JP2017009485A - ストローク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの組付性に影響を及ぼすことなく、アクチュエータのストロークを連続的に検出可能とする。【解決手段】ストローク検出装置４０は、シリンダチューブ１０内に配置され、シリンダチューブ１０に対するピストンロッド２０の進退量に応じて荷重が変化するコイルスプリング４１と、コイルスプリング４１の荷重を検出するロードセル４２と、ロードセル４２により検出されるコイルスプリング４１の荷重に基づいてシリンダ１００のストロークを演算する演算装置４５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ストローク検出装置に関するものである。

従来、油圧シリンダなどのアクチュエータのストロークを検出するためにストローク検出装置が用いられている。特許文献１には、磁気センサを用いることによって、アクチュエータのストロークを連続的に検出することが可能なストローク検出装置が開示されている。

特開２０００−２３４６０３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるストローク検出装置では、磁気センサが油圧シリンダの径方向外側に突出して設けられるため、油圧シリンダの外径が大きくなる。この結果、油圧シリンダの設置スペースが制限される場合には、外部部材との干渉によって、所定の位置に油圧シリンダを組付けることができないおそれがある。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、アクチュエータの組付性に影響を及ぼすことなく、アクチュエータのストロークを連続的に検出することが可能なストローク検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、第１部材内に配置され、第１部材に対する第２部材の進退量に応じて荷重が変化する弾性部材と、弾性部材の荷重を検出する荷重検出器の検出値に基づいてアクチュエータのストロークを演算する演算部と、を備えることを特徴とする。

第１の発明では、アクチュエータの内部に設けられる弾性部材の荷重を検出し、検出された値に基づいて、アクチュエータのストロークが連続的に検出される。

第２の発明は、アクチュエータの振動を検出する振動検出器をさらに備え、演算部は、荷重検出器により検出される弾性部材の荷重に加えて、振動検出器により検出されるアクチュエータの振動に基づいてアクチュエータのストロークを演算することを特徴とする。

第２の発明では、振動検出器の検出値に基づいて、荷重検出器の検出値から振動に起因する成分が除去される。このため、正確なアクチュエータのストロークを演算することができる。

第３の発明は、振動検出器が、第２部材の進退方向の振動を検出することを特徴とする。

第３の発明では、荷重検出器の検出値から、荷重検出器が検出する荷重の方向と同じ方向の振動に起因する成分が除去される。このため、正確なアクチュエータのストロークを演算することができる。

第４の発明は、第２部材は、第１部材内に開口する中空部を有し、弾性部材の一部は、中空部内に収装されることを特徴とする。

第４の発明では、中空部内に弾性部材の一部が収装される。このため、アクチュエータが最も収縮する位置に到達することが弾性部材によって阻害されることはない。この結果、アクチュエータは、弾性部材が設けられない場合と同様に最収縮することができる。

第５の発明は、第１部材は有底円筒状であり、荷重検出器は、第１部材の底部の中央に設けられることを特徴とする。

第５の発明では、荷重検出器は、第１部材の外周よりも内側に配置される。このため、アクチュエータの設置スペースが制限される場合であっても、外部部材と干渉するおそれがないため、所定の位置にアクチュエータを組付けることができる。

本発明によれば、アクチュエータの組付性に影響を及ぼすことなく、アクチュエータのストロークを連続的に検出することが可能なストローク検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るストローク検出装置の構成図である。 本発明の実施形態に係るストローク検出装置のロードセルの出力信号のグラフ図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１を参照して、本発明の実施形態に係るストローク検出装置４０について説明する。図１に示されるシリンダ１００は、図示しない油圧ポンプから吐出される作動油によって動作する油圧シリンダである。ストローク検出装置４０は、このシリンダ１００に設けられる。

シリンダ１００は、シリンダ１００の本体である第１部材としてのシリンダチューブ１０と、シリンダチューブ１０に対して進退自在に設けられる第２部材としてのピストンロッド２０と、を備える。つまり、シリンダ１００は、シリンダチューブ１０に対してピストンロッド２０が進退運動するアクチュエータである。

シリンダチューブ１０は筒部１０ａと底部１０ｂとを有する有底円筒状であり、シリンダチューブ１０の内部には軸方向に摺動自在であるピストン３０が設けられる。また、シリンダチューブ１０の端部には、ピストンロッド２０が摺動自在に挿通するシリンダヘッド１１が設けられる。シリンダチューブ１０の内部は、ピストン３０によって二つの油室１２，１３に区画される。

二つの油室１２，１３は、図示しない切換弁を通じて図示しない油圧ポンプ又はタンクに接続される。二つの油室１２，１３の一方が油圧ポンプに接続された場合には、他方がタンクに接続される。シリンダ１００は、油圧ポンプから二つの油室１２，１３の何れかに作動油が導かれてピストンロッド２０が軸方向に移動することによって伸縮作動する。シリンダ１００は複動式のシリンダであるが、単動式であってもよい。また、シリンダ１００は、油圧式に限定されず、空気式，水圧式または電動式等であってもよい。

ピストンロッド２０は、基端部２０ａがピストン３０に固定され、先端部２０ｂがシリンダチューブ１０から露出する円柱形部材である。基端部２０ａ側には、端面２０ｄに開口し、油室１２に連通する中空部２０ｃが設けられる。ピストンロッド２０は、ピストン３０に作用する油圧の力によって移動する。基端部２０ａ側の端面２０ｄは、シリンダ１００が最も収縮した際に底部１０ｂに当接し、ピストン３０及びピストンロッド２０の移動を規制するストッパとして機能する。なお、ストッパとしては、ピストンロッド２０の端面２０ｄに限定されず、底部１０ｂに突出して設けられ、シリンダ１００が最も収縮した際にピストン３０またはピストンロッド２０に当接する突起部であってもよい。

次に、シリンダ１００に設けられるストローク検出装置４０について説明する。

ストローク検出装置４０は、シリンダチューブ１０内に配置される弾性部材としてのコイルスプリング４１と、コイルスプリング４１の軸方向荷重を検出する荷重検出器としてのロードセル４２と、コイルスプリング４１とロードセル４２との間に介装される伝達ピストン４３と、シリンダ１００の振動を検出する振動検出器としての加速度センサ４４と、ロードセル４２から出力される検出信号と加速度センサ４４から出力される検出信号とが入力される演算部としての演算装置４５と、を有する。ストローク検出装置４０は、シリンダチューブ１０に対するピストンロッド２０のストローク量及びストローク位置を検出するために設けられる。

コイルスプリング４１は、一端が伝達ピストン４３に接触し、他端がピストンロッド２０の中空部２０ｃに収装された状態で、シリンダ１００内に設けられる。コイルスプリング４１は、シリンダ１００が最も伸張しているときであっても、伝達ピストン４３とピストンロッド２０との間で圧縮された状態にある。つまり、コイルスプリング４１の自然長は、シリンダ１００が最も伸張しているときのコイルスプリング４１の軸方向長さよりも長く設定される。このため、シリンダ１００が伸縮する範囲において、コイルスプリング４１が伝達ピストン４３及びピストンロッド２０から離れた状態となることはない。

ここで、比較的荷重が大きいコイルスプリング４１を用いれば、コイルスプリング４１はピストンロッド２０の変位に追従することが可能となる。しかしながら、コイルスプリング４１の荷重を大きくし過ぎると、シリンダ１００を収縮させる速度が低下してしまう。このため、コイルスプリング４１の荷重は、シリンダ１００の伸縮動作に影響がないようにできるだけ小さく、且つピストンロッド２０の変位に追従することが可能な大きさに設定される。

また、コイルスプリング４１は、ピストンロッド２０に設けられる中空部２０ｃに収装されるため、シリンダ１００が最も収縮する位置に到達することがコイルスプリング４１によって阻害されることはない。つまり、シリンダ１００は、コイルスプリング４１が設けられない場合と同様に最収縮することが可能である。中空部２０ｃの軸方向長さは、シリンダ１００が最収縮したときに、コイルスプリング４１の線材が密着した状態にならないように設定される。このように、シリンダ１００が最も収縮したときであっても、コイルスプリング４１がシリンダチューブ１０内に配置される空間が確保される。

ロードセル４２は、荷重の大きさを電気信号に変換する変換器である。ロードセル４２は、伝達ピストン４３を介して伝達されるコイルスプリング４１の圧縮荷重を電気信号（電圧）に変換し、演算装置４５へと出力する。ロードセル４２は、コイルスプリング４１に対向するようにシリンダチューブ１０の底部１０ｂの中央に配置される。このように、ロードセル４２は、シリンダチューブ１０の径方向外側に突出することなく、シリンダチューブ１０の外周よりも内側に配置される。

伝達ピストン４３は、ロードセル４２に結合される円筒状部材である。伝達ピストン４３は、コイルスプリング４１の圧縮荷重をロードセル４２へ伝達するとともに、コイルスプリング４１のばね受けとしても機能する。また、伝達ピストン４３の外径は、中空部２０ｃの内径よりも小さく設定される。このため、シリンダ１００が最も収縮する際、ピストンロッド２０の端面２０ｄは伝達ピストン４３に衝突することなく、底部１０ｂに当接する。このように、伝達ピストン４３にピストンロッド２０やピストン３０が衝突することはないため、ロードセル４２がピストンロッド２０やピストン３０によって破壊されることを防止することができる。

加速度センサ４４は、シリンダ１００の振動のうち特にコイルスプリング４１の荷重方向の振動を検出する。具体的には、コイルスプリング４１の荷重方向の加速度を検出し、加速度を電気信号（電圧）に変換し、演算装置４５へと出力する。加速度センサ４４は、ロードセル４２に取り付けられる。加速度センサ４４の取付位置は、これに限定されず、シリンダ１００の振動を測定可能な位置であればどこでもよく、シリンダチューブ１０内に埋め込まれてもよい。なお、後述のように、加速度センサ４４の出力は、ロードセル４２の出力を補償するために用いられるため、加速度センサ４４は、ロードセル４２に取り付けられることが好ましい。振動検出器としては、加速度センサ４４に限定されず、速度を検出するセンサや変位を検出するセンサであってもよい。

演算装置４５には、ロードセル４２の検出信号と加速度センサ４４の検出信号とが入力され、これらの検出信号に基づいて、後述のようにシリンダ１００のストロークを演算する。演算装置４５は、演算されたシリンダ１００のストロークを外部へ出力することが可能である。演算装置４５は、各油室１２，１３に供給される油量を制御する図示しない制御装置内に設けられてもよい。

このように、ストローク検出装置４０のうちシリンダ１００に設けられるものはすべてシリンダチューブ１０の外周よりも内側に配置される。このため、シリンダ１００の設置スペースが制限される場合であっても、外部部材と干渉するおそれがないため、所定の位置にシリンダ１００を組付けることができる。

次に、図１及び図２を参照し、上記構成のストローク検出装置４０によって、シリンダ１００のストロークが検出される原理について説明する。

シリンダ１００が最も収縮しているとき、コイルスプリング４１は最も圧縮された状態となる。このため、図２に示されるように、コイルスプリング４１の圧縮荷重が最大となり、ロードセル４２の出力も最大となる。一方、シリンダ１００が最も伸張しているとき、コイルスプリング４１は最も伸びた状態となる。このため、コイルスプリング４１の圧縮荷重が最小となり、ロードセル４２の出力も最小となる。

このように、ロードセル４２で検出されるコイルスプリング４１の圧縮荷重は、コイルスプリング４１の圧縮量、すなわちシリンダ１００のストローク量に応じて直線的に変化する。このため、ロードセル４２によって検出された値に基づいてシリンダ１００のストローク量及びストローク位置を把握することが可能となる。ロードセル４２の分解能が低い場合には、測定点間を補間することにより、ストローク量及びストローク位置を演算してもよい。

ここで、シリンダ１００は、使用環境によって様々な振動、すなわち加速度を受ける。振動による加速度がコイルスプリング４１の軸方向に作用すると、コイルスプリング４１を軸方向に移動させようとする荷重が生じる。ロードセル４２は、コイルスプリング４１に生じる荷重を検出する構造であるため、コイルスプリング４１の圧縮荷重だけではなく、振動に起因する上述の荷重も合せて検知する。つまり、ロードセル４２の出力値には、振動に起因する荷重が付加されてしまう。

次に、ロードセル４２の出力値から振動に起因する成分を除去する方法について説明する。

ピストンロッド２０が通常変位する際の周波数は、シリンダ１００の最高変位速度や最大変位加速度に応じて一義的に決まる。このため、ロードセル４２の出力値から、ピストンロッド２０が通常変位する際の周波数域を外れる周波数における成分を除去することによって、ある程度正確なシリンダ１００のストロークを把握することができる。しかし、この方法では、ピストンロッド２０が通常変位する際の周波数域の振動に起因する荷重を除去することはできない。そこで本実施形態では、シリンダ１００の振動を検知する加速度センサ４４が用いられる。

加速度センサ４４では、特にコイルスプリング４１の軸方向に作用する加速度、すなわち、ピストンロッド２０が進退する方向の加速度が検出される。演算装置４５では、加速度センサ４４から出力された値の周波数と、ロードセル４２から出力された値の周波数と、を比較し、一致する周波数の成分をロードセル４２から出力された値から除去する処理が行われる。これにより、周波数域に関わらず振動に起因する荷重をロードセル４２の出力値から除去することが可能となり、さらに正確なシリンダ１００のストロークを把握することができる。

以上の実施形態によれば、以下に示すような効果を奏する。

ストローク検出装置４０では、シリンダ１００に設けられるものはすべてシリンダチューブ１０の外周よりも内側に配置される。このため、シリンダ１００の設置スペースが制限される場合であっても、外部部材と干渉するおそれがないため、所定の位置にシリンダ１００を組付けることができる。また、ロードセル４２で検出されるコイルスプリング４１の圧縮荷重は、コイルスプリング４１の圧縮量、すなわちシリンダ１００のストローク量に応じて直線的に変化する。このため、ロードセル４２によって検出された値に基づいてシリンダ１００のストローク量及びストローク位置を連続的に把握することができる。

上記実施形態では、コイルスプリング４１が圧縮コイルスプリングである場合について説明したが、コイルスプリング４１は引張コイルスプリングであってもよい。この場合、コイルスプリング４１は、シリンダ１００が最も収縮しているときであっても、伝達ピストン４３とピストンロッド２０とにより引っ張られた状態にある。また、この場合、ロードセル４２には、引張荷重を検出する形式のものが用いられ、ロードセル４２は、伝達ピストン４３を介して伝達されるコイルスプリング４１の引張荷重を検出する。このため、ロードセル４２の出力は、シリンダ１００が最も収縮しているときに最小となり、シリンダ１００が最も伸張しているときに最大となる。

以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

ストローク検出装置４０は、シリンダチューブ１０内に配置され、シリンダチューブ１０に対するピストンロッド２０の進退量に応じて荷重が変化するコイルスプリング４１と、コイルスプリング４１の荷重を検出するロードセル４２と、ロードセル４２により検出されるコイルスプリング４１の荷重に基づいてシリンダ１００のストロークを演算する演算装置４５と、を備えることを特徴とする。

この構成では、シリンダ１００に設けられるストローク検出装置４０は、すべてシリンダチューブ１０の外周よりも内側に配置される。このため、シリンダ１００の設置スペースが制限される場合であっても、外部部材と干渉するおそれがないため、所定の位置にシリンダ１００を組付けることができる。また、ロードセル４２で検出されるコイルスプリング４１の圧縮荷重は、コイルスプリング４１の圧縮量、すなわちシリンダ１００のストローク量に応じて直線的に変化する。このため、ロードセル４２によって検出された値に基づいてシリンダ１００のストローク量及びストローク位置を連続的に把握することができる。

また、ストローク検出装置４０は、シリンダ１００の振動を検出する加速度センサ４４をさらに備え、演算装置４５は、ロードセル４２により検出されるコイルスプリング４１の荷重に加えて、加速度センサ４４により検出されるシリンダ１００の振動に基づいてシリンダ１００のストロークを演算することを特徴とする。

この構成では、コイルスプリング４１の荷重を検出するロードセル４２の検出値とともに、シリンダ１００の振動を検出する加速度センサ４４の出力値もシリンダ１００のストロークの演算に用いられる。このため、ロードセル４２の出力値から振動に起因する成分を除去することが可能となり、正確なシリンダ１００のストロークを演算することができる。

また、加速度センサ４４は、ピストンロッド２０の進退方向の振動を検出することを特徴とする。

この構成では、加速度センサ４４によって、ロードセル４２が検出する荷重の方向と同じ方向の振動が検出される。このため、ロードセル４２の出力値から、ロードセル４２が検出する荷重の方向と同じ方向の振動に起因する成分を除去することが可能となり、より正確なシリンダ１００のストロークを演算することができる。

また、ピストンロッド２０は、シリンダチューブ１０内に開口する中空部２０ｃを有し、コイルスプリング４１の一部は、中空部２０ｃ内に収装されることを特徴とする。

この構成では、ピストンロッド２０の中空部２０ｃ内にコイルスプリング４１の一部が収装される。このため、シリンダ１００が最も収縮する位置に到達することがコイルスプリング４１によって阻害されることはない。つまり、シリンダ１００は、コイルスプリング４１が設けられない場合と同様に最収縮することが可能である。

また、シリンダチューブ１０は有底円筒状であり、ロードセル４２は、シリンダチューブ１０の底部１０ｂの中央に設けられることを特徴とする。

この構成では、ロードセル４２は、シリンダチューブ１０の外周よりも内側に配置される。このため、シリンダ１００の設置スペースが制限される場合であっても、外部部材と干渉するおそれがないため、所定の位置にシリンダ１００を組付けることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００・・・シリンダ（アクチュエータ）、１０・・・シリンダチューブ（第１部材）、１０ｂ・・・底部、２０・・・ピストンロッド（第２部材）、２０ｃ・・・中空部、３０・・・ピストン、４０・・・ストローク検出装置、４１・・・コイルスプリング（弾性部材）、４２・・・ロードセル（荷重検出器）、４３・・・伝達ピストン、４４・・・加速度センサ（振動検出器）、４５・・・演算装置（演算部）

Claims (5)

1. 第１部材と、前記第１部材に対して進退自在に設けられる第２部材と、を有するアクチュエータのストロークを検出するストローク検出装置であって、
   前記第１部材内に配置され、前記第１部材に対する前記第２部材の進退量に応じて荷重が変化する弾性部材と、
   前記弾性部材の荷重を検出する荷重検出器と、
   前記荷重検出器により検出される前記弾性部材の荷重に基づいて前記アクチュエータのストロークを演算する演算部と、
   を備えることを特徴とするストローク検出装置。
2. 前記アクチュエータの振動を検出する振動検出器をさらに備え、
   前記演算部は、前記荷重検出器により検出される前記弾性部材の荷重に加えて、前記振動検出器により検出される前記アクチュエータの振動に基づいて前記アクチュエータのストロークを演算することを特徴とする請求項１に記載のストローク検出装置。
3. 前記振動検出器は、前記第２部材の進退方向の振動を検出することを特徴とする請求項２に記載のストローク検出装置。
4. 前記第２部材は、前記第１部材内に開口する中空部を有し、
   前記弾性部材の少なくとも一部は、前記中空部内に収装されることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載のストローク検出装置。
5. 前記第１部材は有底円筒状であり、
   前記荷重検出器は、前記第１部材の底部の中央に設けられることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載のストローク検出装置。

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