位置检测设备及其使用的控制器 【技术领域】
本发明涉及检测移动部件的位置的位置检测技术，所述移动部件例如由流体压力缸驱动的活塞，所述流体压力缸使用液体压力或空气压力作为工作介质。
背景技术
流体压力缸具有缸筒和活塞杆，该缸筒内含有活塞，该活塞杆向其外部突出并附着到活塞上，其中活塞杆通过向缸筒提供诸如压缩空气这样的流体来被线性驱动，所述压缩空气是工作介质。旋转致动器具有安装有向外突出的转动轴的外壳以及被包含在其中的叶片或齿条活塞，其中转动轴经由叶片或齿条活塞通过将流体提供到外壳中来而被驱动。
因此，为了自动检测包含在各种致动器(诸如缸筒或旋转致动器)中的诸如活塞这样的移动部件的位置，使用了位置检测设备。专利文件1公开的位置检测设备具有传感器头(即传感器块)，其中包含有感测(响应于)附着到移动部件的磁铁的磁力的磁性传感器，即MR传感器(磁阻元件)。传感器头附着到诸如缸筒或外壳这样的致动器主体上，以及检测信号从传感器头被发送到控制器。
在包含在传感器头中的磁性传感器中，由于电阻根据磁铁的磁场的大小而改变，所以磁性传感器根据附着到移动部件的磁铁的位置来输出模拟信号。因此，当磁铁随着移动部件一起移动并之后移动到磁性传感器感测到磁力的预定检测冲程范围内时，磁性传感器检测到移动部件在检测冲程范围内。此外，磁性传感器基于来自磁性传感器的输出信号来检测移动部件的位置。
当磁铁位于磁性传感器响应于磁力的上述检测冲程范围内时，安装在传感器头的发光二极管(即LED)由包含在传感器头中的信号处理电路点亮。
现有技术文档
专利文档
专利文档1：日本专利特许公开申请案号8-334305
【发明内容】
当基于来自磁性传感器的输出信号而检测到移动部件已经到达设定在检测冲程范围内的位置时，控制器向外部主机等输出信号。通过对控制器安装显示单元，关于移动部件相对于传感器头的位置的信息可以通过控制器来进行数字地显示，所述显示单元基于来自磁性传感器的输出信号通过使用数值等显示移动部件的位置。
同时，当移动部件到达检测冲程范围内时，安装到传感器头的LED由包含在传感器头中的信号处理电路点亮。
例如，在包含有通过流体而线性地往复运动的活塞的缸筒中，包括磁性传感器的传感器头附着到缸筒上以检测装备磁铁的活塞(具有磁铁的活塞)是否到达往复运动的末端位置或者往复运动的中间位置。装备磁铁的活塞的位置不能通过从外部直接观看来确认。因此，对于将传感器头附着在沿着活塞移动方向形成于缸筒中的传感器附着槽内的任意位置的操作员来说，下面的程序已经被常规地采用。
首先，为了设定将要由磁性传感器检测的活塞的位置，设定从缸筒开始的活塞杆的突出长度。在活塞杆已经具有设定突出长度的情况下，传感器头被插入到缸筒的传感器附着槽，并通过人工操作沿着传感器附着槽移动。当传感器头接近活塞的磁铁时，关于磁铁相对于传感器头的位置信息被用数字显示在控制器的显示单元上。因此，根据显示在显示单元上的位置信息，传感器头将要附着的位置被确定。一旦确定了附着的位置，则拧紧安装于传感器头的紧固螺钉，从而传感器头被固定在预定位置。
磁性传感器的检测冲程被设定为例如，大约5mm。操作员可以通过安装在传感器头的LED的发光而意识到磁铁位于相对于磁性传感器的检测冲程范围内。然而，将检测冲程范围内的哪个位置作为传感器头的附着/固定位置不能由安装在传感器头的LED的发光来确定，而是需要观察控制器的数字显示单元的位置信息。
为此，为了寻找传感器头相对于缸筒的最佳附着位置，在视觉上观察到用数字显示在控制器的数字显示单元上的位置信息的同时，确定磁性传感器在检测冲程范围内的哪个位置来感测磁力。例如，如果显示单元用百分比显示磁性传感器的检测冲程范围，并且如果在显示器上指示大约50％的位置被设定为最佳位置，则传感器头沿着传感器附着槽移动，并通过紧固螺钉固定在显示器单元的值指示大约50％的位置处。
因此，在视觉上观察到控制器的显示或输出时设定传感器头的附着位置。因此，为了通过紧固螺钉将传感器头固定在最佳位置，控制器需要安装在操作员附近。然而，当安装到工业产品的生产线的液压缸被附着到复杂和大型的生产设备时，液压缸通常被放置在远离控制器的地方。为此，为了寻找传感器头相对于液压缸的最佳附着位置，以及为了在接近液压缸的位置视觉地观察控制器的显示单元，需要将控制器从原始附着位置拆除，之后延伸电线以使控制器位于液压缸的附着位置处。该操作是麻烦和困难的。
还有一种方法，其中一个操作员视觉地观察控制器的显示单元；另一个操作员调节并移动传感器头的位置；以及两个操作员之间进行语言通信来寻找传感器头的最佳附着位置。然而，该操作也是麻烦和困难的。
本发明的一个目标是能够容易地执行传感器头对于致动器的附着操作。
一种根据本发明的用于从致动器主体外部检测具有磁铁的移动部件的位置的位置检测设备，所述具有磁铁的移动部件可移动地包含在致动器主体中，所述位置检测设备包括：传感器头，该传感器头安装有磁性传感器和LED，所述磁性传感器感测磁铁的磁力以输出输出信号，所述LED根据移动部件的位置而被点亮；控制器，该控制器经由电缆连接到传感器头来基于从磁性传感器输出的输出信号控制LED的发光和熄灭。
在根据本发明的位置检测设备中，控制器包括：计算块，基于所述输出信号来计算磁铁的位置信息；发光位置设定块，设定用于导致LED被点亮的发光位置；显示单元，用于显示所述位置信息；以及比较块，用于在来自计算块的位置信息指示发光位置时将发光信号输出到LED。此外，在根据本发明的位置检测设备中，发光位置设定块设定由移动部件在移动方向上移动的第一位置和第二位置限定的发光范围，以及比较块在来自计算块的位置信息指示发光范围时将发光信号输出到LED。
一种根据本发明的用于从致动器主体外部检测具有磁铁的移动部件的位置的位置检测设备，所述具有磁铁的移动部件可移动地包含在致动器主体中，所述位置检测设备包括：传感器头，该传感器头安装有磁性传感器和LED，所述磁性传感器感测磁铁的磁力以输出输出信号，所述LED根据移动部件的位置而被点亮；控制器，该控制器经由电缆连接到传感器头来基于从磁性传感器输出的输出信号控制LED的发光和熄灭，其中，所述控制器包括：计算块，基于所述输出信号来计算磁铁的位置信息；发光位置设定块，设定由移动部件在移动方向上移动的第一位置和第二位置限定的发光范围；显示单元，用于显示所述位置信息；以及比较块，用于在来自计算块的位置信息指示发光范围时将发光信号输出到LED。
一种根据本发明的控制器，该控制器经由电缆连接到传感器头，该传感器头安装有磁性传感器和LED，所述磁性传感器从致动器主体外部感测移动部件的磁铁的磁力，所述移动部件可移动地包含在致动器主体中，所述LED根据移动部件的位置而被点亮，并且该控制器基于来自磁性传感器的输出信号来将控制信号输出到外部，该控制器包括：计算块，基于从磁性传感器输出的输出信号来计算磁铁的位置信息；发光位置设定块，设定LED被点亮的发光位置；显示单元，用于显示所述位置信息；以及比较块，用于在来自计算块的位置信息指示发光位置时将发光信号输出到LED。在根据本发明的控制器中，发光位置设定块设定由移动部件在移动方向上移动的第一位置和第二位置限定的发光范围，以及比较块在来自计算块的位置信息指示发光范围时将发光信号输出到LED。
在本发明中，包含在致动器主体内的、具有磁铁的移动部件的位置由安装在致动器主体外部的传感器头的磁性传感器检测，并且安装在传感器头中的LED的发光和熄灭由来自远离传感器头的控制器的信号进行控制。因此，当传感器头被附着到致动器主体时，操作员可以通过视觉地观察安装在传感器头中的LED来容易地确定传感器头的最佳附着位置，从而可以容易地执行传感器头的附着操作。
【附图说明】
图1是示出了根据本发明的位置检测设备所安装于其上的致动器的透视图；
图2是沿着图1中的2-2线获得的截面图；
图3是传感器头的放大的透视图；
图4A是示出了磁性传感器的基本结构的示例的示意图，以及图4B是在图4A中示出的磁性传感器的等效电路图；以及
图5是示出了图1中示出的控制器中的控制电路的框图。
【具体实施方式】
下面，将基于附图详细描述本发明的实施方式。
在图1中示出的致动器10是气压缸，并具有缸筒11。缸筒11的外环表面接近于方形，并且缸孔12形成于缸筒11的内部以在纵向贯穿。如图2所示，顶盖13附着到缸筒11的一端，杆盖(rod cover)14附着到缸筒11的另一端。在被顶盖13和杆盖14包围的缸孔12内，包含轴向往复运动地、作为移动部件的活塞15，并且活塞杆16附着到活塞15上。活塞杆16贯穿形成于杆盖14中的通孔，并向外突出。
缸孔12的内部被活塞15分割为两个压力室17a和17b。形成于缸筒11中的是与压力室17a连通的入口/排出口18a，以及与压力室17b连通的入口/排出口18b。当将压缩空气从入口/排出口18a供应到压力室17a时，活塞15向图2中的左边移动。当将压缩空气从入口/排出口18b供应到压力室17b时，活塞15在相反方向上向后移动。
活塞15安装有磁铁19。传感器附着槽21形成于缸筒11中，传感器头20附着到传感器附着槽21中的任意一者从而在纵向延伸。如图1中所示，在缸筒11的4个外表面中的每一个外表面中都形成两个传感器附着槽21，因此总共8个传感器附着槽21形成于缸筒11中。传感器头20可以安装到多个传感器附着槽21中的至少一者中。每个传感器附着槽21都具有在缸筒11外部开口的开口部分21a，以及具有比开口部分21a宽的宽度的容纳部分21b。
图3是传感器头20的放大透视图。传感器头20具有壳体22，该壳体22由树脂制成，该壳体22的横截面形状对应于传感器附着槽21的横截面形状。由于螺钉23安装到壳体22上，所以传感器头20被螺钉23固定在传感器附着槽21任意纵向位置处。包含进壳体22中的是磁性传感器24和发光二极管(即LED 25)。如图1中所示，传感器头20经由电缆26连接到插头27。
插头27可拆卸地连接到控制器30的控制器壳31。可拆卸地连接到控制器壳31的是插头33，电源和信号输出电缆32连接到插头33。控制器壳31具有基座壳体34以及附着到基座壳体34上的显示单元壳体35。
图4A是示出了磁性传感器24的基本结构的示例的示意图；以及图4B是在图4A中示出的磁性传感器24的等效电路图。
如图4A中所示，磁性传感器24具有8个形成于衬底上的磁阻元件1-8。各个磁阻元件1-8连续地互相延伸，并与衬底平行，相邻的磁阻元件相对彼此倾斜45度。如图4B中所示，8个磁阻元件1-8形成两组全桥电路，所以磁性传感器24是双全桥类型。通过各自的全桥电路，形成了磁阻元件桥电路A(24a)以及磁阻元件桥电路B(24b)。
在图1和图2中示出的实例中，传感器头20附着到缸筒11的基本轴向的中心部分。当作为移动部件的活塞15在磁性传感器24的检测冲程“S”范围内时，磁性传感器24感测磁铁19的磁力并根据磁铁的位置输出输出信号。由于磁性传感器24是双全桥类型，所以两个磁阻元件桥电路24a和24b中的每一个都输出两个输出信号，所述两个输出信号相对于磁铁19的轴向具有90度的相位差。因此，基于来自两个磁阻元件桥电路24a和24b的具有相位差的输出信号，通过任意计算可以得到磁铁19到达检测冲程S范围内的哪个位置。
图5是示出了在图1中示出的传感器头20和控制器30中的控制电路的框图。控制器30具有计算块41，来自两个磁阻元件桥电路24a和24b的输出信号由放大器36a和36b放大后输入到计算块41中。计算块41基于来自磁性传感器24的两个磁阻元件桥电路24a和24b的输出信号来计算磁铁19的位置信息信号。该位置信息信号输出为电压信号，该电压信号在磁铁19到达检测冲程S范围的一端并之后向另一端移动时线性地改变。
为了基于所述位置信息信号显示在检测冲程S范围内的磁铁相对于磁性传感器24的位置，如图1中所示，数字显示单元42安装在控制器30的显示单元壳体35的前表面上。数字显示单元42可以以任意尺度或比例的显示形式来显示。例如，如果假设当磁铁到达检测冲程S范围的一端时显示数值0，当到达另一端时显示100，则检测冲程S范围以被平均划分为100个以显示“0”至“100”的数值的尺度来被显示。在这种情况下，当检测冲程S范围为5mm时，通过数字显示单元42以0.05mm间隔的尺度进行显示。而且，当检测冲程S范围以被平均划分为500个以显示0至500的数值的尺度来被显示时，通过数字显示单元42以0.01mm间隔的尺度进行显示。从计算块41获得的位置信息信号通过缩放块43进行缩放处理，并使用设定尺度而显示在数字显示单元42上。
当磁铁19到达检测冲程S范围内的任意位置时，传感器头20的LED 25被控制器30设定来发光。例如，假设使用数值“0”至“500”在数字显示单元42上显示5mm的检测冲程S范围，以及假设当磁铁19移动到检测冲程S范围的中间位置时才点亮LED 25，则LED 25在数值250被显示在数字显示单元42上时被点亮。否则，LED 25处于被熄灭的状态。
如果提供了包括LED 25被点亮的位置的范围，则当作为移动部件的活塞15位于其移动方向上偏移的两个位置之间的区域内时，LED 25被点亮。为此，例如，如果当活塞15在中间位置时，LED 25被点亮，则两个位置之间的区域变成发光范围。如果提供了发光范围，则例如，当数值“245”至“255”被显示在数字显示单元42上时，LED 25被点亮。在这种情况下，当移动部件落入在检测范围S的中间位置附近0.1mm的范围内时，LED 25被点亮。
如图1中所示，为了使得LED 25在磁铁19到达检测范围S的预定发光范围内时被点亮，在控制器30的显示单元壳体35的前表面上提供了向上键44、向下键45以及模式键46。这些键44-46形成发光范围输入单元。为了输入LED 25被点亮的发光范围，操作模式键46来从范围设定模式中选择设定发光范围的上限值的模式。在该状态下，当操作向上键44或向下键45来使得上限值(例如在上述实例中的数值“255”)在数字显示单元42上被显示并然后操作模式键46时，该上限值被输入。类似地，例如，当在通过操作向上键44或向下键45来将数值“245”显示为数字显示单元42上的下限值的条件下操作模式键46时，该下限值被输入。这些所输入的值中的每个值都存储在控制器30中的存储器(未示出)中。
控制器30安装有设定块47，该设定块47设定由上限值和下限值限定的LED 25的发光范围，该上限值和下限值通过每个键的操作来被输入。如图5中所示，控制器30具有比较块48，该比较块48比较从缩放块43输出的位置信息信号和从设定块47输出的发光范围信号。当来自计算块41的位置信息信号落入发光范围内时，计算块48将发光信号发送到控制器30的LED驱动电路49，从而LED 25由控制器30驱动和点亮。以这种方式，LED 25的发光和熄灭通过经由电缆26从控制器30发送到传感器头20的驱动信号来控制。
当发光信号从比较块48发送到LED 25时，还同时发送到开启/关闭显示单元51的LED。如图1中所示，开启/关闭显示单元51被安装在键44-46中的每一个键与数字显示单元42之间。如图1中所示，4个传感器头20连接到插头27，并且控制器30安装有对应于4个传感器头20的4个开启/关闭显示单元51。在图1中，4个开启/关闭显示单元51由对应于4个传感器头20的参考字符“a”至“d”表示。因此，当开启/关闭显示单元51a基于来自图1中所示的传感器头20的磁性传感器24的输出信号而被点亮时，即，如果图2中所示的活塞15到达预定发光范围内，则开启/关闭显示单元51a被点亮。对应于传感器头20的活塞15的位置信息显示在数字显示单元42上，通过所述位置信息，开启/关闭显示单元51a被点亮。
来自磁性传感器24的位置信息信号经由信号线52从缩放块43发送到诸如外部主机或主计算机这样的外部控制装置。类似地，开启/关闭输出信号经由驱动器53从比较块48发送到所述外部控制装置。例如，为了将压缩空气供应到气压缸以使得当活塞15在预定位置时停止，驱动信号经由信号线54从驱动器53发送到电磁阀控制器(未示出)来用于开启和关闭气压流路径。
如上所述，控制器30通过电缆26连接到传感器头20，并设置在远离传感器头20的位置处，从而基于来自磁性传感器24的输出信号显示活塞15的位置信息的数字显示单元42在设置在远离传感器头20的位置处的控制器30上进行显示。因此，在将传感器头20附着到缸筒11时，采取以下常规的方式：为了在传感器头20在缸筒11的纵向上移动期间通过视觉地观察显示在数字显示单元42上的数值来设定传感器头20的附着位置，需要移动控制器30来靠近缸筒11，或者当不移动控制器30时，通过在控制器30侧和在缸筒侧的两个操作员来执行附着操作。该附着操作是困难的。
相比之下，在根据本发明的位置检测设备中，当磁性传感器24与磁铁19之间的相对位置落入通过任意键的操作所输入的发光范围时，由于LED25根据来自控制器30的信号被点亮，如果传感器头20的LED 25在视觉上被观察到，则操作员可以确定传感器头20是否在适当的位置。为此，可以容易地执行传感器头20到缸筒11的附着操作。即，例如，当磁性传感器24检测到活塞15在预定中间位置时，活塞杆16首先被设定为突出到预定长度的状态。在这种情况下，操作员沿着缸筒11的纵向移动传感器头20，从而使得磁性传感器24在相对于活塞15的磁铁19的预定发光范围内移动。当传感器头20到达发光范围内时，LED 25根据来自控制器30的信号被点亮，从而传感器头20可以被容易地固定在最佳附着位置，不需要观察数字显示单元42的数值或者与观察数字显示单元42的另一个操作员一起执行合作操作。
例如，如上所述，如果设定了LED 25的发光范围以使得LED 25在数值“245”-“255”被显示在数字显示单元42上时被点亮，则安装在传感器头20中的LED 25在传感器头20到达发光范围内时被点亮。因此，操作员可以在不需要视觉地观察数字显示单元42的情况下仅通过移动传感器头20和观察LED 25的发光来确定最佳附着位置，并且可以将传感器头20固定在最佳位置。
由于发光范围如上所述被提供，所以当操作员移动传感器头20时，即使传感器头20在移动传感器头20时被轻微移动，仍保持LED 25的发光范围。因此，传感器头20的附着操作更加方便。即，如上所述，当发光范围由数值0-500进行显示时，如果发光位置被设定在一个点，并且如果在传感器头20的移动期间发生0.01mm的位移，则从发光转换到熄灭。然而，例如，如果发光范围被设定为“245”-“255”，则发光冲程范围变为0.1mm，从而方便了通过移动传感器头20来设定最佳位置。在以这种方式设定最佳附着位置之后，通过拧紧螺钉23来将传感器头20固定到缸筒11。
如果发光范围被设定为具有大的冲程范围，则附着位置具有一些大的误差。为了消除这些误差，发光范围可以被设定为窄的范围，或者发光位置可以仅设定在用数字显示的一个点而不是提供任何范围。注意，代替将发光位置设定在用数字显示的一个点的是，如果预先设定发光范围的系统不仅位于所设置的一个点处，而且位于该点周围的预定冲程范围内，例如，位于所设定的点周围的0.1mm的范围内，则方便于设定最佳位置。
因此，为了在附着传感器头20的情况下驱动活塞杆16，压缩空气被从外部提供到缸筒11。当活塞15从冲程末端的位置靠近中间位置以导致磁铁19到达磁性传感器23的检测冲程S范围内时，传感器头20的磁性传感器24感测磁铁19的磁力以将输出信号输出到计算块41。基于来自磁性传感器24的输出信号，指示磁铁19位于检测冲程S范围内的哪个位置的位置信息被用数字显示在数字显示单元42上。同时，位置信息信号经由信号线52作为模拟信号输出到外部控制装置。当类似于控制器30的数字显示单元的数字显示单元被安装到外部控制装置时，位置信息被显示在外部控制装置的显示单元上。此外，基于位置信息，还可以驱使和控制其它驱动装置。
当磁铁19到达设定发光范围内或在发光位置处时，发光范围或位置显示在数字显示单元42上，并且LED 25从熄灭状态转换到发光状态。在LED25发光的同时，开启/关闭显示单元51的LED中任意一个LED被点亮，而且，开启/关闭信号通过信号线54被输出到外部控制装置。基于该开启/关闭输出信号，控制信号被发送到流体路径转换电磁阀，例如，用于停止将压缩空气供应到气压缸。
为了检测活塞15的中间位置，在图1中示出的气压缸安装有传感器头20。当活塞15在向前极限位置和在向后极限位置时，用于检测向前极限位置和在向后极限位置的、在缸筒11上的其它传感器头20的安装意味着将各个传感器头附着到其它传感器附着槽21。因此，当磁性传感器检测到活塞15已经到达往复运动冲程范围的末端的位置时，在活塞杆16被拉到向前极限位置的状态下执行附着用于检测向前极限位置的另一传感器头的操作，以及在活塞杆16缩回到向后极限位置的状态下执行附着用于检测向后极限位置的又一传感器头的操作。
本发明不局限于上面描述的实施方式，并且可以在不背离本发明的主旨的范围内做出不同地改变。例如，在图1和2中示出了作为致动器的气压缸，传感器头20安装到致动器，但致动器并不限于气压缸。磁铁的位置还可以通过将传感器头20安装到使用油压作为工作介质的油压缸，或者安装到通过叶片或齿条活塞使其转动轴往复运动的旋转致动器来进行检测。
传感器头20到致动器主体的附着不限于如图1所示的附着到传感器附着槽21，还可以附着到没有传感器附着槽的类型的致动器主体。在这种情况下，传感器头20通过使用绑箍(binding band)等附着到致动器主体的外表面。而且，在这种情况下，传感器头20的壳体22的横截面形状可以优选为四边形，与图中所示出的形状不同。
工业适用性
根据本发明的位置检测设备可应用于其活塞杆往复运动的液压缸。