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【発明の名称】 検出回路
【発明者】 【氏名】吉田 巧
【要約】 【課題】サーボ制御等における位置検出において、検出精度を向上する。

【解決手段】検出回路４は、定位置に固定され、ポテンショメータ１の接触子３に接触可能な摺動子５と、その出力側の第１の抵抗６とを有し、接触子３は入力電源２の正極に接続され、また、第１の抵抗６は出力側にて前記の入力電源２の負極と、オペアンプ７の正相入力端子７ａとに接続されるとともに、第２の抵抗８に接続されている。第２の抵抗９は枝路１１を介してオペアンプ７の逆相入力端子７ｂに接続されている。オペアンプ７の出力端子７ｃからの出力路１３から第２の抵抗８側に向け、フィードバックループ１２が形成される。オペアンプ７は摺動子５からの出力に対してネガティブフィードバックの動作をなし、摺動子５からの導電が停止すると、出力端子７ｃからの出力は、変位量ｘに対応するパラメータとなり、その補正により変位量ｘが得られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ポテンショメータにより生成される電圧値であって、検出対象の変位量に対応する前記電圧値を検出することにより、前記変位量を測定する検出回路において、前記ポテンショメータから前記検出回路側に導電される分流の検出手段と、該検出手段の検出結果に基づき、前記分流を打ち消す電圧を出力するフィードバック手段と、を具備することを特徴とする検出回路。
【請求項２】 ポテンショメータの接触子に接触可能な摺動子を、第１の抵抗を介してオペアンプの正相入力端子に接続するとともに、前記第１の抵抗の出力側にて分岐して第２の抵抗を直列接続し、該第２の抵抗を前記オペアンプの逆相入力端子に接続してなり、前記オペアンプの出力端子から前記第２の抵抗および前記逆相入力端子の間にフィードバックループを形成することを特徴とする検出回路。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、サーボ制御等のための位置検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】ポテンショメータの出力を用いて位置検出を行う回路の一例を図３に示す。同図において、１はポテンショメータであり、その接触子３には、電源２によって所定電圧が印可されている。５は摺動子であり、接触子３と接触しつつ摺動する。
【０００３】４は検出対象の変位を測定する検出回路である。検出回路４は、摺動子５の出力側の第１の抵抗６を有している。接触子３は入力電源２の正極に接続され、また、第１の抵抗６は入力側にて前記の入力電源２の負極に接続するとともに、出力側にてオペアンプ７の逆相入力端子７ｂとに接続され、さらにオペアンプ７に並列する第２の抵抗８に接続されている。９、１４、１５はそれぞれ第１の抵抗６、第２の抵抗８の入出力側における回路の節点であり、３１はキャパシタである。オペアンプ７の正相入力端子７ａは、制御回路のグランドラインに直接または適切なインピーダンスを介して接続されている。
【０００４】なお、本例にあっては、第２の抵抗８における電圧値が、検出対象（図示しない）の変位に対応するパラメータとして求められる。また、オペアンプ７の特性において、各入力端子のインピーダンスは無限大とされ、また、オペアンプ７の増幅度も極めて大きく（ほぼ無限大）設定されている。
【０００５】次に、上述の回路の検出動作について説明する。接触子３の変位方向長さ（全長）をＬ、検出対象（図示しない）の変位量（接触子３の終端Ｐ2から接触子３と摺動子５との接点Ｐまでの長さ）をｘとする。接触子３全体は一つの抵抗とみなされる。接触子３は、その入力端Ｐ1から接点Ｐまでの抵抗と、接点Ｐから終端Ｐ2までの抵抗とを直列接続した合成抵抗とみなされ、各抵抗値は入力端Ｐ1または終端Ｐ2から接点Ｐまでの長さに正比例する。
【０００６】その場合、接触子３全体の抵抗値をＲ、入力端Ｐ1から接点Ｐまでの抵抗値をＲ1、接点Ｐから終端Ｐ2までの抵抗値をＲ2とすると、以下の数式が得られる。
【数１】

【０００７】
【数２】

【０００８】第１の抵抗６の抵抗値をｒ1、その入力側（図中ｉ1で示す）の電流値をＩ1とし、第２の抵抗８の抵抗値をｒ2、その入力側（図中ｉ2で示す）の電流値をＩ2、入力端Ｐ1側の電流値をＩ3、終端Ｐ2側の電流値をＩ4とする。ＰＰ2側と検出回路４側とは並列であり、従ってＩ1、Ｉ3、Ｉ4の関係は、【数３】

となる。
【０００９】並列接続において、各素子の電圧は等しいから、数２より、【数４】

が得られる。
【００１０】一方、Ｐ1ＰとＰＰ2とは直列接続であり、その合成抵抗において、印可される電圧は入力電源２の入力電圧である。その値をＶとすると、数１および数２より、【数５】

が得られる。
【００１１】また、数４より、【数６】

が得られる。
【００１２】さらに、数６より、【数７】

が得られる。
【００１３】また、数５および数７より、【数８】

が得られる。
【００１４】すなわち、【数９】

が得られる。
【００１５】そして、数９より、【数１０】

が得られる。
【００１６】さらに、数３、数７、数１０より、【数１１】

が得られる。
【００１７】また、数１１より、【数１２】

が得られる。
【００１８】ここで、第２の抵抗８において、第２の抵抗８は第１の抵抗６と直列接続であるため、導電する電流は、【数１３】

である。
【００１９】その電圧値をＶ2とすれば、【数１４】

となる。
【００２０】そして、数１２および数１４より、【数１５】

が得られる。
【００２１】ここでｒ2＞＞Ｒとすると、数１５は近似的に、【数１６】

となる。すなわち、ｒ2＞＞Ｒとなるように第２の抵抗８および接触子３の全抵抗を設定すれば、第２の抵抗８における電圧値Ｖ2を検出して適当な補正を施すことにより、変位量ｘの近似値が得られる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の従来の技術には、以下のような問題がある。
■ 数１６は近似式でｘ自体の信頼性に限界があるのみならず、さらに、Ｖ一定の下で、ｒ2＞＞Ｒとすると、Ｉ1が減少し、Ｓ／Ｎ比が低下する。
■ 実用上、接触子３の運動状態によって摺動子５と離隔する、いわゆるガリが多発する。その場合、第２の抵抗８における電圧値Ｖ2は変位量ｘを表現しないことになり、その時点のＶ2をフィルター処理等により、補正しても、誤差となることは避けられない。
このように、従来の技術による検出回路は検出精度の高度化を望めないという問題があった。
【００２３】この発明は、このような背景の下になされたもので、サーボ制御等における位置検出において、検出精度の向上される位置検出回路を提供することを目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明は、ポテンショメータにより生成される電圧値であって、検出対象の変位量に対応する前記電圧値を検出することにより、前記変位量を測定する検出回路において、前記ポテンショメータから前記検出回路側に導電される分流の検出手段と、該検出手段の検出結果に基づき、前記分流を打ち消す電圧を出力するフィードバック手段と、を具備することを特徴とする。請求項２記載の発明は、ポテンショメータの接触子に接触可能な摺動子を、第１の抵抗を介してオペアンプの正相入力端子に接続するとともに、前記第１の抵抗の出力側にて分岐して第２の抵抗を直列接続し、該第２の抵抗を前記オペアンプの逆相入力端子に接続してなり、前記オペアンプの出力端子から前記第２の抵抗および前記逆相入力端子の間にフィードバックループを形成することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明にあっては、上述の説明と同一の要素に同一の符号を付してある。
１：構成図１はこの発明の実施形態を示す回路図であるとともに、検出対象の変位測定にあって、後述する定常動作における回路状態を示している。図１において、１はポテンショメータであり、２はポテンショメータ１の入力電源である。３は検出対象（図示しない）に固定された、変位測定のための接触子であり、後述する検出回路の摺動子と接触し、その接触位置にて検出対象の変位に応じた抵抗を形成するとともに、検出回路に導通させる。
【００２６】４は検出対象の変位を測定する検出回路である。検出回路４は、定位置に固定され、接触子３に接触可能な摺動子５と、その出力側の第１の抵抗６とを有している。接触子３は入力電源２の正極に接続され、また、第１の抵抗６は出力側にて前記の入力電源２の負極と、オペアンプ７の正相入力端子７ａとに接続されるとともに、第２の抵抗８に接続されている。なお、９は節点であり、１０はキャパシタである。第２の抵抗８は枝路１１を介してオペアンプ７の逆相入力端子７ｂに接続されている。
【００２７】１２はオペアンプ７の出力端子７ｃからの出力路１３から第２の抵抗８側に向けたフィードバックループであり、１４、１５は、それぞれ、枝路１１、出力路１３におけるフィードバックループ１２の節点である。本実施形態にあっては、後述するように、出力路１３の電圧値、すなわち、オペアンプ７の出力電圧が検出対象（図示しない）の変位に対応するパラメータとされる。オペアンプ７は、請求項１に示す検出手段およびフィードバック手段として機能する。オペアンプ７の特性において、各入力端子のインピーダンスは無限大とされ、また、オペアンプ７の増幅度も極めて大きく（ほぼ無限大）設定されている。
【００２８】２：動作次に上述の構成による検出対象（図示しない）の測定動作について説明する。なお、変位測定時の動作状態にあっては、ガリ（接触子３と摺動子５との接触、非接触が繰り返される状態）がない場合（定常動作）と、ガリが発生した場合（断続動作）とがあり、以下、それぞれに分けて説明する。
【００２９】２−１：定常動作図１は接触子３が接点Ｐで摺動子５と接触する場合を示す。その場合、オペアンプ７の出力端子７ｃからの出力電圧Ｖ2は、接点Ｐにおける接触直前の変位に相当する電圧値が出力されており、入力電源２の入力電圧をＶとすると、通常、Ｖ≠Ｖ2である。
【００３０】接触子３の変位方向長さ（全長）をＬ、検出対象（図示しない）の変位量（接触子３の終端Ｐ2から接触子３と摺動子５との接点Ｐまでの長さ）をｘとする。接触子３全体は一つの抵抗とみなされる。接触子３は、その入力端Ｐ1から接点Ｐまでの抵抗と、接点Ｐから終端Ｐ2までの抵抗とを直列接続した合成抵抗であり、各抵抗値は入力端Ｐ1または終端Ｐ2から接点Ｐまでの長さに正比例する。従って、接触子３全体の抵抗値をＲとすればＰＰ2間の抵抗値Ｒ2は、【数１７】

となる。
【００３１】ＰＰ2間の電位差Ｖ1は、電流一定の場合、抵抗値に比例することからして、【数１８】

である。その場合、オペアンプ７はその出力端子７ｃからの出力をＶ2からＶ1に変動するように動作し、その結果、摺動子５から検出回路４側への導電が停止するとともに、出力端子７ｃからの出力は、Ｖ1すなわち変位量ｘに対応するパラメータとなる。上述の動作における回路の状態変化を、Ｖ2が増加する場合（ｘの変位量が入力端Ｐ1に向けて増加する場合）を例として説明する。
【００３２】第１の抵抗６の抵抗値をｒ1、その入力側（図中ｉ1で示す）の電流値をＩ1とし、第２の抵抗８の抵抗値をｒ2、その入力側（図中ｉ2で示す）の電流値をＩ2とすると、第１の抵抗６および第２の抵抗８が直列接続であることからして、【数１９】

となる。
【００３３】この場合、第２の抵抗８の出力側にあっては、その電圧値をＶ3とすると、【数２０】

となる。第２の抵抗８とオペアンプ７の正相入力端子７ａとが並列であるため、正相入力端子７ａの入力電圧が逆相入力端子７ｂの入力電圧よりも大きくなる。一般にオペアンプにあっては、正相入力端子に、逆相入力端子の入力電圧を上回る入力電圧があると、出力端子からの出力は正となる。そこで、オペアンプ７の出力はＶ２に加えて増加し、フィードバックループ１２を介して逆相入力端子７ｂにネガティブフィードバックされる。このネガティブフィードバックは出力端子７ｃの出力が正相入力端子７ａの入力と等しくなるまで継続する。
【００３４】
【数２１】

【００３５】すなわち、最終的に第１の抵抗６に印可される電圧値になるまで継続し、前記出力値がＶ４になると、正相入力端子７ａの入力電圧および逆相入力端子７ｂの入力電圧が等しくなって安定する。その時点で、オペアンプ７のインピーダンスは無限大であるため、摺動子５から検出回路４側へ導電しない。その場合、【数２２】

となり、オペアンプ７のネガティブフィードバック後の出力をＶ2’とすると、数１８より、以下の数式が成立する。
【００３６】
【数２３】

【００３７】この状態は検出回路４の摺動子５側電位が接点Ｐから終端Ｐ2までの電位差と等しいことを意味し、電位の低い終端Ｐ2に向けて導電するので、回路状態は検出回路５側への導電路が絶縁された場合のようになる。従って入力端Ｐ1の電流Ｉ3と終端Ｐ2の電流Ｉ4とは、【数２４】

となる。
【００３８】よって、数１７の正当性が示されるとともに、数１８および数２３から、【数２５】

が得られる。数２５において、Ｖ、Ｌ、は設定値、すなわち定数であるため、Ｖ2’はｘに一次従属することがわかる。従って測定手段１６により、Ｖ2’を検出し、適当な補正を施せば、ｘすなわち接触子３の変位量が得られる。
【００３９】なお、上述の説明にあってはＶ2が増加する場合（ｘの変位量が入力端Ｐ1に向けて増加する場合）を例としてあるが、Ｖ2が減少する場合（ｘの変位量が終端Ｐ2に向けて増加する場合）にあっては、逆相入力端子７ｂの入力電圧よりも初期のＶ2が大きくなるため、フィードバックループ１２を介して逆相入力端子７ｂへの入力が増加し、入力値が正相入力端子７ａの入力電圧より大きくなれば、オペアンプ７の特性により、負の出力が生じる。よってＶ2が減少し、Ｖ2が安定した時点で上述のネガティブフィードバックが行われ、オペアンプ７の出力は変位量ｘに相当するＶ2’で安定することになる。
【００４０】２−２：断続動作接触子３と摺動子５とにガリが生じた場合、検出回路４の状態は図２に示すサンプルホールド回路と同値である。図２のようにスイッチＳＷがオフされた状態（接触子３と摺動子５との非接触状態）では、第１の抵抗６、オペアンプ７、第２の抵抗８側へは導電されない。その場合、出力端子７ｃ側電圧Ｖ2を変動させる要因は、入力オフセット電流（オペアンプの設計限界から生じる誤差出力）である。オペアンプの精度により、入力オフセット電流を低減することが可能であり、本実施形態には入力オフセット電流の低減可能なオペアンプ７を用いており、それにより、検出対象（図示しない）の変位量に相当する出力端子７ｃ側電圧Ｖ2が維持される。なお、ガリが生じる間、電圧Ｖ2は検出対象の変位に関わらず、一定値Ｖ2に維持されるため、検出対象の極端な変位により電圧Ｖ2が変位量を反映しない可能性があるが、検出対象の変位に対してガリの継続ピッチは十分に小さいため、実用上はほとんど問題にならず、本実施形態の有効性は保証される。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ポテンショメータからの分流を直接変換して検出対象の変位量を測定するのではなく、前記変位量に相当する電圧を回路によって生成して変位量を測定するので、以下のような効果が得られる。
■ 変位量とそれに対応する電圧との線形特性を向上できる。
■ 前記電圧検出にあって、回路素子の特性に依存しないので、検出回路定数（例えば、第１の抵抗の抵抗値）に影響されず、変位量に対応する電圧を検出できる。よって、設計時に想定した回路素子よりも安価な回路素子（例えば抵抗値が小さい抵抗）を用いても、高精度の測定が可能になる。また、検出回路定数に依存しないという性質は、温度環境等の外的要因に依存せずに高精度の測定を行うことが可能であることをも意味している。
■ ポテンショメータにあって、接触子と摺動子との断絶が生じても、その直前の変位量に対応する電圧値が示されるので、安定かつ高精度の測定が可能になる。
【出願人】 【識別番号】０００００２０５９
【氏名又は名称】神鋼電機株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）９月３０日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】川▲崎▼ 研二
【公開番号】 特開平１１−１０８６０６
【公開日】 平成１１年（１９９９）４月２３日
【出願番号】 特願平９−２６７４３０