JP2010156554A

JP2010156554A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2010156554A
Application number: JP2008333513A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hayashi; 康一林
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-15

Abstract

【課題】より高精度に位置検出を行うことができる位置検出装置を提供する。
【解決手段】減算器８からの数値ＤＣＡと、乗算器１６からの数値ＤＣＢは、それぞれ２次高調波生成器２９，３０に入力される。２次高調波生成器２９，３０内では、数値ＤＣＡ，ＤＣＢの自乗演算により、信号ＤＣ，ＤＳに同期した２次高調波に相当する数値ＤＣＢ２，ＤＳＢ２をそれぞれ出力する。乗算器３３，３４では、記憶器３１，３２が記憶する数値ＤＣ２Ｊ，ＤＳ２Ｊとそれぞれ乗算され、信号ＤＣ，ＤＳに含まれる２次高調波とほぼ等しい数値ＤＣ２，ＤＳ２に振幅調整される。減算器３５，３６では、数値ＤＣＡ，ＤＳＣからそれぞれ数値ＤＣ２，ＤＳ２が除去され、数値ＤＣＢ，ＤＳＤとして出力される。数値ＤＣＢとＤＳＤは、内挿演算器１７により、回転軸１の高精密な回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定変位に対して正弦波状に変化する９０度位相の異なる２相の信号を出力とする位置センサからの出力信号を位置情報に変換する位置検出装置に関する。

従来、工作機械の主軸等の位置を検出するセンサとして、磁気を利用した位置センサが使用されていた。この位置センサは、軟磁性体からなる略円筒体の外周部に凹凸を付けたロータを回転軸に固定し、このロータ外周部のリラクタンス変化を電気信号に変換することにより位置検出を行う。このような位置センサは、位置検出に磁気を利用するため、水や油等に対する耐環境性に優れている。また、このような位置センサは、ホブ盤等の汎用の歯車加工機等を用いればサイズの異なるロータを容易に製造できる。換言すれば、サイズごとに専用の金型や、特殊な加工機を製作する必要がないというメリットがある。

ここで、図４、図５を用いて従来の位置検出装置について説明する。図４は従来の位置検出装置を示す図である。また、図５は、図４に図示した位置検出装置で用いられる信号処理回路の内挿処理動作を示すブロック図である。

図４において回転軸１に固定されたロータ２１は磁性体からなる歯車であり、外周部に波長λ＝１０度のピッチで１回転内に３６個の歯を有している。また、ロータ２１の３６個ある凸部（歯部）の一つには、磁性体から成る突起２２が固定されている。この突起２２は、原点を示すものである。また、ロータ２１の外周縁に近接する位置には、測定対象（モータ）の非回転部に固定されたプリント基板２３が配置されている。このプリント基板２３には、正弦波状の導体パターンから成る２種類の検出コイル、すなわち、検出コイル２４および検出コイル２５が形成されている。また、プリント基板２３には、原点を示すロータ２１上の突起２２を検出する検出コイル２６も形成されている。さらに、プリント基板２３の裏側には、１００ｋＨｚの交流電流Ｉ・ＳＩＮ（２０００００πｔ）を励磁コイル２８に流すことにより、交流励磁磁束をロータ２１側へ発生する電磁石２７が配置されている。

このような構成の位置センサでは、回転軸１が回転すると、ロータ外周部の凹凸によるリラクタンス変化により、交流磁束の大きさが変化し、検出コイル２４と検出コイル２５では、それぞれ回転変位θの余弦値と正弦値に振幅変調された起電圧ＳＣ，ＳＳが発生する。これらの信号は、信号処理回路に入力される。信号処理回路に入力された起電圧ＳＣ，ＳＳは、それぞれ増幅器３，４によって増幅され、信号ＡＣ，ＡＳとして出力される。図４の例では励磁信号の周波数は１００ｋＨｚなので、回転軸１の回転角をθ、出力信号の振幅をＧとすると、信号ＡＣ，ＡＳは次の式１，式２で表すことができる。

ＡＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）ＳＩＮ（２０００００πｔ）・・・式１
ＡＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）ＳＩＮ（２０００００πｔ）・・・式２

これらの信号ＡＣ，ＡＳは、タイミングコントローラ５からの励磁信号に同期して出力される周期１０μＳのパルス信号ＴＩＭにしたがって、それぞれＡＤ変換器６，７によりＳＩＮ（２０００００πｔ）＝１となるタイミングでサンプリングかつデジタル化され、それぞれ数値ＤＣ，ＤＳに変換される。したがって数値ＤＣ，ＤＳはそれぞれ下記式３，式４のように表すことができる。

ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）・・・式３
ＤＳ＝Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）・・・式４

以上から、図５に示した位置検出装置内の位置検出センサでは、測定変位の波長λ（１０度）のピッチで正弦波状に変化し、かつ、互いに位相が９０度異なる２相の信号を出力しているとみなすことができる。

ところで、ロータ２１や検出コイル２４，２５の設置状態や信号増幅器等の特性バラツキに起因して、上記デジタル化された２相の信号ＤＣ，ＤＳには、実際には、オフセット電圧ＣＯＦ，ＳＯＦや、２つの信号の位相差Ｐや振幅比Ｂが含まれる。そのため、前記式３，式４は厳密には次の式５，式６として表すことができる。

ＤＣ＝Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）＋ＣＯＦ・・・式５
ＤＳ＝Ｂ・Ｇ・ＳＩＮ（３６θ）＋Ｐ・Ｇ・ＣＯＳ（３６θ）＋ＳＯＦ・・・式６

通常、２相の信号ＤＣ，ＤＳを現信号のまま内挿処理を行うと、内挿精度が悪化してしまう。このため、図５の位置検出装置では、２相の信号ＤＣ，ＤＳに含まれるオフセット値ＣＯＦ，ＳＯＦや、２つの信号の位相差や振幅比を修正する位相修正値ＰＨＪ（＝Ｐ）と振幅修正値ＢＡＪ（＝１／Ｂ）は、位置検出装置の製造時に予め測定され、位置検出装置に搭載した不揮発性メモリ等に記憶させられ、電源投入時の位置検出開始前にそれぞれ記憶器１０，１１，１２，１３に設定される。減算器８，９では、数値ＤＣ，ＤＳからそれぞれ記憶器１０，１１が記憶するオフセット修正値ＣＯＦ，ＳＯＦが除去され、数値ＤＣＡ，ＤＳＡとなる。また、数値ＤＳＡは減算器１４で、記憶器１２が記憶する位相差修正値ＰＨＪ（＝Ｐ）と数値ＤＣＡを乗算した値が減算され、位相誤差成分が除去された数値ＤＳＢとなる。さらに、数値ＤＳＢは、乗算器１６で記憶器１３が記憶する振幅比修正値ＢＡＪ（＝１／Ｂ）と乗算され、数値ＤＣＡと振幅のほぼ等しい数値ＤＳＣとなる。数値ＤＣＡとＤＳＣは、内挿演算器１７で２変数を入力とする逆正接演算が行われ、回転軸１の１／３６回転内の高精密な回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。

なお、実際の位置検出装置では、位置信号ＩＰの変化を基にしたカウント処理等により、少なくとも回転軸１の１回転以上の位置データが求められ、モータ制御装置等へ出力される。また、図４では、高精密位置を検出する位置センサの他に、ロータ２１上の突起２２が検出コイル２６に近接すると、原点を示すアブソリュート位置信号を出力するアブソリュート位置センサが備えられている。このような位置検出装置では、原点を示すアブソリュート位置信号が出力されると、インクリメンタル処理用のカウント値を記憶し、記憶値を位置のオフセットとしてインクリメンタルカウント値から減算することで、それ以降は回転軸１の１回転内の回転位置をアブソリュート位置として検出することが可能である。

また、ロータ２１に下記特許文献１に示されるような、アブソリュートパターンを有する円板を付加し、プリント基板２３にこれらのアブソリュートパターンを読み取る複数のコイルを搭載した、アブソリュート位置センサを備える位置検出装置もあり、このような位置検出装置では、起動直後からアブソリュート位置を検出させることも可能である。

特開平４−１３６７１５号公報特開２００８−２３２６４９号公報

ここで、図４で示した従来の位置検出装置では、ホブ盤等の歯車加工機によって、任意のサイズのロータが容易に製造できる。しかし、ロータを歯車形状としているため、２次高調波歪による精度悪化の問題があった。すなわち、歯車形状では、歯の山の幅に対して、谷（歯溝）の幅が広い。そのため、位置の変位に対する磁束の強い領域と弱い領域の割合が不均等となり、ロータ外周部の磁束変化に含まれる２次高調波の割合が大きくなる。ただし、検出コイル２４，２５のような正弦波状の導体パターンを利用した位置センサでは、そのパターン形状により、２次高調波歪みの大部分をキャンセルできるため、これまでは２次高調波歪による精度悪化については、ほとんど問題とならなかった。しかし、近年、超高精度な位置検出が望まれるようになり、このキャンセルしきれずに残った２次高調波歪による精度悪化が無視できないレベルになってきた。

なお、２次高調波歪による位置検出誤差は、λあたり３サイクルおよび１サイクルでうねる内挿誤差となる。このうち、λあたり１サイクルのうねり誤差については、オフセット修正値ＣＯＦ，ＳＯＦの値を、２次高調波の割合だけ修正することにより、図５に示すような従来の位置検出装置でも内挿誤差を削減することが可能であった。しかし、２次高調波歪によるλあたり３サイクルの内挿誤差に対しては、従来の位置検出装置では削除することができなかった。

本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２つの変位信号に含まれる、２次高調波を除去することによって、より高精度で位置検出を行うことができ得る位置検出装置を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、可動部の変位に対応してλの波長で周期的に変化するとともに互いに位相が９０度異なる２相の信号を位置情報に変換する位置検出装置において、前記２相の信号それぞれを自乗した値から前記２相の信号の変化に同期した２次高調波をそれぞれ生成する２次高調波生成手段と、前記２相の信号それぞれに含まれる２次高調波の量を示す値を記憶する２次高調波量記憶手段と、前記２次高調波生成手段からの出力値に前記２次高調波の量を示す値をそれぞれ乗算した値を前記２相の信号からそれぞれ減算して出力する２次高調波除去手段と、前記２次高調波除去手段からの出力信号を位置情報に変換する内挿手段と、を具備することを特徴とする。

好適な態様では、前記内挿位置に対する前記２相の信号の自乗和の平方根の値をフーリエ解析した波長１／３λの成分に基づき、前記２相の信号に含まれる２次高調波量を検出し、当該２次高調波量を前記２次高調波の量を示す値として、前記２次高調波量記憶手段に記憶させる２次高調波量設定手段を具備する。

本発明によれば、測定変位に対して波長λのピッチで正弦波状に変化する９０度位相の異なる２相の信号から、それぞれの信号に対応する２次高調波信号を生成することができる。また、予め記憶する２相の信号に含まれる２次高調波の割合を示す数値により、生成した２次高調波信号を、２相の信号に含まれる２次高調波と同じ量に変換してから、それぞれ２相の信号から減算することにより、２相の信号に含まれる２次高調成分を削除できる。これによって、２次高調波歪みによって生じる内挿誤差を削除した位置検出装置を実現することができる。

その他、２相信号の自乗和の平方根の値をフーリエ解析した波長１／３λの成分に基づき、２相の信号に含まれる２次高調波歪みを高精度に検出し、２次高調波量記憶器に設定できる。このため、位置センサやロータ等を交換し、２次高調波歪の割合が変わった場合でも、高精度な位置検出を行うことが可能である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態である位置センサに用いられる信号処理回路を示すブロック図である。なお、信号処理回路以外の構成は、図４に図示した従来技術と、ほぼ同様であるため、ここでの詳説は省略する。また、この図１において、図４又は図５と同じ機能のものは同じ符号を付与し、その説明を省略する。また、図２は、図１の２次高調波生成器２９の動作を示すブロック図である。

本実施形態において、減算器８からの出力信号、すなわち、信号ＤＳからオフセットが除去された信号を示す数値ＤＣＡは、２次高調波生成器２９に入力される。また、乗算器１６からの出力信号、すなわち、信号ＤＳからオフセットと位相誤差成分が除去され、振幅修正された信号を示す数値ＤＣＢは、２次高調波生成器３０に入力される。図２に示すように２次高調波生成器２９内では、自乗演算器３７により信号ＤＣＡの自乗演算が行われ、数値ＤＣＡ２が出力される。この時、数値ＤＣＡ２は、式５からＣＯＦを除去した値の自乗であることから、式７で表すことができる。
ＤＣＡ２＝Ｇ^２／２・（ＣＯＳ（２・３６θ）＋１）・・・式７

記憶器３８には、予め信号ＤＣの振幅Ｇの自乗の半分の値ＤＯＦ（＝Ｇ^２／２）が記憶されている。減算器３９では、数値ＤＣＡ２から記憶器３８が記憶する数値ＤＯＦを減算することにより、式８のように信号ＤＣに同期した２次高調波に相当する数値ＤＣＢ２を出力する。
ＤＣＢ２＝Ｇ^２／２・（ＣＯＳ（２・３６θ））・・・式８

２次高調波生成器３０内でも、２次高調波生成器２９と同様な処理が行われ、ほぼ信号ＤＳに同期した２次高調波に相当する数値ＤＳＢ２を出力する。

記憶器３１，３２は、それぞれ信号ＤＣ，ＤＳに含まれる２次高調波量の２倍の数を振幅Ｇの自乗で割った数値ＤＣ２Ｊ，ＤＳ２Ｊが予め製造時に測定し設定されている。信号ＤＣ，ＤＳに同期した２次高調波にそれぞれ相当する数値ＤＣＢ２，ＤＳＢ２は、乗算器３３，３４により、記憶器３１，３２が記憶する数値ＤＣ２Ｊ，ＤＳ２Ｊとそれぞれ乗算され、信号ＤＣ，ＤＳに含まれる２次高調波とほぼ等しい数値ＤＣ２，ＤＳ２に振幅調整される。減算器３５，３６では、数値ＤＣＡ，ＤＳＣからそれぞれ数値ＤＣ２，ＤＳ２が除去され、数値ＤＣＢ，ＤＳＤとして出力される。以上のことから数値ＤＣＢは、信号ＤＣに含まれるオフセットと２次高調波が除去された数値となる。また、数値ＤＳＤは、信号ＤＳに含まれるオフセットと位相差と２次高調波が除去され、さらに振幅比が修正された数値となる。数値ＤＣＢとＤＳＤは、内挿演算器１７で２変数を入力とする逆正接演算が行われ、回転軸１の１／３６回転内の高精密な回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。

以上の説明から明らかなとおり、本実施形態では、２相の信号ＤＣ，ＤＳに含まれる２次高調波を除去した信号を用いて内挿処理を行うため、より高精度な位置検出装置を実現することができる。

次に、他の実施形態について図３を参照して説明する。図３は、図１を用いて説明した位置検出装置を、さらに改良した本発明の他の実施形態を説明する信号処理回路のブロック図である。この図３において、図１および図５と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。

この実施形態では、信号処理回路に、さらに、半径演算器１８やＦＦＴ処理部１９、移動量検出器２０などが設けられる。半径演算器１８は、数値ＤＣＡ，ＤＳＣを、それぞれ自乗した値の和の平方根を示す数値Ｒ（Ｒ＝（ＤＣＡ^２＋ＤＳＣ^２）^１／２）を出力する。ＦＦＴ処理部１９は、位置信号ＩＰの変化から１／３２λごとに信号Ｒをサンプリングし、ロータ２１がλ分可動するたびに３２ポイントの信号Ｒについて高速フーリエ変換を行なう。また、ＦＦＴ処理部１９では、３次の成分である波長λ／３の余弦成分を０次成分の自乗で除算した数値ＤＣ２ＪＦと、波長λ／３の正弦成分を０次成分の自乗で除算した数値ＤＳ２ＪＦを出力する。

なお、波長λ／３の余弦成分の半分の値と波長λ／３の正弦成分の半分の値は、数値ＤＣＡと数値ＤＳＣに含まれる２次高調波量とほぼ等しいことが知られている。また、０次成分はλ分可動した時の数値ＤＣＡ，ＤＳＣの平均振幅で数値Ｇとほぼ等しい。以上から、数値ＤＣ２ＪＦと数値ＤＳ２ＪＦは、数値ＤＣＡと数値ＤＳＣに含まれる２次高調波良の２倍の数を振幅Ｇの自乗で割った数値と同じ値となる。移動量検出器２０は、位置信号ＩＰの変化からロータ２１がλ分可動するたびに記憶器４１，４２へ記憶指令ＳＥＴを出力する。記憶器４１，４２は、それぞれ数値ＤＣ２ＪＦ，ＤＳ２ＪＦを記憶指令ＳＥＴが入力されるごとに記憶する。記憶器４１，４２が記憶した数値ＤＣ２ＪＦ，ＤＳ２ＪＦは、図１の記憶器３２，３３と同様に、それぞれ乗算器３３，３４に入力される。以上より、図１の信号処理回路と同様に数値ＤＳＤは、信号ＤＳに含まれるオフセットと位相差と２次高調波が除去され、さらに振幅比が修正された数値となる。数値ＤＣＢとＤＳＤは、内挿演算器１７で２変数を入力とする逆正接演算が行われ、回転軸１の１／３６回転内の高精密な回転量を示す位置信号ＩＰに変換される。

以上の説明から明らかな通り、図３に図示した位置検出装置では、回転軸が回転すれば、ほぼリアルタイムに、信号ＤＣ，ＤＳに含まれる２次高調波量を同定しながら、それぞれの２次高調波を除去している。これにより、ロータやセンサユニットが交換されても、常に２次高調波によって発生する内挿誤差を削減した位置検出装置を実現できる。

なお、図２の２次高調波生成器２９の記憶器３８に記憶する信号ＤＣの振幅Ｇの自乗の半分の値ＤＯＦは、予め設定せずとも、図３の半径演算器１８の出力値Ｒや、ＦＦＴ処理部１９で検出した０次成分を振幅Ｇとして設定してもよい。また、２相信号に含まれる２次高調波の量を示す値をそれぞれ記憶する記憶器４１，４２へ設定する値は、回転軸λの整数倍もしくは、１回転あたりの、２相信号に含まれる波長λ／３の成分も基づいて設定してもよい。

本発明の実施形態で用いられる信号処理回路のブロック図である。図１の２次高調波生成器２９の動作を示すブロック図である。本発明の他の実施形態で用いられる信号処理回路のブロック図である。従来の位置検出装置を示す図である。従来の位置検出装置で用いられる信号処理回路の内挿処理動作を示すブロック図である。

符号の説明

１回転軸、２信号処理回路、３，４増幅器、５タイミングコントローラ、６，７ＡＤ変換器、８，９，１４，３５，３６，３９減算器、１０，１１，１２，１３，３１，３２，３８記憶器、１５，１６，３３，３４乗算器、１７内挿演算器、１８半径演算器、１９ＦＦＴ処理部、２０移動量検出器、２１ロータ、２２原点を示す突起、２４，２５，２６検出コイル、２７電磁石、２８励磁コイル、２９，３０２次高調波生成器。

Claims

可動部の変位に対応してλの波長で周期的に変化するとともに互いに位相が９０度異なる２相の信号を位置情報に変換する位置検出装置において、
前記２相の信号それぞれを自乗した値から前記２相の信号の変化に同期した２次高調波をそれぞれ生成する２次高調波生成手段と、
前記２相の信号それぞれに含まれる２次高調波の量を示す値を記憶する２次高調波量記憶手段と、
前記２次高調波生成手段からの出力値に前記２次高調波の量を示す値をそれぞれ乗算した値を前記２相の信号からそれぞれ減算して出力する２次高調波除去手段と、
前記２次高調波除去手段からの出力信号を位置情報に変換する内挿手段と、
を具備することを特徴とする位置検出装置。
前記内挿位置に対する前記２相の信号の自乗和の平方根の値をフーリエ解析した波長１／３λの成分に基づき、前記２相の信号に含まれる２次高調波量を検出し、当該２次高調波量を前記２次高調波の量を示す値として、前記２次高調波量記憶手段に記憶させる２次高調波量設定手段を具備することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。