JP2007107574A - 変位検出器を備えた流体圧駆動機器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体圧駆動機器を大型化せずに可動部材の表面に丈夫なスケールを容易に形成し、スケールの凹凸によるパッキンシールへのダメージをなくす。
【解決手段】ピストンロッド１３の所定箇所にレーザ照射することによって照射部分が高温となり、ピストンロッド１３のレーザ照射された部分が変質することにより酸化膜２２を形成するようにした。隣り合う酸化膜２２の間には、反射率が異なるピストンロッド１３に何も加工してない無垢の状態の非加工部分２５が形成される。これにより、スケール形成のための加工工数を低減でき、丈夫な酸化膜をスケールとするので容易に剥離したり発錆したりしない。また、スケールの凹凸は微小でありロッドパッキンのダメージを低減でき、可動部材としてのピストンロッドそのものにスケールを形成するので大型化を回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の圧力によって変位する可動部材を有し、当該可動部材の変位を検出する変位検出器を備えた流体圧駆動機器に関する。

従来技術における変位検出器を備えた流体圧駆動機器としては、例えば、特許文献１ないし３に示される技術が開示されている。

特許文献１に開示される技術は、建設機械等に取り付け使用されるシリンダのシリンダ本体に対して相対変位するピストンロッドに、１〜２ｍｍ間隔で、めっき、プリント、コーティング等の手段によって目盛り（スケール）を付し、かつ、当該目盛りを検出する、光学式、磁気式、超音波式等の非接触式検出器を、シリンダ本体のロッド側端部にカバーケーシングを介して取り付けている。そして、ピストンロッドがシリンダ本体に対して相対変位した際に、検出器を通過した目盛りの数が当該検出器によって検出されて、これによりピストンロッドのシリンダ本体に対する変位量を求めるようにしている。

また、特許文献２に開示される技術は、エアシリンダのシリンダチューブに対して相対変位する磁性体よりなるロッドの表面に、軸方向に並ぶ環状凹部および環状凸部を設けて磁気スケールの機能を持たせ、当該ロッドに対向するロッドカバーに磁気抵抗素子を有する位置検出センサを設けている。そして、シリンダチューブに対してロッドが相対変位した際に、環状凹部および環状凸部による磁界の変化を、位置検出センサの磁気抵抗素子の抵抗値の変化から読み取り、これによりロッドのシリンダチューブに対する変位量を求めるようにしている。

さらに、特許文献３に開示される技術は、シリンダボディの内部に流体圧により移動するピストンを設けるとともに、当該ピストンの移動と同期して移動するスライドテーブルが設けられたスライドアクチュエータであり、シリンダボディには、ピストンに対して並列に変位検出機構が設けられている。そして、この変位検出機構は、複数組の発光部および受光部を備えスライドテーブルとともに移動する検出ヘッドと、検出ヘッドの発光部と受光部との間に設けられるガラススケールとから構成されている。
実開昭６１−２０２７０２号公報 特開平７−９１４７０号公報 特開平７−１９００１４号公報

しかしながら、上述した従来技術における変位検出器を備えた流体圧駆動機器によれば、ロッドに設けられるスケールとして、めっき処理を施す場合には、ロッドの他の部分を１〜２ｍｍ間隔で細かくマスキングする必要があるため実用性に乏しく、また、プリントをする場合には、当該プリント部分が使用による経年変化で剥離して長期に亘り正確に変位検出できず、さらに、何らかのものをロッドにコーティングする場合には、当該コーティング層が厚くなり、例えば、パッキンシール等が摺動するリニア形のアクチュエータにおけるロッドには採用できないといった種々の問題がある。

また、ロッドを磁性体より形成し、ロッドの軸方向に所定の間隔をおいて交互に環状凹部および環状凸部をエッチング処理により形成し、その上にさらに非磁性体のめっき処理を施すとともに、めっき処理によりできたロッド表面の凹凸を円筒研削およびバフ仕上げして、ロッドに磁気スケールの機能を持たせるようにした場合には、エッチング処理、めっき処理、円筒研削およびバフ仕上げ等、加工工程が多く複雑である。

さらに、流体圧により移動するピストンに対して並列に変位量検出機構（検出ヘッド）を設けたものにおいては、検出ヘッドをピストンに並列に設けるために、流体圧駆動機器の幅方向寸法が大きくなってしまうといった問題がある。また、検出ヘッドを可動部側へ設けるため、検出ヘッドへの配線の取り回しに問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的は、流体圧駆動機器を大型化することなく、可動部材の表面に丈夫なスケールを容易に形成できるとともに、スケールの凹凸によるパッキンシールへのダメージをなくすことにある。

本発明の変位検出器を備えた流体圧駆動機器は、流体の圧力によって変位する可動部材を有し、当該可動部材の変位を検出する変位検出器を備えた流体圧駆動機器であって、前記可動部材の表面にその運動方向に交差して所定間隔で形成されるスケールと、該スケールに対向して前記流体圧駆動機器の非可動部側に設けられ、光源部と当該光源部から出力される光の前記スケールからの反射光を受光する受光部とを有する前記変位検出器と、を備え、前記スケールは、前記可動部材の表面にレーザ照射して生成される酸化膜であり、当該酸化膜における光の反射率を、前記可動部材の表面における他の部分と異ならせたことを特徴とする。

本発明の変位検出器を備えた流体圧駆動機器は、前記酸化膜の光の反射率を１０％以下に設定したことを特徴とする。

本発明の変位検出器を備えた流体圧駆動機器は、前記可動部材がリニア形アクチュエータの直線運動部材であることを特徴とする。

本発明の変位検出器を備えた流体圧駆動機器は、前記可動部材が旋回形アクチュエータの旋回運動部材であることを特徴とする。

本発明によれば、可動部材の表面に形成されるスケールを、レーザ照射して生成される酸化膜とし、この酸化膜における光の反射率を可動部材の表面における他の部分とは異ならせたので、スケールに対向して設けられた変位検出器の光源部から光をスケールに対して出力すると共に、変位検出器の受光部によってスケールから反射された光を受光することによって、可動部材の流体圧駆動機器に対する変位を検出できる。また、可動部材の表面にレーザ照射のみによってスケールを形成できるので、スケールを形成するための加工工数を低減できる。さらに、レーザ照射によって可動部材の母材を変質させて酸化膜の一部が母材に滲入するので丈夫なスケールを形成でき、スケールは容易に剥離しない。さらに、酸化膜は薄膜のためパッキンシールへのダメージをも低減できる。また、可動部材そのものにスケールを形成するので、可動部材と同期して移動する変位検出器を可動部材に対して並列に設ける必要がなく、流体圧駆動機器の幅方向寸法の大型化を回避できる。

本発明によれば、酸化膜の光の反射率が１０％以下となるように設定すれば、可動部材の表面における他の部分に対して反射率を大きく異ならせることができ、変位検出器の変位検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、直線運動部材が摺動するパッキンシールへのダメージを低減できるので、可動部材をリニア形アクチュエータの直線運動部材として用いることができる。また、可動部材を旋回形アクチュエータの旋回運動部材として用いることもできる。

以下、本発明における一実施の形態を、図１ないし図５に基づいて詳細に説明する。なお、図１は本発明における流体圧駆動機器としてのリニア形アクチュエータの断面図を、図２は図１における可動部材としてのピストンロッドにスケールを形成する図を、図３は変位検出器としての２チャンネル光学反射式エンコーダのレンズ側から見た図を、図４は図３のエンコーダの作動ロジックを説明するブロック図を、図５は図３のエンコーダの出力信号を示す図を、それぞれ示している。

図１に示すように、流体圧駆動機器としてのリニア形アクチュエータ１０は、空気圧により作動する複動形エアシリンダであって、図示しない空気圧源からのエアの給排により伸縮作動するものである。

リニア形アクチュエータ１０は、当該リニア形アクチュエータ１０の外郭を形成するシリンダチューブ１１と、このシリンダチューブ１１の内部に摺動自在に設けられ、シリンダチューブ１１内を気密的に２室に分割するピストン１２と、このピストン１２に一端側が連結され、他端側がシリンダチューブ１１の外部に突出されて直線運動をするステンレス製のピストンロッド１３とを備えている。

シリンダチューブ１１の図１中右側は、ヘッドカバー１４をねじ込むことによって閉塞されており、このヘッドカバー１４には、外部からのエアをシリンダチューブ１１内へ給排するための第１の給排孔１４ａが設けられ、この第１の給排孔１４ａは、シリンダチューブ１１内の一側室１１ａ（図１中右側）に連通されている。シリンダチューブ１１の図１中左側は、ロッドカバー１５をねじ込むことによって閉塞されており、このロッドカバー１５には、外部からのエアをシリンダチューブ１１内へ給排するための第２の給排孔１５ａが設けられ、この第２の給排孔１５ａは、ピストンロッド１３とロッドカバー１５との間に形成された環状の隙間１６を介して、シリンダチューブ１１内の他側室１１ｂ（図１中左側）に連通されている。

ロッドカバー１５の図１中左側には、変位検出器としてのエンコーダ１７が設けられるとともに、エンコーダ１７が取り付けられるケース部材１８（非可動部側）が固定して設けられ、このケース部材１８とロッドカバー１５とによって形成された環状空間１５ｂの内部には、ピストンロッド１３の突出側（外部）とシリンダチューブ１１の他側室１１ｂ（シリンダチューブ１１内）との間を気密状態に保持するパッキンシールとしてのロッドパッキン１９が設けられている。このロッドパッキン１９は、断面がＶ字形状に形成されており、このＶ字の開口側が他側室１１ｂに向かっている。これにより、他側室１１ｂに高圧エアが供給された場合においても、Ｖ字の開口の内周側がピストンロッド１３に密着して外部に高圧エアが漏洩することはない。

ピストン１２には、その外周に環状溝１２ａが形成されており、この環状溝１２ａには、環状のピストンパッキン２０が嵌合して設けられている。さらに、ピストン１２の図１中左右側には、シリンダチューブ１１に対してピストンロッド１３が最小後退状態になったり最大突出状態になったりした際に、ピストン１２の本体と、ヘッドカバー１４およびロッドカバー１５が衝突して異音が発生することを抑えるバンパ２１が対向して設けられている。

ピストンロッド１３の外周面には、酸化膜２２がその軸方向（ピストンロッド１３の運動方向）に交差して所定間隔（本実施の形態においては０．１６９ｍｍ間隔）で設けられており、この酸化膜２２は、光の干渉現象によって黒色、こげ茶色、紺色等の濃色に見えるように形成されている。この酸化膜２２は、図２に示すように、レーザ照射によって形成され、具体的には、レーザノズル２３から照射される高エネルギーのレーザ、例えば、イットリウム・４酸化バナジウム化合物を含むレーザを、ピストンロッド１３の軸方向と垂直な径方向から照射しつつ、矢印ａ方向にピストンロッド１３を所定速度で３６０度回転させる。この動作を矢印ｂ方向にピストンロッド１３を０．１６９ｍｍの間隔で移動させつつ繰り返すことにより、ピストンロッド１３の外周面にスケール２４を形成させる。このスケール２４の形成位置と軸方向長さは、ピストンロッド１３のシリンダチューブ１１に対する最縮小状態から最大長状態の間で、エンコーダ１７に対して対向し得る位置および長さに設定されている。

ピストンロッド１３の外周面に形成された酸化膜２２は、高エネルギーのレーザをステンレス製のピストンロッド１３の所定箇所に照射することによって照射部分が高温となり、ピストンロッド１３のレーザ照射された部分が変質することにより形成される。そして、隣り合う酸化膜２２の間には、ピストンロッド１３の外周面に何も加工していない無垢の状態の非加工部分２５が形成されている。

ここで、エンコーダ１７は、非加工部分２５からの反射光を確実に受光するためにも、非加工部分２５における光の反射率を６０％以上となるようにし、また、エンコーダ１７の反射光の受光に対してノイズとしないためにも、酸化膜２２の光の反射率は１０％以下とすることが望ましく、酸化膜２２はできるだけ濃色の方が良い。本実施の形態においては、酸化膜２２の膜厚は４０〜２０００ｎｍの範囲に設定しており、この範囲に入るように酸化膜２２の膜厚を調整することによって濃色の酸化膜２２を形成することができ、これにより、エンコーダ１７の位置検出精度を向上させることができる。

また、酸化膜２２は、ピストンロッド１３の母材に対して、膜厚の数％（一部）が滲入しており、ピストンロッド１３の径方向に突出する酸化膜２２の膜厚は、極めて小さいものとなる。したがって、ロッドパッキン１９へのダメージを十分に低減できる。ここで、ピストンロッド１３の径方向に突出した酸化膜２２をバフ仕上げして平滑化しても良く、要は、酸化膜２２の光の反射率が１０％以下の範囲であればバフ仕上げ等の表面加工を施しても構わない。

次に、本実施の形態で採用する変位検出器としてのエンコーダ１７について説明する。このエンコーダ１７は、２チャンネル光学反射式エンコーダであって、図３および図４に示すような構造を採っている。すなわち、２６はエンコーダ１７の内機部品を収容するケースで、当該ケース２６の内部には、図４に示すように、ピストンロッド１３に設けたスケール２４に向けて発光する光源部としての発光ダイオード２７と、スケール２４から反射された反射光を受光する受光部２８とが設けられている。ケース２６の表面には、発光ダイオード２７に近接して第１レンズ２９が、また、受光部２８に近接して第２レンズ３０が設けられている。

そして、ケース２６には、電源端子３１、接地端子３２、Ａ信号端子３３、Ｂ信号端子３４が設けられており、電源端子３１は発光ダイオード２７の一端と受光部２８に接続され、接地端子３２は発光ダイオード２７の他端および受光部２８に接続され、Ａ信号端子３３およびＢ信号端子３４は、図示しないメインコントローラ（ＣＰＵ）に接続される。

次に、エンコーダ１７の出力信号について、図４および図５に基づき説明する。エンコーダ１７が通電された状態においては、発光ダイオード２７から第１レンズ２９を介してスケール２４に向かって光が出力されている。そして、発光ダイオード２７からの光が酸化膜２２にある場合には、光は反射せずに第２レンズ３０を介して受光部２８には反射光が入力されない。一方、発光ダイオード２７からの光が非加工部分２５にある場合には、光は反射して第２レンズ３０を介して受光部２８に反射光が入力されるようになっている。

そして、スケール２４がエンコーダ１７に対して移動すると、その移動に応じて、光の入力，非入力を受光部２８が受け取り、図５に示すような受光部２８の出力信号であるパルス信号としてのＡ信号とＢ信号が生成されるようになっている。

ここで、Ａ信号とＢ信号は、図５に示すように、それぞれ位相が９０度ずれており、Ａ信号の立ち上がり／Ｂ信号の立ち下り（Ｓ１）、Ａ信号の立ち上がり／Ｂ信号の立ち上がり（Ｓ２）、Ａ信号の立ち下がり／Ｂ信号の立ち上がり（Ｓ３）、Ａ信号の立ち下り／Ｂ信号の立ち下り（Ｓ４）の合計値が１サイクルとなって、この１サイクルが非加工部分２５と酸化膜２２との１組に対応している。すなわち、１サイクル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を検出したならば、ピストンロッド１３がシリンダチューブ１１に対して０．１６９ｍｍ移動したことを検出することになる。

なお、ピストンロッド１３のシリンダチューブ１１に対する基準位置を設定するに当たり、例えば、スケール２４の中央部分がエンコーダ１７に対して対向する位置を基準位置（移動量ゼロ部分）とし、当該基準位置にある状態をメインコントローラ（ＣＰＵ）に設けた記憶部に基準位置状態として記憶させておけばよく、当該基準位置（スケール２４の中央部分）から、上述した１サイクルを正方向（ピストンロッド１３の伸び方向）または負方向（ピストンロッド１３の縮み方向）にカウントしていけば、どのくらい伸びたかあるいはどのくらい縮んだかの移動量を検出することができる。

以上のように構成した本実施の形態によれば、直線運動するピストンロッド１３の外周に酸化膜２２を環状に形成して、この酸化膜２２と非加工部分２５とをスケール２４としたので、レーザ照射のみによって容易にスケール２４を形成できるので、スケールを形成するための加工工数を大幅に低減できる。また、レーザ照射によってスケール２４を形成するようにしたので、スケールの間隔を自在に変更でき、このスケールを検出するためのエンコーダの選定幅が広がって設計自由度が向上する。さらに、母材を変質させて酸化膜２２の一部が母材に滲入するため丈夫なスケールを形成でき、このスケールは容易に剥離したり発錆したりすることがない。また、酸化膜２２は薄膜のためスケールの凹凸は微小であり、ロッドパッキン１９のダメージを低減してリニア形アクチュエータ１０の寿命を延ばすことができる。さらに、可動部材としてのピストンロッド１３そのものにスケール２４を形成したので、別途、スケール部材を並列に設ける必要がないので、流体圧駆動機器の幅方向寸法の大型化を回避できる。

次に、本発明における他の実施の形態について、図６ないし図８を用いて説明する。図６は流体圧駆動機器としての旋回形アクチュエータ（揺動形アクチュエータ）の斜視図を、図７は図６を上面から見た部分断面図を、図８は図６を側面から見た部分断面図をそれぞれ示す。

揺動形アクチュエータ４０は、その本体４１が、横長の直方体形状に形成されており、本体４１の図６中上面には、円盤状のテーブル４２が旋回可能に設けられている。テーブル４２の中心軸にはピニオン（図示せず）が一体に設けられ、このピニオンは、本体４１の内部に設けられたエアの給排により直線運動するピストンに形成されたラック（図示せず）の作動に伴って旋回運動するように構成されている。４３はねじプラグで、このねじプラグ４３を外すと連通孔４４が現れ、この連通孔４４に外部からエアを供給するとテーブル４２は時計方向に旋回するようになっている。また、４５もねじプラグで、このねじプラグ４５を外すと連通孔４６が現れ、この連通孔４６に外部からエアを供給するとテーブル４２は反時計方向に旋回するようになっている。なお、テーブル４２と本体４１との間には、テーブル４２の中心軸側に埃等のごみが進入するのを防止するための保護部材４７が、本体４１側に一体に設けられている。

図７および図８に示すように、テーブル４２の図７中下方には、テーブル４２と同期して旋回運動する可動部材としてのステンレス製の旋回部材４８が一体に設けられ、この旋回部材４８の径方向外周側には、旋回部材４８の外周面と垂直になるように対向して、エンコーダ１７が保護部材４７に対して一体に設けられている。エンコーダ１７の構成および動作については、上述した実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。

旋回部材４８の外周面には、上述した実施の形態と同様に、レーザ照射によって酸化膜２２が形成されており、隣り合う酸化膜２２の間には、非加工部分２５が形成されている。ここで、テーブル４２の本体４１に対する基準位置を設定するに当たり、例えば、テーブル４２の旋回角がゼロの位置（時計方向および反時計方向にそれぞれ同じ角度の旋回が可能である位置）にある状態を、メインコントローラ（ＣＰＵ）に設けた記憶部に基準位置状態として記憶させておけばよく、この基準位置から、上述した実施の形態における１サイクルを時計方向側または反時計方向側にカウントしていけば、テーブル４２がどのくらいの角度を旋回したのか検出できる。

以上のように構成した本実施の形態においても、上述した実施の形態と同様の作用効果を奏し、それに加え、揺動形アクチュエータ４０においては、旋回部材４８に対して摺動する部材がないので、パッキンへのダメージ等を気にすることなく酸化膜の膜厚を調整することができる。

なお、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、可動部材としてのピストンロッド１３および旋回部材４８を、ステンレス製の鋼材で形成したものを示したが、これに限られず、チタン鋼材やプラスチック樹脂等、他の素材を用いても良く、要は、可動部材の表面にレーザ照射した際に形成される酸化膜が、可動部材の表面における他の部分の反射率と異なれば良いものである。

また、上述した各実施の形態においては、レーザ照射にイットリウム・４酸化バナジウム化合物を利用したものを示したが、本発明はこれに限らず、食材缶の賞味期限等に一般的に多く利用される、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム、イットリウム、アルミニウム、ガーネット）化合物を利用したレーザを照射するようにしても良い。

さらに、上述した各実施の形態においては、流体圧駆動機器としてエアの給排により作動するエアシリンダや揺動形アクチュエータであるものを示したが、本発明はこれに限られず、例えば、流体として油液を利用した油圧回路に用いられる油圧シリンダや油圧駆動の旋回形アクチュエータ等にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明における流体圧駆動機器としてのリニア形アクチュエータの断面図である。 図１における可動部材としてのピストンロッドにスケールを形成する図である。 変位検出器としての２チャンネル光学反射式エンコーダのレンズ側から見た図である。 図３のエンコーダの作動ロジックを説明するブロック図である。 図３のエンコーダの出力信号を示す図である。 流体圧駆動機器としての旋回形アクチュエータ（揺動形アクチュエータ）の斜視図である。 図６を上面から見た部分断面図である。 図６を側面から見た部分断面図である。

符号の説明

１０ リニア形アクチュエータ（流体圧駆動機器）
１３ ピストンロッド（可動部材、直線運動部材）
１７ エンコーダ（変位検出器）
１８ ケース部材（非可動部側）
１９ ロッドパッキン（パッキンシール）
２２ 酸化膜
２３ レーザノズル
２４ スケール
２５ 非加工部分（可動部材の表面における他の部分）
２７ 発光ダイオード（光源部）
２８ 受光部
４０ 揺動形アクチュエータ（流体圧駆動機器）
４８ 旋回部材（可動部材、旋回運動部材）

Claims (4)

1. 流体の圧力によって変位する可動部材を有し、当該可動部材の変位を検出する変位検出器を備えた流体圧駆動機器であって、
   前記可動部材の表面にその運動方向に交差して所定間隔で形成されるスケールと、
   該スケールに対向して前記流体圧駆動機器の非可動部側に設けられ、光源部と当該光源部から出力される光の前記スケールからの反射光を受光する受光部とを有する前記変位検出器と、を備え、
   前記スケールは、前記可動部材の表面にレーザ照射して生成される酸化膜であり、当該酸化膜における光の反射率を、前記可動部材の表面における他の部分と異ならせたことを特徴とする変位検出器を備えた流体圧駆動機器。
2. 請求項１記載の変位検出器を備えた流体圧駆動機器において、前記酸化膜の光の反射率を１０％以下に設定したことを特徴とする変位検出器を備えた流体圧駆動機器。
3. 請求項１または２記載の変位検出器を備えた流体圧駆動機器において、前記可動部材がリニア形アクチュエータの直線運動部材であることを特徴とする変位検出器を備えた流体圧駆動機器。
4. 請求項１または２記載の変位検出器を備えた流体圧駆動機器において、前記可動部材が旋回形アクチュエータの旋回運動部材であることを特徴とする変位検出器を備えた流体圧駆動機器。

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