(57)【要約】  振動可動要素の位置を感知するためのシステム及び方法。本発明の位置センサは、この位置センサの第１の位置で可動要素の位置をサンプリングして、このサンプリングした位置に応じてサンプルを与えるための第１の構成体と、第１の位置のサンプルを使用して可動要素の他の位置を計算するための第２の構成体とを有する。例示的なアプリケーションでは、第１の構成体は、ＬＥＤ及びフォトダイオードを含み、可動要素は、長寿命の極低温冷却器のピストンである。プロセッサは、フォトダイオードからサンプルを受けて、可動要素の動きの方程式を解く。この動きの方程式は、Ｐ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ｂである。ここで、Ｐ（ｔ）＝要素の位置、Ａ＝位置波形の振幅、Ｂ＝位置波形のＤＣオフセット、ω＝動作の角振動数、ｔ＝時間、θ＝位置波形の位相、である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動要素のための位置センサであって、
前記可動要素の位置をサンプリングして、このサンプリングした位置に応じてサンプルを与えるセンサ構成体（２６，２８）と、
第１の位置の前記サンプルを使用して、前記可動要素の第２の位置を計算するためのプロセッサ（５４）と、を具備する位置センサ。
【請求項２】
前記可動要素は、極低温冷却器（１２）の可動要素である請求項１の発明。
【請求項３】
前記センサ構成体は、フォトダイオード（２８）を含む請求項１の発明。
【請求項４】
前記センサ構成体は、ＬＥＤ（２６）を含む請求項３の発明。
【請求項５】
前記センサ構成体は、容量センサを含む請求項１の発明。
【請求項６】
前記センサ構成体は、磁気センサを含む請求項１の発明。
【請求項７】
前記プロセッサの構成体は、前記可動要素の動きを記述する方程式を解くように設定されている請求項１の発明。
【請求項８】
前記動きは、正弦曲線である請求項７の発明。
【請求項９】
前記方程式は、
Ｐ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ｂ
であり、ここで、
Ｐ（ｔ）＝前記可動要素の位置
Ａ＝位置波形の振幅
Ｂ＝位置波形のＤＣオフセット
ω＝動作の角振動数
ｔ＝時間
θ＝位置波形の位相
である請求項８の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長寿命の低温冷却器（cryogenic cooler）に関する。特に、本発明は、線形振動の、閉じたサイクルの低温冷却器で使用される位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間赤外線センサシステムのような所定のアプリケーションに対して、極低温冷却サブシステムが、センサの性能を高めるために必要とされる。他のタイプと比べて各々が比較的強い性質や弱い性質を有する数多くのタイプの極低温冷却サブシステムが存在する。いくつかの空間クライオクーラは、例えば、他の利用可能なシステムに対して質量部分及び容積部分を増やして、効率性、動作上の適応性並びに振動性能を提供する。
【０００３】
長寿命で線形振動の極低温冷却器は、しばしば、連続動作の下で１０年以上に亘る十分な寿命を有するように設計されている。このようなクライオクーラは、長年の間、信頼できて効果的な冷却を提供することが期待されるだけでなく、これらの内部の動作要素のストローク特性を能動的かつ正確に変えることによってこれらの冷却シンクの温度を非常に正確に制御することが期待されている。それ故、このような長寿命のクライオクーラシステムは、能動的な往復運動要素の位置フィードバックを含む。様々な往復運動要素のストロークの振幅及びオフセットは、可動要素が、動作中、オーバーストロークせず、クーラの他の部分に物理的に衝突しないように、監視され、制御されなければならない。このようなオーバーストロークや衝突は、可動要素やこれらの撓みサスペンションシステムに機械的に損傷を与える虞があり、また、（クライオクーラが取り付けられている）多くのシステムが簡単に耐えることができない大きな振動や衝撃力を生じる可能性がある。
【０００４】
長寿命である特性のこのようなデザインは、摩擦がなく、汚染も発生しないように、これらの位置測定がゼロ接触である（接触していない）ことを必要とする。このような測定を行うために使用されるセンサは、しばしば、クライオクーラシステム全体のサイズのかなりの部分を占め、かなりのサポート電子部品を必要とし、通常は非常に高価である。
【０００５】
センサは、これまで、振動要素のストロークの振幅及び位相のゼロ接触測定を果すために様々に使用されてきている。特に、線形可動差動トランスフォーマ（ＬＶＤＴ）センサ、容量センサ及び渦電流センサが使用されてきている。一般的には、センサは、ゼロ接触で、正確な連続位置フィードバックを提供する。これら装置の連続フィードバックの特性は、かなりの機械的かつ電気的複雑さを含む。ＬＶＤＴセンサは、非常に大きく、高価であり、かなりの駆動及び復調回路部品を必要とする。容量及び渦電流センサは、幾分小さいが、これらは、特別な復調回路部品を必要とし、小さなものは高価である。
【０００６】
様々なクライオクーラのメカニズムにおける位置フィードバックセンサを含むことは、クライオクーラ全体のパッケージサイズ及び質量を大きくするという影響を与える。
【０００７】
従って、従来において、長寿命の極低温冷却器の可動構成要素の位置を感知するためのシステム又は方法に対する必要性が残っている。
【発明の概要】
【０００８】
従来における必要性は、線形振動のクライオクーラの可動要素の位置を感知するためのシステム及び方法により対処される。本発明の位置センサは、位置センサのいくつかの位置で可動要素の位置をサンプリングして、このサンプリングした位置に応じてサンプルを与える第１の構成体と、第１の位置の前記サンプルを使用して、前記可動要素の他の位置を計算するための第２の構成体とを含む。
【０００９】
例示的なアプリケーションでは、第１の構成体は、ＬＥＤ（発光ダイオード）とフォトダイオードとを含み、可動要素は、長寿命の低温冷却器のピストンである。プロセッサが、フォトダイオードからサンプルを受けて、可動要素の動きの方程式を解く。例示的な実施の形態では、動きの方程式は、Ｐ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ｂであり、ここで、Ｐ（ｔ）＝要素の位置、Ａ＝位置波形（position waveform）の振幅、Ｂ＝位置波形のＤＣオフセット、ω＝動作の角振動数、ｔ＝時間、θ＝位置波形の位相である。
【００１０】
本発明は、光センシング構成体の使用に限定されるものではない。容量、誘導、又は他のセンシング技術が使用されることができる。さらに、本発明は、可動要素によって遮られる光による構成体に限定されない。即ち、他の機構（scheme）は、発生源からセンサへの反射又は透過を引き起こす又は終わらせる要素の動きにより使用されることができる。
【００１１】
例示的な実施の形態及び好ましいアプリケーションが、本発明の効果的な教示を開示するために、添付図面を参照して説明される。
【００１２】
本発明は、特定のアプリケーションに対して例示的な実施の形態を参照してここに説明されるが、本発明は、これに限定されないことが理解されるであろう。ここに説明された教示に触れた当業者は、本発明の範囲内で、さらなる修正、アプリケーション及び実施の形態を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、位置フィードバックのためのＬＶＤＴセンサを使用した通常の長寿命のクライオクーラのコンプレッサのモジュールのダイヤグラムである。
【図２】図２は、本教示に従う通常の位置波形と、サンプルのセンサ出力ｖｓ時間を示すダイヤグラムである。
【図３】図３は、本教示に従って果されるクライオクーラの位置フィードバックシステムのダイヤグラムである。
【図３ａ】図３ａは、本位置センサシステムと共に使用するための電子回路の例示的な実施の形態のブロックダイヤグラムである。
【図４】図４は、新技術のクライオクーラの位置フィードバックシステムの端面図である。
【図５】図５は、本教示に従う往復運動のために構成された要素の位置を感知するための構成体の斜視図である。
【図６】図６は、図５のＬＥＤ並びにフォトダイオードのための構成体を示す図である。
【図７】図７は、図５並びに図６に示されるセンシング構成体の端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、位置フィードバックのためのＬＶＤＴセンサを使用する通常の長寿命のクライオクーラのコンプレッサモジュール１０’のダイヤグラムである。端部カバー（図示されない）が、２つのＬＶＤＴ１２’、１４’を明らかにするために、図１において取り除かれている。これらＬＶＤＴは、第１及び第２の内部可動ピストン（図示されない）の位置を感知するために使用される。図１に示されるように、ＬＶＤＴは、代表的には、モジュール１０’の全長の約２５％を占める。従って、このＬＶＤＴシステムは、モジュールの全長、容積及び重さのかなりのパーセンテージを占める。
【００１５】
さらに、ＬＶＤＴセンサは、適切に機能するために、駆動回路部品及び復調回路部品のかなりの部分を必要とする。これは、クライオクーラの駆動電子部品にコスト、複雑さ及びサイズを増加させるかなり多くの部品を加え、全体の電子部品の信頼性も減る。他の連続フィードバック位置センサシステムは、ＬＶＤＴシステムに対して強かったり弱かったりするが、これらは、それにもかかわらず、クライオクーラシステムのレベルでかなりの欠点を有する。
【００１６】
当業者は、理想的な位置フィードバックシステムが、クライオクーラシステムにかなりの質量、複雑さ、信頼性の問題を加えないことを理解する。必然的に、連続フィードバックセンサシステムの追加は、少なくとも１つのシステムに上述の好ましくない特性を追加する。
【００１７】
本教示は、連続位置フィードバックが好ましいように思えるが、実際には必ずしも必要ではないという認識に少なくとも部分的に基づいている。これは、クライオクーラのモータを駆動させるために使用される波形にもかかわらず、線形振動クライオクーラがかなりの共振システムであり、可動要素は、かなり正弦曲線の形で動くという事実による。含まれるメカニズムは、必然的に、ばね／質量共振器であり、これは、これらの基本的な共振振動数よりも高い振動数での移動に抵抗する。なぜならば、位置波形の歪みは、簡単な高次の高調波成分であり、共振メカニズムの基本的な特性は、位置波形の歪みを防ぐからである。従って、うまく設計されたクライオクーラの可動要素に対する位置ｖｓ時間のプロットは、駆動波形にもかかわらず、かなり正弦曲線に見える。これは、図２に波形１１として描かれている。
【００１８】
図２は、本教示に従う代表的な可動要素の位置波形と、サンプルのセンサ出力ｖｓ時間を示すダイヤグラムである。
【００１９】
本教示に従えば、ピストンの位置波形が正弦曲線であるという知識が利用される。特に、正確な精度でこれら波形を記載する方程式が利用される。この方程式は、
Ｐ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ｂ            ［１］  
ここで、  
Ｐ（ｔ）＝要素の位置  
Ａ＝位置波形の振幅（未知）  
Ｂ＝位置波形のＤＣオフセット（未知）  
ω＝動作の角振動数（既知）  
ｔ＝時間（既知）  
θ＝位置波形の位相（未知）  
である。
【００２０】
上の方程式では、「時間」は、電子部品内のシステムクロックに簡単に参照できる。「周波数」は、正確に既知であるモータの駆動波形により決定される。従って、可動要素の位置のための方程式は、２つの既知数と、３つの未知数とを含む。
【００２１】
本教示に従えば、問題における波形の３つの離散的なサンプルが、３つの未知数に対する方程式［１］を解くために使用される。この点では、位置波形についての全ての関連する情報が、既知である。従って、可動要素の位置波形の１連の３つの離散的なサンプルは、数学的な意味で位置波形を完全に記述するのに適している。それ故、連続位置フィードバックは、必要とされず、連続フィードバックセンサが使用される必要がないことを意味している。
【００２２】
傍注（side note）として、最小限である３よりも多いさらなるサンプルを用いることにより、信頼性と正確性とを高めることができる可能性がある。主要なポイントは、比較的少ない数の離散的なサンプルが、正弦曲線である波形の全ての特性を正確に計算するために使用されることができるということである。
【００２３】
図３は、本教示に従って果されるクライオクーラの位置フィードバックシステムのダイヤグラムである。システム１０は、ベース１４に装着されるＬＶＤＴ１２を含む。ＬＶＤＴ１２は、ピストン１５を通してモータ１６によって駆動される。モータマウント１７は、モータに隣接しており、このモータを機械的に支持するように機能する。撓みスタック１８は、サスペンションケージ２０の周りに配置されている。撓みスタック及びサスペンションケージは、一緒に、（クライオクーラのアプリケーションの効率を改良するために）特定の共振周波数を得るように、この動きの至るところで可動ピストンを支持し、適切なばね力を与える。シャフト２２は、ピストン１５に結合されており、二重矢印のヘッドを備えたラインによって示されるように、図に対して左から右へと、このピストンと一緒に往復運動する。
【００２４】
以下に詳しく説明されるように、本教示に従えば、ブレード２４は、発光ダイオード（ＬＥＤ）２６からフォトダイオード２８（図４にはどちらも示されない）へのビームを遮る。これは、以下で図４に示される。
【００２５】
図３ａは、本発明の位置センシングシステムと共に使用するための電子回路の例示的な実施の形態のブロックダイヤグラムである。図３ａに示されるように、ＬＥＤからの光は、フォトダイオード２８によって検出される。フォトダイオード２８は、アナログ信号をアナログデジタルコンバータ５２に出力する。プロセッサ５４は、方程式［１］を解くために必要とされる計算を行い、入力／出力インターフェース５６に信号を出力する。プロセッサは、ＥＰＧＡ（フィールドのプログラム可能なゲートアレイ）、ＡＳＩＣ（アプリケーションの特定の集積回路）又は他の構成体を備えた、又は汎用のプロセッサ又はＲＩＳＣ（減少された（又は合理化された）命令セットコンピュータ（Reduced Instruction Set Computer））プロセッサを備えたソフトウェアである。
【００２６】
図４は、図２のクライオクーラの位置フィードバックシステムの端面図である。図４に示されるように、ＬＥＤ２６とフォトダイオード２８とは、シャフト２２と付属ブレード２４とがこの波形において所定の位置を通るとき、信号がフォトダイオード２８により出力される又は遮られるように、支持部３０に装着される。
【００２７】
図５は、本教示に係る往復運動のために設けられた要素の位置を感知するための構成体の斜視図である。この場合には、チョッパブレード２４は、装着ブラケット４０によって可動要素（図示されない）に装着されている。
【００２８】
図６は、図５のＬＥＤ及びフォトダイオードを支持するための構成体を示している。この構成体４２は、Ｌ型ブラケット４６、４７と、台座４８、４９とによってそれぞれベースに取着されたＬＥＤ２６とフォトダイオード２８とを備えた第１及び第２のポスト４３、４４を含む。
【００２９】
図７は、図５並びに図６に示されるセンシング構成体の端面図である。
【００３０】
図４に示されるように、フォトダイオード２８は、連続フィードバックを与えないが、シャフト２２と付属ブレード２４とがこの波形における所定の位置を通るときはいつでも駆動する。
【００３１】
図２に示されるように、位置波形が（図に黒い円で示される）所定の位置を通過するたびに、フォトダイオード２８が駆動される。これは、位置波形が、所定の既知の位置にあることを示す。従って、格納された各トリガは、２つのピースの情報を含む。これら情報とは、１）トリガイベントの時間、２）トリガの時間での可動要素の位置、である。３つのトリガイベントが格納された後、全ての必要なデータが集められて、これらデータは、動きの方程式、即ち方程式［１］を解くために処理されることができる。アルゴリズムの出力は、位置波形の振幅、ＤＣオフセット及び相対的な位相である。位置波形に関する全ての関連情報が、ここで既知となり、関連制御ループ（クライオクーラシステムの場合には位置制御及び温度制御）に入力として使用されることができる。
【００３２】
クライオクーラの電子部品は、問題におけるトリガに対応する各トリガの時間及び所定の位置のみを格納する必要がある。クライオクーラの電子部品（図示されない）は、フォトダイオード２８に電気的に結合されている。クライオクーラの電子部品は、方程式［１］に従う位置Ｐ（ｔ）をコンピュータ計算するためのハードウェアかソフトウェアに与えられるプロセッサを含む。
【００３３】
従って、本発明は、特定のアプリケーションのための特定の実施の形態を参照してここに説明される。当業者は、本発明の範囲内で、さらなる修正、アプリケーション並びに実施の形態を認識するであろう。本発明のシステムは、様々なタイプのセンサに使用されることができる。例えば、光学システムは、位置波形、又は簡略化された渦電流に使用されることができ、若しくは、容量タイプのセンサが、本教示の範囲から逸脱することなく使用されることができる。しかし、一般的に、本システム（様々な近接センサ、光学センサ等）と共に使用されることができるセンサの非連続の特性は、センサ自身が、連続フィードバックのものよりもかなり小さく、簡単で安価であることができるということを含む。いかなる場合にも、センサの数、センサの配置、サンプルの数、サンプルのトリミング及び他の関連する問題は、本教示の範囲から逸脱することなく、一実施の形態から他の実施の形態へと変わることを意図している。さらに、本発明は、光が可動要素により遮られることによる構成体に限定されるものではない。即ち、他の機構は、要素の動きが、発生源からセンサへの反射又は透過を引き起こす又は終わらせることによって同様に使用されることができる。また、本開示の焦点は、極低温冷却のアプリケーションに向けられているが、本教示は、これに限定されることなく、他の共振、振動システムに一般的に適用可能である。
【００３４】
それ故、添付の特許請求の範囲によって、本発明の範囲内で、このようなアプリケーション、修正並びに実施の形態をカバーすることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成22年2月12日(2010.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動要素のための位置センサであって、
前記可動要素の位置を第１の位置で非連続的にサンプリングして、このサンプリングした第１の位置に応じて少なくとも３つの離散的なサンプルの値を与えるセンサ構成体（２６，２８）と、
前記第１の位置の離散的なサンプルの値を使用して、前記可動要素の第２の位置を計算するためのプロセッサ（５４）と、を具備する位置センサ。
【請求項２】
前記可動要素は、極低温冷却器（１２）の可動要素である請求項１の位置センサ。
【請求項３】
前記センサ構成体は、フォトダイオード（２８）を含む請求項１の位置センサ。
【請求項４】
前記センサ構成体は、ＬＥＤ（２６）を含む請求項３の位置センサ。
【請求項５】
前記センサ構成体は、容量センサを含む請求項１の位置センサ。
【請求項６】
前記センサ構成体は、磁気センサを含む請求項１の位置センサ。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記可動要素の動きを記述する方程式を解くように設定されている請求項１の位置センサ。
【請求項８】
前記動きは、正弦曲線状の動きである請求項７の位置センサ。
【請求項９】
前記方程式は、
Ｐ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋Ｂ
であり、ここで、
Ｐ（ｔ）＝前記可動要素の位置
Ａ＝位置波形の振幅
Ｂ＝位置波形のＤＣオフセット
ω＝動作の角振動数
ｔ＝時間
θ＝位置波形の位相
である請求項８の位置センサ。
【国際調査報告】
2010527435.tif 000011
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