JP2018091829A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定用変換器から遠ざかるパルスを導波路の一端においてできるだけ確実に弱めることができる位置センサを提供する。【解決手段】位置センサ１１は、磁気歪み材料から成る、測定区間に沿って延在し磁気歪みにより誘発される機械的な衝撃を伝えるように構成された導波路１９を備える。導波路１９の第１端に設けられた測定用変換器３０が、電流パルスを導波路１９に結合入力する働きと、導波路１９により測定用変換器３０の方向へ伝えられる機械的な衝撃を検出する働きをする。導波路１９の第２端の方向へ伝播する機械的な衝撃を弱めるため、エラストマー材料から成る緩衝要素２３が第２端に設けられており、そのエラストマー材料の硬さは測定用変換器３０からの距離の増大とともに増大している。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気歪み材料から成る導波路であって、測定区間に沿って延在し、磁気歪みにより誘発される機械的な衝撃を伝えるように構成された導波路を備える位置センサ、及びそのような位置センサの導波路上の緩衝要素を製造する方法に関する。

このようなセンサは例えば特許文献１及び非特許文献１に開示されており、特に工業的な測定技術の分野において位置、長さ又は進んだ距離の測定に好適に用いられる。導波路としては、例えば鉄、ニッケル又はコバルト等の強磁性材料から成る細い棒や針金、パイプが挙げられ、その長さは例えば数センチから数メートルになり得る。位置を検出する必要のある部品上には通例、いわゆる「位置磁石」が例えば永久磁石の形で取り付けられ、この磁石が導波路内に磁場を生成する。位置磁石は例えば円環状であって導波路を囲むものとすることができる。電流パルスが導波路を通じて送られると、導波路の周囲では、位置磁石により生成された磁場に加えて、時間的及び位置的に変化する別の磁場が発生する。位置磁石の場所における２つの磁場の相互作用により、例えば縦方向及び／又はねじり方向の衝撃のような機械的な衝撃が導波路内に発生させることができ、これが測定区間に沿って進む。位置センサには通例、導波路から伝えられる機械的な衝撃を位置信号に変換するための測定用変換器がある。測定用変換器は例えばコイル又は圧電型測定素子を含むものとすることができる。測定用変換器は例えば特許文献２に記載のように構成することができる。機械的な衝撃の伝播時間を測定することにより最終的に位置磁石の位置を求めることができる。磁気歪みの測定原理に基づく位置センサは非接触で作動し、絶対値を出力する。このセンサは再較正を必要とせず、劣悪な使用条件にも適している。このセンサは直線位置センサとしてよく用いられる。このような位置センサを油圧シリンダ内でのピストン位置の検出に利用することが、例えば特許文献３に記載されている。

前述した縦方向又はねじり方向のパルスは導波路内で位置磁石の位置から両方向に進む。導波路の一端で測定用変換器を用いてそのパルスを検出することで、前述の伝播時間測定により導波路に沿った位置磁石の実際の位置を特定する。他端では、パルスが反射されて導波路沿いに元の方向へ伝播することをできるだけ効果的に防ぐ必要がある。このようなパルスは、測定用変換器の方へ直接向かうパルスの検出を妨げたり一義性を損ねたりするからである。

特許文献２には、測定用変換器とは反対側の導波路の端部に装着されるエラストマー製の莢体も記載されている。緩衝作用の適合化のため、特性の異なるエラストマーを次々に装着することができる。例えば、最初に反射を弱める柔らかいエラストマーから成る莢体を設け、その次に、より固くて緩衝作用の大きいエラストマーから成る莢体を装着することができる。しかし、通例針金の形で構成される導波路にこのような緩衝要素を装着するには莢体を押し開く必要があり、コストと手間がかかる。

公知の別の解決策では、エラストマー材料が鋳型内で導波路の周りに鋳造されるか、射出成形プロセスにおいて導波路上に設けられ、その際、均一な特性のエラストマーから成る莢体ができる。

特許文献４には絶縁材料から成る軸受内に導波路が横たえられている位置センサが開示されている。組み立ての際、その絶縁材料とともに押圧式の莢体が導波路の軸方向の端部に押し付けられる。

特許文献５には吊設用莢体と緩衝要素を含む音響変換器用の導波路吊設体が開示されている。緩衝要素は、内側莢体と、該内側莢体を強く押し合わせるための圧搾手段とを備えており、吊設用莢体と導波路の遠端との間に配置されている。

DE 197 53 805 C2 EP 0 882 212 B1 DE 20 2006 012 815 U1 DE 197 53 805 C2 DE 696 34 988 T2

「テンポソニクス・ポジション・センサーズ（Temposonics Position Sensors）」パンフレット551019 A、[online]、エムティーエス社（MTS）、[２０１８年１月１２日検索]、インターネット＜URL: www.mtssensors.com/fileadmin/media/pdfs/551019.pdf＞

本発明の課題は、容易に製造可能であり、測定用変換器から遠ざかるパルスを導波路の一端においてできるだけ確実に弱めることができる位置センサを提供することである。

この課題は請求項１に記載の特徴を有する位置センサにより解決される。

本発明に係る位置センサは磁気歪み材料から成る導波路を備える。該導波路は測定区間に沿って延在しており、磁気歪みにより誘発される機械的な衝撃を伝えるように構成されている。導波路の第１端には測定用変換器が設けられており、該測定用変換器を用いて、電流パルスを導波路へ結合入力すること及び該導波路から該測定用変換器の方向へ伝えられる機械的な衝撃を検出することができる。前述の通り、このような機械的な衝撃は、電流パルスにより導波路内に生成される磁場と位置検出対象である位置磁石との相互作用により発生する。その発生の仕方自体は公知である。

測定用変換器は、必須の電流パルスを導波路へ結合入力するため、そしてそれにより生成されて測定用変換器の方向へ進む機械的な衝撃を検出するために用いられる。この機械的な衝撃の伝播時間から、反射を生じさせている位置磁石の距離を求めることができる。

導波路の第２端にはエラストマー材料から成る緩衝要素が設けられている。これは第２端の方向へ伝播する機械的な衝撃を弱める働きをする。この緩衝要素は、測定用変換器の方向へ送出される機械的な衝撃の検出が妨害されないように、第２の機械的な衝撃の反射をできるだけ抑制しておくものである。

本発明に従って構成された位置センサでは、緩衝要素が鋳造プロセスにより導波路の表面に直接形成されており、該緩衝要素のエラストマー材料の硬さが測定用変換器からの距離の増大とともに増大している。鋳造プロセスを用いれば、非常に簡単で精確な製造が可能でありながらも、導波路の軸方向の硬さプロファイルを非常に容易に調節することができる。測定用変換器までの距離の増大に応じてエラストマー材料の硬さを増大させることにより、例えば、弱めるべき機械的な衝撃が導波路内でまず硬さの小さいエラストマー材料に当たり、その結果、反射が大幅に弱められる、というようにすることができる。緩衝要素内のエラストマー材料の硬さの増大により、緩衝作用が測定用変換器からの距離の増大とともに強くなるため、最大の効果を示す所望の緩衝特性が得られるように硬さを容易に調節することができる。

本発明は、磁気歪みにより誘発されるねじり方向の衝撃を伝送するように構成された導波路との関連で用いることが特に好適である。

このように導波路の軸方向の緩衝要素の材料特性を調節するため、本発明では、緩衝要素のエラストマー材料が少なくとも２つの成分から成り、その混合比によりエラストマー材料の硬さが決まるようにする。このような材料の使用により、緩衝要素が導波路に沿って所望の硬さ乃至は所望の硬さ変化を持つように非常に簡単に調節することができる。

該当する材料の例としては、異なる２つの成分の混合物であって、鋳造プロセスに続く硬化プロセスの後の硬さが前記２つの成分の混合比によって決まるような混合物が挙げられる。

例えばシリコーン、特に多成分シリコーンが好適である。他の材料、例えばポリウレタンの使用も同様に考えられる。

緩衝要素のために使用されるエラストマー材料の硬さは軸方向に段階的に変化するものとすることができる。もっとも、測定用変換器からの距離とともに硬さが軸方向に連続的に変化する（特に直線的に増大する）ようにすれば特に有利である。使用する異なる材料の混合比によって緩衝要素のエラストマー材料の硬さを変化させる場合、混合比を測定用変換器からの距離とともに連続的に変化させることで前記のような硬さ変化を容易に達成することができる。

基本的には、緩衝要素のエラストマー材料を導波路の周りに鋳造部品として形成することができる。導波路の表面への射出成形プロセスにより、測定用変換器からの距離の増大とともに硬さが精確に変化する非常に精度の高い緩衝要素が形成される。

本発明に係る位置センサの特に有利な発展形態では、導波路が緩衝要素の領域において非直線的に構成されている。代わりに、例えば、導波路が当該領域において波状、渦状又はらせん状に延在するものとすることができる。このようにすれば、緩衝区間が長くなるため、緩和すべき機械的な衝撃が緩衝区間を伝播する間により長時間、緩衝要素内に滞在する。

緩衝要素の領域における導波路のこのような形態は、鋳造プロセス、とりわけ射出成形プロセスによって特に容易に作り出すことができる。なぜなら、エラストマー製の莢体の導波路への装着という、非直線的な導波路領域の場合にはほぼ不可能な作業が不要だからである。それでも、鋳造プロセスにより作り出された緩衝要素は非直線的な導波路の表面にしっかり密着する。

本発明はまた、本発明に従って構成される位置センサの緩衝要素を製造する方法にも関する。

本発明に係る方法では、緩衝要素のエラストマー材料が鋳造プロセスにおいて導波路の第２端の周りに鋳造される。特に簡単且つ高精度の方法では射出成形プロセスを用いる。

本発明では、鋳造プロセスの際に２つの異なる成分を含む材料を使用し、その混合比を測定用変換器からの距離に応じて鋳造対象の緩衝要素に沿って調節することにより、緩衝要素の硬さを測定用変換器からの距離とともに増大させる。そのために、硬化プロセスの後の硬さが異なる２つの成分を用いれば、その混合比を調節することにより緩衝要素の硬さを非常に精確に選ぶことができる。

本発明に係る方法の利点及び好ましい構成は、本発明に係る位置センサの利点及び好ましい構成に関する先の説明からも明らかである。

本発明の発展形態は、従属請求項、明細書及び添付図面にも示されている。

以下、本発明について添付図面を参照しながら模範例により説明する。

本発明に係る位置センサの分解図。 組み込まれた状態の導波路の詳細な横断面図。 前記位置センサの第１実施形態の緩衝要素の模式図。 前記位置センサの第２実施形態の緩衝要素の模式図。 前記位置センサの第３実施形態の緩衝要素の模式図。 前記位置センサの第４実施形態の緩衝要素の模式図。 前記位置センサの第５実施形態の緩衝要素の模式図。 前記位置センサの第６実施形態の緩衝要素の模式図。

図１に分解図で示した位置センサ１１はステンレス鋼から成る細長い筒状の導波路カバー１３を備えており、その筒の一端にセンサヘッドケース１５が取り付けられている。筒の他端は端部キャップ１７で塞がれている。導波路カバー１３の内部には磁気歪み材料から成る導波路１９がある。導波路１９は好ましくは強磁性材料から成る針金であり、制御ユニット２１を起点として軸方向に、つまり導波路カバー１３の長軸Ｌと平行に延在し、該カバーを貫通して緩衝要素２３に至る。該要素は莢体２４を用いて導波路カバー１３の内部で保持されている。莢体２４は例えば、その内部で緩衝要素２３が後述のような形状で鋳造される射出成形用鋳型とすることができる。緩衝要素２３の領域において導波路１９は曲がった領域２８を経て戻り導体２５へ移行しており、該戻り導体は制御ユニット２１まで戻っている。導波路１９は導波路カバー１３内で位置決め要素２７と中間パイプ２９により保持されている。緩衝区間を伸ばすため、導波路１９は緩衝要素２３の領域において波状に形成されている。

制御ユニット２１には測定用変換器３０が配置されている。この変換器は導波路１９に半田付けされた棒磁石３１とそれを囲むコイル３２を含んでいる。測定用変換器３０は導波路１９から伝わるねじり方向の衝撃を電気的な位置信号に変換することができる。これは基本的には例えば特許文献２から公知である。測定用変換器３０には測定用変換器収容部３３が配置されており、これが制御ユニット２１と同様に回路基板３５上に取り付けられている。なお、分かりやすくするため、図１では、制御ユニット２１の個々の部品のうち測定用変換器３０、棒磁石３１、コイル３２及び測定用変換器収容部３３を制御ユニット２１近傍の側方に特に分けて再度描いている。

回路基板３５とその上の実装部品はセンサヘッドケース１５に収納されている。このケースは、固定歯４１を縁部４０に有する蓋部３７で閉じられている。固定歯４１はセンサヘッドケース１５の内側に突出した環状凸部４３を後ろから把持するように構成されている。即ち、蓋部３７はセンサヘッドケース１５に填め込むことが可能であり、その填め込みの際に該ケースと堅固に咬み合った状態になる。センサヘッドケース１５は封止リング４２と支持リング４４を用いて油圧シリンダ内に組み込むことができる。これは例えば特許文献３に開示されている。

位置センサ１１を給電装置及び受信ユニット（いずれも図示せず）に接続するため、蓋部３７に接続ピン４５が設けられている。接続プラグ又は接続ソケットを側方から接続可能にするため、このピンは図示したように曲がっている。位置センサ１１により認識すべき位置は位置磁石４７により示されている。この磁石はここではリング状であり、導波路カバー１３を囲んでいる。位置磁石４７は、例えば油圧シリンダの摺動自在なピストン等、その位置を検出すべき部品（図示せず）に固定されている。

図２は組み込まれた状態の導波路１９と位置決め要素２７を横断面図で示している。位置決め要素２７は弾性を有する非磁性材料（例えばシリコーン）で作られており、故に変形可能である。図示しないが、位置決め要素が無変形の初期状態にあるとき、その横断面の外形は台形状である。鍵穴のような断面形状を有する中空部５０が位置決め要素２７の全長にわたって軸方向に貫通している。そして導波路１９は中空部５０のうち幅の広い収容部５１内に配置されている。図２に横断面図で示した組み込み状態では、位置決め要素２７が、例えばポリテトラフルオロエチレンで作られた中間パイプ２９内で押しつぶされ、「挟みつけられて」いる。導波路１９、位置決め要素２７及び中間パイプ２９により構成されるユニットは、組み込み状態では導波路カバー１３内に差し込まれている。図示した例では中間パイプ２９の全面がケース１３の内壁５７に密着している。位置決め要素２７は、無変形状態での横断面の外形が台形状であるため、その全面ではなく角領域５９だけが中間パイプ２９に密着している。これら角領域の間には空きスペース６０が形成されており、これを電気配線及び戻り導体２５（図１）の挿通に利用できる。位置決め要素２７及び中間パイプ２９により、本例の導波路１９は導波路カバー１３の中心に保持されるとともに、過度の振れや衝撃、振動から保護される。

図３〜図８は位置センサの様々な実施形態の緩衝要素を示している。

位置センサのこの領域は図１では右上にある。即ち、図１の分解図において、緩衝要素２３とそれを囲む莢体２４がそこに見て取れる。図１では図３に描いたような実施形態を示している。

図３は位置センサ１１のこの領域を模式図でより詳しく示している。導波路１９が領域２６において波状に構成されているのが分かる。この領域は鋳型２４により囲まれている。注入路７０を通じてこの鋳型に例えば２成分シリコーンを注入することができる。これが、射出成形プロセス及び硬化プロセスの後、図示したキャビティ内で波状の導波路１９を包みこむ。こうして、注入された材料が、適宜選択された硬化プロセスの後に緩衝要素２３となる。構成に応じて鋳型２４を導波路上に残してもよいし、除去してもよい。注入路７０を通じた注入プロセスの間、注入材料であるシリコーンの２成分の混合比を連続的に変化させる。一方の成分が他方の成分よりも硬化後の硬さが大きくなるように各成分が選択されていれば、混合比を変えることで硬化後の材料の硬さが変化する。例えば、混合比が１：１の場合はショアー硬さがゼロ未満になる一方、混合比が２：１の場合はショアー硬さが３０になるように、シリコーンの２成分を選択することができる。その際、緩衝要素２３の硬さが図３の矢印７２で示した方向に大きくなるように硬さを調節する。矢印の方向に硬さが増大していれば、図３で左側から導波路１９に沿って伝播する機械的な衝撃はまず非常に柔らかいエラストマー材料に当たり、その反射が最小限に抑えられる。そして、材料の密度が区間に沿って右にいくほど高くなるため、その硬さが増し、緩衝作用がより強くなる。

図４は緩衝要素２３の別の実施形態を示している。この形態では、必要な緩衝作用に対する適合化の方法を更に提供するために、鋳型２４が緩衝要素２３の左側領域において円錐状になっている。図示しないが、所与の条件に対して最良の適合化を行うために他の形状を選ぶこともできる。

図５は導波路が緩衝要素の領域において波状になっておらず、緩衝要素を貫通して真っ直ぐに延在している構成を示している。

図６は、図４の構成であって真っ直ぐな導波路を備えるものに相当する実施形態を示している。

図７は別の実施形態を示している。この形態では緩衝要素２３が個別要素２３'、２３''及び２３'''から成る。これらは特殊な鋳型２４'の中で作り出される。この鋳型では、緩衝要素２３を作るための２成分シリコーンが３つの注入路７０'を通じて導入される。その際、異なる領域２３'、２３''及び２３'''に対してそれぞれ異なるシリコーンの２成分の混合比が選択される。このようにすれば、緩衝要素２３の硬さを段階的に大きくすることができる。

本発明によれば、製造の際の簡単な射出プロセスの利点と、軸方向に硬さが増大する緩衝要素の利点とを組み合わせることが可能な緩衝要素ができる。

本明細書ではほとんど場合、シリコーン、特に多成分シリコーンを例に挙げた。適切な特性を持つ他の材料、例えばポリウレタンも同様に使用可能である。

１１…位置センサ
１３…導波路カバー
１５…センサヘッドケース
１７…端部キャップ
１９…導波路
２１…制御ユニット
２３…緩衝要素
２３'、２３''、２３'''…個別要素
２４…莢体
２５…戻り導体
２７…位置決め要素
２８… 曲がった領域
２９…中間パイプ
２９'…装置
３０…測定用変換器
３１…棒磁石
３２…コイル
３３…測定用変換器収容部
３５…回路基板
３７…蓋部
４０…縁部
４１…固定歯
４２…封止リング
４３…環状凸部
４４…支持リング
４５…接続ピン
４７…位置磁石
５０…中空部
５１…収容部
５７…内壁
５９…角領域
６０…空きスペース
７０…注入路
７２…硬さの増大
Ｌ…長軸

Claims (9)

1. 磁気歪み材料から成り、測定区間に沿って延在し、磁気歪みにより誘発される機械的な衝撃を伝えるように構成された導波路（１９）と、
   前記導波路（１３）の第１端に設けられた測定用変換器（３０）であって、電流パルスを前記導波路（１９）に結合入力するため、及び前記導波路（１９）により測定用変換器の方向へ伝えられる機械的な衝撃を検出するための測定用変換器（３０）と、
   前記導波路（１９）の第２端の方向へ伝播する機械的な衝撃を弱めるために該第２端に設けられた、エラストマー材料から成る緩衝要素（２３）と、
   を備え、前記エラストマー材料の硬さが前記測定用変換器（３０）からの距離の増大とともに増大する位置センサにおいて、
   前記エラストマー材料が鋳造プロセスにより前記導波路（１９）上に直接形成されていること、及び、該エラストマー材料が少なくとも２つの成分から成る材料であり、その成分の混合比により該エラストマー材料の硬さが決まっていること
   を特徴とする位置センサ（１１）。
2. 前記緩衝要素（２３）における前記エラストマー材料の硬さが前記測定用変換器（３０）からの距離の増大とともに連続的に大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ（１１）。
3. 前記緩衝要素（２３）内の前記成分の混合比が前記測定用変換器（３０）からの距離とともに連続的に変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置センサ（１１）。
4. 前記エラストマー材料が射出成形プロセスにより前記導波路（１９）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置センサ（１１）。
5. 緩衝区間を伸ばすために、前記導波路（１９）が前記緩衝要素（２３）の内部において非直線的に延在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置センサ（１１）。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の位置センサ（１１）の緩衝要素（２３）を製造する方法であって、鋳造プロセスにおいてエラストマー材料が前記導波路（１９）の第２端の周囲に鋳造され、該鋳造プロセスでは少なくとも２つの異なる成分を有する鋳造材料を用いて鋳造が行われ、該成分の混合比が前記測定用変換器（３０）からの距離に応じて鋳造対象の緩衝要素（２３）に沿って調節されることを特徴とする方法。
7. 前記エラストマー材料が前記導波路（１９）の第２端の周囲に射出成形されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記混合比が前記測定用変換器（３０）からの距離に応じて連続的に変化させられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記鋳造材料が少なくとも２成分のシリコーン材料を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。

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