JP6043333B2 - ストローク検出装置 - Google Patents

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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、シリンダなどの直動部品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。ストローク検出装置は、第１部材に設けられた検出素子が、第１部材に対して進退自在な第２部材に設けられたスケールを検出することによって直動部品のストロークを検出する。特許文献１には、スケールの形状をストロークに応じて変化させることにより、直動部品の絶対的なストローク量を検出可能としたストローク検出装置が開示されている。
特開２０１０−１４５４２３号公報
一般的に、直動部品では、加工誤差等により、第１部材に対して第２部材が進退方向と直交する方向にわずかにずれる場合がある。また、特許文献１に開示されるような円柱状の直動部品では、第１部材に対して第２部材がわずかに回転したり、捩じれを生じたりする場合がある。
このように第２部材にずれが生じると、第２部材に設けられるスケールの位置にもずれが生じるため、検出素子によって第２部材の正確なストローク量を検出することができなくなるおそれがある。スケールの位置のずれに対応するために、検出素子を大きくすることも考えられるが、検出素子の大型化はコストの上昇や直動部品自体の大型化を招いてしまう。
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、スケールが設けられる部材にずれが生じたとしても、直動部品のストロークの検出誤差を抑制することを目的とする。
第１の発明は、第１部材と、第１部材に対して進退自在に設けられる円柱状の第２部材と、第２部材の表面に第２部材の進退方向に沿って形成されるスケールと、スケールに対向するように第１部材に設けられ、対向するスケールの面積に応じて出力が変化する第１検出素子及び第２検出素子と、を備え、スケールは、第２部材の進退方向に対して傾斜する第１縁部と、第２部材の進退方向に対して第１縁部とは異なる角度に延びる第２縁部と、を有し、第１縁部は、第２部材の進退範囲において常に第１検出素子に対向するように形成され、第２縁部は、第２部材の進退範囲において常に第２検出素子に対向するように形成されており、第１検出素子に対向するスケールの面積が漸増する第２部材の進退方向と、第２検出素子に対向するスケールの面積が漸増する第２部材の進退方向と、は反対方向であり、スケールは、第１縁部を有する第１スケールと、第２縁部を有する第２スケールと、を有し、第１スケールと第２スケールとは、第２部材の周方向において９０°未満の範囲内に設けられ、第２部材のストロークは、第１検出素子の出力と第２検出素子の出力との差に基づいて検出されることを特徴とする。
第２の発明は、第１スケールにおける第１縁部の位置と第２スケールにおける第２縁部の位置とは、第１部材に対して第２部材が周方向に変位したときの第１検出素子の出力の変化方向と第２検出素子の出力の変化方向とが同じになるようにそれぞれ設定されることを特徴とする。
第３の発明は、第１スケール及び第２スケールは、それぞれ矩形状に形成されることを特徴とする。
第１から第３の発明では、第１スケールが第１検出素子に近づく方向に第２部材が偏心すると、第２スケールも第２検出素子に近づく。このため、第１検出素子の出力と第２検出素子の出力とは、偏心量に応じて同じように共に増減する。よって、第１検出素子の出力から第２検出素子の出力を差し引くことにより、偏心量に応じた各検出素子の出力の変化は相殺される。この結果、第２部材が第１部材に対して偏心した状態でストロークしたり、ストローク中に偏心したりするような場合であっても絶対的なストローク量を検出することができる。
本発明によれば、スケールが設けられる部材にずれが生じたとしても、直動部品のストロークの検出誤差を抑制することができる。
本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置の構成図である。 図１のスケールの拡大図である。 本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置の第１ＭＲセンサの出力信号のグラフ図である。 本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置の第２ＭＲセンサの出力信号のグラフ図である。 本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置の第１ＭＲセンサの出力信号と第２ＭＲセンサの出力信号とを合成したグラフ図である。 図２のスケールの第１変形例を示す図である。 図２のスケールの第２変形例を示す図である。 第２実施形態に係るストローク検出装置のスケールの拡大図である。 本発明の第２実施形態に係るストローク検出装置の第１ＭＲセンサの出力信号のグラフ図である。 本発明の第２実施形態に係るストローク検出装置の第２ＭＲセンサの出力信号のグラフ図である。 本発明の第２実施形態に係るストローク検出装置の第１ＭＲセンサの出力信号から第２ＭＲセンサの出力信号を差し引いたグラフ図である。
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。
＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置１００について説明する。図１に示されるシリンダ１０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１００は、このシリンダ１０に設けられる。
シリンダ１０は、シリンダ１０の本体である第１部材としてのシリンダチューブ２０と、シリンダチューブ２０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３０と、を備える。つまり、シリンダ１０は、一方の部材であるシリンダチューブ２０に対して他方の部材であるピストンロッド３０が進退運動する直動部品である。
シリンダチューブ２０は円筒形であり、シリンダチューブ２０の内部には軸方向に摺動自在であるピストン３１が設けられる。また、シリンダチューブ２０の端部には、ピストンロッド３０が摺動自在に挿通するシリンダヘッド２０ａが設けられる。シリンダチューブ２０の内部は、ピストン３１によって二つの油室１１，１２に区画される。
二つの油室１１，１２は、図示しない切換弁を通じて図示しない油圧供給源としての油圧ポンプ又はタンクに接続される。二つの油室１１，１２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１０は、油圧ポンプから二つの油室１１，１２の何れかに作動油が導かれてピストンロッド３０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１０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１０は、油圧式に限定されず、空気式，水圧式または電動機械式等であってもよい。
ピストンロッド３０は、基端部３０ａがピストン３１に固定され、先端部３０ｂがシリンダチューブ２０から露出する円柱形の磁性部材である。ピストンロッド３０は、ピストン３１に作用する油圧の力によって動作する。
次に、シリンダ１０に設けられるストローク検出装置１００について説明する。
ストローク検出装置１００は、ピストンロッド３０が挿通するシリンダヘッド２０ａに配設される検出素子としてのＭＲセンサ５０と、ピストンロッド３０の側面３０ｃにピストンロッド３０の進退方向Ａ（図１の矢印Ａ方向）に沿って形成されるスケール６０と、を備える。ストローク検出装置１００は、シリンダチューブ２０に対するピストンロッド３０のストローク量やストローク位置を検出するために設けられる。
ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：磁気抵抗）センサ５０は、磁気の強弱によって電気抵抗が変化するＭＲ素子を有する。ＭＲセンサ５０は、ピストンロッド３０の外周と対向するように、シリンダヘッド２０ａの内周側に配設される。ＭＲセンサ５０のピストンロッド３０に対向する面とは反対側には、磁気発生源である永久磁石（図示省略）が配設される。
ＭＲセンサ５０は、永久磁石から発せられる磁気を検出し、検出された磁気に応じた電圧を図示しないコントローラへ出力する。永久磁石から発せられる磁気は、磁性体には作用するが、非磁性体には作用しない。つまり、ＭＲセンサ５０は、永久磁石から発せられる磁気が、ＭＲセンサ５０に対向する部材の磁性によってどのように変化したかを検出する。
ＭＲセンサ５０に代えて、より感度のよいＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：巨大磁気抵抗）センサや、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ：磁気インピーダンス）効果を利用したＭＩセンサなどを使用してもよい。また、スケール６０に向かい合うようにコイルを設け、このコイルを励磁することによってピストンロッド３０の変位を検出してもよい。この場合、励磁されたコイルのインピーダンスは、対向するスケール６０に応じて変化する。
スケール６０は、磁性体であるピストンロッド３０の外周に形成される非磁性体である。スケール６０は、図１においては１つだけ示されているが、ピストンロッド３０の周方向Ｂ（図１の矢印Ｂ方向）に離間して２カ所に設けられる。スケール６０は、ピストンロッド３０の外周面を局所加熱装置としてのレーザー装置によって照射されるレーザーにより溶融するとともにＮｉやＭｎを添加してオーステナイト化することによって形成される。
なお、ピストンロッド３０は、非磁性体からなるものであってもよく、この場合、スケール６０は、ピストンロッド３０をレーザー装置によって溶融するとともにＳｎ等を添加することにより磁性体として形成される。局所的に加熱する手段は、レーザーに限定されず、電子ビームや高周波誘導加熱，アーク放電など、局所的に加熱可能な手段であればどのような手段であってもよい。
スケール６０は、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０内に最も進入したときにＭＲセンサ５０と対向する最進入端Ａ１と、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から最も退出したときにＭＲセンサ５０と対向する最退出端Ａ２と、を含むストローク全体にわたって形成される。
このような構成のストローク検出装置１００において、永久磁石から発せられピストンロッド３０へと作用する磁気は、ＭＲセンサ５０に対向するスケール６０の面積やＭＲセンサ５０とスケール６０との間の距離に応じて変化する。本実施形態において、ＭＲセンサ５０に対向するスケール６０の面積は、後述のように、ピストンロッド３０のストロークに応じて変化する。このため、ストローク検出装置１００は、ＭＲセンサ５０の出力に基づいて、ピストンロッド３０の絶対的なストローク量、つまり、ピストンロッド３０の絶対位置を検出することができる。
次に、図２を参照し、スケール６０について詳しく説明する。図２は、図１に示されるスケール６０をピストンロッド３０の周方向Ｂに展開して示したものである。
スケール６０は、第１スケール６１と、第１スケール６１に対してピストンロッド３０の周方向Ｂに離間して設けられる第２スケール６２と、を有する。第１スケール６１と第２スケール６２とは、それぞれ矩形状に形成され、長辺がピストンロッド３０の進退方向Ａに対してわずかに傾斜するように設けられる。
第１スケール６１は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して傾斜する長辺であって非磁性部と磁性部との境界となる第１縁部６１ａを有する。第２スケール６２は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して第１縁部６１ａと反対方向に傾斜する長辺であって非磁性部と磁性部との境界となる第２縁部６２ａを有する。第１スケール６１と第２スケール６２との形状は、矩形状に限定されず、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して互いに反対の方向に傾斜する縁部６１ａ，６２ａをそれぞれ有していれば、三角形状や台形状であってもよい。各スケール６１，６２を矩形状とした場合、鋭角を有さないので比較的容易に形成することができる。
ＭＲセンサ５０は、第１スケール６１に対向する第１検出素子としての第１ＭＲセンサ５１と、第２スケール６２に対向する第２検出素子としての第２ＭＲセンサ５２と、を有する。第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とは、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して直交する同一面上に離間して設けられる。このため、第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とは、進退方向Ａにおいて同じ位置で発生したピストンロッド３０の進退方向Ａに対して直交する方向への変位の影響を受ける。
図２に示すように、第１縁部６１ａは、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０内に最も進入した最進入端Ａ１からピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から最も退出した最退出端Ａ２に至るまでの範囲において、常に第１ＭＲセンサ５１に対向するように形成される。同様に、第２縁部６２ａは、同範囲において常に第２ＭＲセンサ５２に対向するように形成される。
そして、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積と第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積とは、最進入端Ａ１において最小となり、最退出端Ａ２において最大となる。つまり、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出する方向へ移動するにつれて、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積と第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積とは徐々に増加する。
具体的には、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して同軸に相対移動した場合の第１ＭＲセンサ５１と第１スケール６１との位置関係が、最進入端Ａ１において、周方向Ｂに第１距離ｄ１だけ対向する状態となり、最退出端Ａ２において、周方向Ｂに第２距離ｄ２だけ対向しない状態となるように設定される。
第１距離ｄ１と第２距離ｄ２との大きさは、加工誤差等によって、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して周方向Ｂに変位する可能性がある変位量よりも大きく設定される。このため、ピストンロッド３０が周方向Ｂにわずかに変位したとしても、第１縁部６１ａが第１ＭＲセンサ５１に対向する状態が維持され、第１ＭＲセンサ５１の出力はピストンロッド３０のストロークに応じて変化し続ける。
第１距離ｄ１と第２距離ｄ２とは、同じ大きさであってもよいし、異なる大きさであってもよい。また、第１距離ｄ１と第２距離ｄ２との大きさは、ストロークの検出精度を向上させるためには、所定のストロークに対する第１ＭＲセンサ５１の出力の変化が大きくなるようにできるだけ小さく設定されることが好ましい。第２ＭＲセンサ５２と第２スケール６２との位置関係も同様にして設定される。
次に、図２及び図３を参照して、ストローク検出装置１００によるピストンロッド３０のストロークの検出について説明する。図３Ａは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第１ＭＲセンサ５１の出力波形を示すグラフである。図３Ｂは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第２ＭＲセンサ５２の出力波形を示すグラフである。図３Ｃは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせた波形を示すグラフである。図３Ａ〜３Ｃにおいて、実線はピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図２に示す矢印方向に変位しない場合の出力を示し、破線はピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図２に示す矢印方向に変位する場合の出力を示す。
ここでは、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０内に最も進入した状態からピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から最も退出した状態となる場合について説明する。ピストンロッド３０が退出した状態からシリンダチューブ２０内へ進入する場合には、以下の説明とは逆の動作になる。
切換バルブが切り換えられ、油圧ポンプから吐出された作動油が油室１２へと供給されると、油室１１の内部に溜まっていた作動油はタンクへ排出される。これによって、油室１２の内部圧力が上昇し、相対的に油室１１の内部圧力が低下する。このため、油室１１，１２間に位置するピストン３１は、油室１１が収縮する方向へと移動する。そして、ピストン３１の移動に伴って、ピストン３１と一体であるピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出し始める。
ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出し始めると、第１ＭＲセンサ５１は、対向する第１スケール６１の面積の変化による磁気の変化を検出する。第１ＭＲセンサ５１と対向する第１スケール６１の面積は、ピストンロッド３０が退出するにつれて増加する。つまり、ピストンロッド３０が退出するにつれて、第１ＭＲセンサ５１と対向する部分を占める非磁性体の割合が徐々に増加する。このように、非磁性体が占める割合が増えると磁気の変化も大きくなる。この結果、第１ＭＲセンサ５１の出力は、図３Ａのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出するにつれて、出力ａから出力ｂへと変化する。
同様に第２ＭＲセンサ５２の出力も、図３Ｂのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出するにつれて、出力ａから出力ｂへと変化する。
そして、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを合算した値は、図３Ｃのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０のストローク量に応じて、出力２ａから出力２ｂへと変化する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力との和に基づいて、ピストンロッド３０の絶対的なストローク量及びストローク位置を検出することができる。
続いて、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図２に示す矢印方向に変位Ｘだけわずかに回転した場合について説明する。
ピストンロッド３０が図２に示す矢印方向に回転すると、第１スケール６１は、第１ＭＲセンサ５１に対して周方向Ｂに離れる方向に移動する。つまり、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積は、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較して小さくなる。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力は、図３Ａのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較し、変位Ｘに応じた分（ｘ）だけわずかに低くなる。
一方、ピストンロッド３０が図２に示す矢印方向に回転すると、第２スケール６２は、第２ＭＲセンサ５２に対して周方向Ｂに近づく方向に移動する。つまり、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積は、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較して大きくなる。このため、第２ＭＲセンサ５２の出力は、図３Ｂのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較し、変位Ｘに応じた分（ｘ）だけわずかに高くなる。
ここで、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ともにピストンロッド３０の側面３０ｃに形成されていることから、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合に、第１スケール６１と第２スケール６２とが周方向Ｂにずれる距離は当然同じである。つまり、第１ＭＲセンサ５１に対して第１スケール６１が周方向Ｂにずれる距離と、第２ＭＲセンサ５２に対して第２スケール６２が周方向Ｂにずれる距離と、は同じである。このため、ピストンロッド３０の変位Ｘに応じて変化した第１ＭＲセンサ５１の出力の減少分（ｘ）と第２ＭＲセンサ５２の出力の増加分（ｘ）とは同程度となる。
したがって、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせれば、第１ＭＲセンサ５１の出力の減少分（ｘ）と第２ＭＲセンサ５２の出力の増加分（ｘ）とが相殺される。この結果、図３Ｃのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合の出力と同じ出力が得られる。なお、ピストンロッド３０が図２に示す矢印方向とは反対方向にわずかに回転した場合も同様にしてピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合の出力と同じ出力が得られる。また、ストロークの途中でピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合やストロークの途中でピストンロッド３０の変位量が変化した場合も同様にしてピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合の出力と同じ出力が得られる。
このように本実施形態におけるストローク検出装置１００では、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合であっても、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力との和に基づいて、ピストンロッド３０のストローク量に応じた出力が算出される。このため、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差が抑制され、絶対的なストローク量及びストローク位置を正確に検出することができる。
なお、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積と第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積とは、最進入端Ａ１において最大となり、最退出端Ａ２において最小となるように設定されてもよい。第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積が徐々に増加するピストンロッド３０の進退方向と、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積が徐々に増加するピストンロッド３０の進退方向と、が同じ方向であれば、上述のようにピストンロッド３０のストロークを検出することができる。
また、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対する第１縁部６１ａの傾斜角度とピストンロッド３０の進退方向Ａに対する第２縁部６２ａの傾斜角度とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、一方の縁部６１ａ，６２ａがピストンロッド３０の進退方向Ａに対して傾斜していれば、他方の縁部６１ａ，６２ａはピストンロッド３０の進退方向Ａに対して傾斜していなくてもよい。いずれか一方の縁部６１ａ，６２ａがピストンロッド３０の進退方向Ａに対して傾斜していれば、上述のように検出誤差が抑制され、ピストンロッド３０のストロークを検出することができる。
また、各スケール６１，６２は、一つずつ設けられているが、各スケール６１，６２をそれぞれ複数設けるとともに、これらに対応する各ＭＲセンサ５１，５２を複数設けてもよい。このような構成とすることによって、各ＭＲセンサ５１，５２の出力の平均値を算出することにより、ストロークの検出誤差をさらに抑制することができる。このとき、一組のＭＲセンサ５１，５２に対向する一組のスケール６１，６２の面積と、他の組のＭＲセンサ５１，５２に対向する他の組のスケール６１，６２の面積と、が異なるように設定しておくことによって、ピストンロッド３０の進退方向に直交する方向への変位が大きくなってもいずれかの組のＭＲセンサ５１，５２によって、絶対的なストローク量を検出することができる。
また、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の周方向Ｂに離れて配置されていればよいが、ピストンロッド３０の中心軸を挟んで対向して設けられることが好ましい。このような構成とすることにより、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して径方向にずれた状態、すなわち偏心した状態でストロークするような場合であっても絶対的なストローク量を検出することができる。
具体的には、例えば、第１スケール６１が第１ＭＲセンサ５１に近づく方向にピストンロッド３０が偏心すると、第２スケール６２は第２ＭＲセンサ５２から離れる。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、偏心量に応じて一方が増加し他方が減少するか、あるいは、一方が減少し他方が増加する。よって、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合と同様に、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせることにより、偏心量に応じた各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化は相殺される。
以上の第１実施形態によれば、以下に示すような効果を奏する。
ピストンロッド３０のストロークの検出に用いられる第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２との出力は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに直交する方向への変位に応じて、一方が増加し他方が減少するか、あるいは、一方が減少し他方が増加する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせることによって、変位Ｘに応じた出力の変化が相殺される。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
次に、図４及び図５を参照して、本発明の第１実施形態に係るストローク検出装置１００の変形例について説明する。図４及び図５は、スケール６０をピストンロッド３０の周方向Ｂに展開して示したものである。
上記第１実施形態では、スケール６０は、第１縁部６１ａが設けられる第１スケール６１と、第２縁部６２ａが設けられる第２スケール６２と、を有する。これに代えて、図４に示す第１変形例のように、１つのスケール６０に第１縁部６１ａと第２縁部６２ａとを設けた構成としてもよい。この場合、スケール６０が単一のスケールにより構成されるため、スケールの加工が容易になる。また、第１縁部６１ａと第２縁部６２ａとの間隔を狭めることが可能となるため、これらに対向して配置される第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とをコンパクトに配設することができる。
また、上記第１実施形態では、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の進退方向Ａに沿って一条に形成される。これに代えて、図５に示す第２変形例のように、第１スケール６１と第２スケール６２とをピストンロッド３０の進退方向Ａに沿って、複数に分割して形成してもよい。各スケール６１，６２を一条に形成した場合には、特にストロークが比較的長いと各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化が緩やかになりストロークの検出精度が低下するおそれがある。これに対して、各スケール６１，６２を進退方向Ａに沿って複数に分割して形成した場合には、所定のストロークに対する各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化を大きくすることができる。また、複数に分割された各スケール６１，６２の進退方向Ａの長さ、すなわち、第１スケール６１の分割数と第２スケール６２の分割数とを異ならせることにより、ストロークが比較的長い場合であってもストロークの絶対位置を検出することができる。
＜第２実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係るストローク検出装置１００について説明する。図６は、図１に示されるスケール６０をピストンロッド３０の周方向Ｂに展開して示したものである。以下では、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成には、同一の符号を付し説明を省略する。
第１実施形態では、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積と第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積とが、最進入端Ａ１において最小となり、最退出端Ａ２において最大となる。これに対して、第２実施形態では、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積は、最進入端Ａ１において最小となり、最退出端Ａ２において最大となる一方、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積は、最進入端Ａ１において最大となり、最退出端Ａ２において最小となる。つまり、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出する方向へ移動するにつれて、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積は徐々に増加する一方、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積は徐々に減少する。
具体的には、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して同軸に相対移動した場合の第１ＭＲセンサ５１と第１スケール６１との位置関係が、最進入端Ａ１において、周方向Ｂに第１距離ｄ１だけ対向する状態となり、最退出端Ａ２において、周方向Ｂに第２距離ｄ２だけ対向しない状態となるように設定される一方、第２ＭＲセンサ５２と第２スケール６２との位置関係が、最進入端Ａ１において、周方向Ｂに第１距離ｄ１だけ対向しない状態となり、最退出端Ａ２において、周方向Ｂに第２距離ｄ２だけ対向する状態となるように設定される。
次に、図６及び図７を参照して、第２実施形態に係るストローク検出装置１００によるストロークの検出について説明する。図７Ａは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第１ＭＲセンサ５１の出力波形を示すグラフである。図７Ｂは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第２ＭＲセンサ５２の出力波形を示すグラフである。図７Ｃは、ピストンロッド３０のストロークに対して変化する第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引いた波形を示すグラフである。図７Ａ〜７Ｃにおいて、実線はピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図６に示す矢印方向に変位しない場合の出力を示し、破線はピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図６に示す矢印方向に変位する場合の出力を示す。
ここでは、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０内に最も進入した状態からピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から最も退出した状態となる場合について説明する。ピストンロッド３０が退出した状態からシリンダチューブ２０内へ進入する場合には、以下の説明とは逆の動作になる。
油室１２の内部圧力が上昇し、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出し始めると、第１ＭＲセンサ５１は、対向する第１スケール６１の面積の変化による磁気の変化を検出する。第１ＭＲセンサ５１と対向する第１スケール６１の面積は、ピストンロッド３０が退出するにつれて増加する。つまり、ピストンロッド３０が退出するにつれて、第１ＭＲセンサ５１と対向する部分を占める非磁性体の割合が徐々に増加する。このように、非磁性体が占める割合が増えると磁気の変化も大きくなる。この結果、第１ＭＲセンサ５１の出力は、図７Ａのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出するにつれて、出力ａから出力ｂへと変化する。
一方、第２ＭＲセンサ５２と対向する第２スケール６２の面積は、ピストンロッド３０が退出するにつれて減少する。つまり、ピストンロッド３０が退出するにつれて、第２ＭＲセンサ５２と対向する部分を占める非磁性体の割合が徐々に減少する。このように、非磁性体が占める割合が減少すると磁気の変化も小さくなる。この結果、第２ＭＲセンサ５２の出力は、図７Ｂのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０から退出するにつれて、出力ｂから出力ａへと変化する。
そして、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引いた値は、図７Ｃのグラフに実線で示されるように、ピストンロッド３０のストローク量に応じて、出力（ａ−ｂ）から出力（ｂ−ａ）へと変化する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力との差に基づいて、ピストンロッド３０の絶対的なストローク量及びストローク位置を検出することができる。
続いて、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して図６に示す矢印方向に変位Ｘだけわずかに回転した場合について説明する。
ピストンロッド３０が図６に示す矢印方向に回転すると、第１スケール６１は、第１ＭＲセンサ５１に対して周方向Ｂに離れる方向に移動する。つまり、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積は、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較して小さくなる。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力は、図７Ａのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較し、変位Ｘに応じた分（ｘ）だけわずかに低くなる。
同様に、ピストンロッド３０が図６に示す矢印方向に回転すると、第２スケール６２は、第２ＭＲセンサ５２に対して周方向Ｂに離れる方向に移動する。つまり、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積は、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較して小さくなる。このため、第２ＭＲセンサ５２の出力は、図７Ｂのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合と比較し、変位Ｘに応じた分（ｘ）だけわずかに低くなる。
ここで、第１ＭＲセンサ５１に対して第１スケール６１が周方向Ｂにずれる距離と、第２ＭＲセンサ５２に対して第２スケール６２が周方向Ｂにずれる距離と、は同じである。このため、ピストンロッド３０の変位Ｘに応じて変化した第１ＭＲセンサ５１の出力の減少分（ｘ）と第２ＭＲセンサ５２の出力の減少分（ｘ）とは同程度となる。
したがって、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引けば、第１ＭＲセンサ５１の出力の減少分（ｘ）と第２ＭＲセンサ５２の出力の減少分（ｘ）とが相殺される。この結果、図７Ｃのグラフに破線で示されるように、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合の出力と同じ出力が得られる。なお、ピストンロッド３０が図６に示す矢印方向とは反対方向にわずかに回転した場合も同様にしてピストンロッド３０が周方向Ｂに変位しない場合の出力と同じ出力が得られる。
このように第２実施形態におけるストローク検出装置１００では、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合であっても、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力との差に基づいて、ピストンロッド３０のストローク量に応じた出力が算出される。このため、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差が抑制され、絶対的なストローク量及びストローク位置を正確に検出することができる。
なお、第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積は、最進入端Ａ１において最大となり、最退出端Ａ２において最小となる一方、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積は、最進入端Ａ１において最小となり、最退出端Ａ２において最大となるように設定されてもよい。第１ＭＲセンサ５１に対向する第１スケール６１の面積が徐々に増加するピストンロッド３０の進退方向と、第２ＭＲセンサ５２に対向する第２スケール６２の面積が徐々に増加するピストンロッド３０の進退方向と、が反対の方向であれば、上述のようにピストンロッド３０のストロークを検出することができる。
また、ストローク検出装置１００では、周辺温度の影響により各ＭＲセンサ５１，５２内の抵抗値が変化し、各ＭＲセンサ５１，５２の出力がドリフトすることがある。第２実施形態では、上述のように、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引くことによって、ピストンロッド３０のストローク量及びストローク位置が検出される。このため、温度の影響によって各ＭＲセンサ５１，５２の出力がドリフトしたとしても、ドリフトに応じた各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化は相殺される。この結果、周辺温度による検出誤差を抑制し、絶対的なストローク量及びストローク位置を正確に検出することができる。
また、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の周方向Ｂに離れて配置されていればよいが、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の周方向Ｂにおいて９０°未満の範囲内、より好ましくは３０°未満の範囲内に設けられる。このように第１スケール６１と第２スケール６２とを隣接して配置させることにより、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して径方向にずれた状態、すなわち偏心した状態でストロークするような場合であっても偏心の影響を低減し、絶対的なストローク量を検出することができる。
具体的には、例えば、第１スケール６１が第１ＭＲセンサ５１に近づく方向にピストンロッド３０が偏心すると、第２スケール６２も第２ＭＲセンサ５２に近づく。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、ピストンロッド３０の偏心量に応じて同様に増減する。よって、ピストンロッド３０が周方向Ｂに変位した場合と同様に、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引くことにより、偏心量に応じた各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化は相殺される。
以上の第２実施形態によれば、以下に示すような効果を奏する。
ピストンロッド３０のストロークの検出に用いられる第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２との出力は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに直交する方向への変位に応じて、同じように共に増減する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引くことによって、変位Ｘに応じた出力の変化が相殺される。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
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１００は、シリンダチューブ２０と、シリンダチューブ２０に対して進退自在に設けられるピストンロッド３０と、ピストンロッド３０の側面３０ｃにピストンロッド３０の進退方向Ａに沿って形成されるスケール６０と、スケール６０に対向するようにシリンダチューブ２０に設けられ、対向するスケール６０の面積に応じて出力が変化する第１ＭＲセンサ５１及び第２ＭＲセンサ５２と、を備え、スケール６０は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して傾斜する第１縁部６１ａと、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して第１縁部６１ａとは異なる角度に延びる第２縁部６２ａと、を有し、第１縁部６１ａは、ピストンロッド３０の進退範囲において常に第１ＭＲセンサ５１に対向するように形成され、第２縁部６２ａは、ピストンロッド３０の進退範囲において常に第２ＭＲセンサ５２に対向するように形成されており、ピストンロッド３０のストロークは、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とに基づいて検出されることを特徴とする。
この構成では、ピストンロッド３０のストロークの検出に用いられる第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２との出力は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに直交する方向への変位に応じてそれぞれ変化する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを合成することによって、ピストンロッド３０の進退方向Ａに直交する方向への変位に応じた出力の変化が相殺される。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
また、第２縁部６２ａは、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して第１縁部６１ａと反対方向に傾斜することを特徴とする。
この構成では、第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２との出力は、ピストンロッド３０のストロークに応じて変化する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを合成することによって、ピストンロッド３０の進退方向に直交する方向への変位に応じた出力の変化が相殺されるとともに、より正確なピストンロッド３０のストロークを検出することができる。
また、第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とは、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して直交する同一面上に離間して設けられることを特徴とする。
この構成では、第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とは、ピストンロッド３０の進退方向Ａに離間することなく、ピストンロッド３０の進退方向Ａに対して直交する同一面上に配置される。このため、第１ＭＲセンサ５１と第２ＭＲセンサ５２とは、ともに同じ進退方向Ａ位置で発生したピストンロッド３０の変位の影響を受ける。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
また、第１ＭＲセンサ５１に対向するスケール６０の面積が漸増するピストンロッド３０の進退方向Ａと、第２ＭＲセンサ５２に対向するスケール６０の面積が漸増するピストンロッド３０の進退方向Ａと、は同一方向であり、ピストンロッド３０のストロークは、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力と和に基づいて検出されることを特徴とする。
この構成では、ピストンロッド３０が進退方向Ａに直交する方向への変位したとき、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、ピストンロッド３０の変位に応じて、一方が増加し他方が減少するか、あるいは、一方が減少し他方が増加する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせることによって、変位に応じた出力の変化が相殺される。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
また、ピストンロッド３０は、円柱状部材であり、スケール６０は、第１縁部６１ａを有する第１スケール６１と、第２縁部６２ａを有する第２スケール６２と、からなり、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の中心軸を挟んで対向して設けられることを特徴とする。
この構成では、第１スケール６１が第１ＭＲセンサ５１に近づく方向にピストンロッド３０が偏心すると、第２スケール６２は第２ＭＲセンサ５２から離れる。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、偏心量に応じて一方が増加し他方が減少するか、あるいは、一方が減少し他方が増加する。よって、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とを足し合わせることにより、偏心量に応じた各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化は相殺される。この結果、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して偏心した状態でストロークしたり、ストローク中に偏心したりするような場合であっても絶対的なストローク量を検出することができる。
また、第１ＭＲセンサ５１に対向するスケール６０の面積が漸増するピストンロッド３０の進退方向Ａと、第２ＭＲセンサ５２に対向するスケール６０の面積が漸増するピストンロッド３０の進退方向Ａと、は反対方向であり、ピストンロッド３０のストロークは、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力との差に基づいて検出されることを特徴とする。
この構成では、ピストンロッド３０が進退方向Ａに直交する方向への変位したとき、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、ピストンロッド３０の変位に応じて、同じように共に増減する。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引くことによって、変位に応じた出力の変化が相殺される。この結果、スケール６０が設けられるピストンロッド３０にずれが生じたとしても、ピストンロッド３０のストロークの検出誤差を抑制することができる。
また、ピストンロッド３０は、円柱状部材であり、スケール６０は、第１縁部６１ａを有する第１スケール６１と、第２縁部６２ａを有する第２スケール６２と、からなり、第１スケール６１と第２スケール６２とは、ピストンロッド３０の周方向Ｂにおいて９０°未満の範囲内に設けられることを特徴とする。
この構成では、第１スケール６１が第１ＭＲセンサ５１に近づく方向にピストンロッド３０が偏心すると、第２スケール６２も第２ＭＲセンサ５２に近づく。このため、第１ＭＲセンサ５１の出力と第２ＭＲセンサ５２の出力とは、偏心量に応じて同じように共に増減する。よって、第１ＭＲセンサ５１の出力から第２ＭＲセンサ５２の出力を差し引くことにより、偏心量に応じた各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化は相殺される。この結果、ピストンロッド３０がシリンダチューブ２０に対して偏心した状態でストロークしたり、ストローク中に偏心したりするような場合であっても絶対的なストローク量を検出することができる。
また、第１スケール６１及び第２スケール６２の形状は矩形であることを特徴とする。
この構成では、第１スケール６１及び第２スケール６２が幾何学的に単純な矩形状に形成される。このため、第１スケール６１及び第２スケール６２の加工が容易となり、ストローク検出装置１００の製造コストを低減することができる。
また、第１スケール６１及び第２スケール６２は、それぞれ複数設けられ、複数の第１スケール６１にそれぞれ対向する第１ＭＲセンサ５１が複数設けられ、複数の第２スケール６２にそれぞれ対向する第２ＭＲセンサ５２が複数設けられることを特徴とする。
この構成では、複数の第１ＭＲセンサ５１からの出力と、複数の第２ＭＲセンサ５２からの出力と、が得られる。このため、各ＭＲセンサ５１，５２の出力の平均値を算出することにより、ストロークの検出誤差をさらに抑制することができる。
また、スケール６０は、ピストンロッド３０の進退方向Ａに沿って、複数に分割されて形成されることを特徴とする。
この構成では、スケール６０をピストンロッド３０の進退方向Ａに沿って一条に形成した場合と比較し、所定のストロークに対する各ＭＲセンサ５１，５２の出力の変化を大きくすることができる。このため、ストロークが比較的長い場合であってもストロークの検出精度を向上させることができる。
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。
本実施形態では、スケールは、非磁性体または磁性体からなるスケール６０であるが、スケールは、ピストンロッド３０と誘電率が異なるものであってもよい。この場合、ストロークを検出するセンサとしては、スケールに向かい合って設けられるコイルが用いられ、励磁されたコイルのインピーダンスがピストンロッド３０の変位に応じて変化する。
１００・・・ストローク検出装置、１０・・・シリンダ、２０・・・シリンダチューブ（第１部材）、３０・・・ピストンロッド（第２部材）、５０・・・ＭＲセンサ（検出素子）、５１・・・第１ＭＲセンサ（第１検出素子）、５２・・・第２ＭＲセンサ（第２検出素子）、６０・・・スケール、６１・・・第１スケール、６１ａ・・・第１縁部、６２・・・第２スケール、６２ａ・・・第２縁部、Ａ・・・ピストンロッドの進退方向、Ｂ・・・ピストンロッドの周方向、Ａ１・・・最進入端、Ａ２・・・最退出端、ｄ１・・・第１距離、ｄ２・・・第２距離

Claims (3)

  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円柱状の第２部材と、
    前記第２部材の表面に前記第２部材の進退方向に沿って形成されるスケールと、
    前記スケールに対向するように前記第１部材に設けられ、対向する前記スケールの面積に応じて出力が変化する第１検出素子及び第２検出素子と、を備え、
    前記スケールは、前記第２部材の進退方向に対して傾斜する第１縁部と、前記第２部材の進退方向に対して前記第１縁部とは異なる角度に延びる第２縁部と、を有し、
    前記第１縁部は、前記第２部材の進退範囲において常に前記第１検出素子に対向するように形成され、前記第２縁部は、前記第２部材の進退範囲において常に前記第２検出素子に対向するように形成されており、
    前記第１検出素子に対向する前記スケールの面積が漸増する前記第２部材の進退方向と、前記第２検出素子に対向する前記スケールの面積が漸増する前記第２部材の進退方向と、は反対方向であり、
    前記スケールは、前記第１縁部を有する第１スケールと、前記第２縁部を有する第２スケールと、を有し、
    前記第１スケールと前記第２スケールとは、前記第２部材の周方向において９０°未満の範囲内に設けられ、
    前記第２部材のストロークは、前記第１検出素子の出力と前記第２検出素子の出力との差に基づいて検出されることを特徴とするストローク検出装置。
  2. 前記第１スケールにおける前記第１縁部の位置と前記第２スケールにおける前記第２縁部の位置とは、前記第１部材に対して前記第２部材が周方向に変位したときの前記第１検出素子の出力の変化方向と前記第２検出素子の出力の変化方向とが同じになるようにそれぞれ設定され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. 前記第１スケール及び前記第２スケールは、それぞれ矩形状に形成され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。
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