JP5383535B2

JP5383535B2 - 位置と負荷の検出可能な流体圧アクチュエータ

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Publication number: JP5383535B2
Application number: JP2010019937A
Authority: JP
Inventors: 宏三京和泉
Original assignee: サンテスト株式会社
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: JP2011158027A

Description

本発明は、油圧・水圧・空圧などを媒体に用いた流体圧アクチュエータ、特にピストンロッドの変位と当該ピストンロッドに作用する負荷を検出できるセンサを備えた流体圧アクチュエータに関する。

従来、ピストンロッドの変位と当該ピストンロッドに作用する負荷を検出できるセンサを備えた流体圧アクチュエータが求められている。ピストンに作用する負荷については、ピストンロッドと工作物との間にロードセルなどを設けて、その負荷を検出し、ピストンロッドの変位は前記ロードセルとは別の変位センサを用いて検出するのが一般的であった。

ピストンロッドに作用する負荷の検出について開示された文献として、特許文献１がある。当該文献では、ロードセルに代えて、ロッドカバーに弾性変形が可能な薄肉の円筒部を形成し、この円筒部に貼り付けた歪みゲージで軸方向の荷重を検出する装置を提案している。しかし、この装置であっても、負荷以外に変位をも検出しようとすると、別の変位センサが必要になり、構造が複雑になると共に、高コストになる。

また、特許文献１では、ロッドカバーの円筒部には流体圧シリンダ装置を外部のフレームに取り付けるという機能が求められるので、円筒部には所定の剛性が必要であり、自由に薄肉に形成することができない。さらに、円筒部には軸方向荷重以外に曲げ荷重などの他の方向の荷重も作用するので、歪みと軸方向荷重とが精度よく対応するとは限らず、負荷の検出精度を高めることが難しいという問題があった。

特許第３２９１２５８号公報

本発明の目的は、ピストンロッドの変位と当該ピストンロッドに作用する負荷とを１台のセンサで検出しうる流体圧アクチュエータを提案することにある。

本発明の第１実施形態は、シリンダと、前記シリンダ内を摺動し、中心部に貫通孔を有するピストンと、前記ピストンの貫通孔を摺動自在に貫通し、一端部が前記シリンダの一端部を閉じるキャップ部を貫通して外部に突出し、内部に他端側へ開口する空洞部を有するロッドと、前記ロッドの空洞部に挿入され、前記ロッドの軸線方向に延びる磁歪線を有する磁歪式変位センサと、前記ロッド及びピストンに、前記変位センサの有効検出ストローク範囲内となるようにそれぞれ固定された第１と第２のマグネットと、前記ピストンとロッドとの間に配置され、前記ピストンに加わる流体圧を前記ロッドに軸方向力として伝え、変位に応じたばね力を発生するスプリングと、を備え、前記変位センサは、前記磁歪線の軸線方向にスタートパルスを流すことにより、前記マグネットの近接する磁歪線の部位で弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの弾性波の伝播時間を計測することにより、前記マグネットの機械的変位を検出するものであり、前記ロッドの位置を前記第１のマグネットの位置によって検出し、前記ロッドの軸方向負荷を前記第１と第２のマグネットの離間距離によって検出することを特徴とする、流体圧アクチュエータである。

本発明の第２実施形態は、シリンダと、前記シリンダの軸心部に固定され、内部に空洞部を有するガイドパイプと、前記シリンダの内周とガイドパイプの外周との間を摺動する第１ピストンと、一端が第１ピストンと連結され、他端が前記シリンダの一端部から外部へ突出し、当該端部が閉じられた円筒状のロッドと、前記ロッドの内周とガイドパイプの外周との間を摺動する第２ピストンと、前記ロッドの端部と第２ピストンとの間に形成された第１の流体圧室と、前記ガイドパイプの空洞部に挿入され、前記ガイドパイプの軸線方向に延びる磁歪線を有する磁歪式変位センサと、前記第１ピストン及び第２ピストンに、前記変位センサの有効検出ストローク範囲内となるようにそれぞれ固定された第１と第２のマグネットと、前記第２ピストンとガイドパイプとの間に配置され、前記第２ピストンを前記ロッドの突出方向に付勢し、変位に応じたばね力を発生するスプリングと、を備え、前記変位センサは、前記磁歪線の軸線方向にスタートパルスを流すことにより、前記マグネットの近接する磁歪線の部位で弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの弾性波の伝播時間を計測することにより、前記マグネットの機械的変位を検出するものであり、前記ロッドの位置を前記第１のマグネットの位置によって検出し、前記ロッドの軸方向負荷を前記第２のマグネットの位置によって検出することを特徴とする、流体圧アクチュエータである。

本発明の第１実施形態では、ロッドとピストンとの間に変位に応じて荷重が変化するスプリングを配置し、ピストンとロッドとにそれぞれマグネットを取り付け、磁歪式変位センサによってピストンとロッドとの軸方向距離及びロッドの軸方向位置を検出している。そのため、流体圧を受けてピストンが移動すると、ロッドにかかる負荷の大きさに応じてスプリングが圧縮される。ロッドの負荷はスプリングの圧縮量に関係し、その圧縮量はピストンとロッドとの軸方向距離に比例し、この軸方向距離を変位センサで検出するので、結局、ロッドの負荷を求めることができる。ロッドの位置は変位センサによって直接検出できる。このように１台の磁歪式変位センサを用いて、ロッドの負荷と位置とを同時に検出することができる。

本発明で使用する磁歪式変位センサは、その有効検出ストローク内に存在するマグネットの位置に応じた磁歪波形を発生させるので、マグネットの位置を正確に検出できる。そのため、ピストンとロッドとにそれぞれマグネットを取り付けることで、ピストンとロッドとの軸方向距離（負荷）及びロッドの軸方向位置を正確に把握できる。マグネットは非常に小さくできるので、ロッドやピストンの寸法増大を招かずに済む。また、変位センサの検出部は細長くできるので、変位センサをロッドの中心部に挿入することで、流体圧アクチュエータの外径寸法を増大させない。

スプリングとしては、変位と荷重との間に一定の関係がある任意のスプリングを使用できるが、変位と荷重とを高精度に比例させることができる点でコイルスプリングを用いるのが望ましい。本発明では、特許文献１のように構造材（ロッドカバー）の歪みを検出するのではなく、ロッドとピストンとの間に配置したスプリングのばね変形を利用するので、軸方向荷重以外の荷重の影響を受けにくく、ロッドの負荷を高精度で検出できる。

第１実施形態は、スプリングをピストンとロッドとの間に配置し、流体圧を受けてピストンがスプリングを介してロッドを押す例であるが、第２実施形態は、スプリングを第２ピストンとガイドパイプ（固定部）との間に配置し、流体圧を第２ピストンとロッドとの間に供給し、流体圧を受けて第２ピストンが後退する例である。ロッドに負荷が掛かっていない状態では第２ピストンは後退せず、ロッドだけが突出する。ロッドに負荷がかかると、その負荷に打ち勝つため圧力が高くなり第２ピストンが後退し、スプリングが圧縮される。スプリングの圧縮量はロッドにかかる負荷と相関関係にある。

第２実施形態の場合も、ロッドの変位は第１ピストンに取り付けられた第１のマグネットで検出されるが、ロッドの負荷はスプリングの圧縮量、つまり第２ピストンに取り付けられた第２のマグネットの位置で把握できる。これらマグネットの位置は、ガイドパイプの中に挿入された磁歪式変位センサで検出できる。

第２実施形態において、ロッドの内周とガイドパイプの外周と第１ピストンと第２ピストンとの間に第２の流体圧室が形成され、当該第２の流体圧室はロッドの外周壁に形成された連通孔を介して、ロッドの外周とシリンダの内周との間に形成された第３の流体圧室へ接続され、当該第３の流体圧室に面する第１ピストンの受圧面積と第１の流体圧室に面するガイドパイプの外径の基づく円の断面積とを等しくするのが望ましい。この場合には、第２ピストンの両面に作用する流体圧の有効受圧面積を等しくすることで、アクチュエータが動的な状態でも静的な状態でも、常にスプリングの圧縮量に応じた負荷を対象物に作用させることができる。

ガイドパイプの先端部にストッパ部が設けられ、当該ストッパ部と第２ピストンとの間に、第２ピストンに対して（第１の）スプリングと逆方向に付勢する第２のスプリングを設けてもよい。つまり、第２ピストンの両側にスプリングを配置することにより、ロッドが正逆いずれの方向に作動する場合でも負荷を検出することが可能になる。

以上のように、本発明によれば、ロッドとピストンとの間、又は第２ピストンとガイドパイプとの間にスプリングを配置し、ピストンとロッドとにそれぞれマグネットを取り付け、磁歪式変位センサによってピストンとロッドとの軸方向距離及びロッドの軸方向位置を検出するようにしたので、１台の磁歪式変位センサを用いて、ロッドの負荷と位置とを同時に検出することができる。

本発明に係る流体圧アクチュエータの第１実施例の初期状態における断面図である。図１に示す流体圧アクチュエータの動作時における断面図である。磁歪式変位センサの一例の原理図である。磁歪式変位センサの検出信号の波形図である。スプリングのばね長とばね荷重との関係を示す図である。本発明に係る流体圧アクチュエータを用いた流体圧システムの一例を示す図である。本発明に係る流体圧アクチュエータの第２実施例の断面図である。本発明に係る流体圧アクチュエータの第３実施例の断面図である。

〔第１実施例〕
以下に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。図１，図２は本発明に係る流体圧アクチュエータの第１実施例を示し、図１は初期時、図２は作動時を示す。

シリンダ１の両端はフロントキャップ５とエンドキャップ６で閉じられ、ピストン３がシリンダ１の内部を摺動自在に移動する。フロントキャップ５又はエンドキャップ６はシリンダ１と一体に形成されていてもよい。シリンダ１には流体圧Ｐ１、Ｐ２が供給される第１ポート１ａと第２ポート１ｂとが形成されている。ロッド２は、ピストン３の中心部に設けられた貫通孔３ａを摺動自在に貫通しており、始端部がシリンダ１のフロントキャップ５を貫通して外部に突出している。外部に突出したロッド２の操作部２ａが工作物Ｗなどに連結される。エンドキャップ６とピストン３（及びロッド２）との間に形成された空間１４に第１ポート１ａが連通し、フロントキャップ５とピストン３との間に形成された空間１５に第２ポート１ｂが連通している。ロッド２の中心部には、始端側が閉じられ終端側へ開口する軸方向に長い空洞部２ｂが形成されている。空洞部２ｂの長さは、フロントキャップ５とエンドキャップ６の軸方向距離とほぼ同等な長さに設定されている。

なお、各部をシールするためのシール部材（個々ではＯリング）については自明のこととして番号を付けていないが、Ｏリングのみの記載は固定シールを意味し、Ｏリングの内周あるいは外周に示した長方形断面はフッ素樹脂などによる摺動自在なパッキンを意味する。固定シールにＯリングを使用することは一般的であるが、摺動自在なパッキンについては、図示以外の他の方法でも良い。

ロッド２の中間部外周にはフランジ部２ｃが形成されており、このフランジ部２ｃとピストン３の間に圧縮タイプのスプリング４が配置されている。図１では角断面のコイルスプリングを示したが、通常の円断面のコイルスプリングでも良いし、複数の皿ばねの配列でも良く、変位量とばね反力の間に一定の関係があるスプリングであれば何でもよい。ピストン３を貫通したロッド２の終端部にはストッパ１６が固定されており、このストッパ１６により、ロッド２がピストン３から抜けるのを防止すると共に、スプリング４に対して所定の予荷重をかけた状態としている。予荷重をかける理由は、ばね反力と圧縮量とが比例関係にある状態でスプリング４を使用するためであり、必要に応じて設定される。

ロッド２のフランジ部２ｃとピストン３とには、それぞれリング状のマグネット８、９が固定されている。マグネット８，９の着磁方向は軸方向でも径方向でもよい。マグネット８，９の形状はリング状に限らない。ロッド２の中心の空洞部２ｂには、磁歪式変位センサ７の検出部７ａが所定の隙間をもって挿入されている。マグネット８、９と検出部７ａとの間に介在する部品つまりロッド２は非磁性体で形成する必要があるが、マグネット８、９の周囲の部品つまりピストン３やストッパ１６等の部品も非磁性体で形成するのが望ましい。検出部７ａの長さ（有効検出ストロークＳ）は、フロントキャップ５とエンドキャップ６との軸方向距離にほぼ等しく、２個のマグネット８，９の間隔は常に検出部７ａの有効検出ストロークＳ内に設定されている。受信器（図示せず）を収容した磁歪センサ７の本体部７ｂは、エンドキャップ６の中心部に流体の漏洩防止のシールとともにねじ込まれている。なお、ねじ込みに限らず、フランジ取り付け等、任意の固定方法を用いることができる。

図３は磁歪式変位センサ７の検出原理を示す。当該センサ７の検出原理の詳細は、例えば特開平１０−３３２４３３号公報などに開示されている通りであるから、以下にその概略だけを説明する。変位センサ７は、ベース７０上に設けられた支持部材７１，７２によって両端部が支持された磁歪線７３を備えている。磁歪線７３としては中実線に限らず、中空線であってもよい。磁歪線７３がロッド２の軸線方向と平行になるように、変位センサ７はエンドキャップ６に固定されている。一方の支持部材７１の近傍にはコイルを有する受信器７４が配置されており、コイルの中心部に磁歪線７３が無接触で挿通されている。受信器７４はコントローラ１０と接続されている。磁歪線７３の始端にはコントローラ１０から電流パルス（スタートパルス）Ｒｓが周期的に供給され、磁歪線７３の終端はアースに接続されている。なお、磁歪線７３の終端側の支持部材７２を省略し、磁歪線７３を直接アースに接続してもよい。

磁歪線７３にマグネットＭ（ここでは２個）を近づけた状態で、スタートパルスＲｓが供給されると、ビーデマン効果によりマグネットＭの近接する磁歪線７３の部位で弾性波（磁歪波とも呼ぶ）が発生し、受信器７４は逆磁歪効果を利用して磁歪線７３を伝播する弾性波の到来を検出する。弾性波には縦波と横波とがあるが、いずれの波を検出してもよい。コントローラ１０は、マグネットＭから受信器７４までの弾性波の伝播時間を計測することにより、マグネットＭに与えられた機械的変位を検出できる。なお、受信器７４はコイルを用いたものに限らず、例えば米国特許第３８９８５５５号公報、特開昭６１−１１２９２３号公報のように接触式の受信器を用いてもよい。

図４は、図１のような流体圧アクチュエータに適用した場合の変位センサ７の検出信号の波形例である。時間Ｔは磁歪センサのサンプリング時間であって、（ａ）のようにスタートパルスＲｓがＴ時間ごとに磁歪線に与えられ、（ｂ）のように各マグネット近傍で生じた磁歪波形Ｇ１（マグネット９に対応）とＧ２（マグネット８に対応）とが受信器で検出される。（ｃ）は夫々の磁歪波形Ｇ１，Ｇ２を波形整形したストップパルスＨ１とＨ２を示し、ｔ１がストップパルスＨ１の到達時間、ｔ２がストップパルスＨ２の到達時間である。スプリング４の圧縮量は、ロッド２のフランジ部２ｃとピストン３との相対距離、つまりストップパルスＨ１とＨ２の時間差に比例するので、時間差（ｔ２−ｔ１）によって求める事ができる。また、ロッド２の位置はマグネット８の位置、つまり時間ｔ２から明らかになる。

さて、本アクチュエータの動作を説明する。ピストン３を駆動する力は、シリンダ１の第１ポート１ａ又は第２ポート１ｂに供給される流体圧Ｐ１、Ｐ２によって発生する。第１ポート１ａ側のピストン３の受圧面積は、シリンダ１の内径とピストン３の貫通孔３ａの内径で囲まれる環状面積Ａ１であり、第２ポート１ｂ側の受圧面積はシリンダ１の内径とロッド２の外径に囲まれる環状面積Ａ２（但し、ピストン３の貫通孔３ａの内径とロッド２の外径が同じであれば、Ａ１＝Ａ２）である。ここで、ロッド２の断面積をＡ３とする。

Ｐ１＞Ｐ２のとき、ロッド２はその断面積Ａ３に圧力Ｐ１を掛けた力で図１の左方向に移動し、同時にピストン３は環状面積Ａ１に差圧（Ｐ１−Ｐ２）を掛けた力で図１の左方向に動こうとし、その力はスプリング４を介してロッド２にも作用する。ピストン３はロッド２とシリンダ１に対して摺動自在であるから、スプリング４は圧縮されることになり、ロッド２の変位はマグネット８の位置で検出でき、スプリング４の圧縮量はマグネット８と９の距離の変化で検出できることになる。

図５はスプリング４のばね長とばね荷重との関係を示す。Ｌ０は図１の状態におけるばね長であり、Ｌ１は図２の状態におけるばね長である。Ｆ０は予荷重であり、スプリング４をＬ０からＬ１へ圧縮することにより、ばね荷重はＦ０からＦ１へ増大する。ΔＬ（＝Ｌ０−Ｌ１）がスプリング４の圧縮量であり、マグネット８と９の距離の変化に相当する。マグネット８と９の距離の変化は、図１の状態で検出した時間差（ｔ２−ｔ１）と図２の状態で検出した時間差（ｔ２−ｔ１）との差によって求めることができる。

スプリング４の圧縮量ΔＬは、ピストン３によって生じる力Ａ１×（Ｐ１−Ｐ２）に比例する。即ち、
ΔＬ∝Ａ１×（Ｐ１−Ｐ２）・・・（１）
となる。ここで、（１）式の比例定数（スプリングのばね定数）は予め求めておく。一方、スプリング４の圧縮量ΔＬは、上述のように変位センサ７が検出した時間差（ｔ２−ｔ１）の変化によって求めることができる。

ロッド２には、ピストン３によって生じる力以外に、ロッド２の受圧面積Ａ３に対応した力Ａ３×Ｐ１も作用するから、ロッド２の出力する力をＦｄとすると、
Ｆｄ＝Ａ１×（Ｐ１−Ｐ２）＋Ａ３×Ｐ１・・・（２）
となる。

流体圧アクチュエータの負荷制御の場合、定常状態ではロッド２の位置は一定値であり、一般的にＰ２はゼロ（又は大気圧）であって、その時のロッド２の工作物Ｗに与える負荷Ｆｓは、
Ｆｓ＝Ａ１×Ｐ１＋Ａ３×Ｐ１
＝（Ａ１＋Ａ３）Ｐ１・・・（３）
となる。（１）式でＰ２＝０にすると、スプリング４の圧縮量から圧力Ｐ１が分り、その圧力Ｐ１を用いて（３）式から負荷Ｆｓを求めることができる（なお、Ａ１，Ａ２，Ａ３等は既知である）。

図６は上述の流体圧アクチュエータを用いた制御システムの一例を示す。図６において、流体圧源（例えば油圧源）１１から一定圧の流体が流量制御弁１２，１３へ供給されている。流量制御弁１２，１３は電磁弁であり、ソレノイド１２ａ，１３ａに入力される電気信号に応じてシリンダ１の各ポート１ａ，１ｂへ供給される流量を制御している。なお、弁１２、１３は単なるＯＮ／ＯＦＦ切替弁でもよいし、圧力制御弁でもよい。変位センサ７の検出信号はコントローラ１０へ入力され、ここで図４に示す信号処理と上述の演算処理とを行い、時間ｔ２及び時間差（ｔ２−ｔ１）からロッド２の位置と負荷とを求めることができる。なお、ロッド２の位置と負荷とに応じて、コントローラ１０が流量制御弁１２，１３を制御してもよい。このようにして、ロッド２の位置と負荷とを制御することができる。

〔第２実施例〕
図７は本発明にかかる流体圧アクチュエータの第２実施例を示す。第１実施例では定常状態での負荷制御を例にして説明したが、シリンダのロッドが動いている時、換言するとロッドの動的制御の最中では、Ｐ２がゼロ（又は大気圧）であるとは限らない。図１の場合は、第１，第２ポートの有効受圧面積が異なり、第１ポート側ではＡ１＋Ａ３、第２ポート側ではＡ２（もしくはＡ１）である。（１）式に見るように、スプリング４の圧縮量は差圧（Ｐ１−Ｐ２）に比例するので、両ポートの圧力Ｐ１とＰ２の有効受圧面積を同じにするのが望まれる。

第２実施例は圧力Ｐ１とＰ２の有効受圧面積を同じにする実施例である。第１実施例と同じ機能を有するものには同じ番号を付けることを原則とした。圧力Ｐ３が供給されるポート１ｃは新たに追加したポートで、第１ピストン部２５とエンドキャップ６との間に圧力Ｐ３が作用する。通常は、このポート１ｃは流体の戻りタンク（図示せず）又は大気に接続するものとする。

エンドキャップ６の中心部に円筒状のガイドパイプ２０が固定されている。ガイドパイプ２０の中心部には空洞部２０ａを有し、その空洞部２０ａに磁歪式変位センサ７の検出部７ａが所定の隙間をあけて挿入されている。変位センサ７の本体部７ｂはガイドパイプ２０の終端部に固定されている。シリンダ１の内周とガイドパイプ２０の外周との間に第１ピストン２５が摺動自在に配置され、この第１ピストン２５の側面にロッド２の終端部が一体的に連結されている。ロッド２は円筒状のシリンダ部２ｆを備えており、その始端側は図示しない工作物と連結されるキャップ２ｇで閉じられている。ロッド２の内周とガイドパイプ２０の外周との間には、第２ピストン３が摺動自在に配置されている。

ガイドパイプ２０の外周にはフランジ部２０ｂが形成され、このフランジ部２０ｂと第２ピストン３との間に圧縮方式のスプリング４が配置されている。ガイドパイプ２０の始端部外周には、第２ピストン３の移動を規制するストッパ２１が固定されている。第１ピストン部２５と第２ピストン３にはそれぞれマグネット８、９が固定されている。なお、ロッド２、第１ピストン２５、第２ピストン３の材質は非磁性でなくても良いが、ガイドパイプ２０は非磁性体で形成するのが望ましい。

エンドキャップ６には、圧力Ｐ１が供給されるポート６ａが形成されている。ポート６ａに供給された流体は、ガイドパイプ２０の連通孔２０ｃを経て空洞部２０ａへと入り、空洞部２０ａと変位センサ７の検出部７ａとの隙間を流れて、第２ピストン３とロッド２のキャップ２ｇとの間の空間２２に入るようになっている。一方、圧力Ｐ２が供給されるポート１ｂは、シリンダ１の内周とロッド２の外周との間の空間２４と連通している。空間２４は、ロッド２に形成された連通孔２ｈを介して、第１ピストン２５と第２ピストン３との間に形成された空間２３と連通している。

ポート６ａ（Ｐ１）を高圧側に、ポート１ｂ（Ｐ２）を低圧側（もしくは大気圧）に接続すると、流体はポート６ａからガイド２０の連通孔２０ｃを経て、ガイドパイプ２０の空洞部２０ａを流れてロッド２を図７の左方向に押し出す。一方、低圧側は、第２ピストン３（ロッド２のシリンダ部内径とガイドイプ２０の外径部の間を摺動）の環状面積Ａ１で押し出される流体が、ロッド２の連通孔２ｈを通り、環状空間２４（有効断面積Ａ２）に流れ、ロッド２が左方向に移動すると、ロッド２の右端に設けられた第１ピストン２５も左方向に動くから、Ａ１とＡ２の面積に支配される流体が合算されてポート１ｂから外部に流出する。

ガイドパイプ２０の外径から計算される断面積をＡ３とすれば、圧力Ｐ１とＰ２の有効受圧面積は、
Ｐ１側・・・Ａ１＋Ａ３
Ｐ２側・・・Ａ１＋Ａ２
となって、Ａ２＝Ａ３になるように図７に示す各部の寸法を決めれば、Ｐ１とＰ２側の有効受圧面積を同じにすることが可能となる。アクチュエータが動的な状態、静的な状態のいずれでも、常にスプリング４の圧縮量に比例した負荷が工作物（図示せず）に作用する。

Ａ１＋Ａ３＝Ａ１＋Ａ２＝Ａ０とすれば、（２）式から
Ｆｄ＝Ａ０（Ｐ１−Ｐ２）・・・（４）
となり、スプリング４の圧縮量が分れば、（１）式から（Ｐ１−Ｐ２）が分り、次に（４）式からアクチュエータの出力する力が、アクチュエータの状態が動的であろうと静的であろうと、明らかになる。

ロッド２が動いている場合、ロッド２の慣性の影響で必ずしもＰ１＝Ｐ２とは限らない。スプリング４の圧縮量は（１）式のように（Ｐ１−Ｐ２）に比例するから、第１実施例ではロッド２の位置決めが完了し、ポートＰ１に必要な圧力が加えられ、ポートＰ２の圧力がゼロ（又は大気圧）になるようにして、その時の負荷がスプリング４の圧縮量から分るようにしている。一方、第２実施例では、前記したように圧力Ｐ１とＰ２に関わる有効受圧面積が同じであるから、ロッド２に実際に作用している負荷を、ロッド２の位置決めが完了した時だけでなく、ロッド２が動いているときでも検出できる。

第１実施例では、ロッド２の位置をマグネット８の位置によって検出し、ロッド２の負荷をマグネット８と９の相対距離によって検出した。第２実施例では、ロッド２の位置を第１ピストン２５に固定されたマグネット８で検出する点では同様であるが、ロッド２の負荷はマグネット８と９の相対距離ではなく、マグネット９の位置によって検出している。すなわち、無負荷状態では空間２２に供給される流体圧を受けてロッド２だけが突出するので、スプリング４は圧縮されない。つまり、マグネット９の位置は一定であり、負荷が０であることがわかる。一方、ロッド２に負荷がかかると、第２ピストン３が後退し、スプリング４が圧縮される。スプリング４の圧縮量は、マグネット９の位置によって検出できるので、ロッド２の負荷を求めることができる。

第１，第２実施例の流体圧アクチュエータでは、いずれもロッド２が伸びる時にスプリング４が圧縮されて、その時のロッド２に作用する力を知ることができるが、ロッドが伸び状態から後退するときにはストッパ１６，２１にピストン３の動きが制せられ、スプリング４の状態からロッド２に作用する力は分からない。第１実施例でこれを改良するには、例えばスプリング４の両端をピストン３とロッド２のフランジ部２ｃに固定すれば、スプリング４の引張り方向でもロッド２に作用する力がわかるようになる。但し、この場合はストッパ１６を図１の右方向にずらした設計にし、ピストン３がスプリング４を引張った状態でも摺動可能にしておけばよい。

〔第３実施例〕
図８は、前記のようにスプリング４を引張り状態でも有効に力が検出できる方法ではなく、スプリング４を常に圧縮状態で同じ目的を果たそうとするものである。そのために、第２ピストン３を間にしてその両側に２個のスプリング４ａと４ｂを配置したものである。一方のスプリング４ａは、第２ピストン３とガイドパイプ２０のフランジ部２０ｂとの間に配置され、他方のスプリング４ｂは第２ピストン３とガイドパイプ２０の先端に固定されたストッパ２１との間に配置される。その他の構造は第２実施例と同様であるため、同一番号を付して重複説明を省略する。

ポート６ａ（Ｐ１）から供給される流体は、ガイドパイプ２０の連通孔２０ｃ、空洞部２０ａと変位センサ７の検出部７ａによって構成される環状空間を流れて空間２２に入り、第２ピストン３を右方向に押し、その結果ロッド２は伸び出すことになる。ロッド２に加わる負荷は、スプリング４ａの圧縮量により検出できる。逆に、ロッド２が伸び状態から後退するときには、ポート１ｂ（Ｐ２）から、空間２４、連通孔２ｈを介して空間２３へ流体を供給する。その結果、第２ピストン３を左方向に押し、ロッド２は後退する。ロッド２に加わる負荷は、スプリング４ｂの圧縮量により検出できる。

第１〜第３実施例は、本発明のほんの数例を示すに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変更可能である。例えば第２、第３実施例において、空間２２への流体圧を、ガイドパイプ２０の空洞部２０ａと変位センサの検出部７ａとの隙間を介して供給したが、ロッド２のシリンダ部２ｆ又はキャップ２ｇを介して直接供給してもよい。

１シリンダ
２ロッド
２ａ操作部
２ｂ空洞部
２ｃフランジ部
３ピストン（第２ピストン）
４スプリング
５フロントキャップ
６エンドキャップ
７磁歪式変位センサ
７ａ検出部
７ｂ本体部
８，９マグネット
１０コントローラ
１１流体圧源
１２，１３流量制御弁
１６ストッパ
２０ガイドパイプ
２１ストッパ
２５第１ピストン
７３磁歪線
７４受信器

Claims

シリンダと、
前記シリンダ内を摺動し、中心部に貫通孔を有するピストンと、
前記ピストンの貫通孔を摺動自在に貫通し、一端部が前記シリンダの一端部を閉じるエンドキャップ部を貫通して外部に突出し、内部に他端側へ開口する空洞部を有するロッドと、
前記ロッドの空洞部に挿入され、前記ロッドの軸線方向に延びる磁歪線を有する磁歪式変位センサと、
前記ロッド及びピストンに、前記変位センサの有効検出ストローク範囲内となるようにそれぞれ固定された第１と第２のマグネットと、
前記ピストンとロッドとの間に配置され、前記ピストンに加わる流体圧を前記ロッドに軸方向力として伝え、変位に応じたばね力を発生するスプリングと、を備え、
前記変位センサは、前記磁歪線の軸線方向にスタートパルスを流すことにより、前記マグネットの近接する磁歪線の部位で弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの弾性波の伝播時間を計測することにより、前記マグネットの機械的変位を検出するものであり、
前記ロッドの位置を前記第１のマグネットの位置によって検出し、前記ロッドの軸方向負荷を前記第１と第２のマグネットの離間距離によって検出することを特徴とする、流体圧アクチュエータ。
シリンダと、
前記シリンダの軸心部に固定され、内部に空洞部を有するガイドパイプと、
前記シリンダの内周とガイドパイプの外周との間を摺動する第１ピストンと、
一端が第１ピストンと連結され、他端が前記シリンダの一端部から外部へ突出し、当該端部が閉じられた円筒状のロッドと、
前記ロッドの内周とガイドパイプの外周との間を摺動する第２ピストンと、
前記ロッドの端部と第２ピストンとの間に形成された第１の流体圧室と、
前記ガイドパイプの空洞部に挿入され、前記ガイドパイプの軸線方向に延びる磁歪線を有する磁歪式変位センサと、
前記第１ピストン及び第２ピストンに、前記変位センサの有効検出ストローク範囲内となるようにそれぞれ固定された第１と第２のマグネットと、
前記第２ピストンとガイドパイプとの間に配置され、前記第２ピストンを前記ロッドの突出方向に付勢し、変位に応じたばね力を発生するスプリングと、を備え、
前記変位センサは、前記磁歪線の軸線方向にスタートパルスを流すことにより、前記マグネットの近接する磁歪線の部位で弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの弾性波の伝播時間を計測することにより、前記マグネットの機械的変位を検出するものであり、
前記ロッドの位置を前記第１のマグネットの位置によって検出し、前記ロッドの軸方向負荷を前記第２のマグネットの位置によって検出することを特徴とする、流体圧アクチュエータ。
前記ロッドの内周とガイドパイプの外周と第１ピストンと第２ピストンとの間に第２の流体圧室が形成され、当該第２の流体圧室はロッドの外周壁に形成された連通孔を介して、前記ロッドの外周と前記シリンダの内周との間に形成された第３の流体圧室へ接続され、当該第３の流体圧室に面する前記第１ピストンの受圧面積と前記第１の流体圧室に面する前記ガイドパイプの外径に基づく円の断面積とを等しくしたことを特徴とする、請求項２に記載の流体圧アクチュエータ。
前記ガイドパイプの先端部にストッパ部が設けられ、当該ストッパ部と第２ピストンとの間に、前記第２ピストンに対して前記スプリングと逆方向に付勢する第２のスプリングが設けられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の流体圧アクチュエータ。