JP4919177B2 - Linear scale - Google Patents
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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。 The present invention relates to a linear scale, and more particularly to detecting the presence / absence and polarity of a magnetic mark at a high frequency.
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)。 The inventor is considering performing motion control of a moving body by providing a linear scale on the moving body and detecting a magnetic mark on the ground side. The linear scale is provided with a coil array, a plurality of coils are set as one pitch, a plurality of pitches are provided in the coil array, and the pitch at which the magnetic mark is detected is detected by a Hall element (Patent Document 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。
FIG. 5 shows the problem of the prior art. It is assumed that the
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。 An object of the present invention is to detect the presence / absence and polarity of a magnetic mark at a high frequency.
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。
In the present invention, in order to detect the position of the moving body, a magnet provided on the ground side along the moving path of the moving body is detected by a coil array in which a plurality of coils are arranged along the moving direction of the moving body. A linear scale,
A linear Hall element is provided in the coil array, that is, a linear Hall element is provided along the coil array,
A sine wave is applied to the Hall element, and a drive circuit is provided for determining the presence / absence and polarity of the magnet based on the output and phase of the linear Hall element with respect to the sine wave.
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。 In the present invention, the presence or absence of a magnet is detected based on the output of the linear Hall element, that is, based on the magnitude of the output, and the polarity of the magnet is determined from the phase of the output with respect to the exciting sine wave. For this reason, the presence / absence and polarity of a magnet can be determined by one Hall element, and further, as described with reference to FIG. Therefore, it is possible to cope with the case where the magnets are arranged in the opposite direction, and a position signal suitable for motion control of the moving body can be obtained from the linear scale.
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。 Preferably, the driving circuit compares the output of the Hall element with a threshold value in a region where the phase angle of the sine wave is 0 ° to 180 ° and a region where the phase angle is 180 ° to 360 °, respectively. And polarity. In this way, one of the N and S poles can be detected in the phase angle range of 0 ° to 180 °, and the other of the N and S poles can be detected in the phase angle range of 180 ° to 360 °. The discriminating circuit can be simplified. More preferably, the drive circuit compares the output of the Hall element with a threshold only at one point in the region where the phase angle is 0 ° to 180 ° and a point obtained by adding 180 ° to the one point in phase angle. To do. In this way, the discrimination circuit only needs to operate at one point in the phase angle range of 0 ° to 180 ° and one other point obtained by adding 180 ° to the one point in phase angle. It can be simplified.
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。
Further preferably, the coil array is excited by the sine wave, and the linear scale according to
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.
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。
1 to 4 show a
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。
The moving body is, for example, an overhead traveling vehicle, a tracked carriage that travels on a track on the ground, a stacker crane, a head of a machine tool, a head of a transfer device, and the like, and a plurality of
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。
FIG. 2 shows processing of signals from the
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。
Each
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。
The equivalent circuit of the
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。
The
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。
The detection speed of the position signal x will be described. In order to perform motion control of the moving body, it is necessary to obtain the position at, for example, 10 KHz or more, preferably about 20 to 100 KHz. Therefore, the angular frequency ω is, for example, 10 KHz or more, preferably 20 KHz to 100 KHz, the
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。
FIG. 3 shows signal waveforms in the embodiment. 1) shows the excitation signal V1, and the excitation signal V2 has a phase opposite to that of the excitation signal V1. 2) shows the output of the operational amplifier and the output of the digital transistor when the S pole is detected. The output of the
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。
When the N pole is detected, as shown in 3), the output of the operational amplifier is out of phase with the excitation signal V1, and when the output of the operational amplifier is compared with the threshold value by a digital transistor, the lower output of 3) is obtained. On the other hand, when the
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。
By reading the output of the digital transistor at a predetermined phase with the excitation signal V1 as a reference, the presence / absence and type of the magnetic pole in the magnet can be detected, and the detection can be performed in synchronization with the frequency signal ωt. Therefore, the
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。
In the circuit of FIG. 2, the bridge output from the
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。
In the embodiment, the following effects can be obtained.
(1) A linear output Hall element that can detect the presence of a magnet and its polarity at a high frequency. For this reason, a signal for motion control of the moving body is obtained, and it can be recognized that the direction of the magnetic mark is reversed.
(2) The processing circuit of FIG. 2 can extract the S pole detection signal and the N pole detection signal with one operational amplifier A3 and one digital transistor Tr1 for the
(3) The
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
2
V1, V2 excitation output
M1-M4 magnetoresistive
A1 to A5 operational amplifier
Vcc circuit power supply
Tr1-Tr3 Digital transistor
R1 ~ R15 resistance
C1, C2 capacitors
Claims (4)
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。 In order to detect the position of the moving body, a linear scale that detects a magnet provided on the ground side along the moving path of the moving body by a coil array in which a plurality of coils are arranged along the moving direction of the moving body. And
A linear Hall element attached to the coil array;
A linear scale characterized in that a sine wave is applied to the Hall element, and a drive circuit for determining the presence / absence and polarity of a magnet is provided based on the output and phase of the linear Hall element with respect to the sine wave.
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