(57)【要約】【課題】ピストンとシリンダとのシール性の低下を抑制しつつ、ピストンの変位を測定する。【解決手段】フリーピストン式発電機１０は、筒形状に形成されたシリンダ１２と、前記シリンダ１２内に配置されたピストン１４と、前記ピストン１４を挟んで対向するように設けられるとともに、前記ピストン１４を往復移動させる、燃焼室１６及び空気室１８と、前記ピストン１４の外周面に摺接する、シール部材２０と、前記ピストン１４の外周面に形成された溝部２２と、前記溝部２２の変位を検出する変位検出器２６と、前記溝部２２のうち、前記シール部材２０に摺接する部分に充填されるとともに、前記ピストン１４の構成材料とは前記変位検出器２６の検出特性が異なる充填部材２４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状に形成されたシリンダと、
前記シリンダ内に配置されたピストンと、
前記ピストンを挟んで対向するように設けられるとともに、前記ピストンを往復移動させる、燃焼室及び空気室と、
前記シリンダの内周面に設けられるとともに、前記ピストンの外周面に摺接する、シール部材と、
前記ピストンの外周面に形成された溝部と、
前記溝部の変位を検出する変位検出器と、
前記溝部のうち、前記シール部材に摺接する部分に充填されるとともに、前記ピストンの構成材料とは前記変位検出器の検出特性が異なる充填部材と、
を備えたことを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記充填材料の摩擦係数は、前記ピストンの構成材料の摩擦係数以下であることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含み、
前記変位検出器は複数設けられ、それぞれの前記変位検出器は、前記移動方向に沿って前記溝パターンの検出範囲がオフセットされていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項４】
請求項１または２に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、
それぞれの前記溝パターンは、他の前記溝パターンに対して、前記ピストンの移動方向に沿った前記溝の幅未満の範囲で、前記ピストンの移動方向に沿ってオフセットされていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項５】
請求項１または２に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、
前記溝パターンは、前記ピストンの径方向に沿って対向するように形成され、
前記変位検出器は、前記溝パターンの変位に応じた信号を出力するとともに、前記溝パターンの変位を求める際に、前記対向する溝パターンに応じたそれぞれの前記信号を足し合わせることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔が、端部側に向かうに従って狭くなるように前記溝が形成されていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、隣り合う溝同士の間隔が、第１の間隔となるように形成された部分と、第２の間隔となるように形成された部分とを含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記充填部材は、前記変位検出器の検出特性が互いに異なる第１の充填部材と第２の充填部材を含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記溝部は、溝深さが第１の深さとなるように形成された溝と、第２の深さとなるように形成された溝とを含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記空気室及び燃焼室の少なくとも一方には圧力センサが設けられ、前記圧力センサの値に応じて、前記ピストンの位置が検出されることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記シリンダの内周面にはコイルが設けられ、
前記ピストンの外周面には磁石が設けられ、
前記コイルに電流を供給して磁界を発生させることで前記ピストンを移動させる際に、前記コイルに供給される電流値に応じて前記ピストンの位置が検出されることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のフリーピストン式発電機であって、
前記変位検出器からの信号に応じて前記ピストンの位置を算出する演算器を備え、
前記演算器は、既に受信した信号から前記ピストンの速度及び加速度を算出するとともに、前記速度及び加速度に応じて、前記ピストンの現在位置を算出することを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン式発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、機械的に拘束されることなくシリンダ内で往復運動するピストン（フリーピストン）を用いた発電機が知られている。例えば、特許文献１、２には、筒形状のシリンダと、シリンダ内部に配置されたピストンを備えた、２ストロークエンジン駆動のフリーピストン式発電機が開示されている。
【０００３】
シリンダ内部には、ピストンを挟んで対向する様に、燃焼室と空気室が形成されている。燃焼室には、掃気孔が設けられている。この掃気孔から新気が燃焼室に導入される。さらに燃焼室には、燃料を噴射するインジェクタが設けられている。また、燃焼室には点火手段が設けられており、点火手段は、燃焼室で生成された燃料と新気の混合気を燃焼させる。その際に生じる燃焼圧力により、ピストンが空気室側に移動させられる。空気室はいわゆる空気ばねとしての機能を備えている。ピストンの移動に伴い空気室が圧縮されることで反発力が生じ、この反発力によりピストンが燃焼室側に押し戻される。
【０００４】
シリンダの内周面にはコイルが設けられている。また、ピストンの外周面には永久磁石が設けられている。ピストンの往復運動に伴い、永久磁石とコイルとの位置が相対変化する。このとき、コイルに誘導起電力が発生する。発生した電力は、バッテリー等の蓄電手段に供給される。
【０００５】
また、特許文献３では、直線移動する物体の変位を検出するために、当該物体表面に移動量計測用スリットを形成するとともに、当該スリットの変位を検出する検出手段を備えることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２１４６１号公報
【特許文献２】特開２０１２−３１７４６号公報
【特許文献３】特開平３−２６７７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料室に新気を導入する掃気期間でないときにも、掃気孔には圧力が掛けられており、ピストンとシリンダとの隙間を通じて、新気が空気室側に吹き抜けるおそれがある。これは、掃気孔に新気を送り込む掃気ポンプのロスに繋がることから、ピストンとシリンダとの隙間をシールすることが好適である。具体的には、シリンダ内周面に、ピストン外周面と摺接する内張りシールリングを設けることが考えられる。この場合、ピストン外周面には永久磁石が設けられており、その永久磁石は脆性材料で構成されている場合があることから、永久磁石には摺接しないように、シールリングを設けることが好適である。
【０００８】
また、ピストンの変位を検出するために、ピストンの外周面にスリットを切る場合、永久磁石にスリットを切ると、その凹凸形状に起因して磁力が変動し、誘導起電力が不安定になるおそれがある。そこで、永久磁石を避けてスリットを設けることが好適である。
【０００９】
永久磁石を避けるようにして、スリット及びシールリングを設けると、図１０に示すように、シールリング１１０とスリット１１２とが摺接してしまう場合がある。例えば、フリーピストン式発電機の小型化のため、ピストンの移動方向長さを短くした際に（ピストン外周面から永久磁石以外のスペースが削られた場合に）、上記のような場合が生じ得る。シールリングとの摺接面に、スリットによる凹凸が形成されると、シール性能が低下するおそれがある。そこで、本発明は、ピストンとシリンダとのシール性を保ちつつピストンの変位測定が可能な、フリーピストン式発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、フリーピストン式発電機に関するものである。当該発電機は、筒形状に形成されたシリンダと、前記シリンダ内に配置されたピストンと、前記ピストンを挟んで対向するように設けられるとともに、前記ピストンを往復移動させる、燃焼室及び空気室と、を備える。さらに、前記シリンダの内周面に設けられるとともに、前記ピストンの外周面に摺接する、シール部材と、前記ピストンの外周面に形成された溝部と、前記溝部の変位を検出する変位検出器と、を備える。さらに、前記溝部のうち、前記シール部材に摺接する部分に充填されるとともに、前記ピストンの構成材料とは前記変位検出器の検出特性が異なる充填部材を備える。
【００１１】
また、上記発明において、前記充填材料の摩擦係数は、前記ピストンの構成材料の摩擦係数以下であることが好適である。
【００１２】
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含み、前記変位検出器は複数設けられ、それぞれの前記変位検出器は、前記移動方向に沿って前記溝パターンの検出範囲がオフセットされていることが好適である。
【００１３】
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、それぞれの前記溝パターンは、他の前記溝パターンに対して、前記ピストンの移動方向に沿った前記溝の幅未満の範囲で、前記ピストンの移動方向に沿ってオフセットされていることが好適である。
【００１４】
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、前記溝パターンは、前記ピストンの径方向に沿って対向するように形成されていることが好適である。さらに、前記変位検出器は、前記溝パターンの変位に応じた信号を出力するとともに、前記溝パターンの変位を求める際に、前記対向する溝パターンに応じたそれぞれの前記信号を足し合わせることが好適である。
【００１５】
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔が、端部側に向かうに従って狭くなるように前記溝が形成されていることが好適である。
【００１６】
また、上記発明において、前記溝部は、隣り合う溝同士の間隔が、第１の間隔となるように形成された部分と、第２の間隔となるように形成された部分とを含むことが好適である。
【００１７】
また、上記発明において、前記充填部材は、前記変位検出器の検出特性が互いに異なる第１の充填部材と第２の充填部材を含むことが好適である。
【００１８】
また、上記発明において、前記溝部は、溝深さが第１の深さとなるように形成された溝と、第２の深さとなるように形成された溝とを含むことが好適である。
【００１９】
また、上記発明において、前記空気室及び燃焼室の少なくとも一方には圧力センサが設けられ、前記圧力センサの値に応じて、前記ピストンの位置が検出されることが好適である。
【００２０】
また、上記発明において、前記シリンダの内周面にはコイルが設けられ、前記ピストンの外周面には磁石が設けられ、前記コイルに電流を供給して磁界を発生させることで前記ピストンを移動させる際に、前記コイルに供給される電流値に応じて前記ピストンの位置が検出されることが好適である。
【００２１】
また、上記発明において、前記変位検出器からの信号に応じて前記ピストンの位置を算出する演算器を備え、前記演算器は、既に受信した信号から前記ピストンの速度及び加速度を算出するとともに、前記速度及び加速度に応じて、前記ピストンの現在位置を算出することが好適である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ピストンとシリンダとのシール性の低下を抑制しつつ、ピストンの変位を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態に係るフリーピストン式発電機を例示する側面断面図である。
【図２】変位検出器の出力信号について説明する図である。
【図３】溝部を例示する側面断面図である。
【図４】溝部を例示する正面図及び側面図である。
【図５】本実施の形態に係るフリーピストン式発電機を例示する側面断面図である。
【図６】溝部を例示する側面断面図である。
【図７】ピストンの変位検出について説明する側面断面図である。
【図８】変位信号の演算加工について説明する図である。
【図９】本実施の参考形態に係るフリーピストン式発電機を例示する側面断面図である。
【図１０】従来のフリーピストン式発電機を例示する側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に、本実施の形態に係るフリーピストン式発電機１０を例示する。フリーピストン式発電機１０は、シリンダ１２、ピストン１４、燃焼室１６、空気室１８、シール部材２０、溝部２２、充填部材２４、及び変位検出器２６を含んで構成される。
【００２５】
シリンダ１２は、筒形状の部材であり、内部にピストン１４、燃焼室１６、空気室１８等を備えることができる。シリンダ１２は、燃焼室１６での燃焼に起因する高温環境に耐え得る部材から構成されていることが好適である。例えばアルミ等の材料から構成されていてよい。また、シリンダ１２の内周面には、コイル２７が設けられている。コイル２７は図示しないバッテリー等の蓄電手段に接続されている。
【００２６】
ピストン１４を挟んで対向する様に、シリンダ１２内には、燃焼室１６及び空気室１８が設けられる。燃焼室１６は、燃焼圧力を生じさせてピストン１４を移動させる。燃焼室１６は、例えば、シリンダ１２内部の端部側に設けるようにしてもよい。
【００２７】
燃焼室１６には、掃気孔２８、排気口３０、排気バルブ３２、インジェクタ３４、及び点火手段３６が設けられている。掃気孔２８は、燃焼室１６内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔２８に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔２８は、例えば、シリンダ１２の内壁面に開口されていてよく、ピストン１４が上死点に位置しているときにはピストン１４によって塞がれるとともに、ピストン１４が下死点に位置しているときには解放されるような位置に形成されていてよい。なお、上死点とは、ピストン１４が最も燃焼室１６側に位置したときを指し、また、下死点とは、ピストン１４が最も空気室１８側に位置したときを指している。また、排気口３０は、燃焼室で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に排出する。また、排気口３０が無く、掃気孔２８のみで掃気・排気を行うループフロー式であってもよい。インジェクタ３４は、燃料を噴射する噴射手段である。燃料は、掃気孔２８より前のポートにて供給してもよい。点火手段３６は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。例えば、排気バルブ３２の開放タイミング、インジェクタ３４の噴射タイミング、及び、点火手段３６の点火タイミングは、ピストン１４の位置に応じて決定するようにしてもよい。また、点火手段３６の無い、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせてもよい。
【００２８】
空気室１８は、ピストン１４を燃焼室１６側に押し戻す、いわゆる空気ばねの機能を備えている。ピストン１４が燃焼室１６側から空気室１８側に移動する際に、空気室１８が圧縮される。この圧縮により反発力が生じ、当該反発力により、ピストン１４が燃焼室１６側に押し戻される。ここで、空気室１８には、内圧を一定範囲に収めるための調圧弁３８が設けられていてもよい。
【００２９】
なお、ピストン１４に加える反発力を高めるために、ピストン１４の燃焼室１６側端面よりも、空気室１８側端面の面積を大きくするように、ピストン１４、燃焼室１６、及び空気室１８を構成してもよい。
【００３０】
シール部材２０は、ピストン１４の外周面に摺接することで、ピストン１４の外周面との隙間をシールする。ピストン１４の外周面をシールすることで、燃焼室１６からの気体漏れを抑制することができる。シール部材２０は、例えば、ピストン１４の外周面の形状に沿って円環状に形成されたシールリングであってよい。シール部材２０は、シリンダ１２の内周面に固定されていてよい。例えば、シリンダ１２の内周面にシール溝を切るとともに、当該シール溝に、シール部材２０を嵌め込むようにしてもよい。また、シール部材２０は、ピストン１４に設けられた永久磁石４０と摺接することのない位置に設けられていることが好適である。例えば、ピストン１４が上死点にいるときの永久磁石４０の位置よりも燃焼室１６側にシール部材２０を設けてよい。
【００３１】
変位検出器２６は、後述するピストン１４の溝部２２の変位を検出する。溝部２２の変位を検出することで、ピストン１４の変位を求めることができる。変位検出器２６は、シリンダ１２に設けられてよく、溝部２２に近接して設けられていてよい。例えば、検出面がシリンダ１２の内周面に露出するようにしてもよい。
【００３２】
また、変位検出器２６は、図２に示すような、検出信号及び変位信号を出力可能であってよい。変位検出器２６から出力される検出信号Ｓ１は、溝部２２の凹凸に応じて２つの値を取るようにしてもよい。例えば、変位検出器２６が充填部材２４によって充填されている部分と相対しているときに、変位検出器２６は、検出信号Ｓ１Ｈを出力する。また、充填部材２４に充填されていない、ピストン１４の構成部材と相対しているときに、変位検出器２６は、検出信号Ｓ１Ｌを出力する。
【００３３】
変位検出器２６内には、検出信号Ｓ１の値をカウントするカウンタが設けられてよい。例えば、変位検出器２６内のハードウェア回路によってカウンタが構成されてよい。検出信号Ｓ１の値が変化する度に、変位信号値Ｃ１が１ずつ増減されるように構成されており、この変位信号値Ｃ１の増減によって、ピストン１４の位置が算出できる。カウンタはリアルタイムで変位信号値Ｃ１のカウントを行ってよい。
【００３４】
変位検出器２６は、溝部２２の変位を検出可能な手段であればよく、例えば、渦電流センサ、光学センサ、静電容量センサ等の非接触センサであってよい。なお、シリンダ１２内は潤滑用のオイル等がシリンダ１２の内表面やピストン１４の外表面に付着しており、光学的に良好な検出環境を確保することは困難となる場合がある。このような観点から、変位検出器２６として、渦電流センサや静電容量センサを用いることが好適である。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器２５は、変位検出器から出力された変位信号値Ｃ１をデジタル信号に変換する。また、演算器２３は、デジタル変換された変位信号を取り込むとともに、取り込んだ変位信号に基づいて、ピストン１４の変位を求める。例えば、図２中の塗り潰し黒丸プロットで例示するように、クロック信号に応じたサンプリングタイミングごとに、変位信号値Ｃ１を取り込む。
【００３６】
図１に戻り、ピストン１４は、燃焼室１６及び空気室１８の作用により、シリンダ１２内を往復移動させられる。ピストン１４は、シリンダ１２の内周面に沿った形状であってよい。例えば、円柱形状であってよい。また、シリンダ１２内を往復移動可能とするために、シリンダ１２の内周面と、ピストン１４の外周面との間には、シール部材２０との摺接部分を除いて、隙間（クリアランス）が設けられていることが好適である。例えば、当該隙間は、０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であってよい。
【００３７】
ピストン１４の外周面には、永久磁石４０が設けられている。ピストン１４がシリンダ１２内を往復移動することで、ピストン１４に設けられた永久磁石４０と、シリンダ１２に設けられたコイル２７との位置が相対変化する。このとき、コイル２７に誘導起電力が発生する。発生した電力は、図示しないバッテリー等の蓄電手段に供給される。
【００３８】
また、ピストン１４は、燃焼室１６による温度上昇や、空気室１８の圧力上昇に耐え得る材料から構成することが好適である。例えば、ピストン１４はアルミ等の金属材料から構成されていてよい。
【００３９】
ピストン１４の外周面には、溝部２２が形成されている。ここで、永久磁石４０に溝部２２を形成すると、永久磁石４０の厚みが変化してしまい、それによって誘導起電力が変動するおそれがある。そこで、溝部２２は、ピストン１４の外周面のうち、永久磁石４０を避けた位置に設けることが好適である。例えば、溝部２２は、ピストン１４の外周面のうち、永久磁石４０よりも燃焼室１６側に設けられていてよい。
【００４０】
溝部２２は、ピストン１４の移動方向に沿って溝が複数形成された、溝パターンを含んでよい。また、溝部２２は、ピストン１４が上死点及び下死点に位置している際に、変位検出器２６の検出範囲に含まれるように形成されていることが好適である。こうすることで、ピストン１４の全変位を検出することが可能となる。例えば、ピストン１４の移動方向に沿った溝部２２の長さは、ピストン１４のストローク長さ（往復長）以上となるように設けられていてよい。
【００４１】
また、溝部２２は、ピストン１４の往復運動に適応するように作成してもよい。例えば、ピストン１４は、上死点及び下死点付近には単位時間当たりの変位が少なく、また、上死点と下死点の間では、単位時間当たりの変位が大きい。このようなピストン１４の往復運動に適応するように、図３（ａ）に例示されているように、ピストン１４の移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔（ピッチ）が、端部側に向かうに従って狭くなるように溝部２２を形成してもよい。このようにすることで、上死点及び下死点付近のピストン１４の変位を正確に検出することが可能となる。
【００４２】
また、ピストン１４の変位の絶対値を求める上で、基準値となるような基準パターンを溝部２２に形成してもよい。例えば、隣り合う溝の間隔が、他のものとは異なるような特異なパターンを形成するようにしてもよい。例えば、図３（ｂ）に例示されているように、溝間隔がｄ１である溝パターン２２Ａと、溝間隔がｄ２である基準パターン２２Ｂを形成するようにしてもよい。または、図３（ｃ）に例示されているように、溝幅がＷ３である溝２２Ｃと、溝幅がＷ４である基準溝２２Ｄを形成するようにしてもよい。
【００４３】
例えば、変位検出器２６が基準パターン２２Ｂや基準溝２２Ｄを検出すると、言い換えると、基準パターン２２Ｂや基準溝２２Ｄが変位検出器２６を横切ると、変位検出器２６は、ピストン１４の位置を基準座標（例えば０）にリセットするようにしてもよい。また、基準パターン２２Ｂのその他の形成方法として、図３（ｄ）に例示するように、他の溝の深さとは異なる深さの基準溝２２Ｅを形成してもよい。
【００４４】
また、ピストン１４の変位検出の精度を高めるために、溝部２２を複数形成してもよい。例えば、図４に例示するように、ピストン１４の周廻りに溝部２２を複数形成してよい。ここで、それぞれの溝部２２の溝パターンは、他の溝部２２の溝パターンに対して、ピストン１４の移動方向に沿ってオフセットされていることが好適である。このとき、オフセットの幅Ｗ１は、ピストン１４の移動方向に沿った溝の幅Ｗ２未満の範囲であってよい。
【００４５】
これらの複数の溝部２２のそれぞれに、変位検出器２６を設ける。図４では、４つの溝部２２Ｆ〜２２Ｉに対して、変位検出器２６Ｆ〜２６Ｉを設けている。各変位検出器２６Ｆ〜２６Ｉが検出した検出信号のパルスの切り替わり点は、それぞれオフセット幅Ｗ１分だけ、ずれたものとなる。パルスの切り替わり点がずれることで、変位検出の分解能が向上する。
【００４６】
また、複数の溝部２２は、ピストン１４の径方向に沿って対向するように設けられていてよい。このようにすることで、ピストン１４の振動に伴う検出信号の変動を補償することが可能となる。ピストン１４は、図１の矢印で示す往復移動の他に、往復移動とは直交する方向に振動する場合がある。そうなると、変位検出器２６と溝部２２との間隔が変化する。この変化に起因して変位検出器２６から出力される検出信号の波形が変動するおそれがある。例えば、変位検出器２６が渦電流センサである場合、変位検出器２６と溝部２２との距離が離れると、検出信号の振幅が低減し、近づくと振幅は増大する。このような変動を補償するために、対向配置された溝部２２のそれぞれの検出信号を足し合わせてよい。この場合、対向する溝部２２を、ピストン１４の移動方向に沿ってオフセットせずに形成することが好適である。
【００４７】
ピストン１４が振動する際に、対向配置された溝部２２の一方は変位検出器２６と離れ、他方は変位検出器２６に近づく。したがって、一方の検出信号の振幅は低減し、他方の検出信号の振幅は増大する。対向配置された変位検出器２６の一方が、他方の検出信号を足し合わせることで、変動の影響がキャンセルされる。
【００４８】
なお、溝部２２を複数設けてそれぞれをオフセットさせる代わりに、図５に例示するように、単一の溝パターンに対して複数の変位検出器２６を設けて、これらの変位検出器２６の検出範囲を、ピストン１４の移動方向に沿ってオフセットさせるようにしてもよい。
【００４９】
溝部２２には、充填部材２４が充填されている。充填部材２４は、少なくとも、溝部２２がシール部材２０に摺接する部分に充填される。充填の際に、シール部材２０との摺動面が平滑となるように、溝部２２に充填部材２４を充填することが好適である。充填された部分が平滑になることで、シール部材２０とのシール性が良好に保たれる。例えば、充填部材２４の充填量は、溝の容積と同一であってよい。また、ピストン１４の外周面と充填部材２４の外表面が面一となるように充填部材２４が充填されてよい。
【００５０】
充填部材２４は、ピストン１４の構成材料とは変位検出器２６の検出特性が異なるような材料を含んでいることが好適である。例えば変位検出器２６が渦電流センサである場合、充填部材２４は、ピストン１４の構成材料とはインピーダンスの異なる材料であってよい。例えば、充填部材２４は、エポキシやＰＥＥＫ等の樹脂材料や、鉄や銅などの金属材料であってよい。
【００５１】
また、シール部材２０との摺動を考慮して、充填部材２４の摩擦係数は、ピストン１４の構成材料の摩擦係数以下であることが好適である。こうすることで、発電の際の摩擦損失を抑制することができる。
【００５２】
なお、充填部材２４の材質を変更することにより、溝部２２の基準位置を定めるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、溝部２２に溝の幅、溝の間隔が一様な溝パターンを形成する。さらに、所定の溝４４に、充填部材２４Ａを充填するとともに、他の溝４６には、充填部材２４Ａとは変位検出器２６の検出特性が異なる充填部材２４Ｂを充填する。例えば、充填部材２４Ａは、充填部材２４Ｂとはインピーダンスの異なる材料から構成してもよい。
【００５３】
次に、フリーピストン式発電機１０の始動時における、ピストン１４の位置検出について、図７を用いて説明する。フリーピストン式発電機１０を始動させるときには、コイル２７に電流を供給して、コイル２７に磁界を発生させる。発生した磁界により、ピストン１４が移動させられる。例えば、ピストン１４が空気室１８側に移動させられる。ピストン１４が所定の始動位置まで移動すると、燃焼室１６にて混合気が燃焼される。
【００５４】
ピストン１４がコイル２７の磁界によって移動している間に、変位検出器２６が溝部２２の基準パターンを検出すれば、ピストン１４の位置の絶対値を求めることができる。一方、基準位置が変位検出器２６よりも空気室１８側に位置しているなど、ピストン１４がコイル２７の磁界によって移動している間に、変位検出器２６が溝部２２の基準パターンを検出できない場合がある。このような場合に、変位検出器２６以外の、ピストン１４の位置を推定する手段を用いてもよい。
【００５５】
例えば、コイル２７への供給電流の変化に基づいて、ピストン１４の位置を推定してもよい。ピストン１４が空気室１８側に移動するほど、空気室１８は圧縮されるので、ピストン１４をさらに空気室１８側に移動させるには、より多くの電流が必要となる。つまり、ピストン１４が空気室１８側に移動するにしたがって、電流値は増加する。そこで、コイル２７への供給電流値に閾値を設けて、供給電流値が閾値を超過したときに、ピストン１４を燃焼室１６側に移動させるように、コイル２７への供給電流を切り替える。このようにすることで、変位検出器２６が溝部２２の基準パターンを確実に検出できるようになる。
【００５６】
また、コイル２７への供給電流をモニタする代わりに、空気室１８に圧力センサ４８を設けて、この圧力センサ４８の圧力変化をもとに、ピストン１４の位置を推定するようにしてもよい。例えば、圧力値に閾値を設けて、空気室１８の圧力値が閾値を超過したときに、ピストン１４を燃焼室１６側に移動させるように、コイル２７への供給電流を切り替えるようにしてもよい。
【００５７】
なお、上記の説明では、最初に空気室１８に向かってピストン１４を動かす場合を例示したが、ピストン１４を最初に燃焼室１６に向かって動かすようにしてもよい。その場合、圧力センサ４８を燃焼室１６に設けることが好適である。
【００５８】
次に、ピストン１４の変位の予測値の算出について説明する。ピストン１４が上死点または下死点付近を移動しているときなど、ピストン１４の移動が遅い場合に、図８に示すように、２つのサンプリングタイミングｔ１、ｔ２に亘って、変位信号値Ｃ１が変化しないことがある。そうなると、演算器２３ではピストン１４が移動していないものと誤って判断してしまい、燃料噴射の停止など、異常制御を実行するおそれがある。
【００５９】
そこで、変位信号を演算加工して、ピストン１４の現在位置を予測することが好適である。具体的には、演算器２３は、既に受信した変位信号値Ｃ１から、ピストン１４の速度及び加速度を算出する。さらに、求めた速度及び加速度に基づいて、破線で示すようなピストン１４の軌跡を算出する。加えて、塗りつぶし三角プロットで示すように、前回のサンプリングタイミングから、変位信号値Ｃ１が変化していない場合、当該軌跡におけるピストン１４の位置の予測値を算出する。
【００６０】
また、上述の実施形態においては、溝部２２を永久磁石４０よりもピストン１４の燃焼室１６側に設けるとともに、シール部材２０及び変位検出器２６を、コイル２７よりもシリンダ１２の燃焼室１６側に設けていたが、この形態に限られない。例えば、溝部２２を永久磁石４０よりもピストン１４の空気室１８側に設けるとともに、シール部材２０及び変位検出器２６を、コイル２７よりもシリンダ１２の空気室１８側に設けてよい。また、図９に示すように、ピストン１４に設けられたピストンリング５０をシール部材２０として用いてもよい。図９に示した形態は、上述の実施形態と比較して、移動方向に沿ったピストン１４の長さが延び、その結果、発電機全体が大型化するおそれがあるものの、ピストン１４とシリンダ１２とのシール性の低下を抑制しつつ、ピストン１４の変位を測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００６１】
１０  フリーピストン式発電機、１２  シリンダ、１４  ピストン、１６  燃焼室、１８  空気室、２０  シール部材、２２  溝部、２３  演算器、２４  充填部材、２５  Ａ／Ｄ変換器、２６  変位検出器、２７  コイル、２８  掃気孔、３０  排気口、３２  排気バルブ、３４  インジェクタ、３６  点火手段、３８  調圧弁、４０  永久磁石、４４  所定の溝、４６  所定の溝以外の溝、４８  圧力センサ、５０  ピストンリング。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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