JPH0410974B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ａ 技術分野 本発明は光学式エンコーダ等の測角値に含まれ
る位相誤差を遂次自動的に補正しうる位相誤差の
補正装置に関するものである。

ｂ 従来技術及びその問題点 光学式エンコーダは円周上に等間隔で配列され
た白黒パターンを有する円板と、これに対向して
回転する走査円板とから成り、光電検出された少
くとも一対の正弦波信号と余弦波信号から回転角
度を測定するものである。通常、この測角値には
角度誤差が含まれるが、これらの誤差原因は多種
多様である。その主たるものは、円板目盛のピツ
チ誤差、走査円板上の一対の検出スリツトの相対
的な位置ずれなどの円板製作上の誤差、円板の偏
芯や両円板が平行に配置されていないなどの機械
的誤差、円板を照明する光束の拡がり角や傾角な
どの光学的誤差である。市販されている光学式エ
ンコーダの場合には、光電検出された正、余弦波
を用いて目盛の１ピツチを４等分して測角する比
較的粗い精度であり、この場合の角度誤差は可成
りの程度許容される。これに反して、数秒単位の
測角精度を保証する精密なエンコーダにあつては
測角誤差をこの精度以下に抑制しなければなら
ず、誤差原因の排除は容易なことではない。上記
の誤差要因のうち、円板の製作上の誤差と組立調
整に係わる機械的誤差は極力排除しなければなら
ないが皆無にすることはできず、したがつてエン
コーダの測角精度、つまり目盛ピツチを何分割し
うるかはこれらの誤差によつて制限されてしま
う。

従来公知の誤差軽減法として円板の照明光束を
故意に斜入射させ、光電検出される正弦波信号に
対する余弦波信号の位相をπ／２に近づけるよう
に補正するものがある。また、走査格子を円板直
径上に対称に設けて所謂対角読みを行ない円板の
偏芯の影響を除去すると共に、走査信号に含まれ
る直流成分を相殺して信号振幅の平均化を行ない
両信号間の位相を補正する方法も遍く知られてい
る。しかし、このような位相補正法には限度があ
り、上述の如き精密エンコーダの場合には残留誤
差が測角精度を低下させることになる。

一方、目盛円板の全周に亘つてこの位相誤差が
ほぼ等量であるとすると、この位相差を予かじめ
測定しておき、正弦及び余弦波信号を用いてこれ
を補正することが考えられる。そのための具体的
手段としては。両信号のフーリエ解析を行い、そ
の０次及び１次成分から各信号の直流分、振幅及
び位相差を求め、これらの情報を予かじめ補正定
数として測角器の電子回路内に記憶させておき、
測角時にオンラインで補正操作を行なわせれば良
い。しかし、この補正操作は繁雑であり、処理回
路もやや複雑で費用も嵩む。

ｃ 目的 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであ
り、廉価なデータ処理系を用い簡単な補正操作
で、しかも実時間で高精度な位相補正が行なえる
位相誤差補正装置を提供することを目的とする。

ｄ 実施例の構成 第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。光学式エンコーダ１に設けられた正弦波検
出器２、余弦波検出器３の出力は夫々Ａ／Ｄ変換
器４，５に接続されており、これらＡ／Ｄ変換器
４，５の出力は角度演算器６に入力される。以上
の構成は従来公知の一般的な測角器に見られるも
のであるが、次に述べるデータ処理系が本実施例
の主要部分である。位相差設定スイツチ７は記憶
装置８に接続されている。この記憶装置８の出力
と正弦波信号のＡ／Ｄ変換器４の出力は共に乗算
器９に入力される。更に乗算器９の出力と角度演
算器６の出力は共に減算器１０に接続され、減算
器１０の出力は表示器１１に接続されている。

ｅ 実施例の作用 次に、上記構成の本発明一実施例を用いて正弦
波信号と余弦波信号の間の位相誤差を補正する方
法について説明する。ただし、このような位相誤
差の補正を可能とするためには、エンコーダの目
盛円板の１周（360゜）に亘つて、正弦波信号
asinθに対する余弦波信号bcos（θ＋φ）の位相誤
差φがほぼ一定であり、しかもこの位相誤差φが
予かじめ計測されて既知であることが前提であ
る。尚、上記ａ，ｂは振幅、θは位相角である。

この位相誤差φの発生原因は、主として目盛円
板と操作格子の製作上の目盛誤差に依存するか
ら、エンコーダの機械的、光学的調整が高精度に
なされていれば、同一ロツトの目盛円板と走査格
子については位相誤差φはほぼ同一である。この
事は実験によつて充分に確かめられている。

第２図は目盛円板の１ピツチ（位相2πに相当）
内の位相誤差φの振舞を示す図である。

正弦波信号１２に対して余弦波信号１３が位相
誤差φだけ遅れているとき、刻線１ピツチ内での
位相誤差φに対する測角誤差曲線１４はπ／２及
び3π／２近傍にピークを有する２周期の正弦波
状の変化を呈するが、０及びπにおける角度誤差
Δθは殆んどゼロである。簡単な計算から明らか
なように、位相誤差φ＝1゜当りの測角誤差は約０
27％に相当する。上述のように、位相誤差φが
既知であればこの測角誤差曲線１４を各位相角θ
について数値化し、この値Δθで実際の測角値
θ′＝tan^-1〔asinθ／bcos（θ＋φ）〕を補正するこ
とは不可能ではない。しかし、位相角θを細分化
して膨大な量の全部のサンプリング点に関する補
正値Δθを装置内に記憶させる事は極めて非現実
的である。そこで本発明の位相誤差補正装置にお
いては、実際にリアルタイムで遂次計測される正
弦波信号を用いて測角誤差を補正しうることが示
されるが、これが本発明の本質的な特徴である。
この正弦波信号としては、第１図に示したＡ／Ｄ
変換器４でデイジタル化されたものを利用する。

第３図は正弦波信号と測角差曲線を対比させた
ものである。

正弦波信号１５の絶対値（実線１６）を測角誤
差曲線１４と比較すると、双方の波系がほぼ類似
していることに気付く。したがつて次の乗算 （補正値Δθ）＝｜asinθ｜ ×（既知の位相誤差φ）×（係数ｋ） ……(1) を行なうと、この量は近似的に測角誤差曲線に一
致することが判る。尚、この補正値の符号は位相
誤差設定値の符号と同一に選ぶ。

いま、エンコーダの目盛円板の一周に亘る総刻
線数を16200本とすると刻線１ピツチは角度80″に
相当する。上述のように位相誤差φ＝1゜当たりの
測角誤差は約0.27％であるから、係数ｋは0.0027
×80″＝0.22″となる。一方、｜asinθのＡ／ｄ変換
値）｜は2⁸ビツト内の定数であり、例えばこの
Ａ／Ｄ変換の最大値を定数200に設定することが
できる。

再び第１図を参照して本発明一実施例の作用を
説明する。

位相差設定スイツチ７は符号（±）を含めて４
ビツトのデイジツトスイツチである。既知の位相
差φと設定ビツト値の対応は または のように設定する。ビツト値７には実際の装置に
関して考えうる最大位相値φmaxを対応させる。
この位相差φは上述の定数ｋと共に電源投入時に
記憶装置８に読込まれる。遂次入力する正弦波信
号は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル化されて記憶装
置８の内容と共に乗算器９に入力し、乗算器９で
(1)式に示した補正値が計算される。一方、角度演
算６では位相誤差φを含む現実の測角値θ′＝
tan^-1〔asinθ／bcos（θ＋φ）〕が計算される。こ
の測角値θ′は減算器１０において、乗算器９の出
力を用いて減算θ₀＝〔（測角値θ′）−（補正値Δθ
）〕
がなされる。このθ₀が位相誤差を補正した真の測
角値であり、表示器１１によつてθ₀が表示され
る。

先にも述べたように、本発明の位相誤差補正装
置の補正法は、正弦波信号を利用した近似解放で
ある。そこで、この方法によつても補正し切れな
い残留誤差を検討する。

第４図は測角誤差曲線と残留誤差曲線を示した
ものである。

いま第４図ａにおいて、位相誤差が20゜の場合
の測角誤差曲線１７から、上述の数値例（１ピツ
チ80″）を採用すると、補正前の角度誤差は最大
で4.4″に相当する。この誤差を係数ｋ＝0.22″／
degを用いて補正した後の残留誤差曲線１８が示
されているが、この残留誤差は正値が小さく負値
側へ大きく偏倚している。これは、余弦波信号が
正弦波信号に対してφだけずれていることに加え
て、正弦波信号の絶対値を用いた近似補正が関与
して生じた現象である。そこで、残留誤差が正負
ともに平衡するように係数ｋを0.18″／deg、即ち
上述の係数ｋ＝0.22″／degの約80％に選ぶと、第
４図ｂの残留誤差曲線１９を得る。この残留誤差
曲線１９から、当初の測角誤差Δθ＝4.4″が±1″に
軽減されている様子がうかがえる。仮に、刻線１
ピツチ（80″）を16分割して５秒読みのエンコー
ダを実現させたとすると、その測角精度は±1″で
ある。尚、ここに例示した位相誤差20゜は現行の
装置に関しては考えうる最悪条件下のものであ
り、目盛円板製作上の配慮、組立調整時の機械
的、光学的配慮等を払うならば残留誤差は更に軽
微なものとなり得る。

ｆ 効果 以上のように本発明に係る位相誤差補正装置に
よれば、比較的簡単で廉価な電子回路系で、演算
時間もごく短かく測角値の補正をオンラインで実
現することができる。

尚、上記実施例では光学式エンコーダのみにつ
いて説明したが、本発明に係る位相誤差補正装置
は、一対の正弦波、余弦波の信号を処理する計測
装置、例えば磁気式エンコーダ、モアレ縞による
係数スケール、平渉縞計測器等に遍ねく応用しう
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例を示すブロツク図、第
２図は目盛円板１ピツチ内の位相誤差φの変化を
示す図、第３図は正弦波信号と測角誤差曲線を対
比させた図、第４図ａ，ｂは測角誤差曲線と残留
誤差曲線を示した図である。 １……エンコーダ、２……正弦波検出器、３…
…余弦波検出器、４，５……Ａ／Ｄ変換器、６…
…角度演算器、７……位相差設定スイツチ、８…
…記憶装置、９……乗算器、１０……減算器、１
１……表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学式エンコーダ等による回転角度の測定装
   置において、既知の位相差を入力する位相差設定
   スイツチと、前記エンコーダの回転に伴つて発生
   する正弦波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
   変換器と、前記位相差設定スイツチの出力と補正
   係数を記憶する記憶装置と、該記憶装置の出力と
   前記Ａ／Ｄ変換器の出力の乗算を行ない角度補正
   値を出力する乗算器と、該乗算器の出力で測角値
   を補正する減算器とより成る位相誤差補正装置。