(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源に関してホイール本体の絶対位置を判断するためのアブソリュート型光学エンコーダーであって、
第１の数のメイン格子を有する一次格子ユニットであって、前記メイン格子は前記ホイール本体の周面のまわりに配置された前記一次格子ユニットと、
第２の数のサブ格子を有する少なくとも１つの二次光学格子ユニットであって、前記サブ格子は前記ホイール本体の別の周面のまわりに配置され、前記第２の数は前記第１の数より１つ少ない前記二次光学格子ユニットと、
前記一次格子ユニットに対応して配置され、前記一次格子ユニットを介して通過する光源からの光を受信して第一の感知された結果を得る複数の主光センサーユニットと、
少なくとも１つの二次光学格子ユニットに対応し、前記二次光学格子ユニットを介して通過する光源からの光を受信して第二の感知された結果を得る少なくとも１つの調整光センサーユニットと、
前記主光センサーユニットおよび前記調整光センサーユニットと電気的に接続されたコントローラであって、前記サブ格子の格子ピッチに対応する距離を回転させるために前記ホイール本体を駆動し、前記第二の感知された結果のゼロ点を見つけ、前記ゼロ点に関連して前記第一の感知された結果の標本値を見つけ、前記標本値に基づいて前記ホイール本体の絶対位置を得るように構成された前記コントローラと
を備えたことを特徴とするアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項２】
前記アブソリュート型エンコーダーは、１つの二次光学格子ユニットを備え、前記二次光学格子ユニットは前記一次格子ユニットの内部に配置されることを特徴とする請求項１記載のアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項３】
前記アブソリュート型エンコーダーは、１つの二次光学格子ユニットを備え、前記二次光学格子ユニットは前記一次格子ユニットの外部に配置されることを特徴とする請求項１記載のアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項４】
前記アブソリュート型エンコーダーは、２つの二次光学格子ユニットを備え、前記二次光学格子ユニットは前記一次格子ユニットの内部および外部にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載のアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項５】
前記主光センサーユニットは、９０度の信号位相差での４つのセンサーユニットを備えることを特徴とする請求項１記載のアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項６】
前記調整光センサーユニットは、１８０度の信号位相差での２つの光センサーユニットを備えることを特徴とする請求項１記載のアブソリュート型光学エンコーダー。
【請求項７】
光学エンコーダーホイールの絶対位置を感知するための方法であって、
光源を備え、
ホイール本体と、第１の数のメイン格子を有する一次格子ユニットであって、前記メイン格子は前記ホイール本体の周面のまわりに配置された前記一次格子ユニットと、第２の数のサブ格子を有する少なくとも１つの二次光学格子ユニットであって、前記サブ格子は前記ホイール本体の別の周面のまわりに配置され、前記第２の数は前記第１の数より１つ少ない前記二次光学格子ユニットとを含むアブソリュート型エンコーダーホイールを備え、
前記サブ格子の格子ピッチに対応する距離を回転させるために前記ホイール本体を駆動し、前記サブ格子に対応する感知された結果のゼロ点を見つけ、
前記ゼロ点に関連して前記メイン格子のために感知された結果の標本値を見つけ、前記標本値に基づいて前記エンコーダーホイールの絶対位置を見つけること
を含む方法。
【請求項８】
前記サブ格子に対応する感知された結果のすべてのゼロ点のすべての標本値は、３６０度の正弦曲線であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記サブ格子に対応する感知された結果のすべてのゼロ点のすべての標本値は、３６０度の余弦曲線であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アブソリュート型エンコーダ（絶対位置検出器）に関し、特にインクレメンタル型エンコーダー（相対位置検出器）のアーキテクチャを活用するアブソリュート型エンコーダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡＣサーボモータは、一般にロータの角度情報を感知するために光学エンコーダーを含み、この角度情報は固定子駆動電流を決定するために用いることができる。そのため、ＡＣサーボモータの速度は正確に制御することができる。
【０００３】
図１は、先行技術のＡＣサーボモータの概略図を示す。モータ１０内のロータの角度位置は、光学エンコーダー１２によって検出され、角度情報を得るために信号演算処理装置２０によって処理される。推定されたモータ回転速度を得るために、角度情報は速度推定装置１４によって処理される。速度コントローラ３０は、モータ速度制御信号を生成するために、コントローラモジュール３２およびＩＧＢＴモジュール３４を制御するために推定されたモータ回転速度および速度コマンドを受信する。モータ速度制御信号は、正確にモータ１０の回転速度を制御するために用いることができる。
【０００４】
特に、サーボモータにおいて、モータ軸に付けられた位置センサーは、光学エンコーダー１２である。光学エンコーダー１２をインクレメンタル型エンコーダーとアブソリュート型エンコーダーに分類することができる場合、サーボモータの位置精密は光学エンコーダーの分解能に依存する。
【０００５】
インクレメンタル型エンコーダーは、直前の位置に関する情報を提供することができ、もし位置がリセットされなければ、そのエンコーダーホイールの絶対位置は電源障害の後に知ることができない。そのため、インクレメンタル型エンコーダーは、電源後のそのエンコーダーホイールの絶対位置が電源障害の後にまさに回復されることを知ることができない。これに反して、アブソリュート型エンコーダーは、常に、電源障害により悩まずに、出力軸の絶対位置を知ることができる。リセット動作は電源障害からの電源投入の後に必要ではなく、動作は簡易化される。
【０００６】
図２は、光学エンコーダーの概略図を示す。光源２６０からの光は、回転車２００および固定マスク２２０を通過した後に、光センサー２４０に到達する。光センサー２４０によって受信された信号は、回転車２００の位置変更により変更される。そのため、回転車２００の位置変更は、光センサー２４０の信号の強さの検出によって知ることができる。
【０００７】
図３は、６ビットのエンコーダーホイールである、アブソリュート型エンコーダーホイール３００の概略図を示す。アブソリュート型エンコーダーホイール３００は、円形のホイール本体３０２および複数の格子３０４を含む。格子３０４は、最内軌道および１／２の周面を占める第１の格子３０４Ａと、第２の最内軌道および各１／４の周面を占める２個の第２の格子３０４Ｂと、第３の格子３０４Ｃと、第４の格子３０４Ｄと、第５の格子３０４Ｅと、最も外側の軌道および各１／６４の周面を占める３２個の第６の格子３０４Ｆとを含む。強度を変化する信号は、ラジアル方向に沿って得ることができ、２６＝６４の位置分解能は、周面方向に沿って得ることができる。しかしながら、１ビットの分解能が図３に示されるアブソリュート型エンコーダーホイール３００において増強されるべきである場合、より多くの軌道が必要である。分解能をさらに要求している場合、アブソリュート型エンコーダーホイール３００は、より多くのスペースを占める。図３に示されるアブソリュート型エンコーダーホイール３００は、そのサイズが制限される場合、分解能が限定されている。
【０００８】
図４Ａは、インクレメンタル型光学エンコーダーのためのエンコーダーホイール４００の概略図を示しており、エンコーダーは円形のホイール本体４０２および複数の格子を含む。格子は、メインの格子４０４Ａと、第１のサブ格子４０４Ｂと、第２のサブ格子を４０４Ｃとを含み、第１のサブ格子４０４Ｂおよび第２のサブ格子４０４Ｃは、メイン格子４０４Ａの２つの対向面上に配置される。図４Ｂは、エンコーダーホイール４００に関連したマスク４２０を示しており、エンコーダーホイール４００は、格子４２０Ａの４つの列を含む。図４Ｃは、エンコーダーホイール４００に関連した光センサーデバイス４４０を示しており、エンコーダーホイール４００は、メイン格子４０４Ａに対応する主光センサーユニット４４２Ａ、４４４Ａ、４４２Ｂ、４４４Ｂ（Ａ＋／Ｂ＋／Ａ−／Ｂ−とラベル付けされた）を含む。エンコーダーホイール４００が回転する場合、主光センサーユニット４４２Ａ、４４４Ａ、４４２Ｂ、４４４Ｂ（Ａ＋／Ｂ＋／Ａ−／Ｂ−とラベル付けされた）は、４つのシヌソイドのような信号を生成する。４つのシヌソイドのような信号には、０／９０／１８０／２７０度のフェーズがある。同相雑音なしで正弦信号Ａを得るために、１８０度の位相差によるＡ＋／Ａ−信号は差分演算に従う。同相雑音なしで余弦信号Ｂを得るために、１８０度の位相差によるＢ＋／Ｂ−信号は差分演算に従う。前方または後方への回転を判断するために、９０度の位相差による正弦信号Ａおよび余弦信号Ｂを用いることができる。
【０００９】
インクレメンタル型光学エンコーダーは、正弦の信号Ａおよび余弦信号Ｂに基づいた増加分の位置情報を得ることができる。絶対位置情報を得るために、原点光センサーユニット４４６Ａ、４４６Ｂ（Ｚ＋／Ｚ−）がさらに備えられる。しかしながら、電源障害からの電源投入の後、増加分のエンコーダー上の原点マークは、絶対位置情報を得るために原点センサーユニットによって感知されるべきである。このプロセスは、時間を浪費し、原点マークへのリターンを要求しないアプリケーションのためには適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、インクレメンタル型エンコーダーのアーキテクチャを活用するアブソリュート型エンコーダーを提供することを目的とし、それにより、その分解能を増強する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、本発明のアブソリュート型エンコーダーは、アブソリュート型エンコーダーホイールを含む。アブソリュート型エンコーダーホイールは、一次光学格子ユニットおよび２つの二次光学格子ユニットを含み、２つの二次光学格子ユニットは、一次光学格子ユニットの外部および内部に配置されており、一次光学格子ユニットより１つ少ない光学格子を含んでいる。エンコーダーホイールは、二次光学格子ユニットの光検出信号内のゼロ点を見つけるために回転し、一次光学格子ユニットの対応する光検知値も決定される。エンコーダーホイールの絶対位置は、対応する光検知値に関連して計算することができる。アブソリュート型エンコーダーは、より多くの融通性を提供するためにインクレメンタル型エンコーダーとしても用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
先行技術のアブソリュート型光学エンコーダーにとって、バイナリコードまたはグレイコードなどのような物理的なコーディングは、絶対位置情報を得るのに必要である。さらに、アブソリュート型光学エンコーダーの分解能はまた、センサーの数に依存する。センサーの数が増加するにつれて、アブソリュート型光学エンコーダーのサイズおよびコストは増加する。本発明において、増加分のエンコーダーのアーキテクチャは、絶対位置感知機能を提供するために活用される。付加的な格子は、変調信号を生成するために増加分のエンコーダー内で備えられる。３６０度の正弦信号（あるいは余弦信号）は、変調信号により生成することができる。絶対位置情報は、正弦信号（あるいは余弦信号）の補間により得ることができる。
【００１３】
図５Ａは、本発明によるアブソリュート型光学エンコーダー内のエンコーダーホイール１００の概略図を示す。ホイール１００は、円形のホイール本体１０２および複数の格子１０４を含む。格子１０４は、基準線に配置された複数のメイン格子による一次格子ユニット１０４Ａと、少なくとも１つの調整線に配置された複数のサブ格子による少なくとも１つの二次格子ユニット（この図の中では２つの二次格子ユニット１０４Ｂ、１０４Ｃがあると示されている）とを含む。サブ格子の格子数は、メイン格子の数より１つ少ない。例えば、メイン格子の格子数が２５００である場合、サブ格子の格子数は２４９９である。
【００１４】
図５Ｂは、マスク１２０の概略図を示しており、マスク１２０は、光センサーデバイスに対応する格子１２０Ａの４つの列を含む。図５Ｃは、光センサーデバイス１４０の概略図を示しており、光センサーデバイス１４０は、一次格子ユニット１０４Ａのメイン格子の場所に対応する主光センサーユニット１４２Ａ、１４４Ａ、１４２Ｂ、１４４Ｂ（すなわちＡ＋／Ｂ＋／Ａ−／Ｂ−でマークされたエリア）を含む。光センサーデバイス１４０は、さらに、二次格子ユニット１０４Ｂ、１０４Ｃのサブ格子にそれぞれ対応する調整光センサーユニット１４６Ａ、１４６Ｂ（すなわちＭ＋／Ｍ−でマークされたエリア）を含む。
【００１５】
本発明において、インクレメンタル型エンコーダー内のホイールと関連する構成部品とは、絶対位置情報を提供するために変更される。再び図５Ａ、４Ａ、４Ｃを参照すると、ホイール４００のＺ＋／Ｚ−エリアに対応するホイール１００上の部分は、一次格子ユニット１０４Ａのメイン格子より１つの少ないぎざぎざを各々有するサブ格子を備えている。実証を容易にするために、アブソリュート型エンコーダーの動作は、一次格子ユニット１０４Ａにおいて１６個のメイン格子と、二次格子ユニット１０４Ｂにおいて１５個のサブ格子と、二次格子ユニット１０４Ｃにおいて１５個のサブ格子で説明される。
【００１６】
図６は、光センサーデバイス１４０によって検出された信号を示す。ホイール１００の１回転で、主光センサーユニット１４２Ａ、１４２Ｂ（Ａ＋／Ａ−でマークされるエリアに対応する）は、微分により１６個の期間（各期間には３６０度のフェーズがある）の第１の正弦曲線（実線）を生成する。ホイール１００の１回転で、調整光センサーユニット１４６Ａまたは１４６Ｂ（Ｍ＋／Ｍでマークされるエリアに対応する）は、１５個の期間（各期間には３６０度のフェーズがある）の第２の正弦曲線（破線）を生成する。１つの期間（３６０度）の第３の正弦曲線（太い破線）は、第２の正弦曲線での零点により第１の正弦曲線をサンプリングすることにより得ることができ、それは後で詳述される。電力が電源障害の後に本発明のアブソリュート型エンコーダーに再び供給される場合、コントローラ（図示せず、図１の速度推定装置１４でありえる）は、サブ格子の１つの格子ピッチに対応する隔たりを移動させるためにホイール１００を駆動する（すなわちこの場合１５個のサブ格子で２４度）。２πゼロ点Ａは、移動の間に調整光センサーユニット１４６Ａによって感知された第２の正弦曲線において見つかり、第１の正弦曲線は２πゼロ点Ａでサンプリングされる。図６から理解することができるように、サンプリングによって生成された第３の正弦曲線は、１つの期間（３６０度）の正弦曲線（太い破線）である。エンコーダーの絶対位置は、２πゼロ点Ａで示された第３の正弦曲線の値から分かる。
【００１７】
エンコーダーの絶対位置は、１６個のメイン格子および１５個のサブ格子の例に基づく２４度の分解能を有している。分解能は、より多くのメイン格子１０４Ａ（例えば２５００）で増強することができる。
【００１８】
同様に、主光センサーユニット１４４Ａ、１４４Ｂ（Ｂ＋／Ｂ−でマークされたエリアに対応する）によって生成された余弦曲線も、調整光センサーユニット１４６Ａ（あるいは１４６Ｂ）で感知された結果の２πゼロ点によってサンプリングすることができる。エンコーダーの絶対位置は、サンプリングされた結果の値から分かる。本発明において、エンコーダーの絶対位置は、増加分のエンコーダーと同様の分解能がある格子の助けを借りて得られる。そのため、絶対位置の分解能は増強される。さらに、オリジナルの正弦および余弦曲線内の高位調和成分が十分に小さい場合、分解能は、さらに補間によって増強することができる。
【００１９】
本発明の利点は以下のように要約することができる。
１．絶対位置情報は、増加分のエンコーダーのようなアーキテクチャにより利用可能である。
２．位置分解能は、増加分の位置信号の補間により増強することができる。
３．主光センサーユニットおよび調整光センサーユニットからの信号は、同相雑音を除去するために差別的に増幅される。
【００２０】
さらに、本発明のアブソリュート型エンコーダーは、光学エンコーダーの面から実証される。電磁気または容量性信号に基づいた他の種類のエンコーダーまたは角度分解器に、本発明のスキームを適用することができることは注目されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
新規であると確信する本発明の機能は、添付された請求項において詳細に述べられる。しかしながら、本発明はそれ自身、本発明の詳細な説明（それは添付の図面と共に得られて、本発明の典型的な実施例を記述する）への参照によって最も理解されてもよい。
【図１】先行技術のＡＣサーボモータの概略図を示す。
【図２】光学エンコーダーの概略図を示す。
【図３】アブソリュート型エンコーダーホイールの概略図を示す。
【図４Ａ】インクレメンタル型光学エンコーダーのためのエンコーダーホイールの概略図を示す。
【図４Ｂ】図４Ａのエンコーダーホイールに関連したマスクを示す。
【図４Ｃ】図４Ａのエンコーダーホイールに関連した光センサーデバイスを示す。
【図５Ａ】本発明によるアブソリュート型光学エンコーダーにおいてエンコーダーホイールの概略図を示す。
【図５Ｂ】本発明によるマスクの概略図を示す。
【図５Ｃ】光センサーデバイスの概略図を示す。
【図６】光センサーデバイスによって検出された信号を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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