专利名称：位置传感器及位置检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测移动台车、移动载置装置、机床的头部或工件等移动体的位置的位置传感器以及位置检测方法。
背景技术：
申请人:开发了一种测定移动台车、搬送装置、移动载置装置、机床的头部或工件等移动体的位置的传感器(例如，专利文件1 JP2009-2660A)。在该位置传感器中，利用使用了磁性体和非磁性体的组合或者磁铁等的标记和线圈阵列，求出标记基准的位置。即利用来自线圈阵列的输出信号的相位基于其与标记的相对位置而变化这点，求出标记基准的位置。而且有多个标记时，存储每个标记的偏移，与标记基准的位置相加，作为绝对位置。在此考虑例如移动体的移动行程，或者移动路径的全长等测定位置的范围较大的情况。为了在测定范围较大时连续地检测位置，在移动体的左右至少设置一对位置传感器， 在移动体的移动路径的左右设置标记，总是利用任意一个位置传感器检测标记，这是有效的(专利文件2JP2008-140144A)。然而，发明者发现，在切换左右一对位置传感器时，移动体位置的指示值不连续地变化。若位置不连续地变化，则变成向通过来自位置传感器的指示值而动作的伺服系统输入很大的噪声。专利文献1 JP2009-2660A专利文献2 JP2008-140144A
发明内容
本发明的课题在于，在设置多个传感器单元并连续地检测位置时，在传感器单元重复输出位置的区间内，输出位置不会不连续地变化。本发明在具有用于求出位置的多个传感器单元，切换使用的传感器单元并输出移动体位置的位置传感器中，设置有平滑单元(Smoothingimit)，上述平滑单元在多个传感器单元一起输出位置的区间内组合来自各传感器单元的输出来作为位置传感器的输出，使得从上述区间的入口到出口为止，位置传感器的输出连续地变化。本发明还在使用具有用于求出位置的多个传感器单元的位置传感器，切换传感器单元并检测移动体位置的方法中，通过位置传感器的平滑单元在多个传感器单元一起输出位置的区间内组合来自各传感器单元的输出来作为位置传感器的输出，使得从上述区间的入口到出口为止，位置传感器的输出连续地变化。在本说明书中，关于位置传感器的记载适用于该位置检测方法，反之关于位置检测方法的记载也适用于位置传感器。这样，在切换传感器单元时，在能够从多个传感器单元获得输出的区间内，位置的输出(指示值)不会不连续地变化。因此不会给使用来自位置传感器的信号的伺服系统等带来负担。另外，可以将位置传感器装在移动体上，检测地面侧的标记，或者也可相反地将标记装在移动体上，通过地面侧的位置传感器检测移动体的标记，求出移动体的位置。优选的是，将基于上述区间内来自多个传感器单元中的第一传感器单元的信号的位置设为DL，将基于来自第二传感器单元的信号的位置设为DR，将沿着移动体的移动方向的上述区间的长度设为Li，将区间内的移动体的相对位置设为X，在仅第一传感器有效的一侧设为X = 0，在仅第二传感器有效的一侧设为X = Li，进而根据D = DL-(DL-DR) XX/ Li，求出位置传感器的输出D。这样，能够通过简单的插值运算求出移动体的位置，并且传感器单元间的输出的差被分散在区间的全长上。另外，例如称呼一对传感器单元的哪一方为 L，哪一方为R是任意的，上述公式中的标记L、R也可以与物理的左右相反。但是在这种方法中，虽然在X = 0、L1处位置是连续的，但不是平滑地变化。为了对位置进行平滑化，例如也可以设定 y = X/L1-0. 5，DL-DR = C，C(y) = l/(l+exp(_n · y)), D = DL+C 等。这是被用于神经网络的S形函数中，η是正数例如5 100。这个函数在y = -0. 5时几乎变为0， 在y = 0时变为1/2，在y = 0. 5时几乎变为1。但是，因为在计算中指数函数是必要的，不适用于高速地求出位置，在y是0. 5附近的区域内压缩误差，所以增加了外部的伺服系统的负担。更加优选的是，上述多个传感器单元分别由线圈阵列构成，并设置有驱动多个线圈阵列的共用的驱动电源，将线圈阵列的输出变换成输出的检测电路，以及以多个线圈阵列间兼用上述检测电路的方式选择性地将多个线圈阵列的输出输入到检测电路的开关，在上述区间内，通过开关的切换将来自多个线圈阵列的输出交替地通过共用的检测电路变换成输出。这样，不仅能够共用检测电路，而且能够消除基于检测电路的偏差的位置指示值的差异。在位置指示值的差异中，除了因标记的设置精度、各传感器单元的偏差而产生的差异以外，还包括因使用不同的检测电路而产生的差异。因此如果使用共用的检测电路，则能够从最开始消除起因于检测电路的差异。特别优选的是，在上述区间内，通过利用预测运算单元，将基于来自各线圈阵列的输出的位置的时间序列外插到当前时刻的位置，求出各线圈阵列的虚拟的当前位置。然后在上述平滑单元中，组合各线圈阵列的虚拟的当前位置，作为移动体的位置。如果共用检测电路，那么因为交替地使用传感器单元，所以如果着眼于各传感器单元就会发现能够获得输出的周期变成了 2倍。另外，为了求出位置，同时从多个传感器单元获得指示值是必要的。因此如果外插来自各线圈阵列的指示值并作为虚拟的当前位置，则能够在不受到共用检测电路影响的情况下，求出常时移动体的位置。
图1是实施例中的磁性标记和线圈阵列，检测电路以及平滑单元的框图；图2是实施例中的线圈阵列的框图；图3是实施例中的检测电路和平滑单元的框图；图4是表示线圈阵列切换时的平滑化和各线圈阵列的权重w的图；图5是表示基于来自各线圈阵列的信号的当前位置的预测和平滑化的图；图6是表示平滑化的算法的流程图；以及图7是变形例中的检测电路和平滑单元的框图。附图符号说明2...位置传感器；4...交流电源电路；6...检测电路；8...平滑单元；10，
11...信号线；12...定时器；13...表；14. ..D/A转换器；16...开关；18，19...运算放
4大器；20...移相器；21...加法器；22...计数器；30...偏移校正单元；31...存储器； 32...预测运算单元；ml，m2...磁性标记；L、R...线圈阵列；Cl-I C3_4...线圈；D...指示值；t...时刻；P1，P2...线圈阵列的输出；Li...重复部的长度；X...重复部内的相对坐标
具体实施例方式以下示出了用于实施本发明的最佳实施例。本发明的范围基于权利要求书的记载，并参考说明书的记载和本领域中的公知技术，遵从本领域技术人员的理解来决定。在图1 图7中示出了实施例。在各图中，ml和m2是磁性标记，沿着未图示的移动体、此处是天车的移动轨道被左右配置，由例如磁性体和非磁性体的组合，或永久磁铁等构成。位置传感器2被安装在未图示的移动体上，由左右一对线圈阵列L、R(左右的传感器单元)，驱动线圈阵列L、R的共用的交流电源电路4，共用的检测电路6，以及平滑单元8构成。线圈阵列L、R的构成是相同的，在图2中示出了线圈阵列L、R中线圈的配置。例如线圈Cl-I 线圈C1-4的4个线圈被配置在1组里，同样地线圈C2-1 线圈C2-4被配置在1组里，线圈C3-1 线圈C3-4被配置在1组里，以下相同。然后从各组的4个线圈中取出2个的输出，成为线圈阵列的输出PI、P2。而且，线圈Cl-I 线圈C3-4等是按照C1-1， Cl-2，Cl-3，Cl-4，C2-1，C2-2. · ·的顺序串联配置的。在图3中示出了检测电路6等的构成。交流电源电路4由例如具有时钟电路的计时器12 ；根据来自计时器12的信号读出相当于sinot的信号的表13 ；以及对表13的输出进行DA变换，输出相当于交流电压的信号a · sincot的D/A转换器14构成的。然后在检测电路6中，交流信号sincot变为O的时刻很重要，在该时刻重置后述的计数器22。在检测电路6中，若sin —t+α)变为0，则锁存计时器12的时钟输出，输出该时刻ti。另外， 因为α是表示相对于标记的相位，所以变成了表示标记基准的位移，在α上加上偏移得到的是各传感器单元的位置指示值。如图2所示，因为从线圈阵列L、R得到一对信号PI、Ρ2，而且线圈阵列有2组， 所以2组信号(P1L，P2L)、(P1R，P2R)被输入到检测电路6中。在检测电路6中，通过开关16交替地切换处理信号(P1L，P2L)和(P1R，P2R)。18和19是一对运算放大器，通过运算放大器18取出例如对应于b · cosa · sincot的信号，通过运算放大器19取出对应于 b-sina ^incot的信号。移相器20使运算放大器19的ω t的相位提前90度，输出相当于b*Sina Koscot的信号。这是为了例如以ω t使信号延迟π/2的量，进而使正负反转。 加法器21将来自运算放大器18的b'cos a Min cot和来自移相器20的b Mina -cosot 的信号相加，根据加法定理输出相当于b · Sin(G) t+a)的信号。因为α是以O 2 π的相位表示线圈阵列相对于磁性标记的位置，所以是磁性标记基准位置。每当sin ω t变为0，都通过来自计时器12的信号重置计数器22，接着对到 sin (cot+α)变成O为止的时间进行计时。相反，也可以在sin (ω t+a )变成O之后，对到 sin t变成O为止的时间进行计时。从计数器22获得α的数据，因为该数据是磁性标记基准数据，所以通过偏移校正单元30进行偏移校正，变换成移动体的位置指示值Di。因为到此为止的处理是对左右的磁性标记ml、m2交替进行的，所以针对左侧的磁性标记ml能够获得指示值DiL和其检测时刻tiL的时间序列数据，针对右侧的磁性标记，能够获得指示值 DiR和其检测时刻tiR的时间序列数据。将这2种时间序列数据存储在存储器31中。预测运算单元32根据存储器31中的来自线圈阵列L的时间序列数据，预测运算基于线圈阵列L的当前位置DiL。预测运算单元32同样地根据来自线圈阵列R的时间序列数据，预测运算基于线圈阵列R的当前位置DiR。另外，在仅线圈阵列L有效的区间内，仅预测运算基于线圈阵列L的当前位置，同样地在仅线圈阵列R有效的区间内，仅预测运算基于线圈阵列R的当前位置。至少是对线圈阵列L和线圈阵列R共同有效的区间(重复区域) 来进行预测运算。在实施例中进行作为平滑化的加权平均，通过平滑单元8，将X/L1作为权重，按照图4对与线圈阵列L和线圈阵列R相关的2个当前位置的预测运算值进行平均，输出当前位置的指示值D。X/L1的含义如图4所示。图4示出了来自线圈阵列L、R的指示值的平滑化，在图的左侧仅线圈阵列L有效， 在右侧仅线圈阵列R有效。在中间是线圈阵列L、R共同有效的区间，该区间是平滑化的对象，设其长度为Li。然后在该区间内，如图4的双线那样进行平滑化。另外在该区间内，在图4的竖线的时刻从线圈阵列L、R输出指示值，通过预测运算单元对该指示值进行预测运算，变换成连续的指示值。关于信号的权重，在X = O的区间的入口处线圈阵列L是100%， 在X = Ll的区间的出口处线圈阵列R是100%，例如在这之间，权重线性变化。在图5中示意地示出了从预测运算到计算出平滑化后的指示值。图5的上部表示左侧的来自线圈阵列L的指示值DL，指示值以例如交流电源信号的IOkHz左右的周期产生。 同样地右侧的来自线圈阵列R的指示值DR也以IOkHz左右的周期产生。其中在2个线圈阵列共同有效的区域内，因为交替地切换使用检测电路，所以能够获得指示值的时间间隔变成其他区间的2倍。另外不能同时获得来自一对线圈阵列L、R的指示值。因此通过预测运算模拟求出在任意时刻的指示值。然后如图5下部所示利用权重w对模拟求出的指示值进行平均，作为时刻t的指示值D⑴。权重w是X/L1。在图6中示出了在线圈阵列L、R共同有效的重复区间内的处理算法。在步骤1中存储来自线圈阵列L的指示值和其检测时刻的时间序列，在步骤2中存储来自线圈阵列R 的输出DR和其检测时刻ti的时间序列。步骤1和步骤2交替地执行。在步骤3中，对于线圈阵列L，从该时间序列数据通过外插法求出在当前时刻r的指示值DL。同样地在步骤4 中，对于线圈阵列R，通过外插法求出在当前时刻的指示值DR。步骤3、4交替地执行。在步骤5中加权平均2个外插值，作为当前位置。另外在此求出在重复区间内的相对位置X与求出指示值D大体相同，X使用例如根据前次的指示值D求出的值。进行更加精密的处理时， 根据前次的指示值求出X，利用由此求出这次的指示值D，从而再次求出X，然后再次求出当前的指示值D。图7示出了变形例的检测电路，通过由计时器12 D/A转换器14构成的共用的交流电源电路驱动一对线圈阵列L、R这点和图3相同。在图7的电路中设置了一对检测电路，来自各检测电路的输出通过平滑单元8，按照图4进行平滑化。因此在偏移校正单元 30'中，仅偏移校正来自1个线圈阵列的指示值，而且因为来自左右线圈阵列的指示值几乎是同时得到的，所以省略了预测运算。但是在图7的电路中，需要一对检测电路，而且因为左右线圈阵列L、R的信号由各自的检测电路处理，所以产生了基于检测电路的特性偏差的误差。在其他方面与图3的检测电路6相同。
在实施例中能够获得以下的效果。(1)在能够从一对线圈同时获得信号的重复区间内，来自位置传感器的输出不会不连续地变化。因此不会给用于控制位置传感器的信号的伺服系统等带来过大的负担。(2)如果以D = DL-(DL-DR) XX/L1求出位置传感器的输出，则能够通过简单的运算求出位置，而且能够将误差分散在整个重复区间内。(3)如果共用检测电路，那么不仅在成本方面有利，而且不会产生基于检测电路的
偏差的误差。(4)如果通过预测运算单元预测当前位置，则因为共用了检测电路，所以能够解决不能同时得到左右的指示值的问题。而且几乎能够在任意时刻预测当前指示值。而且即使在重复区间以外，也能够输出指示值，而不管驱动线圈阵列的交流周期如何。另外，偏移校正单元30，存储器31，预测运算单元32，平滑单元8，计时器12，表 13，D/A转换器14等，也可以由分立电路构成，或由硬件和软件构成的计算机构成。
权利要求
1.一种位置传感器，其具有用于求出位置的多个传感器单元，切换所使用的传感器单元并输出移动体的位置，该位置传感器的特征在于设置有平滑单元，该平滑单元在多个传感器单元一起输出位置的区间内组合来自各传感器单元的输出来作为位置传感器的输出，使得从所述区间的入口到出口为止，位置传感器的输出连续地变化。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于将所述区间内基于来自多个传感器单元中的第一传感器单元的信号的位置设为DL，将基于来自第二传感器单元的信号的位置设为DR，将沿着移动体的移动方向的所述区间的长度设为Li，将在区间内的移动体的相对位置设为X，在仅第一传感器有效的一侧设为X = 0，在仅第二传感器有效的一侧设为X = Ll，进而通过D = DL-(DL-DR) XX/L1，求出位置传感器的输出D。
3.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所述多个传感器单元分别由线圈阵列构成，并设置有驱动多个线圈阵列的共用的驱动电源，将线圈阵列的输出变换成输出的检测电路，以及开关，其以多个线圈阵列间兼用所述检测电路的方式，将多个线圈阵列的输出选择性地输入到检测电路，在所述区间内，通过切换开关，将来自多个线圈阵列的输出交替地通过共用的检测电路变换成输出。
4.根据权利要求3所述的位置传感器，其特征在于设置有预测运算单元，该预测运算单元通过在所述区间内将基于来自各线圈阵列的输出的位置的时间序列外插到当前时刻的位置，求出各线圈阵列的虚拟的当前位置，在所述平滑单元中，组合各线圈阵列的虚拟的当前输出，作为位置传感器的输出。
5.一种位置检测方法，使用具有用于求出位置的多个传感器单元的位置传感器，切换传感器单元并检测移动体的位置，该位置检测方法的特征在于通过位置传感器的平滑单元，在多个传感器单元一起输出位置的区间内组合来自各传感器单元的输出来作为位置传感器的输出，使得从所述区间的入口到出口为止，位置传感器的输出连续地变化。
全文摘要
本发明提供一种位置传感器及位置检测方法，该位置传感器使用具有用于求出位置的多个传感器单元的位置传感器，切换传感器单元并检测移动体的位置。在多个传感器单元一起输出位置的区间内组合来自各传感器单元的输出来作为位置传感器的输出，使得从区间的入口到出口为止，位置传感器的输出连续地变化。
文档编号G01D5/245GK102235883SQ20111008018
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月25日 优先权日2010年4月12日
发明者清水哲也 申请人:村田机械株式会社