(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸周りの回転を検知する角度位置センサにおいて、
軸上に互いに向き合って並置された、１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクおよび受信ディスクであって、前記受信ディスクが、前受信ディスクに沿って円形パターンに区画配置された所定数の独立した誘導コイルを保持しており、前記送信ディスクが、前記受信ディスクの前記コイルに誘導結合するために予め定められた無線周波数で信号源によって駆動されるコイル手段を保持している送信ディスクおよび受信ディスクと、
前記送信ディスク及び前記受信ディスクの間に配置され、前記軸周りに回転可能なカプラディスクであって、前記誘導結合を減衰するための対称導電パターンを有し、該パターンが、前記受信ディスクに保持された前記複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び最小の減衰を与える回転角度位置と、該最大および最小位置の間にありほぼ線形比例する減衰を与える前記パターンの中間位置とを備えるカプラディスクと、
前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続された手段であって、前記カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、前記信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、前記カプラディスクの回転角度に比例して変化する移相をもつほぼ正弦波形を生成する手段と、
前記移相を検知する手段と、
を備え、前記カプラディスクに保持された前記対称導電パターンが１個の最大位置と１個の最小位置を持つ三日月状であり、前記導電パターンの面積が、前記カプラディスクの内径を直径とする円と外径を直径とする円との間のディスク面積の半分と等しいことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
軸周りの回転を検知する角度位置センサにおいて、
軸上に互いに向き合って並置された、１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクおよび受信ディスクであって、前記受信ディスクが、前受信ディスクに沿って円形パターンに区画配置された所定数の独立した誘導コイルを保持しており、前記送信ディスクが、前記受信ディスクの前記コイルに誘導結合するために予め定められた無線周波数で信号源によって駆動されるコイル手段を保持している送信ディスクおよび受信ディスクと、
前記送信ディスク及び前記受信ディスクの間に配置され、前記軸周りに回転可能なカプラディスクであって、前記誘導結合を減衰するための対称導電パターンを有し、該パターンが、前記受信ディスクに保持された前記複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び最小の減衰を与える回転角度位置と、該最大および最小位置の間にありほぼ線形比例する減衰を与える前記パターンの中間位置とを備えるカプラディスクと、
前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続された手段であって、前記カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、前記信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、前記カプラディスクの回転角度に比例して変化する移相をもつほぼ正弦波形を生成する手段と、
前記移相を検知する手段と、
を備え、前記カプラディスクに保持された前記対称導電パターンが、２つ以上の最大及び最小位置を有し、前記カプラディスクの１回転ごとに２サイクルを有するような２つのテーパーパターンを含むことを特徴とするセンサ。
【請求項３】
軸周りの回転を検知する角度位置センサにおいて、
軸上に互いに向き合って並置された、１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクおよび受信ディスクであって、前記受信ディスクが、前受信ディスクに沿って円形パターンに区画配置された所定数の独立した誘導コイルを保持しており、前記送信ディスクが、前記受信ディスクの前記コイルに誘導結合するために予め定められた無線周波数で信号源によって駆動されるコイル手段を保持している送信ディスクおよび受信ディスクと、
前記送信ディスク及び前記受信ディスクの間に配置され、前記軸周りに回転可能なカプラディスクであって、前記誘導結合を減衰するための対称導電パターンを有し、該パターンが、前記受信ディスクに保持された前記複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び最小の減衰を与える回転角度位置と、該最大および最小位置の間にありほぼ線形比例する減衰を与える前記パターンの中間位置とを備えるカプラディスクと、
前記受信ディスクに保持された前記コイルに接続された手段であって、前記カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、前記信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、前記カプラディスクの回転角度に比例して変化する移相をもつほぼ正弦波形を生成する手段と、
前記移相を検知する手段と、
を備え、前記カプラディスクに保持された前記対称導電パターンが、２つ以上の最大及び最小位置を有し、前記カプラディスクの１回転ごとに４サイクルを有するような４つのテーパーパターンを含むことを特徴とするセンサ。
【請求項４】
前記移相を検知する手段がパルス幅変調手段を含むことを特徴とする請求項１〜３に記載の角度位置センサ。
【請求項５】
前記パルス幅変調手段がＲＳフリップフロップを含むことを特徴とする請求項４に記載の角度位置センサ。
【請求項６】
前記送信ディスクの前記コイル手段が前記受信ディスクの前記誘導コイルと実質的に同一であり、数が等しく、またそれぞれのコイルが互いに間に空間を置いてあい対していることを特徴とする請求項１〜３に記載の角度位置センサ。
【請求項７】
前記コイルのそれぞれがインダクタンスを増すために複数の層を具備することを特徴とする請求項１〜３に記載の角度位置センサ。
【請求項８】
前記受信ディスクが保持するコイルの数が６かそれ以上であることを特徴とする請求項１〜３に記載の角度位置センサ。
【請求項９】
前記復調手段が前記受信コイルの数と等しい複数の局所発信器信号を生成することを特徴とする請求項１〜３に記載の角度位置センサ。
【請求項１０】
前記局所発信器信号が、３６０度を該受信コイルの数で除した角度だけ互いに移相されていることを特徴とする請求項９に記載の角度位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は誘導減衰カプラを有する角度位置センサ、より詳細にはその間に配置された回転可能なカプラを備えて誘導結合された送信ディスクおよび受信ディスクを有する非接触型センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年自動車産業や航空宇宙産業で要求される厳しい信頼性と平均故障時間間隔（ＭＴＢＦ）に適合するため、位置センサは設計の段階から非接触タイプを基準とする必要が生じている。これは内部に使用する部品の磨耗や亀裂を最小限に抑える必要があるためである。特に自動車用部品では設計は価格、量産性及び高信頼性に適合する必要がある。いわゆる遮蔽インダクタンスを用いた非接触型センサの一例が米国特許第４,９８６,１２４号に述べられている。この特許では１組の駆動巻き線と検知巻き線を１つのプリント基板上に配置し、軸またはピンに近接して導電性スクリーンを組み込む事によって、回転中に検知巻き線を遮蔽することが可能となる。上記特許の要約にあるように、その動作は次のとおりである。「遮蔽インダクタンスセンサからの変換器出力は基本的に振幅変調搬送周波数である。搬送要素は通常信号処理の最初の段階で同期変調することによって除去される。信号の大きさに対する入力変数（回転）の伝達機能はあらゆる位置計測装置にとって最も重要な特性である。」（１２欄３３行目）
【０００３】
しかし検出された振幅を使用するのは、特に自動車などの工業用途では適当ではない。この種の振幅は、発信器と受信器の分離や、また送信信号の出力レベルの影響を受ける。前述した不確定さに起因する誤差のために、許容できる性能が得られないからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、本発明の概括的な目的は改良された角度位置センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するために、軸上に、それらの間に該軸の周りに回転可能なカプラディスクを配して、互いに向き合って並置された、１組の間隔を置いたほぼ円形状の送信ディスクおよび受信ディスクを備えた、軸周りの回転を検知する角度位置センサを提供する。受信ディスクは、前記受信ディスクに沿って円形パターンに区画配置された、所定数の独立した誘導コイルを保持している。送信ディスクは、受信ディスクのコイルに誘導結合するために、予め定められた無線周波数で信号源によって駆動されるコイル手段を保持している。カプラディスクは、受信ディスクに保持された複数の誘導コイルのいずれに関しても、最大及び最小の減衰を与える回転角度位置と、最大位置および最小位置の間にありほぼ線形比例する減衰を与えるパターンの中間位置を備えた、誘導結合を減衰するための対称導電パターンを有している。カプラディスクのそれぞれの角度位置に関して誘導された、信号源から送信された信号を復調し加算し、この加算によって、カプラディスクの回転角度に比例して変化する移相をもつほぼ正弦波形を生成する手段が、受信ディスクに保持された複数のコイルに接続されている。移相を検知する手段が設けられている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、軸１０はカプラディスク１２が回転可能に支持されたシャフト１１の中心を通る（図３も参照）。このディスクはプラスチックなどの絶縁材で作られ、図１に示すようにほぼ円形の送信ディスク１３と受信ディスク１４の間に配置される。これらのディスクは互いに固定されている。図２に２つのディスク１３、１４を示すが、実質的に同一のものである。送信ディスクは、図６に示すように直列に接続されたＴ１からＴ６で表される６個の渦巻きループアンテナパターンで構成されている。受信ディスク１４も同様に図６に示すＲ１からＲ６で表される６個の同一の渦巻きループアンテナパターンを有するが、各々の受信コイルはその一部が示されているように、別々にデジタルミキサーおよび波形発生装置１６に接続される。送信ディスク１３は、１ＭＨｚの周波数Ｆｃをもつ信号源１７によって駆動される。
【０００６】
図２について述べると、送信ディスク１３と受信ディスク１４は、ディスクに沿って円形パターンとして区画配置された、所定の数（この場合６個）の独立した渦巻き導電コイルを保持している。前記パターンはディスクを完全に３６０度囲んでいる。したがって、渦巻きループアンテナ状のそれぞれのコイルは、必要な６０度の区画となるように構成される。
【０００７】
実際にはインダクタンスを大きくするために、それぞれのコイル例えばＲ１は、Ｒ１／１、Ｒ１／２、Ｒ１／３およびＲ１／４で示された４つの部分に分割される（図１７参照）。これらの層１〜４は、図１６に示すように送信ディスク１３および受信ディスク１４上にサンドイッチ状つまり積層構造として配置される。このように、各送信および受信ディスクは、実際には３つの一体に積層されたサブディスクを持つことになる。この方法で実質的にインダクタンスは増加するが、特に径の大きなディスクを使用する場合には必ずしも必要ではない。
【０００８】
次に図３に示すカプラディスクについて述べると、このディスクは、カプラディスク１２に保持された三日月状の対称導電パターン２１を具備する。以下に説明するが、図１３、１４に示すように他にも適切なパターンがある。この対称導電パターンが、図１に示すように送信ディスク１３と受信ディスク１４の間に配置されると、両ディスク間の誘導結合を減衰する。
【０００９】
図４について説明するが、このような対称導電パターン２１は、最大点２２が送信ディスク１３と受信ディスク１４の間に正確に配置されると、１個の最大の減衰回転角度位置を有する。Ｒ１〜Ｒ６で形成される受信ディスク１４のコイルパターンとＴ１〜Ｔ６で形成される送信ディスク１３のコイルパターンとは同一であり、互いに間に空間を置いてあい対している。このために動作が向上される。三日月状の対称導電パターン２１は、また２３で表される１個の最小減衰位置を有する。勿論、これは最小の減衰導電層が送信および受信コイル間にある誘導カプリングに影響を及ぼす位置である。
【００１０】
図４の三日月状の対称導電パターンは、回転角度に対して線形もしくはパルス幅変調の出力を得るには理想的な形であると考えられる。図１２には、この三日月状の対称導電パターンによって達成される実質的には線形を示す実際の曲線が表されている。該パターンは軸１０の回転とｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４で示される４個の直径に関係して形成される。ｄ２はカプラディスク１２の開口の直径である。これは内径であり、ディスクの外径はｄ１である。対称導電パターン２１の斜線を施した領域の面積は、内径を直径とする円と外径を直径とする円とで囲まれたディスクの領域の面積のちょうど１/２に等しい。該パターンは、内径ｄ２を直径とする円と外径ｄ１を直径とする円との中間にある円２４をもうけ、次いで、一側で円２４に接し、他側で内径ｄ２を直径とする円に接している直径ｄ４の円を描き、更に、垂直直径ｄ３の一端が中間の円２４に接し多端が外径ｄ１を直径とする円に接しているもう一つの円２６を描くことによって、三日月状の部分として形成される。したがって、ｄ３=１/４.（３ｄ１+ｄ２）およびｄ４=１/４.（ｄ１+３ｄ２）である。
【００１１】
この種の形は、図４に示すパターンを用いて実測した出力である図１２にも示されているが、最大点２２と最小点２３の間で実質的に線形比例する減衰を与える。
【００１２】
図５には、受信ディスク１４と誘導結合されカプラディスク１２によって減衰される送信ディスク１３のコイルに信号Ｆｃを発信する信号源１７を示す。信号源１７は、また６個の受信コイルからの入力３１を受け取るデジタルミキサーおよび波形発生装置１６にも接続される。出力３２上でＲＳフリップフロップ回路にセット（Ｓ）信号が発信される。
【００１３】
カプラディスクは、それぞれの受信コイルすなわちＲ１〜Ｒ６の位置に応じて、対称導電パターンに基づいて振幅信号を中断したり減衰したりするので、カプラディスクの任意の角度位置で６個の別々の振幅信号を同時に生成する。チャンネル数を６個にしたのは、結果的に線形性が０.５％以上改善できたからである。しかし変調器のコスト低減の観点から３個のチャンネル数が適している場合もある。
【００１４】
ミキサー（復調器）からの６つの信号は加算増幅器Ａ１（図６も参照）によって加算され、次いで低域フィルター／制限増幅器Ａ２に入力される。
【００１５】
低域フィルター／制限増幅器Ａ２の出力信号を図１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに示す。これらの正弦波は４つの別々のカプラ位置（当然１度に出力されるのは１個のカプラ位置であるが）に関連しており、ここではカプラ回転に応じて移相が変動する。図１０ａ〜１０ｄのカプラ位置は、角回転が０°から９０°の場合を表す。それぞれの受信コイルの振幅は回転に応じて減衰され、それぞれのコイルの振幅はＲ１からＲ６で示される。
【００１６】
図５について述べると、コンパレータＡ３が、次にＡ２からの出力波形を方形波に変換し、ＲＳフリップフロップのＲ入力を駆動する出力３６に出力する。ＲＳフリップフロップ出力はパルス幅変調（ＰＷＭ）出力で、該パルス幅はシャフト１１（図１）の０度から３６０度までの回転角に正確に比例する。能動低域フィルターＡ４はＰＷＭをアナログ変換し、図示したようにアナログ電圧を出力する。図１２に示すのが、この電圧出力である。回転は独自の測定装置を使用して取り出した比例デジタルスケールで表される。実用的には回転は単に５度おきに０度から３５５度までトレースされる。
【００１７】
図１１（Ａ）から１１（Ｉ）はＲＳフリップフロップの動作を示し、図１１（Ｃ）、１１（Ｆ）および１１（Ｉ）に発生したパルス幅変調出力が表示されている。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は当然異なる回転での入力である。図１１（Ｃ）は回転角が１０度以下の場合、図１１（Ｆ）は中間の場合、そして図１１（Ｉ）は３５５度までの場合のＰＷＭ出力を示す。
【００１８】
図４に示された単一テーパーパターンである対称導電パターン２１は、回転ごとに１動作サイクルを与える。線形テーパートレースを適用することで、ピークからピークまでの線形誤差は最小に出来る。カプラディスクのパターンが対称でない場合には、１つの直線に関して１つのピークがもう１つのピークより大きい結果となる。換言すれば測定に誤差が発生したことになる。
【００１９】
図１３、１４に示すように斜線を施した部分は代替案の対称導電パターン２１'と２１''である。図１３では２つのテーパーパターンが示されており、これは１回転に２サイクルを生成し、図１４では１回転に４サイクルを生成する。対称導電パターン２１'と２１''はそれぞれ１つ以上の最小と最大を有する。
【００２０】
図９は図５をより詳細に示したもので、デジタルミキサーおよび波形発生装置１６がその機能要素とともに示されている。デジタル波形発生装置４１は信号源１７とその信号Ｆｃにより駆動される。ＬＯ１からＬＯ６で示される６つの出力ライン上に、互いに６０度ずつ移相された６つの局所発信器信号が生ずる。換言すれば、それらは３６０度を分割した受信コイルの数、すなわちＮ＝６によって移相されている。図１０ａ〜１０ｄについて説明すると、これは、その相が回転に比例するほぼ正弦波信号を発信する。局所発信器信号は、別の入力として受信ディスク１４からの６つの入力３１を受け取る４２ａから４２ｆで表された６つのミキサーを駆動する。したがって、６つの受信コイルのそれぞれ１つが移相された局所発信器信号の１個づつに対応する。換言すれば、図２に示すような受信コイルの実際の物理的方位（互いに６０度である）は、局所発信器信号の必要な移相と一致する。ミキサー４２ａ〜４２ｆの出力は加算増幅器Ａ１で加算されて、Ｆｍ．（０°）として、また次いで６０度増で表される。
【００２１】
以上述べたことは、デジタル波形発生装置を示している図７、８に詳細に示されている。図に示すように、局所発信器信号ＬＯ１〜ＬＯ６は実際には信号源１７のＦｃに移相信号Ｆｍを加えたものである。これらの方形波信号は図８に示される。好ましい実施態様では、前述したように、Ｆｍは１０ｋＨｚに等しく、図８の信号は実際には１０ビットのデコーダであるＭ分の１ユニット４６で除して得られる。またＭはほぼ１００となる。デジタルミキサー４７は６つの独立したミキサー４７ａ〜４７ｆを有し、それらは、図示した局所発信器出力を生成するために、１つの入力としてのＦｃ信号源と他の入力としてＭ分の１ユニット４６の出力を有している。したがって、局所発信器信号の数は受信コイルの数に等しい。
【００２２】
上述のようにして、改良された非接触型角度位置センサが提供される。いかなる微同調もなしに１％以下の線形性が容易に達成できる。本センサ装置は３つの別々のディスクの位置合わせについては比較的許容度を有している。更に、送信周波数Ｆｃと局所発信器信号ＬＯ１〜ＬＯ６と出力周波数Ｆｍとは相互に関連付けられているため、電磁干渉や電磁場感磁率の影響は最小限にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に関する角度位置センサの側面図である。
【図２】図１の送信ディスクおよび受信ディスクの平面図である。
【図３】図１のカプラディスクの平面図である。
【図４】数学的により詳しく表した図３の平面図である。
【図５】本発明を表している図１を盛り込んだ簡略回路図である。
【図６】図５の１部分の詳細略図である。
【図７】図５の１部分の詳細略図である。
【図８】図７の動作を表す波形である。
【図９】図５の１部分の詳細略図である。
【図１０ａ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｂ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｃ】図５の動作を示す波形である。
【図１０ｄ】図５の動作を示す波形である。
【図１１】図５の動作を示す追加波形（Ａ）〜（Ｉ）とタイミング図である。
【図１２】本発明の線形性を示すグラフである。
【図１３】図３の代替実施態様の平面図である。
【図１４】図３の代替実施態様の平面図である。
【図１５Ａ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１５Ｂ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１５Ｃ】図２の詳細構造を示す平面図である。
【図１６】組合された図２および図１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃの側面図である。
【図１７】図１６の回路図である。
【符号の説明】
１０  軸
１１  シャフト
１２  カプラディスク
１３  送信ディスク
１４  受信ディスク
１６  デジタルミキサーおよび波形発生装置
１７  信号源
２１  対称導電パターン
３１  入力
３２  出力
４６  Ｍ分の１ユニット
Ａ１  加算増幅器
Ａ２  低域フィルター／制限増幅器
Ａ３  コンパレータ
Ａ４  能動低域フィルター
Ｒ１〜Ｒ６  受信コイル
Ｔ１〜Ｔ６  送信コイル
【図１】
0003621872.tif 000002
【図２】
0003621872.tif 000003
【図３】
0003621872.tif 000004
【図４】
0003621872.tif 000005
【図５】
0003621872.tif 000006
【図６】
0003621872.tif 000007
【図７】
0003621872.tif 000008
【図８】
0003621872.tif 000009
【図９】
0003621872.tif 000010
【図１０ａ】
0003621872.tif 000011
【図１０ｂ】
0003621872.tif 000012
【図１０ｃ】
0003621872.tif 000013
【図１０ｄ】
0003621872.tif 000014
【図１１】
0003621872.tif 000015
【図１２】
0003621872.tif 000016
【図１３】
0003621872.tif 000017
【図１４】
0003621872.tif 000018
【図１５Ａ】
0003621872.tif 000019
【図１５Ｂ】
0003621872.tif 000020
【図１５Ｃ】
0003621872.tif 000021
【図１６】
0003621872.tif 000022
【図１７】
0003621872.tif 000023