位置検出装置

【目的】相対位置を検出するスケールと基準位置を検出するスケールとを一体に形成し、絶対位置を高精度に計測する。
【構成】深さＭ₁で形成された弱磁性部をアクチュエータ３０の移動方向にピッチＰで配設した磁気スケール２と、弱磁性部のうち磁気スケール２の所定の不等間隔で配設された基準点に対応する弱磁性部を深さＭ₂で形成する。磁気スケール２に対応して２相の正弦波を出力する磁気センサ５と、磁気センサ５の出力から相対位置を演算する手段１０と、磁気センサ５の出力から基準点を検出する手段２０と、現在の基準点と直前の基準点の間隔を算出する手段２２と、基準点に対応した絶対位置を格納する手段２４と、基準点の間隔に基づいて絶対位置格納手段２４の絶対位置信号を制御する手段２３と、絶対位置信号制御手段２３が読み出す基準点の絶対位置と相対位置から絶対位置を演算する手段２１を備える。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、油圧シリンダのロッドなどアクチュエータのストローク位置を高精度で検出する装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】油圧シリンダのピストンロッドなどのストローク位置を検出する装置として、ピストンロッドの表面に軸方向の一定の間隔で弱磁性部を配設した磁気スケールを構成し、シリンダ側に取り付けた磁気センサの検出信号がピストンロッドの変位によって正弦波形で変化することを利用して、変位の増分値から分解能の高い位置検出を行う相対位置検出型のものが知られており、本願出願人も特開平４−１３６７１３号公報に高精度の測定が行えるものを提案している。
【０００３】これら相対位置検出型の位置検出装置ではストロークの絶対位置を得るためにピストンロッドの最収縮位置などにリミットスイッチを設け、ピストンロッドの先端がこのリミットスイッチを通過した位置をストロークの基準点としてリセットする。このため、油圧シリンダを起動させる毎にリミットスイッチまで変位させる必要があった。
【０００４】このリセット動作を短縮する位置検出装置として、実開平４−７１１１４号公報に開示されるように、増分値を検出するためのメインスケールと、基準点を計測するためのサブスケールとをそれぞれ備えて、油圧シリンダの任意のストローク位置から２つの基準点を通過させることにより絶対位置を得るものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の装置では１つのアクチュエータに２つの磁気スケールを配設するために、装置の部品点数が増大してコストを上昇させるとともに、メインスケールとサブスケールの位置関係を保持する必要があるため、ロッドが回転するアクチュエータには適用できないという問題があった。
【０００６】そこで本発明は、簡易な構成の磁気スケールにより基準点を容易に検出でき、ロッドが回転するアクチュエータにも使用可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、図１において、所定の深さＭ₁で形成された弱磁性部をアクチュエータ３０の移動方向に所定のピッチで配設した磁気スケール２と、前記弱磁性部のうち磁気スケール２の所定の不等間隔で配設された基準位置に対応する弱磁性部を所定の深さＭ₂で形成した基準点と、前記磁気スケール２のピッチに対応して９０度の位相差をもった正弦波を出力する一対の磁気センサ５と、これら磁気センサ５の出力から相対位置を演算する手段１０と、前記磁気センサ５の出力から基準点を検出する手段２０と、前記基準点と直前に検出した基準点との間隔を算出する手段２２と、前記磁気スケール２の基準点に対応した絶対位置を格納する手段２４と、前記基準点の間隔に基づいて前記格納手段２４の絶対位置信号を制御する手段２３と、前記絶対位置信号制御手段２３が読み出す基準点の絶対位置と前記算出された相対位置とから絶対位置を演算する手段２１とを備える。
【０００８】
【作用】したがって、アクチュエータの起動時には、磁気スケールの弱磁性部を通過する際に磁気センサが出力する正弦波の振幅レベルに基づいて基準点を検出し、さらに、磁気センサの出力に基づいて算出された相対位置より直前に検出した基準点と現在の基準点との間隔を演算する。前記基準点の間隔、基準点の間隔の符号に基づくアクチュエータの変位方向をパラメータとして絶対位置を格納する手段のアドレスを演算し、算出されたアドレスの絶対位置を現在の基準点の絶対位置としてセットし、以降この基準点の絶対位置に相対変位量を加算したものを絶対位置として出力する。
【０００９】
【実施例】図２〜３に本発明の実施例を示す。
【００１０】図２において、１は図示しない油圧シリンダを構成する磁性材料（強磁性部４）で形成されたピストンロッドで、このピストンロッド１の表面には軸方向に所定のピッチＰを備えて深さＭ₁、Ｍ₂の弱磁性部３を形成して磁気スケール２を構成する。
【００１１】この弱磁性部３の幅はピッチＰの半分であるＰ／２を備え、磁気スケール２の弱磁性部３と強磁性部４はともにＰ／２の幅を備えてピッチＰで交互に配設される。
【００１２】磁気スケール２の弱磁性部３のうち、所定の不等間隔に設定された磁気スケール２の基準点ｈ₁〜ｈ₇に対応する弱磁性部３は深さＭ₂に形成され、基準点ｈ₁、ｈ₂、ｈ₃、ｈ₄、ｈ₅、ｈ₆、ｈ₇の間隔はそれぞれ６Ｐ、４Ｐ、２Ｐ、Ｐ、３Ｐ、５Ｐの間隔を備えて同一の間隔が存在しないよう不等間隔に設定される。なお、これら弱磁性部３の深さはＭ₁＜Ｍ₂の関係を満たしている。また、基準点間隔の並び方は、この例に限る必要はなく、同一間隔が存在しなければよい。
【００１３】図示しない油圧シリンダの一端にはピストンロッド１の変位に伴って磁気スケール２の１ピッチを１周期とし、互いに９０゜の位相差を備えた２相の正弦波を出力する一対の磁気センサ５が備えられる。この磁気センサ５の出力信号は図４に示すように、９０度の位相差を備えた出力信号sigＡ、sigＢとして出力される。
【００１４】磁気センサ５からの２相の出力信号はsigＡ、sigＢは、図３に示すようにマイクロコンピュータなどで構成されるコントローラ７に入力されて、これに基づいてピストンロッド１のストロークの相対位置が演算される。
【００１５】この相対位置の演算は、例えば、特開平４−１３６７１３号公報にも開示されるように、磁気センサ５の出力信号sigＡ、sigＢのそれぞれのピーク値に基づいて求めた正規化係数に基づいて１／２Ｐ単位の位置（粗位置）と、１／２Ｐ間を所定数に分割した位置（精位置）を求め、これらを合算することでストロークの相対位置が求められる。
【００１６】磁気センサ５の出力信号sigＡ、sigＢはサンプルホールド回路ＳＨＡ、ＳＨＢ、及びアナログ・デジタルコンバータＡＤＣを介してコントローラ７の中央演算処理部ＣＰＵに入力される。
【００１７】コンパレータＣＡ、ＣＢはＣＰＵにおいて演算された磁気センサ５の出力信号sigＡ、sigＢの各ピッチにおける最大値と最小値との中央値である振央レベルを基準値として出力信号sigＡ、sigＢと比較して、振央レベルよりも大きいときにＨレベル、小さいときにＬレベルの信号を出力する。なお、ＤＡＣＡ、ＤＡＣＢはＣＰＵで演算された各振央レベルをアナログ変換するデジタル・アナログコンバータである。
【００１８】コンパレータＣＺは磁気センサ５の出力信号sigＡから基準点ｈ₁〜ｈ₇を判定するもので、デジタル・アナログコンバータＤＡＣＺから与えられる基準点判定レベルbasＺと出力信号sigＢとを比較して、出力信号sigＢが基準点判定レベルbasＺより大きいときにＨレベル、小さいときにＬレベルの信号を出力する。
【００１９】この基準点の判定はコンパレータＣＡの出力が変化したとき、すなわち出力信号sigＡが振央レベルを通過したときに割り込み処理が発生し、後述するソフトウェアにより基準点の判定が行われる。
【００２０】メモリＲＡＭには磁気センサ５の出力信号sigＡ、sigＢの各ピッチごとのピーク値が格納されるとともに、各基準点における絶対位置情報が格納される。なお、このメモリＲＡＭはバッテリなどでバックアップされており、装置の電源が遮断されても記憶内容が保持される。
【００２１】ここで、図４を参照して基準点の判定方法について説明する。
【００２２】ピストンロッド１が変位すると磁気センサ５の出力信号sigＡ、sigＢはそれぞれ９０゜の位相差をもつ正弦波として出力される。出力信号sigＡ、sigＢは深さＭ₁の弱磁性部３を通過する際には振幅レベル１を、基準点である深さＭ₂の弱磁性部３を通過する際には振幅レベル２をそれぞれ出力する。したがって、基準点ｈ₁〜ｈ₇における振幅レベルは２となり、その他の弱磁性部３では振幅レベルは１となる。
【００２３】各基準点は出力信号sigＡが振央レベルcenＡとなる基準点において、出力信号sigＢは最小ピーク値である振幅レベル２を発生するが、弱磁性部３の深さＭ₂の誤差などにより変動することがあるため、出力信号sigＢが予め設定した基準点判定レベルbasＺ以下であることを条件として基準点を判定する一方、基準点以外の弱磁性部３を通過する際の振央レベルcenＡを除外する。
【００２４】この基準点判定レベルbasＺは、出力信号sigＢの振央レベルcenＢと前記出力信号sigＢの振幅レベルから次式のように設定することができる。
【００２５】
ｂａｓＺ＝ｃｅｎＢ−（レベル１＋レベル２）／２したがって、出力信号sigＡが振央レベルcenＡとなったときに出力信号Ｂが基準点判定レベルbasＺ以下であれば基準点であることが容易に判定される。
【００２６】次に、コントローラ７における基準点を判定してから絶対位置を設定するまでの処理を図５のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図５は装置の電源を再投入してから基準点の絶対位置がセットされるまでの流れを示す。
【００２７】まず、Ｓ１０においてストローク位置をリセットした後に図示しない駆動手段によってピストンロッド１を任意の方向に駆動させ、Ｓ１１で出力信号sigＡが振央レベルcenＡかつ出力信号sigＢが基準点判定レベルbasＺ以下であるかの判定により第１の基準点の判定を行う。
【００２８】第１の基準点が検出されると、Ｓ１２ではそのときのストローク位置、すなわち、弱磁性部３の通過に伴って算出される相対位置をＸ₁に保持する。
【００２９】さらにピストンロッド１を駆動させて、Ｓ１３ではＳ１１と同様にして第２の基準点を判定する。Ｓ１３で第２の基準点が判定されると、Ｓ１４ではＳ１２と同様にして、そのときの相対位置をＸ₂に保持し、Ｓ１５において既に保持された第１及び第２の基準点の相対位置Ｘ₁、Ｘ₂から距離Ｌを演算する。
【００３０】Ｓ１６では算出した距離Ｌの絶対値と弱磁性部３のピッチＰとを比較して、距離ＬがピッチＰより大きければＳ１８の処理へ進む一方、小さければＳ１７の処理を経由して再び第２の基準点の検出を行う。
【００３１】距離ＬがピッチＰ未満となる場合は、ピストンロッド１の伸縮によって磁気センサ５が第１の基準点を２回通過した状態であり、正確に絶対位置を設定できないため，Ｓ１７において最新の基準点の相対位置を第１の基準点のデータとしてＸ₁に転送するとともに、Ｓ１３の処理に戻る。
【００３２】一方、Ｓ１６の判定で距離ＬがピッチＰより大きければ、Ｓ１８において前記算出した基準点の間隔Ｌの正負よりストロークの方向を判定して、距離Ｌが正であればＳ２０へ、負であればＳ１９の処理へそれぞれ進む。
【００３３】Ｓ１９、２０ではピストンロッド１の変位方向に応じて所定の変換係数base１〜２がそれぞれ与えられ、現在の基準点（前記第２の基準点）と以前の基準点（前記第１の基準点）の距離Ｌに所定の変換定数ｍを乗じたものに変換係数base１〜２を加算したものが、現在の基準点の絶対位置を格納するメモリＲＡＭのアドレスＡＤとして得られる。なお、変換定数ｍは基準点間の距離ＬをメモリＲＡＭのアドレスに変換するための定数である。
【００３４】ここで、メモリＲＡＭの内容は、図６のメモリマップに示すように、ストロークの方向、変換係数base１〜２、基準点の距離（Ｐ〜５Ｐ）の順位で基準点ｈ₁〜ｈ₇の絶対位置が格納されている。
【００３５】なお、このメモリマップにおいて同一の基準点の絶対位置が異なるアドレスに重複して格納されるが、各アドレスの重複する基準点の絶対位置は必ずしも等しくなく、これは、ピストンロッド１の変位方向によって基準点の検出位置（出力信号sigＡが振央レベルcenＡと等しくなる位置）が微妙にずれるためである。したがって、各基準点ｈ₁〜ｈ₇の絶対位置はピストンロッド１の変位方向ごとにアドレスを変えて正確な絶対位置を格納する。
【００３６】Ｓ２１ではＳ１９〜２０で得られたアドレスＡＤに基づいて格納された絶対位置を読み出し、現在の基準点にこの読み出された絶対位置をセットするとともに、以降算出される相対位置を加算することで絶対位置を出力することが可能となり、さらにコントローラ７からは絶対位置セット完了信号が出力され、図示しない油圧シリンダの駆動手段は計測されたピストンロッド１の絶対位置に基づいて駆動を行うことができる。
【００３７】したがって、装置の休止中にピストンロッド１が油漏れなどにより変位しても、任意の基準点を２箇所通過すれば自動的に絶対位置を設定することが可能となり、起動時のストローク量を低減して稼働までの時間を短縮することができ、一つの磁気スケール２に弱磁性部３の深さをＭ₁で構成する一方、基準点に対応する弱磁性部３の深さをＭ₂としたため、１組の磁気スケールと磁気センサにより構成することが可能となって、部品点数を増大させることなく絶対値型の高精度な位置検出装置を構成することが可能となり、所定のピッチＰで配設した弱磁性部３をピストンロッド１の全周に配設することによってピストンロッド１の回転を許容することができる。
【００３８】一方、メモリＲＡＭの所定のアドレスに各基準点ｈ₁〜ｈ₇の絶対位置を再設定するには、ピストンロッド１を最収縮位置まで変位させ、このときの相対位置をゼロにセットした後に、ピストンロッド１を伸長させて基準点を通過する毎に算出した相対位置をメモリＲＡＭにセットすることにより自動的に絶対位置を設定することができる。
【００３９】ピストンロッド１の最収縮位置で相対位置をゼロにセットするため、検出した基準点の相対位置は絶対位置と等価となり、上記処理をピストンロッド１の伸長方向及び収縮方向でそれぞれ行うことにより容易かつ正確に各基準点の絶対位置を設定することができる。
【００４０】図７は他の実施例を示し、前記第１の実施例における相対位置の演算を特開平４−１３６７１３号公報にも開示される位置検出装置にて構成したものであり、その他の構成は上記第１の実施例と同様である。
【００４１】１ピッチ単位（又は１／２ピッチ）単位の粗位置と、１ピッチ（又は１／２ピッチ）を所定数に分割した精位置を合算した値を相対位置として出力するため、ストローク位置の分解能を向上させることができる。
【００４２】なお、上記実施例において、弱磁性部３をピストンロッド１の表面の１部に形成した例を開示したが、図示はしないが弱磁性部３を全周に形成することによって、ピストンロッド１の回転を許容することが可能となる。
【００４３】また、上記実施例において、任意の２カ所の基準点を検出した時点で、現在のストローク位置をＲＡＭに格納された絶対位置に置き換えたが、この置き換えは複数回行ってもよく、例えば、電源再投入時に現在位置をＲＡＭに格納された絶対位置に置き換えた後、基準点の間隔を常時演算するとともに、各基準点で演算されたストロークの絶対位置とＲＡＭの格納値とを比較して、演算されたストローク量の絶対位置が異なっている場合などにＲＡＭに格納された絶対位置を読み出して置き換えてもよい。
【００４４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、アクチュエータが休止中に変位しても、任意の基準点を２箇所通過すれば自動的に絶対位置を設定することが可能となり、起動時のストローク量を低減して稼働までの時間を短縮することができ、１つの磁気スケールに相対位置を測定する弱磁性部を設ける一方、これら弱磁性部のうち不等間隔で設定した基準点に対応するものを異なる深さで形成したため、１組の磁気スケールと磁気センサにより構成することができ、部品点数の増大を抑制して絶対値型の位置検出装置を構成することが可能となり、所定の間隔で配設した弱磁性部をアクチュエータのロッドなどの全周に配設することによってロッドの回転を許容しながら位置計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクレーム対応図である。
【図２】本発明の実施例を示す磁気スケールの概略図である。
【図３】コントローラのブロック図である。
【図４】各ピッチにおける磁気センサの出力信号の変化を示す図である。
【図５】制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】メモリの内容を示す図である。
【図７】他の実施例を示す磁気スケールの説明図である。
【符号の説明】
１ピストンロッド
２磁気スケール
３弱磁性部
４強磁性部
５磁気センサ
７コントローラ
１０相対位置演算手段
２０基準点検出手段
２１位置信号演算手段
２２基準点間隔演算手段
２３絶対位置信号制御手段
２４絶対位置格納手段
３０アクチュエータ

【特許請求の範囲】
【請求項１】所定の深さで形成された弱磁性部をアクチュエータの移動方向に所定のピッチで配設した磁気スケールと、前記弱磁性部のうち磁気スケールの所定の不等間隔で配設された基準位置に対応する弱磁性部を所定の深さで形成した基準点と、前記磁気スケールのピッチに対応して９０度の位相差をもった正弦波を出力する一対の磁気センサと、これら磁気センサの出力から相対位置を演算する手段と、前記磁気センサの出力から基準点を検出する手段と、前記基準点と直前に検出した基準点との間隔を算出する手段と、前記磁気スケールの基準点に対応した絶対位置を格納する手段と、前記基準点の間隔に基づいて前記格納手段の絶対位置信号を制御する手段と、前記絶対位置信号制御手段が読み出す基準点の絶対位置と前記算出された相対位置とから絶対位置を演算する手段とを備えたことを特徴とする位置検出装置。

【図２】