JP2004190675A - 可変容量ポンプ用のセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】 可変容量ポンプ用のセンサーを提供する。
【解決手段】 可変容量ポンプを提供する。ポンプはハウジング（１６）を有する。斜板（１２）はハウジング（１６）内に配置され、軸（２４）を中心として回転するように構成される。調整機構は斜板（１２）に動作可能に係合され、斜板（１２）を回転させるように構成され、それによってハウジング（１６）に対する斜板（１２）の角度を変化させる。磁石（５６）が斜板（１２）に接続されて、斜板（１２）とともに回転する。半導体チップ（６８）は磁石（５６）付近でありかつハウジング（１６）内に配置される。制御装置（３４）は半導体チップ（６８）に通電し、半導体チップにかかる電圧を判定するように構成される。さらに、制御装置は、判定された電圧に基づいてハウジング（１６）に対する斜板（１２）の角度を決定するように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変容量ポンプ用のセンサーに関し、さらに詳細には可変容量ポンプにおける斜板の角度方向の位置を測定するためのセンサーに関する。

一般に、可変容量ポンプは多くの異なった種類の油圧システムで使用されている。例えば、通常、作業機械などの車両によっては、車両内のエンジンまたはモータによって駆動される油圧ポンプを含み、加圧流体の流れを発生させている。加圧流体は、車両の作動中に任意の多くの目的に使用される。例えば、作業機械では加圧流体を使用して作業現場周辺で機械を推進させたり、または作業機械上の作業器具を移動させたりしている。

一般には、可変容量ポンプはリザーバから、例えば、油などの作動流体を吸い上げて、流体に仕事を付加して流体の圧力を増加させている。ポンプは、例えば、流体の圧力を増加させる一連のピストンなどの吸い上げ要素部品を含んでいる場合がある。また、ポンプは流体の圧力を増加させるために復動によってピストンを駆動させる可変傾転斜板も含んでいる場合がある。

また、可変傾転斜板を含むポンプは、斜板の角度を変化させてピストンのストローク長さを変化させる機構を含む場合があり、これによりポンプの押しのけ容量を変化させている。斜板の角度を変更してピストンのストローク長さを短縮して、ポンプの押しのけ容量を減少させることもできる。あるいは、斜板の角度を変更してピストンのストローク長さを増加させ、ポンプの押しのけ容量を増加させることもできる。

可変容量ポンプからの所要加圧流体の量は、ポンプに依存するシステムまたは車両の特定作動条件によって変化させることもできる。車両用途においては、車両の要求に適したようにポンプの押しのけ容量を変化せることにより、車両の全体効率を改善することができる。例えば、車両の加圧流体の要求量が少ない場合には、斜板の角度を変更してピストンのストローク長さを減少させることができる。車両の加圧流体の要求量が多い場合には、斜板の角度を変更してピストンのストローク長さを増加させることができる。

車両またはシステムは作動要求を監視し、かつ要求量に適したようにポンプの作動を制御する制御システムを含むことができる。車両またはシステムの要求量にポンプの出力を効率的に適合させるために、例えば、斜板の角度を感知することにより、制御システムはポンプの現状の出力を監視する。制御システムが正確に斜板の角度を決定しなければならない場合には、制御システムは正確にポンプの現状の出力を推定できなければならない。この場合に、制御システムは斜板の角度を調整して車両の要求に適合できるようにする。

可変容量ポンプは斜板の角度を監視するセンサーを含むこともできる。斜板のセンサーは数種の異なった原理に基づくこともできる。例えば、斜板のセンサーは機械的、光学的、電気的または磁気的原理に基づいていてもよい。しかし、これらの原理に基づく公知のセンサーは可変容量ポンプでの使用に不適な場合があり、またはポンプの全体的なコストが著しく増加する結果になる場合がある。

例えば、Ｒｅｘｒｏｔｈにより製造されている斜板角度センサーの一つのタイプは、ホール効果として知られる電気的及び磁気的原理の組み合わせに基づいている。このセンサーは斜板に取り付けられ、かつポンプハウジングの外側へ延在する永久磁石を利用している。ホール効果半導体チップが永久磁石の間に配置されている。半導体チップに通電し、該チップに生じる電圧を測定して、斜板の角度を決定している。しかし、ポンプハウジングとポンプハウジングの外側に突出している部材との間を効果的に密封するのは困難であり、また費用がかかる。さらに、センサーの付近に磁気部材があるとセンサーの作動と干渉する場合がある。

本発明のセンサーは上記の種々の問題を解決するものである。

本発明の一形態は、軸を中心として回転するように構成された斜板を含むハウジングを有する可変容量ポンプ用のセンサーを目的とする。センサーは斜板とともに回転するように、斜板に接続された磁石を含んでいる。半導体チップは該磁石付近でありかつハウジング内に配置されている。制御装置は、半導体チップに通電して、半導体チップにかかる電圧を判定するように構成される。さらに、制御装置は、判定された電圧に基づいて、ハウジングに対して斜板の角度を決定するように構成される。

他の形態では、本発明は可変容量ポンプ内における斜板の角度方向位置を検知する方法を目的とする。ハウジング内に配置された斜板は軸を中心として回転する。ハウジング内であって、斜板に接続された磁石付近に配置された半導体チップに通電される。半導体チップにかかる電圧が測定される。半導体チップにかかる電圧の測定値に基づいて、ハウジングに対する斜板の角度が決定される。

上記の概略説明及び以下の詳細説明は単に例示目的であり、請求の範囲に記載する発明を限定するものでないことを理解されたい。

可変容量ポンプ１０の例示的実施形態を図１に示す。図に示すように、ポンプ１０はブロック軸２２を中心として回転する、ハウジング１６内に配置されたブロック２０を含んでいる。ブロック２０は一連のチャンバー２８を画定し、この二つのチャンバー２８が図１に示されている。各チャンバーは出口ポート３０を含んでいる。

また、ポンプ１０は一連のピストン１８を含んでいる。一つのピストン１８は摺動可能に各チャンバー２８内に配置される。通常、スリッパー２６を介し固定隙間装置または正方向力押下げ機構（図示せず）を使用して、ピストン１８は斜板１２に対して保持される。

シャフト（図示せず）をブロック２０に接続してもよい。シャフトの回転に対応して、ブロック軸２２を中心としてシャフトの回転に対応してブロック２０が回転する。エンジン１４によりシャフトを回転することができる。例えば、エンジン１４は内燃機関であってもよい。しかし、当業者であれば、例えば、電動モーターなどの他の種類の動力源によりシャフトを駆動できることも理解することができるであろう。

また、ポンプ１０は駆動表面１３を有する斜板１２を含んでいる。各ピストン１８は付勢されて駆動表面１３に係合する。スリッパー２６は例えば、ボールやソケット継手などの継手を含み、各ピストン１８と斜板１２との間に配置される。各継手により、斜板１２と各ピストン１８との間の相対運動が可能になる。

斜板１２はハウジング１６に対して角度αで配置される。本発明の明細書のために、角度αはブロック軸２２から垂直に描かれた線２３から測定されたものとする。しかし、当業者は、斜板角度は異なった基準点を使って測定できることも理解できるであろう。

ブロック２０が回転すると、斜板１２の傾斜駆動表面１３と各チャンバー２８内のスプリング力が組合わさって、往復運動によって各チャンバー２８内で各ピストン１８が駆動される。スプリング力によりピストン１８が動き、出口ポート３０から離れると、流体は各チャンバー２８内へ進入できるようになる。斜板１２の駆動表面の力によりピストン１８が出口ポート３０の方へ動くと、ピストン１８はチャンバー２８内の流体に働いて、流体を加圧する。チャンバー２８内の流体の圧力が或るレベルに達すると、流体はポート３０を介して流体出口３２へ流れる。チェック弁（図示せず）または同様な装置を出口ポート３０内に位置決めして、流体がチャンバー２８から流体出口３２へ解放される圧力を制御することができる。

ハウジング１６に対する斜板１２の角度αにより、各ピストン１８のストローク長さとポンプ１０の押しのけ量が制御される。斜板角度αが増加すると、各ピストン１８のストローク長さが大きくなる。逆に、斜板角度αが減少すると、各ピストン１８のストローク長さは減少する。各ピストン１８のストローク長さが増加すると、ブロック２０の各回転中に所定レベルまで加圧される流体量が増加する。各ピストン１８のストローク長さが減少すると、ブロック２０の各回転中に所定レベルまで加圧される流体量が減少する。

継手２１は斜板１２とハウジング１６との間に配置され、この継手２１により斜板が斜板軸２４を中心として回転できるようになる。継手２１によりハウジング１６に対する斜板１２の角度αが変化できるようになる。継手２１は当業者には容易に理解できる任意の構成とする。ポンプ１０は斜板１２の回転範囲を制限するように構成してもよい。例えば、斜板１２の回転範囲は約０°の最小押しのけ位置と約２０°の最大押しのけ位置に制限してもよい。

また、ポンプ１０は斜板１２の角度αを変化させる機構を含むことができる。本発明の明細書のために、油圧により制御される機構を説明する。しかし、当業者は、ソレノイド駆動アクチュエータなどの別の種類の機構を使って斜板１２の角度αを変化させることを理解できるであろう。

角度変化機構は斜板１２の対向側に係合する第一のピストン３８と第二のピストン４０を含んでいる。流体経路４８により、ポンプ出口３２からスプール弁３６へ流体の流れが導かれる。流体の流れがスプール弁の出口４６を通過して第一のピストン３８まで流れ、それによって斜板１２に力を作用させる。他の流体経路４７はポンプ出口３２から第二のピストン４０までに流体の流れを導き、それによって対向側の斜板１２に力を作用させる。斜板１２上の第一のピストン３８によって発生した力が斜板１２上の第二のピストン４０によって発生した力を超える場合には、斜板１２は第一の方向へ回転する。斜板１２上の第二のピストン４０によって発生した力が斜板１２上の第一のピストン３８によって発生した力を超える場合には、斜板１２は反対方向へ回転する。

スプール弁３６は第一のピストン３８に作用する流体の圧力を制御し、これにより第一のピストン３８によって発生する斜板１２上に発生する力を制御する。スプール弁３６は調整可能なスプール４２を含んでいる。スプール４２の位置を制御することにより、スプール弁４６を通過して第一のピストン３８へ流れる流体の圧力が制御される。

スプール弁３６を制御して、斜板１２の角度αを調整する。第一のピストン３８上に作用する流体の圧力を増加することにより、斜板１２上で第一のピストン３８によって発生する力を増加させて、斜板１２の角度αを増加させることができる。第一のピストン３８上に作用する流体の圧力を減少させることにより、斜板１２上で第一のピストン３８によって発生する力を減少させて、斜板１２の角度αを減少させることができる。

スプリング４４を第一のピストン３８と係合させて、斜板１２を最大押しのけ位置の方へ付勢させる。このようにして、スプール弁３６のスプール４２により最大流体圧力が第一のピストン３８の方へ向いて、第一と第二のピストン３８と４０の各々上で流体圧が基本的に同じになると、スプリング４４は斜板１２を最大押しのけ位置の方へ移動させるように働く。

制御装置３４を設けて、スプール弁３６を制御し、これにより斜板１２の角度αを制御する。制御装置３４はマイクロプロセッサとメモリーを有する電子制御モジュールを含んでいる。当業者には理解できることであるが、メモリーはマイクロプロセッサに動作可能に接続され、設定される命令や変数を記憶する。マイクロプロセッサや電子制御モジュールの部品に対応するのは、例えば、電源供給回路、信号条件付け回路やソレノイドドライバー回路やその他の各種の他の公知回路である。

制御装置３４はプログラムされて、異なった入力パラメータに基づいてポンプ１０の作動を制御する。例えば、作業機械においては、制御装置３４は作業器具の動作または作業機械自身の要求動作を監視して、加圧流体に対する要求を決定する。制御装置３４が、加圧流体要求がポンプ１０の現状の出力を超える判定をすると、制御装置３４はスプール弁３６を調整して、斜板１２の角度αを増加させ、それによってポンプ１０の押しのけ量を増加させる。

ポンプ押しのけ量を調整する必要があるかを判定する場合には、制御装置３４はポンプ１０の現状の押しのけ量を判定する。斜板１２の現状の角度αを判定することにより、ポンプ１０の現状の押しのけ量が判定される。当業者であれば、斜板１２の角度αに基づいてポンプ１０の現状の押しのけ量が判定されることは理解できる。

図２に示されるように、センサー５０はポンプ１０と係合して斜板１２の角度αを感知する。センサー５０は、例えば、プラスチック、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）またはプレキシグラスなどの非磁性材料から製造される取り付けブロック５４を含んでいる。取り付けブロック５４は円形であってもよく、中央開口部６０を含んでいてもよい。

取り付けブロック５４は斜板１２内の開口部５２内に配置されている。一対のネジ６４は取り付けブロック５４を貫通して配置され、取り付けブロック５４を斜板１２に固定している。取り付けブロック５４は斜板１２の継手２１（図１を参照）に接続され、開口部６０の中心は実質的に斜板軸２２と同心になっている。

第一の磁石５６と第二の磁石５８は取り付けブロック５４内の開口部６０付近に配置される。第一と第二の磁石５６と５８の各々は永久棒磁石である。当業者であれば、他の種類の磁石も使用できることは理解できる。第二の一対のネジ６２は取り付けブロック５４内に配置され、第一と第二の磁石５６と５８を開口部６０に対して所定位置に保持する。

各磁石の対向する極が開口部６０に隣接するように、第一と第二の磁石５６と５８の中心を合わせる。例えば、第一の磁石５６のＮ極は開口部６０の片側に配置し、第二の磁石５８のＳ極は開口部６０の反対側に配置する。この構成により開口部６０に磁束が生じる。磁束の強度は第一と第二の磁石の強度と近接距離によって変化する。第一と第二の磁石５６と５８は、各々の磁極ができる限り開口部６０に近づくように取り付けブロック５４内に位置決めされる。

また、センサー５０も外部表面７４を有しかつハウジング１６を貫通して延在する固定部材６６を含んでいる。固定部材６６は、例えば、プラスチック、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）またはプレキシグラスなどの非磁性材料から製造される。例えば、ＭｅｌｅｘｉｓプログラマブルＭＬＸ９０２１５ホール効果チップなどの半導体チップ６８を固定部材６６の一端に配置する。

固定部材６６の外部表面７４は、取り付けブロック５４の開口部６０内に収容されるように構成される。第一と第二の磁石５６と５８の間で発生する磁束内に半導体チップ６８を配置するように、固定部材６６が取り付けブロック５４に対して位置決めされる。軸受または、例えば、潤滑剤などの他の動作補助装置が固定部材６６と取り付けブロック５４の間に配置される。

固定部材６６の外部表面７４にはネジが設けられて、ナット７２は固定部材６６をハウジング１６に固定できるようになっており、固定部材６６がハウジング１６に対して動かないようになっている。固定部材６６とハウジング１６との間には相対運動がないので、固定部材６６に対して設けられているハウジング１６内の開口部は容易に密封できる。例えば、Ｏリングなどの密封部材７６はハウジング１６、ナット７２と固定部材６６との間に配置されて、当該部材間で密封部分を形成する。

固定部材６６は中空としてもよい。一連の制御配線７０は固定部材６６を介して半導体チップ６８から延在する。制御配線７０により半導体チップ６８と制御装置３４との間が電気的に接続される。

制御装置３４は、制御電流を半導体チップ６８を通して通電するように構成される。制御装置３４は、さらに半導体チップ６８にかかる発生電圧を測定するセンサーまたは他の装置を含んでいる。ホール効果の原理により、半導体チップ６８にかかる電圧は、半導体チップ６８にかかる磁束の相対方向の変化に応答して変化する。

図３に示すように、第一と第二の磁石５６と５８が半導体チップ６８に対して角度αを成して回転すると、半導体チップ６８を横切る磁束の方向は変化する。第一と第二の磁石５６と５８は、斜板１２に固定されている取り付けブロック５４内に固定されていて、固定部材６６はハウジング１６に固定されているので、半導体チップ６８上の磁束の方向はハウジング１６に対する斜板１２の角度αの変化とともに変化する。半導体チップ６８にかかる電圧は次の公式により角度αに関連付けられる。
ｖ＝ｋ^＊ｓｉｎ（α）
ここで、ｖは電圧、ｋは第一と第二の磁石５６と５８の強度、センサー５０の幾何学的構成、半導体チップ６８の特性による定数である。

斜板１２の予想回転範囲は、例えば、０°と２０°の範囲であり比較的狭いので、前述の式は以下のように簡略化できる。
ｖ＝ｋ^＊α

従って、電圧と角度との関係は、センサーの予想回転範囲上においては実質的に線形であると考えられる。電圧と角度との関係をこのように簡略化すると、予想回転範囲上での誤差は低くなる。０°から２０°の回転範囲上では最大誤差は２％または０．４°を超えないと考えられる。しかし、当業者であれば、第一と第二の磁石５６と５８の予想回転範囲が増加する場合、またはこの誤差レベルが所定の用途には許容できない場合には、正弦波状の関係式を使用できることは理解できるであろう。

角度αと電圧との線形関係により、センサー５０の簡単な較正を行うことができる。特に、センサー５０は、二つの既知の角度で半導体チップ６８にかかる電圧を測定することにより較正を行うことができる。さらに、較正過程は半導体チップ６８と第一と第二の磁石５６と５８との間のアライメント差の原因となるので、この線形関係により製造や組み立て許容範囲が減少する。

センサー５０の温度変化のために、第一と第二の磁石５６と５８によって発生する磁束の変化に対応できるように半導体チップ６８をプログラムしてもよい。第一と第二の磁石５６と５８の温度が変化する場合の磁束の予想変化に対応するように半導体チップ６８をプログラムしてもよい。このようにして、センサー５０の信頼性を改善することができる。

さらに、ポンプハウジング１６は、他の電気的または磁気的装置がセンサー５０の作動に影響を及ぼすのを防止している。ポンプハウジング１６は、半導体チップ６８と第一と第二の磁石５６と５８のシールドとして作用する。従って、センサー５０は他の磁気的または電気的装置の付近に位置決めされて、センサー５０の作動または精度に影響しないようになっている。エンジン用区画部分で利用できるスペースが限られているような車両用途では、特にこれは有益である。

また、制御装置３４も、斜板１２がハウジング１６に対して移動する場合に発生するような、第一と第二の磁石５６と５８の角速度により誘起される測定ヒステリシスを補償する。第一と第二の磁石５６と５８は周辺導電材料内で電流を発生させることを当業者は理解できるであろう。この誘起された電流は半導体チップ６８を通しての測定電圧に影響することもある。従って、制御装置３４は一次のローパスフィルタを含み、測定ヒステリシスを補償する。

上記の説明から明らかなように、本発明は可変容量ポンプ１０において斜板１２の角度方向の位置を判定するために使用するセンサー５０を提供するものである。センサー５０は、ポンプハウジング１６に対する斜板１２の現状の角度αについて表示する。制御装置３４は斜板１２の感知された角度αを使ってポンプ１０の現状の押しのけ量を判定し、ポンプの押しのけ量を増加または減少させるために斜板角度αの調整が必要かどうかを決定する。

また上記の説明から明らかなように、センサー５０は頑丈で、コスト効果があり、信頼性がある。ポンプハウジング１６の内部におけるセンサー５０の可動部品の位置決めによってはセンサーが保護されるようになる。従って、システムまたは車両の振動、ポンプ出力の圧力変動、流体のゴミやポンプのキャビテーションの影響を最小限に抑えることができる。さらに、センサー５０とハウジング１６との間には相対運動がないので、センサー５０はハウジング１６で容易に密封することができる。

本発明の範囲から逸脱することなく、本発明のセンサーにおいて種々の修正や変更が可能であることは、当業者には明らかである。また、当業者にはここで開示した発明の明細書や実施態様を検討して、本発明の他の実施形態も明らかであろう。明細書及び実施例は、請求の範囲及び同等物により示す発明の実際の範囲での例としてのみ考えられるべきものである。

本発明の例示的実施形態によるセンサーを具備する可変容量ポンプの概略図である。 本発明の例示的実施形態によるセンサーの断面概略図である。 本発明によるセンサーの例示的実施形態の概略図である。

符号の説明

１０ 可変容量ポンプ
１２ 斜板
１３ 駆動表面
１４ エンジン
１６ ハウジング
１８ ピストン
２０ ブロック
２１ 継手
２２ ブロック軸
２３ 線
２４ 斜板軸
２６ スリッパー
２８ チャンバー
３０ 出口ポート
３２ 流体出口
３４ 制御装置
３６ スプール弁
３８ 第一のピストン
４０ 第二のピストン
４２ スプール
４４ スプリング
４６ スプール弁の出口
４７ 流体経路
４８ 流体経路
５０ センサー
５２ 開口部
５４ 取り付けブロック
５６ 第一の磁石
５８ 第二の磁石
６０ 中央開口部
６２ ネジ
６４ ネジ
６６ 固定部材
６８ 半導体チップ
７０ 制御配線
７２ ナット
７４ 外部表面
７６ 密封部材
α 斜板角度

Claims (10)

1. ハウジング（１６）と、
   ハウジング（１６）内に配置され、軸（２４）を中心として回転するように構成された斜板（１２）と、
   斜板（１２）と動作可能に係合し、斜板（１２）を回転するように構成され、それによってハウジング（１６）に対して斜板（１２）の角度を変化させる調整機構と、
   斜板（１２）に接続された磁石（５６）と、
   ハウジング（１６）内でありかつ磁石（５６）の付近に配置された半導体チップ（６８）と、
   半導体チップ（６８）に通電し、半導体チップ（６８）にかかる電圧を判定する制御装置（３４）であって、さらに判定された電圧に基づいてハウジング（１６）に対する斜板（１２）の角度を決定するように構成される制御装置（３４）とを含む可変容量ポンプ。
2. 一対の磁石（５６、５８）が斜板（１２）に接続される、請求項１に記載のポンプ。
3. 非金属材料で構成され、開口部（６０）を有し、斜板（１２）と係合するように構成された取り付けブロック（５４）をさらに含み、一対の磁石（５６、５８）は開口部（６０）付近の取り付けブロック（５４）内に配置される、請求項２に記載のポンプ。
4. 一対の磁石（５６、５８）の一方の第一の極が開口部（６０）付近に配置され、一対の磁石（５６、５８）の第二の磁石の対向する極が一対の磁石（５６、５８）の一方の第一の極から開口部（６０）を横切って配置されるように、一対の磁石（５６、５８）が取り付けブロック（５４）内に配置される、請求項３に記載のポンプ。
5. 非金属材料で構成され、半導体チップ（６８）を保持するように構成される固定部材（６６）をさらに含む、請求項３に記載のポンプ。
6. 固定部材（６６）は取り付けブロックの開口部（６０）内に配置されて、一対の磁石（５６、５８）間で半導体チップ（６８）を位置決めし、半導体チップ（６８）と取り付けブロック（５４）内の開口部（６０）は斜板（１２）の軸と実質的に同心となる、請求項５に記載のポンプ。
7. 固定部材（６６）は、ハウジング（１６）を貫通して突出しており、かつネジを有する外部表面（７４）を含み、固定部材（６６）はナット（７２）でハウジング（１６）に固定される、請求項５に記載のポンプ。
8. ナット（７２）とハウジング（１６）との間に配置された密封部材（７６）をさらに含む、請求項７に記載のポンプ。
9. 可変容量ポンプ（１０）内の斜板（１２）の角度方向の位置を感知するための方法であって、
   軸（２４）を中心としてハウジング（１６）内に配置された斜板（１２）を回転することにより、ポンプ（１０）の押しのけ量を変化させる工程と、
   ハウジング（１６）内でありかつ斜板（１２）に接続された磁石（５６）付近に配置された半導体チップ（６８）に通電する工程と、
   半導体チップ（６８）にかかる電圧を測定する工程と、
   半導体チップ（６８）にかかる測定された電圧に基づいて、ハウジング（１６）に対する斜板（１２）の角度を判定する工程とを含む方法。
10. 斜板（１２）の判定された角度を斜板（１２）の所望の角度と比較する工程と、
    斜板（１２）の判定された角度が斜板（１２）の所望の角度と異なる場合には、ハウジング（１６）に対する斜板（１２）の角度を調整する工程とを含む、請求項９に記載の方法。
    

Images