特開 2022-65532 変位計測ユニットと、それを使用する変位計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022065532

(43)【公開日】2022-04-27

(54)【発明の名称】変位計測ユニットと、それを使用する変位計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20220420BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 101H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020174167

(22)【出願日】2020-10-15

(71)【出願人】

【識別番号】397050707

【氏名又は名称】株式会社リニア・サーキット

(74)【代理人】

【識別番号】100090712

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 忠秋

(72)【発明者】

【氏名】尾野 弘明

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA02

2F063BA10

2F063BA11

2F063CA34

2F063DA01

2F063DD06

2F063GA52

2F063LA09

2F063NA02

(57)【要約】

【課題】ホールセンサＨＳi （ｉ＝１、２…Ｎ）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い。
【解決手段】スケール部材１１の長さ方向に配列するホールセンサＨＳi と、スケール部材１１に近接して相対移動する磁石ＭＧと、スケール部材１１に組み込む電気回路ＥＣとを設け、電気回路ＥＣは、各ホールセンサＨＳi に対応する抵抗Ｒi （ｉ＝１、２…Ｎ）を含み、磁石ＭＧを介して作動するホールセンサＨＳi の位置に応じて変化する検知電圧Ｖを出力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スケール部材の長さ方向に等間隔に配列して搭載するホールセンサと、前記スケール部材に近接して相対移動する磁石と、前記スケール部材に組み込む電気回路とを備えてなり、前記磁石は、前記ホールセンサを順に作動させ、前記電気回路は、前記各ホールセンサに対応する抵抗を含み、前記磁石を介して作動する前記ホールセンサの位置に応じて変化する検知電圧を出力することを特徴とする変位計測ユニット。

【請求項2】

前記電気回路は、前記抵抗の直列回路を含むことを特徴とする請求項１記載の変位計測ユニット。

【請求項3】

前記電気回路は、前記抵抗の選択回路を含むことを特徴とする請求項１記載の変位計測ユニット。

【請求項4】

前記ホールセンサは、前記スケール部材上に複数列に配置することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の変位計測ユニット。

【請求項5】

請求項１ないし請求項４のいずれか記載の変位計測ユニットと、前記電気回路に給電する電源回路と、ＡＤ変換器を介して前記電気回路の検知電圧を入力する演算ユニットとを備えてなる変位計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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）。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－２１７７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、各ホールセンサに対応する抵抗を含み、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検知電圧を出力することをその要旨とする。

【0008】

なお、電気回路は、抵抗の直列回路を含むことができ、抵抗の選択回路を含むことができる。

【0009】

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。

【0010】

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、電気回路に給電する電源回路と、ＡＤ変換器を介して電気回路の検知電圧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。

【発明の効果】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】変位計測ユニットの模式斜視説明図

【図2】全体電気系統説明図

【図3】変位計測ユニットの電気回路の等価回路図

【図4】使用状態例の模式説明図

【図5】他の実施の形態を示す図３相当図

【図6】他の実施の形態を示すホールセンサの配置説明図

【図7】他の実施の形態を示す変位計測ユニットの模式斜視図

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

【0017】

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））。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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）。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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））。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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））。

【0027】

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。

【0028】

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。

【他の実施の形態】

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【産業上の利用可能性】

【0033】

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。

【符号の説明】

【0034】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】