TWI714072B - 角度檢測器 - Google Patents

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Abstract

本發明是提供一種檢測由旋轉體的旋轉所形成的角度變化量之角度檢測器。該角度檢測器具備：旋轉體，以旋轉軸線為中心來旋轉；刻度尺，沿著相對於旋轉體的旋轉方向之一周而具有複數個刻度；及複數個感測器，沿著一周而配置，各感測器是依據複數個刻度來輸出因應於角度變化量的訊號，輸出訊號包含將複數個刻度當中的1個刻度量設為1個週期1次的基本波成分、以及將基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分，從輸出訊號所算出的角度位移量包含角度誤差成分，前述角度誤差成分是起因於高諧波成分，並且在將1個刻度量設為1個週期1次時具有其整數倍的次數成分，複數個感測器的個數是依據刻度尺的刻度數及角度誤差成分的次數成分來決定。

Description

角度檢測器
發明領域 本發明是有關於一種用於檢測由旋轉體的旋轉運動所形成的角度變化量的角度檢測器。
發明背景 為了檢測由旋轉體的旋轉運動所形成的角度變化量，可使用編碼器、分解器(resolver)、感應同步器(inductosyn)等之角度檢測器。角度檢測器具備：刻度尺，配置有複數個刻度；感測器，讀取該複數個刻度；及控制部，將來自感測器的讀取資訊轉換成旋轉體的角度變化量。刻度尺或感測器的其中一個是安裝於旋轉體上。為了以高解析度的方式來讀取旋轉體的角度變化量，只要將刻度尺的1個刻度的角度間隔縮短即可，但是由於刻度是例如藉由加工來標記的，因此並無法設得無限地細小。更詳細而言，為了測定旋轉體的角度變化量，有下述之方法：以控制部來對依據感測器的讀取資訊之輸出訊號進行數值運算，而將1個刻度分割得較細小。來自角度檢測器所使用的感測器的輸出訊號一般是矩形波或正弦波的形狀，將1個刻度設為1個週期360°，且大多是相位相差90°的2相的訊號。來自感測器的輸出訊號為正弦波訊號的情況下，2相訊號會成為將1個刻度設為1個週期之cosθ、sinθ的形狀。作為分割1個刻度的方法，可列舉例如對2相訊號進行反正切運算的手法(亦即，θ＝tan― -1 (sinθ/cosθ))。在此手法中，可以因應於來自感測器的輸出訊號的振幅之檢測解析度，而提升角度解析度。但是，因為在來自感測器的輸出訊號中，除了理想的1個刻度1個週期的正弦波訊號之外，還包含有高諧波成分的失真，所以不只是旋轉體的真實的角度變化量，還會因應於高諧波成分的失真，而將和真實的角度變化量沒有關係的量也內含而測定。亦即，在由依據指令之旋轉體的旋轉所產生的真實的角度變化量與藉由控制部來轉換來自感測器的輸出訊號而得到之由測定所產生的角度變化量之間，會產生源自高諧波成分的影響之和真實的角度變化量沒有關係的誤差(角度誤差)。為了測定真實的角度變化量及角度誤差，必須將來自感測器的輸出訊號中所包含的高諧波成分的失真去除。
此外，在角度檢測器中，宜將旋轉體的旋轉軸線與刻度尺的中心軸線配置在同軸線上。但是，一般而言，在這些軸線並非完全地一致的情形下，藉由其等的軸線間的偏移(軸線偏心)，在由依據指令之旋轉體的旋轉所產生的真實的角度變化量與藉由控制部來轉換來自感測器的輸出訊號而得到之由測定所產生的角度變化量之間，會產生角度誤差。又，因為刻度尺的刻度是藉由例如加工來刻上的，所以有以下品質的問題：刻度圖案中心與刻度尺的旋轉中心本身偏移之情形、1個刻度的間隔相對於理想值有誤差而在複數個刻度中變得不均等之情形等。除此之外，從角度檢測器本身的檢測精度也伴隨著構成零件的劣化而長期變化之情形等來看，也會因為這些情形而在由旋轉體的旋轉所產生的真實角度變化量與藉由控制部來轉換來自感測器的輸出訊號而得到之由測定所形成的角度變化量之間產生角度誤差。
根據像這樣的問題，在專利文獻1中揭示有檢測並去除相位相差90°的2相正弦波狀訊號中所包含之3次的高諧波成分的失真的方法，在專利文獻2中揭示有檢測並去除相位相差90°的2相正弦波狀訊號中所包含的3次及5次的高諧波成分的失真的方法。
又，在專利文獻3~5中揭示有角度檢測器，前述角度檢測器是在固定於旋轉軸線的刻度盤的周圍，具備複數個第1刻度讀取頭與1個第2刻度讀取頭，並且如下所述地，藉由求出第2刻度讀取頭的角度訊號Ai,1 與各第1刻度讀取頭的角度訊號Ai,j 之差SAi,j 來得到平均值SAVi ，而進行自我校正。在此，i是刻度編號(1~NG 的整數，NG 是刻度的總數)，j是刻度讀取頭編號(1~NH 的整數，NH 是刻度讀取頭的總數)。 [數式1]
Figure 02_image001
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2006-112862號公報 專利文獻2：日本專利特開2008-304249號公報 專利文獻3：日本專利特開2006-98392號公報 專利文獻4：日本專利特開2011-99802號公報 專利文獻5：日本專利特開2011-99804號公報
發明概要 發明欲解決之課題 在專利文獻1、2中，可以檢測並去除起因於感測器之由特定的高諧波成分的失真所造成的電氣上的角度誤差。但是，在來自感測器的輸出訊號中，會因刻度的精度、感測器的特性或方式等而包含有各種的高諧波成分的失真，若只能檢測特定的高諧波成分的失真，並無法對各種感測器統一地去除高諧波成分的失真。例如，因感測器的讀取方式是以光學式與磁性式而使失真的特性完全不同，即使是以磁性式，也會因所讀取的刻度在磁化環或在齒輪而使失真的特性完全不同。又，在使用將來自感測器的輸出訊號放大的放大器等之機器的情況下，也會產生由該等特性所造成之高諧波成分的失真。據此，也有下述情形：即使在某個情況下可以去除高諧波成分的失真，在其他情況下仍然無法去除高諧波成分的失真。
在專利文獻3~5中，角度檢測器可以檢測並去除因旋轉體的旋轉軸線與刻度尺的中心軸線之軸線偏心、刻度尺的品質、角度檢測器的長期變化等而產生的機械上的角度誤差。為了利用此手法而以更高精度的方式來得到旋轉體的角度變化量，雖然將1個刻度的角度間隔縮短之作法、或使用高精度的刻度讀取頭之作法等是有效的，但是較易於導致角度檢測器的高成本化。但是，若為了低成本化而使用刻度的間隔較寬的刻度尺或精度較低的刻度讀取頭，因為會使刻度讀取頭所輸出的訊號所包含之高諧波成分影響電氣上的角度誤差之量變大，並且作為比機械上的角度誤差更具主導性的誤差而顯現，所以無法以高精度的方式來得到旋轉體的角度變化量。
從而，本發明之目的在於提供一種角度檢測器，前述角度檢測器不只能去除起因於感測器之電氣上的角度誤差，還能同時地去除起因於旋轉體的安裝精度、刻度尺的品質、角度檢測器之隨時間的變化等之機械上的角度誤差，而以高精度的方式來得到旋轉體的角度變化量，且可做到低成本化。 用以解決課題之手段
根據本發明的1個觀點，角度檢測器具備：旋轉體，以旋轉軸線為中心來旋轉；刻度尺，沿著相對於旋轉體的旋轉方向之一周而具有複數個刻度；及至少2個感測器，沿著相對於旋轉體的旋轉方向之一周而配置，前述角度檢測器是檢測由旋轉體的旋轉所形成的角度變化量，至少2個感測器的每一個是依據複數個刻度來輸出因應於角度變化量的訊號，輸出訊號包含將複數個刻度當中的1個刻度量設為1個週期1次之基本波成分、以及將基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分，從輸出訊號所算出的角度位移量包含至少1個角度誤差成分，前述角度誤差成分是起因於高諧波成分，並且在將1個刻度量設為1個週期1次時具有其整數倍的次數成分，至少2個感測器的個數是依據刻度尺的刻度數及至少1個角度誤差成分的次數來決定。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，至少1個角度誤差成分為複數個角度誤差成分，至少2個感測器的個數是依據刻度尺的刻度數及複數個角度誤差成分的每一個的次數來決定。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，至少2個感測器的個數是依據下述的整數來決定：無法將刻度尺的刻度數與至少1個角度誤差成分的次數即1以上的整數之積除盡之整數。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，至少2個感測器的個數是進一步依據將刻度尺的刻度數與角度誤差成分的次數之積除以無法除盡的整數時的餘數來決定。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，至少2個感測器的個數是進一步依據因應於下述餘數的大小之加權來決定：將刻度尺的刻度數與角度誤差成分的次數之積除以無法除盡的整數的情況下之餘數。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，在相對於旋轉體的旋轉方向之一周上以大致等間隔的方式設定有和無法除盡的整數一致的數量之感測器配置預定處，並在感測器配置預定處的任一處，將至少2個感測器逐一地配置。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，在感測器配置預定處的相鄰的2處中，將至少2個感測器逐一地配置。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，在感測器配置預定處的每一處中，將至少2個感測器逐一地配置。
根據本發明的一具體例，在角度檢測器中，至少1個角度誤差成分是根據至少2個感測器的種類而不同。
根據本發明的一具體例，角度檢測器是藉由求出來自至少2個感測器當中的1個感測器的輸出訊號及來自其以外的感測器的輸出訊號之間的輸出訊號差，來進行自我校正。 發明效果
根據本發明，角度檢測器可以同時地去除起因於來自感測器的輸出訊號所包含的失真之電氣上的角度誤差、以及起因於旋轉體的安裝精度、刻度尺的品質、角度檢測器之隨時間的變化等之機械上的角度誤差，而以高精度的方式得到旋轉體的角度變化量，又，角度檢測器可以在不以感測器為起因的情形下，統一地且以高精度的方式來得到旋轉體的角度變化量。此外，根據本發明，可以使用低價且精度較低的感測器來大幅地提升旋轉體的角度變化量的精度，而毋須使用以往之高價且精度較高的感測器，且可以達成角度檢測器的低成本化。
再者，本發明之其他目的、特徴及優點，應該能夠從以下有關於附加圖式之本發明的實施例的記載而變得清楚明瞭。
用以實施發明之形態 以下，參照圖式來說明本發明的實施例，但是本發明並非限定於這些實施例之發明。
在圖1A~圖2B中顯示角度檢測器101，前述角度檢測器101具備：旋轉體105，以旋轉軸線108為中心來旋轉；刻度尺102，沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周而具有複數個刻度103；及至少2個感測器201a~201i，沿著旋轉體105的旋轉方向106，配置於感測器配置預定處202a~202i。在此，刻度尺102所具有的刻度103不僅是指例如藉由加工而實際刻在刻度尺102之類的可視覺辨識的刻度，只要是對於感測器201a~201i可以讓其將刻度尺102中的預定的位置間隔作為1個刻度量的間隔來讀取的刻度即可，刻度尺102是配置有複數個像那樣的刻度103的構件。雖然作為角度檢測器101的代表例，有編碼器、分解器、感應同步器等，但是只要可以適用本發明即可，原理並未特別限定。又，感測器201a~201i只要可以讀取刻度尺102的刻度103即可，原理並未特別限定。作為感測器201a~201i，可為例如光學式感測器、磁性式感測器、線圈等。又，刻度尺102只要是可以讓感測器201a~201i讀取刻度103的刻度尺即可，材質、刻度103的配置之方法等並未限定。感測器201a~201i是沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107，亦即沿著整周而配置於感測器配置預定處202a~202i。角度檢測器101是藉由使用沿著旋轉方向106而配置的複數個刻度103，而依據來自感測器201a~201i的輸出訊號來檢測由旋轉體105的旋轉所形成的角度變化量Xp 。感測器201a~201i的每一個是依據複數個刻度103而輸出因應於由旋轉體105的旋轉所形成的角度變化量之訊號204。在此，相鄰的2個刻度103間的寬度，亦即1個刻度的角度間隔104是以X來表示。
在圖1A中顯示有角度檢測器101，前述角度檢測器101是沿著旋轉體105的一周107配置2個感測器201a、201b，來檢測安裝有刻度尺102之沿著旋轉方向106而旋轉的旋轉體105的角度變化量Xp ，在圖1B中顯示有角度檢測器101，前述角度檢測器101是沿著旋轉體105的一周107配置9個感測器201a~201i，來檢測安裝有刻度尺102之沿著旋轉方向106而旋轉的旋轉體105的角度變化量Xp ，在圖2A中顯示有角度檢測器101，前述角度檢測器101是沿著旋轉體105的一周107配置3個感測器201a、201b、201d，來檢測安裝有3個感測器201a、201b、201d之沿著旋轉方向106而旋轉的旋轉體105的角度變化量Xp ，在圖2B中顯示有角度檢測器101，前述角度檢測器101是沿著旋轉體105的一周107配置9個感測器201a~201i，來檢測安裝有9個感測器201a~201i之沿著旋轉方向106而旋轉的旋轉體105的角度變化量Xp 。
如圖3所示，角度檢測器101更具備控制部203，前述控制部203是連接於感測器201a~201i，並且將感測器201a~201i的讀取資訊轉換成旋轉體105的角度變化量Xp 。所轉換的角度變化量Xp 可輸出至顯示裝置211等、或者亦可反饋至驅動旋轉體105的馬達、旋轉體105的控制裝置等。
一般而言，感測器201a~201i可以在產生與刻度尺102的相對運動時，依據所讀取的刻度103與1個刻度的角度間隔104，將複數個刻度103當中的1個刻度設為1個週期1次並輸出因應於角度變化量來變化振幅的輸出訊號204。又，控制部203可以從來自感測器201a~201i的輸出訊號204、以及到某個時間為止所計數的刻度檢測數M，來轉換成旋轉體105的角度變化量Xp 。如圖1A~圖2B所示，藉由刻度尺102與感測器201a~201i之間的相對運動，而在例如可從感測器201a~201i分別輸出如圖5A所示之相位相差90°的2個準正弦波訊號(A相訊號(A(0) )及B相訊號(B(0) ))來作為輸出訊號204的情況下，控制部203會取得藉由感測器201a~201i的每一個所輸出的準正弦波訊號，並且將來自各感測器201a~201i的2個準正弦波訊號當中之相位延遲90°的其中一個準正弦波訊號(B相訊號(B(0) )，除以另一個準正弦波訊(A相訊號(A(0) )，且對已作除法計算的結果進行反正切運算，藉此來分割1個刻度，而如以下地算出旋轉體105的暫定的角度變化量Xp (0) 。 [數式2]
Figure 02_image003
在此，是將θ(0) ＝tan-1 (B(0) /A(0) )進行數值處理，以成為0~2π的範圍。又，刻度檢測數M可在θ(0) ＝tan-1 (B(0) /A(0) )超過0與2π的邊界之時間點上，以增減其計數值等之處理來檢測，且該方法並未限定。如圖1A~圖2B所示，在將刻度尺102或感測器201a~201i安裝於旋轉體105而使其旋轉的情況下，控制部203可以算出作為由旋轉體105的旋轉所形成的角度位移量Xp 。
但是，此算出的暫定的角度變化量Xp (0) 與視為理想之藉由角度檢測器101所應得到的旋轉體105的角度變化量Xpideal 之間會產生誤差(理想上，宜成為Xp =Xpideal )。在指示旋轉指令，以使圖1A~圖2B的旋轉體105等速地旋轉運動而讓旋轉體105的角度變化的情況下，如圖4B所示，在理想上，若假設為旋轉體105可相對於指令值無誤差地進行旋轉運動時，隨著藉由旋轉體105的旋轉運動而增加旋轉體105的角度，從來自感測器201a~201i的輸出訊號204所算出的角度變化量Xp 會線性地增加，而在旋轉體105的角度與理想的角度變化量Xpideal 之間沒有角度誤差。但是，在實際上，從來自感測器201a~201i的輸出訊號204所算出的角度變化量Xp 與理想上的角度變化量Xpideal 之間會產生角度誤差。作為此角度誤差的一個原因，在於下述情形：在已算出的角度變化量Xp 中，在伴隨著旋轉體105的旋轉來檢測複數個刻度103的過程中，會包含因旋轉體105的旋轉軸線108與刻度尺102的中心軸線的軸線偏心、刻度尺102的品質、角度檢測器101的長期變化等而產生之額外的量(稱為機械上的角度誤差)，又，在輸出訊號204中包含有起因於感測器201a~201i的特性之額外的失真(起因於感測器201a~201i的特性之角度誤差稱為電氣上的角度誤差)。更具體而言，此感測器201a~201i所造成之電氣上的角度誤差的原因在於下述情形：來自感測器201a~201i的輸出訊號包含有將複數個刻度103當中的1個刻度量設為1個週期1次的基本波成分、以及將基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分。在於例如下述情形：可從感測器201a~201i分別輸出如圖4A所示之相位相差90°的2個準正弦波訊號(A相訊號(A(0) )及B相訊號(B(0) ))來作為輸出訊號204的情況下，從感測器201a~201i所輸出的2個準正弦波訊號包含有：將複數個刻度103當中的1個刻度量設為1個週期1次之成為理想波的基本波成分cos(θ)、sin(θ)、以及如下所述地將基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分(次數k為2以上的整數時的成分)，而使此感測器201a~201i的高諧波成分如上述[數式2]所示地在反正切運算時對角度變化量Xp 造成影響，而如圖4C所示地產生電氣上的角度誤差。 [數式3]
Figure 02_image005
在此，ak 及bk 是將1個刻度設為1個週期之1次的基本波成分的振幅設為1時之次數k的高諧波成分的增益，φak 及φbk 是次數k的高諧波成分相對於基本波成分的相位差。再者，一般而言，ak 、bk 、φak 、φbk 即使是不同的刻度103仍然不變化、或者即使變化也是較小的差異。再者，ak 、bk 、φak 、φbk 是藉由感測器201a~201i或刻度尺102的特性、檢測原理而決定，例如，若感測器201a~201i為光檢測型感測器，可藉由刻度尺102的刻度圖案的反射、穿透特性或光接收部的靈敏度特性來決定，若感測器201a~201i為半導體磁阻型感測器，可藉由半導體的磁阻特性來決定，又，在使用半導體磁阻型感測器的情況下，若將正齒輪使用於磁性檢測，可藉由齒的形狀特性來決定。如此，輸出訊號204所包含的高諧波成分是根據感測器201a~201i等的種類而不同。再者，較佳的是，感測器201a~201i是輸出包含實質上相同的基本波成分及高諧波成分之輸出訊號204的感測器。例如，感測器201a~201i亦可為相同的種類。
又，如上所述，在角度誤差中不僅包含有起因於感測器201a~201i的特性之電氣上的角度誤差，也包含有起因於旋轉體105的安裝精度、刻度尺102的品質、角度檢測器101之隨時間的變化等之機械上的角度誤差。
於是，為了去除起因於感測器201a~201i的特性之電氣上的角度誤差、以及起因於旋轉體105的安裝精度、刻度尺102的品質、角度檢測器101之隨時間的變化等之機械上的角度誤差，而如上所述，角度檢測器101具備：刻度尺102，沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周而具有複數個刻度103；及至少2個感測器201a~201i，沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周而配置於感測器配置預定處202a~202i，此外，如圖3所示，控制部203具備對來自這些感測器201a~201i的輸出訊號204進行運算處理的訊號處理部209。
再者，控制部203亦可具備：輸入部205，用於在訊號處理部209所進行之輸出訊號204的運算處理之前，取得輸出訊號204；雜訊濾波器206，去除輸出訊號204的雜訊；放大器207，將輸出訊號204放大；及A/D轉換器208，將輸出訊號204從類比值轉換成數位值。已轉換成數位值的輸出訊號204是輸出至訊號處理部209。又，控制部203亦可具備有進行由訊號處理部209所進行之資料的寫入/讀出的儲存部210。訊號處理部209在輸出訊號204為相位不同之2相的訊號之情況下，亦可以調整2相間的振幅、偏移、相位差。再者，只要即使在不調整的情況下仍使各感測器的訊號特性為相同等級，即可考慮為這些值是成為幾乎相同，且可以藉由本發明來去除電氣上的角度誤差。
可以藉由將來自感測器201a~201i的輸出訊號204當中的1個設為基準感測器(例如感測器201a)，並且求出來自基準感測器的輸出訊號204、與其以外的各感測器(例如感測器201b~201i)的輸出訊號204之間的輸出訊號差，而得到所求出之針對與其以外的感測器的輸出訊號差之平均值，而得到用於去除機械上的角度誤差之校正值。可以藉由將此校正值對所算出之旋轉體105的暫定的角度變化量Xp (0) 進行加減，來檢測真實的角度變化量Xp ，角度檢測器101可針對機械上的角度誤差來進行自我校正。但是，只是單純地將感測器201a~201i沿著旋轉體105的旋轉方向106來配置，並無法去除電氣上的角度誤差。這是因為：如上所述，感測器201a~201i的每一個的輸出訊號204包含將複數個刻度103當中的1個刻度量設為1個週期1次之基本波成分、以及將基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分，且從輸出訊號204所算出之暫定的角度位移量Xp (0) 包含有至少1個角度誤差成分，前述角度誤差成分是起因於輸出訊號204的1個以上的高諧波成分，並且在將刻度103之1個刻度量設為1個週期1次時具有其整數倍的次數成分。
為了去除起因於感測器201a~201i的特性之電氣上的角度誤差，必須依據沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107的刻度尺102的刻度數N、及起因於來自感測器201a~201i的輸出訊號204所包含的高諧波成分之1個刻度中的角度誤差成分的次數p，來適當地選擇沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107而配置的感測器201a~201i的個數。在此，角度誤差成分的次數是指角度誤差成分所具有的次數，若將刻度103的1個刻度量設為1個週期1次，角度誤差成分的次數為其整數倍。例如，如圖1A~圖2B所示，在刻度尺102的刻度數為32，且起因於輸出訊號204所包含的高諧波成分之1個刻度中的角度誤差成分的次數為p的情況下，是依據刻度尺102的刻度數32及角度誤差成分的次數p，來選擇沿著一周107而配置的感測器201a~201i的個數。再者，角度誤差成分的次數p亦可藉由推定來估計，亦可由算出刻度尺102的一周中的角度誤差成分之結果來決定。作為參考，電氣上的角度誤差顯著地出現的角度誤差成分的次數p大多為5以下。或者，亦可在事前從來自感測器201a~201i的輸出訊號204提取高諧波成分，來決定必須去除的角度誤差成分的次數p。又，如圖3所示，來自感測器201a~201i的輸出訊號204透過輸入部205、雜訊濾波器206、放大器207、A/D轉換器208等而輸入訊號處理部209的情況下，亦可提取輸入至訊號處理部209的訊號所包含的高諧波成分，並且依據必須去除的角度誤差成分的次數p來適當地選擇感測器201a~201i的個數。
又，從輸出訊號204所算出之暫定的角度變化量Xp (0) 包含有複數個角度誤差成分，前述複數個角度誤差成分是起因於輸出訊號204所包含的1個以上的高諧波成分，且在將刻度103的1個刻度量設為1個週期1次時，分別具有其整數倍的次數成分，且角度誤差成分亦可為複數個角度誤差成分。感測器201a~201i的個數，必須依據刻度尺102的刻度數N、及該複數個角度誤差成分的每一個的次數，來適當地選擇沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107而配置的感測器201a~201i的個數。例如，起因於輸出訊號204之1個以上的高諧波成分，並從輸出訊號204所算出之暫定的角度變化量Xp (0) 包含有次數p=1、p=2之2個角度誤差成分，在如圖1A~圖2B的情況下，是依據刻度尺102的刻度數32、及2個角度誤差成分的次數p=1與p=2，來選擇沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107而配置的感測器201a~201i的個數。
感測器201a~201i的個數亦可依據下述整數來決定：無法將刻度尺102的刻度數N與1個刻度中的角度誤差成分的次數p之積除盡的整數。亦即，雖然角度誤差成分的具體的大小等，是相對於旋轉體105的一周而只將刻度數以刻度的各個的個體差來出現，但是因為在1個刻度中產生的角度誤差成分的次數p在任意一個刻度中都是相同的，所以刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差亦可呈現為次數Np =N(刻度尺102的刻度數)×p(1個刻度中的角度誤差成分的次數)，而依據無法將次數Np 除盡的整數來決定感測器201a~201i的個數。藉此，感測器201a~201i即可以分別輸出相位不同的輸出訊號204。亦即，藉由感測器201a~201i的每一個而輸出的輸出訊號204所包含的基本波成分及高諧波成分的相位是因各感測器201a~201i而不同。
具體而言，是藉由相對於刻度尺102所具有的刻度103的刻度數N即256，而設想為假設起因於輸出訊號204的高諧波成分而在暫定的角度變化量Xp (0) 中包含在1個刻度中具有次數p(1~10)的成分之角度誤差成分來乘以次數p，而求出刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差之次數Np ，並且對將該次數Np 可用作為感測器配置預定處數量的整數(5~9)來除盡的情況以×作出判定，且對無法除盡的情況以○作出判定，並將前述判定的結果顯示於圖5A。○的數量較多的感測器配置預定處數量可以去除較多的次數p的成分所造成之電氣上的角度誤差。在圖5A的情況下，整數為7或9的情況下，亦即感測器配置預定處數量為7或9的情況下○的數量為9，可以去除較多的次數p的成分所造成之電氣上的角度誤差，而將感測器201a~201i配置於7個或9個感測器配置預定處202a~202i之任一處。另一方面，整數為8的情況下，亦即感測器配置預定處數量為8的情況下○的數量為0，而完全無法去除電氣上的角度誤差。再者，圖5A僅為一例，對於刻度尺102所具有的刻度103的刻度數、感測器配置預定處數量並未特別具有上下限。
如圖1A、圖2A所示，感測器配置預定處202a~202i是以沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107而大致等間隔的方式，且藉由和無法將刻度尺102的一周中之電氣上的角度誤差的次數Np 除盡的整數一致的數來設定。如圖5A所示，刻度尺102的刻度數N為256的情況下，可以將感測器配置預定處202a~202i的個數設為7或9，並且將7個或9個感測器配置預定處202a~202i沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107來設定為大致等間隔。在圖1A、圖2A中，是沿著相對於旋轉體105的旋轉方向106之一周107，而設定有9個感測器配置預定處202a~202i。並且，感測器201a~201i是配置在感測器配置預定處202a~202i的任一處。在圖1A中，是在9個感測器配置預定處202a~202i當中的2處(202a、202b)配置有感測器201a、201b，在圖2A中，雖然是在9個感測器配置預定處202a~202i當中的3處(202a、202b、202d)配置有感測器201a、201b、201d，但是在感測器配置預定處202a~202i的哪一處配置有感測器202a~202i並未限定。例如，亦可如圖1A所示，在感測器配置預定處202a~202i當中的相鄰的2個感測器配置預定處202a、202b分別逐一地配置感測器201a、201b，亦可如圖1B、圖2B所示，在感測器配置預定處202a~202i的每一個分別逐一地配置感測器201a~201i。
電氣上的角度誤差是呈現為次數Np =N(刻度尺102的刻度數)×p(1個刻度中的角度誤差成分的次數)，一般而言因為N與p為整數，所以Np 也會成為整數。但是，當實際上刻度尺102的1個刻度的間隔在複數個刻度103中為不均一，且起因於此點等而對角度誤差將旋轉體105的一周設為1個週期1次來進行傅利葉轉換而執行時，頻譜強度會在整數的次數之附近以山形方式產生(例如，在次數為3的頻譜強度的附近包含有2.9次、3.1次等之具有小數點的次數之頻譜強度)。據此，因為在將刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差之次數Np 除以設為感測器配置預定處數量的整數的情況下，該情況下的餘數(尾數)之數越大，能夠去除之電氣上的角度誤差的次數Np 之數變得越多，所以亦可依據該餘數來決定感測器201a~201i的個數。
具體而言，和圖5A同樣地，藉由相對於刻度尺102所具有的刻度103的刻度數N即256，而設想為假設起因於輸出訊號204的高諧波成分而在暫定的角度變化量Xp (0) 中包含在1個刻度中具有次數p(1~10)的成分之角度誤差成分來乘以次數p，而求出刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差之次數Np ，並且將該次數Np 除以設為感測器配置預定處數量的整數(5~9)的情況下，例如，將餘數小於0.3的情況設為×，將餘數為0.3以上且小於0.7的情況設為○，將餘數為0.7以上的情況設為◎，並且因應於餘數的大小來進行加權(例如，×為0分、○為1分、◎為2分)，將判定出總得分較多的感測器配置預定處數量的結果顯示於圖5B。總得分較高者可以去除較多的次數p的成分所造成之電氣上的角度誤差。在圖5B的情況下，整數為7或9的情況下，亦即感測器配置預定處數量為7或9的情況下總得分為9分，可以去除較多的次數p的成分所造成之電氣上的角度誤差，如圖1A~圖2B所示，可將感測器201a~201i配置於9個感測器配置預定處202a~202i之任一處。如此，亦可因應於下述情況之餘數的大小來進行加權，而依據各次數的加權來決定感測器201a~201i的個數：將刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差之次數Np 除以設為感測器配置預定處數量的整數之情況。又，起因於輸出訊號204的高諧波成分之1個刻度中的角度誤差成分包含2次及4次之次數成分的情況下，只要以已在p=2、p=4判定為◎，而將感測器配置預定處數量選定為9，即可以去除2次及4次的電氣上的角度誤差，並且如圖1A~圖2B所示，可將感測器201a~201i配置於9個感測器配置預定處202a~202i之任一處。如此，亦可依據因應於下述情況之餘數的大小之加權來決定感測器201a~201i的個數：將刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差的次數Np 除以設為感測器配置預定處數量的整數之情況。
又，亦可先決定感測器配置預定處數量，再選定刻度尺102所具有的刻度103之刻度數N。具體而言，是將感測器配置預定處數量設為5，並對於刻度尺102所具有的刻度103的刻度數N即254~259，設想為假設因輸出訊號204的高諧波成分而在暫定的角度變化量Xp (0) 中包含有1個刻度中具有次數p(1~10)的成分之角度誤差成分來乘以次數p，藉此求出刻度尺102的一周中的電氣上的角度誤差之次數Np ，並將該次數Np 除以感測器配置預定處數量5，在此情況下，例如，將餘數小於0.3的情況設為×，將餘數為0.3以上且小於0.7的情況設為○，將餘數為0.7以上的情況設為◎，並且因應於餘數的大小來進行加權(例如，×為0分、○為1分、◎為2分)，而將對刻度尺102的一周中的刻度數N進行判定的結果顯示於圖5C。總得分較高者可以去除較多的次數p之電氣上的角度誤差。在圖5C的情況下，除了刻度尺102的一周中的刻度數N為255的情況之外，可以去除幾乎同等數量的次數p之電氣上的角度誤差，並將感測器201a~201e配置於5個感測器配置預定處202a~202e之任一處。再者，針對刻度尺102的一周中的刻度數N之判定結果，具有感測器配置預定處數量的重複性。例如，在將感測器配置預定處數量設為5的情況下之判定結果，與在刻度尺102的一周中的刻度數N為254±(5×整數倍)的情況下是相同的(在圖5C中，在254與259的情況下是成為相同的判定結果)。如此，可以在不受到刻度尺102的一周中的刻度數N之大小影響的情況下，得到具有感測器配置預定處數量之重複性的判定結果。
如上述進行，可得到刻度尺102所具有的刻度103的刻度數N、從輸出訊號204所包含的高諧波成分所推定或事前確認的角度誤差成分的次數p、感測器配置預定處數量，且如圖1A~圖2B所示，將感測器201a~201i配置於感測器配置預定處202a~202i，將來自感測器201a~201i的輸出訊號204當中的1個設為基準感測器(例如感測器201a)，並且求出來自基準感測器的輸出訊號204、與其以外的各感測器(例如感測器201b~201i)的輸出訊號204之間的輸出訊號差，而得到所求出之針對與其以外的感測器的輸出訊號差之平均值，藉此可以得到不僅用於去除機械上的角度誤差也去除電氣上的角度誤差之校正值。可以藉由將此校正值對所算出之旋轉體105的暫定的角度變化量Xp (0) 進行加減，來檢測真實的角度變化量Xp ，角度檢測器101可針對包含機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差之角度誤差來進行自我校正。校正後的角度變化量Xp 亦可設為角度檢測器101的檢測值，亦可反饋至驅動旋轉體105的馬達、旋轉體105的控制裝置等，而作為參照角度來使用。此校正值亦可在每當旋轉體105旋轉而將來自感測器201a~201i的輸出訊號204輸入至訊號處理部209時進行運算，亦可事前針對旋轉體105的1周量以訊號處理部209來運算此校正值，並且作為補正表來保存於儲存部210，並於旋轉體105旋轉時，從儲存部210讀出此校正值。
在圖6A~圖6C中分別顯示：僅依據來自圖1B的角度檢測器101的感測器201a之輸出訊號204而藉由訊號處理部209所算出之將包含機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差之角度誤差去除前的相對於旋轉體105的指令角度之角度誤差、將其一部分放大之相對於旋轉體105的1個刻度中的指令角度之角度誤差、對於將旋轉體105的一周設為1個週期1次的角度誤差執行傅利葉轉換而得到的頻譜強度。相對於指令角度，而由週期較長(次數較小)的成分所形成的角度誤差為由機械上的角度誤差所形成的誤差，根據圖6A，在此角度檢測器101中，機械上的角度誤差是以將旋轉體105的一周設為1個週期1次的角度誤差作為主成分而為大約180arcsec之寬度。再者，圖6A是將所測定出的0~360deg的範圍當中的僅0~180deg的範圍抽取出的測定結果。相對於指令角度，由週期較短(次數較大)的成分所形成的角度誤差為由電氣上的角度誤差所形成的誤差，根據圖6B，電氣上的角度誤差的次數是以1024次(1個刻度中的次數p=4次)所形成的角度誤差作為主成分而為大約為20arcsec的寬度，由於刻度尺102的全部刻度數量為256，因此1個刻度的角度間隔104為1.406deg，因此電氣上的角度誤差即大約20arcsec是大約相當於其0.4%。根據圖6C可得知，角度誤差的次數成分為256次(1個刻度1次)、768次(1個刻度3次)、1024次(1個刻度4次)的頻譜強度較大，且角度誤差的次數成分為1024次(1個刻度4次)的頻譜強度特別地顯著。
接著，在圖7A~圖7C中分別顯示：僅依據來自圖1B的角度檢測器101的感測器201a~201i之輸出訊號204而藉由訊號處理部209所算出之將包含機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差之角度誤差去除後的相對於旋轉體105的指令角度之角度誤差、將其一部分放大之相對於旋轉體105的1個刻度中的指令角度之角度誤差、對於將旋轉體105的一周設為1個週期1次的角度誤差執行傅利葉轉換而得到的頻譜強度。由於感測器配置預定處數量(感測器配置數量)為9，因此可以去除無法以9除盡的次數Np 之包含機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差之角度誤差，根據圖7A，可以將以無法以9除盡的1次作為主成分之機械上的角度誤差，減少至大約45arcsec的寬度。再者，圖7A是將所測定出的0~360deg的範圍當中的僅0~180deg的範圍抽取出的測定結果。根據圖7B，可以將以無法以9除盡的1024次作為主成分之電氣上的角度誤差，減少至大約5arcsec(相對於1個刻度的角度間隔104即1.406deg而為大約0.1%)的寬度。如此，可以將包含機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差之角度誤差減少至大約1/4。根據圖7C，可以使角度誤差的次數成分為256次(1個刻度中的次數p=1次)、768次(1個刻度3次)、1024次(1個刻度4次)的頻譜強度大幅地減少。又，在圖7A中，可得知在旋轉體105的指令角度180deg中產生的10個山形成分(將旋轉體105的一周設為1個週期1次而為20次成分)，是起因於所使用的旋轉體105的機構特性之角度誤差，圖7A~圖7C顯示有以下情形：藉由使用本發明，可從由輸出訊號204所算出之暫定的角度變化量Xp (0) 去除機械上的角度誤差及電氣上的角度誤差，並且能以更高精度的方式來檢測旋轉體105的真實的旋轉角度量Xp 與角度誤差。
上述記載雖然是針對特定的實施例所作的記載，但本發明並不受其限制，在本發明的原理及隨附的專利申請範圍的範圍內，可以進行各種變更及修正，這對所屬技術領域的通常知識者來說是很清楚的事。
101‧‧‧角度檢測器 102‧‧‧刻度尺 103‧‧‧刻度 104‧‧‧1個刻度的角度間隔 105‧‧‧旋轉體 106‧‧‧旋轉方向 107‧‧‧一周 108‧‧‧旋轉軸線 201a、201b、201c、201d、201e、201f、201g、201h、201i‧‧‧感測器 202a、202b、202c、202d、202e、202f、202g、202h、202i‧‧‧感測器配置預定處 203‧‧‧控制部 204‧‧‧輸出訊號 205‧‧‧輸入部 206‧‧‧雜訊濾波器 207‧‧‧放大器 208‧‧‧A/D轉換器 209‧‧‧訊號處理部 210‧‧‧儲存部 211‧‧‧顯示裝置
圖1A是顯示作為本發明的一實施形態之角度檢測器的概略圖，前述角度檢測器是檢測安裝有刻度尺之旋轉體的角度變化量。 圖1B是顯示作為本發明的其他實施形態之角度檢測器的概略圖，前述角度檢測器是檢測安裝有刻度尺之旋轉體的角度變化量。 圖2A是顯示作為本發明的其他實施形態之角度檢測器的概略圖，前述角度檢測器是檢測安裝有至少2個感測器之旋轉體的角度變化量。 圖2B是顯示作為本發明的其他實施形態之角度檢測器的概略圖，前述角度檢測器是檢測安裝有至少2個感測器之旋轉體的角度變化量。 圖3是圖1A~圖2B的角度檢測器之控制部的概略圖。 圖4A是顯示感測器已檢測出1個刻度中的位置時所輸出的準正弦波訊號。 圖4B是顯示藉由圖4A的準正弦波訊號所算出之相對於1個刻度中的位置的測定角度與理想角度。 圖4C是顯示藉由圖4A的準正弦波訊號所算出之相對於1個刻度中的位置的測定角度與理想角度之間的角度誤差。 圖5A是顯示將刻度數設為一定，並依據將刻度尺一周的角度誤差次數除以感測器配置預定處數量而能除盡/無法除盡來進行判定的結果之表。 圖5B是顯示將刻度數設為一定，並依據與將刻度尺一周的角度誤差次數除以感測器配置預定處數量的情形下的餘數的大小相應的加權來進行判定的結果之表。 圖5C是顯示將感測器配置預定處數量設為一定，並依據與將刻度尺一周的角度誤差次數除以感測器配置預定處數量的情況下的餘數的大小相應的加權來進行判定的結果之表。 圖6A是顯示將由感測器所造成的電氣上的角度誤差與由旋轉體的安裝精度等所造成的機械上的角度誤差去除前之相對於旋轉體的指令角度之角度誤差。 圖6B是將旋轉體的指令角度換算成刻度的情況之圖6A的一部分的放大圖。 圖6C是顯示藉由對將旋轉體的一周設為1個週期1次的角度誤差執行傅利葉轉換而得到的頻譜強度，其中前述旋轉體是將由感測器所造成的電氣上的角度誤差與由旋轉體的安裝精度等所造成的機械上的角度誤差去除前的旋轉體。 圖7A是顯示將由感測器所造成的電氣上的角度誤差與由旋轉體的安裝精度等所造成的機械上的角度誤差去除後之相對於旋轉體的指令角度之角度誤差。 圖7B是將旋轉體的指令角度換算成刻度的情況之圖7A的一部分的放大圖。 圖7C是顯示藉由對將旋轉體的一周設為1個週期1次的角度誤差執行傅利葉轉換而得到的頻譜強度，其中前述旋轉體是將由感測器所造成的電氣上的角度誤差與由旋轉體的安裝精度等所造成的機械上的角度誤差去除後的旋轉體。
101‧‧‧角度檢測器
102‧‧‧刻度尺
103‧‧‧刻度
104‧‧‧1個刻度的角度間隔
105‧‧‧旋轉體
106‧‧‧旋轉方向
107‧‧‧一周
108‧‧‧旋轉軸線
201a、201b‧‧‧感測器
202a、202b、202c、202d、202e、202f、202g、202h、202i‧‧‧感測器配置預定處
203‧‧‧控制部

Claims (8)

  1. 一種角度檢測器，具備：旋轉體，以旋轉軸線為中心來旋轉；刻度尺，沿著相對於前述旋轉體的旋轉方向之一周而具有複數個刻度；及至少2個感測器，沿著前述一周而配置，前述角度檢測器是檢測由前述旋轉體的旋轉所形成的角度變化量，前述至少2個感測器的每一個是依據前述複數個刻度來輸出因應於前述角度變化量的訊號，前述輸出訊號包含：將前述複數個刻度當中的1個刻度量設為1個週期1次之基本波成分、以及將前述基本波成分的2以上的整數倍設為次數之高諧波成分，從前述輸出訊號所算出的前述角度位移量包含至少1個角度誤差成分，前述角度誤差成分是起因於前述高諧波成分，並且在將1個刻度量設為1個週期1次時具有其整數倍的次數成分，前述至少2個感測器的個數是依據下述的整數來決定：前述刻度尺的刻度數及前述至少1個角度誤差成分的次數成分即1以上的整數之積除盡之整數，且進一步依據將前述積除以前述無法除盡的整數時的餘數來決定。
  2. 如請求項1之角度檢測器，其中前述至少1個角度誤差成分為複數個角度誤差成分，前述至少2個感測器的個數是依據前述刻度尺的刻度數及前述複數個角度誤差成分的每一個的次數成分來決定。
  3. 如請求項1之角度檢測器，其中前述至 少2個感測器的個數是進一步依據因應於前述餘數的大小之加權來決定。
  4. 如請求項1之角度檢測器，其中沿著前述一周以大致等間隔的方式設定有和前述無法除盡的整數一致的數量之感測器配置預定處，並在前述感測器配置預定處的任一處，將前述至少2個感測器逐一地配置。
  5. 如請求項4之角度檢測器，其中在前述感測器配置預定處的相鄰的2處中，將前述至少2個感測器逐一地配置。
  6. 如請求項4之角度檢測器，其中在前述感測器配置預定處的每一處中，將前述至少2個感測器逐一地配置。
  7. 如請求項1之角度檢測器，其中前述至少1個角度誤差成分是根據前述至少2個感測器的種類而不同。
  8. 如請求項1之角度檢測器，其是藉由求出來自前述至少2個感測器當中的1個感測器的輸出訊號及來自其以外的感測器的輸出訊號之間的輸出訊號差，來進行自我校正。
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