JP2011095269A - ピストンロッド位置情報をピストンロッド上の磁性層に記録するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンロッド上の磁性層内にピストンロッド位置情報を記録するためのシステム及び方法を記載する。
【解決手段】シリンダに対して運動しているピストンロッド上に、記録媒体を構成する磁気的に硬い層が形成されている。磁気パターンが前記磁気的に硬い層内に記録されている。磁界センサが、前記ピストンロッドが前記シリンダに対して運動している間に前記記録された磁気パターンを感知し、前記磁気パターンに応答して、前記ピストンロッドの瞬時位置を求めるために用いられる信号を発生する。
【選択図】なし

Description

（発明の分野）
本発明は、シリンダに対して運動しているピストンロッドの絶対位置を測定するための方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、ピストンロッドの位置、速度及び運動方向を、前記ピストンロッド上に形成された磁性フィルム内にコード化された位置情報から判定するためのシステム及び方法に関する。

（発明の背景）
液圧シリンダは、様々な製造業及び自動車関連産業において、機械の動きと位置とを制御するために使用されている。一般に、これらのシリンダは、軸に沿った往復運動をするピストンが内部に設けられたシリンダ胴部を有する。前記ピストンの一方の端部に、ピストンロッドが固定されている。前記ピストンロッドは、前記運動の軸に沿って、前記シリンダ胴部の一方の端部から外側に延伸している。前記シリンダ胴部外側の前記ピストンロッド端部は、機械部品に直接に又は間接に結合している。前記ピストンは、前記シリンダ胴部を２つの室に区分している。前記２つの室の一方に流入した液体は、前記ピストンと前記ピストンロッドとをハウジングに対して動かす。ピストンロッドのこの動きによって、前記機械部品が動かされる。

一般に、前記機械の動作の制御には、前記ピストンの位置を正確に制御することが必要とされる。従来のフィードバック制御技術を用いてそのような制御を行うためには、前記シリンダに対する前記ピストンの絶対位置又は速度の測定が必要であることが多い。このため、動いているピストン又はピストンロッドの瞬時位置を検出するための機械、磁気、音及び光を利用した多様な技術がこれまでに開発されてきた。

多くの位置検出システムは、高価であるか、大きくて重いか、シリンダへの取り付けが煩雑である。更に、液圧シリンダ用の位置検出システムは、ピストンを動かす加圧流体などの内的条件及び、塵やごみなどの外的条件に起因する厳しい環境下で動作することが多い。位置検出システムの中には、例えば線形可変差動変成器（ＬＶＤＴ）及びリニアスケールなどの、厳しい環境下では正確に作動しにくいか又は壊れやすいものがある。

ピストンロッド位置をピストンロッド自体の上にコード化し、ピストンロッドが基準点を通過する際に、光、磁気、機械などを用いた、コード化の種類に適した技術によって前記コード化された位置を読み取る方法もある。また、ロッドに溝、凹部、印などを設ける方法も知られている。しかし、これらのような加工を施すことにより、ロッドの強度が損なわれるおそれがある。英国特許出願Ｎｏ．ＧＢ２０９６４２１に記載の別の方法では、ピストン情報がピストンロッドのロッド材料中に磁気的にコード化される。この場合、ピストンロッドは磁化可能な鋼製である。しかし、このロッド材料は磁気的に「軟らかい」。軟磁性材料は、前記材料内への情報の磁気的コード化及び消去の難易度の目安である保磁力が低い。従って、保磁力の低いロッド材料内にコード化された位置情報は、誤って消去又は変更されてしまう可能性が高い。
英国特許出願Ｎｏ．ＧＢ２０９６４２１

（発明の要約）
一局面においては、本発明は、シリンダと、前記シリンダ内に設けられ、前記シリンダに対して運動するように設けられたピストンロッドとを有するピストンロッド位置感知システムに関する。磁気的に硬い層が前記ピストンロッド上に形成され、記録媒体を構成している。磁気パターンが前記磁気的に硬い層内に記録されている。磁界センサが、前記ピストンロッドが前記シリンダに対して運動している間に前記記録された磁気パターンを感知し、前記磁気パターンに応答して、前記ピストンロッドの瞬時位置の判定に用いられる信号を発生するために、前記シリンダ内に配置されている。

別の一局面においては、本発明は、ピストンと、前記ピストンから軸に沿って外側に延伸したロッドとを有するシリンダに関する。磁気的に硬い層が、前記ピストンロッド上に形成され、複数の情報ビットを前記ロッドの長手方向に磁気的に記憶するための記録媒体を構成している。

更に別の一局面においては、本発明は、シリンダ内部で運動しているピストンロッドの位置を感知するための方法に関する。磁気的に硬い層が、前記ピストンロッド上に形成され、情報を記憶するための記録媒体を構成している。磁気パターンが、前記磁気的に硬い層内に磁気的に記録されている。前記磁気的に硬い層内に記録された前記磁気パターンは、前記ピストンロッドが運動している間に読み取られる。読み取られた前記磁気パターンから、前記シリンダに対する前記ピストンロッドの瞬時位置が判定される。

本発明の以上の及びその他の長所は、添付の図面と関連させながら以下の詳細な説明を参考にすることにより、より十二分に理解されることであろう。前記の図面において、同様の参照記号は様々な形で表された同様な要素を示す。図面は、必ずしも実寸ではなく、本発明の原理が強調して説明されている。
図１は、本発明に従って構成されたピストン及びピストンロッドを有するシリンダの一実施例の側面図である。 図２は、前記ピストンロッド上に情報を磁気的に記録するための２つの方法の略線図である。 図３は、コード化されたロッド位置情報を記憶するための記録媒体を構成する磁気フィルムを含めた、前記ピストンロッド上に被覆された様々な層と、これらの層の相対的な厚さを示す断面図である。 図４は、複数の情報ビットが記憶された複数のトラックであって、前記複数のトラック内での前記複数のビットの特定の配列及び値によって構成されるコード化されたパターンの一実施例から、前記ピストンロッドの絶対位置、速度及び運動方向が求められる複数のトラックを図示した、円筒形のピストンロッドの平面図である。 図５は、前記円筒形のピストンロッドと、前記複数のトラックのそれぞれから前記記憶された複数の情報ビットを読み取るための、前記ロッドの近くに配置された複数の読み取りヘッドとの端面図である。 図６は、複数の情報ビットが記憶された複数のトラックであって、前記複数のトラック内での前記複数のビットの特定の配列及び値によって構成されるコード化されたパターンの別の一実施例から、前記ピストンロッドの絶対位置、速度及び運動方向が求められる複数のトラックを図示した、円筒形のピストンロッドの平面図である。 図７は、一対の磁気線が長手方向に延伸した円筒形のピストンロッドの一実施例であって、前記ピストンロッドの絶対位置、速度及び運動方向を求めるのに用いられるコード化されたパターンの別の一実施例を示す平面図である。 図８は、磁化領域が長手方向に延伸した円筒形のピストンロッドの一実施例であって、前記ピストンロッドの絶対位置、速度及び運動方向を求めるのに用いられるコード化されたパターンの別の一実施例を示す平面図である。

（発明の詳細な説明）
本発明は、ピストンロッド（又はシリンダロッド）の絶対位置、速度及び運動方向を、前記ピストンロッドが作動シリンダに対して運動している間に検出するための方法及びシステムに関する。本発明の原理によれば、物理的及び磁気的に硬い材料が前記ピストンロッドを被覆している。磁気パターンは又はコードが、標準的な磁気記録技術を用いて前記磁気的に硬い材料の被覆層又はフィルム内に記録されている。ここで使用される磁気的に「硬い」材料は、保磁力の高い材料である。保磁力の高い磁性材料は、情報の磁化即ち記録と共に、記録された情報の消磁にも相当のエネルギーを要する。前記シリンダのエンドキャップに取り付けられた一つ又は複数の磁束感知型の磁気読み取りヘッドが、前記磁気パターンを読み取る。前記読み取りヘッドと連通した回路装置が、前記磁気パターンから得られた情報を処理して、前記ピストンロッドの瞬時インクリメンタル位置、速度及び前記シリンダに対する運動方向を判定可能である。

ピストンロッドを被覆する磁気的に硬い層内に前記ピストンロッドの絶対位置をコード化するために、様々な方法を使用可能である。幾つかの方法においては、複数のバイナリコードを記録する。各バイナリコードは、特定のピストンロッド位置に一意的に対応している。別の一方法では、ピストンロッドの長手方向に発散する２本の磁気線間の横方向の距離を測定する。更に別の一方法では、両側が前記のような２本の発散する線によって区切られた領域を磁化させ、この区切られた領域全体をセンサ（又はセンサアレイ）で感知し、前記センサによって検出された前記磁化領域の広さをピストンロッド位置と相関させる。これらの方法は、位置情報をピストンロッド上に記録することの可能な多様な方法を例示したものである。その他の磁気パターン又はコード化された情報も、本発明の原理から逸脱することなく記録可能である。

図１は、シリンダ胴部３、シリンダエンドキャップ４（パッキン押えとも呼ぶ）及びハウジング６を有するシリンダ２の一実施例の側断面図である。軸に沿った往復運動を行うピストン８が、シリンダ胴部３内に設けられている。ピストン８は、シリンダ胴部３を２つの室１０ａと１０ｂとに区分している。

ピストンロッド１２の一方の端部がピストン８に固定され、前記運動の軸に沿って延伸している。ピストンロッド１２の他方の端部は、エンドキャップ４を貫通してハウジング６の外側に延伸しており、機械部品に直接又は間接に結合可能である。典型的には、ピストン８とピストンロッド１２とは鋼製（即ち強磁性材料）である。図示した実施例では、ピストンロッド１２は円筒形であるが、他の形状のピストンロッドを本発明の原理から逸脱することなく用いることも可能である。本発明によれば、磁気的に硬いフィルム又は層１４がピストンロッド１２を被覆し、記録媒体を構成している。この被覆はピストンロッド１２上で連続していても切れ目があってもよく、またピストンロッド１２の一部を被覆していても全体を被覆していてもよい。例えば、典型的には磁気的に硬い層１４は、ピストンロッド１２の端部上には形成されていない。パターン又はコードが、ピストンロッド１２の長さ全体にわたって、磁気的に硬い層１４内に記録されており、その詳細は以下に説明する通りである。

エンドキャップ４には、ピストン８を動かすための（例えば油、水、蒸気、ガスなどの）流体が室１０ｂへ出入りするための流路１６が設けられている。他方の室１０ａへの流体の流路は図示されていない。エンドキャップ４内のシール１８が、ピストンロッド１２の表面と同一平面上に設けられていることにより、室１０ｂからの流体の流出を防止する。

ハウジング６には、複数の磁束感知型磁気読み取りヘッド２０と読み取りヘッド電子装置２２とが収容されている。図１には、図の簡略化のために読み取りヘッドが１つだけ図示されている。複数の読み取りヘッド２０は、ホール効果装置又は磁気抵抗センサであってもよい。ハウジング６内に複数の読み取りヘッド２０を配置することにより、環境からの保護が図られ、交換のための取扱いが容易となる（即ち、エンドキャップ４をシリンダ２から取り外さずにハウジング６を取り外すことができる）。複数の読み取りヘッド２０は、磁気的に硬い層１４内に記録された磁気パターン内にコード化された位置情報を読み取るために、ハウジング６内でピストンロッド表面近くに取り付けられている。ハウジング６には、ピストンロッド１２に付着するおそれのある微細な磁化可能な粒子を拭き取るためのロッドワイパ２４も設けられている。別の一実施例においては、エンドキャップ４に、複数の読み取りヘッド２０と読み取りヘッド電子装置２２とが収容されている。そのような実施例においては、エンドキャップ４が複数の読み取りヘッド２０を厳しい動作条件から保護することができるので、ハウジング６を省略してもよい。

大まかに述べると、室１０ａ、１０ｂ内の流体の経時変化する圧力差によって、ピストン８とピストンロッド１２とが複数の読み取りヘッド２０に対して出入りする。複数の読み取りヘッド２０は、ピストンロッド１２上に記録された磁気パターンを読み取り、対応するアナログ又はデジタル信号を生成する。読み取りヘッド電子装置２２は、複数の読み取りヘッド２０の瞬時読み取り値の組み合わせから、ピストンロッドの位置、速度及び方向又はこれらの任意の組み合わせの実測値を求めることが可能である。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１の磁気的に硬い層１４内にバイナリ情報を磁気的に記録するための２つの標準的な磁気記録方法の線図である。書き込み変換器（即ち単磁極書き込みヘッド）が、識別可能な磁気パターンが記録された磁気的に硬い層１４を、２つの標準的な方法：１）縦磁化と２）垂直磁化とのいずれかの方法で磁化させる。前記書き込み変換器に電流が流れて外部磁界が発生すると、磁気的に硬い層１４内の磁区が整列する。書き込み変換器は、現在のところ、一平方インチあたり数十メガビット程度を記録可能である。

縦磁化媒体では、図２Ａに左右方向の矢印で示すように、磁化は磁気的に硬い層１４の面方向に並んでいる。縦磁化記録媒体の磁気パターンは、「転換」、即ち前記面方向の磁化を一方の極から他方の極へとヘッド間で反転させることで構成される。そのような反転は、前記媒体上方に配置された読み取りヘッド２０によってその漂遊磁束が感知される磁極の存在を特徴とする。垂直磁化媒体では、図２Ｂに上下方向の矢印で示すように、磁化は前記面に対して垂直である。この場合、磁気パターンは、「上向き」及び「下向き」に磁化された領域間での転換によって構成される。

縦磁化記録媒体と垂直磁化記録媒体とは、双方共に、（無電解めっき、電気めっき、化学蒸着めっき及び電気化学めっき（スパッタリング）などの）電気化学的方法を用いて製造可能である。縦磁化記録媒体及び垂直磁化記録媒体の場合、使用する材料はコバルトを含有する合金であることが多い。純粋なコバルト（Ｃｏ）を用いて保磁力の高い磁性フィルムを製造することもできるが、典型的には合金元素を用いて記録媒体の磁気的特性を調整し、保磁力を高める。使用可能な合金元素の例には、ＶＡ群（Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ）、ＶＩＢ群（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）並びに貴金属Ｐｔ及びＰｄがある。縦磁化記録媒体用の合金の例には、Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｐ、Ｃｏ−Ｗ及びＣｏ−Ｍｏがある。垂直磁化記録媒体用の合金の例には、Ｃｏ−Ｐを含有する合金、Ｃｏ−Ｗ及びＣｏ−Ｃｒがある。これらのようなＣｏを含有する合金を用いることで得られる高い保磁力の値は、約１乃至２キロエルステッドである。

磁気的に硬い層１４の複数の実施例をそのような材料から合成して、保磁力の高い磁性層を作成してもよい。磁気的に硬い層１４などの保磁力の高い磁性層又はフィルムは、外部の漂遊磁界下及び磁気転換の結果生じた反磁界下でも、記録された情報を保持することができる。この磁気的に硬い層１４は、機械的磨耗及び腐食に対する耐性も高い。しかし、シリンダ２の厳しい動作環境を考慮すると、磁気的に硬い層１４を被覆して、機械的磨耗及び腐食に対する耐性を更に高めてもよいであろう。そのような保護層の一例に、硬質クロム、即ちＣｒ層がある。

図３は、支持層５０、任意に設けられる中間層５２、磁気的に硬い層１４及び任意に設けられる保護層５４を含むピストンロッド１２の一部分の一実施例の断面図である。一般に、支持層５０は、磁性体であっても非磁性体であってもよい。即ち、ピストンロッド１２は、典型的には（例えば鋼製のロッドなどの）強磁性体であるが、（例えばプラスチック、アルミニウム、セラミック又はガラスなどの）非磁性材料から構成されていても、本発明の原理から逸脱することはない。層１４、５２及び５４がピストンロッド１２全体を被覆していてもよいし、又はピストンロッド１２の一部を被覆していてもよい。例えば、磁気的に硬い層１４（及び任意に設けられる層５３、５４）は、典型的にはピストンロッド１２の端部、詳細には複数の読み取りヘッド２０の近くを通過する際に、感知に十分な程度に複数の読み取りヘッド２０に接近しない一部分又は複数の部分は被覆していない。

中間層５２の組成は、記録媒体と支持層材料との種類に左右される。例えば縦磁化媒体の場合は、強磁性の支持層を用いると、情報保持上の問題が起こるおそれがある。強磁性の支持層は、透磁率が高いので、低い磁気抵抗で磁束を通過させてしまう。このため、磁束の流れが逸れてしまい、感知可能な磁束が減少してしまう。磁気的に硬い層１４を縦磁化媒体として作製する実施例においては、中間層５２は、例えばＮｉ−Ｐなどの、前記磁気抵抗の低い経路を遮断する非磁性アモルファス層であってもよい。非磁性の支持層は、強磁性の支持層が持つ高い透磁率を持たないので、そのような中間層５２を非磁性の支持層として任意に用いてもよい。

垂直磁化媒体の場合には、強磁性の支持層の持つ高い透磁率が利点となる。互いに逆の極性に磁化された隣接する２つの領域間に位置する強磁性支持層中の帰還路は、磁気的に硬い層１４よりも上の領域内の漂遊磁束に影響を与えることなく、書き込みプロセス及び書き込まれた情報の保持を補助する。非磁性の支持層は、そのような高い透磁率を持たないので、情報を保持するためのそのような有利な特性を有しない。非磁性の支持層上に設けられた垂直磁化媒体の情報保持率を向上させるために、中間層５２が（例えばパーマロイ又はＮｉ−Ｆｅなどの）磁気的に柔らかい層であってもよい。強磁性支持層５０の透磁率の不確実さや不均一さが改善されるので、磁気的に柔らかい層５２を使用すれば有利であろうが、強磁性支持層５０の透磁率が高いことから、磁気的に柔らかい層５２は任意に設けられる。

図３は、ピストンロッド１２のこの実施例の磁性支持層５０上の層１４、５２及び５４の相対的な厚さも図示している。垂直磁化記録媒体を使用した一実施例においては、磁気的に硬い層１４の厚さは約５μｍであり、保護層５４の厚さは約２５μｍであり、ここでは（例えばパーマロイなどの）磁気的に柔らかい層である中間層５２の厚さは約１乃至２μｍである。保護層５４の厚さは、読み取りヘッド２０が磁気的に硬い層１４に接近しうる距離を制限することにより、ピストンロッド位置感知システムの分解能を左右する。例えば、保護層５４の厚さが２５μｍである場合、複数のビットは、読み取りヘッド２０がこれらを区別可能であるためには、相互に少なくとも（およそ）２５μｍ離間している必要があるであろう。保護層５４が設けられていない実施例の場合は、コード化された磁気的に硬い層１４に読み取りヘッド２０が直接に接触可能なので、複数のビットは相互により接近していてもよいであろう。図３に図示した厚さは一例を示したものであり、これとは異なる厚さの層１４、５２及び５４を使用しても本発明を実施可能である。

ピストンロッド位置情報は、様々な方法でピストンロッド１２の磁気的に硬い層１４内に記録可能である。幾つかの方法では、ピストンロッド１２上の絶対ピストンロッド位置情報を（例えばバイナリコードを用いて）明確に記録するが、別の複数の方法では、磁気的に硬い層１４内の形状又は領域を磁化したものからピストンロッド位置情報が演算される。ここで使用する磁気パターンという用語は、一般に、ピストンロッド位置を直接に又は間接に特定する、任意の種類の磁気的な記録を意味する。

特定の絶対位置を表すバイナリコードは、少なくとも２つの大まかな方向：１）ピストンロッド１２の周囲に沿った方向（又は横方向）；及び、２）ピストンロッド１２の長手方向で、ピストンロッド１２上に現れうる。前記第１の場合には、特定のピストンロッド位置を表すバイナリコードは、複数の読み取りヘッドによって同時に読み取られる。複数の読み取りヘッドによる同時読み取り結果を組み合わせることで、前記特定の位置が求められる。前記第２の場合には、１つの読み取りヘッドが、前記特定のピストンロッド位置を表すバイナリコードを読み取る。

図４は、複数のピストンロッド位置がピストンロッド１２の周囲に沿ってコード化された実施例を図示したものである。この実施例は、複数のピストンロッド位置を表す複数の周囲磁気パターンの一例に過ぎない。その他のパターンも、本発明の原理から逸脱することなく使用可能である。平面的に図示された円筒形のピストンロッド１２は、複数の情報ビットが磁気的に記録された複数のトラック８０に区分されている。これらのトラック８０は、ピストン６の往復運動の方向に沿ったピストンロッド１２の長手方向に延伸している。各トラック８０の幅は、円筒形のピストンロッド１２の特定の角度範囲にわたっている。各トラックは１個の読み取りヘッド２０（図１）によって読み取られる。例えば、１２本のトラック８０を有するピストンロッド１２の場合には、各トラック８０は、３０度の円弧の範囲にわたっており、１２個の読み取りヘッド２０のそれぞれが、前記複数のトラック８０の１つに記録された複数のビットを読み取る。図５は、円筒形のピストンロッド１２と、記憶された複数の情報ビットを各トラック８０から読み取るために前記ロッドの表面近くに配置された、複数の読み取りヘッド２０との断面図である。

図４に戻ると、位置を表すバイナリコードが、これら１２本のトラック上に磁気的に書き込まれている。それぞれ特定可能なピストンロッド位置８２が、ピストンロッド１２の周囲を取り巻いている。前記複数のトラック８０に記録された、各位置８２のバイナリ情報は、同時に読み取られると、それぞれが一意的に前記ピストン位置を表す。この例では、ある位置についての固有のバイナリコードは、トラック１２本分の幅にわたっている。ある読み取りヘッド２０が所望のトラック８０から確実にビット情報を読み取るようにするために、一実施例では、ピストンロッド１２が一トラックの幅を超えて回転しないようになっている。別の一実施例では、各読み取りヘッド２０の正確な位置を利用して、ピストンロッド１２の回転運動が検出される。エラー検出コードを用いて、コードの誤読による位置測定の誤りを防止してもよい。この装置は、ピストンロッドの既知の絶対位置の分解能が、１ビットの物理的な大きさと概ね同じでよいという利点がある。磁気的なコード化の場合には、各ビットの大きさは０．００１乃至０．００２インチである。

識別可能な磁気的に記録された複数のビット間の望ましい空間分解能とピストンロッド１２の長さとは、各ピストンロッド位置を一意的に表すのに要する一意的なバイナリコードの数を決定するための要素となる。望ましい分解能が０．０４インチである、５５インチのピストンロッドを例に挙げると、ピストンロッド１２上の１３７５個の位置（５５／０．０４）のそれぞれを一意的に表すためには、上記位置検出システムは、１３７５個の一意的なバイナリコードを必要とする。従って、各ピストンロッド位置を表すためには、少なくとも１１ビットが必要である。１１ビットを読み取るために、１１本のトラック８０と１１個の読み取りヘッド２０が用いられる。例えばピストンロッドの回転を検出するため及びエラーコードを訂正するためなどの、ピストンロッド位置を一意的に表す以外の目的で、更なるビット、トラック及び読み取りヘッドをこの例で用いてもよい。

図４には、ピストンロッドの複数のインクリメンタル位置を表すのに使用可能なバイナリコードの例が単純に図示されている。この例では、陰影を施した部分は、磁気的に硬い層１４の中でビット値１が記録された部分を表す。陰影の施されていない部分は、ビット値０が記録された部分を表す。図４では、右端のビットが最小桁のビットであり、図示されているバイナリコード化された複数のピストンロッド位置８２は、下から順にコード値１乃至７で表される。

本発明の位置感知システムは、複数の読み取りヘッド２０がコード化された情報を読み取る度に、ピストンロッド１２の絶対位置を求める。読み取りヘッド電子装置２２は、前記瞬時絶対位置の複数の読み取り結果から、ピストンロッド１２の速度を算出することができる。電子装置２２は、前記絶対位置の複数の読み取り結果から、ピストンロッド１２の運動距離を算出し、この距離を読み取り時点間の時間で除算する。複数の絶対位置を比較することにより、ピストンロッド１２の運動方向を求めることも可能である。

図６は、複数のピストンロッド位置がピストンロッド１２上に長手方向にコード化された一実施例を図示したものである。平面的に図示された円筒形のピストンロッド１２は、複数の情報ビットが磁気的に記録された複数のトラック８０’（ここでは３本のトラック）に区分されている。各トラックは、１つの読み取りヘッド２０によって読み取られる。更なる読み取りヘッドを、ピストンロッド１２の回転を検出するために用いてもよい。これらのトラック８０’は、ピストンロッド１２の往復運動の方向に沿ったピストンロッド１２の長手方向に延伸している。各トラック８０’の幅は、円筒形のピストンロッド１２の特定の角度範囲にわたっている。例えば、３本のトラック８０’を有するピストンロッド１２の場合には、各トラック８０’は、１２０度の円弧の範囲にわたっている。

これらのトラック８０’のそれぞれには、複数の語８２’が磁気的に書き込まれている。各語８２’には、特定のピストンロッド位置を一意的に表すバイナリ情報の磁気パターンが含まれる。例えば、１２ビットの情報は、分解能０．０４インチで、上記に例示した５５インチのピストンロッド１２の１３７５個のピストンロッド位置を一意的に表すことが可能である。磁気的に硬い層１４が、厚さ０．００１インチの硬質クロム又はＣｒ層で保護されている一実施例においては、１２ビットの語を約０．０１２インチの直線空間内に磁気的に記録可能である。

複数のトラック８０ａ’の一つにおいては、複数のピストンロッド絶対位置を表す複数の語８２’が、ピストンロッド１２の長手方向にインクリメンタルに記録されている。このトラック８０ａ’には、所望の絶対位置毎に１つの語８２’（例えば、上記に例示した５５インチのピストンロッドの場合、増分量０．０４インチで１３７５語）が含まれる。

その他の２本のトラック８０ｂ’と８０ｃ’とは、複数の領域９０に区分されている。トラック８０ｃ’内の複数の領域９０は、トラック８０ｂ’内の複数の領域９０とは食い違っている。複数の語８２’によって表される複数の位置も互いに異なる：偶数の位置はトラック８０ｂ’内にコード化され、奇数の位置はトラック８０ｃ’内にコード化されている。複数の語８２’をこのように食い違わせることで、１３７５個の個別の位置を表すために用いるピストンロッド１２の長さが、トラック８０ａ’で用いたインクリメンタルな方法と比較して短くなる。

長手方向に語が書き込まれているこの実施例では、停電が起こった場合、ピストンロッド１２は、位置感知システムがその現在の位置を認識できるようになるまでに、一定の距離を移動する必要がある。この点で、位置感知システムのこの実施例は完全ではない。この距離は、一語の絶対分解能（即ち物理的語長）に対応している。１２ビットの語を用いた上述の例においては、この距離は０．０１２インチである。バッテリによるバックアップをシステムに組み入れて、停電が起こった時点における最新の既知のピストン位置と運動方向とを保持させることにより、ピストンロッド位置を検出できるようになる前の初期移動を不要としてもよい。

図６に示した実施例は、ピストンロッド位置を長手方向の磁気パターンで表す一例に過ぎない。他の複数の例には、予想される各ピストンロッド位置が記録された、例えばトラック８０ａ’のような１本のみのトラック又は２本のみのトラック８０ｂ’及び８０ｃ’などが含まれるが、これらに限定されることはない。

図７は、ピストンロッドの位置、速度及び運動方向を求めるのに用いられる、磁気的に硬い層１４内に記録された磁気パターン１００の一実施例を示したものである。ここでは平面的に図示された磁気パターン１００には、ピストンロッド１２の長手方向に延伸する２本の磁気線１２０、１２２が含まれる。これら２本の線１２０、１２２は、磁気的に硬い層１４内に記録されている。第１の線１２０は、ピストンロッド１２の運動の方向に、かつピストンロッド１２の軸に対して平行に延伸している。第２の線１２２は、第１の直線１２０から次第に離れるように延伸しており、平面形の実施例では対角線状に、円筒形の実施例ではらせん状に延伸している。前記らせん状の実施例では、第２の線１２２は、第１の直線１２０と交差しないように、ピストンロッド１２の周囲を完全には包囲していない。

ハウジング６（図１）内に取り付けられた複数のセンサ２０’からなる列（斜めに陰影を施した枠部分）が、２つの磁気線１２０、１２２を磁気的に感知する。複数のセンサは、ホール効果センサであってもよいし、又は、銅のクラッディング層上に磁気抵抗性材料（即ちパーマロイ）の層を形成した後に、これらのクラッディングとパーマロイとを選択的にエッチングして除去したものとセンサ列とから構成されていてもよい。

複数のセンサ２０’からなる列から発生された信号により、複数の読み取りヘッド電子装置２２（図１）が２本の線１２０、１２２間の現在の距離を計算することが可能となる。２本の線１２０、１２２が互いから離れていくので、測定された距離は特定のピストンロッド絶対位置に一意的に対応している（ルックアップテーブルにこれらの対応を格納してもよい）。センサ列１２４内の任意の２つのセンサ間の距離は、ピストンロッド１２の位置を特定するのに十分な距離である。２本の線１２０、１２２は、作動開始時又は作動中に、１つのセンサ又はセンサ列に対して特定の位置関係にある必要はない。従って、ピストンロッド１２がその動作中に回転することで、位置、速度又は運動方向の感知に影響が及ぼされることはない。

直径３．５インチ、長さ５５インチ、空間分解能０．０４インチのピストンロッドを例に挙げると、ピストンロッド１２が長手方向に０．０４インチ動くと、２本の線１２０、１２２間の距離が０．０８インチ増加する。この長手方向の０．０８インチの動きを、ピストンロッド１２の周囲上に分散させると、１３７５個の一意的なピストンロッド位置に対応する。１３７５個のセンサからなるセンサ列を用いて、２本の線１２０、１２２を感知してもよい。より短い（５５インチよりも短い）ピストンロッドを用いると、センサの数がより少なくて済む。或いは、前記２本の線の一方と平行な更なる磁気線を用いれば、センサの数を増やさなくてもピストンロッドの長さを２倍にすることが可能である。また、ピストンロッド１２が、線１２２がらせん状に１回転するだけでは十分な位置感知ができないような長さである場合には、線１２２がピストン１２の周囲を２回転してもよい。別の一実施例においては、磁気線１２０、１２２は双方共にピストンロッド１２の周囲をらせん状に取り巻いているが、これらの回転方向は互いに逆である。

ピストンロッド１２の絶対位置の複数の読み取り結果から、複数の読み取りヘッド電子装置２２がピストンロッド１２の速度を計算してもよい。例えば、複数の読み取りヘッド電子装置２２が、ピストンロッド１２の第１の絶対位置から第２の絶対位置までの運動距離を計算し、この距離をこれらの位置読み取り時点間の時間で除算してもよい。複数の絶対位置を比較することでも、ピストンロッド１２の運動方向を判定することが可能である。例えば、ある読み取り位置から次の読み取り位置までの測定距離の増減を利用して、前記運動方向を特定してもよい。

図８は、ピストンロッドの位置、速度及び運動方向を求めるのに用いられる、磁気的に硬い層１４内に記録された磁気パターン１００’の別の一実施例を平面的に図示したものである。磁気パターン１００’’には、ピストンロッド１２の長手方向に延伸する２本の境界線１４０、１４２が含まれる。第１の直線境界線１４０は、ピストンロッド１２の運動方向に、かつピストンロッド１２の軸に対して平行に延伸している。第２の境界線１４２は、第１の直線１２０から次第に離れるように延伸しており、平面形の実施例では対角線状に、円筒形の実施例ではらせん状に延伸している。前記らせん状の実施例では、第２の境界線１４２は、第１の境界線１４０と交差しないように、ピストンロッド１２の周囲を完全には包囲していない。この実施例では、２本の境界線１４０、１４２と、２本の境界線１４０、１４２によって区分される領域１４４（陰影を施して図示した部分）とが磁化されている。

ハウジング６（図１）内に取り付けられたセンサ２０’’（斜めに陰影を施した枠部分）が、磁化された領域１４４を横切っている。ピストンロッド１２が動くと、２本の線１４０、１４２が互いから離れていくので、センサ２０’’によって感知される磁化領域１４４の広さが変化する。センサ２０’’は、この検出された感知範囲の広さに左右され、直接又は間接にこの感知範囲の測定値となる（アナログ又はデジタルなどの）信号を生成する。センサ２０’’のこの読み取り結果は、次に、ピストンロッド１２の位置を計算するために用いられる。ピストンロッドの絶対位置は、それぞれ特定の感知範囲の測定値に一意的に対応している（ルックアップテーブルにこれらの対応を格納してもよい）。第１の感知範囲測定時点から第２の感知範囲測定時点までのピストンロッド１２の運動距離を計算し、この距離をこれらの測定時点間の時間で除算することで、複数の絶対位置読み取り結果から速度を計算してもよい。複数の測定値を比較することでも、ピストンロッド１２の運動方向を判定することが可能である。例えば、ある感知範囲測定時点から次の感知範囲測定時間までの間にセンサ２０’’によって測定された磁化領域４４の測定量の増減を利用して、前記運動方向を特定してもよい。

本発明を複数の好適な実施例と関連させて図示及び説明したが、様々な形状及び細部の変更を、以下の請求項によって規定される本発明の精神と範囲とから逸脱することなく当業者が加えてもよいことが理解されよう。例えば、上述の複数の実施例は、直線運動しているピストンロッドの位置を感知することに関するが、本発明の原理を、互いに対して回転している複数の物体の位置、速度及び運動方向の判定に用いることも可能である。

Claims (20)

1. シリンダと；
   前記シリンダ内に設けられ、前記シリンダに対して運動するピストンロッドと；
   前記ピストンロッド上に形成され、記録媒体を構成する磁気的に硬い層であって、磁気パターンがその中に記録された、磁気的に硬い層と；
   前記シリンダ内に配置された磁界センサであって、前記ピストンロッドが前記シリンダに対して運動している間に前記記録された磁気パターンを感知し、前記感知された磁気パターンに応答して、前記ピストンロッドの位置を判定するために用いられる信号を発生する、磁界センサと；を備え、
   前記磁気パターンに、前記ピストンロッドの軸線に対して平行に延伸する第１の磁気線と、第１の磁気線から離れていくように前記ピストンロッドの長手方向に延伸する第２の磁気線とが含まれていることを特徴とするピストンロッド位置感知システム。
2. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドとの間に配置された磁気的にやわらかい層を更に備えた、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
3. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドとの間に配置された非磁性層を更に備えた、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
4. 前記磁気的に硬い層上に配置された保護層を更に備えた、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
5. 前記保護層にクロムが含有される、請求項４に記載のピストンロッド位置感知システム。
6. 前記磁気的に硬い層にコバルトが含有される、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
7. 前記第１及び第２の磁気線によって区切られた領域が磁化されている、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
8. 前記磁気パターンの読み取り結果から、前記ピストンロッドの速度又は運動方向を計算するための回路を更に備えた、請求項１に記載のピストンロッド位置感知システム。
9. シリンダに対して運動しているピストンロッドの位置を感知するための方法であって、
   前記ピストンロッド上に、情報を記憶するための記録媒体を構成する磁気的に硬い層を形成する段階と、
   前記磁気的に硬い層内に、前記ピストンロッドの軸線に対して平行に延伸する第１の磁気線と、第１の磁気線から離れていくように前記ピストンロッドの長手方向に延伸する第２の磁気線とを含む磁気パターンを磁気的に記録する段階と、
   前記ピストンロッドが運動している間に、前記磁気パターンの近くに配置された磁界センサを用いて該磁気パターンを検知し、前記ピストンロッドの位置を求めるために使用される信号を前記磁界センサから発生する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドの磁性支持層との間に磁気的にやわらかい層が配置されるように、前記ピストンロッド上に前記磁気的に硬い層を合成する前に前記磁気的にやわらかい層で前記ピストンロッドを被覆することを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドの磁性支持層との間に非磁性層が配置されるように、前記ピストンロッドを前記磁気的に硬い層で被覆する前に前記非磁性層で前記ピストンロッドを被覆することを更に含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記磁気的に硬い層にコバルトが含有される、請求項９に記載の方法。
13. 前記ピストンロッドが運動している間に、前記磁気パターンの複数の読み取り結果から前記ピストンロッドの速度を求めることを更に含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記ピストンロッドが運動している間に、前記磁気パターンの複数の読み取り結果から前記ピストンロッドの運動方向を求めることを更に含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記第１及び第２の磁気線によって区切られた領域を磁化することを更に含む、請求項９に記載の方法。
16. ピストンロッドと；
    前記ピストンロッドの外面に形成され、記録媒体を構成する磁気的に硬い層であって、その中に磁気パターンが前記ピストンロッドの長手方向に延びるように記録された、磁気的に硬い層と；を備え、
    前記磁気パターンが、前記ピストンロッドの軸線に対して平行に延伸する第１の磁気線と、第１の磁気線から離れていくように前記ピストンロッドの長手方向に延伸する第２の磁気線とを含むことを特徴とするピストンロッド位置感知システム。
17. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドとの間に配置された磁気的にやわらかい層を更に備えた、請求項１６に記載のピストンロッド位置感知システム。
18. 前記磁気的に硬い層と前記ピストンロッドとの間に配置された非磁性層を更に備えた、請求項１６に記載のピストンロッド位置感知システム。
19. 前記磁気的に硬い層にコバルトが含有される、請求項１６に記載のピストンロッド位置感知システム。
20. 前記第１及び第２の磁気線によって区切られた領域が磁化されている、請求項１６に記載のピストンロッド位置感知システム。
    

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