(57)【要約】【課題】温度による励起コイルおよび出力コイルの誘導結合の変化の影響を受け難く、かつ／または電気接続の移動に依存しない、これらの要求の１つまたは複数に対処する空芯変圧器位置センサを提供する。【解決手段】空芯変圧器位置センサ１００は、励起信号により電気的に励起されるように構成される励起コイル１０２と、前記励起コイルの電気的励起に際して前記励起コイル（１０２）に誘導的に結合される出力コイル１０４と、電気的に短絡され、前記励起コイルおよび前記出力コイルに対して移動可能であり、前記励起コイルの電気的励起に際して前記励起コイルまたは前記出力コイルの少なくとも一方に誘導的に結合されるセンサコイル１０６と、を備える。出力コイルは複数の差動巻きコイル１０２を備える。前記励起コイルに結合され、前記励起コイルに励起信号を供給する働きをする信号源をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起信号により電気的に励起されるように構成される励起コイル（１０２）と、
前記励起コイル（１０２）の電気的励起に際して前記励起コイル（１０２）に誘導的に結合される出力コイル（１０４）と、
電気的に短絡され、前記励起コイル（１０２）および前記出力コイル（１０４）に対して移動可能であり、前記励起コイル（１０２）の電気的励起に際して前記励起コイル（１０２）または前記出力コイル（１０４）の少なくとも一方に誘導的に結合されるセンサコイル（１０６）と、
を備える空芯変圧器位置センサ（１００）。
【請求項２】
前記出力コイル（１０２）は複数の差動巻きコイル（１０２）を備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記励起コイル（１０２）に結合され、前記励起コイルに励起信号を供給する働きをする信号源をさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に位置センサに関し、より詳細には、空芯変圧器を使用して実現された、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）位置センサや回転可変差動変圧器（ＲＶＤＴ）位置センサなどの変圧器型位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
位置センサは様々なシステム、デバイス、および環境に含まれる。さらに、様々なタイプの位置センサがこれらの様々なシステム、デバイス、および環境に含まれるために開発されている。開発されている位置センサの１つの特定ジャンルは変圧器位置センサである。変圧器位置センサは一般に一次すなわち励起コイル、二次すなわち出力コイル、および可動透磁性コアを含む。励起コイルが励起信号で電気的に励起されると、出力コイルは励起コイルに誘導的に結合され、可動コアの位置に基づく出力信号を供給する。特に普及している１つのタイプの変圧器位置センサは、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）および回転可変差動変圧器（ＲＶＤＴ）を含む可変差動変圧器位置センサである。可変差動変圧器位置センサは励起コイル、出力コイル、および可動透磁性コアも含む。しかし、可変差動変圧器位置センサでは、励起コイルまたは出力コイルのいずれかが電気的に直列に結合される１対の差動巻きコイルのように構成される。
【０００３】
前述の変圧器位置センサは、一般に信頼性があり頑強であるが、いくつかの欠点がある。例えば、コアの透磁率、したがって励起コイルおよび出力コイルの誘導結合が温度とともにかなり変化する。さらに、キュリー温度として知られているある温度以上で、コアは磁気特性を全く失う。様々な空芯変圧器位置センサが温度によるコア透磁率の変化を緩和するために開発されているが、これらのセンサも欠点がある。特に、現在知られている空芯変圧器位置センサは、外部回路に電気的に接続される可動コイルに依存し、それにより全体として複雑さが増すことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、温度による励起コイルおよび出力コイルの誘導結合の変化の影響を受け難く、かつ／または電気接続の移動に依存しない変圧器型位置センサの必要がある。本発明はこれらの要求の１つまたは複数に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの例示的実施形態では、空芯変圧器位置センサは励起コイル、出力コイル、およびセンサコイルを含む。励起コイルは励起信号で電気的に励起されるように構成される。出力コイルは、励起コイルの電気的励起に際して励起コイルに誘導的に結合される。センサコイルは電気的に短絡され、励起コイルおよび出力コイルに対して移動可能であり、励起コイルの電気的励起に際して励起コイルまたは出力コイルの少なくとも一方に誘導的に結合される。
【０００６】
別の例示的実施形態では、空芯変圧器位置センサは信号源、励起コイル、出力コイル、およびセンサコイルを含む。信号源は励起信号を供給する働きをする。励起コイルは励起信号を受け取るように結合される。出力コイルは、励起信号による励起コイルの励起に際して励起コイルに誘導的に結合され、それによって出力信号を供給する。センサコイルは電気的に短絡され、励起コイルおよび出力コイルに対して移動可能であり、励起信号による励起コイルの励起に際して励起コイルまたは出力コイルの少なくとも一方に誘導的に結合され、それによって出力信号がセンサコイルの移動とともに変化する。
【０００７】
さらなる別の例示的実施形態では、空芯可変差動変圧器位置センサは励起コイル、複数の差動巻き出力コイル、およびセンサコイルを含む。励起コイルは励起信号で電気的に励起されるように構成される。差動巻き出力コイルの各々は、励起コイルの電気的励起に際して励起コイルに誘導的に結合される。電気的に短絡されたセンサコイルは励起コイルおよび出力コイルに対して移動可能であり、励起コイルの電気的励起に際して励起コイルまたは１つもしくは複数の出力コイルの少なくとも一方に誘導的に結合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
位置センサの他の望ましい特徴および特性は、添付図面に関連してなされる後続の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明白になるであろう。
以下に、本発明は図に関連して説明され、同様の番号は同様の要素を表す。
【０００９】
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、本発明または本発明の用途および使用を限定するものではない。さらに、先の背景技術または以下の詳細な説明で提示されたいかなる理論によっても拘束されるものではない。
【００１０】
図１を参照すると、空芯変圧器位置センサ１００の例示的実施形態の概略図が示され、励起（すなわち一次）コイル１０２、出力（すなわち二次）コイル１０４、およびセンサコイル１０６を含む。励起コイル１０２は励起信号源１０８からの励起信号を受け取るように構成される。実際は、図１では、励起コイル１０２は励起信号源１０８に結合されることが示され、したがって、励起信号源１０８から供給された励起信号によって電気的に励起される。出力コイル１０４は、励起コイル１０２が電気的に励起されるとき、励起コイル１０２に誘導的に結合されるように配置される。その結果、励起コイル１０２が励起信号で電気的に励起されると、出力コイル１０４は図示されていない負荷に出力信号を供給する。励起コイル１０２と出力コイル１０４との相対的配置は変わることができるが、特定の好ましい実施形態では、出力コイル１０４が励起コイル１０２を囲むかまたは少なくとも部分的に囲んだ状態で、コイル１０２、１０４は同心的に配置される。
【００１１】
センサコイル１０６は電気的に短絡され、かつセンサコイル１０６は、励起コイル１０２が電気的に励起されるとき、励起コイル１０２または出力コイル１０４の少なくとも一方に誘導的に結合されるように配置される。特定の好ましい実施では、センサコイル１０６は、励起コイル１０２および出力コイル１０４の両方に誘導的に結合されるように配置される。それにもかかわらず、図１が方向矢印１１２によってさらに示すように、センサコイル１０６は励起コイル１０２および出力コイル１０４に対してさらに移動可能である。その結果、センサコイル１０６の移動により、出力コイル１０４から供給される出力信号に変化が生じる。励起コイル１０２と出力コイル１０４との相対的配置と同様に、センサコイル１０６と励起コイル１０２および出力コイル１０４との相対的配置は変わることができる。実際は、空芯変圧器位置センサ１００の２つの例示的変形が簡単化された概略図形態で図２および３に示され、次に簡単に説明される。
【００１２】
図２および３に示された変形の両方において、空芯変圧器位置センサ１００は、内側コイル２０２、その内側コイル２０２を囲む（または少なくとも部分的に囲む）外側コイル２０４、および内側コイル２０２とその内側コイル２０２を囲む（または少なくとも部分的に囲む）外側コイル２０４との間に配置された中間コイル２０６で実現される。図２では、励起コイル１０２は内側コイル２０２であり、出力コイル１０４は外側コイル２０４であり、センサコイル１０６は中間コイル２０６である。しかし、図３では、励起コイル１０２は中間コイル２０６であり、出力コイル１０４は前と同様に外側コイル２０４であり、センサコイル１０６は内側コイル２０２である。
【００１３】
図２および３に示された実施形態に従って実現された空芯変圧器位置センサ１００の性能が測定されており、それぞれ図４および５にグラフで示される。図４に示された性能は、励起コイル１０２が０．３８６インチ（９．８０ｍｍ）のコイル形態でＡＷＧ３６銅線を１０００ターン巻かれ、出力コイル１０４が０．８２インチ（２０．８ｍｍ）のコイル形態のＡＷＧ３６銅線の１０００ターンであり、センサコイルが０．５０インチ（１２．７ｍｍ）のコイル形態のＡＷＧ３６銅線の１０００ターンである空芯変圧器位置センサ１００に対するものである。図５に示された性能は、励起コイル１０２が０．５０インチ（１２．７ｍｍ）のコイル形態でＡＷＧ３６銅線を１０００ターン巻かれ、出力コイル１０４が０．８２インチ（２０．８ｍｍ）のコイル形態のＡＷＧ３６銅線の１０００ターンであり、センサコイルが０．３８６インチ（９．８０ｍｍ）のコイル形態のＡＷＧ３６銅線の１０００ターンである空芯変圧器位置センサ１００に対するものである。両方の例において、励起コイル１０２は、３ｋＨｚ、１．０ボルトの励起信号で電気的に励起された。これらの構成が、空芯変圧器センサ１００を実現するために使用することができる多数の構成のうちの単なる例示であることが理解されよう。
【００１４】
次に図６に移り、空芯線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）位置センサ６００の例示的実施形態の概略図が示され説明される。ＬＶＤＴセンサ６００は、励起コイル６０２、複数の差動巻き出力コイル６０４−１、６０４−２、およびセンサコイル６０６を含む。励起コイルは励起信号で電気的に励起されるように構成される。前述の実施形態と同様の励起コイル６０２は励起信号源６０８からの励起信号を受け取るように構成される。また、図６では、励起コイル６０２は励起信号源６０８に結合されることが示され、したがって、励起信号源６０８から供給された励起信号によって電気的に励起される。
【００１５】
差動巻き出力コイル６０４−１、６０４−２は、励起コイル６０２が電気的に励起されるとき、差動巻き出力コイル６０４−１、６０４−２の各々が励起コイル６０２に誘導的に結合されるように配置される。その結果、励起コイル６０２が励起信号で電気的に励起されると、出力コイル６０４−１、６０４−２は図示されていない負荷に出力信号を供給する。前述の実施形態と同様に、励起コイル６０２と出力コイル６０４−１、６０４−２との相対的配置は変わることができるが、特定の好ましい実施形態では、出力コイル６０４−１、６０４−２が励起コイル６０２を囲むかまたは少なくとも部分的に囲んだ状態で、励起コイル６０２および出力コイル６０４−１、６０４−２は同心的に配置される。図示された実施形態は２つの出力コイル６０４−１、６０４−２を用いて実現されているが、センサ６００は必要または要望に応じてこの数よりも多い出力コイルを用いて実現することができることが理解されよう。
【００１６】
センサコイル６０６は、電気的に短絡されるという点で前述のセンサコイル１０６と実質的に同様に構成される。さらに、センサコイル６０６は、励起コイル６０２が電気的に励起されるとき、励起コイル６０２または出力コイル６０４−１、６０４−２の少なくとも一方に誘導的に結合されるように配置される。特定の好ましい実施では、センサコイル６０６は、励起コイル６０２および出力コイル６０４−１、６０４−２の両方に誘導的に結合されるように配置される。方向矢印６１２によってさらに示されるように、センサコイル６０６はさらに励起コイル６０２および出力コイル６０４−１、６０４−２に対して移動可能である。その結果、センサコイル６０６の移動により、出力コイル６０４から供給される出力信号に変化が生じる。励起コイル６０２と出力コイル６０４−１、６０４−２との相対的配置と同様に、センサコイル６０６と励起コイル６０２および出力コイル６０４−１、６０４−２との相対的配置は変わることができる。空芯ＬＶＤＴ位置センサ６００の２つの例示的変形が簡単化された概略図形態で図７および８に示され、次に簡単に説明される。
【００１７】
図７および８に示された空芯ＬＶＤＴ位置センサ６００の変形は、前述の変形のように、各々内側コイル７０２、その内側コイル７０２を囲む（または少なくとも部分的に囲む）複数の外側コイル７０４（例えば７０４−１、７０４−２）、および内側コイル７０２とその内側コイル７０２を囲む（または少なくとも部分的に囲む）外側コイル７０４との間に配置された中間コイル７０６を用いて実現される。図７では、励起コイル６０２は中間コイル７０６であり、出力コイル６０４−１、６０４−２は外側コイル７０４であり、センサコイル６０６は内側コイル７０２である。しかし、図８では、励起コイル６０２は内側コイル７０２であり、出力コイル６０４−１、６０４−２は前と同様に外側コイル７０４であり、センサコイル６０６は中間コイル７０６である。
【００１８】
図７に示された実施形態に従って実現された空芯ＬＶＤＴ位置センサ６００の性能が測定されており、図９および１０にグラフで示される。これらのグラフに示された位置は、差動コイルの中間点に対するセンサコイルの相対位置である。これらの性能データが得られた特定のＬＶＤＴ位置センサ７００は図１１〜１３に示された巻線方式に従って構成されている。この方式が、ＬＶＤＴセンサ７００を実現するために使用することができる多数の方式および構成のうちの任意のものの単なる例示であることが理解されよう。図１１に示されるように、励起コイル６０２は、６．０インチ（１５２ｍｍ）長で０．４３７インチ（１１．１ｍｍ）外径のセラミック管１１０２上に９６０ターンの２つの層を用いて各々ＡＷＧ３６銅線を使用して巻かれる。励起コイル６０２の長さは５．７５インチ（１４６ｍｍ）である。図１２に示されるように、差動巻き出力コイル６０４−１、６０４−２は各々６．０インチ（１５２ｍｍ）長で０．７５インチ（１９．０ｍｍ）外径のセラミック管１２０２上にＡＷＧ３６銅線の２６５ターンの４つの層を用いて巻かれる。出力コイル６０４−１、６０４−２は各々約１．７５インチ（約４４．４ｍｍ）の長さであり、コイル直径と等しい約０．７５インチ（約１９．０ｍｍ）だけ離れている。図１３に示されるセンサコイル６０６は、６．０インチ（１５２ｍｍ）長で０．２１９インチ（５．５６ｍｍ）外径のセラミック管１３０２上にＡＷＧ３６銅線の３６５ターンの４つの層で巻かれる。センサコイル６０６の長さは約２．２５インチ（約５７．１ｍｍ）である。
【００１９】
前述のことに加えて、図９および１０に示された性能は図１４に概略的に示される試験セットアップ構成１４００を使用して測定されたことに留意されたい。この構成で、励起信号源７０８は３ｋＨｚ、３．６ボルトの励起信号を励起コイル７０２に供給する。さらに、最大出力電圧を確実にするために励起コイル７０２と出力コイル７０４−１、７０４−２との間の相対位相を調整できるように、ロックイン増幅器１４０２が励起コイル７０２および出力コイル７０４−１、７０４−２に結合される。したがって、図９に示された性能データは、励起コイル７０２と出力コイル７０４−１、７０４−２との間の相対位相の差が零の場合のものであり、図１０に示された性能データは、励起コイル７０２と出力コイル７０４−１、７０４−２との間の相対位相の差が４５度の場合のものであることに留意されたい。
【００２０】
前述のセンサ７００はＬＶＤＴ位置センサとしての構成に限定されないことが理解されよう。例えば、図１５に示されるように、センサは回転差動変圧器（ＲＶＤＴ）位置センサ１５００として実現することができる。ＲＶＤＴ位置センサ１５００は、図７に示されたセンサ７００の同様の部品に対して同様の参照番号を使用して示されていることに留意されたい。主な違いは、センサコイル７０６が励起コイル７０２およびに出力コイル７０４−１、７０４−２に対して回転方式１５０２で移動可能であることである。
【００２１】
本明細書で説明された位置センサは、現在知られている変圧器型センサと比較して、温度による励起コイルおよび出力コイルの誘導結合の変化の影響を極めて受けにくい。位置センサはさらに電気接続の移動に依存せず、したがって現在知られている変圧器型センサよりも比較的信頼性が高い。
【００２２】
少なくとも１つの例示的実施形態が本発明の先の詳細な説明で提示されたが、膨大な数の変形があることが理解されるべきである。１つの例示的実施形態または複数の例示的実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、適用性、または構成を決して限定するものではないことも理解されるべきである。むしろ、先の詳細な説明は、本発明の例示的実施形態を実施するのに当業者に便利なロードマップを提供するであろう。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、例示的実施形態で説明された要素の機能および構成に様々な変更を加えることができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による空芯変圧器位置センサの例示的実施形態の概略図である。
【図２】図１のセンサを実現するために使用することができるコイルの物理的配置の簡単化された図である。
【図３】図１のセンサを実現するために使用することができるコイルの物理的配置の簡単化された図である。
【図４】図２に示したように構成された例示的センサの性能を示すグラフである。
【図５】図３に示したように構成された例示的センサの性能を示すグラフである。
【図６】本発明による空芯線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）位置センサの例示的実施形態の概略図である。
【図７】図６のＬＶＤＴを実現するために使用することができるコイルの相対的な物理的配置の簡単化された図である。
【図８】図６のＬＶＤＴを実現するために使用することができるコイルの相対的な物理的配置の簡単化された図である。
【図９】図７に示されるように構成された例示的なＬＶＤＴの性能を示すグラフである。
【図１０】図７に示されるように構成された例示的なＬＶＤＴの性能を示すグラフである。
【図１１】図７に従って例示的なＬＶＤＴセンサを実現するコイルの例示的な巻線方式の簡単化された概略図である。
【図１２】図７に従って例示的なＬＶＤＴセンサを実現するコイルの例示的な巻線方式の簡単化された概略図である。
【図１３】図７に従って例示的なＬＶＤＴセンサを実現するコイルの例示的な巻線方式の簡単化された概略図である。
【図１４】図９および１０に示された性能データを検出するための試験セットアップの概略図である。
【図１５】本発明による空芯回転可変差動変圧器（ＲＶＤＴ）位置センサの例示的実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００  空芯変圧器位置センサ
１０２  励起コイル
１０４  出力コイル
１０６  センサコイル
１０８  励起信号源
２０２  内側コイル
２０４  外側コイル
２０６  中間コイル
６００  空芯線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）位置センサ
６０２  励起コイル
６０４−１、６０４−２  差動巻き出力コイル
６０６  センサコイル
６０８  励起信号源
７００  ＬＶＤＴ位置センサ
７０２  内側コイル（励起コイル）
７０４  外側コイル
７０４−１、７０４−２  出力コイル
７０６  中間コイル（センサコイル）
７０８  励起信号源
１１０２  セラミック管
１２０２  セラミック管
１３０２  セラミック管
１４０２  ロックイン増幅器
１５００  回転差動変圧器（ＲＶＤＴ）位置センサ
【図１】
2008283185.tif 000003
【図２】
2008283185.tif 000004
【図３】
2008283185.tif 000005
【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】
2008283185.tif 000013
【図１２】
2008283185.tif 000014
【図１３】
2008283185.tif 000015
【図１４】
2008283185.tif 000016
【図１５】
2008283185.tif 000017
【外国語明細書】
2008283185000001.pdf