JP2007010358A - 回転機械の振動影響を除去した回転変位計測装置及びその計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の振動を検出しその影響を除去することにより回転機械の回転変位を正確に計測することができる回転変位計測装置およびその計測方法を提供すること。
【解決手段】回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信するステップと、受信した第１及び第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジ及び第２エッジとして検出するステップと、直近に検出されたエッジと該エッジの１つ前に検出されたエッジとが同種であるか否かを判断する判断ステップと、前記判断の結果、同種であると判断された場合、前記直近に検出されたエッジを反転させるステップと、前記判断の結果に従って、同種である場合には、前記回転機械の回転変位を減算し、同種でない場合には、前記回転変位を加算する変位算出ステップとを含む。
【選択図】図１３

Description

本発明は、回転機械の回転変位計測装置及びその計測方法に関し、特に、エンコーダからの出力信号を解析して回転機械の振動を検出しその影響を除去することにより回転機械の回転変位を正確に計測する装置およびその計測方法に関する。

ステッピングモータのような回転機械の回転変位（回転角度、回転位置、単位時間当りの回転角度（回転速度）など）は、エンコーダにより電気的なパルス（ディジタル量）に変換されて検出されることが多い。

ステッピングモータは基本的にパルスの入力毎にステップ駆動されるもので、フィードバックを必要とせずにディジタル制御の正確な位置決めシステムで広く用いられている。

このようなステッピングモータの回転変位を計測するエンコーダの１例を図１に示す。エンコーダ１００は、図１に示すように、通常回転軸１０１がステッピングモータの主軸に連結されており、回転軸１０１には等間隔のスリットが刻まれた回転スリット円盤１０２が取り付けられ、この回転スリット円盤１０２に相対して上記間隔の４分の１の間隔を有する２つのスリットＡ、Ｂが刻まれた固定スリット板１０３がエンコーダ本体に固定されている。回転スリット円盤１０２と固定スリット板１０３をはさんで発光素子１０４と２つの受光素子１０５が設置されており、発光素子１０４から出た光は回転軸１０１が回転することによってスリット１ピッチ毎にスリットＡ又はスリットＢを一回通過し一回遮蔽され、回転量に比例した回数の通過と遮蔽を繰り返す。この通過と遮蔽を受光素子１０５で光の明暗に応じた電流として検出することによって、スリット円盤の回転を電気信号として取り出し、波形整形をして矩形波として出力する。

即ち、ステッピングモータと共に回転スリット円盤１０２が回転すると、発光素子１０４から出力された光が円盤１０２で遮蔽されたりスリットを通過したりすることから、電気信号のパルス幅及び周期は、ステッピングモータの回転角度や速度に応じて変化することになる。特に、ステッピングモータの回転角度は、電気信号のパルス数に比例し、該パルス数とエンコーダの分解能により決まる。

一般に、エンコーダの出力信号は、図２（ａ）に示すように、互いに１／４Ｐ（１／４ピッチ：位相差９０°）ずれるように位相が調整されたＡ相とＢ相の２相信号があり、回転方向が反転するとこの位相も反転する。例えば、Ａ相の信号は、スリットＡを通過した光を受光した第１の受光素子から出力される信号であり、Ｂ相の信号は、スリットＢを通過した光を受光した第２の受光素子から出力される信号である。

また、Ａ相とＢ相信号のそれぞれの立ち上がり、立ち下がり部分の波形を別信号としてカウントさせることにより４倍の周波数の出力を得、エンコーダの分解能を４倍に高めることができる。

図２（ｂ）に示すように、回転がぶれなく一方向に進むとき、Ａ相とＢ相信号のそれぞれの立ち上がり、立ち下がりエッジは、規則的にＡＢＡＢＡＢと交互に出力される。

従って、Ａ相信号かＢ相信号のサイクルをカウントし、又はＡ相とＢ相信号両方の立ち上がりと立ち下がりエッジをカウントしてモータの回転角度や回転位置を求めることができる。
特開平０５−２１２６８８号公報

しかしながら、多くの回転機械は、回転に伴い、振動を生じることがある。取り分け、ステッピングモータは、駆動パルスの入力毎に所定の角度だけ回転し、停止する。従って、停止するときに、慣性により少し行きすぎてから戻り、本来の停止位置で停止する。この停止時に起こる、停止位置を中心とした回転の行き過ぎ、戻り過ぎ、また行き過ぎの動作、即ち、本願発明が問題にしている振動は、ステップ駆動を行うステッピングモータのような回転機器にとって避けることが出来ないものである。一方、ステッピングモータを搭載する各種機器は軽量化、高精度化の一途を辿っており、ステッピングモータの駆動時に発生する振動が機器そのものの精度に悪影響を与えるようになって来ており、ステッピングモータの持つ基本的な特性が重大な問題として問われるようになって来ているのが現状である。

例えば、電動ハンドに使用されるステッピングモータの振動は、フィンガーの位置制御に影響し、対象物体の正確かつ迅速な把持を困難にする問題がある。

図３は、ステッピングモータが振動する時のエンコーダの出力波形の１例を示す図である。ここでは、モータは、その主軸が駆動パルスの入力に応じた所定の停止位置を１／４Ｐ（ピッチ）より大きく、２／４Ｐ未満通過してしまい、その後所定の停止位置に戻る振動をした場合を示している。この振動に対して、エンコーダから出力されるＡ相とＢ相信号のそれぞれの立ち上がり、立ち下がりエッジは、図３に示されているように、規則的にＡＢＡＢＡＢと交互に出力されるのではなく、ＡＢＡＡＡＢＡとなっており、２つのＢ相信号の立ち上がり、又は立ち下がりエッジの間に、Ａ相信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジが連続に出力される。即ち、振動に伴い、余分なＡ相信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジが出力されている。このような振動の影響を受けた出力信号をもとに、Ａ相信号のサイクルをカウントし、或いはＡ相とＢ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジをカウントしてモータの回転角度を計算する場合、誤った計算結果を与えてしまうという問題がある。

本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、回転機械の振動を検出しその影響を除去することにより回転機械の回転変位を正確に計測することができる回転変位計測装置およびその計測方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る回転変位計測方法は、回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信するステップと、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出するステップと、検出された前記第１エッジ及び前記第２エッジを時系列データとして記録するステップと、前記時系列データの中に同種のエッジに対応するデータが連続するか否かを判断するステップと、前記判断の結果、同種のエッジに対応するデータが連続する場合、前記時系列データから連続する前記データを除去するステップと、連続する同種データを除去した前記時系列データをもとに、前記回転機械の回転変位を算出するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転変位計測方法は、回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信するステップと、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出するステップと、直近に検出されたエッジと該エッジの１つ前に検出されたエッジとが同種のエッジであるか否かを判断する判断ステップと、前記判断の結果、同種のエッジであると判断された場合、前記直近に検出されたエッジを反転させるステップと、前記判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記回転機械の回転変位を減算し、同種のエッジでない場合には、前記回転変位を加算するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転変位計測装置は、回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信し、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出する検出部と、検出された前記第１エッジ及び前記第２エッジを時系列データとして記録する記録部と、前記時系列データの中に同種のエッジに対応するデータが連続するか否かを判断する比較部と、前記判断の結果、同種のエッジに対応するデータが連続する場合、前記時系列データから連続する前記データを除去する制御部と、連続する同種データを除去した前記時系列データをもとに、前記回転機械の回転変位を算出する回転変位算出部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転変位計測装置は、回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信し、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出する検出部と、直近に検出されたエッジと該エッジの１つ前に検出されたエッジとが同種のエッジであるか否かを判断する比較部と、前記比較部の判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記回転機械の回転変位を減算し、同種のエッジでない場合には、前記回転変位を加算する回転変位算出部と、前記比較部の判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記直近に検出されたエッジを反転して記憶させ、同種のエッジでない場合には、前記直近に検出されたエッジをそのまま記憶させる制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る回転変位計測装置およびその計測方法によれば、回転に応じた、互いに位相の異なる一対のパルス信号の立ち上がり、立ち下がりエッジを検出し、同種のエッジが連続に出力されたか否かをモニターすることにより回転機械の振動を検出するようにしたので、簡単な構成で振動を検出し、且つその影響を除去することが可能となる。よって、余分に振動を押さえる為の回路及び機構の追加・変更、エンコーダの分機能を小さくする事等をしなくても安価な装置で回転変位を正確に計測することができる。

以下、本発明に係る、回転機械の振動影響を除去した回転変位計測装置及びその計測方法の好ましい実施の形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る回転変位計測装置の概略構成を示すブロック図である。

図４に示した本実施の形態に係る回転変位計測装置１は、エッジ検出部１０と、大きさがＭのシフトレジスタ２０と、比較部３０と、制御部４０と、回転変位算出部５０とを備えて構成されている。なお、本実施の形態では、図１に示したエンコーダの互いに位相の異なる１対の出力信号を用いて回転機械であるステッピングモータの主軸の回転角度を求めるものとする。

エッジ検出部１０が、外部エンコーダから回転変位計測装置１に入力されたＡ相信号とＢ相信号のそれぞれの立ち上がり、立ち下がりエッジを検出し、検出されたエッジがＡ相信号、又はＢ相信号のエッジであるかを示すエッジデータ信号をシフトレジスタ２０に出力するとともに、エッジが検出されたことを示すエッジ検出信号を比較部３０に出力し、また立ち上がり、立ち下がりエッジを検出できなくなったときは、回転終了検出信号を制御部４０に出力するものである。ここでは、例えば、シフトレジスタ２０に、Ａ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジの場合、“０１”という２ビットデータを出力し、Ｂ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジの場合、“１０”という２ビットデータを出力すると仮定する。

シフトレジスタ２０は、エッジ検出部１０によって検出された立ち上がり、立ち下がりエッジの情報を記録するものである。レジスタ１〜Ｍ−１は、現時点までエッジ検出部１０により検出されたＡ相信号、Ｂ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジを示すエッジデータのうち、まだ残っているエッジデータを保持し、レジスタＭが、エッジ検出部１０により最も新しく検出されたＡ相信号又はＢ相信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジを示すエッジデータを保持するものである。

比較部３０は、エッジ検出部１０から出力されたエッジ検出信号を受信すると、シフトレジスタ２０のレジスタＭに保持された最新のエッジデータと、レジスタＭ−１に保持されたエッジデータとが同種のエッジデータ（共にＡ相信号のエッジデータ又は共にＢ相信号のエッジデータ）であるか否かを判断することにより、モータが振動したか否かを判断し、その結果に応じた判断結果信号ＳＧ１を制御部４０に出力するものである。

制御部４０は、上記比較部３０の判断結果信号ＳＧ１に基づき、異種のエッジの場合、即ちモータが振動しなかった場合には、シフトレジスタ２０のレジスタ１に保持されたエッジデータを出力させてから、シフトレジスタ２０内に保持されているエッジデータを１レジスタ分進ませ、同種のエッジの場合、即ちモータが振動した場合には、シフトレジスタ２０のレジスタＭに保持された最新のエッジデータ、及びレジスタＭ−１に保持されたエッジデータを破棄させ、また、エッジ検出部１０の回転終了検出信号に基づき、回転変位計測の動作を終了させるものである。なお、制御部４０は回転変位計測装置１の全体動作を統合制御する。

回転変位算出部５０は、シフトレジスタ２０より出力したＡ相信号とＢ相信号のエッジデータを基に、ステッピングモータの回転角度を算出するものである。

次に、まず、本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータの振動検出及び振動影響の除去動作の概要について説明する。

図５〜図９は、ステッピングモータの主軸の振動態様、及びそれに対応するエンコーダの出力信号波形を示す図である。回転中の回転スリット円盤１０２上の複数のスリットのうち、固定スリット板１０３のスリットＡの近傍に位置する特定のスリット（以下、注目スリットと記す）に注目すると、この注目のスリットは、ステッピングモータの主軸の振動に応じて、駆動パルスの入力に応じた所定の停止位置（以下、振動原点と記す）を中心に振動する。従って、図５〜図９の（ａ）では、注目スリットの中心の時間的変位によって、振動を表している（縦軸は変位、横軸は時間）。即ち、注目スリットは、振動原点から行き過ぎた後、振動原点方向に戻り、再び回転を継続する。ここで、振動原点より上は行き過ぎ（変位量が正）、振動原点より下は戻りすぎ（変位量が負）を表している。なお、図５〜図９の（ａ）において、振動過程における注目スリットを、影付きの正方形で表している。また、Ａ_Ｈ、Ｂ_Ｈはそれぞれ、Ａ相信号、Ｂ相信号がハイになる注目スリットの変位区間、Ａ_Ｌ、Ｂ_Ｌはそれぞれ、Ａ相信号、Ｂ相信号がローになる注目スリットの変位区間を表している。

また、図５〜図９の（ｂ）は振動過程における出力信号波形を示しており、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形を示している。いずれも縦軸が振幅であり、横方向が時間軸である。

なお、振動は、エンコーダからの出力波形に対して任意のタイミングで発生しうるが、出力波形の１周期を考えると、図１４に示す４種類のパターンに分類できる。従って、以下においては、Ａ相又はＢ相の信号の立ち上がり又は立ち下がりタイミングに対応する注目スリットの位置と、振動原点との位置ずれα（即ち、振動開始タイミングの位相差ｔ_α）が、０≦α＜１／４Ｐ（対応する位相差ｔ_αが０≦ｔ_α＜π／２）となるように、振動原点を決定する。

図５の（ａ）においては、注目スリットが駆動パルスの入力に応じた振動原点を１／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後振動原点に戻り回転を継続するという微少な振動をした場合を示している。この振動の影響でエンコーダから出力される２相信号Ａ、Ｂは、図５の（ｂ）に示すように、共に周期が長くなったが、立ち上がり、立ち下がりエッジの数は変わらず、その順序も、依然としてＡＢＡＢＡＢのように交互になっている。このような１／４Ｐ−α未満の微少な振動の場合では、本実施の形態では、振動がないと見なされる。

次に、図６の（ａ）においては、注目スリットが振動原点を１／４Ｐ−αより大きく、２／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後振動原点に戻り回転を継続する場合を示している。この振動の影響でエンコーダの２相の出力信号Ａ、Ｂの立ち上がり、立ち下がりエッジは、図６の（ｂ）に示すように、ＡＢＡＡＡＢＡという順序で出力されている。Ａ信号とＢ信号の立ち上がり、立ち下がりエッジが交互に出力されていないため、モータの主軸が振動したと判断することができる。そして、最初に連続するＡＡ（図６の×印）をエンコーダの出力シーケンスから取り除くと、残った出力シーケンスは、図６の（ｃ）に示すように、Ａ信号とＢ信号の立ち上がり、立ち下がりエッジが交互にＡＢＡＢＡとして現れる。これにより、エンコーダの出力信号から振動の影響が排除されることになる。

図７の（ａ）においては、注目スリットが振動原点を１／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後−αより大きく、−１／４Ｐ＋α未満まで戻りすぎてから、振動原点に戻り回転を継続する場合を示している。この場合、エンコーダから出力される２相信号Ａ、Ｂの立ち上がり、立ち下がりエッジの順序は、図７の（ｂ）に示すように、ＡＢＢＢＡＢＡとなる。連続的にＢの立ち上がり、立ち下がりエッジが出力されているため、モータの振動が検出される。回転角度の計測に該検出した振動の影響を取り除くには、最初に連続するＢＢ（図７の×印）をエンコーダの出力シーケンスから削除すればよいのである（図７（ｃ）参照）。

図８の（ａ）においては、注目スリットが振動原点を３／４Ｐ−α未満、２／４Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋α未満、−αより大きく戻りすぎてから、振動原点に戻って回転を継続する場合を示している。この場合、エンコーダから出力される２相信号Ａ、Ｂの立ち上がり、立ち下がりエッジの順序は、Ａ_１Ｂ_２Ａ_３Ｂ_４Ｂ_５Ａ_６Ｂ_７Ｂ_８Ａ_９Ｂ_１０となる（図８（ｂ）参照）。連続的にＢ_４Ｂ_５エッジが出力されているため、モータの振動が検出される。回転角度の計測に該検出した振動の影響を取り除くには、まず、最初に連続するＢ_４Ｂ_５エッジをエンコーダの出力シーケンスから削除する。この後、すでに出力されたＡ_１Ｂ_２Ａ_３に対して、続いてＡ_６が出力されるため、Ａ_３Ａ_６が連続的に出力されることとなり、これも、またモータが振動していることを意味する。その影響を取り除くために、引き続きＡ_３Ａ_６エッジを出力シーケンスから削除する。続いて、すでに出力されたシーケンスＡ_１Ｂ_２に対して、Ｂ_７が出力されるため、Ｂ_２Ｂ_７がまた連続的に出力されていることとなり、これも、再度モータが振動していることを意味するので、引き続きＢ_２Ｂ_７を出力シーケンスから削除する。次に、シーケンスＡ_１に対して、Ｂ_８、そしてＡ_９、Ｂ_１０が出力されるため、Ａ相、Ｂ相出力信号の立ち上がり、立ち下がりエッジが再度交互に出力されることになる。図８の（ａ）に示した振動の影響をすべて排除した後の波形図を、図８の（ｃ）に示している。

また、図９の（ａ）においては、注目スリットが振動原点を５／４Ｐ−α未満、1Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋αより大きく、−２／４Ｐ＋α未満戻りすぎてから、振動原点に戻り回転を継続する場合を示している。そのときのエンコーダの２相出力信号は、図９の（ｂ）に示され、また該振動の影響を取り除いた後の出力信号波形図は図９の（ｃ）に示されている。

このように、本発明の第１の実施の形態に係る回転変位計測方法では、モータが振動するときには、エンコーダから同種信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジ、即ち、同種のエッジが連続的に出力される特徴を利用して、モータの振動を検出するため、機構的に振動を排除できなくてもプログラムのみの変更で振動検出そのもの、及び振動の影響排除の両方を簡単に行うことができる。

次に、本実施の形態に係る回転変位計測方法に基づいて、図４に示した構成を有する回転変位計測装置１の動作を、図１０を参照しながらより具体的に説明する。

図１０は、本実施の形態に係る回転変位計測装置１の動作を示すフローチャートである。

図１０に示すように、まず、ステップＳ１において、モータの回転の開始と同時に回転変位計測装置が初期化の後、計測を開始する。具体的には、この場合、シフトレジスタ２０における各レジスタ１〜Ｍに保持された値を初期化する。例えば、各レジスタが２ビットである場合、それぞれに“００”という２ビットデータをセットすればよい。

次に、ステップＳ２において、エンコーダからの新しい出力信号がエッジ検出部１０に入力されて、エッジ検出部１０がそのエッジ検出を行う。新しい立ち上がり又は立ち下がりのエッジを検出すれば、エッジ検出信号を比較部３０に出力してステップＳ３に進み、ステップＳ３〜Ｓ７の動作を行い、所定の時間新しいエッジが検出されなくなれば、回転終了検出信号を制御部４０に出力してステップＳ８に進んでモータの停止を確認してから、回転角度を計算し計測を終了する。

ステップＳ３において、シフトレジスタ２０のレジスタＭは、エッジ検出部１０により検出され出力された新しい立ち上がり又は立ち下がりのエッジの情報を保持する。

ステップＳ４において、比較部３０は、エッジ検出部１０からエッジ検出信号を受信すると、シフトレジスタ２０のレジスタＭに入力された最新のエッジデータを、シフトレジスタ２０のレジスタＭ−１に保持されているエッジデータと比較し、両者が共にＡ相信号のエッジを示すもの、又は共にＢ相信号のエッジを示すものであるか否かを判断し、その結果に応じた判断結果信号ＳＧ１を制御部４０に出力する。

ステップＳ４での判断の結果、同種のエッジ（即ち、共にＡ相信号のエッジ、又は共にＢ相信号のエッジを示して、モータが振動した）であった場合、即ちステップＳ５において、ＳＧ１＝１を受信した制御部４０は、最新のエッジデータと、この時点までまだ残されているエッジデータのうち最も新しく、該最新のエッジデータとペアになるエッジデータをそれぞれシフトレジスタから削除させる。即ち、シフトレジスタ２０のレジスタＭに保持されたエッジデータと、レジスタＭ−１に保持されたエッジデータを破棄させる。そして、シフトレジスタのレジスタ１〜Ｍ−２に保持されたエッジデータをレジスタ２〜Ｍ−１にシフトさせてから、ステップＳ２に戻る。この時、レジスタ１の値を“００”にリセットする。

また、ステップＳ４での判断の結果、異種のエッジ（即ち、一方がＡ相信号のエッジ、他方がＢ相信号のエッジを示して、モータが振動していなかった）であった場合、即ちステップＳ６において、ＳＧ１＝２を受信した制御部４０は、シフトレジスタ２０に保持された値を更新させる。即ち、シフトレジスタ２０のレジスタ１に保持されたデータを回転変位算出部５０に出力させ、またレジスタ２〜Ｍに保持されたデータをレジスタ１〜Ｍ−１にシフトさせる。

次に、ステップＳ７において、回転変位算出部５０が、シフトレジスタ２０から出力された値を基に、任意の異なる２つのエッジデータの間隔が１／４Ｐとして、モータの回転角度を計算し、先に計算した回転角度に加算する。なお、ここでは、シフトレジスタ２０から“００”が入力されても、回転変位算出部５０は、“００”を無視して回転角度の計算に計上しない。これは、ステップＳ４において振動が検出されてレジスタをシフトさせ、レジスタ１に“００”を設定した場合、その後の定常な回転によってレジスタ１の値（“００”）が出力されるので、これを計算に利用しないためである。その後、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ８において、制御部４０は、エッジ検出部１０からの回転終了検出信号を受信すると、モータが停止するのを確認してから、シフトレジスタ２０に残っている値を全部回転変位算出部５０に出力させ、回転変位算出部５０は、それらの出力に基づいて再度モータの回転角度を計算し、それまでに計算されている回転角度に加算して、最終の回転角度とする。

このように、本実施の形態に係る回転変位計測装置及びその計測方法では、エンコーダの位相の異なる２相信号のそれぞれの立ち上がり及び立ち下がりエッジが検出される度に、Ａ相信号のものかＢ相信号のものかを区別し、その時系列を記憶する。ＡＡ又はＢＢのように同種のエッジがペアとなって連続検出されたとき、モータの主軸が振動したと判断して、該連続した２つの同種のエッジを記録した時系列から除去する。この判定と除去を繰り返すことにより、入力記録した時系列における振動の影響を排除して、モータの回転角度を正しく計算することができる。

なお、本実施の形態ではシフトレジスタでエッジデータの時系列を保持する場合を説明したが、シフトレジスタでなくても、マイコンや、メモリ上の所定の領域を利用してエッジデータの時系列を保持してもよい。シフトレジスタの長さに関しては、例えば、ステッピングモータの連続回転の時には、振動が小さいため、比較的小さくてもよいが、高速から停止に移行する回転の時などには、振動が大きいため、より大きく設定することが必要である。従って、振動の大きさに応じて、シフトレジスタの長さを設定すればよい。

なお、エッジデータにおける同種のエッジの判別方法として、本実施の形態では、連続する２つのエッジデータを比較したが、連続する偶数個のエッジデータを一度に比較してもよい。

なお、本実施の形態ではシフトレジスタが１つの値を出力する度に、回転変位算出部が回転角度を算出したが、所定の期間に出力された複数個の値を一度に計算することもできる。また、シフトレジスタに残っている値を全部出力して、回転角度を計算し、振動があった場合に、該算出した回転角度から該振動に対応した角度を減算してもよい。こうすれば、レジスタの長さで回転角度の算出に遅延をもたらす問題を無くすこともできる。
（第２の実施の形態）
以下、本発明の好ましい第２の実施の形態に係る回転変位計測方法、及び回転変位計測装置を、図面参照しながら説明する。

本実施の形態に係る回転変位計測装置は、上述した第１の実施の形態に比較して、シフトレジスタを用いていないことに特徴がある。

図１１は、本実施の形態に係る回転変位計測装置の概略構成を示すブロック図である。

図１１に示した本実施の形態に係る回転変位計測装置２は、エッジ検出部６０と、比較部７０と、制御部８０と、回転変位算出部９０と、フラグ９５とを備えて構成されている。なお、本実施の形態でも、エンコーダの互いに位相の異なる１対の出力信号を用いて回転機械であるステッピングモータの主軸の回転角度を求めるものとする。

エッジ検出部６０が、外部エンコーダから回転変位計測装置２に入力されたＡ相信号とＢ相信号のそれぞれの立ち上がり、立ち下がりエッジを検出し、検出されたエッジがＡ相信号、又はＢ相信号のエッジであるかを示すエッジデータ信号を比較部７０及び制御部８０に出力するものである。ここでは、例えば、比較部７０及び制御部８０に、Ａ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジの場合、“０”という１ビットデータを出力し、Ｂ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジの場合、“１”という１ビットデータを出力すると仮定する。

フラグ９５は、制御部８０から出力されたエッジデータを次回の比較のために記憶するものであり、例えば、１ビットデータを記憶する。

比較部７０は、エッジ検出部６０から出力されたエッジデータを受信すると、フラグ９５に保持されたエッジデータと受信したエッジデータとが同じデータ（共に“０”又は共に“１”）、即ち同種のエッジデータ（共にＡ相信号のエッジデータ又は共にＢ相信号のエッジデータ）であるか否かを判断することにより、モータが振動したか否かを判断し、その結果に応じた判断結果信号ＳＧ２を制御部８０及び回転変位算出部９０に出力するものである。

制御部８０は、上記比較部７０の判断結果信号ＳＧ２に基づき、異種のエッジの場合、即ちモータが振動しなかった場合には、エッジ検出部６０から出力されたエッジデータをそのままフラグ９５に保持させ、同種のエッジの場合、即ちモータが振動した場合には、エッジ検出部６０から出力されたエッジデータを反転してフラグ９５に保持させる。ここで、反転とは、Ａ相信号のエッジをＢ相信号のエッジに、またＢ相信号のエッジをＡ相信号のエッジに変更すること、即ち、“０”を“１”に変更し、“１”を“０”に変更することを意味する。

回転変位算出部９０は、上記比較部７０から出力された判断結果信号ＳＧ２を受信すると、既に算出されたステッピングモータの回転角度に対して減算や加算を行って、この時点までの総回転角度を算出するものである。

次に、まず、本発明の実施の形態に係るステッピングモータの振動検出、及び振動影響の除去動作の概要について、図１２（ａ）に示した振動を例に、説明する。図１２は図８と同じ状態を示す図であり、縦軸、横軸の意味も同じである。

なお、本発明の実施の形態に係るステッピングモータの振動検出は、上述の第１の実施の形態と同様に、同種のエッジが連続検出されたかどうかを判断することにより振動を検出する。

図１２の（ａ）においては、注目スリットが振動原点を３／４Ｐ−α未満、２／４Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋α未満、−αより大きく戻りすぎてから、振動原点に戻り、回転を継続する場合を示している。この場合、エンコーダから出力される２相信号Ａ、Ｂの立ち上がり、立ち下がりエッジの順序は、Ａ_１Ｂ_２Ａ_３Ｂ_４Ｂ_５Ａ_６Ｂ_７Ｂ_８Ａ_９Ｂ_１０となる（図１２（ｂ）参照）。Ａ_１Ｂ_２Ａ_３Ｂ_４まではＡＢエッジが交互に検出されたので、モータが振動していないと判断される。このように判断される度に、検出されたエッジに対応するエッジデータをそのまま記憶し、回転角度の加算を行う。その後、記憶されたＢ_４に対して、Ｂ_５エッジが出力され、即ち連続的にＢ_４Ｂ_５エッジが出力されているため、モータの振動が検出される。回転角度の計測に該検出した振動の影響を取り除くには、まず、既に算出された回転角度に対して、該振動に対応する回転角度の減算を行う。そして、Ｂ_５エッジをＡ_３エッジに反転して対応するデータ“０”を記憶する。次に、記憶されたＡ_３に対して、続いてＡ_６が検出されるため、また同種のエッジＡ_３Ａ_６が連続的に出力されることとなり、これも、またモータが振動していることを意味する。その影響を取り除くために、引き続き、既に算出された回転角度に対して、該振動に対応する回転角度の減算を行う。そして、Ａ_６エッジをＢ_２エッジに反転して対応するデータ“１”を記憶する。続いて、記憶されたＢ_２に対して、Ｂ_７が検出されるため、同種のエッジＢ_２Ｂ_７がまた連続的に出力されていることとなり、これも、再度モータが振動していることを意味するので、引き続き既に算出された回転角度に対して、該振動に対応する回転角度の減算を行う。そして、Ｂ_７エッジをＡ_１エッジに反転して対応するデータ“０”を記憶する。次に、記憶されたＡ_１に対して、Ｂ_８、そしてＡ_９が検出されるため、Ａ相、Ｂ相出力信号の立ち上がり、立ち下がりエッジが再度交互に出力されることになる。図１２の（ｃ）は、同種の２つのエッジを検出し、そして直近に検出されたエッジを反転することを繰り返す様子、及び１回目まで、２回目まで、３回目までそれぞれにおいて減算された回転角度を示している。図１２の（ｄ）は、図１２の（ａ）に示した振動の影響をすべて排除した後の波形図を示しており、図８の（ｃ）と同じになっているので、本実施の形態によっても、上述の第１の実施の形態と同様に精確な回転角度を計算することができることが分かる。

このように、本実施の形態に係る回転変位計測方法でも、モータが振動するときには、エンコーダから同種信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジ、即ち、同種のエッジが連続的に出力される特徴を利用して、モータの振動を検出するため、振動検出そのものが簡単である。さらに、本実施の形態では、シフトレジスタを用いていないため、新しいエッジを検出した後、すぐに正確な回転角度の計算を簡単に行うことができる。

次に、本実施の形態に係る回転変位計測方法に基づいて、図１１に示した構成を有する回転変位計測装置２の動作を、図１３を参照しながらより具体的に説明する。

図１３は、本実施の形態に係る回転変位計測装置２の動作を示すフローチャートである。

図１３に示すように、まず、ステップＳ２１において、モータの回転の開始と同時に回転変位計測装置が初期化の後、計測を開始する。具体的には、この場合、例えば、回転角度をゼロに初期化する。

次に、ステップＳ２２において、エンコーダからの新しい出力信号がエッジ検出部６０に入力されて、エッジ検出部６０がそのエッジ検出を行う。新しい立ち上がり又は立ち下がりのエッジを検出すれば、検出したエッジの情報を比較部７０及び制御部８０に出力してステップＳ２３〜Ｓ２７の動作を行う。

ステップＳ２３において、比較部７０は、エッジ検出部６０からのエッジデータを受信すると、この最新のエッジデータを、フラグ９５に保持されているエッジデータと比較し、両者が共にＡ相信号のエッジを示すもの、又は共にＢ相信号のエッジを示すものであるか否かを判断し、その結果に応じた判断結果信号ＳＧ２を制御部８０及び回転変位算出部９０に出力する。

ステップＳ２３での判断の結果、異種のエッジ（即ち、一方がＡ相信号のエッジ、他方がＢ相信号のエッジを示して、モータが振動していなかった）であった場合、即ち比較部７０がＳＧ２＝２を出力した場合、ステップＳ２４において、ＳＧ２＝２を受信した回転変位算出部９０は、任意の異なる２つのエッジデータの間隔が１／４Ｐとして、モータの回転角度を計算し、先に計算した回転角度に加算する。そして、ステップＳ２５において、ＳＧ２＝２を受信した制御部８０は、新しく検出されたエッジデータをそのままフラグ９５に記憶させる。その後、ステップＳ２２に戻る。

また、ステップＳ２３での判断の結果、同種のエッジ（即ち、共にＡ相信号のエッジ、又は共にＢ相信号のエッジを示して、モータが振動した）であった場合、即ち比較部７０がＳＧ２＝１を出力した場合、ステップＳ２６において、ＳＧ２＝１を受信した回転変位算出部９０は、２つの同種のエッジデータの間隔が１／４Ｐとして、モータの振動に対応する回転角度を計算し、先に計算した回転角度から減算する。そして、ステップＳ２７において、ＳＧ２＝１を受信した制御部８０は、新しく検出されたエッジデータを反転させ、即ち、新しく検出されたエッジデータがＡ相信号のエッジを表す“０”の場合、Ｂ相信号のエッジを表す“１”をフラグ９５に記憶させ、新しく検出されたエッジデータがＢ相信号のエッジを表す“１”の場合、Ａ相信号のエッジを表す“０”をフラグ９５に記憶させる。その後、ステップＳ２２に戻る。

このように、本実施の形態に係る回転変位計測装置及びその計測方法では、エンコーダの位相の異なる２相信号のそれぞれの立ち上がり及び立ち下がりエッジが検出される度に、Ａ相信号のものかＢ相信号のものかを判別する。ＡＢ又はＢＡのように異種のエッジがペアとなって連続検出されたとき、モータの主軸が振動していないと判断して、モータの回転角度を加算する。ＡＡ又はＢＢのように同種のエッジがペアとなって連続検出されたとき、モータの主軸が振動したと判断して、該連続した２つの同種のエッジに対応するモータ振動時の回転角度を既に算出した回転角度から減算する。この判定、加算、及び減算を繰り返すことにより、入力された信号時系列における振動の影響を排除して、モータの回転角度を迅速に、簡単に且つ正しく計算することができる。

なお、上記のフラグは１ビットに限定されず、２ビット以上であってもよい。

なお、上記第１、第２実施の形態では振動の影響を除去し、回転角度を計算する場合を説明したが、もちろん、回転速度、回転位置などの計算にも適用可能である。

さらに、上記第１、第２実施の形態では、回転機械にステッピングモータを、回転の検出にエンコーダの２相信号を用いた場合を説明したが、これに限定されるものではなく、本発明が、上記具体的に開示した実施の形態以外に、本発明の精神に基づく他の代替の実施形態、ならびに本発明の明らかな変形および均等なものまで及ぶことは言うまでもない。

エンコーダの概略構成を示す図である。 エンコーダから出力される典型的な２相信号を示す図であり、（ａ）１／４Ｔの位相が異なる２相信号を示す図であり、（ｂ）は２相信号の立ち上がり、立ち下がりのエッジパルスが規則的に交互に出力されている状態を示す図である。 ステッピングモータが振動した時のエンコーダの出力波形の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転変位計測装置の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、振動原点を１／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後振動原点に戻り、回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 （ａ）は、振動原点を１／４Ｐ−αより大きく、２／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後振動原点に戻り回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 （ａ）は、振動原点を１／４Ｐ−α未満通過してしまい、その後−αより大きく、−１／４Ｐ＋α未満まで戻りすぎてから、振動原点に戻り回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 （ａ）は、振動原点を３／４Ｐ−α未満、２／４Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋α未満、−αより大きく戻りすぎてから、振動原点に戻って回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 （ａ）は、振動原点を５／４Ｐ−α未満、1Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋αより大きく、−２／４Ｐ＋α未満戻りすぎてから、振動原点に戻り回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転変位計測装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る回転変位計測装置の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、振動原点を３／４Ｐ−α未満、２／４Ｐ−αより大きく通過してしまい、その後−１／４Ｐ＋α未満、−αより大きく戻りすぎてから、振動原点に戻り、回転を継続する場合の振動を示す図であり、（ｂ）は、エンコーダからの該振動に対応した出力信号波形図であり、（ｃ）は、同種の２つのエッジを検出し、そして直近検出されたエッジを反転することを繰り返す様子、及び１回目まで、２回目まで、３回目までそれぞれにおいて減算された回転角度を示す図であり、（ｄ）は、振動の影響を除去した後の出力信号波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転変位計測装置の動作を示すフローチャートである。 振動原点が立ち上がり、立ち下がりエッジタイミングに対応する注目スリットの位置からαだけずれることを説明する図である。

符号の説明

１、２ 回転変位計測装置
１０、６０ エッジ検出部
２０ シフトレジスタ
３０、７０ 比較部
４０、８０ 制御部
５０、９０ 回転変位算出部
９５ フラグ
１００ エンコーダ
１０１ 回転軸
１０２ 回転スリット円盤
１０３ 固定スリット板
１０４ 発光素子
１０５ 受光素子

Claims (4)

1. 回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信するステップと、
   受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出するステップと、
   検出された前記第１エッジ及び前記第２エッジを時系列データとして記録するステップと、
   前記時系列データの中に同種のエッジに対応するデータが連続するか否かを判断するステップと、
   前記判断の結果、同種のエッジに対応するデータが連続する場合、前記時系列データから連続する前記データを除去するステップと、
   連続する同種データを除去した前記時系列データをもとに、前記回転機械の回転変位を算出するステップとを含むことを特徴とする回転変位計測方法。
2. 回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信するステップと、
   受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出するステップと、
   直近に検出されたエッジと該エッジの１つ前に検出されたエッジとが同種のエッジであるか否かを判断する判断ステップと、
   前記判断の結果、同種のエッジであると判断された場合、前記直近に検出されたエッジを反転させるステップと、
   前記判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記回転機械の回転変位を減算し、同種のエッジでない場合には、前記回転変位を加算するステップとを含むことを特徴とする回転変位計測方法。
3. 回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信し、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出する検出部と、
   検出された前記第１エッジ及び前記第２エッジを時系列データとして記録する記録部と、
   前記時系列データの中に同種のエッジに対応するデータが連続するか否かを判断する比較部と、
   前記判断の結果、同種のエッジに対応するデータが連続する場合、前記時系列データから連続する前記データを除去する制御部と、
   連続する同種データを除去した前記時系列データをもとに、前記回転機械の回転変位を算出する回転変位算出部と、を備えることを特徴とする回転変位計測装置。
4. 回転機械の回転角度に応じた、第１パルス信号及び第２パルス信号を受信し、受信した前記第１パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第１エッジとして検出し、前記第２パルス信号の立ち上がり及び立ち下りを第２エッジとして検出する検出部と、
   直近に検出されたエッジと該エッジの１つ前に検出されたエッジとが同種のエッジであるか否かを判断する比較部と、
   前記比較部の判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記回転機械の回転変位を減算し、同種のエッジでない場合には、前記回転変位を加算する回転変位算出部と、
   前記比較部の判断の結果に従って、同種のエッジである場合には、前記直近に検出されたエッジを反転して記憶させ、同種のエッジでない場合には、前記直近に検出されたエッジをそのまま記憶させる制御部と、を備えることを特徴とする回転変位計測装置。

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