(57)【要約】【課題】多様なシステムとアプリケーション内の往復運動部材の瞬間位置を監視するセンサー及び感知方法を提供する。【解決手段】往復運動部材の位置を判定するセンサーであって:上記センサーは固定電極とガード電極を含み、上記固定電極は上記ガード電極と電気絶縁された固定電極支持構造体、及び上記往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;上記固定電極と上記可動電極は容量性構造体を形成し、上記容量性構造体は可変容量を有し、上記可変容量は上記往復運動部材の瞬間位置に正比例することを特徴とする。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動部材の位置を判定するセンサーであって:
固定電極とガード電極を含み、上記固定電極が上記ガード電極から電気絶縁された固定電極支持構造体;及び
上記往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;
上記固定電極と上記可動電極は容量性構造体を形成し、上記容量性構造体は上記往復運動部材の瞬間位置に正比例する可変容量を有することを特徴とするセンサー。
【請求項２】
電圧源を更に含み、上記ガード電極は上記固定電極での電位と同一の電位で駆動されることを特徴とする請求項1に記載のセンサー。
【請求項３】
上記可動電極は、構造的また、電気的にエンジンのピストンと連結されることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサー。
【請求項４】
上記可動電極は構造的また、電気的にスターリングエンジンのディスプレーサと接触されることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項５】
上記可動電極は、交流発電機のスリーブを含むことを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載のセンサー
【請求項６】
上記固定電極はプラスチックで形成され、一つ以上の導電性メッキ領域を更に含むことを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項７】
上記可変容量は、上記固定電極と上記可動電極間のオーバーラップ量の変化から決定されることを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項８】
上記可動電極と上記固定電極は同軸で位置され、上記可動電極は上記固定電極上で選択的にスライディングされることを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項９】
ローパスフィルターの位相遅延を補正する位相リ―ド報償ネットワークを更に含むすることを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１０】
パワーピストンを含んで容量性位置センサーを通じて上記パワーピストンの瞬間位置を判定できるフリーピストン式スターリングエンジンであって:
上記容量性位置センサーは、
固定電極とガード電極を含み、上記固定電極が上記ガード電極から電気絶縁された固定電極支持構造体;及び
上記パワーピストンの移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;
上記固定電極と上記可動電極は容量性構造体を形成し、上記容量性構造体は上記パワーピストンの瞬間位置に正比例する可変容量を有することを特徴とするフリーピストン式スターリングエンジン。
【請求項１１】
上記固定電極と上記可動電極はシリンダー形状であり、上記可動電極と上記固定電極は同軸で位置され、上記可動電極は上記固定電極上で選択的にスライディングされることを特徴とする請求項10に記載のフリーピストン式スターリングエンジン。
【請求項１２】
固定電極とガード電極を含み、上記固定電極が上記ガード電極から電気絶縁された固定電極支持構造体;及び
往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;
上記ガード電極は上記固定電極と同一の電位で駆動されることを特徴とする容量性位置センサー。
【請求項１３】
入力信号を信号増幅器に提供するAC電流センサーを更に含み、上記信号増幅器は、上記固定電極と上記可動電極間の容量を表す出力信号を提供することを特徴とする請求項12に記載の容量性位置センサー。
【請求項１４】
第２正電圧源と基底基準電流感知シャント抵抗を更に含み、上記第２正電圧源は上記第1正電圧源より上記ガード電極を駆動することを特徴とする請求項13に記載の容量性位置センサー。
【請求項１５】
第２正電圧源と基底基準電流感知シャント抵抗を更に含み、上記第２正電圧源は上記第1正電圧原より上記ガード電極を駆動することを特徴とする請求項14に記載の容量性位置センサー。
【請求項１６】
電流を監視するためのトランスインピーダンス増幅器モジュールを更に含むことを特徴とする請求項12乃至15のうちいずれか一項に記載の容量性位置センサー。
【請求項１７】
正振幅電流源と電圧ファロウァを更に含み、上記電圧ファロウァは電圧を調整して上記ガード電極での電位が上記電流源での電位と本質的に同一であることを特徴とする請求項16に記載の容量性位置センサー。
【請求項１８】
(i）固定電極とガード電極を提供する段階であって、上記固定電極が上記ガード電極と電気絶縁される段階;
(ii)可動電極を提供する段階であって、上記可動電極はこの往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置される段階;及び
(iii)上記固定電極と上記可動電極間の容量を周期的に測定し、上記往復運動部材の瞬間位置を判定する段階を含むことを特徴とする往復運動部材の位置を判定する方法。
【請求項１９】
上記容量を周期的に測定する段階は、
AC電流センサーを提供する段階であって、上記AC電流センサーが上記固定電極と上記可動電極により形成されたコンデンサを通じて流れる電流を周期的に測定する段階を更に含み;
上記AC電流センサーの出力は、上記コンデンサ容量と上記往復運動部材の位置を表すことを特徴とする請求項18に記載の往復運動部材の位置を判定する方法。
【請求項２０】
(i）固定電極とガード電極を提供する段階であって、上記固定電極が上記ガード電極と電気絶縁される段階;
(ii)可動電極を提供する段階であって、上記可動電極が往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置にされる段階;
(iii)上記固定電極と上記可動電極間の容量を周期的に測定し、上記往復運動部材の瞬間位置を判定する段階;及び
(iv)上記往復運動部材の上記判定された瞬間位置に基づいて上記往復運動部材の移動を制御する段階を含むことを特徴とする往復運動部材の移動を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン等の往復運動部材に関するものであり、特に、その位置を瞬間的に監視する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速往復運動部材に関する位置の感知及び結果判定には、多様な応用が存在する。典型的な種類の往復運動部材等はフリーピストン式内燃機関(free piston internal combustion engine)内のピストン、油圧及び気圧シリンダー、及びフリーピストン式スターリングエンジン(free piston Stirling engines)内のピストン及びディスプレーサ(displacer)、または圧縮機を含む。
【０００３】
たとえ、通常的な内燃機関が広く普及されており、多い長所を有していても、この機関の排気ガス放出は受容レベルを頻繁に超過することができる。また、この機関は非常に騒音が大きく、頻繁に整備が要求され得る。スターリングエンジンは動作時に非常に効果的で静かであり、実施的などんな放出も発生させないように構成され得るので、この分野で改善点を示す。
【０００４】
スターリングエンジンに関連された一般的な応用は、線形交流発電機を駆動するフリーピストン式スターリングエンジン(FPSE)により熱エネルギーから電気エネルギーを生成することである。このようなタイプの配列の実際的な応用において、電気的負荷の電力要求は、負荷インピーダンスの変化と一部又は全て負荷の接続及び分離に起因して一般的な動作中に事実上変更される。また、動作温度及びその他の変数は、動作中に変化されて経時的に電力要求が小さいが、非常に小さくないように変化される。
【０００５】
電力要求とエンジン温度状態の広い範囲にわたる最適のフリーピストン式エンジンの交流発電機設備効率の達成は、パワーピストン(power piston)移動の制御を必要とする。電気負荷とエンジン温度状態によるパワーピストン移動の連続的な調整による最適の設備効率を維持することが望ましいのみでなく、スターリングエンジンのストロークの幅を安全範囲内で維持することが重要である。FPSEに付加された負荷が相当な量まで突然に減少される場合に、これに対応してエンジンのストローキングの幅は突然に増加される。幅の増加が充分に大きい場合、ピストンはシリンダーの終わりまでストローキングしてピストンとシリンダーの変形を招いて回復不可能なエンジン故障を起こすことができる。一方、負荷が大幅にまた、突然に増加される場合、ストローキング幅はエンジンがこれ以上ストローキングすることができない点まで急激に減少され得る。
【０００６】
今まで、このような潜在的な問題に対する2つの主要なソリューションが存在した。第1番目の場合、ピストンストローキングが本質的に自ら制限されることである。第1番目の方法によると、ディスプレーサは線型電気モーターの往復動作により機械的に駆動される。このような方法でディスプレーサストローキングの幅等の駆動変数が制御されてピストンストローキング幅と交流発電機の出力電圧を間接的に制御する。一般的にこの方法が効果的な反面、いくつかの短所を有する。まず、この方法は費用と複雑性を増加させる追加的な電気機械的装置と制御回路を必要とする。また、機械部品の慣性に起因して負荷変化に対する応答時間が遅くなり得る。
【０００７】
ピストンとディスプレーサの幅の制御問題に対する第２番目等級のソリューションにおいて、ピストン及び/またはディスプレーサの位置が測定され、この測定された位置に基づいてシステム制御が成る能動的な接近が採択され得る。FPSEが線型交流発電機を駆動する場合において、交流発電機の電機子(armature)に印加された電圧は、ピストーン位置を最終的に判定するのに使用され得る。一般的に、電機子に誘導された電圧を通じて、ストロークの幅を得ることによって、これが達成される。
【０００８】
この等級のソリューションもいくつかの短所を有する。特に、電機子巻線内の抵抗及びインダクタンスに起因する電圧の降下による負荷電流が存在するということである。また、誘導された電機子電圧に直接衝撃を与える交流発電機のフィールドマグネット(field magnet)の強度は、温度と時間によって変更される。観測可能な交流発電機の端末電圧の実際測定間に負荷電流が流れるため、抵抗及びインダクタンス電圧下降は位置算出のために説明されなければならない。磁石温度が推定される場合、温度により回復可能な磁石強度変化も補正されることができる反面、磁石エージング(magnet aging)に起因する変化は算定することが難しい。また、その動作のB-H特性で“ニー(knee)”で表現された温度に磁石が到達すると、強い電機子反応領域に露出される時、強度が回復不可能に損失され得る。このような弱化は容易に検出されず、ピストン行政を相当に抑制して不利な衝撃が発生される。残念ながら、多くの先行技術のソリューションにおいて、電圧降下、及びフィールドマグネットの強度変化は説明されず、不正確なデータが生成される。代案として、電圧降下を説明するために、追加的な制御回路及び計算が遂行されなければならない。
【０００９】
往復運動部材の位置を監視する多くの先行技術の方法は、磁気、電磁気、及び光感知技術を採択する。時間及び温度変動に関して充分に確固し、安定したこの先行技術の方法を採択したピストン位置の監視ソリューションは、実行するのにあまりにも多い費用を必要とする。一般的に、容量性センサーが公知されており、また、このセンサーは往復運動部材の位置感知と関連して側面配置を決定するのに使用され得る。例えば、Moserは米国特許第4,587,850号に容量性構造の固定された電極間で移動する誘電体を含む多様なインピーダンスの使用を通じてシリンダー内のピストンの動作を検出し、測定する装置を開示さしている。位置決定において、多様な容量性構造体の使用は電極の位置関係に基づいた容量変化を前提とする。大部分の場合において、容量変化は結果的な容量に反比例する2つの電極間の距離の変化に基づく。
【００１０】
残念ながら、電極間距離と容量間の関係が非線型であるため、この関係に基づいたセンサーと関連して難しさが発生し得る。特に、容量は実際応用において、非常に小さい場合もあり、インバス非線型位置-容量関係に起因して、ある位置極端では小さな変化を有し、他位置では非常に大きい変化を有する同時受溶によるセンサー測定と結果的な制御動作が非常に不正確に成ることができる。従って、このようなタイプのセンサーは高費用であり、複雑で追加的な修訂された信号処理を必要とする。
【００１１】
自体の感知と関連して、発生される問題と共に、先行技術のソリューションにおいて、他の難しさは一旦感知が完了すると、信号処理と関連して発生される。例えば、1〜20ミリメートル範囲の電極間の間隔変化から発生できる、例えば、±25pFのオーダー(order)上での小さなセンサー容量変化は送信及び処理を難しくする場合がある。これは例えば、ケーブルフレックシング（cable flexing)に変更され得るベースライン(baseline)容量を送信ケーブル自分が有するという事実により、導入された容量エラー等を含む多くの要因に起因する。また、浮遊容量(stray capacitance)エラーは容易に導入されて動作変化が小さな場合、信号処理と関連して非常に困難である。
【特許文献１】米国特許第４，５８７，８５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一つの実施形態は多様なシステムとアプリケーション内の往復運動部材の瞬間位置を監視するセンサー及び感知方法を提供するものである。
本発明の他の実施形態は、安くて信頼性があり、正確なセンサーを提供するものである。
本発明の更にもう一つの実施形態は、FPSE内のピストンまたはディスペレーサと関連して使用されることができるセンサーを提供するものである。
【００１３】
本発明の更にもう一つの実施形態は、容量変化に基づいて機能し、高線型トランスファファンクション(highly linear transfer function）を使用して動作し、相互接続ケーブルと浮遊容量に影響を受けないセンサー及び感知方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による望ましいセンサーは多様な実施形態を含む。第1実施形態は簡単で確実な可変同軸容量性センサーと、FPSE内のピストンまたはディスプレーサ等の高速往復運動部材の位置を監視する検出方法を含む。本発明の望ましい実施形態による同軸容量は電極間の間隔より容量性電極領域を調整するように構成されて高線型トランスファーファンクションが得られることができる。また、浮遊容量エラーを抑制する間、小さなセンサー容量変化を有するアプリケーションと関連して信号を引出及び処理する検出方法が説明される。
【００１５】
第1実施形態によると、本発明のセンサーは一双の同軸チューブが容量性構造を成すように構成される。第1実施形態において、外部チューブが軸方向への移動が自由な反面、内部チューブは所定の位置に固定される。外部チューブは例えば、ピストーンまたはディスプレーサ、またはその部品に付着されることができる。内部及び外部チューブは電極表面として機能する導電性物質を含んで形成される。外部チューブは固定された内部チューブに対して軸方向に移動するによって、チューブ表面のオーバーラップにより形成された領域が変化され、容量変化と直接的な相関関係が生じる。説明したような容量変化を測定することによって、往復運動部材の位置または外部チューブに付着された他の移動部品は正確になることができ、效率的に測定され、決定されることができる。
【００１６】
本発明のセンサーは先行技術に比べて、多くの長所を提供する。例えば、ここで開示するセンサーは非常に簡単に構成される。上記センサーは光学または磁気素子を必要としなく、固定電極や可動電極のうち一つまたは全てとして一つ以上の現存部品を採択することができる。本発明によるセンサー容量がオーバーラッピングされる電極の配置によりのみ、制御されることがもう一つの長所である。従って、測定の正確度は部品エージングにより影響を受けず、結果的な物理的特性部品は磁気及び電気-光学方法の場合のように変化される。
【００１７】
上記したように、往復運動部材の位置を判定するセンサーが提供され:
このセンサーはガード電極(guard electrode)及びこのガード電極と電気絶縁された固定電極からなる固定電極支持構造体、及び
上記往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;
上記固定電極と上記可動電極は容量性構造体を形成し、上記容量性構造体は上記往復運動部材の瞬間位置に正比例する可変容量を有することを特徴とする。
【００１８】
また、パワーピストンを含むフリーピストン式スターリングエンジンが提供され、このフリーピストン式スターリングエンジンは容量性位置センサーを通じて上記パワーピストンの瞬間位置を判定することができ:上記容量性位置センサーは、
ガード電極及びこのガード電極と電気絶縁された固定電極からなる固定電極支持構造体、及び
上記パワーピストンの移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み;
上記固定電極と上記可動電極は容量性構造体を形成し、上記容量性構造体は上記パワーピストンの瞬間位置に正比例する可変容量を有することを特徴とする。
【００１９】
また、容量性位置センサーが提供され、このセンサーは
ガード電極と、このガード電極と電気絶縁された固定電極からなる固定電極支持構造体、及び
往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を含み、
上記ガード電極は上記固定電極と同一の電位(potential)で駆動されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は往復運動部材の位置を決定する方法を提供し、この方法は、
(i)ガード電極と、このガード電極と電気絶縁された固定電極を提供する段階;
(ii)上記往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を提供する段階;及び
(iii)上記往復運動部材の瞬間位置を判定するために上記固定電極と上記可動電極間の容量を周期的に測定する段階を含むことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は往復運動部材の移動を制御する方法を提供し、この方法は、
(i)ガード電極と、このガード電極と電気絶縁された固定電極を提供する段階、
(ii)上記往復運動部材の移動に正比例して移動するように位置された可動電極を提供する段階、
(iii)上記往復運動部材の瞬間位置を判定するために上記固定電極と上記可動電極間の容量を周期的に測定する段階、及び
(iv)上記往復運動部材の判定された瞬間位置に基づいて上記往復運動部材の移動を制御する段階を含むことを特徴とする。
【００２２】
以下、詳細に説明されて当業者により理解できるように、本発明の他の実施形態も可能である。例えば、電極が他の電極に対して移動する方式で変化される他の電極の構成が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、例で与えられた本発明の望ましい形態と添付図面を参照して本発明を詳細に説明するようにする。
図1〜7に図示された実施形態に対する参照が成り、ここで全体的に同一の番号が、同一の部分を示すに使用される。
図1、2、及び3は本発明の容量性センサーを示す。当業者に自明なように、本発明はスターリングエンジン、ピストン、またはここに開示された特定監視環境に必ず限定される必要はない。特に、ここで指摘された特定センサー構造と信号調節方法は、広範囲のアプリケーション(application）を有し、多くの環境とアプリケーションに実施され得る。
【００２４】
本発明の望ましい実施形態によると、本発明の容量性センサーは機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する交流発電機を駆動するFPSEと関連して採択される。ピストン/交流発電機アセンブリー(100）は本発明の容量性センサーと信号調節技術が適用され得る一つのアプリケーションのみである。添付された説明は、例えるためのことでのみ、これに本発明を限定しようとするのではない。
【００２５】
例示的な実施形態と関連して、ピストン(130）はシリンダー(150)内で往復運動する。この実施形態において、ピストン(130）はアセンブリー(100)内に含まれた多数のピストンのうち一つであるかまたは、アセンブリー(100)内の有一のピストンであり得る。電気エネルギー生成交流発電機(170）はスリーブ(140)を含む。スリーブ(140）は詳細に後述されると同時に、外部電極としても引用される可動コンデンサ電極として機能する。第1実施形態において、スリーブ(140）は交流発電機内に含まれた一つ以上の交流発電機のリング磁石(160）を支持する機能もする。このような場合において、本発明の新規した容量性センサーを有するアセンブリー(100）は、現存するエンジン/交流発電機の組合を改良することにより作られることができる。
【００２６】
ピストン/交流発電機アセンブリー(100）は例えば、プラスチック等の非導電性物質で形成された固定電極(180）を更に含む。後述することのように、導電性メッキは、固定電極(180）の特定部分に適用され得る。第1実施形態において、プラスチックは例えば、銅等の導電性物質で電気メッキするのに適合した選択された特定プラスチックであれば、固定電極(180)のための物質として使用されることができる。
【００２７】
固定電極支持体(110）は、固定電極の延長として形成されることができ、固定電極(180）と固定電極支持体(110)を交流発電機本体に固定するのに使用するための孔を更に含むことができる。固定電極支持体(110）はプラスチック等の非導電性物質で形成されることが望ましい。固定電極支持体(110)と固定電極(180）の組合は図2に図示されたように、フランジを有するチューブとして形成されることが望ましい。固定電極(180）を示すチューブの外表面は銅等の導電性物質でコーティングされる。また、固定電極支持体(110)を示すフランジ部の内表面とベース(base)も銅等の導電性物質でメッキされる。残りの固定電極支持体/固定電極部品は、一般的に非導電性であり、特に、接地電位に維持される交流発電機及びエンジン構造から、この両電極を絶縁するのみでなく、ガード電極(120)から固定電極(180）を電気絶縁するように設計される。
【００２８】
固定電極支持構造体(110）の部分として含まれるガード電極(120）は更に詳細に後述される浮遊容量エラーを最小化するように含まれる。本発明の望ましい実施形態において、ガード電極(120）は相互接続ケーブルシールド(interconnecting cable shield)のみでなく、ガード電極(120）を固定電極(180）と同一の電位で維持するシールド駆動回路と連結されることによって、これらの素子と感知方法の正確度に衝撃を無効とし、機能する固定電極(180)間の容量を通した電流の流れを阻止する。ピストン(130)、内部電極(180)、及び外部電極(140）の一部分のみでなく、全ての交流発電機部品は交流発電機ハウジング(175)内に含まれる。
【００２９】
本発明によると、ピストン(130）はシリンダー(150)内で往復運動し、ピストン(130)に直接付着された外部電極(140）は交流発電機ハウジング(175）の上段でエンドキャップ(end cap)(195)から軸方向に向けて移動する。このような往復運動は外部電極(140）と固定電極(180)間のオーバーラップの量がエンジン動作の間、経時的に変化されるように、固定電極(180）と外部電極(140)間の相対的移動に変動される。外部電極(140）が固定された内部電極(180）の前、後方に移動するため、固定電極(180）と外部電極(140)により形成された容量性構造体の領域が可変されて詳細に後述される容量性センサーの容量特性が変更される。
【００３０】
図1、2、及び3に図示されたように、本発明の望ましい実施形態による固定電極(180）と外部電極(140)全てシリンダー形状であり、必需的に重空である。固定電極(180）の外部直径は、外部電極(140）の内部直径より小さいので、外部電極(140)は、この外部電極(140)内部で固定電極(180）の変化する長さ囲む間前、後方に自由に移動する。この明細書を検討する当業者に自明なように、固定電極及び可動電極が同軸重空シリンダーで形成される本発明の容量性位置センサーと結合される必要はない。反面、二つの電極と共に監視されなければならない移動部材の配置によって、変化する領域状況を判定する容量を有する容量性構造体を形成することが要求される。例えば、これに限定するのではないが、平板、正四角チューブ、及び円形チューブ等の他の形状である電極を使用して本発明を実施することもできる。それぞれの電極は同軸であるかも知れず、(即ち、互いに軸方向にオーバーラップされ)、往復運動部材の位置が感知される特定環境により多様なサイズになることができる。
【００３１】
同軸シリンダーがピストン/交流発電機アセンブリー(100)に関するコンデンサ電極で使用される本発明の望ましい実施形態において、固定電極(180）の外部直径は例えば、24mmとなり、外部電極(140）の内部直径は例えば、24.5mmとなる。従って、固定電極(180）の外部表面と外部電極(140）の内部表面間の公称エアーギャップ(air gap）は0.25mmとなる。また、望ましい実施形態において、中間連動時の電極間の公称オーバーラップの長さは、ほぼ10mmの移動範囲を有する20mmであり、その結果、完全非連動時の10mmから完全連動時の30mmまでの容量長さの範囲となる。もちろん、本発明の思想と範囲から外れない限り相異する長さ、範囲、エアーギャップ及び他の容量特性が使用されることができる。
【００３２】
固定及び可動シリンダー直径の差動熱膨張はギャップ寸法を変更することができ、従って、露出時間の間、経時的に測定エラーを典型的なエンジン動作条件を含む多様な条件に導入する。例えば、25mmのチューブ型電極に作用する5ppm/℃の差動熱膨張係数は0.25mmのギャップが±40℃の温度変動に対して±0.005mm(±2%)くらい変化されるようにする。
この問題を説明するために、上記したように金属メッキされたプラスチックチューブよりは金属チューブとして形成された固定電極(180）を採択することができる。ある場合において、固定電極(180)のために選択された物質は、可動電極(140)のために使用される物質とマッチされなければならない。代案では、同一またはほぼ類似する熱膨張係数を有する相異する物質が使用され得る。
【００３３】
固定電極(180)、及びこれと関連した固定電極支持構造体(110）の構成に対する代替実施形態が可能である。銅等の導電性物質で選択的にメッキされた非導電性チューブの代わりに、TEFLON（登録商標）コーティング、XYLAN（登録商標）コーティングまたは他の類似するコーティング等の非導電性物質で選択的にコーティングされたいくつかの他の物質または鋼鉄等の導電性物質で形成されたチューブを使用する代替実施形態が可能である。
【００３４】
今まで本発明の容量性センサー及び関連部品の構造を説明した。以下、その動作に関して詳細に説明する。本発明の第1実施形態において、容量性センサーはスターリングエンジン内に含まれたピストンにおいて具現される。上記したように、ピストン運動のためのスターリングエンジン動作を監視して制御することは非常に望ましいことである。本発明の容量性位置センサーを使用することによって監視が達成されることができる。ピストン運動と特に、本発明の方法を通じで判定されたピストンの瞬間位置に基づいて例えば、スターリングエンジンの動作と関連して公知された多様な制御パラメーターは、効率を最大化するために制御機を通じで調整され、望ましい動作特性を得ることができる。例示だけを目的として、燃料流速は本発明の方法によるピストン位置の測定に基づいて選択的に調整されることができる。
【００３５】
この実施形態において、センサー容量は外部電極(140）が内部電極(180）と関連して移動するによって変化される。外部電極(140）の移動に起因して容量性電極(140、180)間の決まった領域は経時的に変化する。センサーコンデンサの容量、Cはピコファラッド単位で次の式で与えられる。
【００３６】
【数１】
2007524841.tif 000003
【００３７】
上記式で、Kはエアー(1）の誘電常数、ε0は自由空間の誘電率(8.85pF/m)、Aはコンデンサの電極間に決まった面積(m2)、g(m）は電極間の公称エアーギャップである。
上記したように、容量性位置センサーの特殊な幾何学的構造により次のようになる。
【００３８】
【数２】
2007524841.tif 000004
【００３９】
上記式でDはコンデンサ領域の公称直径(mm2)であり、Lはコンデンサ領域の公称長さ(mm
)である。
本発明によると、上記したように、一つの例示的な実施形態において、コンデンサ領域の公称直径[固定電極(180）の外部直径]、Lは24mmであり、コンデンサ領域の公称長さ[固定電極(180）と外部電極(140)間の中間点オーバーラップ」は20mmであり、固定電極(180）と外部電極(140)間の公称エアーギャップ、gは0.25mmである。従って、上記電極の間での中間連動時(即ち、オーバーラップが20mm、L=20mmである場合)容量、C0=33.5pFになる。また、30mmのオーバーラップを有する完全連動時にはCmax=50pFとなる。同様に、10mmのオーバーラップを有する完全非連動時にはCmin=16.8pFとなる。
【００４０】
従って、本発明の第1実施形態による容量範囲は、完全非連動時の概略16.8 pFから完全連動時の概略50.3pFと決まる。概略33.5pFの中間範囲容量により、正確な位置感知のために容量値の比較的小さな変化(即ち、概略±17pF)を感知する必要があり、この位置測定に基づいた必要な制御アルゴリズムを適用する必要がある。
本発明によると、このように比較的小さな容量値は測定されることができ、浮遊容量を抑制する多様な技術、回路、及び方法を使用することにより作用されて得られる正確な読み出すを許し、システム制御を満足にする。このような技術と関連した方法を今説明する。
【００４１】
他の目的のみでなく、本発明の容量性位置センサーと関連して使用するための“信号調節”方法及び関連回路の多様な実施形態が存在する。今、説明する信号調節方法は、本発明の位置センサー機能の結果によって生成された容量値段処理に関して説明される反面、ここでの信号調節方法は、当業者に自明な無数に多い他のアプリケーションと関連して使用される。
【００４２】
これから、本発明の位置センサーと関連して信号調節の必要に対する根拠を説明する。信号調節が必要な第一番目の理由は、意図されない及び/または望ましくない容量特性を有するシステム及び構成部品内の浮遊容量に起因して異なるように発生するエラーを同時に抑制しながら、感知容量に比例する例えば、電圧等の電気信号を生産することである。このような浮遊容量は位置測定をし、及び/またはエンジン動作を制御しようとする目的で、些少なものから致命的な結果までの範囲で決まる位置感知と関連したエラーを引き起こすことができる。また、このような浮遊容量自体の量は例えば、アセンブリー(100)内の部品移動により経時的に変動される傾向がある。一つのタイプの浮遊容量は、外部信号の調節回路を有するフリーピストン式スターリングエンジンユニットの密封された圧縮管内に含まれた容量性センサーの連結に提供されることができるケーブルの導体間の容量から発生される。このようなケーブルの短い長さの容量さえも最大感知容量値を超過することができる。
【００４３】
また、上記したピストン/交流発電機アセンブリー(100)と関連してピストンセンサー配置の状況で可動電極(140）はアセンブリー(100）の構造に效果的に接地される(後述されるように金属-金属接触はない)。ピストン(140）とシリンダーはピストン上にTeflon（登録商標）コーティングまたはXylan（登録商標）コーティング等の非伝導性コーティングを形成し、ハード-コートはシリンダー(150)上に完成されて自体-潤滑特性を提供する。このような場合において、可動電極(140）はセンサー容量の最大値より100倍以上大きいピストン(140）とシリンダー(150)間の非常に大きい容量によりアセンブリー(100）の構造に效果的に接地される。更に大きいピーストン-シリンダー容量と直列接続された小さなセンサー容量の高インピーダンスにより、測定エラーがないか微々たる測定エラーを引き起こすセンサーを通じて流れる電流を主に制御する。
【００４４】
一方、固定電極(180）は接地に浮遊容量を生成して電位エラーに本発明により緩和された効果を引き起こすことができる。固定電極(180）は可動電極(140）と共に接地されず、従って、ピストン/交流発電機アセンブリー(100)内の多様な周囲部品、及び構造と固定電極(180)間に容量が存在する。このような構造は例えば、交流発電機ハウジング(175)である。
【００４５】
上記したように、ガード電極(120）は固定電極(180）とエンドキャップ(195)等の他の接地された構造間の容量経路を遮断するのに使用される。ガード電極(120）は固定電極(180）とアセンブリー(100)内の多様な他の構造間に金属シールドを挿入することによって、電位漏れ経路を遮断する。多様な信号調節回路に関して後述するように、ガード電極(120）は固定電極(180）と同一の電位で動作される間駆動される。従って、どんな電流も流れることができず、引き起こされた効果的な容量は本質的に0(zero)である。
【００４６】
本発明の信号調節方法に関する第1実施形態は多様な電流検出を使用して例えば、スターリングエンジン内のピストン及び/またはディスプレーサ移動と関連した制御を目的と使用されることができる信号を生成する。この実施形態は図4を参照して説明される。後述される説明のために生成された出力信号は、容量に比例する連続的なアナログ電圧になることができると仮定すれば、制御及び公知された他の目的のためのTexas Instruments TMS320LF2407AまたはAnalog Devices ADMC401等の混成信号デジタル信号処理器(DSP）のアナログ-デジタル変換器(ADC)入力等の処理器に利用可能になるピストン位置が判定する。上記DSPは後述されるようにセンサー励起搬送波を生成するのに使用されことができ、または上記信号は他の装置から得ることができる。
【００４７】
可変電流検出を使用する信号調節のための一つの特定回路が図4に図示されている。この配置は、容量の比較的小さな変化(概略±17pF)を效果的に許容して後述されるように、“ドリブン(driven)”ガードシールディング技術の助けで処理された上記感知構造がセンサー容量に比例する連続的なアナログ電圧を生成し、上記浮遊容量により大きい影響を受けないようになる。この技術は現存するシーリングされた配線を含む浮遊シャント容量を抑制する機能をする。この実施形態において、定振幅三角波電圧源(302）が回路に励起を提供する。固定電極(180）と可動電極(140)を含む感知コンデンサ(314）は上記シリンダー容量(316)に固定されたピストンと直列関係にある。上記したように、この容量は本質的に接地されて浮遊容量エラーを引き起こさない。電圧源(302）は感知コンデンサ(314)とピストン-シリンダーコンデンサ(316）の直列接続と並列である。ガード電極(120）は感知コンデンサ(314）の固定電極に容量(308)をまた、隣接する接地構造に容量(312）を提供する。容量(312）は励振源 (excitation source)(302）の端子を通じて直列接続となり、測定処理の信頼度と正確度に損傷を与えない。
【００４８】
両側の保護された漏れコンデンサ(308）は同一の電位で維持されるため、保護された漏れコンデンサ(308)を通じて電流が流れないことによって、容量は效果的に0となる。
AC電流センサー(306）は例えば、Coilcraft T6522-A surface mount current sensing transformerであり得る。AC電流センサー(306）は電圧源 (302）と感知コンデンサ(314）の間に位置されて感知コンデンサ(314)を通じて流れる電流を感知する。また、信号増幅器(304）はAC電流センサー(306)から信号を受信する。電流センサー(306)が回路からガルバニック絶縁されるため、上記増幅器は信号処理段階とDSPに信号を示す位置の最終相互接続を更に簡略化するのに基底基準(ground reference）となり得る。制御処理器(図示されない)により使用され得る増幅された電流信号を反映する出力信号は出力ノード(318)に示される。上記配列の結果によって、感知コンデンサ(314）の容量に比例する電流振幅を有する求刑波出力信号は出力ノード(318)に示される。上記出力信号はスターリングエンジン/交流発電機及び上記ピストンセンサー配列の使用に基づく時に、時変換(time variant)し、経時的にピストン(130）の相対的位置を反映することができる。出力求刑波の絶対値が求められることができ、位置もその値を基準で読み出される。この実施形態に関して多様な他の変調信号が使用される可能性もある。例えば、電圧源(302）は出力ノード(318)で正弦波出力信号で帰結される正弦波変調信号を提供することができ、電波整流と信号処理技術に公知された後続ローパスフィルターリング方法により検出されたピーク振幅は、感知コンデンサ電流、容量の測定機能をし、これにより可動電極(140）の位置が判定する。
【００４９】
図5は制御処理に先に信号調節に使用される代替回路を表す。この回路も正電圧を使用して感知コンデンサと連結した可変電流を生成及び検出する。この実施形態は後述されるように二つの電圧原を必要とする反面、AC電流力センサー(306)が必要でない。図4の実施形態からのAC電流センサー(306)が回路に重要な非保護浮遊容量を追加する範囲まで、このエラーは後述される図5の実施形態を通じて一般的に除去されることができる。
【００５０】
AC電流センサー(306)が基底基準シャント抵抗(424)により代替され、図4の実施形態のようにガードシールドと感知コンデンサ全てを駆動するために単一電圧源を使用する代わりに、第２励起電圧源(422）がガードシールド(410)を駆動するために追加されることを除外し、図5の実施形態は図4の実施形態と一般的に類似する。電圧源(402）は接地から絶縁されて基底基準シャント抵抗(424）の挿入が可能でなければならない。小さな変圧器は第1及び第２(出力)ワインディングとコア間のガードシールドに適合するように提供されるこの絶縁を達成するのに使用されることができる。このガードシールドは、ガードシールド(410)と連結ケーブルシールドと同様に電圧源(422)により駆動されることができる。ガード駆動源(422）は基底基準となって絶縁を必要としない。図5の実施形態によると、正振幅三角波電圧源(402）は回路に励起信号を提供する。固定電極(180）と可動電極(140）を含む感知コンデンサ(414）は、上記シリンダー容量(416)に固定されたピストンと直列関係にある。上記したように、この容量は感知容量の最大値よりもっと大きく、それにより測定処理をひどく妨害しない。電圧源(402)は感知コンデンサ(414)及びピストン-シリンダーコンデンサ(416)に対して並列関係にある。信号処理器連結ケーブルにセンサーのシールドも含むガード電極(120）は、ガード電極電圧源(422)に直列接続されることによって、固定電極(180）と電気的に駆動されたケーブルとセンサーガードシールド(410)間の漏れ容量(408）を抑制する。
【００５１】
保護された漏れコンデンサ(408）の両側面が同一の電位であるため、保護された漏れコンデンサ(408)を通じて電流が流れなく、従って、容量は效果的に0となる。ガードシールド(410)と接地間に容量性構造体(412)が更に存在する。この容量は電圧源(402)を通じて示すが、上記容量は感知方法の信頼度と正確度に影響を与えない。シャント抵抗(424)内に感知電流を含まなく、漏れ容量(412）を通じて電流が流れるようにできる分離されたガード駆動電圧源(422)に対する理由を随伴する。
【００５２】
基底基準シャント抵抗(424)を通じて発展した信号電圧は基底基準増幅器(404)の入力と連結する。基底基準シャント抵抗(424）を交差して降下された電圧の量は小さいので、電圧源(422)からのガード電圧と電圧源(402)からのセンサー電圧は同一であると仮定することができる。基底基準シャント抵抗(424）を通過した電圧は経時的に監視されることができる。従って、基底基準シャント抵抗(424）と特にセンサー(414）の容量を通じて流れる電流が順序に計算される。結果的な信号は信号増幅器(404)により増幅される。
【００５３】
増幅された電流信号を反映し、制御処理器(図示されない)により使用され得る出力信号は出力ノード(418)に現れる。上記配置の結果によって、感知コンデンサ(414）の容量に比例する電流振幅を有する求刑派出力信号は出力ノード(418)に現れる。出力信号はスターリングエンジン/交流発電機と上記位置センサー配置の使用に基づく時に、時変化し、経時的にピストン(130）の相対的位置を反映する。出力求刑波の絶対値が求められることができ、位置もその値を基準で読み出される。この実施形態に関連して多様な他の変調信号が使用され得る。例えば、電圧源(402）は出力ノード(418)で正弦波出力信号を表す正弦波変調信号を提供することができ、電波整流と信号処理技術に公知された後続ローパスフィルタリング方法により検出されたピーク振幅は感知コンデンサ電流、容量及び可動電極の位置の測定機能をする。
【００５４】
また、図6を参照して本発明の信号調節方法に対する他の実施形態を説明する。この実施形態は基底基準シャント抵抗(424）が除去され、センサー電流を監視するのに使用される代わりに、トランスインピーダンス増幅器構造により代替されたことを除外して図5の実施形態と類似する。この実施形態はたとえ小さく、大部分の場合些少であるが、基底基準シャント抵抗(424）が回路から除去されるため、基底基準シャント抵抗(424)を通した電圧降下が除去されるという長所を有する。図6に図示されたように、フィードバック抵抗(526）は演算増幅器(504)と関連して使用される。フィードバック抵抗(526）は演算増幅器(504）の加算ジャンクション(summing junction)にネット電流(net current)が流れないようにする。フィードバック抵抗(526）を使用し、電圧源(502）を演算増幅器(504）の加算ジャンクション入力に接続することによって、効果的な仮想接地を生成する演算増幅器(504)加算ジャンクションに全ての電流が流れるようにする。出力電圧により表示される演算増幅器(504)加算ジャンクションに入出力される電流を監視することによって、可変センサー(514）の効果的な容量が決定され得る。
【００５５】
図7に図示された本発明の他の実施形態において、正電流、可変電圧回路は、センサー(614）の容量を表す出力信号を得るのに使用される。この実施形態によると、正振幅求刑または正弦波電流源(602）は以前実施形態での電圧源を代替する。電圧ファロウァ(voltage follower)(628）は、正電流源により発展した電圧と同一の電圧を駆動するガードを生成させ、ガードシールド電圧が電流源(602）の電位と本質的に同一の電位に留まるようにする必要がある[即ち、容量(608）を交差した電圧差が0となる]。センサー容量を通じて流れる電流の固定された振幅に到達するのに要求される電流源により発展した電圧はセンサー容量値に反比例する。往復運動部材の位置は、感知コンデンサ(614)を通じた可変電圧により間接的に決定される。出力ポイント(618)に現れるアナログ信号出力は感知コンデンサ(614）の容量に反比例し、従って、往復運動部材の位置に反比例する。センサー容量と電圧変化間の関係は非線形関数であるため、この実施形態は上記したように本発明の全ての長点を達成しなく、この実施形態は一般的に最も望ましくはないということは当業者に自明である。しかし、例えば、デジタル信号処理器が全ての難しさを説明するために送信機能線形化を遂行するのに使用され得るということも容易に理解される。
【００５６】
多様な追加信号調節技術が、上記多様な実施形態によって設計された回路から得られた出力信号に適用され得るということは当業者に自明である。例えば、センサー及びガードは正弦波励起(“キャリア”)電圧で駆動することができ、ローパスフィルターによりファラウィングされる電波整流は可動電極(140）の位置を表すキャリアエンベロープ振幅(carrier envelope amplitude）を回復させる出力信号処理に使用され得る。これがなる範囲まで二次Butterworth LPF等のローパスフィルターは、センサー電流を表すキャリアエンベロープ信号(“ベースバンド”)部品のみを通過する高次復調部品を減少させるのに使用され、これから可動電極(140）の位置が判定する。
【００５７】
フリーピストン式スターリング及び内燃機関内のピストンとディスプレーサ等の高速往復運動部材と関連して、エンジニアリング性能評価の場合のような瞬間位置を認知するのに決定的な場合に、ピストン測定位相遅延も問題になることができる。このような場合において、信号処理回路はローパスフィルター位相遅延を報償する位相リードネットワーク(phase lead network)を含むことができる。例えば、位相遅延報償はシステムチューニングの中に特に望ましい。このような場合において、瞬間圧力波振幅に関する瞬間ピストン位置とディスプレーサの位置の実時間観測はシステムをチューニングするのに必要である。チューニング後、位置感知は位相情報を必要としない。しかし、他のアプリケイション位相リードネットワークを通じた位相遅延報償で利得を得る可能性がある。
【００５８】
フリーピストン式スターリングエンジンパワーピストンの位置に対する監視の説明を目的で、ここに開示された信号調節回路で使用されるローパスフィルター設計に関して、センサー容量変化が0から80Hzの公称動作周波数fbの周波数範囲を超過する簡単な高調波になることができるということが理解する。従って、電波整流器エンベロープ検出機の出力は、望ましいベースバンド情報信号と1/nに減少する振幅に対応する2nfc±fb(n=1、3、5…）の望ましくない高次復調部品を含む。励起(excitation)“キャリア”信号周波数をfc>>80Hzで設定することによって、ベースバンド信号スペクトラム(0〜fb）と高次復調部品間に大きい周波数“スペース”が提供され得る。これは相当に大きい絶対値または位相エラーを導入しなく、0〜fbのベースバンド領域内のローパスフィルターが容量変化情報信号を分離するようにする。
【００５９】
このような特性により、フィルターは上記したように0〜fbのベースバンド領域内の小さな位相遅延を導入するが、望みであれば位相リードネットワークの導入を通じてこれが抑制されることができる。LPF及び位相リードネットワークは、含まれるならば、LPFコーナー(corner)“周波数と位相リードネットワーク設計の適当な選択を通じて条件に合うように小さくなり得る0〜fbの範囲内で数種類振幅応答変化も含む。
【００６０】
容量性センサー構造と信号処理方法に対して説明した。上記した本発明の技術的思想は非常に多くのアプリケーション、特に往復運動部材に関する位置感知アプリケーションを有するということが理解される。線形移動するスターリングエンジン用往復運動部材に関する部分で上記説明が提供された反面、他のアプリケーションも可能であり、ここで開示された技術的思想はスターリングエンジンまたは線形移動する往復運動部材に限定される必要はない。例えば、ここでのセンサーはスターリングエンジンまたは圧縮機、または内燃機関等の多様なフリーピストン式アプリケーションを含む多様なアプリケーションに使用されることができる。また、上記説明の焦点は往復運動部材のピストンを監視するのに合わせられているが、同一の容量性センサーコンセプト領域が例えば、ラジオチューニング回路の共振周波数を調整するのに広く使用される可変コンデンサと類似する一つ以上の固定または回転板を採択することによって、回転式移動に対する感知に関して応用され得る。
【００６１】
本発明の主題は図面を参照して詳細に開示したが、開示された実施形態は説明のためのものでのみ、その特徴に制限しようとするのではない。本発明の思想と範囲から抜け出さない全ての修正と改良は保護されることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】ピストン、シリンダー、及び交流発電機アセンブリーで具現された本発明による容量性センサーの断面図である。
【図２】図1に図示された容量性センサーアセンブリーの更に詳細な断面図である。
【図３】本発明の第1実施形態による容量性センサーの横断面図である。
【図４】本発明の望ましい第1実施形態による正電圧による可変電流検出を利用する信号調節のために使用される電気回路の回路図である。
【図５】本発明の望ましい他の実施形態による正電圧による可変電流検出を利用する信号調節のために使用される電気回路の回路図である。
【図６】本発明の望ましい他の実施形態による正電圧による可変電流検出を利用する信号調節のために使用される電気回路の回路図である。
【図７】本発明の望ましい他の実施形態による正電流による可変電圧検出を利用する信号調節のために使用される電気回路の回路図である。
【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７】
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【国際調査報告】
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