JPH0658769A - 信号処理方法及びそれを用いた変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動物体の変位情報を高い分解能で検出する
ことができる信号処理方法及びそれを用いた変位検出装
置を得ること。 【構成】 検出手段により移動物体の変位状態を検出し
て、該変位状態に基づいて正弦波信号と余弦波信号の少
なくとも２つの信号を得て第１信号処理手段に入力し、
該第１信号処理手段は該２つの信号のうち一方の信号Ｓ
１のゼロクロス点を利用して他方の信号Ｃ１のオフセッ
ト成分を算出することにより、該信号Ｃ１に含まれるオ
フセット成分を補正していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号処理方法及びそれを
用いた変位検出装置に関し、例えばロータリーエンコー
ダやリニアエンコーダ等の変位検出装置において、検出
手段で得られる移動物体に関する変位信号を適切に処理
することにより、移動物体の変位情報を高い分解能で検
出するようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より光学式のロータリーエンコーダ
やリニアエンコーダ等においては、検出手段により移動
物体の変位情報に関する２つの位相の異なる正弦波（２
相正弦波信号、換言すれば正弦波と余弦波）を得てい
る。そしてこのときの２つの正弦波信号を用いて移動物
体の変位量や移動方向（変位方向）を検出している。

【０００３】従来のエンコーダでは多くの場合、正弦波
信号と余弦波信号から分割単位に相当する位相差を有し
た複数の分割パルスを作って、移動物体に関する変位情
報の検出分解能を高めている。

【０００４】図５は従来のエンコーダにおける２つの正
弦波信号の信号処理方法を示す要部ブロック図である。
図５の回路各部での信号波形は、例えば図６の実線で示
すようになっている。

【０００５】図５において、５１，５２は各々入力端子
であり、正弦波信号Ｃ１（ａ）と余弦波信号Ｓ１（ｂ）
が入力される。即ち、入力端子５１からの信号ａ（正弦
波）に対して入力端子５２からは９０度の位相差を有し
た信号ｂ（余弦波）が入力される。反転回路５３では信
号ａに１８０度の位相差を持たせた信号ｃを得る。これ
らの３つの信号を適宜抵抗等により重み付け加算し、任
意の角度の正弦波信号を内挿している。

【０００６】図５では抵抗Ｒをすべて同じ値とし、位相
差４５度と１３５度の信号ｄ，ｅを得ている。これらの
信号はコンパレータ５４，５５，５６，５７によって矩
形波に変換され、パルス回路５８によって９０度の位相
差を有する２相矩形波信号を得る。このようにして、受
光手段から得られる正弦波信号と余弦波信号から、より
分解能の高い信号を得ている。

【０００７】この他、例えば特開平３−６８８１２号公
報では２相正弦波信号をＡＤ変換した値をアドレスとし
てメモリ内の内挿データに出力することで高い分解能を
得るようにした位置測定信号の内挿方法を提案してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のエンコーダやレ
ーザ干渉計等の変位検出装置において、２相正弦波信号
の位相情報から源信号を内挿し、分解能を高める方法は
２相正弦波信号にオフセット成分や振幅の差があると内
挿精度が低下するという問題点があった。

【０００９】図７，８，９は各々図５の回路各部での信
号波形を入力信号Ｃ１に振中誤差があるときの分割精度
への影響、位相差の誤差があるときの分割精度への影響
を示している。

【００１０】従来の変位検出装置ではこのオフセット成
分や振幅を電気回路中の可変抵抗等で調整していたが、
レーザの光量の経時変化や、エンコーダのディスクのぶ
れ、ディスク内でのスリット幅のばらつき等で信号のオ
フセット成分や振幅・位相差が変化してしまい、良好な
る調整ができないという問題点があった。

【００１１】本発明は移動物体に関して得られる移動信
号を適切に処理することにより、２相正弦波信号のオフ
セットや振幅差による内挿精度の低下を防止し、高い分
解能で移動物体の移動情報を検出することができるエン
コーダやレーザ干渉装置等に好適な信号処理方法及びそ
れを用いた変位検出装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の信号処理方法
は、 （イ）移動物体の変位状態に基づいて２相正弦波信号を
出力する変位検出装置において、該２つの出力信号を比
較し、該比較結果に基づいて少なくとも一方の出力信号
に含まれるオフセット成分を算出していることを特徴と
している。

【００１３】（ロ）移動物体の変位状態に基づいて２相
正弦波信号を出力する変位検出装置において、該２つの
出力信号を比較し、該比較結果に基づいて該２つの出力
信号の振幅の差を算出していることを特徴としている。

【００１４】（ハ）移動物体の変位状態に基づいて２相
正弦波信号を出力する変位検出装置において、該２つの
出力信号を比較し、該比較結果に基づいて該２つの出力
信号のうち少なくとも一方の出力信号のオフセット成分
と該２つの出力信号の振幅の差を算出していることを特
徴としている。

【００１５】（ニ）移動物体の変位状態に基づいて２相
正弦波信号を出力する変位検出装置において、２つの信
号の和と差を検出することによって得られる又は３角関
数の和積の公式によって得られる２信号を新たな２相正
弦波信号とみなし、２相正弦波の位相差のずれを補正
し、該新たな２相正弦波を比較することにより２相正弦
波の振幅も補正することを特徴としている。

【００１６】（ホ）また、本発明の変位検出装置として
は前述の構成要件（イ），（ロ），（ハ）又は（ニ）を
用いて移動物体の変位情報を検出していることを特徴と
している。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の変位検出装置で用いている信
号処理方法の基本概念を示す実施例１の要部ブロック図
である。

【００１８】同図においてＴ１は検出手段であり、移動
物体（不図示）の移動量や移動方向等の変位状態を検出
して、該変位状態に応じた信号、例えば正弦波信号Ｃ１
と余弦波信号Ｓ１の位相の異なった２つの信号（２相正
弦波信号）Ｃ１，Ｓ１を出力している。

【００１９】図４はこのときの信号Ｃ１，Ｓ１の説明図
である。１，２は各々信号Ｃ１，Ｓ１の入力端子であ
る。

【００２０】ここで、Ｐ₁ ，Ｐ₂ を２相正弦波Ｃ１，Ｓ
１の振幅、θ，Φをそれぞれ信号Ｃ１，Ｓ１のゼロ点に
おける位相、Ｐ₁ cos θ，Ｐ₂ sin Φを各々の信号Ｃ
１，Ｓ１のオフセット成分とすると、２つの信号Ｃ１，
Ｓ１は次式で表される。

【００２１】 Ｃ１＝Ｐ₁ cos ωｔ−Ｐ₁ cos θ ‥‥‥（１） Ｓ１＝Ｐ₂ sin ωｔ−Ｐ₂ sin Φ ‥‥‥（２） （１）式におけるゼロ点Ｐ₁ ，Ｐ₂ はωｔ＝±θであ
り、これを（２）に代入すると、 Ｓ１（θ） ＝Ｐ₂ sin θ−Ｐ₂ sin Φ ‥‥‥（３） Ｓ１（−θ）＝−Ｐ₂ sin θ−Ｐ₂ sin Φ ‥‥‥（４） となる。（３），（４）式を足すと信号Ｓ１のオフセッ
ト成分の２倍の値が得られる。即ち、 Ｓ１（θ）＋Ｓ１（−θ）＝−２Ｐ₂ sin Φ となる。

【００２２】そこでサンプルホールド回路７，８により
信号Ｃ１の２つのゼロ点Ｐ₁ ，Ｐ₂において、信号Ｓ１
をサンプルホールドし、それぞれのサンプルホールド値
の差の１／２を信号Ｓ１から減算するように増幅手段４
にフィードバックしている。これより信号Ｓ１のオフセ
ット成分を除去している。

【００２３】又、同様に信号Ｓ１の２つのゼロ点Ｑ₁ ，
Ｑ₂ （ωｔ＝Φ，π＋Φ）において信号Ｃ１をサンプル
ホールドし、それぞれのサンプルホールド値の差の１／
２を信号Ｃ１から減算するように増幅手段３にフィード
バックして信号Ｃ１のオフセット成分を除去している。

【００２４】図１においては、信号Ｃ１（Ｓ１）をコン
パレータ１３（１４）によって矩形波にし、立ち上がり
エッジ検出手段１５（１６）により、信号Ｃ１（Ｓ１）
の立ち上がりの０クロス点でパルスを発生させる。この
パルスを用いて信号Ｓ１（Ｃ１）のサンプルホールドを
サンプルホールド手段７（５）において行なう。

【００２５】又、立ち上がりエッジ検出手段１７（１
８）では信号Ｃ１（Ｓ１）の立ち下がりの０クロス点で
パルスが発生し、サンプルホールド手段８（６）におけ
るサンプルホールドのタイミングを与えている。サンプ
ルホールド手段７，８（５，６）の出力を加算手段１２
（１１）で加え合わせて信号Ｓ１（Ｃ１）のオフセット
成分の２倍の値を得ている。これを２本の抵抗Ｒで分圧
し、増幅手段４（３）にフィードバックして信号Ｓ１
（Ｃ１）のオフセット成分を除去して出力端子１９（２
０）より出力している。

【００２６】尚、サンプルホールド手段７，８（５，
６）、加算手段１２（１１）は第１信号処理手段の一要
素を構成している。

【００２７】本実施例では２相正弦波信号Ｃ１，Ｓ１の
オフセット成分を上記方法によって除去している。この
とき両信号Ｃ１，Ｓ１のゼロ点は位相θ＝±π／２、Φ
＝０，πになる。これを（３），（４）式に代入し、減
算すると次式のように信号Ｓ１の振幅の２倍が得られ
る。

【００２８】 Ｓ１（θ）−Ｓ１（−θ）＝Ｐ₂ sin π／２−Ｐ₂ sin （−π／２） ＝２Ｐ₂ この振幅Ｐ₂ を増幅手段４の増幅率にフィードバックす
ることにより、信号Ｓ１の振幅を一定値に制御可能とし
ている。これと同様の振幅制御を信号Ｃ１についても行
ない、信号Ｓ１と信号Ｃ１の振幅を同一にして信号内挿
における振幅ずれの影響をなくしている。

【００２９】図１においては、減算手段９（１０）では
２つのサンプルホールド手段５，６（７，８）のサンプ
ル値の差、即ち、信号Ｃ１，Ｓ１のピーク値の差、２Ｐ
１（２Ｐ２）が得られる。これを増幅手段３（４）の増
幅率にフィードバックすることにより、信号Ｃ１，Ｓ１
を同一の振幅に制御している。

【００３０】尚、サンプルホールド手段５，６と減算手
段９（１０）は第２信号処理手段の一要素を構成してい
る。

【００３１】本実施例では、以上のような各要素に基づ
く信号処理方法を用いて検出手段Ｔ１で検出した移動物
体の移動信号より高い分解能で移動情報を検出してい
る。

【００３２】図２は本発明の変位検出装置で用いている
信号処理方法にデジタル信号処理手段を適用したときの
実施例２の要部概略図である。

【００３３】本実施例において図１のサンプルホールド
手段（５，６，７，８）と同様の働きをＡＤ変換器２
１，２２とメモリ２５〜２８に持たせている。源信号Ｃ
１，Ｓ１はＡＤ変換器２３，２４によってデジタル化さ
れるので、ＣＰＵでは源信号よりオフセット値を減算
し、信号Ｃ１，Ｓ１の増幅を演算処理によって一致させ
ている。

【００３４】図３は本発明に係る信号処理方法に３角関
数の和積の方法を利用した位相ずれの補正手段を組み合
わせた実施例３の要部ブロック図である。

【００３５】エンコーダ等の変位検出装置の検出手段よ
り出力される２相正弦波信号Ｃ１，Ｓ１は一般的に次式
の用に表される。

【００３６】 Ｃ１＝Ｐ₁ cos （ωｔ＋θ）−Ｂ₁ ‥‥‥（５） Ｓ１＝Ｐ₂ sin ωｔ−Ｂ₂ ‥‥‥（６） ここで、Ｐ₁ ，Ｐ₂ は２相正弦波の振幅、Ｂ₁ ，Ｂ₂ は
それぞれのオフセット成分、θは２相正弦波信号の位相
差の９０度からのずれである。

【００３７】（５），（６）式で与えられる信号Ｃ１，
Ｓ１より回路３７からは信号Ｃ２，Ｓ２が出力される。
ここで信号Ｃ２，Ｓ２は Ｃ２＝Ｐ cos（ωｔ＋θ） ‥‥‥（７） Ｓ２＝Ｐ sinωｔ ‥‥‥（８） である。

【００３８】図３において乗算器３５からの出力信号Ｃ
３は、 Ｃ３＝（Ｃ２＋Ｓ２）（Ｃ２−Ｓ２）＝Ｃ２² −Ｓ２² ＝Ｐ² cos θ・cos （２ωｔ＋θ） ‥‥‥（９） になる。

【００３９】一方、乗算器３６からの出力信号Ｓ３は、 Ｓ３＝２Ｃ２・Ｓ２＝Ｐ²sin（２ωｔ＋θ）−Ｐ² cos θ ‥‥（１０） となる。この回路３５，３６の後ろに再び本実施例の回
路３７と同様の回路３８を接続している。このとき回路
３８から出力される信号Ｃ４，Ｓ４は（９），（１０）
式より次の（１１），（１２）式のようになる。

【００４０】 Ｓ４＝Ｐcos （２ωｔ＋θ） ‥‥‥（１１） Ｃ４＝Ｐsin （２ωｔ＋θ） ‥‥‥（１２） 即ち、本実施例ではエンコーダ等の２相正弦波信号を出
力する変位検出装置に適用すれば再現性のある振幅差、
位相差のずれ、オフセットによる電気内挿の誤差要因を
すべて排除した信号を得ることができる。

【００４１】尚、本発明は前述したエンコーダの他に物
体の変位情報を光波干渉を利用して検出する複数の検出
手段を有するレーザ干渉装置にも同様に適用することが
できる。

【００４２】図１０は本発明に係る信号処理方法に加減
算を利用した位相ずれの補正手段を組み合わせた実施例
４の要部ブロック図である。

【００４３】エンコーダ等の変位検出装置の検出手段よ
り出力される２相正弦波信号Ｃ１，Ｓ１は一般的に
（５），（６）式の用に表される。

【００４４】 Ｃ１＝Ｐ₁ cos （ωｔ＋θ）＋Ｂ₁ ‥‥‥（５） Ｓ１＝Ｐ₂ sin ωｔ＋Ｂ₂ ‥‥‥（６） （５），（６）式で与えられる信号Ｃ１，Ｓ２より回路
３７からは実施例３と同様（７），（８）式で与えられ
るＣ２，Ｓ２の２信号が得られる。ここで簡単の為Ｓ
２，Ｃ２の振中を１とすると、Ｃ６，Ｓ６は（１３），
（１４）式で与えられる信号となる。

【００４５】

【数１】 式（１３），（１４）はそれぞれ２sin （θ／２＋π／
８），２cos （θ／２＋π／８）の振中で位相が９０°
ずれた信号を表している。

【００４６】３９は本発明の振中補正手段であり、これ
を用いることによって再現性のある振中差、位相差のず
れ、オフセットによる電気内挿の誤差要因をすべて排除
した信号を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、２相正弦
波信号のオフセットや振幅差による内挿精度の低下を防
止し、高精度の変位情報の検出が可能なエンコーダやレ
ーザ干渉計等に好適な信号処理方法及びそれを用いた変
位検出装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の変位検出装置で用いている信号処理
方法の実施例１の要部ブロック図

【図２】 本発明の変位検出装置で用いている信号処理
方法の実施例２の要部ブロック図

【図３】 本発明の変位検出装置で用いている信号処理
方法の実施例３の要部ブロック図

【図４】 図１の信号Ｃ１，Ｓ１の説明図

【図５】 従来の変位検出装置で用いている信号処理方
法の要部ブロック図

【図６】 図５の回路各部での信号波形の説明図

【図７】 従来の問題点の説明図

【図８】 従来の問題点の説明図

【図９】 従来の問題点の説明図

【図１０】実施例４の要部ブロック図

【符号の説明】

Ｔ１ 検出手段 1,2 入力
端子 3,4 増幅手段 5,6,7,8 サン
プルホールド手段 9,10 減算手段 11,12 加算
手段 13,14 コンパレータ 15,16,17,18 パル
ス発生手段 19,20 出力端子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動物体の変位状態に基づいて２相正弦
   波信号を出力する変位検出装置において、該２つの出力
   信号を比較し、該比較結果に基づいて少なくとも一方の
   出力信号に含まれるオフセット成分を算出していること
   を特徴とする信号処理方法。
2. 【請求項２】 移動物体の変位状態に基づいて２相正弦
   波信号を出力する変位検出装置において、該２つの出力
   信号を比較し、該比較結果に基づいて該２つの出力信号
   の振幅の差を算出していることを特徴とする信号処理方
   法。
3. 【請求項３】 移動物体の変位状態に基づいて２相正弦
   波信号を出力する変位検出装置において、該２つの出力
   信号を比較し、該比較結果に基づいて該２つの出力信号
   のうち少なくとも一方の出力信号のオフセット成分と該
   ２つの出力信号の振幅の差を算出していることを特徴と
   する信号処理方法。
4. 【請求項４】 移動物体の変位状態に基づいて２相正弦
   波信号を出力する変位検出装置において、２つの信号の
   和と差を検出することによって得られる又は３角関数の
   和・積の公式によって得られる２信号を新たな２相正弦
   波とみなし、２相正弦波の位相差のずれを補正し、該新
   たな２相正弦波を比較することにより２相正弦波の振幅
   も補正することを特徴とする信号処理方法。
5. 【請求項５】 変位検出装置の出力が３相以上の正弦波
   を出力し、これらを演算処理することによって２相正弦
   波に変換する信号処理方法を有することを特徴とする請
   求項１，２，３又は４の信号処理方法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５の信号処理方法を用いて
   前記移動物体の変位情報を検出していることを特徴とす
   る変位検出装置。