JP5269744B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の一般的な部分による、距離測定装置に、及び距離を決定するための方法に関する。

伝導構造体として流体直線駆動装置、又は空気圧シリンダ及び油圧シリンダのピストン位置の検出及び記録のために、伝導構造体の内側で反射体として役立つピストンと、伝導構造体のシリンダ蓋又は底との間の距離を測定する距離測定装置を使用することが一般に知られている。シリンダ内のピストンの位置の検出は、不連続に、即ち不連続の位置で、或いは、連続して、即ち作動中連続して、行うことができる。

ピストン移動の実行又は完了を工程制御に送りバックするために、例えば、次の工程段階を初期化することができるようにするために、ピストン位置の不連続な決定が、通常適用される。シリンダーのピストンに在る永久磁石の磁場を検出する磁場感応性センサー又はセンサー装置が、この目的のために、広く使用される。検出に使用されるセンサーは、シリンダー管の外側に取り付けられる。ピストンが、この種のセンサーの検出領域内へ移動するとき、センサーは、シリンダー管を介して、シリンダーピストンの存在を検出する。多くの場合、これは、非磁性材料の使用を必要とし、かくして、駆動装置の設計特性及び／又は適用を制限する。しかしながら、ピストンの異なる位置が検出されることになるならば、センサーは、機械的に調節される、従って、新たに調節されることが必要である。したがって、検出されるべき追加位置ごとに、更なるセンサーを取り付けなければならず、追加のセンサーは、各場合に、追加の材料、取付け、調節及び据付けの費用と関連する。

更なる欠点は、取付けが、通常、顧客の所で行われることである。シリンダーが接近しにくい機械に既に組み込まれるならば、外部取付け磁石スイッチを移動させることによって検知距離を調節することは不可能であり、状況は悪化する。その上、これらの外部取付けセンサーは、更なる空間を必要とする。しばしば、センサーの接近性及び丈夫さを与えるために、追加の設計作業が要求される。

この種類のセンサーは、磁場感応センサーの形で広く実現され、リードスイッチ、磁気抵抗（ＭＲ：magneto-resistive）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magneto-resistive）、ホールスイッチ、又は磁気誘導近接スイッチとして知られている。しかしながら、磁場の検出は、センサー及び／又はセンサー装置に対して広範囲な調節を必要とする。その上、静的又は動的な磁場干渉（ＥＭＶ、極めて近接したシリンダーの磁場）、及びセンサーの温度特性のために、この測定原理は、用途の可能性を制限する。

ピストン位置の連続的な測定のために、電位差測定、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ：variable differential transformer）原理、又は超音波原理に基づいた測定装置を使用することは普通である。これらの装置では、ピストンの位置は、連続的に、多くの場合、アナログ電圧信号として出力される。ＬＶＤＴ原理により働くセンサーは、始動後、予備調節のための校正運転を常に必要とする。超音波センサーは、空気圧シリンダー又は液圧シリンダーでの経路長さ測定について、限られた程度までしかない、というのは、測定精度は、シリンダーの圧力で変化するからである。これらの装置を補う増分経路長さ測定法も知られている。これらの装置は、例えば、ピストンロッドをコード化することによって、実行され、かくして、相対的な経路長さ測定についてだけ使用することができる。

要約すれば、先行技術によるピストン位置の連続的な決定と不連続な決定のの両方は、高いコストに関連する実質的な設計努力を伴って、シリンダーと全く一体化することができないか、単に一体化することができるにすぎない。実質的な設計努力が要求される。なぜならば、上述した全ての普通のセンサー原理は、それぞれのシリンダー長さに合わせて調節しなければならないからである、というのは、センサーの検出領域が短すぎるからである。

したがって、本発明の目的は、上に列挙した欠点を解消し、距離の連続的な決定を行い、したがって、不連続にすることもでき、更に、取り扱いが容易であり、多種類の用途を提供する、距離測定装置、及び距離を決定するための方法を作ることにある。

この目的は、請求項１の特徴による装置によって、及び、請求項１３の特徴による方法によって本発明により解決される。

本発明によれば、伝導構造体が設けられ、その伝導構造体は、結合プローブ付き誘電体支持装置を有する導波管を介して、ＨＦトランシーバーを接続する送り領域を有する送りブロックを有する。本発明によるこの構成は、解析エレクトロニクスを有する結合プローブのシリンダーの蓋との完全な一体化をもたらす。外部に取り付けられるべき追加部品を必要としない。対応する検知距離を、電子的インタフェースにより、好ましくは、解析エレクトロニクスにより外部的に設定することができる。原理的に、本発明による距離測定装置は、シリンダーの長さに関係なく、例外なく適用できる。その上、測定結果は、シリンダー内の圧力、油、湿度に関係なく、確実に正確であることが明らかになった。

本発明によれば、距離測定装置、及び距離を決定するための方法が提供され、それによって、センサー装置は、高周波数の送り装置を有し、その機能は、波を放出し、且つ受けることによって、例えば、送り装置を伝導構造体に一体化させることによって、例えば、伝導構造体（伝導構造体は、例えば、空気圧シリンダー＝円形導波管の内部空間である。）の内側の或る距離を測定することである。送り装置のこの一体化のため、距離測定装置を非常に小さく作ることができ、全く或いはほとんど修正を必要としない。その結果、本発明による距離測定装置の全体の組立体は、すっきりとした平滑な設計を有することができる、というのは、外部のセンサー装置の取付を必要としないし、且つ、外観を修正しないからである。本発明による距離測定装置は、取り付けコストの節約をもたらす、というのは、既製のシリンダーが、励起及びデータの記録のための接続ケーブルだけを有するからである。本発明の方法によれば、伝導構造体の長さは、短絡（例えば、空気圧又は液圧シリンダー内の反射体としてのピストン）まで測定され、短絡の位置は変えることができる。本発明による方法により提供される放出信号は、伝導構造体内へ送られ、好ましくは、短絡によって、例えば、反射体として役立つシリンダーピストンによって反射される。したがって、測定は、結合プローブによって定められた送り点と、伝導構造体の短絡との間の距離を捕捉する。測定されるべき距離は、放出信号と受信信号との間の位相差を測定することによって決定される。

測定されるべき伝導構造体は、採用される波長の半分より小さければ、周波数の異なる電磁波の形で少なくとも二つの放出信号の使用により、結合プローブによって定められる送り点と反射体との間の距離を測定すると、測定されるべき伝導構造体が利用される波長の半分よりも小さいことを条件に、位置を曖昧でなく測定することができる。これに関連して、選択した送りと無関係に、少なくとも三つの測定周波数を、位置の曖昧でない決定のために選択することができることに注目することが重要である。しかしながら、実際の適用では、四つの周波数を使用する利点が証明された、というのは、特に、そうすることが計算法の許容誤差を改善するからである。

本発明の更なる有利な実施形態は、独立請求項の主題である。

誘電体二次リングが、移動反射体のための制限停止安全装置として役立ち、送り装置の電磁設計において考慮された。

伝導構造体を、導波管、好ましくは、反射体としてピストンを備えたシリンダーの形態で設けることが、特に有利であることが証明された。例えば、空気圧シリンダー又は油圧シリンダーが、この種の円形導波管を提供することができる。かくして、とりわけ、これらの適用について、先の欠点が解消される。

送りブロックに、支持装置、結合プローブ、及び同軸の送り領域の挿入を可能にするボア孔を設けることは、取付けを簡単にし、距離測定装置全体を、制限なく、事実上、既存の伝導構造体に一体にすることができる。

請求項５によれば、円形導波管の波を、送り込み、且つ多段同軸変換段によって、単極に変換することができるように、結合プローブを単極励起装置として設計し、電磁波を同軸に送り込むことが有利さを証明した。中央に導電性シリンダーが設けられ、且つ、平坦なベース領域を有することができ、且つ、隣に同軸送りの内部伝導体としての導電性ピンがある多段同軸変換段の使用は、送り全体が簡単であるようにする。

支持装置は、誘電体、例えば、レキサン（Ｌｅｘａｎ（商標））からなり、結合プローブをシリンダーの内側に位置決めするのに役立つ。さらに、支持装置は、圧力負荷（例えば、空気圧シリンダーで１０バール）のもとに所要の機械的安定性を与える。単極励起装置をシリンダーの蓋に挿入することによって、送りブロックを大量生産で実現するのに効率が良く、一方、誘電体支持手段は単極励起装置をプラスチックの噴射成形手法によりシリンダーの蓋にしっかりと連結する。

請求項８によれば、１乃至２５ＧＨｚの間の高い周波数の電磁波が送り込まれる。伝導構造体として使用されるシリンダーの寸法及び／又は容積、及び波モードによって、採用された波モードの下限周波数より上の適当な周波数が選択される。

本発明の有利な更なる展開は、更なる独立請求項の主題である。

組み立てた伝導構造体における距離測定装置の断面図を示す。 本発明による距離測定装置の分解斜視図（左側）と、組み立てた状態の本発明による距離測定装置の斜視図（右側）である。

本発明の距離測定装置の一つの実施形態が、図面に基づいて以下に説明される。

図１は、伝導構造体１と、送り領域２を備えた供給ブロックとを有する本発明による距離測定装置を示し、それによって、送り領域２は、導波管７を有する誘電体支持装置５によって、結合プローブ３を有する。また、一方では、機械的な限定停止安全装置として、他方では、二次調整放出装置として、役立つ誘電体二次リング９が示される。

本発明による距離測定装置の個々の構成部品が図２により明瞭に示され、それによって、送り領域２付き送りブロックのような本質的構成部品が分解図に示される。誘電体支持装置が、結合プローブ３を支持し、結合プローブは単極励起装置の形で実現され、同時導波管内に受け入れることができるピンを収容することも図からはっきり明らかである。誘電体二次リング９も示されている。

明瞭さの目的のために、本発明による距離測定装置の機能及び距離を測定する方法を、以下により詳細に説明する。

送り装置は、同軸の単極の励起装置からなる。同軸送り又は入力領域３内に、ＴＥＭ波（transverse electromagnetic wave）を供給することによって、単極装置は、特性の電界タイプ（E-field type）のＥ０１波で円形導波管波を励起する。この波は、伝搬シリンダー内を軸線方向に伝搬する。波が反射体、即ち、空気圧及び油圧シリンダーの場合ピストンに遭遇するとき、その波は、反射され、励起部分（単極）によって、同軸装置に変換され、そして、ＨＦ受信器（送受信ユニット）に伝達される。単極送りは、多段同軸変換段からなり、結合プローブ３として機能を果たす。例えばレキサン（商品名）で作られた、単極の放出領域の二次誘電体リング即ち二次リング９が、ピストンのための機械的な制限停止装置として役立ち、かつ、単極の電気設計において二次放出システムとして考慮される。

本発明による方法を、一例として空気圧シリンダーを使用して、以下に説明する。この場合、ピストンロッドから後方の蓋まで、空気圧シリンダー全体が円形導波管とみなされる。シリンダーの幾何学的寸法により、センサーの放出周波数は、より高いモードの円形導波管波の励起が阻止されて、電磁波の単一モード伝搬が、（この例では、Ｅ０１モードで）可能であるように選択される。より低いモードの円形導波管波の励起は、送り構造によって阻止される。シリンダーの内側の電磁波は、例えば、上述した種類の単極によって励起される。反射率計の原理によれば、波は円形導波管（空気圧シリンダー）内を伝搬し、ピストン（短絡）で反射される。ピストンと結合プローブとの間の距離を連続的に測定することができるために、放出された信号は変調されなければならない。これは、周波数変調によって行うことができる。しかしながら、距離測定において高い分解能を達成するためには、大きな周波数偏移を使用することが必要である。実際の用途でより有利なのは、明白な距離領域を定め、引き続いて、放出された信号と受信された信号との間の位相差を、結合プローブとピストンとの間の距離の高精度の読みとして分解するために、例えば、三つの異なる周波数、例えば、５．８ＧＨｚ、６．０ＧＨｚ、６．２ＧＨｚでのＣＷ信号の放出である。使用する周波数の数及びそれらの位置は、測定されるべき最大距離、並びに、位相角測定値と比較して、必要な許容誤差に主に依存する。一般に、二つの測定周波数の差が小さいとき、最大に測定可能な距離は大きいが、二つの連続した期間の区別は、周波数間の差が大きいとき、位相角測定値がより正確であることを必要とする。よって、個々の測定周波数の差が大きいときに、干渉に対する免除がより高い。

干渉に対して十分な免除をもる大きい測定範囲の測定のために、適当な周波数位置を有する多測定周波数を使用することが必要である。これは、放出周波数の小さい差がある一対の周波数（広い測定範囲）と、周波数に大きな差がある一対の周波数（干渉に対する免除）の使用を必要とする。

位置の正確さは、主として、最も高い測定周波数での位相角測定値の正確さによって決定される、というのは、波長は、この周波数では最も短いからである。以下の等式が与えられる。
経路長の変化＝位相角変化×波長／１８０°

マイクロ波によるピストン位置の決定は、以下の原理に基づく、即ち、適当な周波数の電磁波がシリンダー内へ発射される。シリンダーそれ自身は、電磁波のための伝導構造体として役立つ。電磁波は、反射体として役立つピストンに遭遇するまで、シリンダー内に伝搬される。電磁波の最も大きな部分は、そのピストンで反射される、というのは、そのピストンは、ほとんど短絡のような電気的作用を示す。反射波は、シリンダーの中を通って戻り、発射のために使用された同一構造によって、シリンダーから受けられる。次いで、発射された信号と、反射された信号との間の位相角が測定される。ピストンが位置を変えるならば、ピストンの内側で電磁波が進行する経路長も変化する。経路長の変化は、信号伝搬遅れの変化を引き起こし、従って、入射波と反射波との間の位相角の変化をも引き起こす。したがって、入射波と反射波との間の位相角を、ピストンの位置の測定として使用することができる。ピストン位置と位相角φとの間の関係は、以下の等式によって説明される。
φ＝｛（２ｘ・３６０°）／λ｝＋φ₀
ここで、φ₀は、主として、供給線及び発射によって決定される位相オフセットである。φ₀は、定数であり、かくして、位置の実際の測定に影響を及ぼさない。上記等式は、ピストン測定に所定の精度を達成することができるように要求される位相測定の精度をも決定することを上に示す。

位相測定において、原理の事項として、φとφ＋ｎ×３６０°の位相角間を区別することが不可能であるので、たった一つの周波数の使用により、ピストンの最大ストローク＜λ／２までシリンダー上の測定を可能にする。対照的に、二つ以上の周波数の使用により、実質的な大きな長さを有するピストンについての測定がなされる。二つの周波数が使用されれば、波長は、大きく異ならなければならいわけではない。以下のは、長さｌのシリンダのための波長に適用される。
λ₁＞λ₂＞（２ｌλ₁）／（２ｌ＋λ₁）

反射信号の位相角は、混合変圧器出力で測定された電圧がピストン位置に直接比例しないように、直接測定することができないから、位置探索に適当な計算法が必要である。出力信号が周期的に繰り返されるので、位置探索が明白に行われるようにすること、即ち、ピストンが殿期間にあるのかを明白に決定することができなければならないこと、が最も重要である。位置を決定するための一つの可能性は、周波数の掃引中、多くの測定値を記録することを含む。これらの測定値は、引き続き、ＦＦＴ又はＤＦＴにより、周波数ドメインに変換される。次いで、かくして発生したスペクトルのピークの位置を、ピストンの位置を決定するのに使用することができる。測定値の記録中、拭くサンプリングが禁止されない限り、この手順では、どんな曖昧さも排除される。その上、ピストンの位置の値が、位置テーブルを記録する必要なく、この手順で得られる。欠点として、その手順は、比較的多数の測定値の記録、及び比較的広範囲の計算努力を必要とする。

別の可能性は、少しの周波数だけで測定すること、及び、ピストンの位置を位置テーブルにより決定することにある。これは、単純に、測定値と、位置テーブル中のポイントの値との比較を伴う。かくして、決定された位置は、測定値にほとんど厳密に対応する、テーブル中の値に対応する。この手順の欠点は、それが曖昧さと関連することである。直接的な位相の測定が行われないから、曖昧さを上に示した条件に従って防ぐことができない。詳細な研究は、シリンダーの長さがλ／２を超えれば、たった二つの測定周波数の使用は、常に等しい測定値を示す結果となることを示す。これは最も実用的な適用の場合であるから、少なくとも三つの周波数を使用することが望ましい。三つの周波数が賢明に選択されれば、三つの測定値がすべて等しい位置は最早無い。しかしながら、二つのピストン位置で測定された値は、或る測定誤差により曖昧さをなくすようにするために、最小の差だけ異ならなければならない。したがって、特に大きなシリンダー長さを使用するときに、三つより多い周波数を使用することは有利であるかもしれない。これは、大きな測定精度の更なる利点を提供する、というのは、たった一つの周波数で起こるノイズ又は測定誤差は抑制されるからである。

Claims (11)

1. 放出信号としての電磁波を、この放出信号を反射する反射体を内部に有する伝導構造体の中へ送り込むための少なくとも一つの結合プローブを有すると共に前記反射体によって反射された電磁波を前記結合プローブを介して受信するセンサー装置を有し、前記結合プローブから前記反射体までの前記伝導構造体内の距離を測定する距離測定装置であって、 伝導構造体は供給ブロックを有し、この供給ブロックは、前記電磁波を送受信するためのＨＦトランシーバーを、誘電体支持装置と共に導波管を介して、誘電体支持装置により支持された結合プローブに接続する送り領域を有し、
   前記信号を放出する結合プローブは、三段変換モジュールとして設けられ、平らなベース領域を有し、ベース領域の中央にシリンダーが設けられ、さらに前記シリンダーには前記導波管内に受け入れられるピンが設けられ、そのピンによって、送り領域が、結合プローブに接続されることを特徴とする、距離測定装置。
2. 前記伝導構造体には、前記伝導構造体内で移動する前記反射体の機械的な制限停止装置として役立つ誘電体二次リングが設けられている、請求項１記載の距離測定装置。
3. 伝導構造体は、円形導波管であり、反射体としてのピストンを有するシリンダーである、請求項１又は２記載の距離測定装置。
4. 供給ブロックは、誘電体支持装置、結合プローブ、及び同軸送り領域を挿入することができるボア孔を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の距離測定装置。
5. 結合プローブは、単極励起装置として設けられ、電磁波は、同軸に送り込まれ、多段同軸搬送段によって単極に変換される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の距離測定装置。
6. 放出信号は、結合プローブによって、高周波電磁波の形で送り込まれる、請求項１乃至５の何れか一項に記載の距離測定装置。
7. 電磁波は、１ＧＨｚと２５ＧＨｚの間の高周波で送り込まれる、請求項６記載の距離測定装置。
8. 少なくとも二つの放出信号が、結合プローブによって、異なる周波数を有する電磁波の形で放射される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の距離測定装置。
9. 送り込まれる電磁波は、ＴＥＭモードで、伝搬する、請求項１乃至８の何れか一項に記載の距離測定装置。
10. 送り込まれる電磁波は、前記伝導構造体が円形導波管の場合にＥ０１モードで伝搬する、請求項１乃至８の何れか一項に記載の距離測定装置。
11. センサー装置は、放出部及び受信部を有する高周波エレクトロニクスを含む、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の距離測定装置。