JP5664304B2 - 磁気式位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気式位置検出装置に関し、特にエレベータの着床位置検出装置として好適に用いられる磁気式位置検出装置に関するものである。

エレベータの乗りかごとつり合いおもりはロープで接続されている。エレベータは、ロープをモータで巻き上げたり、巻き下ろしたりすることよって、乗りかごを昇降路内にて低負荷で昇降制御している。昇降中の乗りかごの位置は、モータに接続されたエンコーダから出力されるインクリメンタルパルスをカウントすることにより、検出することができる。

この方法で検出した乗りかごの位置は、モータのシャフトに連結される滑車にてロープのスベリや伸び等が生じるため、実際の乗りかご位置とは異なる。すなわち、ある指定階に着床しようとした際、エンコーダの出力パルスカウント数に基づき、乗りかごの床面と停止予定階の乗り場側の床面との段差がゼロになるように、モータで乗りかごの位置を制御すると、着床誤差（段差）が生じる。

エレベータには、通常、各階の乗り場側の床面から一定の高さの位置に金属板が設置されている。エレベータの制御装置は、乗りかごに設けた金属板検出器にて金属板のエッジを検出した瞬間、エンコーダの出力パルスカウント数に基づき定めていた停止予定階までの残距離を一旦リセットする。乗り場側の床面から金属板の設置距離（設定値）はモータ制御に反映される。

建築基準法は、乗りかごの床面と乗り場側の床面がある一定高さ以上離れている状態において、戸開動作を行ってはいけないといった規則を定めている。このため、エレベータの着床位置検出装置には乗りかごの位置が戸開動作可能ゾーンに滞在中か否かを判定する機能が必要となる。

被検出体のエッジを検出する機能と戸開動作可能ゾーンに滞在中か否かを判定する機能を有するエレベータの着床位置検出装置にはいくつかの検出方式が知られている。例えば、光電センサを用いた光学式、磁気センサや磁気リードスイッチを用いた磁気式、他にも静電容量式、渦電流式、共振コイル式などが挙げられる。光学式は、被検出体を高精度に検出できるが、埃や水滴、外乱光に弱い。これに対し、磁気式、静電容量式、渦電流式、共振コイル式などは光学式に比べ、耐環境性に優れている。そのため、エレベータにおいて重大な事故を未然に防ぐ安全系の役割を果たすスイッチやセンサには光学式以外の方式を採用することが一般的である。

渦電流式は、特許文献１に示されるように、乗りかごに備えた渦電流センサと乗りかごが昇降する昇降路に設けられた金属プレート（被検出体）とが対向した際の渦電流センサの出力信号を用いて被検出体のエッジを検出したり、戸開動作可能ゾーンに滞在中か否かを判定する。

特許文献２に示されるように、エレベータの乗りかごおよびつり合いおもりの昇降を案内するガイドレールに、導電性を有する金属プレートを設置し、乗りかごに備えた渦電流センサと金属プレートが対向した際の渦電流センサの出力信号を用いて乗りかごの位置や速度を検出することも提案されている。

特開２００９−２５５９９９号公報（６頁９行、図１） 特開２００８−３７５５７号公報（４頁１８行、図２）

渦電流を応用した磁気式位置検出装置は、被検出体に導体金属プレートを設け、被検出体に対し相対的に移動するセンサには交流磁界を外部に発生する磁界発生手段と、磁界発生手段近傍の磁界を検出する磁界検出手段を備えている。センサが被検出体に対向した際の磁界検出手段の出力変化から被検出体が対向しているか否かを判定し、導体金属プレートのエッジを通り過ぎたことや導体金属プレートの長さ（検出対象範囲）を識別する。

しかしながら、渦電流を応用した磁気式位置検出装置は交流磁界を被検出体に外部から印加した際の被検出体上にて生じる渦電流磁界の影響を定量的もしくは二値的に評価するため、Ｓ／Ｎ比の確保が重要である。すなわち、被検出体上にて渦電流を効率的に発生させるために、数十から数百ｋＨｚの高周波磁界を被検出体に印加する必要がある。結果的に交流磁界発生手段の電源容量は大きくなり、消費電力も大きかった。

本発明における磁気式位置検出装置は、移動体と固定体に設けられ、検出範囲の一端側に取り付けられる第１の大バルクハウゼン効果素子と、検出範囲の他端側に取り付けられる第２の大バルクハウゼン効果素子と、交流磁界を発生する磁界発生源と、交流磁界を検出する検出回路と、検出回路から出力される信号に基づいて、移動体が前記検出範囲に存在するか否かを識別する信号処理回路と、を備えているものである。

本発明によれば、簡易な構成で、装置の駆動回路を小型かつ低コストにすることができる。

本発明の実施の形態１における磁気式位置検出装置を示す構成図である。 磁界波形及び検出コイルの出力電圧波形を示す図である。 検出コイルの出力電圧波形を示す図である。 検出回路及び信号処理回路の出力を示す図である。 集磁効果を図った場合におけるセンサ構成図である。 実施の形態１における別の形態を示すセンサ構成図である。 本発明の実施の形態２における磁気式位置検出装置を示す構成図である。 検出回路及び信号処理回路の出力を示す図である。 実施の形態２における別の被検出体を示す図である。 本発明の実施の形態３における磁気式位置検出装置を示す構成図である。 検出回路及び信号処理回路の出力を示す図である。 本発明の実施の形態４における磁気式位置検出装置を示す構成図である。 検出回路及び信号処理回路の出力を示す図である。 実施の形態４における別の被検出体を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る磁気式位置検出装置１０１について、図を用いて説明する。磁気式位置検出装置１０１の構成図を図１に示す。磁気式位置検出装置１０１は被検出体１０２とセンサ１０３から構成される。ここでは被検出体１０２は固定されていて、センサ１０３は−Ｘ方向もしくは＋Ｘ方向に移動する。例えば、エレベータの着床位置検出装置を想定すると、被検出体１０２はエレベータの乗りかごが昇降する昇降路側に設置する金属板に相当し、センサ１０３は乗りかご側に設置する近接スイッチ及び近接センサに相当する。

エレベータを想定すると、昇降路側にあたるものに電源配線を行うことは困難である。電源や制御用配線が必要となるセンサ１０３は通常乗りかご側に設定されているが、センサ１０３を固定体側、被検出体１０２を移動体側とすることももちろん構わない。被検出体１０２は、磁性体１ａ、１ｂと、プレート４から構成される。磁性体１ａ、１ｂは、外部から磁界を印加した際に大バルクハウゼン効果を発現する。磁性体１ａ、１ｂはゾーン検出したい領域（検出範囲）のエッジにそれぞれ配置される。プレート４は非磁性体からなり、磁性体１を固定する。センサ１０３は交流電源６、励磁コイル２、検出コイル３、コイルボビン５、検出回路７、信号処理回路８から構成される。

大バルクハウゼン効果は磁性体が磁化する際に、内部の磁壁が急激に移動する物理現象であり、大バルクハウゼンジャンプとも呼ばれる。大バルクハウゼン効果を発現する磁性体には複合磁性ワイヤ、ウィーガントワイヤ、アモルファス磁性ワイヤなど、主にワイヤ形状のものが知られている。複合磁性ワイヤやウィーガントワイヤは、ソフト磁性層とハード磁性層の保磁力が異なることを利用して、大バルクハウゼン効果を発現する。２つの磁性層は、例えば、鉄、コバルト、バナジウムのワイヤ合金に捻り加工を施すことにより、同一ワイヤ内に形成される。アモルファスワイヤは、液体急冷法により作製される。ワイヤ内部に強い応力が残留するため、磁歪の大きな場合において大バルクハウゼン効果を発現する。

大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１に、磁性体１の磁化が反転する程度の磁界を印加すると、急激な磁化反転が生じ、磁化反転に伴い磁性体近傍にパルス磁界を発する。そのため、磁性体近傍に、例えばコイルもしくはホール素子、磁気抵抗素子等の磁気センサを、パルス磁界を検出する磁界検出手段として設けることよって、コイルもしくはホール素子や磁気抵抗素子等の出力信号から磁性体の内部において磁化反転が生じたか否かを知ることができる。

次に、磁気式位置検出装置１０１の動作原理を説明する。交流電源６から励磁コイル２に周波数ｆの一定振幅の交流電流を通電することにより、励磁コイル２周辺には周波数ｆの交流磁界が生じる。励磁コイル２と同軸上に配置した検出コイル３は励磁コイル２から生じる交流磁界を検出することができる。そのため、励磁コイル２や検出コイル３の近傍に金属や磁性体がない場合、検出コイル３は周波数ｆ、かつ一定振幅の交流信号を出力する。コイルボビン５は非磁性体からなり、励磁コイル２を保持している。

励磁コイル２が大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１に対向した場合を考える。励磁コイル２から生じる周波数ｆの交流磁界が磁性体１に印加される。磁性体１の内部では磁界の正負がほぼ反転するタイミングにて大バルクハウゼン効果を発現するため、図２に示すように、パルス磁界が磁性体１近傍に周期的に生じる。磁界の反転に対し、パルス磁界が遅れて生じる理由は、磁性体１の保磁力の影響が多少あることに所以する。検出コイル３の出力電圧波形は図３に示すように、励磁コイル２からの交流磁界成分だけではなく、パルス磁界成分が混在した波形になる。なお、図３に示した波形はあくまでも一例であり、位相差が生じる状況なども考えると、この限りではない。

検出回路７では検出コイル３の出力電圧波形に混在する交流磁界波形のみを除去し、パルス磁界波形のみを抽出する。信号処理回路８は検出回路７の出力にパルス電圧が含まれているか否かを判定することによって、励磁コイル２と検出コイル３が磁性体１に対向しているか否かを識別する。

エレベータの着床位置検出装置では、各階の乗り場側の床面から一定の高さの位置に例えば金属板を設置する。乗りかごに設けた金属板検出器にて金属板のエッジを検出した瞬間、エンコーダの出力パルスカウント数を基に定めていた停止予定階までの残距離を一旦リセットし、乗り場側の床面から金属板の設置距離（設定値）をモータ制御に反映している。建築基準法は、乗りかごの床面と乗り場側の床面がある一定高さ以上離れている状態において、戸開動作を行ってはいけないといった規則を定めている。磁気式位置検出装置１０１は、乗りかごの位置が戸開動作可能ゾーン（検出対象範囲）に滞在中か否かを識別する機能を備えている。すなわち、被検出体のエッジを検出することと戸開動作可能ゾーンに滞在中か否かを識別することを両立する。

センサ１０３を＋Ｘ方向に移動させると、各エッジ位置を通過する際、図４の中段に示すように、パルス電圧を検出回路７の出力として得ることができる。なお、磁化反転の方向は磁性体１に対する交流磁界が反転すれば、その都度反転するため、正負それぞれのパルス電圧が生じる。パルス数は励磁コイル２と大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１が対向している時間、すなわちセンサ１０３の移動速度によって異なるため、パルス数はランダムである。パルスが２波以上得られる場合もあれば、正パルスが１波だけ、もしくは負パルスが１波だけといった場合もある。

数ｍｓもしくは数μｓ以内に複数のパルス波形が得られた場合は、１つのパルス群として考える。信号処理回路８はパルス群が得られる度に、電気的にラッチすることによって、図４の上段に示すように、被検出対象範囲に応じた信号Ｈｉｇｈ（1）および信号Ｌｏｗ（0）を出力する。信号Ｖ２は、磁性体１ａからのパルス群によって、ＬｏｗからＨｉｇｈに変化している。信号Ｖ２はしばらくその値を保持していて、磁性体１ｂからのパルス群によって、ＨｉｇｈからＬｏｗに変化している。

図１では非磁性体からなるプレート４の上に磁性体１を配置したが、磁性体１を固定できる形態であれば、プレート４の端部に貼り付けるなど、手段は問わない。また、戸開動作可能ゾーンを検出するために、磁性体１を２つ用いているが、ゾーン検出が不要の場合で、パルス信号が得られた際に、モータ等の制御系に関わる信号をリセットするだけの場合などは、磁性体１は１つだけで問題ない。

励磁コイル２からの交流磁界の増強もしくは検出磁界の増強のため、コイルボビン５に換えて、励磁コイル２および検出コイル３の内部に高透磁率の棒状磁性体コアを挿入しても動作する。図５に示すように、針状磁性体コア２０を挿入し、励磁磁界の指向性や位置検出精度を高めることも可能である。励磁コイル２と検出コイル３は同一の１つの非磁性体からなるコイルボビンに巻回する必要はない。例えば、図６に示すように、被検出体部１０２を左右（上下）から挟み込む形態でも問題なく作動する。交流磁界源も励磁コイル２と交流電源６を組み合わせたものに限る必要もない。例えば交番着磁された磁石や多極着磁された磁石を用いても構わない。

以上、本実施の形態によると、非磁性体からなるプレート４の上に大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１ａ、１ｂをゾーン検出したい範囲のエッジにそれぞれ配置し、検出回路７の出力を電気的にラッチすることによって、検出対象範囲に応じた信号Ｈｉｇｈ（1）および信号Ｌｏｗ（0）を出力することができる。さらに、大バルクハウゼン効果を発現する条件は、磁性体内部の磁化を反転させるだけの磁界強度であればよい。渦電流などを用いた従来の磁気式位置検出装置などに比べると、被検出体に印加する磁界強度は小さくて済む。交流磁界の周波数も大バルクハウゼン効果が低周波でも高周波でも差異なく得られる場合であれば、渦電流は高周波でしか得られないのに対し、本形態であれば、低周波駆動も実現することができ、装置の駆動回路を小型化、低コスト化することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２である磁気式位置検出装置１１１について、図７を用いて説明する。図１と主に異なる箇所は、大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１を検出対象範囲に相当する区間にランダムに多数配置している点である。図８の中段に示すように、大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１のそれぞれの位置において、検出回路７は正負のパルス電圧を出力する。実施の形態１と同様に、正負のパルス数は励磁コイルと大バルクハウゼン効果を有する磁性体が対向している時間、すなわち移動側であるセンサ１０３の移動速度によって異なるため、パルス数はランダムであると考えられる。

検出回路７にて得られた出力波形を、信号処理回路８にて、例えば全波整流回路や平滑化回路に入力することによって、電気的なラッチを用いずとも、被検出対象範囲に応じた信号Ｈｉｇｈ（1）および信号Ｌｏｗ（0）を出力することができる。大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１の配置を同一方向に整える必要もなく、磁性体がコイルに対し垂直方向でない限り、図９に示すように、方向はランダムであっても、検出回路後段にて波高値のバラツキはあるものの、連続的なパルス信号を得ることができる。もちろん、磁性体１の長さを統一する必要もないことは言うまでもない。ただし、エッジ検出精度を高めることを意図した場合は、エッジに相当するところは励磁コイル２及び検出コイル３と平行方向に磁性体１ａ、１ｂを配置すべきである。

以上、本実施の形態によると、１つの非磁性体からなるプレート４の上に大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１をランダムに複数配置することによって、検出したいゾーンにおいて、連続的なパルス出力を得ることができ、電気的なラッチを用いずとも、被検出対象範囲に応じた信号Ｈｉｇｈ（1）および信号Ｌｏｗ（0）を出力することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３である磁気式位置検出装置１２１について、図１０を用いて説明する。図７と主に異なる箇所は被検出体１０５に、大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１を被検出対象範囲に相当する区間に意図したパターンで配置している点である。図１０に示すように、大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１を一定間隔で配置した場合、それぞれの位置において、図１１の中段に示すように、検出回路７の出力にて正負のパルス電圧を得ることができる。実施の形態１、２と同様に、正負のパルス数は励磁コイルと大バルクハウゼン効果を有する磁性体が対向している時間、センサ１０３の移動速度によって異なる。パルス数はランダムであると考えられるものの、パルス群をそれぞれ１つの出力として考えた際、インクリメンタル信号として扱うことができ、直動式のインクリメンタルエンコーダとしても適用することができる。

磁性体１の配置位置をM系列符号に従って配置すると絶対位置が検出でき、アブソリュートエンコーダとして適用することも可能になる。被検出対象範囲のエッジからの相対位置や絶対位置がわかることは、エレベータの着床位置検出装置として適用を考えた場合、エレベータのロープ滑車に備えられるモータのエンコーダと同等の機能を果たし、エンコーダを削減することも可能になる。

本実施の形態によると、１つの非磁性体からなるプレート４の上に大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１の配置パターンを意図して複数配置することによって、被検出対象範囲のエッジからの相対位置や絶対位置を計測することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４である磁気式位置検出装置１３１について、図１２を用いて説明する。図１と主に異なる箇所は、大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１を被検出対象範囲のエッジに相当する位置に配置すると共に、戸開動作可能ゾーンより幅が狭い第２の被検出対象範囲のエッジに相当する位置に第２の大バルクハウゼン効果を発現する磁性体１０を配置している点である。磁性体１と磁性体１０の特性上の差異は大バルクハウゼン効果を発現した際に磁性体近傍に生じるパルス磁界の強度が異なることである。パルス磁界の強度は材料依存性や大バルクハウゼンジャンプの際の磁壁移動速度によって大きく異なるため、例えば、磁性体１には複合磁性ワイヤを適用し、磁性体１０にはアモルファス磁性ワイヤを適用するなどが考えられる。

磁性体１と磁性体１０を配置した場合、それぞれの位置において、図１３の中段に示すように、検出回路７の出力にて波高が異なるパルス電圧を得ることができる。それぞれの波高値のパルス群が得られる度に、電気的なラッチを設けることによって、信号処理回路８は２つの被検出対象範囲に応じた信号Ｈｉｇｈ（A）、信号Ｌｏｗ（0）、信号Ｈｉｇｈ（B）、信号Ｌｏｗ（0）を別々に出力する。

他にも、図１４に示すように、磁性体１および磁性体１０を３つ以上用いる形態で、実施の形態２ないしは３のように配置して問題ない。また、パルス磁界強度にそれぞれ差異がある材料を複数種類用いることで、３つでも４つでも複数のゾーン検出が可能であることは容易に想像可能である。さらに、本実施の形態ではパルス磁界強度に差異がある磁性体に着目したが、例えば、パルス磁界の半値幅やパルス幅に差異がある磁性体に着目しても良い。

以上、本実施の形態によると、１つの非磁性体からなるプレート４の上に大バルクハウゼン効果の発現の際に磁性体近傍に生じるパルス磁界の特徴（パルス磁界強度やパルス幅）が異なる磁性体を複数種類設けることによって、複数の被検出対象範囲をそれぞれ識別することができる。

１ 磁性体、２ 励磁コイル、３ 検出コイル、４ プレート、５ コイルボビン、６ 交流電源、７ 検出回路、８ 信号処理回路、２０ 針状磁性体コア、１０１、１１１、１２１、１３１ 磁気式位置検出装置、１０２ センサ、１０３、１０４、１０５、１０６ 被検出体

Claims (9)

1. 移動体と固定体に設けられる磁気式位置検出装置において、
   検出範囲の一端側に取り付けられる第１の大バルクハウゼン効果素子と、
   前記検出範囲の他端側に取り付けられる第２の大バルクハウゼン効果素子と、
   前記第１の大バルクハウゼン効果素子と前記第２の大バルクハウゼン効果素子の間に取り付けられ、前記第１の大バルクハウゼン効果素子および前記第２の大バルクハウゼン効果素子とは磁気特性の異なる第３の大バルクハウゼン効果素子と、
   交流磁界を発生する磁界発生源と、
   交流磁界を検出する検出回路と、
   前記検出回路から出力される信号に基づいて、前記移動体が前記検出範囲に存在するか否かを識別する信号処理回路と、
   を備えている磁気式位置検出装置。
2. 第１の大バルクハウゼン効果素子と第２の大バルクハウゼン効果素子と第３の大バルクハウゼン効果素子は固定体に設けられ、磁界発生源と、検出回路と、信号処理回路は移動体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
3. 第１の大バルクハウゼン効果素子と第２の大バルクハウゼン効果素子と第３の大バルクハウゼン効果素子は、移動体の移動方向に垂直に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
4. 信号処理回路は、検出回路の出力をパルス群を単位にしてラッチすることを特徴とする請
   求項１に記載の磁気式位置検出装置。
5. 第１の大バルクハウゼン効果素子と第２の大バルクハウゼン効果素子の間に、第３の大バルクハウゼン効果素子とは磁気特性の異なる複数の大バルクハウゼン効果素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
6. 複数の大バルクハウゼン効果素子は等間隔で配置されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気式位置検出装置。
7. 複数の大バルクハウゼン効果素子はランダムに配置されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気式位置検出装置。
8. 複数の大バルクハウゼン効果素子はＭ系列で配置されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気式位置検出装置。
9. 第３の大バルクハウゼン効果素子は複数取り付けられ、複数の第３の大バルクハウゼン効果素子は等間隔、ランダム、又はＭ系列で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。

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