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発明の名称 流体圧シリンダの位置検出装置及び位置検出方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−63986(P2001−63986A)
公開日 平成13年3月13日(2001.3.13)
出願番号 特願平11−241854
出願日 平成11年8月27日(1999.8.27)
代理人 【識別番号】100064344
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 英彦 (外3名)
【テーマコード(参考)】
3F333
【Fターム(参考)】
3F333 AA02 AB13 AE02 BA02 BD02 CB02 DA02 DA05 DB10 FA17 FA21 FD03 FD20 FE04 FE05 FE10 
発明者 永井 勝美
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 シリンダ内を移動するピストンの位置を超音波によって検出する流体圧シリンダの位置検出装置であって、シリンダ内に設けられピストンとの間で超音波を送受信する超音波センサと、前記シリンダに設置される圧力センサと、演算手段とを備え、前記演算手段は、前記圧力センサによって検出された前記シリンダ内の圧力に基づいて前記超音波の音速を補正し、該音速に基づいて前記ピストンの位置を演算するように構成されている流体圧シリンダの位置検出装置。
【請求項2】 シリンダ内を移動するピストンの位置を超音波によって検出する流体圧シリンダの位置検出方法であって、シリンダ内に設けられピストンとの間で超音波を送受信する超音波センサと、前記シリンダに設置される圧力センサと、演算手段とを用い、前記圧力センサによって前記シリンダ内の圧力を検出し、該圧力に基づいて前記演算手段によって前記超音波の音速を補正し、該音速に基づいて前記ピストンの位置を演算することを特徴とする流体圧シリンダの位置検出方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばフォークリフトのリフトシリンダ(流体圧シリンダ)に係り、詳しくはリフトシリンダ内のピストンの位置を検出する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にフォーリフトにはフォークを昇降動作させるためのリフトシリンダ(流体圧シリンダ)が設置されている。このリフトシリンダのピストンロッドを往復動させることによってフォークが昇降するように構成されている。従って、リフトシリンダを備えたフォークリフトにおいてフォークに関する種々の制御を行う場合には、リフトシリンダのピストンロッド(ピストン)の位置や移動速度を測定することによってフォークの昇降位置や昇降速度を検出する。従来、リフトシリンダのピストンの位置や移動速度を検出する手段として超音波センサが用いられている。この超音波センサを備えたリフトシリンダの一例が、特開平10−238513号公報に記載されている。
【0003】この公報に記載のリフトシリンダには、リフトシリンダ(油圧油を動力媒体としている)内を往復動するピストンの底面と対向する位置に超音波を送受信する超音波センサが設置されている。超音波センサからピストン方向へ送信された超音波(送信波)は油圧油中を伝播して、ピストンの底面に反射され、反射された超音波(受信波)は超音波センサで受信される。また、超音波が油圧油中を伝播する速度(音速)は温度に影響を受けるため、リフトシリンダ中に設置された温度センサによって温度を検出して音速を補正するように構成されている。そして、リフトシリンダ内の温度を用いて補正した音速データと、送信波に対する受信波の遅れ時間(測長時間)のデータとを所定の制御装置で演算処理することによって、超音波センサとピストンの底面との間の距離(測長距離)を算出する。そして、この測長距離によって、リフトシリンダ中のピストンの位置や移動速度が検出されるように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的に超音波が媒体(例えば油圧油)中を伝播する速度は、温度だけでなく圧力にも影響を受けることが知られている。例えば、温度一定下でシリンダ中の圧力が上昇すると、油圧油中を伝播する音速も上昇して、演算され検出された見かけの測長距離は超音波センサとピストンの底面との間の正しい測長距離に比べて短くなる。従って、超音波センサを検出手段に用いた上記従来の位置検出装置では、シリンダ内の圧力が変化した場合には精度の高い測長距離(超音波センサに対するピストンの位置)を得ることができず、シリンダ内のピストンの位置を精度よく検出することが難しかった。
【0005】そこで、本発明は、流体圧シリンダ内の圧力が変化した場合でも、超音波センサを用いてシリンダ内のピストンの位置を精度よく検出することができる、流体圧シリンダの位置検出装置及び位置検出方法を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明の流体圧シリンダの位置検出装置は、請求項1に記載の通りに構成されている。ここで、請求項1、また他の請求項及び発明の詳細な説明に記載した用語については以下のように解釈する。
(1)「ピストン」には、移動部材がシリンダ内を摺動するタイプ(いわゆる、ピストン型シリンダ)以外に、例えばラム型シリンダのラム(突棒)のように、移動部材とシリンダの内面との間に間隔を有するタイプも含む。
【0007】請求項1に記載の流体圧シリンダの位置検出装置によれば、圧力センサによって検出された圧力に基づいて超音波の音速を補正するため、シリンダ内の圧力が変化した場合であってもシリンダ内のピストンの位置を精度よく検出することができる。
【0008】また、本発明の流体圧シリンダの位置検出方法は、請求項2に記載の通りに構成されている。請求項2に記載の流体圧シリンダの位置検出方法によれば、圧力センサによって検出された圧力に基づいて超音波の音速を補正するため、シリンダ内の圧力が変化した場合であってもシリンダ内のピストンの位置を精度よく検出する位置検出方法を実現することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の流体圧シリンダの位置検出装置の構成を図面を用いて説明する。ここでは、本発明をフォークリフトのリフトシリンダに適用した場合について説明する。なお、図1は本発明の一実施の形態のフォークリフトの側面図である。また、図2は図1のリフトシリンダの縦断面図である。
【0010】図1に示すように、フォークリフト1の車体2の前部には、マスト3が設けられている。マスト3はアウタマスト3aと、その内側に昇降可能に装備されたインナマスト3bとからなり、インナマスト3bの内側にはフォーク4aを備えたリフトブラケット4が昇降可能に支持されている。
【0011】マスト3の後方には、流体圧シリンダとしてのリフトシリンダ10が配設されており、そのピストンロッド6の先端がインナマスト3bの上部に連結されている。インナマスト3bの上部にはチェーンホイール(図示しない)が支承され、該チェーンホイールには一端がリフトブラケット4に、他端がリフトシリンダ10の上部にそれぞれ連結されたチェーン(図示しない)が掛装されている。そして、運転室Rに設けられた荷役レバー7の操作により、リフトシリンダ10が伸縮駆動されることにより、フォーク4aがリフトブラケット4と共にマスト3に沿って昇降するようになっている。リフトシリンダ10には動力の媒体として油圧油を使用する油圧シリンダが使用されている。
【0012】次に、リフトシリンダ10の構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、リフトシリンダ10には単動シリンダが使用されている。リフトシリンダ10は円筒状のシリンダチューブ12、シリンダブロック13、ロッドカバー14、ピストンロッド11及びピストンロッド11と一体移動可能に形成されたピストン15等を備えている。リフトシリンダ10はシリンダブロック13が(図2中の)下側になる状態で設置される。ピストンロッド11はシリンダチューブ12内に挿通されており、挿通口にはシール部材16が設置されている。また、シリンダチューブ12の外周面とロッドカバー14の内面との間にはオーリング17が設置されている。
【0013】シリンダチューブ12には排気口18が形成されている。排気口18にはオーバーフローパイプ19が固定されており、ピストンロッド11の上昇移動時にピストン15により圧縮される空気はこのオーバーフローパイプ19を介して排気される。
【0014】シリンダブロック13には、超音波センサ20を収容する室31が形成されるとともに、リフトシリンダ10への油圧油の供給、排出を行うポート32が形成されている。ポート32は管路26を介して制御弁33に連結され、制御弁33は管路とオイルポンプ34を介してオイルタンク35に連結されている。また、オイルタンク35及びシリンダチューブ12内には、ピストンロッド11の動力媒体として油圧油が充填されている。
【0015】管路26にはポート32付近に圧力センサ25が設置され、シリンダチューブ12内へ供給、排出される油圧油の圧力を検出可能に構成されている。圧力センサ25は、後述する制御装置38と配線25aによって電気的に接続されており、圧力センサ25によって検出された圧力データは配線25aを介して制御装置38へ送信される。また、室31内には油圧油の温度を検出する温度センサ36が配置され、シリンダチューブ12内の油圧油の温度を検出する。また、温度センサ36は、後述する制御装置38と配線36aによって電気的に接続されており、温度センサ36によって検出された温度データは配線36aを介して制御装置38へ送信される。
【0016】超音波センサ20は、送信側がピストン15の底面15aと対向するようにシリンダブロック13に固定されている。超音波センサ20は振動子21、その振動子21を支持するケース部材22、振動子21を覆うキャップ部材23を備えている。また、振動子21は背面側に発生する振動を吸収するバッキング材24を備えている。また、超音波センサ20は、一つの振動子21で超音波の送信及び受信を行うことができるように構成されている。超音波センサ20の振動子21から発生した超音波は、キャップ部材23の表面から例えば図2中の二点鎖線70で示す経路で送信され(以下、「送信波」という)、ピストン15の底面15aに反射された後、この反射波は二点鎖線71で示す経路で伝播して、振動子21で受信される(以下、「受信波」という)。また、超音波センサ20は配線39aによって送受信回路37と電気的に接続されている。また、送受信回路37は配線39bによって制御装置38と電気的に接続されている。
【0017】制御装置38は、CPU(中央処理装置)38aと、超音波送信信号を出力してからその反射波を受信するまでの時間を計測するカウンタ38bと、制御プログラム及びフォーク4aの位置の演算に必要なデータ等を記憶した記憶装置38cとを備えている。送受信回路37は超音波発信器(図示しない)を備えており、制御装置38からの制御信号に基づいて、所定周波数(例えば、0.1〜5MHz(メガヘルツ))の超音波信号を超音波センサ20へ送信(出力)するように構成されている。また、送受信回路37は増幅器及び検出器(いずれも図示しない)を備えており、超音波センサ20から出力されたアナログ信号を増幅するとともにパルス信号に変換して制御装置38に出力するように構成されている。記憶装置38cには、演算に必要なデータとして例えば油圧油の温度、圧力と音速との関係を示す関係式又はマップが記憶されている。
【0018】CPU38aは、圧力センサ25及び温度センサ36の検出信号に基づいてシリンダチューブ12内の油圧油の圧力及び温度を演算する。CPU38aは送信波の送信時からその反射波の受信時までの測長時間tと、油圧油中の超音波の音速cとに基づいて超音波センサ20からピストン15の底面15aまでの距離Lを演算する。そして、その値からフォーク4aの位置を演算する。
【0019】なお、本実施の形態では、超音波センサ20、圧力センサ25、温度センサ36、送受信回路37、制御装置38等によって、本発明の位置検出装置が構成されている。
【0020】次に、本発明の一実施の形態の位置検出装置を用いた位置検出方法について説明する。まず、リフトシリンダ10内のピストン15の位置を検出するにあたり、CPU38aから送受信回路37へ測定要求信号が出力される。そして、送受信回路37は測定要求信号に基づいて超音波センサ20に所定周波数の電気信号を出力し、それに対応して超音波センサ20から所定周波数の超音波が出力される。超音波センサ20から出力された送信波は、シリンダチューブ12内の油圧油中を伝播する。そして、ピストン15の底面15aに反射した反射波が超音波センサ20に到達すると、超音波センサ20は受信した受信波に対応した電気信号を送受信回路37に出力する。送受信回路37は超音波センサ20から入力したアナログ信号を増幅するとともに、パルス信号に変換して制御装置38に出力する。
【0021】CPU38aは、測定要求信号を送受信回路37へ出力した時点からの経過時間をカウンタ38bで計測し、送受信回路37から前記パルス信号を入力した時点で計測を終了する。そして、CPU38aはカウンタ38bのカウント値により、超音波の送信時から反射波の受信時までの時間tを演算する。また、CPU38aは圧力センサ25及び温度センサ36の検出信号から油圧油の圧力及び温度を演算し、その温度、圧力における音速cを記憶装置38cに記憶されたデータ(油圧油の温度、圧力と音速との関係を示す関係式又はマップ)に基づいて演算する。そして、CPU38cは時間t(以下、「測長時間」という)と音速cとに基づいて超音波センサ20からピストン15の底面15aまでの距離L(以下、「測長距離」という)を、L=ct/2によって演算する。
【0022】その後、CPU38aは、記憶装置38cに記憶されている距離Lとフォーク4aの位置Hと関係式に基づいてフォーク4aの位置Hを演算する。そして、演算により得られたフォーク4aの位置Hのデータは、例えばフォークリフトのフォークの揚高に使用される。
【0023】以上のように構成した、本実施の形態のリフトシリンダの位置検出装置または該位置検出装置を用いた位置検出方法によれば、圧力センサ25及び温度センサ36によって検出された圧力及び温度に基づいて油圧油中の超音波の音速を補正し、補正した音速cと超音波センサ20によって検出した測長時間tとに基づいて測長距離Lを演算するため、シリンダチューブ12内の圧力や温度が変化した場合でも精度の高い測長距離が得られ、シリンダチューブ12内のピストン15の位置を精度よく検出することができる。また、本実施の形態では、超音波の音速を圧力と温度の両方を用いて補正するように構成したため、超音波の音速を温度のみによって補正する従来のリフトシリンダに比べ高い位置検出精度を備えたリフトシリンダを実現することができる。
【0024】なお、本発明は上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。圧力センサ25はポート32に接続された管路26に設置し、温度センサ36は室31内に設置したが、各センサの設置位置は限定されない。例えば、圧力センサ25をシリンダチューブ12に埋設することもできる。
【0025】また、圧力センサ25及び温度センサ36で検出した圧力及び温度に基づいて超音波の音速を補正するように構成したが、圧力センサ25で検出した圧力のみを音速の補正に用いることもできる。
【0026】また、圧力センサ25あるいは温度センサ36を複数箇所に設け、複数の検出結果に基づいて、温度補正、圧力補正を行ってもよい。このように構成すれば、補正精度を向上させることができる。
【0027】また、流体圧シリンダとして油圧油を使用したリフトシリンダ10について記載したが、各種の動力媒体を使用した他の流体圧シリンダに適用することもできる。例えば、空気を使用したエアシリンダに適用することができる。
【0028】また、リフトシリンダ10を単動式シリンダとしたが、単動式に代えて複動式にすることもできる。また、フォークリフト1のリフトシリンダ10に限らず、本発明をティルトシリンダ、サイドシフトシリンダ、パワーステアリング用シリンダに適用することもできる。また、ピストン型シリンダ以外にラム型シリンダに適用することもできる。
【0029】また、超音波センサ20は超音波の送受信を一つのデバイスで行う構成としたが、これに代えて送信用デバイスと受信用デバイスとが別々に構成された超音波センサを用いることもできる。
【0030】また、超音波センサ20、圧力センサ25、温度センサ36は個別にリフトシリンダ10に取付けたが、すべてのセンサを一体的に構成してリフトシリンダ10に取付けてもよい。また、圧力センサ25、送受信回路37、制御装置38等をリフトシリンダ10に内蔵してもよい。このように構成すれば、リフトシリンダの位置検出装置をよりコンパクトに設計することができる。
【0031】また、フォークリフト1のリフトシリンダ10について記載したが、フォークリフト以外にシリンダを備えた高所作業車、コンクリートポンプ車、バックホー車、ダンプカー等に本発明を適用することもできる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、流体圧シリンダ内の圧力が変化した場合でも、超音波センサを用いてシリンダ内のピストンの位置を精度よく検出することができる、流体圧シリンダの位置検出装置及び位置検出方法を実現することができる。




 

 


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