JP4858707B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、往復変位する検出対象物に連結されたエンコーダの出力から上記検出対象物の変位量を精度良く検出することのできる変位検出装置に関する。

検出対象物の回転角の検出に用いられるロータリエンコーダは、例えば図４に概略構成を示すように検出対象物（図示せず）に連結されて該検出対象物と一体に回転する回転板１を備え、この回転板１に設けた原点指標２と、その周方向に沿って設けた２種類の変位スケール３ａ,３ｂとを３つのセンサ４ｚ,４ａ,４ｂにてそれぞれ検出し、原点信号（Ｚ相信号）および位相の異なる２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）を出力するように構成される（例えば特許文献１を参照）。尚、検出対象物の直線移動量の検出に用いられるリニアエンコーダは、図５に示すように長尺の板体５の略中央に原点指標２を設けると共に、その長手方向に沿って２種類の変位スケール３ａ,３ｂを設けたものであって、前述したロータリエンコーダと同様に機能する。

ちなみに光学式エンコーダの場合には、例えば前記原点指標２はスリット孔からなり、また前記変位スケール３ａ,３ｂは、例えば透光部と遮光部とを交互に等間隔に設けた縞状の光学パターンからなる。そして前記センサ４ｚ,４ａ,４ｂは、光の透過や反射を利用して上記スリット孔や縞状の光学パターンを光学的に検出することで前述した原点信号と２種類の周期信号をそれぞれ出力する。尚、上記２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）は、例えば９０°の位相差を有するものからなる。

このようなエンコーダを備えて構成される変位検出装置は、基本的には前記エンコーダから出力される上記２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）をカウンタ６ａ,６ｂにてそれぞれ計数すると共に、前記原点信号（Ｚ相信号）を検出するリセット回路７にて前記各カウンタ６ａ,６ｂをそれぞれリセットするように構成される。そして角度検出回路８においては、前記各カウンタ６ａ,６ｂによりそれぞれ計数された前記周期信号の計数値から、更には前記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の検出位相を加味してその回転角（変位量）を検出するものとなっている。
特開２０００−２７５０６６号公報

ところで、例えばスリット孔からなる前述した原点指標２は、回転板１または長尺の板体５の変位方向に物理的な幅を有しており、この原点指標２を検出して出力される原点信号（Ｚ相信号）も厳密には或る時間幅を有している。これに対してリセット回路７による前記カウンタ６ａ,６ｂのリセットは、一般的には上記原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりを検出して行われる。この為、検出対象物が往復回転するような場合、図６に示すように回転板１が正方向（ＣＷ方向）に回転しているか、或いは逆方向（ＣＣＷ方向）に回転しているかによって前記カウンタ６ａ,６ｂのリセット・タイミングにずれが生じることが否めない。このようなリセット・タイミングのずれは変位計測における検出誤差の要因となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、往復変位する検出対象物に連結されたエンコーダの出力から前記検出対象物の変位量を正確に検出することのできる簡易な構成の変位検出装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る変位検出装置は、
<ａ> 検出対象物に連結されて計測基準点を示す原点信号を出力すると共に、前記検出対象物の変位量に応じて一定周期の周期信号を出力するエンコーダと、
<ｂ> このエンコーダからの前記原点信号の出力タイミングから前記周期信号を計数して前記検出対象物の変位量を求める変位量計測手段と、
<ｃ> 前記検出対象物を所定の速度で変位させて前記原点信号の幅を計測すると共に、計測した前記原点信号の幅から前記検出対象物の変位方向に対するオフセット値を求めるオフセット値算出手段と、
<ｄ> 前記検出対象物の変位方向に応じて前記変位量計測手段にて検出される前記検出対象物の変位量に上記オフセット値を加える補正手段と
を具備したことを特徴としている。

ちなみに前記エンコーダは、前記検出対象物の往復回転に伴う変位角を検出するロータリエンコーダまたは前記検出対象物の往復直線移動に伴う変位量を検出するリニアエンコーダからなる。また前述した周期信号は、前記検出対象物の変位に伴って９０°の位相差を有して発生する２つの周期信号からなる。そして前記オフセット値算出手段は、例えば前記原点信号の幅の［１／２］に相当する変位量をオフセット値Ｘとして求め、前記検出対象物の変位方向に応じて前記変位量計測手段にて検出される前記検出対象物の変位量Ｙに上記このオフセット値Ｘを加えることを特徴としている。

上記構成の変位検出装置によれば、検出対象物を所定の一定速度で変位させ、このときにエンコーダから出力される前記原点信号の立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングとから該原点信号の幅を計測し、原点指標の幅を求めるので、上記原点信号の幅の中心を真の原点としたときの前記立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミングのずれ量をそれぞれ求めることができる。従って前記検出対象物の変位方向に応じて上記ずれ量をオフセット値として与えることで、前述した周期信号を計数して求められる前記検出対象物の変位量を補正し、その検出精度を高めることができる。

特に検出対象物の変位方向に応じたオフセット値を与えることで、その変位方向に拘わることなく検出対象物の変位量を正確に、しかも簡易に検出することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る変位検出装置について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る変位検出装置の概略構成を示す図で、１０は往復回転変位する検出対象物（図示せず）に連結されて該検出対象部の回転変位に応じた信号を出力するロータリエンコーダ１０である。このロータリエンコーダ１０は、例えば検出対象物と一体に回転する回転板（円板）１１と、この回転板（円板）１１に設けられた原点指標１２および２種類の変位スケール１３ａ,１３ｂをそれぞれ光学的に検出する３つの光センサ１４ｚ,１４ａ,１４ｂを備えた光学式のものからなる。ちなみに前記原点指標１２はスリット孔からなり、また前記２種類の変位スケール１３ａ,１３ｂは、回転板（円板）１１の周方向に沿って透光部と遮光部とを交互に等間隔に設けた縞状の光学パターンからなる。前述した３つの光センサ１４ｚ,１４ａ,１４ｂは前記回転板（円板）１１の周縁に沿って配列されており、原点指標１２および変位１３ａ,１３ｂをそれぞれ光学的に検出して原点信号（Ｚ相信号）および位相の異なる２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）をそれぞれ出力する。

尚、ここでは光学式のロータリエンコーダ１０を例に説明するが、磁気式のロータリエンコーダであっても良く、原点信号（Ｚ相信号）および周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の発生メカニズムについては特に限定されない。またこの実施形態においては往復回転する検出対象物の変位量の検出を例に説明するが、例えば往復直線運動する検出対象物の変位量を検出するべく、ロータリエンコーダに代えてリニアエンコーダを用いる場合でも同様に適用することができる。

さて本発明の実施形態に係る変位検出装置は、上述したロータリエンコーダ１０から出力される原点信号（Ｚ相信号）および位相の異なる２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）に基づいて検出対象物の変位量を検出するに先立ち、前記ロータリエンコーダ１０を所定の一定速度で回転駆動する回転制御部２１と、このときに検出される前記原点信号（Ｚ相信号）の幅（パルス幅）から前述した原点指標１２のスリット幅を計測するスリット幅検出部２２とを備えている。

この原点指標１２のスリット幅の計測は、上述したように回転板（円板）１１を一定速度で回転している状態において、例えば前記原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングとの時間差Ｔzを該原点信号（Ｚ相信号）のパルス幅として求めることによって行われる。そして一定の回転角θ毎に周期的に生成される前記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）のパルス間隔Ｔに従い、例えば
θz ＝θ（Ｔz／Ｔ）
として前記原点指標１２として形成されたスリット孔の拡がり角度θzをそのスリット幅として求めることによって行われる。

尚、一般的には原点信号（Ｚ相信号）のパルス幅と周期信号（Ａ／Ｂ相信号）のパルス間隔Ｔとが似ていることが多いので、現実的には、例えば周期信号（Ａ／Ｂ相信号）を４逓倍した計測クロックや、別途生成した計測用の高速クロックを用いて前記原点信号（Ｚ相信号）のパルス幅、ひいては前記原点指標（スリット孔）１２のスリット幅を計測することが好ましい。

そして前記スリット幅検出部２２においては、上述した如く計測した原点指標１２の中心、つまり前記原点信号（Ｚ相信号）のパルス幅の中心を真の原点であるとし、上述したスリット孔の拡がり角度θzの［１／２］を、前記原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりまたは立ち下がりのタイミングとして検出される計測原点の、上記真の原点（Ｚ相信号のパルス幅の中心）からのずれ角（ずれ量）ｘとして検出している。このずれ量ｘが後述する角度検出回路２３に、前述した周期信号（Ａ／Ｂ相信号）に基づいて計測される検出対象物の変位量（変位角度）に対するオフセット値ｘとして与えられる。

一方、変位検出装置に設けられた２つのカウンタ２４ａ,２４ｂは、前述した２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）をそれぞれ計数しており、またリセット回路２５は前記原点信号（Ｚ相信号）を検出する都度、その立ち上がりタイミングにて上記各カウンタ２４ａ,２４ｂをリセットしている。従って各カウンタ２４ａ,２４ｂは、基本的には原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりタイミングにてリセットされ、このリセットタイミングを基準として周期信号（Ａ／Ｂ相信号）をそれぞれ計数することで、原点指標１１からの回転角（変位角）をその計数値として求めている。

また回転方向検出回路２６は、前記２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の位相変化から前記ロータリエンコーダ１０（回転板１１）の回転方向を検出している。具体的には前述した２種類の周期信号（Ａ／Ｂ相信号）は、例えば回転板１１が正回転した際には＋９０°の位相のずれを以て周期的に出力され、また回転板１１が逆回転した際には−９０°の位相のずれを以て周期的に出力される。そこで前記回転方向検出回路２６はこれらの周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の位相のずれを検出することでロータリエンコーダ１０（回転板１１）の回転方向を検出している。

前述した角度検出回路２３は、前記カウンタ２４ａ,２４ｂの計数値からロータリエンコーダ１０（回転板１１）の回転角（変位角）を求めるに際し、前記回転方向検出回路２６にて検出された回転方向に応じて前述したオフセット値ｘを取り込み、周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値から求められた回転角（変位角）を補正している。具体的にはロータリエンコーダ１０（回転板１１）が正回転している場合には、図２に示すようにスリット状の原点指標１２の一方のエッジ１２ａに相当する原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりでカウンタ２４ａ,２４ｂをリセットするので、カウンタ２４ａ,２４ｂは前記原点信号（Ｚ相信号）の幅の［１／２］だけ正回転方向に先行して周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数を開始する。従ってカウンタ２４ａ,２４ｂによる周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値は、実際の変位角よりも原点指標１２の幅の［１／２］に相当する角度分だけ多い値を示すことになる。

これに対して前記ロータリエンコーダ１０（回転板１１）が逆回転している場合には、図２に示すようにスリット状の原点指標１２の他方のエッジ１２ｂに相当する原点信号（Ｚ相信号）の立ち上がりでカウンタ２４ａ,２４ｂをリセットするので、カウンタ２４ａ,２４ｂは前記原点信号（Ｚ相信号）の幅の［１／２］だけ逆回転方向に先行して、換言すれば正回転方向に対して前記原点信号（Ｚ相信号）の幅の［１／２］の遅れを以て前記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数を開始する。従ってこの場合には、カウンタ２４ａ,２４ｂによる周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値は、実際の変位角よりも原点指標１２の幅の［１／２］に相当する角度分だけ少ない値を示すことになる。

そこで前述した角度検出回路２３は、前記回転方向検出回路２６にて検出されたロータリエンコーダ１０（回転板１１）の回転方向に応じて、前述した原点信号（Ｚ相信号）の幅の［１／２］として求められたオフセット値ｘを、カウンタ２４ａ,２４ｂによる前記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値から求められる前記検出対象物の変位角、つまりロータリエンコーダ１０の回転板１１の回転角に加えることで上記変位角を補正している。具体的には正回転時には周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値から求められる回転角に［−ｘ］なるオフセット値を加えることで原点指標１２の幅に起因する検出誤差を補正し、また逆開店時には［＋ｘ］なるオフセット値を加えることで原点指標１２の幅に起因する検出誤差を補正している。

かくしてこのようにしてスリット状の原点指標１２の幅を検出し、回転方向に応じてその幅の［１／２］に相当するオフセット値[±ｘ］を用いて、周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値から求められるロータリエンコーダ１０の変位角を補正する本装置によれば、検出対象物が往復回転する場合であっても、スリット孔からなる原点指標１２の幅に拘わることなく正確にその変位角を求めることができる。しかも予め原点指標１２の幅を検出してオフセット値ｘを求め、ロータリエンコーダ１０の回転方向に応じて前記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）から求められた変位角に上記オフセット値ｘを加えると言う簡易な手法により、その検出精度を高めることができる。従ってその実用的利点が多大である。

尚、上述した一連の処理を、例えばマイクロコンピュータを用いてソフトウェアにより実行する場合には、例えば図３にその概略的な処理手順を示すように、先ずロータリエンコーダ１０を一方向に一定速度で回転駆動する〈ステップＳ１〉。そしてこの状態においてＺ相信号（原点信号）の立ち上がりを検出し、パルス幅計測用のクロック信号の計数を開始する〈ステップＳ２〉。しかる後、上記Ｚ相信号（原点信号）の立ち下がりを検出して前記クロック信号の計数を停止し〈ステップＳ３〉、これによって得られる上記クロック信号の計数値から前記原点指標（スリット孔）１２の角度幅を求め、この角度幅の［１／２］をオフセット値ｘとして算出する〈ステップＳ４〉。

そしてロータリエンコーダ１０を用いた検出対象物の変位角の検出時には、前記Ｚ相信号を検出して前記カウンタ２４ａ,２４ｂのリセットするタイミングにて、その回転方向に応じて前記カウンタ２４ａ,２４ｂに上記オフセット値［±ｘ］をプリセットすることで、原点指標（スリット孔）１２の角度幅に起因する検出誤差分（角度のずれ）を補正する。具体的にはロータリエンコーダ１０が正回転（ｃｗ方向への回転）する場合には〈ステップＳ５〉、カウンタ２４ａ,２４ｂにオフセット値［−ｘ］をプリセットし〈ステップＳ６〉、逆にロータリエンコーダ１０が逆回転（ｃｃｗ方向への回転）する場合には〈ステップＳ７〉、カウンタ２４ａ,２４ｂにオフセット値［＋ｘ］をプリセットする〈ステップＳ８〉。

この結果、カウンタ２４ａ,２４ｂにはロータリエンコーダ１０の回転方向に応じたプリセット値（オフセット値；±ｘ）が与えられるので、上記カウンタ２４ａ,２４ｂは原点指標（スリット孔）１２の中心を原点としてＡ／Ｂ相信号をそれぞれ計数することになる。従ってカウンタ２４ａ,２４ｂによる周期信号（Ａ／Ｂ相信号）の計数値からロータリエンコーダ１０の変位角を、ひいては検出対象物の変位角を精度良く求めることが可能となる。特に検出対象物が往復回転する場合であっても、その回転方向に拘わることなく前記原点指標（スリット孔）１２によって特定される真の原点からの変位角を精度良く求めることが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前述したようにエンコーダはロータリ型のものであっても、或いはリニア型のものであっても良く、更には光学式のもののみならず、磁気式のものであっても良いことは言うまでもない。また周期信号（Ａ／Ｂ相信号）についてもそのパルス幅が問題となるような場合には同様にしてそのパルス幅を検出し、変位方向に応じて上記周期信号（Ａ／Ｂ相信号）のパルス幅に対する誤差補正を施すようにしても良い。また原点指標１２のスリット幅の計測手法に付いても特に限定されない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置の要部概略構成図。 図１に示す変位検出装置における原点指標（スリット孔）の角度幅に起因する原点の誤差補正の原理を模式的に示す図。 原点指標（スリット孔）の角度幅に起因する誤差補正処理手順の例を示す図。 従来一般的なロータリエンコーダを用いた変位検出装置の構成例を示す図。 リニアエンコーダの例を示す図。 図４に示す変位検出装置における問題点を説明する為の図。

符号の説明

１０ ロータリエンコーダ
１１ 回転板
１２ 原点指標（スリット孔；Ｚ相）
１３ａ,１３ｂ 変位スケール（Ａ／Ｂ相）
１４ａ,１４ｂ,１４ｃ 光センサ
２１ 回転制御部
２２ スリット幅検出回路
２３ 角度検出回路
２４ａ,２４ｂ カウンタ
２５ リセット回路
２６ 回転方向検出回路

Claims (4)

1. 検出対象物に連結されて計測基準点を示す原点信号を出力すると共に、前記検出対象物の変位量に応じて一定周期の周期信号を出力するエンコーダと、
   このエンコーダからの前記原点信号の出力タイミングから前記周期信号を計数して前記検出対象物の変位量を求める変位量計測手段と、
   前記検出対象物を所定の速度で変位させて前記原点信号の幅を計測すると共に、計測した前記原点信号の幅から前記検出対象物の変位方向に対するオフセット値を求めるオフセット値算出手段と、
   前記検出対象物の変位方向に応じて前記変位量計測手段にて検出される前記検出対象物の変位量に上記オフセット値を加える補正手段と
   を具備したことを特徴とする変位検出装置。
2. 前記エンコーダは、前記検出対象物の往復回転に伴う変位角を検出するロータリエンコーダまたは前記検出対象物の往復直線移動に伴う変位量を検出するリニアエンコーダである請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記オフセット値算出手段は、前記原点信号の幅の［１／２］に相当する変位量をオフセット値として求めるものである請求項１に記載の変位検出装置。
4. 前記周期信号は、前記検出対象物の変位に伴って９０°の位相差を有して発生する２つの周期信号である請求項１に記載の変位検出装置。

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