JP2016038228A - Displacement measurement device, signal processing device, and signal processing method - Google Patents

Displacement measurement device, signal processing device, and signal processing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement measurement device capable of generating as much accurate signal as possible and heightening measurement accuracy, and a signal processing device and a signal processing method that are used therein.SOLUTION: A displacement measurement device 100 includes an encoder unit 10 and a signal processing device 30. The signal processing device 30 is provided with an AD conversion unit 31, a standardization unit 33, an inverse trigonometric function calculation unit 35, a change amount calculation unit 37, and a displacement calculation unit 39. A sinusoidal signal generated by the encoder unit 10 is standardized by the standardization unit 33, and calculation pertaining to the amplitude value of the signal can thereby be simplified. Also, a triangular wave signal including a linear area can be obtained by the inverse trigonometric function calculation of the inverse trigonometric function calculation unit 35. Due to the fact that the change amount calculation unit 37 calculates a change amount per prescribed time of the signal in the linear area, the displacement measurement device 100 can generate an accurate signal and perform high-accuracy measurement.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直線距離の変位や回転角の変位等を計測する変位計測装置、これに使用される信号処理装置、およびその信号処理方法に関する。   The present invention relates to a displacement measuring device that measures a displacement of a linear distance, a displacement of a rotation angle, and the like, a signal processing device used therefor, and a signal processing method thereof.

リニアエンコーダやロータリエンコーダは、スケールの移動に応じた信号を生成する機器である。例えば特許文献1に記載の光学式の寸法測定装置は、移動スケールと、互いの位相がπ/2異なる2個の固定スケールを用い、位相がπ/2異なる2相の正弦波信号を検出する。この寸法測定装置は、2相信号の位相の進み遅れの関係を判定し、移動スケールの移動方向を検出する。また、この寸法測定装置は、カウンター部による移動スケールの格子個数をカウントすることで、その格子の1ピッチ分距離にカウント数を乗算して移動距離を測定する。なお、この寸法測定装置は、2相信号の振幅を±1の正弦波信号に規格化する規格化処理部を有している(例えば、特許文献1の明細書段落[0019]、[0021]等を参照。)。   A linear encoder or a rotary encoder is a device that generates a signal according to movement of a scale. For example, an optical dimension measuring apparatus described in Patent Document 1 uses a moving scale and two fixed scales having a phase difference of π / 2 and detects a two-phase sine wave signal having a phase difference of π / 2. . This dimension measuring device determines the relationship between the phase advance and delay of the two-phase signal and detects the moving direction of the moving scale. In addition, this dimension measuring apparatus counts the number of grids of the moving scale by the counter unit, and multiplies the distance for one pitch of the grid by the count number to measure the moving distance. This dimension measuring apparatus has a normalization processing unit that normalizes the amplitude of the two-phase signal to a sine wave signal of ± 1 (for example, paragraphs [0019] and [0021] in the specification of Patent Document 1). Etc.).

特許文献2に記載の角度計算装置は、3相光学エンコーダ、デジタル処理回路(DSP)等を備える。角度計算装置は、3相光学エンコーダにより得られる、120°ずつ位相が異なる3相の正弦波信号に基づき、DSPにより回転子の角度情報および回転方向を得る。具体的には、DSPは、角度情報を得るために、逆三角関数の計算を実行する(例えば、特許文献2の明細書段落[0013]等を参照。)。   The angle calculation device described in Patent Document 2 includes a three-phase optical encoder, a digital processing circuit (DSP), and the like. The angle calculation device obtains the angle information and rotation direction of the rotor by the DSP based on the three-phase sine wave signals obtained by the three-phase optical encoder and having phases different by 120 °. Specifically, the DSP performs calculation of an inverse trigonometric function in order to obtain angle information (see, for example, paragraph [0013] in the specification of Patent Document 2).

特開平11-271026号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-271026 特開2009-063332号公報JP 2009-063332 JP

エンコーダによる計測では、できるだけ計測誤差を減らして計測精度を高めることが望まれる。   In measurement using an encoder, it is desired to reduce measurement errors as much as possible to increase measurement accuracy.

本発明の課題は、できるだけ正確な信号を生成して計測精度を高めることができる変位計測装置、これに使用される信号処理装置および信号処理方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a displacement measuring device capable of generating a signal as accurate as possible to increase measurement accuracy, a signal processing device and a signal processing method used therefor.

上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る変位計測装置は、エンコーダ部と、規格化部と、逆三角関数演算部と、変化量演算部とを具備する。
前記エンコーダ部は、スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するように構成される。
前記規格化部は、前記エンコーダ部により生成された信号を規格化するように構成される。
前記逆三角関数演算部は、前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算するように構成される。
前記変化量演算部は、前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算するように構成される。
この変位計測装置は、信号を規格化することにより信号の振幅値に関する演算を単純化し、また、逆三角関数演算によりリニアな領域を含む信号を得ることができる。そして、変化量演算部により、そのリニアな領域の信号の所定時間ごとの変化量を演算することにより、変位計測装置は、正確な信号を生成して高精度な計測を行うことができる。
In order to solve the above problems, a displacement measuring apparatus according to an aspect of the present invention includes an encoder unit, a normalization unit, an inverse trigonometric function calculation unit, and a change amount calculation unit.
The encoder unit includes a scale and a detector, and is configured to generate a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector.
The normalization unit is configured to normalize the signal generated by the encoder unit.
The inverse trigonometric function calculation unit is configured to calculate an inverse trigonometric function of the signal normalized by the normalization unit.
The change amount calculation unit is configured to calculate a change amount per predetermined time of the signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit.
This displacement measuring apparatus simplifies the calculation related to the amplitude value of the signal by standardizing the signal, and can obtain a signal including a linear region by the inverse trigonometric function calculation. Then, by calculating the change amount of the signal in the linear region every predetermined time by the change amount calculation unit, the displacement measuring device can generate an accurate signal and perform highly accurate measurement.

前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成してもよい。
これにより、複数のアナログ信号のうち適切な信号を選択できたり、あるいは、後述するように期間ごとの象限分けにより、変位方向の情報を得ることができる。
The encoder unit may generate a plurality of signals having different phases.
Thereby, an appropriate signal can be selected from a plurality of analog signals, or information on the displacement direction can be obtained by quadrant division for each period as described later.

前記変位計測装置は、抽出部をさらに具備してもよい。前記抽出部は、前記変化量演算部により演算された前記複数の信号の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか1つを抽出するように構成される。
これにより、外乱の影響で信号にノイズが含まれていても、そのノイズを除去することができ、高精度な計測が可能となる。例えば、前記抽出部は、前記最大値を抽出してもよい。
The displacement measuring device may further include an extraction unit. The extraction unit acquires the absolute values of the plurality of signals calculated by the change amount calculation unit, and among the acquired absolute values at the same time, is greater than a minimum value and includes a maximum value, It is configured to extract any one of the values from the minimum value to the maximum value.
Thereby, even if noise is included in the signal due to the influence of disturbance, the noise can be removed, and highly accurate measurement is possible. For example, the extraction unit may extract the maximum value.

前記変位計測装置は、変位方向取得部をさらに具備してもよい。前記変位方向取得部は、前記逆三角関数演算部で演算された前記複数の信号と、前記変化量演算部で演算された前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得するように構成される。
変位方向取得部は、逆三角関数演算部での演算により、象限分けを行うことができ、その象限における信号の変化量の極性により、変位方向の情報を得ることができる。
The displacement measuring device may further include a displacement direction acquisition unit. The displacement direction acquisition unit is configured to determine the scale and the detector based on the change amounts of the plurality of signals calculated by the inverse trigonometric function calculation unit and the plurality of signals calculated by the change amount calculation unit. It is configured to obtain information on the direction of relative displacement of.
The displacement direction acquisition unit can perform quadrant division by calculation in the inverse trigonometric function calculation unit, and can obtain information on the displacement direction based on the polarity of the signal change amount in the quadrant.

前記変位計測装置は、前記スケールと検出部との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶する記憶部をさらに具備してもよい。また、前記規格化部は、前記記憶部に記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行するように構成されてもよい。
これにより、計測ごとに規格化のために最大値および最小値を求める必要がなく、規格化部による演算を簡略化でき、規格化処理の速度を上げることができる。
The displacement measuring device may further include a storage unit that stores a maximum value and a minimum value of a signal generated by the encoder unit within a range in which relative movement between the scale and the detection unit is possible. The normalization unit may be configured to perform normalization using a maximum value and a minimum value stored in the storage unit.
Thereby, it is not necessary to obtain the maximum value and the minimum value for standardization for each measurement, the calculation by the standardization unit can be simplified, and the speed of the standardization process can be increased.

前記変位計測装置は、前記最大値および最小値を更新する更新部をさらに具備してもよい。
これにより、変位計測装置の経時変化(経年変化)によって信号の振幅値が変動しても、その変動を吸収し、計測誤差を抑えることができる。
The displacement measuring device may further include an updating unit that updates the maximum value and the minimum value.
As a result, even if the amplitude value of the signal fluctuates due to a change with time (aging) of the displacement measuring device, the fluctuation can be absorbed and measurement errors can be suppressed.

本発明の一形態に係る信号処理装置は、スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理するように構成され、上記のエンコーダ部、規格化部、逆三角関数演算部、および変化量演算部を具備する。   A signal processing device according to an aspect of the present invention is configured to process the signal output from an encoder unit that generates a periodic signal in accordance with a relative displacement between a scale and a detector. , A normalization unit, an inverse trigonometric function calculation unit, and a change amount calculation unit.

本発明の一形態に係る信号処理方法は、スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法である。この信号処理方法では、以下の処理が実行される。
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号が生成され、
前記生成された信号が規格化され、
前記規格化された信号の逆三角関数が演算され、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量が演算される。
A signal processing method according to an aspect of the present invention is a signal processing method for processing the signal output from the encoder unit that generates a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector. In this signal processing method, the following processing is executed.
A periodic signal is generated according to the relative displacement between the scale and the detector,
The generated signal is normalized,
An inverse trigonometric function of the normalized signal is calculated,
The amount of change of the calculated signal per predetermined time is calculated.

以上、本発明によれば、正確な信号を生成して計測精度を高めることができる。   As described above, according to the present invention, an accurate signal can be generated to improve measurement accuracy.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図2は、第1の実施形態に係る変位計測装置の主に信号処理装置による処理を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart mainly showing processing by the signal processing device of the displacement measuring device according to the first embodiment. 図3は、エンコーダ部から出力される3相の正弦波信号を示すシミュレーションである。FIG. 3 is a simulation showing a three-phase sine wave signal output from the encoder unit. 図4は、規格化部により規格化された信号を示す。FIG. 4 shows a signal normalized by the normalization unit. 図5は、逆三角関数演算部により得られた逆三角関数信号を示す。FIG. 5 shows an inverse trigonometric function signal obtained by the inverse trigonometric function calculation unit. 図6は、所定時間ごとの角度の変化量の信号を示す。FIG. 6 shows an angle change signal for each predetermined time. 図7は、変化量の絶対値を示す。FIG. 7 shows the absolute value of the change amount. 図8は、第2の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram illustrating a functional configuration of the displacement measuring apparatus according to the second embodiment. 図9は、第2の実施形態に係る変位計測装置の主に信号処理装置による処理を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing processing mainly by the signal processing device of the displacement measuring device according to the second embodiment. 図10は、例えばエンコーダ部により生成された3相の正弦波信号がAD変換部によりデジタル信号に変換されて出力された正弦波信号を示す。FIG. 10 shows a sine wave signal that is output by converting, for example, a three-phase sine wave signal generated by the encoder unit into a digital signal by the AD conversion unit. 図11は、規格化部が、AD変換部から出力された信号を規格化した3相の信号を示す。FIG. 11 shows a three-phase signal in which the standardization unit standardizes the signal output from the AD conversion unit. 図12は、逆三角関数演算部が、規格化部により規格化された3相信号の逆三角関数を演算した信号を示す。FIG. 12 shows a signal obtained by the inverse trigonometric function computation unit computing the inverse trigonometric function of the three-phase signal normalized by the normalization unit. 図13は、変化量演算部が、逆三角関数演算部により演算された3相信号の変化量を演算した信号を示す。FIG. 13 shows a signal obtained by the change amount calculation unit calculating the change amount of the three-phase signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit. 図14は、抽出部により抽出された最大値を利用した変化量を示す。FIG. 14 shows the amount of change using the maximum value extracted by the extraction unit. 図15は、本発明者らが、第2実施形態に係る変位計測装置を用い、スケールおよび検出部の相対移動範囲を1mmまで拡大した時の計測精度を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the measurement accuracy when the present inventors use the displacement measurement device according to the second embodiment and expand the relative movement range of the scale and the detection unit to 1 mm. 図16は、本発明の第3の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram showing a functional configuration of a displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. 図17は、変位方向取得部における処理を示すフローチャートである。FIG. 17 is a flowchart illustrating processing in the displacement direction acquisition unit. 図18は、逆三角関数演算部で得られる三角波の信号を、時間軸で拡大して示す。FIG. 18 shows a triangular wave signal obtained by the inverse trigonometric function operation unit, enlarged on the time axis.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
(変位計測装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置100は、エンコーダ部10および信号処理装置30を備える。信号処理装置30は、AD変換部31、規格化部33、逆三角関数演算部35、変化量演算部37、および変位演算部39を備える。
[First Embodiment]
(Configuration of displacement measuring device)
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The displacement measuring device 100 includes an encoder unit 10 and a signal processing device 30. The signal processing device 30 includes an AD conversion unit 31, a normalization unit 33, an inverse trigonometric function calculation unit 35, a change amount calculation unit 37, and a displacement calculation unit 39.

エンコーダ部10は、典型的には、光学式のエンコーダである。光学式のエンコーダ部は、後述するように、図示しない光学的なスケールおよび検出器を有する。この場合、スケールとしては、例えば回折格子が用いられる。検出器としては、例えばフォトダイオード等が用いられる。   The encoder unit 10 is typically an optical encoder. As will be described later, the optical encoder unit includes an optical scale and a detector (not shown). In this case, for example, a diffraction grating is used as the scale. For example, a photodiode is used as the detector.

エンコーダ部10は、スケールと検出器との相対変位に応じて、3相の周期状の信号、例えばアナログの3相の正弦波信号を検出器から出力する機能を有する。これらの3相の信号は、位相が互いに120degずつずれた正弦波信号である。3相の正弦波信号の生成を実現する手段として、リニア光学スケールがある。リニア光学スケールとしては、例えば、同ピッチであり、かつ、互いに1/3ピッチずつずれた3つの格子パターン領域を持つ回折格子を持つものが用いられる。3相信号の生成の実現手段はこれに限られず、他の公知の手段を用いることができる。   The encoder unit 10 has a function of outputting a three-phase periodic signal, for example, an analog three-phase sine wave signal from the detector in accordance with the relative displacement between the scale and the detector. These three-phase signals are sinusoidal signals whose phases are shifted from each other by 120 degrees. There is a linear optical scale as means for realizing generation of a three-phase sine wave signal. As the linear optical scale, for example, a linear optical scale having a diffraction grating having three grating pattern regions having the same pitch and shifted from each other by 1/3 pitch is used. The means for realizing the generation of the three-phase signal is not limited to this, and other known means can be used.

AD変換部31は、エンコーダ部10から出力されたアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号を生成する機能を有する。
規格化部33は、AD変換部31から出力された信号を規格化する(ノーマライズする)機能を有する。
逆三角関数演算部35は、規格化部33により規格化された信号の逆三角関数を演算する機能を有する。
変化量演算部37は、逆三角関数演算部35により演算された信号の所定時間ごとの変化量、例えば、デジタル信号のサンプリング値ごとの変化量を演算する機能を有する。
変位演算部39は、変化量演算部37で演算された変化量に基づき、スケールおよび検出部の相対変位を演算する機能を有する。
The AD conversion unit 31 has a function of sampling the analog signal output from the encoder unit 10 and generating a digital signal.
The normalization unit 33 has a function of normalizing (normalizing) the signal output from the AD conversion unit 31.
The inverse trigonometric function calculation unit 35 has a function of calculating the inverse trigonometric function of the signal normalized by the normalization unit 33.
The change amount calculation unit 37 has a function of calculating a change amount of the signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit 35 for each predetermined time, for example, a change amount for each sampling value of the digital signal.
The displacement calculation unit 39 has a function of calculating the relative displacement of the scale and the detection unit based on the change amount calculated by the change amount calculation unit 37.

例えば、信号処理装置30は、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等により構成される。CPUに代えて、あるいはこれに加えて、DSP(Digital Signal Processor)、またはPLD(Programmable Logic Device)等が用いられてもよい。   For example, the signal processing device 30 includes a central processing unit (CPU), a micro processing unit (MPU), a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), and the like. In place of or in addition to the CPU, a DSP (Digital Signal Processor), a PLD (Programmable Logic Device), or the like may be used.

(信号処理装置による処理)
以上のように構成された変位計測装置100の主に信号処理装置30による信号処理方法について説明する。図2は、その処理を示すフローチャートである。
(Processing by signal processor)
A signal processing method mainly performed by the signal processing device 30 of the displacement measuring device 100 configured as described above will be described. FIG. 2 is a flowchart showing the processing.

エンコーダ部10は、スケールと検出部との相対変位に応じて3相の正弦波電圧信号を生成する(ステップ101)。図3は、エンコーダ部10から出力される3相の正弦波信号を示すシミュレーションである。つまりこれは、理想的な正弦波信号を示している。120degずつずれた3相の波をU(0deg),V(120deg),W(240deg)とする。例えば、これらの信号の振幅の最小値は1.1V程度、最大値は2.3V程度となっている。これらの電圧値はあくまで、検出器(例えば上記のようにフォトダイオード)による出力電圧値の一例を示している。   The encoder unit 10 generates a three-phase sine wave voltage signal according to the relative displacement between the scale and the detection unit (step 101). FIG. 3 is a simulation showing a three-phase sine wave signal output from the encoder unit 10. In other words, this represents an ideal sine wave signal. The three-phase waves shifted by 120 deg are U (0 deg), V (120 deg), and W (240 deg). For example, the minimum value of the amplitude of these signals is about 1.1V, and the maximum value is about 2.3V. These voltage values are merely examples of output voltage values by a detector (for example, a photodiode as described above).

エンコーダ部10から出力された正弦波信号がAD変換部31により所定のサンプリング間隔でデジタル信号に変換される(ステップ102)。AD変換された信号は、規格化部33により規格化される(ステップ103)。図4は、規格化部33により規格化された信号を示す。振幅値が±1.0で規格化されている。各プロットがサンプリング時刻における電圧値である。   The sine wave signal output from the encoder unit 10 is converted into a digital signal at a predetermined sampling interval by the AD conversion unit 31 (step 102). The AD-converted signal is normalized by the normalization unit 33 (step 103). FIG. 4 shows a signal normalized by the normalization unit 33. The amplitude value is standardized at ± 1.0. Each plot is a voltage value at the sampling time.

ここで、任意の時間(任意のサンプリング時刻)における3相の信号の電圧値を(Vu0,Vv0,Vw0)とする。任意の期間内での電圧の最大値を(Vu0_max,Vv0_max,Vw0_max)、最小値を(Vu0_min,Vv0_min,Vw0_min)とする。規格化部33は、以下の演算式(1a)、(1b)、(1c)により、振幅の規格化を行い、図4に示した規格化信号V1(Vu1,Vv1,Vw1)を出力する。 Here, the voltage value of the three-phase signal at an arbitrary time (an arbitrary sampling time) is assumed to be (Vu 0 , Vv 0 , Vw 0 ). The maximum value of the voltage within an arbitrary period is (Vu 0 _max, Vv 0 _max, Vw 0 _max), and the minimum value is (Vu 0 _min, Vv 0 _min, Vw 0 _min). The normalization unit 33 normalizes the amplitude by the following arithmetic expressions (1a), (1b), and (1c), and the normalized signal V 1 (Vu 1 , Vv 1 , Vw 1 ) shown in FIG. Is output.

Vu1 =[(Vu0-Vu0_min)/Vu0_max -0.5]*2 ・・・式(1a)
Vv1 =[(Vv0-Vv0_min)/Vv0_max -0.5]*2 ・・・式(1b)
Vw1 =[(Vw0-Vw0_min)/Vw0_max -0.5]*2 ・・・式(1c)
(「*」は乗算を表す。以下同様。)
Vu 1 = [(Vu 0 -Vu 0 _min) / Vu 0 _max -0.5] * 2 Equation (1a)
Vv 1 = [(Vv 0 -Vv 0 _min) / Vv 0 _max -0.5] * 2 ··· formula (1b)
Vw 1 = [(Vw 0 -Vw 0 _min) / Vw 0 _max -0.5] * 2 ··· formula (1c)
("*" Represents multiplication. The same applies hereinafter.)

規格化信号V1が生成されると、逆三角関数演算部35により、規格化信号V1の逆三角関数が演算される(ステップ104)。以下の演算式(2a)、(2b)、(2c)により、逆三角関数信号V2(Vu2,Vv2,Vw2)が算出される。図5は、算出された逆三角関数信号V2を示す。 When the normalized signal V 1 is generated, the inverse trigonometric function computing unit 35 computes the inverse trigonometric function of the normalized signal V 1 (step 104). The inverse trigonometric function signal V 2 (Vu 2 , Vv 2 , Vw 2 ) is calculated by the following arithmetic expressions (2a), (2b), (2c). Figure 5 shows an inverse trigonometric function signal V 2 calculated.

Vu2 =180/π*arcsin(Vu1) ・・・式(2a)
Vv2 =180/π*arcsin(Vv1) ・・・式(2b)
Vw2 =180/π*arcsin(Vw1) ・・・式(2c)
Vu 2 = 180 / π * arcsin (Vu 1 ) Equation (2a)
Vv 2 = 180 / π * arcsin (Vv 1 ) Equation (2b)
Vw 2 = 180 / π * arcsin (Vw 1 ) Equation (2c)

一般に正弦波をV1=sin(θπ/180)とした場合(θ(=V2)の単位はdeg)、逆三角関数信号V2を導出できる。図5に示す縦軸の電圧値が角度degを示す。すなわち、逆三角関数演算により、正弦波信号の振幅を表す電圧値が、角度を表す電圧値に変換されたことになる。 In general, when the sine wave is V 1 = sin (θπ / 180) (the unit of θ (= V 2 ) is deg), the inverse trigonometric function signal V 2 can be derived. The voltage value on the vertical axis shown in FIG. 5 indicates the angle deg. That is, the voltage value representing the amplitude of the sine wave signal is converted into the voltage value representing the angle by the inverse trigonometric function calculation.

逆三角関数信号V2は、図5に示すようにリニア領域を有するのこぎり波(三角波)である。したがって、変位計測装置100は、この逆三角関数信号V2を用いて変化量を計測することにより、誤差が抑えられた計測結果を得ることができる。具体的には、以下のようにして変化量が演算される。 Inverse trigonometric function signal V 2 is a sawtooth wave having a linear region as shown in FIG. 5 (a triangular wave). Thus, the displacement measurement apparatus 100, by measuring the amount of change using the inverse trigonometric function signal V 2, can be obtained measurement result error is suppressed. Specifically, the change amount is calculated as follows.

変化量演算部37は、逆三角関数演算部35により算出された逆三角関数信号V2の、所定時間(例えばサンプリング間隔)ごとの変化量を演算する(ステップ105)。以下の演算式(3a)、(3b)、(3c)により、角度の変化量が演算される。図6は、その角度の変化量の信号(ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2)を示す。この角度の変化量は、単位角度変化量であり、分解能に相当する。 Change amount calculation unit 37, the inverse trigonometric function signal V 2 calculated by the inverse trigonometric function calculating section 35 calculates the amount of change per predetermined time (for example, the sampling interval) (step 105). The change amount of the angle is calculated by the following arithmetic expressions (3a), (3b), and (3c). FIG. 6 shows a signal (ΔVu 2 , ΔVv 2 , ΔVw 2 ) of the change amount of the angle. This amount of change in angle is a unit angle change amount and corresponds to resolution.

ΔVu2 =Vu2(m)-Vu2(m-1) ・・・式(3a)
ΔVv2 =Vv2(m)-Vv2(m-1) ・・・式(3b)
ΔVw2 =Vw2(m)-Vw2(m-1) ・・・式(3c)
(nは自然数であり、サンプリング回数を示す。)
ΔVu 2 = Vu 2 (m) -Vu 2 (m-1)・ ・ ・ Formula (3a)
ΔVv 2 = Vv 2 (m) -Vv 2 (m-1)・ ・ ・ Formula (3b)
ΔVw 2 = Vw 2 (m) -Vw 2 (m-1)・ ・ ・ Formula (3c)
(N is a natural number and indicates the number of samplings.)

以上の演算式(3a)、(3b)、(3c)で求められる変化量は、現在の角度座標と、1つ前に演算された角度座標との差分である。図6では、10deg刻みの理想的な信号であるので、角度座標の差分は10degか、-10degのいずれかの値に分かれる。これらの変化量に対して、以下のように絶対値abs(ΔVu2)、abs(ΔVv2)、abs(ΔVw2)を取ると、図7に示すように、3相すべてのプロットが一定値(例えば10deg)を得る。 The amount of change obtained by the above arithmetic expressions (3a), (3b), and (3c) is a difference between the current angular coordinate and the angular coordinate calculated immediately before. In FIG. 6, since it is an ideal signal in increments of 10 degrees, the difference in angular coordinates is divided into values of 10 degrees or −10 degrees. When absolute values abs (ΔVu 2 ), abs (ΔVv 2 ), and abs (ΔVw 2 ) are taken with respect to these changes, as shown in FIG. 7, the plots of all three phases are constant values. (For example, 10 deg) is obtained.

上記CPU、DSP等のコンピュータが、現在の電圧値を取得するコマンドを発行してデータを取得し、保持しておいた1つ前のコマンド発行時の電圧値と比較してその変化量を順次算出すればよい。   The computer, such as the CPU or DSP, issues a command for obtaining the current voltage value, obtains data, and sequentially compares the amount of change with the voltage value at the time of issuing the previous command. What is necessary is just to calculate.

このような単位角度変化量(例えば10deg)は、スケールの設計に応じて、距離の変化量(単位距離変位)に変換可能とされている。例えば、この変位計測装置100の設計時または製造時において、その変換のためのルックアップテーブルがメモリに保存される。   Such a unit angle change amount (for example, 10 deg) can be converted into a distance change amount (unit distance displacement) according to the design of the scale. For example, when the displacement measuring apparatus 100 is designed or manufactured, a lookup table for the conversion is stored in the memory.

変位演算部39は、図7に示すように得られた単位角度変化量のプロット数をカウントとすることにより、それらの乗算によって、スケールと検出部とが相対的に移動し始めた位置からの変位を出力することができる(ステップ106)。すなわち、この変位計測装置100は、インクリメント方式の計測装置である。   The displacement calculation unit 39 uses the number of plots of the unit angle variation obtained as shown in FIG. 7 as a count, and by multiplying them, the position from the position where the scale and the detection unit start to move relative to each other is obtained. The displacement can be output (step 106). In other words, the displacement measuring device 100 is an incremental measuring device.

本実施形態の場合、後述するように、図7で示した3相の変化量(絶対値)のうちいずれか1相のみのプロット値がカウントされればよい。   In the case of the present embodiment, as will be described later, it is only necessary to count the plot values of only one of the three-phase change amounts (absolute values) shown in FIG.

(まとめ)
以上のように、この変位計測装置100は、正弦波信号を規格化することにより信号の振幅値に関する演算を単純化することができる。また、逆三角関数演算によりリニアな領域を含む三角波信号が得られる。変化量演算部37は、そのリニアな領域の信号の所定時間ごとの変化量を演算することにより、変位計測装置100は、正確な信号を生成して高精度な計測を行うことができる。
(Summary)
As described above, the displacement measuring apparatus 100 can simplify the calculation related to the amplitude value of the signal by normalizing the sine wave signal. Further, a triangular wave signal including a linear region is obtained by inverse trigonometric function calculation. The change amount calculation unit 37 calculates the change amount of the signal in the linear region every predetermined time, so that the displacement measuring apparatus 100 can generate an accurate signal and perform highly accurate measurement.

また、規格化処理により、製品の製造ばらつきによる計測精度の個体差を吸収することができる。   In addition, individual differences in measurement accuracy due to product manufacturing variations can be absorbed by the normalization process.

本実施形態では、エンコーダ部10により理想的なU,V,Wの3相の正弦波信号を得るとして説明した。したがって、図4〜7において、同じサンプリング時刻で3つの値を得ることになり、式(1a)〜(1c)、(2a)〜(2c)、(3a)〜(3c)も、3相すべて同じ計算が行われる。本実施形態では、3相のうち少なくとも1相の正弦波信号が得られればよく、エンコーダ部10も少なくとも1相の正弦波信号を生成できるものであれば、どのような構造でも用いることができる。1相の正弦波信号を扱う場合、変位演算部39は、上述したように図7に示す絶対値として得られた値をカウントすればよい。3相として説明した理由は、後述する第2の実施形態の説明を効率良く理解できるようにするためである。   In the present embodiment, the encoder unit 10 has been described as obtaining an ideal three-phase sine wave signal of U, V, and W. Therefore, in FIGS. 4-7, three values are obtained at the same sampling time, and equations (1a)-(1c), (2a)-(2c), (3a)-(3c) The same calculation is performed. In the present embodiment, it is only necessary to obtain a sine wave signal of at least one phase among the three phases, and the encoder unit 10 can be used in any structure as long as it can generate a sine wave signal of at least one phase. . When handling a one-phase sine wave signal, the displacement calculator 39 may count the value obtained as the absolute value shown in FIG. 7 as described above. The reason described as the three phases is to make it possible to efficiently understand the description of the second embodiment to be described later.

上記では、規格化部33による処理から変位演算部39までの処理を実現するハードウェアとして、CPU、DSP等のコンピュータを例に挙げた。しかし、例えば規格化部33による処理を含む、規格化部33から少なくとも1つの部までの処理をアナログ回路が行ってもよい。その場合、そのアナログ回路の出力信号がAD変換され、その後の処理がデジタル信号で処理される。このことは、以下に説明する実施形態についても同様である。   In the above, a computer such as a CPU or a DSP is taken as an example of hardware that implements the processing from the normalization unit 33 to the displacement calculation unit 39. However, the analog circuit may perform processing from the normalization unit 33 to at least one unit including processing by the normalization unit 33, for example. In that case, the output signal of the analog circuit is AD converted, and the subsequent processing is processed with a digital signal. The same applies to the embodiments described below.

上記規格部による演算式(1a)、(1b)、(1c)の演算を実行するにあたり、スケール(または検出部)の移動可能範囲内における最大値(Vu0_max,Vv0_max,Vw0_max)、最小値(Vu0_min,Vv0_min,Vw0_min)が、製品の設計時、製造時、工場出荷時等に、メモリ(記憶部)に記憶されてもよい。移動可能範囲とは、実質的には変位計測装置200で計測可能なスケールの範囲である。そして、ユーザによるこの変位計測装置100の使用時(任意の計測時)には、規格化部33は、その記憶部に記憶された最大値および最小値に基づいて、演算式(1a)、(1b)、(1c)により規格化を実行すればよい。これにより、計測ごとに規格化のために最大値および最小値を求める必要がなく、規格化部33による演算を簡略化でき、規格化処理の速度を上げることができる。 The maximum value (Vu 0 _max, Vv 0 _max, Vw 0 _max within the movable range of the scale (or the detection unit) when executing the arithmetic expressions (1a), (1b), (1c) by the above standard part ), Minimum values (Vu 0 _min, Vv 0 _min, Vw 0 _min) may be stored in the memory (storage unit) at the time of product design, manufacture, factory shipment, or the like. The movable range is a range of a scale that can be measured by the displacement measuring apparatus 200 substantially. When the user uses the displacement measuring apparatus 100 (at the time of arbitrary measurement), the normalization unit 33 calculates the arithmetic expressions (1a) and (1) based on the maximum value and the minimum value stored in the storage unit. Normalization may be performed according to 1b) and (1c). Thereby, it is not necessary to obtain the maximum value and the minimum value for standardization for each measurement, the calculation by the standardization unit 33 can be simplified, and the speed of the standardization process can be increased.

また、変位計測装置100は、上記の最大値および最小値を更新する更新部をさらに備えていてもよい。これにより、変位計測装置100の経時変化(経年変化)によって信号の振幅値が変動しても、その変動を吸収し、計測誤差を抑えることができる。更新部としては、つまり、それら最大値および最小値のデータを所定のタイミングで書き換え、メモリに保存する機能を有する。所定のタイミングとは、ユーザによる所望のタイミング、あるいは、変位計測装置100が所定条件下で自動で更新を行うタイミングである。また、変位計測装置100は、この更新部により得られた最大値および最小値のデータから、製品の寿命を判定する機能を備えていてもよい。   Further, the displacement measuring apparatus 100 may further include an update unit that updates the maximum value and the minimum value. Thereby, even if the amplitude value of the signal fluctuates due to a change with time (aging) of the displacement measuring apparatus 100, the fluctuation can be absorbed and a measurement error can be suppressed. In other words, the updating unit has a function of rewriting the data of the maximum value and the minimum value at a predetermined timing and storing it in the memory. The predetermined timing is a timing desired by the user or a timing at which the displacement measuring apparatus 100 automatically updates under a predetermined condition. Further, the displacement measuring apparatus 100 may have a function of determining the life of the product from the maximum value and minimum value data obtained by the updating unit.

また、最大値および最小値を記憶しておくことは、スケール(または検出部)の移動可能範囲の絶対位置に対して、それぞれの位置ごとの計測誤差の補償値を用いる必要がない、というメリットもある。すなわち、最大値および最小値を記憶しておくことにより、製品の設計時、製造時等に、その補償値のデータベースを作成しておく、という労力が不要となる。   In addition, storing the maximum value and the minimum value is advantageous in that it is not necessary to use a compensation value for the measurement error for each position with respect to the absolute position of the movable range of the scale (or detection unit). There is also. That is, storing the maximum value and the minimum value eliminates the effort of creating a database of compensation values at the time of product design, manufacture, and the like.

[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係る変位計測装置について説明する。これ以降の説明では、第1の実施形態に係る変位計測装置100が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. In the following description, elements that are substantially the same with respect to members, functions, and the like included in the displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, the description thereof being simplified or omitted, and different points. The explanation will be focused on.

図8は、第2の実施形態に係る変位計測装置200の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置200に設けられた信号処理装置40は、変化量演算部37から出力された例えば3相の信号のうち、最大値を抽出してこれを出力するように構成された抽出部32を備える。この抽出部32を含む信号処理装置40のハードウェアは、上述したように、CPU(RAMやROMも含む)、PLD、および/またはDSP等により実現される。   FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the displacement measuring apparatus 200 according to the second embodiment. The signal processing device 40 provided in the displacement measuring device 200 is configured to extract a maximum value from, for example, three-phase signals output from the change amount calculation unit 37 and output the maximum value. Is provided. As described above, the hardware of the signal processing device 40 including the extraction unit 32 is realized by a CPU (including RAM and ROM), a PLD, and / or a DSP.

図9は、この変位計測装置200の主に信号処理装置40による信号処理方法を示すフローチャートである。図9において、ステップ201〜205、207は、ステップ101〜106と実質的には同じ処理である。   FIG. 9 is a flowchart showing a signal processing method mainly performed by the signal processing device 40 of the displacement measuring device 200. In FIG. 9, steps 201 to 205 and 207 are substantially the same processing as steps 101 to 106.

図10は、例えばエンコーダ部10により生成された3相の正弦波信号(U(0deg),V(120deg),W(240deg))がAD変換部31によりデジタル信号に変換されて出力された正弦波信号を示す。この例では、実測に基づくものであり、スケールとして、3.6μmの格子ピッチのパターン領域を有する回折格子が用いられた。また、ステッピングモータを使用して、0.1μm(=100nm)ステップで50μmの距離を、スケール(または検出部)を機械的に移動させた。   FIG. 10 shows a sine that is output by converting a three-phase sine wave signal (U (0 deg), V (120 deg), W (240 deg)) generated by the encoder unit 10 into a digital signal by the AD conversion unit 31, for example. Wave signal is shown. In this example, based on actual measurement, a diffraction grating having a pattern region with a grating pitch of 3.6 μm was used as a scale. Further, using a stepping motor, the scale (or detection unit) was mechanically moved by a distance of 50 μm in steps of 0.1 μm (= 100 nm).

図10に示す3相の正弦波信号は、回折格子の高次の干渉光によるノイズや回路ノイズ等の外乱を含むため、各信号の振幅値や対称性に乱れが生じている。   Since the three-phase sine wave signal shown in FIG. 10 includes disturbances such as noise and circuit noise due to higher-order interference light of the diffraction grating, the amplitude value and symmetry of each signal are disturbed.

図11は、規格化部33が、演算式(1a)、(1b)、(1c)により、AD変換部からの信号を規格化した3相の信号を示す。図に示すように、元の正弦波信号が上記のように外乱を受けるため、規格化されても3相の振幅値が±1.0にならず、正確な規格化を行うことができない。   FIG. 11 shows a three-phase signal in which the normalization unit 33 standardizes the signal from the AD conversion unit by the arithmetic expressions (1a), (1b), and (1c). As shown in the figure, since the original sine wave signal is disturbed as described above, the three-phase amplitude value does not become ± 1.0 even if normalized, and accurate standardization cannot be performed.

図12は、逆三角関数演算部35が、演算式(2a)、(2b)、(2c)により、規格化部33により規格化された3相信号の逆三角関数を演算した信号を示す。これらの信号も、上記外乱の影響を受けるので、正確な三角波を得られない。各信号にリニアリティが確保されていない領域が含まれる。   FIG. 12 shows a signal obtained by the inverse trigonometric function computation unit 35 computing the inverse trigonometric function of the three-phase signal normalized by the normalization unit 33 using the arithmetic expressions (2a), (2b), and (2c). Since these signals are also affected by the disturbance, an accurate triangular wave cannot be obtained. Each signal includes a region where linearity is not ensured.

図13は、変化量演算部37が、演算式(3a)、(3b)、(3c)により、逆三角関数演算部35により演算された3相信号の変化量を演算した信号を示す。図13では、角度変化量は、距離の変化量(ΔVu2',ΔVv2',ΔVw2')に換算されている。上述したように、3相信号が外乱の影響を受けているので、所定ステップ(0.1μm)でスケールを動かしているにも関わらず、図7に示す場合と比較して、変化量はばらばらの値になる。 FIG. 13 shows a signal obtained by the change amount calculation unit 37 calculating the change amount of the three-phase signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit 35 using the calculation formulas (3a), (3b), and (3c). In FIG. 13, the angle change amount is converted into a distance change amount (ΔVu 2 ′, ΔVv 2 ′, ΔVw 2 ′). As described above, since the three-phase signal is affected by disturbance, the amount of change is different compared to the case shown in FIG. 7 even though the scale is moved in a predetermined step (0.1 μm). Value.

そこで、本実施形態では、抽出部32が、変化量演算部37で算出された値の、同時刻にサンプリングされた変化量(絶対値)の最大値を抽出する(図9においてステップ206)。すなわち、図13で示した3相信号の同時刻での値のうち、最大値が出力される。これにより、図14で示すような結果が得られる。図14では、ステッピングモータの移動ステップ(0.1μm)が規則正しく計測されていることがわかる。誤差は、0.1μm±23.8nmという結果が得られ、高精度な計測が可能であることが確認された。   Therefore, in the present embodiment, the extraction unit 32 extracts the maximum value of the change amount (absolute value) sampled at the same time from the value calculated by the change amount calculation unit 37 (step 206 in FIG. 9). That is, the maximum value among the values at the same time of the three-phase signal shown in FIG. 13 is output. Thereby, a result as shown in FIG. 14 is obtained. FIG. 14 shows that the stepping motor moving step (0.1 μm) is regularly measured. An error of 0.1 μm ± 23.8 nm was obtained, confirming that high-precision measurement was possible.

変位演算部39は、抽出された最大値を利用して、変位を演算し、出力する(ステップ207)。   The displacement calculator 39 calculates and outputs the displacement using the extracted maximum value (step 207).

なお、本実施形態に係る抽出部32の抽出対象は、最大値に限られない。抽出対象は、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、最小値から最大値までの値のうちいずれか1つであればよい。例えば、最大値の次に大きい値を抽出してもよい。このような抽出部32によれば、エンコーダ部10が例えば4相以上の複数の正弦波信号を出力する変位計測装置についてメリットが大きい。4相の信号とは、例えば、位相が互い45degずつずれた正弦波信号である。位相がずれた信号数が多いほど、本実施形態によれば計測精度が向上する。   The extraction target of the extraction unit 32 according to the present embodiment is not limited to the maximum value. The extraction target may be any one of the values from the minimum value to the maximum value that are larger than the minimum value and include the maximum value. For example, the next largest value after the maximum value may be extracted. According to such an extraction unit 32, the encoder unit 10 has a great merit for a displacement measuring device that outputs a plurality of sine wave signals of, for example, four phases or more. The four-phase signal is, for example, a sine wave signal whose phases are shifted by 45 degrees from each other. As the number of signals out of phase increases, the measurement accuracy improves according to the present embodiment.

例えば最小値より大きく、かつ、最大値を含む、最小値から最大値までの値のうちいずれか1つを抽出するメリットとして、最大値として高出力のスパイクノイズがあった場合、その最大値を除外することができる点が挙げられる。このようなスパイクノイズは、別途のフィルタを使うことにより除去することもできる。しかし、この抽出部によれば、そのような別途のフィルタを必要としない。   For example, as a merit to extract one of the values from the minimum value to the maximum value that is larger than the minimum value and includes the maximum value, if there is high output spike noise as the maximum value, the maximum value is The point which can be excluded is mentioned. Such spike noise can be removed by using a separate filter. However, according to this extraction unit, such a separate filter is not required.

図15は、本発明者らが、変位計測装置200を用い、スケールおよび検出部の相対移動範囲を50μmの20倍である1mmまで拡大した時の計測精度を示す。ステッピングモータの1ステップの移動量を140nmとした。   FIG. 15 shows measurement accuracy when the present inventors use the displacement measuring device 200 to expand the relative movement range of the scale and the detection unit to 1 mm, which is 20 times 50 μm. The amount of movement of one step of the stepping motor was 140 nm.

図15に示すように、移動範囲(つまり計測範囲)を広くした場合、上記した外乱が強調されているように見え、機械的な作製精度が低下しているように見える。具体的には、U,V,Wの3相の正弦波信号の振幅変動が大きく見られる。しかし、このように振幅変動がある場合であっても、本実施形態では、上述したように抽出部32により最大値が抽出されるので、外乱の影響を受け難く、検出値(抽出部32により抽出された最大値)は安定している。精度は、±20.2nmという結果が得られ、移動範囲を広くしても精度が低下することなく、十分に抽出部32による補償機能が働くことが確認された。   As shown in FIG. 15, when the movement range (that is, the measurement range) is widened, the above-described disturbance appears to be emphasized, and the mechanical production accuracy seems to be reduced. Specifically, the amplitude fluctuation of the three-phase sine wave signal of U, V, and W is large. However, even in the case where there is an amplitude variation as described above, in the present embodiment, the maximum value is extracted by the extraction unit 32 as described above. The extracted maximum value is stable. The accuracy of ± 20.2 nm was obtained, and it was confirmed that the compensation function by the extraction unit 32 worked satisfactorily without decreasing the accuracy even when the movement range was widened.

[第3の実施形態]
図16は、本発明の第3の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置300に設けられた信号処理装置50は、上記第2の実施形態に係る信号処理装置50の構成要素の他、変位方向取得部34をさらに備えるものである。
[Third Embodiment]
FIG. 16 is a block diagram showing a functional configuration of a displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. The signal processing device 50 provided in the displacement measuring device 300 further includes a displacement direction acquisition unit 34 in addition to the components of the signal processing device 50 according to the second embodiment.

変位方向取得部34は、逆三角関数演算部35で演算された3相信号と、変化量演算部37で演算された3相信号のそれぞれの変化量に基づき、スケールおよび検出器の相対変位の方向の情報を取得し、これを出力する機能を有する。相対変位の方向とは、例えばスケールおよび検出器のいずれか一方を、固定とした場合に、他方の移動方向を意味する。具体的には、以下のようにして相対変位の方向が取得される。   The displacement direction acquisition unit 34 calculates the relative displacement of the scale and the detector based on the change amounts of the three-phase signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit 35 and the three-phase signal calculated by the change amount calculation unit 37. It has a function of acquiring direction information and outputting it. The direction of relative displacement means the direction of movement of the other when, for example, one of the scale and the detector is fixed. Specifically, the direction of relative displacement is acquired as follows.

図17は、変位方向取得部34における処理を示すフローチャートである。図18は、逆三角関数演算部35で得られる三角波の信号を、時間軸で拡大して示す。図18に示すように、3相信号の互いの大小関係から、360degの位相領域を第1〜6象限に分けることができる。変位方向取得部34は、演算式(2a)、(2b)、(2c)による演算により得られた逆三角関数信号V2(Vu2,Vv2,Vw2)と、演算式(3a)、(3b)、(3c)による演算により得られた変化量の信号(ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2)とに基づき、以下に示すアルゴリズムを用いて、変位方向を取得する。 FIG. 17 is a flowchart showing processing in the displacement direction acquisition unit 34. FIG. 18 shows a triangular wave signal obtained by the inverse trigonometric function calculator 35 in an enlarged manner on the time axis. As shown in FIG. 18, the 360 deg phase region can be divided into first to sixth quadrants based on the magnitude relationship of the three-phase signals. The displacement direction acquisition unit 34 includes the inverse trigonometric function signal V 2 (Vu 2 , Vv 2 , Vw 2 ) obtained by the calculation according to the calculation expressions (2a), (2b), (2c), and the calculation expressions (3a), Based on the change amount signals (ΔVu 2 , ΔVv 2 , ΔVw 2 ) obtained by the calculations of (3b) and (3c), the displacement direction is acquired using the algorithm shown below.

1)第1象限
a)Vv2≧Vu2, かつ, Vu2>Vw2である場合、第1象限と判定し、さらに、ΔVu2>0である場合、正方向と判定
b)Vv2≧Vu2, かつ, Vu2>Vw2である場合、第1象限と判定し、さらに、ΔVu2<0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定

2)第2象限
a)Vu2>Vv2, かつ、Vv2≧Vw2,である場合、第2象限と判定し、さらに、ΔVv2<0である場合、正方向と判定
b)Vu2>Vv2, かつ、Vv2≧Vw2,である場合、第2象限と判定し、さらに、ΔVv2>0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定

3)第3象限
a)Vu2≧Vw2, かつ、Vw2>Vv2,である場合、第3象限と判定し、さらに、ΔVw2>0である場合、正方向と判定
b)Vu2≧Vw2, かつ、Vw2>Vv2,である場合、第3象限と判定し、さらに、ΔVw2<0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定

4)第4象限
a)Vw2>Vu2, かつ、Vu2≧Vv2,である場合、第4象限と判定し、さらに、ΔVv2<0である場合、正方向と判定
b)Vw2>Vu2, かつ、Vu2≧Vv2,である場合、第4象限と判定し、さらに、ΔVv2>0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定

5)第5象限
a)Vw2≧Vv2, かつ、Vv2>Vu2,である場合、第5象限と判定し、さらに、ΔVu2>0である場合、正方向と判定
b)Vw2≧Vv2, かつ、Vv2>Vu2,である場合、第5象限と判定し、さらに、ΔVu2<0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定

6)第6象限
a)Vv2>Vw2, かつ、Vw2≧Vw2,である場合、第6象限と判定し、さらに、ΔVw2<0である場合、正方向と判定
b)Vv2>Vw2, かつ、Vw2≧Vw2,である場合、第6象限と判定し、さらに、ΔVw2>0である場合、負方向と判定
a)、b)のどちらでもない場合、移動せず、と判定
1) First quadrant a) When Vv 2 ≧ Vu 2 and Vu 2 > Vw 2, it is determined as the first quadrant, and when ΔVu 2 > 0, it is determined as the positive direction. B) Vv 2 ≧ If Vu 2 , and Vu 2 > Vw 2, it is determined as the first quadrant, and if ΔVu 2 <0, it is determined as a negative direction. Judgment

2) Second quadrant a) When Vu 2 > Vv 2 and Vv 2 ≧ Vw 2 , it is determined as the second quadrant, and when ΔVv 2 <0, it is determined as the positive direction. B) Vu 2 > Vv 2 , and Vv 2 ≧ Vw 2 , it is determined as the second quadrant, and if ΔVv 2 > 0, it is determined as the negative direction. Determined

3) Third quadrant a) When Vu 2 ≧ Vw 2 and Vw 2 > Vv 2 , it is determined as the third quadrant, and when ΔVw 2 > 0, it is determined as the positive direction. B) Vu 2 If ≧ Vw 2 , and Vw 2 > Vv 2 , it is determined as the third quadrant, and if ΔVw 2 <0, it is determined as the negative direction. Determined

4) Fourth quadrant a) If Vw 2 > Vu 2 and Vu 2 ≧ Vv 2 , determine the fourth quadrant, and if ΔVv 2 <0, then determine positive direction b) Vw 2 > Vu 2 , and Vu 2 ≧ Vv 2 , it is determined as the fourth quadrant, and if ΔVv 2 > 0, it is determined as the negative direction. Determined

5) 5th quadrant a) When Vw 2 ≧ Vv 2 and Vv 2 > Vu 2 , it is determined as the 5th quadrant, and when ΔVu 2 > 0, it is determined as the positive direction. B) Vw 2 If ≧ Vv 2 and Vv 2 > Vu 2 , it is determined as the fifth quadrant, and if ΔVu 2 <0, it is determined as the negative direction. Determined

6) Sixth quadrant a) When Vv 2 > Vw 2 and Vw 2 ≧ Vw 2 , it is determined as the sixth quadrant, and further, when ΔVw 2 <0, it is determined as the positive direction. B) Vv 2 > Vw 2 , and Vw 2 ≧ Vw 2 , it is judged as the 6th quadrant, and if ΔVw 2 > 0, it is judged as negative direction. Determined

すなわち、変位方向取得部34は、図17に示すように、逆三角関数信号に基づき、現在の象限(位相領域)を特定し(ステップ301)する。そして、変位方向取得部34は、特定された象限と、変化量演算部37で演算された変化量に基づき、変位方向を特定する(ステップ302)。これらステップ301、302は、例えば図9に示したステップ206の後に実行される。   That is, as shown in FIG. 17, the displacement direction acquisition unit 34 specifies the current quadrant (phase region) based on the inverse trigonometric function signal (step 301). And the displacement direction acquisition part 34 specifies a displacement direction based on the specified quadrant and the variation | change_quantity calculated by the variation | change_quantity calculation part 37 (step 302). These steps 301 and 302 are executed after step 206 shown in FIG. 9, for example.

上記(ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2)の正負の極性の判定方法において、上記以外の相の信号の変化量が用いられてもよい。例えば、上記では第1象限の場合において、ΔVu2>0である場合に正方向、ΔVu2<0である場合に負方向と判定されたが、ΔVv2<0である場合に正方向、ΔVv2>0である場合に負方向と判定されてもよい。 In the method of determining the positive / negative polarity in the above (ΔVu 2 , ΔVv 2 , ΔVw 2 ), the amount of change in the signal other than the above may be used. For example, in the above case of the first quadrant, the positive direction in the case of ΔVu 2> 0, but is determined to negative direction in the case of ΔVu 2 <0, the forward direction in the case of ΔVv 2 <0, ΔVv A negative direction may be determined when 2 > 0.

例えば上記特許文献2の装置は、位相領域を12の象限に分けており、エンコーダの現在の角度位置および移動方向を逆三角関数演算でダイレクトに算出する方法を取る。したがって、その明細書段落[0019]の記載のように複雑な計算をする必要がある。これに対して、本実施形態に係る信号処理方法は、変化量に基づき移動方向の極性を特定しているので、特許文献2のような複雑な計算を要しない。   For example, the apparatus of Patent Document 2 uses a method in which the phase region is divided into 12 quadrants, and the current angular position and moving direction of the encoder are directly calculated by inverse trigonometric function calculation. Therefore, it is necessary to perform a complicated calculation as described in paragraph [0019] of the specification. On the other hand, the signal processing method according to the present embodiment specifies the polarity in the movement direction based on the amount of change, and thus does not require complicated calculation as in Patent Document 2.

また、特許文献2の明細書段落[0023]には、「本発明の方法は、従来技術の方法における調波誤差より低い、調波に起因する±0.6%のみの周期的な誤差を有する。」と記載されている。これに対し、上記第2の実施およびこの第3の実施形態では、このように調波に起因する誤差を抑えることができる。   The paragraph [0023] of Patent Document 2 states that “the method of the present invention has a periodic error of only ± 0.6% due to harmonics, which is lower than the harmonic error in the prior art method. It has ". On the other hand, in the second embodiment and the third embodiment, errors due to harmonics can be suppressed in this way.

[エンコーダ部]
エンコーダ部10の例として、例えば国際公開第2011/043354号パンフレット、特開2014-102260号公報、または、特開2014-102260号公報等を含む公知のエンコーダを採用することができる。これらの文献として挙げた公知のエンコーダは、本発明の上記各実施形態に適用可能である。これらの文献に開示された一対の回折格子のうち、光源と一体に動く回折格子が「スケール」に相当し、PD(Photo Detector)が「検出器」に相当する。
[Encoder section]
As an example of the encoder unit 10, a known encoder including, for example, International Publication No. 2011/043354, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-102260, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-102260, or the like can be employed. Known encoders cited as these documents are applicable to the above-described embodiments of the present invention. Of the pair of diffraction gratings disclosed in these documents, a diffraction grating that moves integrally with the light source corresponds to a “scale”, and a PD (Photo Detector) corresponds to a “detector”.

上記各公知の文献では、一対の回折格子が互いに離接する方向で移動する例が開示されているが、格子パターン(格子線)の配列方向に沿って、回折格子が相対移動しても、同様にその変位を計測可能である。このような形態も本発明の上記第1〜3実施形態に適用可能である。   In each of the above known documents, an example in which a pair of diffraction gratings move in a direction in which they are separated from each other is disclosed, but even if the diffraction gratings move relative to each other along the arrangement direction of the grating patterns (grid lines), the same applies. The displacement can be measured. Such a form is also applicable to the first to third embodiments of the present invention.

[他の実施形態]
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment described above, and other various embodiments can be realized.

電気信号として正弦波を得ることができるエンコーダ部を有していれば、光学式の他、電磁誘導式、磁気式、静電容量式等、どのような方式のエンコーダ部にも、本発明を適用可能である。また、リニアエンコーダに限られず、ロータリエンコーダであってもよい。ロータリエンコーダの場合、「変位」は回転角度の変位として計測される。   The present invention can be applied to any type of encoder unit such as an electromagnetic induction type, a magnetic type, and a capacitance type in addition to an optical type as long as it has an encoder unit capable of obtaining a sine wave as an electric signal. Applicable. Moreover, it is not restricted to a linear encoder, A rotary encoder may be sufficient. In the case of a rotary encoder, “displacement” is measured as a displacement of a rotation angle.

光学式エンコーダのスケールとして、上記のように回折格子を用いて干渉光を得るものに限られない。光源からの光を透過させる複数のスリットを有するスケール(光の透過領域と遮断領域が交互に配列されたスケール)が用いられてもよい。   The scale of the optical encoder is not limited to the one that obtains interference light using a diffraction grating as described above. A scale having a plurality of slits that transmit light from the light source (a scale in which light transmission regions and blocking regions are alternately arranged) may be used.

上記各実施形態に係るエンコーダ部10はアナログ信号を出力したが、エンコーダ部はAD変換部を含み、デジタル信号を出力する機能を有していてもよい。この場合、信号処理装置において初段のAD変換部が不要となる。   Although the encoder unit 10 according to each of the above embodiments outputs an analog signal, the encoder unit may include an AD conversion unit and have a function of outputting a digital signal. In this case, the first stage AD conversion unit is not required in the signal processing apparatus.

上記各実施形態に係る変化量演算部37は、所定時間ごとの変化量の演算として、サンプリング間隔で変化量を演算したが、それより長い間隔であってもよい。つまり、所定時間ごととは、複数サンプリングごとの間隔でもよい。   The change amount calculation unit 37 according to each of the above embodiments calculates the change amount at the sampling interval as the change amount every predetermined time. However, the change amount calculation unit 37 may have a longer interval. That is, the predetermined time may be an interval for each of a plurality of samplings.

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば第1の実施形態に係る変位計測装置100が、第3の実施形態に係る変位方向取得部を備えていてもよい(第2の実施形態のような抽出部を持たない)。
あるいは、第1の実施形態で説明した上記最大値および最小値の記憶、更新を、第2、3実施形態にも適用可能である。
It is also possible to combine at least two feature portions among the feature portions of each embodiment described above. For example, the displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment may include the displacement direction acquisition unit according to the third embodiment (without the extraction unit as in the second embodiment).
Alternatively, the storage and updating of the maximum value and the minimum value described in the first embodiment can be applied to the second and third embodiments.

10…エンコーダ部
30、40、50…信号処理装置
30…信号処理部
31…AD変換部
32…抽出部
33…規格化部
34…変位方向取得部
35…逆三角関数演算部
37…変化量演算部
39…変位演算部
100、200、300…変位計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Encoder part 30, 40, 50 ... Signal processing apparatus 30 ... Signal processing part 31 ... AD conversion part 32 ... Extraction part 33 ... Normalization part 34 ... Displacement direction acquisition part 35 ... Inverse trigonometric function calculation part 37 ... Change amount calculation 39: Displacement calculation unit 100, 200, 300 ... Displacement measuring device

Claims (9)

スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部と
を具備する変位計測装置。
An encoder unit having a scale and a detector and generating a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector;
A normalization unit that normalizes the signal generated by the encoder unit;
An inverse trigonometric function calculation unit for calculating an inverse trigonometric function of the signal normalized by the normalization unit;
A displacement measuring device comprising: a change amount calculation unit that calculates a change amount of the signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit every predetermined time.
請求項1に記載の変位計測装置であって、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成する
変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 1,
The encoder unit generates a plurality of signals having different phases.
請求項2に記載の変位計測装置であって、
前記変化量演算部により演算された前記複数の信号の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか1つを抽出する抽出部
をさらに具備する変位計測装置。
The displacement measuring device according to claim 2,
Each of the absolute values of the plurality of signals calculated by the change amount calculation unit is acquired, and among the acquired absolute values at the same time, the minimum value is greater than the minimum value, and includes the maximum value, and the maximum value to the maximum The displacement measuring device which further comprises the extraction part which extracts any one among the values to a value.
請求項3に記載の変位計測装置であって、
前記抽出部は、前記最大値を抽出する
変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 3,
The extraction unit is a displacement measuring device that extracts the maximum value.
請求項2から4のうちいずれか1項に記載の変位計測装置であって、
前記逆三角関数演算部で演算された前記複数の信号と、前記変化量演算部で演算された前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得する変位方向取得部
をさらに具備する変位計測装置。
The displacement measuring device according to any one of claims 2 to 4,
Information on the direction of relative displacement of the scale and the detector based on the change amounts of the plurality of signals calculated by the inverse trigonometric function calculation unit and the plurality of signals calculated by the change amount calculation unit. A displacement measuring device further comprising a displacement direction obtaining unit for obtaining
請求項2から5のうちいずれか1項に記載の変位計測装置であって、
前記スケールと検出部との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶する記憶部をさらに具備し、
前記規格化部は、前記記憶部に記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行する
変位計測装置。
The displacement measuring device according to any one of claims 2 to 5,
A storage unit for storing a maximum value and a minimum value of the signal generated by the encoder unit within a range in which relative movement between the scale and the detection unit is possible;
The said normalization part performs the normalization using the maximum value and minimum value which were memorize | stored in the said memory | storage part. Displacement measuring device.
請求項6に記載の変位計測装置であって、
前記最大値および最小値を更新する更新部
をさらに具備する変位計測装置。
The displacement measuring device according to claim 6,
A displacement measuring device further comprising an updating unit for updating the maximum value and the minimum value.
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理装置であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号を逆三角関数に演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部と
を具備する信号処理装置。
A signal processing device that processes the signal output from the encoder unit that generates a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector,
An encoder unit that generates a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector;
A normalization unit that normalizes the signal generated by the encoder unit;
An inverse trigonometric function computing unit that computes a signal normalized by the normalization unit into an inverse trigonometric function;
A signal processing device comprising: a change amount calculation unit that calculates a change amount of the signal calculated by the inverse trigonometric function calculation unit every predetermined time.
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成し、
前記生成された信号を規格化する規格化し、
前記規格化された信号の逆三角関数を演算し、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する
信号処理方法。
A signal processing method for processing the signal output from the encoder unit that generates a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector,
Generating a periodic signal according to the relative displacement between the scale and the detector;
Normalize the generated signal,
Calculate the inverse trigonometric function of the normalized signal,
A signal processing method for calculating a change amount of the calculated signal per predetermined time.
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