JPS6052772A - Ａｄ変換装置 - 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】 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、６υは基盤で、この基盤（５υ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１５カを取り付ける。■はＸ−移動台で、これ
は、Ｘ−基台５４の案内面（５２）に沿って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（へ）上に、Ｙ−基台６４１を取り付ける。こ
のＹ−基台６勾は、Ｘ−軸と直行するＹ−軸方向に伸び
、その上面は水平案内面（５４’）となっている。Ｙ−
基台５４１０案内面（５４’）に、Ｙ−移動台−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６２及び６ａは、夫々Ｘ−及びＹ
−軸方向に伸びるスリン）　（５２）及び（５４）を有
し、それ等の内部Ｋ。

Ｘ−及びＹ−軸方向に伸びる送りネジ（至）及び６７）
が、回転し得るように支持されている。これ等送りネジ
（ト）及び６ηは、モータの如き駆動装置側及び５９１
により、夫々回転される。図示せずも、Ｘ−及びＹ−移
動台（へ）及び卵は、夫々送りネジ（至）及びｌ５７）
と螺合するネジを有しているので、送りネジ儲）及びＬ
５ηが駆動装置（ハ）及びＩ５傷により回転されると、
Ｘ−及びＹ−移動台ｔ５３１及び（５９が、夫々Ｘ−及
びＹ−軸方向に移動し、結局、Ｙ−移動台−を、基盤５
υ上の所望の位置に移動させることができる。

初て、上述のＸ−Ｙステージは、第１図に示す如く、Ｙ
−移動台６５１上に取り付けたＸ−及びＹ　−加速度計
又はセンサーＩＯ＋及び６υを有する。この場合、これ
等Ｘ−及びＹ−加速度計６０）及び佑υ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■及
びＣ５５＋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６５）の上面が
正しく水平であり、このＹ−移動台６５）の移動量が、
加速度センサーＩＯ）及び１１）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５
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、リニャエンコー、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・モジュレーションと呼ばれ仝技法があり、
これを実施する回路をデルタ・モジュレータというが、
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っ
て制限されてしまうという欠点があり、力学系がきまっ
てしまうと、成る分解能以上に精度をあげることができ
なかった。換言すると、成る一定時間内に、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
決まってしまい、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った。

本発明は、この１５な欠点を一掃した新規なり変換装置
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
ジャイロ等のジャイロ類であっ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、
膨大が説明となるので、と〜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、中央に棒顛があり、その下端が、極めて薄
いヒンジαＱをもち、一端が固定部に固定された板ａ９
の他端により、ヒンジ（１６１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（１７１の上端と対向するピックアップ（１８１は、
棒ａ９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ａＤは、まず右側に円筒
状コイル（１１１を固定し゛て有する。第２図では、コ
イルａυの断面が（１１１）、（１１２）として描かれ
ている。

この棒σ７１に関し、円筒状コイル（１１１と対称とな
るように、円筒状コイル（１１）を棒Ｑ７１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。従って、棒ａη、板＋１５１
及びコイルｆｌｌｌ。

（１１）は一体となって、ヒンジ（１６１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圓？　
（１１）の内部に、両者に対して適当な間隙をあけて、
それぞれ円柱硼路（１２、（１２）を配設すると共に、
両コイルｔｉｎ　、　（ｉｌ）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、夫々カップ
状山路←４１．（１４）を配設する。山路ａ２Ｉの外面
と山路ａ４の底面との間、および磁路（１２）の外面と
山路（１４）の底面との間には、永久磁石（１３１１（
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（１１１，（１１）の巻線と夫々直交する直
流山路がつくられ、矢印■、　Ｃ１ｌ＋　、　（２３＋
　（２３１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（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＋１１の支点即ち
ヒンジ（１６１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ａ匂迄の距離を２とすると、振子
（１）には、ｍｆｆ１α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（１１の傾斜を、
いちはやくピックアップ錦が検出するので、図示してな
いが、このピックアップａ８よりの信号を増巾器にて増
巾し、電流としてコイルａｌｌ、　（１１）に流し、振
子ｉｌ＋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、ピックアップ（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（１１１，（１１）に流れるフィードバック電流に
比例しているから、フィードバッ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、出力であるフィードバック電流を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＜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・モジュレ
ーションという技法がある。

本発明は、このデルタ・モジュレータのＩＬＫ関するも
のである。まず、従来のデルタ・モジュレーションを説
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。

■θ十〇θ十にθ＝ｍｇ、α−Ｆ　・・・ｔｌｌこ瓦で
、θは第２図の振子（１）の中央位置からの偏角であり
、工は振子（１１の支点即ちヒンジＱ６１のまわりの慣
性能率であり、Ｃは粘性トルクの係数でア’）、Ｋはヒ
ンジＣ１６１のバネ性復元トルクの係数であり、Ｆはコ
イルａＩＪ、　（ｔｉ）に電流が流れることによって生
ずるトルクである。

ところで、デルタ・モジュレーショ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、工θの
項に比し十分大きく、かつ、ヒンジＱＧ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
ｃ”ｔｉの項に比して十分小さく、省略可能であり、Ｉ
Ｖの項も省略可能である。ヨッテ、（１１式は、次式で
近似される。こ−で、ｍｌｔ三Ｐとする。

Ｃθ−Ｐα−Ｆ　・・・・（２１ この式１２＋をラプラス変換形式であらゎすとθ＝−（
Ｐα−Ｆ）　・・・・（３１ Ｓ となる。こ〜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・モジュレーションを行
うデルタ・デモシュレータを示スブロック図である。そ
の冒頭、即ち左端の部分が（３１式である。同図で、振
子（１）がブロック（１１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。一方のフィード
バック用のコイル（ｌｉｔ　、　（１１）に°よって作
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
ブロック（２１を経て偏角θとなる。

ブロック（３）はピックアップα＆で、偏角θを対応電
気信号に変換する。ブロック（４１はこの電気信号の増
巾器である。ブロック（５りは正負判別回路で、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（ｅｌ）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、クロックにより
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（ｅｘ）をサンプリングし、電圧（
ｅｌ）が正ならば、正のパルス、負ならば負のパルスを
（ｅｚ）として出力する。パルス（ｅｚ）のパルス列は
、それ自身が、デルタ・モジュレータの出力であるだけ
でなく、フィードバック電流形成回路（７１への入力と
なる。この回路（７）は、パルス（ｅｚ）の正負に対応
した極性をもち、大きさが正確に一定値工０で、持続時
間がＴである矩形波電流をつくり、これを、フィードバ
ック電流としてコイルａυ＋　（１１）におくる。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ａｌｌで作られるフィードバックトルク
は、高さが一定値Ｍで、時間巾Ｔの矩形波状である。時
間巾Ｔ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ｙし、高さＭは、予定されている
最大入力加速度をαｍａｘとするとき、Ｍ）Ｐαｍａｘ
でなければならない。

以上のデルタ・モジュレータの動作を、第４図人乃至Ｅ
を用いて説明する。第４図人は入力加速度αを示す。こ
−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。１＝０で、同図Ｂの如
く、偏角θがある負の値であったとすると、フィードバ
ックトルクは、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１７Ｃ８のブロック
（２１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。こ工で、第４図ではＴ二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（ｅｌ）
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、１＝０で負のパルスであった回
路（６１の出力パルス（ｅｚ）は、同図りの如く、ｔ　
＝　Ｔ／２では正のパルスにかわっている。よって、フ
ィードバックトルクも、同図Ｅの如く、負の値となる力
を振子ｆｉ＋には（−Ｆ＋α）がか〜るので、Ｔ／ｚ＜
ｔ＜Ｔの期間では、各値Ｏ＋　ｅｌ　！　ｅｚの全べて
が、前記と逆に動く。ただ、１（Ｆ＋α）１　と１（−
Ｆ＋α）１　とをくらべると、明らかに後者が小さいた
め、偏角０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！−Ｔ迄、偏角
θは、三角波を描きなから徐々に加速度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　ｅｌ　ｙ　ｅｚは共に正である。従って、パルス
ｅ２は、期間−ＬＴ−３Ｔでは正のパルスが２トルクは
同じであり、偏角０は大きく負の方向へもって行かれる
。そして、こへからは、偏角０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の列に於ては、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、ｅｚの正負のパル
ス数は相等しい。また、加速度αを＋Ｍ／Ｐにしたとき
、パルスｅ２の列では、すべて正のパルス（ｅｚ）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ｅｚの負
のパルス数が増加する。通算、この種加速度センサーの
振動周波数ｆ　＝　１／Ｔは、数百ヘルツから２０００
ヘルツ位のものである。よって、一定時間な０，１秒〜
１秒程度と仮定すると１、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・モジュレーションの技法には、もう一つの特徴
ある使い方がある。それはｅｚのパルス列をアップ・ダ
ウン・カウンターで常時計測する方法である。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回の積分をコンピュ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、ｅｇのパルス列
をアップ・ダウン・カウンタで受け、一定時間毎にその
値を読みとって、すぐカウンターをリセットするように
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Ｎ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、コンピュータやデジタル回路によ
る積分は容易であって、こＮで誤差を生ずることはない
。

デルタ・モジュレーションの技法は、このように力学系
の信号のＡＤＤ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２ＫＨ
ｚより高い周波数で振動させることは困難である。伺故
ならば、高周波で振子を振動させる程偏角θの振巾がホ
さくなり、偏角θをピックアップすることができなくな
っ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、今迄とおりの数百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、振動し得る力学系と、その振動を１検
出する検出器と、該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手段と、上記力学系に力学
的フィードバックを加える手段を有するＡＤ変換装置に
おいて、上記力学系の振動周期の１／ｎに〜でｎは任意
の正の整数）の周期τを有し、上記正負を判別する手段
の出力と極性が等しいパルスを作る手段と、上記力学系
の振動周期内の上記正パルスと負パルスとの数の差に、
τ／Ｎ　に〜で、Ｎは任意の正の整数）を乗じた時間だ
け、上記力学的フィードバックの正および負である時間
を加減する手段とを有することを％徴とするＡＤ変換装
置に在る。

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（２１，
ピックアップ（３１，増巾器（４）、正負判別回路（５
）までは、第３図の従来例と全（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のクロックでサンプリング
をし、従って、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。第２の異る
点は、このパルス（ｅ２）は出力されると同時に、アッ
プダウンカウンター（８）におくられることである。ア
ップダウンカウンター（８）は、もし、振子（１）の振
動周期を、第３図と同じＴ秒とするならば、Ｔ秒ごとに
クロックでリセットされ、そのセット期間内のパルス（
ｅ２）の正のパルス数ｉと、負のパルス数Ｊとの差、（
ｉ−ｊ）をフィードバック電流形成回路（９）へ出力す
る。この回路（９）は、周期ＴのクロックによりＴ秒毎
にフィードバック電流の極性を反転しており、またその
電流の大きさは第３図と同じく一定値Ｉ。

であるが、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
フィードバックトルクの時間を短くし、負であれば、同
量だけ長くする、つまり、持続時間ＴをＴ／２一定とせ
ず、これを前周期中の（ｊ−ｊ　）の値で制御している
。これが第３の相違点である。

こＮで、τは適当な単位時間である。回路（９）の出力
は、フィードバックコイルαＩＩ、（１１’）におくら
れ、これより、トルクとして振子（１）の力学系にフィ
ードバックされる。

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に従って説明する。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に示すフィードバックトルクを見ると、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Ｔが里から（ｉ−ｊ）τだけ短くなっ
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、フィードバックトルクが逆になるため、
正から負にもとることになり、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図りに示す如く
、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、従っ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二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は数円及数十に選ぶことが多かったが、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ハに選ぶことが上記と同じ理由
で具体的に便利であり、こ〜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。

このようにしてくると、６値τ、τ、Ｔの間はすべて整
数比の関係ができてくることとなり、その最小時間τ′
をクロックとして時間管理をすることが、本方式ではも
つとも合理的かつ実用的であることがわかる。

また、第５図も第３図と同様、フィードバック電流形成
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っても、
さしつかえない。また回路（９）は、周期τのクロック
を貰った方が、持続時間Ｔのコント、ロールが容易であ
れば、勿論そうであってさしつかえないし、必要があれ
ば、周期τのクロックを使用しても良い。

さらに、説明を容易にするため、アップダウンカウンタ
ー（８１とフィードバック電流形成回路（９１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
あっても、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
債の一例たるデルタ・モジュレーションの説明用ブロッ
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ック線図、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、＋Ｉ＋は振子、（２１は力学系の伝達関数、
（３）はピックアップ、（４）は増巾器、（５）は正負
判別回路、（６）はサンプリング回路、（７；はフィー
ドバック電流形成回路、ａυ、　（１１）はコイルを夫
々示す。 第４図 →特開を 第６図 →特間ｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動し得る力学系と、その振動を検出する検出器と、該
   検出器の出力により、力学系の現時点での運動の正負を
   判別する手段と、上記力学系に力学的フィードバックを
   加える手段を有するＡＤ変換装置において、上記力学系
   の振動周期の１／ｎにＮでｎは任意の正の整数）の周期
   τを有し、上記正負を判別する手段の出力と極性が等し
   いパルスを作る手段と、上記力学系の振動周期内の上記
   正パルスト負パルスとの数の差に、τ／Ｎに〜でＮは任
   意の正の整数）を乗じた時間だけ、上記力学的フィード
   バックの正および負である時間を加減する手段とを有す
   ることを特徴とするＡＤ変換装置。