JP6037881B2 - 位置検出器の精度補正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、位置検出器の精度補正方法に関する。
電磁誘導式位置検出器であるインダクトシン方式のスケールは、工作機械、自動車及びロボットなどの各種機械の位置検出部に適用される。インダクトシン方式のスケールにはリニア形スケールとロータリ形スケールとがあり、リニア形スケールは、例えば工作機械の直線移動軸に適用されて当該直線移動軸上の移動位置を検出し、ロータリ形スケールは、例えば工作機械の回転軸に適用されて当該回転軸の回転角度を検出する。
リニア形スケール及びロータリ形スケールは、平行に向かい合わせに配置したコイルパターンの電磁誘導により位置を検出するものである。この検出原理を図5の原理図に基づいて説明する。図5(a)はリニア形スケールのスライダとスケールを平行に向い合せにした状態を示した斜視図、図5(b)は前記スライダと前記スケールを並べて示した模式図、図5(c)は、前記スライダと前記スケールの電磁結合度を示したグラフである。なお、図5にはリニア形スケールの原理図を示しているが、ロータリ形スケールの原理も同様であり、ロータリ形スケールのステータとロータが、それぞれリニア形スケールのスライダとスケールに対応している。
図5(a)(b)に示すように、リニア形スケールの検出部は一次部材としてのスライダ11と二次部材としてのスケール12とを有している。可動部であるスライダ11は第1の一次側コイルとしての第1スライダ側コイル13と、第2の一次側コイルとしての第2スライダ側コイル14とを有しており、固定部であるスケール12は二次側コイルとしてのスケール側コイル15を有している。これらのコイル13,14,15はジグザグ状に折り返され(すなわち櫛型パターンに形成され)かつ全体が直線状となっている。また、コイル13,14,15は互いに1ピッチの長さが等しくなっている。
そして、図5(a)に示すように、第1スライダ側コイル13及び第2スライダ側コイル14と、スケール側コイル15は、これらの間に規定の範囲内のギャップgを保持した状態で平行に向い合せて配置されている。また、図5(a)及び図5(b)に示すように、第1スライダ側コイル13と第2スライダ側コイル14とは、スケール側コイル15との関係が1/4ピッチずれている。
よって、第1スライダ側コイル13と第2スライダ側コイル14とに交流電流を流し、スライダ11が図5(a)の矢印Aの如くスケール12の長手方向に沿って移動すると、このスライダ11の移動による第1スライダ側コイル13及び第2スライダ側コイル14と、スケール側コイル15との相対的な位置関係の変化に応じて、図5(c)に示すように第1スライダ側コイル13及び第2スライダ側コイル14と、スケール側コイル15との電磁結合度が周期的に変化するため、スケール側コイル15には周期的に変化する電圧が発生する。したがって、当該電圧に基づいてスケール12の位置(すなわちスケール12に対するスライダ11の位置)を検出することができる。
ここで、第1スライダ側コイル13に下記第1交流電流Isを流し、第2スライダ側コイル14に下記第2交流電流Icを流すとする。
s=−I・cos(kα)・sin(ωt)
c=I・sin(kα)・sin(ωt)
ただし、I:電流の大きさ
p:コイルの1ピッチの長さ(ロータリ形スケールでは角度)
k:2π/p
ω:交流電流の角周波数
t:時刻
α:励振位置
このような場合、理想的なリニア形スケール(又はロータリ形スケール)であれば、スケールコイル13には下記電圧Vが発生する。
V=K(g)・I・sin(k(X−α))・sin(ωt) …(1)
ただし、K:ギャップgに依存する係数
X:スケールの検出位置(スケールに対しての長手方向におけるスライダの検出位置)
また、上記(1)式をサンプリングした、電圧Vのピーク振幅Vpは、下記値となる。
p=K(g)・I・sin(k(X−α)) …(2)
そこで、検出位置Xに対し励振位置αを追従させて、α=XすなわちVp=0となるように制御し、このときの励振位置αの値を、検出位置Xとする。
特開2003−254785号公報
しかしながら、現実のリニア形スケール(又はロータリ形スケール)は、製造誤差や組付誤差により上記(2)式の関係が成立せず、検出位置Xには誤差が伴う。
一般的に誤差として顕著に現れるのは、スケール側コイルにおけるコイルピッチ(パターンピッチ)周期/整数の周期誤差であり、これを内挿誤差という。
製造誤差によるパターンの不均一性や、スケール側コイルとスライダ側コイルの傾きの変化により、実際の内挿誤差は、完全にサイクリックなものとはならず、コイルピッチごとに異なるものとなる。
よって、スケール側コイルにおける全てのコイルピッチに対して同一の補正値を用いて補正を行っても、内挿誤差の除去が困難であるという課題がある。
また、上記特許文献1のように、スケール側コイルにおける各コイルピッチの内挿誤差を予め記憶して、その値を用いて補正を行うといった手段では、余計な手間がかかってしまい、さらには取付けの経年変化による内挿誤差の変動を補正することができないという課題がある。
そこで本発明では、経年変化に強い内挿誤差補正を簡易的に行う、位置検出器の精度補正方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第1の発明に係る位置検出器の精度補正方法は、
被測定対象が一定のピッチでパターン配置される一次側部材と、測定部である二次側部材との相対位置を、一定の速度又は角速度で変化させることで、位置の検出を行う位置検出器の精度補正方法であって、
一回の測定中において、
前記二次側部材の相対位置が、前記被測定対象のn番目の節目を通過してからn+1番目の節目に到達するまでの、1ピッチの長さ又は角度pを移動する間に、一定時間間隔Δtごとに検出したピッチ範囲内における時刻i・Δt(iはサンプリング番号0〜N−1の自然数)での変位量Gn[i]を記憶し、
前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までの前記pを移動する時間をTとし、平均速度又は平均角速度Sを
S=p/T
より求め、
前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までのピッチでの内挿誤差En[i]を
n[i]=Gn[i]−i・S・Δt−Gn[0]
より求め、
現在の前記二次側部材の相対位置である検出位置が、m番目の節目からm+1番目の節目までのピッチ範囲内における検出位置Gmであるものとし、n=m+1である場合、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの内挿誤差En[I]を求め、前記被測定対象の零点位置からの位置である検出位置X´を
X´=p・m+Gm−En[I]
より求める
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第2の発明に係る位置検出器の精度補正方法は、
上記第1の発明に係る位置検出器の精度補正方法において、
過去に前記内挿誤差En[i]をk(k:整数)回取得し、平均内挿誤差Ena[i]を求めていれば、今回の前記内挿誤差En[i]を含んだ平均内挿誤差Ena´[i]を
na´[i]=(En[i]+k・Ena[i])/(k+1)
より求め、
|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの平均内挿誤差Ena´[I]を求め、前記検出位置X´を
X´=p・m+Gm−Ena´[I]
より求める
ことを特徴とする。
上記第1の発明に係る位置検出器の精度補正方法によれば、被測定対象が一定のピッチでパターン配置される一次側部材と、測定部である二次側部材との相対位置を、一定の速度又は角速度で変化させることで、位置の検出を行う位置検出器の精度補正方法であって、一回の測定中において、前記二次側部材の相対位置が、前記被測定対象のn番目の節目を通過してからn+1番目の節目に到達するまでの、1ピッチの長さ又は角度pを移動する間に、一定時間間隔Δtごとに検出したピッチ範囲内における時刻i・Δt(iはサンプリング番号0〜N−1の自然数)での変位量Gn[i]を記憶し、前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までの前記pを移動する時間をTとし、平均速度又は平均角速度SをS=p/Tより求め、前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までのピッチでの内挿誤差En[i]をEn[i]=Gn[i]−i・S・Δt−Gn[0]より求め、現在の前記二次側部材の相対位置である検出位置が、m番目の節目からm+1番目の節目までのピッチ範囲内における検出位置Gmであるものとし、n=m+1である場合、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの内挿誤差En[I]を求め、前記被測定対象の零点位置からの位置である検出位置X´をX´=p・m+Gm−En[I]より求めるので、経年変化に強い内挿誤差補正を簡易的に行うことが可能となる。
上記第2の発明に係る位置検出器の精度補正方法によれば、過去に前記内挿誤差En[i]をk(k:整数)回取得し、平均内挿誤差Ena[i]を求めていれば、今回の前記内挿誤差En[i]を含んだ平均内挿誤差Ena´[i]をEna´[i]=(En[i]+k・Ena[i])/(k+1)より求め、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの平均内挿誤差Ena´[I]を求め、前記検出位置X´をX´=p・m+Gm−Ena´[I]より求めるので、運転を繰り返すほど補正精度が向上する。
本発明の実施例1に係る位置検出器の精度補正方法を説明するフローチャートである。 スケール側コイルのピッチと検出位置と節目との関係を説明する模式図である。 コイルピッチ範囲内における変位量と時間と内挿誤差との関係を示すグラフである。 本発明の実施例1に係る位置検出器の精度補正方法を用いて補正を行った場合の検出位置と誤差との関係を示すグラフである。 インダクトシン方式のスケールの原理図である。(a)は、リニア形スケールのスライダとスケールを平行に向い合せにした状態を示した斜視図、(b)は、前記スライダと前記スケールを並べて示した模式図、(c)は、前記スライダと前記スケールの電磁結合度を示したグラフである。
電磁誘導式スケールは複数のコイルで電磁結合するので結合度は平均化される。それゆえ、隣同士の2つのコイルピッチの内挿誤差の分布は似通っている。よって、本発明に係る位置検出器の精度補正方法では、近接するコイルピッチの誤差を用いて補正を行う。
すなわち、本発明に係る位置検出器の精度補正方法では、スライダの移動中に、現在の位置に近接するコイルピッチでの誤差を取得して、内挿誤差データ(補正データ)を求め、当該データを用いて現在の位置のコイルピッチでの補正を行うという作業を、各コイルピッチに対して行う。これにより、内挿誤差のコイルピッチ位置依存性を低減して補正することができる。
以下、本発明に係る位置検出器の精度補正方法を実施例にて図面を用いて説明する。
本発明の実施例1に係る位置検出器の精度補正方法について図面を用いて説明する。図1は本方法を説明するフローチャートである。また、図2はコイルピッチと検出位置と節目との関係を説明する模式図である。さらに、図3はコイルピッチ範囲内における変位量と時間と内挿誤差との関係を示すグラフであり、横軸がコイルピッチ範囲内における変位量Gn[i](詳細は下記参照)、縦軸が時間tを示している。以下、図1のフローチャートに基づいて説明する。
ステップS1では、図2において、スライダがスケール側コイルのn番目の節目を通過する。
ステップS2では、図2において、スライダが、スケール側コイルのn番目の節目を通過してから隣(n+1番目)の節目に到達するまでの、1ピッチの長さpを移動する間に、一定時間間隔Δtごとに検出したコイルピッチ範囲内における時刻i・Δt(iはサンプリング番号0〜N−1の自然数)での変位量を変位量Gn[i]とし、当該変位量Gn[i]を記憶する。
上記一定時間間隔Δtと上記変位量Gn[i]との関係の一例を、図3のグラフ中では黒点として示している。当該黒点の縦軸上の間隔は全てΔtである。なお、図3中のグラフに示すように、Gn[N]−Gn[0]=pであり、通常はGn[0]=0である。
ステップS3では、上記n番目から上記n+1番目までの上記pを移動する時間T(図3参照)が、規定時間未満であるか否かを判断する。規定時間未満の場合は、上記n番目からn+1番目におけるスライダの移動速度は高速であるとみなして、ステップS4に移行する。規定時間以上の場合は、前記移動速度が高速でないとみなして、ステップS1に戻る。
ステップS4では、平均速度S=p/Tから、上記n番目の節目から上記n+1番目の節目までのコイルピッチでの内挿誤差En[i]を下記式にて求める。
n[i]=Gn[i]−i・S・Δt−Gn[0]
すなわち、スライダが一定の速度でpをTで通過する場合の理想的なGn[i]とΔtとの関係は、図3のグラフ中の斜めの直線となるが、現実には黒点の位置となるものとすると、各黒点から前記実線にそれぞれ横軸方向に線分を引いたとき、当該線分の長さが内挿誤差En[i]となる。この手順を数式化したものが上記式である。
ステップS5では、内挿誤差En[i]が規定値以下か否かを判断する。規定値以下の場合は、ステップS6へ移行し、規定値より大きい場合は、スケール側コイルの内挿誤差としては大きすぎる(誤差の検出ができなかった)と判断し、ステップS1に戻る。
ステップS6では、過去に内挿誤差En[i]をk回取得し、平均内挿誤差Ena[i]を求めていれば、今回の前記内挿誤差En[i]を含んだ平均内挿誤差Ena´[i]を下記式にて求めてもよい(内挿誤差En[i]は常にEEPROMに記憶し、電源再起動後も活用できるようにしておく)。
na´[i]=(En[i]+k・Ena[i])/(k+1)
本方法では、上記ステップS1〜S6によって、内挿誤差データを取得する。なお、上記「ステップS1に戻る」とは、次のコイルピッチにおいて再度ステップS1から行うという意味である。
ステップS7では、下記手順により検出位置Xの補正を行う。
まず、従来技術により、補正前の検出位置Xとコイルピッチ範囲内における検出位置とは同時に検出できる。現在のスライダの位置である検出位置が、m番目の節目からm+1番目の節目までのコイルピッチ範囲内における検出位置Gmであるものとし、補正前の、スケール側コイルの零点位置からの検出位置Xは下記式より求められる。
X=p・m+Gm
ここで、スケール側コイルのm番目の節目が、ステップS1〜S6において内挿誤差データを取得したn番目の節目に近接している、すなわちn−a≦m≦n+a(aは予め規定した整数)である場合、|Gm−Gn[i]|が最小となるiを求める。ただし、前記aについては、好ましくは1、すなわちn=m±1であるが、n=m±1において内挿誤差データの検出ができなかった場合は、別の内挿誤差データを用いることになるため、ここでは「近接」と表現している。また、過去にm番目の節目の内挿誤差を求めていれば、a=0としてもよい。
そして、上記|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの内挿誤差En[I]を求め、補正後の、スケール側コイルの零点位置からの検出位置X´を下記式から求める。
X´=p・m+Gm−En[I]
ただし、ステップS6において、平均内挿誤差Ena´[i]を求めている場合は、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの平均内挿誤差Ena´[I]を求め、補正後の、スケール側コイルの零点位置からの位置である検出位置X´を下記式から求める。
X´=p・m+Gm−Ena´[I]
図4は本方法を用いて補正を行った場合の検出位置と誤差との関係を示すグラフであり、横軸が実際の検出位置を、縦軸が実際の検出位置と上記検出位置X,X´との誤差を示しており、当該グラフ中の実線はX´に関して、当該グラフ中の破線はXに関してのデータである。当該グラフに示すように、補正前の検出位置Xに比べ、補正後の検出位置X´は実際の検出位置との誤差が低減される。
なお、上記ステップS1〜S7の手順では補正のための運転を意図的に行わない方法を示したが、当該方法では補正精度が運転履歴の増大に伴い向上するようになる。このように補正精度が運転履歴に依存することが嫌気される場合は、予め高速一定速度で全ストローク移動させることで補正のための運転を実施すればよい。
また、本方法をリニア形スケールに適用した場合について説明したが、勿論ロータリ形スケールに対しても適用できる。ロータリ形スケールに適用する場合は、上記スケールをステータに、上記スケールをロータに、上記長さを角度に、上記速度を角速度に、それぞれ置換すればよい。
さらにいえば、本方法の適用対象は、電磁誘導式位置検出器であるインダクトシン方式のスケールに限定されるものではない。
例えば、特開平4−125409の第5図に開示されるような光学式エンコーダにおいて、上記ステップS1〜S7を適用することができる。その際、上記スライダを、光源11、コリーメータレンズ12、インデックススケール16及び受光素子17に、上記スケール側コイルを、メインスケール13内の格子14に、上記コイルピッチを、格子14のピッチPに、それぞれ置換する。ただし、特開平4−125409の第5図に開示される光学式エンコーダにおける可動部は、スライダ(光源11、コリーメータレンズ12、インデックススケール16及び受光素子17)ではなく、スケール及びスケール側コイル(メインスケール13内の格子14)となる。
以上、本発明の実施例1に係る位置検出器の精度補正方法について説明したが、換言すれば本方法は、被測定対象が一定のピッチでパターン配置される一次側部材と、測定部である二次側部材との相対位置を、一定の速度又は角速度で変化させることで、位置の検出を行う位置検出器の精度補正方法であって、前記二次側部材の相対位置が、前記被測定対象のn番目の節目を通過してからn+1番目の節目に到達するまでの、1ピッチの長さ又は角度pを移動する間に、一定時間間隔Δtごとに検出したピッチ範囲内における時刻i・Δt(iはサンプリング番号0〜N−1の自然数)での変位量Gn[i]を記憶し、前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までの前記pを移動する時間をTとし、平均速度又は平均角速度SをS=p/Tより求め、前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までのピッチでの内挿誤差En[i]をEn[i]=Gn[i]−i・S・Δt−Gn[0]より求め、現在の前記二次側部材の相対位置である検出位置が、m番目の節目からm+1番目の節目までのピッチ範囲内における検出位置Gmであるものとし、n−a≦m≦n+a(aは予め規定した整数)である場合、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの内挿誤差En[I]を求め、前記被測定対象の零点位置からの位置である検出位置X´をX´=p・m+Gm−En[I]より求めるものである。
これによって、本方法では、位置検出器自身で補正を行うため、基準となる位置検出器を用いる必要がなく、補正のための運転を別途行う必要もないことから、簡易的に内挿誤差補正を行うことができる。また、経年変化に強い内挿誤差補正を行うことが可能となる。さらに、位置に依存した補正が可能となり、補正の効果がより発揮できる。
さらに本方法は、過去に前記内挿誤差En[i]をk(k:整数)回取得し、平均内挿誤差Ena[i]を求めていれば、今回の前記内挿誤差En[i]を含んだ平均内挿誤差Ena´[i]をEna´[i]=(En[i]+k・Ena[i])/(k+1)より求め、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの平均内挿誤差Ena´[I]を求め、前記検出位置X´をX´=p・m+Gm−Ena´[I]より求めてもよい。
これによって、本方法では、内挿誤差データが逐次更新されるので、運転を繰り返すほど補正精度が向上する。
本発明は位置検出器の精度補正方法として好適である。
11 スライダ
12 スケール
13 第1スライダ側コイル
14 第2スライダ側コイル
15 スケール側コイル

Claims (2)

  1. 被測定対象が一定のピッチでパターン配置される一次側部材と、測定部である二次側部材との相対位置を、一定の速度又は角速度で変化させることで、位置の検出を行う位置検出器の精度補正方法であって、
    一回の測定中において、
    前記二次側部材の相対位置が、前記被測定対象のn番目の節目を通過してからn+1番目の節目に到達するまでの、1ピッチの長さ又は角度pを移動する間に、一定時間間隔Δtごとに検出したピッチ範囲内における時刻i・Δt(iはサンプリング番号0〜N−1の自然数)での変位量Gn[i]を記憶し、
    前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までの前記pを移動する時間をTとし、平均速度又は平均角速度Sを
    S=p/T
    より求め、
    前記n番目の節目から前記n+1番目の節目までのピッチでの内挿誤差En[i]を
    n[i]=Gn[i]−i・S・Δt−Gn[0]
    より求め、
    現在の前記二次側部材の相対位置である検出位置が、m番目の節目からm+1番目の節目までのピッチ範囲内における検出位置Gmであるものとし、n=m+1である場合、|Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの内挿誤差En[I]を求め、前記被測定対象の零点位置からの位置である検出位置X´を
    X´=p・m+Gm−En[I]
    より求める
    ことを特徴とする位置検出器の精度補正方法。
  2. 過去に前記内挿誤差En[i]をk(k:整数)回取得し、平均内挿誤差Ena[i]を求めていれば、今回の前記内挿誤差En[i]を含んだ平均内挿誤差Ena´[i]を
    na´[i]=(En[i]+k・Ena[i])/(k+1)
    より求め、
    |Gm−Gn[i]|が最小となるi=Iの平均内挿誤差Ena´[I]を求め、前記検出位置X´を
    X´=p・m+Gm−Ena´[I]
    より求める
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置検出器の精度補正方法。
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