(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリット（１３０）が設けられた回転ディスク（１２０）の回転を、エンコーダ検出部（１４０）により検出し、前記回転ディスク（１２０）の回転角度をエンコーダ処理部（１５０）により算出するエンコーダ装置であって、
前記エンコーダ検出部（１４０）は、単一の受光部（１４２）の中に、角度データ生成に必要な受光素子組として第１受光部（１４２Ａ）と第２受光部（１４２Ｂ）とを、所定の配置として前記スリット（１３０）に対向する位置であって、前記回転ディスク（１２０）の半径方向の異なる位置に複数有し、
前記エンコーダ処理部（１５０）は、複数の前記受光素子組で得られる受光信号を１回転の角度データに変換し、前記角度データと、前記配置に関する配置情報とから、１回転の前記角度データの絶対値精度誤差を算出し、前記絶対値精度誤差を用いて１回転の前記角度データの絶対精度を補正して前記回転角度を算出する際に、前記第１受光部（１４２Ａ）の受光信号から算出される第１角度データＰ１、前記第２受光部（１４２Ｂ）の受光信号から算出される第２角度データＰ２、前記第１角度データＰ１に含まれる絶対値精度誤差Δ１、前記第２角度データＰ２に含まれる絶対値精度誤差Δ２、回転中心から前記第１受光部（１４２Ａ）までの光学半径ｒ１、回転中心から前記第２受光部（１４２Ｂ）までの光学半径ｒ２を用いて、回転角度θを、θ＝Ｐ１−Δ１＝Ｐ１−（ｒ２／（ｒ２−ｒ１））・（Ｐ１−Ｐ２）と算出し、算出した前記回転角度を外部に出力する、
エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はエンコーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スリットが設けられた回転ディスクと、受発光部を有するエンコーダ検出部と、エンコーダ検出部の検出結果から回転ディスクの回転角度を算出するエンコーダ処理部とを備える、光学式のエンコーダ装置が存在する。このエンコーダ装置の場合、回転ディスクの回転中心とスリットのパターン中心とを正確に一致させないと、１回転に１周期の誤差（以下、絶対値精度誤差と言う）を生じることが知られている。
【０００３】
上記の絶対値精度誤差を解消するため、回転ディスクの回転中心を挟んで対向する２カ所の位置にそれぞれエンコーダ検出部を配置することで、１８０°位相の異なる２つの角度データを生成し、これら２つの角度データを平均する手法が、特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１４６１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の手法は、１８０°位相の異なる２つの角度データを生成するため、２つのエンコーダ検出部を回転ディスクの回転中心を挟んで対向する位置に正確に配置する必要がある。
【０００６】
このようにエンコーダ検出部を２カ所に設けるため、エンコーダ装置の大型化、部品点数の増加によるコスト上昇、２つのエンコーダ検出部の調整による設置作業性悪化、といった問題を生じていた。
【０００７】
従って、回転ディスクのスリットの回転を光学的に検出して回転角度を算出する際に、
装置大型化とコスト上昇を招かず、面倒な調整を必要とせずに容易に設置でき、角度データに含まれる１回転に１周期の絶対値精度誤差を精度よく解消できるエンコーダ装置が望まれている。
【０００８】
本発明は、回転ディスクのスリットの回転を光学的に検出して回転角度を算出する際に、検出された角度に含まれる絶対値精度誤差を解消し、エンコーダ装置を小型化し、容易に設置することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るエンコーダ装置は、スリットが設けられた回転ディスクの回転を、エンコーダ検出部により検出し、回転ディスクの回転角度をエンコーダ処理部により算出するエンコーダ装置であって、エンコーダ検出部は、単一の受光部の中に、角度データ生成に必要な受光素子組を所定の配置により複数有し、エンコーダ処理部は、複数の受光素子組で得られる受光信号を１回転の角度データに変換し、角度データと、配置に関する配置情報とから、１回転の角度データの絶対値精度誤差を算出し、絶対値精度誤差を用いて１回転の角度データの絶対精度を補正して回転角度を算出し、算出した前記回転角度を外部に出力する。ここで、複数の受光素子組として第１受光部と第２受光部とを、所定の配置としてスリットに対向する位置であって、回転ディスクの半径方向の異なる位置に有している。そして、エンコーダ処理部は、第１受光部の受光信号から算出される第１角度データＰ１、第２受光部の受光信号から算出される第２角度データＰ２、第１角度データＰ１に含まれる絶対値精度誤差Δ１、第２角度データＰ２に含まれる絶対値精度誤差Δ２、回転中心から第１受光部までの光学半径ｒ１、回転中心から第２受光部までの光学半径ｒ２を用いて、回転角度θを、θ＝Ｐ１−Δ１＝Ｐ１−（ｒ２／（ｒ２−ｒ１））・（Ｐ１−Ｐ２）と算出する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、回転ディスクのスリットの回転を光学的に検出して回転角度を算出する際に、検出された角度に含まれる絶対値精度誤差を解消し、装置を小型化し、容易に設置することができるエンコーダ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるエンコーダ装置の回路構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるエンコーダ装置の主要部の構成を示す概要図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光部の詳細な構成を示す概要図である。
【図４】本発明の実施の形態１における回転ディスクの回転中心から受光部までの光学半径を示す説明図である。
【図５】従来のエンコーダ装置の主要部の構成を示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のエンコーダ装置の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。
【００１３】
実施の形態１．
はじめに、本発明の実施の形態１におけるエンコーダ装置１００の基本的な構成について、図１と図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるエンコーダ装置１００の回路構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるエンコーダ装置１００の主要部の構成を示す概要図である。
【００１４】
［エンコーダ装置１００の構成］
図１において、エンコーダ装置１００は、回転体１の回転角度を算出するものであり、主に、回転軸１１０、回転ディスク１２０、エンコーダ検出部１４０、及びエンコーダ処理部１５０を備えている。このエンコーダ装置１００において、回転体１の回転角度を算出する際に、角度データに含まれる絶対値精度誤差の補正を行う。
【００１５】
回転ディスク１２０には、図２に示すように、放射状のスリット１３０が形成されている。回転ディスク１２０は、回転軸１１０により回転体１に接続されている。従って、スリット１３０が形成された回転ディスク１２０は、回転体１と同じ回転速度で回転する。
【００１６】
エンコーダ検出部１４０は、回転ディスク１２０を挟むように発光部１４１と受光部１４２とを有している。従って、エンコーダ検出部１４０は、発光部１４１により回転ディスク１２０のスリット１３０を照射し、スリット１３０を透過した透過光を受光部１４２により受光する透過型センサであり、回転ディスク１２０の回転を光学的に検出する。なお、回転ディスク１２０にスリット１３０の代わりに反射型パターンを形成した場合は、エンコーダ検出部１４０に反射型センサを用いることができる。
【００１７】
エンコーダ検出部１４０の受光部１４２の詳細な構成を図３に示す。図３は、本発明の実施の形態１における受光部１４２の詳細な構成を示す概要図である。エンコーダ検出部１４０において、単一の受光部１４２は、第１受光部１４２Ａと、第２受光部１４２Ｂとを、回転ディスク１２０の周方向には同じ位置であり、回転ディスク１２０の半径方向には異なる位置に配置している。
【００１８】
なお、第１受光部１４２Ａと第２受光部１４２Ｂとは、それぞれ、４個の受光素子の組からなる受光素子組により構成されている。すなわち、単一の受光部１４２の中に、角度データ生成に必要な受光素子組を所定の配置により複数有している。
ここで、受光素子組を構成する４個の受光素子は、ａ＋，ａ−，ｂ＋，ｂ−を割り当てられている。これらａ＋，ａ−，ｂ＋，ｂ−の各受光素子からの信号を加減算することにより、互いに位相の異なる二相の角度データ算出用の受光信号を得ることができる。
【００１９】
エンコーダ処理部１５０には、角度データ変換部１５１Ａと、角度データ変換部１５１Ｂと、誤差計算部１５２と、補正部１５３と、出力部１５４とが設けられている。角度データ変換部１５１Ａは、第１受光部１４２Ａからの二相の受光信号を演算処理し、第１角度データＰ１を算出する。角度データ変換部１５１Ｂは、第２受光部１４２Ｂからの二相の受光信号を演算処理し、第２角度データＰ２を算出する。なお、１つの角度データ変換部を高速に切り替えて、第１角度データＰ１と第２角度データＰ２とを算出してもよい。また、角度データ変換部１５１Ａ及び１５１Ｂの入力にレベル補正回路を配置してもよい。
【００２０】
誤差計算部１５２は、第１角度データＰ１、第２角度データＰ２、及び後述する配置情報を参照して、第１角度データＰ１に含まれる１回転に１周期の絶対値精度誤差Δ１を算出する。補正部１５３は、第１角度データＰ１から絶対値精度誤差Δ１を減算して、１回転の角度データの絶対精度を補正して、回転ディスク１２０の回転角度θを算出する。出力部１５４は、回転ディスク１２０の回転角度θを外部機器に対して出力する。出力部１５４は、回転角度θを外部機器に対して出力するために、通信機能を備えていてもよい。
【００２１】
［エンコーダ装置１００の処理］
次に、エンコーダ装置１００において、回転ディスク１２０のスリット１３０の回転を光学的に検出して回転角度θを算出する際の処理を説明する。ここで、回転角度θを算出する際に使用される用語、パラメータ、またはデータは、以下の通りである。
【００２２】
エンコーダ装置１００において、回転ディスク１２０の回転中心と、スリット１３０のパターン中心とが一致していない場合、スリット１３０は１回転の周期において真円とは異なる状態でエンコーダ検出部１４０に回転が検出されることになる。このため、エンコーダ処理部１５０において算出される角度データには、真の回転角度θに対して１回転に１周期の誤差を含んでいる。この１回転に１周期の誤差を絶対値精度誤差と呼ぶ。
【００２３】
実施の形態１におけるパラメータは以下のように定義される。
誤差の生じていない回転ディスク１２０の回転角度をθ(rad)、
第１受光部１４２Ａでのスリット１３０の受光信号により角度データ変換部１５１Ａで算出される第１角度データをＰ１(rad)＝θ＋Δ１、
第２受光部１４２Ｂでのスリット１３０の受光信号により角度データ変換部１５１Ｂで算出される第２角度データをＰ２(rad)＝θ＋Δ２、
第１角度データＰ１に含まれる絶対値精度誤差をΔ１(rad)、
第２角度データＰ２に含まれる絶対値精度誤差をΔ２(rad)、
とする。
【００２４】
回転ディスク１２０の回転中心と、スリット１３０のパターン中心とが一致していない状態を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１における配置情報として、回転ディスク１２０の回転中心から受光部１４２までの光学半径を示す説明図である。
図４において、Ｃ１は回転ディスク１２０の回転中心、Ｃ２はスリット１３０のパターン中心である。そして、回転中心Ｃ１から第１受光部１４２Ａまでの距離を光学半径ｒ１、回転中心Ｃ１から第２受光部１４２Ｂまでの距離を光学半径ｒ２、回転ディスク１２０の回転中心Ｃ１とスリット１３０のパターン中心Ｃ２の間の距離をズレδ、とする。
ここで、光学半径ｒ１及びｒ２は、第１受光部１４２Ａと第２受光部１４２Ｂを構成する複数の受光素子組の配置に関する配置情報である。なお、配置情報には、これ以外にも、複数の受光素子組間の距離や角度等の情報を含んでいてもよい。
【００２５】
誤差計算部１５２は、以下のようにして絶対値精度誤差Δ１を算出する。ここで、絶対値精度誤差Δ１は、
Δ１＝（δ／ｒ１）・sinθ
と表すことができる。
また、絶対値精度誤差Δ２は、
Δ２＝（δ／ｒ２）・sinθ
と表すことができる。
以上の絶対値精度誤差Δ１及びΔ２の２つの式を整理して、sinθを除くと、
Δ１＝（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Δ１−Δ２）
となる。
【００２６】
そして、Ｐ１＝θ＋Δ１、Ｐ２＝θ＋Δ２を用いて、上記Δ１の式からΔ２を消去すると、
Δ１＝（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）
と表すことができる。
すなわち、誤差計算部１５２は、第１角度データＰ１、第２角度データＰ２、及び光学半径ｒ１及びｒ２を用いて、絶対値精度誤差Δ１を算出することができる。
ここで、Δ１を算出する式のうち（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）は定数である。このため、誤差計算部１５２は、第１角度データＰ１と第２角度データＰ２との差分と、定数とにより、高速に絶対値精度誤差Δ１を算出することができる。
【００２７】
補正部１５３は、誤差計算部１５２において計算された絶対値精度誤差Δ１を用いて、
θ＝Ｐ１−Δ１
のように、回転角度θを算出する。ここで、補正部１５３は、角度データ変換部１５１Ａで算出された第１角度データＰ１から、誤差計算部１５２で算出されたΔ１を減算するだけなので、高速に回転角度θを算出することができる。
【００２８】
すなわち、エンコーダ処理部１５０は、第１受光部１４２Ａの受光信号から算出される第１角度データＰ１と、第２受光部１４２Ｂの受光信号から算出される第２角度データＰ２と、第１受光部１４２Ａの光学半径ｒ１と、第２受光部１４２Ｂの光学半径ｒ２とを用いて、回転角度θを
θ＝Ｐ１−Δ１＝Ｐ１−（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）
のように算出することができる。
ここで、（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）は定数であるため、第１角度データＰ１及びＰ２と定数とから、高速かつ高精度に回転角度θを算出することが可能である。
【００２９】
［比較例（エンコーダ装置１００Ａ）の構成と動作］
ここで、実施の形態１のエンコーダ装置１００の比較例として、従来のエンコーダ装置１００Ａの構成を説明する。図５は、従来のエンコーダ装置１００Ａの主要部の構成を示す概要図である。
【００３０】
図５において、スリット１３０が設けられた回転ディスク１２０は、回転軸１１０を介して検出対象の回転体１に接続され、回転体１と同じ速度で回転する。２つのエンコーダ検出部１４０Ａと１４０Ｂとは、それぞれ発光部と受光部とを備え、回転ディスク１２０の回転中心を挟んで対向する位置に設けられ、回転する回転ディスク１２０のスリット１３０による光の通過と遮断とを検出する。
【００３１】
回転ディスク１２０の回転中心とスリット１３０のパターン中心とが一致していない場合、エンコーダ検出部１４０Ａの受光信号から算出される第１角度データと、エンコーダ検出部１４０Ｂの受光信号から算出される第２角度データとに含まれる絶対値精度誤差は、理論的に１８０°の位相差を有している。従って、第１角度データと第２角度データとを平均することで、１回転に１周期の絶対値精度誤差は相殺されて消滅する。
【００３２】
以上のように、従来のエンコーダ装置１００Ａは、エンコーダ検出部１４０Ａと１４０Ｂとを、回転ディスク１２０の回転中心を挟んで対向する位置に正確に配置する必要があるため、エンコーダ装置１００が大型化する。また、エンコーダ検出部１４０Ａと１４０Ｂとを設ける必要があるため、部品点数の増加によりコストが上昇する。そして、平均することによって絶対値精度誤差を相殺するために、２つのエンコーダ検出部１４０Ａ及び１４０Ｂの位置について、第１角度データに含まれる絶対値精度誤差と第２角度データに含まれる絶対値精度誤差との位相差を正確に１８０°にするように細かな調整が必要になり、設置作業性が悪化する。
【００３３】
［エンコーダ装置１００とエンコーダ装置１００Ａの対比］
以上説明したように、実施の形態１のエンコーダ装置１００は、回転ディスク１２０のスリット１３０の回転を光学的に検出して回転角度θを算出する際に、従来のエンコーダ装置１００Ａと比較して、単一のエンコーダ検出部１４０を用いることができるため、装置大型化とコスト上昇を招かず、面倒な調整を必要とせずに容易に設置でき、検出された角度に含まれる絶対値精度誤差を解消することができる。
【００３４】
［実施の形態の効果］
実施の形態１のエンコーダ装置１００は、回転ディスク１２０に設けられたスリット１３０を、エンコーダ検出部１４０により光学的に検出し、回転ディスク１２０の回転角度θをエンコーダ処理部１５０が算出するものであり、エンコーダ検出部１４０は、第１受光部１４２Ａと第２受光部１４２Ｂとを、回転ディスク１２０の半径方向の異なる位置に有する。エンコーダ処理部１５０は、第１受光部１４２Ａでのスリット１３０の受光信号により角度データ変換部１５１Ａで算出される第１角度データをＰ１＝θ＋Δ１、第２受光部１４２Ｂでのスリット１３０の受光信号により角度データ変換部１５１Ｂで算出される第２角度データをＰ２＝θ＋Δ２、第１角度データＰ１に含まれる絶対値精度誤差をΔ１、第２角度データＰ２に含まれる絶対値精度誤差をΔ２、回転中心Ｃ１から第１受光部１４２Ａまでの距離を光学半径ｒ１、回転中心Ｃ１から第２受光部１４２Ｂまでの距離を光学半径ｒ２、とした場合に、回転角度θをθ＝Ｐ１−Δ１＝Ｐ１−（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）と算出する。
【００３５】
ここで、エンコーダ装置１００は、１つのエンコーダ検出部１４０により回転ディスク１２０のスリット１３０の回転を光学的に検出して、絶対値精度誤差を含まない回転角度θを検出するため、装置の大型化とコスト上昇を招くことがなく、小型化することができる。また、エンコーダ装置１００は、１つのエンコーダ検出部１４０により回転ディスク１２０のスリット１３０の回転を光学的に検出して、絶対値精度誤差を含まない回転角度θを検出するため、２つのエンコーダ検出部を使用する従来のような面倒な調整を必要とせず、容易に設置できるようになる。
【００３６】
実施の形態１のエンコーダ装置１００において、エンコーダ処理部１５０は、第１受光部１４２Ａの検出結果から第１角度データＰ１を算出する角度データ変換部１５１Ａと、第２受光部１４２Ｂの検出結果から第２角度データＰ２を算出する角度データ変換部１５１Ｂと、絶対値精度誤差Δ１を算出する誤差計算部１５２と、第１角度データＰ１から絶対値精度誤差Δ１を減算して回転角度θを算出する補正部１５３とを備え、誤差計算部１５２は、絶対値精度誤差Δ１、絶対値精度誤差Δ２、光学半径ｒ１、及び光学半径ｒ２を用いて、絶対値精度誤差Δ１をΔ１＝（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）と算出し、補正部１５３は回転角度θをθ＝Ｐ１−Δ１と算出する。ここで、誤差計算部１５２は、第１角度データＰ１と第２角度データＰ２との差分と、定数（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）とにより、高速に絶対値精度誤差Δ１を算出することができる。そして、補正部１５３は、第１角度データＰ１から、誤差計算部１５２で算出された絶対値精度誤差Δ１を減算するだけなので、高速かつ高精度に回転角度θを算出することができる。
【００３７】
［その他の実施の形態］
エンコーダ検出部１４０は、第１受光部１４２Ａと第２受光部１４２Ｂとを、回転ディスク１２０の半径方向の異なる位置に配置する具体例を示したが、配置はこれに限定されるものではなく、各種の配置の変更が可能である。そして、第１受光部１４２Ａと第２受光部１４２Ｂとを配置を変更した場合には、その配置に応じた計算を行うことで、絶対値精度誤差Δ１を算出し、高精度に回転角度θを算出することができる。
【００３８】
エンコーダ処理部１５０において、出力部１５４からデータを出力する具体例を示したが、外部機器と通信する通信部に置き換えることが可能である。
【００３９】
図１に示したエンコーダ装置１００の構成において、エンコーダ処理部１５０内の誤差計算部１５２を、（Ｐ１−Ｐ２）を算出する減算部と、（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）を算出する乗算部とに分けてもよい。
【００４０】
また、図１に示したエンコーダ装置１００の構成において、エンコーダ処理部１５０内の誤差計算部１５２と補正部１５３とを一体化して、回転角度θについて、θ＝Ｐ１−（ｒ２／(ｒ２−ｒ１)）・（Ｐ１−Ｐ２）を、一体化した演算処理部により一度に算出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  回転体、１００  エンコーダ装置、１１０  回転軸、１２０  回転ディスク、１３０  スリット、１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ  エンコーダ検出部、１４１  発光部、１４２  受光部、１４２Ａ  第１受光部（受光素子組）、１４２Ｂ  第２受光部（受光素子組）、１５０  エンコーダ処理部、１５１Ａ  角度データ変換部、１５１Ｂ  角度データ変換部、１５２  誤差計算部、１５３  補正部、１５４  出力部、Ｃ１  回転中心、Ｃ２  パターン中心、ｒ１  第１受光部の光学半径、ｒ２  第２受光部の光学半径、δ  回転中心とパターン中心の間の距離（ズレ）、θ  回転角度。
【要約】      （修正有）【課題】回転ディスクの回転角度を算出する際に絶対値精度誤差を解消する手段を提供する。【解決手段】スリットが設けられた回転ディスク１２０の回転を、エンコーダ検出部１４０により検出し、回転ディスク１２０の回転角度をエンコーダ処理部１５０により算出するエンコーダ装置であって、エンコーダ検出部１４０は、単一の受光部１４２の中に、角度データ生成に必要な受光素子組を所定の配置により複数有し、エンコーダ処理部１５０は、複数の受光素子組で得られる受光信号を１回転の角度データに変換し、角度データと、配置に関する配置情報とから、１回転の角度データの絶対値精度誤差を算出し、絶対値精度誤差を用いて１回転の角度データの絶対精度を補正して回転角度を算出し、算出した前記回転角度を外部に出力する。【選択図】図１【図１】
0006940105.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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