(57)【要約】【課題】  ロータリー型の位置検出装置において、回路規模の増大を抑えつつ、被測定物の移動速度が高速な場合においても検出精度の高い位置検出装置を得る。【解決手段】  被測定物の回転に応じて変動する２相正弦波信号を異なる周期で複数生成する信号生成手段１０と、前記２相正弦波信号をデジタルデータに変換する第一のＡＤ変換手段と、前記第一のＡＤ変換手段よりも低い分解能でデジタルデータに変換する第二のＡＤ変換手段とを備え、前記第二のＡＤ変換手段の入力は、前記複数の２相正弦波信号のうち第一のＡＤ変換手段に入力するものを除く前記２相正弦波信号から１つの２相正弦波信号を順次選択する第一のマルチプレクサを介して入力されるようにする。【選択図】    図１
2012026926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の回転に応じて変動する２相正弦波信号を異なる周期で複数生成する信号生成手段と、
前記２相正弦波信号をデジタルデータに変換する第一のＡＤ変換手段と、
前記複数の２相正弦波信号のうち第一のＡＤ変換手段に入力するものを除く前記２相正弦波信号を前記第一のＡＤ変換手段よりも低い分解能でデジタルデータに変換する第二のＡＤ変換手段と、
前記第一のＡＤ変換手段の出力から第一の角度データを算出する第一の角度算出手段と、
前記第二のＡＤ変換手段の出力から第二の角度データを算出する第二の角度算出手段と、
前記第一の角度データと前記第二の角度データとから被測定物の位置を算出する位置算出手段とを備え
前記第二のＡＤ変換手段の入力は、前記複数の２相正弦波信号から１つの２相正弦波信号を順次選択する第一のマルチプレクサを介して入力される
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
それぞれの前記２相正弦波信号に対して、切替信号に基づいて前記第一のＡＤ変換手段及び前記第二のＡＤ変換手段のいずれに出力するかを選択するスイッチと、
算出された前記被測定物の位置の変化量から、それぞれの前記切替信号を制御する切替制御手段とを備え、
前記第一のマルチプレクサの入力は、前記選択手段で前記第二のＡＤ変換手段への出力が選択された２相正弦波信号を順次選択するものであり、
前記第一のＡＤ変換手段の入力は、前記選択手段で前記第一のＡＤ変換手段への出力が選択された２相正弦波信号から１つの２相正弦波信号を順次選択する第二のマルチプレクサを介して入力されるものである
ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記第一のＡＤ変換手段の入力は、前記複数の２相正弦波信号のうち最も周期の短い２相正弦波信号であり、
前記第一のマルチプレクサの入力は、前記複数の２相正弦波信号のうち最も周期の短い２相正弦波信号を除く２相正弦波信号である
ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記信号生成手段から出力される複数の２相正弦波信号に対応付けられてそれぞれの２相正弦波信号からの角度データを記憶する記憶手段を備え、
前記第一の角度データと前記第二の角度データとは、それぞれの周期に該当する記憶手段に入力されるものであって、
位置算出手段は、それぞれの記憶手段への入力が一通り完了したら実行するものである
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械等の位置を検出するロータリー型の位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械等の位置を検出する位置検出装置として、被測定物の移動に伴い回転するロータリー型のエンコーダを用いて、エンコーダの回転角度情報から位置を検出する手法が知られている。このような手法で分解能の向上を図るためにエンコーダのセンサから異なる周期の複数の２相正弦波信号を出力し、内挿処理によりそれぞれの周期における角度データを算出した後、合成するという手法が一般的に知られている。
【０００３】
しかし、分解能を増やすには回路構成が大きくなり位置検出装置のサイズ的およびコスト的に問題があることから、エンコーダなどのセンサから出力される２相正弦波信号を波形整形部で２値化した２相パルス信号と、２相正弦波信号をＡ／Ｄ変換した２相デジタル正弦波信号との２つを用いて、被測定物の移動速度が高速なときは２相パルス信号を用いて比較的精度の低い位置検出を行うことで処理の簡略化を図り、被測定物の移動速度が低速なときは２相デジタル正弦波信号を内挿処理することで位置検出の精度を高めるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２７７６２号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では被測定物の移動速度が高速なときの精度が著しく劣化するという問題がある。この問題は特にサーボ機構を用いた制御を行う場合には、位置検出誤差が累積し、被測定物の挙動に悪影響を及ぼす要因となる。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、回路規模の増大を抑えつつ、被測定物の移動速度が高速な場合においても検出精度の高い位置検出装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る位置検出装置においては、被測定物の回転に応じて変動する２相正弦波信号を異なる周期で複数生成する信号生成手段と、前記２相正弦波信号をデジタルデータに変換する第一のＡＤ変換手段と、前記複数の２相正弦波信号のうち第一のＡＤ変換手段に入力するものを除く前記２相正弦波信号を前記第一のＡＤ変換手段よりも低い分解能でデジタルデータに変換する第二のＡＤ変換手段と、前記第一のＡＤ変換手段の出力から第一の角度データを算出する第一の角度算出手段と、前記第二のＡＤ変換手段の出力から第二の角度データを算出する第二の角度算出手段と、前記第一の角度データと前記第二の角度データとから被測定物の位置を算出する位置算出手段とを備え前記第二のＡＤ変換手段の入力は、前記複数の２相正弦波信号から１つの２相正弦波信号を順次選択する第一のマルチプレクサを介して入力されるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明は、第一のＡＤ変換手段と、第一のＡＤ変換手段よりも低い分解能でデジタルデータに変換する第二のＡＤ変換手段と、第二のＡＤ変換手段の入力前に複数の２相正弦波信号から１つの２相正弦波信号を順次選択する第一のマルチプレクサとを備えることにより、分解能の比較的高い第一のＡＤ変換手段による変換結果と、第一のＡＤ変換手段に入力する２相正弦波信号以外の複数の２相正弦波信号を順次マルチプレクサにより選択して第二のＡＤ変換手段に入力することで、第一のＡＤ変換手段及び第一の角度算出手段の一組と、第二のＡＤ変換手段及び第二の角度算出手段の一組とを備えるだけで複数の２相正弦波信号から位置検出を行なうことが可能となる。これによって、回路規模の増大を抑えつつ、被測定物の移動速度が高速な場合においても検出精度の高い位置検出装置を得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る位置検出装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における複数のトラックの周期を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における回転角度算出手段における角度データの合成示す例である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る位置検出装置の全体構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２における回転角度算出手段における角度データの合成示す例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る位置検出装置の全体構成図である。信号生成手段１０は、被測定対象の回転に応じて回転するｎ個（ｎは複数）のトラックからの２相アナログ正弦波信号を生成する手段である。ここでｎ個のトラックはそれぞれ周期が異なっておりそれぞれのトラックに対応して２相センサ１０１、１０２、１０ｎが設けられており、それらの２相センサは対応するトラック固有の周期の正弦波信号とその正弦波信号と固定の位相差をもつ別の正弦波信号の組を出力する。例えば第一の周期トラック用２相センサ１０１は、第一の周期トラックの周期で変化する正弦波信号Ｓ１１とその正弦波信号Ｓ１１と固定の位相差をもつ正弦波信号Ｓ１２の組を出力する。ここで固定の位相差をそれぞれのトラックでの９０°とすることで、２相アナログ正弦波信号は、対応するトラックの正弦波と余弦波の組合せとなり、これらからトラック固有の１周期における角度データに換算することができる。また、第二の周期トラック用２相センサ１０２から２相アナログ正弦波信号としてＳ２１とＳ２２との組を、第ｎの周期トラック用２相センサ１０ｎから２相アナログ正弦波信号としてＳｎ１とＳｎ２との組を出力する。
【００１１】
第一の周期トラック用２相センサ１０１が出力する２相アナログ正弦波信号Ｓ１１およびＳ１２は、第一のＡＤ変換手段２１に入力されてそれぞれがデジタルデータに変換され、それぞれデジタルデータに変換された２相デジタル正弦波信号は、第一の角度算出手段４１に入力され、第一の周期トラックの角度情報に変換される。この第一の周期トラックの角度情報は、第一の周期トラック用角度記憶手段５０１に更新される。
【００１２】
一方、第二の周期トラック２相センサ１０２から第ｎの周期トラック２相センサ１０ｎが出力する２相アナログ正弦波信号Ｓ２１およびＳ２２からＳｎ１およびＳｎ２は、マルチプレクサ３０に入力される。マルチプレクサ３０は２相アナログ正弦波信号を順次選択して出力し、出力された２相アナログ正弦波信号を順次第二のＡＤ変換手段２２に入力してそれぞれをデジタルデータに変換し、それぞれデジタルデータに変換された２相デジタル正弦波信号は、第二の角度算出手段４２に入力され、それぞれの周期トラックの角度情報に変換される。マルチプレクサ３０は、２相アナログ正弦波信号の一方を選択する第一相マルチプレクサ３０１と他方を選択する第二相マルチプレクサ３０２を有する。
【００１３】
それぞれの周期トラックの角度情報は、デマルチプレクサ８０によってそれぞれの周期トラック用角度記憶手段５０２から５０ｎに振り分けられて更新され、全ての周期トラックに対して角度情報が更新されたら回転角度算出手段６０で被測定物の回転角度データを算出し、その被測定物の回転角度データから位置検出手段７０によって被測定物の位置検出を行なう。デマルチプレクサ８０は必ずしも必要ではなく、全ての周期トラック用角度記憶手段５０２から５０ｎが第二の角度算出手段４２と接続され、それぞれの周期トラック用角度記憶手段が更新するタイミングとなるイネーブル信号をそれぞれの周期トラック用角度記憶手段に供給しても構わない。この場合、それぞれの周期トラック用角度記憶手段が更新するタイミングは、マルチプレクサ３０の順次選択のタイミングに遅延調整したものから導くことが可能である。
【００１４】
次に周期トラックの２相アナログ正弦波信号について説明する。図２は複数のトラックの周期を示す図である。図２（ａ）は被測定物の１回転で１周期となるトラックであり、図２（ｂ）は被測定物の１回転で１６周期となるトラックを示す。このように、図２（ａ）を１６分割した角度の間に、図２（ｂ）の１周期となる正弦波を持たせる。このような周期を持つトラックを用いることで、被測定物の１回転で１周期となるトラックから被測定物の１回転を１６分割した粗い角度情報のみを求める場合は４ｂｉｔ分の角度情報のみを算出できるだけの分解能のＡＤ変換手段があれば済み、１６分割した角度の間に関する角度情報は被測定物の１回転で１６周期となるトラックから算出すればよいこととなる。さらに、被測定物の１回転で２５６周期となるトラックを備えることで、被測定物の１回転で１６周期となるトラックにおいてもさらにそのトラックの１周期を１６分割した粗い角度情報のみを算出できるだけの分解能のＡＤ変換手段があれば済むこととなる。
【００１５】
次に角度算出手段４１または４２における角度データへの算出方法について説明する。入力される正弦波と余弦波のデジタルデータから角度データへの算出方法としては、ＲＯＭなどによるテーブルを予め用意しておいて、そのテーブルを参照して角度データを得る方法がある。
【００１６】
ここでテーブルを用いた角度データへの算出方法の具体例を挙げる。テーブルとして正弦波のデジタルデータに対応したアークサインデータを持つ。このアークサインデータはラジアンデータである必要はなく、デグリーデータ（角度データ）に換算済のものを保有するとしても構わない。
【００１７】
このテーブルを用いて、角度算出手段４１または４２に入力される正弦波のデジタルデータから、そのデジタルデータに対応した角度データを抽出する。これはテーブルとして余弦波のデジタルデータに対応したアークコサインデータを持つ場合も可能であることは自明である。
【００１８】
また、入力される正弦波と余弦波のデジタルデータが、例えば２の補数で変換されたデジタルデータであったとした場合、正弦波と余弦波の最上位ビットの組合せで４つの象限が限定するのでテーブル自体は９０°分のテーブルを持つだけで角度データを得ることができる。これによってテーブルとして必要なＲＯＭの容量を精度を落とすことなく１／４に削減することが可能となる。このようなテーブルを持つ場合は、正弦波または余弦波のいずれかは１ビットのＡＤ変換だけを行なうとしても角度データが求まるため、回路規模の削減とＡＤ変換時間の削減が可能となる。
【００１９】
また別のテーブルを用いた角度データへの算出方法として、入力される正弦波と余弦波のデジタルデータからタンジェントを算出する。このタンジェント値から、予めタンジェント値に対応したアークタンジェントデータを持つテーブルを用いて角度データを得る方法もある。
【００２０】
このような方法によって求まる角度データの分解能は、２相デジタル正弦波信号の分解能と相関関係にあり、テーブルに入力する２相デジタル正弦波信号の分解能が上がれば、角度データの分解能も上げることができる。また角度算出手段４２は、角度算出手段４１に比べて入力されるデジタルデータのビット数が少なく、また角度情報としての分解能も角度算出手段４１に比べて粗いビット表現で済むことから出力ビット数も抑えることができるので、角度算出手段４１よりも回路規模を小さくすることが可能である。
【００２１】
次に回転角度算出手段６０について説明する。図３は角度データの合成を示す例である。図３（ａ）は、被測定物の１回転で２５６周期となる第一の周期トラック用角度データＡＮＧ１（１２ビット）と、被測定物の１回転で１６周期となる第二の周期トラック用角度データＡＮＧ２（４ビット）と、被測定物の１回転で１周期となる第三の周期トラック用角度データＡＮＧ３（４ビット）とを合成したときの角度データ（２０ビット）を示すものである。図３（ａ）のように、これらの角度データに所定の重み付けを行ない加算することで被測定物の角度データを算出する。この際、トラックの周期に応じて所定の重み付けを行なうこととなり、ＡＮＧ３は重み付け１、ＡＮＧ２は重み付け１／１６、ＡＮＧ１は重み付け１／２５６として足し合わせる。この場合、重み付けはビットシフトすることと同じであり、合成後の角度データの上位４ビットをＡＮＧ３からの４ビット、次の４ビットをＡＮＧ２からの４ビット、残りの１２ビットをＡＮＧ１からの１２ビットそのものを合成するのみで表現できるため、実質的な乗算器や加算器を必要としないで合成が可能となる。
【００２２】
図３（ｂ）は、ＡＮＧ２およびＡＮＧ３を６ビットとした場合の合成を示す図である。このようにＡＮＧ３と４ビットシフトしたＡＮＧ２とについて、重なり合ったＡＮＧ３の下位２ビットとＡＮＧ２の上位２ビットとを比較してその差分が所定の閾値を超える場合に、少なくともどちらか一方のデータが異常であると判断し、エラー信号を出力する。このような異常を判断する手段を設けることで、位置検出の結果に対する信頼性を向上させる効果を奏する。
【００２３】
また、図３（ｃ）のように重なり合ったビットから最適な合成を行なう方法を説明する。ここでＡＮＧ２（５），ＡＮＧ２（４），ＡＮＧ２（３），ＡＮＧ２（２），ＡＮＧ２（１），ＡＮＧ２（０）をそれぞれビットデータＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとし、ＡＮＧ１（１１），ＡＮＧ１（１０）をそれぞれビットデータＧ，Ｈとする。ここで例えばＡＮＧ２（０）はＡＮＧ２の最下位ビットを示し、ＡＮＧ２（５）はＡＮＧ２の下から６ビット目を示すものであり、それぞれのビットデータは０か１かの２値データである。
【００２４】
重なり合った部分に関しては、トラックの周期が短いＡＮＧ１の上位２ビットを用いることとし、重なり合ったＡＮＧ２の下位２ビットとＡＮＧ１の上位２ビットとを比較して（ＥＦ）−（ＧＨ）が−２より小さい場合はＡＮＧ２［５．．２］より１引いたものを上位４ビットとし、（ＥＦ）−（ＧＨ）が２より大きい場合はＡＮＧ２［５．．２］に１足したものを上位４ビットとし、その他の場合はＡＮＧ２［５．．２］を上位４ビットとする。ここで（ＥＦ）−（ＧＨ）は、（Ｅ×２１＋Ｆ×２０）−（Ｇ×２１＋Ｈ×２０）で求められた値を示す。
【００２５】
場合分けの閾値は、重なり合うビット数ｍ（ｍは任意の自然数）に応じて決められるのが望ましく、一般的には±２（ｍ−１）が選択される。また、これらの最適合成は、図３（ｃ）の例ではＡＮＧ２とＡＮＧ１との重なりに対応した最適合成を行なった後、上位ビット側となるＡＮＧ３とＡＮＧ２との重なりに関しても同様に最適合成を行なう。
【００２６】
このように重なりあった角度データからより最適化を行なって合成することで、角度データに誤差が生じた場合に補正ができるという新たな効果を奏することが可能となる。
【００２７】
次に位置検出手段７０について説明する。位置検出手段７０では被測定物の回転角度データからその被測定物の回転に対応した移動量に基づいて位置検出を行なう。この際過去の回転角度データとの比較から１周以上の累積回転数を加味して位置を検出することも可能となる。
【００２８】
以上により、分解能の比較的高い第一のＡＤ変換手段による変換結果と、第一のＡＤ変換手段に入力する２相正弦波信号以外の複数の２相正弦波信号を順次マルチプレクサにより選択して第二のＡＤ変換手段に入力することで、第一のＡＤ変換手段及び第一の角度算出手段の一組と、第二のＡＤ変換手段及び第二の角度算出手段の一組とを備えるだけで複数の２相正弦波信号から精度の高い位置検出を行なうことが可能となる。また、第二のＡＤ変換手段及び第二の角度算出手段は、第一のＡＤ変換手段及び第一の角度算出手段と比較して回路規模を小さくすることが可能であり、ＡＤ変換時間を短くすることも可能である。これによって、常に全てのトラックの２相正弦波信号に対して、高分解能なＡＤ変換を行う場合と比較して、回路規模の削減とＡＤ変換時間の削減を実現しつつ、被測定物の移動速度が高速な場合においても検出精度の高い位置検出装置を得るという効果を奏する。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態１では、分解能の比較的高い第一のＡＤ変換手段２１は、一つのトラック、特にトラック周期の一番短いトラック用２相センサ出力からの２相アナログ正弦波信号を入力していたが、実施の形態２では被測定物の移動速度に応じて分解能の比較的高い第一のＡＤ変換手段２１に入力する２相アナログ正弦波信号を変更できるようにしたものである。
【００３０】
図４は、本実施の形態に係る位置検出装置の全体構成図である。ここで図１と同じ符号の構成要素については実施の形態１と同じ要素であるためここでは説明を省略する。図４のように信号生成手段１０と第一のＡＤ変換手段２１の前に第二のマルチプレクサ３１を設け、信号生成手段１０と第一のマルチプレクサ３０および第二のマルチプレクサ３１との間に選択制御部９０からの制御により信号生成手段１０から出力される複数の２相アナログ正弦波信号が第一のマルチプレクサ３０および第二のマルチプレクサ３１のいずれに接続されるかを切り替えるスイッチを備えている。ここで第二のマルチプレクサ３１は入力された複数の２相アナログ正弦波信号を順次選択して第一のＡＤ変換手段２１に供給するものである。
【００３１】
選択制御部９０は、位置検出手段７０からの位置情報の変移量と更新時間とから被測定物の移動速度を検出する速度検出手段９０１とその速度に応じてスイッチの切替を制御するスイッチ切替信号生成手段９０２とを有するものである。
【００３２】
ここでスイッチ切替信号生成手段９０２の切替判断について述べる。スイッチ切替信号生成手段９０２は被測定物の移動速度がある閾値以上である場合は、トラックの周期が長いトラック側の２相アナログ正弦波信号が第一のＡＤ変換手段に入力されるように切り替えられ、その他のトラックの２相アナログ正弦波信号が第二のＡＤ変換手段に入力されるように切り替えられる。
【００３３】
図５は、周期トラックが被測定物の１回転に対して１周期、１６周期、２５６周期のトラックを有し、速度がある閾値以上であるため１周期トラックが第一のＡＤ変換手段に、その他のトラックが第二のＡＤ変換手段に切り替えられた場合の合成について示すものである。この場合、合成時の重み付けに関しては実施の形態１と同じシフト量を持たせることで、第二の角度算出手段４２の出力が４ビットであれば、合成前のデータは下位８ビットに該当する値がないため、ａｌｌ０を代入する。そして合成データのビット［１１．．８］は２５６周期の角度データＡＮＧ１［３．．０］が代入され、合成データのビット［１５．．１２］は１６周期の角度データＡＮＧ２［３．．０］が代入され、合成データのビット［１９．．１６］は１周期の角度データＡＮＧ３［１１．．８］が代入される。ここで重なり合うビットの部分に関して差異がある閾値以上であればデータが異常であると判断してエラー信号を出力する。または重なり合うビットの部分に関して最適な合成を行なうことによって角度データに誤差が生じた場合に補正ができるという効果を奏することが可能となる。
【００３４】
以上のことから、被測定物の速度に応じて高精度および信頼性の高い角度データが必要なトラックとそうでないトラックに区別し、前者に対しては、高分解能なＡＤ変換を行い、高分解能な角度データを求め、後者に対しては、低分解能なＡＤ変換を行い、低分解能な角度データを求めることにより、常に全てのトラックの２相正弦波信号に対して、高分解能なＡＤ変換を行う場合と比較して、ＡＤ変換時間の削減とＡＤ変換器の回路規模の削減を実現することが出来る。
【符号の説明】
【００３５】
１０  信号生成手段
２１  第一のＡＤ変換手段
２２  第二のＡＤ変換手段
３０  第一のマルチプレクサ
４１  第一の角度算出手段
４２  第二の角度算出手段
６０  回転角度算出手段
７０  位置算出手段
【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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