JP4433240B2 - ロータリエンコーダおよびその偏心補正方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータリエンコーダの偏心補正に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータリエンコーダに用いられる回転ディスクは回転中心のズレによる偏心誤差成分をもつ。 従来この偏心誤差成分を除去する方法として、例えば、特開平１０−２２７６５８がある。従来のエンコーダシステムの図を図８に示す。
図８において、コードホイール１２０は第１、第２のトラックを有するディスクの形態をとり、各トラックは一連の増分マークを備えている。第１のセンサ１３０が第１のトラック１２４に付けられたマーク１２５を識別する。第２のセンサ１４０は第２のトラック１２２に付けられたマーク１２３を識別し、通常第２のトラックのマークの分解能は第１のトラックの分解能より高くしてある。カウンタ１５６はコードホイールの所定の角移動の間に第２のセンサにより識別されるマークの数を定量化し、この角移動は通常第１のセンサが隣接したマークを識別する間の動きに対応させている。プロセッサ１６０は、定量化されたマークの数を、マークの所定量（偏心誤差のないコードホイールを仮定して）と比較することにより精度を決定し、これに基づいて角度を調整することにより偏心による誤差を補正していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の偏心補正では、ディスクの偏心を最初のセットアップ時に求め、これに基づいて角度位置を調節しているため、最初に求めた偏心誤差と以後の回転における偏心量がが異なる場合、角度位置の調整誤差が発生した。回転ディスクを回転体に取り付ける場合のベアリングの隙間による偏心は、このような問題を引き起こす原因となる。また、偏心が複雑な形をしている場合、その補正も複雑になるという問題があった。
本発明はディスクの偏心が回転毎に変化しても正しく偏心量を補正でき、偏心の形状にかかわらず簡単な方法で補正処理できるロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は回転ディスクの回転角度を検出するためのメインスリットパターンと前記回転ディスクの偏心を検出するための複数本の同心円状の補助スリットパターンが形成された前記回転ディスクと、前記メインスリットパターンをよみとるメインセンサと、前記メインセンサに対して９０度の位置に配置され、前記補助スリットパターンを検出する補助センサとを備え、前記補助センサからの信号で、前記メインセンサの角度検出信号を補正する補正手段とからなるロータリエンコーダにおいて、前記補正手段は、クロック信号を第１の搬送波生成部と内挿信号生成部へ与える発振器と、前記発振器からのクロック信号を分周した分周信号を第１の変調回路部へ出力するとともに前記分周信号のうち最も周期の長い分周信号を位相の基準信号（φ０）として前記内挿信号生成部へ出力する第１の搬送波生成部と、前記補助センサから検出される互いに９０°位相の異なる２相信号（ａ１、ｂ１）と前記第１搬送波生成部から出力される前記分周信号とを入力して第２の搬送波生成部へ位相変調信号（φ１）を出力する第１の変調回路部と、前記第１の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ１）を入力して第２の変調回路部へ前記位相変調信号（φ１）と同期した搬送波を作成し、前記搬送波を第２の変調回路部へ出力する第２の搬送波生成部と、前記第２の搬送波生成部からの出される前記搬送波をメインセンサから出力される信号（ａ２、ｂ２）で位相変調し、前記位相変調信号（φ２）を前記内挿信号生成部へ出力する第２変調回路部と、前記第２の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ２）と、前記基準信号（φ０）と前記クロック信号とに基づいて内挿信号を作成する内挿信号生成部とからなるものである。また請求項２記載の発明は、前記回転ディスクの前記メインスリットパターンのスリットピッチと前記補助スリットパターンのスリットピッチを等しくしたものである。また請求項３記載の発明は、クロック信号を第１の搬送波生成部と内挿信号生成部へ与え、発振器からのクロック信号を分周した分周信号を第１の変調回路部へ出力するとともに前記分周信号のうち最も周期の長い分周信号を位相の基準信号（φ０）として前記内挿信号生成部へ出力し、補助センサから検出される互いに９０°位相の異なる２相信号（ａ１、ｂ１）と第１搬送波生成部から出力される前記分周信号とを入力して第２の搬送波生成部へ位相変調信号（φ１）を出力し、第１の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ１）を入力して第２の変調回路部へ前記位相変調信号（φ１）と同期した搬送波を作成して第２の変調回路部へ出力し、第２の搬送波生成部からの出される前記搬送をメインセンサから出力される信号（ａ２、ｂ２）で位相変調し、前記位相変調信号（φ２）を前記内挿信号生成部へ出力し、前記第２の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ２）と、前記基準信号（φ０）と前記クロック信号とに基づいて内挿信号を作成するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１に本発明のロータリエンコーダの偏心補正を説明する回路ブロック図を示す。回転ディスク１にはメインスリットパターン２と補助スリットパターン４が形成され、それぞれメインセンサ３および補助センサ５で検出する。メインセンサ３で検出された２相の信号ａ２、ｂ２は第２の変調回路部１０へ、補助センサ５からの２相の信号ａ１、ｂ１は第１の変調回路部８へ入力される。第１の変調回路部８では第１の搬送波生成部７からの搬送波Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３を補助センサからの信号ａ１、ｂ１で位相変調する。位相変調された信号φ１は第２の搬送波生成部９でφ１と同期した搬送波Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３となり、さらに、この搬送波はメインセンサ３から信号で位相変調され、被変調波φ２が生成される。内挿信号生成部１１ではφ２と基準信号φ０間の位相をクロックでカウントし、デジタル化した内挿信号φｄを得ている。
次に、偏心補正の方法について具体的に説明する。発振器６の信号は第１の搬送波生成部７および内挿信号生成部１１へ入力される。第１の搬送波生成部７は分周期とバイナリカウンタで構成され、発振器６からの信号を分周し、３ビットからなる８進の信号ｃ１１、ｃ１２、ｃ１３を出力する。この信号は第１の変調回路部８に入力されるとともに、このうち最も周期の長い信号ｃ１３は位相の基準信号φ０として内挿信号生成部１１にも入力される。補助センサ５は同心円上に形成された複数本のスリットパターンから成る補助スリット４の信号を検出する。回転ディスクに偏心が無い場合、補助センサ５からの信号は変化せず一定値をとるが、偏心があるとＸ方向の変位に比例して位相が変化する２相の正弦波状の信号を出力する。なお、Ｙ方向の変位に対してはメインスリットの信号の位相も変化しないのでＸ方向の変位のみ検出すれば良いことになる。補助スリットのスリットピッチは、メインスリットのスリットピッチに合わせている。
ここで第１の変調回路部８の構成および動作について説明する。ブロック図を図２に示す。第１の変調回路部８は多相変換部、マルチプレクサ、ＬＰＦ、コンパレータから構成されている。多相変換部は補助センサ５からの９０度の位相差をもつ正弦波状の２相の信号ａ１、ｂ１を４５度ずつ位相の異なる８相の信号（ｓ１〜ｓ８）に変換し、マルチプレクサに入力する。この８相の信号は第１の搬送波発生部７の出力信号ｃ１１、ｃ１２、ｃ１３でつくられた８進の信号で順次サンプリングされマルチプレクサからの出力信号ｄ（被変調信号）は１周期が８ステップの疑似正弦波状の階段状の信号となる。この被変調信号はＬＰＦにより基本波が取り出され、ＬＰＦの出力信号ｅは正弦波状の信号になる。搬送波に対する被変調信号の基本波の位相は、補助センサからの２相の信号ａ１、ｂ１の位相に対応して変化する信号になる。
さらに、図３および図４を使って位相変化の様子を詳細に説明する。図３は多相変換部の出力信号ｓ１〜ｓ８を示しており、補助センサからの信号ａ１、ｂ１を基に作られる。ｓ１〜ｓ８はディスクのＸ方向の変位に対してａ１、ｂ１と同様に正弦波状に変化する。補助スリットパターンの１ピッチに相当するＸ方向の変位に対して３６０度位相が変化する。図４は第１の変調回路部の各部の信号波形を示す。図４（ａ）は回転ディスクのＸ方向の位置が図３のｑ点に、図４（ｂ）は図３のｒ点にある場合の信号波形を示している。ｑ、ｒ間の補助センサからの信号の位相差は９０度で、すなわち本例では１／４スリットピッチに相当する変位が発生した場合について示している。図４においてマルチプレクサ出力点の信号ｄは、期間ｄ１、ｄ２、……ｄ８に対してそれぞれｓ１、ｓ２、……ｄ８をサンプリングした信号で、１周期８ステップの階段状の波形になる。この信号はＬＰＦで高調波成分が除去され、正弦波状の信号ｅになる。さらにコンパレータで矩形波信号φ１に変換される。ｑ点でのｓ１信号のレベルとｒ点でのｓ３信号のレベルは等しく、ｓ１信号は期間ｄ１で、ｓ３信号は期間ｄ３でサンプリングされるため、サンプリングされた波形はｑ、ｒ間で基準信号φ０の周期を３６０度として９０度だけ位相がシフトした形となる。従って、図４（ａ）における矩形波信号の位相をθ１、図４（ｂ）における矩形波信号の位相をθ２とすると（θ２−θ１）は基準信号φ０の周期を３６０度として９０度の位相差を持ち、これはｑ点、ｒ点間の補助センサからの信号の位相差に等しい。すなわち、補助センサからの信号の位相変化と等しい位相変化が現れる矩形波信号φ１が得られる。
第２の搬送波生成部９は第１の位相変調回路部の出力φ１に同期した搬送波ｃ２１、ｃ２２、ｃ２３をつくる。第２の搬送波発生部９のブロック図を図９に示す。第２の搬送波発生部９は、内部にバイナリカウンタを持つＰＬＬ回路で、３ビットで構成される８進の信号ｃ２１、ｃ２２、ｃ２３を出力している。８進の信号は第２の変調回路部１０のマルチプレクサに入力される。
第２の変調回路部１０では第２の搬送波生成部９からの出力信号をメインセンサからの信号で位相変調する。メインセンサは放射状に等ピッチに形成されたメインスリット３から回転方向の変位（角度変位）を検出し、スリットピッチの周期と等しい周期の２相の正弦波状の信号ａ２、ｂ２を出力する。第２の変調回路部は第１の変調回路部と同様な構成で、動作原理は第１の変調回路部と同様であるので詳細な動作説明は省略する。メインセンサからの検出信号はディスクの角度変位と、ディスクの偏心によるＸ方向の変位を含んだ信号となるが、搬送波もディスクの偏心によるＸ方向の変位に対する位相情報を持っており、ディスク偏心による位相分はキャンセルされ、被変調信号φ２はこの補正動作により回転ディスクの角度変位のみを検出する信号になる。
図５、図６を使って角度検出信号の補正動作について具体的に説明する。回転ディスク１が電気的な角度変位でθ１回転したとき、ディスクの中心がｏ１からｏ２までΔｌ変化し、そのＸ方向の距離をΔｘとする。もし、本発明による補正動作を行わない場合（例えば、図７に示すような構成で角度検出を行う場合）、第２の変調回路部の出力信号φ２は図６（ａ）に示すようにディスク回転による位相変化θ１にディスク偏心による位相変化Δθをプラスしたθ１＋Δθだけ変化し、Δθの誤差が含まれることになる。本発明の場合、第１の変調回路部の出力φ１がディスク偏心による位相変化Δθをもち、これを基にして作られた信号を第２の変調回路部の搬送波として使用しており、図６（ｂ）に示すように、基準信号φ０に対する位相は（θ１＋Δθ）−Δθ＝θ１となり、正しく角度変位を検出できる。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、メインセンサに対して９０度の位置に配置され補助センサからの信号で、前記メインセンサの角度検出信号をリアルタイムで補正している。従って、あらかじめ偏心誤差を記憶しこれに基づいて修正するという動作を必要とせず、回転毎に偏心量が変化するような誤差に対しても正しく補正でき検出精度が向上する。
また、補助センサからの信号で直接補正しているので偏心が複雑な形をしていても、補正のための信号処理が複雑になるという問題がないため、処理回路のコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すブロック図
【図２】第１の変調回路部のブロック図
【図３】多相変換部の出力信号を示す図
【図４】第１の変調回路部の各部の信号波形図
【図５】角度検出信号の補正動作を説明する図
【図６】角度検出信号の補正動作を説明する図
【図７】補正動作を行わない場合のブロック図
【図８】従来のエンコーダシステムを示すブロック図
【図９】第２の搬送波生成部のブロック図
【符号の説明】
１ 回転ディスク
２ メインスリット
３ メインセンサ
４ 補助スリット
５ 補助センサ
６ 発振器
７ 第１の搬送波生成部
８ 第１の変調回路部
９ 第２の搬送波生成部
１０ 第２の変調回路部
１１ 内挿信号生成部
１２０ ディスク
１２２ 第２のトラック
１２３ 第２の増分マーク
１２４ 第１のトラック
１２５ 第１の増分マーク
１３０ 第１のセンサ
１４０ 第２のセンサ
１５６ カウンタ
１６０ マイクロプロセッサ
ａ１、ｂ１ 補助センサ出力信号
ａ２、ｂ２ メインセンサ出力信号
ｃ１１、ｃ１２、ｃ１３ 第１の搬送波生成部出力信号
ｃ２１、ｃ２２、ｃ２３ 第２の搬送波生成部出力信号
ｃｋ クロック
φ０ 基準信号
φ１ 第１の変調回路部出力信号
φ２ 第２の変調回路部出力信号
φｄ 内挿回路部出力信号

Claims (3)

1. 回転ディスクの回転角度を検出するためのメインスリットパターンと前記回転ディスクの偏心を検出するための複数本の同心円状の補助スリットパターンが形成された前記回転ディスクと、前記メインスリットパターンをよみとるメインセンサと、前記メインセンサに対して９０度の位置に配置され、前記補助スリットパターンを検出する補助センサとを備え、前記補助センサからの信号で、前記メインセンサの角度検出信号を補正する補正手段とからなるロータリエンコーダにおいて、
   前記補正手段は、
   クロック信号を第１の搬送波生成部と内挿信号生成部へ与える発振器と、
   前記発振器からのクロック信号を分周した分周信号を第１の変調回路部へ出力するとともに前記分周信号のうち最も周期の長い分周信号を位相の基準信号（φ０）として前記内挿信号生成部へ出力する第１の搬送波生成部と、
   前記補助センサから検出される互いに９０°位相の異なる２相信号（ａ１、ｂ１）と前記第１搬送波生成部から出力される前記分周信号とを入力して第２の搬送波生成部へ位相変調信号（φ１）を出力する第１の変調回路部と、
   前記第１の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ１）を入力して第２の変調回路部へ前記位相変調信号（φ１）と同期した搬送波を作成し、前記搬送波を第２の変調回路部へ出力する第２の搬送波生成部と、
   前記第２の搬送波生成部からの出される前記搬送波をメインセンサから出力される信号（ａ２、ｂ２）で位相変調し、前記位相変調信号（φ２）を前記内挿信号生成部へ出力する第２変調回路部と、
   前記第２の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ２）と、前記基準信号（φ０）と前記クロック信号とに基づいて内挿信号を作成する内挿信号生成部とからなることを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 前記回転ディスクの前記メインスリットパターンのスリットピッチと前記補助スリットパターンのスリットピッチを等しくしたことを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
3. クロック信号を第１の搬送波生成部と内挿信号生成部へ与え、
   発振器からのクロック信号を分周した分周信号を第１の変調回路部へ出力するとともに前記分周信号のうち最も周期の長い分周信号を位相の基準信号（φ０）として前記内挿信号生成部へ出力し、
   補助センサから検出される互いに９０°位相の異なる２相信号（ａ１、ｂ１）と第１搬送波生成部から出力される前記分周信号とを入力して第２の搬送波生成部へ位相変調信号（φ１）を出力し、
   第１の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ１）を入力して第２の変調回路部へ前記位相変調信号（φ１）と同期した搬送波を作成して第２の変調回路部へ出力し、
   第２の搬送波生成部からの出される前記搬送波をメインセンサから出力される信号（ａ２、ｂ２）で位相変調し、前記位相変調信号（φ２）を前記内挿信号生成部へ出力し、
   前記第２の変調回路部から出力される前記位相変調信号（φ２）と、前記基準信号（φ０）と前記クロック信号とに基づいて内挿信号を作成することを特徴とするロータリエンコーダの偏心補正方法。

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