JP7445981B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、位置検出装置に係り、特に可動体の位置を検出する位置検出装置に関するものである。
例えば、マシニングセンタのような工作機械においては、正確な加工を実現するために工具の初期位置を検出する必要がある。このような工具などの検出対象により移動させられる可動体の位置を検出する位置検出装置として、可動体の移動に応じて電気的接点を機械的にオン／オフするようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、このような従来の位置検出装置では、機械的にオン／オフすることを繰り返すことにより接点が劣化するため、寿命が短いという問題がある。また、異物の混入や酸化皮膜の形成により接点間の導通不良が生じたり、繰り返し接触することによる接点の摩耗や凹みなどにより検出精度が低下したりする問題もある。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される磁石を備える。この磁石は、上記第１の方向に垂直な第２の方向において異なる磁極を有する。また、上記位置検出装置は、上記移動経路から上記第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、上記第２の方向に延びる基準線から等しい距離に配置された１対の磁気センサを備える。上記１対の磁気センサは、同一のセンサ特性を有する。上記位置検出装置は、上記１対の磁気センサの出力が一致したときに上記磁石が上記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部を備える。
本発明の他の態様によれば、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される光源を備える。また、上記位置検出装置は、上記移動経路から上記第１の方向に垂直な第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、上記第２の方向に延びる基準線から等しい距離に配置された１対の光センサを備える。上記１対の光センサは、同一のセンサ特性を有する、上記位置検出装置は、上記１対の光センサの出力が一致したときに上記光源が上記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部と備える。
以下、本発明に係る位置検出装置の実施形態について図１から図４を参照して詳細に説明する。なお、図１から図４において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図４においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
図１は、本発明の第１の実施形態における位置検出装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態における位置検出装置１は、固定部１０と、固定部１０上に固定された１対の磁気センサ２１，２２と、信号線１２を介して磁気センサ２１，２２に接続された検出部３０と、例えばマシニングセンタの工具などの検出対象により移動させられる可動体２に取り付けられた磁石４０とを含んでいる。可動体２は、矢印で示すようにＸ方向（第１の方向）に沿って移動可能となっており、この可動体２に取り付けられた磁石４０は、Ｘ方向に沿って延びる移動経路Ｍ上を移動するように構成されている。位置検出装置１は、このようにＸ方向に移動可能な可動体２（ひいてはマシニングセンタの工具などの検出対象）が所定の位置にあるか否かを検出するものである。
磁石４０は、Ｚ方向（第２の方向）において異なる磁極を有している。例えば、図１に示すように磁石４０の＋Ｚ方向側の磁極４１がＮ極、－Ｚ方向側の磁極４２がＳ極であってもよいし、あるいはこの逆であってもよい。磁石４０の形状としては、直方体状、立方体状、円筒状のものなどが考えられる。
磁気センサ２１，２２は、周囲の磁場を検出するものであり、同一のセンサ特性（電気特性・磁気特性・温度特性）を有している。これらの磁気センサ２１，２２は、Ｘ方向に延びる固定部１０上に並べられており、磁石４０が移動する移動経路ＭからＺ方向に等しい距離だけ離間した位置に配置されている。磁気センサ２１，２２は、それぞれＺ方向に垂直なセンサ感知面２１Ａ，２２Ａを有している。また、磁気センサ２１，２２は、Ｚ方向に延びる基準線Ｓから等しい距離に配置されている。換言すれば、２つの磁気センサ２１，２２を結ぶ線分の中点上に基準線Ｓが位置している。このような磁気センサ２１，２２としては、ホール素子、磁気変調型センサ、磁気抵抗素子、SQUID磁気センサなどを用いることができる。
検出部３０には、磁気センサ２１，２２からの出力が入力されており、検出部３０は、これらの磁気センサ２１，２２からの出力を比較する比較回路を含んでいる。図２は、磁石４０の位置と磁気センサ２１，２２の出力との関係を示すグラフである。図２において、磁気センサ２１の出力は実線で、磁気センサ２２の出力は点線で示されている。図２の横軸は基準線Ｓから磁石４０の中心までの距離を表しており、縦軸は磁気センサ２１，２２の出力を表している。なお、この例では、磁気センサ２１のＸ方向の中心と磁気センサ２２のＸ方向の中心との間の距離を約３ｍｍとし、磁石４０のＸ方向の幅を約４ｍｍとしている。
図２に示すように、磁石４０のＸ方向の位置に応じて磁気センサ２１，２２のセンサ出力は凸状となる。ここで、磁気センサ２１と磁気センサ２２とは同一のセンサ特性を有しているため、磁石４０が磁気センサ２１と磁気センサ２２とを結ぶ線分の中点に位置しているとき、すなわち移動距離＝０ｍｍのとき（磁石４０が基準線Ｓ上に位置しているとき）、両者のセンサ出力が一致する。換言すれば、図２に示すように、磁気センサ２１の出力特性と磁気センサ２２の出力特性とが交差する点Ｐは基準線Ｓ上に位置することとなる。したがって、磁気センサ２１の出力と磁気センサ２２の出力とが一致しているときには、磁石４０が基準線Ｓ上に位置していると判断することができる。検出部３０は、この原理を用いるものであり、磁気センサ２１からの出力と磁気センサ２２からの出力とを比較し、両者が一致したときに磁石４０が基準線Ｓ上に位置していると判断する。
このような構成により、機械的な接点を用いることなく、磁石４０が基準線Ｓ上に位置したことを検出することができる。すなわち、本実施形態の位置検出装置１によれば、機械的な接点を用いることなく、可動体２の位置を検出することが可能となる。このように機械的な接点を用いないため、接点の劣化による寿命の短縮化や接点間の導通不良、接点の摩耗や凹みによる検出精度の低下といった問題が生じない。
ここで、磁石４０が基準線Ｓ上に位置しているときに磁気センサ２１，２２の出力の変化率が最大となるように磁気センサ２１，２２を配置すれば、磁石４０が基準線Ｓの近傍にあるときに磁気センサ２１，２２の出力が変化しやすくなるため、磁気センサ２１，２２の出力が一致する点がより正確に特定される。したがって、磁石４０の位置の検出精度が高くなる。
また、磁気センサ２１，２２の出力特性は温度によって変化するが、磁気センサ２１，２２のセンサ特性が同一であるため、磁気センサ２１，２２の出力特性が温度によって変化しても、磁気センサ２１の出力特性の変化と磁気センサ２２の出力特性の変化とが互いに相殺される。このため、図３に示すように、温度が低下した際の磁気センサ２１の出力特性と温度が低下した際の磁気センサ２２の出力特性とが交差する点ＰLは基準線Ｓ上に位置し、温度が上昇した際の磁気センサ２１の出力特性と温度が上昇した際の磁気センサ２２の出力特性とが交差する点ＰHも基準線Ｓ上に位置する。したがって、上述したように、磁気センサ２１の出力と磁気センサ２２の出力とが一致しているか否かを判断することで、温度が変化した場合においても、磁石４０が基準線Ｓ上に位置していることを安定して検出することができる。なお、図３においては、図２に示す磁気センサ２１，２２の出力特性は細い点線で示されている。
同様に、磁気センサ２１，２２の電気的特性や磁気特性が変化した場合においても、磁気センサ２１の出力特性の変化と磁気センサ２２の出力特性の変化とが互いに相殺されるため、磁石４０の位置を安定して検出することができる。また、Ｚ方向や紙面に垂直なＹ方向における外部磁場も磁気センサ２１と磁気センサ２２の両方に同様に作用し、磁気センサ２１の出力特性の変化と磁気センサ２２の出力特性の変化とが互いに相殺されるため、これらの外部磁場の影響を抑えて磁石４０の位置を検出することができる。また、磁石４０のＺ方向やＹ方向の変位に対する磁気センサ２１，２２の出力特性の変化が相殺されるため、磁石４０のＺ方向やＹ方向の変位の影響を抑えて磁石４０の位置を検出することができる。
なお、磁気センサ２１，２２の出力をＡＤ変換してデジタルフィルタによってノイズを低減してもよい。あるいは、磁気センサ２１，２２のアナログ出力をローパスフィルターにかけてノイズを除去してもよい。
図４は、本発明の第２の実施形態における位置検出装置１０１の構成を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態における位置検出装置１０１は、第１の実施形態における磁気センサ２１，２２及び磁石４０に代えて、光センサ１２１，１２２及び光源１４０を備えている。可動体２に取り付けられた光源１４０は、Ｘ方向（第１の方向）に沿って延びる移動経路Ｍ上を移動するように構成されている。位置検出装置１０１は、このようにＸ方向に移動可能な可動体２（ひいてはマシニングセンタの工具などの検出対象）が所定の位置にあるか否かを検出するものである。光源１４０としては蛍光灯、白熱灯、ＬＥＤなど様々な種類の光源を用いることができる。
光センサ１２１，１２２は、周囲の光を検出するものであり、同一のセンサ特性（電気特性・光学特性・温度特性）を有している。これらの光センサ１２１，１２２は、Ｘ方向に延びる固定部１０上に並べられており、光源１４０が移動する移動経路ＭからＺ方向に等しい距離だけ離間した位置に配置されている。光センサ１２１，１２２は、それぞれＺ方向に垂直なセンサ感知面１２１Ａ，１２２Ａを有している。また、光センサ１２１，１２２は、Ｚ方向に延びる基準線Ｓから等しい距離に配置されている。換言すれば、２つの光センサ１２１，１２２を結ぶ線分の中点上に基準線Ｓが位置している。このような光センサ１２１，１２２としては、ＣｄＳセル、赤外線センサ、紫外線センサ、フォトダイオードなどを用いることができる。
検出部３０には、光センサ１２１，１２２からの出力が入力されており、検出部３０は、これらの光センサ１２１，１２２からの出力を比較する比較回路を含んでいる。第１の実施形態と同様に、光センサ１２１と光センサ１２２とは同一のセンサ特性を有しているため、光源１４０が光センサ１２１と光センサ１２２とを結ぶ線分の中点に位置しているとき、すなわち移動距離＝０ｍｍのとき（光源１４０が基準線Ｓ上に位置しているとき）、両者のセンサ出力が一致する。したがって、光センサ１２１の出力と光センサ１２２の出力とが一致しているときには、光源１４０が基準線Ｓ上に位置していると判断することができる。検出部３０は、この原理を用いるものであり、光センサ１２１からの出力と光センサ１２２からの出力とを比較し、両者が一致したときに光源１４０が基準線Ｓ上に位置していると判断する。
このような構成により、機械的な接点を用いることなく、光源１４０が基準線Ｓ上に位置したことを検出することができる。すなわち、本実施形態の位置検出装置１０１によれば、機械的な接点を用いることなく、可動体２の位置を検出することが可能となる。このように機械的な接点を用いないため、接点の劣化による寿命の短縮化や接点間の導通不良、接点の摩耗や凹みによる検出精度の低下といった問題が生じない。
ここで、光源１４０が基準線Ｓ上に位置しているときに光センサ１２１，１２２の出力の変化率が最大となるように光センサ１２１，１２２を配置すれば、光源１４０が基準線Ｓの近傍にあるときに光センサ１２１，１２２の出力が変化しやすくなるため、光センサ１２１，１２２の出力が一致する点がより正確に特定される。したがって、光源１４０の位置の検出精度が高くなる。
また、光センサ１２１，１２２の出力特性は温度によって変化するが、光センサ１２１，１２２のセンサ特性が同一であるため、光センサ１２１，１２２の出力特性が温度によって変化しても、光センサ１２１の出力特性の変化と光センサ１２２の出力特性の変化とが互いに相殺される。したがって、第１の実施形態と同様に、光センサ１２１の出力と光センサ１２２の出力とが一致しているか否かを判断することで、温度が変化した場合においても、光源１４０が基準線Ｓ上に位置していることを安定して検出することができる。
同様に、光センサ１２１，１２２の電気的特性や光学特性が変化した場合においても、光センサ１２１の出力特性の変化と光センサ１２２の出力特性の変化とが互いに相殺されるため、光源１４０の位置を安定して検出することができる。また、光源１４０のＺ方向やＹ方向の変位に対する光センサ１２１，１２２の出力特性の変化が相殺されるため、光源１４０のＺ方向やＹ方向の変位の影響を抑えて光源１４０の位置を検出することができる。
なお、光センサ１２１，１２２の出力をＡＤ変換してデジタルフィルタによってノイズを低減してもよい。あるいは、光センサ１２１，１２２のアナログ出力をローパスフィルターにかけてノイズを除去してもよい。
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
以上述べたように、本発明の一態様によれば、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される磁石を備える。この磁石は、上記第１の方向に垂直な第２の方向において異なる磁極を有する。また、上記位置検出装置は、上記移動経路から上記第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、上記第２の方向に延びる基準線から等しい距離に配置された１対の磁気センサを備える。上記１対の磁気センサは、同一のセンサ特性を有する。上記位置検出装置は、上記１対の磁気センサの出力が一致したときに上記磁石が上記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部を備える。上記１対の磁気センサのそれぞれは、上記第２の方向に垂直なセンサ感知面を有することが好ましい。
また、本発明の他の態様によれば、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される光源を備える。また、上記位置検出装置は、上記移動経路から上記第１の方向に垂直な第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、上記第２の方向に延びる基準線から等しい距離に配置された１対の光センサを備える。上記１対の光センサは、同一のセンサ特性を有する、上記位置検出装置は、上記１対の光センサの出力が一致したときに上記光源が上記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部と備える。上記１対の光センサのそれぞれは、上記第２の方向に垂直なセンサ感知面を有することが好ましい。
これにより、機械的な接点を用いることなく、磁石が基準線上に位置したことを検出することができる。すなわち、本発明に係る位置検出装置によれば、機械的な接点を用いることなく、可動体の位置を検出することが可能となる。このように本発明に係る位置検出装置によれば、機械的な接点を用いないため、接点の劣化による寿命の短縮化や接点間の導通不良、接点の摩耗や凹みによる検出精度の低下といった問題が生じない。また、温度変化などによる磁気センサの出力特性の変化が１対の磁気センサ間で互いに相殺されるため、磁石の位置を安定して検出することができる。
上記１対の磁気センサの出力は、上記磁石が上記基準線上に位置したときに最大の変化率を呈することが好ましい。このようにすることで、磁石が基準線の近傍にあるときに磁気センサの出力が変化しやすくなるため、磁気センサの出力が一致する点がより正確に特定され、磁石の位置の検出精度が高くなる。
また、上記１対の光センサの出力は、上記光源が上記基準線上に位置したときに最大の変化率を呈することが好ましい。このようにすることで、光源が基準線の近傍にあるときに光センサの出力が変化しやすくなるため、光センサの出力が一致する点がより正確に特定され、光源の位置の検出精度が高くなる。
本発明によれば、長寿命で、検出精度が高く、安定して位置検出を行うことができる位置検出装置が提供される。
本出願は、２０１９年１月３１日に提出された日本国特許出願特願２０１９－０１５９２１号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、可動体の位置を検出する位置検出装置に好適に用いられる。
１ 位置検出装置
２ 可動体
１０ 固定部
２１，２２ 磁気センサ
３０ 検出部
４０ 磁石
４１，４２ 磁極
１０１ 位置検出装置
１２１，１２２ 光センサ
１４０ 光源
Ｍ 移動経路
Ｓ 基準線
２ 可動体
１０ 固定部
２１，２２ 磁気センサ
３０ 検出部
４０ 磁石
４１，４２ 磁極
１０１ 位置検出装置
１２１，１２２ 光センサ
１４０ 光源
Ｍ 移動経路
Ｓ 基準線
Claims (4)
- 基準線に対応する位置を検出するための位置検出装置であって、
第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される磁石であって、前記第１の方向に垂直な第２の方向において異なる磁極を１対有する磁石と、
前記移動経路から前記第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、前記第２の方向に延びる前記基準線から等しい距離に配置された１対の磁気センサであって、同一のセンサ特性を有する１対の磁気センサと、
比較回路を含む検出部であって、移動する前記磁石からの磁気を直接検出する前記１対の磁気センサの出力を比較する前記比較回路により、前記１対の磁気センサの出力が一致したときに１対の磁極を有する前記磁石が前記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部と
を備え、
前記１対の磁気センサの各々の出力は、１対の磁極を有する前記磁石が前記基準線上に位置したときに最大の変化率を呈する、位置検出装置。 - 前記１対の磁気センサのそれぞれは、前記第２の方向に垂直なセンサ感知面を有する、請求項１に記載の位置検出装置。
- 基準線に対応する位置を検出するための位置検出装置であって、
第１の方向に沿って延びる移動経路上を可動体とともに移動するように構成される光源と、
前記移動経路から前記第１の方向に垂直な第２の方向に等しい距離だけ離間するとともに、前記第２の方向に延びる前記基準線から等しい距離に配置された１対の光センサであって、同一のセンサ特性を有する１対の光センサと、
比較回路を含む検出部であって、移動する前記光源からの光を直接検出する前記１対の光センサの出力を比較する前記比較回路により、前記１対の光センサの出力が一致したときに前記光源が前記基準線上に位置したことを検出するように構成される検出部と
を備え、
前記１対の光センサの各々の出力は、前記光源が前記基準線上に位置したときに最大の変化率を呈する、位置検出装置。 - 前記１対の光センサのそれぞれは、前記第２の方向に垂直なセンサ感知面を有する、請求項３に記載の位置検出装置。
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