JP4868159B2 - リニアスケール - Google Patents
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Description
図7は、ソレノイド型のコイルを用いたインピーダンス型リニアスケールの基本検出原理を示す図である。図7(a)に示すように、この型のリニアスケールは、コイルL及びこれに直列接続されたインピーダンス素子R(例えば、抵抗器)を基本単位としている。
したがって、この基本単位に励磁信号
が入力された状態で強磁性部材2が変位すると、コイルLの両端からは、コイルLとインピーダンス素子Rのインピーダンス比に応じた出力信号Voを得ることができる。図7(b)に示すように、出力信号Voの振幅は、強磁性部材2がコイルLの中央に位置する際に最も大きくなる。
リニアスケール20は、複数のコイル群L1〜nからなる検出部3、演算部11、カウンター12、及びピッチ判定部13を備えている。一般的なリニアスケールと同様に、このリニアスケール20は検出可能な最大変位をn個の区間(=ピッチ)に分割して管理しており、被検体がどのピッチに位置しているのか、つまりどのコイル群の近傍に位置しているのかを示す“ピッチ出力”と、各ピッチ内における微小な変位を示す“ピッチ内変位出力”から、被検体の相対的な変位を特定し得るようになっている。
また、検出部3は、被検体である強磁性部材2の磁気的な影響を受け得る程度に近接して、且つ強磁性部材2の変位方向に沿って配置されている。
他のコイル群(例えば、コイル群Ln)の近傍においても同様に、出力信号Vo1は、強磁性部材2の中央とコイルLn1の中央が重なる際に最大となり、その後変位xの増加に伴って、出力信号Vo2、Vo3及びVo4が順次最大となる。
が得られる。ここで、aは任意の定数である。
同様に、出力信号Vo2とVo4の差動出力からは、入力される励磁信号ASinωtに、強磁性部材2と当該コイル群の相対的な変位に応じた係数aSinxを乗じた値、すなわち、
が得られる。ここで、aは任意の定数である。
すなわち、リニアスケール20は、各コイル群L1〜n内における強磁性部材2の直線的な1ピッチの変位を、正弦関数、余弦関数において変数xが2π変化することに対応させて取り扱うことができる。
が得られる。そして、この式(4)と(2)が加法定理に基づいて合成され、最終的に、
が得られる。
図9(a)は、上から、入力された励磁信号波形(=ASinωt)、式(3)で表される信号波形(=β)、式(2)で表される信号波形(=α)を示す。各信号波形の横軸は変位xであり、1ピッチの変位x(=2π、360°)を一周期として、式(2)(3)で表される信号波形は、それぞれ、周期的に変化する。
図9(b)の上側のグラフに示すように、式(5)の信号aSin(ωt±x)は、元々の励磁信号ASinωtに対して、位相がxずれた信号として表される。したがって、励磁信号ASinωtのゼロクロス点から、式(5)の信号aSin(ωt±x)のゼロクロス点までの時間を測定することで、変位xを求めることができる。
結局、カウンター12は、励磁信号ASinωtと式(5)の信号aSin(ωt±x)とを比較することによって変位xを離散的なディジタル値に変換し、これを“ピッチ内変位出力”として出力する。
なお、2進数表記のピッチ内変位出力が“abcd”の場合、10進数表記のピッチ内変位出力はa×23+b×22+c×21+d×20で計算できる。例えば、2進数表記のピッチ内変位出力が最小の“0000”の場合、10進数表記のピッチ内変位出力は0+0+0+0=0となり、最大の“1111”の場合は8+4+2+1=15となる。
以上のように、リニアスケール20は、励磁信号ASinωtと式(5)の信号の位相差を所定のビット数(Nビット)で処理することによって、ピッチ内における微小変位xを1ピッチ/2Nの分解能で検出することができる。
検出部3内には、コイル群毎に、強磁性部材2が近傍に存在しているか否かに応じて適当な信号を出力する、例えばホールスイッチのような素子(図示せず)が備えられている。ピッチ判定部13は、各素子から出力されるこの信号を受け取り、強磁性部材2が位置しているピッチに関する情報を、“ピッチ出力”として出力する。
8.192mm×(1−1)+0.001mm×0=0mm
であると特定される。
また、変位がX4の場合、ピッチ出力が“P5”を示すとともに、10進数表記のピッチ内変位出力は“5120”を示す。したがって、変位X4のスケール内変位xは、
8.192mm×(5−1)+0.001mm×5120=37.888mm
であると特定される。
また、検出部3の検出部長lSと強磁性部材間隔lMの関係を“lM>lS”として上記問題を解決した場合は、図11(b)に示すように、検出部3の直下に強磁性部材2、2’が存在しない状態が生じる。このような場合、検出部3は強磁性部材2、2’からの十分な磁気的な影響を受けることができず、台車4の位置を検出し得ない“不感帯”が生じていた。また、不感帯を補完するために、他の位置検出手段を併用した場合は、構成が複雑化するとともに、高コスト化を招いていた。
結局、図2に示す第1スケール10a及び第2スケール10bは、検出部3a(3b)と強磁性部材2の相対的な変位xを示す第1データとしてピッチ内変位出力及びピッチ出力を出力するとともに、第2データとして波高値を出力する。後述するように、波高値からは、検出部3a(3b)の検出可能領域内に強磁性部材2が存在しているか否かが分かる。
この一例では、レール5上を走行する台車4の下部に、第1スケール10aの検出部3aと第2スケール10bの検出部3bが直線状に並んで配置されている。また、強磁性部材2は、台車4が走行するレール5上に取り付けられるか、またはレール5の表面近傍に埋め込まれている。
なお、図3に示すような態様において、検出部の検出可能領域とは、当該検出部直下の領域で、且つ当該検出部が強磁性部材からの磁気的な影響を受け得る程度の領域を意味する。
本発明によれば、図4に示すように、検出部3aの検出可能領域に強磁性部材2が位置し、さらに検出部3bの検出可能領域に強磁性部材2’が位置しているような場合においても、各検出部がそれぞれの検出可能領域内に位置する強磁性部材との位置関係に応じたピッチ内変位出力及びピッチ出力を出力する。そして、選択されたいずれかのスケール側からのピッチ内変位出力及びピッチ出力に基づいて、台車4の正しい位置を検出することができる。さらに本発明によれば、lST>lMの関係より、検出部3aまたは検出部3bのいずれか一方の検出可能領域には必ず強磁性部材が位置することになるので、台車4の位置が特定できない不感帯の発生を防ぐことができる。
レール5上を走行する台車4の下部には、台車4の進行方向に沿って、第1スケール10aの検出部3aと第2スケール10bの検出部3bが直線状に並んで配置されている。各検出部は、1ピッチの長さが8.192mmのコイル群を8個備えたもので、検出部長lSは65.536mmである。また、検出部3aと検出部3bは直線状に隙間なく並べて配置されているので、総スケール長lSTは、131.072mmである。
なお、検出部3a及び3b内には、コイル群毎(=ピッチ毎)に図示しないホールスイッチが備えられており、強磁性部材2、2’・・・が近傍に存在しているか否かに応じた信号が、ピッチ判定部13に向けて出力される。
図5に示す変位x=0mmの場合、第1スケール10aの波高値(=第1波高値)は、適正値にやや満たない値を示す。一方、第2スケール10bの波高値(=第2波高値)は、その検出可能領域に強磁性部材2が位置しているので、適正値を示す。
スケール切替部15は、第1波高値及び第2波高値の大小を比較し、大きい方のスケール、すなわち第2スケール10bを選択する。そして、第2スケール10bから出力されるピッチ内変位出力及びピッチ出力を、選択ピッチ内変位出力及び選択ピッチ出力として出力する。
実施例2に係るリニアスケールは、3個の検出部を使用することによって、その僅かな空白期間の発生をも防ぐものである。
例えば、変位x=0.5×lSにおいて、強磁性部材2が検出部3bから検出部3cの検出可能領域に変位すると、第2波高値と第3波高値が同時に変化する。また、第2波高値は適正値から外れるので、第2スケール10bは選択されなくなる。このような場合でも、本実施例に係るリニアスケールでは、別の強磁性部材2’がもうひとつの検出部3aの検出可能領域のほぼ中央に位置することになり、第1波高値は適正値を保ち続ける。したがって、スケール切替部15は、第2波高値が適正値から外れるとともに、即座に第1スケール10aを選択することができ、出力される選択ピッチ内変位出力及び選択ピッチ出力に僅かな空白期間が生じるのを防ぐことができる。
また、コイル群毎に備えられているホールスイッチも一例であり、例えば、特願2007−020508に記載されている他の検出部を併用することによって、ピッチを特定するようにしてもよい。
2、2’、2” 強磁性部材
3、3a〜3c 検出部
4 台車
5 レール
10a〜10c 第1〜第3スケール
11 演算部
12 カウンター
13 ピッチ判定部
14 波高値検出部
15 スケール切替部
L コイル
R インピーダンス素子
L1〜n コイル群
lS 検出部長
lST 総スケール長
lM 強磁性部材間隔
Claims (4)
- 直線的、且つ相対的に移動する二物品の変位を検出するリニアスケールであって、
前記物品の一方であって、所定の間隔で直線状に並んで配置された複数の被検体と、
前記物品の他方であって、前記被検体の配列方向に沿って直線状に並んで配置された少なくとも2個の同一の検出部と、
前記検出部のそれぞれから、当該検出部と前記被検体との相対的な変位を示す第1データと、当該検出部が前記第1データを検出可能な領域内にいずれかの前記被検体が存在している場合にのみ適正値を示す第2データとを得て、得られた前記第2データ同士を比較することによって選択すべき前記検出部を決定し、選択された前記検出部から得られた前記第1データを出力するスケール切替部と、を備え、
前記被検体の間隔が、前記検出部の検出部長よりも大きく、且つ、備えられた前記検出部の検出部長の総和よりも小さいことを特徴とするリニアスケール。 - 前記検出部を3個備え、前記被検体の間隔が前記検出部長の1.5倍であることを特徴とする請求項1に記載のリニアスケール。
- 前記被検体は強磁性部材からなり、
前記検出部は、前記被検体との相対的な位置関係に応じてインピーダンスが変化するコイルを備え、
前記コイルのインピーダンスに基づいて前記第1データが出力されることを特徴とする請求項1または2に記載のリニアスケール。 - レールと、
前記レール上を走行する台車と、
前記台車の下部に、前記台車の進行方向に沿って配置された請求項1に記載のリニアスケールと、を備え、
前記被検体が前記レールの表面近傍に配置されていることを特徴とする台車の位置検出システム。
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