(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
破片収集チャンバを形成するボビンと、
前記破片収集チャンバに近接して前記ボビンのまわりにらせん状に巻かれており、インダクタンスが前記破片収集チャンバ内の粒子堆積に応答するようになっている第１コイルと、
前記ボビンのまわりにらせん状に巻かれている基準コイルと、
前記第１および基準コイルに接続されており、該コイルを高周波数と低周波数とにおいて振動波形で選択的に励磁するオシレータと、
が設けられており、前記高周波波形によってできる周波数は、鉄及び非鉄金属粒子双方の堆積物の関数となり、前記低周波波形によってできる周波数は、前記鉄金属粒子のみの堆積物の関数になることを特徴とする流体内の粒子を検出するための装置。
【請求項２】
所定の時間に一方のコイルを選択し励磁するようになっているマルチプレクサを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記オシレータは、周波数が前記一方の励磁されたコイルインダクタンスの関数である一連のパルスを有する振動波形を作ることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記一方の励磁されたコイルに対応した波形のパルス数を計算しこれに応答して制御信号を発するようになっているカウンタを含んでおり、該カウンタは、所定数のパルスを計算することに応答して前記制御信号の状態を変更し、前記マルチプレクサは、前記制御信号の前記状態変更に応じて前記他方のコイルを選択して励磁し、前記カウンタは前記他方の励磁されたコイルに対応した波形パルス数を計算するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記制御信号は連続したパルス幅変調波形であり、前記制御信号“高”パルスの長さは前記一方のコイルに対応した前記振動波形周波数に応答しており、前記制御信号“低”パルスの長さは前記他方のコイルに対応した前記振動波形の周波数に応答することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記制御信号を受信し、該制御信号のデューティ比に応答して前記収集チャンバにおける粒子堆積を判定し、さらに前記収集チャンバにおける粒子堆積を表すパルス幅変調波形を有する検出信号を発生させるようになっているマイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記検出信号を受信し、該検出信号デューティ比が所定値よりも大きいことに応答して警告信号を発するようになっている電子モニタシステムを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
入口ポートと、
ほぼ円筒形状で一対の開口端部を備えたスクリーンとを含み、
前記入口ポートと前記スクリーンは前記入口ポートに入る流体が前記開口端部の一方を通って前記スクリーンに流れように配置されており、
ほぼ円筒形状で前記スクリーンより大きい径であり、該スクリーンが内部に配置された、前記破片収集チャンバに接続されているスクリーンチャンバと、
該スクリーンチャンバに接続されている出口ポートと、
が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記開口端部の一方を通って流れることなく前記入口ポートと前記スクリーンチャンバとの間に流体の流れを向けるバイパス手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記入口ポートと前記スクリーンチャンバは、ほぼ直角をなして配置されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記出口ポートと前記スクリーンチャンバは、ほぼ直角をなして配置されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
流体は前記スクリーンを通って半径外方向に流れ、前記バイパス手段は、流体の流れを前記入口ポートから下方に、かつ半径内方向に向けて前記スクリーンチャンバに流すことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
流体は前記スクリーンを通ってほぼ半径外方向に流れ、前記バイパス手段は流体の流れを前記入口ポートから半径内方向に前記スクリーンチャンバに流し、前記破片収集チャンバの方向に向けることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記破片収集チャンバは、前記スクリーンチャンバの下側に配置されて、前記スクリーンチャンバと流体連通しており、前記流体からフィルタリングされた破片が重力によって前記破片収集チャンバの方向に引っ張られることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記バイパス手段からの流体の流れは前記スクリーンから粒子を取り除き、破片を前記破片収集チャンバの方向に動かすことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
破片収集チャンバを形成するボビンと、
前記破片収集チャンバに近接して前記ボビンのまわりにらせん状に巻かれており、インダクタンスが前記収集チャンバ内の前記粒子堆積に応答するようになっている第１コイルと、
前記ボビンのまわりにらせん状に巻かれている基準コイルと、
前記第１および基準コイルに接続されており、振動波形で前記コイルを励磁するようになっているオシレータと、
を含む装置を作動して流体内の粒子を検出するための方法において、
振動波形を高周波数で作り出し、前記鉄及び非鉄金属粒子堆積内に渦電流を誘導し、
低周波数で振動波形を作り出し、前記鉄金属粒子堆積の関数として前記励磁されたコイルの前記磁気回路の透磁性を増大させる、
段階からなる方法。
【請求項１７】
高周波数で前記第１コイルを励磁し、前記振動波形の結果として得られる周波数を求め、この後、
高周波数で前記基準コイルを励磁し、前記振動波形の結果として得られる周波数を求め、
これに応答して、前記収集チャンバ内の前記鉄及び非鉄金属粒子の粒子堆積量を求める、
段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
低周波数で前記第１コイルを励磁し、前記振動波形の結果として得られる周波数を求め、この後、
低周波数で前記基準コイルを励磁し、前記振動波形の結果として得られる周波数を求め、
これに応答して前記収集チャンバ内における前記鉄金属粒子の粒子堆積量を求める、
段階を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記鉄及び非鉄金属粒子堆積総量から前記鉄金属粒子堆積総量を引いて前記非鉄金属粒子の粒子堆積量を求める段階を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的に流体システムにおける一要素に関する。より詳細には、本発明は、流体内の鉄及び非鉄金属粒子を検出するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧システムは多くの作業用機械に重要であり、部品が故障する場合には、多額の費用がかかることを意味する。故障を早期に検出すれば修復費用は最低にできる。しかしながら、不運な故障が発生すると、この故障によって生じた大量の粒子が油圧システムに入り、多くの別の部品に対して損失を与えることになる。幸いなことに、どれか一つの部品が完全に故障する前に、１つか２つ以上の部品が徐々に壊されることが多い。この破壊は検出でき、まわりの部品に対してさらに損失が生じる前に修正作用を行なうことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
過去において流体内の金属粒子を検出するために様々な異なる方法があった。このようなシステムの一つが、米国特許第４、２１９、８０５号に記載されている。このシステムは、流体媒体に含まれている鉄金属粒子を捕らえて、相当量の個々の鉄金属粒子と、所定の時間内に堆積されたこの粒子の全量を表す。しかしながら、このシステムでは、例えば銅、真鍮、または非磁気ステンレス鋼のような非鉄金属粒子とは対照的なものとしての鉄金属粒子、例えば鉄の検出に制限される。
本発明は、上述の一つか二つ以上の問題を解決する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様において、流体内の粒子を検出する装置が開示されている。ボビンは、破片収集チャンバを形成する。第１コイルが破片収集チャンバに極めて近接してボビンのまわりにらせん状に巻かれており、この第１コイルのインダクタンスは、収集チャンバ内の粒子堆積に応答する。基準コイルがボビンのまわりにらせん状に巻かれており流体の温度変化を補償する。オシレータが第１及び基準コイルに接続されており、粒子内に渦電流を誘導する周波数において振動波形でコイルを選択的に励磁するようになっている。振動波形の周波数は鉄及び非鉄金属粒子の双方の堆積量を表す。
【０００５】
【実施例】
図１を参照すると、流体から破片をフィルタリングし、破片の堆積を表す装置が全体的に符号１０で示されている。入口ポート１２が油圧流体ラインに接続されるようになっており、流体を入口チャンバ１４に向ける。この入口チャンバ１４は円筒形であり、スクリーン１６に対してほぼ直角をなして配置されているのが好ましい。しかしながら、入口チャンバ１４とスクリーン１６の正確な角度の関係は重要ではない。
この好ましい実施例において、スクリーン１６は円筒形であり、入口チャンバ１４とほぼ同じ径である。スクリーン１６はステンレス鋼からなる“４０”メッシュスクリーンであり、このスクリーン１６によって形成されたシリンダは、各端部１８、２０において開口している。この特定のスクリーンは必須ではないが該スクリーンは非磁性材料から形成され、殆どの粒子を捕らえるが、かといって流れを大幅に制限することがないメッシュサイズを有するのが好ましい。流体は、入口チャンバ１４から上部開口１８を通ってスクリーン１６によって形成されているシリンダ内を下方に自由に流れる。スクリーン１６は、このスクリーン１６よりもわずかに大きい径のスクリーンチャンバ２２内で同軸に延びているのが好ましい。
【０００６】
当業者であればわかるように、スクリーンチャンバ２２がスクリーン１６より大きい程度は、流体の流れを制限しないほどのものでなければならない。スクリーンチャンバ２２は、流体をスクリーン１６からスクリーンチャンバ２２に流して、装置１０から出すようになっている出口ポート２４に接続されている。このように、スクリーン１６によって形成されたシリンダの上部に入る流体は、スクリーン１６を通って半径方向外方向にスクリーンチャンバ２２を通るときフィルタリングされる。フィルタリングされた流体は出口ポート２４を介して装置１０から出る。
バイパスポート２６が入口ポート及び入口チャンバ１２、１４とスクリーンチャンバ２２との間にのびている。図示しているように、バイパスポート２６は、スクリーン１６に向かって下方に半径内側方向に延びているのが好ましい。この配置により、流体はスクリーンから出る流体の流れとは反対の方向に流れる。これは、スクリーン１６内に溜まり始めた破片のいくらかを取り除き、この破片を底部開口２０に向かって下方に動かすように働く。流体が低温のためにより粘性になるときに、バイパスポート２６は、また付加的な流れ通路を形成する。粘性が高くなるにつれて、入口ラインにかかる背圧量も増加する。何故ならば、オイルがスクリーン１６を流れにくくなるからである。このために、バイパスポート２６は、外部ケースドレンを有するポンプの不運な故障を引き起こす原因となる背圧のいくらかを軽減するのに役立つ。
【０００７】
スクリーン点検およびセンサーポート２７が、スクリーンを視覚で検査し、プローブとセンサーを診断の目的のために装置１０に接続できるように設けられている。例えば、温度または圧力センサーを油圧システムの診断のためにこのポートに接続してもよい。同様に、オイルのサンプルをスクリーン点検及びセンサーポート２７に通過させてもよい。スクリーン１６は、またこのポートを介して視覚で点検されて、スクリーンがつまっている程度を判定することができる。
スクリーン１６によって形成されるシリンダの底部開口２０は、破片収集チャンバ２８に延びる開口の上方に配置されている。従って、スクリーン１６によって捕らえられた破片が、重力とバイパスポート２６によって発生した流れとによって、破片収集チャンバ２８に向かって下方に引っ張られる。破片収集チャンバ２８はセンサーハウジング３０に形成されている。センサーハウジング３０は円筒形であるのが好ましい。好ましい実施例において、破片センサー３２は破片収集チャンバ２８に近接して配置されており、破片があるかどうかを検出する。即ち鉄金属粒子及び非鉄金属粒子の双方を検出する。
図２を参照すると、センサーハウジング３０の断面図が示されている。この図において、破片センサー３２が、プラスチックリボン３８のまわりにらせん状に巻かれた２つの自己誘導コイル３４、３６を含んでいる。リボン３８は、収集チャンバ２８を含むボアを形成する。第１コイル３４は、収集チャンバ２８のまわりのリボン３８上に巻かれており、一方基準コイル３６は収集チャンバ２８の下側のリボン３８上に巻かれている。収集チャンバ２８の底部は参照符号３９によって示す。
【０００８】
第１コイル３４のインダクタンスは、後に述べるように収集チャンバ２８内の粒子堆積に応答する。基準コイル３６は、流体のいかなる温度変動をも補償するのに用いられる。従って、基準コイル３６のインダクタンスは、キャビティ内の粒子の存在を判定するための基準として用いられる。好ましい実施例において、第１および第２コイル３４、３６は同一であり、＃３０の誘導ワイヤを２００回巻いて構成されている。
２コイル破片センサー３２に組み合わされている電子回路４０が、ハウジング３０の底部に置かれている回路ボード４２上に配置されている。電子回路４０については図３により詳細に述べる。図３に示した回路は例であり、この回路、または同種の回路の設計と構造方式は本分野の当業者により知られている。
オシレータ４４は、振動波形を作り出す。振動波形の周波数は、並列な共振回路に依存する。この共振回路の一つは、第１コイル３４とキャパシタ（図示せず）によって形成されており、別の共振回路は、第２コイル３６（キャパシタを備えた）によって形成されている。マルチプレクサ４６は、一つの共振回路のみ即ちコイルのみを与えられた時間で励磁できる。オシレータ４４に高周波数、例えば約３００キロヘルツで振動波形を作り出させるように各共振回路部品の値を選択するのが好ましい。しかしながら、コイル３４、３６の自己インダクタンスが変化すると、振動波形の周波数も変わる。
【０００９】
例えば、金属粒子が収集チャンバ２８に入ると、公知の理論に従って励磁された第１コイル３４は粒子内に渦電流を誘起する。渦電流は、とりわけ材料の導電性の関数である。従って、金属粒子が収集チャンバ２８内に入ると、粒子内の渦電流によって第１コイル３４の有効インダクタンスが減少する。従って、オシレータ４４は、高くなった周波数で振動波形を作り出す。渦電流は、材料の導電性の関数なので、粒子の大きさが大きくなるにつれ、または粒子の堆積量が増えるにつれ、振動波形の周波数変化も大きくなる。
好都合なことには、本発明は、鉄と非鉄金属粒子の双方があることを検出するのに特に適している。公知のように、渦電流の原則は鉄及び非鉄金属粒子の双方に適用できる。さらに、第１コイル３４は、このような高周波数で励磁されるので、渦電流誘導効果は、鉄磁気粒子の堆積のために第１コイルの磁気回路の透磁率が大きくなることによって発生する如何なる鉄磁気誘導効果よりも優る。従って、振動波形の周波数における変化は鉄及び非鉄金属粒子の双方における渦電流誘導効果のためにおきる。
カウンタ４８が振動波形に対応したパルス数を記録し、これに応答して制御信号を発生する。制御信号は、コイル３４、３６の励磁を制御し、同時に収集チャンバ２８における粒子堆積の量に関する情報を提供する。例えば、制御信号によってマルチプレクサが一つのコイルを選択し励磁を開始する一方、カウンタ４８は振動波形に対応するパルス数を記憶する。パルス数が所定の数に達すると、カウンタ４８が制御信号の“状態”を変更し、マルチプレクサ４６に別のコイルを選択させて励磁を開始する。従って、カウンタ４８は別のコイルに対応する振動波形のパルス数を記録する。このシーケンスは図４のタイミングダイヤグラムによってよりわかりやすく示されている。
【００１０】
制御信号は連続したパルス幅変調信号であり、“高”パルスレベルの長さは励磁される一つのコイル、例えば第１コイル３４に対応し、“低”パルスレベルの長さは、励磁される別のコイル、例えば基準コイル３６に対応する。このようにして、“高”パルスレベルは、第１コイル３４の周波数に応答して、金属粒子の堆積量（及び流体温度）を表し、“低”パルスレベルは基準レベルコイル３６の周波数に応答して、流体温度のみを表す。
マイクロプロセッサ５０は制御信号を受信し、制御信号のデューティ比を求めて、収集チャンバ２８内の粒子堆積を表すパルス幅変調波形を有する検出信号を発する。
図３に見られるように、マイクロプロセッサは、検出信号を電子モニターシステム５２に送信する。電子モニターシステム５２は、検出信号のデューティサイクルが所定の値以上であることに応答して車両のオペレータに警告信号を送る。電子モニターシステム５２は、視覚警告信号を送るためのＬＥＤ５４、または聴覚警告信号を送るためのホーン５６を含んでいればよい。例えば、警告信号は検出信号が所定の値よりも大きいことに応答して警告信号が与えられる。さらに、マイクロプロセッサ５０は、粒子の堆積割合（動向）を求めることができる。動向データは公知のサービスツールによってアクセスされて、診断及び予知情報をダウンロードするようになっている。同様に、動向データは、公知のＲＦ通信リンクによって遠隔地に送られてもよい。
【００１１】
本発明の別の実施例において、２コイル破片センサー２３を鉄及び非鉄金属粒子の全堆積量、鉄金属粒子のみの全堆積量と非鉄金属粒子のみの全堆積量を求めるのに用いてもよい。オシレータ４４は、高周波数と低周波数の２つの異なる周波数で振動波形を作り出すように構成することが好ましい。例えば、電子スイッチを設けて共振回路のキャパシタンスを増大させるようにすることができる。この場合には、一つの設定においては、共振回路は、例えば３００キロヘルツの高周波数で振動波形が発生するように構成される。別の設定においては、共振回路は、例えば３０キロヘルツの低周波数で振動波形が発生するように構成される。本分野において公知のように、共振回路のキャパシタンスを増大させることによって低周波数の設定値を作り出してもよい。共振回路のキャパシタンスを増大させる一つの方法は、存在するキャパシタと並列に別のキャパシタを加えることによって得られる。従って、電子スイッチは、回路の付加されたキャパシタを“接”または“断”に単に“切り替える”だけでよい。
高周波数の振動の結果は上述に記載した通りである。しかしながら、低周波数の振動は異なる現象を結果として起こす。例えば、鉄金属粒子が収集チャンバ２８内に入ると、電磁回路の透磁性が増大するために励磁された第１のコイル３４のインダクタンスが増大する。このためにオシレータ４４は、インダクタンスの増大のために低い周波数で振動波形を作り出すことになる。当業者にとって公知のように、鉄磁気誘導効果は、第１のコイル３４がこのような低周波数で励磁されるためにいかなる渦電流誘導効果にもまさる。
【００１２】
このように、高周波数で振動波形を形成することによって、マイクロプロセッサ５０は鉄及び非鉄金属粒子の双方の全粒子堆積を求めることができる。あるいは、低周波数で振動波形を作り出すことによって、マイクロプロセッサ５０は鉄金属粒子のみの堆積を求めることができる。このようにマイクロプロセッサ５０は、非鉄金属粒子の堆積量を求めるために全粒子の堆積量から鉄粒子堆積量を引くことのみ必要とする。
このように、本発明は、上述の好ましい実施例に関して詳細に示されているように、様々な別の実施例を本発明の精神と範囲から逸脱することなく適応できることがわかる。
作動時において、本発明は、油圧流体または別の種類の潤滑流体から破片をフィルタリングし、鉄及び非鉄金属粒子の双方の堆積を検出するのに用いられる。油圧流体及びモータのような部品が摩耗するにつれて、鉄及び非鉄金属粒子の小さい粒子が流体内で浮遊しはじめる。油圧システム内の一つの部品が過度に摩耗し始めたり、または故障し始めると、オイル内に浮遊した粒子量は実質的に増大する。同様に、破片収集チャンバ内の粒子量は実質的に増大する。
【００１３】
破片センサーによって発信された電気信号によってインジケータのライトがオペレータ室内において点灯してすぐにも起きる可能性のある故障を知らせる。さらに、破片センサーは、流体内の破片の程度と種類を判定し、故障を診断したり予測するのに用いることができる。例えば、動向データがマイクロプロセッサ内に記録され、後にサービスツールにダウンロードされるようになっている。
本発明の他の態様、目的及び利点は、図面、発明の開示及び請求の範囲を研究することによって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】流体内の破片をフィルタリングするための装置と、このような破片を検出するための装置を含むハウジングの概略図である。
【図２】２つの自己誘導コイルを含む破片検出装置の部分断面図である。
【図３】２つのコイル粒子検出装置に組み合わされた電子回路のブロック線図である。
【図４】電子回路に組み合わされた制御信号のタイミング線図である。
【符号】
１０  破片フィルタリング装置
１２  入口ポート
１４  入口チャンバ
１６  スクリーン
１８、２０  端部
２２  スクリーンチャンバ
２４  出口ポート
２６  バイパスポート
２７  点検及びセンサーポート
２８  破片収集チャンバ
３０  センサーハウジング
３４、３６  自己誘導コイル
３８  リボン
４０  電子回路
４２  回路ボード
４４  オシレータ
４８  カウンタ
５２  モニターシステム
【図１】
0003678503.tif 000002
【図２】
0003678503.tif 000003
【図３】
0003678503.tif 000004
【図４】
0003678503.tif 000005