(57)【要約】  回転位置センサは高周波数信号源によって励磁される送信コイルを有する。第１および第２の受信コイルは、各々少なくとも２つの逆向きに巻かれたループを有するが、互いに対して電気的に９０°で回転可能に位置する。受信コイルは、送信コイルと誘導結合されるために位置するが、導電性材料で構成されたカプラが、第１および第２の受信コイルの上に回転可能に位置するとともに誘導的に結合される。第１および第２の受信コイルからの出力は、それぞれハイパスフィルタおよびローパスフィルタを介して結合されて、その結果の信号において９０°の位相シフトを生成する。これらの信号は、ともに足し合わされて、送信コイルからの信号とともに、ＰＷＭ回路への入力信号として結合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転位置センサであって、
高周波信号源によって励磁されるように適合された送信コイルと、
少なくとも２つの逆巻きのループを有する第１の受信コイルとを備え、前記第１の受信コイルは、前記送信コイルに誘導結合され、
少なくとも２つの逆巻きのループを有する第２の受信コイルをさらに備え、前記第２の受信コイルは、前記第１の受信コイルに対して電気的には９０度で回転可能に位置するとともに、前記送信コイルに誘導結合され、
導電性材料により構成されて、少なくとも２つのローブを有するカプラをさらに備え、前記カプラは、前記第１および第２の受信コイルに対して回転可能に位置するとともに誘導結合され、
２つの入力と１つの出力とを有する信号加算器をさらに備え、
前記第１の受信コイルは、ローパスフィルタを介して前記信号加算器の一方の入力に電気的に結合され、
前記第２の受信コイルは、ハイパスフィルタを介して前記信号加算器の他方の入力に結合され、
前記信号加算器の前記出力は、パルス幅変調回路に電気的に接続されて、前記パルス幅変調回路は、前記カプラの回転角に比例するデューティサイクルを有する出力を生成する、センサ。
【請求項２】
前記パルス幅変調回路は、さらに、前記高周波信号源からの出力信号を受ける、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記高周波信号源からの前記出力信号と前記信号加算器の前記出力とは、シュミットトリガへの入力として接続されて、前記シュミットトリガは、前記パルス幅変調回路への入力信号として接続される出力を有する、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記ハイパスフィルタと前記ローパスフィルタとは各々、受動素子から構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記ハイパスフィルタと前記ローパスフィルタとは各々、抵抗およびキャパシタを有する、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記信号加算器に入力信号として接続される温度補償回路をさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記温度補償回路は、
第２のハイパスフィルタおよび第２のローパスフィルタと、
第１の信号乗算器および第２の信号乗算器とを備え、
前記高周波信号源は、入力として、第２のハイパスフィルタおよび第２のローパスフィルタに接続され、
前記第１の信号乗算器および前記第２の信号乗算器の各々は、２つの入力と１つの出力とを有し、
前記第１のローパスフィルタからの出力と、前記第２のハイパスフィルタからの出力とは、前記第１の信号乗算器に入力信号として接続され、
前記第２のローパスフィルタからの出力と、前記第１のハイパスフィルタからの出力とは、前記第２の信号乗算器に入力信号として接続され、
前記第１および第２の信号乗算器の前記出力信号は、前記信号加算器に入力信号として接続される、請求項６に記載の回転位置センサ。
【請求項８】
１対のピーク検出器をさらに備え、一方のピーク検出器は、前記第２のローパスフィルタおよび前記第２のハイパスフィルタと、前記第２のローパスフィルタおよび前記第２のハイパスフィルタのそれぞれに対する乗算器との間に直列に接続される、請求項７に記載の回転位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１１年５月１９日に出願された米国仮特許出願６１／４８７，７５５の優先権を主張し、その内容は参照によって本明細書に取入れられる。
【０００２】
発明の背景
Ｉ．発明の分野
本発明は、回転位置センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＩ．関連技術の説明
センサの回転位置を決定しなければならない多くの異なる状況がある。たとえば、大抵の現在の自動車は、スロットルプレートの回転位置を検出してその位置を表わす電気出力信号を生成するスロットルポジションセンサを含む。その電気信号は次にエンジン管理ユニットに電気的に接続される。エンジン管理ユニットはスロットルの位置または傾斜に応じて、車両の内燃機関の全体の動作を制御する。
【０００４】
典型的には、既知のスロットルポジションセンサは、回転可能な本体を含み、その本体はスロットルプレートシャフトに接続されて、本体およびスロットルプレートシャフトは一緒に回転する。その結果、センサの回転可能位置がスロットルプレートシャフトの回転位置および、その結果としてのスロットルの傾斜を示す。
【０００５】
一種の既知のスロットルポジションセンサにおいて、送信コイルはプリント回路基板（ＰＣＢ）に形成されて、たとえば、４メガヘルツの高周波信号によって励磁される。受信コイルもまたＰＣＢに形成されて、ＰＣＢ基板の周りの複数の部分に配置される。その場合、各々の部分は隣接する部分と反対に巻かれる。
【０００６】
そしてカプラがＰＣＢ基板に対して回転可能に実装され、したがってカプラが平面的であり、ＰＣＢ基板の部分を覆う。カプラは、導電性材料によって構成され、そのため、ＰＣＢ基板に対して相対的なカプラの回転は、送信コイルと受信コイルとの間で誘導結合を変化させ、したがって受信コイルからの電圧出力を変化させる。その結果、受信コイルでの電圧出力は、カプラの相対回転位置に比例する。カプラはスロットルシャフトに回転可能に接続されているので、電圧出力はスロットルシャフトの回転位置に比例し、その結果スロットルの傾斜に比例する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの既知のスロットルポジションセンサは、しかしながら、２よりも多い組の受信コイルを有する。すなわち、それらのセンサは構成においてより複雑である。さらに、レゾルバは構造が大きくなる。
【０００８】
既知のスロットルポジションセンサのさらなる限界は、ある特定の状況において高い精度を得ることが難しかったということである。たとえば、受信コイルからの出力は、温度に応じて変化し得るが、それは、同様に受信コイルからの出力信号において不正確さを発生させるということである。同様に、ＰＣＢ基板に対するカプラの位置および／またはカプラの傾きといったような小さな製造上の公差もまた、受信コイルからの不正確な出力をもたらしていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の概要
本発明は、既知の装置の上記の欠点をなくし、２つの受信コイルと単純な信号調整器とを有するＰＣＢにおいてレゾルバの原理を実現可能にする位置センサを提供する。
【００１０】
要約すれば、本発明の位置センサは、ＰＣＢ基板を備え、そのＰＣＢ基板には、既知の位置センサと同様に、ＰＣＢに形成された送信コイルが含まれる。送信コイルは、約４メガヘルツの、正弦波信号のような高周波信号によって励磁される。
【００１１】
既知の位置センサとは異なり、２つの受信コイルも、またＰＣＢ基板に形成される。各々のコイルは、角度的に隣接して反対に巻かれた２つの部分を含む。さらに、２つの受信コイルは、既知の角度差によって互いに角度的にオフセットされており、好ましくは電気的位相角、すなわち電気角が電気的に９０°となるような大きさの幾何学的角度で角度的にオフセットされる。
【００１２】
楕円カプラが次にＰＣＢ基板に対して回転可能に実装されて、カプラは少なくとも送信コイルおよび２つの受信コイルの部分を覆う。このカプラは、スロットル軸に回転可能に結合されているが、送信コイルと受信コイルの両方との間の誘導結合を、カプラの回転位置に比例する変化量で変化させる。さらに、２つの受信コイルは、電気的に９０°にされる電気角オフセットが互いに対して生成されるような量で幾何学的角度でオフセットされているので、第１の受信コイルからの出力信号は、ｓｉｎθの関数として変化するのに対し、第２の受信コイルからの出力は、ｃｏｓθの関数として変化する。ここで、θはカプラの角度位置に等しい。その結果、そのようなシステムは、ｃｏｓの同相信号と、直交するｓｉｎの信号を与える。それらの信号は直交するとともに、カルテシアンデコーダにおいて各々復号可能である。
【００１３】
発明の好ましい実施形態において、２つの受信コイルからの出力信号を復号するために、電気的に９０°の位相シフトが２つの受信出力の間に導入される。これは、好ましくは一方の受信コイルからの出力において＋４５°の位相シフトをもたらし、他方の受信コイルからの出力に−４５°の位相シフトをもたらすことによって達成される。これらの２つの出力は、次にともに乗算されて、好ましくは温度補償の後に、−ｃｏｓ（ωｔ＋θ）の出力信号を生成する。ここで、θは、カプラの角度位置、すなわちスロットル軸の角度位置に等しい。この信号は、次に送信コイルからのｃｏｓ（ωｔ）の信号と組合されて、パルス幅変調への入力として結合されて、パルス幅変調からのデューティサイクルが直接にθに比例する。
【００１４】
図面の簡単な説明
以下の詳細な説明を参照して、添付の図面とともに読むことにより、本発明がよりよく理解されるであろう。本明細書において同様の参照符号は、いくつかの図面を通じて同様の部分を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＰＣＢにおいて信号コイルが印刷される場合の本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。既存のレゾルバと比較して信号コイルはＰＣＢに印刷されていない。
【図２】２極システムを示し、２極以上の拡張は、続くサポートの頁に従って容易に可能である。正方向に巻かれた導電ワイヤが任意の数の極を有することができ、逆方向に巻かれたワイヤが同じ数の極を有し、それらは重なり合う領域を有することなく同一の平面にプリントされる。
【図３ａ】カプラの異なる構成を示す図である。
【図３ｂ】カプラの異なる構成を示す図である。
【図３ｃ】カプラの異なる構成を示す図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態を示す概略図である。
【図５】代替的に実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明
まず図１を参照して、本発明のセンサ２０の一部の好ましい実施形態が示されるとともに、プリント回路基板（ＰＣＢ）に形成された円形の送信コイル２２を含む。送信コイル２２は、約４メガヘルツのソース２４からの高周波正弦波によって励磁される。当然ながら、他の周波数も代わりに用いることができる。
【００１７】
少なくとも２つの逆向きに巻かれたループ２８および３０を有する第１の受信コイル２６もまたＰＣＢ２５に形成される。第１の受信コイル２６は、２つの端部３２を有し、２つの端部３２は受信コイル２６からの出力信号を形成する。
【００１８】
同様に、少なくとも２つの逆向きに巻かれたループ３６および３８を有する第２の受信コイル３４もまたＰＣＢ２５に形成される。第２の受信コイル３４の端部４０は、第２の受信コイル３４からの出力信号を形成する。
【００１９】
第１の受信コイル２６のループおよび第２の受信コイル３４のループは、電気的に９０°で互いに回転する。したがって、送信コイル２２の励磁によって、第１の受信コイル２６および第２の受信コイル３４の出力すなわち端部３２および４０における正弦波出力は、それぞれ、互いに直交する。すなわち、電気的に９０°で同相にオフセットし、したがって第１の受信コイル２６は正弦波を生成し、第２の受信コイル３４は余弦波信号を生成する。
【００２０】
図２を参照して、楕円カプラ５０がＰＣＢに対して軸５２の周りに回転可能に実装される。この軸５２は、受信コイル２６および３４の両方、さらに送信コイル２２の軸に沿って並べられる。楕円カプラの役割は、受信コイル２６および３４からの正弦波信号をできるだけ純粋に生成することであり、それにより位相θの形態での信号が歪まない。カプラが楕円から反れる場合には、その結果の信号も正弦波から反れる。
【００２１】
図３ａ，３ｂ，３ｃを参照して、それぞれ、２つのローブ、３つのローブおよび４つのローブを有する、カプラ５０の異なる構成が示される。実際に、カプラ５０のローブの数は、センサの最大角度範囲にわたるセンサの分解能を最大にするように選ばれる。たとえば、センサによって測定される最大の角度が１８０°である場合、図３ａに示される２つのローブのカプラ５０が選択される。しかしながら、センサによって測定される最大角度が１２０°である場合、図３ｂに示される３つのローブのカプラ５０′が選択されて、それは２つのローブのカプラよりもよい分解能を与える。同様に、センサによって測定される最大角度が電気的に９０°である場合、図３ｃに示される４つのローブのカプラ５０″が選択されて、さらによい分解能を与えるなど。
【００２２】
受信コイル２６および３４は、低いソースインピーダンス電圧源を示すので、ハイパスフィルタの出力は、ローパスフィルタに対して電気的に９０°異なる位相角を有する。ただし、両方のフィルタで用いられる受動素子は、たとえばキャパシタおよび抵抗といった種類毎に同じ値を有する。ここで図４を参照して、第１の受信コイル２６からの電圧信号は、キャパシタ６２および抵抗６４によって形成されたハイパスフィルタ５９に入力信号として結合される。同様に、第２の受信コイル３４からの電圧信号は、抵抗６８およびキャパシタ７１によって形成されたローパスフィルタ６３への入力信号として結合される。さらに、２つのフィルタ５９および６３からの出力信号は、足し合わせることが可能な直交信号を形成して、信号θを生成する。しかしながら、直交する信号の対の各々の信号は、温度および周波数による大きさの変動を有するが、その理由はキャパシタおよび抵抗のインピーダンスが温度および周波数に応じて変化するためである。
【００２３】
信号２６および３４は、異なる受動フィルタを通過し、フィルタ５９および６３からのそれぞれの出力ＱおよびＩは、温度および周波数によって異なる影響を受ける。出力Ｑはハイパスフィルタを通過する一方で、他の出力Ｉはローパスフィルタ６３を通過するので、２つの出力の受ける温度および周波数の影響が異なる。
【００２４】
温度および周波数の補償が、キャパシタ９２および抵抗９０によって形成された整合ローパスフィルタ８１およびキャパシタ８４および抵抗８６によって形成されたハイパスフィルタ８３を用いて実現される。具体的には、発振器８２からの出力はハイパスフィルタ８１およびローパスフィルタ８３を通過し、フィルタ８１および８３からの２つの分岐出力は、温度および周波数の異なる影響を受ける。ローパスフィルタとハイパスフィルタとが温度および周波数に対して一致した特性を有するものとすると、ハイパスフィルタ５９からの出力Ｑと、ローパスフィルタ８１の出力９５とが乗算器１１０によって乗算された場合、乗算器１１０の出力は、乗算器１１２の出力と同じ特性を有し、乗算器１１２は、他のローパスフィルタ６３およびハイパスフィルタ８３のそれぞれの出力を乗算して、自動的温度補償を与える。
【００２５】
すべてのフィルタにおける抵抗およびキャパシタは、一致したローパスフィルタ特性およびハイパスフィルタ特性を維持するために、すべて同じ特性が選ばれる。たとえば、すべての抵抗は、同じ特性を有する１つのインピーダンスの値を有する一方で、すべてのキャパシタも同じように動作し、したがって対応するフィルタの対の出力の乗算が一致する。好ましくは、これらの受動素子は、同じダイにおけるＣＭＯＳプロセスのような同一のプロセスから形成される。
【００２６】
乗算を容易にするために、ピーク検出器８８および９４が、フィルタ８３および８１の間と、乗算器１１２および１１０の間とにそれぞれ直列に接続されて、ほぼ直流（ＤＣ）の信号を生成し、乗算器１１０および１１２の出力は、メイン周波数ωを維持することができる。さらに、この周波数ωは、タイムスタンプを設定して、一方は信号線からであり、他方は発振器８２からの２つのタイムスタンプを比較することによってＰＷＭ生成器からのＰＷＭ信号を生成する。
【００２７】
図４に示される発振器８２は、好ましくは、送信器ソース２４（図１）と同一の発振器である。しかしながら、水晶発振器あるいは圧電発振器のような他の種類の発振器も代わりに用いることができる。
【００２８】
２つの乗算器１１０および１１２からの出力は、直交する信号を形成し、２つの直交乗算器１１０および１１２からの出力は、加算回路９６で加算される。その結果、加算回路９６からの出力９８は、−ｃｏｓ（ωｔ＋θ）に等しくなる。ここで、θは、スロットルポジションセンサの角度に等しい。この出力信号９８は、シュミットトリガ１０１を介してパルス幅変調モジュール１００に入力信号として結合される。
【００２９】
パルス幅変調モジュール１００は、また、ｃｏｓ（ωｔ＋ｃｏｎｓｔ）の入力を受ける。その入力は、ピーク検出器８８への入力から取られる。定数ｃｏｎｓｔは好ましくは０に設定されて、入力９８とパルス幅モジュールへの入力１０２との間の位相シフトが直接的にこれら２つの信号の間の位相シフトに比例する。パルス幅モジュール１００は、従来からの方式で出力１０４において信号を生成し、その信号は直接的にθに比例するデューティサイクルを有するパルス幅変調された信号である。任意の従来からのアルゴリズムがθを演算するために用いられることができる。
【００３０】
図５を参照して、圧電発振器のように周波数が安定し、抵抗値および容量値があまり変化しない場合のような状況で用いられる単純化された構造が示される。これは、温度補償および周波数補償回路をなくすことを可能にし、単純かつ高価でないものの正確な位置レゾルバを提供する。これは、部分的には駆動周波数に関して安定した発信器を用いることによって達成される。
【００３１】
上記のように、本発明は、単純かつ固有の回転位置センサを与え、電気的に９０°で電気的位相角のオフセットを有する２つの受信コイルと好ましくは楕円カプラとを用いることによって、完全に１８０°まで高精度で温度補償された角度検出を発生することができる。また、システムの極の数を調整することで、小さな角度を測定することができる。さらに、本発明は直交信号が導かれる受動素子を用いて直交発振器を有するカルテシアンデコーダのための単純化したシステムを与える。自動温度補償および駆動周波数補償もまた達成される。
【図１】
2014517289.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2014517289.tif 000010
2014517289.tif 000011