JP4453023B2 - 位置検出装置付き流体圧シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式の位置検出装置でピストンの動作位置を検出するようにした位置検出装置付き流体圧シリンダに関するものである。

特許文献１には、磁歪式の位置検出装置を用いて流体圧シリンダのピストンの動作位置を検出する技術について開示されている。この位置検出装置は、強磁性材料よりなる磁歪線と永久磁石とを使用し、磁歪線に電流パルスを流したとき発生する磁界と永久磁石による磁界との相互作用により、上記磁歪線に永久磁石との対応位置において超音波振動を発生させ、磁歪線中を伝播するこの超音波振動をレシーブコイル（検出コイル）で検出することにより、上記永久磁石の位置を検出するものである。そして、上記永久磁石をピストンに取り付けると共に、上記磁歪線をシリンダチューブに取り付けることにより、ピストンの全ストローク中の動作位置を検出するようにしている。

ところで、上記特許文献１に開示された技術においては、位置検出装置が、上記磁歪線を内蔵する金属製のプローブを有していて、このプローブが、アルミニウム合金等からなるシリンダチューブの溝内に電気絶縁状態で嵌め込まれている。即ち、上記プローブは、金属等の導電性材料からなる円筒パイプの内部に上記磁歪線を挿通し、この磁歪線の先端を該円筒パイプの先端部に電気接続すると共に、該円筒パイプの基端部側に上記検出コイルを配設することにより形成されたもので、このプローブの外周には絶縁チューブが被設され、この絶縁チューブを介して該プローブが、上記シリンダチューブの溝内に電気絶縁状態で嵌め込まれている。そして、上記円筒パイプが、磁歪線に供給された電流パルスの帰還用導線としての役目を果たすようになっている。
特開平９−３２９４０９号公報

しかしながら、上述したように金属製の円筒パイプの内部に磁歪線を収容してプローブを形成し、上記円筒パイプに電流帰還用導線としての機能を持たせるようにすると、該円筒パイプと磁歪線との間の電気絶縁と、円筒パイプとシリンダチューブとの間の電気絶縁とをそれぞれ行わなければならないため、絶縁のための構造が複雑になるだけでなく、絶縁チューブの被設等によってプローブの外径が大径化し、シリンダチューブにコンパクトに取り付けることができなくなる。

そこで本発明の目的は、磁歪線に供給された電流パルスの帰還用導体として金属製のプローブを使用したりその他の特別な導電性部材等を設けたりする必要のない、簡単で合理的な設計構造を有する位置検出装置付き流体圧シリンダを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、シリンダチューブと、該シリンダチューブの内部を流体圧の作用により直線的に移動するピストンと、該ピストンの動作位置を検出する磁歪式の位置検出装置とを有し、この位置検出装置が、上記シリンダチューブに沿って延びる磁歪線と、このシリンダチューブ内を上記ピストンに同期して移動する永久磁石とを有していて、上記磁歪線に電流パルスを供給したとき上記永久磁石との対応位置において該磁歪線に生じる超音波振動から上記ピストンの動作位置を検出するように構成されている位置検出装置付き流体圧シリンダが提供される。この流体圧シリンダは、上記シリンダチューブを非磁性で導電性を有する素材により形成し、該シリンダチューブに、上記永久磁石の移動方向と平行に延びる孔状又は溝状の中空部を形成して、該中空部内に強磁性体からなる上記磁歪線を挿通すると共に、該磁歪線の先端部をこのシリンダチューブに電気的に接続することにより、該シリンダチューブを電流帰還用の導体として兼用したことを特徴としている。

本発明においては、上記磁歪線が上記中空部内に直接収容されていても、あるいは、非導電性素材からなる保持筒の内部に収容されることにより、この保持筒を介して上記中空部内に配設されていても良い。

また、本発明においては、上記磁歪線の基端部側に、電流パルスを入力するためのパルス入力部が設けられると共に、該磁歪線を伝播する超音波振動を検出するための検出コイルが配設されている。
磁歪線が保持筒の内部に収容されている場合には、この保持筒の端部に上記検出コイルが配設される。

本発明において好ましくは、上記磁歪線の先端部と基端部との少なくとも一方に、該磁歪線を伝播した超音波振動を吸収するための振動吸収材が設けられていることである。

本発明の位置検出装置付き流体圧シリンダによれば、導電性を有するシリンダチューブ自体を電流帰還用の導体として兼用しているため、従来品のように金属製のプローブを使用したりその他の導電性部材を特別に設けたりする必要がなく、非常に簡単で合理的な設計構造とすることができる。

図１及び図２は本発明に係る位置検出機構付き流体圧シリンダの第１実施形態を模式的に示すもので、この流体圧シリンダ１Ａは、シリンダチューブ３とピストン４とからなるシリンダ本体２に、上記ピストン４の動作位置を検出する磁歪式の位置検出装置５を組み付けることにより形成されている。

上記シリンダ本体２は、基本構造は公知のものと同じで、アルミニウム合金のような非磁性で導電性を有する素材で形成された上記シリンダチューブ３を有し、このシリンダチューブ３に形成された円形のシリンダボア３ａの内部に、上記ピストン４がシール部材８を介して該シリンダボア３ａの中心軸線Ｌに沿う方向に直線的に摺動自在なるように配設され、このピストン４にロッド６の一端が連結されている。上記シリンダボア３ａの両端は、ヘッドカバー１０とロッドカバー１１とによって気密に閉塞され、このうちのロッドカバー１１を上記ロッド６がシール部材１２を介して摺動自在に貫通し、その先端がシリンダボア３ａの外部に延出している。

上記ピストン４と各カバー１０，１１との間にはヘッド側圧力室１３及びロッド側圧力室１４が形成され、これらの圧力室１３，１４が、上記シリンダチューブ３に形成されたヘッド側ポート１５とロッド側ポート１６とにそれぞれ連通している。そして、ヘッド側ポート１５からヘッド側圧力室１３に圧縮空気などの圧力流体を供給すると、上記ピストン４がロッドカバー１１側に移動し、ロッド側ポート１６からロッド側圧力室１４に圧力流体を供給すると、上記ピストン４がヘッドカバー１０側に移動するように構成されている。

上記位置検出装置５は、ピストン４に同期して移動する永久磁石１８と、上記シリンダチューブ３に取り付けられた磁歪線１９とを備えている。
上記永久磁石１８は、リング状をしていて、ピストン４の外周に該ピストン４を取り巻くように取り付けられ、Ｎ極とＳ極とが上記軸線Ｌ方向に着磁されるか、又はラジアル方向に着磁されている。しかし、この永久磁石１８は、リング状以外の形状、例えば棒状をしていていも良く、これがピストン４の適宜位置に埋め込みなどの方法で装着されていても構わない。

また、上記磁歪線１９は、強磁性体によって形成された円形断面で均一太さの真っ直ぐな線条であり、この磁歪線１９が、上記シリンダチューブ３に形成された中空部２０の中に収容されている。この磁歪線１９としては、温度による影響を受けにくくするため、温度変化に伴う弾性率の変化の小さいものが好ましく、例えばエリンバー合金やニッケル合金等が好適に使用される。

上記中空部２０は、上記シリンダボア３ａと隣接する位置に該ボアと平行に形成された円形孔からなるもので、この中空部２０内に上記磁歪線１９が、該中空部２０の内壁とは非接触の状態で、上記中心軸線Ｌと平行に挿通されている。この磁歪線１９の先端は、上記中空部２０の端部に収容された支持金具２１に接続され、この支持金具２１を介して上記シリンダチューブ３に電気的に接続されている。即ち、上記支持金具２１は、銅やアルミニウムなどの導電性素材によってディスク形に形成されたもので、上記中空部２０の内部に該中空部の軸線方向に可動に配設され、その外周面が中空部２０の内周面に接触することによってシリンダチューブ３に電気的に導通しており、これによって該シリンダチューブ３が、電流帰還用の導体として兼用されている。

一方、上記磁歪線１９の反対側の端部である基端部は、合成樹脂などの非導電性の支持部材２２を介して上記中空部２０の基端部側に固定的に支持され、該支持部材２２の外部に、アンプ２４からの電流パルスを磁歪線１９に入力するためのパルス入力部２３が設けられている。

上記磁歪線１９は、一定の張力を付与した状態で配設されている。このような張力付与のため、上記支持金具２１と中空部２０に形成されたばね受け２６との間にコイルばね２７が介設されており、このコイルばね２７のばね力で上記支持金具２１が、磁歪線１９を伸長させる方向に常時押圧されている。

なお、上記磁歪線１９とシリンダチューブ３との電気接続を上記支持金具２１を介して行うことなく、該支持金具２１を非導電性素材により形成し、磁歪線１９の先端部をリード線など別の導体でシリンダチューブ３に接続しても良い。

上記磁歪線１９の先端部側及び基端部側の端部には、それぞれ、該磁歪線１９を伝播した超音波振動を吸収するための振動吸収材２８が設けられ、これらの振動吸収材２８によって超音波振動の反射を防止するようにしている。上記振動吸収材２８は、ゴムや合成樹脂などの弾性素材で形成され、磁歪線１９の外周全体を被覆するように取り付けられている。しかし、上記振動吸収材２８は、磁歪線１９の先端部側又は基端部側の何れか一方だけに設けることもできる。

また、上記中空部２０の基端部側には、上記振動吸収材２８よりも内側（中央）寄りの位置に、上記磁歪線１９の基端部を取り巻くように検出コイル２９が配設され、該磁歪線１９を伝播する超音波振動をこの検出コイル２９でパルス電圧として検出するようになっている。

上記パルス入力部２３と検出コイル２９とシリンダチューブ３とは、それぞれ導線３０ａ，３０ｂ，３０ｃによって上記アンプ２４に電気的に接続されている。このアンプ２４は、電流パルスを上記磁歪線１９に供給する機能と、上記検出コイル２９からのパルス電圧を増幅する機能とを有するもので、このアンプ２４と上記磁歪線１９及び検出コイル２９とにより、上記永久磁石１８の位置を検出するための磁歪センサーが形成されている。従って、上記磁歪線１９と検出コイル２９とは、この磁歪センサーにおける検出部を構成するものである。

なお、図３に示すように、上記シリンダチューブ３の端部に、上記パルス入力部２３と検出コイル２９とシリンダチューブ３とにそれぞれ導通する雄端子あるいは雌端子を備えた接続部３１を形成すると共に、上記アンプ２４に、これらの雄端子あるいは雌端子にプラグイン式に電気接続可能な雌端子あるいは雄端子を備えた接続部３２を形成し、これらの接続部３１，３２同士の接続によってアンプ２４をシリンダ本体２に着脱自在に取り付けることもできる。

上記アンプ２４から導線３０ａを通じて磁歪線１９のパルス入力部２３に電流パルスが供給されると、この電流パルスは、該磁歪線１９中を基端部側から先端部側に向けて流れるが、このとき該磁歪線１９には、この電流パルスにより円周方向の磁界が発生する。

一方、上記ピストン４の動作位置においては、上記永久磁石１８によって軸線Ｌ方向の磁界が発生しており、この永久磁石１８による軸線方向磁界と上記電流パルスによる円周方向磁界との相互作用により、上記磁歪線１９には、永久磁石１８と対応する位置にねじり歪みが発生する。このねじり歪みは一種の超音波振動であって、磁歪線１９をその基端部側と先端部側とに向けて伝播し、基端部側に向かった超音波振動が上記検出コイル２９にパルス電圧を発生させる。そこで、このパルス電圧を上記アンプ２４により検出して増幅すると共に、演算装置で必要な演算処理を施すことにより、上記永久磁石１８の位置から磁歪線１９の基端部までの超音波振動の伝播時間が算出され、この伝播時間から上記永久磁石１８即ちピストン４の位置を検出することができる。

磁歪線１９の両端に達した上記超音波振動は、上記振動吸収材２８によって吸収され、反射による誤作動が防止される。

かくして上記流体圧シリンダ１Ａは、上記シリンダチューブ３を非磁性で導電性を有する素材で形成し、このシリンダチューブ３を電流帰還用の導体として兼用しているため、従来品のように金属製のプローブを使用したり、その他の導電性部材を特別に設けたりする必要がなく、非常に簡単で合理的な設計構造とすることができる。しかも、金属製のプローブを用いる場合には必要となる金属製パイプと磁歪線１９との間の電気絶縁も、金属製パイプとシリンダチューブ３との間の電気絶縁も必要ないため、構造がより簡単で、小形化も可能になる。

図４は本発明の第２実施形態を模式的に示すもので、この第２実施形態の流体圧シリンダ１Ｂが上記第１実施形態の流体圧シリンダ１Ａと相違する点は、磁歪線１９を非導電性素材からなる保持筒３４の内部に収容することにより、磁歪センサーの検出部をプローブ３５の形に形成し、このプローブ３５を上記中空部２０内に挿入することにより、上記磁歪線１９を該中空部２０内に上記保持筒３４を介して配設しているという点である。上記プローブ３５は、中空部２０に対して着脱自在である。

上記保持筒３４は、合成樹脂により直線円筒状に形成されていて、図５に示すようにその中心に上記磁歪線１９が挿通されており、該磁歪線１９の基端部は保持筒３４の基端側の端壁３４ａに固定的に支持されている。また、該保持筒３４の先端部には、銅やアルミニウムなどの導電性素材からなるキャップ状の支持金具２１が、該保持筒３４の軸線方向に可動に取り付けられ、その外周面が中空部２０の内周面に接触することによってシリンダチューブ３と電気的に導通した状態にあり、この支持金具２１に磁歪線１９の先端が接続されることにより、この支持金具２１を介して該磁歪線１９と上記シリンダチューブ３とが電気的に接続されている。

上記支持金具２１と保持筒３４内部のばね受け２６との間にはコイルばね２７が介設され、このコイルばね２７によって磁歪線１９に一定の張力が付与されている。
また、保持筒３４の基端部側には、磁歪線１９を取り巻くように検出コイル２９が内蔵されている。

この第２実施形態の上記以外の構成や好ましい変形例等については実質的に上記第１実施形態と同じであるので、それらの主要な同一構成部分に第１実施形態と同じ符号を付してその説明は省略する。

この第２実施形態の流体圧シリンダ１Ｂにおいては、上記保持筒３４が非導電性素材で形成されているため、その内部に磁歪線１９を取り付ける際にも、上記中空部２０内へ挿入する際にも、該保持筒３４の内外周に電気絶縁処理を施す必要がなく、構造が簡単であると共に、磁歪線１９の取り付けやシリンダチューブ３への取り付けも容易である。
なお、この第２実施形態においても、上記第１実施形態の場合と同様に、上記保持筒３４の基端部側の端部とアンプ２４とに、プラグイン式に電気接続可能な接続部３１，３２をそれぞれ形成し、これらの接続部同士の接続によってアンプ２４を着脱自在とすることもできる。

上記各実施形態においては、シリンダチューブ３に孔状の中空部２０を形成し、この中空部２０内に磁歪線１９を収容するようにしているが、該中空部２０は、図６に示すような溝状のものであっても良い。この溝は、溝底側の溝幅が溝口側より広くなっていて、溝口を塞ぐ蓋３７が必要に応じて取り付けられるようになっている。中空部２０がこのような溝状をしている場合は、上記第２実施形態のように、センサーの検出部を、保持筒３４の内部に磁歪線１９を収容してプローブ３５の形態にしたものが好適に使用される。

本発明に係る位置検出装置付き流体圧シリンダの第１実施形態を示す断面図である。 図１におけるII−II線での断面図である。 上記第１実施形態の好ましい変形例を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 プローブの断面図である。 シリンダ本体に設けた中空部の異種例を示す断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 流体圧シリンダ
３ シリンダチューブ
４ ピストン
５ 位置検出装置
１８ 永久磁石
１９ 磁歪線
２０ 中空部
２３ パルス入力部
２８ 振動吸収部材
２９ 検出コイル
３４ 保持筒

Claims (6)

1. シリンダチューブと、該シリンダチューブの内部を流体圧の作用により直線的に移動するピストンと、該ピストンの動作位置を検出する磁歪式の位置検出装置とを有し、この位置検出装置が、上記シリンダチューブに沿って延びる磁歪線と、このシリンダチューブ内を上記ピストンに同期して移動する永久磁石とを有していて、上記磁歪線に電流パルスを供給したとき上記永久磁石との対応位置において該磁歪線に生じる超音波振動から上記ピストンの動作位置を検出するように構成されている位置検出装置付き流体圧シリンダにおいて、
   上記シリンダチューブを非磁性で導電性を有する素材により形成し、該シリンダチューブに、上記永久磁石の移動方向と平行に延びる孔状又は溝状の中空部を形成して、該中空部内に強磁性体からなる上記磁歪線を挿通すると共に、該磁歪線の先端部をこのシリンダチューブに電気的に接続することにより、該シリンダチューブを電流帰還用の導体として兼用したことを特徴とする位置検出装置付き流体圧シリンダ。
2. 上記磁歪線が上記中空部内に直接収容されていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧シリンダ。
3. 上記磁歪線が非導電性素材からなる保持筒の内部に収容されていて、この保持筒を介して上記中空部内に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧シリンダ。
4. 上記磁歪線の基端部側に、電流パルスを入力するためのパルス入力部が設けられると共に、該磁歪線を伝播する超音波振動を検出するための検出コイルが配設されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の流体圧シリンダ。
5. 上記保持筒の端部に上記検出コイルが配設されていることを特徴とする請求項３に従属する請求項４に記載の流体圧シリンダ。
6. 上記磁歪線の先端部と基端部との少なくとも一方に、該磁歪線を伝播した超音波振動を吸収するための振動吸収材が設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の流体圧シリンダ。

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