JP2010164541A - 処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に、振幅変調性のノイズの影響を補正可能な位置または角度の演算方法の提供。
【解決手段】信号処理装置ＳＰは、第１演算部１０にて検出装置から提供される第１正位相信号Ａ、第１逆位相信号Ａ’、第１正位相信号Ａに対して位相が異なる第２正位相信号Ｂ、および、第２逆位相信号Ｂ’からコサイン信号（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）とサイン信号（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）を算出し、第２演算部２０にて前記コサイン信号および前記サイン信号に誤差補正処理をし、検出対象物の位置又は角度を演算・誤差補正する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置から提供される周期信号に基づいて該検出対象物の位置又は角度を演算する信号処理装置に関する。

検出対象物の位置または角度を計測する目的で、エンコーダおよびレーザ干渉計などの検出装置が使用される。検出装置は、検出対象物の位置または角度に応じて位相が変化する互いに９０°の位相差を有する正弦波状の周期信号を出力する。検出装置から出力される互いに９０°の位相差を有する周期信号をアークタンジェント演算することにより検出対象物の位置は角度を精密に検出することができる。

検出装置から出力される周期信号は、通常は、理想的な正弦波とは異なり、オフセット誤差、振幅誤差、位相差誤差などの誤差成分を含む。特許文献１には、このような誤差成分を補正する技術が開示されている。

検出装置とそれから出力される周期信号を処理する信号処理装置とを接続する伝送ラインにおいて該周期信号にノイズが重畳されうる。このようなノイズを除去するために、周期信号として正位相信号および逆位相信号を伝送し、受信側で正位相信号から逆位相信号を差し引く技術が使用されている。この技術によれば、正位相信号を伝送する伝送ラインと逆位相信号を伝送する伝送ラインとに同じように重畳されるノイズをキャンセルすることができる。正逆の位相信号は、同一の信号を反転増幅することによっても生成することができるが、正逆の位相信号を出力するために２つの検出器を設けることもできる。
米国特許第４４５８３２２号明細書 米国特許第５５８１４８８号明細書 特許第２７９０８６２号公報

ところで、エンコーダおよびレーザ干渉計などの検出装置から出力される周期信号には、振幅変調性のノイズが含まれる。振幅変調性のノイズは、例えば、光源強度の変動、受光回路および該受光回路から出力される信号を増幅するための電子回路の電源電圧に印加されるノイズによって発生しうる。

振幅変調性のノイズは、アークタンジェント演算においては、２つの周期信号の値の比が計算されるので、結果に影響を与えない。しかし、オフセット誤差や振幅誤差を補正するための周期信号のピーク値は、振幅変調性のノイズに対して敏感である。オフセット誤差や振幅誤差を補正する技術としては、多数のピーク値を採取して指数平滑化するなどの手段でランダムノイズ分を抑制する技術が知られている（特許文献２、３）。しかしながら、多数のピーク値を採取するためには移動距離が大きくなり、局所的なオフセット変動や振幅変動に誤差補正装置が追従することができないという問題がある。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、高精度かつ高速に検出対象物の位置または角度を演算するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、信号処理装置に係り、前記信号処理装置は、検出対象物の位置又は角度を検出するための検出装置から提供される第１正位相信号（Ａ）、前記第１正位相信号（Ａ）に対して逆位相の第１逆位相信号（Ａ’）、前記第１正位相信号（Ａ）に対して位相が異なる第２正位相信号（Ｂ）、および、前記第２正位相信号（Ｂ）に対して逆位相の第２逆位相信号（Ｂ’）に基づいて前記検出対象物の位置又は角度を演算するように構成され、コサイン信号として（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）を演算し、サイン信号として（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）を演算する第１演算部と、前記コサイン信号および前記サイン信号に基づいて検出対象物の位置又は角度を演算する第２演算部とを備える。

本発明によれば、例えば、高精度かつ高速に検出対象物の位置または角度を演算するために有利な技術が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態の信号処理装置の概略構成を示す図である。本発明の好適な実施形態の信号処理装置ＳＰは、検出対象物の位置または角度を検出する検出装置（例えば、エンコーダ、レーザ干渉計）から提供される周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’を受信する。周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’は、該検出対象物の位置または角度に応じて位相が変化する信号である。ここで、周期信号ＡとＢとは、互いに位相差（理想的には９０°の位相差）を有する正弦波状の信号である。また、周期信号Ａ’、Ｂ’は、それぞれ周期信号Ａ、Ｂの逆相の信号（周期信号Ａ、Ｂに対して１８０°の位相差を有する信号）である。周期信号Ａを第１正位相信号、周期信号Ａ’を第１逆位相信号、周期信号Ｂを第２正位相信号、周期信号Ｂ’を第２逆位相信号として考えることができる。

これらの周期信号は、検出装置においてそれぞれ異なる受光器によって検出される信号であり、適切な光学系の設計により、それぞれの受光器によって、検出対象物の位置または角度の変化に応じて、図２に例示するような周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’が検出される。ここで、図２の下端は信号のゼロレベル（即ち、光が全く入射しないときの信号レベル）であり、図２の上端は信号の最大レベル（即ち、電子回路における設計上の最大レベル）である。

周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’に対して振幅変調性のノイズｅが重畳されると、周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’は、図２に示す信号の値に係数（１＋ｅ）が乗じられた値に変化する。ここで、ｅは、ノイズを示す正負の微小な値であり、さまざまな周波数成分を含むランダムな値でありうる。振幅変調性のノイズは、例えば、検出装置における光源強度および電源電圧の変動により生じうるので、同じ値の係数が全ての周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’に重畳されうる。

ここで、一例として、検出装置において、周期信号Ｂに対応する受光器の感度または該受光器の出力を増幅するアンプの増幅率が低い場合を考える。この場合、周期信号Ｂは、例えば、図２にＢ”（点線）として例示するように比例的に減少しうる。このような信号Ｂ”をそのまま処理したのでは振幅変調性のノイズを効果的に除去することができないので、信号処理装置ＳＰの初段で増幅率を調整して他の周期信号の振幅と同レベルにすることが好ましい。

図１に示す信号処理装置ＳＰにおいて、振幅補正部を構成する振幅補正器１−１〜１−４は、検出装置の受光器間の感度差やアンプ間の増幅率の差を補償する。振幅補正器１−１〜１−４は、周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’の振幅を相互に一致させるように該振幅を補正した周期信号を出力する。例えば、検出装置と信号処理装置ＳＰとの組み合わせが決まっている場合には、トリマー（半固定可変抵抗器）やレーザトリミングなどの手段によって振幅補正器１−１〜１−４の増幅率を調整することができる。また、信号処理装置ＳＰにどのような検出装置が接続されるか不定である場合には、例えば、デジタルトリマを用いて振幅補正器１−１〜１−４の増幅率を個別に調整することが好ましい。あるいは、ＡＤ変換器２−１〜２−４によるＡＤ変換後のデジタルデータに定数を乗算することによって振幅を補正する乗算器を追加してもよい。

説明の簡単化のために、以下では、振幅補正器１−１〜１−４によって振幅が補正された後の周期信号についても、更には、それらをＡＤ変換器２−１〜２−４によってデジタルデータに変換した後の周期信号についても、周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’と表記する。

振幅補正器１−１〜１−４から出力された振幅補正器１−１〜１−４は、ＡＤ変換器２−１〜２−４によりデジタル信号に変換され、以後の処理がデジタルデータに変換され、デジタル信号処理部ＤＳＰによって処理される。デジタル信号処理部ＤＳＰは、例えば、専用の回路によって、または、マイクロプロセッサにソフトウエアを組み込むことにより、または、フィールド・プログラマブル・ゲートアレー（ＦＰＧＡ）をプログラムすることにより、構成されうる。

デジタル信号処理部ＤＳＰは、第１演算部１０と第２演算部２０とを含む第１演算部１０は、コサイン信号として（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）を演算し、サイン信号として（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）を演算する。第２演算部２０は、前記コサイン信号および前記サイン信号に基づいて検出対象物の位置又は角度を演算する。

第１演算部１０は、減算器３−１、３−２、加算器４−１、４−２、除算器５−１、５−２を含む。減算器３−１は、デジタルデータに変換された周期信号Ａ、Ａ’を入力として、周期信号ＡとＡ’の差である（Ａ−Ａ’）を演算する。加算器４−１は、デジタルデータに変換された周期信号Ａ、Ａ’を入力として、周期信号ＡとＡ’の和である（Ａ＋Ａ’）を演算する。除算器５−１は、（Ａ−Ａ’）と（Ａ＋Ａ’）を入力として、それらの比である（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）＝ａを演算する。減算器３−２は、デジタルデータに変換された周期信号Ｂ、Ｂ’を入力として、周期信号ＢとＢ’の差である（Ｂ−Ｂ’）を演算する。加算器４−２は、デジタルデータに変換された周期信号Ｂ、Ｂ’を入力として、周期信号ＢとＢ’の和である（Ｂ＋Ｂ’）を演算する。除算器５−２は、（Ｂ−Ｂ’）と（Ｂ＋Ｂ’）を入力として、それらの比である（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）＝ｂを演算する。

ここで、周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’に対して振幅変調性のノイズｅが重畳されている場合、即ち、周期信号Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’に対して（１＋ｅ）が乗じられている場合を考える。以下の式から明らかなように、除算器５−１、５−２から出力される信号ａ、ｂからは、ノイズｅが除去されている。

｛（１＋ｅ）Ａ−（１＋ｅ）Ａ’｝／｛（１＋ｅ）Ａ＋（１＋ｅ）Ａ’｝＝（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）＝ａ
｛（１＋ｅ）Ｂ−（１＋ｅ）Ｂ’｝／｛（１＋ｅ）Ｂ＋（１＋ｅ）Ｂ’｝＝（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）＝ｂ
ここで、ａは、正弦波状の周期信号であり、コサイン信号として考えることができ、ｂは、ａと９０°の位相差を有する正弦波状の周期信号であり、サイン信号として考えることができる。

第２演算部２０は、除算器５−１、５−２からそれぞれ出力されるコサイン信号ａ、サイン信号ｂを入力として公知の手法に従って補正演算およびアークタンジェント演算を行う。図１には、第２演算部２０の一構成例が示されている。第１誤差補正器６−１は、誤差推定値を用いてコサイン信号ａの誤差を補正して補正コサイン信号を生成する。第２誤差補正器６−２は、誤差推定値を用いてサイン信号ｂの誤差を補正して補正サイン信号を生成する。多くの場合、コサイン信号ａ、サイン信号ｂのそれぞれにおける正負のアンバランス分であるオフセット誤差と、コサイン信号ａ、サイン信号ｂ間の振幅の差である振幅誤差がこの段階で除去される。

以下、第２演算部２０の動作を更に詳細に説明する。第１、第２誤差補正器６−１、６−２は、コサイン信号ａ、サイン信号ｂを入力として、推定されるオフセット誤差Ｚ_Ａ、Ｚ_Ｂと振幅Ｇ_Ａ、Ｇ_Ｂに基づいて、次式に従って、誤差が補正されたコサイン信号Ａ^＊、サイン信号Ｂ^＊を生成する。

Ａ^＊＝（ａ−Ｚ_Ａ）／Ｇ_Ａ
Ｂ^＊＝（ｂ−Ｚ_Ｂ）／Ｇ_Ｂ
位相演算器７は、誤差が補正されたコサイン信号Ａ^＊、サイン信号Ｂ^＊を用いてアークタンジェント演算（即ち、ａｔａｎ^−１（Ａ^＊／Ｂ^＊））を行って、検出対象物の位置または角度を示す情報を出力する。

ピーク値採取器８−１、８−２は、それぞれ、コサイン信号Ａ^＊、サイン信号Ｂ^＊の最大値および最小値を採取する。コサイン信号Ａ^＊は０°で最大値、１８０°で最小値となる。したがって、コサイン信号Ａ^＊の０°の値から１８０°の値を差し引くことにより（即ち、２Ｇ_Ａ ^＊を求めることにより）、コサイン信号Ａ^＊の振幅Ｇ_Ａ ^＊を推定することができる。また、最大値と最小値の平均がオフセット誤差Ｚ_Ａとなる。サイン信号は、９０°で最大値、２７０°で最小値となるため、同様の手順でサイン信号の誤差（振幅Ｇ_Ｂ ^＊、オフセット誤差Ｚ_Ａ ^＊）を推定することができる。

コサイン信号Ａ^＊は正規化信号であり、理想的にはＧ_Ａ ^＊は１、Ｚ_Ａ ^＊は０となる筈であるが、誤差補正部６−１、６−２が正規化演算に使用したオフセット誤差Ｚ_Ａ、Ｚ_Ｂと振幅Ｇ_Ａ、Ｇ_Ｂの推定値に誤差がある場合は、これらの理想的な値からの偏倚が生じうる。したがって、これら偏倚の全てもしくは一部を用いて正規化演算に使用するオフセット誤差Ｚ_Ａ、Ｚ_Ｂと振幅Ｇ_Ａ、Ｇ_Ｂの推定値を修正することにより、これらの推定値を常に正しい値に保つことができる。

前述のとおり、振幅変調性のノイズは、信号の比を用いる位相演算には影響を与えないが、ピーク値には影響を与える。このため、振幅変調性のノイズを除去しない場合には、誤差補正部がノイズの影響を受け、誤差補正を高い精度で行うことができない。多数のピーク値を平均化すればノイズの影響を抑制することができるが、この場合には誤差混入量の変動に対する応答性が悪化するという問題が生じる。

本発明の好適な実施形態によれば、振幅変調性のノイズをアークタンジェント演算の前に除去することで、精度と応答性の双方を高めることができる。このため、特に高い精度が要求される位置および角度の計測分野における精度改善の要求に幅広く応えることができる。また、振幅変調性のノイズを除去するための構成は、例えば、減算器、加算器および除算器のような単純な演算器で実現することができる。

なお、ここでは誤差補正技術の一例としてオフセット誤差と振幅誤差の補正について説明した。しかしながら、今日では他のさまざまな誤差を除去する技術が知られており、振幅変調性ノイズの除去はこれらのさまざまな誤差補正技術においても、精度と応答性を改善する効果があるものと期待される。

本発明の好適な実施形態の信号処理装置の概略構成を示す図である。 ２相の周期信号を例示する図である。

Claims (4)

1. 検出対象物の位置又は角度を検出するための検出装置から提供される第１正位相信号（Ａ）、前記第１正位相信号（Ａ）に対して逆位相の第１逆位相信号（Ａ’）、前記第１正位相信号（Ａ）に対して位相が異なる第２正位相信号（Ｂ）、および、前記第２正位相信号（Ｂ）に対して逆位相の第２逆位相信号（Ｂ’）に基づいて前記検出対象物の位置又は角度を演算する信号処理装置であって、
   コサイン信号として（Ａ−Ａ’）／（Ａ＋Ａ’）を演算し、サイン信号として（Ｂ−Ｂ’）／（Ｂ＋Ｂ’）を演算する第１演算部と、
   前記コサイン信号および前記サイン信号に基づいて検出対象物の位置又は角度を演算する第２演算部と、
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記第１正位相信号（Ａ）、前記第１逆位相信号（Ａ’）、前記第２正位相信号（Ｂ）、および、前記第２逆位相信号（Ｂ’）の振幅を相互に一致させる振幅補正部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記第２演算部は、
   前記コサイン信号の誤差を補正して補正コサイン信号を生成する第１誤差補正器と、
   前記サイン信号の誤差を補正して補正サイン信号を生成する第２誤差補正器と、
   前記補正コサイン信号および前記補正サイン信号に基づいてアークタンジェント演算を行う位相演算器とを含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 前記第１誤差補正器および前記第２誤差補正器は、オフセット誤差および振幅誤差を補正する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。

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