(57)【要約】【課題】回転するギアとセンサを用いて位置を検出する装置において、ギアが偏心している場合には直流成分の検出値が不正確になることを防止する。【解決手段】振幅補正係数算出部２１により、計数値ｕｄと、組み立て時等に予め求めた、振幅変調の周期Ｔと、各２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）の振幅の振幅変調率βと、前記計数値ｕｄとの位相γを用いて、α＝（１＋β・ｓｉｎ（２π・（ｕｄ＋γ）／Ｔ）の演算を行い、振幅補正係数α求め、乗算器２０により、瞬時値（ｘ，ｙ）を振幅補正することで、正確な直流成分検出値Ｖａ，Ｖｂを演算することができる。【選択図】　　　　図１
2004077249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出体の位置に応じた互いに位相の異なる２相信号と、前記２相信号の周期変化をカウンタにて計数した計数値とに基づき、前記被検出体の位置を求める位置検出装置において、
前記計数値から、前記２相信号の振幅補正係数αを求める振幅補正係数算出部と、
前記振幅補正係数により、前記２相信号の振幅変動を減少させ出力する振幅変動補正部と、
前記振幅変動補正部から出力された前記２相信号の瞬時値を少なくとも３点保持する瞬時値保持部と、
前記少なくとも３点の瞬時値より、前記２相信号の直流成分を算出する直流成分演算部と、
前記直流成分演算部によって算出された直流成分と前記２相信号との差信号により前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、
を具備したことを特徴とする補正機能付き位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の補正機能付き位置検出装置において、
前記振幅補正係数算出部は、前記計数値ｕｄと、振幅変調の周期Ｔと、前記２相信号の振幅差βと、前記計数値ｕｄの基準位相γを用いて、
α＝（１＋β・ｓｉｎ（２π・（ｕｄ＋γ）／Ｔ）
からなる演算に基づいて振幅補正係数αを演算することを特徴とする補正機能付き位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転位置や回転速度等の検出に利用される回転位置検出装置に関し、補正機能を有した位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、様々な分野において、回転体の回転位置や回転速度等を検出する回転位置検出装置が用いられている。回転位置検出装置は、例えば工作機械の主軸やモータなどに取り付けられる。
【０００３】
図２は、特開平１０−２２７６５７号に示された従来の補正機能を有した位置検出器の検出原理を示したブロック図である。図中、１は工作機械の主軸等の被検出体に取付けられたギアであり、一般的に鉄などの磁性体で構成されている。ギヤ１の円周表面には複数の歯が設けられ、凹凸形状となっている。２はセンサ部であり、磁束変化を検出する２つのセンサを備えている。これら２つのセンサは、磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成る。また、これら２つのセンサは、互いにギヤ１の回転方向に位置をずらして配置されているため、２つのセンサは互いに９０°位相の異なる電気信号ｘ、ｙを出力する。また、センサ部２は、ギアが１回転につき１回変化する電気信号ｚを出力する。電気信号ｘおよびｙは一般的に２相交流信号であり、次の数式１および数式２のように表わされる。
［数式１］ｘ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖａ
［数式２］ｙ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖｂ
【０００４】
ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖａは信号ｘに含まれる直流成分であり、Ｖｂは信号ｙに含まれる直流成分である。θは２相信号の位相であり、ギア１の回転角度をφ、ギア１の歯数をｎとすると、位相θは下記数３で表わされる。
［数式３］θ＝ｎ・φ
【０００５】
これら２相信号ｘおよびｙはそれぞれＡ／Ｄコンバータ３ａおよび３ｂによって瞬時値（ｘ，ｙ）に変換され、除算器６に入力される。従来の一般的な回転位置検出装置においては上記数式１、数式２に示した直流成分ＶａおよびＶｂを無視しており、このとき除算器６の出力は次のように表わされる。
［数式４］ｘ／ｙ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ
【０００６】
除算器６の出力は変換器７によってｔａｎ関数の逆変換され、次のように回転位置θが検出される。
［数式５］θ＝ｔａｎ−１（ｘ／ｙ）＝ｔａｎ−１（ｔａｎθ）
【０００７】
以上のように検出された回転位置θは、ギア１の歯の１個分を１周期とする精度の高い位置である。また一方、２相信号ｘ、ｙ、ｚはコンパレータ４ａ、４ｂ、４ｃによってパルス信号化されてカウンタ回路５に入力される。パルス信号ｘａ，ｙａは、電気信号ｘ，ｙの一周期に一度出力されるパルス信号である。このカウンタ回路５では、パルス信号ｘａおよびｙａをカウントすることによって、ギヤ１の回転位置の概略、すなわち上記回転位置θの１周期を越える範囲の回転位置上位桁である計数値ｕｄが検出される。そして、パルス信号ｚａによりカウンタをクリアし、ギアの１回転周期で変化する計数値ｕｄを出力する。この計数値ｕｄと上記の回転位置θは加算器８において加算され、ギア１の全周にわたる回転位置検出値φが得られる。
【０００８】
瞬時値保持部９は、Ａ／Ｄコンバータ３ａおよび３ｂの出力である各２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）から下記数式６、数式７の条件を満たす４組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）を抽出し、４個のバッファに保持する。
［数式６］　（ｘ１，ｙ１）はｘ≧０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ２，ｙ２）はｘ≧０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ３，ｙ３）はｘ＜０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ４，ｙ４）はｘ＜０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
［数式７］（ｘ１，ｙ１）はｘ≧０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ２，ｙ２）はｘ≧０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
（ｘ３，ｙ３）はｘ＜０かつｙ＜０かつ｜ｘ｜＜｜ｙ｜
（ｘ４，ｙ４）はｘ＜０かつｙ≧０かつ｜ｘ｜≧｜ｙ｜
【０００９】
上記数式６、数式７によって抽出された瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）は、２相信号の軌跡である円周上の点で表わされる。すなわち、円周を８つの領域に分割して、そのうち隣り合わない４つの領域の瞬時値を抽出するというアルゴリズムである。このように隣り合わない領域の瞬時値を抽出することによって、後述する直流成分演算における精度を確保することができる。
【００１０】
瞬時値保持部９に保持された瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），（ｘ４，ｙ４）を用いて、直流成分検出部１０は下記数式８および数式９の演算に基づいて２相信号に含まれる直流成分Ｖａ，Ｖｂを演算する。
2004077249.tif 000003
【００１１】
上記演算は、点（ｘ１，ｙ１）と点（ｘ３，ｙ３）を結ぶ線分、および点（ｘ２，ｙ２）と点（ｘ４，ｙ４）を結ぶ線分のそれぞれの垂直二等分線の交点座標を求める演算であり、得られた座標点（Ｖａ，Ｖｂ）は図３の円の中心点であり、２相信号の直流成分に一致する。
【００１２】
上記の数８、数９による演算は点（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）の全てが同一の円周上に存在する場合には正しく円の中心点を求めることができる。しかしながら図２に示したギア１が回転軸に対して偏心して取付けられているときには、センサ２とギア１の間隔が変化するため、２相信号の振幅が変化する。このように振幅が変化した場合には、瞬時値保持部９は半径の異なる円周上の瞬時値を保持する結果となり、このとき直流成分検出部１０は正しく円の中心点を求めることができない。このため、振幅変動検出部１１は瞬時値保持部９に保持された瞬時値（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）を用いて下記数式１０の演算によって円の半径の二乗和を演算する。
［数式１０］Ｒ１＝ｘ１２＋ｙ１２
Ｒ２＝ｘ２２＋ｙ２２
Ｒ３＝ｘ３２＋ｙ３２
Ｒ４＝ｘ４２＋ｙ４２
【００１３】
上記数式１０で演算されたＲ１〜Ｒ４を用いて、これらの相互の差が許容値以下であるかを判定し、もし許容値を越えている場合には振幅が変動していると判断して直流成分の保持信号ｄｈを出力する。
【００１４】
直流成分保持部１８はサンプルホールド回路によって実現されており、振幅変動検出部１１の出力した保持信号ｄｈが”０”の場合には直流成分検出部１０の検出した直流成分Ｖａ、Ｖｂをそのまま出力し、保持信号ｄｈが”１”になった場合には、その直前の直流成分ＶａおよびＶｂを保持して出力を継続する。この結果、２相信号ｘおよびｙの振幅が変動して直流成分ＶａおよびＶｂを検出する演算が不正確になる場合については、その直前の演算によって検出された直流成分をそのまま継続して使用することができる。次に、このように直流成分保持部１８の出力した直流成分Ｖａ、Ｖｂを、減算器１９ａおよび１９ｂにおいて２相交流信号から減算することによって補正すると、数式１、数式２に含まれている直流成分はなくなり、直流成分を含まない理想的な２相交流信号を得ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、ギア１の偏心している場合の２相信号のリサージュである。ギア１とセンサが最も近い時、２相信号は外側の円を通り、それらが最も遠い時、内側の円を通る。従来技術の回路構成では、振幅変動検出部１１が”１”を出力している間には、直流成分保持部１８は保持された値を出力するため、高精度な位置検出ができない。しかし、振幅変動検出部１１がないと、主軸回転数が高速である場合には、保持される瞬時値は図３に示される（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）のように、外側の円上の瞬時値と内側の円上の瞬時値となることがある。この値を用いて数式８および数式９の演算、つまり、点（ｘ１，ｙ１）と点（ｘ３，ｙ３）を結ぶ線分、および点（ｘ２，ｙ２）と点（ｘ４，ｙ４）を結ぶ線分のそれぞれの垂直二等分線の交点座標を求める演算を行うと、得られた座標点（Ｖａ，Ｖｂ）は、円の中心点からずれ、間違った値となる。したがって、高精度な位置検出を行おうとすると、主軸回転は、低速にする必要がある。このようなシステムでは、高速、高精度な機械加工は期待できない。
【００１６】
本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、ギアの偏心によって２相信号の振幅が変動するような場合においても、あらゆる回転速度領域で常に正確に直流成分を検出することができ、その結果精度のよい位置検出を行うことができる補正機能付き位置検出器を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出器は、被検出体の位置に応じた互いに位相の異なる２相信号と、前記２相信号の周期変化をカウンタにて計数した計数値とに基づき、前記被検出体の位置を求める位置検出装置において、前記計数値から、前記２相信号の振幅補正係数αを求める振幅補正係数算出部と、前記振幅補正係数により、前記２相信号の振幅変動を減少させ出力する振幅変動補正部と、前記振幅変動補正部から出力された前記２相信号の瞬時値を少なくとも３点保持する瞬時値保持部と、前記少なくとも３点の瞬時値より、前記２相信号の直流成分を算出する直流成分演算部と、前記直流成分演算部によって算出された直流成分と前記２相信号との差信号により前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を具備したものである。
また、前記振幅補正係数算出部は、前記計数値ｕｄと、振幅変調の周期Ｔと、前記２相信号の振幅差βと、前記計数値ｕｄの基準位相γを用いて、α＝（１＋β・ｓｉｎ（２π・（ｕｄ＋γ）／Ｔ）からなる演算に基づいて振幅補正係数αを演算することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の補正機能付き位置検出器を示すブロック図である。図２に示す従来の位置検出器と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
振幅補正係数算出部２１には、振幅変調の周期Ｔと、各２相信号の最大振幅と最小振幅の振幅差βと、計数値ｕｄの位相の基準である基準位相γが、組み立て時等に予め求められ設定されている。そして、振幅補正係数算出部２１は、これらの設定値と、入力される計数値ｕｄとに基づき、振幅補正係数αを以下の演算を行い求める。
［数式１１］　α＝１＋β・ｓｉｎ（２π・（ｕｄ＋γ）／Ｔ）
【００２１】
ここで、設定値Ｔ、β、γについて、図３の例を用いて具体的に説明する。ギア１とセンサが最も離れたときのリサージュ円の半径をｒ１、最も近づいたときのリサージュ円の半径をｒ２、ギヤ１回転当たりの計数値をｕｄ０、ギア１とセンサが最も近づいた時に計数値ｕｄが０になるとすると、周期Ｔと、振幅差β、基準位相γは、以下の演算により求められる。
［数式１２］　Ｔ＝ｕｄ０
［数式１３］　β＝（ｒ１−ｒ２）／２
［数式１４］　γ＝ｕｄ０／４
【００２２】
乗算器２０は、各２相信号の瞬時値（ｘ，ｙ）に、振幅補正係数αを掛け、振幅補正された瞬時値（ｘ，ｙ）を求める。
【００２３】
瞬時値（ｘ１，ｙ１）は、本発明の振幅補正することで、数式１５および数式１６のように、点線の円上の点（ｘ１’，ｙ１’）に修正される。
2004077249.tif 000004
【００２４】
この振幅補正により、回転速度が高速である場合であっても、保持される瞬時値は、図３に示される点線の円上に修正されるので、振幅の変動がなく、あらゆる回転速度領域で常に正確な直流成分を検出することができる。瞬時値保持部９は、乗算器２０により、補正した前記２相信号の軌跡の、円周上相異なる少なくとも３点以上の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）を保持する。３点の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）を保持し、直流成分検出値Ｖａ，Ｖｂを演算する方法を説明する。初めに、下記数式１７の条件を満たす３組の瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）を抽出し、３個のバッファに保持する。
［数式１７］　　（ｘ１，ｙ１）は、０°≦ｔａｎ−１（ｘ／ｙ）＜１２０°
（ｘ２，ｙ２）　は、１２０°≦ｔａｎ−１（ｘ／ｙ）＜２４０°
（ｘ３，ｙ３）　は、２４０°≦ｔａｎ−１（ｘ／ｙ）＜３６０°
【００２５】
次に、瞬時値保持部９に保持された瞬時値（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）を用いて、直流成分検出部１０は、下記数式１８および数式１９の演算に基づいて２相信号に含まれる直流成分検出値Ｖａ，Ｖｂを演算する。
2004077249.tif 000005
【００２６】
そして、減算器１９ａ，１９ｂは、前記２相信号から、直流成分検出部１０によって算出された直流成分検出値Ｖａ，Ｖｂを減算する。後は、従来と同様にして、位置を算出する。
【００２７】
本実施形態においては、このような構成とすることで、ギアの偏心によって２相信号の振幅が変動するような場合においても、振幅変動を補正しているので、あらゆる回転速度領域で常に正確に直流成分を検出することができ、その結果精度のよい位置検出を行うことができる。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、等価な範囲で様々な変形が可能である。例えば、本実施形態においては、数式１１により振幅補正係数αを演算しているが、他の実施形態では、振幅補正係数算出部２１が、計数値ｕｄの各値に対して１つの振幅補正係数αが対応付けられたテーブルを記憶し、計数値が入力されるとテーブルを参照して、対応する振幅補正係数αを読み出し出力するように構成してもよい。
【００２９】
また、本実施形態の説明においては、２つのセンサが出力する信号の位相が９０°異なる場合について説明したが、２つの信号の位相差は他の角度とすることも可能である。また、本実施形態では、３つの瞬時値を抽出したが、従来技術のように４つの瞬時値を抽出して演算を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における補正機能付き位置検出器のブロック図である。
【図２】従来技術の位置検出器のブロック図である。
【図３】歯車が偏心している場合の、２相信号のリサージュである。
【符号の説明】
１　ギア、２　センサ、３　Ａ／Ｄコンバータ、４　コンパレータ、５　カウンタ回路、６　除算器、７　変換器、８　加算器、９　　瞬時値保持部、１０　直流成分検出部、１１　振幅変動検出部、１８　直流成分保持部、１９　減算器、２０　乗算器、２１　振幅補正係数算出部。
【図１】
2004077249.tif 000006
【図２】
2004077249.tif 000007
【図３】
2004077249.tif 000008