JPH0633907A - 空圧機器制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 近接センサ等を使用せずに、空圧シリンダへ
の空気の流れを確認しながら空圧シリンダを駆動するこ
とが可能な、また配管チューブの外れを検出可能な空圧
機器制御方式を提供すること。 【構成】 空圧機器制御方式は、空気による押圧により
ピストンを駆動する駆動シリンダ１と、空気の通路中に
配設され空気の流量を計測する，熱式流量計１５と、流
量計の出力を演算処理することによりピストンの位置を
推定し、駆動シリンダを制御するコントローラ４５を有
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空圧駆動シリンダの制
御方式に関し、さらに詳細にはピストン位置を検出して
空圧駆動シリンダの動作を確認しながら制御を行う空圧
駆動シリンダの制御方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮空気を作動媒体とする空圧シ
リンダが工場の生産設備においてロボットハンド等の駆
動装置として広く使用されている。このとき、生産設備
等においては、複数のロボットハンド等が錯綜して稼働
する場合があり、通常、各々の空圧シリンダのピストン
の動きをシリンダスイッチにより確認しながら稼働を行
っている。この様な従来の空圧シリンダの制御方式を図
７に示す。コンプレッサ等で発生された圧縮空気Ｆは、
フィルタ１０で含有している水分が除去され、次に減圧
弁９で所定の圧力の空気に減圧され、次にルーブリケー
タ７で潤滑油が付加される。

【０００３】ルーブリケータ７を出た圧縮空気Ｆは、切
換え弁５ａ，５ｂの入力ポートに接続している。一方、
切換え弁の第一出力ポートは、スピードコントローラ４
ａ，４ｂを介して空圧シリンダ１ａ，２ａのピストン６
ａ，６ｂより右側のシリンダポートに連通している。ま
た、切換え弁の第二出力ポートは、スピードコントロー
ラ１３ａ，１３ｂを介して空圧シリンダ１ａ，１ｂのピ
ストン６ａ，６ｂより右側のシリンダポートに連通して
いる。

【０００４】空圧シリンダ１ａ，１ｂの側面にピストン
６ａ，６ｂを検出する近接センサであるシリンダセンサ
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが取り付けられている。また、
切換え弁のコイル部１１ａ，１１ｂおよびシリンダセン
サ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、電線１４によりコントロ
ーラ１１に接続している。上記切換え弁５ａ，５ｂの切
換えによりピストン６ａ，６ｂを左右に移動させると共
にシリンダセンサ２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂによりピスト
ンの位置検出して動作を確認しながら空圧シリンダを駆
動している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
近接スイッチ方式には以下のような問題があった。 （１）電磁弁のコイル部への配線の他にシリンダスイッ
チへの配線が必要であり、また、シリンダスイッチは、
空圧シリンダ本体に取り付けられているため、駆動部と
の接触等により配線が切断する問題があった。 （２）金属加工機のワークの着脱に使用されるロボット
ハンド等においては、金属粉や切り屑でシリンダスイッ
チの電線が傷つけられたり、またシリンダスイッチが誤
動作する場合があった。 （３）クーラント液や切削油がシリンダスイッチに飛び
跳ねることによりシリンダスイッチが誤動作する場合が
あった。また、溶接機等により発生する強磁界によりシ
リンダスイッチが誤動作する場合があった。

【０００６】（４）細い空圧シリンダを平行させて複数
本使用している時に隣の空圧シリンダのピストンの動作
によりシリンダスイッチが誤動作する場合があった。 （５）空圧シリンダや切換え弁に接続している配管チュ
ーブ等が外れたり、抜けたりする場合があるが、このと
き配管の外れを検出することはできなかった。そのた
め、錯綜するロボットハンド等が干渉して損傷し、大き
な事故を発生する危険性があった。

【０００７】一方、従来より、圧縮空気の供給側に圧力
センサを配置することにより、圧力の変化を計測してピ
ストンの動作を推定することが行われていたが、駆動シ
リンダの動作スピードを制御するためにスピードコント
ローラを使用する場合、圧力の変化が少なく圧力の変化
から異常を検出することは難しかった。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、近接センサ等を使用せずに、空
圧シリンダへの空気の流れを確認しながら空圧シリンダ
を駆動することが可能な、また配管チューブの外れを検
出可能な空圧機器制御方式を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の空圧機器制御方式は、空気による押圧によ
りピストンを駆動する駆動シリンダと、空気の通路中に
配設され空気の流量を計測する流量計と、流量計の出力
を演算処理することによりピストンの位置を推定し、駆
動シリンダを制御する制御手段とを有している。

【００１０】また、本発明の空圧機器制御方式は、空気
による押圧によりピストンを駆動する駆動シリンダと、
空気の通路中に配設され感温抵抗素子を覆って形成され
る絶縁膜外側に金属薄膜が形成されてなり空気の流量を
計測する熱式流量計と、熱式流量計の出力を演算処理す
ることによりピストンの位置を推定し、駆動シリンダを
制御する制御手段とを有している。

【００１１】また、本発明の空圧機器制御方式は、空気
による押圧によりピストンを駆動する駆動シリンダと、
空気の通路中に配設され感温抵抗素子を覆って形成され
る絶縁膜外側に金属薄膜が形成されてなり空気の流量を
計測する熱式流量計と、熱式流量計の出力を演算処理す
ることによりピストンの位置を推定し、駆動シリンダを
制御する制御手段とを有しており、熱式流量計の絶縁膜
の外側に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チタ
ン等の熱伝導性金属により形成された厚さ１乃至５ミク
ロンの薄膜である。

【００１２】また、本発明の空圧機器制御方式は、空気
による押圧によりピストンを駆動する駆動シリンダと、
空気の通路中に配設され感温抵抗素子を覆って形成され
る絶縁膜外側に金属薄膜が形成されてなり空気の流量を
計測する熱式流量計と、熱式流量計の出力を演算処理す
ることによりピストンの位置を推定し、駆動シリンダを
制御する制御手段とを有しており、熱式流量計の絶縁膜
の外側に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チタ
ン等の熱伝導性金属をスパッタ蒸着法、無電解メッキ法
または硬質金属コート法により形成した薄膜である。

【００１３】また、本発明の空圧機器制御方式は、空気
による押圧によりピストンを駆動する駆動シリンダと、
空気の通路中に配設され感温抵抗素子を覆って形成され
る絶縁膜外側に金属薄膜が形成されてなり空気の流量を
計測する熱式流量計と、熱式流量計の出力を演算処理す
ることによりピストンの位置を推定する制御手段とを有
しており、熱式流量計の絶縁膜の外側に形成される金属
薄膜が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝導性金属をス
パッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属コート法
により形成された厚さ１乃至５ミクロンの薄膜である。

【００１４】

【作用】上記の構成よりなる本発明の空圧機器制御方式
の熱式流量計は、一定の断面積を有する空気通路中に配
設され、圧縮空気の流速を計測することにより圧縮空気
の流量を計測する。ここで、絶縁体の表面に白金で抵抗
パターンによるブリッジ回路を形成したセンサである２
以上の感温抵抗素子は、１つの発熱抵抗が常時流体温度
より一定温度だけ高くなるように加熱されている。そし
て、流速を増すと奪い去られる熱量が多くなるので、抵
抗パターンの温度が下がり、その結果抵抗値が減少す
る。この抵抗パターンの微小抵抗変化をブリッジ回路に
より検出して流速を計測する。

【００１５】感温抵抗素子を覆って形成される絶縁膜
は、導電性の流体に接触して抵抗パターンの抵抗値が変
化することを防止している。絶縁膜の外側に形成される
金属薄膜は、圧縮空気に含まれているドレイン等により
絶縁膜等が損傷することを防止している。また、金属薄
膜は１乃至５μと薄いので、圧縮空気の温度をきわめて
少ない時間遅れで抵抗パターンに熱伝導することができ
る。

【００１６】また、金属薄膜は、熱式流量用計全体を覆
って形成されているので、モータ等により発生する外部
ノイズを遮断して熱式流量計が誤計測することを防止し
ている。上記のように圧縮空気の流量を正確かつ迅速に
計測することにより、電磁弁の切換え時の正常な流量変
化のパターンと比較して、制御装置は、異常を検出す
る。また、電磁弁が作動していない場合に所定量異常の
流量が計測された場合には、配管チューブの外れ等の異
常を検出する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例である空
圧機器制御方式について図面を参照しながら説明する。
図１に第一の実施例である空圧シリンダの制御方式を示
す。コンプレッサ等で発生された圧縮空気Ｆは、フィル
タ１０で含有している水分が除去され、次に減圧弁９で
所定の圧力（３〜７Ｋｇ／ｃｍ2）の空気に減圧され、
次にルーブリケータ７で潤滑油が付加される。潤滑油を
付加するのは、機械的摺動を円滑にし、また機械寿命を
長くするためである。

【００１８】ルーブリケータ７を出た圧縮空気Ｆは、流
量計部２３を介して切換え弁５ａ，５ｂの入力ポート４
１ａ，４１ｂに接続している。一方、切換え弁の第一出
力ポート４２ａ，４２ｂは、スピードコントローラ４
ａ，４ｂを介して空圧シリンダ１ａ，２ａのシリンダポ
ート４３ａ，４３ｂに連通している。また、切換え弁の
第二出力ポートは、スピードコントローラ１３ａ，１３
ｂを介して空圧シリンダ１ａ，１ｂのシリンダポート４
４ａ，４４ｂに連通している。また、切換え弁のコイル
部１１ａ，１１ｂおよび流量計部１５ａ，１５ｂは、電
線１４によりコントローラ１１に電気的に接続してい
る。

【００１９】次に、本発明の主要部である流量計部１５
について詳細に説明する。図５に流量計部１５の全体構
成を図５に断面図で示す。熱式流量計２２は、流体の流
れの中に装着されている。このとき熱式流量計２２が配
設されているボディ部２４の熱式流量計２２を含む流路
の断面積は一定に構成されている。また、ボディ部２４
において圧縮空気Ｆの流れが層流状態となるように構成
されている。熱式流量計２２において、流体温度補償セ
ンサ２６が発熱抵抗センサ２５の上流側に配設されてい
る。これにより、流体温度補償センサ２６は発熱抵抗セ
ンサ２５で発熱された熱の影響を受けることがない。

【００２０】従って、流速を計測すれば、流速と断面積
との積を計算することにより容易に流量を計測すること
ができる。ホディ部２４の両端には、配管２７がネジに
より連結されている。熱式流量計２２の上部には、熱式
流量計２２を制御するための制御部２１が付設されてい
る。

【００２１】次に、熱式流量計２２の構成について詳細
に説明する。図４の（ａ）に熱式流量計２２の構成を断
面図で示す。熱式流量計２２には、発熱温度の低い流体
温度補償抵抗センサ２６と発熱温度の高い発熱抵抗セン
サ２５とが流れの方向に平行かつ一列にホルダ３７に取
り付けられ樹脂２９により埋め込まれている。

【００２２】次に、発熱抵抗センサ２５と流体温度補償
センサ２６の構成を説明する。図３に発熱抵抗センサ２
５と流体温度補償センサ２６の構成をセンサ３２として
断面図で示す。基板３６上に、０．３μ以下の膜厚でス
パッタ蒸着された白金薄膜パターン３３が形成されてい
る。また、基板３６と白金薄膜パターン３３とを覆って
絶縁膜３４が形成されている。また、絶縁膜を覆って膜
厚１〜５μのチタン薄膜２８が形成されている。

【００２３】次に、熱式流量計２２の製造方法を説明す
る。 （１）基板３６上に白金をスパッタ蒸着して膜厚０．３
μ以下の白金薄膜を形成する。そして、白金薄膜を熱処
理する。 （２）フォトリソグラフにより不必要な白金薄膜を除去
して白金薄膜パターン３３を形成する。 （３）基板３６および白金薄膜パターン３３の上に、ガ
ラス系またはポリイミド系の材料を蒸着法または浸積法
により付着させ絶縁膜３４を形成する。これにより、発
熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２６が製造
される。

【００２４】（４）発熱抵抗センサ２５および流体温度
補償センサ２６をホルダ３７の孔にホルダ３７から同じ
長さ突き出している状態で嵌合させる。そして、融解さ
せた仮止め接着用樹脂２９ａを流し込んで冷却し、図４
の（ｂ）に示すように、仮止め接着用樹脂２９ａにより
発熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２６をホ
ルダ３７に固定する。 （５）ホルダ３７の発熱抵抗センサ２５および流体温度
補償センサ２６が突き出している側にチタンまたは窒化
チタンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金
属コート法により密着させ厚さ１乃至５ミクロンの薄膜
を形成する。 （６）発熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２
６に各々一組の信号線３１を接続する。そして、充填用
樹脂２９を注入し冷却する。

【００２５】ここで、発熱抵抗センサ２５および流体温
度補償センサ２６をホルダ３７に組み込んだ状態でスパ
ッタ蒸着等を行ないチタン薄膜を形成しているのは、熱
式流量計２２全体の強度を高めるためと、また、チタン
薄膜等にアースを取ることにより、熱式流量計２２全体
をシールドして外部のノイズの影響を遮断するためであ
る。また、信号線３１の接続を蒸着後に行っているの
は、蒸着温度が高いため、先に信号線３１を接続してい
ると半田が溶けてしまうからである。

【００２６】次に、全体の空圧機器制御方式の作用を説
明する前に、熱式流量計２２の作用について説明する。
図５において、圧縮空気Ｆが配管２７から右方向にボデ
ィ部２４に流入する。ボディ部２４において圧縮空気Ｆ
の流れは層流状態となっている。ここで、絶縁体の表面
に白金で抵抗パターンによるブリッジ回路を形成したセ
ンサである発熱抵抗センサ２５は、常時圧縮空気Ｆの温
度より一定温度だけ高くなるように加熱されている。そ
して、圧縮空気Ｆの流速が増すと奪い去られる熱量が多
くなり、発熱抵抗センサ２５の抵抗パターンの温度が下
がり、その結果発熱抵抗センサ２５の抵抗値が減少す
る。この抵抗パターンの微小抵抗変化を図６に示すブリ
ッジ回路により検出して流速を計測する。

【００２７】すなわち、発熱抵抗センサ２５と流体温度
補償センサ２６の各々の抵抗と２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ
２とによりブリッジ回路が構成されている。また、チタ
ン薄膜２８は１乃至５μと薄いので、流体の温度をきわ
めて少ない時間遅れで抵抗パターンに熱伝導することが
できるので、チタン薄膜２８が流速の計測に与える影響
はほとんどない。。そして、流体温度補償センサ２６が
発熱抵抗センサ２５と共に圧縮空気Ｆ中に配設されてい
るので、圧縮空気Ｆ本体の温度変化による影響を排除で
きるため、熱式流量計の精度を高めることができる。

【００２８】圧縮空気Ｆ中に残存しているドレイン等
が、速い流速をもって流体温度補償センサ２６および発
熱抵抗センサ２５に衝突する場合があるが、流体温度補
償センサ２６および発熱抵抗センサ２５はチタン薄膜２
８により保護されているので、センサ部本体が損傷を受
けることがないため、正確かつ安定して圧縮空気Ｆの流
量を計測することができる。また、耐久性能が向上し、
熱式流量計のコストダウンが可能となる。

【００２９】次に、空圧機器制御方式の全体の作用につ
いて説明する。図１に示す状態においては、ピストン６
ａの右側に位置するシリンダポート４３ａに圧縮空気Ｆ
が供給されている。ここで、コントローラ４５により、
電磁弁５が切り換えられた場合を説明する。図１に示す
状態では、電磁弁５ａのコイル１１ａが励磁された状態
である。従って、電磁弁５ａの切換えは、コイル１１ａ
への電流の遮断により行われる。

【００３０】コイル１１ａへの電流が遮断されるとシリ
ンダポート４３ａ側の圧縮空気は大気に開放され、シリ
ンダポート４４ａ側に圧縮空気Ｆが供給される。シリン
ダポート４４ａ側に圧縮空気Ｆが供給されるときの流量
計部１５ａが計測した流量を図８に示す。流量Ｖは時間
Ｔと共に増加し、ピストン６ａが右側に移動してストッ
パーに当たって停止した後に減少を開始する。

【００３１】ここで、流量計の制御部は、２つのスレッ
シュホールド値Ｖ１，Ｖ２を記憶している。そして、コ
ントローラ４５が電磁弁５の切換えた後所定時間内に流
量がＶ１の値に達しない場合、ピストン６ａが動作して
いない等の異常が発生したとと判断し、コントローラ４
５は異常を検出する。また、電磁弁５の切換えて流量が
Ｖ１に達した時点Ｔ２より所定時間内に流量がＶ２の値
以下にならない場合も、配管チューブの外れ等の異常が
発生したと判断し、コントローラ４５は異常を検出す
る。

【００３２】配管チューブの外れ等による圧縮空気の漏
れが発生した場合には、図９に示すように、電磁弁の切
換えが行われていない時に流量がＶ２の値を越えた場合
は、コントローラ４５は異常を検出する。また、図１０
に示すように、電磁弁５の切換えて流量がＶ１に達した
時点Ｔ２より所定時間よりも早い時間Ｔ５に流量がＶ２
の値以下になった場合、ピストンが動作途中で固着した
等の異常が発生したと判断し、コントローラ４５は異常
を検出する。コントローラ４５は、上記の異常を検出し
た場合には中央制御装置に異常の発生を送ると共に、圧
縮空気Ｆの供給を遮断する。

【００３３】上記説明したように、本実施例の空圧シリ
ンダの制御方式によれば、空圧シリンダの駆動用圧縮空
気Ｆの通路中に流量計を配置し、空圧シリンダの動作に
対応して流量を計測し、チェックしているので、空圧シ
リンダの動作異常を正確かつ迅速に検出することができ
る。

【００３４】本発明は、上記実施例に限定されることな
く色々な応用が可能である。すなわち、図２に示すよう
に、流量計部１５を圧縮空気の供給側に配設せず、排気
側に配設しても同様である。また、本実施例では、チタ
ン薄膜をスパッタ蒸着法により形成しているが、窒化チ
タン等の硬質金属を使用してもよい。また、スパッタ蒸
着法によらずに、無電解メッキや硬質金属コーティング
等の金属薄膜製造法により薄膜を形成してもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の空圧機器制御方式によれば、駆動シリンダの空気
の通路中に配設した流量計によりピストンの位置を推定
し、駆動シリンダを制御しているので、シリンダスイッ
チを使用しないでも、空圧シリンダのピストンの動作を
確実かつ迅速に推定できるため、空圧機器の異常を確実
かつ迅速に検出することができる。

【００３６】また、本発明の空圧機器制御方式によれ
ば、駆動シリンダの空気の通路中に配設され、感温抵抗
素子を覆って形成される絶縁膜外側に金属薄膜が形成さ
れてなり空気の流量を計測する熱式流量計によりピスト
ンの位置を推定し、駆動シリンダを制御しているので、
シリンダスイッチを使用しないでも、空圧シリンダのピ
ストンの動作を確実かつ迅速に推定できるため、空圧機
器の異常を確実かつ迅速に検出することができる。ま
た、流量計の外側を金属薄膜が覆っているので、流量計
本体が空気中のドレイン等により損傷されることがな
く、安定して空圧機器制御方式を作動させることができ
る。

【００３７】また、金属薄膜がアースに接続されている
ので、熱式流量計全体がシールドされるため、空圧機器
が使用される工場等の大型パルスモータ等で発生するノ
イズの影響を受けることがなく、安定して圧縮空気の流
量を計測し、空圧機器制御方式を制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である空圧機器制御方式の空
圧回路図である。

【図２】本発明の別の実施例である空圧機器制御方式の
空圧回路図である。

【図３】本発明の空圧機器制御方式で使用する熱式流量
計センサ部の断面図である。

【図４】本発明の空圧機器制御方式で使用する熱式流量
計の断面図である。

【図５】本発明の一実施例である熱式流量計の使用状態
を示す説明図である。

【図６】本発明の第一の実施例である熱式流量計の部分
制御回路図である。

【図７】従来の空圧機器制御方式の空圧回路図である。

【図８】正常な流量変化を示すデータ図である。

【図９】流量変化を示す説明図である。

【図１０】異常な流量変化を示すデータ図である。

【符号の説明】

５ 電磁弁 １５ 流量計部 ２２ 熱式流量計 ２５ 発熱抵抗センサ ２６ 流体温度補償センサ ３２ チタン薄膜 ３３ 白金抵抗パターン ３４ 絶縁膜 ４５ コントローラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気によりピストンを押圧駆動する駆動
   シリンダと、 前記空気の通路中に配設され前記空気の流量を計測する
   流量計と、 前記流量計の出力を演算処理することにより前記ピスト
   ンの位置を推定し、前記駆動シリンダを制御する制御手
   段とを有することを特徴とする空圧機器制御方式。
2. 【請求項２】 空気によりピストンを押圧駆動する駆動
   シリンダと、 前記空気の通路中に配設され、感温抵抗素子を覆って形
   成される絶縁膜外側に金属薄膜が形成されてなり前記空
   気の流量を計測する熱式流量計と、 前記熱式流量計の出力を演算処理することにより前記ピ
   ストンの位置を推定し、前記駆動シリンダを制御する制
   御手段とを有することを特徴とする空圧機器制御方式。
3. 【請求項３】 請求項２に記載するものにおいて、 前記熱式流量計の絶縁膜の外側に形成される金属薄膜
   が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝導性金属により形
   成された厚さ１乃至５ミクロンの薄膜であることを特徴
   とする空圧機器制御方式。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載するもの
   において、 前記熱式流量計の絶縁膜の外側に形成される金属薄膜
   が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝導性金属をスパッ
   タ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属コート法によ
   り形成した薄膜であることを特徴とする空圧機器制御方
   式。