(57)【要約】  対象物たとえば人間の指の温度または存在などの外部パラメータを検知するセンサは、（ｉ）励起コイル（６８、７０）と、（ｉｉ）励起信号を生成するように動作することができ、生成された励起信号を励起コイルに加えるように構成される信号発生器（４１、６１、６２、６３）と、（ｉｉｉ）信号発生器により励起信号が励起コイルに加えられるのに応答して、電気信号がセンサ・コイルに生成されるように、通常受動共振回路の形で中間装置またはターゲット（７４）を介して励起コイルに電磁的に結合することができるセンサ・コイル（７４）と、（ｉｖ）センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定する信号プロセッサとを備える。たとえば、ＰＴＣ抵抗またはＮＴＣ抵抗、あるいは対象物が近接することによって影響を受けるコンデンサを備えることにより、中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータの影響を受ける。やはり、センサは、たとえば中間装置における追加の共振回路によって、実質上励起信号と同じ周波数で更なる信号を生成することができ、信号プロセッサは、センサ・コイル内で生成される周期的な信号、および更なる信号から外部パラメータの値を決定する。たとえば、センサは、オペレータがいつ接触するかを検出するために、接触作動式の構成部品のアレイにおいて使用することができる。
2008509419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）励起コイルと、
（ｉｉ）励起信号を生成するよう動作し、そして前記生成される励起信号を前記励起コイルに加えるように構成される信号発生器と、
（ｉｉｉ）前記信号発生器が前記励起信号を前記励起コイルに加えるのに応動して、周期的な電気信号がセンサ・コイル内に生成されるように、中間装置を介して前記励起コイルに電磁的に結合することができる前記センサ・コイルと、
（ｉｖ）前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定するよう動作可能な信号プロセッサとを備え、
前記中間装置は、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号が前記パラメータの影響を受けるよう検知される前記パラメータに敏感であり、前記センサは、前記周期的な電気信号と実質上同じ周波数で更なる信号を生成する手段を備え、前記信号プロセッサは、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な信号と前記更なる信号とから、外部パラメータの値を決定するよう動作することを特徴とする、外部パラメータを検知するセンサ。
【請求項２】
前記励起信号と前記更なる信号とは、前記外部パラメータの少なくとも１つの値において、多くとも５０％だけ異なる周波数を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記励起信号と前記更なる信号とは、前記外部パラメータの値の範囲を多くとも５０％だけ上回って異なる周波数を有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記中間装置は、定義された透磁率または誘電率の対象物を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記中間装置は、前記励起信号の周波数と実質上同じ共振周波数を有する共振器を備えることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記共振器は受動ＬＣ回路を備えることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記共振器は少なくとも１０のＱ値を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記中間装置は複数の共振器を備え、前記複数の共振器の各々は前記センサ・コイルを前記励起コイルに結合させ、前記複数の共振器の少なくとも１つは前記更なる信号を前記センサ・コイル内に生成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記共振器の各々は、検知すべき前記外部パラメータでの変化により、もう一方とは反対に変化する共振周波数を有することを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記各共振器のうちの少なくとも１つは検知すべき前記外部パラメータでの変化によって変化するＱ値を有することを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記共振器の各々は、検知すべき前記外部パラメータでの変化により、もう一方とは反対に変化するＱ値を有することを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記更なる信号を生成する前記共振器は、検知すべき前記外部パラメータでの変化に実質上鈍感であることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記励起コイルまたは前記センサ・コイルは少なくとも２つの正弦ループを備えることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記２つのループの各々は、前記２つのループのもう一方と直交する空間にあることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記またはそれぞれの励起コイルは、各ループ内に流れる同じ電流が直交関係にある磁界を生成するように、直交した空間に配置される１対の正弦ループを備えることを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記各共振器は、前記各ループの空間寸法の９０°から１５０°の範囲での値に対応する距離だけ物理的に互いに分離されることを特徴とする請求項１４または１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記センサ・コイル内で生成される前記信号は、前記共振器の各々からの前記信号の合計であり、前記信号プロセッサは、前記センサ・コイル内で生成される前記信号での位相シフトから前記外部パラメータでの変化を検知するよう動作することができることを特徴とする請求項８乃至１６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記中間装置は、前記外部パラメータのうちの１つの値において前記センサ・コイル内で生成される信号が実質上互いに相殺し合うように構成される１対の共振回路を備えることを特徴とする請求項８乃至１５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１９】
検知すべき前記外部パラメータは対象物の存在であることを特徴とする請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２０】
検知すべき前記外部パラメータは人体構造の一部分の前記存在であり、前記一部分がないときには前記センサ・コイル内の前記信号は実質上互いに相殺し合うが、前記一部分があるときには前記共振器のうちの１つが離調することを特徴とする請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２１】
構造の前記一部分の前記存在が検出されるときには別の機能を実行するよう動作することができることを特徴とする請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
構造の前記一部分が存在しているかどうかを判定し、それが存在しているときには、別の情報を得るために前記センサに問合せをするために、互いに異なるセンサを周期的にアドレッシングする構成を備えることを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載の複数のセンサを備えるシステム。
【請求項２３】
決定される前記パラメータは温度であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２４】
決定される前記パラメータは湿度であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２５】
決定される前記パラメータは化学種または生物学的種の前記存在または濃度であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２６】
決定される前記パラメータは電磁放射の強度であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記励起コイルおよびセンサ・コイルは一般的に同一平面上にあることを特徴とする請求項１乃至２６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記信号発生器はデジタル励起信号を生成するよう動作することができることを特徴とする請求項１乃至２７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記励起信号は少なくとも１００ＫＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項３０】
励起信号を励起コイルに加える工程と、
前記励起信号を前記励起コイルに加えることに応答して中間装置を介して前記励起コイルに電磁的に結合されたセンサ・コイル内に生成される信号を処理して、測定されるパラメータを表す値を決定する工程とを含み、
前記中間装置は、前記センサ・コイル内で生成される前記周期的な電気信号が前記パラメータの影響を受けるよう検知される前記パラメータに敏感であり、前記励起信号と実質上同じ周波数で更なる信号が生成され、前記外部パラメータの値は、前記センサ・コイル内に生成される前記周期的な信号と前記更なる信号とから決定されることを特徴とする、外部パラメータを検知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、英国特許出願第０４１７６８６．３号に基づく優先権を主張し、本明細書において完全に説明するように、ここに参考としてそのまま本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、検知装置、およびパラメータの値を検知するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
相対的に移動可能な２つの部材の位置を示す信号を生成するために、様々な形態の誘導性センサが使用されてきた。通常は、一方の部材が、励起コイルおよび２つ以上のセンサ・コイルをもち、他方の部材が、共振回路をもつ。共振回路とセンサ・コイルの各々との間の磁気結合は位置で変化し、その結果、共振回路の共振周波数で発振している信号を励起コイルに加えることにより、共振周波数において分離されているがその振幅が２つの部材の相対位置に応じて変化するセンサ・コイルの各々に、信号が誘起される。
【０００４】
国際公開第０３／０３８３７９号に誘導性センサの一形態が記載されており、励起信号は、より低い周波数の信号で振幅変調される搬送波信号を含み、要素の位置を決定するために、センサ・コイル内に誘起される信号は、信号処理ユニット内で復調される。国際公開第２００４／０３６１４８号には、センサの改善された形態が記載されており、信号処理ユニットは、励起信号の周波数とは少しだけ異なる中間周波数で第２の信号を生成し、この第２の信号をセンサ・コイルから受け取る信号と混合して、その位相が対象物の位置に関係する情報を含む低周波信号を生成する。対象物の位置を検出することのみならず、互いに異なる共振周波数を有する近接して配置された共振回路により、温度や湿度などの外部パラメータを検出するために、センサを使用してもよい。各共振回路についての位置の測定値を得ることにより、位置測定値における差は、こうした外部の環境パラメータの測定値を形成することができる。
【特許文献１】国際公開第０３／０３８３７９号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００４／０３６１４８号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第１４４２２７３号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０７６００８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、センサなどには、パラメータの単一の値を得るために、測定は、各共振回路のほぼ共振周波数において行わなければならないという不利な点がある。やはり、相対的に高いＱ値（Ｑ  ｆａｃｔｏｒｓ）を有する共振回路が使用され、その結果、決定すべきパラメータが変化することによって共振回路の共振周波数が変化するにつれて、受信信号の強度は、相対的に急激に減少することになる。共振回路のどちらかに対する信号の強さがシステムの雑音レベル未満に落ちる場合、パラメータの値を決定することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
（ｉ）励起コイルと、
（ｉｉ）励起信号を生成するよう動作することができ、生成された励起信号を励起コイルに加えるように構成された信号発生器と、
（ｉｉｉ）信号発生器により励起信号が励起コイルに加えられるのに応答して、センサ・コイル内に周期的な電気信号が生成されるように、中間装置を介して励起コイルに電磁的に結合することができるセンサ・コイルと、
（ｉｖ）センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号を処理して、検知されるパラメータを表す値を決定するよう動作することができる信号プロセッサとを備え、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータの影響を受け、センサは、通常は励起信号と同じ周波数であるが必ずしもその必要はない、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号と実質上同じ周波数で更なる信号を生成する手段を含み、信号プロセッサは、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から外部パラメータの値を決定するよう動作することができる、外部パラメータを検知するセンサが提供される。
【０００７】
「外部パラメータ」という用語により、センサの各部分の位置、たとえば中間装置またはいわゆる「ターゲット」の位置に依存しないどんなパラメータをも意味する。したがって、たとえば、センサを使用して、中間装置によって生成される信号に影響を及ぼすことになるいかなる環境パラメータ、たとえば温度、湿度、電磁放射強度、化学種または生物学的種の存在あるいは濃度などを検出してもよい。検知される電磁放射は、どんな波長を有してもよく、たとえば赤外線、可視光線または紫外線、マイクロ波またはＸ線またはガンマ線であってもよい。
【０００８】
本発明によるセンサは、中間装置が、測定すべき外部パラメータにおける変化に敏感である場合に、外部パラメータにおけるいかなる変化も、たとえば共振周波数を変更すること、および／または共振回路の場合には装置のＱ値を変更することにより、中間装置内を流れる電流に影響を及ぼすことになり、その結果、測定することができる中間装置の明白な位置における変化となる、ということに基づいて動作する。
【０００９】
本発明によるセンサには、別々に処理しなければならない２つの別々の信号ではなく、所与の周波数での単一の信号が、センサ・コイルによって検出されるという利点がある。さらに、処理される信号は実質上周波数が同じであり、したがって単一の信号を形成するので、中間装置からセンサ・コイルによって捕捉される信号が、システムまたは環境の雑音レベル未満に落ちた場合でも、その結果得られる信号を処理して、パラメータの値を決定することができる。たとえば、センサ・コイルによって受け取られる信号、および更なる信号（やはり、更なる中間装置からセンサ・コイルによって受け取られてもよい）が、互いに異なる位相、たとえば９０°異なる位相を有する場合、信号のうちの１つが環境の雑音レベル未満の振幅を有する場合であっても、結果として検出される信号は、依然として測定可能な位相シフトを有することになる。信号のうちの１つが、９０％低減させられた振幅を有する場合であっても、組み合わされた信号は、検出可能であり、依然として位相シフトは１０°近辺となる。
【００１０】
本発明によるセンサはまた、外部パラメータにおける変化を検出するために使用される位相変化が、搬送波信号の周波数での位相ではないという利点を有し、その結果、いわゆるブレークスルー信号に起因する誤りは著しく低減させられ、しばしば実質上除去される。ブレークスルー信号は、センサ・コイルにより直接励起コイルから、すなわち中間装置を介して受け取られることなく捕捉され、したがって、中間装置を介して受け取られる信号に対して９０°の位相差を有する信号である（それらは、共振回路を介して送られないので）。ブレークスルー信号は、励起信号と同相であり、中間装置からの信号とは位相が９０°ずれているので、ブレークスルー信号からのどんな干渉も、パラメータの正確で決定的な測定値が検知されることを妨げることがある。すなわち、受信信号での変化を検出することができても、それらの変化の原因が何だったのかを言うことは難しいことがある。本発明によるセンサでは、通常、励起信号ではなく中間装置からの受信信号と同期することになり、いかなるブレークスルー信号をも排除する作用を有する同期検出器が、通常使用される。一方で、国際公開第２００４／０３６１４８に記述されているセンサでは、検出されるものは、搬送周波数での信号の位相であり、その結果として、センサは、ブレークスルー信号にきわめて敏感になることがあり、決定的な検知が難しくなることがある。
【００１１】
通常、励起信号および更なる信号は、多くとも５０％、また特に外部パラメータの少なくとも１つの値において、また好ましくはパラメータの測定値の範囲全体にわたって、多くとも１０％だけ異なる周波数を有することになり、その結果、信号の強さは、あまりにも低い値にまで落ちることにはならず、処理される単一の信号のみが受け取られる。周波数が互いに異なる信号を使用することによって得られる利点は確かになく、したがって、励起信号および更なる信号は、通常、周波数が実質上正確に同じになる。
【００１２】
中間装置は、たとえば透磁率の高い物質、たとえばフェライトまたは導電性材料から形成される他のどんな数の装置を含んでもよい。あるいは、たとえば能動的または受動的な帯域通過装置（簡潔にするために、以下に共振器と呼ばれて記述されることになる）といった電気的な装置を使用してもよい。共振器は、共振周波数が、励起信号の周波数と実質上等しいことが好ましい。このようにして、望ましくないより高い高調波は、励起コイルと共振器の間の電磁結合により、効果的に除去される。共振器は、少なくとも検知すべきパラメータのある値に対して、たとえば少なくとも５、また特に少なくとも１０の、相対的に高いＱ値を有してもよく、本質的に、Ｑ値における上限は、環境における変化に対して、また構成部品の電気的なパラメータの値における許容度範囲に対して、安定した共振周波数を確かなものにする能力によりセットされる。
【００１３】
更なる信号は、信号発生器により励起コイル向けに生成し、直接信号プロセッサに送ることが可能であり、または、更なる信号は、決定すべきパラメータに影響される必要はないので、信号プロセッサ自体によって生成することが可能である。しかし、ほとんどの場合、中間装置は、複数の共振器を備えることになり、それらの各々は、センサ・コイルを励起コイルに結合させ、その結果、周期的な電気信号および更なる信号の両方は、共振回路を介して送出される。必要なら、両方またはすべての共振回路は、たとえば互いに異なる方向に共振周波数をシフトすることにより、または回路のＱ値を変更することにより、外部パラメータにおける変化に影響されてもよく、または各共振回路のうちの１つが、パラメータにおける変化に影響されてもよいが、他は、パラメータにおける変化に相対的に鈍感でもよい。
【００１４】
本発明によるセンサは、たとえば、パルス・エコー・タイプのセンサでも、また連続励起およびバランス型検知回路タイプのセンサでもよい。本発明の好ましい態様によれば、センサは、レシオメトリックでも、またそうでなくてもよい、連続的な励起タイプのセンサである。レシオメトリックなセンサは、システム内での変化、たとえば電源リップルに起因する信号レベルの変動、または中間装置とセンサの間の分離（および結合）における変化に対して、著しく感度が低いという利点を有する。好ましい実施形態は、レシオメトリックな誘導性センサ、たとえば欧州特許出願公開第１４４２２７３号に記載されているように、２つ（以上の）励起コイルを有し、単一のセンサ・コイルを有するセンサ、および欧州特許出願公開第０７６００８７号に記載されているように、単一の励起コイルおよび２つ（以上の）センサ・コイルを有するセンサである。したがって、たとえば、そのまたはそれぞれの励起コイルは、直交空間に配置され、その結果、各ループ内を流れる同じ電流は直交関係で磁界を生成することになる１対の正弦ループを含んでもよい。そのまたはそれぞれの励起コイルのうちの１つのループは、コイルの平面に垂直な振幅が基準点からの距離の正弦として変化する磁界を生成するように構成されてもよいが、そのまたはそれぞれの励起コイルのうちのもう一方のループは、コイルの平面に垂直な振幅が基準点からの距離の余弦として変化する磁界を生成するように構成されてもよい。
【００１５】
本明細書で使用される用語「正弦（ｓｉｎｅ）」および「余弦（ｃｏｓｉｎｅ）」は、厳密に三角関数と解釈されるものではないが、互いに直交の関係にあるすべての補関数を含むものである。たとえば、励起コイルで使用される波形は、おそらくデジタル信号、たとえば（必要なときは増幅後に）デジタル信号発生器から直接生成される方形波信号である。
【００１６】
他の態様によれば、本発明は、
励起信号を励起コイルに加える工程と、
測定されるパラメータを表す値を決定するために、励起信号を励起コイルに加えることに応答して、中間装置を介して電磁的に励起コイルに結合されたセンサ・コイル内で生成される信号を処理する工程とを含み、
中間装置は、検知すべきパラメータに敏感であり、その結果、センサ・コイル内で生成される周期的な電気信号は、パラメータに影響され、更なる信号は、励起信号と実質上同じ周波数で生成され、外部パラメータの値は、センサ・コイル内で生成される周期的な信号および更なる信号から決定される、外部パラメータを検知する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明によるセンサの様々な形態を、例として、各添付図を参照しながら説明する。
図１には、測定方向（図１では方向Ｘ）に沿って直線的な動きを可能にするために、支持具３にスライド可能なように取り付けられたセンサ要素１の位置を検出するための位置センサが概略的に示してある。プリント回路板（ＰＣＢ）５は、支持具３に隣接した測定方向に沿って延び、その上に正弦コイル７、余弦コイル９および検知コイル１１を形成する導電性トラックを印刷し、それらの各々は、制御ユニット１３に接続される。支持具３に沿ったセンサ要素１の位置を表す数を表示するために、表示装置１５も、制御ユニット１３に接続される。
【００１８】
図１に示されるように、ＰＣＢ  ５は、一般的に、長手方向の軸が測定方向と位置が揃い、横方向の軸が測定方向と垂直に位置合わせされた長方形である。正弦コイル７、余弦コイル９および検知コイル１１は、ＰＣＢ  ５の長手方向のエッジを介して制御ユニットに接続され、このエッジは、Ｘ＝０の位置の値に対応し、位置の値は、ＰＣＢ  ５の長さに沿って、Ｘ＝０に対応する長手方向のエッジから増大する。
【００１９】
次に、図１に示された位置センサの動作の概要を、図２を参照しながら示す。制御ユニット１３は、それぞれ別の出力において同相信号Ｉ（ｔ）および直交信号Ｑ（ｔ）を生成する直交信号発生器２１を備える。同相信号Ｉ（ｔ）は、この実施形態では２ＭＨｚである搬送周波数ｆ０の発振している搬送波信号を、この実施形態では３．９ＫＨｚである変調周波数ｆ１で発振する第１の変調信号を使用して、振幅変調することによって生成される。したがって、同相信号Ｉ（ｔ）は、は次式の通りである。
【数１】
2008509419.tif 000003
【００２０】
同様に、直交信号Ｑ（ｔ）は、搬送周波数ｆ０の発振している搬送波信号を、変調周波数ｆ１で発振し、第１の変調信号とπ／２ラジアン（９０°）位相がずれている第２の変調信号を使用して、振幅変調することによって生成される。したがって、直交信号Ｑ（ｔ）は次式の通りである。
【数２】
2008509419.tif 000004
【００２１】
同相信号Ｉ（ｔ）は、正弦コイル７に加えられ、直交信号Ｑ（ｔ）は余弦コイル９に加えられる。
【００２２】
正弦コイル７はパターンで形成され、それにより、正弦コイル７を通して流れる電流は、第１の磁界Ｂ１を生成し、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解されるその磁界の強さ成分は、測定方向に沿って次式の関数により正弦曲線を描いて変化する。
【数３】
2008509419.tif 000005
上式で、Ｌは、Ｘ方向における正弦コイルの周期である。
【００２３】
同様に、余弦コイル９はパターンで形成され、それにより、余弦コイル９を通して流れる電流は、第２の磁界Ｂ２を生成し、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解されるその磁界の強さ成分も、測定方向に沿って正弦曲線を描いて変化するが、次式の通り、第１の磁界Ｂ１の位相からπ／２ラジアン（９０°）の位相差を有する。
【数４】
2008509419.tif 000006
【００２４】
このようにして、測定方向に沿ってあらゆる位置で生成された合計の磁界ＢＴは、第１の磁界Ｂ１からの第１の成分、および第２の磁界Ｂ２からの第２の成分によって形成されることになり、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解される第１および第２の成分の大きさは、測定方向に沿って変化する。
【００２５】
同相信号Ｉ（ｔ）および直交信号Ｑ（ｔ）を、それぞれ正弦コイル７および余弦コイル９に加えることにより、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解される生成された合計の磁界成分ＢＴは、変調周波数ｆ１で変化し位相が測定方向に沿って変化する振幅包絡関数に従って、搬送周波数ｆ０で発振する。したがって、
【数５】
2008509419.tif 000007
事実上、振幅包絡関数の位相は、測定方向に沿って回転する。
【００２６】
この実施形態では、センサ要素１は、共振周波数が搬送周波数ｆ０に実質上等しい共振回路を備える。したがって、搬送周波数ｆ０で発振し、変調周波数ｆ１において測定方向に沿ったセンサ要素１の位置に依存する位相で変調される振幅を有する共振回路において、合計の磁界成分ＢＴは電気信号を誘起する。次に、共振回路内に誘起される電気信号は磁界を生成し、その磁界は、搬送周波数ｆ０で発振する検知される電気信号Ｓ（ｔ）を検知コイル１１内に誘起する。検知される信号Ｓ（ｔ）の振幅はまた、変調周波数ｆ１において、測定方向に沿ったセンサ要素１の位置に依存する位相で変調される。検知される信号Ｓ（ｔ）は、位相検出器２３に入力され、位相検出器は、検知される信号Ｓ（ｔ）を復調して、搬送波周波数ｆ０での成分を取り除き、励起波形に関連する、残っている振幅包絡関数の位相を検出する。次いで、位相検出器２３は、検出された位相を表す位相信号Ｐ（ｔ）を位置計算器２５に出力し、位相計算器は、検出された位相を対応する位置の値に変換し、駆動信号を表示装置１５に出力して、対応する位置の値を表示する。
【００２７】
変調周波数ｆ１よりも高い搬送周波数ｆ０を使用することにより、５０／６０Ｈｚでの送電線などの低周波雑音源から離れた周波数で誘導性結合が行われるが、信号処理は依然として、デジタル処理により適した相対的に低い周波数で実行することができる。さらに、搬送周波数ｆ０を増大させることにより、うまくセンサ要素１を小さくすることができ、このことは、多くの用途において重要な利点である。搬送周波数ｆ０を増大させることで、信号強度もより高くなる。
【００２８】
次に、図１に示される位置センサの個別の構成部品を、より詳細に論じる。
【００２９】
図３Ａに示されるように、正弦コイル７は、測定方向においてＰＣＢ  ５に沿って中間にあるクロスオーバ点は別にして、全体的にＰＣＢ  ５の周辺部のまわりで延びる導電性トラックによって形成され、クロスオーバ点において、ＰＣＢ  ５の横方向の各エッジ上の導電性トラックは、ＰＣＢ  ５の対応する横方向の対向エッジに向けて交差する。このようにして、事実上、第１の電流ループ２１ａおよび第２の電流ループ２１ｂが形成される。信号が正弦コイル７に加えられるとき、電流は第１の電流ループ２１ａおよび第２の電流ループ２１ｂのまわりを反対方向に流れ、したがって、第１の電流ループ２１ａのまわりを流れる電流は、第２の電流ループ２１ｂのまわりを流れる電流によって生成される磁界と逆極性の磁界を生成する。この結果、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解され、上式３で与えられる第１の磁界Ｂ１の成分の磁界強度が、正弦関数的に変化するようになる。
【００３０】
具体的には、ＰＣＢ  ５に垂直に分解され、正弦コイル７を介して流れる電流によって生成される第１の磁界Ｂ１の成分の磁界強度は、測定方向に沿ってｘ＝０の点でほぼゼロから、ｘ＝Ｌ／４（図３Ａに示される位置Ａ）で最大値へと変化し、次いで、ｘ＝Ｌ／２（図３Ａに示される位置Ｃ）でゼロに戻り、次いで、ｘ＝３Ｌ／４での最大値（位置Ａでの最大値に対して逆極性を有する）に変化し、次いで、ｘ＝Ｌでゼロに戻るように、正弦コイル７がレイアウトされる。したがって、正弦コイル７は、ＰＣＢ  ５に垂直で、正弦関数の１周期に従って変化する磁界成分を生成する。
【００３１】
図３Ｂに示されるように、余弦コイル９は、測定方向においてＰＣＢ  ５に沿った方向のそれぞれ１／４および３／４に配置された２つのクロスオーバ点は別にして、全体的にＰＣＢ  ５の周辺部のまわりで延びる導電性トラックによって形成される。このようにして、３つのループ２３ａ、２３ｂおよび２３ｃが形成され、そのうち、外側のループ２３ａおよび２３ｃは、内側のループ２３ｂの半分のサイズである。信号が余弦コイル９に加えられるとき、電流は、外側のループ２３ａおよび２３ｃのまわりをある方向に流れ、内側のループ２３ｂのまわりをその反対方向に流れる。このようにして、内側のループ２３ｂのまわりを流れる電流によって生成される磁界は、外側のループ２３ａおよび２３ｃのまわりを流れる電流によって生成される磁界に対して極性が逆である。この結果、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解され、上式４で与えられる第２の磁界Ｂ２の成分の磁界強度は、正弦関数的に変化するようになる。
【００３２】
具体的には、ＰＣＢ  ５に対して垂直に分解され、余弦コイル９を介して流れる電流によって生成される第２の磁界Ｂ２の成分の磁界強度は、測定方向に沿ってｘ＝０で最大値から、ｘ＝Ｌ／４（図３Ｂに示される位置Ａ）でゼロに変化し、次いで、ｘ＝Ｌ／２（図３Ｂに示される位置Ｃ）で最大値（ｘ＝０での最大値に対して極性が逆である）に戻り、次いでｘ＝３Ｌ／４でゼロに戻り、次いでｘ＝Ｌで最大値（ｘ＝０での最大値と極性が同じである）に戻るように、余弦コイル９がレイアウトされる。したがって、余弦コイル７は、ＰＣＢ  ５に垂直で、上式４で与えられる余弦関数の１周期に従って変化する磁界成分を生成する。
【００３３】
図３Ｃに示されるように、検知コイル１１は、全体的にＰＣＢ  ５の周辺部のまわりで延びて単一のループを形成する導電性トラックによって形成される。
【００３４】
第１の電流ループ２１ａのまわりを流れる電流により検知コイル１１内に誘起される電流が、第２の電流ループ２１ｂのまわりを流れる電流により検知コイル１１内に誘起される電流によって実質上相殺されるように、正弦コイル７がレイアウトされる。同様に、余弦コイル９については、外側のループ２３ａ、２３ｃにより検知コイル１１内に誘起される電流は、内側のループ２３ｂにより検知コイル１１に誘起される電流によって相殺される。こうした平衡コイルを使用することには、正弦コイル７および余弦コイル９からの電磁放射が、単一の平面巻線よりも速い速度で距離とともに減少するという、更なる利点がある。これにより、依然として電磁放射に対する規制要求事項を満たしながら、より大きい駆動信号を使用することができる。電磁放射に対する規制要求事項が、ますます厳しくなっているので、このことは特に重要である。
【００３５】
前述の通り、発振している駆動信号が、正弦コイル７および余弦コイル９のうちの１つまたは両方に加えられるとき、同じ周波数で発振している信号が、センサ要素１の共振回路内に誘起される。しかし、駆動信号と誘起される信号の間には位相遅れが発生し（これは、外部パラメータの値を決定するために使用される位相遅れではないが）、位相遅れの量は、駆動信号の周波数と共振回路の共振周波数との間の関係に依存する。図５Ａに示されるように、位相遅れは、共振回路の共振周波数付近でもっとも急激に変化し、共振周波数での位相遅れは、π／２ラジアン（９０°）である。共振回路のＱ値が高いほど、位相は共振周波数付近で急激に変化する。しかし、図５Ｂに示されるように、共振回路のＱ値が低いほど、共振回路内に誘起される電気信号の振幅は少なくなる。したがって、共振回路についてＱ値の値を選択するとき、信号強度と、周波数とともに位相が変化する速度との間で、妥協点に達することが必要である。
【００３６】
本発明によるＬＶＰＴセンサの一形態の総合的な設計が、図６に示してある。こうしたセンサでは、ほぼ２ＭＨｚの周波数の搬送波信号は、マイクロプロセッサ４１内のユニット６１によって生成され、互いに直交関係にあるユニット６２および６３によって生成される２つの変調信号によって変調される。次いで、変調された信号６４および６６は、図３Ａおよび３Ｂに示されるような正弦および余弦の幾可学的形状を有する励起コイル６８および７０に送られ、それらの励起コイルから、変調された信号が送出され、通常は受動ＲＬＣ共振回路である共振回路の形のターゲット７２によって捕捉される。ターゲット７２のインダクタは、図３Ｃに示される形のセンサ・コイルに信号を送出し、信号電圧は、励起コイルに対するターゲットの位置によって支配される変調位相シフトθを有する送出された信号の合計になり、ボックス７４に示されるような一般的な形を有することになる。受信された信号は、位相シフトされた搬送波信号６１と同期的に検出され、位相情報を含む受信された変調信号８０を残しておくためにフィルタリングされる。ターゲットの位置８４に関する情報を位相シフトθから得るために、この信号は、マイクロプロセッサによって生成される２つの変調信号と、ボックス８２内で比較される。
【００３７】
同相信号Ｉ（ｔ）、直交信号Ｑ（ｔ）、および逆相信号Ｉ＿（ｔ）を生成するために、また、位置の値を決定するのに検知される信号Ｓ（ｔ）を処理するために使用される処理回路を、図７を参照しながら次に説明する。図７に示されるように、処理回路は、マイクロプロセッサ４１、デジタル構成部品６１、アナログ駆動回路８１、およびアナログ信号処理構成部品９１からなる。
【００３８】
マイクロプロセッサ４１は、搬送周波数ｆ０の２倍で（すなわち４ＭＨｚで）方形波信号を生成する第１の方形波発振器４３を備える。この方形波信号は、マイクロプロセッサ４１から直交デバイダ・ユニット６３に出力され、直交デバイダ・ユニットは、方形波信号を２つに分割し、搬送周波数で同相デジタル搬送波信号＋Ｉを形成し、搬送周波数で逆相デジタル搬送波信号−Ｉを形成し、やはり搬送周波数で直交デジタル搬送波信号＋Ｑを形成する。以下に記述する通り、直交デジタル搬送波信号＋Ｑは変調されて、正弦コイル７および余弦コイル９に加えられる駆動信号を形成するが、同相および逆相のデジタル搬送波信号±Ｉは、検知される信号Ｓ（ｔ）を復調するために、同期検出を実行するのに使用される。
【００３９】
マイクロプロセッサ４１は、変調周波数ｆ１で変調同期信号ＭＯＤ＿ＳＹＮＣを出力して基準タイミングを提供する、第２の方形波発振器４５も備える。変調同期信号ＭＯＤ＿ＳＹＮＣは、パルス幅変調（ＰＷＭ）タイプのパターン発生器４７に入力され、パターン発生器は、変調周波数ｆ１、すなわち３．９ＫＨｚでの変調信号を表す、２ＭＨｚでのデジタル・データ・ストリームを生成する。具体的には、ＰＷＭタイプパターン発生器４７は、同相信号Ｉ（ｔ）または逆相信号Ｉ＿（ｔ）のどちらを生成すべきかに基づいて、位相が互いに直交する２つの変調信号、すなわち余弦信号ＣＯＳ、ならびに正の正弦信号または負の正弦信号±ＳＩＮのいずれかを生成する。
【００４０】
余弦信号ＣＯＳは、マイクロプロセッサ４１によって出力され、第１のデジタル・ミクサ６５、この実施形態ではＮＯＲゲートに加えられ、ＮＯＲゲートは、余弦信号を直交デジタル搬送波信号、＋Ｑと混合して、直交信号Ｑ（ｔ）のデジタル表現を生成する。正弦信号±ＳＩＮは、マイクロプロセッサによって出力され、直交デジタル搬送波信号＋Ｑとともに、第２のデジタル・ミクサ６７、この実施形態ではＮＯＲゲートに加えられて、同相信号Ｉ（ｔ）または逆相信号Ｉ＿（ｔ）のどちらかのデジタル表現を生成する。第１および第２のデジタル・ミクサ６５、６７からのデジタル信号出力は、それぞれ第１および第２のコイル・ドライバ回路８３、８５に入力され、次いで、コイル・ドライバ８３、８５によって増幅された信号出力は、それぞれ余弦コイル９および正弦コイル７に加えられる。
【００４１】
正弦コイル７および余弦コイル９に加えられる駆動信号のデジタル生成は、高周波の高調波雑音をもたらす。しかし、コイル・ドライバ６５、６７は、この高周波の高調波雑音のうちのいくらかを除去し、余弦および正弦コイル７、９の周波数応答特性も、この高周波の高調波雑音のうちのいくらかを除去する。さらに、センサ要素１内の共振回路は、共振周波数をはるかに上回る信号には応答せず、したがって、共振回路も、望ましくない高周波の高調波雑音のうちの一部分を除去することになる。
【００４２】
前述の通り、正弦コイル７および余弦コイル９に加えられる信号は、センサ要素１の共振回路内に電気信号を誘起し、次に、この信号は、検知される信号Ｓ（ｔ）を検知コイル１１内に誘起する。検知される信号Ｓ（ｔ）は、アナログ信号処理構成部品９１を介して送られる。具体的には、検知される信号Ｓ（ｔ）は、初めに高域通過フィルタ増幅器９３を介して送られ、高域通過フィルタ増幅器は、受信信号を増幅し、低周波雑音（たとえば、５０ヘルツの電気の幹線供給装置からの雑音）およびどんなＤＣオフセットをも除去する。次いで、高域通過フィルタ９３からの増幅された信号出力は、クロスオーバー・アナログ・スイッチ９５に入力され、クロスオーバー・アナログ・スイッチは、直交デバイダ２１によって生成される同相および逆相の方形波搬送波信号±Ｉを使用して、２ＭＨｚの搬送周波数で同期検出を実行する。前述の通り、センサ要素１の共振回路は、搬送波信号に対して実質上９０°の位相シフトをもたらすので、直交デジタル搬送波信号＋Ｑに対して９０°位相がずれている同相および逆相のデジタル搬送波信号は、正弦コイル７および余弦コイル９に加えられ同期検出のために使用される駆動信号を生成するために使用される。
【００４３】
クロスオーバー・アナログ・スイッチ９５からの信号出力は、完全に整流されたバージョンの、クロスオーバー・アナログ・スイッチ９５への信号入力に実質上対応する（すなわち、元の各電圧ピークの間に存在する電圧ピークを形成するために、ゼロ電圧ライン上に折り重ねられる信号内の負の電圧の谷に一致する）。次いで、この整流された信号は、低域通過フィルタ増幅器９７を介して送られ、この低域通過フィルタ増幅器は、本質的に、ＤＣ成分および変調周波数ｆ１での成分を有する、時間平均された、または平滑化された信号を生成する。ＤＣ成分は、同期検出プロセスによって実行される整流の結果として現れる。
【００４４】
次いで、低域通過フィルタ増幅器９７からの信号出力は、中心周波数が変調周波数ｆ１である帯域通過フィルタ増幅器９９に入力され、この帯域通過フィルタ増幅器は、ＤＣ成分を除去する。帯域通過フィルタ増幅器９９からの信号出力は、比較器１０１に入力され、比較器は、入力信号を、センサ要素１の位置を決定するために、そのタイミングが変調同期信号ＭＯＤ＿ＳＹＮＣのタイミングと比較される方形波信号に変換する。
【００４５】
本発明によるセンサはまた、たとえば図８に示されるような一般の形態の線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）として実装されてもよい。こうした形態の変換器では、搬送波信号は、ユニット８０によって生成され、励起コイル・ドライバ８２に送られ、図３Ｃに示されるような構成の単一のループの形での励起コイル８４によって送出される。信号は、共振回路の形でのターゲット８６によって捕捉され、１対のループの形でのセンサ・コイルに送出され、一方のセンサ・コイルは、図３Ａに示されるような正弦構成であり、もう一方のセンサ・コイルは、図３Ｂに示されるような余弦構成である。ボックス８８および９０に示される受信信号は、それぞれｓｉｎｅθまたはｃｏｓθに比例する振幅を有する。センサ・コイルの各ループによって受信される信号は、多重化され、ボックス９２において元の信号と同期される。ボックス９４でフィルタリングされた後、ターゲットの位置に関する情報を有するｄｃ信号９６が残される。
【００４６】
図９から１６を参照しながら、本発明による様々な形態のセンサを説明する。信号の生成および処理に関する電子装置については上に述べてきたので、ターゲットのみ説明する必要がある。これらのセンサの各々において、ターゲットは、１対の共振回路の形であり、各共振回路のうちの１つを基準として使用してもよいが、ターゲットにおいて単一の共振回路だけを使用し、基準としての信号発生器から送出信号に信号を注入することが可能である。さらに、ターゲットの位置または他の外部パラメータに関する情報など、追加の情報が求められる場合、ターゲットにおいて３つ以上の共振回路を使用することが可能である。
【００４７】
図９には、測定方向に沿って物理的に分離された各インダクタを有する２つの共振回路を使用する、本発明による温度センサ向けの簡略なターゲット回路が示してある。回路は、ＲＬＣ回路の両半分がセンサの送信機周波数で共振するように同調されるコンデンサを備え、このことは、２つのインダクタが同じインダクタンスを有することを示唆する。さらに、各共振回路は、感温性の抵抗を有し、一方は、正の温度係数（ＰＴＣ）を有し、もう一方は負の温度係数（ＮＴＣ）を有する。励起コイルにより、電圧がインダクタの両端に誘起されるとき、様々な電流が共振回路の各々のまわりに流れ、当該温度での２つの抵抗の相対値に依存することになり、その結果、ターゲットの各々の側のＱ値は、もう一方の側とは反対に、ある程度温度によって変化することになり、励起コイルに応答してターゲットによって生成される電磁界の振幅および空間的変動は、温度が変化するのに伴い変化することになる。
【００４８】
ＬＶＤＴタイプのセンサについては、送出された磁界は、ターゲット全体にわたって全体的に均一であり、両方のインダクタの両端に同じ電圧が誘起されるが、温度が増大するにつれて、左側のループにおける電流は、右側のループにおける電流よりも小さくなる。インダクタＬ１よりもインダクタＬ２においてより高い磁界が生成されることになり、その結果として、受信コイルによって検知される合計の磁界は、Ｌ２の位置に向けて偏ることになり、その結果、ターゲットは、ターゲットの物理的中心の右に移動したように見えることになる。低い温度では、受信コイルは、ターゲットの中心の左に生成されるように見える磁界を検出することになる。したがって、温度が変化するにつれて、ターゲットの明白な位置は決定的に移動し、したがって、ターゲットは、遠隔温度センサとして利用されてもよい。
【００４９】
２つの共振回路、というより２つの共振回路のインダクタは、ある範囲で分離してもよい。各インダクタ間の分離が増大する場合、センサの分解能も増大するが、分離が９０°（すなわち、正弦または余弦ループの４分の１）を超えて増大すると、２対のターゲットは破壊的に干渉を始め、その結果、信号レベルは落ちる。
【００５０】
ターゲットがＬＶＰＴタイプのセンサによって問合せをされるとき、送出される磁界はターゲット全体にわたって変化し、その結果、共振回路内の電流Ｉ１およびＩ２は、互いに異なり、通常は互いに異なる位相を有する。位相の変化は、搬送周波数または別の変調周波数のいずれかにおいて生じることがある。受信信号での位相は、２つの電流の相対振幅およびそれらの位相差の関数である。この場合の抵抗の作用は、検知されるコイル内に誘起される合計の電流の位相をバイアスすることであり、その結果、ターゲットの明白な位置が、ターゲットの温度に応じて変化する。
【００５１】
抵抗の各々が感温性である必要はない。２つの感温性抵抗を使用することで温度分解能が増大するが、たとえば一方の抵抗が、ＰＴＣまたはＮＴＣのどちらかの感温性でよく、もう一方抵抗は、温度に対して安定である。あるいは、必要なら、サーミスタまたはサイリスタなど、他の感温性の構成部品を使用してもよい。やはり、共振回路のリアクタンス性の構成部品が、抵抗の代わりに感温性でもよい。たとえば、コンデンサ（たとえばＹ５Ｖタイプ）を使用してもよく、または感温性フェライトでもよい。この場合、大きなインピーダンスを追加すると、システムの共振周波数を動かすことになるので、追加の構成部品のインピーダンス（すなわち、キャパシタンスまたはインダクタンス）は、同調コンデンサＣ１、あるいはインダクタＬ１またはＬ２のインピーダンスよりも小さくなければならない。共振周波数のこの動きは、電流Ｉ１およびＩ２での変化をもたらすことになるが、２つの回路のうちの少なくとも１つは、送信機周波数での共振に近接していることが必要である。
【００５２】
さらに、２つの共振回路が共通のコンデンサを共用する必要はなく、確かに多くのシステムにおいて、各共振回路は、互いから分離されることになる。
【００５３】
図１０には、光センサで利用されてもよいターゲットが示してある。この場合、ターゲットが暗がりの中にあるとき、感温性の構成部品の代わりに、１対のバック・ツー・バックのフォトダイオードが、左側の回路内を流れる電流を阻止する。ターゲットが照射されているとき、電流は回路の両側で流れ、誘導性センサは、ターゲットの位置における明白な変化を検出する。周波数選択性センサが望まれる場合、狭い光学帯域幅で検出するために、フォトダイオードは特殊化されてもよい。フォトダイオードが照射されるとき、ダイオード電圧降下に打ち勝つためには、生成される電圧は十分に高くなければならず、これは、ターゲットのインダクタの巻き数を増大させることによって達成されてもよい。
【００５４】
ダイオード、トランジスタなどの非線形デバイスをターゲット内で使用することで、温度センサ、光センサ、または他の形態のセンサで使用される場合でも、ターゲットは、励起信号とは異なる周波数、たとえばセンサ・コイルによって検知することのできる２倍の周波数（または、より高い高調波）で信号を生成することができる、という追加の利点がある。このようなシステムは、著しく改善された信号対雑音比を有するようにセンサを作ることができ、Ｓｅｎｓｏｐａｄ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  ａｎｄ  Ｄａｖｉｄ  Ａｌｕｎ  Ｊａｍｅｓの名における、「Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する国際特許出願に記載され、やはり英国特許出願第０４１７６８６．３号から優先権主張され、ともに同日付に出願され、これらの開示を参考として本明細書に援用する。したがって、光検出器で使用されるターゲットは、光に敏感ではない１対のバック・ツー・バックのダイオードを片側に、また１対のバック・ツー・バックのフォトダイオードをもう片側に備えることもできる。
【００５５】
図９に示される温度検知ターゲットのように、２つの共振回路は、共通のコンデンサを共用する必要はないが、物理的および電気的に分離することができる。さらに、または代替的に、フォトレジスタまたはフォトトランジスタなどの他の感光性の構成部品を共振回路内に使用してもよい。
【００５６】
図１１には、化学種または生物学的種に対するセンサにおいて使用してもよいターゲットが示してある。このターゲットは、ＩＳＦＥＴ、ＩＭＦＥＴ、あるいはＦＥＴまたはバイポーラ・トランジスタのような他の化学的または生物学的な検知用電気構成部品を使用する。ＩＳＦＥＴのイオン選択性膜の表面に化学物質がより多く存在するにつれて、電流Ｉ１は、イオンが存在しないときのゼロから増大し、その結果として、ターゲットの明白な位置が移動し、イオンを検出することができる。
【００５７】
図１２に示されるターゲットは、２つの部分に分かれているとみなすことができ、左側の部分は、同調回路Ｌ１、Ｃ１およびＣ３を備え、右側の部分は、同調回路Ｌ２、Ｃ２およびＣ３を備える。ターゲットが電磁界の近傍にあるとき、電圧は、各インダクタを横切って誘導結合される。これらの電圧が、ターゲットの各同調回路のいずれかの共振周波数のまわりの成分を有する場合、ターゲットのインピーダンスがその周波数で低くなるので、その側に流れる電流、Ｉ１またはＩ２のいずれかは、相対的に高くなる。これらの大電流は、センサ・コイルに強く再結合することになる。Ｃ１は、そのキャパシタンスが、環境における変化によって変化し、その結果、Ｌ１からセンサ・コイルに結合される信号の振幅も変化するように選択されるが、Ｌ２からセンサ・コイルに結合される信号の振幅は変化しないことになる。したがって、正味のセンサ信号は、それに応じて変化し、キャパシタンスの変化を決定できるようにする。
【００５８】
前述の通り、ターゲットの２つの共振回路は、共通のコンデンサを有してもよい。これにより、コンデンサ自体もしばしば環境に敏感であるために生じるいかなる変化をも排除する。しかし、共振回路は、励起巻線および検知巻線によって、直接ではないが誘導結合されることになるので、共振回路を接続する必要はない。こうしたターゲットの一形態が、図１３に示してあり、互いに分離された２つの共振回路は、単一の基板に形成される。この場合、各コンデンサのうちの１つは、環境パラメータ、たとえば温度、湿度、または指の存在に敏感でもよく、他のコンデンサは鈍感である。
【００５９】
指を検知するターゲットの他の形態が、図１５に示してある。この場合、抵抗Ｒ１は、Ｃ１の両端に接続される。指がターゲットに触れるとき、抵抗Ｒ１は短絡されることになり、それにより、その抵抗値が変化する。この抵抗の変化により、左側の回路の周波数応答は変化することになり、その共振周波数はシフトし、左側の回路はまた、右側の回路に対して異なるＱ値を有することになる。このようにして、左側の回路から検知される信号は変化することになり、それにより、システムの平衡を崩し、指の存在を検出できるようにする。構成部品Ｒ１は、それが抵抗とみなされるかどうかを問わず、たとえば、空隙を有する２つの露出したパッドを備えてもよい。指が存在しないとき、パッドを横切る抵抗は大きく、通常は１ＭΩよりも大きいが、各パッドが指によって橋渡しされるとき、抵抗は１ｋΩの範囲の値にまで落ちる。確かに、こうした設計は、指が接近するときに、各パッドを横切るキャパシタンスの何らかの変化を示すことが可能であり、その結果、２重の効果が得られる。
【００６０】
特に、ターゲットの位置を決定するために検出される信号の位相角度を測定する複数の励起タイプのシステムにおいて利点をもつ、こうした形態のターゲットを使用してもよい。センサは、対象物、たとえば指が存在するか存在しないかを決定し、次いで、対象物が検出されたら、何らかの他のパラメータ、たとえばターゲットの位置を決定するように構成されてもよい。こうしたシステムは、たとえばコンソール上のアレイ上のノブなど、たとえば手動操作可能な装置が、それがいつ操作されていたのかを検出し、次いでノブがどの位置にセットされたのかを決定することができるようにすることもできる。たとえば１００以上のセンサが各々ノブによって制御される、多数の装置アイテムを有する複雑なコンソールの場合、コンソールの各センサがどの位置にあるのか、またはそれに関連する他の定量値を決定するために、コンソールの各センサをポーリングするのに、かなりの長さの時間を要することがある。しかし、ノブが握られているのかどうかの検出は、２つの結果しかもたず、著しく速い。したがって、ターゲットが、握られたときにだけ定量するなど、何らかの機能を実行するために動作させられる、触れるべきノブまたは他の装置の一部分を形成するシステムにおいて、こうしたターゲットを使用することは可能である。
【００６１】
２つの共振回路を有するターゲットを使用する一実施形態では、回路のうちの１つ、たとえば図１２から１４に示される右側の回路は、励起周波数に同調されてもよい。コンデンサＣ１がその公称値（たとえば０％の湿度、または指が存在しない）にあるときに、もう一方の回路もこの周波数に同調される場合、センサ・コイル上の信号は、回路の各々からの信号により等しく生成されることになり、その結果として、センサは、２つの回路の平均位置を出力することになる。環境要因が変化するとき、たとえばターゲットが握られるとき、ターゲットの左側の回路の共振応答は、この周波数から離調し、その結果、センサ・コイル上の信号は、徐々にターゲットだけの右側の部分からの信号にますます支配されるようになる。
【００６２】
前述の温度センサのように、コンデンサのうちの１つのみが、環境に敏感なのではなく、両方のコンデンサが、他方に対して反対方向に敏感であるように構成することにより、センサをより敏感に作ることができる。たとえば、湿度ゼロにおいて、左側の回路は搬送周波数で共振してもよいが、右側の部分は共振していない。湿度が増大するにつれ、左側の共振回路は離調し、右側の部分はますます搬送周波数に同調するようになってもよく、その結果、（共振回路の対によって形成される）ターゲットの明白な位置は変化する。
【００６３】
このことは、以下のように数学的に説明することができる。すなわち、図６に示されるような複数の励起タイプのシステムにおいて、ターゲットの各々別個の部分が互いに異なる位置に配置されている場合、これは、検出される信号の位相シフトによって示される。左側の回路が、振幅変調された位相シフト０°を有するように物理的に配置される場合、右側の回路は、φのＡＭ位相シフトを有するように物理的に配置される。左側の回路からの信号レベルはＡであり、右側の回路からの信号レベルはＢであり、その結果、検出コイル上の合計の信号は、これらの信号の合計である。
【数６】
2008509419.tif 000008
次いで、この信号は同期検出器および低域通過フィルタを介して送られて、ＡＭ成分のみを残す。
【数７】
2008509419.tif 000009
これは、次式で書き換えることができる。
【数８】
2008509419.tif 000010
ここで
【数９】
2008509419.tif 000011
【００６４】
したがって、公称の状況においては、２つの信号の振幅（Ａ＝Ｂ）が同じであるとき、θ＝φ／２、すなわち検知された位置は、２対のターゲットの平均位置であることが分かる。右側の部分が離調しているとき、Ｂ→０、よってθ→０、すなわち検知された位置は、ターゲットの左側の部分の位置になる。それに応じて、左側の部分が離調している場合、Ａ→０、その結果θ→φ、すなわち検知された位置は、ターゲットの右側の部分の位置になる。図１６および１７は、こうした数学的な表現を使用して生成された。
【００６５】
図６または８に示されるタイプのシステムでは、分離角がφである場合、ターゲットの重み付き平均位置は０°からφまでの範囲とすることができるので、ターゲットの位置を決定するために、検出される信号の位相角度を測定する複数の励起タイプのシステムでは、２つのターゲットの間の最大分離角は１８０°である。φが１８０°よりも大きい場合、角度は１８０°−φの値をとる。しかし、第２のターゲットが第１のターゲットを支配し、そのポイントで位相が逆転するまで、２つの回路からの信号は互いに位相がずれており、センサにおいて見えるもののすべては、位相変化なしに信号レベルが低減することであるので、１８０°においては、重み付き平均位置は、どんな中間の位置を通過することもなく、０°から１８０°に切り替わる。
【００６６】
各回路における相対電流の関数として、また共振回路の分離角φのいくつかの値に対して、２つの回路の重み付き平均位置が図１６に示され、そこから、分離角が大きいほど、環境要因におけるいかなる所与の変化に対してもターゲット内の角度変化は大きくなるが、分離角φが増大するほど、センサの応答はますます非線形になることが分かる。やはり、図１７を見て分かるように、分離角φが増大するほど、受信信号の振幅は減少する。すなわち、回路の分離角φが増大するほど、システムは、より正確になるが（非線形の場合）、それほど敏感ではなくなる。多くの用途について、各回路間の最適な分離角は、９０°から１５０°、好ましくは１２０°から１５０°の範囲、また特に約１３５°である。というのも、これよりも著しく大きい角度では、信号対雑音レベルが問題になる程度にまで信号レベルが落ちることがあるからである。一方で、単に環境要因における変化に迅速に反応したいシステム、たとえばノブが握られているかどうかを決定したいシステムに対しては、以下の通りに、２つの回路の間の最適な間隔は、より大きく、たとえば１７０°から１９０°の角度間隔、また特に約１８０°になりそうである。
【００６７】
複数の励起システムに基づく実施形態では、ターゲットの２つのインダクタＬ１およびＬ２の両端に誘起される電圧が等しく、反対向きになるように、ターゲットを配置することが可能である。回転システムでは、これは、２つのインダクタを１８０°離して配置することによって達成されてもよい。回路の両側が搬送周波数に等しく同調している場合（すなわちＣ１＝Ｃ２）、電流Ｉ１およびＩ２も等しく、反対向きになり、その結果、正味の信号はセンサ・コイルにもたらされない。しかし、指が近接することによりコンデンサＣ１の値が変化させられるとき、ターゲットのその側は搬送周波数から離調される。したがって、電流Ｉ１は著しく低減させられ、その結果、ほとんどもっぱらＩ２だけに起因する正味の信号が、センサ巻線上に誘起される。したがって、ノブに接触する指が存在しないとき、検知される信号はないが、ノブが接触されるとすぐに、信号がセンサ・コイル内に誘起され、この信号はノブの角位置を示す。
【００６８】
数学的には、これは、上式（６）を一点φ＝１８０°と置き換えることと同等であるが、ｃｏｓ（ｘ−１８０°）＝−ｃｏｓ（ｘ）であるから、同期検出器および低域通過フィルタの後の検知される信号は次式の通りである。
（Ａ−Ｂ）ｃｏｓ（ω１）
すなわち、Ａ＞Ｂである場合、検知された位置は０°であり、Ｂ＞Ａである場合、検知された位置は１８０°であり、中間の検知位置は存在しない。Ａ＝Ｂのときには、検出される信号の振幅は小さく、こうした小さい信号を排除するように、閾値検出器回路を使用することもできる。
【００６９】
複数の検知タイプのシステムに基づく実施形態については、２つのインダクタＬ１およびＬ２の両端に誘起される電圧は、一般的に実質上等しい。しかし、これらの実施形態においては、２つのインダクタを１８０°分離する効果は、回路の両側が搬送周波数に等しく同調している場合に、各センサ・コイルに誘起される電圧が等しく、反対向きであるということであり、したがって、検知される正味の信号はない。ターゲットの一方の側が、指の存在によって離調しているとき、ターゲットのもう一方の側に起因する信号が優勢になり、検知巻線内に誘起される。したがって、２つのタイプのセンサ向けのターゲット内の信号は互いに異なるが、外部パラメータにおけるターゲット設計、および最終的に検知される変化は同じである。
【００７０】
ノブに触れることにより各センサのうちのいかなる１つのセンサもアクティブにされてよいように、多数のセンサが、たとえば様々なノブの形でコンソール内に配置されるシステムで使用されてもよい、前述のセンサの形態において、ターゲット内での共振回路の１８０°の分離は特に有利である。こうしたシステムでは、ノブの各々のセンサ・コイルを入力として多重化し、それらの電子装置が、各入力のうちのどれが閾値を超えるかを迅速に検知することが可能である。通常、ユーザは、どの時点においても単一のノブを回転するのに片手だけを使用するので、通常、各入力のうちの１つだけが閾値を超えることになる。ユーザの触れているノブが決定されると、そのノブに関連するセンサ上で、より遅い回転位置測定を行うことができる。
【００７１】
この実施形態は、複数の励起コイルを使用する回転センサに関して説明してきたが、他の形態のセンサ、たとえば複数のセンサ・コイルを使用する直線（２Ｄまたは３Ｄ）曲線、または他のセンサにも適用可能であり、それらのケースでは、１８０°の分離は、検知コイルの長さの２分の１に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明によるセンサの原理を示す、誘導性位置センサの概略的な斜視図である。
【図２】図１に示される位置センサの主要構成部品の概略図である。
【図３】図３Ａは、図１に示される位置センサの一部分を形成する正弦コイルのレイアウトを示す図であり、図３Ｂは、図１に示される位置センサの一部分を形成する余弦コイルのレイアウトを示す図であり、そして図３は、図１に示される位置センサの一部分を形成するセンサ・コイルのレイアウトを示す図である。
【図４】センサ要素の一部分を形成する共振回路内で誘起される信号の位相が、駆動信号の周波数でどのように変化するのかを示す概略図である。
【図５】センサ要素の一部分を形成する共振回路内で誘起される信号の振幅が、駆動信号の周波数でどのように変化するのかを示す概略図である。
【図６】線形可変位相変換器タイプのセンサの処理回路を示すブロック図である。
【図７】図６の処理回路をより詳細に示すブロック図である。
【図８】線形可変変位変換器タイプのセンサの処理回路を示すブロック図である。
【図９】本発明による温度センサにおいて使用されてもよい中間装置、すなわちターゲットの一形態を示す概略図である。
【図１０】本発明による光センサにおいて使用されてもよいターゲットを示す概略図である。
【図１１】本発明による化学センサにおいて使用されてもよいターゲットを示す概略図である。
【図１２】ターゲットが接触されたかどうかを検出することができるセンサにおいて使用されてもよいターゲットの概略図である。
【図１３】１対の共振回路を有するターゲットを形成する基板の概略図である。
【図１４】指の存在を検出するのに使用されてもよい、図１２に示されるターゲットの一修正形態を示す概略図である。
【図１５】回転センサにおいて使用されてもよいターゲットの概略図である。
【図１６】共振回路における誘導電流の相対レベルの関数として、ターゲットを形成する１対の共振回路の重み付けされた平均位置を示すグラフである。
【図１７】共振回路における誘導電流の相対レベルの関数として、こうしたターゲットの感度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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