JPH10500481A - 位置エンコーダ - Google Patents

位置エンコーダ

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Abstract

(57)【要約】 線形位置エンコーダであって、90度位相差のワインディング(13及び15)を搭載した支持部を有する。ワインディングは支持部(5)の長手に沿って正弦カーブの磁界感応特性を有するように並んでいる。可動部(図示せず)には、コイル(14)とキャパシタ(17)を備える共振回路(10)が設けられており、コイルとキャパシタはワインディング(13及び15)に磁気的に結合可能になっている。回路10が付勢されると、ワインディング(13及び15)の周期Ts内での共振回路(10)の位置に依存して、ワインディング(13及び15)内に電流を誘導する。付勢/処理ユニット(11)は回路(10)を付勢すると共に、ワインディング(13及び15)内に誘導された信号を処理するようになっている。エンコーダは、転送する変わりに、そのバリエーションの中で、回転もしくは放射状の位置を測定してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 位置エンコーダ 発明の分野 本発明は、広く、線形、ロータリー、および半径位置エンコーダに関する。本 発明は、これに限られるわけではないが、特に、非接触の線形、ロータリー、お よび半径位置エンコーダに関する。本発明は、電磁干渉が起こる可能性のある場 合において、システムでの使用に特に適したものである。 従来の技術の説明 多種類の非接触線形位置センサーがこれまでに提案されている。本発明に似た システムは、US4005396号に記載の“インダクトシン(inductosyn)” タイプのシステムである。特に、US4005396号では、固定部品の表面に 取りつけられた複数の矩形波ワインディング(square wave winding)と、交流 電源に接続され可動部品に取りつけられたコイルとを用いたシステムを開示して いる。矩形波ワインディングのそれぞれは複数の“high”および“low” の部分から成り、異なる周期を持つ。このシステムは、コイルと複数の矩形波ワ インディング間の相互インダクタンスの変化を利用することで、固定部品に対す る可動部品の相対的な位置を判定する。つまり、電源がコイルにエネルギーを加 えると、コイルが矩形波ワインディングの“high”部分の近くにあれば、矩 形波ワインディング中に大きな電流が誘導される。もし、コイルが“low”部 分の近くにあれば、矩形波ワインディング中には小さな電流しか誘導されない。 従って、固定部品の長さ方向に沿った可動部品の場所を、ワインディングの信号 によって判定することができる。 しかし、このシステムには多くの欠点がある。第1に、システムの“平衡では ない(not balanced)”、つまり、電磁干渉の影響を受ける欠点がある。本発明の 発明者達は、この欠点の原因は、ベースプレート等を介して接地されているこ とと、システムが対照的ではないことであることに気がついた。実際に、US4 005396号では干渉の問題を認識しており、電磁干渉を検出するためのワイ ンディングを追加することにより問題を解決しようとしている。この追加のワイ ンディングから発せられる信号は、矩形波ワインディングからの信号を調整する ために使用される。しかし、このような解決法では、システムをより複雑にし、 生産コストを上昇させる更なる“干渉”ワインディングを必要する。 第2に、システムが電源のパワーレベルの変化に敏感であり、また、可動部品 と固定部品間の距離の変化にも比較的敏感であることである。本発明の発明者達 は、電源からの信号の振幅変調にシステムが依存し、比率測定学(ratiometric )タイプの計算を行っていないことが原因であることに気付いた。しかし、本明 細書では、可動部品の動きを抑制することを含めた距離の問題を、可動部品の動 きに沿ったガイドレールを提供することにより解決する一方法を提案する。この 解決法はいくつかの例では成功するかもしれないが、すべての場合において成功 するわけではない。例えば、リフトシステムでは、リフト軸内に目立った横方向 の動きが無いためにリフトを抑制することが実際的ではないので、この方法では 解決できない。 第3に、矩形波ワインディングの使用では、ワインディングの近くで測定が行 われた場合(つまり、典型的にはワインディングの周期の1/8以下の距離で行 われた場合)、ピックアップ装置によって認識されるワインディングの形状は、 例えば、第3、5、7などの、高調波を起こさせるもととなり、得られた測定結 果をゆがめてしまうといった問題が生じる。 本出願人は、WO94/25829号で、すでにロータリー位置エンコーダを 提案している。そのエンコーダは、付勢コイルと、2つの受信コイルと、回転可 能な部品に取りつけられた共振回路とを利用している。この構成によると、付勢 コイル中の付勢電流に反応して、共振回路は受信コイル中に回転可能な部品の配 向に応じた振幅の信号を作り出す。従って、この信号を適切に処理することで、 回転可能な部品の配向を判定することができる。しかし、この参考文献に開示さ れているものは、ロータリー位置エンコードを超えるものではなかった。 発明の開示 本発明の一例によると、第1部材と第2部材間の相対的な位置を示す装置であ って、部材の一方に取りつけられた受信回路がもう一方の部材に取りつけられた 受信装置に電磁誘導によって連動することにより、第1部材と第2部材との相対 的な位置を示す信号を発するようにする装置は、少なくとも送信または受信回路 の一方が、重なり合うように配置され電気的に分離された複数の導電体を含み、 この導電体のそれぞれは反復旋回パターンで該部材上のある位置から伸びている 第1の部分と、同様の旋回パターンを持つ第2の折返し部分とから成り、第1お よび第2の部分の旋回は、遠方フィールドに対して反対の電気反応を提供する第 1および第2のタイプの繰返しループパターンを定義づけるために実質的に18 0°ずれた位相を持ち、バックグラウンドからの妨害によって第1タイプのルー プに誘導された反応は第2タイプのループに誘導された反応と少なくとも部分的 に平衡しており、また、それぞれの導電体を形成する旋回と他の導電体の旋回と は、測定方向に空間的に分離されていることを特徴とする。この装置の変形例で は、送信器または受信器は簡易な構成をしており、第1および第2タイプのルー プの1交番分のみを持っている。 本発明の装置は、加圧ループからの外的な磁気誘導によってエネルギーを与え られる受動的な機器を含む第1部材であって、外部との接続や、本例では受信回 路を取りつけた第2部材に電気的および機械的に接触する必要が無い第1部材の 相対的な位置を判定するのに適している。 利点として、第1部材にはLC共振部が、第2部材には共振部を励起するAC 信号が与えられる付勢グループと、正弦波トラックに90°位相をずらして配列 した複数の導電体から成る受信回路とが取りつけられている。この構成により、 測定を高精度にするために受信した信号を利用して補間を行うことと、受信回路 とトラックとの空間が狭い所でも正弦波信号を受信することができる。平衡、ま たは交差導電体を用いて送信または受信回路を形成することにより、遠隔場や、 受信回路の近くに位置する金属体などの他の外的妨害に対する感度を減少させる 。 本発明は、第1部材の第2部材に対する位置を示す装置であって、第1部材に 取りつけられた入力手段と、この入力手段に連動して第1部材と第2部材との相 対的位置を示す信号を発生させる、第2部材に取りつけられた出力手段とを含み 、入力手段と出力手段の少なくとも一方が、正弦波の旋回パターンで第2部材上 のある位置から伸びた第1の部分と、同様の旋回を持つ第2の折返し部分とを持 つ少なくとも一つの導電体から成り、第1および第2部分の旋回は実質的に18 0°位相が異なることを特徴とする装置を提供する。 正弦波導電体のトラックから導かれた90°位相のずれた複数の出力信号は、 第1および第2部材間の空間に影響されない値を出力するように、比率測定学的 (ratiometrically)に処理することもできる。 本発明は、さらに、バランスの取れた送信および/または受信コイルまたはワ インディングを持つ、位置エンコーダを提供する。 本発明の別の視点によると、送信または受信ワインディングからの距離に関わ らず測定の方向に正弦波的に変化する磁場パターンまたは磁場感度(どちらでも 必要な方)を持つ、送信または受信ワインディングを持つ位置エンコーダを提供 する。 本発明を並進位置エンコーダとして用いる場合、リフトシャフト上のリフトの 位置を示す手段を持つリフトを含んでも良く、該手段は、上記の相対位置指示装 置である。並進位置エンコーダは、例えば、ドットマトリクスまたはインクジェ ットプリンタ等の可動プリンタヘッドの、該プリンタヘッドが内部で往復運動を するのを支持する構成物に対する位置など、工学や計測学における他の固定およ び可動部材の相対的位置を判断するために用いることもできる。 本発明は、また、浮物と、この浮物を、内部あるいはそれ上でスライドできる ようにガイドする支持部と、上記のような相対的位置測定装置の形態をした線形 位置エンコーダとから成る液体レベルセンサを提供する。 更に本発明は、例えば、ロータリーシャフトおよびそれぞれのシャフトのため の上述のようなロータリーエンコーダである位置エンコーダとを持つ、バルブま たはスロットルのためのシャフト位置エンコーダにも応用可能である。このよう なエンコーダは、例えば、180°以下、特に、120°以下の制限された角度 内のシャフトの動きをモニターするために有利に用いられる。このような制限さ れた動きをするシャフトは、例えば、90°以内の回転により開閉するゲートバ ルブや、通常120°以下の角度運動をする車両のスロットルシャフトを制御す るために用いることができる。 本発明は工業処理制御に応用することも可能である。例えば、先細のチューブ と、チューブ内で液体の流動により決定する長さ方向の位置へ動く浮物と、浮物 とチューブとの相対的な位置を示すために取りつけられる上述のような相対位置 指示装置とを含む液体流れメーターである。このような装置は、一つ以上の共振 装置を含む浮物の回転をモニターまたは補償する手段を更に設けても良い。 図面の簡単な説明 本発明の実行方法について、例を用いて添付の図面を参照して説明する。 図1は、本発明の位置エンコーダを持つリフトシステムを概略的に示す。 図2aは、図1に示すリフトシステムで使用される、本発明の線形位置エンコ ーダの斜視図である。 図2bは、図2aに示すエンコーダの位置エンコーダトラック形成部から薄く 縦長に切ったものを正面から見た図である。 図2cおよび図2dは、実際のエンコーダトラックを形成することのできる、 印刷された導電体の層である。 図2eは、結果として2層に印刷されたエンコーダトラックの模擬図である。 図2f、2g、2hは、エンコーダトラックを形成する導電体の別の構成を示 す。 図3は、“スパイラルワインディング”の1周期と、遠隔電磁干渉がスパイラ ルワインディングに与える影響を示す。 図4aは、図2aに示す線形位置エンコーダの一部と、共振体の位置に対する エンコーダの磁場感度のグラフであり、図4bは、加圧パルスを示す図であり、 図4cは、付勢電流に反応して共振回路に誘導された電流を示す図である。 図5aは、図2aおよび図4aの位置エンコーダのための、共振回路の位置を 決定するために用いられる、好適な付勢・処理回路を示す概略図である。 図5bは、図4aの回路の積分器を形成する部分の出力電圧を時間に対して示 すグラフである。 図6aは、共振部の位置を変化させた場合の、外部磁場に対するスパイラルワ インディングの感度を示す3次元グラフである。 図6bは、共振回路と支持部材間の距離の関数として、感度のピーク値を示す 2次元グラフである。 図7は、本発明に於ける絶対位置エンコーダの一例を示す概略図である。 図8aは、本発明の別の絶対位置エンコーダと、共振回路の位置を判断するた めに必要な処理回路とを示し、図8bは、絶対位置トランスデゥーサーおよび処 理回路の構成を示す。 図9は、本発明の別の絶対位置エンコーダと、共振回路の位置を判断するため に必要な処理回路を示す。 図10は、本発明の別の絶対位置トランスデゥーサーを示す。 図11は、本発明の別の線形位置エンコーダを概略的に示す。 図12aおよび図12bは、3位相のスパイラルワインディングと、エネルギ ーがかけられる方法と信号を受信する位置が異なる関連付勢・処理回路との別の 形態を示す図であり、図12cは、4位相のスパイラルワインディングと、それ に関連する処理回路とを示す。 図13aは、本発明の液体水平センサーを概略的に示す。 図13bは、図13aに示すトランスデゥーサーがどのように支持部の回りに ヘリカル状に形成されるかを示す。 図14aは、本発明のロータリー位置エンコーダに用いるのに適したトランス デゥーサーを概略的に示す。 図14bは、図14aに示されたロータリーの例で使用するのに適した、共振 回路を概略的に示す。 図15は、90°位相をずらしたスパイラルワインディングの1周期を持つ線 形位置エンコーダを概略的に示す。 図16は、共振回路の典型的な共振特徴を示すグラフである。 図17、18、19は、線形位置エンコーダの別の形態を概略的に示す。 図20は、図19に示す位置エンコーダが、高調波生成器(harmonic generator)の位置を決定するために使用される、好適な付勢・処理回 路の概略図である。 図21は、図13に示す液体水平センサシステムに使用される、好適な浮物構 成を示す斜視図である。 図22は、図13aに示す液体水平センサシステムに使用可能な、別の浮物構 成を示す平面図である。 図23は、本発明に於けるトランスデゥーサーを用いた液体流動率感知システ ムを概略的に示す。 図24aは、図23の液体流動率感知システムに適した浮物を概略的に示す。 図24bは、図23の液体流動率感知システムに使用される浮物の好ましい形 態を概略的に示す。 図24cは、本発明に於ける、2つのトランスデゥーサーを使用する、別の液 体流動率感知システムの一部を示す。 図24dは、浮遊物が球形である場合に、図23に示す液体流動率感知システ ムで使用される浮物の形態を概略的に示す。 図25は、直交付勢コイルが図13に示す液体水平感知システムの支持部の回 りに形成される様子を示す斜視図である。 図26aおよび26bは、本発明の別の実施例にかかる位置エンコーダトラッ クと平衡共振コイルとをそれぞれ示す。 図27は、平衡送信器と、90°位相のずれた位置エンコーダのトラックを、 平衡ピックアップコイルと共に示す図である。 図28は、本発明の別の実施例にかかる2次元移動トランスデゥーサーの部分 を示す。 図29aおよび29bは、1コイルの見かけ上の測定位置と実際の測定位置と の関係と、コイルの傾きの悪影響の除去しながら、見かけ上の測定位置を調整す る1組のコイルの使用形態を示す。 図30aおよび30bは、半径(radius)位置トランスデューサーの別の形態 を示す図である。 図31は、線形位置エンコーダに用いるのに好適な、図30bに示すトランス デゥーサーの変形例を示す。 好適な実施例の説明 図1は、リフトシャフトで上下するリフト1を持つリフトシステムを概略的に 示す。リフトシャフト3の側面の片方に、その側面に固定点7で接触した電気的 な絶縁素材のトランスデゥーサー支持部5がある。支持部5上には不図示のトラ ンスデゥーサーが取りつけられており、このトランスデゥーサーは、付勢・処理 部(excitation and processing unit)11に接続している。本実施例では、共振 回路10がリフトの上面に取りつけられている。そして、回路が付勢すると、シ ャフト3内のリフトの位置に応じて不図示のトランスデゥーサーに信号を生じさ せる。これらの信号は、付勢・処理部11によって処理され、リフトの位置が判 定されて、リフト制御部(不図示)に信号12が出力される。処理回路は、過去 の位置を示す情報からリフトの速度と加速度とを決定することも可能であり、リ フト制御部(不図示)はリフトを最適に制御するためにこれらの情報を利用する こともできる。 このリフト環境において効果的に作動させるためには、センサーシステムはト ランスデゥーサー支持部5と共振回路10間の距離について比較的感度が悪くな ければならない。これは、リフトが好ましくない横方向の動きをしがちであるか らである。実際に、システムは、どの方向についても約±8ミリの横方向の動き についての変化に関して、寛容である必要がある。 本リフトシステムは、モーターとワインディングギヤ(winding ge ar)上で、ロープと滑車センサーの組み合わせと、光学的垂直安定板センサー と、シャフトエンコーダとを使用する。しかし、これらのセンサーには以下の欠 点がある。ロープと滑車のシステムでは、ロープはリフトに接続され、ロータリ ーエンコーダを積載した滑車上を動く。このシステムでは、リフトシャフト長が 長い場合、滑車と動力のスリップを発生させる危惧がある。機械的構成もまた問 題である。光学的垂直安定板システムでは、それぞれの階の垂直安定板がリフト に取りつけられた光学ビーム断絶センサーの障害となる。このシステムは、ロー プと滑車システムの滑りを補償するために用いることができる。しかし、リフト コントローラはリフトシャフトに搭載され、しかもセンサーと通信する必要があ るために、シャフトとリフトの間に別の通信リンクが必要となる。シャフトエン コーダシステムは、リフトに直接作用せず、モータおよびワインディングギヤに 作用するために、非直接的であるという欠点がある。従って、システムは、例え ば積載物と時間により支持ロープの伸び変化により、システムは正確さを失う。 図2aは、本発明の線形位置センサの斜視図であり、図1に示すリフトシステ ムに使用することが可能である。図2に示すように、お互いに90°位相のずれ た一組の導電ワインディング13および15があり、付勢ループ(excitation lo op)16が支持部5上に取りつけられている。図2bに示すように簡易な構成で 、ワインディング13および15、そして付勢ループ16は、絶縁処理された銅 線または他の導電線を、ファイバーグラスや他の平面絶縁シート材料などで形成 された基板5上に、決められたパターンでエポキシ接着剤で接着した形態を取る ことができる。図2cから図2eで示すようなより発展した形態では、導電パタ ーンは図2cおよび図2dに示すようなつながったプリント回路層上に形成され る。それぞれの層は、図示のようにプリントパターンの導電部を有し、穴を介し て拡張する。図2eに示すように2層が重ねられ、穴を介して接続されると、必 要な正弦波、つまり“スパイラル”構成のトラックを得ることができる。以下に 詳しく説明するように、同様の原理を、例えば別の“スパイラル”導電体または 粗い位置を示すトラックの追加的な層を設ける場合に利用できる。 ワインディング13および15のそれぞれは、支持部5の片端5aから始まり 、もう片端5bに達するまで、支持部5に沿って曲がりくねった経路をたどる。 支持部5の端5bに達すると、元の端5aまで支持部5に沿って曲がりくねった 経路をたどって戻る。ワインディング13および15を形成する正弦波の往復の 経路は、周期Tsを持ち、反位相、つまり実質的に180°ずれた位相である。 図2に示す上記のワインディング13および15を、それらが見た目上は平たく された螺旋に似ているので、以下“スパイラルワインディング”と呼ぶ。スパイ ラルワインディング13および15は、重なり合う点で支持部5の反対側への穴 を利用するか、薄い重ね合わせの導電部絶縁体構造を利用することにより、お互 いから絶縁されている。薄い重ね合わせの構造が用いられた場合、後に明らかに なる理由で、支持部5は非磁体でなければならず、好ましくは非電導である。ス パ イラルワインディング13および15は、どのような導電線を用いて形成しても 良いが、エッチングや他の標準的なプリント回路板技術を用いて形成することが 好ましい。付勢ループ16は、支持部5の周囲を取り巻き、1周の導電体からな っても良いし、また、導電線を何周も巻いて構成しても良い。 スパイラルワインディング13および15と、付勢ループ16のそれぞれの端 は付勢・処理部(excitation and processing unit)11に接続されている。当業 者に理解されるように、実際には、付勢・処理部11は、電源および半導体集積 チップ1つとで提供することができる。 図2aは、図1で示すリフト1の上に取り付けられた共振回路10を構成する 、ワイヤのコイル14とコンデンサー17を示す。矢印19が示すように、共振 回路10は、支持部5の長さ方向、つまり図2aのx軸に沿って自由に動くこと ができる。コイル14の軸21はスパイラルワインディング13および15が取 り付けられた支持部の表面に対して直交することが好ましい。これにより、スパ イラルワインディング13および15と、コイル14間において最も大きな磁気 結合が起こる。付勢ループ16は、支持部5の長さ方向の位置にかかわらず共振 回路10と一定の結合が起こるように構成されている。 コイル14を形成するために用いられるワイヤはどのような導電素材でも良い が、低交流抵抗を有する多重撚線であるLitzワイヤが好ましい。Litzワ イヤは、ドイツのInderhuvttenwiese D−5226 Rei chshof−EckenhagenのElektrisola Dr. Ge rd Schildbach GmbH社から入手可能である。 図2f、2g、2hは、ワインディングの別の構成を示す図である。図2fで は、全体的に見ると、ワインディングは6角形の構成をしており、図2gでは、 それらは3角形の構成をしており、図2hでは矩形波である。 図2に示すセンサーシステムの動作を簡略に説明する。コイル14の支持部5 に対するx軸上の位置を決定するとき、付勢電流のバーストが付勢ループ16に かけられる。このバーストの周波数は、回路10を共振させるものでなければな らない。さて、このバーストが終わると、回路10は短時間共振を続け、スパイ ラルワインディング13および15のそれぞれに電流を誘導する。誘導された電 流の大きさは共振回路がx軸上のどの位置にあるかによって異なる。従って、ス パイラルワインディング13および15に誘導された電流を適切に処理すること により、スパイラルワインディング13および15の1周期内の共振回路10の 位置を判定することができる。後に明らかになるように、90°位相がずれた2 つのスパイラルワインディングは、スパイラルワインディング13および15の 全周期Tsにおいて曖昧でない数値を提供するために必要である。本実施例では 、付勢・処理部11内にあり、基準点から共振回路が動いた周期の数をカウント するカウンタを用いることにより、絶対的な位置を判定することができる。基準 点は支持部5上の選択した位置に更なる導電ループ(不図示)を設けることで決 定されることが好ましい。この構成により、付勢・処理部11は、この追加ルー プ上の信号レベルが最大になるまで共振回路10を単に動かすことにより、電源 が取り外された後も絶対位置を回復することができる。更に、複数のこのような 付勢および処理段階で得られた値を平均することにより、より一層の正確さを実 現することができる。 上記の回路の動作は、ある意味で線形移動を感知するための“インダクトシン ”タイプの変位相変圧器のものに似ているが、スパイラルワインディング13お よび15を利用することには、いくつかの利点がある。特に、ワインディング1 3および15は本質的にデジタルではない、すなわち、これらは支持部5の長さ に沿って連続的に変化するので、このシステムの解像度は理論的には無限である 。しかし、実際には、出力信号はデジタルに処理されるので、ワインディング1 3および15からの信号をデジタル化する処理回路のアナログ/デジタル変換器 の解像度がシステムの解像度を決定する。スパイラルワインディングの別の利点 は、それぞれのワインディング13および15を形成する正弦波の往復の経路が 反対の位相を有しているために、あるループに誘導された電流とその近辺にある ループに誘導された電流は反対方向に流れ、そのためそれぞれに対応する磁場は 反対の極性を持ち、効果的に平衡(balanced)していることである。従って、これ らは、電磁波の干渉に比較的影響されない。図3に示すように、これは、バック グラウンドの電磁波放射23が原因でワインディングの一つのループAに誘導さ れた電流が、同ワインディングの近辺のループBに同じバックグラウンドの電磁 波 放射によって誘導された電流によって相殺されるからである。スパイラルワイン ディングの別の利点は、それらの軸に平衡な線上ではどの距離から測定されたも のであっても磁場感度が正弦波であることである。その結果、システムは共振回 路10と支持部5間の間隔の変化に対して、つまり、y軸方向の動きに対して、 従来のインダクトシンシステムよりも寛大になることである。特に、スパイラル ワインディングの感度は、共振回路10とワインディング13および15間の間 隔がわずかであっても正弦波のままである。更に、このシステムは、光学タイプ の位置センサーの適切な動作に影響を与える、埃、砂埃、油などに対して比較的 感度が悪い。 なお、付勢ループ16は、ワインディング13および15の長さ方向にムラの ない(even)磁場を発生するため、更にはワインディングは平衡であるため、付勢 ループとワインディング13および15は効果的に直交する。つまり、付勢ルー プ16は理論上、ワインディング13および15に電流を誘導しないため、シス テムは連続波モード、つまり信号の付勢および受信を同時に行うモードで作動す ることが可能である。しかし、実際にはスパイラルワインディング、特に端の部 分が不完全であるために、付勢ループ電流によって、ワインディング中にいくら かの電流が誘導される。従って、少なくともこの実施例においては、好ましい動 作モードは、パルスエコー、つまり、付勢が無くなった後に送信、そして受信、 処理を行うことである。 図2に示すシステムの動作の原理を、図4、5および6を参照して更に詳しく 説明する。図4aはスパイラルワインディング13および15と、付勢ループ1 6と、共振回路10の一部を示す概略図である。矢印19で示すように、共振回 路10はスパイラルワインディング13および15の軸に沿って、つまりx軸に 沿って、どちらの方向へも自由に動くことができる。図4aもまた、共振回路1 0によって発生する磁束密度に対する、それぞれのスパイラルワインディングの 感度の関数S(x)を、支持部5に沿った共振回路10の位置xの関数としてグ ラフに示している。共振回路10がスパイラルワインディング13および15に 沿って動くにつれ、感度関数S13(x)とS15(x)は90°位相のずれた正弦 波の様態で変化する。これらは、 で与えられる(ここで、xおよびTsは、上記に定義したものであり、Aは、感 度関数の最大振幅である)。 図4bは、図4aに示す付勢ループ16にかけられた付勢電流のバーストを示 す。それぞれのバーストは、付勢電流の多くのサイクルから成る。サイクルの数 は、共振回路10の共鳴振動数と、特性値(Q)によって変化する。本実施例で は、6μ秒の周期を持つ三角波信号の64サイクルのバーストが付勢コイル16 にかけられる。図4cは、共振回路10中の電流Irの大きさが増加し、付勢電 流が除かれる直前に横ばいになり始めるところを示す。バーストが終了した後、 共振回路10は共振を続けるが、電流Irの振幅は時間が経つにつれて指数関数 的に減少する。信号の落ち着く時間を与えるために、付勢・処理部11は、ワイ ンディング13および15の信号を処理する前に、短時間、本実施例では約4付 勢サイクルの間、待機する。 従って、付勢電流のバーストが除かれた後、回路10を流れる電流は次の式に よって与えられる。 ここで、frは回路10の共鳴振動数であり、本実施例では約166KHz、そ して、時間tおよび破壊時間τを含む指数部分は、時間につれて電流の振幅が指 数関数的に減少することを示す。 共振回路10を流れる電流Irは、共振回路の一部を形成するコイル14の軸 方向に、磁束密度Brを発生させる。Brは、次の式で与えられる。 ここで、K1はコイル14の物理的特性、つまり、巻の回数や半径などによって 変化する比例定数である。交番(alternating)磁束密度Brは、磁束密度Brの 変化率に比例し、且つそれぞれのスパイラルワインディング13および15に対 応する感度関数S13(x)とS15(x)によって振幅変調される起電力(EMF )を、それぞれのスパイラルワインディング13および15に誘導する。従って 、共振回路10が図4に示す位置にあるとき、スパイラルワインディング13内 に誘導されるEMFは、 によって与えられ、スパイラルワインディング15内に誘導される起電力は、 によって与えられる。ここで、K2はK1に応じて変化する比例定数であり、それ ぞれのスパイラルワインディングによって囲まれた領域である。 本実施例においては、スパイラルワインディング13および15のそれぞれが 、ピーク間の間隔は約35ミリで200ミリの周期を持ち、回路10のコイル1 4は、100ミリの長さ(つまり、図4aのz方向)と、50ミリの幅(つまり 、図4aのx方向)を持ち、支持部5から10ミリ離れており、付勢ループ16 は、45ミリの幅(つまり、図4aのz方向)を持つので、1Aの付勢電流あた り、最大180mVのEMFがスパイラルワインディングに誘導される。 スパイラルワインディングの長さ方向のどこに共振回路10があるのかを判定 するために、つまり、1周期Ts内の値dを判定するために、スパイラルワイン ディング13および15からの信号が付勢・処理部11で処理される。図5aは 、スパイラルワインディング13および15の周期Ts内で、共振回路10の位 置 を計算するために使用することのできる付勢・処理回路を概略的に示す。図5a に示すように、スイッチ42を介して付勢ループ16にかけられる付勢電流を生 成する信号生成器41と、増幅器23と、変圧器24aがある。上述したように 、本実施例では、付勢電流は周期6μ秒の三角波で、384μ秒持続するバース トとして付勢ループ16にかけられる。付勢信号が付勢ループ16から除かれた 後、つまり、スイッチ42がオープンになると、スパイラルワインディング13 からの信号は、共通モードノイズを除去する変圧器24bと入力信号を変調する ミキサー27aを介して、ツーウェイスイッチ26の一方の端子に入力する。同 様に、スパイラルワインディング15からの信号は、別の変圧器24cおよびミ キサー27bを介して、ツーウェイスイッチ26のもう一方の端子に入力する。 ミキサー27aおよび27bのそれぞれは、送信信号の位相バージョン39を入 力信号に掛けることにより、入力信号を変調する。特に、+90°の位相バージ ョンか、−90°の位相バージョンである。共振回路10は付勢信号に−90° の位相を与えるため、−90°の位相が必要である。+90°の変化についての 理由は後で説明する。従って、ミキサー27aの出力時の信号は、 によって与えられ、ミキサー27bの出力時の信号は、 によって与えられる。これらの信号は、この後、スイッチ26によって多重され 、低域通過フィルタ29によって高周波数成分を除去するためにフィルターにか けられる。これにより、 が得られる。 フィルタされた信号は、次にデュアルスロープタイプのアナログ/デジタルコ ンバータによってデジタル信号に変換される。このアナログ/デジタルコンバー タは90°位相がずれた2つの信号を入力として用いるように構成され、フィル タされた2つの信号の比率を出力する。これは次のようにして実現する。先ず、 積分器31がランプアップもしくはダウンしている間、マイクロプロセッサ33 中のカウンタ(図示せず)は固定率fcでカウントアップする。そして、固定時 間t0の終わりに、マイクロプロセッサ33は、カウンタ(図示せず)が到達し た値N13を記憶し、スイッチ26を動作させて、スパイラルワインディング15 スパイラルワインディング15からの信号の符号とスパイラルワインディング1 3からの信号の符号が同じであれば、マイクロプロセッサ33は+90°位相シ フトブロック35を付勢し、そうでなければ−90°の位相を維持する。この動 とを確実にする。従って、2つのワインディングからの信号が互いに正である場 プダウンする。積分器31がランプダウンしている間、マイクロプロセッサ33 内のカウンタは、ランプアップのときと同様に同率fcでカウントアップする。 積分器31の出力がゼロになると、コンパレータ37の出力は、マイクロプロセ ッサ内のカウンタをトグルし停止する。 図5bは両ワインディングからの信号が正であるときの積分器31からの信号 の更なる詳細を示している。N13の値は、時間t0とカウンタがカウントアップ する時の率fcとを積算した値で与えられる。しかしながら、図5bから明らか なように、t0における電圧Vmは、時間t0と積分電圧がランプアップする時の 率との積で与えられる。従って、N13で与えられる。 同様に、N15の値は、積分器31がカウントダウンしてゼロになるのに要する 時間で与えられる。つまり、t1をカウンターがカウントアップするときの率fc で積算した値である。しかしながら、図5bからも明らかなように、t1は積分 電圧がランプダウンするときの率で除算したVmに等しい。すなわち、 13に等しく、次式の通りになる。 従って、値dは、マイクロプロセッサ33により、逆タンジェント計算を行い 、ミキサー27aおよび27bから出力される変調された信号の符号に応じた適 切なシフトを用いることにより、dの値を求めることができる。具体的には、d は次式により求めるられる。 当業者には分かるように、N15は共振回路10の位置に直接関係するため、式 14はN15をルックアップテーブルのアドレスとして用いることにより、実行す ることができる。 本実施例において、ミキサー27aおよび27bから出力された信号の符号は 、コンパレータ37を用いて接地電圧と比較することによって判定することがで きる。これを達成するために、マイクロプロセッサー33によって制御されるス イッチ28が設けられ、これによりフィルタ29からの信号が積分器31をバイ パスすることができる。 処理回路がスパイラルワインディングの1周期内の回路10の位置を判定する のに、約400μ秒かかるとすると、読み出しは約1m秒毎に行えばよい。従っ て、絶対位置が分からなくなったとしても、100ms-1より速い速度で動いて いるのでなければリフトの速度を判定することが可能であり、そうでなければ、 アライアジングエラーが起こる。 図5aに示す上記の励起・処理回路は、例として示されたものであり、本発明 を制限するものと解釈されるべきのもではない。 上記の実施例において、共振回路10は、ローカルオシレータ41からの付勢 電流のバーストによって付勢される。このローカルオシレータは回路10の共振 周波数に一致されている。共振周波数frは約10KHzから1MHzであるこ とが好ましい。これよりかなり低い振動数、つまり約100Hzでは、誘導され るワインディング内のEMF振幅が低くなり、レスポンス時間も悪くなる。これ よりかなり高い振動数、つまり約100MHzでは、スパイラルワインディング 13と15間の相互連動により正確さが失われ、また、処理電子工学上の複雑さ と費用を増進させる。 上述の通り、図2に示すシステムは、スパイラルワインディング13および1 5と共振回路10間の距離とギャップの変動について寛容である。この理由を図 6aおよび6bを参照して説明する。図6aは、スパイラルワインディングの1 周期の感度関数S(x,y)の3次元グラフである。図6aのx軸はスパイラル ワインディング13に沿った共振回路10の位置を示し、y軸はスパイラルワイ ンディング13からの共振回路10の距離を示し、z軸は共振回路10の発生す る磁束密度に対するスパイラルワインディング13の感度関数S(x,y)の大 きさを示す。図6bは、共振回路10と支持部5との距離の関数を、感度関数の ピークの大きさS(y)として示した2次元グラフである。感度関数のピーク値 S(y)は、共振回路10がスパイラルワインディング13から遠ざかるにつれ て、つまり、yが大きくなるにつれて、減少するように示されている。しかし、 図6aは、共振回路10と支持部5間の距離yに関わらず、感度関数S(x,y )が正弦的に変化することを示す。換言すれば、正弦スパイラルワインディング を用いた場合、従来の装置では共通した問題であった高調波ひずみの問題は、無 くなるか、または少なくとも最小限になる。 それ故、スパイラルワインディングの感度関数は となる。 図1に示されるスパイラルワインディング15の感度関数はまた、S(y)に よる振幅ピークを有する。それ故、式13に示される率関数計算が実行されると き、分離子yに依存するものは除去される。本発明者はシステムパフォーマンス が、ゼロと少なくともスパイラル周期Tsの1/4の間では妥協しないことを見 いだした。本実施形態において使用されるスパイラルワインディングは200m mの周期を持っている。それ故、システムは50mmまでの間隔に耐えられ、そ れ故、±8mmの相対移動に余裕で対応できる。 加えて、共振回路10と支持部5との間の間隔を判断するため、スパイラルワ インディングに誘導した信号の振幅を使用することが可能になる。しかしながら 、振幅は他の如何なるシステム、例えば電源によっても影響し、間隔の演算は精 度を必要としない。 理論的には、スパイラルワインディングは如何なる周期Tsを持つことができ る。それ故、センサは如何なる長さにもなり得る。しかしながら、ワインディン グの周期Tsが増えると、検出できる精度が位置増加において変化する。理由は 、 スパイラルワインディングの周期Ts内での共振回路10の位置の小さい変化は 、センサ信号に小さな変化としてしか生成しないからである。これらの微小変化 の検出されるか否かは、処理回路において使用されるアナログ/デジタルコンバ ータの精度、受信信号のシグナル−ノイズ比及びワインディングの空間的精度に 依存する。通常、この出願に関しては、ADCの解像度は他のシステムパラメー タもしくはコストによって決まるが典型的には8ビットADCで良いであろう。 発明者は、スパイラルセンサちして実行される解像度について8ビットADCは 、スパイラルワインディングの周期Tsの約1/400であることを見いだした 。それ故、要求される解像度をシステムデザイナーが特定した場合、スパイラル ワインディングの周期を効果的に特定できる。 第1の実施形態では、カウンタは、システムが共振回路の絶対位置のトラック を維持するために使用された。この問題の他の解決策は、センサの長手に沿って 粗及び微細のスパイラルワインディングを有することである。この適用した例と しては、図7に示される構造である。ここでは長さ2.4mの支持部を示し、そ こには、長さ2.4mに亙って周期200mmの1/4の位相差のスパイラルワ インディング13、15を有している。スパイラルワインディングからの信号は 微細スパイラル周期内における共振回路の位置を判断するために用いられる。そ して、粗ワインディングからの信号は共振回路におけるどの微細周期にあるかを 判断するための調整に用いられる。図7に示すように、ワインディング13、1 5及び43、45の微細、粗用のセットは互いに重ねられていて、第1の実施形 態と同様に、バイアス等は導体の交差する位置で用いられている。この適用例は 、干渉に線形及び免除に最大限にさせるシステムの対称性を最大限にするのでよ り好ましい。この動作を行なわせる策としては。粗ワインディングは微細ワイン ディングの周期間と区別できるべきである。もしこれができないのであれば、1 つ或いはそれ以上の仲介としての周期性を持ったワインディングを使用すべきで ある。 周期が曖昧になる問題についての1つの策を図8に示す。特に、図8aは第1 のスパイラルワインディング13は周期T1を有し、第2のスパイラルワインデ ィング47は微小だけ大きい周期T1+Δt1を有する。更なる90°位相差ワイ ンディングもまた要求されるが、明瞭にするため、指示部5の処理端5a位置に ついてのみ示している。90°位相差ワインディング13、47の2つのセット からの出力信号間の位相差は共振回路がどの周期位置の付近にあるかを示し、9 0°位相差スパイラルワインディングのセットの1つからの信号は先に説明した ように、その周期内における位置を決定するのに用いられる。例えば、90°位 相差ワインディングの第1のセットからの信号I1とQ1が、その周期内での共振 回路10の位置を判断するのに用いられ、全ワインディングからの信号I1,Q1 、I2及びQ2が位相差のルックアップテーブル(LUT)にアドレスするように 使用され、そこで共振回路10がどの周期の付近あるかを示す出力を行なう。ル ックアップテーブルは、特定のセンサによるものである。そのセンサにおいては ワインディングは周期T1及びT1+Δt1を有することになり、これらの周期を 変えた場合におけるセンサに用いるためには再度の計算することが必要になろう 。しかしながら、スパイラルワインディング周期の数が決まった後であれば、パ ターンは繰り返されるだけなので、この解決策を示さない。図8bはパターン周 期を延長させる手法を示している。特に、図8bにおいて、第3のスパイラルワ インディング48はワインディング47の周期と異なる周期T1+Δt2を持つも のである。3つのスパイラルワインディングからの信号(及び対応する90°位 相差のワインディング(図示せず)からの信号と同様に)正しい周期を推論する ために使用される。 周期が曖昧になる問題についての更なる策を図9に示す。図示は、90°位相 差スパイラルワインディング13、15の組合せに、US 4005396 において採 用されているのと同様なグレイコードワインディング51のセットを用いる。グ レイコードワインディング51が、明確にスパイラルワインディング13、15 の近傍に設けられているこを示している。好ましくは、グレイコードワインディ ング51は、最大限の調和と最小限のバックグランド干渉に対する感応のため、 スパイラルワインディング13、15の上に重ねられる。本実施形態では、グレ イコードスケールからの信号は、周期デコーダ53に供給され、スパイラルワイ ンディングのどの周期で、供給回路(図示せず)が近いかを判定する。また、あ る1つの周期内における微細位置は、先に説明したようにして検出される。しか しながら、本実施形態では、作成する際には相対的に複雑化し、コスト高になる という問題をまねく。というのは、グレイコードワインディング51を用いるこ とで多くの追加されるワイヤが必要となるからである。 本発明者等は周期が曖昧になる問題についての他の策について見いだした。す なわち、デジタルバーコードタイプの同定を提供するもので、それはセンサーブ ロックの長さに沿うものであり、共振回路10付近の周期を特定するためのもの である。図10に、分離した下部トラックによって示されるバーコードである。 この下部トラックは、図示の如く、擬似的にランダムデジタルデータトラックで あり、スパイラルワインディング13、15の周期をエンコードするものである 。図9の実施形態のように、バーコード同定は、単純にトラックの付近に示され るが、好ましくは、ワインディング13、15のトップに重ねられる。 上記実施形態では、2つの90度位相のスパイラルワインディング13、15 を、不明確に判断される周期Ts内において回路10の位置から90°位相差信 号を生成するために用いた。図11は90°位相差信号を発生させる他の手法を 示しているが、今回は単に1つのスパイラルワインディング13のみを用いる。 特に、図11は多周期スパイラルワインディング13、付勢(excitation)ルー プ16、及び、異なる共振周波数f1、f2を有する2つの共振回路10a、10 bを示している。2つの共振回路10a,10bは、スパイラルワインディング 周期Tsの4分の1の間隔で、互いに相対的に固定されている。矢印19で示さ れているように、2つの共振回路10a、10bは支持部(図示せず)の長手に 沿って、その両方の方向に自由に移動できる。周波数f1を有する付勢電流がロ ープ16に供給されると、回路10aは共振し、スパイラルワインディング13 にsin[2πd/Ts]に依存した信号を生成させる。ここでdは回路10aのスパ イラル周期における位置を示している。同様に、周波数f2の付勢電流を付勢回 路16に供給すると、回路10bが共振し、スパイラルワインディング13に、 sin[2π(d+Ts/4)/Ts]、すなわち、cos[2πd/Ts]の信号を生成させる。 それ故、90°位相差の信号がスパイラル周期内における回路10a(及びそれ ゆえ回路10b)の位置しているところで発生し、判断できるようになる。 上記の実施形態では、付勢信号は、支持部5の周囲の付勢ループ16に供給し た。そのような付勢ループを使用での問題の1つは、平衡にはならないことであ り、電磁気の障害を発生という問題を被ることである。図12aは3位相スパイ ラルワインディングシステムを示し、共振回路10を付勢するためのワインディ ングの1つを使用し、結果としてバランスをも保つものである。特に図12aは 、それぞれが他の2つに対して互いに120°の位相差を有している3つのスパ イラルワインディング53、55、57と、共振回路10によってワインディン グに誘導した信号の表わすベクトルを示している。本実施形態では、ワインディ ング53は共振回路10を付勢するために使用され、ワインディング53の信号 とワインディング55、57の信号のベクトル差分は共振回路の位置決定のため に用いられる。ワインディング55、57の信号のベクトル差分は、ワインディ ング53の信号と共に90°位相における信号を生成し、破線59によって表さ れるベクトルを示すことになる。しかしながら、本実施形態では、共振回路10 がワインディング53の交差点近傍にあるとき、付勢信号はワインディング53 よりはむしろワインディング55に供給されることになる。更に、ワインディン グ55の信号及びワインディング53と57の信号のベクトル差分は共振回路の 位置決定のために用いられる。このように、このシステムは、共振回路10が支 持部に沿った全ての位置で付勢されることを確実にでき、ワインディングの付勢 及び受信のバランスが保てることも確実になる。 図12bでは、3つのスパイラルワインディング53、55、57は、付勢・ 処理ユニット11を介して3つの位相のa.c.付勢電流のそれぞれの位相でも って、1つの端子に送られる。ワインディングは3位相システムのニュートラル ラインに供給されるために、他端子の一緒に接続され、ニュートラルラインに発 生した信号は処理ユニット11に返される。共振回路10はニュートラルライン を平衡にし、信号を生成させる。この信号の振幅はワインディング53、55、 57から共振回路10の間隔に依存し、その位相はワインディングの周期内にお ける回路10の位置に依存する。 図12cはスパイラルワインディングのとり得る他の環境を示している。特に 、図12においては4つのスパイラルワインディング63、65、67、69が あり、これらはワインディングの周期の1/8だけ他から離れている。他の実施 形 態の如く、付勢回路16は支持部5の周囲に沿って設けられており、スパイラル ワインディング63、65、67、69は付勢/処理ユニット11に導かれてい る。発明者は、このような4つの位相差システムを用いることで、ワインディン グに誘導し、生成されるスパイラル高調波が抑制されることを見いだした。 上記実施形態では、スパイラルワインディング13、15は1つの板に設ける ものである。しかしながら、ヘリカルパターンで支持部の回りにスパイラルワイ ンディングを巻くこともでき、平面パターンと同様の作用効果を達成することが できる。この発明の形式としては、流体レベル検出に使用する場合への適用であ る。図13aは本発明における実施形態のスパイラルタイプワインディングを用 いた液体レベルセンサを示す図である。図13aにおいて、支持部1305は円 筒形であって、その回りにはスパイラルワインディング1313、1315がヘ リカル状に巻かれている。当業者であればわかるように、支持部1305が共振 回路1310によって発生した磁界を通過させるものでなければならない。でな けば、センサの正常な動作に影響を与えるであろう。図13aに示すように、共 振回路1310を付勢する付勢ループ1310は、浮物1320に搭載されてい る。浮物1320は、矢印1319で示されるように、コンテナ内の液体の上昇 或いは下降のレベルとして示すように、輪環状で、支持部1305及びワインデ ィング1313、1315の沿って固定され、且つ、円柱支持部1305に対し て上下に移動自在になっていることが望ましい。本実施形態では、浮物1320 は、支持部1305に対して回ることがないように、束縛もしている。当業者で あれば、もし浮物1320が回転すると、処理ユニット1311で示される位置 はたとえ同じ高さであっても変化することは理解できよう。もし平面状のスパイ ラルが支持部1305の側面に沿って使用されると、この回転問題が同じ問題を 発生しないことは理解できよう。これについての詳細は後述する。 図13bはスパイラルワインディング1313、1315が、如何にして支持 部1305の回りに巻かれるかを示している。本来、スパイラルワインディング 1313、1315は4つのワイヤ1313a,1313b、1315a及び1 315bから形成され、それぞれは支持部1305の外周で90°の間隔で開始 し、支持部1305の長手に沿ってヘリカルパターン状に回転する。支持部13 05の先端(図示せず)では、ワイヤーは180°だけ間隔を置き、互いに接続 される。つまり、ワイヤ1313aと1313bがスパイラルワインディング1 313を形成し、ワイヤ1315aと1315bがスパイラルワインディング1 315を形成する。複数のスパイラルワインディングの周期を持つのであれば、 更なるワインディングを支持部1305の回りに巻付け、周期エンコーダを形成 しても良い。本実施形態の動作は、第1の実施形態の動作と同様である。このヘ リカルデザインによる有意な点は、ワイヤーが支持部の回りに単に負かれるので 、平板デザインよりも製造が非常に簡単になることである。 図14a、14bは、“スパイラル”トランスデューサがいかにロータリー位 置エンコーダにへの使用に適用されるかを示している。特に、図14aでは、固 定された円形支持部1405が、円状に巻かれたスパイラルワインディング14 13、1415上に設けられている。本実施形態では、支持部の回りの各スパイ ラルワインディング1413、1415が3周期となっている。線形の実施形態 と如く、導線の重なりは、支持部の他面に対するバイアス、或いは導線絶縁積層 構造を採用することで避けられている。ここには、付勢ループ1416も支持部 1405上に搭載されていおり、可動体上に搭載されている共振回路を付勢する ために用いられる。ここで、可動体は、支持部の軸に沿って回動自在となってい る。システムにおける線形維持のため、共振回路は可能な限り対称であるべきで ある。 図14bは回動部1401を示し、図14aにおける支持部1405に対して 相対的に回動できるものであり、中心点1491に対して図示の矢印1419で 示される如く回動する。回動部1401上には、共振回路1410が設けられて おり、システムの線形性を最大限にするようにデザインされている。この回動の 実施形態における動作は、線形の実施形態の動作を同様である。 上記実施形態における多周期スパイラルワインディングは位置エンコーダの支 持部に沿って設けられていた。しかしながら、いくつかの適用によっては、より 短い長さの支持部で十分な場合がある。それは提供しようとしているスパイラル ワインディングのシングル周期セットの場合である。図15は支持部が、付勢コ イル1516、シングル周期Tsを要する90°位相になった2つのスパイラル ワインディング1513、1515を形成していることを示している。ワインデ ィングは先と同様に、付勢/処理ユニット1511に接続される。このデバイス の形状は、いくつかの適用にはふさわしいが、その端における精度が低くなるの で好ましさは低い。 上記実施形態では、共振回路は可動対象物上に搭載されていた。これは付勢信 号を取り去った後でも磁界を発生し続けるので、有利である。つまり、可動対称 物上には電源を不要とすることを意味している。しかしながら、共振回路を位置 を固定、支持部を移動可能とした場合でも等価である。加えて、各対称物に異な る共振周波数を有する共振回路を採用することで、複数の可動対称物の位置を決 定することも可能である。図16は共振回路の共振特性を示している。理想的に は、共振周波数は狭く、その特性は高い最大値と、低い最小値で幅δwの幅が狭 いことがのぞまれる。換言すれば、共振部は高品位の(Q)ファクタを持つべき である。この特性を改善する一つの手法は、コイル14,キャパシタ17の直列に おいて、クォーツもしくはセラミックタイプの共振回路を採用することである。 そのような実施においては、コイル14のインダクタンス値及びキャパシタ17 の容量値は、共振特性の形状の急峻の度合が最大にさせるべく、クォーツまたは セラミック共振部材を共振周波数においてそれらのインピーダンスがキャンセル されるように選択されることが望ましい。クォーツ或いはセラミック共振部材は 、その要求される面積を最小限にするように、プリント回路基盤上への搭載面に 設けることが望ましい。好ましいセラミック共振部材が、英国、ハンツ、アルデ ショット、ステーションロード、スタンフォードハウスのAVX Kyocer a、或いは、英国、バクシェア、リーディング、アルダマストン、カレーザパー ク、マーキュリーハウス、サーキットで供給されるMurataから提供されて いる。 図17における支持部1705、付勢回路1716及びワインディング171 5、1713は上記の通りである。しかしながら、この実施形態では、2つの可 動対象物(図示せず)を有する。各々は共振カイロ1710A、1710Bを備 え、それぞれの共振周波数は異なる。各共振回路1710A、1710Bを有す る各可動対象物の位置は、各共振回路を順に付勢する、或いは全ての共振周波数 を含む、たとえば“ホワイトノイズ”等を用いることで一度の全共振回路を付勢 することで決定される。各対象物における共振周波数はいずれかの値であろうが 、システムのバンド幅は余り大きすぎることがないように、それぞれ選択される ことが望ましい。そうしないと、電気回路は複雑になり、より高価になるであろ う。 勿論、可動対象物上に電源を備える場合には問題はなく、共振回路10の一部 を成すキャパシタ17は電源で置き換えてもよい。そのような実施は、図18に おける平面スパイラルデザインについて示されるが、他の実施形態への適用にも 等価である。特に、図18は、支持部1805上に搭載された平板90°位相差 の酢スパイラルワインディング1813、1815のセットと、可動対称物(図 示せず)上に搭載されたコイル1814を示している。ここでコイル1814の 端子には電源が接続されている。図18に示す実施形態では、多対象システムへ の使用を容易に適用できる。そのような適用では、各対象物はそれぞれ自身特有 の周波数を有する電源を備えることになる。 上記実施形態では、スパイラルワインディングにおける信号は付勢信号を除去 した後に処理される。この理由は、付勢信号とのクロスカップリングによって引 き起こされる生涯を小さくためである。しかしながら、共振回路の代わりに高調 波発生部を使用できる場合には、高調波発生部によって発生した信号と付勢信号 と区別することはできる。それ故、分離した付勢回路が提供されるのであれば、 付勢回路に付勢信号を供給している間でも、高調波発生部の位置を決定させるこ とは可能である。これは、高調波発生部は非線形の磁気特性を備え、付勢信号に 応じてその付勢周波数の高調波を含む成分で磁界を生成するので可能になる。よ り高い高調波は付勢信号と区別でき、それ故、付勢信号を付勢回路に供給してい る間でも高調波発生部の位置を決定することが可能になる。 図19は、高調波発生部1901が共振回路の代わりに可動対象物(図示せず )上に設けられていることを示している。本実施形態は平板スパイラルワインデ ィングでの参照で説明されるが、先に説明した他の実施形態にも適用できる。図 19はスパイラルワインディング1913、1915及び付勢ループを搭載した 支持部1905を示している。付勢ループ1901は支持部1905の全長に沿 う、その許される位置等において、非線形範囲内に高調波発生部を付勢できなけ ればならない。図17に示されるように、支持部1905の周囲に設けられた付 勢ル ープ1916は、特有の付勢ループの一例である。 図20は、付勢信号を発生する1つの発生部の一例と、図19に示される付勢 ・処理ユニット1911内の処理回路を示している。特に、擬似矩形波発生部2 063は基本周波数fを有する付勢信号を発生し、付勢回路1916に連続的に 供給する3f、9f,15f等の高調波信号は発生しない。90°位相差のスパ イラルワインディング1913、1915からの信号(及び、もし絶対位置を必 要とする場合には他のワインディング1971からの信号)は、マイクロプロセ ッサの制御によりアナログマルチプレクサ2026に供給される。各ワインディ ングからの信号はアンプ2073で増幅され、ミキサ2027で信号2039と 合成される。信号2039の周波数は、たとえば付勢信号の基本周波数fの3倍 の周波数、すなわち、第3高調波である。それ故、周波数3fを有する受信信号 の成分(これは高調波発生部2001によって発生した注目成分である)は、復 調され、他の成分は復調されない。復調された成分は、ローパスフィルタ202 9によってその高周波成分が除去され、ADC2075でデジタル信号に変換さ れ、マイクロプロセッサ2033に供給される。マイクロプロセッサはそれを一 時的に記憶する。全てのワインディングからの信号が同じようにして処理される と、マイクロプロセッサ2033は先の式14を用いることで可動対象物の絶対 位置を算出する。 高調波発生部1901は、典型的には、非線形磁気素材で形成され、付勢信号 によって非線形範囲内で飽和点を過ぎて駆動されるものであり、たとえば、Va cumm Schmelted 6025 Spinmelt RTibobo nである。代わりに、ダイオードのような非線形電気的エレメントに接続される コイルが適当な高調波発生部1901となる(この場合には処理回路が付勢信号 の第2高調波に適合されることになる)。 上記説明した実施形態の高調波発生部の問題は、システムにおける他の鉄素材 の存在がバックグランド高調波信号を発生するかもしれないということである。 しかしながら、このひづみは、(i)高調波発生回路1901の保磁度(coerciv ity)と導磁性を減少させ、鉄素材周辺よりも低いトランスミッタ磁界レベルで高 調波を発生させること(たとえば50A/mを十分に下回る)で最小 限にすることができ、或いは/及び、(ii)鋭角な飽和点を有する素材を使用 して、高い高調波の高レベルが測定できるようにして最小限にすることができる 。ただし、鉄素材では滅多にそのようなことはない。これらの特徴を有する適当 な素材は、長く、薄い溶融したアモルファス金属であり、米国ニュージャージ州 、パーシパニーNJ 07054、6 イーストマンズ ロード、ALied Signalによって提供されている(Metglass)。及び、ニッケル合 金のようなスッパタ成形された磁気素材がある。加えて、素材の鋭角特性は、実 現しようとしている高導磁性を可能とするために、高くなければならない。 直流(d.c)成分がなく、交流フィールドの単一周波数で非線形範囲に付勢 する磁性素材は、駆動電流の奇数の高調波を生成する。しかしながら、導磁性が 非常に小さい素材を使用する場合、地磁気が高調波発生部を非線形範囲を外れて バイアスにすることで、偶数高調波の発生を劣化させるには十分であるかも知れ ない。考えられる策は、システムに対し、地磁気に反作用するd.cバイアスフ ィールをかけることである。必要なd.c.バイアスは、偶数高調波の検出レベ ルを最小限にする、もしくは奇数高調波の検出レベルを最大にすることで決定で きる。 高調波発生部を用いることでの他の可能な解決策は、異なる2つの付勢周波数 F1、F2で付勢することである。そのような実施形態では、高調波発生部は相互 変調成分、すなわち、F1±F2を有する磁界を発生することになろう。 高調波発生部の実施形態は、浮物の位置測定に高く適用できる。インダクタ/ キャパシタ共振回路の電気的減衰(damping)をおこさせる泥(dirt),塩水等に高抵 抗であり、浮物と支持部との間に大きなギャップとして働くからでもある。更に 、高調波発生部は、その向きにかかわらず、共振回路全体に対して、スパイラル ワインディングに結合されるという有利な面もある。これは、高調波発生部が、 好ましい磁界軸を有するアモルファス金属で構成されるときよりも正確である。 交番的に向きが代わる素材を積層させ、好ましい等価デバイスを得ることができ るからである。 他の、より複雑な、共振回路の交番は、トランスミット回路によって生じた磁 界で付勢される電気的トランスデューサである。トランスミット回路は、付勢信 号とは区別できる信号或いはコードを生成することになる。この実施形態では、 システムの複雑さ及びコストによる出費において、ユーザに与えるフレキシビリ ティーを増大させるものである。 他にも共振回路に代わって動作する、より単純な交番が存在する。例えば、2 組みの磁性素材であり、付勢回路によって発生するa.c磁界を集中するもので ある。例えば、フェライトや、付勢回路により発生するa.c磁界を歪める導電 体、例えばアルミニュームシート等である。 共振回路を使用する実施形態における、その形状、大きさ(mass)、共振周波数 等を特別な適用により説明する。また、システム精度の幾つかの限度についても 説明する。発明者らは、共振回路の一部分を形成するコイルの直径が、スパイラ ルワインディングの幅のおよそ2倍で、スパイラルワインディングの周期のおよ そ半分の場合に等しい場合に、高精度を得ることができることを見いだした。 図21は、空洞共振回路の等測図を示しており、図13aに示される浮物に適 用するものである。浮物2120は、非磁性、好ましくは非導電性のチューブで あり、例えば、プラスチック、ガラスである。浮物2120は、図13aの如く 、長さ1、内側の直径は支持部1305に固定されるに十分な大きさを有し、ス パイラルワインディング1313、1315を有する。ワイヤ2114のコイル は、浮物2120の外周に巻かれていて、その磁気軸が浮物2120に関して放 射状に向いている。この実施形態では、コイル2113の第1の部分2114a を浮物の回りに巻き、そのチューブ軸に対して第1の角度でもって第1面を形成 させ、次に、第2の部分2114bをチューブの面に対して第2の角度で、しか も異なる面で巻くことで実現できる。これにより、コイル2114の2つの部分 2214a,2114bは相互作用は、放射軸を有する回路をとなる。キャパシ タ(図示せず)はコイル2114と共振回路を形成するため、コイル2114の 2つの端子に接続されることになる。 幾つかの適用では、しかしながら、短い浮物長1であることが要求されるであ ろう。そのような実施形態では、図21に示す当てるデザインが、適当ではなく 、図22に示すように交番デザインが要求されるであろう。特に図22は、平面 ディスクのような浮物2220内に、支持部1305に固定するに十分な内径を 備 え、図13aに示されるスパイラルワインディング1313、1315を有する ことになる。コイル2214の2つの部分2214a.2214bは図示のよう に浮物2220上に設けられ、コイル2114の軸は浮物2220に対して放射 線状になる。コイル2214の端子はキャパシタ2217に接続され、共振回路 を形成する。コイル部分2214a,2214bは好ましくはフェライト六度2 281、2283の回りに巻きつけられ、これにより共振回路が共振したときに コイル2214による提供された磁界を集中させる。 上記実施形態では、共振回路の軸が固定であるものとした。しかしながら、流 量(fluid flow)メータ等のようないくつかの適用では、共振回路は回転しても構 わない。図23は、本発明におけるトランスデューサの形式の1つが、如何にし て流量率センサに使用されるかを示している。流体は垂直なパイプ2385を上 方向に通過する。ここで垂直パイプは、非磁性、好ましくは非導電性素材で形成 されており、図示の如く内部はテーパ形状になっている。浮物2320によって 塞がれる垂直位置は、流体の流れ率に依存する。図23における浮物2320の より詳しいものを図24に示す。浮物2320内には、共振回路2410が含ま れ、その回路の軸は水平である。しかしながら、浮物2320は、この実施例で は、円錐形をなし、液体の流れ内で回転するようになっている。これで共振回路 2410の軸2421が変化する。従って、トランスデューサからの信号は高さ によって、時間的に変化する。本実施形態における浮物2320は、その円錐形 の形状によって垂直のままであり、その垂直軸に沿ってのみ回転する。回路24 10が共振し、浮物が回動したとき、トランスデューサ上の量スパイラルワイン ディングに誘導されたEMFは、cosθによって変調された振幅となる。ここで θは浮物の方位角(angular orientation)であり、回路2410の軸2421が 支持部2305の面に直角になった場合にゼロになる。しかしながら、誘導信号 植えの回転効果は、両スパイラルワインディングに誘導したEMFが同じ変調に よって影響するので、式13による率計算を実行することで除去することができ る。それ故、浮物2320の垂直軸についての回転は、その水平位置の決定には 妨げにはならない。しかしながら、もし何等かの原因により、共振回路の軸が支 持部2305の面に直交するときに、浮物の回転が停止した場合、例えば θ=90、270°の場合、高さを判定することはできない。というのは、共振 回路2410とスパイラルワインディング(図示せず)との如何なる結合もなく なるからである。 図24aに示される浮物2320が上記問題を解決するように改良例を図24 bに示す。図24bにおいて、浮物2320は共振回路2410a、2410b を有し、それらは好ましくは異なる共振周波数f1、f2を備えている。それ故、 この実施形態では、少なくとも一方の共振回路からの磁界を受けることでスパイ ラルワインディング(図示せず)には常に出力信号が存在することになり、浮物 の高さがその方位角に関係なく判定できるようになる。 更に、当業者であれな、如何なるスパイラルワインディングで発生した信号か ら浮物2220の方位角θが判定できることは理解できよう。共振回路によって 1つのスパイラルワインディング内で誘導した信号が(復調されフィルタされた 後に)、次式で与えられることは当業者には明白であろう。 及び、他の共振回路により同じスパイラルワインディング内に誘導した信号が (復調されフィルタされた後に)次式で与えられる。 浮物の回転率も、その変化に対してθを探知することで判定することができる。 これは回転率も流体の流れ率に依存するから有利な点である。 図24cがこの問題を交互に解決する断面を示している。特に、図24cは、 流体が流れるパイプ2385、パイプ内の浮物2320、及び2つの支持部24 05a、2405bを示している。これらの支持部はパイプ2385に近接し、 その垂直面に位置しており、それぞれにスパイラルワインディング(図示せず) のセットを搭載している。この実施形態では、1垂直軸の共振回路(図示せず) が浮物2320に搭載されている。当業者であれば理解できるように、少なくと も一方の支持部上のスパイラルワインディングからの出力が常に得られ、それ故 、 浮物の高さはその方位角に拘わらず常に判定できることになる。図24bに示さ れる実施形態では、浮物2320の方位角をも判定することができる。しかしな がら、当業者であれば、この実施形態における2つの支持部2405a、240 5bからの信号が方位角を判定するために使用されることになるのは理解できる ことであろう。 流体の流れ率センサを説明した上記実施形態において、浮物はその垂直軸につ いてのみ回転するようにデザインした。図24dは、流体の流れ率センサの他の 実施形態を示している。浮物2420は球形となっており、それ故如何なる軸に も回転できる。この実施形態では、一組だけのスパイラルワインディング(ずし せず)を、パイプ2385の近傍の支持部2305に設ける。浮物2420は、 先に説明したようにテーパ形状のパイプ2385内で自由に浮いている。そして 浮物は、3つの共振回路2410a、2410b、2410cを含んでおり、そ れぞれが直交軸を持っており、好ましくは、異なる共振周波数を有している。こ の実施形態では、浮物2420内の共振回路2410a、2410b、2410 cのうちの少なくとも1つとスパイラルワインディング(図示せず)のセットと の間に常にいくつかの結合を有することになる。それ故、浮物2420の高さは 、その方位角にかかわらず常に判定することができる。更には、3つの共振周波 数でスパイラルワインディング(図示せず)に誘導された信号が、対応する共振 回路の軸について依存することになるから、浮物2420のその軸に対する回転 率もまた判定することができる。 現存する流体の流れ率センサを設けるスパイラル検出システム(磁気浮物と磁 気探知デバイスを使用している)の1つの大きな効果は、浮物上に如何なる力も 作用させないことである。それ故、システムは、現存する流体の流れ率検知シス テムより高い精度となる。更には、浮物の高さと回転率の両方を測定することで 、精度の良い流れ表示を可能とするダイナミックレンジを増加させることができ る。 図13aに示した実施形態では、浮物1320が垂直軸について回転しないも のとした。しかしながら、浮物1320が回動可能なのであれば、共振回路が常 に浮物の方位角に拘わらず付勢されることを確実にし、2つの直交付勢回路と1 つの水平軸共振回路が提供されるか、或いは、1つの付勢回路と2つの垂直で直 交軸の共振下位が提供されれば、浮物の方位角を検出することが可能である。浮 物の方位角は表示位置における適切な補正が行われるように判定できる。 図13aに示される液体レベル検出システムにおいて使用される支持部130 5の回りに、2つの直交付勢ループ2516a、2516bが如何にして搭載さ れるかを図25に示す。 2つの付勢コイル2516a、2516bは直交面になっている必要はないが 、図13aに示される浮物13の位置と方位角を判定するために要求される処理 を簡単にするのは好ましい。 図26a、26bはワインディング及び共振回路の更なる形状を示している。 図26aにおいて、支持部2605は、3つの位相適用で配列されたワインディ ング2653、2655、2657を形成し、測定方向に沿って延出する多様な ループの平衡共振回路を形成する。この多ループ適用は、多数のワインディング の信号の平均カする作用を有し、ワインディング2653、2655、2657 の製造におけるばらつきによるエラーを最小限にすることができる。 図27には、スパイラルワインディング2713、2715で形成されたトラ ンスミッタトラックが示されている。ここでスパイラルワインディングは図示の 如く90°位相差の交流a.c.信号が供給される。スパイラルピックアップコ イルもしくはレシーバ2714は、旋回パターン内でのトランスミッタトラック に沿った位置に依存した振幅を有する信号を受信する。レシーバ2714へのス パイラル適用は、トランスミッタワインディング2713、2715におけるそ れが如何なる製品の作用効果をも減少させる平均信号を提供するので好ましい。 しかしながら、望むならば1個のレシーバコイルを使用することができる。a. c.電源2714a,2714bが90°位相差の信号を発生し、ワインディン グ2713、2715に上記のようにして供給される。そして。連続するサイン 、コサイン信号がレシーバ2714で受信さるように交互に動作する。 図28は、本発明におけるスパイラルワインディングを採用した2次元位置エ ンコーダに用いられるワインディングの一方を示している。特に、図28は、ス パイラルワインディングを示しており、そのコイル密度は図28のx軸に沿って 波状に変化している。結果適に、近傍にある磁界源に対するワインディング28 15の感度は距離xでもって正弦カーブ的に変化することになる。90°位相差 のスパイラルワインディング(図示せず)は、そのコイル密度がx軸に沿った間 隔で正弦カーブで変化することも必要になる。しかしながら、90°位相差の更 なるワインディングセットがあって、y軸の単位距離に対する正弦カーブで変化 するワインディング密度を有するワインディング2815と対応する90°位相 差のワインディング(図示せず)の合成があれば、2次元トランスデューサを提 供することができる。明瞭にするため、図28では、いくつかのワインディング は示していない。図28はまた、x、y方向において位置が変化する共振回路2 810を示している。ここで、もし付勢コイル(図示せず)が共振回路2810 を共振させるべく提供されると、共振回路の原点Oに対するx、y方向での位置 は、上記のようにして4つのスパイラルワインディングに誘導される信号から判 定できる。 発明者らは、より注意した共振回路のデザインをも提案する。これによって、 共振回路の見かけ上のチルトの効果を(限られた範囲内で)減少させるものであ る。図29aは、移動体(図示せず)に搭載される共振回路の一部を形成する軸 2921を有するワイヤ2914のコイルの概要を示している。図29aはまた 、スパイラルワインディング(図示せず)を搭載した支持部2905をも示して いる。システムは、支持部の長さに沿った共振回路の位置を出力するようになっ ている。もし、共振回路がチルトした場合、例えば共振回路の軸2921がラジ アンTだけ隔てた場合、位置エンコーダはポイント2989にあるものとして、 その位置を出力すべきである。しかしながら、体験的に、発明者等はこのような ケースはないことを見いだした。実際、位置エンコーダは、共振回路が実際の位 置2987と予期した位置2987とのほぼ中間に位置しているポイント298 9に近接しているこを示すのである。これは、共振回路が位置2990に存在す ることを示し、共振回路を有する測定面2992に沿って移動していることを示 していることを意味する。更に、発明者等は、連続に接続され。測定方向に沿っ て間隔を開けられた2つコイルを使用することで、見かけ上の測定面2992を 支持部2905の遠ざかる方向或いは近づく方向に移動できることを見いだした 。これは、空間的な制約による測定板を要求されるコイルを設けることが不可能 な、 インクジェットプリンタヘッド位置検出等のような適用に重要な関係を有する。 図29bは2つの電気的に接続され、夫々の軸2921の間を距離2Dにして いるコイルを有する実施形態を示している。2つのコイルは移動対称に固定され ており、移動対称がチルトした場合、その2つの共振回路がポイント2982で についてチルトするようになっている。発明者等は、コイル2914a、291 4b間の距離2Dを変化させることで、矢印2993で示されるように、見かけ 上の測定面2992を変化させることができることを見いだした。好ましくは、 2つのコイル間の距離は、ワインディングの周期の整数倍ではない。1つの実験 では、(i)8mm矩形断面で18mmの長さをもったのフェライトに40回巻 付けた0.2mmの銅線を有する各コイル部分2914a、2914b、(ii )150KHzで共振する共振回路となるために適切なキャパシタ、(ii)コイ ルの中心と支持部2905の間が25mmの実間隔を選択し、(iv)50mm ピッチとピーク間が20mmのスパイラル周期を使用し、(v)コイル間の間隔 が116mmを使用した。測定の効果的面2992はトラック上の120mmで あり、位置エンコーダシステムでの表示できる位置は、±4°の角度変化内では ポイント2987から±0.4mmの位置であった。同じ角度変化及び1つのコ イルでは、位置エンコーダはポイント2987に対して±8mmを示す。これは ファクタ20の精度良い改良を提供する。同様のセットアップで、100mmの コイル間の間隔2Dでの第2の実験では、見かけ上の測定面2992がトラック 上10mmであることがわかった。また、同様のセットアップで、96mmの間 隔(2D)における第3の実験では、見かけ上の測定面2992が支持部290 5の表面上になることがわかった。それ故、ノズルから紙上にインクを吐出する インクジェットプリンタ適用においては、チルトしそうであり、見かけ上の測定 面が紙面と等しくさせることができるという作用効果を有する。これは適度な間 隔Dを選択することで実現できる。この改良でもって、システムの精度は上がる 。というのは、見かけ上の測定面上では小さいチルト変化に対しては位置が大き くは変化しないからである。 図30aは、図2に示されるスパイラルワインディングが、放射線エンコーダ に使用するための適切なトランスデューサの一例を示している。特に、図30a はワインディング3013がポイント3008aで開始し、ポイント3008b になるまでは時計回りに湾曲し、ポイント3008bで方向を変えて、ポイント 3008cになるまでは反対方向に湾曲まかれということを繰り返していること を示している。それ故、この環境では。ワインディング3013は、放射線状の 機能と同様の正弦カーブの磁気感度機能を備える。換言すれば、ワインディング は、如何なる放射線状の方向にも“多極”磁界検出パターンを有することになる 。第2の90度位相差のスパイラルワインディング3015も要求されるが、明 瞭にするためにその開始位置のみを示した。この実施形態の動作は、線形動作の 実施形態と同様であり、再度の説明はしない。 図30bは、図30aに示されるスパイラルトランスデューサシステムの変形 例を示している。特に、図30bにおける変形例では、ワインディングの各部分 はその方向が変わるまでにいくつもの周期を有している。更に、方向がかわる間 におけるワインディングのワインド密度は、ワインディングの磁気感度が放射線 方向で正弦カーブとなるように変化させている。 図30bに示される様に、移動体がx軸に沿ってのみ移動可能なのであれば、 リニアエンコーダのみがあれば良い。そのような実施形態では、概念的には、破 線3081、3083に沿ってそれらを切断し、残されたワインディングの対応 する部分を接続することでワインディングを改良することができる。図31は、 これを行った場合のワインディングパターンの結果を示している。特に、ワイン ディング3113のワインディング密度は、支持部3105の長手方向に沿って 正弦カーブに変化する。符号3185で示される破線は、一般に、ワインディン グの対応部分の接続を示している。ここには、90°位相差のワインディングが 存在するが、明瞭にするために図示はしていない。 本発明のトランスデューサは多数の適用が可能である・実施形態では。リフト 位置決め制御、液体レベル検出、そして、流体の流れ率検出の適用へのトランス デューサの使用を既に説明した。他の適用は変化する位置検出、プリンタにおけ るプリントヘッドを位置させること、グラフィックペン入力デバイス、クレーン 、スロット回転センサ、ABS回転センサ、ショックアブソーバ/搭載高さセン サ、ウェアハウス位置センサトラックである。 更に、スパイラルワインディングトランスデューサは他のエンコーダシステム にも使用することができる。例えば、ホール効果測定ヘッドである。そのような システムでは、位置を示すためにヘッドはa.d.c磁界スケールを読み込む。 しかしながら、正弦、及び90°位相差トラックが使用されるのであれば、そし て、絶対位置を判定するのであれば更なるトラックを使用するのであれば、複数 のリードヘッドが必要になる。程度の低い調和はスパイラルトランスデューサを 使用したシステムで実現できるが、コスト高になる。程度の低い調和は、最終的 にはパフォーマンスがそれほど良くはならない。加えて、ホールセンサはまた、 d.c.システムで補うためのやっかいな本来のオフセットをも備えている。a .c.フィールドを使用することで、これらの作用を効果的に除去される。 そのような実施に使用する場合、スパイラルワインディングは、それに電流を 与えることでスパイラル正弦カーブの磁界パターンを発生するために使用できる 。磁界のスパイラルパターンは、異なるピッチで正弦カーブ磁界を生成する分離 された導電を改良することで制御できる。磁界パターンのスパイラル位相は、異 なる位相と同じピッチの導電体を持ち、各々への電流の率を交番させることで、 交番させることができる。正常な正弦、余弦の探知(track)は可能であり 、マルチフェーズトラックとなる。磁気ホール効果センサは、スパイラルワイン ディングによって生成した磁界を測定するために使用する。 更に、移動体上に搭載される共振回路は、プロセッシングユニットへ情報を伝 えることもできる。例えば、この情報は流れメータにおける液体の温度や圧力と なることもできる。これは、共振回路のプロパティーが測定される品質に依存し て変化できるようにすることで実現できる。例えば、抵抗器ネットワークにレジ スタ共振回路へサーミスタを含ませるべく加えることによって、共振回路の周波 数が温度で変化するようにする。他の策は、共振回路の一部のように、圧力で変 化するキャパシタを有する例えばピエゾセルで使用し、圧力で共振周波数を変化 させることである。そのような特性の測定システムは、測定デバイスに電気的接 続部を不要とする、という効果がある。
【手続補正書】特許法第184条の8 【提出日】1996年5月3日 【補正内容】 請求の範囲 1.測定方向内で相対的に移動可能な第1、第2の部材の相対位置を示す装置で あって、 部材の一方は電気的共振回路を形成し、当該共振回路は、他方の部材で形成さ れる付勢回路及びレシーバ回路に電磁誘導で接続される、 そして、前記付勢回路による付勢に従い、前記共振回路は、前記第1、第2の 部材の相対位置を示す信号を前記レシーバ回路内に電磁誘導で誘導する、装置で あって、 レシーバ回路は、少なくとも1つの導体を有し、 当該導体は、 少なくとも繰り返される旋回状のパターンの少なくとも1周期で、 測定方向で、当該部材のある位置から延出する方向に延びる第1の部分と 、 同様の旋回状を有し、戻ってくる第2の部分とを備え、 前記第1、第2の部分の旋回は、遠隔場に対して反対の電気的反応を示す第1 、第2のタイプの少なくとも2つのループとなるように、実質的に180°の位 相差を有し、 バックグランドからの擾乱によって第1のタイプのループに誘導した反応が、 第2のタイプのループに誘導した反応でもって、少なくとも部分的に平衡にさせ ることを特徴とする装置。 2.第1、第2の部分は、矩形旋回で形成されることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の装置。 3.第1、第2の部分は、三角形旋回で形成されていることを特徴とする請求の 範囲第1項に記載の装置。 4.第1、第2の部分は、6角形ループを規定する旋回で形成されていることを 特徴とする請求の範囲第1項に記載の装置。 5.第1、第2の部分は、正弦曲線を描く旋回で形成されていることを特徴とす る請求の範囲第1項に記載の装置。 6.前記レシーバ回路は複数の導体を有し、夫々の導体は互いに隔てられ、互い に重なりあっており、各導体の旋回は測定方向において空間的に分離されている ことを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 7.前記レシーバ回路は、2つの電気的に分離した導体を有し、夫々の導体のル ープは前記繰り返される旋回の1/4周期だけ分離していることを特徴とする請 求の範囲第6項に記載の装置。 8.前記レシーバ回路は、3つの電気的に分離した導体を有し、夫々の導体のル ープは前記繰り返される旋回の1/6周期だけ分離していることを特徴とする請 求の範囲第6項に記載の装置。 9.前記レシーバ回路は、4つの電気的に分離した導体を有し、夫々の導体のル ープは前記繰り返される旋回の1/8周期だけ分離していることを特徴とする請 求の範囲第6項に記載の装置。 10.前記第1、第2の部分は、前記繰り返される旋回パターンの複数周期に亙 って、前記位置から延出する方向に延びることを特徴とする前項のいずれかに記 載の装置。 11.前記繰り返される旋回パターンの周期で相対位置を測定しているのかを示 す粗位置導体手段を備えることを特徴とする請求の範囲第10項に記載の装置。 12.前記粗位置導体手段は、前記複数の電気的に分離された導体上に設けられ 、且つ、複数の導体とは電気的に分離していることを特徴とする請求の範囲第1 1項に記載の装置。 13.相対的に短い旋回を有する電気的に分離した導体セットを備え、前記粗位 置導体手段は少なくとも相対的に長い旋回を有する電気的に分離した第2のセッ トを有することを特徴とする請求の範囲第11項或いは第12項のいずれかに記 載の装置。 14.第1の周期を有する電気的に分離した導体の第1のセットを備え、前記粗 位置導体手段は、少なくとも第2の周期を有する電気的に分離した導体の第2の セットを有し、ここで第2の周期値は第1の周期よりもわずかに大きいか、小さ いかであることを特徴とする請求の範囲第11項或いは第12項のいずれかに記 載の装置。 15.前記粗位置導体手段は、デジタル的な周囲特定部であることを特徴とする 請求の範囲第11項或いは第12項のいずれかに記載の装置。 16.前記レシーバ回路は支持部の平面上に形成されることを特徴とする前項の いずれかに記載の装置。 17.前記共振回路はコイルとキャパシタで構成され、当該コイルの軸は前記支 持部に対してほぼ直角であることを特徴とする請求の範囲第16項に記載の装置 。 18.前記共振回路はレシーバにおける旋回と同様の旋回を有する導体を備える ことを特徴とする、請求項10に従属する場合の請求項16に記載の装置。 19.前記装置は線形位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第16 項、又は第17項、又は第18項のいずれかに記載の装置。 20.前記装置は回転位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第16 項、又は第17項、又は第18項のいずれかに記載の装置。 21.前記装置は放射線状位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第 16項、又は第17項、又は第18項のいずれかに記載の装置。 22.前記レシーバ回路は、支持部の円柱な面上に形成されることを特徴とする 請求の範囲第1項乃至第16項のいずれかに記載の装置。 23.前記装置はリニア位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第2 2項に記載の装置。 24.前記電気的な共振回路を形成する部材は、2つの異なる電気的な共振回路 を形成する、 ここでそれら2つの共振回路は前記付勢回路、レシーバ回路に共に誘導的に結 合され、前記繰り返される旋回の1/4周期だけ測定方向に分離していることを 特徴とする請求の範囲第1項乃至第5項のいずれかに記載の装置。 25.それぞれが電気的に異なる共振周波数を有する複数の可動部材と、 ここで各可動部材は前記付勢回路に誘導的に結合されている、 レシーバ回路とを備え、 前記共振回路により適切な周波数で付勢した場合、各共振回路は、レシーバ回 路を形成している部材に対する可動部材の相対位置を表わすに対する信号を、レ シーバ回路に誘導させる ことを特徴とする請求の範囲第7項に記載の装置。 26.付勢回路及びレシーバ回路はパルスエコーモードで動作することを特徴と する前項のいずれかに記載の装置。 27.付勢回路及びレシーバ回路は継続波モードで動作することを特徴とする請 求項第1項乃至第24項のいずれかに記載の装置。 28.共振回路でレシーバ回路に誘導発生した信号の位相を調和させる復調部を 備えることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 29.リフトシャフトにおける位置を示す手段を有するリフトであって、前記手 段は請求の範囲第1項乃至第28項のいずれかに記載の手段である。 30.浮物と、当該浮物をそれ上で、或いはその中でスライド自在に案内する支 持部と、浮物と支持部の相対位置を示すための請求の範囲第1項乃至第28項の いずれかの装置を有する液体レベルセンサ。 31.ロータリーシャフトと、そのシャフトの位置エンコーダを有するバルブま たはスロットであって、前記位置エンコーダは請求の範囲第20項に記載されて いることを特徴とする。 32.請求の範囲第31項に記載のバルブ或いはスロットであって、シャフトの 角運動は180°未満であることを特徴とする。 33.請求の範囲第31項に記載のバルブ或いはスロットであって、シャフトの 角運動は120°以下であることを特徴とする。 34.テーパー形状のチューブと、 当該チューブの中にあって液体の流れによって決定された高さに位置する浮物 と、 浮物とチューブとの相対位置を示すための、請求の範囲第1項乃至第28項の いずれかに記載の装置を有する流体流れメータ。 35.浮物は回転可能であって、複数の電気的共振回路を形成する、 ここで各共振回路はコイルとキャパシタを備え、 複数の共振回路のコイルの軸は互いに直角な面に沿っている ことを特徴とする請求の範囲第34項に記載の液体流れメータ。 36.浮物は回転可能であって、実質的に平面上にある2つのレシーバ回路は相 互に直角な面上に設けられていることを特徴とする請求の範囲第34項に記載の 液体流れメータ。 37.共振回路は、少なくとも2つの直列に接続されたコイルを有し、 チルト効果を減少させるために変化する間隔で、他方のコイルと分離されてい ることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第28項のいずれかに記載の装置。 38.第1、第2の部材の相対位置を判定する方法であって、 前項のいずれかに記載の装置における付勢回路に、前記部材上に設けられた電 気的な共振回路を付勢するのに適した周波数の交流を供給することで、付勢回路 を付勢し、 前記レシーバ回路上に誘導発生した出力信号を検出して、前記第1、第2の部 材の相対位置を導き出す 工程を備えることを特徴とする方法。 39.前記交流の周波数は10KHzから1MHzの範囲内であることを特徴とする請 求の範囲第38項に記載の方法。 40.前記付勢回路はバースト付勢電流によって付勢され、レシーバ回路に誘導 された信号は付勢電流を無くしてから検出されることを特徴とする請求の範囲第 38項或いは第39項のいずれかに記載の方法。 41.測定方向内で相対的に移動可能な第1、第2の部材の相対位置を示す装置 であって、 部材の一方は高調波発生部を形成し、当該高調波発生部は、他方の部材で形成 される付勢回路とレシーバ回路に電磁誘導で接続される、 そして、前記付勢回路による付勢に従い、前記高調波発生部は、前記第1、第 2の部材の相対位置を示す信号を前記レシーバ回路内に電磁誘導で誘導する、装 置であって、 レシーバ回路は、少なくとも1つの導体を有し、 当該導体は、 繰り返される旋回状のパターンの少なくとも1周期で、測定方向で、当該 部材のある位置から延出する方向に延びる第1の部分と、 同様の旋回状を有し、戻ってくる第2の部分とを備え、 前記第1、第2の部分の旋回は、遠隔場に対して反対の電気的反応を示す第1 、第2のタイプの少なくとも2つのループとなるように、実質的に180°の位 相差を有し、 バックグランドからの擾乱によって第1のタイプのループに誘導した反応が、 第2のタイプのループに誘導した反応でもって、少なくとも部分的に平衡にさせ ることを特徴とする装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI G01F 23/62 9403−2F G01F 23/62 N (31)優先権主張番号 9420597.8 (32)優先日 1994年10月3日 (33)優先権主張国 イギリス(GB) (31)優先権主張番号 9423861.5 (32)優先日 1994年11月25日 (33)優先権主張国 イギリス(GB) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ,UG), AM,AT,AU,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB ,GE,HU,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LK,LR,LT,LU,LV,MD,MG,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TT, UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 アレイ, デイビッド, トーマス, エ リオット イギリス国 シィービー2 5エヌエイ チ, ケンブリッジシィア,ハーストン, ハーストン ミル(番地なし) サイエ ンティフィック ジェネリックス リミテ ッド内

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であり、第1、第2の部材の相対位 置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成して、 当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路に電磁誘 導によって結合される装置であって、 トランスミッタ回路及びレシーバ回路の少なくとも一方は、 複数の電気的に分離した導体を有し、ここで導体は他方の導体上に載るよう に位置している、 各々の導体は、旋回状に繰り返されるパターンとなって、自身の部材上のある 位置から延出する方向になる第1の部分と、同様の旋回状で戻ってくる第2の部 分とを備え、 第1、第2の部分は実質的に180°の位相差を備えることで第1、第2の遠 隔場に対して反対の電気的反応を示す第1、第2のループの繰り返されるパター ンを定義し、 バックグランドからの妨害によって第1のタイプのループで誘導された応答は 、少なくとも第2のタイプのループに誘導される応答によって一部分が相殺され 、各導体を形成する旋回は他の導体の旋回に対して適量角だけ空間的に隔ててい ることを特徴とする装置。 2.前記第1、第2の部分は矩形旋回で形成されていることを特徴とする請求の 範囲第1項に記載の装置。 3.前記第1、第2の部分は三角形旋回で形成されていることを特徴とする請求 の範囲第1項に記載の装置。 4.前記第1、第2の部分は、6角形ループを規定する旋回で形成されているこ とを特徴とする請求の範囲第1項に記載の装置。 5.前記第1、第2の部分は、正弦曲線を描く旋回で形成されていることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の装置。 6.前記ループの相対的なパターン内において、相対位置を測定するところにあ る特定パターンを特定させる粗位置決め導体手段を備えることを特徴とする前項 のいずれかに記載の装置。 7.前記粗位置決め導体手段は、前記複数の電気的に分離した導体上にあって、 且つ各導体とは電気的に分離されていることを特徴とする請求の範囲第6項に記 載の装置。 8.相対的に短い旋回を有する電気的に分離した導体のセットを備え、前記粗位 置決め導体手段は少なくとも相対的に長い旋回を有する電気的に分離した導体の セットを備えることを特徴とする請求の範囲第6項或いは第7項のいずれかに記 載の装置。 9.第1の間隔の旋回を有する電気的に分離した導体の第1のセットを備え、前 記粗位置決め導体手段は少なくとも第2の間隔の旋回を有する電気的に分離した 導体の第2のセットを備え、当該第2の間隔は第1の間隔以下となっていること を特徴とする請求の範囲第6項或いは第7項のいずれかに記載の装置。 10.前記粗位置決め導体手段はデジタル期間特定であることを特徴とする請求 の範囲第6項または第7項のいずれかに記載の装置。 11.前記トランスミッタは電磁気デバイスを備え、前記レシーバは導体を備え ることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 12.レシーバを形成する部材は、前記トランスミッタを付勢するする手段でも あることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の装置。 13.前記電磁気デバイスは、付勢手段によって局所手きな磁界を生成するため の磁気材質であることを特徴とする請求の範囲第11項または第12項のいずれ かに記載の装置。 14.前記電磁気デバイスは共振回路を備えることを特徴とする請求の範囲第1 1項または第12項のいずれかに記載の装置。 15.前記トランスミッタは電源とコイルを備えることを特徴とする請求の範囲 第11項または第12項のいずれかに記載の装置。 16.前記トランスミッタ或いはレシーバ回路は支持部の平面上に形成されるこ とを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 17.前記トランスミッタ及びレシーバの他方は支持部にほぼ直角な軸のコイル を備えることを特徴とする請求の範囲第16項に記載の装置。 18.前記装置は線形位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第16 項または第17項のいずれかに記載の装置。 19.前記装置は回動型位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第1 6項または第17項のいずれかに記載の装置。 20.前記装置は放射線状位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第 16項または第17項のいずれかに記載の装置。 21.前記トランスミッタ或いはレシーバは支持部の円柱面に形成させることを 特徴とする請求の範囲第1項乃至第16項のいずれかに記載の装置。 22.前記装置は線形位置エンコーダであることを特徴とする請求の範囲第21 項に記載の装置。 23.2つの電気的に分離された導体を有し、当該導体のループは相対パターン の1/4周期だけ隔てていることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 24.3つの電気的に分離された導体を有し、当該導体のループは相対パターン の1/3周期だけ隔てていることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 25.4つの電気的に分離された導体を有し、当該導体のループは相対パターン の1/4周期だけ隔てていることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 26.前記トランスミッタ及びレシーバは、パルスエコーモードで動作するよう にしていることを特徴とする前項のいずれかに記載の装置。 27.前記トランスミッタ及びレシーバは、連続波形モードで動作するようにし ていることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第25項のいずれかに記載の装置 。 28.請求の範囲第1項乃至第27項のいずれかに記載の装置における使用に関 し、互いに重なり合っている複数の電気的に分離した導体形状のトランスミッタ 或いはレシーバ回路の支持形成部であって、 各導体は旋回パターンとなって支持部のある位置から延出する第1の部分と、 同様の旋回で戻ってくる第2の部分を備え、 ここで、第1、第2の部分の旋回は実質的に180°の位相差を備えることで 遠隔場に対して反対の電気的応答を示す第1、第2のループの繰り返されるパタ ーンを定義している、 バックグランドからの妨害によって第1のタイプのループで誘導された応答は 、少なくとも第2のタイプのループに誘導される応答によって一部分が相殺され 、各導体を形成する旋回は他の導体の旋回に対して適量角だけ空間的に隔ててい ることを特徴とする支持部。 29.前記支持部は付勢回路の一部と、レシーバ回路の一部を成す導体を形成す ることを特徴とする請求の範囲第28項に記載の支持部。 30.更に、粗位置決めエンコーダの一部を成す導体を備えることを特徴とする 請求の範囲第28項または第29項のいずれかに記載の支持部。 31.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であり、第1、第2の部材の相対 位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し、 当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路に電磁誘 導で結合される装置であって、 トランスミッタ回路或いはレシーバ回路の少なくとも一方は、 複数の電気的に分離する導体を有し、ここで導体は他方の導体上に重なるよ うに位置している、 各々の導体は、旋回状のパターンとなって、自身の部材上の載るようにある位 置から延出する方向にある第1の部分と、同様の旋回状で戻ってくる第2の部分 とを備え、 第1、第2の部分は実質的に180°の位相差を備えることで第1、第2の遠 隔場に対して反対の電気的反応を示す第1、第2のループの交流信号を定義し、 バックグランドからの妨害によって第1のタイプのループで誘導された応答は 、少なくとも第2のタイプのループに誘導される応答によって一部分が相殺され 、各導体を形成する旋回は他の導体の旋回に対して適量角だけ空間的に隔ててい ることを特徴とする装置。 32.第1の部材の、第2の部材に対する相対位置を示す装置であって、 第1の部材によって形成される入力手段と、 第2の部材でよって形成される出力手段と、 ここで出力手段は、入力手段に接続され、第1及び第2の相対位置を示す信 号が現れるようにしており、 少なくとも入力手段及び出力手段の一方は、正弦曲線を描く旋回パターン状に 第2の部材の延出する第1の部分と、同様の旋回でもって戻ってくる第2の部分 とを備え、第1、第2の部分は実質的に180°の位相差を有することを特徴と する装置。 33.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であって、第1、第2の部材の相 対位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し 、当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路に電磁 誘導で結合される装置であって、 少なくともトランスミッタ及びレシーバの一方は、少なくとも電気的導電体を 備え、当該導電体は一方向に沿って繰り返される旋回パターン状に延出する第1 の部分と同様の旋回で戻ってくる第2の部分とを備え、当該第1部分と第2部分 の旋回は遠隔場に対して反対の応答を示すループパターンを成しているこいとを 特徴とする装置。 34.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であって、第1、第2の部材の相 対位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し 、当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路に電磁 誘導で結合される装置であって、 少なくともトランスミッタ及びレシーバの一方は、少なくとも電気的導電体を 備え、当該導電体は一方向に沿って繰り返される旋回パターン状に延出する第1 の部分と同様の旋回で戻ってくる第2の部分とを備え、各ループは空間的に分離 し、適量角に沿って延出していることを特徴とする装置。 35.リフトシャフトの一を示すリフト手段を備え、当該手段は請求項第1項乃 至第27項、請求項第31項乃至第33項のいずれかに定義される。 36.請求項第1項乃至第27項、請求項31乃至第33項のいずれかに記載の 装置の装置と、浮物と、当該浮物をその上もしくは内部でスライド自在にガイド する支持部及び装置を備え、浮物及び支持部の相対位置を示す液体レベルセンサ 。 37.ロータリーシャフト及び当該シャフトの位置エンコーダを備えるバルブ或 いはスロットであって、前記位置エンコーダは請求の範囲第19項に記載されて いる。 38.前記シャフトの回動範囲は180°未満であることを特徴とする請求の範 囲第37項に記載のバルブもしくはスロット。 39.前記シャフトの回動範囲は120°を越えないことを特徴とする請求の範 囲第37項に記載のバルブもしくはスロット。 40.テーパー状のチューブと当該宙部中の浮物を備える液体流メータであって 、前記浮物は液体流によって決定される縦方向に移動し、請求項第1項乃至第2 7項、請求項31乃至33のいずれかに記載の装置は前記浮物と前記チューブの 相対位置を示す。 41.第1の部材の縦方向の相対位置を示す装置であって、前記第1の部材は細 長い固定部材に沿って相対的に移動可能な共振回路を形成し、 前記固定部材は、前記共振回路を付勢する手段と、共振回路の磁気誘導に結合 され、求積法の一対の電気的導体の形成している出力手段とを形成し、 各電気的導体は、繰り返される旋回パターン状の固定部材に沿って延出する第 1の部分と、同様の旋回でもって戻ってくる第2の部分とを有し、 第1、第2の部分の旋回は固定部材に沿って空間的に分離したループパターン を形成することを特徴とする装置。 42.ループパターンは遠隔場に対して反対の電気的応答特性の交互ループとし てなることを特徴とする請求の範囲第41項に記載の装置。 43.前記トランスミッタ回路は、チルト効果を減少させるために変則の間隔に 従って、適量アングルに沿って互いに分離した少なくとも2つ直列接続のコイル を備えることを特超とする請求の範囲第1項乃至第27項に記載の装置。 44.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であって、第1、第2の部材の相 対位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し 、当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されるレシーバ回路の電磁 誘導で結合される装置であって、 装置の見かけの測定面の変更する手段を更に備えることを特徴とする装置。 45.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であって、第1、第2の部材の相 対位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し 、当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路の電磁 誘導で結合される装置であって、 前記トランスミッタ回路は、測定方向に沿って所定間隔だけ互いに分離される 少なくとも2つの直列接続のコイルを備え、 前記所定間隔は、レシーバ回路からコイルに対する異なる分離における必要と される見かけの測定ラインを形成することを特徴とする装置。 46.第1、第2の部材の相対位置を示す装置であって、第1、第2の部材の相 対位置を表わす信号を発生するため、一方の部材はトランスミッタ回路を形成し 、当該トランスミッタ回路は、他方の部材により形成されたレシーバ回路の電磁 誘導で結合される装置であって、 前記トランスミッタ回路は、レシーバ場回路から隔てたコイルと対象物を有し、 ここで、対象物は、要求される測定される相対位置においてその対象物が、測 定される相対位置上でのコイルチルト効果が最小となる位置で、レシーバから隔 てた位置になる、 ことを特徴とする装置。
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