JP6515107B2

JP6515107B2 - 複数の共振センサに対する単一チャネルインタフェースを備えた誘導性位置感知

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Publication number: JP6515107B2
Application number: JP2016543956A
Authority: JP
Inventors: ブイボールドウィンジョナサン; スリニヴァサムラリ
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: WO2015039134A1; EP3074779A4; CN105452884A; US20150077094A1; EP3074779B1; US9404727B2; JP2016534370A; CN105452884B; EP3074779A1

Description

本願は、位置を測定又は検出する際など、近接度又は物理的状態又はコンディションを誘導的に感知することに関連する。

誘導性共振感知は、共振器を含む共振センサに基づく。共振器は、定常状態発振で動作するように駆動され、導電性ターゲットを感知するために磁束エネルギーを放射する。応用例には、導電性ターゲットに対する近接度又は位置感知が含まれる。

共振センサが、共振器周波数及び共振器発振振幅（共振状態）により特徴付けられる、ＬＣタンク回路などの共振器を含む。共振器は、共振周波数及び共振振幅での定常状態発振により特徴付けられる、公称共振周波数状態（ターゲットが存在しない）に対して構成される。公称共振周波数状態では、共振器は、共振インピーダンス（共振におけるインピーダンス）として特徴付けられ得る、コイル抵抗及び損失のある誘電体などの、固有の回路損失を克服するために充分な励起で駆動される。

誘導性感知では、誘導性感知コイルから放射された磁束エネルギーが、共振センサの感知範囲／エリア内の導電性ターゲットにおいて渦電流を誘導する。渦電流損失は、共振器インピーダンスを効率的に変更し、その結果、共振器発振振幅及び周波数における変化によって現れるものなど、共振状態における変化となる。共振状態におけるこの変化は、共振インピーダンスにおける変化に対応して、公称共振周波数状態に対する共振周波数状態における変化となる。

記載される例において、誘導性感知システムが、単一チャネルインタフェースを介してインダクタンス・デジタルコンバータ（ＩＤＣ）にインタフェースされる複数の共振センサを含む。ＩＤＣは、共振センサをループフィルタとして包含するＩＤＣ制御ループを確立する。ＩＤＣ制御ループは、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態まで共振センサを駆動する。各共振センサは、それを他の共振センサから差別化する公称共振周波数状態に対して構成される。ＩＤＣは、ターゲット感知コンディションを表すシステム共振状態における変化を感知し、ターゲット感知システム共振状態を駆動することによって応答する。ＩＤＣは、ターゲット感知コンディションに起因するＩＤＣループ（共振）制御信号を、ターゲット感知共振センサに対するターゲット位置（近接度又は範囲）の指示として、対応するターゲット感知共振周波数状態を表すセンサデータに変換する。センサデータは、近接度／範囲処理のためにデータプロセッサに提供され得る。

それぞれの導電性ターゲットの位置（近接度又は範囲）を感知するために適合される複数の共振センサを備える誘導性位置感知システムの例示の機能図である。

ＬＣ共振器と、関連する共振インピーダンスＲ_Ｓとを含む共振センサの例示実施例の概略である。

図１Ａの複数のセンサ構成のための、公称システム共振周波数状態に対応する例示の公称共振周波数波形（位相及び周波数）のグラフである。

複数の共振センサに対する単一チャネルインタフェースを備えたＩＤＣユニットの例示実施例の図である。

簡単な概略において、単一チャネルインタフェースを含むインダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）ユニットが、複数の共振センサを備えた誘導性位置感知システムにおいて動作し得、複数の共振センサは、直列ループトポロジーで構成され、単一チャネルインタフェースを介してＩＤＣユニットにインタフェースされる。各共振センサは、共振センサに対する感知範囲内のそれぞれの導電性ターゲットの位置としてターゲット位置を感知するように適合される。各共振センサは、共振周波数状態（定常状態発振振幅及び共振器周波数）及び感知範囲に対して構成される共振器を含む。各共振センサは、（ａ）その共振センサのためのターゲットがその感知範囲外にあり、且つ、公称共振周波数状態が任意の他の共振センサの公称共振周波数状態に対して固有であるように共振器が構成される、公称共振周波数状態での、及び（ｂ）そのそれぞれのターゲットがその感知範囲内のターゲット位置にあり、且つ、ターゲット感知共振周波数状態がそれぞれのターゲット感知コンディションにおける任意の他の共振センサの任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならないように共振器が構成される、ターゲット感知コンディションにおいてターゲット感知共振センサに対応するターゲット感知共振周波数状態での、オペレーションのために構成される。

直列ループの複数の共振センサに対する単一チャネルインタフェースを備えるＩＤＣユニットは、（ａ）ターゲット感知共振センサにおけるターゲット感知コンディションに応答するターゲット感知システム共振状態を含む、共振制御信号に応答してシステム共振状態を制御するように構成される共振制御回路要素と、（ｂ）ターゲット感知コンディションのためのターゲット感知システム共振状態に対応するターゲット感知共振制御信号を含む、共振制御信号を生成するように構成されるＩＤＣループ制御回路要素とを含む。共振制御回路要素及びＩＤＣループ制御回路要素は、直列ループ結合される共振センサの各それぞれの共振器（ループフィルタとして）を含むＩＤＣ制御ループを確立し、共振制御回路要素及びＩＤＣループ制御回路要素は、各共振センサがその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態を含み、また、ターゲット感知コンディションに関連付けられるターゲット感知共振周波数状態まで少なくとも一つの共振センサが駆動されるターゲット感知システム共振状態を含み、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態を駆動するように動作し得る。ターゲット感知コンディションに対し、共振制御回路要素は、ターゲット感知システム共振状態までシステム共振状態を駆動するためターゲット感知共振制御信号に応答し、ターゲット感知共振センサがターゲット感知コンディションに対応するターゲット感知共振周波数状態で動作する。ＩＤＣユニットは、出力センサデータが、別の共振センサに対する任意のターゲット感知コンディションから差別化され、従って、このようなターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲットのターゲット位置を表す、それぞれのターゲット感知共振センサのためのターゲット感知コンディションを表すように、ターゲット感知共振制御信号に対応するセンサデータを出力する。

図１Ａは、複数の共振センサ２０とインダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）ユニット３０とを含む誘導性位置感知システム１０の例示の機能図である。この例は、３つの共振センサ２１、２２、２３を示す。

ＩＤＣ３０はＩＤＣ単一チャネルインタフェース３１を含む。ＩＤＣ３０及び共振センサ２０は、直列ループ（デイジーチェーン）トポロジーで構成される。具体的には、ＩＤＣ３０は、直列ループ４０を通じて、ＩＤＣ単一チャネルインタフェース３１を介して共振センサ２０に直列ループ結合される。共振センサ２０（２１、２２、２３）は、それぞれの導電性ターゲット７０（７１、７２、７３）の位置（近接度又は範囲）を感知するように適合される。

ＩＤＣ３０は、共振センサ２０をループフィルタとして包含するＩＤＣ制御ループを確立する。ＩＤＣ制御ループは、共振センサ２０を、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態まで駆動する。各共振センサは、それを直列ループ４０内で差別化する公称共振周波数状態に対して構成される。ＩＤＣ３０は、ターゲット感知コンディション（その感知範囲内の位置のそのそれぞれのターゲットを備える共振センサ）を表すシステム共振状態における変化を感知し、対応するターゲット感知システム共振状態まで共振センサを駆動すること（ターゲット感知共振センサをそのターゲット感知共振周波数状態まで駆動することを含む）によって応答する。ＩＤＣ３０は、ターゲット感知コンディションに起因する、システム共振状態における変化に対応するＩＤＣループ（共振）制御信号を、ターゲット感知共振センサに対するターゲット位置（近接度又は範囲）の指示として対応するターゲット感知共振周波数状態を表すようにセンサデータに変換する。センサデータは、近接度／範囲処理のためにデータプロセッサ５０に提供され得る。

（直列ループ４０を通じて）ＩＤＣ信号チャネルインタフェース３１を介してＩＤＣ３０によりシステムとして駆動される共振センサ２０は、システム共振状態に基づいて差別化される。共振センサ２０は、それぞれの固有の、オーバーラップしない公称共振周波数状態（公称共振発振周波数及び共振発振振幅）に対して構成される（及びそれらにより差別化される）。そのようにして、システム共振状態及びターゲット感知システム共振状態が、ＩＤＣ単一チャネルインタフェース３１を介してＩＤＣ３０により受け取られる、ターゲット感知共振センサ及びそのターゲット応答（近接度又は範囲）を効率的に差別化する。

更に図１Ｂを参照すると、各例示の共振センサ２０は、インダクタＬ及び並列キャパシタＣ（タンク回路）を備えて構成される共振器２５を含む。ＬＣ共振器は、並列共振器の代わりに直列として構成され得る。レジスタＲ_Ｓは、共振器内の回路寄生損失と、ターゲットコンディションのためのターゲットに対する渦電流損失とに対応する、共振インピーダンス（共振での有効インピーダンス）を表す。

共振器２５は、共振周波数状態、及び感知範囲に対して構成され得る。共振周波数状態は、定常状態共振器発振振幅及び共振器周波数である。

共振器２５は、設計により特定される公称共振周波数状態（ターゲットが存在しない）でのオペレーションに対して構成され得る。従って、公称共振周波数状態で動作する際、ターゲットが存在せず、従って、渦電流損失がない状態で、回路寄生に起因する公称共振インピーダンスを平衡させることによって定常状態発振を維持するために、共振センサ２０が（ＩＤＣ単一チャネルインタフェース３１を介してＩＤＣ３０から）直列ループ４０を通じて充分な電力で駆動される。共振器２５は、公称共振周波数状態が任意の他の共振センサの公称共振周波数状態に対して固有であるように構成される。

共振器２５は更に、ターゲット感知共振周波数状態が任意の他の共振センサ（共振器）の任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならないように構成され、その場合、ターゲット感知共振周波数状態がターゲット感知コンディションでのターゲット感知共振センサに対応する。ターゲット７０が共振センサ２０の感知範囲内のターゲット位置にあるとき、ＩＤＣ３０のための、ターゲット感知コンディションが生じる。感知範囲は、共振器構成、ターゲット構成、及び設計により特定される分解能に依存する。

図１Ａにおいて、共振センサ２０は各々、他の共振センサの公称共振周波数状態に対して固有（ノンオーバーラップ）である公称共振周波数状態に対して構成される。直列ループ４０における共振センサ２０は、固有のそれぞれの公称共振周波数状態に基づいて差別化される。例示の実装は、異なる静電容量値Ｃ（固定インダクタンス値Ｌを有する）を有するそれぞれの共振器構成に基づいて差別化されるＬＣ共振器を備える共振センサ２０、即ち、共振センサ２１（ＬＣｏｉｌ＋Ｃ）、共振センサ２２（ＬＣｏｉｌ＋２Ｃ）、及び共振センサ２３（ＬＣｏｉｌ＋３Ｃ）、を構成することである。他の実施例において、共振器周波数を差別するために、インダクタンス又はインダクタンス及び静電容量を用いることができる。

図２は、図１Ａの複数の共振センサ構成のための例示の公称共振周波数波形（位相及び周波数）を提供する。具体的には、共振センサ２１、２２、２３は、共振器静電容量（それぞれ、静電容量Ｃ、２Ｃ、３Ｃ）が増大すると共に共振周波数が低減するように構成される。同一の共振インダクタに起因して、共振振幅も低減する（共振周波数状態を更に差別化する）。静電容量値間の関係は、応用例に適切な共振周波数分離を達成するための設計選択肢である。

また図１Ａを参照すると、位置感知システム１０（共振センサ２０及びＩＤＣ３０を含む）が、すべての共振センサがそれぞれの公称共振周波数状態（図２）にある公称システム共振状態を含む、システム共振状態により特徴付けられる。ＩＤＣユニット３０が、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態を駆動するように構成される。ターゲット感知コンディションにおいて共振センサがない場合、ＩＤＣ３０は、各共振センサ２０がその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態を駆動する。ターゲット感知コンディションでは、ＩＤＣ３０は、ターゲット感知コンディションに関連付けられるターゲット感知共振周波数状態までターゲット感知共振センサが駆動されるターゲット感知システム共振状態を駆動する。

ＩＤＣ３０は、直列ループ結合される共振センサ２０の各それぞれの共振器２５をループフィルタとして含むＩＤＣ制御ループを確立する。ＩＤＣ制御ループは、共振（ループ）制御信号に基づいて共振制御を提供する。ＩＤＣ制御ループは、ターゲット感知共振センサにおけるターゲット感知コンディションに応答してターゲット感知システム共振状態を駆動することを含む、共振制御信号に応答してシステム共振状態を制御する。ＩＤＣループは、ターゲット感知コンディションのためのターゲット感知システム共振状態に対応するターゲット感知共振制御信号を含む、共振制御信号を生成する。ＩＤＣ３０は、システム共振状態をターゲット感知システム共振状態まで駆動するためターゲット感知共振制御信号に応答し、ターゲット感知共振センサがターゲット感知コンディションに対応してターゲット感知共振周波数状態で動作する。

ＩＤＣ３０は、ターゲット送信コンディションを表すように、ターゲット感知共振制御信号に対応するセンサデータを出力する。実際には、ＩＤＣ３０は、ターゲット感知システム共振状態（ターゲット感知共振制御信号により表されるように）を、それぞれのターゲット感知共振センサのためのターゲット感知コンディションを表すセンサデータに変換する。このようなターゲット感知コンディションは、別の共振センサのための任意のターゲット感知コンディションから差別化され、従って、このようなターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲットのターゲット位置を表す。

共振周波数状態に基づくセンサ差別化は、センサ差別化が複数の共振センサにＩＤＣ単一チャネルインタフェース３１を介して単一のＩＤＣ３０にインタフェースさせ得るので、位置感知システム１０の実装のための重要な設計考慮事項である。位置感知システム１０の実装のための付加的なシステム設計規準には、（ａ）近接度又は範囲検出のためのシステム構成、及び（ｂ）ＩＤＣ分解能が含まれる。

位置感知システム１０は、近接度又は範囲感知のいずれかのために設計され得る。近接度感知／検出では、位置感知システム１０は、ターゲット感知共振センサ２０に対するターゲット７０の近接度を感知するように設計され、この場合、ターゲット近接度は設計により特定される近接距離である。範囲検出では、位置感知システム１０は、ターゲット感知共振センサ２０に対するターゲット位置を感知するように設計され、この場合、ターゲット位置は、設計により特定される感知範囲内の（及び設計により特定される位置分解能での）位置である。

ターゲット近接度感知は、設計により特定される近接距離におけるそれぞれのターゲット７０に対応するターゲット近接度感知共振周波数状態に基づく。このターゲット近接度共振周波数状態は、（共振器設計に基づく）ターゲット感知共振センサ２０に対して固有であり、ＩＤＣ３０に、ターゲット感知共振センサ２０について差別化されるターゲット近接度共振周波数状態を捕捉／変換させ得、及び、設計により特定される近接距離におけるターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲット７０を表すターゲット近接度／検出センサデータを出力させ得る。従って、ターゲット感知共振センサ２０に対し、（このようなターゲット感知共振センサに対する、設計により特定される近接距離での）それぞれのターゲット７０に対応するターゲット近接度共振周波数状態は、他の共振センサ２０の任意のターゲット近接度共振周波数状態から差別化可能である。

ターゲット範囲感知は、設計により特定される感知範囲（設計により特定される位置分解能を備える）内のそれぞれのターゲット７０の位置に対応するターゲット範囲感知共振周波数状態に基づく。各ターゲット位置／範囲共振周波数状態は、（共振器設計に基づく）ターゲット感知共振センサ２０に対して固有であり、ＩＤＣ３０に、ターゲット感知共振センサ２０について差別化されるターゲット位置／範囲共振周波数状態を捕捉／変換させ得、及び、設計により特定される感知範囲内のターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲット７０の位置を表すターゲット範囲センサデータを出力させ得る。従って、ターゲット感知共振センサ２０に対し、（ターゲット感知共振センサのための設計により特定される感知範囲内のそれぞれのターゲット７０の位置に対応する）ターゲット位置／範囲共振周波数状態の範囲は、他の共振センサ２０（それぞれの感知範囲を備える）の任意のターゲット位置／範囲共振周波数状態と重ならない。

図３は、それぞれの直列ループ結合された共振センサ２０の各共振器をループフィルタとして含む、ＩＤＣ負インピーダンス制御ループを実装するＩＤＣユニット３００の例示実施例を示す。ＩＤＣ負インピーダンス制御ループは、負インピーダンス回路要素３０１及び負インピーダンス制御回路要素３３０を含む。

ターゲット感知コンディションに対し、ＩＤＣ負インピーダンス制御ループは、ターゲット感知共振センサ２０の共振インピーダンスにおける任意の変化を平衡させるためにＩＤＣ単一チャネルインタフェース３０１に駆動される負インピーダンスを制御するように動作し得、それにより、ターゲット感知コンディションに対応してターゲット感知共振周波数状態までターゲット感知共振センサを駆動する。負インピーダンス回路要素３０１は、負インピーダンス制御信号に応答して負インピーダンスをＩＤＣ単一チャネルインタフェースまで駆動することによりシステム共振状態を駆動する。

負インピーダンス制御回路要素３３０は、ターゲット感知コンディションにより生じるターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化に起因する、システム発振振幅における変化に基づいてターゲット感知負インピーダンス制御信号を生成する。従って、ターゲット感知負インピーダンス制御信号は、ターゲット感知コンディションに対するターゲット感知システム共振状態に対応する。負インピーダンス回路要素３３０は、ターゲット感知システム共振状態に対応して、負インピーダンスをＩＤＣ単一チャネルインタフェース３０１まで駆動するようにターゲット感知負インピーダンス制御信号に応答する。

ＩＤＣ３００は、負インピーダンス制御信号ＲＣＳに対応してセンサデータを出力する。出力センサデータは、ターゲット感知コンディションに起因する、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスを平衡させるための負インピーダンスを表す。従って、負インピーダンス制御信号は、このようなターゲット感知共振センサに対する、それぞれのターゲットのターゲット位置を表す。

ＩＤＣ制御ループは、共振（負インピーダンス）制御信号ＲＣＳに応答して負インピーダンスをＩＤＣ単一チャネルインタフェース３０１まで駆動することによりシステム共振状態を駆動する。ターゲット感知コンディションでは、ＩＤＣ制御ループは、ターゲット感知コンディションにより生じるターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化に起因する、システム発振振幅における変化に基づいて対応するターゲット感知負インピーダンス制御信号を生成する。従って、ターゲット感知負インピーダンス制御信号は、ターゲット感知コンディションのためのターゲット感知システム共振状態に対応する。

ターゲット感知負インピーダンス制御信号に応答して、ＩＤＣ３００は、ターゲット感知システム共振状態に対応して、負インピーダンスをＩＤＣ単一チャネルインタフェース３０１まで駆動する。ＩＤＣ３００は、ターゲットコンディションに起因する、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化を平衡させるためにＩＤＣ単一チャネルインタフェース３０１まで駆動される負インピーダンスを制御する。その結果、ターゲット感知共振センサは、ターゲット感知コンディションに対応して対応するターゲット感知共振周波数状態まで駆動される。

ＩＤＣ３００は、ターゲット感知負インピーダンス制御信号に対応してセンサデータを出力する。ターゲット感知負インピーダンス制御信号は、ターゲット感知コンディションに起因する、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスを平衡させるための負インピーダンスに対応する。従って、負インピーダンス制御信号は、ターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲットのターゲット位置を表す。

例示の実装では、負インピーダンス回路３１０は、制御された負インピーダンスとして構成されるトランスコンダクタンス増幅器３１３として実装される。インピーダンス制御回路要素３３０は、共振状態の変化を表すように共振器発振振幅における変化を検出する振幅制御回路として実装され、フィードバックＲＣＳ共振制御信号を提供する。ＲＣＳ共振制御信号は、負インピーダンスを制御するためにトランスコンダクタンス増幅器３１３に入力され、それにより、共振インピーダンスの変化を平衡させるため及び共振周波数状態（定常状態発振）を維持するために共振器２５に供給される励起電力の量を制御する。

インピーダンス制御回路３３０は、振幅検出器３３１及びコンパレータ出力回路３３３を含む。振幅検出器３３１は共振器発振振幅を判定する。コンパレータ出力回路３３３は、振幅検出器３３１からの共振器発振振幅を参照振幅３３４と比較し、共振制御信号ＲＣＳを生成する。

ＩＤＣ３００の例示の実装は、システム共振状態に関連付けられる発振周波数を測定する周波数検出器回路３４０を含む。例えば、周波数検出回路は、クロックされた周波数カウンタ（ゼロ交差間のクロックサイクルをカウントする）を備えて実装され得る。共振器２５（インダクタンスコイルＬ）のためのインダクタンスを判定するために発振周波数を用いることができ、これはまた、共振状態の変化に基づいて変化する。

ＩＤＣ３００は、発振振幅及び発振周波数に対して個別のセンサデータ出力を提供して、発振振幅がインピーダンス制御回路３３０からＲＣＳ負インピーダンス制御信号として提供され、共振器発振周波数が周波数検出器回路３４０により提供されるようにする。これらのセンサデータ出力は、位置処理（近接度又は範囲）に用いるためにセンサデータプロセッサ５０に提供される。

このようにして、ＩＤＣ３００はシステム共振状態を駆動するように構成され、各共振センサは共振周波数状態まで駆動され、ターゲット感知コンディションに起因するシステム共振状態における変化を対応するセンサデータに変換する。ＩＤＣ３００は、複数の共振センサをループフィルタとして包含し、ターゲット感知システム共振状態を駆動するためにＩＤＣ単一チャネルインタフェースにおいて負インピーダンスを制御し、ターゲット感知共振センサを、その感知範囲内のそのそれぞれのターゲットの位置に対応してターゲット感知共振周波数状態まで効率的に駆動し、ターゲット位置（近接度又は範囲）の指示としてターゲット感知共振周波数状態を表すように、制御された負インピーダンスに対応するセンサデータを出力することを含んで、負インピーダンス制御ループを実装する。

従って、記載される例において、装置及び方法が、複数の共振センサを備えた誘導性位置感知システムに適合可能であり、複数の共振センサが各々、共振センサに対する感知範囲内のそれぞれの導電性ターゲットの位置としてターゲット位置を感知するように適合される。複数の共振センサは、複数の共振センサとＩＤＣユニットとが直列ループトポロジーで構成されるＩＤＣ単一チャネルインタフェースを介してＩＤＣユニットにインタフェースされる。

ＩＤＣユニットは、各共振センサがその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態を含み、及びターゲット感知コンディションに関連付けられるターゲット感知共振周波数状態まで少なくとも一つの共振センサが駆動されるターゲット感知システム共振状態を含んで、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態を駆動するように構成される。

ＩＤＣユニットは、共振制御回路要素及びＩＤＣループ制御回路要素を含み、また、直列ループ結合された共振センサの各それぞれの共振器をループフィルタとして含む、ＩＤＣ制御ループを確立する。共振制御回路要素は、ターゲット感知共振センサにおけるターゲット感知コンディションに応答してターゲット感知システム共振状態を含み、共振制御信号に応答してシステム共振状態を制御するように構成される。ＩＤＣループ制御回路要素は、ターゲット感知コンディションに対するターゲット感知システム共振状態に対応したターゲット感知共振制御信号を含む、共振制御信号を生成するように構成される。共振制御回路要素は、システム共振状態をターゲット感知システム共振状態まで駆動するためターゲット感知共振制御信号に応答しており、ターゲット感知共振センサは、ターゲット感知コンディションに対応してターゲット感知共振周波数状態で動作する。

ＩＤＣユニットは、出力センサデータが、別の共振センサに対する任意のターゲット感知コンディションから差別化された、それぞれのターゲット感知共振センサに対するターゲット感知コンディションを表すように、ターゲット感知共振制御信号に対応してセンサデータを出力する。そのようにして、出力センサデータ（ターゲット感知共振制御信号）はそれに従って、このようなターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲットのターゲット位置を表す。

従って、この手法は、ＩＤＣ単一チャネルインタフェースを介してインダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）ユニットにインタフェースされる複数の共振センサを備える位置感知に適合可能であり、この手法は、（ａ）単一チャネルインタフェースを介して、複数の共振センサを各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態まで駆動すること、（ｂ）ターゲット感知共振センサのターゲット感知コンディションに応答して、ターゲット感知共振制御信号を生成すること、（ｃ）ターゲット感知共振制御信号に応答して、ターゲット感知コンディションに対するターゲット感知共振周波数状態で動作するターゲット感知共振センサに対応してターゲット感知システム共振状態を駆動すること、（ｄ）それにより、直列ループ結合された共振センサの各それぞれの共振器をループフィルタとして含むＩＤＣ制御ループを確立することであって、各共振センサがその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態を含み、及びターゲット感知コンディションターゲットに関連付けられる感知システム共振状態まで少なくとも一つの共振センサが駆動されるターゲット感知共振周波数状態を含んで、ＩＤＣ制御ループがシステム共振状態を駆動し、及び（ｅ）出力センサデータが、それぞれのターゲット感知共振センサに対するターゲット感知コンディションを表し、別の共振センサに対する任意のターゲット感知コンディションから差別化され、及び従って、このようなターゲット感知共振センサに対するそれぞれのターゲットのターゲット位置を表すように、ターゲット感知共振制御信号に対応してセンサデータを出力することを含む。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。

Claims

複数の共振センサを備える誘導性位置感知システムであって、複数の共振センサの各々が、前記共振センサに関連する感知範囲内のそれぞれの導電性ターゲットの位置としてターゲット位置を感知し、前記システムが、
複数の共振センサであって、共振周波数状態と、感知範囲と、前記共振センサに対するターゲットがその感知範囲外にある公称共振周波数状態であって、任意の他の共振センサの公称共振周波数状態に関して固有である、前記公称共振周波数状態と、ターゲット感知共振周波数状態であって、そのそれぞれのターゲットがその感知範囲内のターゲット位置にあるターゲット感知コンディションでのターゲット感知共振センサに対応し、それぞれのターゲット感知コンディションでの任意の他の共振センサの任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならない、前記ターゲット感知共振周波数状態とを有する共振器を備える、前記複数の共振センサと、
インダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）ユニットであって、ＩＤＣ単一チャネルインタフェースを備え、前記ＩＤＣ単一チャネルインタフェースに直列ループで結合される前記複数の共振センサと直列ループトポロジーで構成され、各共振センサがその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態と、少なくとも１つの共振センサがターゲット感知コンディションに関連付けられるターゲット感知共振周波数状態まで駆動されるターゲット感知システム共振状態とを含み、各共振センサが共振周波数状態まで駆動される、システム共振状態を駆動する、前記ＩＤＣユニットと、
を含み、
前記ＩＤＣユニットが、
共振制御回路要素とＩＤＣ制御ループ回路要素とを含み、また、前記直列ループ結合された共振センサの各それぞれの共振器をループフィルタとして含む、ＩＤＣ制御ループであって、前記共振制御回路要素が、ターゲット感知共振センサにおけるターゲット感知コンディションに応答するターゲット感知システム共振状態を含む、システム共振状態を共振制御信号に応答して制御するように構成され、前記ＩＤＣ制御ループ回路要素が、前記ターゲット感知コンディションのための前記ターゲット感知システム共振状態に対応するターゲット感知共振制御信号を含む、前記共振制御信号を生成するように構成され、前記共振制御回路要素が、システム共振状態を前記ターゲット感知システム共振状態まで駆動するために前記ターゲット感知共振制御信号に応答し、前記ターゲット感知共振センサが、前記ターゲット感知コンディションに対応して前記ターゲット感知共振周波数状態で動作する、前記ＩＤＣ制御ループと、
センサデータを出力するように構成されるセンサデータ出力回路要素であって、前記出力されるセンサデータが、別の共振センサのための任意のターゲット感知コンディションから差別化された、前記それぞれのターゲット感知共振センサのための前記ターゲット感知コンディションを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに対する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記センサデータが前記ターゲット感知共振制御信号に対応する、前記センサデータ出力回路要素と、
を含む、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
各共振センサが共振インピーダンスを有し、
前記共振制御回路要素が、前記ターゲット感知コンディションに対応する前記ターゲット感知システム共振周波数状態を駆動するために前記ターゲット感知共振制御信号に応答し、前記ターゲット感知コンディションに起因する前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化を平衡させる、システム。
請求項２に記載のシステムであって、
前記共振制御回路要素が、負インピーダンス制御信号に応答して負インピーダンスを前記ＩＤＣ単一チャネルインタフェースに駆動することによりシステム共振状態を駆動するように構成される負インピーダンス回路要素を含み、
前記ＩＤＣ制御ループ回路要素が、前記ターゲット感知コンディションに起因する前記ターゲット感知共振センサの前記共振インピーダンスにおける変化に起因するシステム発振振幅における変化に基づいて、前記ターゲット感知コンディションのための前記ターゲット感知システム共振状態に対応し、ターゲット感知負インピーダンス制御信号を含む、前記負インピーダンス制御信号を生成するように構成される負インピーダンス制御回路要素を含み、
前記負インピーダンス回路要素が、前記ターゲット感知システム共振状態に対応して負インピーダンスを前記ＩＤＣ単一チャネルインタフェースに駆動するために前記ターゲット感知負インピーダンス制御信号に応答し、
前記負インピーダンス回路要素と前記負インピーダンス制御回路要素とが、前記それぞれの直列ループ結合される共振センサの各共振センサをループフィルタとして含む、負インピーダンス制御ループとして動作し得、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける任意の変化を平衡させるために前記ＩＤＣ単一チャネルインタフェースに駆動される前記負インピーダンスを制御するように動作し得、それにより、前記ターゲット感知コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態まで前記ターゲット感知共振センサを駆動し、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知コンディションに起因する、前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスを平衡させるために必要とされる前記負インピーダンスを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに関する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記出力されるセンサデータが前記負インピーダンス制御信号に対応する、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサに関連する特定された近接距離におけるそれぞれのターゲットに対応するターゲット近接度コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する前記ターゲット近接度コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサのための前記感知範囲内の位置におけるそれぞれのターゲットに対応するターゲット範囲コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する、前記ターゲット範囲コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
各共振器がインダクタとキャパシタとを含み、前記インダクタが各共振器に対して実質的に同じインダクタンス値を有し、前記キャパシタが他の共振器に関して固有の静電容量を有し、
前記関連する公称共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための前記関連する公称共振周波数状態から差別化され、そのような共振センサとその感知範囲とのための任意の関連するターゲット感知共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならないように、各共振器が特定される、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記ターゲット感知コンディションを表す前記センサデータが、前記対応するターゲット感知共振制御信号と前記ターゲット感知システム周波数信号との少なくとも一方に基づくように、前記ＩＤＣユニットが、前記ターゲット感知システム共振状態のためのターゲット感知システム周波数に対応するターゲット感知システム周波数信号を含み、前記システム共振状態に対応するシステム周波数に対応する、システム周波数信号を生成するように構成される共振器周波数回路要素を更に含む、システム。
直列ループトポロジーで構成される、複数の共振センサを備える誘導性位置感知システムにおける使用に適切なインダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）回路であって、各共振センサが、前記共振センサに関する感知範囲内のそれぞれの導電性ターゲットの位置としてターゲット位置を感知するように適切であり、各共振センサが、共振周波数状態と、感知範囲と、前記共振センサのための前記ターゲットがその感知範囲外にある公称共振周波数状態であって、任意の他の共振センサの公称共振周波数状態に関して固有である、前記公称共振周波数状態と、ターゲット感知共振周波数状態であって、そのそれぞれのターゲットがその感知範囲内のターゲット位置にあるターゲット感知コンディションにおけるターゲット感知共振センサに対応し、それぞれのターゲット感知コンディションにおける任意の他の共振センサの任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならない、前記ターゲット感知共振周波数状態とを備える共振器を含み、前記ＩＤＣ回路が、
直列ループの前記複数の共振センサに結合される単一チャネルインタフェースと、
共振制御信号に応答して、ターゲット感知共振センサにおけるターゲット感知コンディションに応答したターゲット感知システム共振状態を含むシステム共振状態を制御するように構成される共振制御回路要素と、
前記ターゲット感知コンディションのための前記ターゲット感知システム共振状態に対応するターゲット感知共振制御信号を含む、前記共振制御信号を生成するように構成されるＩＤＣ制御ループ回路要素と、
センサデータ出力回路要素と、
を含み、
前記共振制御回路要素と前記ＩＤＣ制御ループ回路要素とが、直列ループ結合される共振センサの各それぞれの共振器をループフィルタとして含むＩＤＣ制御ループとして動作し得、前記ＩＤＣ制御ループが、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態を駆動するように動作し得、前記システム共振状態が、各共振センサがその公称共振周波数状態まで駆動される公称システム共振状態と、少なくとも１つの共振センサがターゲット感知コンディションに関連付けられるターゲット感知共振周波数状態まで駆動されるターゲット感知システム共振状態とを含み、
前記共振制御回路要素が、前記システム共振状態を前記ターゲット感知システム共振状態まで駆動するために前記ターゲット感知共振制御信号に応答し、前記ターゲット感知共振センサが、前記ターゲット感知コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態で動作し、
出力されるセンサデータが、別の共振センサのための任意のターゲット感知コンディションから差別化された、前記それぞれのターゲット感知共振センサに対する前記ターゲット感知コンディションを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに対する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記センサデータ出力回路要素が、前記ターゲット感知共振制御信号に対応して前記センサデータを出力するように構成される、回路。
請求項８に記載の回路であって、
各共振センサが共振インピーダンスを有し、
前記共振制御回路要素が、前記ターゲット感知コンディションに対応する前記ターゲット感知システム共振周波数状態を駆動するために前記ターゲット感知共振制御信号に応答し、前記ターゲット感知コンディションに起因する前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化を平衡させる、回路。
請求項９に記載の回路であって、
前記共振制御回路要素が、負インピーダンス制御信号に応答して負インピーダンスを前記単一チャネルインタフェースに駆動することによりシステム共振状態を駆動するように構成される負インピーダンス回路要素を含み、
前記ＩＤＣ制御ループ回路要素が、前記ターゲット感知コンディションに起因する前記ターゲット感知共振センサの前記共振インピーダンスにおける変化に起因するシステム発振振幅における変化に基づいて、前記ターゲット感知コンディションのための前記ターゲット感知システム共振状態に対応し、ターゲット感知負インピーダンス制御信号を含む、前記負インピーダンス制御信号を生成するように構成される負インピーダンス制御回路要素を含み、
前記負インピーダンス回路要素が、前記ターゲット感知システム共振状態に対応して前記単一チャネルインタフェースに負インピーダンスを駆動するために前記ターゲット感知負インピーダンス制御信号に応答し、
前記負インピーダンス回路要素と前記負インピーダンス制御回路要素とが、前記それぞれの直列ループ結合される共振センサの各共振器をループフィルタとして含む、負インピーダンス制御ループとして動作し得、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける任意の変化を平衡させるために前記単一チャネルインタフェースに駆動される前記負インピーダンスを制御するように動作し得、それにより、前記ターゲット感知コンディションに対応して前記ターゲット感知共振周波数状態まで前記ターゲット感知共振センサを駆動し、
前記される出力センサデータが、前記ターゲット感知コンディションに起因する、前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスを平衡させるために必要とされる前記負インピーダンスを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに関する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記出力されるセンサデータが前記負インピーダンス制御信号に対応する、回路。
請求項８に記載の回路であって、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサに関する特定された近接距離でのそれぞれのターゲットに対応するターゲット近接度コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する、前記ターゲット近接度コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、回路。
請求項８に記載の回路であって、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサのための前記感知範囲内の位置におけるそれぞれのターゲットに対応するターゲット範囲コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する、前記ターゲット範囲コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、回路。
請求項８に記載の回路であって、
各共振器がインダクタとキャパシタとを含み、前記インダクタが各共振器に対して実質的に同じインダクタンス値を有し、前記キャパシタが他の共振器に関して固有の静電容量を有し、
前記関連する公称共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための前記関連する公称共振周波数状態から差別化され、そのような共振センサとその感知範囲とのための任意の関連するターゲット感知共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならないように、前記共振器が特定される、回路。
請求項８に記載の回路であって、
前記ＩＤＣ回路が、前記システム共振状態に対応するシステム周波数に対応するシステム周波数信号を生成するように構成される共振器周波数回路要素を更に含み、前記ターゲット感知コンディションを表す前記センサデータが、前記対応するターゲット感知共振制御信号とターゲット感知システム周波数信号との少なくとも一方に基づくように、前記システム周波数信号が、ターゲット感知システム共振状態のためのターゲット感知システム周波数に対応する前記ターゲット感知システム周波数信号を含む、回路。
直列ループトポロジーで構成される、複数の共振センサとインダクタンス・デジタル変換（ＩＤＣ）ユニットとを備える誘導性位置感知システムにおいて用い得る方法であって、前記共振センサが前記ＩＤＣユニットへの単一チャネルインタフェースに直列ループ結合され、各共振センサが、前記共振センサに関する感知範囲内のそれぞれの導電性ターゲットの位置としてのターゲット位置を感知し、各共振センサが、共振周波数状態と、感知範囲と、前記共振センサに対する前記ターゲットがその感知範囲外にある公称共振周波数状態であって、任意の他の共振センサの公称共振周波数状態に関して固有である、前記公称共振周波数状態と、ターゲット感知共振周波数状態であって、そのそれぞれのターゲットがその感知範囲内のターゲット位置にあるターゲット感知コンディションにおけるターゲット感知共振センサに対応し、それぞれのターゲット感知コンディションにおける任意の他の共振センサの任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならない、前記ターゲット感知共振周波数状態とを備える共振器を含み、
前記方法が、
前記単一チャネルインタフェースを介して、各共振センサが共振周波数状態まで駆動されるシステム共振状態まで前記複数の共振センサを駆動することと、
ターゲット感知共振センサのターゲット感知コンディションに応答して、ターゲット感知共振制御信号を生成することと、
前記ターゲット感知共振制御信号に応答して、前記ターゲット感知コンディションのためのターゲット感知共振周波数状態で動作するターゲット感知共振センサに対応するターゲット感知システム共振状態を駆動することと、
それにより、前記直列ループ結合される共振センサの各それぞれの共振器をループフィルタとして含むＩＤＣ制御ループを確立することであって、前記ＩＤＣ制御ループが、各共振センサがその公称共振周波数状態に駆動される公称システム共振状態と、少なくとも１つの共振センサが前記ターゲット感知コンディションに関連付けられる前記ターゲット感知共振周波数状態まで駆動される前記ターゲット感知システム共振状態とを含む、前記システム共振状態を駆動する、前記ＩＤＣ制御ループを確立することと、
出力されたセンサデータが、別の共振センサのための任意のターゲット感知コンディションから差別化された、前記それぞれのターゲット感知共振センサのための前記ターゲット感知コンディションを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに関連する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記ターゲット感知共振制御信号に対応する、前記センサデータを出力することと、
を含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記出力されたセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサに関連する特定された近接距離でのそれぞれのターゲットに対応するターゲット近接度コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する、前記ターゲット近接度コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記出力されたセンサデータが、前記ターゲット感知共振センサのための前記感知範囲内の位置におけるそれぞれのターゲットに対応するターゲット範囲コンディションを表し、前記センサデータが、前記ターゲット感知共振センサを固有に差別化する、前記ターゲット範囲コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態を表す、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
各共振器がインダクタとキャパシタとを含み、前記インダクタが各共振器に対して実質的に同じインダクタンス値を有し、前記キャパシタが他の共振器に関して固有の静電容量を有し、
前記関連する公称共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための前記関連する公称共振周波数状態から差別化され、そのような共振センサとその感知範囲のための任意の関連するターゲット感知共振周波数状態が、任意の他の共振センサのための任意のターゲット感知共振周波数状態と重ならないように、各共振器が特定される、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記システム共振状態に対応するシステム周波数に対応するシステム周波数信号を生成することであって、前記ターゲット感知コンディションを表す前記センサデータが、前記対応するターゲット感知共振制御信号と前記ターゲット感知システム周波数信号との少なくとも一方に基づくように、前記システム周波数信号が、ターゲット感知システム共振状態のためのターゲット感知システム周波数に対応するターゲット感知システム周波数信号を含む、前記システム周波数信号を生成すること、
を更に含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記ターゲット感知システム共振状態を含む、前記システム共振状態を駆動することが、負インピーダンス制御信号に応答して負インピーダンスを前記単一チャネルインタフェースに駆動することにより達成され、
ターゲット感知共振センサのターゲット感知コンディションに応答して、ターゲット感知共振制御信号を生成することが、前記ターゲット感知コンディションに起因する前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける変化に起因する、システム発振振幅における変化に基づいて前記ターゲット感知システム共振状態に対応してターゲット感知負インピーダンス制御信号を生成することにより達成され、
前記ＩＤＣ制御ループが、ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスにおける任意の変化を平衡させるために前記単一チャネルインタフェースまで駆動される前記負インピーダンスを制御するように動作し得るＩＤＣ負インピーダンス制御ループを含み、それにより、前記ターゲット感知コンディションに対応する前記ターゲット感知共振周波数状態まで前記ターゲット感知共振センサを駆動し、
前記出力されるセンサデータが、前記ターゲット感知コンディションに起因する、前記ターゲット感知共振センサの共振インピーダンスを平衡させるために必要とされる前記負インピーダンスを表し、従って、そのようなターゲット感知共振センサに対する前記それぞれのターゲットの前記ターゲット位置を表すように、前記出力されるセンサデータが前記負インピーダンス制御信号に対応する、方法。