JP6483328B2 - センサコイルインダクタンスを求めるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＣ発振回路によって渦電流センサのセンサコイルインダクタンスを求めるための方法及び装置であって、センサコイルインダクタンスを、ＬＣ発振回路の振動周波数及び共振容量に基づいて積分によって求めるための方法及び装置に関する。

従来技術
冒頭に述べた形式の方法及び装置は、従来技術から基本的に公知である。例えば電気機械のロータの回転角度位置を求めるために、種々異なる誘導式の回転角度センサが公知である。励磁コイルと、１つ又は複数のセンサコイルとの間の結合の多くは、例えば電気機械のロータシャフトのような結合要素の回転角度位置によって影響を受ける。対応する解決方法は、例えば独国特許出願公開第１９７３８８３６号明細書（ＤＥ１９７３８８３６Ａ１）に開示されている。結合係数を評価するには、複雑なエレクトロニクスが必要である。この場合、コイルシステムは、高周波信号によって励起され、これによって単純なスパイラルコイルが電磁界を放射する。この放射は、少なくとも近傍界では、このようなセンサが機能するために必要である。しかしながら、遠方界又は遠距離場では、機能するために磁界はもはや必要ではない。しかも、この磁界は、遠方界では、環境における非電磁両立性を引き起こす可能性がある。放射よりも干渉信号の結合の方がさらに問題である。交番磁界にさらされる単純なスパイラルコイルでは、電圧が誘導され、この電圧は、センサエレクトロニクスと有害な相互作用をする可能性がある。

この問題を解決するために、独国特許出願公開第１０２００８０１２９２２号明細書（ＤＥ１０２００８０１２９２２Ａ１）からは既に、コイル内に相異なる巻線方向を有するループを設けることによって、遠方界における磁界を補償し、誘導電圧を無効にすることが公知である。

これに代えて、センサの１つ又は複数のセンサコイルのインダクタンスを求めることが公知である。個々のコイルのインダクタンスに基づいて、測定される回転角度を容易に推定することができる。一般に、インダクタンスは、ＬＣ発振回路の振動周波数を測定して積分することによって求められ、この場合、振動周波数は、インダクタンスに依存している。従って、検出される振動周波数は、外部から誘導された電圧による影響を受ける可能性もあるので、振動周波数は、もはやＬＣ共振条件だけに依存しているのではなく、電圧を誘導する外部の干渉信号の周波数にも依存している。センサコイルを２つの部分に分割し、巻線方向を逆向きにすることによって、この結合を低減することが可能である。しかしながら、上記の手段によれば一般に、コイル品質と、ひいては周波数安定性とを大きく決定づけるインダクタンスも減少してしまう。

独国特許出願公開第１９７３８８３６号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０１２９２２号明細書

発明の開示
請求項１に記載の特徴を有する本発明に係る方法は、センサコイルの設計を面倒にも電磁両立性を考慮しながら適合させることなく、センサコイルインダクタンスを正確に求めることによって渦電流センサの安定した動作が保証されるという利点を有する。このために本発明によれば、前記センサコイルインダクタンスを求めるための前記積分の間に、前記振動周波数が少なくとも１回離調される。振動周波数を意図的に離調させることにより、干渉信号又は干渉周波数による誘導電圧によって積分の誤ったカウンタ状態がもたらされることがなくなることが達成される。

これにより、コイルインダクタンスを求める際に、干渉信号による影響を受けなくなるか、又は、ほとんど受けなくなる。

さらには、前記振動周波数を離調させるために、前記共振容量が少なくとも１回変化される。振動周波数を変化又は離調させるために、共振容量を操作して変化させることによって、ＬＣ発振回路の振動挙動が簡単に操作され得る。

特に、前記共振容量が少なくとも１回、設定可能な値だけ増加させられる。これにより、増加させられた共振容量の、検出すべき振動周波数の欠如時間が所期のように短縮され、これによって、誘導された外部電圧又は干渉信号による「注入同期（Injection locking）」が回避される。

これに代わる形態ではさらに、前記共振容量が連続的に増加させられる。このために好ましくは、ＬＣ発振回路の共振コンデンサが、特に、周波数に対して線形に作用する曲線に従って、積分中に連続的に変調される。この場合にも、既に上述した利点が得られる。これにより、積分のカウンタ状態は、干渉信号による影響を受けなくなるか、又は、ほとんど受けなくなる。

特に好ましくは、前記共振容量は、少なくとも１つの別のコンデンサを追加接続することによって増加させられる。特に、複数の同じ及び／又は異なるコンデンサによって１つの集積回路内にコンデンサアレイ又はコンデンサフィールドを形成することができ、これらのコンデンサは、半導体スイッチを介してＬＣ発振回路に、特に共振器又は共振コンデンサに接続可能であり、ひいては追加接続可能である。共振容量を連続的又は準連続的に増加させることは、複数の追加接続可能な単一キャパシタ又はコンデンサによっても達成することができる。

これに代えて又はこれに加えて、本発明の好ましい発展形態によれば、前記振動周波数の前記離調のために、前記ＬＣ発振回路の発振器のデジタルインバータのゲート遅延時間が変化させられる。ゲート遅延時間（Gate-delay）は、ＬＣ発振回路の振動周波数にも影響を与える。ゲート遅延時間を変化させることによって、振動周波数を変化又は離調させる位相シフトを達成することができる。ゲート遅延時間を変化させることによって振動周波数を操作することにより、追加的な追加接続可能なコンデンサを省略することができ、従って、製造コストを削減することができる。好ましくは、ゲート遅延時間は、増幅段のバイアス電流を調整するためのプログラミング可能な電流源を使用することによって実現される。振動周波数を離調させるために、遅延素子のカスケードを直列接続することもできる。

本発明の好ましい発展形態によれば、前記共振容量は、予想される干渉周波数に基づいて増加させられる。これにより、例えば電気／電子機器による少なくとも１つの干渉信号又は干渉周波数が予想される特定の環境において使用するために、本方法を最適化することができる。これによって、振動周波数の所期の離調が達成され、この離調により、コイルインダクタンスが確実に求められることが保証される。

請求項８に記載の特徴を有する本発明に係る装置は、規定通りに使用されたときに本発明に係る方法を実施する、特有に構成された制御装置が設けられていることを特徴とする。これによって上述の利点が得られる。さらなる利点及び好ましい特徴は、上述の説明及び請求項から明らかになる。

好ましくは、前記ＬＣ発振回路は、前記共振容量を増加させるための、又は、前記振動周波数を操作するため／離調させるための、少なくとも１つの追加接続可能なコンデンサを有する。特に、既に上述したように、複数のコンデンサが形成されており、例えば半導体スイッチを介して追加接続可能である。

これに代えて又はこれに加えて、好ましくは、前記ＬＣ発振回路は、可変のゲート遅延時間を有するデジタルインバータを備える発振器を有する。ゲート遅延時間を操作することによって、−既に上述したように−振動周波数が離調され、これによってコイルインダクタンスが確実に求められ、特に回転角度センサである渦電流センサの確実かつ正確な動作が保証される。

以下では、本発明及び本発明の利点を、実施例に基づいてより詳細に説明する。

図１は、渦電流センサを動作させるための装置の概略図である。 図２Ａ乃至図２Ｄは、干渉信号が存在しない場合及び存在する場合における、センサの振動周波数を示す図である。 図３Ａ乃至図３Ｄは、有利な動作方法を実施した場合における、センサの振動周波数を示す図である。 図４Ａ乃至図４Ｄは、代替的な動作方法を実施した場合における、センサの振動周波数を示す図である。

図１は、回転角度センサとして使用される渦電流センサ２を動作させるための装置１、特に、渦電流センサ２のコイルインダクタンスを求めるための装置１の概略図を示す。装置１は、渦電流センサ２のコイルインダクタンスを検出するためのＬＣ発振回路３を有する。これに関して発振回路３は、渦電流センサ２のインダクタンスＬ又は渦電流センサ２のセンサコイルと、渦電流センサ２の内部抵抗Ｒ_Ｃと、共振コンデンサＣ_Ｒとを有する。回路３はさらに、デジタルインバータ５を備える発振器４を有する。モジュール６は、渦電流センサ２によって検出される、例えば電気モータのロータの回転角度を、回路３内で生成された振動周波数ｆから計算する。このとき、回路３は、ＬＣ共振周波数で振動する。コイルインダクタンスは、好ましくは積分時間ｔ_ｉｎｔ内の周期をカウントすることによってデジタル化されて、求められる。

図２Ａ及び図２Ｃは、積分時間ｔ_ｉｎｔにわたる振動周波数ｆの推移を示し、なお、図２Ａは、干渉信号が存在しない場合を示し、図２Ｃは、干渉信号Ｓ_ｅｘが存在する場合を示す。図２Ｂ及び図２Ｄはさらに、積分から生成された、デジタル化された周波数ｆ_Ｄを示す。ここでは、干渉信号Ｓ_ｅｘは、ＣＷ信号であり、ＬＣ共振周波数ｆ_ＬＣから例えば１００ｋＨｚだけ相違している干渉周波数ｆ _ｅｘ を有するものと仮定される。コンデンサＣ_Ｒの共振容量の値が時間的に一定であると仮定した場合、振動周波数ｆは、干渉信号Ｓ_ｅｘが存在しない場合にはＬＣ共振周波数ｆ_ＬＣに一致し、さもなければＬＣ共振周波数と干渉信号Ｓ_ｅｘの周波数との間に位置する有効周波数ｆ_ｅｆｆに一致する。干渉信号Ｓ_ｅｘの影響を受けた状態で周期をカウントすれば、干渉が存在しない状況とは異なるカウンタ状態が生じるということは明白である。以下に説明する方法と、装置１の有利な動作と、装置１の有利な回路構成とを用いることにより、干渉信号Ｓ_ｅｘの影響によって誤ったカウンタ状態（デジタル化された周波数ｆ_Ｄ）がもたらされることがなくなり、ひいては、渦電流センサ２によって検出される回転角度に対する影響がなくなるか、又は、少なくとも低減される。第１の実施例によれば有利には、回路３は、特に、コンデンサアレイ７の形態の多数のコンデンサを有する。これらのコンデンサは、図１に示されているように、集積回路内に形成されており、共振回路の半導体スイッチ又は共振器を介して回路３に接続可能であり、かつ、共振コンデンサＣ_Ｒに追加接続可能である。このために、例えば金属−誘電体−金属型のキャパシタが、集積回路の製造のバックエンドプロセスにおいて製造される。少なくとも回路３又は共振コンデンサＣ_Ｒには、少なくとも１つの別のコンデンサを追加接続可能である。

別のコンデンサを１つだけ設けて追加接続可能である場合には、図３Ａ乃至図３Ｄに示された方法を実施することができる。積分の間に、積分時間の半分の時間（ｔ_ｉｎｔ／２）に亘って、渦電流センサ２のセンサコイルの検査は、共振コンデンサＣ_Ｒと調整され、又は、共振コンデンサＣ_Ｒによって形成される共振容量と調整される。積分時間の後半では、センサコイルは、別のコンデンサが追加接続されることによって追加的な容量（Ｃ_Ｒ＋Ｃ_ａｄｄ）と調整される。この追加的な容量Ｃ_ａｄｄは、好ましくは、元の共振周波数が注入同期のロックレンジよりも格段に大きくシフトするように選択されている。有利には、容量は、以下のように選択される：Ｃ_Ｒ＝６８ｐＦ及びＣ_ａｄｄ＝５ｐＦ。注入同期のロックレンジは、約５ｍｍサイズのプリント基板ベース上の平面コイルの場合、典型的には１００ｋＨｚ未満である。別のコンデンサを追加接続することにより、積分時間の少なくとも半分の時間の間、干渉信号Ｓ_ｅｘによる影響を阻止することができる。これにより、コイルインダクタンスを求める際の測定誤差（周波数誤差）を半分にすることができる。回路３が追加接続可能なコンデンサを複数有する場合には、追加的な段を導入して、干渉信号Ｓ_ｅｘによって発生し得る影響の時間間隔をさらに短縮することが可能である。

図４Ａ乃至図４Ｄは、別の１つの実施例を示す。この実施例では、振動周波数ｆ_ＬＣが、例えば図４Ａに示されているように周波数に対して線形に作用する曲線に従って、積分中に連続的に変調される。線形変調の場合に、干渉信号Ｓ_ｅｘの周波数ｆ_ｅｘがｆ_ｍｉｎとｆ_ｍａｘとの間にあると仮定した場合、積分の間のカウンタ状態は、干渉信号Ｓ_ｅｘによる影響を受けない。ＬＣ共振周波数ｆ_ＬＣが干渉信号の周波数よりも低く、かつ、周波数間隔がロックレンジよりも狭い場合には、干渉信号Ｓ_ｅｘへのロックによって振動周波数ｆ_ＬＣの増加が引き起こされる。同様にして、ＬＣ共振周波数ｆ_ＬＣが干渉周波数ｆ_ｅｘよりも高い位相も存在する。積分によって影響が補償され、センサコイルの非活性状態が非常に正確に特定され、これによって回転角度が正確に求められることが保証されている。

それにもかかわらず、干渉信号Ｓ_ｅｘの干渉周波数ｆ_ｅｘがｆ_ｍｉｎ及びｆ_ｍａｘの非常に近傍に位置する場合には、影響が発生する可能性がある。なぜなら、干渉信号は、ＬＣ共振周波数ｆ_ＬＣを増加させるだけ又は減少させるだけだからである。しかしながら、この影響は、いずれにせよ、共振コンデンサＣ_Ｒの値が一定である通常の場合よりも格段に小さい。具体的な例では、共振コンデンサの調整容量又は容量を６１．９ｐＦと６３．１ｐＦの間で変化させた場合には、予想される角度誤差を０．５°から０．２°に低減することができる。１ｐＦ変化させると誤差は０．１°に減少し、５ｐＦ変化させると誤差はもはや測定されない程度となる。

共振コンデンサを変化させることによる振動周波数の線形若しくは準線形の推移又は連続的な変化は、上述したように追加接続可能である多数の単一コンデンサによって達成することができる。コンデンサは、有利には、コンデンサの容量が０．１ｐＦ；０．２ｐＦ；０．４ｐＦ；０．８ｐＦ，・・・を有するように、バイナリパターンに即した容量値を有するように構成される。所期のように組み合わせることによって、０ｐＦと、最大値の２倍から刻み幅を引いた値との間の全ての値を０．１ｐＦ刻みで設定することができる。回路３の振動周波数を離調させるために、アナログに調整可能な容量（バラクタ）を使用することも可能である。

積分中の振動周波数の離調を、調整容量を変化させることなく実施することもできる。この場合には、回路がデジタルインバータ５を有する発振器によって実現されており、これによって生じているゲート遅延時間（Gate delayed）が、振動周波数に対して影響を与える。インバータ５の出力部における信号が−１８０°の位相遅れで入力部に供給される場合には、振動が維持される。共振コンデンサＣ_Ｒ又はＬＣ共振器は、共振周波数において正確にこの位相シフトを有する。位相シフトは、ある特定の振動周波数において時間遅延に変換され得る。２５ＭＨｚの場合には、周期の期間は４０ｎｓである。従って、−１８０°の位相シフトは２０ｎｓに相当する。ゲート遅延時間は、通常１乃至６ｎｓである。この遅延時間は、共振器の所要の位相遅延に短縮するように作用する。このことは具体的に、２ｎｓ（−１８°に相当）の場合に、ゲート遅延時間及び共振器は、さらに−１８２°の位相シフトを有するだけでよいということを意味する。インダクタンスＬ及び共振コンデンサＣ_Ｒに対してある特定の値を入力した場合には、振動周波数が低下する。なぜなら、共振周波数におけるπ型の共振器の位相応答は、０°から−１８０°まで変化するので、このような比較的小さい位相シフトは、比較的低い周波数において達成されるからである。この場合、急峻度は、コイル品質に依存している。従って、ゲート遅延時間は、振動周波数に対して明確に定義された（well-defined）影響を与えるので、ゲート遅延時間を操作することによって振動周波数の離調を、このために共振容量を変化させる必要なしに実施することができる。ゲート遅延時間の操作は、実際には例えば、増幅段のバイアス電流を調整するためのプログラミング可能な電流源を使用することによって実現することができる。さらには、これに加えて又はこれに代えて、集積回路内において遅延素子のカスケードを直列接続することができる。

このようにして、有利な装置及び上述の方法により、振動周波数が干渉信号にロックされることを阻止するために、回路の振動周波数を所期のように離調させることが可能である。これにより、干渉信号に対する電磁両立性及びロバスト性に関する要求を、装置１によって簡単かつ低コストに満たすことができる。

Claims (14)

1. ＬＣ発振回路（３）によって渦電流センサ（２）のセンサコイルインダクタンスを求めるための方法であって、
   前記センサコイルインダクタンスを、前記ＬＣ発振回路（３）の振動周波数（ｆ_ＬＣ）及び共振容量に基づいて積分によって求める、
   方法において、
   前記積分の間に、前記振動周波数（ｆ_ＬＣ）を少なくとも１回離調させる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記振動周波数（ｆ _ＬＣ ）を離調させるために、前記共振容量を少なくとも１回変化させる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記共振容量を少なくとも１回、設定可能な値だけ増加させる、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記共振容量を連続的に増加させる、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記共振容量を、少なくとも１つの別のコンデンサを追加接続することによって増加させる、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記離調のために、発振器（４）のデジタルインバータ（５）のゲート遅延時間を変化させる、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記共振容量を、予想される干渉周波数（ｆ_ｅｘ）に基づいて増加させる、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. ＬＣ発振回路（３）によって渦電流センサ（２）のセンサコイルインダクタンスを求めるための装置（１）であって、
   前記ＬＣ発振回路（３）は、少なくとも１つの共振コンデンサ（Ｃ_Ｒ）と、前記ＬＣ発振回路（３）の振動周波数（ｆ_ＬＣ）を検出するための装置とを有する、
   装置（１）において、
   前記センサコイルインダクタンスを、前記ＬＣ発振回路（３）の振動周波数（ｆ _ＬＣ ）及び共振容量に基づいて積分によって求めるための制御装置が設けられており、
   前記制御装置は、前記積分の間に、前記振動周波数（ｆ _ＬＣ ）を少なくとも１回離調させる、
   ことを特徴とする装置（１）。
9. 前記制御装置は、前記振動周波数（ｆ _ＬＣ ）を離調させるために、前記共振容量を少なくとも１回変化させる、
   請求項８に記載の装置（１）。
10. 前記制御装置は、前記共振容量を少なくとも１回、設定可能な値だけ増加させる、
    請求項８又は９に記載の装置（１）。
11. 前記制御装置は、前記共振容量を連続的に増加させる、
    請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の装置（１）。
12. 前記制御装置は、前記共振容量を、予想される干渉周波数（ｆ _ｅｘ ）に基づいて増加させる、
    請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の装置（１）。
13. 前記ＬＣ発振回路（３）は、前記共振容量を増加させるための、少なくとも１つの追加接続可能なコンデンサを有する、
    請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の装置（１）。
14. 前記ＬＣ発振回路（３）は、可変のゲート遅延時間を有するデジタルインバータ（５）を備える発振器（４）を有する、
    請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の装置（１）。

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