JPS62142221A - エンコ−ダ用変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分身」 この発明は、角度や位置などの変位を検出する際に用い
て好適なエンコーダ用変位検出装置に関する。

［従来の技術」 アナログの角度信号をデジタル信号に変換する回路とし
ては、第４図に示す回路が一般に知られている。この図
に示す回路は、レゾルバ信号をデンタルｆｆ、度信号に
変換する回路である１１図において、１はレゾルバ信号
を出力する角度検出部であり、回転トランスの一種であ
るシンクロと、このノンタロの出力信号をレゾルバ信号
に変換するスコツトトランス等からなりいる。この場合
、シンクロのロータに搬送波信号ｓｉｎω。Ｌを供給す
ると、そのステータからはロータの回転角θに対応した
ノンクロ信号が得られ、このノンクロは号をスコツトト
ランスの１次側に供給すると、スコツトトランスの２次
側からはｓｉｎθ・ｓｉｎω。ｔおよびＣＯＳθ・Ｓｉ
ｎω。ｔなるレゾルバ信号が得られるようになっている
。

次に、２．３は各々復調器であり、同期検波等を行うこ
とにより、レゾルバ信号から搬送波信号を除いてｓｉｎ
θおよびｃｏｓθの各角度信号を抽出する。この復ＩＭ
Ｉ　器２　、３の各出力信号は、各々アナログ乗算器４
，５の一方の入力端に供給され、アナログ乗算器４，５
の出力信号は減算器６に供給されて差が検出される。減
算器６の出力信号はＶＣＯ（？Ｔ￥圧制御発振器）７に
供給され、ＶＣＯ７の出力信号はアップダウンカウンタ
８に供給される。

この場合、減算器６の出力信号が正のときは、ＶＣＯ７
の出力信号はアップタウンカウンタ８のアップカウント
端子に供給され、減算器６の出力信号が負のときは、Ｖ
ＣＯ７の出力信号はダウンカウント端子に供給される。

このアップダウンカウンタ８の出力信号Φは、アナログ
関数発生器９に入力端に供給され、この結果、アナログ
関数発生器９は、カウンタ出力Φに対応する正弦および
余弦信号（ｓｉｎΦおよびｃｏｓΦ）を出力する。そし
て、信号ｓ　ｉ　ｎ　（■）はアナログ乗算器５の他方
の入力端にｆＪ％給され、信号ＣＯ８Φはアナログ乗算
器４の他方の入ノＪ端に供給される。

上述した回路によれば、アナログ乗算器４．５の出力信
号は、各々ｓｉｎθ・ｃｏｓΦおよびｃｏｓθ・ｓｉｎ
Φとなる。っしたがって、減算器６の出力信号は、ｓｉ
ｎθ・ＣＯＳΦ−ｃｏｓθ・ｓｉｎΦ＝ｓｉｎ（θ−Φ
）・（１）となり、ＶＣＯ７の出力信号は、５ｉｎ（θ
−Φ）の値に対応１２だ周波数となる。そして、アップ
タウンカウンタ８の出力信号Φは、５ｉｎ（θ−Φ）の
値に応してア：ｊブグウノオろから、結局、上述した回
路は５ｉｎ（０−（Ｄ）の値を０とずろよ・フな、ずな
わら、０　：　（１１）とするようなフェイズロックド
ループとなる。ごの場合にΦを１０ピット程度に設定−
、（゛れば、回転ｒｆ１０〜２πの・範囲を１０２４分
割する分解能とすることかできる。

［発明か解決しようと才る問題点 ところで、第１図に示す変換回路においては、アナログ
系の信号を主と才る回路であるため、集積度に限界があ
り、現状ではハイブリッドＩＣタイプのらので５ＱＸ　
５０ｍｍ程度の大きさとなっている。

また、ＶＣＯ７の温度特性や電源電圧の変動に伴うドリ
フトか発生し易く、このため、信頼性や精度点で問題が
あった。また、上記従来例は角度検出する変位測定装置
の例であったか、直線的な変位を検出する従来の変位装
置においてら、その分解能や精度の点は未だ充分と言え
る程ではなかつ）こ。

この発明は上述した事情に鑑みてなさ１＋、たらので、
処理のほとんとをデジタル信号によって行い、これによ
り、アナログ回路要素をなくすことができるので、単一
のモノソリツク半導体基板」二において集積度を高＜　
ｈ’６成できるとともに、ドリフトを解消して精度を向
」二させ、合わＵ″で分解能を高めろことができるエン
コーダ用変位検出装置を提（）（することを１月的と１
７でいる。

□−問題点を解決ずろための手段、： この発明は−１−記問題点を解決するｆこめに、所定の
・１リシ道から一定の区間毎に直接正弦波のみが得られ
るように信号発生源が付与されているスケールと、各々
か前記軌道上に対し相対的に移動自在であるとともに、
前記軌道の信号発生源の信号の強さに対応するレベル信
号を出力し、かつ、前記正弦波の波長に対して位相が９
０°ずれるようにして設けられる第１、第２のセンサと
、この第１１第２のセンサの出力信号を各々デジタル信
号に変換する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、所定データ
に対応する余弦値と前記第１のＡ／Ｄ変換器の出力信号
との乗算結果および前記所定データに対応する正弦値と
前記第２のＡ／Ｄ変換器の出力信号の乗算結果を出力す
る関数発生乗算部と、この関数発生乗算部の各乗算結果
の差を検出する減算手段と、この減算手段において検出
された差に対応するカウントを行うとともに、前記差の
正負によりカウントのアップ／ダウンを切り換え、この
カウント結果を前記関数発生乗算部に前記所定データと
して供給するカウント手段と、前記第１１第２の磁気セ
ンサの出力信号を波形整形して位相が９０°異なる２相
の矩形波を作成し、この矩形波からｉＱ　記憶１らしく
は第２の磁気センサがｉ’＋ｊｉ記・１リシ道」二の検
出区間をいくつ通過したかを検出する通過区間数検出部
とを具備するとともに、而、冠関散発生乗算部、！ｒｆ
記減算手段および面記カウンクかフェイズロックドルー
プとなるようにし、前記カウンタと前記通過区間数検出
部の出力信号を変（ケデータとして出力する′ことを特
徴としている。

「作用　」 谷磁気センサから搬送波を含まないｓ　ｉ　ｎ　、　ｃ
ｏｓ信号が出力され、また、前記磁気センサの信号かデ
ジタル信号に変換された後、デジタル処理ににるフェイ
ズドロックループに供給され、このフェイズドロックル
ープの出力信号から前記磁気センサの磁化区間内におけ
る変位データが出力されろ。

「実施例」 以下、図面を参照して、磁気スケールを用いた場合のこ
の発明の実施例について説明する。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。この図において、１５はスケールであり、所定の
軌道を一定周期の正弦波によって磁化することにより構
成されている。この実施例のスケールＩ５は、円盤状の
磁性体表面に円軌道を設定し、この円軌道を磁化するこ
とにより構成されている。また、磁化に用いる正弦波の
波長λは、数十〜数百μｍ程度に設定されている。１６
．１７は各々磁気センナであり、スケール１５上の磁化
の強さに対応するレベル信号を出力する。すなわち、磁
気センサ１６．１７としては、その出力信号に搬送波を
含まないらのが用いられ、例えば、半導体素子の使用し
たセンサが用いられろ。また、ｇｋ気セセン１７：ま、
磁気センサ１６に対しｌ／４λ（９０°）　、；４Ｖれ
るように設定されている。したがって、磁気センサｌ　
６．１７の間隔は（ｍ±ｌ／４）λとなる（たたし、爪
は正整数）ように設定されている。この磁気センサＩＧ
、＋７とスケールＩ５と）ｊｌ、相対的に移動自在とな
っており、いずれか一方を固定したとすると、他方は回
転運動を行うようになっている。そして、上述したこと
かろ判るように、磁気センサ１６か出力する信号をｓｉ
ｎ波とケれば、磁気センサ１７か出力する信号はＣＯＳ
波となる。

したがって、磁化正弦波０）−周期の間隔（スケール１
５の極から氏まで）をθ−０〜２πとすれば、磁気セン
サｌ　６，１７の外出力信号は、各々ｓｉｎθおよびｃ
ｏｓ　Ｏとなろ◇ 次に、第１図に示すｌ　８．１９は、各々磁気センサｌ
　６．＋　７の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器であり、デジタル化さイまた５ｉｎ０およびＣ
ＯＳθをデシクル乗算器２０．２１の一方の入力端に供
給する。乗算器２０．２１の出力信号は、各々デシタル
減算器２２の一方よｊよび他方の入力端に供給さイｔ、
減算器２２の出力ｉ信号はデジタル比較器２３に供給さ
れる。このデジタル比較器２３は、減算器２２の減算結
果が正の場合は、力３・：ノンタ２４　（８〜１０ヒツ
トのカウンタ）にアップパルスを供給し、減ｐ結果か′
負の場合は、カウンタ２・１にフランパル７．　、％　
ｉｊｔ：給する。２５は関数発生ＩＩ　Ｏ”ｖｌてあり
、カウンタ２・１のカラン）・値Φに対応する正弦およ
び余弦データを出力するらのてｊ５る。ずなわち、関−
′、゛を生ＲＯＭ２５内には予め５１ｎ（Ｉ）およびｃ
ｏｓΦ−）−・′−夕が記憶されてｒ３す、この記憶さ
れたデータがカウント値Φに応じて順次読み出されるよ
うになっている。そして、データｃｏｓΦがデジタル乗
算器２０の他方の入力端に供給され、デジタルｓｉｎΦ
がデジタル乗算器２１の他方の入力端に供給される。上
記構成によると、減算器２２の出力は、時運した第４図
に示す回路の場合と同様に５ｉｎ（θ−Φ）となる。し
たがって、比較器２３は５ｉｎ（θ−Φ）の値が正の場
合はアップパルス、負の場合はダウンパルスを出力し、
この結果、力１クンタ２４のカウント値Φは、５ｉｎ（
θ−Φ）の値に応じて増減する。なお、上記構成中乗算
器２０．２＋、および関数発生ｒ（０Ｍ２５で関数発生
乗算部２８が構成され。比較器２３およびカウンタ２４
でカウント手段２９か構成されている。

次に、第１図に示す２６は、カウンタ２４の出力信号Φ
を時間りで微分して出力する速度検出部である。この速
度検出部２６の速度検出原理については後述する。

一方、第１図に示す３０．３１は、各々磁気センサＩ　
６．１７の出力信号を所定のしきい値で判定することに
より、“Ｈ”レベルと“＋７”レベルの２値信号に変換
する波形整形回路である。この場合、波形整形回路３０
．３１の出力信号Ｐ、、ｌ’２は、各々第２図（イ）、
（［７）に示すように位相がπ７／２ずれた矩形波とな
るよう構成されており、また、磁気センサｌ　６．１７
の移動が正方向の場合は、パルスＰ３が進み、移動が負
方向の場合：ユ、パルスＰ２が進むようになっている。

３３は磁気センサ１６゜１７の移動方向を判別する方向
判別回路であり、例えば、パルスＰ１の立ち上かり時に
おけるパルスＰ２のレベルが“トＩ”か“Ｌ”かによっ
て方向を判別するようにしている。この方向判別回路３
３の出力信号Ｓｗは、カウンタ３４のアップダウン切換
端子に供給されるとともに、外部に出力されるようにな
っている。カウンタ３４は、信号Ｓｗによってアップか
ダウンの切換を行いながら、パルスＰ、をカウントする
ようになっている。この実施例では、磁気センサｌ　６
，１７が正方向に移動しているときにアップカウント、
負方向に移動しているときにダウンカウントが行なわれ
るようになっている。また、磁気センサ１６，１７がス
ケール１５を１回転する毎に、その基準位置において出
力される０魚信号Ｓｚが、波形整形回路３２を介した後
に０ヘパルスＰｚとなり、この０点パルスＰｚかカウン
タ３４のリセット端子Ｒに供給されろよ・）になってお
り、この結果、カウンタ３．１は、磁気センサ１６．＋
７が基準位置に達する毎にリセットされる。したがって
、カウンタ３４のカウント値は、磁気センサＩ　６．１
７の現在位置と基塾位置との間てに１３いて、磁気セン
サ１６゜１７が通過したスケール１５上の磁気区間の数
（磁気極ｒ？！Ｉ）に対応する値となる。そして、この
カウンタ３　ｌｌの出力信号と、カウンタ２４の出力信
号とか、アブソリュート位置データＤ　ｏｕｔとして外
部に出力されろようになっている。この場合、カウンタ
：３・１の出力信号ＮがデータＤｏｕｔの上（ケ側ヒツ
トのデータを（１４成し、カウンタ２４のカウント（直
（ｉ＋がデータＩ）ｏｕｔの下位側ビットのデータを構
成する。

次に、上記構成によるこの実施例の動作について説明す
る。

まず、磁気センサ１６，１７が正方向に移動を開始した
とすると、カウンタ３４は磁気センサＩ６、＋７か磁気
区間（磁化ピッチ）を通過ずろ毎にアップカウントを行
って行き、このカウント値がデータＤｏｕｔの上位側ビ
ットに出力される。（、たがって、データＤｏｕｊの上
位側ビットをみれば、磁気センサ１．６．１７が磁化区
間をい（つ通過したか、すなわち、現時点の磁気センサ
ｌ　６．＋　７が、基準位置から何ピンチ目に位置して
いるかが判る。

一方、磁気センサＩ　６．１７から出力される信号Ｓ篩
θ、ｃｏｓθは、各々Ａ　／　Ｄ変換器１８．１９によ
ってデジタル信号に変換された後、関数発生ＲＯＭ２５
か出力する信号ｃｏｓΦ、ｓｉｎΦと乗算される。そし
て、減算器２２にＩＩＨ拾されて５ｉｎ（０−（１）　
）が検出さメｔ、この５ｉｎ（Ｏ−Φ）の（直が正の時
（、Ｊ′カウンタ２４のカウント値Φか増加し、ま／二
、５ｉｎ（０−Φ）か負の時はカウント値Φが減少する
。そして、関数発生ＲＯＭの出力ｓｉｎΦ、ｃｏｓΦは
、各々カウント値Φに応じて増減するから、結局、第１
図に示す回路は第４図に示す回路と同様に５ｉｎ（θ−
Φ）の値をＯとするような、すなわち、θ＝Φとするよ
うなフェイズロックドループとなる。したがって、カウ
ンタ２４のカウント値Φは、磁気センサ１６か磁化区間
のどの位置にいるか、言い替えれば、磁気センサ１６が
磁極と磁極の間のどの位置にいるかを示すデータとなる
。したがって、データＤｏｕｔの下位側ビットは、磁気
センサＩ６の磁化区間内における微少位置を示すデータ
となる。この場合、カウンタ２４は、前述のように８〜
ｌＯビツトで構成されているから、上記微少位置の分解
能は、磁化区間の１／２５６〜Ｉ／２０４８程度の精度
となる。

ここで、速度検出回路２６の検出原理について説明する
。上述のように、カウント値Φはθに等しくなるように
制御されるから、カウント値Φは磁気センサＩ　６．１
７の相対速度に応じて変化する。したがって、カウント
値Φの変化率（ｄΦ／ｄｔ）は磁気センサＩ　６．１７
の用対速度に対応した値となり、速度検出回路２６から
は速度信号が出力され、また、速度信号が正値であるか
負値であるかを判断することにより、方向判別を行うこ
とも可能である。

なお、この実施例においては、回路のほとんどがデジタ
ル信号を処理するようになっているので、アナログ回路
要素をなくすことができ、単一のモノシリツク半導体基
板上において集積度を高く構成することができる。そし
て、実際にＩＣを製作したところ、縦、横、高さが５　
ｘ　７　ｘ　１　（ｍｍ）程度のフラットパッケージに
収納することができた。

これは、従来のこの種の変換回路はアナログ信号を処理
するためハイブリッドＩＣしかなく、その大きさが５０
　Ｘ　５０　Ｘ　１０　（ｍｍ）程度であったことと比
べると、飛躍的な小形化であると言える。

また、温度変化（−２０〜＋８０℃）および電源電圧変
化（±２０％）に対するドリフトを第４図に示す回路と
比べたところ、第４図に示す回路においては、温度およ
び電圧の変化に対して共に±２ビットのドリフトがあっ
たが、本願においては、同一条件において±１ビットの
低ドリフトであった。

この場合、本願におけるデータＤ　ｏｕｔの最下位ビッ
トは、磁化区間内の微少位置を示すデータの最下位ビッ
トであるから、そのドリフトの影響は極めて小さいとい
う利点がある。

次に、第３図はこの実施例の一変形例の構成を示すブロ
ック図である。なお、この変形例は前述した関数発生乗
算部２８を変形した場合の例であり、その（ｉムの部分
については、前述した実施例と全く同（、ηの構成とな
っている。

第３図において、４０．４１は各々対数テーブルであり
、ｓｉｎおよびＣＯＳの対数値が予め０〜２πに渡って
記憶されている。この対数テーブル４０゜１１１は、各
々Ａ　／　Ｉ）変換器１８．１９７２＼ら供給されるデ
ータに対応１．たｓｉｎおよびＣＯＳの対数値を加算器
＝１２．４３の一方の入力端子に供給する。４７はカウ
ント値Φが供給さイすると、！ｏｇ（ｃｏｓΦ）および
ｌｏｇ（ｓｉｎ＋Ｉ））を加算器４２．＝１３の他方の
入力端に供給する関数発生ＲＯＭであり、これらの対数
値が、予めＯ〜２πの範囲で記憶されている。

加算器４２．４３の加算結果は、逆対数回路４５゜４６
に入力されて逆対数が取られる。したがって、逆対数回
路＝１５．．ｉ６の出力信号は、各々ｓｉｎθ・ｃｏｓ
ΦおよびＣＯ８θ・ｓｉｎΦとなり、この結果、減算器
２２の出力信号は５ｉｎ（θ−Φ）となる。

上述したことから判るように、この変形例における動作
は、前述した実施例と全く同様である。

すなわら、この実施例においては、いったんｓｉｎとｃ
ｏｓの対数をとり、この対数を加算することで事実」二
の乗工γを行うように（７ている。

なお、」二連した各実施例は、磁化軌道が円形の場合の
実施例であり、この発明をロータリエンニノーダに適用
した場合の実施例であるが、この発明は磁化軌道が直線
の場合、すなわち、リニアタイプのエンコーダにム勿論
適用することができる。

また、実強例は磁気スｒ−ルを用いた場合１こ献づいて
説明したが、光学式のエンコーダに適用することら容易
にして可能である。

「発明の効果、１ 以上説明したように、この発明によれば、所定の軌道か
ら一定の区間毎に直接正弦波のみが得られるように信号
発生源が付与されているスケールと、各々が前記軌道上
に対し相対的に移動自在であるとともに、前記軌道の信
号発生源の信号の強さに対応するレベル信号を出力し、
かつ、前記正弦波の波長に対して位相が９０°ずれるよ
うにして設けられる第１、第２のセンサと、この第１、
第２のセンサの出力信号を各々デジタル信号に変換する
第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、所定データに対応する余
弦値と前記第１のＡ／Ｄ変換器の出力信号との乗算結果
および前記所定データに対応する正弦値と前記第２のＡ
／Ｄ変換器の出力信号つ乗算結果を出力するＶ散発生乗
算部と、この関数発生乗算部′Ｊ）各乗算結果の差を検
出する減算手段ど、この減算手段において検出された差
に対応するカウントを行うとともに、的記差の正負によ
りカラン）・のアップ／ダウンを切り換え、このカウン
ト結果を前記関数発生乗算部に前記所定データとして供
給するカウント手段と、前記第１、第２の磁気センサの
出力信号を波形整杉して位１１か９０°異なる２川の矩
形波を作成し、この矩形波から前記第１らしくは第２の
磁気センサが面記執道上の検出区間をいくつ通過したか
を検出する通過区間数検出部とを具備するとと乙に、前
記関数発生乗算部、前記減算手段および前記カウンタか
フェイズロックドル−プとなるよう（こし、萌３己カウ
ンタとｌ？；記通過区間数検出部の出力信号を変位デー
タとして出力するようにしたので、処理のほとんどがデ
ジタル信号によって行なイっれ、これにより、アナログ
回路要素をなくすことができ、単一のモノシリツク半導
体基板上において集積度を高く構成できるとともに、ド
リフトが解消されて精度か向上し、かつ、分解能が高上
するという利点を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、 第２図は同実施例における波形成形回路３０゜３１の出
力信号波形を示す波形図、 第３図は同実施例の一変形例を示すブロック図、第４図
は従来の変位検出装置の構成を示す回路図である。 Ｉ５・・・・スケール、１６．１７・・・・・・磁気セ
ンサ（第１、第２の磁気センサ）、Ｉ　８．１９・・・
・・・Ａ／Ｄ変換器（第１、第２のＡ／Ｄ変換器）、２
２・・・・・・減算器、２８・・・・関数発生乗算部、
２９・・・・・カウント手段、４０．４１・・・・・・
対数テーブル、ｌＩ２．４３・・・・・・加算器、４５
．４６・・・・・逆対数回路１．１７・・・関数発生ｒ
ｔ　ｏ　Ｍ（以上＝１．０．．１１．ｌＩ　２．−１３
．４５゜４６．４７は関数発生乗算部）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の軌道から一定の区間毎に直接正弦波のみが
   得られるように信号発生源が付与されているスケールと
   、 各々が前記軌道上に対し相対的に移動自在であるととも
   に、前記軌道の信号発生源の信号の強さに対応するレベ
   ル信号を出力し、かつ、前記正弦波の波長に対して位相
   が９０°ずれるようにして設けられる第１、第２のセン
   サと、 この第１、第２のセンサの出力信号を各々デジタル信号
   に変換する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、所定データに
   対応する余弦値と前記第１のＡ／Ｄ変換器の出力信号と
   の乗算結果および前記所定データに対応する正弦値と前
   記第２のＡ／Ｄ変換器の出力信号の乗算結果を出力する
   関数発生乗算部と、 この関数発生乗算部の各乗算結果の差を検出する減算手
   段と、 この減算手段において検出された差に対応するカウント
   を行うとともに、前記差の正負によりカウントのアップ
   ／ダウンを切り換え、このカウント結果を前記関数発生
   乗算部に前記所定データとして供給するカウント手段と
   、 前記第１、第２の磁気センサの出力信号を波形整形して
   位相が９０°異なる２相の矩形波を作成し、この矩形波
   から前記第１もしくは第２の磁気センサが前記軌道上の
   検出区間をいくつ通過したかを検出する通過区間数検出
   部とを具備するとともに、前記関数発生乗算部、前記減
   算手段および前記カウンタがフェイズロックドループと
   なるようにし、前記カウンタと前記通過区間数検出部の
   出力信号を変位データとして出力することを特徴とする
   エンコーダ用変位検出装置。
2. （２）前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器、前記関数発生乗
   算部、前記減算手段、前記カウント手段および前記通過
   区間数検出部を各々単一のモノシリック半導体基板上に
   組み込んだことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のエンコーダ用変位検出装置。