JP2016535850A - 導電構造における距離を特定する測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を特定するための距離測定装置に関する。当該距離測定装置は、送受信装置、および媒質を含む前記導電構造に電磁波を結合するとともに前記反射体により反射された電磁波を分離するために前記結合領域に設けられた当該送受信装置を当該導電構造に結合する導電接合（１）を備えている。当該距離測定装置は、結合された電磁波と分離された電磁波の間の複素反射係数に基づいて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する評価装置も備えている。本発明は、対応する方法にも関する。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１、６、および７の前段部に示される通り、導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域との距離を特定する距離測定装置、および対応する距離特定方法に関する。

従来の距離測定装置は、例えば、空気圧あるいは油圧シリンダを有するリニアドライブのピストン位置を特定するために用いられる。シリンダ内のピストン位置の検出は、離散的（離間した複数の点において）にも連続的（動作中に連続して）にも行なわれうる。

離散的なピストン位置の特定は、一般にピストン動作の実行あるいは完了をシーケンス制御システムに伝え、シーケンスの次工程などを開始可能にするために必要とされる。当該システムの例としては、メモリプログラム可能な制御技術（ＳＰＳ）が挙げられる。この目的のため、感磁場センサや、シリンダピストンに配置された永久磁石の磁場を検出するセンサ装置が一般に用いられている。この種のセンサは、感磁場センサの形態からなることが一般的であり、リードスイッチ、磁気抵抗（ＭＲ）スイッチ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スイッチ、ホールスイッチ、磁気誘導近接スイッチなどが知られている。これらのセンサは、シリンダピストンのシリンダチューブに外部から取り付けられる。ピストンがこの種のセンサの検出範囲に進入すると、当該センサは、シリンダチューブを通じてシリンダピストンの存在を認識する。

しかしながら、別の位置を検出するためには、当該センサは適切な機械的調節を必要とする。追加の検出位置ごとに追加のセンサが取り付けられることを要する。これに伴い、追加の材料、取付具が必要であり、調節および設置コストが増す。これらは顧客の施設で行なわれることが一般的である。シリンダは、アクセスが困難な機械内に取り付け済みであり、外部から取り付けられた磁気スイッチを機械的に移動してスイッチング距離を設定することがもはや不可能であることが多い。

さらに、このような外部取付型のセンサについて追加の設置スペースが必要となる。センサのアクセス性と耐久性を保証可能にするために、構造が複雑になることが避けられないことが多い。このような外部取付型のセンサは、外部要因によって破壊されうる点において不足がある。シリンダへのセンサの固定作業時においては、センサの破損や落下が生じうる。これにより、生産ラインにおける障害発生や停止が起こりうる。空気圧ドライブの停止は、半分が上述の理由によって生じている。

ピストン位置の連続的な測定のために、ポテンシオメトリックに、磁気抵抗的に、あるいはＬＶＤＴ（Linear Variable Differential Transformer）原理によって動作する測定システムを用いることが一般的である。これらのシステムにおいては、ピストン位置は、アナログ電圧信号として連続的に表示されることが一般的である。ＬＶＤＴ原理によって動作するセンサは、電源投入時において常に較正動作を必要とする。

連続的なピストン位置の特定手段と離散的なピストン位置の特定手段のいずれも、シリンダに一体化することはできず、できたとしても非常に複雑な構造を伴い、コストも高くなる。前述した周知のセンサ原理の全ては検出範囲が非常に短いため、対応するシリンダ長に適合させる必要がある。この事実が、構造が非常に複雑になることの原因である。

特許文献１は、導電構造内の媒質の準静的誘電特性を用いて当該導電構造内における距離を特定する装置および方法を記載している。導電構造内の媒質の温度変動と圧力変動の少なくとも一方は、当該媒質の誘電特性により大きな変化をもたらす。これにより、距離特定の精度が低下する。

導電構造内の媒質の誘電特性が変化する別の理由としては、当該媒質中における気泡や水分の存在、媒質の変化などがありうる。

欧州特許出願公開第１０４０３１６号明細書

したがって、上述した場合における距離を特定するシステムの測定精度は、測定時における媒質の誘電特性によって左右される。しかしながら、これらの特性が評価に際して考慮されることは稀である。

よって、本発明の目的は、上述の問題を克服し、簡易な手法で媒質の誘電特性を計量学的に考慮し、高精度の距離特定を保証する適切かつ簡易な装置、および対応する方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の装置と、請求項６および７に記載の方法によって達成される。

本発明に係る必須の態様は、導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を特定するための距離測定装置であって、
送受信装置と、
媒質を含む前記導電構造に電磁波を結合するとともに前記反射体により反射された電磁波を分離するために前記結合領域に設けられた当該送受信装置を当該導電構造に結合する導電接合と、
結合された電磁波と分離された電磁波の間の複素反射係数に基づいて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する評価装置と、
を備えている。

媒質の物理的特性は、導電構造における波長を決定づける。よって、これを考慮することは、発明の技術的有利性につながる。したがって、発明に係る距離測定装置は、連続的で絶対的な距離測定を非常に高い精度で可能にし、送受信装置と評価エレクトロニクスを完全にシリンダカバー内に統合可能にする（すなわち、外部からの取り付けを要する部品が存在しない）点で有利である。さらに、シリンダの空気圧関連部品（ピストン、端位置緩衝手段、ピストンロッド、エアフィードなど）に機械的な変更の必要がない。加えて、媒質の誘電特性を特定するために別の外部部品や発明の範囲を超える部品が必要とされない。誘電特性が間接的に評価されうる圧力センサや温度センサもこれに該当する。特定の位置に到達すると、電子インターフェースを介してスイッチング距離を設定できる（ティーチイン機能）。シリンダ長（Ｘ長性能）に依らず、簡易で汎用性のあるセンサが送受信装置を構成する。

さらなる有利な構成は、従属請求項において発明特定事項として記載される。

好ましくは、距離を特定するための前記ライン構造への結合領域における前記媒質の材料特性を検出するための測定ラインが設けられている。当該測定ラインは、同軸ラインなどのＴＥＭラインである。

媒質の材料特性を検出する測定ラインを設け、これをライン構造における結合領域に配置することにより、従来技術に係る距離測定装置と比較して実利が得られる。測定ラインの存在とその配置は、距離を高い精度で特定するために特に必要とされる媒質の誘電特性を直接的に特定可能にする。この事は、例えば圧力、温度、経年変化、使用による汚れなどの要因に応じて誘電特性が大きく変動するような媒質にとって特に必要である。

好ましくは、前記測定ラインは、伝送動作される。前記測定ラインは、結合構造によって前記評価装置におけるＨＦ送信器に接続されており、分離構造によって前記評価装置におけるＨＦ受信器に接続されている。測定ラインを伝送動作で使用することにより、測定ラインに対しエネルギーを結合および分離する信号処理チェーンの構造を簡易にできる。反射動作型と比較すると、回路基板上に必要な部品が少なく、特に指向性結合器が必要ないからである。

あるいは、前記測定ラインは、反射動作される。前記測定ラインは、指向性結合器によって前記評価装置におけるＨＦ送信器とＨＦ受信器に接続されている。前記測定ラインの反射点は、開放ライン端として解析的に記述されうる。反射型の場合、測定ラインの機械的な統合が非常に容易である。エネルギーを回路基板からライン構造へ結合する結合構造が一つあればよいからである。圧力変化と温度変化の少なくとも一方に供される媒質内に配置されるため、接合の機械的複雑性は増す。

上記の距離測定装置は、評価エレクトロニクスとセンサ装置を備える。当該装置は、以下に記載の二つの方法の少なくとも一方を用いて環境条件変化を誘電特性の形で直接的に検出できる。これにより、距離を正確に特定できる。

発明に係る方法は、媒質を含む導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を、距離測定装置を用いて特定する方法であって、
ａ）前記媒質の材料特定を検出する測定ラインで当該媒質の相対誘電率を特定し、
ｂ）前記結合領域における導電接合によって電磁波を前記導電構造に結合し、
ｃ）前記反射体で反射された前記電磁波を前記導電接合によって前記導電構造から分離し、
ｄ）結合された前記電磁波と分離された前記電磁波の間の位相差に基づいて、上記ａ）で取得された前記媒質の相対誘電率に係る情報を用いて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する。

したがって、反射目標までの導電構造の長さが、当該導電構造内に含まれる媒質の誘電特性により測定される方法が提供される。本方法に基づいて提供される伝送信号は、導電構造に供給され、反射目標により反射され、再び供給システムを介して受信される。このようにして、結合点と反射目標の間の距離の測定が行なわれる。発明によれば、別の導電構造により、あるいは分散導電特性を考慮することにより、誘電特性が特定される。

第一の態様によれば、対象の距離は、伝送信号と受信信号（周波数が異なる電磁波）の位相差を測定することにより測定される。処理の開始時における誘電特性を考慮することにより、当該誘電特性を以降のアルゴリズムに直接適用できる。特定された誘電特性に基づいて導電構造の電気長を考慮することにより、測定精度を実質的に向上できる。また、特に誘電特性の変動が非常に大きい媒質の場合、唯一この方法によって導電長の評価が可能である。

測定された測定ラインの電気長に基づいて媒質の相対誘電率を特定するために考えうる別の方法は、基準測定において測定された位相の位相差、あるいはフィードラインと必要なパッシブ要素の電気長を含む測定ラインの分析モデルを考慮することにより、行なわれる。

誘電特性が既知である基準測定における位相差、あるいはフィードラインを含む測定ラインの分析モデルを考慮することにより、より正確な誘電特性の特定が可能となり有利である。

発明に係る別の方法は、導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を特定する方法であって、
ａ) 前記結合領域における導電接合によって電磁波を前記導電構造に結合し、
ｂ）前記反射体で反射された前記電磁波を前記導電接合によって前記導電構造から分離し、
ｃ）評価ユニットにより位相と振幅の関係を測定して複素反射因子を特定し、
ｄ）位相の２ｎπ曖昧性を考慮して抽出された前記導電構造のＳパラメータブロックの誘電特性と位相関係によって特定された分散ラインにおける波長に基づいて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する。

Ｓパラメータブロック（導電構造に結合する前の要素を表す）を使用することにより、導電構造のみを記述するＳパラメータブロックを抽出することが可能になる。この抽出されたＳパラメータブロックにより、特定の周波数について導電長とともに線形的に伝わる位相を特定できる。これに対し、測定された位相は、結合前の要素の影響を考慮することなく、導電長とともに非線形的に伝わる。したがって、距離を非常に正確に特定するためには、位相の線形伝達が必要である。

好ましくは、当該方法は、以下のステップも備える。
前記電磁波の結合前と分離後におけるアクティブ要素とパッシブ要素を表すＳパラメータブロックを取り出すことにより、距離測定ラインを表すＳパラメータブロックを前記複素反射因子とともに抽出する。

純粋な測定ラインを表すＳパラメータブロックを抽出することにより、媒質特性の直接的な特定が可能であり有利である。媒質の誘電特性の特定結果は、回路基板に影響を与える温度変化なども考慮できる。

また、上記の方法は、以下のステップをさらに備えることが好ましい。
前記導電構造への結合前に、２ｎπ曖昧性を有する抽出されたＳパラメータブロックの位相を考慮しつつ、前記誘電特性に依存する前記導電構造における波長の分散周波数特性に基づいて、前記誘電特性として前記媒質の相対誘電率を特定する。

距離を特定する本実施形態において、媒質の誘電特性を用いることは有利である。

上記の方法においては、材料特性を検出する測定ラインによって、前記導電構造における前記媒質の相対誘電率を特定することが好ましい。

上記の選択可能な両方法において、別の測定システムを用いて較正測定を行なうことにより、複数の周波数間の位相差により前記距離を特定するとき、当該位相差、当該距離、および前記誘電特性に係る情報を基準値として利用可能であることが好ましい。

複数の周波数を使用することにより、正確性が増す。相関のない測定エラーが確認されうるからである。また、複数の周波数は、導電構造の長さを特定する際のクラリティレンジを大きくできる。

上記の選択可能な両方法において、ある周波数以上で時分割復信または周波数分割復信が行なわれ、複数の周波数における結果を平均することにより、相対誘電率が特定されることが好ましい。

複数の周波数を使用することにより、正確性が増す。相関のない測定エラーが確認されうるからである。同様に、複数の周波数は、導電構造の長さを特定する際のクラリティレンジを大きくできる。加えて、時分割復信法により、測定ラインと導電構造間の分離の必要性が低下して有利である。

上記の選択可能な両方法において、前記測定ラインは、距離を測定するために各初期周波数について前記導電構造から分離されることが好ましい。

このような手法によれば、測定ラインにおけるエネルギーが導電構造によって分離されないため、より高い正確性が得られて有利である。

上記の選択可能な両方法において、理想の距離測定ラインをモデル化して誤差最小化を用いるパラメータ探索、距離基準情報、および複数の測定位置または複数の周波数についての評価ユニットによる複素反射因子の測定値によってＳパラメータブロックが特定されることが好ましい。

当該Ｓパラメータブロックは、上記電磁波の結合前および分離後におけるアクティブ要素とパッシブ要素をそれぞれ表すＳパラメータを意味する。

本態様に係る方法は、結合前のアクティブ要素とパッシブ要素のＳパラメータブロックの高速かつ効果的な特定を可能にする。

更なる利点、特徴、および本発明の応用可能性は、図面を参照した好適な実施形態の例に係る以降の説明より明らかになる。

シリンダの形態をとる導電構造への導電接合を備えた距離測定装置の一実施形態を簡略化して例示する斜視図である。 シリンダへの導電接合に加えて、材料特性を検出するための結合・分離点を有するラインを備えた距離測定装置の一実施形態を簡略化して例示する斜視図である。 導電接合の前段において誘電率を特定し、距離を測定するために必要な要素を備えた一実施形態に係る距離測定装置の高周波等価回路を示す図である。 導電接合の前段において誘電率を特定し、距離を測定するために必要な要素を備えた一実施形態に係る距離測定装置の高周波等価回路を示す図である。当該要素は、材料検出用のライン（図１および図２）を結合するための要素を含んでいる。

図１は、距離測定装置の一実施形態を簡略化して例示する斜視図である。当該距離測定装置は、モードトランス１として導電接合を備えている。モードトランス１は、シリンダ４の形態をとる導電構造におけるＥ０１モードの導波に同軸波を結合するためのものである。機械的なピストン止め７も例示されている。ピストン止め７は、ピストンロッド６によって動かされるピストン５の衝突からモードトランス１を保護する。

図２は、距離測定装置のシリンダの端部の一実施形態を簡略化して例示する斜視図である。当該距離測定装置は、モードトランス１としての導電接合と、往復動作される材料を検出するためのライン３を備えている。モードトランス１は、導電構造あるいはシリンダ４におけるＥ０１モードの導波に同軸波を結合するためのものである。材料検出用のライン３に導かれた波は、結合・分離点２を通じて供給される。本実施形態によって二つの異なる結合構造１、３の高い結合度と材料検出用のライン３の位置決め精度が保証される。

図３は、一実施形態に係る距離測定装置の高周波等価回路を示す図である。同図は、導電接合１５の前段における必須の要素を示している。ＨＦ送信器９における信号生成に係る信号経路の全て、回路基板１４上の接点、距離測定装置の結合点１５へ他の接点１４を介してエネルギーを送るための指向性結合器８が示されている。導電構造１６への結合後、分散導電構造における波の伝搬と導電構造のピストンにおける反射が生じる。

さらに、反射波は、接点１４を経由して指向性結合器８へモードトランス用の導電構造１５内を伝えられ、ＨＦ受信器１０に至る。ＨＦ受信器１０においては、ＨＦ送信器９のＬｏライン１１による位相同期を通じて複素反射因子が測定される。

誘電特性の抽出と上述の環境変化中における距離測定のために、電気長、および指向性結合器８、ＨＦ送信器９、ＨＦ受信器１０、接点１４、モードトランス用の導電構造１５の複素反射因子が測定される。これらは受信器１３の出力端において測定され、取り出される。出力された複素反射因子は、距離測定用の導電構造１６の電気的特性を示しており、請求項１３に記載された誘電率と距離を特定するための方法に用いられる。ＨＦ送信器９への制御信号１２によって、複数の周波数が設定される。

図４は、図３と同様の距離測定装置の高周波等価回路を示す図であるが、材料の特性を検出するためにラインでの使用に必要とされる要素が加えられている。材料の特性を検出するための伝送ラインを実現するための、第二ＨＦ送信器９から始まって結合用の接点１４を経て距離測定装置１７用の結合点の領域において伝送ラインに至る信号経路が示されている。材料検出用ラインを分離した後、受信器１０が接続される。

本出願に係る書類に記載された技術的特徴の全ては、本発明に必要なものとして請求の対象とされる。

Claims (14)

1. 導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を特定するための距離測定装置であって、
   ａ）送受信装置、および媒質を含む前記導電構造に電磁波を結合するとともに前記反射体により反射された電磁波を分離するために前記結合領域に設けられた当該送受信装置を当該導電構造に結合する導電接合（１）と、
   ｂ）結合された電磁波と分離された電磁波の間の複素反射係数に基づいて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する評価装置と、
   ｃ）前記導電構造の前記結合領域に設けられ、結合点と分離点を有する、材料特性を検出するためのラインと、
   を備えている、
   距離測定装置。
2. 距離を特定するための前記導電構造への結合領域における前記媒質の材料特性を検出するための測定ライン（３）が設けられており、
   前記測定ライン（３）は、同軸ラインなどのＴＥＭラインである、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記測定ライン（３）は、伝送動作されるとともに、
   ａ）結合構造によって前記評価装置におけるＨＦ送信器（９）に接続されており、
   ｂ）分離構造によって前記評価装置におけるＨＦ受信器（１０）に接続されている、
   請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記測定ライン（３）は、反射動作されるとともに、
   ａ）指向性結合器（８）によって前記評価装置におけるＨＦ送信器（９）とＨＦ受信器（１０）に接続されており、
   ｂ）開放ライン端として解析的に記述されうる反射点を有する、
   請求項２に記載の距離測定装置。
5. 前記測定ライン（３）に接続された前記ＨＦ受信器（１０）と前記ＨＦ送信器（９）によって、当該測定ライン（３）の電気長に対応する位相が測定され、
   前記電気長は、フィードラインおよびパッシブ要素の電気長を含む、
   請求項３または４に記載の距離測定装置。
6. 媒質を含む導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を、距離測定装置を用いて特定する方法であって、
   ａ）前記媒質の材料特定を検出する測定ライン（３）によって当該媒質の相対誘電率を特定し、
   ｂ）前記結合領域における導電接合（１）によって電磁波を前記導電構造に結合し、
   ｃ）前記反射体で反射された前記電磁波を前記導電接合（１）によって前記導電構造から分離し、
   ｄ）結合された前記電磁波と分離された前記電磁波の間の位相差、前記導電構造における複数の周波数と対応する電気長に基づいて前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する、
   方法。
7. 導電構造における反射体と当該導電構造の端部に設けられた電磁波の結合領域の間の距離を特定する方法であって、
   ａ) 前記結合領域における導電接合（１）によって電磁波を前記導電構造に結合し、
   ｂ）前記反射体で反射された前記電磁波を前記導電接合（１）によって前記導電構造から分離し、
   ｃ）評価エレクトロニクスにより位相と振幅の関係を測定して複素反射因子を特定し、
   ｄ）前記電磁波の位相の２ｎπ曖昧性を考慮して抽出された前記導電構造のＳパラメータブロックの誘電特性と位相関係によって特定された分散ラインにおける前記電磁波の波長に基づいて、前記結合領域と前記反射体の間の距離を特定する、
   方法。
8. 前記電磁波の結合前と分離後におけるアクティブ要素とパッシブ要素を表すＳパラメータブロックを取り出すことにより、測定ラインを表すＳパラメータブロックを前記複素反射因子とともに抽出する、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記導電構造への結合前に、２ｎπ曖昧性を有する抽出されたＳパラメータブロックの位相を考慮しつつ、前記誘電特性に依存する前記導電構造における波長の分散周波数特性に基づいて、前記媒質の前記誘電特性または相対誘電率を特定する、
   請求項７または８に記載の方法。
10. 材料特性を検出する測定ラインによって、前記導電構造における前記媒質の相対誘電率を特定する、
    請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 別の測定システムを用いて較正測定を行なうことにより、複数の周波数間の位相差により前記距離を特定するとき、当該位相差、当該距離、および前記誘電特性に係る情報を基準値として利用可能である、
    請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ある周波数以上で時分割復信または周波数分割復信が行なわれ、複数の周波数における結果を平均することにより、相対誘電率が特定される、
    請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記測定ライン（３）は、距離を測定するために各初期周波数について前記導電構造から分離される、
    請求項６から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 理想の距離測定ラインをモデル化して誤差最小化を用いるパラメータ探索、距離基準情報、および複数の測定位置または複数の周波数についての評価ユニットによる複素反射因子の測定値によってＳパラメータブロックが特定される、
    請求項６から１３のいずれか一項に記載の方法。

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