JP6546882B2 - 位置検出装置およびアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、往復作動部材の位置を検出する位置検出装置および位置検出装置を備えたアクチュエータに関する。

被加工物や治具等の被駆動部材を駆動するためにアクチュエータが使用され、さらに、被加工物等を把持するハンドを被駆動部材としてハンドを開閉駆動するためにもアクチュエータが使用される。アクチュエータは、空気圧や液体圧により駆動される往復作動部材を有し、往復作動部材は被駆動部材に連結される。このようなアクチュエータにおいては、往復作動部材に磁石が装着され、磁石の磁界を検出する磁気抵抗素子が設けられたセンサヘッドが、アクチュエータ本体に取り付けられる。このように、磁気抵抗素子の出力信号に基づいて往復作動部材の位置を検出することができる。

特許文献１は、磁気抵抗素子がセンサヘッド内の２箇所に設けられた磁気リニア測定装置を開示している。２つの磁気抵抗素子は、ピストンの移動方向に相互にずれた位置に設けられている。この磁気リニア測定装置においては、往復作動部材であるピストンの移動により、磁石が２箇所の磁気抵抗素子の間の位置となったときに、ピストンの位置が検出される。また、特許文献２は、相互に直交方向に配置された２つの磁気抵抗素子を備え、流体圧シリンダのピストン位置を検出する位置検出装置を開示している。この位置検出装置においては、磁気抵抗素子からの出力電圧が周囲温度の変化によって変動することを、温度補償回路により補償している。さらに、特許文献３は、アクチュエータ本体に設けられたセンサヘッドに、移動部材の位置に応じて点灯するＬＥＤを設けた位置検出装置を開示している。この位置検出装置の磁気センサは、それぞれ４つの磁気抵抗素子からなる２つの磁気抵抗ブリッジ回路を有し、それぞれの磁気抵抗ブリッジ回路は、磁石の移動方向に位相差を持った出力信号を出力する。

特開２００９−１２８３０１号公報 特開平１１−３０３８１８号公報 特開２０１０−４８６９８号公報

特許文献１のように、往復作動部材の移動方向の異なる２つの位置に２つの磁気抵抗素子を設けると、往復作動部材が磁気抵抗素子の間を移動するときにのみ位置検出可能であり、素子間外に移動部材が移動するときには位置を特定することができない。また、特許文献２においては、２つの磁気抵抗素子の中点電圧が大小２つの基準電圧の範囲となったときに、オン信号を出力するようにしており、往復作動部材がある範囲内に位置しているか否かを検出しており、往復作動部材の位置をリニアに特定することができない。さらに、特許文献３においては、２つの磁気抵抗ブリッジ回路からの出力電圧に基づいて往復作動部材の位置を演算しており、往復作動部材の位置を高精度で検出することができるが、位置検出することができる範囲は限られている。

本発明の目的は、往復作動部材に設けられた磁石の位置を長い距離の範囲において検出できる位置検出装置を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、磁化方向に移動する磁石の位置を検出する位置検出装置であって、前記磁化方向である第１方向の磁界に最大感度を有する磁気抵抗素子、および前記第１方向に直交する第２方向の磁界に最大感度を有する磁気抵抗素子を備え、ＳＩＮ信号を出力する第１ブリッジ回路と、前記第１方向に対して４５度傾く第３方向に最大感度を有する磁気抵抗素子、および前記第３方向に直交する第４方向に最大感度を有する磁気抵抗素子を備え、ＣＯＳ信号を出力する第２ブリッジ回路と、磁界の方向に応じた出力信号を出力し、最大感度方向が前記第２の方向に沿うように配置される磁界方向検出センサと、前記磁石が、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の中心部に対して、移動方向一方側の領域に位置しているか、移動方向他方側の領域に位置しているかを、前記磁界方向検出センサの出力電圧の極性によって判別する領域判別手段と、を有する。

最大感度方向が４５度異なる２つの磁気抵抗素子のブリッジ回路は、それぞれＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を出力する。その２つの信号からＡＴＡＮ２値が演算される。磁気方向検出センサの出力電圧により、第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の中心部に対して磁石が軸方向一方側の領域に位置しているか他方側の領域に位置しているか、領域判定される。
ＡＴＡＮ２値と領域判別信号とに基づいて、ＡＴＡＮ２値を主領域値とシフト領域値とに区分けしてシフト処理し、磁石の位置に対応する信号を出力する。これにより、往復作動部材に設けられた磁石の位置を長い距離の範囲において検出することができる。

位置検出装置が設けられたアクチュエータの一例を示す縦断面図である。 図１の平面図である。 磁気抵抗素子のパターンを示す平面図である。 （Ａ）は図３に示された磁気抵抗素子パターンの一部を相互に接続した第１ブリッジ回路を示す回路図であり、（Ｂ）は図３に示された磁気抵抗素子パターンの一部を相互に接続した第２ブリッジ回路を示す回路図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は磁石の磁界とホール素子の感度方向を示す概略図である。 位置検出装置のブロック図である。 磁石位置に対応する、位置検出装置の内部信号および計算値の一例を示すグラフであり、（Ａ）は磁気抵抗ブリッジ回路から出力されるＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を示し、（Ｂ）はＳＩＮ信号の絶対値とＣＯＳ信号の絶対値との加算値を示し、（Ｃ）はホール素子の出力電圧に基づく領域判別信号を示し、（Ｄ）はＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいて得られるＡＴＡＮ２値を示し、（Ｅ）は主領域値にシフト領域値を付加した拡大出力信号を示す。 図７の要部を示す拡大図である。 変形例である位置検出装置のブロック図である。 領域判別可能範囲を検出するための近接センサの出力波形を示す特性線図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は磁石の磁界と磁気センサの感度方向を示す概略図である。 図１１に示した磁気センサを有する位置検出装置のブロック図である。 位置検出装置が設けられるアクチュエータの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２に示されるアクチュエータ１０は、アクチュエータ本体としてのシリンダ１１を有する。往復動作部材としてのピストン１２が、シリンダ１１内に軸方向に往復移動自在に装着される。シリンダ１１およびピストン１２はアルミニウム合金等の非磁性材料により形成されており、ピストンロッド１３がピストン１２に設けられている。シリンダ１１の圧力室１４にポート１４ａから圧縮空気が供給されると、ピストンロッド１３はシリンダ１１から突出する方向に駆動される。一方、シリンダ１１の圧力室１５にポート１５ａから圧縮空気が供給されると、ピストンロッド１３はシリンダ１１内に引っ込む方向に駆動される。ピストン１２において、ピストンロッド１３が突出する端面がロッド側であり、反対側がヘッド側である。

環状の磁石１６がピストン１２に設けられる。磁石１６はピストン１２の外周面に設けられた環状溝に装着される。磁石１６は、ピストン１２の移動方向に磁化されており、ピストン１２により磁化方向に移動する。磁石１６は、例えば、ロッド側がＳ極、ヘッド側がＮ極であり、図１において符号Ｈで示す磁界が磁石１６により生成される。

シリンダ１１に対する磁石１６の軸方向位置を検出するために、センサヘッド２１がシリンダ１１に装着される。磁石１６の軸方向位置が検出されると、ピストン１２の軸方向位置を検出することができる。プリント配線基板２２がセンサヘッド２１の内部に設けられている。プリント配線基板２２はピストン１２の径方向外方に向けて設けられる。つまり、プリント配線基板２２はシリンダ１１に対して垂直に設けられる。また、プリント配線基板２２はピストン１２の往復動方向に沿って伸びている。プリント配線基板２２は表裏両面に部品搭載面２３，２４を有し、一方の部品搭載面２３に磁気抵抗ブリッジ回路２５が搭載され、他方の部品搭載面２４に磁界方向検出センサとしてホール素子２６が搭載される。

図３は磁気抵抗ブリッジ回路２５のパターンを示す平面図である。図４（Ａ）は図３に示された磁気抵抗素子のうち、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を相互に接続してブリッジ回路を構成した第１ブリッジ回路３１を示す。図４（Ｂ）は図３に示された磁気抵抗素子のうち、Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８を相互に接続してブリッジ回路を構成した第２ブリッジ回路３２を示す。

磁気抵抗素子パターンは、磁気抵抗材料を基板層２７に成膜した後、微細加工技術を用いて所定形状にパターニングされる。それぞれの磁気抵抗素子パターンは、長い短冊状のパターンと、短い短冊状のパターンとを交互に直交させて接続することにより、ミアンダ状に形成される。それぞれの磁気抵抗素子においては、長い短冊状のパターンに直交する方向に印加される磁界の変化に対して抵抗値の変化が最も大きく、最大感度を有する。これに対し、長い短冊状のパターンに沿う方向に印加される磁界の変化に対して抵抗値の変化が最も小さい。

第１ブリッジ回路３１は、図４（Ａ）に示されるように、印加される磁界の方向を第１方向Ｍ１とすると、第１の磁気抵抗素子Ｒ１は第１方向Ｍ１の磁界に最大感度を有する。一方、第２の磁気抵抗素子Ｒ２は第１方向Ｍ１に直交する第２方向Ｍ２の磁界に最大感度を有する。同様に、第３の磁気抵抗素子Ｒ３は第１方向Ｍ１の磁界に最大感度を有し、第４の磁気抵抗素子Ｒ４は第２方向Ｍ２の磁界に最大感度を有する。

第１の磁気抵抗素子Ｒ１と第４の磁気抵抗素子Ｒ４は、配線パターン３５ｂにより直列に接続されて第１の回路パターンである第１のハーフブリッジ３１ａを構成する。第２の磁気抵抗素子Ｒ２と第３の磁気抵抗素子Ｒ３は、配線パターン３５ａにより直列に接続されて第２の回路パターンである第２のハーフブリッジ３１ｂを構成する。

配線パターン３３ａの接続端３４ａには電源電圧Ｖccが印加され、配線パターン３３ｂの接続端３４ｂはグランドＧndに接続される。それぞれの配線パターン３５ａ，３５ｂの接続端３６ａ，３６ｂから出力電圧Ａ，Ｂが取り出される。このように、第１ブリッジ回路３１は４つの磁気抵抗素子を備えたフルブリッジ回路である。

第２ブリッジ回路３２は、図４（Ｂ）に示されるように、第５の磁気抵抗素子Ｒ５は第１方向Ｍ１に対して４５度傾いた第３方向Ｍ３の磁界に最大感度を有する。一方、第６の磁気抵抗素子Ｒ６は第３方向Ｍ３に直交する第４方向Ｍ４の磁界に最大感度を有する。同様に、第７の磁気抵抗素子Ｒ７は第３方向Ｍ３の磁界に最大感度を有し、第８の磁気抵抗素子Ｒ８は第４方向Ｍ４の磁界に最大感度を有する。

第５の磁気抵抗素子Ｒ５と第８の磁気抵抗素子Ｒ８は、配線パターン３９ｂにより直列に接続されて第３の回路パターンである第３のハーフブリッジ３２ａを構成する。第６の磁気抵抗素子Ｒ６と第７の磁気抵抗素子Ｒ７は、配線パターン３９ａにより直列に接続されて第４の回路パターンである第４のハーフブリッジ３２ｂを構成する。

配線パターン３７ａの接続端３８ａには電源電圧Ｖccが印加され、配線パターン３７ｂの接続端３８ｂはグランドＧndに接続される。それぞれの配線パターン３９ａ，３９ｂの接続端４０ａ，４０ｂから出力電圧Ｃ，Ｄが取り出される。このように、第２ブリッジ回路３２は４つの磁気抵抗素子を備えたフルブリッジ回路である。

図３に示されるように、８つの磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ８を構成する磁気抵抗素子パターンは、同一の基板層２７に形成される。磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４により形成される第１ブリッジ回路３１の中心部をＯとすると、磁気抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８により形成される第２ブリッジ回路３２は、中心部Ｏを中心として第１ブリッジ回路３１に対して４５度傾いている。このように、磁気抵抗ブリッジ回路２５は、第１ブリッジ回路３１と第２ブリッジ回路３２とを形成する８つの磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ８が、中心部Ｏを中心として４５度置きに基板層２７に形成されている。

磁気抵抗ブリッジ回路２５は、図２に示されるように、プリント配線基板２２の部品搭載面２３に搭載される。磁気抵抗ブリッジ回路２５に印加される磁界は、ピストン１２の位置によって異なる。ピストン１２が移動すると、第１ブリッジ回路３１は、磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁界の方向と強さの変化に応じて、第１出力信号つまりＳＩＮ信号（正弦信号）を出力する。一方、第２ブリッジ回路３２は、磁気抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８に印加される磁界の方向と強さの変化に応じて、ＳＩＮ信号に対してピストンの移動方向に位相が異なる第２出力信号つまりＣＯＳ信号（余弦信号）を出力する。この明細書においては、第１ブリッジ回路３１の出力である第１出力信号を便宜上、ＳＩＮ信号と呼び、第２ブリッジ回路３２の出力である第２出力信号を便宜上、ＣＯＳ信号と呼ぶ。第１出力信号も第２出力信号も、繰り返し信号ではないので、ＳＩＮ，ＣＯＳの定義には、正しくは当てはまらないが、便宜上そのように呼ぶ。

ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号に基づいてＡＴＡＮ２値、つまり逆正接値（arctangent）が演算される。この明細書においては、逆正接値をＡＴＡＮ２値と表記する。

このようなＡＴＡＮ２値は、磁石１６の軸方向位置に対して複数の値を有している。したがって、ＡＴＡＮ２値のみから磁石１６の軸方向位置を特定することは出来ない。しかし、例えばごく短い軸方向長さであれば、ＡＴＡＮ２値から磁石１６の軸方向位置を特定することも可能であるが、磁石１６の軸方向位置を特定することができる範囲は２ｍｍから７ｍｍ程度のストロークの範囲に限られる。この範囲は、磁石の強さや大きさ、センサヘッドと磁石との距離に依存する。

そこで、磁気センサを用いて、磁石１６の軸方向位置を特定する範囲は以下のように拡大することができる。つまり、磁石１６が磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに対して一方側の領域、つまり例えばロッドキャップ側に位置しているのか、他方側の領域、つまり例えばヘッドキャップ側に位置しているのかについて、磁気センサの出力信号に基づいて判別することができる。その詳細は、ホール素子２６を例として、図７とその説明に後述する。但し、磁気センサとしてはホール素子に限定されることはなく、磁界の方向を検出する機能を有するセンサ、つまり磁界方向検出センサであれば、なんでも良い。

図２に示されるように、磁気抵抗ブリッジ回路２５がプリント配線基板２２の部品搭載面２３に搭載されるのに対し、磁気方向検出センサの一例としてのホール素子２６は反対側の部品搭載面２４に搭載される。ホール素子２６は、磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに垂直な垂直方向線Ｕの位置に配置される。したがって、ホール素子２６は、プリント配線基板２２の厚み寸法だけ磁気抵抗ブリッジ回路２５に対して円周方向線Ｕの方向に異なる位置に配置され、磁石１６の移動方向における磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに配置される。つまり、ホール素子２６と磁気抵抗ブリッジ回路２５は、シリンダ１１の円周方向には異なる位置に配置されるが、ピストンロッド１３の移動方向に対しては、ホール素子２６と磁気抵抗ブリッジ回路２５は同じ位置に配置される。

図５は、磁石とホール素子との位置に応じて、ホール電圧つまりホール素子の出力電圧の極性を示す概略図である。

軸方向に移動する磁石１６がホール素子２６に接近すると、磁界Ｈがホール素子２６に印加される。磁界Ｈは磁石１６の移動方向である水平方向成分の磁界強度（Ｈｚ）と、移動方向に対して直角方向である垂直方向成分の磁界強度（Ｈｒ）との２つの成分に分けられる。ホール素子２６は磁石１６の移動方向つまり第１方向Ｍ１の方向に最小感度を有し、軸方向に垂直な方向つまり第２方向Ｍ２の磁界に最大感度を有する。ホール素子２６の出力は、コンパレータ２８に入力される。コンパレータ２８の出力はＨｉｇｈまたはＬｏｗの２値であり、その値に基づいて、磁石１６の位置が中心部Ｏに対して軸方向一方側に位置しているのか、他方側に位置しているのかを判別する。

このように、ホール素子２６の出力電圧の極性に対応した２つの値を領域判別信号と定義する。ホール素子２６の出力電圧がコンパレータ２８に入力される場合には、領域判別信号はコンパレータ２８の出力であるＨｉｇｈまたはＬｏｗの２値の信号である。コンパレータ２８は、ホール素子２６の出力電圧から領域判別信号を生成する領域判別手段の一例である。

図５（Ａ）のように、磁石１６がホール素子２６に対して左側（ヘッドキャップ側）に位置するときには、磁界Ｈは図中のホール素子２６の上面から下面に向く成分を有する。つまり、磁界Ｈの成分Ｈｒは負の方向であるので、ホール素子２６の出力端子電圧は例えばマイナス極性となり、コンパレータ２８の出力は例えばＨｉｇｈとなる。図５（Ｃ）のように、磁石１６がホール素子２６に対して右側（ロッドキャップ側）に位置するときには、磁界Ｈは図中のホール素子２６の下面から上面に向く成分を有する。つまり、磁界の成分Ｈｒは正の方向であるので、ホール素子２６の出力端子電圧は図５（Ａ）と逆に例えばプラス極性となり、コンパレータ２８の出力は図５（Ａ）と逆に例えばＬｏｗとなる。磁石１６が移動して、ホール素子２６と軸方向に同じ位置に位置するときに、ホール素子２６の出力端子電圧の極が切り換わる。つまり、その位置を境界として、ホール素子２６の出力端子電圧の極性は逆となり、コンパレータ２８の出力も逆となる。図５（Ｂ）は、磁石１６がそのような境界位置に位置している状況を示している。

このように、磁石１６の位置が磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに対して軸方向一方側の領域であるか、他方側の領域であるかを、ホール素子２６の出力端子電圧の極性により判別することができる。

図６は、位置検出装置のブロック図である。第１ブリッジ回路３１の出力電圧Ａ，Ｂは増幅器４１に入力され、第２ブリッジ回路３２の出力電圧Ｃ，Ｄは増幅器４２に入力される。増幅器４１の出力である第１出力信号つまりＳＩＮ信号と、増幅器４２の出力である第２出力信号つまりＣＯＳ信号は、ＡＴＡＮ２値算出部４３に送られる。ＡＴＡＮ２値演算部としてのＡＴＡＮ２値算出部４３は、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいてＡＴＡＮ２値を演算し、ＡＴＡＮ２値に対応する値を位置演算部４４に出力する。ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号からＡＴＡＮ２値を得るには、このように、位置演算部４４とは別にＡＴＡＮ２値算出部４３を設けることができるが、プログラムでＡＴＡＮ２値を得ることも出来る。

ＡＴＡＮ２値および領域判別信号であるコンパレータ２８の出力は、それぞれ位置演算部４４に送られる。

位置演算部４４により演算された磁石１６の軸方向の位置は、数値表示部４５に数値として表示される。ＬＥＤからなるインジケータ４６がセンサヘッド２１のプリント配線基板２２に設けられている。インジケータ４６は、位置演算部４４からの信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ判定部４７により点灯制御され、ピストン１２が所定の範囲内に位置したときに点灯する。

位置演算部４４は、Ｄ／Ａ変換部４８、バッファー４９を介して磁石１６の軸方向位置に対応するアナログ信号を、アナログ出力端５０に出力する。位置演算部４４は、第１出力端５１〜第４出力端５４に対して出力判定・ドライバー回路５５を介して位置信号を出力する。設定値が、数値設定部５６から出力判定部・ドライバー回路５５に入力される。数値設定部５６を操作することにより、第１出力端５１〜第４出力端５４をオン・オフする検出位置つまり設定値が入力される。数値設定部５６によって磁石１６の検出位置を設定すると、磁石１６が設定された位置に到達したときに、それぞれの出力端５１〜５４がオン信号を外部機器に対して出力する。磁石１６の検出位置は数値設定部５６によって４箇所まで設定できる。アナログ出力端５０からの信号に基づけば、外部回路によって多数の位置を検出することができる。

図７は、位置検出装置における磁石１６の位置を算出するための信号の一例を示すグラフであり、図８は図７の要部を示す拡大図である。

図７においては、磁気抵抗ブリッジ回路２５のＳＩＮ信号とＣＯＳ信号、ホール素子２６のホール電圧の極性に対応する領域判別信号と、それらの信号から算出される値が、磁石１６を備えたピストン１２の位置に応じて変化することが示されている。上述のように、第１ブリッジ回路３１からはＳＩＮ信号が出力され、第２ブリッジ回路３２からは、ＳＩＮ信号に対して位相が異なるＣＯＳ信号が出力される。出力されたそれぞれの信号の電圧は、無磁界時には０Ｖとなるようにオフセットされ、出力電圧の最大振幅が１Ｖ〜−１Ｖの範囲となるように、増幅器４１，４２により増幅される。

図７（Ａ）は、増幅後におけるＳＩＮ信号とＣＯＳ信号を示す。磁石１６がセンサヘッド２１から軸方向に大きく離れていると、第１ブリッジ回路３１と第２ブリッジ回路３２に印加される磁界が低いため、図７（Ａ）の横軸０から３０付近に示されるように、磁石１６の位置の変化に対するＳＩＮ信号とＣＯＳ信号の変化率は低い。図７（Ａ）の横軸４０から８０付近に示されるように、磁石１６がセンサヘッド２１に近づくと、磁界が大きくなるとともに、磁石１６の位置の変化に対する磁界の方向の変化も大きい。従って、磁気抵抗素子の抵抗値も大きく変化し、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号の変化率も大きい。

図７（Ｂ）は、ＳＩＮ信号の絶対値とＣＯＳ信号の絶対値との加算値（|SIN|＋|COS|）を示し、加算値は位置演算部４４により演算される。図７（Ｃ）はホール素子２６により得られる領域判別信号を示す。

磁石１６がセンサヘッド２１に近づくと、図７（Ｂ）に示す加算値が大きくなり、ホール素子２６にも領域判定可能な強度の磁界が印加される。逆に、磁石１６がセンサヘッド２１から離れて、図７（Ｂ）に示す加算値が小さい場合には、ホール素子２６に印加される磁界も小さく、コンパレータ２８の出力がホール素子２６の出力に対応しないことがあるから、領域判別信号Ｅを使って判別することはできない。

このことは、以下の場合に生じる。磁石１６がセンサヘッド２１から離れている場合には、電源投入直後のコンパレータ２８の出力信号つまり領域判別信号は、磁石１６の位置が中心部Ｏに対して軸方向一方側に位置しているのか、他方側に位置しているのかに対応しない場合がある。つまり、電源投入直後の領域判別信号は不確定である。しかし、ピストン１２が一度、端から端まで移動してしまえば、コンパレータ２８の出力はラッチされるので、領域判別信号は、磁石１６の位置が中心部Ｏに対して軸方向一方側に位置しているのか、他方側に位置しているのかに対応する。このように、電源投入直後の領域判別信号は不確定であることに対応して、領域判別可能範囲Ｅの範囲に限定して領域判別信号を採用する。

このように、コンパレータ２８の出力が中心部Ｏの軸方向一方側または軸方向他方側に対応する領域、つまり、図７（Ｂ）の領域判別可能範囲Ｅに限ってコンパレータ２８の出力を採用する。これによって、磁石１６の位置が中心部Ｏに対して軸方向一方側に位置しているのか、他方側に位置しているのかを、コンパレータ２８の出力で判別できる。ＳＩＮ信号の絶対値とＣＯＳ信号の絶対値との加算値から領域判別可能範囲Ｅを判別するための領域判別可能閾値Ｘは、安定した領域判別信号を選択できるように、実用上適切な値に決定される。

領域判別可能閾値Ｘを低すぎる値に設定すると、図７（Ｂ）と図７（Ｃ）から理解されるように、領域判別可能範囲Ｅは、領域判別信号が有効である範囲よりも広くなってしまう。すると、図７（Ｃ）のＦ点の左側の領域、つまり使えない領域を含んで、領域判別信号を用いることになるので、不都合である。このような不都合が生じないように、領域判別可能閾値Ｘは実用上適切な値に設定される。

図７（Ｃ）のＦ位置よりも右側の領域ではホール素子２６の出力電圧の極性は安定しているが、Ｆ位置における加算値（|SIN|＋|COS|）よりも高い値を領域判別可能閾値Ｘとして設定することにより、ホール素子２６の出力電圧の極性がより安定する領域を用いることができる。このように、ホール素子２６の出力電圧の極性に対応するＨｉｇｈまたはＬｏｗの値、つまり領域判別信号を、領域判別可能範囲Ｅの範囲に限定して採用し、それ以外の範囲では採用しない。採用しないとは、位置演算部４４は磁石１６の位置を演算せず、磁石１６の位置に対応する信号を出力しない、という意味である。

磁石１６の位置が磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに対して一方側の領域に位置しているか、他方側の領域に位置しているかを示す領域判別信号が切り換わる位置は、図７（Ｃ）に示す領域切換点Ｍの位置である。

図７（Ｄ）は、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とに基づいて得られるＡＴＡＮ２値を示す。

領域判別可能範囲Ｅの範囲外では、領域判別信号は採用されない。領域判別信号はこのような範囲に限定して用いられるので、電源投入直後のコンパレータ２８の出力信号が不確定であるという障害は回避される。

ＡＴＡＮ２値は、主領域値とシフト領域値とを有している。主領域値は、磁石１６が磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏの近くに位置する主領域Ｐにおける値であり、一次関数に近い形で連続的に変化する。シフト領域値は、主領域Ｐを外れたシフト領域Ｋ１，Ｋ２における値である。主領域ＰにおけるＡＴＡＮ２値は、−πから＋πの連続した値をとり、その範囲において磁石１６の軸方向位置に対応してほぼ直線的に変化する。磁石１６がシフト領域Ｋ１から主領域Ｐに移動すると、ＡＴＡＮ２値は折返し点ａにおいて＋πから−πの値に、不連続に変化する。一方、磁石１６が折返し点ｂを通過して主領域Ｐからシフト領域Ｋ２に移動すると、ＡＴＡＮ２値は、＋πから−πの値に、不連続に変化する。

図７（Ｂ）において領域判別可能閾値Ｘを基準に定めた領域判別可能範囲Ｅと、その領域判別可能範囲Ｅの範囲内において図７（Ｃ）に示した領域判別信号Ｈｉｇｈ，Ｌｏｗを元に、ＡＴＡＮ２値を図７（Ｄ）のように操作して、図７（Ｅ）の最終結果を得る。その手順は以下の通りである。

ＡＴＡＮ２値において、ゼロからπの間の１つの値をプラス側シフト閾値ｈとする。同様に、ＡＴＡＮ２値において、−πからゼロの間の１つの値をマイナス側シフト閾値ｅとする。大小関係で示せば、−π ＜ ｅ ＜０ ＜ ｈ ＜ ＋π となる。プラス側シフト閾値ｈとマイナス側シフト閾値ｅの絶対値が同じあってもよいが、同じでなくても差し支えない。

図７（Ｃ）に示す領域判別信号がＬｏｗであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がマイナス側シフト閾値ｅからゼロの間であるときには、検出不可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値は採用しない。領域判別信号がＨｉｇｈであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がマイナス側シフト閾値ｅからゼロの間であるときには、検出可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値を採用する。採用されたＡＴＡＮ２値はそのまま位置演算部４４から出力される。そのときには、磁石１６の位置とＡＴＡＮ２値は１対１に対応するからである。それは、図７（Ｅ）の区間Ｔに対応する。更に、領域判別信号がＨｉｇｈであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がマイナス側シフト閾値ｅから−πの場合も検出可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値を採用する。採用されたＡＴＡＮ２値はそのまま位置演算部４４から出力される。それは、図７（Ｅ）の区間Ｓに対応する。

図７（Ｃ）に示す領域判別信号がＨｉｇｈであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がゼロからプラス側シフト閾値ｈの間であるときには、検出不可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値は採用しない。領域判別信号がＬｏｗであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がゼロからプラス側シフト閾値ｈの間であるときには、検出可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値を採用する。採用されたＡＴＡＮ２値はそのまま位置演算部４４から出力される。それは、図７（Ｅ）の区間Ｖに対応する。更に、領域判別信号がＬｏｗであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がプラス側シフト閾値ｈ以上の場合も検出可能領域であると判断して、そのＡＴＡＮ２値を採用する。採用されたＡＴＡＮ２値はそのまま位置演算部４４から出力される。それは、図７（Ｅ）の区間Ｗに対応する。

以上のように、区間Ｓ，Ｔ，Ｖ，Ｗにおいて、磁石１６の位置とＡＴＡＮ２値は１対１に対応する。従って、磁石１６の位置を表す値（または信号）として、区間Ｓ，Ｔ，Ｖ，ＷのＡＴＡＮ２値を用いることが出来る。

図７（Ｃ）に示す領域判別信号がＬｏｗであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がマイナス側シフト閾値ｅ以下の場合は、ＡＴＡＮ２値に２πを加算して、位置演算部４４から出力される。これは、図７（Ｄ）のシフト領域Ｋ２の範囲に相当し、図７（Ｅ）の区間Ｘに相当する。この加算（ＡＴＡＮ２値＋２π）によって、主領域Ｐにシフト領域Ｋ２が加えられる。このような加算処理は、シフト処理と言ってもよい。領域判別信号がＬｏｗであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がマイナス側シフト閾値ｅ以下の場合は、ＡＴＡＮ２値と磁石１６の位置は１対１に対応する。このように、ホール素子２６の出力に基づく領域判別信号を利用することによって、主領域Ｐの主領域値にシフト領域Ｋ２のシフト領域値を加え、検出範囲を拡張することが可能となる。

図７（Ｃ）に示す領域判別信号がＨｉｇｈであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がプラス側シフト閾値ｈ以上の場合は、ＡＴＡＮ２値から２πを減算して、位置演算部４４から出力される。これは、図７（Ｄ）のシフト領域Ｋ１の範囲に相当し、図７（Ｅ）の区間Ｒに相当する。この減算（ＡＴＡＮ２値−２π）によって、主領域Ｐにシフト領域Ｋ１が加えられる。このような減算処理は、シフト処理と言ってもよい。領域判別信号がＨｉｇｈであって、かつ、ＡＴＡＮ２値がプラス側シフト閾値ｈ以上の場合は、ＡＴＡＮ２値と磁石１６の位置は１対１に対応する。このように、ホール素子２６の出力に基づく領域判別信号を利用することによって、主領域Ｐの主領域値にシフト領域Ｋ１のシフト領域値を加え、検出範囲を拡張することが可能となる。

以上のように、図７（Ｂ）の領域判別可能範囲Ｅの範囲内において、図７（Ｃ）の領域判別信号に基づいて、図７（Ｄ）のＡＴＡＮ２値がゼロと閾値ｅ、ｈにより複数の区分に分けられる。特に、図７（Ｄ）のシフト領域Ｋ１とＫ２に対応するＡＴＡＮ２値を、主領域ＰのＡＴＡＮ２値の拡張として利用することにより、ＡＴＡＮ２値は連続した値として得られるので、図７（Ｅ）に示すように検出範囲は拡張されて検出範囲Ｑの拡大出力値を得ることができる。

従来の検出範囲は、前述のように２ｍｍから７ｍｍ程度であったが、本発明においては検出範囲が拡張されて１０ｍｍから２５ｍｍ程度とすることが出来た。この範囲は、磁石の強さや大きさ、センサヘッドと磁石との距離に依存する。

プラス側シフト閾値ｈを図示する場合よりも低い値に設定すると、検出範囲Ｑを図７（Ｅ）に示される範囲よりも拡大することができる。同様に、マイナス側シフト閾値ｅを図示する場合よりも高い値に設定すると、検出範囲Ｑを拡大することができる。しかし、そのようにすると、拡大されたシフト領域Ｋ１，Ｋ２において、磁石１６の位置の変化に対するＡＴＡＮ２値の変化率が小さくなり、その部分の分解能が低下する。そこで、要求される仕様に基づき、検出範囲Ｑにおける位置検出誤差を小さくすることができる値として、つまり許容される分解能に応じてプラス側シフト閾値ｈとマイナス側シフト閾値ｅが設定される。

図９は変形例である位置検出装置のブロック図である。上述した図６においては、ＡＴＡＮ２値算出部４３と位置演算部４４とＯＮ／ＯＦＦ判定部４７と出力判定部・ドライバー回路５５を別個のものとして構成している。これに対し、図９においては、ＣＰＵからなる演算処理部６０の内部プログラムにより、ＡＴＡＮ２値算出部４３と位置演算部４４ａとＯＮ／ＯＦＦ判定部４７と出力判定部６１が構成される。出力判定部６１は、図６における出力判定部・ドライバー回路５５のうち、ドライバー回路の機能を除く部分に機能を備えている。図９においては、演算処理部６０による機能構成が示されている。また、ＡＴＡＮ２値算出部４３を独立したＩＣとして構成すれば、ＡＴＡＮ２値の演算時間が短縮され、全体の処理時間が短縮される。

上述のように、ＳＩＮ信号の絶対値とＣＯＳ信号の絶対値との加算値（|SIN|＋|COS|）が、領域判別可能閾値Ｘを超えているときに、図７（Ｃ）に示す領域判定信号を採用する実施例を示したが、加算値（|SIN|＋|COS|）を、ＳＩＮ信号の二乗の値とＣＯＳ信号の二乗の値との加算値に置き換えても良い。さらには、磁石１６を有するピストン１２がセンサヘッド２１に接近したときに増加し、離れたときに減少するような演算値を、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号から演算すればよく、ＳＩＮ信号の絶対値とＣＯＳ信号の絶対値との加算値（|SIN|＋|COS|）とか、ＳＩＮ信号の二乗の値とＣＯＳ信号の二乗の値との加算値はその一例に過ぎない。

さらに、磁石の接近を検出する近接センサを、磁気抵抗ブリッジ回路２５とホール素子２６に加えてセンサヘッド２１を付加し、加算値（|SIN|＋|COS|）に基づいて領域判別可能範囲Ｅを求めることなく、近接センサの信号に基づいて領域判別可能範囲Ｅを得るようにしても良い。

図１０は、領域判別可能範囲Ｅを検出するための近接センサの出力波形を示す特性線図である。近接センサとしては、図４に示した第１ブリッジ回路３１または第２ブリッジ回路３２と同様に磁気抵抗素子を備えた回路構成のものが使用される。そのような回路構成を有する近接センサにおいては、図１０に示されるように、近接センサの出力が領域判別可能閾値Ｘを越えたか否かにより、領域判別可能範囲Ｅを得ることができる。

このように、磁気抵抗ブリッジ回路２５のＳＩＮ信号とＣＯＳ信号からなんらかの演算値を得るとか、磁気抵抗ブリッジ回路２５とホール素子２６に加えて、別途設けられる近接センサなどの信号を利用するなどして、ピストン１２に装着されている磁石１６が、センサヘッド２１に近づいたことを検出・判断できればよいのである。

磁界方向検出センサとしては、磁界の方向に応じた出力信号を出力し、最大感度方向が第２方向に沿うように配置されるセンサであれば、ホール素子２６に代えて、磁気センサ２６ａを使用することができる。

図１１（Ａ）〜（Ｅ）は、そのような磁気センサ２６ａの磁石の磁界に対する感度方向を示す概略図である。図１２は、図１１に示した磁気センサ２６ａを有する位置検出装置のブロック図である。磁気センサ２６ａは、アルプス電気(株)製のHGPJPM001Aである。

図１１（Ａ）のように、磁石１６が磁気センサ２６ａに対して左側に位置するときには、磁界Ｈは磁気センサ２６ａの上面から下面に向く成分を有する。つまり、磁界Ｈの成分Ｈｒは負の方向であるので、磁気センサ２６ａの出力電圧Ｖは、図１１（Ｄ）に示されるようにＨｉｇｈとなる。一方、図１１（Ｃ）のように、磁石１６が磁気センサ２６ａに対して右側に位置するときには、磁界Ｈは磁気センサ２６ａの下面から上面に向く成分を有する。つまり、磁界の成分Ｈｒは正の方向であるので、ホール素子２６の出力電圧ＶはＬｏｗとなる。磁石１６が磁気センサ２６ａに接近すると、磁石１６が磁気センサ２６ａの左側から右側に移動するときと、逆に移動するときとで、ヒステリシスを持って、磁気センサ２６ａの出力電圧Ｖが変化する。なお、磁気センサ２６ａの取り付け方向が１８０度異なれば、出力電圧ＶのＨｉｇｈとＬｏｗは入れ替わる。磁石１６の取り付け方向が逆になった場合も、出力電圧ＶのＨｉｇｈとＬｏｗは入れ替わる。そのような入れ替わりに対しては、内部のプログラムで対応することが出来る。

このように、磁石１６の位置が磁気抵抗ブリッジ回路２５の中心部Ｏに対して軸方向一方側の領域であるか、他方側の領域であるかを、磁気センサ２６ａの出力電圧により判別することができる。

図１は、位置検出装置が設けられたシリンダ１１を示すが、この位置検出装置は、シリンダ１１に限られることなく、被加工物等を把持するハンドを開閉駆動するためのアクチュエータ等にも適用することができる。

図１３は、位置検出装置が設けられるアクチュエータの変形例を示す断面図である。このアクチュエータは被加工物を把持するためのエアハンド１０ａである。エアハンド１０ａは、非磁性材料からなるアクチュエータ本体７１を有している。往復動部材としてのピストン１２がアクチュエータ本体７１の内部に軸方向に往復動自在に装着され、ピストン１２はピストンロッド１３に設けられている。ピストンロッド１３の一端部は、アクチュエータ本体７１の一端部に設けられたスリット７２内に突出し、２つのＬ字形状の駆動レバー７３ａ，７３ｂが支点ピン７４ａ、７４ｂによりスリット７２内に旋回運動自在に支持されている。

ロッドピン７５がピストンロッド１３の先端に取り付けられ、ロッドピン７５はそれぞれの駆動レバーの基端部に設けられた係合溝７６ａ、７６ｂに摺動自在に係合している。被加工物等を把持するフィンガーとしての２つの摺動レバー７７ａ、７７ｂがアクチュエータ本体７１の先端部に設けられている。それぞれの摺動レバー７７ａ、７７ｂはアクチュエータ本体７１に取り付けられたガイドリング７８ａ、７８ｂにより、ピストンロッド１３の往復動方向に対して直角方向に摺動自在である。スライドピン７９が摺動レバー７７ａに設けられ、スライドピン７９は駆動レバー７３ａの先端部に設けられた係合溝８１に摺動自在に係合し、駆動レバー７３ａの揺動により駆動される。同様に、他の摺動レバー７７ｂは、図示しないスライドピンが駆動レバー７３ｂの先端部に設けられた図示しない係合溝に摺動自在に係合し、駆動レバー７３ｂの揺動により駆動される。

アクチュエータ本体７１に設けられたカバー８２とピストン１２とにより区画される突出用の圧力室８３ａに流体を供給すると、ピストンロッド１３が突出駆動される。これにより、２つの摺動レバー７７ａ、７７ｂは駆動レバー７３ａ、７３ｂを介して最も離れた位置に駆動される。一方、後退用の圧力室８３ｂに流体を供給すると、ピストンロッド１３が図１０に示す位置に後退移動される。これにより、２つの摺動レバー７７ａ、７７ｂは駆動レバー７３ａ、７３ｂを介して最接近した位置に駆動される。

このように、２つの摺動レバー７７ａ、７７ｂが接近移動する把持動作により被加工物等がエアハンド１０ａにより把持され、２つの摺動レバー７７ａ、７７ｂが離反移動する開放動作により被加工物等の把持が解除される。ピストン１２に設けられた磁石１６の位置により、摺動レバー７７ａ、７７ｂの把持位置が検出される。磁石１６の位置を検出するために、図１に示したセンサヘッド２１がアクチュエータ本体７１に装着される。

このように、往復動部材により被加工物等を把持するハンドを開閉駆動するためのエアハンド１０ａにも上述した位置検出装置を適用することができる。

それぞれのアクチュエータにおいては、磁石１６の位置は、ピストン１２等の往復作動部材の位置に対応する。アクチュエータの種類に応じて、主領域値のみにより往復作動部材の位置を検出するか、または主領域値にシフト領域値を付加した検出範囲Ｑの拡大出力により往復作動部材の位置を検出するかを、選択することもできる。

図３および図４に示される磁気抵抗ブリッジ回路２５においては、第１ブリッジ回路３１と第２ブリッジ回路３２はそれぞれフルブリッジ回路であるが、それぞれをハーフブリッジ回路としても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１および図２は、空気圧によってピストンロッドを直線往復動するアクチュエータ１０を示すが、液圧等のように空気圧以外の流体圧によってピストンロッドを直線往復動するアクチュエータにも本発明を適用することができる。

１０ アクチュエータ
１２ ピストン
１６ 磁石
２１ センサヘッド
２２ プリント配線基板
２５ 磁気抵抗ブリッジ回路
２６ ホール素子
２６ａ 磁気センサ
３１ 第１ブリッジ回路
３１ａ 第１の回路パターン
３１ｂ 第２の回路パターン
３２ 第２ブリッジ回路
３２ａ 第３の回路パターン
３２ｂ 第４の回路パターン
４３ ＡＴＡＮ２値算出回路
Ｋ１ シフト領域
Ｋ２ シフト領域
Ｐ 主領域
Ｑ 検出範囲
Ｒ１〜Ｒ８ 磁気抵抗素子
ｅ マイナス側シフト閾値
ｈ プラス側シフト閾値
ｘ 領域判別可能閾値

Claims (12)

1. 磁化方向に移動する磁石の位置を検出する位置検出装置であって、
   前記磁化方向である第１方向の磁界に最大感度を有する磁気抵抗素子、および前記第１方向に直交する第２方向の磁界に最大感度を有する磁気抵抗素子を備え、ＳＩＮ信号を出力する第１ブリッジ回路と、
   前記第１方向に対して４５度傾く第３方向に最大感度を有する磁気抵抗素子、および前記第３方向に直交する第４方向に最大感度を有する磁気抵抗素子を備え、ＣＯＳ信号を出力する第２ブリッジ回路と、
   磁界の方向に応じた出力信号を出力し、最大感度方向が前記第２の方向に沿うように配置される磁界方向検出センサと、
   前記磁石が、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の中心部に対して、移動方向一方側の領域に位置しているか、移動方向他方側の領域に位置しているかを、前記磁界方向検出センサの出力電圧の極性によって判別する領域判別手段と、
   を有する位置検出装置。
2. 請求項１記載の位置検出装置において、前記領域判別手段は、前記磁界方向検出センサの前記出力電圧が入力され、前記極性に対応する２値の領域判別信号を出力する、位置検出装置。
3. 請求項１または２記載の位置検出装置において、前記磁石の移動方向に対して、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の前記中心部と、前記磁界方向検出センサは同じ位置に配置される、位置検出装置。
4. 請求項３記載の位置検出装置において、表裏両面に部品搭載面が設けられたプリント配線基板を有し、前記磁気抵抗素子が前記プリント配線基板の一方の部品搭載面に搭載され、前記プリント配線基板の他方の部品搭載面に前記磁界方向検出センサが搭載される、位置検出装置。
5. 請求項２記載の位置検出装置において、前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号とに基づいてＡＴＡＮ２値を演算するＡＴＡＮ２値演算部と、前記領域判別信号と前記ＡＴＡＮ２値とに基づいて前記磁石の位置を演算する位置演算部と、を有する位置検出装置。
6. 請求項５記載の位置検出装置において、前記ＳＩＮ信号と前記ＣＯＳ信号からの演算値が領域判別可能を判定する領域判別可能閾値を越えたときに前記位置演算部は前記磁石の位置を演算する、位置検出装置。
7. 請求項５記載の位置検出装置において、前記磁石が前記中心部に接近することを検出する近接センサを有し、前記近接センサが前記磁石の接近を検出したときに前記位置演算部は前記磁石の位置を演算する、位置検出装置。
8. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置検出装置において、
   前記第１ブリッジ回路は、
   前記第１方向の磁界に最大感度を有する第１の磁気抵抗素子、および前記第２方向の磁界に最大感度を有する第２の磁気抵抗素子からなる第１の回路パターンと、前記第１方向の磁界に最大感度を有する第３の磁気抵抗素子、および前記第２方向の磁界に最大感度を有する第４の磁気抵抗素子からなる第２の回路パターンとを有するフルブリッジ回路であり、
   前記第２ブリッジ回路は、
   前記第３方向の磁界に最大感度を有する第５の磁気抵抗素子、および前記第４方向の磁界に最大感度を有する第６の磁気抵抗素子からなる第３の回路パターンと、前記第３方向の磁界に最大感度を有する第７の磁気抵抗素子、および前記第４方向の磁界に最大感度を有する第８の磁気抵抗素子からなる第４の回路パターンとを有するフルブリッジ回路である、位置検出装置。
9. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の位置検出装置において、前記ＡＴＡＮ２値のうち主領域値により前記磁石の位置を演算する、位置検出装置。
10. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の位置検出装置において、前記ＡＴＡＮ２値のうちシフト領域におけるシフト閾値と前記ＡＴＡＮ２値の折返し点との間のシフト領域値を、前記ＡＴＡＮ２値の主領域値にシフトして付加し、シフト領域値が付加された拡大出力値を演算する、位置検出装置。
11. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置検出装置において、前記磁界方向検出センサはホール素子である、位置検出装置。
12. 流体圧によって往復動作部材を駆動するアクチュエータであって、
    前記往復動作部材に設けられる磁石と、
    請求項１記載の位置検出装置と、
    を有するアクチュエータ。

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