JP6239897B2

JP6239897B2 - センサ装置

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Publication number: JP6239897B2
Application number: JP2013165919A
Authority: JP
Inventors: 圭太郎吉田; 幸則亀田
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: JP2015034601A

Description

本発明は、センサ装置に関する。

従来、種々の機器に取り付けられるセンサ装置としては、たとえば、シリンダとシリンダ内に移動自在に挿入されるロッドとを備えた油圧シリンダや緩衝器といった液圧機器内の情報を得るものがある。

具体的には、この種のセンサ装置は、液圧機器の制御に役立つ情報を得る目的で使用され、液圧機器としての油圧シリンダに取り付けられて当該油圧シリンダ内の圧力を検出したり（たとえば、特許文献１参照）、油圧シリンダの伸縮量や変位を検出したり（たとえば、特許文献２参照）するものがある。

特開２００４−２９３６２８号公報特開２００７−３３３１２２号公報

上述した従来のセンサ装置では、センシングした情報に応じてセンサ信号を生成して出力し、制御装置等の外部機器へこのセンサ信号を送信するのであるが、センサ信号は信号線を介して外部機器へ送られ、また、センサ装置を駆動するための電源線も必要となる。

このような信号線と電源線が不可欠なセンサ装置にあっては、頻繁に振動する油圧シリンダに適用する場合、信号線と電源線に耐振性能に優れるケーブルを使用しなくてはならず、また、液圧機器には作動油が使用されることが多く耐油性にも優れるケーブルの使用が要求される。

このように耐振性および耐油性に優れるケーブルの使用が必須であるため、ケーブル自体のコストと配線工数の手間がかかって、センサ装置全体のコストが嵩むとともに、ケーブルの断線の心配もある。また、センサ信号は、信号線の線長が長いと減衰されてしまうので、線長に制約があって、センサ装置とセンサ信号を要求する外部機器との距離が線長によって制限されるため、液圧機器を搭載した装置へ外部機器を自由に設置することができない。

そこで、上記本発明は、上記問題を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、ケーブルを必要とせずローコストでかつセンサ信号を要求する外部機器の設置自由度を向上させるセンサ装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、液圧機器内における情報をセンシングするセンサ装置であって、上記液圧機器の情報をセンシングしてセンサ信号を出力するセンサ部と、上記センサ部から出力される上記センサ信号を外部機器へ無線送信する送信部と、上記液圧機器の振動或いは熱により発電する発電部と、上記発電部から印加される電圧を上記センサ部および上記送信部の動作電圧に変換する変圧回路とを備え、上記発電部によって発電された電力で上記センサ部と上記送信部を駆動することを特徴とする。

このように構成されたセンサ装置は、液圧機器の熱或いは振動によって自身が発電して、センサ部と送信部を駆動することができるので、外部の電源からセンサ部へ電力供給する電源ケーブルもセンサ信号を外部機器へ送信するための信号線も不要となる。

以上により、本発明のセンサ装置によれば、ケーブルを必要とせずローコストでかつセンサ信号を要求する外部機器の設置自由度を向上させることができる。

一実施の形態におけるセンサ装置の構成を示す図である。液圧機器としての液圧シリンダの一例を示す図である。一実施の形態における発電部および液圧シリンダの断面図である。一実施の形態における発電部および液圧シリンダの斜視図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１に示すように、一実施の形態におけるセンサ装置１は、液圧機器としての液圧シリンダＣの情報をセンシングしてセンサ信号を出力するセンサ部２と、センサ信号を外部機器としての制御装置Ｅへ無線送信する送信部３と、液圧シリンダＣの熱エネルギにより発電してセンサ部２と送信部３を駆動する電力を得る発電部４と、発電部４によって発電された電力を蓄電する蓄電部５とを備えて構成されている。

液圧シリンダＣは、たとえば、図２に示すように、シリンダ１０と、シリンダ１０内に移動自在に挿入されるロッド１１と、シリンダ１０内を伸側室１２と圧側室１３とに区画するピストン１４と、伸側室１２と圧側室１３のうち一方へ選択的に圧油を供給するポンプ１５と、タンク１６と、低圧優先シャトル弁１７とを備えて構成されており、伸側室１２へポンプ１５で圧油を供給し圧側室１３から作動油をタンク１６へ排出すると圧縮作動し、反対に、圧側室１３へポンプ１５で圧油を供給し伸側室１２から作動油をタンク１６へ排出すると伸長作動するようになっている。液圧シリンダＣの構造は、上記に限定されるものではなく、作動液体は上記した作動油以外にも水や水溶液等も利用することが可能である。

また、液圧機器は、シリンダ１０とロッド１１とを備えてポンプ１５で駆動することで伸縮作動を呈する液圧シリンダＣ以外にも、外力で伸縮する際に外力に抗する減衰力を発揮する緩衝器であってもよい。さらに、液圧機器の構造は、シリンダとロッドとを備えて伸縮する直動型の液圧機器以外にも、ケーシングに回転自在に取り付けたシャフトとケーシング内に設けた圧力室をシャフトの外周に設けたベーンで一方室と他方室とに区画したロータリアクチュエータ或いはロータリダンパとされてもよい。

センサ部２は、この例では、シリンダ１０内に設けた圧側室１３内の圧力をセンシングする圧力センサとされており、シリンダ１０に取り付けられている。なお、圧側室１３内の圧力を検知するのであれば、ポンプ１５へ通じる配管にセンサ部２を取り付けてもよい。そして、センサ部２は、圧側室１３内の圧力を検知してセンサ信号を出力する。なお、センサ部２は、圧力センサに限られず、得たい液圧シリンダＣの情報に応じて、温度センサ、液圧シリンダＣのストロークを検知するストロークセンサなどとされてもよい。センサ部２で検知する液圧機器の情報としては、圧力、温度、ストロークの他にも、歪、荷重、光、磁気等とされてもよい。送信部３は、センサ部２が出力したセンサ信号を外部へ設けた制御装置Ｅへ無線送信することができるようになっている。

制御装置Ｅには、図示はしないが、センサ信号を受信する受信部が設けられている。たとえば、制御装置Ｅは、センサ信号に基づいて、液圧シリンダＣが設けられる建設機械の駆動制御等を行う。また、受信部および送信部３としては、小型軽量でアンテナも短く、安価な小電力トランシーバを用いることが好ましい。

発電部４は、この例では、液圧シリンダＣの熱エネルギを電気エネルギへ変換するようになっており、ポンプ１５の駆動によってシリンダ１０へ供給する圧油の温度上昇によって発電するようになっている。発電部４は、たとえば、図３および図４に示すように、６枚の平板状の基板２０ａで形成されシリンダ１０の外周に配置される六角筒２０と、六角筒２０とシリンダ１０との間に設けた熱伝導材２１と、基板２０ａ上に取り付けた多数の熱電変換素子２２と、熱電変換素子２２の外表面に密着するヒートシンク２３とを備えており、シリンダ１０から伝達される熱によって熱電変換素子２２を利用して発電するようになっている。

熱伝導材２１は、たとえば、鉄、銅等の金属やセラミック等といった良好な熱伝導性を備え、シリンダ１０と基板２０ａとの間の隙間を埋めてあり、この熱伝導材２１によってシリンダ１０の外周に基板２０ａが固定されている。熱伝導材２１は、シリンダ１０の熱をシリンダ１０から基板２０ａへ速やかに伝達する役割を果たすことができればよいので、基板２０ａをシリンダ１０へ固定する部品を別途設けるようにしてもよいが、基板２０ａをシリンダ１０の外周に固定する役割を果たすことで上記部品を設ける必要がなくなる点で優れる。

また、予め基板２０ａに熱電変換素子２２を取り付けてあるので、熱電変換素子２２をシリンダ１０の外周への装着が容易となるが、基板２０ａを用いずに直接にシリンダ１０の外周に熱電変換素子２２を取り付けることもできる。

なお、この場合、６枚の基板２０ａを六角筒状に配置してシリンダ１０を取り囲むようにしているが、基板２０ａを筒状に配置するのであれば３枚以上であればよいが、基板２０ａの枚数が少なくなればシリンダ１０が径方向に大型化し、基板２０ａの枚数が多くなりすぎると、基板２０ａが小さくなるので、基板２０ａのシリンダ１０への取り付け作業が煩雑となるので、基板２０ａを筒状に配置してシリンダ１０を取り囲むのであれば、４〜６枚程度とするのが効率的である。また、シリンダ１０の外周を全て基板２０ａで取り囲むことで、シリンダ１０の全周の熱エネルギを利用することができるので効率的に発電することができるが、シリンダ１０の全周を基板２０ａで取り囲まずとも発電可能である。

なお、熱電変換素子２２は、シリンダ１０の外周以外に配置するようにしてもよい。たとえば、熱電変換素子２２を液圧シリンダＣと液圧シリンダＣの管路の境界に隣接させて配置するようにしてもよい。液圧シリンダＣと液圧シリンダＣの管路との間では、作動油の通路が拡大されるので作動油に渦が発生して熱の発生源となるため、熱電変換素子２２で効率よく発電することができる。

この基板２０ａには、直列または並列に接続されるゼーベック素子等のゼーベック効果を発揮する多数の熱電変換素子２２が取り付けられており、この一つの基板２０ａに設けた熱電変換素子２２の外表面には一つのヒートシンク２３が取り付けられている。熱電変換素子２２は、温度差により起電力を生じるゼーベック効果を発揮するものである。熱電変換素子２２の外表面とは、シリンダ１０に対して外部側である外側を向く面を指し、反対に内表面とは、シリンダ１０に対して内部側、つまりシリンダ１０側を向く面を指す。

ヒートシンク２３は、基板２０ａ上に取り付けられた全ての熱電変換素子２２に密着する吸熱板２３ａと、この吸熱板２３ａから立ち上がる複数の放熱板２３ｂとからなり、熱電変換素子２２の外表面に密着する吸熱板２３ａを介して熱電変換素子２２から熱を吸収し放熱板２３ｂから熱を大気へ放出するようになっている。ヒートシンク２３は、必ずしも必要はないが、ヒートシンク２３を設けることで熱電変換素子２２の外表面温度を低下させることができるので、熱を発するシリンダ１０側の内表面温度と上記外表面温度との差を大きくすることができ、発電効率を高めることができる。

なお、発電部４は、振動エネルギを電気エネルギへ変換するものであってもよく、その場合には、圧電素子を利用すればよい。発電部４は、たとえば、シリンダ１０の外周に圧電素子を貼付してシリンダ１０内の圧力変動によるシリンダ１０の振動的な径変化で発電するようにしてもよいし、液圧シリンダＣの管路に圧電素子を取り付けておき振動等を利用して発電するようにしてもよい。また、液圧シリンダＣの振動で振れる振動板を液圧シリンダＣに設けて、この振動板に圧電素子を取り付けて発電するようにしてもよく、液圧シリンダＣがエンジンを搭載した機器へ搭載されるような場合で外部から液圧シリンダＣに入力される振動を電気エネルギへ変換するようにしてもよい。

また、発電部４は、センサ部２および送信部３へこれらの動作電圧の範囲内で電力供給を行うために、変圧回路２４を備えており、変圧回路２４を介してセンサ部２および送信部３へ電力供給を行う。変圧回路２４は、発電部４から印加される電圧をセンサ部２および送信部３に適した電圧に変換する。

蓄電部５は、発電部４で発電した電力を蓄える。蓄電部５としては、たとえば、二次電池５ａと、発電部４の電力で二次電池５ａを充電する充電回路５ｂと、発電部４の発電不足の際に二次電池５ａから放電してセンサ部２および送信部３へ電力供給する放電回路５ｃとを備えている。そして、発電部４がセンサ部２および送信部３で消費する電力以上の電力を発電する際に、充電回路５ｂが二次電池５ａを充電するようになっている。

充電回路５ｂ、放電回路５ｃは、たとえば、それぞれＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子により構成され、各スイッチング素子は図示しない充放電制御部によって制御される。充放電制御部は、発電部４の電圧、電流を監視することにより発電部４の発電状態を測定し、発電部４の発電状態に応じて二次電池５ａの充放電制御を行う。充放電制御部は、発電部４がセンサ部２および送信部３で消費する電力以上の電力を発電するときに、二次電池５ａと変圧回路２４との間を接続する。これにより、二次電池５ａが充電される。また、充放電制御部は、発電部４がセンサ部２および送信部３で消費する電力以上の電力を発電できない場合、二次電池５ａとセンサ部２との間および二次電池５ａと送信部３との間を接続する。これにより、二次電池５ａからセンサ部２および送信部３に電力が供給される。なお、熱電変換素子２２の出力を充電回路５ｂに直接供給し、充放電制御部により充電回路５ｂをスイッチング制御することにより二次電池５ａに供給される電圧、電流を制御するようにしてもよい。これにより、二次電池５ａに対しては、定電圧制御、定電流制御、パルス充電等、種々の充電制御を行うことができるようになる。また、二次電池５ａの代わりに電力を蓄えるキャパシタを用いてもよい。

なお、蓄電部５は、設けずとも良いが、蓄電部５を設けることで発電部４の発電した電気を無駄なく利用することが可能となるとともに、安定した電力をセンサ部２および送信部３へ供給することができる。

このように構成されたセンサ装置１は、液圧機器としての液圧シリンダＣの熱或いは振動によって自身が発電して、液圧シリンダＣの情報を検知するセンサ部２と、センサ部２が出力するセンサ信号を要求する制御装置Ｅ等の外部機器へ無線送信する送信部３を駆動することができる。

よって、本発明のセンサ装置１は、外部の電源からセンサ部２へ電力供給する電源ケーブルもセンサ信号を制御装置Ｅ等の外部機器へ送信するための信号線も不要となる。

また、センサ信号は無線送信されるので、信号線によって信号が減衰されないので、センサ信号を要求する外部機器とセンサ装置１との距離に制約がなくなり、外部機器の設置自由度が向上することになる。

したがって、本発明のセンサ装置１によれば、耐震性や耐油性に優れる高価なケーブルを必要としないため、ローコストでかつ外部機器の設置自由度を向上させることができる。

センサ装置１が蓄電部５を備える場合には、発電部４の発電した電気を無駄なく利用することが可能となるとともに、発電部４の発電不足の折にも、安定した電力をセンサ部２および送信部３へ供給することができ、液圧機器の情報を絶えずセンシングして外部機器へ送信することができる。

なお、伸側室１２内の情報も検知したい場合、上記したセンサ装置１を別個に液圧シリンダＣに取り付けてもよいし、上記したセンサ装置１にセンサ部２の他に伸側室１２内の情報を検知するセンサ部２を設けて一つの発電部４で発電した電力で複数のセンサ部２を駆動するようにしてもよい。つまり、液圧機器の情報数に対応してセンサ部２を複数設けておき、これらを発電部４で発電した電力で駆動することも可能である。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

１センサ装置
２センサ部
３送信部
４発電部
５蓄電部

Claims

液圧機器内における情報をセンシングするセンサ装置であって、
上記液圧機器の情報をセンシングしてセンサ信号を出力するセンサ部と、
上記センサ部から出力される上記センサ信号を外部機器へ無線送信する送信部と、
上記液圧機器の振動或いは熱により発電する発電部と、
上記発電部から印加される電圧を上記センサ部および上記送信部の動作電圧に変換する変圧回路とを備え、
上記発電部によって発電された電力で上記センサ部と上記送信部を駆動する
ことを特徴とするセンサ装置。
上記液圧機器が、液圧シリンダであって、
上記発電部が、熱電変換素子であって、上記液圧シリンダと上記液圧シリンダの管路の境界に隣接させて配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
上記発電部が、熱電変換素子であって、上記液圧機器の外周を取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
上記発電部が、熱電変換素子であって、
上記熱電変換素子の外表面に密着するとともに上記熱電変換素子から熱を吸収して大気へ放出するヒートシンクを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置
上記発電部によって発電された電力を蓄電する蓄電部を備え、
上記蓄電部は、上記発電部が上記センサ部および上記送信部で消費する電力以上の電力を発電するときに上記発電部によって発電された電力を蓄電し、上記発電部が上記センサ部および上記送信部で消費する電力以上の電量を発電しないときに蓄電された電力を上記センサ部および上記送信部に供給する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ装置。