(57)【要約】【課題】  ダイナミックレンジが大きくノイズに強い速度計測信号を得ることができ、また、むだ時間の発生をなくした（時間遅れが小さい）速度計測信号を得ることができると共に、位置計測信号と速度計測信号とを同時に同制度で得ることができる位置および速度同時計測装置を提供する。【解決手段】  位置センサ１２と固定部との間に配置した１軸アクチュエータ１１と、前記位置センサ１２の出力に基づいて前記１軸アクチュエータ１１を可動し、位置計測信号Ｙと速度計測信号ｄＹ／ｄｔとを同時に計測する手段４と、を備えた。【選択図】図２
2008082946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置センサを備え、移動する被計測物体の位置を計測する計測装置において、
前記位置センサと固定部との間に配置した１軸アクチュエータと、
前記位置センサの出力に基づいて前記１軸アクチュエータを可動し、位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する手段と、を備えたことを特徴とする位置および速度同時計測装置。
【請求項２】
前記１軸アクチュエータが、計測における変位範囲を発生することを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項３】
位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する前記手段が、前記位置センサの出力電圧を積分して積分ゲインを乗じる積分制御器を有し、
前記積分制御器の出力を一軸アクチュエータの指令電圧とし、前記積分制御器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じた信号を前記位置計測信号とし、
前記積分制御器の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じて前記積分ゲインで除した信号を前記速度計測信号とすることを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項４】
位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する前記手段が、前記位置センサの出力電圧に比例ゲインを乗じた信号を積分する積分器を有し、
前記積分器の入力前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じた信号を前記速度計測信号とし、
前記積分器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じた信号を前記位置計測信号とすることを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項５】
前記位置センサの計測範囲が、前記１軸アクチュエータの変位範囲より小さいことを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項６】
前記位置センサの計測精度が、前記１軸アクチュエータの駆動分解能より低いことを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項７】
前記位置センサの計測精度が、計測基準点の近傍のみで高く、それ以外では低いことを特徴とする請求項１記載の位置および速度同時計測装置。
【請求項８】
位置センサを備え、移動する被計測物体の位置を計測する計測装置の計測方法において、
前記位置センサの出力に基づいて、前記位置センサと固定部との間に配置した１軸アクチュエータを可動し、
位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する、位置および速度同時計測処理をする、という手順で処理することを特徴とする位置および速度同時計測装置の計測方法。
【請求項９】
前記位置および速度同時計測処理が、前記位置センサの出力電圧を積分して積分ゲインを乗じる積分処理をし、
前記積分処理の出力を一軸アクチュエータの指令電圧とし、前記積分処理の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じ、この信号を前記位置計測信号とし、
前記積分処理の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じて前記積分ゲインで除し、この信号を前記速度計測信号とする、
という手順で処理することを特徴とする請求項８記載の位置および速度同時計測装置の計測方法。
【請求項１０】
前記位置および速度同時計測処理が、前記位置センサの出力電圧に比例ゲインを乗じた信号を積分する積分処理をし、
前記積分器の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じ、この信号を前記速度計測信号とし、
前記積分器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じ、この信号を前記位置計測信号とする、
という手順で処理することを特徴とする請求項８記載の位置および速度同時計測装置の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する被計測物体の位置と速度を同時に計測する装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術における被計測物体の位置および速度計測は、位置センサを備え、位置センサで位置を計測し、この位置計測信号を近似微分回路を通して速度計測信号を得ていた。（例えば、特許文献１参照）。
また、第２の従来技術における被計測物体の位置および速度計測は、同様に位置センサを備えて位置センサで位置を計測し、一定時間間隔の位置計測信号の差分値から速度計測信号を得ているものもある（例えば、特許文献２参照）。
図８は、従来の位置センサの構成を示す図である。図において、１００は位置センサの一例であり、位置センサ１００を固定部（例えば、壁等）に固定し、Ｄ０の位置を中立点として、±ｄの範囲にある被計測物体の位置を計測する。
図９は、従来の近似微分による速度計測のブロック図である。図において、１０１は近似微分回路であり、変位計測信号ｙを通すことにより、速度計測信号ｄｙ／ｄｔを得る。
このように、従来の位置および速度計測装置では、まず位置センサにより位置を計測して、近似微分あるいは差分する信号処理により速度計測信号を得ていた。
【特許文献１】特許公開２００３−３４６４４１号公報（第５−７頁、図３）
【特許文献２】特許公開平５−１５７７５１号公報（第２−３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
第１の従来技術における位置および速度計測装置とその計測方法では、位置センサにより位置を計測し、速度を近似微分あるいは差分演算により得ているので、近似微分の場合には高周波ノイズの影響（ノイズが増幅される）でダイナミックレンジが狭くなるという問題があった。
また、第２の従来技術における位置および速度計測装置とその計測方法では、位置の差分演算で速度を得ているので、低速時の速度信号の波高値が大きくなるとともに、サンプリング周期の半分のむだ時間を生ずるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ダイナミックレンジが大きくノイズに強い速度信号を得ることができ、また、むだ時間の発生をなくした（時間遅れが小さい）速度信号を得ることができると共に、位置計測信号と速度計測信号とを同時に同制度で得ることができる位置および速度同時計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置センサを備え、移動する被計測物体の位置を計測する計測装置において、前記位置センサと固定部との間に配置した１軸アクチュエータと、前記位置センサの出力に基づいて前記１軸アクチュエータを可動し、位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する手段と、を備えたものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記１軸アクチュエータが、計測における変位範囲を発生するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明における位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する前記手段が、前記位置センサの出力電圧を積分して積分ゲインを乗じる積分制御器を有し、前記積分制御器の出力を一軸アクチュエータの指令電圧とし、前記積分制御器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じた信号を前記位置計測信号とし、前記積分制御器の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じて前記積分ゲインで除した信号を前記速度計測信号とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明における位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する前記手段が、前記位置センサの出力電圧に比例ゲインを乗じた信号を積分する積分器を有し、前記積分器の入力前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じた信号を前記速度計測信号とし、前記積分器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じた信号を前記位置計測信号とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置センサの計測範囲が、前記１軸アクチュエータの変位範囲より小さいものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置センサの計測精度が、前記１軸アクチュエータの駆動分解能より低いものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置センサの計測精度が、計測基準点の近傍のみで高く、それ以外では低いものである。
請求項８に記載の発明は、位置センサを備え、移動する被計測物体の位置を計測する計測装置の計測方法において、前記位置センサの出力に基づいて、前記位置センサと固定部との間に配置した１軸アクチュエータを可動し、位置計測信号と速度計測信号とを同時に計測する、位置および速度同時計測処理をする、という手順で処理するのである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８記載の発明における前記位置および速度同時計測処理が、前記位置センサの出力電圧を積分して積分ゲインを乗じる積分処理をし、前記積分処理の出力を一軸アクチュエータの指令電圧とし、前記積分処理の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じ、この信号を前記位置計測信号とし、前記積分処理の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じて前記積分ゲインで除し、この信号を前記速度計測信号とする、という手順で処理するのである。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８記載の発明における前記位置および速度同時計測処理が、前記位置センサの出力電圧に比例ゲインを乗じた信号を積分する積分処理をし、前記積分器の入力に前記一軸アクチュエータの前記比例ゲインを乗じ、この信号を前記速度計測信号とし、前記積分器の出力に前記一軸アクチュエータの比例ゲインを乗じ、この信号を前記位置計測信号とする、という手順で処理するのである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１乃至４、または、８乃至１０に記載の発明によると、ダイナミックレンジが大きくノイズに強い速度信号を得ることができ、また、むだ時間の発生をなくした（時間遅れが小さい）速度信号を得ることができると共に、位置計測信号と速度計測信号とを同時に同制度で得ることができる。
また、請求項１乃至３、または、８乃至９に記載の発明によると、過渡状態においても、積分制御ゲインを大きくすることで、一軸アクチュエータの応答速度と応答周波数の限界まで閉ループ制御を速くでき、過渡的な位置計測信号および速度計測信号を得ることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、位置センサ信号に比例ゲインを掛け、この比例ゲインと単純な積分器で閉ループ制御し、比例ゲインの出力を速度信号とすることで大きな出力の速度信号を得ることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、移動する被計測物体の位置を確実に計測することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、駆動分解能が高い１軸アクチュエータの可動により確実に、かつ、精度が高い計測をすることができる。
また、請求項７に記載の発明によると、必要とされる部分の精度をより高く計測することができ、それ以外の部分ではゲイン調整等を簡易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の位置および速度同時計測装置の構成を示す配置図である。図において、１は固定部（例えば、壁等）に固定した一軸アクチュエータ、２は位置センサ、３は被計測物体であり、ｘは一軸アクチュエータ１の変位、ｙは被計測物体３の位置、Ｄ０は位置センサ２の基準長さ、±ｄは位置センサ２の計測範囲である。
ここで、位置センサ２の計測範囲±ｄは、１軸アクチュエータ１の変位範囲より小さくすることで移動する被計測物体３の位置を確実に計測することができる。また、位置センサ２の計測精度は、１軸アクチュエータ１の駆動分解能より低くすることで、駆動分解能が高い１軸アクチュエータ１の可動により確実に、かつ、精度が高い計測をすることができる。また、位置センサ２の計測精度は、計測基準点の近傍のみで高く、それ以外では低いものであってもよく、必要とされる部分の精度をより高く計測することができ、それ以外の部分ではゲイン調整等を簡易化することができる。
【０００８】
また、図２は、本発明の位置および速度同時計測装置の信号処理系のブロック線図である。ここで、１０は積分制御器、Ｋは積分制御ゲイン、１１は一軸アクチュエータ、Ｇａは一軸アクチュエータ１１の感度、１２は位置センサ、Ｇｓは位置センサ１２の感度、１３は加算器、１４は減算器、１５は位置信号を得るためのゲインＧａ、１６は速度信号を得るためのゲインＧａ、Ｙは位置計測信号、ｄＹ／ｄｔは速度計測信号、ｙは被計測物体の位置である。
ここで、図２に示すブロック線図で重要なのは、一軸アクチュエータ１１、位置センサ１２および積分制御器１０がネガティブフィードバックになっており、被計測物体の位置ｙがこの閉ループの指令となっている構造である。
積分制御では定常状態では積分制御器１０の入力信号はゼロになるから、位置センサ１２の信号もゼロであり、被計測物体は位置センサ１２の基準点Ｄ０にあることになり（ｘ＝ｙ）、したがって、Ｙ＝ｙ、ｄＹ／ｄｔ＝ｄｙ／ｄｔとなって、被計測物体の位置信号Ｙと速度信号ｄＹ／ｄｔが同時に計測できるのである。
また、過渡状態においても、積分制御ゲインＫを大きくすることで、一軸アクチュエータの応答速度と応答周波数の限界まで閉ループ制御を速くでき、過渡的な位置信号Ｙおよび速度信号ｄＹ／ｄｔを得ることができる。
【０００９】
また、図３は、本発明の他の位置および速度同時計測装置の信号処理系のブロック線図である。図において、２０は積分器（カットオフ周波数１／２πＨｚ）、２１は比例ゲインＫ、２３は速度信号を得るための比例定数Ｇａである。図２と図３とを比較すると、図３の速度信号ｄＹ／ｄｔはＫ（Ｋ＞＞１）倍大きくなることが分かる。
【００１０】
ここで前述した機能をシミュレーションにより実証する。
図４は、本発明の位置および速度同時計測装置におけるシミュレーションブロック線図である。図において、３０は被計測物体の位置信号ｙであり、ｙ＝５ｓｉｎ（２＊π＊５）である。３１は減算器、３２は位置センサの感度であり１に正規化されている。３３はゼロ指令を与えるブロック、３４は加算器、３５は比例ゲイン、３６は積分器、３７は一軸アクチュエータの感度であり１に正規化されている。３８は各部の時間応答を見るための表示ブロック、３９は被計測物体の位置ｙと得られた位置信号Ｙとの位相差を見るためのＸＹ表示ブロック、４０は被計測物体の位置ｙと得られた速度信号ｄＹ／ｄｔとの位相差を見るためのＸＹ表示ブロックである。
【００１１】
図５は、表示ブロック３８の各部の時間応答シミュレーション結果である。図において、左上は被計測物体の位置ｙ、右上は得られた位置信号Ｙ、左下は得られた速度信号ｄＹ／ｄｔ、右下は位置センサの出力である。得られた位置信号Ｙは被計測物体の位置ｙと同じ波形であり、得られた速度信号ｄＹ／ｄｔは振幅が１５０、位相が位置信号より９０度進んだ信号であり、この得られた速度信号ｄＹ／ｄｔは確かに位置ｙの微分信号で、被計測物体の速度ｄｙ／ｄｔとなっており、位置センサ出力はほとんどゼロであることが分かる。
図６は、ＸＹ表示ブロック３９の被計測物体の位置ｙと得られた位置信号ＹとのＸＹ図シミュレーション結果である。図において、横軸が被計測物体の位置ｙであり、縦軸が位置信号Ｙである。図はリサージュ波形を示しており、ゲインが１、位相差がほとんどゼロのほぼ直線であることが分かる。これは、被計測物体の位置ｙと得られた位置信号Ｙとが同じ振幅と位相であることを示している。
図７は、ＸＹ表示ブロック４０の被計測物体の位置ｙと得られた速度信号ｄＹ／ｄｔとのＸＹ図シミュレーション結果である。図において、横軸が被計測物体の位置ｙであり、縦軸が速度信号ｄＹ／ｄｔである。図はリサージュ波形を示しており、初期状態であるＸＹ座標（０，０）から過渡応答を経た後、定常な楕円波形になっており、これは得られた速度信号ｄＹ／ｄｔが確かに被計測物体の速度ｄｙ／ｄｔに比例していることを表している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の位置および速度同時計測装置の構成を示す配置図
【図２】本発明の位置および速度同時計測装置の信号処理系のブロック線図
【図３】本発明の他の位置および速度同時計測装置の信号処理系のブロック線図
【図４】本発明の位置および速度同時計測装置におけるシミュレーションブロック線図
【図５】表示ブロック３８の各部の時間応答シミュレーション結果
【図６】ＸＹ表示ブロック３９の被計測物体の位置ｙと得られた位置信号ＹとのＸＹ図シミュレーション結果
【図７】ＸＹ表示ブロック４０の被計測物体の位置ｙと得られた速度信号ｄＹ／ｄｔとのＸＹ図シミュレーション結果
【図８】従来の位置センサの構成を示す図
【図９】従来の近似微分による速度計測のブロック図
【符号の説明】
【００１３】
１  固定部（例えば、壁等）に固定した一軸アクチュエータ
２  位置センサ
３  被計測物体
４  位置および速度同時計測装置
１０  積分制御器
１１  一軸アクチュエータ比例定数
１２  位置センサ比例定数
１３  加算器
１４  減算器
１５  位置計測比例定数
１６  速度計測比例定数
２０  積分器
２１  比例ゲイン
２３  速度計測比例定数
３０  位置正弦波信号発生器
３１  減算器
３２  位置センサ比例定数
３３  ゼロ指令
３４  加算器
３５  比例ゲイン
３６  積分器
３７  一軸アクチュエータ比例定数
３８  時間応答計測ブロック
３９  被計測物体位置と位置計測信号のリサージュ図を測るブロック
４０  被計測物体位置と速度計測信号のリサージュ図を測るブロック
１００  位置センサ
１０１  近似微分器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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