JPH03255313A - 回転角度検出装置および回転角度検出方法 - 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］ 本発明は多回転の絶対角度を検出する方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 回転角度を検出する装置としてインクリメンタルエンコ
ーダが広く用いられている。このインクリメンタルエン
コーダは第７図に示すように互いに位相がずれたＡ相と
Ｂ相の出力信号と、１回転に１パルスのＺ相出力信号を
出力する。このＺ相はインクリメンタルエンコーダの原
点位置を与える。従来行なわれているインクリメンタル
エンコーダを用いた絶対角度検出方法をロボットアーム
を例として第８図、第９図により説明する。第８図に示
されるロボットアームの１軸部分において、１７はアー
ム、１８は減速機、１９はモータ、２０はインクリメン
タルエンコーダ、２１は本体である。第９図において２
２は第８図１７に相当するアーム、２３は原点センサで
あり、この原点センサは本体２１のアーム原点位置付近
に固定されているものとする。

以上のように構成されるロボットアームが電源投入時な
どの初期状態に第９図の位置Ａにあるとき、回転角度の
基準位置を与える原点位置を検出するために原点復帰を
行なうと矢印で示される原点位置方向にアームが回転す
る０位置Ｂにおいて原点センサがアームを検出し、次に
インクリメンタルエンコーダのＺ相を検出する。このＺ
相を検出した位置をアームの原点位置としてインクリメ
ンタルエンコーダからのパルス数を積算することにより
、原点位置からの回転角度である絶対角度を得る。

上記のように、絶対的な角度情報をもたないインクリメ
ンタルエンコーダを用いた回転角度検出は、電源投入時
などの初期状態に必ず基準位置を検出するための原点復
帰が必要である。この問題に対し、インクリメンタルエ
ンコーダの欠点を補うため、常に絶対的な角度情報を与
える絶対値エンコーダを利用することが報告されている
。この絶対値エンコーダとして、特開昭６２−１６８４
１２号広報に示される常に電池バックアップにより絶対
角度を記憶しておく方式や、実開昭６３−１８１８１３
号広報に示される多ビットによる絶対角度の検出方法が
ある。また、インクリメンタルエンコーダと低分解能の
絶対値エンコーダを用い、原点復帰時間の短縮化を図っ
た例として特開昭６４−３１２０９号広報、特開平１−
１７１７９２号広報がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のように、インクリメンタルエンコーダを用いた回
転角度検出方法は電源投入時などの初期状態には絶対角
度の情報をもっていないため、必ず基準位置を検出する
ための原点復帰が必要である。しかし、従来の方法では
原点センサが１点に固定されているため、原点復帰をす
るとき必ず原点位置まで移動しなくてはならず、その時
間も長くかかるという課題を有している。また、絶対値
エンコーダを用いた場合、絶対値エンコーダを付加する
ことによる大型化、電池バックアップの寿命、角度情報
記録のためのビット数増大による信頼性の低下などの課
題が存在する。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、その
目的とするところはエンコーダ軸が高々１回転以内で従
来の原点復帰と同様の目的を達成し、従来の原点復帰の
ような原点位置まで移動することを必要とせず、短時間
に絶対角度を得ることを可能とする回転角度検出装置お
よび回転角度検出方法を提供するところにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の回転角度検出装置はインクリメンタルエンコー
ダと、回転角度変換装置と、回転角度変換装置の軸に設
けた基準位置検出装置を用いたことを特徴とする。また
、本発明の回転角検出方法は請求項１記載の装置を用い
、前記回転角度変換装置の入出力軸間の位相差をインク
リメンタルエンコーダのパルス数で検出する工程と、絶
対角度を求めるために必要な偏差パルス数および偏差角
度を求める工程と、偏差パルス数と偏差角度および、イ
ンクリメンタルエンコーダにより検出する位相差を表わ
すパルス数を用いて絶対角度を求める工程を有すること
を特徴とする。

［作用］ 本発明は上記の構成により、原点に相当する基準位置を
与える点が１点に固定されておらず、インクリメンタル
エンコーダ１回転に１点の絶対角度の基準位置が得られ
ることを特徴とする。

本方法により、高々インクリメンタルエンコーダ１回転
以内で絶対角度を得ることが可能となり、従来行なわれ
ている原点復帰と同様の目的を短時間、小動作領域で達
成する。また、絶対値エンコーダを用いないため、８！
構の簡単化、小型化、高信頼化を図ることができる。

［実施例］ 本発明の一実厖例を第１図により説明する。第１図は回
転角度変換装置として平歯車を用いたものである。この
実施例は回転角度変換装置として平歯車による壇速機を
用い、大歯車２がインクリメンタルエンコーダ（以後エ
ンコーダと記す）ｌと同軸上に取り付けられている。こ
のエンコーダの回転角度をθとする。また、小歯車３と
同軸上に１箇所に光を透過する溝をもつスリット板４を
取り付け、この回転角度をθｓ１とする。このスリット
位置を透過型フォトセンサ５により検出する。

スリット板と透過型フォトセンサが請求項１記載の回転
角度変換装置の軸に設けられた基準位置検出装置に相当
する。

この構成により、エンコーダの回転角度θを検出する原
理を第２図で説明する。第２図はエンコーダのＺ相と、
スリット板の溝の位置関係を表わしたものである。ここ
で、大歯車６の歯数を０１、小歯車７の歯数を０２とし
、エンコーダのＺ相の位置を２１、スリット板の溝の位
置を２２で表わす０例として、小歯車の歯数０２が大歯
車の歯数０１より１歯だけ少ない場合（Ｇ２＝Ｇ１−１
’）を考える。Ｚｌと２２を同時に検出する位置を原点
（θ＝０）とする、この位置から矢印の方向にスリット
板が１回転してＺ２を検出するとき、大歯車の歯数が小
歯車の歯数より１枚多いため、Ｚｌは１歯分だけ遅れた
■の位置をとる。さらにスリット板の回転数を増やすと
同様に２１の位置は■、■、■と移動する。このように
スリット板の回転数が２１の遅れ角度θｄｌとして記憶
される。この遅れ角度θｄｌは、Ｚ２を検出してからＺ
ｌを検出するまでのエンコーダの出力パルス数ＰＮに比
例する。したがって、このＰＮの値からエンコーダの回
転角度θを求めることができる。第３図はエンコーダの
信号を４週倍してＰＮをカウントする場合の各信号の時
間変化を示すものである。この例ではｚｌと２２の立ち
上がりで挟まれた間にカウントされるパルス数をＰＮと
したが、Ｚｌ、２２両者の立ち上がり、立ち下がりのど
ちらを基準としてＰＮを求めてもよい。

次に示す表は、このθ、θｓｌとＰＮの関係を表わした
ものである。ただし、エンコーダが１回転に出力するパ
ルス数をＤＶ、歯車の増速比をＧ＝Ｇ２／Ｇｌで表わす
、また、ＰＮの僅の数値例として、Ｇ１＝５０、Ｇ２＝
４９．　　ＤＶ＝ｌＯＯＯとＬ４場合を示す、このＰＮ
とエンコーダの回転数ｎの関係は次式で表わされる。

ＰＮ＝ｎ　（１−Ｇ）ＤＶ ＝２０ｎ　　　　　　　　　　　　　　（ｅ−１）この
関係式を用い、Ｚｌを検出したときのエンコーダの回転
角度θは次式で与えられる。

− ここでＧ２＝Ｇ１−１とおくと、 表　角度関係 ＤＶ ＝０．　１ｙｒＰＮ　　　　　　　　　　　　　　（ｅ
−３）上式はエンコーダ回転角θの原点（θ＝０度）に
おいて、ｚｌと２２が同時に検出される位置関係をとる
場合に成立する計算式である。

次にエンコーダの原点位置におけるＺｌと２２の位置関
係が任意であるときについて説明する。

大歯車の歯数０１＝１０、小歯車の歯数Ｇ２＝９、エン
コーダ１回転のパルス数Ｄ　Ｖ　＝　１００として、エ
ンコーダの回転数ｎに対するＰＮの値の数値例を第４図
に示す、この図のように、エンコーダの回転数ｎが０の
位置ではＰＮは０とはならない。

この回転数ｎが０の位置でのＰＮの値が請求項２記載の
偏差パルス数ＰＮｉｎである。また、上式で計算される
θΦ値はＺｌを検出した位置での回転角度であるため１
回転分の角度２πずつ変化し、１回転以内の角度情報を
含まない、そこで、ＰＮ値より計算される回転角度は実
際の絶対角度に対して偏差を含む、この角度が請求項２
記載の偏差角度θ１ｎ（０≦θｉｎ≦〈２π）である。

以上の理白により、ＰＮｉｎとθｆｎをあらかじめ求め
ておけば、ＰＮの値からエンコーダの絶対角度θを求め
ることができる。このＰＮｉｎとθｉｎは変化しないた
め、最初に一度求めておけばよい。

以下に、このＰＮｆｎとθｉｎを求める方法を述べる。

括弧内には、大歯車歯数０１＝１０、小歯車歯数０２＝
９、エンコーダ１回転パルス数ＤＶ＝１００（７）数値
例を示す。

第５図において、 ■任意位置Ｓで絶対角度θｍｅを測定する。

（θｍｅ＝　１０．５π） ■エンコーダを正方向に回転し、位置Ｓから最初に２２
を検出する位置Ｔまでのエンコーダ出力パルス数Ｐｓｔ
、および、その次に２１を検出する位置Ｕまでのパルス
数Ｐｓｕを測定する。

（Ｐｓｔ＝７５、Ｐ　ｓｕ＝　１１８）■位置Ｓ−Ｕ間
の角度θＳＵをＰｓｕから求める。

θ５ｕ＝２ｙｒ　（Ｐｓｕ／ＤＶ）　　　　　　　　（
ｅ−４）（θ５ｕ＝２π（１１８／１００）＝２．３８
π）■２πｍ≦θｍｅ＋θｓｕ＜２π（ｍ＋１）を満足
する整数ｍを求める。

（２πｘ６≦１０．５π＋２．３６π＜　２ｙｒ　ｘ　
（６＋１）よりｍ＝６）■θｉｎ＝θｍｅ＋θｓｕ　−
２ｙｒ　ｍ　　　　　　　（ｅ−５）（θｉｎ＝　１２
．８６π−２πｘ　８＝　０．８６π）■Ｐ　Ｎ　＝　
Ｐ　ｓｕ　−Ｐ　ｓｔ　　　　　　　　　　　（ｅ−６
）（Ｐ　Ｎ　＝　１１８−７５＝　４３）０次式により
ＰＮｉｎを求める。

ＰＮ−（Ｇｌ−Ｇ２）ＤＶ−ｍ／Ｇｌ≧ＯではＰＮｉｎ
＝ＰＮ−（Ｇｌ−Ｇ２）ＤＶ　−ｍ／ＧＩＰＮ　−（Ｇ
ｌ−Ｇ２）ＤＶ−ｍ／Ｇｌ＜ＯではＰＮｉｎ＝ＰＮ−（
Ｇｌ−Ｇ２）ＤＶ　−ｍ／Ｇｌ＋　Ｄ　Ｖ　　　　　　
　　　　　　　（ｅ−７）（４３−６０＝−１７＜０よ
りＰ　Ｎ　ｉｎ＝　−１７＋１００　＝　８３）以上に
よりＰＮｉｎとθｉｎを得る。

次に、ＰＮｉｎとθｉｎを用いてＰＮの値からエンコー
ダの絶対角度θを求める方法を以下に示す。

エンコーダを正方向に回転させ、Ｚ２を検出してからｚ
ｌを検出するまでのエンコーダ出力パルス数ＰＮをカウ
ントする。このＰＮＯ値より２１を検出した位置でのエ
ンコーダ絶対角度θは次式により求められる。

Ｐ　Ｎ−Ｐ　Ｎｉｎ≧０では、 ＰＮ−ＰＮｉｎ＜Ｏでは、 （ｅ−８） （ＰＮ−ＰＮｉｎ＝１３−８３＝−７０＜０より＝２π
Ｘ　３＋　０．８６π ＝６．８６π　　） 第４図において、ｎとＰＮが正比例の関係となる式（ｅ
−１）を適用できるようにＰＮの値を矢印の方向に平行
移動し、この補正されたＰＮの値よりエンコーダの回転
数ｎを求め、この回転数ｎに相当する角度２πｎに偏差
角度θｉｎを加えることによりエンコーダ絶対角度θ得
る操作を上式で行なっている。

上記の方法により、高々エンコーダ１回転以内を動作さ
せることにより、エンコーダの絶対角度θが求められる
。本方法によれば、Ｚｌと２２の位相が一巡するまでの
エンコーダの回転数ｎ　ｍａｘ＝Ｇ１／　（Ｇｌ−Ｇ２
）　　までの絶対角度θを誤りなく求めることが可能で
ある。このため、ロボットアームなどの動作領域が限定
される場合に本発明を適用することは極めて有効である
。また、本発明はエンコーダ自身の分解能ＤＶを利用し
エンコーダ回転数ｎを検出するため、理想的な場合ＰＮ
の値はエンコーダの１回転につきＤＶ／ｎｍａｘずつ変
化する。したがって第４図に示すようにＰＮの値は±Δ
ＰＮ＝ＤＶ／Ｃ２ｎｍａｘ）未満の誤差（数値例では±
４パルス）が許容され、この値以内であれば誤りなく絶
対角度θを求めることが可能である。このため、適当な
りＶと０１、Ｇ２を選定すれば坩速機、ｚ２検出装置の
精度を要求せず、機構の簡略化と高信頼化を図ることが
できる。

ここに示したアルゴリズムはＰ　Ｎ　ｉｎ、θｉｎが正
の場合を示したが、負の場合も計算式を変更することに
より同様にθが求められる。また、回転角度変換装置と
して減速機を使用した場合や、ｚｌを検出してからＺ２
を検出するまでのパルス数にに基づいて計算を行なって
も同様にθを求めることが可能である。

第６図はエンコーダ一体型モータを駆動軸に取り付け、
タイミングベルトにより動力を伝達する機構に本発明を
適用した他の実施例である。駆動側と被駆動側ブーりの
歯数に差を与え、上記と同様のアルゴリズムにより絶対
角度を得ることができる。この場合、タイミングベルト
とプーリは動力伝達機構と回転角度変換機構の働きを兼
ねるため、新たに回転角度変換装置を設ける必要がなく
、機構の簡単化、小型化を図ることができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、請求項１記載の回転
角度検出装置により、回転角度変換装置の入出力軸の位
相差をインクリメンタルエンコーダを用いて検出し、こ
の情報を用いて絶対角度を高々エンコーダが１回転以内
で得ることを可能とする。また、請求項２記載の回転角
度検出方法によれば、回転角度検出装置の２１と２２の
位置関係は任意であるため機械的な調整を必要としない
。

これより、 ■インクリメンタルエンコーダ自身の分解能を利用して
絶対角度を検出するため、絶対値エンコーダを併用した
ものに比べ機構の簡単化、小型化を実現する。

■機械的に回転角度を言己憶するため、電池等を必要と
しない。

■インクリメンタルエンコーダに付加するＩｌ構は誤差
が許容され、高精度を必要としないため製作価格の低減
を実現する。

■絶対角度を計算により求めるため、機械的な調整を必
要としない。

という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における角度変換装置として
平歯車を使用した場合の斜視図、第２図は本発明を説明
するための原理図、第３図は本発明の各信号の時間的変
化図、第４図は本発明のｎとＰＮの関係図、第５図は本
発明のθｉｎとＰＮｉｎを求めるための説明図、第６図
は角度変換装置としてタイミングベルトを使用した本発
明の実施例の斜視図、第７図は従来技術のインクリメン
タルエンコーダの出力信号の時間的変化図、第８図は従
来技術のロボットアーム１軸分の正面図、第９図は第８
図の平面図。 １・・・インクリメンタルエンコーダ、２・・・大歯車
、３・・・小歯車、４・・・スリット板、５・・・透過
型フォトセンサ、１０・・・　インクリメンタルエンコ
ーダ、１１・・・モータ、１２・・・大プーリ、１３・
・・小プーリ、１４・・・タイミングベルト、１５・・
・スリット板、１６・・・透過型フォトセンサ。 以上 第］、図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）インクリメンタルエンコーダと、回転角度変換装
   置と、回転角度変換装置の軸に設けた基準位置検出装置
   を用いたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. （２）請求項１記載の装置を用い、前記回転角度変換装
   置の入出力軸間の位相差をインクリメンタルエンコーダ
   のパルス数で検出する工程と、絶対角度を求めるために
   必要な偏差パルス数および偏差角度を求める工程と、偏
   差パルス数と偏差角度および、インクリメンタルエンコ
   ーダにより検出する位相差を表わすパルス数を用いて絶
   対角度を求める工程を有することを特徴とする回転角度
   検出方法。