JPH0237991B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はAD変換装置に関し、特に力学系の角
速度、加速度等の力学的諸量を測定する装置に使
用して好適なAD変換装置に関するものである。

しかしながら、この表現では、本発明を理解し
にくい恐れがあるので、本発明を応用しようと考
えているシステムの一例を第１図を参照して説明
しよう。第１図のシステムは、Ｘ−Ｙステージと
言われるものであるが、これは、一方向のみの、
工作機械の送り装置などにも応用可能であり、い
わばこれは本発明の終極の目的の一つと言うこと
ができる。では、第１図のＸ−Ｙステージと、上
記力学系及びAD変換装置とがいかなる関係にあ
るかを説明する。そのため、まず第１図のＸ−Ｙ
ステージを説明しよう。

第１図は、Ｘ−Ｙステージの一例の斜視図であ
る。同図に於て、５１は基盤で、この基盤５１上
に、水平案内面５２′を上方に有する、例えばＸ
−軸方向に伸びるＸ−基台５２を取り付ける。５
３はＸ−移動台で、これは、Ｘ−基台５２の案内
面５２′に沿つてＸ−軸方向に移動し得る如く、
案内面５２′と嵌合している。Ｘ−移動台５３上
に、Ｙ−基台５４を取り付ける。このＹ−基台５
４は、Ｙ−軸と直行するＹ−軸方向に伸び、その
上面は水平案内面５４′となつている。Ｙ−基台
５４の案内面５４′に、Ｙ−移動台５５を嵌合さ
せ、Ｙ−軸方向に移動し得るようになす。図に示
す如く、Ｘ−及びＹ−基台５２及び５４は、夫々
Ｘ−及びＹ−軸方向に伸びるスリツト５２″及び
５４″を有し、それ等の内部に、Ｘ−及びＹ−軸
方向に伸びる送りネジ５６及び５７が、回転し得
るように支持されている。これ等送りネジ５６及
び５７は、モータの如き駆動装置５８及び５９に
より、夫々回転される。図示せずも、Ｘ−及びＹ
−移動台５３及び５５は、夫々送りネジ５６及び
５７と螺合するネジを有しているので、送りネジ
５６及び５７が駆動装置５８及び５９により回転
されると、Ｘ−及びＹ−移動台５３及び５５が、
夫々Ｘ−及びＹ−軸方向に移動し、結局、Ｙ−移
動台５５を、基盤５１上の所望の位置に移動させ
ることができる。

扨て、上述のＸ−Ｙステージは、第１図に示す
如く、Ｙ−移動台５５上に取り付けたＸ−及びＹ
−加速度計又はセンサー６０及び６１を有する。
この場合、これ等Ｘ−及びＹ−加速度計６０及び
６１の夫々の入力軸は、図に於て矢印で示す如
く、Ｘ−及びＹ−移動台５３及び５５の移動方
向、即ちＸ−及びＹ−軸方向と平行となるように
整合されている。

この第１図の装置において、Ｙ−移動台５５の
上面が正しく水平であり、このＹ−移動台５５の
移動量が、加速度センサー６０及び６１の出力を
２回積分することにより、正確にμｍ単位、或は
更に精密に計測しうるならば、これ等加速度セン
サー等を含む位置検出装置を、エンコーダ、リニ
ヤエンコーダ、マグネスケール、レーザ測長器等
の検出精度に限界があり、又、コストが大巾に高
い位置検出装置の代りに使用することができる。
換言すれば、高精度かつ廉価な座標検出装置を得
ることができよう。これは、本発明の応用の最終
的な姿の一つと言うことができる。

本発明は、この第１図に示す如き装置に適用さ
れ、その加速度センサーの測定量を、加速度セン
サー内の力学系を含めて、高精度にＡ−Ｄ変換す
るAD変換装置に関するものである。

従来、この種のAD変換装置としては、あとで
詳述するが、デルタ・モジユレーシヨンと呼ばれ
る技法があり、これを実施する回路をデルタ・モ
ジユレータというが、その分解能が、力学系の変
位または偏角を正確に検出可能な振巾と、これに
対応する力学的発振周波数とによつて制限されて
しまうという欠点があり、力学系がきまつてしま
うと、或る分解能以上に精度をあげることができ
なかつた。換言すると、或る一定時間内に、出力
として得られるデジタルパルスの数が力学系の特
性で、殆んど決まつてしまい、これを自由に選ん
で、必要とする高精度、高分解能を得ることがで
きなかつた。

本発明は、このような欠点を一掃した新規な
AD変換装置を提供するものである。

さて、今迄、わかりやすくするため、本発明が
第１図のＸ−Ｙステージに如何に役立つかを述べ
加速度センサーの測定出力の力学系を含むAD変
換装置であることを強調して来たが、本発明は上
述の如く、AD変換装置であるので、力学系が加
速度センサーでなく、積分レートジヤイロ等のよ
うに、液体中でフロートを振動させるようなジヤ
イロ類であつても、一向にさしつかえないもので
あるが、それらのすべての場合を網羅すると、膨
大な説明となるので、こゝでは、力学系の一例と
して、上記加速度センサーを用いた場合について
のみ述べることにする。

まず、第２図は、本発明が適用される装置の一
例としての加速度センサーの原理説明図である。
この例では、中央に棒１７があり、その下端が、
極めて薄いヒンジ１６を持ち、一端が固定部に固
定された板１５の他端により、ヒンジ１６を支点
として紙面内で左右に傾斜し得るように支持され
ている。棒１７の上端と対向するピツクアツプ１
８は、棒１７の左右傾斜を、敏感に検出し、電気
的信号として出力するためのものである。棒１７
は、まず右側に円筒状コイル１１を固定して有す
る。第２図では、コイル１１の断面が１１１，１
１２として描かれている。この棒１７に関し、円
筒状コイル１１と対称となるように、円筒状コイ
ル１１′を棒１７に固定する。このコイル１１′の
断面も、１１３，１１４として図示されている。
従つて、棒１７、板１５及びコイル１１，１１′
は一体となつて、ヒンジ１６を支点とする振子１
を形成している。二つの円筒状コイル１１，１
１′の内部に、両者に対して適当な間隙をあけて、
それぞれ円柱磁路１２，１２′を配設すると共に、
両コイル１１，１１′の外側及び上下に対向する
如く、両者に対して適当な間隙をあけて、夫々カ
ツプ状磁路１４，１４′を配設する。磁路１２の
外面と磁路１４の底面との間、および磁路１２′
の外面と磁路１４′の底面との間には、永久磁石
１３，１３′が、夫々両者に固定して設けられて
いる。こうして、コイル１１，１１′の巻線と
夫々直交する直流磁路がつくられ、矢印２０，２
１，２２，２３で示したような向きに磁束がつく
られる。

第２図に示す加速度センサーの従来のアナログ
的使用法は、次の如くである。即ち、第２図の装
置に対し、その左右方向へ加速度αが働くとし、
振子１の支点即ちヒンジ１６から上の部分の質量
をｍとし、その部分の重心位置よりヒンジ１６迄
の距離をｌとすると、振子１には、mlαなるトル
クが働く。このトルクが作用すると同時に、これ
による振子１の傾斜を、いちはやくピツクアツプ
１８が検出するので、図示してないが、このピツ
クアツプ１８よりの信号を増巾器にて増巾し、電
流としてコイル１１，１１′に流し、振子１が元
へもどるように電磁力によるトルクを振子１へ加
えて、ピツクアツプ１８の出力が常に零になるよ
うにする。このような使いかたでは、入力加速度
αは、常に略々コイル１１，１１′に流れるフイ
ードバツク電流に比例しているから、フイードバ
ツク電流を測定すれば、入力加速度αを知ること
ができる。

しかしながら、上述した従来のアナログ測定方
式では、その後で、出力であるフイードバツク電
流を２回積分する段階で、その精度が低下すると
云う欠点があるので、この欠点を回避するため、
力学系を含めて働くAD変換装置を用いて、デジ
タル出力を得ることがおこなわれている。その一
つの例として、上述したデルタ・モジユレーシヨ
ンという技法がある。

本発明は、このデルタ・モジユレータの改良に
関するものである。まず、従来のデルタ・モジユ
レーシヨンを説明するために、上記加速度センサ
ーの力学系を伝達関数に書き換えることにしよ
う。力学系の運動方程式は次のとおりである。

Iθ¨＋Cθ〓＋Kθ＝mlα−Ｆ ……(1) こゝで、θは第２図の振子１の中央位置からの
偏角であり、Ｉは振子１の支点即ちヒンジ１６の
まわりの慣性能率であり、Ｃは粘性トルクの係数
であり、Ｋはヒンジ１６のバネ性復元トルクの係
数であり、Ｆはコイル１１，１１′に電流が流れ
ることによつて生ずるトルクである。

ところで、デルタ・モジユレーシヨンを用いる
場合には、粘性が相当に大きい液体中に、第２図
の装置を全部浸してしまうような構造にするの
で、Cθ〓の項は、Iθ¨の項に比し十分大きく、かつ、
ヒンジ１６は、数十μｍから数μｍ位の厚みに仕
上げられているので、Kθの項はCθ〓の項に比して
十分小さく、省略可能であり、Iθ¨の項も省略可能
である。よつて、(1)式は、次式で近似される。
こゝで、ml＝Ｐとする。

Cθ〓≒Pα−Ｆ ……(2) この式(2)をラプラス変換形式であらわすと θ＝１／CS（Pα−Ｆ） ……(3) となる。こゝで、Ｓはラプラス演算子である。

さて、第３図は、従来のデルタ・モジユレーシ
ヨンを行うデルタ・デモジユレータを示すブロツ
ク図である。その冒頭、即ち左端の部分が(3)式で
ある。同図で、振子１がブロツク１で表わされ、
これに加速度αが入力すると、その出力はPαと
なる。一方、フイードバツク用のコイル１１，１
１′によつて作られたトルクＦが、逆のトルクを
振子１の出力に加え、結局、（Pα−Ｆ）が、この
力学系の伝達関数を示すブロツク２を経て偏角θ
となる。ブロツク３は、ピツクアツプ１８で、偏
角θを対応電気信号に変換する。ブロツク４はこ
の電気信号の増巾器である。ブロツク５は正負判
別回路で、これは、供給される増巾器４の出力が
正ならば（すなわち偏角θが正ならば）、その出
力電圧（e₁）は正の一定値、逆に負ならば、負の
一定値である。６はサンプリング回路で、これ
は、クロツクにより別に決められた期間Ｔ／２毎
に、入力される正負判別回路５の出力電圧（e₁）
をサンプリングし、電圧（e₁）が正ならば、正の
パルス、負ならば負のパルスを（e₂）として出力
する。パルス（e₂）のパルス列は、それ自身が、
デルタ・モジユレータの出力であるだけでなく、
フイードバツク電流形成回路７への出力となる。
この回路７は、パルス（e₂）の正負に対応した極
性をもち、大きさが正確に一定値Ioで、持続時間
がである矩形波電流をつくり、これを、フイー
ドバツク電流としてコイル１１，１１′におくる。
これにより、フイードバツクループが形成され
る。この電流が正しく一定である必要があるの
で、この回路７としては、別の定電流源を利用し
てもよい。

かくしてコイル１１，１１′で作られるフイー
ドバツクトルクは、高さが一定値Ｍで、時間巾
の矩形波状である。時間巾はＴ／２に等しくて
も良いし、もつと短くても、一定であれば良い。
たゞし、高さＭは、予定されている最大入力加速
度をα_naxとするとき、Ｍ＞Pα_naxでなければなら
ない。

以上のデルタ・モジユレータの動作を、第４図
Ａ乃至Ｅを用いて説明する。第４図Ａは入力加速
度αを示す。こゝでは、正の加速度αが一定値で
入力されているものとしている。横軸は時間ｔで
ある。ｔ＝０で、同図Ｂの如く、偏角θがある負
の値であつたとすると、フイードバツクトルク
は、トルクＦを逆にしたものなので、合計（Ｆ＋
Pα）となり、これを伝達函数１／CSのブロツク
２を通して得られた偏角θは、直線的かつ急速に
負から正へ向う。こゝで、第４図では＝Ｔ／２
としている。偏角θが正に向うので、回路５の出
力電圧（e₁）は０＜Ｔ／２の期間で、同図Ｃに示
す如く、負から正へ変化する。このため、ｔ＝０
で負のパルスであつた回路６の出力パルス（e₂）
は、同図Ｄの如く、ｔ＝Ｔ／２では正のパルスに
かわつている。よつて、フイードバツクトルク
も、同図Ｅの如く、負の値となるが振子１には
（−Ｆ＋α）がかゝるので、Ｔ／２＜ｔ＜Ｔの期
間では、各値θ、e₁、e₂の全べてが、前記と逆に
動く。ただ、｜（Ｆ＋α）｜と｜（−Ｆ＋α）｜とを
くらべると、明らかに後者が小さいため、偏角θ
は、第４図Ｂでは、立上る傾斜の方が下るときの
傾斜より大きく、このため、ｔ＝５／２Ｔ迄、偏角 θは、三角波を描きながら徐々に加速度αのかか
つている上方へ移動して行く。このため、ｔ＝
3Tのとき、偏角θは正の領域にあり、電圧e₁、
e₂は共に正である。従つて、パルスe₂は、期間
２／５Ｔ−3Tでは正のパルスが２個続くことにな る。このため、５／２Ｔ＜ｔ＜3Tと3T＜ｔ＜７／３Ｔ の２つの期間では、フイードバツクトルクは同じ
であり偏角θは大きく負の方向へもつて行かれ
る。そして、こゝからは、偏角θは、また右上り
の三角波を描き、パルスe₂は交互に正負のパルス
列となる。

こうして出力のパルスe₂の例に於ては、一定時
間で区切ると、加速度αが正であれば、必ず正の
パルスの数の方が負のパルスの数より多く、その
度合は、加速度αの大きさに正しく比例（ただし
整数化されているが…）しており、加速度αが零
であれば、e₂の正負のパルス数は相等しい。ま
た、加速度αが＋Ｍ／Ｐになつたとすれば、パル
スe₂の列では、すべてのパルス（e₂）が正とな
る。加速度αが負の時も、その大きさに比例して
e₂の負のパルス数が増加する。この種加速度セン
サーの振動周波数は、振子の質量、振子の重心と
ヒンジ間の距離、ヒンジのバネ常数及び液体の粘
性等によつて定まり、周波数を高くするための条
件と、振幅（偏角）を大きくするための条件とが
相反する。そして、適宜の偏角を確保するため
に、振動周波数ｆ＝１／Ｔは、通常、数百ヘルツ
から2000ヘルツ位に設定される。よつて、一定時
間を0.1秒〜１秒程度と仮定すると、加速度αを、
デジタル化された数十から2000位のパルス数とし
て測定することができる。

デルタ・モジユレーシヨンの技法には、もう一
つの特徴ある使い方がある。それは、e₂のパルス
例をアツプ・ダウン・カウンターで常時計数し、
加速度をデジタル的に計測して出力する方法であ
る。このカウンタの示す今の値は、計測をはじめ
た時から今迄の加速度の時間積分値にほかなら
ず、計測開始時にこの加速度センサーが停止して
いたとすれば、カウンタの現在値は、加速度セン
サーのついている物体の今の速度を直接表示して
いることになる。こうして、２回積分のうちの１
回の積分をコンピユータでやらずにすんでしまう
ことになる。逆に、加速度を知りたければ、e₂の
パルス列をアツプ・ダウン・カウンターで受け、
一定時間毎にその値を読みとつて、すぐカウンタ
ーをリセツトするようにすれば、加速度αを常時
デジタル値として知ることができる。また、こゝ
で一度積分させるさせないは別として、パルス出
力なので、コンピユータやデジタル回路による積
分は容易であつて、こゝで誤差を生ずることはな
い。

デルタ・モジユレーシヨンの技法は、このよう
に力学系の信号のＡ／Ｄ変換法として、すぐれた
特徴をもつものであるが、力学系の寸法により、
その精度が制限されるところに欠点がある。上記
加速度センサーの例では、第２図の構造のもの
を、振子の長さを数ミリメートルのレベル迄小さ
くしても、上にのべたように、振子を2KHzより
高い周波数で振動させることは困難である。何故
ならば、高周波で振子を振動させる程偏角θの振
巾が小さくなり、偏角θをピツクアツプすること
ができなくなつてしまうからである。

本発明は、上記欠点を一掃し、偏角θの振動周
波数としては、今迄通りの数百Hz乃至2000Hzであ
りながら、同じ一定時間内で楽に１桁から２桁上
の出力パルス数を得られるAD変換装置を提案す
るものである。

本発明のAD変換装置の要旨は、振子と粘性液
体とばねとを含み所定の振動周期で振動し得る力
学系と、振子の振動を検出する検出器と、この検
出器の出力により力学系の現時点での運動の正負
を判別する正負判別手段と、この正負判別手段の
出力を所定の周期でサンプリングするサンプリン
グ手段と、このサンプリング手段の出力からフイ
ードバツク電流を形成するフイードバツク電流形
成手段と、このフイードバツク電流形成手段の出
力電流に基づいてフイードバツクトルクを発生す
る手段とを有し、力学系に力学的フイードバツク
を加えるようにしたAD変換装置において、サン
プリング手段に振動周期の1/2より短い時間間隔
のサンプリングクロツクを供給して正負判別手段
の出力と極性が等しいパルスを形成すると共に、
サンプリング手段により振子の各振動周期内に形
成された正パルスと負パルスとの数の差を計数す
る計数手段と、この計数手段の計数値に比例し
て、振子の各振動周期毎に、フイードバツク電流
形成手段の出力電流の正及び負極性の持続時間を
制御する手段とを設けたことに在る。

上述した要旨を有する本発明の一実施例を、第
５図に示す。この例では、振子１、力学系の伝達
関数２、ピツクアツプ３、増巾器４、正負判別回
路５までは、第３図の従来例と全く同じなので、
それ等の説明を省略する。この例が第２図の例と
第１に異る点は、サンプリング回路６は振子１の
振動周期Ｔに比し、はるかに短い周期τのクロツ
クでサンプリングをし、従つて、その出力（e₂）
としては、第３図のものに比し、桁違いに多いパ
ルスを発生することである。第２の異る点は、パ
ルス（e₂）がAD変換装置の出力として導出され
ると同時に、フイードバツクループ内に設けたア
ツプダウンカウンター８におくられることであ
る。アツプダウンカウンター８は、振子１の振動
周期を第３図と同じＴ秒として、Ｔ秒ごとにクロ
ツクでリセツトされ、そのセツト期間内のパルス
（e₂）の正のパルス数ｉと、負のパルス数ｊとの
差、（ｉ−ｊ）をフイードバツク電流形成回路９
へ出力する。この回路９は、周期Ｔのクロツクに
より周期がＴで極性が正負の矩形波電流（フイー
ドバツク電流）を形成しており、またその電流の
大きさは第３図と同じく一定値Ioであるが、サン
プリングクロツクとは別で周期がτ′の制御用クロ
ツクと、カウンタ８から供給された（ｉ−ｊ）の
値に応じ、これが正であれば（ｉ−ｊ）τ′の時間
だけフイードバツク電流のパルス幅を短くし、負
であれば、同量だけ長くする、つまり、デジタル
的にパルス幅変調を行い、接続時間をＴ／２一
定とせず、これを前周期中の（ｉ−ｊ）の値で制
御している。これが第３の相違点である。こゝ
で、τ′は適当な単位時間である。回路９の出力
は、フイードバツクコイル１１，１１′におくら
れ、これより、トルクとして振子１の力学系にフ
イードバツクされる。

さて、以上のような本発明の実施例の動作を、
第６図Ａ乃至Ｅに従つて説明する。第６図Ａは、
第４図Ａと同じ一定の大きさで正の加速度αが入
力されている場合を示す。同図Ｅに示すフイード
バツクトルクを見ると、１周期前のカウンタ８の
出力が（ｉ−ｊ）で正であるので、持続時間が
Ｔ／２から（ｉ−ｊ）τ′だけ短くなつており、この
ため、偏角θは、第６図Ｂでは、Ｔ／２より短い
時間で、フイードバツクトルクが逆になるため、
正から負にもどることになり、第４図Ｂとちが
い、偏向θは三角波ではあるが、右上りになるこ
とはなく、中心線が少し上方にずれただけで定常
状態に入る。加速度αが大きければ大きい程、偏
角θは前倒しの三角形状となり、偏角θの中心数
は、上方、つまり加速度αの正の方向へかたよ
る。加速度αが負であれば、偏角θの三角波は、
後へたおれた形となる。

以上の説明で明らかなとおり、本発明によれば
サンプリング周期τを十分小さくすることで、サ
ンプリング回路６の出力e₂のパルス数を、第６図
Ｄに示す如く、同じ時間内に従来の方法に比し極
めて多くすることができるので、容易に加速度α
の測定値の分解能をあげることができ、従つて容
易に高精度化することができる。

単位時間τ′を余り大きくすると、動作が不安定
になるので、単位時間τ′はサンプリング時間τに
比し若干小さい程度に選ぶのが良好であるが、安
定条件は、増巾器４に、位相進み特性をもたせる
等により、改善が可能であるので、比較的大きな
単位時間τ′でも良好に動作させることも可能であ
り、設計上の選択の範囲は広い。

また、第５図も第３図と同様、フイードバツク
電流形成回路９は、定電流源から定電流Ioを貰う
ように画かれているが、回路９の中で定電流をつ
くつても、さしつかえない。

さらに、説明を容易にするため、アツプダウン
カウンター８とフイードバツク電流形成回路９と
を別々にわけて説明したが、これ等は混然と一体
化した回路であつても、勿論さしつかえない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用され得る一例としてのＸ
−Ｙテーブルを示す斜視図、第２図は力学系の一
例たる加速度センサーの原理説明用断面図、第３
図は従来のAD変換装置の一例たるデルタ・モジ
ユレーシヨンの説明用ブロツク線図、第４図は第
３図の従来例の動作の説明用波形図、第５図は本
発明の一実施例の説明用ブロツク線図、第６図は
第５図の本発明の一実施例の動作の説明用波形図
である。 図に於て、１は振子、２は力学系の伝達関数、
３はピツクアツプ、４は増巾器、５は正負判別回
路、６はサンプリング回路、７，９はフイードバ
ツク電流形成回路、８はアツプダウンカウンタ、
１１，１１′はコイルを夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振子と粘性液体とばねとを含み所定の振動周
   期で振動し得る力学系と、上記振子の振動を検出
   する検出器と、該検出器の出力により上記力学系
   の現時点での運動の正負を判別する正負判別手段
   と、該正負判別手段の出力を所定の周期でサンプ
   リングするサンプリング手段と、該サンプリング
   手段の出力からフイードバツク電流を形成するフ
   イードバツク電流形成手段と、該フイードバツク
   電流形成手段の出力電流に基づいてフイードバツ
   クトルクを発生する手段とを有し、上記力学系に
   力学的フイードバツクを加えるようにしたAD変
   換装置において、 上記サンプリング手段に上記振動周期の1/2よ
   り短い時間間隔のサンプリングクロツクを供給し
   て上記正負判別手段の出力と極性が等しいパルス
   を形成すると共に、 上記サンプリング手段により上記振子の各振動
   周期内に形成された正パルスと負パルスとの数の
   差を計数する計数手段と、 該計数手段の計数値に比例して、上記振子の各
   振動周期毎に、上記フイードバツク電流形成手段
   の出力電流の正及び負極性の持続時間を制御する
   手段とを設けたことを特徴とするAD変換装置。