(57)【要約】      （修正有）【課題】無線周波数で動作し、正確な測定値を検出するセンサデバイスおよびそこで使用するアンテナを提供する。【解決手段】無線周波数で動作する感知デバイスで使用するために構成されたセンサヘッド２０２であって、センサヘッド２０２は非平面アンテナを備える。センサヘッド２０２は、そのセンサヘッド２０２をデータ導管に接続するための手段をさらに含み得る。非平面アンテナは、無線周波数スペクトル内の所定の共振周波数を有するように構成され得る。【選択図】図１
2013255228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数で動作する感知デバイス内で使用するために構成されたセンサヘッドであって、非平面アンテナを備える、センサヘッド。
【請求項２】
前記センサヘッドをデータ導管に接続するための手段をさらに備える、センサヘッドであって、
前記非平面アンテナが、前記無線周波数スペクトル内の所定の共振周波数を有するように構成された、請求項１記載のセンサヘッド。
【請求項３】
前記センサヘッドがグランドプレーンをさらに備え、
接続のための前記手段が、前記非平面アンテナを前記データ導管に電気的に接続するように構成されたコネクタを備え、
前記非平面アンテナが、有意の距離前記コネクタから軸方向に伸びるアンテナを備える、
請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項４】
前記非平面アンテナが、前記データ導管の終端点を越えて軸方向に伸びるものを備える、請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項５】
前記非平面アンテナが、単極アンテナを備える、請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項６】
前記単極アンテナが、前記コネクタから実質的線形経路に沿って軸方向に伸びる極構造体を含む、請求項５記載のセンサヘッド。
【請求項７】
前記単極アンテナが、前記コネクタに隣接して存在する近端と、前記近端の反対側の遠端とを備え、
グランドプレーンが前記単極アンテナの前記近端に配置された、
請求項６記載のセンサヘッド。
【請求項８】
前記グランドプレーンが、前記単極アンテナと放射状に整列した円板を備え、
前記センサヘッドが、前記グランドプレーンの前記円板よりも小さい円板を備えた寄生要素をさらに備え、
前記寄生要素が、前記単極アンテナおよび前記グランドプレーンと放射状に整列させられ、
前記寄生要素が、前記単極アンテナの前記遠端に向けて短距離前記グランドプレーンから軸方向にオフセットされた、
請求項７記載のセンサヘッド。
【請求項９】
前記非平面アンテナが、軸方向に伸びるグランドプレーンと、前記軸方向に伸びるグランドプレーンの遠い方の表面から所定の距離軸方向にオフセットされた螺旋平面アンテナとを備える、請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項１０】
前記軸方向に伸びるグランドプレーンが、前記導管と放射状に整列する円筒形を備え、
前記軸方向に伸びるグランドプレーンが、前記コネクタの近くに位置付けられた平面である近い側と、前記円筒形上の前記近い側と反対の平面である遠い側とを備え、
前記近い側から、前記軸方向に伸びるグランドプレーンが、それが前記遠い側で終わる所まで軸方向に外側に伸びた、
請求項９記載のセンサヘッド。
【請求項１１】
前記螺旋平面アンテナが、一対の離散的螺旋状アームを有する平面ディスク外形を備え、
前記螺旋平面アンテナが、前記軸方向に伸びるグランドプレーンの前記遠い側とほぼ平行に配列され、
前記軸方向に伸びるグランドプレーンが、エネルギバンドギャップ構造体として構成された、
請求項１０記載のセンサヘッド。
【請求項１２】
前記軸方向に伸びるグランドプレーンが、前記近い側に位置付けられた連続グランドプレーンと、前記遠い側に位置付けられた不連続グランドプレーンとを含み、
前記連続グランドプレーンが、前記軸方向に伸びるグランドプレーンのすべての前記近い側を実質的にカバーする金属シートを備え、
前記不連続グランドプレーンが、前記遠い側の面に含まれた、他のパッチの各々から各パッチを分離するギャップを有する、複数の離散的パッチを備え、
前記複数のパッチの各々が、前記連続グランドプレーンと前記パッチの間に軸方向に伸びるビアによって、前記連続グランドプレーンに接続された、
請求項１０記載のセンサヘッド。
【請求項１３】
前記非平面アンテナが、ヘリカルアンテナを備える、請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項１４】
前記ヘリカルアンテナが、前記コネクタから軸方向に伸びるヘリコイド外形を備える、請求項１３記載のセンサヘッド。
【請求項１５】
前記ヘリカルアンテナが、ほぼ円形断面形状と、所望の共振周波数に対応する所定のピッチを有する所定の数のターンを備える、請求項１４記載のセンサヘッド。
【請求項１６】
前記ヘリカルアンテナが、前記導管から放射状にオフセットされ、
前記センサヘッドがグランドプレーンをさらに備え、前記グランドプレーンが前記ヘリカルアンテナと整列するように、前記導管から放射状にオフセットされた、
請求項１４記載のセンサヘッド。
【請求項１７】
前記非平面アンテナが、複数の極アンテナを備える多極アンテナを備える、請求項２記載のセンサヘッド。
【請求項１８】
前記グランドプレーンが、前記コネクタに近接して置かれ、
前記センサヘッドが、支持構造体によって短距離前記グランドプレーンから軸方向に外側にオフセットされた、寄生要素をさらに備え、
前記複数の極アンテナの各々が、前記寄生要素の遠い側から軸方向に外側に伸びた、
請求項１７記載のセンサヘッド。
【請求項１９】
前記多極アンテナが、中央極および前記中央極の周りに間隔を置いた周囲極を有して配列された３つより多い極を含み、
前記複数の極アンテナの各々が、ほぼ同じ長さを有し、互いに実質的に平行である、
請求項１８記載のセンサヘッド。
【請求項２０】
構成要素を感知するための無線周波数で動作する感知デバイスであって、
前記構成要素が電磁場と相互作用するときに、ローディングが前記非平面アンテナに誘導される、無線信号から電磁場を生成する非平面アンテナを備える、センサヘッドと、
前記ローディングを表す少なくとも１つのローディング信号が、前記非平面アンテナからの前記データ導管内で反映される、前記センサヘッドに連結された、データ導管と、
前記少なくとも１つのローディング信号を受信し、かつ前記構成要素を監視する際に使用するための電気出力を生成するように構成された、信号処理デバイスと
を備える、感知デバイス。
【請求項２１】
前記信号処理デバイスが、前記ローディング信号に基づいて前記非平面アンテナへの前記構成要素の近接を測定するようにさらに構成され、
前記電気出力が、前記構成要素の近接測定値に実質的に比例する、
請求項２０記載の無線周波数で動作する感知デバイス。
【請求項２２】
前記非平面アンテナが、前記無線スペクトル内の共鳴周波数を含み、
前記無線信号が、前記非平面アンテナの前記共鳴周波数と実質的に等しい、
請求項２１記載の無線周波数で動作する感知デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して電力システムに関し、より詳細には、無線周波数で動作するセンサデバイスおよびそこで使用するためのアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
知られている機械は、動作中に振動および／または他の異常な動きを示すことがある。１つまたは複数のセンサは、そのような動きを測定および／または監視するために、かつ／または、たとえば、機械駆動軸で示される振動の量、機械駆動軸の回転速度、および／または、動作する機械またはモータの任意の他の動作特性を、判定するために使用することができる。しばしば、そのようなセンサは、複数のモニタを含む機械監視システムに連結される。その監視システムは、１つまたは複数のセンサから信号を受信し、その信号に少なくとも１つの処理ステップを実行し、ユーザに測定値を表示する診断プラットフォームに修正された信号を送信する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０１２６８２９号明細書
【発明の概要】
【０００４】
少なくともいくつかの知られている機械は、渦電流センサを使用して機械構成要素での振動および／またはその位置を測定する。しかし、知られている渦電流センサの使用は、そのようなセンサの検出範囲が渦電流感知要素の幅の約半分に過ぎないため、限定され得る。他の知られている機械は、光学センサを使用して機械構成要素の振動および／または位置を測定する。しかし、知られている光学センサは、汚染物質によって汚され、不正確な測定値を提供することがあり、そして、そのため、産業環境には不適当であることがある。さらに、知られている光学センサは、液体媒質および／または微粒子を含む媒体を介する機械構成要素の振動および／または位置の検出には適していないことがある。そのため、改良された性能特性を提供するこのタイプのセンサが必要とされている。
【０００５】
一態様では、本特許出願は、無線周波数で動作する感知デバイスで使用するために構成されたセンサヘッドについて説明し、センサヘッドは、非平面アンテナを備える。センサヘッドは、そのセンサヘッドをデータ導管に接続するための手段をさらに含み得る。その非平面アンテナは、無線周波数スペクトル内の所定の共振周波数を有するように構成され得る。
【０００６】
もう１つの態様で、本特許出願は、構成要素を感知するための無線周波数で動作する感知デバイスについて説明する。感知デバイスは、構成要素が電磁場と相互作用するときにローディングが前記非平面アンテナに誘導される、無線信号から電磁場を生成する非平面アンテナを備える、センサヘッドと、ローディングを表す少なくとも１つのローディング信号が前記非平面アンテナからそのデータ導管内で反映される、センサヘッドに連結された、データ導管と、その少なくとも１つのローディング信号を受信するようにおよび構成要素を監視する際に使用するための電気出力を生成するように構成された信号処理デバイスとを含み得る。
【０００７】
本願のこれらのおよび他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲とともに、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を検討することで明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願の態様によるセンサシステムを有する例示的電力システムのブロック図である。
【図２】図１に示すセンサシステムをより詳細に示す図である。
【図３】図２に示すセンサシステムと使用することができる平面アンテナの正面図である。
【図４】図３の平面アンテナの透視図である。
【図５】図２に示すセンサシステムと使用することができる例示的非平面アンテナの透視図である。
【図６】図５に示す非平面アンテナの側面図である。
【図７】図２に示すセンサシステムと使用することができるもう１つの例示的非平面アンテナの透視図である。
【図８】図７に示す非平面アンテナの側面図である。
【図９】図２に示すセンサシステムと使用することができるもう１つの例示的非平面アンテナの側面図である。
【図１０】図２に示すセンサシステムと使用することができるもう１つの例示的非平面アンテナの透視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、機械１０２を含む例示的電力システム１００を示す。機械１０２は、風力タービン、水力発電タービン、ガスタービン、またはコンプレッサでもよいが、これらに限定されない。別法として、機械１０２は、電力システムで使用される任意の他の機械でもよい。本例示的ケースで、機械１０２は、発電機など、ロード１０６に連結された駆動軸１０４を回転させる。駆動軸１０４は、機械１０２内および／またはロード１０６内に収容された１つまたは複数の軸受（図示せず）によって支えることができる。別法としてまたは追加で、その軸受は、ギアボックスなどの別個の支持構造体１０８内に、または電力システム１００が本明細書に記載するように機能できるようにする任意の他の構造体または構成要素内に収容され得る。
【００１０】
電力システム１００は、機械１０２、駆動軸１０４、ロード１０６、および／または、電力システム１００の任意の他の適切な構成要素の少なくとも１つの動作状態を測定および／または監視する、少なくとも１つのセンサシステム１１０をさらに含む。図示するように、センサシステム１１０は、信号処理デバイス２００、および、それから離れた、たとえばデータ導管２０４を介して信号処理デバイス２００に接続され得る、センサヘッド２０２を含み得る。センサシステム１１０は、駆動軸１０４とセンサヘッド２０２の間に規定された距離を測定および／または監視するように構成された、駆動軸１０４の近くに置かれたセンサヘッド２０２を有する、近接センサである。本発明の一態様によれば、センサシステム１１０は、無線周波数で動作する感知デバイスである。本明細書では、「無線周波数で動作する感知デバイス」という用語は、本明細書と、これによりこれらのすべてを、その内容全体で、本願に明示的に組み込む、同一出願人による米国特許出願第１２／２５２４３５号（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｃｋｅｔ第２２９５０９号）、米国特許出願第１２／３８８０８８号（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｃｋｅｔ第２２９６６６号）、および米国特許出願第１２／９５１４３２号（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｃｋｅｔ第２４６１１２号）に記載されたそれらの近接感知デバイスとして規定される。概して、無線周波数で動作する感知デバイスは、その感知デバイスまたは感知デバイスのセンサヘッドに関する電力システム１００の構成要素の、静的および／または振動近接など、近接を測定するために、マイクロ波を含み得る無線周波数信号または無線信号を使用する。本明細書では、「無線周波数」という用語は、約３００メガヘルツ（ＭＨｚ）と約３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の１つまたは複数の周波数を有する信号を受信および／または送信する無線または電気信号または構成要素を指し、そして、「マイクロ波」は、０．００１から１メートルの範囲の波長を有する無線周波数内の波を指す。
【００１１】
センサシステム１１０は、必要に応じて、電力システム１００の任意の他の構成要素の位置を測定および／または監視することができることが、理解されよう。図１の例示的ケースでは、センサヘッド２０２は、駆動軸１０４に近接する電力システム１００内の所望の位置に置くことができる。動作中、機械１０２は、駆動軸１０４などの電力システム１００の１つまたは複数の構成要素に少なくとも１つのセンサシステム１１０に対する位置を変えさせることがある。たとえば、振動がその構成要素に誘導されることがある、そして／あるいは、電力システム１００内の動作温度が変わるにつれて、構成要素が拡張または収縮することがある。図１の例示的ケースで、センサシステム１１０は、各センサヘッド２０２に関するその構成要素の近接および／または位置を測定および／または監視する。
【００１２】
図２は、図１に概略的に表されたセンサシステム１１０のより詳細な描写を提供する。図示するように、センサシステム１１０は、信号処理デバイス２００、および、それから離れたセンサヘッド２０２を含む。センサヘッド２０２は、データ導管２０４を介して信号処理デバイス２００に接続され得る。以下にさらに詳しく論じるように、センサヘッド２０２は、「アンテナ」または「アンテナ２０６」と本明細書で称されることになる、無線周波数信号を放出するための構造体を含む。アンテナ２０６は、センサヘッドハウジング２０８に連結され得るおよび／またはこの中に置かれ得る。アンテナ２０６は、無線周波数範囲内の少なくとも１つの共鳴周波数を有するように構成される。
【００１３】
例示的一ケースでは、前述の組み込まれた出願にさらに詳しく論じられるように、信号処理デバイス２００は、送信電力検出器２１２に、受信電力検出器２１４に、および、信号調整デバイス２１６に連結された、方向性結合デバイス２１０を含む。信号調整デバイス２１６は、信号発生器２１８、減算器２２０、およびリニアライザ２２２を含む。無線周波数信号がアンテナ２０６を介して送信されるときに、アンテナ２０６は電磁場２２４を放出することが理解されよう。
【００１４】
動作中、信号発生器２１８は、アンテナ２０６の共鳴周波数と等しいまたはほぼ等しい無線周波数を有する少なくとも１つの電気信号（以下、「無線信号」と称する）を生成することができる。信号発生器２１８は、方向性結合デバイス２１０に無線信号を送信する。方向性結合デバイス２１０は、次いで、その無線信号を送信電力検出器２１２におよびアンテナ２０６に送信する。その無線信号がアンテナ２０６を介して送信されるとき、電磁場２２４がアンテナ２０６から放出されることが理解されよう。駆動軸１０４または機械１０２のもしくは電力システム１００の別の構成要素などの物体が電磁場２２４内の相対位置に入るおよび／または相対位置を変える場合、電磁結合がその物体と場２２４の間に生じ得る。さらに具体的には、電磁場２２４内の物体の存在のため、および／または、そのような物体の動きのため、電磁場２２４は、たとえば、電磁場２２４の少なくとも一部を電流および／または電荷として物体に誘導的におよび／または容量的に連結させることができる物体内で誘導された誘導および／または容量効果のため、分断され得る。そのような一例で、アンテナ２０６は、デチューンされ（すなわち、アンテナ２０６の共鳴周波数が低減および／または変更される）、そして、ローディングがアンテナ２０６に誘導される。アンテナ２０６に誘導されたローディングは、無線信号の反映（以下、「デチューンされたローディング信号」と言う）をデータ導管２０４を介して方向性結合デバイス２１０に送信させる。本例示的実施形態では、デチューンされたローディング信号は、より低い電力振幅、ならびに／または、その電力振幅および／もしくはその無線信号の位相とは異なる位相を有する。さらに、本例示的実施形態では、デチューンされたローディング信号の電力振幅は、アンテナ２０６へのその物体の近接に依存する。方向性結合デバイス２１０は、そのデチューンされたローディング信号を受信電力検出器２１４に送信する。
【００１５】
本例示的実施形態では、受信電力検出器２１４は、そのデチューンされたローディング信号に基づいてかつ／またはその中に含まれる電力の量を判定し、デチューンされたローディング信号電力を表す信号を信号調整デバイス２１６に送信する。さらに、送信電力検出器２１２は、その無線信号に基づいてかつ／またはその中に含まれる電力の量を判定し、その無線信号電力を表す信号を信号調整デバイス２１６に送信する。本例示的実施形態では、減算器２２０は、その無線信号電力およびデチューンされたローディング信号電力を受信し、その無線信号電力とそのデチューンされたローディング信号電力の差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下、「電力差信号」という）をリニアライザ２２２に送信する。本例示的実施形態では、電力差信号の振幅は、電磁場２２４内の、駆動軸１０４など、物体とセンサヘッド２０２および／またはアンテナ２０６の間に規定された距離２２６に、逆にまたは指数関数的に比例するなど、比例する（すなわち、距離２２６によって、物体が近接していることが示される）。たとえば、アンテナ２０６のジオメトリなど、アンテナ２０６の特性に応じて、電力差信号の振幅は、物体近接に対して非直線関係を少なくとも部分的に示し得る。
【００１６】
本例示的実施形態では、リニアライザ２２２が、物体近接と近接測定信号の振幅の間の実質的な直線関係を示す電圧出力信号（すなわち、「近接測定信号」）にその電力差信号を変換する。さらに、本例示的実施形態では、リニアライザ２２２は、診断システム内の処理および／または分析に適したスケール因子で診断システム（図示せず）に近接測定信号を送信する。本例示的実施形態では、その近接測定信号は、ボルト／ミリメートルのスケール因子を有する。別法として、その近接測定信号は、診断システムおよび／または電力システム１００を本明細書に記載するように機能させることができる任意の他のスケール因子を有し得る。
【００１７】
図３は、例示的平面アンテナ２０６およびセンサヘッド２０２内で使用することができる本体３００の正面図である。図４は、例示的本体３００、および、センサヘッド２０２と使用することができるデータ導管２０４の透視図である。本例示的実施形態では、本体３００は、センサヘッドハウジング２０８（図２に示す）内におよび／またはそこに連結されて置かれる。平面アンテナ２０６は、本体３００に連結され得る。
【００１８】
図３および４に示すように、本例示的実施形態では、本体３００は、前面３０２および反対の後面３０４を含む。アンテナ２０６は、図３および４の例示的実施形態では、前面３０２に連結され、前面３０２の中央３０６から外側に放射状に伸びる。さらに具体的には、本例示的実施形態では、本体３００は、実質的に平面のプリント基板であり、そして、アンテナ２０６は、本体３００の前面３０２と一体に形成された、および／またはそれに連結された、１つまたは複数のトレースまたは導体３０８を含む。別法として、アンテナ２０６および／または本体３００は、センサシステム１１０が本明細書に記載するように機能できるようにする任意の他の配列で構成および／または構築され得る。本例示的実施形態では、図示するように、アンテナ２０６の導体３０８は、中央３０６から外へ放射状に各々伸びる第１のアーム３１０および第２のアーム３１２を形成する。第１のアーム３１０は、中央３０６の最も近くに位置付けられた第１の末端部３１４と、中央３０６から放射状に外側に位置付けられた第２の末端部３１６とを含む。第２のアーム３１２は、中央３０６の最も近くに位置付けられた第１の末端部３１８と、中央３０６から放射状に外側に位置付けられた第２の末端部３２０とを含む。図３の本例示的実施形態では、第１のアーム３１０および第２のアーム３１２は、アンテナ２０６が前面３０２から軸方向に外側に距離を伸ばさないように、前面３０２と実質的に同一平面上にある。別法として、アンテナ２０６および／または本体３００は、任意の数のアームを含むことができ、および／または、センサシステム１１０が本明細書に記載するように機能できるようにする任意の外形でもよい。第１のアーム３１０および第２のアーム３１２は、本例示的実施形態では、互いに放射状に交互配置される。さらに具体的には、第１のアーム３１０および第２のアーム３１２は、中央３０６について互いに交互配置される。そのため、第１のアーム３１０の放射状外縁３２２は、第２のアーム３１２の放射状内端３２４によって実質的に境界を付けられ、そして、第２のアーム３１２の放射状外縁３２６は、第１のアーム３１０の放射状内端３２８によって実質的に境界を付けられる。
【００１９】
図示するように、アーム３１０および３１２は中央３０６から外へ放射状に左回り方向に伸びるので、アーム３１０および３１２は中央３０６について実質的に螺旋型を有する。別法として、第１のアーム３１０および／または第２のアーム３１２は、アンテナ２０６が本明細書に記載するように機能できるようにする任意の外形および／または構成を有し得る。本例示的実施形態では、アーム３１０および３１２は中央３０６から外側に伸びるので、第１のアーム３１０の幅および第２のアーム３１２の幅は、互いに実質的に同等であり、実質的に一定である。別法として、幅が互いに異なり、そして／あるいは、アーム３１０および３１２が中央３０６から外側に伸びるにつれて、幅が変化する。一実施形態では、その幅は、アーム３１０および３１２が中央３０６から外側に伸びるにつれて、大きくなる。第１のアーム３１０および第２のアーム３１２は、各々、少なくとも１つの先端３３４および少なくとも１つのくぼみ３３６を含み得る。さらに具体的には、本例示的実施形態では、第１のアーム３１０は、連結部分３３８と、中央３０６から内端３２８までの半径が大きくなるにつれて次第に振幅が大きくなる交互の先端３３４およびくぼみ３３６を有する、中央３０６に関して放射状に外側に螺旋状になる螺旋部分３４０とを含む。第２のアーム３１２は、連結部分３４４と、中央３０６から内端３２４までの半径が大きくなるにつれて次第に振幅が大きくなる交互の先端３３４およびくぼみ３３６を有する、中央３０６に関して放射状に外側に螺旋状になる螺旋部分３４６とを含む。そのため、第１のアーム３１０および第２のアーム３１２は、螺旋「ジグザグ」模様、すなわち、「ジグザグ」模様が重ね合わされた実質的な螺旋形状で各々形成され、螺旋ジグザグ模様を有さないアンテナに比べてコンパクトな本体３００内で電気的長さを増加することを可能にする。本例示的実施形態では、第１のアーム３１０の先端３３４およびくぼみ３３６は、第２のアーム３１２の先端３３４およびくぼみ３３６と位置合わせされない。さらに具体的には、中央３０６から伸び、第２のアーム３１２の放射状に外側の先端と交差する半径は、中央３０６から伸び、第１のアーム３１０の放射状に内側の先端と交差する半径からの角距離をオフセットする。そのため、低減された量の容量結合が、第１のアーム３１０と第２のアーム３１２の間に存在し、低減された量のエネルギが、互いに整列された先端３３４および／またはくぼみ３３６を含み得るアンテナと比べて、本体３００内および／または第１のアーム３１０および第２のアーム３１２内に閉じ込められる。したがって、先行技術のアンテナと比べて、増量されたエネルギが、無線信号から電磁場２２４に送信され得る。
【００２０】
図４に示すように、本例示的実施形態では、導体３６０および３６２が同軸となるように、データ導管２０４は、内部導体３６０と、内部導体３６０を実質的に囲む外部導体３６２とを含む。さらに、本例示的実施形態では、データ導管２０４は、アンテナ２０６を信号処理デバイス２００（図２に示す）に連結させる半剛性ケーブル３６４である。別法として、データ導管２０４は、任意の他のケーブルもしくは導体、または、センサシステム１１０が本明細書に記載するように機能できるようにする接続手段である。図３の本例示的実施形態では、たとえば、第１のアーム３１０は、連結部分３３８を介して内部導体３６０に連結され、第２のアーム３１２は、連結部分３４４を介して外部導体３６２に連結される。
【００２１】
動作中、少なくとも１つの無線信号が、データ導管２０４を介してアンテナ２０６に送信される。無線信号は、それぞれ、内部導体３６０および外部導体３６２を介して第１のアーム３１０および第２のアーム３１２に送信される。無線信号が第１のアーム３１０および第２のアーム３１２を介して送信されるとき、電磁場２２４（図２に示す）が放射される。近接測定値は、前述でさらに詳しく説明したように、アンテナ２０６に誘導されたローディングに基づいて判定される。アンテナ２０６の実質的に螺旋のジグザグ模様は、先行技術のアンテナと比べてコンパクトな本体３００内で、増大された電気的長さを実現する。さらに、アンテナ２０６と第１のアーム３１０および第２のアーム３１２の整列されていない先端３３４およびくぼみ３３６の螺旋ジグザグ模様は、先行技術のアンテナと比べて電磁場２２４により多量の電磁気エネルギを放出することを容易にする。
【００２２】
図３および４の例示的平面アンテナ２０６などの構成で、実質的に平面のアンテナを有するセンサヘッド２０２は、ある種の適用例には非常に適しているが、他ではそれらを望ましくなくするある種の性能特性を有することが、当業者には理解されよう。ある種の３次元または非平面アンテナは、ある特定のタイプの適用例で利点を提供する性能特性を提供することが発見されている。以下にさらに詳細に論じるように、非平面アンテナのこれらの有益な性能特性は、１）より低いコストのシステム構成要素の使用を可能にする、より低い共振周波数の使用と、２）より小さいプローブ本体を可能にする、より薄い外形と、３）より低コストの製造と、４）より低い共振周波数による、平面アンテナ構造体に比べた測定範囲の拡張とを含む。
【００２３】
本明細書では、「平面アンテナ」という用語は、本体３００（または、さらに具体的には、そのアンテナがデータ導管に接続する位置）から軸方向に伸びない、図３および４に示すもののような、アンテナ構造体を示すために使用される。たとえば、エミッタまたはアンテナ構造体は本体３００の平らな前面３０２に閉じ込められ、そして、導管２０４の導体は、本体を介して、アンテナ２０６が閉じ込められた面の軸の位置まで伸びるので、図３および４のアンテナ実施形態は、平面構成を有するものとして分類される。図５から１０に関して、以下に論じるのは、ある一定の性能および製造利益が達成され得るように前述された、近接センサシステム１１０および、具体的には、センサヘッド２０２で使用することができるいくつかのタイプの非平面アンテナである。「非平面」という用語は、本体３００、あるいは、本体３００が存在しない場合には、アンテナが導管２０４に接続する位置、から軸方向に伸びる非平面アンテナ構造体を各々が有するので、そのようなアンテナを示すために使用されることが、理解されよう。具体的には、非平面アンテナはセンサヘッド２０２の本体部分から外側におよび遠くに伸びるので、たとえば、図４の本体３００の平らな前面３０２などの面に含まれるものとして記載することができなかった。したがって、図５から１０で以下に提供されるのは、センサヘッド２０２および、概して、前述のセンサシステム１１０において特定の有効性をもって使用することができる非平面アンテナのいくつかの例示的実施形態である。これらのアンテナの説明において、前述の「本体」は単に、非平面アンテナ構造体を、信号を運ぶ導管に接続する接続部またはコネクタでもよく、「軸方向」、「放射状」および「円周」という用語は、図に示す円筒型のデータ導管２０４によって規定されることに留意されたい。加えて、以下に論じる例示的アンテナの非平面特性を所与として、導管２０４のエンドポイントからのそれらの距離に関連して相対的な軸位置を規定することは有益である。したがって、本明細書では、構成要素の「近端」または「近い側」は、データ導管２０４の終端点のより近くに存在するまたはその方を向いた端または側であり、そして、構成要素の「遠端」または「遠い側」は、導管２０４の終端点からより遠くに離れて存在するまたは外方を向いた端または側である。これに合わせて、動き「軸方向に外側」は、導管２０４の終端点から離れる動きであり、「軸方向に内側」は導管２０４の終端点へ向かう動きである。
【００２４】
図５および６は、本発明の一態様による非平面アンテナ４０４を有するセンサヘッド２０２を示す。このタイプのセンサヘッド２０２は、前述のセンサシステム１１０（すなわち、無線周波数で動作する感知デバイス）で使用され得ることが理解されよう。センサヘッド２０２は、コネクタ４０５（この例では、センサヘッド２０２と導管２０４の間の連結によって単に表される）を含む。非平面アンテナ４０４は、この例では、軸方向に伸びる非平面単極アンテナ（以下「非平面単極アンテナ４０４」という）である。図示するように、非平面単極アンテナ４０４は、コネクタから軸方向に伸びる。外形および構成で、非平面単極アンテナ４０４は、自動車の無線アンテナとして一般に使用されるものと同様の、狭い、線形アンテナとして説明することができる。非平面単極アンテナ４０４は、コネクタ４０５に隣接してある近端、および導管２０４の終端点から非平面単極アンテナ４０４の長さに相当する距離だけ軸方向に離れた遠端と称され得る、２つの末端部を有する。
【００２５】
好ましい実施形態では、ある一定の他の特徴もまた、図５および６のセンサヘッド２０２に含まれる。たとえば、センサヘッド２０２は、非平面単極アンテナ４０４の近端にまたはそれに近接して置かれたグランドプレーン４０６を含む。ある種の実施形態では、グランドプレーン４０６は、非平面単極アンテナ４０４と導管２０４の間の接続部に形成され、それによりセンサヘッド２０２のコネクタ４０５に統合され得る。図示するように、グランドプレーン４０６は、外形で円状であるディスクとして構成され得るが、他の変形形態もまた可能である。グランドプレーン４０６は、金属素材製でもよい。ある種の実施形態では、寄生要素４０８もまた含まれる。寄生要素４０８は、外形で円状のおよび同様の、但し、グランドプレーン４０６を形成するディスクよりも小さい、ディスクとして構成され得る。図示するように、寄生要素４０８は、非平面単極アンテナ４０４上にあってもよく、非平面単極アンテナ４０４の近端に向かって置かれ得る。好ましい実施形態では、寄生要素４０８がグランドプレーン４０６よりも非平面単極アンテナ４０４の遠端の近くに位置付けられて、図示するように、寄生要素４０８は、狭いアキシャルオフセットがそれとグランドプレーン４０６の間に維持されるように、位置付けられる。グランドプレーン４０６のディスクおよび寄生要素４０８は、それらが実質的に平行であるように、位置合わせされ得る。
【００２６】
図７および８は、本発明のもう１つの態様による代替非平面アンテナ４０４を有するセンサヘッド２０２を示す。この場合、センサヘッド２０２は、センサヘッド２０２を導管２０４に接続するコネクタ４０５を含む。非平面アンテナ４０４は、軸方向に伸びるグランドプレーン４１２と、グランドプレーン４１２から軸方向に移動された、螺旋平面アンテナ構造体４１４とを含む。好ましい一実施形態では、軸方向に伸びるグランドプレーン４１２は、導管２０４と放射状に整列する円筒形を有する。軸方向に伸びるグランドプレーン４１２は、コネクタ４０５または導管２０４の終端点にまたはその近くに位置付けられた平面である近い側４１５と、近い側４１５の反対側の平面である遠い側４１６を有するものとして説明することができる。近い側４１５から、軸方向に伸びるグランドプレーン４１２は、それが遠い側４１６で終わる所まで軸方向に外側に伸びる。軸方向に伸びるグランドプレーン４１２の平らな遠い側４１６からのアキシャルオフセットまたはギャップを横切って置かれて、螺旋平面アンテナ４１４は、その平面ディスク外形が軸方向に伸びるグランドプレーン４１２の遠い側４１６とほぼ平行であるように、構成され得る。
【００２７】
図示するように、軸方向に伸びるグランドプレーン４１２は、図５および６に関連して論じられるグランドプレーン４０６と同様の、しかしその軸寸法よりもかなり太い、一般的ディスク状の円筒形を有し得る。軸方向に伸びるグランドプレーン４１２は、２つのレベルのグランドプレーンをもたらすエネルギバンドギャップ構造体または周波数選択的表面として機能することが、理解されよう。具体的には、軸方向に伸びるグランドプレーン４１２の近い側４１５は、本明細書で完全なグランド４１７と称される、固体金属グランドプレーンを含み得る。完全なグランドプレーンの代わりに、遠い方の表面４１６は、本明細書で「パッチグランド４１９」と称される不連続なグランド表面をともに形成するそれらの間に形成されたギャップを有する複数の離散的パッチ４１８を含む。図示するように、各々のパッチ４１８は、遠い側４１６にあるパッチ４１８と軸方向に伸びるグランドプレーン４１２の近い側４１５にある完全なグランド４１７との間に形成された台様の構造体として説明することができるビア４２０によって、完全なグランド４１７に接続される。パッチ４１８は外形で長方形でもよいが、その外形およびサイズは所望の動作周波数に合わせて変更され得ることが理解されよう。
【００２８】
螺旋平面アンテナ４１４は、それが軸方向に伸びるグランドプレーン４１２の遠い表面４１６から軸方向にオフセットされる位置を維持するように、構造体によって支えられる。パッチ４１８間の距離、平面螺旋アンテナ４１４、ならびに誘電特性、アキシャルオフセット距離、より低レベルの基材、および他の特性は、所望のＲＦ応答を達成するために、適切に調整または最適化可能であることが、理解されよう。しかし、同様に理解されるように、完全なグランド４１７と平面螺旋アンテナ４１４の間のパッチグランド４１９の構成（複数のパッチ４１８／ビア４２０のペアリングを介する）は、高い測定感度を含むがこれに限定されない、ある一定のアンテナ性能利益をセンサシステム１１０に提供する。
【００２９】
図９は、ある一定の高性能の能力を達成するために前述のセンサシステム１１０で使用することができる代替非平面アンテナ４２４を有するセンサヘッド２０２の透視図である。この場合、センサヘッド２０２は、センサヘッド２０２を導管２０４に接続するコネクタ４０５と、図５および６に関して前述したものと同様のグランドプレーン４０６と、ヘリカル構造体を有する非平面アンテナ４０４（以下「非平面ヘリカルアンテナ４０４」）とを含む。好ましい一実施形態では、非平面ヘリカルアンテナ４０４は、図示するように、この場合にもやはりセンサヘッド２０２と導管２０４の間の連結または接続点であるコネクタ４０５から軸方向に遠くに伸びるヘリコイド外形を備える。外形では、非平面ヘリカルアンテナ４０４は、その中で円筒形を有する基材４２４が非平面ヘリカルアンテナ４０４の構造体を支えるために使用され得る円形断面形状を有し得る。図示するように、非平面ヘリカルアンテナ４０４は、まとめて、外観で「ばね様の」として説明され得るいくつかの間隔を置いたターンを含み得る。そのいくつかのターン、ピッチ、金属幅、および同様のものは、特定の用途を満たすために最適化され得るパラメータであることが、理解されよう。
【００３０】
加えて、好ましい一実施形態では、非平面ヘリカルアンテナ４０４は、図９に示す構成であるが、導管２０４から放射状にオフセットされ得る。前述のように、グランドプレーン４０６が含まれ得る。グランドプレーン４０６のサイズもまた、妥当な線形性能を得るために最適化可能なもう１つのパラメータである。非平面ヘリカルアンテナ４０４が導管２０４から放射状にオフセットされる場合、グランドプレーン４０６はまた、それが非平面ヘリカルアンテナ４０４と放射状に整列するように、放射状にオフセットされ得ることが理解されよう。図示するように、グランドプレーン４０６は、非平面ヘリカルアンテナ４０４のそれと同様の直径の放射状外形を有する、薄い、ディスク様の構造体を含み得る。
【００３１】
図１０は、前述のセンサシステム１１０で効果をもってやはり使用することができる、代替非平面アンテナ４０４を有するもう１つの例示的センサヘッド２０２の透視図である。この場合、センサヘッド２０２は、図５および６の実施形態と同様に構成され得るが、その代わりに非平面単極アンテナを含み、複数の単極アンテナがグループ化された、「非平面多極アンテナ４０４」と本明細書で称される構成である。具体的には、図１０の実施形態は、センサヘッド２０２がそれによって導管２０４に接続する手段をやはり提供する、コネクタ４０５、図５および６に関して前述したものと同様でもよいグランドプレーン４０６、寄生要素４０８にグランドプレーン４０６を接続する単極構造体またはブリッジ４３６を含む。図示するように、寄生要素４０８は、ディスク構成を有することができ、グランドプレーン４０６に平行におよびそこから軸方向にオフセットされるように配置され得る。このとき、図１０の例示的実施形態は、図５および６に関して説明された単極実施形態から逸脱する。すなわち、ただ１つの極のアンテナの代わりに、図１０の実施形態は、寄生要素４０８の遠い側から伸びる多極アンテナを有する。具体的には、非平面多極アンテナ４０４は、その各々が前述の単極アンテナと同様である、寄生要素４０８の遠い側から軸方向に各々伸びる複数の直線的、円筒型の極を含む。示した好ましい実施形態では、非平面多極アンテナ４０４は、中央局と、その中央極の周りに間隔を置かれた４つの周囲極を有して配列された５つの極のアンテナを含む。図示するように、それらの極は、同様の長さで、互いに実質的に平行でもよい。これらの特性は、特定の適用例に合うように修正され得ることが理解されよう。多極アンテナ４０４を作成するためのいくつかの単極のグループ化は、リターンロス変更においてより広い範囲の線形の動的応答を可能にすることが発見された。そして、本設計は近傍の要素間の強い連結を示すが、広い線形範囲が、高いリターンロスがもたらされる周波数より下で得られる。
【００３２】
図５から１０に関連して前述されたタイプの非平面アンテナは、広い範囲の所望の共振で動作するように好都合には構成または調整することができ、前述のタイプのセンサシステム（すなわち、無線周波数で動作するセンサデバイス）内の物体への近接または近接の変化を検出するために効率的に使用され得ることが理解されよう。さらに、当業者には理解されるように、その例が図３および４に関連して説明された平面アンテナは、そのアンテナのサイズが縮小されるとき、従来のエッチング技法では製造が難しくなる。すなわち、現在の技術は、平面アンテナの必要な特徴がいかに小さく構築され得るかを制限し、そうして、そのようなアンテナがいかに小さく作られ得るかを制限する。模様をドープ塗装することは可能であるが、その工程は費用がかかり、遅い。しかし、非平面アンテナは、より長い電気的長さを有するアンテナを生産しつつも、製造する費用がより少ないことが発見された。電気的長さがより長いほど、システムを駆動するために使用されるＲＦ構成要素を単純化するアンテナの共振は低くなる。測定範囲は、通常は、共振周波数の波長であるので、共振周波数を低くすることはまた、測定範囲を増やす。すなわち、非平面アンテナの使用は、より低コストのシステム構成要素の使用を可能にする、より低い共振周波数に達する能力、より薄い外形を有するプローブを構築する能力、ならびに、平面アンテナ構造体のそれに比べた測定範囲の拡張を含む、ある一定の技術的利点を提供する。
【００３３】
動作中、センサヘッドの本願の非平面アンテナ−たとえば、単極アンテナ、平面球形アンテナを有する放射状に伸びるグランドプレーン、非平面ヘリカルアンテナ、多極アンテナ、または同様の非平面アンテナでもよい−は、アンテナ共振周波数と同等のまたはほぼ同等の電気無線信号で励起される。すなわち、センサシステムは、無線信号で非平面アンテナにエネルギを与える。機械構成要素などの物体が作成された電磁場内に置かれるとき、ローディングが、その場の分裂により、非平面アンテナに誘導される。センサシステムは、非平面アンテナに誘導されるローディングに基づいて、アンテナへの物体の近接を計算する。多数の知られている平面アンテナとは対照的に、本明細書に記載の非平面アンテナは、より多量のエネルギが物体に向けて放出されることを可能にする。そのため、非平面アンテナは、既に論じられた他の利益もまた提供しながら、物体とアンテナの間の近接を測定するのに使用される安定した電磁場を提供することを容易にする。
【００３４】
いくつかの実施形態では、非平面アンテナ構造体は、誘電体で満たされて共振周波数および電磁場の模様を調整するのを助けることができる。加えて、多重共振が、温度および湿度からのノイズまたは効果を打ち消すために、非平面アンテナの中に設計され得る。前述のように、そのアンテナ構造体は、グランドプレーンで補強することができるが、いくつかは調整された空洞法で使用され得る。
【００３５】
前述の実施形態は、機械構成要素の近接を測定する際に使用するための効率的および費用効率の高いセンサシステムを提供する。センサシステムおよび非平面アンテナの例示的実施形態は、前記で詳しく説明されている。本センサシステムおよび非平面アンテナは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、そうではなくて、本センサシステムおよび／または非平面アンテナの構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素および／またはステップから独立しておよび別個に使用することができる。たとえば、本非平面アンテナはまた、他に別段の指示のない限り、他の測定システムおよび方法と組み合わせて使用することができ、本明細書に記載のセンサシステムまたは電力システムのみとの実行に限定されない。そうではなくて、それらの例示的実施形態は、多数の他の測定および／または監視適用例に関連して実装および使用することができる。
【００３６】
本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴がいくつかの図面に示され、他には示されていないことがあるが、これは単に便宜上である。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求され得る。
【００３７】
本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために、そしてまた、任意のデバイスまたはシステムの作成および使用と任意の組み込まれた方法の実行とを含めて、本発明を当業者が実行できるようにするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、本特許請求の範囲によって規定され、当業者に思い当たる他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが本特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが本特許請求の範囲の文字通りの言語とごくわずかな差を有する同等の構造的要素を含む場合、本特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
１００  電力システム
１０２  機械
１０４  駆動軸
１０６  ロード
１０８  支持構造体
１１０  センサシステム
２００  信号処理デバイス
２０２  センサヘッド
２０４  データ導管
２０６  アンテナ（平面アンテナ）
２０８  センサヘッドハウジング
２１０  方向性結合デバイス
２１２  送信電力検出器
２１４  受信電力検出器
２１６  信号調整デバイス
２１８  信号発生器
２２０  減算器
２２２  リニアライザ
２２４  電磁場
２２６  距離
３００  本体
３０２  前面
３０４  後面
３０６  中央
３０８  トレースまたは導体
３１０  第１のアーム
３１２  第２のアーム
３１４  第１の末端部
３１６  第２の末端部
３１８  第１の末端部
３２０  第２の末端部
３２２  放射状外縁
３２４  放射状内端
３２６  放射状外縁
３２８  放射状内端
３３４  先端
３３６  くぼみ
３３８  連結部分
３４０  螺旋部分
３４４  連結部分
３４６  螺旋部分
３６０  内部導体
３６２  外部導体
３６４  半剛体ケーブル
４０４  非平面アンテナ
４０５  コネクタ
４０６  グランドプレーン
４０８  寄生要素
４１２  軸方向に伸びるグランドプレーン
４１４  螺旋平面アンテナ
４１５  近い側（軸方向に伸びるグランドプレーンの）
４１６  遠い側（軸方向に伸びるグランドプレーンの）
４１７  完全なグランド
４１８  パッチ
４１９  パッチグランド
４２０  ビア
４２４  基材
４３６  単極ブリッジ
【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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