JP2012145226A - 位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニット - Google Patents

Abstract

【課題】十分な安定性と堅牢性とを備え、その上、簡単且つ低コストで製造および設置することのできる位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニットを提供する。
【解決手段】本発明は、位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニット１０に関し、前記装置は、少なくとも１つの励起手段を備え、前記励起手段は、ピストンシリンダユニットのシリンダ胴２０およびシリンダピストン３０と、間接的または直接的に、電気的に接続され、ピストンシリンダユニットおよび接触により形成される電気的な共振回路をその共振周波数で発振させるように励起し、共振周波数を特徴付ける電気的な信号は、ピストンシリンダユニットにおいて、測定可能である。本発明は、さらに、このようなピストンシリンダユニットを備える建設機械またはリフト装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニットに関する。

シリンダピストンの位置決定は、一連の技術的な用途において必須且つ重要な課題である。特に、シリンダピストンの正確な位置は、ピストンシリンダユニットを目的に合わせて制御する場合に、度々主要な役割を果たす。さらに、位置決定によって、ピストンシリンダユニットの動作安全性が著しく向上する。なぜなら、シリンダピストンの極限位置における液圧媒体、特に、液圧流体の注入を正確に制御し、したがって、適時に停止することができるからである。

正確な位置決定は、建設機械またはリフト装置では、ピストンシリンダユニットを自動制御する場合にも重要である。ピストンシリンダユニットは、通常は、建設機械またはリフト装置の作業機（Arbeitsgeraet）を操作する。ピストンシリンダユニットの十分に正確な位置決定は、制御の品質を向上させるので、早急に必要とされている。

特に液圧シリンダユニットにおいて生じる、ピストンシリンダユニットの内部の主要な高い作動圧力（Steuerungsdruecke）のため、ピストンまたはシリンダ胴を、全システムの安全を脅かさずに変更することは少ししかできない。それゆえ、適切な位置測定装置の構造は、往々にして非常に難しく且つコストのかかるものとして実現されている。

多数のピストンシリンダユニットでは、シリンダピストンの実際の位置を、設けられたケーブル引張ポテンショメータ（Seilzug-Potentiometer）によって認識する。

さらに、磁歪原理（magnetorestrektiven Prinzip）に従って作動する方法が知られている。この場合、環状磁石を特定のピストン位置に取り付けることにより、ピストンロッドに組み込まれたセンサーとの組み合わせによって、ピストンの位置を認識する。

しかしながら、全ての公知の方法は、ピストンシリンダユニットの複雑でコストのかかる変更がやむを得ないものである、という点で共通している。現在のところ、追加の測定値生成器すなわち測定センサーを、ピストンシリンダユニットに組み込まなければならない。

本発明の目的は、十分な安定性と堅牢性とを備え、その上、簡単且つ低コストで製造および設置することのできる位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニットを提供することである。

上記目的は、請求項１の特徴を有する位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニットにより達成される。ピストンシリンダユニットは、液圧シリンダとして実施されていることが好ましく、特に好ましくは液圧オイルを液圧媒体として使用している。

位置決定用の装置は、少なくとも１つの励起手段を備え、この励起手段は、間接的または直接的にシリンダ胴と、および、間接的または直接的にピストンシリンダユニットのシリンダピストンと、電気的に接続されている。この場合、シリンダ胴およびシリンダピストンは、直列共振回路（Serienschwingkreises）の電極としてそれぞれ機能する。ピストンロッドおよびシリンダ胴は、直列インダクタンスを形成する。対向するピストン面とシリンダ胴面とは、液圧媒体と共に容量を形成する。したがって、ピストンシリンダユニット全体を、共振回路（Schwingkreis）と解釈することができる。

本発明の励起手段は、電気的な直列共振回路をその共振周波数で振動するように励起する機能を果たす。共振回路の設定共振周波数は、基本的に、容量またはインダクタンスによって規定されている。それゆえ、共振周波数に基づいてピストンシリンダユニットの可変容量を推定することができ、この場合、容量およびインダクタンスは、現行のピストン位置に依存している。したがって、共振周波数から、実際の正確なピストン位置を決定することができる。この目的のために、さらに本発明によると、共振周波数を特徴付ける電気的な信号は装置において測定可能（abgreifbar）である。

本発明は、ピストンシリンダユニットが変更されることなく電気的な共振回路の形成に適している、という利点を利用している。従来技術とは異なり、外部センサーすなわち測定センサー、または、追加の電極をピストンシリンダユニットに接触させて、または、ピストンシリンダユニットの内側に設ける必要が無い。シリンダ胴およびシリンダピストンのようなピストンシリンダユニットの公知の（bekannten）構成要素を、直列共振回路の形成に利用する。

励起手段は、ピストンシリンダユニットに電気的に接続された発振器回路（Oszillatorschaltung,）を備えていることが有利である。ハートレー発振器回路が特に有利だと示されている。

共振回路の共振周波数は、高周波信号に分類することができ、通例は、メガヘルツ領域である。ピストンシリンダユニットは、電磁波を発するアンテナとして作用し得る。これに関連して、有利には位置決定用の装置の少なくとも一部がシリンダ筐体すなわちシリンダ胴の内側に配置されている、ということが目的に適っているであろう。特に、励起手段は、ピストンシリンダユニットの内部空間、すなわち、ピストンシリンダユニットの励起手段用の中空空間に設けられている。シリンダ胴のシールド作用は、装置すなわちピストンシリンダユニットのＥＭＣ（elektromagnetische Vertraeglichkeit）特性に作用する利点がある。

あるいは、好ましくは少なくとも１つの追加のシールド手段を設けて、位置決定用の外部に配置された装置、特に、励起手段を覆い、電磁波の放射を抑制してもよい。特に強磁性材料からなる磁気シールドが有利だと示されている。同様に、位置決定用の装置を適切に覆い且つシールドする他のシールド材料も当然考えられる。さらに、少なくとも１つのＥＭＩフィルタを使用することが有利だと示されている。

共振周波数を特徴付ける測定される（abzugreifende）信号は、電圧であることが好ましい。この電圧は、ピストンシリンダユニットの往復運動中（waehrend des Schwingungsvorgangs）においては、揺動する信号パターンを有し、好ましくは、ガルバニ分離され（galvanisch getrennt）、方形波信号としてデジタル評価に使用される。

振動特性は、場合によっては、共振回路構成要素すなわち外部の影響によって減衰され且つ影響される。振幅を一定に保つために、測定可能な電圧の安定化のための回路装置が有利であり得る。外部の影響には、例えば、湿気、埃の付着などがある。これらの措置により、共振周波数は安定化され、十分に正確な位置決定が可能となる。

信号の評価と目下のピストン位置の出力とに適した外部評価手段が設けられていることが有利である。この評価手段は、対応して構成されたマイクロコントローラまたは適切なアナログ回路装置でもよい。評価手段は、ピストンシリンダユニットと固定的に接続されている、または、取り外し可能なようにピストンシリンダユニットと接続可能である。

共振周波数を低くするために、有利には、追加のインダクタンスが、励起手段とピストンとの間、または、励起手段とシリンダ胴との間に設けられていてもよい。このことは、ＥＭＣ技術的な理由から有利であり得る。

励起手段とピストンシリンダユニットとの間の接触は、滑り接触によって行われることが有利である。特に、ピストンシリンダユニットの可動部、特に、ピストンロッドとの間の接触は、滑り接触によって実現されていることが好ましい。ピストンロッドと励起手段との間のブラシ接触が目的に適っていると示されている。この場合、ブラシは、ピストン動作中は、ピストンロッド表面に沿って滑る。ブラシは、カーボン、青銅、または、他の適切な材料からなることが有利である。

あるいは、ピストンロッドと励起手段との間の接触を、容量性、導電性のリングによって行うことができる。このリングは、ピストンロッドの表面をピストンロッドに対して同心状に滑ることができるように配置されている。容量性のリングを使用することにより、共振回路（Schwingkreisschaltung）と直列接続された追加の一定の容量が生じる。

このリングは、励起手段と間接的または直接的に接続されている導電性の材料からなることが好ましい。この場合、リングとピストンロッドとの間に誘電体が配置されている、すなわち、導電性のリングは、直接ピストンロッドとガルバニ接続されている（direkt mit der Kolbenstange galvanisch verbunden ist）。さらに、ピストンシリンダユニットと発振器すなわち励起手段との間の絶縁を、変圧器を挿入することによって行うことができる。変圧器の漏れインダクタンス（Streuinduktivitaet）を、同様に、共振周波数の低下に利用することができる。

さらに、本発明は、上記有利な形態に基づくピストンシリンダユニットを備える建設機械またはリフト装置に関する。本発明の建設機械またはリフト装置は、当然、上述のピストンシリンダユニットと同じ利点および特徴を備えているので、ここでは新たな説明を省く。

ピストンシリンダユニットの使用は、建設機械またはリフト装置に決して限定されない。可能性のある使用分野は、航空機においてすなわち一般的には液圧／気圧技術による全ての機械／装置に見出される。

本発明の更なる利点および詳細を、図面に示す実施形態を参考にして以下に詳しく説明する。

位置決定用の装置を備える本発明のピストンシリンダユニットを示す図である。 本発明の位置決定用の装置の接続図である。 本発明のピストンシリンダユニットの有利な一発展形態を示す図である。 追加のシールド手段を備える本発明のピストンシリンダユニットを示す図である。 本発明のピストンシリンダユニットの一代替形態を示す図である。 容量性のリングが設けられた本発明のピストンシリンダユニットを示す図である。 切断線Ａ−Ａに沿った容量性のリングおよびピストンロッドの断面図である。 本発明のピストンシリンダユニットのさらに有利な一実施形態を示す図である。

図１は、位置決定用の装置を備える本発明のピストンシリンダユニット１０を示す。ピストンシリンダユニット１０は、公知のピストンシリンダユニットと同様に構成されている。詳細には、上記ユニット１０は、管状のシリンダ胴２０を備え、このシリンダ胴２０の中空空間に、ピストンロッド３１を備えたピストン３０が、直線的に移動可能なように設けられている。

ピストンシリンダユニット１０は、建設機械またはリフト装置において使用されることが好ましく、その際、ピストンシリンダユニット１０は、固定された作業機を駆動する。作業機の自動運転には、ピストン３０を正確に位置決定する必要がある。

位置を正確に決定できるように、追加のセンサー、電極、または、測定値生成器を、ピストンシリンダユニット１０に接触させ、または、ピストンシリンダユニット１０の内側に設ける必要はない。その代わり、ピストンシリンダユニット１０全体が対応する励起によって電気的な共振回路として作用する、という利点を利用する。詳しくは、ピストン３０は、直列共振回路の第１電極を形成し、シリンダ胴２０は、直列共振回路の第２電極を形成している。ピストン３０もピストンロッド３１もシリンダ胴２０と電気的に接続されておらず、その代わり、ピストン３０とシリンダ胴２０との間、および、シリンダ胴２０の開口領域と外へ出るピストンロッド３１との間におけるシーリングを介して滑るように搭載されている。液圧シリンダでは、ピストン３０とシリンダ胴２０との間に、両電極間の誘電体として機能する液圧媒体、特に、液圧オイルが在る。

電気的な配線４０を介して一方ではシリンダ胴２０と接続され、他方では、ピストンロッド３１と接続されている発振器５０は、共振回路を励起する機能を果たす。

発振器５０による共振回路の励起後、共振回路は、その共振周波数で振動する。ピストン３０とシリンダ胴２０とによって形成されるインピーダンスは、シリンダの中空空間におけるピストン３０のその都度の位置に依存している。共振回路の容量またはインダクタンスは、設定共振周波数に影響するので、認識された共振周波数を参照して、ピストンシリンダユニット１０の目下のインピーダンスを推定する。

この目的のために、発振器５０の領域において、相当する出力電圧Ｖ_ｏｕｔを測定し、相当する図示していない評価手段によって分析すなわち解析し、場合によっては、光学的に、または、音響によって表示する。

発振器５０と可動ピストンロッド３１との間の電気的な接触を、滑り接触によって実現する。このため、ピストンロッド３１に対向する発振器５０の接続配線４０の端部は、ピストンロッド３１の表面上をすべるように移動するブラシ接点を備えている。この接触場所のブラシは、コバルト、青銅、またはその他の適切な材料からなることが好ましい。

図２は、位置決定用の対応する相互接続された装置を備える本発明のピストンシリンダユニット１０の接続図を示す。上記の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、揺動する信号パターンを有し、共振回路全体の目下の共振周波数を対応して示す。電圧すなわち電圧パターンは、ピストンシリンダユニット１０の相当するピストン位置に応じて変化する。

図３に、発振器５０とシリンダ胴２０との間に更なるインダクタンスを追加した図１の本発明のピストンシリンダユニット１０を示す。形成された共振回路は、高周波の共振周波数領域において振動するので、追加で直列に接続されたインダクタンス６０によって、共振周波数を大幅に低下させることができる。

ピストンシリンダユニット１０を建設機械またはリフト装置において使用する場合、高いＥＭＣ条件を満たさなければならないことがある。既述のとおり、本発明の構造では、特に高周波の、場合によってはメガヘルツ領域に達する可能性のある振動が生じる。要求されるＥＭＣ条件に適合するように、図４に示すように、発振器５０の周囲の領域を覆う追加のシールド７０を設け、ピストンシリンダユニット１０のアンテナ特性により放出される電磁波を周囲からシールドする。このようなシールド７０は、例えば、強磁性材料からなる。当然、電磁波の十分なシールドを保証するあらゆる材料が考えられる。

有利な一形態では、シリンダ胴２０をシールド手段として流用する。図５に示すように、発振器５０は、シリンダ胴２０の中空空間に搭載されている。さらに、発振器５０の出口に高周波障害フィルタ（Funkenentstoerfilter）を接続してもよい。

滑り接触を有するピストンシリンダユニットの形態の代替として、発振器５０とピストンロッド３１との間の接続を、容量性、導電性のリング８０に交換してもよい。図６に示すように、このようなリング８０は、ピストンロッド３１に対して同心状に移動し、ピストンロッド３１の表面上に滑るように搭載されている。

切断線Ａ−Ａに沿った断面図を、図７に取り出す。この断面図は、導電性の材料からなる容量性のリング８０を示す。ピストンロッド３１と容量性のリング８０との間には、誘電体９０が在る。リング８０およびピストンロッド３１は、共振回路に直列に接続された一定の容量を形成する。

最後の図面（図８）は、ピストンシリンダユニット１０の発振器５０の可能な絶縁を示す。電気的な接続は、変圧器１００を介して行われている。変圧器１００の内部インダクタンスは、共振回路の追加として直列接続されたインダクタンスとして機能し、これにより、設定共振周波数がさらに低下する。変圧器１００によって、シリンダと発振器５０との間の電気的な絶縁がさらに実現されている。

Claims (12)

1. 位置決定用の装置を備えるピストンシリンダユニットであって、
   前記装置は、少なくとも１つの励起手段を備え、
   前記励起手段は、前記ピストンシリンダユニットのシリンダ胴とシリンダピストンとに間接的／直接的に電気的に接続され、前記ピストンシリンダユニットと接続配線とによって形成される電気的な共振回路を、その共振周波数で振動するように励起し、
   前記共振周波数を特徴付ける電気的な信号は、前記ピストンシリンダユニットにおいて測定可能である、ピストンシリンダユニット。
2. 請求項１に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   前記励起手段は、発振器、特にハートレー発振器であることを特徴とするピストンシリンダユニット。
3. 請求項１から２のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   前記位置決定用の装置は、少なくとも一部が、前記シリンダ筐体すなわち前記シリンダ胴の内側に配置されていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   前記測定可能な電気的な信号は、測定可能な電圧であることを特徴とするピストンシリンダユニット。
5. 請求項４に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   前記測定可能な電圧を安定化するため、すなわち、共鳴振動を保持するための回路装置が備えられていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   前記測定された信号を評価するため、および、場合によっては前記ピストン位置を出力すなわち表示するための評価手段が設けられていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   少なくとも１つの追加のインダクタンスが、励起手段とピストンとの間、または、励起手段とシリンダ胴との間に設けられていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   少なくとも１つの、特に強磁性の材料からなる、追加のシールド手段が、前記装置のシールドのために設けられていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のピストンシリンダユニットにおいて、
   励起手段とピストンシリンダユニット、特に、前記ピストンロッドとの間の前記電気的な接触は、滑り接触によって行われることを特徴とするピストンシリンダユニット。
10. 請求項９に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
    滑り接触として、容量性のリングが、前記ピストンロッドの周囲に設けられ、
    前記リングは、前記共振回路の内部において、直列接続されて追加された容量を示すことを特徴とするピストンシリンダユニット。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットにおいて、
    前記励起手段は、変圧器を介して、前記ピストンシリンダユニットと接続されていることを特徴とするピストンシリンダユニット。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載のピストンシリンダユニットを備える建設機械またはリフト装置。

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