JP5162739B2 - エンコーダ信号処理方法、エンコーダ装置及びサーボモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えばレーザ光のトラッキング制御を高精度に行う為のガルバノスキャナに適用可能なエンコーダのエンコーダ信号処理方法、エンコーダ装置及びそのエンコーダ装置を備えるサーボモータに関する。

従来より、移動体の位置を検出するエンコーダにおいて、アナログ信号出力をさらに細かく分割して高分解能を図るために、例えば特許文献１（特開平１−１６３６１５）に開示されているもの等、様々な内挿回路が使用されている。

また、磁気式エンコーダにおいて検出分解能を上げる手段として、複数の磁気抵抗効果素子を配列した磁気センサにより高分解能に対応する方法が有り、例えば特許文献２（特開２０００−１０５１３４）に開示されている。

一方、高分解能のエンコーダを必要とする機器として、高精度のレーザ加工機や三次元計測機等に使用するガルバノスキャナがある。このガルバノスキャナは、例えば特許文献３（特開２００６−２２４１４２）に開示されている。

ガルバノスキャナは、レーザ光を反射するガルバノミラーと、レーザー光を走査させるガルバノミラーの駆動手段としてのサーボモータとで構成されている。

サーボモータには、ガルバノミラーの位置検出手段として、主に光学式のロータリエンコーダを備えている。

特開平１−１６３６１５号公報 特開２０００−１０５１３４号公報 特開２００６−２２４１４２号公報

近年、レーザ加工機等のガルバノスキャナを用いる機器には、より高精度且つ高速でレーザ光の位置制御を行えることが望まれている。

高速で位置制御することのみを考慮した場合、高速応答性に優れる磁気式エンコーダが適するものの、磁気センサが検知可能な範囲でディスクに形成できる磁極数には限度がある為、光学式エンコーダと比較して分解能で大きく劣る磁気式エンコーダはガルバノスキャナには適さなかった。

特許文献１等に記載の内挿回路による方法によれば、理論的には磁気式エンコーダの原信号の検出分解能を無限に高めることが可能であるが、本質的にはＰＬＬによる逓倍である為、分解能を高めれば高める程、様々な誤差要因の影響を大きく受ける。

特に、加減速時や負荷変動を受け加速度が発生しているときには、正確な逓倍とはいえず、意味の無い分割となる場合がある為、実際には、ガルバノスキャナ用として必要な精度と信頼性を伴って、分解能を数十倍以上に高めることは困難である。

特許文献２等に記載の磁気抵抗効果素子を配列する方法によれば、磁気センサの数を変えずに、４個以上のブリッジ回路の出力により、分解能を高精度に上げることが可能であるが、磁気センサに配列できる磁気抵抗効果素子の数には限界がある為、ガルバノスキャナに必要な高分解能を得ることは困難である。

これに対して本発明は、ガルバノスキャナに適用可能な高精度なエンコーダ装置を実現することを目的としており、具体的には、磁気式でも数百万パルス以上の高分解能を有するエンコーダ装置を実現するものである。

これらの課題を解決する為、本発明では、２相正弦波のエンコーダ信号を、ある抵抗と増幅器を備える回路に入力したときに定まる回路上の各ポイントにおける電圧と抵抗との関係式と加法定理を用いて、エンコーダの原信号に対する任意の遅れ波形を作る。

具体的には、請求項１記載の発明では、移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって位相差がπ／２の２相正弦波であるエンコーダ信号（信号１，信号２）を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、３区間の抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を備える回路に入力する。

そして前記回路は、少なくとも１つ以上の増幅器と、少なくとも３つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともｍ個（ｍは正の整数）、以下の式が成り立つように、配置する。

Ｖin１、Ｖin２及びＶout−Ｖcomの関係式は、２相のエンコーダ信号と、回路上の電圧と抵抗との関係を示している。

Ｒ３の関係式は、遅れ波形が形成されるときの抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比〔（Ｒ１／Ｒ２）＝ｔａｎφｎ〕に対応する抵抗Ｒ３の関係を示すものである。

ｓｉｎ（θ−φｎ）の関係式は、エンコーダ信号の正弦波形ｓｉｎθに対して、位相角でφｎ遅れた正弦波形を加法定理により展開し、２相のエンコーダ信号の正弦波形との関係を示している。

これらの式から抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって、エンコーダ信号の正弦波形ｓｉｎθに対して、位相角でφｎ遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。

又、請求項２に記載の発明では、信号発生源から出力される２相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した２相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって振幅をゲイン調整する。

振幅をゲイン調整した位相差がπ／２の２相正弦波であるエンコーダ信号（信号１，信号２）を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、３区間の抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を備える回路に入力する。

そして、この回路は少なくとも１つ以上の増幅器と、少なくとも３つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともｍ個（ｍは正の整数）、以下の式が成り立つように配置する。

上式における抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって、エンコーダ信号の正弦波形ｓｉｎθに対して、位相角でφｎ遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。

又、請求項３に記載の発明では、請求項１または２のいずれかに記載のエンコーダの信号処理方法において、形成した遅れ波形を、閾値を振幅Ｖのピーク・ピーク値の１／２として、方形波にすることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。

又、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の信号処理方法を行える手段を備えることを特徴とするエンコーダ装置である。

又、請求項５に記載の発明は、回転体の回転角度を検出するロータリエンコーダであることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ装置である。

又、請求項６に記載の発明は、回転角度の検出手段が磁気式であることを特徴とする請求項４または５に記載のエンコーダ装置である。

又、請求項７に記載の発明は、請求項４から６のいずれかに記載のエンコーダ装置を備えることを特徴とするサーボモータである。

請求項１記載の発明によれば、簡単な構成による回路で、エンコーダの信号波形に対してリアルタイムで逓倍分割され、且つ、遅れ波形を形成する回路に配置される抵抗の影響により低減された振幅を補正した高精度な波形を作り出すことができる。

請求項２記載の発明によれば、経年変化、温度環境等の要因に対する原信号の補正に加え、遅れ波形を形成する回路に配置される抵抗の影響も考慮して調整される為、より高精度で、リアルタイムに逓倍分割された出力信号を得ることができる。

請求項３記載の発明によれば、高分解能化したアナログ出力を変換して、デジタル出力を得ることができる為、以降のプロセスにおける信号の処理が容易になる。

請求項４記載の発明によれば、移動体の位置情報を高精度に検知することができるエンコーダ装置を得ることができる。

請求項５記載の発明によれば、回転体の回転角度情報を高精度に検知することができて、ガルバノスキャナ用のサーボモータに適用可能なロータリエンコーダ装置を得ることができる。

請求項６記載の発明によれば、１００万パルス以上の高分解能を有し、特に高速応答性に優れるガルバノスキャナ用のサーボモータに適用可能なロータリエンコーダ装置を得ることができる。

請求項７記載の発明によれば、ガルバノミラーの位置を高精度に制御できるガルバノスキャナ用のサーボモータを得ることができる。

本実施例では最良の形態として、最終的に数百万パルスの位置検出用の信号を得ることができる高精度の磁気式エンコーダと、そのエンコーダを備えるサーボモータを実現する為の信号処理方法に関する内容を中心に、添付図面を参照して以下の順序で説明する。

〔Ａ〕エンコーダ信号の分割方法について
〔Ｂ〕信号の調整について
〔Ｃ〕出力信号の線形化について
〔Ｄ〕エンコーダ装置及びサーボモータについて
〔Ｅ〕変形例について

〔Ａ〕エンコーダ信号の分割方法について
図１は２相の磁気式エンコーダの概略構造を示している。モータ１０の回転シャフト１に磁気ドラム２が取り付けられており、磁気ドラム２の外周部には均一な間隔でＮ極、Ｓ極が多数着磁されている。

磁気ドラム２の磁極面に対向する位置には、２つの磁気抵抗素子から構成されるＭＲセンサ３が配置されている。このＭＲセンサ３が発生する２相の正弦波信号が磁気式エンコーダの原信号である。

本実施例では、磁気ドラム２の外周に、着磁ピッチ０.０８mm／１,０２４pで磁極を形成する。これにより原信号の出力パルス１,０２４P/Rが定まる。

又、２つのＭＲセンサから発生する正弦波信号は、互いにπ／２の位相差を有するように配置する。すなわち２つの正弦波信号の波形はｓｉｎθ及びｃｏｓθで表すことができる。

ＭＲセンサからの出力信号は数十mVの微小信号である為、差動増幅回路を用いて増幅する。この増幅した２つの出力信号は、増幅後の振幅電圧をｓｉｎθ及びｃｏｓθに乗じた以下の式で表す。

次にエンコーダ信号Ａ、Ｂを図２の回路に入力することにより１,０２４逓倍する。このとき図２の回路上の各ポイントにおける電圧と抵抗との関係式と加法定理を用いて、エンコーダ信号に対して一定の間隔で遅れ波形を作ることによって逓倍していくが、詳細について以下に説明する。

図２の回路においてオペアンプの動作から反転入力（−）をＶcomとすると非反転入力端子（＋）もＶcomとなり、エンコーダ信号Ａ、Ｂを図２の回路に入力するとき次式の関係が成り立つ。

また、オペアンプの出力端子電圧をＶoutとするとき、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３各々に流れるＩ１、Ｉ２、Ｉ３との関係において次式が成り立つ。

上式（［数９］）を変形すると次式で表される。

ｓｉｎθに対してφ遅れた波形は、加法定理を用いて展開することにより次式で表すことができる。

ここでは次式の関係を選択することができる。

従って、遅れφはＲ１とＲ２の比で決まり、Ｒ１とＲ２との抵抗比の組み合わせを変えることで、自由な遅れ波形を作り出せる。

つまり、本実施例では、エンコーダ信号を１,０２４分割した信号波形を得る為に、１,０２４通りのＲ１とＲ２との抵抗比の組み合わせを有する回路が必要となる。

尚、図２においてＲ１はａ−ｃ間、Ｒ２はｂ−ｄ間、Ｒ３はｃ−ｅ間の抵抗を示すものであり、回路上は複数の抵抗器を配置してもよい。

エンコーダ信号の正弦波に対して、図２に示す回路の抵抗比によって位相角でφｎ遅れた複数の正弦波形を位相差Δφ＝２π／ｍの等間隔で形成する条件は、［数７］〜［数１２］の関係式から以下にまとめることができる。

すなわち、上式（［数１３］）において ｍ＝１,０２４とすると、原信号を１,０２４分割した信号を得ることができる。

このとき、原信号が１,０２４P/Rの場合には、１,０２４×１,０２４＝１,０４８,５７６P/Rの出力信号を得ることができることになる。

この出力信号は、検出対象の加減速時や負荷変動を受けている場合にも、変動する周波数に応じてリアルタイムで逓倍分割された波形である。

〔Ｂ〕信号の調整について
＜調整１＞
図２の回路により作成した抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗比〔Ｒ１／Ｒ２〕（ｎ）により決まるφｎの遅れ波形の振幅は、振幅Ｖに比して最大振幅が僅かながら抵抗Ｒ３の影響により低減及び変動する。

これを抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗比〔Ｒ１／Ｒ２〕を用いて導き出すことのできる次式の関係から、振幅Ｖを維持するようにＲ３を決定することにより、φｎに対してゲイン補正する。

＜調整２＞
加えて、エンコーダの原信号は、経年変化等の時間的要因や、温度環境等の空間的要因及び、検出対象の移動速度等によって、僅かながら変動する。この変動を補正する方法について述べる。

図３は、本実施例における、エンコーダの信号処理に関するブロック図である。図３に示すように、差動増幅回路を用いて増幅したＭＲセンサからの出力信号を、遅れ波形の形成回路（図２）に入力する前に、一定の最大振幅量となるように補正する。

この時の振幅の補正プロセスは、２相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、乗算出手段から出力される二乗した２相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段を有する。

ＭＲセンサからの２相正弦波の原信号の最大振幅ｖに対して、変動要因の影響を受けない場合の出力信号の最大振幅をＶとし、変動要因を含めて増幅された出力信号の最大振幅をＶ’とする。すなわち次式で表される。

変動要因を含む場合における２相正弦波の増幅後出力信号を、それぞれ二乗算出手段により二乗した、二乗した２相正弦波信号を加算手段により加算すると、その出力結果は次式で表される。

この出力結果を平方根を演算する手段により演算することにより、Ｖ’の絶対値を得ることができる。

Ｖ’の絶対値をＶに変換する為の係数を、補正係数を演算する手段により決定して、その補正係数をもとに、エンコーダ信号の最大振幅をＶにゲイン調整する。

〔Ｃ〕出力信号の線形化について
ゲイン調整し、形成した正弦波の遅れ波形は、閾値を振幅Ｖのピーク・ピーク値の１／２として、方形波に変換する。

〔Ｄ〕エンコーダ装置及びサーボモータについて
＜エンコーダ装置＞
上述した〔Ａ〕〜〔Ｃ〕の方法を実行する手段として、磁気ドラム、ＭＲセンサに加えて、主に分割ＩＣ、ＥＥＰＲＯＭ、温度センサ、ＭＰＵ等を用いてロータリエンコーダ装置を構成する。

分割ＩＣは、エンコーダの正弦波信号に対して、等間隔の遅れ波形を作成する回路を、遅れ波形の数に応じて備える。

ＥＥＰＲＯＭには、２相信号（ｓｉｎ／ｃｏｓ）角度演算結果等を、記憶しておくことにより、高速で演算処理できるようにする。

ＭＰＵは、温度センサの出力に応じて、温度ドリフトを常時補正する等の各種演算処理を行う。
＜サーボモータ＞

このエンコーダ装置を搭載したモータにより、モータの制御系を構成する。本実施例のサーボモータは、温度補償が図られており、高速応答性に優れ、且つ高精度にモータ出力軸を位置制御できる為、ガルバノスキャナ用のサーボモータとして有効である。

〔Ｅ〕変形例について
以上、本発明の最良の形態として、主に磁気式のロータリエンコーダによる実施例を説明したが、当然ながら本発明の範囲を逸脱することなく種々の形態での適用が可能である。例えば、以下の例によるものが挙げられる。

＜例１：リニアエンコーダ＞
本発明は、９０度位相が異なる２相の正弦波信号を出力するエンコーダであれば、あらゆるタイプのエンコーダに適用できる。例えば、リニアエンコーダに適用することにより、直動体の位置決めを高精度に行える。

＜例２：光学式エンコーダ＞
又、光学式のエンコーダに適用した場合には、磁気式の場合よりも、高分割の位置情報を回転ドラムに持たせることができる為、より高分解能を有するエンコーダを得ることができる。

＜例３：パルス逓倍回路による分割＞
正弦波の遅れ波形を変換した方形波は、各相パルスの立ち上がり、立ち下がりを捉える通常の逓倍回路を通して、更に分解能を上げてもよい。

例えば、１,０２４P/Rの原正弦波信号から１,０２４分割した１,０２４×１,０２４＝１,０４８,５７６P/Rの出力信号を方形波に変換した後、４逓倍回路を通して、４,１９４,３０４P/Rの出力信号を得ることができる。

＜例４：エンコーダ装置の構成＞
エンコーダ信号処理方法の具体的手段たる、エンコーダ装置の分割ＩＣ、ＥＥＰＲＯＭ、ＭＰＵ等の制御系の構成要素は、必ずしも検出部本体と一体的に配置する必要はない。

また、本発明のエンコーダ信号処理方法を行う制御系は、任意のブロック間に変換器を配置し、アナログ回路、デジタル回路、ＤＳＰ等の各種ＩＣ、ソフトウエア等を用いたあらゆる構成で実現できる。

本発明の実施の形態に係わる、磁気式エンコーダの構造図である。 本発明の実施の形態に係わる、差動増幅回路の回路図である。 本発明の実施の形態に係わる、信号処理のブロック図である。

符号の説明

１ 回転シャフト
２ 磁気ドラム
３ ＭＲセンサ
１０ モータ

Claims (7)

1. 移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって、
   位相差がπ／２の２相正弦波であるエンコーダ信号（信号１，信号２）を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、３区間の抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を備える回路に入力し、
   抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって、前記エンコーダ信号の正弦波形ｓｉｎθに対して、位相角でφｎ遅れた正弦波形を作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
   

   
2. 移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって、
   信号発生源から出力される２相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した２相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって、振幅をゲイン調整した位相差がπ／２の２相正弦波であるエンコーダ信号（信号１，信号２）を、
   以下の式が成り立つように配置された増幅器と、３区間の抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を備える回路に入力し、
   前記回路は、少なくとも１つ以上の増幅器と、少なくとも３つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともｍ個（ｍは正の整数）、以下の式が成り立つように、配置されており、
   抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって、前記エンコーダ信号の正弦波形ｓｉｎθに対して、位相角でφｎ遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
   

   
3. 請求項１または２に記載のエンコーダの信号処理方法において、
   形成した遅れ波形を、閾値を振幅Ｖのピーク・ピーク値の１／２として、方形波にすることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の信号処理方法を行える手段を備えることを特徴とするエンコーダ装置。
5. 回転体の回転角度を検出するロータリエンコーダであることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ装置。
6. 回転角度の検出手段が磁気式であることを特徴とする請求項４または５に記載のエンコーダ装置。
7. 請求項４から６のいずれかに記載のエンコーダ装置を備えることを特徴とするサーボモータ。

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