JP6410740B2 - 制御された負のインピーダンスに基づく共振インピーダンス感知 - Google Patents

Description

本願は概して、例えば、位置、近接度、或いは物理的な状態又は条件に基づく、ターゲットに対するセンサの応答の測定又は検出に使用され得るような、センサ及び感知に関する。

共振センサは、共振周波数及び振幅での定常状態（非感知）動作のために構成される共振器を含む。共振感知は、例えば、ターゲットに応答したセンサ／共振器共振インピーダンスにおける変化から生じる共振器振動振幅及び周波数における変化によって発現するような、センサ共振状態における変化に基づく。ターゲットに対するセンサ応答は、例えば、センサに対するターゲットの近接度又は位置、或いはターゲットの何らかの感知された物理的状態によって、起こり得る。

例えば、誘導感知の場合、センサ（共振器）インピーダンスは、導電性ターゲットに関連付けられた渦電流効果によって発生し得るような、ＬＣ共振器の誘導感知コイルから出力される磁束エネルギーの蓄積又は損失によって影響を受ける。可変キャパシタに基づく共振器を備えるセンサの場合、共振器インピーダンスは電界エネルギーの蓄積又は損失によって影響を受ける。圧電共振器の場合、センサ共振は圧電結晶にかかる機械的応力における変化によって影響を受ける。

共振センサを用いる共振インピーダンス感知のための装置及び方法が提供され、共振センサは、共振インピーダンス及び共振周波数、並びに、定常状態振動（定常状態共振）に対応する共振状態を含む、共振器振動振幅及び共振器周波数に対応する共振状態によって特徴付けられる共振器を含む。共振インピーダンス及び共振状態はどちらもターゲットに応答して変化する。

共振インピーダンス感知方法の様々な説明する実施形態が、（ａ）センサに提示される制御された負のインピーダンスを生成すること、（ｂ）センサ共振状態が定常状態振動に対応するように、センサ共振インピーダンスを実質的に相殺するために、検出された共振状態に基づいて負のインピーダンスを制御することであって、負のインピーダンスが、ループフィルタとしてセンサ共振器を含む負のインピーダンス制御ループによって制御される、制御すること、及び、（ｃ）センサ応答データがターゲットに対するセンサの応答を表すように、制御された負のインピーダンスに基づいてセンサ応答データを提供することを含み得る。

共振インピーダンス感知方法を実装するように構成される装置の実施形態が、（ａ）センサに結合されるように構成され、負のインピーダンス制御信号に応答して制御される負のインピーダンスをセンサに提示するように構成される、負のインピーダンス回路と、（ｂ）センサ共振状態が定常状態振動に対応するように、制御された負のインピーダンスがセンサ共振インピーダンスを実質的に相殺するように、検出されたセンサ共振状態に基づいて負のインピーダンス制御信号を生成するように構成されるインピーダンス制御回路とを含み得る。負のインピーダンス制御ループが、ループフィルタとしてセンサ共振器を含み、負のインピーダンス制御信号がターゲットに対するセンサの応答を表すセンサ応答データに対応するように負のインピーダンスを制御する。

本発明の態様に従い、（共振インピーダンスと並列に共振器によって表される）共振センサと、定常状態振動を維持するために、制御された負のインピーダンスがセンサに提示される負のインピーダンス制御ループを確立する、負のインピーダンスステージ及び負のインピーダンス制御ステージを含むセンサデータ変換器とを含む、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な機能図である。

（ａ）直列抵抗Ｒｓと、（ｂ）並列抵抗Ｒｐを備える等価回路表現とによって表される共振インピーダンスを備える、ＬＣ共振器に基づく誘導感知のための例示の共振センサを示す。

本発明の態様に従い、制御された負の抵抗Ｒｒｅｓに結合される、並列抵抗Ｒｐ（インピーダンス）を備える、ＬＣ共振器に基づく誘導感知のための共振センサを示し、Ｐｒｅｓ＝−Ｒｐは定常状態振動に対応する。

負のインピーダンスステージ及び負のインピーダンス制御ステージを含むセンサデータ変換器に結合される、誘導共振センサ（ＬＣ共振器）を用いる、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な機能的実施形態を示し、負のインピーダンスステージが、可変（制御可能）トランスアドミタンス（ｇｍ）を備えるトランスアドミタンス増幅器によって実装され、インピーダンス（アドミタンス）制御ステージが、ｇｍ（アドミタンス）を変調／調整するためにｇｍ制御信号を提供し、それによって負のインピーダンスを制御する。

負のインピーダンスステージ及び負のインピーダンス制御ステージを含むセンサデータ変換器に結合される誘導共振センサ（ＬＣ共振器）を用いる、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な機能的実施形態を示し、負のインピーダンスステージが、２つの離散的トランスアドミタンスレベル（ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈなど）間でスイッチするように構成されるトランスアドミタンス増幅器によって実装され、負のインピーダンス制御ステージが、対応するｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号を提供するように構成される。

制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な実施形態を示し、負のインピーダンスステージがクラスＡ又はＡＢ増幅器構成に基づくトランスアドミタンス増幅器を用いて実装される。

負のインピーダンスステージが、接地基準Ｈブリッジを備える共振センサとインターフェースされるクラスＤ増幅器構成に基づくトランスアドミタンス増幅器を用いて実装される、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な実施形態を示す。

接地基準ＨブリッジクラスＤトランスアドミタンス増幅器に基づくクラスＤ負のインピーダンスステージを用いて実装されるインダクタンス−デジタル変換器（ＬＤＣ）を含む、制御された負のインピーダンスを備える共振センサシステムの例示的な実施形態を示す。

ターゲットに対するセンサの応答がターゲットに対するセンサの軸方向（ｚ軸）位置及び／又は方位に対応する、軸位置感知を含む、本発明の態様に従った共振インピーダンス感知のための例示的な応用例を示す。 センサ応答が、センサ及びターゲットの相対的横方向（ｘｙ）位置に対応し、センサによって生成される磁束に曝されるターゲット領域の小部分に依存する、横方向位置感知を含む、本発明の態様に従った共振インピーダンス感知のための例示的な応用例を示す。

例示的な実施形態が、全般的に、ターゲットに対する共振センサの応答が誘導共振センサから出力される磁束エネルギーの蓄積又は損失に対応するように、誘導共振センサ（ＬＣ共振器）が導電性ターゲットに関連して用いられる、誘導感知に関連して提供される。実施形態の適用可能性は誘導感知に限定されず、これらの実施形態は、全般的に（例えば、容量性及び機械的共振インピーダンス感知を含む）共振インピーダンス感知に適用可能である。

図１Ａは、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知の例示的な機能図である。共振インピーダンス感知システム１０が、共振センサ５０及びセンサデータ変換器１００を含む。

共振センサ５０は、共振インピーダンス５３と、共振器振動振幅及び周波数によって特徴付けられる共振状態とによって特徴付けられ得る共振器５１を含む。共振センサ５０は、共振インピーダンス５３の損失を克服するために十分なエネルギーを共振器５１に注入することによって、定常状態振動に対応する共振状態で動作可能である。

ターゲット（との相互作用）の存在は、センサ／共振器インピーダンス及び周波数における変化に反映され、共振状態に変化を生じさせる。本発明の態様に従い、ターゲットに対する共振センサ５０（共振器５１）の応答は、キャプチャされ、共振器５１を定常状態振動で維持するために必要な制御された負のインピーダンスを共振センサに提示することによってセンサ応答データに変換される。すなわち、センサ応答データは、定常状態振動を維持するために必要な負のインピーダンスを定量化する。このセンサ応答データは、検出、測定、又は他の処理のために、例えばプロセッサ又はコントローラに、提供され得る。

図１Ｂは、直列抵抗Ｒｓによって表される共振インピーダンス５３を備える、インダクタ感知コイル及び並列キャパシタによって形成されるＬＣ共振器５１に基づく誘導感知のための例示の共振センサ５０を図示する。抵抗Ｒｐによって表される並列インピーダンス５３を備える等価ＬＣ共振器５１回路も示され、Ｒｐ＝Ｌ／（Ｃ Ｒｓ）である。本説明及び図面において、Ｒｓ及びＲｐは、Ｒｐ＝Ｌ／（Ｃ Ｒｓ）に従って交換可能に用いられる。

図１Ｃは、ＬＣ共振器５１と、抵抗Ｒｐによって表される並列共振インピーダンス５３とを備える、共振センサ５０を図示する。本発明の態様に従い、センサデータ変換器１００が、センサ抵抗Ｒｒｅｓによって表される制御された負のインピーダンス５５を共振センサに提示し、センサ抵抗Ｒｐが相殺されるように、定常状態振動に関する条件をＲｒｅｓ＝−Ｒｐとして確立する。

図１Ａ及び１Ｃを参照すると、センサデータ変換器１００は、ターゲットに対する共振センサ５０の応答を変換／キャプチャするように構成される。センサデータ変換器１００は、本発明の態様に従い、制御された負のインピーダンス５５を共振センサ５０に提示し、定常状態振動に対応する共振状態を維持するために共振インピーダンス５３を実質的に相殺することによって、共振インピーダンス感知を実装する。結果として、定常状態振動を維持するために必要な制御された負のインピーダンスは、センサ応答データとして定量化され得る。センサデータ変換器は、図１Ａに示されるように、共振インピーダンスと並列、又は共振インピーダンスと直列のいずれかで、制御された負のインピーダンスを提示するように構成され得る。

センサデータ変換器１００は共振センサ５０に結合される。変換器１００は、負のインピーダンスステージ１２０及びそれに続く負のインピーダンス制御ステージ１３０を含む。負のインピーダンスステージ１２０は、感知されたターゲットの存在又は感知されたターゲットとの相互作用から生じる、共振状態（共振器振動振幅及び周波数）における変化に応答して制御される負のインピーダンスを、共振センサに提示するように構成される。

共振インピーダンス感知システム１０は、例えば、並列又は直列のキャパシタ、或いは並列又は直列のインダクタ、或いはそれらの組み合わせなどの、追加の応答性構成要素を共振センサ（共振器５１）に接続することによって、特定された共振器周波数での動作のために構成／最適化され得る。本システム構成は、センサデータ変換器１００が、共振センサ５０の設計／構成とは無関係に設計／構成され得るようにすることができる。共振インピーダンス感知システム１０は、その後、追加の応答性構成要素を組み込んだ後、センサデータ変換器を、共振インピーダンス及び周波数領域を調整するために用いられる追加の応答性構成要素を備える共振センサに結合することによって、既存の共振センサ５０用に構成／最適化され得る。

負のインピーダンスステージ１２０及び負のインピーダンス制御ステージ１３０は、センサデータ変換器１００によって共振センサ５０に提示される負のインピーダンス５５を制御する負のインピーダンス制御ループを確立する。ターゲットに応答して、共振インピーダンス５３は変化し、共振状態に対応する変化を生じさせる。本発明の態様に従い、負のインピーダンス制御ループは、共振インピーダンスを実質的に相殺するため及び定常状態振動に対応する共振状態を維持するために、負のインピーダンスステージ１２０によって提示される負のインピーダンスを制御することによって応答する。共振インピーダンス５３（共振状態）における変化は、負のインピーダンスステージ１２０の出力１２１における変化として表される。これに応答して、負のインピーダンス制御ステージ１３０は、定常状態振動を維持するように負のインピーダンスステージ１３０によって提示される負のインピーダンスを制御するために、負のインピーダンス制御信号１３９を生成する。この負のインピーダンス制御信号は、定常状態振動を維持するために必要な制御された負のインピーダンスを定量化し、センサの応答をターゲットに示す、センサ応答データに対応する。

典型的に、負のインピーダンス制御ループの帯域幅は、共振周波数よりもかなり低くなる。閉じたインピーダンス制御ループは、任意の非ゼロ共振状態の制御を可能にし、また、低電圧印加にとって有利な一定の振動振幅を維持する。

図１Ａにおける例示的な機能的実施形態の場合、負のインピーダンス制御ループは共振振動振幅を制御するものとして図示されている。具体的には、センサデータ変換器１００は、共振器振動振幅における変化に基づいて共振センサ５０に提示される負のインピーダンス５５を制御するように構成され得る。すなわち、ターゲットに応答して共振インピーダンス５３における変化によって発生する共振器５１の共振状態における変化が、共振器振動振幅における変化に反映される。

センサデータ変換器１００及び負のインピーダンス制御ループは、共振器振動振幅（共振状態）における変化を、共振インピーダンスにおける変化の測定として検出するように動作する。負のインピーダンスステージ１２０は、共振器５１に提示される負のインピーダンス５５を調整するため、及びそれによって定常状態振動を維持するように共振器振動振幅を調整するために、共振器振動振幅における変化に応答して制御される。

負のインピーダンス制御ステージ１３０は、共振器振幅検出１３３及び負のインピーダンス制御１３５を含む、共振器振幅検出及び制御ブロック１３１として機能的に実装され得る。共振器振幅検出１３３は、負のインピーダンスステージ１２０の出力１２１として表される共振器振動振幅を検出する。負のインピーダンス制御１３５は、（ａ）共振器振幅検出１３３によって検出されるような共振器振動振幅と、（ｂ）定常状態振動での共振器振動振幅に対応する基準振幅信号との間の差異に基づいて、負のインピーダンス制御信号１３９を生成する。

共振器振幅検出及び制御ブロック１３１の出力は、負のインピーダンスを制御するために負のインピーダンスステージ１２０にループバックされる負のインピーダンス制御信号１３９を提供し、負のインピーダンスは、センサ変換器１００によって出力されるセンサデータに対応する。具体的に言えば、負のインピーダンスは、ターゲットに応答して変化すると共振インピーダンスを実質的に相殺するように制御され、それによって、定常状態振動に対応する共振状態を達成するために共振器振動振幅を実質的に一定に維持する。結果として、定常状態振動に関連付けられる制御された負のインピーダンスは、ターゲットに対するセンサの応答に表されるセンサ応答データとして定量化される。

したがって、本発明の態様に従った共振インピーダンス感知は、（ａ）センサに提示される制御された負のインピーダンスを生成すること、（ｂ）センサ共振状態が定常状態振動に対応するように、センサ共振インピーダンスを実質的に相殺するために、検出された共振状態に基づいて負のインピーダンスを制御することであって、負のインピーダンスが、ループフィルタとしてセンサ共振器を含む負のインピーダンス制御ループによって制御される、制御すること、及び、（ｃ）センサ応答データがターゲットに対するセンサの応答を表すように、制御された負のインピーダンスに基づいてセンサ応答データを提供することを含む。

図２は、ＬＣ共振器５１と、直列抵抗Ｒｓによって表される共振インピーダンス５３とを備える誘導感知のために構成される共振センサ５０に関連した、共振インピーダンス感知の例示的な機能的実施形態を図示する。共振センサ５０に結合されたセンサデータ変換器２００が、負のインピーダンスステージ２２０及び負のインピーダンス制御ステージ２３０を含む。

負のインピーダンスステージ２２０は、共振センサ（共振器５１）に励磁電流駆動を提供する電流源２２５を制御するトランスアドミタンス増幅器２２３を備えて機能的に実装される。トランスアドミタンス増幅器２２３は、可変（連続）制御可能ｇｍを用いて、及び、負のインピーダンス／抵抗をつくるための正のフィードバックループを用いて実装される。インピーダンス制御ステージ２３０は、トランスアドミタンスｇｍを変調（調整）するｇｍ制御信号として、負のインピーダンス制御信号２３９を提供し、それによって、図１Ａに関連して上記で説明した方式で負のインピーダンスを制御するように構成される。ｇｍ制御信号は、センサデータ変換器２００によってキャプチャ／変換されるセンサ応答を表す、センサ応答データに対応する。代替の機能的実装において、負のインピーダンスステージ２２０は、定数ｇｍを備えるトランスアドミタンス増幅器、及び負のインピーダンス制御信号（正のフィードバック）によって制御される可変制御可能電流源を用いて実装され得る。

図３は、ＬＣ共振器５１と、直列抵抗Ｒｓによって表される共振インピーダンス５３とを含むＬＣ共振センサに関連した、共振インピーダンス感知の例示的な機能的実施形態を図示する。共振センサ５０に結合されたセンサデータ変換器３００が、負のインピーダンスステージ３２０及び負のインピーダンス制御ステージ３３０を含む。

負のインピーダンスステージ３２０は、トランスアドミタンス増幅器３２３、及び共振センサ（共振器５１）に励磁電流駆動を提供する電流源３２５を備えて実装される。トランスアドミタンス増幅器３２３は、２つの離散トランスアドミタンスレベル（ｇｍ＿ｌｏｗ及びｇｍ＿ｈｉｇｈ）の間で切り替えるように、及び負のインピーダンスをつくるための正のフィードバックループを備えて、構成される。インピーダンス制御ステージ３３０は、トランスアドミタンスレベル間で切り替えることよってトランスアドミタンスｇｍを変調（調整）するｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号として、負のインピーダンス制御信号３３９を提供ように構成され、それによって図１Ａに関連して上記で説明した方式で負のインピーダンスを制御する。この例示的な実施形態において、ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号の時間平均は、（定常状態振動を維持するために必要な制御された負のインピーダンスを定量化する）センサデータ変換器３００によってキャプチャ／変換されるセンサ応答を表す、センサ応答データを構成する。

負のインピーダンスステージ３２０が２レベル（ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ）トランスアドミタンス増幅器として実装され、負のインピーダンス制御ループが図１Ａに関連して説明された共振器振動振幅に基づく、この例示的な実施形態の場合、設計の目的は、センサ／ターゲット相互作用から生じる、共振器抵抗（インピーダンス）Ｒｐ＝Ｌ／（Ｃ Ｒｓ）における変化の尺度として、共振器振動振幅（共振状態）の変化を測定することである。負のインピーダンス（抵抗）を制御するための方法は、ｇｍ^＊Ｒｓ＝１に従ってｇｍを調整することであり、そのため、−１／ｇｍは、共振器振動振幅を定常状態振動で実質的に一定に維持するために必要な負の抵抗（インピーダンス）を表し、（ａ）ｇｍ＝ｇｍ＿ｈｉｇｈのとき、共振器振動振幅は増加し、（ｂ）ｇｍ＝ｇｍ＿ｌｏｗのとき、共振器振動振幅は減少し、結果として、（ｃ）定常状態振動で、ｇｍは事実上１／Ｒｐに等しく、共振器振動振幅は実質的に一定である（典型的には、負のインピーダンス制御ループ帯域幅は、共振周波数より実質的に小さくなることに留意されたい）。すなわち、この例示的な実施形態の場合、負のインピーダンス（共振器振動振幅）制御ループは、共振器振動振幅を定常状態振動で実質的に一定に維持するために、離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ間で切り替える。

代替の機能的実施形態において、負のインピーダンスステージ３２０は、定数ｇｍを備えるトランスアドミタンス増幅器、及び、負のインピーダンス制御信号（正のフィードバック）によって制御される離散電流駆動レベル間で切り替わる２つ又はそれ以上の離散電流駆動レベルを提供する離散励磁電流源を用いて実装され得る。制御された負のインピーダンスが離散電流駆動に基づいて実装される例示的な実施形態が、図５及び図６に関連して説明される。

離散ｇｍ制御信号３３９は、離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御ビットストリームのデジタルフィルタリングによるなど、センサ応答に対応するデジタルセンサ読み出しに変換され得る。すなわち、負のインピーダンス制御ループは、センサ応答データが、共振器センサ５０に提示される時間平均負のインピーダンスに対応するように、負のインピーダンス（ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ）制御信号１３９に基づいて、時間的に順次印加される所定数の離散の負のインピーダンスを生成することに基づく。

図３における例示的な実施形態の場合、離散ｇｍ制御は、図２に図示された実施形態における可変ｇｍ制御とは対照的に、２つのレベルのｇｍ制御、ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈで図示される。設計改変により、離散ｇｍ制御は、例えば、精度を向上させるため及び量子化ノイズを減少させるために、２つより多くのレベル数で実装され得る。

図４は、クラスＡ又はＡＢ増幅器構成に基づいてトランスアドミタンス増幅器４２３として実装される負のインピーダンスステージ４２０の例示的な実施形態を図示する。トランスアドミタンス増幅器４２３は、離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御を含む。負のインピーダンスステージに関するクラスＡ又はＡＢ実装の利点は、より高い高調波の生成を回避する、その高い線形性である。トランスアドミタンス増幅器４２３において用いられる増幅器が共振器周波数よりもかなり高い帯域幅を有さなければならないことを考えれば、線形増幅器を用いて負のインピーダンスステージを実装する際の設計考慮点は電力消費である。

図５は、負のインピーダンスステージ５２０及び負のインピーダンス制御ステージ５３０を含む、センサデータ変換器５００の例示的な機能的実施形態を図示する。負のインピーダンスステージ５２０は、接地基準ＨブリッジＳ１／Ｓ２によって共振センサ５０にインターフェースされる、クラスＤトランスアドミタンス増幅器５２１として実装される。クラスＤトランスアドミタンス増幅器５２１は、コンパレータ５２３と、電流駆動を共振センサ５０（共振器５１）に提供する電流源５２５とを含む。

この例示的実施形態の場合、電流源５２５は、負のインピーダンス制御ステージ５３０からの離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号５３９によって制御される離散電流駆動レベル（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ）間の切り替えによって、接地基準ＨブリッジＳ１／Ｓ２を介して離散（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ）励磁電流駆動を提供する。コンパレータ５２３は、センサ共振器５１の正の側を励磁電流源５２５に接続し、共振器５１の負の側を接地に接続する、Ｈブリッジを整流する。共振器５１が極性を変えると、コンパレータはそれに応じて、共振器５１の正の側を、コンパレータ５２３への非反転入力（正のフィードバック）として、反転入力を接地に維持するようにＨブリッジのＳ１／Ｓ２の状態を変える。

離散電流源５２５の電流パルス出力の時間平均は、コンパレータ５２３への入力（反転／非反転）に印加される場合の共振器５１から出力される共振器振動振幅に対応する。電流源５２５がＩｍａｘ電流駆動を出力するとき、共振器振動振幅は増加し、電流源５２５が電流駆動Ｉｍｉｎを出力するとき、共振振動振幅は減少する。

したがって、共振器極性を制御することで、正のフィードバック（コンパレータ５２３への非反転入力）が制御され、結果として制御された負のインピーダンスが共振器５１に提示されることになる。この制御された負のインピーダンスは、定常状態振動を維持するために共振インピーダンス５３（Ｒｓ）に対処する。基本的に、Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘは、クラスＤトランスアドミタンス増幅器の利得を表す。

トランスアドミタンス増幅器に関するクラスＤ増幅器実装の利点には、低電力クラスＤ動作が含まれる。接地基準Ｈブリッジドライバの利点には、アクティブなコモンモードレギュレーションをなくすことによる節電が含まれる。

図６は、インダクタンス−デジタル変換器（ＬＤＣ）６００にインターフェースされるＬＣ共振センサ５０を含む、誘導感知のために構成される共振センサシステム６０の例示的実施形態を図示する。ＬＣ共振センサは、ＬＣ共振器５１と、Ｒｓによって表される共振インピーダンス５３とを含む。

ＬＤＣ６００は、ターゲットに対する共振センサ５０の応答をセンサ応答データとしてキャプチャ／変換する、制御された負のインピーダンスを備える共振インピーダンス感知を実装する。ＬＤＣ６００は、負のインピーダンスステージ６２０及び負のインピーダンス制御ステージ６３０を含む。図１Ａに関連して説明したように、負のインピーダンスステージ６２０、負のインピーダンス制御ステージ６３０、及び負のインピーダンス制御信号６３９は、共振センサ５０（共振器５１）に提示される負のインピーダンスを制御する負のインピーダンス制御ループを確立する。この負のインピーダンス制御ループは、共振センサ５０（共振器５１）を含む。

ＬＤＣ６００は、共振状態（共振器振動振幅）における変化としてターゲット相互作用から生じる共振インピーダンス（Ｒｓ）における変化を検出し、共振器振動振幅における変化を相殺するため及び定常状態振動を維持するために、共振センサに提示される負のインピーダンスを制御することによって共振インピーダンス感知を実施する。すなわち、制御された負のインピーダンスは、共振インピーダンス５３を実質的に相殺し、定常状態振動に対応する共振状態（共振器振動振幅及び共振周波数）を維持する。定常状態振動を維持するために共振インピーダンスを打ち消す制御された負のインピーダンスは、ターゲットに対するセンサ応答に対応するセンサ応答データとして定量化される。

ＬＤＣ６００は、共振センサ５０のターゲットとの相互作用によって生じる共振状態の共振器振動振幅構成要素における変化を検出するように構成される。負のインピーダンスステージ６２０は、クラスＤのＨブリッジ（接地基準）増幅器構成として実装される。クラスＤトランスアドミタンス増幅器６２１は、コンパレータ６２３及び離散ＤＡＣ電流駆動６２５を含む。クラスＤトランスアドミタンス増幅器６２１及び負のインピーダンス制御ループは、センサ抵抗（インピーダンス）Ｒｓを実質的に相殺するように制御された負の抵抗―Ｒｐ＝−Ｌ／（Ｃ Ｒｓ）を、センサ５０に提示するように構成され、ターゲット相互作用に起因する共振器振動振幅における変更を打ち消すことによって、共振器振動振幅（共振状態）を定常状態振動で維持する。

図６及びそれに関連付けられる説明も参照すると、離散電流源ＤＡＣ６２３を含むクラスＤトランスアドミタンス増幅器６２１は、ＬＣ共振器５１に離散Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ励磁電流駆動を提供するように制御される。ＤＡＣ電流源６２５は、負のインピーダンス制御ステージ６３０における量子化器６３７からの離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号６３９に応答して、接地基準ＨブリッジＳ１／Ｓ２を介して離散（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ）励磁電流駆動を提供する。コンパレータ６２３は、センサ共振器５１の正側をＤＡＣ電流源６２５に接続し、センサ共振器５１の負側を接地に接続する、正のフィードバックを提供するようにＨブリッジを整流する。

ＤＡＣ電流源６２５からの離散Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ電流駆動は、負のインピーダンス制御ループにおいてループフィルタとして働く共振センサ５０によって時間平均される。すなわち、ＤＡＣ電流源６２５の電流パルス出力の時間平均は、コンパレータ６２３への入力（反転／非反転）に印加される場合の、共振器５１からの出力の共振器振動振幅に対応する。

ＲＰｍｉｎ及びＲｐｍａｘは、共振センサ５０に関する動作の範囲を特定するために用いられ得る。例示の設計改変として、ｇｍ制御の量子化を、ｇｍ制御信号６３９の量子化における対応する増加と共に、２より多いレベルまで増加させることが可能である。

共振センサ５０は加算ノードで負のインピーダンス制御ループに含められ、ここで、センサの正性共振インピーダンスが、ＬＤＣ６００の制御ループの負のインピーダンスと比較される。この構成の利点には、（ａ）相関されるパラメータの測定ではなく、共振インピーダンスの直接測定を可能にすること、（ｂ）例えば、センサの一定共振器振動振幅が、センサによって生成される磁束の一定振幅を暗示するため、磁気コアからの非線形性が実質的に除外されること、（ｃ）制御ループの遷移応答がセンサの遷移応答を追跡するため、ＬＤＣの遷移応答をセンサ用に最適化できること、及び、（ｄ）ＬＤＣ（クラスＤ）からの量子化ノイズがセンサによって減衰されることが含まれる。

クラスＤ増幅器６２１は、接地基準Ｈブリッジ入力インターフェースを備える、クラスＤ ＯＴＡ（演算トランスコンダクタンス増幅器）によって実装され得る。負のインピーダンスステージをトランスアドミタンス増幅器として実装することで、負のインピーダンスが、トランジスタと比べて低い温度係数を有するレジスタによって定義され得、それによって温度ドリフトが緩和される。

負のインピーダンス制御ステージ６３０は、積分Ｒｉｎｔ／Ｃｉｎｔを含む積分器６３１を用いて実装される。積分器６３１は、ＤＡＣ電流源６２５によって供給される共振器電流駆動に追加のフィルタリングを提供する。この追加のフィルタリングは、設計上の選択であるが、量子化ノイズを低減させるために有利である。

共振器振動振幅電圧６３２は、共振器５１のローディングを回避するために、バッファ６３３を介して、負のインピーダンス制御ステージ６３０及び積分器６３１に入力される。この検出された共振器振動振幅電圧は、Ｒｉｎｔによって電流に変換され、基準電流６３３（図１ＡのＶｒｅｆに対応する）によって減算される。その結果の共振器振動振幅電流は、積分器６３１及びＲｉｎｔ／Ｃｉｎｔによって積分される。

共振センサキャパシタ及び積分キャパシタＣｉｎｔによって導入される極を補償するために用いられる、共振振幅電圧入力から積分器へのゼロを構成することによって安定性を強化するために、安定性制御回路６３５が含められる。

積分器６３１からの積分出力は、安定性制御回路６３５のフィードフォワード出力と加算６３６され、その結果が、量子化器６３７によってｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ（インピーダンス）制御信号６３９として量子化される。量子化されたｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号は、ＤＡＣ電流駆動６２５に入力されて、共振センサ５０に注入される励磁電流Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘを生成する。

量子化器６３７は、離散ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ制御信号６３９を出力する。量子化器６３７は、コンパレータ出力レベルがｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈアドミタンスレベルに対応するコンパレータとして実装され、トランスアドミタンス増幅器６２１はｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈアドミタンスレベルに対して、すなわち、Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ注入共振器電流に対して構成される。

量子化器６３７から出力されるインピーダンス（ｇｍ＿ｌｏｗ／ｈｉｇｈ）制御信号６３９は、負のインピーダンスステージ６２０の制御された負のインピーダンスが、共振センサ５０の共振インピーダンス（Ｒｐ）５３を実質的に相殺し、また、出力共振器振動振幅を実質的に一定に維持するように、検出された共振器振動振幅に基づいて負のインピーダンス制御ステージ６３０によって生成される。結果として、インピーダンス制御信号６３９は、共振器振動振幅を実質的に一定（定常状態振動振幅）に維持するために必要な負のインピーダンスを表すという点において、ターゲットに対する共振センサ５０の応答に対応する。

ＨブリッジＳ１／Ｓ２を整流するために用いられる、クラスＤトランスアドミタンス増幅器６２１内のコンパレータ６２３の出力６２４は、共振器周波数（定常状態振動での共振周波数）に対応する。すなわち、コンパレータ出力６２４は、共振器周波数の測定（開ループ）を提供する。また、上記で述べたように、センサ共振器の共振状態は、共振器振動振幅及び周波数によって特徴付けられる。

センサ／ターゲット相互作用に起因する共振器振動振幅の変化から導出される、定常状態振動での共振状態を維持するために必要な制御された負のインピーダンスは、負のインピーダンス制御ループの出力としてＬＤＣ６００から入手可能なセンサ応答データに対応する。すなわち、負のインピーダンスステージ６２０によって共振センサに提示される負のインピーダンスを制御する負のインピーダンス制御信号６３９は、制御された負のインピーダンスを定量化するセンサ応答データを構成する。

共振周波数６２４は、共振センサ応答（例えば、温度補償を実施すること）の処理及び決定において用いられ得る追加のセンサ応答データを提供する。

本発明に従った共振インピーダンス感知の実施形態に関する応用例は、（ａ）ターゲットに対するセンサの応答がセンサに対するターゲットの軸位置及び／又は方位に対応する、軸位置感知、（ｂ）センサ応答が、センサによって生成される磁束に曝されるターゲット領域の小部分に依存する、横位置感知、及び、（ｃ）センサ応答が磁気回路の磁気インピーダンスの変調に基づく、磁気インピーダンス変調を含み得る。

本発明に従った共振インピーダンス感知の利点には、（ａ）精度、即ち、センサ／共振器共振インピーダンスが、相関されるパラメータではなく、直接測定されるため、より高い精度が達成されること、（ｂ）温度独立性、即ち、マッチングする負のインピーダンスが温度独立性であるため、共振センサのドリフトのみが残ること、及び（ｃ）高密度ＣＭＯＳにおける統合、即ち、このセンサ／共振器インピーダンス感知方法が、低い一定の共振振幅を用いて適用され得、高密度ＣＭＯＳでの実装が可能となり、また、誘導性（渦電流）感知応用例の場合に特に有利な、共振センサの高度な信号処理及び共振センサの温度補正が可能となることが含まれる。

図７Ａ及び７Ｂは、特許請求される発明の態様に従った、共振インピーダンス感知のための例示的応用例を図示する。図７Ａは、ターゲット７０１に対する共振センサ５０の応答がこのターゲットに対するこの共振センサの軸（ｚ軸）位置に基づく、例示的な共振インピーダンス感知応用例を図示する。図７Ｂは、１つまたは複数のセンサ（コイル）５０ａ及び５０ｂを備える共振センサ５０の、１つまたは複数のそれぞれのターゲット７０３ａ及び７０３ｂに対する応答が、それぞれのターゲットに対する共振センサの横（ｘｙ軸）位置に基づく、例示的な共振インピーダンス感知応用例を図示する。各応用例において、ターゲットに対する共振センサの応答は、センサ−データ変換器（図６に図示されたＬＤＣ６００など）によりセンサ応答データとしてキャプチャ／変換され得、このセンサ応答データは、変換器によって生成される制御された負のインピーダンスに対応し、そのためターゲットに対するセンサ応答を表す。

当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明された実施形態に対する改変が成され得ること、及び多くの他の実施形態が可能であることが理解されよう。

Claims (11)

1. ターゲットに対する共振センサの応答をキャプチャするように動作可能な回路であって、前記共振センサが、共振インピーダンス損失因子と、定常状態振動に対応する共振状態を含む共振状態（共振器振動振幅と共振器振動周波数）とによって特徴付けられる共振器を含み、前記回路が、
   負のインピーダンスを有する前記共振器に電流を駆動するように構成される、クラスＤの負のインピーダンス回路要素であって、
   共振器振動電圧を受け取り、前記共振器振動周波数に同期した周波数を有するクラスＤスイッチング出力を提供するように構成される比較器と、
   制御された負のインピーダンスの大きさに対応するループ制御信号に基づいて駆動電流を出力するように構成される電流駆動回路要素と、
   前記共振器に対して駆動電流源をインターフェースするように構成されるＨブリッジ回路要素と、
   を含み、
   前記共振器が前記負のインピーダンスで駆動されるように、正のフィードバックを維持するために前記比較器のクラスＤスイッチング出力が前記Ｈブリッジ回路要素を制御する、前記クラスＤの負のインピーダンス回路要素と、
   前記駆動電流の時間平均が、定常状態振動を維持するために前記共振器の損失を実質的に相殺する前記制御された負のインピーダンスの大きさに対応するように、検出されたセンサ共振状態に基づいて前記ループ制御信号を生成するように構成される、ループ制御回路要素と、
   を含み、
   それによって、ループフィルタとして前記共振器を含み、前記ループ制御信号が前記ターゲットに対する前記共振センサの応答を表すセンサ応答データに対応するように、負のインピーダンスを制御する、負のインピーダンス制御ループを確立する、回路。
2. 請求項１に記載の回路であって、
   前記検出された共振状態が共振器振動振幅に対応し、前記負のインピーダンス制御ループが、共振器振動振幅を制御することによって少なくとも部分的に負のインピーダンスを制御するように構成される、回路。
3. 請求項２に記載の回路であって、
   前記ループ制御回路要素が、定常状態振動に対応する基準振幅信号に関連する共振器振動振幅における差異に基づいて前記ループ制御信号を提供するように構成される、回路。
4. 請求項１に記載の回路であって、
   前記電流駆動回路要素が、少なくとも２つのレベルの電流駆動を前記共振器に供給するように構成されるマルチレベル電流駆動回路要素を含み、
   前記ループ制御回路要素が、前記電流駆動レベルの間の切り替えを制御する、回路。
5. ターゲットに対する共振センサの応答をキャプチャするように動作可能なシステムであって、
   共振インピーダンス損失因子と、定常状態振動に対応する共振状態を含む共振状態（共振器振動振幅と共振器振動周波数）とによって特徴付けられる共振器を含む,
   共振センサと、
   前記共振器に結合され、前記ターゲットに対する前記共振センサの応答をセンサ応答データに変換するように構成される、インダクタンス−データ変換器回路であって、
   負のインピーダンスを有する前記共振器に電流を駆動するように構成されるクラスＤの負のインピーダンス回路要素であって、
   共振器振動電圧を受け取り、前記共振器振動周波数に同期した周波数を有するクラスＤスイッチング出力を提供するように構成される比較器と、
   制御された負のインピーダンスの大きさに対応するループ制御信号に基づいて駆動電流を出力するように構成される電流駆動回路要素と、
   前記共振器に対して駆動電流源をインターフェースするように構成されるＨブリッジ回路要素と、
   を含み、前記共振器が前記負のインピーダンスで駆動されるように、正のフィードバックを維持するために前記比較器のクラスＤスイッチング出力が前記Ｈブリッジ回路要素を制御する、前記クラスＤの負のインピーダンス回路要素を含む、前記インダクタンス−データ変換器回路と、
   前記駆動電流の時間平均が、定常状態振動を維持するために前記共振器の損失を実質的に相殺する前記制御された負のインピーダンスの大きさに対応するように、検出されたセンサ共振状態に基づいて前記ループ制御信号を生成するように構成される、ループ制御回路要素と、
   を含み、
   それによって、ループフィルタとして前記共振器を含み、前記ループ制御信号が前記ターゲットに対する前記共振センサの応答を表すセンサ応答データに対応するように、負のインピーダンスを制御する、負のインピーダンス制御ループを確立する、システム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、
   前記検出された共振状態が共振器振動振幅に対応し、前記負のインピーダンス制御ループが、共振器振動振幅を制御することによって少なくとも部分的に負のインピーダンスを制御するように構成される、システム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、
   前記ループ制御回路要素が、定常状態振動に対応する基準振幅信号に関連する共振器振動振幅における差異に基づいて前記ループ制御信号を提供するように構成される、システム。
8. 請求項５に記載のシステムであって、
   前記電流駆動回路要素が、少なくとも２つのレベルの電流駆動を前記共振器に供給するように構成されるマルチレベル電流駆動回路要素を含み、
   前記ループ制御回路要素が、前記電流駆動レベルの間の切り替えを制御する、システム。
9. ターゲットに対する共振センサの応答をキャプチャする際に使用可能な方法であって、前記共振センサが、共振インピーダンスと、定常状態振動に対応する共振状態を含む共振状態（共振器振動振幅と共振器振動周波数）とによって特徴付けられる共振器を含み、前記方法が、
   クラスＤのＨブリッジ増幅器を用いて前記共振センサに現れる制御された負のインピーダンスを生成することであって、前記クラスＤのＨブリッジ増幅器が、
   共振器振動電圧を受け取り、前記共振器振動周波数に同期した周波数を有するクラスＤスイッチング出力を提供するように構成される比較器と、
   制御された負のインピーダンスの大きさに対応するループ制御信号に基づいて駆動電流を出力するように構成される電流駆動回路要素と、
   前記共振器に対して駆動電流源をインターフェースするように構成されるＨブリッジ回路要素と、
   を含み、前記共振器が前記負のインピーダンスで駆動されるように、正のフィードバックを維持するために前記比較器のクラスＤスイッチング出力が前記Ｈブリッジ回路要素を制御する、前記制御された負のインピーダンスを生成することと、
   前記駆動電流の時間平均が、定常状態振動を維持するために前記共振器の損失を実質的に相殺する前記制御された負のインピーダンスの大きさに対応するように、検出された共振状態に基づいて負のインピーダンスを制御する前記ループ制御信号を生成することと、
   それにより、ループフィルタとして前記共振器を含む負のインピーダンス制御ループを確立することと、
   センサ応答データが前記ターゲットに対する前記共振センサの応答に対応するように、前記制御された負のインピーダンスに基づいて前記センサ応答データを提供することと、
   を含む、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    前記検出された共振状態が共振器振動振幅に対応し、前記負のインピーダンス制御ループが、定常状態振動に対する共振器振動振幅を制御することによって少なくとも部分的に負のインピーダンスを制御するように構成される、方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、
    前記電流駆動回路要素が、前記共振器に対する少なくとも１つのレベルの電流駆動を提供するように構成されるマルチレベル電流駆動回路要素を含み、
    前記ループ制御信号を生成することが、前記電流駆動レベルの間の切り換えを制御するマルチレベルループ制御信号を生成することを含む、方法。

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