JP2929307B2 - 角度測定方法及び速度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、回転体の回転部分の形状や図柄の変化か
ら角度を測定する方法及びこの角度測定方法により求め
た角度情報を用いた速度計測装置に関する。

【従来の技術】

従来、被測定移動体、例えば回転移動体の回転速度
（角速度）を計測する場合、センサとしてシャフトエン
コーダを用い、このシャフトエンコーダから、回転移動
体の回転に従って得られる電気的パルスを得、各電気的
パルス間の周期を測ることによって回転運動の角速度を
測定するようにしている。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、前記従来の速度計測装置では、被測定体の回
転速度を精密に測定しようとするとき、シャフトエンコ
ーダは、パルス間ピッチが正確に等間隔になるように作
る必要があり、このピッチ精度を越える測定は不可能で
あった。 また、従来は上述のように正確なパルス間ピッチが要
求されたため、シャフトエンコーダのような機械的連結
を必要とするセンサを用いる必要があった。 この発明は、以上のような欠点を除去して正確な速度
計測を可能にする速度計測装置及びこの速度計測装置で
の速度計測の基礎ともなる角度測定方法を提供しようと
するものである。

【課題を解決するための手段】

この発明による角度測定方法は、 回転体の回転部分の形状や図柄の前記回転体の回転方
向の変化を、その変化点間の通過時間幅として検出する
センサを設け、 前記回転体の回転に伴って前記センサによって検出さ
れる前記変化点間の通過時間幅のそれぞれ、あるいは前
記各通過時間幅として検出される前記変化点間のそれぞ
れからその次の変化点間に至る時間に相当する各通過時
間周期のそれぞれを、前記回転体の回転基準位置を基準
にして識別するようにすると共に、 前記回転体に較正用回転を与えて、前記回転体の回転
基準位置を基準にして識別される前記各通過時間幅ある
いは前記各通過時間周期を求め、 前記回転体に較正用回転を与えて求めた前記各通過時
間幅あるいは前記各通過時間周期と、前記回転体の一回
転の時間との比から、前記各通過時間幅あるいは前記各
通過時間周期に対応する角度を較正計測する。 そして、較正用回転を複数回与えて得られた複数の前
記角度に関連するデータに平均化演算を施すようにす
る。 また、前記センサの、前記回転体の回転方向の位置を
移動させ、各センサ位置に対して前記角度の較正計測を
繰り返し、得られたデータを前記平均化演算に算入する
ようにする。 また、この発明による速度計測装置は、前記のように
して求められた前記各通過時間幅あるいは前記各通過時
間周期に対応する角度に関連するデータを、前記回転体
の回転基準点位置を基準にしたアドレスにしたがって記
憶する記憶手段を備え、 被測定移動体により前記回転体に回転を加えたとき
の、前記各通過時間幅あるいは通過時間周期を求め、 求めた前記各通過時間幅あるいは通過時間周期に関す
るデータと、前記記憶手段から読み出された対応する角
度に関するデータとの比から前記被測定移動体の速度を
計測するようにした事を特徴とする。

【作用】

被測定体の回転或いは運動を観測する目的で設けら
れ、被測定体の回転と共に運動するように回転体に配備
されたマーク或いは回転体固有の形状または図柄でセン
サによって回転を識別し得る部分（以下単にマークと称
する）に対して、仮に固有の名称を付す。この固有の名
称は、回転体の１回転についての回転基準点位置を定め
ておき、この回転基準点位置を基準にして容易に付与す
ることができる。 この発明による角度測定方法では、それぞれのマーク
間に付与した固有名称と一意に対応させて記憶せしめる
マーク間（特許請求の範囲の記載における通過時間周期
に対応）或いはマークそのものの幅（特許請求の範囲の
記載における通過時間幅に対応）の通過時間情報と、回
転体が一周したときの全周角分の時間情報との比が演算
されて、マーク間或いはマークそのものの幅に相当する
角度が求められる。現今の情報処理技術から考えると、
この角度情報は安定と考えられる一定速度の回転を与え
てそのマーク等の通過時間に対応して得られるパルス数
として与えられるものと考えてよい。 そして、較正用回転を複数回与えて得られた複数の前
記角度に関するデータに平均値演算を施すことにより、
各試行の際の種々の原因から生じる誤差の影響を平均化
することができる。また、較正用回転を複数回与える際
に、センサ部分を移動させ、センサ位置をそれぞれ異な
らせて試行を行うことにより、較正用回転に僅かに存在
する回転むらの影響を平均化することができる。 そして、回転体に被測定体の回転を与えたときの前記
各通過時間幅あるいは前記各通過時間周期で、前記較正
計測された対応する角度情報を徐算することにより、速
度計測が行われる。

【実施例】

以下、この発明の一実施例を図を参照しながら説明す
る。 この発明においては、従来は回転体の固有の形状や図
柄を検出対象とすることができるので、マークの形成ピ
ッチを等間隔にする必要はない。しかし、以下の実施例
では、説明の理解を容易にするため、従来から一般的に
用いられているシャフトエンコーダを用いた場合に着い
て説明する。したがって、ここでは回転体の固有の形状
や図柄というような検出対象は、パルスマークとして取
扱い、説明することとする。 第１図は、シャフトエンコーダを模型化して表現した
もので、第２図は、その出力信号を示している。また、
第３図は、回転体としてのパルスディスク10の一部を示
している。 一般にシャフトエンコーダでは、シャフト12が回転す
るとシャフトに固定された回転体としてのパルスディス
ク10が回転して、このパルスディスクに配備されたマー
ク、この例では例えば透孔等の光透過部からなるマーク
2,3,4…等が、光源及び受光部を備える光センサ５によ
り検出されて、出力端子6A,6Bには、２相関係にある方
形波PA,PBが、また、出力端子6Zには、回転基準位置マ
ーク11に対応して、１回転ごとに発せられる１回転信号
PZが得られる。 この場合、マーク２、３、４…の幅は、パルスディス
ク10の回転に伴い、パルスディスク10の遮光部から光透
過部（マーク部分）への変化点から、光透過部（マーク
部分）から遮光部への変化点までの区間を光センサ５が
検出することにより、検出される。このマーク２、３、
４…の幅は、例えば第２図のパルスPAでは、その立上が
りから立ち下がりまでの区間として反映され、この区間
の時間幅が、光センサ５で検出するマーク２、３、４…
の通過時間幅に相当するものとなる。 また、第３図に示すように、例えばマーク２からマー
ク３までの区間２′、マーク３からマーク４での区間
３′、…は、例えば第２図のパルスPAでは、一つの立上
がりから、次の立ち上がりまでの区間として反映され、
この区間の時間幅が、マーク間の通過時間周期に相当す
るものとなる。 この場合において、パルスディスク10の実態を第３図
により詳述すると、パルスを意味するマーク2,3及び４
は等間隔に配備されるべきものであるにも拘らず、実際
には２′,3′のように必ず僅かの誤差を含んでいる。 前述したように、近年の技術では、パルスの周期から
回転速度や回転むらを計測するのが常識とされているの
で、パルスディスク10上のパルスマークの配備状態の精
度はそのまま計測精度を左右してしまうことになる。 第１図及び第３図でマーク11はパルスディスク10が丁
度１回転したときに１回転信号PZを与えるためのマーク
である。ここで、一般のシャフトエンコーダではマーク
11は、単に１回転信号を与えるにすぎないのであるが、
この発明においては、このパルスマーク11を１回転基準
として用い、このパルスマーク11位置をパルスディスク
10上の各パルスマークに固有名称を与えるときの位置的
な基準とする。 すなわち、各パルスマーク2,3,4…には、パルスディ
スク10を回転させたときに、パルスマーク11を過ぎた直
後のものには例えば太郎兵衛、次には次郎兵衛、その次
には三郎兵衛というように固有名称を付与するもので、
１回転100パルスのシャフトエンコーダであれば、最後
のパルスマークは百郎兵衛となる。このような固有名称
は、1,2,3,…というような番号や、その他の呼び名でも
良いことは勿論である。 このように固有名称を与えると、パルスマーク間の空
間距離或いは後述する角度の値は、それぞれ各パルスマ
ークに帰属させ、１パルスごとにパルス間のピッチを正
確に対応させることができるため、パルスマークの配備
の精度は問題にならなくなる。すなわち、各固有のパル
スについてのパルス間隔がそれぞれ対応しているので、
たとえ不揃いのパルスマーク列であってもそれなりに情
報を有しており、適宜な情報処理を施せば精度の良いシ
ャフトエンコーダとして使用できる。 そして、このように固有名称を付与した各パルスマー
ク間の周期及び各パルスマーク自身の時間幅を、シャフ
トエンコーダのシャフトにほぼ一定速度と考えられる標
準的回転を与えた状態で計測する。これら周期や時間幅
は、例えばこれら周期や時間幅よりも十分に高い周波数
のクロックパルスをその周期や時間幅内において計数す
ることにより計測する。 次に、各パルスマークの周期をパルスディスク10の１
回転分だけ合計し、１回転周期の時間情報を得る。ある
いはパルスマーク11の周期を計測して１回転周期の時間
情報を得る。 次に、この１回転分の時間情報に対する各固有のパル
スマークの周期情報及び各パルスマーク自身の時間幅情
報の比を求め、この比から、各固有のパルスマークの周
期やパルスマーク自身の幅に相当する角度を求める。す
なわち、１回転は360゜であるから、 として求めることができる。 パルスマーク自体の幅も詳密にみれば決して均一なも
のではないが、以上のような原理に基づけば均一である
必要がなくなり、パルスマーク自体の幅も情報として利
用が可能になる。 この発明の大きな特徴は、１回転360゜に対して、各
パルスマークの幅、或いは周期がどんな比になっている
かということである。したがって、センサ５からの検出
波形（一般に正弦波状）を方形波に整形するときのスレ
ッショールド値にばらつきがあって、方形波の幅が変化
しても、１回転中の合計との比として角度を求めるの
で、このスレッショールド値の影響を緩和することがで
きる。 なお、スレッショールド値が変わらない場合でも、セ
ンサ５の検出感度が変われば同様の状態になるが、同様
の理由により、このセンサの検出感度の影響も緩和する
ことができる。 すなわち、センサ５の検出出力波形が第４図の波形12
のようなものであるときに、スレッショールド値が値13
のときには方形波15が得られ、値14のときには方形波16
が得られるが、１回転を考えて、各周期、或いはパルス
幅17や18の情報の合計は、方形波15でも方形波16でも同
じである。 前述したように、パルスマークの幅或いは周期に相当
する角度の情報を正確に較正するため、この例ではシャ
フトエンコーダのシャフトにほぼ一定速度と考えられる
標準的回転を与えて、そのパルスマークの通過時間を十
分に高い周波数のパルスで計数することにより行った。 しかし、この較正用の標準的回転も完全に正確とは言
い切ることはできない。このため、この発明において
は、各パルスマーク間の較正角度データを取る際に、第
１図におけるシャフトエンコーダの筐体１を回動させ
て、センサ５の標準的回転の１回転に対する角度位置を
変え、幾つかの角度位置で固定して得られた角度データ
を、平均化演算を行って各パルスマークに帰属させた角
度データとしてレジスタに登録する。 このときの意味は、シャフトエンコーダの筐体１に
は、センサ５が固定されていることから、センサ５を回
転の軸を中心に回すことによって標準的回転の中に特異
的に含まれている回転むらがあったとしても、シャフト
エンコーダの筐体１を少し回した位置でパルスマークの
周期や幅のデータを採り、さらに、少し回して試行を繰
り返して得られた複数の角度データを平均化することに
より、標準的回転に僅かながら含まれている回転むらす
らも平均化して、パルスマーク間の周期や幅のデータ
を、より正確に較正できることである。 以上説明した角度測定方法を、第５図の表を参照して
さらに説明する。 すなわち、第５図は空間角度情報表である。この表
の、横方向には、各パルスマークの固有名称と、それに
帰属するパルス間周期及び各パルスマーク自身の幅、さ
らにこれらに相当する角度をとり、縦方向にはセンサ５
を前述のように回動移動させる移動角度をとっている。 したがって、横方向及び縦方向の交わる欄には、セン
サ５の各角度位置における各パルスマーク間周期及び幅
及びこれらに相当する角度データが記載されている。そ
して、最右欄には各センサ位置での１回転360゜に対す
る周期データの合計値が記載されている。ここで、各交
わる欄に記載する角度データはセンサ５を同じ角度位置
において複数回試行した結果の平均値を記載するように
してもよいことは勿論である。 最下欄には、各パルスマーク間周期及び幅に相当する
角度情報の平均値が記載される。 なお、ここで「記載する」と述べているのは、第５図
の表を使用して説明するためであって、実際的には各デ
ータをレジスタに一時的に記憶するものと考えてよい。 以上のようにして、各パルスマークに対応してその幅
やパルスマーク間の周期に対応する角度が精密に与えら
れることになる。 そして、第５図の表の最下欄の情報は、この発明の角
度測定方法で目的とする角度情報である。 この角度情報は回転速度を精密に計測しようとするシ
ステム等に使用され、不揮発性メモリ等の記憶手段に記
憶することによって、即座に精密な速度センサを実現で
きる。 第６図は、上述した角度測定方法の実施例に関する演
算処理のブロック図である。 この第６図の例では、パルスマークの幅を計測する部
分は省略してあり、単にパルスマーク間の周期を計測す
るようにしているので、周期のみを計測する場合の説明
である。これは、現在の技術からパルスマークの幅を、
この発明による方法に準じて計測することは極めて容易
であるから、説明の簡単のため、周期を計測する方法に
ついてのみ説明したものである。 前述したように、シャフトエンコーダの出力は、一般
的に２相の方形波信号PA,PBと１回転を示す信号PZから
なっているが、方形波信号のどちらか１相の信号37を端
子27に印加し、また、１回転信号PZを端子28に印加す
る。 端子27からの方形波信号37は、固有名称アドレスカン
ウンタ26にクロックとして供給され、例えば信号37の立
ち上がりで、この固有名称アドレスカウンタ26のカウン
ト値がカウントアップする。この固有名称アドレスカウ
ンタ26は、また、１回転信号PZによりリセットされる。
したがって、この固有名称アドレスカウンタ26のカウン
ト値は、マーク11の直後のパルスマークに対して
「１」、次のパルスマークに対して「２」、…というよ
うに、各パルスマークに対して順次固有名称を与える如
く、レジスタ29及び不揮発性メモリ33のアドレスを与え
る。 端子27からの方形波信号37は、フリップフロップ回路
23に導かれ、このフリップフロップ回路23は方形波信号
37の立ち上がりにより反転動作をする。このフリップフ
ロップ回路23の出力は周期データカウンタ25及び25′
に、そのリセット信号として供給される。この周期デー
タカウンタ25,25′には、クロック装置24からの十分高
い周波数のクロックが供給される。このクロック装置24
は、パルスマークの幅や周期（空間角度情報或いは空間
距離情報）をできるだけ精密に計るために設けられたも
ので、測定の分解能を高める目的で十分に高い周波数を
安定に発振できるものである。 周期データカウンタ25,25′は、高い周波数のクロッ
クを、端子27から供給される方形波の周期を隙間無く計
測するために同じ構造のものが２個設けられたに過ぎ
ず、周期データはフリップフロップ回路23の出力でゲー
ト30を介することによって、元のように一つになり、パ
ルスマークの固有名称を付与するためにアドレスカウン
タ26の動作と共同して区切りあるパルスマーク間の周期
情報としてレジスタ29の各アドレスに蓄えられる。 レジスタ29の各アドレスの各パルスマーク間の周期情
報は、演算回路32に順次供給される。 端子28からの１回転信号PZは、また、カウンタ31のリ
セット信号としても用いられ、このカウンタ31はクロッ
ク装置24からのクロックを１回転分だけ計数する。この
計数値は、演算回路32に供給され、比例配分演算によっ
て各パルスマーク間の角度値を求めるときの分母として
用いられる。すなわち、演算回路32では、 なる演算が行われ、パルスマーク間の周期に相当する角
度が求められる。 また、センサ５の位置を同じ位置のままにして同様の
処理を行い、求められた複数の角度データを平均化する
演算も、この演算回路32で行われる。さらに、同様に、
センサ５の位置を移動させて、各位置で角度測定を行
い、得られた複数の角度データを平均化する演算も、こ
の演算回路32で行われる。 こうして求められた角度情報の較正された値、すなわ
ち、第７図に示すようにパルスマーク太郎兵衛38、二郎
兵衛39といった各パルスマークに即して対応した角度情
報40や41は、固有名称アドレスカウンタ26からのアドレ
スにしたがって、不揮発性メモリ33に登録される。この
不揮発性メモリ33は、登録された角度情報を瞬時的に出
力できるものが用いられ、端子35からはパルスが、ま
た、端子34からはそのパルスに対応した角度情報が出力
され、精度の良いセンサとしてのシャフトエンコーダ実
現できる。 第８図は、速度計測装置の場合のブロック図で、第６
図と同一部分には同一符号を付してある。ここで、第６
図の角度の較正測定のためのブロック図と第８図の速度
測定装置のブロックを別個にしたのは、説明を容易にす
るためで、本来的には、これらはマイクロプロセッサを
用いた回路構成により一体的に構成できることは言うま
でもない。 そして、この例の場合には、レジスタ29に蓄えられた
各固有名称のパルスマーク間の周期のデータと、不揮発
性メモリ33からのこれに対応するパルスマーク間の周期
に相当する角度情報とが、速度演算回路50に供給され、
この速度演算回路50では、 なる演算が行われて、角速度が求められ、その角速度情
報が端子51に導出される。 次いで、シャフトエンコーダを使った第２の実施例に
ついて説明する。 前述の実施例においては、較正用の標準的な回転は少
なくとも理想的に一定速度で回転していなければならな
いものであったが、一般にそういった較正手段は準備に
手数がかかるため、第２の実施例では較正しようとする
シャフトエンコーダに対して単にフライホイールのみを
装着し、手の力等でフライホイールに回転を与え、手を
放すとフライホールは徐々に減速するので、減速度が一
定であれば、演算によって較正の目的を達成することが
できる。 第９図は、シャフトエンコーダにフライホイールを装
着した様子を示したものであり、フライホイール60に一
時的に回転力を与えると、フライホイール及びシャフト
の回転速度は初期速度から徐々に低下し、第10図に示す
ように速度の低下と共にパルスマークの幅や周期が長く
なって行く。第10図で、61はパルスマーク11によって与
えられる１回転信号の波形である。 第10図は、縦軸に速度、横軸に時間の経過をとったも
ので、波形61の周期に着目すれば、周期は１回転ごとに
僅かながら長くなっているので、前回との比を計算すれ
ば、回転速度が徐々に低下する率、すなわち、減速率を
算出することが可能であり、その率を用いて各パルスマ
ーク2,3,…に対応したパルスの幅や周期を較正すれば、
ほぼ正しいパルスマークの幅や周期を求めることが可能
になる。 なお、この方法によれば、フライホイールの回転の減
速率が一定であることが望ましく、回転の途中で何かに
引っ掛かって急に速度が低下するように状態であっては
望ましくないことは当然である。 以上２つの実施例では、シャフトエンコーダを用いて
説明したが、必ずしかもシャフトエンコーダにこだわる
ことはなく、センサ５は被測定体である回転体とまった
く非接触に距離を離して設けられたものでもよく、パル
スマークも電気的な処理に持ち込むことができるもので
あれば、何であっても制限するものではない。 例えば、被測定体である回転体の表面に図柄（回転体
の表面に回路部品が配設されている場合でも良い）が施
されているときに、この回転体の表面に例えばレーザ光
を照射し、その反射光を受光し、その受光出力を所定の
スレッショールド値を用いて方形波信号に変換して、図
柄検出パルスを得、その図柄検出パルスの周期やパルス
幅を測定し、それに相当する角度を較正計測し、さらに
は角速度を計測する場合にも適用することができるもの
である。

【発明の効果】

以上説明したこの発明によれば、以下のような効果が
ある。 （１）回転速度を検出するためのマークの位置関係が不
一致であっても正確な速度測定が可能になる。 （２）回転速度ムラを詳密に知りたい部分にはマークを
密度高く配備し、そうでない部分にはマークを配備する
必要すらない。 （３）センサの観測位置を移動させることにより、標準
回転の有する特異的回転ムラの影響をさけることができ
る。 （４）センサの取り付け位置に精度が要求されない。 （５）マークの配備間隔になんらの精度も要求されない
ため、従来のようなシャフトエンコーダのようなセンサ
を用いる必要が無いことから被測定回転体とセンサを機
械的に連結する必要がなくなるので、無接触の光学的な
検出が可能になり、測定のための機械的負荷が全く無い
理想的な計測が可能になる。 （６）また、本発明の方法によれば従来のシャフトエン
コーダを用いた場合にあってもエンコーダ自身のピッチ
誤差を較正して使用することができる。 （７）この第３の特長によって、比例配分の考え法を採
用することにより、センサ５の位置を移動させる際に必
ずしも一回転中のパルス数は等しくならなければならな
いと言うことはなく、センサのスレッショルドレベルの
影響は無視してよいので回転体の中心と同心性を保つ必
要がなくなる。 （８）パルスマーク間の角度を較正するとき必ずしも較
正用回転として安定な一定速度の回転を与えずとも較正
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による角度測定方法を適用するシャ
フトエンコーダの一実施例を示す図、第２図はシャフト
エンコーダの出力信号を示す図、第３図はシャフトエン
コーダのパルスディスクの一部拡大図、第４図はこの発
明の作用を説明するための図、第５図はこの発明による
方法を説明するための表を示す図、第６図はこの発明に
よる方法を実行する装置の一例のブロック図、第７図は
第６図例の説明に供する図、第８図はこの発明による速
度計測装置の一実施例のブロック図、第９図及び第10図
はこの発明による角度測定方法の他の例を説明するため
の図である。 1;シャフトエンコーダの筐体 2,3,4…；パルスマーク 5;センサ 10;パルスディスク 11;1回転パルスマーク 12;シャフト 24;クロック装置 25,25′；周期データカウンタ 26;固有名称アドレスカウンタ 29;レジスタ 32;演算回路 33;不揮発性メモリ 50;速度演算回路

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の回転部分の形状や図柄の前記回転
   体の回転方向の変化を、その変化点間の通過時間幅とし
   て検出するセンサを設け、 前記回転体の回転に伴って前記センサによって検出され
   る前記変化点間の通過時間幅のそれぞれ、あるいは前記
   各通過時間幅として検出される前記変化点間のそれぞれ
   からその次の変化点間に至る時間に相当する各通過時間
   周期のそれぞれを、前記回転体の回転基準位置を基準に
   して識別するようにすると共に、 前記回転体に較正用回転を与えて、前記回転体の回転基
   準位置を基準にして識別される前記各通過時間幅あるい
   は前記各通過時間周期を求め、 前記回転体に較正用回転を与えて求めた前記各通過時間
   幅あるいは前記各通過時間周期と、前記回転体の一回転
   の時間との比から、前記各通過時間幅あるいは前記各通
   過時間周期に対応する角度を較正計測するようにした角
   度測定方法。
2. 【請求項２】前記較正用回転を複数回与えて得られた複
   数の前記角度に関連するデータに平均化演算を施すよう
   にした請求項（１）に記載の角度測定方法。
3. 【請求項３】前記センサの、前記回転体の回転方向の位
   置を移動させ、各センサ位置に対して前記角度の較正計
   測を繰り返し、その結果得られたデータを平均化演算に
   算入するようにした請求項（１）または請求項（２）に
   記載の角度測定方法。
4. 【請求項４】前記回転体の加速度を検出して、前記較正
   用回転が一定速度でないときの角度補正演算を施すよう
   にした請求項（１）に記載の角度測定方法。
5. 【請求項５】請求項（１）、請求項（２）、請求項
   （３）または請求項（４）に記載の角度測定方法により
   求めた前記各通過時間幅あるいは前記各通過時間周期に
   対応する角度に関するデータを、前記回転体の回転基準
   位置を基準にしたアドレスにしたがって記憶する記憶手
   段を備え、 被測定移動体により前記回転体に回転を加えたときの、
   前記各通過時間幅あるいは前記各通過時間周期を求め、 求めた前記各通過時間幅あるいは前記各通過時間周期に
   関するデータと、前記記憶手段から読み出された対応す
   る角度に関するデータとから前記被測定移動体の速度を
   計測するようにした速度計測装置。