JP5731569B2 - 精度補正機能を備えたエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、被測定体の直線移動位置または被測定体の回転角度を検出するエンコーダであって、精度補正機能を備えたエンコーダに関する。

工作機械は、ワーク等を線形移動させるテーブルおよびテーブルを駆動するモータを含んでいる。そして、工作機械には、テーブルの直線移動位置やモータの回転角度を検出するエンコーダ、例えばリニアスケールおよびロータリエンコーダが設けられている。

被測定体、例えばテーブルまたはモータの移動に応じて、測定体、例えばリニアスケールまたはロータリエンコーダは周期的にアナログ信号を発生する。そして、アナログ信号から得られた位置データと基準値（真の位置データ）との間の偏差に基づいて補正データを算出する。補正データは予め作成されて測定体の信号処理部の記憶部に記憶される。この補正データは、周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分との両方を含んでいる。

工作機械の駆動時に、被測定体に関するアナログ信号の位置データに補正データが適用されて、被測定体の直線移動位置または回転角度が補正される。特許文献１から特許文献４には、位置データをこのように補正するエンコーダが開示されている。

しかしながら、上記のようにして予め算出される補正データはその容量が大きく、測定体の信号処理部の記憶部を圧迫する。このため、記憶部を含む信号処理部の実装面積が増大し、その結果、測定体の寸法が増すという問題があった。

このため、特許文献５および特許文献６においては、平均化処理を用いるか、または時間変化に基づいて位置指標を算出することにより、エンコーダの使用時にアナログ信号を自動的に補正している。

特開２００６−１７０７９０号公報 特開２０１１−１４１２４７号公報 特開２００６−２３４７２３号公報 特開２００７−６４７７１号公報 特開平１０−３１１７４１号公報 特開２００３−２５４７８５号公報

しかしながら、前述したエンコーダの信号処理部は、正弦波状のアナログ信号のオフセット電圧、振幅差、位相差に起因する誤差を補正するものである。このため、位置データ全体において非周期的な間隔で発生する非周期的な誤差成分を補正できないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、記憶部の容量を増大させることなしに、非周期的な誤差成分を補正することのできるエンコーダを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、被測定体と測定体とを含むエンコーダにおいて、前記測定体は、前記被測定体の移動量を検出する検出部と、該検出部から発生する前記被測定体のアナログ信号からデジタル信号の位置データを取得する信号処理部と、を含んでおり、前記信号処理部は、前記検出部から発生する位相の異なる複数相の正弦波状のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置と、前記デジタル信号における前記位置データの誤差に含まれる周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分とのうちの、該非周期的な誤差成分の補正データを記憶する記憶部と、を具備し、前記非周期的な誤差成分は、前記位置データ全体において非周期的な間隔で発生する非周期的な誤差成分であり、さらに、該記憶部に記憶された前記補正データを用いて前記位置データの誤差のうち前記非周期的な誤差成分を補正する非周期誤差補正部と、前記位置データの誤差のうち前記周期的な誤差成分補正する周期誤差補正部と、を含む、エンコーダが提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記記憶部に記憶された前記補正データは、前記被測定体を特定する特定情報を含む。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記記憶部に接続されていて、前記測定体の外部から前記補正データを入出力できる入出力部をさらに含む。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記被測定体が、磁性材料から形成されていて周期的な凹凸がその周面に形成されたリング状部材である。

１番目の発明においては、位置データに含まれる周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分のうち、非周期的な誤差成分のみを記憶部に補正データとして記憶している。このため、記憶部の容量を抑えられる。従って、記憶部の容量を増大させることなしに、非周期的な誤差成分を補正できる。
２番目の発明においては、補正データが特定情報を含んでいるので、測定体を交換する場合であっても、既に出荷された被測定体に応じた補正データが記憶されている測定体を容易に準備できる。また、被測定体または測定体のうちの一方のみが破損した場合であっても、被測定体または測定体を個別に交換できるので、利便性が高く、経済的にも有利である。
３番目の発明においては、入出力部を備えているので、エンコーダ内部で、非周期的な誤差成分の補正データを算出する必要がない。従って、信号処理部を簡素にでき、その結果、エンコーダを安価に生産できる。また、エンコーダの保守の際に、補正データを容易に読出し、および書込みすることができる。
リング状部材の周面に周期的な凹凸を形成する際の振動や工具の摩耗により加工誤差が発生し、加工誤差に基づく非周期的な誤差成分が発生しやすい。４番目の発明は、そのように非周期的な誤差成分が発生しやすい場合に特に有利である。

本発明の第一の実施形態に基づくエンコーダのブロック図である。 信号処理部における位置データの補正処理を説明するための図である。 補正データを説明するための他の図である。 特定情報を備えた補正データを説明するための図である。 或る実施形態における被測定体の斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づくエンコーダのブロック図である。図１においては、エンコーダ１は測定体１０と、被測定体３０とを備えている。測定体１０は、被測定体３０に隣接して被測定体３０の移動量を検出する検出部１１と、検出部１１から発生する被測定体３０のアナログ信号から位置データを取得する信号処理部２０とを主に含んでいる。

信号処理部２０は、被測定体３０の移動に応じて測定体１０の検出部１１から周期的に発生する９０度位相の２相の正弦波状のアナログ信号をデジタル信号に変換して処理し、被測定体３０の位置データを取得する。図１においては、エンコーダ１は、リング状の被測定体３０を備えたロータリエンコーダである。しかしながら、エンコーダ１がリニアスケールであってもよい。

図１に示されるように、信号処理部２０は、検出部１１から発生する位相の異なる複数相の正弦波状のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置２１と、位置データの誤差に含まれる周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分とのうちの、非周期的な誤差成分の補正データを記憶する記憶部２２、例えば不揮発性メモリと、を含んでいる。

さらに、信号処理部２０は、Ａ／Ｄ変換装置２１により変換されたデジタル信号が入力される演算装置２９を含んでいる。図１から分かるように、演算装置２９は、記憶部２２に記憶された非周期的な誤差成分の補正データを用いて位置データの誤差のうち非周期的な誤差成分を補正する非周期誤差補正部２３と、位置データの誤差のうち周期的な誤差成分を補正する周期誤差補正部２４とを含んでいる。

図２は信号処理部における位置データの補正処理を説明するための図である。はじめに、検出部１１から発生された被測定体のアナログ信号が信号処理部２０のＡ／Ｄ変換装置２１に入力される。そして、Ａ／Ｄ変換装置２１はアナログ信号をデジタル信号に変換する。図２のＡ／Ｄ変換装置２１には、変換されたデジタル信号の位置データの波形が示されている。後述する他の図と同様に、この位置データの横軸は被測定体３０の一回転分を示しており、横軸は誤差の大きさを示している。図２のＡ／Ｄ変換装置２１に示される位置データは周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分との両方を含んでいる。

次いで、この位置データはＡ／Ｄ変換装置２１から非周期誤差補正部２３に入力される。そして、非周期誤差補正部２３は、位置データを補正するために、記憶部２２から補正データを読込む。

ここで、図２の記憶部２２には、補正データの波形が示されている。図２から分かるように、補正データは非周期的な誤差成分のみを含んでいる。この補正データは、エンコーダ１において、非周期的な誤差成分を補正することなしに、周期的な誤差成分のみを補正した後の位置データが有する非周期的な誤差成分を採用するのが望ましい。ただし、補正データは、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）または平均化処理を通じて、オフセット電圧、振幅差および位相差に起因しない非周期的な誤差成分を算出して採用してもよい。補正データは実験等により予め求められていてもよい。

そして、非周期誤差補正部２３において、この補正データをＡ／Ｄ変換装置２１から供給された位置データに適用する。これにより、元の位置データから非周期的な誤差成分のみが排除されて、図２の非周期誤差補正部２３に示されるような位置データが得られる。従って、この位置データの誤差は周期的な誤差成分のみを含むこととなる。

次いで、位置データは非周期誤差補正部２３から周期誤差補正部２４に入力される。周期誤差補正部２４においては、所定の手法により周期的な誤差成分が排除される。これにより、図２の周期誤差補正部２４に示されるように、周期的な誤差成分および非周期的な誤差成分の両方を含まない位置データが得られる。

このように本発明においては、元の位置データに含まれる周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分のうち、非周期的な誤差成分のみを記憶部２２に補正データとして記憶している。このため、周期的な誤差成分および非周期的な誤差成分の両方を含む補正データを使用していた従来技術と比較して、本発明では、記憶部２２の容量を抑えることが可能である。従って、記憶部２２を含む信号処理部２０の実装面積が増大するのを抑え、測定体１０の寸法を小さくすることも可能である。

なお、周期的誤差成分を補正する際には、各種の手法を採用することができる。例えば特開平１０−３１１７４１号公報および特開２００３−２５４７８５号公報に記載される手法を採用することも可能である。あるいは、周期的誤差成分を別の補正データとして記憶部２２に別途記憶し、周期誤差補正部２４においてこの補正データを使用してもよい（図１の破線を参照されたい）。

ところで、記憶部２２の容量をさらに抑えるために、記憶部２２に記憶される補正データの容量は可能な限り小さいことが望まれる。ここで、図３は補正データを説明するための他の図である。前述したように補正データは、エンコーダ１において、非周期的な誤差成分を補正することなしに、周期的な誤差成分のみを補正した後の位置データが有する非周期的な誤差成分を採用している。このようにして作成された補正データは、図３の左方に示されるように、誤差量の小さい多数の誤差成分を含んでいる。

本発明においては、誤差量が所定値よりも小さい場合には、その誤差成分を排除するのが好ましい。すなわち、誤差量が所定値以上である誤差成分に限定して、補正データを作成する。図３の右方には、そのようにして作成された補正データが示される。図３の右方に示される補正データは、例えばＥｒ（ｎ、ｈ、ｗ）の関数の形で表すことができる。ここで、ｎは誤差の位置、ｈは誤差の大きさ、ｗは誤差の幅を示している。これにより、補正データを極めて簡素な形で表現し、記憶部２２の容量を極めて小さくできるのが分かるであろう。なお、周期的誤差成分を別の補正データとして記憶部２２に別途記憶する場合には、周期的誤差成分について同様な手法を採用してもよい。

図１においては、記憶部２２に記憶された補正データは非周期誤差補正部２３に直接的に入力される。しかしながら、記憶部２２に記憶された補正データが、図示しないマイコンや揮発性メモリを経由して非周期誤差補正部２３に入力され、次いで補正されるようにしてもよい。

図４は特定情報を備えた補正データを説明するための図である。図４においては、理解を容易にする目的で、被測定体３０および記憶部２２以外の要素を省略している。図４の左方に示されるように、被測定体３０は、被測定体３０自体を特定するための特定情報Ａを備えている。特定情報Ａは、例えば被測定体３０の型番、ロット番号などである。このような特定情報Ａは、バーコード、ＱＲコード（登録商標）などであってもよい。

本発明においては、記憶部２２に記憶される補正データは、特定情報Ａを備えた被測定体３０を使用して作成された、この被測定体３０に固有の非周期的な誤差成分に関する補正データである。言い換えれば、図４の右方に示されるように、記憶部２２に記憶される補正データには、特定情報Ａが付加されていることになる。

このような場合には、特定情報Ａが付加された補正データを別の記憶装置やデータベースに記録できる。そして、測定体１０を交換する場合には、特定情報Ａを備えた既に出荷された被測定体３０に対応した補正データを新たな測定体１０の記憶部２２に記憶させればよい。これにより、既に出荷された被測定体３０に対応した測定体１０を容易に準備することができる。

同様に、複数種類の被測定体３０に関する特定情報Ａ、Ｂ、Ｃ…が付加された補正データを予め作成してもよい。そして、被測定体３０が破損した場合には、別の被測定体３０に交換し、別の被測定体３０に応じた特定情報、例えば特定情報Ｂが付加された補正データを測定体１０の記憶部２２に記憶させればよい。あるいは、そのような特定情報Ａ、Ｂ、Ｃ…が付加された補正データを記憶部２２に事前に記憶させ、別の被測定体３０に応じた特定情報Ｂの補正データを単に読出してもよい。

すなわち、本発明においては、被測定体３０または測定体１０のうちの一方のみが破損した場合であっても、被測定体３０または測定体１０を個別に交換できるので、利便性が高く、経済的にも有利である。

ここで再び図１を参照すると、入出力部２５が信号処理部２０に接続されている。入出力部２５は例えばＵＳＢ接続されたキーボードまたはマウスである。あるいは、入出力部２５は、ＬＡＮ等で接続された別のコンピュータであってもよい。

エンコーダ１が入出力部２５としての別のコンピュータに接続されている場合には、エンコーダ１内部で、非周期的な誤差成分の補正データを算出する必要がない。従って、信号処理部２０を簡素にでき、その結果、エンコーダ１を安価に生産できる。また、エンコーダ１の保守の際に、補正データを容易に読出し、および書込みすることも可能となるのが分かるであろう。

図５は或る実施形態における被測定体の斜視図である。この被測定体３０は磁性材料、例えば鉄から形成されたリング型の部材である。図５に示されるように、被測定体３０の周面には、複数の凹凸部３１が等間隔で形成されている。これら凹凸部３１はギア加工により形成されるのが好ましい。

一般に、ギア加工は工具を用いて切削または研削することにより行われる。しかしながら、ギア加工時の振動や工具が摩耗することにより、凹凸部３１毎に加工誤差が生じる場合がある。そして、そのような加工誤差は、非周期的な誤差成分の発生原因となる。

言い換えれば、図５に示される被測定体３０を用いる場合には、位置データは非周期的な誤差成分を含みやすい。従って、非周期的な誤差成分を前述したように排除する本発明は、非周期的な誤差成分が発生しやすい被測定体３０を用いる場合に特に有利である。

１ エンコーダ
１０ 測定体
１１ 検出部
２０ 信号処理部
２１ Ａ／Ｄ変換装置
２２ 記憶部
２３ 非周期誤差補正部
２４ 周期誤差補正部
２５ 入出力部
３０ 被測定体
３１ 凹凸部

Claims (4)

1. 被測定体と測定体とを含むエンコーダにおいて、
   前記測定体は、
   前記被測定体の移動量を検出する検出部と、
   該検出部から発生する前記被測定体のアナログ信号からデジタル信号の位置データを取得する信号処理部と、を含んでおり、
   前記信号処理部は、前記検出部から発生する位相の異なる複数相の正弦波状のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置と、
   前記デジタル信号における前記位置データの誤差に含まれる周期的な誤差成分と非周期的な誤差成分とのうちの、該非周期的な誤差成分の補正データを記憶する記憶部と、を具備し、前記非周期的な誤差成分は、前記位置データ全体において非周期的な間隔で発生する非周期的な誤差成分であり、
   さらに、
   該記憶部に記憶された前記補正データを用いて前記位置データの誤差のうち前記非周期的な誤差成分を補正する非周期誤差補正部と、
   前記位置データの誤差のうち前記周期的な誤差成分補正する周期誤差補正部と、を含む、エンコーダ。
2. 前記記憶部に記憶された前記補正データは、前記被測定体を特定する特定情報を含む、請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記記憶部に接続されていて、前記測定体の外部から前記補正データを入出力できる入出力部をさらに含む、請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 前記被測定体が、磁性材料から形成されていて周期的な凹凸がその周面に形成されたリング状部材である、請求項１から３のいずれか一項に記載のエンコーダ。

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