JP4956217B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏心の影響を低減するために複数の検出手段を有する回転角度検出手段において、複数の検出手段からの信号を処理する回転角度検出装置に関するものである。

特許文献１には、回転軸に取り付けたスケールの変動を検出することで回転角度を検出する装置において、回転軸の偏心の影響を低減するために、少なくとも２つの検出手段を軸対向位置に配置して、それぞれの検出手段の結果を平均化する方法が開示されている。

デジタル信号処理手段によって、２つの検出手段からの信号を処理して回転角度を得てデジタル信号処理を行う場合は、或る一定時間間隔ごとに計算処理を実施する。この時間間隔に対して検出手段の周期信号が短いときは、周期信号のデジタル変換値を取り込んだだけでは情報を取りこぼしてしまう。即ち、或る一定時間間隔の間に１周期以上動いたとき、何周期分動いたかは分からない。

これを補うために検出信号を２値化して、デジタル信号処理手段とは別に計数手段により計数する。計数手段はデジタル信号処理の時間間隔に無関係に全ての周期を計数でき、デジタル信号処理手段は一定時間間隔でその計数結果を取り込み、これによって情報を失わないようにできる。このため、従来方法では分割処理を行う周期信号自体をアナログ信号のまま、２値化して計数する必要がある。

従来方法によって、２つの検出手段の信号から回転角度を得るには、次の２つの方法がある。

（１）第１には、ハードウエア例えばアナログ乗算器を用いて、２組の周期信号を合成して、平均化した１組の周期信号を生成して、それ以降の処理は通常の処理を行う方法である。

図９はこの処理の回路構成図を示し、検出手段からの２組の周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）に対し、乗算回路、加算回路、減算回路により次式のような処理計算を行うことによって周期信号Ｃ、Ｓが得られる。
Ｓ＝Ｓａ＊Ｃｂ＋Ｃａ＊Ｓｂ
Ｃ＝Ｃａ＊Ｃｂ−Ｓａ＊Ｓａ ・・・（ｉ）

図１０は処理前後の周期信号の関係を示し、得られた周期信号Ｃ、Ｓは処理前の信号周期の１／２になり、位相は平均化される。周期信号Ｃ、Ｓはアナログ信号の状態で平均化されているので、これ以降の処理は周期信号Ｃ、Ｓを通常の信号とみなして従来の処理を行えばよい。

即ち、周期信号Ｃ、Ｓをアナログデジタル変換して分割処理し、また周期信号Ｃ、Ｓを２値化して計数処理し、これら２つの情報から回転角度情報を生成する。

（２）第２には、２組の信号のそれぞれに対して、アナログデジタル変換処理、計数処理を実施して、デジタル信号処理手段で独立した処理を実施してから平均化する方法である。

特開平６−１０２０５５号公報

従来方法（１）では、アナログ信号のまま平均化処理を行うため、ハード的に図９における処理、即ちアナログでの乗算と加算、減算を行う必要がある。

従来方法（２）では、デジタル信号処理手段において各信号ごとに２回の除算により分割処理を行うため、処理時間が長くなるという問題がある。

何故なら、デジタル信号処理によって周期信号の分割を行うためには、周期信号のアナログデジタル変換値の比率を算出する必要がある。比率は除算によって求められるが、一般的にデジタル信号処理によって除算を行うと計算時間が長くなる。

このように、従来方法ではコストと処理速度は相反する関係にあり、同時に解決することができない。

本発明の目的は、コストおよび処理速度の点で有利な回転角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る回転角度検出装置は、放射状のスケールを有する回転ディスクの回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転ディスクの回転軸に関して対向する２個所にそれぞれ配置され、前記スケールからの光束をそれぞれ検出し、位相が互いに９０度異なる２つの周期信号をそれぞれ出力する２つの検出手段と、
前記２つの検出手段それぞれが出力する２つの周期信号をデジタル値に変換して４つのデジタル値を出力するアナログデジタル変換手段と、
前記２つの検出手段それぞれが出力する２つの周期信号を２値化する２値化手段と、
該２値化手段により２値化されたそれぞれの信号の立上りと立下りとを計数する計数手段と、
前記それぞれの信号に対する前記計数手段による計数結果を加算する加算手段と、
前記４つのデジタル値から、それぞれ位相が平均化され且つそれらの位相が互いに９０度異なる２つの周期信号それぞれの値に基づく該２つの周期信号に関する１周期内の角度を求め、且つ、前記加算手段により加算された計数結果に基づいて、前記１周期の数を求めることにより、前記回転角度を得る処理手段と、
を有することを特徴とする回転角度検出装置である。

本発明に係る回転角度検出装置によれば、コストおよび処理速度の点で有利な回転角度検出装置を提供することができる。

本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例のブロック回路構成図である。円盤状の回転ディスク１は回転軸２に取り付けられ、回転情報を得るための測定対象物と共に回転する。回転ディスク１の面上には回転軸２を中心に放射状にスケールが等ピッチで設けられ、回転ディスク１の対向する２個所には、回転軸２に対して点対称となるように検出手段３ａ、３ｂが配置されている。

それぞれの検出手段３ａ、３ｂは、回転ディスク１に光束を照射する投光手段と、回転ディスク１からの反射光束を検出する受光手段とを有し、回転ディスク１上の２点からの回転情報に基づく光束を同時に検出している。これにより、回転ディスク１の中心が回転中心に対して多少ずれている場合、即ち偏心がある場合には偏心情報は符号の反転した情報として、検出手段３ａ、３ｂにより検出される。

検出手段３ａ、３ｂは回転ディスク１の回転情報に基づいて、互いに位相が約９０度異なる２組の周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）をそれぞれ出力する。従って、これらの検出手段３ａ、３ｂの出力の平均を求めることで、偏心などによる回転情報の検出誤差を補正できる。

検出手段３ａ、３ｂからの出力信号は、回転角度検出装置４のアナログデジタル変換手段５ａ、５ｂ、及び２値化手段６ａ、６ｂに並列的に接続されている。アナログデジタル変換手段５ａ、５ｂへの入力信号は、或る一定時間間隔でデジタル値に変換した後に、デジタル信号処理手段７に出力される。２値化手段６ａ、６ｂは検出手段３ａ、３ｂからの２つの周期信号を２値化し、その出力は計数手段８ａ、８ｂに入力される。計数手段８ａ、８ｂは２値化したそれぞれの信号の立上り、立下りごとに計数し、その出力は加算手段９に入力される。加算手段９は計数手段８ａ、８ｂで計数した結果を加算し、加算手段９の出力は一定時間間隔でデジタル信号処理手段７に入力され、デジタル信号処理手段７において所定の処理を実施する。

この一定時間間隔よりも周期信号の周期が短い場合でも、周期情報を失わないように計数手段８ａ、８ｂは全ての周期を計数するために、デジタル信号処理手段７の時間間隔に依存しないようにハードウエアによって構成されている。また、加算手段９は実施例のようにハードウエアで構成してもよいし、デジタル信号処理手段７中で加算処理してもよい。図１に示す回路構成図では計数結果を加算した後に処理することを明確に示すために、デジタル信号処理手段７の外部に加算手段９を設けている。

図２は検出手段３ａ、３ｂと２値化手段６ａ、６ｂと計数手段８ａ、８ｂの出力信号の説明図である。検出手段３ａからの周期信号Ｃａ、Ｓａをそれぞれ２値化して２値化信号ＤＣａ、ＤＳａを得る。２値化信号ＤＣａ、ＤＳａの立上り、立下りで計数して計数結果Ｔａを得る。計数結果Ｔａは横軸を時間、縦軸を出力値として検出手段３ａの出力である周期信号Ｃａ、Ｓａに対して計数結果が変化する様子を示している。周期信号Ｃａ、Ｓａの１周期で立上り、立下りは４回存在するので、計数結果Ｔａは１周期当り４つの値をとる。同様の動作を検出手段３ｂの出力である出力Ｃｂ、Ｓｂについても行う。

この図２では計数結果が増加する場合で説明しているが、回転方向が逆の場合は減少する。

デジタル信号処理手段７で２組の周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）を式（ｉ）の計算により図１０に示すように合成する。周期信号（Ｃａ、Ｓａ）と（Ｃｂ、Ｓｂ）が図１０の上２段のような関係にあるとき、計算結果（Ｃ、Ｓ）は下段のような関係になる。これにより周期が半分になり、周期信号（Ｃａ、Ｓａ）と（Ｃｂ、Ｓｂ）の間の位相は平均化され、偏心の影響が軽減される。

本実施例において、これらの処理はデジタル信号処理手段７によって実現されるので、図１０に示すように連続した信号つまりアナログ信号として処理されるわけではない。処理のイメージが分かり易いように連続した信号で表現しているが、実際は或る一定時間間隔をおいてなされる。

図３は周期信号と分割結果の関係を示している。分割結果Ｄは周期信号と同じ周期の三角波となり、例えば１周期を４０９６分割するときは０〜４０９５の値をとる。三角波の高さは分割処理後の分解能における周期信号１周期中の位置を示し、１周期の１／４０９６が分解能となる。

この分割結果Ｄは１組の周期信号をＡ、Ｂとするとき、三角関数の正接関数の逆関数であるｔａｎ^-1（Ａ／Ｂ）の式によって求められる。実際には三角関数を計算する代りに、予め計算して表を作成しておいて、Ａ／Ｂ又はＢ／Ａの値を指標として表を参照する方法が一般的であるが、何れにしても除算の計算は必要である。

図３も図１０と同様に連続した信号で表現しているが、実際には或る一定時間間隔をおいてなされる。分割処理で求められるのは、或る一定時間間隔ごとに対象とする周期信号の周期の中のどの位置にあるかということである。

つまり、或る一定時間間隔のデジタル信号処理手段７で乗算と加算、減算を行っているため、この結果をアナログ信号即ち連続信号として利用することはできない。つまり、この信号は一定時間間隔ごとに取得できるので、時間間隔の間に何周期移動したかは測定できない。

そこで周期情報の欠落を防ぐため、各検出手段３ａ、３ｂからの信号をアナログ信号のまま、それぞれ２値化、計数、加算しておく。これら２値化、計数、加算はハードウエアによって簡単に構成することができる。このうち、計数までをハードウエアによって行っておけば周期情報は保存されるので、加算はデジタル信号処理手段７で行ってもよい。

この加算結果を或る一定時間間隔でデジタル信号処理手段７に取り込んで、周期信号のアナログデジタル変換値を乗算、加算、減算した情報と組み合わせて、所望の計数情報を導き出す。この周期信号と周期信号のアナログデジタル変換値を乗算、加算、減算し１回の除算によって分割した値とを合成することで位置情報を得ることができる。

最終的な角度情報を得るためには、対象とする周期つまりデジタル信号処理手段７に取り込まれた周期が基準となる位置から何周期目であるかという情報が必要であり、２値化信号を計数、加算することで求められる。回転角度情報を求めるには、分割結果Ｄの値と周期信号が基準位置から何周期分動いたかの加算結果とを合成する。４０９６分割の場合は、加算結果を４０９６倍して分割結果を加算すると角度情報になる。即ち、次の式（ii）の計算で求められる。
（最終分解能での角度）＝（基準からの周期数）＊４０９６＋分割結果 …（ii）

周期信号の周期と計数の周期が一致していれば、上記の説明の処理による角度情報が得られる。本実施例では、デジタル信号処理手段７で周期信号を合成するため、アナログ信号としての合成後の周期信号Ｃ、Ｓは存在しない。

図４は２組の周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）の計数結果から立上り、立下りで計数して、周期信号Ｃ、Ｓの計数情報を求め、それを加算し増加する場合で示している。それぞれ立上り、立下りで計数値が１ずつ増加している。各周期信号の計数値を加算したのがＰである。

通常は１ずつ増加するが、矢印で示すように立上り、立下りが重なる個所では一度に２つ分増加する。周期信号Ｃ、Ｓはデジタル信号処理手段７で合成した周期信号のイメージであり、実際には或る一定時間間隔でなされている。

周期信号Ｃ、Ｓは元の周期の１／２の周期であり、加算値Ｐは元の周期の１周期当り４回計数したもの同士の加算結果である。従って、計数の加算値Ｐは分割結果Ｄに対して４倍で計数している。角度情報を得るためには、周期信号Ｃ、Ｓが基準から何周期目であるかを、計数の加算値Ｐから求めなければならない。

図５において周期信号Ｃ、Ｓは合成した周期信号のイメージ、Ｄは合成した周期信号の分割結果、Ｐは各周期信号の加算値、Ｒは加算した計数値の４の剰余つまり４で割ったときの剰余である。４の剰余Ｒは０〜３までの値を繰り返す。

合成後の周期を２つの周期信号Ｃ、Ｓの符号によって、４つの領域に分けてＺ１〜Ｚ４とする。
Ｚ１はＣ、Ｓ共に正又は零
Ｚ２はＣは負、Ｓは正又は零
Ｚ３はＣ、Ｓ共に負
Ｚ４はＣは正又は零、Ｓは負

１周期を４回計数するので、周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）のそれぞれの周期の決まった位相から計数を始めるようにすると、周期信号（Ｃ、Ｓ）の位相と計数結果を４で割った４の剰余Ｒは一定の関係を保つことになる。図５では分割結果Ｄの周期の切れ目が４の剰余Ｒの２になっている。

その結果、分割結果Ｄの切れ目、即ち矢印で示す三角波の垂直の部分は必ず計数の加算値Ｐの４の剰余Ｒの特定の値と重なることになる。この関係を利用して、加算後の計数値を補正する。この補正には次の２つの機能も含まれる。

計数手段８の読み取りとアナログデジタル変換手段５の読み取りにおいて、２値化信号の立上り、立下りと同時に読み取るときに、タイミングのずれが生ずる可能性があり、これの整合を取る必要がある。

また、読み取りタイミングで同時に２カウント変動する可能性もあり、図５の分割結果Ｄの周期の切れ目で４の剰余Ｒの２が存在しない可能性もあり得るので、その対策も必要である。

図５の４の剰余Ｒの最も低い位置が０で、最も高い位置が３である。４の剰余Ｒと領域Ｚ１〜Ｚ４の情報によって、次のように計数の加算値Ｐを剰余Ｒと領域Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の組み合わせにより補正する。

領域Ｚ１又はＺ４において、剰余Ｒによって以下のように処理する。
Ｚ１で剰余Ｒが２ならば、１増加し３にする。
Ｚ１で剰余Ｒが１ならば、２増加し３にする。
Ｚ４で剰余Ｒが３ならば、１減少し２にする。
Ｚ４で剰余Ｒが１ならば、１増加し２にする。

この処理の後に、分割結果Ｄと４の剰余Ｒの補正後の関係は、図５の補正値Ｔのようになる。１周期ごとに、３、０、１、２の値を繰り返し、分割結果Ｄの切れ目が計数の変わるタイミングと一致する。矢印の部分が補正してタイミングの変わった個所である。

次に、補正したタイミングにより計数の加算値Ｐを補正して補正値Ｉを得る。図６はこの補正値Ｉを得るためのフローチャート図である。領域Ｚと剰余Ｒの値によって、計数の加算値Ｐの補正値Ｉが得られる。

図７は分割し、分割結果Ｄと合成後の周期信号Ｃ、Ｓと計数の加算値Ｐの補正値Ｉの関係を示し、補正値Ｉは分割結果Ｄの切れ目と計数の切れ目が一致している斜めの矢印で示している部分である。

補正値Ｉの階段状の水平部分の長さは、２組の周期信号（Ｃａ、Ｓａ）、（Ｃｂ、Ｓｂ）の関係によって変わるが、分割結果Ｄの切れ目と次の分割結果Ｄの切れ目の間では、４つ分の計数が増加し、縦の矢印の高さに相当する。

分割結果Ｄの切れ目で４段階計数を進めるようにすると、計数値Ｆが得られる。以上の手順で、分割の切れ目に一致する計数値Ｆが得られたことになる。

図８は分割結果Ｄと計数値Ｆを抽出した説明図であり、分割結果Ｄの三角波の高さと計数値Ｆの１段階の高さは一致する。この２つを加算すると連続した線Ｌが得られ、これが最終的な分割角度信号即ち回転角度情報となる。

実施例では、２組の検出手段３ａ、３ｂを用いた場合について説明したが、２組ごとに実施例のような処理をすればよいので、２組に限定するものではない。

実施例のブロック回路構成図である。 検出手段、２値化手段、計数手段の出力信号の説明図である。 周期信号と分割結果の関係の説明図である。 周期信号の合成と分割結果と計数の加算結果の関係の説明図である。 周期信号の合成と分割結果と計数の加算の剰余の説明図である。 加算の補正値を得るためのフローチャート図である。 周期信号の合成と分割結果と計数の加算の補正の説明図である。 角度情報の出し方の説明図である。 従来方法（１）の回路構成図である。 周期信号の合成の計算の説明図である。

符号の説明

１ 回転ディスク
２ 回転軸
３ａ、３ｂ 検出手段
４ 回転角度検出装置
５ａ、５ｂ アナログデジタル変換手段
６ａ、６ｂ ２値化手段
７ デジタル信号処理手段
８ａ、８ｂ 計数手段
９ 加算手段

Claims (2)

1. 放射状のスケールを有する回転ディスクの回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   前記回転ディスクの回転軸に関して対向する２個所にそれぞれ配置され、前記スケールからの光束をそれぞれ検出し、位相が互いに９０度異なる２つの周期信号をそれぞれ出力する２つの検出手段と、
   前記２つの検出手段それぞれが出力する２つの周期信号をデジタル値に変換して４つのデジタル値を出力するアナログデジタル変換手段と、
   前記２つの検出手段それぞれが出力する２つの周期信号を２値化する２値化手段と、
   該２値化手段により２値化されたそれぞれの信号の立上りと立下りとを計数する計数手段と、
   前記それぞれの信号に対する前記計数手段による計数結果を加算する加算手段と、
   前記４つのデジタル値から、それぞれ位相が平均化され且つそれらの位相が互いに９０度異なる２つの周期信号それぞれの値に基づく該２つの周期信号に関する１周期内の角度を求め、且つ、前記加算手段により加算された計数結果に基づいて、前記１周期の数を求めることにより、前記回転角度を得る処理手段と、
   を有することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記処理手段は、前記平均化された２つの周期信号に基づいて前記加算された計数結果を補正し、前記補正された計数結果に基づいて前記１周期の数を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。

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