(57)【要約】  接続不良を自己監視することができる、位置を検出するためのシステム。一実施形態において、該システムは変圧器、励起電位源、バイアス電位源、およびプロセッサを備える。【選択図】      図１
2009521691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続不良を自己監視することができる、位置を検出するためのシステムであって、
磁性部材が移動自在に配置される変圧器と、
励起電位を前記変圧器に印加するために前記変圧器に連結される励起電位源であって、前記励起電位の前記変圧器への前記印加は、前記変圧器内の前記磁性部材の前記位置に依存する、少なくとも１つの誘発電位を誘発する、励起電位源と、
バイアス電位を前記変圧器に印加するために、前記変圧器に連結されるバイアス電位源と、
少なくとも１つの出力信号を受信するために前記変圧器に連結され、前記少なくとも１つの出力信号は、前記少なくとも１つの誘発電位を含む、プロセッサとを備え、
前記プロセッサは、前記少なくとも１つの誘発電位に基づいて前記磁性部材の前記位置を決定し、
前記プロセッサは、前記出力信号の前記バイアス電位の有無に基づいて前記変圧器内の接続不良を検出する、システム。
【請求項２】
前記変圧器は、
前記励起電位が一次コイルに印加されるように前記励起電位源に連結される、前記一次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第１の二次コイルで第１の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第１の二次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第２の二次コイルで第２の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第２の二次コイルと、
前記第１の二次コイルおよび第２の二次コイルのそれぞれに連結する分岐点とを備え、
前記バイアス電位源は、前記分岐点に連結されており、前記バイアス電位を前記分岐点に印加する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記変圧器は、
前記励起電位が一次コイルに印加されるように前記励起電位源に連結される、前記一次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第１の二次コイルで第１の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第１の二次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第２の二次コイルで第２の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第２の二次コイルと、
前記第１の二次コイルに連結された第１のリード線と、
前記第２の二次コイルに連結された第２のリード線、とを備え、
前記バイアス電位が前記第１のリード線または前記第２のリード線に印加されるように、前記第１のリード線または前記第２のリード線の１つに連結される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記磁性部材の回転方向を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記磁性部材の直線変位を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記励起電位はＡＣ電位であり、前記バイアス電位はＤＣ電位である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記励起電位および前記バイアス電位はＡＣ電位である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記変圧器はシンクロを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記変圧器はレゾルバを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記変圧器は線形可変差動変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記変圧器は回転可変作動変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変圧器は５巻線変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記変圧器は４巻線変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月２２日に出願された、米国特許出願第１１／３１４，１６３号、発明の名称「接続不良を自己監視する位置検出システム」の利益を主張するものであり、引用することにより、その全体を本明細書に援用する。
【発明の技術分野】
【０００２】
本発明は変圧器内の接続不良を検出することに関する。
【発明の背景】
【０００３】
位置またはロケーションセンサーとして使用される変圧器が知られている。通常、そのような変圧器は、変圧器内に配置された磁性部材の位置によって変化する、１つ以上の出力電位を提供する。これらの出力から、磁性部材の変位（直線および／または回転）が決定され得る。
【０００４】
従来の変圧器において、接続不良（例えば短絡、断線等）が出力電位の生成に悪影響を及ぼすことがある。接続不良が、磁性部材の位置を決定する精度を低下させたり、あるいは磁性部材の位置決定を事実上すべて削除してしまう場合もある。そのような場合は、直線および／または回転変位を検出するためのかかる変圧器（例えばコントロールシステム等）を実装するシステム全体の機能性が、著しく損なわれる恐れがある。
【０００５】
そのため、従来のシステムでは、変圧器間の出力電位の差に基づいて、そのうち１つの変圧器の出力電位を確認して接続不良を検出するために、２つ以上の変圧器が平行して使用される。しかし、この解決法は、システムが追加の変圧器（単数または複数）を収容するための空間および処理能力を必要とする。複数の変圧器を収容することは、システムの費用および複雑さを増加することになる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一実施形態は、接続不良を自己監視することのできる、位置を検出するためのシステムに関する。一実施形態において、システムは、変圧器、励起電位源、バイアス電位源、およびプロセッサを備える。変圧器は、移動自在に配置された磁性部材を含む。励起電位源は、励起電位を変圧器に印加するために変圧器に連結されており、その変圧器への励起電位の印加は、変圧器内の磁性部材の位置に依存する、少なくとも１つの誘発電位を誘発する。バイアス電位源は、バイアス電位を変圧器に印加するために、変圧器に連結される。プロセッサは、少なくとも１つの出力信号を受信するために変圧器に連結されており、その少なくとも１つの出力信号は、少なくとも１つの誘発電位を含む。プロセッサは、その少なくとも１つの誘発電位に基づいて磁性部材の位置を決定し、出力信号のバイアス電位の有無に基づいて変圧器内の接続不良を検出する。
【発明の詳細な説明】
【０００７】
図１は、本発明の一実施形態によって、接続不良を自己監視することのできる、位置を検出するためのシステム１０を示す図である。システム１０は、線形可変差動変圧器１２、励起電位源１４、バイアス電位源１６、およびプロセッサ１８を含む。
【０００８】
本発明の一実施形態において、変圧器１２は、一次コイル２０、第１の二次コイル２２、第２の二次コイル２４、および磁性部材２６を含む。一次コイル２０は、励起電位（ＶE）が励起電位源１４によって一次コイル２０に印加されるように、励起電位源１４に電気的に連結される。第１および第２の二次コイル２２および２４は、励起電位を一次コイル２０に印加することによって、第１の二次コイル２２に第１の誘発電位（ＶA）を誘発し、第２の二次コイル２４に第２の誘発電位（ＶB）を誘発するように、一次コイル２０と近接して位置する。磁性部材２６は、一次コイル２０と二次コイル２２および２４との間に移動自在に配置される。分岐点２８は、第１の二次コイル２２および二次コイル２４を電気的に連結しており、それによって二次コイル２２と２４を互いに連結する。一実施形態において、分岐点２８もまた、バイアス電位（ＶC）を分岐点２８に印加するバイアス電位源１６に電気的に連結されている。その他の実施形態において、分岐点２８は、以下に説明されるように、代替の電位ソース／シンクに連結されてもよい。図１に示す実施形態において、第１のリード線３０は、第１の二次コイル２２をプロセッサ１８に電気的に連結し、第２のリード線３２は、第２の二次コイル２４をプロセッサ１８に電気的に連結する。その他の実施形態において、後に（例えば図７において）その一部を説明するが、第１のリード線３０または第２のリード線３２のうち、１本のみがプロセッサ１８に連結されてもよい。図１の実施形態において、第１のリード線３０は、第１の二次コイル２２から、第１の出力電位（ＶAA）を有するプロセッサ１８に出力信号を送信する。第２のリード線３２は、第２の二次コイル２４から、第２の出力電位（ＶBB）を有するプロセッサ１８に出力信号を送信する。第１および第２の出力電位ＶAAおよびＶBBは、数学的に次のように表現することができる。
【数１】
2009521691.tif 000003
【０００９】
図１に示す実施形態において、それぞれ第１の二次コイル２２および第２の二次コイル２４で誘発された電位ＶAおよびＶBは、磁性部材２６の位置に基づいて変化する。より具体的には、図１に示す実施形態のように、磁性部材２６が距離ｄの長さだけ線状に変位しているため、電位ＶAおよびＶBは、数学的に次のように表現することができる。
【数２】
2009521691.tif 000004
【００１０】
Ｎ／ＭはＶEとＶA（またはＶB）の間の電圧比を表し、ωは励起電位の周波数を表し、Ｋは比例定数を表し、ｔは時間を表す。
【００１１】
図１に示すとおり、プロセッサ１８は、位置決定モジュール３４および不良検出モジュール３６を含む。プロセッサ１８は、図１の実施形態における単一の構成要素として示されているが、その他の実施形態においては、プロセッサ１８は、有効なリンクを介して接続された複数のプロセッサを含むことがあることを理解されたい。ある時は、複数のプロセッサが単一のロケーションに集中して配置されてもよい。またある時は、１つ以上の複数のプロセッサが、互いに離れて配置されてもよい。複数のプロセッサの間にある有効なリンクは、有線または無線の通信リンクを含んでもよく、ネットワーク上に設置された、あるいは直接接続を介した、接続を含んでいてもよい。モジュール３４および３６の図は例示する目的で提供されること、また、各モジュールは、モジュール３４および３６に割り当てられた機能およびその他の機能性を果たす、１つ以上の構成要素を含んでもよいことをさらに理解されたい。モジュール３４および３６は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアとソフトウェアおよび／またはファームウェアの組み合わせ、およびその他の媒体として実装される構成要素を含んでもよい。
【００１２】
本発明の一実施形態において、位置決定モジュール３４は、二次コイル２２および２４に対する磁性部材２６の位置を決定する。位置決定モジュール３４は、第１および第２の出力電位ＶAAとＶBB（および／または二次コイル２２および２４に誘発された電位ＶAおよびＶB）の所定の関係を利用することができる。例えば、磁性部材２６の位置を決定するために、次の関係を使用してもよい。
【数３】
2009521691.tif 000005
【００１３】
ここでもまた、Ｋは比例定数であり、ｄは磁性部材２６が変位した距離である。この関係は、出力電位ＶAAとＶBBについて（方程式１および２を用いて）次のように表現することができる。
【数４】
2009521691.tif 000006
【００１４】
本発明の一実施形態において、不良検出モジュール３６は、変圧器１２内における不良（例えば短絡、断線等）を検出することができる。より具体的には、不良検出モジュール３６は、励起電位源１４と一次コイル２０の間、第１のリード線３０と第１の二次コイル２２の間、第１の二次コイル２２と分岐点２８の間、分岐点２８とバイアス電位源１６の間、分岐点２８と第２の二次コイル２４の間、および第２のリード線３２と二次コイル２４の間で、電気的接続における接続不良を検出することができる。変圧器１２内で起こり得る不良を検出するために、不良検出モジュール３６は、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号を監視して、各出力信号にバイアス電位が存在するかどうかを決定する。各信号にバイアス電位が存在する場合は、第１のリード線３０と第２のリード線３２の間に不良は存在しない。第１のリード線３０上の出力信号にバイアス電位が存在するが、第２のリード線３２上の出力信号には存在しない場合、バイアス電位源１６と第２のリード線３２の間に不良が存在する。第２のリード線３２上の出力信号にバイアス電位が存在するが、第１のリード線３０上の出力信号には存在しない場合は、バイアス電位源１６と第１のリード線３０の間に不良が存在する。どちらの出力信号にもバイアス電位が存在しない場合は、第１のリード線３０と第２のリード線３２の間のどこかに不良が存在する。両方の出力信号にバイアス電位が存在するが、そのどちらともが誘発電位を含まない場合、励起電位源１４と一次コイル２０の間に連結する電子回路に不良が存在する。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態によって構成された、システム１０の例である。図２の実施形態において、プロセッサ１８は、加算回路３８および差分回路４０を含む。加算回路３８および差分回路４０は、第１のリード線３０および第２のリード線３２に、それぞれ電気的に連結される。加算回路３８は、加算回路３８からの出力信号の電位が、出力電位ＶAAおよびＶBBの和を含む電位の和（ＶSUM）になるように、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号を加算する。より具体的には、ＶSUMは次のように表現すことができる。
【数５】
2009521691.tif 000007
【００１６】
差分回路４０は、差分電位（ＶDIFF）で信号を生成するために、第１のリード線３０上の出力電位ＶAから第２のリード線３２上の出力電位ＶBを差し引く。差分電位は次のように表現される。
【数６】
2009521691.tif 000008
【００１７】
加算回路３８および差分回路４０を介して出力信号を組み合わせることにより、磁性部材２６の位置を決定するためにプロセッサ１８が使用する方程式６を可能にする。簡略化するために、電位の和ＶSUMと差分電位ＶDIFFを次のように用いる。
【数７】
2009521691.tif 000009
【００１８】
図１および２に示す実施形態において、励起電位源１４はＡＣ電位源であり、バイアス電位源１６はＤＣ電位源である。これにより、不良検出という目的のために誘発電位ＶAおよびＶBをバイアス電位ＶCから分離するなど、様々な面においてシステム１０を改良することができる。しかし、本実施形態において、誘発電位ＶAおよびＶB、出力電位、またはその様々な組み合わせ（例えばＶSUMおよびＶDIFF）から磁性部材２６の位置を決定するためには、磁性部材２６の位置を決定するために、および／または、不良を検出するために使用される前に、様々な電位の一部またはすべてが復調されてもよい。後にその一部を記述するが、ソフトウェアツール、ハードウェア（例えば回路）、あるいはその組み合わせを使用して、様々な復調技術がプロセッサ１８によって、実行され得る。
【００１９】
一実施形態において、出力電位のような電位に、励起電位ＶEに比例し、かつ励起電位ＶEと同相である電位を乗じることができる。結果としてその積から、励起電位ＶEの周波数の２倍の周期を持つ電位、および周期的でない電位、という２つの電位が得られる。周期的な構成要素はその後廃棄されてもよく、非周期的な電位は更なるプロセスに使用されてもよい。例示する目的で、この復調技術が誘発電位ＶDIFFに対して次のように実行される。
【数８】
2009521691.tif 000010
【００２０】
これは次のように簡略化される。
【数９】
2009521691.tif 000011
【００２１】
誘発電位ＶDIFFを乗じた電位（ＶD）は、次のとおり数学的に表現される。
【数１０】
2009521691.tif 000012
【００２２】
Ｄは電位ＶDの振幅であり、ωは励起電位ＶEの周波数である。
【００２３】
一実施形態において、電位は同期サンプリングを経て復調される。より具体的には、当該電位を含む信号はｃｏｓ（ωｔ）＝１の時にサンプリングされる。これで、サンプリングした電位を復調するための処理をさらに行うことなく、計算および決定に電位の振幅が使用可能となる。
【００２４】
別の実施形態において、信号はプロセッサ１８内の復調回路を経て復調され得る。例えば、図３は、整流回路４２（回路４２ａ〜４２ｃとして図示される）が電位を復調して復調電位を生成するために使用されてもよい、システム１０の実施形態を示す。その後復調電位は、磁性部材２６の位置を決定するために、および／また変圧器１２内の接続不良を検出するために、プロセッサ１８内でさらに処理される。
【００２５】
図３の実施形態において、プロセッサ１８は加算回路３８を含むが、差分回路４０は含まない。本実施形態において、差分電位ＶDIFFは、電位ＶAAから電位ＶBBを差し引くことによって決定される。この構成においては、分岐点２８の、またその周辺に発生するすべての接続不良が、プロセッサ１８によって検出されるわけではない。特に、分岐点２８周辺の断線は、この構成において直ちに検出可能であるが、二次コイル２２と２４の間のショートはそうではない。しかし、図４は、二次コイル２２と２４の間のショートを直ちに検出できないことが回避される、システム１０の実施形態を示す。
【００２６】
図４で示す実施形態において、プロセッサ１８は差分回路４０を含み、二次コイル２２および２４は反対方向に巻かれているため、誘発電位ＶAおよびＶBは１８０度位相がずれている。誘発電位ＶAとＶBの間の位相シフトのために、差分回路４０によって得られた電位は電位の和ＶSUMとなり、プロセッサ１８内でさらなる処理を行うために使用される電位を、図３および４の実施形態における電位と同一にする。しかし、二次コイル２２と２４の間でショートが発生した場合には、誘発電位ＶAおよびＶBは破壊的に干渉し、プロセッサ１８によるショートの検出を簡素化する。
【００２７】
図３および４の実施形態において、バイアス電位ＶCは、ローパスフィルター４１を介して出力電位ＶAAおよびＶBBのうちの１つから抽出される。ローパスフィルター４１は、出力電位のＤＣ構成要素を抽出し、そのＤＣ構成要素は実質的にはバイアス電位ＶCである。抽出されたバイアス電位ＶCは、プロセッサ１８内で、磁性部材２６の位置を決定したり、変圧器１２内の接続不良を検出するなど、さらなる処理に使用される。
【００２８】
図５は、本発明の実施形態による、システム１０の別の構成を示す。図５で示す実施形態において、整流回路４２によって復調される前に誘発電位ＶAおよびＶBを得るために、バイアス電位は出力信号の１つから抽出され、その後各出力電位ＶAAおよびＶBBから１組の差分回路４４および４６によって差し引かれる。差分回路４７は、磁性部材２６の位置に非依存である差分電位ＶDIFFを得るために、出力電位ＶBBからＶAAを差し引く。出力電位ＶAAおよびＶBBが位相から互いに１８０度ずれるようにシステム１０が構成されている限り、ＶDIFFの振幅は、次の方程式で示されるように、変圧器１２内の接続不良がない状態で一定である。
【数１１】
2009521691.tif 000013
【００２９】
また、その他の実施形態において、システム１０は出力電位ＶAAおよびＶBBが互いに同相となるように構成されてもよく、接続不良のない状態で一定の振幅を有するＶDIFFを提供するために、次の関係が利用される。
【数１２】
2009521691.tif 000014
【００３０】
図５に示す実施形態において、ＶCおよびＶDIFFの両方が、プロセッサ１８内の変圧器１２における接続不良を意味する変化について監視される。
【００３１】
図６を見ると、本発明の一実施形態によるシステム１０が示されており、システム１０は図５で示される構成と実質上同一に配線されている。異なる点は、プロセッサ１８が、磁性部材２６の位置を決定するために位置決定モジュール３４を実行するＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ＡＤ５９８（特許出願中）のような、市販の既製品であるＬＶＤＴ／ＲＶＤＴ信号調整チップ４９を含んでいることである。出力信号はバイアス電位ＶCを除去するために信号調整チップにＡＣ連結される。その後信号調整チップは、システム１０にバイアスが存在しないものとして位置を計算することができる。図５の構成において行われたように、出力電位の１つから抽出されたバイアス電位ＶC、また上述したように、図５の構成の差分電位ＶDIFFに相当するＶDET、の２つの追加電位がこの構成において生成される。以前に説明したように、ＶBIASおよびＶDETの両方が、磁性部材２６の位置に依存することなく一定を保つことが予測され、変圧器１２の適切な動作を保障するために監視される。図６の実施形態と同様の別の実施形態において、図６で示される差分回路４０は、変圧器１２の位相整合が適切に行われることを条件として、ＶDETを生成する加算回路と置き換えられてもよい。 
図１〜６に示される実施形態は、５巻線変圧器を含んでいた。本発明はバイアス電位ＶCを他の位置検出変圧器に適用することも意図していることを理解されたい。例えば、図７は、５巻線変圧器１２の代わりに４巻線線形可変差動変圧器４８を含む、システム１０の実施形態を示す。変圧器４８の中には、変圧器１２に含まれるのと同様の構成要素に同じ参照番号が振られている。変圧器４８と変圧器１２の最も顕著な違いは、変圧器４８において、分岐点２８は第１の二次コイル２２および第２の二次コイル２４のそれぞれに電気的に連結されているが、分岐点２８は電位シンク（例えばアース）または電位ソース（例えばバイアス電位源１６）には連結されていないことである。システム１０内では、バイアス電位源１６は、バイアス電位ＶCを変圧器４８に印加するために、変圧器４８に第１のリード線３０で接続されている。第２のリード線３２の出力は、従って、バイアス電位ＶCと、誘発電位ＶAおよびＶBを含む。バイアス電位ＶCは第２のリード線３２上で出力信号から抽出され、この電位は変圧器４８内の接続不良を検出するために、プロセッサ１８によって監視される。図７で示される実施形態において、位置決定モジュール３４は、上述のチップ４９と同様であってもよい、信号調整チップ５０を含み、従来の復調スキームを適用する。第２のリード線３２に存在する出力信号は、バイアス電位ＶCを出力信号から除去するためにチップ５０にＡＣ連結される。
【００３２】
図８は、本発明の実施形態による、変圧器４８を含むシステム１０の別の構成を示す。図８に示される構成において、バイアス電位源１６はここでもまた第１のリード線３０上にある変圧器４８に印加されるが、図７で示される構成とは異なり、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号はノイズ体制を強化するためにチップ５０にＡＣ連結される。
【００３３】
図９は、本発明の実施形態によるシステム１０の構成を示す。システム１０の構成は、図８で示す構成と同様であるが、バイアス電位源１６からバイアス電位ＶCを第１のリード線３０上に連結する受動回路網５２を含む。受動回路網５２は、ＤＣで低インピーダンスを有し、励起電位源１４の励起周波数で高インピーダンスを有する、電子回路網である。
【００３４】
上述した本発明の実施形態は、線形可変差動変圧器を含めて説明されるものであり、これは例示的な目的のみであって、本発明は、変圧器内の部材の位置を検出することのできる他の種類の変圧器においても、接続不良を検出するためにバイアス電位をかけることを意図することを理解されたい。例えば、本発明は、回転可変差動変圧器、シンクロ、レソルバを意図する。さらに、上記の実施形態に関する説明は、バイアス電位ＶCをＤＣ電位として開示してきているが、本発明の別の実施形態において、バイアス電位ＶCはＡＣ電位である。
【００３５】
これまで述べたように、本発明の実施形態が完全かつ有効的に達成されたことを理解されたい。前述の実施形態は、本発明の構造上および機能上の原則を例示するために提供されてきたものであり、限定されるべきものではない。反対に本発明は、添付の請求項に定義される本発明の趣旨および範囲内において、すべての修正、等価物、および代替例を網羅することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である．
【図１】
2009521691.tif 000015
【図２】
2009521691.tif 000016
【図３】
2009521691.tif 000017
【図４】
2009521691.tif 000018
【図５】
2009521691.tif 000019
【図６】
2009521691.tif 000020
【図７】
2009521691.tif 000021
【図８】
2009521691.tif 000022
【図９】
2009521691.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月11日(2008.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続不良を自己監視することができる、位置を検出するためのシステムであって、
磁性部材が移動自在に配置される変圧器と、
励起電位を前記変圧器に印加するために前記変圧器に連結される励起電位源であって、前記励起電位の前記変圧器への前記印加は、前記変圧器内の前記磁性部材の前記位置に依存する、少なくとも１つの誘発電位を誘発する励起電位源と、
バイアス電位を前記変圧器に印加するために、前記変圧器に連結されるバイアス電位源と、
少なくとも１つの出力信号を受信するために前記変圧器に連結され、前記少なくとも１つの出力信号は、前記少なくとも１つの誘発電位を含む、プロセッサとを備え、
前記プロセッサは、前記少なくとも１つの誘発電位に基づいて前記磁性部材の前記位置を決定し、
前記プロセッサは、前記出力信号の前記バイアス電位の有無に基づいて前記変圧器内の接続不良を検出する、システム。
【請求項２】
前記変圧器は、
前記励起電位が一次コイルに印加されるように前記励起電位源に連結される、前記一次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第１の二次コイルで第１の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第１の二次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第２の二次コイルで第２の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第２の二次コイルと、
前記第１の二次コイルおよび第２の二次コイルのそれぞれに連結する分岐点とを備え、
前記バイアス電位源は、前記分岐点に連結されており、前記バイアス電位を前記分岐点に印加する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記変圧器は、
前記励起電位が一次コイルに印加されるように前記励起電位源に連結される、前記一次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第１の二次コイルで第１の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第１の二次コイルと、
前記励起電位の前記一次コイルへの前記印加が、第２の二次コイルで第２の誘発電位を誘発するように、前記一次コイルと近接して位置する、前記第２の二次コイルと、
前記第１の二次コイルに連結された第１のリード線と、
前記第２の二次コイルに連結された第２のリード線、とを備え、
前記バイアス電位が前記第１のリード線または前記第２のリード線に印加されるように、前記第１のリード線または前記第２のリード線の１つに連結される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記磁性部材の回転方向を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記磁性部材の直線変位を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記励起電位はＡＣ電位であり、前記バイアス電位はＤＣ電位である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記励起電位および前記バイアス電位はＡＣ電位である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記変圧器はシンクロを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記変圧器はレゾルバを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記変圧器は線形可変差動変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記変圧器は回転可変作動変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変圧器は５巻線変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記変圧器は４巻線変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月２２日に出願された、米国特許出願第１１／３１４，１６３号、発明の名称「接続不良を自己監視する位置検出システム」の利益を主張するものである。
【発明の技術分野】
【０００２】
本発明は変圧器内の接続不良を検出することに関する。
【発明の背景】
【０００３】
位置またはロケーションセンサーとして使用される変圧器が知られている。通常、そのような変圧器は、変圧器内に配置された磁性部材の位置によって変化する、１つ以上の出力電位を提供する。これらの出力から、磁性部材の変位（直線および／または回転）が決定され得る。
【０００４】
従来の変圧器において、接続不良（例えば短絡、断線等）が出力電位の生成に悪影響を及ぼすことがある。接続不良が、磁性部材の位置を決定する精度を低下させたり、あるいは磁性部材の位置決定を事実上すべて削除してしまう場合もある。そのような場合は、直線および／または回転変位を検出するためのかかる変圧器（例えばコントロールシステム等）を実装するシステム全体の機能性が、著しく損なわれる恐れがある。
【０００５】
桐山に対する米国特許出願公開第２００２／００３０４８４号は、ある接続不良検出機能を提供する位置測定デバイスを開示する。しかし、桐山の特許で開示されたデバイスは、いくつかの点において相対的に限定されている。
【０００６】
そのため、従来のシステムでは、変圧器間の出力電位の差に基づいて、そのうち１つの変圧器の出力電位を確認して接続不良を検出するために、２つ以上の変圧器が平行して使用される。しかし、この解決法は、システムが追加の変圧器（単数または複数）を収容するための空間および処理能力を必要とする。複数の変圧器を収容することは、システムの費用および複雑さを増加することになる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一実施形態は、接続不良を自己監視することのできる、位置を検出するためのシステムに関する。一実施形態において、システムは、変圧器、励起電位源、バイアス電位源、およびプロセッサを備える。変圧器は、移動自在に配置された磁性部材を含む。励起電位源は、励起電位を変圧器に印加するために変圧器に連結されており、その変圧器への励起電位の印加は、変圧器内の磁性部材の位置に依存する、少なくとも１つの誘発電位を誘発する。バイアス電位源は、バイアス電位を変圧器に印加するために、変圧器に連結される。プロセッサは、少なくとも１つの出力信号を受信するために変圧器に連結されており、その少なくとも１つの出力信号は、少なくとも１つの誘発電位を含む。プロセッサは、その少なくとも１つの誘発電位に基づいて磁性部材の位置を決定し、出力信号のバイアス電位の有無に基づいて変圧器内の接続不良を検出する。
【発明の詳細な説明】
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態によって、接続不良を自己監視することのできる、位置を検出するためのシステム１０を示す図である。システム１０は、線形可変差動変圧器１２、励起電位源１４、バイアス電位源１６、およびプロセッサ１８を含む。
【０００９】
本発明の一実施形態において、変圧器１２は、一次コイル２０、第１の二次コイル２２、第２の二次コイル２４、および磁性部材２６を含む。一次コイル２０は、励起電位（ＶE）が励起電位源１４によって一次コイル２０に印加されるように、励起電位源１４に電気的に連結される。第１および第２の二次コイル２２および２４は、励起電位を一次コイル２０に印加することによって、第１の二次コイル２２に第１の誘発電位（ＶA）を誘発し、第２の二次コイル２４に第２の誘発電位（ＶB）を誘発するように、一次コイル２０と近接して位置する。磁性部材２６は、一次コイル２０と二次コイル２２および２４との間に移動自在に配置される。分岐点２８は、第１の二次コイル２２および二次コイル２４を電気的に連結しており、それによって二次コイル２２と２４を互いに連結する。一実施形態において、分岐点２８もまた、バイアス電位（ＶC）を分岐点２８に印加するバイアス電位源１６に電気的に連結されている。その他の実施形態において、分岐点２８は、以下に説明されるように、代替の電位ソース／シンクに連結されてもよい。図１に示す実施形態において、第１のリード線３０は、第１の二次コイル２２をプロセッサ１８に電気的に連結し、第２のリード線３２は、第２の二次コイル２４をプロセッサ１８に電気的に連結する。その他の実施形態において、後に（例えば図７において）その一部を説明するが、第１のリード線３０または第２のリード線３２のうち、１本のみがプロセッサ１８に連結されてもよい。図１の実施形態において、第１のリード線３０は、第１の二次コイル２２から、第１の出力電位（ＶAA）を有するプロセッサ１８に出力信号を送信する。第２のリード線３２は、第２の二次コイル２４から、第２の出力電位（ＶBB）を有するプロセッサ１８に出力信号を送信する。第１および第２の出力電位ＶAAおよびＶBBは、数学的に次のように表現することができる。
【数１】
2009521691.tif 000024
【００１０】
図１に示す実施形態において、それぞれ第１の二次コイル２２および第２の二次コイル２４で誘発された電位ＶAおよびＶBは、磁性部材２６の位置に基づいて変化する。より具体的には、図１に示す実施形態のように、磁性部材２６が距離ｄの長さだけ線状に変位しているため、電位ＶAおよびＶBは、数学的に次のように表現することができる。
【数２】
2009521691.tif 000025
【００１１】
Ｎ／ＭはＶEとＶA（またはＶB）の間の電圧比を表し、ωは励起電位の周波数を表し、Ｋは比例定数を表し、ｔは時間を表す。
【００１２】
図１に示すとおり、プロセッサ１８は、位置決定モジュール３４および不良検出モジュール３６を含む。プロセッサ１８は、図１の実施形態における単一の構成要素として示されているが、その他の実施形態においては、プロセッサ１８は、有効なリンクを介して接続された複数のプロセッサを含むことがあることを理解されたい。ある時は、複数のプロセッサが単一のロケーションに集中して配置されてもよい。またある時は、１つ以上の複数のプロセッサが、互いに離れて配置されてもよい。複数のプロセッサの間にある有効なリンクは、有線または無線の通信リンクを含んでもよく、ネットワーク上に設置された、あるいは直接接続を介した、接続を含んでいてもよい。モジュール３４および３６の図は例示する目的で提供されること、また、各モジュールは、モジュール３４および３６に割り当てられた機能およびその他の機能性を果たす、１つ以上の構成要素を含んでもよいことをさらに理解されたい。モジュール３４および３６は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアとソフトウェアおよび／またはファームウェアの組み合わせ、およびその他の媒体として実装される構成要素を含んでもよい。
【００１３】
本発明の一実施形態において、位置決定モジュール３４は、二次コイル２２および２４に対する磁性部材２６の位置を決定する。位置決定モジュール３４は、第１および第２の出力電位ＶAAとＶBB（および／または二次コイル２２および２４に誘発された電位ＶAおよびＶB）の所定の関係を利用することができる。例えば、磁性部材２６の位置を決定するために、次の関係を使用してもよい。
【数３】
2009521691.tif 000026
【００１４】
ここでもまた、Ｋは比例定数であり、ｄは磁性部材２６が変位した距離である。この関係は、出力電位ＶAAとＶBBについて（方程式１および２を用いて）次のように表現することができる。
【数４】
2009521691.tif 000027
【００１５】
本発明の一実施形態において、不良検出モジュール３６は、変圧器１２内における不良（例えば短絡、断線等）を検出することができる。より具体的には、不良検出モジュール３６は、励起電位源１４と一次コイル２０の間、第１のリード線３０と第１の二次コイル２２の間、第１の二次コイル２２と分岐点２８の間、分岐点２８とバイアス電位源１６の間、分岐点２８と第２の二次コイル２４の間、および第２のリード線３２と二次コイル２４の間で、電気的接続における接続不良を検出することができる。変圧器１２内で起こり得る不良を検出するために、不良検出モジュール３６は、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号を監視して、各出力信号にバイアス電位が存在するかどうかを決定する。各信号にバイアス電位が存在する場合は、第１のリード線３０と第２のリード線３２の間に不良は存在しない。第１のリード線３０上の出力信号にバイアス電位が存在するが、第２のリード線３２上の出力信号には存在しない場合、バイアス電位源１６と第２のリード線３２の間に不良が存在する。第２のリード線３２上の出力信号にバイアス電位が存在するが、第１のリード線３０上の出力信号には存在しない場合は、バイアス電位源１６と第１のリード線３０の間に不良が存在する。どちらの出力信号にもバイアス電位が存在しない場合は、第１のリード線３０と第２のリード線３２の間のどこかに不良が存在する。両方の出力信号にバイアス電位が存在するが、そのどちらともが誘発電位を含まない場合、励起電位源１４と一次コイル２０の間に連結する電子回路に不良が存在する。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態によって構成された、システム１０の例である。図２の実施形態において、プロセッサ１８は、加算回路３８および差分回路４０を含む。加算回路３８および差分回路４０は、第１のリード線３０および第２のリード線３２に、それぞれ電気的に連結される。加算回路３８は、加算回路３８からの出力信号の電位が、出力電位ＶAAおよびＶBBの和を含む電位の和（ＶSUM）になるように、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号を加算する。より具体的には、ＶSUMは次のように表現すことができる。
【数５】
2009521691.tif 000028
【００１７】
差分回路４０は、差分電位（ＶDIFF）で信号を生成するために、第１のリード線３０上の出力電位ＶAから第２のリード線３２上の出力電位ＶBを差し引く。差分電位は次のように表現される。
【数６】
2009521691.tif 000029
【００１８】
加算回路３８および差分回路４０を介して出力信号を組み合わせることにより、磁性部材２６の位置を決定するためにプロセッサ１８が使用する方程式６を可能にする。簡略化するために、電位の和ＶSUMと差分電位ＶDIFFを次のように用いる。
【数７】
2009521691.tif 000030
【００１９】
図１および２に示す実施形態において、励起電位源１４はＡＣ電位源であり、バイアス電位源１６はＤＣ電位源である。これにより、不良検出という目的のために誘発電位ＶAおよびＶBをバイアス電位ＶCから分離するなど、様々な面においてシステム１０を改良することができる。しかし、本実施形態において、誘発電位ＶAおよびＶB、出力電位、またはその様々な組み合わせ（例えばＶSUMおよびＶDIFF）から磁性部材２６の位置を決定するためには、磁性部材２６の位置を決定するために、および／または、不良を検出するために使用される前に、様々な電位の一部またはすべてが復調されてもよい。後にその一部を記述するが、ソフトウェアツール、ハードウェア（例えば回路）、あるいはその組み合わせを使用して、様々な復調技術がプロセッサ１８によって、実行され得る。
【００２０】
一実施形態において、出力電位のような電位に、励起電位ＶEに比例し、かつ励起電位ＶEと同相である電位を乗じることができる。結果としてその積から、励起電位ＶEの周波数の２倍の周期を持つ電位、および周期的でない電位、という２つの電位が得られる。周期的な構成要素はその後廃棄されてもよく、非周期的な電位は更なるプロセスに使用されてもよい。例示する目的で、この復調技術が誘発電位ＶDIFFに対して次のように実行される。
【数８】
2009521691.tif 000031
【００２１】
これは次のように簡略化される。
【数９】
2009521691.tif 000032
【００２２】
誘発電位ＶDIFFを乗じた電位（ＶD）は、次のとおり数学的に表現される。
【数１０】
2009521691.tif 000033
【００２３】
Ｄは電位ＶDの振幅であり、ωは励起電位ＶEの周波数である。
【００２４】
一実施形態において、電位は同期サンプリングを経て復調される。より具体的には、当該電位を含む信号はｃｏｓ（ωｔ）＝１の時にサンプリングされる。これで、サンプリングした電位を復調するための処理をさらに行うことなく、計算および決定に電位の振幅が使用可能となる。
【００２５】
別の実施形態において、信号はプロセッサ１８内の復調回路を経て復調され得る。例えば、図３は、整流回路４２（回路４２ａ〜４２ｃとして図示される）が電位を復調して復調電位を生成するために使用されてもよい、システム１０の実施形態を示す。その後復調電位は、磁性部材２６の位置を決定するために、および／また変圧器１２内の接続不良を検出するために、プロセッサ１８内でさらに処理される。
【００２６】
図３の実施形態において、プロセッサ１８は加算回路３８を含むが、差分回路４０は含まない。本実施形態において、差分電位ＶDIFFは、電位ＶAAから電位ＶBBを差し引くことによって決定される。この構成においては、分岐点２８の、またその周辺に発生するすべての接続不良が、プロセッサ１８によって検出されるわけではない。特に、分岐点２８周辺の断線は、この構成において直ちに検出可能であるが、二次コイル２２と２４の間のショートはそうではない。しかし、図４は、二次コイル２２と２４の間のショートを直ちに検出できないことが回避される、システム１０の実施形態を示す。
【００２７】
図４で示す実施形態において、プロセッサ１８は差分回路４０を含み、二次コイル２２および２４は反対方向に巻かれているため、誘発電位ＶAおよびＶBは１８０度位相がずれている。誘発電位ＶAとＶBの間の位相シフトのために、差分回路４０によって得られた電位は電位の和ＶSUMとなり、プロセッサ１８内でさらなる処理を行うために使用される電位を、図３および４の実施形態における電位と同一にする。しかし、二次コイル２２と２４の間でショートが発生した場合には、誘発電位ＶAおよびＶBは破壊的に干渉し、プロセッサ１８によるショートの検出を簡素化する。
【００２８】
図３および４の実施形態において、バイアス電位ＶCは、ローパスフィルター４１を介して出力電位ＶAAおよびＶBBのうちの１つから抽出される。ローパスフィルター４１は、出力電位のＤＣ構成要素を抽出し、そのＤＣ構成要素は実質的にはバイアス電位ＶCである。抽出されたバイアス電位ＶCは、プロセッサ１８内で、磁性部材２６の位置を決定したり、変圧器１２内の接続不良を検出するなど、さらなる処理に使用される。
【００２９】
図５は、本発明の実施形態による、システム１０の別の構成を示す。図５で示す実施形態において、整流回路４２によって復調される前に誘発電位ＶAおよびＶBを得るために、バイアス電位は出力信号の１つから抽出され、その後各出力電位ＶAAおよびＶBBから１組の差分回路４４および４６によって差し引かれる。差分回路４７は、磁性部材２６の位置に非依存である差分電位ＶDIFFを得るために、出力電位ＶBBからＶAAを差し引く。出力電位ＶAAおよびＶBBが位相から互いに１８０度ずれるようにシステム１０が構成されている限り、ＶDIFFの振幅は、次の方程式で示されるように、変圧器１２内の接続不良がない状態で一定である。
【数１１】
2009521691.tif 000034
【００３０】
また、その他の実施形態において、システム１０は出力電位ＶAAおよびＶBBが互いに同相となるように構成されてもよく、接続不良のない状態で一定の振幅を有するＶDIFFを提供するために、次の関係が利用される。
【数１２】
2009521691.tif 000035
【００３１】
図５に示す実施形態において、ＶCおよびＶDIFFの両方が、プロセッサ１８内の変圧器１２における接続不良を意味する変化について監視される。
【００３２】
図６を見ると、本発明の一実施形態によるシステム１０が示されており、システム１０は図５で示される構成と実質上同一に配線されている。異なる点は、プロセッサ１８が、磁性部材２６の位置を決定するために位置決定モジュール３４を実行するＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ＡＤ５９８（特許出願中）のような、市販の既製品であるＬＶＤＴ／ＲＶＤＴ信号調整チップ４９を含んでいることである。出力信号はバイアス電位ＶCを除去するために信号調整チップにＡＣ連結される。その後信号調整チップは、システム１０にバイアスが存在しないものとして位置を計算することができる。図５の構成において行われたように、出力電位の１つから抽出されたバイアス電位ＶC、また上述したように、図５の構成の差分電位ＶDIFFに相当するＶDET、の２つの追加電位がこの構成において生成される。以前に説明したように、ＶBIASおよびＶDETの両方が、磁性部材２６の位置に依存することなく一定を保つことが予測され、変圧器１２の適切な動作を保障するために監視される。図６の実施形態と同様の別の実施形態において、図６で示される差分回路４０は、変圧器１２の位相整合が適切に行われることを条件として、ＶDETを生成する加算回路と置き換えられてもよい。 
図１〜６に示される実施形態は、５巻線変圧器を含んでいた。本発明はバイアス電位ＶCを他の位置検出変圧器に適用することも意図していることを理解されたい。例えば、図７は、５巻線変圧器１２の代わりに４巻線線形可変差動変圧器４８を含む、システム１０の実施形態を示す。変圧器４８の中には、変圧器１２に含まれるのと同様の構成要素に同じ参照番号が振られている。変圧器４８と変圧器１２の最も顕著な違いは、変圧器４８において、分岐点２８は第１の二次コイル２２および第２の二次コイル２４のそれぞれに電気的に連結されているが、分岐点２８は電位シンク（例えばアース）または電位ソース（例えばバイアス電位源１６）には連結されていないことである。システム１０内では、バイアス電位源１６は、バイアス電位ＶCを変圧器４８に印加するために、変圧器４８に第１のリード線３０で接続されている。第２のリード線３２の出力は、従って、バイアス電位ＶCと、誘発電位ＶAおよびＶBを含む。バイアス電位ＶCは第２のリード線３２上で出力信号から抽出され、この電位は変圧器４８内の接続不良を検出するために、プロセッサ１８によって監視される。図７で示される実施形態において、位置決定モジュール３４は、上述のチップ４９と同様であってもよい、信号調整チップ５０を含み、従来の復調スキームを適用する。第２のリード線３２に存在する出力信号は、バイアス電位ＶCを出力信号から除去するためにチップ５０にＡＣ連結される。
【００３３】
図８は、本発明の実施形態による、変圧器４８を含むシステム１０の別の構成を示す。図８に示される構成において、バイアス電位源１６はここでもまた第１のリード線３０上にある変圧器４８に印加されるが、図７で示される構成とは異なり、第１のリード線３０および第２のリード線３２上の出力信号はノイズ体制を強化するためにチップ５０にＡＣ連結される。
【００３４】
図９は、本発明の実施形態によるシステム１０の構成を示す。システム１０の構成は、図８で示す構成と同様であるが、バイアス電位源１６からバイアス電位ＶCを第１のリード線３０上に連結する受動回路網５２を含む。受動回路網５２は、ＤＣで低インピーダンスを有し、励起電位源１４の励起周波数で高インピーダンスを有する、電子回路網である。
【００３５】
上述した本発明の実施形態は、線形可変差動変圧器を含めて説明されるものであり、これは例示的な目的のみであって、本発明は、変圧器内の部材の位置を検出することのできる他の種類の変圧器においても、接続不良を検出するためにバイアス電位をかけることを意図することを理解されたい。例えば、本発明は、回転可変差動変圧器、シンクロ、レソルバを意図する。さらに、上記の実施形態に関する説明は、バイアス電位ＶCをＤＣ電位として開示してきているが、本発明の別の実施形態において、バイアス電位ＶCはＡＣ電位である。
【００３６】
これまで述べたように、本発明の実施形態が完全かつ有効的に達成されたことを理解されたい。前述の実施形態は、本発明の構造上および機能上の原則を例示するために提供されてきたものであり、限定されるべきものではない。反対に本発明は、添付の請求項に定義される本発明の趣旨および範囲内において、すべての修正、等価物、および代替例を網羅することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による、磁性部材の位置を検出するためのシステムの概略図である．
【国際調査報告】
2009521691.tif 000036
2009521691.tif 000037