JP2010256169A - リニアスケール - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の移動方向に沿って複数のコイルを配列したリニアスケイールにおいて、磁気マークの有無と極性とを高い周波数で検出する。
【解決手段】リニアスケールのコイルアレイにリニアホール素子を併設し、そのリニアホール素子に駆動信号として正弦波を加え、リニアホール素子の出力と位相を駆動信号の正弦波と比較することにより、磁石の有無と極性とを判別する。
【選択図】図２

Description

この発明はリニアスケールに関し、特に磁気マークの有無と極性とを高い周波数で検出することに関する。

発明者は、移動体にリニアスケールを設けて、地上側の磁気マークを検出することにより、移動体のモーションコントロールを行うことを検討している。リニアスケールにはコイルアレイを設け、複数個のコイルを１ピッチとして、複数のピッチをコイルアレイに設け、どのピッチで磁気マークを検出しているかはホール素子で検出する（特許文献１：JP2009-2660A）。

図５に従来技術の問題点を示すと、ピッチの境界付近にホール素子１４を設け、例えば磁気マーク２２のN極を検出しているとする。仮に磁気マークでの永久磁石の向きが誤っていると、磁気マークは図５の２３で示す位置にあり、ピッチの検出を誤るおそれがある。この問題を解決するには、S極とN極とを極性を識別しながら検出することが必要で、例えばホール素子１４が図５の左から右へ移動している場合、磁気マーク２２ではN，Sの順に検出し、磁気マーク２３ではS，Nの順に検出するので、磁気マーク２２，２３を区別できる。さらに移動体のモーションコントロールでは、例えば１０KHz以上の高い周波数で位置を検出することが必要で、高い周波数で極性を識別しながらS極とN極とを検出する必要がある。図５の問題を解決するため、図６の参考例のように、N極検出用のホール素子１４−１とS極検出用のホール素子１４−２を並列に配置することも考えられるが、２個のホール素子が必要で、かつ信号処理回路も複雑になる。

JP2009-2660A

この発明の課題は、磁気マークの有無と極性とを高い周波数で検出することにある。

この発明は、移動体の位置を検出するために、移動体の移動方向に沿って複数のコイルを配列したコイルアレイにより、移動体の移動経路に沿って地上側に設けられた磁石を検出するリニアスケールであって、
前記コイルアレイにリニアホール素子を併設し、即ちコイルアレイに沿ってリニアホール素子を設け、
前記ホール素子に正弦波を加えると共に、前記正弦波に対するリニアホール素子の出力と位相とにより、磁石の有無と極性とを判別するための駆動回路を設ける。

この発明では、リニアホール素子の出力により、即ち出力の大小により、磁石の有無を検出し、励磁用の正弦波に対する出力の位相から磁石の極性を判定する。このため１個のホール素子で磁石の有無と極性とを判定でき、さらに図３等により説明するように、高速で判定できる。従って、磁石が逆向きに配置されている場合等にも対応でき、かつ移動体のモーションコントロールに適した位置信号がリニアスケールから得られる。

好ましくは、前記駆動回路は、前記正弦波の位相角が０°〜１８０°の領域と、１８０°〜３６０°の領域で、各々前記ホール素子の出力を閾値と比較することにより、磁石の有無と極性とを判別する。このようにすると、位相角が０°〜１８０°の領域でN極とS極の一方を検出し、位相角が１８０°〜３６０°の領域でN極とS極の他方を検出でき、極性の判別回路を単純化できる。より好ましくは、前記駆動回路は、前記位相角が０°〜１８０°の領域の１点と、前記１点に位相角で１８０°加えた点とでのみ、前記ホール素子の出力を閾値と比較する。このようにすると、判別回路は位相角が０°〜１８０°の領域で１点と、前記１点に位相角で１８０°加えた他の１点とでのみ動作すれば良く、判別回路をさらに単純化できる。

また好ましくは、前記正弦波で前記コイルアレイを励磁することを特徴とする、請求項１または２のリニアスケール。このようにすると、ホール素子の励磁用の電源とコイルアレイの励磁用の電源とを共通にでき、駆動回路を単純化できる。

実施例のリニアスケールのブロック図 実施例でのコイルアレイとホール素子からの信号処理を示すブロック図 実施例でのホール素子等の信号波形を示す図で、 1)は励磁信号の電圧波形を、 2)はS極検出時の演算増幅器の出力とデジタルトランジスタの出力を、 3)はN極検出時の演算増幅器の出力とデジタルトランジスタの出力を、 4)はS／Nの中点及び磁石未検出の際の、演算増幅器の出力を示す。 変形例でのホール素子の信号処理を示すブロック図 従来例の問題点を示す図 図５の問題を解決するための参考例を示す図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図４に、実施例のリニアスケール２とその変形とを示す。リニアスケール２は、図示しない移動体の移動方向を長手方向とするコイルアレイ４を備え、６は磁芯で、コイルアレイ４の両端に好ましくはダミーコイル８，９を設ける。コイルアレイ４では、コイル１０を複数個磁芯６上に巻き付け、例えば４個のコイル１０を１組として１ピッチ１２とし、コイルアレイ４はピッチ１２を複数個、例えば１０ピッチ備えている。コイルアレイの長手方向に沿って、リニア出力タイプ、即ち磁束に対してリニアな出力が得られる、ホール素子１４を少なくとも１個、好ましくは複数個設け、例えばコイルアレイ４の左右両端と、ピッチ１２，１２間の境界にホール素子１４を配置する。コイルアレイ４とダミーコイル８，９並びにホール素子１４により、リニアスケール２の検出ヘッド１５を構成する。

１６は処理回路で、ホール素子１４からの信号によりどのピッチで磁気マーク２２を検出しているのかを求め、コイルアレイ４からの信号によりピッチに対する磁気マーク２２の位置を求める。ダミーコイル８，９はコイルアレイ４の両側方外側にある磁気マークの有無を検出し、設けなくても良い。正弦波電源１８はコイルアレイ４、ダミーコイル８，９、及びホール素子１４に角周波数ωの正弦波を加え、正弦波出力は正相電圧をV1，逆相電圧をV2とし、これらを励磁信号と言うことがある。カウンタ２０は角周波数ωの位相信号ωtを生成し、正弦波電源１８と処理回路１６とに供給する。

移動体は、例えば天井走行車、地上を有軌道で走行する有軌道台車、スタッカークレーン、工作機械のヘッド、移載装置のヘッドなどとし、その移動方向に沿って磁気マーク２２が複数配列され、磁気マーク２２はヨーク２４に永久磁石２５を取り付けたものである。

図２に、コイルアレイ４並びにホール素子１４からの信号の処理を示す。カウンタ２０は位相信号ωtを生成し、正弦波電源１８内のテーブル２６はこの信号をsinωtに変換し、ＤＡコンバータ２８でアナログ信号に変換して、出力電圧V1，V2でコイルアレイ４並びにホール素子１４を駆動する。なお例えば１１個のホール素子１４は、出力電圧V1，V2で並列に駆動する。

各ピッチ１２は例えば４個のコイル１０−１〜１０−４から成り、これらを例えばブリッジ状に配置して、ブリッジ出力を演算増幅器A1，A2で増幅する。なお実施例では１０個のピッチ１２からの信号を、共通の演算増幅器A1，A2で処理するが、ピッチ１２毎に一対の演算増幅器を設けても良い。１ピッチに対する磁気マーク２２の位相をθで表し、θは０〜２πの間で変化する。演算増幅器A1からは例えばsinθ・sinωtの信号が得られ、演算増幅器A2からはcosθ・cosωtの信号が得られる。これを位相検出部３０に入力し、位相θを取り出す。

ホール素子１４の等価回路は、４個の磁気抵抗M1〜M4のブリッジで表すことができ、ホール素子１４毎に演算増幅器A3とデジタルトランジスタTr1並びに抵抗R1〜R5を設け、ブリッジの出力を演算増幅器A3で増幅し、デジタルトランジスタTr1で図３に示す閾値と比較し、演算増幅器A3の出力が閾値よりも大きい時に、デジタルトランジスタTr1がオンして、出力がLレベルとなる。判定部３２には１１個のホール素子１４からの信号が並列に入力され、位相信号ωtが例えば９０°と２７０°、あるいは１３０°と３１０°などの所定のタイミングでのみ、デジタルトランジスタTr1の出力を読み込み、どのピッチで磁気マーク２２を検出しているかを判定する。なおデジタルトランジスタは他のコンパレータに代えても良く、またアクティブLかアクティブHかは任意である。

オフセット補正部３４は、磁気マーク２２を検出しているピッチに応じてオフセットを補正し、補正テーブル３６ではリニアスケール２毎のデータのばらつきを補正し、位置信号ｘを出力する。このようにして移動体の位置を求め、図示しない走行制御部あるいは昇降制御部などへフィードバックすることにより、移動体のモーションコントロールを行う。

位置信号ｘの検出速度について説明すると、移動体のモーションコントロールを行うためには、例えば１０KHz以上、好ましくは２０〜１００KHz程度で位置を求めることが必要である。このため角周波数ωを、例えば１０KHz以上で好ましくは２０KHz〜１００KHzとし、ホール素子１４をこの周波数で駆動し、演算増幅器A3，デジタルトランジスタTr1もこの周波数の信号を処理する。さらにホール素子１４は磁気マーク２２のN極とS極とを区別して検出する。これに対して既存のホール素子では、N極かS極かを識別しながら、１０KHz以上の周波数で磁石中のN及びSの各磁極を検出することは困難である。

図３に実施例での信号波形を示し、1)は励磁信号V1を示し、励磁信号V2は励磁信号V1と逆相である。2)はS極検出時の演算増幅器の出力と、デジタルトランジスタの出力とを示し、ホール素子１４の出力は励磁信号と同じ周波数で変化するが遅れがあり、かつ磁気マークからの磁束に対しリニアである。そこでこの出力を演算増幅器A3で増幅し、デジタルトランジスタTr1で閾値と比較すると、2)の下側の出力が得られる。

N極検出時には3)に示すように、演算増幅器の出力は励磁信号V1とは逆相になり、演算増幅器の出力をデジタルトランジスタで閾値と比較すると、3)の下側の出力が得られる。一方、ホール素子１４が磁気マーク２２のS極とN極の中点を向いている場合、あるいは周囲に磁気マークが無い場合、ホール素子１４の出力はほぼ０で、演算増幅器の出力もデジタルトランジスタの閾値を超えることはない。従ってデジタルトランジスタ出力はHに保たれる。

励磁信号V1を基準とする所定の位相で、デジタルトランジスタの出力を読み込むことにより、磁石中の磁極の有無とその種類とを検出でき、しかも検出は周波数信号ωtに同期して行うことができる。このためモーションコントロールに必要な高い周波数で、磁気マーク２２をその極性と共に検出できる。

図２の回路では、ホール素子１４からのブリッジ出力を１個の演算増幅器A3で処理し、判定部３２でωtを基準とする所定のタイミングでのみサンプリングすることにより、S極とN極とを検出できる。このためホール素子１４当たり１個の演算増幅器A3と１個のデジタルトランジスタで駆動できる。これに対してS極の検出とN極の検出とを別個に行うこともでき、このような例を図４に示す。図４ではS極検出用の信号を演算増幅器A4とデジタルトランジスタTr2で処理し、検出結果をコンデンサC1に記憶する。またN極検出用の信号を演算増幅器A5とデジタルトランジスタTr3で処理し、検出結果をコンデンサC2で記憶する。R6〜R15は抵抗で、ホール素子１４がS極と接している間、コンデンサC1はロウに保たれ、N極と接している間、コンデンサC2はロウに保たれる。しかしながら図４の回路では、ホール素子１４毎に２組の検出回路が必要で、このため処理回路が複雑化する。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) リニア出力のホール素子で、磁石の有無とその極性とを高い周波数で検出できる。このため移動体のモーションコントロール用の信号が得られ、かつ磁気マークの向きが逆転していると認識できる。
(2) 図２の処理回路は、ホール素子１４に対して１個の演算増幅器A3と１個のデジタルトランジスタTr1でS極検出信号とN極検出信号とを取り出すことができ、処理回路を単純化できる。
(3) ホール素子１４はコイルアレイの駆動信号と同じ信号で駆動でき、かつコイルアレイ側で位置を検出するのと同じ周波数で、磁石の有無とその極性を検出できる。

２ リニアスケール
４ コイルアレイ
６ 磁芯
８，９ ダミーコイル
１０ コイル
１２ ピッチ
１４ ホール素子
１５ 検出ヘッド
１６ 処理回路
１８ 正弦波電源
２０ カウンタ
２２，２３ 磁気マーク
２４ ヨーク
２５ 永久磁石
２６ sinテーブル
２８ ＤＡコンバータ
３０ 位相検出部
３２ 判定部
３４ オフセット補正部
３６ 補正テーブル

V1，V2 励磁出力
M1〜M4 磁気抵抗
A1〜A5 演算増幅器
Vcc 回路電源
Tr1〜Tr3 デジタルトランジスタ
R1〜R15 抵抗
C1，C2 コンデンサ

Claims (4)

1. 移動体の位置を検出するために、移動体の移動方向に沿って複数のコイルを配列したコイルアレイにより、移動体の移動経路に沿って地上側に設けられた磁石を検出するリニアスケールであって、
   前記コイルアレイに併設したリニアホール素子と、
   前記ホール素子に正弦波を加えると共に、前記正弦波に対するリニアホール素子の出力と位相とにより、磁石の有無と極性とを判別するための駆動回路とを設けたことを特徴とする、リニアスケール。
2. 前記駆動回路は、前記正弦波の位相角が０°〜１８０°の領域と、１８０°〜３６０°の領域で、各々前記ホール素子の出力を閾値と比較することにより、磁石の有無と極性とを判別することを特徴とする、請求項１のリニアスケール。
3. 前記駆動回路は、前記位相角が０°〜１８０°の領域の１点と、前記１点に位相角で１８０°加えた点とでのみ、前記ホール素子の出力を閾値と比較することを特徴とする、請求項２のリニアスケール。
4. 前記正弦波で前記コイルアレイを励磁することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかのリニアスケール。

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