TWI507662B - Magnetic displacement sensor and displacement detection method - Google Patents

Description

磁式位移感測器及位移檢測方法

本發明係關於一種藉由磁式位移感測器之位移之檢測。

本案申請人提出有藉由將永久磁鐵之列與線圈之列平行地配置，從而檢測該等之間之相對位置之磁式位移感測器(專利文獻1：JP4513673B)。於該磁式位移感測器中，線圈接收來自永久磁鐵之磁場而交流阻抗產生變化，且根據以永久磁鐵之排列間距為基準之相位而流經線圈之電流產生變化。相對於此，發明者發現根據永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度而磁式位移感測器之輸出產生變化，以及相對速度之影響於永久磁鐵之列之端部附近之線圈中較顯著。作為針對其之對策而增長永久磁鐵之列效率並不高，且於藉由磁式位移感測器檢測曲線區間中之移動體之位置之情況下，即便設置較長之永久磁鐵之列，由於曲線之曲率，亦難以使其與線圈之列相對向。

於此揭示相關之先前技術。專利文獻2(JP2005-195391A)揭示有為了抵消至移動體之來自非接觸饋電線之交流電流所引起之電動勢，而使每個磁式位移感測器中之線圈之捲繞方法相反，且並列地使用捲繞方法相反之2個線圈。然而，專利文獻2並未涉及永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：JP4513673B

專利文獻2：JP2005-195391A

本發明之課題之目的在於使永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度不影響位移感測器之輸出，以及可縮短永久磁鐵之列之長度。

本發明之磁式位移感測器之特徵在於其構成為：其檢測被檢測用之永久磁鐵之列與線圈之列之位移；設置有沿位移之檢測方向，由相同數量之線圈所構成，且沿位移之檢測方向之列之起始及結束位置相同之至少2列線圈之列及永久磁鐵之列；於上述至少2列線圈之列之間消除由永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度、及自永久磁鐵之列之磁場所造成對位移感測器之輸出之影響。

本發明之位移檢測方法係藉由磁式位移感測器，檢測被檢測用之永久磁鐵之列與線圈之列之位移者，其特徵在於：於磁式位移感測器中，沿位移之檢測方向，設置由相同數量之線圈所構成，且沿位移之檢測方向之列的起始及結束位置相同之至少2列線圈之列及永久磁鐵之列； 於上述至少2列線圈之列之間消除由永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度、及自永久磁鐵之列之磁場所造成對位移感測器之輸出之影響。

磁式位移感測器之輸出取決於相對速度之原因在於由自永久磁鐵之磁場及流經線圈之電流而產生之感應電動勢。此處，若將線圈之列設為2個永久磁鐵程度之長度，則由於藉由第1個永久磁鐵及第2個永久磁鐵而影響線圈之磁場之之流向相反，因此可消除感應電動勢。然而，於磁鐵之列之端部，例如僅藉由1個永久磁鐵與線圈之列相對向等，則無法消除感應電動勢。相對於此，若設置2列之線圈之列，則藉由流向線圈之電流之之流向及線圈之捲繞方法等，可於線圈之列之間消除感應電動勢。因此，由於相對速度不會影響磁式位移感測器之輸出，且於相對向之線圈之間消除感應電動勢，因此永久磁鐵之列無需完全重疊於線圈之列，從而可縮短永久磁鐵之列。再者，於本說明書中，關於磁式位移感測器之記載可直接適用於位移檢測方法，且關於位移檢測方法之記載亦可直接適用於磁式位移感測器。

較佳為，將上述至少2列線圈之列係將相對向之線圈設為捲繞方法相同而電流之流向相反，或將相對向之線圈設為捲繞方法相反而電流之流向相同。例如，若藉由差動接線而使線圈之捲繞方法相同而電流之流向相反，則感應電動勢之之流向相反。又，例如即便藉由積複連接(cumulative connection) 而使相對向之線圈之捲繞方法相反而電流之流向相同，感應電動勢之之流向亦相反。

又，較佳為，如技術方案1之磁式位移感測器，其特徵在於在上述2列線圈之列之前後兩端，設置有虛設之線圈。相對於在行之中央部之線圈中，於兩側具有其他線圈，而於行之端部之線圈中僅於單側具有其他線圈。因此，於行之中央及端部，線圈之間之相互電感不同，且線圈之阻抗為不一致之狀態。此處，若於線圈之列之前後兩端設置虛設之線圈，則行之任一位置之檢測用之線圈亦於左右兩側具有其他線圈，從而阻抗於線圈之間變得均勻。

以下表示用以實施本發明之最佳實施例。本發明之範圍應根據申請專利範圍之記載，以說明書之記載及於本領域中之已知技術為參考，且按照本領域技術人員之理解而制定。

[實施例]

於圖1~圖10中表示實施例之磁式位移感測器22及其變形，感測器22係檢測於移動體系統2中之移動體8之位置。於各圖中，元件符號4係移動體8所行駛之軌道，其包括直線區間5及曲線區間6。移動體8係例如藉由3個車輪9、10、10而沿軌道4行駛，且於曲線區間6中由受軌道4所引導之導輥11、11而引導。於曲線區間6中軌道4改變90°方向，但曲線區間6並非為1/4圓形，於入口附近及出口附 近曲率半徑較大，而於中心部曲率半徑較小。元件符號C1係曲線區間6之入口附近之曲率中心，元件符號C2係中心附近之曲率中心，元件符號C3係出口附近之曲率中心。於實施例中，軌道4係於曲線區間6之兩側設置有直線區間5、5之L字狀之軌道，但軌道之佈局、種類及構造為任意者，例如亦可為直線狀之軌道。又，移動體8之種類及構造亦為任意者，例如亦可為沿建築物之頂棚空間而轉圈行駛之頂棚行駛車、或者藉由滾珠螺桿而移動之移動體等。

移動體8包括有永久磁鐵之列12，且其為線性馬達之可動子。以下，有時將永久磁鐵之列12僅稱為永久磁鐵12。於永久磁鐵12之側方，移動體8包括被檢測用磁鐵之列14，以下，有時將該行14僅稱為磁鐵之列14。元件符號G係包括移動體8之中心之控制中心，亦作為永久磁鐵12之中心，以該位置G為基準控制線性馬達。元件符號15係控制中心G之軌道，元件符號16係被檢測用磁鐵14之軌道，準確而言係被檢測用磁鐵14之長度方向之中心部之軌道。

於圖2中表示軌道4及移動體8，線性同步馬達之1次側線圈18向可動子之永久磁鐵12施加推力，從而使移動體8行駛。再者，線性馬達之種類為任意者，既可為線性感應馬達等，又，亦可將普通行駛馬達搭載於移動體8上而替代線性馬達。進而，亦可於移動體8上設置線性馬達之1次側線圈18、於軌道4上設置可動子。元件符號20係線圈驅動部， 且驅動1次側線圈18。元件符號22係磁式位移感測器，有時僅稱為位移感測器22，其檢測被檢測用磁鐵之列14。又，移動體8自軌道4側接收非接觸供電，24為李茲線，元件符號25為接受電力用之線圈。元件符號26係軌道4之支柱，既可採用接觸式之供電方式代替非接觸供電，或者亦可將鋰離子電池等搭載於移動體8。

於圖3中表示1次側線圈18及位移感測器22等之配置。1次側線圈18沿控制中心之軌道15而配置，且位移感測器22沿被檢測用磁鐵之軌道16而配置。曲線區間中之複數個位移感測器22之輸出係輸入至綜合裝置27中之選擇器28，且選擇器28藉由振幅為最大之感測器之輸出而自LUT30(Look-Up-Table，參照表)讀取控制中心之位置。LUT30將使用曲線區間6中之第幾號之位移感測器22、及自所使用之位移傳感器之輸出資訊作為目錄而儲存曲線區間中之控制中心之位置，且將已讀取之控制中心之位置自綜合裝置27輸出至控制器32。於實施例中使用有1個LUT30，但亦可於各位移感測器22上設置個別之LUT，自各位移感測器22輸出曲線區間6中之控制中心之位置及感測器之輸出之振幅，而利用選擇器28進行選擇。再者，於鄰接之一對位移感測器22輸出相同程度之振幅之情況下，例如既可根據2個感測器之輸出求出各控制中心之位置而進行平均，或者亦可藉由2個感測器之一者之輸出而求出控 制中心之位置。

如圖4所示，至綜合裝置27之輸入係藉由曲線區間中之位移感測器之編號及位移感測器之輸出，以上述之方式藉由選擇器28而選擇位移感測器，且藉由LUT30轉換至控制中心之位置。再者，不僅於曲線區間，亦可於直線區間設置綜合複數個位移感測器之輸出並轉換至控制中心之位置之綜合裝置。

於直線區間5中，位移感測器22係自位移感測器22亦隔開間隔而配置，例如將藉由位移感測器22所求出之控制中心之座標直接輸出至控制器32。以上之結果，於直線區間5及曲線區間6中求出移動體8之控制中心之座標，控制器32以該座標為基礎經由線圈驅動部20而對1次側線圈18進行反饋控制，從而使移動體8行駛。

於圖5中表示位移感測器22之構造。於永久磁鐵之列14中N極之磁鐵34與S極之磁鐵35交替排列，位移感測器22包括至少2列線圈之列40、42。以下各圖中之黑點表示線圈之線圈頭，圖5之各線圈沿順時針方向捲繞，線圈之列40之線圈44、45係自圖左朝右捲繞，線圈之列42之線圈46、47係自圖右朝左捲繞。於線圈之列40與線圈之列42中線圈沿順時針方向捲繞而線圈頭之位置相反，此為線圈之捲繞方法相反之例。再者，使一方之線圈沿順時針方向捲繞、使另一方之線圈沿逆時針方向捲繞，因此即便將線圈頭 之位置設為相同，捲繞方法亦相反。

線圈之列40、42之各線圈相互對向，位移之檢測方向之位置相同，且線圈之列40、42之起始及結束位於相同位置。線圈之列40、42各包括6個線圈，且兩端之線圈45、47係阻抗調整用之虛設線圈，中央之各4個線圈44、46係檢測用線圈，線圈45與47以及線圈44與46進行積複連接而電流流向相同方向。

元件符號48係使用有DA(Digital to Analog，數字模擬)轉換器之交流電源，電源之種類可為任意者，且將輸出設為V0sinωt。元件符號50為互補緩衝器，將+1/2V0sinωt及-1/2V0sinωt之2個輸出供給至線圈之列40、42，且檢測用線圈44、46以各4個而沿磁鐵34、35之位移之檢測方向之1個程度之長度的方式而配置。若位移感測器22相對於磁鐵之列14移動1個永久磁鐵程度，則感測器22之輸出產生2π程度相位變化。若將相對於永久磁鐵之相位設為θ，則線圈44、46之輸出自圖之左至右依序為sinθsinωt及cosθsinωt以及-sinθsinωt及-cosθsinωt之4種。

若位移感測器22相對於磁鐵之列14之相對速度產生變化，則藉由接收來自磁鐵34、35之線圈44、46內之磁場變動，從而產生感應電動勢。此處，如圖5所示，若於相對向之線圈44、46之間將線圈頭之位置顛倒地進行積複連接，則於相對向之線圈44、46之間感應電動勢變得相反，其結 果可消除感應電動勢。

若於兩端設置虛設線圈45、47，則由於檢測用線圈44、46均於左右兩側具有其他線圈，因此線圈之間之相互電感共用，而可使檢測用線圈44、46之阻抗均勻。

自圖5之電路可獲得sinθsinωt及cosθsinωt之輸出。以後之信號處理示於圖6，且由於在交流電源48側ωt之值係已知，因此轉換部52將sinθsinωt轉換為sinθcosωt。繼而，若藉由相加部54將sinθcosωt與cosθsinωt相加，則獲得sin(θ+ωt)。並且例如藉由零交叉檢測部56求出θ+ωt=nπ(n為整數)之時間點，從而檢測相位θ。

圖7係表示變形例之位移感測器，除已特別指出之方面以外，係與位移感測器22相同。元件符號60係新線圈之列，元件符號61係檢測用線圈，元件符號62係虛設線圈，線圈61、62與線圈44、45捲繞方法相同，藉由差動接線而使電流流向相反方向。並且線圈44、61係沿位移之檢測方向而配置於相同位置，同樣地線圈45、62亦沿位移之檢測方向而配置於相同位置。由於差動接線，於線圈44、45與線圈61、62中電流之方向相反，因此由相對速度引起之感應電動勢於線圈44、61之間相互得以消除。

圖8係表示第2變形例，且僅表示磁式位移感測器中之相對向之1對線圈80、81，線圈80、81例如串聯地配置6對，而以圖5之方式積複連接而進行動作。線圈80、81之線圈 頭之位置相同，線圈80沿順時針方向、線圈81沿逆時針方向捲繞，若以圖所示之方式施加電流，則感應電動勢於線圈80及線圈81中為反向，從而被消除。

若實施例之磁式位移感測器之檢測用線圈44、46之一部分與永久磁鐵34、35相對向，例如若沿位移之檢測方向2個以上之線圈相對向，則可檢測位移。該情形示於圖9中，雖右端之檢測用線圈44、46自右端之磁鐵34r露出，但由於接收有來自磁鐵34r之磁場，因此可檢測位移。其原因在於在線圈44、46之間消除由相對速度所引起之感應電動勢。

將比較例之磁式位移感測器示於圖10中，且與實施例相同之符號表示相同者。由於在比較例中於線圈44a與線圈44b之間消除感應電動勢，因此必需與2個磁鐵34、35相對向，而必需為較長之磁鐵之列。又，若如圖10所示般一部分檢測用線圈44b自磁鐵34露出，則無法消除感應電動勢。

於實施例中可獲得以下之效果。

(1)永久磁鐵34、35與線圈44、46之相對速度不易影響位移之檢測結果。

(2)即便永久磁鐵之列14較短，亦可檢測位移。又，即便檢測用線圈44、46之一部分自永久磁鐵34、35露出，亦可檢測位移。

(3)即便於難以於較長範圍內使永久磁鐵與線圈相對向， 且相對於直線區間減速地行駛之情形較多之曲線區間內，亦可容易地檢測位移。

2‧‧‧移動體系統

4‧‧‧軌道

5‧‧‧直線區間

6‧‧‧曲線區間

8‧‧‧移動體

9、10‧‧‧車輪

11‧‧‧導輥

12‧‧‧永久磁鐵之列(可動子)

14‧‧‧被檢測用磁鐵之列

15‧‧‧控制中心之軌道

16‧‧‧被檢測用磁鐵之中心軌道

18‧‧‧1次側線圈

20‧‧‧線圈驅動部

22‧‧‧磁式位移感測器

24‧‧‧李茲線

25、44a、44b‧‧‧線圈

26‧‧‧支柱

27‧‧‧綜合裝置

28‧‧‧選擇器

30‧‧‧LUT

32‧‧‧控制器

34‧‧‧N極之磁鐵

35‧‧‧S極之磁鐵

40、42‧‧‧線圈之列

44、46‧‧‧檢測用線圈

45、47‧‧‧虛設線圈

48‧‧‧交流電源

50‧‧‧互補緩衝器

52‧‧‧轉換部

54‧‧‧相加部

56‧‧‧零交叉檢測部

60‧‧‧線圈之列

61‧‧‧檢測用線圈

62‧‧‧虛設線圈

80、81‧‧‧線圈

C1、C2、C3‧‧‧曲率中心

G‧‧‧控制中心

N‧‧‧指北極

S‧‧‧指南極

θ‧‧‧角度

圖1係示意地表示於實施例中移動體之軌道之圖式。

圖2係移動體與軌道之鉛垂方向之剖面圖。

圖3係移動體之列駛驅動系統之方塊圖。

圖4係表示自磁式位移感測器之輸出轉換至控制中心之位置之圖式。

圖5係表示於實施例中磁式位移感測器之線圈之配置及永久磁鐵之圖式。

圖6係表示於磁式位移感測器中信號處理電路之方塊圖。

圖7係表示於變形例中磁式位移感測器之線圈之配置及永久磁鐵之圖式。

圖8係表示於第2變形例中線圈之配置之圖式。

圖9係表示於實施例中，位移感測器與端部之永久磁鐵部分地相對向之狀態之圖式。

圖10係表示於比較例中磁式位移感測器及被檢測用磁鐵之圖式。

14‧‧‧被檢測用磁鐵之列

22‧‧‧磁式位移感測器

34‧‧‧N極之磁鐵

35‧‧‧S極之磁鐵

40、42‧‧‧線圈之列

44、46‧‧‧檢測用線圈

45、47‧‧‧虛設線圈

48‧‧‧交流電源

50‧‧‧互補緩衝器

N‧‧‧指北極

S‧‧‧指南極

Claims (4)

1. 一種磁式位移感測器，係檢測被檢測用之永久磁鐵之列與線圈之列之位移者，其特徵在於，其構成為：沿位移之檢測方向，設置由相同數量之線圈所構成，且沿位移之檢測方向之列的起始及結束位置相同之至少2列線圈之列及永久磁鐵之列；上述至少2列線圈中相互對向之至少1對線圈係互相並列地連接；設有對上述至少1對線圈施加隨sinωt變化之電壓的電源；將流通上述至少1對線圈之電流作為輸出而取出；並以於上述至少2列線圈之列之間消除由永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度、及來自永久磁鐵之列之磁場所造成對位移感測器之輸出之影響的方式構成。
2. 如申請專利範圍第1項之磁式位移感測器，其中，上述至少2列線圈之列係將相對向之線圈設為捲繞方法相同而電流之流向相反，或將相對向之線圈設為捲繞方法相反而電流之流向相同。
3. 如申請專利範圍第1或2項之磁式位移感測器，其中，其構成為：上述至少2列線圈之列，各列係由4個線圈所構成，並依第1線圈、第2線圈、第3線圈、第4線圈的順序配列；上述第1線圈~第4線圈係配列為永久磁鐵之列中1個永 久磁鐵的長度；於上述至少2列線圈之列中，於各列之前後兩端設置有虛設之線圈，第1虛設線圈係配置於從第1線圈觀察時第2線圈之相反側，而第2虛設線圈係配置於從第4線圈觀察時第3線圈之相反側；對第1線圈、第2線圈與第2虛設線圈，施加有隨+sinωt變化之電壓；對第3線圈、第4線圈與第1虛設線圈，施加有隨-sinωt變化之電壓；自第1線圈取出sinθsinωt之輸出，自第2線圈取出cosθsinωt之輸出，自第3線圈取出-sinθsinωt之輸出，自第4線圈取出-cosθsinωt之輸出；上述至少2列線圈之列若移動永久磁鐵列中1個永久磁鐵的長度，則磁式位移感測器之輸出係相位θ變化2π。
4. 一種位移檢測方法，係藉由磁式位移感測器，檢測被檢測用之永久磁鐵之列與線圈之列之位移者，其特徵在於：於磁式位移感測器中，沿位移之檢測方向，設置由相同數量之線圈所構成，且於沿位移之檢測方向之列的起始及結束位置相同之至少2列線圈之列及永久磁鐵之列；上述至少2列線圈中相互對向之至少1對線圈係互相並列地連接；自電源對上述至少1對線圈施加隨sinωt變化之電壓；將流通上述至少1對線圈之電流作為輸出而取出； 於上述至少2列線圈之列之間消除由永久磁鐵之列與線圈之列之相對速度、及來自永久磁鐵之列之磁場所造成對位移感測器之輸出的影響。