JP2004226064A

JP2004226064A - ロータリエンコーダ

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Publication number: JP2004226064A
Application number: JP2002356593A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Nakamura; 豊中村; Satoshi Minobe; 聡弥延
Original assignee: Sokkia Co Ltd
Current assignee: Sokkia Co Ltd
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP4142942B2; DE10357602A1; GB2396413B; US6922899B2; US20040107586A1; CN1506660A; GB0328166D0; CN100373134C; GB2396413A

Abstract

【課題】ハード面の調整を厳密に行わなくても測角値から偏心誤差等の角度誤差を取り除くことができ、さらに、目盛り誤差をも取り除くことができるロータリエンコーダを提供すること。
【解決手段】予め、回転部２の回転角度の検出と、その検出角度θに含まれる誤差Ｅ（θｎ）の計測をしておき、これらの値に基づいて検出角度θの周期関数で表される誤差関数Ｅ（θ）を算出し、該算出された誤差Ｅ（θ）の周期関数を記憶する記憶手段を設け、検出角度θａから誤差関数Ｅ（θ）に検出角度θａを代入した値を引いた角度を表示手段７で表示する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転部の固定部に対する回転角度を検出するロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のロータリエンコーダとして、目盛り盤（回転部）と、該目盛り盤に光を照射する発光部及び目盛り盤を透過した発光部からの光を受光する受光部（固定部）とを備え、該受光部が受光した光に応じて出力される信号に基づいて目盛り盤の回転角度を検出するロータリエンコーダが知られている。一般に、ロータリーエンコーダでは、目盛り盤の中心が実際の回転中心から偏心している場合や、目盛り盤が回転軸に対して垂直になっていない場合には角度誤差が生じる。また、目盛り間隔の広狭、目盛り盤の全周を対象とする系統的なひずみ等の目盛り誤差の影響からも角度誤差を生じる。また、これらの誤差に対し、特許文献１には、コードパターンおよび受光素子を複数組円周上に略等間隔に配置し、これら誤差を取り除く技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６―３１３７１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のロータリエンコーダでは、偏心、目盛り盤の傾き等の影響による角度誤差等を小さくする為に、目盛り盤の中心位置及び傾きを調整するといった作業が必要であり、時間的コストが非常に過大なものとなっていた。また、目盛り誤差についてはハード面の調整でその誤差の影響を小さくすることが難しく、測量機等に用いられる場合、角度測定を複数回行い、それぞれの角度測定で読み取る目盛りの位置をずらし、その測定値の平均をとる（対回観測を行う）ことによって目盛り誤差の影響を小さくするしかなかった。また、コードパターンおよび受光素子を複数組円周上に略等間隔に配置し、これら誤差を取り除く技術のものはコストが高く、物理的に配置数に限界があり、これらを調整する時間がかかる問題点があった。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、ハード面の調整を厳密に行わなくても測角値から偏心等により生じる角度誤差を取り除くことができ、さらに、目盛り誤差をも取り除くことができるロータリエンコーダ（インクリメンタルエンコーダ及びアブソリュートエンコーダを含む）を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、固定部と、該固定部に対して回転可能な回転部と、該回転部の所定の基準位置からの回転角度を検出する角度検出手段と、該検出された検出角度を出力する出力手段とを備えたロータリエンコーダにおいて、上記回転部を回転させて上記角度検出手段が所定角度θｓ（θｓ≧出力分解能）の整数倍の角度θｎ＝ｎ×θｓ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ（但し、Ｎ×θｓ＝３６０°））を検出するときに検出角度θｎに含まれる角度誤差Ｅ（θｎ）を計測し、これら検出角度θｎと誤差Ｅ（θｎ）とに関し、すべてのｎについて、次式
【０００６】
【数５】

【０００７】
を定義し、該定義された全ての式を満たすように、振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ／２又は（Ｎ−１）／２）を算出し、該算出した振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉを係数とする検出角度θの周期関数である次式の誤差関数
【０００８】
【数６】

【０００９】
を記憶する記憶手段を設け、該記憶手段で記憶した上記誤差関数Ｅ（θ）の式に上記角度検出手段で検出した検出角度θを代入し、代入によって得られた値Ｅ（θ）を検出角度θから減算した値を上記出力手段で出力することを特徴とする。
【００１０】
これは、ロータリエンコーダの検出角度に含まれる誤差の周期性に着目したものである。これによれば、予め計測されたロータリエンコーダの検出角度に含まれる誤差に基づいて誤差関数を算出し、該算出された誤差関数に基づいて検出角度を補正する。そのため、偏心及び目盛り盤の傾きを小さくする為のハード面の調整を厳密に行わなくても、上記誤差関数による補正で偏心等による角度誤差、さらには目盛り誤差が取り除かれ、正確な角度を得ることができる。
【００１１】
また、誤差の原因が不明な場合であっても誤差の周期の傾向が把握できれば、効率よくその誤差の影響を除去することができ、高い測角精度を得ることができる。また、すべての次数ｉ（＝１、２、・・・、Ｎ／２又は（Ｎ−１）／２）の振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉを用いた誤差関数Ｅ（θ）を記憶手段で記憶する代わりに、１個以上の振幅Ａ_ｋ１、Ａ_ｋ２、・・・、Ａ_ｋｍ及び初期位相φ_ｋ１、φ_ｋ２、・・・、φ_ｋｍ（ｋ１、ｋ２、・・・、ｋｍは、１からＮ／２又は（Ｎ−１）／２までの自然数のうちの１個以上の数）を用いた誤差関数Ｅ（θ）を記憶するようにしても良い。このように、誤差関数の次数を適宜選択することにより、誤差振幅の大きい周期の成分だけを選択することができ、目的精度にあわせて、角度誤差の測定や補正が効率よくできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、１はインクリメンタル方式のロータリエンコーダであり、回転軸Ａに固設されたメインスケール（回転部）２と、回転軸の軸受け（図示しない）に固設され、メインスケール２に光を照射する発光部３と、該発光部３からの光がメインスケール２を透過する位置に固設されたサブスケール４と、メインスケール２及びサブスケール４を透過した発光部３からの光を受光する受光部（固定部）５とを備えている。
【００１３】
また、ロータリエンコーダ１は、ＣＰＵ６を備え、該ＣＰＵ６はカウンタ１１及び波形整形器１２やＡ／Ｄ変換器７を介して上記受光部５に接続されている。該ＣＰＵ６には、該ＣＰＵ６の演算結果やロータリエンコーダ１の角度等を表示する表示部（表示手段）８と、ＣＰＵ６の制御プログラムや各種データ等を記憶するＲＯＭ（記憶手段）９とが接続されている。
【００１４】
上記メインスケール２には、全周に亘って等幅、等間隔の目盛りスリットが設けられており、サブスケール４には、メインスケール２と同じ幅及び間隔の目盛りスリットが１ヶ所以上設けられている。また、上記発光部３は、発光ダイオード３１、コリメーションレンズ３２とを備えており、発光ダイオード３１からの光をコリメーションレンズ３２で平行光線にして上記メインスケール２に照射する。上記受光部５は、光電変換素子（図示しない）を備え、上記発光部３からの光がメインスケール２及びサブスケール４の目盛りスリットを通過するときに形成される明暗パターンに応じて電気信号を出力する。本実施形態では、受光部５とサブスケール４と発光部３とが本体に固定されると共にメインスケール２が回転する構成としたが、逆にメインスケール２が固定されると共に受光部５とサブスケール４と発光部３とが回転する構成でもよい。
【００１５】
また、メインスケール２とサブスケール４とには、スリット近傍の互いに対応する位置にそれぞれ原点位置目盛りＯが１箇所以上設けられている。このメインスケール２とサブスケール４との２つの原点位置目盛りＯが対面する位置がメインスケール２の原点位置とされ、上記発光部３からの光がメインスケール２及びサブスケール４の２つの原点位置目盛りＯを透過して受光部５に受光されたとき、受光部５は原点位置信号をＣＰＵ６に対して出力する。メインスケール２の回転角度は、この原点位置を基準に検出される。
【００１６】
係るロータリエンコーダの検出角度には誤差が含まれている。従って、誤差補正することにより精度のよいエンコーダがえられる。誤差の原因には偏心、目盛り盤の傾き等が考えられる。ただし、これらは機械調整することにより小さくできる。しかしながら、目盛り誤差は機械的な調整では小さくすることができず、正確な目盛り盤を作らなければならない。
【００１７】
上記ＲＯＭ９には、ＣＰＵ６の制御プログラムの他、上記受光部５からの電気信号及び原点位置信号に基づいてＣＰＵ６により検出される検出角度θと該検出角度θに含まれている誤差Ｅ（θ）との対応関係を表す誤差関数の一般式
【００１８】
【数７】

【００１９】
が（Ａ_ｉは振幅、φ_ｉは初期位相）記憶されている。該誤差関数Ｅ（θ）は検出角度θの周期関数であり、以下に説明する手順で振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉが算出される。Ｅ（θ）は、フーリエ級数の定数項Ａ_０を含んでもよい。ここでは、ロータリエンコーダ１がトータルステーションＴの水平角測定用に組み込まれた場合の、角度誤差の補正例について説明する。
【００２０】
まず、図２示すように、トータルステーションＴの鉛直軸Ｔ_ａとポリゴン鏡Ｐの回転中心軸Ｐ_ａを略一致させて結合させ、ポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ_ｎ（ｎ＝１、２、…、８）の測定用にオートコリメータＡＣを配置する。また、説明の便宜上、トータルステーションＴが、その鉛直軸に組み込まれたロータリエンコーダＥの原点θ_Ｏを出力する際に、ポリゴン鏡の反射面Ｐの第一面Ｐ_１がオートコリメータＡＣと正対するようにトータルステーションＴとポリゴン鏡Ｐの回転方向を合致させてあるとする。
【００２１】
ポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ_１〜Ｐ_８が、オートコリメータＡＣと略正対するようにトータルステーションＴの鉛直軸を回転させ、それぞれトータルステーションＴ（ロータリエンコーダ１）の測角値θ_ｎとオートコリメータの出力値δ_ｎを測定する。
【００２２】
このとき、ロータリエンコーダＥに含まれる角度誤差Ｅ（θ_ｎ）は、
【００２３】
【数８】

【００２４】
と表せる。
【００２５】
このようにして得られた角度誤差Ｅ（θ_ｎ）を用いて、フーリエ級数展開を行い、誤差関数
【００２６】
【数９】

【００２７】
を得る。
【００２８】
ここで、ポリゴン鏡Ｐの第一面Ｐ_１と反射面Ｐ_ｎとのなす角３６０°・（ｎ−１）／Ｎが、誤差σ_ｎを持っている場合は、予めポリゴン鏡Ｐを校正し、ポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ_ｎと第一面Ｐ_１とのなす角を３６０°・（ｎ−１）／Ｎ＋σ_ｎとすることで、高精度にロータリエンコーダＥの角度誤差Ｅ（θ_ｎ）を得ることができる。
【００２９】
また、予めポリゴン鏡Ｐを校正できない場合でも、ロータリエンコーダＥが原点θ_Ｏを出力する際の、オートコリメータＣと正対するポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ_ｎをそれぞれ替えてＮ組の測定を行い、測定されたＮ個のＥ（θ_ｎ）の平均を取ることで、ポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ_ｎのもつ誤差σ_ｎの影響を抑えることができる。
【００３０】
次に、ロータリエンコーダ１での測角処理について説明する。
実際には野外測定においてＲＯＭ９に書き込まれた該誤差関数はトータルステーションで角度計測する時、まずインクリメンタルエンコーダでは、原点の確認をするため最大１回転望遠鏡を回転してから行われる。ロータリエンコーダ１のメインスケール２が回転されると、発光部３からの光がメインスケール２のスリットを透過して受光部５に受光され、該受光部５は光がメインスケール２及びサブスケール４を透過する際に形成される明暗パターンに応じて電気信号を上記カウンタやＡ／Ｄ変換器７に出力する。Ａ／Ｄ変換器７は電気信号をアナログ信号からディジタル信号に変換してＣＰＵ６に出力する。ＣＰＵ６は該ディジタル信号に基づいて目盛り盤３の回転角度θを検出し、さらに、ＲＯＭ９に記憶されている誤差関数Ｅ（θ）に該検出角度θを代入して検出角度θに含まれている誤差Ｅ（θ）（Ｅ（θ）は正負の値を取る）を求める。そして、検出角度θから誤差Ｅ（θ）を減算した角度θ−Ｅ（θ）を上記表示部８で正確な角度値として表示する。
【００３１】
なお、本実施の形態ではインクリメンタル方式のロータリーエンコーダについて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、アブソリュート方式のロータリーエンコーダであっても良い。すなわちアブソリュートエンコーダは常に所定の基準位置からの絶対角度を検出するのでこれを使用すれば前述のインクリメンタル方式のエンコーダの原点位置Ｏを検出した状態と何ら変わらない。
【００３２】
また、図３においてコリメータ等（この場合４方向にコリメータＣ１〜Ｃ４を設けた）を用いて対回測定（例えばこれらについて３対回測定）を行えば、設置するコリメータの数を調節することにより、測定したい誤差関数の次数ｉを選択することができ、目的の精度に適合するエンコーダを製造することができる。また、誤差の要因となる次数項を組み合わせることにより目的の精度のエンコーダを製造することができる。
【００３３】
また、他の検査方法としてエンコーダ単体で角度誤差の定数を決めるには角度誤差のわかっている基準のエンコーダを基準に前記エンコーダと比較して誤差を測定し、誤差関数の定数を決定できる。
本発明の実施例では測量機に搭載したエンコーダとして説明したが望遠鏡部を着脱できるように構成しておけば望む精度のエンコーダが単体でえられる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、予め計測されたロータリエンコーダの検出角度に含まれる誤差に基づいて誤差関数を算出し、該算出された誤差関数に基づいて検出角度を補正する。そのため、偏心及び目盛り盤の傾きを小さくする為のハード面の調整を厳密に行わなくても、上記誤差関数による補正で偏心等による角度誤差、さらには目盛り誤差が取り除かれ、正確な角度を得ることができる。
【００３５】
また、誤差の原因が不明な場合であっても誤差の周期の傾向が把握できれば、効率よくその誤差の影響を除去することができ、高い測角精度を得ることができる。
【００３６】
また、誤差関数の次数を選択することにより、目的精度を満足させるための角度誤差の測定や補正が効率よくでき、また、ファームウエアで角度誤差の大きなテーブルを持たなくて済む利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のインクリメンタルエンコーダを示す斜視図
【図２】ポリゴン鏡とオートコリメータによる検査システムを示す平面図
【図３】角度誤差の検査システムを示す平面図
【符号の説明】
２メインスケール（回転部）
３発光部
４サブスケール
５受光部

Claims

固定部と、該固定部に対して回転可能な回転部と、該回転部の所定の基準位置からの回転角度を検出する角度検出手段と、該検出された検出角度を出力する出力手段とを備えたロータリエンコーダにおいて、上記回転部を回転させて上記角度検出手段が所定角度θｓ（θｓ≧出力分解能）の整数倍の角度θｎ＝ｎ×θｓ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ（但し、Ｎ×θｓ＝３６０°））を検出するときに検出角度θｎに含まれる角度誤差Ｅ（θｎ）を計測し、これら検出角度θｎと誤差Ｅ（θｎ）とに関し、すべてのｎについて、次式

を定義し、該定義された全ての式を満たすように、振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ／２又は（Ｎ−１）／２）を算出し、該算出した振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉを係数とする検出角度θの周期関数である次式の誤差関数

を記憶する記憶手段を設け、該記憶手段で記憶した上記誤差関数Ｅ（θ）の式に上記角度検出手段で検出した検出角度θを代入し、代入によって得られた値Ｅ（θ）を検出角度θから減算した値を上記出力手段で出力することを特徴とするロータリエンコーダ。
固定部と、該固定部に対して回転可能な回転部と、該回転部の所定の基準位置からの回転角度を検出する角度検出手段と、該検出された検出角度を出力する出力手段とを備えたロータリエンコーダにおいて、上記回転部を回転させて上記角度検出手段が所定角度θｓ（θｓ≧出力分解能）の整数倍の角度θｎ＝ｎ×θｓ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ（但し、Ｎ×θｓ＝３６０°））を検出するときに検出角度θｎに含まれる誤差Ｅ（θｎ）を計測し、これら検出角度θｎと誤差Ｅ（θｎ）とのすべてのｎについての組み合わせについて、次式

を定義、該定義されたすべての式を満たすように、振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ／２又は（Ｎ−１）／２）を算出し、該算出した振幅Ａ_ｉ及び初期位相φ_ｉのうち１個以上の振幅Ａ_ｋ１、Ａ_ｋ２、・・・、Ａ_ｋｍ及び初期位相φ_ｋ１、φ_ｋ２、・・・、φ_ｋｍ（ｋ１、ｋ２、・・・、ｋｍは１からＮ／２又は（Ｎ−１）／２までの自然数のうちの１個以上の数）を係数とする検出角度θの周期関数である次式の誤差関数

を記憶する記憶手段を設け、該記憶手段で記憶した上記誤差関数Ｅ（θ）の式に上記角度検出手段で検出した検出角度θを代入し、代入によって得られた値Ｅ（θ）を検出角度θから減算した値を上記出力手段で出力することを特徴とするロータリエンコーダ。