(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定間隔で信号が記録された信号記録体と、この信号記録体の移動に伴って信号記録体に記録されている信号を検出する一対のセンサと、この一対のセンサから得られる信号のオフセットおよび振幅比を補正するオフセット補正部および振幅比補正部と、オフセット補正および振幅比補正がなされた信号から内挿角度を演算する電気分割部とを有するエンコーダであって、
オフセット値および振幅値を推定してこれをオフセット補正および振幅比補正に供する推定部と、
推定されたオフセット値および振幅値を記憶する記憶手段と、を有し、
上記記憶手段は、上記推定部で推定された複数のオフセット値および振幅値を時系列順に複数記憶することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
記憶手段は、不揮発性メモリまたはバックアップ電源でバックアップされた揮発性メモリからなる請求項１記載のエンコーダ。
【請求項３】
記憶手段のほかに、工場出荷前の推定オフセット値を記憶する初期オフセット記憶部および工場出荷前の推定振幅値を記憶する初期ゲイン記憶部と、上記記憶手段で記憶された最新のオフセット値または振幅値が初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値と大きく異なる場合に異常値信号を出力する合否判定部を有する請求項１記載のエンコーダ。
【請求項４】
異常値信号が出力された場合、記憶手段から、異常値が検出されない前回の推定オフセット値または推定振幅値を読み出し、これをオフセット補正または振幅補正に用いる請求項３記載のエンコーダ。
【請求項５】
記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が消失した場合に、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いる請求項３記載のエンコーダ。
【請求項６】
記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が全て異常値である場合に、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いる請求項３記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボット、ＮＣ工作機械などに使用されるモータや可動部など被検出体の位置検出に用いられるエンコーダに関するもので、特にそのオフセット補正に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダは、分解能を高めるために、被検出体と一体に回転または移動する信号記録体から、位相のずれたＡ相信号とＢ相信号の二つの信号を検出し、この２相の信号をそれぞれアナログ・デジタル・コンバータ（以下「Ａ／Ｄコンバータ」という）でデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をもとにして被検出体の角度や位置を検出している。
【０００３】
図４は従来のエンコーダの例を示す。図４において、角度データ記憶ドラム１は、例えばモータの出力軸などの被検出体に連結されて被検出体とともに回転する信号記録体である。角度データ記憶ドラム１はその周囲に一定間隔で磁極が形成されることにより回転角度を記憶する手段を構成している。角度データ記憶ドラム１の周面に対向させて２個一対の磁気抵抗素子２，３が配置されている。磁気抵抗素子２，３は角度データ記憶ドラム１の磁極を検出するセンサを形成していて，互いに位相差が９０度異なるＡ相のアナログ信号と、Ｂ相のアナログ信号を出力する。
【０００４】
磁気抵抗素子２，３の出力信号はそれぞれ波形成形手段としてのコンパレータ４，５に入力されて２値化される。すなわち、コンパレータ４，５はＡ／Ｄコンバータとして機能する。Ａ相およびＢ相の２値化信号は４逓倍回路６に入力され、周波数が４倍のデジタル信号に変換されてアップダウンカウンタ７に入力される。アップダウンカウンタ７にはまた４逓倍回路６からＡ相信号とＢ相信号との位相差よりアップ信号またはダウン信号が入力される。アップダウンカウンタ７は、上記アップ信号またはダウン信号に応じて上記４逓倍回路６からのパルスをアップカウントまたはダウンカウントし、そのカウント値を出力する。このカウント値が信号記録体である角度データ記憶ドラム１の回転位置を示す値となる。
【０００５】
上記のようなエンコーダにおいてはオフセットをゼロに調整する必要がある。例えば、図４の例において、Ａ／Ｄコンバータとしてのコンパレータ４，５の基準値がゼロレベルであれば、２値化されたＡ相とＢ相の信号のデューティ比は５０％となるが、上記コンパレータ４，５の基準値がゼロレベルからずれることがある。これがエンコーダにおけるオフセットといわれるものである。オフセットがあると、上記Ａ相、Ｂ相のデジタル信号のデューティ比が５０％からずれ、カウンタ値が前後にずれて信号記録体である角度データ記憶ドラム１の回転位置とカウンタ値とが一致せず、検出位置誤差を生ずることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、エンコーダにおける各種オフセット補正装置が提案されている。特許第３０２６９４９号公報記載の発明はその一つである。
しかしながら、従来のエンコーダにおけるオフセット補正は、以下に述べるような各種の問題点がある。
ａ．オフセットを算出する際に、異常検出を行わないため、算出データにノイズが混入して真のオフセット値と大きく異なるオフセット値が算出されても異常値として検出せず、間違った値で角度内挿を行ってしまう。
ｂ．算出されたオフセット値を、初期に記憶したオフセット値と比較しないため、センサ信号が経持変化などでオフセット値が致命的に変動したとしても、これが異常値として検出されない。
ｃ．算出されたデータを保存しないため、電源が遮断されると、算出されたオフセット値が消去される。そのため、再度電源が投入されたときに最適な値で角度内挿ができない。このため、電源投入時の位置精度が非常に悪くなる。
【０００７】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、常時オフセット値を推定してこれをオフセット補正に供することにより、異常なオフセット値が検出されたときはこれを異常値と判断することができるエンコーダを提供することを目的とする。
本発明はまた、オフセット値が致命的に変動した場合はこれを検出できるようにするとともに、致命的に変動したオフセット値に代え、不都合のないオフセット値を用いてオフセット補正をするようにしたエンコーダを提供することを目的とする。
本発明はまた、電源が遮断されても、算出されたオフセット値が保持されるようにし、再度電源が投入されたときに適宜の値で角度内挿ができるようにしたエンコーダを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一定間隔で信号が記録された信号記録体と、この信号記録体の移動に伴って信号記録体に記録されている信号を検出する一対のセンサと、この一対のセンサから得られる信号のオフセットおよび振幅比を補正するオフセット補正部および振幅比補正部と、オフセット補正および振幅比補正がなされた信号から内挿角度を演算する電気分割部とを有するエンコーダであって、オフセット値および振幅値を推定してこれをオフセット補正および振幅比補正に供する推定部と、推定されたオフセット値および振幅値を記憶する記憶手段と、を有し、上記記憶手段は、上記推定部で推定された複数のオフセット値および振幅値を時系列順に複数記憶することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、記憶手段は、不揮発性メモリまたはバックアップ電源でバックアップされた揮発性メモリからなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、記憶手段のほかに、工場出荷前の推定オフセット値を記憶する初期オフセット記憶部および工場出荷前の推定振幅値を記憶する初期ゲイン記憶部と、上記記憶手段で記憶された最新のオフセット値または振幅値が初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値と大きく異なる場合に異常値信号を出力する合否判定部を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、異常値信号が出力された場合、記憶手段から、異常値が検出されない前回の推定オフセット値または推定振幅値を読み出し、これをオフセット補正または振幅補正に用いることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が消失した場合に、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項３記載の発明において、記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が全て異常値である場合に、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかるエンコーダの実施の形態について説明する。
図１において、角度データ記憶ドラム１１は、従来例における角度データ記憶ドラムと同様に、例えばモータの出力軸などの被検出体に連結されて被検出体とともに回転するようになっている。角度データ記憶ドラム１１は、その周囲に一定間隔で磁極が形成されることにより、移動量すなわち図示の例では回転量に対応して異なった波形情報が記録されて、回転角度を記憶する信号記録体を構成している。角度データ記憶ドラム１１の周面に対向させて二つの磁気抵抗素子１２，１３が配置されている。磁気抵抗素子１２，１３は角度データ記憶ドラム１１の磁極を検出して電気信号に変換するセンサを形成していて、互いに位相差が９０度異なるＡ相のアナログ信号と、Ｂ相のアナログ信号を出力する。
【００１５】
上記Ａ相のアナログ信号と、Ｂ相のアナログ信号はそれぞれ増幅器１４、１５で増幅されたあとＡ／Ｄ変換器１６でデジタル信号ＡＤａ，ＡＤｂに変換される。デジタル信号ＡＤａ，ＡＤｂはオフセット補正部としてのオフセット減算部１７に入力される。オフセット減算部１７では、デジタル信号ＡＤａ，ＡＤｂからオフセット値ａ１，ｂ１を減算する。すなわち、
ａ＿ｐｈｓ‘＝ＡＤａ−ａ１
ｂ＿ｐｈｓ  ＝ＡＤｂ−ｂ１
を演算してその結果を出力する。
【００１６】
演算された上記ａ＿ｐｈｓ‘に対するｂ＿ｐｈｓの振幅比ａ０（あとで説明する）を振幅補正部としての振幅比積算部１８で積算し、ａ＿ｐｈｓとｂ＿ｐｈｓの振幅の大きさをそろえる。すなわち、ａ＿ｐｈｓ＝ａ０＊ａ＿ｐｈｓ‘とする。ａ＿ｐｈｓとｂ＿ｐｈｓは電気分割部１９に入力され、電気分割部１９では、電気内挿演算、すなわち、θ＝ａｔａｎ（ａ＿ｐｈｓ，ｂ＿ｐｈｓ）
を行って電気内挿角度θを算出する。
【００１７】
上記ａ＿ｐｈｓとｂ＿ｐｈｓはまたオフセット推定部２０に入力されるとともに、オフセット推定部２０には上記電気内挿角度θも入力される。オフセット推定部２０では、オフセット推定値＾ａ１，＾ｂ１および振幅比推定値＾ａ０を算出する。これらの算出方法は、例えば特許第３０２６９４９号公報に記載されているような従来の方法と同じ方法を用いる。
【００１８】
オフセット推定部２０で算出されたオフセット推定値＾ａ１，＾ｂ１および振幅比推定値＾ａ０は記憶手段としての記憶装置２１によって記憶される。記憶装置２１は揮発性のメモリであってもよいし不揮発性のメモリであってもよい。揮発性のメモリの場合、主電源２２のほかにバックアップ電源２３によってバックアップされる。バックアップ電源２３としては、１次電池、２次電池、スーパーキャパシタといわれる大容量のコンデンサなどを用いることができる。主電源が遮断すると、自動的にバックアップ電源２３に切り換えられるように回路が構成されている。不揮発性、揮発性いずれのメモリにせよ、主電源２２が遮断しても記憶値が保持され、動作再開時に、記憶されている値ａ１，ｂ１，ａ０が初期値として使用される。
記憶装置２１は、推定部２０で推定された複数のオフセット値および振幅値を時系列順に複数記憶する。
【００１９】
符号２５は初期オフセット記憶部、２６は初期振幅比記憶部を示しており、初期オフセット記憶部２５、初期振幅比記憶部２６はともにＲＯＭ（読み出し専用メモリ）からなる。初期オフセット記憶部２５は工場出荷前の＾ａ１，＾ｂ１を、初期振幅比記憶部２６は工場出荷前の＾ａ０＝＾ａ１０，＾ｂ１０，＾ａ００を記憶する。
【００２０】
上記初期オフセット記憶部２５、初期振幅比記憶部２６の記憶値は、合否判定部２７において、上記記憶装置２１によって記憶されている最新のオフセット推定値＾ａ１，＾ｂ１および振幅比推定値＾ａ０と比較され、オフセット推定値＾ａ１，＾ｂ１および振幅比推定値＾ａ０を正常とするか、または異常とするかの合否判定に用いられる。オフセット推定値＾ａ１，＾ｂ１および振幅比推定値＾ａ０が、初期オフセット記憶部２５、初期振幅比記憶部２６の記憶値と極端に異なる場合は異常値として検出する。具体的には、記憶装置２１によって記憶されている最新の推定値＾ａ１，＾ｂ１，＾ａ０の、初期オフセット記憶部２５、初期振幅比記憶部２６に記憶されている初期値＾ａ１０，＾ｂ１０，＾ａ００に対する変動が規定の割合よりも大きい場合は異常値とする。
【００２１】
符号２４は、記憶装置２１からの推定値と、初期オフセット記憶部２５および初期振幅比記憶部２６の記憶値とを切り換えるスイッチを示す。スイッチ２４は、上記推定値または記憶値のいずれかを選択し、前記オフセット減算部１７にオフセット値ａ１，ｂ１として入力し、振幅比積算部１８に振幅比ａ０として入力する。前記主電源２２とバックアップ電源２３がともに遮断された場合、あるいは何らかの原因で記憶装置２１に記憶されている値が破壊された場合、スイッチ２４は初期オフセット記憶部２５および初期振幅比記憶部２６をオフセット減算部１７および振幅比積算部１８に接続し、初期オフセット記憶部２５および初期振幅比記憶部２６の記憶値を初期値として与える。
【００２２】
次に、上記実施形態の動作を説明する。前記磁気抵抗素子１２，１３および増幅器１４、１５のＡ相、Ｂ相のアナログ出力によって、Ａ相とＢ相を座標軸としてリサージュ円を得ることができる。Ａ／Ｄ変換器１６によって変換されるデジタル信号ＡＤａ，ＡＤｂは上記リサージュ円のデジタル値である。
【００２３】
被検出体である角度データ記憶ドラム１１の表面と、センサとしての磁気抵抗素子１２、１３とのギャップ変動、外部磁力の影響、経時変化、その他の要因で、上記アナログ値およびデジタル値で表されるリサージュ円の中心と座標軸の中心とがずれる。これがオフセットである。オフセット減算部１７では、上記デジタル信号ＡＤａ，ＡＤｂからオフセット値ａ１，ｂ１を減算し、リサージュ円の中心のずれを補正する。上記オフセット値ａ１，ｂ１は、前述のようにして推定され記憶装置２１に記憶されている値であり、あるいは初期オフセット記憶部２５に記憶されているオフセット値である。
【００２４】
リサージュ円は上記のような要因で中心がずれるばかりでなく、Ａ相とＢ相の振幅の違いで真円とならず、楕円形状に変形することがある。そこで、振幅比積算部１８において、オフセット減算部１７でオフセット補正されたＡ層のデジタル信号ａ＿ｐｈｓ‘に対するＢ層のデジタル信号ｂ＿ｐｈｓの振幅比ａ０を積算し、上記リサージュ円をほぼ真円にする。
【００２５】
電気分割部１９では、既に説明したように、電気内挿演算を行って電気内挿角度θを算出する。このように、図示の実施形態によれば、Ａ相とＢ相の検出信号によって得られ連続的に変化するリサージュ円から電気内挿角度θを演算するため、きわめて高い分解能で回転角度変動乃至は位置変動を検出することができる。これに対して、図４に示すような従来のエンコーダにおいては、２値化されたＡ相信号とＢ相信号を用いて被検出体の回転角度変動乃至は位置変動を検出するものであるため、逓倍回路を用いるとはいえ、分解能を高めるには限界がある。
【００２６】
図示の実施形態によればまた、オフセット推定部２０で推定したオフセット値および振幅比を記憶装置２１で時系列順に複数記憶させ、かつ、この記憶装置２１は不揮発性とし、あるいは揮発性の場合はバックアップ電源２３でバックアップするようにしたため、主電源２２が遮断され、あるいはその他のトラブルがあったとしても、記憶装置２１で記憶されているオフセット値および振幅比を用いて、リサージュ円の中心ずれ補正および歪み補正を行うことができる。
【００２７】
さらに、合否判定部２７において、記憶装置２１で記憶されている最新のオフセット値および振幅比と、初期オフセット記憶部２５と初期振幅比記憶部２６に記憶されている初期オフセット値と初期振幅比とを比較し、記憶装置２１で記憶されているオフセット値および振幅比が初期オフセット値および初期振幅比と大きく異なる場合は異常値である旨の信号を出力するようになっている。そして、異常値である旨の信号を出力すると同時に、記憶装置２１で記憶されている複数のオフセット値および振幅比のうち、最新のものより、前の回のオフセット値および振幅比を読み出し、これをオフセット減算部１７においてオフセット補正値として用い、振幅積算部１８において振幅補正値として用いるようになっている。こうして、オフセット値および振幅比が変化して異常値と判断されると、自動的に、不都合のない前回のオフセット値および振幅比を用いてオフセット補正および振幅比補正を行うので、実用上不都合なくエンコーダを稼動させることができるとともに、エンコーダの信頼性を高めることができる。
【００２８】
さらに、図示の実施形態によれば、初期オフセット記憶部２５と初期振幅比記憶部２６を有しているため、何らかのトラブルで記憶装置２１の記憶値が消去されてしまい、あるいはこれを使えなくなったとしても、工場出荷前に初期オフセット記憶部２５と初期振幅比記憶部２６に記憶された初期オフセット値と初期振幅比とを用いて稼動させることができる。
また、記憶装置２１に記憶されている全てのオフセット値または振幅比が異常値であると判断された場合も、初期オフセット記憶部２５と初期振幅比記憶部２６に記憶された初期オフセット値と初期振幅比とを用いて稼動させるとよい。
【００２９】
なお、被検出体は、図示の例のような回転体であってもよいし、直線移動するものであってもよい。
被検出体の位置あるいは回転位置を検出するセンサとしては、図示の例のような磁気抵抗素子に代えて磁気ヘッド、ホール素子その他の磁気センサを用いてもよいし、発光素子と受光素子からなる光センサを用いてもよい。光センサを用いる場合、被検出体として光の反射部と透過部、あるいは光の反射部と吸収部を一定間隔で形成したものを用いる。
図１には示さなかったが、Ａ相信号とＢ相信号の前後関係から被検出体の回転方向乃至は移動方向を検出し、この方向に応じて内挿角度θを加算または減算するようにするとよい。
【００３０】
図示の例では、被検出体とともに一体回転するデータ記録体としての角度データ記憶ドラム１１は、１チャンネル分の波形情報が記録され、この１チャンネル分の波形情報に対向させて２個一対のセンサとしての磁気抵抗素子１２、１３が配置され、１チャンネル分の信号で位置検出が行われるようになっているが、波形情報は複数チャンネル分記録し、各チャンネルに対応させてセンサを配置すれば、より高分解能のエンコーダを得ることができる。
【００３１】
図１に示す実施形態において、オフセット推定部２０で算出された＾ａ１，＾ｂ１の規定値＾ａ１０，＾ｂ１０に対する距離：ｒを、
ｒ＝ｓｑｒｔ｛（＾ａ１−＾ａ１０）＾２（＾ｂ１−＾ｂ１０）＾２｝
で算出し、この算出した値が規定値：ｒ０を超えたとき、異常値として検出するようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１，２記載の発明によれば、常時オフセット値を推定してこれをオフセット補正に供することにより、異常なオフセット値が検出されたときはこれを異常値と判断することができる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、推定されたオフセット値および振幅値を記憶する記憶手段と、工場出荷前の推定オフセット値を記憶する初期オフセット記憶部および工場出荷前の推定振幅値を記憶する初期ゲイン記憶部と、上記記憶手段で記憶された最新のオフセット値または振幅値が、上記初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値と大きく異なる場合に異常値信号を出力する合否判定部を有しているため、最新のオフセット値または振幅値が異常値であるかどうかを常時監視することができる。
【００３４】
請求項４記載の発明によれば、異常値信号が出力された場合、記憶手段から、異常値が検出されない前回の推定オフセット値または推定振幅値を読み出し、これをオフセット補正または振幅補正に用いるため、実用上不都合のない精度でエンコーダを稼動させることができるとともに、エンコーダの信頼性を高めることができる。
【００３５】
請求項５記載の発明によれば、記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が消失したとしても、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いることができるため、実用上不都合のない精度でエンコーダを稼動させることができるとともに、エンコーダの信頼性を高めることができる。
【００３６】
請求項６記載の発明によれば、記憶手段で記憶されている推定オフセット値または推定振幅値が全て異常値であったとしても、初期オフセット記憶部、初期ゲイン記憶部に記憶されている初期オフセット値または初期振幅値をオフセット補正または振幅補正に用いることができるため、実用上不都合のない精度でエンコーダを稼動させることができるとともに、エンコーダの信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるエンコーダの実施の形態を示すブロック図である。
【図２】電気内挿角度θの説明図で、（ａ）はＡ相信号およびＢ相信号と電気内挿角度θとの関係を示すグラフ、（ｂ）は電気内挿角度θの演算部を示すブロック図である。
【図３】Ａ相信号およびＢ相信号とで描かれるリサージュ円とオフセットの状態を示すグラフである。
【図４】従来のエンコーダの例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１  信号記録体としての角度データ記憶ドラム
１２  センサとしての磁気抵抗素子
１３  センサとしての磁気抵抗素子
１７  オフセット補正部としてのオフセット減算部
１８  振幅比補正部としての振幅比積算部
１９  電気分割部
２０  オフセット推定部
２１  記憶手段
２２  主電源
２３  バックアップ電源
２５  初期オフセット記憶部
２６  初期振幅比記憶部
２７  合否判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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