(57)【要約】  加工物の中心が穴の中心軸と共通軸になるように円筒穴内の加工物の精密な心出しをするための方法とシステム。円筒穴内でアーバーを用いて、中心軸の位置を検出し、計算する。加工物のポジションも検出されて中心軸と位置合わせできる。コンピューター・システムを用いて、計算を行って、加工物と中心軸の位置合わせの表示を行う。中心軸と加工物のポジションが位置決定システムを介して見いだされている。位置決定システムは電気機械的及び光学的ポジション検出システムを組込んでいる。例えば、複数の光伝送器と受信器を用いてポジション決定に用いられる光のビームを発生し、伝送する。その方法は特にフリー・ピストン・マシンに特にフリー・ピストン・クーラーに用途を有する。
2007533471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボディ内の円筒形の穴の中心軸上で加工物の心出しをするための方法で、その加工物がロッドを含み、
（ａ）穴の端部に、その円筒形の穴の中をはめ合い状態でスライド可能な円筒形の外面を有するアーバーを挿入すること、そのアーバーは中心軸と同軸になるそのアーバーの端部から突出している対称的な基準ピンを有すること、
（ｂ）中心軸を横切る平面内の基準ピンのポジションを検出すること、及び、ピンのポジション・データをコンピューター・システムに伝送すること、
（ｃ）ピンのポジション・データから基準ピンの中心を計算すること及びその基準ピンの中心を穴の軸ターゲットとして表示すること、
（ｄ）穴からアーバーを取外すこと、そして、穴の端部から突出したロッドを付けた加工物を穴の中に挿入すること、
（ｅ）中心軸を横切る平面内でロッドのポジションを検出すること、及び、ロッドのポジション・データをコンピューター・システムに伝送すること、
（ｆ）ロッドのポジション・データからロッドの中心を計算すること、及び、ロッドの中心をロッド・ターゲットとして表示すること、
（ｇ）ロッド・ターゲットが実質的に穴の軸ターゲットと一致するようにロッドのポジションを調節すること、
から成っている方法。
【請求項２】
基準ピンのポジションとロッドのポジションが電気機械的に検出されることを特徴とする請求項１に基づく方法。
【請求項３】
基準ピンのポジションとロッドのポジションが光学的に検出されることを特徴とする請求項１に基づく方法。
【請求項４】
ポジションの検出が、複数の光伝送器のそれぞれから中心軸を横切って協調する光受信器への光ビームを発生し、かつ、伝送することから成っていて、その基準ピンとロッドがその対向する受信器に影を投影し、中心軸に対する基準ピン又はロッドの位置を表示させることを特徴とする請求項３に基づく方法。
【請求項５】
光ビームが２対の協調している光伝送器と光受信器の間で中心軸を直交的に横切って伝送されることを特徴とする請求項４の方法。
【請求項６】
光伝送器が光ビームを発生するために発光ダイオードを組込み、光受信器が電荷結合素子であることを特徴とする請求項４の方法。
【請求項７】
穴がフリー・ピストン・マシンの穴であり、加工物がフリー・ピストン・マシンのコネクティング・ロッドであり、又、ディスプレーサーがコネクティング・ロッドの遠方側端部に位置していて、実質的に穴の中でコネクティング・ロッドの遠方側端部の中心になっていることを特徴とする請求項１に基づく方法。
【請求項８】
ボディ内の円筒形の穴の中心軸上に加工物の心出しをするための加工物位置決めシステムで、その加工物がロッドを含み、
（ａ）アーバーが円筒形の穴の中ではめ合い状態でスライドする寸法の円筒形外面を有すること、そのアーバーがスリーブ内に挿入するためにアーバーの端部から突出した対称的な基準ピンを有すること、
（ｂ）穴の中の基準ピンの位置を特定して、かつ、ピン位置の信号を発生するための、又、穴の中に挿入されたときのロッドの位置を決定し、ロッドのポジション信号を発生するための位置決定システム、
（ｃ）ピンのポジション信号とロッドのポジション信号を受信し、ピンのポジション信号から穴の中心を計算し、ロッドのポジション信号からロッドの中心の位置を計算し、かつ、穴の中心とロッドの中心の位置が実質的に一致したときに表示するためのコンピューター・システム
から成るシステム。
【請求項９】
位置決定システムが、基準ピンのポジションとロッドのポジションを機械的に検出して、ポジションを代表する電気信号を発生するための少なくとも１個のポジション伝送器を含むことを特徴とする請求項８に基づくシステム。
【請求項１０】
位置決定システムが複数のポジション検出器を含み、各ポジション検出器が協調する光受信器から間隔を置いて光伝送器を有して、その対向する光受信器に中心軸を横切る光ビームを伝送すること、そのポジション検出器が軸の回りに角度的に間隔を設けて、基準ピン又はロッドが光路を干渉するとき、影が対向する受信器に投影されて、基準ピン又はロッドの中心軸に対する位置を表示することを特徴とする請求項８に基づくシステム。
【請求項１１】
第一の光伝送器、第二の光伝送器、第一の光伝送器と協調し、対向している第一の光受信器、第二の光受信器に協調し、対向している第二の光受信器を有すること、第一の光伝送器が第二の光伝送器が発生し、伝送する光ビームに直交していて、中心軸を横切る光ビームを発生し、伝送すること、を特徴とする請求項１０に基づくシステム。
【請求項１２】
光伝送器が光ビームを発生するために発光ダイオードを組込み、光受信器が電荷結合素子であることを特徴とする請求項１０のシステム。
【請求項１３】
穴がフリー・ピストン・マシンの穴であり、加工物がフリー・ピストン・マシンのコネクティング・ロッドであり、デスプレーサーがそのコネクティング・ロッドの遠方側端部に位置していて、穴の中のコネクティング・ロッドの遠方側端部の実質的中心であることを特徴とする請求項８に基づくシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機器の位置決めシステムの分野に関する。より特定すれば円筒形の穴の中心軸に加工物を精密に位置決めするための方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
精密公差を有する機械を製造し、組立てる種々の産業で、往復運動用部品と静止要素の間で精密な位置合わせをすることの重要性を認識されている。そのような位置合わせの重要性は円筒形の穴の中で往復運動をするピストン（ｐｉｓｔｏｎ）の広く適用される例を用いて説明しうる。最も単純な例は円筒形の穴の中を自由に往復運動をするピストンであり、穴の中の往復路は穴以外の何者によっても制限されない。そのようなピストンの動きが円筒形の穴の周辺の壁により案内されているので位置合わせの必要がない。
【０００３】
しかしながら、そのようなピストンは中心を通る軸方向の穴も有していて、その穴を通過する軸方向に位置合わせされたロッド（ｒｏｄ）上をスライド（ｓｌｉｄｅ）する場合、往復運動の通路は円筒形の穴の壁とロッドの両方により決定される。それゆえ、ピストンがその上をスライドしているロッドがその円筒形の穴の中心軸との位置合わせから十分に外れている場合、ピストンのストローク（ｓｔｒｏｋｅ）の間のある位置で、ロッドが中心軸から半径方向に外れる。その隙間はストロークの全長に亘って一定ですべきであるが、存在しなくなり、過度の接触を生じうる。そのような接触は多くの場合機器にとって大きな損傷を生じ、修理不能で無いとしても、修理が極端に困難になる。さらに、そのような接触は多くの場合種々の要素で摩耗を生じ、それにより機械の効率が低くなるか、故障を生じる。
【０００４】
過去に、そのような要素の心出しは手作業で行われた。人的エラー（ｅｒｒｏｒ）は手動計測機器によりエラーと組合わされて、今日の公差で求められている精度に達しなかった。さらに、特に熟練した技術者にとっても、そのような手動の決定が困難であり、時間がかかる。さらに、多くの場合、その位置合わせは純粋に機械装置で実現するよりも高い精度で実施する必要がある。
【０００５】
ごく最近、半自動の心出し装置が開発されているが、それらは全体として多数のゲージ（ｇａｇｅｓ）とメーター（ｍｅｔｅｒｓ）及びインジケーター（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）が含まれ、注意深く穴に取付ける必要があり、多くの場合、極端に鋭敏である。さらに、多くの場合、そのようなゲージ、メーター、インジケーターをその機能を果すために穴の中に伸ばす必要があり、使用、調節、読取りを困難にする。先進的な光学的位置合わせシステムが存在するが、それらは多くの場合精密な光学機器で光の事前に決定されたパターン（ｐａｔｔｅｒｎ）作成を必要とし、多くの場合、極端に鋭敏であるか、高価すぎる。
【０００６】
円筒形の穴の中で往復運動要素の精密な心出しをすることは、多くの場合、フリー・ピストン・マシン（ｆｒｅｅ  ｐｉｓｔｏｎ  ｎａｃｈｉｎｅ）の分野、特にスターリング（Ｓｔａｒｌｉｎｇ）エンジン及びクーラー（ｃｏｏｌｅｒ）のようなスターリング装置の分野で遭遇する。そのような装置の効率は静止要素と往復運動要素の間に存在する公差に依存する。事実、そのような要素間の半径方向の公差は多くの場合１２から１３ミクロンである。
【０００７】
そのような精密公差で運転するフリー・ピストン・クーラーは一般的にリニア（ｌｉｎｅａｒ）気体軸受が組込まれ、さらに、往復運動要素上にフッ素重合体のような特別設計の表面コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）が組込まれている。リニア気体軸受上のラジアル荷重は往復運動要素のストロークを通じて一定の公差を維持することにより、最小化されている。フリー・ピストン・マシンのストロークを通じて一定の公差を維持するために、ピストン内の穴をロッドが通過し、そのロッドがディスプレーサー・ロッド（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ  ｒｏｄ）のようにそれに沿ってピストンがスライドし、穴の中で完全に心出しされていなければならない。ディスプレーサー・ロッドが完全に心出しされていないとき、ストローク中のある地点でピストンの側壁が穴の壁に接近し、それにより、希望の隙間より接近してラジアル・ベアリングの荷重が高くなる。ディスプレーサー・ロッドの僅かな位置のずれだけでピストンと穴の接触を生じる。それゆえ、ディスプレーサー・ロッドの位置のずれがベアリング寿命を短くし、さらに、フリー・ピストン・マシンの種々の要素に異常な摩耗を生じる。
【０００８】
従って、経済的で、携帯型で、未熟練作業者でも使用しやすい精密な心出しの方法とシステムが必要になっている。従来装置の一部が心出しシステムの現状を改善するように試みているけれども、本発明の有効な特性を実現できないでいた。これらの可能性を考慮に入れて、本発明は従来技術の欠点の多くに対応して、従来入手できなかった有意な利点を提供している。
【特許文献１】米国特許第５，５２５，８４５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、加工物の中心が円筒形の穴の中心軸と同軸になるように円筒形の穴の中の加工物が正確に中心になる能力を多くの産業が求めていることを認識している。これは、加工物が円筒形の穴の中で往復運動をする場合に特に該当する。
【００１０】
本発明は、加工物の中心が本質的に穴の中心軸と同軸になっているように、円筒形の穴の中の加工物を精密に心出しをすることを目指している。その方法はまず穴の中心軸の位置を検出し、かつ、計算する。次ぎにその加工物のポジションを検出し、計算して、正確に決定された中心軸と位置合わせができるようにする。円筒形の穴の中に精密にはめ合うアーバー（ａｒｂｏｒ）が中心軸の位置を決定するのに用いられる。そのアーバーはそのアーバー上に心出しされている一端から伸びている基準ピンを有している。中心軸の位置を決定するために検出されるのがこの基準ピンの位置である。
【００１１】
中心軸が決定されると、アーバーが円筒形の穴から除去され、加工物が穴の中に挿入される。次ぎに、加工物の位置が検出され、又、加工物の中心が計算される。加工物の中心が中心軸の位置と比較され、加工物の中心と中心軸が本質的に一致するまで加工物の位置が調節される。
【００１２】
コンピューター・システムは基準ピンと加工物の位置を代表するデータを受取り、それぞれの中心を計算する。これらの中心は穴の軸のターゲット（ｔａｒｇｅｔ）とロッドのターゲットとして参照される。ターゲットはコンピューター・ディスプレーに視覚的に表示されるか又は単にコンピューター・システムのメモリー（ｍｅｍｏｒｙ）の記憶内容に組込まれる。ターゲットの表示とは無関係に、加工物の最新のポジション及び加工物の最終的な希望ポジションの表示になる。個別の又は自動化されたシステムが位置情報を評価し、希望の位置を得るために、加工物の位置を補正する。
【００１３】
基準ピンと加工物のポジションが位置決定システムを介して見いだされる。位置検出システムには多くのポジション検出技術が組込まれている。それには、電子機械的システムと光学システムが含まれるが、それらに限定されない。例えば、機械的ポジション・トランスジューサー（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を使用して位置を検出し、そのポジション・データを代表する電気信号を発生して、コンピューター・システムに伝送する。代わりに、複数の光伝送器と光受信器を用いて、中心軸を横切る複数の光伝送器のそれぞれからの光ビーム（ｂｅａｍ）を発生し、協調する光受信器に伝送する。基準ピン又は加工物が各光伝送器から協調する光受信器への光ビームの伝送と干渉し、対向する光受信器に影を投影することになる。光受信器上のこれらの影の位置は基準ピンと加工物の位置表示になる。
【００１４】
現在参照している図面と略図は添付請求項に基づく本発明の範囲を限定するものではない。
【００１５】
さらに、種々の略図と図面の中で、以下の参照用の記号と文字を、いくつかの略図と図面に関連させてここで述べる種々の要素を特定するために用いている：ＣＸ、ＬＢ、Ｍｄ、Ｍｐ、及びＱ。
【００１６】
図面と関連して以下に示す詳細な説明は本発明の現状での好ましい実施例を説明することだけを意図していて、本発明を構成し、又は使用する唯一の形を示すことを意図してはいない。説明は、本発明を実施するための設計、機能、手段、方法を例示した実施例と関連して示している。しかしながら、同一又は同等の機能及び特徴が、本発明の精神と範囲内に含まれることも意図している種々の実施例により実現しうることを理解すべきである。
【実施例１】
【００１７】
現在、図１から図５までを一般的に参照すると、本発明の基本原理を多くの好ましい構成のひとつで示していて、本発明の方法とシステムがボディ（ｂｏｄｙ）１００の中の円筒形の穴１１０の中心軸ＣＸ上にロッド２１０を有する加工物２００の心出しを正確に行うことを目指している。方法には、第一に穴１１０の中心軸ＣＸの位置を検出すること、及び、第二にロッド２１０のポジションを検出すること及び中心軸ＣＸとロッド２１０の中心の心出しをすること、の２段階のステップが含まれる。
【００１８】
穴１１０の中心軸ＣＸの位置を決定することで、アーバー３００を穴１１０の手前側端部１１４内に挿入する。アーバー３００の直径が穴１１０の直径より僅かに小さいので、アーバー３００の円筒形外面３１０がはめ合いとして円筒形の穴１００内をスライドして、穴の内面１１２と接触している。アーバー３００はそのアーバー３００の端部から突出している対称的な基準ピン３２０を有している。円筒形の穴１００とアーバー３００の精密な機械加工が、基準ピン３２０の中心が穴１１０の中心軸ＣＸと同軸になるようにしている。穴１１０が手前側端部１１４と遠方側端部１１６を有している。その手前側端部１１４が本発明の適用中に開いていて、又、遠方側端部１１６が閉じている。さらに、穴１１０は手前側端部１１４から遠方側端部１１６まで一定な直径１１８を有している。又は、図１、図２、図４に示すように、穴１１０が直径の異なるいくつかの断面を有している。図２に示すように、その方法は一般的にアーバー３００と基準ピン３２０を用いて、アーバー３００が穴１１０に挿入されたとき、基準ピン３２０が穴１１０の手前側端部１１４を越えて伸びて基準ピン３２０の位置を検出するのが単純化されるように構成されている。しかしながら、これは必要がない。基準ピン３２０がアーバー３００の基準面になる。
【００１９】
次ぎに、中心軸ＣＸを横断する平面内の基準ピン３２０のポジションを検出し、かつ、ピンのポジション・データがコンピュータ・システム４００に伝送される。基準ピン３２０のポジションが位置決定システム５００を介して見いだされる。位置決定システム５００がいくつかの方法で基準ピン３２０の位置を検出していて、その方法は電気機械的及び光学的を含むが、それに限定されていない。
【００２０】
例えば、機械的ポジション・トランスジューサーを用いて、基準ピン３２０の位置を検出し、又、コンピュータ・システム４００に伝送するピンのポジション・データを代表する電気信号を発生する。そのような機械的ポジション・トランスジューサーは接触形トランスジューサーであり、それにより、センサーは基準ピン３２０と物理的接触をしていて、又、例えばその信号は交流又は直流の電圧又は電流（４−２０ｍＡ）アナログ処理をするか、又はデジタルのデータ信号を処理する。
【００２１】
代わりに、かつ、好ましくは、位置決定システム５００は光学系になる。光学的位置決定システム５００は、中心軸ＣＸを横切る複数の光伝送器のそれぞれからの光ビームを協調する光受信器に伝送する。基準ピン３２０又はロッド２１０は後で述べるように、各光伝送器から協調する光受信器への光ビームの伝送に干渉し、光受信器に投影される影を生じる。光受信器上の影の位置は基準ピン３２０の位置を表示する。一般に複数の光ビームを光伝送器から光受信器に基準ピン３２０の位置を検出するために、円筒形の穴１１０の両側に事前に決定された間隔を設けて伝送する。ひとつの特別な実施例で、一対の協調している光伝送器と光受信器はお互いに直交していて、中心軸を横切る２本の光ビームを発生して伝送するために用いられる。光学的位置決定システム５００のひとつの特別な実施例は、フリー・ピストン・クーラーのディスプレーサー・ロッドの光学的心出しを特別に参照して、後でここに詳細に論じている。さらに、いくつかの各種タイプの光伝送器と光受信器のいずれかを本発明で使用しうる。一実施例では、光伝送器は光ビームを生じるために発光ダイオードを組込んでいて、又、電荷結合素子を有する光受信器が用いられる。
【００２２】
コンピューター・システム４００が位置決定システム５００から信号を受信し、ピンのポジション・データから基準ピン３２０の中心を計算する。次ぎにコンピューター・システム４００が基準ピン３２０の中心を表示する。言い換えると、穴１１０の中心軸ＣＸが図３のコンピューター・ディスプレー４１０に表示されたように、穴の軸ターゲット４１４として、表示される。コンピューター・システム４００は、いくつかの方法で、穴の軸ターゲット４１４を表示する。例えば、穴の軸ターゲット４１４はコンピューター・ディスプレー４１０上の十字線として、又は、ドット（ｄｏｔ）として視覚的に表示しうる。代わりに、穴の軸ターゲット４１４はコンピューター・システム４００のメモリー（ｍｅｍｏｒｙ）内に座標のような記憶されたデータとしてのみ存在する。又は、座標を計数的に表示する。コンピューター・システム４００は一般的にラップトップ・コンピューター（ｌａｐｔｏｐ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ）又は伝統的な中央処理装置としてここで論じられ、示されているけれども、この方法ではごく僅かな計算能力のみを必要とするだけなので、コンピューター・システム４００は事実上任意の処理プラットフォームで良い。例えば、コンピューター・システム４００は生産ライン（ｌｉｎｅ）で使用しやすいように携帯用のプログラマブル・ロジック・コントローラー（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）内に便利に包装されている。
【００２３】
次ぎにアーバー３００は穴１１０から取外し、図４に示すように、加工物２００を穴１１０の中に挿入する。加工物のロッド２１０の手前側端部２１２が全体として穴１１０の手前側端部１１４から伸びているが、それは必要ではない。ロッドの遠方側端部２１４が、この特定の実施例にこの方法を適用する際に穴１１０の遠方側端部１１６上に置かれる。次ぎに、中心軸ＣＸを横切る平面内のロッド２１０のポジションが検出され、好ましくは、アーバー・ピンのポジションが検出されたのと同じ方法で検出される。そして、ロッドのポジション・データがコンピューター・システム４００に伝送される。もちろん、ロッドの同軸延長部のような他の基準面がロッド上に正確に位置付けされている場合、ロッド自体を直接検出することは必要がない。
【００２４】
次ぎにコンピューター・システム４００がロッドのポジション・データからロッド２１０の中心を計算し、又、ロッド・ターゲット４１２としてロッドの中心を表示する。穴の軸ターゲット４１４を参照して以前に論じたように、コンピューター・システム４００は上記のように、いくつかの方法でロッド・ターゲット４１２を表示しうる。例えば、ロッド・ターゲット４１２は、コンピューター・ディスプレー４１０上に十字線又はドットとして視覚的に表示しうる。図５のコンピューター・ディスプレー４１０には、事前決定された穴の軸ターゲット４１４とロッド・ターゲット４１２の両方を同じコンピューター・ディスプレー４１０に示している。図５のロッド・ターゲット４１２は穴の軸ターゲット４１４と位置合わせされていない。それゆえ、中心軸ＣＸ上には無い。
【００２５】
最後になるが、ロッド２１０のポジションが調節されて、ロッド・ターゲット４１２を本質的に穴の軸ターゲット４１４と一致させて、ロッド２１０が中心軸ＣＸと位置合わせされていることを示す。このロッド２１０のポジションを調節するステップは、手操作で実現できる。又は、自動化しうる。多くの用途で、ロッド２１０のポジションを調節するのに必要な度数は非常に小さく、微細な校正をする機器を必要としている。
【００２６】
図５に示すように、穴の軸ターゲット４１４とロッド・ターゲット４１２がコンピューター・ディスプレー４１０に実際に表示される実施例では、作業者は中心軸ＣＸのポジションに対するロッド２１０の位置を、又は、穴の軸ターゲット４１４を視覚的に特定する。そして、ロッド・ターゲット４１２と穴の軸ターゲット４１４が実質的に一致するまで、それに応じて、ロッド２１０の位置を調節する。代わりに、ロッド・ターゲット４１２と穴の軸ターゲット４１４がコンピューター・システム４００のメモリー内に記憶されたデータとしてのみ存在する実施例では、コンピューター・ソフトウエアが、ターゲット４１２、４１４を作業者が実質的に位置合わせをするようにというベクトル（ｖｃｔｏｒ）指示を組込み、かつ、表示する。又は、コンピューター・システム４００がターゲット４１２、４１４を実質的に位置合わせをするための自動位置合わせシステムを指令する。当業界の技術者が想定しているように、コンピューター・システム４００が可聴式信号を組込んで、位置合わせを指令し、又は、ロッド・ターゲット４１２が穴の軸ターゲット４１４にどの程度近付いたかを示す。
【００２７】
位置合わせの後で、好ましい実施例に関して以下で述べるように、ロッド２１０と関連したある種の支持ないし案内の構造が通常所定位置で締結される。
【００２８】
本発明の方法と装置はフリー・ピストン・マシーンの分野で特にフリー・ピストン形スターリング・サイクルのクーラー及びエンジンの分野で特別の用途を有する。そこではしばしばディスプレーサー・ロッドの中心をシリンダーの中心軸と同軸にすることが必須になる。図１から図５までの円筒形の穴１１０と加工物２００の形状がフリー・ピストン形スターリング・サイクル・マシーンのそれに類似しているけれども、フリー・ピストン・クーラー７００への最新の方法の適用が図６から図１４までに詳細に示されていて以下に示してある。
【００２９】
ここで、図６、図７Ａ、図７Ｂを参照すると、フリー・ピストン・クーラー７００は低温ヘッド（ｈｅａｄ）７１０と高温端部７２０を有している。フリー・ピストン・クーラー７００にはピストン・ドライバー（ｐｉｓｔｏｎ  ｄｒｉｖｅｒ）７３２により駆動されるピストン７３０が含まれていて、シリンダー７５０内で部分的に往復運動をする。そして、ディスプレーサー７４０がディスプレーサー・ロッド７４２を有していて、ピストン７３０の内側の穴を通過していて、コネクター（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）７４６によりディスプレーサー・スプリング（ｓｐｒｉｎｇ）に取付けられている。全てがハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）７７０に収容されている。ピストン・ドライバー７３２はリニア・モーター（ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｔｏｒ）であり、図７Ｂに示すようにピストン７３０に固定された磁石７３４を駆動する電機子の巻線７３３を有している。示されているディスプレーサー・スプリング７４４は特許文献１に示すように平面状スプリングである。ハウジング７７０は図７Ａ及び図７Ｂでは外されいて、往復運動をするフリー・ピストン・クーラー７００の要素が図７Ｂに示されている。ただし、静止要素は図７Ａに示されている。ディスプレーサー７４０はシリンダー７５０の低位部分内で往復をしていて、図７Ｂでは低温ヘッド７１０と高温端部７２０の間の運動表示器Ｍｄにより示されている。そしてピストン７３０はディスプレーサー・ロッド７４２上でシリンダー７５０を境界としているシリンダー７５０の上側部分内で往復運動をする。
【００３０】
フリー・ピストン・クーラー７００の動作中は、ピストン・ドライバー７３２，典型的には電動のリニア・モーターで、図７ＢでＭｐにより示された運動の方向内でピストン７３０を動かす。第一ポジションから移動方向が反転する第二ポジションへのピストン７３０の移動はストローク（ｓｔｒｏｋｅ）を定義している。これは振幅とも云われている。運転では、作動流体、一般にヘリウムが、ピストン７３０とディスプレーサー７４０の組合わせ運動により輸送され、圧縮され、膨張される。前記のようにピストン７３０の運動はピストン・ドライバー７３２により生じる。
【００３１】
ディスプレーサー７４０の動きは以下を含む多くの複合作用の結果であるが、以下に限定されない：ピストン７３０の動きにより生じる作動流体圧力の変化、ディスプレーサー・スプリング７４４により導入されるフリー・ピストン・クーラー７００内でエネルギーを蓄積しているスプリングの効果、作動流体及び他の内部ディスプレーサー制御装置の特性変化。ディスプレーサー７４０の動きはＭｄとして示されていて、低温ヘッド７１０と高温端部７２０の間を作動流体が往復し、一般には図７Ａで示されている再生器７６２を有する作動流体通路７６０を通過する。
【００３２】
再生器７６２はエネルギー貯蔵媒体から成っていて、そこに及びそこから作動流体が、低温ヘッド７１０から高温端部７２０に、又、再びその戻りで循環してエネルギーを伝達する。近代的再生器７６２は低温ヘッド７１０と高温端部７２０の間に微細な多孔金属片が組込まれて、不必要な熱損失を防止し、効率を高めている。熱はＱとして示されていて、作動流体の膨張中に低温ヘッド７１０で吸収される。又、熱Ｑが高温端７２０で作動流体の圧縮中に排除される。熱交換器は一般的に低温ヘッド７１０と高温端部７２０に取付けられ、フリー・ピストン・クーラー７００への又それからの熱エネルギーの伝達を高める。
【００３３】
フリー・ピストン・クーラー７００のピストン７３０はシリンダー７５０内で往復運動をして、又、シリンダー７５０を境界としている。ピストン７３０は気体軸受システムによりシリンダー壁から離れるように懸垂されている。ピストン７３０とシリンダー７５０の間の半径方向の公差は１２−１３ミクロンのように極端に小さな公差のはめ合いになるようにすることによりピーク（ｐｅａｋ）効率が部分的に実現する。ディスプレーサー・ロッド７４２はピストン７３０の内側の穴の中で往復運動をし、かつ、内側の穴を境界としている。ピストン７３０とディスプレーサー・ロッド７４２の間の往復運動は位相の不一致、ストローク長さの違いになり、両部分の相対運動を生じる。ピストン７３０の内側の穴からディスプレーサー・ロッド７４２を離して懸垂するような気体軸受システムは存在しない。それゆえ、ディスプレーサー・ロッドがピストン７３０の内側の穴に接触しないように、シリンダー７５０の中心とディスプレーサー・ロッド７４２の間の完全に近い位置合わせが望ましい。ディスプレーサー・ロッド７４２とピストン７３０の内側の穴の間の接触がディスプレーサー・ロッド７４２の表面に摩耗を生じ、かつ、重大な接触圧がピストン７３０の気体軸受に打ち勝ってピストン７３０の表面をシリンダー７３０の表面に接触させて、望ましくない摩耗を生じ、フリー・ピストン・クーラーの破損の可能性を生じる。それゆえ、本発明の一用途はフリー・ピストン・クーラー７００のディスプレーサー・ロッド７４２とシリンダーの中心軸ＣＸと心出しを行って、境界となる滑り面の摩耗を避けることである。
【００３４】
フリー・ピストン・クーラー７００への本発明の応用は、図８及び図１２に示すようにシリンダー７５０へのアーバー３００の挿入により始まり、次ぎに、光学的位置決定システム５１０により、中央軸ＣＸを横切る少なくとも１本の光ビームＬＢを発生し、伝送することである。全体として、ケーシング（ｃａｓｉｎｇ）７８０は光ビームＬＢが通過できる穴を付けて形成される。さらに、図１２に示すように、少なくとも１個のクランピング（ｃｌａｍｐｉｎｇ）装置８００を用いて、ケーシング７８０上に便利にクランプするように光学的位置決定システム５１０が構成されている。これは図９の上面図に良く描かれている。図１２の実施例では、４個のクランピング装置８００が光学的位置決定システム５１０をケーシング７８０に固定していて、大きな刻み目付きねじ８００の形になっている。
【００３５】
２個の光伝送器５２０、５３０が光ビーム５２４、５３４を発生し、アーバー３００の基準ピン３２０を横切るように伝送する。この基準ピン３２０は第一の光ビーム５２４と干渉するので、第一の光ビームの影５２６が生じて、第一の光受信器５２２に投影される。同様に、基準ピン３２０が第二の光ビーム５３４と干渉するので、第二の光ビームの影５３６が生じて、第二の光受信器５３２に投影される。ひとつの例示的実施例では、規格品の光学的位置決定システム５１０、即ち、Ｋｅｙｅｎｃｅ  の光学的位置決めシステムを組込んでいる。この実施例では、光伝送器５２０、５３０はＫｅｙｅｎｃｅ  ＬＳ  ７０３０Ｔ伝送器であり、光受信器５２２、５３２はＫｅｙｅｎｃｅ  ＬＳ  ７０３０Ｒ受信器である。
【００３６】
この特定の実施例では、第一の光ビーム５２４及び第二の光ビーム５３４がお互いに直交している。しかしながら、これは必須ではない。光ビーム５２４、５３４の間で事実上事前決定された関係はこの方法で機能する。同様に、対称的な基準ピン３２０を用いることは非常に便利であるけれども、基準ピン３２０と光ビーム５２４，５３４のポジションが事前決定された関係に注意深く配置されている限り、それは必要条件ではない。非対称性の必要性はソフトウエアに基づく。特に、コンピューターが行う数学的計算に基づく。同様に、事前決定された関係がソフトウエア内で確認され、対応している限り、加工物のロッド２１０が非円形であり、又は、非対称であっても本発明の方法が等しく機能することを当業界の技術者であれば理解しよう。
【００３７】
そして、光受信器５２２、５３２が、影５２６、５３６の位置から決定されたピンのポジション・データをコンピューター・システム４００に伝送する。次ぎに、コンピューター・システム４００が基準ピン３２０の中心を計算し、図３で以前に示した中心軸ＣＸの位置でもある穴の軸ターゲット４１４としてその中心を表示する。
【００３８】
次ぎに、アーバー３００がシリンダー７５０から取外される。又、往復要素即ちディスプレーサー７４０，ディスプレーサー・ロッド７４２、ピストン７３０，ディスプレーサー・スプリング７４４が図１０、図１３及び図１４に示すように配置される。便宜上、ディスプレーサー７４０の気体軸受システムがクーラー運転中にシリンダー７５０内のディスプレーサー・ロッド７４２の下側部分を効果的に集中している。それにより、ディスプレーサー・スプリング７４４に最も近いディスプレーサー・ロッド７４２の端部を正確に位置決めすることだけを必要とする。さらに、少なくとも１本の光ビームＬＢが発生し、中心軸ＣＸを横切って伝送される。これは図１１の上面図に良く示されている。ここで、２個の光伝送器５２０、５３０が、ディスプレーサー・ロッド７４２を横切る光ビーム５２４、５３４を発生し、伝送する。ディスプレーサー・ロッド７４２が第一の光ビーム５２４と干渉するので、第一の光ビームの影５２６を発生し、第一の光受信器５２２に投影する。同様に、ディスプレーサー・ロッド７４２が第二の光ビーム５３４と干渉するので、第二の光ビームの影５３６を発生し、第二の光受信器５３２に投影する。影のエッジ（ｅｄｇｅ）を光受信器が検出するので、各影の中心のポジションを計算して、ｘ軸とｙ軸の両方で二次元の数値の座標のポジション・データを提供する。これらの数値の座標がシリンダーの中心線のポジションを表示する。ただし、アーバーを取り除き、ディスプレーザーとピストンを挿入するというその後の工程の間、光学系を動かないことである。
【００３９】
光受信器５２２、５３２は影５２６、５３６の位置から決定したロッドのポジション・データをコンピューター・システム４００へ伝送する。そして、図５で以前に示したように、その中心をロッド・ターゲット４１２として表示する。以前に開示したように、そのロッド・ターゲット４１２が穴の軸ターゲット４１４と実質的に一致するまで、そのディスプレーサー・ロッド７４２を手操作で又は自動的に再配置される。図１２、図１３及び図１４の実施例は複数の調節装置８１０を示している。即ち、精密キャリパ（ｃａｌｉｐｅｒ）で、ディスプレーサー・スプリング７４４の位置決めをするために用いられ、ディスプレーサー・ロッド７４２が実質的にシリンダー７５０内で実質的に中心になる。正しいポジションが位置決めされると、ディスプレーサー・スプリング７４４がケーシング７８０に取付けられディスプレーサー・ロッド７４２の位置を固定する。
【００４０】
位置決定システムが円筒形の穴が形成されるボディに剛直に固定されることが重要である。位置合わせの実施中にボディに対して相対的に位置決定システムが動くことは誤ったポジション・データを生じる。それゆえ、そのような動きを検出する検出システムを組込み、そのデータをコンピューターに入力すること、及び、コンピューター・ソフトウエアを、検出システムを監視するように書いて、動きを生じていて、位置合わせの結果が誤っているという警告を表示し、又は、音を出すことが望ましい。これを実現するのに好ましい方法は、光ビームを伝送するように設けてあるケーシングの４個の穴のポジションを検出すことである。これらの穴はケーシングを通る穴で、２組の直交するように配置され、対向する対になるように配置されている。そのような２個の穴７８２と７８４は図１２及び図１３に示されている。光伝送器を用いてケーシングを通る穴よりは広い光ビームを伝送する。それで、光受信器に照射された光が、外側ケーシング内の穴のエッジでケーシングにより投影された影を代表する外側境界とアーバー・ピン又はディスプレーサー・ロッドを代表する内側の影を有する。これが光受信器を照射する２本の間隔を設けた光ビームを生じる。これらの光ビームの最も内側の境界は、アーバー・ピン又はディスプレーサー・ロッドの外側エッジを代表する。そして、最も外側の境界は穴のエッジを代表する。これらのエッジがその穴のエッジの位置を代表するデータを提供し、又、そのデータはコンピューターにも伝送される。そして、コンピューターがそれらの穴のエッジのポジションを監視する。そして、もし、それらが位置合わせ工程中に動く場合、コンピューターがそのような動きを生じたこと及びそれゆえ位置合わせがエラー（ｅｒｒｏｒ）になったことについて信号を出す。
【００４１】
フリー・ピストン・クーラーの実施例の説明で、光学的位置決定システムに目を向けているけれども、以前に開示されている電気機械的決定システムも容易に適用できることを当業界の技術者であれば理解できよう。
【００４２】
ここで開示された好ましい実施例について、多くの変更、修正、変化が当業界の技術者には明らかであり、それらは全て本発明の精神及び範囲内にあると予想され、想定されている。例えば、特定の実施例が詳細に論じられているけれども、当業界の技術者であれば、前述の実施例及び修正は種々のタイプの置換え又は追加又は代替の材料、要素の相対的手配、及び、寸法面の構成を組込むように変更しうることを理解するであろう。従って、ここに示された本発明の僅かな変更でも、そのような追加的な修正及び変更及びそれと同等のものは添付された請求項に記載された本発明の精神と範囲内に入ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に基づく円筒形を有するボディの部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図２】本発明のボディとアーバーの部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図３】本発明に基づく円筒形の中心軸を表示している位置決定システム及びコンピューター・システムの略図と共にボディとアーバーの上面図であるが縮尺通りではない。
【図４】本発明に基づく心出しをされる加工物とボディの部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図５】本発明に基づく円筒形の中心軸と加工物のポジションを表示する位置決定システム及びコンピューター・システムの略図と共にボディと加工物の上面図であるが縮尺通りではない。
【図６】本発明に基づく心出しをされる要素を示しているフリー・ピストン・クライオクーラーの部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図７Ａ】部分的に分解した状態で、図６のフリー・ピストン・クーラーの静止要素の部分的断面図であるが、縮尺通りではない。
【図７Ｂ】部分的に分解した状態で、図６のフリー・ピストン・クーラーの往復運動要素の部分的断面図であるが、縮尺通りではない。
【図８】本発明のフリー・ピストン・クーラーの一部及びアーバーの部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図９】本発明のフリー・ピストン・クーラー、アーバー、光学系の一部の上面図であるが縮尺通りではない。
【図１０】本発明のフリー・ピストン・クーラー及び加工物の一部の部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図１１】図１０の切断線１１−１１に沿っている本発明のフリー・ピストン・クーラー、加工物及び光学系の一部の部分的断面図であるが縮尺通りではない。
【図１２】本発明のフリー・ピストン・クーラー、アーバー及び光学系の正面からの透視図であるが縮尺通りではない。
【図１３】本発明のフリー・ピストン・クーラー、ディスプレーサー、ディスプレーサー・ロッド、ピストン、ディスプレーサー・スプリング及び光学系の正面からの透視図であるが縮尺通りではない。
【図１４】本発明のフリー・ピストン・クーラー、ディスプレーサー、心出しのために取付けられ、即応できるようにしたディスプレーサー・ロッド、ピストン、ディスプレーサー・スプリング及び光学系の正面からの透視図であるが縮尺通りではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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