JP5007753B2 - 位置センサ - Google Patents

Description

この発明は、走行台車、移載装置、工作機械のヘッドあるいはワーク等の、移動体の位置を検出する位置センサに関する。

出願人は、走行台車、搬送装置、移載装置、工作機械のヘッドあるいはワーク等の移動体の位置を測定するセンサを開発した(例えば特許文献１：JP2009-2660A)。この位置センサでは、磁性体と非磁性体との組合せ、あるいは磁石等を用いたマークと、コイルアレイとを用い、マーク基準の位置を求める。即ちコイルアレイからの出力信号の位相が、マークとの相対位置により変化することを用いて、マーク基準の位置を求める。またマークが複数ある場合、マーク毎のオフセットを記憶し、マーク基準の位置に加算し、絶対的な位置とする。

ここで位置を測定するレンジ、例えば移動体の移動ストローク、あるいは走行経路の全長等、が長い場合を考える。測定レンジが長い場合に連続的に位置を検出するには、移動体の左右に少なくとも一対の位置センサを設け、マークを移動体の移動経路の左右に設けて、常時いずれかの位置センサでマークを検出することが有効である(特許文献２：JP2008-140144A)。しかしながら発明者は、左右一対の位置センサを切り替える際に、移動体の位置の指示値が不連続に変化することを見出した。位置が不連続に変化すると、位置センサからの指示値により動作するサーボシステムに、大きなノイズを入力することになる。

JP2009-2660A JP2008-140144A

この発明の課題は、複数のセンサ部を設けて位置を連続的に検出する際に、位置センサが重複して位置を出力する区間で、出力位置が不連続に変化しないようにすることにある。

この発明は、位置を求めるための複数のセンサ部を備え、用いるセンサ部を切り替えながら移動体の位置を出力する位置センサにおいて、
前記複数のセンサ部は各々コイルアレイから成り、
複数のコイルアレイを駆動する共通の駆動電源と、
コイルアレイの出力を位置に変換する検出回路と、
前記検出回路を複数のコイルアレイ間で兼用するように、複数のコイルアレイの出力を選択的に検出回路に入力するスイッチとを設けて、
複数のセンサ部が共に位置を出力する区間において、スイッチの切り替えにより、複数のコイルアレイからの出力を交互に共通の検出回路で位置に変換するようにすると共に、
前記区間の入口から出口まで、位置センサの出力が連続的に変化するように、前記区間では、各センサ部からの出力に基づく位置を組合せて位置センサの出力とするスムージング部を設けたことを特徴とする。

このようにすると、センサ部を切り替える際に、複数のセンサから出力が得られる区間で、位置の出力(指示値)が不連続に変化しない。従って位置センサからの信号を用いるサーボシステムなどに負担を与えない。なお位置センサを移動体に搭載して、地上側のマークを検出しても、逆に移動体にマークを搭載して、地上側の位置センサで移動体のマークを検出して、移動体の位置を求めても良い。

好ましくは、前記区間で複数のセンサ部中の第１のセンサ部からの信号に基づく位置をＤL、第２のセンサ部からの信号に基づく位置をＤRとし、移動体の移動方向に沿った前記区間の長さをＬ1，区間内での移動体の相対位置をＸとし、第１のセンサのみが有効な側でＸ＝０，第２のセンサのみが有効な側でＸ＝Ｌ1とし、さらに Ｄ＝ＤL−(ＤL−ＤR)×Ｘ／Ｌ1 により、位置センサの出力Ｄを求める。このようにすると、簡単な補間演算で移動体の位置を求めることができ、しかもセンサ部間の出力の差を区間の全長に渡って分散されている。なお例えば一対のセンサ部の何れをL、いずれをRと呼ぶかは任意で、上記の式での添字L,Rは物理的な左右とは逆でも良い。しかしこの手法では、Ｘ＝０，Ｌ1で位置は連続であるが、滑らかには変化しない。位置を滑らかにするため、例えば ｙ＝Ｘ／Ｌ1−０.５、ＤL−ＤR＝Ｃとして、Ｃ(ｙ)＝１／(１＋exp(−ｎ・ｙ))，Ｄ＝ＤL＋Ｃ 等としても良い。これはニューラルネットワークで用いられるシグモイド関数で、nは正の数で例えば５〜１００である。この関数はｙ＝−０.５でほぼ０，０で１／２，０.５でほぼ１となる。しかし計算に指数関数が必要で、高速で位置を求めるのに適さず、ｙが０.５付近のエリアに誤差を圧縮するので、外部のサーボシステムの負担が大きくなる。

この発明ではさらに、検出回路を共用できるだけでなく、検出回路のばらつきに基づく位置の指示値の相違をキャンセルできる。位置の指示値の相違には、マークの設置精度によるもの、センサ部毎のばらつきによるものの他に、異なる検出回路を用いることによるものも含まれている。そこで共通の検出回路を用いると、検出回路に起因する差異を最初からキャンセルできる。

特に好ましくは、前記区間において、各コイルアレイからの出力に基づく位置を外挿することにより、コイルアレイ毎の仮の現在位置を求める。そして前記スムージング部では、コイルアレイ毎の仮の現在位置を組合せて、移動体の位置とする。検出回路を共用すると、センサ部を交互に用いるため、個々のセンサ部に着目すると、出力が得られる周期が２倍になる。この一方で位置を求めるには、複数のセンサ部から指示値が同時に得られていることが必要である。そこで各コイルアレイからの指示値を外挿して仮の現在位置とすると、検出回路を共用したことの影響を受けずに、常時移動体の位置を求めることができる。

実施例での磁気マークとコイルアレイ、検出回路及びスムージング部のブロック図 実施例でのコイルアレイのブロック図 実施例での検出回路とスムージング部のブロック図 コイルアレイの切り替え時のスムージングと、各コイルアレイの重みｗとを示す図 各コイルアレイからの信号による現在位置の予測と、スムージングとを示す図 スムージングのアルゴリズムを示すフローチャート 変形例での検出回路とスムージング部のブロック図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。

図１〜図７に、実施例を示す。各図において、ｍ１，ｍ２は磁気マークで、図示しない移動体、ここでは天井走行車、の走行レールに沿って左右に配置され、例えば磁性体と非磁性体との組合せ、あるいは永久磁石などからなる。位置センサ２は図示しない移動体に取り付けられ、左右一対のコイルアレイＬ，Ｒ(左右のセンサ部)と、コイルアレイＬ，Ｒを駆動する共用の交流電源回路４、共用の検出回路６、及びスムージング部８とからなる。

コイルアレイＬ，Ｒの構成は同一で、コイルアレイＬ，Ｒでのコイルの配置を図２に示す。例えばコイルＣ1-1〜コイルＣ1-4の４個のコイルが１組に配置され、同様にコイルＣ2-1〜Ｃ2-4が１組に配置され、コイルＣ3-１〜Ｃ3-4が１組に配置され、以下同様である。そして各組の４個のコイルから２個の出力が取り出され、コイルアレイの出力Ｐ1，Ｐ2となる。またコイルＣ1-1〜コイルＣ3-4等は、Ｃ1-1，Ｃ1-2、Ｃ1-3，Ｃ1-4，Ｃ2-1，Ｃ2-2…の順に直列に配置されている。

図３に検出回路６等の構成を示す。交流電源回路４は、例えばクロック回路を備えたタイマ１２と、タイマ１２からの信号によりsinωｔに相当する信号を読み出すテーブル１３、及びテーブル１３の出力をＤＡ変換して、交流波電圧に相当する信号ａ・sinωｔを出力するＤ／Ａコンバータ１４とからなっている。そして検出回路６では、交流信号sinωｔが０となるタイミングが重要で、このタイミングで後述のカウンタ２２をリセットする。検出回路６では、sin(ωｔ＋α)が０となると、タイマ１２の時計出力をラッチし、その時刻ｔiを出力させる。なおαはマークに対する位相を表すので、マーク基準の変位を表すことになり、αにオフセットを加算したものが、センサ部毎の位置の指示値である。

図２に示すように、コイルアレイＬ，Ｒからは一対の信号Ｐ1，Ｐ2が得られ、コイルアレイが２組有るので、２組の信号(Ｐ1L，Ｐ2L)，(Ｐ1R，Ｐ2R）が検出回路６へ入力される。検出回路６では、スイッチ１６で信号(Ｐ1L，Ｐ2L)と(Ｐ1R，Ｐ2R）を交互に切り替えて処理する。１８，１９は一対の演算増幅器で、演算増幅器１８で例えば ｂ・cosα・sinωｔ に対応する信号を取り出し、演算増幅器１９で ｂ・sinα・sinωｔ に対応する信号を取り出す。位相シフター２０は演算増幅器１９のωｔの位相を９０度進ませて、
ｂ・sinα・cosωｔ に相当する信号を出力する。このためには例えば ωｔ でπ／２ 分、信号を遅延させ、さらに正負を反転させる。加算器２１は演算増幅器１８からの
ｂ・cosα・sinωｔ と位相シフター２０からの ｂ・sinα・cosωｔ の信号を加算し、加法定理により ｂ・sin(ωｔ＋α) に相当する信号を出力する。

αは、磁気マークに対するコイルアレイの位置を、０〜２πの位相で表したもので、磁気マーク基準の位置である。カウンタ２２は、 sinωｔ が０となる都度、タイマ１２からの信号でリセットされ、次いで sin(ωｔ＋α) が０となるまでの時間をカウントする。逆に sin(ωｔ＋α) が０となってから、 sinωｔ が０となるまでの時間をカウントしても良い。カウンタ２２からαのデータが得られ、このデータは磁気マーク基準のデータなので、オフセット補正部３０によりオフセット補正し、移動体の位置の指示値Ｄiに変換する。ここまでの処理を、左右の磁気マークｍ１，ｍ２に対し交互に行うので、左側の磁気マークｍ１に対して指示値ＤiLとその検出時刻ｔiLの時系列データが得られ、右側の磁気マークに対し、指示値ＤiRとその検出時刻ｔiRの時系列データが得られる。これらの２種類の時系列データをメモリ３１に記憶する。

予測演算部３２は、メモリ３１でのコイルアレイＬからの時系列データから、コイルアレイＬに基づく現在位置ＤiLを予測演算する。予測演算部３２は同様に、コイルアレイＲからの時系列データから、コイルアレイＲに基づく現在位置ＤiRを予測演算する。なおコイルアレイＬのみが有効な区間では、コイルアレイＬに基づく現在位置のみを予測演算し、同様にコイルアレイＲのみが有効な区間では、コイルアレイＲに基づく現在位置のみを予測演算する。予測演算は最小限、コイルアレイＬとコイルアレイＲが共に有効な区間（重複領域）に対して行う。実施例ではスムージングとして重み付き平均を行い、スムージング部８でコイルアレイＬとコイルアレイＲに関する２つの現在位置の予測演算値を、Ｘ／Ｌ1を重みとして、図４に従って平均し、現在位置の指示値Ｄを出力する。Ｘ／Ｌ1の意味は図４に示す。

図４は、コイルアレイＬ，Ｒからの指示値のスムージングを示し、図の左側ではコイルアレイＬのみが有効で、右側ではコイルアレイＲのみが有効である。この間に、コイルアレイＬ，Ｒが共に有効な区間があり、この区間がスムージングの対象で、その長さをＬ1とする。そしてこの区間で、図４の二重線のようにスムージングする。なおこの区間で、コイルアレイＬ，Ｒからは図４の縦線のタイミングで指示値が出力され、これを予測演算部で予測演算して、連続的な指示値に変換する。信号の重みは、Ｘ＝０の区間の入口でコイルアレイＬが１００％で、Ｘ＝Ｌ1の区間の出口でコイルアレイＲが１００％で、例えばこの間、直線的に重みが変化する。

図５に、予測演算からスムージング後の指示値の算出までを模式的に示す。図５の上部は左側のコイルアレイＬからの指示値ＤLを示し、指示値は例えば交流電源信号の10kHz程度の周期で発生する。同様に右側のコイルアレイＲからの指示値ＤRも10kHz程度の周期で発生する。ここで２つのコイルアレイが共に有効な領域では、検出回路を交互に切り替えて用いるため、指示値が得られる時間間隔が他の区間の２倍となる。また一対のコイルアレイＬ，Ｒからの指示値を同時に得ることはできない。そこで予測演算により任意の時点での指示値を仮に求める。次に仮に求めた指示値を図５の下部のように重みｗにより平均して、時刻ｔでの指示値Ｄ(t)とする。重みｗはＸ／Ｌ1である。

図６に、コイルアレイＬ，Ｒが共に有効な重複区間での処理アルゴリムを示す。ステップ１でコイルアレイＬからの指示値とその検出時刻の時系列を記憶し、ステップ２でコイルアレイＲからの出力ＤRとその検出時刻ｔiの時系列を記憶する。ステップ１とステップ２は交互に実行する。ステップ３では、コイルアレイＬに対し、その時系列データから現在時刻ｒを外挿により求める。同様にステップ４でコイルアレイＲに対し、現在の指示値ＤRを外挿により求める。ステップ３，４も交互に実行する。ステップ５で２つの外挿値を重み付き平均し、現在位置とする。なおここで重複区間内での相対位置Ｘを求めることは、指示値Ｄを求めることとほぼ同等で、Ｘは例えば前回の指示値Ｄから求めたものを用いる。より精密な処理を行う場合、前回の指示値からＸを求め、それにより求めた今回の指示値Ｄにより再度Ｘを求めて、再度現在の指示値Ｄを求める。

図７は変形例の検出回路を示し、タイマ１２〜Ｄ／Ａコンバータ１４からなる共用の交流電源回路で、一対のコイルアレイＬ，Ｒを駆動する点は、図３と同様である。図７の回路では検出回路を一対設け、別々の検出回路からの出力をスムージング部８で、図４に従ってスムージングする。このためオフセット補正部３０’では、１個のコイルアレイからの指示値のみをオフセット補正し、また左右のコイルアレイからの指示値がほぼ同じ時刻に得られるので、予測演算を省略する。ただし図７の回路では、検出回路が一対必要なことに加え、左右のコイルアレイＬ，Ｒの信号を別々の検出回路で処理するので、検出回路の特性ばらつきに基づく誤差が発生する。他の点では図３の検出回路６と同様である。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) 一対のコイルから共に信号が得られる重複区間で、位置センサからの出力が不連続に変化しない。このため位置センサの信号を制御に用いるサーボシステムなどに過大な負担が加わらない。
(2) Ｄ＝ＤL−(ＤL−ＤR)×Ｘ／Ｌ1 として位置センサの出力を求めると、簡単な演算で位置を求めることができ、しかも重複区間全体に誤差を分散できる。
(3) 検出回路を共用すると、コスト的に有利であるのみでなく、検出回路のばらつきによる誤差が生じない。
(4) 予測演算部により現在位置を予測すると、検出回路を共用するため、同時には左右の指示値が得られないとの問題を解消できる。またほぼ任意の時点で現在の指示値を予測できる。さらに重複区間以外でも、コイルアレイを駆動する交流周期にかかわらず、指示値を出力できる。

２ 位置センサ
４ 交流電源回路
６ 検出回路
８ スムージング部
１０，１１ 信号線
１２ タイマ
１３ テーブル
１４ Ｄ／Ａコンバータ
１６ スイッチ
１８，１９ 演算増幅器
２０ 位相シフター
２１ 加算器
２２ カウンタ
３０ オフセット補正部
３１ メモリ
３２ 予測演算部

ｍ１，ｍ２ 磁気マーク
Ｌ，Ｒ コイルアレイ
Ｃ1-1〜Ｃ3-４ コイル
Ｄ 指示値
ｔ 時刻
Ｐ1，Ｐ2 コイルアレイの出力
Ｌ1 重複部の長さ
Ｘ 重複部内の相対座標

Claims (2)

1. 位置を求めるための複数のセンサ部を備え、用いるセンサ部を切り替えながら移動体の位置を出力する位置センサにおいて、
   前記複数のセンサ部は各々コイルアレイから成り、
   複数のコイルアレイを駆動する共通の駆動電源と、
   コイルアレイの出力を位置に変換する検出回路と、
   前記検出回路を複数のコイルアレイ間で兼用するように、複数のコイルアレイの出力を選択的に検出回路に入力するスイッチとを設けて、
   複数のセンサ部が共に位置を出力する区間において、スイッチの切り替えにより、複数のコイルアレイからの出力を交互に共通の検出回路で位置に変換するようにすると共に、
   前記区間の入口から出口まで、位置センサの出力が連続的に変化するように、前記区間では、各センサ部からの出力に基づく位置を組合せて位置センサの出力とするスムージング部を設けたことを特徴とする、位置センサ。
2. 前記区間において、各コイルアレイからの出力に基づく位置を外挿することにより、コイルアレイ毎の仮の現在位置を求めるための手段を設けて、前記スムージング部では、コイルアレイ毎の仮の現在位置を組合せて、位置センサの出力とすることを特徴とする、請求項１の位置センサ。

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