JPH0894385A - 移動部材の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分解能が向上でき、安心して高い検出精度が
得られる移動部材の移動検出装置を提供する。 【構成】 相互に９０°位相のずれた２つのアナログ信
号Ｖａ，ＶｂをＡ／Ｄ変換した信号Ａ１，Ｂ１を準備す
る（♯３）。各アナログ信号のＡ／Ｄ変換値を信号の中
間レベルからの差の値に変換し、各信号同士の比の計算
を行なう（♯４，♯５）。その後Ｋ１の値により４つの
場合に分けてそれぞれの演算式に基づいてパルスとパル
スの間の微小距離Δｄを算出する（♯７〜♯１０）。概
略移動距離Ｄと微小移動距離Δｄとの和で最終的な移動
距離Ｄを算出する（♯１１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は物体の位置を検出する
移動部材の位置検出装置に関し、特に位置検出のための
検出器からの信号が正弦波で得られる移動部材の位置検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、リニアエンコーダの代表的な
方式として、光を透過および遮光する微小なスリットを
持つメインスケールとサブスケールを用いた光学方式
と、微小幅でＮ極とＳ極を孔版に着磁した磁石を磁気検
出素子で検出する磁気方式のものとが知られている。

【０００３】いずれの方式においても、検出信号として
は正弦波が得られる。検出信号の中間レベルと上記正弦
波で表わされるアナログ信号との比較を行ない、上記信
号が中間レベルと交差する時点でパルス信号に変換し、
そのパルス信号の回数をカウントし移動量の検出を行な
う。

【０００４】移動量の検出分解能を上げるには、光学方
式の場合ではスケールのスリット幅を小さくすればよ
く、また磁気方式では着磁する磁石の着磁幅を細かくす
ればよい。

【０００５】しかしながら、スケールのスリット幅を小
さくすればするほど、また着磁幅を細かくすればするほ
ど、検出器からの信号は微小になりＳＮ比は落ちる。ま
た、光学方式の場合はメインスケールとサブスケールと
のギャップ、磁気方式の場合は着磁磁石と磁気検出素子
とのギャップが小さくなり、その許容変動幅が非常に小
さくなる。その結果、素子とスケールの構成に非常に厳
しい寸法精度が要求され、検出分解能を上げるには限界
がある。

【０００６】そこで、アナログ信号の中点レベルでディ
ジタル信号に変換するのとは別に、アナログ信号を微小
に分割し、ディジタル信号の間を細かく分割し、検出分
解能を上げる内挿方法が知られている。ここで、内挿と
は、周期的な信号出力を分割して、信号の周波数よりも
細かな位相情報を得ることをいう。

【０００７】ところが、検出器で得られる信号は正弦波
であり、ほぼ直線的に変化する部分と、なだらかに変化
しながら信号の極性が反転する部分があるので、分解能
が一律に向上しない。このような問題点を解消するため
の方法がたとえば、日経メカニカル１９９３年５月３１
日号に開示されている。図１０は日経メカニカルに開示
された内挿方法を説明するための図である。ここでは位
置センサとしては棒状の永久磁石と３個の強磁性膜抵抗
素子（以下、ＭＲ素子と略す）とが用いられている。

【０００８】図１０を参照して、３個のＭＲ素子の出力
，，を合成して鋸波形の出力が得られる。位相
の変化に対する電圧の変化が大きい部分のみを用いて位
置の検出が行なわれるため、正確な内挿が可能になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の分解能を高める
工夫のされた位置センサの検出方式においては、３個の
ＭＲ素子の出力が用いられたため、回路が増え、コスト
アップとなるという問題点があった。また、この方式に
よれば、信号レベルが変化すると三角波形の振幅も変化
するため検出誤差を生じてしまうという問題点があっ
た。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、分解能が向上でき、安定して高
い検出精度が得られる移動部材の位置検出装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る移動部材
の位置検出装置は、移動しながらその位置に応じて相互
に位相が９０°ずれた第１および第２の正弦波信号を出
力する移動部材と、第１および第２の出力信号の比を求
める手段と、比の値に基づいて連続する三角波形を合成
する手段と、合成された三角波を基に移動部材の位置を
内挿する手段とを含む。

【００１２】

【作用】９０°ずれた２つの正弦波形の比を求めること
により、移動部材の位置の変化に対してリニアに変化す
る三角波形を得ることができる。また、信号同士の比を
とっているので、アナログ信号の振幅の変動があっても
お互いにキャンセルされる。

【００１３】

【実施例】以下この発明に係る移動部材の位置検出装置
の実施例をこの装置をレンズ位置の検出器として用いた
場合に基づいて説明する。このレンズ位置の検出装置
は、磁界の変化で抵抗が変化するＭＲ素子を用いてい
る。

【００１４】図１はこの実施例に係るレンズ位置検出装
置の構成を示すブロック図である。図１を参照してレン
ズ位置検出装置は、レンズ４を載置したＭＲ素子５と、
ＭＲ素子５と一体となって位置検出を行なう着磁磁石ロ
ッド６と、ＭＲ素子からの出力信号を処理するＭＲ素子
出力増幅部８、パルス信号変換部９、Ａ／Ｄ変換部１０
およびコントロール部１１を含む。

【００１５】レンズ４の光軸方向への駆動は圧電アクチ
ュエータ３を圧電アクチュエータ駆動部７で制御するこ
とにより行なう。レンズ４の位置検出は、ＭＲ素子５と
着磁磁石ロッドの組合せにより行なう。ＭＲ素子５から
の出力信号は、ＭＲ素子出力増幅部８で増幅する。増幅
された信号はパルス信号変換部９で上記信号の中間レベ
ルと比較を行ない、パルス信号に変換する。また、ＭＲ
素子５からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換部１０にも入力さ
れ、ディジタル値変換を行ない、コントロール部１１で
内挿計算を行なう。

【００１６】図２はＭＲ素子の磁界に対する抵抗変化の
特性を示す図である。図中Ｘ軸は磁界の強さを表わし、
Ｙ軸は抵抗値を表わす。図中にはＭＲ素子の信号磁界と
出力信号の関係も示されている。

【００１７】図３はこの実施例で使用するＭＲ素子の着
磁磁石と出力信号の関係を示す図である。着磁磁石ロッ
ド６が（ｂ）に示すように着磁されているためその磁場
は（ａ）のように変化する。この上に（ｃ）に示すよう
に２組のペアＭＲ素子５ａ，５ｂが配置される。その結
果、（ｄ）に示すように１対のペアＭＲ素子５ａからＶ
ａで示す正弦波が出力され、他方の１対のペアＭＲ素子
５ｂからＶａと９０°位相のずれたＶｂ正弦波信号が得
られる。このようにして得られた信号を基に（ｅ）に示
すようなＶａのパルス信号であるＶａｄ信号と（ｆ）に
示すようなＶｂのパルス信号であるＶｂｄ信号が得られ
る。上記信号の立上がりおよび立下がりを基に（ｇ）に
示すようにパルス信号変換部９からλ／８ピッチの出力
信号が得られる。

【００１８】図４は図１で示したＭＲ素子５、ＭＲ素子
出力増幅部８およびパルス信号変換部９のそれぞれの回
路を示す図である。図４を参照して、ＭＲ素子５の出力
はＭＲ素子出力増幅部８のオペアンプ８１，８２にて増
幅され、パルス信号変換部９のコンパレータ９１，９２
によってパルス信号Ｖａｄ，Ｖｂｄが得られる。ここで
オペアンプ８１，８２はＭＲ素子５からの出力信号を約
５０倍に増幅する。

【００１９】図５はレンズ位置の検出方法を示すフロー
チャートである。図５を参照して、レンズ位置の検出方
法について説明する。パルス信号変換部９から出力され
た信号はコントロール部１１の内部に設けられたパルス
カウンタに入力される。この入力されたパルス信号のカ
ウント値を呼込み、その値をｎとする（ステップ♯１、
以下ステップを略す）。パルス信号１パルス当りレンズ
の移動量は図３に示したようにλ／８となるので、概略
の移動距離ｄはｎ＊λ／８で算出できる。ただし、λは
着磁磁石のＮ極から隣のＮ極までの距離である（図３
（ｂ）参照）。

【００２０】次に、パルスとパルスの間の移動距離を算
出する方法について説明する。ＭＲ素子出力増幅部８か
らのアナログ信号Ｖａ、ＶｂのＡ／Ｄ変換値をそれぞれ
Ａ１、Ｂ１とし、アナログ信号Ｖａ、Ｖｂの中間レベル
のＡ／Ｄ変換値に相当する値をＶｒとする（♯３）。

【００２１】コントロール部１１において、アナログ信
号のＡ／Ｄ変換値を、Ａ２＝Ａ１−Ｖｒ，Ｂ２＝Ｂ１−
Ｖｒの計算式により信号の中間レベルからのその値に変
換し（♯４）、各信号同士の比の計算をＫ１＝Ａ２／Ｂ
２，Ｋ２＝Ｂ２／Ａ２により行なう（♯５）。

【００２２】図６は上記した♯４，♯５で計算した比の
値Ｋ１，Ｋ２の変化の様子を示す図である。図６からわ
かるようにＫ１はλ／４周期の単調増加の関数となって
おり、Ｋ２は同じ周期の単調減少のグラフとなってい
る。コントロール部１１においてこのＫ１およびＫ２を
その交点で接続することにより振幅の大きい三角波形が
得られる。この三角波形を用いてコントロール部１１は
内挿計算を行なう。

【００２３】内挿計算においては、Ｋ１の値により４つ
の場合に分けて、♯７〜♯１０に示す計算式でパルスと
パルスの間の微小距離Δｄを算出する。具体的には、Ｋ
１が０以上１以下のときは（０≦ｘ≦λ／１６）のとき
は式（１）により、１＜Ｋ１（λ／１６＜ｘ＜λ／８）
のときは式（２）により、Ｋ１≦−１（λ／８＜ｘ＜３
λ／１６）のときは式（３）により、−１＜Ｋ１＜０
（３λ／８＜ｘ＜λ／４）のときは式（４）によりそれ
ぞれΔｄが計算される。なお、図６に図５の♯７〜♯１
０に対応する部分を明示する。

【００２４】 Δｄ＝（λ／１６）＊Ｋ１ ・・・（１） Δｄ＝λ／１６（２−Ｋ２） ・・・（２） Δｄ＝−（λ／１６）＊Ｋ２ ・・・（３） Δｄ＝（λ／１６）＊（Ｋ１＋２）・・・（４） そして概略移動距離ｄと微小移動距離Δｄとで最終的な
移動距離Ｄを算出する（♯１１）。

【００２５】図７は信号振幅が変動した場合の各信号同
士の比の計算結果を表わす図６に対応するグラフであ
る。図からわかるように、振幅が変動しても比の計算結
果より合成した三角波形にはその影響がみられない。す
なわち、正弦波形の振幅の変動があってもお互いにキャ
ンセルされるため、常に安定した三角波形が得られ、安
定して検出分解能を向上させることが可能である。

【００２６】図８は図１に示したレンズ４の移動方向に
おける終端位置の検出を行なうための着磁磁石ロッド６
の構成とそのとき得られるＭＲ素子５の信号波形を示す
図である。図８（Ａ）は通常の着磁磁石ロッド６ａを用
いた場合であり、（Ｂ）は着磁磁石ロッド６ｂの両端部
に切欠き溝２１を設けた場合であり、（Ｃ）は切欠き溝
２１上に薄い鉄板をはりつけた着磁磁石ロッド６ｃを用
いた場合を示す図である。

【００２７】図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示した信号
波形からわかるように、切欠き溝２１、またはその上に
設けられた薄い鉄板２２によってＭＲ素子５に磁界が加
わらなくなると信号は中間レベル２４で一定となる。し
たがってこのレベル２４を検出することによってレンズ
４の終端位置の検出が可能になる。また、この構造を用
いると、目で見ても終端位置がわかるため、着磁磁石ロ
ッド６の取付位置の調整も機械的に可能となる。

【００２８】図９は図８に示した構造を用いてレンズ４
の終端位置の検出を行なう方法を示すフローチャートで
ある。図９を参照してまずアナログ信号Ｖａ、Ｖｂの中
間レベルのＡ／Ｄ変換値に相当する値をＶｒとする（♯
２０）。圧電アクチュエータ駆動部７を制御し、レンズ
４を一定方向に動かす（♯２１）。ＭＲ素子出力増幅部
８からのアナログ信号Ｖａ、ＶｂのＡ／Ｄ変換を行な
い、それぞれＡ１、Ｂ１とする（♯２２）。次いでＡ
１，Ｂ１の両方がＶｒに等しいか否かを判断し（♯２
３）、等しくなければ♯２２に戻り、等しくなればレン
ズ４の終端位置と判断し、レンズ駆動を停止する（♯２
４）。

【００２９】以上の実施例では、切欠き溝２１を終端位
置に設けたが、これは検出したい所望の位置に設けう
る。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、９０°
ずれた２つの正弦波形の比を求めることにより移動部材
の位置の変化に対してリニアに変化する三角波形を得る
ことができ、検出分解能を上げることが可能となる。ま
た、信号同士の比をとっているのでアナログ信号の振幅
の変動があってもお互いにキャンセルされて常に安定し
た三角波形が得られ、安定して検出分解能を向上させる
ことが可能になる。

【００３１】その結果、分解能が向上でき、安定して高
い検出精度が得られる移動部材の位置検出装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図である。

【図２】ＭＲ素子の磁界に対する抵抗変化の特性を示す
図である。

【図３】本実施例で使用するＭＲ素子の着磁磁石に対す
る出力信号波形と、パルス信号変換部で得られる信号を
示す図である。

【図４】ＭＲ素子とＭＲ素子出力増幅部と、パルス信号
変換部を示す回路図である。

【図５】レンズの位置検出方法を示すフローチャートで
ある。

【図６】ＭＲ素子から得られる２つの信号波形と各信号
同士の比の関係を示す図である。

【図７】信号振幅が変動した場合の各信号同士の比の関
係を示す図である。

【図８】レンズの終端位置を検出するための着磁磁石の
構成例とＭＲ素子の１つの信号波形を示す図である。

【図９】レンズ位置の終端を検知する方法を示すフロー
チャートである。

【図１０】従来の位置センサの検出方式を示す図であ
る。

【符号の説明】

３ 圧電アクチュエータ ４ レンズ ５ ＭＲ素子 ６ 着磁磁石ロッド ７ 圧電アクチュエータ駆動部 ８ ＭＲ素子出力増幅部 ９ パルス信号変換部 １０ Ａ／Ｄ変換部 １１ コントロール部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動しながらその位置に応じて相互に位
   相が９０°ずれた第１および第２の正弦波信号を出力す
   る移動部材と、 前記第１および第２の正弦波信号の比を求める手段と、 前記比の値に基づいて連続する三角波形を合成する手段
   と、 前記合成された三角波を基に前記移動部材の位置を内挿
   する手段とを含む、移動部材の位置検出装置。