JP3104090B2 - タイミング信号発生方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物理量、例えば、位置
または角度の変化に応じてタイミング信号を発生させる
技術、より詳しくは、物理量の変化に比例した数のタイ
ミング信号を表わす電気的情報としての符号や電気的パ
ルス信号を発生させる方法および装置に関するもので、
このタイミング信号を計数することにより変化量、例え
ば変位ないし移動量を検知することができる。

【０００２】

【従来の技術】位置または角度の変化に相応して電気的
パルス信号を発生する装置として、エンコーダと呼ばれ
る装置がある。このエンコーダには、ロータリーエンコ
ーダとリニアエンコーダがあり、ロータリーエンコーダ
は回転型で角度の変化に応じたタイミング信号を発生
し、リニアエンコーダは直進型で変位距離に応じた数の
タイミング信号を発生するものである。いずれも、変位
方向に一定間隔で目盛を刻み、変位によって通過した目
盛の位置で、その目盛の数だけ電気信号（パルス）を発
生する。

【０００３】目盛の刻み方には、歯車状の凹凸とばねに
よる機械的な接点の開閉を利用したもの、平面に櫛状の
導電性のパターンを描いたもの、光学的に反射率あるい
は透過率の異なるパターンを描いたもの、磁気的に磁化
の強弱または方向を変化させてパターンを描いたもの等
種々の方式がある。

【０００４】これら従来技術に共通な特徴は、目盛が等
間隔に固定的に描かれていることである。多くの用途に
あっては、これらのエンコーダを使用する装置やシステ
ムにとって繰り返し安定に動作することを保証するため
に、目盛の位置は固定していることが必要である。ロー
タリーエンコーダにあっては、多回転あるいは３６０度
以上にわたって連続性を得るために、１回転の目盛の数
は整数とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のエンコーダには
次のような問題がある。 （１）分解能が固定である。すなわち、１個のロータリ
ーエンコーダでは１回転あたりの、あるいは、一定操作
量あたりのパルス数は製造時に決定され固定である。入
力パルス数に比例した変移を生じる制御対象を有するシ
ステムに一定の変位を与えようとする場合、最初から目
的の位置に制御対象を移動させるとき、できるだけ速や
かにかつ滑らかに行き過ぎないように操作することが望
まれる。ここで、分解能の高いエンコーダを用いると、
最初の位置から目的の位置近くまでは、エンコーダに対
して、少ない操作量を与えることで、素早く大きく移動
させることができる。ところが、少ない操作量で大きな
移動が生じるために、最終的な位置決めをしようとする
とき、動きが速すぎるか、あるいは、移動単位が粗すぎ
て、目的の位置を指示しにくく、また行き過ぎる恐れが
あり、機械装置であれば衝突のおそれもある。そこで制
御対象を目的の位置に高精度に位置決めするには微細な
操作が必要となるが、これが容易ではなく操作性が悪
い。逆に分解能の低いエンコーダを用いると、粗い操作
で最終的な位置決めができるが、大きな変移を得たい場
合には操作量が多くなって、速やかな移動は望めずやは
り操作性が悪い。このように、エンコーダを実際に使用
する場合、速やかで大きな変位を得たい（高密度のパル
スが必要な）場合と、微細な変位を得たい（密度は低い
がタイミング精度の高いパルスが必要な）場合との相反
する要求がある。従来のエンコーダでは分解能が固定で
あるから、このような要求には答えられず、用途に応じ
て中間的な分解能を選定しているが、操作性が悪い。

【０００６】（２）上述の分解能が一定である欠点をな
くすために、従来次の方法が提案されているがこれにも
問題がある。 ａ）パルス数を逓倍する方法。すなわち、ロータリーエ
ンコーダが出力するパルスを電子回路で整数倍に逓倍し
て見かけ上のパルス密度を高くする方法が提案されてい
るが、逓倍されたパルス列は連続性がなく、エンコーダ
の変位が滑らかに増減した場合でも、逓倍されたパルス
列はだんご状に出力され、機械を動かすような場合、ぎ
くしゃくした動きをしたり、振動を発生したりする。 ｂ）パルス数を分周する方法。すなわち、ロータリーエ
ンコーダが出力するパルス列を整数分の一に分周し、パ
ルス密度を低くする方法である。しかし、この方法では
分周比は整数に限られること、より高価な高分解能エン
コーダと別にパルス分周のための機構（電子回路）を必
要とする欠点がある。

【０００７】（３）発生すべきパルスのパターンを予め
固定的に目盛ってあるために、チャタリング（光学式で
あれば光を反射する部分としない部分の二つの状態の間
を不安定に行ききし、誤ったパルス列を出力すること）
を生じる。従って、低速動作時、あるいは静止時に目盛
の境目付近でエンコーダの駆動部が微振動を生じている
と、振動により二つの状態を往復してパルス列を発生す
る。このパルス列はエンコーダを組み込んでいるシステ
ムにおいてはもともと想定していないし、エンコーダが
通常発生するパルス列と比較して高速なパルス列である
場合が多く、システムが誤動作する等の恐れがある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の基本原理は物理
量の変化量、例えば、位置や角度の変化量（変位量）を
対応する電気量、例えば電圧（アナログ量）に変換し、
これをさらに数値（ディジタル量）に変換（Ａ／Ｄ変
換）して測定値を得、この測定値が予め設定した基準な
いし単位量に相当する数値だけ増減する毎に１個のタイ
ミング信号を発生させようとするもので、このタイミン
グ信号の数によって物理量の変化量を表わすことができ
る。

【０００９】すなわち、図２はＸ軸に対象物理量として
変位を、Ｙ軸に電圧をとり、物理量−電圧変換器（第一
次変換部）の出力６ｘをプロットしたものであるが、本
発明は出力６ｘが予め設定した基準量Ｒだけ増加または
減少する毎に１個のタイミング信号９を出力させ、基準
量Ｒの大きさを変えることによって物理量の単位変化量
に対するタイミング信号９の密度ないし発生間隔（分解
能）を自由に変えることができる。

【００１０】本発明が基本とする方法は、測定されてい
る物理量が予め定めた基準量だけ変化する毎に１個のタ
イミング信号を発生させ、各タイミング信号発生時点に
おける物理量測定値を記憶保持し、この記憶保持値とそ
の後の物理量の測定値とを比較して物理量測定値が記憶
保持値に対して予め定めた基準値だけ変化する毎に１個
のタイミング信号を発生させるとともに、その時点の物
理量測定値を先の記憶保持値に代えて記憶保持する動作
を反復させることを特徴とする。出力タイミング信号の
数を計数することによって変化量を知ることができ、基
準値を変えることにより出力タイミング信号の発生間隔
ないし密度を変えこれにより分解能を変えることができ
る。物理量の変化は正負いずれの方向に行なわれてもよ
い。

【００１１】本発明は次の四つの基本構成を有する。第
１の構成は、 ａ）物理量を対応する電気量に変換出力する第一次変換
部とこの第一次変換部からのアナログ量の出力電気量を
ディジタル量の測定値に変換出力する第二次変換部とを
有する少なくとも一つの変換器からなる変換手段と、 ｂ）前記変換手段の出力測定値が予め定めた基準値だけ
変化する毎にその時点の前記出力測定値を記憶保持する
保持手段と、 ｃ）前記保持手段の記憶保持値と前記変換手段の出力測
定値とを比較し、前記出力測定値と前記記憶保持値の差
が前記基準値に達したとき１個のタイミング信号を出力
するタイミング信号発生手段と、 ｄ）前記出力タイミング信号を前記保持手段に与えてそ
の記憶保持値をその時点における前記変換手段の出力測
定値で置換させる手段と、からなることを特徴とする。

【００１２】第２の構成は、第１の構成において、前記
変換手段を、同一対象物理量の異なる範囲に応答変換動
作して対応する測定値を出力する複数の変換器によって
構成し、前記変換器の出力測定値を予め定めた制限値と
比較し、出力測定値が予め定めた制限値に達した変換器
から出力測定値が前記制限値に達していない変換器へ順
次切換え、出力測定値が前記制限値に達しない変換器の
出力測定値に基づく前記タイミング信号発生手段からの
出力タイミング信号を選択する手段を併せ設けたことを
特徴とする。

【００１３】第３の構成は、第１の構成において、前記
タイミング信号発生手段を、前記出力測定値の一方向お
よび反対方向の変化によって生じる前記出力測定値の前
記保持値との差が前記基準値に達したとき、それぞれ１
個のタイミング信号を出力するように、構成したことを
特徴とする。

【００１４】第４の構成は、第２の構成において、前記
タイミング信号発生手段を、前記出力測定値の一方向お
よび反対方向の変化によって生じる前記出力測定値の前
記保持値との差が前記基準値に達したとき、それぞれ１
個のタイミング信号を出力するように、構成したことを
特徴とする。

【００１５】本発明の構成は、 ａ）測定されている連続的に変化する物理量を対応する
電気量に変換出力する第１次変換部とこの第１次変換部
からのアナログ量の出力電気量をディジタル量の測定値
に変換出力する第２次変換部とを有する少なくとも一つ
の変換器からなる変換手段と、 ｂ）前記変換手段の出力測定値が予め定めた基準値だけ
変化する毎にその時点の前記出力測定値を記憶保持する
保持機能と、前記保持機能による記憶保持値と前記変換
手段の出力測定値とを比較し前記出力測定値と前記記憶
保持値の差が前記基準値に達したとき１個のタイミング
信号を出力するタイミング信号発生機能と、前記出力タ
イミング信号に応答し前記記憶保持値をその時点におけ
る前記変換手段の出力測定値で置換させる機能とを有す
る蓄積プログラム制御手段と、からなることを特徴とす
る。

【００１６】

【作用】第１の構成では、変換器の第１次変換部が物理
量、例えば位置の変化に応答動作して変位量を相応する
電気量例えば電圧に変換し、さらに第２次変換部がこの
電圧を相当する数値に変換し、出力測定値として保持手
段に与える。保持手段はこの入力測定値が基準値だけ変
化する毎にその測定値を段階的に保持する。タイミング
信号発生手段が保持手段に保持された測定値と変換手段
からの測定値とを比較し、両者の差が基準値に達する毎
に１個のタイミング信号を出力するとともに、このタイ
ミング信号を前記保持手段にも与えてそれまでの保持値
と置換してそのときの変換手段からの出力測定値を新し
く記憶保持させる。タイミング信号発生手段からのタイ
ミング信号は出力端子に出力され、外部のカウンタで計
数されて、その計数値によって変位の大きさを表わすこ
とができる。

【００１７】第２の構成は、第１の構成の系統を複数系
統並設したもので、物理量の変化が一つの系統の変換手
段で対処できる変化範囲を越えると、次の系統に切換え
られ同じ動作が継続して行なわれる。

【００１８】第３の構成は、物理量の変化が正逆二つの
方向において生じる場合に対処するもので、二つのタイ
ミング信号発生手段の出力タイミング信号を加算すれば
正逆方向の変位の合計値を、また、正方向の変位による
タイミング信号発生手段の出力タイミング信号から負方
向の変位によるタイミング信号発生手段のタイミング信
号を減算すれば、基準位置からの変位を表わすことがで
きる。

【００１９】第４の構成は、第２の構成と第３の構成を
組合せたもので、これら二つの構成の動作を行なうこと
ができる。

【００２０】第１から第４の各構成が、変換手段によっ
て得た物理量相当測定値を保持、比較、置換、タイミン
グ信号発生の各手段により布線論理制御方式の動作手順
よって処理するの対し、本発明の構成は、前記測定値を
電子計算器、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）等の蓄積プ
ログラム制御方式によって処理し、第１から第４の各構
成と同等の機能を実現するものである。

【００２１】いずれの構成においても、変換手段の出力
測定値の予め定めた基準値を変えることによって出力さ
れるタイミング信号の間隔ないし密度を変え、従って、
装置の分解能を変えることができる。また、測定物理量
の変化の速さ、従って、変換手段の出力測定値の変化の
速さが予め定められた値以下であるとき、かかる変化は
意図された変化でなく、すなわち、不用意な変化である
として装置をその変化に不感応ならしめるために、記憶
されている保持値を変換手段の出力測定値に継続的に近
づくように変化させることによって、変換手段の出力測
定値と記憶保持値との差が基準値に達することがなく、
従って、タイミング信号が発生されることがない（物理
量の緩い変化には装置が不感である）ように構成するこ
とができる。

【００２２】本発明の対象となりうる物理量としては位
置、角度、温度、湿度、重量、速度、加速度、光学的な
量として色相、彩度、明度、光量、反射率、透過率等、
および放射線密度、電界強度、磁束密度、薬液濃度、ｐ
Ｈ等の電気化学的な量、成分比、透明度、流量、圧力、
振動数、周波数、その他のあらゆる自然現象をあげるこ
とができるが、以下の説明においては変位を例として説
明する。

【００２３】変位を電気量に変換する手段としては、例
えば抵抗体と摺動子を組合せたポテンショメータが最も
一般的であるが、角度や位置の変化を電気信号に変換で
きるものであれば、いかなる変換素子を用いてもよく、
例えば、磁気抵抗素子と磁石、光によって抵抗値や発生
電気量、例えば電圧が変化する光電素子と遮蔽板を使用
できる。また、変位以外の物理量の場合もその物理量を
電気量に変換できる適当な素子を使用できる。

【００２４】従来のエンコーダは一定の間隔で目盛を付
けており、ディジタル的であったが、本発明では目盛の
間隔を使用に際して任意に設定でき、１タイミング信号
当りの変位量は任意であり、従来のものに比べてアナロ
グ的である。エンコーダの出力タイミング信号として
は、一般に、電気的パルスである。例えばロータリーエ
ンコーダであれば、１回転当りの分解能を１００，２０
０または５００等のパルス数のエンコーダとして用いる
ことができる。さらに、１０１，１０２，１０３，４９
９，５０１等としても用いることができる。また、本発
明では整数値以外の端数も可能である。２回転で３４５
パルス、７回転で６７８パルスといった設定も可能であ
る。これらは１回転当り１７２．５パルス，９６．８５
７１４２・・・といった値であるが、パルスの間隔は連
続性をもって多回転を実現できる。ここでは整数回転で
パルス数が整数値になる例を示したが、まったくの端数
もとり得る。

【００２５】本発明では、このように単位移動量（変位
量）当りのタイミング信号（パルス）密度を任意に設定
することができる。本発明の装置は製造時にはタイミン
グ信号発生位置を示す目盛は付けずにおき、使用ないし
動作時にタイミング信号密度または１タイミング信号当
りの変位量を設定する。従って、動作中に１タイミング
信号当りの変位量を設定し直すことも可能である。本発
明では、このようにして動作中にタイミング信号発生密
度を自由に変更することができる。長い距離を移動し目
的の位置を指示する場合、タイミング信号発生密度を高
く設定し大きく移動し、目的の位置に近付くにしたがい
タイミング信号発生密度を低くし、最終的に位置を指示
するときには最も低いタイミング信号発生密度で位置決
めをする。このようにタイミング信号密度を加減するこ
とによってスムーズな操作を実現できる。

【００２６】本発明は特に位置または角度の変位を連続
するタイミング信号に変換するものであるが、位置また
は角度を他のあらゆる物理量におき換え、この物理量を
適当なセンサによって電気量として検出して、物理量の
変化を別の物理量の変化に変換した後に、本発明によっ
てその変化をタイミング信号に変換するように構成する
こともできる。

【００２７】本発明によるタイミング信号発生装置を２
組以上組み合せることにより、二次元（平面上の位置表
示）、三次元（立体表示あるいは球面上の位置表示）に
おける変位に対応するタイミング信号発生方式とするこ
とが可能である。

【００２８】

【基本構成】１）第１の構成（一方向変位単一系）（図
１（ａ），（ｂ）） 図１は第１の構成例を示し、１は物理量を測定値に変換
する変換器で、変位（物理量）を電圧（電気量）に変換
する第１次変換部Ｃ_１と、電圧を数値（測定値）に変換
する第２次変換部Ｃ_２とからなり、２は信号保持器、３
は比較器、４は微分器である。第１次変換部Ｃ_１は例え
ば公知の回転型ポテンショメータやスライドボリュウム
が使用でき、入力変位量５を対応する電圧に変換し、出
力信号（変位信号）６ｘとして出力する。第２次変換部
Ｃ_２はＡ／Ｄコンバータで、出力信号６ｘを入力としそ
れに相当するディジタル値に変換し測定値信号６として
出力する。すなわち、変換器１は入力変位量（物理量）
を対応する測定値に変換し測定値信号６として出力す
る。保持器２は微分器４の出力タイミング信号９が入力
された時点における変換器１からの測定値信号６のレベ
ルを保持して、この保持されたレベル（保持値）を出力
信号（保持値信号）７として出力する。

【００２９】比較器３は変換器１の測定値信号６と保持
器２の保持値信号７とを比較し、信号６が信号７に対し
て予め設定された電圧差（基準値）Ｒだけ増加したとき
出力タイミング信号８を出力する。以下、理解を容易に
するために、電位差を基準値として説明するが、実際は
電位差に相当する数値であり、ディジタル論理回路での
処理である。

【００３０】微分器４は比較器３の出力信号８を検出し
てタイミング信号９を出力する。このタイミング信号９
は、例えば外部のカウンタに入力されるとともに、保持
器２に保持されている測定値信号６のレベル（保持値）
をその時点における信号６のレベルで置換するためのタ
イミング信号としても作用する。

【００３１】以上の回路の動作をグラフで示すと第２図
のごとくである。すなわち、変換器１からの測定値信号
６が増加してゆき、保持器２の保持値信号７よりも予め
設定された変位に対応する電圧差（基準値）Ｒ、例えば
１ミリボルトだけ増加したとき、比較器３はこれを検出
して信号８を出力する（論理１となる）。この出力信号
８を微分器４が波形整形してタイミング信号９を出力す
る。微分器４は信号８の論理０から１への変化の一瞬の
み信号９を出力する。タイミング信号９により、保持器
２は保持電圧（保持値信号）７を現時点の入力電圧（測
定値信号）６で置換する。換言すれば、現時点の入力電
圧が保持器２の新しい保持値となる。これによって信号
６と信号７の差が零になり、設定された電圧差がなくな
ったことにより信号８は論理０となる。以下測定値信号
６の増加により、以上の動作が繰り返えされ変位量に応
じた数のタイミング信号９が出力される。この出力タイ
ミング信号は例えばカウンタで計数され、計数値は目的
に応じて処理され、例えば、表示器に変位量として表示
される。

【００３２】２−１）第２の構成（一方向変位複数系統
切換系）（図３） 図１の構成では変換器１は１個であるので、回転型ポテ
ンショメータの場合は抵抗体の直径により、また、直進
型ポテンショメータの場合でも抵抗体の長さにより、変
位量の有効測定範囲が制限される。この範囲は変換器を
複数個用いることによって拡大することができる。回転
型ポテンショメータの場合、有効角度範囲が通常２５０
度〜３５０度であるので、２個のポテンショメータ
ｒ_１，ｒ_２を同軸上に１８０度程度ずらし、かつ、それ
ぞれの摺動子ｓ_１、ｓ_２をポテンショメータの軸に一致
する共通軸Ａ上に同一方向に固定したもの（図１８
（ａ））か、または、２個のポテンショメータｒ_１、ｒ
_２を同じ角度で配置し、それぞれの摺動子ｓ_１、ｓ_２を
軸Ａ上に１８０度ずらして固定したもの（図１８
（ｂ））を使用することができる。あるいはまた、図１
８（ｃ）に示すように、２個のポテンショメータｒ_１、
ｒ_２を左右に配置し、それぞれの摺動子をそれぞれの回
転軸Ａ_１Ａ_２上に１８０度ずらして固定するとともにそ
れぞれの回転軸に歯車Ｇ_１、Ｇ_２を固定し、両歯車を共
通の一個の駆動歯車Ｇに噛合させ、駆動歯車を回転させ
ることにより各摺動子を回動させるようにしたものを用
いることができる。さらにまた、１個の円形抵抗体ｒと
同心の一本の回転軸Ａ上に二つの摺動体ｓ_１、ｓ_２を１
８０度間隔をおき、かつ、互いに電気的に絶縁して取付
けたものを使用してもよい（図１８（ｄ））。

【００３３】以上のような構成の変換器によれば、二つ
の摺動体ｓ_１、ｓ_２（変換器１、１’）から取出せる出
力（測定値信号６、６’）は図４ａに示すように、互い
に位相が１８０度ずれているので、一方の出力が有効な
範囲を外れる前に他方の出力を利用するようにすればよ
い。なお、ポテンショメータの円形抵抗体の有効角度範
囲が上記よりも小さい場合、３個以上の抵抗体を用いこ
れらを順次切り換え３６０度の連続性を得ることができ
る。

【００３４】直進型（リニアエンコーダ）を使用する場
合は、要求される移動量に必要な単位変換素子（スライ
ドボリュウム等）の有効抵抗部分の両端を少しずつ重ね
て配置し、順次切り換えて大きな（長距離の）移動量の
変位に対応させることができる。

【００３５】なお、直進運動を回転運動に歯車等で変換
すれば、リニアエンコーダの代りにロータリーエンコー
ダを用いて直線変位の測定を行なうことも可能である。

【００３６】図３は以上のような変換器を２個用いた本
発明の第２の構成の一例を示す。図３においては、変換
器１、保持器２、比較器３および徴分器４からなる第１
系統の回路網と各回路の信号５〜９とは図１の構成と同
じであり、また、変換器１’、保持器２’、比較器３’
および微分器４’からなる第２系統の回路網も第１系統
の回路網と同じであり、各回路の信号５’〜９’は対応
する第１系統の回路網の対応する信号５〜９に対し１８
０°の位相差をもつ。

【００３７】図３の構成は上記２系統の回路網に加え
て、これらの二つの系統を切換え選択する第１と第２の
切換器１０、１１、上限値発生器１２、比較器１３およ
び切換指令信号発生器（フリップフロップ）１４からな
る切換指令系統を有する。

【００３８】切換器１０は切換信号発生器１４の出力信
号（切換指令信号）１９が論理１か０かによって第１系
統の微分器４の出力信号９か第２系統の微分器４’の出
力信号９’のいずれかを選択（切換え）し、これをタイ
ミング信号１５として出力する。図１の構成では、保持
器２の保持値（測定値信号６のレベル）は出力信号９に
よって更新させたが、本構成では両系統の保持器２、
２’の保持値は切換器１０の出力信号１５（微分器４ま
たは４’の出力信号９または９’）によって更新させ
る。

【００３９】切換指令系統において、切換器１１は切指
令信号発生器１４の出力信号１９により切換器１０が選
択しているのと同じ系統の測定値信号６または６’を選
択し、これを出力信号１６として比較器１３に与える。

【００４０】上限値発生器１２は変換器１または１’が
その有効動作範囲を越えるいくらか手前の変位（有効動
作範囲上限値）に対応する信号６のレベルをもつ出力信
号（上限値信号）１７を比較器１３に与える。

【００４１】比較器１３は測定値信号１６と上限値信号
１７を比較して信号１６が信号１７のレベルに達したと
き変換器１または１’の有効動作範囲を越える時点より
も予め定めた値だけ前に出力信号１８（論理１）をアン
ド回路ＡＮ_１に与える（図４（ｂ））。

【００４２】出力信号（論理１）１８が入力されている
状態のアンド回路ＡＮ_１に切換器１０の出力タイミング
信号１５が入力されると、切換信号発生器１４が現在動
作中の系統、例えば第１系統（１〜４）が有効動作範囲
の上限に達したと判断し、出力信号１９の論理を反転さ
せる。この反転により、切換器１０、１１が切換動作さ
れて他方の系統、例えば第２系統（１’〜４’）を選択
し、以後第２系統の出力信号９’を出力タイミング信号
１５として出力する。

【００４３】図３の構成の動作について説明する。変位
にともない二つの系統の回路網は交互に択一的に動作
し、信号９または９’が出力タイミング信号１５として
出力される。この信号９、９’の発生動作は第１図に示
す基本構成におけると同じであるから、第１系統の有効
動作範囲を越え、第２系統へ切り変わる動作についての
み図３、図４（ａ）、図４（ｂ）を参照してさらに詳し
く説明する。なお、図４（ｂ）は図４（ａ）の円内部分
を拡大した図である。

【００４４】切換信号発生器１４からの切換指令信号１
９（論理０）により選択されている第１系統の測定値信
号６は、切換器１１を介して信号１６として比較器１３
に入力される。比較器１３は入力信号１６のレベルが上
限値発生器１２からの上限値信号１７のレベルに達する
と、変換器１の有効動作範囲の上限値の手前であること
を示す信号１８（図４（ｂ））を出力し、アンド回路Ａ
Ｎ_１に与える。一方、変位の増加により測定値信号６が
増加し、次にタイミング信号９が発生されると、このと
き切換器１０は信号９側の第１系統を選択しているの
で、信号９は信号１５として出力され、アンド回路ＡＮ
_１に入力される。従って、アンド条件が成立し、アンド
回路ＡＮ_１の出力により切換信号発生器１４は出力信号
１９の論理を０から１に反転させ、切換器１０、１１を
切換え、動作系統を第１系統から第２系統に切換えて信
号６’によって動作を継続させる。

【００４５】なお、第２系統においては、第１系統の動
作中にも出力タイミング信号１５により保持器２と同時
に保持器２’もその保持値を更新されているので、系統
を切換えた場合でも、出力信号１５のタイミング列の連
続性は維持される。

【００４６】２−２）第２の構成の変形例１（図５） 図５は、図３の変形例を示す。まず、図３の構成では第
１系統と第２系統にそれぞれ比較器３、３’および微分
器４、４’を設けたが、図５の構成では保持器２、２’
の後段に切換器１０を配置することにより、比較器３と
微分器４をそれぞれ１個にして回路構成の簡素化を計っ
たものである。動作については図３の構成に準じ容易に
理解されるので、説明を省略する。

【００４７】２−３）第２の構成の変形例２（図６） 図６は図３の他の変形例を示し、変換器１、１’の後段
に切換器１１を配置し、保持器２、比較器３および微分
器４を両系統に共通にそれぞれ１個として回路構成をさ
らに簡素化したものである。

【００４８】図６の変形例では、微分器４の出力信号９
を遅延回路２１を介して保持器２に与えて、保持値を更
新させるようにしている。先の図３図５の構成では、出
力信号１５、９の発生と同時に、この信号１５、９によ
り保持器２、２’の保持値が更新されるが、図６の構成
では信号９を遅延回路２１を介して信号２０として保持
器２の保持値を更新するようにしている。これは切換信
号発生器１４の出力信号１９で切換器１１を切換え、新
しい系統のその時点の測定値信号６または６’が信号１
６として保持器２に入力されて保持値となった後に、こ
の更新された保持値と、その後の測定値信号６または
６’とを比較器３で比較するようにするためである。も
し、タイミング信号９で保持器２の保持値を更新した後
に、切換器１１を新しい系統（例えば第２系統）に切換
えると、保持器２の更新された保持値は切換え以前の先
の系統（例えば第１系統）の高いレベルの測定値信号６
の値であり、その高い信号レベルの保持値と新しい系統
の低い信号６’とを比較することになり、その場合測定
値信号６’が基準値だけ変化しても保持器２の保持値に
達せずタイミング９が出力されないことになって不都合
であるからである。

【００４９】図６の構成では、遅延回路２１のために保
持器の保持値の更新に時間がかり、タイミング信号列発
生の精度が少々悪くなるが全体の回路構成を一層簡素化
することができる。

【００５０】３）第３の構成（両方向変位単一系）（図
７） 以上の構成は変位が増加する場合の構成であるが、本発
明の第３の構成は変位が増加する場合と減少する場合と
に対応できる構成である。その一例を図７に示すが、こ
の構成は図１の構成を変位が増減両方向の場合に対処で
きるように構成したものであり、同一参照記号は対応す
る構成要素を示し、動作も同一である。変位が減少方向
で出力される信号および回路要素には増加する方向で出
力される対応する信号および回路要素と同一参照記号に
添字ａを付して示す。

【００５１】図７では比較器３のほかに、比較器３ａが
変換器１からの測定値信号６と保持器２からの保持値信
号７とを比較し、信号６が信号７に対して予め設定され
た電圧差だけ減少したとき、換言すれば信号６の信号７
との差が予め定められた基準値Ｒに達したとき、信号８
ａを出力する。微分器４ａは比較器３ａの出力信号８ａ
を受けてタイミング信号９ａを出力する。

【００５２】オア回路ＯＲ_１は微分器４の出力信号９ま
たは微分器４ａの出力信号９ａを受けたとき、これを信
号２３として出力し、保持器２に入力して保持値を更新
させる。

【００５３】上記構成の動作を図８をも参照して説明す
ると、保持器２はそれまでの変位が増加であったか減少
であったかにかかわらず、前回のタイミング信号９また
は９ａの発生位置Ｄに対応する信号６のレベルを保持し
ており、比較器３または比較器３ａはそれぞれの設定電
位差（基準値Ｒ）に相当する増加方向または減少方向の
変位（測定値信号６の増減）があったときに、その位置
（ｄまたは−ｄ）で信号８または８ａを出力し、微分器
４または４ａが出力タイミング信号９または９ａを発生
する。この出力タイミング信号は例えばそれぞれ別のま
たは共通のカウンタに入力させることができる。

【００５４】比較器３と比較器３ａの設定基準値Ｒを等
しくするためには、１個の共通の電位差（基準値）設定
器２６を両方の比較器３、３ａに接続することができる
（図９）。

【００５５】４−１）第４の構成（両方向変位複数系統
切換系）（図１０） 図１０は図３と図７の構成の機能を併せ備えた構成、す
なわち、変位の増減に対応するとともに、二つの系統を
交互に切換えて動作させるようにしたものである。

【００５６】図１０の構成は図７に示した両方向変位単
一系を２系統備えており、測定値信号６または６’が上
限値または下限値に達すると、現在選択されている動作
中の系統を他方の系統へ切り換える。両系統における各
対応する構成要素の信号は互いに１８０度の位相差があ
り、同じ参照番号にダッシュ（’）を付したものと付さ
ないもので示す。また、変位が減少する方向で出力され
る信号には増加する方向で出力される信号と同じ記号に
添字ａを付して示す。なお、ＡＮ_２はＡＮ_１と同様のア
ンド回路で、微分器４ａまたは４’ａの出力１５ａおよ
び比較器１３ａまたは１３’ａの出力を切換器５０を介
して受け、その出力をオア回路ＯＲ_２を介して切換指令
信号発生器１４に与える。

【００５７】図１０の構成の動作は既述の三つの構成例
の動作の組み合せであり、理解に容易であろうから、説
明は簡単に留める。変位５または５’の増加によりタイ
ミング信号１５が発生し、変位の減少により出力タイミ
ング信号１５ａが発生する。変位の増加または減少によ
り、変換器１、１’のいずれかの出力信号６、６’が上
限値または下限値に達したとき、切換信号発生器１４か
らの切換指令信号１９によって切換器５０が切換えられ
て動作する系統が切換えられる。

【００５８】４−２）第４の構成の変形例１（図１１） 図１１は図１０における変換器１、１’の出力６、６’
を切換器１１を介して比較１３および１３ａに与えるこ
とによって、比較器１３’、１３’ａを省略した構成を
示す。図１１では切換器５１は図１０の切換器５０に対
応するが、図１１では比較器１３、１３ａの出力１８、
１８ａを切換器５１を介さずにそれぞれ直接アンド回路
ＡＮ_１、ＡＮ_２の一方の入力に与えている。この変形例
の動作は図１０の動作から容易に理解できるので説明は
省略する。

【００５９】４−３）第４の構成の変形例２（図１２） 図１２は図１０の構成において比較器１３’、１３’ａ
を省略するとともに（すなわち、図１１の構成におい
て、さらに）、比較器３’および３’ａ並びに微分器
４’および４’ａをも省略したもので、保持器２、２’
の出力７、７’を切換器５２を介して比較器３および３
ａに与えるようにしてある。なお、図１２では図１０の
切換器１１を切換器５２に組み込んである。この変形例
の動作も既述例の動作から容易に理解できるので説明は
省略する。

【００６０】５）分解能可変の構成（図９、図１３） 既述の構成においては、タイミング信号９の間隔、すな
わち、現タイミング信号から次タイミング信号が発生す
るまでの変位量（基準値Ｒ）は予め一定値に設定されて
いたが、これを可変とすることにより分解能を可変とす
ることができる。比較器３、３’３ａ、３’ａは比較器
２４、加算器２５および電位差（基準値）設定器２６に
よって構成することができる（図９、図１３）。変位の
増加方向と減少方向の二つの比較器３（３’）、３ａ
（３’ａ）が設けられた構成では図９に示すように、変
位の増加方向と減少方向とで感度（分解能）に差が生じ
ないように基準値設定器２６を比較器３（３’）と比較
器３ａ（３’ａ）で共用している。いずれの場合も、分
解能を可変にするためには、基準値設定器２６をその出
力電圧が変更可能なものを使用する。可変基準値設定器
としては種々あるが、例えば、手動または外部の変化に
連動させて操作し設定基準値（電位差）を変化させるポ
テンショメータや外部の電子装置、コンピュータ等によ
って制御されるＤ／Ａコンバータにより電位差を任意に
設定するものがある。

【００６１】６）低速変位に不感応な構成（図１４〜図
１７） 既述の構成においては、保持器２（２’）は前回の出力
タイミング信号発生時点の変位に対応する電圧レベルを
次回のタイミング信号の発生まで保持する機能を有す
る。しかし、この種のエンコーダにおいては、意図され
ない不本意な変位が生じる場合があり、このような場合
装置が不感応であることが望ましい。このような装置を
不感応とすべき変位は通常低速であるから、本発明では
低速の変位に対し不感応とする構成が可能である。

【００６２】本発明においては、保持器２（２’）は、
図１４に示すようにレジスタ３１の集合体で構成され
る。レジスタはデータを一時的に保持する論理回路で、
２進数の１ビットを表現することができ、図１４の例で
は６個、すなはち、６ビットで６４通りの電圧レベルを
表現する。但し、実用的な装置では８個（８ビットで２
５６通りの電圧レベルを表現する）以上のレジスタで構
成される。保持器２（２’）への更新指令信号としての
出力タイミング信号９、１５、２０、２３が存在しない
ときは、レジスタ３１の値がそのまま信号７、７’とし
て出力されている。更新信号９（１５、２０、２３）が
入力されたとき、入力測定値信号（変換器１（１’）の
出力）６（６’）がレジスタ３１に設定され出力信号７
（７’）となり、保持器２の保持値、すなわち、出力信
号７（７’）が更新される（図１６）。なお、微分器４
（４’、４ａ、４’ａ）の出力タイミング信号に基づく
更新指令信号９（１５、２０、２３）はある時間幅を有
するが、更新動作（レジスタ３１への設定）はタイミン
グ信号の論理０から１への変化点（立上りエッジ）で一
瞬に行なわれ、全体の系統の動作に問題はない。

【００６３】図１６は変位の速さ（測定値信号６
（６’）の変化）と保持器２（２’）の保持値信号７
（７’）の関係を示す。信号６（６’）が増加して信号
７（７’）との差が基準値Ｒに達する毎に出力タイミン
グ信号９が発生する。変位の速さが減じる（カーブの傾
斜が緩くなる）のにつれてタイミング信号９の間隔は大
きくなる。

【００６４】低速の変位に対して装置を不感応とするた
めに、本発明では保持器２（２’）を図１５に示すよう
に構成する。２ｘ（２’ｘ）は、その出力信号７
（７’）を入力信号６（６’）に設定可能な加減算器
（カウンタ回路）であり、各値を入出力する端子の外
に、加算／減算を指示する信号３３、３３’、加算／減
算を実行するタイミングを示す信号３５（等間隔信号発
生器３４の出力）および出力値７（７’）を入力値６
（６’）で置換することを指示する信号９（１５、２
０、２３）の端子を有する。３２（３２’）は加減算器
２ｘ（２’ｘ）の入力信号６（６’）と出力信号７
（７’）を比較し、比較結果を信号３３（３３’）とし
て出力する比較器である。この構成においては、信号３
５が入力される毎に、入力信号６（６’）と出力信号７
（７’）の比較結果（比較器３２（３２’）の出力信号
３３（３３’））によって加減算器（保持器）の保持値
が増減（＋１または−１）される。すなわち、入力信号
６（６’）が正方向に変化していくとき、出力信号７
（７’）も徐々に増大していく。これは図１７において
信号７（７’）が図１６の水平位置から右上りに傾斜す
ることを意味する。

【００６５】変位が生じてもこれを無視して不感応なら
しめる変位の速さ（不感応変位速さ、例えば２秒に１個
のタイミング信号９を発生するような変位の速さ）を等
間隔信号発生器３４で設定しておくと、設定した不感応
変位速さよりも速く、例えば、１秒に１０のタイミング
信号を発生する変位の速さで変位が入力されると通常の
動作をする。つまり、入力測定値信号６（６’）の変化
に応じて出力保持値信号７（７’）も徐々に変化するけ
れども、信号６（６’）の変化が信号７（７’）よりも
大きいので、両者の差は基準値Ｒに達してタイミング信
号８が出力される（図１７のタイミング信号Ｐｎま
で）。しかし、変位が不感応変位速度より遅い速さ、例
えば、５秒に１個のタイミング信号を発生する程度に遅
くなると（図１７のタイミング信号Ｐｎより右側）、前
回のタイミング信号Ｐｎの発生位置から本来ならば次の
タイミング信号を発生する位置までの変位があっても、
入力の測定値信号６（６’）の変化（増加）に伴なっ
て、入力信号６（６’）が比較される基準となる保持値
信号７（７’）も入力信号６（６’）に追従してこれに
近づくように変化（増加）するから、信号６（６’）と
７（７’）の差は基準値Ｒに達せず（図１７でＰｎより
右側では信号６（６’）と７（７’）の差が拡大しな
い）、従って、比較器３（３’）は出力信号８を発生し
ない。つまり、低速の変位に対して装置は不感動であ
る。

【００６６】６）基本構成１）〜４）の変形例 上述の基本構成以外にも種々の変形例が可能である。例
えば、第４の構成においても、第２の構成の変形例２
（図６）におけるように、２個の保持器２と２’を１個
の保持器２で共用する構成も可能である。

【００６７】図示の複数系統切換系は、２系統を切り換
える構成であるが、３系統以上を順次切り換える構成も
可能である。

【００６８】７）本発明の構成（図１９、図２１） 第１〜第４の構成およびその変形、分解能可変の構成、
低速変化に不感応な構成、その他の変形例の構成は、こ
れらの機能、動作が布線論理制御方式によって処理され
るものである。本発明の構成は、上記の論理回路による
布線論理制御方式に対し、電子計算機等による蓄積プロ
グラム制御方式による構成である。換言すると、前記の
ハードウエアによる制御に代えてソフトウエアによる制
御を使用したものである。

【００６９】従って、基本的な考えは全く同じと言って
よく、何れもａ）物理量→電気量変換器、ｂ）電気量
（アナログ値）→数値（デジタル値）変換器ｃ）制御部
の三つから構成され、ｃ）制御部の機能は同等である。

【００７０】図１９（ａ）は、図１に対応する本発明の
構成例を示し、３６は電子計算機の如き蓄積プログラム
制御方式による処理装置、３７はプログラムを逐次実行
し、データに対し、移動、計算、比較等の処理を行う制
御部、３８はプログラム、基準値Ｒ等の固定データ等を
格納する記憶部、３９は入力データ（設定値信号６
（６’））や保持値データ（保持値信号７（７’））等
を格納する記憶部である。記憶部３８、３９は区別する
必要はない。図１９（ｂ）は記憶部３８、同３９の内容
を示す。図２０はプログラムのフローチャートの一例で
あり、動作は次のとおりである。すなわち、ステップ１
で信号６を入力して入力値６とする。ステップ２で入力
値６から保持値７を引き、その結果を基準値Ｒと比較
し、Ｒより大きくなければステップ１から繰り返し、Ｒ
より大きければステップ３で入力値６を新しい保持値７
として格納するとともに、ステップ４でタイミング信号
９を出力し、ステップ１から繰り返す。

【００７１】図２１（ａ）は、図１０に対応する本発明
の構成例を示し、処理装置３６の内部構成は図１９と同
じである。信号６は変換器１の出力信号、信号６’は変
換器１の出力信号６とは１８０°の位相差をもつ変換器
１’の出力信号であり、１５はタイミング信号発生装置
として機能する処理装置３６の出力信号、１５ａは入力
変位が信号１５のときとは逆方向であったときの処理装
置３６の出力信号であって、図１０における信号６、
６’、１５、１５ａと等価である。

【００７２】図２１（ｂ）は記憶部３８、３９の内容を
示し、出力信号が１８０°の位相差をもった二つの変換
器１、１’に対応して保持値７、７’、入力値６、６’
および何れの変換系を選択しているかを切換指令信号１
９として保持格納するとともに、変換系を切換える位置
を示す上限値１２（１２’）、下限値１２ａ（１２’
ａ）をプログラムとともに固定データとして格納してい
る。基準値Ｒは同図では固定データとして記憶部３８に
置かれているが、分解能可変として用いるときは、記憶
部３９に移し、可変データとして用いる。

【００７３】図２２はプログラムのフローチャートの一
例である。切換指令信号１９は変換器１の変換系を値
「１」、変換器１’の変換系を値「２」で示していると
する。動作は次のとおりである。すなわち、ステップ１
では信号６または信号６’を入力し、入力値６または入
力値６’とする。ステップ２で切換指令信号１９の値に
よって処理を分岐し、値が「１」であれば、変換器１の
変換系が選択されているものとし、ステップ３では入力
値６が保持値７よりも基準値Ｒより大きいか否か（（６
−７）＞Ｒ）を判定する。（６−７）＞Ｒであれば、ス
テップ４で入力値６が上限値１７より大きいか否か（６
＞１７）を判定する。入力値が上限値より大きければ、
ステップ５で値「２」を切換指令信号１９に設定し、入
力値が上限値より大きくなければ、切換指令信号１９は
そのままにする。続いてステップ６で保持値７を更新す
る。このとき、保持値７’も同時に更新する。

【００７４】図１０の処理では入力値６を保持値７に、
また、入力値６’を保持値７’に、それぞれ設定してい
たが、プログラムが入力値６（６’）が保持値７
（７’）より大きいことを判定したとき、既に入力値６
（６’）は保持値７（７’）より大きくなっており、そ
の差がタイミング信号の発生間隔（密度）、あるいは、
その発生数に誤差を生じさせるのを防ぐために、図２２
に示すようにステップ６では保持値７（７’）に基準値
Ｒを加え、その和を新しい保持値７（７’）とするとと
もに、ステップ７でタイミング信号１５を出力する。

【００７５】ステップ３において、入力値６が保持値７
より基準値Ｒだけ大きくなければ、ステップ３ａで減少
方向の変位を判定し、入力値６が保持値７より基準値Ｒ
より小さいか否か（（７−６）＞Ｒ）を判定する。この
後は、前記と同様で、ステップ４ａ→５ａ→６ａ→７ａ
と処理し、タイミング信号１５ａを出力する。

【００７６】ステップ３ａにおいて、入力値６と保持値
７の差が基準値Ｒより大きくないときは、ステップ１へ
戻り処理を繰り返す。同様に、切換信号１９が値「２」
であったとき、入力値６’が増大しているときは、ステ
ップ１→２→３’→４’→５’→６→７と処理（動作）
する。また、入力値６’が減少しているときは、ステッ
プ１→２→３’→３’ａ→４’ａ→５’ａ→６ａ→７ａ
と処理する。ステップ３’ａにおいて、入力値６’と保
持値７’の差が基準値Ｒより大きくないときは、ステッ
プ１へ戻り、処理を繰り返す。以上の例では上限値１７
と１７’、下限値１７ａと１７’ａは別の値を与えた
が、実用上は各々同一の値で動作させてもよい。

【００７７】図１９および図２１における本発明の構成
は図１および図１０に対応するものであるが、第１〜４
の構成の他の図示例および不図示例についても同様にそ
れぞれ対応する本発明の構成が可能である。また、図示
例では、対象物理量を位置としたが、他の物理量を対象
とすることも勿論可能である。

【００７８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、分解能
を連続的に変えることができる。従って、一台で使用目
的に応じて分解能を随時設定することができる。一つの
タイミング信号を発生させた状態ないし位置から次にタ
イミング信号を発生させるべき状態ないし位置へ変化な
いし変位して始めてタイミング信号を発生するのでチャ
タリングが発生しない。円板上に目盛を固定的に刻設し
た従来のロータリーエンコーダでは機械的精度を必要と
したが、本発明では円板等の使用は不要で目盛も不要で
あり、機械的な精度が不要なので製作が容易である。さ
らに、本発明の装置はロボットの動き、位置を最初に覚
えこませるティーチングやＣＡＤシステム等、コンピュ
ータによる図形処理の位置情報入力装置（マウス、トラ
ックボール等のポインティングデバイス）に使用でき
る。また、各種計測器、制御装置、通信機器等の数値を
設定するためのダイヤル類にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の基本構成を示す図。

【図２】本発明の原理の説明図。

【図３】本発明の第２の基本構成を示す図。

【図４】本発明の図３の基本構成の動作説明図。

【図５】本発明の第２の基本構成の変形例を示す図。

【図６】本発明の第２の基本構成の他の変形例を示す
図。

【図７】本発明の第３の基本構成を示す図。

【図８】本発明の図７の基本構成の動作説明図。

【図９】電位差設定器を共用した比較器の構成を示す
図。

【図１０】本発明の第４の基本構成を示す図。

【図１１】本発明の第４の基本構成の変形例を示す図。

【図１２】本発明の第４の基本構成の他の変形例を示す
図。

【図１３】比較器の一例を示す図。

【図１４】保持器の一例を示す図。

【図１５】保持器の他の例を示す図。

【図１６】図１４の保持器の動作説明図。

【図１７】図１５の保持器の動作説明図。

【図１８】変換器の構成例を示す概略図。

【図１９】本発明の構成の一例を示す図。

【図２０】本発明の構成の動作を示すフローチャート。

【図２１】本発明の構成の他の例を示す図。

【図２２】図２１の構成の動作を示すフローチャート。

【符号の説明】

１、１’ 変換器 ２、２’ 保持器 ３、３’、３ａ、３’ａ、１３、１３ａ、３２、３２’
比較器 ４、４’、４ａ、４’ａ 微分器 １０、１０’、１１、５０、５１、５２ 切換器 １２ 上限値発生器 １２ａ 下限値発生器 １４ 切換指令信号発生器 ２６ 電位差設定器 ３１ レジスタ ３４ 等間隔信号発生器 ３６ 処理装置 ３８、３９ 記憶部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01D 21/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ）測定されている連続的に変化する物
   理量を対応する電気量に変換出力する第一次変換部とこ
   の第一次変換部からのアナログ量の出力電気量をディジ
   タル量の測定値に変換出力する第二次変換部とを有する
   少なくとも一つの変換器からなる変換手段と、 ｂ）前記変換手段の出力測定値が予め定めた基準値だけ
   変化する毎にその時点の前記出力測定値を記憶保持する
   記憶保持機能と、前記記憶保持機能による記憶保持値と
   前記変換手段の出力測定値とを比較し前記出力測定値と
   前記記憶保持値の差が前記基準値に達したとき１個のタ
   イミング信号を出力するタイミング信号発生機能と、前
   記出力タイミング信号に応答し前記記憶保持値をその時
   点における前記変換手段の出力測定値で置換させる機能
   とを有する蓄積プログラム制御手段と、 からなることを特徴とするタイミング信号発生装置。
2. 【請求項２】 前記変換手段を、同一対象物理量のそれ
   ぞれ異なる範囲に応答変換動作して対応する測定値を出
   力する複数の変換器によって構成するとともに、前記変
   換器の出力測定値を予め定めた制限値と比較し、出力測
   定値が予め定めた制限値に達した変換器から出力測定値
   が前記制限値に達していない変換器に順次切換え、出力
   測定値が前記制限値に達しない変換器の出力測定値に基
   づく前記タイミング信号発生手段からの出力タイミング
   信号を選択する手段を併せ設けたことを特徴とする請求
   項１に記載のタイミング信号発生装置。
3. 【請求項３】 前記タイミング信号発生機能が、前記出
   力測定値の一方向および反対方向の変化によって生じる
   前記出力測定値と前記保持値との差が前記基準値に達し
   たとき、それぞれ１個のタイミング信号を出力する機能
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のタイ
   ミング信号発生装置。
4. 【請求項４】 前記予め定めた基準値が可変であること
   を特徴とする請求項１から３に記載のタイミング信号発
   生装置。
5. 【請求項５】 前記変換手段の出力測定値の変化の速さ
   が予め定めた値以下であるとき、前記記憶保持値を前記
   出力測定値に近づくように変化させる機能を前記記憶保
   持機能が含むことを特徴とする請求項１から４に記載の
   タイミング信号発生装置。