JPS60170710A - 測角誤差の補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンコーダーを用いた電子式測角装置において
、走査波に含まれる直流成分、振幅誤差。

位相誤差を測角操作中に逐次的に除去する如き測角誤差
の補正手段に関するものである。

近年来エンコーダーを用いた電子測角器が開発されつつ
あり、ｌＩ’Ｊ角精度も著しく向上して来た。

このような電子測角器の測角原理は既に公知ではあるが
、その概要について述べる。この測角器は円周上に等配
列した目盛を有するメインスリットとと４１に対向して
配置され、メインスリットと同一ピッチロ盛をもち、メ
インスリットを走査し得るように回転できるサブスリッ
ト、及び走査光情報を光電変換する受光器から成立って
いる。このサブスリッ１へ板には２種類のサブスリット
が設けら］ｔていて、その一つをメインスリット目盛に
完全に重ね合わせた場合に、他のサブスリットはメイン
スリブ１〜目盛ピッチの１７４だけシフトするように製
作されている。つまり、これら一対のサブスリッ１〜は
互に９０°だけ位相が異っている。サブスリン１〜板を
回転して、これら一対のサブスリツ１へを透過して得ら
れる走査光信号は通常一方が正弦波状であり、他方は余
弦波状である。正弦波状信号をＳ（χ）とし余弦波信号
をＣ（χ）とすると（χは角度）、実測される角度χは Ｚ＝Ｌａｎ−’　（Ｓ（ｚ）／Ｃ（ｚ））で表わさＪＬ
る。

スリン１−のピッチより大きい円弧に相当する角度はス
リットの目盛数を光電的にｔ１数することによりＨ１測
し、目盛ピッチ以内の角度は−Ｉ：、述の式にＪ、り可
成りの高分解能で内挿することが出来る。

実際の測角器ではメインスリットの目盛数が例えば１６
２００１ｉｎｅ／全周設けられており、その１ピツチは
８０′に相当する。上述の如き内挿法を用いて数秒程度
の測角精度が期待できる。

しかしこのように簡単な測角原理であっても実際には各
種の測角誤差要因を伴い、上記例示の如く高精度が要求
されるため尚更これら誤差要因を最小限に抑圧しなけれ
ばならない。誤差の種類は大別すると　１）偏芯誤差：
サブスリン１〜の回転中心の偏芯であり直接的な機械的
測角誤差を生じると共に走査信号が振幅変調される。　
」ｊ）走査信号に含まれるもの：正、余弦信号の直流成
分、回折光に含まれる高調波歪み、正、余弦信号相互の
振幅差、位相誤差である。

本発明では、先ずサブスリン１−による目盛１ピッチ分
の走査、即ち正弦波状信号の一周期につき３０ないし４
０点のサンプリング点におけるＳ（χ、）。

Ｃ（χ１）の値を予め計測しておく。ついでフーリエ解
析の手法に基づき各波の直流分（フーリエ０火成分）、
高調波成分、基本波の振幅と位相差をコンピュータ計算
する。このようにして得られた数個の定数を測角器内に
記憶しておき、これら定数を駆使して上記の誤差要因ｉ
ｉ）を除去し正しい測角を行わしめるものである。

かくして本発明の目的は、予め開側された数個の定数を
測角器内に記憶させ、これら定数を用いてリアルタイム
で計測される走査信号中の諸誤差を補正し、真の角度を
得る如き比較的廉価な測角誤差の補正手段を提供するこ
とにある。

次いで本発明の誤差補正手段が成立するための条件につ
いて述べる。このような誤差補正を有効にする条件は２
つの走査信号がメインスリットの円周目盛のどの部位で
も同じ状態で生起しかつ経時変化をしないことである。

このためにはスリットの照明光学系の照度が一定なこと
等の光学的安定性、サブスリン１−の回転に伴うワフ・
フラッタ−等がないこと、回転軸のＩ１１芯がないこと
等の機構的安定性、及び受光素子や照明光源を含む電子
回路系の安定性が要求される。これ等の安定度を理想的
な状態に保持することは不可能であるから、ここで謂う
誤差補正には自ずから限界があり、その許容範囲はこＪ
しら３種類の安定性に依存する。

しかし乍ら、走査信号に多少の変動があっても経時変化
が微小であり、信号が準静的振舞をする限りにおいては
誤差補正手段は、１００％有効とは云えないまでも効果
的に作用する。

次に、走査信号中に含まれる誤差の発生要因について述
へる。

信号に含まれる直流成分と高調波歪は光学的及び電気的
要因に基づく。元来、走査光信号は両スリッ１−による
二重回折光によるモアレ縞の走査によって発生するもの
であり、このモアレ縞のビジビリティ−は常に１より小
さい為に必ず直流成分を含有する。また走査回折像は本
質的にフレネル回υｉ光であり、信じ変化は純粋な正弦
波ではなく高次のフーリエ成分を含みこのため高調波歪
みが信号中に存在する。こ、ｌＬ等の光学的要因の他に
電子的増幅器のＤＣオフセット、位相歪み、雑音などに
よってもこれら直流成分や高調波歪を生ずる。

なお、直流成分を予め除去する方法は既に従来公知であ
るが、正、余弦波信号に対応する２つのサブスリン］−
の夫々に隣接して１８０°位相の異なるサブスリン１〜
を更に一対設置し、これらの検出信号の和演算を行って
直流成分を光電的に相殺する方法が採用されている。

さらに偏芯誤差の相殺方法として周知の方法はこれら４
個１組のサブスリットを円周上１８０°隔てた位置に対
向配置するものがある。

位相誤差は主として正、余弦波信号に対応するサブスリ
ットの位相が正確にπ／２にならずに側音しているため
に生じ、サブスリットの製作誤差として固定的で不変な
ものである。この誤差の他の原因は電子回路系の位相シ
フトである。

この誤差補正手段の適用に当っては偏芯誤差は両スリッ
１〜組立時に調整して極力抑制しておかねばならない。

先にも述べたように偏芯によってサブスリッ１−の姿勢
が傾いて走査信号カ月辰幅変調と位相変調髪受け、円周
位置が異ると信号の恒マ１（′性が失われるからである
。

本発明による測角誤差の補正手段に関する原理を説明す
る。

誤差補正の準備段階は諸誤差を含む正、余弦波状信号の
サンプリングである。

サンプリングの範囲はメインスリットの１ピツチ。

即ち正、余弦波の一周期であるが、これを例えば４０等
分して、正しい回転角に刻するー・岡の正弦波及び余弦
波の値を実測する。

このため、サブスリットの回転軸に長いレバーを固定し
、その外端を精密な送り機構、たとえばマイクロメータ
ーヘッドで押して微、ｔｌｌｌｆｉｌずつレバーを回転
させる。先述の数値例によるとサブスリツ１−の直径を
８０　＋ｎ　ｍとした場合、スリットの１ピツチは１６
μ（角度換算８０＃）である。レバー長を２００　ｍ　
ｍとすれば、サブスリットが８０秒回転するとレバー外
端は８０μ移動する。この回転角を４０等分するとその
増分２秒に対応するマイクロメーターヘッドの送り量は
２μである。現行のマイクロメーターヘッドにおいてこ
の程度の精度は充分に保証しうるから、正確な回転角に
おける正、余弦波の数値が得られる。なお、サブスリッ
ト回転軸の偏芯誤差は調整されて微小量に抑えているが
、このサンプリング値の実測はメインスリットの円周玉
数箇所で行い、これら実測値の平均を誤差補正に採用す
べきである。

ついで、補正定数の割算方法について述べる。

このようにして実４１すされた余弦波、正弦波を角度χ
の函数としてそｉシぞれＣ（χ）、Ｓ（χ）とすると、 Ｃ（ｚ）＝ａ　Ｈ＋ａ２　ｃｏｓ　（ｚ＋ａ：＋　）　
＋Ｃｎ　（Ｚ）　・・・（ｌ）Ｓ（χ）＝　ｂ　１＋　
ｂ　２　ｓｉｎ　（χ＋ｂ３）＋Ｓｎ（χ）・・・・（
２）で表わされる。ここでａ、１．Ｊは実測波に含まれ
る直流成分、ａ２．ｂ２は振幅、ａ３ｒｂ３は位相誤差
、ｃｎ（χ）、５Ｔｌ（χ）は高調波歪である。

これらの実測値はフーリエ係数ａ。（ｒ＋）　、　ｂｏ
（ｎ）、ａｓ（ｎ）ｌ　ｂｓ（ｎ）を用いて次のように
も表わせる。

ここでａ。Ｃ＋ａＯ５はフーリエＯ火成分である。

またＮの４直は通常５ないし７に選んでよいが、これは
実測される回折光の高調波成分は僅少で歪率が３％以下
であることに依る。

実４１りしたＷ個（たとえばｗ＝４ｏ）のＳｉ（χ）。

Ｃ＋（χ）＋　１＝ｌ、２！、　３．・・・・・・・、
Ｗからフーリエ係数をコンピュータにて計算する手法は
既に公知であるから説明を省略する。

これらフーリエ係数が予め計算されていると、式（１）
及び（２）の係数ａｊ、ｂｉは次のようにめられるＮ＝
１，２．３） ａｌ　＝ａｏＣｌ　ｂｌ　：Ｑｏ　Ｓ　ｒｂ２−（ａ”
　ｓ（り＋ｂ”　５（１）　斧　。

ａ　３　、＝ｔａｎ　−、’　Ｃｂ（：　（１）／　ａ
、Ｈ（１））ｂ　３　＝ｂａｎ−”　［ｂ　ｓ　（１）
／　ａ　ｓ　（１）：ｌ　＝＝（５）以上の計算はすべ
てコンピュータにより予め計算して置き、測角装置内の
メモリーには式（５）の定数を入力する。

以下では図面に従って本発明による測角誤差の補正装置
の一実施例を説明する。

第】図は測角誤差の補正装置の一実施例を示す。

適当な照明光源（図示せず）により照明されたメインス
リッ１−１に極めて近接して対向配置され、メインスリ
ソ１−１の回転軸と同軸上を回転しつるサブスリン１〜
板２３の辺縁部には夫々余弦波用サブスリソ１−２及び
正弦波用サブスリット３が設けられている。これら余弦
波、正弦波用サブスリッ１−２及び３の直後には受光素
子４，５が配置され。

サブスリノ１−２及び３により走査された回折像が光電
変換されて余Ｊｂ１．正弦波信号Ｃ（χ）、Ｓ（χ）を
発生する。メモリー６には式（５）で与えられた定数ａ
＋　ｒ　ｂｌ　（＋＝１＋　２＋　３）が既に記憶され
ている。一対の第１補正器７及び８では定数ａｌ、ａ７
　＋　ｂ、＋　ｂ２を：Ａ　モＩＪ　６　カラ受取りて
次の演算が行われる。

この第１補正器７，８の出力を夫々Ｃ＋（χ）。

Ｓｌ（χ）とすると、 Ｃ＋（１）＝　（Ｃ（Ｚ）　ａ＋）／ａ２　。

Ｓ＋Ｃχ）＝　（Ｓ（χ）ｂ＋）／ｂ２　目・・（６）
となる。式（６）と式（１）及び（２）を比較すると、
Ｃ＋（χ）　：ｃｏｓ　（χ十８３）　。

Ｓｌ　（Ｚ）　＝ｓｉｎ　（Ｚ＋ｂ３）となる。ただし
、ここでは高調波歪ｃ、１（χ）。

ｓｎ（χ）は誤差常数ａｉｒｂ＋に比べて３％以下のご
く僅少凧であり、数秒程度の−Ｉ１１角才ｊ′Ｊ度を保
証するには影響しないことが実験的に確認されている。

したがってここでは高調波歪による誤差補正は行わない
。定数ｔ１算器１１ではメモリー６から定数ａ３ｒｂ３
を受取って定数ａ仕出力する。

ａ＝’、ｃｏｓ（ａ３　））３） 一対の第２補正器９及び１０では第１補正器の出力Ｃ＋
（χ）、Ｓｌ（χ）及びこの定数ａを用いて夫々出力Ｃ
２（χ）、Ｓ２（χ）を与える。

Ｃ２（Ｚ）　”　［Ｓｌ　（Ｚ）　ｓｌｎ　ａ３＋Ｇ＋
　（Ｚ）　ｃｏｓ　ｂ３）／ａ　−（７）Ｓ２　（Ｚ）
　＝　（Ｓｌ　（ｚ）　Ｃｏ５ａ３−ｃ、　（ｚ）　ｓ
ｉｎ　ｂ３）／ａ　−（８）これらの式（７）　、　（
８）　、　（６）　、　（］、）及び（２）を比較する
と式（７）、（８）は夫々正しい余弦波Ｃ２（Ｚ）＝Ｃ
Ｏ８Ｚ。

正弦波Ｓ２（χ）　＝ｓｉｎχを与えることが判明する
。

これら出力Ｃ２（χ）、Ｓ２（χ）は角度８１算器１２
に入力し真の角度Ｚ　”シａｎ−１（Ｓ　２　（Ｚ）／
Ｃ２（χ）〕を出力する。この測角値χは表示器１３に
表示される。

第２図は測角誤差補正装置の各熱出力を示したものであ
る。図の上段は余弦波信号と正弦波信号を同時に示し、
下段はそのリサージュ図形である。

記号（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は夫々受光素子４
，５の出力Ｃ（χ）、Ｓ（χ）；第１補正器７，８の出
力Ｃ１（χ）、Ｓｌ（χ）；第２補正器９，１０の出力
Ｃ２Ｃχ）、Ｓ２（χ）を示している。

誤差補正前の歪んだ楕円が真円に近づく過程が判明する
。

このようにして本発明になる測角補正装置は、予めサン
プリングされた測角値をもとに、フーリエ解析ｄ１算に
よりめられた誤差要因に関する諸定数を測角装置内に記
憶せしめ、誤差を含むＡ１す万位をこＡしら定数により
オンラインで補正して真の８１す万位をめうることが明
白となった。

なお、以」二の説明では高調波歪の補正は無視したが、
更に高精度を要求される測角装置にあってはその補正も
可能である。高調波歪Ｃ７，（χ）。

Ｓη（χ）は真の角度χの函数であるから角度χが不明
の状態である補正前においてはその値がめられない様に
思える。しかし乍らニュー１〜ンの近似解法を駆使して
高速コンピュータにより、ｔｉ近解をめることが出来る
。何故ならば誤差を含む偽の実ａ＋１１角がこの近似解
の初期値になっているからである。しかし廉価かつ小型
化を要求される電子式セオドライトなどの実用的な測角
器においては、このような復雑かつ高速の８１算装置を
実装することは許されない。高調波歪の補正を行わなく
とも前述の理由により実際の測角器では充分な精度が保
証される。

本発明による測角誤差補正装置は測地測置用の測角器の
みならず、ロボットなどの精密な測角センサーとして多
大の用途を期待しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はｄｌす万感差補正装置の一実施例を示す。 第２図は測角誤差補正装置の各部の出力を示したもので
ある。 ■・・・メインスリッ、１〜　２，３・・サブスリット
４．５・・・受光素子　６・・・メモリー７．８・・・
第１補正器　９，１０・・・第２補正器１１　定数′５
１算器　１２・・・角度計算器１３・・・表示器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンコーダーを用いる電子的１１１１角装置に関して、
   既知の誤差定数を基にオンラインで逐次的に角度の実測
   値を補２する手段において、誤差定数を記憶したメモリ
   ーと、正弦波状信号と余弦波状信号を入力して実測値の
   直流成分と振幅誤差とを補正する一対の第１補正器と、
   補助定数に出力する定数計算器と、この定数Ｍ１算器及
   び第１補正器に接続され、実測値の位相誤差を補正する
   一対の第２補正器と、角度側算器と、表示器とから成る
   測角誤差の補正装置。