分野
この発明は一般に位置センサに関し、より特定的には誘導式位置センサに関する。

II．関連技術の説明
自動車車両では、スロットルペダルは伝統的に、ケーブルによってエンジンスロットルに機械的に接続されてきた。しかしながら、より近代的な車両では、スロットル位置センサがペダルに機械的に接続され、スロットルペダルの踏み込み度合を示す電気出力信号を生成する。そのようなシステムはしばしば、「フライ・バイ・ワイヤ」（fly-by-wire）システムと呼ばれる。

ある種のスロットル位置センサでは、トランスミッタコイルまたは励起コイルが高周波源によって励起され、それによりトランスミッタコイルが電磁放射を生成する。さらに、このトランスミッタコイルは円形パターンで配置されるが、他のパターンの構成が代替的に使用されてもよい。

位置センサには、トランスミッタコイルのごく近傍に、レシーバコイルも配置される。したがって、トランスミッタコイルに通電すると、レシーバコイルは、トランスミッタコイルとレシーバコイルとの誘導結合により、出力信号を生成する。

しかしながら、トランスミッタコイルとは異なり、レシーバコイルは、第１のループと、第１のループとは反対方向に巻かれた第２のループとを含む。したがって、トランスミッタコイルとレシーバコイルの第１のループとの誘導結合は、レシーバコイルの第２のループにおいてトランスミッタコイルによって誘導される電圧とは極性が逆の電圧を生成する。したがって、レシーバ出力信号は、レシーバコイルの第１および第２のループからの電圧信号の組合せまたは和である。

スロットルの位置を表わす出力信号を生成するために、カプラー素子が位置センサに回転可能に取付けられ、スロットルペダルの踏み込みおよび解除と同期して回転する。さらに、このカプラー素子は、トランスミッタコイルによって放出される電磁放射を伝導する材料で構成される。このカプラー素子は、トランスミッタコイルおよびレシーバコイル双方の一部の上に重なっている。したがって、カプラー素子が動いたり回転したりすると、トランスミッタコイルとレシーバコイルの第１および第２のループとの誘導結合が変化する。これは次に、カプラー素子の角度位置、ひいては、カプラー素子に機械的に結合されたスロットルペダルの角度位置の関数として変化する、レシーバコイルからの出力信号を生成する。

カプラー素子がトランスミッタコイルおよびレシーバコイルとまさに同心であれば、また、カプラー素子が動く間中、カプラー素子とトランスミッタコイルおよびレシーバコイルとの間隔が一定のままであるならば、レシーバコイルからの出力は、カプラー素子の角度位置、ひいてはスロットルペダルの角度位置を精密に示す。しかしながら、実際には、スロットル位置センサの製造時の製造公差により、カプラー素子がトランスミッタコイルおよびレシーバコイルと正確には同心ではない、および／またはカプラー素子とレシーバコイルおよびトランスミッタコイルとの隙間間隔が所望の隙間間隔と幾分異なるスロットル位置センサがしばしば生成される。

カプラー素子の枢動軸とトランスミッタコイルおよびレシーバコイルの軸との同心性の欠如を補償するために、さまざまな方策が採用されてきた。しかしながら、これらの方策は、スロットル位置センサの精密度要件を満たすよう、カプラー素子とトランスミッタコイルおよびレシーバコイルとの隙間間隔の変動を補償するには十分ではなかった。

発明の概要
この発明は、以前から公知のスロットル位置センサの上述の欠点を克服するスロットル位置センサを提供する。

簡単に言うと、この発明のスロットル位置センサは、円形構成に巻かれたトランスミッタコイルを含む。トランスミッタコイルは高周波交流電流源によって通電され、そのため、通電されると、トランスミッタコイルは電磁放射を生成する。

スロットル位置センサには、トランスミッタコイルのごく近傍に、レシーバコイルも設けられる。レシーバコイルは、互いに電気的に直列に接続された第１および第２の反対方向に巻かれたループを含む。しかしながら、レシーバコイルの第１および第２のループは互いに反対方向に巻かれているため、第１のループにおいて通電された場合にトランスミッタコイルによって誘導される電圧は、第２のレシーバループにおいてトランスミッタコイルによって誘導される電圧とは極性が逆である。レシーバループでの電圧の和が、スロットル位置センサからの出力信号を形成する。

カプラー素子が、トランスミッタコイルおよびレシーバコイルに対して可動に取付けられている。このカプラー素子は、トランスミッタコイルおよびレシーバコイルの第１および第２のループを通る誘導結合を、カプラー素子の角度位置の関数として変化させる。カプラー素子の角度位置は、ひいては、スロットルペダルの位置の関数として変化する。たとえば、カプラー素子の一方向における回転運動は、トランスミッタコイルとレシーバコイルの第１のループとの誘導結合を増加させ、同時に、トランスミッタコイルとレシーバコイルの第２のループとの誘導結合を減少させて、このためレシーバコイルからの出力信号を変化させる。カプラー素子の逆の回転方向における回転は、逆の効果を生み出す。

カプラー素子とトランスミッタコイルおよびレシーバコイルとの隙間の変動を補償するために、トランスミッタコイルは、外側ループ部分と、外側ループ部分から径方向に内側に間隔をおかれた内側ループ部分との双方を含む。次に、軸方向モジュレータコイルまたは基準コイルが、トランスミッタコイルの内側部分と外側部分との間に巻かれ、一方、レシーバコイルは、トランスミッタコイルの外側ループの少なくとも一部の上に重なる。実際、トランスミッタコイルの内側ループを設けることは、トランスミッタコイルと基準コイルとの間に追加的な誘導結合を提供することによって、カプラー素子とトランスミッタコイルおよびレシーバコイルとの隙間の変動を補償する。

図面の簡単な説明
この発明のより良好な理解は、以下の詳細な説明を添付図面とともに読むことで得られるであろう。いくつかの図全体を通し、同じ参照番号は同じ部分を示す。

トランスミッタコイルを含むプリント回路基板の平面図である。 トランスミッタコイル、レシーバコイル、および基準コイルを有するプリント回路基板の平面図である。 この発明のセンサの好ましい一実施例の分解図である。 この発明の好ましい一実施例の側面図である。 例示的なカプラー素子の平面図である。

この発明の好ましい実施例の詳細な説明
最初に図１を参照すると、わかりやすくするために、スロットル位置センサ１０の部品が取外された状態で、スロットル位置センサ１０の一部が示されている。スロットル位置センサ１０はプリント回路基板１２を含み、それは通常、汚染物質および／または他の損傷からプリント基板１２を保護するハウジング１５（図４）内に収容されている。

プリント回路基板１２上には、トランスミッタコイル１４が、従来の態様で形成されている。このトランスミッタコイル１４は、外側ループ部分１６と、内側ループ部分１８とを含む。トランスミッタコイルの外側ループ部分１６および内側ループ部分１８は双方とも、軸２２を中心とする円形構成で巻かれており、外側ループ部分１６および内側ループ部分１８双方におけるトランスミッタコイル１４の巻線はすべて、同じ回転方向に配向されている。

図１をひき続き参照すると、トランスミッタコイル１４の端部は高周波交流電流源２４に結合されている。交流電流源２４が一旦作動または通電されると、トランスミッタコイル１４の外側ループ部分１６および内側ループ部分１８は双方とも、周知の態様で電磁放射を生成する。

ここで図２および図３を参照すると、プリント回路基板１２上には、反対方向に巻かれた少なくとも２つのループ３２および３４を有するレシーバコイル３０が、従来のプリント回路基板製造手法を利用して、レシーバコイルがトランスミッタコイル１４の外側ループ部分１６のごく近傍に位置付けられるよう形成されている。さらに、図２および図３では、レシーバコイルは、時計回りに巻かれた５つの区分３２と、反時計回りに巻かれた５つの区分３４とを含み、区分３２および３４は角サイズが等しく、プリント回路基板１２上で軸２２の周りを互いに交互に並ぶよう、図示されている。しかしながら、図２および図３に示す五極構成は単なる一例であり、過度の限定をそれから引き出すべきではない。むしろ、レシーバコイルは、反対方向に巻かれた少なくとも２つのループ３２および３４を有していればよい。

レシーバコイル３０のすべてのループ３２および３４は、互いに電気的に直列に接続されている。したがって、レシーバコイルの出力３８上の電圧は、レシーバコイル３０のすべてのレシーバループ３２および３４の電圧の和に等しい。レシーバ出力３８は、典型的にはＡＳＩＣである回路３９に接続されており、それは、レシーバコイル３０からの出力を処理し、線形化する。

図２および図３をひき続き参照すると、プリント回路基板１２上には、基準コイルまたは軸方向モジュレータコイル４０も、従来のプリント回路基板製造手法を利用して形成されている。基準コイル４０は、トランスミッタコイル１４の内側部分１８と外側部分１６との間に位置付けられた内側ループ部分４１と、プリント回路基板１２上においてレシーバコイル３０の外周の周囲に位置付けられた、反対方向に巻かれた外側のループ４３とを有する。互いに対して差動的または反対方向に巻かれた、レシーバコイル４０のループ４１および４３は双方とも、トランスミッタコイル１４に誘導結合されている。このため、トランスミッタコイル１４が励起されると、トランスミッタコイルは、基準コイル４０のループ４１および４３の双方において電圧を誘導する。しかしながら、基準コイル４０のループ４１において誘導された電圧の極性は、基準コイル４０の第２のループ４３において誘導された電圧とは、極性が逆である。

基準コイル４０のループ４１および４３は、互いに電気的に直列に接続されており、そのため、基準コイル４０からの出力４６は、基準コイル４０のループ４１および４３上の電圧の和または差を含んでいる。基準コイル４０からの電気出力４６も、回路３９に接続されている。

ここで図４および図５を参照すると、カプラー素子５０は、カプラー素子５０がプリント回路基板１２の上に重なるものの、プリント回路基板１２から隙間ｘだけ間隔があくように、ハウジング１５内に位置付けられる。さらに、このカプラー素子５０は、トランスミッタコイル１４の軸２２（図１）と同軸のシャフト５２によって、ハウジングに回転可能に取付けられている。

図４および図５に示すカプラー素子５０は、レシーバコイル３０のループ３２および３４にサイズおよび形状が対応している５つの突出部５４を有するものとして示されている。図５に示すカプラー素子５０は五極位置センサの単なる一例であることを、再度理解されたい。位置センサは、この発明の精神または範囲から逸脱することなく、より少ない、またはより多い極を含んでいてもよい。

カプラー素子５０は、高周波電流源２４（図１）によって通電された場合にトランスミッタコイル１４によって生成される電磁放射を伝導する材料で構成される。このため、カプラー素子５０、そして特にカプラー素子の突出部５４は、カプラー５０の下に位置するトランスミッタコイルとレシーバコイル３０のループ３４および３４との誘導結合を変化させる。

したがって、カプラー素子５０の一回転方向における回転は、トランスミッタコイル１４とレシーバコイル３０の第１のループ３２との誘導結合を増加させ、一方、同時に、トランスミッタコイル１４とレシーバコイル３０の第２のループ３４との誘導結合を減少させるであろう。カプラー素子５０の逆の回転方向における回転は、逆の効果を生み出すであろう。

いずれにせよ、レシーバコイル３０の反対方向に巻かれたコイル３２および３４間の誘導結合を、カプラー素子５０の回転位置の関数として変化させることにより、レシーバコイル出力３８上の出力電圧は同様に変化し、このため、カプラー素子５０の回転位置を示し、出力信号を線形化するよう、および他の態様で処理するよう回路３９によって処理された信号を生成する。カプラー素子５０はまた、センサ１０からの出力信号がスロットルの位置を示すよう、スロットルの部品に機械的に結合されている。

トランスミッタコイル１４とレシーバコイル３０のループ３２および３４との誘導結合は、カプラー素子５０の回転位置の関数として変化するが、トランスミッタコイル１４と基準コイル４０のループ４１および４３との誘導結合は独立しており、カプラー素子５０の回転位置の関数として変化しない。しかしながら、基準コイル４０の反対方向に巻かれたループ４１および４３間の誘導結合は、カプラー素子５０と基準コイル４０との隙間ｘの関数として変化する。

トランスミッタコイル１４の内側部分１８によって提供される、基準コイル４０との追加的な誘導結合が、隙間間隔ｘのかなり小さい変動にもかかわらず、レシオメトリック関数Ｒ（ｘ）を実質的に一定に保つ、ということがわかっており、ここで、Ｒ（ｘ）は以下のように定義される。

式中、ＲＭはレシーバコイル３０からの出力に等しく、ＡＭは基準コイル４０からの出力４６上の電圧に等しく、ｘはカプラー素子５０とプリント回路基板１２との隙間の大きさに等しい。

実際、関数Ｒは、プリント回路基板１２上のカプラー素子５０とトランスミッタコイル１４およびレシーバコイル３０それぞれとの隙間ｘのかなりの変動にもかかわらず、実質的に一定のままである。これが、ひいては、スロットル位置センサ１０の全体的な精度を高める。

前述の事項から、この発明が、スロットル位置センサといった単純ながら非常に効果的な位置センサを提供することがわかるが、このセンサは他の用途において使用されてもよい。この発明を説明してきたが、それに対する多くの修正が、添付された請求項の範囲により定義されているようなこの発明の精神から逸脱することなく、当業者には明らかとなるであろう。

Claims (12)

1. 位置センサであって、
   外側ループ部分と内側ループ部分とを有するトランスミッタコイルを含み、前記トランスミッタコイルは、電気エネルギ源によって励起されると電磁放射を生成し、前記位置センサはさらに、
   前記トランスミッタ内側および外側ループ部分のうちの少なくとも１つのごく近傍に配置されたレシーバコイルを含み、前記レシーバコイルは少なくとも第１のループと、反対方向に巻かれた第２のループとを有し、前記レシーバコイルは、前記トランスミッタコイルと前記レシーバコイルとの誘導結合によって前記トランスミッタコイルが励起されると、電気出力信号を生成し、前記位置センサはさらに、
   可動のカプラー素子を含み、前記カプラー素子は、前記トランスミッタコイルと前記レシーバコイルの前記ループとの誘導結合を、前記カプラー素子の位置の関数として変化させ、それにより前記レシーバコイルからの電気出力信号を変化させ、前記位置センサはさらに、
   前記トランスミッタコイルの前記内側ループ部分と前記外側ループ部分との間に配置された基準コイルを含み、前記基準コイルは、前記トランスミッタコイルと前記基準コイルとの誘導結合によって前記トランスミッタコイルが励起されると、電気出力基準信号を生成し、その結合は前記カプラー素子の位置とは無関係である、位置センサ。
2. 前記トランスミッタコイルはプリント回路基板上に形成されている、請求項１に記載の発明。
3. 前記トランスミッタコイルの前記内側および外側ループ部分は、同心円形パターンに巻かれている、請求項１に記載の発明。
4. 前記レシーバコイルはプリント回路基板上に形成されている、請求項１に記載の発明。
5. 前記基準コイルはプリント回路基板上に形成されている、請求項１に記載の発明。
6. 前記カプラー素子は金属製である、請求項１に記載の発明。
7. 前記レシーバコイルは、前記トランスミッタコイルの前記外側ループ部分の上に重なっている、請求項１に記載の発明。
8. 前記カプラー素子は、前記トランスミッタコイルに対し、軸を中心として回転可能である、請求項１に記載の発明。
9. 前記レシーバコイルは、前記レシーバコイルの前記第１のループおよび前記第２のループの交互区分に配置されている、請求項１に記載の発明。
10. 前記レシーバコイルの前記交互区分は、予め定められた軸を中心とする円形パターンに配置されている、請求項９に記載の発明。
11. 前記カプラー素子は、前記予め定められた軸を中心として回転可能である、請求項１０に記載の発明。
12. 前記トランスミッタコイル、前記レシーバコイル、および前記基準コイルは、プリント回路基板上に形成されている、請求項１に記載の発明。

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