JP5077717B2

JP5077717B2 - 磁極検出システム

Info

Publication number: JP5077717B2
Application number: JP2010091106A
Authority: JP
Inventors: 哲也清水; 敏花香
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: TW201144853A; CN102221322B; EP2378253A3; US20110248709A1; KR101393297B1; JP2011220873A; US8659290B2; EP2378253B1; SG175499A1; EP2378253A2; CN102221322A; KR20110114436A; TWI482985B

Description

この発明は移動体の位置検出などに用いる磁極検出システムに関する。

発明者らは、複数の磁極を直線状に配置した磁極アレイと、複数のコイルからなるコイルアレイとを組合せて、磁極アレイ基準の位置を検出するシステムを開発した(例えば特許文献１：JP2009-276827A)。このシステムでは、磁極は等ピッチでＮ，Ｓの極性が交互に反転するように配置され、コイルアレイは磁極を基準とする位相を検出する。この手法では、コイルアレイからは磁極アレイ内での磁極のピッチ番号を求めることができない。そこで磁極毎にコイルアレイの信号が周期的に変化することを利用し、コイルアレイからの信号が変化した周期の数をカウントして、磁極のピッチ番号を求める。しかしこのようにすると、瞬時停電等により磁極のピッチ番号のデータが失われた際に再起動が難しくなる。

磁極アレイ中の磁極のピッチ番号と、磁極に対する位相の検出は、移動体の位置の検出の他に、リニアモータの制御等に用いることができる。例えばリニアモータをリニア同期モータとし、磁極アレイ中の磁極のピッチ番号と磁極に対する位相とを検出し、リニアモータをフィードバック制御する。リニアモータの制御でも、移動体の位置検出でも、信号の周期をカウントせずに、磁極アレイ中の磁極のピッチ番号が分かると、よりトラブルに強い制御ができる。

JP2009-276827A

この発明の課題は、磁極アレイ中の磁極ピッチを、周期の繰り返し回数等の記憶を必要とするデータによらず、特定できるようにすることにある。

この発明は、複数の磁気センサを配列した第１の磁気センサアレイにより、Ｎ極とＳ極の磁極を交互に配列した磁極アレイ中の磁極を基準とする位相を検出する磁気検出システムにおいて、
前記磁極は、前記磁極アレイでの磁極の配列方向と直角な方向へ延長されているものと延長されていないものとに区分けされ、
かつ前記磁気センサアレイと平行に配置された複数の磁気センサからなる、第２の磁気センサアレイと、
第２の磁気センサアレイにより、磁極が延長されているか否かと、延長されている磁極がＮ極かＳ極かとを検出することにより、第１の磁気センサアレイが検出している磁極が、磁極アレイ中の何ピッチ目の磁極であるかを過去の検出データによらずに特定する、ピッチ特定部とを備えていることを特徴とする。

この発明では、磁極を何周期分カウントしたか等の過去の検出データによらずに、磁極ピッチを特定する。このため磁極アレイ内での磁極のピッチを確実に検出でき、停電等の影響を受けない。

この発明では、磁極アレイの磁極が延長されているか否かと磁極の極性とを組合せ、磁極を３種類に区別し、これを第２の磁気センサアレイで検出することにより、第１の磁気センサアレイが検出している磁極が、磁極アレイ中の何ピッチ目の磁極であるかを特定する。磁極の極性を無視し、磁極が延長されているか否かの２種類のマークとしても良いが、このようなものはこの発明には含まれない。なお磁極アレイ中の磁気センサアレイで検出される部分を第１磁極アレイ、第２の磁気センサアレイで検出される部分を第２磁極アレイと呼び、これらが磁極アレイの長手方向に平行に配置されていると見なすことができる。また実施例の複数個のコイルが第１の磁気センサアレイの例で、複数個のホール素子が第２の磁気センサアレイの例である。

実施例の磁極検出器のブロック図実施例での、磁極アレイと位相検出ヘッドの出力とを模式的に示す図実施例での磁極アレイの平面図位相検出ヘッドの走行方向中心位置の判別を示す図実施例での絶対位置の検出アルゴリズムを示す図実施例を利用した移動体システムのブロック図

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６に、実施例とその応用とを示す。図１は磁極検出器２を示し、磁極検出器２は磁極アレイの個々の磁極に対する位相を検出する位相検出ヘッド４と、何ピッチ目の磁極を検出しているのかを判別するピッチ判別回路６、及びオフセット補正部８とで構成されている。位相検出ヘッド４は交流電源１０と複数個(例えば４個)のコイル１１〜１４からなるコイルアレイとを備え、各コイル１１〜１４に抵抗R1〜R4が接続されている。コイルアレイは図３の磁極アレイと対向し、磁極アレイでの磁極基準の位相を検出する。P1，P2は演算増幅器で、図１のように信号を取り出す。磁極アレイの個々の磁極に対する位相をαとし、交流電源１０の出力電流をsinωtで表すと、sinα・sinωtと、cosα・sinωtの２つの信号が演算増幅器P1,P2から得られる。これらの信号を演算増幅回路１６で処理し、例えば信号sinα・sinωtをωtの位相をπ／２だけ遅延させて、sinα・cosωtとする。次にsinα・cosωtとsinα・sinωtとを加算すると、加法定理によりsin(α＋ωt)が得られる。

カウンタ２０は図示しないクロック信号をカウントし、交流電源１０からの出力電流の位相が０となったことを、例えば０クロッシング検出器１８などにより検出すると、カウンタ２０がリセットされる。回路の作用を説明するために０クロッシング検出器１８に言及したが、物理的な意味での０クロッシング検出器１８は無くても良い。例えば交流電源１０をＤＡコンバータなどで構成する場合、ＤＡコンバータへの入力が０となった時点で、カウンタ２０をリセットすれば良い。ωt＝０からα±ωt＝０までの時間等を、
sinωｔ＝０，sin(α±ωt)＝０等から、カウンタ２０でカウントするとαが求まる。そしてαは１個の磁極アレイに対する位相で、コイルアレイ１４の中心が磁極の一端に面している際に０、他端に面している際に例えば２πになり、磁極アレイに対するコイルアレイの中心の位置を表す。

実施例では磁極位相の検出のためにコイル１１〜１４を設けるが、ホール素子，磁気抵抗効果センサ，磁気インピーダンス効果センサなどの他の磁気センサを複数アレイ状に配列しても良い。そして例えば４個組もしくは２個組などの磁気センサを、磁極アレイでの１個の磁極分の幅（１ピッチ）に配置すると、個々の磁極に対する位相を検出することができる。また図１の駆動回路は単なる例で、コイルアレイから磁極に対する位相を検出する回路は、他にも種々のものが知られている。

論理回路２４は複数個のホール素子２２を備え、ホール素子２２の数は例えば５個で、３個、７個、９個、１個、…等でも良い。なお説明上、個々のホール素子を記号A…Eにより区別する。ホール素子２２は磁極アレイの磁極と同じピッチで複数個直線状に配置され、磁極アレイ上の位置に応じて一意に定まる信号の組合せを出力する。ホール素子２２は、N，S，磁極無しの３種類の状態を区別できるものとするが、磁極の有無の２種類の状態を区別するものでも良い。またホール素子に代えて、コイル，磁気抵抗効果センサ，磁気インピーダンス効果センサ等の磁気センサでもよい。なおホール素子２２等の磁気センサを、磁極アレイでの磁極の配列ピッチの１／２ピッチ等に、磁極アレイよりも精細に配置すると、磁極と磁極の境界を通過する際などにピッチ番号が一時的に不明になることがない。

ホール素子A〜Eからの５素子の信号の組合せは、磁極アレイ上の位置に応じて一意に定まる。論理回路２４は、個別のホール素子A〜Eの信号の組合せと、磁極アレイ上の位置との関係を記載したテーブルなどを記憶し、磁極アレイ上のピッチ番号、即ち磁極ピッチの番号を出力する。テーブルはホール素子A〜Eの信号の組合せを、磁極ピッチに変換する手段の例で、論理回路２４はホール素子A〜Eの信号の組合せを磁極ピッチに変換する手段である。磁極ピッチ番号を、図６に示すリニアモータ４２の制御部４４へ入力する。

オフセット補正部８は、どの磁極アレイを検出しているのかのデータと、磁極アレイ内での磁極のピッチ番号とを、個々の磁極内の基準位置、例えば磁極の一端の絶対位置に変換する。この変換を実施例ではオフセット補正と呼び、例えばオフセット補正部８は、磁極毎にそのオフセットを記憶し、あるいは磁極アレイ毎のオフセットを記憶して、磁極アレイ内では各磁極が等ピッチで配置されていると仮定して、磁極の幅を記憶する。オフセット補正部８は、磁極アレイのID（どの磁極アレイを検出中かのデータ）と、検出中の磁極のピッチ番号、及び磁極内での位相αとの組合せから、絶対位置を出力する。なおリニアモータの制御のみを行う場合、オフセット補正部８は不要である。

図２に磁極アレイ３０での磁極の配列と、位相検出ヘッドからの出力との関係を示す。磁極アレイ３０は例えば２０個の磁極で構成され、磁極毎にN，Sが反転するように、等ピッチで配置され、個々の磁極は配列方向に沿っての長さが一定である。磁極と磁極とのピッチ、即ち隣接した磁極の中心線間の間隔を、磁極のピッチという。位相検出ヘッドは、現在どの磁極を検出しているのかを知ることはできず、現在検出中の磁極に対する位相を０°〜360°等の位相として出力する。

図３に磁極アレイ３０の構成を示す。磁極アレイ３０は、アレイ３０の長手方向と直角な方向での長さが長い長磁石３６と、この方向での長さが短い短磁石３８との組合せで構成されている。磁石３６，３８の数は合計で例えば２０個で、磁極の各ピッチを、長磁石で極性がＮ、長磁石で極性がＳ、短磁石で極性がない、の３種類に区別する。５ピッチ分のピッチの種類をピッチ判別回路の５個のホール素子で検出すると、可能な信号の組合せは３^５となり、この中から不適切なものを除くと、例えば数十〜１００通り程度までの磁極ピッチの配列を区別できる。そこで、５個のホール素子からの出力の組合せにより、磁極アレイ３０上のピッチ番号を一意に特定できる。なおホール素子の数を増すと、磁極アレイ３０のピッチ数を増しても、ピッチ番号を一意に特定できる。

磁極アレイ３０では、隣り合う磁石３６，３８等がN，Sの極性が反転するように配置されている。また長磁石３６，短磁石３８はアレイ３０の長手方向に沿った長さが共通で、異なるのは長手方向と直角な方向での長さである。そして磁極アレイ３０は、第１磁極アレイ３２と第２の磁極アレイ３４とを、移動体の移動方向に平行に配置したものということができる。第１磁極アレイ３２は、リニアモータの２次側となりかつ位相検出ヘッドにより磁極内位相を検出するためのものである。第２磁極アレイ３４は、ホール素子等の磁気センサにより、磁極アレイ内のピッチ番号を特定するためのものである。図３の矢印で示した境界線よりも下側の部分が第１磁極アレイ３２で、この境界線よりも上側の部分が第２磁極アレイ３４である。

以上のようにして、第１磁極アレイ３２と平行に第２磁極アレイ３４を構成し、第２磁極アレイ３４でのＮ，Ｓの極性と磁極無しの３種類の状態を例えば５個のホール素子により検出する。長磁石３６と短磁石３８との組合せで第２磁極アレイ３４を構成するのは、アレイ３０の構成を容易にするためである。第２磁極アレイ３４に用いる磁極を第１磁極アレイ３２とは物理的に別のものとしてもよいが、このようなものはこの発明には含まれない。

また磁極アレイ３０がさらに長くなると、第２磁極アレイ３４を図３のように１列のアレイとして構成すると、磁極ピッチ番号の判別が困難になることがある。そのような場合、第２磁極アレイ３４を例えば２列以上に配置すればよい。例えば用いる磁石を長，中，短の３種類として、第２磁極アレイ３４を２列の平行な磁極の列とする。そして第１磁極アレイ３２に隣接した列では、磁極の長さが長と中とを同じものとし、短の磁石と区別する。次ぎの列では、長の磁石と、中及び短の磁石とを区別する。なお実施例では、磁極アレイ３０はリニアモータの２次側であるが、リニアモータの２次側とは別個に設けても良い。またリニアモータと関係なく移動体の位置の認識に用いてもよい。

図４に、磁極アレイ３０上でのピッチ番号に基づく、ホール素子A〜Eの出力パターンを示す。出力パターンは位相検出ヘッドの中心が何ピッチ目の磁極に面しているかで表し、図３の第２磁極アレイ３４の配置により、図４のように位相検出ヘッド４が検出している磁極を一意に定める信号が得られる。

図５に実施例での処理を示し、ホール素子アレイにより磁極アレイ内での磁極のピッチ番号を検出する。コイルアレイでは検出中の磁極に対する位相を求め、これらを組合せて移動体の絶対位置を求める。また何ピッチ目の磁極に対してどの位相にあるかにより、リニアモータへの制御信号を発生する。

図６は実施例を利用した移動体４０を示し、移動体４０の走行経路に沿って磁極アレイ３０が配置され、リニアモータ４２はリニア同期モータなどからなり、磁極アレイ３０中の第１磁極アレイの部分を２次側として利用する。そして磁極検出器２により、磁極アレイ３０に対する相対位置を求め、制御部４４によりリニアモータ４２を制御すると共に、移動体４０の絶対位置を求める。なお任意の位置での絶対位置を求める場合、磁極アレイ３０をより狭い間隔で配置する。またリニアモータ４２の制御のみを目的とする場合、絶対位置の算出は不要である。実施例では、移動体４０側にリニアモータ４２と磁極検出器２とを配置したが、地上側にこれらを配置して、移動体側に磁極アレイ３０を配置しても良い。移動体は、天井走行車、有軌道台車等の搬送台車の他に、移載装置、工作機械のヘッド、ワークの搬送装置などでも良い。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) 磁極アレイ３０の何ピッチ目の磁極を検出しているのかを求め、リニアモータの制御にフィードバックできる。
(2) 第１磁極アレイ３２と第２磁極アレイ３４とを、長磁石３６と短磁石３８の組合せで構成すると、簡単に磁極アレイ３０を構成できる。
(3) より長い磁極アレイに対して磁極アレイ中のピッチ番号を求めるには、第２磁極アレイ３４を例えば平行に２列以上配置するか、ホール素子等の磁気センサの数を増すと良い。

なおホール素子A…Eを磁極アレイの配列方向と直角に配置し、各磁極毎に５ビット相当のデータ量を持つ磁気マーク、あるいは光学的マーク等を配置しても良いが、このようなものはこの発明には含まれない。またこのようにすると、実施例で長磁石３６と短磁石３８の組合せで実現しているマークを、例えば２０種類のマークで実現する必要が生じ不効率である。

２磁極検出器
４位相検出ヘッド
６ピッチ判別回路
８オフセット補正部
１０交流電源
１１〜１４コイル
１６演算回路
１８０クロッシング検出器
２０カウンタ
２２ホール素子
２４論理回路
３０磁極アレイ
３２第１磁極アレイ
３４第２磁極アレイ
３６長磁石
３８短磁石
４０移動体
４２リニアモータ
４４制御部

R1〜R4 抵抗
P1,P2 演算増幅器

Claims

複数の磁気センサを配列した第１の磁気センサアレイにより、Ｎ極とＳ極の磁極を交互に配列した磁極アレイ中の磁極を基準とする位相を検出する磁気検出システムにおいて、
前記磁極は、前記磁極アレイでの磁極の配列方向と直角な方向へ延長されているものと延長されていないものとに区分けされ、
かつ前記磁気センサアレイと平行に配置された複数の磁気センサからなる、第２の磁気センサアレイと、
第２の磁気センサアレイにより、磁極が延長されているか否かと、延長されている磁極がＮ極かＳ極かとを検出することにより、第１の磁気センサアレイが検出している磁極が、磁極アレイ中の何ピッチ目の磁極であるかを過去の検出データによらずに特定する、ピッチ特定部とを備えていることを特徴とする、磁極検出システム。