JPS59142421A - デジタル位置検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は位置検出システム、そして特定すればアナロ
グ位置トランスデユーサとともに作動するデジタル位置
検出システムに関するものである。

大部分の自動サーボ位置決めシステムは、そのサーボ制
御回路のための帰還信号を発生すべき何らかの位置トラ
ンスデユーサを必要とするものである。これらのトラン
スデユーサには種々の型が存在するが、その内の一形式
として、たとえばアメリカ合衆国ニューヨーク州パルパ
ラのファランドコントロール社から発売されている静電
容量型トランスデユーサは、適当なコストにおいてすぐ
れた位置決め精度を提供するものである。このようなト
ランスデユーサは典型的には固定素子における複数の交
互櫛歯状容量板と、可動素子の同様な交互櫛歯状容量板
のセットとを含むものである。これらの素子の相対位置
は対応する容量板間の容量結合に影響し、したがって位
置情報を引出すのに用いることができる。

典型的な装置において、トランスデユーサの固定素子は
約ＩＫＨｚ　の交流信号によって付勢さ扛る。可動素子
はなるべくなら互いにそのパターンの１／４ピツチ隔た
った２組の交差または噛合板からなシ、これによシその
出力に直角位相信号を発生することができる。可動素子
及び固定素子の相対位置は、それらの間の容量結合に影
響するため、その出力信号は位置に関連する振幅を含ん
でいる。この型に属する適当な品質のシステムにおいて
は、自動利得制御を用いることによシ画素子の相対位置
以外の要因に基づく信号成分を極力排除しなければなら
ない。

本発明によれば前述したような交互櫛歯状板を用いた比
較的廉価で高精度なアナログトランスデユーサを、デジ
タル方式において作動させることによシアナログシステ
ム動作に関連する問題点を排除するようにしたものであ
る。

直角位相正弦波はクロックと、反復使用可能なカウンタ
、及び正弦値の索引テーブルを用いることによりデジタ
ル的に合成される。この合成信号はトランスデユーサ素
子の一方における直角位相部分に加えられる。トランス
デユーサはレゾルバと同様に作用し、画素子間の位置に
関する位相変位を有する信号を発生するものである。こ
の位相型トランスデユー。８ゼロ交差検出語に供給され
、この検出器は位置指示用デジタル出力を取シ出すため
に用いられる。トランスデユーサ出力のゼ′ロ交差の時
点におけるカウンタのカウント値は、トランスデユーサ
の位置に対応する。このようなデジタル手法によれば、
アナログシステムに固有の問題を実質的に排除すること
ができる。

本発明の前述した目的、及びその他の目的は本発明の実
施例に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろ
う。

本発明とともに用いるに適した型のトランスデユーサは
第１図の中央に線図的に示した通シである。トランスデ
ユーサの可動素子α０）は複数の静電容量板（］２１か
らなる櫛歯状パターンと、これに交互に噛合った配置の
同様な静電容量板Ｉからなる櫛歯状パターンとを含んで
いる。トランスデユーサの固定素子もまた同様な直角位
相関係にある２組の静電容量板を含んでいる。容量板（
Ｉ８）は容量板（２０１を含む同様なパターンと交互に
噛合った櫛歯状パターンの一部をなしている。

以下に説明する通り、固定素子の部分（１６）は余弦波
により付勢されるようになっており、したがって以後パ
余弦パターン°′と称する。また固定素子には同様な櫛
歯状パターンｃ２６）と交互に噛合った静電容量板（２
ＩｉＩの櫛状パターンを含んでいる。

容量板（２４Ｉ及び１２６Ｊを含む固定素子の部分は以
後゛正弦パターン”（２２１と称する。トランスデユー
サパターンのピッチは可動素子及び固定素子を通じて等
しい。ピッチ（すわちパターンの繰返し距離）はトラン
スデユーサが要求する分解能に従って選択される。正弦
パターン１２２＋は余弦パターン（１６）に関して１／
４ピッチ間隔だけ変位している。

正弦パターン及び余弦パターンを付勢すべく用いられる
信号は、クロック□□□）から最初に発生される。この
クロックは、たとえば２０−１００　ＫＨｚ程度の適当
な速度でタイミングパルスを発生するものである。これ
らのタイミングパルスはアドレヌカウンタ（３１）に供
給される。このカウンタとしては８ビツトカウンタを用
いることができ、クロック艶からパルスが供給される度
毎に１カウント進められる。カウンタはたとえばＯから
始まって２５５に達し、再びそれを繰返すという反復型
とすべきである。後述によシ明らかとなるが、カウンタ
のサイズは最終的な位置指示の分解能に直接影響し、し
たがって大きい分解能が要求される場合には大きいカウ
ンタサイズが必要となる。

カウンタ（３１＋は正弦波ＲＯＭ（３２１，及び余弦波
ＲＯＭ１３３１として紹介する一対の読出し専用メモリ
ーに接続される。ＲＯＭ１３２１はカウンタ４３１）か
ら受容れられる８ビツトアドレスの組合せに対応した２
５６個の正弦値を含む索引テーブルを含んでいる。同じ
（ＲＯＭ（３３１はカウンタｆ３１１から供給され得る
２５６個のアドレスに対応する正弦値を有する索引テー
ブルを含んでいる。

ＲＯＭ　１３２１の出力はデータラッチ（圓を介してＤ
／Ａ変換器（３７）に供給される。同じ（ＲＯＭｔ３３
１からの出力はデータラッチ田を介してＤ／Ａ変換ｌｆ
ｉ　ｔ：３６）に供給される。データラッチはクロック
（３０）からのクロックパルスを受信するように接続さ
れている。２つのＲＯＭからの出力は各データラッチを
介してデジタル数値入力として変換鮨に供給される。ク
ロックパルスの出現はアドレスカウンタ（３Ｉ）を更新
し、シタがってＲＯＭ（３２Ｉ及び（３３）の出力にお
ける値を変化する。クロックツくルスは瞬間的にデータ
ラッチ入力を消勢し、その結果ラッチはカウンタの更新
が完了するまで現在値を保持する。

Ｄ／Ａ変換器（３７）の出力に現れた信号は、カウンタ
（３１１の最大カウントによシ割算されたクロックパル
ス周波数に対応する周波数の正弦波である。またＤ／Ａ
変換器（：３６１の出力は同様の周波数を有する余弦波
である。これらの変換語６６）及びＣ３７＋の出力に現
れた信号はそれぞれ第２Ａ及び２Ｂ図にぞメソコ示す通
シであシ、これらは正弦波及び余弦波部分（２２１及び
（Ｉ６）に加えられる。

上述したシステムは正弦波及び余弦波の発生のために個
々にメモリーを用いるものであるが、まず正弦波を発生
し、さらにその正弦波をアナログ信号に変換した後、９
ｏ０移送器を用いて余弦波を発生するために単一のメモ
リーを用いることもできる。また、１つの象限について
の正弦値は完全な正弦波を形成するに十分な材料である
からメモリーは各１／４周期毎にカウント方向を反転し
、さらに各半周期毎に信号の極性を反転するようにして
、そのサイズを縮小することもできる。このような構成
は第３図に関して後述する通シである。

固定素子の正弦パターンが可動素子α０）のパターンと
整列したトランスデユーサ位置であ扛は、その正弦波信
号のトランスデユーサ可動素子に対する結合は最大とな
る。トランスデユーサの同様な位置において、ｌ／４ピ
ッチ変位した余弦パターンは誤整列となシ、したがって
可動素子の容量板との実質的な結合は存在しない。その
ため、可動素子に誘起された信号は基本的にその合成正
弦波と同じものであり、同相である。

第２Ｃ図に示す通シ、位相比較基準として第２Ａ図にお
ける合成正弦波を用い、可動素子及び固定素子間のゼロ
変位条件において可動素子に誘起される信号は基準信号
と同相になる。

トランスデユーサの可動素子が１／４ピッチ間隔だけ前
進すると、余弦パターンの容量板が可動素子の容量板と
整列して最大結合となシ、逆に正弦パターンの容量板は
誤整列となって最小結合になる。したがって可動素子に
誘起される信号は第２Ｄ図に示すような余弦波に対応す
る。この信号は基準信号に関し９０°の位相変位を有す
る。

１／２ピッチ位置までトランスデユーサが前進すると、
正弦パターンの容量板が再び可動素子の容量板と整列し
、しかも極性が反転することになる。可動パターンに誘
起される信号は逆極性の正弦波の最大結合から得られる
ものであシ、第２Ｅ図に示す通シとなる。かくして可動
素子に誘起された信号は基準信号に関して１８００変位
している。

トランスデユーサがさらに３／４ピッチ位置まで前進す
ると、再び余弦パターンが可動素子と整列し、しかも逆
極性の状態となる。トランスデユーサのこの位置におい
て、余弦波は第２Ｆ図に示す通り逆極性で可動パターン
に誘起される。この信号は基準信号から２７０°変位し
て可動素子に誘起されたものである。

特に第２図に示した１／４ピッチ点の中間位置の場合、
正弦波及び余弦波の各一部が可動素子に誘起される。そ
の結果、可動パターンに誘起される信号は合成信号であ
シ、トランスデユーサの可動素子と固定素子との変位に
比例した位相変位を有する正弦波となる。

トランスデユーサの可動素子は増幅詣（４０）を介して
ゼロ交差検出ＩＢ　＋４１１に接続される。このゼロ交
差検出ＩＩ　（４１１はこれに加えられる信号が負から
正への方向でゼロと交差する度毎に出力パルスを発生す
るものである。カウンタ（３１）からのデジタル出力カ
ウントはデータラッチ（４３）に供給される。同期ゲー
ト＋４２１はゼロ交差検出器＋４１１並びにクロック（
３０）からのパルスを受信してラッチ（４３）の入力を
選択的に付勢し、及び消勢するものである。

ラッチ（４３１からの出力信号は図示の通りトランスデ
ユーサ位置を表わすものであシ、これは位置表示装置（
４４１に供給される。サーボシステムにおいてラッチ（
４３）からの出力信号は制御対象であるシステムへの入
力として供給されるものである。

以上説明した装置において、クロックパルスが存在しな
い場合には、ゼロ交差検出Ｂｇ　ｆ４１）からの出力パ
ルスがデータラッチ（４３）に供給され、その入力を一
時的に付勢してカウンタ（３１）からの現在ア１−゛レ
スをラッチ（４３）に伝達させる。クロックパルスがゼ
ロ交差検出器（４１）のパルス発生時において存在すれ
ば、同期ゲー）　（４２１は出力パルスを遅延させ、し
たがってデータラッチはクロックパルスによって更新さ
れた後のカウンタ（３１１から得られた出力カウントを
転送するように付勢される。

データラッチにストアされた数値はゼロ交差検出時にお
けるカウンタ（３１）のカウントである。

第２Ｂ〜２Ｆ図から明らかな通シ、このカウントはトラ
ンスデユーサの可動パターンに銹起された信号の位相変
位に比例し、したがってこの値はトランスデユーサのピ
ッチ変位を指示するものである。

シタがってトランスデユーサはアナログ装置であるが、
この発明によるシステムはデジタル的に動作し、これに
よって自動利得制御を不要とするほか、アナログシステ
ムに固有の問題を排除するものである。

トランスデユーサを付勢するだめの合成正弦信号、及び
余弦信号を発生する選択的な回路構成は第３図に示され
ている。この回路構成によれば正弦波の１／４＠期間の
正弦値のみを索引テーブルに記録するため、メモリーの
必要性は大幅に縮減される。完全正弦波は１／４周期毎
にカウント方向を反転するとともに、半周期毎に出力１
Ｎ号の極性を反転することによりこれらの値から取ｐ出
すことができ、さらに余弦波信号はその正弦波信号の位
相を９０’ずらせることによυ取り出すことができる。

クロック発生器（１３０）は８ビツト二進アドレスカウ
ンタ（１３１）にパルス列を供給するものであシ、この
カウンタ（１３１）はたとえば０から始まって２５５ま
でカウントし、再び自動的にそのカウントをＯから繰返
すというリサイクル型である。カウンタ（１３１）の８
ビツト出力はＡ６−Ａ７と指定された出力ラインに発生
する。ここにＡｏは最小有意味ビット、Ａマは最大有意
味ビットのことである。

カウンタ（１３１）からの出力ラインＡｌ−Ａ３はカウ
ントアツプ／ダウン論理回路（１３２）に接続さ扛、カ
ウンタからのライン７Ａ６はアップ／ダウンコントロー
ルを提供すべく接続される。

論理回路（１３２）からの５ビツト出力は読出し専用メ
モＩＪ　−ＲＯＭ　（１３３）へのアドレス入力として
用いら牡る。ＲＯＭは１ｌ容周期正弦値索引テーブルす
なわち０〜９０’間の正弦値を含んでいる。ＲＯＭ　（
１３３）は加えられたアドレスに応答して対応する８ビ
ツト形式の正弦値を提供する。ＲＯＭ　（１３３）の出
力は８ビツトデータラツチ（１３４）を介してＤ／Ａ変
換器（１３５）に送ら扛る。ラッチ（１３４）はさらに
クロック（１３０）からの制御信号を受信して、クロッ
クパルスが出現し、かつカウンタが更新されたとき、そ
のラッチ入力を瞬間的に消勢される。Ｄ／Ａ変換柑（１
３５）からの出力は極性インバータ（１３６）に供給さ
れ、そのインバータは出力において正弦波信号を発生す
る。カウンタからの最大有意味ビットを搬送するカウン
タ（１３１）からの出力ラインＡ７はインバータ（１３
６）に極性制御信号を提供する。インバータ（１３６）
の出力は９００移送回路（１３７）に供給され、これに
よって余弦信号が提供される。出力Ａ○−Ａ７はさらに
データラッチ＋４ａ＋　（第１図）に供給される。

カウンタサイクル中においてビットＪｅＡ７（最大有意
味ビット）はカウンタサイクルの最初の半周期間は°゛
０”であり、カウンタサイクルの第２の半周期間は１′
′となる。これは合成正弦波の極性に対応し、したがっ
て極性インバータ（１３６）を制御するに適したもので
ある。カウンタの最初の半周期間において、ｈａｄット
はＯ゛であり、これによって極性反転は生じないが、カ
ウンタ周期の第２半周期間中においてＡ７ビツトはＩＩ
＋となシ、これによって信号の極性が反転される。

次に大きい有意味ビットであるカウンタ出力ビラ）Ａ６
は１／４周期毎に変化し、したがってカウント方向を制
御すべく用いられる。第１四半周期においてＡ６ビツト
は°゛Ｏ″であり、これによってカウントは加算方向に
進行し、ＲＯＭ　（１３３）からの出力は０°から９０
’まで進むことになる。次の四半周期においてＡ６ビツ
トは“１”であり、これによってカウント方向はγ成算
方向となシ、シたがってＲＯＭ　（１３３）からの出力
値は９０°から０°まで逆戻９する。

同様に第３四半周期においてＡ６ビツトは０″であシ、
カウントは加算方向となり、索引テーブルからの値はＯ
ｏから９ｏ’ｔで進み、逆に第４四半周期においてＡ６
ビツトはＮ　Ｉ　１１となシ、索引テーブルからの値は
９０’から００まで逆戻シすることになる。ＲＯＭ　（
１３３）から出た８ビツトデジタル値は整流された正弦
波、すなわち等極性で連続した半サイクル波形に対応す
る。これらの値はＤ／Ａ変換器（１３５）においてアナ
ログ信号に変換され、極性反転回路（１３６）において
交互に出現する半周期毎に極性を切換えられ、正弦波信
号を形成する。

四半周期正弦値索引テーブルのみを用いた正弦波形成の
ためのスイッチングシーケンスは、次の通シに要約する
ことができる。

５ビツトアドレス　Ａ６　　Ａ７ 第３図の回路はこのようにして合成正弦波信号及び合成
余弦波信号を発生し、これらの信号は８ビツトデジタル
カウンタ（１３１）によって歩進される。すなわちカウ
ンタ・（＋１１３１）　（第３図）はカウンタ３１）　
（第１図）と等価なものであシ、第３図における正弦波
信号及び余弦波信号は第１図におけるトラ、ンスデュー
サ００）の正弦パターン（２２、及び余弦パターンｕ６
１を付勢するに適したものとなる。

本発明については以上の通９２つの好ましい実施例のみ
を詳細に説明したが、本発明の範囲内において種々の変
形例を構成し得ることは明らかである。たとえばカウン
タ出力は好ましい実施例においては索引テーブル及びＤ
／Ａ変換器を用いて正弦波及び余弦波信号に変換される
が、狭帯域フィルタを用いてカウンタの矩形波信号を正
弦波に変換するなどの他の方式によることもできる。第
１図及び第３図に示した個々の回路素子は高密度集積技
術（ＬＳＩ）またはハイブリッドＬＳＩ技術を用いるこ
とにより結合することができる。また実施例においては
６０′′交差検出方式（第１図におけるゼロ交差検出路
（４１）による）が好ましく用いられたが、他の特定の
位相位置を検出することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を略示するブロック線図、第
２Ａ−２Ｆ図は連続的な相関波形図、第３図は本発明の
別の実施例を略示するブロック線図である。 （１０）・・・・・可動素子 （１２）、　■・・・交互櫛歯状容量板旺６）・・・・
・固定素子余弦パターンｔｔｓ＋、　（２ｏ＋・・・交
互櫛歯状容量板（２２・・・・・固定素子正弦パターン
１２４１、（２６１・・・交互櫛歯状容量板特許出Ｒ人
　　　　コルモーゲン　テクノロジイズ　コーボレイシ
ョン代　　理　　人　　　新　　実　　健　　部（外１
名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　デジタルカウンタと、 前記カウンタのカウントに関連する各位相ヲ有する正弦
   波及び余弦波を提供するように前記カウンタに結合され
   た回路手段と、 少なくとも１組の相対移動可能な素子からなシ、 前記１組の素子の一方は複数の直角位相要素を含むこと
   によシ前記１組の素子の他方に信号を結合することがで
   きるものであシ、前記一方の素子における前記直角位相
   要素はそれぞｎ前記正弦波及び余弦波信号を受信すべく
   接続された ことにより構成された位置トランスデユーサと、前記ト
   ランスデユーサの前記他方の素子に結合された信号に応
   答するように接続されたことによシ、その特定の位相位
   置を検出することができる検出器、及び 前記特定の位相位置が前記検出器によって検出されたと
   きの前記カウンタのカウントに応答して、前記トランス
   デユーサの位置を指示するだめの手段 を備えたことを特徴とするデジタル位置検出システム。 （２）　　前記一方及び他方のトランスデユーサ素子が
   容量結合されていることを特徴とする特許請求（７）ｍ
   囲１１４ｔ１１項記載のシステム。 （３）　　前Ｅ　）ランスデューサが互いに噛合った配
   置の静電容量板からなる可動素子及び固定素子を含むも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第（２１項記
   載のシステム。 （４）前記回路手段が前記カウンタの出力を正弦値に変
   換するための正弦値索引テーブルを有するメモリーを含
   むものであることを特徴とする特許請求の範囲第１１１
   項記載のシステム。 １５）前記検出器によって検出さ汎る前記特定の位相位
   置がゼロ交差であることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載のシステム。 （６）　リサイクルデジタルカウンタと、前記カウンタ
   に結合されるべき合成正弦波であって、その正弦波信号
   の周波数が前記カウンタのリサイクルカウントに対応す
   るようにしたものを発生するための回路手段と、 前記カウンタに結合されるべき合成余弦波であってその
   余弦波の周波数が前記カウンタのリサイクル速度に対応
   するようにしたものを発生するだめの回路手段と、 少なくとも１組の相対的に移動可能な素子からなシ、 前記１組の素子の一方は複数の直角位相要素を含むこと
   により、前記１組の素子の他方に電気信号を結合するこ
   とができるものであり、 前記１組の素子の前記一方における前記直角位相要素は
   それぞれ前記正弦波及び余弦波信号を受信するように接
   続さ扛た 前記トランスデユーサの前記他方の素子に結合された信
   号に応答するように接続されたことによシ、そのゼロ交
   差を検出することができる回路手段、及び ゼロ交差が検出されたときの、前記カウンタのカウント
   に応答して前記トランスデユーサの位置を指示するため
   の手段 を備えたことを特徴とするデジタル位置検出システム。 （７）合成正弦波を発生するための前記回路手段が正弦
   値索引テーブルを含む読出し専用メモリーを有し、さら
   に 合成余弦波を発生するための前記回路手段が余弦値索引
   テーブルを含む読出し専用メモリーを有するものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（５）項記載のシス
   テム。 （８）前記合成正弦波及び合成余弦波を発生するための
   前記回路手段が、 前記カウンタのカウントに対応するデジタル正弦値を発
   生するための正弦値索引テーブルを含む読出し専用メモ
   リーと、前記読出し専用メモリーよシ提供されたデジタ
   ル正弦値をアナログ正弦値に変換するためのコンバータ
   、及び前記アナログ正弦値に対応するアナログ余弦値を
   発生するための移和睦、 より構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第＋５
   １項記載のシステム。