(57)【要約】【課題】コストおよび正確な計測の点で有利な信号処理装置を提供する。【解決手段】モータによる物体の運動に伴ってスケールを介して得られる周期信号を処理する信号処理装置１４０であって、周期信号の位相に基づいて、物体の回転角度または位置を得る処理部１４２を含み、処理部１４２は、回転角度または位置、モータへの指令信号Ｉｒｅｆ、およびモータの伝達特性に基づいて、回転角度または位置の予測値を得、予測値とそれに対応する周期信号の位相とに基づいて、回転角度または位置を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータによる物体の運動に伴ってスケールを介して得られる周期信号を処理する信号処理装置であって、
前記周期信号の位相に基づいて、前記物体の回転角度または位置を得る処理部を含み、
前記処理部は、
前記回転角度または位置、前記モータへの指令信号、および前記モータの伝達特性に基づいて、前記回転角度または位置の予測値を得、
前記予測値とそれに対応する前記周期信号の位相とに基づいて、前記回転角度または位置を得る、
ことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記処理部は、
前記予測値から算出される位相と前記予測値に対応する前記周期信号の位相との差が許容範囲内に収まるかの判定を行い、該判定の結果に基づいて、前記伝達特性を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記処理部は、前記予測値を得るためのカルマンフィルタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記処理部は、前記予測値から、それに対応する前記周期信号の位相を減算して得られる値に基づいて、前記回転角度または位置を得ることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記周期信号は、互いに位相の異なる複数の周期信号を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記伝達特性は、伝達関数を含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項７】
モータによる物体の運動に伴ってスケールを介して得られる周期信号を出力する出力部と、
前記周期信号を処理する請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の信号処理装置と、
を含むことを特徴とする計測装置。
【請求項８】
前記出力部は、前記周期信号をデジタル信号として出力することを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
物体の運動を生じさせるモータと、
請求項７または８に記載の計測装置と、
前記計測装置の計測結果に基づいて前記モータを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする産業機械。
【請求項１０】
前記物体としてミラーを含むことを特徴とする請求項９に記載の産業機械。
【請求項１１】
前記物体としてロボットを含むことを特徴とする請求項９に記載の産業機械。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のうちいずれか１項に記載の産業機械を用いて物体を処理して物品を製造することを特徴とする物品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，信号処理装置、計測装置、産業機械、および物品製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置（ガルバノミラー装置）やロボットなどの産業機械に含まれるモータは、ロータリーエンコーダを用いて計測されたモータの回転角度に基づいて制御されうる。ロータリーエンコーダとして、例えば、光学式のインクリメンタルエンコーダが用いられうる。一般的に、当該エンコーダを用いたモータの回転角度の計測は、エンコーダ・ヘッドの出力信号を２値化して得られるパルスを計数する必要がある。コストの面から、２値化および計数を行う回路を省略した信号処理装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４０９８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の信号処理装置は、短期間ではモータが等速回転しているとみなせることを利用している。しかしながら、上記のような産業機械では、例えば、大きな加速度をもってモータを回転させること等により、モータの回転速度を一定とみなせない場合があり得る。このような場合、特許文献１の信号処理装置では、正確な計測が困難となりうる。
【０００５】
本発明は、例えば、コストおよび正確な計測の点で有利な信号処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、モータによる物体の運動に伴ってスケールを介して得られる周期信号を処理する信号処理装置であって、周期信号の位相に基づいて、物体の回転角度または位置を得る処理部を含み、処理部は、回転角度または位置、モータへの指令信号、およびモータの伝達特性に基づいて、回転角度または位置の予測値を得、予測値とそれに対応する周期信号の位相とに基づいて、回転角度または位置を得る、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、コストおよび正確な計測の点で有利な信号処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】フィードバック制御部とガルバノ装置との関係を示すブロック図である。
【図３】第２実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】産業機械の一例としてのレーザ加工装置の構成例を示す図である。
【図５】産業機械の一例としての６軸アーム型ロボットの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置（駆動装置）の構成を示すブロック図である。ガルバノ装置１００は、モータ１１０と、エンコーダ１２０と、電流アンプ１３０と、信号処理装置１４０と、モータ１１０により回転される物体（例えば、ミラー）を含む。ガルバノ装置１００は、モータ１１０の回転角度または位置、すなわちモータ１１０により回転される物体の回転角度または位置を計測する計測装置でもありうる。以下の説明において、モータ１１０の回転角度に関する記載は、モータ１１０の位置、モータ１１０により回転される物体の回転角度または位置に関する記載と置き換えうる。信号処理装置１４０は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部１４１と、処理部１４２と、を含む。なお、Ａ／Ｄ変換部１４１は、エンコーダ１２０に含まれてもよい。図２は、フィードバック制御部２００とガルバノ装置１００との関係を示すブロック図である。フィードバック制御部２００は、所定の時間間隔（所定のタイミング）で信号処理装置１４０により算出されたモータ１１０の回転角度ｙと目標回転角度とが一致するようにフィードバック制御をしている。
【００１１】
電流アンプ１３０には、図２で示すフィードバック制御部２００から電流指令Ｉｒｅｆが入力される。電流指令Ｉｒｅｆは、モータ１１０の回転を指令する指令信号である。電流アンプ１３０は電流指令Ｉｒｅｆに基づいてモータ１１０に電流を流す。モータ１１０は、電流に応じて発生するトルクで回転する。エンコーダ１２０は、モータ１１０の回転角度θを検出する検出部である。エンコーダ１２０は、例えば、互いに９０度位相の異なる周期信号に対応するアナログ信号のＡ相信号およびＢ相信号をＡ／Ｄ変換部１４１へ出力する。例えば、Ａ相信号はＳｉｎ波信号であり、Ｂ相信号はＣｏｓ波信号でありうる。位相のずれは９０度に限らず、信号の数も２つに限らない。
【００１２】
本実施形態では、エンコーダ１２０として透過型の光学式のエンコーダを用いうる。エンコーダ１２０は、光が透過するスリットが設けられたスケールを有し、スケールはモータ１１０の回転軸を中心に回転する。回転中に、スケールに発光素子から光を照射し、スリットから透過した光を受光素子で検知する。互いに９０度位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号は、例えば、受光素子の配置をずらすことで得られる。
【００１３】
Ａ／Ｄ変換部１４１は、Ａ相信号およびＢ相信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、処理部１４２へ出力する出力部である。処理部１４２は、デジタル信号に変換されたＡ相信号とＢ相信号との比のアークタンジェント値、すなわち、ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）を計算する。
【００１４】
一方、電流指令値Ｉｒｅｆは、処理部１４２にも入力される。処理部１４２は、電流指令値Ｉｒｅｆ、および信号処理装置１４０が前回出力したモータ１１０の回転角度ｙに基づいてカルマンフィルタによりモータ１１０の回転角度の予測値である予測角度ｙ´を求める。カルマンフィルタは、モータ１１０の動特性をモデル化した動特性モデルを考慮している。モータ１１０の動特性とは、例えば、モータ１１０を所定の回転数にするための電流指令値Ｉｒｅｆに対し、モータ１１０がどの程度の遅れ時間をもって所定の回転数に達するのかという、モータ１１０の入力電流に対する応答特性（伝達特性ともいう。）を意味する。カルマンフィルタが用いる回転角度ｙは、処理部１４２が前回算出した回転角度であり、モータ１１０の駆動開始後初めて予測角度ｙ´を算出する場合は、回転角度ｙをゼロとして予測角度ｙ´を算出する。
【００１５】
カルマンフィルタについて説明する。モータ１１０の動特性モデル（伝達関数）Ｐ（ｓ）は、
【数１】
2018115912.tif 000003
で表される。ここで、ｓはラプラス演算子、ｋ０は定数である。
離散時間カルマンフィルタを適用するために、上式を離散化し、システム雑音、観測雑音を考慮した状態方程式は次式のように示される。
【数２】
2018115912.tif 000004
υ（ｋ）はシステム雑音、ω（ｋ）は観測雑音である。
また、事前状態推定値は
【数３】
2018115912.tif 000005
事前誤差共分散行列は、
【数４】
2018115912.tif 000006
カルマンゲインは、
【数５】
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状態推定値は、
【数６】
2018115912.tif 000008
事後誤差共分散行列は、
【数７】
2018115912.tif 000009
となる。システム雑音の標準偏差をσｖ、観測雑音の標準偏差をσωとする。ここで、本実施形態において、入力ｕ（ｋ）は、電流指令値Ｉｒｅｆであり、事前状態推定値は予測角度ｙ´に相当する。また、観測値ｙは回転角度ｙに相当する。
【００１６】
光学式のエンコーダを用いた回転角度の計測では、ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）で求めた位相とＡ相信号およびＢ相信号のうちいずれか一方の位相のアップダウンのカウント値から求めた位相とを加算することで回転角度を得る。なお、カウント値をスケールに設けられたスリット数Ｋで除算し、その結果に２πを乗算することでカウント値から位相が求められる。本実施形態では、信号のアップダウンを計数する計数部や、信号を２値化する手段を用いずにカウント値の推定値（以下、カウント推定値という。）を求める。
【００１７】
カウント推定値ｎは、つぎのように求められる。まず、デジタル信号に変換されたＡ相信号およびＢ相信号に基づいて算出された逆正接ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）、すなわち実測値を予測角度ｙ´から減算する。この減算結果を２／πを乗算し単位変換したのち、ｒｏｕｎｄ関数により整数値に近似し、π／２を乗算してカウント推定値ｎが得られる。この近似は、減算結果に、動特性のモデル化誤差や電気ノイズなどの外乱の影響を除くために行われる。また、本実施形態では、π／２ごとにアップカウントおよびダウンカウントをしている。
【００１８】
カウント推定値ｎをスリット数Ｋで除算し、２πを乗算した結果と逆正接ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）と加算することでモータ１１０の回転角度ｙが得られる。得られた回転角度ｙは、カルマンフィルタに入力され、次の電流指令Ｉｒｅｆによる回転角度ｙの算出に用いられる。カウント値の推定のために必要な要素は、電流指令値Ｉｒｅｆ、モータ１１０の動特性モデル、逆正接ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）の実測値、前回求めたモータ１１０の回転角度ｙであり、モータの回転速度を等速と仮定することは不要である。
【００１９】
以上のように、本実施形態の処理部１４２によれば、モータ１１０が加減速しても、計数部および２値化手段を削減して、モータ１１０の回転角度を精度よく検出することができる。
【００２０】
（第２実施形態）
第１実施形態において、ｒｏｕｎｄ関数を用いてカウント値を近似していたが、動特性のモデル化誤差や電気ノイズなどの外乱の大きさによっては、近似値の誤差が大きくなりうる。本実施形態では、近似値の誤差が大きいか否かを判定する構成を含む。図３は、本実施形態に係る信号処理装置を含むガルバノ装置の構成を示すブロック図である。第１実施形態と同様の構成には、同じ符号をつけて説明は省略する。
【００２１】
本実施形態に係る信号処理装置２４０の演算部２４２は、第１実施形態の処理部１４２の構成に加えて更に、エンコーダモデル２４３、Ａ相比較部２４４およびＢ相比較部２４５を有する。エンコーダモデル２４３は、カルマンフィルタが出力した予測角度ｙ´に基づいて、Ａ相信号およびＢ相信号を推定した推定信号を出力する。Ａ相比較部２４４は、推定されたＡ相信号と、Ａ／Ｄ変換部１４１から出力されたＡ相信号とを比較する。Ｂ相比較部２４５も同様に、推定されたＢ相信号と、Ａ／Ｄ変換部１４１から出力されたＢ相信号とを比較する。比較の結果、所定の許容範囲内に各信号の位相の差が収まらない場合、得られる回転角度ｙは誤差が大きいものと判定される。誤差が大きい場合は、モータ１１０の動特性モデルを表す式を設定し直す等の対策を行い、誤差が所定の範囲内に収まるようにする。なお、逆正接ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）、すなわち、各信号の位相を比較して誤差の大きさを判定してもよい。本実施形態によれば、計数部および２値化手段を削減した信号処理装置において、モータの回転角度の検出精度を調整できる。
【００２２】
（産業機械への応用例）
上記実施形態のガルバノ装置（駆動装置）は、レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置に用いられうる。図４は、ガルバノ装置を用いたレーザ加工装置４００の構成を示す図である。レーザ加工装置４００は、加工対象の物体Ｗにレーザ光を照射し、例えば、物体Ｗの切断、穴あけ、溶接などの処理を行い、物品を製造する。レーザ加工装置４００は、光源４１０およびレンズ４２０を有する。本実施形態のレーザ加工装置４００は、物体Ｗの表面に平行なＸＹ平面において、Ｘ方向およびＹ方向に光源４１０から出射したレーザ光をスキャンする。ガルバノ装置４３０および４４０は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ一つずつ配置され、レーザ光をミラーにより反射して物体Ｗに照射する。可動部であるミラーは、モータにより駆動され、ガルバノ装置４３０および４４０によるモータの回転角度の計測結果に基づいて、上記フィードバック制御部２００などの制御部によりモータの回転が制御される。
【００２３】
上記実施形態の駆動装置は、６軸アーム型ロボットなどの産業用ロボットにも用いられうる。図５は、６軸アーム型ロボット６００の構成を示す図である。各関節部に駆動装置（ガルバノ装置）６１０〜６６０が設けられている。可動部である各関節部は、モータにより駆動され、ガルバノ装置６１０〜６６０によるモータの回転角度の計測結果に基づいて、上記フィードバック制御部２００などの制御部によりモータの回転が制御され、６軸アーム型ロボット６００の駆動が制御される。６軸アーム型ロボット６００は、先端に供えられた把持部で物体を保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、６軸アーム型ロボット６００によって物体を他の部品に組み付ける（組立する）ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された物体を加工（処理）することにより、物品を製造することができる。
【００２４】
上記実施形態で説明した信号処理装置を有するガルバノ装置または駆動装置を産業機械へ適用することで、装置全体の低コスト化に寄与し得る。また、上記産業機械は、物品製造方法に使用しうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。
【００２５】
上記実施形態では、主として信号処理装置を有するガルバノ装置について説明したが、その他のＤＣモータやＡＣモータ等のモータを含む駆動装置の制御にも上記実施形態の信号処理装置を適用できる。また、上記実施形態では、カルマンフィルタによるカウント値の推定手段を用いたが、Ｈ∞フィルタなどその他の推定手段を用いてもよい。モータにより物体に生じさせる運動は、回転運動に限られず、例えば、直線運動であってもよい。
【００２６】
エンコーダ１２０にＡ／Ｄ変換部１４１が含まれる場合、信号処理装置１４０とエンコーダ１２０との間における信号の劣化を抑えることができ、回転角度の検出精度の点で有利となりうる。
【００２７】
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および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１００    ガルバノ装置（駆動装置）
１１０    モータ
１２０    エンコーダ
１３０    電流アンプ
１４０    信号処理装置
１４１    Ａ／Ｄ変換部（出力部）
１４２    処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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