JP2023019809A - Absolute encoder and device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アブソリュートロータリエンコーダ及びそれを備える装置に関する。 The present invention relates to an absolute rotary encoder and an apparatus provided therewith.
スケールとセンサとの相対移動に応じて可動部材の位置を検出するアブソリュートロータリエンコーダにおいて、精度良く可動部材の位置を検出するためには、スケールの回転軸に対しスケールが偏心した際の偏心補正対策が必要となる。 In an absolute rotary encoder that detects the position of a movable member according to the relative movement of the scale and sensor, in order to detect the position of the movable member with high accuracy, it is necessary to take measures to compensate for the eccentricity of the scale with respect to the axis of rotation of the scale. Is required.
特許文献1には、2つのセンサをスケールの径方向において対向するように配置し、それぞれのセンサから得られた信号に基づいて取得された信号を平均化することで偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダが開示されている。
また、特許文献2には、スケールの回転中心とスケールの所定の点との差による誤差成分を位置情報から減算することによって偏心成分を補正する位置検出装置が開示されている。
Further,
しかしながら、特許文献1のアブソリュートロータリエンコーダでは、2つのセンサをスケールの径方向において対向するように配置するため、センサの保持部材が大きくなり、装置の小型化が妨げられる。
However, in the absolute rotary encoder of
また、特許文献2の位置検出装置では、偏心補正は行えるが、どの程度偏心していているかを表す偏心量とどこの角度で偏心が発生しているかを表す偏心角度については判別できない。偏心量や偏心角度が判別可能である場合、手動で偏心成分を調整することも可能となる。
Further, the position detection device of
本発明は、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentricity component.
本発明の一側面としてのアブソリュートロータリエンコーダは、互いに異なる径で設けられた第1トラックと第2トラックとを備えるスケールと、スケールに対して相対移動可能であり、第1トラックと第2トラックとを読み取るセンサと、スケールとセンサのいずれかの絶対位置を示す絶対位置信号を取得する処理部とを有し、処理部は、センサが第1トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第1周期信号とセンサが第2トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第2周期信号とを用いて位置信号を取得し、位置信号を取得する際に生じる第3周期信号を用いて、偏心量と偏心角度とを取得し、偏心量と偏心角度とを用いて、第1トラックに対応する第1偏心補正信号と第2トラックに対応する第2偏心補正信号とを取得し、第1周期信号と第1偏心補正信号とに基づく第1偏心補正周期信号、及び第2周期信号と第2偏心補正信号とに基づく第2偏心補正周期信号とを用いて、絶対位置信号を取得することを特徴とする。 An absolute rotary encoder as one aspect of the present invention includes a scale having a first track and a second track provided with mutually different diameters; and a processing unit that acquires an absolute position signal indicating the absolute position of either the scale or the sensor. A position signal is obtained by using the signal and a second periodic signal based on a signal obtained by reading the second track by the sensor, and a third periodic signal generated when obtaining the position signal is used to determine the amount of eccentricity and eccentricity. A first eccentricity correction signal corresponding to the first track and a second eccentricity correction signal corresponding to the second track are obtained using the eccentricity amount and the eccentricity angle, and a first periodic signal and a second eccentricity correction signal are obtained. The absolute position signal is obtained by using a first eccentricity correction periodic signal based on the first eccentricity correction signal and a second eccentricity correction periodic signal based on the second periodic signal and the second eccentricity correction signal. .
本発明によれば、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentric component.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals are given to the same members, and overlapping descriptions are omitted.
図1は、本実施例のエンコーダ1aの構成を示す図である。エンコーダ1aは、スケール10、センサ20、及び処理部30を有する反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダである。本実施例では、スケール10とセンサ20のいずれかの絶対位置を取得することで、可動部材の回転軸(不図示)の回転位置(回転角)を検出する場合について説明する。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an
なお、本実施例では、エンコーダ1aの一例として反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダについて説明するが、本発明はこれに限定されない。本発明は、検出方式が異なるエンコーダ、例えば透過型の光学式アブソリュートロータリエンコーダ、磁気式アブソリュートロータリエンコーダ、及び電磁誘導式磁気式アブソリュートロータリエンコーダにも適用可能である。
In this embodiment, a reflective optical absolute rotary encoder will be described as an example of the
スケール10は、可動部材の回転軸に一体的に回転するように取り付けられている。センサ20は、固定部材(不図示)に取り付けられ、スケール10に対して相対移動可能である。なお、スケール10を固定部材に取り付け、センサ20を可動部材の回転軸に取り付けてもよい。
The
図2は、スケール10の一部を拡大した図であり、スケール10にそれぞれが異なる径で設けられた複数(本実施例では2つ)のトラック(第1トラック)11及びトラック(第2トラック)12を示している。各トラックには、一定の周期(ピッチ)で交互に配置された反射部(図中、黒色部分)と非反射部(図中、白色部分)を含む周期パターンが設けられている。具体的には、トラック11にはピッチP1の周期パターンが設けられており、トラック12にはピッチQ1の周期パターンが設けられている。ピッチP1,Q1の周期パターンの格子数はそれぞれ、97,24である。なお、各周期パターンの反射部と非反射部とを反転させてもよい。
FIG. 2 is an enlarged view of a part of the
図3は、センサ20の構成を示す図である。センサ20は、光源21及び複数(本実施例では2つ)の受光部22,23を備える。光源21、受光部(第1検出部)22、及び受光部(第2検出部)23は、同一平面上に配置されている。光源21は、LED等の発光素子により構成されている。受光部22は、光源21から射出されてトラック11の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子(受光素子)により構成されている。受光部23は、光源21から射出されてトラック12の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子(受光素子)により構成されている。スケール10とセンサ20が相対変位すると、その相対変位量に応じて受光部22,23における各受光素子が受光する反射光の強度(受光強度)が変化する。センサ20は、受光部22における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力すると共に、受光部23における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力する。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the
次に、図4を参照して、検出周期の切り替えについて説明する。図4は、検出周期の切り替えの説明図である。検出周期の切り替えは、信号A(+),B(+),A(-),B(-)を出力する受光素子の配置を変更することで行われる。 Next, switching of the detection period will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of switching of the detection cycle. The detection cycle is switched by changing the arrangement of the light receiving elements that output the signals A(+), B(+), A(-), B(-).
受光部22では、図4(A)に示されるように、受光素子20a,20b,20c、20dが位置検出方向に沿って循環的に配置されている。受光素子20a,20b,20c,20dの出力はそれぞれ、信号A(+),B(+),A(-),B(-)として扱われる。受光部22の検出周期は、常に一定で、ピッチP1に一致又は十分に近い(略一致する)検出周期P1に設定されている。
In the
受光部23では、図4(B)に示されるように、位置検出方向に沿って16個配置された受光素子のうち隣り合う4つの受光素子を1組とし、各組の受光素子20a,20b,20c,20dの出力が1つになるように構成されている。各組の出力はそれぞれ、信号A(+),B(+),A(-),B(-)として扱われる。受光部23の検出周期は、常に一定で、ピッチQ1に一致又は十分に近い(略一致する)検出周期4×P1に設定されている。
In the
信号A(+),B(+),A(-),B(-)に対してA=A(+)-A(-)及びB=B(+)-B(-)の式で表される処理を行うことで、互いに位相が異なる2相の疑似正弦波信号A,Bが取得される。 For the signals A(+), B(+), A(-), B(-), the equations A=A(+)-A(-) and B=B(+)-B(-) are expressed. By performing the processing described above, two-phase quasi-sine wave signals A and B having different phases are obtained.
図4(C)は、センサ20におけるスケール10の読み取り領域を示している。受光部22は、検出周期がP1に設定されると、ピッチP1の周期パターン11aを読み取る。この場合、ピッチP1に対応する互いに約90度の位相差を持つ2相の疑似正弦波信号(P1の2相信号)が出力される。受光部23は、検出周期が4×P1に設定されると、ピッチQ1の周期パターン12aを読み取る。この場合、ピッチQ1に対応する約90度位相が異なる2相の疑似正弦波信号(Q1の2相信号)が出力される。
FIG. 4C shows the reading area of the
受光部22によるトラック上での読み取り領域120及び受光部23によるトラック上での読み取り領域130は、各受光部が光源21から照射され、各周期パターンで反射された光を受光する範囲である。
A
なお、本実施例ではセンサから約90度位相が異なる2相信号が出力される場合について説明したが、位相を検出可能な信号であれば3相信号や三角波信号等が出力されてもよい。 In this embodiment, the sensor outputs two-phase signals whose phases are different by about 90 degrees, but a three-phase signal, a triangular wave signal, or the like may be output as long as the phase can be detected.
また、本実施例では複数の周期パターンを検出するために、検出周期を切り替え可能な同一のセンサ素子を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、検出周期が異なる別々のセンサ素子を用いてもよい。 In this embodiment, the same sensor element whose detection period can be switched is used to detect a plurality of periodic patterns, but the present invention is not limited to this, and separate sensor elements having different detection periods are used. A sensor element may be used.
図5は、処理部30の構成を示す図である。処理部30は、ADコンバータ31、位相演算部32、絶対位置演算部33、及び偏心補正部34を備える。ADコンバータ31は、センサ20の受光部22,23から出力される2相信号(P1の2相信号とQ1の2相信号)をデジタル信号に変換する。位相演算部32は、CPU等の素子や、FPGAやASIC等の回路から構成され、ADコンバータ31によりデジタル信号に変換された2相信号を用いて位相を取得する。絶対位置演算部33は、CPU等の素子や、FPGAやASIC等の回路から構成され、位相演算部32により取得された位相を用いて絶対位置を取得する。偏心補正部34は、CPU等の素子や、FPGAやASIC等の回路から構成され、回転軸に対するスケール10の偏心量を取得する。なお、センサ20が回転軸に取り付けられている場合、回転軸に対するセンサ20の偏心量が取得される。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the
図6は、本実施例の絶対位置取得処理及び偏心補正処理を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flow chart showing absolute position acquisition processing and eccentricity correction processing of this embodiment.
ステップS101では、ADコンバータ31は、センサ20の受光部22,23から出力される2相信号(P1の2相信号とQ1の2相信号)をデジタル信号に変換する。
In step S101, the
ステップS102では、位相演算部32は、ステップS101でデジタル信号に変換された2相信号を用いて位相を取得する。前述したように、2相信号は約90度位相が異なる信号であるため、arctan演算を行うことで位相が取得される。以降、P1の2相信号から取得された位相(第1周期信号)をθP97、Q1の2相信号から取得された位相(第2周期信号)をθQ24とする。前述したように、ピッチP1,Q1の周期パターンの格子数はそれぞれ、97,24である。そのため、位相θP97,θQ24はそれぞれ、97周期の信号と24周期の信号となる。また、位相θP97の1周期内の精度は高く、位相θQ24の1周期内の精度は低い。なお、本実施例ではarctan演算によって位相を取得するが、特定の範囲内での位置を表すものであれば位相以外のパラメータを取得してもよい。
In step S102, the
ステップS103では、絶対位置演算部33は、以下の式(1)を用いて位相θP97,θQ24を整数倍して絶対位置信号x1を取得する。ただし、MOD(x,y)はxを被除数とし、yを除数としたときの剰余を表す。
In step S103, the
ステップS104では、絶対位置演算部33は、絶対位置信号x1を処理することで、精度の良い絶対位置信号x97_1を取得する。具体的には、絶対位置演算部33は、以下の式(2),(3)を用いて、絶対位置信号x1と位相θP97を合成する。これにより、位相θP97の周期数m97及び位相θP97の精度を持つ絶対位置信号x97_1が取得される。ただし、ROUND(x)は、xの小数第1位を四捨五入した整数値を表す。
In step S104, the
以下、本実施例における偏心量取得処理及び偏心補正処理について説明する。まず、偏心補正処理に使用される絶対位置の信頼性を表す丸め誤差dについて説明する。 The eccentricity acquisition process and the eccentricity correction process in this embodiment will be described below. First, the rounding error d representing the reliability of the absolute position used in the eccentricity correction process will be described.
丸め誤差とは、周期数を求める際に丸め処理における丸め前後の値の差分である。前述した式(2)を例に挙げると、位相θP97の周期数m97を、ROUND(x)を用いて取得する。すなわち、四捨五入して丸めた値が周期数m97となっているため、周期数m97から四捨五入する前(丸める前)の値を引くと式(2)での丸め誤差を取得することができる。丸め誤差は±0.5の範囲内で表され、+0.5又は-0.5に近ければ丸め処理が正しく行われていないといえる。すなわち、周期数がずれ、絶対位置を正しく取得できていない可能性が高いということになる。 A rounding error is a difference between values before and after rounding in rounding processing when obtaining the number of cycles. Taking the above equation (2) as an example, the number of cycles m97 of the phase θP97 is obtained using ROUND(x). That is, since the rounded value is the number of cycles m97, the rounding error in Equation (2) can be obtained by subtracting the value before rounding (before rounding) from the number of cycles m97. The rounding error is expressed within the range of ±0.5, and if it is close to +0.5 or -0.5, it can be said that the rounding process is not performed correctly. That is, there is a high possibility that the number of cycles is shifted and the absolute position cannot be acquired correctly.
図7は、絶対位置を正しく取得できている状態の丸め誤差を示す図である。図8は、絶対位置を正しく取得できていない可能性が高い状態の丸め誤差を示す図である。図7及び図8において、(A)~(C)はそれぞれ、丸めた後の周期数、丸める前の周期数、丸めた後の周期数と丸める前の周期数の差分(丸め誤差)を示している。 FIG. 7 is a diagram showing rounding errors when the absolute position is correctly obtained. FIG. 8 is a diagram showing rounding errors when there is a high possibility that the absolute position cannot be acquired correctly. 7 and 8, (A) to (C) respectively show the number of cycles after rounding, the number of cycles before rounding, and the difference between the number of cycles after rounding and the number of cycles before rounding (rounding error). there is
丸め誤差は、回転軸に対してスケール10が偏心している場合、図9に示されるように、1周期の信号が出力される。なお、図9(A)-図9(C)はそれぞれ、スケール10が100μm,200μm,300μmだけ偏心している場合の丸め誤差を示している。本実施例の偏心補正処理では、丸め誤差を用いて偏心補正を行う。
As for the rounding error, when the
ステップS105では、偏心補正部34は、丸め誤差dを用いて、回転軸中心とスケール中心とのずれ量を表す偏心量Aを取得する。本実施例では、図9に示されるように、偏心量が大きくなると丸め誤差の最大値と最小値との差(ピークピーク値)dp_pが増加する特徴を用いて偏心量を取得する。偏心補正部34はまず、スケール10を1回転させ、スケール10の全周の丸め誤差を取得する。次に、偏心補正部34は、丸め誤差は±0.5の表記となっているため、これを±50で表記されるように100倍する。その後、偏心補正部34は、丸め誤差のピークピーク値dp_pを取得し、以下の式(4)を用いて偏心量Aを取得する。
In step S105, the
式(4)は、実測にて取得した近似式であるが、環境に合わせて偏心量Aと丸め誤差dのピークピーク値dp_pとの関係を用いて適宜変更されることが望ましい。 Formula (4) is an approximation formula obtained by actual measurement, but it is desirable to change it appropriately according to the environment using the relationship between the eccentricity A and the peak-to-peak value dp_p of the rounding error d.
なお、丸め誤差の表記を±50とするために100倍したが、これは処理する際に扱いやすくするために実施したものであり、必須の処理ではない。 It should be noted that the rounding error is multiplied by 100 to make the notation of ±50, but this is done for ease of handling when processing, and is not an essential process.
また、ここではスケール10を1回転させ丸め誤差dを取得したが、移動平均処理を実行し、移動平均値の最大値と最小値との差から丸め誤差のピークピーク値dp_pを取得してもよい。移動平均処理を実行することで、ノイズ等の影響を減らし、より正確に偏心量Aを求めることができる。
Further, although the rounding error d is obtained by rotating the
ステップS106では、偏心補正部34はまず、丸め誤差dを用いて丸め誤差dが最大となる場合の絶対位置信号(角度)である偏心角度θを取得する。次に、偏心補正部34は、偏心成分と逆相の信号となる偏心補正信号を取得し、偏心補正信号が最小値となる角度と偏心角度θとの差分である位相ずれ量Δθを以下の式(5)を用いて取得する。
In step S106, the
本実施例では、偏心補正信号が最小値となる角度は180度である。 In this embodiment, the angle at which the eccentricity correction signal has the minimum value is 180 degrees.
偏心量Aが大きくなると丸め誤差dが図10(A)に示されるように、折り返すような波形となる場合がある。この場合、±0.5表記では、ピークピーク値dp_pの最大値が1となり、正確な偏心量Aを求めることができない。また、丸め誤差dの最大値、偏心角度θ、及び位相ずれ量Δθも正確に求めることができない。そのため、丸め誤差の表記を±0.5以上で表現する必要がある。以後、±0.5以上で表現するために行う処理のことを折り返し処理と呼ぶ。 As the eccentricity A increases, the rounding error d may have a folded waveform as shown in FIG. 10(A). In this case, in the ±0.5 notation, the maximum value of the peak-to-peak value dp_p is 1, and an accurate amount of eccentricity A cannot be obtained. Also, the maximum value of the rounding error d, the eccentric angle θ, and the phase shift amount Δθ cannot be obtained accurately. Therefore, it is necessary to express the notation of the rounding error as ±0.5 or more. Hereinafter, the processing performed to express ±0.5 or more will be referred to as folding processing.
図11は、折り返し処理を示すフローチャートである。 FIG. 11 is a flow chart showing loopback processing.
ステップS201では、偏心補正部34は、スケール10の全周の丸め誤差を一定間隔で取得する。
In step S201, the
ステップS202では、偏心補正部34は、取得した丸め誤差と前回取得した丸め誤差との差の絶対値が0.5を超えるかどうかを判定する。絶対値が0.5を超えると判定された場合、すなわち折り返しが発生していると判定された場合、ステップS203に進み、そうでないと判定された場合、ステップS204に進む。
In step S202, the
ステップS203では、偏心補正部34は、取得した丸め誤差に対し1を加算、又は1を減算し、図10(B)に示されるように±1.5の範囲で丸め誤差を取得する。例えば、前回取得した丸め誤差を図10(A)の回転角30度での丸め誤差d1、取得した丸め誤差を図10(A)の回転角60度での丸め誤差d2とすると、絶対値|d2-d1|は0.5を超える。そのため、回転角60度では折り返しが発生していると判定され、丸め誤差d2に1が加算される。このような処理を行うことで、図10(B)に示される波形を取得することができる。
In step S203, the
ステップS204では、偏心補正部34は、取得した丸め誤差dがオフセットしていることがあるため、式(6)を用いて丸め誤差dの平均値daveを取得すると共に、式(7)を用いて丸め誤差dを補正し、補正後の丸め誤差d’を取得する。なお、Average(x)は、xの平均値を表す。
In step S204, the
補正後の丸め誤差d’は、図10(c)に示される波形となる。 The corrected rounding error d' has a waveform shown in FIG. 10(c).
以上説明したように、丸め誤差dを±0.5以上で表現し、オフセットを補正することで、偏心量が大きく丸め誤差dが折り返しても、偏心量に応じたピークピーク値dp_p、偏心角度θ、及び位相ずれ量Δθを正確に取得することが可能となる。 As described above, by expressing the rounding error d as ±0.5 or more and correcting the offset, even if the amount of eccentricity is large and the rounding error d is folded back, the peak-to-peak value dp_p, the eccentricity angle θ, and the phase shift amount Δθ can be obtained accurately.
ステップS107では、偏心補正部34は、偏心量A及び位相ずれ量Δθを用いて、トラック11に対応する第1偏心補正信号(第1偏心補正周期信号)Msigとトラック12に対応する第2偏心補正信号(第2偏心補正周期信号)Ssigを取得する。
In step S107, the
以下、第1偏心補正信号Msigを取得する方法について説明する。まず、偏心補正部34は、受光部22が配置されている位置Mposを、以下の式(8)を用いて求める。なお、rはスケール10の半径であり、D1は光源21と受光部22との間の距離である。
A method for acquiring the first eccentricity correction signal Msig will be described below. First, the
次に、偏心補正部34は、以下の式(9)を用いて、偏心補正信号の角度angleを取得する。
Next, the
次に、偏心補正部34は、以下の式(10)を用いて第1偏心補正信号Msigを取得する。
Next, the
以下、第2偏心補正信号Ssigを取得する方法について説明する。まず、偏心補正部34は、受光部23が配置されている位置Sposを、以下の式(11)を用いて求める。なお、rはスケール10の半径であり、D2は光源21と受光部23との間の距離である。
A method of acquiring the second eccentricity correction signal Ssig will be described below. First, the
偏心補正信号の角度angleについては、第1偏心補正信号Msigを取得したときに取得したものを使用する。 As for the angle angle of the eccentricity correction signal, the angle obtained when the first eccentricity correction signal Msig is obtained is used.
次に、偏心補正部34は、以下の式(12)を用いて第2偏心補正信号Ssigを取得する。
Next, the
なお、本実施例では、スケール10の半径と、トラック11とトラック12との境界は一致している。
Incidentally, in this embodiment, the radius of the
ステップS108では、絶対位置演算部33は、以下の式(13)に示されるように、位相θP97に第1偏心補正信号Msigを加え、偏心成分が除去された位相θP97’を取得する。また、絶対位置演算部33は、以下の式(14)に示されるように、位相θQ24に第2偏心補正信号Ssigを加え、偏心成分が除去された位相θQ24’を取得する。
In step S108, the
なお、本実施例では、偏心成分と逆相の信号である偏心補正信号を偏心成分に加算することにより偏心成分を軽減するが、偏心成分と同相の信号となる偏心補正信号を偏心成分から減算することにより偏心成分を軽減してもよい。 In the present embodiment, the eccentricity component is reduced by adding the eccentricity correction signal, which is a signal of opposite phase to the eccentricity component, to the eccentricity component. By doing so, the eccentricity component may be reduced.
ステップS109では、絶対位置演算部33は、以下の式(15)を用いて絶対位置信号x1’を取得する。
In step S109, the
ステップS110では、絶対位置演算部33は、以下の式(16),(17)を用いて、絶対位置信号x1’及び位相θP97’を合成することで、位相θP97’の周期数m97’及び位相θP97’の精度を持つ絶対位置信号x97_1’を取得する。
In step S110, the absolute
以上説明したように、本実施例によれば、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentric component.
なお、本実施例ではスケール10を一定方向へ回転させるが、丸め誤差の最大値、又は最小値の近いほうに回転させ、より短い区間で偏心成分を予測してもよい。また、丸め誤差の最大値、又は最小値を測定せずに、丸め誤差の0クロス付近での傾きから最大値及び最小値を予測してもよい。
In the present embodiment, the
本実施例では、実施例1とは構成が異なるスケールを用いる場合について説明する。 In this embodiment, a case of using a scale having a configuration different from that of the first embodiment will be described.
図12は、本実施例のエンコーダ1bの構成を示す図である。エンコーダ1bは、スケール100、センサ200、及び処理部300を有する。エンコーダ1bは、可動部材の絶対位置を検出する反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダである。本実施例では、スケール10とセンサ20のいずれかの絶対位置を取得することで、可動部材の回転軸(不図示)の回転位置(回転角)を検出する場合について説明する。
FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the
なお、本実施例では、エンコーダ1bの一例として反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダについて説明するが、本発明はこれに限定されない。本発明は、検出方式が異なるエンコーダ、例えば透過型の光学式アブソリュートロータリエンコーダ、磁気式アブソリュートロータリエンコーダ、および電磁誘導式磁気式アブソリュートロータリエンコーダにも適用できる。
In this embodiment, a reflective optical absolute rotary encoder will be described as an example of the
スケール100とセンサ200の取り付けについては実施例1と同様であるため、説明を省略する。以下の説明では、実施例1と異なる部分を中心に説明する。
Since the mounting of the
図13は、スケール100の一部を拡大した図であり、スケール100にそれぞれが異なる径で設けられた複数(本実施例では2つ)のトラック(第1トラック)111及びトラック(第2トラック)112を示している。各トラックには、互いにピッチが異なる複数の周期パターンが検出方向に直交する方向(スケール幅方向)に沿って交互に設けられている。具体的には、トラック111には、ピッチT1の周期パターンとピッチT2の周期パターンがスケール幅方向に沿って交互に設けられている。ピッチT1,T2の周期パターンの格子数はそれぞれ、1649,388である。また、トラック112には、ピッチU1の周期パターンとピッチU2の周期パターンがスケール幅方向に沿って交互に設けられている。ピッチU1,U2の周期パターンの格子数はそれぞれ、1632,384である。ピッチT1とピッチU1、及びピッチT2とピッチU2の周期パターンの格子数はほぼ等しい関係にある。
FIG. 13 is an enlarged view of a part of the
センサ200と処理部300の構成は、実施例1と同様であるため、説明を省略する。ただし、センサ200は、処理部300からの検出周期の切り替え信号に応じて、受光部22,23の検出周期をピッチT1,U1と、ピッチT2,U2とに切り替えることができる。検出周期の切り替えについては、図4(A)及び図4(B)と同様のため、説明を省略する。
Since the configurations of the
図14は、センサ200におけるスケール100の読み取り領域を示す図である。受光部22は、検出周期がピッチT1に設定されると、ピッチT1の周期パターン111aを読み取る。この場合、ピッチT1に対応する互いに約90度の位相差を持つ2相の疑似正弦波信号(T1の2相信号)が出力される。受光部22は、検出周期がピッチT2に設定されると、ピッチT2の周期パターン111bを読み取る。この場合、ピッチT2に対応する互いに約90度の位相差を持つ2相の疑似正弦波信号(T2の2相信号)が出力される。受光部23は、検出周期がピッチU1に設定されると、ピッチU1の周期パターン112aを読み取る。この場合、ピッチU1に対応する互いに約90度の位相差を持つ2相の疑似正弦波信号(U1の2相信号)が出力される。受光部23は、検出周期がピッチU2に設定されると、ピッチU2の周期パターン112bを読み取る。この場合、ピッチU2に対応する互いに約90度の位相差を持つ2相の疑似正弦波信号(U2の2相信号)が出力される。
FIG. 14 is a diagram showing the reading area of the
受光部22によるトラック上での読み取り領域121及び受光部23によるトラック上での読み取り領域131は、各受光部が光源21から照射され、各周期パターンで反射された光を受光する範囲である。各読み取り領域は、トラックにおいてスケール幅方向に沿って交互に配置された2つの周期パターンの組み合わせを複数含むように設定されている。
A
なお、本実施例ではセンサから約90度位相が異なる2相信号が出力される場合について説明したが、位相を検出可能な信号であれば3相信号や三角波信号等が出力されてもよい。 In this embodiment, the sensor outputs two-phase signals whose phases are different by about 90 degrees, but a three-phase signal, a triangular wave signal, or the like may be output as long as the phase can be detected.
また、本実施例では、受光部22及び受光部23の検出周期の切り替えは、処理部300が実施するが、外部装置からの信号で行われてもよい。
Further, in the present embodiment, the switching of the detection period of the
図15は、本実施例の絶対位置取得処理及び偏心補正処理を示すフローチャートである。 FIG. 15 is a flow chart showing absolute position acquisition processing and eccentricity correction processing of this embodiment.
ステップS301では、処理部300は、受光部22,23の検出周期をピッチT1,U1に切り替える。これにより、受光部22からT1の2相信号が出力され、受光部23からU1の2相信号が出力される。
In step S301, the
ステップS302では、A/Dコンバータ31は、T1の2相信号とU1の2相信号をデジタル信号に変換する。
In step S302, the A/
ステップS303では、処理部300は、受光部22,23の検出周期をピッチT2,U2に切り替える。これにより、受光部22からT2の2相信号が出力され、受光部23からU2の2相信号が出力される。
In step S303, the
ステップS304は、A/Dコンバータ31は、T2の2相信号とU2の2相信号をデジタル信号に変換する。
In step S304, the A/
ステップS305は、位相演算部32は、ADコンバータ31によりデジタル信号に変換された2組の2相信号から位相を取得する。前述したように、2相信号は約90度位相が異なる信号であるため、arctan演算を行うことで位相が取得される。以下の説明では、T1の2相信号から取得された位相をθT1、T2の2相信号から取得された位相をθT2、U1の2相信号から取得された位相をθU1、U2の2相信号から取得された位相をθU2とする。前述したように、ピッチT1,T2,U1,U2の周期パターンの格子数はそれぞれ、1649、388、1632、384である。そのため、位相θT1,θT2,θU1,θU2はそれぞれ、1649周期の信号、388周期の信号、1632周期の信号、384周期の信号となる。
In step S<b>305 , the
ステップS306では、絶対位置演算部33は、以下の式(18)乃至式(20)を用いて97周期の位相θT97、388周期の位相θT388、及び1649周期の位相θT1649を取得する。
In step S306, the
なお、位相θT1649の1周期内の精度が一番高く、位相θT97の1周期内の精度が一番低い。そこで、本実施例では、位相θT1649の精度を持つ97周期の位相を取得する。 Note that the phase θT1649 has the highest precision within one cycle, and the phase θT97 has the lowest precision within one cycle. Therefore, in this embodiment, phases of 97 cycles with an accuracy of phase θT1649 are acquired.
具体的には、図16に示されるように、位相θT388はトラック全周で0~2πまで388回変化する一方、位相θT97はトラック全周で0~2πまで97回変化する。すなわち、位相θT97の変化量は位相θT388の1/4である。 Specifically, as shown in FIG. 16, the phase θT388 changes 388 times from 0 to 2π along the entire circumference of the track, while the phase θT97 changes 97 times from 0 to 2π along the circumference of the track. That is, the amount of change in phase θT97 is ¼ of phase θT388.
ステップS307では、絶対位置演算部33は、以下の式(21),(22)を用いて位相θT388の周期数m200_4及び位相θT388の精度を持つ97周期の信号y388_97を取得する。
In step S307, the
ステップS308では、絶対位置演算部33は、以下の式(23),(24)を用いて位相θT1649の周期数m200_17及び位相θT1649の精度を持つ97周期の信号y1649_97を取得する。
In step S308, the
ステップS309では、絶対位置演算部33は、以下の式(25)乃至式(27)を用いて96周期の位相θU96、384周期の位相θU384、及び1632周期の位相θU1632を取得する。
In step S309, the
ステップS310は、絶対位置演算部33は、以下の式(28),(29)を用いて位相θU384の周期数n200_4及び位相θU384の精度を持つ96周期の信号y384_96を取得する。
In step S310, the
ステップS311では、絶対位置演算部33は、以下の式(30),(31)を用いて位相θU1632の周期数n200_17及び位相θU1632の精度を持つ96周期の信号y1632_96を取得する。
In step S311, the
ステップS312では、絶対位置演算部33は、以下の式(32)を用いてトラック全周で1周期となるセンサ200での絶対位置信号y1を取得する。
In step S312, the
ステップS313は、絶対位置演算部33は、絶対位置信号y1を処理することで、精度の良い絶対位置信号y1649_1を取得する。具体的には、絶対位置演算部33は、以下の式(33),(34)を用いて、絶対位置信号y1及び信号y1649_97を合成する。これにより、信号y1649_97の周期数m200_97及び信号y1649_97の精度を持つ絶対位置信号y1649_1が取得される。
In step S313, the
ステップS314では、偏心補正部34は、偏心補正を行い、偏心補正後の絶対位置信号を取得する。なお、偏心補正に使用する丸め誤差は、周期数m200_97を取得する際に取得できる丸め誤差を用いる。偏心補正後の処理は実施例1と同様のため具体的な説明は省略する。
In step S314, the
以上説明したように、本実施例によれば、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentric component.
本実施例では、実施例1,2とは異なる方法で偏心量Aと偏心角度θを取得する方法について説明する。実施例1、2と同様の部分は説明を省略する。 In this embodiment, a method of obtaining the eccentricity A and the eccentricity angle θ by a method different from that of the first and second embodiments will be described. Descriptions of the same parts as those in the first and second embodiments are omitted.
実施例1,2では丸め誤差のピークピーク値dp_pを偏心量取得式(例えば式(4))に当てはめて偏心量Aを取得するが、本実施例では丸め誤差のピークピーク値dp_pを閾値と比較し偏心量Aを取得する。具体的には、丸め誤差のピークピーク値dp_pが30未満である場合、偏心量を第1の偏心量(例えば0μm)に設定し、ピークピーク値dp_pが30以上55未満である場合、偏心量を第2の偏心量(例えば50μm)に設定する。これにより、偏心量取得式に当てはめなくても偏心量を取得することができる。
In
ただし、ここで示した閾値は一例なので、適宜変更してもよい。その際、偏心量Aと丸め誤差のピークピーク値dp_pとの関係から導出すればよい。 However, since the threshold shown here is an example, it may be changed as appropriate. At that time, it may be derived from the relationship between the eccentricity amount A and the peak-to-peak value dp_p of the rounding error.
また、実施例1,2では丸め誤差の値が最大となる場合の角度を偏心角度θとするが、本実施例では丸め誤差の値が最小となる場合の角度を用いて偏心角度θを取得する。具体的には、丸め誤差の値が最小となる場合の角度をθdminとするとき、偏心角度θは以下の式(35)を用いて取得される。 In Examples 1 and 2, the angle at which the rounding error value is maximized is the eccentricity angle θ, but in this example, the angle at which the rounding error value is minimized is used to obtain the eccentricity angle θ. Specifically, when the angle at which the value of the rounding error is minimized is θdmin, the eccentric angle θ is obtained using the following equation (35).
以降の処理は、実施例1,2と同様のため説明を省略する。 Since subsequent processes are the same as those in the first and second embodiments, the description thereof is omitted.
以上説明したように、本実施例によれば、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentric component.
本実施例では、実施例1乃至3とは異なる方法で偏心量Aと偏心角度θを取得する方法について説明する。具体的には、実施例1乃至3ではスケールを1回転させて丸め誤差を取得するが、本実施例では丸め誤差の最大値又は最小値のいずれかが取得されるまでスケールを回転させる。これによりスケールを1回転できない場合も偏心補正が可能となる。実施例1乃至3と同様の部分は説明を省略する。 In this embodiment, a method of obtaining the eccentricity A and the eccentricity angle θ by a method different from that of the first to third embodiments will be described. Specifically, in Examples 1 to 3, the scale is rotated once to acquire the rounding error, but in this example, the scale is rotated until either the maximum value or the minimum value of the rounding error is acquired. This makes it possible to correct eccentricity even when the scale cannot make one rotation. Descriptions of the same portions as those of Examples 1 to 3 are omitted.
実施例1乃至3では、丸め誤差のピークピーク値dp_pが取得されると偏心量Aを取得可能である。本実施例では、丸め誤差は1回転で1周期の信号となるため、ピークピーク値dp_pは以下の式(36),(37)を用いることで、丸め誤差の最大値又は最小値のいずれかを把握することで偏心量Aを取得可能である。なお、dmaxは丸め誤差の最大値、dminは丸め誤差の最小値である。また、ABS(x)は、xの絶対値である。
(最大値を把握している場合)
In Examples 1 to 3, the eccentricity A can be obtained when the peak-to-peak value dp_p of the rounding error is obtained. In this embodiment, the rounding error is a signal of one cycle for one rotation, so the peak-to-peak value dp_p is either the maximum value or the minimum value of the rounding error by using the following equations (36) and (37). By doing so, the eccentricity A can be obtained. Note that dmax is the maximum value of rounding error, and dmin is the minimum value of rounding error. Also, ABS(x) is the absolute value of x.
(if you know the maximum value)
(最小値を把握している場合) (if you know the minimum value)
以降の処理は、実施例1乃至3と同様にピークピーク値dp_pを用いて偏心量Aを取得する。偏心角度θについても、実施例1乃至3で説明したように丸め誤差の最大値又は最小値を把握することで取得可能である。 In subsequent processing, the eccentricity amount A is obtained using the peak-to-peak value dp_p in the same manner as in the first to third embodiments. The eccentric angle θ can also be obtained by grasping the maximum value or minimum value of the rounding error as described in the first to third embodiments.
以上説明したように、本実施例によれば、小型でかつ偏心量と偏心角度を予測した上で、偏心成分を補正するアブソリュートロータリエンコーダを提供することが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a compact absolute rotary encoder that predicts the amount of eccentricity and the angle of eccentricity and corrects the eccentric component.
本実施例では、実施例1乃至4で説明したエンコーダを搭載した装置の一例について説明する。 In this embodiment, an example of a device equipped with the encoder described in the first to fourth embodiments will be described.
図17は、実施例1で説明したエンコーダ1aを搭載したロボットアーム1000を示す図である。ロボットアーム1000では、エンコーダ1aは各軸に取り付けられ、各軸の絶対回転位置を検出するために使用される。スケール10は各軸において、回転する可動部材に取りつけられている。可動部材は、アクチュエータ(不図示)によって回転する。ロボットアーム1000を駆動されるために可動部材が回転すると、エンコーダ1aによりロボットアーム1000の各軸の絶対回転位置が検出され、その位置情報がCPU(不図示)に出力される。CPUは、その位置情報に基づいてアクチュエータを駆動し、ロボットアーム1000を目標とする位置に移動させる。
FIG. 17 is a diagram showing a
なお、各実施例のエンコーダは、ロボットアーム1000に限らず、プリンタ(光学機器)の印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、及び複写機(光学機器)の感光ドラムの回転位置検出等、様々な装置の様々な用途で使用可能である。
Note that the encoder of each embodiment is not limited to the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.
1a,1b エンコーダ(アブソリュートロータリエンコーダ)
10,100 スケール
11,111 トラック(第1トラック)
12,112 トラック(第2トラック)
20,200 センサ
30,300 処理部
1a, 1b encoder (absolute rotary encoder)
10,100 scale 11,111 track (first track)
12,112 tracks (2nd track)
20, 200
Claims (11)
前記スケールに対して相対移動可能であり、前記第1トラックと前記第2トラックとを読み取るセンサと、
前記スケールと前記センサのいずれかの絶対位置を示す絶対位置信号を取得する処理部とを有し、
前記処理部は、
前記センサが前記第1トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第1周期信号と前記センサが前記第2トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第2周期信号とを用いて位置信号を取得し、
前記位置信号を取得する際に生じる第3周期信号を用いて、偏心量と偏心角度とを取得し、
前記偏心量と前記偏心角度とを用いて、前記第1トラックに対応する第1偏心補正信号と前記第2トラックに対応する第2偏心補正信号とを取得し、
前記第1周期信号と前記第1偏心補正信号とに基づく第1偏心補正周期信号、及び前記第2周期信号と前記第2偏心補正信号とに基づく第2偏心補正周期信号を用いて、前記絶対位置信号を取得することを特徴とするアブソリュートロータリエンコーダ。 a scale comprising a first track and a second track provided with mutually different diameters;
a sensor movable relative to the scale and reading the first track and the second track;
a processing unit that acquires an absolute position signal indicating an absolute position of one of the scale and the sensor;
The processing unit is
A position signal is acquired using a first periodic signal based on a signal obtained by reading the first track by the sensor and a second periodic signal based on a signal obtained by reading the second track by the sensor. ,
Acquiring an eccentricity amount and an eccentric angle using a third periodic signal generated when acquiring the position signal,
obtaining a first eccentricity correction signal corresponding to the first track and a second eccentricity correction signal corresponding to the second track using the eccentricity amount and the eccentricity angle;
The absolute An absolute rotary encoder characterized by acquiring a position signal.
前記第2トラックは、前記第1及び第2周期パターンと周期が異なる第3周期パターンと、前記第1から第3周期パターンと周期が異なる第4周期パターンとを含み、
前記処理部は、前記第1及び第2周期パターンのそれぞれに対応する信号を処理することで前記第1周期信号を取得し、前記第3及び第4周期パターンのそれぞれに対応する信号を処理することで前記第2周期信号を取得することを特徴とする請求項1に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。 the first track includes a first periodic pattern and a second periodic pattern having different periods;
the second track includes a third periodic pattern having a different period from the first and second periodic patterns, and a fourth periodic pattern having a different period from the first to third periodic patterns;
The processing unit obtains the first periodic signal by processing signals corresponding to the first and second periodic patterns, and processes signals corresponding to the third and fourth periodic patterns. 2. The absolute rotary encoder according to claim 1, wherein the second periodic signal is obtained by:
前記可動部の回転位置を検出可能な請求項1乃至10の何れか一項に記載のアブソリュートロータリエンコーダとを有することを特徴とする装置。
a rotating movable part;
11. A device, comprising: the absolute rotary encoder according to any one of claims 1 to 10, capable of detecting the rotational position of said movable part.
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JP2021124802A JP2023019809A (en) | 2021-07-29 | 2021-07-29 | Absolute encoder and device equipped with the same |
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Cited By (1)
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CN116488401A (en) * | 2023-06-16 | 2023-07-25 | 杭州辰控智能控制技术有限公司 | Encoder, linear motor, and position detection method for linear motor |
-
2021
- 2021-07-29 JP JP2021124802A patent/JP2023019809A/en active Pending
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