JPH03272412A

JPH03272412A - 角度測定方法及び速度計測装置

Info

Publication number: JPH03272412A
Application number: JP8906590A
Authority: JP
Inventors: Yasufumi Yamagata; 康文山形
Original assignee: KOKO RES KK
Current assignee: KOKO RES KK
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1991-12-04
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2929307B2

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】

この発明は、回転体の回転部分の形状や図柄の変化から
角度を測定する方法及びこの角度測定方法により求めた
角度情報を用いた速度計測装置に関する。

【従来の技術】

従来、被測定移動体、例えば回転移動体の回転速度（角
速度）を計測する場合、センサとしてシャフトエンコー
ダを用い、このシャフトエンコーダから、回転移動体の
回転に従って得られる電気的パルスを得、各電気的パル
ス間の周期を測ることによって回転運動の角速度を測定
するようにしている。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、前記従来の速度計測装置では、被測定体の回転
速度を精密に測定しようとするとき、シャフトエンコー
ダは、パルス間ピッチが正確に等間隔になるように作る
必要があり、このピッチ精度を越える測定は不可能であ
った。また、従来は上述のように正確なパルス間ピッチが要求
されたため、シャフトエンコーダのような機械的連結を
必要とするセンサを用いる必要があった。この発明は、以上のような欠点を除去して正確な速度計
測を可能にする速度計測装置及びこの速度計測装置での
速度計測の基礎ともなる角度測定方法を提供しようとす
るものである。

【課題を解決するための手段】

この発明による角度測定方法は、前記回転体の回転部分の形状や図柄の変化を通過時間幅
として検出するセンサを設け、前記回転体に較正用回転
を与えて求めた前記各通過時間幅あるいは通過時間周期
と、前記回転体の一回転の時間の比から前記各通過時間
幅あるいは通過時間周期に対応する角度を較正計測する
。そして、較正用回転を複数回与えて得られた複数の前記
角度に関連するデータに平均化演算を施すようにする。また、前記センサの、前記回転体の回転方向の位置を移
動させ、各センサ位置に対して前記角度の較正計測を繰
り返し、得られたデータを前記平均化演算に参入するよ
うにする。また、この発明による速度計測装置は、前記のようにし
て求められた前記各通過時間幅あるいは通過時間周期に
対応する角度に関連するデータを、前記回転体の回転基
準点位置を基準にしたアドレスにしたがって記憶する記
憶手段を備え、被測定移動体により前記回転体に回転を
加えたときの、前記各通過時間幅あるいは通過時間周期
を求め、求めた前記各通過時間幅あるいは通過時間周期に関する
データと、前記記憶手段から読み出された対応する角度
に関するデータとの比から前記被測定移動体の速度を計
測するようにした事を特徴とする。

【作用】

被測定体の回転成いは運動を観測する目的で設けられ、
被測定体の回転と共に運動するように回転体に配備され
たマーク或いは回転体固有の形状または図柄でセンサに
よって回転を識別し得る部分（以下単にマークと称する
）に対して、仮に固有の名称を付す。この固有の名称は
、回転体に１回転についての回転基準点位置を定めてお
き、この回転基準点位置を基準にして容易に付与するこ
とができる。この発明による角度測定方法では、それぞれのマーク間
に付与した固有名称と一意に対応させて記憶せしめるマ
ーク間或いはマークそのものの幅の通過時間情報と、回
転体が一周したときの全周角分の時間情報との比が演算
されて、マーク間或いはマークそのものの幅に相当する
角度が求められる。現今の情報処理技術から考えると、
この角度情報は安定と考えられる一定速度の回転を与え
てそのマーク等の通過時間に対応して得られるパルス数
として与えられるものと考えてよい。そして、較正用回転を複数回与えて得られた複数の前記
角度に関するデータに平均値演算を施すことにより、各
試行の際の種々の原因から生じる誤差の影響を平均化す
ることができる。また、較圧用回転を複数回与える際に
、センサ部分を移動させ、センサ位置をそれぞれ異なら
せて試行を行うことにより、較正用回転に僅かに存在す
る回転むらの影響を平均化することができる。そして、回転体に被測定体の回転を与えたときの前記各
通過時間幅あるいは通過時間周期で、前記較正計測され
た対応する角度情報を除算することにより、速度計測−
が行われる。

【実施例】

以下、この発明の一実施例を図を参照しながら説明する
。この発明においては、本来は回転体の固有の形状や図柄
を検出対象とすることができるので、マークの形成ピッ
チを等間隔にする必要はない。しかし、以下の実施例で
は、説明の理解を容易にするため、従来から一般的に用
いられているシャフトエンコーダを用いた場合に着いて
説明する。したがって、ここでは回転体の固有の形状や
図柄というような検出対象は、パルスマークとして取扱
い、説明することとする。第１図は、シャフトエンコーダを模型化して表現したも
ので、第２図は、その出力信号を示している。一般にシャフトエンコーダでは、シャフト１２が回転す
るとシャフトに固定された回転体としてのパルスディス
ク１０が回転して、このパルスディスクに配備されたマ
ーク、この例では例えば透孔等の光透過部からなるマー
ク２．３．４・・・等が、光源及び受光部を備える光セ
ンサ５により検出されて、出力端子６Ａ、６Ｂには、２
相関係にある方形波ＰＡ、ＰＢが、また、出力端子６Ｚ
には、１回転ごとに発せられる１回転信号ＰＺが得られ
る。この場合において、パルスディスク１０の実態を第３図
により詳述すると、パルスを意味するマーク２．３及び
４は等間隔に配備されるべきものであるにも拘らず、実
際には２’　、３’のように必ず僅かの誤差を含んでい
る。前述したように、近年の技術では、パルスの周期から回
転速度や回転むらを計測するのが常識とされているので
、パルスディスク１０上のパルスマークの配備状態の精
度はそのまま計測精度を左右してしまうことになる。第１図及び第３図でマーク１１はパルスディスク１０が
丁度１回転したときに１回転信号Ｐｚを与えるためのマ
ークである。ここで、一般のシャフトエンコーダではマ
ーク１１は、単に１回転信号を与えるにすぎないのであ
るが、この発明においては、このパルスマーク１１を１
回転基準として用い、このパルスマーク１１位置をパル
スディスク１０上の各パルスマークに固有名称を与える
ときの位置的な基準とする。すなわち、各パルスマーク２，３．４・・・には、パル
スディスク１０を回転させたときに、パルスマーク１１
を過ぎた直後のものには例えば太部兵衛、次には二部兵
衛、その次には三部兵衛というように固有名称を付与す
るもので、１回転１００パルスのシャフトエンコーダで
あれば、最後のパルスマークは盲部兵衛となる。このよ
うな固有名称は、１．２．３．・・・というような番号
や、その他の呼び名でも良いことは勿論である。このように固有名称を与えると、パルスマーク間の空間
距離或いは後述する角度の値は、それぞれ各パルスマー
クに帰属させ、１パルスごとにパルス間のピッチを正確
に対応させることができるため、パルスマークの配備の
精度は問題にならなくなる。すなわち、各固有のパルス
についてのパルス間隔がそれぞれ対応しているので、た
とえ不揃いのパルスマーク列であってもそれなりに情報
を有しており、適宜な情報処理を施せば精度の良いシャ
フトエンコーダとして使用できる。そして、このように固有名称を付与した各パルスマーク
間の周期及び各パルスマーク自身の時間幅を、シャフト
エンコーダのシャフトにほぼ一定速度と考えられる標準
的回転を与えた状態で計測する。これら周期や時間幅は
、例えばこれら周期や時間幅よりも十分に高い周波数の
クロックパルスをその周期や時間幅内において計数する
ことにより計測する。次に、各パルスマークの周期をパルスディスク１０の１
回転分だけ合計し、１回転周期の時間情報を得る。ある
いはパルスマーク１１の周期を計測して１回転周期の時
間情報を得る。次に、この１回転分の時間情報に対する各固有のパルス
マークの周期情報及び各パルスマーク自身の時間幅情報
の比を求め、この比から、各固有のパルスマークの周期
やパルスマーク自身の幅に相当する角度を求める。すな
わち、１回転は３６０＠であるから、各固有のパルスマークの周期に相当する角度−各固有の
パルスマークの周期Ｘ　３６０”１回転分の周期各固有のパルスマーク自身の幅に相当する角度−各固有
のパルスマーク自身の時間幅Ｘ３６０”１回転分の周期として求めることができる。パルスマーク自体の幅も洋書にみれば決して均一なもの
ではないが、以上のような原理に基づけば均一である必
要がなくなり、パルスマーク自体の幅も情報として利用
が可能になる。この発明の大きな特徴は、１回転３６０＠に対して、各
パルスマークの幅、或いは周期がどんな比になっている
かということである。したがって、センサ５からの検出
波形（一般に正弦波状）を方形波に整形するときのスレ
ッショールド値にばらつきがあって、方形波の幅が変化
しても、１回転中の合計との比として角度を求めるので
、このスレッショールド値の影響も緩和することができ
る。なお、スレッショールド値が変わらない場合でも、セン
サ５の検出感度が変われば同様の状態になるが、同様の
理由により、このセンサの検出感度の影響も緩和するこ
とができる。すなわち、センサ５の検出出力波形が第４図の波形１２
のようなものであるときに、スレッショールド値が値１
３のときには方形波１５が得られ、値１４のときには方
形波１６が得られるが、１回転を考えて、各周期、或い
はパルス幅１７や１８の情報の合計は、方形波１５でも
方形波１６でも同じである。前述したように、パルスマークの幅或いは周期に相当す
る角度の情報を正確に較正するため、この例ではシャフ
トエンコーダのシャフトにほぼ一定速度と考えられる標
準的回転を与えて、そのパルスマークの通過時間を十分
に高い周波数のパルスで計数することにより行った。しかし、この較正用の標準的回転も完全に正確とは言い
切ることはできない。このため、この発明においては、
各パルスマーク間の較正角度データを取る際に、第１図
におけるシャフトエンコーダの筐体１を回動させて、セ
ンサ５の標準的回転の１回転に対する角度位置を変え、
幾つかの角度位置で固定して得られた角度データを、平
均化演算を行って各パルスマークに帰属させた角度デー
タとしてレジスタに登録する。このことの意味は、シャフトエンコーダの筐体１には、
センサ５が固定されていることから、センサ５を回転の
軸を中心に回すことによって標準的回転の中に特異的に
含まれている回転むらがあったとしても、シャフトエン
コーダの筺体１を少し回した位置でパルスマークの周期
や幅のデータを採り、さらに、少し回して試行を繰り返
して得られた複数の角度データを平均化することにより
、標準的回転に僅かながら含まれている回転むらすらも
平均化して、パルスマーク間の周期や幅のデータを、よ
り正確に較正できることである。以上説明した角度測定方法を、第５図の表を参照してさ
らに説明する。すなわち、第５図は空間角度情報表である。この表の、
横方向には、各パルスマークの固有名称と、それに帰属
するパルス間周期及び各パルスマーク自身の幅、さらに
これらに相当する角度をとり、縦方向にはセンサ５を前
述のように回動移動させる移動角度をとっている。したがって、横方向及び縦方向の交わる欄には、センサ
５の各角度位置における各パルスマーク間周期及び幅及
びこれらに相当する角度データが記載されている。そし
て、最右欄には各センサ位置での１回転３６０’に対す
る周期データの合計値が記載されている。ここで、各文
わる欄に記載する角度データはセンサ５を同じ角度位置
において複数回試行した結果の平均値を記載するように
してもよいことは勿論である。最下欄には、各パルスマーク間周期及び幅に相当する角
度情報の平均値が記載される。なお、ここで「記載する」と述べているのは、第５図の
表を使用して説明するためであって、実際的には各デー
タをレジスタに一時的に記憶するものと考えてよい。以上のようにして、各パルスマークに対応してその幅や
パルスマーク間の周期に対応する角度が精密に与えられ
ることになる。そして、第５図の表の最下欄の情報は、この発明の角度
測定方法で目的とする角度情報である。この角度情報は回転速度を精密に計測しようとするシス
テム等に使用され、不揮発性メモリ等の記憶手段に記憶
することによって、即座に精密な速度センサを実現でき
る。第６図は、上述した角度測定方法の実施例に関する演算
処理のブロック図である。この第６図の例では、パルスマークの幅を計測する部分
は省略してあり、単にパルスマーク間の周期を計測する
ようにしているので、周期のみを計測する場合の説明で
ある。これは、現在の技術からパルスマークの幅を、こ
の発明による方法に準じて計測することは極めて容品で
あるがら、説明の簡単のため、周期を計測する方法につ
いてのみ説明したものである。前述したように、シャフトエンコーダの出力は、一般的
に２相の方形波信号ＦＡ、ＰＢと１回転を示す信号Ｐｚ
からなっているが、方形波信号のどちらか１相の信号３
７を端子２７に印加し、また、１回転信号Ｐｚを端子２
８に印加する。端子２７からの方形波信号３７は、固有名称アドレスカ
ウンタ２６にクロックとして供給され、例えば信号３７
の立ち上がりで、この固有名称アドレスカウンタ２６の
カウント値がカウントアツプする。この固有名称アドレ
スカウンタ２６は、また、１回転信号Ｐｚによりリセッ
トされる。したがって、この固有名称アドレスカウンタ
２６のカウント値は、マーク１１の直後のパルスマーク
に対して「１」、次のパルスマークに対して「２」・・
・というように、各パルスマークに対して順次固有名称
を与える如く、レジスタ２９及び不揮発性メモリ３３の
アドレスを与える。端子２７からの方形波信号３７は、フリップフロップ回
路２３に導かれ、このフリップフロップ回路２３は方形
波信号３７の立ち上がりにより反転動作をする。このフ
リップフロップ回路２３の出力は周期データカウンタ２
５及び２５′に、そのリセット信号として供給される。この周期データカウンタ２５，２５’　には、クロック
装置２４からの十分高い周波数のクロックが供給される
。このクロック装置２４は、パルスマークの幅や周期（空
間角度情報或いは空間距離情報）をできるだけ精密に計
るために設けられたもので、測定の分解能を高める目的
で十分に高い周波数を安定に発振できるものである。周期データカウンタ２５．　２５’　ｉｔ、高イｉ波数
のクロックを、端子２７から供給される方形波の周期を
隙間無く計測するために同じ構造のものが２個設けられ
たに過ぎず、周期データはフリップフロップ回路２３の
出力でゲート３ｏを介することによって、元のように一
つになり、パルスマークの固有名称を付与するためにア
ドレスカウンタ２６の動作と共同して区切りあるパルス
マーク間の周期情報としてレジスタ２９の各アドレスに
蓄えられる。レジスタ２９の各アドレスの各パルスマーク間の周期情
報は、演算回路３２に順次供給される。端子２８からの１回転信号Ｐｚは、また、カウンタ３１
のリセット信号としても用いられ、このカウンタ３１は
クロック装置２４がらのクロックを１回転分だけ計数す
る。この計数値は、演算回路３２に供給され、比例配分
演算によって各パルスマーク間の角度値を求めるときの
分母として用いられる。すなわち、演算回路３２では、
なる演算が行われ、パルスマーク間の周期に相当する角
度が求められる。また、センサ５の位置を同じ位置のままにして同様の処
理を行い、求められた複数の角度データを平均化する演
算も、この演算回路３２で行われる。さらに、同様に、
センサ５の位置を移動させて、各位置で角度測定を行い
、得られた複数の角度データを平均化する演算も、この
演算回路３２で行われる。こうして求められた角度情報の較正された値、すなわち
、第７図に示すようにパルスマーク太部兵衛３８、二部
兵衛３９といった各パルスマークに即して対応した角度
情報４０や４１は、固有名称アドレスカウンタ２６から
のアドレスにしたがって、不揮発性メモリ３３に登録さ
れる。この不揮発性メモリ３３は、登録された角度情報
を瞬時的に出力できるものが用いられ、端子３５からは
パルスが、また、端子３４からはそのパルスに対応した
角度情報が出力され、精度の良いセンサとしてのシャフ
トエンコーダが実現できる。第８図は、速度計測装置の場合のブロック図で、第６図
と同一部分には同一符号を付しである。ここで、第６図
の角度の較正測定のためのブロック図と第８図の速度測
定装置のブロックを別個にしたのは、説明を容易にする
ためで、本来的には、これらはマイクロプロセッサを用
いた回路構成により一体的に構成できることは言うまで
もない。そして、この例の場合には、レジスタ２９に蓄えられた
各固有名称のパルスマーク間の周期のデータと、不揮発
性メモリ３３からのこれに対応するパルスマーク間の周
期に相当する角度情報とが、速度演算回路５０に供給さ
れ、この速度演算回路５０では１、各パルスマーク間の周期なる演算が行われて、角速度が求められ、その角度情報
が端子５１に導出される。次いで、シャフトエンコーダを使った第２の実施例につ
いて説明する。前述の実施例においては、較正用の標準的な回転は少な
くとも理想的に一定速度で回転していなければならない
ものであったが、一般にそういった較正手段は準備に手
数がかかるため、第２の実施例では較正しようとするシ
ャフトエンコーダに対して単にフライホイールのみを装
着し、手の力等でフライホイールに回転を与え、手を放
すとフライホールは徐々に減速するので、減速度が一定
であれば、演算によって較正の目的を達成することがで
きる。第９図は、シャフトエンコーダにフライホイールを装着
した様子を示したものであり、フライホイール６０に一
時的に回転力を与えると、フライホイール及びシャフト
の回転速度は初期速度から徐々に低下し、第１０図に示
すように速度の低下と共にパルスマークの幅や周期が長
くなって行く。第１０図で、６１はパルスマーク１１によって与えられ
る１回転信号の波形である。第１０図は、縦軸に速度、横軸に時間の経過をとったも
ので、波形６１の周期に着目すれば、周期は１回店ごと
に僅かながら長くなっているので、前回との比を計算す
れば、回転速度が徐々に低下する率、すなわち減速度を
算出することが可能であり、その率を用いて各パルスマ
ーク２，３．・・・に対応したパルスの幅や周期を較正
すれば、はぼ正しいパルスマークの幅や周期を求めるこ
とが可能になる。なお、この方法によれば、フライホイールの回転の減速
率が一定であることが望ましく、回転の途中で何かに引
っ掛かって急に速度が低下するように状態であっては望
ましくないことは当然である。以上２つの実施例では、シャフトエンコーダを用いて説
明したが、必ずしもシャフトエンコーダにこだわること
はなく、センサ５は被測定体である回転体とまったく非
接触に距離を離して設けられたものでもよく、パルスマ
ークも電気的な処理に持ち込むことができるものであれ
ば、何であっても制限するものではない。例えば、被測定体である回転体の表面に図柄（回転体の
表面に回路部品が配設されている場合でも良い）が施さ
れているときに、この回転体の表面に例えばレーザ光を
照射し、その反射光を受光し、その受光出力を所定のス
レッショールド値を用いて方形波信号に変換して、図柄
検出パルスを得、その図柄検出パルスの周期やパルス幅
を測定し、それに相当する角度を較正計測し、さらには
角速度を計測する場合にも適用することができるもので
ある。

【発明の効果】

以上説明したこの発明によれば、以下のような効果があ
る。（１）回転速度を検出するためのマークの位置関係が不
一致であっても正確な速度測定が可能になる。（２）回転速度ムラを洋書に知りたい部分にはマークを
密度高く配備し、そうでない部分にはマークを配備する
必要すらない。（３）センサの観測位置を移動させることにより、標準
回転の有する特異的回転ムラの影響をさけることができ
る。（４）センサの取り付は位置に精度が要求されない。（５）マークの配備間隔になんらの精度も要求されない
ため、従来のようなシャフトエンコーダのようなセンサ
を用いる必要が無いことから被測定回転体とセンサを機
械的に連結する必要がなくなるので、無接触の光学的な
検出が可能になり、測定のための機械的負荷が全く無い
理想的な計測が可能になる。（６）また、本発明の方法によれば従来のシャフトエン
コーダを用いた場合にあってもエンコーダ自身のピッチ
誤差を較正して使用することができる。（７）この第３の特長によって、比例配分の考え方を採
用することにより、センサ５の位置を移動させる際に必
ずしも一回転中のパルス数は等しくならなければならな
いと言うことはなく、センサのスレッショルドレベルの
影響は無視してよいので回転体の中心と同心性を保つ必
要がなくなる。（３）パルスマーク間の角度を較正するとき必ずしも較
正用回転として安定な一定速度の回転を与えずとも較正
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による角度測定方法を適用するシャ
フトエンコーダの一実施例を示す図、第２図はシャフト
エンコーダの出力信号を示す図、第３図はシャフトエン
コーダのパルスディスクの一部拡大図、第４図はこの発
明の詳細な説明するための図、第５図はこの発明による
方法を説明するための表を示す図、第６図はこの発明に
よる方法を実行する装置の一例のブロック図、第７図は
第６図例の説明に供する図、第８図はこの発明による速
度計測装置の一実施例のブロック図、第９図及び第１０
図はこの発明による角度測定方法の他の例を説明するた
めの図である。１；シャフトエンコーダの筐体２．３．４・・・；パルスマーク５；センサ１０：パルスディスク１１；１回転パルスマーク１２；シャフト２４；クロック装置２５．２５’　　；周期データカウンタ２６；固有名称
アドレスカウンタ２９；レジスタ３２；演算回路３３；不揮発性メモリ５０；速度演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）回転体の回転部分の形状や図柄の変化を通過時間
幅として検出するセンサを設け、前記回転体に較正用回転を与えて求めた前記各通過時間
幅あるいは通過時間周期と、前記回転体の一回転の時間
の比から前記各通過時間幅あるいは通過時間周期に対応
する角度を較正計測するようにした角度測定方法。
（２）較正用回転を複数回与えて得られた複数の前記角
度に関連するデータに平均化演算を施すようにした請求
項（１）記載の角度測定方法。
（３）前記センサの、前記回転体の回転方向の位置を移
動させ、各センサ位置に対して前記角度の較正計測を繰
り返し、得られたデータを平均化演算に参入するように
した請求項（１）または請求項（２）記載の角度測定方
法。
（４）前記回転体の加速度を検出して、前記較正用回転
が一定速度でないときの角度補正演算を施すようにした
請求項（１）記載の角度測定方法。
（５）請求項（１）または（２）または（３）または（
４）記載の角度測定方法により求めた前記各通過時間幅
あるいは通過時間周期に対応する角度に関連するデータ
を、前記回転体の１回転基準点位置を基準にしたアドレ
スにしたがって記憶する記憶手段を備え、被測定移動体により前記回転体に回転を加えたときの、
前記各通過時間幅あるいは通過時間周期を求め、求めた前記各通過時間幅あるいは通過時間周期に関する
データと、前記記憶手段から読み出された対応する角度
に関するデータとから前記被測定移動体の速度を計測す
るようにした速度計測装置。