JPWO2019039344A1 - Encoder - Google Patents
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Abstract
エンコーダ10は、基体に所定角度間隔に配置された角度を示す複数の要素を検知して周期性を有する第1の信号を生成するM個のセンサであって、M個のセンサ31〜34が所定角度に配置され、所定角度は、360/M×(j−1)(度)と、360/N×MOD[(kj−1)/D](度)とを組み合わせた角度であり、ここで、Mは2以上の整数であり、Nは要素数であり、MODは入力値の小数点以下の値を出力する関数であり、DはMの約数またはMであり但し1は除き、jは1からMの整数でM個のセンサに対して互いに異なる値をとり、kjは1からMの整数である、上記M個のセンサと、上記M個のセンサの各々に対して、上記第1の信号に基づいて上記所定角度間隔を内挿する第2の信号を生成する生成器41〜44と、上記M個のセンサに対する上記第2の信号を合算して角度位置または回転角度を求める演算器50とを備える。The encoder 10 is an M sensor that detects a plurality of elements indicating angles arranged at predetermined angular intervals on the base body and generates a first signal having periodicity, and the M sensors 31 to 34 include: The predetermined angle is an angle obtained by combining 360 / M × (j−1) (degrees) and 360 / N × MOD [(kj−1) / D] (degrees). Where M is an integer of 2 or more, N is the number of elements, MOD is a function that outputs a value after the decimal point of the input value, D is a divisor of M or M, except for 1 except j Is an integer from 1 to M and takes different values for the M sensors, and kj is an integer from 1 to M. For each of the M sensors and each of the M sensors, Generators 41 to 44 that generate second signals that interpolate the predetermined angular interval based on the first signal, A calculator 50 for summing the second signals for the M sensors to obtain an angular position or a rotation angle.
Description
本発明は、位置や角度を検出するエンコーダに関する。 The present invention relates to an encoder for detecting a position and an angle.
エンコーダは、目盛盤に書き込まれた等角度間隔の目盛りを読み取って回転角や絶対角度位置等の位置を測定する装置である。目盛りの間隔は、書込む精度や目盛りを検知するセンサの精度によっておのずと精度には限界があるため目盛りによる分解能の向上にも限界がある。そのため最小目盛り間隔をさらに分割する正弦波を互いに90度位相をずらした2つのアナログ信号を生成して、その2つのアナログ信号のarctan演算をして角度を表す内挿信号を用いて角度を決定して分解能を向上させている。 The encoder is a device that reads scales written at equal angular intervals written on a scale and measures positions such as a rotation angle and an absolute angle position. Since the accuracy of the scale is naturally limited by the accuracy of writing and the accuracy of the sensor for detecting the scale, the improvement of the resolution by the scale is also limited. Therefore, a sine wave that further divides the minimum graduation interval is generated two analog signals whose phases are shifted from each other by 90 degrees, and the two analog signals are subjected to arctan operation to determine an angle using an interpolation signal representing the angle. To improve the resolution.
また、目盛りの書込み誤差やエンコーダの取り付け誤差等を低減するため、複数のセンサを配置し、それぞれのセンサから得られた内挿信号を平均化する手法が用いられている。また、校正用のセンサをさらに設けて角度誤差の自己校正を行う方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Further, in order to reduce a scale writing error, an encoder mounting error, and the like, a method of arranging a plurality of sensors and averaging interpolation signals obtained from each sensor is used. In addition, a method has been proposed in which a sensor for calibration is further provided to perform self-calibration of an angle error (for example, see Patent Document 1).
本発明の目的は、高分解能および高精度を両立可能な新規で有用なエンコーダを提供することである。 An object of the present invention is to provide a new and useful encoder capable of achieving both high resolution and high accuracy.
本発明の一態様によれば、基体に所定角度間隔に配置された角度を示す複数の要素を検知して周期性を有する第1の信号を生成するM個のセンサであって、このM個のセンサが所定角度に配置され、上記所定角度は、360/M×(j−1)(度)と、360/N×MOD[(kj−1)/D]とを組み合わせた角度であり、ここで、Mは2以上の整数であり、Nは要素数であり、MODは入力値の小数点以下の値を出力する関数であり、DはMの約数またはMであり但し1は除き、jは1からMの整数でM個のセンサに対して互いに異なる値をとり、kjは1からMの整数である、上記M個のセンサと、上記M個のセンサの各々に対して、上記第1の信号に基づいて上記所定角度間隔を内挿する第2の信号を生成する生成器と、上記M個のセンサに対する上記第2の信号を合算して角度位置または回転角を求める演算器と、を備えるエンコーダが提供される。According to one embodiment of the present invention, there are provided M sensors that detect a plurality of elements indicating angles arranged at predetermined angular intervals on a substrate and generate a first signal having a periodicity. Are arranged at a predetermined angle, and the predetermined angle is an angle obtained by combining 360 / M × (j−1) (degrees) and 360 / N × MOD [(k j −1) / D]. Where M is an integer of 2 or more, N is the number of elements, MOD is a function that outputs a value after the decimal point of the input value, D is a divisor of M or M, except for 1 , J are integers from 1 to M and take different values for the M sensors, and k j is an integer from 1 to M, for each of the M sensors and each of the M sensors. A generator for generating a second signal interpolating the predetermined angular interval based on the first signal; An arithmetic unit for calculating an angular position or a rotation angle by adding the second signals to the sensor.
上記態様によれば、M個のセンサが、所定角度間隔に角度を示す複数の要素が配置された基体に対して、360/M×(j−1)(度)と360/N×MOD[(kj−1)/D](度)とを組み合わせた角度の位置に配置されていることにより、センサにより生成された第1の信号に基づいて生成された上記所定角度間隔を内挿する第2の信号の角度誤差に起因するエンコーダの角度誤差を低減でき、それとともに基体の回転軸への取り付けによる偏心による誤差および等角度間隔に配置された複数の要素の形成位置の誤差に起因するエンコーダの角度誤差も低減でき、その結果、高分解能と高精度を両立したエンコーダを提供できる。According to the above aspect, M sensors provide 360 / M × (j−1) (degrees) and 360 / N × MOD [ (K j −1) / D] (degrees), and thereby interpolates the predetermined angular interval generated based on the first signal generated by the sensor. The angular error of the encoder due to the angular error of the second signal can be reduced, and the error due to the eccentricity due to the attachment of the base to the rotating shaft and the error in the formation position of a plurality of elements arranged at equal angular intervals. The angle error of the encoder can be reduced, and as a result, an encoder having both high resolution and high accuracy can be provided.
本発明の他の態様によれば、基体に所定間隔に配置された位置を示す複数の要素を検知して周期性を有する第1の信号を生成するM個のセンサであって、このM個のセンサが、互いに所定距離だけ離隔して配置され、上記所定距離は、該所定間隔(gl)の整数(mj)倍であるgl×mjと、gl×MOD[(kj−1)/D]とを組み合わせた位置であり、ここで、Mは2以上の整数であり、MODは入力値の小数点以下の値を出力する関数であり、DはMの約数またはMであり但し1は除き、kjは1からMの整数であり、上記M個のセンサと、上記M個のセンサの各々に対して、上記第1の信号に基づいて上記所定間隔の要素間を内挿する第2の信号を生成する生成器と、上記M個のセンサに対する上記第2の信号を合算して位置または移動量を求める演算器と、を備えるエンコーダが提供される。According to another aspect of the present invention, there are provided M sensors for detecting a plurality of elements indicating positions arranged at predetermined intervals on a base and generating a first signal having periodicity, wherein the M sensors Are spaced apart from each other by a predetermined distance, and the predetermined distance is an integer (m j ) times the predetermined interval (gl), ie, gl × m j , and gl × MOD [(k j −1) / D], where M is an integer greater than or equal to 2, MOD is a function that outputs the fractional part of the input value, and D is a divisor of M or M. Kj is an integer from 1 to M, excluding 1. For each of the M sensors and each of the M sensors, interpolation is performed between the elements at the predetermined interval based on the first signal. A second signal for generating a second signal for the M sensors; Alternatively, there is provided an encoder including: a calculator for calculating a movement amount.
上記態様によれば、M個のセンサが、所定間隔に位置を示す複数の要素が配置された基体に対して、その所定間隔(gl)の整数(mj)倍であるgl×mjとgl×MOD[(kj−1)/D]とを組み合わせた位置に配置されていることにより、センサにより生成された第1の信号に基づいて生成された上記所定間隔を内挿する第2の信号の位置誤差に起因するエンコーダの位置誤差を低減でき、それとともに基体の対象物への取り付けによる位置誤差および所定間隔に配置された複数の要素の形成位置の誤差に起因するエンコーダの誤差も低減でき、その結果、高分解能と高精度を両立したエンコーダを提供できる。According to the above aspect, the M sensors provide, for the base on which the plurality of elements indicating the positions at the predetermined intervals are arranged, gl × m j that is an integer (m j ) times the predetermined interval (gl). gl × MOD [(k j −1) / D], the second position interpolating the predetermined interval generated based on the first signal generated by the sensor. The position error of the encoder due to the position error of the signal of the encoder can be reduced, and the error of the encoder due to the position error due to the attachment of the base to the object and the error of the formation position of the plurality of elements arranged at the predetermined interval are also reduced. As a result, it is possible to provide an encoder that achieves both high resolution and high accuracy.
本願発明者は、ロータリーエンコーダの高分解能および高精度化を図るため研究を行っていたところ、以下に説明する課題に直面し、その解決手段を見出した。 The inventor of the present application has been conducting research to improve the resolution and accuracy of the rotary encoder, but has encountered the following problem and found a solution to the problem.
ロータリーエンコーダでは、360度に亘って目盛りが付された目盛盤をセンサで読み取り、その目盛りに基づいてサイン波およびコサイン波を生成して目盛り間を内挿する信号を生成する(以下、内挿信号と称する。)。そして、内挿信号に基づいて角度信号を生成し、角度信号から現在の角度あるいは回転角を検出する。複数のセンサが設けられている場合は、各々のセンサからの角度信号を平均化して角度を求める。内挿信号は、最小目盛よりも小さな角度を検出するため、つまり高分解能化のために用いられている。 In the rotary encoder, a scale plate having a scale of 360 degrees is read by a sensor, and a sine wave and a cosine wave are generated based on the scale to generate a signal for interpolating between the scales (hereinafter, interpolation). Signal). Then, an angle signal is generated based on the interpolation signal, and the current angle or rotation angle is detected from the angle signal. When a plurality of sensors are provided, the angle is obtained by averaging the angle signals from each sensor. The interpolation signal is used to detect an angle smaller than the minimum scale, that is, for higher resolution.
ロータリーエンコーダは、目盛盤に対して複数のセンサを等角度間隔に配置し、出力される複数の角度信号を平均化することで、ロータリーエンコーダの偏心誤差や目盛盤の各目盛りの角度位置の誤差等を低減する。しかしながら、ロータリーエンコーダの角度誤差を調べてみると依然角度誤差が残っており、高精度化の障害になり得る。本願発明者は、4個のセンサを90度の等角度間隔に配置したロータリーエンコーダの角度誤差を調べた。目盛り板の目盛り数Nは360個、つまり、1度おきに等間隔で付されており、内挿信号により32逓倍した。4つのセンサは各々目盛盤の回転に従い基本目盛と内挿分割によって発生した角度誤差を含んだ信号として検出する。 The rotary encoder arranges a plurality of sensors at equal angular intervals with respect to the dial, and averages the output multiple angle signals, so that the eccentric error of the rotary encoder and the error of the angular position of each scale of the dial are obtained. Etc. are reduced. However, when the angle error of the rotary encoder is examined, the angle error still remains, which may hinder high accuracy. The inventor of the present application examined an angular error of a rotary encoder in which four sensors were arranged at equal angular intervals of 90 degrees. The number of graduations N on the graduation plate is 360, that is, the graduations are provided at equal intervals every other degree, and are multiplied by 32 by the interpolation signal. Each of the four sensors detects a signal including an angular error generated by the basic scale and the interpolation division according to the rotation of the dial.
図1は、ロータリーエンコーダの角度誤差を示す図であり、4つのセンサからの角度信号を平均化したときの角度誤差である。図1を参照するに、角度誤差は、360度(1周)に亘って最大±30秒もあることが分かる。 FIG. 1 is a diagram illustrating an angle error of a rotary encoder, and is an angle error when angle signals from four sensors are averaged. Referring to FIG. 1, it can be seen that the angle error has a maximum of ± 30 seconds over 360 degrees (one round).
図2は、ロータリーエンコーダの図1に示す角度誤差の離散フーリエ変換(DFT)解析を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a discrete Fourier transform (DFT) analysis of the angular error shown in FIG. 1 of the rotary encoder.
図2を参照するに、低次成分は小さく、偏心誤差および目盛りの角度誤差の低減に効果があることが分かる。しかし、360、720、1080、1440、および1800次成分の角度誤差が大きく、2秒から11秒程度あることが分かる。これらの角度誤差成分は、センサ数Mが4に対して目盛り数Nが360であり、センサ数Mが目盛り数360の約数になっているため目盛り数の倍数次の角度誤差が内挿信号の角度誤差として生じるものである。例えば、センサ数を4個ではなく、3個、5個、6個としても目盛り数360の約数であるので同様に内挿信号の角度誤差が生じてしまう。
Referring to FIG. 2, it can be seen that the low-order component is small, and is effective in reducing the eccentricity error and the scale angle error. However, it can be seen that the 360, 720, 1080, 1440, and 1800-order components have large angular errors of about 2 to 11 seconds. For these angle error components, the number of sensors N is 360 for the number of sensors M, and the number of sensors M is a divisor of the number of
このような内挿信号の角度誤差を低減する一つの手法としては、センサ数を7個または13個として等角度間隔に配置すればよい。7は目盛り数360の約数ではないので、内挿信号の角度誤差を低減することができる。
As one method for reducing the angle error of the interpolation signal, the number of sensors may be set to 7 or 13 and arranged at equal angular intervals. Since 7 is not a divisor of the number of
図3は、ロータリーエンコーダの図1に含まれる内挿信号の角度誤差をセンサ毎に示す図である。図3は、角度誤差のうち、内挿信号の角度誤差のみを分離して、各センサ毎に示したもので、横軸は角度(度)、縦軸は角度誤差(秒)であり、黒三角(▲)の位置が目盛盤の目盛りの位置を示している。 FIG. 3 is a diagram showing the angular error of the interpolation signal included in FIG. 1 of the rotary encoder for each sensor. FIG. 3 shows, for each sensor, only the angle error of the interpolation signal among the angle errors, and the horizontal axis represents the angle (degree), the vertical axis represents the angle error (second), and The position of the triangle (▲) indicates the position of the scale on the dial.
図3を参照するに、センサ1〜センサ4のそれぞれの角度誤差の波形はほぼ同様であり、位相もほぼ一致していることが分かる。このことから、センサ1〜センサ4の角度信号を平均化しても、センサ1〜センサ4の角度誤差が互いに打ち消し合うことがなく、図2に示したように、内挿信号の角度誤差が残ってしまう。
Referring to FIG. 3, it can be seen that the waveforms of the angular errors of the
そこで、本発明の目的は、目盛盤の目盛りに対して、複数のセンサの位置を互いにずらすことで、内挿信号の角度誤差を低減した、高分解能と高精度化とを両立したエンコーダを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an encoder that achieves both high resolution and high accuracy by reducing the angle error of an interpolation signal by shifting the positions of a plurality of sensors with respect to the scale of a dial. It is to be.
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Elements common to a plurality of drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the elements will not be repeated.
[第1の実施形態]
図4は、本発明の第1の実施形態に係るエンコーダの概要構成を示す図である。[First Embodiment]
FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic configuration of the encoder according to the first embodiment of the present invention.
図4を参照するに、第1の実施形態に係るエンコーダ10は、角度の測定の対象となる回転軸15に配置され、周方向に等間隔に形成された目盛り21を有する目盛盤20と、目盛り21を検出し、その検出に基づいて周期性を有する互いに90度位相がずれた正弦波の検出信号を生成する4つのセンサ31〜34と、各センサ31〜34に対する検出信号に基づいて目盛りの間隔を内挿する内挿信号(角度信号とも称する。)を生成する内挿信号生成器41〜44と、内挿信号に基づいて各センサ31〜34に対する内挿信号を合算して角度位置または回転角を求める演算器50とを有する。
Referring to FIG. 4, an
目盛盤20は、回転軸15に同心となるように取り付けられており、周方向に等間隔に目盛り21が設けられており、目盛り21の部分が光を透過するようになっている。
The
センサ31〜34は、各々、発光素子35と、スリット36と、受光素子37とを有する。図4では、センサ32〜34は構成要素の詳細は省略して記載しているが、センサ31と同様の構成要素を有している。センサ31〜34は、発光素子35からの光を目盛り21が透過しスリット36を介して受光素子37が受光する。センサ31〜34は、受光素子37が受光した光の強度に応じて、互いに90度位相がずれた正弦波の電気信号を生成して検出信号として出力する。2つの互いに90度位相がずれた正弦波の電気信号は、例えば一方がSin電圧信号であり、他方がCos電圧信号である。
Each of the
内挿信号生成器41〜44は、その入力部がセンサ31〜34の出力部と電気的に接続されており、入力された検出信号に基づいて内挿信号を生成する。具体的には、検出信号のSin電圧信号およびCos電圧信号のarctan(Sin電圧信号の電圧値/Cos電圧信号の電圧値)から角度を求めて内挿信号を生成する。内挿信号はデジタル信号である。内挿信号は目盛り間隔を等間隔に分割した信号であり、例えば数十逓倍〜数百逓倍の信号である。
The input units of the
演算器50は、内挿信号生成器41〜44の出力部とそれぞれ電気的に接続されており、内挿信号生成器41〜44からの内挿信号を合算する。具体的には、例えば、回転軸15の回転によって生成された内挿信号のパルスを計数し、得られたパルス数を合算し、その結果をセンサ数で除することにより、角度位置または回転角を求める。演算器50は、合算することで、内挿信号生成器41〜44のそれぞれの内挿信号の角度誤差を打ち消すことができ、角度誤差を低減して精度を向上できる。
The
図5は、本発明の第1の実施形態に係るエンコーダのセンサの配置位置を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the arrangement positions of the sensors of the encoder according to the first embodiment of the present invention.
図5を参照するに、センサ31〜34は、その検出位置が目盛盤20に対して角度φ(j,kj)(度)の位置に配置される。角度の基点は任意に選択できるが、例えば、センサ31の位置を選択することができる。角度φ(度)は式1で表され、θj(度)は式2、δkは式3で表される。
φ(j,kj)=θj+δkj ・・・(1)
θj=360/M×(j−1) (j=1,2,・・・,M) ・・・(2)
δkj=360/N×MOD[(kj−1)/D] (kj=1,2,・・・,M) ・・・(3)
ここで、jはセンサ31〜34に対して、1〜Mの整数が割り当てられる。DはMの約数またはM(但し1は除く)である。Mはセンサの個数であり、第1の実施形態では4である。Nは目盛盤20の360度に亘る目盛り21の数であり、第1の実施形態では360である。Referring to FIG. 5, the
φ (j, k j ) = θ j + δ kj (1)
θ j = 360 / M × (j−1) (j = 1, 2,..., M) (2)
δ kj = 360 / N × MOD [(k j −1) / D] (k j = 1, 2,..., M) (3)
Here, j is assigned an integer of 1 to M to the
上記式3のMODは入力値の小数点以下の値を出力する関数である。MOD[(kj−1)/D]は、1よりも小さい値(小数)となり、例えば、MOD[3.75]=0.75、MOD[1.25]=0.25、MOD[0.25]=0.25となる。これにより、δkjは360/N(度)よりも小さくなり、つまり、最小目盛り間隔よりも小さくなる。The MOD in the
なお、上記式1の変形例として、φ(j,kj)=θj−δkjとしてもよい。すなわち、式1は、式2のθjと式3のδkjとを組み合わせた角度であればよい。As a modification of the above formula 1, φ (j, k j ) may be = θ j -δ kj. That is,
図5では、4つのセンサ31〜34が配置されている。これは、式1〜3において、D=M=4の場合である。センサ31〜34はそれぞれ、角度φ(1,k1)、φ(2,k2)、φ(3,k3)、φ(4,k4)に配置される。ここでkj=1〜4=1,2,・・・,4である。なお、三角印△の目盛盤に対向する頂点はセンサの検出位置を示している。In FIG. 5, four
図6は、本発明の第1の実施形態における各センサの配置位置の一例を示す図であり、図5に示す各センサの配置位置を拡大して示している。図6(a)〜(d)は、それぞれ、センサ31〜34の配置位置を示している。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an arrangement position of each sensor according to the first embodiment of the present invention, and illustrates an enlarged arrangement position of each sensor illustrated in FIG. 5. FIGS. 6A to 6D show the arrangement positions of the
図6(a)〜(d)を参照するに、センサ31〜34はφ(j,kj)=θj+δkj(j=1〜4の整数)の角度の位置に配置される。θjは360度を4等分した角度位置であり、δkjは目盛り21の最小角度間隔を4等分した角度を単位とした角度である。目盛り数N=360の場合、センサ31〜34は、それぞれ、例えば、以下のφ(1,k1)、φ(2,k2)、φ(3,k3)およびφ(4,k4)に示す角度に配置される。
センサ31:φ(1,k1)=θ1+δk1=0+0=0度
センサ32:φ(2,k2)=θ2+δk2=90+0.25=90.25度
センサ33:φ(3,k3)=θ3+δk3=180+0.50=180.50度
センサ34:φ(4,k4)=θ4+δk4=270+0.75=270.75度Referring to FIGS. 6A to 6D, the
Sensor 31: φ (1, k 1 ) = θ 1 + δ k1 = 0 + 0 = 0 degrees Sensor 32: φ (2, k 2 ) = θ 2 + δ k2 = 90 + 0.25 = 90.25 degrees Sensor 33: φ (3 , K 3 ) = θ 3 + δ k3 = 180 + 0.50 = 180.50 degrees Sensor 34: φ (4, k 4 ) = θ 4 + δ k4 = 270 + 0.75 = 270.75 degrees
図7は、本発明の第1の実施形態に係るエンコーダの内挿信号の角度誤差を示す図である。図7を参照するに、センサ11〜14の内挿信号の角度誤差の波形は、互いに1/4度(0.25度)ずつ位相がずれており、センサ31〜34の配置のδkjが反映されていることが分かる。FIG. 7 is a diagram illustrating an angle error of an interpolation signal of the encoder according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the waveforms of the angular errors of the interpolation signals of the sensors 11 to 14 are shifted in phase by 1 / degree (0.25 degree) from each other, and δ kj of the arrangement of the
図8は、本発明の第1の実施形態に係るエンコーダの角度誤差を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an angle error of the encoder according to the first embodiment of the present invention.
図8を参照するに、エンコーダの角度誤差は、最大±16秒であり、先に示した図1の角度誤差に対して、ほぼ1/2になっていることが分かる。 Referring to FIG. 8, it can be seen that the angle error of the encoder is ± 16 seconds at the maximum and is almost 1 / of the angle error of FIG. 1 described above.
図9は、本発明の第1の実施形態に係るエンコーダの角度誤差のDFT解析を示す図であり、図8の角度誤差をDFT解析したものである。 FIG. 9 is a diagram illustrating a DFT analysis of the angle error of the encoder according to the first embodiment of the present invention, and is a result of the DFT analysis of the angle error of FIG.
図9を参照するに、目盛り数360の倍数次である360、720、1080、および1800次成分の角度誤差が2秒以下になっており、特に360次成分では図2に対して6%、720次成分では9%にまで大幅に減少していることが分かる。このことは、本実施形態の効果を明確に示している。
Referring to FIG. 9, angular errors of 360, 720, 1080, and 1800-order components, which are multiple orders of the number of
センサ31〜34の配置位置の変形例(変形例1)としては、上記式1のδkjは式3により0、0.25、0.50、および0.75の値をとるが、センサ31〜34に対して任意に割り当ててもよい。例えば、(δk1,δk2,δk3,δk4)=(0,0.50,0.25,0.75)、(0,0.75,0.25,0.50)、(0.25,0,0.50,0.75)等である。この変形例1によっても、上述した本実施形態の効果が同様に得られることは本発明の原理から明らかである。As a modified example (modified example 1) of the arrangement position of the
なお、センサの配置位置の別の変形例(変形例2)としては、式1のθjは式2により0、90、180、270であるが、センサ31〜34に対して、それぞれの位置から、360/Nの整数倍の角度だけずれて配置されてもよいが、この場合、低次成分の誤差が増加するので、θjは等角度間隔に設定することが好ましい。As another modified example (modified example 2) of the arrangement position of the sensors, θ j in
さらに別の変形例(変形例3)として、式3のDがMの約数の場合、各センサは式3において、kj=1〜Mの整数のいずれかであるので、センサの数Mが4の場合でDが2のときは、(δk1,δk2,δk3,δk4)=(0,0.5,0,0.5)になる。この場合は、内挿信号の角度誤差に起因するエンコーダの角度誤差のうち、N倍次成分(ただし、(N×D)次成分を除く)の誤差を低減できる。As still another modified example (Modified Example 3), when D in
本実施形態によれば、複数のセンサ31〜34が、目盛盤20に対して、式2の右辺の項360度/M×(j−1)と式3の右辺の項360度/N×MOD[(kj−1)/D]とを組み合わせた角度の位置に配置されていることにより、内挿信号の角度誤差に起因するエンコーダの角度誤差のうち、N倍次成分(ただし、(N×D)次成分を除く)の誤差を低減でき、それとともに目盛盤20の回転軸15への取り付けによる偏心による誤差および目盛盤20の目盛り21の形成位置の誤差に起因するエンコーダの角度誤差も低減できる。したがって、本実施形態によれば、高分解能と高精度を両立したエンコーダを提供できる。According to the present embodiment, the plurality of
本実施形態では、透過型の光学センサを用いた例を挙げたが、代替例としては、例えば、目盛盤に目盛りが示されており、その目盛りとそれ以外の部分とで光学的なコントラストを利用した反射式の光学センサを用いてもよい。例えば、目盛りの部分が他の部分よりも反射率が高い、あるいは低い(つまり吸収率が高い)目盛盤である。 In the present embodiment, the example using the transmission type optical sensor has been described. However, as an alternative example, for example, a scale is shown on a dial, and the optical contrast between the scale and the other portions is reduced. A reflection type optical sensor that is used may be used. For example, a graduation plate whose graduation portion has a higher or lower reflectance (that is, a higher absorptance) than other portions.
本実施形態は、光学センサおよび目盛盤の代わりに、磁気センサおよび磁気的に目盛りが与えられている磁気式エンコーダにも適用可能である。磁気的な目盛りを検知する複数の磁気センサを、上述した光学センサと同様に配置すればよい。 This embodiment is also applicable to a magnetic sensor and a magnetic encoder that is magnetically scaled, instead of the optical sensor and the scale. A plurality of magnetic sensors for detecting magnetic scales may be arranged in the same manner as the above-described optical sensor.
本実施形態のエンコーダ10は、回転軸15の回転角や回転速度を検出するインクリメンタルエンコーダに適用でき、また、絶対角度位置を検出するアブソリュートエンコーダに適用できる。
The
[第2の実施形態]
図10は、本発明の第2の実施形態に係るエンコーダの概要構成を示す図である。[Second embodiment]
FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of an encoder according to the second embodiment of the present invention.
図10を参照するに、第1の実施形態に係るエンコーダ100は、位置あるいは移動量の測定の対象物(不図示)に配置され、対象物の移動方向(矢印MVで示す方向)に等間隔に形成された目盛り121を有する目盛盤120と、目盛り121を検出し、その検出に基づいて周期性を有する互いに90度位相がずれた正弦波の検出信号を生成する3つのセンサ131〜133と、各センサ131〜133に対する検出信号に基づいて目盛りの間隔を内挿する内挿信号を生成する内挿信号生成器141〜143と、内挿信号に基づいて各センサ131〜133に対する内挿信号を合算して位置または移動量を求める演算器150と、を有する。
Referring to FIG. 10, an
目盛盤120は、対象物の移動方向(矢印MVで示す方向)に沿って取り付けられており、等間隔に目盛り121が設けられている。目盛り121の部分が光を反射するようになっている。なお、目盛り121の部分が光を吸収しその周囲の目盛盤120の表面が光を反射するようにしてもよい。
The
センサ131〜133は、各々、発光素子135と受光素子137とを有する。センサ131〜133は、発光素子135からの光を目盛り121が反射し受光素子137が受光する。センサ131〜133は、受光素子137が受光した光の強度に応じて、互いに90度位相がずれた正弦波の電気信号を生成して検出信号として出力する。2つの互いに90度位相がずれた正弦波の電気信号は、例えば一方がSin電圧信号であり、他方がCos電圧信号である。
Each of the
内挿信号生成器141〜143および演算器150は、それぞれ、第1の実施形態における内挿信号生成器41〜44、演算器50と同様の構成と動作を有し、目盛盤120の位置または移動量を求める。演算器150は、内挿信号生成器141〜143のそれぞれの内挿信号の位置誤差を打ち消すことができ、位置誤差を低減して精度を向上できる。
The
図11は、本発明の第2の実施形態における各センサの配置位置の一例を示す図である。(a)〜(c)は、それぞれ、センサ131〜133の配置位置を示している。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an arrangement position of each sensor according to the second embodiment of the present invention. (A)-(c) have shown the arrangement position of the sensors 131-133, respectively.
図11を参照するに、センサ131〜133は、その検出位置が目盛盤120に対して位置p(j,kj)に配置される。位置の基点は任意に選択できるが、例えば、センサ131の位置を選択することができる。位置pは式5で表され、Ljは式6、δkjは式7で表される。
p(j,kj)=Lj+δkj ・・・(5)
Lj=gl×mj ・・・(6)
δkj=gl×MOD[(kj−1)/D] (kj=1,2,・・・,M) ・・・(7)
ここで、jはセンサ131〜133に対して、1〜Mの整数が割り当てられる。mjは整数であり、jに対して互いに異なる整数が選択される。DはMの約数またはM(但し1は除く)である。glは目盛り間隔である。Mはセンサの個数であり、第2の実施形態では一例として3である。MODは入力値の小数点以下の値を出力する関数であり、第1の実施形態と同様である。なお、上記式5の変形例として、p(j,kj)=Lj−δkjとしてもよい。すなわち、式5は、式6のLjと式7のδkjとを組み合わせた位置であればよい。Referring to FIG. 11, the detection positions of the
p (j, k j ) = L j + δ kj (5)
L j = gl × m j (6)
δ kj = gl × MOD [(k j −1) / D] (k j = 1, 2,..., M) (7)
Here, an integer of 1 to M is assigned to j for the
図11の(a)〜(c)に示すように、センサ131〜133はp(j,kj)=Lj+δkj(j=1〜3の整数)の位置に配置される。Ljは目盛り間隔glの整数倍(mj倍)であり、δkjは目盛り間隔glを3等分した距離である。センサ131〜133は、それぞれ、以下のp(1,k1)、p(2,k2)、p(3,k3)に示す位置に配置される。
センサ131:p(1,k1)=L1+δk1=0+0=0
センサ132:p(2,k2)=L2+δk2=gl×10+gl×1/3=(10+1/3)×gl
センサ133:p(3,k3)=L3+δk3=gl×20+gl×2/3=(20+2/3)×gl
このように、センサ131〜133を配置することで、内挿信号の位置誤差の位相は、互いに目盛り間隔glの1/3ずつ位相がずれるようになり、演算器150によってセンサ131〜133に対する内挿信号を合算することで、内挿信号の位置誤差に起因する誤差が低減される。その結果、エンコーダ100の精度が向上する。As shown in (a) ~ (c) of FIG. 11, the
Sensor 131: p (1, k 1 ) = L 1 + δ k1 = 0 + 0 = 0
Sensor 132: p (2, k 2 ) = L 2 + δ k2 = gl × 10 + gl × 1/3 = (10 + /) × gl
Sensor 133: p (3, k 3 ) = L 3 + δ k3 = gl × 20 + gl × 2/3 = (20 + 2/3) × gl
By arranging the
センサ131〜133の配置位置の変形例(変形例4)としては、式5のδkjは式7により0、1/3および2/3の値をとるが、センサ131〜133に対して任意に割り当ててもよい。この変形例によっても、上述した本実施形態の効果が同様に得られることは本発明の原理から明らかである。As a modification (modification 4) of the arrangement positions of the
本実施形態によれば、複数のセンサ131〜133が、目盛盤120に対して、式6の右辺の項gl×mjと式7の右辺の項gl×MOD[(kj−1)/D]とを組み合わせた位置に配置されていることにより、内挿信号の角度誤差に起因するエンコーダの角度誤差を低減でき、それとともに目盛盤120の対象物への取り付けのアライメントによる誤差および目盛盤120の目盛り121の形成位置の誤差に起因するエンコーダ100の位置誤差も低減できる。したがって、本実施形態によれば、高分解能と高精度を両立したエンコーダを提供できる。According to the present embodiment, the plurality of
なお、本実施形態において、反射式のセンサ131〜133および目盛盤120の代わりに、透過式のセンサおよび目盛盤を用いることができる。さらに、本実施形態は、磁気式のエンコーダに適用できる。
In the present embodiment, a transmissive sensor and a scale can be used instead of the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、第1の実施形態および第2の実施形態のうち、一方の実施形態で説明した技術的思想や変形例は、他方の実施形態に組み合わせてもよい。 As described above, the preferred embodiment of the present invention has been described in detail, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes may be made within the scope of the present invention described in the claims. It is possible. For example, of the first embodiment and the second embodiment, the technical ideas and the modifications described in one embodiment may be combined with the other embodiment.
10、100 エンコーダ
20、120 目盛盤
21、121 目盛り
31〜34、131〜133 センサ
41〜44、141〜143 内挿信号生成器
50、150 演算器
10, 100
Claims (8)
前記M個のセンサの各々に対して、前記第1の信号に基づいて前記所定角度間隔を内挿する第2の信号を生成する生成器と、
前記M個のセンサに対する前記第2の信号を合算して角度位置または回転角を求める演算器と、
を備えるエンコーダ。M sensors for detecting a plurality of elements indicating angles arranged at predetermined angular intervals on the substrate and generating a first signal having periodicity, wherein the M sensors are arranged at a predetermined angle, The predetermined angle is an angle obtained by combining 360 / M × (j−1) (degrees) and 360 / N × MOD [(k j −1) / D] (degrees), where M is N is the number of elements, N is the number of elements, MOD is a function that outputs a value after the decimal point of the input value, D is a divisor of M or M, except for 1, except that j is 1 to M Taking different values for M sensors with integers of k j , k j being an integer from 1 to M;
A generator for generating a second signal for interpolating the predetermined angular interval based on the first signal, for each of the M sensors;
A calculator for summing the second signals for the M sensors to determine an angular position or a rotation angle;
An encoder comprising:
前記M個のセンサの各々に対して、前記第1の信号に基づいて前記所定間隔の要素間を内挿する第2の信号を生成する生成器と、
前記M個のセンサに対する前記第2の信号を合算して位置または移動量を求める演算器と、
を備えるエンコーダ。M sensors for detecting a plurality of elements indicating positions arranged at predetermined intervals on the base body and generating a first signal having periodicity, wherein the M sensors are separated from each other by a predetermined distance. are arranged, the predetermined distance is a gl × m j is an integer (m j) times the said predetermined constant interval (gl), a position that combines the gl × MOD [(k j -1 ) / D], Here, M is an integer of 2 or more, MOD is a function that outputs a value after the decimal point of the input value, D is a divisor of M or M, except for 1, and k j is 1 to M An integer, the M sensors;
A generator for generating a second signal for interpolating between the elements at the predetermined interval based on the first signal, for each of the M sensors;
A calculator for summing the second signals for the M sensors to determine a position or a movement amount;
An encoder comprising:
前記複数のセンサは、光学センサである、請求項1〜6のいずれか一項記載のエンコーダ。The element is made of a slit that transmits light or a member that reflects or absorbs light,
The encoder according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of sensors are optical sensors.
前記複数のセンサは、前記凸状部材あるいは磁石部材を磁気的に検知する近接センサである、請求項1〜6のいずれか一項記載のエンコーダ。The element is a convex member or a magnet member made of a ferromagnetic material,
The encoder according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of sensors are proximity sensors that magnetically detect the convex member or the magnet member.
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