JP2008539407A - 回転エンコーダ - Google Patents

Abstract

回転エンコーダのエンコーダスケール部材(１０)の偏心を決定する方法が記述される。この方法は、幾何学的中心(Ｎ)を有するエンコーダスケール素材を用意することと、このエンコーダスケール素材を第２の中心(Ｐ)に関して中心を置いて取り付けることとを具える。次に、スケールをエンコーダスケール素材に作成することができ、それによってエンコーダスケール部材(１０)を形成し、このエンコーダスケール部材のスケールは、第２の中心(Ｐ)に関して中心を置かれている。例えばエンコーダスケール部材の見掛けの半径の任意の変化を測定することにより、幾何学的中心(Ｎ)と第２の中心(Ｐ)との間の任意の偏心が測定される。次に、エンコーダスケール部材を作業場所に（例えば軸３０に）取り付けることができ、これは第３の軸線(Ｑ)を中心として回転する。作業場所に取り付けた時の偏心をその製造中に測定したものと合致させることができ、および/またはエンコーダスケール部材の製造ならびに取り付けの両方から生ずる偏心誤差を決定することができる。

Description

本発明は、軸線を中心として回転するように取り付けられた偏心取り付け回転型エンコーダによって生ずる誤差の補正に関する。

このような誤差は概ね小さいとは言え、これらは高精度なエンコーダにとって重要である。一般に、回転エンコーダスケール部材を棒材または同様なものに取り付けた場合、これが意図した回転軸線と同じ軸線を中心として可能な限り完全に取り付けられるようにすることが第１に必要である。振れとしても知られたエンコーダの任意の偏心は、回転エンコーダの精度を低下させると共にエンコーダスケール部材および単一の読み取りヘッドが用いられる角度の測定に誤差をもたらそう。偏心により生ずる誤差は、エンコーダの一回転と等しい周期を有する正弦波形で変化する大きさの誤差として現れる。

通常、この誤差は、棒材にエンコーダを取り付けて偏心を測定し、そしてエンコーダができるだけ小さな偏心を有するまで、このエンコーダの取り付けを調整することによって最小にしなければならない。エンコーダは、このエンコーダの幾何学的中心に関して可能な限り正確にその角度分割と共に作られ、エンコーダの位置あわせが角度分割の位置あわせをもたらすようになっている。しかしながら、絶対的に完全な位置合わせは不可能であり、それで偏心誤差が製造中に発生することがある。このような場合、角度分割の中心は、エンコーダの回転の幾何学的中心と一致しない可能性がある。それで、たとえエンコーダが正確に取り付けられているとしても、製造誤差によって生ずる正弦波形で変化する誤差がまだ存在している可能性がある。

振れにより生ずる誤差の補正方法が知られている。特許文献１は、エンコーダの周囲に等間隔で配した３つのエンコーダ読み取り装置を用い、３つの読み取り装置からの３つの信号の平均タイミングに固定の遅延期間を加えたものと等しい信号を作成することを提案している。

特許文献２は、ルックアップテーブルにより誤差補正を定めた装置を開示する。このテーブルは、エンコーダユニットをその棒材に取り付けた後に測定された正弦波形で変化する誤差から生成される。周期的なエンコーダの誤差の位相および大きさは、エンコーダ上の基準位置に対して既知である。これらの値は、基準参照エンコーダとの検査によりエンコーダの出力を比較することによって得られる。固定の遅延期間は、ルックアップテーブルから示される誤差を加算または減算するために用いられる。

特願昭５５−６１９７９号 米国特許第６,３０４,８２５号

特許文献１は、相対的に高価な解決法であって、適当ではない可能性があり、空間が制限される。エンコーダの周囲に３つの読み取り装置を位置合わせすることも同様に困難である。

本発明の第１の形態による回転エンコーダの製造方法は、(i)幾何学的中心を有するエンコーダスケール素材を得るステップと、(ii)前記エンコーダスケール素材を第２の中心に関して中心を置いて取り付けるステップと、(iii)前記エンコーダスケール素材にスケールを作成し、それによりエンコーダスケール部材を形成するステップであって、前記エンコーダスケール部材のスケールが前記第２の中心に関して中心を置かれるステップとを具え、この方法は、(iv)前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の任意の偏心を測定するステップを具えたことを特徴とする。

従って、本発明はエンコーダスケール部材を作成する方法を提供する。この方法は、幾何学的中心を有するエンコーダスケール素材を取得することを伴う。このエンコーダスケール素材は、例えば金属製の環状部材を具えることができる。エンコーダスケール素材は、第２の中心に関して適当なスケール形成装置に回転可能に取り付けられる。これが第２の中心に関して回転するので、一連のスケール刻印（例えば一連の光反射および光無反射線）がエンコーダスケール素材に形成される。この方法において、第２の中心に関して中心を置いたスケールを有するエンコーダスケール素材からエンコーダスケール部材が形成される。

エンコーダスケール部材を形成した後、幾何学的中心と第２の中心との間の偏心が測定される。好ましくは、幾何学的中心と第２の中心との間に偏心を測定するステップ(iv)がスケール形成装置に取り付けたエンコーダスケール部材に対して行われる。例えば、スケールが形成された後か、あるいは形成される前にこのような測定を直ちに行うことができる。換言すれば、ステップ(iii)をステップ(iv)に先行させるか、後に続けることができるが、エンコーダスケール部材の取り付けをこれらのステップの間で行わないことが望ましい。

以下により詳細に記述されるように、幾何学的中心と第２の中心との間の偏心を知ることは、エンコーダ装置を形成するためにエンコーダスケール部材を引き続き組み込む際に有利である。例えば、これはエンコーダスケール部材を作業場所に取り付ける際に、製造時に存在していたエンコーダスケール部材の任意の偏心を再現することを可能にする。エンコーダスケール部材の製造時に測定された偏心誤差を、エンコーダスケール部材が作動位置に装着した時に測定される偏心誤差と組み合わせることもまた可能である。これは、補正された角度測定が与えられることを可能にし、エンコーダスケール部材の製造および組み込みの両方で存在するあらゆる偏心誤差を考慮にいれることができる。

ここで用いられる「偏心」という用語は、２つの回転中心の間の間隔か、あるいはこのような間隔に起因する見掛けの半径の変化を意味することに注意すべきである。ここで用いられる「エンコーダスケール部材」という用語は、回転の角度か、あるいは変化量の測定のために用いられるエンコーダ器具のスケール部材を意味する。以下により詳細に概説するように、エンコーダスケール部材は、連続的な回転角度の測定のために円弧状の部材（例えば完全に円形でない部材）か、完全に円形の部材（例えば環状部材）を具えることができる。

ステップ(iv)は、前記エンコーダスケール部材を複数の異なる角度方向に回転した場合、エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の任意の変化を測定することを具えていることが都合が良い。見掛けの半径の変化を測定するための多くの技術、例えばダイヤル試験ゲージなどを使うことが知られている。さらに、多くの適当な方法もまた、英国特許出願ＧＢ０５０８３３５.７から優先権を主張した我々の同時係属国際（ＰＣＴ）出願（６５１ＷＯを参照のこと）に記述されている。

好ましくは、前記複数の異なる角度方向が３つ以上の異なる角度方向を具えている。より好ましくは、複数の異なる角度方向が少なくとも４つか、少なくとも５つか、少なくとも６つか、少なくとも８つか、または少なくとも１０の異なる角度方向を具えている。

エンコーダスケール部材は、前記複数の方向を識別するために少なくとも１つの刻印を具えていることが好都合である。例えば、３つ以上の刻印をエンコーダスケール部材の周囲に設けることができる。１つ以上のこれらの刻印は、一義的に識別可能であってよく、これによりそれぞれの指標が一義的に識別されることを可能にする。例えば、基準刻印が線を具えることができるのに対し、他の刻印が点を具えることができる。このような刻印は、ステップ(iii)中にエンコーダスケール部材に形成したスケールの一体部品であってよく、あるいは別に設けることができる。

この方法は、エンコーダスケール部材を第３の中心に関して中心を置いた作業場所に組み込む(v)のステップを具えていることが都合が良い。例えば、エンコーダスケール部材を回転可能な部材に取り付けることができる。この回転可能な部材は、第３の回転中心に関して回転可能な軸受を具えることができる。エンコーダスケール部材を回転可能な部材にボルト締めや任意の適当な方法で装着することができる。例えば、テーパ取り付け部を設けることができる。

この方法は、幾何学的中心と第３の中心との間の偏心を測定する(vi)のステップを具えることが好ましい。換言すれば、組み込みによるエンコーダスケール部材の偏心が測定される。このような偏心の測定は、エンコーダスケール部材の要素の複数の角度方向での見掛けの半径の変化を測定することを具えていることが都合が良い。上述したように、このような測定を行うために多くの技術を用いることができる。エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の変化は、３つ以上の角度方向で好ましくは測定される。より好ましくは、このような測定は少なくとも４つか、少なくとも５つか、少なくとも６つか、少なくとも８つか、または少なくとも１０の異なる角度方向を用いてなされる。

ステップ(iv)は、ステップ(vi)にて測定したのと同じ角度方向にて見掛けの半径の変化を測定することを具えていることが都合が良い。エンコーダスケール部材の外周を囲む１つ以上の刻印を準備することは、これを容易に達成することができるようにする。

この方法はまた、エンコーダスケール部材の作業場所を調整する(vii)のステップを具えることが好都合である。特に、ステップ(vii)がエンコーダスケール部材の作業場所を調整することを具えていることが有利であり、ステップ(vi)にて測定されるような幾何学的中心と第２の中心との間の偏心が、ステップ(iv)にて測定されるような幾何学的中心と第３の中心との間の偏心とほぼ合致するまでステップ(vi)が繰り返される。換言すれば、回転エンコーダを組み込むステップは、製造時のエンコーダの偏心と同一または同じようなエンコーダの偏心を得るように試みることを含む。

この方法はまた、第２の中心と第３の中心との位置ずれによってもたらされる正弦波形で変化する偏心誤差の振幅と位相とを計算する(viii)のステップを具えていることが都合が良い。

図４を参照して以下により詳細に概説するように、複数の位置がエンコーダスケール部材を中心として４つの等間隔に配された位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤを具えている場合、点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤからの偏差は、エンコーダの製造時に測定されかつ記録される際にはａ，ｂ，ｃおよびｄであり、エンコーダの組み込み時に測定される際にはａ'，ｂ'，ｃ'およびｄ'である。エンコーダの見掛けの半径としてｒおよびその変化する角度としてθを採用すると、この場合、正弦波形で変化する誤差εの振幅は、
ε＝(1/2r)[{(c'−a'＋a−c)²＋(d'−b'＋b−d)²}^1/2]sinθ
と等しい。

この場合、正弦波形で変化する誤差の位相は、
tanα＝y/x＝(d'−b'＋b−d)/(c'−a'＋a−c)
により与えられ、角度αによって決定することができる。

ここでｘおよびｙは、図４に示した大きさである。

従って、正弦波形で変化する誤差の振幅および位相は、エンコーダを中心とした点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤでの４つの測定から決定することができ、この場合には、例えばエンコーダを中心とする任意の位置で測定された角度位置を（例えば所定のアルゴリズムにより）自動的に補正するために用いることができる。４つの測定点を記述しているけれども、この技術は、より少ないか、または追加の測定点を必要に応じて用いることに適用できることを念頭に置くべきである。より多くの測定点を与えることは、誤差の高調波を決定して排除することを可能にする。さらに、多くの点にて測定を行うことは、エンコーダスケール部材が測定作業中に曲がる場合に加わる不確実性を減らすことができ、それによって回転の中心のより良好な推定をもたらす。

偏心のために補正される角度の出力信号を生成する(ix)のステップをまた、好都合に行うこともできる。誤差の大きさおよび位相を計算するステップは、所定のアルゴリズムとして行うことができると共に誤差値が推定され、これによってルックアップテーブルや、他の記憶部にすることができ、あるいは角度の読み取りを補正するために用いることができる。

ステップ(iii)は、スケールの刻印をエンコーダスケール素材に形成するためにレーザーを使用することを具えることが好都合である。例えば、ＷＯ０３/０４１９０５に記述された種類の技術を用いてこのスケール刻印を形成することができる。上述したように、エンコーダスケール部材は、環状部材および円弧状部材の少なくとも一方を具えることが好都合である。

本発明の第２の形態によるエンコーダスケール部材の取り付け方法は、(ａ)幾何学的中心を有するエンコーダスケール部材を得るステップであって、このエンコーダスケール部材はまた、第２の中心に関して中心を置いたスケールも具え、前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の偏心が既知であるステップと、(ｂ)前記エンコーダスケール部材を第３の中心に関して中心を置いた作業場所に取り付けるステップと、(ｃ)前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心を測定するステップとを具えたことを特徴とする。

従って、本発明の第２の形態は、幾何学的中心と第２の中心との間の偏心が既知である予め形成されたエンコーダスケール部材を組み込む場合に行うことができる方法を提供する。この方法のステップ(ａ)は、本発明の第１の形態による方法を用いて形成したエンコーダスケール部材を取得することを好都合に具えている。

この方法は、作業場所を調整する(ｄ)のステップを具え、幾何学的中心と第３の中心との間の偏心が、幾何学的中心と第２の中心との間の既知の偏心とほぼ合致するまでステップ(ｃ)を繰り返すことが都合が良い。換言すれば、幾何学的中心と第３の中心との間の偏心は、前の技術の場合のように最小ではなく、その代わりにエンコーダスケール素材からエンコーダスケール部材を製造した時に存在していた偏心と合致するように変更される。

この方法は、第２の中心と第３の中心との位置ずれによって生ずる正弦波形で変化する偏心誤差の振幅と位相とを計算するステップ(ｅ)を具えることが好都合である。これは、製造および組み込みの両方の誤差から生ずる偏心が補正されることを可能にする。

本発明の第３の形態による偏心補正方法は、(Ａ)エンコーダスケール部材の幾何学的中心と第２の中心との間の偏心を示す第１の偏心値のセットを取得するステップであって、前記エンコーダスケール部材のスケール刻印が前記第２の中心に関して中心を置かれているステップと、(Ｂ)前記エンコーダスケール部材の幾何学的中心と第３の中心との間の偏心を示す第２の偏心値のセットを取得するステップであって、前記第３の中心は前記エンコーダスケール部材のその作業場所における回転中心であるステップと、(Ｃ)前記第１の偏心値のセットと前記第２の偏心値のセットとから角度の補正を得るステップとを具えたことを特徴とする。

この方法において、第１（すなわち製造時）および第２（すなわち組み込み時）の偏心誤差の値は、エンコーダにより出力される角度の値を補正するために用いることができる。このような誤差の除去は、このようなエンコーダ器具から得ることができる角度の測定の精度および均一性を増大しよう。

このような方法を実行するためにコンピュータプログラムを与えることができる。このコンピュータプログラムに含まれるコンピュータプログラム媒体（例えばコンパクトディスク，ハードディスクドライブなど）もまた与えられる。この方法を実行するために適切にプログラムされたコンピュータを提供することが都合が良い。

従って、ここには回転、すなわち角度エンコーダスケール部材の偏心によって生ずる誤差を決定するための方法が記述される。このような方法は、
(１)幾何学的中心を有する回転、すなわち角度エンコーダスケール素材を作成するステップ、
(２)この素材を第２の中心に関して中心を置いて取り付け、前記第２の中心に関して中心を置いた前記素材にスケールを作成してエンコーダスケール部材を形成するためのステップ、
(３)前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の偏心により生ずる前記エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の変化の値を複数の角度位置にて測定して記録するステップと、
(４)第３の中心に関して中心を置いた作業場所に前記エンコーダスケール部材を組み込むステップ、
(５)前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心により生ずる前記エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の変化を複数の角度位置にてさらに測定するステップ、
(６)前記エンコーダの位置を調整し、前記複数の位置での半径の変化に対してステップ(３)にて記録されたそれらの値とほぼ同じ値を得るようにするステップ、および/または
(７)前記第２の中心と前記第３の中心との位置ずれにより生ずる前記スケールの正弦波形で変化する誤差の振幅と位相とをステップ(３)および(５)にて測定された半径の変化を用いることにより計算するステップ
の１つ以上の任意のステップを任意の適当な順番で具えることができる。

本発明は、コンピュータ上で動かす場合に上のステップ(７)にて規定した方法を実行するコンピュータプログラムにまで拡張している。このプログラムは、上のステップ(５)および／またはステップ(６)を含むことができる。

(１)回転エンコーダを回転部材に組み込むステップと、(２)前記回転可能な部材に装着した場合の前記エンコーダの偏心を多数の位置にて測定するステップと、(３)測定された偏心により生ずる正弦波形で変化する誤差の振幅と位相とを計算するステップとを具えた回転エンコーダの偏心により生ずる誤差を決定するための方法もまた、ここに記述されている。従って、複数の偏心測定に基づいて偏心誤差を決定するための方法が記述される。回転エンコーダができるだけ小さな偏心を持つように作られるが、多分やむを得ず偏心を有して取り付けられた場合、この方法は特に有用である。本発明は、コンピュータ上で動かす場合に方法ステップ(３)を実行するコンピュータプログラムにまで拡張している。このプログラムはまた、ステップ(２)を実行することもできる。

本発明の利点は、偏心誤差の計算をエンコーダの組み込み後に行うことができるため、エンコーダスケール部材の組み込み中に基準参照器を用いる必要がないということである。これらの誤差は、既知の製造による偏心誤差から推定され、エンコーダの組み込みまたは再設定で取得される偏心測定と組み合わせることができる。

さて、本発明による光学取り付け装置が添付図面を参照して例示の方法により記述されよう。

図１は、軸線Ｐを中心として矢印Ｚの方向に回転する回転テーブル２０に取り付けられた回転エンコーダスケール部材１０を示している。軸線Ｐを中心としてエンコーダを予め設定された角度分割で分けるため、指標１５がエンコーダスケール部材１０に形成されている。このエンコーダスケール部材は、軸線Ｐに極めて近接した名目上の幾何学的軸線Ｎを有しようが、これら２つの軸線は正確に合致していない可能性がある。エンコーダスケール部材１０を回転テーブル２０から取り外す前に、ダイヤル試験ゲージ（ＤＴＩ）を用いてこの調整不良（偏心、すなわち振れ）を測定することができ、ＤＴＩ５０を図２に示す。このＤＴＩは、エンコーダスケール部材を点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤに回転した４つの振れ測定を行うために好ましくは用いられる。これらの振れの値は、較正情報として記録される。

図２は、棒材３０に嵌着されたエンコーダスケール部材１０を示す。エンコーダスケール部材１０および棒材３０は、相互に補完し合うテーパ取り付け部（隠されている）を有し、ねじ穴１２の締め付けねじ３２によりエンコーダスケール部材を棒材３０に取り付ける際に、このエンコーダスケール部材１０の若干の調整を可能とする。ＤＴＩ５０は、固定位置を有すると共にエンコーダスケール部材を位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤ（隠されている）に回転した場合の振れを決定するために用いることができる。ねじ３２の調整は、エンコーダが棒材の回転軸線Ｑを中心としてかなり正確に取り付けられるという結果になるかも知れないが、若干の振れが残る可能性がある。このため、エンコーダスケール部材は、軸線Ｐと同一ではない軸線Ｑを中心として回転しよう。エンコーダ読み取り装置４０は、使用中の棒材３０の角度の測定を読み取るために用いられる。

使用中のエンコーダスケール部材１０の見掛けの角度回転を読み取る場合、異なる製品および組立の中心ＰおよびＱが誤差を生ずることは明白であろう。これらの偏心は、相互に打ち消し合う傾向があったり、あるいは製品での偏心または組み込みでの偏心単独よりも大きな誤差を累積的に作成したりすることも起こり得る。

以下の説明で略述するように、角度誤差を補償するためにこれらの偏心を利用することができる。しかしながら、まず、エンコーダスケール部材１０の半径と比較した誤差の大きさがその影響を説明するために甚だ誇張されていることに注意すべきである。実際に、この偏心は一般的に数μｍである。また、エンコーダの形状（真円でない）誤差も非常に誇張されている。

図３は、目盛１５を作成する場合のように、軸線Ｐを中心として取り付けるエンコーダスケール部材１０を示している。上述したように、エンコーダスケール部材１０（正確な円形ではないことがある）は、名目上の幾何学的中心Ｎを有するが、目盛りを付ける場合には軸線Ｐを中心としてこれを回転する。この不完全な取り付けは偏心として表れ、エンコーダスケール部材１０をその製品テーブル２０から取り外す前に、測定することができる。この場合、４つのほぼ等間隔に配された位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤが測定点として用いられ、Ｐを中心とする任意の半径ｐの円Ｆと比較した場合の４つの振れの大きさをもたらす。位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤは、点Ｐからの各半径ｒ_a，ｒ_b，ｒ_cおよびｒ_dをそれぞれ有する。この例においては、簡単にするためにａ，ｂ，ｃおよびｄがすべて正（ゼロを含む）で小さな値となるように、半径ｐが選択される。

ところで、図４は軸線Ｑを中心として取り付けられたエンコーダ１０を示しており、これは、組み込まれて使用準備ができている。さて、軸線Ｑからの軸線Ｐの起こり得る分離は、エンコーダの名目上の半径と比較して小さな間隔ｚとして与えられる。この分離は、座標ｘおよびｙと傾きαとを有する。Ｑを中心とする任意であるが、都合の良い半径ｑの別な円Ｇに対し、４つのさらなる振れの大きさを名目上、同じ点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにて決定することができる（ａ'，ｂ'，ｃ'およびｄ'）。

これにより、二組の情報ａ，ｂ，ｃおよびｄならびにａ'，ｂ'，ｃ'およびｄ'が記録される。製品中心Ｐから組み込み中心Ｑまでの距離がｚであり、点Ａに関するその方向（位相）が角度αであることは、図４から見ることができる。

ｘおよびｙの座標値は、図５に示すような解析によって得ることができる。図５は、図４の一部の拡大図をより明瞭に示された関係する寸法と共に示している。
q＝r_b＋y＋b'＝r_d−y＋d' (１)
であることがＱからの距離を図５から求めることにより得られる。

式(１)を書き換えると、
２y＝d'−b'＋r_d−r_b
が与えられる。

同様に、Ｐからの距離は
p＝r_b＋b＝r_d＋d
であることが求められる。それで、
r_d−r_b＝b−d (２)
である。

式(１)および(２)から
２y＝d'−b'＋b−d (３)
であることを示すことができる。

横方向の寸法の同様な解析は、
２x＝c'−a'＋a−c (４)
を与えよう。

ｘおよびｙが与えられたので、製品中心Ｐに対する組み込み中心Ｑの大きさｚおよび位相αは、
z²＝x²＋y² (５)
かつtanα＝y/x (６)
を用いて得ることができる。

また、偏心誤差によるエンコーダの角度誤差を決定することも可能である。

図６において、エンコーダスケール部材１０が固定されていると見なした場合、読み取りヘッドが組み込み中心である点Ｑを中心として真の角度θを介してＨからＨ'（Ｈ'は、両方の中心を通る線がエンコーダ１０の外周に交差すると共に角度誤差が発生しない点である）へと移動すると、この場合にはエンコーダによって測定される見掛けの角度がΦであり、その誤差ε＝Φ−θは真の値を越えた見掛けの角度の超過であることを認識できる。この誤差は小さいが、それにしても正確なエンコーダのためには重要であろう。エンコーダ平均半径がｒだとすると、その場合には、小さなｚ/ｒのための良好な近似値は、図６から
ε＝(z/r)sinθ (７)
である。

この誤差の位相は、エンコーダ上の固定された点Ａの如き基準点に関し、Φ＝０（点Ｈ'）ではなくてΦ＝α（点Ａ）から参照される見掛けの読み取り値および誤差と共により好都合である。これを図７ａおよび図７ｂに概略的に示すことができる。これら図の縦軸は誤差εを画成し、横軸は共にラジアンで測定したエンコーダの回転を画成する。誤差が正弦波形で変化することを認識できる。

図７ａは、εと回転との間の関係を示し、Φ＝αの場合の点Ａを表す。

図７ｂは、εと回転との間の関係を示し、基準点としてΦ＝α、すなわちエンコーダ上の点Ａを用いている。

従って、図７ｂのグラフから（正の値を）減じた値を用いることにより、あるいはすべての周知の点（この場合はＡ）に関するエンコーダを中心とする見掛けの測定角度であるΦからε（の負の値）を加えることによって、真の角度θを得ることができる。

エンコーダを棒材に取り付ける必要があり、偏心に起因するその誤差を決定しなければならない。角度誤差を決定するための１つの周知のアプローチは、組み込み角度の測定を基準参照器と比較して誤差マップを作成しなければならない。このような技術は、高価な基準参照器と、組み込み回転中心に対して基準参照器の注意深い取り付けを必要とする。

本発明によると、偏心量および位相を以下の方法で決定することができる。

点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにおいてａ＝２μm，ｂ＝７μm，ｃ＝８μm，ｄ＝５μmの偏心量で製造された名目上の直径が１５０mm、つまりｒ＝７５mmのエンコーダを考察する。

このエンコーダを製造による偏心と一致させずに成り行き任せで組み込んだ場合、この場合には、点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにおける組み込み偏心量測定値がａ'＝４μm，ｂ'＝２μm，ｃ'＝１μm，ｄ'＝５μmであると仮定する。

上述した式を利用し、製造による偏心と組み込みによる偏心とを用いて組み込み時のエンコーダ精度の評価を行うことができる。上の式(３)および(４)から、以下のように計算することができる。
x＝１/２(c'−a'＋a−c)＝１/２(１−４＋２−８)＝−４.５μm
y＝１/２(d'−b'＋b−d)＝１/２(５−２＋７−５)＝２.５μm
また、式(５)からz＝(x²＋y²)^1/2≒５.１５μmである。

式(７)から、角度誤差の大きさε＝ｚ/ｒ≒６９μrad、すなわち１４arc"である。この誤差を許容できる場合、その場合にはエンコーダをその位置のままにすることができる。

さらに少ない誤差が要求される場合、その場合には基準参照器を用いることなく、次の偏心誤差の確定および調整を用いることができる。

名目上の半径ｒ＝７５mmを（実施例１の通りに）持ったエンコーダスケール部材が再び採用される。４つの予め規定された点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにおける任意の円に対して製造による偏心は、（実施例１のように）ａ＝２μm，ｂ＝７μm，ｃ＝８μmおよびｄ＝５μmである。

組み込みに際し、上の数値は、例えば較正検査証から既知であり、それで作業者は同様な偏心を持ったエンコーダの位置決めを試みる。これは、同じ値か、より可能性の高い値であってよく、各値に対して等しい量、例えばすべて＋５μmまたはすべて−２μmだけ増大または減少させる。

しかしながら、作業者がこの目的を正確に達成する見込みはなく、それで組み込みによる値は、製造による偏心を再現した試みであるａ'＝２μm，ｂ'＝８μm，ｃ'＝６μmおよびｄ'＝１３μmであってよい。

上式(３)および(４)を用い、
x＝１/２(c'−a'＋a−c)＝１/２(６−２＋２−８)＝−１μm
y＝１/２(d'−b'＋b−d)＝(３−８＋７−５)＝−１.５μm
また、式(５)を用いてz＝(x²＋y²)^1/2≒１.８μmである。

式(７)から、偏心誤差の大きさはε＝ｚ/ｒ≒２４μrad、すなわち約５arc"である。従って、製造による誤差と同じ再現を試みることにより、精度の相当な改善が得られることを認識できる。偏心量の範囲が実質的に良くなっていないが、誤差を相殺するようにしているので精度が改善される。

製造による偏心誤差として知られた偏心によって生ずる誤差を予測して補償するため、他の技術を用いる。

実施例１のエンコーダを用い、製造時に測定されたものと同じ偏心を再現する試みが組み込み時になされずに適当な任意の偏心量が受け入れられる場合、この場合には実施例１の場合と同じように、ａ'，ｂ'，ｃ'およびｄ'に対する数値は、ａ'＝４μm，ｂ'＝２μm，ｃ'＝１μmおよびｄ'＝５μmである。

さて、結果として生ずる誤差を得ることができ、実施例１と同じ、すなわちｚ＝５.１５μmであり、ε＝６９μrad、すなわち約１４arc"であり、α＝tan^-1(y/x)＝tan^-1(−２.５/４.５)＝tan^-1(−０.５５６)であろう。

図４は、ｘ＜０かつｙ＜０と共にＰがＱに対して「左上の象限」あることを示す。従って、中心ＱＰ間の線と、エンコーダ上の点Ａに関する基準面方向との間の角度は、α≒１５１°である。

誤差εを図８ａに示す。基準点Ａに対して任意の角度で与えられるべき補正を図８ｂに示す。従って、製造による偏心誤差を含んで組み込んだ場合のエンコーダ誤差は、固定したエンコーダ上のＨ'における中心線から時計回りのヘッド回転の真の角度θを越えた表示角度Φの超過として表され、ε≒１４arc"sinθである。

従って、基準角度参照器に対して較正する必要が全くなく、この予測された誤差を、見掛けの角度に対する補正の誤差マップまたは同様な手段を作成するために用いることができる。このような誤差マップが中心Ｈ'の線に関する図８ａと、より好都合なエンコーダ上の点Ａからの図８ａとに示されている。

実際に、偏心を手作業か、あるいはエンコーダを回転して偏心を自動的に測定することによって測定するならば、その場合には所定のアルゴリズムを用いて誤差εと位相αとを得ることができる。読み取り装置４０から得られる見掛けの角度信号を補正するため、このような誤差信号を用いることができる。これは、信号処理手段６０によって達成することができる。この信号処理部は、角度の値を図７および図８のグラフから得ることができる補正と同様な方法にて基準面に対するエンコーダの位置に応じて自動的に加えたり減じたりすることができる。

記述された実施形態に対する本発明の範囲内での代案は、当業者にとって容易に認識されよう。図示したエンコーダは、その刻印を軸線方向に配列させる必要がない。刻印は、若干の面と共に半径方向であってよいし、あるいは偏心を決定することができる刻印を利用可能である。エンコーダが完全な円形ではなく、円弧状であってもよい。

エンコーダ上の角度変化量の指標を例示したが、絶対エンコーダもまた、同じ結果と共に用いることができ、それによって絶対角度の測定値が補正されよう。図示したエンコーダは、光学式のものであるが、他のエンコーダ、例えば磁気または静電容量形などを用いることができる。

要求精度が比較的低く、かつ製造公差が非常に良好な場合、エンコーダの製造後に偏心を測定した時に得られる較正情報はゼロであると考えることができる。このような場合、正弦波形で変化する誤差の大きさおよび相対角度は、エンコーダ１０の組み込み中にＤＴＩから直接得ることができ、そして完全な製品（すなわちａ，ｂ，ｃおよびｄ＝０）が想定される。しかしながら、エンコーダ上の指標がエンコーダの幾何学的中心を中心として製造時に正確に分割されない場合、この技術は、より低い精度を提供しよう。

ＤＴＩをエンコーダの偏心の測定のために用いる必要はない。他の変位量測定器を使うことができる。

充分な理解のため、図面に示した誤差は誇張されている。実際、一般には数ミクロン（μm）の偏心が測定されよう。本発明による方法は、複数の読み取りヘッドまたは基準参照器を必要とせずに、偏心誤差に対する迅速かつ可能な限り自動的な補正を可能とする。エンコーダの位置が使用中にずれてしまった場合、その誤差を再較正することは、簡単な作業である。

名目上の中心に対するエンコーダの調整は、論じたテーパ取り付け部以外に、例えば径方向調整ねじを用いることもできる。偏心誤差を連続的な計算ではなく、できるだけ他の情報源からの誤差と共にマップ化して誤差マップに記録することもできる。

回転エンコーダの製品の図面を示す。 組み込まれた回転エンコーダの図面を示す。 製造された回転エンコーダと組み込まれた回転エンコーダとの間の幾何学的関係を示す。 製造された回転エンコーダと組み込まれた回転エンコーダとの間の幾何学的関係を示す。 製造された回転エンコーダと組み込まれた回転エンコーダとの間の幾何学的関係を示す。 製造された回転エンコーダと組み込まれた回転エンコーダとの間の幾何学的関係を示す。 偏心により生ずる誤差の例を示す。 偏心により生ずる誤差の例を示す。

Claims (22)

1. (i)幾何学的中心を有するエンコーダスケール素材を得るステップと、
   (ii)前記エンコーダスケール素材を第２の中心に関して中心を置いて取り付けるステップと、
   (iii)前記エンコーダスケール素材にスケールを作成し、それによりエンコーダスケール部材を形成するステップであって、前記エンコーダスケール部材のスケールが前記第２の中心に関して中心を置かれるステップと
   を具えた回転エンコーダの製造方法であって、
   (iv)前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の任意の偏心を測定するステップ
   を具えたことを特徴とする方法。
2. ステップ(iv)は、前記エンコーダスケール部材を複数の異なる角度方向に回転させた場合、前記エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の任意の変化を測定することを具えている請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の異なる角度方向が３つ以上の異なる角度方向を具えている請求項２に記載の方法。
4. 前記エンコーダスケール部材は、前記複数の方向を識別するための少なくとも１つの刻印を具えている請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記エンコーダスケール部材を第３の中心に関して中心を置いた作業場所に組み込む(v)のステップを具えた請求項１から請求項４の何れかに記載の方法。
6. 前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心を測定する(vi)のステップを具えた請求項５に記載の方法。
7. ステップ(vi)は、前記エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の変化を複数の角度方向にて測定することを具えている請求項６に記載の方法。
8. ステップ(vi)は、前記エンコーダスケール部材の要素の見掛けの半径の変化を３つ以上の角度方向にて測定することを具えている請求項７に記載の方法。
9. ステップ(iv)は、見掛けの半径の変化をステップ(vi)にて測定されるのと同じ角度方向にて測定することを具えている請求項２に従属した場合における請求項８に記載の方法。
10. 前記エンコーダスケール部材の作業場所を調整する(vii)のステップを具えた請求項６から請求項９の何れかに記載の方法。
11. ステップ(vii)は、前記エンコーダスケール部材の作業場所を調整することを具え、ステップ(vi)にて測定されるような前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の偏心が、ステップ(iv)にて測定されるような前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心とほぼ合致するまでステップ(vi)が繰り返される請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２および第３の中心の位置のずれによって生ずる正弦波形で変化する偏心誤差の大きさおよび位相を計算する(viii)のステップを具えた請求項７から請求項１１の何れかに記載の方法。
13. 偏心に対して補正された角度出力信号を生成する(ix)のステップを具えた請求項１２に記載の方法。
14. ステップ(iii)は、前記エンコーダスケール素材にスケール刻印を形成するためにレーザーを用いることを具えている請求項１から請求項１３に記載の方法。
15. 前記エンコーダスケール部材が環状部材および円弧状部材の少なくとも一方を具えている請求項１から請求項１４の何れかに記載の方法。
16. エンコーダスケール部材の取り付け方法であって、
    (ａ)幾何学的中心を有するエンコーダスケール部材を得るステップであって、このエンコーダスケール部材はまた、第２の中心に関して中心を置いたスケールも具え、前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の偏心が既知であるステップと、
    (ｂ)前記エンコーダスケール部材を第３の中心に関して中心を置いた作業場所に取り付けるステップと、
    (ｃ)前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心を測定するステップと
    を具えたことを特徴とする方法。
17. ステップ(ａ)は、請求項１から請求項４の何れかによる方法を用いて形成されたエンコーダスケール部材を得ることを具えている請求項１６に記載の方法。
18. 前記作業場所を調整する(ｄ)のステップを具え、前記幾何学的中心と前記第３の中心との間の偏心が前記幾何学的中心と前記第２の中心との間の既知の偏心とほぼ合致するまでステップ(ｃ)が繰り返される請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 第２および第３の中心の位置のずれによって生ずる正弦波形で変化する偏心誤差の大きさと位相とを計算するステップ(ｅ)を具えた請求項１６から請求項１８の何れかに記載の方法。
20. (Ａ)エンコーダスケール部材の幾何学的中心と第２の中心との間の偏心を示す第１の偏心値のセットを取得するステップであって、前記エンコーダスケール部材のスケール刻印が前記第２の中心に関して中心を置かれているステップと、
    (Ｂ)前記エンコーダスケール部材の幾何学的中心と第３の中心との間の偏心を示す第２の偏心値のセットを取得するステップであって、前記第３の中心は前記エンコーダスケール部材のその作業場所における回転中心であるステップと、
    (Ｃ)前記第１の偏心値のセットと前記第２の偏心値のセットとから角度の補正を得るステップと
    を具えたことを特徴とする偏心補正方法。
21. 請求項２０に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラム。
22. 図１から図８を参照して明細書に実質的に記述されたような方法。

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