JP7651089B2 - Displacement measurement unit and displacement measurement device using same - Google Patents
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Description
この発明は、たとえば鉄道架線の自動張力調整装置や、各種車両用のショックアブソーバなどの変位量を計測する用途に適用することができる変位計測ユニットと、それを使用する変位計測装置に関する。 This invention relates to a displacement measurement unit that can be used to measure the amount of displacement in, for example, automatic tension adjustment devices for railway overhead lines and shock absorbers for various vehicles, and to a displacement measurement device that uses the same.
鉄道架線のばね式の自動張力調整装置に適用する変位計測ユニットとして、ホールセンサ(ホール素子を利用する磁気センサをいう、以下同じ)を利用することが提案されている(たとえば特許文献1)。 It has been proposed to use a Hall sensor (a magnetic sensor that uses a Hall element, the same applies below) as a displacement measurement unit to be applied to a spring-type automatic tension adjustment device for railway overhead lines (for example, Patent Document 1).
従来の変位計測ユニットは、スケール部材上に等間隔に配列するホールセンサと、スケール部材に近接して相対移動する磁石とを組み合わせ、磁石の移動によって順に作動するホールセンサの位置を検知するために、デマルチプレクサを介して各ホールセンサを選択して個別に給電している。すなわち、デマルチプレクサに供給する制御用のパルスを計数することにより給電中のホールセンサを特定し、給電中のセンサが磁石を介して現に作動中であることを検出することにより、磁石の位置を特定して計測対象の変位量を検知することができる。 Conventional displacement measurement units combine Hall sensors arranged at equal intervals on a scale member with a magnet that moves relatively close to the scale member, and in order to detect the position of the Hall sensors that are activated in sequence by the movement of the magnet, each Hall sensor is selected and powered individually via a demultiplexer. In other words, the Hall sensor that is being powered is identified by counting the control pulses supplied to the demultiplexer, and by detecting that the sensor that is being powered is currently operating via the magnet, the position of the magnet can be identified and the amount of displacement of the measurement target can be detected.
かかる従来技術によるときは、スケール部材上のホールセンサは、デマルチプレクサを介して順次個別に選択して給電されるから、変位計測のストロークを大きくし、しかも計測分解能を高くしてホールセンサの所要数がたとえば100個以上と多くなると、幅狭のスケール部材上における配線が錯綜して実装が難しくなったり、全体サイズが過大になったりしがちであるという問題があった。 In this conventional technology, the Hall sensors on the scale member are selected and powered sequentially and individually via a demultiplexer. Therefore, when the stroke for displacement measurement is increased and the measurement resolution is increased, requiring a large number of Hall sensors, such as 100 or more, the wiring on the narrow scale member tends to become tangled, making implementation difficult and the overall size excessive.
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、電気回路から出力される検知電圧の変化から作動中のホールセンサをアナログ的に特定することによって、ホールセンサの所要数が多くなっても実装上の問題を生じるおそれがなく、全体サイズをコンパクトに抑えることができる変位計測ユニットと、それを使用する変位計測装置を提供することにある。 In view of the problems with the prior art, the object of this invention is to provide a displacement measurement unit and a displacement measurement device that uses the same, which can keep the overall size compact and eliminate mounting problems even if a large number of Hall sensors are required, by analogically identifying the Hall sensor in operation from changes in the detection voltage output from an electrical circuit.
かかる目的を達成するためのこの出願の請求項1の発明の構成は、スケール部材の長さ方向に等間隔に配列して搭載するN個のスイッチタイプのホールセンサと、スケール部材に近接して相対移動する磁石と、スケール部材に組み込む電気回路とを備えてなり、磁石は、ホールセンサを順に作動させ、電気回路は、スケール部材の外部からの電源電圧Vo を各ホールセンサに分岐して供給するとともに、電源電圧Vo が一端に供給される抵抗値ro の抵抗Ro と各ホールセンサと組み合わせる抵抗値ri (i=1、2…N)の抵抗Ri (i=1、2…N)の直列回路とを設け、磁石を介してn(n≦N)番目のホールセンサが作動すると検知電圧V=(ra /(ro +ra ))Vo (ただし、ra =r1 +r2 +…+rn )をスケール部材の外部に出力することをその要旨とする。なお、各抵抗Ri は、抵抗値ri =r(一定値)に揃えることができる。
The invention of
請求項3の発明の構成は、スケール部材の長さ方向に等間隔に配列して搭載するN個のスイッチタイプのホールセンサと、スケール部材に近接して相対移動する磁石と、スケール部材に組み込む電気回路とを備えてなり、磁石は、ホールセンサを順に作動させ、電気回路は、スケール部材の外部からの電源電圧Vo を各ホールセンサに分岐して供給するとともに、電源電圧Vo が一端に供給される抵抗値ro の抵抗Ro と各ホールセンサによる互いに異なる抵抗値ri (i=1、2…N)の抵抗Ri (i=1、2…N)の選択回路とを設け、磁石を介してn(n≦N)番目のホールセンサが作動すると検知電圧V=(rn /(ro +rn ))Vo をスケール部材の外部に出力することをその要旨とする。
The invention of
また、ホールセンサは、スケール部材上に複数列に配置してもよい。 The Hall sensors may also be arranged in multiple rows on the scale member.
請求項5の発明の構成は、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明の変位計測ユニットと、電気回路に電源電圧Vo を給電する電源回路と、AD変換器を介して電気回路からの検知電圧Vを入力する演算ユニットとを備えてなることをその要旨とする。
The gist of the invention of claim 5 is that it comprises a displacement measurement unit according to any one of
かかる請求項1の発明の構成によるときは、電気回路から出力される検知電圧は、磁石を介して作動するホールセンサの位置に応じて変化するから、電気回路からの検知電圧を外部から読み取ることにより、現に作動中のホールセンサの位置を特定し、そのホールセンサを作動させている磁石の位置を特定することができる。すなわち、たとえば鉄道架線の自動張力調整装置のような計測対象の変位部材に磁石を連結しておけば、磁石の位置に基づいて計測対象の変位量を計測することができる。なお、このときのホールセンサは、個別に選択して給電する必要がないから、その所要数がたとえば100個以上の多数個になったとしても、配線が錯綜して実装上の問題を生じたりすることがなく、コンパクトな全体サイズを容易に実現することができる。
In the configuration of the invention of
なお、ホールセンサの数Nとして、電気回路に含まれる抵抗Ri (i=1、2…N)は、各ホールセンサに対応している。そこで、n(n≦N)番目のホールセンサが作動するとき、電気回路内の抵抗Ri の直列回路のうち、1~n番目の抵抗Ri の合計抵抗値ra =r1 +r2 +…+rn は、作動中のホールセンサの位置を特定する指標として利用することができる。ただし、各抵抗Ri の抵抗値ri とし、このときの各抵抗Ri は、抵抗値ri =r(一定値)に揃えてもよい。また、電気回路内の抵抗Ri の選択回路では、n番目のホールセンサが作動するときに選択される抵抗Rn の抵抗値rn を作動中のホールセンサの位置を特定する指標として利用することができる。ただし、このときの各抵抗Ri は、それぞれの抵抗値ri が互いに異なり、同じ抵抗値ri が含まれないものとする。 The number of Hall sensors is N, and resistors Ri (i = 1, 2, ... N) included in the electric circuit correspond to each Hall sensor. When the nth (n ≦ N) Hall sensor is activated, the total resistance value ra = r1 + r2 + ... + rn of the 1st to nth resistors Ri in the series circuit of resistors Ri in the electric circuit can be used as an index to identify the position of the Hall sensor in operation. However, the resistance value of each resistor Ri may be ri, and each resistor Ri at this time may be set to resistance value ri = r (constant value). In addition, in the selection circuit for resistor Ri in the electric circuit, the resistance value rn of resistor Rn selected when the nth Hall sensor is activated can be used as an index to identify the position of the Hall sensor in operation. However, each resistor Ri at this time has a different resistance value ri, and no resistors with the same resistance value ri are included.
スケール部材上に複数列に配置するホールセンサは、計測分解能を容易に向上させることができる。一定間隔ごとに1列に配置するホールセンサは、たとえば同一間隔ごとの2列、3列に配置することにより、実質的にそれぞれ元の列の1/2、1/3の間隔を実現し、それぞれ2倍、3倍の計測分解能を実現することができるからである。 Hall sensors arranged in multiple rows on a scale member can easily improve measurement resolution. By arranging Hall sensors in one row at regular intervals, for example, in two or three rows at the same interval, it is possible to achieve essentially 1/2 or 1/3 the spacing of the original row, respectively, thereby achieving two or three times the measurement resolution, respectively.
請求項5の発明の構成によるときは、電源回路は、電気回路に電源電圧を供給する一方、演算ユニットは、AD変換器を介して電気回路の検知電圧を入力することにより、検知電圧に基づいて作動中のホールセンサを特定し、磁石の位置を特定して計測対象の変位量を計測することができ、請求項1の発明の効果を奏することができる。
When the invention of claim 5 is configured, the power supply circuit supplies a power supply voltage to the electric circuit, while the arithmetic unit inputs the detection voltage of the electric circuit via an AD converter, and can identify the Hall sensor in operation based on the detection voltage, identify the position of the magnet, and measure the amount of displacement of the measurement object, thereby achieving the effect of the invention of
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。 The following describes an embodiment of the invention with reference to the drawings.
変位計測ユニット10は、スケール部材11の長さ方向に等間隔に配列するN個のホールセンサHSi (i=1、2…N)と、支持部材12上の磁石MGとを備えてなる(図1、図2(A))。
The
スケール部材11は、幅狭の絶縁基板であって、スケール部材11上には、ホールセンサHSi が搭載される他、コネクタCTと、抵抗Ro 、Ri (i=1、2…N)の直列回路とを含む電気回路ECが組み込まれている。各ホールセンサHSi には、コネクタCTのピン1からの電源電圧Vo が分岐して供給されており、各ホールセンサHSi の出力側は、対応する抵抗Ri の一端に接続されている。一方、抵抗Ro の一端は、コネクタCTのピン1に接続され、他端の抵抗R1 との接続点は、検知電圧VとしてコネクタCTのピン3に引き出されている。なお、各ホールセンサHSi の出力側の他端は、コネクタCTのピン2とともに接地されている。
The
スケール部材11上の電気回路ECは、コネクタCTのピン1を介して電源回路13からの電源電圧Vo が供給されている(図2(B))。また、電源回路13には、バッテリBの他、外部電源用のコネクタCVの各出力が入力されている。電気回路ECからの検知電圧Vは、コネクタCTのピン3を経て、AD変換器14を介して所定のビット数のディジタル信号として演算ユニット15に入力されている。
The electric circuit EC on the
磁石MG用の支持部材12は、スケール部材11に近接して配置されている(図1(A))。支持部材12は、磁石MGをスケール部材11に近接させながらスケール部材11と平行に相対移動させ(図1(B)の右向き白矢印方向)、磁石MGを介して、スケール部材11上の対応するホールセンサHSi を順に作動させることができる(図1(A)、(B)の各下向き黒矢印)。
The
そこで、各ホールセンサHSi は、たとえば磁石MGの磁束に反応する両極検出のスイッチタイプとすると、スケール部材11上の電気回路ECは、図3の等価回路に書き換えることができる。すなわち、図2(A)、図3において、n(n≦N)番目のホールセンサHSn が作動すると、検知電圧V=(ra /(ro +ra ))Vo (ただし、ra =r1 +r2 +…+rn )となり、検知電圧Vに基づいて作動中のホールセンサHSn を特定し、ホールセンサHSn の位置から磁石MGの位置を検知して支持部材12の変位量を計測することができる。ここで、ro 、ri (i=1、2…N)は、抵抗Ro 、Ri の抵抗値であり、1~n番目の抵抗Ri (i=1、2…n)の合計抵抗値ra は、作動中のホールセンサHSn を示す指標とすることができる。
If each Hall sensor HSi is, for example, a switch type that detects both poles and responds to the magnetic flux of the magnet MG, the electric circuit EC on the
一方、図2(B)の電源回路13は、スケール部材11上の電気回路ECに電源電圧Vo を供給する。また、演算ユニット15は、AD変換器14を介して電気回路ECからの検知電圧Vを読み取り、検知電圧Vに基づいて作動中のホールセンサHSn 、磁石MGの各位置を特定して支持部材12の変位量を計測する。そこで、電源回路13、演算ユニット15は、図1、図2(A)の変位計測ユニット10と組み合わせる変位計測装置を形成している。
Meanwhile, the
変位計測装置は、たとえば鉄道架線Wのばね式の自動張力調整装置20に適用して計測対象とすることができる(図4(A))。
The displacement measuring device can be applied to, for example, a spring-type automatic
自動張力調整装置20は、外筒21に対して中筒22、内筒23を軸方向に摺動自在に組み合わせ、外筒21、中筒22の間、中筒22、内筒23の間にそれぞれ図示しない圧縮ばねを内装して構成されている。自動張力調整装置20は、補強材21aとともに外筒21を支柱WMに水平に装着して内筒23の先端に鉄道架線Wを連結することにより、内蔵の圧縮ばねを介して鉄道架線Wの伸縮を吸収することができる。
The automatic
変位計測装置中の変位計測ユニット10のスケール部材11は、外筒21の外面に固定され、磁石MG用の支持部材12は、内筒23の先端に固定されている。そこで、鉄道架線Wが伸縮して内筒23が軸方向に変位すると、磁石MGを介してスケール部材11上のホールセンサHSi が順に作動し、図示しない演算ユニット15を介して内筒23の変位量を計測することができる。ただし、図4(A)において、ホールセンサHSi は、共通の符号HSを付して表示されている。
The
変位計測装置は、油圧ダンパ31、圧縮ばね32を組み合わせる車両用のショックアブソーバ30を計測対象としてもよい(図4(B))。
The displacement measuring device may measure a shock absorber 30 for a vehicle, which combines a
油圧ダンパ31の両端には、シリンダ側、ピストン側の環状の取付部31a、31bが形成されている。また、ピストン側の取付部31bの基部には、磁石MG用の支持部材12が固定され、ホールセンサHSi を搭載するスケール部材11は、磁石MGに近接するようにして、ショックアブソーバ30の伸縮方向に保持されている。
The
ショックアブソーバ30が伸縮すると、磁石MGを介してスケール部材11上のホールセンサHSi が作動し、図示しない演算ユニット15を介してピストン側の取付部31bの変位量を計測することができる。なお、図4(B)においても、ホールセンサHSi は、共通の符号HSを付して表示されている。
When the shock absorber 30 expands or contracts, the Hall sensor HSi on the
スケール部材11上において、ホールセンサHSi と組み合わせる抵抗Ri の直列回路は、ホールセンサHSi による抵抗Ri の選択回路に代えることができる(図5)。ただし、図5は、図3相当の電気回路ECの等価回路である。
On the
図5において、n番目のホールセンサHSn が作動すると、検知電圧V=(rn /(ro +rn ))Vo となり、抵抗Rn の抵抗値rn によって検知電圧Vが決まる。そこで、検知電圧Vに基づいて作動中のホールセンサHSn の位置、磁石MGの位置を特定し、計測対象の変位量を計測することができる。ただし、このときの各抵抗Ri は、それぞれの抵抗値ri がすべて異なるものとする。 In FIG. 5, when the nth Hall sensor HSn is activated, the detection voltage V = (rn / (r o +r n )) Vo, and the detection voltage V is determined by the resistance value rn of the resistor Rn. Therefore, based on the detection voltage V, the position of the Hall sensor HSn in operation and the position of the magnet MG can be identified, and the displacement of the measurement target can be measured. However, in this case, each resistor Ri has a different resistance value ri.
スケール部材11の長さ方向に配列するホールセンサHSi は、1列に配置してもよいが(図1、図6(A))、複数列に配置してもよい(図6(B)、(C))。ただし、図6(A)~(C)において、各図の左右方向がスケール部材11の長さ方向であり、ホールセンサHSi は、n=1から始まる所定個数だけが図示されている。
The Hall sensors HSi arranged in the length direction of the
スケール部材11の長さ方向に間隔dごとの1列に配置するホールセンサHSi は、間隔d相当の計測分解能を実現することができる(図6(A))。これに対し、同一間隔dごとの2列、3列に配置するホールセンサHSi は、それぞれ実質的な間隔d/2、d/3を実現し(図6(B)、(C))、間隔d/2、d/3相当の高い計測分解能を実現することができる。ただし、2列、3列に配置するとき、各列のホールセンサHSi は、それぞれ元の列の1/2ピッチ、1/3ピッチずつ列方向に偏移させて配置するものとする。なお、スケール部材11上にホールセンサHSi を3列に配置する場合の変位計測ユニット10の形態を模式的に示すと、図7のとおりである。ただし、図7において、スケール部材11上のホールセンサHSi 以外の部材は、図示が省略されている。
Hall sensors HSi arranged in one row at intervals d along the length of the
この発明は、使用環境が苛酷になりがちな鉄道架線の自動張力調整装置や各種の車両用のショックアブソーバなどを含む任意の計測対象に対し、広く好適に適用することができる。 This invention can be widely and effectively applied to any measurement target, including automatic tension adjustment devices for railway overhead lines, which tend to be used in harsh environments, and shock absorbers for various vehicles.
V…検知電圧
MG…磁石
EC…電気回路
HSi (i=1、2…N)…ホールセンサ
Ri (i=1、2…N)…抵抗
10…変位計測ユニット
11…スケール部材
13…電源回路
14…AD変換器
15…演算ユニット
特許出願人 株式会社 リニア・サーキット
V: detection voltage MG: magnet EC: electric circuit HSi (i=1, 2...N): Hall sensor Ri (i=1, 2...N): resistor 10: displacement measuring unit 11: scale member 13: power supply circuit 14: AD converter 15: calculation unit
Patent applicant: Linear Circuit Co., Ltd.
Claims (5)
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