JP7447324B1

JP7447324B1 - ロータリーエンコーダ、及びロータリーエンコーダシステム、並びにロータリーエンコーダを用いた回転角度検出方法

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Publication number: JP7447324B1
Application number: JP2023016888A
Authority: JP
Inventors: 彰彦佐藤
Original assignee: 株式会社マグネスケール
Priority date: 2023-02-07
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2024-03-11
Anticipated expiration: 2043-02-07

Abstract

【課題】センサヘッドの増加を招くことなく、ロータリースケールの偏芯や変形によって生じる検出誤差を補正することが可能なロータリーエンコーダを提供する。【解決手段】被検出面としての円筒面２ａを有し、その周方向に相対角度トラック２ｂが形成されたロータリースケール２と、円筒面２ａと間隔をあけて設けられ、相対角度トラック２ｂを検出して検出信号を出力するセンサヘッド３と、センサヘッド３から出力される検出信号に基づいて、ロータリースケール２の回転角度を算出する第１の角度演算部４とを備える。また、ロータリーエンコーダ１は、センサヘッド３からの検出信号に基づいて算出される各回転角度における、間隔の大きさに応じた角度誤差を記憶する角度誤差記憶部７と、角度誤差記憶部７に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、第１の角度演算部４によって算出される回転角度を補正する角度補正部８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象物である回転体の回転軸に接続されて、当該回転体の回転軸回りの回転角度を検出するロータリーエンコーダに関する。

従来、前記ロータリーエンコーダとして、例えば、被検出面としての円筒面の周方向に、目盛りとなる相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケールと、このロータリースケールと対向するように設けられて、前記相対角度トラックを検出し、当該相対角度トラックに応じた検出信号を出力するセンサヘッドと、このセンサヘッドから出力された検出信号に基づいて、回転角度を算出する角度演算部とを備えたロータリーエンコーダが知られている。

このような構成を備えたロータリーエンコーダは、そのロータリースケールを、検出対象物である回転体の回転軸に、これと同軸となるように連結した状態で使用され、ロータリースケールが回転体とともに回転することによって、当該回転体の回転角度を検出する。

ところが、ロータリースケールを、回転体の回転軸に対して高精度に同軸となるように連結するのは困難であり、厳密には、ロータリースケールは回転体の回転軸に対して若干偏芯した状態で連結される。このため、ロータリースケールが１回転する間に、当該回転体の回転角度と検出信号波数の不一致が生じ、角度演算部によって算出される回転角度に誤差が含まれることになる。

また、ロータリースケールは、その検出面たる円筒面が変形することがあり、このような変形によっても、当該回転体の回転角度と検出信号波数の不一致が生じることになるため、角度演算部によって算出される回転角度に誤差が含まれることになる。

そこで、従来、下記特許文献１に開示されるように、例えば、２つセンサヘッドを用い、これらを、ロータリースケールに対して、その回転方向における位相が０°と１８０°となる回転角度位置にそれぞれ配設し、各センサヘッドから出力される検出信号に基づいて算出される回転角度を平均することで、ロータリースケールの偏芯に起因した１次誤差成分を軽減させる手法が提案されている。また、この特許文献１に開示された手法では、６つのセンサヘッドを用いることにより、３２次までの誤差成分を軽減させることができる。

特許第６３８６３６８号公報

ところが、上記特許文献１に開示される手法では、検出精度が向上するというメリットがある反面、使用するセンサヘッドの組数によって、補正できる誤差の次数が決定されるため、測定精度をより向上させるには、より多くのセンサヘッドを用いる必要があり、このため、その構造が複雑になり、また、ロータリーエンコーダの製造コストが上昇するというデメリットがある。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、使用するセンサヘッドの増加を招くことなく、ロータリースケールの偏芯や変形によって生じる検出誤差を補正することが可能なロータリーエンコーダ、及びロータリーエンコーダシステム、並びにロータリーエンコーダを用いた回転角度検出方法の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
検出対象物である回転体の回転軸に接続され、中心軸が前記回転軸に対して平行に設けられる被検出面としての円筒面を有し、該円筒面の周方向に、相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケールと、
前記ロータリースケールの前記円筒面と間隔をあけて対向するように設けられ、前記円筒面に形成された相対角度トラックを検出して、該相対角度トラックに応じた検出信号であって、前記間隔の大きさに応じて変化する検出信号を出力するセンサヘッドと、
前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度を算出する第１の角度演算部と、を備えたロータリーエンコーダであって、
更に、前記センサヘッドからの検出信号に基づいて算出される各回転角度における、前記間隔の大きさに応じた角度誤差を記憶する角度誤差記憶部と、
前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記第１の角度演算部によって算出される回転角度を補正する角度補正部と、を備えたロータリーエンコーダに係る。

この態様（第１の態様）のロータリーエンコーダは、そのロータリースケールが、検出対象物である回転体の回転軸に連結された状態で使用され、ロータリースケールが回転体とともに回転することにより、ロータリースケールの円筒面と対向したセンサヘッドから、相対角度トラックに応じ、且つ円筒面との間隔の大きさに応じて変化する検出信号が連続的に出力される。

そして、センサヘッドから連続して出力される検出信号は第１の角度演算部により処理され、この検出信号に基づいて、ロータリースケールの回転角度、即ち、回転体の回転角度が順次算出され、算出された回転角度が一次角度情報として当該第１の角度演算部から出力される。ついで、第１の角度演算部から連続して出力される一次角度情報は角度補正部によって処理され、当該角度補正部は、角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差を参照して、第１の角度演算部から入力された回転角度に応じた角度誤差を認識し、認識した角度誤差に基づいて、第１の角度演算部から連続して入力される回転角度を順次補正する。

このように、このロータリーエンコーダによれば、ロータリースケールとセンサヘッドとの間隔の大きさに応じた角度誤差を補正することができるので、ロータリースケールが回転体の回転軸に対して偏芯や変形した状態で連結される、或いは、ロータリースケールの検出面たる円筒面が経時的に偏芯や変形することによって、ロータリースケールが１回転する間に、ロータリースケールとセンサヘッドとの間の隙間が変動する状態となっても、ロータリースケール、即ち検査対象の回転体の回転角度を予定された高精度で検出することができる。

また、このロータリーエンコーダによれば、従来のようにセンサヘッドの数を増やすことなく、回転角度を高精度で検出することができるので、その構造が複雑になることもなく、また、その製造コストが大きく増加するのを防ぐことができる。

上記第１の態様のロータリーエンコーダにおいて、更に、ロータリースケールとセンサヘッドとの間の間隔（隙間）の大きさとセンサヘッドから出力される検出信号の大きさとの相関関係、並びにセンサヘッドから出力される検出信号に基づいて、この該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差を算出して角度誤差記憶部に格納する角度誤差演算部を設けた態様（第２の態様）としてもよい。

或いは、この第２の態様のロータリーエンコーダにおいて、更に、前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を記憶する誤差情報記憶部を設け、前記角度誤差演算部は、前記誤差情報記憶部に記憶された前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を参照して、前記角度誤差を算出するように構成された態様（第３の態様）としてもよい。

また、上記第３の態様のロータリーエンコーダにおいて、前記角度誤差演算部は、前記角度誤差記憶部に格納される角度誤差を、前記ロータリースケールの１回転毎に算出した新たな角度誤差で置き換えることによって、更新するように構成されていてもよい。この態様（第４の態様）によれば、角度補正部において、第１の角度演算部から出力される回転角度を、最新の角度誤差を用いて補正することができるので、ロータリースケール（検査対象の回転体）の回転角度を経時的な精度劣化を伴うことなく高精度に検出することができる。

また、上記第１から第４の態様のロータリーエンコーダにおいて、
前記ロータリースケールは、前記円筒面に、前記相対角度情報を示す相対角度トラックに隣接して、絶対角度情報を示す絶対角度トラックが形成され、
前記センサヘッドは、前記相対角度トラックに加えて、前記絶対角度トラックを検出して、該絶対角度トラックに応じた検出信号を出力するように構成されるとともに、
更に、前記センサヘッドから出力される前記絶対角度トラックに応じた検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの絶対角度位置を算出する第２の角度演算部を備えてなり、
前記角度補正部は、前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記第１の角度演算部によって算出される回転角度を補正するとともに、補正した回転角度、及び前記第２の角度演算部により算出された絶対角度に基づいて、絶対角度情報を出力するように構成された態様を採ることができる。この態様（第５の態様）のロータリーエンコーダによれば、ロータリースケール（検出対象の回転体）の絶対角度を高精度に検出することができる。

また、上記第１から第４の態様では、前記角度誤差記憶部、角度補正部、角度誤差演算部及び誤差情報記憶部を、前記ロータリースケール、センサヘッド及び第１の角度演算部とともに、ロータリーエンコーダとして一体的に設けたが、このような構成ではなく、ロータリースケール、センサヘッド及び第１の角度演算部からロータリーエンコーダを構成し、前記角度誤差記憶部、角度補正部、角度誤差演算部及び誤差情報記憶部をロータリーエンコーダとは別体に設けて、これらをシステム（ロータリーエンコーダシステム）として構成してもよい。同様に、第５の態様において、ロータリースケール、センサヘッド、第１の角度演算部及び第２の角度演算部からロータリーエンコーダを構成し、前記角度誤差記憶部、角度補正部、角度誤差演算部及び誤差情報記憶部をロータリーエンコーダとは別体に設けて、これらをシステム（ロータリーエンコーダシステム）として構成してもよい。これらの態様によれば、既設のロータリーエンコーダを用いてシステムを構築することができ、既設のロータリーエンコーダを用いて高精度な角度検出を実現することができる。

また、本発明は、検出対象物である回転体の回転軸に接続され、中心軸が前記回転軸に対して平行に設けられる被検出面としての円筒面を有し、該円筒面の周方向に、相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケールと、該ロータリースケールの前記円筒面と間隔をあけて対向するように設けられ、前記円筒面に形成された相対角度トラックを検出して、該相対角度トラックに応じた検出信号であって、前記間隔の大きさに応じて変化する検出信号を出力するセンサヘッドと、該センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度を算出する角度演算部とを備えたロータリーエンコーダを用いて、前記回転体の回転角度を検出する方法であって、
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差を、予め算出する誤差算出工程と、
前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて算出される前記ロータリースケールの回転角度を、前記誤差算出工程で算出された対応する角度位置における角度誤差に基づいて補正する補正工程と、を備えた回転角度検出方法に係る。

本発明に係るロータリーエンコーダによれば、ロータリースケールとセンサヘッドとの間隔の大きさに応じた角度誤差を補正することができるので、ロータリースケールが回転体の回転軸に対して偏芯や変形した状態で連結される、或いは、ロータリースケールの検出面たる円筒面が経時的に偏芯や変形することによって、ロータリースケールが１回転する間に、ロータリースケールとセンサヘッドとの間の隙間が変動する状態となっても、ロータリースケール、即ち検査対象の回転体の回転角度を予定された高精度で検出することができる。

また、このロータリーエンコーダによれば、従来のようにセンサヘッドの数を増やすことなく、回転角度を高精度で検出することができるので、その構造が複雑になることはなく、また、その製造コストが大きく増加するのを防ぐことができ、ひいては、消費エネルギーが増大するのを防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係るロータリーエンコーダの主要な構成を示したブロック図である。第１の実施形態に係るロータリーエンコーダのセンサヘッドとロータリースケールとの関係を示した説明図である。第１の実施形態に係るロータリーエンコーダのセンサヘッドとロータリースケールとの関係を示した説明図である。センサヘッドとロータリースケールとのギャップと、センサヘッドからの出力信号の関係を示した説明図である。センサヘッドから出力される検出信号の一例を示した説明図である。センサヘッドとロータリースケールとのギャップの変動によって生じる角度誤差を説明するための説明図である。本発明の第２の実施形態に係るロータリーエンコーダの主要な構成を示したブロック図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

１．第１の実施形態
まず、図１に示した第１の実施形態について説明する。図１に示すように、本例のロータリーエンコーダ１は、ロータリースケール２、センサヘッド３、第１の角度演算部である相対角度演算部４、誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７及び角度補正部８を備えている。尚、本例のロータリーエンコーダ１は、磁気式のロータリーエンコーダである。

また、本例において、前記相対角度演算部４、角度誤差演算部６及び角度補正部８はロジック回路などの電子回路から構成され、また、前記誤差情報記憶部５及び角度誤差記憶部７は記憶回路などの電子回路から構成され、これら相対角度演算部４、角度誤差演算部６、角度補正部８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５は、前記センサヘッド３を含めて一つの電子ディバイスとして構築されている。

前記ロータリースケール２は、被検出面としての円筒状をした外周面（円筒面）２ａを有する円筒体であって、当該外周面２ａの中心軸に沿った方向における中央部には、その周方向に、相対角度情報を示す目盛りとしての相対角度トラック２ｂが形成されている。この相対角度トラック２ｂは、図２に示すように、等角度ピッチで交互に連続的に記録されたＳ極とＮ極の磁場から構成される。このロータリースケール２は、使用に際し、その中心軸２ｃが、検出対象物である回転体の回転軸に対して同軸となるように連結される。

図１に示すように、前記センサヘッド３は、ロータリースケール２の接線方向に対して平行に配設され、ロータリースケール２の相対的な回転角度情報を検出信号として出力する。このセンサヘッド３は、図２に示すように、前記相対角度トラック２ｂと対向するようにこれに沿って等間隔に順次配設された複数（本例では４個）の磁気センサ３ａ－３ｄ、並びに磁気センサ３ａ，３ｃからの出力信号の差分を取り且つこれを増幅して出力する差動増幅器３ｅ、及び磁気センサ３ｂ，３ｄからの出力信号の差分を取り且つこれを増幅して出力する差動増幅器３ｆを備えている。

磁気センサ３ａ－３ｄは、磁界の変化を検出する磁気抵抗素子であり、相対角度トラック２ｂが回転することによって生じる磁界の変動（サイン曲線を描く変動）を電気信号（電圧信号）に変換して、検出信号として出力する。そして、磁気センサ３ａ，３ｃからの出力された電圧信号は、差動増幅器３ｅによりそのＤＣ成分がキャンセルされ、また、磁気センサ３ｂ，３ｅからの出力された電圧信号は、差動増幅器３ｆによりそのＤＣ成分がキャンセルされて、図５に示すようなｓｉｎ／ｃｏｓ信号である電圧信号（検出信号）として、それぞれ差動増幅器３ｅ，３ｆから出力される。尚、一般的に、差動増幅器３ｅから出力される検出信号はＡ相、差動増幅器３ｆから出力される検出信号はＢ相と称される。

前記相対角度演算部４は、差動増幅器３ｅ，３ｆから出力されるＡ相及びＢ相の電圧信号を処理して、ロータリースケール２の回転方向を認識するとともに、Ａ相及びＢ相の電圧信号を用いて相対的な回転角度を算出し、また、例えば、予め定められた角度位置（例えば、回転を開始した角度位置）を原点としたロータリースケール２の現在の回転角度を算出して、算出した回転角度を角度補正部８に出力する。

前記誤差情報記憶部５は、前記センサヘッド３、正確には前記磁気センサ３ａ－３ｄとロータリースケール２の外周面２ａとの間の間隔（ギャップ）の大きさと、センサヘッド３、正確には前記差動増幅器３ｅ，３ｆから出力される検出信号の大きさ（図５における最大値と最小値との差分）との相関関係をデータテーブルの形式で記憶する。

図３に示すように、ロータリースケール２は、その外周面２ａが経時的に偏芯や変形することがあり、この場合には、前記センサヘッド３とロータリースケール２の外周面２ａとの間の間隔（ギャップ）が、ロータリースケール２が１回転する間に変動する状態となる。或いは、ロータリースケール２が検出対象の回転体の回転軸に対して偏芯や変形した状態で連結される場合にも、ロータリースケール２が１回転する間に前記ギャップが変動する状態となる。

そして、ロータリースケール２が１回転する間に前記ギャップが変動する状態になると、前記センサヘッド３から出力される検出信号（角度情報）に角度誤差が含まれることになる。この角度誤差が生じる原理については後述する。また、前記センサヘッド３とロータリースケール２とのギャップと、センサヘッド３から出力される検出信号（出力信号）の大きさとの関係は、例えば、図４に示すような関係を有しており、センサヘッド３から出力される検出信号は、センサヘッド３とロータリースケール２とのギャップに応じて、図５に示すように変動する。即ち、ギャップが大きくなると検出信号の大きさが小さくなり、逆に、ギャップが小さくなると検出信号の大きさが大きくなる。したがって、センサヘッド３から出力される検出信号の大きさからギャップの大きさを推定することができる。

このような相関関係は、例えば、予め実験的に取得することができる。そして、得られた相関データを基に、補間処理によって不足のデータを補うことで、所定の分解能を有する相関データを得ることができる。或いは、得られた相関データを基に、出力信号の大きさとギャップとの関係を示す関数式を求め、この関数式を用いて所定の分解能を有する相関データを算出することができる。そして、このようにして取得された相関データが前記誤差情報記憶部５に格納される。

前記角度誤差演算部６は、前処理として、センサヘッド３によって検出されるロータリースケール２の各角度位置における、当該センサヘッド３とロータリースケール２との間のギャップに応じた角度誤差を算出し、算出した角度誤差を角度誤差記憶部７に格納する処理を行う。そして、角度誤差記憶部７には、ロータリースケール２の各角度位置に対応した角度誤差がデータテーブルの形式で格納される。

ここで、前記センサヘッド３とロータリースケール２との間のギャップの変動がセンサヘッド３から出力される角度情報に影響を与えるその原理について説明する。

図６に示すように、回転角度の原点を０°として、ロータリースケール２の外周をｎ分割した角度位置をθ_ｉ[rad]（ｉ＝１，２,・・・，ｎ）とすると、回転角度θ_ｉと回転角度θ_ｉ－１との間のロータリースケール２の外周面２ａの弧長（周長）ΔＬ_ｉは、以下の数式１によって算出することができる。
（数式１）
ΔＬ_ｉ＝（ｒ＋Δｒ_ｉ）×Δθ_ｉ
但し、ｉ＝１のときΔθ_ｉ＝θ_ｉ、ｉ≧２のときΔθ_ｉ＝θ_ｉ－θ_ｉ－１であり、
θ_ｉ＞θ_ｉ－１、θ_ｎ＝２πである。
また、ｒは、ロータリースケール２が真円である場合の半径であり（図６において、真円を二点鎖線で示している）、Δｒ_ｉは、回転角度θ_ｉのときのロータリースケール２の半径方向の変形量であり、ギャップの変化量である。

上記数式１から分かるように、ロータリースケール２の外周面２ａの周長ΔＬ_ｉは、ロータリースケール２が真円であるときに比べて、その変形量Δｒ_ｉによってΔｒ_ｉ×Δθ_ｉだけ変動し、この変動分だけセンサヘッド３によって検出される前記相対角度トラック２ｂの長さが変動するため、センサヘッド３から出力される検出信号に角度誤差が含まれることになるのである。

今、ロータリースケール２から出力される検出信号に基づいて、前記相対角度演算部４によって算出される回転角度をθ_ｉとし、この回転角度θ_ｉに含まれる角度誤差をｄ_ｉとすると、角度誤差ｄ_ｉ[rad]は、以下の数式２によって算出することができる。
（数式２）

但し、ｋ＝１，２,・・・，ｎ
ここで、ΔＬ_ｋは上記数式１によって算出することができる。
また、

は、原点である回転角度位置が０°から回転角度θ_ｉまでのロータリースケール２の周長を意味し、

はロータリースケール２の１周分の周長を意味する。
したがって、

は、前記相対角度演算部４によって算出される回転角度θ_ｉおける、ロータリースケール２の真の回転角度に対応する。
よって、上記数式２によって、相対角度演算部４により算出される回転角度θ_ｉに含まれる角度誤差ｄ_ｉを算出することができる。

前記角度誤差演算部６は、上記の前処理として、ロータリースケール２を１回転させることによって前記センサヘッド３から出力される検出信号に基づいて、ロータリースケール２の回転角度θ_ｉを算出するとともに、前記誤差情報記憶部５に格納された相関データを参照して、センサヘッド３から出力される検出信号に応じたギャップ量を認識した後、認識されたギャップ量に基づいて、ギャップの変化量Δｒ_ｉを算出しながら、順次、数式１及び数式２を用いて回転角度θ_ｉに含まれる角度誤差ｄ_ｉを算出して、回転角度θ_ｉと角度誤差ｄ_ｉとを相互に関連付けてデータテーブルの形式で角度誤差記憶部７に格納する。

前記角度補正部８は、前記相対角度演算部４によって算出され、出力される回転角度θ_ｉを受信し、受信した回転角度θ_ｉに基づいて前記角度誤差記憶部７を参照して、回転角度θ_ｉに対応する角度誤差ｄ_ｉを認識し、認識した角度誤差ｄ_ｉで回転角度θ_ｉを補正し、補正した回転角度θ_ｃｉを順次出力する。

以上のように構成された本例のロータリーエンコーダ１によれば、前記ロータリースケール２が、検出対象物である回転体の回転軸に連結された状態で使用される。そして、まず、前処理として、回転体及びロータリースケール２を１回転させることにより、センサヘッド３から出力される検出信号に基づいて、角度誤差演算部６により、ロータリースケール２の回転角度θ_ｉが算出されるとともに、誤差情報記憶部５に格納された相関データに基づいて、センサヘッド３から出力される検出信号に応じたギャップ量が認識される。そして、認識されたギャップ量に基づいて、ギャップの変化量Δｒ_ｉが算出され、数式１及び数式２を用いて回転角度θ_ｉに対応する角度誤差ｄ_ｉが算出され、算出された回転角度θ_ｉ及び角度誤差ｄ_ｉが相互に関連付けられてデータテーブルの形式で角度誤差記憶部７に格納される。

この後、検出対象物である回転体が予定された使用状態で回転すると、ロータリースケール２の回転に応じてセンサヘッド３から検出信号が出力され、出力された検出信号に基づいて、相対角度演算部４により、回転体、即ちロータリースケール２の回転角度θ_ｉが順次算出され、角度補正部８により、角度誤差記憶部７が参照されて、回転角度θ_ｉに対応する角度誤差ｄ_ｉが認識され、認識された角度誤差ｄ_ｉにより回転角度θ_ｉが補正され、補正された回転角度θ_ｃｉが角度補正部８から出力される。

尚、本例では、このロータリーエンコーダ１の通常の使用状態において、前記角度誤差演算部６は、引き続き、センサヘッド３から出力される検出信号に基づいて、ロータリースケール２の回転角度θ_ｉを算出するとともに、誤差情報記憶部５に格納された相関データに基づいて、センサヘッド３から出力される検出信号に応じたギャップ量を認識しながら、ギャップの変化量Δｒ_ｉに応じた角度誤差ｄ_ｉを算出し、ロータリースケール２が１回転する度に、角度誤差記憶部７に格納される角度誤差ｄ_ｉを新たに算出された角度誤差ｄ_ｉで置き換えて更新するように構成されている。

以上詳述したように、本例のロータリーエンコーダ１によれば、ロータリースケール２とセンサヘッド３との間隔（ギャップ量）の大きさに応じて生じる角度誤差ｄ_ｉを補正することができるので、ロータリースケール２が回転体の回転軸に対して偏芯や変形した状態で連結される、或いは、ロータリースケール２の検出面たる外周面（円筒面）２ａが経時的に偏芯や変形することによって、ロータリースケール２が１回転する間に、ロータリースケール２とセンサヘッド３との間の隙間が変動する状態になっても、ロータリースケール２、即ち検査対象の回転体の回転角度を予定された高精度で検出することができる。

また、このロータリーエンコーダ１によれば、従来のようにセンサヘッドの数を増やすことなく、回転角度を高精度で検出することができるので、その構造が複雑になることもなく、また、その製造コストが大きく増加するのを防ぐことができる。

また、このロータリーエンコーダ１の通常の使用状態において、前記角度誤差演算部６により、引き続き、ギャップの変化量Δｒ_ｉに応じた角度誤差ｄ_ｉを算出し、ロータリースケール２が１回転する度に、角度誤差記憶部７に格納される角度誤差ｄ_ｉを新たに算出された角度誤差ｄ_ｉで更新しているので、温度変化や回転数の変化によって生じるロータリースケール２の応力変形などにより、角度誤差ｄ_ｉが逐次的に変化する場合でも、当該角度誤差ｄ_ｉを正確に補正することができる。

２．第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態に係るロータリーエンコーダについて、図７を参照しながら説明する。図７に示すように、このロータリーエンコーダ１０は、ロータリースケール１２、センサヘッド１３、相対角度演算部４、誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７、第２の角度演算部である絶対角度演算部１４及び角度補正部１８を備えている。尚、相対角度演算部４、誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６及び角度誤差記憶部７は、第１の実施形態に係るロータリーエンコーダ１のものと同じ構成であるので、同じ符号を付してその詳しい説明は省略する。このロータリーエンコーダ１０も上述したロータリーエンコーダ１と同様、磁気式のロータリーエンコーダである。

また、この例においても、前記相対角度演算部４、角度誤差演算部６、絶対角度演算部１４及び角度補正部１８はロジック回路などの電子回路から構成され、また、前記誤差情報記憶部５及び角度誤差記憶部７は記憶回路などの電子回路から構成され、これら相対角度演算部４、角度誤差演算部６、絶対角度演算部１４、角度補正部１８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５は、前記センサヘッド３を含めて一つの電子ディバイスとして構築されている。

前記ロータリースケール１２は、上述のロータリースケール２と同様に、被検出面としての円筒状をした外周面（円筒面）１２ａを有する円筒体であって、当該外周面１２ａの中心軸に沿った方向における中央部付近に、その周方向に、上述した相対角度情報を示す目盛りとしての相対角度トラック２ｂが形成されている。尚、この相対角度トラック２ｂは上述した第１の実施形態のものと同じ構成である。また、ロータリースケール１２には、相対角度トラック２ｂに平行して、その近傍に、ロータリースケール１２の絶対角度を示す原点トラック、またはＭコード等のパターンを記録したアブソリュートトラックである磁気情報としての絶対角度トラック１２ｃが形成（記録）されている。図７において、符号１２ｄはロータリースケール１２の中心軸である。

前記センサヘッド１３は、ロータリースケール１２の接線方向に対して平行に配設され、ロータリースケール１２の相対的な回転角度情報、及び絶対的な回転角度情報を検出信号として出力する。具体的には図示していないが、センサヘッド１３は、上述した第１の実施形態におけるセンサヘッド３と同様に、図２に示すような、相対角度トラック２ｂと対向するようにこれに沿って等間隔に順次配設された複数（本例では４個）の磁気センサ３ａ－３ｄ、並びに磁気センサ３ａ，３ｃからの出力信号の差分を取り且つこれを増幅して出力する差動増幅器３ｅ、及び磁気センサ３ｂ，３ｄからの出力信号の差分を取り且つこれを増幅して出力する差動増幅器３ｆを備えている。

また、前記センサヘッド１３は、前記絶対角度トラック１２ｃと対向するようにこれに沿って配設された磁気センサを備え、原点信号、または絶対角度情報となるＭコード等のパターン信号を出力する。

前記絶対角度演算部１４は、センサヘッド１３の絶対角度トラック１２ｃに対向した磁気センサによって検出された信号を基に、原点となる回転角度、または絶対的な回転角度を認識して角度補正部１８に送信する。

前記角度補正部１８は、絶対角度演算部１４から送信される原点となる回転角度、及び前記相対角度演算部４から送信される相対的な回転角度に基づいてロータリースケールの一次的な絶対回転角度を算出するとともに、前記角度誤差記憶部７を参照して、相対回転角度θ_ｉにおけるギャップ変化量Δｒ_ｉに応じた角度誤差ｄ_ｉを認識し、認識した角度誤差ｄ_ｉを用いて、ロータリースケール１２の絶対回転角度を補正し、補正した絶対回転角度を出力する。

以上のように、このロータリーエンコーダ１０によれば、ロータリースケール１２とセンサヘッド１３との間隔（ギャップ量）の大きさに応じ生じる角度誤差ｄ_ｉを補正することができるので、ロータリースケール１２が回転体の回転軸に対して偏芯や変形した状態で連結される、或いは、ロータリースケール１２の検出面たる外周面（円筒面）１２ａが経時的に偏芯や変形することによって、ロータリースケール１２が１回転する間に、ロータリースケール１２とセンサヘッド１３との間の隙間が変動する状態になっても、ロータリースケール１２、即ち検査対象の回転体の絶対回転角度を予定された高精度で検出することができる。

そして、このようなロータリーエンコーダ１０では、ロータリースケール１２の製造時に偏芯や変形が存在する状態で目盛りが記録される場合にも、製造時の絶対角度情報に対するギャップ情報を事前に記録し、使用時の絶対角度情報に対するギャップ情報から製造時とのギャップの変化量を求め、それをΔｒ_ｉとして角度誤差ｄ_ｉを算出することで、偏芯や変形によって生じる誤差を正確に補正することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、何ら上例のものに限定されるものでは無い。

例えば、上述した第１の実施形態では、前記センサヘッド３、相対角度演算部４、角度誤差演算部６、角度補正部８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５を一つの電子ディバイスとして構築したが、このような構成に限られるものではない。例えば、前記センサヘッド３及び相対角度演算部４を一つの電子ディバイスから構成し、前記誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７及び角度補正部８を別の一つの電子ディバイスから構成してもよい。或いは、前記誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７及び角度補正部８をＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを含むコンピュータから構成してもよい。この場合、角度誤差演算部６及び角度補正部８は、コンピュータプログラムによってその機能が実現され、誤差情報記憶部５及び角度誤差記憶部７はＲＡＭなどの適宜記憶媒体から構成される。これらの場合、ロータリースケール２、センサヘッド３及び相対角度演算部４がロータリーエンコーダとして観念され、このロータリーエンコーダ、並びに角度誤差演算部６、角度補正部８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５を含めて、ロータリーエンコーダシステムと観念することができる。

同様に、上述した第２の実施形態では、前記センサヘッド１３、相対角度演算部４、角度誤差演算部６、絶対角度演算部１４、角度補正部１８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５を一つの電子ディバイスとして構築したが、このような構成に限られるものではない。前記センサヘッド１３、絶対角度演算部１４及び相対角度演算部４を一つの電子ディバイスから構成し、前記誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７及び角度補正部１８を別の一つの電子ディバイスから構成してもよい。或いは、前記誤差情報記憶部５、角度誤差演算部６、角度誤差記憶部７及び角度補正部１８をＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを含むコンピュータから構成してもよい。この場合、角度誤差演算部６及び角度補正部１８は、コンピュータプログラムによってその機能が実現され、誤差情報記憶部５及び角度誤差記憶部７はＲＡＭなどの適宜記憶媒体から構成される。これらの場合、ロータリースケール１２、センサヘッド１３、絶対角度演算部１４及び相対角度演算部４がロータリーエンコーダとして観念され、このロータリーエンコーダ、並びに角度誤差演算部６、角度補正部１８、角度誤差記憶部７及び誤差情報記憶部５を含めて、ロータリーエンコーダシステムと観念することができる。

また、上述した各実施形態において、誤差情報記憶部５を省略することができる。この場合、前記角度誤差演算部６は、予め取得されたセンサヘッド３，１３からの出力信号の大きさとギャップとの関係を示す関数式を用いて、センサヘッド３，１３によって検出されるロータリースケール２，１２の各回転角度における、当該センサヘッド３，１３とロータリースケール２，１２との間のギャップの変化量に応じた角度誤差を算出し、算出した角度誤差を角度誤差記憶部７に格納するように構成される。

更に、上述した各実施形態において、誤差情報記憶部５及び角度誤差演算部６を省略することができる。角度誤差演算部６における処理と同様の処理によって、例えば、センサヘッド３、１３からの出力信号の大きさとギャップとの相関関係、或いは相関関係を示す関数式を用いて、センサヘッド３、１３によって検出されるロータリースケール２，１２の各回転角度における、当該センサヘッド３，１３とロータリースケール２，１２との間のギャップの変化量に応じた角度誤差を算出し、算出した角度誤差を角度誤差記憶部７に格納する。

また、上述した各実施形態では、磁気式のロータリーエンコーダとしたが、これに限られるものでは無く、本発明は、光学式や静電容量方式、電磁誘導方式など、ギャップに応じて信号出力が変化する各種検出形式のロータリーエンコーダに適用することができ、これらにおいて具現化することができる。

繰り返しになるが、上述した実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１ロータリーエンコーダ
２ロータリースケール
３センサヘッド
４相対角度演算部
５誤差情報記憶部
６角度誤差演算部
７角度誤差記憶部
８角度補正部
１０ロータリーエンコーダ
１２ロータリースケール
１３センサヘッド
１４絶対角度演算部
１８角度補正部

Claims

検出対象物である回転体の回転軸に接続され、中心軸が前記回転軸に対して平行に設けられる被検出面としての円筒面を有し、該円筒面の周方向に、相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケールと、
前記ロータリースケールの前記円筒面と間隔をあけて対向するように設けられ、前記円筒面に形成された相対角度トラックを検出して、該相対角度トラックに応じた検出信号であって、前記間隔の大きさに応じて変化する検出信号を出力するセンサヘッドと、
前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度を算出する第１の角度演算部と、を備えたロータリーエンコーダであって、
更に、前記センサヘッドからの検出信号に基づいて算出される各回転角度における、前記間隔の大きさに応じた角度誤差を記憶する角度誤差記憶部と、
前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記第１の角度演算部によって算出される回転角度を補正する角度補正部と、を備え、
前記角度誤差記憶部に記憶される角度誤差は、前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差である、ロータリーエンコーダ。
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差を算出して前記角度誤差記憶部に格納する角度誤差演算部を、更に備えた請求項１記載のロータリーエンコーダ。
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を記憶する誤差情報記憶部を更に備え、
前記角度誤差演算部は、前記誤差情報記憶部に記憶された前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を参照して、前記角度誤差を算出するように構成された請求項２記載のロータリーエンコーダ。
前記角度誤差演算部は、前記角度誤差記憶部に格納される角度誤差を、前記ロータリースケールの１回転毎に算出した新たな角度誤差で置き換えることによって、更新するように構成された請求項３記載のロータリーエンコーダ。
前記ロータリースケールは、前記円筒面に、前記相対角度情報を示す相対角度トラックに隣接して、絶対角度情報を示す絶対角度トラックが形成され、
前記センサヘッドは、前記相対角度トラックに加えて、前記絶対角度トラックを検出して、該絶対角度トラックに応じた検出信号を出力するように構成されるとともに、
更に、前記センサヘッドから出力される前記絶対角度トラックに応じた検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの絶対角度位置を算出する第２の角度演算部を備えてなり、
前記角度補正部は、前記第２の角度演算部によって算出された絶対角度位置、及び前記第１の角度演算部によって算出された回転角度に基づいて絶対角度を算出するとともに、前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記第１の角度演算部によって算出される回転角度を補正した絶対角度情報を出力するように構成された請求項１から４の何れか１つに記載のロータリーエンコーダ。
検出対象物である回転体の回転軸に接続され、中心軸が前記回転軸に対して平行に設けられる被検出面としての円筒面を有し、該円筒面の周方向に、相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケール、
前記ロータリースケールの前記円筒面と間隔をあけて対向するように設けられ、前記円筒面に形成された相対角度トラックを検出して、該相対角度トラックに応じた検出信号であって、前記間隔の大きさに応じて変化する検出信号を出力するセンサヘッド、
並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度を算出する第１の角度演算部を備えたロータリーエンコーダと、
前記センサヘッドからの検出信号に基づいて算出される各回転角度における、前記間隔の大きさに応じた角度誤差を記憶する角度誤差記憶部と、
前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記ロータリーエンコーダの第１の角度演算部によって算出された回転角度を補正する角度補正部とから構成され、
前記角度誤差記憶部に記憶される角度誤差は、前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差である、ロータリーエンコーダシステム。
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差を算出して前記角度誤差記憶部に格納する角度誤差演算部を、更に備えた請求項６記載のロータリーエンコーダシステム。
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を記憶する誤差情報記憶部を更に備え、
前記角度誤差演算部は、前記誤差情報記憶部に記憶された前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係を参照して、前記角度誤差を算出するように構成された請求項７記載のロータリーエンコーダシステム。
前記角度誤差演算部は、前記角度誤差記憶部に格納される角度誤差を、前記ロータリースケールの１回転毎に算出した新たな角度誤差で置き換えることによって、更新するように構成された請求項８記載のロータリーエンコーダシステム。
前記ロータリーエンコーダは、
その前記ロータリースケールが、前記円筒面に、前記相対角度情報を示す相対角度トラックに隣接して形成された、絶対角度情報を示す絶対角度トラックを有し、
前記センサヘッドは、前記相対角度トラックに加えて、前記絶対角度トラックを検出して、該絶対角度トラックに応じた検出信号を出力するように構成されるとともに、
更に、前記センサヘッドから出力される前記絶対角度トラックに応じた検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの絶対角度位置を算出する第２の角度演算部を備えてなり、
前記角度補正部は、前記第２の角度演算部によって算出された絶対角度位置、及び前記第１の角度演算部によって算出された回転角度に基づいて絶対角度を算出するとともに、前記角度誤差記憶部に記憶された各回転角度における角度誤差に基づいて、前記第１の角度演算部によって算出される回転角度を補正した絶対角度情報を出力するように構成された請求項６から９の何れか１つに記載のロータリーエンコーダシステム。
検出対象物である回転体の回転軸に接続され、中心軸が前記回転軸に対して平行に設けられる被検出面としての円筒面を有し、該円筒面の周方向に、相対角度情報を示す相対角度トラックが形成されたロータリースケールと、該ロータリースケールの前記円筒面と間隔をあけて対向するように設けられ、前記円筒面に形成された相対角度トラックを検出して、該相対角度トラックに応じた検出信号であって、前記間隔の大きさに応じて変化する検出信号を出力するセンサヘッドと、該センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度を算出する角度演算部とを備えたロータリーエンコーダを用いて、前記回転体の回転角度を検出する方法であって、
前記間隔の大きさと前記検出信号の大きさとの相関関係、並びに前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて、該検出信号から算出される各回転角度における前記間隔の大きさに応じた角度誤差を、予め算出する角度誤差算出工程と、
前記センサヘッドから出力される検出信号に基づいて算出される前記ロータリースケールの回転角度を、前記誤差算出工程で算出された対応する角度位置における角度誤差に基づいて補正する角度補正工程と、を備えた回転角度検出方法。