JP6071196B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、位相信号の内挿誤差を検出するエンコーダに関する。

特許文献１には、絶対値エンコーダ（被補正エンコーダ）よりも高い精度を有する基準エンコーダを備えた絶対値エンコーダ補正装置が開示されている。特許文献１の構成では、絶対値エンコーダと基準エンコーダが同軸上に取り付けられ、２つのエンコーダの検出位置情報の差分に基づいて補正値が生成される。そしてこの補正値を用いて絶対値エンコーダの検出値を補正することにより、高精度な位置情報が得られる。

また特許文献２には、被測定検出器と基準検出器を結合し、被測定検出器の位置検出値と基準検出器の位置検出値との差により誤差を測定し、補正値を作成する誤差補正値作成装置が開示されている。

特開２００４−３１７４１１号公報 特開２００１−９１２３７号公報

しかしながら、特許文献１、２のような構成では、高精度な基準エンコーダが必要となり、エンコーダの製造コストが上昇してしまう。また、被補正エンコーダ（被測定検出器）と基準エンコーダ（基準検出器）との取り付けの際に、取り付け誤差に起因する誤差の補正残差が発生する場合がある。更に、これらのエンコーダの組み込み後に、補正値の再調整のために取り外しが必要となることがある。

そこで本発明は、低コストで高精度なエンコーダを提供する。

本発明の一側面としてのエンコーダは、単一のスケールに光を照射して第１の周期を有する第１の位相信号及び該第１の周期とは異なる第２の周期を有する第２の位相信号を検出するセンサ部と、前記スケールと前記センサ部とを所定の変位量だけ相対変位させた場合における前記第１の位相信号の位相変化の累積量と前記第２の位相信号の位相変化の累積量を揃えて、第１の累積位相信号及び第２の累積位相信号を取得し、該第１の累積位相信号と該第２の累積位相信号の差を求めることで該所定の変位量に相当する累積位相成分が除去された誤差信号を生成する誤差信号生成部と、前記誤差信号から内挿誤差を検出する内挿誤差検出部と、を有し、前記内挿誤差検出部は、前記誤差信号を前記第１の周期で平均化することにより得られる前記第１の位相信号に含まれる第１の内挿誤差と、前記誤差信号を前記第２の周期で平均化することにより得られる前記第２の位相信号に含まれる第２の内挿誤差の少なくとも一方を検出する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、低コストで高精度なエンコーダを提供することができる。

本実施例におけるエンコーダのブロック図である。 本実施例におけるエンコーダの信号を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本実施例におけるエンコーダの構成について説明する。図１は、エンコーダ１０（位置検出装置）のブロック図である。図１に示されるように、エンコーダ１０は、センサ部１、誤差信号生成部２、内挿誤差検出部３、内挿誤差補正部４、および、絶対位置検出部５を備えて構成されるアブソリュート型エンコーダである。

センサ部１は、トラック１０１、１０２を有するスケール１００、センサ１１１、１１２、光源１１３、ＡＤコンバータ１２１、１２２、および、位相検出部１３１、１３２を備えて構成される。スケール１００は、回転中心１０３を被測定物（不図示）の回転軸に合わせて取り付けられ、被測定物の回転変位に連動してセンサ１１１、１１２と相対変位する。

トラック１０１、１０２には、それぞれ、９度、１０度の周期で反射部と非反射部が交互に形成されている。光源１１３から照射された光は、トラック１０１、１０２の反射部にて反射され、反射光がセンサ１１１、１１２によりそれぞれ検出される。スケール１００とセンサ１１１、１１２との相対変位により、センサ１１１、１１２により検出される反射光も変化する。センサ１１１、１１２は、それぞれ、トラック１０１、１０２の相対変位９度、１０度で１周期の２相正弦波信号を出力する。このため、スケール１００とセンサ１１１、１１２とが互いに９０度変位すると、それぞれ、１０周期、９周期の２相正弦波信号が出力される。なお、トラック１０１、１０２として、光の反射部に代えて透過部が形成されたトラック、すなわち光の透過部と非透過部が交互に形成されたトラックを用いてもよい。この場合、センサ１１１、１１２はトラック１０１、１０２のそれぞれを透過した光（透過光）を検出する。

ＡＤコンバータ１２１、１２２は、センサ１１１、１１２から出力された２相正弦波信号（アナログ信号）に対してそれぞれＡＤ変換を行い、デジタル信号を出力する。位相検出部１３１、１３２は、ＡＤ変換された２相正弦波信号（デジタル信号）に対して逆正接演算を行うことにより、それぞれ、位相信号θ１、θ２を出力する。このように、センサ部１は、単一のスケール１００に光を照射して互いに周期の異なる２つの位相信号θ１、θ２を検出する。

誤差信号生成部２は、位相信号θ１、θ２に対して、所定の変位量に相当する位相の累積変化量を揃えてこれらの差をとることにより、変位量に相当する累積位相成分を除去した誤差信号Ｅを生成する。内挿誤差検出部３は、誤差信号Ｅを位相信号θ１、θ２のそれぞれの周期で平均化することにより、位相信号θ１、θ２のそれぞれに含まれる内挿誤差Ｅ１、Ｅ２を検出する。内挿誤差補正部４は、位相信号θ１、θ２のそれぞれについて内挿誤差Ｅ１、Ｅ２を減算することにより、内挿誤差を補正した補正位相信号θＣ１、θＣ２を生成する。絶対位置検出部５は、補正位相信号θＣ１、θＣ２を用いて被測定物の絶対位置を検出する。

次に、図１および図２を参照して、エンコーダ１０による内挿誤差検出方法、補正方法、および、絶対位置検出方法について説明する。図２は、エンコーダ１０の信号を示す図である。

まず、誤差信号生成部２における処理について説明する。位相信号θ１の位相は、スケール１００とセンサ１１１との間の相対変位９度に対して２πだけ変化する。一方、位相信号θ２の位相は、スケール１００とセンサ１１２との間の相対変位１０度に対して２πだけ変化する。このため、位相信号θ１を９／１０倍することにより、ともに相対変位９度に対して２πの位相変位となる。したがって、これらの信号の差を取ることで、変位成分を除去した誤差信号Ｅが得られる。

位相信号θ１、θ２は、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、１周期内の値、すなわち位相０から２πまでの値しか取らない。このため、２πから０への折り返しが発生すると、位相信号θ１、θ２の変位成分の初期位相がずれる。そこで、図２（ｃ）においてθＡ１、θＡ２で示されるように、位相信号θ１、θ２のそれぞれについて位相２πから０への折り返しをカウントし、２π×（折り返し回数）を位相信号θ１、θ２に加えて得られた位相信号θＡ１、θＡ２（累積量）を算出する。ここで、位相信号θ１、θ２に含まれる内挿誤差をそれぞれＥ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）とすると、位相信号θＡ１、θＡ２はそれぞれ以下の式（１）、（２）で表される。したがって、以下の式（３）に示されるように、位相信号θＡ１、θＡ２から誤差信号Ｅを求めることができる。ただし、以下の式中のｘは、スケール１００とセンサ１１１、１１２それぞれの相対変位角度である。

θＡ１＝（２π／９）ｘ＋Ｅ１（ｘ） …（１）
θＡ２＝（２π／１０）ｘ＋Ｅ２（ｘ） …（２）
Ｅ＝θＡ１×９／１０−θＡ２
＝Ｅ１（ｘ）×９／１０−Ｅ２（ｘ） …（３）
このように、誤差信号生成部２は、スケール１００とセンサ部１とを所定の変位量（例えば、９０度）だけ相対変位させた場合における２つの位相信号θ１、θ２の位相変化の累積量（位相信号θＡ１、θＡ２）を揃えて２つの累積位相信号を取得する。このとき誤差信号生成部２は、２つの位相信号θ１、θ２の周期に基づく係数（例えば、９／１０）を２つの位相信号の一方（例えば、位相信号θ１）の位相変化の累積量（例えば、２０π）に掛ける。これにより、２つの位相信号θ１、θ２の位相変化の累積量は互いに等しくなる。そして、式（３）で表されるように２つの累積位相信号（例えば、θＡ１×９／１０とθＡ２）の差を求めることで、所定の変位量に相当する累積位相成分（例えば、１８π）が除去された誤差信号Ｅを生成する。

次に、内挿誤差検出部３における処理について説明する。内挿誤差検出部３は、誤差信号Ｅを位相信号θ１、θ２の両方の周期で平均化することにより、位相信号θ１、θ２のそれぞれに含まれる内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）を検出する。ここで、内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）の主因は、２相正弦波信号にオフセット誤差、振幅誤差、および、位相誤差が含まれていることである。これらの誤差に起因する内挿誤差成分は、トラックの１ピッチに対して１周期または２周期の誤差となる。したがって、内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）は、それぞれ、トラック１０１、１０２の周期と等しい周期関数とみなせるため、任意のｘについて以下の式（４）、（５）が成立する。ただし、ｍは任意の整数である。

Ｅ１（ｘ）＝Ｅ１（ｘ＋９ｍ） …（４）
Ｅ２（ｘ）＝Ｅ２（ｘ＋１０ｍ） …（５）
また、内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）のそれぞれを位相信号θ１の周期、すなわち９度周期で平均化すると、式（４）、（５）を用いて、内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）はそれぞれ以下の式（６）、（７）のように表される。ただし、ｎは平均化するサンプル数である。

ここで、式（７）は、１０度周期の周期関数である内挿誤差Ｅ２（ｘ）を９度周期で平均化することが、内挿誤差Ｅ２（ｘ）を１度毎位相をずらしながら平均化することと等しいということを示している。上述のように、内挿誤差Ｅ２（ｘ）は、１周期または２周期の誤差が主因である。このため、サンプル数ｎが十分に大きい場合、この値は以下の式（８）で表されるように０に収束する。

式（６）、（７）、（８）より、内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）の混在する誤差信号Ｅについて、位相信号θ１の周期すなわち９度周期で平均化すると、内挿誤差Ｅ２（ｘ）の成分が０に収束し、Ｅ１（ｘ）×９／１０の値が得られる。このため、この値を１０／９倍することにより、内挿誤差Ｅ１（ｘ）を算出することができる。同様に、誤差信号Ｅを位相信号θ２の周期すなわち１０度周期で平均化すると、内挿誤差Ｅ１（ｘ）の成分が０に収束するため、−Ｅ２（ｘ）の値が得られる。このため、内挿誤差Ｅ２（ｘ）を算出することができる。

また、この平均化処理に関して、正確に９度周期でサンプルを取得することが難しい場合、必要な分解能に応じて位相を所定の領域に分けて平均化することが好ましい。例えば、１度毎の内挿誤差を算出する場合、まず９度の範囲を１度毎に領域０から領域８まで９つに分割する。そして、複数のサンプルを取得し、各サンプルの位相信号θ１の値から以下の式（９）を用いて、各サンプルが含まれる領域を求める。ただし、ｉは領域の添字である。そして、各サンプルを領域ごとに振り分け、領域ごとに平均化することにより、前述と同等の効果が得られる。

ｉ≦θ１×９／（２π）＜ｉ＋１ …（９）
内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）は、スケール１００とセンサ１１１、１１２との相対的な位置関係に応じて変化し、理想位置からずれると内挿誤差も大きくなる。例えば、本実施例のようにロータリ型エンコーダにおいて径方向の位置ずれが発生すると、センサ１１１、１１２の検出位置におけるトラック１０１、１０２のピッチが変化する。それに伴い、センサ１１１、１１２から出力される２相正弦波信号の位相差も変化する。仮に、センサ１１１の検出位置におけるトラック１０１のピッチが９度から９＋φ度に変化すると、２相正弦波信号の位相差は９０度から９０＋φ／１０度と変化する。このため、ピッチ変化に起因する内挿誤差ｅは、以下の式（１０）で表される。ただし、ａｔａｎ２（Ｙ，Ｘ）は、４象限内における逆正接値、θはピッチ内の位相である。

ｅ＝ａｔａｎ２（ｓｉｎ（θ−φ／２０），ｃｏｓ（θ＋φ／２０））−θ
＝φ／１０、ｃｏｓ２θ−φ／２０ …（１０）
したがって、トラック１０１の１ピッチ毎に２周期発生する内挿誤差ｅの振幅を求めることで、センサ１１１の検出位置におけるピッチが算出される。トラック１０１のピッチが算出されると、トラック１０１とセンサ１１１との間の相対位置を推定することができるため、センサ１１１の位置ずれが許容範囲内に収まっているか否かの判定が可能となる。なお本実施例では、誤差信号Ｅを２つの位相信号θ１、θ２の両方の周期で平均化することで内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）を検出しているが、これに限定されるものではない。十分な精度が得られる場合には、誤差信号Ｅを２つの位相信号の少なくとも一方の周期で平均化することにより、少なくとも一方の位相信号に含まれる内挿誤差を検出すればよい。

次に、内挿誤差補正部４における処理について説明する。内挿誤差補正部４は、内挿誤差を用いて２つの位相信号θ１、θ２の少なくとも一方を補正することにより補正位相信号を生成する。本実施例において、内挿誤差補正部４は、内挿誤差検出部３で検出された内挿誤差Ｅ１（ｘ）、Ｅ２（ｘ）を位相信号θ１、θ２から減じることにより、補正位相信号θＣ１、θＣ２を生成する。ただし、補正位相信号θＣ１、θＣ２が０未満または２π以上になる場合、補正位相信号θＣ１、θＣ２が０≦θＣ１＜２π、０≦θＣ２＜２πを満たすように２πを加算または減算する。この補正処理により得られた位相信号を用いることで、内挿誤差の影響の少ない高精度な位置検出を行うことができる。

次に、絶対位置検出部５における処理について説明する。絶対位置検出部５は、内挿誤差補正部４で補正した補正位相信号θＣ１、θＣ２を用いて、センサ１１１、１１２を基準としたスケール１００（被測定物）の絶対位置を検出する。まず、補正位相信号θＣ１、θＣ２の位相差信号Ｖを求める。補正位相信号θＣ１、θＣ２は、位相信号θ１、θ２と同様に、０から２πまでの値しかとらない。そこで、補正位相信号の差θＣ１−θＣ２を算出し、θＣ１−θＣ２＜０を満たす範囲において２πを加算することにより、位相差信号Ｖを求める。図２（ｄ）に、位相差信号Ｖと変位量との関係を示す。

本実施例では、スケール１００とセンサ１１１、１１２が９０度相対変位すると、１周期の位相差信号Ｖが発生する。このため、位相差信号Ｖは、９０度の範囲内における被測定物の絶対位置を表すことになる。ただし、位相差信号Ｖは、補正位相信号θＣ１、θＣ２と比較して誤差が大きく、位相差量に対する変位分解能が低い。そこで、位相差信号Ｖの値から補正位相信号θＣ１が何周期目であるかを求め、１周期内での絶対位置を補正位相信号θＣ１により算出する。これにより、より高精度な絶対位置を検出することができる。補正位相信号θＣ１がＴ周期目であって絶対位置がＰである場合、Ｔ、Ｐは、それぞれ以下の式（１１）、（１２）により求められる。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｒ）はｒに最も近い整数、Ｔは０以上の整数である。図２（ｅ）に、周期Ｔと変位量との関係を示す。また図２（ｆ）に、絶対位置Ｐと変位量との関係を示す。

Ｔ＝ＲＯＵＮＤ（（Ｖ×１０−θＣ１）／（２π）） …（１１）
Ｐ＝Ｔ×９＋θＣ１／（２π）×９［ｄｅｇ．］ …（１２）
以上の構成により、被測定物の絶対位置を求めることができる。

なお、本実施例はロータリ型エンコーダについて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えばリニア型エンコーダにも適用可能である。また、本実施例のエンコーダは、製品の検査を行うために内挿誤差を求めるエンコーダとしても適用可能である。この場合、内挿誤差補正部４および絶対位置検出部５を設ける必要はない。

本実施例によれば、基準エンコーダを用いることなく内挿誤差を検出することができるため、エンコーダの製造コストの削減が可能である。また、基準エンコーダの取り付け誤差に起因する補正残差も発生しない。また、エンコーダを組み込んだ状態で補正値を再調整することができるため、エンコーダの高精度化が可能である。このため本実施例によれば、低コストで高精度なエンコーダを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ センサ部
２ 誤差信号生成部
３ 内挿誤差検出部
１０ エンコーダ
１００ スケール

Claims (6)

1. 単一のスケールに光を照射して第１の周期を有する第１の位相信号及び該第１の周期とは異なる第２の周期を有する第２の位相信号を検出するセンサ部と、
   前記スケールと前記センサ部とを所定の変位量だけ相対変位させた場合における前記第１の位相信号の位相変化の累積量と前記第２の位相信号の位相変化の累積量を揃えて、第１の累積位相信号及び第２の累積位相信号を取得し、該第１の累積位相信号と該第２の累積位相信号の差を求めることで該所定の変位量に相当する累積位相成分が除去された誤差信号を生成する誤差信号生成部と、
   前記誤差信号から内挿誤差を検出する内挿誤差検出部と、を有し、
   前記内挿誤差検出部は、前記誤差信号を前記第１の周期で平均化することにより得られる前記第１の位相信号に含まれる第１の内挿誤差と、前記誤差信号を前記第２の周期で平均化することにより得られる前記第２の位相信号に含まれる第２の内挿誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記誤差信号生成部は、前記第１の位相信号及び前記第２の位相信号の周期に基づく係数を該第１の位相信号または該第２の位相信号の一方の位相変化の累積量に掛けることで、該第１及び第２の位相信号の位相変化の累積量を互いに等しくすることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記内挿誤差検出部は、前記第１の内挿誤差と前記第２の内挿誤差の両方を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 前記第１の内挿誤差を用いて前記第１の位相信号を補正することにより第１の補正位相信号を生成し、前記第２の内挿誤差を用いて前記第２の位相信号を補正することにより第２の補正位相信号を生成する内挿誤差補正部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記第１及び第２の補正位相信号を用いて前記スケールの絶対位置を検出する絶対位置検出部を更に有することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記第１の内挿誤差は、前記第１の周期の周期関数として表され、
   前記第２の内挿誤差は、前記第２の周期の周期関数として表され、
   前記内挿誤差検出部は、
   前記誤差信号を前記第１の周期で平均化することにより該誤差信号に含まれる前記第２の内挿誤差を除去して、前記第１の内挿誤差を検出し、
   前記誤差信号を前記第２の周期で平均化することにより該誤差信号に含まれる前記第１の内挿誤差を除去して、前記第２の内挿誤差を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。