JPH0237992B2

JPH0237992B2 -

Info

Publication number: JPH0237992B2
Application number: JP58160009A
Authority: JP
Inventors: Tsurashi Yamamoto; Shinichi Kawada; Mikio Morohoshi
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1983-08-31
Publication date: 1990-08-28
Also published as: JPS6052772A

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への入力となる。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、一定であればよい。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、５／２＜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が負のときも、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のパルス列
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２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、今迄どおりの数百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／ｎ（ｎは２より大きい正の整数）
の周期τ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
基づき、τ／Ｎ（Ｎは任意の正の定数）を単位時
間として、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
時間を加減する手段とを設けたことに在る。

上述した特徴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３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、このパ
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
回路６と共通に供給されるクロツクと、カウンタ
ー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
位時間であつて、例えば、サンプリングクロツク
の周期τの１／Ｎとされ、回路９内で形成され
る。回路９の出力は、フイードバツクコイル１
１，１１′におくられ、これにより、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周期前のカウンター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、偏角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
線は、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。

しかしながら本発明の発明者の研究によれば、
周期Ｔとτとはある整数関係、すなわちＴ＝nτ
の関係にあることが、パルスの時間間隔の管理上
など実用上好都合であり、ｎは数乃至数十に選ぶ
ことが多かつたが、更に大きい正の整数に選ぶこ
とをさまたげる理由はない。

また、単位時間τ′は、τ／Ｎに選ぶことが上記
と同じ理由で具体的に便利であり、こゝでＮは小
さな正の整数である。Ｎは、大体において１から
10位にとられるが、さらにＮを大きくとることを
さまたげる理由はない。

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。また回路９は、持続
時間のコントロールが容易であれば、勿論そう
であつてさしつかえないし、必要があれば、周期
τ′のクロツクを使用しても良い。

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、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、１
１，１１′はコイルを夫々示す。

Claims

【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／ｎ
（ｎは２より大きい正の整数）の周期τ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基づき、τ／Ｎ（Ｎは任
意の正の整数）を単位時間として、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加減する
手段とを設けたことを特徴とするAD変換装置。