KR20060052774A - 용량성 위치 센서 및 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

왕복운동 부재의 위치를 판정하는 센서로서: 상기 센서는 고정 전극과 가드 전극을 포함하고 상기 고정 전극은 상기 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극 지지 구조체, 및 상기 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하며; 상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 용량성 구조체를 형성하고, 상기 용량성 구조체는 가변 용량을 가지며, 상기 가변 용량은 상기 왕복운동 부재의 순간 위치에 정비례하는 것을 특징으로 한다.
감지, 용량, 위치 센서, 위치 감지 방법

Description

용량성 위치 센서 및 감지 방법{CAPACITIVE POSITION SENSOR AND SENSING METHODOLOGY}
본 발명은 피스톤 등의 왕복운동 부재에 관한 것이고, 특히, 그 위치를 순간적으로 감시하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
고속 왕복운동 부재에 관한 위치의 감지 및 결과 판정에는 다양한 응용이 존재한다. 전형적인 종류의 왕복운동 부재 등은 프리 피스톤식 내연기관(free piston internal combustion engine)내의 피스톤, 유압 및 기압 실린더, 및 프리 피스톤식 스털링 엔진(free piston Stirling engines)내의 피스톤 및 디스플레이서(displacer), 또는 압축기를 포함한다.
비록 통상적인 내연기관이 널리 보급되어 있고 많은 장점을 가지고 있더라도, 이 기관의 배기가스 방출은 수용 레벨을 자주 초과할 수 있다. 또한, 이 기관은 매우 소음이 크며 빈번한 정비가 요구될 수 있다. 스털링 엔진은 동작시에 매우 효과적이고 정숙하며, 실질적인 어떠한 방출도 발생시키지 않도록 구성될 수 있기 때문에 이 분야에서 개선점을 나타낸다.
스털링 엔진에 관련된 일반적인 응용은 선형 교류발전기를 구동하는 프리 피스톤식 스털링 엔진(FPSE)에 의해 열 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 것이 다. 이러한 타입의 배열의 실제적인 응용에 있어서, 전기적 부하의 전력 요구는 부하 임피던스의 변화와 일부 또는 모든 부하의 접속 및 분리에 기인하여 일반적인 동작 중에 사실상 변경된다. 또한, 동작 온도 및 기타 변수는 동작 중에 변화되어 시간에 걸친 전력 요구가 작지만 너무 작지 않게 변화된다.
전력 요구와 엔진 온도 상태의 넓은 범위에 걸친 최적의 프리 피스톤식 엔진의 교류발전기 설비 효율의 달성은 파워 피스톤(power piston) 이동의 제어를 필요로 한다. 전기 부하와 엔진 온도 상태에 따른 파워 피스톤 이동의 연속적인 조정에 의한 최적의 설비 효율을 유지하는 것이 바람직할 뿐만 아니라 스털링 엔진의 스트로크 폭을 안전 범위내로 유지하는 것이 중요하다. FPSE에 부가된 부하가 상당한 양까지 갑자기 감소되는 경우에 이에 대응하여 엔진의 스트로킹 폭은 갑자기 증가될 것이다. 폭의 증가가 충분히 큰 경우, 피스톤은 실린더의 끝까지 스트로킹하여 피스톤과 실린더의 변형을 초래하여 회복불가한 엔진 고장을 일으킬 수 있다. 한편, 부하가 대폭으로 그리고 갑자기 증가되는 경우, 스트로킹 폭은 엔진이 더이상 스트로킹할 수 없는 점까지 급격히 감소될 수 있다.
지금까지, 이러한 잠재적인 문제에 대한 두가지 주요한 솔루션이 존재하였다. 첫번째의 경우, 피스톤 스트로킹이 본질적으로 스스로 제한되는 것이다. 첫번째 방법에 따르면, 디스플레이서는 선형 전기 모터의 왕복동작에 의해 기계적으로 구동된다. 이러한 방법으로 디스플레이서 스트로킹 폭 등의 구동 변수가 제어되어 피스톤 스트로킹 폭과 교류발전기의 출력 전압을 간접적으로 제어한다. 일반적으로 이 방법이 효과적인 반면, 몇가지 단점을 갖는다. 우선, 이 방법은 비용과 복잡도 를 증가시키는 추가적인 전기기계적 장치와 제어 회로를 필요로 한다. 또한, 기계 부품의 관성에 기인하여 부하 변화에 대한 응답 시간이 느려질 수 있다.
피스톤과 디스플레이서의 폭 제어 문제에 대한 두번째 등급의 솔루션에 있어서, 피스톤 및/또는 디스플레이서의 위치가 측정되고 이 측정된 위치에 의거하여 시스템 제어가 이루어지는 능동적인 접근이 채택될 수 있다. FPSE가 선형 교류발전기를 구동하는 경우에 있어서, 교류발전기의 전기자(armature)에 인가된 전압은 피스톤 위치를 최종적으로 판정하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 전기자에 유도된 전압을 통해 스트로크 폭을 얻음으로써 이것이 달성된다.
이등급의 솔루션도 몇가지 단점을 갖는다. 특히, 전기자 권선내의 저항 및 인덕턴스에 기인하는 전압의 강하에 의한 부하 전류가 존재한다는 것이다. 또한, 유도된 전기자 전압에 직접 충격을 주는 교류발전기의 필드 마그넷(field magnet)의 강도는 온도와 시간에 따라 변경될 것이다. 관측가능한 교류발전기 단말 전압의 실제 측정동안 부하 전류가 흐르기 때문에 저항 및 인덕턴스 전압 하강은 위치 산출을 위해 설명되어야 한다. 자석 온도가 추정되는 경우 온도에 의해 회복가능한 자석 강도 변화도 보정될 수 있는 반면, 자석 에이징(magnet aging)에 기인하는 변화는 산정하기가 어렵다. 또한, 그 동작의 B-H 특성에서 "니(knee)"로 표현된 온도에 자석이 도달하면, 강한 전기자 반응 영역으로 노출될 때 강도가 회복불가능하게 손실될 수 있다. 이러한 약화는 쉽게 검출되지 않고 피스톤 행정을 상당히 억제하여 불리한 충격이 발생된다. 불행히도, 많은 선행 기술의 솔루션에 있어서, 전압 강하, 및 필드 마그넷의 강도 변화는 설명되지 않고 부정확한 데이터가 생성된다. 대안으로서, 전압 강하를 설명하기 위해, 추가적인 제어 회로 및 계산이 수행되어야 한다.
왕복운동 부재의 위치를 감시하는 많은 선행 기술의 방법은 자기, 전자기, 및 광감지 기술을 채택한다. 시간 및 온도 변동에 관하여 충분히 확고하고 안정된 이들 선행 기술의 방법을 채택한 피스톤 위치의 감시 솔루션은 실행하는데 너무 많은 비용을 필요로 할 수 있다. 일반적으로, 용량성 센서가 공지되어 있고, 또한, 이 센서는 왕복운동 부재의 위치 감지와 관련하여 측면 배치를 결정하는데 사용될 수 있다. 예컨대, Moser는 미국 특허 제4,587,850호에 용량성 구조의 고정된 전극 사이에서 이동하는 유전체를 포함하는 다양한 임피던스의 사용을 통해 실린더내의 피스톤의 동작을 검출하고 측정하는 장치를 게시하고 있다. 위치 결정에 있어서 다양한 용량성 구조체의 사용은 전극의 위치 관계에 의거한 용량 변화를 전제로 한다. 대부분의 경우에 있어서, 용량 변화는 결과적인 용량에 반비례하는 두 전극 사이의 거리의 변화에 의거한다.
불행히도, 전극간 거리와 용량 사이의 관계가 비선형이기 때문에, 이 관계에 의거한 센서와 관련하여 어려움이 발생할 수 있다. 특히, 용량은 실제 응용에 있어서 매우 작을 수 있으며, 인버스 비선형 위치-용량 관계에 기인하여 한 위치 극단에서는 작은 변화를 가지며 타위치에서는 매우 큰 변화를 갖는 동시 수용으로 인해센서 측정과 결과적인 제어 동작이 매우 부정확하게 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 타입의 센서는 고비용이며 복잡하고 추가적인 수정된 신호 처리를 필요로 할 수 있다.
자체의 감지와 관련하여 발생되는 문제와 더불어, 선행 기술의 솔루션에 있어서의 다른 어려움은 일단 감지가 완료되면 신호 처리와 관련하여 발생된다. 예컨대, 1~20 밀리미터 범위의 전극간 간격 변화로부터 발생될 수 있는 예컨대, ±25pF의 오더(order)상에서의 작은 센서 용량 변화는 송신 및 처리를 어렵게 할 수 있다. 이것은 예컨대, 케이블 플렉싱(cable flexing)으로 변경될 수 있는 베이스라인(baseline) 용량을 송신 케이블 자신이 갖는다는 사실에 의해 도입된 용량 에러 등을 포함하는 많은 요인에 기인한다. 또한, 부유 용량(stray capacitance) 에러는 용이하게 도입되어 동작 변화가 작은 경우 신호 처리와 관련하여 매우 곤란해질 수 있다.
하나의 실시형태는 다양한 시스템과 애플리케이션내의 왕복운동 부재의 순간 위치를 감시하는 센서 및 감지 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시형태는 저렴하고 신뢰성 있으며 정확한 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 FPSE내의 피스톤 또는 디스플레이서와 관련하여 사용될 수 있는 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 용량 변화에 의거하여 기능하고, 고선형 트랜스퍼 펑션(highly linear transfer function)을 사용하여 동작하며, 상호 접속 케이블과 부유 용량에 영향을 받지 않는 센서 및 감지 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 바람직한 센서는 다양한 실시형태를 포함한다. 제 1 실시형태는 간단하고 확실한 가변 동축 용량성 센서와 FPSE내의 피스톤 또는 디스플레이서 등의 고속 왕복운동 부재의 위치를 감시하는 검출 방법을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 동축 용량은 전극간 간격보다 용량성 전극 영역을 조정하도록 구성되어 고선형 트랜스퍼 펑션이 얻어질 수 있다. 또한, 부유 용량 에러를 억제하는 동안 작은 센서 용량 변화를 갖는 애플리케이션과 관련해 신호를 인출 및 처리하는 검출방법이 설명된다.
제 1 실시형태에 따르면, 본 발명의 센서는 한 쌍의 동축 튜브가 용량성 구조를 이루도록 구성된다. 제 1 실시형태에 있어서, 외부 튜브가 축방향으로의 이동이 자유로운 반면, 내부 튜브는 소정의 위치에 고정된다. 외부 튜브는 예컨대, 피스톤 또는 디스플레이서, 또는 그 부품에 부착될 수 있다. 내부 및 외부 튜브는 전극 표면으로서 기능하는 도전성 물질을 포함하여 형성된다. 외부 튜브는 고정된 내부 튜브에 대하여 축방향으로 이동함에 따라 튜브 표면의 오버랩에 의해 형성된 영역이 변화되고, 용량 변화와 직접적인 상관관계가 생긴다. 설명한 바와 같은 용량 변화를 측정함으로써 왕복운동 부재의 위치 또는 외부 튜브에 부착된 다른 이동 부품은 정확해질 수 있고, 효율적으로 측정되고, 결정될 수 있다.
본 발명의 센서는 선행 기술에 비해 많은 장점을 제공한다. 예컨대, 여기서 게시하는 센서는 매우 간단히 구성된다. 상기 센서는 광학 또는 자기 소자를 필요로 하지 않으며, 고정 전극이나 가동 전극 중 하나 또는 모두로서 하나 이상의 현존 부품을 채택할 수도 있다. 본 발명에 따른 센서 용량이 오버래핑되는 전극의 배치에 의해서만 제어된다는 것이 또 다른 장점이다. 따라서, 측정의 정확도는 부품 에이징에 의해 영향받지 않고, 결과적인 물리적 특성 부품은 자기 및 전기-광학 방법의 경우와 같이 변화된다.
상기한 바와 같이, 왕복운동 부재의 위치를 판정하는 센서가 제공되며:
이 센서는 가드 전극(guard electrode) 및 이 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극으로 이루어진 고정 전극 지지 구조체, 및
상기 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고;
상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 용량성 구조체를 형성하고, 상기 용량성 구조체는 상기 왕복운동 부재의 순간 위치에 정비례하는 가변 용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 파워 피스톤을 포함하는 프리 피스톤식 스털링 엔진이 제공되며, 이 프리 피스톤식 스털링 엔진은 용량성 위치 센서를 통해 상기 파워 피스톤의 순간 위치를 판정할 수 있고: 상기 용량성 위치 센서는,
가드 전극 및 이 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극으로 이루어진 고정 전극 지지 구조체, 및
상기 파워 피스톤의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고;
상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 용량성 구조체를 형성하고, 상기 용량성 구조체는 상기 파워 피스톤의 순간 위치에 정비례하는 가변 용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 용량성 위치 센서가 제공되며, 이 센서는
가드 전극과, 이 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극으로 이루어진 고정 전극 지지 구조체, 및
왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고,
상기 가드 전극은 상기 고정 전극과 동일한 전위(potential)에서 구동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 왕복운동 부재의 위치를 결정하는 방법을 제공하고, 이 방법은,
(i) 가드 전극과, 이 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극을 제공하는 단계;
(ii) 상기 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 제공하는 단계; 및
(iii) 상기 왕복운동 부재의 순간 위치를 판정하기 위해 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 용량을 주기적으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 왕복운동 부재의 이동을 제어하는 방법을 제공하고, 이 방법은,
(i) 가드 전극과, 이 가드 전극과 전기 절연된 고정 전극을 제공하는 단계,
(ii) 상기 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 제공하는 단계,
(iii) 상기 왕복운동 부재의 순간 위치를 판정하기 위해 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 용량을 주기적으로 측정하는 단계, 및
(iv) 상기 왕복운동 부재의 판정된 순간 위치에 의거하여 상기 왕복운동 부재의 이동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 상세히 설명되고 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태도 가능하다. 예컨대, 전극이 다른 전극에 대하여 이동하는 방식으로 변화되는 다른 전극의 구성이 가능하다.
도 1은 피스톤, 실린더, 및 교류발전기 어셈블리로 구현된 본 발명에 따른 용량성 센서의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 용량성 센서 어셈블리의 더 상세한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 용량성 센서의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시형태에 따른 정전압에 의한 가변 전류 검출을 이용하는 신호 조절을 위해 사용되는 전기 회로의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따른 정전압에 의한 가변 전류 검출을 이용하는 신호 조절을 위해 사용되는 전기 회로의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따른 정전압에 의한 가변 전류 검출을 이용하는 신호 조절을 위해 사용되는 전기 회로의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따른 정전류에 의한 가변 전압 검출을 이용하는 신호 조절을 위해 사용되는 전기 회로의 회로도이다.
이하, 예로서 주어진 본 발명의 바람직한 형태와 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1~7에 도시된 실시형태에 대한 참조가 이루어졌으며, 여기서 전체적으로 동일한 번호가 동일한 부분을 나타내는데 사용된다.
도 1 , 2, 및 3은 본 발명의 용량성 센서를 나타낸다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 본 발명은 스털링 엔진, 피스톤, 또는 여기에 게시된 특정 감시 환경에 반드시 한정될 필요는 없다. 특히, 여기서 지적된 특정 센서 구조와 신호 조절 방법은 광범위의 애플리케이션(application)을 갖고, 많은 환경과 애플리케이션에 실시될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 본 발명의 용량성 센서는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 교류발전기를 구동하는 FPSE와 관련되어 채택된다. 피스톤/교류발전기 어셈블리(100)는 본 발명의 용량성 센서와 신호 조절 기술이 적용될 수 있는 하나의 애플리케이션일 뿐이다. 첨부된 설명은 예를 들기 위함일 뿐 이것에 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.
예시적인 실시형태와 관련하여, 피스톤(130)은 실린더(150)내에서 왕복운동한다. 이 실시형태에 있어서, 피스톤(130)은 어셈블리(100)내에 포함된 다수의 피스톤 중 하나이거나 또는, 어셈블리(100)내의 유일한 피스톤일 수 있다. 전기 에너지 생성 교류발전기(170)는 슬리브(140)를 포함한다. 슬리브(140)는 상세히 후술됨과 아울러 외부 전극으로서도 인용되는 가동 커패시터 전극으로서 기능한다. 제 1 실시형태에 있어서, 슬리브(140)는 교류발전기내에 포함된 하나 이상의 교류발전기의 링 자석(160)을 지지하는 기능도 한다. 이러한 경우에 있어서, 본 발명의 신규한 용량성 센서를 갖는 어셈블리(100)는 현존하는 엔진/교류발전기의 조합을 개량함으로써 만들어질 수 있다.
피스톤/교류발전기 어셈블리(100)는 예컨대, 플라스틱 등의 비도전성 물질로 형성된 고정 전극(180)을 더 포함한다. 후술하는 바와 같이, 도전성 도금은 고정 전극(180)의 특정 부분에 적용될 수 있다. 제 1 실시형태에 있어서, 플라스틱은 예컨대, 구리 등의 도전성 물질로 전기 도금하는데 적합한 선택된 특정 플라스틱이면 고정 전극(180)을 위한 물질로서 사용될 수 있다.
고정 전극 지지체(110)는 고정 전극의 연장으로서 형성될 수 있고, 고정 전극(180)과 고전 전극 지지체(110)를 교류발전기 본체에 고정하는데 사용하기 위한 구멍을 더 포함할 수 있다. 고정 전극 지지체(110)는 플라스틱 등의 비도전성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 고정 전극 지지체(110)와 고정 전극(180)의 조합은 도 2에 도시된 바와 같이 플랜지를 갖는 튜브로서 형성되는 것이 바람직하다. 고정 전극(180)을 나타내는 튜브의 외표면은 구리 등의 도전성 물질로 코팅된다. 또한, 고정 전극 지지체(110)를 나타내는 플랜지부의 내표면과 베이스(base)도 구리 등의 도전성 물질로 도금된다. 나머지 고정 전극 지지체/고정 전극 부품은 일반적으로 비도전성이며, 특히, 접지 전위로 유지되는 교류발전기 및 엔진 구조로부터 이 양 전극을 절연하는 것 뿐만 아니라 가드 전극(120)으로부터 고정 전극(180)을 전기 절연하도록 설계된다.
고정 전극 지지 구조체(110)의 부분으로서 포함되는 가드 전극(120)은 보다 상세히 후술되는 부유 용량 에러를 최소화하도록 포함된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 가드 전극(120)은 상호 접속 케이블 실드(interconnecting cable shield)뿐만 아니라 가드 전극(120)을 고정 전극(180)과 동일한 전위로 유지하는 실드 구동 회로와 연결됨으로써 이들 소자와 감지 방법의 정확도에 충격을 무효로하는 기능을 하는 고정 전극(180) 사이의 용량을 통한 전류 흐름을 저지한다. 피스톤(130), 내부 전극(180), 및 외부 전극(140)의 일부분 뿐만 아니라 모든 교류발전기 부품은 교류발전기 하우징(175)내에 포함된다.
본 발명에 따르면, 피스톤(130)은 실린더(150)내에서 왕복운동하고, 피스톤(130)에 직접 부착된 외부 전극(140)은 교류발전기 하우징(175)의 상단에서 엔드 캡(end cap)(195)으로부터 축방향을 향하여 이동된다. 이러한 왕복운동은 외부 전극(140)과 고정 전극(180) 사이의 오버랩의 양이 엔진 동작 동안 시간에 걸쳐 변화되도록 고정 전극(180)과 외부 전극(140) 사이의 상대적 이동으로 변동된다. 외부 전극(140)이 고정된 내부 전극(180)의 전, 후방으로 이동하기 때문에 고정 전극(180)과 외부 전극(140)에 의해 형성된 용량성 구조체의 영역이 가변되어 상세히 후술될 용량성 센서의 용량 특성이 변경된다.
도 1, 2, 및 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태에 의한 고정 전극(180)과 외부 전극(140) 모두 실린더 형상이며, 필수적으로 중공이다. 고정 전극(180)의 외부직경은 외부 전극(140)의 내부직경보다 작으므로 외부 전극(140)은 이 외부 전극(140) 내부에서 고정 전극(180)의 변화하는 길이를 둘러싸는 동안 전, 후방으로 자유롭게 이동한다. 이 명세서를 검토하는 당업자에게 자명한 바와 같이, 고정 전극 및 가동 전극이 동축 중공 실린더로 형성되는 본 발명의 용량성 위치 센서와 결합될 필요는 없다. 반면, 두개의 전극이 함께 감시되어야 할 이동 부재의 배치에 따라 변화하는 영역 상황을 판정하는 용량을 갖는 용량성 구조체를 형성하는 것이 요구된다. 예컨대, 이것에 한정하는 것은 아니지만, 평판, 정사각 튜브, 및 원형 튜브 등의 다른 형상인 전극을 사용하여 본 발명을 실시할 수도 있다. 각각의 전극은 동축일 수도 아닐 수도 있고(즉, 서로 축방향으로 오버랩되고), 왕복운동 부재의 위치가 감지되는 특정 환경에 따라 다양한 사이즈가 될 수 있다.
동축 실린더가 피스톤/교류발전기 어셈블리(100)에 관한 커패시터 전극으로서 사용되는 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 고정 전극(180)의 외부직경은 예컨대, 24㎜이 될 수 있고, 외부 전극(140)의 내부직경은 예컨대, 24.5㎜가 될 수 있다. 따라서, 고정 전극(180)의 외부 표면과 외부 전극(140)의 내부 표면 사이의 공칭 에어갭(air gap)은 0.25㎜가 된다. 또한, 바람직한 실시형태에 있어서, 중간 연동시의 전극 사이의 공칭 오버랩 길이는 거의 10㎜의 이동 범위를 갖는 20㎜이고, 그 결과, 완전 비연동시의 10㎜로부터 완전 연동시의 30㎜까지의 용량 길이 범위가 된다. 물론, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않는 한 상이한 길이, 범위, 에어갭 및 다른 용량 특성이 사용될 수 있다.
고정 및 가동 실린더 직경의 차동 열팽창은 갭 치수를 변경할 수 있고, 따라서, 노출 시간동안 시간에 걸친 측정 에러를 전형적인 엔진 동작 조건을 포함하는 다양한 조건에 도입한다. 예컨대, 25㎜의 튜브형 전극에 작용하는 5 ppm/℃의 차동 열팽창 계수는 0.25㎜의 갭이 ±40℃의 온도 변동에 대해 ±0.005㎜(±2%) 만큼 변화되게 한다.
이 문제를 설명하기 위해, 상기한 바와 같이 금속 도금된 플라스틱 튜브보다는 금속 튜브로서 형성된 고정 전극(180)을 채택할 수 있다. 어느 경우에 있어서든, 고정 전극(180)을 위해 선택된 물질은 가동 전극(140)을 위해 사용되는 물질과 매칭되어야 한다. 대안으로, 동일 또는 거의 유사한 열팽창 계수를 갖는 상이한 물질이 사용될 수도 있다.
고정 전극(180), 및 이와 관련된 고정 전극 지지 구조체(110)의 구성에 대한 대체 실시형태가 가능하다. 구리 등의 도전성 물질로 선택적으로 도금된 비도전성 튜브를 대신하여, TEFLON®코팅, XYLAN®코팅 또는 다른 유사한 코팅 등의 비도전성 물질로 선택적으로 코팅된 몇몇 다른 물질 또는 강철 등의 도전성 물질로 형성된 튜브를 사용하는 대체 실시형태가 가능하다.
지금까지 본 발명의 용량성 센서 및 관련 부품의 구조를 설명하였다. 이하, 그 동작에 관하여 상세히 설명할 것이다. 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 용량성 센서는 스털링 엔진내에 포함된 피스톤에 있어서 구현된다. 상기한 바와 같이, 피스톤 운동을 위한 스털링 엔진 동작을 감시하고 제어하는 것은 매우 바람직한 것이다. 본 발명의 용량성 위치 센서를 사용함으로써 감시가 달성될 수 있다. 피스톤 운동과 특히, 본 발명의 방법을 통해 판정된 피스톤의 순간 위치에 의거하여 예컨대, 스털링 엔진의 동작과 관련하여 공지된 다양한 제어 파라미터는 효율을 최대화 하기 위해 제어기를 통해 조정되고, 바람직한 동작 특성을 얻을 수 있다. 예시만을 목적으로 하여, 연료유속은 본 발명의 방법에 따른 피스톤 위치의 측정에 의거하여 선택적으로 조정될 수 있다.
이 실시형태에 있어서, 센서 용량은 외부 전극(140)이 내부 전극(180)과 관련하여 이동함에 따라 변화된다. 외부 전극(140)의 이동에 기인하여 용량성 전극(140, 180) 사이의 정해진 영역은 시간에 걸쳐 변화한다. 센서 커패시터의 용량, C는 피코패럿 단위로 다음식으로 주어진다.
Figure 112006000170895-PCT00001
상기 식에서, K는 에어(1)의 유전상수, ε0는 자유공간의 유전율(8.85 ㎊/m), A는 커패시터의 전극 사이에 정해진 면적(㎡), g(m)는 전극 사이의 공칭 에어갭이다.
상기한 바와 같이, 용량성 위치 센서의 특수한 기하학적 구조에 의해 다음과 같이 된다.
Figure 112006000170895-PCT00002
상기 식에서 D는 커패시터 영역의 공칭 직경(㎟)이고, L은 커패시터 영역의 공칭 길이(㎜)이다.
본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이, 하나의 예시적인 실시형태에 있어서, 커패시터 영역의 공칭 직경[고정 전극(180)의 외부직경], L은 24㎜이고, 커패시터 영역의 공칭 길이[고정 전극(180)과 외부 전극(140) 사이의 중간점 오버랩]는 20㎜이며, 고정 전극(180)과 외부 전극(140) 사이의 공칭 에어갭, g는 0.25㎜이다. 따라서, 상기 전극들 사이에서의 중간 연동시(즉, 오버랩이 20㎜, L=20㎜인 경우) 용량, C0=33.5㎊ 이 된다. 또한, 30㎜의 오버랩을 갖는 완전 연동시에는 Cmax=50㎊이 된다. 마찬가지로, 10㎜의 오버랩을 갖는 완전 비연동시에는 Cmin=16.8㎊이 된다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 용량 범위는 완전 비연동시의 대략 16.8㎊로부터 완전 연동시의 대략 50.3㎊로 정해진다. 대략 33.5㎊의 중간범위 용량에 의해, 정확한 위치 감지를 위해 용량값의 비교적 작은 변화(즉, 대략 ±17㎊)를 감지할 필요가 있고, 이 위치 측정에 의거한 필요한 제어 알고리즘을 적용할 필요가 있다.
본 발명에 따르면, 이렇게 비교적 작은 용량값은 측정될 수 있고, 부유 용량을 억제하는 다양한 기술, 회로, 및 방법을 사용함으로써 작용되어 얻어질 정확한 판독을 허락하고 시스템 제어를 만족스럽게 한다. 이러한 기술과 관련된 방법을 지금 설명한다.
다른 목적뿐만 아니라 본 발명의 용량성 위치 센서와 관련되어 사용하기 위한 "신호 조절" 방법 및 관련 회로의 다양한 실시형태가 존재한다. 지금 설명하는 신호 조절 방법은 본 발명의 위치 센서 기능의 결과에 따라 생성된 용량값 처리에 관하여 설명되는 반면, 여기서의 신호 조절 방법은 당업자에게 자명한 무수히 많은 다른 애플리케이션과 관련되어 사용된다.
이제, 본 발명의 위치 센서와 관련하여 신호 조절의 필요에 대한 근거를 설명한다. 신호 조절이 필요한 첫번째 이유는 의도되지 않은 그리고/또는 바람직하지 않은 용량 특성을 갖는 시스템 및 구성 부품내의 부유 용량에 기인하여 다르게 발생하는 에러를 동시에 억제하면서 감지 용량에 비례하는 예컨대 전압 등의 전기 신호를 생산하는 것이다. 이러한 부유 용량은 위치 측정을 하고 그리고/또는 엔진 동작을 제어하려는 목적으로 사소한것으로부터 치명적인 결과까지의 범위로 정해지는 위치 감지와 관련된 에러를 야기할 수 있다. 또한, 이러한 부유 용량 자체의 양은 예컨대, 어셈블리(100)내의 부품 이동에 의해 시간에 걸쳐 변동되는 경향이 있다. 한가지 타입의 부유 용량은 외부 신호 조절 회로를 갖는 프리 피스톤식 스털링 엔진 유닛의 밀봉된 압축관내에 포함된 용량성 센서의 연결에 제공될 수 있는 케이블의 도체 사이의 용량으로부터 발생된다. 이와 같은 케이블의 짧은 길이의 용량조차도 최대 감지 용량값을 초과할 수 있다.
또한, 상기한 피스톤/교류발전기 어셈블리(100)와 관련하여 피스톤 센서 배치의 상황에서 가동 전극(140)은 어셈블리(100)의 구조에 효과적으로 접지된다(후술되는 바와 같이 금속-금속 접촉은 없다). 피스톤(140)과 실린더는 피스톤상에 Teflon® 코팅 또는 Xylan® 코팅 등의 비전도성 코팅을 형성하고 하드-코트는 실린더(150)상에 완성되어 자체-윤활 특성을 제공한다. 이러한 경우에 있어서, 가동 전극(140)은 센서 용량의 최대값보다 100배 이상 큰 피스톤(140)과 실린더(150) 사이 의 매우 큰 용량에 의해 어셈블리(100)의 구조에 효과적으로 접지된다. 더 큰 피스톤-실린더 용량과 직렬 접속된 작은 센서 용량의 고임피던스에 의해, 측정 에러가 없거나 미미한 측정 에러를 야기하는 센서를 통해 흐르는 전류를 주로 제어한다.
한편, 고정 전극(180)은 접지에 부유 용량을 생성하여 전위 에러에 본 발명에 의해 완화된 효과를 야기할 수 있다. 고정 전극(180)은 가동 전극(140)과 함께 접지되지 않고, 따라서, 피스톤/교류발전기 어셈블리(100)내의 다양한 주위 부품, 및 구조와 고정 전극(180) 사이에 용량이 존재한다. 이러한 구조는 예컨대, 교류발전기 하우징(175)이다.
상기한 바와 같이, 가드 전극(120)은 고정 전극(180)과 엔드 캡(195) 등의 다른 접지된 구조 사이의 용량 경로를 차단하는데 사용된다. 가드 전극(120)은 고정 전극(180)과 어셈블리(100)내의 다양한 다른 구조 사이에 금속 실드를 삽입함으로써 전위 누설 경로를 차단한다. 다양한 신호 조절 회로에 관하여 후술하는 바와 같이, 가드 전극(120)은 고정 전극(180)과 동일한 전위에서 동작되는 동안 구동된다. 따라서, 어떤 전류도 흐를 수 없고, 야기된 효과적인 용량은 본질적으로 0(zero)이다.
본 발명의 신호 조절 방법에 관한 제 1 실시형태는 다양한 전류 검출을 사용하여 예컨대, 스털링 엔진내의 피스톤 및/또는 디스플레이서 이동과 관련된 제어를 목적으로 사용될 수 있는 신호를 생성한다. 이 실시형태는 도 4를 참조하여 설명된다. 후술될 설명을 위해 생성된 출력 신호는 용량에 비례하는 연속적인 아날로그 전압이 될 수 있다고 가정하면, 제어 및 공지된 다른 목적을 위한 Texas Instruments TMS320LF2407A 또는 Analog Devices ADMC401 등의 혼성 신호 디지털 신호 처리기(DSP)의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 입력 등의 처리기에 이용 가능하게 되는 피스톤 위치가 판정된다. 상기 DSP는 후술되는 바와 같이 센서 여기 반송파를 생성하는데 사용될 수 있고, 또는 상기 신호는 다른 장치로부터 얻어질 수 있다.
가변 전류 검출을 사용하는 신호 조절을 위한 하나의 특정 회로가 도 4에 도시되어 있다. 이 배치는 용량의 비교적 작은 변화(대략 ±17㎊)를 효과적으로 허용하여 후술되는 바와 같이 "드리븐(driven)" 가드 실딩 기술의 도움으로 처리된 상기 감지 구조가 센서 용량에 비례하는 연속적인 아날로그 전압을 생성하고 상기 부유 용량에 의해 큰 영향을 받지 않게 된다. 이 기술은 현존하는 실링된 와이어링을 포함하는 부유 션트 용량을 억제하는 기능을 한다. 이 실시형태에 있어서, 정 진폭 삼각파 전압원(302)이 회로에 여기를 제공한다. 고정 전극(180)과 가동 전극(140)을 포함하는 감지 커패시터(314)는 상기 실린더 용량(316)에 고정된 피스톤과 직렬관계에 있다. 상기한 바와 같이, 이 용량은 본질적으로 접지되어 부유 용량 에러를 야기하지 않는다. 전압원(302)은 감지 커패시터(314)와 피스톤-실린더 커패시터(316)의 직렬접속과 병렬이다. 가드 전극(120)은 감지 커패시터(314)의 고정 전극에 용량(308)을 그리고 인접한 접지 구조에 용량(312)을 제공한다. 용량(312)은 여기원(excitation source)(302)의 단자를 통해 직렬 접속되고, 측정 처리의 신뢰도와 정확도에 손상을 주지 않는다.
양측의 보호된 누설 커패시터(308)는 동일한 전위로 유지되기 때문에, 보호 된 누설 커패시터(308)를 통해 전류가 흐르지 않음으로써 용량은 효과적으로 0이 된다.
AC 전류 센서(306)는 예컨대, Coilcraft T6522-A surface mount current sensing transformer일 수 있다. AC 전류 센서(306)는 전압원(302)과 감지 커패시터(314)의 사이에 위치되어 감지 커패시터(314)를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 또한, 신호 증폭기(304)는 AC 전류 센서(306)로부터 신호를 수신한다. 전류 센서(306)가 회로로부터 갈바닉 절연되기 때문에, 상기 증폭기는 신호 처리 단계와 DSP에 신호를 나타내는 위치의 최종 상호접속을 더 간략화하는데 기저기준(ground reference)이 될 수 있다. 제어 처리기(도시되지 않음)에 의해 사용될 수 있는 증폭된 전류 신호를 반영하는 출력 신호는 출력 노드(318)에 나타난다. 상기 배열의 결과에 따라, 감지 커패시터(314)의 용량에 비례하는 전류 진폭을 갖는 구형파 출력 신호는 출력 노드(318)에 나타난다. 상기 출력 신호는 스털링 엔진/교류발전기 및 상기 피스톤 센서 배열의 사용에 의거하는 때에 시변환(time variant)하고, 시간에 걸친 피스톤(130)의 상대적 위치를 반영할 수 있다. 출력 구형파의 절대값이 구해질 수 있고, 위치도 그 값을 기준으로 판독될 수 있다. 이 실시형태에 관하여 다양한 다른 변조 신호가 사용될 수도 있다. 예컨대, 전압원(302)은 출력 노드(318)에서 사인파 출력 신호로 귀결되는 사인파 변조 신호를 제공할 수 있고, 전파 정류와 신호 처리 기술에 공지된 후속 로우 패스 필터링 방법에 의해 검출된 피크 진폭은 감지 커패시터 전류, 용량의 측정 기능을 하고, 이것에 의해 가동 전극(140)의 위치가 판정된다.
도 5는 제어 처리에 앞서 신호 조절에 사용되는 대체 회로를 나타낸다. 이 회로도 정전압을 사용하여 감지 커패시터와 연결된 가변 전류를 생성 및 검출한다. 이 실시형태는 후술되는 바와 같이 두개의 전압원을 필요로 하는 반면, AC 전류 센서(306)가 필요하지 않다. 도 4의 실시형태로부터의 AC 전류 센서(306)가 회로에 중요한 비보호 부유 용량을 추가하는 범위까지 이 에러는 후술될 도 5의 실시형태를 통해 일반적으로 제거될 수 있다.
AC 전류 센서(306)가 기저기준 션트 저항(424)에 의해 대체되고, 도 4의 실시형태에서와 같이 가드 실드와 감지 커패시터 모두를 구동하기 위해 단일 전압원을 사용하는 대신 제 2 여기 전압원(422)이 가드 실드(410)를 구동하기 위해 추가되는 것을 제외하고 도 5의 실시형태는 도 4의 실시형태와 일반적으로 유사하다. 전압원(402)은 접지로부터 절연되어 기저기준 션트 저항(424)의 삽입이 가능해야 한다. 작은 변압기는 제 1 및 제 2(출력) 와인딩과 코어 사이의 가드 실드에 적합하게 제공되는 이 절연을 달성하는데 사용될 수 있다. 이 가드 실드는 가드 실드(410)와 연결 케이블 실드와 마찬가지로 전압원(422)에 의해 구동될 수 있다. 가드 구동원(422)은 기저기준이 되어 절연을 필요로 하지 않는다. 도 5의 실시형태에 따르면, 정 진폭 삼각파 전압원(402)은 회로에 여기 신호를 제공한다. 고정 전극(180)과 가동 전극(140)을 포함하는 감지 커패시터(414)는 상기 실린더 용량(416)에 고정된 피스톤과 직렬 관계에 있다. 상기한 바와 같이, 이 용량은 감지 용량의 최대값보다 더 크고, 그에 따라 측정 처리를 심하게 방해하지 않는다. 전압원(402)은 감지 커패시터(414) 및 피스톤-실린더 커패시터(416)에 대해 병렬 관계에 있다. 신호 처리기 연결 케이블에 센서의 실드도 포함하는 가드 전극(120)은 가드 전극 전압원(422)에 직렬 접속됨으로써 고정 전극(180)과 전기적으로 구동된 케이블과 센서 가드 실드(410) 사이의 누설 용량(408)을 억제한다.
보호된 누설 커패시터(408)의 양 측면이 동일한 전위이기 때문에, 보호된 누설 커패시터(408)를 통해 전류가 흐르지 않고, 따라서, 용량은 효과적으로 0이 된다. 가드 실드(410)와 접지 사이에 용량성 구조체(412)가 더 존재한다. 이 용량은 전압원(402)을 통해 나타나지만, 상기 용량은 감지 방법의 신뢰도와 정확도에 영향을 주지 않는다. 션트 저항(424)내에 감지 전류를 포함하지 않고 누설 용량(412)을 통해 전류가 흐르게 할 수 있는 분리된 가드 구동 전압원(422)에 대한 이유를 수반한다.
기저기준 션트 저항(424)을 통해 발전된 신호 전압은 기저기준 증폭기(404)의 입력과 연결된다. 기저기준 션트 저항(424)을 교차하여 강하된 전압의 양은 작아서 전압원(422)으로부터의 가드 전압과 전압원(402)으로부터의 센서 전압은 동일하다고 가정할 수 있다. 기저기준 션트 저항(424)을 통과한 전압은 시간에 걸쳐 감시될 수 있다. 따라서, 기저기준 션트 저항(424)과 특히 센서(414)의 용량을 통해 흐르는 전류가 차례로 계산된다. 결과적인 신호는 신호 증폭기(404)에 의해 증폭된다.
증폭된 전류 신호를 반영하고, 제어 처리기(도시되지 않음)에 의해 사용될 수 있는 출력 신호는 출력 노드(418)에 나타난다. 상기 배치의 결과에 따라, 감지 커패시터(414)의 용량에 비례하는 전류 진폭을 갖는 구형파 출력 신호는 출력 노드 (418)에 나타난다. 출력 신호는 스털링 엔진/교류발전기와 상기 위치 센서 배치의 사용에 의거하는 때에 시변환하고 시간에 걸친 피스톤(130)의 상대적 위치를 반영할 것이다. 출력 구형파의 절대값이 구해질 수 있고, 위치도 그 값을 기준으로 판독된다. 이 실시형태에 관련하여 다양한 다른 변조 신호가 사용될 수도 있다. 예컨대, 전압원(402)은 출력 노드(418)에서 사인파 출력 신호를 나타내는 사인파 변조 신호를 제공할 수 있고, 전파 정류와 신호 처리 기술에 공지된 후속 로우 패스 필터링 방법에 의해 검출된 피크 진폭은 감지 커패시터 전류, 용량 및 가동 전극의 위치의 측정 기능을 한다.
또한, 도 6을 참조하여 본 발명의 신호 조절 방법에 대한 다른 실시형태를 설명한다. 이 실시형태는 기저기준 션트 저항(424)이 제거되고, 센서 전류를 감시하는데 사용되는 대신 트랜스 임피던스 증폭기 구조에 의해 대체된 것을 제외하고 도 5의 실시형태와 유사하다. 이 실시형태는 비록 작고 대부분의 경우 사소하지만, 기저기준 션트 저항(424)이 회로로부터 제거되기 때문에 기저기준 션트 저항(424)을 통한 전압 강하가 제거된다는 장점을 가진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피드백 저항(526)은 연산 증폭기(504)와 관련하여 사용된다. 피드백 저항(526)은 연산 증폭기(504)의 서밍 정션(summing junction)으로 네트 전류(net current)가 흐르지 않게 한다. 피드백 저항(526)을 사용하고, 전압원(502)을 연산 증폭기(504)의 서밍 정션 입력에 접속함으로써, 효과적인 가상 접지를 생성하는 연산 증폭기(504)의 서밍 정션으로 모든 전류가 흐르게 한다. 출력 전압에 의해 표시되는 연산 증폭기(504)의 서밍 정션으로 입출력되는 전류를 감시함으로써, 가변 센서(514)의 효과적 인 용량이 결정될 수 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 정전류, 가변 전압 회로는 센서(614)의 용량을 나타내는 출력 신호를 얻는데 사용된다. 이 실시형태에 따르면, 정 진폭 구형 또는 사인파 전류원(602)은 이전 실시형태에서의 전압원을 대체한다. 전압 폴로워(voltage follower)(628)는 정전류원에 의해 발전된 전압과 동일한 전압을 구동하는 가드를 생성시키고, 가드 실드 전압이 전류원(602)의 전위와 본질적으로 동일한 전위에 머물게 할 필요가 있다[즉, 용량(608)을 교차한 전압차가 0이 된다]. 센서 용량을 통해 흐르는 전류의 고정된 진폭에 도달하는데 요구되는 전류원에 의해 발전된 전압은 센서 용량값에 반비례한다. 왕복운동 부재의 위치는 감지 커패시터(614)를 통한 가변 전압에 의해 간접적으로 결정된다. 출력 포인트(618)에 나타나는 아날로그 신호 출력은 감지 커패시터(614)의 용량에 반비례하고 따라서 왕복운동 부재의 위치에 반비례한다. 센서 용량과 전압 변화 사이의 관계는 비선형 함수이기 때문에, 이 실시형태는 상기한 바에 따라 본 발명의 모든 장점을 달성하지 않고, 이 실시형태는 일반적으로 가장 바람직하지는 않다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 그러나, 예컨대, 디지털 신호 처리기가 모든 어려움을 설명하기 위해 송신 기능 선형화를 수행하는데 사용될 수 있다는 것도 용이하게 이해될 것이다.
다양한 추가 신호 조절 기술이 상기 다양한 실시형태에 따라 설계된 회로로부터 얻어진 출력 신호에 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 예컨대, 센서 및 가드는 정현파 여기("캐리어") 전압으로 구동될 수 있고, 로우 패스 필터에 의해 폴로윙되는 전파 정류는 가동 전극(140)의 위치를 나타내는 캐리어 포락선 진폭(carrier envelope amplitude)을 회복시키는 출력 신호 처리에 사용될 수 있다. 이것이 이루어지는 범위까지 이차 Butterworth LPF 등의 로우 패스 필터는 센서 전류를 나타내는 캐리어 포락선 신호("베이스밴드") 부품만을 통과하는 고차 복조 부품을 감소시키는데 사용되고, 이것으로부터 가동 전극(140)의 위치가 판정된다.
프리 피스톤식 스털링 및 내연기관 내의 피스톤과 디스플레이서 등의 고속 왕복운동 부재와 관련하여, 엔지니어링 성능 평가의 경우와 같은 순간 위치를 인지하는데 결정적인 경우에, 피스톤 측정 위상 지연도 문제가 될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 신호 처리 회로는 로우 패스 필터 위상 지연을 보상하는 위상 리드 네트워크(phase lead network)를 포함할 수 있다. 예컨대, 위상 지연 보상은 시스템 튜닝 중에 특히 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 순간 압력파 진폭에 관한 순간 피스톤 위치와 디스플레이서 위치의 실시간 관측은 시스템을 튜닝하는데 필요하다. 튜닝 후, 위치 감지는 위상 정보를 필요로 하지 않는다. 그러나, 다른 애플리케이션은 위상 리드 네트워크를 통한 위상 지연 보상으로 이득을 얻을 것이다.
프리 피스톤식 스털링 엔진 파워 피스톤의 위치에 대한 감시의 설명을 목적으로 여기에 게시된 신호 조절 회로로 사용되는 로우 패스 필터 설계에 관하여, 센서 용량 변화가 0부터 80㎐의 공칭 동작 주파수 fb의 주파수 범위를 초과하는 간단한 고조파가 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 전파 정류기 포락선 검출 기의 출력은 바람직한 베이스밴드 정보 신호와 1/n으로 감소하는 진폭에 대응하는 2nfc±fb(n=1, 3, 5 ...)의 바람직하지 않은 고차 복조 부품을 포함할 것이다. 여기(excitation) "캐리어" 신호 주파수를 fc >>80㎐로 설정함으로써, 베이스밴드 신호 스펙트럼(0 ~ fb)과 고차 복조 부품 사이에 큰 주파수 "스페이스"가 제공될 수 있다. 이것은 상당히 큰 절대값 또는 위상 에러를 도입하지 않고 0 ~ fb의 베이스밴드 영역 내의 로우 패스 필터가 용량 변화 정보 신호를 분리하게 한다.
이러한 특성에 의해, 필터는 상기한 바에 따라 0 ~ fb 의 베이스밴드 영역 내의 작은 위상 지연을 도입할 것이지만, 원한다면 위상 리드 네트워크의 도입을 통해 이것이 억제될 수 있다. LPF 및 위상 리드 네트워크는, 포함된다면, LPF "코너(corner)" 주파수와 위상 리드 네트워크 설계의 적당한 선택을 통해 조건에 맞도록 작게 될 수 있는 0 ~ fb의 범위 내에서 몇가지 진폭 응답 변화도 포함할 것이다.
용량성 센서 구조와 신호 처리 방법에 대해 설명하였다. 상기한 본 발명의 기술적 사상은 대단히 많은 애플리케이션, 특히 왕복운동 부재에 관한 위치 감지 애플리케이션을 갖는다는 것이 이해될 것이다. 선형 이동하는 스털링 엔진용 왕복운동 부재에 관한 부분에서 상기 설명이 제공된 반면, 다른 애플리케이션도 가능하고 여기서 게시된 기술적 사상은 스털링 엔진 또는 선형 이동하는 왕복운동 부재에 한정될 필요는 없다. 예컨대, 여기서의 센서는 스털링 엔진 또는 압축기, 또는 내연기관 등의 다양한 프리 피스톤식 애플리케이션을 포함하는 다양한 애플리케이션 에 사용될 수 있다. 또한, 상기 설명의 초점은 왕복운동 부재의 피스톤을 감시하는데에 맞춰져 있지만, 동일한 용량성 센서 컨셉트 영역이 예컨대, 라디오 튜닝 회로의 공진 주파수를 조정하는데 널리 사용되는 가변 커패시터와 유사한 하나 이상의 고정 또는 회전판을 채택함으로써 회전식 이동에 대한 감지에 관하여 응용될 수 있다.
본 발명의 주제는 도면을 참조하여 상세히 게시하였지만, 게시된 실시형태는 설명을 위한 것일 뿐 그 특징에 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 모든 수정과 개량은 보호되는 것이 바람직하다.

Claims (20)

  1. 왕복운동 부재의 위치를 판정하는 센서로서:
    고정 전극과 가드 전극을 포함하고, 상기 고정 전극이 상기 가드 전극으로부터 전기 절연된 고정 전극 지지 구조체; 및
    상기 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고;
    상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 용량성 구조체를 형성하고, 상기 용량성 구조체는 상기 왕복운동 부재의 순간 위치에 정비례하는 가변 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전압원을 더 포함하고, 상기 가드 전극은 상기 고정 전극에서의 전위와 동일한 전위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가동 전극은 구조적 그리고 전기적으로 엔진의 피스톤과 연결되는 것을 특징으로 하는 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 전극은 구조적 그리고 전기적으로 스털링 엔진의 디스플레이서와 접촉되는 것을 특징으로 하는 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 전극은 교류발전기의 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 전극은 플라스틱으로 형성되고, 하나 이상의 도전성 도금 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 용량은 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 오버랩 양의 변화로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 전극과 상기 고정 전극은 동축으로 위치되고, 상기 가동 전극은 상기 고정 전극 상에서 선택적으로 슬라이딩되는 것을 특징으로 하는 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    로우 패스 필터의 위상 지연을 보정하는 위상 리드 보상 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  10. 파워 피스톤을 포함하며 용량성 위치 센서를 통해 상기 파워 피스톤의 순간 위치를 판정할 수 있는 프리 피스톤식 스털링 엔진으로서:
    상기 용량성 위치 센서는,
    고정 전극과 가드 전극을 포함하고, 상기 고정 전극이 상기 가드 전극으로부터 전기 절연된 고정 전극 지지 구조체; 및
    상기 파워 피스톤의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고;
    상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 용량성 구조체를 형성하고, 상기 용량성 구조체는 상기 파워 피스톤의 순간 위치에 정비례하는 가변 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 프리 피스톤식 스털링 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고정 전극과 상기 가동 전극은 실린더 형상이고, 상기 가동 전극과 상기 고정 전극은 동축으로 위치되며, 상기 가동 전극은 상기 고정 전극 상에서 선택적으로 슬라이딩되는 것을 특징으로 하는 프리 피스톤식 스털링 엔진.
  12. 고정 전극과 가드 전극을 포함하고, 상기 고정 전극이 상기 가드 전극으로부 터 전기 절연된 고정 전극 지지 구조체; 및
    왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치된 가동 전극을 포함하고;
    상기 가드 전극은 상기 고정 전극과 동일한 전위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    입력 신호를 신호 증폭기에 제공하는 AC 전류 센서를 더 포함하고, 상기 신호 증폭기는 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 용량을 나타내는 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 2 정전압원와 기저기준 전류 감지 션트 저항을 더 포함하고, 상기 제 2 정전압원은 상기 제 1 정전압원보다 상기 가드 전극을 구동하는 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 2 정전압원와 기저기준 전류 감지 션트 저항을 더 포함하고, 상기 제 2 정전압원은 상기 제 1 정전압원보다 상기 가드 전극을 구동하는 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류를 감시하기 위한 트랜스 임피던스 증폭기 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    정 진폭 전류원과 전압 폴로워를 더 포함하고, 상기 전압 폴로워는 전압을 조정하여 상기 가드 전극에서의 전위가 상기 전류원에서의 전위와 본질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 용량성 위치 센서.
  18. (i) 고정 전극과 가드 전극을 제공하는 단계로서, 상기 고정 전극이 상기 가드 전극과 전기 절연되는 단계;
    (ii) 가동 전극을 제공하는 단계로서, 상기 가동 전극은 이 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치되는 단계; 및
    (iii) 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 용량을 주기적으로 측정하여, 상기 왕복운동 부재의 순간 위치를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복운동 부재의 위치를 판정하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 용량을 주기적으로 측정하는 단계는,
    AC 전류 센서를 제공하는 단계로서, 상기 AC 전류 센서가 상기 고정 전극과 상기 가동 전극에 의해 형성된 커패시터를 통해 흐르는 전류를 주기적으로 측정하는 단계를 더 포함하며;
    상기 AC 전류 센서의 출력은 상기 커패시터의 용량과 상기 왕복운동 부재의 위치를 나타내는 것을 특징으로 하는 왕복운동 부재의 위치를 판정하는 방법.
  20. (i) 고정 전극과 가드 전극을 제공하는 단계로서, 상기 고정 전극이 상기 가드 전극과 전기 절연되는 단계;
    (ii) 가동 전극을 제공하는 단계로서, 상기 가동 전극이 왕복운동 부재의 이동에 정비례하여 이동하도록 위치되는 단계;
    (iii) 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이의 용량을 주기적으로 측정하여, 상기 왕복운동 부재의 순간 위치를 판정하는 단계; 및
    (iv) 상기 왕복운동 부재의 상기 판정된 순간 위치에 의거하여 상기 왕복운동 부재의 이동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복운동 부재의 이동을 제어하는 방법.
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