JP2004526112A - 流体圧ピストンの位置センサ - Google Patents

Abstract

流体圧アセンブリ（１０）のシリンダ（１２）内のピストン（１４）の位置は、マイクロ波パルスを用いて測定される。該マイクロ波パルスは、前記ピストン（１４）またはシリンダ（１２）に結合された導体（２２）に沿って伝搬される。スライド部材（３４）は、導体（２２）にスライド可能に結合され、前記ピストン（１４）またはシリンダ（１２）と共に移動する。位置は、前記導体（２２）の端部（３２）及び前記スライド部材（３４）からの反射の関数として測定される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧（水圧または油圧）ピストンに関する。特に、本発明は、ピストンと流体圧シリンダ間の相対位置を感知するのに使用される位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のタイプの変位センサが流体圧シリンダ中のピストンの相対位置を測定するのに使用されている。しかし、過酷な環境下で遠隔的に絶対変位を測定する信頼性の高い装置は、現在複雑で高価である。現在使用されている装置の一例は、封じられた金属管中に収容された一対の細線に沿って伝搬し、ロッドの機械的特性における磁気歪み誘起変位から反射されて帰還する機械的信号の飛行時間を使用する磁気歪み装置である。他の技術は、回転を感知する絶対ロータリエンコーダを使用するものである。回転への変換は、典型的には歯車、またはドラムを負荷されたスプリングからコイルを巻かれていないケーブルまたはテープでなされる。絶対エンコーダは、限定された範囲および／または限定された分解能を受ける傾向にある。高レベルの振動を含む過酷な環境は、エッチングされたガラスの目盛りを一列に整列させるという要請、もろく破砕することに対する過敏性、および埃や汚れに対する脆弱さを考慮外にしてしまう傾向にある。この技術はまた周波数をリセットすることを必要としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シリンダ中の容積フローレートをある時間に渡って積分することによりシリンダの変遷を計算するような推定変位測定方法は、いくつかの欠点をもつ傾向にある。第１は、これらの装置は、しばしば、手動で周波数をリセット(re-zeroing）することを必要とする。第２に、これは温度や密度のような環境条件に影響を受けやすいという傾向がある。これは、正確な変位測定を提供するためにこれらの変数を測定することを必要とする。最後に、変位を測定するために流量を積分することは、測定の正確さを低減する傾向にある。この技術は、また流量測定のダイナミック感知範囲によって制限される。この範囲を上または下に超える流量の場合には、非常に大きなエラーが起きる。
【０００４】
ピストンの位置を測定するのに使用される一つの技術は、電磁気バースト（bursts）を使用する。これは、米国特許第５，９７７，７７８号およびＷＯ９８／２３８６７号に開示されている。しかし、この技術は、外界に放射を発射する傾向があり、較正するのが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
シリンダ中の流体圧ピストンの相対位置を測定する装置は、ピストンの移動方向に延びるロッドと、該ピストンまたはシリンダの一方に固定的に結合されているロッドを含む。該ロッドは、マイクロ波パルスを伝搬するように構成されている。スライド部材は、スライド可能に該ロッドに結合され、前記ピストンまたはシリンダの他の一方に固定的に結合される。前記スライド接触は、マイクロ波の一部を反射するように構成されている。前記ロッドの遠い方の端部は、また反射を起こす。ピストンの位置は、該スライド接触とロッドの端部から反射されるマイクロ波パルスの関数として計算される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１Ａと図１Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態の流体圧ピストン／シリンダアセンブリ１０の側面断面図および正面断面図である。アセンブリ１０は、ピストンロッド（棒）１６に結合されているピストン１４を収容するシリンダ１２を含み、該ピストンは該シリンダ１２の中を摺動する。ピストン１４はシリンダ１２の内部からオリフィス１９を通って流入または流出される流体圧流体１８に応答してシリンダ１２内を動く。シール２０は、ピストン１４の回りに延びており、流体圧流体がそこを通って漏洩するのを防止する。ロッド２２はシリンダ１２の長さ方向に延びており、位置測定回路２４に結合されている。位置測定回路２４は、貫通接続３８によってロッド２２に結合している。オリフィス２６は、流体圧流体がピストン１４内の空洞３０内に流れるようにピストン１４内に設けられている。ロッド２２の遠い方の端部３２は支持体３４により支持されている。
【０００７】
動作において、ピストン１４は、流体圧流体１８がシリンダ１２に注入されたりシリンダ１２から排出されたりするに応じて、シリンダ１２内をスライドする。ピストン１４は、また、ピストン１４の空洞３０内に収容されているロッド２２に沿ってスライドする。ロッド２２はシリンダ１２に固定されているように図示されているが、ピストン１４に固定し、シリンダ１２に対して動くようにすることができる。
【０００８】
位置測定回路２４は、ロッド２２に結合されているマイクロ波信号からの反射に基づいて位置出力を提供する。該マイクロ波信号は、ロッド２２上の二つの位置、すなわち接触ガイドまたはブシュ（bushing）４０およびロッド端３２で反射される。位置測定回路は、シリンダ１２内のピストン１４の相対位置を測定するために、二つの反射信号間の時間遅延の比に応答する。
【０００９】
好ましい実施形態では、本発明はマイクロ時間領域反射レーダ（MTDR)を用いる。MTDR技術は、飛行測定技術である。良好に定義されたインパルスまたはパルス化されたマイクロ波レーダ信号は、適当な媒体に結合される。該レーダ信号は、２平行導体の形状に作成された通信ラインに結合される。この２平行導体配列は、それが放射される電磁波干渉（EMI)を制限するという理由で、好ましい。レーダ信号の発生に応答できる装置、該レーダ信号を通信ラインに結合すること、および反射された信号の感知手段が、ここではトランスジューサと称される。
【００１０】
基本的なMTDR測定は、図１のロッド２２のような長く細い通信ラインにレーダパルスを送り、信号が反射点で折り返してくるのにどれほどかかるかを高精度に測定することにより達成される。この反射点は、通信ラインの遠い方の端３２、または支持体３４と、スライド接触４０のようなその長さ方向に延びる通信ラインの接触（または、隣接する）点であることができる。もし、この機械的な物体（スライド部材４０）が通信ラインの長さ方向に動くように作られているなら、その位置は、反射パルスのトランシット（transit）時間から決定されることができる。特に、ロッド２２で形成される通信ラインの端部３２に送られる基準レーダパルスが発生され時間測定される。それから、これはスライドする機械物体により反射されたパルストランシット時間と比較される。この技術の一つの利点は、測定が通信ラインを囲む媒体から独立していることである。
【００１１】
この測定技術の他の利点は、測定周波数が位置測定に時間的に差を出すように十分に速いので、ピストンの速度と加速度が、もし必要なら得られることである。さらに、通信ラインの配列を適当に調整することにより、角度変位も測定できることである。
【００１２】
本発明の一実施形態は、２要素通信ラインの使用を含む。これは二つの機能を提供する。第１に、それは官用の規則を満足するような放射を含む。第２に、種々の実施形態では、第２の通信ラインがシリンダ筐体そのものであることができる。これは、感知ロッドに関して接地されており、泥や他の外部物質のような、シリンダの外部の誘電体の見せかけの変化からそれを保護することである。好ましい実施形態では、一時的な保護の構成が、シリンダ筐体に印加される電気的サージによって電子回路が故障するのを防止するよう提供される。
【００１３】
本発明の他の特徴は、周波数発生回路と感知通信ラインとの間のワイヤ接続に沿うインピーダンス変化の処理を含むことである。インピーダンス変化は滑らかであることが好ましい。好ましくは、これは、接地とパルスの１／４波長以上の長さの導体間の間隔を徐々に変化させることにより達成される。滑らかでないインピーダンスのミスマッチングは、測定回路へ帰還するリングパルスまたは反射パルスとして表れる。時間測定の一つの制限は、最初のわずかなインチが測定するのに最も問題になることである。その理由は、反射パルスが最初のパルスから区別されるために、非常に高い“Ｑ”をもたなければならないからである。インピーダンスマッチングの設計が悪いと、低い“Ｑ”の反射波を生じ、その結果、ゼロ位置の近辺での変位の測定が困難になる。
【００１４】
図２Ａと図２Ｂは、それぞれ、他の実施形態による流体圧システム５８の側面断面図および正面断面図である。図２Ａ及び２Ｂにおいて、図１Ａおよび１Ｂに示されているのと同一または同等の要素には同じ符号が付されている。図２Ａおよび図２Ｂにおいては、１本のロッド６０が２本の分離導体ロッドを運ぶ。この構成は、ピストン１４を通って提供されなければならないロッド６０が通る開口の数を低減する。開口６１は、流体がガイド１４を通って流れることができるようにする。
【００１５】
図２Ｃは、他の実施形態による流体圧システム７０の一部切断斜視図である。図２Ｃにおいて、ガイド３４と４０は、ピストンロッド１６の中でスライドし、その中に形成されている開口６１を保持する。連結部３８を通る供給(feed)は、シリンダ１２のベース７２から延びている。
【００１６】
図３は他の実施形態の流体圧システム１００の断面図である。図３の実施形態では、ロッドアセンブリ１０２は、シリンダ１２の外側に位置している。ロッド１０４は、連結部１０６でピストン１４に固定され、接触滑り１０８中をスライドする。この構成は、ピストン１４とシリンダ１２に設計変更をする必要がないので効果的である。筐体１０９はシールドを提供するために金属であることができ、全体のアセンブリ１００は、位置測定回路２４によって発生されるマイクロ波信号からの見せかけ(spurious)の放射を防ぐために、電気的に接地に接続されている。
【００１７】
図４は、他の実施形態による流体圧システム１２０を示す。反射がピストン１４の端部１２３とシリンダ１２の端部１２５で発生する。図１Ａおよび図１Ｂと同一または同等の要素には同じ符号が付されている。図４において、導体の第２のアンテナ部材１２２は、シリンダ１２を囲むように設けられ、電気的接地に接続されている。この実施形態では、シリンダまたはピストンは、非導電体材料で被覆されている。第２のアンテナ部材１２２は外部の環境に応じて鞘状の被覆されたロッドまたは金属ロッドでありうる。（好ましくは、適当な誘電率をもつ耐腐食部材または導体であってもよい）第２のアンテナ部材１２２はピストン１４に結合されそれと共に移動する。ピストン１４はピストン測定回路２４に接続されている。この実施形態において、信号源はシリンダのベース金属に直接結合され、シリンダの端部からの反射を検出されることができる。該シリンダとピストンはまたレーダ信号で駆動されることができる。外側の第２の導体被覆が、システムが環境中に放射するのを防止するために、シリンダおよび／またはピストンを囲むようにすることができる。
【００１８】
図５は、例えば、同軸ケーブル１４０に接続されるカップリング３８の断面図である。ケーブル１４０は、マイクロストリップ線１４４に結合する貫通供給部１４２に接続されている。通信ロッド１４６は、マウント１４８を通って、シリンダ１２の内部に延びている。アセンブリの全体は、貫通供給部１５０で囲まれている。
【００１９】
図６は、位置測定回路２４のブロック図を含む流体圧システム１８０を示す。位置測定回路２４はカップリング３８に結合し、マイクロ波トランシ−バ１８２と計算回路１８４を含む。マイクロ波トランシ−バ回路１８２は既知の技術により動作するパルス発生器１８６とパルス受信機１８８とを含む。そのような技術は、例えば、１９９４年１１月１日に発行された米国特許第５，３６１，０７０号、１９９５年１１月７日に発行された米国特許第５，４６５，０９４号、１９９７年３月１１日に発行された米国特許第５，６０９，０５９号（全て、McEwanの特許）に記されている。上述のように、計算回路１８４は二つの帰還パルス間の時間遅延の比に基づいてシリンダ１２に対するピストンの位置（図６には不図示）を測定する。この二つのうちの一つはロッドの端部からのものであり、他の一つはロッドに沿ってスライドするスライド接触からのものである。この比を基に、計算回路１８４は、位置出力を提供する。これは、マイクロプロセッサまたは他の論理回路で実現できる。さらに、アナログ回路も位置に関連する出力を提供するように作成することができる。
【００２０】
本発明は、ピストン位置を測定するために、二つの反射信号間の比を使用する。一つの反射信号は、接触点から“計量棒(dipstick）”に沿って伝送され、他の信号は、ロッドの端部から反射される。これらの二つの信号の伝搬時間の比は、ピストン位置を測定するために使用される。そのような技術は、油圧オイル中の誘電率の変動を補償する必要がない。
【００２１】
本発明の種々の特徴は、飛行技術のMTDR時間を使用するピストンまたはシリンダ転換測定装置を含むことである。２要素MTDR通信ラインは必要な転換を測定するのに適した長さをもつように構成されている。２要素MTDR通信ラインはまたそれが望ましくない方向の放射を低減するという理由で、効果のある構成である。ある変換要素を該２要素MTDR通信ラインに結合するカップリングを設けるのが好ましい。いくつかのタイプの接触物体が通信ラインに沿って移動し、これによりインピーダンスのミスマッチングが通信ライン中で反射を生ずる。エネルギ変換器および／または信号調整電子機器が過酷な環境状態からシールされることができる。アナログ、デジタルまたは光リンクが、測定された位置を外部の装置へ伝送するために使用される。
【００２２】
２通信ラインは、２つの別個の導通バイアスから作成されることができる。これは、例えば、誘電性をもつまたはもたない２本のロッドで形成されることができる。このロッドは、通信ラインの長さに沿って実質的に平行に延びるようにすることができる。該１または複数本のロッドは、シリンダに固定されることができ、該ピストンに結合された接触点は、ロッドの長さ方向に移動する。該接触点は、また該１または複数本のロッドのための支持を提供することができる。該支持は、高い振動状態の間または他のストレスがかかっている間、過度のゆがみを低減または防止する。シリンダ壁を貫通するロッドに結合するカップリングを設けることもできる。
【００２３】
種々の構成が、本発明で使用されることができる。例えば、エネルギ変換要素、信号発生器、および信号処理電子機器は、周囲をプロテクトされた囲いまたはシリンダから離れた空間に設置されることができる。２通信ラインは、実質的に固体の非導電材料中に埋め込まれた２本の導体により作成されることができる。導電体は、通信ラインの長さ方向に互いに平行に通すことができる。該導体は、絶縁体中に置かれ、また１本のロッドで作成されることができる。この部材は、好ましくは、流体圧シリンダ中に存在する炭化水素に長期間さらされても問題ないものがよい。
【００２４】
診断装置が、前記接触点の損失または劣化を検知するため、または通信ラインの破損または劣化を検知するために設けられることができる。該接触点（スライド部材）は、通信ラインを形成する部材と異なる、好ましくは実質的に異なる誘電率をもつ材料で作られることができる。そのような材料の例は、アルミナ接点および／またはガラス充満PEEKを含むことができる。いかなる接点も、通信ラインに沿ってスライドするローラまたは先端が丸い物体で形成されることができる。該接点は、スプリング、磁気装置、または流体装置を含む任意の技術を用いて、通信ラインに対し接触させることができる。しかし、物理的な接触は必要としない。
【００２５】
２導体鞘入りロッドは既に説明したが、他の実施形態として、シリンダ自体が一つの導体と考えることができ、固体ロッドはその中に使用されることができる。そのような実施形態では、シリンダ筐体自体が信号接地に保たれることが重要である。２つの導体のうちの一つが信号接地に保たれることが、２導体の実施形態には好ましい。
【００２６】
本発明では、絶対測定が提供され、システムの再初期化は必要とされない。該システムは、±１ｍｍ以下の正確さでピストン位置の測定をすることが可能である。システムの最大測定長（スパン）は、必要に応じて調整されることができ、力と通信ライン配置によってのみ、制限されることができる。該システムは、適当な部材を使用することによって、過酷な環境に適合されることができ、変換器と通信ライン間の良好な静的シールを提供することができる。該システムは、比較的低電力を必要とし、例えば、プロセス制御工業で使用される２線４−２０ｍＡシステムを使用して作動させることができる。そのようなシステムは、例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）およびFieldbus（登録商標）通信技術のようばプロトコルを利用することができる。
【００２７】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変形をすることができることは認識できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】位置測定回路を含む流体圧アセンブリの側面断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａ中の１Ｂ−１Ｂ線に沿って切られた正面断面図である。
【図２Ａ】位置測定回路を含む流体圧アセンブリの側面断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａ中の２Ｂ−２Ｂ線に沿って切られた正面断面図である。
【図２Ｃ】流体圧アセンブリの他の実施形態の一部切断斜視図である。
【図３】ロッド（棒）がシリンダの外部に置かれている流体圧システムの側面断面図である。
【図４】ピストンが位置測定のために使用される流体圧システムの側面断面図である。
【図５】カップリングの側面断面図である。
【図６】位置測定回路のブロック図を含む流体圧システムを示す。
【符号の説明】
【００２９】
１０……流体圧ピストン／シリンダアセンブリ、１２……シリンダ、１４……ピストン、１６……ピストンロッド（棒）、１８……流体圧流体、１９，２６……オリフィス、２０……シール、２２……ロッド、２４……位置測定回路、３０……空洞、３２……ロッド端部、３４……支持体、３８……貫通接続、４０……接触ガイドまたはブシュ

Claims (20)

1. シリンダ内にある流体圧ピストンの相対位置を測定する装置において、
   前記ピストンまたはシリンダの一方に固定的に結合されたピストンの動きの方向に延び、カップリングとロッドの遠い方の端部との間でマイクロ波パルスを伝搬するように構成されたロッドと、
   前記ピストンまたはシリンダの他方の一方にスライドできるように結合されたスライド部材であって、該スライド接点がマイクロ波パルスの一部を反射するように構成されたスライド部材と、
   マイクロ波パルスを発生し受信するように構成され、前記ロッドに結合されたマイクロ波トランシーバ回路と、
   前記スライド接点と遠い方のロッド端部からの反射マイクロ波パルスの関数としてピストン位置を計算するように構成された計算回路とからなる装置。
2. 前記ロッドが２つの導体から構成される請求項１に記載の装置。
3. 前記導体が実質的に平行である請求項２の装置。
4. 前記スライド部材が前記ピストンに固定されている請求項１の装置。
5. 前記スライド部材が前記シリンダに固定されている請求項１の装置。
6. 前記ロッドが前記シリンダに固定されている請求項１の装置。
7. 前記ロッドが前記ピストンに固定されている請求項１の装置。
8. 前記ロッドおよびスライド部材が前記シリンダ内に置かれている請求項１の装置。
9. 前記ロッドおよびスライド部材が前記シリンダの外部に置かれている請求項１の装置。
10. シリンダ内の流体圧ピストンの相対位置を測定する装置において、
    前記ピストンまたはシリンダの一方に固定的に結合され、前記ピストンの動き方向に延び、カップリングと前記ロッドの遠い方の端部の間でマイクロ波パルスを伝搬するように構成されたロッドと、
    前記ピストンまたはシリンダの他方の一方にスライドできるように結合されたスライド部材であって、該スライド接点がマイクロ波パルスの一部を反射するように構成されたスライド部材と、
    マイクロ波パルスを発生し、受信するように構成され、前記ロッドに結合されたマイクロ波トランシーバ回路と、
    前記スライド接触と遠い方のロッド端部からの反射パルスの関数としてピストン位置を計算するように構成された計算回路とからなる装置。
11. 前記導体がロッドである請求項１０の装置。
12. 前記導体が２本のロッドである請求項１０の装置。
13. 前記ロッドが実質的に平行である請求項１２の装置。
14. 前記スライド部材が前記ピストンに固定されている請求項１０の装置。
15. 前記スライド接触が前記シリンダに固定されている請求項１０の装置。
16. 前記導体が前記シリンダに固定されている請求項１０の装置。
17. 前記導体が前記ピストンに固定されている請求項１０の装置。
18. 前記導体と前記スライド部材が、前記シリンダ内に位置している請求項１０の装置。
19. 前記導体と前記スライド部材が前記シリンダの外部に位置している請求項１０の装置。
20. 前記ピストンが導体である請求項１０の装置。

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