WO2011055661A1 - 複合自己校正機能付き角度検出器 - Google Patents

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WO2011055661A1
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G01D18/001—Calibrating encoders

Definitions

  • the present invention relates to an angle detector such as a rotary encoder that detects a rotation angle, and in particular, by providing a self-calibration function, the mounting shaft eccentricity in the use environment included in the angle information output by the angle detector, and the angle detector
  • the present invention relates to an improvement of an angle detector with a self-calibration function that can obtain a calibration value of a scale including an angle error caused by the influence of secular change or the like.
  • the general principle of an angle detector such as a rotary encoder is a device that outputs angle information by marking a scale around a circular scale plate and counting the number of scales with a sensor head for scale reading. The device is used. Since the angle detector artificially writes the scale, the scale lines are not written at equiangular intervals, and an error occurs in the angle information obtained from the position of the scale lines.
  • the radial straight line L1 in FIG. 1 is an ideal scale line position (equal angle interval line), and the radial short broken line L2 is an actual scale line position, and the difference from the ideal position is plotted in FIG. The graph to the right of
  • the point on the right side of FIG. 1 is the calibration value of the graduation line of the angle detector.
  • the actual angle detector has several thousand to several hundred thousand graduation lines. There is.
  • There are several ways to calibrate these lines comparing the scales of the two angle detectors to each other and self-calibrating. In this method, even if the two angle detectors are not calibrated, they can be calibrated at the same time, so that a high-accuracy angle detector is not required.
  • the meaning of self-calibration is that even if two angle detectors having an unknown angle error are compared, the calibration values that are both angle errors can be found at the same time.
  • the angle detector inside the angle measuring instrument and the angle detector to be calibrated are calibrated using a self-calibration method based on the equal division average method. ing.
  • the equal division averaging method is simplified and briefly described.
  • the difference of 14 scale signals is measured (SA1).
  • SA2 the difference between another sensor head 12 adjacent to the lower portion and the second sensor head 14 located on the upper portion is measured in the same manner.
  • SA5 the average value SAV of them
  • the average value SAV is It becomes.
  • i 1, 2, 3,...
  • P is a scale line number
  • P is the total number of scales provided on the scale board.
  • Patent Document 1 in an angle detector provided with a sensor head around a scale plate fixed to a rotating shaft, a plurality of first sensor heads and one second sensor are provided around the same scale plate. A measurement difference between the second sensor head and each of the first sensor heads to obtain an average value, and performing self-calibration based on the average value. Errors due to connection can be detected, and even when the angle detector is used, calibration work can be easily performed when necessary without connecting the rotating shaft, and stable and accurate measurement can be performed for a long time. Can do.
  • FIG. 4 shows the obtained calibration value
  • FIG. 5 shows the frequency component analysis result of the calibration value.
  • the angular error of a rotary encoder tends to decrease as the lower order component becomes larger and becomes a higher order component. Therefore, in order to obtain a highly accurate calibration value with no component missing up to higher order components. Therefore, it is necessary to increase the number N of sensor heads arranged at equiangular intervals, and the number of expensive sensor heads is increased, which greatly increases the cost.
  • the present invention has an object to obtain a highly accurate calibration value in which the number of sensor heads is kept to a minimum and there is no missing component up to a higher order component that is much higher than the order obtained in the prior art. It is said.
  • an angle detector with a self-calibration function of the present invention is an angle detector provided with a sensor head for reading a scale around a scale plate fixed to a rotating shaft, and around the same scale plate.
  • the first sensor heads are arranged at equal intervals, and the second sensor head is arranged at one position of the first sensor head in place of the first sensor head.
  • the first sensor head and the second sensor head are arranged at L intervals at the first.
  • One of the sensor heads of the first group and the second group arranged at equal intervals around the same scale plate may be shared.
  • the phase is shifted by a graduation, and the average value of the calibration value obtained by the second set and the (L-1) shifted calibration values obtained by the phase shift means is obtained, and the average value is calculated as the first value.
  • the frequency component of the multiple of L that could not be obtained by the first set is complemented, and the least common multiple of M and N is obtained. In other words, it is possible to obtain the same accuracy as when a sensor head with the least common multiple of M and N is used. It becomes possible.
  • FIG. 6 is a layout diagram when seven sensor heads are arranged at equal intervals. It is a figure which shows the calibration value obtained when seven sensor heads are arrange
  • the calibration value (the uppermost curve) of the second group in which seven sensor heads are arranged at equal intervals is phase-shifted by 9000 scales when the total number of scales is 36000.
  • An example is shown in which seven sensor heads of 1/7 to 7/7 are arranged as a second set every 360 ° / 7, and the position of 1 on the scale plate is also set as the starting point.
  • 1/4 can be shared every 90 ° and 1/7 can be shared every 360 ° / 7, so 10 sensor heads are used in total.
  • the angle detector is configured to calculate a measurement difference between one sensor head and another sensor head in each of the first group and the second group as described in Patent Document 1. It has a self-calibration function that performs self-calibration.
  • the present invention it is possible to detect the rotation angle up to a high-order component while reducing the number of expensive sensor heads used, and therefore it is necessary to perform particularly precise rotation angle measurement without incurring a significant cost increase. It can be used widely and effectively in the industrial field.

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Abstract

【課題】センサヘッドの個数を最少減にとどめながら、高次成分まで周波数成分の抜けがない、精度の高い校正値を得る。　回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取り用のセンサヘッドを備えた角度検出器であって、同一目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１センサヘッドと、該第１センサヘッドの１つの位置に、第１センサヘッドに換えて配置した第２センサヘッドとからなり、第２センサヘッドと各第１センサヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行う自己校正機能付き角度検出器において、第１センサヘッド及び第２センサヘッドを、等間隔にＬ個配置した第１の組と、等間隔にＭ個配置した第２の組で校正し、第２の組により求めた校正値を、目盛り盤に設けられた全目盛りの数をＰとしたとき、ｊ*Ｐ／Ｌ（ｊ＝１～Ｌ－１）目盛りずつ位相をずらせ、第２の組により求めた校正値と、シフトされた校正値との平均値を求め、該平均値を第１の組により求めた校正値とを加算して校正値として出力する。

Description

複合自己校正機能付き角度検出器
　本発明は回転角度を検出するロータリエンコーダ等の角度検出器に関し、特に自己校正機能を備えることにより、角度検出器が出力する角度情報に含まれる使用環境下での取り付け軸偏心、角度検出器の経年変化の影響等により発生する角度誤差も含めた目盛りの校正値を求めることができるようにした自己校正機能付き角度検出器の改良に関する。
　ロータリエンコーダ等の角度検出器の一般的な原理は、円形の目盛り盤の周囲に目盛りが刻まれ、その目盛り本数を目盛り読み取り用のセンサヘッドで数えることにより角度情報を出力する装置であり、各種の装置が用いられている。角度検出器は、目盛りを人工的に書き込むため、目盛り線は等角度間隔には書き込まれておらず、その目盛り線の位置から得られる角度情報には誤差が生ずる。図１の放射状の直線Ｌ１は、理想的な目盛り線位置（等角度間隔線）であり、放射状の短い破線Ｌ２は、実際の目盛り線位置で、理想位置からの差をプロットしたのが図１の右のグラフになる。
　図１右図の点が角度検出器の目盛り線の校正値になり、図では目盛り線が３６本あるとして描かれているが、実際の角度検出器は数千から数１０万本の目盛り線がある。これらの線を校正する方法として、２つの角度検出器の目盛りを互いに比較し、自己校正する方法が幾つかある。この方法では２つの角度検出器が校正されていなくても、同時に校正することができるため、上位の高精度な角度検出器を必要としない。なお、自己校正の意味は、角度誤差が未知数の２つの角度検出器を比べても、同時に両方の角度誤差である校正値がわかるということである。
　角度の国家標準器（角度測定器）では、角度測定器の内部にある角度検出器とその上部に設置されている被校正角度検出器を、等分割平均法による自己校正方法を用いて校正している。
　図２を用いて、等分割平均法を単純化し簡単に説明する。下部の第１角度検出器１１の目盛り盤に配置されている第１センサヘッド１２、１２・・・の一つと、上部の第２角度検出器１３の目盛り盤に配置されている第２センサヘッド１４の目盛り信号の差を測定(SA1)する。次に下部隣の別のセンサヘッド１２と上部の第２センサヘッド１４の差(SA2)を同様に測定する。同様に他の第１センサヘッド１２と第２センサヘッド１４の差を測定し、それら（SA1,SA2,SA3,SA4,SA5）の平均値SAVを求めると、上部の第２角度検出器１３の校正曲線が求まるという方法である。
　下部の第１角度検出器１１から出力される角度誤差をａiとし、上部の第２角度検出器１３から出力される角度誤差をbｉとすると差は、ＳＡｊ＝ｂｉ－ａi+(j-1)P/Nとなり、平均値SAVは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となる。ここで、i=1,2,3,..,Pは目盛り線の番号であり、Pは目盛り盤に設けられた目盛りの総数である。
　第１センサヘッド１２は５箇所設置する場合は一周360°の５分の１の角度間隔で配置する。Ｎ個の角度検出器を配置する場合は、同様にＮ分の１の等角度間隔に配置する。これは等分割平均法と読ばれる。
　出願人は、下記特許文献１に示されるように、角度検出器の校正時に、校正装置内の角度検出器との回転軸の接続時に発生する軸偏心による誤差を解消するために、角度検出器自身が軸偏心の影響や角度検出器の経年変化等も含めて目盛りの校正値を得ることを可能にすることによって、常に正確な校正を行うことができると共に、小型することができるようにした自己校正機能付き角度検出器を提案している。
　下記特許文献１のものによれば、回転軸に固定した目盛り盤の周囲にセンサヘッドを備えた角度検出器において、同一目盛り盤の周囲に複数の第１センサヘッドと、１個の第２センサヘッドとを備え、前記第２センサヘッドと各第１センサヘッドとの計測差を求めて平均値を得て、この平均値に基づいて自己校正を行うことにより、目盛りの校正値と共に回転軸の接続による誤差等も検出でき、またその角度検出器の使用中においても、回転軸の接続操作なしに必要なとき校正作業を容易に行うことができ、長期間安定して正確な計測を行うことができる。
特許第３８２６２０７号公報
　上記先行技術において、図３に示されるように、ロータリエンコーダの目盛盤（目盛りの数P=36000）の周りに、７個の目盛読み取り用のセンサヘッドを等角度間隔（３６０°／７）に配置した場合、得られた校正値を図４、その校正値の周波数成分分析結果を図５に示す。
　同様に、図６に示されるように、ロータリエンコーダの目盛盤の周りに、１２個のセンサヘッドを等角度間隔に配置した場合、得られた校正値を図７、その校正値の周波数成分分析結果を図８に示す。
　以上の周波数成分分析結果から明らかなように、７個配置した場合は７の倍数次の成分が求まらず、１２個配置した場合は１２の倍数次の成分が求まらない。
　すなわち、等角度間隔にセンサヘッドをＮ個配置した場合はＮの倍数次の周波数成分が求まらない。
　これは任意の周期曲線について数学的に証明できる性質、「任意の周期曲線は、任意の正の整数Ｎに対して、その曲線の位相を周期の１/ＮずつずらしたＮ個の曲線の平均をとると、元の曲線の周波数成分の中でＮの整数倍次の周波数成分だけを持った曲線が得られる」を用いると、上記特許文献１の[数３]で示す校正値ＳＡＶが右辺第２項はＮの倍数次の周波数成分を持った曲線に対応し、このため左辺はＮの倍数次の周波数成分が求まらないことに起因する。
　つまり、段落０００５で示した式において、bｉ＝aｉであるから、次式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、i=1,2,3,...,Pは目盛り線の番号であり、右辺第２項はaｉを周期の１/ＮずつずらしたＮ個の曲線の平均値になるため、左辺はaｉからaｉのＮの整数倍次の周波数成分が差し引かれた校正値となる。
　一般に、ロータリエンコーダの角度誤差は、低次成分が大きく、高次成分になるにしたがって小さくなる傾向があるから、より高次成分まで成分の抜けがない、精度の高い校正値を求めるためには、等角度間隔に配置するセンサヘッドの数Ｎを大きくせざるを得ず、高価なセンサヘッドを増やすことになり、大幅なコストアップを余儀なくされる。
　そこで、本発明は、センサヘッドの個数を最小限にとどめながら、先行技術において当該個数で得られる次数よりはるかに高い高次成分まで成分の抜けがない、精度の高い校正値を得ることを目的としている。
　この課題を解決するため、本発明の自己校正機能付き角度検出器は、回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取り用のセンサヘッドを備えた角度検出器であって、同一目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１センサヘッドと、該第１センサヘッドの１つの位置に、第１センサヘッドに換えて配置した第２センサヘッドとからなり、前記第２センサヘッドと各第１センサヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行う自己校正機能付き角度検出器において、前記第１センサヘッド及び第２センサヘッドは、等間隔にＬ個配置した第１の組と、等間隔にＭ個配置した第２の組からなり、前記第２の組により求めた校正値を、前記目盛り盤に設けられた全目盛りの数をＰとしたとき、ｊ*Ｐ／Ｌ（ｊ＝１～Ｌ－１）目盛りずつ位相をずらせる位相シフト手段と、前記第２の組により求めた校正値と、前記位相シフト手段により求めた（Ｌ－１）個のシフトされた校正値との平均値を求め、該平均値を前記第１の組により求めた校正値とを加算して校正値として出力する演算手段を備えている。
　ただし、ｊは自然数であり、かつ、ＬとＭは、両者の最小公倍数が両者の和より大きくなる自然数とする。
　同一目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１の組と前記第２の組のセンサヘッドうち、その１つを共有するようにしてもよい。
　本発明による自己校正機能付き角度検出器は、第１センサヘッド及び第２センサヘッドの第１の組はＬ個（例えば４個）、第２の組はＭ個（例えば７個）、合計（Ｍ+Ｎ）個のセンサヘッドを使用し、第２の組により求めた校正値を、目盛り盤に設けられた目盛りの数をＰとしたとき、ｊ*Ｐ／Ｌ（ｊ＝１～Ｌ－１）目盛りずつ位相をシフトさせ、第２の組により求めた校正値と、位相シフト手段により求めた（Ｌ－１）個のシフトされた校正値の平均値を求め、該平均値を第１の組により求めた校正値とを加算して校正値として出力することにより、第１の組により求めることのできなかった、Ｌの倍数次の周波数成分を補完し、ＭとＮの最小公倍数まで、すなわち、ＭとＮの最小公倍数のセンサヘッドを用いた場合と同等の精度を得ることが可能になる。
　同一目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１の組と第２の組のセンサヘッドうち、その１つを共有すれば、必要なセンサヘッドをさらにひとつ減らすことができる。
ロータリエンコーダの原理を示す図である。 等分割平均法を用いた角度検出器を示す図である。 センサヘッドを７個等間隔に配置した場合の配置図である。 センサヘッドを７個等間隔に配置した場合に得られる校正値を示す図である。 センサヘッドを７個等間隔に配置した場合に得られる校正値の周波数成分分析結果を示す図である。 センサヘッドを１２個等間隔に配置した場合の配置図である。 センサヘッドを１２個等間隔に配置した場合に得られる校正値を示す図である。 センサヘッドを１２個等間隔に配置した場合に得られる校正値の周波数成分を示す図である。 本発明の実施例による、センサヘッドを４個等間隔に配置した第１の組とセンサヘッドを７個等間隔に配置した第２の組の配置を示す図である。 センサヘッドを４個等間隔に配置した場合に得られる校正値を示す図である。 センサヘッドを４個等間隔に配置した場合に得られる校正値の周波数成分分析結果を示す図である。 本発明の実施例による、センサヘッドを７個等間隔に配置した第２の組による校正値（１番上の曲線）を、全目盛り数を３６０００としたとき、９０００目盛りずつ位相シフトさせることで、２、３、４番目の曲線を作成し、さらにこれら４本の曲線の平均値を求めた値を５番目の曲線で示した図である。 本発明の実施例によるセンサヘッドを７個等間隔に配置した第２の組による校正値と、９０００目盛りずつシフトさせた３つの曲線の平均値の周波数成分分析結果を示す図である。 本発明の実施例による、図１２に示すセンサヘッドを７個等間隔に配置した第２の組により得られる上から５番目の曲線と図１０に示すセンサヘッドを４個等間隔に配置した第１の組により得られる校正値とを加算して得られる校正値を示す図である。 本発明の実施例による、校正値の周波数成分分析結果を示す図である。
　図９は、目盛り盤（目盛りの数P=36000）の１の位置を起点として、３６０°／４毎に１／４～４／４の４個のセンサヘッドを第１の組として、また、３６０°／７毎に１／７～７／７の７個のセンサヘッドを第２の組として配置するとともに、同じく目盛り盤の１の位置を起点として配置した例を示しており、目盛り盤の１の位置において、９０°毎に１／４と３６０°／７毎に１／７は共用できるから、センサヘッドは全体で１０個用いている。
　なお、この例では、角度検出器は、第１の組、第２の組それぞれにおいて、上記特許文献１に記載されているように、１個のセンサヘッドと他のセンサヘッドとの計測差を求め、自己校正を行う自己校正機能を有している。
　センサヘッドを３６０°／７毎に１／７～７／７の７個のセンサヘッドを配置した場合について、上記特許文献１に記載されている自己校正機能による校正値及びその校正値の周波数成分分析結果については、従来技術として説明した図４及び図５に示されているから、センサヘッドを目盛り盤の１を起点に９０°毎に４個のセンサヘッドを配置した場合、得られた校正値を図１０、その校正値の周波数成分分析結果を図１１に示す。
　前述の説明から明らかなように、この場合は、４の倍数次の周波数成分（４、８、１２・・・・）を求めることができない。
　一方、センサヘッドを目盛り盤の１の位置を起点として、３６０°／７毎に１／７～７／７の７個配置した場合は、前述のとおり、７個配置した場合は７の倍数次の成分が求まらず、１２個配置した場合は１２の倍数次の成分を求めることができない。
　そこで、本発明に基づいて、目盛盤にＭ個のセンサヘッド（図９の例では７個）を等角度間隔に配置したときに得られる校正値と、Ｌ個のセンサヘッド（図９の例では４個）を等角度間隔に配置したときに得られる校正値から、校正値を求める手順について説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　このμi (-7,4)の周波数成分を計算すると、図１３に示すように４の倍数次の周波数成分のみを持つ。ただし、７の倍数次成分は含まれていない。したがって、２８の倍数次成分が含まれていないことになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　このように、図６のように１２個のセンサヘッドを用いた場合でも、従来のものでは、１２次、２４次・・・の周波数成分を求めることが不可能であったが、上述の例では、１０個のセンサヘッドで、１～２７次までの周波数成分を求めることができる。
　なお、上記の例では、目盛り盤の１の位置において、９０°毎に１／４と３６０°／７毎に１／７は共用できるから、センサヘッドはさらに一個減らすことができる。
　本発明は、高価なセンサヘッドの使用個数を低減しつつ、高次成分まで回転角度検出を行うことができるので、大幅なコストアップを招くことなく、特に精密な回転角度測定を行う必要がある産業分野において、広くかつ有効に利用することができる。
１１　　第１角度検出器
１２　　第１角度検出器に配置されている第１センサヘッド
１３　　第２角度検出器
１４　　第２角度検出器に配置されている第２センサヘッド

Claims (2)

  1. 　回転軸に固定した目盛り盤の周囲に目盛り読み取り用のセンサヘッドを備えた角度検出器であって、
    　同一目盛り盤の周囲に等間隔に配置される第１センサヘッドと、該第１センサヘッドの１つの位置に、第１センサヘッドに換えて配置した第２センサヘッドとからなり、前記第２センサヘッドと各第１センサヘッドとの計測差を求めて平均値を得ることにより自己校正を行う自己校正機能付き角度検出器において、
    　前記第１センサヘッド及び第２センサヘッドは、等間隔にＬ個配置した第１の組と、等間隔にＭ個配置した第２の組からなり、
    　前記第２の組により求めた校正値を、前記目盛り盤に設けられた全目盛りの数をＰとしたとき、ｊ*Ｐ／Ｌ（ｊ＝１～Ｌ－１）目盛りずつ位相をずらせる位相シフト手段と、
    　前記第２の組により求めた校正値と、前記位相シフト手段により求めた（Ｌ－１）個のシフトされた校正値の平均値を求め、該平均値を前記第１の組により求めた校正値とを加算して校正値として出力する演算手段を備えたことを特徴とする自己校正機能付き角度検出器。
    　ただし、ｊは自然数であり、かつ、ＬとＭは、両者の最小公倍数が両者の和より大きくなる自然数とする。
  2. 　前記第１の組と前記第２の組のセンサヘッドの１つを共有したことを特徴とする請求項１記載の自己校正機能付き角度検出器。
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