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【発明の名称】 フリーピストン機械での破壊的衝突防止用制御システムと方法
【発明者】 【氏名】リユーベン・ゼツト・アンガー

【氏名】ニコラス・アール・バン・デル・ウオルト

【氏名】ダグラス・イー・キーター
【要約】 【課題】破壊的衝突を避ける。

【解決手段】フリーピストン機械で、該ピストンのシリンダー端部の構造体との初期の衝突が検出され、摂動信号の大きさの変化を発生するが、それはピストン力を制御する閉ループフイードバック制御システムの合計用接続部に印加される。該変化はピストン振幅を減じる方向に印加される。ピストン振幅の最大化が望ましい実施例では、振動のピストン振幅を増大させるために、該摂動信号の大きさは衝突がない時に反対方向にも変えられ、従って動作は初期の非破壊的衝突とピストン振動の非衝突最大振幅との間をハンテイングする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械用の改良された制御システムであるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを備え、該制御システムは誤差信号を引き出すためにフイードバック信号及び制御入力信号が印加される合計用接続部を有する、該改良された制御システムに於いて、（ａ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生するための衝突検出器と、（ｂ）信号発生器であるが、摂動信号を発生し、該衝突検出器の該出力部に接続されたその入力と該合計用接続部に接続されたその出力とを有する該信号発生器と、を具備することを特徴とするフリーピストン機械用の改良された制御システム。
【請求項２】 シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械であるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを有し、該制御システムはフイードバック信号と基準入力信号とを合計して誤差である差信号を引き出している、該フリーピストン機械内の破壊的衝突を防止する方法に於いて、該方法が、（ａ）摂動信号を該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計する過程と、（ｂ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生する過程と、そして（ｃ）衝突の各検出に応答してピストン振幅を減じる方向に該摂動信号の大きさを変える過程とを具備することを特徴とするフリーピストン機械での破壊的衝突を防止する方法。
【請求項３】 シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械内の破壊的衝突を防止するための装置であるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを有し、該制御システムはフイードバック信号と基準入力信号とを合計し、誤差である差信号を引き出している、該装置に於いて（ａ）摂動信号を該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計するための手段と、（ｂ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生する手段と、そして（ｃ）衝突の各検出に応答して該ピストンの振幅を減じる方向に該摂動信号の大きさを変えるための手段とを具備することを特徴とするフリーピストン機械での破壊的衝突を防止するための装置。
【請求項４】 フリーピストン機械で衝突を検出するための装置であるが、該衝突が特性の周波数範囲の機械的振動を発生する、該装置に於いて、（ａ）検出された機械的振動を表す電気信号用の出力部を有する機械的振動検出器と、（ｂ）該振動検出器の該出力部に接続されそして該特性の周波数範囲にパスバンドを有するフイルターと、そして（ｃ）該フイルターからの出力の大きさを衝突がない時の該フイルターの出力を表す基準と比較するための、そして該基準を超える該フイルター出力に応答して変わりそれにより衝突の検出を合図する出力を有する、手段とを具備することを特徴とするフリーピストン機械の衝突を検出するための装置。
【請求項５】 フリーピストン機械の衝突を検出するための方法であるが、該衝突は特性の周波数範囲の機械的振動を発生する、該方法に於いて、（ａ）該検出された機械的振動を表す電気信号を発生することにより該機械の機械的振動を検出する過程と、（ｂ）該特性の周波数範囲を通過させることにより該検出された機械的振動の信号を濾過する過程と、そして（ｃ）該濾過された信号の大きさを衝突のない時の該濾過された信号を表す基準と比較し、該基準を超える濾過された信号に応答して衝突の検出を合図する過程とを具備することを特徴とするフリーピストン機械の衝突を検出するための方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的にフリーピストン機械（free piston machine）を制御するフイードバック制御システムに関し、特に該フリーピストンと、或る動作条件で該ピストンが衝突するシリンダーヘッドの様な、シリンダー端部構造体（cylinderend structure）と、の間の破壊的衝突を避ける目的でこの様な制御システムに追加される装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスで動作するための多くの種類の機械はシリンダー内で往復するピストンの様な膨張室装置（expansible chamber devices）を利用する。例えば、それらはガスを汲み出し（pumping）、圧縮しそして変位させるために使用される。優先的に、ピストンはドライバー（driver）又は負荷と該ピストンとの間の直接的で機械的な結合又はリンケージ（linkage）によりシリンダー内で直線的往復（linear reciprocation）の振動（oscillate）をする。該リンケージは、往復の制限された通路に沿い該ピストンをドライブするか又は該ピストンによりドライブされ、最も普通にはクランクシャフト及びコネクテイングロッドのシステムである。
【０００３】しかしながら、高圧縮比圧縮機、フリーピストン極低温クーラー（free piston cryocoolers）そして交流機（alternator）をドライブするフリーピストンスターリングエンジン（free piston Stirling engines）の様な、或る応用品用では、この様な目的用のフリーピストン機械に利がある。該ピストンがフリーなのは該ピストンを往復の固定路に制限する機械的リンケージが無いからである。例えば、フリーピストンはリニア電気モーター（linear, electric motor）又はフリーピストンスターリングエンジンによりドライブされてもよい。典型的に、利用可能なドライブ電力の効率的使用を最大化するために、フリーピストン機械はそれらの機械的共振周波数でドライブされる。該ピストンは制限されないので、往復の振幅は変化する動作条件の影響で変化する。その結果、該ピストンのみならずそれに取り付けられた何等かの往復構造体は、該ピストンストロークのどちらかの端で該シリンダーの該端部で、又は該シリンダーを超えて物理的構造体と衝突する可能性がある。
【０００４】この様な自由往復機械では、該往復の振幅と周波数とは慣性、制動、そしてばねとドライブ力の関数である。従って、これらの機械は、それらがオーバードライブされるか又は制動が少ない（underdamped）時、該往復する部品が該往復部品の運動用に利用可能な空間の内部の幾何学的制限を超える往復振幅を得る可能性があると言う共通な特徴を共有している。もし該往復の振幅が不定的に増加出来るなら、該往復部品は結果的に静止構造体、又は他の往復部品とさえ、動作周波数で繰り返し衝突する。
【０００５】フリーピストン機械では、該機械を破壊するに充分な衝撃を有する衝突を避けることが常に望ましい。しかしながら、或る動作条件では、機械性能を最大化するためにピストン振幅又はストロークを最大化することが望ましいことが多い。その結果、該機械が該機械への破壊無しに耐えることが出来る最大振幅で該機械を動作させることが望ましいことが多い。これはピストン振幅の精確な制御とそれに於ける何等かの変化への急速な応答を要求する。
【０００６】従来技術のフリーピストン機械での共通の慣例は、ピストンドライブの様な、該ピストンにより又はピストンに印加される力に影響する又は影響される機械パラメータの１つ以上を、従来の、閉ループ、ネガテイブフイードバック、制御システムにより、制御することである。この様なシステムはアナログ又はデジタルのどちらかで制御されるシステムとすることが出来る。ピストン振幅はピストン力（piston force）の関数であるから、これらのシステムは或る制御をピストン振幅に印加しそして衝突を避けるのを助ける。しかしながら、ピストン振幅はピストン力の関数であり、或るピストン力は機械負荷（machine loading）の関数であり、そして機械負荷は種々の動作条件で、時には急速に、変化するので、この様なシステムはピストン往復の最大振幅での動作を許容出来ぬことが多くそれはそれらがピストン振幅を充分な精度で制御出来ないからである。大きな負荷では、該ドライブ力は非常に大きくなり得るが、該ピストンは衝突に近いどこかに近付いてはいけない。しかしながら、負荷の減少はピストン振幅の増加に帰着し、衝突の発生を可能にする。
【０００７】フリーピストン機械に適用されたものを含み、従来のフイードバック制御システムでは、該制御システムは測定値をその望ましい値と比較するが、それは該誤差（the error）の大きさを減じるよう作用される、駆動誤差信号（an actuating error signal）を作るためである。図１を参照すると、該ピストンドライバー、例えばリニアモーター、の様な被制御システム（controlled system）１０は、或るプリセットされた順伝達関数（forward transfer function）を有する動的制御要素（dynamic control element）１２により作用される。該制御要素１２は該被制御システム１０を制御する仕事を行う。例えば、該制御要素１２は典型的に高利得増幅器である。歴史的に該制御要素はアナログ回路であったが、その順伝達制御関数はマイクロコントローラー又は個別ロジック回路（discrete logic circuitry）によりデジタル的に行われることも可能である。
【０００８】通常はセンサーである、フイードバック要素１４は、被測定値を提供するために合計用接続部（summing junction）１６にフイードバック信号を印加する。該フイードバック信号はピストン振幅、ピストンドライブ、ピストン変位又は他のピストン振幅に影響する又はその関数である他のパラメータとすることが出来る。
【０００９】フリーピストン機械での利点を提供する１つの従来技術のシステムが、引用によりここに組み入れられる米国特許第５、３４２、１７６号に図解されている。該制御入力（control input）又は基準入力（reference input）とも呼ばれている、コマンド入力（command input）１８は該フイードバック制御システム用設定点（set point）を提供しそして該合計用接続部１６で該フイードバック信号と合計される。この設定点は望まれる値を表す。
【００１０】該コマンド入力は該モーターの電気機械的伝達定数（motor's electromechanical transfer constant）及び特定のストローク（particular stroke）に基づく固定量であってもよい。代わりに、それは、独立に、又は外的な物理現象（external, physical phenomenon）により、又はその外的現象の特定値を保持しようとする制御回路により、制御された変数とすることが出来る。例えば、該制御入力は、該フリーピストン機械に依り影響される温度又は圧力を測定するセンサーから、又は温度又は圧力設定点から、引き出された入力を受ける合計用接続部の出力とすることが出来る。勿論、該制御入力は、その最も簡単な形式で、手動入力調整であってもよい。
【００１１】該合計用接続部１６の出力２０は誤差信号（error signal）を提供し、該信号は動的制御要素１２に印加される。該誤差信号は該フイードバック信号と該基準入力信号との間の差である。勿論、該合計用接続部１６での合計（summing）はアナログ合計回路で歴史的な仕方で行われてもよく、或いは代わりにそれはマイクロコントローラー又は個別ロジック回路でデジタル式に行われてもよい。当業者には知られている様に、該制御システムのこれらの要素及びそれらの信号の各々はアナログ又はデジタルフオーマットで行われてもよいのみならず、Ａ−Ｄ変換器及びＤ−Ａ変換器を含み、各モードの幾つかを利用するハイブリッドシステム（hybrid system）が作られることも又可能である。その結果、該用語”合計用接続部（summing junction）”のみならず他の制御システム用語もアナログ回路に限定されず、デジタル式の実施品も含む。
【００１２】本発明を説明する目的で、用語”シリンダー端部構造体”は、もしその振動の振幅が過剰に増加するならそれにリンクされ、それと共に振動する該ピストン又は構造体が衝突する可能性を有し、ピストン往復の直線路のどちらかの端部の物理的物体（physical body）を呼ぶため使用される。最も典型的には、これはバルブが中に設置されるシリンダーヘッドである。用語”ピストンドライブ”又は”ドライブ”は、その往復、直線振動でそれを押すようピストンに印加されるドライブ力又はパワー（driving force or power）である。ピストン振幅はピストンドライブの増加関数（increasing function）であるから、もし他のパラメータが一定に留まるか又はピストンドライブの変化を完全には否定しない変動のみを受けるならば、ピストンドライブの増、減はそれぞれピストン振動振幅を増、減させる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的と特徴は、全ての動作条件で、該ピストン、又は該ピストンと共に往復する部品構造体の、シリンダー端部構造体に対しての破損する又は破壊的衝突を避けるフリーピストン機械用制御システムを提供することである。
【００１４】本発明の幾つかの実施例のもう１つの目的はこの様な衝突を避けるのみならず該ピストンをその最大振幅近くで往復させる制御システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、該ピストン及びその付随往復構造体のシリンダー端部構造体に対しての初期衝突が比較的穏やかであり、それらが破損性でないので耐え得ることを認識している。しかしながら、それらは、もしピストン振幅の更なる増加を避け、そしてこの様な衝突を止める矯正対策（remedial measures）が直ちにとられる場合のみ、耐え得る。さもないと該衝突は、該衝突部品の１つ以上の破損に結果的に帰着する漸進的に増大する力を伴って継続する。振幅のレート（rate）はピストン振動の２，３サイクル内に破壊的になる程充分高くなり得て、従って、矯正対策は２，３サイクルより短い内に有効にならねばならない。
【００１６】本発明は最初の衝突と続く何れかの衝突を検出し、該衝突を止めるために充分な量だけピストン振幅を減じるために該制御システムの合計用接続部にも印加される、摂動信号（perturbation signal）での変化を発生する。結果として、本発明は主としてフイードバック制御システムへの追加であり、幾つかの実施例で実施され得る。
【００１７】本発明はピストンのシリンダー端部構造体に対する衝突を検出するためのそして検出された衝突に応答して出力に信号を発生するための衝突検出器（collision detector）を有する。該衝突検出器の該出力は摂動信号を発生する信号発生器（signal generator）に印加され、該信号発生器の該出力は該合計用接続部に接続される。
【００１８】本発明の方法に依る動作では、該摂動信号は該制御システムの該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計される。該摂動信号の大きさはこの様な衝突の検出に応答して該ピストン振幅を減少させる方向に変えられ、この変化は衝突が検出されなくなるまで続く。本発明の幾つかの実施例は、衝突が検出されない時は何時も該摂動信号はピストン振幅を増加させる方向に変えられ、衝突が検出される時は何時も該摂動信号はピストン振幅を減じる方向に変えられる様な、ハンテイングシステム（hunting system）を利用する。その結果、この様な実施例では、該ピストンは常にその最大振幅の近くで往復し、なお破壊的衝突は常に避けられる。
【００１９】従来の制御システムに於ける様に、本発明の構造体と方法はアナログモードか、又はデジタルモードか、又は該２つのハイブリッド組合せか何れかで運転され動作させられてもよい。特に、該摂動信号はその大きさが変えられるアナログ信号か、又はそれ用にデジタル信号で表されるデータの数値（numerical value）が変えられるデジタル信号とすることが出来る。該摂動信号発生器はアナログ式であるか、又はマイクロコンピユータ又は個別ロジック回路の形式でのデジタル式であるか何れかとすることが出来て、そしてハイブリッドシステムではＡ−Ｄ変換器又はＤ−Ａ変換器が使用され得る。
【００２０】該用語”摂動信号”は１つ以上の他の信号と、該他の信号内に変化を起こさせるために、代数的に合算される、デジタル又はアナログ信号を呼称するため使用される。本発明では該摂動信号は該合計用接続部に、その出力を該摂動信号が無い時のそれから変化させるよう、印加される。従来のフイードバック制御システムでは、２つの付加的信号（two additional signals）が該合計用接続部に印加されるので、どちらかは該摂動信号により摂動させられると考えられ得る。しかしながら、該摂動信号を、該基準入力信号を摂動させる、すなわち該設定点を摂動させる、と考えるのが最も簡便である。
【００２１】
【実施例】図２は本発明を含む改良を伴う、図１のそれと同様な、基本的制御システムを図解する。ピストンドライバー２１０は制御要素２１２により制御され、フイードバック要素２１４は該ピストンドライバー２１０、又はピストン又はピストンドライバーの動作を検出するため取り付けられたセンサーからのフイードバック信号を従来の仕方で合計用接続部（summing junction ）２１６に供給する。該ピストンドライバーは、勿論、ピストン２２２にそれをドライブするため機械的にリンクされている。該ピストン２２２は、シリンダー端部構造体（cylinder end structure）を形成するヘッド２２６を有する、シリンダー２２４内に摺動可能に設置され、結合リンク２２８により該ピストンドライバーに結合されている。該設定点は従来の仕方で該基準入力２１８で印加される。好ましい従来技術の制御システムは米国特許第５、３４２、１７６号に図解されるそれである。
【００２２】本発明はそれに取り付けられそれと共に往復する該ピストンのシリンダー端部構造体に対する衝突を検出するために衝突検出器（collision detector）２３０を有する。該衝突検出器２３０の出力は摂動信号発生器（perturbation signalgenerator）２３２に印加されるが、該発生器は今度は該合計用接続部２１６に接続されるその出力、ＳBACKOFF、を有する。
【００２３】下記でより詳細に説明され図解される様に、該好ましい衝突検出器は機械的振動エネルギーを検出するために該フリーピストン機械のハウジング２３１に物理的にリンクされるマイクロホン（microphone）又は他の装置を使用する。その出力はフイルターに印加され、該フイルターの出力は比較器（comparator）に接続される。該フイルターは該フリーピストン機械で起こり得る衝突の特性の周波数範囲を覆うパスバンド（pass band）を有する。結果的に、各機械はその衝突の特性の周波数範囲を決定するために予備テストされてもよい。該フイルターは普通の機械動作から生ずるそのパスバンド外の振動エネルギーを外へ濾過し、該衝突で誘起される周波数（collision-induced frequencies）が起こる該バンド内の振動エネルギーのみを通過させる。該フイルターの出力は比較器の１つの入力に印加されるが、もう１つの入力は基準レベル（reference level）である。該基準レベルは普通の動作中の該パスバンド内の普通の振動エネルギーを表すよう設定される。そのパスバンド内の振動エネルギーが該普通の動作中の振動エネルギーを超えると、該比較器の出力は状態をスイッチして、それにより検出された衝突に応答してその出力に信号を発生する。
【００２４】従来技術はフリーピストン機械用の種々の速度及び加速度検出器を図解している。これらも又衝突を検出するため使用出来て、該衝突検出器２３０用に使用されてもよい。速度及び加速度検出器は、衝突のない普通の機械動作中のピストン減速度を超える、高いレート（rate）のピストン減速度を検出することにより衝突を検出する。
【００２５】もう１つの代替えの衝突検出器として、リミットスイッチが、該スイッチの、該ピストンと、又は該ピストンと共に往復する構造体と、の接触による移動が該スイッチの状態を変え、ピストン往復の許容限度（permissible limits）で衝突を合図するように、該リミットスイッチをシリンダー端部構造体の近くに物理的に設置することにより使用されてもよい。近接スイッチ（proximity switches）及び種々の他の手段が衝突を検出するため使用されてもよいことは当業者には明らかであろう。
【００２６】図３は摂動信号発生器３３２にその信号を印加する衝突検出器３３０を図解するが、該発生器の出力は米国特許第５３４２１７６号で図解される好ましい制御システムの該合計用接続部３１６に印加される。しかしながら、該好ましい制御システムはマイクロコントローラー３４０を利用するので、該摂動信号発生器３４２の出力は代わりに該マイクロコントローラー３４０に印加され、該摂動信号Ｓbackoffの該合計は該マイクロコントローラー３４０内でデジタル式に行われてもよい。代わりに、該衝突検出器３３０の出力は該衝突検出器３３０から該マイクロコントローラー３４０へ直接印加されてもよく該摂動信号発生機能（perturbation signal generating function）は該マイクロコントローラー３４０により行われる。該衝突検出器出力は単に、１つの状態が衝突の検出を表し、もう１つの状態が衝突のないことを表す、２状態デジタル信号（two-state digitalsignal）であってもよい。この仕方では、該摂動信号発生器それ自身は該プログラムされたマイクロコントローラー３４０の１部である。なおもう１つの代替えとして、該マイクロホン又は減速度検出器信号はサンプルされデジタル形式及び衝突検出に使用される信号解析アルゴリズムに変換されることも出来る。
【００２７】図４の回路は、衝突の特性の該周波数が４ｋＨｚ付近で起こることを予備テストが決定した、フリーピストン機械用に実施されている。図４は衝突検出器回路４０２と、上記説明の仕方で、該合計用接続部に印加されるべき該摂動信号を発生するための摂動信号発生器４０４を図解する。該衝突検出器はマイクロホン型センサーを含み、該センサーの出力は１連のフイルター段、増幅器そして次いで比較器に印加される。該比較器出力はデジタルロジック回路に印加される。特に該マイクロホンからの出力はバッフアー（buffer）４０６に印加されるが、該バッフアーは主として該マイクロホン信号から何等かの直流成分を除去するためであるが、又便利に何等かの高周波ノイズ及び干渉をも除去するために、非常に広いバンドパスフイルターである。該バッフアー４０６からの出力は、例えば１０ｋＨｚにカットオフ周波数（cut-off frequency）を有するローパスフイルター４０８に印加される。このフイルターの目的は２０ｋＨｚで、パルス幅変調されたモータードライブ（20kHz, pulse width modulated motor drive）からスイッチングノイズ（switching noise）の様な、外部からの、高周波ノイズを減衰させることである。該ローパスフイルター４０８には６０Ｈｚ信号を除去する目的で６０Ｈｚノッチフイルター４１０が続くが、該信号は該機械が典型的に６０Ｈｚで動作する時は大きい。最後に、該ノッチフイルター４１０の出力は、４ｋＨｚに中心周波数をそして約３のキュー（quality factor Q）を有する該例示的実施例では、バンドパスフイルター４１２に印加される。その目的は衝突で誘起された振動エネルギーが中で発生する周波数バンドを通過させることである。該バンドパスフイルター４１２の出力は調整可能な利得の増幅器４１４に印加される。
【００２８】該増幅器４１４の出力は従って衝突の特性のパスバンドにそのエネルギーを有する交流信号である。それは、後にアールシーネットワーク（RC network）が続くダイオードにより形成される従来のピーク検出器（peak detector）とすることが出来る、ピーク検出器に印加される。キャパシターは該ダイオードを通して速く充電されるが、該付随抵抗器を通して３３ｍｓの時定数でゆっくり放電する。結果的に、該比較器４１６の１端に該ピーク検出器により電圧が印加される。その電圧は、衝突の特性のパスバンド内の該検出され、濾過されそして増幅された振動信号のピーク振幅を表す。
【００２９】該比較器は又基準入力信号を有するが、該信号は、該比較器出力４１８が、該衝突の誘起するパスバンド内の振動エネルギーを表す該ピークが、普通の動作中に衝突が無い時経験する最大値に等しい時に１つの状態を有し、該ピークがそのレベルを超えると第２状態にスイッチする様なレベルに調整される。
【００３０】１０Ｈｚクロック４２０は、該比較器出力４１８が衝突の検出を表した時デジタルカウンター４２２に渡され、衝突がない時該カウンター４２２に渡されない、クロックパルスを提供する。その動作を達成するために、該比較器の出力４１８は、ゲートとして作用するパスロジック回路（pass logic circuit）４２４に印加され、上記説明の様にクロックパルスを通過させる。
【００３１】又該パスロジック回路４２６はロールオーバーロジック回路（rollover logiccircuit）４２８により制御される、データゲートとして動作する。該ロールオーバーロジック回路４２８は、該カウンター４２２がその最大値までインクレメントした時は何時も更なるクロックパルスが該カウンター４２２へ進むのを防止するために、該パスロジック回路４２６を単純に開く。その目的は該カウンター４２２がその最高値からその最低値にロールオーバー（roll over）することを防止することである。
【００３２】該カウンター４２２の出力は、該デジタルカウントを該デジタルカウンター４２２内のカウントに対応する大きさを有するアナログ電圧レベルに変換するＤ−Ａ変換器４３０に印加される。結果として、該カウンターが、衝突が検出されている間該クロック４２０からのパルスによりインクレメントされるので、該Ｄ−Ａ変換器４３０からの電圧出力の大きさは該摂動信号内の増加を引き起こすよう増加される。例えば、それは毎秒０．３ボルトのレートで変化してもよい。好ましくは、該Ｄ−Ａ変換器の出力は該機械の校正を可能にするために調整可能な利得の増幅器４３２に印加されるのがよい。衝突がない時間間隔中に、該摂動信号の大きさは最も最近の衝突が検出された時それが得た値で一定に保持される。
【００３３】図５に図解された回路は破線５１０内に、米国特許第５、３４２、１７６号で図解された制御システムの実施例のより詳細なブロック線図を有する。本発明はこのネガチブフイードバック制御システム５１０の詳細の中には無く、その制御システム５１０のブロック上にラベル付けすることは当業者にはその動作を明らかにするので、該制御システム５１０は更には説明しない。理解を容易にするため、該合計用接続部は１対の合計用接続部５１２及び５１４として描かれており、接続部５１４への合計された入力は接続部５１２への入力と合計され、それにより該対の合計用接続部５１２及び５１４を全ての入力が印加され合計される単一の合計用接続部と同一にしている。
【００３４】図４の回路と同様に、図５の回路は摂動信号を該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計し、該ピストンのシリンダー端部構造体に対する衝突を検出しそして検出された衝突に応答して出力に信号を発生する。次いで該回路は、衝突の各検出に応答して該ピストンドライブを減ずる方向に摂動信号の大きさを変える。しかしながら、図５の回路は追加的に、衝突の検出の無いことに応答して該ピストンドライブを増加する方向に該摂動信号の大きさを変える。結果として図５の該システムは、初期衝突が検出された振動のピストン振幅と、衝突が検出されないピストン振幅の僅かにより小さい値と、の間で３角波形式に振動することによりハンテイング（hunts）する。これはピストン振幅をその最大に近く保持する。
【００３５】マイクロホン５２０はその検出振動エネルギーをワイドバンドパスフイルター（wide bandpass filter）５２２に出力するが、該フイルターは図４の該ワイドバンドパスフイルター４０６に類似している。該ワイドバンドパスフイルター５２２の出力はバンドパスフイルター５２４に印加されるが、該バンドパスフイルターのパスバンド（passband）は、衝突振動エネルギーが衝突によりその中に発生される該バンド内に中心があり、図４のバンドパスフイルター４１２と同様である。該比較器５２６は該バンドパスフイルター５２４の出力を受け、図４と連携して説明された比較器４１６と同様な仕方で動作する。該比較器５２６の出力は２つのレベルを有し、時定数回路５２８に印加される。該時定数回路５２８は、例えば５ボルトが印加される電圧分割器を形成する、ポテンショメーター５３０に接続されている。該時定数回路５２８は、衝突が検出されない比較器５２６の出力の１つの状態では、該時定数回路５２８の該出力５３２は該ポテンショメーター５３０の設定により決定される５ボルトの比率に向かって時定数τ2でランプアップ（ramps up）するように、トランジスターによりスイッチされるアールシーネットワーク（ramps up）である。従ってこれは、該比較器５２６が同じ状態に留まる限り増加する電圧ランプ（increasing voltage ramp）を該出力５３２から合計用接続部５１４へ印加する。この増加はコマンド入力５３４を増加させるのと同じ効果を有し、その結果、該比較器出力が状態を変えるか又は出力５３２の電圧が該アールシー回路のキャパシター上の最大充電までランプアップするか何れかまでピストン振幅を増大させる。
【００３６】衝突が検出されると、比較器５２６の出力はそのもう１つの状態にスイッチして、出力５３２の電圧はゼロに向かって下方へランプする。衝突が検出されると、それは、検出される衝突が無くなる結果として該比較器５２６の出力が状態を変えるまで、下方へのランプ動作を続ける。従って、定常状態動作では、衝突が検出されない時は何時もピストン振幅を増大させるために上方にランプし、衝突が検出される時は何時もピストン振幅を減少させるために下方へランプする、５３２の出力によりハンテイングが起こる。
【００３７】図６はこの目的を達成するための回路を図解する。図５の比較器５２６の出力は図６の入力ターミナル６１０に印加される。この入力はトランジスターＱ５を制御する。ターミナル６１０に印加された電圧はトランジスターＱ５をオフに替えると、キャパシターＣ２７は抵抗器Ｒ５０の抵抗とポテンショメーター６１４の上部部分により決定されるレート（rate）でポテンショメーター６１４のワイパー６１２の電圧に向かって充電する。比較器５２６の出力が状態を替え、入力ターミナル６１０に印加される電圧がトランジスターＱ５をオンにスイッチすると、該キャパシターＣ２７はＣ２７と抵抗器Ｒ４９のアールシー時定数（RC time constant）で決定されるレートで放電される。該キャパシターの電圧は図５に図解される該時定数回路５２８の出力５３２である。
【００３８】各方向での該摂動信号の大きさの変化レートは該キャパシターＣ２７を充電及び放電するそれぞれの時定数により本質的に決定される。これは、該抵抗及びキャパシタンス値が、衝突の検出に応答して該ピストンドライブを減じる方向に該摂動信号の大きさを変えるための変化レートが衝突の検出の無い時の該レートより、可成り大きいことを含め、大きくなるように、それぞれ選ばれることを可能にする。これは望ましく、衝突が検出されると、破損を避けるために該ピストン振幅が急速に減少させられる。しかしながら、衝突の発生を最小化し、なおピストン振幅をその最大値の近くに保持するために、衝突検出の無い時のピストン振幅の増加は可成りもっとゆっくりであってもよい。
【００３９】本発明の１つの有用な応用はフリーピストンスターリングクーラー（free piston Stirling coolers）及びフリーピストンリニアコンプレッサー（free piston linear compressors）にある。フリーピストンリニアコンプレッサー及びスターリングクーラーでは、該誤差信号（the error signal）は機械的動力を該コンプレッサー又はスターリングクーラーに印加する該リニアモーターをドライブする。フリーピストンスターリングエンジンでは、該誤差信号は、エンジンのピストンとデイスプレーサー（displacer）の間の結合（coupling）を調整する自動制御装置をドライブし、そして該誤差信号は追加的に、熱が該エンジンに印加されるレートを支配する第２自動制御装置をドライブする。
【００４０】フリーピストンスターリングクーラーでは、与えられたドライブ力とピストン振幅から生じるデイスプレーサー往復の振幅は該コールドフインガー（cold finger）間の温度差に反比例して変化する。かくして、該コールドフインガーの先端の温度が周囲温度の遙か下にある時許容デイスプレーサー振幅を作るドライブ力及びピストンストロークは、該先端が周囲温度に近い時破壊する程過剰なデイスプレーサー振幅を引き起こし得る。幾つかの応用品では、該コールドフインガーの先端の温度が周囲温度からその定常状態動作温度までクールダウン（cool down）するに要する時間量を最小化することが望ましい。このクールダウン時間は、該デイスプレーサーの運動の振幅が全てのサイクル中に往復に利用可能な全幾何学的空間をスイープアウト（sweep out）する時最小化される。
【００４１】本発明のもう１つの有用な応用品はリニア交流機（linear alternator）がフリーピストンスターリングエンジンによりドライブされるフリーピストン機械に於いて存在する。もし該交流機の磁石が、稼働（service）中に部分的に減磁されるならば起こるかも知れない様に、もし、例えば、該交流機の電気機械的伝達定数（electromechanical transfer constant）に変化が起これば、パワーピストン衝突（power piston collisions）が起こるかもしれない。本発明は、該衝突が破壊的になる前に、早めに該最終的衝突を検出出来て、次いで内部往復ボデイの振幅を素早く減じること及び／又は該機械に供給されつつある熱エネルギーの量を減じることのために、自動的動力制御装置（automatic power control device）への適当な調整を行う。
【００４２】本発明の原理の種々の追加的実施例、応用品そして実施品が可能である。一般的原理として、ピストン振幅及び平均ピストン位置（average piston position）（振動の中心）を含む、ピストン運動は該ピストンに印加されつつある力の合計の結果である。これらはピストン力（piston forces）と呼ばれてもよい。多くのピストン力がピストン運動に影響する。これらは、フリーピストンスターリングエンジンへ伝達された熱を含むピストンドライブ力、減衰力（damping forces）、慣性力（inertia forces）、フリーピストンスターリングエンジンによりドライブされる交流機により負荷へ供給された動力の様な、負荷からの力、そしてフリーピストンスターリングエンジン内のガス圧力を含む、ばね力（spring forces）を備えている。これらのピストン力の全てがピストン運動に影響する。
【００４３】これらのピストン力は、例えば、フリーピストンをドライブするリニアモーターに印加される電圧を制御することにより、リニア交流機の電圧出力を制御することにより、極低温クーラー（cryocooler）の温度を制御することにより、又は作用ガス（working gas）を膨張又は収縮させそれによりエンジンをドライブするためにフリーピストンスターリングエンジンの中への又はそれからの熱エネルギーの伝達レートを制御することにより、ネガテイブフイードバック制御システムで、幾分間接的に典型的に制御される。時には、その動力出力の様な、機械パラメーターは相互作用する機械部品間の力を制御することにより制御される。結果として、用語”ピストン力を制御する（controlling a piston force）”は機械のパラメーターを制御することを含み、かつそれを意味するのが通常であり、該機械のパラメータは、今度はピストン力に影響を与え又は与えられ、従ってピストン運動に影響する。
【００４４】これらのピストン力の各々はピストン振幅（すなわちピストン振幅はそれらの各々の関数である）又は平均ピストン位置に影響するので、これらのピストン力の何れか１つ以上はネガテイブフイードバック制御システムにより制御され得る。従って、明らかに慣性の制御はより非実際的であるが、本発明の摂動信号はそれらのフイードバック制御システムのどれにも印加され得る。
【００４５】上記で説明された様な、リニアモーターでドライブされる圧縮機に於ける様な、ピストンドライブを制御又は変化させるための本発明の利用に加えて、本発明が実施され得るフリーピストンエンジン用の実用的フイードバック制御システムの追加例がある。
【００４６】フリーピストンスターリングエンジンへの熱入力は、本発明の摂動信号が印加されるネガテイブフイードバック制御システムにより制御され得る。例えば、バーナーを制御するガスバルブのオリフイスは、該摂動信号が印加され得るフイードバック制御システムにより調整されてもよい。しかしながら、実際のフリーピストンスターリングエンジンのゆっくりした応答時間のために、追加的衝突保護が必要である。しかしながら、長い時定数の熱入力制御用に本発明が適用されてもよい。
【００４７】もう１つの実際的例として、フリーピストンスターリングエンジンによりドライブされる負荷が、衝突が検出された時ピストン振幅を減じ、衝突を避けるような方向に該ピストン力を変え、調整されてもよい。例えば、フリーピストンスターリングエンジンによりドライブされるリニア交流機用に、可変抵抗負荷が該リニア交流機に接続され、出力電圧を制御するためにフイードバック制御システムが使用されてもよい。
【００４８】第３の実際的例として、フリーピストンスターリングエンジンは、ピストン力を制御することを含めて、その動作を制御するための制御部を典型的に有する。この様な制御部は、引用によりここに組み入れられる米国特許第５、３８５、０２１号で図解される様に、該エンジンのパワーピストンをそのデイスプレーサーに結合させる可変ガスばねのばね常数（spring constant of a variable gas spring）を制御することを含んでいる。フリーピストンエンジン又はクーラー用のもう１つの制御は、引用によりここに組み入れられる米国特許第５，５０２，９６８号で図解される、該パワーピストンと該デイスプレーサーとの間の調整可能な結合である。フリーピストン機械用のこれら及び他の制御部も又本発明の摂動信号が印加され得るネガテイブフイードバック制御システムにより制御されてもよい。
【００４９】これら３つの制御システムの例は図７，８そして９に図解される。図７は、デイスプレーサー７１０及びパワーピストン７１２を有するフリーピストンスターリングエンジンを制御するための従来のネガテイブフイードバック制御システムを図解するが、該エンジンはリニア交流機７１４をドライブするよう機械的リンクされ、該交流機は今度は電気負荷７１６に電気的に接続されている。該負荷電圧Ｖoutは検出され、差動増幅器７１８により増幅され、尺度合わせ回路（scaling circuit）７２０により尺度合わせされ（scaled）そしてフイードバック信号として合計用接続部７２２に印加される。該誤差信号は装置７２６を制御するために制御要素７２４に印加されるが、該装置は該フリーピストンスターリングエンジンの高温ヘッド端部（hot head end）に印加される熱を制御し、それによりその動力出力を制御する。例えば、それはガスバーナーの調整可能なバルブを制御することであってもよい。前出の実施例で図解される様に、ピストン衝突を検出するためにマイクロホン７３０が該フリーピストンスターリングエンジンのハウジングに設置され、その出力は、上記説明の様に、本発明を具体化する衝突検出回路７３２に印加される。その出力は、それがコマンド入力７３８と、該尺度合わせ回路７２０から該合計用接続部７２２へ印加されるフイードバックと、の双方と合計されるように、摂動信号を該合計用接続部７３６の入力７３４に印加する。
【００５０】図８はリニア交流機８１０の電圧出力を制御するために使用されるネガテイブフイードバック制御システムを図解するが、該交流機は該リニア交流機を機械的にドライブしそしてデイスプレーサー８１４を有するパワーピストン８１２を備えるフリーピストンスターリングエンジンによりドライブされる。該リニア交流機８１０の出力は電気負荷８１６に電気的に接続され、該負荷の電圧は差動増幅器８１８により増幅され、尺度合わせ回路８２０により尺度合わせされる。該尺度合わせ回路８２０の出力はフイードバック信号として該合計用接続部８２２に印加される。その誤差信号は上記で参照された制御部の様な、該フリーピストンスターリングエンジン用動力制御部８２６を制御する制御要素８２４に印加される。前に説明した好ましい実施例に於ける様に、マイクロホン８２８が本発明を具体化する衝突検出回路８３０に接続されるが、該回路の出力は入力８３２で合計用接続部８３４に印加される該摂動信号である。
【００５１】図９はデイスプレーサー９１０と、リニア交流機９１４を機械的にドライブするパワーピストン９１２とを、有するフリーピストンスターリングエンジンを図解するが、該交流機は調整可能な電気負荷９１６に電気的に接続されている。該リニア交流機出力は追加的に電気照明（electrical lighting）の様な有用な仕事を行うために外部負荷に時々接続される。該リニア交流機により該調整可能な負荷９１６に印加される電圧は差動増幅器９１８により増幅され、尺度合わせ回路９２０により尺度合わせされそしてフイードバック信号として該合計用接続部９２２に印加される。制御要素９２４はフイードバック制御システムの通常の仕方で調整可能な負荷９１６の抵抗を制御する。コマンド入力９３４も印加される合計用接続部９３２の入力ターミナル９３０に、摂動信号を印加するために、マイクロホン９２６はその出力が上記説明の様に、本発明の衝突検出回路９２８に接続されている。
【００５２】本発明の或る好ましい実施例が詳細に開示されたが、本発明の精神又は上記請求項の範囲から離れることなく種々の変型が採用されてもよいことは理解されるべきである。
【００５３】図面で図解される本発明の好ましい実施例の説明では、明確化のために特定の用語（terminology）に頼っている。しかしながら、本発明はその様に選択された特定の用語に限定されるよう意図されておらず、各特定の用語は同様な目的を達成するために同じ仕方で動作する全ての技術的均等物を含むと理解されるべきである。例えば、用語（word）「接続された（connected）」又はそれと同様な用語（term）が屡々使用される。それらは「直接的接続」に限定されず、当業者によりこの様な「接続」が均等であると認識されている「他の回路要素を通しての接続」も含む。加えて、電子的信号時に良く知られた動作を行う種類の多くの回路が図解されている。当業者は、それらが該信号時に同じ動作を提供するので、均等であると認識される多くの代替え回路が存在し、そして将来追加されることを認識している。
【００５４】本発明の特徴及び態様を示せば以下の通りである。
【００５５】１．シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械用の改良された制御システムであるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを備え、該制御システムは誤差信号を引き出すためにフイードバック信号及び制御入力信号が印加される合計用接続部を有する、該改良された制御システムに於いて、（ａ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生するための衝突検出器と、（ｂ）信号発生器であるが、摂動信号を発生し、該衝突検出器の該出力部に接続されたその入力と該合計用接続部に接続されたその出力とを有する該信号発生器と、を具備することを特徴とするフリーピストン機械用の改良された制御システム。
【００５６】２．上記１の制御システムに於いて、該衝突検出器が機械的振動検出器を備えることを特徴とする制御システム。
【００５７】３．上記２の制御システムに於いて、該機械的振動検出器がマイクロホンを有することを特徴とする制御システム。
【００５８】４．上記２の制御システムが更に、（ａ）該機械的振動検出器の出力を受けるよう接続し、衝突の特性の周波数を通過させるパスバンドフイルター回路と、そして（ｂ）基準入力を有し、該フイルター回路の出力を受けるよう接続された比較器であるが、該フイルター回路を通過する信号の、該比較器基準入力の予め選択された値を超える大きさに応答して状態を変えるための、該比較器とを具備することを特徴とする制御システム。
【００５９】５．上記１の制御システムに於いて、該衝突検出器はピストン加速度を検出するために該ピストンにリンクされた加速度検出器を備えることを特徴とする制御システム。
【００６０】６．上記１の制御システムに於いて、該衝突検出器はピストン速度を検出するために該ピストンにリンクされた速度検出器を備えることを特徴とする制御システム。
【００６１】７．上記１の制御システムに於いて、該衝突検出器はリミットスイッチを備えることを特徴とする制御システム。
【００６２】８．上記１の制御システムに於いて、該摂動信号発生器は、カウンター回路と、検出された衝突に応答して該カウンター回路のカウントをスイッチするために該カウンター回路の出力を受けるよう接続されたＤ−Ａ変換器回路と、を有するデジタルロジック回路を備えることを特徴とする制御システム。
【００６３】９．上記１の制御システムに於いて、該摂動信号発生器はプログラムされたマイクロコントローラーを備えることを特徴とする制御システム。
【００６４】１０．シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械であるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを有し、該制御システムはフイードバック信号と基準入力信号とを合計して誤差である差信号を引き出している、該フリーピストン機械内の破壊的衝突を防止する方法に於いて、該方法が、（ａ）摂動信号を該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計する過程と、（ｂ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生する過程と、そして（ｃ）衝突の各検出に応答してピストン振幅を減じる方向に該摂動信号の大きさを変える過程とを具備することを特徴とするフリーピストン機械での破壊的衝突を防止する方法。
【００６５】１１．上記１０の方法が更に、衝突の検出がないことに応答して該ピストン振幅を増加させる方向に該摂動信号の大きさを変える過程を具備することを特徴とする方法。
【００６６】１２．上記１１の方法に於いて、該摂動信号の該大きさがそれぞれ一定の時間的変更レートで各方向に変えられることを特徴とする方法。
【００６７】１３．上記１２の方法に於いて、衝突の各検出に応答して該ピストン振幅を減じる方向での該摂動信号の大きさを変える変更レートは衝突の検出のないことに応答して該ピストン振幅を増加させる方向での該摂動信号の大きさを変える変更レートより大きいことを特徴とする方法。
【００６８】１４．上記１０の方法に於いて、衝突が、衝突の特性の周波数での機械的振動エネルギーの大きさが衝突のない時の該大きさの上まで増加したことの存在を検出することにより、検出されることを特徴とする方法。
【００６９】１５．上記１０の方法に於いて、衝突が、衝突のない時のピストン減速度を超える高レートのピストン減速度を検出することにより検出されることを特徴とする方法。
【００７０】１６．シリンダー内の直線的振動で往復するピストンを有するフリーピストン機械内の破壊的衝突を防止するための装置であるが、該シリンダーは少なくとも１つのシリンダー端部構造体を有し、該機械は又ピストン力を制御するネガテイブフイードバック制御システムを有し、該制御システムはフイードバック信号と基準入力信号とを合計し、誤差である差信号を引き出している、該装置に於いて（ａ）摂動信号を該フイードバック信号及び該基準入力信号と合計するための手段と、（ｂ）該ピストンの該シリンダー端部構造体に対する衝突を検出し、検出された衝突に応答して出力部に信号を発生する手段と、そして（ｃ）衝突の各検出に応答して該ピストンの振幅を減じる方向に該摂動信号の大きさを変えるための手段とを具備することを特徴とするフリーピストン機械での破壊的衝突を防止するための装置。
【００７１】１７．上記１６の装置が更に、衝突の検出のないことに応答して該ピストン振幅を増加する方向に該摂動信号の大きさを変えるための手段を具備することを特徴とする装置。
【００７２】１８．フリーピストン機械で衝突を検出するための装置であるが、該衝突が特性の周波数範囲の機械的振動を発生する、該装置に於いて、（ａ）検出された機械的振動を表す電気信号用の出力部を有する機械的振動検出器と、（ｂ）該振動検出器の該出力部に接続されそして該特性の周波数範囲にパスバンドを有するフイルターと、そして（ｃ）該フイルターからの該出力の大きさを衝突がない時の該フイルターの出力を表す基準と比較するための、そして該基準を超える該フイルター出力に応答して変わりそれにより衝突の検出を合図する出力を有する、手段とを具備することを特徴とするフリーピストン機械の衝突を検出するための装置。
【００７３】１９．上記１８の制御システムに於いて、該機械的振動検出器はマイクロホンを有することを特徴とする制御システム。
【００７４】２０．フリーピストン機械の衝突を検出するための方法であるが、該衝突は特性の周波数範囲の機械的振動を発生する、該方法に於いて、（ａ）該検出された機械的振動を表す電気信号を発生することにより該機械の機械的振動を検出する過程と、（ｂ）該特性の周波数範囲を通過させることにより該検出された機械的振動の信号を濾過する過程と、そして（ｃ）該濾過された信号の大きさを衝突のない時の該濾過された信号を表す基準と比較し、該基準を超える濾過された信号に応答して衝突の検出を合図する過程とを具備することを特徴とするフリーピストン機械の衝突を検出するための方法。
【出願人】 【識別番号】５０２０７１３９９
【氏名又は名称】サンパワー・インコーポレーテツド
【出願日】 平成１４年６月７日（２００２．６．７）
【代理人】 【識別番号】１０００６０７８２
【弁理士】
【氏名又は名称】小田島 平吉
【公開番号】 特開２００３−６７００１（Ｐ２００３−６７００１Ａ）
【公開日】 平成１５年３月７日（２００３．３．７）
【出願番号】 特願２００２−１６６５９９（Ｐ２００２−１６６５９９）