JP2008241345A - 位相検出装置及び位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構成で位相を検出可能な位相検出装置を提供する。
【解決手段】位相検出装置5は、正弦波信号Ssaの正負、余弦波信号Scaの正負、正弦波信号Ssaの絶対値と余弦波信号Scaの絶対値との大小関係に基づいて、位相θが、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部27と、位相θが8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの正負を調整するとともに正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの一方を正弦波、他方を余弦波とし、8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部37とを有する。
【選択図】図5
【解決手段】位相検出装置5は、正弦波信号Ssaの正負、余弦波信号Scaの正負、正弦波信号Ssaの絶対値と余弦波信号Scaの絶対値との大小関係に基づいて、位相θが、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部27と、位相θが8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの正負を調整するとともに正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの一方を正弦波、他方を余弦波とし、8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部37とを有する。
【選択図】図5
Description
本発明は、測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号の前記位相を検出する位相検出装置及び当該位相検出装置を有する位置検出装置に関する。
測定対象の位置に応じた位相(θ)を有する正弦波(sinθ)信号及び余弦波(cosθ)信号(=正弦波信号に対して位相がπ/2ずれた他の正弦波信号)を生成し、その信号の位相を検出することにより、測定対象の位置を検出する位置検出装置が種々知られている。例えば、エンコーダを有する位置検出装置や振幅変調型のレゾルバを有する位置検出装置が知られている。
特許文献1では、振幅変調型のレゾルバから出力された正弦波信号及び余弦波信号から正接(y=tanθ)を算出し、その正接の逆正接(θ=tan−1y)を算出することにより、位相θを算出する技術が開示されている。
特開平9−257410号公報
逆正接の算出は、例えば、正接と逆正接とを対応付けたデータを保持することにより、正接に対応する逆正接を特定する方法が考えられる。しかし、この場合、大量のデータを保持しなければならない。また、演算式により逆正接を算出することも考えられる。しかし、この場合、精度よく算出しようとすると計算量が膨大になり、また、回路等も複雑化する。
本発明の目的は、簡素な構成で位相を検出可能な位相検出装置及び当該位相検出装置を有する位置検出装置を提供することにある。
本発明の位相検出装置は、測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号に基づいて前記位相を検出する位相検出装置であって、前記正弦波信号の正負を判別する正弦波正負判別部と、前記余弦波信号の正負を判別する余弦波正負判別部と、前記正弦波信号の絶対値と前記余弦波信号の絶対値との大小関係を判別する大小判別部と、前記正弦波正負判別部、前記余弦波正負判別部及び前記大小判別部の判別結果に基づいて、前記位相が、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部と、前記位相が前記8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の正負を調整するとともに前記正弦波信号及び前記余弦波信号の一方を正弦波、他方を余弦波とし、前記8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、前記区分特定部の特定した区分の範囲と、前記逆正接算出部の算出した逆正接とに基づいて、前記位相を算出する位相算出部と、を有する。
好適には、前記逆正接算出部は、前記正弦波信号の絶対値及び前記余弦波信号の絶対値のうち、小さいほうの値を大きいほうの値により割った値を正接又は逆正接として算出する。
好適には、前記逆正接算出部は、正接と、正接と逆正接との差からなる補正量とを対応付けたデータを保持し、前記正弦波信号の絶対値及び前記余弦波信号の絶対値のうち、小さいほうの値を大きいほうの値により割った値を正接として、対応する補正量を前記データから特定し、その特定した補正量を前記割った値に加算して逆正接を算出する。
好適には、前記位相算出部により順次算出される前記位相が、所定の基準位相を一方向へ超えたときはアップカウントし、前記基準位相を他方向へ超えたときにダウンカウントすることにより、前記正弦波信号及び前記余弦波信号のサイクル数をカウントするカウンタと、所定の読み出し信号の入力に応じて、前記カウンタのカウントしたサイクル数と、前記位相算出部の算出した前記位相とを出力する出力部と、を有する。
好適には、前記正弦波信号の信号レベルを示すn2−2ビットの情報を有するデジタル式正弦波信号を生成する正弦波A/D変換器と、前記余弦波信号の信号レベルを示すn2−2ビットの情報を有するデジタル式余弦波信号を生成する余弦波A/D変換器と、を有し、前記逆正接算出部は、前記デジタル式正弦波信号及び前記デジタル式余弦波信号に基づいて、前記位相を示すn2ビットの情報を有するデジタル式の位相信号を生成し、前記カウンタは、前記位相信号に基づいて、前記サイクル数を示すn1ビットの情報を有するデジタル式のサイクル数信号を生成し、前記出力部は、前記位相信号及び前記サイクル数信号に基づいて、前記サイクル数を示すn1ビットの情報と、前記位相を示すn2ビットの情報とからなるn1+n2ビットの情報のデジタル式の検出信号をn1+n2本のラインへ同時に出力する。
本発明の位置検出装置は、測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号を出力する検出器と、前記検出器から出力された前記正弦波信号及び前記余弦波信号に基づいて前記位相を検出する位相検出装置と、前記位相検出装置の検出した位相に基づいて前記測定対象の位置を算出する位置算出装置と、を有し、前記位相検出装置は、前記正弦波信号の正負を判別する正弦波正負判別部と、前記余弦波信号の正負を判別する余弦波正負判別部と、前記正弦波信号の絶対値と前記余弦波信号の絶対値との大小関係を判別する大小判別部と、前記正弦波正負判別部、前記余弦波正負判別部及び前記大小判別部の判別結果に基づいて、前記位相が、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部と、前記位相が前記8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の正負を調整するとともに前記正弦波信号及び前記余弦波信号の一方を正弦波、他方を余弦波とし、前記8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、たときの、正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、前記区分特定部の特定した区分の範囲と、前記逆正接算出部の算出した逆正接とに基づいて、前記位相を算出する位相算出部と、を有する。
本発明よれば、簡素な構成で位相を検出できる。
図1は、本発明の実施形態に係る位置検出装置1の全体構成の概要を示すブロック図である。位置検出装置1は、測定対象ObjのX軸方向における位置xを検出する装置として構成されている。
位置検出装置1は、測定対象Objの位置xに応じた位相θを有する正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaを出力する検出器としてのエンコーダ3と、エンコーダ3から出力された正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの位相θを算出する位相検出装置5と、位相検出装置5の算出した位相θを読み出すCPU7とを有している。
エンコーダ3は、例えば、いわゆるリニアエンコーダにより構成されている。エンコーダ3は、被検出部9と、被検出部9に対して相対移動可能な検出部11とを有している。検出部11は、被検出部9に対する位置に応じた位相θを有する正弦波信号Ssa、余弦波信号Scaを出力する。被検出部9及び検出部11の一方は、測定対象Objに対して固定されている。図1では、検出部11が測定対象Objに対して固定されている場合を例示している。
エンコーダ3が、例えば、磁気式のリニアエンコーダにより構成されている場合には、被検出部9には、X軸方向に沿って、N極、S極が交互に配列されている。検出部11は、例えば、MR素子やホールICを含んで構成され、被検出部9の磁界を検出し、電気信号を出力する。検出部11の被検出部9に対するX軸方向の位置が変化すると、N極、S極に対する位置関係が変化し、検出部11の出力する電気信号の信号レベルも変化する。これにより、位置に応じた位相θを有する正弦波信号Ssa、余弦波信号Scaが出力される。
また、例えば、光学式のリニアエンコーダにより構成されている場合には、被検出部9にはX軸方向に沿って、格子が配列されている。検出部11は、X軸方向に沿って格子が配列された検出部側スケールと、被検出部9の格子及び検出部側スケールの格子を透過した光を受光する受光素子とを含んで構成されている。検出部11の被検出部9に対するX軸方向の位置が変化すると、受光素子の受光量が変化し、検出部11の出力する電気信号の信号レベルも変化する。これにより、位置に応じた位相θを有する正弦波信号Ssa、余弦波信号Scaが出力される。
正弦波信号Ssaは、基準となる電圧(いわゆる基準電位に限定されない)を0として、信号レベルがV0×sinθ又は−V0×sinθで表されるアナログ信号である。以下では、正弦波信号Ssaは、V0×sinθで表されるものとして説明する。
余弦波信号Scaは、基準となる電圧(いわゆる基準電位に限定されない)を0として、信号レベルがV0×cosθ又は−V0×cosθで表されるアナログ信号である。以下では、余弦波信号Scaは、−V0×cosθで表されるものとして説明する。
位相θは、例えば、位置xに比例する。V0は、例えば、本実施形態のように、検出器がエンコーダにより構成されている場合、基準となる電圧に対して一定の電圧である。また、例えば、検出器が振幅変調型のレゾルバにより構成されている場合には、レゾルバに入力される励磁信号の周期で変動する。
本願では、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaにより示される正弦波sinθ(若しくは−sinθ)及び余弦波−cosθ(若しくはcosθ)の正負や絶対値を、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの正負や絶対値と略していうことがあり、また、正弦波信号Ssa及び余弦波信号ScaについてV0を適宜に省略して説明することがある。
なお、余弦波信号Scaは、正弦波信号Ssaの位相をπ/2だけずらした信号であるから、エンコーダ3は、位相をπ/2だけずらした2つの正弦波信号を出力すると捉えることもできるし、位相をπ/2だけずらした2つの余弦波信号を出力すると捉えることもできる。
位相検出装置5は、エンコーダ3からの正弦波信号SsaをA/D変換してデジタル式の正弦波信号Ssdを出力する正弦波A/D変換器13Sと、エンコーダ3からの余弦波信号ScaをA/D変換してデジタル式の余弦波信号Scdを出力する余弦波A/D変換器13C(以下、単に「A/D変換器13」といい、これらを区別しないことがある。)とを有している。
なお、以下では、アナログ式の正弦波信号Ssa及びデジタル式の正弦波信号Ssdを単に「正弦波信号Ss」といい、これらを区別しないことがあり、アナログ式の余弦波信号Sca及びデジタル式の余弦波信号Scdを単に「余弦波信号Sc」といい、これらを区別しないことがある。
デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdは、例えば、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルに関する情報を所定のビット(bit)数(例えば8ビット)の情報として含む。デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdは、例えば、2値のデジタル信号であり、正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdの信号レベルは、2進数により表される。なお、デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdは、多値のデジタル信号であってもよい。
なお、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベル(電圧)と、デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdの含む情報により示される数値とは、適宜に対応付けられてよい。例えば、アナログ信号の信号レベルの範囲−10〜10Vが、デジタル信号により示される8ビットの2進数の範囲(−28−1〜28−1−1)に対応付けられる。
正弦波信号Ss及び余弦波信号Scは、周期関数であるから、位相が等しくてもサイクル数が異なる場合がある。すなわち、サイクル数をnとして、正弦波信号Ssaにおいては、V0×sinθ=V0×sin(θ+2πn)であり、余弦波信号Scaにおいては、−V0×cosθ=−V0×cos(θ+2πn)である。なお、θ+2πnも位相である。そして、位相が等しくても、サイクル数nが異なれば、位置xは異なる。
そこで、位相検出装置5は、サイクル内の位相θ(以下では、位相θ:0〜2πとする。)を算出するサイクル内位相算出部15と、サイクル数nを算出するサイクル数算出部17と、サイクル内位相算出部15の算出した位相θ及びサイクル数算出部17の算出したサイクル数nを出力する出力部19とを有している。
サイクル内位相算出部15は、A/D変換器13からの正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdに基づいて位相θを算出し、その位相θの情報を含むデジタル式の位相信号Sθを出力する。サイクル数算出部17は、位相信号Sθに基づいてサイクル数nを算出し、そのサイクル数nの情報を含むデジタル式のサイクル数信号Snを出力する。出力部19は、位相信号Sθ及びサイクル数信号Snに基づいて、これらの信号が含む情報を含む検出信号Sdtを出力する。
CPU7は、適宜なタイミングで出力部19に所定の読み出し信号Srを出力し、検出信号Sdtの出力を要求する。CPU7は、検出信号Sdtが入力されると、検出信号Sdtに含まれる位相θ及びサイクル数nに基づいて、測定対象Objの位置xを算出する。そして、位置xに基づいて測定対象ObjのX軸方向の位置制御を行ったり、位置xを不図示のモニタに表示する等、位置xに応じて種々の処理を実行する。なお、CPU7から読み出し信号Srを出力せずに、適宜なタイミングで出力部19からCPU7へ検出信号Sdtを出力するようにしてもよい。
なお、位置検出装置1が工作機械等の産業機械に含まれる場合、例えば、位相検出装置5はインターポレータに、CPU7はコントローラに含まれる。ただし、本実施形態の位相検出装置5は、後述するように、逆正接を算出することにより位相を算出することから、複数の抵抗体やコンパレータを用いて内挿パルスを発生し、その内挿パルスをカウントして位相を検出するような位相検出装置に比較して小型化が可能であり、位相検出装置5をコントローラに含め、インターポレータを省略することも可能である。
図2は、位相検出装置5による位相算出方法を説明する図である。図2の横軸は位相を、縦軸は正弦波sinθ及び余弦波−cosθの値(正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベル)を示している。図2の実線は、正弦波sinθ(正弦波信号Ssa)及び余弦波−cosθ(余弦波信号Sca)を示し、点線(Ss′、Sc′)は、正弦波sinθ及び余弦波−cosθの負の値を正に変換した値を示している。
0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分を、第1区分P1〜図8区分P8とする(以下、単に「区分P」といい、これらを区別しないことがある。)。第1区分P1〜図8区分P8は、正弦波の正負、余弦波の正負、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係(いずれが大きいか)の組み合わせが、互いに異なっている。
図3は、第1区分P1〜図8区分P8の特徴を示す一覧表である。
図3に示す表の1列目は、各区分の符号を示している。図3に示す表の2列目は、各区分の範囲を示している。図3に示す表の3列目は、正弦波の正負を示している。具体的には、正弦波sinθが正であれば0、負であれば1が示されている。図3に示す表の4列目は、余弦波−cosθの正負を示している。具体的には、余弦波が正であれば0、負であれば1が示されている。図3に示す表の5列目は、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係を示している。具体的には、正弦波の絶対値が余弦波の絶対値よりも大であれば1を、小であれば0を示している。図3に示す表の6列目については後述する。
図2において、θ=0〜2πの範囲に亘って、正弦波の正負、及び、余弦波の正負を、正負の一方に一致させることを考える。例えば、図2において、点線(Ss′、Sc′)で示すように、正弦波sinθを絶対値で、余弦波−cosθを絶対値で考え、正弦波の正負、及び、余弦波の正負を正に一致させる。そうすると、第1区分P1〜図8区分P8の正弦波及び余弦波のパターンは、左右が逆、及び/又は、正弦波と余弦波とが逆(正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係が逆)であることを除けば、互いに同一になる。
従って、いずれの区分Pであるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係が一致するように、一の区分P(θg〜θg+π/4)の正弦波及び余弦波の正負を調整するとともに、正弦波及び余弦波を必要に応じて入れ替えれば、8区分に共通の手順により、前記一の区分Pにおける正弦波sinθと余弦波−cosθとから、前記一の区分P内における区分内位相θ′(0〜π/4)を算出することができる。そして、前記一の区分Pの位置等を考慮して、算出した区分内位相θ′(0〜π/4)を、位相θ(θg〜θg+π/4)に変換してやれば、位相θが算出される。
具体的には、例えば、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′(ここでは、−cosθではない。)に、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係を一致させることを考える。そうすると、奇数番目の区分(第1区分:θg=0、第3区分:θg=π/2、第5区分:θg=π、第7区分:θg=π×3/2)においては、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′に基づいて位相θ′を算出するのと同様の手順により、区分内位相θ′(0〜π/4)を算出し、各区分における左側の境界の位相θg(オフセット位相θs)に区分内位相θ′を加算すれば、位相θが算出される。
また、偶数番目の区分(第2区分:θg=π/4、第4区分:θg=π×3/4、第6区分:θg=π×5/4、第8区分:θg=π×7/4)においては、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′に基づいて位相θ′を算出するのと同様の手順により、区分内位相θ′(0〜π/4)を算出し、各区分における右側の境界の位相θg+π/4(オフセット位相θs)から区分内位相θ′を減算すれば、位相θが算出される。
なお、位相θが境界の位相であるときは、位相θは、当該位相θの右側及び左側のいずれの区分Pの位相として算出されてもよい。
図3に示す表の最も右側の列(6列目)では、オフセット位相θs及び区分内位相θ′により位相θを算出する式を示している。なお、第8区分では、オフセット位相θs=2π=0である。
第1区分P1〜第8区分P8においては、正弦波sinθの絶対値及び余弦波−cosθの絶対値の大きいほうを余弦波、小さいほうを正弦波とすれば、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′に対して、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係が一致する。そして、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′に基づいて正接を算出し、正接の逆正接を算出する手順により、区分内位相θ′が算出される。
図4は、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′及び余弦波cosθ′に基づいて区分内位相θ′を算出する方法を説明する図である。
θ′<<1の範囲では、θ′=tanθ′が成立する。一方、0〜π/4の範囲は、0<tanθ′<1の範囲である。従って、近似的に、正弦波及び余弦波から算出した正接tanθ′=sinθ′/cosθ′を位相θ′とすることができる。
しかし、この方法では誤差がある。例えば、正接y0に対して、近似的な逆正接θ0を位相θ′とすると、逆正接θ0と実際の逆正接θ1との差Δθだけ誤差が生じることになる。そこで、近似的な逆正接θ0(=tanθ′=y=正接)と、近似的な逆正接θ0と逆正接θ′(=tan−1y)との差Δθとを対応付けて保持するデータを用意しておき、当該データに基づいて、算出された近似的な逆正接θ0に対応する差(補正量)Δθを特定し、補正量Δθを近似的な逆正接θ0に加算する。
図5は、以上の方法を実現する、位相検出装置5の構成を示すブロック図である。
正弦波A/D変換器13Sから出力された正弦波信号Ssdは、正弦波正負判別部21Sに入力される。また、余弦波A/D変換器13Cから出力された余弦波信号Scdは、余弦波正負判別部21Cに入力される。なお、以下では、正弦波正負判別部21S及び余弦波正負判別部21Cを区別せずに、単に「正負判別部21」ということがある。
正負判別部21は、デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdに含まれる所定ビット数(例えば8ビット)の情報により示される数値A、Bの正負を判別する。なお、数値A、Bは、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルを示すものであり、数値A、Bの正負の判別は、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルの正負の判別と等価である。そして、正負判別部21は、その判別結果に応じた信号を出力する。正負判別部21から出力される信号は、例えば、2値のデジタル信号であり、図3において示したように、数値A、Bが0未満(負)であれば、真(1)に対応する信号レベルを有し、そうでなければ、偽(0)に対応する信号レベルを有する。なお、正負の判別結果と真偽との対応関係は逆でもよい。
また、正弦波A/D変換器13Sから出力された正弦波信号Ssdは、正弦波絶対値算出部23Sに入力され、余弦波A/D変換器13Cから出力された余弦波信号Scdは、余弦波絶対値算出部23Cに入力される。なお、以下では、正弦波絶対値算出部23S及び余弦波絶対値算出部23Cを区別せずに、単に「絶対値算出部23」ということがある。
絶対値算出部23は、正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdに含まれる情報により示される数値A、Bの絶対値|A|、|B|を算出する。なお、この動作は、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルの絶対値を算出することと等価である。そして、絶対値算出部23は、その算出結果に応じた信号を出力する。絶対値算出部23から出力される信号は、例えば、絶対値|A|、|B|を所定ビット(例えば8ビット)の数値の情報として含む2値のデジタル信号である。
大小判別部25は、絶対値算出部23により算出された絶対値|A|、|B|の大小関係を判別する。なお、この動作は、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルの絶対値の大小関係を判別することと等価である。そして、大小判別部25は、その算出結果に応じた信号を出力する。大小判別部25から出力される信号は、例えば、2値のデジタル信号であり、図3において示したように、|A|が|B|以上ならば、真(1)に対応する信号レベルを、そうでなければ、偽(0)に対応する信号レベルを有する。なお、判別結果と真偽との対応関係は逆でもよい。
区分特定部27は、正負判別部21、大小判別部25の判別結果、すなわち、正弦波信号Ssの正負、余弦波信号Scの正負、正弦波信号Ssの絶対値及び余弦波信号Scの絶対値の大小関係に基づいて、正弦波信号Ss及び余弦波信号Scの位相θが、第1区分P1〜第8区分P8のいずれに含まれるかを特定する。そして、その特定結果に応じた信号を出力する。区分特定部27から出力される信号は、例えば、第1区分P1〜第8区分P8に対応付けた0〜7の数値(3ビットの数値)の情報を含む2値のデジタル信号である。
代入部29は、大小判別部25の判別結果、すなわち、正弦波信号Ssの絶対値及び余弦波信号Scの絶対値の大小関係に基づいて、正弦波信号Ss及び余弦波信号Scの一方を、0〜π/4の範囲における正弦波sinθ′として、他方を0〜π/4の範囲における余弦波cosθ′として扱うべく、所定の代入動作を行う。例えば、絶対値|A|が絶対値|B|以上であれば、C=|B|、D=|A|とし、そうでなければ、C=|A|、D=|B|とする。Cは、正弦波sinθ′として扱われる値であり、Dは、余弦波cosθ′として扱われる値である。
除算部31は、E=C/Dの演算を行う。これは、正接(tanθ′)=正弦(sinθ′)/余弦(cosθ′)の演算を行うことと等価である。すなわち、Eは、正接tanθ′に相当し、除算部31は、正接を算出する。なお、上述のように、θ′=tanθ′と近似できるから、除算部31は、近似的な逆正接を算出していると捉えることもできる。数値Eは、例えば、7ビットの数値として算出され、区分内位相θ′の範囲0〜π/4は、0〜27に割り当てられている。除算部31は、数値Eの情報を2値のデジタル信号により出力する。
補正部33は、図4を参照して説明したように、除算部31の算出した、近似的な逆正接に相当する数値Eを、補正データD1に基づいて補正し、逆正接(区分内位相θ′)に相当する数値Gを算出する。すなわち、補正データD1は、区分内位相θ′の近似値に相当する、所定のビット数(例えば7ビット)の数値(E)と、補正値Δθに相当する、所定のビット数(例えば4ビット以下)の数値(F)とを対応付けて保持しており、補正部33は、除算部31の算出した数値Eに対応する数値Fを特定し、数値Eに数値Fを加算して、区分内位相θ′に相当する数値Gを算出する。
位相算出部35は、補正部33の算出した区分内位相θ′に相当する数値Gを、区分特定部27の特定した区分に基づいて、位相θに相当する数値Iに変換する。具体的には、例えば、以下のとおりである。オフセットデータD3は、区分Pを特定する情報と、オフセット位相θsに相当する、所定のビット数(例えば10ビット)の数値Hと、加算又は減算のいずれを行うかを示す情報とを対応付けて記憶している。位相算出部35は、オフセットデータD3に基づいて、区分特定部27の特定した区分に対応する数値H、及び、演算(加算又は減算)を特定する。そして、補正部33の算出した数値Gに対して、特定した数値Hを加算又は減算し、数値Iを算出する。これは、いずれの区分Pであるかに応じて、オフセット位相θsを設定するとともに、オフセット位相θsと区分内位相θ′とを加算又は減算して位相θを算出することと等価である。そして、位相算出部35は、その算出した数値Iに応じた位相信号Sθを出力する。位相信号Sθは、例えば、数値Iを所定のビット数(例えば10ビット)の数値の情報として含む2値のデジタル信号である。
なお、絶対値算出部23、大小判別部25、代入部29、除算部31、補正部33及び補正データD1(を保持する記憶手段)は、位相θが8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの正負を調整するとともに正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの一方を正弦波、他方を余弦波としたときの、正接の逆正接を算出する逆正接算出部37を構成している。
図6は、サイクル数算出部17の動作を説明する図である。横軸は、時間tを、縦軸は、サイクル内位相算出部15により算出される位相θを示している。
位相θは、サイクル内位相算出部15により、所定の時間間隔Δt毎に算出されている。時間間隔Δtは適宜に設定されてよいが、例えば、500nsである。位置xと位相θとが比例し、また、測定対象Objが、X軸方向の一方へ一定の速度で移動したと仮定すると、図6に示すように、位相θは、一定の増加率で増加する。そして、位相θは、2πに到達すると、0に戻る。
一方、CPU7は、必要に応じて不定期に、又は、所定の周期(例えば、50μs)で定期的に、読み出し信号Srを出力部19に出力し、位相θの情報を含む検出信号Sdtを取得する。従って、例えば、図6に示すように、CPU7が、時刻t1と、時刻t2とにおいてサイクル内位相算出部15の算出した位相θを取得したとすると、時刻t1から時刻t2までの時間間隔は、位相θが1サイクル(2π)変化する時間よりも長く、CPU7は、θ+2πnにより一義的に決まる位置xを特定できない。なお、図6では、位相θが時間経過に伴って増加する場合を例示したが、位相θが時間経過に伴って減少する場合も同様である。
そこで、CPU7に検出信号Sdtを出力する位相検出装置5は、サイクル数nをカウントするサイクル数算出部17を有している。サイクル数算出部17は、具体的には、時間間隔Δt毎にサイクル内位相算出部15の算出する位相θを取得し、時間間隔Δtの間に、位相θが、基準位相としての0(2π)を越えたか否かを判断する。すなわち、時間間隔Δtの間に、位相θが、2πから0に変化したか、及び、位相θが0から2πに変化したか判断する。そして、位相θが2πから0に変化したと判断した場合は、サイクル数nを1増加させ、位相θが0から2πに変化したと判断した場合は、サイクル数nを1減少させる。
なお、位相θが0から2πに変化したと判断した場合にサイクル数nを1減少させ、位相θが2πから0に変化したと判断した場合は、サイクル数nを1増加させてもよい。サイクル数nの初期値は、位置検出装置1の起動時等において、適宜な方法により設定される。例えば、ユーザが適宜に入力してもよいし、位置検出装置1がキャリブレーションを行って適宜に設定してもよいし、位置検出装置1が前回の起動停止時に記憶したサイクル数nを初期値に設定してもよい。
図7は、上記の動作を実現するサイクル数算出部17の構成を示すブロック図である。
サイクル数算出部17は、位相θが基準位相0(2π)を越えたか否か判断する越境判別部41と、越境判別部41の判別結果に基づいてサイクル数nのカウントを行うカウンタ43とを有している。
越境判別部41には、サイクル内位相算出部15からの位相信号Sθが時間間隔Δt毎に入力される。前回データD5には、前回、越境判別部41に入力された位相信号Sθに含まれる情報により示された位相θが保持されている。越境判別部41は、位相信号Sθが入力されると、その位相信号Sθに含まれる情報により示される位相θと、前回データD5に保持されている位相θとを比較し、位相θが基準位相0を超えたか否か判定する。そして、その判定結果に応じた信号をカウンタ43に出力するとともに、今回入力された位相信号Sθに含まれる情報により示される位相θにより、前回データD5に保持されている位相θを更新する。
越境判別部41は、例えば、図5を参照して説明した数値Iの変化に基づいて基準位相0を超えたか否かを判定する。例えば、数値Iが10ビットの2進数で表され、0〜2πが、0000000000〜1111111111に対応すると仮定すると、越境判別部41は、数値Iが、0000000000から1111111111に変化したか否か、及び、1111111111から0000000000に変化したか否かを判定する。
越境判別部41は、例えば、判定結果を1ビットの情報を含む2値のデジタル信号により出力する。すなわち、位相θが、基準位相を2πから0へ超えた場合には、真(1)の信号レベルで、基準位相を2πから0へ超えた場合には、偽(0)の信号レベルで信号を出力する。なお、基準位相を超える方向と、真偽との対応関係は逆でもよい。また、位相θが、基準位相を超えていない場合と、基準位相を2πから0へ超えた場合と、基準位相を2πから0へ超えた場合との3種類の判定結果を、2ビットの情報に含ませ、2値のデジタル信号により出力するようにしてもよい。越境判別部41が位相θを取得して判定する時間間隔は、サイクル内位相算出部15が位相θを算出する時間間隔と異なっていてもよい。
カウンタ43は、例えば、初期値を設定可能、且つ、アップ・ダウンを切り換え可能なカウンタにより構成されている。カウンタ43は、上述のように、適宜な方法により初期値が設定される。そして、越境判別部41から、位相θが、基準位相が2πから0へ超えたことを示す信号が入力されたときはアップカウントを、基準位相が0から2πへ超えたことを示す信号が入力されたときはダウンカウントを行う。なお、位相θが基準位相を超える方向と、アップ・ダウンとの対応関係は逆でもよい。
カウンタ43は、サイクル数nの情報を含むサイクル数信号Snを出力する。サイクル数信号Snは、例えば、サイクル数nを6ビットの情報として含む2値のデジタル信号である。
図8は、出力部19からCPU7への検出信号Sdtの出力方法を説明する図である。図8(a)は、出力部19とCPU7との接続を概念的に示す図であり、図8(b)は、検出信号Sdtに含まれる情報を概念的に示す図である。
図8(a)に示すように、出力部19とCPU7とは、バスライン47により接続されている。CPU7は、n0ビットCPUにより構成されている。n0は、8、16、32等、適宜に選択されてよいが、例えば16である。そして、バスライン47は、n0本のライン49を有している。
一方、図8(b)に示すように、検出信号Sdtには、サイクル数nを示すn1ビットの情報と、サイクル内位相θを示すn2ビットの情報とを含むn0ビットの情報が含まれている。なお、n0=n1+n2である。n1、n2は適宜に設定されてよいが、例えば、n0が16である場合、n1は6、n2は10である。
従って、出力部19からCPU7へサイクル数nを示す情報及び位相θを示す情報を含む検出信号Sdtが出力される場合には、検出信号Sdtのn0ビットの情報の各ビットの情報は、バスライン47のn0本のライン49にそれぞれ割り当てられ、出力部19からCPU7へ同時に出力される。
位相θは、n2ビット(例えば10ビット)の情報であるから、位相θの範囲(0〜2π)を8分割した区分P(例えば0〜π/4)の位相は、(n2−3)ビット(例えば7ビット)の情報である(210/8=27)。ここで、デジタル式の正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdは、例えば、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルを、(n2−2)ビット(例えば8ビット)の情報として保持する。アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルは、正負があるから、絶対値は、(n2−3)ビット(例えば7ビット)の情報として表される。従って、一の区分Pにおけるθの分割数と、正弦波信号Ss及び余弦波信号Scの絶対値の分割数とは一致している。その結果、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルの分解能と位相の分解能に無駄がない。
なお、位相θのビット数(0〜2πの分割数)n2は、例えば、測定対象Objの位置xの制御において要求される精度に基づいて決定される。例えば、測定対象Objの位置xを誤差Δxの範囲で制御するためには、位置検出装置1は、測定対象Objの位置xにおけるΔxの変化を検出可能でなければならない。従って、位相θのビット数n2は、2π/n2が位置xのΔxの変化に応じた位相θの変動分以下となるように設定される。
以上の実施形態によれば、正弦波信号Ssaの正負、余弦波信号Scaの正負、正弦波信号Ssaの絶対値と余弦波信号Scaの絶対値との大小関係に基づいて、位相θが、第1区分P1〜第8区分P8のいずれに含まれるかを特定する区分特定部27と、位相θがいずれの区分Pに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係が一致するように、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの正負を調整するとともに正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの一方を正弦波、他方を余弦波としたときの、正接(y=tanθ′)の逆正接(θ′=tan−1y)を算出する逆正接算出部37と、区分特定部27の特定した区分Pの範囲(オフセット位相θsにより特定される)と、逆正接算出部37の算出した逆正接(θ′=tan−1y)とに基づいて、位相θ(=θs+θ′又はθs−θ′)を算出する位相算出部35とを有していることから、8区分に共通の手順により、逆正接を算出することができる。その結果、位相検出装置5の簡素化、小型化が図られる。例えば、正接と逆正接とを対応付けたデータに基づいて、正接から逆正接を特定する場合には、データ量は1/8になる。
逆正接算出部37は、正弦波信号Ssaの絶対値及び余弦波信号Scaの絶対値のうち、小さいほうの値を大きいほうの値により割った値を正接又は逆正接として算出することから、正接(tanθ′)が0〜1となる範囲(位相が0〜π/4の範囲)において逆正接を計算することができ、逆正接算出部37の負担を軽減できる。すなわち、正接(tanθ)は、0〜∞の範囲の値を有する関数であり、例えば、位相がπ/4〜π/2では、正接の値を保持するために多くのビット数を必要とし、計算量も多い。しかし、正接が0〜1の範囲において計算することから、正接の値を保持するために多くのビット数を必要とせず、計算量も少ない。また、0からπ/4までの範囲では、正接は逆正接の近似値であるから、正接を逆正接として用いることが可能である。
逆正接算出部37は、正接y=tanθ′(=近似的な逆正接)と、正接tanθ′と逆正接θ′=tan−1yとの差からなる補正値Δθとを対応付けた補正データD1を保持し、算出されたtanθ′に対応する補正値Δθを補正データD1から特定し、その特定した補正値Δθをtanθ′に加算して逆正接tan−1yを算出する。上述のように、0〜π/4の範囲においては、tanθ′とθ′との差は小さいから、保持される補正値Δθのビット数は少なくて済む。
位相検出装置5は、サイクル内位相算出部15により順次算出される位相θが、基準位相0(2π)を一方向へ超えたときはアップカウントし、基準位相0を他方向へ超えたときにダウンカウントするカウンタ43と、CPU7からの読み出し信号Srの入力に応じて、カウンタ43のカウントしたカウント数nと、サイクル内位相算出部15の算出した位相θとを出力する出力部19とを有することから、読み出し信号Srの時間間隔が、1サイクルの時間より長くても、CPU7は、θ+2πnにより示される位置xを特定することができる。
A/D変換器13は、アナログ式の正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルを示すn2−2ビット(例えば8ビット)の情報を有するデジタル信号としての正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdを生成し、逆正接算出部37は、正弦波信号Ssd及び余弦波信号Scdに基づいて、位相θを示すn2ビット(例えば10ビット)の情報を有する位相信号Sθを生成し、サイクル数算出部17のカウンタ43は、位相信号Sθに基づいて、カウント値nを示すn1ビット(例えば6ビット)の情報を有するサイクル数信号Snを生成し、出力部19は、位相信号Sθ及びサイクル数信号Snに基づいて、カウント値nを示すn1ビットの情報と、位相θを示すn2ビットの情報とからなるn1+n2ビット(例えば16ビット)の情報のデジタル信号をn1+n2本(例えば16本)のライン49へ同時に出力することから、正弦波信号Ssa及び余弦波信号Scaの信号レベルの分解能と位相の分解能に無駄がなく、且つ、バスライン47から同時に出力でき、効率的に位相θを検出できる。
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
測定対象は、直線移動するものに限定されない。回転するものであってもよい。また、測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号を出力する検出器は、リニアエンコーダのように軸方向における位置を検出するものに限定されず、ロータリーエンコーダやレゾルバのように、回転方向における位置を検出するものであってもよい。
なお、回転方向に位置を検出する検出器は、測定対象の1回転に対して、検出器から出力される正弦波信号及び余弦波信号の1サイクルが対応するものであってもよいし、測定対象の1回転に対して、検出器から出力される正弦波信号及び余弦波信号の複数サイクルが対応するものであってもよいし、測定対象の複数回転に対して、検出器から出力される正弦波信号及び余弦波信号の1サイクルが対応するものであってもよい。
サイクル数算出部は、本発明の必須要件ではない。例えば、測定対象の移動範囲が、正弦波信号及び余弦波信号の1サイクル内に対応していれば、サイクル数を算出する必要はない。
逆正接を算出する8区分に共通の手順は、0〜π/4の範囲におけるsinθ及びcosθに基づいて逆正接を算出する方法に限定されない。ただし、0〜π/4における位相の算出手順を利用することにより、上述のように、種々の効果が得られる。
実施形態では、各区分の正弦波及び余弦波を0〜π/4の範囲における正弦波及び余弦波に変換して算出した正接をそのまま逆正接として使用せずに、補正した。しかし、高い精度が要求されない場合には、算出した正接をそのまま逆正接として利用してもよい。
サイクル数をカウントする際に基準となる基準位相は、0(2π)に限定されず、適宜な値とされてよい。ただし、0(2π)であれば、計算が容易である。
デジタル式の正弦波信号、余弦波信号、位相信号、サイクル数信号、検出信号は、適宜なビット数の情報を有してよく、実施形態に例示したものに限定されない。
1…位相検出装置、21S…正弦波正負判別部、21C…余弦波正負判別部、23…大小判別部、27…区分特定部、37…逆正接算出部、35…位相算出部、Obj…測定対象、Ssa…正弦波信号、Sca…余弦波信号。
Claims (6)
- 測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号に基づいて前記位相を検出する位相検出装置であって、
前記正弦波信号の正負を判別する正弦波正負判別部と、
前記余弦波信号の正負を判別する余弦波正負判別部と、
前記正弦波信号の絶対値と前記余弦波信号の絶対値との大小関係を判別する大小判別部と、
前記正弦波正負判別部、前記余弦波正負判別部及び前記大小判別部の判別結果に基づいて、前記位相が、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部と、
前記位相が前記8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の正負を調整するとともに前記正弦波信号及び前記余弦波信号の一方を正弦波、他方を余弦波とし、前記8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、
前記区分特定部の特定した区分の範囲と、前記逆正接算出部の算出した逆正接とに基づいて、前記位相を算出する位相算出部と、
を有する位相検出装置。 - 前記逆正接算出部は、前記正弦波信号の絶対値及び前記余弦波信号の絶対値のうち、小さいほうの値を大きいほうの値により割った値を正接又は逆正接として算出する
請求項1に記載の位相検出装置。 - 前記逆正接算出部は、正接と、正接と逆正接との差からなる補正量とを対応付けたデータを保持し、前記正弦波信号の絶対値及び前記余弦波信号の絶対値のうち、小さいほうの値を大きいほうの値により割った値を正接として、対応する補正量を前記データから特定し、その特定した補正量を前記割った値に加算して逆正接を算出する
請求項2に記載の位相検出装置。 - 前記位相算出部により順次算出される前記位相が、所定の基準位相を一方向へ超えたときはアップカウントし、前記基準位相を他方向へ超えたときにダウンカウントすることにより、前記正弦波信号及び前記余弦波信号のサイクル数をカウントするカウンタと、
所定の読み出し信号の入力に応じて、前記カウンタのカウントしたサイクル数と、前記位相算出部の算出した前記位相とを出力する出力部と、
を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の位相検出装置。 - 前記正弦波信号の信号レベルを示すn2−2ビットの情報を有するデジタル式正弦波信号を生成する正弦波A/D変換器と、
前記余弦波信号の信号レベルを示すn2−2ビットの情報を有するデジタル式余弦波信号を生成する余弦波A/D変換器と、
を有し、
前記逆正接算出部は、前記デジタル式正弦波信号及び前記デジタル式余弦波信号に基づいて、前記位相を示すn2ビットの情報を有するデジタル式の位相信号を生成し、
前記カウンタは、前記位相信号に基づいて、前記サイクル数を示すn1ビットの情報を有するデジタル式のサイクル数信号を生成し、
前記出力部は、前記位相信号及び前記サイクル数信号に基づいて、前記サイクル数を示すn1ビットの情報と、前記位相を示すn2ビットの情報とからなるn1+n2ビットの情報のデジタル式の検出信号をn1+n2本のラインへ同時に出力する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の位相検出装置。 - 測定対象の位置に応じた位相を有する正弦波信号及び余弦波信号を出力する検出器と、
前記検出器から出力された前記正弦波信号及び前記余弦波信号に基づいて前記位相を検出する位相検出装置と、
前記位相検出装置の検出した位相に基づいて前記測定対象の位置を算出する位置算出装置と、
を有し、
前記位相検出装置は、
前記正弦波信号の正負を判別する正弦波正負判別部と、
前記余弦波信号の正負を判別する余弦波正負判別部と、
前記正弦波信号の絶対値と前記余弦波信号の絶対値との大小関係を判別する大小判別部と、
前記正弦波正負判別部、前記余弦波正負判別部及び前記大小判別部の判別結果に基づいて、前記位相が、0から2πまでの範囲を0からπ/4毎に区切った8区分のいずれに含まれるかを特定する区分特定部と、
前記位相が前記8区分のいずれに含まれるかに関らず、正弦波の正負、余弦波の正負、及び、正弦波の絶対値と余弦波の絶対値との大小関係の組み合わせが一定になるように、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の正負を調整するとともに前記正弦波信号及び前記余弦波信号の一方を正弦波、他方を余弦波とし、前記8区分に共通の手順により、正弦波及び余弦波に基づき正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、たときの、正接の逆正接を算出する逆正接算出部と、
前記区分特定部の特定した区分の範囲と、前記逆正接算出部の算出した逆正接とに基づいて、前記位相を算出する位相算出部と、
を有する位置検出装置。
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