JP4109149B2 - 計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンコーダ装置などの計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの位置変位を検出する計測器として、発光素子と受光素子とその間に設けられる回転ディスクとを用いた光学式のエンコーダ装置が知られている。回転ディスクには微小なスリットが形成され、位置変位が生じると光を透過または遮光する。この光の変化を受光素子により検知し、位置変位を検知する。受光素子の出力は増幅回路により増幅され、よく知られた９０度位相差を持つ擬似正弦波を得る。
【０００３】
増幅された２相擬似正弦波信号は、細分化回路（内挿回路）により、正弦波の１波長をより細かく分割してより精細な位置情報を得る。細分化する方法はいくつかの方法が公知であるが、抵抗アレイを用いて位相差を持たせて細分化する方法（抵抗分割方式）、または、Ａ／Ｄコンバータを用いて逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）等が広く知られている。これらの方法により、擬似正弦波の１波長よりも細分化された、より高分解能な位置情報を得る。
【０００４】
このとき、２相擬似正弦波（Ａ相信号、Ｂ相信号）が検出系の機械的な誤差、電気的な増幅回路自体が持つ電気的オフセット等により、ＤＣ的なオフセットを持ってしまうことがある。一方、１波長内を細分化して高分解能化を図る方法は、擬似正弦波（Ａ相信号、Ｂ相信号）が理論的に、理想的な正弦波、余弦波であることを前提として細分化処理を行なう。例えばＡ相，Ｂ相各々の信号を、ｓｉｎθ、ｃｏｓθとみなし、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）なる除算を行なってｔａｎθを求めることができる。除算結果（商）を基に、θ＝ｔａｎ−１（商）なる変換を行なって位置情報に相当するθを求める。
【０００５】
ここで、除算の基となるｓｉｎθ、ｃｏｓθにオフセットが生じていた場合、逆三角関数を求めた結果は正確なθから誤差を有した結果となる。即ち、細分化した位置情報の位置誤差となり、位置情報の精度低下を招く。この精度低下は、位置センサないし計測器としては著しい性能低下になる。このような欠点を補うため、擬似正弦波の電圧波形をオシロスコープ等でモニタしながら、可変抵抗器等の調整手段を回路に設け、人間が手間隙をかけてオフセットをマニュアル調整し、精度低下を防ぐことが行われていた。しかし、これらの方法では、特別な回路をわざわざ設けたり、人間が手間隙かけて精密な調整を行なわなければならないという問題が生じていた。
【０００６】
そこで、本出願の発明者は、擬似正弦波のピーク値とバリイ値を検出し、周期ごとに平均値を求め擬似正弦波を補正する方法を考案した（例えば、特許文献１参照）。また、擬似正弦波のＡ相が一定レベルとクロスするたびのB相の値をサンプリングし、その値に基づきB相の補正をする。同様に、B相が一定レベルとクロスするたびのA相の値をサンプリングし、その値に基づきA相の補正をする方法を考案した（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２６８８２号公報
【特許文献２】
特開平６−３４３９２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した方法では必ずしも精度の高いピーク値やバリイ値、また、精度の高い補正値を求めることができないという問題が生じていた。
【０００８】
本発明は、精度の高いピーク値やバリイ値、精度の高い補正値を求める計測装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被測定物の移動に伴って検出された実質的に９０度の位相差を有し同一周期を有する第１の周期的信号と第２の周期的信号とを使用して被測定物の位置情報を取得する計測装置に適用され、第１の周期的信号の第１の補正値を求める第１の補正値検出手段と、求めた第１の補正値に基づき第１の周期的信号を補正する第１の補正手段と、第２の周期的信号の第２の補正値を求める第２の補正値検出手段と、求めた第２の補正値に基づき第２の周期的信号を補正する第２の補正手段と、補正された第１の周期的信号と補正された第２の周期的信号に基づき、細分化処理を行って細分化された被測定物の位置情報を取得する細分化処理手段と、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出する移動反転検出手段とを備え、第１の補正値検出手段は、計測装置の電源がオンされたときおよび移動反転検出手段により被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、被測定物が単一方向への移動中に少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第１の補正値を求め、求めた第１の補正値を第１の補正手段に出力し、少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは第１の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力し、第２の補正値検出手段は、計測装置の電源がオンされたときおよび移動反転検出手段により被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、被測定物が単一方向への移動中に第１の周期的信号と同期して少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第２の補正値を求め、求めた第２の補正値を第２の補正手段に出力し、少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは第２の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力することを特徴とするものである。
請求項２の発明は、請求項１記載の計測装置において、第１の補正値検出手段は、第２の周期的信号が、第２の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第１の所定値と第２の所定値間で単調増加したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、また、第１の所定値と第２の所定値間で単調減少したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第１の補正値を求め、第２の補正値検出手段は、第１の周期的信号が、第１の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第３の所定値と第４の所定値間で単調増加したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、第３の所定値と第４の所定値間で単調減少したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第２の補正値を求め、移動反転検出手段は、第２の周期的信号が、第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、第１の所定値と第２の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出し、第１の周期的信号が、第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、第３の所定値と第４の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１または２記載の計測装置において、移動反転検出手段は、第１の周期的信号あるいは第２の周期的信号において、ピーク値が続けて取得されたことを検出した場合あるいはバリイ値が続けて取得されたことを検出した場合、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の計測装置において、少なくとも２周期分の周期数は、２の累乗分の周期数であることを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の計測装置の一実施の形態を示すエンコーダ装置のブロック図である。エンコーダ装置は、モータなどに取り付けられ、モータの回転位置変位を検出する。エンコーダ装置が取り付けられたモータは、例えば、ロボットに使用される。発光素子１と受光素子２の間に回転ディスク３が設けられ、回転ディスク３はモータの回転軸の回転と伴に回転する。回転ディスク３には、微小なスリットが形成され、位置変位が生じると光を透過または遮光する。この光の変化を受光素子２により検知し、位置変位を検知する。受光素子２の出力は増幅回路４により増幅され、公知な２相擬似正弦波（Ａ相／Ｂ相）を出力する。Ａ相擬似正弦波とＢ相擬似正弦波は、位相が９０度ずれている。
【００１１】
本実施の形態では、増幅された２相擬似正弦波信号を、細分化回路（内挿回路）５により、正弦波の１波長をより細かく分割してより精細な位置情報を得る。細分化する方法はいくつかの方法が公知であり、抵抗アレイを用いて位相差を持たせて細分化する方法（抵抗分割方式）、またはＡ／Ｄコンバータを用いて逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）等が広く知られている。これらの方法により、擬似正弦波の１波長よりも細分化された、より高分解能な位置情報を得る。本実施の形態では、逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）を採用する。
【００１２】
Ａ相擬似正弦波は、従来技術の項でも説明したように、種々の要因によりＤＣオフセットを有する。Ａ相擬似正弦波は、ＤＣオフセットを有したまま、Ａ／Ｄコンバータ６に入力される。Ａ／Ｄコンバータ６の出力（ｎビット、ｎ：自然数）は、一方は減算器７に、他方は、ＤＣオフセット検出回路８に入力される。Ｂ相擬似正弦波も、同様に、ＤＣオフセットを有したまま、Ａ／Ｄコンバータ９に入力される。Ａ／Ｄコンバータ９の出力（ｎビット、ｎ：自然数）は、一方は減算器１０に、他方は、ＤＣオフセット検出回路１１に入力される。
【００１３】
エンコーダ装置の電源投入直後は、イニシャル・リセット動作により、オフセット検出回路８、１１の出力はゼロを保持している。よって、このときは元来の２相擬似正弦波から「ゼロ」を減じる。即ち、データは素通しとなって後段の細分化回路５へ伝達される。次に、ある規定値以上の位置変位が生じた後、ＤＣオフセット検出回路８、１１は、後述する動作によりＡ相擬似正弦波、Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセットをそれぞれ自動的に算出する。Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波共にＤＣオフセットが求まった後に、双方同時にＤＣオフセット検出回路８、１１の出力をゼロから変化させる。これにより、２つの減算器７、１０の出力は、元来の２相擬似正弦波のＤＣオフセットを除去した値となる。
【００１４】
細分化回路５は、ＤＣオフセットを除去された２相擬似正弦波を基に細分化処理を行なう。細分化処理では、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を、ｓｉｎθおよびｃｏｓθとみなし、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）なる除算を行なってｔａｎθを求める。すなわち、ＤＣオフセットがキャンセルされた正確なｓｉｎθおよびｃｏｓθが細分化回路５に入力され、細分化誤差が低減される。除算結果（商）を基に、θ＝ｔａｎ−１（商）なる変換を行なって細分化された位置情報に相当するθを求める。エンコーダ装置に対して指定された分解能により、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）をどの程度細かく演算するかが決まる。
【００１５】
図２は、ＤＣオフセットを検出する基本原理を示す図である。擬似正弦波が基準電位（基準レベル）に対して、図で示すようにプラス電位方向にＤＣオフセットを有していたとする。ここで、１波長以上の単一方向の位置変位が生じれば、ピーク値、バリィ値（谷値）をそれぞれ最大値、最小値として扱うことができる。従って、ピークとバリィの和を２で割ることにより、単純な演算処理で近似的にＤＣオフセットを求めることが可能である。
【００１６】
図３は、ＤＣオフセット検出のブロック図を示す図である。図では、Ａ相擬似正弦波のみのＤＣオフセット検出回路８を示す。Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセット回路１１も同様な構成であるので説明を省略する。ＤＣオフセットを有するＡ相擬似正弦波は、Ａ／Ｄコンバータ６でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータ（ｎビット）は、ピークホールド回路２１およびバリィホールド回路２２に伝達され、そこで常時モニタされる。ここでは、単一方向の位置変位が生じた場合にのみ、ピークホールド機能、バリィホールド機能により最大値、最小値を例えば４回、求める。これら４個の最大値、最小値はそれぞれ後段の平均化回路２３、２４によって平均化されて出力される。平均化により、より安定した信頼性の高い最大値、最小値を求める構成となる。
【００１７】
平均化され最大値（ピーク値の平均値）、最小値（バリィ値の平均値）は、後段の加算回路２５によって加算され、つづく後段の除算回路２６で、２で除算される。上述の図２の説明の通り、ここで２で除算した結果（商）は、近似的にＤＣオフセットとして扱うことができる。即ち、この時点でＤＣオフセット値２７が求まる。
【００１８】
図４は、エンコーダ装置がパワーＯＮしてから、ＤＣオフセットキャンセル機能が有効になるまでの様子と、細分化誤差との関係を示す図である。被測定物の単一方向の位置変位が続き、ピークホールド、バリィホールドがそれぞれ４回ホールドされた後に、ＤＣオフセットがキャンセルされ、細分化誤差が低減される様子が示されている。符号２８のタイミングでオフセットキャンセル動作が開始されてオフセット除去機能が有効になった後に、高精度な細分化が行なわれる。
【００１９】
次に、図５および図６を使用して、ＤＣオフセット値を求めキャンセル（補正）するアルゴリズムについて詳細に説明する。図５は、処理の流れを説明するフローチャートである。ＤＣオフセット検出回路８、１１は、ＡＳＩＣで実現され、すべてロジック回路により構成されている。図５は、このロジック回路の処理の流れを説明するフローチャートである。図６は、以下の説明に使用するＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を示すグラフである。
【００２０】
まず、概要を説明する。Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波の他方が、中心値（基準レベル、１．０Ｖ）近辺で単調増加あるいは単調減少しており、対象擬似正弦波である他の一方が、レベル１（１．３Ｖ）以上、あるいはレベル２（０．７Ｖ）以下で極値をとったとき、その極値を最大値あるいは最小値とみなし、データを保持する。この条件に収まらない場合、データは正式採用しない。これを、被測定物が単一方向に移動し、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波が４周期分検出できるまで行う。すなわち、最大値および最小値をそれぞれ４個取得できるまで行う。保持した最大値および最小値計それぞれ４個の平均値を求め、それを加算して２で除算してＤＣオフセット値（補正値）を得る。
【００２１】
このようにして求めたＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波各相のＤＣオフセット値（初期値ゼロ）を、Ａ／Ｄコンバータ６，９の出力値より減じて、ＤＣオフセットをキャンセルする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ６，９の出力値をＤＣオフセット値で補正する。永遠に採用されるべきデータが取り込めないとき、オフセットキャンセラは動作しない。すなわち、ＤＣオフセット検出回路８、１１から出力するオフセット値は初期値ゼロのままとなる。この場合、何らかの異常と考えられるので、この異常は位相平面エラーに反映される。
【００２２】
図５のフローチャートは、Ａ相擬似正弦波の最大値、最小値（ピーク値、バリイ値）を求める場合を示す。Ｂ相擬似正弦波の最大値、最小値（ピーク値、バリイ値）を求める場合も同様であるので、代表してＡ相擬似正弦波で説明する。基準レベル近傍の１．０Ｖ±０．３Ｖをミドルレンジ、１．３Ｖ以上２．０Ｖ以下を最大値採用レンジ、０．７Ｖ以下０Ｖ以上を最小値採用レンジとする。
【００２３】
まず、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１では、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジから外れているか否かを判定する。外れている場合はＳＴＡＴＥ：１のステップＳ２に進み、外れていない場合はステップＳ１に留まり外れるまで待つ。ステップＳ２では、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れているか否かを判定する。すなわち、ステップＳ２は、図６において、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ外部からミドルレンジ内部に入ってきたか否かを判定する。
【００２４】
ステップＳ２で、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れていると判定すると、ＳＴＡＴＥ：２のステップＳ３に進む。Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れていることを否定判定すると、それが肯定判定になるまで待つ。ステップＳ３では、Ａ相擬似正弦波の値をピーク値の初期値としてセットし、Ｂ相擬似正弦波についてミドルレンジフラグをセットする。ミドルレンジフラグは、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルより低い値の場合は−、基準レベルより高い値の場合は＋のフラグをセットする。
【００２５】
ＳＴＡＴＥ：３のステップＳ４では、Ａ相擬似正弦波のピークホールドを開始する。すなわち、Ａ相擬似正弦波の値が増加していれば常に新しい値で更新し、減少する場合は以前の値を保持する。ステップＳ５では、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスしたか否かを判定する。基準レベルをクロスしたと判定するとＳＴＡＴＥ：４のステップＳ６に進み、ＳＴＡＴＥ：３から抜け出る。
【００２６】
ステップＳ６では、Ｂ相擬似正弦波が単調増加あるいは単調減少してミドルレンジフラグに設定されている＋側あるいは−側の反対側からミドルレンジを出たか否かを判定する。出たと判定すると、ＳＴＡＴＥ：５のステップＳ７に進む。まだ出ていないと判定すると、ステップＳ６に留まり出るまで待つ。ピーク値を求める場合において、ＳＴＡＴＥ：２〜ＳＴＡＴＥ：４の間のＡ相擬似正弦波のレンジは、最大値採用レンジである。バリイ値を求める場合において、ＳＴＡＴＥ：２〜ＳＴＡＴＥ：４のＡ相擬似正弦波のレンジは、最小値採用レンジである。
【００２７】
ステップＳ７では、Ａ相擬似正弦波のピークホールド（バリイ値のホールドを含む）を終了し、そのピーク値あるいはバリイ値をラッチする。Ｂ相擬似正弦波のミドルレンジフラグをリセットし、カウンタをインクリメントする。このカウンタは、Ａ相擬似正弦波のピーク値およびバリイ値を取得するたびにインクリメントされる。ステップＳ８では、カウンタ値が８になったか否かを判定する。まだ８までカウントされていないと判定すると、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１から処理を繰り返す。カウンタ値が８になったと判定すると、処理を終了する。処理が終了すると、Ａ相擬似正弦波の最大値および最小値が４個ずつ計８個求まり、それぞれの値はラッチ回路に保持されている。
【００２８】
一方、ＳＴＡＴＥ：３では、ＡＮＤ回路３１で、ＳＴＡＴＥ：３とＢ相擬似正弦波逆転領域外信号３２とＡＮＤ（積）を取り、ＲＥＳＥＴ１信号を生成する。Ｂ相擬似正弦波逆転領域外信号３２は、Ｂ相擬似正弦波をモニタし、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジフラグにセットされている＋側あるいは−側と同一の側からミドルレンジを出た場合にセットされる信号である。すなわち、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスする前に、ミドルレンジに入った側と同じ側に出た場合である。これは、被測定対象物の移動が、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスする前に逆転したことを意味する。このとき、ＲＥＳＥＴ１信号を生成し、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１に戻る。
【００２９】
また、ＳＴＡＴＥ：４においても、ＡＮＤ回路３３で、ＳＴＡＴＥ：４とＢ相擬似正弦波逆転領域外信号３２とＡＮＤ（積）を取り、ＲＥＳＥＴ２信号を生成する。この場合は、Ｂ相擬似正弦波が単調増加あるいは単調減少しながらミドルレンジの一方から他方へ抜け出ず、ミドルレンジに入った側と同じ側に出た場合である。これは、被測定対象物の移動が、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスした後ミドルレンジを抜けきる前に逆転したことを意味する。このとき、ＲＥＳＥＴ２信号を生成し、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１に戻る。
【００３０】
ＳＴＡＴＥ：５では、ＸＮＯＲ回路３４で、前回取得したＡ相擬似正弦波のピーク値あるいはバリイ値の符号３５と今回取得したピーク値あるいはバリイ値の符号３６とＸＮＯＲ（排他的論理和の否定）を取る。符号が一致している場合はＲＥＳＥＴ３信号を生成し、符号が一致していない場合は、ＲＥＳＥＴ３信号を生成しない。ここで言う符号とは、基準レベルよりも大きな値であるピーク値の場合は＋の符号、基準レベルよりも小さな値であるバリイ値の場合は−の符号である。符号が一致しない場合は、被測定物が単一方向に移動していることを意味する。符号が一致する場合は、前回ピーク値の場合に今回もピーク値を検出し、前回バリイ位置の場合に今回もバリイ値を検出したことを意味する。すなわち、ピーク値あるいはバリイ置を検出した後、被測定物が反転移動したことを意味する。
【００３１】
ＲＥＳＥＴ１信号、ＲＥＳＥＴ２信号、ＲＥＳＥＴ３信号は、カウンタ回路、最大値最小値のラッチ回路、ミドルレンジフラグなどをすべてリセットする。すなわち、Ａ相擬似正弦波の最大値最小値もとめるシーケンスをリセットし、最初からやり直す。また、エンコーダ装置の電源がオンされるときもリセットが働く。
【００３２】
このようにして求められたＡ相擬似正弦波の最大値４個は、平均化回路２３で平均値を求め、最小値４個は平均化回路２４で平均値を求め、２つの平均値を加算回路２５で加算し、除算回路２６で２で除算し、Ａ相擬似正弦波のＤＣオフセット値（補正値）を得る。このようにして求めたＤＣオフセット値（補正値）を、減算器７でＡ／Ｄコンバータ６の出力値より減じて、ＤＣオフセットをキャンセルする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ６の出力値をＤＣオフセット値で補正する。Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセット値（補正値）も同様にして求め、Ａ／Ｄコンバータ９の出力値をＤＣオフセット値で補正する。
【００３３】
以上説明した本実施の形態のエンコーダ装置は、次のような効果を奏する。
（１）特別な外付け可変抵抗器による手動調整等を必要とせずに、エンコーダ装置のアナログ擬似正弦波のＤＣオフセットを自動的にキャンセルすることが可能となる。その結果、細分化誤差を低減し位置検出精度の向上を図ることができる。エンコーダ装置を使用する制御系にあてはめた場合に、位置制御上の偏差低減、即ち位置制御上の特性向上に貢献する。更にＡＣ特性に目を転ずれば、刻々と変わるエンコーダ装置の位置情報の差分は速度情報そのものである。つまりエンコーダ装置の位置精度向上は、速度制御上の偏差即ち速度ムラ（速度リップル）の抑制に貢献するという利点がうまれる。
（２）ＤＣオフセットがキャンセルされた２相擬似正弦波が、細分化回路に入力されるので、ＤＣオフセットが原因となる細分化誤差を確実に低減することができる。
（３）ピーク値やバリイ値を求める場合、他方の擬似正弦波が基準レベルをまたいで所定レベル１から所定レベル２へ単調増加あるいは単調減少したとき、その間に取得された極値を最大値あるいは最小値とみなしてデータを保持する。他方の擬似正弦波がゼロクロスあるいは基準レベルをクロスしたときに、そのときの値を最大値あるいは最小値とみなす場合に比べて、より正確なピーク値あるいはバリイ値を求めることができる。また、被測定物が反転移動したことによりピーク値となった場合を確実に排除することができる。すなわち、被測定物が反転せず単一方向へ移動中におけるピーク値あるいはバリイ値を確実に検出することができる。
（４）複数周期のピーク値およびバリイ値を求めた後、ＤＣオフセット値を求めているので、より信頼性の高いＤＣオフセット値を求めることができる。例えば、回転ディスク３のスリットにゴミがあった場合や、傷などの不具合が発生した場合の影響を低減することができる。また、ノイズなどの外乱の影響を低減することができる。
（５）上記では、複数周期を４周期としているが、２以上の数ならどのような数であってもよい。この場合、２周期、８周期などの２のｎ乗の数値がより好ましい。加算や平均等の演算がやりやすいからである。
（６）複数の周期は、被測定物の反転を含まない単一方向へ移動する間に取得できる複数周期である。これにより、精度の高いＤＣオフセット値を求めることができる。
（７）所定の複数周期分のピーク値およびバリイ値を取得した後、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を同時に、求めたＤＣオフセット値で補正するようにしている。これにより、あるタイミングから確実にＤＣオフセット値がキャンセルされた精度の高い２相の擬似正弦波を出力することができる。その結果、あるタイミングから確実に精度の高い細分化処理されて精度の高い位置情報を得ることができる。
（８）エンコーダ装置の電源をオンするごとにリセットをしているので、電源オンごとにＤＣオフセット値である補正値を新たに求める。これにより、エンコーダ装置の経年変化などにも確実に対応でき、精度の高い位置情報を求めることができる。
【００３４】
上記実施の形態では、モータの回転位置を求めるエンコーダ装置の例を説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。直線位置を求めるエンコーダ装置であってもよい。すなわち、あらゆるエンコーダ装置に適用することができる。
【００３５】
上記実施の形態では、ＤＣオフセット検出回路８、１１はＡＳＩＣによるロジック回路の例を説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。マイクロＣＰＵなどを使用したものであってもよい。その場合、前述した図５の処理が、プログラムにより実行される。
【００３６】
上記実施の形態では、細分化回路５として逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）を採用するが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。抵抗アレイを用いて細分化する方法やその他の方式を用いた細分化回路であってもよい。
【００３７】
上記実施の形態では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成しているので、次のような効果を奏する。計測に使用する周期的信号において、被測定物の逆転移動によるピーク値などの検出を確実に排除し、より精度の高いピーク値あるいはバリイ値を確実に検出することができる。また、周期的信号の信頼性の高い補正値を求めることができる。例えば、回転ディスクのスリットにゴミがあった場合や、傷などの不具合が発生した場合、ノイズなどの外乱の影響などを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測装置の一実施の形態を示すエンコーダ装置のブロック図である。
【図２】ＤＣオフセットを検出する基本原理を示す図である。
【図３】ＤＣオフセット検出のブロック図を示す図である。
【図４】エンコーダ装置がパワーＯＮしてから、ＤＣオフセットキャンセル機能が有効になるまでの様子と、細分化誤差との関係を示す図である。
【図５】ＤＣオフセット検出回路の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図６】ＤＣオフセット検出回路の処理の流れの説明に使用するＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受光素子
３ 回転ディスク
４ 増幅回路
５ 細分化回路
６、９ Ａ／Ｄコンバータ
７、１０ 減算器
８、１１ ＤＣオフセット検出回路
２１ ピークホールド回路
２２ バリィホールド回路
２３、２４ 平均化回路
２５ 加算回路
２６ 除算回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンコーダ装置などの計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの位置変位を検出する計測器として、発光素子と受光素子とその間に設けられる回転ディスクとを用いた光学式のエンコーダ装置が知られている。回転ディスクには微小なスリットが形成され、位置変位が生じると光を透過または遮光する。この光の変化を受光素子により検知し、位置変位を検知する。受光素子の出力は増幅回路により増幅され、よく知られた９０度位相差を持つ擬似正弦波を得る。
【０００３】
増幅された２相擬似正弦波信号は、細分化回路（内挿回路）により、正弦波の１波長をより細かく分割してより精細な位置情報を得る。細分化する方法はいくつかの方法が公知であるが、抵抗アレイを用いて位相差を持たせて細分化する方法（抵抗分割方式）、または、Ａ／Ｄコンバータを用いて逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）等が広く知られている。これらの方法により、擬似正弦波の１波長よりも細分化された、より高分解能な位置情報を得る。
【０００４】
このとき、２相擬似正弦波（Ａ相信号、Ｂ相信号）が検出系の機械的な誤差、電気的な増幅回路自体が持つ電気的オフセット等により、ＤＣ的なオフセットを持ってしまうことがある。一方、１波長内を細分化して高分解能化を図る方法は、擬似正弦波（Ａ相信号、Ｂ相信号）が理論的に、理想的な正弦波、余弦波であることを前提として細分化処理を行なう。例えばＡ相，Ｂ相各々の信号を、ｓｉｎθ、ｃｏｓθとみなし、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）なる除算を行なってｔａｎθを求めることができる。除算結果（商）を基に、θ＝ｔａｎ−１（商）なる変換を行なって位置情報に相当するθを求める。
【０００５】
ここで、除算の基となるｓｉｎθ、ｃｏｓθにオフセットが生じていた場合、逆三角関数を求めた結果は正確なθから誤差を有した結果となる。即ち、細分化した位置情報の位置誤差となり、位置情報の精度低下を招く。この精度低下は、位置センサないし計測器としては著しい性能低下になる。このような欠点を補うため、擬似正弦波の電圧波形をオシロスコープ等でモニタしながら、可変抵抗器等の調整手段を回路に設け、人間が手間隙をかけてオフセットをマニュアル調整し、精度低下を防ぐことが行われていた。しかし、これらの方法では、特別な回路をわざわざ設けたり、人間が手間隙かけて精密な調整を行なわなければならないという問題が生じていた。
【０００６】
そこで、本出願の発明者は、擬似正弦波のピーク値とバリイ値を検出し、周期ごとに平均値を求め擬似正弦波を補正する方法を考案した（例えば、特許文献１参照）。また、擬似正弦波のＡ相が一定レベルとクロスするたびのB相の値をサンプリングし、その値に基づきB相の補正をする。同様に、B相が一定レベルとクロスするたびのA相の値をサンプリングし、その値に基づきA相の補正をする方法を考案した（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２６８８２号公報
【特許文献２】
特開平６−３４３９２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した方法では必ずしも精度の高いピーク値やバリイ値、また、精度の高い補正値を求めることができないという問題が生じていた。
【０００８】
本発明は、精度の高いピーク値やバリイ値、精度の高い補正値を求める計測装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被測定物の移動に伴って検出された実質的に９０度の位相差を有し同一周期を有する第１の周期的信号と第２の周期的信号とを使用して被測定物の位置情報を取得する計測装置に適用され、第１の周期的信号の第１の補正値を求める第１の補正値検出手段と、求めた第１の補正値に基づき第１の周期的信号を補正する第１の補正手段と、第２の周期的信号の第２の補正値を求める第２の補正値検出手段と、求めた第２の補正値に基づき第２の周期的信号を補正する第２の補正手段と、補正された第１の周期的信号と補正された第２の周期的信号に基づき、細分化処理を行って細分化された被測定物の位置情報を取得する細分化処理手段と、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出する移動反転検出手段とを備え、第１の補正値検出手段は、計測装置の電源がオンされたときおよび移動反転検出手段により被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、被測定物が単一方向への移動中に少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第１の補正値を求め、求めた第１の補正値を第１の補正手段に出力し、少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは第１の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力し、第２の補正値検出手段は、計測装置の電源がオンされたときおよび移動反転検出手段により被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、被測定物が単一方向への移動中に第１の周期的信号と同期して少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第２の補正値を求め、求めた第２の補正値を第２の補正手段に出力し、少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは第２の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力することを特徴とするものである。
請求項２の発明は、請求項１記載の計測装置において、第１の補正値検出手段は、第２の周期的信号が、第２の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第１の所定値と第２の所定値間で単調増加したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、また、第１の所定値と第２の所定値間で単調減少したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第１の補正値を求め、第２の補正値検出手段は、第１の周期的信号が、第１の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第３の所定値と第４の所定値間で単調増加したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、第３の所定値と第４の所定値間で単調減少したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき第２の補正値を求め、移動反転検出手段は、第２の周期的信号が、第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、第１の所定値と第２の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出し、第１の周期的信号が、第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、第３の所定値と第４の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１または２記載の計測装置において、移動反転検出手段は、第１の周期的信号あるいは第２の周期的信号において、ピーク値が続けて取得されたことを検出した場合あるいはバリイ値が続けて取得されたことを検出した場合、被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の計測装置において、少なくとも２周期分の周期数は、２の累乗分の周期数であることを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の計測装置の一実施の形態を示すエンコーダ装置のブロック図である。エンコーダ装置は、モータなどに取り付けられ、モータの回転位置変位を検出する。エンコーダ装置が取り付けられたモータは、例えば、ロボットに使用される。発光素子１と受光素子２の間に回転ディスク３が設けられ、回転ディスク３はモータの回転軸の回転と伴に回転する。回転ディスク３には、微小なスリットが形成され、位置変位が生じると光を透過または遮光する。この光の変化を受光素子２により検知し、位置変位を検知する。受光素子２の出力は増幅回路４により増幅され、公知な２相擬似正弦波（Ａ相／Ｂ相）を出力する。Ａ相擬似正弦波とＢ相擬似正弦波は、位相が９０度ずれている。
【００１１】
本実施の形態では、増幅された２相擬似正弦波信号を、細分化回路（内挿回路）５により、正弦波の１波長をより細かく分割してより精細な位置情報を得る。細分化する方法はいくつかの方法が公知であり、抵抗アレイを用いて位相差を持たせて細分化する方法（抵抗分割方式）、またはＡ／Ｄコンバータを用いて逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）等が広く知られている。これらの方法により、擬似正弦波の１波長よりも細分化された、より高分解能な位置情報を得る。本実施の形態では、逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）を採用する。
【００１２】
Ａ相擬似正弦波は、従来技術の項でも説明したように、種々の要因によりＤＣオフセットを有する。Ａ相擬似正弦波は、ＤＣオフセットを有したまま、Ａ／Ｄコンバータ６に入力される。Ａ／Ｄコンバータ６の出力（ｎビット、ｎ：自然数）は、一方は減算器７に、他方は、ＤＣオフセット検出回路８に入力される。Ｂ相擬似正弦波も、同様に、ＤＣオフセットを有したまま、Ａ／Ｄコンバータ９に入力される。Ａ／Ｄコンバータ９の出力（ｎビット、ｎ：自然数）は、一方は減算器１０に、他方は、ＤＣオフセット検出回路１１に入力される。
【００１３】
エンコーダ装置の電源投入直後は、イニシャル・リセット動作により、オフセット検出回路８、１１の出力はゼロを保持している。よって、このときは元来の２相擬似正弦波から「ゼロ」を減じる。即ち、データは素通しとなって後段の細分化回路５へ伝達される。次に、ある規定値以上の位置変位が生じた後、ＤＣオフセット検出回路８、１１は、後述する動作によりＡ相擬似正弦波、Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセットをそれぞれ自動的に算出する。Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波共にＤＣオフセットが求まった後に、双方同時にＤＣオフセット検出回路８、１１の出力をゼロから変化させる。これにより、２つの減算器７、１０の出力は、元来の２相擬似正弦波のＤＣオフセットを除去した値となる。
【００１４】
細分化回路５は、ＤＣオフセットを除去された２相擬似正弦波を基に細分化処理を行なう。細分化処理では、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を、ｓｉｎθおよびｃｏｓθとみなし、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）なる除算を行なってｔａｎθを求める。すなわち、ＤＣオフセットがキャンセルされた正確なｓｉｎθおよびｃｏｓθが細分化回路５に入力され、細分化誤差が低減される。除算結果（商）を基に、θ＝ｔａｎ−１（商）なる変換を行なって細分化された位置情報に相当するθを求める。エンコーダ装置に対して指定された分解能により、（ｓｉｎθ）÷（ｃｏｓθ）をどの程度細かく演算するかが決まる。
【００１５】
図２は、ＤＣオフセットを検出する基本原理を示す図である。擬似正弦波が基準電位（基準レベル）に対して、図で示すようにプラス電位方向にＤＣオフセットを有していたとする。ここで、１波長以上の単一方向の位置変位が生じれば、ピーク値、バリィ値（谷値）をそれぞれ最大値、最小値として扱うことができる。従って、ピークとバリィの和を２で割ることにより、単純な演算処理で近似的にＤＣオフセットを求めることが可能である。
【００１６】
図３は、ＤＣオフセット検出のブロック図を示す図である。図では、Ａ相擬似正弦波のみのＤＣオフセット検出回路８を示す。Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセット回路１１も同様な構成であるので説明を省略する。ＤＣオフセットを有するＡ相擬似正弦波は、Ａ／Ｄコンバータ６でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータ（ｎビット）は、ピークホールド回路２１およびバリィホールド回路２２に伝達され、そこで常時モニタされる。ここでは、単一方向の位置変位が生じた場合にのみ、ピークホールド機能、バリィホールド機能により最大値、最小値を例えば４回、求める。これら４個の最大値、最小値はそれぞれ後段の平均化回路２３、２４によって平均化されて出力される。平均化により、より安定した信頼性の高い最大値、最小値を求める構成となる。
【００１７】
平均化され最大値（ピーク値の平均値）、最小値（バリィ値の平均値）は、後段の加算回路２５によって加算され、つづく後段の除算回路２６で、２で除算される。上述の図２の説明の通り、ここで２で除算した結果（商）は、近似的にＤＣオフセットとして扱うことができる。即ち、この時点でＤＣオフセット値２７が求まる。
【００１８】
図４は、エンコーダ装置がパワーＯＮしてから、ＤＣオフセットキャンセル機能が有効になるまでの様子と、細分化誤差との関係を示す図である。被測定物の単一方向の位置変位が続き、ピークホールド、バリィホールドがそれぞれ４回ホールドされた後に、ＤＣオフセットがキャンセルされ、細分化誤差が低減される様子が示されている。符号２８のタイミングでオフセットキャンセル動作が開始されてオフセット除去機能が有効になった後に、高精度な細分化が行なわれる。
【００１９】
次に、図５および図６を使用して、ＤＣオフセット値を求めキャンセル（補正）するアルゴリズムについて詳細に説明する。図５は、処理の流れを説明するフローチャートである。ＤＣオフセット検出回路８、１１は、ＡＳＩＣで実現され、すべてロジック回路により構成されている。図５は、このロジック回路の処理の流れを説明するフローチャートである。図６は、以下の説明に使用するＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を示すグラフである。
【００２０】
まず、概要を説明する。Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波の他方が、中心値（基準レベル、１．０Ｖ）近辺で単調増加あるいは単調減少しており、対象擬似正弦波である他の一方が、レベル１（１．３Ｖ）以上、あるいはレベル２（０．７Ｖ）以下で極値をとったとき、その極値を最大値あるいは最小値とみなし、データを保持する。この条件に収まらない場合、データは正式採用しない。これを、被測定物が単一方向に移動し、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波が４周期分検出できるまで行う。すなわち、最大値および最小値をそれぞれ４個取得できるまで行う。保持した最大値および最小値計それぞれ４個の平均値を求め、それを加算して２で除算してＤＣオフセット値（補正値）を得る。
【００２１】
このようにして求めたＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波各相のＤＣオフセット値（初期値ゼロ）を、Ａ／Ｄコンバータ６，９の出力値より減じて、ＤＣオフセットをキャンセルする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ６，９の出力値をＤＣオフセット値で補正する。永遠に採用されるべきデータが取り込めないとき、オフセットキャンセラは動作しない。すなわち、ＤＣオフセット検出回路８、１１から出力するオフセット値は初期値ゼロのままとなる。この場合、何らかの異常と考えられるので、この異常は位相平面エラーに反映される。
【００２２】
図５のフローチャートは、Ａ相擬似正弦波の最大値、最小値（ピーク値、バリイ値）を求める場合を示す。Ｂ相擬似正弦波の最大値、最小値（ピーク値、バリイ値）を求める場合も同様であるので、代表してＡ相擬似正弦波で説明する。基準レベル近傍の１．０Ｖ±０．３Ｖをミドルレンジ、１．３Ｖ以上２．０Ｖ以下を最大値採用レンジ、０．７Ｖ以下０Ｖ以上を最小値採用レンジとする。
【００２３】
まず、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１では、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジから外れているか否かを判定する。外れている場合はＳＴＡＴＥ：１のステップＳ２に進み、外れていない場合はステップＳ１に留まり外れるまで待つ。ステップＳ２では、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れているか否かを判定する。すなわち、ステップＳ２は、図６において、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ外部からミドルレンジ内部に入ってきたか否かを判定する。
【００２４】
ステップＳ２で、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れていると判定すると、ＳＴＡＴＥ：２のステップＳ３に進む。Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジ内かつＡ相擬似正弦波がミドルレンジを外れていることを否定判定すると、それが肯定判定になるまで待つ。ステップＳ３では、Ａ相擬似正弦波の値をピーク値の初期値としてセットし、Ｂ相擬似正弦波についてミドルレンジフラグをセットする。ミドルレンジフラグは、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルより低い値の場合は−、基準レベルより高い値の場合は＋のフラグをセットする。
【００２５】
ＳＴＡＴＥ：３のステップＳ４では、Ａ相擬似正弦波のピークホールドを開始する。すなわち、Ａ相擬似正弦波の値が増加していれば常に新しい値で更新し、減少する場合は以前の値を保持する。ステップＳ５では、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスしたか否かを判定する。基準レベルをクロスしたと判定するとＳＴＡＴＥ：４のステップＳ６に進み、ＳＴＡＴＥ：３から抜け出る。
【００２６】
ステップＳ６では、Ｂ相擬似正弦波が単調増加あるいは単調減少してミドルレンジフラグに設定されている＋側あるいは−側の反対側からミドルレンジを出たか否かを判定する。出たと判定すると、ＳＴＡＴＥ：５のステップＳ７に進む。まだ出ていないと判定すると、ステップＳ６に留まり出るまで待つ。ピーク値を求める場合において、ＳＴＡＴＥ：２〜ＳＴＡＴＥ：４の間のＡ相擬似正弦波のレンジは、最大値採用レンジである。バリイ値を求める場合において、ＳＴＡＴＥ：２〜ＳＴＡＴＥ：４のＡ相擬似正弦波のレンジは、最小値採用レンジである。
【００２７】
ステップＳ７では、Ａ相擬似正弦波のピークホールド（バリイ値のホールドを含む）を終了し、そのピーク値あるいはバリイ値をラッチする。Ｂ相擬似正弦波のミドルレンジフラグをリセットし、カウンタをインクリメントする。このカウンタは、Ａ相擬似正弦波のピーク値およびバリイ値を取得するたびにインクリメントされる。ステップＳ８では、カウンタ値が８になったか否かを判定する。まだ８までカウントされていないと判定すると、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１から処理を繰り返す。カウンタ値が８になったと判定すると、処理を終了する。処理が終了すると、Ａ相擬似正弦波の最大値および最小値が４個ずつ計８個求まり、それぞれの値はラッチ回路に保持されている。
【００２８】
一方、ＳＴＡＴＥ：３では、ＡＮＤ回路３１で、ＳＴＡＴＥ：３とＢ相擬似正弦波逆転領域外信号３２とＡＮＤ（積）を取り、ＲＥＳＥＴ１信号を生成する。Ｂ相擬似正弦波逆転領域外信号３２は、Ｂ相擬似正弦波をモニタし、Ｂ相擬似正弦波がミドルレンジフラグにセットされている＋側あるいは−側と同一の側からミドルレンジを出た場合にセットされる信号である。すなわち、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスする前に、ミドルレンジに入った側と同じ側に出た場合である。これは、被測定対象物の移動が、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスする前に逆転したことを意味する。このとき、ＲＥＳＥＴ１信号を生成し、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１に戻る。
【００２９】
また、ＳＴＡＴＥ：４においても、ＡＮＤ回路３３で、ＳＴＡＴＥ：４とＢ相擬似正弦波逆転領域外信号３２とＡＮＤ（積）を取り、ＲＥＳＥＴ２信号を生成する。この場合は、Ｂ相擬似正弦波が単調増加あるいは単調減少しながらミドルレンジの一方から他方へ抜け出ず、ミドルレンジに入った側と同じ側に出た場合である。これは、被測定対象物の移動が、Ｂ相擬似正弦波が基準レベルをクロスした後ミドルレンジを抜けきる前に逆転したことを意味する。このとき、ＲＥＳＥＴ２信号を生成し、ＳＴＡＴＥ：０のステップＳ１に戻る。
【００３０】
ＳＴＡＴＥ：５では、ＸＮＯＲ回路３４で、前回取得したＡ相擬似正弦波のピーク値あるいはバリイ値の符号３５と今回取得したピーク値あるいはバリイ値の符号３６とＸＮＯＲ（排他的論理和の否定）を取る。符号が一致している場合はＲＥＳＥＴ３信号を生成し、符号が一致していない場合は、ＲＥＳＥＴ３信号を生成しない。ここで言う符号とは、基準レベルよりも大きな値であるピーク値の場合は＋の符号、基準レベルよりも小さな値であるバリイ値の場合は−の符号である。符号が一致しない場合は、被測定物が単一方向に移動していることを意味する。符号が一致する場合は、前回ピーク値の場合に今回もピーク値を検出し、前回バリイ位置の場合に今回もバリイ値を検出したことを意味する。すなわち、ピーク値あるいはバリイ置を検出した後、被測定物が反転移動したことを意味する。
【００３１】
ＲＥＳＥＴ１信号、ＲＥＳＥＴ２信号、ＲＥＳＥＴ３信号は、カウンタ回路、最大値最小値のラッチ回路、ミドルレンジフラグなどをすべてリセットする。すなわち、Ａ相擬似正弦波の最大値最小値もとめるシーケンスをリセットし、最初からやり直す。また、エンコーダ装置の電源がオンされるときもリセットが働く。
【００３２】
このようにして求められたＡ相擬似正弦波の最大値４個は、平均化回路２３で平均値を求め、最小値４個は平均化回路２４で平均値を求め、２つの平均値を加算回路２５で加算し、除算回路２６で２で除算し、Ａ相擬似正弦波のＤＣオフセット値（補正値）を得る。このようにして求めたＤＣオフセット値（補正値）を、減算器７でＡ／Ｄコンバータ６の出力値より減じて、ＤＣオフセットをキャンセルする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ６の出力値をＤＣオフセット値で補正する。Ｂ相擬似正弦波のＤＣオフセット値（補正値）も同様にして求め、Ａ／Ｄコンバータ９の出力値をＤＣオフセット値で補正する。
【００３３】
以上説明した本実施の形態のエンコーダ装置は、次のような効果を奏する。
（１）特別な外付け可変抵抗器による手動調整等を必要とせずに、エンコーダ装置のアナログ擬似正弦波のＤＣオフセットを自動的にキャンセルすることが可能となる。その結果、細分化誤差を低減し位置検出精度の向上を図ることができる。エンコーダ装置を使用する制御系にあてはめた場合に、位置制御上の偏差低減、即ち位置制御上の特性向上に貢献する。更にＡＣ特性に目を転ずれば、刻々と変わるエンコーダ装置の位置情報の差分は速度情報そのものである。つまりエンコーダ装置の位置精度向上は、速度制御上の偏差即ち速度ムラ（速度リップル）の抑制に貢献するという利点がうまれる。
（２）ＤＣオフセットがキャンセルされた２相擬似正弦波が、細分化回路に入力されるので、ＤＣオフセットが原因となる細分化誤差を確実に低減することができる。
（３）ピーク値やバリイ値を求める場合、他方の擬似正弦波が基準レベルをまたいで所定レベル１から所定レベル２へ単調増加あるいは単調減少したとき、その間に取得された極値を最大値あるいは最小値とみなしてデータを保持する。他方の擬似正弦波がゼロクロスあるいは基準レベルをクロスしたときに、そのときの値を最大値あるいは最小値とみなす場合に比べて、より正確なピーク値あるいはバリイ値を求めることができる。また、被測定物が反転移動したことによりピーク値となった場合を確実に排除することができる。すなわち、被測定物が反転せず単一方向へ移動中におけるピーク値あるいはバリイ値を確実に検出することができる。
（４）複数周期のピーク値およびバリイ値を求めた後、ＤＣオフセット値を求めているので、より信頼性の高いＤＣオフセット値を求めることができる。例えば、回転ディスク３のスリットにゴミがあった場合や、傷などの不具合が発生した場合の影響を低減することができる。また、ノイズなどの外乱の影響を低減することができる。
（５）上記では、複数周期を４周期としているが、２以上の数ならどのような数であってもよい。この場合、２周期、８周期などの２のｎ乗の数値がより好ましい。加算や平均等の演算がやりやすいからである。
（６）複数の周期は、被測定物の反転を含まない単一方向へ移動する間に取得できる複数周期である。これにより、精度の高いＤＣオフセット値を求めることができる。
（７）所定の複数周期分のピーク値およびバリイ値を取得した後、Ａ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を同時に、求めたＤＣオフセット値で補正するようにしている。これにより、あるタイミングから確実にＤＣオフセット値がキャンセルされた精度の高い２相の擬似正弦波を出力することができる。その結果、あるタイミングから確実に精度の高い細分化処理されて精度の高い位置情報を得ることができる。
（８）エンコーダ装置の電源をオンするごとにリセットをしているので、電源オンごとにＤＣオフセット値である補正値を新たに求める。これにより、エンコーダ装置の経年変化などにも確実に対応でき、精度の高い位置情報を求めることができる。
【００３４】
上記実施の形態では、モータの回転位置を求めるエンコーダ装置の例を説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。直線位置を求めるエンコーダ装置であってもよい。すなわち、あらゆるエンコーダ装置に適用することができる。
【００３５】
上記実施の形態では、ＤＣオフセット検出回路８、１１はＡＳＩＣによるロジック回路の例を説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。マイクロＣＰＵなどを使用したものであってもよい。その場合、前述した図５の処理が、プログラムにより実行される。
【００３６】
上記実施の形態では、細分化回路５として逆正接関数を利用する方法（ｔａｎ−１θ方式）を採用するが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。抵抗アレイを用いて細分化する方法やその他の方式を用いた細分化回路であってもよい。
【００３７】
上記実施の形態では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成しているので、次のような効果を奏する。計測に使用する周期的信号において、被測定物の逆転移動によるピーク値などの検出を確実に排除し、より精度の高いピーク値あるいはバリイ値を確実に検出することができる。また、周期的信号の信頼性の高い補正値を求めることができる。例えば、回転ディスクのスリットにゴミがあった場合や、傷などの不具合が発生した場合、ノイズなどの外乱の影響などを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測装置の一実施の形態を示すエンコーダ装置のブロック図である。
【図２】ＤＣオフセットを検出する基本原理を示す図である。
【図３】ＤＣオフセット検出のブロック図を示す図である。
【図４】エンコーダ装置がパワーＯＮしてから、ＤＣオフセットキャンセル機能が有効になるまでの様子と、細分化誤差との関係を示す図である。
【図５】ＤＣオフセット検出回路の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図６】ＤＣオフセット検出回路の処理の流れの説明に使用するＡ相擬似正弦波およびＢ相擬似正弦波を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 受光素子
３ 回転ディスク
４ 増幅回路
５ 細分化回路
６、９ Ａ／Ｄコンバータ
７、１０ 減算器
８、１１ ＤＣオフセット検出回路
２１ ピークホールド回路
２２ バリィホールド回路
２３、２４ 平均化回路
２５ 加算回路
２６ 除算回路
Claims (4)
- 被測定物の移動に伴って検出された実質的に９０度の位相差を有し同一周期を有する第１の周期的信号と第２の周期的信号とを使用して被測定物の位置情報を取得する計測装置において、
前記第１の周期的信号の第１の補正値を求める第１の補正値検出手段と、
前記求めた第１の補正値に基づき前記第１の周期的信号を補正する第１の補正手段と、
前記第２の周期的信号の第２の補正値を求める第２の補正値検出手段と、
前記求めた第２の補正値に基づき前記第２の周期的信号を補正する第２の補正手段と、
前記補正された第１の周期的信号と前記補正された第２の周期的信号に基づき、細分化処理を行って細分化された前記被測定物の位置情報を取得する細分化処理手段と、
前記被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出する移動反転検出手段とを備え、
前記第１の補正値検出手段は、前記計測装置の電源がオンされたときおよび前記移動反転検出手段により前記被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、前記被測定物が単一方向への移動中に少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、前記取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき前記第１の補正値を求め、前記求めた第１の補正値を前記第１の補正手段に出力し、前記少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは前記第１の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力し、
前記第２の補正値検出手段は、前記計測装置の電源がオンされたときおよび前記反転検出手段により前記被測定物の移動が反転したことが検出されたとき、前記被測定物が前記単一方向への移動中に前記第１の周期的信号と同期して前記少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得し、前記取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき前記第２の補正値を求め、前記求めた第２の補正値を前記第２の補正手段に出力し、前記少なくとも２周期分のピーク値およびバリイ値を取得するまでは前記第２の補正値を出力しないか補正値ゼロを出力することを特徴とする計測装置。 - 請求項１記載の計測装置において、
前記第１の補正値検出手段は、前記第２の周期的信号が、前記第２の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第１の所定値と第２の所定値間で単調増加したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、また、前記第１の所定値と前記第２の所定値間で単調減少したとき、その間の第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第１の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき前記第１の補正値を求め、
前記第２の補正値検出手段は、前記第１の周期的信号が、前記第１の周期的信号の所定の基準レベルをまたいだ第３の所定値と第４の所定値間で単調増加したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の一方を取得し、前記第３の所定値と第４の所定値間で単調減少したとき、その間の第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値の他方を取得し、該取得した第２の周期的信号のピーク値およびバリイ値に基づき前記第２の補正値を求め、
前記移動反転検出手段は、前記第２の周期的信号が、前記第１の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、前記第１の所定値と第２の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、前記被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出し、前記第１の周期的信号が、前記第２の周期的信号のピーク値あるいはバリイ値を取得するときに、前記第３の所定値と第４の所定値間に入った後入った同じ側から出たことを検出した場合に、前記被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とする計測装置。 - 請求項１または２記載の計測装置において、
前記移動反転検出手段は、前記第１の周期的信号あるいは前記第２の周期的信号において、ピーク値が続けて取得されたことを検出した場合あるいはバリイ値が続けて取得されたことを検出した場合、前記被測定物が単一方向への移動から反転したことを検出することを特徴とする計測装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項記載の計測装置において、
前記少なくとも２周期分の周期数は、２の累乗分の周期数であることを特徴とする計測装置。
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