JP2022132769A - 変位検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度及び良好な追従性を両立可能な変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置100は、スケール1と、磁気検出ヘッド2と、検出信号処理装置3と、を備える。検出信号処理装置3は、演算処理部35と、フィルタ処理部36と、を備える。演算処理部35は、デジタル値を演算処理して、スケール1の相対変位を出力する。フィルタ処理部36は、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度の高低に関して判別を行う。相対速度が低いと判別した場合、フィルタ処理部36は、演算処理部35から出力された相対変位を第1フィルタで処理して得られた第1フィルタ処理後変位を出力する。相対速度が高いと判別した場合、フィルタ処理部36は、演算処理部35から出力された相対変位を第2フィルタで処理して得られた第2フィルタ処理後変位を出力する。第2フィルタは、第1フィルタより次数が低い。【選択図】図1
Description
本発明は、測定対象物の変位を検出する変位検出装置に関する。
従来から、電磁誘導現象を利用して測定対象物の変位を測定する変位検出装置が知られている。特許文献1は、この種の変位検出装置である位置検出装置を開示する。
特許文献1の位置検出装置は、磁気スケールと、磁気スケールのピッチに対応して90゜の位相差をもった2相の正弦波を出力する一対の磁気センサと、分解能切換手段と、を備える。この位置検出装置では、磁気スケールのピッチ毎の各センサ出力ピーク値から演算されたピッチ毎の振央値と、センサ出力の比較結果と、に基づいて演算することにより、粗位置が得られる。また、2相の補正された正規化信号を用いて三角関数逆演算することにより、精位置が得られる。位置検出装置は、粗位置と精位置を合算してデジタルの位置信号を出力する。デジタルの位置信号は、スイッチにより設定された分解能に応じてその位置信号の各ビットのデータを下位ビットへシフトさせることで、設定した分解能のデジタル位置信号に切り換えて出力される。
上記特許文献1の構成は、スイッチ等により人為的に分解能が設定される。従って、低分解能に設定されている場合は検出精度が低下する一方、高分解能に設定されている場合は、磁気スケールと磁気センサとの相対速度が速い際に検出の追従性が不足するという点で改善の余地があった。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、高精度及び良好な追従性を両立することが可能な変位検出装置を提供することにある。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、以下の構成の変位検出装置が提供される。即ち、この変位検出装置は、変位検出方向における測定対象物の変位を検出する。変位検出装置は、スケールと、センサヘッドと、信号処理演算装置と、を備える。前記スケールには、変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部と非磁気応答部とが交互に配列されている。前記センサヘッドは、サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも4つの磁気検出素子を有する。前記信号処理演算装置には、前記磁気検出素子の出力信号が入力される。前記信号処理演算装置は、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対変位、及び、前記相対変位の変化速度のうち少なくとも一方を演算して出力する。前記信号処理演算装置は、第1差動増幅器と、第2差動増幅器と、AD変換器と、演算処理部と、フィルタ処理部と、を備える。前記第1差動増幅器は、前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数を合成して得られた第1交流信号を出力する。前記第2差動増幅器は、前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数を合成して得られた第2交流信号を出力する。前記AD変換器は、前記第1交流信号及び前記第2交流信号をデジタル値に変換する。前記演算処理部は、前記デジタル値を演算処理して、前記スケールの前記相対変位を出力する。前記フィルタ処理部は、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。前記相対速度が低いと判別した場合、前記フィルタ処理部は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第1フィルタで処理して得られた第1フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力する。前記相対速度が高いと判別した場合、前記フィルタ処理部は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第2フィルタで処理して得られた第2フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力する。前記第2フィルタは、前記第1フィルタより次数が低い。
これにより、センサヘッドとスケールとの相対速度に応じて、異なる次数のフィルタで処理して得られた変位を出力することができる。従って、変位検出装置の追従性及び検出精度を両立することができる。
前記の変位検出装置において、以下の構成とすることが好ましい。即ち、当該変位検出装置の前記フィルタ処理部は、第1移動平均と、第2移動平均と、第3移動平均と、のそれぞれを求める。前記第1移動平均は、前記第1フィルタ処理後変位に相当する。前記第2移動平均は、前記第2フィルタ処理後変位に相当する。前記第3移動平均は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を、第3フィルタで処理して得られた第3フィルタ処理後変位に相当する。前記第3フィルタは、前記第1フィルタより次数が低く、前記第2フィルタより次数が高い。前記フィルタ処理部は、前記第1移動平均と前記第3移動平均との差分、及び、前記第1移動平均と前記第2移動平均との差分のうち少なくとも一方を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。
これにより、センサヘッドに対するスケールの相対速度に関する判別をより的確に行うことができる。
前記の変位検出装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記フィルタ処理部は、第1移動平均と、第2移動平均と、のそれぞれを求める。前記第1移動平均は、前記第1フィルタ処理後変位に相当する。前記第2移動平均は、前記第2フィルタ処理後変位に相当する。前記フィルタ処理部は、前記第1移動平均と前記第2移動平均との差分を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。
これにより、センサヘッドに対するスケールの相対速度に関する判別を、簡素な処理で行うことができる。
前記の変位検出装置において、前記演算処理部は、arctan演算により前記スケールの変位を算出することが好ましい。
これにより、簡単な演算で、変位を得ることができる。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置100の構成を示すブロック図である。図2は、移動平均の例を示すブロック図である。図3は、異なるフィルタ段数の実験結果を示す図である。図4は、図3の実験結果の一部の拡大図である。図5は、FPGA内の処理を示すブロック図である。図6は、速度の高低に応じた移動平均フィルタの段数の選択を概念的に説明するグラフである。
図1に示す変位検出装置100は、測定対象物の所定の方向での変位を検出するために用いられる。以下の説明では、測定対象物の変位が検出される方向を変位検出方向と呼ぶことがある。
変位とは、基準位置(例えば、初期位置)と比較して、現在の位置がどれだけ変化しているかを表す値である。基準位置を適宜の方法で定義することにより、測定対象物の位置そのものを変位から計算することもできる。従って、変位検出装置100は、位置検出装置として使用可能である。
変位検出装置100は、主として、スケール1と、磁気検出ヘッド(センサヘッド)2と、検出信号処理装置(信号処理演算装置)3と、を備える。
スケール1及び磁気検出ヘッド2のうち何れかが、測定対象物に取り付けられる。例えば、スケール1が図略の可動部材に取り付けられ、磁気検出ヘッド2が、測定対象物である図略の固定部材に取り付けられる。可動部材は、変位検出方向と平行な経路に沿って直線的に移動可能である。
また、測定対象物である固定部材にスケール1が取り付けられ、可動部材に磁気検出ヘッド2が取り付けられても良い。更に、スケール1と磁気検出ヘッド2の両方が、互いに相対変位する可動部材にそれぞれ取り付けられても良い。この場合、変位検出装置100は、測定対象物(即ち、スケール1及び磁気検出ヘッド2)の相対変位を検出する。
スケール1は、測定対象物が当該スケール1の長手方向における変位を検出するための目盛として用いられる。スケール1は、可動部材の移動に伴う磁気検出ヘッド2の移動ストロークを含むように、当該移動ストロークと平行な方向に細長く形成されている。スケール1は、細長いブロック状に形成されても良いし、細長い棒状に形成されても良い。
スケール1は、非磁気応答部11と、磁気応答部12と、を備える。非磁気応答部11は、例えば、顕著な磁性を有しない金属、又は、磁性を有しないプラスチック等の材料から構成されている。磁気応答部12は、例えば、強磁性を有する金属等から構成されている。非磁気応答部11及び磁気応答部12は、スケール1の長手方向において、交互に配列されている。
磁気応答部12は、予め定められた検出ピッチC0毎に、スケール1の長手方向に並べて設けられている。磁気応答部12は、所定の間隔を形成しながら並べて配置されているので、互いに隣接する2つの磁気応答部12の間には、磁性がない(又は、相対的に弱い)部分である非磁気応答部が形成される。従って、磁気応答部12においては、スケール1の長手方向で検出ピッチC0毎に、磁気応答性の有無又は強弱が交互に繰返し現れる。
磁気検出ヘッド2は、図1に示すように、磁気応答部12と所定の間隔をあけて配置されている。スケール1が細長い棒状に形成されている場合、磁気検出ヘッド2は例えば筒状に形成され、その筒孔にスケール1が差し込まれる構成とすることができる。ただし、磁気検出ヘッド2の形状は限定されない。磁気検出ヘッド2は、1次コイル21と、複数の2次コイル(磁気検出素子)22と、を備える。2次コイル22は、本実施形態においては4つ設けられている。なお、1次コイル21を省略することができる。
1次コイル21は、交流磁界を発生するために用いられる。1次コイル21に適宜の周波数の交流電流を流すと、その周囲に、向き及び強さが周期的に変化する磁界が発生する。図1に示すように、1次コイル21は、磁気検出ヘッド2において、2次コイル22よりもスケール1から遠い側の部分に配置されている。
4つの2次コイル22は、図1に示すように、スケール1の長手方向と平行な方向に並べて配置されている。2次コイル22は、磁気検出ヘッド2において、1次コイル21よりもスケール1に近い側の部分に配置されている。4つの2次コイル22には、磁気応答部12で強められた磁界によって誘起された誘導電流が流れる。磁気検出ヘッド2は、この誘導電流に基づく電気信号(例えば電圧信号)を検出して出力する。
図1に示すように、当該4つの2次コイル22は、変位検出方向において予め定められた単位ピッチC1毎に並べて配置されている。当該単位ピッチC1は、前述の検出ピッチC0との間で所定の関係を有するように、検出ピッチC0に基づいて定められている。具体的に説明すると、以下の式で示すように、単位ピッチC1は、検出ピッチC0の整数倍と、検出ピッチC0の1/4と、の和となるように設定される。
C1=(n+1/4)・C0
ただし、nは整数である。本実施形態においては、n=0であるが、これに限定されない。
C1=(n+1/4)・C0
ただし、nは整数である。本実施形態においては、n=0であるが、これに限定されない。
以下の説明においては、当該4つの2次コイルのそれぞれを特定するために、図1に示す左側から順に、第1コイル22a、第2コイル22b、第3コイル22c、及び第4コイル22dと呼ぶことがある。
ここで、各2次コイル22で出力する信号(例えば、電圧信号)について、簡単に説明する。1次コイル21に適宜の周波数の交流電流を流すと、1次コイル21には、向き及び強さが周期的に変化する磁界が発生する。一方、2次コイル22には、コイルの磁界の変化を妨げる向きの誘導電流が発生する。1次コイル21の近傍に強磁性体が存在すると、この強磁性体は、1次コイル21が発生させる磁界を強めるように作用する。この作用は、強磁性体が1次コイル21に近づく程大きくなる。
磁気応答部12に着目すると、磁気検出ヘッド2がスケール1の長手方向一側から他側へ相対移動するにつれて、1次コイル21及び2次コイル22が当該磁気応答部12に近づいていくが、最も近づいた後は離れていく。2次コイル22に発生する誘導電流は交流電流であるが、その振幅の大きさは、当該2次コイル22と、磁気応答部12と、の位置関係に応じて異なる。
磁気応答部12は実際には検出ピッチC0ごとに並べて配置されるので、振幅の大きさの変化は、検出ピッチC0ごとの繰り返しになる。即ち、横軸に磁気検出ヘッド2の位置をとり、縦軸に振幅の大きさをとると、振幅と位置との関係は、検出ピッチC0を周期とする周期曲線(具体的には、正弦曲線y=sinθ)となる。このθを求めることができれば、繰返し単位である検出ピッチC0の中でスケール1が磁気検出ヘッド2に対してどの位置にあるかを取得することができる。
しかし、正弦曲線y=sinθの1周期分を考えると、特別な場合を除いてyに対応するθの値は2つ考えられ、ただ1つに定まらない。そこで、本実施形態では、2次コイル22を、最も近い磁気応答部12との位置関係が検出ピッチC0の1/4ずつ実質的にズレるように、上述の単位ピッチC1で定められる間隔をあけて4つ配置している。
図1に示すように、第1コイル22a、第2コイル22b、第3コイル22c、第4コイル22dのそれぞれは、互いに検出ピッチC0の1/4だけ離れているので、互いに位相が90°ズレている電圧信号を出力する。即ち、第1コイル22aが出力する電圧信号をcos+相と表現した場合、第2コイル22bはsin+相の電圧信号を出力し、第3コイル22cはcos-相の電圧信号を出力し、第4コイル22dはsin-相の電圧信号を出力することとなる。
検出信号処理装置3は、第1コイル22a、第2コイル22b、第3コイル22c、第4コイル22dから出力された電圧信号を処理し、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対変位を算出して出力する。
検出信号処理装置3は、例えば、図1に示すように、第1差動増幅器31と、第2差動増幅器32と、第1AD変換器33と、第2AD変換器34と、演算処理部35と、フィルタ処理部36と、を備える。
本実施形態において、第1差動増幅器31、第2差動増幅器32、第1AD変換器33、第2AD変換器34は、検出信号処理装置3が備えるアナログ回路を構成する一部の回路(又は電子部品)から構成される。演算処理部35及びフィルタ処理部36は、検出信号処理装置3を構成するFPGA等がプログラムを実行することにより実現されている。FPGAは、Field Programmable Gate Arrayの略称である。
第1差動増幅器31は、第1コイル22a及び第3コイル22cの出力の差分を増幅するために用いられる。第1差動増幅器31は、第1コイル22a及び第3コイル22cから出力された電圧信号の差分を増幅して、第1交流信号y1として出力する。
磁気検出ヘッド2に対するスケール1の変位を表す位相をθとしたとき、上記第1交流信号y1は、以下の式で表すことができる。
y1=acosθ・sinωt
y1=acosθ・sinωt
第2差動増幅器32は、第2コイル22b及び第4コイル22dの出力の差分を増幅するために用いられる。第2差動増幅器32は、第2コイル22b及び第4コイル22dから出力された電圧信号の差分を増幅して、第2交流信号y2として出力する。
磁気検出ヘッド2に対するスケール1の変位を表す位相をθとしたとき、上記第2交流信号y2は、以下の式で表すことができる。
y2=asinθ・sinωt
y2=asinθ・sinωt
第1AD変換器33及び第2AD変換器34はそれぞれ、第1差動増幅器31及び第2差動増幅器32からのアナログ信号(第1交流信号y1及び第2交流信号y2)のそれぞれを、デジタル信号に変換するために用いられる。第1AD変換器33及び第2AD変換器34は、演算処理部35に電気的に接続されており、変換したデジタル信号を演算処理部35に出力する。
演算処理部35は、第2交流信号y2を第1交流信号y1で除算する。この結果は、tanθの値に相当する。その後、演算処理部35は、計算結果のarctanの値を求める。これにより、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の変位を表す位相θを得ることができる。θは厳密には位相であるが、実質的には、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対変位を示している。従って、以下ではθを変位と呼ぶことがある。
フィルタ処理部36は、演算処理部35で求められた変位θ(t)に対してフィルタ処理を行う。フィルタ処理部36は、例えば移動平均フィルタとして構成される。変位θ(t)に含まれる高周波成分が、フィルタ処理によって、当該変位θ(t)から除かれる。これにより、ノイズ等を除去することができる。
フィルタ処理部36は、例えば、図2に示すように、シフトレジスタを用いて構成することができる。このシフトレジスタは、複数のレジスタをカスケード接続する構成を有する。各レジスタに共通のシフトクロックが入力されるたびに、変位θ(t)を示すデータが次段のレジスタに順次転送されていく。
図2に示すように、本実施形態のフィルタ処理部36は、4096段分のシフトレジスタによって構成されている。従って、フィルタ処理部36は、1段から4096段までの移動平均処理を行うことができる。
4096段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。ただし、sは、シフトレジスタのシフト周期である。
θ1(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-4095・s))/4096
本実施形態では、この4096段の移動平均フィルタ処理が、第1フィルタの処理に相当する。以下、θ1(t)の値を、第1移動平均(第1フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
θ1(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-4095・s))/4096
本実施形態では、この4096段の移動平均フィルタ処理が、第1フィルタの処理に相当する。以下、θ1(t)の値を、第1移動平均(第1フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
16段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。
θ2(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-15・s))/16
本実施形態では、この16段の移動平均フィルタ処理が、第2フィルタの処理に相当する。以下、θ2(t)の値を、第2移動平均(第2フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
θ2(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-15・s))/16
本実施形態では、この16段の移動平均フィルタ処理が、第2フィルタの処理に相当する。以下、θ2(t)の値を、第2移動平均(第2フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
知られているように、AD変換器のSN比(SNR:signal-to-noise ratio)は、一般的に下記の数式モデルで表される。ただし、Nは分解能である。
SNR=6.02・N+1.76[dB]
従って、理論的にいえば、4のn乗の移動平均処理を行うことで、分解能がnビット分改善される。例えば、16段(=4の2乗)の移動平均では、フィルタ無しに比べて、有効分解能が2ビット分向上する。4096段(=4の6乗)の移動平均では、フィルタ無しの値に比べて、有効分解能が6ビット分向上する。
SNR=6.02・N+1.76[dB]
従って、理論的にいえば、4のn乗の移動平均処理を行うことで、分解能がnビット分改善される。例えば、16段(=4の2乗)の移動平均では、フィルタ無しに比べて、有効分解能が2ビット分向上する。4096段(=4の6乗)の移動平均では、フィルタ無しの値に比べて、有効分解能が6ビット分向上する。
図3及び図4には、スケール1が磁気検出ヘッド2に対して、位置P1から位置P3へ移動して静止し、更に位置P3から位置P2へ移動して静止した場合の、フィルタ処理の効果が示されている。図3のグラフは実験により得られたものであり、グラフの一部は拡大して図4に示されている。図4において、フィルタ無しでのセンサ出力には振幅の大きな振れが生じている。
図4には、フィルタ処理により振れを効果的に抑制できることが直感的に示されている。即ち、移動平均の段数が大きければ大きいほど、移動平均の値の振れが小さくなるので、SN比の良い値を得ることができる。
一方、図3の下側に示すように、スケール1が移動するときには、移動平均の段数が大きければ大きいほど、得られた移動平均の時間遅れが大きくなる。例えば、シフト周期(サンプリング周期)sを16μsとする場合、移動平均16段の処理を行って得られた第2移動平均θ2(t)には、128μsの時間遅れが発生する。移動平均4096段の処理を行って得られた第1移動平均θ1(t)には、32.768msの時間遅れが発生する。
以上に示すように、フィルタの段数が大きければ大きいほど、得られた移動平均(フィルタ処理後変位)の精度が良くなるが、時間遅れが大きく発生してしまい、追従性が低下していく。時間遅れによる位置検出誤差は、スケール1が高速で変位する場合に特に大きくなる。
この点に関して、本実施形態の変位検出装置100においては、磁気検出ヘッド2に対してスケール1が実質的に移動しているか静止しているかに応じて、出力する移動平均フィルタの段数を選択する。即ち、変位検出装置100は、スケール1の相対移動速度に応じて、異なるフィルタ段数で処理した移動平均を出力する。
具体的には、図5に示すように、第1交流信号y1及び第2交流信号y2のそれぞれが、オフセット補正量加算、ゲイン補正量乗算等の処理を経た後、演算処理部35に入力される。演算処理部35では、第1交流信号y1及び第2交流信号y2を用いてarctan演算を行うことにより、変位θ(t)を取得する。得られた変位θ(t)は、ピッチ合成等の処理を経た後、フィルタ処理部36に入力される。
本実施形態のフィルタ処理部36は、上記第1フィルタ、第2フィルタ、及び後述の第3フィルタのそれぞれで移動平均処理を行って得られたフィルタ処理後変位に基づいて、磁気検出ヘッド2に対してスケール1が移動しているか否かを判定する。
第3フィルタは、移動平均が2048段である以外は、第1フィルタ及び第2フィルタと同様である。2048段は、第1フィルタと第2フィルタの中間の段数であるということができる。2048段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。
θ3(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-2047・s))/2048
本実施形態では、この2048段の移動平均フィルタ処理が、第3フィルタの処理に相当する。以下、θ3(t)の値を、第3移動平均(第3フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
θ3(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+・・・+θ(t-2047・s))/2048
本実施形態では、この2048段の移動平均フィルタ処理が、第3フィルタの処理に相当する。以下、θ3(t)の値を、第3移動平均(第3フィルタ処理後変位)と呼ぶことがある。
本実施形態において、磁気検出ヘッド2に対してスケール1が移動しているか静止しているかの判定は、スケール1の相対速度が比較的高いか低いかを、フィルタ処理部36が適宜の計算により判別した結果に基づく。従って、静止している場合とは、相対速度がゼロである完全静止状態と、完全静止状態ではないものの相対速度が僅かである微速移動中の状態と、を含む。
フィルタ処理部36は、磁気検出ヘッド2に対してスケール1が静止していると判定した場合、第1フィルタで移動平均処理を行って得られた第1移動平均(第1フィルタ処理後変位)を選択して出力する。
一方、フィルタ処理部36は、磁気検出ヘッド2に対してスケール1が移動していると判定した場合、第2フィルタで移動平均処理を行って得られた第2移動平均(第2フィルタ処理後変位)を選択して出力する。
磁気検出ヘッド2に対してスケール1が移動しているか否かの判定は、例えば、図5に示すように行われる。詳細には、フィルタ処理部36は、第1移動平均と第3移動平均の差分である第1差分、及び、第1移動平均と第2移動平均との差分である第2差分、のそれぞれを所定の閾値と比較する。フィルタ処理部36は、第1差分及び第2差分の何れも閾値より小さい場合、スケール1が静止していると判定する。一方、フィルタ処理部36は、第1差分及び第2差分のうち少なくとも一方が閾値以上である場合、磁気検出ヘッド2が移動していると判定する。
変位θ(t)が変化した場合、3つの移動平均のうち第2移動平均が最も敏感に反応して変化し、第3移動平均、第1移動平均の順に反応が鈍くなる。第1差分及び第2差分は、時間遅れが移動平均段数に応じて異なることによる移動平均の差である。スケール1の移動速度がゼロに近い場合、変位θ(t)は殆ど変化しないので、第1差分も第2差分も小さくなる。一方、スケール1の移動速度が相当に大きい場合は、変位θ(t)が大きく変化するので、第1差分も第2差分も大きくなる。従って、フィルタ処理部36は、実質的に、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度の高低に関して判別しているということができる。
磁気検出ヘッド2の相対速度の高低の判別手法は、上記に限定されない。例えば、第1差分及び第2差分のうち一方だけに基づいて判別を行っても良い。単に第1移動平均と第2移動平均との差分を所定の閾値と比較することで、判別を行っても良い。適宜の移動平均(例えば、第2移動平均)の現在値と所定時間前の値との差分を求め、この差分を所定の閾値と比較することで判別することもできる。
フィルタ処理部36により出力されたフィルタ処理後変位は、図5等に示すように、リニアリティ較正、予測演算等の後処理を経った後、位置情報として出力される。
上記のように、本実施形態の変位検出装置100は、図6に示すように、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度が比較的に小さい場合、4096段の移動平均処理により得られた値を検出値として出力し、スケール1の相対速度が比較的に大きい場合、16段の移動平均処理により得られた値を検出値として出力する。なお、図6では、相対速度そのものを閾値と直接比較するように示されているが、これは便宜のために概念的に説明したものであって、実際の処理とは異なっている。
このように、本実施形態の変位検出装置100は、通常はトレードオフの関係にある良好な追従性及び精度を両立することができる。
以上に説明したように、本実施形態の変位検出装置100は、変位検出方向における測定対象物の変位を検出する。変位検出装置100は、スケール1と、磁気検出ヘッド2と、検出信号処理装置3と、を備える。スケール1には、変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部12と非磁気応答部11とが交互に配列されている。磁気検出ヘッド2は、サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも4つの2次コイル22を有する。検出信号処理装置3には2次コイル22の出力信号が入力され、検出信号処理装置3は、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対変位を演算して出力する。検出信号処理装置3は、第1差動増幅器31と、第2差動増幅器32と、AD変換器(第1AD変換器33及び第2AD変換器34)と、演算処理部35と、フィルタ処理部36と、を備える。第1差動増幅器31は、コサイン関数及びマイナスコサイン関数を合成して得られた第1交流信号y1を出力する。第2差動増幅器32は、サイン関数及びマイナスサイン関数を合成して得られた第2交流信号y2を出力する。AD変換器は、第1交流信号y1及び第2交流信号y2をデジタル値に変換する。演算処理部35は、デジタル値を演算処理して、スケール1の相対変位を出力する。フィルタ処理部36は、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度の高低に関して判別を行う。フィルタ処理部36は、相対速度が低いと判別した場合、演算処理部35から出力された相対変位を第1フィルタで処理して得られた第1フィルタ処理後変位を、スケール1の相対変位として出力する。フィルタ処理部36は、相対速度が高いと判別した場合、演算処理部35から出力された相対変位を第2フィルタで処理して得られた第2フィルタ処理後変位をスケール1の相対変位として出力する。第2フィルタは、第1フィルタより次数が低い。
これにより、磁気検出ヘッド2とスケール1との相対速度に応じて、異なる次数のフィルタで処理して得られた変位を出力することができる。従って、変位検出装置100の追従性及び検出精度を両立することができる。
また、本実施形態の変位検出装置100において、フィルタ処理部36は、第1移動平均と、第2移動平均と、第3移動平均と、のそれぞれを求める。第1移動平均は、第1フィルタ処理後変位に相当する。第2移動平均は、第2フィルタ処理後変位に相当する。第3移動平均は、演算処理部35から出力された相対変位を第3フィルタで処理して得られた、第3フィルタ処理後変位に相当する。第3フィルタは、第1フィルタより次数が低く、第2フィルタより次数が高い。フィルタ処理部36は、第1移動平均と第3移動平均との差分である第1差分、及び、第1移動平均と第2移動平均との差分である第2差分を用いて、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度の高低に関して判別を行う。
これにより、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度に関する判別を的確に行うことができる。
ただし、本実施形態の変位検出装置100において、フィルタ処理部36は、第1移動平均と第2移動平均の差分に基づいて、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度の高低に関して判別を行うように構成することもできる。
この場合、磁気検出ヘッド2に対するスケール1の相対速度に関する判別を、簡素な処理で行うことができる。
また、本実施形態の変位検出装置100において、演算処理部35は、arctan演算によりスケール1の変位を算出する。
これにより、簡単な演算で、変位を得ることができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
スケール1は、上述の構成に限定されず、互いに異なる磁気的な性質(磁性の強弱、発生する磁界の方向等)が繰り返されるのであれば、適宜の構成とすることができる。例えば、磁気応答部12が、強磁性体と弱磁性体/非磁性体を、当該スケール1の長手方向に交互に並べることで構成されても良い。磁石のN極とS極を並べることで、磁気的な性質の変化の繰返しを実現しても良い。
磁気検出素子は、2次コイル22の代わりに、プリント基板の導電パターン、ホール素子等から構成されても良い。
2次コイル22がスケール1(磁気応答部12)からの変位に応じた変化を捉えることが可能であれば、1次コイル21がスケール1に近い側に配置され、2次コイル22がスケール1から遠い側に配置されても良い。
演算処理部35は、tanθを計算する以外の方法で、θを得ることもできる。具体的には、公知のシフト回路により第2交流信号y2の位相が90°シフトされて、第1交流信号y1に加算される。加算後の信号は、周知の三角関数の加法定理により、asin(ωt+θ)と表すことができる。演算処理部35は、この信号と、基準交流信号asinωtと、の位相差(具体的には、各信号がゼロと交差するタイミングの差)を計測することにより、θを得る。また、演算処理部35は、PD(Phase-Digital)変換によってθを得ることもできる。
フィルタ処理部36におけるスケール1の相対速度に対する判別は、リアルタイムで行われなくても良い。例えば、予め設定された一定の時間間隔で判別が行われても良いし、スケール1の相対速度に応じて変化する時間間隔で行われても良い。
上記の実施形態では、第1段目から第16段目までのシフトレジスタは、第1フィルタ、第2フィルタ、及び第3レジスタで共有されている。第1段目から第2048段目までのシフトレジスタは、第1フィルタ及び第3フィルタで共有されている。しかし、シフトレジスタは、フィルタ毎に独立して設けられても良い。
第2フィルタが第1フィルタよりも次数が低い条件を満たせば、第1フィルタ及び第2フィルタとして、移動平均フィルタ以外のフィルタが用いられても良い。第3フィルタが第1フィルタより次数が低く、第2フィルタより次数が高い条件を満たせば、第3フィルタとして、移動平均フィルタ以外のフィルタが用いられても良い。
変位検出装置は、スケール1の相対変位に代えて、又はそれに加えて、相対変位の変化速度を出力することもできる。相対変位の変化速度とは、実質的に、スケール1の相対速度を意味する。相対変位の変化速度は、スケール1の現在の相対変位と、所定時間前の相対変位と、の差を計算することにより、容易に得ることができる。
図1及び図5において、符号を付していない処理(例えば、図5のオフセット補正量加算、ゲイン補正量乗算、ピッチカウント生成、ピッチ合成、リニアリティ較正、予測演算等の処理)については、使用される条件に応じて適宜省略されても良い。
1 スケール
2 磁気検出ヘッド(センサヘッド)
3 検出信号処理装置(信号処理演算装置)
11 非磁気応答部
12 磁気応答部
22 2次コイル(磁気検出素子)
31 第1差動増幅器
32 第2差動増幅器
33 第1AD変換器
34 第2AD変換器
100 変位検出装置
2 磁気検出ヘッド(センサヘッド)
3 検出信号処理装置(信号処理演算装置)
11 非磁気応答部
12 磁気応答部
22 2次コイル(磁気検出素子)
31 第1差動増幅器
32 第2差動増幅器
33 第1AD変換器
34 第2AD変換器
100 変位検出装置
Claims (4)
- 変位検出方向における測定対象物の変位を検出する変位検出装置であって、
変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部と非磁気応答部とが交互に配列されたスケールと、
サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも4つの磁気検出素子を有するセンサヘッドと、
前記磁気検出素子の出力信号が入力され、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対変位、及び、前記相対変位の変化速度のうち少なくとも一方を演算して出力する信号処理演算装置と、
を備え、
前記信号処理演算装置は、
前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数を合成して得られた第1交流信号を出力する第1差動増幅器と、
前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数を合成して得られた第2交流信号を出力する第2差動増幅器と、
前記第1交流信号及び前記第2交流信号をデジタル値に変換するAD変換器と、
前記デジタル値を演算処理して、前記スケールの前記相対変位を出力する演算処理部と、
前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行い、前記相対速度が低いと判別した場合、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第1フィルタで処理して得られた第1フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力し、前記相対速度が高いと判別した場合、前記演算処理部から出力された前記相対変位を前記第1フィルタより次数が低い第2フィルタで処理して得られた第2フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力するフィルタ処理部と、
を備えることを特徴とする変位検出装置。 - 請求項1に記載の変位検出装置であって、
前記フィルタ処理部は、
前記第1フィルタ処理後変位に相当する第1移動平均と、
前記第2フィルタ処理後変位に相当する第2移動平均と、
前記演算処理部から出力された前記相対変位を、前記第1フィルタより次数が低く、前記第2フィルタより次数が高い第3フィルタで処理して得られた、第3フィルタ処理後変位に相当する第3移動平均と、
のそれぞれを求め、
前記第1移動平均と前記第3移動平均との差分、及び、前記第1移動平均と前記第2移動平均との差分のうち少なくとも一方を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行うことを特徴とする変位検出装置。 - 請求項1に記載の変位検出装置であって、
前記フィルタ処理部は、
前記第1フィルタ処理後変位に相当する第1移動平均と、
前記第2フィルタ処理後変位に相当する第2移動平均と、
のそれぞれを求め、
前記第1移動平均と前記第2移動平均との差分を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行うことを特徴とする変位検出装置。 - 請求項1から3までの何れか一項に記載の変位検出装置であって、
前記演算処理部は、arctan演算により前記スケールの変位を算出することを特徴とする変位検出装置。
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