KR20120137419A

KR20120137419A - 변위 센서 및 변위의 검출 방법

Info

Publication number: KR20120137419A
Application number: KR1020127028153A
Authority: KR
Inventors: 테츠야 시미즈
Original assignee: 무라다기카이가부시끼가이샤
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-12-20
Also published as: US20130060521A1; JPWO2011129140A1; WO2011129140A1; CN102822635A; EP2559970A1; KR101340931B1; EP2559970A4; EP2559970B1; TWI451066B; TW201144771A

Abstract

외부로부터 변위의 출력이 요청되었을 때에 변위 센서측에서의 검출 주기에 의한 지연 없이 변위를 출력한다. 입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위를 검출한다. 센서가 변위를 검출하면 타이머에 의해 검출 시각을 구하고, 검출한 변위를 과거 2회분, 검출 시각과 함께 기억한다. 외부로부터 출력이 요청되면 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 요청된 시각으로부터 과거 2회분의 변위를 현재의 변위에 외삽해서 출력한다.

Description

변위 센서 및 변위의 검출 방법{DISPLACEMENT SENSOR AND METHOD FOR DETECTING DISPLACEMENT}

본 발명은 공작 기계의 헤드, 공작물, 이송 장치, 반송 대차 등의 이동체의 변위를 검출하는 변위 센서와 변위의 검출 방법에 관한 것이다.

본 발명자들은 공작 기계의 헤드, 이송 장치, 반송 장치, 반송 대차 등의 변위를 측정하는 변위 센서를 개발하였다(특허문헌 1: JP2003-139563A, 특허문헌 2: JP2009-2660A). 특허문헌 1에서는 흡착 반송 장치 등의 축에 자성부와 비자성부를 교대로 설치하고, 1개의 자성부와 1개의 비자성부를 1개의 마크로 해서 마크를 축을 따라 복수 설치한다. 예를 들면, 4개의 코일로 이루어지는 1차측 코일로의 입력 신호로서 교류 전류를 가한다. 1차측 코일과 병렬로 배치한 예를 들면 4개의 2차측 코일로부터의 출력 신호와 입력 교류 전압의 위상차를 구하면 위상차는 마크 기준의 변위를 나타내고 있다. 특허문헌 2에서는 1차측의 코일과 2차측의 코일의 구별은 없이 직렬로 접속한 코일로 이루어지는 코일 어레이에 1차측의 신호로서 교류 전류를 가하고, 코일 간의 접속점의 전위를 2차측의 신호로 한다. 그리고, 마찬가지로 1차측과 2차측의 신호 위상차로부터 마크 기준의 변위(이동체의 위치)를 구한다.

특허문헌 2는 위상차의 검출을 상세하게 설명하고 있다. 교류 전압의 파형을 sinωt로 하면 코일로부터 인출되는 신호는 a?cosθ?sinωt와 a?sinθ?sinωt의 2세트이며, θ는 위상차이며, 마크에 대한 상대 위치를 0~2π의 범위에서 도시하고 있다. a?sinθ?sinωt의 신호의 위상을 90도 앞서게 해서 a?sinθ?cosωt로 하고, a?cosθ?sinωt와 가산하면 가법정리에 의해 신호[a?sin(θ+ωt)]가 얻어진다. 입력 신호(sinωt)가 0을 크로싱한 시점에서 카운터를 리셋하고, 신호[a?sin(θ+ωt)]가 0을 크로싱(crossing)한 시점에서 카운터를 래치하면 θ가 얻어지고, θ는 변위를 나타내고 있다. 먼저 신호[a?sin(θ+ωt)]가 0을 크로싱할 경우 그 후 신호(sinωt)가 0을 크로싱할 때까지의 시간차를 구한다.

이상과 같이, 0 크로싱에 의해 θ를 구함으로써 변위는 입력한 교류 신호의 1주기에 1회나 2회밖에 구할 수 없다. 0 크로싱을 사용하지 않을 경우에도 위상차를 검출하기 때문에 1주기당 검출 횟수가 한정된다. 단위 시간당에서 변위를 구하는 횟수가 적은 것은 공작 기계의 헤드 또는 공작물의 이동, 물품의 이송, 반송 장치, 반송 대차의 제어 등에 문제가 있다. 이들 시스템에서는 헤드의 이동, 반송 장치의 주행 등의 서보 시스템은 변위 센서로부터 변위를 수신하고, 목표 변위 즉 목표로 하는 위치와의 오차에 의거하여 제어를 행하고 있다. 이를 위해서 짧은 시간 주기로 변위를 구할 필요가 있고, 특히 변위 센서측의 상황에 맞춰서 정기적으로 변위를 구하는 것보다도 서보 시스템에서의 제어 주기에 맞춰서 변위를 구할 필요가 있다.

(특허문헌 1) JP2003-139563A

(특허문헌 2) JP2009-2660A

본 발명의 과제는 외부로부터 변위의 출력이 요청되었을 때에 변위 센서측에서의 검출 주기에 의한 지연 없이 변위를 출력할 수 있게 하는 것에 있다.

본 발명의 다른 과제는 보다 고속으로, 특히 연산에 의한 지연 없이 변위를 출력할 수 있게 하는 것에 있다.

본 발명은 입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위를 검출하는 변위 센서에 있어서,

센서가 변위를 검출하면 검출 시각을 출력하는 타이머와,

검출한 변위를 적어도 과거 2회분, 검출 시각과 함께 기억하는 기억부와,

외부로부터 출력이 요청되면 적어도 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 요청된 시각으로부터 적어도 과거 2회분의 변위를 현재의 변위로 외삽해서 출력하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위 센서로 변위를 검출하는 방법에 있어서,

센서가 변위를 검출하면 타이머에 의해 검출 시각을 구하고,

검출한 변위를 적어도 과거 2회분, 검출 시각과 함께 기억하고,

외부로부터 출력이 요청되면 적어도 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 요청된 시각으로부터 적어도 과거 2회분의 변위를 현재의 변위로 외삽해서 출력하는 것을 특징으로 한다.

입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위를 검출하는 변위 센서에서는 위상차를 이용하기 때문에 입력 신호의 1주기당, 예를 들면 1회밖에 변위를 검출할 수 없다. 이것에 대하여 변위 센서의 신호로 제어를 행하고 있는 외부의 서보 시스템 등에서는 서보 시스템 내의 제어 주기에 따른 타이밍에서 현재 위치가 필요하고, 또한, 제어 주기는 변위 센서에서의 주기보다도 일반적으로 짧다. 그래서, 변위 센서의 검출 주기를 짧게 하거나 또는 변위 센서 내에서 상시 현재 위치를 보간하는 것이 아니고, 외부로부터 출력이 요청된 것을 트리거로 해서 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 구해진 시각으로부터 현재의 변위를 외삽해서 출력한다. 그러면, 외부의 서보 시스템으로부터의 요청에 대해 리얼 타임으로 변위를 출력할 수 있다. 또한, 변위 센서 내에서의 검출 주기를 짧게 할 필요는 없고, 현재의 변위로의 외삽을 상시 행하여 요청되었을 때에 출력하는 것이 아니므로 외삽도 간단한 회로로 행할 수 있다.

바람직하게는 상기 연산부는 과거 2회분의 변위를 Di, Di-1, 과거 2회분의 검출 시각을 ti, ti-1, 출력이 요청된 시각을 r, 현재의 변위를 Dr로 해서,

Dr ＝ Di ＋ (Di － Di-1) × (r － ti) / (ti － ti-1)

에 의해 연산한다. 상기의 연산은 간단하므로 고속으로 실행할 수 있고, 또한, 과거에 있어서의 보다 긴 범위에서의 데이터를 이용하는 경우에 비해서 평균화에 의한 지연이 없다.

특히, 바람직하게는 연산부에서의 연산 지연을 τ로 해서 연산부는 시각(r+τ)에서의 변위를 상기 현재의 변위로서 구한다. 이렇게 하면 연산 지연의 영향을 실질적으로 0으로 할 수 있다. 외부의 서보 시스템 등으로 하면 시각(r)에 변위를 요청하고, 시각(r+τ)에 변위를 수신하게 되지만 시각(r+τ)에서의 실제의 변위에 매우 가까운 데이터를 수신할 수 있다.

도 1은 실시예의 리니어 센서와 그 주위의 블록도이다.
도 2는 실시예의 리니어 센서의 코일 어레이로부터 신호 처리부까지의 블록도이다.
도 3은 실시예의 리니어 센서의 연산부의 블록도이다.
도 4는 실시예의 리니어 센서에서의 위치 신호의 외삽을 나타내는 도면이다.

이하에 본 발명을 실시하기 위한 최적 실시예를 나타낸다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위의 기재에 의거하고 명세서의 기재와 이 분야에서의 주지 기술을 참작하여 당업자의 이해에 따라서 정해져야 한다.

[실시예]

도 1 내지 도 4에 실시예의 리니어 센서(2)를 도시한다. 리니어 센서(2)는 리니어 센서 본체(4)와 연산부(6)로 이루어지고, 외부의 자기 마크(8) 기준의 변위를 검출한다. 10은 서보 시스템이며 공작 기계의 헤드의 드라이브, 공작물의 드라이브, 이송 장치의 구동부, 흡착 반송 장치의 구동부, 반송 대차의 주행 제어부 등이다. 서보 시스템(10)은 리니어 센서(2)에 대해 현재 위치를 시각(r)에 요청하고, 지연(τ)이 있으므로 시각(r+τ)에 현재 위치(Dr)를 수신하고, 위치 제어, 속도 제어 등을 행한다. 서보 시스템(10)측에서는 내부의 제어 주기마다 현재 위치와 목표 위치를 비교하고, 위치 오차를 해소하도록 속도 지령 등을 발생시킨다. 따라서, 현재 위치를 요청하는 시각(r)은 서보 시스템(10)측의 상황에 의해 정해지고, 리니어 센서(2)측의 상황에 의해서 정해지지 않는다.

자기 마크(8)는 여기에서는 축(9)의 길이방향을 따라 비자성 마크(12)와 자성 마크(13)를 교대로 배열한 것으로 축(9)의 변위를 검출하도록 구성되어 있다. 그러나, 턴테이블 등의 원주를 따라 마크를 배치해도, 또는 주행 레일 등을 따라 마크를 배치해도 좋다. 리니어 센서 본체(4)는 코일 어레이(14)와 1차측의 교류 전원(18)을 구비하고, 교류 전원의 출력 전압 파형을 sinωt로 표시한다. 코일 어레이(14)로부터 예를 들면 4개의 신호를 인출하고, 그 중 2개의 신호를 연산 증폭기(20)에 입력하고, 다른 2개의 신호를 연산 증폭기(21)에 입력한다. 연산 증폭기(20, 21)로부터의 출력 신호를 신호 처리부(22)에서 신호 처리함으로써 마크 기준의 변위를 구한다.

도 2에 신호 처리부(22)의 구성을 도시한다. 코일 어레이(14)에서는 예를 들면 4개의 1차측 코일(16)을 직렬로 접속하고, 교류 전원(18)은 주파수가 예를 들면 10kHz~20kHz정도의 교류 전류를 입력한다. 또한, 교류 전원(18)의 출력이 0이 되는 타이밍 즉 ωt=nπ(n은 자연수)가 되는 타이밍이 신호 처리부(22)에서 중요하므로 ωt=nπ에서 리셋 신호를 출력한다. 1차측 코일(16)과 병렬로 예를 들면 4개의 2차측 코일(17)이 배치되고, 1차측 코일(16)을 흐르는 전류에 의한 유도 기전력이 마크(12, 13)에 의해 변조된 것을 신호로서 인출하고, 연산 증폭기(20, 21)에 입력된다. 연산 증폭기(20)로부터 예를 들면 a?sinθ?sinωt의 신호가 얻어지고, 연산 증폭기(21)로부터는 a?cosθ?sinωt의 신호가 얻어진다. 여기에서는 1차측 코일(16)과 2차측 코일(17)을 별체로 했지만 특허문헌 2에 나타내는 것과 같이 이것을 동일 코일로 겸용해도 좋다.

변환부(23)는 a?sinθ?sinωt의 신호를 a?sinθ?cosωt의 신호로 변환한다. 예를 들면, 변환부(23)를 메모리로 이루어지는 지연 회로로 구성하고, sinωt에 관해서 1/4 주기분 신호를 지연시키고, 또한 부호를 반전시킨다. 이러한 방법에 한정되지 않고 연산 증폭기(20)의 신호에 cotωt를 승산해도 좋다. 가산기(24)는 a?cosθ?sinωt의 신호와 a?sinθ?cosωt의 신호를 가산하고, 가법정리에 의해 a?sin(ωt+θ)의 신호를 출력한다. a?sin(ωt+θ) 대신에 a?sin(ωt-θ)로 해도 좋다. 클록 회로(25)는 클록 신호를 발생하고, 카운터(26)는 클록 신호를 카운트하고, 교류 전원(18)로부터의 리셋 신호에 의해 카운트 값을 리셋한다. 그리고 가산기(24)로부터의 신호가 0인 시점에서 래치한다. 리셋 신호는 sinωt=0에서 발생하고 래치 신호는 sin(ωt+θ)=0에서 발생하므로 이들 사이의 시차는 θ를 나타내고, θ는 마크를 기준으로 하는 변위이다. 이상과 같이, 교류 신호의 1주기 동안 예를 들면 1회 또는 2회 변위를 검출할 수 있다.

27은 타이머이며 클록 회로(25)로부터의 클록을 카운트해서 시각을 구하고, 가산기(24)로부터의 래치 신호에 의해 타이머(27) 내의 출력 버퍼의 시각을 래치한다. 변위(θ)는 마크(12, 13)의 세트마다 발생하는 데이터이며 보정부(29)에 의해 θ를 마크의 위치(오프셋)에서 보정하고, 마크로부터 독립한 변위(Di)를 구한다. 28은 메모리이며 변위(Di)와 i번째의 θ를 검출한 시점에서의 시각(ti)의 한 쌍을 기억한다.

도 3에 연산부(6)의 구성을 도시한다. 31은 센서 인터페이스이며 리니어 센서 본체(4)와의 인터페이스이고, 32는 서보 인터페이스이며 서보 시스템과의 인터페이스이다. 33은 연산 유닛, 34는 메모리이며 서보 시스템측으로부터 변위의 출력 요청이 있었던 시각(r)을 기억한다. 35는 메모리이며 변위와 시각의 한 쌍의 데이터(Di, ti), (Di-1, ti-1)을 과거 적어도 2회분 기억한다. 메모리(36)는 현재 위치의 연산에 필요한 중간 데이터를 기억하고, 구체적으로는 (Di － Di-1) / (ti － ti-1)을 기억한다.

서보 시스템측으로부터 서보 인터페이스(32)에 변위의 출력이 요청된 것으로 한다. 메모리(34)는 리니어 센서 본체의 타이머로부터 상시 현재 시각(r)을 수신하고 있고, 서보 인터페이스(32)로부터의 신호로 현재 시각(r)을 래치한다. 센서 인터페이스(31)는 리니어 센서 본체의 가산기로부터의 래치 신호(0 크로싱 신호)에 의해 리니어 센서 본체의 메모리로부터 최신의 변위와 그 검출 시각의 한 쌍(Di, ti)을 수신하고, 메모리(35)에 기억한다. 메모리(35)는 예를 들면 데이터 2세트분의 링 메모리이며 0 크로싱이 생길 때마다 오래된 데이터를 새로운 데이터로 바꿔 놓는다. 메모리(36)에서는 메모리(35)의 데이터로부터 연산 유닛(33)에 의해 구한 중간 데이터를 기억한다.

연산 유닛(33)은 시각(r)에서의 변위(Dr)를,

Dr ＝ Di ＋ (Di － Di-1)(r － ti) / (ti － ti-1)에 의해 구하고, 변위(Dr)를 서보 인터페이스(32)로부터 출력한다. 이렇게 하여 서보 시스템이 현재의 변위를 요청하면 연산 유닛(33)에서 Dr을 연산하여 지연 시각(τ)에 회답한다. 연산에 필요한 데이터는 그 때마다 리니어 센서 본체로부터 취득해도 좋지만 실시예에서는 메모리(35, 36)에 미리 기억하여 처리 시각을 단축한다. 특히, (Di － Di-1) / (ti － ti-1)을 기억하여 처리를 고속화한다.

연산 유닛(33)에서는 현재의 변위(Dr)를 연산하기 위해서 예를 들면 승산이 1회, 가산이 1회 필요하게 된다. 이것에 의해 약간의 시각 지연(τ)이 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서 메모리(34)에서 실제의 시각(r) 대신에 r+τ를 기억하고, 시각(r)에서의 변위(Dr) 대신에 시각(r+τ)에서의 변위를 구하여 변위(Dr)로서 출력된다. 또한, 메모리(35, 36)의 데이터의 갱신 등은 서보 시스템측으로부터의 변위의 요청을 처리한 후 아이들 타임(idle time)에 실행한다. 연산부(6)는 디지털 시그널 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 또는 원 칩 마이크로프로세서 등에 의해 실현된다.

도 4에 실시예에서의 시각과 지시값(출력한 현재의 변위)을 도시한다. 예를 들면, 시각(ti-1)에 변위(Di-1)를 구하고, 시각(ti)에 변위(Di)를 구한다. 시각(ti)과 다음 신호 사이의 시각(r)에 현재의 변위(Dr)가 요청되면 시각(ti-1)과 시각(ti)의 신호를 외삽해서 변위(Dr)로서 출력한다. 상기와 같이 연산부(6)에서의 연산 지연을 문제삼을 경우 연산 지연에 상당하는 시각(τ)은 거의 일정하므로 현재의 시각(r) 대신에 시각(r+τ)에서의 변위를 출력한다.

실시예에서는 과거 2회분의 변위와 시각을 외삽해서 현재의 변위를 구했다. 이것 대신에 예를 들면 과거 3회분의 변위와 시각을 기억하고, 2차 곡선에서 현재의 변위로 외삽해도 좋다. 예를 들면, 변위(Di, Di-1, Di-2)와 시각(ti, ti-1, ti-2)으로부터 2차 곡선에서 현재의 변위를 추정하기 위해서는 다음 처리를 행한다. 가속도(a)를 (Di － Di-1) / (ti － ti-1) － (Di-1 － Di-2) / (ti-1 － ti-2)로 한다. 가속도에 의거한 변위의 변화분(h)을 h=a/2?(r-ti)² 으로 한다. 그리고, 상기와 같이 일차 함수로 외삽된 현재의 변위의 추정값에 가속도에 의거한 보정(h)을 가산한다.

실시예에서는 자기 마크와 코일의 조합으로 이루어지는 리니어 센서를 설명했다. 그러나, 이것 대신에 광 강도를 교류로 변조한 레이저 신호를 1차측 신호로 해서 반사광의 위상과 1차측의 위상의 위상차를 검출해도 좋다. 또한, 초음파 신호를 정현파에 의해 변조하고, 1차측의 초음파 신호와 반사파의 초음파 신호의 위상차를 검출해도 좋다.

실시예에서는 이하의 효과가 얻어진다.

(1) 서보 시스템 등의 외부의 시스템이 요청한 시점에서 변위 센서의 입력 신호 주기에 의한 지연 없이 현재의 변위를 출력할 수 있다.

(2) 1차의 연산에 의해 현재의 변위를 구하면 약간의 계산량으로 신속하게 현재의 변위를 구할 수 있다.

(3) 연산부의 지연(τ)을 보정하면 시각(r)을 시각(r+τ)으로 치환함으로써 간단히 연산 지연의 영향을 보정할 수 있다.

2 : 리니어 센서 4 : 리니어 센서 본체
6 : 연산부 8 : 자기 마크
9 : 축 10 : 서보 시스템
12 : 비자성 마크 13 : 자성 마크
14 : 코일 어레이 16 : 1차측 코일
17 : 2차측 코일 18 : 교류 전원
20,21 : 연산 증폭기 22 : 신호 처리부
23 : 변환부 24 : 가산기
25 : 클록 회로 26 : 카운터
27 : 타이머 28 : 메모리
29 : 보정부 31 : 센서 인터페이스
32 : 서보 인터페이스 33 : 연산 유닛
34~36 : 메모리

Claims

입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위를 검출하는 센서에 있어서:
센서가 변위를 검출하면 검출 시각을 출력하는 타이머와,
검출한 변위를 적어도 과거 2회분, 검출 시각과 함께 기억하는 기억부와,
외부로부터 출력이 요청되면 적어도 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 요청된 시각으로부터 적어도 과거 2회분의 변위를 현재의 변위로 외삽해서 출력하는 연산부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 연산부는 과거 2회분의 변위를 Di, Di-1, 과거 2회분의 검출 시각을 ti, ti-1, 출력이 요청된 시각을 r, 현재의 변위를 Dr로 해서,
Dr ＝ Di ＋ (Di － Di-1) × (r － ti) / (ti － ti-1)에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 연산부에서의 연산 지연을 τ로 해서 상기 연산부는 시각(r+τ)에서의 변위를 상기 현재의 변위로서 구하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
입력 신호 파형과 출력 신호 파형의 위상차에 의해 변위 센서로 변위를 검출하는 방법에 있어서:
센서가 변위를 검출하면 타이머에 의해 검출 시각을 구하고,
검출한 변위를 적어도 과거 2회분, 검출 시각과 함께 기억하며,
외부로부터 출력이 요청되면 적어도 과거 2회분의 변위와 검출 시각과 출력이 요청된 시각으로부터 적어도 과거 2회분의 변위를 현재의 변위로 외삽해서 출력하는 것을 특징으로 하는 변위 검출 방법.