JP2010145203A - リニアエンコーダ信号処理装置および信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ信号の歪みによる誤差あるいは永久磁石の寸法や配置のばらつきがあっても、精度良く位置算出を行う。
【解決手段】エンコーダ調整時に内挿誤差算出部１１によりポールピッチに関する内挿誤差補正用パラメータおよびシフト誤差算出部１２によりシフト誤差補正用パラメータを算出し、記憶させておき、エンコーダ実動作時にこれらのパラメータを使用して内挿誤差補正部６にて内挿誤差およびシフト誤差補正部８にて起点ズレおよび内挿分割幅を補正し絶対位置を生成する。

【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータ位置を検出する磁気式エンコーダに関し、位置検出用永久磁石の寸法や配置誤差があっても精度良く位置検出ができるリニアエンコーダ信号処理装置に関する。

従来リニアモータ等に使用されるリニアエンコーダには光学式や磁気式のものがあり、一層のその精度の向上が望まれている。リニアエンコーダにおける位置誤差としては、リニアスケールのスリット幅に相当する周期で繰り返される内挿誤差とリニアスケール上の所定位置を原点とした場合の該原点から引いた直線に対するずれ量を表すシフト誤差がある。
図９は特許文献１での内挿誤差とシフト誤差を補正する光学式リニアスケールの構成図である。図において、３０１は例えば固定体に取り付けられたリニアスケールであり、該スケール３０１には透過などの光学的作用を利用したスリット３０２が設けられている。測定ヘッド３０３は図示しない発光手段からの光を検出する光電変換手段が設けられ、スリット３０２に対向して且つリニアスケール３０１に沿って移動可能に設けられている。なお、発光手段はスリット３０２を挟んで測定ヘッド３０３の反対側に設けられる。測定アンプ３０４は測定ヘッド３０３の出力側に接続され、該測定ヘッド３０３からの測定信号である互いに９０゜位相がずれた２つの正弦波信号を、分解能向上のために分割し、矩形波に整形する。 測定アンプ３０４の出力側はデータ収集用コンピュータ３１１のカウンタ３０５に接続され、該カウンタ３０５は測定アンプ３０４からの矩形波パルスをカウントする。 一方、前記リニアエンコーダの誤差検出用の基準測長装置として光学反射鏡３０６、リニアインターフェロメータ３０７、レーザヘッド３０８、及びレーザコントローラ３０９から成るレーザ測長装置が設けられる。リニアインターフェロメータ３０７は所定位置に固定され、測定ヘッド３０３に取り付けられた光学反射鏡３０６からの光の干渉信号を出力し、この出力に基づいてレシーバを内蔵したレーザヘッド３０８がインターフェロメータ３０７と光学反射鏡３０６との間の距離を測定する。測定信号はレーザコントローラ３０９を介してデータ収集用コンピュータ３１１のインターフェィス３１０に供給され、該コンピュータ３１１内に記憶される。

次に、上述した構成のリニアエンコーダの誤差補正方法について説明する。 固定されたリニアスケール３０１上を測定ヘッド３０３が走査すると、測定信号は測定アンプ３０４により、分割、波形整形され、該測定アンプ３０４からの矩形波パルスをカウンタ３０５がカウントし、カウント値はデータ収集用コンピュータ３１１に読み込まれる。一方、レーザ測長装置３０６〜３０９は距離を測定し、レーザコントローラ３０９からインターフェィス３１０を通してコンピュータ３１１内に位置出力信号として読み込まれる。 このような構成において、測定ヘッド３０３を移動してカウンタ３０５のカウント値がリニアスケール上の補正したい位置を示した時に、コンピュータ３１１により該カウント値と上記読み込まれたレーザ測長装置の位置出力信号とを比較することにより、そのカウント位置における位置誤差（内挿誤差＋シフト誤差）が測定される。
位置誤差データをスリット幅単位に相当する領域に分割し、このようにして分割された領域を各々所定数ごとに集めた複数のブロックに分けブロック内の内挿誤差の平均パターンを求め記憶手段に記憶する。これは近接する各領域において、略同じ誤差パターンを持っているので複数のパターンを所定数ずつまとめてもデータの精度には殆ど影響しないという考えに基づくものである。内挿誤差を補正するには、カウンタ３０５のカウント値が各ブロックの位置を示したとき、当該ブロックの平均内挿誤差パターンを前記記憶手段から読出し、測定アンプ３０４からの測定信号からその平均内挿誤差パターンを演算により除いてやることにより内挿誤差の補正された信号を得る。
シフト誤差は、領域毎に所定のスケール原点に対するシフト誤差の平均値を求める。この平均値の算出をスケール上の全領域において各々行い、スケール全体の各領域毎のシフト誤差平均値を求め記憶手段に記憶する。シフト誤差を補正するには、カウンタ３０５のカウント値が各領域の位置を示したとき、当該領域のシフト誤差平均値を前記記憶手段から読出し、測定アンプ３０４からの測定信号から演算により除くことにより、シフト誤差を補正した信号を得る。

このシフト誤差に関して、磁石の加工時などで生じる長さのばらつきによるポールピッチ（磁界周期）のばらつきを補正する方法が特許文献２に記載されている。 図１０は特許文献２のシャフト型リニアモータの駆動制御および位置検出するための制御回路のブロック図である。 図示しないセンサ部はモータ駆動用シャフトに設けられた駆動用永久磁石と、固定子に軸方向に並べて配置された２つの磁極センサから構成されたセンサユニットからなる。 図１０において、位置検出を行うサーボコントローラアンプ１００のコントローラ部１１１は、Ａ／Ｄ変換回路１１０、周期カウンタ１１３ 、各周期の分解性能テーブル１１４ 、パルス信号受信部１１５ 、演算部１１６を備える。 周期カウンタ１１３は、駆動周期のどの位置に駆動用シャフトが存在するかを検出するために、磁界周期を複数のパルスに内挿分割して、各周期カウンタの駆動パルスをカウントする。各周期の分解能テーブル１１４ は、駆動用シャフトに設けられた磁界周期ごとの長さを格納するためのデータであり、駆動用周期に設けられた磁界周期が完全に同じでないことに基づく位置検出の補正に用いられる。

シャフト型リニアモータの位置検出方法について説明する。 磁極センサには一定の電流が流されているから、駆動用永久磁石が移動すると、磁界周期の磁界強さに応じて磁極センサからそれぞれ磁界強度信号が出力され、Ａ／Ｄ変換回路１１０ に入力される。各磁極センサから出力される磁界強度信号は、磁界周期の磁界強さと同様に、略サイン波の軌跡をとる。Ａ／Ｄ変換回路１１０は、この磁界強度信号をＡ／Ｄ 変換して増幅してパルス信号受信部１１５に入力する。パルス信号受信部１１５ は、連続的に入力されるＡ／Ｄ変換された信号を波形整形することによって、所定のデジタル信号を生成し、演算部１１６に出力する。演算部１１６は、入力された波形整形されたデジタル信号の値に基づいて、駆動用シャフト位置算出を行う。 図１１は各磁界周期の分解能テーブル１１４の内容を示しており、各周期方向パルス数ごとの分解能の情報（ここでは磁界周期方向の分解能を１０００分割したもの）、磁界周期の開始点を示すための原点、各検出点および各磁界周期の長さ（永久磁石の長さ）の情報を記憶している。演算部１１６ではこれらの磁界周期分解能、磁界周期開始点(検出点)および磁界周期長さを用いて永久磁石長さのばらつきによる磁界周期のばらつきを補正する。

このようにしてリニアエンコーダは位置検出精度を向上させるために内挿誤差およびシフト誤差の補正を行なっていた。

特開平０３-１７５３１９号公報（第５頁、図１） 特開２００６-１０９６６４号公報 （第２５頁、図９Ｅ、 第２６項、図１０Ｃ）

しかしながら、エンコーダのコストを下げるために文献1で示した光学式エンコーダに変えてリニアモータ駆動用の永久磁石と磁界検出素子から成る磁気式リニアエンコーダとした場合、センサ出力信号歪みによる内挿誤差、各永久磁石の加工時による寸法のばらつきや組み立て時の永久磁石の配置ずれによるシフト誤差が大きくなる。上記文献１では、各領域あるいはブロック内の内挿誤差の平均パターンを使用して内挿誤差補正を行い、さらに各領域あるいは各ブロックのシフト誤差の平均値を使用してシフト誤差補正を行っている。シフト誤差補正では、各領域あるいは各ブロック内の内挿位置に対して補正値（一定値）を加えるあるいは減ずる処理をしている。
しかしながら、シフト誤差には磁石幅のばらつきによる内挿1周期の幅しいては内挿分割幅のばらつきも含まれており上記のように単純に一定値で位置をオフセットさせただけでは誤差が補正値に近い部分では補正されるが内挿1周期の起点や終点では前後の内挿1周期の起点や終点とのつながりに段差ができ、スムーズにならない場合が生じる。光学式では、スリット幅が小さく各スリット幅のばらつきが小さいため内挿分割幅のばらつきも小さいため影響は小さいが、磁気式のように内挿１周期の幅が長い場合には平均化による精度向上の効果が見込めない。
また磁気式エンコーダの場合、センサ検出信号へ重畳する３次高調波等の高調波歪が大きく、内挿誤差が精度に大きく影響を与える。
特許文献２ではシフト誤差に対する補正方法の記載はあるが、高調波歪に対する補正方法に関しては記載されておらず、このため絶対位置精度の向上は期待できない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各ポールピッチ毎の高調波歪による内挿誤差補正とシフト誤差補正を少ない記憶メモリで同時に行うことが出来るリニアエンコーダ信号処理装置および信号処理方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載のリニアエンコーダの信号処理装置は、リニアモータの駆動用として使用される直線方向に固定された複数の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して配置された複数の磁界検出素子からなり前記複数の永久磁石のうち連続して配置された２つの永久磁石（Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ）で構成される各ポールピッチ毎に１周期のＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号を検出する位置検出センサ部と、前記位置検出センサ部から出力される検出信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換して取り込むＡＤ変換器と前記デジタル信号をもとに前記各ポールピッチ毎に１周期内の内挿位置を算出する内挿位置算出部と前記内挿位置のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタを算出する上位カウンタ算出部とからなるリニアエンコーダ信号処理装置において、前記ポールピッチを周期として発生する内挿誤差を補正するための内挿誤差補正用パラメータを記憶する第１の記憶部と、前記内挿誤差補正パラメータを用い前記ポールピッチ毎の内挿位置の誤差を補正する内挿誤差補正部と前記内挿位置の信号がオーバーフローやアンダーフローする点を各ポールピッチの起点として、エンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチごとの基準位置と前記起点位置とのズレを示すシフト誤差を補正するためのシフト誤差補正用パラメータを記憶する第２の記憶部とを有し、前記位置検出センサ部からの１周期のＣＯＳ信号とＳＩＮ信号を用い逆正接演算から内挿位置信号を演算し、この内挿位置信号を、前記内挿誤差補正用パラメータを用いて補正し、補正内挿位置信号を求め、前記補正内挿位置信号から前記シフト誤差補正用パラメータと前記上位カウンタの値を用いてシフト誤差を補正しリニアエンコーダの位置を算出するようにしたことを特徴としている。

請求項２に記載のリニアエンコーダの信号処理装置は、請求項１記載のリニアエンコーダの信号処理装置において、前記シフト誤差の補正を前記永久磁石の配置のズレによる各ポールピッチの前記起点のズレを補正した後、ポールピッチの長さのばらつきに起因する内挿分割幅の補正をすることを特徴としている。

請求項３に記載のリニアエンコーダの信号処理装置は、請求項１記載のリニアエンコーダの信号処理装置において、外部に取り付けられ基準位置データを出力する基準位置算出部と、前記基準位置算出部から出力される基準位置データと前記内挿位置算出部から出力される内挿位置信号および前記上位カウンタ算出部の出力を取り込み基準位置データと内挿位置信号を出力する位置データ取得部と、前記位置データ取得部で取り込まれた基準位置データと内挿位置信号がオーバーフローやアンダーフローする起点から次にオーバーフローやアンダーフローする起点までの１周期の内挿位置信号との差分を前記ポールピッチの内挿誤差としてポールピッチの数だけ算出する内挿誤差算出部と、前記基準位置がエンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチ長進んだ時の基準位置データとその位置に一番近い前記起点とのズレを示すポールピッチのシフト誤差を算出するシフト誤差算出部と、を備えることを特徴としている。

請求項４に記載のリニアエンコーダ信号処理装置は、請求項１又は３記載のリニアエンコーダの信号処理装置において、前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数で平均し、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴としている。

請求項５に記載のリニアエンコーダ信号処理装置は、請求項１又は３記載のリニアエンコーダの信号処理装置において、前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数だけ、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴としている。

請求項６に記載のリニアエンコーダの信号処理方法は、請求項１記載のリニアエンコーダ信号処理装置のリニアエンコーダの信号処理方法において、前記内挿位置算出部にて前記位置検出センサ部からのＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号から前記各ポールピッチ毎に１周期の内挿位置を算出し、前記内挿位置演算部での前記内挿位置信号のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタ算出部にて前記上位カウンタの値を算出し、前記第１の記憶部から前記ポールピッチの内挿位置での前記内挿誤差補正用パラメータを読み出し、読み出した前記内挿誤差補正用パラメータを用いて、前記内挿誤差補正部にて前記内挿位置の内挿誤差を補正し前記補正内挿位置を算出し、前記第２の記憶部から前記ポールピッチの前記シフト誤差補正用パラメータを読み出し、読み出したシフト誤差補正用パラメータを用いて、前記シフト誤差補正部にて前記内挿誤差補正部より出力される補正内挿位置と前記上位カウンタをもとに前記ポールピッチのシフト誤差を補正しリニアエンコーダの位置を算出することを特徴としている。
請求項７に記載のリニアエンコーダの信号処理方法は、請求項３記載のリニアエンコーダ信号処理装置のリニアエンコーダの信号処理方法において、前記基準位置算出部にて基準位置データを算出し、前記位置データ取得部にて前記基準位置データと前記内挿位置および前記上位カウンタの値を取込み、前記内挿誤差算出部にて取込んだ前記内挿位置のオーバーフローやアンダーフローする起点から次のオーバーフローやアンダーフローする起点までの１周期について前記基準位置データとの差分を前記ポールピッチの内挿誤差としてポールピッチの数だけ算出し、前記第１の記憶部にその時の前記上位カウンタ値とともに内挿誤差補正用パラメータとして記憶し、前記シフト誤差算出部にて前記基準位置データがリニアエンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチ進んだ時の基準位置データとその位置に一番近い前記起点とのズレを示すポールピッチのシフト誤差を算出し、前記第２の記憶部に算出された前記上位カウンタの値と前記シフト誤差を対応させて記憶することを特徴としている。
請求項８に記載のリニアエンコーダの信号処理方法は、請求項６または７記載のリニアエンコーダの信号処理方法において、前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数で平均し、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴としている。
請求項９に記載のリニアエンコーダの信号処理方法は、請求項６または７記載のリニアエンコーダの信号処理方法において、前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数分、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴としている。

請求項１、２および請求項６に記載の発明によると、各ポールピッチ毎に内挿位置の誤差補正を行うためポールピッチ毎での位置精度が向上するとともに永久磁石の寸法や配置のばらつきによるポールピッチの起点ズレおよび内挿分割幅を補正するためエンコーダ全長分に対して、良好な位置精度を得ることができる。
請求項３および請求項７に記載の発明によると、誤差補正データ取得作業では、取得された補正用パラメータは記憶部に格納されるため、本作業はエンコーダ初期立ち上げ時に調整動作として１度だけ実行すればよいため、メンテナンス作業が容易になる。
請求項４、および請求項８に記載の発明によると、第1の記憶部は平均化した内挿誤差を内挿誤差補正用パラメータとして記憶するようにしているため、記憶領域の容量が少なくてすむ。
請求項５、および請求項９に記載の発明によると、ポールピッチ毎の内挿誤差を内挿誤差補正用パラメータとして記憶するようにしているため精度向上が期待できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例におけるリニアエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。図中、１はリニアモータの駆動用として使用される直線方向に固定された複数の永久磁石と永久磁石に空隙を介して配置された複数の磁界検出素子からなる位置検出センサ部である。この位置検出センサ部では、前記複数の永久磁石のうち連続して配置された２つの永久磁石（Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ）で構成されるポールピッチ毎に１周期のＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号を検出する。 ２は位置検出センサ部１から出力される検出信号をアナログ信号からＣＯＳデータ、ＳＩＮデータのデジタル信号へ変換するためのＡＤ変換器である。 ３は前記ＣＯＳデータとＳＩＮデータのデジタル信号をもとにポールピッチ毎に１周期の内挿位置を算出する内挿位置算出部、 ４は内挿位置のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタを算出する上位カウンタ算出部、５は３次高調波歪などで発生するポールピッチ長を周期とした誤差を補正するための内挿誤差補正用パラメータを記憶する第１の記憶部である。６は内挿誤差補正パラメータを用いポールピッチ毎の内挿位置の誤差を補正する内挿誤差補正部、７はリニアエンコーダの特定の原点位置に対して各ポールピッチの長さの違いによる内挿分割幅誤差や永久磁石の配置誤差による各ポールピッチの起点(以下起点と呼ぶ)の起点ズレ誤差を補正するためのシフト誤差補正用パラメータを記憶する第２の記憶部である。８はシフト誤差補正用パラメータを用い内挿誤差補正部より出力される補正内挿位置と上位カウンタ算出部の値をもとに各ポールピッチの起点ズレおよび内挿分割幅を補正し、絶対位置を算出するシフト誤差補正部である。

次に、本発明のリニアエンコーダ信号処理装置の信号処理方法である誤差補正の動作について説明する。
図３に誤差補正動作のフローを示す。
本発明の誤差補正動作はリニアエンコーダ実駆動時に行われ大きく３つの動作に分けられる。
内挿位置および上位カウンタを算出する動作。（ステップ１）
各ポールピッチ毎の内挿誤差を補正する動作。（ステップ２）
各ポールピッチ毎のシフト誤差（起点ズレおよび内挿分割幅）を補正し絶対位置を算出する動作。（ステップ３）
以下これらの動作について順に説明する。

（ステップ１）
まず、内挿位置および上位カウンタを算出する動作について説明する。
直線上に２ｎ個のリニアモータの駆動用として使用される永久磁石がＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・・・の順に配置され、０〜ｎ−１までｎ個のポールピッチがある場合について説明する。１つのポールピッチは２つの連続した永久磁石の組み合わせ（Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ）によって構成される。位置検出センサ部１から永久磁石に対して磁界検出素子が相対的に移動すると、各ポールピッチ毎に１周期のＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号が出力される。出力されたＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号はＡＤ変換器２にてアナログ信号からデジタルデータへ変換される。デジタル化されたＣＯＳデータおよびＳＩＮデータを用いて内挿位置算出部３でポールピッチ毎に１周期の位置データＰｏｓ_iを算出する。１ポールピッチ移動する毎に内挿位置はオーバーフロー（正方向移動時）あるいはアンダーフロー（逆方向移動時）するため、この時上位カウンタ算出部４にて上位カウンタの値ｉを移動方向によって１アップあるいはダウンさせる。この動作により０番目のポールピッチからｎ−１番目のポールピッチ、すなわち全長分移動する間に内挿位置Ｐｏｓ_iおよび０からｎ−１までの上位カウンタｉを算出する。以下、０番目のポールピッチの内挿位置原点を全長分の原点とし説明する。
ここで出力される内挿位置Ｐｏｓ_iはセンサ信号の振幅やオフセットやその他の高調波歪みによる位置誤差(内挿誤差)を含んでいる。さらに永久磁石の寸法や配置のばらつきにより各ポールピッチの周期長が異なるため本来平均ポールピッチ幅(全長をポールピッチ数で割った長さ)毎にあるべき各ポールピッチの起点にズレが生じシフト誤差となる。 内挿位置Ｐｏｓ_iはリニアエンコーダ全長を通して図５に示すような誤差を含む位置波形となる。

（ステップ２）
次に、各ポールピッチ毎の内挿誤差を補正する動作について説明する。
第１の記憶部５に記憶された内挿誤差補正用パラメータを用いて内挿位置算出部３より算出された内挿位置Ｐｏｓ_iに対して補正を行う。補正の方法は第１の記憶部５に記憶させた内挿誤差補正用パラメータを用いて全てのポールピッチに対して内挿誤差補正を行う。
内挿誤差の形は、磁石特性やセンサとのギャップのばらつきなどで多少違いはあるが基本的には各ポールピッチ内で同じような形となる。
よって、内挿誤差補正用パラメータはｎ個のポールピッチにおける内挿誤差の平均値を用いる。ポールピッチ数が少ない場合や、記憶領域に余裕がある場合には各ポールピッチ毎に別々のパラメータを用いても良い。なお、内挿位置Ｐｏｓ_iの分割数に対して、内挿誤差補正用パラメータの数を少なくした場合には、前後のパラメータの直線補間値を用いて補正を行っても良い。
内挿誤差補正後の位置Ｐｏｓｈ_i（はポールピッチ毎の誤差が無くなるため全長を通して図６に示すような位置波形となる。ここでは、まだ各ポールピッチの起点ズレおよび内挿分割幅のばらつきによるシフト誤差が残っている。

（ステップ３）
次に、各ポールピッチのシフト誤差の補正を行う。 本来シフト誤差がなければ全長分の原点から平均ポールピッチの長さ毎に各ポールピッチの起点があるはずである。しかしながらシフト誤差のために各ポールピッチの起点はあるべき位置からずれている。また各ポールピッチの内挿位置は各ポールピッチの起点から各ポールピッチ長を1周期とするように出力される。すなわち内挿１周期の位置データを０〜Ｍ−１(最大値)のデータに変換、分割すると、各ポールピッチ毎に内挿分割幅が異なる。これらを補正し全長分の絶対位置を算出する。
図７はシフト誤差の補正方法を説明する説明図である。本来内挿位置は０〜Ｍ−１までであるためグラフはのこぎり波状になるが、ここでは前後のポールピッチとの関係をわかりやすくするために縦軸は絶対位置で表現している。 なお、補正内挿位置Ｐｏｓｈ_ｉおよび内挿分割幅補正後の位置Ｐｏｓｒ_ｉは内挿位置であり０〜Ｍ−１の値を示す。
まず、各ポールピッチの起点のズレの補正を行う。
各ポールピッチの起点Ｐ_ｉをリニアスケール全長分の原点から見た絶対位置とし、各ポールピッチ長をＰＨ_ｉ、平均ポールピッチ長をＰｉｃｈＡｖｅ、各ポールピッチ起点Ｐ_ｉと各平均ポールピッチ長の起点とのズレをＺ_ｉとすれば、
Ｐ_ｉ ＝ ＰｉｃｈＡｖｅ × ｉ − Ｚ_ｉ
で表される。

さらに各ポールピッチの内挿分割幅の補正を行う。
内挿分割幅（長さ）は正確には平均ポールピッチ長ＰｉｃｈＡｖｅを内挿１周期分割最大値(以下分割数と呼ぶ)Ｍで割った幅（長さ）であるが、補正内挿位置Ｐｏｓｈ_iはそれぞれ長さに差がある各ポールピッチ毎に各ポールピッチ長ＰＨ_ｉを分割数Ｍで割った幅（長さ）となっており異なる。
このため分割数を以下の式で平均ポールピッチ長を分割数Ｍで割った幅（長さ）に変換すれば、変換後の内挿位置Ｐｏｓｒ_ｉは、
Ｐｏｓｒ_ｉ ＝ Ｐｏｓｈ_ｉ × ＰＨ_ｉ ／ ＰｉｃｈＡｖｅ
ここで、ＰＨｉは、
ＰＨ_ｉ ＝ ＰｉｃｈＡｖｅ ＋ Ｚ_ｉ - Ｚ_ｉ＋１ （ｉ＝０ 〜 ｎ−１）
ｎはポールピッチ数
で表される。
実際の演算は内挿１周期を分割数Ｍに分割したレベルで行う。Ｚ_ｉ、ＰｉｃｈＡｖｅおよびＰ_ｉをＭ分割のレベルで表したものをそれぞれＺｍ_ｉ、ＭおよびＰｍ_ｉとすると上式は
（起点位置）Ｐｍ_ｉ ＝ Ｍ × ｉ − Ｚｍ_ｉ
(各ポールピッチ長)ＰＨｍ_ｉ ＝ Ｍ ＋ Ｚｍ_ｉ − Ｚｍ_ｉ＋１
Ｐｏｓｒ_ｉ ＝ Ｐｏｓｈ_ｉ × （Ｍ ＋ Ｚｍ_ｉ − Ｚｍ_ｉ＋１） ／ Ｍ
（ｉ＝０ 〜 ｎ−１） ｎはポールピッチ数
最終的に補正された絶対位置ＰｏｓＯｕｔは、
ＰｏｓＯｕｔ ＝ Ｐｍ_ｉ ＋ Ｐｏｓｒ_ｉ
＝ Ｍ × ｉ − Ｚｍ_ｉ
＋ Ｐｏｓｈ_ｉ × （Ｍ ＋ Ｚｍ_ｉ − Ｚｍ_ｉ＋１） ／ Ｍ
（ｉ＝０ 〜 ｎ−１） ｎはポールピッチ数
となる。
すなわち、シフト誤差が補正された絶対位置は上位カウンタの値で示されるポールピッチ起点Ｐｍ_ｉと内挿分割補正を行ったＰｏｓｒ_ｉの和で表される。
ポールピッチ起点Ｐｍ_ｉは上位カウンタの値ｉとそのカウンタ値でのズレの値Ｚｍ_ｉからもとめられ、内挿分割幅補正は内挿補正の値Ｐｏｓｈ_ｉにずれ量Ｚｍ_ｉと分割数Ｍから求められる。
なお、０番目とｎ−１番目のポールピッチは端に位置するため、
Ｚｍ_０ ＝ ０ および Ｚｍ_ｎ ＝ ０
となる。
以上説明したように、各ポールピッチ内の内挿誤差を補正するとともに、各起点のズレ分の補正および内挿分割幅の補正を行うことにより、出力される絶対位置ＰｏｓＯｕｔは精度良い位置データとなる。

図２は、本発明の第２実施例におけるリニアエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。なお、図１における内装誤差補正部６およびシフト誤差補正部８も本実施例では含まれるが、機能、動作とも実施例１と同じであるので図中では省き、また説明も省略する。図において、１はリニアモータの駆動用として使用される直線方向に固定された複数の永久磁石と、永久磁石に空隙を介して配置された複数の磁界検出素子からなる位置検出センサ部である。前記複数の永久磁石のうち連続して配置された２つの永久磁石（Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ）で構成されるポールピッチ毎に１周期のＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号を検出する。２は位置検出センサ部から出力される検出信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換して取り込むＡＤ変換器、３はデジタル信号をもとにポールピッチ毎に１周期の内挿位置を算出する内挿位置算出部、４は内挿位置のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタを算出する上位カウンタ算出部である。５はポールピッチ毎の内挿位置の内挿誤差補正用パラメータを記憶する第１の記憶部、７はポールピッチのシフト誤差補正用パラメータを記憶する第２の記憶部である。９は外部に取り付けられた基準位置を算出する基準位置算出部、１０はエンコーダの全長にわたり前記基準位置算出部からの基準位置データと各ポールピッチ毎の内挿位置データおよび上位カウンタの値を取得する位置データ取得部である。１１は基準位置データと各ポールピッチ毎の内挿位置データをもとに各ポールピッチ毎の内挿位置誤差を算出する内挿誤差算出部、１２は基準位置データと各ポールピッチ毎の内挿位置および上位カウンタの値をもとにポールピッチのシフト誤差を算出するシフト誤差(起点ズレ)算出部である。

次に、本発明の誤差補正データ取得の動作について説明する。
図４に誤差補正データ取得動作のフローを示す。
本発明の誤差補正データ取得動作は調整時に行われ、大きく３つの動作に分けられる。
補正用パラメータを作成するために位置データを取り込む動作。（ステップ４）
各ポールピッチ毎の内挿誤差補正用パラメータを算出する動作。（ステップ５）
各ポールピッチ毎のシフト誤差補正用パラメータを算出する動作。（ステップ６）
以下これらの動作について順に説明する。

（ステップ４）
まず、補正用パラメータを作成するために位置データを取り込む動作について説明する。
内挿位置および上位カウンタの値を算出するまでの動作は、前述の誤差補正動作（ステップ１）で説明した内容と同じであるのでここでは省略する。外部に取り付けられた基準位置を算出する基準位置検出装置の基準位置算出部９から出力された基準位置データおよびエンコーダの上位カウンタの値と内挿位置を合わせた位置データを位置データ取得部１０にてエンコーダ全長にわたって取り込む。ここで取り込んだ全長分のデータを用いて後述する（ステップ５）および（ステップ６）にて各補正用パラメータを算出する。
なお、前記基準位置算出部としては、分解能の高いリニアスケールやレーザ干渉計等を用いると良い。

（ステップ５）
次に、各ポールピッチ毎の内挿誤差補正用パラメータを算出する動作について説明する。
ステップ４で取り込んだ基準位置データＰｏｓｋおよびエンコーダの上位カウンタの値ｉと内挿位置Ｐｏｓ_ｉを合わせた位置データを使い内挿誤差算出部１１にて各ポールピッチ毎の内挿位置誤差を算出する。上位カウンタの値iの時の内挿位置のオーバーフローやアンダーフロー位置から次のオーバーフローやアンダーフロー位置までの位置データＰｏｓ_ｉを内挿位置1周期として、これらに対応する基準位置Ｐｏｓｋ_ｉと合わせて取り込む。 各ポールピッチ長ＰＨ_ｉは平均ポールピッチ長ＰｉｃｈＡｖｅと異なるため、たとえばあるポールピッチ長が平均ポールピッチ長より短い場合、このポールピッチの内挿位置がオーバーフローやアンダーフロー位置から次のオーバーフローやアンダーフロー位置までポールピッチ長（1周期）移動したとき基準位置データの移動量は平均ポールピッチ長より小さくなる。 内挿１周期は各ポールピッチ長ＰＨ_ｉであるため基準位置データＰｏｓｋ_ｉを
Ｐｏｓｋ_ｉ ＝ Ｐｏｓｋ × ＰＨ_ｉ ／ ＰｉｃｈＡｖｅ
とする。
実際の演算は、内挿１周期をＭ分割したレベルで行う。ＰＨ_ｉおよびＰｉｃｈＡｖｅをＭ分割のレベルで表したものをそれぞれＰＨｍ_ｉおよびＭとすると上式は
Ｐｏｓｋ_ｉ ＝ Ｐｏｓｋ × ＰＨｍ_ｉ ／ Ｍ
ＰＨｍ_ｉは後述する（ステップ６）で得られるＭ分割レベルで表される起点ズレＺｍ_ｉを用いて、
ＰＨｍ_ｉ ＝ Ｍ ＋ Ｚｍ_ｉ − Ｚｍ_ｉ＋１
で表される。
各ポールピッチ長に合わせたうえで内挿誤差Ｇｏｓａ_ｉを
Ｇｏｓａ_ｉ ＝ Ｐｏｓ_ｉ − Ｐｏｓｋ_ｉ
のように算出する。

なお、各内挿位置の最初のオーバーフローやアンダーフロー位置の誤差を０となるように基準位置データにオフセットを加え調整する。

このように全ポールピッチ数ｎ周期の内挿位置誤差を算出する。算出された内挿位置誤差を内挿誤差補正用パラメータとして第１の記憶部に格納する。この時、基本的にはｎ周期分のパラメータを平均化した１周期分のみを格納すればよい。永久磁石の寸法にばらつきがある場合、各ポールピッチにおける内挿誤差Ｇｏｓａ_ｉは、図８に示すような形となる。永久磁石の基本特性は大きく変わらないため内挿１周期に対する誤差のパターンや大きさはほぼ同じ形となる。ただし永久磁石寸法にばらつきがあるため内挿１周期長Ｗiが異なり分割数Ｍは同じであるので内挿分割幅は異なってくる。本発明では、上記のように内挿位置のオーバーフローやアンダーフロー位置から次のオーバーフローやアンダーフロー位置までを１周期として分割数Ｍで内挿誤差を取得するため各ポールピッチ毎の内挿誤差を平均化したものを内挿誤差補正用パラメータとして記憶すれば良い。ポールピッチ数が少なく記憶領域に余裕がある場合には各ポールピッチ毎にパラメータを用意すれば更なる精度向上が望める。
また。１周期分のパラメータの数は、第１の記憶部の記憶領域の大きさに合わせて間隔を間引いて格納すればよい。この場合、誤差補正動作の（ステップ２）で説明したように補正動作時には、前後のパラメータより直線補間によってパラメータを作成すればよい。

（ステップ６）
次に、各ポールピッチのシフト誤差補正用パラメータを算出する動作について説明する。
ステップ４で取り込んだ位置データＰｏｓ_ｉに対してポールピッチのシフト誤差算出部１２にて平均ポールピッチＰｉｃｈＡｖｅに対する各ポールピッチ起点ズレを算出する。
起点ズレについて説明する。
リニアエンコーダ全長分をポールピッチ数ｎで平均化した平均ポールピッチ長をＰｉｃｈＡｖｅとする。基準位置データＰｏｓｋ_ｉが平均ポールピッチ長で数ｉ進んだ位置ＰｉｃｈＡｖｅ × ｉと上位カウンタｉがカウントアップする時点の起点Ｐ_ｉとの差を各ポールピッチの起点ズレＺ_ｉとする。各ポールピッチの起点Ｐ_ｉと起点のズレＺ_ｉの関係式は
Ｚ_ｉ ＝ ＰｉｃｈＡｖｅ × i - Ｐ_ｉ （ｉ ＝ ０ 〜 ｎ−１ ）
で表される。
実際の演算は、内挿１周期をＭ分割したレベルで行う。Ｚ_ｉ、ＰｉｃｈＡｖｅおよびＰ_ｉをＭ分割のレベルで表したものをそれぞれＺｍ_ｉ、ＭおよびＰｍ_ｉとすると上式は
Ｚｍ_ｉ ＝ Ｍ × ｉ − Ｐｍ_ｉ
となる。
算出された各ポールピッチ起点のズレＺｍ_ｉをそのときの上位カウンタiと対応させてシフト誤差補正用パラメータとして第２の記憶部へ格納する。また、Ｚｍ_ｉの代わりにＰｍ_ｉをシフト誤差補正用パラメータとして第２の記憶部へ格納しても良い。

このように本実施例では、エンコーダ調整時にポールピッチに関する内挿誤差補正用パラメータおよびシフト誤差補正用パラメータを算出し記憶させておき、リニアエンコーダ実動作時にこれらのパラメータを使用して内挿誤差およびシフト誤差を補正するため、センサ信号の歪みによる内挿誤差および永久磁石の寸法や配置のばらつきによるシフト誤差を同時に補正でき高精度な位置算出を実現できる。

本発明は、リニアモータ等に用いられる直動位置を検出するエンコーダに適用できる。

本発明の第１実施例におけるリニアエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図 本発明の第２実施例におけるリニアエンコーダ信号処理装置の構成を示すブロック図 本発明の第１実施例における信号処理方法である誤差補正動作のフローを示す図 本発明の第２実施例における信号処理方法である誤差補正データ取得動作のフローを示す図 本発明の第１実施例における位置誤差波形を示す図 本発明の第１実施例における内挿誤差補正後の位置誤差波形を示す図 本発明の第１実施例におけるシフト誤差の補正方法の説明図 本発明の第２実施例における各ポールピッチにおける内挿誤差波形を示す図 従来の光学式リニアスケールの構成図 従来のシャフト型リニアモータの駆動制御および位置検出するための制御回路のブロック図 従来のシャフト型リニアモータの各磁界周期の分解能テーブルの内容を示す図

符号の説明

１ ・・・・位置検出用センサ部
２ ・・・・ＡＤ変換器
３ ・・・・内挿位置算出部
４ ・・・・上位カウンタ算出部
５ ・・・・第１の記憶部
６ ・・・・内挿誤差補正部
７ ・・・・第２の記憶部
８ ・・・・シフト誤差補正部
９ ・・・・基準位置算出部
１０・・・・位置データ取得部
１１・・・・内挿誤差算出部
１２・・・・シフト誤差（起点ズレ）算出部

Claims (9)

1. リニアモータの駆動用として使用される直線方向に固定された複数の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して配置された複数の磁界検出素子からなり前記複数の永久磁石のうち連続して配置された２つの永久磁石（Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ）で構成される各ポールピッチ毎に１周期のＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号を検出する位置検出センサ部と、前記位置検出センサ部から出力される検出信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換して取り込むＡＤ変換器と前記デジタル信号をもとに前記各ポールピッチ毎に１周期内の内挿位置を算出する内挿位置算出部と前記内挿位置のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタを算出する上位カウンタ算出部とからなるリニアエンコーダ信号処理装置において、
   前記ポールピッチを周期として発生する内挿誤差を補正するための内挿誤差補正用パラメータを記憶する第１の記憶部と、
   前記内挿誤差補正パラメータを用い前記ポールピッチ毎の内挿位置の誤差を補正する内挿誤差補正部と
   前記内挿位置の信号がオーバーフローやアンダーフローする点を各ポールピッチの起点として、エンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチごとの基準位置と前記起点位置とのズレを示すシフト誤差を補正するためのシフト誤差補正用パラメータを記憶する第２の記憶部とを有し、
   前記位置検出センサ部からの１周期のＣＯＳ信号とＳＩＮ信号を用い逆正接演算から内挿位置信号を演算し、
   この内挿位置信号を、前記内挿誤差補正用パラメータを用いて補正し、補正内挿位置信号を求め、
   前記補正内挿位置信号から前記シフト誤差補正用パラメータと前記上位カウンタの値を用いてシフト誤差を補正しリニアエンコーダの位置を算出することを特徴とするリニアエンコーダの信号処理装置。
2. 前記シフト誤差の補正を前記永久磁石の配置のズレによる各ポールピッチの前記起点のズレを補正した後、ポールピッチの長さのばらつきに起因する内挿分割幅の補正をすることを特徴とする請求項１記載のリニアエンコーダの信号処理装置。
3. 外部に取り付けられ基準位置データを出力する基準位置算出部と、
   前記基準位置算出部から出力される基準位置データと前記内挿位置算出部から出力される内挿位置信号および前記上位カウンタ算出部の出力を取り込み基準位置データと内挿位置信号を出力する位置データ取得部と、
   前記位置データ取得部で取り込まれた基準位置データと内挿位置信号がオーバーフローやアンダーフローする起点から次にオーバーフローやアンダーフローする起点までの１周期の内挿位置信号との差分を前記ポールピッチの内挿誤差としてポールピッチの数だけ算出する内挿誤差算出部と、
   前記基準位置がエンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチ長進んだ時の基準位置データとその位置に一番近い前記起点とのズレを示すポールピッチのシフト誤差を算出するシフト誤差算出部と、を備えることを特徴とする請求項１記載のリニアエンコーダの信号処理装置。
4. 前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数で平均し、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴とする請求項1または３記載のリニアエンコーダ信号処理装置。
5. 前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数だけ、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴とする請求項１または３記載のリニアエンコーダ信号処理装置。
6. 請求項１記載のリニアエンコーダ信号処理装置のリニアエンコーダの信号処理方法において、
   前記内挿位置算出部にて前記位置検出センサ部からのＣＯＳ信号およびＳＩＮ信号から前記各ポールピッチ毎に１周期の内挿位置を算出し、
   前記内挿位置演算部での前記内挿位置信号のオーバーフローやアンダーフローによって上位カウンタ算出部にて前記上位カウンタの値を算出し、
   前記第１の記憶部から前記ポールピッチの内挿位置での前記内挿誤差補正用パラメータを読み出し、
   読み出した前記内挿誤差補正用パラメータを用いて、前記内挿誤差補正部にて前記内挿位置の内挿誤差を補正し前記補正内挿位置を算出し、
   前記第２の記憶部から前記ポールピッチの前記シフト誤差補正用パラメータを読み出し、
   読み出したシフト誤差補正用パラメータを用いて、前記シフト誤差補正部にて前記内挿誤差補正部より出力される補正内挿位置と前記上位カウンタをもとに前記ポールピッチのシフト誤差を補正しリニアエンコーダの位置を算出することを特徴とするリニアエンコーダの信号処理方法。
7. 請求項３記載のリニアエンコーダの信号処理装置のリニアエンコーダの信号処理方法において、
   前記基準位置算出部にて基準位置データを算出し、
   前記位置データ取得部にて前記基準位置データと前記内挿位置および前記上位カウンタの値を取込み、
   前記内挿誤差算出部にて取込んだ前記内挿位置のオーバーフローやアンダーフローする起点から次のオーバーフローやアンダーフローする起点までの１周期について前記基準位置データとの差分を前記ポールピッチの内挿誤差としてポールピッチの数だけ算出し、前記第１の記憶部にその時の前記上位カウンタ値とともに内挿誤差補正用パラメータとして記憶し、
   前記シフト誤差算出部にて前記基準位置データがリニアエンコーダ全長をポールピッチの数で割った平均ポールピッチ進んだ時の基準位置データとその位置に一番近い前記起点とのズレを示すポールピッチのシフト誤差を算出し、
   前記第２の記憶部に算出された前記上位カウンタの値と前記シフト誤差を対応させて記憶することを特徴とするリニアエンコーダの信号処理方法。
8. 前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数で平均し、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴とする請求項６または７記載のリニアエンコーダの信号処理方法。
9. 前記第1の記憶部は前記ポールピッチ毎の内挿誤差をポールピッチの数分、内挿誤差補正用パラメータとして記憶することを特徴とする請求項６または７記載のリニアエンコーダ信号処理方法。

Images