(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に支持された目盛盤と、前記目盛盤の表面に近接されかつ前記目盛盤の周方向に等間隔で配置された３個以上の検出器とを有する角度検出装置であって、
前記目盛盤を所定の初期位置から基準角度回転させた際の回転角度を前記各検出器で検出し、前記回転角度と前記基準角度との差から前記各検出器における角度誤差を測定し、前記回転軸の回転中心に対する前記各検出器の方向ベクトルを９０度回転させて接線方向ベクトルを取得し、前記接線方向ベクトルとの内積が前記角度誤差になる偏心ベクトルを演算する偏心量推定手段を有することを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
回転軸に支持された目盛盤と、前記目盛盤の表面に近接されかつ前記目盛盤の周方向に等間隔で配置された３個以上の検出器とを有する角度検出装置の偏心量推定方法であって、
前記目盛盤を所定の初期位置から基準角度回転させた際の回転角度を前記各検出器で検出し、前記回転角度と前記基準角度との差から前記各検出器における角度誤差を測定し、前記回転軸の回転中心に対する前記各検出器の方向ベクトルを９０度回転させて接線方向ベクトルを取得し、前記接線方向ベクトルとの内積が前記角度誤差になる偏心ベクトルを演算することを特徴とする角度検出装置の偏心量推定方法。
【請求項３】
請求項２に記載した角度検出装置の偏心量推定方法において、
前記初期位置から回転した際の偏心ベクトルの演算を異なる前記基準角度について複数回行い、得られた複数の偏心ベクトルから検出器中心を割り出し、前記検出器中心から前記初期位置に至る初期偏心ベクトルと前記偏心ベクトルの何れかとから前記検出器中心に対する前記回転軸の回転中心の偏心ベクトルを演算することを特徴とする角度検出装置の偏心量推定方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載した角度検出装置の偏心量推定方法において、
前記基準角度は前記各検出器の検出角度の平均値とすることを特徴とする角度検出装置の偏心量推定方法。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載した角度検出装置の偏心量推定方法において、
前記基準角度は、前記回転軸に接続された他の角度検出装置により検出することを特徴とする角度検出装置の偏心量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度検出装置およびその偏心量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機構の回転角度を検出する角度検出装置としてロータリーエンコーダがある。
ロータリーエンコーダは、基本構成として、例えば外周部分に数百から数十万本の径方向の目盛線からなる目盛パターンが刻まれた円形の目盛盤と、この目盛盤の目盛パターン部分に近接して設置されて目盛盤の回転に伴って通り過ぎる目盛線を計数する測定器とを有する。このようなロータリーエンコーダでは、目盛盤を測定対象の回転部分に連動するように設置し、測定対象の回転に伴って検出器で通過した目盛数を計数することで、測定対象の回転角度を検出する。
【０００３】
目盛盤の回転軸には、目盛盤を回転自在に支持するために例えば転がり軸受けが用いられる。転がり軸受の回転精度は数十μmであり、多くの場合、回転軸の中心は、検出器の理想的な回転中心を中心として、最大で回転精度を半径とする円周上を移動する挙動を示す。目盛盤と回転軸とを固定する際には、目盛盤の中心と回転軸の中心とが一致するように治具等を用いて高精度に調整される。従って、目盛盤の中心は回転軸の中心と同じ円周上を移動することになり、理想的な回転中心に対して偏心が生じる。
このような偏心が生じていると、角度検出にあたって検出器が読み取る目盛パターンの径方向位置がずれて見かけ上の目盛線の間隔が変化する等、検出する角度に誤差を生じる原因となる。
【０００４】
従来、目盛盤の偏心誤差を除去する方法として、例えば特許文献１がある。
この方法では、目盛パターンの内側に目盛パターンのピッチと同じ間隔で多数の同心円状のパターンを形成した目盛盤を用いる。また、検出器として、目盛パターンを読み取る測定用検出器と、この検出器から90°回転した位置に同心円状のパターンを読み取るための補正用検出器との２つの検出器を配置する。そして、補正用検出器で同心円状のパターンを読み取り、測定用検出器による目盛パターンの読み取り信号に対して補正をかけることで、目盛パターンの読み取り信号から偏心の影響を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４３３２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この方法では偏心を補正するために多数の同心円状のパターンを追加した特殊な目盛盤が必要になるという問題がある。
また、同心円状のパターンを読み取る検出器が１個しかないため、二次元平面で偏心する目盛盤の偏心量を正確に測定することはできないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、特殊な目盛盤を必要とせず、二次元平面で偏心する目盛盤の偏心量をも正確に測定することができる角度検出装置およびその偏心量推定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の角度検出装置は、回転軸に支持された目盛盤と、前記目盛盤の表面に近接されかつ前記目盛盤の周方向に等間隔で配置された３個以上の検出器とを有する角度検出装置であって、前記目盛盤を所定の初期位置から基準角度回転させた際の回転角度を前記各検出器で検出し、前記回転角度と前記基準角度との差から前記各検出器における角度誤差を測定し、前記回転軸の回転中心に対する前記各検出器の方向ベクトルを９０度回転させて接線方向ベクトルを取得し、前記接線方向ベクトルとの内積が前記角度誤差になる偏心ベクトルを演算する偏心量推定手段を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の角度検出装置の偏心量推定方法は、回転軸に支持された目盛盤と、前記目盛盤の表面に近接されかつ前記目盛盤の周方向に等間隔で配置された３個以上の検出器とを有する角度検出装置の偏心量推定方法であって、前記目盛盤を所定の初期位置から基準角度回転させた際の回転角度を前記各検出器で検出し、前記回転角度と前記基準角度との差から前記各検出器における角度誤差を測定し、前記回転軸の回転中心に対する前記各検出器の方向ベクトルを９０度回転させて接線方向ベクトルを取得し、前記接線方向ベクトルとの内積が前記角度誤差になる前記偏心ベクトルを演算することを特徴とする。
【００１０】
このような本発明は、回転中心の偏心が、各検出器で検出される回転角度に対してそれぞれ偏心ベクトルとして作用し、その結果角度誤差を生じることから、偏心ベクトルと各検出器での接線方向ベクトルとの内積が角度誤差に相当する、との知見に基づく。
このような本発明では、目盛盤を基準角度だけ回転させた際の各検出器に生じる角度誤差と、各検出器の方向ベクトルと、という実測可能な値に基づいて、検出器中心に対する回転中心の偏心を表す偏心ベクトルを演算することができる。その結果、得られた偏心ベクトルに基づいて、回転中心の偏心を補正等することができ、角度検出装置としての精度向上を図ることができる。
【００１１】
本発明において、前記初期位置から回転した際の偏心ベクトルの演算を異なる前記基準角度について複数回行い、得られた複数の偏心ベクトルから検出器中心を割り出し、前記検出器中心から前記初期位置に至る初期偏心ベクトルと前記偏心ベクトルの何れかとから前記検出器中心に対する前記回転軸の回転中心の偏心ベクトルを演算することが望ましい。
【００１２】
このような本発明では、前項の偏心ベクトルの演算を繰り返すことで、前記検出器中心に対する前記回転軸の回転中心の偏心を検出して補正することができる。
【００１３】
本発明において、前記基準角度は前記各検出器の検出角度の平均値とすることが望ましい。
この際、平均値は全ての検出器の検出角度から計算してもよいし、何れかの検出器の検出角度から計算してもよい。
このような本発明では、異なる位置の検出器の検出角度を平均することで、偏心の影響が少なくなり基準位置の近似値として利用できる。
【００１４】
本発明において、前記基準角度は、前記回転軸に接続された他の角度検出装置により検出してもよい。
このような本発明では、追加的な構成が必要になるが、基準位置を正確に検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
このような本発明の角度検出装置およびその偏心量推定方法によれば、特殊な目盛盤を用いなくても、二次元平面で偏心する目盛盤の偏心量をも正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す模式図である。
【図２】前記実施形態の回転中心における偏心がない状態を示す模式図である。
【図３】前記実施形態の回転中心における偏心がある状態を示す模式図である。
【図４】前記実施形態の回転中心における偏心量を示す模式図である。
【図５】前記実施形態における偏心量推定手順を示すフローチャートである。
【図６】前記実施形態の検出器の角度位置に応じた偏心ベクトルおよび接線方向ベクトルを示す模式図である。
【図７】前記実施形態における偏心ベクトル、検出器の方向ベクトルおよび接線方向ベクトルを示す模式図である。
【図８】前記実施形態における初期偏心ベクトルおよび複数の偏心ベクトルを示す模式図である。
【図９】前記実施形態における偏心の補正処理の手順を示すフローチャートである
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、角度検出装置１０は、外周に沿って目盛パターン１１が形成された円盤状の目盛盤１２を有し、この目盛盤１２は回転軸１３により回転自在に支持されている。
目盛パターン１１は目盛盤１２の径方向に延びる微細な目盛線（図示省略）で構成されている。
【００１８】
目盛パターン１１に対向して検出器１４が配置され、この検出器１４は目盛盤１２の回転に伴って検出器１４を通過する目盛線に対応した正弦波状の検出信号を出力する。本実施形態の角度検出装置１０では、検出部１４が４個設置され、各々の出力は４系統の内挿分割器１５およびカウンタ１６を経て演算装置１７に接続されている。カウンタ１６には外部からラッチ信号および初期化信号１６Ａが入力され、それぞれ現在カウント数の読み取り処理およびカウンタのゼロリセット処理が行われる。
【００１９】
演算装置１７は、検出器１４から内挿分割器１５およびカウンタ１６を経て入力される検出信号を処理し、回転軸１３および目盛盤１２の回転角度位置あるいは変化量、角速度等を取得する機能を有する。演算装置１７は、指定されたプログラムに基づく処理を実行するコンピュータシステムにより構成され、図示しない入力装置からの外部操作を受けるとともに、出力装置に対して信号出力あるいは映像出力を行うことができる。
演算装置１７は、本発明の偏心量推定手段として機能するものであり、後述する本発明の偏心ベクトル演算処理（図５参照）および偏心補正処理（図９参照）についても、演算装置１７におけるプログラムによって実行される。
【００２０】
このような角度検出装置１０において、目盛盤１２および回転軸１３の回転中心においては、回転軸１３が図示しない軸受機構を介して角度検出装置１０の本体に支持され、回転軸１３に目盛盤１２が固定され、目盛盤１２の表面に目盛パターン１１が形成されている。一方、検出器１４は角度検出装置１０の本体に支持されている。
図２において、これらの構成が理想的である場合、回転軸１３、目盛盤１２、目盛パターン１１の機械的中心は全て角度検出装置１０の本体の回転中心Ｏｉで一致する。そして、各検出器１４はこの理想的な回転中心Ｏｉから所定の検出半径Ｒｄに沿って均等な角度位置に等間隔で配置される。
【００２１】
しかし、実際には、図３に示すように、回転軸１３の軸支による振れが発生し、回転軸１３は理想的な回転中心に対して偏心した回転を行い、回転軸１３の中心Ｏｓ（機械的中心）は円形の軌跡Ｌｓを描く。実際には、回転軸１３の中心の偏心した軌跡Ｌｓは完全な円形にはならず、図４に示すような波うったパターンとなる。なお、各図において、実際の偏心は、回転軸１３の径に対して遙かに小さいが、ここでは説明のため模式的に強調表示している。
【００２２】
図４において、回転軸１３の中心Ｏｓが描く軌跡Ｌｓを測定し、最小二乗法のあてはめにより仮想円Ｌｓ’を描き、その中心位置を回転軸１３の回転中心Ｏａ（動作上の中心）とすることができ、前述した仮想円Ｌｓ’の半径Ｒｓ’を回転中心Ｏａの偏心量として扱うことができる。
さらに、前述した回転軸１３の中心（機械的中心）の回転中心Ｏａ（動作上の中心）に対する振れの他、回転軸１３と目盛盤１２との固定の際の誤差や目盛盤１２に対する目盛パターン１１の形成の際の誤差により、検出器１４で読み取るべき目盛パターン１１の回転中心位置は、回転軸１３の実際の回転中心に対して更に偏心する可能性がある。
このような偏心に対し、本発明に基づく偏心ベクトル演算処理ないし偏心補正処理により、これらを包括的な補正が可能となる。
【００２３】
図５には、本発明に基づいて偏心ベクトルを演算する偏心ベクトル演算処理が示されている。
偏心ベクトル演算処理では、先ず目盛盤１２を所定の初期位置へと移動させ、この初期位置でカウンタ１６のリセットを行う（処理Ｓ１１）。次に、所定の基準角度θＮまで目盛盤１２を回転させる（処理Ｓ１２）。
この位置で、各検出器１４で検出される回転角度θｉ（検出器番号ｉ＝１〜４）を読み出し（処理Ｓ１３）、基準角度θＮに対する角度誤差Δθｉを測定する（処理Ｓ１４）。次に、回転中心Ｏａから各検出器１４に至る方向ベクトルｐｉ（検出器番号ｉ＝１〜４）を測定し（処理Ｓ１５）、ベクトル演算により接線方向ベクトルｑｉを取得する（処理Ｓ１６）。なお、処理Ｓ１３，Ｓ１４の前に処理Ｓ１５，Ｓ１６を行ってもよく、あるいは処理Ｓ１３，Ｓ１５を先に行い、処理Ｓ１４，Ｓ１６を後から行ってもよい。
こうして得られた接線方向ベクトルｑｉおよび角度誤差Δθｉから偏心ベクトルｅを演算する（処理Ｓ１７）。
【００２４】
このような偏心ベクトルｅの演算は、以下に述べる原理に基づく。
処理Ｓ１１において、目盛盤１２を初期位置（任意の位置でよい）として、各検出器のカウンタをゼロに初期化する。ここで、初期位置でも回転軸１３は偏心していると推測されるが、ここでは、初期位置においては偏心ベクトルがゼロである、と仮定して偏心ベクトルの基準位置として設定する。
【００２５】
処理Ｓ１２において、本実施例では、目盛盤１２を回転させた後、基準位置θＮの実測値として、全て検出器１４の測定角度θ１〜θ４の平均値を用いる。具体的に、基準角度θＮは検出器の総数をｎとし、検出器番号ｉの検出器１４の検出角度θｉとして次の式(1)で実測することができる。
【００２６】
【数１】
0005695410.tif 000002
(1)
【００２７】
なお、基準位置θＮとしては、検出器１４のうち２つ以上の検出角度θｉの平均値を用いてもよく、何れかの検出器１４の検出角度θｉだけを用いてもよい。但し、使用する検出器１４の数が多いほうが精度を高めるのに有効である。
処理Ｓ１４において、目盛盤の偏心による基準角度θＮと検出器番号ｉの検出器１４（以下、検出器ｉと称する）の測定角度の差Δθｉは次の式(2)となる。
【００２８】
【数２】
0005695410.tif 000003
(2)
【００２９】
ここで、目盛盤１２の目盛パターン１１は、等間隔に目盛パターンが形成されているとすると、検出器ｉにおける角度誤差Δθｉは目盛盤１２の偏心による誤差となる。
この角度誤差Δθｉは、偏心ベクトルｅと検出器ｉの方向ベクトルｐｉを９０度回転させたベクトルとの内積になる。この点について、以下に詳述する。
【００３０】
図６は、本実施形態と同様であるが、検出器１４の数が３個の例である。
ここで、目盛盤１２を反時計回りに回転させると、目盛盤中心は点Ａから点Ｂへ移動し、偏心ベクトルは点Ａから点Ｂに至るｅとなる。検出器１４は目盛パターン１１の接線方向の変位を検出する。
一方、回転中心から検出器を見込む方向（円周上の法線方向）の変位に対しては偏心の影響はないとする。
【００３１】
各検出器１４の検出角度には、偏心によって、それぞれ角度誤差Δθ１，Δθ２，Δθ３が生じる。
偏心ベクトルｅと検出器ｉの接線方向ベクトルｑｉのなす角をφｉとすると、角度誤差Δθｉは偏心ベクトルｅの接線方向ベクトルｑｉ方向の大きさ|ｅ|cosφｉと接線方向ベクトルｑｉの大きさ|ｑｉ|との積となり、これは次の式(3)で求められる。
【００３２】
【数３】
0005695410.tif 000004
(3)
【００３３】
すなわち、偏心による角度誤差Δθｉは偏心ベクトルｅと検出器ｉの接線方向ベクトルｑｉの内積になり、これは次の式(4)式で求められる。
【００３４】
【数４】
0005695410.tif 000005
(4)
【００３５】
ここで、各検出器ｉの接線方向ベクトルｑｉは、回転中心Ｏａから検出器ｉに至る方向ベクトルｐｉと直交するベクトルとなる。この方向ベクトルｐｉは、角度検出装置１０の機械的構成から取得することができる。従って、方向ベクトルｐｉをベクトル演算により90°回転させることで、接線方向ベクトルｑｉに変換することができる。
このような90°回転のベクトル演算には、例えば２次元空間内でベクトルを反時計回り方向に90°回転する次の式(5)のような回転行列Ｔを用いることができる。
【００３６】
【数５】
0005695410.tif 000006
(5)
【００３７】
このような回転行列Ｔを用いて、次の式(6)のように方向ベクトルｐｉから接線方向ベクトルｑｉが得られる。
【００３８】
【数６】
0005695410.tif 000007
(6)
【００３９】
これらの偏心ベクトルｅ、方向ベクトルｐｉ、接線方向ベクトルｑｉを行列表記して整理すると次の式(7)ないし式(8)となる。
【００４０】
【数７】
0005695410.tif 000008
(7)
【００４１】
【数８】
0005695410.tif 000009
(8)
【００４２】
以上、検出器１４が３個の例で説明したが、検出器１４が４個以上の場合でも同様の関係が成立する。
さらに、検出器１４がｎ個の場合、次の式(9)として、前述した式(8)を式(10)のように表すことができる。
【００４３】
【数９】
0005695410.tif 000010
(9)
【００４４】
【数１０】
0005695410.tif 000011
(10)
【００４５】
式(10)をｅについて解くと次の式(11)のようになる。
【００４６】
【数１１】
0005695410.tif 000012
(11)
【００４７】
従って、角度誤差Δθｉと方向ベクトルｐｉとを用いて、目盛盤１２が角度θだけ回転したときの偏心ベクトルｅが求められる。
【００４８】
以上の偏心ベクトル演算処理についての説明では、初期位置の偏心ベクトルｅがゼロであると仮定していた。しかし、実際には偏心ベクトルｅがゼロではない。このため、実際に偏心ベクトルｅを利用して補正を行うためには、後述する偏心補正処理（図８参照）を行うことが望ましい。
【００４９】
図７において、本実施形態（検出器１４が４つ）の場合でも、回転中心Ｏａから検出器ｉに至る方向ベクトルＰｉと、基準角度θＮと、各検出器ｉの検出角度θｉの差である角度誤差Δθｉとは、それぞれ実測可能であり、これらから前述した偏心ベクトル演算処理（図５および図６参照）に基づいて偏心ベクトルｅを求めることができる。
ここで、得られた偏心ベクトルｅに対して、回転中心Ｏａから初期位置Ｐinitに至る初期偏心ベクトルｅinitとすると、回転中心Ｏａから各検出器１４の現在位置における正しい偏心ベクトルｅestは次の式(12)で表すことができる。
【００５０】
【数１２】
0005695410.tif 000013
(12)
【００５１】
このような初期偏心ベクトルｅinitは、次のようにして求めることができる。
図８に示すように、前述した偏心ベクトル演算処理を複数箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で実行し、各箇所での初期位置Ｐinitからの偏心ベクトルｅを求め、目盛盤１２の中心の軌跡（図４の仮想円Ｌｓ’）を推定することにより、正しい回転中心Ｏａが求められる。
このように、回転中心Ｏａから初期位置Ｐinitへの初期偏心ベクトルｅinitが求まれば、式(12)により任意の回転角度θでの正しい偏心ベクトルｅestをリアルタイムに推定することができる。
【００５２】
図９には、本発明に基づいて偏心を補正する偏心補正処理が示されている。
偏心補正処理では、先ず目盛盤１２の初期位置Ｐinitを設定する。この初期位置は単に現在の位置としてもよい（処理Ｓ２１）。
次に、基準角度θＮを設定し（処理Ｓ２２）、前述した偏心ベクトル演算処理（図５参照）を実行する（処理Ｓ２３）。これにより目盛盤１２は初期位置（図８の初期位置Ｐinit）から基準角度θＮだけ回転した位置（図８のＰ1等）へ移動し、この位置における偏心ベクトルｅが演算される。
【００５３】
偏心ベクトル演算処理は、基準角度θＮを変えながら指定回数繰り返され（図８の位置Ｐ1〜Ｐ3等）、指定回数になったら繰り返しを終える（処理Ｓ２４）。
繰り返しを終えたら、得られた各位置での偏心ベクトルから仮想円Ｌｓ’および回転中心Ｏａを検出する（処理Ｓ２５）。
得られた回転中心Ｏａおよび初期位置Ｐinitから初期偏心ベクトルｅinitを演算する（処理Ｓ２６）。
このように初期偏心ベクトルｅinitが得られれば、初期偏心ベクトルｅinitと前述した各位置の偏心ベクトルｅから各位置の正確な偏心ベクトルｅestを演算することができ、この偏心ベクトルｅestにより偏心に対する補正処理を行うことができる（処理Ｓ２７）。
【００５４】
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
偏心補正処理において、回転中心Ｏａから初期位置Ｐinitへの偏心ベクトルｅinitは初期位置を変更するまで有効であるため、初期偏心ベクトルｅinitを取得する処理は、１日の作業開始時など初めに１回だけ行うようにしてもよい。
前記実施形態では、複数位置で偏心ベクトルを演算し、仮想円Ｌｓ’および回転中心Ｏａを取得したが、別途回転軸１３あるいは目盛盤１２に位置検出器（原点検出器）を付加し、初期化時の初期偏心量を計測し、適宜記憶しておき必要の都度記憶装置から取得してもよい。
【００５５】
前記実施形態では、目盛盤１２を初期位置から基準角度θＮだけ回転させるとしたが、適当な角度回転させた後で実測により基準角度θＮを求めてもよい。
本発明においては、各検出器１４の検出角度θｉと基準角度θＮの差を偏心による角度誤差Δθｉとして偏心ベクトルｅを推定する。このため、基準角度θＮは偏心等の誤差が最小限になるようにすることが望ましい。例えば、角度検出装置１０の全ての検出器１４の検出角度θｉの平均値を基準角度としてもよいし、既存の各種校正・補正方法（自己校正方法を含む）による校正・補正後の角度を基準角度としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、回転部分の角度位置、角速度などを検出するための角度検出装置に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…角度検出装置
１１…目盛パターン
１２…目盛盤
１３…回転軸
１４…検出器
１５…内挿分割器
１６…カウンタ
１６Ａ…ラッチ信号、初期化信号
１７…偏心量推定手段として機能する演算装置
ｅ…初期位置からの偏心ベクトル
ｅest…回転中心からの偏心ベクトル
ｅinit…初期偏心ベクトル
Ｏａ…回転中心
Ｐｉ…方向ベクトル
ｑｉ…接線方向ベクトル
Δθｉ…角度誤差
θｉ…検出角度
θＮ…基準位置
【図１】
0005695410.tif 000014
【図２】
0005695410.tif 000015
【図３】
0005695410.tif 000016
【図４】
0005695410.tif 000017
【図５】
0005695410.tif 000018
【図６】
0005695410.tif 000019
【図７】
0005695410.tif 000020
【図８】
0005695410.tif 000021
【図９】
0005695410.tif 000022