JP7029040B2

JP7029040B2 - シールドされたケーブルを介して共振器コンデンサに結合されるセンサインダクタを備えるセンサ共振器を用いる遠隔検知

Info

Publication number: JP7029040B2
Application number: JP2018553933A
Authority: JP
Inventors: ピーターリーツマジョージ; リウドンタイ
Original assignee: テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: WO2017180793A1; EP3443367B1; KR20180131608A; EP3443367A4; KR102365629B1; CN109154631B; US10274526B2; CN109154631A; JP2019518361A; US20170292981A1; EP3443367A1

Description

本願は、駆動センサ共振器を備える誘導性共振感知に関連する。

遠隔誘導性感知応用例は、誘導性センサがセンサ電子機器から離れて配置されることを必要とする。特に、共振センサを用いる誘導性感知では、遠隔センサＬＣ共振器とセンサ電子機器との間のワイヤ相互接続は問題となる。これは、（ａ）第２の共振モードが導入されるように、ワイヤ相互接続が、センサインダクタと直列で共振器コンデンサと並列のラインインダクタンスを導入し、及び（ｂ）ワイヤ相互接続が、ＲＦ干渉信号（ＥＭＩ）を放射及び受信するアンテナとして機能し得るためである。例えば、誘導性共振センサが、タッチボタン感知のためなど、携帯電話などのＥＭＩ環境内部で用いられるとき、誘導性センサは、強いＲＦトランスミッタに近接して動作する。

図１Ａは遠隔誘導性共振感知を図示し、誘導性共振センサ１０が、遠隔センサＬＣ共振器１２及びセンサ電子機器１９を含む。センサ共振器１２は、センサインダクタＬｓｅｎｓ１２Ｌ及び共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１２Ｃを含む。遠隔センサ共振器１２は、ポート１６（端子１６Ａ／１６Ｂ）においてインタフェースされ、２ワイヤ相互接続１４（１４ＳＡ／１４Ｂ）を介してセンサ電子機器１９により共振で駆動される。

図１Ｂは、２ワイヤ相互接続１４の等価の回路表示を提供し、センサインダクタＬｓｅｎｓ１２Ｌと直列であり、共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１２Ｃと並列である、ワイヤインダクタンスＬｗｉｒｅ／２１４Ａ／１４Ｂを示し、第２の直列共振器を効率的に形成する。共振器センサ（Ｌｓｅｎｓ／Ｃｓｅｎｓ）の駆動された共振に加えて、第２の共振モード電流ループ２０が、相互接続インダクタンスＬｗｉｒｅ／２１４Ａ／１４Ｂ及び共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１２Ｃ（第２の直列共振器）により導入される。第２の共振モードは、特に、第２の共振モードが区別／フィルタすることが難しくなるように、それらの共振周波数が近くなるように、長い相互接続１４のインダクタンスＬｗｉｒｅがセンサインダクタＬｓｅｎｓのインダクタンスに類似するとき難しい問題であり得る。寄生コンデンサＣｗｉｒｅは、センサ共振器におけるオフセットを生じさせるが、典型的に大きな問題ではない。

ＥＭＩでは、２ワイヤ導体１４は、２つのタイプの寄生アンテナ、（ａ）センサループ電流（第２の共振モードを生じさせる同じ電流ループ）のためのループアンテナ、及び（ｂ）センサ電子機器１９のための回路接地に対してワイヤ上の同相電圧のための双極アンテナ、を導入する。これらはいずれも、放射及び受信を生じさせる。

記載される例において、誘導性感知システムが、シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔検知インダクタを備えるセンサ共振器を含む。シールドされた伝送ラインは、信号ライン及びシールドリターンラインを含む。感知インダクタは、信号ラインとシールドリターンラインとの間の感知端で接続される。共振器コンデンサは、端子端において少なくとも信号ラインに接続される。インダクタンス・データ・コンバータ（ＩＤＣ）が、シールドされた伝送ラインの端子端において、信号ライン及びシールドリターンラインに接続される。動作において、ＩＤＣは、感知インダクタから磁気感知フィールドを投射して、センサ共振器を共振状態で発振させるため信号ラインを介して発振信号をセンサ共振器に駆動し得、また、共振状態の変化を表す発振信号の測定された変化を、感知された状況に対応するセンサ応答データに変換し得る。

更なる例において、ＩＤＣは、信号ラインに結合される出力を含むオペレーショナルトランスコンダクタンスアンプを備えて実装され得、オペレーショナルトランスコンダクタンスアンプは、センサ共振器からの正のフィードバック経路を提供するため信号ラインに結合される非反転入力と、シールドリターンラインに、及びシールドリターンラインを同相電圧Ｖｃｍに設定するため電圧基準Ｖｃｍに結合される反転入力とを含む。センサ共振器の第２の共振周波数モードをフィルタするため、ローパスフィルタが正のフィードバック経路に含まれ得る。

遠隔センサＬＣ共振器（１２）を含む誘導性共振センサ（１０）を備える遠隔誘導性共振感知を図示し、センサインダクタ（Ｌｓｅｎｓ１２Ｌ）及び共振器コンデンサ（Ｃｓｅｎｓ１２Ｃ）が、２ワイヤ相互接続（１４）を介してセンサ電子機器（ＩＤＣ１９）に結合されている。

ワイヤインダクタンスＬｗｉｒｅ／２（１４Ａ／１４Ｂ）を示す２ワイヤ相互接続（１４）の等価の回路表示を提供し、２ワイヤ相互接続インダクタンスＬｗｉｒｅ／２と共振器コンデンサ（Ｃｓｅｎｓ１２Ｃ）とを介する第２の共振モード電流ループ（２０）を図示する。

インダクタンス・データ・コンバータ（ＩＤＣ）（１９０）に結合されるセンサＬＣ共振器（１１２）を用いる、遠隔誘導性共振センサの例示の実施例を図示し、センサ共振器は、離れた感知サイトに位置する遠隔センサインダクタ（Ｌｓｅｎｓ１１２Ｌ）と、ＩＤＣ（ＩＤＣ１９０）近くに位置する共振器コンデンサ（Ｃｓｅｎｓ１１２Ｃ）とを含み、遠隔センサインダクタは、シールドされた伝送ライン（１１５）を介して共振器コンデンサに結合され、共振器コンデンサが、シールドされた伝送ラインのＩＤＣ側に配置されるように、信号ライン（１１４Ａ）及びＤＣシールド（１１４Ｂ）を備える。

遠隔センサＬＣ共振器への２ワイヤ相互接続を備え、相互接続の感知インダクタ側に共振器コンデンサを備える、誘導性共振センサ（図１及び図２におけるものなど）のための例示のインピーダンス及び位相プロットである。遠隔センサＬＣ共振器への２ワイヤ相互接続を備え、相互接続の感知インダクタ側に共振器コンデンサを備える、誘導性共振センサ（図１及び図２におけるものなど）のための例示のインピーダンス及び位相プロットであり、約３０ＭＨｚの共振器共振周波数（１２Ａ）と、約７０ＭＨｚのそれぞれの第２の共振モード（２０Ａ）との間の比較的狭い周波数分離を示すことを含む。

シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔検知インダクタを備えるセンサＬＣ共振器を用い、シールドされた伝送ラインのＩＤＣ側に共振器コンデンサを備える、遠隔誘導性共振センサのための例示のインピーダンス及び位相プロットである。シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔検知インダクタを備えるセンサＬＣ共振器を用い、シールドされた伝送ラインのＩＤＣ側に共振器コンデンサを備える、遠隔誘導性共振センサのための例示のインピーダンス及び位相プロットであり、約２７ＭＨｚの共振器共振周波数（１１２Ａ）と、約２５０ＭＨｚのそれぞれの第２の共振モード（１２０Ａ）との間の著しく増大された周波数分離を示すことを含む。

例示の実施例が、シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔センサインダクタを備えるセンサＬＣ共振器を用いる遠隔誘導性感知について本願において説明され、共振器コンデンサは、伝送ラインのセンサ電子機器側に位置する。

本記載において、（ａ）「シールドされた伝送ライン」又は「シールドされたケーブル」は、内側信号ライン導体と、リターンラインとして接続される外側シールド導体とを備える相互接続ラインを意味し、（ｂ）「インダクタンス・データ・コンバータ」は、本明細書に記載するように誘導性共振感知のためにセンサ共振器と共に動作し得る、集積回路要素を含む、センサ／読み出し回路要素／電子機器を意味する。

簡単な概略において、誘導性感知システムは、シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔検知インダクタを備えるセンサ共振器を含む。シールドされた伝送ラインは、信号ライン及びシールドリターンラインを含み、感知インダクタは、信号ラインとシールドリターンラインとの間の感知端で接続され、共振器コンデンサは、端子端において少なくとも信号ラインに接続される。インダクタンス・データ・コンバータ（ＩＤＣ）が、シールドされた伝送ラインの端子端において信号ライン及びシールドリターンラインに接続される。動作において、ＩＤＣは、感知インダクタから磁気感知フィールドを投影するため、センサ共振器を共振状態で発振させるように信号ラインを介してセンサ共振器に発振信号を駆動し得、及び、磁気感知フィールドに応答して感知された状況に起因する共振状態の変化を表す発振信号の測定された変化を、感知された状況に対応するセンサ応答データに変換し得る。ＩＤＣは、信号ラインに結合される出力を含むオペレーショナルトランスコンダクタンスアンプを備えて実装され得、オペレーショナルトランスコンダクタンスアンプは、センサ共振器からの正のフィードバック経路を提供するため信号ラインに結合される非反転入力と、シールドリターンラインに、及びシールドリターンラインを同相電圧Ｖｃｍに設定するため電圧基準Ｖｃｍに結合される反転入力とを含む。センサ共振器の第２の共振周波数モードをフィルタするため、ローパスフィルタが正のフィードバック経路に含まれ得る。

図２は、遠隔誘導性共振センサ１００の例示の実施例を図示する。誘導性共振センサ１００は、Ｉ／Ｏポート１１６（端子１１６Ａ／１１６Ｂ）を介してインダクタンス・データ・コンバータ（ＩＤＣ）１９０に結合されるセンサＬＣ共振器１１２を含む。ＩＤＣ１９０は、複数のセンサ共振器とのマルチチャネル動作のため複数のＩ／Ｏポート１１６を含み得る。

センサ共振器１１２は、遠隔センサインダクタＬｓｅｎｓ１１２Ｌ及び共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１１２Ｃを含む。センサインダクタＬｓｅｎｓ１１２は、ＩＤＣ１９０から離れた感知サイトに位置する。

遠隔センサインダクタＬｓｅｎｓ１１２Ｌは、シールドされた（低インピーダンス）伝送ライン１１５を介して共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１１２Ｃに結合され、信号ライン導体１１４Ａ及びシールド導体１１４Ｂが、リターンラインとして接続される。従って、共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１１２Ｃは、シールドされた伝送ライン１１５のＩＤＣ側に位置する。

ＩＤＣ１９０は、Ｉ／Ｏポート１１６を介して、シールドされた伝送ライン１１５に結合され、端子１１６Ａが信号ライン１１４Ａに接続され、端子１１６Ｂがシールド導体１１４Ｂ（リターンライン）に接続される。

ＩＤＣ１９０は、遠隔センサインダクタ１１２Ｌを含み、端子１１６Ａを介して信号ライン１１４Ａを介してセンサ共振器１１２に共振器発振信号を駆動する非平衡シングルサイド発振器として動作する。伝送ラインシールド導体１１４Ｂは、端子１１６Ｂを介するリターンライン（信号なし）であり、ＩＤＣ１９０により固定同相電圧レベル（Ｖｃｍ）に設定される。

共振器コンデンサＣｓｅｎｓ１１２Ｃを相互接続１１４のＩＤＣ側に配置することは、センサ共振器共振周波数と第２の共振モード（伝送ラインセルフ共振）との間の周波数分離を増大させる。この周波数分離効果を、図３Ａ／図３Ｂに対する比較として、図４Ａ／図４Ｂに図示する。

ＩＤＣ１９０は、非平衡シングルサイド発振器として動作するＯＴＡ（オペレーショナルトランスコンダクタンスアンプ）１９２として機能的に図示される。ＯＴＡ１９２は、端子１１６Ａを介して信号ライン１１４Ａを介してセンサ共振器１１２に電流駆動（発振信号）を出力する。ＯＴＡ非反転入力は、センサ共振器（端子１１６Ａを介する信号ライン１１４Ａ）からの正のフィードバックに対して接続される。ＯＴＡ反転入力は、端子１１６Ｂを介して伝送ラインシールド導体１１４Ｂ（リターンライン）に結合され、電圧基準Ｖｃｍ１９４によりＤＣ同相電圧に設定される。

ＯＴＡ１９２は共振でセンサ共振器１１２を駆動し、遠隔感知インダクタＬｓｅｎｓ１１２Ｌが、事象／状態（導電性ターゲットの近接度又は位置など）を感知するため磁気感知フィールドを投射する。センサ応答は、ＯＴＡ１９２により測定され、感知された事象／状態を表すセンサデータに変換される。センサ応答は、センサインダクタンス（センサインダクタＬｓｅｎｓ）の変化又はセンサ共振器損失係数の変化を反映するなど、共振を維持するために必要とされるＯＴＡ駆動信号の変化に基づいてＯＴＡ１９０により測定／検出される、駆動されたセンサ共振器１１２の共振状態の変化に対応する。

共振器の１１２の第２の共振モードセンサをフィルタするため、及び共振器のＥＭＩ耐性を高めるために、フィルタ１９６が正のフィードバック経路に挿入され得る。

シールド１１４Ｂは、信号ライン１１４Ａを介するセンサ共振器ループ電流からのＥＭＩ受信及び放射を効率的に抑制する一方、シールド１１４Ｂ上の固定同相レベルは同相放射を抑制する。また、シールド１１４Ｂは、ワイヤと環境との間の寄生容量に対する感度を低減する。

シールドされた伝送ライン１１４は、低い特性インピーダンスを有する伝送ラインであり得る。伝送ラインにより導入される直列インダクタンスは、Ｌ＿（ｔ－ｌｉｎｅ）＝Ｚ＿√εｒ／Ｃ＿０ｌｅｎに等しく、ここで、Ｚ_０＝伝送ラインの特性インピーダンスであり、ε_ｒ＝伝送ラインの基板の有効比誘電率であり、Ｃ_０＝光の速度であり、ｌｅｎ＝伝送ラインの長さである。この直列インダクタンスは、ダイナミックレンジの損失を低減するため、センサインダクタンスＬｓｅｎｓに比して小さくすべきである。従って、その特性インピーダンスは低くすべきであり、Ｚ＿０＜Ｌｓｅｎｓｅ／（√εｒ／Ｃ＿０ｌｅｎ）である。

図３Ａ及び図３Ｂは、相互接続の感知インダクタ側に共振器コンデンサを備える遠隔センサＬＣ共振器への２ワイヤ相互接続を備える、図１及び図２におけるものなどの誘導性共振センサのための例示のインピーダンス及び位相プロットである。特に、図３Ｂの位相プロットは、約３０ＭＨｚの共振器共振周波数１２Ａと、約７０ＭＨｚのそれぞれの第２の共振モード２０Ａとの間の比較的狭い周波数分離を示す。

図４Ａ及び図４Ｂは、シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔検知インダクタを備えるセンサＬＣ共振器を用い、シールドされた伝送ラインのＩＤＣ側に共振器コンデンサを備える、遠隔誘導性共振センサのための例示のインピーダンス及び位相プロットである。

この場合、第２の共振モード１２０Ａは、共振器共振周波数１１２Ａに対して著しく高い周波数である。特に、図４Ｂの位相プロットは、約２７ＭＨｚの共振器共振周波数１１２Ａと、約２５０ＭＨｚのそれぞれの第２の共振モード１２０Ａとの間の著しく増大された周波数分離を示す。共振器及び第２の共振モードは、周波数が１０進（decade）離れているので、第２の共振モードをなくすために比較的シンプルなフィルタ設計を用いることができる。

要約すると、シールドされた伝送ラインを介して共振器コンデンサに結合される遠隔センサインダクタを備えるセンサＬＣ共振器を用いる遠隔検知は、伝送ラインインダクタンスがセンサインダクタと直接的に直列となるように、共振器コンデンサを、シールドされた伝送ラインのセンサ電子機器（ＩＤＣ）側へセンサインダクタから離れて移動させる。一層高いセンサインダクタンス又は共振器品質係数を必要とすることなく、センサ共振器共振周波数と第２の共振モードとの間の周波数分離が増大され、センサ電子機器（ＩＤＣ）から一層大きな距離でのコンパクトなセンサインダクタの利用を可能となり、また、伝送ラインのセルフ共振をなくすためシンプルなフィルタリングの利用を促進する。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims

誘導性共振感知のためのシステムであって、
信号線導体とシールド折り返し線導体とを備えるシールドされた伝送線であって、感知端と端子端とを有する、前記シールドされた伝送線と、
感知インダクタと共振器キャパシタとを含むセンサ共振器であって、前記感知インダクタが前記信号線導体と前記シールド折り返し線導体との間で前記感知端に接続され、前記共振器キャパシタが前記端子端において少なくとも前記信号線導体に接続される、前記センサ共振器と、
前記シールドされた伝送線の前記端子端においてそれぞれ前記信号線導体と前記シールド折り返し線導体とに接続される第１及び第２の端子を含むインダクタンス・データ変換器（ＩＤＣ）であって、
前記第１の端子に結合される出力と、前記センサ共振器からの正のフィードバック経路を提供するために前記第１の端子に結合される非反転入力と、前記第２の端子と電圧基準Ｖ_ｃｍとに結合される反転入力とを有する演算トランスコンダクタンス増幅器、
を含む、前記ＩＤＣと、
を含む、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記ＩＤＣが、
前記感知インダクタが磁気感知フィールドを投射する共振状態を持続させるために前記信号線導体を介して前記センサ共振器に発振信号を駆動し、
感知された状況に起因する前記共振状態における変化を表す際の前記発振信号における変化を判定し、
前記発振信号における前記判定された変化を前記感知された状況に対応するセンサデータに変換する、
ように動作し得る、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記ＩＤＣが、前記シールド折り返し線導体を同相電圧Ｖ_ｃｍに設定するように動作し得る、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記センサ共振器の第２の共振周波数モードをフィルタするために前記正のフィードバック経路に含まれるローパスフィルタを更に含む、システム。
誘導性共振感知のためのセンサ共振器と共に動作し得るインダクタンス・データ変換器（ＩＤＣ）回路であって、
前記センサ共振器が、感知インダクタと、共振器キャパシタと、信号線導体とシールド折り返し線導体とを備えるシールドされた伝送線とを含み、前記シールドされた伝送線が、感知端と端子端とを有し、前記感知インダクタが、前記信号線導体と前記シールド折り返し線導体との間で前記感知端に接続され、前記共振器キャパシタが、前記端子端において少なくとも前記信号線導体に接続されており、
前記ＩＤＣ回路が、
それぞれ前記信号線導体と前記シールド折り返し線導体とに対して、前記シールドされた伝送線の端子端で前記センサ共振器に接続可能な第１及び第２の端子と、
前記第１の端子に結合される出力と、前記センサ共振器からの正のフィードバック経路を提供するために前記第１の端子に結合される非反転入力と、前記第２の端子と電圧基準Ｖ_ｃｍとに結合される反転入力とを含む演算トランスコンダクタンス増幅器であって、
前記感知インダクタが磁気感知フィールドを投射する共振状態を持続させるために前記信号線導体を通じて前記センサ共振器への入力のために前記第１の端子に発振信号を駆動し、
感知された状況に起因する前記共振状態における変化を表す際の前記発振信号における変化を判定する、
ように動作し得る、前記演算トランスコンダクタンス増幅器と、
を含み、
前記ＩＤＣ回路が、前記発振信号における前記判定された変化を前記感知された状況に対応するセンサデータに変換する、ＩＤＣ回路。
請求項５に記載のＩＤＣ回路であって、
前記センサ共振器の第２の共振周波数モードをフィルタするために前記正のフィードバック経路に含まれるローパスフィルタを更に含む、ＩＤＣ回路。
請求項５に記載のＩＤＣ回路であって、
前記シールド折り返し線導体を同相電圧Ｖ_ｃｍに設定するための電圧基準回路要素を更に含む、ＩＤＣ回路。
誘導性共振感知に適した方法であって、
センサ共振器を構成することであって、前記センサ共振器が、感知インダクタと、共振器キャパシタと、信号線導体とシールド折り返し線導体とを備えるシールドされた伝送線とを含み、前記シールドされた伝送線が、感知端と端子端とを有し、前記感知インダクタが、前記信号線導体と前記シールド折り返し線導体との間で前記感知端に接続され、前記共振器キャパシタが、前記端子端において少なくとも前記信号線導体に接続される、前記センサ共振器を構成することと、
トランスコンダクタンス増幅器を含むインダクタンス・データ変換器（ＩＤＣ）を構成することであって、前記トランスコンダクタンス増幅器が、前記信号線導体に結合される出力と、前記センサ共振器からの正のフィードバック経路を提供するために前記信号線導体に結合される非反転入力と、前記シールド折り返し線導体と電圧基準Ｖ_ｃｍとに結合される反転入力とを含み、前記ＩＤＣが、
前記感知インダクタが磁気感知フィールドを投射する共振状態を持続させるために前記信号線導体を介して前記センサ共振器に発振信号を駆動し、
感知された状況に起因する前記共振状態における変化を表す際の前記発振信号における変化を判定し、
前記発振信号における前記判定された変化を前記感知された状況に対応するセンサデータに変換する、
ように動作し得る、前記ＩＤＣを構成することと、
を含む、方法。
請求項８に記載の方法であって、
前記シールド折り返し線導体を同相電圧Ｖ_ｃｍに設定することを更に含む、方法。
請求項８に記載の方法であって、
前記ＩＤＣが、前記センサ共振器の第２の共振周波数モードをフィルタするために前記正のフィードバック経路に含まれるローパスフィルタを更に含む、方法。