JP7137162B2 - 流体圧シリンダ - Google Patents

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Description

本発明は、流体圧シリンダ、特に、位置検出機構を備えた流体圧シリンダに関する。
従来から、ピストンにマグネット（永久磁石）を装着するとともに、シリンダチューブにマグネットの磁界を検出する磁気センサを設けることにより、ピストンの位置を検出する流体圧シリンダが知られている。
このような流体圧シリンダが外部磁界が存在する環境下で使用される場合、外部磁界の影響を受けて、ピストンの位置が誤検出されるおそれがある。
特許文献１には、外部磁界による誤動作の発生を抑制するようにした流体圧作動機器の位置検出装置が記載されている。この位置検出装置は、永久磁石を内蔵したピストンの変位方向に第１検出センサと第２検出センサを配設したもので、第１検出センサの出力と第２検出センサの出力を減算処理することにより外部磁界による影響が打ち消されるとしている。
実開平４－５９４０４号公報
しかしながら、特許文献１では、溶接ラインにおける外部磁界のように、第１検出センサに作用する磁界と第２検出センサに作用する磁界が同一であるような外部磁界しか考慮されていない。種々の外部磁界が作用したときにピストンの位置が誤って検出されることを簡単な磁気センサの構成等によって防止することができる流体圧シリンダが望まれている。
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、磁気抵抗効果素子を効果的に活用し、種々の外部磁界が作用しても、ピストンの位置が誤検出されることがないようにした流体圧シリンダを提供することを目的とする。
本発明に係る流体圧シリンダは、ピストンに取り付けられたマグネットの磁界をシリンダチューブに取り付けられた第１ＭＲセンサおよび第２ＭＲセンサで検出することにより、ピストンが所定位置にあることを検出するもので、第１ＭＲセンサおよび第２ＭＲセンサは、ピストンの軸方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第１磁気抵抗効果素子パターンと、ピストンの径方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第２磁気抵抗効果素子パターンとを組み合わせたものである。そして、第１ＭＲセンサがピストンの軸方向と平行な向きのマグネットの磁界成分を最も多く受けるときに、第２ＭＲセンサがピストンの径方向と平行な向きのマグネットの磁界成分を最も多く受けるように、第１ＭＲセンサと第２ＭＲセンサが所定の間隔を置いて配置される。
また、本発明に係る流体圧シリンダは、ピストンに取り付けられたマグネットの磁界をシリンダチューブに取り付けられた第１ＭＲセンサ、第２ＭＲセンサおよび第３ＭＲセンサで検出することにより、ピストンが所定位置にあることを検出するものであってもよい。第１ＭＲセンサ、第２ＭＲセンサおよび第３ＭＲセンサは、ピストンの軸方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第１磁気抵抗効果素子パターンと、ピストンの径方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第２磁気抵抗効果素子パターンとを組み合わせたものである。そして、第１ＭＲセンサがピストンの軸方向と平行な向きのマグネットの磁界成分を最も多く受けるときに、第２ＭＲセンサおよび第３ＭＲセンサがピストンの径方向と平行な向きのマグネットの磁界成分を最も多く受けるように、第１ＭＲセンサ、第２ＭＲセンサおよび第３ＭＲセンサがピストンの軸方向と平行な向きに所定の間隔で並んで配置される。
上記流体圧シリンダによれば、ＭＲセンサの機能を効果的に活用することで、ピストンの位置を精度良く検出できるとともに、種々の外部磁界が作用したときにピストンの位置が誤検出されることを防止できる。
本発明に係る流体圧シリンダは、互いに直交する２方向にそれぞれ反応する一対の磁気抵抗効果素子パターンを備えた複数のＭＲセンサを所定の間隔を置いて配置したものであり、ピストンの位置を精度良く検出できるとともに、種々の外部磁界が作用してもピストンの位置が誤検出されるおそれがない。
本発明の第１実施形態に係る流体圧シリンダが所定の動作位置にあるときの模式図である。 図１の流体圧シリンダが備えるＭＲセンサの構成を模式図で示したものである。 図１の流体圧シリンダが備えるＭＲセンサの構成を回路図で示したものである。 図１の流体圧シリンダが別の動作位置にあるときの模式図である。 図１の流体圧シリンダがさらに別の動作位置にあるときの模式図である。 図１の流体圧シリンダにおけるピストンの位置に応じたＭＲセンサの出力を示す図である。 図１の流体圧シリンダが備えるセンサモジュールの構成をブロック図で示したものである。 図１の流体圧シリンダにおけるピストンの位置に応じた比較部の出力等を示す図である。 他の流体圧シリンダの磁界が図１の流体圧シリンダに作用する様子を示した図である。 他の流体圧シリンダの磁界に基づくＭＲセンサの出力を示す図である。 Ａ方向の溶接磁界が図１の流体圧シリンダに作用する様子を示した図である。 Ａ方向の溶接磁界に基づくＭＲセンサの出力を示す図である。 Ｂ方向の溶接磁界が図１の流体圧シリンダに作用する様子を示した図である。 Ｂ方向の溶接磁界に基づくＭＲセンサの出力を示す図である。 着磁したボルトの磁界が図１の流体圧シリンダに作用する様子を示した図である。 着磁したボルトの磁界に基づくＭＲセンサの出力を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る流体圧シリンダが所定の動作位置にあるときの模式図である。 図１７の流体圧シリンダにおけるピストンの位置に応じたＭＲセンサの出力を示す図である。 図１７の流体圧シリンダが備えるセンサモジュールの構成をブロック図で示したものである。 図１７の流体圧シリンダにおけるピストンの位置に応じた比較部の出力等を示す図である。
以下、本発明に係る流体圧シリンダについて、複数の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る流体圧シリンダ１０について、図１～図１６を参照しながら説明する。図１に示されるように、流体圧シリンダ１０は、一端がロッドカバー１２で封止されるとともに他端がヘッドカバー１４で封止されるシリンダチューブ１６と、シリンダチューブ１６内に摺動自在に配設されるピストン１８と、ピストン１８に連結されるピストンロッド２０を含む。これらシリンダチューブ１６、ロッドカバー１２、ヘッドカバー１４、ピストン１８およびピストンロッド２０は、いずれも、アルミニウム合金等の非磁性体材料から構成される。
以下の説明において、上下左右の方向に関する言葉を用いたときは、便宜上、図面における方向をいうものであり、部材等の実際の配置を限定するものではない。また、ピストン１８の摺動方向であるピストン１８の軸方向と平行な向き、すなわち、図面における左右方向をＡ方向といい、ピストン１８の径方向と平行な向き、すなわち、図面上における上下方向をＢ方向ということがある。
シリンダチューブ１６の内部空間は、ピストン１８によってロッドカバー１２側の第１圧力室２２とヘッドカバー１４側の第２圧力室２４とに区画される。第１圧力室２２と第２圧力室２４には、それぞれ図示しないポートを介して圧力流体が給排される。ピストンロッド２０の一端はピストン１８に連結され、ピストンロッド２０の他端はロッドカバー１２を通って外部に延びている。
第１圧力室２２に圧力流体が供給されるとともに第２圧力室２４の圧力流体が排出されると、ピストン１８が右方に移動し、ピストンロッド２０が引き込まれる。第２圧力室２４に圧力流体が供給されるとともに第１圧力室２２の圧力流体が排出されると、ピストン１８が左方に移動し、ピストンロッド２０が押し出される。
本実施形態では、ピストンロッド２０の押し出し工程において、所要の仕事が行われる。例えば、溶接ラインにおいて、溶接対象の板材であるワークがピストンロッド２０の他端によって位置決め保持される。なお、ピストンロッド２０を押し出す向きにピストン１８が移動する工程を「駆動工程」といい、ピストンロッド２０を引き込む向きにピストン１８が移動する工程を「復帰工程」という。
ピストン１８の外周部には、環状のマグネット（永久磁石）２６が取り付けられている。マグネット２６はＡ方向に着磁されており、マグネット２６の左側端面がＮ極、右側端面がＳ極となっている。マグネット２６の周囲には、マグネット２６の左側端面から出て、マグネット２６の径方向外側を通り、マグネット２６の右側端面に戻る磁界（磁束）４６が形成されている。この磁界４６は、シリンダチューブ１６を超えて所定の領域まで及ぶ。本実施形態では、マグネット２６の形状は、ピストン１８の周囲を３６０度周回する環状であるが、ピストン１８の回転を規制する構造を備えている場合は、マグネット２６の形状は環状でなくてもよい。
ロッドカバー１２に近接するシリンダチューブ１６の外側には、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサとしての第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０がＡ方向に所定距離Ｌを隔てて取り付けられている。また、第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に接続され、これらのセンサの出力を処理するセンサモジュール３２がシリンダチューブ１６の外側に設けられている。本実施形態では、第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０は、センサモジュール３２とは別体として設けられているが、これらのセンサは、センサモジュール３２の中に組み込まれてもよい。
第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０は同一の構成であるので、代表して、第１ＭＲセンサ２８の構成について、図２および図３を参照しながら説明する。図２に示されるように、第１ＭＲセンサ２８は、Ｃ方向の磁界に反応し、その強さに応じて抵抗値が減少する第１磁気抵抗効果素子パターン２８ａと、Ｃ方向と垂直なＤ方向の磁界に反応し、その強さに応じて抵抗値が減少する第２磁気抵抗効果素子パターン２８ｂとを組み合わせたものである。
図３に示されるように、第１磁気抵抗効果素子パターン２８ａの一端は、正電源電圧（Ｖｃｃ）に接続され、第２磁気抵抗効果素子パターン２８ｂの一端は、基準電圧（Ｇｎｄ）に接続される。第１磁気抵抗効果素子パターン２８ａと第２磁気抵抗効果素子パターン２８ｂとの連結点の電位が第１ＭＲセンサ２８の出力（Ｖ１）となる。第１磁気抵抗効果素子パターン２８ａの抵抗値が減少すると、連結点の電位が高くなり、第２磁気抵抗効果素子パターン２８ｂの抵抗値が減少すると、連結点の電位が低くなる。
次に、シリンダチューブ１６に対する第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０の取付姿勢および取付位置について説明する。
［センサの取付姿勢］
第１ＭＲセンサ２８は、第１磁気抵抗効果素子パターン２８ａが反応するＣ方向がＡ方向、第２磁気抵抗効果素子パターン２８ｂが反応するＤ方向がＢ方向となるような姿勢で、シリンダチューブ１６の外側に取り付けられる。同様に、第２ＭＲセンサ３０も、第１磁気抵抗効果素子パターンが反応する方向がＡ方向、第２磁気抵抗効果素子パターンが反応する方向がＢ方向となるような姿勢で、シリンダチューブ１６の外側に取り付けられる。
［センサの取付位置］
第１ＭＲセンサ２８は、ピストン１８が図１に示される基準位置にあるとき、ピストン１８に取り付けられたマグネット２６の磁界４６のＡ方向成分を最も多く受ける位置に取り付けられる。一方、第２ＭＲセンサ３０は、第１ＭＲセンサ２８よりも右側であって、ピストン１８が上記基準位置にあるとき、マグネット２６の磁界４６のＢ方向成分を最も多く受ける位置に取り付けられる。換言すれば、第１ＭＲセンサ２８がマグネット２６の磁界４６のＡ方向成分を最も多く受けるときに第２ＭＲセンサ３０がマグネット２６の磁界４６のＢ方向成分を最も多く受けるように、第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０がＡ方向に所定距離Ｌを隔てて配置される。
本実施形態では、ピストン１８の駆動工程においてストロークエンドに到達する少し手前で図示しないワークを位置決め保持しているときをピストン１８の基準位置としている。
図４に示されるように、ピストン１８が基準位置から右方に距離Ｌだけ離れた位置にあるとき、第１ＭＲセンサ２８は、マグネット２６の磁界４６のＢ方向成分を多く受け、第２ＭＲセンサ３０は、マグネット２６の磁界４６のＡ方向成分を多く受ける。また、図５に示されるように、ピストン１８が基準位置から右方に距離２Ｌだけ離れた位置にあるとき、第１ＭＲセンサ２８は、マグネット２６の磁界４６の影響をほとんど受けず、第２ＭＲセンサ３０は、マグネット２６の磁界４６のＢ方向成分を多く受ける。
図６は、ピストン１８の位置Ｘに応じた第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２を示す図である。横軸はピストン１８の位置Ｘを表し、縦軸はセンサの出力を表している。第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は実線で示され、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は点線で示されている。ピストン１８の位置Ｘは、ピストン１８が基準位置にあるときを原点にとり、ピストン１８がそれよりも右方にあるときを正の値としている。なお、便宜上、ピストン１８がストロークエンドを超えて左方に位置する場合も含めて、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２を示している。
第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は、ピストン１８が原点にあるとき（Ｘ＝０のとき）、最大値ＶMAXとなり、Ｘ＝Ｌのとき最小値ＶMINとなる。第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、Ｘ＝Ｌのとき最大値ＶMAXとなり、Ｘ＝０およびＸ＝２Ｌのとき最小値ＶMINとなる。第２ＭＲセンサ３０は、第１ＭＲセンサ２８から所定距離Ｌだけ右方に配置されているので、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の波形は、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１の波形を横軸正方向に距離Ｌに相当する分だけシフトしたものとなる。
第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０がマグネット２６から十分離れた遠方にあってマグネット２６の磁界４６を全く受けないとしたときの出力が基準出力Ｖｓとして示されている。基準出力Ｖｓと上記最大値ＶMAXとの間の所定値がオン閾値ＶONとして設定され、基準出力Ｖｓと上記最小値ＶMINとの間の所定値がオフ閾値ＶOFFとして設定される。
図７に示されるように、第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に接続されるセンサモジュール３２は、制御部３４、第１比較部３６ａないし第４比較部３６ｄ、位置判定部３８、第１診断部４０、第２診断部４２および通信部４４を備えている。前述したオン閾値ＶONおよびオフ閾値ＶOFFは、制御部３４に保持されている。
第１比較部３６ａには、第１ＭＲセンサ２８から出力Ｖ１が入力されるとともに、制御部３４からオン閾値ＶONが入力される。第１比較部３６ａにおいて、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオン閾値ＶONと比較される。第１比較部３６ａは、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオン閾値ＶON以上であるとき、比較信号Ｃ１を立ち上げ、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオン閾値ＶON未満であるとき、比較信号Ｃ１を立ち下げる。
第２比較部３６ｂには、第１ＭＲセンサ２８から出力Ｖ１が入力されるとともに、制御部３４からオフ閾値ＶOFFが入力される。第２比較部３６ｂにおいて、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオフ閾値ＶOFFと比較される。第２比較部３６ｂは、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオフ閾値ＶOFF以下であるとき、比較信号Ｃ２を立ち上げ、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１がオフ閾値ＶOFFを上回るとき、比較信号Ｃ２を立ち下げる。
第３比較部３６ｃには、第２ＭＲセンサ３０から出力Ｖ２が入力されるとともに、制御部３４からオン閾値ＶONが入力される。第３比較部３６ｃにおいて、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオン閾値ＶONと比較される。第３比較部３６ｃは、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオン閾値ＶON以上であるとき、比較信号Ｃ３を立ち上げ、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオン閾値ＶON未満であるとき、比較信号Ｃ３を立ち下げる。
第４比較部３６ｄには、第２ＭＲセンサ３０から出力Ｖ２が入力されるとともに、制御部３４からオフ閾値ＶOFFが入力される。第４比較部３６ｄにおいて、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオフ閾値ＶOFFと比較される。第４比較部３６ｄは、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオフ閾値ＶOFF以下であるとき、比較信号Ｃ４を立ち上げ、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオフ閾値ＶOFFを上回るとき、比較信号Ｃ４を立ち下げる。
ピストン１８の位置Ｘに応じた比較信号Ｃ１～Ｃ４の状態が図８に示されている。比較信号Ｃ１は、ピストン１８がＸ１よりも若干大きいＸ３の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ２は、ピストン１８がＸ２の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ３は、ピストン１８がＸ２よりも若干小さいＸ４の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ４は、ピストン１８がＸ１の位置に到達したときに切り換わる。
比較信号Ｃ１～Ｃ４は位置判定部３８に入力され、位置判定部３８において、ピストン１８が所定位置に到達したか否かが判定される。位置判定部３８は、判定した結果をスイッチ信号ＳＷとして制御部３４に出力する。スイッチ信号ＳＷは、初期値がオフに設定されている。図８に示されるように、位置判定部３８は、比較信号Ｃ１および比較信号Ｃ４がともに立ち上がった状態となったとき、すなわち、ピストン１８が原点に近づく方向に移動してＸ１の位置に到達したとき、スイッチ信号ＳＷをオフからオンに切り換える。
また、位置判定部３８は、比較信号Ｃ２および比較信号Ｃ３がともに立ち上がった状態となったとき、すなわち、ピストン１８が原点から離れる方向に移動してＸ２の位置に到達したとき、スイッチ信号ＳＷをオンからオフに切り換える。スイッチ信号ＳＷのオフからオンへの切換およびオンからオフへの切換が図８に示されている。
制御部３４は、通信部４４を介して外部と双方向に通信可能となっている。制御部３４は、位置判定部３８から受け取ったスイッチ信号ＳＷに応じて、例えば、図示しないランプの点灯と消灯を指示する信号ＳＷ´を通信部４４を介して外部に出力する。この場合、ピストン１８の駆動工程においてピストン１８がＸ１の位置に到達してから、復帰工程に切り換わってピストン１８がＸ２の位置に到達するまでの間、ランプが点灯した状態となる。
ランプが点灯することにより、ピストン１８が駆動工程のストロークエンド近傍に到達したことが分かり、ランプが消灯することにより、ピストン１８の復帰工程が開始された直後であることが分かる。また、ランプが点灯した状態にあるとき、ピストン１８がロッドカバー１２に接近した所定の領域に存在することが分かる。スイッチ信号ＳＷは、流体圧シリンダ１０と関連して動作する図示しない外部機器の制御に用いられてもよい。
外部からセンサモジュール３２に対してオン閾値ＶONおよびオフ閾値ＶOFFの設定変更を行うことができる。制御部３４は、通信部４４を介して外部からオン閾値ＶONおよびオフ閾値ＶOFFの設定変更に関するデータを受け取ると、新たなオン閾値ＶONを第１比較部３６ａおよび第３比較部３６ｃに出力し、新たなオフ閾値ＶOFFを第２比較部３６ｂおよび第４比較部３６ｄに出力する。
マグネット２６は、経年変化に伴って磁力が低下し（減磁し）、また、第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０は、高温環境下に長期間置かれると感度が低下する。このような事象が生じると、オン閾値ＶONの設定にもよるが、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１の最大値ＶMAXまたは第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の最大値ＶMAXがオン閾値ＶONを超えない程度まで減少する可能性がある。
そこで、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１の最大値ＶMAXおよび第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の最大値ＶMAXが経年変化等により所定以上減少していないか監視することを目的として、第１診断部４０および第２診断部４２が設けられている。第１診断部４０には第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１が入力され、第２診断部４２には第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２が入力される。以下、第１診断部４０における処理内容を説明するが、第２診断部４２における処理内容もこれと同様である。
第１診断部４０は、最大値判定部４０ａと、最大値記憶部４０ｂと、監視部４０ｃとを有する。最大値判定部４０ａは、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１が増加から減少に転じる毎に、そのときの出力（例えば減少に転じる直前の出力Ｖ１）を最大値ＶMAXとして最大値記憶部４０ｂに送る。最大値記憶部４０ｂは、最大値判定部４０ａから受け取った最大値ＶMAXデータを時系列で記憶する。
監視部４０ｃは、定期的に、最大値記憶部４０ｂに記憶された多数の最大値ＶMAXデータのうち、直近の所定数のデータについて平均値を算出し、これを当初の所定数のデータの平均値と比較する。そして、直近の所定数のデータの平均値が当初の所定数のデータの平均値よりも所定値以上小さいと判定した場合、制御部３４に対して注意信号Ｅ１を出力する。
制御部３４は、第１診断部４０の監視部４０ｃから注意信号Ｅ１を受け取ると、マグネット２６の減磁や第１ＭＲセンサ２８の感度の低下等の事象が発生した蓋然性が高いことを報知するため、通信部４４を介して注意信号Ｅ１´を外部に出力する。これにより、作業者に対して、部品交換等のメンテナンスを促したり、オン閾値ＶONの調整を促したりすることができる。
本実施形態では、第１診断部４０で第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１の最大値ＶMAXを監視し、第２診断部４２で第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の最大値ＶMAXを監視しているが、共通の診断部によって出力Ｖ１の最大値ＶMAXと出力Ｖ２の最大値ＶMAXを総合的に監視してもよい。出力Ｖ１の最大値ＶMAXと出力Ｖ２の最大値ＶMAXの両方が所定以上減少している場合は、マグネット２６の減磁が原因となっている蓋然性が高く、それらの一方のみが所定以上減少している場合は、当該ＭＲセンサの感度低下が原因となっている蓋然性が高い。共通の診断部がこれらの事象を区別して注意信号を出力すれば効率的である。
次に、流体圧シリンダ１０が種々の外部磁界が作用する環境下に置かれた場合について、図９～図１６を参照しながら説明する。なお、図９等において、流体圧シリンダ１０は簡略化して示している。
（他のシリンダ磁界が作用する場合）
図９に示されるように、他の流体圧シリンダ５０が流体圧シリンダ１０とＢ方向に並んで配置され、他の流体圧シリンダ５０のピストン５２に装着されたマグネット５４の磁界５６が流体圧シリンダ１０の第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する場合を想定する。第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する磁界５６は、他の流体圧シリンダ５０の動作位置に応じて変動する。
他の流体圧シリンダ５０の磁界５６に基づく第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の例が図１０に示されている。横軸は、Ａ方向に沿った他の流体圧シリンダ５０のピストン５２の位置を表し、縦軸はセンサの出力を表している。第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は実線で示され、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は点線で示されている。ピストン５２の位置は、Ａ方向において前述した流体圧シリンダ１０のピストン１８の基準位置と対応する位置を原点にとっている。
第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０から他の流体圧シリンダ５０のマグネット５４までのＢ方向の距離は、第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０から流体圧シリンダ１０のマグネット２６までのＢ方向の距離よりも大きい。このため、図１０に示されるように、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオフ閾値ＶOFF以下となる蓋然性は低い。したがって、スイッチ信号ＳＷがオンオフする蓋然性は低く、他の流体圧シリンダ５０の磁界５６が作用したとき、流体圧シリンダ１０のピストン１８が所定位置にあることを誤って検出するのを防止できる。オフ閾値ＶOFFを基準出力Ｖｓから離れるように設定変更すれば、誤検出をさらに確実に防止できる。
（溶接磁界が作用する場合）
流体圧シリンダ１０が溶接ラインに設置され、溶接電流によって生じる磁界（溶接磁界）が流体圧シリンダ１０の第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する場合を想定する。溶接磁界は、マグネットの磁界とは異なり、一方向の成分のみからなる磁界である。以下、溶接磁界の向きがＡ方向である場合とＢ方向である場合に分けて説明する。
図１１に示されるように、Ａ方向の溶接磁界５８が第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する場合を想定する。この溶接磁界５８に基づく第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の例が図１２に示されている。横軸は時間を表し、縦軸はセンサの出力を表している。溶接電流は一定であるため、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、溶接が開始されると、基準出力Ｖｓから立ち上がった後、一定値Ｖａを保つ。なお、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１と一致している。
図１２に示されるように、上記一定値Ｖａはオン閾値ＶON以上であるが、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２が基準出力Ｖｓより小さくなることはなく、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオフ閾値ＶOFF以下となることはない。したがって、スイッチ信号ＳＷはオンオフしないので、Ａ方向の溶接磁界５８が作用したとき、ピストン１８が所定位置にあることを誤って検出するのを防止できる。
図１３に示されるように、Ｂ方向の溶接磁界６０が第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する場合を想定する。この溶接磁界６０に基づく第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の例が図１４に示されている。横軸は時間を表し、縦軸はセンサの出力を表している。溶接電流は一定であるため、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、溶接が開始されると、基準出力Ｖｓから立ち下がった後、一定値Ｖｂを保つ。なお、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１と一致している。
図１４に示されるように、上記一定値Ｖｂはオフ閾値ＶOFF以下であるが、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２が基準出力Ｖｓより大きくなることはなく、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２がオン閾値ＶON以上となることはない。したがって、スイッチ信号ＳＷはオンオフせず、Ｂ方向の溶接磁界６０が作用したとき、ピストン１８が所定位置にあることを誤って検出するのを防止できる。
（着磁したボルト等の磁界が作用する場合）
図１５に示されるように、流体圧シリンダ１０の組立てや取付けに用いられるボルト等の取付部材６２が溶接磁界により磁化され、取付部材６２の磁界６４が流体圧シリンダ１０の第１ＭＲセンサ２８および第２ＭＲセンサ３０に作用する場合を想定する。着磁した取付部材６２の磁界６４に基づく第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の例が図１６に示されている。横軸は時間を表し、縦軸はセンサの出力を表している。第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は実線で示され、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は点線で示されている。
着磁した取付部材６２の周囲には、取付部材６２の一端側から出て取付部材６２の他端側に戻る磁界（磁束）６４が形成されているが、この磁界６４は全く変動しない。したがって、少なくともスイッチ信号ＳＷがオンオフすることはなく、着磁したボルト等の取付部材６２の磁界６４が作用したとき、ピストン１８が所定位置にあることを誤って検出するのを防止できる。
本実施形態の流体圧シリンダ１０によれば、互いに直交する２方向にそれぞれ反応する一対の磁気抵抗効果素子パターンを備えた２つのＭＲセンサ２８、３０を所定の間隔Ｌを置いて配置することにより、ピストン１８の位置を精度良く検出することができるとともに、種々の外部磁界が作用しても、ピストン１８の位置が誤検出されることがない。
また、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１および第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２の最大値ＶMAXが所定以上減少していないか監視する第１診断部４０および第２診断部４２を設けたので、マグネット２６の減磁や第１ＭＲセンサ２８または第２ＭＲセンサ３０の感度低下等を容易に知ることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る流体圧シリンダ７０について、図１７～図２０を参照しながら説明する。なお、第２実施形態に係る流体圧シリンダ７０において、上述した流体圧シリンダ１０と同一または同等の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
第１実施形態は、検出しようとするピストン１８の位置をロッドカバー１２の近傍とする場合に好適なものであるのに対して、第２実施形態は、検出しようとするピストン１８の位置がロッドカバー１２の近傍でない場合でも好適なものである。すなわち、第２実施形態では、ピストン１８の基準位置を任意の位置に設定することができる。
図１７に示されるように、シリンダチューブ１６の外側には、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサとしての第３ＭＲセンサ７２と第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０がこの順にＡ方向に並んで取り付けられている。第３ＭＲセンサ７２と第１ＭＲセンサ２８との間隔は、第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０との間隔Ｌと同じである。
第３ＭＲセンサ７２は、第１ＭＲセンサ２８と同一の構成であり、第１ＭＲセンサ２８と同様に、第１磁気抵抗効果素子パターンが反応する方向がＡ方向、第２磁気抵抗効果素子パターンが反応する方向がＢ方向となるような姿勢で、シリンダチューブ１６の外側に取り付けられる。ピストン１８が図１７に示される基準位置にあるとき、第３ＭＲセンサ７２は、第２ＭＲセンサ３０と同じく、マグネット２６の磁界４６のＢ方向成分を最も多く受ける。
図１８は、ピストン１８の位置Ｘに応じた第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１と、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２と、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３とを示す図である。横軸はピストン１８の位置Ｘを表し、縦軸はセンサの出力を表している。第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は実線で示され、第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は点線で示され、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３は二点鎖線で示されている。ピストン１８の位置Ｘは、ピストン１８が基準位置にあるときを原点にとり、ピストン１８が基準位置よりも右方にあるときを正の値、ピストン１８が基準位置よりも左方にあるときを負の値としている。
第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１は、Ｘ＝０のとき最大値ＶMAXとなり、Ｘ＝ＬおよびＸ＝－Ｌのとき最小値ＶMINとなる。第２ＭＲセンサ３０の出力Ｖ２は、Ｘ＝Ｌのとき最大値ＶMAXとなり、Ｘ＝０のとき最小値ＶMINとなる。第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３は、Ｘ＝－Ｌのとき最大値ＶMAXとなり、Ｘ＝０のとき最小値ＶMINとなる。第３ＭＲセンサ７２は、第１ＭＲセンサ２８から所定距離Ｌだけ左方に配置されているので、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３の波形は、第１ＭＲセンサ２８の出力Ｖ１の波形を横軸負方向に距離Ｌに相当する分だけシフトしたものとなる。
図１９に示されるように、第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０と第３ＭＲセンサ７２とに接続されるセンサモジュール３２は、制御部３４、第１比較部３６ａないし第５比較部３６ｅ、位置判定部３８、第１診断部４０、第２診断部４２、第３診断部４３および通信部４４を備えている。
第５比較部３６ｅには、第３ＭＲセンサ７２から出力Ｖ３が入力されるとともに、制御部３４からオン閾値ＶONが入力される。第５比較部３６ｅにおいて、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３がオン閾値ＶONと比較される。第５比較部３６ｅは、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３がオン閾値ＶON以上であるとき、比較信号Ｃ５を立ち上げ、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３がオン閾値ＶON未満であるとき、比較信号Ｃ５を立ち下げる。
ピストン１８の位置Ｘに応じた比較信号Ｃ１～Ｃ５の状態が図２０に示されている。比較信号Ｃ１は、ピストン１８がＸ１よりも若干大きいＸ３の位置に到達したとき、および、ピストン１８が－Ｘ１よりも若干小さい－Ｘ３の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ２は、ピストン１８がＸ２の位置に到達したとき、および、ピストン１８が－Ｘ２の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ３は、ピストン１８がＸ２よりも若干小さいＸ４の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ４は、ピストン１８がＸ１の位置に到達したとき、および、ピストン１８が－Ｘ１の位置に到達したときに切り換わる。比較信号Ｃ５は、ピストン１８が－Ｘ２よりも若干大きい－Ｘ４の位置に到達したときに切り換わる。
比較信号Ｃ１～Ｃ５は位置判定部３８に入力され、位置判定部３８において、ピストン１８が所定位置に到達したか否かが判定される。位置判定部３８は、判定した結果をスイッチ信号ＳＷとして制御部３４に出力する。スイッチ信号ＳＷは、初期値がオフに設定されている。図２０に示されるように、位置判定部３８は、比較信号Ｃ１および比較信号Ｃ４がともに立ち上がった状態となったとき、スイッチ信号ＳＷをオフからオンに切り換える。すなわち、ピストン１８が右方から原点に近づく方向に移動してＸ１の位置に到達したとき、および、ピストン１８が左方から原点に近づく方向に移動して－Ｘ１の位置に到達したとき、スイッチ信号ＳＷをオフからオンに切り換える。
また、位置判定部３８は、比較信号Ｃ２および比較信号Ｃ３がともに立ち上がった状態となったとき、すなわち、ピストン１８が原点から右方に離れる方向に移動してＸ２の位置に到達したとき、スイッチ信号ＳＷをオンからオフに切り換える。さらに、位置判定部３８は、比較信号Ｃ２および比較信号Ｃ５がともに立ち上がった状態となったとき、すなわち、ピストン１８が原点から左方に離れる方向に移動して－Ｘ２の位置に到達したとき、スイッチ信号ＳＷをオンからオフに切り換える。
スイッチ信号ＳＷのオフからオンへの切換およびオンからオフへの切換が図２０に示されている。同図から理解されるように、スイッチ信号ＳＷは、ピストン１８が原点を中心とする限定された領域に存在するときにオンするので、ピストン１８が基準位置（原点）の近傍にあることを容易に検出できる。
第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３の最大値ＶMAXが経年変化等により所定以上減少していないか監視することを目的として、第３診断部４３が設けられている。第３診断部４３には、第３ＭＲセンサ７２の出力Ｖ３が入力される。第３診断部４３における処理内容は、前述した第１診断部４０における処理内容と同様である。
本実施形態の流体圧シリンダ７０によれば、第１ＭＲセンサ２８と第２ＭＲセンサ３０に加えて第３ＭＲセンサ７２を設けたので、検出しようとするピストン１８の位置を、ロッドカバー１２の近傍に限らず、任意の位置に設定することができる。
本発明に係る流体圧シリンダは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０、７０…流体圧シリンダ １６…シリンダチューブ
１８…ピストン ２６…マグネット
２８…第１ＭＲセンサ
２８ａ…第１磁気抵抗効果素子パターン
２８ｂ…第２磁気抵抗効果素子パターン
３０…第２ＭＲセンサ ３２…センサモジュール
３６ａ…第１比較部 ３６ｂ…第２比較部
３６ｃ…第３比較部 ３６ｄ…第４比較部
３６ｅ…第５比較部 ３８…位置判定部
４０…第１診断部（診断部） ７２…第３ＭＲセンサ

Claims (10)

  1. ピストンに取り付けられたマグネットの磁界をシリンダチューブに取り付けられた第１ＭＲセンサおよび第２ＭＲセンサで検出することにより、前記ピストンが所定位置にあることを検出する流体圧シリンダであって、
    前記第１ＭＲセンサおよび前記第２ＭＲセンサは、前記ピストンの軸方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第１磁気抵抗効果素子パターンと、前記ピストンの径方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第２磁気抵抗効果素子パターンとを組み合わせたものであり、前記第１ＭＲセンサが前記ピストンの軸方向と平行な向きの前記マグネットの磁界成分を最も多く受けるときに、前記第２ＭＲセンサが前記ピストンの径方向と平行な向きの前記マグネットの磁界成分を最も多く受けるように、前記第１ＭＲセンサと前記第２ＭＲセンサが所定の間隔を置いて配置される流体圧シリンダ。
  2. 請求項１記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記第１ＭＲセンサおよび前記第２ＭＲセンサに接続されるセンサモジュールを備え、前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力を基準出力よりも大きいオン閾値と比較する第１比較部と、前記第２ＭＲセンサの出力を前記オン閾値と比較する第３比較部と、前記第１ＭＲセンサの出力を前記基準出力よりも小さいオフ閾値と比較する第２比較部と、前記第２ＭＲセンサの出力を前記オフ閾値と比較する第４比較部とを備え、前記第１ＭＲセンサおよび前記第２ＭＲセンサの出力は、前記第１磁気抵抗効果素子パターンと前記第２磁気抵抗効果素子パターンとの連結点の電位である流体圧シリンダ。
  3. 請求項２記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力が前記オン閾値以上であり、かつ、前記第２ＭＲセンサの出力が前記オフ閾値以下であるとき、スイッチ信号をオフからオンに切り換え、前記第１ＭＲセンサの出力が前記オフ閾値以下であり、かつ、前記第２ＭＲセンサの出力が前記オン閾値以上であるとき、前記スイッチ信号をオンからオフに切り換える位置判定部を備える流体圧シリンダ。
  4. 請求項２記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記オン閾値および前記オフ閾値の設定変更が可能である流体圧シリンダ。
  5. 請求項１記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記第１ＭＲセンサおよび前記第２ＭＲセンサに接続されるセンサモジュールを備え、前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力の最大値および前記第２ＭＲセンサの出力の最大値が所定以上減少していないか監視する診断部を備え、前記第１ＭＲセンサおよび前記第２ＭＲセンサの出力は、前記第１磁気抵抗効果素子パターンと前記第２磁気抵抗効果素子パターンとの連結点の電位である流体圧シリンダ。
  6. ピストンに取り付けられたマグネットの磁界をシリンダチューブに取り付けられた第１ＭＲセンサ、第２ＭＲセンサおよび第３ＭＲセンサで検出することにより、前記ピストンが所定位置にあることを検出する流体圧シリンダであって、
    前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサは、前記ピストンの軸方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第１磁気抵抗効果素子パターンと、前記ピストンの径方向と平行な向きの磁界の強さに応じて抵抗値が減少する第２磁気抵抗効果素子パターンとを組み合わせたものであり、前記第１ＭＲセンサが前記ピストンの軸方向と平行な向きの前記マグネットの磁界成分を最も多く受けるときに、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサが前記ピストンの径方向と平行な向きの前記マグネットの磁界成分を最も多く受けるように、前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサが前記ピストンの軸方向と平行な向きに所定の間隔で並んで配置される流体圧シリンダ。
  7. 請求項６記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサに接続されるセンサモジュールを備え、前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力を基準出力よりも大きいオン閾値と比較する第１比較部と、前記第２ＭＲセンサの出力を前記オン閾値と比較する第３比較部と、前記第１ＭＲセンサの出力を前記基準出力よりも小さいオフ閾値と比較する第２比較部と、前記第２ＭＲセンサの出力を前記オフ閾値と比較する第４比較部と、前記第３ＭＲセンサの出力を前記オン閾値と比較する第５比較部とを備え、前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサの出力は、前記第１磁気抵抗効果素子パターンと前記第２磁気抵抗効果素子パターンとの連結点の電位である流体圧シリンダ。
  8. 請求項７記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力が前記オン閾値以上であり、かつ、前記第２ＭＲセンサの出力が前記オフ閾値以下であるとき、スイッチ信号をオフからオンに切り換え、前記第１ＭＲセンサの出力が前記オフ閾値以下であり、かつ、前記第２ＭＲセンサの出力が前記オン閾値以上であるとき、および、前記第１ＭＲセンサの出力が前記オフ閾値以下であり、かつ、前記第３ＭＲセンサの出力が前記オン閾値以上であるとき、前記スイッチ信号をオンからオフに切り換える位置判定部を備える流体圧シリンダ。
  9. 請求項７記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記オン閾値および前記オフ閾値の設定変更が可能である流体圧シリンダ。
  10. 請求項６記載の流体圧シリンダにおいて、
    前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサに接続されるセンサモジュールを備え、前記センサモジュールは、前記第１ＭＲセンサの出力の最大値、前記第２ＭＲセンサの出力の最大値および前記第３ＭＲセンサの出力の最大値が所定以上減少していないか監視する診断部を備え、前記第１ＭＲセンサ、前記第２ＭＲセンサおよび前記第３ＭＲセンサの出力は、前記第１磁気抵抗効果素子パターンと前記第２磁気抵抗効果素子パターンとの連結点の電位である流体圧シリンダ。
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