JP6628740B2 - 可動システム上の測定ユニットから基地局への測定データのテレメトリ送信に関する測定デバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定ユニット及び基地局を含むデバイスに関し、また測定ユニットにより測定信号を受信し基地局へ測定データをテレメトリ送信するための方法に関し、測定のために基地局はワーク・スペースで固定的に配置されており、測定ユニットは前記ワーク・スペース内で移動するシステムにしっかりと装着されている。

移動システムからワーキング・スペースに固定された基地局への測定データの送信は、多くの場合ケーブルを配線することが不可能であるか、又は、連続する動作によりケーブルは簡単に壊れてしまうので、多くの場合困難である。前記移動システムは回転又は旋回システムと考えられるが、前後への並進運動をするシステムとも考えられ、一方前記運動は、例えば作業を行うために腕を絶えず前後に動かすロボットのように、必ずワーク・スペース内で生じる。例えば道を移動しワーク・スペースから離れていく車両や人のように、一方向に遠ざかるシステムは本発明では考慮せず、定義されたエリア特にワーク・スペース内で運動が生じるシステムのみを考慮する。特に、システムは定義された所定の動作を考慮に入れる。

したがって、本明細書で考慮するシステムは基地局に対して相対的に移動するが、基地局に対して著しくその距離を変化させることはできない。回転システムで滑り接触を使用する送信の方法の他に、テレメトリを使用する送信が特に効果的であることが証明されている。適用例は、例えば刃先の切削力が決定される回転ツール・システム、タービン、ローラー又は車両車輪である。ほとんどの適用では基地局は固定的であるワーク・スペースに配置されるが、ワーク・スペースはまた車両車輪の車輪力を決定するための車両の組合せであり得る。測定中に基地局は移動するが、それぞれのワーク・エリア内では固定的である。それゆえ、この実例の基地局は対応する測定ユニットがするのと同じ運動はしない。

上述した種類の既知の測定デバイスは、ＥＰ１３２３４９５で説明されている。この文献は、センサ・デバイスによるスピンドル上でツールを監視する方法を説明しており、この方法では収集された測定データは非接触的な方法でステータに転送され、ステータはそのデータをメイン・プロセッサに転送する。加えて、適切なコマンドをメイン・プロセッサからステータを介してセンサ・デバイスのマイクロ・プロセッサに非接触的な方法で送信することにより、センサ・デバイスにおいてレンジ変更を実行することができる。

前述の配置の欠点は、非接触送信が近距離テレメトリによって実施されるということである。この目的のため、どの場合においてもステータをすぐ近くに配置すること、つまり数ミリメートルの距離に配置することが必要となる。特に、例えば材料加工機械や生産会社でのアセンブリに採用される回転ツールやロボットを有する多くのシステムでは、このことが欠点となることがわかってきた。

ＥＰ１３２３４９５

よって、本発明の目的は、データを近距離テレメトリによって送信するためにステータを測定ユニットの近くに配置する必要のない、測定データを転送するための移動システムで測定信号を受信する、冒頭で説明した種類のデバイス及び方法を提供することである。加えて、十分な信号強度を有する非接触型及び非干渉型のデータ転送を確実に実現するものとする。

目的は、独立デバイス請求項の特徴を有するデバイス、及び独立方法請求項の特徴を有する方法により実現される。好ましい実施例は、従属請求項で説明される。

目的を実現するために、測定ユニットが、測定信号を検出するための１つ又は複数のセンサをそれぞれ接続することができるか又は接続されている少なくとも１つ又は複数の測定チャネルを含む、冒頭で説明されたデバイスが使用される。加えて、測定ユニットは測定された信号を測定データにコンディショニング及び／又は圧縮するための第１のプロセッサ、第１のテレメトリ・ユニット及び第１のアンテナを有する電子ユニットを含む。第１のアンテナは、測定データ及び好ましくはステータス情報を送信することができ、さらに、設定及び制御データを受信することができる。基地局は、データ処理ユニットと、第２のアンテナ並びに測定データ及び好ましくはステータス情報を受信し、設定及び制御データを送信するための第２のテレメトリ・ユニットを含む。

本発明によれば、第１のアンテナは直線偏波アンテナであり、第２のアンテナは円偏波アンテナであるか、又はその逆である。よって、本発明による方法においてテレメトリ送信が実行される際には、第１のアンテナは測定データを直線偏波させ、第２のアンテナは設定及び制御データを円偏波させるか、又はその逆である。

従来のアンテナにおいて、アンテナの互いに対する配置は、十分な信号強度を有する非干渉型データ送信を確実なものとするために非常に重要であることがわかっている。アンテナが互いに対して所定且つ固定のポジションにある近距離送信では、送信の質は劣化しない。しかしながら遠距離テレメトリでは、他の無線サービスとの干渉、シャドウイング、多重伝搬及びドップラー効果という、いわゆるフェージングが動作により発生するリスクが高くなる。さらに、人が送信アンテナと受信アンテナとの間でスペース内を動き回ると、信号は顕著に減衰する。スペース内での信号の反射により、さらなる問題が生じる。

送信アンテナと受信アンテナが類似のものである場合に、損失は最も少なくなる。それゆえ、これは両方のアンテナが水平に若しくは両方が垂直に直線偏波される場合か、又は両方が円形右旋性（circularly dextrorotatory）若しくは円形左旋性（circularly levorotatory）を有する場合である。これらの各場合に、送信が直接的であれば損失は生じない。

しかしながら、水平又は垂直に直線のアンテナでは、アンテナの配置が平行でなくなると信号が減衰する。例えばマシンツールが、移動システムが取り付けられている場所に移動された場合にこのことが生じる。アンテナが互いに対して垂直な場合、信号の強さは理論値０まで減衰する。実際には、２０〜３０ｄｂの信号損失が観察される。一方で、円形右旋信号は、壁で反射されると円形左旋信号に変換される。またこの場合、円形右旋アンテナで受信できる円形左旋信号は２０〜３０ｄｂ減衰する。

これまでに、混在したアンテナの形式が安定したデータ送信を保証することが観察されている。したがって、２つのアンテナのうち１つが（水平又は垂直）直線偏波アンテナで、もう一方が円形（右旋又は左旋）アンテナである場合、損失は最大信号強度の半分に対応し、３ｄｂである。信号のこの損失は、送信アンテナの電力を２倍にすることにより相殺することができる。この場合、信号が壁で反射されるかどうか、どの頻度で反射されるかは重要ではない。また同様に、アンテナが互いに対してどの方向に配置されているかは無関係である。加えて、他の干渉要因及びフェージングの影響も最小限である。直線及び円偏波アンテナの組合せにより、信号送信は３ｄｂ減少するとはいえ、両方向で安定していることがわかっている。

次に、本発明は図面を参照しつつより詳細に説明される。

一適用例での測定デバイスの概略図である。 本発明による測定ユニットを示す図である。 測定ユニットの周囲の個々のアンテナの配置を示す図である。 本発明によるベース・ユニットを示す図である。

図１は、測定ユニット３により測定信号を受信し基地局２１へ測定データをテレメトリ送信するための、測定ユニット３及び基地局２１を含む本発明によるデバイスの実例を示しており、測定のために基地局２１はワーク・スペース２０に固定されており、測定ユニット３は前記ワーク・スペース２０内で移動するシステム２にしっかりと装着されている。

測定中は通常、移動システム２はワークシステム２０に結び付けられており、そこから出ることはない。特に、生産用建物又は工場、ツール・ストレージ、集会場、ファブリケーション・プラントなどはワーク・スペース２０と考えられるが、例えばツール又はロボットのようなシステム２は、このワーク・スペース２０内で並進運動及び／又は回転運動を実施し得る。しかしながら、ワーク・スペース２０そのものも例えば車両の形態で可動であることがあり、測定中にシステム２は、例えば前記車両の車輪としてワーク・スペース２０に対して相対的に移動する。この場合、基地局２１は車両内か車両上に装着されており、測定ユニット３は車両車輪上に装着されている。

図２ａにより詳細に示されている測定ユニットは、測定信号を受信するための１つ又は複数のセンサ４を接続することができるか又は接続されている少なくとも１つ又は複数の測定チャネル６、並びに測定信号を測定データにコンディショニング及び／又は圧縮するための第１のプロセッサ８を有する電子ユニット７を含む。プロセッサ８はまた、プログラマブル・ロジック並びに／又はプロセッサ及びロジックの組合せを意味する。加えて、測定ユニット３は測定データを送信し、設定及び制御データを受信するための第１のテレメトリ・ユニット１４及び第１のアンテナ１５を含む。好ましくは、ステータス情報も第１のアンテナ１５から送信される。第１のアンテナ１５は、測定ユニットの周囲に均一に分布された複数の個々のアンテナ１５．１〜１５．４を組み合わせることもできる。図２ｂは、４つのそのような個々のアンテナ１５．１〜１５．４を有する実例である。

基地局２１は図３に、より詳細に示されており、測定データを受信し、設定及び制御データを送信するための第２のアンテナ２２及び第２のテレメトリ・ユニット２４を含む。第１のアンテナ１５から送信されるステータス情報はまた、第２のアンテナ２２により受信される。加えて、基地局２１はまたデータ処理ユニット２５を含む。

図１に示されているように、第２のアンテナ２２は、接続２３を介して接続され得る基地局２１の他の部分から離れて配置され得る。しかしながら、図３に示されているように、第２のアンテナは基地局２１の上又は中に装着することができる。

本発明によれば、第１のアンテナ１５は直線偏波アンテナであり、第２のアンテナ２２は円偏波アンテナであるか、又はその逆である。好ましくは、第１のアンテナ１５は直線偏波アンテナであり、第２のアンテナ２２は円偏波アンテナである。これは、それぞれのアンテナの典型的な形状及び寸法による。したがって、小さいアンテナが移動システムに装着されるのが好ましい。しかしながら、これは送信の質にとっては重大ではない。アンテナ１５、２２はどちらも、例えば４００ＭＨｚから７０ＧＨｚの範囲の遠距離テレメトリ１６のトランスミッタ及びレシーバである。

図１に示されている実例は、シャフト１９上のツール・ホルダ１８上に装着された回転ツール１７がまた、測定ユニット３が取り付けられている移動システム２を形成している特定の適用例である。本発明による測定ユニット３を取り付け得る移動システムの他の実例には、例えば水力発電若しくは風力タービンなどの特に発電所のタービン、あらゆる種類のシャフト、特に金属若しくは紙加工プラントのローラー、例えば鉄道車両若しくは自動車両などの車両車輪、又は例えば生産会社でパーツの製造若しくは組み立てに使用されるロボットなどが含まれる。本明細書で言及されている他の実例とは対照的に、前記ロボットは所定の軸の周囲を常に移動するのではなく主に並進運動をするが、そこに装着された測定ユニットを、データ・ケーブルを短時間で破壊するリスクなく前記ケーブルを介してワーク・スペースの基地局に接続することは、多くの場合不可能である。

好ましい実施例において、測定ユニット３は１つ又は複数のセンサ４、５を含む。これらは特に、力、圧力、トルク、送り分力、曲げモーメント、ひずみ、振動、加速及び／又は温度センサとして設定される。それゆえ、センサ４、５が圧電センサ又はピエゾ抵抗センサ、ひずみゲージ又は熱電対であれば都合がよい。よって、１つ又は複数の測定チャネル６が、圧電性及び／又はピエゾ抵抗センサ４、５、ひずみゲージ及び／又は熱電対から派生した測定信号の処理のために提供される。特に、例えば直交する三方向すべての力又は力の組合せ、モーメントひずみ、推力及び／又は温度を測定可能な多次元センサ４が使用され得る。センサ４、５そのものは、測定ユニット３に統合されるか、任意でそれに接続されることができる。

センサ４、５の各チャネルは、図２ａに示されているように、別個の測定チャネル６に接続されるべきである。好ましくは、測定ユニット３の各測定チャネル６は測定データをデジタル化するためのＡＤコンバータ９を含む。さらに、個々の又はすべての測定チャネル６は、測定レンジを調整するためのレンジ・スイッチ１０を含むことができ、各レンジ・スイッチの設定は基地局からテレメトリにより実行し得る。一部の測定チャネル６はさらに、測定チャネル６をリセットするためのリセット機能１１、並びに／又は測定を開始及び停止するための開始／停止機能１２を含み、すべての機能１１、１２は、基地局２１からテレメトリにより制御することができる。しかしながら、測定ユニット３はまた、例えば温度センサ５などのレンジ・スイッチ１０を必要としない他のセンサ５を含み得る。

加えて、測定ユニット３は発電システム及び／又はエネルギー貯蓄ユニット１３、特に電子ユニット及び第１のテレメトリ・ユニット１４に電力を供給するための大容量コンデンサ及び／又は再充電可能若しくは再充電不可能なバッテリを含む。発電システムは、測定ユニット３が影響を受ける動作又は温度差に基づいて電力を生成することができるシステムである。エネルギーはまた、テレメトリにより測定ユニット３に送られる。

さらに、測定ユニット３はそのステータスに関する情報を提供する。これは特に、エネルギー貯蓄ユニット１３の充電状態、レンジ設定及びセンサ感度などのセンサ特有のデータを含む他のデータを含む。

図３に示されているデータ処理ユニット２５はまた、測定データを分析するとともに、測定ユニットをテレメトリにより評価、設定、運用及び制御するための第２のプロセッサ２６を含む。好ましくは、第２のテレメトリ・ユニット２４はデータ処理ユニット２５と共に、第２のアンテナ２２をその上又はその中に装着する筐体３１に収容される。データ処理ユニット２５は好ましくは、ユーザ２７、コントローラ２８、評価ユニット２９及び／又はメモリ・ユニット３０への少なくとも１つのインターフェイスを含む。第２のプロセッサ２６は、レンジ・スイッチ、リセット機能及び開始／停止コマンドを自律的にトリガするようにプログラムされ得る。

本発明の方法では、上述の実施例の１つによるデバイス１が使用される。測定ユニット３により測定信号を受信し測定データを基地局２１にテレメトリ送信する本発明の方法によれば、前記基地局３はワーク・スペース２０に固定されており、測定ユニット３はワーク・スペース２０内で可動であるシステム２にしっかりと取り付けられている。

測定ユニット３はまず、１つ又は複数の測定チャネル６に接続されている少なくとも１つのセンサ４、５により測定信号を検出する。次いで、第１のプロセッサ８により、電子ユニット７は測定信号を測定データにコンディショニング及び／又は圧縮し、測定データは第１のテレメトリ・ユニット１４及び第１のアンテナ１５により送信される。同じワーク・スペース２０では、第２のアンテナ２２及び第２のテレメトリ・ユニット２４を介して、基地局２１はデータ処理ユニット２５で処理される測定データを受信する。加えて、設定及び制御データは第２のテレメトリ・ユニット２４から第２のアンテナ２２を介して第１のアンテナ１５及び第１のテレメトリ・ユニット１４に送信される。

本発明によれば、テレメトリ送信中に、測定データ及び他のデータは第１のアンテナ１５により直線偏波され、設定及び制御データは第２のアンテナ２２により円偏波されるか、又はその逆である。前者の選択肢が優先される。

好ましくは、測定信号は測定ユニット３内のＡＤコンバータ９でデジタル化される。さらに、好ましい方法では、データ処理ユニット２５はテレメトリ１６により１つ又は複数の測定チャネル６のレンジ・スイッチ１０を設定する。他の好ましい方法では、データ処理ユニット２５は好ましくは、開始／停止機能１２又はリセット機能１１それぞれにより、テレメトリを介して、測定ユニット３の少なくとも１つの測定チャネル６において、少なくとも１つの測定を開始及び／又は停止及び／又はリセットする。

１ 測定のためのデバイス、測定デバイス
２ 移動システム
３ 測定ユニット
４ センサ
５ 他のセンサ
６ 測定チャネル
７ 電子ユニット
８ 第１のプロセッサ
９ ＡＤコンバータ
１０ レンジ・スイッチ
１１ リセット機能
１２ 開始／停止機能
１３ 発電システム、エネルギー貯蓄ユニット
１４ 第１のテレメトリ・ユニット
１５ 第１のアンテナ
１５．１〜１５．４ 個々のアンテナ
１６ テレメトリ・データ
１７ ツール
１８ ツール・ホルダ
１９ シャフト
２０ ワーク・スペース
２１ 基地局
２２ 第２のアンテナ
２３ 接続
２４ 第２のテレメトリ・ユニット
２５ データ処理ユニット
２６ 第２のプロセッサ
２７ ユーザ
２８ コントローラ
２９ 評価ユニット
３０ メモリ・ユニット
３１ 筐体

Claims (15)

1. 測定ユニット（３）により測定信号を受信し基地局（２１）へ測定データをテレメトリ送信するための、前記測定ユニット（３）及び前記基地局（２１）を含むデバイスであって、
   測定のために前記基地局（２１）はワーク・スペース（２０）に固定されており、
   前記測定ユニット（３）は前記ワーク・スペース（２０）内で移動する移動システム（２）にしっかりと取り付けられており、
   前記測定ユニット（３）は、前記測定信号を取得するための１つ又は複数のセンサ（４、５）を接続することができるか又は接続されている少なくとも１つ又は複数の測定チャネル（６）、前記測定信号を測定データにコンディショニング及び／又は圧縮するための第１のプロセッサ（８）を有する電子ユニット（７）、並びに、測定データを送信し、設定及び制御データを受信するための第１のテレメトリ・ユニット（１４）及び第１のアンテナ（１５）、を含み、
   前記基地局（２１）は、前記測定データを受信し、前記設定及び制御データを送信するための第２のアンテナ（２２）及び第２のテレメトリ・ユニット（２４）、並びにデータ処理ユニット（２５）を含み、
   前記第１のアンテナ（１５）は直線偏波アンテナであり、前記第２のアンテナ（２２）は円偏波アンテナであるか、又はその逆であり、前記第１のアンテナ（１５）および前記第２のアンテナ（２２）の配置が互いに対して変化する前記移動システム（２）の移動中、最大信号強度の半分の信号強度の損失を送信アンテナの電力を２倍にすることによって相殺する、ことを特徴とする、デバイス。
2. 前記測定ユニット（３）が少なくとも１つのセンサ（４、５）を含み、前記センサ（４、５）が力、圧力、トルク、送り分力、曲げモーメント、ひずみ、振動、加速及び／又は温度センサであることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. １つ又は複数の測定チャネル（６）が、圧電性及び／又はピエゾ抵抗センサ（４、５）、ひずみゲージ及び／又は熱電対からの測定信号の処理のために提供されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 移動システム（２）が回転ツール、タービン、シャフト、ローラー、車両車輪又はロボットであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のデバイス。
5. ２つのテレメトリ・ユニット（１４、２４）が、遠距離テレメトリのトランスミッタ及びレシーバであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記測定ユニット（３）の各測定チャネル（６）が、前記測定信号をデジタル化するためのＡＤコンバータ（９）を含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記測定ユニット（３）の少なくとも１つの測定チャネル（６）が、測定レンジを調整するためのレンジ・スイッチ（１０）を含み、各レンジ・スイッチ（１０）は前記基地局（２１）からテレメトリにより設定することができることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記測定ユニット（３）の少なくとも１つの測定チャネル（６）が、前記測定チャネル（６）をリセットするためのリセット機能（１１）、並びに／又は測定を開始及び停止するための開始／停止機能（１２）を含み、すべての機能（１１、１２）は、前記基地局からテレメトリにより制御することができることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記測定ユニット（３）が、前記電子ユニット（７）及び前記第１のテレメトリ・ユニット（１４）に電力を供給するための発電システム及び／又はエネルギー貯蓄ユニット（１３）を含むことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記データ処理ユニット（２５）が、ユーザ（２７）、コントローラ（２８）、評価ユニット（２９）及び／又はメモリ・ユニット（３０）への少なくとも１つのインターフェイスを含むことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記データ処理ユニット（２５）が、前記測定データを分析し前記測定ユニット（３）をテレメトリにより評価、設定、運用及び制御するための第２のプロセッサ（２６）を含むことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のデバイス。
12. 測定ユニット（３）により測定信号を受信し基地局（２１）へ測定データをテレメトリ送信するための方法であって、
    前記基地局（３）はワーク・スペース（２０）に固定されており、
    前記測定ユニット（３）は前記ワーク・スペース（２０）内で移動する移動システム（２）にしっかりと取り付けられており、
    前記測定ユニット（３）は１つ又は複数の測定チャネル（６）を有する少なくとも１つのセンサ（４、５）により信号を収集し、
    第１のプロセッサ（８）を有する電子ユニット（７）は前記測定信号を測定データにコンディショニング及び／又は圧縮し、
    前記測定データは第１のテレメトリ・ユニット（１４）及び第１のアンテナ（１５）により送信され、
    前記基地局（２１）は第２のアンテナ（２２）及び第２のテレメトリ・ユニット（２４）により前記測定データを受信しそれらをデータ処理ユニット（２５）により処理し、
    設定及び制御データは前記第２のテレメトリ・ユニット（２４）から前記第２のアンテナ（２２）を介して前記第１のアンテナ（１５）及び前記第１のテレメトリ・ユニット（１４）に送信され、
    前記テレメトリ送信（１６）中に、前記第１のアンテナ（１５）は前記測定データを直線偏波させ、前記第２のアンテナ（２２）は前記設定及び制御データを円偏波させるか、又はその逆であり、前記第１のアンテナ（１５）および前記第２のアンテナ（２２）の配置が互いに対して変化する前記移動システム（２）の移動中、最大信号強度の半分の信号強度の損失を送信アンテナの電力を２倍にすることによって相殺する、ことを特徴とする、方法。
13. 前記測定信号が、前記測定ユニット（３）に配置されたＡＤコンバータ（９）でデジタル化されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記データ処理ユニット（２５）が、テレメトリ（１６）により測定チャネル（６）のレンジスイッチ（１０）を設定することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. テレメトリ（１６）により前記データ処理ユニット（２５）が、前記測定ユニット（３）の少なくとも１つの測定チャネル（６）をリセットし、並びに／又は測定を開始及び／若しくは停止することを特徴とする、請求項１２から１４までのいずれか一項に記載の方法。

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