(57)【要約】【課題】簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、計測、駆動、制御などの手段による計測、及び駆動または制御の手段における信号状態の診断方法及び装置を提供することが課題である。【解決手段】  矩形パルスを含む交流の発生手段をトランスの１次側に、２次側に計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体を直接、あるいは整流回路を介して接続し、トランスを介して送られる電力により前記２次側に接続された被駆動体の動作によって消費されることで生じる１次側電流の変化を測定し、該測定手結果で前記被駆動体の動作と信号状態の診断を行うようにした。【選択図】図１
2009168529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの１次側に矩形パルスを含む交流の発生手段を、２次側に計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体を接続し、前記被駆動体による計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う方法であって、
前記トランスを介して送られる電力により前記２次側に接続された被駆動体を動作させ、該動作によって消費される電力により生じる１次側電流の変化を測定し、該測定手結果で前記計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行うことを特徴とする計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法。
【請求項２】
矩形パルスを含む交流の発生手段と、該交流発生手段が１次側に、計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体が２次側に接続されたトランスとを有し、前記被駆動体による計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う装置であって、
前記トランスを介して送られる電力が、前記２次側に接続された被駆動体によって消費されることで生じる１次側電流の変化を測定し、該測定結果で前記計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う電流測定手段を有することを特徴とする計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項３】
前記トランスは１次側巻線における略中間部に中間タップが設けられ、前記電流測定手段は該中間タップに接続されていることを特徴とする請求項２に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項４】
前記被駆動体のうちの計測手段は電圧発生型または抵抗変化型測定デバイスであり、前記トランスから電力を供給されて前記計測手段の測定結果を対応する電流として消費する信号変換手段を有していることを特徴とする請求項２または３に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項５】
前記被駆動体が電圧信号の電圧値に対応した駆動用電圧で動作する制御用アクチュエータであり、前記交流発生手段は前記入力電圧信号で前記トランス２次側に前記駆動用電圧を生ずるよう構成され、前記被駆動体の正常駆動状態、異常駆動状態、もしくは回路における断線、短絡の各状態に対応して消費される電流により生じる前記トランス１次側電流を、前記被駆動体の正常駆動、異常駆動、回路の断線、短絡の各状態に対応する電圧に変換して前記入力電圧信号にフィードバックする手段を有し、該フィードバック後の前記入力電圧信号と１次側電流とで前記被駆動体の信号状態診断を行うことを特徴とする請求項２または３に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項６】
前記被駆動体が予め設定した圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする制御状態検知手段であり、該制御状態検知手段は、前記トランス２次側に接続され、前記制御状態検知手段のＯＮ／ＯＦＦに対応して２次側の電流消費量を異なる値に変換する手段を有していることを特徴とする請求項２または３に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項７】
前記被駆動体がＯＮ／ＯＦＦの２値信号により動作する接点を含む制御手段であり、前記トランス１次側に、前記２値信号におけるＯＮ信号で２次側に前記制御手段を動作させる電圧を、ＯＦＦ信号で前記制御手段を動作させない電圧を生ぜさせる電圧調整手段が設けられていると共に、前記トランス２次側に、前記制御手段の動作により電流が流れる制御手段動作状態検出手段が設けられ、前記制御手段動作状態検出手段に電流が流れることで流れる前記トランス１次側の電流を測定することで前記制御手段の状態を検出することを特徴とする請求項２または３に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項８】
前記被駆動体がＯＮ／ＯＦＦの２値信号により電源から電力を供給されて動作する制御手段であり、前記トランス１次側に、前記２値信号におけるＯＮ信号で２次側に前記制御手段を動作させる電圧を、ＯＦＦ信号で前記制御手段を動作させない電圧を生ぜさせる電圧調整手段が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載した計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置。
【請求項９】
矩形パルスを含む交流の発生手段が１次側に接続され、計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体が２次側に接続されて、前記被駆動体、もしくは前記被駆動体の状態を電流信号に変換する信号変換回路の駆動により生じる１次側の電流変化の測定結果により、計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う装置に用いられるトランスであって、
前記トランスは温度によるコアロス変化の少ないコア材料を用いると共に、１次側コイルに中間タップが設けられて電流測定手段が接続され、
前記１次側コイルは前記中間タップを中心に前半と後半の２つに分けられ、前記前半と後半のコイルで前記２次側コイルを挟んで前記コア材料に巻回されていることを特徴とする、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断装置に用いられるトランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法と装置及び該装置に用いられるトランスに係わり、特に、簡単な回路構成で精度良く、計測手段による計測、制御手段や駆動手段による制御または駆動の状態における信号状態の診断を行うことができるようにした、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法と装置及び該装置に用いられるトランスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラントや機器類の制御に用いられる計測、駆動、制御などの計測手段やアクチュエータなどの手段には、測定結果をアナログ値で返す、
１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出
力するセンサ
２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ
や、
３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサ
ーボ弁のような制御用アクチュエータ
などがあり、また、測定結果を２値信号（デジタル信号）で返したり２値信号で駆動される制御手段として、
４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段
５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段
６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リ
レー、小型直流モータ等のアクチュエータ
などがある。
【０００３】
こういった計測装置やアクチュエータなどの被駆動体は、用途に応じて人体に対する影響を防止したりノイズなどの影響を避けるため、プラントや機器類に指示を与える側（以下指示側と称する）と、プラントや機器類で計測や駆動または制御を行う側（以下プラント側と称する）とを絶縁するため、一般的に電力を供給する電源のトランスを絶縁トランスとしたり、プラント側から指示側に送る計測結果の信号、指示側からプラント側に送る指示や制御の信号を、フォトカップラや信号絶縁リレー、絶縁アンプ、絶縁トランスなどを用いて絶縁することが行われている。
【０００４】
また計装の世界では、近年、出力信号や回路配線の健全性、すなわち配線に断線や短絡が生じていないか、制御や駆動などのアクチュエータが指示通り動作しているか、などを確認してシステムの信頼性を高めるため、回路の健全性診断を求める要求も増大している。
【０００５】
こういった要請に対応し、計測、駆動、制御などの計測手段やアクチュエータなどの被駆動体の従来の駆動回路例を示したのが、図１８から図２７のブロック図であり、このうち図１８から図２３は上記した健全性診断を行わない場合、図２４から図２７は健全性診断用の回路を付加した場合である。
【０００６】
まず、健全性診断をしない従来の駆動回路例を１つ１つ説明すると、図１８は前記した、１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出力するセンサ、の場合であり、電源１０２からの電力をパルス電圧とするパルス発生回路１０３、そのパルス発生回路１０３からのパルス電圧を電圧変換し、プラント側と指示側とを絶縁する絶縁トランス１０４、絶縁トランス１０４で電圧変換されたパルスを整流する整流回路１０５、整流されたパルスを平滑化すると共に定電圧とする定電圧回路１０６などからなる電源回路１０１により、トランスミッタ１００に例えば２４Ｖの電力と、信号変換回路１０８、変調回路１０９などに電力が供給される。
【０００７】
このうち信号変換回路１０８、変調回路１０９は、トランスミッタ１００側と指示側とを分離するため用いられる絶縁トランス１１０に、温・湿度や圧力の測定結果を交流信号として入力するためのものである。すなわち、トランスミッタ１００は、温・湿度や圧力によって流れる電流が４〜２０ｍＡ程度に変化する形式のセンサであるため、測定結果の信号をそのまま絶縁トランス１１０に入力できないから、電流として得られた測定結果を信号変換回路１０８によって電圧信号に変換し、さらに変調回路１０９によって変調して交流信号として絶縁トランス１１０に入力する。そしてその後、絶縁トランス１１０からの出力を復調回路１１１で電流信号または電圧信号１１２に戻して測定結果として外部に出力する。なお、この図１８で１０７の番号を付した点線は、測定側（指示側）と測定デバイス（プラント側）とを絶縁する絶縁バリアを表している。また、以下の説明では、この図１８における構成要素と同一の要素には同一番号を付し、詳細説明は省略する。
【０００８】
図１９は、前記した、２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ、の場合である。電源回路１０１は、前記した図１８の場合と同様、電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成され、信号変換回路１２１、変調回路１２２などに電力が供給される。そして、熱電対やサーミスタなどのセンサ１２０からの電圧信号、抵抗値信号は、信号変換回路１２１で電圧信号に変換され、変調回路１２２で変調されて交流信号となり、プラント側と指示側とを絶縁する信号絶縁手段たる絶縁トランス１２３で増幅された後、絶縁トランス１２３からの出力が復調回路１２４で電流信号または電圧信号１２５に復調され、測定結果として外部に出力される。
【０００９】
図２０は、前記した、３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータ１３０、の場合である。電源回路１０１は、前記図１８、図１９の場合と同様、電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成されている。駆動対象たるアクチュエータ１３０は、このアクチュエータ１３０を駆動する電圧信号１３１が変調回路１３２で変調されて交流信号とされ、プラント側と指示側とを絶縁するために設けられている信号絶縁手段たる絶縁トランス１３３で増幅された後、電源回路１０１から電力を供給されている復調回路１３４で復調され、同じく電源回路から電力を供給されている信号変換回路１３５によって駆動電力がアクチュエータ１３０に与えられる。
【００１０】
図２１は、前記した、４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段の場合である。この圧力や温度でＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する接点１４０、１４３を駆動する電源回路１０１は、前記した図１８、図１９、図２０の場合と同様、電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成されるが、このように接点が複数ある場合でもコストダウンの観点から、一般的に電源回路１０１が接点に対して共通に設けられる。そして接点１４０、１４３が、予め定めた圧力や温度でＯＮ／ＯＦＦするとその接点信号は、プラント側と指示側とを絶縁するために設けられた信号絶縁手段たるフォトカップラ１４１、１４４に送られ、接点１４０、１４３のＯＮ時にこのフォトカップラ１４１、１４４を構成する発光素子が発光し、受光素子からＯＮ／ＯＦＦの２値信号１４２、１４５が外部に出力され、指示側、または制御対象にプラント側の温度や圧力状態が伝えられる。
【００１１】
図２２は、前記した、５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段、の場合である。接点１５１、１５２をＯＮ／ＯＦＦさせる２値信号１５３、１５４は、図２１の場合と同様、絶縁のために用いられるフォトＭＯＳリレー１５５、１５６などに入力され、図２１の場合と同様に接点１５１、１５２が駆動される。なお、１５７の破線はフォトＭＯＳリレー１５５、１５６によりプラント側と指示側を絶縁する絶縁バリアを表し、この絶縁バリアは接点１５１、１５２に送られる信号も絶縁している。
【００１２】
図２３は、前記した、６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ、の場合である。この場合、駆動電圧信号１６０は、図２２の場合と同様、信号絶縁のための信号絶縁リレー１６１に入力され、別途設けられた直流電源装置１６２から送られてくる電力が、この信号絶縁リレー１６１を介して電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ１６３に送られて駆動される。１６４はプラント側と指示側を絶縁する絶縁バリアである。
【００１３】
このようにして、前記した１から６のプラントや機器類の制御に用いられる、計測手段による計測やアクチュエータなどの駆動、制御が行われるわけであるが、このような従来の回路において指示側とプラント側を絶縁する場合、以上の説明からもわかるとおり、電力供給に伴なう絶縁トランスなどを用いた絶縁電源が必要であり、指示側からプラント側へ、プラント側から指示側へ信号を送る場合は、フォトカップラや信号絶縁リレー、絶縁アンプなどの絶縁手段が必要である。
【００１４】
次に、以上説明してきた回路において、前記した出力信号や回路配線の健全性、すなわち配線に断線や短絡が生じていないか、制御や駆動などのアクチュエータが指示通り動作しているか、などを確認してシステムの信頼性を高める健全性診断回路を追加した場合について説明する。なお、図１８、図１９に示した回路、すなわち前記１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出力するセンサや、２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ、の場合、計測結果が指示側に送られてこない、或いは計測結果が一定値から動かないなどの状態から、有る程度の回路の健全性判断をすることが可能である。
【００１５】
しかし、図２０〜図２３の、３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータや、４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段、５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段、６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ、などの場合、信頼性を高めるためには配線に断線や短絡が生じていないか、などに加え、制御手段が正常に動作しているかを確認する必要がある。しかし制御対象やアクチュエータが指示通り動作しているかの確認は、それなりの構成を備えないと実施できない。そのため、上記３〜６のケースにおける、健全性診断の構成を加えた例を示したブロック図が図２４から図２７である。なお、この図２４から図２７の例は、それぞれ前記図２０から図２３に対応しており、同一構成要素には同一番号が付されているので説明は省略する。
【００１６】
まず図２４は前記図２０で説明した、３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータ、の場合である。電源回路１０１は、前記図２０の場合と同様、電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成されている。また、駆動対象たるアクチュエータ１３０の駆動用の信号も、前記図２０と同様、電圧信号１３１が変調回路１３２で変調されて交流信号とされ、絶縁トランス１３３で増幅されて復調回路１３４で復調され、信号変換回路１３５によって電圧信号１３１に対応した電圧信号、電流信号とされてアクチュエータ１３０が駆動される。
【００１７】
そしてこの駆動対象たるアクチュエータ１３０の動作を確認するため、電源回路１０１から電力の供給を受け、信号変換回路１３５からアクチュエータ１３０に流れる電流と電圧を検知し、電圧信号に変換する信号変換回路（電流検知）１３６ａ、（電圧検知）１３６ｂ、その信号をそれぞれに対応した絶縁トランス１３８ａ、１３８ｂに入力できるよう、変調して交流信号とする変調回路１３７ａ、１３７ｂ、絶縁トランス１３８ａで変圧された電圧を電流信号に復調する復調回路１３９ａ、１３９ｂなどからなり、アクチュエータ１３０に電流が流れているか、加えられる電圧がアクチュエータ１３０の動作に応じた電圧となっているか、などによって指示通り動作しているか、配線に断線や短絡が生じていないかなどが診断される。
【００１８】
図２５は前記図２１で説明した、４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段、の場合である。電源回路１０１は、前記した図２１の場合と同様、電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成され、これも前記と同様コストの観点から一般的に複数の接点に対して共通に設けられる。接点１４０、１４３の予め定めた圧力や温度でＯＮ／ＯＦＦした信号は、マイコンなどで構成され、Ａ／Ｄ変換手段を用いてアナログ的に接点信号の状態を読み取って評価し、ＯＮ／ＯＦＦの状態、接点の短絡や動作不良、配線の短絡や断線などの健全性を判断するブロック１４６で診断が行われる。その結果は、プラント側と指示側を絶縁する信号絶縁手段たるフォトカップラ１４１に送られ、シリアル通信信号として出力されて通信信号の受信部分１４７に送られる。
【００１９】
この場合、上記したようにコストダウンの観点から、複数の信号に対して電源は共通に設けられるため、接続先のロケーションが大きく異なる２か所以上に接点が接続される場合、ポテンシャルの差がシステムに大きな影響を与えるから、基本的に近くの場所で評価する必要がある。また電源が共通であることで、健全性を判断するブロック１４６は、絶縁手段１４１のプラント側でアナログ的に信号の値を評価することになる。
【００２０】
図２６は前記図２２で説明した、５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段、の場合である。前記図２２の場合は電源回路１０１が用いられていなかったが、この図２６に示した回路では、健全性診断のために図２５の例と同様、接点の状態を診断するマイコンなどで構成した診断回路が接点毎に必要となる。しかも、それぞれの接点を個別に指示側とプラント側とで絶縁する場合、診断回路を駆動するために絶縁電源が接点毎に必要となる。ただし電源回路そのものは前記と同様、電源１０２ａ、１２ｂ、パルス発生回路１０３ａ、１０３ｂ、絶縁トランス１０４ａ、１０４ｂ、整流回路１０５ａ、１０５ｂ、定電圧回路１０６ａ、１０６ｂなどで構成される。
【００２１】
接点１５１、１５２をＯＮ／ＯＦＦさせる２値信号１５３、１５４は、図２２の場合と同様プラント側と指示側を絶縁するために用いられるフォトカップラ１５５、１５６に入力され、健全性診断のために設けられて電源回路１０１ａ、１０１ｂから電力を供給された、接点信号及び読み返し用の接点状態の監視回路１５８ａ、１５８ｂによりＯＮ／ＯＦＦ信号とされ、接点１５１、１５２が駆動される。そしてこの監視回路１５８ａ、１５８ｂで接点の状態が診断され、読み返し信号としてフォトカップラ１５９ａ、１５９ｂから出力される。
【００２２】
すなわち、フォトカプラ１５５、１５６、接点１５１、１５２などが正常に動作しているか、回路が断線や短絡していないか、などの回路の健全性診断を行うためには、監視回路１５８ａ、１５８ｂとそれを駆動するための電源回路１０１ａ、１０１ｂが必要であり、非常に高価な回路となるため、実際に使っている例は非常に特殊な用途に限られる。
【００２３】
図２７は前記図２３で説明した、６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ、の場合である。前記図２３の例では電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ１６３を駆動するために直流電源装置１６２が設けられ、電力が信号絶縁リレー１６１を介して対象物たるアクチュエータ１６３に送られていた。この点は同一であるが、この図２７の場合、対象物たるアクチュエータ１６３が指示通り動作しているか、配線に断線や短絡が生じていないかなどの健全性を診断するため、アクチュエータ１６３の電流を検知して電圧信号に変換する信号変換回路１６４、電圧信号を交流信号に変調する変調回路１６５、絶縁トランス１６６、電圧信号を電流信号に変換する復調回路１６７が設けられ、信号変換回路１６４、変調回路１６５を駆動するため、前記と同様電源１０２、パルス発生回路１０３、絶縁トランス１０４、整流回路１０５、定電圧回路１０６などで構成される電源回路１０１が設けられる。
【００２４】
そして前記と同様、駆動電圧信号１６０は信号絶縁のための信号絶縁リレー１６１に入力され、直流電源１６２から送られてくる電力がこの信号絶縁リレー１６１を介して電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ１６３に送られて駆動される。そして直流電源１６２から信号絶縁リレー１６１を介して送られる電流が電流検知用の信号変換回路１６４で検知され、検知結果が変調回路１６５で電圧として絶縁トランス１６６に与えられ、指示側で復調回路１６７により電流信号に変換されて指示側に電流読み返し信号１６８として出力される。
【００２５】
このように図２７の場合も、図２６の場合と同様、信号絶縁リレー１６１、対象たるアクチュエータ１６３などが正常に動作しているか、回路が断線や短絡していないか、などの回路の健全性診断を行うためには、信号変換回路１６４、変調回路１６５、絶縁トランス１６６、復調回路１６７などとこれらの回路を駆動するため、電源回路１０１が必要であり、非常に高価な回路となるため、実際に使っている例は非常に特殊な用途に限られる。
【００２６】
このように従来の回路では、例え回路の健全性診断を行わない場合でも、前記５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段、６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータの場合を除いて正確な計測や駆動のために定電圧回路を有した絶縁電源が必要であり、また計測や電圧信号により対象を駆動する、１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出力するセンサ、や、２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ、３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータ、の場合は信号変換回路、変調回路、絶縁トランス、復調回路などからなる、高価な絶縁アンプが必要となる。
【００２７】
また、図２１に示した、４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段、では、複数の接点からの信号を互いに絶縁しながら受けたいというような場合でも、コストダウンの観点から複数の信号に対して電源は共通に設けられるため、接続先のロケーションが大きく異なる２か所以上に接続される場合、ポテンシャルの差がシステムに大きな影響を与えるから、基本的に近くの場所で評価する必要があった。
【００２８】
また、健全性診断機能を組込む場合、下記のような問題があった。
Ａ．計測、駆動、制御など指示信号や計測結果の信号の伝達回路とは別に、健全性
診断のための電源や健全性診断回路を追加する必要があり、部品点数が増える
と共に回路構成が複雑化し、製造コストが増加
Ｂ．図２６のように接点が複数あって個別に絶縁する場合、健全性診断回路を接点
毎に設けると共に、接点が離れて設置されている場合は健全性診断回路毎に高
価な絶縁電源を設置せねばならず、さらにコストが増加する
Ｃ．そのため、高価な絶縁電源を複数の接点に対して共用した場合、接点同士が離
れて設置されている場合はポテンシャルに差が生じてシステムに大きな影響を
与えるから、基本的に近くの場所で評価する必要があった
Ｄ．電磁弁などを駆動する電源は計装信号に比べて容量が大きくなるため、個別に
絶縁電源装置を設けることが難しい。
Ｅ．絶縁トランス、絶縁アンプを介して直流信号を伝達する場合、交流信号を一旦
交流信号に変調して絶縁トランスや絶縁アンプを通した後、再度直流信号に復
調する仕組みが必要
【００２９】
なお、電線の断線を検出する技術については、例えば特許文献１に電線にパルス信号を印加し、そのとき電線に流れる電流を計測して電流波形を参照用の電流波形と比較し、その波形差から断線を検出するようにした電線の断線検出方法が示され、特許文献２には、断線を検知する信号線にチェック用パルス信号をインピーダンス素子を介して印加し、信号線から得られる信号とチェック用パルス信号とを比較して、信号線の断線を判定するようにした断線検知回路が示されている。
【００３０】
また電気回路の診断については、例えば特許文献３に、測定記録の管理を容易にして回路診断を行う際の作業効率を向上させ、さらに人為的な誤りが介入する余地を小さくするため、診断対象となる電気機器に組み込まれた不揮発性メモリに書き込み保存した電気機器の特性の測定結果、および測定に関連する情報、あるいは電気機器の特性の測定結果または測定に関連する情報を読み出し、電気機器について得られた最新の測定結果や測定に関連する情報と比較することで、電気機器の状態を診断するようにした電気回路診断方法およびその方法に使用する電気回路診断装置が示されている。
【００３１】
【特許文献１】特開２００６−０２３１０５号公報
【特許文献２】特開２００４−１９８３０２号公報
【特許文献３】特開平８−００５７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかしながらこれら特許文献１、特許文献２に示された技術は電線の断線検出に関するものではあるが、パルス信号の印加手段や参照用電流波形の記憶装置などが必要であり、特許文献３に示された電気回路診断装置は、電気機器の特性の測定結果、および測定に関連する情報を記憶したメモリが必要であると共に、回路の特性測定と状態診断のための比較手段などが必要で複雑な構成であり、前記したＡ〜Ｅに示したような問題点の解決方法とはならない。
【００３３】
そのため本発明においては、複数の接点を個別に絶縁する場合や接点が離れて設置されている場合に高価な絶縁電源を健全性診断回路毎に設置する必要や、直流信号を伝達する場合に交流信号への変調と直流信号への復調が必要、電磁弁などを駆動する場合に個別に絶縁電源装置を設けることが困難、といった問題を解決し、簡単な構成で、計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体の駆動状態の信号や、配線の断線、短絡といった障害発生の信号の伝達と電力の伝達を同一の手段で行えるようにし、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法と装置及び該装置に用いられるトランスを提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するため本発明になる計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法は、
トランスの１次側に矩形パルスを含む交流の発生手段を、２次側に計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体を接続し、前記被駆動体による計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う方法であって、
前記トランスを介して送られる電力により前記２次側に接続された被駆動体を動作させ、該動作によって消費される電力により生じる１次側電流の変化を測定し、該測定手結果で前記計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行うことを特徴とする。
【００３５】
また、この方法を実施する装置は、
矩形パルスを含む交流の発生手段と、該交流発生手段が１次側に、計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体が２次側に接続されたトランスとを有し、前記被駆動体による計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う装置であって、
前記トランスを介して送られる電力が、前記２次側に接続された被駆動体によって消費されることで生じる１次側電流の変化を測定し、該測定結果で前記計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う電流測定手段を有することを特徴とする。
【００３６】
このようにトランスを介して１次側から送られる電力が、２次側に接続された被駆動体によって消費されることで生じる１次側電流の変化を測定し、それによって計測、駆動または制御対象の診断を行うことで、従来装置のように被駆動体毎に電源や絶縁トランスなどの絶縁手段、信号変換回路や復調回路を設ける必要が無く、非常に簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法及び装置とすることができる。
【００３７】
そして、前記トランスは１次側巻線における略中間部に中間タップが設けられ、前記電流測定手段は該中間タップに接続されて前記２次側に供給する電力が消費されることで生じる１次側電流の変化を測定するようにする。
【００３８】
しかしながらこのようにすると、アナログ的な測定を行う場合やアナログ的に被駆動体の状態診断を行う場合、トランスに温度によってコアロスが大きく変動するコア材料を用いると、計測結果を正確に指示側に伝達することができなくなる。そのため本発明において使用するトランスは、
矩形パルスを含む交流の発生手段が１次側に接続され、計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体が２次側に接続されて、前記被駆動体、もしくは前記被駆動体の状態を電流信号に変換する信号変換回路の駆動により生じる１次側の電流変化の測定結果により、計測、及び駆動または制御とその信号状態の診断を行う装置に用いられるトランスであって、
前記トランスは温度によるコアロス変化の少ないコア材料を用いると共に、１次側コイルに中間タップが設けられて電流測定手段が接続され、
前記１次側コイルは前記中間タップを中心に前半と後半の２つに分けられ、前記前半と後半のコイルで前記２次側コイルを挟んで前記コア材料に巻回されていることを特徴とする。
【００３９】
このように温度によるコアロス変化の少ない、例えばＴＤＫ株式会社製ＰＣ９５といったコア材料を用いると共に、１次側コイルを中間タップを中心に前半と後半の２つに分け、前半と後半のコイルの間に２次側コイルを挟んで巻回することで、後記する実験結果に示されているように、アナログ信号伝達においても非常に精度良く信号を伝達できるようになる。
【００４０】
そして、前記被駆動体のうちの計測手段は電圧発生型または抵抗変化型測定デバイスであり、前記トランスから電力を供給されて前記計測手段の測定結果を対応する電流として消費する信号変換手段を有していることで、電圧発生型測定デバイスまたは抵抗変化型測定デバイスであっても、全く同様に計測結果をトランス１次側の電流で知ることができる。
【００４１】
また同様に、前記被駆動体が電圧信号の電圧値に対応した駆動用電圧で動作する制御用アクチュエータであり、前記交流発生手段は前記入力電圧信号で前記トランス２次側に前記駆動用電圧を生ずるよう構成され、前記被駆動体の正常駆動状態、異常駆動状態、もしくは回路における断線、短絡の各状態に対応して消費される電流により生じる前記トランス１次側電流を、前記被駆動体の正常駆動、異常駆動、回路の断線、短絡の各状態に対応する電圧に変換して前記入力電圧信号にフィードバックする手段を有し、該フィードバック後の前記入力電圧信号と１次側電流とで前記被駆動体の信号状態診断を行うこと、
前記被駆動体が予め設定した圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする制御状態検知手段であり、該制御状態検知手段は、前記トランス２次側に接続され、前記制御状態検知手段のＯＮ／ＯＦＦに対応して２次側の電流消費量を異なる値に変換する手段を有していること、
前記被駆動体がＯＮ／ＯＦＦの２値信号により動作する接点を含む制御手段であり、前記トランス１次側に、前記２値信号におけるＯＮ信号で２次側に前記制御手段を動作させる電圧を、ＯＦＦ信号で前記制御手段を動作させない電圧を生ぜさせる電圧調整手段が設けられていると共に、前記トランス２次側に、前記制御手段の動作により電流が流れる制御手段動作状態検出手段が設けられ、前記制御手段動作状態検出手段に電流が流れることで流れる前記トランス１次側の電流を測定することで前記制御手段の状態を検出すること、
前記被駆動体がＯＮ／ＯＦＦの２値電圧信号により電力を供給される制御手段であり、前記被駆動体がＯＮ／ＯＦＦの２値信号により電源から電力を供給されて動作する制御手段であり、前記トランス１次側に、前記２値信号におけるＯＮ信号で２次側に前記制御手段を動作させる電圧を、ＯＦＦ信号で前記制御手段を動作させない電圧を生ぜさせる電圧調整手段が設けられていること、
が本発明の好適な実施形態である。
【発明の効果】
【００４２】
以上記載のごとく本発明になる計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法と装置及び該装置に用いられるトランスは、従来装置のように被駆動体毎に電源や絶縁トランスなどの絶縁手段、信号変換回路や復調回路を設ける必要が無く、非常に簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、計測、駆動、制御の手段における信号状態診断方法と装置及び該装置に用いられるトランスとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００４４】
図１は、本発明の基本的な考え方を説明するための図である。図中１は電源、２は電源１からの電力をパルス電圧とするパルス発生回路、３はそのパルス発生回路２からのパルス電圧を電圧変換し、プラント側と指示側とを絶縁する絶縁トランス、４は絶縁トランス３で電圧変換されたパルスを整流する整流回路、５は計測、駆動、制御などの手段からなる被駆動体、６は絶縁トランス３の１次側を流れる電流、７の破線は前記した絶縁バリアである。なお、絶縁トランス３の１次側を流れる電流６は図示していない電流測定装置で測定するものとし、パルス発生回路２が発生するパルスは矩形波が好ましいが、サインカーブからなる交流であっても良いことは自明である。
【００４５】
本発明においては、このように絶縁トランス２の１次側に電源１からの電力をパルス電圧とするパルス発生回路２を、２次側に計測、駆動、制御のいずれかを行う被駆動体５を直接、あるいは整流回路を介して接続し、２次側に接続した被駆動体５によって電力が消費されることで生じる１次側の電流６の変化を測定して、計測手段による計測、及び、駆動、制御などの手段による駆動または制御、並びに対象回路における断線や短絡などの有無や信号状態の診断、すなわち健全性診断を行うようにしたものである。
【００４６】
このようにすることで、前記した図１８で説明したような
１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出
力するセンサ
の場合はそのまま絶縁トランス３の１次側に流れる電流を測定すれば、トランスミッタで消費される電流がわかるから、それによって温・湿度や圧力を測定することができる。
また、図１９のような
２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ
の場合は、センサの電圧や抵抗を対応する電流として消費する信号変換回路を設け、その信号変換回路に流れる電流によって変化する絶縁トランス３の１次側電流を測定することで、同様にセンサの電圧や抵抗を知ることが可能となる。
【００４７】
さらに図２０、図２４で説明したような
３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサ
ーボ弁のような制御用アクチュエータ
の場合、パルス発生回路２の出力を入力電圧信号により、絶縁トランス３の２次側に制御用アクチュエータの駆動用電圧が生成される電圧となるよう構成し、被駆動体たるアクチュエータの正常駆動状態、異常駆動状態、もしくは駆動回路における断線、短絡の各状態に対応して消費される電流により生じる１次側電流を、被駆動体の正常駆動、異常駆動、回路の断線、短絡の各状態に対応する電圧に変換して前記入力電圧信号にフィードバックする手段を設け、このフィードバック後の入力電圧と１次側電流の測定結果とで被駆動体たるアクチュエータが正常に動作しているか、断線や短絡が生じていないか、を診断する。
【００４８】
そして、図２１、図２５で説明したような、
４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段
では、接点などの制御手段によるＯＮ／ＯＦＦ状態に対応した異なる電流消費量に変換する手段を設け、それにより変化する１次側電流を測定して接点のＯＮ／ＯＦＦ状態、回路配線の短絡や断線などの健全性を診断する。複数の接点を用いる場合は絶縁トランス３を接点毎に設ければ、絶縁電源回路を接点毎に設けることなく絶縁が可能となり、それぞれの接点に対応した絶縁トランス３に流れる電流により、接点毎のＯＮ／ＯＦＦ状態、健全性診断が可能となる。
【００４９】
また、図２２、図２６で説明した、
５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段
の場合、トランス３の１次側に、２値信号におけるＯＮ信号でトランス２次側に制御手段を動作させる電圧を、ＯＦＦ信号で制御手段を動作させない電圧を生ぜさせる電圧調整手段を設ける。またトランス３の２次側に、制御手段の動作で電流が流れる制御手段動作検出手段を設け、この制御手段動作状態検出手段に電流が流れることで流れる絶縁トランス３の１次側電流を計測し、接点などの制御手段の動作状態と健全性の診断行う。
【００５０】
さらに、図２３、図２７で説明した、
６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リ
レー、小型直流モータ等のアクチュエータ
の場合、２値電圧信号がＯＮの場合は例えば２４Ｖの電圧を、ＯＦＦの場合は例えば１Ｖの電圧を絶縁トランス３から出力するよう構成した、ＦＥＴトランジスタ（以下、単にＦＥＴと略称する）などを用いたスイッチ回路を絶縁トランス３の１次側に設け、電圧信号に対応させた電圧を電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータに印加できるようにすると共に、ＯＮ／ＯＦＦの状態で絶縁トランス３の１次側に流れる電流を計測して被駆動体の動作状態と健全性の診断行う。
【００５１】
このように電源回路の一部に被駆動体の状態を示す信号を取り出す仕組みを設けることで、前記したように計測、駆動、制御など指示信号や計測結果の信号の伝達回路とは別に、健全性診断のための電源や健全性診断回路を追加する必要がなくなり、かつ、例え被測定物に与えられる電圧が変動しても、それに伴う電流が計測、駆動、制御などの各状態において一定であれば状態判断に影響を与えることがないから、電源として定電圧電源である必要がなくなってそれだけ電源のコストを抑えることができる。また、接点が複数あって個別に絶縁する場合でも、絶縁トランスのみを接点毎に設けるだけでよいから、その点でもコスト的に有利となる。
【００５２】
なお、このように定電圧回路を設けない電源を用い、絶縁トランス３を介して被駆動体の駆動と計測、駆動、制御の信号伝達（被駆動体の動作で生じる電力の消費がトランス１次側に発生させる電流の変化）を行った場合、特にアナログ信号の伝達においてはその精度が問題となる。しかしながらこういった信号の伝達における誤差が、要求された精度に許容される誤差範囲以下であれば問題はないから、例えば０．２％から０．２５％程度の精度で良い場合は通常のトランスを用いることも可能である。
【００５３】
また、それ以上の精度、例えば０．１％以下の精度が要求される場合、最も問題となるのはトランスの温度によるコアロス変化であるが、例えばこのコアロスが温度に対してほぼ一定であれば測定結果をその分加味して判断すればよく、精度を保った測定やアナログ信号の伝達が可能となる。そのため本発明においては、図２に温度におけるコアロスの特性の一例を示したように、例えばＴＤＫ株式会社製のＰＣ４４、ＰＣ４７といった通常１００℃前後にピーク特性を持つコア材料に対し、ピーク特性はこのＰＣ４４、ＰＣ４７より劣るが、広い温度範囲でコアロス変動が比較的少ない、やはりＴＤＫ株式会社製のＰＣ９５と称するコア材料を用いてトランスを構成した。なお、この図２において横軸は温度（℃）、縦軸はＰｃｖ（ｋＷ／ｃｍ３）である。
【００５４】
さらに本願出願人は、このトランスの１次側巻線における略中間部に中間タップを設け、電流測定手段をこの中間タップに接続して、２次側に供給する電力が消費されることで生じる１次側電流の変化を測定するようにしたが、これら１次側のコイルと２次側のコイルを図３に示した模式図のように、１次側コイルを中間タップを中心に前半１１と後半１３の２つに分け、前記したＰＣ９５で形成したコア１０に前半１１と後半１３のコイルで２次側コイル１２を挟むようにして巻回することで、良好な信号伝達特性が得られることを見いだした。
【００５５】
その場合の実験結果を示したのが図４（Ａ）のグラフである。このグラフは上記したようにＴＤＫ株式会社製のＰＣ９５と称するコア材料を用い、図３に示したように１次側コイルを中間タップを中心に前半１１と後半１３の２つに分けて、前半１１と後半１３のコイルで２次側コイル１２を挟むようにして巻回した絶縁トランスを用い、デイストリビュータアイソレーションアンプを構成して、直線性と温度ドリフトの状態を計測したものである。
【００５６】
なお、この計測に用いた絶縁トランスの諸元は図４（Ｂ）に示した表の通りであり、計測は、１０ｐｐｍ／℃の精密抵抗を用いて実施した。図４（Ａ）のグラフは、横軸がデイストリビュータアイソレーションアンプの出力電流で単位がｍＡ、縦軸がフルスケール誤差％（４〜２０ｍＡを１００％とする）である。
【００５７】
従来用いられていた、例えばＴＤＫ株式会社製のＰＣ４４、ＰＣ４７と称するコア材料を用い、１次側コイルを前半１１と後半１３とも連続して巻回し、その上に２次側コイル１２を巻いた場合は、直線性±０．０５％以下、０〜６０℃の環境で±０．２５％程度であるが、この図４（Ａ）のグラフからわかるとおり、絶縁トランスを上記したように構成することで、直線性±０．０１％以下、０〜８５℃の環境で±０．１％、−４０〜８５℃の環境で＋０．１５％／−０．１％と、直線性、温度ドリフト共に良好な結果が得られることがわかる。なお、絶縁トランスの形状や大きさを工夫し、コイル巻き数を増加させるなどにより、温度特性の向上を始め、さらなる高精度化が可能と考えられる。
【００５８】
以上が本発明の基本的な考え方であるが、以下、前記図１８から図２７に示したそれぞれの回路例に対応させ、本発明の回路を図５から図１７を用いて詳細に説明する。
【００５９】
まず図５、図６は、前記図１８に示した、
１．トランスミッタのように電力を供給され、温・湿度や圧力の測定結果を電流で出
力するセンサ
の駆動ブロック図（図５）と具体的回路例（図６）であり、前記図１と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、１は電源、２はパルス発生回路、３は前記した１次側巻線における略中間部に中間タップを設け、電流測定手段をこの中間タップに接続すると共に、１次側のコイルと２次側のコイルを図３に示した模式図のように、１次側コイルの中間タップを中心に前半１１と後半１３の２つに分け、ＰＣ９５などで形成したコア１０に前半１１と後半１３のコイルで２次側コイル１２を挟むようにして巻回した絶縁トランス、４は整流回路、２０は被駆動体たるトランスミッタ、６は絶縁トランス３の１次側を流れる電流の信号、７の破線は絶縁バリアであり、２０はセンサとしてのトランスミッタ、２１、２２は整流回路４を構成するダイオード、２３、２４も整流回路４を構成するコンデンサ、２５は電流測定用の抵抗、２６はコンデンサである。
【００６０】
なお、パルス発生回路２からは、絶縁トランス３における１次側巻線の両端に交互にＯＮ／ＯＦＦするパルス電圧が印加され、そのため中間タップには、特別な整流回路を用いずにパルス発生回路２からの電流が１次側巻線の両端から流れる。
【００６１】
この図５、図６に示した回路において、パルス発生回路２で発生されたパルスは絶縁トランス３で昇圧され、整流回路４を構成するダイオード２１、２２、コンデンサ２３、２４で整流されて、接続されたトランスミッタ２０に電力を供給する。そしてトランスミッタ２０は温・湿度や圧力に対応した電流が流れるから、絶縁トランス３の１次側にはトランスミッタ２０で消費された電流に対応した電流が流れ、絶縁トランス３の中間タップから抵抗２５、コンデンサ２６を介して流れる１次側電流６を図示していない電流測定装置で測定することで、トランスミッタ２０に流れる電流を推定することが可能となる。
【００６２】
また併せ、絶縁トランス３の２次側の回路における配線に断線があってトランスミッタ２０に電流が流れない場合、絶縁トランス３の中間タップからの電流信号６は電流が検出されなくなり、また短絡の場合は大きな電流が流れるから、このような過大電流や全く電流が測定されない、などから回路の健全性診断もすることができる。
【００６３】
このように回路を構成することで、電力供給のための交流電圧にトランスミッタ２０の測定結果である信号電流を重畳したのと同様な効果を得ることができるから、前記図１８における信号絶縁用の信号変換回路１０８、変調回路１０９、絶縁トランス１１０、復調回路１１１などを設けることなく、しかも前記（図４）で説明したように、精度良くアナログ信号であるトランスミッタ２０の測定結果を指示側に伝える駆動回路とすることができる。
【００６４】
図７、図８は前記図１９で説明した、
２．熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ
の駆動ブロック図（図７）と具体的回路例（図８）であり、前記図１、図５、図６と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、１は電源、２はパルス発生回路、３は絶縁トランス、４は整流回路、６は絶縁トランス３の１次側を流れる電流の信号、７の破線は絶縁バリアであり、２５は電流測定用の抵抗、２６はコンデンサ、３０は被駆動体たる、熱電対、測温抵抗のように測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサ、３１は電圧や抵抗を対応した電流として消費する信号変換回路、３２はトランジスタ、３３はアンプ、３４、３５、３６は抵抗である。
【００６５】
この図７、図８に示した回路においても図５、図６の場合と同様、パルス発生回路２で発生されたパルスは絶縁トランス３で昇圧され、整流回路４を構成するダイオード２１、２２、コンデンサ２３、２４で整流されて、トランジスタ３２、アンプ３３、抵抗３４、３５、３６で構成される信号変換回路３１に印加される。そして熱電対、測温抵抗のようなセンサ３０からの電圧値や抵抗値は、この信号変換回路３１に入力され、アンプ３３によってこの電圧値や抵抗値に対応した電圧とされてトランジスタ３２のベースに印加されるため、トランジスタ３２にはこの電圧値や抵抗値に対応した電流が流れることになる。
【００６６】
そのため、絶縁トランス３の１次側には信号変換回路３１のトランジスタ３２に流れた電流に対応した電流が流れ、絶縁トランス３の中間タップから抵抗２５、コンデンサ２６を介して流れる１次側電流６を図示していない電流測定手段で測定することで、センサ３０の電圧、抵抗を推定することが可能であり、併せて前記と同様、絶縁トランス３の２次側の回路における配線の断線、短絡などの健全性も、１次側電流６が異常電流、すなわちトランス３の２次側に過大電流や全く電流が流れない、などから診断することができる。
【００６７】
図９、図１０は前記図２０、図２４で説明した、
３．電力を供給され、入力した電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサ
ーボ弁のような制御用アクチュエータ
の駆動ブロック図（図９）と具体的回路例（図１０）であり、前記と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、２は対象としての制御用アクチュエータ４０を駆動する電圧信号４１の電圧値に対応した振幅のパルスを発生するパルス発生回路、３は絶縁トランス、４は整流回路、６は絶縁トランス３の１次側を流れる電流の信号、７の破線は絶縁バリアである。また、２５、２６は電流測定用の抵抗とコンデンサ、４０は上記した対象としての制御用アクチュエータ、４１はこの制御用アクチュエータ４０を駆動するための駆動電圧信号、４２は加算器、４３は測定結果の電流信号、４４は、電流信号６を例えば、
ａ．制御用アクチュエータ４０が正常動作している時は０Ｖに
ｂ．過電流が流れたり回路が断線、短絡した場合、絶縁トランス３の２次側電流に
対応した１次側電流６を、過電流や断線、短絡に対応した電圧に
それぞれ変換するアンプ、４５は駆動電圧信号４１に対応した電圧が制御用アクチュエータ４０に印加されているか否かを診断するための電圧信号、４６は図９のブロック図における加算器４２、アンプ４４の機能を行わせる制御用マイコン、４７は電圧信号４１に対応した電圧を絶縁トランス３に送るためのＦＥＴ、４８、４９は絶縁トランス３の１次巻線両端に交互に電圧を印加するためのＦＥＴ、５０はインダクタ、５１はダイオードである。
【００６８】
まずこの図９に示したブロック回路を説明すると、パルス発生回路２に印加される制御用アクチュエータ４０の駆動用電圧信号４１は、対象たる制御用アクチュエータ４０に印加すべき電流の指令となるもので、パルス発生回路２によりその駆動用電圧信号４１に対応した振幅のパルスとして絶縁トランス３に送られる。そのため絶縁トランス３からは駆動用電圧信号４１に対応した電圧が出力されて整流回路４で整流され、制御用アクチュエータ４０が駆動される。そして整流回路４で整流されて制御用アクチュエータ４０に流れた電流に対応した電流が絶縁トランス３の１次側に流れるから、その電流信号６をアンプ４４で前記ａ、ｂに記したような電圧に変換し、加算器４２に加えてその結果を絶縁トランス３の印加電圧信号４５として出力する。従って、この電流信号６、電圧信号４５を見ることで、アクチュエータ４０に加えられる電圧、電流を知ることができ、それによってアクチュエータ４０の抵抗値がわかるから、アクチュエータ４０の正常動作、異常動作、回路の断線、短絡などを診断することができる。
【００６９】
次に図９のブロック図を具体的回路とした図１０を説明すると、図９のブロック図における加算器４２、アンプ４４の機能は、制御用マイコン４６、ＦＥＴ４７、ダイオード５１及びインダクタ５０で実現される。制御用マイコン４６は、印加された制御用アクチュエータ４０の駆動用電圧信号４１が、相当する値のアクチュエータ４０の駆動信号となるようＰＷＭ信号をＦＥＴトランジスタ４７に印加し、駆動用電圧信号４１に対応した電圧がパルス発生回路２からのパルスが供給されているＦＥＴトランジスタ４８、４９に加えられる。そのためパルス発生回路２からのパルスの振幅は電圧信号４１に対応した振幅となり、絶縁トランス３の２次側には駆動用電圧信号４１に対応して昇圧された電圧が出力され、整流回路４を介して制御用アクチュエータ４０が駆動される。
【００７０】
そのため、制御用アクチュエータ４０に流れた電流に対応した電流が絶縁トランス３の１次側に流れるから、絶縁トランス３の中間タップから抵抗２５、コンデンサ２６を介して流れる１次側電流６を制御用マイコン４６に入力し、その１次側電流６を前記したように、
ａ．制御用アクチュエータ４０が正常動作している時は０Ｖに
ｂ．過電流が流れたり回路が断線、短絡した場合、絶縁トランス３の２次側電流に
対応した１次側電流６を、過電流や断線、短絡に対応した電圧に
変換し、インダクタ５０からＦＥＴ４８、４９を介して絶縁トランス３に印加される電圧に加算して電圧信号４５とする。
【００７１】
すなわちこの電圧信号４５、電流信号６は、制御用アクチュエータ４０の抵抗値に対応した電圧、電流となっているから、この電圧信号４５、電流信号６を見ることで対象たる制御用アクチュエータ４０に発生する電圧を計測することができるので正常動作しているかどうかがわかり、短絡した場合には電圧信号が小さな値として計測され、断線した場合には電圧信号が大きな値として計測されるから、過電流や過小電流であれば回路の断線、短絡が疑われるわけで、それによって前記図２０、図２４に示した変調回路１３２、信号絶縁用の絶縁トランス１３３、復調回路１３４、信号変換回路１３５などを設けることなく、精度良くアナログ信号である制御用アクチュエータ４０に流れた電流、電圧を指示側に伝える駆動回路とすることができる。
【００７２】
図１１、図１２は前記図２１、図２５で説明した、
４．電力を供給され、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段
の駆動ブロック図（図１１）と具体的回路例（図１２（Ａ））であり、前記と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、１は電源、２はパルス発生回路、３ａ、３ｂは絶縁トランス、４ａ、４ｂは整流回路、７は絶縁バリア、５５、５６は圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段、５７は絶縁トランス３の１次側の電流を測定し、アナログ的に接点５５、５６の状態を評価してＯＮ／ＯＦＦ状態、及び回路の断線、短絡などの回路の健全性を診断する制御用マイコンである。また、接点５５、５６は、図１２（Ａ）に一例を示したように、整流回路４に接続された抵抗６０、６１と、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点６２とからなっている。なお、図１２（Ｂ）は縦軸が１次側電流、横軸は１次側電流の状態を示すもので、「ショート」として示した領域は配線に短絡がある場合、「ＯＮ」は接点６２がＯＮ状態の時、「ＯＦＦ」は接点６２がＯＦＦ状態の時、「断」は配線に断線がある場合である。
【００７３】
この接点６２は、図１２（Ａ）に示したように圧力や温度によって切り替わってＯＮ側、ＯＦＦ側に切り替わるが、その切り替わりによってＯＮのときは抵抗６０、６１が整流回路４に接続されることになり、ＯＦＦのときは抵抗６１のみが整流回路４に接続されることになる。そのため、２次側の電流はこの抵抗６０、６１の接続状態で切り替わり、それによって絶縁トランス３の１次側に流れる電流も変化するから、圧力や温度による接点のＯＮ／ＯＦＦ状態を１次側電流で知ることができる。また、接点がＯＦＦの状態でも抵抗６１の存在で電流が流れるから、縦軸に１次側電流を、横軸に接点５５、５６（図１２（Ａ）では６２）の状態を示した図１２（Ｂ）のように、接点６２のＯＮ／ＯＦＦ以外に、断線の場合は電流０に、短絡（ショート）の場合は最大電流に、ＯＮとＯＦＦの中間では、接点の一部が融着するなど、異常が発生していることがわかる。
【００７４】
従って、絶縁トランス３の１次側電流を測定し、健全性を診断する制御用マイコン５７で測定結果を評価することで、接点６２のＯＮ／ＯＦＦ状態、回路の断線や短絡、また接点の融着などの異常状態を指示側で診断することができ、しかもこの診断は、絶縁トランス３を接点毎に設けるだけで接点を互いに絶縁しながら行うことができ、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぎながら、精度良く行うことができるわけである。
【００７５】
図１３、図１４は前記図２２、図２６で説明した、
５．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により動作する接点などの制御手段
の駆動ブロック図（図１３）と具体的回路例（図１４）であり、前記と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、１は電源、２はパルス発生回路、３ａ、３ｂは絶縁トランス、４は整流回路、７は絶縁バリア、２５、２６は電流測定用の抵抗とコンデンサ、６５、６６は２値信号により動作する接点、６７ａ、６７ｂ、６８ａ、６８ｂはＦＥＴ（図１４における６８、７３、７４）などを用いたスイッチ回路、６９ａ、６９ｂはダイオード、７０ａ、７０ｂは抵抗、７１ａ、７１ｂは接点６５、６６をＯＮ／ＯＦＦさせる駆動信号、７２ａ、７２ｂは絶縁トランス３ａ、３ｂの１次側電流、７３、７４は絶縁トランス３の２次側に接点６５、６６をＯＮさせる電圧とＯＦＦさせる微小電圧を印加するためのＦＥＴ、７５は抵抗、７６、７７は絶縁トランス３の１次側巻線の両端に交互にＯＮ／ＯＦＦのパルスを印加するためのＦＥＴである。
【００７６】
この図１３の接点６５、６６は、ＯＮ／ＯＦＦ２値の駆動信号７１ａ、７１ｂにより切り替わるわけであるが、その２値の駆動信号７１ａ、７１ｂは、ＦＥＴ７３、７４などを用いたスイッチ回路６７ａ、６７ｂに入力され、絶縁トランス３の１次側における中間タップに接続された、抵抗７５、２５を介して電流が流れるか、抵抗２５のみを介して電流が流れるか、で１次側に印加する電圧を変化させ、２次側の電圧を接点６５、６６をＯＮさせる電圧（抵抗２５のみを介して電流が流れた場合）、ＯＦＦさせる電圧（抵抗７５、２５を介して電流が流れた場合）に変化させ、スイッチ６８ａ、６８ｂを構成するＦＥＴ（６８）への印加電圧が変化して接点６５、６６のＯＮ／ＯＦＦが行われる。
【００７７】
ダイオード６９ａ、６９ｂ、抵抗７０ａ、７０ｂは、スイッチ６８ａ、６８ｂが実際にＯＮになっているかどうかを確認する電流を流すために設けられており、接点６５、６６がＯＮ、すなわち図１４に６８で示したＦＥＴがＯＮになると、このダイオード６９ａ、６９ｂ、抵抗７０ａ、７０ｂに電流が流れ、ＯＦＦになると流れなくなるから、それを前記と同様、絶縁トランス３の１次側の電流信号７２に現れる電流変化で検知する。それによって最終段の接点６５、６６が本当にＯＮになっているかどうか、回路が断線、短絡していないかをモニタリングすることができる。
【００７８】
図１５、図１６、図１７は前記図２３、図２７で説明した、
６．２値のＯＮ／ＯＦＦ信号により電力を供給され、駆動される電磁弁、ランプ、リ
レー、小型直流モータ等のアクチュエータ
の駆動ブロック図（図１５）と具体的回路例（図１６）、及び対象８０たるアクチュエータの動作状態、配線の断線や短絡の各状態における電流値を示したグラフ（図１７）である。前記と同様な構成要素には同一番号を付してあるが簡単に説明すると、１は電源、２はパルス発生回路、３は絶縁トランス、４は整流回路、６は絶縁トランス３の１次側電流、７は絶縁バリア、８０はＯＮ／ＯＦＦの２値電圧信号により電力を供給されて駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ、８１はＦＥＴ（図１６に於いて８３）などを用いたスイッチ回路、８２はアクチュエータ８０を駆動するための駆動電圧信号、８３は駆動電圧信号８２でＯＮ／ＯＦＦするＦＥＴ、８５、８６は絶縁トランス３の１次巻線両端に交互にパルス電圧を印加するためのＦＥＴ、８４は抵抗、図１７において縦軸は電流信号６の電流で、横軸はＯＮ／ＯＦＦの状態を示すためのものであり、上部に「ＯＮ」として示したグラフはアクチュエータ８０がＯＮの状態の場合の電流値、「ＯＦＦ」として示したグラフはアクチュエータ８０がＯＦＦの状態の場合の電流値、グラフ中に「正常」として示したのはＯＮ／ＯＦＦそれぞれの場合に流れる電流値の範囲、グラフ原点に「断」として示したのは回路に断線が生じた場合の電流値、「短絡」として示したのは回路に短絡が生じた場合の電流値である。
【００７９】
この図１５、図１６におけるアクチュエータ８０は、ＯＮ／ＯＦＦ２値の駆動電圧信号８２のＯＮ状態で絶縁トランス３から整流回路４を介して１０〜２０Ｗの電力を供給され、ＯＦＦ状態でアクチュエータ８０を駆動するに足りない電力を供給される。すなわちＯＮ／ＯＦＦ２値の駆動電圧信号８２は、ＦＥＴ８３（図１６参照）などを用いたスイッチ回路８１をＯＮ／ＯＦＦし、ＯＮ状態ではトランス３の１次巻線にＦＥＴ８５、８６から印加されるパルスは抵抗２５のみを通り、ＯＦＦ状態では抵抗８４、２５を通るため、アクチュエータ８０への電力供給は上記したように駆動電圧信号８２のＯＮ状態では高電圧となり、ＯＦＦ状態ではアクチュエータ８０を駆動するに足りない電圧となる。
【００８０】
そしてアクチュエータ８０が駆動されて絶縁トランス３の２次側に電流が流れることで、図１７に「ＯＮ」として示したように絶縁トランス３の１次側にアクチュエータ８０の駆動電流に対応した、「正常」と記した範囲の電流が流れる。また、駆動電圧信号８２のＯＦＦ状態では、図１７に「ＯＦＦ」として示したようにアクチュエータ８０を駆動するに足りない、「正常」と記した範囲の電流が流れる。そのため、絶縁トランス３の中間タップから抵抗２５、コンデンサ２６を介して流れる１次側電流６を図示していない電流測定手段で測定することで、ＯＮ／ＯＦＦそれぞれに対応した状態が分かり、アクチュエータ８０が正常に駆動されているか、回路における配線に断線、短絡などがないか、などの健全性診断も併せて行うことができるわけである。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明によれば、従来はコスト増加で見送られていた被駆動体の動作確認や回路の健全性診断を、簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を招くことなく実施でき、信頼性の確保が望まれる回路に容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の基本的な考え方を説明するための図である。
【図２】本発明に用いるトランスのコア材料における温度によるコアロスの特性を示したグラフである。
【図３】本発明に用いるトランスのコアへの１次コイルと２次コイルの巻回方法を模式的に示した図である。
【図４】本発明に用いるトランスのコアへのコイルの巻回方法による伝達特性の違いの実験結果を示したグラフ（Ａ）とその実験に用いたトランスの諸元を示した表図である。
【図５】本発明により、電力を供給されて温・湿度や圧力の測定結果を電流で出力するセンサを駆動する回路のブロック図である。
【図６】本発明により、電力を供給されて温・湿度や圧力の測定結果を電流で出力するセンサを駆動する具体的回路構成である。
【図７】本発明により、測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサを駆動する回路のブロック図である。
【図８】本発明により、測定結果を電圧や抵抗値の変化として出力するセンサを駆動する具体的回路構成である。
【図９】本発明により、電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータを駆動する回路のブロック図である。
【図１０】本発明により、電圧信号の電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のような制御用アクチュエータを駆動する具体的回路構成である。
【図１１】本発明により、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段を駆動する回路のブロック図である。
【図１２】本発明により、圧力や温度によりＯＮ／ＯＦＦする接点などの制御手段を駆動する具体的回路構成である。
【図１３】本発明により、ＯＮ／ＯＦＦの２値信号により動作する接点などの制御手段を駆動する回路のブロック図である。
【図１４】本発明により、ＯＮ／ＯＦＦの２値信号により動作する接点などの制御手段を駆動する具体的回路構成である。
【図１５】本発明により、ＯＮ／ＯＦＦの２値電圧信号により電力を供給されて駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータを駆動する回路のブロック図である。
【図１６】本発明により、ＯＮ／ＯＦＦの２値電圧信号により電力を供給されて駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータを駆動する具体的回路構成である。
【図１７】本発明により、ＯＮ／ＯＦＦの２値電圧信号により電力を供給されて駆動されるアクチュエータの正常駆動、配線の断線や短絡の各状態における電流を示したグラフである。
【図１８】トランスミッタを用いて温湿度や圧力を測定する従来回路のブロック図である。
【図１９】熱起電力温度を測定する熱電対や、温度変化に対して電気抵抗が変化するサーミスタなどのセンサを用いて測定する従来回路のブロック図である。
【図２０】電圧信号を供給されて全開または全閉となる電磁弁、または与えられた電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のようなアクチュエータを駆動するための従来回路のブロック図である。
【図２１】圧力や温度でＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する接点を用いた従来回路のブロック図である。
【図２２】ＯＮ／ＯＦＦの２値信号を供給されて接点をＯＮ／ＯＦＦさせる場合の従来回路のブロック図である。
【図２３】電圧信号により電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータを駆動する場合の従来回路のブロック図である。
【図２４】電圧信号を供給されて全開または全閉となる電磁弁、または与えられた電圧に対応して全開から全閉の間となるサーボ弁のようなアクチュエータを駆動し、信号状態の診断を行う回路を付加した従来回路のブロック図である。
【図２５】圧力や温度でＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する接点を用いて信号状態の診断を行う回路を付加した従来回路のブロック図である。
【図２６】ＯＮ／ＯＦＦの２値信号を供給されて接点をＯＮ／ＯＦＦさせると共に、信号状態の診断を行う回路を付加した場合の従来回路のブロック図である。
【図２７】電圧信号により電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータを駆動し、信号状態の診断を行う回路を付加した場合の従来回路のブロック図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  電源
２  パルス発生回路
３  絶縁トランス
４  整流回路
５  被駆動体
６  １次側電流
７  絶縁バリア
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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