JP2004524492A - 基準点を基準とするピストンロッドの絶対位置の検出のための測定システムを有する圧力媒体シリンダ - Google Patents

Abstract

本発明はピストンロッド（１１）を有するピストンと基準点を基準とするピストンロッドの絶対位置の検出のための測定システムとを有する圧力媒体シリンダに関する。この測定システムは一方でピストンロッドに取り付けられたこのピストンロッドに沿って延在するバイナリコードエレメントのコードトラック及び他方で基準点に対して相対的に位置固定されたセンサ（２０）を有し、バイナリコードエレメントは磁気的に伝導的な及び保護層により被覆されたピストンロッドの基本材料（１３）の周方向に延在する溝及び平坦部によって形成されており、センサはコードトラックに沿って配置されかつそれぞれ限定された個数のコードエレメントを走査する複数のセンサエレメントを有する。マンチェスターコードの使用によって次のことが保証される。すなわち、ピストンロッドの基本材料の直径は、限定された区間に亘ってもとめられると、コードトラックの全長に亘って基本的に同じである。これは保護層の均一な構造をもたらし、この保護層は大抵の場合フレーム溶射により塗付されたセラミック層である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は基準点に対するピストンロッドの位置の検出のための測定システム及び特許請求項１の他の上位概念を有する圧力媒体シリンダに関する。
【０００２】
このような圧力媒体シリンダはＥＰ０６１８３７３Ｂ１から公知である。位置検出のための測定システムは、そこでは、ピストンロッドの絶対位置を識別できずに、相対位置だけが、すなわち距離区間だけが検出されるように構成されている。公知の圧力媒体シリンダのピストンロッドは異なるバイナリ状態の連続するコードエレメントの規則的なコードトラックを有し、これらのコードエレメントは周囲を取り囲む所定の幅の溝と周囲を取り囲みかつ溝と同じ幅を有する２つの溝の間の平坦部とによって形成されている。鋼鉄製の基本材料から成るピストンロッドを保護しさらに平滑な表面を保持するために、この基本材料には薄いセラミック層が塗付されており、このセラミック層は研磨及び砥石による研ぎによって最終加工されている。
【０００３】
測定システムは、電流磁気効果に基づく測定システムであり、さらに圧力媒体シリンダのハウジングに固定されて磁界を発生する永久磁石及び２つの磁気抵抗センサ素子を有する。これらの２つの磁気抵抗センサ素子は、永久磁石とピストンロッドとの間に存在し、ピストンロッドの運動の際にはこれらの２つの磁気抵抗センサ素子の傍らを通り過ぎる溝及び平坦部のために変化する磁界強度にさらされ、従って、変化する出力信号のシーケンスを送出する。２つのセンサエレメントが存在し、これらの２つのセンサエレメントはピストンロッドの長手方向において互いにピッチの４分の１プラス又はマイナスコードトラックのピッチの整数倍に等しい間隔を有し、この結果、高い分解能が可能である。
【０００４】
本発明の課題は、特許請求項１の上位概念記載の圧力媒体シリンダを発展させて、絶対位置の検出が可能であるようにし、しかも製造コストを制限したままで長い寿命に亘って確実な機能が保証されるようにすることである。
【０００５】
上記課題は上位概念記載の圧力媒体シリンダにおいて本発明によって、特許請求項１の特徴部分に記載されているように次のことによって達成される。すなわち、ピストンロッドの絶対位置の検出のためにコードエレメントがピストンロッドのコードトラックにおいて不規則なパターンで配置されており、この不規則なパターンがピストンロッドの異なる位置に対してそれぞれセンサエレメントの出力信号のユニークなパターンを発生し、ピストンロッドにおける溝及び平坦部が少なくとも広い領域においてマンチェスターコードを形成し、このマンチェスターコードにおいて同じ状態のせいぜい２つのコードエレメントが連続する。マンチェスターコードの使用によって次のことが保証される。すなわち、ピストンロッドの基本材料の直径は、限定された区間に亘ってもとめられると、コードトラックの全長に亘って基本的に同じである。これは保護層の均一な構造をもたらし、この保護層は大抵の場合フレーム溶射により塗付されたセラミック層である。全体として、僅かなコストによってその全長に亘って同じ直径を有するピストンロッドが製造される。溝及び平坦部がもとめられる場合に、どこかの箇所において他の箇所よりも多くの保護層の材料が塗付又は除去されてはならない。
【０００６】
本発明の圧力媒体シリンダの有利な実施形態は従属請求項から得られる。
【０００７】
コードエレメントの不規則なパターンは特許請求項２によれば有利には次のことによって得られる。すなわち、コードトラックはピストンロッドにおいてそれぞれ同じ個数のバイナリコードエレメントにより形成されるコード語から構成され、コード語は全て所定の個数のコードエレメントから形成されるスタートコード及びこれに続いて各コード語だけに固有のコードエレメントのシーケンスから成る個別の位置コードを有し、センサのセンサエレメントの配置は少なくとも１コード語の長さに亘って延在し、センサエレメントの個数は１コード語の長さの範囲内で少なくともこのコード語のコードエレメントの個数と同じであること。
【０００８】
特許請求項３によりセンサエレメントの個数がコードトラックの所定の長さの範囲内でコードエレメントの個数とちょうど同じではなくてこの長さの範囲内のコードエレメントの個数の整数倍である場合、コードトラックの走査はとりわけ正確となる。有利には、この場合センサエレメントの必要不可欠な個数に関してコードエレメント毎に２つのセンサエレメントを設ける。
【０００９】
特許請求項５によれば、センサエレメントの列は、少なくともスタートコードプラス１コード語と同じ長さであり、よって、全体として２スタートコード及び１位置コードに亘って延在しうる。これによって単に１コード語長だけでなく１コードエレメントの幅に至るまでの分解能が可能である。しかし、有利にはセンサエレメントの列はスタートコードプラス１コード語よりも長く、とりわけ１コード語の１３０％であり、このことは冗長性に基づいてコードトラックの監視及びエラーの補正、従って動作確実性の向上のための付加的な可能性を開く。
【００１０】
原理的にコード語は同じ個数のコードエレメントの場合でもスタートコード毎に様々なスタートコードを有しうる。しかし、特許請求項７によりスタートコードが全てのコード語に対して同じである場合の方がより簡単に思われる。
【００１１】
特許請求項８によれば、コード語の位置コードだけはマンチェスターコードであり、この結果、スタートコードは同じ状態の少なくとも３つの間断なく連続するコードエレメントによってはっきりと位置コード内のコードエレメントシーケンスから区別される。
【００１２】
センサエレメントは特許請求項９によれば有利にはホール素子であり、これらのホール素子はとりわけ希土類元素ネオジムからなる永久磁石の磁界にさらされている。センサに関する更に別の有利な実施形態は特許請求項１０又は１１に記載されている。
【００１３】
動作確実性の更なる向上のために、特許請求項１２に記述されているように、複数のセンサが分散してピストンロッドの周りに配置される。
【００１４】
本発明の圧力媒体シリンダの実施例は図面に図示されている。これらの図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００１５】
図１は、圧力媒体シリンダの斜視図を示し、
図２は、図１の圧力媒体シリンダのピストンロッドの長手方向部分断面図を示し、
図３は、ピストンロッドにおけるコードトラックのスタートコード及び位置コードを有するコード語を示し、位置コードの２進数はマンチェスターコードで示されており、
図４は、コードトラックの第２のコード語を示し、
図５は、センサのハウジングのピストンロッドの長手方向の断面図を示し、
図６は、センサのハウジングの横断面を示し、
図７は、ピストンロッドの所定の位置におけるコードトラックのコードエレメントとセンサエレメントとの間の割り当てを概略的に示す。
【００１６】
図１の圧力媒体シリンダはシリンダハウジング１０を有し、このシリンダハウジング１０には一般的に周知のやり方でここには詳しく図示されてはいないピストンが存在する。これにはピストンロッド１１が固定されており、このピストンロッド１１はシリンダヘッド１２を通ってシリンダハウジングの内側から密閉されて外へと出てゆく。ピストンロッドは主に鋼鉄製コア１３から成り、この鋼鉄製コア１３は例えばＤＥ３９１０７２５Ｃ１又はＵＳ特許５０７７１３９から公知であるように、薄いセラミックの、すなわち磁化不可能な保護層１４によって被覆されている。これは例えばセラミックパウダのフレーム溶射によって塗付されている。
【００１７】
シリンダヘッド１２にはハウジング２１を有するセンサ２０がはめ込まれており、このセンサ２０はピストンロッド１１の絶対位置の検出に使用される。このセンサはピストンロッドとシリンダヘッドとの間の密閉配置の前に存在し、従って圧力を加えられない。
【００１８】
位置検出のためにはピストンロッド１１の鋼鉄製コア１３にピストンロッドに沿って延在するコードトラックが設けられており、このコードトラックのバイナリコードエレメントは半径面において周囲を取り巻くように設けられた溝３０及び周囲を取り巻くように設けられたウェブ又は平坦部３１によって形成されている。平坦部では鋼鉄製コア１３の直径は最大である。それに対して、溝の深さは約０．３ｍｍである。溝及び平坦部は５．２ｍｍの同じ幅を有し、間断なく連続する溝又は平坦部は５．２ｍｍのピッチの整数倍の幅を有する溝又は平坦部として現れる。溝と平坦部とは円錐状のエッジ３２により相互につながっている。このエッジ３２の寸法はピストンロッドの長手方向において１ｍｍであり、エッジは半分が平坦部３１に所属しており、他の半分が溝３０に所属していると見なすことができる。理論的にはコードトラックは上述の５．２ｍｍをステップ幅として有する長方形プロフィールと見なすことができる。これらのエッジによってセラミックの保護層１４の厚さが突然にではなく徐々に変化してゆくことが実現され、この結果、ひび割れの形成の危険が減少する。その他に、保護層１４の厚さは鋼鉄製コア１３の最大直径の領域において約０．２〜０．３ｍｍであり、溝３０の領域において約０．５〜０．６ｍｍである。
【００１９】
溝３０及び平坦部３１はバイナリコード語３５にまとめられ、これらのバイナリコード語３５は全てのコード語に対してコーディング０００１を有する同じスタートコード３３及びコード語毎に異なる位置コード３４から成る。位置コードは８個の二重ビットを有するバイナリマンチェスターコードであり、連続する１０進数０〜２５５から導き出される。マンチェスターコードの二重ビット０１は２進数の数字０を意味し、マンチェスターコードの二重ビット１０は２進数の数字１を意味する。ここから結果的にマンチェスターコードでは同じ状態のせいぜい２つの連続するコードエレメントが現れることになる。例えばコード語０に対しては図３に図示された溝３０及び平坦部３１の順番が生じ、溝がバイナリ０を現し、平坦部がバイナリ１を現している。スタートコード３３ではコードエレメント０００１が連続する。このスタートコード３３の後には８個の同じ二重ビット０１を有するはるかに長い位置コード３４が続く。よって、コード語０の位置コードでは溝３０と平坦部３１とが交互に現れる。位置コード３４のプロフィールの中には１０進数０が２進数００００００００として示されている。例えば１０進数４のコード語に対しては図４に図示された溝３０及び平坦部３１の順番が生じる。図４のコード語では２つの平坦部が一度連続し、２つの溝が一度連続することが示されている。一般的には次のことが言える。すなわち、マンチェスターコードでは同じ状態のせいぜい２つのコードエレメントが、すなわちせいぜい２つのバイナリ０又は２つのバイナリ１が連続する。このことから、スタートコードに同じ状態の３つのコードエレメントが連続する場合、スタートコードが容易に区別されうる。他の可能なスタートコードは例えば００１１１０又は０００１１１又はこれらの逆である。
【００２０】
スタートコードにおける同じ状態のちょうど３個の連続するコードエレメントの選択及びまず第一にスタートコードに比べてより長い位置コードに対するマンチェスターコードの選択によって、ピストンロッドの鋼鉄製コア１３がその全長に亘って同じ平均直径を有することが実現される。これは、保護層１４の平均して同じ厚さにより比較的僅少な製造コストによってその全長に亘って同じ直径を有するピストンロッドをもたらし、この結果、シリンダヘッドにおける密閉が簡単である。
【００２１】
各コード語は、既に説明したように、２０個のコードエレメントから成り、これらの２０個のコードエレメントはピストンロッド１１の長手方向に全て５．２ｍｍの寸法を介して延在している。従って、１コード語は１０４ｍｍの長さを有する。２５６個のコード語の場合には２６．６２４ｍのコーディングされたピストンロッド長が生じる。
【００２２】
センサ２０のハウジング２１はアルミニウムから製造された箱状の底部分４０から成り、この箱状の底部分４０には複数の電子装置カード４１、４２、４３及び４４及び棒状の永久磁石４５が収容されており、ならびに、このセンサ２０のハウジング２１は鋼鉄製の蓋４６から成り、この鋼鉄製の蓋４６は電気プラグ端子４７を支持し、外部の磁気妨害に対する磁気遮蔽部として使用される。例えば０．５ｍｍ厚のできるだけ薄い底４８を有しかつアルミニウムから製造されている底部分４０は磁気遮蔽を惹起しないが、シリンダヘッド１２に格納されており、このシリンダヘッド１２が遮蔽部として使用される。永久磁石は、ネオジムマグネットであり、センサが圧力媒体シリンダに固定されている場合にはピストンロッド１１の長手方向に延在している。
【００２３】
ピストンロッド１１におけるコードトラックはホール素子として形成された全部で５２個のセンサエレメント５０によって走査さる。溝及び平坦部の上の磁界強度の差異ができるだけ大きくなるように、これらのセンサエレメント５０は１つの又は２つの互いにずれた列状に永久磁石４５と底４８との間にあるカード４１において永久磁石の下側にかつ使用状況においてできるだけピストンロッドの近傍に配置されている。ピストンロッドの長手方向におけるホール素子５０の互いの間隔は２．６ｍｍである。従って、図７に示されているように、それぞれ２つのセンサエレメントが１つのコードエレメント３０乃至は３１に割り当てられている。１コード語の２０ビットを走査するためには、４０個のホール素子５０が必要であり、このことは１２個のホール素子すなわち３０％の冗長性を生じる。この冗長性は、１コード語のほかに、３個の更なるマンチェスター二重ビット又はスタートコード及び更に１個のマンチェスター二重ビットを走査することを可能にする。
【００２４】
カード４１にはホール素子を問い合わせるためのマルチプレクサも存在する。カード４２はＡＤ変換器及びマイクロコントローラを支持する。カード４３はホール素子の供給電圧の制御を行う。最後にカード４４はＣＡＮバスカードである。
【００２５】
動作においては、５２個のホール素子の利用によって溝３０及び平坦部３１のパターンが検出される。ピストンロッド１１には一意的なコード語のセットが設けられているので、ピストンロッドの絶対位置はコード語の読み取りによって識別され得る。各コード語は１０４ｍｍの長さであり、この結果、ホール素子の列が位置決めされている語の検出は１０４ｍｍの分割において絶対位置をもたらす。さらに、コード語のスタートコード３３の利用によって絶対位置がビット幅に至るまで決定され、このことは５．２ｍｍの分解能をもたらす。ホール素子の列によって検出される移行部に亘る補間によって溝と平坦部との間の０から１への及び１から０への移行部の位置が検出される場合には、分解能はさらに改善され得る。これによって０．３ｍｍまでの分解能が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】圧力媒体シリンダの斜視図を示す。
【００２７】
【図２】図１の圧力媒体シリンダのピストンロッドの長手方向部分断面図を示す。
【００２８】
【図３】ピストンロッドにおけるコードトラックのスタートコード及び位置コードを有するコード語を示し、位置コードの２進数はマンチェスターコードで示されている。
【００２９】
【図４】コードトラックの第２のコード語を示す。
【００３０】
【図５】センサのハウジングのピストンロッドの長手方向の断面図を示す。
【００３１】
【図６】センサのハウジングの横断面を示す。
【００３２】
【図７】ピストンロッドの所定の位置におけるコードトラックのコードエレメントとセンサエレメントとの間の割り当てを概略的に示す。
【符号の説明】
【００３３】
１０ シリンダハウジング
１１ ピストンロッド
１２ シリンダヘッド
１３ 鋼鉄製コア
１４ 保護層
２０ センサ
２１ センサハウジング
３０ 溝
３１ 平坦部
３２ エッジ
３３ スタートコード
３４ 位置コード
３５ バイナリコード語
４０ 底部分
４１〜４４ 電子装置カード
４５ 永久磁石
４６ 鋼鉄製の蓋
４７ 電気的プラグ端子
４８ 底
５０ センサエレメント、ホール素子

Claims (12)

1. ピストンロッド（１１）を有するピストンと基準点を基準とするピストンロッド（１１）の位置の検出のための測定システムとを有する圧力媒体シリンダであって、前記測定システムは前記ピストンロッド（１１）に取り付けられた該ピストンロッド（１１）に沿って延在するバイナリコードエレメント（３０、３１）のコードトラックと基準点に対して相対的に位置固定されたセンサ（２０）とを有し、前記バイナリコードエレメント（３０、３１）は、磁気的に伝導的な及び保護層（１４）により被覆された前記ピストンロッド（１１）の基本材料（１３）において周方向に延在する溝（３０）及び平坦部（３１）によって形成されており、前記センサ（２０）は前記コードトラックに沿って配置されかつそれぞれ限定された個数のコードエレメント（３０、３１）を走査する複数のセンサエレメント（５０）を有する、ピストンロッド（１１）を有するピストンと基準点を基準とするピストンロッド（１１）の位置の検出のための測定システムとを有する圧力媒体シリンダにおいて、
   前記ピストンロッド（１１）の絶対位置を検出するために前記コードエレメント（３０、３１）は前記ピストンロッド（１１）上のコードトラックにおいて不規則なパターンで配置されており、該不規則なパターンは前記ピストンロッドの異なる位置に対してそれぞれ前記センサエレメント（５０）の出力信号のユニークなパターンを発生し、前記溝（３０）及び前記平坦部（３１）は前記ピストンロッドにおいて少なくとも広い領域でマンチェスターコードを形成し、該マンチェスターコードにおいて同じ状態のせいぜい２つのコードエレメント（３０、３１）が連続することを特徴とする、ピストンロッド（１１）を有するピストンと基準点を基準とするピストンロッド（１１）の位置の検出のための測定システムとを有する圧力媒体シリンダ。
2. コードトラックはピストンロッド（１１）においてそれぞれ同じ個数のバイナリコードエレメント（３０、３１）により形成されるコード語（３５）から構成され、該コード語（３５）は全て所定の個数のコードエレメント（３０、３１）から形成されるスタートコード（３３）及びこれに続いて各コード語（３５）だけに固有のコードエレメント（３０、３１）のシーケンスから成る個別の位置コード（３４）を有し、センサ（２０）のセンサエレメント（５０）の配置は少なくとも１コード語（３５）の長さに亘って延在しており、前記センサエレメント（５０）の個数は１コード語（３５）の長さの範囲内で少なくともこのコード語（３５）の前記コードエレメント（３０、３１）の個数と同じであることを特徴とする、請求項１記載の圧力媒体シリンダ。
3. センサエレメント（５０）の個数はコードトラックの所定の長さの範囲内でこの長さの範囲内のコードエレメント（３０、３１）の個数の整数倍であることを特徴とする、請求項１又は２記載の圧力媒体シリンダ。
4. 所定の長さの範囲内でコードエレメント（３０、３１）の２倍の個数のセンサエレメント（５０）が存在し、よって、該センサエレメント（５０）の間の間隔は前記コードエレメント（３０、３１）の間の間隔の半分の大きさであることを特徴とする、請求項３記載の圧力媒体シリンダ。
5. センサエレメント（５０）の列は少なくともスタートコード（３３）プラス１コード語（３５）と同じ長さであることを特徴とする、請求項２〜４のうちの１項記載の圧力媒体シリンダ。
6. センサエレメント（５０）の列はスタートコード（３３）プラス１コード語（３５）より長く、有利には１コード語（３５）の１３０％であることを特徴とする、請求項５記載の圧力媒体シリンダ。
7. スタートコード（３３）は全てのコード語（３５）に対してピストンロッド（１１）のコードトラックにおいて同じであることを特徴とする、請求項２〜６のうちの１項記載の圧力媒体シリンダ。
8. 位置コード（３４）だけがマンチェスターコードであり、スタートコード（３３）は同じ状態の少なくとも３個の間断なく連続するコードエレメント（３０）を有することを特徴とする、請求項２〜７のうちの１項記載の圧力媒体シリンダ。
9. センサエレメント（５０）はホール素子であり、該ホール素子はとりわけ希土類元素ネオジムから成る永久磁石（４５）の磁界にさらされていることを特徴とする、請求項１〜８のうちの１項記載の圧力媒体シリンダ。
10. センサエレメント（５０）及び所属の電子装置を有するハウジング（２１）がシリンダヘッド（１２）に配置されていることを特徴とする、請求項９記載の圧力媒体シリンダ。
11. ハウジング（２１）はアルミニウムから成る底部分（４０）及び鋼鉄製の蓋（４６）を有し、前記底部分（４０）にはセンサエレメント（５０）、永久磁石（４５）及びいくつかの電気回路基板（４１、４２、４３、４４）が収容されていることを特徴とする、請求項１０記載の圧力媒体シリンダ。
12. 複数のセンサが分散してピストンロッドの周りに配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のうちの１項記載の圧力媒体シリンダ。