JPWO2019216235A1 - 角度検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転体の回転による角度変化量を検出する角度検出器を提供する。該角度検出器１０１は、回転軸線を中心に回転する回転体１０５と、回転体の回転方向に対する一周に沿って複数の目盛１０３を有する目盛スケール１０２と、一周に沿って配置された複数のセンサ２０１ａ、２０１ｂとを備え、各センサ２０１ａ、２０１ｂは、複数の目盛１０３に基づいて角度変化量に応じた信号を出力し、出力信号は、複数の目盛１０３のうちの１目盛分を１周期１次とする基本波成分と、基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分とを含み、出力信号から算出された角度変位量は、高調波成分に起因して、１目盛分を１周期１次としてその整数倍の次数成分を有する角度誤差成分を含み、複数のセンサ２０１ａ、２０１ｂの個数は、目盛スケールの目盛数及び角度誤差成分の次数成分に基づいて決定されている。

Description

本発明は、回転体の回転運動による角度変化量を検出するための角度検出器に関するものである。

回転体の回転運動による角度変化量を検出するために、エンコーダ、レゾルバ、インダクトシン、等の角度検出器が使用される。角度検出器は、複数の目盛が配置された目盛スケールと、その複数の目盛を読み取るセンサと、センサからの読み取り情報を回転体の角度変化量に変換する制御部とを備える。目盛スケール又はセンサの何れか一方が回転体に取り付けられている。回転体の角度変化量をより高分解能に読み取るためには、目盛スケールの１目盛の角度間隔を狭めればよいが、目盛は、例えば加工により刻まれるために、無限に細かくすることはできない。より詳細に回転体の角度変化量を測定するために、センサからの読み取り情報に基づく出力信号を制御部で数値演算し、１目盛を細かく分割する方法がある。角度検出器に使用されるセンサからの出力信号は、通常、矩形波若しくは正弦波の形であって、１目盛を１周期３６０°とし、位相が９０°異なる２相の信号である場合が多い。センサからの出力信号が正弦波信号の場合には、２相信号は１目盛を１周期としたｃｏｓθ、ｓｉｎθの形状となる。１目盛を分割する方法として、例えば２相信号を逆正接演算する手法が上げられる（すなわち、θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ））。この手法ではセンサからの出力信号の振幅の検出分解能に応じ、角度分解能を向上させることができる。しかし、センサからの出力信号には、理想的な１目盛１周期の正弦波信号とは別に、高調波成分の歪が含まれているために、回転体の真の角度変化量だけでなく、高調波成分の歪に応じて、真の角度変化量とは無関係な量も含まれて測定される。すなわち、指令に基づく回転体の回転による真の角度変化量とセンサからの出力信号を制御部によって変換して得られた測定による角度変化量との間には、高調波成分の影響による真の角度変化量とは無関係な誤差（角度誤差）が生じる。真の角度変化量及び角度誤差を測定するためには、センサからの出力信号に含まれる高調波成分の歪を除去する必要がある。

更に、角度検出器において、回転体の回転軸線と目盛スケールの中心軸線とは、同軸線上に配置されていることが望ましい。しかし、一般的には、これらの軸線は完全には一致しておらず、これらの軸線間のオフセット（軸線偏心）によって、指令に基づく回転体の回転による真の角度変化量とセンサからの出力信号を制御部によって変換して得られた測定による角度変化量との間には角度誤差が生じる。また、目盛スケールの目盛は、例えば加工により刻まれるため、目盛パターン中心と目盛スケールの回転中心自体がオフセットしていること、１目盛の間隔が理想値に対して誤差を持ち複数の目盛において不均等となっていること、等の品質の問題がある。加えて、角度検出器そのものの検出精度も構成部品の劣化に伴い経年変化すること、等から、これらによっても回転体の回転による真の角度変化量とセンサからの出力信号を制御部によって変換して得られた測定による角度変化量との間には角度誤差が生じる。

このような問題により、特許文献１には、位相が９０°異なる２相正弦波状信号に含まれる３次の高調波成分の歪を検出して除去する方法が開示され、特許文献２には、位相が９０°異なる２相正弦波状信号に含まれる３次及び５次の高調波成分の歪を検出して除去する方法が開示されている。

また、特許文献３〜５には、回転軸線に固定された目盛り盤の周囲に、複数の第１目盛り読み取りヘッドと、１個の第２目盛り読み取りヘッドとを備え、下記のように、第２目盛り読み取りヘッドの角度信号Ａ_ｉ，１と各第１目盛り読み取りヘッドの角度信号Ａ_ｉ，ｊとの差ＳＡ_ｉ，ｊを求めて平均値ＳＡＶ_ｉを得ることにより自己校正を行う角度検出器が開示されている。ここで、ｉは目盛番号（１〜Ｎ_Ｇの整数、Ｎ_Ｇは目盛の総数）、ｊは目盛り読み取りヘッド番号（１〜Ｎ_Ｈの整数、Ｎ_Ｈは目盛り読み取りヘッドの総数）である。

特開２００６−１１２８６２号公報 特開２００８−３０４２４９号公報 特開２００６−９８３９２号公報 特開２０１１−９９８０２号公報 特開２０１１−９９８０４号公報

特許文献１、２においては、センサに起因する特定の高調波成分の歪による電気的角度誤差を検出して除去することができる。しかし、センサからの出力信号には、目盛の精度、センサの特性や方式、等によって様々な高調波成分の歪が含まれ、特定の高調波成分の歪を検出することができるだけでは、様々なセンサに対して統一的に高調波成分の歪を除去することはできない。例えば、センサの読み取り方式が光学式と磁気式とでは歪の特性が全く異なり、磁気式でも読み取る目盛が着磁リングと歯車とでは歪の特性が全く異なる。また、センサからの出力信号を増幅するアンプ等の機器を用いる場合、それらの特性による高調波成分の歪も発生する。よって、ある場合では高調波成分の歪を除去することができたとしも、別の場合では高調波成分の歪を除去することができないこともある。

特許文献３〜５においては、角度検出器は、回転体の回転軸線と目盛スケールの中心軸線との軸線偏心、目盛スケールの品質、角度検出器の経年変化、等によって生じる機械的角度誤差を検出して除去することができる。この手法を用いて更に高精度に回転体の角度変化量を得るためには、１目盛の角度間隔を狭くすることや、高精度の目盛り読み取りヘッドを使用すること等が有効であるが、角度検出器の高コスト化に繋がりやすい。しかし、低コスト化のため目盛の間隔が広い目盛スケールや精度の低い目盛り読み取りヘッドを使用すると、目盛り読み取りヘッドが出力する信号に含まれる高調波成分が電気的角度誤差に影響する量が大きくなり、機械的角度誤差よりも支配的な誤差として現れるため、高精度に回転体の角度変化量を得ることができない。

従って、本発明の目的は、センサに起因する電気的角度誤差だけでなく、回転体の取り付け精度、目盛スケールの品質、角度検出器の経時変化、等に起因する機械的角度誤差を同時に除去して、高精度に回転体の角度変化量が得られ、低コスト化が可能な角度検出器を提供することである。

本発明の１つの観点によれば、角度検出器が、回転軸線を中心に回転する回転体と、回転体の回転方向に対する一周に沿って複数の目盛を有する目盛スケールと、回転体の回転方向に対する一周に沿って配置された少なくとも２つのセンサとを備えて、回転体の回転による角度変化量を検出し、少なくとも２つのセンサの各々は、複数の目盛に基づいて角度変化量に応じた信号を出力し、出力信号は、複数の目盛のうちの１目盛分を１周期１次とする基本波成分と、基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分とを含み、出力信号から算出された角度変位量は、高調波成分に起因して、１目盛分を１周期１次としてその整数倍の次数成分を有する少なくも１つの角度誤差成分を含み、少なくとも２つのセンサの個数は、目盛スケールの目盛数及び少なくとも１つの角度誤差成分の次数に基づいて決定されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、少なくとも１つの角度誤差成分は、複数の角度誤差成分であって、少なくとも２つのセンサの個数は、目盛スケールの目盛数及び複数の角度誤差成分の各々の次数に基づいて決定されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、少なくとも２つのセンサの個数は、目盛スケールの目盛数と少なくとも１つの角度誤差成分の次数である１以上の整数との積を割り切ることができない整数に基づいて決定されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、少なくとも２つのセンサの個数は更に、目盛スケールの目盛数と角度誤差成分の次数との積を割り切ることができない整数で除算した場合の余りに基づいて決定されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、少なくとも２つのセンサの個数は更に、目盛スケールの目盛数と角度誤差成分の次数との積を割り切ることができない整数で除算した場合の余りの大きさに応じた重み付けに基づいて決定されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、回転体の回転方向に対する一周に略等間隔に、割り切ることができない整数に一致する数のセンサ配置予定箇所が設定され、センサ配置予定箇所の何れかに、少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、センサ配置予定箇所の隣接する２つに、少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、センサ配置予定箇所の各々に、少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている。

本発明の一具体例によれば、角度検出器において、少なくとも１つの角度誤差成分は、少なくとも２つのセンサの種類によって相違する。

本発明の一具体例によれば、角度検出器は、少なくとも２つのセンサのうちの１つのセンサからの出力信号とそれ以外のセンサからの出力信号との間の出力信号差を求めることによって自己校正されている。

本発明によれば、角度検出器は、センサからの出力信号に含まれる歪に起因する電気的角度誤差と、回転体の取り付け精度、目盛スケールの品質、角度検出器の経時変化、等に起因する機械的角度誤差とを同時に除去して、高精度に回転体の角度変化量が得られ、また、角度検出器は、センサに起因することなく、統一的に高精度に回転体の角度変化量が得られることができる。更に、本発明によれば、安価で精度の低いセンサを使用して回転体の角度変化量の精度を大幅に向上でき、従来の高価で精度の高いセンサを使用する必要はなく、角度検出器の低コスト化を達成することができる。

なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態としての、目盛スケールが取り付けられた回転体の角度変化量を検出する角度検出器を示す概略図である。 本発明の別の実施形態としての、目盛スケールが取り付けられた回転体の角度変化量を検出する角度検出器を示す概略図である。 本発明の別の実施形態としての、少なくとも２つのセンサが取り付けられた回転体の角度変化量を検出する角度検出器を示す概略図である。 本発明の別の実施形態としての、少なくとも２つのセンサが取り付けられた回転体の角度変化量を検出する角度検出器を示す概略図である。 図１Ａ〜図２Ｂの角度検出器の制御部の概略図である。 センサが１目盛中の位置を検出した際に出力する疑似正弦波信号を示す。 図４Ａの擬似正弦波信号により算出した、１目盛中の位置に対する測定角度と理想角度とを示す。 図４Ａの擬似正弦波信号により算出した、１目盛中の位置に対する測定角度と理想角度との間の角度誤差を示す。 目盛数を一定にして、目盛スケール一周の角度誤差次数をセンサ配置予定箇所数で除算して割り切れる／割り切れないに基づいて判定した結果を示す表である。 目盛数を一定にして、目盛スケール一周の角度誤差次数をセンサ配置予定箇所数で除算した場合の余りの大きさに応じた重み付けに基づいて判定した結果を示す表である。 センサ配置予定箇所数を一定にして、目盛スケール一周の角度誤差次数をセンサ配置予定箇所数で除算した場合の余りの大きさに応じた重み付けに基づいて判定した結果を示す表である。 センサによる電気的角度誤差と回転体の取り付け精度等による機械的角度誤差が除去される前の回転体の指令角度に対する角度誤差を示す。 回転体の指令角度を目盛に換算した場合の図６Ａの一部の拡大図である。 センサによる電気的角度誤差と回転体の取り付け精度等による機械的角度誤差が除去される前の回転体の一周を１周期１次とした角度誤差に対してフーリエ変換を実行することによって得られたスペクトル強度を示す。 センサによる電気的角度誤差と回転体の取り付け精度等による機械的角度誤差が除去された後の回転体の指令角度に対する角度誤差を示す。 回転体の指令角度を目盛に換算した場合の図７Ａの一部の拡大図である。 センサによる電気的角度誤差と回転体の取り付け精度等による機械的角度誤差が除去された後の回転体の一周を１周期１次とした角度誤差に対してフーリエ変換を実行することによって得られたスペクトル強度を示す。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１Ａ〜図２Ｂに、回転軸線１０８を中心に回転する回転体１０５と、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周に沿って複数の目盛１０３を有する目盛スケール１０２と、回転体１０５の回転方向１０６に沿って、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉに配置された少なくとも２つのセンサ２０１ａ〜２０１ｉとを備える角度検出器１０１を示す。ここで、目盛スケール１０２が有する目盛１０３とは、例えば加工により目盛スケール１０２に実際に刻まれたような視覚的に認識できるものだけではなく、目盛スケール１０２における所定の位置間隔を１目盛分の間隔としてセンサ２０１ａ〜２０１ｉに対して読み取らせることができるものであればよく、目盛スケール１０２は、そのような目盛１０３が複数配置された部材である。角度検出器１０１の代表例としては、エンコーダ、レゾルバ、インダクトシン、等があるが、本発明を適用することができれば特に原理は問われない。また、センサ２０１ａ〜２０１ｉは、目盛スケール１０２の目盛１０３を読み取ることができれば特に原理は問われない。センサ２０１ａ〜２０１ｉとしては、例えば、光学式センサ、磁気式センサ、コイル、等がある。また、目盛スケール１０２は、センサ２０１ａ〜２０１ｉが目盛１０３を読み取ることができるものであればよく、材質、目盛１０３の配置の方法、等は問われない。センサ２０１ａ〜２０１ｉは、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７、すなわち全周に沿ってセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉに配置されている。角度検出器１０１は、回転体１０５の回転による角度変化量Ｘ_ｐを、回転方向１０６に沿って配置された複数の目盛１０３を使用することによってセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号に基づいて検出する。センサ２０１ａ〜２０１ｉの各々は、複数の目盛１０３に基づいて、回転体１０５の回転による角度変化量に応じた信号２０４を出力する。ここで、隣接する２つの目盛１０３間の幅、すなわち１目盛の角度間隔１０４はＸで示される。

図１Ａには、回転体１０５の一周１０７に沿って２つのセンサ２０１ａ、２０１ｂが配置され、目盛スケール１０２が取り付けられた回転方向１０６に沿って回転する回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐを検出する角度検出器１０１が示され、図１Ｂには、回転体１０５の一周１０７に沿って、９つのセンサ２０１ａ〜２０１ｉが配置され、目盛スケール１０２が取り付けられた回転方向１０６に沿って回転する回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐを検出する角度検出器１０１が示され、図２Ａには、回転体１０５の一周１０７に沿って、３つのセンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｄが配置され、３つのセンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｄが取り付けられた回転方向１０６に沿って回転する回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐを検出する角度検出器１０１が示され、図２Ｂには、回転体１０５の一周１０７に沿って、９つのセンサ２０１ａ〜２０１ｉが配置され、９つのセンサ２０１ａ〜２０１ｉが取り付けられた回転方向１０６に沿って回転する回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐを検出する角度検出器１０１が示される。

図３に示すように、角度検出器１０１は更に、センサ２０１ａ〜２０１ｉに接続され、センサ２０１ａ〜２０１ｉの読み取り情報を回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐに変換する制御部２０３を備える。変換された角度変化量Ｘ_ｐは、表示装置２１１、等に出力され、又は、回転体１０５を駆動するモータ、回転体１０５の制御装置、等にフィードバックされてもよい。

センサ２０１ａ〜２０１ｉは、一般的に、目盛スケール１０２との相対運動が生じたとき、読み取られた目盛１０３と１目盛の角度間隔１０４に基づいて、複数の目盛１０３のうちの１目盛を１周期１次とし角度変化量に応じて振幅が変化する出力信号２０４を出力することができる。また、制御部２０３は、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４と、ある時間までに数えた目盛検出数Ｍとから、回転体１０５の角度変化量Ｘ_ｐに変換することができる。図１Ａ〜図２Ｂに示すように、目盛スケール１０２とセンサ２０１ａ〜２０１ｉとの間の相対運動によって、例えば、センサ２０１ａ〜２０１ｉからそれぞれ図５Ａに示すような位相が９０°異なる２つの擬似正弦波信号（Ａ相信号（Ａ^（０））及びＢ相信号（Ｂ^（０）））が出力信号２０４として出力される場合、制御部２０３は、センサ２０１ａ〜２０１ｉのそれぞれによって出力された擬似正弦波信号を取得し、各センサ２０１ａ〜２０１ｉからの２つの擬似正弦波信号のうちの位相が９０°遅れた一方の擬似正弦波信号（Ｂ相信号（Ｂ^（０））を他方の擬似正弦波信号（Ａ相信号（Ａ^（０））で除算したものを逆正接演算することによって１目盛を分割して、以下のように回転体１０５の仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）を算出する。

ここで、θ^（０）＝ｔａｎ^−１（Ｂ^（０）／Ａ^（０））は０〜２πの範囲となるように数値処理されている。また目盛検出数Ｍは、θ^（０）＝ｔａｎ^−１（Ｂ^（０）／Ａ^（０））が０と２πの境界を超えるタイミングで、そのカウント値を増減させる等の処理で検出可能であって、その方法については問われない。図１Ａ〜図２Ｂのように、目盛スケール１０２又はセンサ２０１ａ〜２０１ｉを回転体１０５に取り付けて回転させる場合には、制御部２０３は、回転体１０５の回転による角度変位量Ｘ_ｐとして算出できる。

しかし、この算出された仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）と理想とされる角度検出器１０１より得られるべき回転体１０５の角度変化量Ｘ_{ｐｉｄｅａｌ}との間には誤差が生じる（理想的には、Ｘ_ｐ＝Ｘ_{ｐｉｄｅａｌ}になるのがよい）。図１Ａ〜図２Ｂの回転体１０５が等速に回転運動して、回転体１０５の角度が変化するように回転指令した場合、図４Ｂに示すように、理想的には、回転体１０５が指令値に対して誤差なく回転運動が可能であると仮定すると、回転体１０５の回転運動によって回転体１０５の角度が増加するに従って、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４から算出された角度変化量Ｘ_ｐは線形的に増加し、回転体１０５の角度と理想的な角度変化量Ｘ_{ｐｉｄｅａｌ}との間に角度誤差は無い。しかし、実際には、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４から算出された角度変化量Ｘ_ｐと理想的な角度変化量Ｘ_{ｐｉｄｅａｌ}との間には角度誤差が生じる。この角度誤差の一因として、算出された角度変化量Ｘ_ｐには、回転体１０５の回転に伴い複数の目盛１０３を検出する過程において、回転体１０５の回転軸線１０８と目盛スケール１０２の中心軸線との軸線偏心、目盛スケール１０２の品質、角度検出器１０１の経年変化、等によって生じる余分な量（機械的角度誤差と呼称する）が含まれ、また、出力信号２０４にはセンサ２０１ａ〜２０１ｉの特性に起因する余分な歪が含まれていることにある（センサ２０１ａ〜２０１ｉの特性に起因する角度誤差を電気的角度誤差と呼称する）。より具体的には、このセンサ２０１ａ〜２０１ｉによる電気的角度誤差の原因は、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号が、複数の目盛１０３のうちの１目盛分を１周期１次とする基本波成分と、基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分とを含んでいることにある。例えば、センサ２０１ａ〜２０１ｉからそれぞれ図４Ａに示すような位相が９０°異なる２つの擬似正弦波信号（Ａ相信号（Ａ^（０））及びＢ相信号（Ｂ^（０）））が出力信号２０４として出力される場合、センサ２０１ａ〜２０１ｉから出力された２つの擬似正弦波信号が、複数の目盛１０３のうちの１目盛分を１周期１次とする理想波となる基本波成分ｃｏｓ（θ）、ｓｉｎ（θ）と、次のように、基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分（次数ｋが２以上の整数の場合の成分）を含んでいることにあって、このセンサ２０１ａ〜２０１ｉの高調波成分が、上記［数２］のように逆正接演算する際に角度変化量Ｘ_ｐに影響を及ぼし、図４Ｃに示すように、電気的角度誤差が生じている。

ここで、ａ_ｋ及びｂ_ｋは、１目盛を１周期とする１次の基本波成分の振幅を１とした場合の次数ｋの高調波成分のゲインであって、φａ_ｋ及びφｂ_ｋは、次数ｋの高調波成分の基本波成分に対する位相差である。なお、ａ_ｋ、ｂ_ｋ、φａ_ｋ、φｂ_ｋは、一般的には、異なる目盛１０３であっても変化しないか、又は変化したとしても小さい相違である。なお、ａ_ｋ、ｂ_ｋ、φａ_ｋ、φｂ_ｋは、センサ２０１ａ〜２０１ｉや目盛スケール１０２の特性、検出原理により決定付けられ、例えば、センサ２０１ａ〜２０１ｉが光検出型センサであれば目盛スケール１０２の目盛パターンの反射・透過特性や受光部の感度特性により決定付けられ、センサ２０１ａ〜２０１ｉが半導体磁気抵抗型センサであれば半導体の磁気抵抗特性により決定付けられ、また、半導体磁気抵抗型センサを使用する場合において、磁気検出に平歯車を使用すると、歯の形状特性により決定付けられる。このように、出力信号２０４に含まれる高調波成分は、センサ２０１ａ〜２０１ｉ等の種類によって相違する。なお、センサ２０１ａ〜２０１ｉは、実質的に同一の基本波成分及び高調波成分を含む出力信号２０４を出力するセンサであることが好ましい。例えば、センサ２０１ａ〜２０１ｉは同一の種類であってもよい。

また、上記のように、角度誤差には、センサ２０１ａ〜２０１ｉの特性に起因する電気的角度誤差だけでなく、回転体１０５の取り付け精度、目盛スケール１０２の品質、角度検出器１０１の経時変化、等に起因する機械的角度誤差も含まれている。

そこで、センサ２０１ａ〜２０１ｉの特性に起因する電気的角度誤差、及び回転体１０５の取り付け精度、目盛スケール１０２の品質、角度検出器１０１の経時変化、等に起因する機械的角度誤差を除去するために、上記のように、角度検出器１０１は、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周に沿って複数の目盛１０３を有する目盛スケール１０２と、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周に沿って、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉに配置された少なくとも２つのセンサ２０１ａ〜２０１ｉとを備え、更に、図３に示すように、制御部２０３は、これらのセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４を演算処理する信号処理部２０９を備える。

なお、制御部２０３は、信号処理部２０９による出力信号２０４の演算処理に先立って、出力信号２０４を取得するための入力部２０５、出力信号２０４のノイズを除去するノイズフィルタ２０６、出力信号２０４を増幅する増幅器２０７、及び出力信号２０４をアナログ値からデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器２０８を備えていてもよい。デジタル値に変換された出力信号２０４が、信号処理部２０９に出力される。また、制御部２０３は、信号処理部２０９によるデータの書き込み／読み出しを行う記憶部２１０を備えていてもよい。信号処理部２０９は、出力信号２０４が位相の異なる２相の信号である場合には、２相間の振幅、オフセット、位相差を調整できてもよい。なお、調整しない場合でも各センサの信号特性が同レベルであれば、これらの値はほぼ同じになると考えられ、本発明によって電気的角度誤差を除去することができる。

センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４のうちの１つを基準センサ（例えば、センサ２０１ａ）として、基準センサからの出力信号２０４と、それ以外の各センサ（例えば、センサ２０１ｂ〜２０１ｉ）の出力信号２０４との間の出力信号差を求め、求められたそれ以外のセンサとの出力信号差についての平均値を得ることによって、機械的角度誤差を除去するための校正値を得ることができる。この校正値を、算出された回転体１０５の仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）に対して足し引きすることで、真の角度変化量Ｘ_ｐを検出することができ、角度検出器１０１は、機械的角度誤差について自己校正される。しかし、センサ２０１ａ〜２０１ｉを単に回転体１０５の回転方向１０６に沿って配置しただけでは、電気的角度誤差を除去することはできない。これは上記のように、センサ２０１ａ〜２０１ｉの各々の出力信号２０４は、複数の目盛１０３のうちの１目盛分を１周期１次とする基本波成分と、基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分とを含み、出力信号２０４から算出された仮の角度変位量Ｘ_ｐ ^（０）は、出力信号２０４の１つ以上の高調波成分に起因して、目盛１０３の１目盛分を１周期１次としてその整数倍の次数成分を有する少なくとも１つの角度誤差成分を含んでいるからである。

センサ２０１ａ〜２０１ｉの特性に起因する電気的角度誤差を除去するためには、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿った目盛スケール１０２の目盛数Ｎ、及びセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４に含まれる高調波成分に起因する１目盛における角度誤差成分の次数ｐに基づいて、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って配置されるセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数を適切に選択する必要がある。ここで、角度誤差成分の次数とは、角度誤差成分が有する次数のことであって、角度誤差成分の次数は、目盛１０３の１目盛分を１周期１次とするとその整数倍である。例えば、図１Ａ〜図２Ｂのように、目盛スケール１０２の目盛数が３２であって、出力信号２０４に含まれる高調波成分に起因する１目盛における角度誤差成分の次数がｐである場合には、目盛スケール１０２の目盛数３２、及び角度誤差成分の次数ｐに基づいて、一周１０７に沿って配置されるセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数を選択する。なお、角度誤差成分の次数ｐは、推定で見積ってもよいし、目盛スケール１０２の一周における角度誤差成分を算出した結果から決定してもよい。参考として、電気的角度誤差が顕著に現れる角度誤差成分の次数ｐは５以下であることが多い。或いは、事前にセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４から高調波成分を抽出し、除去が必要となる角度誤差成分の次数ｐを決定してもよい。また、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４が、図３のように、入力部２０５、ノイズフィルタ２０６、増幅器２０７、Ａ／Ｄ変換器２０８、等を介して信号処理部２０９に入力される場合には、信号処理部２０９に入力される信号に含まれる高調波成分を抽出し、除去が必要となる角度誤差成分の次数ｐに基づいてセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数を適切に選択してもよい。

また、出力信号２０４から算出された仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）は、出力信号２０４に含まれる１つ以上の高調波成分に起因して、目盛１０３の１目盛分を１周期１次として、それぞれがその整数倍の次数成分を有する複数の角度誤差成分を含んでいて、角度誤差成分が複数の角度誤差成分であってもよい。センサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は、目盛スケール１０２の目盛数Ｎ、及びその複数の角度誤差成分の各々の次数に基づいて、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って配置されるセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数を適切に選択する必要がある。例えば、出力信号２０４の１つ以上の高調波成分に起因して、出力信号２０４から算出された仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）は、次数ｐ＝１、ｐ＝２の２つの角度誤差成分が含まれ、図１Ａ〜図２Ｂのような場合には、目盛スケール１０２の目盛数３２、及び２つの角度誤差成分の次数ｐ＝１とｐ＝２に基づいて、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って配置されるセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数を選択する。

センサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は、目盛スケール１０２の目盛数Ｎと１目盛における角度誤差成分の次数ｐとの積を割り切ることができない整数に基づいて決定されてもよい。すなわち、角度誤差成分の具体的な大きさ等は、回転体１０５の一周に対しては目盛数だけ目盛の各々の個体差をもって現れるが、１目盛に発生する角度誤差成分の次数ｐは何れの目盛でも同じであるために、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差は、次数Ｎ_ｐ＝Ｎ（目盛スケール１０２の目盛数）×p（１目盛における角度誤差成分の次数）として現れ、次数Ｎ_ｐを割り切ることができない整数に基づいて、センサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は決定されてもよい。これによって、センサ２０１ａ〜２０１ｉはそれぞれ、位相の異なる出力信号２０４を出力することができる。すなわち、センサ２０１ａ〜２０１ｉのそれぞれによって出力される出力信号２０４に含まれる基本波成分及び高調波成分の位相は、各センサ２０１ａ〜２０１ｉで相違する。

具体的には、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数Ｎである２５６に対して、仮に出力信号２０４の高調波成分に起因して、仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）には１目盛において次数ｐ（１〜１０）の成分を有する角度誤差成分が含まれると想定して次数ｐを乗算することによって、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐを求め、その次数Ｎ_ｐを、センサ配置予定箇所数としての整数（５〜９）で割り切れる場合を×で、割り切れない場合を○で判定した結果を図５Ａに示す。○の数が多いセンサ配置予定箇所数の方が、より多くの次数ｐの成分による電気的角度誤差を除去することができる。図５Ａの場合においては、整数が７又は９の場合、すなわちセンサ配置予定箇所数が７又は９の場合に○の数が９であって、多くの次数ｐの成分による電気的角度誤差を除去することができ、７つ又は９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの何れかに、センサ２０１ａ〜２０１ｉを配置する。一方で、整数が８の場合、すなわちセンサ配置予定箇所数が８の場合には○の数が０であって、全く電気的角度誤差を除去することができない。なお、図５Ａは一例であって、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数、センサ配置予定箇所数には特に上下限はない。

図１Ａ、図２Ａのように、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉは、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って略等間隔に、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐを割り切ることができない整数に一致する数によって設定されている。図５Ａのように、目盛スケール１０２の目盛数Ｎが２５６である場合には、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの個数を７又は９として、７つ又は９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉを回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って略等間隔に設定することができる。図１Ａ、図２Ａでは、回転体１０５の回転方向１０６に対する一周１０７に沿って、９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉが設定されている。そして、センサ２０１ａ〜２０１ｉは、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの何れかに配置されている。図１Ａでは、９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉのうちの２箇所（２０２ａ、２０２ｂ）にセンサ２０１ａ、２０１ｂが配置され、図２Ａでは、９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉのうちの３箇所（２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｄ）にセンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｄが配置されているが、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの何れにセンサ２０２ａ〜２０２ｉが配置されているかは問われない。例えば、図１Ａのように、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉのうちの隣接する２つのセンサ配置予定箇所２０２ａ、２０２ｂに、センサ２０１ａ、２０１ｂがそれぞれ１つずつ配置されてもよいし、図１Ｂ、図２Ｂのように、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの各々に、センサ２０１ａ〜２０１ｉがそれぞれ１つずつ配置されてもよい。

電気的角度誤差は、次数Ｎ_ｐ＝Ｎ（目盛スケール１０２の目盛数）×ｐ（１目盛における角度誤差成分の次数）として現れ、一般的にはＮとｐは整数であるためＮ_ｐも整数となる。しかし、実際には目盛スケール１０２の１目盛の間隔が複数の目盛１０３において不均一である点等に起因し、角度誤差に対して回転体１０５の一周を１周期１次としてフーリエ変換して実行すると、スペクトル強度は整数の次数の近辺において山形で生じている（例えば、次数が３のスペクトル強度の近辺において、２．９次、３．１次、等の少数点を有する次数のスペクトル強度が含まれている）。よって、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐをセンサ配置予定箇所数としての整数で除算した場合に、その場合における余り（端数）の数が大きいほど除去できる電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐの数が多くなるために、その余りに基づいて、センサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は決定されてもよい。

具体的には、図５Ａと同様に、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数Ｎである２５６に対して、仮に出力信号２０４の高調波成分に起因して、仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）には１目盛において次数ｐ（１〜１０）の成分を有する角度誤差成分が含まれると想定して次数ｐを乗算することによって、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐを求め、その次数Ｎ_ｐを、センサ配置予定箇所数としての整数（５〜９）によって除算した場合に、例えば、余りが０．３未満の場合を×、余りが０．３以上０．７未満の場合を○、余りが０．７以上の場合を◎とし、余りの大きさに応じて重み付けをし（例えば、×は０点、○は１点、◎は２点）、総得点の多いセンサ配置予定箇所数を判定した結果を図５Ｂに示す。総得点が高い方が、より多くの次数ｐの成分による電気的角度誤差を除去することができる。図５Ｂの場合においては、整数が７又は９の場合、すなわちセンサ配置予定箇所数が７又は９の場合に総得点が９点であって、多くの次数ｐの成分による電気的角度誤差を除去することができ、図１Ａ〜図２Ｂのように、９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの何れかに、センサ２０１ａ〜２０１ｉを配置する。このように、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐをセンサ配置予定箇所数としての整数で除算した場合の余りの大きさに応じて重み付けをし、各次数の重み付けに基づいてセンサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は決定されてもよい。また、出力信号２０４の高調波成分に起因する１目盛における角度誤差成分が２次及び４次の次数成分を含む場合には、ｐ＝２、ｐ＝４で◎と判定されているので、センサ配置予定箇所数を９として選定すれば、２次及び４次の電気的角度誤差を除去することができ、図１Ａ〜図２Ｂのように、９つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉの何れかに、センサ２０１ａ〜２０１ｉを配置する。このように、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐをセンサ配置予定箇所数としての整数で除算した場合の余りの大きさに応じた重み付けに基づいて、センサ２０１ａ〜２０１ｉの個数は決定されてもよい。

また、センサ配置予定箇所数を先に決定して、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数Ｎを選定してもよい。具体的には、センサ配置予定箇所数を５とし、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数Ｎである２５４〜２５９に対して、仮に出力信号２０４の高調波成分に起因して、仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）には１目盛において次数ｐ（１〜１０）の成分を有する角度誤差成分が含まれると想定して次数ｐを乗算することによって、目盛スケール１０２の一周における電気的角度誤差の次数Ｎ_ｐを求め、その次数Ｎ_ｐを、センサ配置予定箇所数の５によって除算した場合に、例えば、余りが０．３未満の場合を×、余りが０．３以上０．７未満の場合を○、余りが０．７以上の場合を◎とし、余りの大きさに応じて重み付けをし（例えば、×は０点、○は１点、◎は２点）、目盛スケール１０２の一周における目盛数Ｎを判定した結果を図５Ｃに示す。総得点が高い方が、より多くの次数ｐの電気的角度誤差を除去することができる。図５Ｃの場合においては、目盛スケール１０２の一周における目盛数Ｎが２５５である場合を除いて、ほぼ同等数の次数ｐの電気的角度誤差を除去することができ、５つのセンサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｅの何れかに、センサ２０１ａ〜２０１ｅを配置する。なお、目盛スケール１０２の一周における目盛数Ｎについての判定した結果は、センサ配置予定箇所数による繰り返し性を有する。例えば、センサ配置予定箇所数を５とした場合の判定した結果は、目盛スケール１０２の一周における目盛数Ｎが２５４±（５×整数倍）の場合において同じである（図５Ｃにおいては、２５４と２５９の場合では同じ判定結果となる）。このように、目盛スケール１０２の一周における目盛数Ｎの大小に寄らず、センサ配置予定箇所数による繰り返し性を有する判定結果を得ることができる。

上記のようにして、目盛スケール１０２が有する目盛１０３の目盛数Ｎ、出力信号２０４が含む高調波成分から推定される、或いは事前に確認した角度誤差成分の次数ｐ、センサ配置予定箇所数を得、図１Ａ〜図２Ｂのように、センサ配置予定箇所２０２ａ〜２０２ｉにセンサ２０１ａ〜２０１ｉを配置し、センサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４のうちの１つを基準センサ（例えば、センサ２０１ａ）として、基準センサからの出力信号２０４と、それ以外の各センサ（例えば、センサ２０１ｂ〜２０１ｉ）の出力信号２０４との間の出力信号差を求め、求められたそれ以外のセンサとの出力信号差についての平均値を得ることによって、機械的角度誤差だけでなく電気的角度誤差をも除去するための校正値を得ることができる。この校正値を、算出された回転体１０５の仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）に対して足し引きすることで、真の角度変化量Ｘ_ｐを検出することができ、角度検出器１０１は、機械的角度誤差及び電気的角度誤差を含む角度誤差について自己校正される。校正後の角度変化量Ｘ_ｐは、角度検出器１０１の検出値としてもよいし、回転体１０５を駆動するモータ、回転体１０５の制御装置、等にフィードバックされ、参照角度として使用されてもよい。この校正値は、回転体１０５が回転してセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４が信号処理部２０９に入力される都度に演算されてもよいし、事前に回転体１０５の１周分についてこの校正値を信号処理部２０９にて演算し、補正テーブルとして記憶部２１０に保存しておき、回転体１０５が回転する際に、この校正値が記憶部２１０から読み出されてもよい。

図６Ａ〜図６Ｃにそれぞれ、図１Ｂの角度検出器１０１のセンサ２０１ａのみからの出力信号２０４に基づいて信号処理部２０９によって算出された、機械的角度誤差及び電気的角度誤差を含む角度誤差が除去される前における、回転体１０５の指令角度に対する角度誤差、その一部を拡大した回転体１０５の１目盛中の指令角度に対する角度誤差、回転体１０５の一周を１周期１次とした角度誤差に対してフーリエ変換を実行することによって得られたスペクトル強度を示す。指令角度に対して、周期が長い（次数が小さい）成分による角度誤差が、機械的角度誤差によるものであって、図６Ａによれば、この角度検出器１０１においては、機械的角度誤差は、回転体１０５の一周を１周期１次とする角度誤差を主成分として約１８０ａｒｃｓｅｃの幅である。なお図６Ａは、測定された０〜３６０ｄｅｇの範囲のうちの０〜１８０ｄｅｇの範囲だけを抜き出した測定結果である。指令角度に対して、周期が短い（次数が大きい）成分による角度誤差が、電気的角度誤差によるものであって、図６Ｂによれば、電気的角度誤差の次数は、１０２４次（１目盛における次数ｐ＝４次）による角度誤差を主成分として約２０ａｒｃｓｅｃの幅であって、目盛スケール１０２の全目盛数が２５６であることから１目盛の角度間隔１０４は１．４０６ｄｅｇであるので、電気的角度誤差である約２０ａｒｃｓｅｃはその約０．４％に相当する。図６Ｃによれば、角度誤差の次数成分が２５６次（１目盛１次）、７６８次（１目盛３次）、１０２４次（１目盛４次）のスペクトル強度が大きく、角度誤差の次数成分が１０２４次（１目盛４次）のスペクトル強度が、特に顕著であることが分かる。

次に、図７Ａ〜図７Ｃにそれぞれ、図１Ｂの角度検出器１０１のセンサ２０１ａ〜２０１ｉからの出力信号２０４に基づいて信号処理部２０９によって算出された、機械的角度誤差及び電気的角度誤差を含む角度誤差が除去された後における、回転体１０５の指令角度に対する角度誤差、その一部を拡大した回転体１０５の１目盛中の指令角度に対する角度誤差、回転体１０５の一周を１周期１次とした角度誤差に対してフーリエ変換を実行することによって得られたスペクトル強度を示す。センサ配置予定箇所数（センサ配置数）が９であるので、９で割り切ることができない次数Ｎ_ｐの機械的角度誤差及び電気的角度誤差を含む角度誤差を除去することができ、図７Ａによれば、９で割り切ることができない１次を主成分とする機械的角度誤差を、約４５ａｒｃｓｅｃの幅まで減少することができる。なお図７Ａは、測定された０〜３６０ｄｅｇの範囲のうちの０〜１８０ｄｅｇの範囲だけを抜き出した測定結果である。図７Ｂによれば、９で割り切ることができない１０２４次を主成分とする電気的角度誤差を、約５ａｒｃｓｅｃ（１目盛の角度間隔１０４である１．４０６ｄｅｇに対して約０．１％）の幅まで減少することができる。このように、機械的角度誤差及び電気的角度誤差を含む角度誤差を約１／４まで減少することができる。図７Ｃによれば、角度誤差の次数成分が２５６次（１目盛における次数ｐ＝１次）、７６８次（１目盛３次）、１０２４次（１目盛４次）のスペクトル強度を大幅に減少させることができる。また図７Ａにおいて、回転体１０５の指令角度１８０ｄｅｇ中に発生している１０山成分（回転体１０５の一周を１周期１次として２０次成分）は、使用した回転体１０５の機構特性に起因する角度誤差であることが分かっており、本発明を使用することで、出力信号２０４から算出された仮の角度変化量Ｘ_ｐ ^（０）から機械的角度誤差及び電気的角度誤差を除去し、回転体１０５の真の回転角度量Ｘ_ｐと角度誤差をより高精度に検出可能であることを図７Ａ〜図７Ｃは示している。

上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。

１０１ 角度検出器
１０２ 目盛スケール
１０３ 目盛
１０４ １目盛の角度間隔
１０５ 回転体
１０６ 回転方向
１０７ 一周
１０８ 回転軸線
２０１ａ〜２０１ｉ センサ
２０２ａ〜２０２ｉ センサ配置予定箇所
２０３ 制御部
２０４ 出力信号
２０５ 入力部
２０６ ノイズフィルタ
２０７ 増幅器
２０８ Ａ／Ｄ変換器
２０９ 信号処理部
２１０ 記憶部
２１１ 表示装置

Claims (10)

1. 回転軸線を中心に回転する回転体と、前記回転体の回転方向に対する一周に沿って複数の目盛を有する目盛スケールと、前記一周に沿って配置された少なくとも２つのセンサとを備え、前記回転体の回転による角度変化量を検出する角度検出器であって、
   前記少なくとも２つのセンサの各々は、前記複数の目盛に基づいて前記角度変化量に応じた信号を出力し、
   前記出力信号は、前記複数の目盛のうちの１目盛分を１周期１次とする基本波成分と、前記基本波成分の２以上の整数倍を次数とする高調波成分とを含み、前記出力信号から算出された前記角度変位量は、前記高調波成分に起因して、１目盛分を１周期１次としてその整数倍の次数成分を有する少なくとも１つの角度誤差成分を含み、
   前記少なくとも２つのセンサの個数は、前記目盛スケールの目盛数及び前記少なくとも１つの角度誤差成分の次数成分に基づいて決定されている、角度検出器。
2. 前記少なくとも１つの角度誤差成分は、複数の角度誤差成分であって、前記少なくとも２つのセンサの個数は、前記目盛スケールの目盛数及び前記複数の角度誤差成分の各々の次数成分に基づいて決定されている、請求項１に記載の角度検出器。
3. 前記少なくとも２つのセンサの個数は、前記目盛スケールの目盛数と前記少なくとも１つの角度誤差成分の次数成分である１以上の整数との積を割り切ることができない整数に基づいて決定されている、請求項１又は２に記載の角度検出器。
4. 前記少なくとも２つのセンサの個数は更に、前記積を前記割り切ることができない整数で除算した場合の余りに基づいて決定されている、請求項３に記載の角度検出器。
5. 前記少なくとも２つのセンサの個数は更に、前記余りの大きさに応じた重み付けに基づいて決定されている、請求項４に記載の角度検出器。
6. 前記一周に沿って略等間隔に、前記割り切ることができない整数に一致する数のセンサ配置予定箇所が設定され、前記センサ配置予定箇所の何れかに、前記少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている、請求項３〜５の何れか一項に記載の角度検出器。
7. 前記センサ配置予定箇所の隣接する２つに、前記少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている、請求項６に記載の角度検出器。
8. 前記センサ配置予定箇所の各々に、前記少なくとも２つのセンサが１つずつ配置されている、請求項６に記載の角度検出器。
9. 前記少なくとも１つの角度誤差成分は、前記少なくとも２つのセンサの種類によって相違する、請求項１〜８の何れか一項に記載の角度検出器。
10. 前記少なくとも２つのセンサのうちの１つのセンサからの出力信号とそれ以外のセンサからの出力信号との間の出力信号差を求めることによって自己校正されている、請求項１〜９の何れか一項に記載の角度検出器。
    

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