JP2017514150A - シリンダにおけるピストンの位置及び／又は運動を検出する方法ならびにシリンダ装置 - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは、長手方向中心軸（Ｌ）を有するシリンダ内のピストン（２）の位置及び／又は運動を検出するのに適した方法及びシリンダ装置であり、ここでは第１ピストン面（４）側には流体が、また第２ピストン面（８）側にはガスが存在し、ほぼ単色波のビーム（２２）を、長手方向中心軸（Ｌ）の方向に９０°とは異なる入射角で第２ピストン面（８）に入射させ、第２ピストン面（８）によって反射させ、反射ビーム（２４）の衝突箇所（Ｐ）を検出する。

Description

本発明は、長手方向中心軸を有するシリンダにおけるピストンの位置及び／又は運動を検出する方法に関し、ここでは第１ピストン面側に流体が存在し、また第２ピストン面側にガスが存在している。

本発明はさらに、シリンダと、このシリンダ内でその長手方向中心軸に沿って運動するピストンとを有するシリンダ装置に関しており、ここでこのピストンは、第１ピストン面側に存在する流体と、第２ピストン面側に存在するガスとを分離するのに適している。

このような方法及びこのようなシリンダ装置は特に、ピストンアキュムレータに関連して使用される。このピストンアキュムレータにおいて流体は作動液であり、この作動液は、アキュムレータ内でガス（例えば窒素）に抗して圧縮される。流体側のシリンダ容積は、流体管路を介して液圧装置とつねに協働し、この液圧装置からは、第２ピストン面側に存在するガス圧に打ち勝って作動液がシリンダに流れ込むかないしはこの圧力が弱まった際にはピストンの移動によって作動液がシリンダから液圧装置に流れ込むことが可能である。

上記のシリンダにはつねに第２ピストン面を向いた面に接続部が含まれており、この接続部を介してガスを所望の圧力でこのシリンダに供給することができる。所望のガス圧に到達した後、上記の接続部を遮断可能に形成することができる。このアキュムレータ容積を増大させるため、より大きな外部のガス圧力源との持続的な接触を維持することも可能であり、これにより（シリンダとガス圧力源との間の容積比に依存して）ガス圧を、シリンダにおけるピストンの位置とは無関係にある程度一定に保つこともできる。

このようなピストンアキュムレータの動作について重要であるのは、ピストンがシリンダ内でどの位置にあるかということである。例えば、液圧装置において、ピストンアキュムレータを用いて作用すべき液圧を維持できるのは、第１ピストン面と、シリンダの流体容積を画定する蓋部とが当接していない場合だけである。その一方、上記のピストンアキュムレータを用いてこの液圧装置における液圧を制限できるのも、第２ピストン面がシリンダのガス容積を画定する蓋部に当接していない場合だけである。すでにこの点において、ピストンアキュムレータを含む装置の動作確実性を得るため、都度の実際のピストン位置についての知識があることが望ましい。

さらに、ピストンアキュムレータを含む装置、特に液圧装置の動作状態変化を検出するために、ピストンの位置変化を検出しなければならないことがある。これが示唆できるのは、例えば、漏れによる圧力低下又は負荷ピークによる圧力上昇である。

ピストンアキュムレータのピストンの位置及び／又は運動を検出するため、例えばドイツ国ズルツバッハ在のHydac International社から以下の複数のシステムが公知である。すなわち、
・ ピストンの位置をロープ牽引量測定システムによって検出する。このロープの一方の端部は、ばねによって予張力が加えられたチューブに固定されており、このロープの他方の端部はピストン底部に固定されている。このピストンの運動は、滑車に設けられた回転ポテンショメータを介して検出される。
・ ロープの一方の端部はここでもピストンに固定されている。シリンダから引き出されたロープの他方の端部は、滑車に案内される永久磁石を有しており、この永久磁石は、チューブに取り付けられた感磁性手段を、その位置に依存してアクティブ化し、ひいてはピストン運動及びピストン位置を識別できるようにする。
・ シリンダの外部に１つ以上の超音波送信／受信ユニットを設けることにより、超音波を用いてピストン位置を検出する。これらのユニットそれぞれは、ピストンと油との間の移行部を識別するため、超音波送信／受信ユニットの間隔に依存する精度でピストン運動及びピストン位置を検出することができる。
・ シリンダから引き出されたピストンロッドと、これと協働する変位センサとを用いてピストンの位置及び／又は運動を検出する。
・ シリンダの流体側の蓋部とピストンとの間の間隔を検出する、流体側に配置された超音波変位測定システム、が公知である。

これらのシステムにおいて不利であるのは、これらのシステムが、シリンダから複数のコンポーネントを引き出す必要があり、これによってコストがかかりかつ摩耗し易いシール装置が必要になることである。別の複数のシステムによれば、位置及び／又は運動検出は、限られた精度でしか得られないか又はこれらのシステムは、結合のための作動液を必要とするのである。

したがって本発明の課題は、特にピストンアキュムレータのピストンの位置及び／又は運動を検出する改善された方法を達成することであり、ならびに、シリンダと、このシリンダ内でその長手方向中心軸に沿って運動する、特にピストンアキュムレータのピストンとを備える改善されたシリンダ装置を達成することである。

この課題は、請求項１に示した方法と、請求項６に示したシリンダ装置とによって解決される。

本発明による方法では、ほぼ単色波のビームを、９０°とは異なる角度で第２ピストン面に配向し、第２ピストン面によって反射させ、反射ビームの衝突箇所を検出する。例えば０．５〜１０°で直角から偏差し得る入射角に基づき、反射ビームの衝突箇所の変化によってピストン運動を確実に検出する。

本発明による方法において特に有利であるのは、ピストンロッド又はロープのような可動部をシールするシール装置が必要ないことである。同様に有利であるのは、この方法がピストンのガス側に適用できることである。これにより冗長に動作するシステムが達成される可能性があり、このシステムでは、例えば、ピストンの位置及び／又は運動を検出する、冒頭に述べた従来技術に属する複数のシステムのうちの１つのシステムが流体側において使用される。特にここでは、超音波変位測定システムの適用が挙げられる。

使用する上記のほぼ単色波のビームは、レーザビームであってよい。

動作時に第２ピストン面側に存在するガスの圧力が変化する可能性がある場合、有利には第２ピストン面側に存在するガスの圧力を検出する。ガスの圧力が変化するのは、例えば、シリンダ容積が、これに対して相対的に大きな圧力一定のガス容積と協働しない場合である。ガス圧変化に伴う密度変化により、ガスの光学特性が変化し、特にガスと、反射ビームを検出するセンサの前に場合によっては設けられている保護ガラスと間の光学的な屈折率が変化するため、これにより、ピストンの位置が同じままであっても、反射ビームの衝突箇所が変化することになる。第２ピストン面側に存在するガスの圧力を検出することにより、ピストン位置及び／又は運動検出の際にこの作用を考慮することができる。

第２ピストン面側に存在するガスの温度の変化も、圧力変化に関連して説明した作用を伴う光学特性の変化を生じさせることになり得る。これに相応して有利には、第２ピストン面側に存在するガスの温度も検出し、位置及び／又は運動を検出する際に適切なルーチンによって上記の作用を考慮する。

有利にはピストンアキュムレータを形成するために使用される本発明のシリンダ装置にはビーム源が含まれており、このビーム源を用いて、ほぼ単色波の使用されるビームを９０°とは異なる角度で第２ピストン面に配向可能である。第２ピストン面におけるビームの反射が可能な限りに小さな散乱で行われるようにするため、この第２ピストン面に反射装置、例えばミラーを設ける。このミラーがシリンダの長手方向中心軸に対して垂直に配向されている場合、有利には、送出されるビームが、長手方向中心軸の方向に対して鋭角で、有利には０．５°〜１０°で配向される、ようにビーム源を形成する。シリンダ装置には、反射ビームの衝突箇所を検出可能な検出装置がさらに含まれている。

ビーム源及び検出装置は特に、シリンダ容積を第２ピストン面側で画定する蓋部に設けることができる。

このビーム源は有利にはレーザ源である。

上記の検出装置には有利にはエリアセンサが含まれており、このエリアセンサは（特に有利には）その感度が単色波の特性に、特に反射ビームの波長及び強度に調整されている。

場合によって生じ得るガス圧変化が位置及び／又は運動検出に与える影響を考慮できるようにするため、有利にはガス圧検出装置が設けられている。

第２ピストン面側に存在するガスの、場合によっては生じる温度変化の対応する作用も考慮できるようにするため、有利には温度検出装置も設けられている。

この場合、有利には本発明によるシリンダ装置には、ピストンの位置及び／又は運動を検出する際に、圧力及び／又は温度が反射ビームの衝突箇所に与える影響を考慮しかつ対応する補正ルーチンを含む評価装置が含まれている。この補正ルーチンは、計算によって及び／又は経験によって求められる補正関数であって、ピストンの位置を求める際に、反射ビームの衝突箇所に与える圧力及び／又は温度変化の影響を考慮する補正関数を含むことができる。

本発明によるシリンダ装置の特に有利な発展形態では、ピストンの位置及び／又は運動を検出する別の装置が設けられており、この装置は、特に電気的、電磁的、音響的及び／又は機械式にピストン位置及び／又はピストン運動を検出する。この第２の装置は、冒頭に説明した従来技術に属する装置であってよい。

以下、本発明の一実施例を概略的に説明する添付の図面に基づき、本発明をさらに詳しく説明する。

長手方向に切断したシリンダにおいての実施例を示したブロック回路図である。 ピストンが第１位置にあるシリンダの長手方向断面図である。 ピストンが第２位置にある、図２に対応する図である。 図２の部分ＩＶを示す図である。 図３の部分Ｖを示す図である。 図３の部分ＶＩの斜視長手方向断面図である。

この図に示したシリンダ装置の実施例には、長手方向中心軸Ｌを備えたシリンダ１が含まれている。このシリンダ内には、長手方向中心軸Ｌに沿って移動可能なピストン２が設けられている。このピストンには、例えばピストンリングのような図には示していない公知のタイプのシール手段が含まれており、これによってシリンダ１の外周と内周との間にシール作用が発生する。

上記のピストンは、図の右側に示した面に凹部３を有しており、これに対してこのピストンの、図の左側に示した面は平らに形成されている。この図の左に示した面は、第１ピストン面４を構成しており、このシリンダ装置がピストンアキュムレータとして動作する際には、流体、例えば油又は水・グリコール混合物がこの第１ピストン面側に存在する。このようにして構成されるシリンダ１の流体容積５は、第１蓋部６によって外側に向かって画定される。第１蓋部６は、この図に示していない液圧装置を接続するための中央接続孔７を有する。

動作時には流体容積５につねに満杯に流体が充填される。この流体に圧力を加え続け、液圧装置における流体容積の変化を補償できるようにするため、第１ピストン面４とは反対側の第２ピストン面８と、第２蓋部９と、シリンダ１との間でガス容積１０が囲まれている。このピストンシリンダ装置の動作時にはこのガス容積につねに、流体が油の場合には、圧力が加えられた窒素が充填され、又は流体が水・グリコール混合物の場合には空気が充填される。

シリンダ１におけるピストン２の位置及び／又は運動を検出できるようにするため、第２蓋部９にビーム源１２を含む装置１１と、検出装置１３とが配置されており、ここではビーム源１２によって、ほぼ単色波のビームを第２ピストン面８に配向可能であり、また検出装置１３によって、反射ビームの衝突箇所を検出することができる。この検出装置は、エリアセンサを含んでいてよい。

さらに第２蓋部９には、ガス圧検出装置１４及び温度検出装置１５が設けられており、これらの装置により、ガス容積１０内にあるガスの圧力及び温度が検出される。装置１１は、ビーム源１２を駆動制御しかつ検出装置１３を読み出す装置１６に電気的に接続されている。ガス圧検出装置１４は信号変換器１７に、また温度検出装置１５は信号変換器１８に電気的に接続されている。

装置１６ならびに信号変換器１７及び１８それ自体は、信号処理装置１９に電気的に接続されており、この信号処理装置１９は、圧力及び温度補正関数を考慮して、装置１６によって得た複数の信号から、シリンダ１内のピストン２の実際位置を第１出力側２０に出力し、静止位置からのピストン２の運動開始時に形成される信号を第２出力側２１に出力する。

図示した実施例の構成的な構造及びその作用の仕方を以下、図２〜６を参照してさらに説明する。

中央から第１蓋部６に向かって移動した位置にあるピストン２を示す図２において識別できるように、ビーム源１２によって、ここではレーザビーム２２であるほぼ単色波のビームが、第２ピストン面８に送出される。図６において識別できるように第２ピストン面８にはミラー２３が備え付けられており、このミラーは、長手方向中心軸Ｌに対して少なくともほぼ垂直に配向されている。レーザビーム２２は、長手方向中心軸Ｌの方向に対して斜めに所定の角度でミラー２３に当たるため、反射ビーム２４は、符号を逆にした対応する衝突角で検出装置１３に向かって反射される。

図２と図３との比較によって明らかなように、ピストン２がシリンダ内で長手方向中心軸Ｌに沿って移動すると、レーザビーム２２がミラー２３に当たる点が移動し、詳しくいうと図２及び図３に示した実施例では、ピストンが図のように右に向かって移動するとこの点は上に向かって移動する。長手方向中心軸Ｌを基準にした入射角は一定のままであるため、反射ビーム２４が検出装置１３に当たる衝突箇所Ｐが上に移動し、これによって衝突箇所Ｐを検出することにより、シリンダ１内のピストン２の位置も、運動の開始も検出することができる。

図６に示されているように、ガス容積１０は、外側から段付き孔２５にはめ込まれたガラス板によって装置１１から仕切られている。孔の段とガラス板との間にはシール２７がはめ込まれている。ねじ山付き孔２９にねじ込まれるねじ山付きスリーブ２８によってガラス板がこのシールに対して押圧される。

１ シリンダ、 ２ ピストン、 ３ 凹部、 ４ 第１ピストン面、 ５ 流体容積、 ６ 第１蓋部、 ７ 接続孔、 ８ 第２ピストン面、 ９ 第２蓋部、 １０ ガス容積、 １１ 装置、 １２ ビーム源、 １３ 検出装置、 １４ ガス圧検出装置、 １５ 温度検出装置、 １６ 装置、 １７ 信号変換器、 １８ 信号変換器、 １９ 信号処理装置、 ２０ 第１出力側、 ２１ 第２出力側、 ２２ レーザビーム、 ２３ ミラー、 ２４ 反射ビーム、 ２５ 段付き孔、 ２６ ガラス板、 ２７ シール、 ２８ ねじ山付きスリーブ、 ２９ ねじ山付き孔、 Ｌ 長手方向中心軸、 Ｐ 衝突箇所

Claims (12)

1. 長手方向中心軸（Ｌ）を有するシリンダ（１）内のピストン（２）の位置及び／又は運動を検出する方法であって、第１ピストン面（４）側に流体が存在し、第２ピストン面（８）側にガスが存在する、方法において、
   ほぼ単色波のビーム（２２）を、前記長手方向中心軸（Ｌ）の方向に９０°とは異なる入射角で前記第２ピストン面（８）に入射させ、当該第２ピストン面（８）によって反射させ、当該反射ビーム（２４）の衝突箇所（Ｐ）を検出する、ことを特徴とする方法。
2. 前記ほぼ単色波のビーム（２２）は、レーザビームである、
   請求項１に記載の方法。
3. 第２ピストン面（８）側に存在するガスの圧力を検出する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２ピストン面（８）側に存在するガスの温度を検出する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ピストン（２）の位置及び／又は運動検出時に、前記ガス圧及び／又は前記温度が前記反射ビーム（２４）の前記衝突箇所（Ｐ）に与える影響を考慮する、
   請求項３又は４に記載の方法。
6. シリンダ（１）と、当該シリンダ（１）内でその長手方向中心軸（Ｌ）に沿って運動するピストン（２）とを有するシリンダ装置であって、前記ピストンは、第１ピストン面（４）に存在する流体と、第２ピストン面（８）に存在するガスとを分離するのに適している、シリンダ装置において、
   当該シリンダ装置は、ビーム源（１２）を有しており、当該ビーム源（１２）を用いて、ほぼ単色波のビーム（２２）を、９０°とは異なる角度で第２ピストン面（８）に配向可能であり、
   当該第２ピストン面（８）は、前記ビームを反射するための装置を有しており、
   前記シリンダ装置には、検出装置（１３）が含まれており、当該検出装置（１３）によって前記反射ビーム（２４）の衝突箇所（Ｐ）を検出可能である、ことを特徴とするシリンダ装置。
7. 前記ビーム源（１２）はレーザ源である、
   請求項６に記載のシリンダ装置。
8. 前記検出装置（１３）には、エリアセンサが含まれており、当該エリアセンサは有利にはその感度が前記単色波の特性に調整されている、
   請求項６又は７に記載のシリンダ装置。
9. 前記第２ピストン面（８）側に存在するガス圧を検出するガス圧検出装置（１４）が設けられている、
   請求項６から８までのいずれか１項に記載のシリンダ装置。
10. 前記第２ピストン面（８）側に存在するガスの温度を検出する温度検出装置（１５）が設けられている、
    請求項６から９までのいずれか１項に記載のシリンダ装置。
11. 前記ピストン（２）の位置及び／又は運動を検出する際に、前記圧力及び／又は前記温度が、前記反射ビーム（２４）の前記衝突箇所（Ｐ）に与える影響を考慮する評価装置が設けられている、
    請求項９又は１０に記載のシリンダ装置。
12. 前記ピストンの位置及び／又は運動を検出する第２装置が設けられており、当該第２装置は有利には、電気的、電磁的、音響的及び／又は機械式に前記ピストン位置及び／又はピストン運動を検出する、
    請求項６から１１までのいずれか１項に記載のシリンダ装置。

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