(57)【要約】  記載されている位置センサは、センサ電磁界発生器と、センサ電磁界を閉じ込めるように構成されたスクリーンと、出力部とを備える。出力部は、スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮の量によって変化する信号を提供するように構成される。磁束圧縮の量は、センサ電磁界発生器に対するスクリーンの位置に関係付けられる。電磁界発生器およびスクリーンの相対位置を検出する方法をも開示されている。【選択図】  図２ａ
2009528531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ電磁界発生器と、
センサ電磁界を閉じ込めるように構成されたスクリーンと、
前記スクリーンの存在の結果生じ、前記センサ電磁界発生器に対する前記スクリーンの位置に関係付けられる前記電磁界の磁束圧縮の量に応じて変化する、信号を提供するように構成された出力部と、を備える位置センサ。
【請求項２】
前記センサ電磁界発生器が交番電流界を発生させるように適応された、請求項１に記載の位置センサ。
【請求項３】
前記センサ電磁界発生器が、交番電流を通すように構成された導電性コイルを備える、請求項１または２に記載の位置センサ。
【請求項４】
前記センサ電磁界発生器が、一緒に共振回路を形成するコイルおよび容量性素子を備える、請求項１ないし３のいずれかに記載の位置センサ。
【請求項５】
前記出力が、前記共振回路の共振周波数に応じて変化する信号を提供するように構成され、前記共振周波数が前記スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮の量に関係付けられる、請求項４に記載の位置センサ。
【請求項６】
前記出力が、前記共振回路のＱ因子に応じて変化する信号を提供するように構成され、前記Ｑ因子が前記スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮の量に関係付けられる、請求項４に記載の位置センサ。
【請求項７】
前記コイルと前記スクリーンとの間の浮遊キャパシタンスの変化を低減するように、前記センサが、前記コイルを中心に同軸的に配置されたパロットケージスクリーンをさらに備える、請求項３ないし６のいずれかに記載の位置センサ。
【請求項８】
前記センサがリニア位置センサであり、前記磁束圧縮が、前記センサ電磁界発生器に対する前記スクリーンのリニア位置に関係付けられる、請求項１ないし７のいずれかに記載の位置センサ。
【請求項９】
前記スクリーンが、前記コイルを同軸的に受容するように適応された管状スクリーンを備え、前記管状スクリーンが前記コイルに対して軸方向に可動である、請求項５に従属するときの請求項８に記載のリニア位置センサ。
【請求項１０】
前記管状スクリーンにテーパが付けられる、請求項８に記載のリニア位置センサ。
【請求項１１】
前記共振周波数が前記管状スクリーン内の前記コイルの軸方向位置に線形的に関係付けられるように、前記テーパ付けが行なわれる、請求項１０に記載のリニア位置センサ。
【請求項１２】
前記管状スクリーンが第１筒状スクリーンであり、前記センサがさらに、前記第１筒状スクリーンおよび前記コイルの周囲の同軸的に配置された金属製の外側筒状スクリーンを備え、前記外側筒状スクリーンが前記コイルに対して軸方向に固定され、前記共振周波数が前記コイルおよび前記外側筒状スクリーンに対する前記第１筒状スクリーンの軸方向位置に単調に関係付けられるように、前記第１筒状スクリーンが前記コイルと前記外側筒状スクリーンとの間の空間内で軸方向に移動可能である、請求項９に記載のリニア位置センサ。
【請求項１３】
前記スクリーンが、前記コイルを受容するように適応された外側スクリーンと、前記コイル内に軸方向に配置された長いテーパ付き部品とを備え、前記磁束圧縮が前記コイルに対する前記長いテーパ付き部品の軸方向位置に関係付けられるように、前記長いテーパ付き部品が前記コイルに対して軸方向に移動可能である、請求項５に従属するときの請求項８に記載のリニア位置センサ。
【請求項１４】
前記センサが角度位置センサであり、前記磁束圧縮が前記センサ電磁界発生器に対する前記スクリーンの角度位置に関連付けられる、請求項１ないし６のいずれかに記載の位置センサ。
【請求項１５】
前記スクリーンが螺旋状凹部を備え、前記コイルが少なくとも部分的に前記凹部内に位置し、かつ前記コイルの長手軸が前記凹部の中心で螺旋状通路に正接し続けるように、前記コイルが前記凹部内で移動可能である、請求項５に従属するときの請求項１４に記載の角度位置センサ。
【請求項１６】
前記凹部の半径が前記螺旋の中心に向かって減少するように、前記凹部にテーパを付ける、請求項１５に記載の角度位置センサ。
【請求項１７】
前記スクリーンが、前記凹部の周りの角度位置により変化する深さを有する環状凹部を備え、前記コイルが少なくとも部分的に前記凹部内に受容され、前記コイルの長手軸が前記凹部の中心で円形通路に正接し続けるように、前記コイルが前記凹部内で移動可能である、請求項５に従属するときの請求項１４に記載の角度位置センサ。
【請求項１８】
前記スクリーンが外側スクリーンおよび金属部品を備え、前記外側スクリーンが前記金属部品および前記コイルを取り囲み、かつ前記磁束圧縮が前記金属部品の回転位置に関係付けられる、請求項５に従属するときの請求項１４に記載の角度位置センサ。
【請求項１９】
前記金属部品が、前記コイルの軸線に垂直なｄ方向にコイルに隣接して位置する、請求項１８に記載の角度位置センサ。
【請求項２０】
前記金属部品が、円板の軸線に平行かつ前記ｄ方向に垂直な偏心回転軸線を有する円板である、請求項１９に記載の角度位置センサ。
【請求項２１】
前記スクリーンが前記コイルを受容するように適応された外側スクリーンと、前記コイル内に配置された環状テーパ付き部品とを備え、前記磁束圧縮が前記コイルに対する前記環状テーパ付き部品の回転位置に関係付けられるように、前記環状テーパ付き部品が回転自在である、請求項５に従属するときの請求項１４に記載の角度位置センサ。
【請求項２２】
前記スクリーンがさらに第２センサ電磁界を閉じ込めるように構成されて成る第２センサ電磁界発生器と、
前記スクリーンの存在の結果生じる前記第２電磁界の磁束圧縮の量に応じて変化する第２信号を提供するように構成された第２出力部と、をさらに含み、前記第２電磁界の磁束圧縮の量が、前記第２センサ電磁界発生器に対する前記スクリーンの位置に関係付けられる、請求項１ないし２１のいずれかに記載の位置センサ。
【請求項２３】
電磁界発生器およびスクリーンの相対位置を検出する方法であって、
（ａ）前記電磁界発生器を使用して電磁界を生成するステップと、
（ｂ）前記スクリーンを使用して前記電磁界を閉じ込めるステップと、
（ｃ）前記スクリーンの存在の結果生じ、前記電磁界発生器に対する前記スクリーンの位置に関係付けられる前記電磁界の磁束圧縮の量を検出するステップと、を含む方法。
【請求項２４】
前記電磁界発生器が、一緒に共振回路を形成するコイルおよび容量性素子を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ステップ（ｃ）が、前記共振回路の共振周波数を測定するステップを含み、前記共振周波数が、前記スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮の量に関係付けられる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステップ（ｃ）が、前記共振回路のＱ因子を測定するステップを含み、前記Ｑ因子が、前記スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮の量に関係付けられる、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアおよび／または角度位置を検出するための位置センサ、および位置検知の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアおよび／または角度位置を検出するために多くの種類の位置センサが現在利用可能である。高分解能の位置検出には、従来の可変容量センサを使用することができる。代替的に、リニア可変変圧器を使用することができるが、これらは一般的に高価でありかつ嵩張る。さらに、これらの先行技術のセンサの関連温度補償は困難になるおそれがある。加えて、そのようなセンサは、活性表面上の油または切削流体の存在によって役に立たなくなり、かつ流体中に浸漬されると機能しなくなる。
【発明の開示】
【０００３】
こうした背景の下、本発明の第１態様に従って、センサ電磁界発生器、センサ電磁界を閉じ込めるように構成されたスクリーン、およびスクリーンによる電磁界の磁束圧縮の量に応じて変化する信号を提供するように構成された出力部を含み、磁束圧縮の量がセンサ電磁界発生器に対するスクリーンの位置に関係する、位置センサを提供する。
【０００４】
好適な実施形態では、センサ電磁界発生器は、両方合わせて共振回路を形成するコイルおよび容量性素子を含む。こうして、コイルに対するスクリーンの位置の変化は、スクリーンによるコイルの電磁界の磁束圧縮の変化およびコイルのインダクタンスの関連変化に変換される。これは次に、例えばブリッジ技術によって、または回路の共振周波数もしくはＱ因子の変化を観察することによって、回路のインピーダンスを変化させる。
【０００５】
かくして、リニアまたは角度位置を検知するための正確な位置センサが提供される。本発明に係る位置センサは、下述の通り、従前のセンサに比べて複数の利点を有する。
【０００６】
本発明の位置センサは従前のセンサより頑健であり、塵埃または油の侵入による故障または誤動作を生じにくい。本発明のセンサはＤ．Ｃ．ドリフトに影響されず、かつ通常１／ｆノイズによって生じる問題のどれも経験しない。加えて、本発明のセンサは小型であるだけでなく、製造が安価かつ容易でもある。本発明のセンサは、流体に浸漬しながらまたは高温時に動作することができ、一般的に悪環境に耐える。本発明の位置センサでは先行技術のセンサより高い空間分解能が可能である。さらに、本発明のセンサはシステムの摩耗、軸受摩耗、および機械的振動の作用に対し感応しない。本発明のセンサの使用寿命は、可変容量センサのそれを超えると予想される。所定の測定範囲および分解能に対する本発明の検知装置の長さは、リニア可変変圧器に要求される長さより短い。さらに、本発明のセンサは温度補償され、したがって非温度自動調節用途に理想的に適する。
【０００７】
位置センサの出力は、共振回路の共振周波数に応じて変化する信号を提供するように構成されることが好ましく、共振周波数はスクリーンによる電磁界の磁束圧縮に関係する。
【０００８】
好適な実施形態では、スクリーンがコイルを同軸的に受容するように適応された管状スクリーンであり、かつ管状スクリーンがコイルに対して軸方向に可動である、リニア位置センサを提供する。管状スクリーンはテーパを付けることが好ましい。さらに好ましくは、テーパ付けは、共振周波数が管状スクリーン内のコイルの軸方向位置に線形的に関連付けられるように行なわれる。
【０００９】
別の好適な実施形態では、管状スクリーンは第１筒状スクリーンであり、センサは、第１筒状スクリーンおよびコイルの周囲に同軸的に配置された金属製の外側筒状スクリーンをさらに含む。外側筒状スクリーンはコイルに対して軸方向に固定される一方、第１筒状スクリーンはコイルと外側筒状スクリーンとの間の空間内を軸方向に移動することができる。このようにして、共振回路の共振周波数は、コイルおよび外側筒状スクリーンに対する第１筒状スクリーンの軸方向位置に単調に関係付けられる。センサは第１スクリーンの側方変位、およびしたがってシステムの振動、偏心性、軸受摩耗等に感応しない。
【００１０】
さらなる好適な実施形態では、スクリーンが、コイルを受容するように適応された外側スクリーン、およびコイル内を軸方向に貫通して配置されたワイヤまたはロッドのような長いテーパ付き部品を含んで成る、リニア位置センサを提供する。長いテーパ付き部品は、磁束圧縮がコイルに対する長いテーパ付き部品の軸方向位置に関係付けられるように、コイルに対して軸方向に移動可能である。センサは、長いテーパ付き部品の側方移動に感応せず、したがって正確なセンタリングの必要無しに長いテーパ付き部品の直径に比例する出力を提供するはずである。この方法により、センサは加工誤差および機械的摩耗等に感応しない。
【００１１】
代替的実施形態では、スクリーンが可変寸法の螺旋状凹部を含んで成る角度位置センサを提供する。コイルは少なくとも部分的に凹部内に位置し、かつ、コイルの長手軸が凹部の中心で螺旋状通路に正接し続けるように凹部内で可動である。
【００１２】
別の実施形態では、スクリーンは、凹部の周りの角度位置により変動する深さを有する環状凹部を含む。コイルは少なくとも部分的に凹部内に受容され、コイルの長手軸が凹部の中心で円形通路に正接し続けるように凹部内で可動である。
【００１３】
さらなる実施形態では、スクリーンは外側スクリーンおよび金属部を含む。外側スクリーンは金属部およびコイルを包囲し、磁束圧縮は金属部の回転位置に関係付けられる。
【００１４】
さらに別の実施形態では、スクリーンは、コイルとコイルを貫通して配置された環状テーパ付き部品とを受容するように適応された、外側スクリーンを含む。環状テーパ付き部品は、磁束圧縮がコイルに対する環状テーパ付き部品の回転位置に関係付けられるように、回転可能である。
【００１５】
代替的実施形態では、位置センサは、スクリーンにより第２センサ電磁界を閉じ込めるように構成されて成る第２センサ電磁界発生器と、スクリーンの存在の結果生じる第２電磁界の磁束圧縮の量に応じて変化する第２信号を提供するように構成された第２出力部とをさらに含み、第２電磁界の磁束圧縮の量は、第２センサ電磁界発生器に対するスクリーンの位置に関係付けられる。かくして、ある程度の冗長性がセンサにもたらされる。
【００１６】
本発明の第２態様に従って、電磁界発生器およびスクリーンの相対位置を検出する方法であって、（ａ）電磁界発生器を使用して電磁界を発生させるステップと、（ｂ）スクリーンを用いて電磁界を閉じ込めるステップと、（ｃ）スクリーンの存在の結果生じる電磁界の磁束圧縮を検出するステップとを含み、磁束圧縮の量が電磁界発生器に対するスクリーンの位置に関係付けられる方法を提供する。
【００１７】
本発明の他の好適な特徴は、付属の特許請求の範囲に記載されている。
【００１８】
本発明の一部の実施形態について、以下で、実施例として添付の図面に関連して説明する。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００１９】
本発明の理解を深めるために、その根底にある理論を最初に説明し、その後その理論に従って動作する実用的な装置の一部の実施形態について説明する。
【００２０】
これを念頭において、図１ａおよび１ｂは、半径Ｒ0の筒状金属スクリーン１２内にｎ巻回、長さｌ、および半径Ｒiを有するインダクタ１０を示す。
【００２１】
最初に、経時変化する電磁界による金属スクリーン１２の浸透が無視できるほど小さいことを示す。次いで、インダクタ１０およびキャパシタンスＣのキャパシタを含む並列同調回路について説明する。特に、インダクタ１０に対するスクリーン１２の位置の変化は、同調回路を用いて種々の方法で検出することができることを示す。
【００２２】
〔理論〕
経時変化する電磁界が導体に浸透する深さは、印加電磁界の周波数ωに依存する。電界または磁界の存在下の導体は、その表面からの距離により指数関数的に減衰し、かつ表皮深さδでその元の値の１／ｅまで減衰した、内部電磁界分布を有することを示すことができる。以下の微分に示す通り、δはωの増加と共に減少し、高い導電率および高い透磁率の物質で小さく、したがって高い周波数で、金属は極めて近似的に反磁性体として（すなわち事実上磁束ミラーとして）挙動する。
【００２３】
始めにマクスウェル式は次の通りである。
【数１】
2009528531.tif 000003
【数２】
2009528531.tif 000004
式（１）にＪ＝σＥ，およびＤ＝εＥを代入すると、
【数３】
2009528531.tif 000005
となる。
式（２）にＢ＝μＨを代入すると、
【数４】
2009528531.tif 000006
となる。
式（４）の回転を取ると、
【数５】
2009528531.tif 000007
となる。
式（３）を代入すると、
【数６】
2009528531.tif 000008
となる。
左辺を展開し、式（１）の発散は零であるので、∇・Ｅ＝０であることに注目すると、
【数７】
2009528531.tif 000009
であることが分かる。
式（６）に代入すると、
【数８】
2009528531.tif 000010
となる。
【数９】
2009528531.tif 000011
式中ｘは導体の表面に垂直な導体内部への距離と仮定する。
式（９）を式（８）に代入すると、
【数１０】
2009528531.tif 000012
となる。ゆえに、
【数１１】
2009528531.tif 000013
となる。良導体の場合、式（１１）の角括弧内の第２項が支配的であるので、
【数１２】
2009528531.tif 000014
となる。
式（１２）を式（９）に代入すると、
【数１３】
2009528531.tif 000015
となる。
【００２４】
次に、磁界の場合を考えると、式（３）から、σが大きい場合、
【数１４】
2009528531.tif 000016
となることが分かる。式（１７）の回転を取り、かつ∇・Ｂ＝０であり、ゆえにμはスカラーであるので、∇・Ｈ＝０であることに注目すると、
【数１５】
2009528531.tif 000017
となる。
式（１５）の右辺を展開すると、
【数１６】
2009528531.tif 000018
となる。式（１５）に式（２）および（１６）を代入すると、
【数１７】
2009528531.tif 000019
となる。ここで、標準形のＨの解：
【数１７ａ】
2009528531.tif 000020
を代入すると、
【数１８】
2009528531.tif 000021
となることが分かる。
ゆえに、
【数１９】
2009528531.tif 000022
となり、これは式（１２）と同一である。その結果、磁界の解は電界の解と同形になる。
【数２０】
2009528531.tif 000023
式（１３）および（２０）内のｘの虚像係数は、印加電磁界が導体内でいかに減衰するかを記述するので、ｘが表皮深さ、すなわち
【数２１】
2009528531.tif 000024
に達したときに、電磁界がその元の強度の１／ｅに減衰していることが分かる。
【００２５】
式（２１）は、ω、μ、およびσが増加すると、δが減少し、したがって高い周波数時に高い透磁率を持つ良導体の場合は小さいことを示している。例えば銅の場合、１ＭＨｚ時にσ＝６×１０7Ω-1ｍ-1、μ0=４π×１０-7Ｈｍ-1、｜μr｜≒１である。ゆえにδ＝６５μｍである。かくして、１ＭＨｚ時に経時変化する電磁界による銅製スクリーンの浸透は無視できるほど小さく、スクリーンは効果的な磁束ミラーとして挙動する。σが同一である磁気スクリーンの場合、物質の透磁率はμ＝μrμ0＞μ0によって与えられ、したがってδはずっと小さくなり、よってはるかに顕著な「磁束ミラー」性能がもたらされる。
【００２６】
次に、ｄｃ電流Ｉが流れる空気充填巻線型インダクタついて考える。磁界が発生し、その値は次式によって近似的に求められる。
【数２２】
2009528531.tif 000025
式中、ｎは単位長さ当たりの巻回数であり、Ｂはインダクタ内部の磁界強度であり、μ0は自由空間の透磁率である。
【００２７】
インダクタの周囲および内部の磁界パターンは、棒磁石のそれに類似している。インダクタ内部には、磁束の線が均等にかつコイルの軸線と平行に分布する。磁束の閉じたループはコイルの体積の外側の空間に延び、一端から入り、他端から出、インダクタ外の磁界の強さはその中心からの距離と共に減衰する。
【００２８】
正弦波的に変化する電流Ｉ（ｔ）がコイルに印加されると、コイルの領域に生じる磁界の大きさは変調電流の周波数ωで正弦波的に変動し、その極性は半減期毎に逆転する。
【００２９】
図１ａおよび１ｂのように、金属スクリーン１２がインダクタ１０上に配置される場合、磁束は、式（２０）にある通り印加電流の周波数で金属スクリーン１２の表皮深さのみに有意に浸透する。ゆえに、スクリーン外径より大きい半径位置の磁束浸透は無視できるほど小さい。
【００３０】
図１ａおよび１ｂの構成では、インダクタ１０は断面積Ａｃ＝πＲi2を有する。インダクタ１０とスクリーン１２との間の円環１４の断面積ＡAは、関係πＲi2＋ＡA＝πＲ02によって求められる。
【００３１】
導電性スクリーン１２が所定の位置に配置されると、インダクタの交番磁界の存在のため、その内面に単位長さ当たりの誘導電流Ｊscreenが存在する。この誘導電流が今度は、インダクタ１０の電流によって生じる磁界に対抗しかつそれを変化させる、追加磁界を発生させる。
【００３２】
ＢAおよびＢcは、インダクタ１０の円環１４内および中心の磁界をそれぞれ表わす。∇・Ｂ＝０であるので、
【数２３】
2009528531.tif 000026
となる。式（２２）から類推して、
【数２４】
2009528531.tif 000027
および
【数２５】
2009528531.tif 000028
となる。式中、ｎは単位長さ当たりの巻回数であり、Ｊcoil＝ｎＩは、コイルの単位長さ当たりの実効電流である。ゆえに、有限長効果を無視すると、単位長さ当たりのインダクタンスＬは、次式によって求められる。
【数２６】
2009528531.tif 000029
式（２３）を式（２６）に代入すると、
【数２７】
2009528531.tif 000030
となる。式（２７）は、ＡAが無限大に向かうにつれて、システムの単位長さ当たりのインダクタンスがＬmax＝２μ0ｎ2Ａcの最大値に向かい、ＡAが零に向かうにつれて、Ｌもそうなることを示している。
【００３３】
このインダクタ／スクリーンシステムの微分長ｄｘの等価回路は、図１ｃに見られる「遅波線路」のそれに類似している。図中、
Ｌは、式（２７）からの単位長さあたりのインダクタンスである。
Ｌ′は、システムの単位長さ当たりの同軸インダクタンスである。
Ｃ′は、システムの単位長さ当たりの同軸キャパシタンスである。
Ｃ″は、システムの単位長さ当たりの巻線間キャパシタンスである。
ｒcoilおよびｒscreenはそれぞれコイルおよびスクリーンの単位システム長さ当たりの損失等価抵抗である。
【００３４】
実際には、動作周波数で、Ｌ′≪ＬかつアドミタンスＹC″≪ＹLである。したがって、ｒscreenおよびＬ′を参照して（Ａ、Ｂ、およびＣが同等である図１ｄに示す通り）、ｒ＝ｒcoil＋ｒscreenでありかつＬ*がＣ′′および（Ｌ＋Ｌ′）の並列組合せである、図１ｅに示す等価回路がもたらされる。
【００３５】
図１ｆに示すように、直列インピーダンスＺおよびシャントアドミタンスＹを持つ伝送線路としてシステムを解析すると、線路の特性インピーダンスＺ0は、
【数２８】
2009528531.tif 000031
によって求められ、線路の入力インピーダンスは、線路の長さｌの関数として、
【数２９】
2009528531.tif 000032
によって求められ、式中ＺLは負荷インピーダンスであり、βは伝搬係数である。モデルでは、線路は負荷端で短絡され、ゆえにＺLは零であり、かつ
【数３０】
2009528531.tif 000033
であるので、線路を無損失として概算すると（すなわちｒ≪ωＬ*）、
【数３１】
2009528531.tif 000034
となる。リアクタンスがこのＺinに並列に加えられると、全アドミタンスは、Ｌ*およびしたがってセンサスクリーンの変位によって異なる周波数ωで零となる。ωのこの値を追跡することにより、変位を測定する手段がもたらされる。
【００３６】
解析は、波長λ≫ｌとなる（すなわち線路長が伝搬波の波長よりはるかに小さい）ように、周波数についてさらになる展開することができる。
【数３２】
2009528531.tif 000035
βは周波数に依存する伝搬係数であり、
【数３３】
2009528531.tif 000036
によって求められる。したがって、式（３３）を式（３２）に代入すると、
【数３４】
2009528531.tif 000037
となる。最後に、全線路インダクタンスＬ*ｌをＬTによって表わすと、
【数３５】
2009528531.tif 000038
となる。外部並列コンデンサＣxにより、このシステムは、
【数３６】
2009528531.tif 000039
によって求められる周波数で共振する（すなわちアドミタンスが零になる）。したがって、共振周波数は、
【数３７】
2009528531.tif 000040
となる。
【００３７】
ゆえに、式（３６）および（３７）から、インダクタンスＬの減少は共振ω0の周波数の増加に対応することが分かる。したがって磁束圧縮の増加は、周波数の増加として測定可能である。
【００３８】
記載する共振回路のクオリティ因子Ｑは、
【数３８】
2009528531.tif 000041
によって概算される。式中、ｒはシステムの単位長さ当たりの損失等価直列抵抗ｒscreen＋ｒcoilであり、ω0はその共振周波数である。ゆえに、式（３６）を代入すると、
【数３９】
2009528531.tif 000042
となる。式中ｒscreenは、単位長さ当たりのスクリーンの消散損失が１／２・Ｉ2coilｒscreenによって得られるように定義される。
【００３９】
スクリーンの内面に誘起される電流は、式（２１）に定義される通り、金属の表皮深さまでだけで有意である。ゆえに、
【数４０】
2009528531.tif 000043
となる。式（２４）および（２５）から、
【数４１】
2009528531.tif 000044
となる。式（２３）を式（４１）に代入すると、
【数４２】
2009528531.tif 000045
となる。式（４２）を式（４０）に代入すると、
【数４３】
2009528531.tif 000046
となる。ゆえに、
【数４４】
2009528531.tif 000047
となる。同様に、
【数４５】
2009528531.tif 000048
であり、ρscreen＝ρcoil＝ρ、かつδscreen＝δcoil＝δであるならば、
【数４６】
2009528531.tif 000049
となる。ゆえに、式（３９）および（４６）から、外側スクリーンの半径が減少するにつれて、共振回路のＱが低下することが分かる。
【００４０】
かくして、上述の通り、共振システム内の巻線型インダクタの周囲に可変半径Ｒ0（ｘ）の金属スクリーンを導入することにより、その回路のＱが変化し、したがって次の３つの相互接続メカニズムによって測定可能な出力が生成される。
１）Ｒ0が低下すると、Ｌは式（２７）の通り低下し、ゆえにω0は式（３７）の通り増加する。
２）Ｒ0が低下すると、ｒscreenは式（４４）の通り増加する。
３）ωが増加すると、δは式（２１）の通り低下し、ゆえにｒcoilおよびｒscreenは増加する。
４）上記１、２、および３の結果、
Ｒ0が低下すると、
【数４６ａ】
2009528531.tif 000050
は低下する。
【００４１】
高速低分解能用途の場合、Ｑの監視は周波数カウントより安価かつ効果的な解決策である。
【００４２】
上記解析は、磁束ミラーが磁束を含む領域に侵入する低対称性の事例、例えば、通過するギアの歯がコイルの磁束を圧縮するように、例えばコイルの近くで回転する歯車またはギアホイールに拡張可能である。コイルのＱの関連する変化を使用して、ギアの速度を監視することができる。さらなる詳細については、説明の最後の方にある「ギア検知用途」の項を参照されたい。
【００４３】
上述したメカニズムを使用して、スクリーンに対するインダクタの位置（またはその逆）を正確に測定することが可能な位置センサを提供することができる。そのようなセンサの性能はドリフトおよび１／ｆノイズに感応せず、瞬時ウェークアップが特徴である（すなわち、電源を投入すると、センサは、較正のための外部対話無く、直ちに正確な位置値を出力する）。必要な場合、デジタル温度補償を組み込むことができる。
【００４４】
そのようなセンサの動作周波数は、ワーキングコイルのインダクタンスの累乗根に反比例する（式３７参照）。高い動作周波数およびしたがって最小限のインダクタンスが望ましい。
【００４５】
〔リニア位置センサ〕
根底にある理論を説明したので、次にその適用例を幾つか説明する。最初に図２ａ、２ｂ、および２ｃを参照すると、本発明の１実施形態に係るリニア位置センサ２０が示されている。
【００４６】
リニア位置センサ２０は、内径Ｒ1を有する外側接地筒状スクリーン２２、内径Ｒ2（Ｒ2＜Ｒ1）を有する内側接地筒状スクリーン２４、および内径Ｒ3（Ｒ3＜Ｒ2＜Ｒ1）を有する巻線型インダクタコイル２６を含む。スクリーン２２および２４はコイル２６と同軸である。コイル２６は長さＬを有し、巻き型２８に巻回される。センサ２０はさらに、コイル２６に接続された発振回路（図示せず）を含む。
【００４７】
スクリーン２２および２４は金属製であり、良導体である。代替的に、スクリーンはドープ半導体から製造することができる。スクリーン２２および２４は銅から作ることが好ましい。巻き型２８は不良導体である。巻き型２８はＰＴＦＥから作ることが好ましい。しかし、本発明の範囲内で（センサ２０のこれらおよび他の構成要素のための）他の材料も予想される。例えば巻き型２８は代替的に、マシナブルセラミック、タフノル（Tufnol）、ナイロン、ガラスファイバ、またはデルリンから作ることができる。
【００４８】
外側スクリーン２２は、所定の位置にはんだ付けまたは溶接される銅円板のようなエンドキャップ３０によって、一端を閉鎖される。エンドキャップ３０は、コイル２６を発振回路に接続する同軸ケーブル（図示せず）を受け入れるように、中心アパーチャ３２を含む。外側スクリーン２２は、スタンドまたは土台（図示せず）に取り付けることができる。
【００４９】
巻き型２８は、半径Ｒ1に等しい半径を有する第１筒状部分３４を含む。巻き型２８はさらに、第１筒状部分３４と同軸でありかつそこから突出する第２筒状部分３６を含む。コイル２６は、第２筒状部分３６の周りに巻回される。第２筒状部分３６の半径は半径Ｒ2に等しい。
【００５０】
第１筒状部分３４は外側スクリーン２２に固定される。これは、外側スクリーン２２のアパーチャ４０から第１筒状部分３４のねじ付きアパーチャ４２内にねじ３８をねじ込むことによって達成することができる。第１筒状部分３４の第１端４４は、エンドキャップ３０の表面と面一である。第１筒状部分３４は、第１端４４から第１筒状部分３４内へ同軸的に延びる中央筒状凹部４６を含む。凹部４６は、発振器、電源、および接地への電気的接続を行なうことを可能にする。代替的実施形態では、発振回路構成等を収容するために、エンドキャップ３０と第１筒状部分３４との間に空間が設けられる。
【００５１】
種々のワイヤを受け入れるために、２つのストレート穴が巻き型２８に完全に貫通穿孔される。第１穴４８は巻き型２８の軸線に沿って延びる。第２穴５０は凹部４６から第１筒状部分３４の第２端５４まで延び、第２端５４のＲ3をちょうど超えた半径方向位置に抜け出る。第１および第２穴４８および５０は、コイル２６の両端に接続されたワイヤを受け入れる。
【００５２】
内側スクリーン２４は、外側スクリーン２２に固定された管状ＰＴＦＥスペーサ５８を用いて、外側スクリーン２２から一定の半径方向距離に維持される。内側スクリーン２４は軸方向に、スペーサ５８に対して自由に移動可能とすることができる。
【００５３】
内側スクリーン２４は、コイル２６から遠い方の端を金属エンドキャップ６０によって閉鎖される。エンドキャップ６０は、内側スクリーン２４の内側に密嵌しかつそれに固定される第１筒状部分６２を含む。エンドキャップ６０はさらに、外側スクリーン２２の内径に略等しい半径を有する第２筒状部分６４を含み、この部分にＯリング溝が切り込まれ、その中にコイルばねまたは導電性編組片が挿入されるので、第２筒状部分６４は外側スクリーン２２と適正に電気的に接触するが、それに対して軸方向に移動することができる。コイル２６から遠い方の第２筒状部分６４の端６６は、端６６から第２筒状部分６４内に同軸的に延びる中央筒状凹部６８を含む。装置の実証のために、凹部６８は、マイクロメータシャフト（図示せず）の端を受け入れるように適応される。この実施形態の実際の適用ではマイクロメータを可動物体または装置と置換することが考えられ、その位置を測定することが望ましい。マイクロメータはスタンドまたは土台に取り付けられ、内側スクリーン２４が外側スクリーン２２に対して移動することを可能にする。
【００５４】
内側スクリーン２４は、スペーサ５８とエンドキャップ６０との間の軸方向空間内、およびスクリーン２２および２４の間の半径方向空間内に存在する、同軸ばね７０を用いてばね付勢される。代替的実施形態では、内側スクリーンの移動はばね付勢されない。
【００５５】
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、およびＬの比は、所望の装置周波数変位関係を達成するように決定される。
【００５６】
使用時に、センサ２０は物体（図示せず）の位置を検知するために使用することができる。物体は移動物体である。これは、物体が移動すると内側スクリーン２４も移動するように、直接または間接的に物体を内側スクリーン２４に取り付けることによって達成される。例えば上述の通り、凹部６８は物体を受容するように適応することができる。かくして、内側スクリーン２４の位置を検知することによって、物体の絶対位置または相対位置も検知される。
【００５７】
内側スクリーン２４は、図２ａに示すようにそれがコイル２６を完全に遮蔽する第１位置と、図２ｃに示すようにそれがコイル２６から完全に離れる第２位置との間で移動することができる。図２ｃの第２位置で、コイルは、内側スクリーン２４ではなく、外側スクリーン２２によって遮蔽される。図２ｂは中間位置を示す。
【００５８】
上述した磁束圧縮の程度に関係付けられる発振回路の出力共振周波数は、内側スクリーン２４の軸方向位置に依存する。内側スクリーン２４の単位リニア変位に対するセンサ２０の応答は、単調な周波数であると予想される。センサ２０の形状は移動均等性を示すので、プロファイル依存末端効果は発生しない。そのような装置は、高速運動する往復動部品の位置を正確に測定するために使用することができる。１０7分の１の安定性と、最大および最小遮蔽状態の間で１ＭＨｚの搬送周波数の最大変化とを持ち、１０ＭＨｚで動作する発振器で、ｋＨｚ測定周波数に対し１０4の分解能が期待される（ナイキスト基準により、測定周波数は物体の運動の最大周波数成分の少なくとも２倍に等しい）。センサ２０の範囲はコイル２６の長さによって決定される。したがって、そのようなシステムのインダクタンスを最小化するために、約１の巻回空間比を持つコイルが好適である。
【００５９】
動作無線周波数電磁界の均質性を改善するために、平型銅線を使用することができる。代替的に、単一コイルの代わりに、２つ、３つ、または４つのコイルを並列に使用することができる。コイルはねじ切り技術（すなわち２条／３条／４条ねじ切り）によって製造することができる。２条ねじでは、コイルのピッチは必然的に２倍になり、単位長さ当たりのインダクタンスは２分の１になり、コイルは完全に結合される。したがって、２つのインダクタが並列に接続されると、インダクタンスは１条コイルのそれに等しい。
【００６０】
センサ２０の挙動は、コイル２６とスクリーン２２および２４との間の浮遊キャパシタンスの変動によって影響される。したがって、好適な実施形態では、この影響を最小化するために、２部品パロットケージスクリーン（ＰＣＳ）７４が嵌合される。ＰＣＳは、センサ２０の挙動が依存する無線周波数電磁界への影響が無視できるほど小さくなるように、製造することができる。ＰＣＳの第１部品７４ａは、図２ｄに示す通りコイル２６の周りに同軸的に取り付けられ、ＰＣＳの第２部品７４ｂは、図２ｅに示す通りコイル２６の端部に取り付けられる。図２ｄで、第１部品７４ａは、その外周の小さい弧が欠如している円形を形成するように成形された接地線７６ａを含む。平行なワイヤ７８ａが接地線７６ａから、円の面に垂直な方向に、円の周りに規則的な間隔で延びる。使用時に、第１部品７４ａは、ワイヤ７８ａがコイル２６の軸線と平行に延びるように、コイル２６上に同軸的に配置される。第２部品７４ｂは、コイル２６の端を容量効果から遮蔽するように、コイル２６の端に取り付けられるように設計される。第２部品７４ｂは、接地線ループ７６ｂから半径方向内向きに延びる複数のワイヤ７８ｂが取り付けられた、さらなる不完全な接地線ループ７６ｂから構成される。図２ｄおよび２ｅに示すようなＰＣＳは、下述する他のセンサの実施形態と共に使用することもできる。
【００６１】
図３ａは、本発明の別の実施形態に係るリニア位置センサ８０ａを示す。この実施形態は、記載する明白な違いを除き、これまでの実施形態とほぼ同様である。
【００６２】
リニア位置センサ８０ａは、テーパ付きスクリーン８２ａと、巻き型８６上に巻回された巻線型インダクタコイル８４ａと、コイル８４ａに接続された発振回路８８ａとを含む。これまでの実施形態とは対照的に、第２スクリーンは存在しない。
【００６３】
コイル８４ａは、図２に鎖線で示す長手軸を持つ略円筒状である。テーパ付きスクリーン８２ａはコイル８４ａと同軸であり、軸方向に変化する半径の円形断面を有する。テーパ付きスクリーン８２ａは、コイル８４ａに対し軸方向に移動することができる。
【００６４】
上述の通り磁束圧縮の程度に関係付けられる発振回路８８ａの出力共振周波数は、テーパ付きスクリーン８２ａ内のコイル８４の軸方向位置に依存する。
【００６５】
テーパ付きスクリーン内への移動とシステムの周波数偏移との間のリニア関係を得るために（すなわちｆ∝Ｋｘ）、式（３７）から次のことが想起される。
【数４７】
2009528531.tif 000051
式中、ω＝２πｆであり、したがって、
【数４８】
2009528531.tif 000052
となる。ゆえに、リニア関係の場合、
【数４９】
2009528531.tif 000053
となるように構成しなければならないことを示すことが可能である。
式（４９）によるテーパ付きスクリーン８２ｂを有する位置センサ８０ｂを、図３ｂに概略的に示す。
【００６６】
式（４９）を導く解析は、システムの長さ（すなわちテーパ付きスクリーン８２の長さ）に比べてコイル８４の長さが短いことを前提とすることに留意されたい。末端効果は理想的システムでは無視されるが、実際の装置の挙動に影響することが予想される。
【００６７】
そのようなセンサは、高速運動する往復動部品の位置を正確に測定するために使用することができる。１０7分の１の安定性と、最大および最小遮蔽状態の間で１ＭＨｚの搬送周波数の最大変化とを持ち、１０ＭＨｚで動作する発振器で、ｋＨｚ測定周波数に対し１０4の分解能が期待される（ナイキスト基準により、測定周波数は物体の運動の最大周波数成分の少なくとも２倍に等しい）。センサ８０の出力は、テーパ付きスクリーン８２のアパーチャ（テーパ）関数およびコイル８４に使用するワイヤのプロファイルの畳み込みによって求められる。したがってセンサ８０の性能は、ワイヤの局所的表面またはバルク不均質性に感応しない。
【００６８】
上述のリニア位置センサ２０および８０で使用されるコイル２６および８４は、センサ応答を線形化するために、可変断面積のワイヤから巻回することができる。代替的実施形態では、コイル２６および８４は、所望の非線形特性を持つセンサ２０および８０を生成するように可変断面積のワイヤから巻回することができる。コイル２６および８４をプリント回路基板上にエッチングすることが考えられる。
【００６９】
図４は、本発明のさらなる実施形態に係るリニア位置センサ１４０の断面図を示す。センサ１４０は、コイル１４２および同軸筒状金属スクリーン１４４を含む。これまでの実施形態と同様に、センサ１４０はさらに、コイル１４２に取り付けられた発振回路（図示せず）を含む。
【００７０】
使用時に、可変半径の金属ワイヤまたはロッド１４６がコイル１４２内に同軸的に配置され、軸方向に可動である。コイル１４２の中心におけるワイヤまたはロッド１４６の軸方向移動は、上述した磁束圧縮メカニズムにより、ワイヤまたはロッド１４６の半径に比例するＱまたは周波数偏移を生じる。かくしてセンサ１４０は、コイル１４２内のワイヤまたはロッド１４６の軸方向位置を検出するために使用することができる。
【００７１】
センサ１４０は、ワイヤまたはロッド１４６のその軸線に垂直な移動に感応しない。したがってセンサ１４０は、エンドフロートに感応しない角度位置測定装置の基礎として使用することができる。代替的実施形態では、センサ１４０は、（任意の直径の）金属ワイヤ、シリンダ、またはロッドの直径を高感度実時間監視または測定するために使用することができる。
【００７２】
〔角度位置センサ〕
図５は、本発明の実施形態に係る角度位置センサ１００の断面図を示す。センサ１００は、ベースプレート（図示せず）の片面の凹部内に部分的に位置するコイル１０２と、金属円板１０３とを含む。これまでの実施形態と同様に、センサ１００はさらに、コイル１０２に取り付けられた発振回路（図示せず）を含む。
【００７３】
円板１０３は、片面にテーパ付き螺旋状凹部１０４を有する。螺旋状凹部１０４は、円板１０３の中心付近から始まりかつ円板１０３の縁に達する前に終端する、外側に向かう螺旋を形成する。螺旋状凹部１０４は、その幅が螺旋の中心に向かって減少するようにテーパを付けられる。
【００７４】
使用時に、ベースプレートは、ベースプレート凹部がベースプレートの上面に位置するように、水平方向に向けられる。コイル１０２は水平長手軸を有し、部分的にベースプレート凹部内に収容される。円板１０３は次いで、ベースプレートと平行に、その上に配置される。円板１０３は、螺旋状凹部１０４が円板１０３の下面に位置するように向けられる。かくしてコイル１０２は、ベースプレート凹部および螺旋状凹部１０４を含む密閉容積内に収容される。コイル１０２は、その長手軸が円板１０３の下面およびベースプレートの下面と同一平面内に存するように位置する（すなわちコイル１０２は半分がベースプレート凹部内に収容され、かつ半分が螺旋状凹部１０４内に収容される）ことが好ましい。
【００７５】
円板１０３は、矢印Ｘで示される角度方向に移動することができる。かくしてコイル１０２は、コイル１０２の軸線が常に螺旋状凹部１０４の中心で螺旋状通路（すなわち破線）に正接するように、図４に示す破線に沿って螺旋状凹部１０４内で移動することができる。
【００７６】
磁束圧縮の程度に関係付けられる発振回路の出力共振周波数は、螺旋状凹部１０４内のコイル１０２の角度位置に依存する。かくしてこの構成は、０．１度未満の達成可能な分解能を持つマルチターン角度位置センサを提供する。
【００７７】
センサ１００の代替的方向付けを使用することもできることは理解されるであろう。
【００７８】
図６は、本発明の別の実施形態に係る角度位置センサ１１０を示す。センサ１１０は、ベースプレート（図示せず）の片面の凹部内に部分的に位置するコイル１１２、および深さＤの円板１１４を含む。これまでの実施形態と同様に、センサ１１０はさらに、コイル１１２に取り付けられた発振回路（図示せず）を含む。図６ａは、横断面図であり、図６ｂはＡＡ′に沿った縦断面図であり、図６ｃおよび６ｄはそれぞれＢおよびＣの方向に見たＯＸに沿った縦断面図であり、方向図６ｅはＯＹに沿った縦断面図である。
【００７９】
円板１１４は、片面に同軸環状凹部１１６を有する。凹部１１６は、コイル１１２の少なくとも一部分を受け入れるように適応される。凹部１１６の深さは、最大深さの領域が最小深さの領域と一致する０／３６０度を除き、円板１１４の周囲の角度位置により円滑に変化する（図６ａの線ＯＸを参照されたい）。好適な実施形態では、円板１１４は、導電層を被覆した射出成形プラスチックから製造することができる。
【００８０】
使用時に、ベースプレートは、ベースプレート凹部がベースプレートの上面に位置するように水平方向に向けられる。コイル１１２は水平長手軸を有し、ベースプレート凹部内に部分的に収容される。円板１１４は次いでベースプレートと平行に、かつその上に配置される。円板１１４は、環状凹部１１６が円板１１４の下面に位置するように方向付けられる。かくしてコイル１１２は、ベースプレート凹部および環状凹部１１６を含む密閉容積内に収容される。図６ｅに示す通り、コイル１１２は長手軸が円板１１４の下面およびベースプレートの上面と同一平面内に存するように位置する（すなわちコイル１１２は半分がベースプレート凹部内に収容され、かつ半分が螺旋状凹部１１６内に収容される）ことが好ましい。
【００８１】
円板１１４は、その中心（図５ａの点Ｏ）の周りを回転自在である。かくして円板１１４によるコイル１１２の磁束圧縮の程度は、円板１１４の角度位置に応じて変化する。同様に、発振回路の周波数出力も角度位置に応じて変化する。０／３６０度における周波数の段階的変化は、デジタル回路構成によって記録することができる。かくして高精度マルチターン角度位置センサ１１０が提供される。
【００８２】
本発明に係る角度位置センサ１２０のさらなる代替的実施形態を図７に示す。センサ１２０はコイル１２２と、凹部１２６を有するベースプレート１２４と、金属部品１２８と、トッププレート（図示せず）とを含む。これまでの実施形態と同様に、センサ１００はさらに、コイル１０２に取り付けられた発振回路（図示せず）を含む。
【００８３】
図７の実施形態では、ベースプレート１２４は略筒状であり、その半径より小さい深さを有する。凹部１２６もまた筒状であり、ベースプレート１２４と同軸状である。代替的に、凹部は筒状かつ／または同軸状である必要はない。コイル１２２は、その軸線がベースプレートの軸線に垂直な凹部１２６内の略中心に位置する。トッププレートは、ベースプレート１２４の凹部１２６内に垂直に磁束を閉じ込める。
【００８４】
金属部１２８は、コイル１２２の軸線に垂直な方向にコイル１２２に隣接して、凹部１２６内に位置する。この実施形態では、金属部１２８は、円板の軸線およびベースプレート１２４の軸線と平行な偏心回転軸線１３０を有する円板である。それでもなお、代替的構成も可能であることは理解されるであろう。例えば金属部品１２８は、その金属表面のセクションとコイル１２４との間の距離が変化するように、凹部１２６内で回転することのできる用途特定的決定可能な形状を持つ金属材の部片とすることができる。
【００８５】
使用時に、コイル１２４の磁束圧縮の程度に関係付けられる発振回路の出力共振周波数は、その偏心軸線１３０を中心とする金属部品１２８の角度位置に依存する。
【００８６】
図８は、本発明の別の実施形態に係る角度位置センサ１５０を示す。センサ１５０はコイル１５２と、外側スクリーン（図示せず）と、金属テーパ付き構成要素１５４とを含む。これまでの実施形態と同様に、センサ１５０はさらに、コイル１５２に取り付けられた発振回路（図示せず）を含む。
【００８７】
この実施形態では、テーパ付き構成要素１５４は円形断面を有し、第１端１５４ａと第２端１５４ｂとの間でテーパを付けられる。テーパ付き構成要素１５４は大まかに、第１および第２端１５４ａおよび１５４ｂが相互に隣接して位置するように、中心点Ｏを有する円形に成形される。テーパ付き構成要素１５４はコイル１５２内を通過する。
【００８８】
使用時に、コイル１５２は固定位置を有する一方、テーパ付き構成要素は矢印Ｘで示すように、点Ｏを中心に３６０度回転可能である。テーパ付き構成要素１５４および外側スクリーンによってコイル１５４の磁束圧縮の程度に関係付けられる発振回路の出力共振周波数は、点Ｏを中心とするテーパ付き構成要素１５４の角回転に依存する。センサ１５０はコイル１５２内のテーパ付き構成要素１５４の側方移動には応答しないので、不充分なベアリングで動作する場合でも、高い角分解能をもたらす。
【００８９】
〔デュアルレーン位置センサ〕
用途によっては、デュアルレーン位置センサを有する（すなわち１つがある程度の冗長性を示す）ことが望ましいことが予想される。以下のスキームは、これを達成するための可能な方法を示すが、以下に示すのは決して包括的なリストを構成するものではない。
【００９０】
本発明に係るデュアルレーン位置センサの第１実施形態では、２つのコイルが相互巻回される。１組の電子機器が両方のコイルを交互に作動させる。これは、３位スイッチによるコイル間の高速切替えによって達成される。動作のシーケンスは次の通り（または同様）、すなわちコイル１がアクティブ、両方のコイルがアクティブ、コイル２がアクティブである。コイルは完全に結合され、したがって所与の位置入力に対する出力は、３つの動作レジーム全部で同一となることが予想される。上述したリニアまたは角度位置センサはいずれも、このタイプのデュアルレーン位置センサになるように一部変更することができることを理解されたい。
【００９１】
デュアルレーン位置センサ２００の第２実施形態を図９に示す。２つのコイル２０２および２０４はスクリーン２０６内に配置される。スクリーン２０６は図９の線ＡＡ′を中心に対称であり、（リニア応答を得るために）各半分が図３ｂのテーパ付きスクリーンの実施形態のそれと同様のプロファイルを有する。
【００９２】
コイルは、例えばエポキシ製の絶縁ロッド２０８内に設置することができる。かくして、ロッド２０８を動かすことにより、コイル２０２および２０４をスクリーン２０６内で軸方向に移動させることができる。スクリーン２０６の内面２１０は導電性である。それは機械加工するか、またはプラスチックから射出成形することができる。射出成形される場合、スクリーン２０６は内側または外側のいずれかを金属メッキすることができる。いずれの場合も満足できるスクリーンが得られる。２つのコイル２０２および２０４は、別々の電子機器によって作動させることができる。
【００９３】
デュアルレーン位置センサ２１０の第３実施形態を図１０に示す。センサ２１０は、単純なデュアルレーンシステム内に組み込まれた２つの独立動作コイル２１２および２１４を含む。磁束は外側スクリーン２１６および内側スクリーン２１８によって閉じ込められる。内側スクリーン２１８は、コイル２１２および２１４に対して相対的に移動可能である。
【００９４】
デュアルレーン位置センサ２２０の第４実施形態を図１１に示す。センサ２２０は、２つのコイル２２２および２２４、ならびに磁束を閉じ込めるための外側スクリーン２２６および内側スクリーン２２８を含む。内側スクリーン２２８は、コイル２２２および２２４に対して相対的に移動可能である。
【００９５】
デュアルレーン位置センサ２３０の第５実施形態を図１２に示す。センサ２３０は、２つのコイル２３２および２３４、ならびに磁束を閉じ込めるための外側スクリーン２３６および内側スクリーン２３８を含む。内側スクリーン２３８は、コイル２３２および２３４に対して相対的に移動可能である。
【００９６】
製造公差を補償し、かつ両方のセンサコイルの出力が一致することを確実にするために、デュアルレーン位置センサを同調するための機構が必要になるかもしれないことが予想される。そのようなシステム２４０を図１３に示す。コイル２４６は、非導電性「充填材」２４８に埋設される。同調は、コイル２４６の一方または両方の中心２４４内に金属ロッド２４２をねじ込むか、またはねじ戻すことによって達成される。ロッド２４２の動きは矢印Ｘによって示される。ロッド２４２が移動すると、磁束の遮蔽およびしたがってセンサの出力が影響を受ける。このようにして、センサ出力を同調させることができる。
【００９７】
代替的に、コイルの一方にシムを入れ、他方に対して水平にすることができる。
【００９８】
〔温度補償〕
非温度自動調節による位置検知用途の場合、位置センサの温度補償手段が必要になることが予想される。実際、現行技術より優れた本発明の位置センサの１つの利点は、熱的補償が容易に行なわれることである。以下では可能な温度補償スキームについて説明するが、本発明の範囲内で他のスキームも考えられる。
【００９９】
第１温度補償スキームでは、ＲＦ磁界が占める容積の近傍に非導電性磁性粒子が導入される。例えば、希釈ガーネットを導入することができ、希釈度は、センサの動作温度範囲に従って磁気秩序温度を生み出すように選択される。強磁性種、反強磁性種、および常磁性種を（それらの秩序温度よりわずかに高い温度で使用して）、導入することができる
【０１００】
次の関係を使用して、最適温度補正に必要な各種の量が決定される。
【数５０】
2009528531.tif 000054
式中、Ｃi、j、kは、キュリー定数および導入される磁性種の量によって決定される。（下付き添え字ｉ、ｊ、およびｋはそれぞれ常磁性種、強磁性種、および反強磁性種を指す）。Ｃi、Ｃj、Ｃkは、θj、ＴNkは、必要な温度範囲全体で温度補正が達成されるように選択する必要がある。
【０１０１】
第２温度補償スキームでは、コイルの伸縮方向を決定するために、その軸線に沿ってシステム内の特定の点でコイルを固定することによって、温度補償が達成される。そのようなスキームは、特定のセンサ実施形態と共に使用するためにだけ適している。
【０１０２】
第３温度補償スキームでは、センサまたはコイルが取り付けられるシャフトは、異なる（既知の）熱膨張係数を持つ材料から製造することができる。このようにして、熱膨張効果を無効にすることができる。
【０１０３】
〔駆動回路構成〕
図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃは、本発明に係る位置センサのための駆動回路構成の３つの実施例を示す。これらのスキームは、単に例証を目的とするだけであり、多くの他のスキームを実現することができる。図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃの各々で、センサ「ヘッド」は破線Ｙで示される。図１４ｃで、インダクタＬ1およびＬ1*は静的対である。
【０１０４】
〔分解能帯域幅解析〕
本発明に係るセンサの分解能帯域幅解析は、以下の通り実行することが可能である（図１５も参照されたい）。そのような解析は、本発明のセンサにより可能な高分解能を例証する。
【０１０５】
センサの分解能は、分解可能な全センサ行程のごく一部分（すなわち、［測定範囲／最小測定可能変位］）と定義される。センサの帯域幅は、測定することのできる可動物体の最大周波数ｆobと定義され、それは
【数５１】
2009528531.tif 000055
によって測定周波数ｆmに関係付けられる。さらに、測定範囲での搬送周波数の最大変化をΔｆCによって表わし、かつノイズによる周波数の最大変化をΔｆnと表わすことにする。
【０１０６】
ノイズ優勢領域では、センサの低い周波数分解能は次式によって求められる。
【数５２】
2009528531.tif 000056
この分解能は、図８に示す通り、ｄ．ｃ．からΔｆnの測定周波数まで拡張される。
【０１０７】
不確実性優勢領域では、上記測定周波数Δｆnで、分解能は次式によって求められる。
【数５３】
2009528531.tif 000057
したがって分解能は−２０ｄＢ／ディケードで低下し、図８に示すようにΔｆCの測定周波数で１に達する。
【０１０８】
演算増幅器の利得帯域幅積から類推して、センサはΔｆC／２に等しい分解能帯域幅積を有する。
【０１０９】
〔ギア検知用途〕
本発明に係る角度位置センサは、歯車またはカムの位置を検出するために使用することができる。該技術を用いて高精度装置を実現する方法は多く存在することを理解されたい。１つの可能な装置構成を、対応する性能特性と共に下述する。
【０１１０】
以下の説明で、用語「ギア」は、その位置を測定することが望ましい歯車／カム等を記載するために使用される。
【０１１１】
歯数Ｎのギアの位置は、そのギアの歯を「ターゲット」として使用して測定される。すなわち、ギアの歯は角度位置センサの可動スクリーンとして働く。τgearはギアが１回転するのに要する時間と定義され、ｆgearはギアの回転周波数（すなわち１／τgear）であり、１つの歯の幅は３６０／Ｎ度と定義される。
【０１１２】
２つのセンサヘッドが使用される。これらは、相互に（２ｎ＋１／２）×歯幅だけ変位してギアの外周に配置される。ここでｎは整数である（１≦ｎ≦Ｎ／２）。各センサヘッドの有感体積は１歯幅に等しい。各センサヘッドに対し、ギアの歯が装置の有感体積を占めるときに最大限の遮蔽が行なわれ、歯間の空間が有感体積内に存するときに、最小限の遮蔽が行なわれる。
【０１１３】
１つの歯が１つのセンサヘッドを通過するのに要する時間内にＭ個のサンプルが採取される。歯が装置を通過するにつれて、図１６に概略的に示すように、遮蔽状態は最大から最小に変化し、電子搬送周波数ｆCの周波数偏移ΔｆCを引き起こす（グラフは縮尺通りではなく、グラフの形は解説のために三角波に簡素化されている）。サンプリング時間τSは次のように定義される。
【数５４】
2009528531.tif 000058
【０１１４】
ギアが回転するときに、２つのセンサが受け取る信号は直交する（すなわち正確に９０度位相がずれる）。歯がセンサヘッドを通過するときに、最大変化率を示す信号領域内でデータが連続的に読み出されるように、２つのセンサから交互にデータが読み出される。（ギアの単位角度変位に対する装置の応答は非線形になり、データ処理のためにデジタル「ルックアップ」法を使用することが考えられる）。
【０１１５】
周波数分解能を次式によって定義する。
【数５５】
2009528531.tif 000059
ここでΔｆCは搬送周波数偏移（ピークトゥピーク）である。図１６から、
【数５６】
2009528531.tif 000060
が明らかである。したがって、式（５５）および（５６）を組み合わせることにより、
【数５７】
2009528531.tif 000061
となることが分かる。装置の性能指数は次式：
【数５７ａ】
2009528531.tif 000062
によって求められ、装置の度単位の分解能は、次式：
【数５８】
2009528531.tif 000063
によって求められる。式中、αはフラクショナル最大搬送周波数偏移に等しい定数である（例えば１０％効果の場合、０．１）。
【０１１６】
装置は、現在使用されている技術（例えば帰納法、磁気コードホイール読取器）に比べて以下の重要な利点を有する。
・ギアの歯をセンサのターゲットとして使用することができるので、コードホイールもしくは磁気ターゲット、またはギアの面の一部変更が不要である。
・優れた分解能
・耐久性および信頼性
・温度補償が容易に達成される。
【０１１７】
ギアの回転方向は、装置の出力から得ることができる。装置は、ギアの歯の１つに「マーカ」（すなわち小さい不規則性）が存在する場合、または歯の配列が既知かつ非対称である場合、装置はギアの絶対位置を生み出すことができる。
【０１１８】
表１は、ギアの歯数が６０で、搬送周波数が２００ＭＨｚ、α＝０．１の提案装置の分解能Ｒを示す。
【表１】
2009528531.tif 000064
【０１１９】
本発明の好適な実施形態について説明したが、これらは単なる実施例であって、様々な変形が考えられることを理解されたい。例えば、上述したギア検知用途は、本発明に係る位置センサの単なる１つの適用例にすぎない。本発明の範囲内で多くの他の適用例、例えば燃料計のプランジャの位置の検知、旋盤のトップスライドの位置の検知が考えられることも理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１ａ−１ｂ】図１ａおよび１ｂは、本発明の１実施形態に係るインダクタおよび金属スクリーンを示し、図１ａは、インダクタおよび金属スクリーンの端面図であり、図１ｂは、インダクタおよびスクリーンの縦断面図である。
【図１ｃ−１ｆ】図１ｃ〜１ｆは、等価回路図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明の１実施形態に係るリニア位置センサにおける、コイルを完全に遮蔽する内側筒状スクリーンを示す図である。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａのリニア位置センサにおける、中間位置の内側筒状スクリーンを示す図である。
【図２ｃ】図２ｃは、図２ａのリニア位置センサにおける、コイルから完全に離れた内側筒状スクリーンを示す図である。
【図２ｄ】図２ｄは、図２ａのリニア位置センサにおける、コイルの周りに嵌着されるパロットケージスクリーンを示す図である。
【図２ｅ】図２ｅは、図２ｄのパロットケージスクリーンを示す図である。
【図３ａ−３ｂ】図３ａおよび３ｂは、スクリーンにテーパが付けられた本発明の代替的実施形態に係るリニア位置センサを示す図である。
【図４】図４は、本発明のさらなる実施形態に係るリニア位置センサを示す図である。
【図５】図５は、本発明の１実施形態に係る角度位置センサを示す図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明のさらなる実施形態に係る角度位置センサの横断面図である。
【図６ｂ】図６ｂは、図６ａの角度位置センサのＡＡ′に沿った縦断面図である。
【図６ｃ】図６ｃは、図６ａの角度位置センサのＢの方向に見たＯＸに沿った縦断面図である。
【図６ｄ】図６ｄは、図６ａの角度位置センサのＣの方向に見たＯＸに沿った縦断面図である。
【図６ｅ】図６ｅは、図６ａの角度位置センサのＯＹに沿った縦断面図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係る角度位置センサを示す図である。
【図８】図８は、本発明のさらなる実施形態に係る角度位置センサを示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係るデュアルレーンリニア位置センサを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態に係るデュアルレーンリニア位置センサを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明のさらなる実施形態に係るデュアルレーンリニア位置センサを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の別の実施形態に係るデュアルレーンリニア位置センサを示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態に係るデュアルレーンリニア位置センサの同調機構を示す図である。
【図１４ａ−１４ｃ】図１４ａ〜１４ｃは、本発明に係る位置センサの駆動回路の実施形態を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明に係る位置センサの分解能帯域幅特性を示す図である。
【図１６】図１６は、ギア検知用途に使用する場合の本発明の実施形態に係る位置センサの周波数応答を概略的に示す図である。
【図１ａ】
2009528531.tif 000065
【図１ｂ】
2009528531.tif 000066
【図１ｃ】
2009528531.tif 000067
【図１ｄ】
2009528531.tif 000068
【図１ｅ】
2009528531.tif 000069
【図１ｆ】
2009528531.tif 000070
【図２ａ】
2009528531.tif 000071
【図２ｂ】
2009528531.tif 000072
【図２ｃ】
2009528531.tif 000073
【図２ｄ】
2009528531.tif 000074
【図２ｅ】
2009528531.tif 000075
【図３ａ】
2009528531.tif 000076
【図３ｂ】
2009528531.tif 000077
【図４】
2009528531.tif 000078
【図５】
2009528531.tif 000079
【図６ａ】
2009528531.tif 000080
【図６ｂ】
2009528531.tif 000081
【図６ｃ】
2009528531.tif 000082
【図６ｄ】
2009528531.tif 000083
【図６ｅ】
2009528531.tif 000084
【図７】
2009528531.tif 000085
【図８】
2009528531.tif 000086
【図９】
2009528531.tif 000087
【図１０】
2009528531.tif 000088
【図１１】
2009528531.tif 000089
【図１２】
2009528531.tif 000090
【図１３】
2009528531.tif 000091
【図１４ａ】
2009528531.tif 000092
【図１４ｂ】
2009528531.tif 000093
【図１４ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
2009528531.tif 000096
【国際調査報告】
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