JPH02272310A - 回転角度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、回転角度を正確に測定する回転角度測定装置
に関し、特にロータリーエンコーダ等の回転角度測定装
置の誤差校正装置として用いるものに関する。

（従来の技術） 従来、測角装置として、例えば、光電式のロータリーエ
ンコーダが知られている。このものは、例えば、等間隔
で明暗の格子パターンが形成された主スケールに、レン
ズにより平行光束とした光源からの光を照射し、主スケ
ールを透過した光束を、主スケールの格子パターンと同
じピッチで形成されたインデックススケールのインデッ
クスパターン（明暗の格子パターン）を通して受光素子
で光電変換し、光電変換信号として得られる疑似正弦波
状の信号を波形処理して、主スケールとインデックスス
ケールとの相対移動量を求めている。

この場合、インデックススケールのインデックスパター
ンとして互いに位相の９０度ずれた２つのパターンを設
けると共にそれぞれのパターンに対応させて受光素子を
設け、それぞれの受光素子から互いに９０度の位相差を
有する２つの疑似正弦波状の信号を得れば、それぞれの
信号のゼロクロス点から主スケールの格子パターンの１
ピツチを４分割した信号を得ることができ、さらに抵抗
を用いたり、演算処理を行う等の電気的手段により、主
スケールの格子パターンの１ピンチを内挿している。

（発明が解決しようとする課Ｈ） 上記のごとき従来の技術においては、理論的にはいくら
でも細かく内挿が行えるわけであるが、受光素子から得
られる信号の精度が悪いと内挿後の読取値の精度が悪く
なり、実際にはそれほど精度の良い測定を行うことがで
きない。

そこで、光電式のロータリーエンコーダ等の測角装置の
校正用に高精度の測角装置が必要となる。

（課題を解決するための手段） 本発明は、レーザ光源からのレーザ光をビームスプリッ
タで二分した後、該二分したレーザ光をドツプラーシフ
トを受けるように交差角φで被測定回転軸に結合した回
転体上に照射する光源装置と、 前記二分した前記レーザ光による前記回転体での散乱光
を受光してヘテロゲイン検波された光電変換信号を出力
する受光器と、 前記受光器の出力信号の２個の波数毎に平均周波数を求
め測定開始時からの経過時間と共に記憶する周波数記憶
手段と、前記周波数記憶手段の記憶データに基づき、前
記２個の波がそれぞれ出力されるために要する時間から
、測定開始時からの経過時間に対する平均速度■、を求
める速度演算手段と、前記速度演算手段の出力信号から
、測定開始時の速度Ｖｏと、その後前記回転体が一周し
た時の速度Ｖｎと、回転体が一周するために要する時間
Ｔとから、始めの速度Ｖｍを基準としだ時刻むにおける
変動分の直線近位関係、Ｖ、　＝（Ｖ、。

■。）×ｔ／’ｒ、を求める直線近似関係演算手段と、
前記一周に要した時間Ｔを等間隔でｎ′分割し、それぞ
れの時刻ｔＩＩ′に対応する速度■。

を前記速度演算手段の結果に応じて近似的に求め、この
近似的に求めた速度ｖ、′から前記直線近似関係演算手
段による対応する時刻での速度Ｖ　ｓｔａを減算して、
時間Ｔに対する速度Ｖ　ｃ＋ａ’の関係を求める速度変
換手段と、前記速度変換手段の速度Ｖ　ｃａ’を時間Ｔ
によりフーリエ近似するフーリエ近似手段と、前記フー
リエ近似手段により求めたそれぞれの時間Ｔにおける速
度Ｖｆに、前記直線近似関係演算手段の速度ＶＩＬを加
算して、速度補正を行う速度補正手段と、前記速度補正
手段の補正した速度Ｖ、を積分して時間Ｔに対する移動
距離Ｘの関係を求める積分手段と、前記積分手段により
求めた移動距離Ｘを角度θに変換して時間Ｔに対する角
度の関係を求める角度演算手段と、を設けたことを特徴
とする回転角度測定装置、である。

（作用） 本発明においては、回転体の回転速度を検出し、１回転
における速度変動をフーリエ近似することで、１回転中
の回転速度を連続的な速度と時間の関係式とし、これを
角度に変換することで回転角度の測定を行なうものであ
る。

すなわち、フーリエ近似は、その近似の方法が高い次数
の変動があると近似の誤差が大きくなるが、回転速度は
その変動の中で高い次数が存在しにくく、変動があった
としても比較的なめらかな変化をするため、フーリエ近
似の精度は極めて高いものとなる。

従って、高い精度で時間に対応する角度の関係を求める
ことができる。

そのため、ロータリーエンコーダのような回転角度測定
装置の回度測定と同期をとることによって、回転角度測
定装置の測定値を校正するための原基として用いること
ができる。

（実施例） 以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を説明する
。

第１図は本発明をロータリーエンコーダの校正用に用い
た一実施例の光学系及び処理系を示すブロック図、第２
図は第１図のコンピュータの動作を説明するためのフロ
ーチャート、第３図は第１図の実施例の動作を説明する
ためのグラフ、である。

レーザ光源ｌからの波長λのレーザ光は、半透過鏡２に
おいて透過光と反射光とに２分され、その一方である透
過光は反射鏡３において直角に曲げられた後、反射鏡４
により回転体５に、回転体５の回転方向に沿った方向か
ら所定の入射角度（φ／２）で入射するように反射され
、また半透過鏡２における反射光は、反射鏡６．７によ
り反射鏡４による反射光と回転体５上で交差し、かつ回
転体５に、回転体５の回転方向とは逆方向に沿った方向
から所定の入射角度（φ／２）で入射するように光路を
曲げられる。その結果、回転体５上における２つのレー
ザ光の交差角はφとなる。

回転体５からは２つのレーザ光による散乱光が生じ、こ
の散乱光は受光素子８により受光され、光電変換される
。

回転体５に照射した２つのレーザ光は、回転体５により
ドツプラーシフトを受け、光電変換された電気信号は、
周知のように、受光素子８においてヘテロダイン検波さ
れた信号となる。

受光素子８からの光電変換信号は、パルス化回路９によ
り、まず矩形波に波形整形された後その立上りにおいて
パルス化される。パルス化回路９から出力されるパルス
はパルス計数回路１０に入力される。

原点検出装置１１は、回転体５の１回転毎に原点検出信
号を出力するもので、回転体５に設けた検出用マークを
光電的、磁気的等により読み取るように構成することが
望ましい、原点検出装置１１からの原点検出パルスは、
パルス計数回路１０に計数値のリセット信号として人力
され、計時回路１２には計時開始信号として人力される
。

コンピュータ１３は不図示のキーボード等を含む指令装
置からの指令に基づいて各種制御、演算を行なう。図で
は、パルス計数回路１０による計数値、計時回路１２に
よる計時結果、ロータリーエンコーダの測定値が入力さ
れ、記憶装置１４との間でデータ等のやりとりを行なう
如く記載されている。しかしながら、コンピュータ１３
は、回転体５の回転を行なう駆動装置１５への制御指令
等、不図示の他の制御をも行なうようにしても良い。

回転体５は、回転軸を介して駆動装置１５により回転駆
動され、同じ回転軸には、ロータリーエンコーダ１６が
結合し、その結果その構成要素である不図示のパルス円
板の回転は回転体５と同期回転する。

次に、第１図の動作を第２図、第３図と共に説明する。

なお第３図は、説明のために速度変動を大きく誇張して
記載してあり、実際の速度変動はもっとずっと滑らかで
ある。

コンピュータ１３は、パルス計数回路１０の所定数ｐ個
のパルス数の計数毎に計時回路１２の計時を読み込み、
記憶装置１４に記憶させる（第２図のステップ２０）。

計時回路１２は、原点検出装置１１からの原点検出信号
が生じてからの経過時間を計数することになる。

回転体５の１回転にわたってレーザ光の交差位置が回転
体５上で移動する距離は、回転体５の回転中心からレー
ザ光の交差位置までの半径をｒとすれば、２π「で常に
一定であるから、上述のパルス計数回路１０が回転体５
の１回転毎に計数するパルス数は周知のように常に等し
くなる。従って、上述の所定数ｐは、回転体５の１回転
毎の総パルス数Ａとの間にＡ／ｎ（但し、ｎは自然数）
の関係に設定される。

コンピュータ１３は、記憶装置１４に記憶された所定数
２個毎の計時によって、２個の波数毎に周波数ｆ、、＝
Ｐ、／Ｔ、−Ｔ、＋　　（但し、ｍは自然数で１≦ｍａ
ｎ、また、Ｐ、は２個の波の束のｍ番目を示し、Ｔ、は
２個の波の束のｍ番目の束の２個の波が生ずるにかかる
時間である）、を演算し、記憶装置１４に、原点検出信
号が生じてからの経過時間（測定値としての記憶されて
いる時間）Ｔ、と共に新たな記憶領域に記憶する（第２
図ステップ２１）。

ついでコンピュータ１３は、ステップ２１で求めた周波
数ｆ　ａｓとドツプラー周波数の式とによって、２個の
波の束のｍ番目の束が生じている間における回転体５の
平均速度Ｖｓｔを求め、原点検出信号が生じてからの経
過時間Ｔ、と共に記憶装置１４の新たな記憶領域に記憶
する（第２図のステップ２２）。

すなわち、ドツプラー周波数の式は、 ■；回転体の速度、λ；レーザ光の波長、φ；レーザ光
の交差角、Δｂ；回転体５の傾き、すなわち、レーザ光
の交差角φの２等分線に対する回転体５の直角からのず
れ）である。

ｆ４　・λ 従って、■＝　　　　　　　　　　である。

φ ２　ｓｉｎ　−ｃｏｓΔｂ ここで、回転体５の振れがないとすれば、速度Ｖは一義
的に求まることになる。その結果、記憶装置１４で記憶
された上述の演算値によって、２個の波の束のｍ番目の
束が生じているときの平均速φ ２　ｓｉｎ　−ｃｏｓΔｂ として計算できる。その結果をヒストグラムとして示し
たグラフを第３図に示す。

コンピュータ１３は、記憶装置１４に記憶された平均速
度データから、原点検出信号が生じたときの速度■。と
、回転体５が一回転し終ったときの速度Ｖｎと、回転体
５が一周するために要する時間Ｔ１とから、初めの速度
Ｖｍを基準とした時刻りにおける変動分■、、の直線近
似関係を、Ｖ、、＝　（Ｖ、　−Ｖ、）ｘ　ｔ、／Ｔ、
。

として求める（ステップ２３）。

変動分■、を第３図に図示して示した。

そして、コンピュータ１３は、回転体５が一周するため
に要する時間Ｔ１を等間隔で所定の分割数ｎ’　　（但
し、第３図ではｎ’＝１５）で分割し、それぞれの分割
時刻む、′（但し、ｍ′はＯ≦ｍ′≦ｎ′の自然数）に
対応する速度Ｖ″を上述のステップ２２で求めた時間Ｔ
、と速度ｖ１１との関係から割り出しく第３図にｍ’　
＝１’　、２’３’、ｎ’につき図示）、この近似的に
求めたＶ′′から、ステップ２３で求めた対応する時刻
Ｌ′でのＶ　ｔｔａ′を減算（ｖ”−ｖ、Ｌ、’）して
、時刻り、′における修正速度■。′を求める（ステッ
プ２４）。

コンピュータ１３は、このように求めた速度Ｖ。′を時
間Ｔによりフーリエ近似する（ステップ２５）。

このようにして求めた速度Ｖｍ′は、 Ｖ　ｔ　’　−Ａ　０＋Σ（Ａ、ｃｏｓ　ｋ　Ｔ　＋　
Ｂ　、ｓｉｎ　ｋ　Ｔ　）となる。

但し、Ａ、、Ａｋ、Ｂ、；フーリエ近似による求まる計
数、ｋ＝１．２．３・・・・・・ｍ、ｒｎ；分割数÷２
、である。

ついでコンピュータ１３は、ステップ２３で求めた変動
分■、をステップ２４でフーリエ近似する前提として行
なった修正を打消すように、ステップ２５で求めた速度
Ｖｆ′を補正する（ステップ２６）すなわち、得られる
速度Ｖは、ｖ＝ｖ、’　＋ｖ、。

＝Ａ０＋Σ（ＡｌｌｃｏｓｋＴ＋８１，５ｉｎｋＴ）＋
Ｖｓｔである。

そして、コンピュータ１３は、ステップ２６で得られた
速度Ｖを積分して移動距離Ｘを求める（ステップ２７）
。

すなわち、得られる移動距離Ｘは、 ｘ＝ＳＶ、。

＝ＡＯＴ＋　□　φＴｚ である。

としたために付いた係数である。

コンピュータ１３は、ステップ２７で求めた移動路＃Ｘ
から、回転体５の一回転が３６０度に対応するので比例
計算することにより、角度θと時間Ｔとの関係を として求める（ステップ２８）。

他方、コンピュータ１３には、ロータリーエンコーダ１
６から回転軸の回転角度ψに対応した信号が入力され、
コンピュータ１３により計時回路１２による計時に対応
させて記憶装置１４に記憶されている。

従って、コンピュータ１３は、ステップ２８で求めた角
度θと時間Ｔとの関係とロータリーエンコーダ１６によ
る時間Ｔと回転角度ψとの関係を対応させ、同時間Ｔに
おいて角度θに対する角度ψのずれ量をロータリーエン
コーダ１６の誤差量として求める（ステップ２９）。

このようにして求めた誤差量は、ロータリーエンコーダ
１６の検出角度ψに対応させて記憶装置１４に記憶され
、ロータリーエンコーダ１６の誤差補正のために用いら
れる。

そのため、誤差量Δθを角度ψに対応させてプリンタ等
にてテプリントアウトすれば、ロータリーエンコーダ１
６の誤差を補正することができる。

なお、以上の実施例で用いた原点検出装置１１は、ロー
タリーエンコーダ１６として原点信号を出力する構造の
ものを用いた場合には、ロータリーエンコーダ１６の原
点信号を原点検出装置１１の出力の代わりに使用するこ
とができるので、不用となる。

また、測定した角度θの精度は高次のフーリエ次数に関
連しているが、これは回転体５の回転速度のむらの一部
として考えられ、これは回転軸にフライホイール等を取
りつけて慣性を増すことで、比較的容易に低次のフーリ
エ次数だけに抑えることができるので、容易に精度の低
下は防ぐことができる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、回転体の回転速度と
いう連続量をフーリエ近似して角度と経過時間の関係式
として求めているため、十分細かい精度で角度を読み取
ることができ、ロータリーエンコーダのような回転角測
定装置の測定値を校正するための原基として用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をロータリーエンコーダの校正用に用い
た一実施例の光学系及び処理系を示すブロック図、第２
図は第１図のコンピュータの動作を説明するためのフロ
ーチャート、第３図は第１図の実施例の動作を説明する
ためのグラフ、である。 （主要部分の符号の説明） １・・・・・・レーザ光源、 ８・・・・・・受光素子、 ９・・・・・・パルス化回路、 １０・・・・・・パルス計数回路、 １１・・・・・・原点検出回路、 １２・・・・・・計時回路、 １３・・・・・・コンピュータ、 １４・・・・・・記憶装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ光源からのレーザ光をビームスプリッタで二分し
   た後、該二分したレーザ光をドップラーシフトを受ける
   ように交差角φで被測定回転軸に結合した回転体上に照
   射する光源装置と、前記二分した前記レーザ光による前
   記回転体での散乱光を受光してヘテロダイン検波された
   光電変換信号を出力する受光器と、 前記受光器の出力信号のｐ個の波数毎に平均周波数を求
   め測定開始時からの経過時間と共に記憶する周波数記憶
   手段と、 前記周波数記憶手段の記憶データに基づき、前記ｐ個の
   波がそれぞれ出力されるために要する時間から、測定開
   始時からの経過時間に対する平均速度Ｖ＿ｍを求める速
   度演算手段と、 前記速度演算手段の出力信号から、測定開始時の速度Ｖ
   ＿ｏと、その後前記回転体が一周した時の速度Ｖ＿ｎと
   、回転体が一周するために要する時間Ｔとから、始めの
   速度Ｖ＿ｏを基準とした時刻ｔにおける変動分の直線近
   似関係、Ｖ＿ｓ＿ｔ＝（Ｖ＿ｎ−Ｖ＿ｏ）×ｔ／Ｔ、を
   求める直線近似関係演算手段と、前記一周に要した時間
   Ｔを等間隔でｎ′分割し、それぞれの時刻ｔ＿ｍ′に対
   応する速度Ｖ＿ｍ′を前記速度演算手段の結果に応じて
   近似的に求め、この近似的に求めた速度Ｖ＿ｍ′から前
   記直線近似関係演算手段による対応する時刻での速度Ｖ
   ＿ｓ＿ｔ＿ｍを減算して、時間Ｔに対する速度Ｖ＿ｃ＿
   ｍ′の関係を求める速度変換手段と、 前記速度変換手段の速度Ｖ＿ｃ＿ｍ′を時間Ｔによりフ
   ーリエ近似するフーリエ近似手段と、 前記フーリエ近似手段により求めたそれぞれの時間Ｔに
   おける速度Ｖ＿ｆに、前記直線近似関係演算手段の速度
   Ｖ＿ｓ＿ｔを加算して、速度補正を行う速度補正手段と
   、 前記速度補正手段の補正した速度Ｖ＿ｒを積分して時間
   Ｔに対する移動距離Ｘの関係を求める積分手段と、 前記積分手段により求めた移動距離Ｘを角度θに変換し
   て時間Ｔに対する角度の関係をもとめる角度演算手段と
   、 を設けたことを特徴とする回転角度測定装置。