JP2023105846A

JP2023105846A - 絶対位置エンコーダ

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Publication number: JP2023105846A
Application number: JP2022006828A
Authority: JP
Inventors: 光男宇塚; Mitsuo Uzuka
Original assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Current assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: JP7281778B1

Abstract

【課題】絶対位置エンコーダにおいて、コンパクトで安価な構成で検出エリアの広い絶対位置を検出する。【解決手段】メインスケール検出部は、メインスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出する。サブスケール検出部は、メインスケールと異なる周期のサブスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出する。Ｒ／Ｄ変換器は、メインスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波、及び、サブスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波をＲ／Ｄ変換してメインスケールの位置データとサブスケールの位置データを出力する。演算部は、メインスケールの位置データとサブスケールの位置データとの関係からメインスケールの何周目のデータかを示す周数データを算出する。また、演算部は、メインスケールの位置データとメインスケールの周数データとに基づいて、絶対位置を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、位置決め装置、位置検出装置等における絶対位置を検出する絶対位置エンコーダに関する。

位置決め装置や位置検出装置は、インクリメンタル型の方式が多く用いられている。このインクリメント型の場合は、電源投入時に原点出し動作が必要であり、装置の稼働率を下げるという問題があった。そこでアブソリュートエンコーダが必要になるが従来型は相当複雑で高価であった。

特開２０１０－２１７１６０号公報特開２００１－１９４１８５号公報

特許文献１は検出器にＣＭＯＳリニアアレイを用いて演算を行うため、作成には相当高額な初期投資が必要になり簡単に任意のエンコーダが作成できない。

特許文献２は、複雑なスリット列を有する遮光板とスリットを設けた受光セルアレイが必要で容易にエンコーダを作成することができない。

以上示したようなことから、絶対位置エンコーダにおいて、コンパクトで安価な構成で検出エリアの広い絶対位置を検出することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、メインスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出するメインスケール検出部と、前記メインスケールと異なる周期のサブスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出するサブスケール検出部と、前記メインスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波、及び、前記サブスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波をＲ／Ｄ変換して前記メインスケールの位置データと前記サブスケールの位置データを出力するＲ／Ｄ変換器と、前記メインスケールの位置データと前記サブスケールの位置データとの関係から前記メインスケールの何周目のデータかを示す周数データを算出し、前記メインスケールの位置データと前記メインスケールの周数データとに基づいて、絶対位置を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記演算部は、以下の（１）式または（２）式によりＸ値を算出し、前記Ｘ値を前記サブスケールの半周期の長さで除算して前記メインスケールの周数データを算出し、以下の（３）式により前記絶対位置を算出することを特徴とする。

Ｙ０≧Ｙ１のときはＸ＝Ｙ０－（Ｙ１×Ｌ／Ｍ）・・・（１）
Ｙ１＞Ｙ０のときはＸ＝Ｙ０―（Ｙ１―Ｐｍ）Ｌ／Ｍ・・・（２）
Ｐ＝Ｙ０＋Ｐｍ×ｎ・・・（３）
Ｐ：絶対位置
Ｘ：ｘ値
Ｙ０：メインスケールの位置データ
Ｙ１：サブスケールの位置データ
Ｐｍ：メインスケール、サブスケールの位置データの最大値
Ｍ：メインスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
Ｌ：サブスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
ｎ：メインスケールの周数データ。

また、他の態様として、互いに周期の異なる複数のサブスケールを有し、前記演算部は、前記メインスケールの位置データと複数の前記サブスケールの位置データとの関係から前記メインスケールの周数データを算出し、前記メインスケールの位置データと前記メインスケールの周数データとに基づいて、前記絶対位置を算出することを特徴とする。

また、その一態様として、前記演算部は、前記メインスケールの位置データとそれぞれの前記サブスケールの位置データに基づいて、以下の（１）式または（２）式により各サブスケールに基づくＸ値を算出し、前記各サブスケールに基づくＸ値をそれぞれの前記サブスケールの半周期の長さで除算して各サブスケールに基づく周数データを算出し、ｊは０，１，２，３，４，…と１ずつ加算され周数データの最大値まで繰り返す値とし、前記各サブスケールに基づく周数データが変化すればｊを周数データとして保持して、ｊに１を加算し、以下の（３）式により前記絶対位置を算出することを特徴とする。

また、その一態様として、前記絶対位置エンコーダはリニアエンコーダであることを特徴とする。

また、他の態様として、前記絶対位置エンコーダは回転系であり、１回転を複数に分割した位置データを１回転のどの角度なのかを特定し絶対位置化することを特徴とする。

本発明によれば、絶対位置エンコーダにおいて、コンパクトで安価な構成で検出エリアの広い絶対位置を検出することが可能となる。

メインスケールとサブスケールの半周期の長さ、位置データ、Ｘ値、絶対位置を示す図。Ｎ極，Ｓ極を交互に一定周期で配置し、センサＡをｓｉｎ波，センサＢをｃｏｓ波の出力が得られる位置に配置した図。ｓｉｎ波，ｃｏｓ波と位置データの関係を示す図。１つのメインスケールと２つのサブスケールの組み合わせを示す図。実施形態２の処理を示す図。

以下、本願発明における絶対位置エンコーダの実施形態１，２を図１～図４に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１は本実施形態１の絶対位置エンコーダのメインスケール，サブスケールの長さ、位置データ、Ｘ値、絶対位置を示す図である。図１（ａ）はメインスケールとサブスケールの半周期の長さ（ピッチ）を示す。

図１（ａ）に示すように、本実施形態１は、１つのメインスケールと１つのサブスケールを有する。メインスケール，サブスケールはそれぞれＮ極，Ｓ極を有する。ここで、Ｎ極，Ｓ極はそれぞれ半周期とし、Ｎ極＋Ｓ極で１周期とする。メインスケールとサブスケールはＮ極，Ｓ極（半周期）の長さ（ピッチ）が異なる。

メインスケールのＮ極，Ｓ極（半周期）のそれぞれの長さはＭ＝１０ｍｍである。メインスケールの１周期の長さはＮ極＋Ｓ極で２０ｍｍである。サブスケールのＮ極，Ｓ極（半周期）のそれぞれの長さはＬ＝１２．５ｍｍである。サブスケールの１周期の長さはＮ極＋Ｓ極で２５ｍｍである。

本実施形態１の絶対位置エンコーダは、Ｎ＝１００ｍｍで１周期の例である。すなわち、メインスケール５周期分（２０ｍｍ（Ｎ極＋Ｓ極）×５（周期））、サブスケール４周期分（２５ｍｍ（Ｎ極＋Ｓ極）×４（周期））が本実施形態１の絶対位置エンコーダの１周期分（検出エリア）となる。

図２はメインスケールのＮ極，Ｓ極を交互に一定周期で配置し、メインスケール検出部のセンサＡをｓｉｎθ波、センサＢをｃｏｓθ波の出力が得られる位置に配置した図である。サブスケール、サブスケール検出部もピッチは異なるが同様の構成となる。メインスケール検出部、サブスケール検出部は例えば、ホール素子とする。

メインスケール検出部、サブスケール検出部は、スリットを付けた光学式や、磁気抵抗効果素子でもｓｉｎ波、ｃｏｓ波を検出可能である。また、図２では、メインスケール、サブスケールを移動体、メインスケール検出部，サブスケール検出部（センサＡ，センサＢ）を固定した例を示したが、固定されたメインスケール，サブスケールに対しメインスケール検出部、サブスケール検出部（センサＡ，センサＢ）を移動させる構成でもよい。

図３は、Ｒ／Ｄ（レゾルバ／デジタル）変換部でｓｉｎθ波、ｃｏｓθ波をＲ／Ｄ変換した位置データを示す図である。ｓｉｎθ波、ｃｏｓθ波、各１周期でノコギリ波状の位置データとなる。

図１（ｂ）はメインスケール、サブスケールの各周期をＲ／Ｄ変換した時の位置データを示す。Ｙ０はメインスケールの位置データ、Ｙ１はサブスケールの位置データである。

各々位置データＹ０，Ｙ１の最大値を５０としたときのａ～ｍの各点の座標は、ａ＝２０、ｂ＝２５、ｃ＝３０、ｄ＝３７．５、ｅ＝６．７５、ｆ＝４５．４、ｇ＝－４．６、ｈ＝３７．５、ｉ＝２０、ｊ＝４６、ｋ＝２０、ｌ＝３７．５、ｍ＝１０となる。なお、ｇはｆ－５０とした値である。本実施形態１の構成では、メインスケール５周期分の絶対位置を検出できる。すなわち、絶対位置ＰはＰ＝５０×５＝２５０で２５０の検出エリアである。

同じ絶対位置において、Ｌ／Ｍ＝１．２５である。例えば、同じ絶対位置のａ点とｂ点はａ＝２０（Ｍ），ｂ＝２５（Ｌ）であり、Ｌ／Ｍ＝２５／２０＝１．２５となる。

図１（ｃ）は、位置データＹ０，Ｙ１から算出したＸ値のタイムチャートを示す。Ｘ値は、Ｙ０≧Ｙ１の時は以下の（１）式、Ｙ１＞Ｙ０の時は以下の（２）式となる。

Ｘ＝Ｙ０－Ｙ１×（Ｌ／Ｍ）・・・（１）
Ｘ＝Ｙ０－（Ｙ１－５０）×（Ｌ／Ｍ）・・・（２）
Ｙ０＝ｂ点，Ｙ１＝ａ点ではＸ＝２５－２０×１．２５＝０となる。Ｙ０＝ｄ点，Ｙ１＝ｃ点ではＸ＝３７．５－３０×１．２５＝０となる。そのため、図１（ｃ）に示すように、Ａ区間ではすべて０となる。

Ｙ０＝ｅ点，Ｙ１＝ｆ点（ｇ点）ではＸ＝６．７５－（ｆ－５０）×１．２５＝１２．５となる。Ｙ０＝ｈ点，Ｙ１＝ｉ点ではＸ＝３７．５－２０×１．２５＝１２．５となる。そのため、図１（ｃ）に示すように、Ｂ区間では全て１２．５となる。

同様に、Ｃ区間はＸ＝２５，Ｄ区間はＸ＝３７．５，Ｅ区間はＸ＝５０となり、メインスケールの何周目のデータか特定できる。

図１（ｄ）は小周期（メインスケールの周期）を連結し絶対値化した状態を示す。Ｘ値からメインスケールの周数データｎを算出する。Ｘ値はＡ区間がＸ＝０、Ｂ区間がＸ＝１２．５、Ｃ区間がＸ＝２５、Ｄ区間がＸ＝３７．５、Ｅ区間がＸ＝５０である。このＸ値をサブスケールの半周期＝１２．５で割ると各区間の周数データｎは、Ａ区間：ｎ＝０／１２．５＝０、Ｂ区間：ｎ＝１２．５／１２．５＝１、Ｃ区間：ｎ＝２５／１２．５＝２、Ｄ区間：ｎ＝３７．５／１２．５＝３、Ｅ区間：ｎ＝５０／１２．５＝４となる。

Ｐｍはメインスケール１周期分の位置データ（本実施形態１では５０）とする。絶対位置Ｐは、以下の（３）式で表せる。

Ｐ＝Ｙ０＋Ｐｍ×ｎ・・・（３）
例えば、ｌ点の絶対位置Ｐは、Ｐ＝３７．５＋５０×２＝１３７．５となる。

以上示したように、本実施形態１によれば、一定周期のｓｉｎ波、ｃｏｓ波からＲ／Ｄ変換して得られる短周期で繰り返す高精度の位置データと、それが何周目のデータかを示す周数データに基づいて、絶対位置を算出することにより検出エリアの広い絶対位置エンコーダを簡単な構成で安価に実現できる。

［実施形態２］
本実施形態２は、サブスケールを複数個設けてメインスケールの周数データｎの上限を増大させた例である。図４にサブスケールを２つにした例を示す。メインスケールの長さＭ，第１サブスケールの長さＬ，第２サブスケールの長さＲの値によってメインスケールの周数データｎの上限値は変化する。

例えば、サブスケールが２つの場合、メインスケールと第１サブスケールの位置データに基づいて、実施形態１と同様に（１）式、（２）式により第１サブスケールに基づくＸ値を算出する。また、メインスケールと第２サブスケールの位置データに基づいて、実施形態１と同様に（１）式、（２）式により第２サブスケールに基づくＸ値を算出する。

そして、第１サブスケールに基づくＸ値を第１サブスケールの半周期＝２５で割ると第１サブスケールに基づく各区間の周数データｎ１が算出できる。第１サブスケールに基づく周数データｎ１は、図４に示すようにｎ１＝０～４となる。

同様に、第２サブスケールに基づくＸ値を第２サブスケールの半周期＝３０で割ると第２サブスケールに基づく各区間の周数データｎ２が算出できる。第２サブスケールに基づく周数データｎ２は、図４に示すようにｎ２＝０～１となる。

ここで、Ｎ１ｍａｘはｎ１の値の数である。図４では、ｎ１は０，１，２，３，４の５つの値であるためＮ１ｍａｘ＝５である。また、Ｎ２ｍａｘはｎ２の値の数である。図４では、ｎ２は０，１の２つの値であるため、Ｎ２ｍａｘ＝２である。

ｊは０，１，２，３，４…と１ずつ加算され周数データの最大値まで繰り返す値である。ｊ％Ｎ１ｍａｘはｊをＮ１ｍａｘで割った余りである。ｊ％Ｎ２ｍａｘはｊをＮ２ｍａｘで割った余りである。図４の場合、Ｎ１ｍａｘ＝５，Ｎ２ｍａｘ＝２であるため、ｊ％Ｎ１ｍａｘ＝ｊ％５，ｊ％Ｎ２ｍａｘ＝ｊ％２である。

ｊ％５は、ｊ＝０の時にｊ％５＝０，ｊ＝１の時にｊ％５＝１、すなわち、ｊ％５は０，１，２，３，４となる。ｊ％２はｊ＝０の時にｊ％２＝０、ｊ＝１の時にｊ％２＝１、すなわち、ｊ％２は０，１となる。

以下の表１に、図４の場合のｎ１、ｎ２、ｊ（＝ｊ＋１）、ｊ％５、ｊ％２、ｎ（＝ｊ）を示す。

ここで、図５に基づいて本実施形態２の処理を説明する。なお、ここでは、ｎ１ｘ＝ｊ％５、ｎ２ｘ＝ｊ％２とする。ｊは予め設定した値まで繰り返す。図４，図５では、ｊ＜＝９（または、ｊ＜１０）とし、ｊを１０より小さい値としている（すなわち、ｊは０～９までを繰り返す）。Ｓ１で、ｊが１０より小さければＳ３へ移行する。

Ｓ３では、次々と＋１が加算されるｊにおいて、ｎ１ｘ＝ｎ１、かつ、ｎ２ｘ＝ｎ２の時のｊの値を周数データｎとして取り込む。

Ｓ４でｊに１が加算されＳ１へ戻る。Ｓ１でｊが１０に到達したと判定されるとＳ２へ移行してｊ＝０とする。

その後はＳ１から同様の処理を繰り返す。第１サブスケールに基づく周数データｎ１と第２サブスケールに基づく周数データｎ２が前と同じ値の場合は、周数データｎも前と同じ値となる。もし、位置が前の状態から移動していた場合はｎ１ｘ＝ｎ１かつｎ２ｘ＝ｎ２となるところのｊの値を周数データｎとして読み込む。このようにして、第１サブスケールに基づく周数データｎ１と第２サブスケールに基づく周数データｎ２が変化しなければ周数データｎは保持され、変化した場合は周数データｎを対応して変化する。

この周数データｎを用いて、実施形態１の（３）式と同様に絶対位置Ｐを算出する。

すなわち、本実施形態２では、メインスケールの位置データとそれぞれのサブスケールの位置データに基づいて、（１）式または（２）式により各サブスケールに基づくＸ値を算出する。各サブスケールに基づくＸ値をそれぞれのサブスケールの半周期の長さで除算して各サブスケールに基づく周数データを算出する。ｊは０，１，２，３，４，…と１ずつ加算され周数データの最大値まで繰り返す値とする。各サブスケールに基づく周数データが変化すればｊを周数データとして保持して、ｊに１を加算する。そして、（３）式により絶対位置を算出する。

たとえば、図４に示すように、Ｍ＝２０、Ｌ＝２５、Ｒ＝３０の場合、のメインスケールＭとサブスケールＬだけの組み合わせではメインスケールの５周期で一巡してしまうがメインスケールの長さＭ，第１サブスケールの長さＬ，第２サブスケールの長さＲの組み合わせではメインスケール１０周期で一巡と大幅に広範囲の絶対位置を設定できることが分かる。

以上示したように、実施形態１の作用効果に加え、本実施形態２はサブスケールを複数個にすることにより更に広範囲の絶対位置検出が可能となる。

なお、エンコーダはリニアエンコーダに限らず、回転系であり１回転を複数に分割した位置データを１回転のどの角度なのかを特定し絶対位置化することも可能である。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｍ：メインスケールの半周期の長さ
Ｌ：（第１）サブスケールの半周期の長さ
Ｒ：第２サブスケールの半周期の長さ
ｎ：周数データ
Ｐ：絶対位置
Ｙ０：メインスケールの位置データ
Ｙ１：サブスケールの位置データ

Claims

メインスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出するメインスケール検出部と、
前記メインスケールと異なる周期のサブスケールからｓｉｎ波，ｃｏｓ波を検出するサブスケール検出部と、
前記メインスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波、及び、前記サブスケール検出部が検出したｓｉｎ波，ｃｏｓ波をＲ／Ｄ変換して前記メインスケールの位置データと前記サブスケールの位置データを出力するＲ／Ｄ変換器と、
前記メインスケールの位置データと前記サブスケールの位置データとの関係から前記メインスケールの何周目のデータかを示す周数データを算出し、前記メインスケールの位置データと前記メインスケールの周数データとに基づいて、絶対位置を算出する演算部と、
を備えたことを特徴とする絶対位置エンコーダ。
前記演算部は、
以下の（１）式または（２）式によりＸ値を算出し、
前記Ｘ値を前記サブスケールの半周期の長さで除算して前記メインスケールの周数データを算出し、
以下の（３）式により前記絶対位置を算出することを特徴とする請求項１記載の絶対位置エンコーダ。
Ｙ０≧Ｙ１のときはＸ＝Ｙ０－（Ｙ１×Ｌ／Ｍ）・・・（１）
Ｙ１＞Ｙ０のときはＸ＝Ｙ０―（Ｙ１―Ｐｍ）Ｌ／Ｍ・・・（２）
Ｐ＝Ｙ０＋Ｐｍ×ｎ・・・（３）
Ｐ：絶対位置
Ｘ：ｘ値
Ｙ０：メインスケールの位置データ
Ｙ１：サブスケールの位置データ
Ｐｍ：メインスケール、サブスケールの位置データの最大値
Ｍ：メインスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
Ｌ：サブスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
ｎ：メインスケールの周数データ
互いに周期の異なる複数のサブスケールを有し、
前記演算部は、前記メインスケールの位置データと複数の前記サブスケールの位置データとの関係から前記メインスケールの周数データを算出し、前記メインスケールの位置データと前記メインスケールの周数データとに基づいて、前記絶対位置を算出することを特徴とする請求項１記載の絶対位置エンコーダ。
前記演算部は、
前記メインスケールの位置データとそれぞれの前記サブスケールの位置データに基づいて、以下の（１）式または（２）式により各サブスケールに基づくＸ値を算出し、
前記各サブスケールに基づくＸ値をそれぞれの前記サブスケールの半周期の長さで除算して各サブスケールに基づく周数データを算出し、
ｊは０，１，２，３，４，…と１ずつ加算され周数データの最大値まで繰り返す値とし、前記各サブスケールに基づく周数データが変化すればｊを周数データとして保持して、ｊに１を加算し、
以下の（３）式により前記絶対位置を算出することを特徴とする請求項３記載の絶対位置エンコーダ。
Ｙ０≧Ｙ１のときはＸ＝Ｙ０－（Ｙ１×Ｌ／Ｍ）・・・（１）
Ｙ１＞Ｙ０のときはＸ＝Ｙ０―（Ｙ１―Ｐｍ）Ｌ／Ｍ・・・（２）
Ｐ＝Ｙ０＋Ｐｍ×ｎ・・・（３）
Ｐ：絶対位置
Ｘ：ｘ値
Ｙ０：メインスケールの位置データ
Ｙ１：サブスケールの位置データ
Ｐｍ：メインスケール、サブスケールの位置データの最大値
Ｍ：メインスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
Ｌ：サブスケールのＮ極，Ｓ極の長さ
ｎ：メインスケールの周数データ
前記絶対位置エンコーダはリニアエンコーダであることを特徴とする請求項１～４のうち何れかに記載の絶対位置エンコーダ。
前記絶対位置エンコーダは回転系であり、１回転を複数に分割した位置データを１回転のどの角度なのかを特定し絶対位置化することを特徴とする請求項１～４のうち何れかに記載の絶対位置エンコーダ。