(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器を用いてリニアステッピングモータの位置検出のための基準クロックを発生させ、その基準クロックを計数器により計数する過程と、
前記計数器の出力をサイン、コサイン関数を内蔵しているＲＯＭに入力してキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値を発生させる過程と、
前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値をディジタル／アナログ変換器を用いてｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号にそれぞれ変換して出力する過程と、
前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号とリニアスケールからのｓｉｎθ、ｃｏｓθ正弦波信号をそれぞれ乗算器により乗算してｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ、ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθの信号を生成する過程と、
前記ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとｃｏｓωｔ・ｓｉｎθを加算器により加算して変調信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を生成する過程と、
前記変調信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を前記計数器に同期するように比較器により所定の矩形波信号に変換する過程と、
前記比較器からの矩形波信号と正弦波信号ｓｉｎωｔとの位相差を検出してリニアステッピングモータの位置を検出する過程とを含み、前記位相差検出過程で、前記正弦波ｓｉｎωｔと前記変換された矩形波信号の各エッジごとに計数器の値を読み取るようになっていることを特徴とするリニアステッピングモータの位置検出方法。
【請求項２】
リニアステッピングモータの位置検出のための所定の基準クロックを発生する発振器と、
前記基準クロックを計数する計数器と、
前記計数器を通して出力される基準クロックをキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値にそれぞれ変換して出力する複数のＲＯＭと、
前記ＲＯＭからのキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値をｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号にそれぞれ変換して出力するディジタル／アナログ変換器と、
前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号とリニアスケールからのｓｉｎθ、ｃｏｓθ正弦波信号を乗算して、それぞれｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ、ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθの信号を出力する複数の乗算器と、
前記乗算器からの信号ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとｃｏｓωｔ・ｓｉｎθを加算してｓｉｎ（ωｔ＋θ）の信号を出力する加算器と、
前記信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を所定の矩形波信号に変換して出力する比較器と、
前記比較器からの矩形波信号と正弦波ｓｉｎωｔとの位相差を検出してリニアステッピングモータの位置を検出する位置検出回路とを備えてなり、前記位置検出回路で、前記正弦波ｓｉｎωｔと前記変換された矩形波信号の各エッジごとに計数器の値を読み取るようになっていることを特徴とするリニアステッピングモータの位置検出装置。
【請求項３】
前記位置検出回路が、第１パルスと第２パルスを受信して第３パルスを出力する第１Ｒ−Ｓフリップフロップと、前記第３パルスとクロック信号を受信して第４パルスを出力する第１Ｄフリップフロップと、前記クロツク信号、第１パルス及び第４パルスを受信して第５パルスを出力する第１ＡＮＤゲートと、前記第４パルスを受信して第６パルスを出力するインバータと、前記第６パルスと第２パルスを受信して第７パルスを出力する第２ＡＮＤゲートと、前記第７パルスと第１パルスを受信して第８パルスを出力する第２Ｒ−Ｓフリップフロップと、前記第８パルスとクロック信号を受信して第９パルスを出力する第２Ｄフリップフロップと、前記第９パルス、第１パルス及びクロック信号を受信して第１０パルスを出力する第３ＡＮＤゲートと、前記第１０パルスと第５パルスを受信してそのパルス数を計数するアップ／ダウン計数器と、該アップ／ダウン計数器からの出力信号と前記計数器からの出力信号を記憶してＣＰＵに伝送するラッチ部とを含むことを特徴とする請求項２に記載のリニアステッピングモータの位置検出装置。
【請求項４】
前記第１、第３ＡＮＤゲートは、正弦波ｓｉｎωｔと矩形波信号との位相差が１８０°以上になると、所定のパルス信号を発生させるようになっていることを特徴とする請求項３に記載のリニアステッピングモータの位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアステッピングモータに係り、特にリニアスケールの情報を内挿することによりリニアステッピングモータの位置を精密に検出することのできるリニアステッピングモータの位置検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にリニアモータは直線運動する電動機であって、その基本原理は誘導電動機と類似している。誘導電動機では、固定子巻線に交流電流を流すことによって生成される回転磁界と、回転磁界により回転子巻線に生成される誘導電流とによってフレミングの左手の法則による力が発生し、回転子が回転する。リニアモータでは、回転磁界の代わりに移動磁界を生成し、回転運動ではなく直線運動を生じさせる。
【０００３】
リニアステッピングモータはリニアモータの変形であって、ステッピング動作するというステッピングモータの特徴を併せ持っている。リニアステッピングモータは、典型的には、多相巻線を備えた固定子と、固定子コアと若干ピッチがずれた突出極を有する可動子（または移動子）とからなり、固定子の多相巻線を順次励磁して、可動子の突出極を引き込んで可動子を移動させるという原理を応用したものである。通常、可動子は、電気的パルスに応答して一定距離ずつ移動するようになっている。
【０００４】
このようなリニアステッピングモータの可動子の位置検出において、従来、リニアスケールの１ピッチを１周期とし、１ピッチ内の位置情報をキャリア信号の位相情報と比べて内挿して求めることにより精度を高めるという方法が用いられている。即ち、センサから得られる可動子の位置情報信号ｓｉｎθ，ｃｏｓθを次のように角周波数ωのキャリア信号ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔと合成して位相の変調された信号Ｖsenを生成する。
【０００５】
Ｖref ＝ｓｉｎωｔ
【０００６】
Ｖsen ＝ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ＋ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）
【０００７】
ここで、基準キャリア信号Ｖrefと合成信号Ｖsenとの位相差θはリニアステッピングモータの移動変位量を示し、この位相差を処理して可動子の位置情報を求めることができる。従来技術において、２０μｍピッチのスケールから得られる信号を１００逓倍し、０．２μｍの分解能でリニアステッピングモータの変位量を検出するといったことが行われている。これについて、図１Ａ及び図１Ｂを参照してさらに詳しく説明する。
【０００８】
このような従来の技術では、１周期に１００個のクロックパルスを挿入して、リニアステッピングモータの変位量θを計数する。ここで、２０μｍピッチごとに得られるスケールの信号は別の計数器を用いて計数し、２０μｍ未満の信号について、図１Ａに示すように、１００ωの角周波数を有するクロックのパルスを計数器により計数する。クロックパルスの計数においては、パルスＡに応じて計数器のリセットがなされ、パルスＢに応答してラッチ部による計数器出力のラッチがなされる。この方法では、ラッチされた値は２０μｍ未満のリニアステッピングモータの変位量θを表し、ＣＰＵにより、このラッチされた値を２０μｍごとに計数する別の計数器の値と合算することによって総変位量が計算される。
【０００９】
従来の方法では、図１Ｂに示されているように、ｓｉｎωｔの立上がりエッジとｓｉｎ（ωｔ＋θ）の立上がりエッジを比べるのみであるため、位置検出があまり精密でなく、また、パルスＢで計数器をラッチするまではリニアステッピングモータの変位量を検出することができないため、高速移動時の変位は検出できないという短所がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するべく案出されたものであり、本発明の目的は、リニアステッピングモータの変位量を検出するために用いられるクロックをキャリア信号の１周期ごとに読み取ることにより高速移動に対応することができ、各信号について立上がりエッジのみならず立下がりエッジも比べることにより、精度を一段と向上させることのできるリニアステッピングモータの位置検出方法及び装置を提供することである。
【００１１】
【課題を達成するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によるリニアステッピングモータの位置検出方法は、発振器を用いてリニアステッピングモータの位置検出のための基準クロックを発生させ、その基準クロックを計数器により計数させる過程と、前記計数器の出力をサイン、コサイン関数を内蔵しているＲＯＭに入力してキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値を発生する過程と、前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値をディジタル／アナログ変換器を用いてｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号にそれぞれ変換して出力する過程と、前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号とリニアスケールからのｓｉｎθ、ｃｏｓθ正弦波信号をそれぞれ乗算器により乗算してｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ、ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθの信号を生成する過程と、前記ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとｃｏｓωｔ・ｓｉｎθを加算器により加算して変調信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を生成する過程と、前記変調信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を前記計数器に同期するように比較器により所定の矩形波信号に変換する過程と、前記比較器からの矩形波信号と正弦波信号ｓｉｎωｔとの位相差を検出してリニアステッピングモータの位置を検出する過程とを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、前記目的を達成するため、本発明によるリニアステッピングモータの位置検出装置は、リニアステッピングモータの位置検出のための所定の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックを計数する計数器と、前記計数器を通して出力される基準クロックをキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値にそれぞれ変換して出力する複数のＲＯＭと、前記ＲＯＭからのキャリア正弦波ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのディジタル値をｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号にそれぞれ変換して出力するディジタル／アナログ変換器と、前記ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔのアナログ正弦波信号とリニアスケールからのｓｉｎθ、ｃｏｓθ正弦波信号を乗算して、それぞれｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ、ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθの信号を出力する複数の乗算器と、前記乗算器からの信号ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとｃｏｓωｔ・ｓｉｎθを加算してｓｉｎ（ωｔ＋θ）の信号を出力する加算器と、前記信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）を所定の矩形波信号に変換して出力する比較器と、前記比較器からの矩形波信号と正弦波ｓｉｎωｔとの位相差を検出してリニアステッピングモータの位置を検出する位置検出回路とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００１４】
例として、２０μｍピッチのスケールから得られる信号に基づきリニアステッピングモータの位置（変位量）を検出する場合について説明する。位置検出は、スケールから得られる信号を１２８逓倍することにより、０．１５６２５μｍの分解能でなされるものとする。
【００１５】
図２は、本発明に基づくリニアステッピングモータの位置検出装置の位相変調部を表すブロック図である。リニアステッピングモータの位置検出のため、まず発振器２１により所定の周波数（例えば、１６ＭＨｚ）の基準クロックが生成される。この基準クロックは７ビットの計数器２２により計数される。計数器２２の出力（Ｃ０．．Ｃ６）に応じて、サイン関数表を内蔵した第１ＲＯＭ２３ａからｓｉｎωｔのディジタル値が発生される。発生されたディジタル信号は第１ディジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）２４ａでｓｉｎωｔのアナログ信号に変換され、乗算器２５ａに入力される。同様に、計数器２２の出力に応じて第２ＲＯＭ２３ｂからｃｏｓωｔのディジタル値が発生され、発生されたディジタル信号は第２ディジタル／アナログ変換器２４ｂでｃｏｓωｔのアナログ信号に変換され、乗算器２５ｂに入力される。
【００１６】
一方、リニアスケールからｃｏｓθ信号が、他のル−トを通して第１乗算器２５ａに入力され、前記ｓｉｎωｔアナログ信号と乗算され、ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ信号が生成される。同様に、リニアスケールからｓｉｎθ信号が第２乗算器２５ｂに入力され前記ｃｏｓωｔアナログ信号と乗算され、ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ信号が生成される。ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ信号とｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ信号は加算器２６に入力されて加算され、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）信号が合成される。その後、合成された信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）は比較器２７を通して所定の形態の矩形波信号Ｂ１（図４参照）として出力される。ここで得られた矩形波信号Ｂ１に基づいて、以下の処理がなされる。
【００１７】
図３及び図４を参照されたい。図３は、本発明によるリニアステッピングモータの位置検出装置の位置検出部の模式的なブロック図であり、図４は図３に示した位置検出部に関連するいくつかの主要な信号に対するタイミング図である。
【００１８】
基準正弦波ｓｉｎωｔのゼロクロシングポイント（零交差点）を検出してなるパルスＡ１と図２の位相変調部で得られた矩形波信号Ｂ１のエッジを検出してなるパルスＡ２は、第１Ｒ−Ｓフリップフロップ３１に入力される。パルスＡ１は第１Ｒ−Ｓフリップフロップ３１の出力Ａ３を“１”にセットし、パルスＡ２は“０”にリセットする。第１Ｒ−Ｓフリップフロップ３１の出力信号Ａ３は、図２に示した発振器２１から出力される基準クロックＣＬＫとともに第１Ｄフリップフロップ３２に入力される。この第１Ｄフリップフロップ３２は基準クロックＣＬＫに同期して、信号Ａ３より１パルス遅れた信号Ａ４を出力する。パルスＡ１と信号Ａ４は基準クロックＣＬＫとともに第１ＡＮＤゲート３３に入力され、ここで論理積によりパルス信号Ａ５が出力される。パルス信号Ａ５の１パルスはリニアステッピングモータの１０μｍの移動変位量に相当する。
【００１９】
出力信号Ａ４はＮＯＴゲート（インバータ）３６にも入力され、反転された信号Ａ６として出力される。パルスＡ２と信号Ａ６は第２ＡＮＤゲート３７に入力され、論理積がとられ、パルスＡ７が出力される。パルスＡ７とパルスＡ１は、第２Ｒ−Ｓフリップフロップ３８に入力される。パルスＡ７は第２Ｒ−Ｓフリップフロップ３８の出力Ａ８を“１”にセットし、パルスＡ１は“０”にリセットする。第２Ｒ−Ｓフリップフロップ３８の出力Ａ８は、基準クロックＣＬＫとともに第２Ｄフリップフロップ３９に入力される。第２Ｄフリップフロップ３９は、基準クロックＣＬＫに同期して、信号Ａ８より１パルス分遅れた信号Ａ９を出力する。パルスＡ１と信号Ａ９は基準クロックＣＬＫとともに第３ＡＮＤゲート４０に入力され、論理積がとられ、パルスＡ１０が出力される。パルス信号Ａ１０の１パルスはリニアステッピングモータの−１０μｍの移動変位量に相当する。ここで、“−”は反対方向の移動を意味する。即ち、第１ＡＮＤゲート３３、第３ＡＮＤゲート４０は、基準正弦波ｓｉｎωｔと矩形波信号Ｂ１との位相差が１８０°以上になるとパルス信号を発生するようになっている。パルスＡ５とパルスＡ１０は、アップ／ダウン計数器３４に入力され、計数器３４のアップ／ダウンに使用される。。
【００２０】
１０μｍ未満の移動量はパルスＡ２発生時の計数器２２（図２参照）の出力（例えば、図４におけるＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７）により表される。これらの値を、パルスＡ５とパルスＡ１０を計数するアップ／ダウン計数器３４の値と合算した結果がそのときのリニアステッピングモータの移動変位量となる。
【００２１】
アップ／ダウン計数器３４の出力信号と、図２に示した計数器２２の出力信号（Ｃ０．．Ｃ６：０から６まで計数し、計数器２２に同期されてなる基準正弦波ｓｉｎωｔ周波数の２倍となる）は、ラッチ部３５にラッチされた後、システムを制御するＣＰＵに伝送される。
【００２２】
以上のような一連の過程において、図２の位相変調部から得られた矩形波信号Ｂ１の半周期内に基準正弦波ｓｉｎωｔのエッジが２つある場合には、基準正弦波ｓｉｎωｔと矩形波信号Ｂ１との位相差が１８０°以上であり、そのときにパルス信号Ａ５が発生される。スケールから２０μｍごとに一周期の正弦波信号が得られるので、１８０°の位相差は１０μｍに相当する。一方、基準正弦波ｓｉｎωｔの半周期内に矩形波信号Ｂ１のエッジが２つある場合には、基準正弦波ｓｉｎωｔと矩形波信号Ｂ１との位相差が−１８０°以上であり、そのときにパルス信号Ａ１０が発生される。−１８０°の位相差は−１０μｍに相当する。従って、パルスＡ５とパルスＡ１０をアップ／ダウン計数器３４に入力してパルス数を計数し、アップ／ダウン計数器３４の出力を図２の計数器２２の出力値（Ｃ０．．Ｃ６）と合算することにより、リニアステッピングモータの移動変位量を速度によらず基準正弦波ｓｉｎωｔの周期ごとに正確に検出することができる。
【００２３】
また、計数器へ入力されるクロックの周波数ｆと、計数器のビット数ｎと、基準正弦波ｓｉｎωｔの周波数Ｆの関係は、次のとおりである。
【００２４】
ｆ＝２×Ｆ×２ｎ
【００２５】
例えば、６ビット計数器を用い、基準正弦波ｓｉｎωｔの周波数Ｆを１２５ＫＨｚとすれば、計数器の入力クロック周波数ｆは１６ＭＨｚとなる。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、従来の方法では基準正弦波と矩形波信号を１周期当たり１回比べてリニアステッピングモータの移動変位量を検出していたのに対し、本発明の方法は１周期当たり２回比べることにより、検出精度を一段と向上させることができる。更に、本発明の方法によれば、基準正弦波ｓｉｎωｔに同期してリアルタイムにリニアステッピングモータの移動変位量を検出することができ、高速移動にも対応できる。
【００２７】
当業者であれば、前記位置検出方法が一般の回転型モータにも応用可能なのは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ及びＢからなり、図１Ａは従来のリニアステッピングモータの位置検出方式を示す概略図であり、図１Ｂは図１Ａのシステムにおける主要な信号のタイミング図である。
【図２】本発明によるリニアステッピングモータの位置検出装置の位相変調部の概略ブロック図である。
【図３】本発明によるリニアステッピングモータの位置検出装置の位置検出部の模式的なブロック図である。
【図４】図３の位置検出部に関連する主要な信号に対するタイミング図である。
【符号の説明】
２１  発振器
２２  計数器
２３ａ  第１ＲＯＭ
２３ｂ  第２ＲＯＭ
２４ａ  第１ディジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）
２４ｂ  第２ディジタル／アナログ変換器
２５ａ  乗算器
２５ｂ  乗算器
２６  加算器
２７  比較器
３１  第１Ｒ−Ｓフリップフロップ
３２  第１Ｄフリップフロップ
３３  第１ＡＮＤゲート
３４  アップ／ダウン計数器
３５  ラッチ部
３６  インバータ
３７  第２ＡＮＤゲート
３８  第２Ｒ−Ｓフリップフロップ
３９  第２Ｄフリップフロップ
４０  第３ＡＮＤゲート
【図１】
0003667465.tif 000002
【図２】
0003667465.tif 000003
【図３】
0003667465.tif 000004
【図４】
0003667465.tif 000005