JP2004309366A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な手段によって高調波歪みを除去すると共に、オフセット変動による誤差を小さくして、高精度かつ高分解能な位置情報を得る。
【解決手段】センサから得られる各々１２０度の位相差を有するａ相、ｂ相、ｃ相の少なくとも第３次高調波を含む略正弦波状の各出力信号を演算回路１１に各々入力して、［Ｒ相−Ｓ相］、［Ｓ相−Ｔ相］、［Ｔ相−Ｒ相］を計算することにより、演算回路１１からＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出装置に関し、特に、センサの出力信号に基づいて内挿処理して高分解能の位置信号を得る装置に関する
【０００２】
【従来の技術】
位置検出装置としては、光学式、或いは、磁気式の装置が知られている。光学式の位置検出装置の一例としては、図１６に示すように、相対移動する第１の回折格子（以下、第１格子という）１と第２の回折格子（以下、第２格子という）２の後方に光電変換素子３が配置され、第１回折格子１の前方には、平行光束Ｌを照射させるように構成されている。第１格子１及び第２格子２には、光を透過させる部分及び透過させない部分が所定のピッチで繰返されている格子部が設けられている。このような構成において、平行光束Ｌを第１格子に照射すると、第１格子１及び第２格子２を透過した光が光電変換素子３に入射することにより、光電変換素子３からは、入射光をその光強度に応じた電気信号に変換した出力信号が得られる。この出力信号は、実際には疑似正弦波となっていて、この疑似正弦波状の出力信号を利用して位置検出が行われる。
【０００３】
ところが、上述した従来の位置検出装置から得られる疑似正弦波状の出力信号には、主として３次高調波成分、５次高調波成分が含まれている。従って、このような高調波成分を有する出力信号を利用して求めた位置検出値は大きな誤差を伴うことになる。
【０００４】
このような問題を解決する手段として、例えば、特許第２５３９２６９号（特許文献１）に開示されている光学式エンコーダが提案されている。この光学式エンコーダは、図１７に示すように、第２格子２に設けられている格子部が数μｍ〜数百μｍのピッチＰで繰返す透過部（図示斜線部）と非透過部とからなる格子部２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈが田の字状に配設されている。そして、格子部２Ｆ、２Ｇ、２Ｈは格子部２Ｅを基準とすると、各々の位相がＰ／６、Ｐ／１０、４Ｐ／１５ずれている。このような構成において、例えば格子部２Ｅを透過した光量の変化に基づく変位信号には、その主成分である基本波成分と３次高調波成分と５次高調波成分が含まれている。そこで、各格子部２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈを同面積にして同光量が透過するようにして、各格子部２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈを透過した光を光電変換素子３によって光電変換して、各々の光を加算することにより、３次高調波及び５次高調波を相殺するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第号２５３９２６９公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光学式エンコーダでは、各格子部を透過した光を光学的に加算することによって３次高調波及び５次高調波を相殺するようにしている。このような光学的エンコーダは、各格子部の配列が不等間隔で複雑となり、しかも、各格子部等の面積が大型化することから、必然的に製造コストが高くなる問題がある。また、各格子部の配列によって高調波を相殺する方法は、理論的には相殺可能であるが、各格子部の間隔が正確な場合において高調波が相殺されるものであり、各格子部にバラツキが生じた場合には、相殺が不完全となって依然として高調波が残ることから、位置検出誤差が除去できない問題がある。更に、上記光学式エンコーダからは、オフセットを補正するための信号が得られないので、これによっても位置検出誤差が生ずる問題がある。仮にオフセット補正用の信号を得るためには、専用の格子と受光素子が必要となり、装置が大型になると共に、コストが高くなることが必至となる。
【０００７】
そこで本発明は、簡便な手段によって高調波歪みを除去すると共に、オフセット変動による誤差を小さくして、高精度かつ高分解能な位置情報が得られる位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の位置検出装置では、センサの出力信号から各々１２０度の位相差を有する少なくとも第３次高調波を含む略正弦波状のＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる３相の信号を演算回路に各々入力して、Ｒ相−Ｓ相、Ｓ相−Ｔ相、Ｔ相−Ｒ相を計算することにより、演算回路からＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得ることができるようになっている。
【０００９】
また、請求項２記載の位置検出装置では、上記請求項１記載のスケールは、等間隔ピッチに記録したスケール目盛を有し、このスケール目盛と相対的に移動したときに読みとる１２０度の位相差を有する３個の変換素子は、各々１８０度の位相差を有する正の変換部と負の変換部を移動方向に配列したことにより、各々１２０度の位相差を有する＋ａ相、＋ｂ相、＋ｃ相と−ａ相、−ｂ相および−ｃ相の各出力信号が得られるようにしている。これら３相信号から、Ｒ相＝（＋ａ）−（−ａ）、Ｓ相＝（＋ｂ）−（−ｂ）、Ｔ相＝（＋ｃ）−（−ｃ）により求められるＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相の信号を前記演算回路に入力して演算処理を行い、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得ることができるようになっている。
【００１０】
さらに、請求項３記載の位置検出装置では、上記請求項１記載のスケールは、等間隔ピッチに記録したスケール目盛を有し、このスケール目盛と相対的に移動したときに読みとる１２０度の位相差を有する３個の変換素子から得られた＋ａ相、＋ｂ相、＋ｃ相の正の３相出力信号を前記演算回路に入力して演算処理を行い、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得ることができるようになっている。
【００１１】
更にまた、請求項４記載の位置検出装置では、上記請求項１記載のスケールは、光を透過または反射する等間隔ピッチに記録した光学スケール目盛を有し、この光学スケール目盛との間で相対的に移動したときに上記光を読みとる各々１２０度の位相差を有した３組の変換素子として３組の光電変換素子を備え、これら３組の光電変換素子から少なくともａ相、ｂ相、ｃ相の正の３相出力信号を得るようにして、光学式の位置検出装置を構成している。
【００１２】
また、請求項５記載の位置検出装置では、上記請求項１記載のスケールは、等間隔ピッチに磁気記録した磁気スケール目盛を有し、この磁気スケール目盛を読みとる各々１２０度の位相差を有した３組の変換素子として３組の磁電変換素子から少なくともａ相、ｂ相、ｃ相の正の３相出力信号を得るようにして、磁気式の位置検出装置を構成している。
【００１３】
更に、請求項６記載の位置検出装置では、前記演算回路によって計算された１２０度の位相差を有する上記第３次高調波を除去したＶ相、Ｗ相の信号を、演算器によってＤ＝（Ｖ−Ｗ）／√３を計算することによって、前記Ｒ相信号と９０度の位相差を有する上記Ｄ相信号を出力し、これら両信号を内挿回路に入力して計算することによって位置情報を得るようにしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図４は、本発明の第１の実施形態として、光学式位置検出装置の実施形態を示している。
【００１５】
光学式位置検出装置１は、図２に示すような構成を有し、その概要は、光が透過するスリットを形成した光学スケール目盛３を等間隔ピッチに記録形成したスケール板２と、このスケール板２の一方側から平行光４を光学スケール目盛３に向けて照射する光源５と、光学スケール目盛３の他方面側に対向して配設した固定格子６と、上記光学スケール目盛３および固定格子６を透過した光を電気信号に変換するための光電変換素子７とを備えている。
【００１６】
より具体的には、スケール板２に記録形成した光学スケール目盛３は、透明なガラスまたは合成樹脂の板をベースとして、図４の二点鎖線で示すような光を透過するスリット３ａをピッチＰによって等間隔に開口させて配列すると共に、他の部分は光を透過しないようにマスキングしている。また、上記スリット３ａの幅は、ピッチＰの１／２に設定されている。
【００１７】
固定格子６は、図４に示すように、光学スケール目盛３に対向して配設され、＋ａ相用、＋ｂ相用、および＋ｃ相用からなるスリットと、−ａ相用、−ｂ相用および−ｃ相用からなるスリットが配列されている。これらスリットは、透明なガラスまたは合成樹脂の板をベースとして、ハッチングで示す部分が光を透過するように開口し、他の部分をマスキングしている。各相毎のスリット群は、スリットを例えば３個づつ配列し、このスリットは上記光学スケール目盛３と同じピッチＰの間隔に設定され、幅をピッチＰの１／２に設定している。このように構成されたａ相用のスリット群に対して、ｂ相用のスリット群は、Ｐ／３のピッチずれている。更に、ｃ相用のスリット群は、＋ｂ相用のスリット群に対してＰ／３のピッチずれている。また、−ａ相用、−ｂ相用および−ｃ相用の各スリット群は、上述した＋ａ相用、＋ｂ相用、および＋ｃ相用のスリットに対して、ｎＰ＋Ｐ／２（但し、ｎは正の整数）の間隔をあけて配列されている。
【００１８】
上述した固定格子６には、光電変換素子７を対向させている。この光電変換素子７は、図３および図４に示すように、固定格子６に形成した＋ａ相用、＋ｂ相用、および＋ｃ相用からなるスリット群と、−ａ相用、−ｂ相用および−ｃ相用からなる各スリット群に各々対向させた６個の受光素子アレイにより構成されている。そして、光電変換素子７の各受光素子アレイからは、固定格子６を透過した光を電気信号に変換する各々１２０度の位相差を有する＋ａ相、＋ｂ相、および＋ｃ相の正の３相信号を出力する正の変換部と、これら正の３相信号に対して各々１８０度の位相差を有する−ａ相、−ｂ相、および−ｃ相の負の３相信号を出力する負の変換部が移動方向に配列されている。尚、図２に示した実施形態では、固定格子６に別体の光電変換素子７を僅かに離間させて対向配置しているが、固定格子６のハッチングで示す開口に各々光電変換素子７の受光素子アレイを設けて一体に構成しても良い。
【００１９】
一方、上記スケール板２の一方側から光学スケール目盛３に向けて照射する光源５は、発光ダイオード、または半導体レーザー等の各種光源を使用することができる。この光源５から発光した光は、コリメートレンズ（図示しない）等によって平行光に変換されて光学スケール目盛３に照射される。
【００２０】
前述したスケール板２は、工作機械やロボット、或いは計測機器等の可動部に設置され、この可動部と共に移動する。このとき、光学スケール目盛３のスリットと固定格子６のスリット群が平行光４に対して一列に並んだときに、光源５からの光が透過して光電変換素子７に受光されて電気信号に変換される。そして、光電変換素子７の正の変換部からは、各々１２０度の位相差を有する略正弦波状のａ相、ｂ相およびｃ相の正の３相信号が出力され、光電変換素子７の負の変換部からは、正の３相信号に対して各々１８０度の位相差を有すると共に、各々１２０度の位相差を有する−ａ相、−ｂ相、および−ｃ相の負の３相信号が出力される。これらの出力信号には、第３次高調波等の高調波が含まれるため、やや三角波状になっている。特に、光電変換素子７から出力される信号のＳ／Ｎ比を良くする手段として、光量を大きくするために、光学スケール目盛３のスリットと固定格子６、および、光電変換素子７を近接させた場合には、光電変換素子７からの出力信号が三角波状になって第３次高調波が現れる。
【００２１】
光電変換素子７から出力された３相信号は、図１に示す位置検出回路によって処理される。位置検出回路は、光電変換素子７から出力される＋ａ相、−ａ相と＋ｂ相、−ｂ相および＋ｃ相、−ｃ相の正負の３相信号を各々電圧に変換する電流電圧変換回路１０と、この電流電圧変換回路１０からの出力信号を差動増幅してＲ相、Ｓ相およびＴ相の信号を出力する差動増幅回路１１と、この差動増幅回路３０から出力されたＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相信号を演算することにより第３次高調波を除去したＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる正弦波状の３相信号を出力する演算回路１２と、正弦波状のアナログ３相信号をデジタル３相信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１３と、このデジタル化された信号に基づいて計算し、９０度の位相差を有する正弦波信号と余弦波信号からなるＤ相信号と上記Ｕ相信号から位置情報を計算する内挿回路１４を少なくとも備えている。尚、図１に示す光電変換素子７は、便宜上＋ａ相、−ａ相からなるａ相群７ａ、＋ｂ相、−ｂ相からなるｂ相群７ｂ、および＋ｃ相、−ｃ相からなるｃ相群７ｃに区分している。
【００２２】
前述したように、光電変換素子７の受光素子アレイから、出力された＋ａ相、−ａ相と＋ｂ相、−ｂ相および＋ｃ相、−ｃ相の正負の３相信号は、少なくとも第３次高調波を含む略正弦波状となっている。この正負の３相信号は電流信号であり、電流電圧変換回路１０によって電圧信号に変換する。即ち、電流電圧変換回路１０からは、各々１２０度の位相差を有する略正弦波状の＋ａ相、＋ｂ相および＋ｃ相の正の３相信号、および、−ａ相、−ｂ相、および−ｃ相の負の３相信号が電圧信号として出力される。
【００２３】
上述した電流電圧変換回路１０から出力される正負の３相信号は、差動増幅回路１１によって、Ｒ相＝（＋ａ）−（−ａ）、Ｓ相＝（＋ｂ）−（−ｂ）、Ｔ相＝（＋ｃ）−（−ｃ）を求めることにより、これらＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相の信号を出力する。これらの出力信号は、図５に示すように第３次高調波等の高調波が含まれるため、やや三角波状になっている。また、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相からなる３相信号には、ドリフト電圧ｖｄが含まれている。
【００２４】
差動増幅回路１１から出力されるＲ相、Ｓ相およびＴ相からなる３相信号は、次の演算回路１１に各々入力される。この演算回路１２においては、３組の演算回路１２ａ、１２ｂおよび１２ｃによって演算が行われる。即ち、演算回路１２ａには、差動増幅回路１１からＲ相とＳ相の電圧信号が入力され、演算回路１２ｂにはＳ相とＴ相の電圧信号が入力され、更に演算回路１２ｃには、Ｔ相とＲ相の電圧信号が入力される。そして、演算回路１２ａによって［Ｒ相信号−Ｓ相信号］の演算を行い、演算回路１２ｂによって［Ｓ相信号−Ｔ相信号］の演算を行い、更に、演算回路１２ｃによって［Ｔ相信号−Ｒ相信号］の演算が行われる。このような演算を行うことによって、主として第３次高調波等の高調波を除去することができ、この結果、演算回路１２ａからは、図６に示すように、高調波が除去された正弦波状のＵ相信号が出力される。また、演算回路１２ｂからは、高調波が除去された正弦波状のＶ相信号が出力される。更に、演算回路１２ｃからは、高調波が除去された正弦波状のＷ相信号が出力される。
【００２５】
演算回路１２によって上述した演算を行うことにより、高調波が除去されたＵ相、Ｖ相、およびＷ相の正弦波状の信号が得られることを、具体的に説明する。
【００２６】
差動増幅回路１１から出力されるＲ相、Ｓ相およびＴ相の出力信号は、次の式によって表される。
Ｒ＝ｓｉｎθ＋Ｒ_３ｓｉｎ（３θ）＋Ｒ_０
Ｓ＝ｓｉｎ（θ＋２π／３）＋Ｓ_３ｓｉｎ｛３×（θ＋２π／３）｝＋Ｓ_０
Ｔ＝ｓｉｎ（θ＋４π／３）＋Ｔ_３ｓｉｎ｛３×（θ＋４π／３）｝＋Ｔ_０
ここで、Ｒ_０、Ｓ_０、Ｔ_０は、直流オフセット成分（図５に示したドリフト電圧ｖｄ）、Ｒ_３、Ｓ_３、Ｔ_３は、第３次高調波の第１次成分に対する振幅比である。
【００２７】
次に、上記差動増幅回路１１から出力されたＲ相、Ｓ相およびＴ相の信号は、各演算回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって［Ｒ相信号−Ｓ相信号］、 ［Ｓ相信号−Ｔ相信号］、および［Ｔ相信号−Ｒ相信号］の演算が行われる。即ち、
Ｕ＝Ｒ−Ｓ＝−√３（ｃｏｓθ＋π／３）＋（Ｒ_３−Ｓ_３） ｓｉｎ（３θ）＋（Ｒ_０−Ｔ_０）
Ｖ＝Ｓ−Ｔ＝√３ｃｏｓθ＋（Ｓ_３−Ｔ_３） ｓｉｎ（３θ）＋（Ｓ_０−Ｔ_０）
Ｗ＝Ｔ−Ｒ＝−３ｓｉｎθ／２−√３ｃｏｓθ＋（Ｔ_３−Ｒ_３） ｓｉｎ（３θ）＋（Ｔ_０−Ｒ_０）
ここで、Ｒ_３≒Ｓ_３≒Ｔ_３、更に、Ｒ_０≒Ｓ_０≒Ｔ_０の条件のときには、上記式から明らかなように、各演算回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃから出力されるＵ相、Ｖ相、およびＷ相の出力信号には、第３次高調波、および、直流オフセット成分が除去され、図６に示すような正弦波状の信号が出力される。
【００２８】
上述した直流オフセット成分Ｒ_０、Ｓ_０、Ｔ_０、および、第３次高調波の第１次成分に対する振幅比Ｒ_３、Ｓ_３、Ｔ_３をほぼ等しくすることは、容易に達成することが可能である。つまり、Ｒ_３≒Ｓ_３≒Ｔ_３の条件を満たすためには、前述した光電変換素子７の受光素子アレイにおける＋ａ相、−ａ相と＋ｂ相、−ｂ相および＋ｃ相、−ｃ相を受光する受光素子を１チップ上で近接して配置することにより実現できる。また、Ｒ_０≒Ｓ_０≒Ｔ_０の条件を満たすためには、光電変換素子７や電流電圧変換回路１０等に使用する回路素子として適切なものを選択して使用することによって実現することができる。
【００２９】
上述したように、演算回路１２によって、高調波を除去した正弦波状のＵ相、Ｖ相およびＷ相の信号は、次に、内挿位置信号を得るために、Ａ／Ｄ変換器１３によってデジタル変換される。即ち、上記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の信号は、図６に示すアナログ信号であり、これらの信号からＣＰＵ等によって内挿処理を行うために、デジタル信号に変換している。
【００３０】
デジタル変換されたＵ相、Ｖ相およびＷ相の信号は、次の内挿回路１４に入力される。内挿回路１４は例えばＣＰＵ、或いは、ＤＳＰによって構成され、この内挿回路１３によって、まず、Ｖ相およびＷ相の信号から上記Ｕ相信号と９０度の位相差を有するＤ相信号を演算によって求める。即ち、内挿回路１４に入力されたＶ相およびＷ相に基づき、内挿回路１４に備えられた演算器（図示しない）によって、（Ｖ−Ｗ）／√３を計算することにより、図７に示すようなＤ相信号が得られる。つまり、
Ｖ−Ｗ＝３ｓｉｎ（θ＋π／３）
となる。従って、上記Ｕ相信号とＶ−Ｗとは、９０度の位相差を有し、振幅比が√３倍の正弦波と余弦波の信号となる。これから、Ｄ＝（Ｖ−Ｗ）／√３を計算することにより、振幅をほぼ等しくしたＵ相信号とＤ相信号が得られる。
【００３１】
このＤ相信号は、上記Ｕ相信号を正弦波信号とした場合、９０度の位相差を有する余弦波信号となる。これら正弦波信号のＵ相信号と余弦波信号の上記Ｄ相信号とを、θ＝ｔａｎ^−１（Ｕ／Ｄ）によって演算することにより、位置情報としての角度θが求められる。この結果、図８に示すリサージュ波形図のようにして位置情報が得られる。この位置情報は、工作機械やロボット、或いは計測機器等の可動部の位置を表し、制御等のために使用される。
【００３２】
上述した第１の実施形態によれば、演算回路１２によって［Ｒ相信号−Ｓ相信号］、［Ｓ相信号−Ｔ相信号］および［Ｔ相信号−Ｒ相信号］の演算を行うことによって、主として第３次高調波等の高調波が除去された、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の正弦波状の信号を得ることができる。また、光電変換素子７の温度特性によって出力されるａ相信号、ｂ相信号およびｃ相信号に同程度の直流ドリフトｖｄ（図５を参照）がある場合でも、演算回路１２によって上述した演算を行うことにより、この直流ドリフトｖｄを除去することができる。従って、演算回路１２から高調波およびドリフトが除去された正弦波状のＡ相、Ｂ相およびＣ相の各信号を用いて内挿処理を行うことにより、高精度かつ高分解能な位置情報を得ることができる。特に、光電変換素子７の出力信号として、Ｓ／Ｎ比を向上するために、通常行う手段として、光源５の発光輝度を大きくする等の対策を講じるが、この場合には、逆に第３次高調波等の高調波成分が大きくなる問題が生ずる。ところが、本発明によれば、演算回路１２によって高調波成分を除去できるので、良好なＳ／Ｎ比を有する出力信号が得られる。
【００３３】
第１の実施形態において、光学式位置検出装置を光透過式の構成としたが、図９に示す光反射式の構成であっても良い。即ち、光反射式の光学式位置検出装置２０は、光反射式の光を反射するように形成された光学スケール目盛２２を等間隔ピッチに記録形成したスケール板２１と、スケール板２１に対して所定角度傾斜した上方から光２３を光学スケール目盛２２に向けて照射する光源２４と、光学スケール目盛２４の上方に対向して配設した固定格子２５と、この固定格子２５を透過した光を電気信号に変換するための光電変換素子２６とを備えている。
【００３４】
固定格子２５は、前述した固定格子６と同様に構成され、＋ａ相用、＋ｂ相用、および＋ｃ相用からなるスリットと、−ａ相用、−ｂ相用および−ｃ相用からなる複数スリット群が配列されている。この各相毎のスリット群の構成についても、図４に示す前述したスリット群と同様に構成されている。このような固定格子２５に対向させる光電変換素子２６は、図３および図４に示した光電変換素子７と同様に構成されている。そして、光電変換素子２６の各受光素子アレイからは、固定格子２５を透過した光を電気信号に変換して、＋ａ相、＋ｂ相、および＋ｃ相と、−ａ相、−ｂ相、および−ｃ相の各３相の出力信号を得るようにしている。上記光学スケール目盛２２に照射する光源２４は、発光ダイオード、または半導体レーザー等のコリメート光を使用することができる。
【００３５】
前述したスケール板２１は、工作機械やロボット、或いは計測機器等の可動部に設置され、この可動部と共に移動する。このとき、光学スケール目盛２２に反射した光源５からの光が固定格子２５のスリット群を透過して光電変換素子２６に受光されて電気信号に変換される。そして、光電変換素子２６からは、前述した光電変換素子７と同様に、各々１２０度の位相差を有する略正弦波状の＋ａ相、＋ｂ相および＋ｃ相の正の３相信号が出力される。これらの出力信号は、第３次高調波等の高調波が含まれている。
【００３６】
光電変換素子２６から出力された３相信号は、前述した実施形態と同様に、図１に示す位置検出回路によって処理され、内挿処理を行うことにより、高精度かつ高分解能な位置情報を得るようにしている。
【００３７】
図１０は、本発明における第２の実施形態として、位置検出回路の他の形態を示している。前述した第１の実施形態と同様に、光電変換素子７からは、各々１２０度の位相差を有する略正弦波状の正負の３相信号が各々出力されるようにしている。光電変換素子７から出力された＋ａ相、＋ｂ相、＋ｃ相の正の３相信号、および、−ａ相、−ｂ相、および−ｃ相の負の３相信号は、電流電圧変換回路１０によって各々電圧に変換される。電流電圧変換回路１０からの出力信号は、次の差動増幅回路１１に入力して、Ｒ相＝（＋ａ）−（−ａ）、Ｓ相＝（＋ｂ）−（−ｂ）、Ｔ相＝（＋ｃ）−（−ｃ）により求められるＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相の信号を得る。更に、差動増幅回路１１から出力されたＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相信号は、次の演算回路３０に入力されて演算が行われる。
【００３８】
演算回路３０は、減算器３０ａ、加算器３０ｂ、および、減算器３０ｃによって構成され、減算器３０ａは、［Ｒ相−Ｓ相］の演算を行い、加算器３０ｂは、［Ｒ相＋Ｓ相］の演算を行い、更に、減算器３０ｃは、［Ｒ相＋Ｓ相−２Ｔ相］の演算を行う。
【００３９】
そして、演算回路３０によって上述した計算を行うことによって、高調波成分が除去された正弦波状のＵ相およびＤ相の出力信号を得ている。この信号は、前述した第１の実施形態と同様に、次のＡ／Ｄ変換器１３によってデジタル変換された後に、次の内挿回路１４に入力される。この内挿回路１４についても、ＣＰＵやＤＳＰによって構成される等、第１の実施形態と同様である。
【００４０】
演算回路３０から得られた９０度の位相差を有する正弦波状のＵ相およびＤ相の出力信号は、内挿回路１４によって、θ＝ｔａｎ^−１（Ｕ／Ｄ）が演算され、位置情報としての角度θが求められる。この結果、前述した図８に示すリサージュ波形図のように、内挿位置情報を得るようにしている。
【００４１】
図１１は、本発明の第３の実施形態として磁気式位置検出装置を示している。磁気式位置検出装置４０は、図１１に示すような構成を有し、その概要は、外周面に磁気スケール目盛４２を等間隔ピッチに着磁記録した回転体４１と、この磁気スケール目盛４２に近接して対向させた磁電変換素子４３とを備えている。
【００４２】
磁電変換素子４３の好適な例としては、図１２に示すＭＲ素子４４（磁気抵抗素子）がある。このＭＲ素子４４は、６本の磁気抵抗ストライプＲ１乃至Ｒ６が設けられ、各磁気抵抗ストライプの間隔は、ＮＳからなる磁極をλとしたとき、各々λ／６のピッチで配列されている。そして、１つおきの磁気抵抗ストライプＲ２、Ｒ４およびＲ６の一端を接地ＧＮＤすると共に、磁気抵抗ストライプＲ１、Ｒ３およびＲ５の一端を電源ＶＣＣに接続されている。また、磁気抵抗ストライプＲ１、Ｒ２の他端、磁気抵抗ストライプＲ３、Ｒ４の他端、および、磁気抵抗ストライプＲ５、Ｒ６の他端は各々直列接続されている。この接続回路は図１３に示され、直列接続された磁気抵抗ストライプの接続点から各々ａ相、ｂ相、ｃ相の信号出力を得るようにしている。
【００４３】
これらａ相、ｂ相、ｃ相の信号出力は、図１４に示すように、第３次高調波等の高調波成分が含まれているために、略々台形波状になっている。即ち、ＭＲ素子４４によって正弦波状の信号出力を得るためには、ＭＲ素子の感度特性から直線性の良い範囲を使用すれば良い。しかし、この範囲は狭いために、磁気スケール目盛４２の磁界を弱くする等の手段を採る必要がある。ところが、このような手段を採った場合には、逆にＳ／Ｎ比を悪化させてしまう。このＳ／Ｎ比を向上させるためには、磁気スケール目盛４２の磁界を強くする等の手段を採る必要があり、この場合にはＭＲ素子の感度特性における非直線性の範囲まで広く使用することになり、この結果、上記ａ相、ｂ相、ｃ相の信号出力は、略々台形波状になってしまう。位置検出装置においては、高精度な位置信号を得るためにＳ／Ｎ比を高くする必要があることから、信号出力が略々台形波状になることは否めない。
【００４４】
ＭＲ素子４４から出力されたａ相、ｂ相、ｃ相の３相信号は、各々１２０度の位相差を有している。そして、これら信号は、基本的に正の３相信号であり、図１５に第４の実施形態として示した位置検出回路によって内挿処理を行うことにより、高精度かつ高分解能な位置情報を得るようにしている。即ち、ＭＲ素子４４から出力されたａ相、ｂ相、ｃ相の３相信号は、３組の増幅回路５０によって各々増幅される。この増幅回路５０の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路５１によってデジタル変換した後に、内挿回路５２によって内挿位置情報としての角度θが求められる。
【００４５】
内挿回路５２内には、図１０において示した演算回路３０と同様に、デジタル式の減算器および加算器が備えられ、一方の減算器において［ａ相−ｂ相］の演算を行い、加算器において［ａ相＋ｂ相］の演算を行い、更に、他方の減算器において［ａ相＋ｂ相−２ｃ相］の演算を行うことにより、９０度の位相差を有する正弦波状のＵ相およびＤ相の出力信号を得る。このＵ相およびＤ相の出力信号は、内挿回路１４によって、θ＝ｔａｎ^−１（Ｕ／Ｄ）が演算され、位置情報としての角度θが求められる。この結果、前述した図８に示すリサージュ波形図のように、内挿位置情報を得るようにしている。尚、３組の増幅回路５０から出力されるａ相、ｂ相、ｃ相の３相信号は、前述したＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相信号と等価であり、置換可能である。
【００４６】
上述した磁電変換素子４３としては、ＭＲ素子の他に、多チャンネルの磁気ヘッドを使用しても良い。
【００４７】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形可能である。例えば、第１の実施形態において、光学スケール目盛を設けたスケール板を工作機械やロボット、或いは計測機器等の可動部に設置し、この可動部と共に移動させるようにしたが、逆に、スケール板を固定し、前述した固定格子および光電変換素子を上記可動部に設置して移動させる等、両者は相対的な移動によって３相信号が得られるように構成しても良い。また、前述した磁気式位置検出装置においても、磁気スケール目盛を着磁記録した回転体を平面に形成して固定し、磁電変換素子を移動させる直線変移検出装置としても良い。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１にかかる位置検出装置は、センサの出力信号から各々１２０度の位相差を有する少なくとも第３次高調波を含む略正弦波状のＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる３相の信号を演算回路に各々入力して、Ｒ相−Ｓ相、Ｓ相−Ｔ相、Ｔ相−Ｒ相を計算することにより、上記演算回路からＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得ることができる。また、センサの出力信号やＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる３相の信号に同程度の直流ドリフトがあっても、演算回路により演算処理することによって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の直流ドリフトも同時に大幅に減少させることが可能となる。更に、Ｓ／Ｎ比を向上するために高調波成分が大きくなっても、演算回路により除去されるので、Ｓ／Ｎ比の高い位置検出装置を提供することができる。
【００４９】
また、本発明の請求項２にかかる位置検出装置は、３個の変換素子から各々１２０度の位相差を有する正の３相信号と、各々１８０度の位相差を有する負の３相信号が得られるように変換部を配列したことにより、これらの正負の３相信号を演算回路に入力することによって第３次高調波が除去された正弦波状の３相信号を得ることが可能になる。
【００５０】
さらに、本発明の請求項３にかかる位置検出装置は、３個の変換素子から得られた出力信号に基づいて１２０度の位相差を有するＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相出力信号を求めて演算回路に入力することにより演算処理を行うので、センサとして正の３相出力信号が得られれば良いので、センサの構成を簡略化できると共に小型化できる。
【００５１】
一方、本発明の請求項４にかかる位置検出装置は、光学式の位置検出装置として、光を透過または反射する光学スケール目盛と、各々１２０度の位相差を有する３組の光電変換素子を備えることによって、少なくともａ相、ｂ相、ｃ相の３相出力信号を容易に得ることができる。
【００５２】
また、本発明の請求項５にかかる位置検出装置は、スケールに磁気記録した等間隔ピッチの磁気スケール目盛を読みとる３組の磁電変換素子を備えた磁気式の位置検出装置を構成することによって、少なくともａ相、ｂ相、ｃ相の正の３相出力信号を容易に得ることができる。
【００５３】
さらに、本発明の請求項６にかかる位置検出装置は、演算回路によって計算された第３次高調波を除去したＶ相、Ｗ相の信号からＵ相信号と９０度の位相差を有するＤ相信号を得ることにより、内挿回路において計算することができるので容易に位置情報を得ることができることから、高精度かつ高分解能な位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置検出装置における第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の位置検出装置における光透過式の位置検出装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の位置検出装置における光電変換素子の受光素子アレイを示すレイアウト図である。
【図４】本発明の位置検出装置における固定格子の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における電流電圧変換回路の出力波形を示す波形図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における演算回路の出力波形を示す波形図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における内挿回路に入力する信号波形を示す波形図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における位置情報を計算するためのリサージュを示す波形図である。
【図９】本発明の位置検出装置における光反射式の位置検出装置の構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の位置検出装置における第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】本発明の位置検出装置における磁気式の位置検出装置の構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の位置検出装置における第３の実施形態として磁気式位置検出装置の磁電変換素子の構成を示すレイアウト図である。
【図１３】図１２に示す磁電変換素子における磁気抵抗ストライプの接続を示す回路図である。
【図１４】図１２に示す磁電変換素子から出力される出力波形を示す波形図である。
【図１５】本発明の位置検出装置における第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１６】従来の光学式光透過式の位置検出装置の構成を示す説明図である。
【図１７】図１６に示す位置検出装置における回折格子を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 光学式位置検出装置
２ スケール板
３ 光学スケール目盛
６ 固定格子
７ 光電変換素子
１０ 電流電圧変換回路
１１ 演算回路
１２ Ａ／Ｄ変換回路
１３ 内挿回路
４０ 磁気式位置検出装置
４２ 磁気スケール目盛
４３ 磁電変換素子

Claims (6)

1. スケール上に記録された信号を読みとって３相信号として出力するセンサと、このセンサに基づいて位置検出信号を得る位置検出装置であって、
   上記位置検出装置は、上記センサの出力信号から各々１２０度の位相差を有する少なくとも第３次高調波を含む略正弦波状のＲ相、Ｓ相、Ｔ相からなる３相の信号を各々入力してＲ相−Ｓ相、Ｓ相−Ｔ相、Ｔ相−Ｒ相を計算することにより、上記第３次高調波を除去したＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる正弦波状の３相信号を出力する演算回路を備えたことを特徴とする位置検出装置。
2. 上記スケールは、等間隔ピッチに記録したスケール目盛を有し、上記スケール目盛には上記スケール目盛との間で相対的に移動したときに読みとる各々１２０度の位相差を有した３組の変換素子を対向配置させ、この３組の変換素子は、各々１８０度の位相差を有する正の変換部と負の変換部を移動方向に配列し、上記正の変換部と負の変換部から出力される＋ａ相、＋ｂ相、＋ｃ相からなる正の３相信号と−ａ相、−ｂ相、−ｃ相からなる負の３相信号から、Ｒ相＝（＋ａ）−（−ａ）、Ｓ相＝（＋ｂ）−（−ｂ）、Ｔ相＝（＋ｃ）−（−ｃ）により求められるＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相の信号を前記演算回路に加えた請求項１記載の位置検出装置。
3. 上記スケールは、等間隔ピッチに記録したスケール目盛を有し、上記スケール目盛との間で相対的に移動したときに読みとる各々１２０度の位相差を有した３組の変換素子を対向配置させ、前記演算回路には上記３組の変換素子から出力する＋ａ相、＋ｂ相、＋ｃ相からなる３相信号を加えた請求項１記載の位置検出装置。
4. 上記スケールは、光を透過または反射する等間隔ピッチに記録した光学スケール目盛を有し、この光学スケール目盛との間で相対的に移動したときに上記光を読みとる３組の光電変換素子を備えた請求項１乃至３記載の位置検出装置。
5. 上記スケールは、等間隔ピッチに磁気記録した磁気スケール目盛を有し、この磁気スケール目盛を読みとる３組の磁電変換素子とを備えた請求項１乃至３記載の位置検出装置。
6. 前記演算回路によって計算された各々１２０度の位相差を有するＶ相、Ｗ相の信号から、Ｄ＝（Ｖ−Ｗ）／√３を計算してＤ相の出力信号を出力する演算器と、９０度の位相差を有する正弦波信号と余弦波信号からなる上記Ｄ相信号と上記Ｒ相信号から位置情報を計算する内挿回路とを備えた請求項１記載の位置検出装置。

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