JP2006242341A - 位置検出機構付きアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気を利用してピストンの動作位置を検出する位置検出機構を備えたアクチュエータにおいて、ピストンに嵌め付けるリング状の磁石の代わりに新たな磁気装置を用いることにより、均一な磁力分布の磁気を安定的に発生させ得るようにする。
【解決手段】 位置検出機構を、ピストン１２に取り付けた磁気装置１６と、ハウジング１０に取り付けた磁気センサー１７とで構成すると共に、上記磁気装置１２を、磁性体製の一対のヨーク３５ａ，３５ｂと、これらのヨーク３５ａ，３５ｂ間に介在する複数の永久磁石３６と、これらの磁石３６を保持するホルダー３７とによって構成し、上記磁石３６は、両磁極Ｎ，Ｓを両側のヨーク３５ａ，３５ｂに接触させた状態で配設する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気を利用して可動体の動作位置を検出する位置検出機構を備えたアクチュエータに関するものである。

例えば、アクチュエータの一つである流体圧シリンダにおいては、一般に、ピストンの動作位置を非接触で検出するために、永久磁石と磁気センサーとで構成される位置検出機構が用いられている（特許文献１参照）。この位置検出機構は、ピストンの外周にリング状をした上記永久磁石を取り付けると共に、シリンダ・ハウジングに、磁気抵抗素子やホール素子あるいはリードスイッチ等からなる上記磁気センサーを取り付け、この磁気センサーで上記磁石からの磁気を検出することにより、シリンダのストローク情報を電気信号として出力するものである。

この場合、上記磁気センサーは、製造上の理由や管理上の問題からシリンダの機種やボアサイズ（シリンダ内径）毎に専用のものを準備することができないため、通常は同じ感度のものを使用することになる。一方、上記磁石の場合は、シリンダボアサイズ毎にそれに適合する専用サイズのものを用意し、使い分けるのが一般的である。そして、この磁石による磁力を効率的に利用するためには、これらの磁石と磁気センサーとが、シリンダの形態や動作状態等に拘わらず常に極力近い位置関係を保つように配設されていることが必要である。

ところで、シリンダは構造上ピストンが回転するタイプのものが多く、また、実際にシリンダを使用する場合、メンテナンスや表示灯による視覚的な出力確認などのため、シリンダ・ハウジングの周上の様々な位置に磁気センサーを固定しなければならないケースも多い。このため、精度の良い位置検出を行うためには、磁気センサーの如何なる取付位置に対しても常に同じ磁力分布となるような磁石特性にすることが重要である。

加えてシリンダは、その設計条件（強度、使い勝手、製造方法）に応じて様々な形態が提案されるため、その設計条件によっては上記磁気センサーが必ずしも磁石により近い理想的な位置に配置されるとは限らず、同じボアサイズのシリンダであっても、磁石と磁気センサーとの距離が機種によって様々に異なるケースも発生する。このような場合には、磁気センサーに安定的な磁力を与えるために、磁石と磁気センサーとの距離に応じて磁石の寸法や材質等を最適なものに調整することが必要であり、このことは、同じボアサイズであっても、シリンダの使用目的が異なる場合、その機種別に異なる種類の永久磁石を用意しなければならないケースが存在することを意味している。
特開２００１−１１６０１９号公報

このように、シリンダの位置検出において、上記永久磁石に要求されることは、該シリンダの回りに均一な磁力分布の磁気を安定的に発生させることであるが、このためには、ボアサイズや機種に応じてそれらに適合する様々な寸法を持つリング状の永久磁石を製造し、管理することが必要になる。このため、複数種類の磁石の製造に要する金型への投資や、磁石製造後の個体管理等に関連して多大なコストが発生し、それらが製品価格を押し上げる要因となっていた。この問題は、シリンダだけでなく、電磁弁などの可動体を持つその他のアクチュエータに位置検出機構を設ける場合にも共通する問題である。

そこで本発明の目的は、磁気を利用して可動体の動作位置を検出する位置検出機構を備えたアクチュエータにおいて、上記可動体の外周に嵌め付けて使用するリング状の磁石の代わりに新たな磁気装置を用いることことにより、均一な磁力分布の磁気を確実かつ安定的に発生させることができるように構成し、それによって上記従来の問題点を解消することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、ハウジングと、該ハウジングの内部を同期して移動する可動体及び磁気装置と、上記ハウジングに取り付けられ、該磁気装置からの磁気を感知することによって上記可動体の位置を検出する磁気センサーとを有し、上記磁気装置が、磁性体製の一対のヨークと、これらのヨーク間に介在する永久磁石とによって構成され、この永久磁石が、磁極Ｎ，Ｓを両側のヨークに向けた状態で配設されていることを特徴とする位置検出機構付きアクチュエータが提供される。

本発明において好ましくは、上記磁気装置のヨークが円形をなしていて、該ヨークの中心軸線の回りに複数の永久磁石が磁極を同じ向きに揃えて配置されていることである。

また、上記一対のヨークは、互いに同じ形状及び寸法と同じ磁気的性質とを有するように構成されていることが望ましい。

本発明の好ましい構成態様によれば、上記永久磁石が非磁性体製のホルダーに保持されていて、このホルダーが上記一対のヨーク間に挟持されている。

また、本発明においては、上記可動体が圧力流体により駆動されるピストンであり、このピストンに上記磁気装置が同軸状かつ一体に組み付けられている。
この場合、上記ピストンは、軸線方向の中間位置で２つのピストン部分に分割され、これら両ピストン部分の間に上記磁気装置が介設されていても良い。

本発明によれば、被検出用の磁気を発生させる磁気装置を、一対のヨークと永久磁石とを組み合わせて形成したことにより、均一な磁力分布の磁気を安定的に発生させることができる。また、ヨークの寸法や磁石の数及び配置等を適宜選択するだけで、上記磁気装置を、取付対象のアクチュエータに最適な大きさや磁気特性等を備えたものとして簡単に構成することができる。この結果、寸法や磁気特性が異なる多種類のリング状磁石を複数の金型を使用して製造したり、管理したりする必要がなくなり、磁石の製造コスト及び管理コストを大幅に削減することが可能となり、製品を安価に提供することができる。

図１〜図４には、本発明に係る位置検出機構付きアクチュエータの実施形態として、流体圧シリンダが示されている。このシリンダは、略矩形の外形形状を有するシリンダ・ハウジング１０を有していて、このハウジング１０の内部を軸線Ｌ方向に延びる円形のシリンダボア１１の内部に、可動体としてのピストン１２を上記軸線Ｌ方向に摺動自在なるように収容すると共に、このピストン１２から軸線Ｌ方向に延びるロッド１３を、上記ハウジング１０の一端のロッドカバー１５を通じて外部に延出させたもので、上記ピストン１２の動作位置を検出するための位置検出機構を備えている。この位置検出機構は、上記ピストン１２に取り付けられた被検体としての磁気装置１６と、上記ハウジング１０に取り付けられた磁気センサー１７とで構成されている。

上記ハウジング１０の四隅には、シリンダを所定の設置場所に固定するボルトを挿通するためのボルト孔１９が軸線Ｌ方向に形成され、該ハウジング１０の４つの側面には、上記磁気センサー１７を取り付けるための２つのセンサー取付溝２０が、該側面の両側端部寄りの位置にシリンダの軸線Ｌと平行に形成され、何れかの側面に磁気センサー１７を選択的に取り付けられるようになっている。しかし、何れか１つの側面又は相対する２つの側面だけに上記センサー取付溝２０を設けても良い。また、１つの側面の中央部には、上記軸線Ｌ方向に延びる肉厚部２１が形成され、この肉厚部２１に２つのポート２２ａ，２２ｂが形成されている。

上記ハウジング１０におけるシリンダボア１１のヘッド側の端部には、ヘッドカバー１４が気密に取り付けられ、反対側のロッド１３側の端部には、上記ロッドカバー１５がシール部材２５を介して気密に嵌め付けられ、ハウジング１０に係止する止め輪２６でその位置に固定されている。そして、このロッドカバー１５を上記ロッド１３が、軸受２７とロッドパッキン２８とを介して摺動自在に貫通している。２９は、該ロッド１３の先端に治具を取り付けるためのナットである。

また、上記シリンダボア１１は、上記ピストン１２の外周に取り付けられたピストンパッキン３１により、該ピストン１２と上記ヘッドカバー１４との間のヘッド側圧力室３２ａと、該ピストン１２とロッドカバー１５との間のロッド側圧力室３２ｂとに区画され、これらの圧力室３２，３２ｂが上記２つのポート２２ａ，２２ｂの１つと連通している。そして、これらのポート２２ａ，２２ｂを通じて２つの圧力室３２，３２ｂにエア等の圧力流体を交互に給排することにより、上記ピストン１２が往復駆動されてロッド１３が伸縮するようになっている。なお、上記ピストン１２をストローク端に緩衝的に停止させるため、上記ヘッドカバー１４及びロッドカバー１５の内面には、必要に応じてダンパーを取り付けることができる。

上記位置検出機構における磁気装置１６は、位置検出のための磁気を発生させるためのもので、上記ピストン１２に同軸状に取り付けられている。この磁気装置１６は、上記軸線Ｌ上の位置に相互に平行をなすように並んで位置する一対のヨーク３５ａ，３５ｂと、これらのヨーク３５ａ，３５ｂ間に介在する複数の永久磁石３６と、これらの磁石３６を保持するホルダー３７とを備えている。

上記一対のヨーク３５ａ，３５ｂは、磁界中で磁化する性質を持つ鉄やニッケル等の磁性体からなるもので、中心孔３５ｃを有する円環形をなしており、２つのヨーク３５ａ，３５ｂの形状及び寸法（内外径及び厚さ）と磁気的性質とは互いに同じである。

また、上記永久磁石３６は、一方向に直線的に延びる円形断面の短柱状をした非リング形の磁石であって、自身の軸線方向の両端部にＮ極とＳ極とが着磁されている。しかし、この磁石３６の断面形状は、円形以外の形状、例えば矩形あるいはその他の多角形であっても良い。

更に、上記ホルダー３７は、合成樹脂等の非磁性体で円環形に形成され、上記一対のヨーク３５ａ，３５ｂ間に同軸状に挟持されている。このホルダー３７は、自身の軸線（従ってシリンダの軸線Ｌ）の回りに等しい中心角で位置する複数の磁石保持孔３７ａを有していて、これらの磁石保持孔３７ａ内に、上記磁石３６を、該磁石自身の軸線をシリンダの軸線Ｌと平行に向けると共に、全ての磁石３６の磁極Ｎ，Ｓを同じ方向に揃えた状態で嵌合させることにより、これらの磁石３６を、上記一対のヨーク３５ａ，３５ｂ間に、該ヨークの中心軸線でもある上記軸線Ｌの回りに等しい中心角で配置させ、保持している。従って、上記各磁石３６は、両磁極Ｎ，Ｓを両側のヨーク３５ａ，３５ｂに向けた状態でこれらのヨーク３５ａ，３５ｂ間に介在することになるが、この場合に好ましくは、各磁極Ｎ，Ｓを各ヨーク３５ａ，３５ｂと直接接触させることである。

なお、図示の例では４つの磁石３６が９０度間隔で配設されているが、磁石３６の数は２つであっても、３つであっても、５つ以上であっても良い。
また、図示した例では、上記各磁石３６のＮ極が第１ヨーク３５ａ側を向き、Ｓ極が第２ヨーク３５ｂ側を向いているが、磁石３６の向きはその逆であっても良い。
更に、上記両ヨーク３５ａ，３５ｂとホルダー３７とは、必要であれば接着剤やネジ等で一体に結合することができる。あるいは両ヨーク３５ａ，３５ｂと磁石３６とを接着することも可能であり、この場合にはホルダー３７を省略しても良い。

上記ピストン１２は、軸線Ｌ方向の中間位置で円環状をした第１及び第２の２つのピストン部分１２ａ，１２ｂに分割されていて、これらのピストン部分１２ａ，１２ｂの間に上記磁気装置１６が介設されている。このうちヘッド側に位置する第１ピストン部分１２ａは、第２ピストン部分１２ｂよりは肉厚に形成されていて、その外周に上記ピストンパッキン３１を有すると共に、上記第２ピストン部分１２ｂ側の側面の中央部に、軸線方向に延びる筒部１２ｃを有し、この筒部１２ｃが、上記両ヨーク３５ａ，３５ｂ及びホルダー３７の中心孔を貫通して上記第２ピストン部分１２ｂの側面に当接している。そして、上記ロッド１３の基端部側に形成された小径部１３ａを、この第２ピストン部分１２ｂ側から上記両ヨーク３５ａ，３５ｂとホルダー３７及び第１ピストン部分１２ａの中心孔を貫通させて挿通したあと、該小径部１３ａの端部をかしめて第１ピストン部分１２ａに係止させることにより、これらのロッド１３と上記両ピストン部分１２ａ，１２ｂ及び磁気装置１６が一体化されている。

上記両ヨーク３５ａ，３５ｂとホルダー３７とは、シリンダボア１１の内周に接触しないような外径寸法に形成しておくことが望ましい。図示した例では、両ヨーク３５ａ，３５ｂとホルダー３７とがほぼ同径に形成されているが、それらは同径でなくても良く、ヨーク３５ａ，３５ｂがホルダー３７より若干大径であっても良い。

また、上記磁気センサー１７は、磁気抵抗素子やホール素子あるいはリードスイッチ等からなるもので、上記ハウジング１０の何れか１つの側面のセンサー取付溝２０内に取り付けられている。この場合、ピストン１２の往復何れか一方のストローク端の位置を検出するときは、１つの磁気センサー１７が１つのセンサー取付溝２０内の一端寄りの位置に取り付けられ、ピストン１２の両ストローク端の位置を検出するときは、２つの磁気センサー１７が２センサー取付溝２０内の一端寄りと他端寄りの位置に取り付けられる。

上記構成を有するシリンダにおいて、上記各永久磁石３６のＮ極からシリンダの軸線Ｌ方向に発生する磁力線は、該Ｎ極側にある一方のヨーク３５ａの内部を通ってその内外周両方向へと向かい、これら内外周部分から他方のヨーク３５ｂへと入射したあと、このヨーク３５ｂの内部を通って上記各磁石３６のＳ極へと入ることになる。このとき、上記両ヨーク３５ａ，３５ｂの外周側を通る磁力線によってピストン１２の回りに円周方向の磁界が形成される。この磁界は上記ピストン１２の移動と共に移動し、該ピストンのストローク端において上記磁気センサー１７を動作させることにより、該ピストン１２の位置が検出される。

上記磁界は、上記ピストン１２の回りを取り巻くほぼ円形状をしていて、円周の各位置においてほぼ均等な磁力分布を示すことが実験で確かめられている。
図５及び図６には、その実験の方法と実験結果とが示されている。この実験では、図４（ａ）に示すように、磁性体からなる２つのヨーク３５ａ，３５ｂの間に２つの永久磁石３６を１８０度間隔で配設した本発明に対応する磁気装置１６Ａと、同図（ｂ）に示すように、非磁性体からなる２つの円板４０ａ，４０ｂの間に２つの永久磁石３６を１８０度間隔で配設した比較用の磁気装置１６Ｂとを使用し、上記ヨーク３５ａ，３５ｂ及び円板４０ａ，４０ｂの回りで磁気センサー１７を移動させてこの磁気センサー１７が動作する点を検出した。その動作点を線で結んだものが図６に示す磁力分布図である。

［実験条件］
使用磁石： 希土類磁石
外径＝５．５ｍｍ、 長さ＝８ｍｍ、 質量＝１．４ｇ／１個
ヨーク ： Ｍ１８平座金、 小形丸、 ＳＰＣ材（鉄）
外径＝２９．６ｍｍ、 内径＝１９．５ｍｍ、 厚さ＝２ｍｍ

図６の実験結果から分かるように、ヨークがない磁気装置１６Ｂの場合には、磁力分布Ｇｂのように、２つの磁石３６の周辺の位置、即ち、２つの磁石３６同士を結ぶ直線上の位置とその近傍とで強い磁界が存在するが、それ以外では磁界が極端に弱くなっている。これに対し、ヨーク３５ａ，３５ｂがある磁気装置１６Ａの場合には、磁力分布Ｇａのように、該ヨーク３５ａ，３５ｂの回りを取り囲む円形状の磁界が形成され、円周方向にほぼ均一な磁力分布となっていることが分かる。

このように、一対のヨーク３５ａ，３５ｂと複数の永久磁石３６とを組み合わせることで、均一な磁力分布の磁気を安定的に発生させることができる。また、この場合の磁気の強さは、上記磁石３６の数を増減することによって自由に調整することが可能であり、磁気が作用する領域は、上記ヨーク３５ａ，３５ｂの外径を変えることによって自由に変更することができる。従って、アクチュエータの機種や形態等に応じて最適な磁力や磁気特性等を備えた磁気装置１６を、上記ヨーク３５ａ，３５ｂの寸法や磁石３６の数及び配置等を選択するだけで簡単に得ることができる。特に、一般に多用されている直棒状の磁石を一種類だけ使用すればよいため、従来のように寸法や磁気特性が異なる多種類のリング状磁石を複数の金型を使用して製造したり、管理したりする必要がなくなり、磁石の製造コスト及び管理コストを大幅に削減することが可能となり、製品を安価に提供することができる。
更に、従来のリング状の磁石に変えてこの磁気装置１６を使用することができるため、従来品との間に互換性があり、従来と同じ磁気センサーを使用することができる。

上記磁気装置１６は、ピストン１２のヘッド側又はロッド側の端部に取り付けることもできる。あるいは、ピストン１２から離れた任意の場所、例えばロッド１３上の位置などに設けることもできる。更には、上記ピストン１２やロッド１３と同軸位置ではない位置に設置することもできる。例えば、シリンダボア１１と隣接する位置にシリンダの軸線Ｌと平行に延びる磁気室を形成して、この磁気室内に上記磁気装置１６を配置し、該磁気装置１６とロッド１３とをシャフト等の連結機構で連結することにより、この磁気装置１６がピストン１２と同期して移動するように構成することもできる。この場合、シリンダの軸線Ｌと磁気装置１６の軸線とは一致しないが、該磁気装置１６がシリンダの軸線Ｌの方向に移動することに変わりはない。
また、上記磁気装置１６におけるヨーク３５ａ，３５ｂとホルダー３７とは、それらの中心部をピストン１２などの部材が挿通しないときは、中心孔を持たない円板の形に形成することもできる。この場合、１つの磁石３６を一対のコア間に同軸状に介在させることも可能である。

更に、図示した実施形態においては、永久磁石３６として真っ直ぐな短柱状をしたものが使用されているが、この磁石はリング状（円筒状を含む）をしていても良い。ここで使用するリング状の磁石は、従来品のようにピストン１２の外周に嵌め付けるものではないため、該ピストン１２やシリンダボア１１の大きさや形状とは直接関係がないものの中から適宜に選択して使用することができ、従って、ピストン１２の外周に嵌め付けて使用する従来のリング状磁石のような、製造上の問題や管理上の問題はない。また、このようなリング状の磁石を使用する場合、１つの磁石を一対のコアの間に同軸状に介在させることもできる。

また、上記実施形態においては、略矩形の外形を有するハウジング１０の外面にセンサー取付溝２０を形成し、このセンサー取付溝２０内に磁気センサー１７を取り付けているが、上記ハウジングは円筒形をしていても良い。この場合には、該ハウジングの両端を塞ぐヘッドカバーとロッドカバーとを相互に結合するタイロッド等を利用してセンサー取付金具を取り付け、このセンサー取付金具に磁気センサーを保持させることができる。

なお、上記シリンダボア１１及びピストン１２は、必ずしも円形である必要はなく、長円形であっても良い。この場合、上記磁気装置１６における両ヨーク及びホルダーも長円形に形成されることになる。

また、上記位置検出機構を設けるアクチュエータとしては、上述したような流体圧シリンダに限らず、シリンダ機構を内蔵するチャックや、電磁弁あるいは切換弁といったような、電磁力や流体圧作用力あるいは機械的操作力などで駆動される可動体を有するものがその対象となり得る。例えば電磁弁の場合は、位置検出の対象となる可動体が、流路を切り換えるスプールや、このスプールを駆動するパイロットピストン等であり、従って、これらのスプール又はパイロットピストンに上記磁気装置が取り付けられ、それらを内蔵するハウジングに上記磁気センサーが取り付けられる。

本発明を適用したシリンダの一実施形態を示す斜視図である。 図１の断面図である。 図２のIII−III線での断面図である。 図１の分解斜視図である。 （ａ）は実験に使用した本発明対応の磁気装置の斜視図であり、（ｂ）は実験に使用した比較用の磁気装置の斜視図である。 実験結果を示す磁力分布図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１２ ピストン
１２ａ，１２ｂ ピストン部分
１６ 磁気装置
１７ 磁気センサー
３５ａ，３５ｂ ヨーク
３６ 磁石
３７ ホルダー
Ｌ 軸線
Ｎ，Ｓ 磁極

Claims (6)

1. ハウジングと、該ハウジングの内部を同期して移動する可動体及び磁気装置と、上記ハウジングに取り付けられ、該磁気装置からの磁気を感知することによって上記可動体の位置を検出する磁気センサーとを有し、
   上記磁気装置が、磁性体製の一対のヨークと、これらのヨーク間に介在する永久磁石とによって構成され、この永久磁石が、磁極Ｎ，Ｓを両側のヨークに向けた状態で配設されていることを特徴とする位置検出機構付きアクチュエータ。
2. 上記磁気装置におけるヨークが円形をなしていて、該ヨークの中心軸線の回りに複数の永久磁石が磁極を同じ向きに揃えて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 上記一対のヨークが、互いに同じ形状及び寸法と同じ磁気的性質とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 上記永久磁石が非磁性体製のホルダーに保持されていて、このホルダーが上記一対のヨーク間に挟持されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のアクチュエータ。
5. 上記可動体が圧力流体により駆動されるピストンであり、このピストンに上記磁気装置が同軸状かつ一体に組み付けられていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のアクチュエータ。
6. 上記ピストンが、軸線方向の中間位置で２つのピストン部分に分割され、これら両ピストン部分の間に上記磁気装置が介設されていることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。

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