JP2006098392A

JP2006098392A - 自己校正機能付き角度検出器

Info

Publication number: JP2006098392A
Application number: JP2005225441A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Watabe; 司渡部; Tadashi Masuda; 正益田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP3826207B2; US7143518B2; US20060043964A1

Abstract

【課題】校正時における校正装置内の角度検出器との回転軸の接続による誤差を解消し、常に正確な校正を行うことができると共に、小型することができるようにした自己校正機能付き角度検出器とする。
【解決手段】回転軸２に固定した１枚の目盛り盤３の周囲に図中５個の第１目盛り読み取りヘッド４を等間隔に配置し、１個の第２目盛り読み取りヘッド５を第１目盛り読み取りヘッド４の間に配置する。この状態で第２目盛り読み取りヘッド５と各第１目盛り読み取りヘッド４、４、・・・の誤差を順に求めて自己校正を行う。第２目盛り読み取りヘッド５を、前記等間隔に配置した第１目盛り読み取りヘッド４の１つの位置に、その第１目盛り読み取りヘッドに替えて配置しても良区、その際にはより小型の装置とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は回転角度を検出するロータリエンコーダ等の角度検出器に関し、特に自己校正機能を備えることにより使用環境下での取り付け軸偏心、角度検出器の経年変化などの角度情報の誤差も含めた目盛りの校正値を求めることができるようにした自己校正機能付き角度検出器に関する。

ロータリエンコーダ等の角度検出器の一般的な原理は、円形ディスクの周囲に目盛りが刻まれ、その目盛り本数を読み取りヘッドで数えることにより角度情報を出力する装置であり、例えば図６、７に示すような各種の装置が用いられている。角度検出器は、目盛りを人工的に書き込むため、目盛り線は等角度間隔には書き込まれておらず、その目盛り線の位置から得られる角度情報には誤差が生ずる。図８の放射状の直線は理想的な目盛り線位置（等角度間隔線）であり、放射状の短い破線は実際の目盛り線位置で、理想位置からの差をプロットしたのが図８の右のグラフになる。

図８右図の点が角度検出器の目盛り線の校正値になり、図では目盛り線が３６本あるとして描かれているが、実際の角度検出器は数千から数１０万本の目盛り線がある。これらの線を校正する方法として、２つの角度検出器の目盛りを互いに比較し、自己校正する方法が幾つかある。この方法では２つの角度検出器が校正されていなくても、同時に校正することができるため、上位の高精度な角度検出器を必要としない。なお、自己校正の意味は、２つの未知数の角度検出器を比べても、同時に両方の値がわかるということである。

図９は、当研究所が所有する角度の国家標準器（角度測定器）である。これは、角度測定器の内部にある角度検出器とその上部に設置されている被校正角度検出器を、自己校正方法を用いて校正する装置である。自己校正方法は等分割平均法を用いている。

図１０を用いて等分割平均法を単純化し簡単に説明する。下部の第１角度検出器１１に配置されている第１目盛り読み取りヘッド１２、１２・・・の一つと、上部の第２角度検出器１３に配置されている第２目盛り読み取りヘッド１４の目盛り信号の差を測定(Sa1)する。次に下部隣の別の第１目盛り読み取りヘッド１２と上部の第２目盛り読みとりヘッド１４の差(Sa2)を同様に測定する。同様に他の第１目盛り読み取りヘッド１２と第２目盛り読み取りヘッド１４の差を測定し、それら（Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5）の平均値SaAVを求めるか、Sa1−SaAVの値を求めると、上部の第２角度検出器１３の校正曲線が求まるという方法である。第１目盛り読み取りヘッド１２は５箇所設置する場合は一周360°の5分の１の角度間隔で配置する。Ｎ個の角度検出器を配置する場合は同様にＮ分の１の等角度間隔に配置する。これは等分割平均法と読ばれる。

なお、特許文献１には、1つの角度検出器で自己校正機能が内蔵された角度検出器が開示されており、自己校正方法はマルチ再生ヘッド方法を使用している。また、特許文献２には、前記図１０に示した角度検出器をコンパクトにした技術が開示されている。
特開２００３−２６２５１８号公報特開平１０−３０００５３号公報

校正装置内の角度検出器と被校正角度検出器の回転軸は、図１０において軸線中間部分に示すようなカップリング１５で同軸に結合されている。一般にその軸は完全には一致せず、軸のずれ（軸偏心）の効果は無視できないために、軸偏心の影響は校正値から数値計算を行い、それから得られた影響分を差し引いて前記図８のような校正曲線を求めている。しかし、校正後に取り外された被校正角度検出器は、実際に使用する機器に取り付けられる際に、同様にカップリングを用いて使用機器の回転軸と角度検出器の回転軸を結合される。しかし、この場合、どれだけの軸偏心があり、その影響がどれだけあるかはもう見積もることはできない。

図１１は、前記図７の角度検出器の実際のデータである。曲線Ａが角度検出器の目盛り線が理想目盛り線位置からずれている大きさを示している。１８０００本の目盛りがあるため、連続した線のように見える。また曲線Ｂが相手軸（校正装置の内蔵角度検出器の軸）との軸偏心のために測定される校正曲線で、曲線Ｃが軸偏心による影響で、曲線Ｃ＋曲線Ａ＝曲線Ｂの曲線関係になっている。この角度検出器を使用機器に取り付けたときには、曲線Ｃに相当する軸偏心の影響は検出できない。また、前記図１０に示す構成装置では小型化するのに限界がある、という問題もある。

したがって本発明は、角度検出器の校正時に、校正装置内の角度検出器との回転軸の接続による誤差を解消するために、角度検出器自身が軸偏心の影響や角度検出器の経年変化等も含めて目盛りの校正値を得ることを可能にすることによって、常に正確な校正を行うことができると共に、小型することができるようにした自己校正機能付き角度検出器を提供することを主たる目的とする。

本発明による自己校正機能付き角度検出器は、上記課題を解決するため、回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取りヘッドを備えた角度検出器において、同一目盛り盤の周囲に複数の第１目盛り読み取りヘッドと、１個の第２目盛り読み取りヘッドとを備え、前記第２目盛り読み取りヘッドと各第１目盛り読み取りヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行うことを特徴とする。このような作動を行うために、本発明においては例えば図１２に示すようにシステムを構成し、基準ヘッドとヘッド１〜ＮＨの角度信号の差の平均値を求めることができる。

また、本発明による他の自己校正機能付き角度検出器は、前記自己校正機能付き角度検出器において、前記第２目盛り読み取りヘッドは、前記目盛り盤の周囲に等間隔に配置した第１目盛り読み取りヘッドの間に配置したことを特徴とする。

また、本発明による他の自己校正機能付き角度検出器は、前記自己校正機能付き角度検出器において、前記第２目盛り読み取りヘッドは、前記目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１目盛り読み取りヘッドの１つの位置に、その第１目盛り読み取りヘッドに替えて配置したことを特徴とする。

本発明による自己校正機能付き角度検出器は、自己校正により目盛りの校正値と共に回転軸の接続による誤差等も検出でき、またその角度検出器の使用中においても、回転軸の接続操作なしに必要なとき校正作業を容易に行うことができ、長期間安定して正確な計測を行うことができる角度検出器とすることができる。

本発明は、使用機器に取り付けられた後に検出できなかった取り付けの軸偏心や、経年変化を含めた目盛り校正を行うことができるようにするという課題を、回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取りヘッドを備えた角度検出器において、同一目盛り盤の周囲に複数の第１目盛り読み取りヘッドと、１個の第２目盛り読み取りヘッドとを備え、前記第２目盛り読み取りヘッドと各第１目盛り読み取りヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行うことにより実現した。

図１は図１０に示した第１目盛り読み取りヘッドと第２目盛り読み取りヘッドとを1つの角度検出器の目盛り盤の周りに配置した図である。即ち、この角度検出器１においては、回転軸２を中心に回転する目盛り盤３の周囲に、図中５個等間隔に配置されている第１目盛り読み取りヘッド４、４、・・・の間に第２目盛り読み取りヘッド５を配置している。

上記装置における第１目盛り読み取りヘッド４と第２目盛り読み取りヘッド５の出力信号の比較を、前記図１０に示したものと同様に行うことにより、一つの角度検出器で自分自身を校正できるようになる。

即ち、前記第１目盛り読み取りヘッドをＡ１、Ａ２、Ａ３・・・ＡＮ_Ｈを備え、基準ヘッドとしての第２目盛り読み取りヘッドをＢ１とするとき、これらのヘッドが検出する目盛りの角度信号Ａ_ｉ，ｊは次式で表すことができる。

また、基準ヘッドＢ１と他のヘッドとの角度信号Ａ_ｉ，ｊの差ＳＡ_ｉ，ｊと、それらの平均値ＳＡＶ_ｊは次のように表される。

上記実施例においては、前記図１０に示すもののように角度検出器を２段重ねする必要が無く、図１０に示すものよりも充分小型化することができる。特に、回転軸の接続を行う必要がないので、前記のように回転軸の接続による誤差の発生を防止することができ、正確な校正を行うことができる。特に、この角度検出器を適用して回転角度計測を行う機械においては、校正時に角度検出器を使用機器の回転軸から取り外すことなく自己校正し、軸偏心等の角度情報の誤差を校正することができるので、長期間安定して正確な回転角度測定が可能となる。

図１に示す角度検出器においては、第１目盛り読み取りヘッド４、４・・・間に第２目盛り読み取りヘッド５を配置するため、角度検出器の目盛り盤を小さくしすぎるとヘッド相互が干渉するため、小型化には限界がある。そこで、図２では、第２目盛り読み取りヘッドの役割を、第１目盛り読み取りヘッドの1つが代用する方法を採用している。即ち、第２目盛り読み取りヘッド５は、目盛り盤３の周囲に等間隔に配置される第１目盛り読み取りヘッド４、４、・・・の１つの位置に、その第１目盛り読み取りヘッドに替えて配置した構成となっている。

このような目盛り読み取りヘッドの配置においては、前記実施例１と同様に、前記第１目盛り読み取りヘッドをＡ１、Ａ２、Ａ３・・・ＡＮ_Ｈを備え、基準ヘッドとしての第２目盛り読み取りヘッドをＢ１とするとき、これらのヘッドが検出する目盛りの角度信号Ａ_ｉ，ｊは次式で表すことができる。

また、基準ヘッドＢ１と他のヘッドとの角度信号Ａ_ｉ，ｊの差ＳＡ_ｉ，ｊと、それらの平均値ＳＡＶ_ｊは、１番目のヘッドを基準ヘッドと考えた場合Ｂ_ｉ＝Ａ_ｉ，ｊとなるので、次のように表される。

このように構成することにより、例えば図３に示すように互いのヘッド間に隙間は必要なくなり、ヘッドが相互に干渉しない限界まで小型化することが可能となる。また、これを別な観点で見ると、この実施例においては、隙間があるだけ第１目盛り読み取りヘッド４を並べることができ、より正確な角度検出器とすることができる。また更に別の観点で見ると、上記のように構成することにより、目盛り盤自体を小さくすることができるようになる等、種々の効果を奏することができる。

上記のような本発明が、実際にはどのような結果が得られるか実験を行った。図４に実際に行った実験の写真を示す。図９に示す当研究所に設置されている角度の国家標準機としての角度検出器の校正装置の上部に、図７に示す角度検出器を取り付け、読み取りヘッドは図７では１つであるが、それを等分割平均法で校正を行うためＮ=５個配置している。

図５の第１曲線Ｄは図中第２曲線Ｅにほぼ隠れているが、国家標準器の角度検出器と上部に取り付けた角度検出器の５個のヘッドの一つと従来の２台の角度検出器として校正した場合の校正曲線を示している。第２曲線Ｅは、国家標準器を使わず、上部の角度検出器だけで５個のヘッドを用いて得られた校正曲線である。どちらの校正曲線も取り付け時の軸偏心のほぼ同じ大きさを検出している。第３曲線Ｆは２つのデータの差を示している（スケールは右座標軸）。

このように本来、取り付け時の軸偏心の影響を含めた図５の第１校正曲線Ｄを求めるべきであるが、従来は、これを使用者が使用機器に取り付けた後に求めることができない。それに対して、本発明では、軸偏心も検出可能な独立型自己校正角度検出器とすることにより、他の校正装置を用いなくともそれ自身で図５の第２校正曲線Ｅに示す校正曲線を求めることができるようにすることによりその問題点を解決した。

また、本来の等分割平均法の原理では、等分割位置に配置した角度検出器のヘッド以外に、更にもう一つのヘッドが必要であるが、それを等分割位置に配置した角度検出器の１つに代用させることにより、さらに簡略し小型化した独立型自己校正角度検出器とすることができた。

本発明は長期間安定して正確な回転角度検出を行うことができるので、特に精密な回転角度測定を行う必要がある産業分野に有効に利用することができる。

本発明の第１実施例の斜視図である。本発明の第２実施例の斜視図である。本発明の第２実施例の他の態様を示す斜視図である。本発明の実験装置を示す図である。本発明の実験結果を示すグラフである。角度検出器の従来例を示す図である。角度検出器の他の従来例を示す図である。従来の角度検出器の精度を示す図である。当研究所が所有する角度の国家標準器を示す図である。従来の角度検出器の校正装置を説明する斜視図である。同校正装置による校正時のデータを示すグラフである。本発明において基準ヘッドとヘッド１〜ＮＨの角度信号の差の平均値を求めるときの作動説明図である。

符号の説明

１角度検出器
２回転軸
３目盛り板
４第１目盛り読み取りヘッド
１第２目盛り読み取りヘッド

Claims

回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取りヘッドを備えた角度検出器において、
同一目盛り盤の周囲に複数の第１目盛り読み取りヘッドと、１個の第２目盛り読み取りヘッドとを備え、
前記第２目盛り読み取りヘッドと各第１目盛り読み取りヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行うことを特徴とする自己校正機能付き角度検出器。
前記第２目盛り読み取りヘッドは、前記目盛り盤の周囲に等間隔に配置した第１目盛り読み取りヘッドの間に配置したことを特徴とする請求項１記載の自己校正機能付き角度検出器。
前記第２目盛り読み取りヘッドは、前記目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１目盛り読み取りヘッドの１つの位置に、その第１目盛り読み取りヘッドに替えて配置したことを特徴とする請求項１記載の自己校正機能付き角度検出器。