JP6665509B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
このような駆動部品の回転角度(例えばモーター主軸の回転角)を検出する場合、一般にロータリーエンコーダーが用いられる(例えば、特許文献1参照)。
第一スリットにより形成される明暗パターンの明暗幅)が、上記規定誤差の4/3以上となる。つまり、規定誤差が、隣り合う第一スリットの間隔の3/4以下となっている。
つまり、隣り合う第一スリットの間隔が、角度センサーの規定誤差の4/3未満である場合、第一スリットで回折された回折光の周期に対して規定誤差範囲が大きくなる。この場合、角度センサーにて検出された検出値に規定誤差が含まれ、かつ、当該規定誤差内で第一検出部から検出信号に対応した回転角度が複数含まれることがある。この場合、第一検出部からの検出信号が、いずれの回転角度に対応する信号であるかを判定することが困難となる。これに対して、上記構成とすることで、測定誤差範囲内に対して、第一検出部からの検出信号に対応した主軸の回転角度が1つのみ決まるので、上記のような問題が発生せず、高精度に主軸の回転角を検出することが可能となる。
本適用例では、第一スリットの配置間隔(スリット間隔)よりも、小さいスリット間隔の第二スリットと、当該第二スリットを通過した光(回折光)を検出する第二検出部とを更に備える。スリットを通過した回折光を検出する光学式エンコーダーでは、スリット間隔を小さくすることで、分解能を向上させることができる。しかしながら、上述したように、第一スリットは、角度センサーの規定誤差の4/3以上の間隔で配置される構成となるため、スリット間隔が比較的大きくなり、高分解能な測定には不向きとなる。これに対して、本適用例では、上記のように、第一スリットよりもスリット間隔が小さい第二スリットと、第二検出部とを備えることで、第二スリット及び第二検出部を用いた高分解能な測定を行うことができる。つまり、本適用例では、角度検出センサー、第一スリット、及び第一検出部を用いて、絶対位置の測定を高精度に行い、第二スリット及び第二検出部を用いて、高分解能な測定を行うことができる。
本適用例では、第一スリットよりも、スリット間隔が小さい第二スリットは、第一スリットよりも主軸から離れる側(外周側)に設けられている。言い換えれば、第一スリットが配置される第一仮想円の径寸法よりも、第二スリットが配置される第二仮想円の径寸法の方が大きい。このような構成では、円周が大きい第二仮想円に沿って、スリット間隔が狭い第二スリットを多数設けることが可能となり、主軸の回転角度をより高分解能で検出することが可能となる。
図1は、本発明に係る位置検出装置1の概略構成を示す平面図であり、図2は、位置検出装置1の側面図である。
図1において、位置検出装置1は、主軸10の1回転以内の絶対回転角度を検出するアブソリュート型のロータリーエンコーダーである。このような位置検出装置1は、産業機械(例えばスカラーロボット)等における回転機構に対して取り付けられ、回転機構の位置を検出する。例えば、産業機械の駆動アームの位置を検出する場合、駆動アームの駆動軸を主軸10とし、駆動軸に対して本実施形態の位置検出装置1を取り付ける。この場合、駆動軸の絶対回転角度を検出することで駆動アームの位置(例えばアーム角度等)を検出することが可能となる。
そして、この位置検出装置1は、図1及び図2に示すように、磁気角度センサー2と、光学式エンコーダー3と、信号処理部4(図2参照)と、を備える。
磁気角度センサー2は、本発明における角度検出センサーであり、主軸10の回転角度を検出する。この磁気角度センサー2は、図1,2に示すように、主軸10の端部に設けられた磁石21と、磁石21に対向する角度検出部22(図2参照)とを備えている。
磁石21は、主軸10を軸心10Aに対して垂直な面で、主軸10の径方向に沿った一方側と他方側とで異なる磁極を有する径方向磁石である。
角度検出部22は、主軸10とともに回転する磁石21により変化する磁性モーメントから、主軸10の回転角度を検出し、検出信号(第一検出信号)を出力する。この角度検出部22は、主軸10の所定の初期位置から回転角度(絶対回転角度)を検出することが可能となる。
なお、このような磁気角度センサー2は、構成の簡素化、低コスト化を図ることができるが、磁気ヒステリシスや温度ドリフトの影響を受け、十分な測定精度を得ることができない。磁気角度センサー2による角度測定において発生し得る誤差(規定誤差M(図3参照))は、例えば製造時における検査において、予め計測しておくことが可能となる。なお、この規定誤差Mとは、磁気角度センサー2により検出された位置を中心に規定誤差Mの範囲内に真値(実際の位置)が存在することを意味する。
次に、光学式エンコーダー3について説明する。
光学式エンコーダー3は、回転体31と、第一光源32(図2参照)と、第二光源33(図2参照)と、第一受光部34(本発明の第一検出部)と、第二受光部35(本発明の第二検出部)と、を備える。
回転体31は、例えば主軸10の軸心10Aに対して直交する円盤状の平面基板であり、主軸10に対して固定され、主軸10とともに回転可能となる。この回転体31には、主軸10の軸心10Aを中心とした第一仮想円31A(図1参照)に沿って配置される複数の第一スリット311と、第一仮想円31Aと同軸であり、第一仮想円31Aよりも径大の第二仮想円31B(図1参照)に沿って配置される複数の第二スリット312と、を備えている。
ここで、第一スリット311と、第一光源32と、第一受光部34とにより、第一エンコーダー3Aが構成され、第二スリット312と、第二光源33と、第二受光部35とにより、第二エンコーダー3Bが構成される。そして、本実施形態の位置検出装置1では、磁気角度センサー2と、第一エンコーダー3Aとにより主軸10の1回転内の絶対位置を検出し、第二エンコーダー3Bにより、主軸10の回転角度をより高精度に検出する。
第一エンコーダー3Aは、上述のように、第一スリット311と、第一光源32と、第一受光部34とにより構成されている。
第一光源32は、回転体31の第一仮想円31Aに対向する位置で、例えば光学式エンコーダー3を収納する筐体等の壁部(図示略)に固定されている。
第一受光部34は、回転体31の第一光源32とは反対側の面で、かつ、回転体31の第一仮想円31Aに対向する位置で、例えば光学式エンコーダー3を収納する筐体等の壁部(図示略)に固定されている。
上記のような光学式の第一エンコーダー3Aでは、第一光源32から出射された光が第一スリット311に入射し、第一スリット311を通過した回折光が第一受光部34に入射されることで、第一受光部34から回転体31(主軸10)の回転角度に応じた検出信号(第二検出信号)が出力される。
ここで、第一受光部34からの第二検出信号の信号波形は、回転体31(主軸10)を回転角度の変化に対して、図3に示すように正弦波状に変化する。よって、第二検出信号、及びその微分信号を取得することで、第一受光部34の位置が回転体31に対して、どの位置にあるかを検出することが可能となり、回転体31(主軸10)の回転角度を検出することが可能となる。
そして、本実施形態では、各明暗パターンの長さ寸法(明暗幅L1)は、磁気角度センサー2の規定誤差Mの4/3以上となり、明暗幅L1が、規定誤差Mの4/3倍と等しいことがより好ましい。言い換えると、磁気角度センサー2は、規定誤差Mが明暗パターンの明暗幅L1の3/4に入る精度を有している。
第二エンコーダー3Bは、上述のように、第二スリット312と、第二光源33と、第二受光部35とにより構成されている。
第二光源33は、回転体31の第二仮想円31Bに対向する位置で、例えば光学式エンコーダー3を収納する筐体等の壁部に固定されている。
第二受光部35は、回転体31の第二光源33とは反対側の面で、かつ、回転体31の第二仮想円31Bに対向する位置で、例えば光学式エンコーダー3を収納する筐体等の壁部に固定されている。
なお、第二光源33及び第二受光部35は、主軸10の径方向に沿って第一光源32及び第一受光部34と並設されていることが好ましい。
つまり、各第二スリット312の第二仮想円31Bに沿った一端部を第三端部312A、他端部を第四端部312Bとした際、隣り合う第二スリット312の第三端部312A間(又は隣り合う第二スリット312の第四端部312B間)で、第二スリット312が明、隣り合う第二スリット312との間のリブ312Cが暗となる明暗パターンが形成され、当該明暗パターンが第二仮想円31Bに沿って複数配置される構成となる。そして、この第二スリット312の明暗パターンの明暗幅L2は、第一スリット311の明暗パターンの明暗幅L1よりも小さくなる。当該明暗幅L2は、位置検出装置1に要求される分解能に応じて適宜設定することが可能であり、例えば、第一エンコーダー3Aの分解能が明暗幅L1の1/4である場合、第二スリット312の明暗幅L2を明暗幅L1の1/4以下に設定する。
信号処理部4は、磁気角度センサー2及び光学式エンコーダー3からの各検出信号が入力され、これらの入力信号に基づいて、主軸10の1回転以内の回転角度(絶対回転角度)を検出する。
この信号処理部4は、第一検出手段41、及び第二検出手段42を備えている。
第一検出手段41は、磁気角度センサー2及び光学式エンコーダー3の第一エンコーダー3Aから出力される検出信号(第一検出信号及び第二検出信号)に基づいて、主軸10の1回転以内の回転における絶対位置を検出する。つまり、主軸10の初期位置からの回転角度を検出する。
第二検出手段42は、光学式エンコーダー3の第二エンコーダー3Bから出力される第三検出信号に基づいて、第一検出手段41にて検出された絶対位置における、より詳細な回転角度を検出する。
これらの第一検出手段41及び第二検出手段42は、複数の回路チップを組み合わせることでハードウェアとして構成される。なお、信号処理部4としては、これに限定されず、例えば、データやプログラムを記憶する記憶部と、磁気角度センサー2や光学式エンコーダー3からの各検出信号に基づいた演算処理を行う演算部と、を備える構成としてもよい。この場合、演算部が記憶部に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、上記第一検出手段41及び第二検出手段42として機能する。
位置検出装置1では、主軸10が回転されると、磁気角度センサー2や、光学式エンコーダー3の第一受光部34及び第二受光部35から信号処理部4に各検出信号が出力される。
信号処理部4に磁気角度センサー2や光学式エンコーダー3からの検出信号が入力されると、第一検出手段41は、磁気角度センサー2からの第一検出信号に基づいて、主軸10の1回転内の回転角度(絶対位置)を検出する。さらに、第一検出手段41は、第一エンコーダー3Aの第一受光部34からの第二検出信号に基づいて、絶対位置の正確な情報を特定する。
つまり、第二スリット312の明暗パターンの明暗幅L2は、上記第一スリット311の明暗幅L1よりも小さいため、第二エンコーダー3Bの分解能は、第一エンコーダー3Aに比べて高くなる。したがって、上記のように第一検出手段41により検出される絶対位置P2が低分解能であった場合でも、第二エンコーダー3Bからの第三検出信号に基づいた高分解能な位置検出が可能となる。例えば、図3に示すように、第三検出信号の信号レベルがS2であり、かつその微分信号が負値である場合、絶対位置P3が検出される。
そして、本実施形態の位置検出装置1は、初期位置から絶対位置P3までの角度を主軸10の絶対回転角度として出力する。
図4は、従来のロータリーエンコーダーにおける磁気角度センサーの規定誤差と、光学式エンコーダーの検出信号の一例である。図4に示す例は、磁気角度センサーにより絶対位置P1を検出し、光学式エンコーダーにより高精度な測定を実施する従来のロータリーエンコーダーである。このような従来のロータリーエンコーダーでは、磁気角度センサーが有する規定誤差Mと光学式エンコーダーとの関係を考慮していない。よって、磁気ヒステリシスや温度ドリフト等の影響により、磁気角度センサーで検出された絶対位置P1に規定誤差M内の誤差が含まれていることがある。
ここで、光学式エンコーダーのスリット間隔が、規定誤差Mの4/3未満である場合、図4に示すように、光学式エンコーダーからの検出信号の信号レベル「S3」に対応する検出位置P4が複数(2か所)存在することがある。この場合、これらの位置P4のいずれが正確な位置であるかを判定することができず、ロータリーエンコーダーの検出精度が低下する。
また、第一スリット311よりもスリット間隔が小さい第二スリット312を有する第二エンコーダー3Bを用いた測定を実施するため、高分解能な絶対位置P3の検出が可能となる。
本実施形態の位置検出装置1は、磁気角度センサー2と、光学式エンコーダー3とを有し、光学式エンコーダー3は、第一エンコーダー3A及び第二エンコーダー3Bを有する。そして、第一エンコーダー3Aは、回転体31の回転中心を中心とした第一仮想円31Aに沿って設けられた複数の第一スリット311と、第一スリット311に光を照射する第一光源32と、第一スリット311を通過した回折光を受光する第一受光部34とを備えている。そして、本実施形態では、第一スリット311の明暗幅L1が、磁気角度センサー2の規定誤差Mの4/3以上となる。
このような位置検出装置1では、磁気角度センサー2から出力される第一検出信号に基づいた絶対位置P1(仮絶対位置P1)が、磁気ヒステリシスや温度ドリフトの影響によって、規定誤差Mの範囲内の測定誤差を含んだ位置である場合でも、第一エンコーダー3Aからの第二検出信号に基づいて、正確な絶対位置P2を検出することができる。この際、第一スリット311の明暗幅L1が規定誤差Mの4/3以上となるので、規定誤差Mの範囲内に対して、第二検出信号に対応する絶対位置P2は1つに特定される。よって、図4に示すような、第二検出信号に対応する位置が複数存在することがないので、容易かつ高精度に絶対位置P2(つまり、主軸10の初期位置からの回転角度)を検出することができる。
上述したような第一エンコーダー3Aを用いると、磁気角度センサー2による絶対位置の検出時に、磁気ヒステリシスや温度ドリフトの影響で誤差が発生した場合でも、正確な絶対位置P2を検出することができる。一方で、第一エンコーダー3Aの明暗パターンの明暗幅L1は、規定誤差Mよりも大きく、分解能が低下する。これに対して、本実施形態では、上記のような第二エンコーダー3Bを用いた位置検出を併用することで、磁気角度センサー2及び第一エンコーダー3Aにて検出された絶対位置P2に対して、更に高分解能な位置検出を行うことができ、高精細な絶対位置P3を検出することができる。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
この場合、例えば第三エンコーダーを構成するスリットの明暗幅を、第二エンコーダー3Bの分解能の1/4とすればよい。
Claims (3)
- 軸心を中心に回転可能な主軸の回転角度を検出する角度検出センサーと、
前記主軸の回転角度を検出する光学式エンコーダーと、を備え、
前記角度検出センサーは、
前記軸心に垂直な面に設けられ、前記主軸の径方向に沿った一方側と他方側とで異なる磁極を有し、前記主軸とともに回転する磁石と、
前記磁石が前記主軸とともに回転することで変化する磁気モーメントに基づいて前記主軸の回転角度を検出する角度検出部と、を備え、
前記光学式エンコーダーは、前記主軸とともに回転する回転体に設けられ、前記軸心を中心とした第一仮想円に沿って配置された複数の第一スリットと、
前記第一スリットを通過した光を検出する第一検出部と、を有し、
隣り合う2つの前記第一スリット間の距離は、前記角度検出センサーで規定されている規定誤差の4/3以上である
ことを特徴とする位置検出装置。 - 請求項1に記載の位置検出装置において、
前記光学式エンコーダーは、
前記回転体に設けられ、前記軸心を中心とした第二仮想円に沿って配置された複数の第二スリットと、
前記第二スリットを通過した光を検出する第二検出部と、を有し、
隣り合う2つの前記第二スリット間の距離は、隣り合う2つの前記第一スリット間の距離よりも小さい
ことを特徴とする位置検出装置。 - 請求項2に記載の位置検出装置において、
前記第二スリットは、前記第一スリットよりも前記主軸から遠い位置に配置されている
ことを特徴とする位置検出装置。
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