(57)【要約】【課題】  抵抗分割による逓倍法は分割数が多くなるとコンパレータの数が増えることによるコストアップやノイズに弱い問題から分割数を多く取れず、Ａ／Ｄ変換の場合はＡ／Ｄ変換や演算に要する時間だけ位置検出が遅れることや、分割数を増やすにはＡ／Ｄ変換のｂｉｔ数を増やさなければならないこと、また演算が複雑といった問題があった。【解決手段】  被測定対象物との相対位置に対応して複数の位置的位相の異なる位置的波形信号を出力する位置検出手段であって、複数の位置的波形信号と同じ形状で且つ位相の異なる複数の時間的波形信号を発生する信号生成手段と、該複数の位置的波形信号と該複数の時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、該比較手段の出力を入力し、該位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段とを有する構成とした。【選択図】  図１
2005098735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物との相対位置に対応して複数の位置的位相の異なる位置的波形信号を出力する位置検出手段であって、
前記複数の位置的波形信号と同じ形状で且つ位相の異なる複数の時間的波形信号を発生する信号生成手段と、
前記複数の位置的波形信号と前記複数の時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、
前記比較手段の出力を入力し、前記位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段と、を有することを特徴とする位置検出手段。
【請求項２】
前記時間的波形信号を発生する信号生成手段は、基準周波数のクロック信号を発生する発振器と、該クロック信号のタイミングで所定値を積算する積算手段と、該積算手段の積算値に応じて所定の値のアナログ信号を発生する波形生成手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の位置検出手段。
【請求項３】
前記時間的波形信号を発生する信号生成手段は、前記波形生成手段の出力信号にローパスフィルタが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の位置検出手段。
【請求項４】
前記所定の回数は、前記位置的波形信号の周波数に応じて切り替えることを特徴とする請求項２又は３に記載の位置検出手段。
【請求項５】
前記位相検出手段は、複数の比較手段の出力信号がほぼ同時に変化する場合に出力信号を反転するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項６】
前記位相検出手段は、前記比較手段の出力信号間の排他的論理和を行なう排他的論理和手段であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項７】
前記位相検出手段の出力信号を入力して該出力信号のパルス幅が所定のパルス幅より狭い場合には出力を変化させないフィルタ手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項８】
前記位相検出手段の出力信号を入力して基準位相信号に対する位相差を示す位相差信号を出力する位相差検出手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項９】
前記位置的波形信号と、上記時間的波形信号の振幅の差を検出する振幅比較手段と、該振幅比較手段の出力に応じて振幅差を少なくするように振幅調整する振幅調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項１０】
被測定対象物との相対位置に対応して複数の位置的位相の異なる位置的波形信号を出力する位置検出手段であって、
前記複数の位置的波形信号と同じ形状で且つ位相の異なる複数の時間的波形信号を発生する信号生成手段と、
前記複数の位置的波形信号と該複数の時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、
前記比較手段の出力を入力し、該位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段と、
前記比較手段の出力を入力して排他的論理和演算を行なう排他的論理和手段と、
前記排他的論理和手段の出力パルス信号のパルス幅の所定時間内の最大パルス幅を検出する最大パルス幅検出手段と、
前記最大パルス幅検出手段の出力に応じて振幅差を少なくするように前記位置的波形信号又は前記時間的波形信号の少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整手段と、を有することを特徴とする位置検出手段。
【請求項１１】
前記位相検出手段は、前記排他的論理和手段を兼ねることを特徴とする請求項１０に記載の位置検出手段。
【請求項１２】
前記振幅調整手段は、光源のパワーを調整することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項１３】
前記位置的波形信号と前記時間的波形信号のオフセットレベルの差を検出するオフセット比較手段と、該オフセット比較手段の出力に応じて該オフセットレベルの差を少なくするように該オフセットレベルを調整するオフセット調整手段と、を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の位置検出手段。
【請求項１４】
被測定対象物との相対位置に対応して複数の位置的位相の異なる位置的波形信号を出力する位置検出手段であって、
前記複数の位置的波形信号と同じ形状で且つ位相の異なる複数の時間的波形信号を発生する信号生成手段と、
前記複数の位置的波形信号と該複数の時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、
前記比較手段の出力を入力し、前記位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段と、
前記比較手段の出力パルス信号の所定時間内のハイとローの時間の比を検出するハイロー比検出手段と、
該ハイロー比検出手段の出力に応じて該位置的波形信号及び該時間的波形信号の少なくとも一方のオフセットレベルを調整するオフセット調整手段と、を有することを特徴とする位置検出手段。
【請求項１５】
前記位相検出手段は、前記比較手段の出力信号間の排他的論理和を行なう排他的論理和手段であることを特徴とする請求項１４に記載の位置検出手段。
【請求項１６】
前記オフセット調整手段は、光源のパワーを調整することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の位置検出手段。
【請求項１７】
前記位相検出手段の出力信号と速度指令に対応するパルス信号とを位相比較する位相比較手段と、位相比較信号を入力して操作対象への操作量を与える位相補償手段と操作対象をドライブするドライバと、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の位置検出手段と、を有することを特徴とする位置制御手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
位置検出手段及びこれを用いた位置制御手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、正弦波のエンコーダ信号をＡ／Ｄ変換してその位相を演算によって割り出す方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、高周波の正弦波と比較してパルス幅変調し、このパルス幅から信号振幅を算出して内挿する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開昭５４−０１９７７３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６３４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
抵抗分割による逓倍法は分割数が多くなるとコンパレータの数が増えることによるコストアップやノイズに弱い問題から分割数を多く取れない。またＡ／Ｄ変換の場合はＡ／Ｄ変換や演算に要する時間だけ位置検出が遅れることや、分割数を増やすにはＡ／Ｄ変換のｂｉｔ数を増やさなければならないこと、また演算が複雑といった問題がある。またパルス幅変調方式によって信号レベルを知る方法もあるが、電圧レベルをパルス幅を検出することでＡ／Ｄ変換するのみであるので、上記Ａ／Ｄ変換による方式と同様な問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の例示的な目的は、その問題を解決する位置検出手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての第１の発明は、被測定対象物との相対位置に対応して複数の位置的位相の異なる位置的波形信号を出力する位置検出手段であって、複数の位置的波形信号と同じ形状で且つ位相の異なる複数の時間的波形信号を発生する信号生成手段と、該複数の位置的波形信号と該複数の時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、該比較手段の出力を入力し、該位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段とを有することを特徴とするものである。
【０００７】
この発明では、位置に対応する複数の位相の位置的波形と、この位置を時間に置き換えた所定の周波数を持つ同じ形状の時間的波形とをそれぞれ比較することで、該所定の周波数の１周期の期間内に１回全ての波形が一致することを利用して位置的位相を検出するようにしたものである。
【０００８】
第２の発明は、上記時間的波形信号を発生する信号生成手段が基準周波数のクロック信号を発生する発振器と、該クロック信号のタイミングで所定の積算値を積算する積算手段と、該積算手段の積算値に応じて所定の値のアナログ信号を発生する波形生成手段とを有することを特徴とするものである。
【０００９】
この発明は、高精度な発振器を基準として時間的波形信号を生成することである。
【００１０】
第３の発明は、上記時間的波形信号を発生する信号生成手段は上記波形生成手段の出力にローパスフィルタが接続されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明は、階段状の波形出力を滑らかにするものである。
【００１２】
第４の発明は、上記所定積算値を上記位置的波形信号の周波数に応じて切り替えることを特徴とするものである。
【００１３】
この発明は、位置的波形信号の周波数に応じて位置検出分解能を切り替えるものである。
【００１４】
第５の発明は、上記比較手段の出力信号間の排他的論理和を行なう排他的論理和手段で位相検出を行なうことを特徴とするものである。
【００１５】
この発明では、排他的論理和手段で上記比較手段の出力信号を正負の符号で表した際の出力信号間の符号レベルの乗算を行ない、位置的位相を検出するようにしたものである。
【００１６】
第６の発明は、上記位相検出手段の出力信号を入力して該出力信号のパルス幅が所定のパルス幅より狭い場合には出力を変化させないフィルタ手段を設けることを特徴とするものである。
【００１７】
この発明では、位相検出信号に含まれるノイズを除去したものである。
【００１８】
第７の発明は、上記位相検出手段の出力信号を入力して基準位相信号に対する位相差を示す位相差信号を出力する位相差検出手段を有することを特徴とするものである。
【００１９】
この発明では、任意の基準位相に対して位相を求めるようにしたものである。
【００２０】
第８の発明は、上記位置的波形信号と、上記時間的波形信号の振幅の差を検出する振幅比較手段と、該振幅比較手段の出力に応じて振幅差を少なくするように振幅調整する振幅調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００２１】
この発明は、位置的波形信号と時間的波形信号の振幅の差を検出し、両波形の振幅を等しくすることで、位相検出精度を向上させるものである。
【００２２】
第９の発明は、上記位置的波形信号と上記時間的波形信号を排他的論理和手段へ入力し、該排他的論理和手段の出力パルス信号のパルス幅の所定時間内の最大パルス幅を検出する最大パルス幅検出手段と、該最大パルス幅検出手段の出力に応じて振幅差を少なくするように振幅調整する振幅調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００２３】
この発明は、位置的波形信号と時間的波形信号の振幅の差を排他的論理和手段の出力信号のパルス幅の最大値によって検出するものである。
【００２４】
第１０の発明は、位置検出手段の光源のパワーを調整することで位置的波形信号と時間的波形信号の振幅の差を補正することを特徴とするものである。
【００２５】
この発明は、光源のパワーを変化させて、位置的波形信号の振幅を調整するものである。
【００２６】
第１１の発明は、上記位置的波形信号と、上記時間的波形信号のオフセットレベルの差を検出するオフセット比較手段と、該オフセット比較手段の出力に応じてオフセットレベルの差を少なくするようにオフセットレベルの差を調整するオフセット調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明は、位置的波形信号と時間的波形信号のオフセットレベルの差を検出し、両波形のオフセットレベルを等しくすることで、位相検出精度を向上させるものである。
【００２８】
第１２の発明は、上記位置的波形信号と上記時間的波形信号とをそれぞれ比較する複数の比較手段と、該比較手段の出力を入力し、該位置的波形信号の位相情報を出力する位相検出手段と、該比較手段の出力パルス信号の所定時間内のハイとローの時間の比を検出するハイロー比検出手段と、該ハイロー比検出手段の出力に応じて該位置的波形信号及び該時間的波形信号の少なくとも一方のオフセットレベルを調整するオフセット調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００２９】
この発明は、位置的波形信号と時間的波形信号のオフセットレベルの差を比較手段の出力パルス信号の所定時間内のハイとローの時間の比を検出し、これを所定の値と比較し、この比較結果によって該オフセットレベルの差を検出することで、小規模のディジタル回路でオフセットレベルの差を検出したものである。
【００３０】
第１３の発明は、位置検出手段の光源のパワーを調整することで位置的波形信号と時間的波形信号のオフセットレベルの差を補正することを特徴とするものである。
【００３１】
この発明は、光源のパワーを変化させて、位置的波形信号のオフセットレベルを調整するものである。
【００３２】
本出願に係わる第１４の発明は、上記位相検出手段の出力信号と速度指令に対応するパルス信号とを位相比較する位相比較手段と、位相比較信号を入力して操作対象への操作量を与える位相補償手段と操作対象をドライブするドライバによって、モータ等のアクチュエータ装置を持つ操作対象の位置制御を行なうことを特徴とするものである。
【００３３】
この発明は、上記位相検出手段によって高分解能な速度信号を発生させ、これを任意の速度指令に対応したパルス信号と位相比較してＰＬＬ速度制御を行なうものである。
【００３４】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００３５】
上記第１の発明によれば、位置に対応する複数の位相の位置的波形と、この位置を時間に置き換えた所定の周波数を持つ同じ形状の時間的波形とをそれぞれ比較することで、該所定の周波数の１周期の期間内に１回全ての波形が一致することを利用して位置的位相を検出することで、位置検出分解能を高めると共に、検出の遅れを少なくしたものである。
【００３６】
上記第２の発明によれば、高精度な発振器を基準として時間的波形信号を生成することで、位置検出精度を高めることが可能となった。
【００３７】
上記第３の発明によれば、階段状の波形出力を滑らかにすることで、理想的な波形信号とし、位置的位相の検出分解能を高めたものである。
【００３８】
上記第４の発明によれば、低速時の位置検出分解能を高めながら、高速時の位置検出も可能としたものである。
【００３９】
上記第５の発明によれば、排他的論理和手段で上記比較手段の出力信号を正負の符号で表した際の出力信号間の符号レベルの乗算を行なうことで、簡単な構成で乗算効果を実現したものである。
【００４０】
上記第６の発明によれば、位相検出信号に含まれるノイズを除去することで、位置検出精度を向上したものである。
【００４１】
上記第７の発明によれば、任意の基準位相に対して位相を求めるようにしたものである。
【００４２】
上記第８の発明によれば、位置的波形信号と時間的波形信号の振幅の差を検出し、両波形の振幅を等しくすることで、位相検出精度を向上させるものである。
【００４３】
上記第９の発明によれば、位置的波形信号と時間的波形信号の振幅の差を排他的論理和手段の出力信号のパルス幅の最大値によって検出することで、小規模のディジタル回路で振幅差を検出したものである。
【００４４】
上記第１０の発明によれば、光源のパワーを変化させて、位置的波形信号の振幅を調整することで、簡単な構成でアナログ的に振幅を調整するものである。
【００４５】
上記第１１の発明によれば、位置的波形信号と時間的波形信号のオフセットレベルの差を検出し、両波形のオフセットレベルを等しくすることで、位相検出精度を向上させるものである。
【００４６】
上記第１２の発明によれば、位置的波形信号と時間的波形信号のオフセットレベルの差を比較手段の出力パルス信号の所定時間内のハイとローの時間の比を検出し、これを所定の値と比較し、この比較結果によって該オフセットレベルの差を検出することで、小規模のディジタル回路でオフセットレベルの差を検出したものである。
【００４７】
上記第１３の発明は、光源のパワーを変化させて、位置的波形信号のオフセットレベルを調整することで、簡単な構成でアナログ的にオフセットレベルを調整するものである。
【００４８】
上記第１４の発明によれば、上記位相検出手段によって高分解能な速度信号を発生させることで、高精度な速度制御を可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００５０】
図１は第１の実施例を示す回路例、図２には図１の各部の波形を示す。
【００５１】
図１において、１が９０°位置的位相のずれた２相の正弦波信号ＰＡ、ＰＢを出力するロータリーエンコーダで、不図示の回転体に取り付けられ、その回転角度に応じた位相に対応する値の電圧を出力するものである。ロータリーエンコーダ１は上記回転体の回転速度に応じて、１回転に所定の周期の２相の正弦波信号ＰＡ、ＰＢを出力する。２は水晶振動子、３は水晶振動子２を用いて発振する高周波のクロック信号をカウントしてそのカウント値を出力する積算手段としての８ｂｉｔのカウンタ。４、５はカウンタ３の出力信号に応じて波形データを出力するＲＯＭである。ＲＯＭ４にはＳｉｎ波形が、ＲＯＭ５にはＣｏｓ波形があらかじめ書き込まれており、カウンタ４からの０〜２５５までの８ｂｉｔのパラレル信号によって所定の周期の波形を生成するようにデータが設定されている。６，７は８ｂｉｔのＤ／Ａ変換手段で、ＲＯＭ４、５の出力する８ｂｉｔのデータをアナログ信号に変換している。８、９はローパスフィルタで、Ｄ／Ａ変換手段６、７の出力から階段状に出力される波形信号を滑らかにするように、例えばＤ／Ａ変換手段６、７から出力される正弦波の周波数の１０倍の周波数にカットオフ周波数が設定されている。従って、ローパスフィルタ８、９の出力信号ＣＡ、ＣＢは９０°時間的位相のずれた２相の正弦波信号となる。また、ＲＯＭ４、５にはロータリーエンコーダ１の出力する正弦波信号ＰＡ、ＰＢとローパスフィルタ８、９の出力する信号ＣＡ、ＣＢの振幅及びオフセットレベルがほぼ同じ値となるように調整されている。１０、１１は比較手段で、ロータリーエンコーダ１の２相出力信号ＰＡ、ＰＢとローパスフィルタ８、９からのの２相出力信号ＣＡ、ＣＢをそれぞれ比較し、比較結果として信号ＳＡ、ＳＢを出力している。１２は比較手段１０、１１の出力信号ＳＡ、ＳＢを入力し、この２つの信号ＳＡ、ＳＢの変化のタイミングがほぼ同じタイミングであることを検出し、検出タイミング信号Ｐｄｅｔを出力するタイミング検出手段である。１３はＰｄｅｔ信号の検出タイミングでのカウンタ４の出力するカウント値を検出し位相信号を出力する位相検出手段で、信号ＣＡと信号Ｐｄｅｔとの時間的ずれ量が位相ずれ量として検出されている。この時間的位相ずれ量は、ロータリーエンコーダ１の出力信号の位置的位相情報に対応しており、高分解能な位置検出が可能となる。図２を用いてこの原理を説明する。
【００５２】
９０°位相の異なる正弦波出力のロータリーエンコーダ１の出力ＰＡ、ＰＢは図２の実線で表した２相の正弦波で、ローパスフィルタ８、９の出力する２相の同じ振幅を設定された正弦波信号ＣＡ、ＣＢは同図の破線で表された２相の正弦波信号となっている。信号ＰＡ、ＰＢ及び信号ＣＡ、ＣＢはそれぞれ比較手段１０、１１に入力され、信号ＳＡ、ＳＢが出力される。そしてタイミング検出手段１２で信号ＳＡ、ＳＢのパルスエッジがほぼ等しいタイミングである部分を検出し、信号Ｐｄｅｔが出力される。ここで、カウンタ３の出力信号は信号ＣＡの位相情報であるから、信号ＣＡの正負を示すＣＡ’信号を用いて信号Ｐｄｅｔとの位相関係をみると、ロータリーエンコーダ１の出力信号ＰＡ、ＰＢの変化に応じて信号Ｐｄｅｔと信号ＣＡ’との位相差がＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と徐々に大きな値に変化していることがわかる。
【００５３】
又、図３に不図示の回転体の回転方向が切り替わる際の波形を示す。同図の信号ＰＡ、ＰＢは図のちょうど真中あたりで位相が反転し信号ＰＡに対して信号ＰＢの位相が遅れた状態から進んだ状態へ切り替わっている。信号Ｐｄｅｔは徐々に周期が長くなっており、信号Ｐｄｅｔと信号ＣＡ’の位相関係はほぼ中央を境にして左側は信号Ｐｄｅｔの位相が時間と共に徐々に位相の遅れが少なくなってきているが右側は時間と共に信号Ｐｄｅｔの位相の遅れが徐々に広がっており不図示の回転体の回転方向が反転したことを示している。ここで、Ｐｄｅｔ信号は回転方向を含めた回転速度に応じて周期または周波数が変化するのでこれを利用して、速度指令に対応する周波数のパルス信号と信号Ｐｄｅｔを位相比較してモータの速度をＰＬＬ制御するようにすれば、回転方向を含めて速度制御をすることが可能になる。
【００５４】
図４にこの場合の制御装置のブロック図を示す。図４の１４は公知のＰＬＬ制御用の位相比較器で不図示の指令手段から速度指令用のパルス信号とＰｄｅｔ信号が入力されている、１５は位相比較信号のノイズを除去すると共に後述するモータ１７の速度制御の制御ゲインを設定するためのフィルタ手段、１６はモータ１７を駆動するためのドライバ、１７はモータで回転軸にはロータリーエンコーダ１が接続されている。簡単に動作を説明すると、モータ１７の停止時には、ローパスフィルタ８、９から出力される正弦波信号ＣＡ、ＣＢと同じ周波数のパルス信号が不図示の指令手段から位相比較器１４に入力されている。モータ１７の停止時には信号Ｐｄｅｔからも正弦波信号ＣＡ、ＣＢと同じ周波数のパルス信号が出力されるため、位相比較器１４の出力が０になるようにドライバ１６によってモータが停止するように制御される。ここで、不図示の指令手段から正弦波信号ＣＡ、ＣＢより低い周波数のパルス信号を位相比較器１４に入力すると、位相比較器１４の出力は負の値となりモータ１７はＣＣＷ方向に回転し、速度指令信号に応じた回転速度で回転する。逆に正弦波信号ＣＡ、ＣＢより高い周波数の速度指令信号が位相比較器１４に入力されると、モータ１７はＣＷ方向に回転して速度制御が行なわれることになる。
【００５５】
又、本例では９０°の位置的位相を持つ２相の信号を発生するロータリーエンコーダに対して位置検出信号の逓倍処理を行なったが、１２０°の位置的位相を持ち３相の信号を発生するエンコーダを用いた場合でも、比較信号である時間的波形の位相差を同じ１２０°に設定しそれぞれ比較すれば同様の効果が得られることは当然である。
【００５６】
図５にその場合の波形の例を示す。位置的位相のずれた３相の信号を信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣとし、時間的位相のずれた信号を信号ＣＡ、ＣＢ、ＣＣとした。図中の実線は信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣを示し、破線は信号ＣＡ、ＣＢ、ＣＣを示している。そして信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣと信号ＣＡ、ＣＢ、ＣＣの比較結果を信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣとし、信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣの全てのエッジの等しいタイミングを検出し、信号Ｐｄｅｔ２に示し、図３と動揺に信号ＣＡ’も表示した。信号Ｐｄｅｔ２と信号ＣＡ’の位相関係は図３とほとんど同じ関係となっている。それは、図５の信号ＰＡ、ＰＢ、ＰＣの周波数が図３の信号ＰＡ、ＰＢと同じだからである。
【実施例２】
【００５７】
図６は第２の実施例を示すブロック図で、図４のタイミング検出手段１２の代わりに排他的論理和素子１８を用いた例である。
【００５８】
図７にこの時の波形を示す。比較手段１０、１１の出力信号ＳＡ、ＳＢは図３と同じものであるが、図６の排他的論理和素子１８の出力信号Ｐｄｅｔ１は図３の信号Ｐｄｅｔと周波数が逆の関係にあることがわかる。つまり図３のほぼ中央を境にして左側のほうが右側より周波数が高いのに対して、図７の信号Ｐｄｅｔ１は左側のほうが低い周波数となっている。しかし、この反対の特性を考慮すれば、図６のブロック図においても図４と同様の動作を行なうことが可能であることは明白である。
【００５９】
また、図８に図１のタイミング検出手段１２のかわりに排他的論理和素子１８を用いた例を示す。これも図６の実施例と同様にして不図示の回転体の回転方向に応じて図１の実施例とは位相信号の変化が逆となる以外には同じ動作である。ここで、排他的論理和素子１８を用いた結果、図７に示すように不図示の回転体の回転速度に応じて信号Ｐｄｅｔ１の周波数が変化する原理について説明する。まずロータリーエンコーダ１の出力信号ＰＡ、ＰＢを次の式で表す。
【００６０】
【数１】
2005098735.tif 000003
【００６１】
ここで、φは位置的位相を示す。次にローパスフィルタ８、９の出力信号ＣＡ、ＣＢを
【００６２】
【数２】
2005098735.tif 000004
【００６３】
とする。ここで、ωは角周波数、ｔは時間を表している。
【００６４】
そこで、信号ＰＡから信号ＣＡを引いた結果と信号ＰＢから信号ＣＢを引いた結果を掛け合わせると以下の式が導き出される。
【００６５】
【数３】
2005098735.tif 000005
【００６６】
となる。ここで、（５）式の乗算第２項の（ｃｏｓ（φ−ωｔ）−１）は０以下であるので、（５）式は乗算第２項で振幅変調され、位相がφの角周波数ωの正弦波と言うことになる。次に、ロータリーエンコーダ１の出力信号ＰＡ、ＰＢが時間と共に変化している場合を考え、φをωｐｔとすると（５）式は
【００６７】
【数４】
2005098735.tif 000006
【００６８】
となる。これより、（６）式は乗算第２項の（ｃｏｓ（（ωｐ−ω）ｔ）−１）で振幅変調される角周波数ωｐ＋ωの正弦波と考えられる。ここで、本実施例の回路について考える。比較手段１０、１１は（５）式のＶＰＡ−ＶＣＡ及びＶＰＢ−ＶＣＢの操作を行なっている。しかし比較手段１０、１１の出力は０、１の２値出力である上、乗算の代わりに排他的論理和素子１８を用いているので計算式の通りにはならない。ここで、この式の関係を表１に示して比較する。
【００６９】
【表１】
2005098735.tif 000007
【００７０】
このように、乗算結果の符合と排他的論理和素子１８の出力は＋と０、−と１が対応していることがわかる。従って、符号の変化するタイミングと排他的論理和素子１８の出力信号のパルスエッジは一致するため、排他的論理和素子１８の出力信号の周波数は（６）式のωｐ＋ωと一致することになる。このように、高価なアナログ乗算器を用いて乗算することなく、簡単なディジタル素子によって乗算効果を出し、不図示の回転体の回転速度に応じた周波数のパルス信号を発生させることが出来る。
【実施例３】
【００７１】
図９に第３の実施例のブロック図を示す。実施例２の数式説明ではＰＡ、ＰＢ、ＣＡ、ＣＢの各振幅は等しいとして説明したが、実際には多少ずれてしまう場合がある。その際の各部の波形を図１０に示す。図９の主だった部分は上記した実施例と同じであるが、本実施例ではＰＡ、ＰＢ、ＣＡ、ＣＢの各振幅が異なる場合の対策を施した。
【００７２】
ここで、図９のブロック図を説明する前に、振幅が異なる場合の信号Ｐｄｅｔ１の波形について図１０を用いて説明する。図１０において信号ＰＡ、ＰＢは実線で示された正弦波波形であり、信号ＣＡ、ＣＢは信号ＰＡ、ＰＢより大きい振幅の場合と小さい振幅の場合を破線で信号ＰＡ、ＰＢと重ねて表示した。次に、Ｐｄｅｔ１信号であるが、信号ＰＡ、ＰＢより信号ＣＡ、ＣＢが大きい場合、小さい場合、等しい場合を示した。図から判るように、信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅が等しくないと、Ｐｄｅｔ１信号に細いパルスが多く現れるようになる。すると、信号Ｐｄｅｔ１の位相を検出することが困難となり、誤動作をしてしまうこともあった。そこで、本実施例では信号Ｐｄｅｔ１に含まれる細いパルス信号を除去するローパスフィルタを設けた。
【００７３】
ではここで、図９のブロック図について説明する。上記実施例ではカウンタ３からの８ｂｉｔの信号をＲＯＭ４、５に入力していたが、本実施例ではカウンタ３の上位４ｂｉｔのデータをＲＯＭ４、５に入力している。Ｄ／Ａ変換手段６、７及びローパスフィルタ８、９については上記実施例と同じである。４ｂｉｔのデータとすることで、ＲＯＭ４、５の容量を小さくすることが出来る上、タイミング検出手段１３にはカウンタ３からの下位４ｂｉｔのデータも入力されるので位置的位相の検出分解能は変わらないように構成されている。またロータリーエンコーダ１の代わりに、光源であるＬＥＤ１９と抵抗Ｒと光学スケール２０と受講素子ＰＤ１〜ＰＤ４と、この４つのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の検出信号から光学スケール２０の移動に対応して２相の正弦波波形の信号を出力する差動アンプ２１で構成される光学式位置センサを用いた。
【００７４】
本実施例で問題としている信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅差は、抵抗Ｒの値を変更することでＬＥＤ１９に流れる電流値を変え、ＬＥＤ１９の発光強度を調節することで対応することも可能である。２２は信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅が異なる場合の信号Ｐｄｅｔ１に発生する細いパルスを除去する為のノイズフィルタで、所定のパルス幅以上の信号しか通さないようなデジタルフィルタが主に用いられる。また本実施例では光学式ロータリーエンコーダの例を示したが、リニアエンコーダや磁気式エンコーダ、又は位置に対して同様の出力信号を発生する公知のレゾルバやレーザー干渉計等の信号の逓倍処理に利用しても良い。
【実施例４】
【００７５】
図１１は第４の実施例を示すブロック図である。本実施例はＰｄｅｔ１信号から信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのどちらが大きいかを検出し、光学式位置検出センサを構成する光源用ＬＥＤ１９の発光強度を制御するものである。
【００７６】
ここで、図１０の波形を用いて信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのどちらが大きいのかを検出する方法について述べる。図１０の信号Ｐｄｅｔ１のパルス幅について注目すると、信号ＣＡ、ＣＢが大の場合のパルス幅の最大値が小の場合のパルス幅の最大値より小さいことがわかる。また、信号ＣＡ、ＣＢが大の場合でも小の場合でも信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅が異なる場合に発生する細いパルスをフィルタ処理で除去して数周期分の時間を測り、半周期あたりの時間を算出すれば信号ＣＡ、ＣＢが信号ＰＡ、ＰＢと同じ振幅の場合のパルス幅を求めることが出来、信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのどちらが大きいのか検出することが可能である。
【００７７】
図１１ブロック図はこれを実現するもので、２３は信号Ｐｄｅｔ１を入力して最大パルス幅を検出する最大パルス幅検出手段、２４は信号Ｐｄｅｔ１を入力して上記した方法で信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅が等しい場合のパルス幅を検出する理想パルス幅検出手段、２５は最大パルス幅検出手段２３の出力と理想パルス幅検出手段の出力信号の差を検出する差動増幅器、２６は差動増幅器２５の出力信号を積分する積分手段で、もし信号ＣＡ、ＣＢが信号ＰＡ、ＰＢより振幅が大きいなら、信号Ｐｄｅｔ１の理想のパルス幅より最大パルス幅が小さくなるので、差動増幅器２５の出力は正の値となり積分手段２６の出力である積分結果信号は大きくなって行き、光源用ＬＥＤ１９の発光強度が増加し、信号ＰＡ、ＰＢの振幅が大きくなって行き、信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅が等しくなるように構成されている。
【実施例５】
【００７８】
第４の実施例では、信号ＰＡ、ＰＢの振幅が光源用ＬＥＤ１９の発光強度が変化しても信号ＰＡ、ＰＢのオフセットレベルは変化しないようにフォトダイオードＰＤ１とＰＤ３、ＰＤ２とＰＤ４の出力を差動増幅しているため光源用ＬＥＤ１９の発光強度を変更して信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの振幅の差を調整したが、本例では光源用ＬＥＤ１９の発光強度を変化させると信号ＰＡ、ＰＢの振幅とオフセットレベルが同時に変化する場合の例を示す。
【００７９】
図１２は本実施例を示すブロック図で、図１３は各部の波形である。本例の第１の特徴は光源用ＬＥＤ１９からの光を受光するフォトダイオードが実施例４が４つであるのに対してＰＤ１、ＰＤ２の２つになっていることである。これによって、信号ＰＡ、ＰＢは光源用ＬＥＤ１９の発光強度の変化に依存して振幅とオフセットレベルが変化することになる。又、不図示の移動体の移動に応じて動く光学スケール２０の位置の変化によって変化する信号ＰＡ、ＰＢの波形は上下非対称の形状になってしまうことである。第２の特徴は信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルの差を波形データを記憶してあるＲＯＭ４、５のテーブルを切り替えることで行なっていることである。第３の特徴は信号ＰＡ、ＰＢの上下非対称な波形と同じ波形がＲＯＭ４、ＲＯＭ５に記憶させてあることである。
【００８０】
では以下に新たな構成要素である第２の特徴を実現する部分について図１３を用いて説明する。図１３は信号ＰＡ、ＰＢが信号ＣＡ、ＣＢと振幅が同じでオフセットレベルが異なる場合の波形の例を示している。信号ＰＡ、ＰＢは実線の波形で上下の波形が非対称になっている。信号ＣＡ、ＣＢは破線で表しており、信号ＰＡ、ＰＢと同様の波形となっている。信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルが小の場合の例で、信号ＳＡ、ＳＢのパルスがローレベルの時間が多いことがわかる。
【００８１】
信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルが同じ場合には信号ＳＡ、ＳＢにはハイレベルとローレベルの比がほぼ等しい波形が出力される。従って不図示の移動体を移動させながら信号ＳＡ、ＳＢのハイレベルとローレベルの時間の比を検出することによって信号ＰＡ、ＰＢのオフセットレベルを検出し、信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルを変化させることで、信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルを一致させることが出来る。そして、実施例４の方法に基づいて信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢの信号振幅を一致させることで、信号ＰＡ、ＰＢと信号ＣＡ、ＣＢは振幅及びオフセットレベルが等しい信号になる。
【００８２】
ではこれを実現するための構成を図１２を用いて説明する。２７は信号ＳＡを入力して信号ＳＡのハイレベルとローレベルの時間の比を検出するハイロー比検出手段、２８はハイロー比検出手段の出力に応じてＲＯＭ４、５の波形テーブルのブロックを選択するオフセット設定手段である。ハイロー比は通常５０％になるようにＲＯＭ４、５の波形データが選択される。ＲＯＭ４、５には複数のオフセットレベルの波形データ複数のブロックに分けて記憶されており、オフセット設定手段２８によってブロックを選択することによって信号ＣＡ、ＣＢのオフセットレベルを変更している。また本例ではハイロー比検出手段２７は信号ＳＡについてハイロー比を検出したが、信号ＳＢについても求めて信号ＳＡの結果と平均をとっても良い。
【実施例６】
【００８３】
上記実施例では位相検出手段１３の出力を用いて位置を検出したが、信号ＰＡ、ＰＢが不図示の移動体の移動範囲内で１周期の波形しか発生しない場合には問題無いが、何周期もの波形信号を発生する場合にはどちらに何周期分移動したのかをカウントする必要がある。
【００８４】
図１４本実施例の第１の例を示すブロック図で２９は信号ＰＡ、ＰＢを入力してデューティ５０％のパルス信号に変換して２相のパルス信号に変換した。これを４逓倍の位置カウントを行なう位置カウンタである。位置カウンタの出力である位置信号と位相検出手段１３の位相信号を用いることによって、信号ＰＡ、ＰＢが何周期も波形を出力する際にも、位置カウンタ２９で信号ＰＡ、ＰＢの周期をカウントすると共に、位相検出手段１３で信号ＰＡ、ＰＢの１周期内の位相を高分解能に検出することが出来るので、位置検出のダイナミックレンジを広くすることが出来る。
【００８５】
３０は積算手段で、水晶振動子２の発振周波数のタイミングで不図示の指令手段からの分解能指令信号を積算している。積算手段３０は積算値が２５５を超えると次の積算タイミングでは超えた分の値から積算を続けるようになっている。従って、位相検出手段１３の出力は分解能指令の分解能に従って出力される。ただ実際には、位相検出手段１３の出力する位相と位置カウンタ２９のカウントの位相は若干ずれてしまう問題がある。そういった場合には、不図示の演算手段によって位置信号と位相信号を選択的に用いることで対処可能である。
【００８６】
それは例えば、光学スケール２０が高速に移動する場合には位相検出手段１３の出力である位相信号を用いずに位置カウンタ２９の値のみを用いて位置を検出し、低速に移動する場合には位相検出手段１２の出力である位相信号の桁上がり（３６０度又は０度を越えること）を検出して位相信号を累積して計算する方法である。
【００８７】
図１５にこの動作を示すフローチャートを示す。このフローチャートの動作は所定の時間毎に行なわれる動作で、位置検出分解能が２５６（位相信号が０から２５５までを出力する場合）の場合を示している。動作タイミングになると、最初に位置信号Ｐ０と位相信号ＰＨ０を検出する。そして前回の位置信号Ｐ１と位置信号Ｐ０との差の絶対値Ｐｄを計算し、Ｐｄが所定の値Ｐｄ０より大きいかどうかを判断する。ＰｄがＰｄ０より大きい場合には光学スケール２０が高速に移動しているとみなし、位置情報ＰｏｕｔをＰ０の６４倍の値とし、切替フラグＣＨを０とする。また、ＰｄがＰｄ０以下の場合には、切替フラグＣＨが１かどうかを検出する。０ならば位置情報ＰｏｕｔをＰ０の６４倍の値とし、位相信号ＰＨ０が８５と１７０の間に入っていれば切替フラグＣＨを１とする。切替フラグＣＨが１の場合には前回の位相信号ＰＨ１と位相信号ＰＨ０の差ＰＨｄを計算し、位置情報Ｐｏｕｔの下位８ビットを消去して位相信号ＰＨ０を加算した値を位置情報Ｐｏｕｔに代入する。ＰＨｄが８５以上の場合には位置情報Ｐｏｕｔから２５６を減算し、ＰＨｄが−８５以下の場合には位置情報Ｐｏｕｔに２５６を加算する。この様にして位置情報Ｐｏｕｔを計算した後に、今回の位置信号Ｐ０及び位相信号ＰＨ０をそれぞれＰ１、ＰＨ１に代入して終了するように構成されている。
【００８８】
また、ここでは位置カウンタ２９を用いて高速に光学スケール２０が移動する場合に位置を検出したが、十分遅い速度で光学スケール２０が移動することが保証されている場合には、位相情報のみを用いて位置の累積計算を行なっても良い。
【００８９】
図１６にこの例を示すフローチャートを示す。このフローチャートの動作も所定の時間毎に行なわれる動作で、位置検出分解能が２５６（位相信号が０から２５５までを出力する場合）の場合を示している。動作タイミングになると、最初に位相信号ＰＨ０を検出する。まず前回の位相信号ＰＨ１と位相信号ＰＨ０の差ＰＨｄを計算し、位置情報Ｐｏｕｔの下位８ビットを消去して位相信号ＰＨ０を加算した値を位置情報Ｐｏｕｔに代入する。次にＰＨｄが８５以上の場合には位置情報Ｐｏｕｔから２５６を減算し、ＰＨｄが−８５より小さい場合には位置情報Ｐｏｕｔに２５６を加算する。この様にして位置情報Ｐｏｕｔを計算した後に、今回の位相信号ＰＨ０をそれぞれＰＨ１に代入して終了するように構成されている。又、位相信号のみを用いて位相の累積計算を行なう図１６のような場合でも、不図示の指令手段からの分解能指令Ｓｄを大きな値に変更することで信号ＣＡ、ＣＢの周波数を高くすることが可能なので、位相信号の変化が早い場合には分解能指令Ｓｄを大きな値にするように構成しても良い。
【００９０】
図１７にこの場合のフローチャートを示す。基本的には図１６の動作と同じだが、位相信号の変化ＰＨｄの絶対値が１０より小さい場合には光学スケール２０の移動速度が遅いと判断して、分解能指令Ｓｄが最小でないなら、Ｓｄを半分の値とし、信号ＣＡ、ＣＢの周波数を低くし、位相検出手段１３の位相検出分解能を高くするように設定している。また、位相信号の変化ＰＨｄの絶対値が４０より大きい場合には光学スケール２０の移動速度が速いと判断し、分解能指令Ｓｄが最大でないならばＳｄを２倍に設定し、信号ＣＡ、ＣＢの周波数を高くし、位相検出手段１３の位相検出分解能を低くするように設定している。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図３】第１の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図４】第１の実施例を示すブロック図である。
【図５】第１の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図６】第２の実施例を示すブロック図である。
【図７】第２の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図８】第２の実施例を示すブロック図である。
【図９】第３の実施例を示すブロック図である。
【図１０】第３の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図１１】第４の実施例を示すブロック図である。
【図１２】第５の実施例を示すブロック図である。
【図１３】第５の実施例の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図１４】第６の実施例を示すブロック図である。
【図１５】第６の実施例を示すフローチャートである。
【図１６】第６の実施例を示すフローチャートである。
【図１７】第６の実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９３】
１  ロータリーエンコーダ
２  水晶振動子
３  カウンタ
４  ＲＯＭ
５  ＲＯＭ
６  Ｄ／Ａ変換手段
７  Ｄ／Ａ変換手段
８  ローパスフィルタ
９  ローパスフィルタ
１０  比較手段
１１  比較手段
１２  タイミング検出手段
１３  位相検出手段
１４  位相比較器
１５  フィルタ手段
１６  ドライバ
１７  モータ
１８  排他的論理和素子
１９  ＬＥＤ
２０  光学スケール
２１  差動アンプ
２２  ノイズフィルタ
２３  最大パルス幅検出手段
２４  理想パルス幅検出手段
２５  差動増幅器
２６  積分手段
２７  ハイロー比検出手段
２８  オフセット設定手段
２９  位置カウンタ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005098735.tif 000022
【図１６】
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【図１７】
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