JP2018521410A - 可動センサと静止要素との間での情報およびエネルギの伝達 - Google Patents

Abstract

本発明の対象は、固定要素（１５）と、可動要素（１４）と、可動要素（１４）に固定された物理測定センサ（２０）と、センサ（２０）と固定要素（１５）との間での情報の伝達を可能にする接続部とを含む装置（１０）であり、センサ（２０）は、物理測定値を表す主信号を生成する。本発明によれば、装置（１０）は、主信号を光信号にする変換器をさらに含む。変換器は可動要素（１４）に固定される。接続部は光路（１６、１７、１８、１９）である。光信号は、固定要素（１５）と可動要素（１４）との間を光路（１６、１７、１８、１９）に沿って自由に伝播する。センサ（２０）は、接触することなく、固定要素からエネルギを受け取る電源モジュールを含む。

Description

本発明は、互いに対して移動できる複数の要素を有する装置に関する。要素の１つは、固定側とされる、すなわち、基準ベースを形成する要素とされる。この基準ベースはそれ自体、例えば、車両のシャーシのように移動することもできる。この車両は、例えば、固定要素に対して移動可能な要素を形成する関節式アームを含むことができる。

装置は、可動要素の動作を決定することを可能にするセンサを含むことができる。例えば、位置センサ、速度センサ、または加速度センサなどのこれらのセンサは可動要素に固定され、測定された情報を固定要素に送らなければならない。特定の物理量を測定することを可能にする他のタイプのセンサも、可動要素に装備することもできる。例として、関節式アームは、環境センサ（温度、圧力など）を搭載することができる。アームが動作することで、空間の特定の領域に到達することが可能になる。

すべてのこれらのセンサは、通常、装置の固定要素内で処理されるように、測定した情報を固定要素に返す。

可動センサと固定要素との間で情報を伝達するために最もよく使用される問題解決策は、電気ケーブルを用いてセンサを接続することである。電気ケーブルは、センサを搭載した可動要素に固定要素を連結する連結要素に沿って延びる。ケーブルは、様々な要素を互いに連結する関節式連結部を通過しなければならない。

これらのケーブルは、装置を使用するときに、例えば、外部物体に引っかかることで損傷する危険性がある。さらに、ケーブルは、強度が低い電気信号を搬送ことが多く、電磁環境による妨害を受けやすい。例えば、圧電タイプのセンサは、特に弱い信号を送出する。これらのセンサに接続されたケーブルは、長さが長くなるとセンサからの情報を必ず劣化させる。

ステムがシリンダ内でシリンダ本体に対して並進移動する特定の場合に、本体に対するステムの位置を決定するのを可能にするセンサをステムに配置するのは一般的な方法である。センサは、ケーブルによってシリンダ本体につなげられる。従来のシリンダは、回転対称性を有し、ステムは、シリンダの並進軸のまわりに自由に回転できる状態のままである。この回転の自在性は、ケーブルにとって有害なことがあり、ケーブルがステムに巻き付く危険性がある。したがって、ステム回転防止装置を設ける必要があり、これは、シリンダを無意味に複雑にする。

例えば、無線機によって、センサと固定要素との間に無線接続を形成することも検討された。このタイプの接続は、センサからのデータに適しているが、依然として電磁干渉を受けやすいままである。さらに、センサへのエネルギの供給が保証されない。したがって、センサに固定されてセンサに電力を供給するバッテリを設ける必要がある。このバッテリは、センサの作動と、固定要素への情報の伝達とを保証する十分な寿命を有する必要がある。バッテリの再充電またはバッテリの交換を定期的に行う必要もあり、これは、装置の稼働コストを増大させる。

本発明は、情報の伝達と、電力の供給の両方を行うために、無線接続された少なくとも１つのセンサを有する装置を提案することで、上記の問題のすべて、または一部を緩和することを目的とする。

このために、本発明の対象は、固定要素と、可動要素と、可動要素に固定された物理測定センサと、センサと固定要素との間での情報の伝達を可能にする接続部とを含む装置であり、センサは、物理測定値を表す主信号を生成する。本発明によれば、装置は、主信号を光信号にする変換器をさらに含む。変換器は可動要素に固定される。接続部は光路である。光信号は、固定要素と可動要素との間を光路に沿って自由に伝播する。センサは、接触することなく、固定要素からエネルギを受け取る電源モジュールを含む。

光路の全体にわたって自由伝播モードを使用することで、導電体または光ファイバによる任意の配線をなくすことが可能になる。

有利にも、光路は、装置の不透過外装内に完全に収まる。

接続部は、センサと固定要素との間での情報の一方向または双方向伝達を可能にするように構成することができる。

センサは、電源モジュールに接続された光電池を含むことができる。装置は、固定要素に固定され、自由伝播により、光電池に向かって光を放射するように配置された光放射体を含むことができる。光電池が受け取ったエネルギは、センサに電力を供給するために、電源モジュールに送られる。この場合も同様に、自由伝播モードにより、任意の配線をなくすことが可能になる。

有利にも、光放射体と光電池との間での電気エネルギの伝達は光路を使用する。

あるいは、センサは、電源モジュールに接続されたアーマチュア巻線を含むことができる。装置は、固定要素に固定された界磁巻線を含むことができる。固定要素および可動要素の特定の位置において、界磁巻線およびアーマチュア巻線は、センサに電力を供給するのに十分なエネルギ量を交換するために、互いに十分に接近する。

本発明のこの特定の変形型では、装置はシリンダを含む。固定要素は、シリンダの本体を形成し、可動要素は、シリンダのステムを形成する。光路は、シリンダのステム内に配置される。

電磁誘導により電力を供給する特定の変形型の場合に、特定の位置は、シリンダのいちばん端の位置の一方である。

例として提示された実施形態の詳細な説明を読んだときに、本発明がより深く理解され、他の利点が明らかになり、この説明は、添付図面によって図解される。

本発明による装置を示している。 図１の装置に設けられた光路を概略的に示している。 図１の装置に設けられた光路を概略的に示している。 リニアシリンダへの本発明の特定の応用を示している。 リニアシリンダへの本発明の特定の応用を示している。

分かりやすくするために、様々な図において、同じ要素には、同じ参照符号が付いている。

図１は、例えば、自動化アーム１０などの装置を部分断面図で示している。アーム１０は、相互に関節式連結された複数のセグメント１１、１２、１３、１４を含む。セグメント１１は、アーム１０の支持体１５に固定されている。支持体は、固定要素とみなされる。セグメント１１は、主に軸１６に沿って延びている。アーム１２は、軸１７に沿って延びている。アーム１２は、セグメント１１に対して、軸１７のまわりに回転移動可能である。同様に、セグメント１３は、軸１８のまわりに延び、セグメント１２に対して軸１８のまわりに回転移動可能である。最後に、セグメント１４は、軸１９のまわりに延び、セグメント１３に対して、軸１９のまわりに回転移動可能である。センサ２０は、セグメント１４に固定されている。アーム１０の構造は、単なる例として提示されている。様々な回転が電動化され、これらの回転を可能にする様々なアクチュエータは、図を整然とした状態にしておくために図示されていない。さらに、アーム１０は、例えば、セグメント１４に固定されたクランプを用いて物体を把持するといった機械的機能などの、センサ２０を支持する機能以外の機能を果たすことができる。

本発明は、セグメントの数量、および関節式連結のタイプに関係なく実装することができる。回転動作および／または並進動作を付与することも可能である。

センサ２０は、例えば、セグメント１４の端部での温度または圧力、セグメント２０の端部の動作、速度、または加速度などの物理量を測定することを可能にする。より一般的には、本発明は、任意のタイプの物理測定に対して実施することができる。

センサ２０は、行った物理測定値を表す信号を送る。セグメント１４と支持体１５との間の配線をなくすために、信号は、自由伝播モードを使用して、すなわち、光ファイバで案内されることなく、センサ２０と支持体１５との間を光学的に伝達される。このために、アーム１０は、センサ２０と支持体１５との間に案内のない光路を形成するように構成されている。示した例では、光路は軸１９、１８、１７、１６をたどる。各関節式連結部において、光路は、曲がりのある光路による伝達を可能にするミラーを含む。より具体的には、ミラー２１は、軸１６と軸１７との間で光路の方向を修正し、ミラー２２は、軸１７と軸１８との間で光路の方向を修正し、ミラー２３は、軸１８と軸１９との間で光路の方向を修正する。当然のことながら、ミラーの数量は、関節式連結部の数量と関節連結部のそれぞれの自由度とによって決まると考えられる。並進動作の場合、ミラーは先験的に必要でない。

有利にも、センサ２０と支持体１５との間での信号の伝達に使用される光路は、アーム１０内に完全に収まる。言い換えると、アーム１０は、不透過外装２５を含み、光路は、外装２５内に完全に収まる。これは、信号の伝達に使用される光放射が、アーム１０の外の環境から出た迷光から隔離されることを可能にする。

図２ａおよび図２ｂは、アーム１０に設けられた光路を概略的に示している。簡略化するために、ミラーは示されていない。図２ａは、光路に直角なセンサ２０を示し、図２ｂは、センサ２０および支持体１５を側面図で示している。光路は、図２ｂの平面に含まれる。

センサ２０は、測定される物理量に感応するセル３１を含む。セル３１は、例えば、温度測定用の熱電対、圧力または力測定用の圧電セル、加速度計などとすることができる。センサ２０と支持体１５との間での、物理量を表す信号の伝達を保証するために、センサ２０は、信号処理モジュール３２および光放射体３３を含む。モジュール３２は、セル３１および放射体３３に接続されている。モジュール３２および放射体３３は、主信号と称される、セル３１からの信号を光信号にする変換器を形成している。セル３１、モジュール３２、および放射体３３は互いに固定されている。言い換えると、アーム１０が動作したとき、センサ２０の様々な構成要素は、互いに対して不動である。主信号はアナログ電気信号とすることができ、光信号は、放射体３３によって放射される光の強度を同様にアナログ的に、またはデジタル的に変調することができる。

支持体１５は、放射体３３から光信号を受け取るように光路に配置されたレシーバ３５を含む。レシーバ３５が受け取った光信号は、支持体１５内で処理される。図を整然とした状態にしておくために、この処理は示されていない。

センサ２０と支持体１５との間での光信号の伝達は、放射体３３からレシーバ３５への一方向とすることができる。例えば、センサ２０を較正する、またはセンサ２０の正確な作動を点検するために、双方向伝達を行うことも可能である。このために、支持体１５は光放射体３７を含み、センサ２０は光レシーバ３８を含む。放射体３７およびレシーバ３８も、センサ２０と支持体１５とを接続する光路に配置される。

センサ２０にエネルギを供給するために、支持体１５からセンサ２０まで接触することなく、例えば、光ビームの形態でエネルギを伝達することが可能である。このために、支持体１５は光放射体４０を含み、センサ２０は、センサ２０の電源モジュール４２に接続された光電池４１を含む。放射体４０および光電池４１は、有利にも、信号を伝達するのに使用される同じ光路に位置する。支持体１５とセンサ２０との間でのエネルギの伝達は、情報の伝達用としての光路の全体にわたって自由伝播モードを使用する。信号の１つまたは複数の伝達に使用されるものと同じ、存在する任意のミラーが利用される。あるいは、センサ２０に電力を供給するために、信号の伝達に使用される経路と異なる第２の光路を使用することが可能である。光放射体４０は、レシーバ３５および放射体３７を囲む１つまたは複数のパワー発光ダイオードを含むことができる。両方の放射体３７、４０の機能を保証するのに、同一の発光ダイオードを使用することも可能である。センサ２０に電力を供給するのに必要な光パワーは、平均光強度を用いて伝達され、信号は、ほぼ平均強度であるこの強度の変調を用いて伝達される。

センサ２０側で、光電池４１は、例えば、円形の形態を取る。放射体３３およびレシーバ３８は、例えば、光電池４１の中心に位置する。

電源モジュール４２は、光電池４１からエネルギを受け取り、測定される物理量に感応するセル３１と、信号処理モジュール３２とに電力を供給する。センサ２０が作動中のときに、光の形態で伝達されるエネルギを用いて、センサ２０に電力を連続的に供給することが可能である。連続的な電力供給により、センサ２０から任意のエネルギ貯蔵手段をなくすことが可能になる。

図３ａおよび図３ｂにおいて、本発明は、固定側とみなされる本体５１と、本体５１に対して、軸５３に沿って並進移動可能なステム５２とを含むリニアシリンダ５０に実装されている。シリンダ５０の動作は、シリンダが単一作動式の場合に、チャンバ５４内の流体の圧力を用いて、またはシリンダが両側作動式の場合に、２つのチャンバ５４、５５内の流体の圧力を用いて従来どおりに保証される。センサ２０は、ステム５２の端部に配置されている。図３ａは、ステム５２が最大まで格納された位置にあるシリンダ５０を示し、図３ｂは、ステム５２が最大まで伸長した位置にあるシリンダ５０を示している。

ステム５２は、軸５３に沿って中空であり、１つまたは複数の信号の伝達を可能にする光路は、光学的にステム５２の内部に収まり、これは、前と同様に、外装２５を用いて外部環境から光路を保護する。本体５１は、軸５３に沿って延び、ステム５６の内部空間５７に入り込む指状部５６を含む。レシーバ３５および放射体３７は、センサ２０にある放射体３３およびレシーバ３８から光学的に認識可能な指状部５６の端部に配置されている。

センサ２０へのエネルギの供給は、アーム１０と同じ方法で、ステム５６に固定された放射体４０と、センサ２０に固定された光電池４１とを用いて、放射体４０と光電池４１との間で自由伝播モードを実施することで行うことができる。

あるいは、ステム５２が、いちばん端の位置の一方、例えば、図３ａの位置にある場合に、電磁誘導によってセンサ２０に電力を供給することが可能である。このために、指状部５６は界磁巻線６０を含み、センサ２０はアーマチュア巻線６１を含む。ステム５２の格納位置（図３ａ）において、巻線６０、６１は、センサ２０に電力を供給するのに十分なエネルギを交換することができるように、すぐ近くに位置している。２つの巻線６０、６１間のエネルギの伝達が、自由伝播モードを使用するとすることも検討可能である。この伝播は、２つの巻線６０、６１間に強磁性の案内要素のない状態で、空中にて行われる。当然のことながら、巻線間ではないが、各巻線６０、６１に強磁性要素を設けることが可能である。

界磁巻線６０は、例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度の周波数で交番高電流を供給される。この電流は、アーマチュア巻線６１に別の電流を発生させる。センサ２０の電源モジュール４２は、センサ２０の様々な構成要素に電力を供給するために、電源モジュールが給送するエネルギに合わせたこの誘導電流を受け取る。ステム５２が格納位置から遠ざかったときにセンサ２０の作動を保証するために、電源モジュール４２は、例えば、バッテリまたはコンデンサなどの一時的なエネルギ貯蔵手段を含む。

ステム５２が、シリンダから図３ｂの位置に伸長した場合に、巻線６０、６１が十分なエネルギを交換するように、巻線６０、６１を配置することも可能である。巻線６０、６１が互いに最も接近するシリンダ５０の位置の選択は、シリンダの使用法、特に、ステム５２が最もよく取る位置に応じて行われる。

Claims (8)

1. 固定要素（１５；５１）と、可動要素（１４；５２）と、可動要素（１４；５２）に固定された物理測定センサ（２０）と、センサ（２０）と固定要素（１５；５１）との間での情報の伝達を可能にする接続部とを含み、センサ（２０）が、物理測定値を表す主信号を生成する装置（１０、５０）であって、主信号を光信号にする変換器（３２、３３）をさらに含み、変換器（３２、３３）は、可動要素（１４；５２）に固定されることと、接続部は、光路（１６、１７、１８、１９；５３）であり、光信号は、固定要素（１５；５１）と可動要素（１４；５２）との間を光路（１６、１７、１８、１９；５３）に沿って自由に伝播することと、センサ（２０）は、接触することなく、固定要素からエネルギを受け取る電源モジュール（４２）を含むこととを特徴とする、装置。
2. 光路（１６、１７、１８、１９;５３）は、装置（１０、５０）の不透過外装内に完全に収まることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 接続部は、センサ（２０）と固定要素（１５；５１）との間での情報の双方向伝達を可能にするように構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. センサ（２０）は、電源モジュール（４２）に接続された光電池（４１）を含むことと、装置は、固定要素（１５；５１）に固定され、自由伝播により、光電池（４１）に向かって光を放射するように配置された光放射体（４０）を含むこととを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 光放射体（４０）と光電池（４１）との間での電気エネルギの伝達は、光路（１６、１７、１８、１９；５３）を使用することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. センサ（２０）は、電源モジュール（４２）に接続されたアーマチュア巻線（６１）を含むことと、装置は、固定要素（１５；５１）に固定された界磁巻線（６０）を含むことと、固定要素（１５；５１）および可動要素（１４；５２）の特定の位置において、界磁巻線（６０）およびアーマチュア巻線（６１）は、センサ（２０）に電力を供給するのに十分なエネルギ量を交換するために、互いに十分に接近することとを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
7. シリンダ（５０）を含むことと、固定要素は、シリンダ（５０）の本体（５１）を形成することと、可動要素は、シリンダ（５０）のステム（５２）を形成することと、光路（５３）は、シリンダ（５０）のステム（５２）内に配置されることとを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 特定の位置は、シリンダ（５０）のいちばん端の位置の一方であることを特徴とする、請求項６および７に記載の装置。

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