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JP7664719B2 - Position Measuring Device - Google Patents
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JP7664719B2 - Position Measuring Device - Google Patents

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Description

本件は、ロータリーエンコーダおよび位置測定装置に関する。 This case relates to a rotary encoder and a position measuring device.

従来、ロータリースケールを備えたロータリーエンコーダが知られている(例えば、特許文献1~4参照)。 Conventionally, rotary encoders equipped with rotary scales are known (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

特開2014-178227号公報JP 2014-178227 A 特開2016-138759号公報JP 2016-138759 A 特開2018-059714号公報JP 2018-059714 A 特開2019-168410号公報JP 2019-168410 A

ロータリーエンコーダは、測定対象物の回転方向の機械的変位量をデジタル量に変換する位置センサであり、インクリメンタル方式とアブソリュート方式とに大別される。インクリメンタル方式は、測定開始点からの回転角度に対応して発生するパルスを積算する方式であるのに対し、アブソリュート方式は原点に対する絶対角度位置を計測する方式である。現在の角度(アブソリュート位置)が直ちに判明する点でアブソリュート方式は便利である。しかしながら、従来のアブソリュート方式のロータリーエンコーダでは、複雑なスケールパターンが設けられたアブソリュートトラックなどを装備しなければならない等、インクリメンタル方式と比較してその構造が複雑である。 A rotary encoder is a position sensor that converts the amount of mechanical displacement in the rotational direction of the object being measured into a digital amount, and is broadly divided into incremental and absolute types. The incremental type integrates pulses generated in response to the angle of rotation from the measurement start point, while the absolute type measures the absolute angular position relative to the origin. The absolute type is convenient because it immediately determines the current angle (absolute position). However, conventional absolute type rotary encoders have a more complex structure than incremental types, as they must be equipped with an absolute track with a complex scale pattern, etc.

1つの側面では、本発明は、簡易な構造でアブソリュート位置を求めることができるロータリーエンコーダおよび位置測定装置を提供することを目的とする。 In one aspect, the present invention aims to provide a rotary encoder and a position measuring device that can determine absolute position with a simple structure.

1つの態様では、ロータリーエンコーダは、第1仮想円周上に複数のパターンが配列されて形成されたスケールパターンを有し、前記第1仮想円周の中心点からずれた位置を通過する回転軸線回りに回転するロータリースケールと、前記回転軸線上に位置する点を中心点とし、前記第1仮想円周と対向させて仮想的に描かれた第2仮想円周上に設けられた3つ以上の受信部と、前記スケールパターンを介して前記受信部に向かって信号を発信する発信部と、を備えることを特徴とする。 In one aspect, the rotary encoder is characterized by comprising: a rotary scale having a scale pattern formed by arranging a plurality of patterns on a first virtual circumference, rotating around a rotation axis passing through a position shifted from the center point of the first virtual circumference; three or more receiving units provided on a second virtual circumference that is virtually drawn facing the first virtual circumference and has a center point located on a point on the rotation axis; and a transmitting unit that transmits a signal toward the receiving units via the scale pattern.

上記ロータリーエンコーダは、前記第2仮想円周上に120°ずつ離して配置された3つの前記受信部を備えることができる。 The rotary encoder may include three receivers arranged on the second virtual circumference at 120° intervals.

また、上記ロータリーエンコーダにおいて、前記受信部は受光素子であり、前記発信部は発光素子とすることができる。 In addition, in the above rotary encoder, the receiving unit can be a light receiving element, and the transmitting unit can be a light emitting element.

さらに、上記ロータリーエンコーダにおいて、前記受信部は受信コイルであり、前記発信部は送信コイルとすることができる。 Furthermore, in the above rotary encoder, the receiving unit can be a receiving coil, and the transmitting unit can be a transmitting coil.

1つの態様では、位置測定装置は、第1仮想円周上に複数のパターンが配列されて形成されたスケールパターンを有し、前記第1仮想円周の中心点からずれた位置を通過する回転軸線回りに回転するロータリースケールと、前記回転軸線上に位置する点を中心点とし、前記第1仮想円周と対向させて仮想的に描かれた第2仮想円周上に設けられた3つ以上の受信部と、前記スケールパターンを介して前記受信部に向かって信号を発信する発信部と、を備えたロータリーエンコーダと、前記回転軸線と平行であり前記第1仮想円周の前記中心点を通過する延長線が延びる方向から前記第1仮想円周を見たときに、前記受信部毎に、前記第1仮想円周が描かれる仮想面に投影される前記受信部の位置と前記第1仮想円周の前記中心点とを結ぶ直線と、前記スケールパターン上に設定されたスケール原点と前記第1仮想円周の前記中心点とを結ぶ直線との間の角度である受信部配置角度を算出する角度出力算出部と、前記角度出力算出部によって算出された前記受信部配置角度の組み合わせによって2相正弦波を算出する2相正弦波算出部と、前記2相正弦波算出部によって算出された前記2相正弦波に基づいてアブソリュート位置を算出するアブソリュート位置算出部と、を備えることを特徴とする。 In one aspect, the position measuring device includes a rotary encoder having a scale pattern formed by arranging a plurality of patterns on a first virtual circumference, a rotary scale that rotates around a rotation axis that passes through a position shifted from the center point of the first virtual circumference, three or more receiving units provided on a second virtual circumference that is virtually drawn facing the first virtual circumference with a center point at a point located on the rotation axis, and a transmitting unit that transmits a signal toward the receiving units via the scale pattern, and a rotary encoder that is parallel to the rotation axis and views the first virtual circumference from a direction in which an extension line that passes through the center point of the first virtual circumference extends. The scale pattern includes an angle output calculation unit that calculates, for each receiving unit, a receiving unit arrangement angle that is the angle between a straight line connecting the position of the receiving unit projected on a virtual plane on which the first virtual circumference is drawn and the center point of the first virtual circumference, and a straight line connecting a scale origin set on the scale pattern and the center point of the first virtual circumference, a two-phase sine wave calculation unit that calculates a two-phase sine wave by combining the receiving unit arrangement angles calculated by the angle output calculation unit, and an absolute position calculation unit that calculates an absolute position based on the two-phase sine wave calculated by the two-phase sine wave calculation unit.

上記位置測定装置は、前記第2仮想円周上に120°ずつ離して配置された3つの前記受信部を備えることができる。 The position measuring device may include three receivers arranged on the second virtual circumference at 120° intervals.

また、上記位置測定装置において、前記受信部は受光素子であり、前記発信部は発光素子とすることができる。 In addition, in the above position measuring device, the receiving unit can be a light receiving element, and the transmitting unit can be a light emitting element.

さらに、上記位置測定装置において、前記受信部は受信コイルであり、前記発信部は送信コイルとすることができる。 Furthermore, in the above position measuring device, the receiving unit can be a receiving coil, and the transmitting unit can be a transmitting coil.

簡易な構造でアブソリュート位置を求めることができる。 The absolute position can be determined using a simple structure.

図1は実施形態に係るロータリーエンコーダの概略構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a rotary encoder according to an embodiment. 図2は実施形態に係るロータリーエンコーダに含まれるロータリースケールの概略構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a rotary scale included in the rotary encoder according to the embodiment. 図3(A)は第1角度ANGLE、第2角度ANGLE及び第3角度ANGLEの説明図である。図3(B)は回転軸線から見たスケール原点と第1受光素子との間の角度(アブソリュート位置θ)の説明図である。Fig. 3A is an explanatory diagram of a first angle ANGLE 1 , a second angle ANGLE 2 , and a third angle ANGLE 3. Fig. 3B is an explanatory diagram of an angle (absolute position θ) between the scale origin and the first light receiving element as viewed from the rotation axis. 実施形態の位置測定装置の構成を例示する説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a position measuring device according to an embodiment; 実施形態の位置測定装置において算出される2相正弦波を例示する説明図である。4 is an explanatory diagram illustrating a two-phase sine wave calculated in the position measurement device according to the embodiment; FIG. 変形例に係るロータリーエンコーダの概略構成を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a rotary encoder according to a modified example.

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 The following describes the embodiment with reference to the drawings.

(実施形態)
まず、図1から図3(B)を参照して実施形態のロータリーエンコーダ1の概略構成について説明する。図1は実施形態に係るロータリーエンコーダ1の概略構成を示す模式図である。図2は実施形態に係るロータリーエンコーダ1に含まれるロータリースケール2の概略構成を示す模式図である。図3(A)は実施形態のロータリーエンコーダ1によってアブソリュート位置を検出する際に算出される角度出力である第1角度ANGLE、第2角度ANGLE及び第3角度ANGLEの説明図である。図3(B)は回転軸線AXから見たスケール原点Oと第1発信部に相当する第1受光素子4aとの間の角度(アブソリュート位置θ)の説明図である。
(Embodiment)
First, the schematic configuration of a rotary encoder 1 according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 3(B). Fig. 1 is a schematic diagram showing the schematic configuration of a rotary encoder 1 according to an embodiment. Fig. 2 is a schematic diagram showing the schematic configuration of a rotary scale 2 included in the rotary encoder 1 according to an embodiment. Fig. 3(A) is an explanatory diagram of a first angle ANGLE 1 , a second angle ANGLE 2 , and a third angle ANGLE 3, which are angle outputs calculated when detecting an absolute position by the rotary encoder 1 according to an embodiment. Fig. 3(B) is an explanatory diagram of the angle (absolute position θ) between the scale origin O as viewed from the rotation axis AX and a first light receiving element 4a corresponding to a first transmitter.

実施形態のロータリーエンコーダ1は、ロータリースケール2と、それぞれ受信部に相当する第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cを備える。また、ロータリーエンコーダ1は、第1受光素子4aから第3受光素子4cに対応させて設けられ、それぞれ発信部に相当する第1発光素子5a、第2発光素子5b及び第3発光素子5cを備えている。 The rotary encoder 1 of the embodiment includes a rotary scale 2 and a first light receiving element 4a, a second light receiving element 4b, and a third light receiving element 4c, which correspond to a receiving unit. The rotary encoder 1 also includes a first light emitting element 5a, a second light emitting element 5b, and a third light emitting element 5c, which correspond to a transmitting unit and are provided in correspondence with the first light receiving element 4a to the third light receiving element 4c.

図1及び図2を参照すると、ロータリースケール2は、円盤状の部材であり、第1仮想円周R1上に複数のパターン3aが配列されることで形成されたスケールパターン3を備えている。第1仮想円周R1の半径は、rである。ロータリースケール2は、計測対象が備える回転軸に取り付けられる。本実施形態のロータリーエンコーダ1は、光透過型である。このため、パターン3aは、スリットとして形成されている。なお、図1に示されたパターン3aは、一例であり、その数は、ロータリーエンコーダ1に求められる分解能に応じて適宜増減することができる。スケールパターン3上には、スケール原点Oが設定されている。スケール原点Oは任意の位置に設定することができる。 Referring to Figures 1 and 2, the rotary scale 2 is a disk-shaped member and has a scale pattern 3 formed by arranging a plurality of patterns 3a on a first imaginary circumference R1. The radius of the first imaginary circumference R1 is r. The rotary scale 2 is attached to a rotating shaft of a measurement object. The rotary encoder 1 of this embodiment is a light-transmitting type. Therefore, the patterns 3a are formed as slits. Note that the patterns 3a shown in Figure 1 are one example, and the number of patterns can be increased or decreased as appropriate depending on the resolution required for the rotary encoder 1. A scale origin O is set on the scale pattern 3. The scale origin O can be set at any position.

ロータリースケール2上に描かれる第1仮想円周R1の中心点は、Pc1である(以下、「第1中心点Pc1」という。)が、ロータリースケール2は、第1中心点Pc1からずれた位置を通過する回転軸線AX回りに回転する。ここで、回転軸線AXは、円盤状の部材であるロータリースケール2と直交する線、換言すると第1仮想円周R1を含む面と直交する線である。ロータリースケール2は、第1中心点Pc1からずれた位置を通過する回転軸線AXと計測対象が備える回転軸とを一致させて計測対象に取り付けられる。本実施形態では、第1中心点Pc1と回転軸線AXとのずれ量(偏心量)はSである。 The center point of the first imaginary circumference R1 drawn on the rotary scale 2 is Pc1 (hereinafter referred to as the "first center point Pc1"), but the rotary scale 2 rotates around a rotation axis AX that passes through a position offset from the first center point Pc1. Here, the rotation axis AX is a line perpendicular to the rotary scale 2, which is a disk-shaped member, in other words, a line perpendicular to a plane that includes the first imaginary circumference R1. The rotary scale 2 is attached to the measurement object so that the rotation axis AX that passes through a position offset from the first center point Pc1 coincides with the rotation axis of the measurement object. In this embodiment, the amount of deviation (eccentricity) between the first center point Pc1 and the rotation axis AX is S.

図1に示すように、第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cは、ロータリースケール2の一面側に、第1仮想円周R1と対向させて仮想的に描かれた第2仮想円周R2上に配置されている。つまり、第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cは、ロータリースケール2と平行となる面内に描かれる第2仮想円周R2上に配置されている。第2仮想円周R2の中心点はPc2である(以下、「第2中心点Pc2」という。)。第2中心点Pc2は、回転軸線AX上に位置している。 As shown in FIG. 1, the first light receiving element 4a, the second light receiving element 4b, and the third light receiving element 4c are arranged on a second imaginary circumference R2 that is virtually drawn on one side of the rotary scale 2, facing the first imaginary circumference R1. In other words, the first light receiving element 4a, the second light receiving element 4b, and the third light receiving element 4c are arranged on the second imaginary circumference R2 that is drawn in a plane parallel to the rotary scale 2. The center point of the second imaginary circumference R2 is Pc2 (hereinafter referred to as the "second center point Pc2"). The second center point Pc2 is located on the rotation axis AX.

つぎに、図3(A)を参照して、アブソリュート位置を検出する際に算出される角度出力である第1角度ANGLE、第2角度ANGLE及び第3角度ANGLEについて説明する。スケールパターン3の中心である第1中心点Pc1とロータリースケール2の回転軸線AXとがずれていることから、各受光素子4a~4cの角度出力には、偏心誤差が生じる。この偏心誤差は、円周1周を周期とする周期的な誤差である。この偏心誤差の位相は、各受光素子4a~4cの配置に依存する。従って、これらの角度出力は、受光素子毎の信号に基づいてインクリメンタル角θincと偏心誤差(振幅a,受光素子の配置角度αn)との和として表すことができる。従って、n番目の受光素子の角度出力ANGLEは式1示す一般式によって表される。
(式1) ANGLE=θinc+a・sin(θ-αn)
Next, the first angle ANGLE 1 , the second angle ANGLE 2 , and the third angle ANGLE 3 , which are angle outputs calculated when detecting the absolute position, will be described with reference to FIG. 3A. Since the first center point Pc1, which is the center of the scale pattern 3, is misaligned with the rotation axis AX of the rotary scale 2, an eccentricity error occurs in the angle output of each of the light receiving elements 4a to 4c. This eccentricity error is a periodic error with a period of one circumference. The phase of this eccentricity error depends on the arrangement of each of the light receiving elements 4a to 4c. Therefore, these angle outputs can be expressed as the sum of the incremental angle θinc and the eccentricity error (amplitude a, arrangement angle αn of the light receiving element) based on the signal of each light receiving element. Therefore, the angle output ANGLE n of the nth light receiving element is expressed by the general formula shown in Formula 1.
(Formula 1) ANGLE n =θinc+a・sin(θ−αn)

式1におけるaは、ロータリーエンコーダ1における偏心誤差の振幅であり、近似的に下記の式2で表される。

Figure 0007664719000001
In equation 1, a is the amplitude of the eccentricity error in the rotary encoder 1, and is approximately expressed by the following equation 2.
Figure 0007664719000001

つぎに、図3(B)を参照して、式1におけるθについて説明する。θは、回転中心角であり、ロータリースケール2の回転中心となる回転軸線AXから見たスケール原点Oと、基準位置に設定した第1受光素子4aとの間の角度であって、アブソリュート位置に相当する。つまり、回転中心角θは、最終的に検出したい角度となる。回転中心角θの値域は、0°≦θ<360°となる。 Next, θ in Equation 1 will be explained with reference to FIG. 3(B). θ is the rotation center angle, which is the angle between the scale origin O as viewed from the rotation axis AX, which is the rotation center of the rotary scale 2, and the first light receiving element 4a set at the reference position, and corresponds to the absolute position. In other words, the rotation center angle θ is the angle that is ultimately to be detected. The value range of the rotation center angle θ is 0°≦θ<360°.

ここで、本実施形態におけるロータリースケール2は、第1仮想円周R1を所定の数に分割してパターン3aを配置したインクリメンタル方式に基づいているため(図1参照)、インクリメンタル角θincは、回転中心角θを用いて以下の式3によって表記することができる。
(式3) θinc=(θ,360°/div)
ここで、divは、スケールパターン3におけるパターン3aの数、つまり、一周当たりのスケールパターン3の数(分割数)である。なお、インクリメンタル角θincの値域は、0°≦θinc<360°/divである。
Here, since the rotary scale 2 in this embodiment is based on an incremental system in which the first imaginary circumference R1 is divided into a predetermined number of parts and the patterns 3 a are arranged on the divided parts (see FIG. 1 ), the incremental angle θinc can be expressed by the following equation 3 using the rotation central angle θ.
(Formula 3) θinc=(θ,360°/div)
Here, div is the number of patterns 3a in the scale pattern 3, that is, the number (division number) of the scale patterns 3 per revolution. The range of the incremental angle θinc is 0°≦θinc<360°/div.

つぎに、式1におけるαnについて説明する。第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cは、それぞれ第2仮想円周R2の周方向に間隔をあけて配置されている。ここで、図3(B)に示すように第1受光素子4aが設けられた位置を基準位置とし、第2中心点Pc2と第1受光素子4aとを結んだ線分に対する角度(受光素子の配置角度)αnによって第2受光素子4bと第3受光素子4cの位置を示す。従って、本実施形態では、第1受光素子4aの配置角度α1は、α1=0°となる。また、第2受光素子4bの配置角度α2は、α2=120°、第3受光素子4cの配置角度α3は、α3=240°(=-120°)となる。本実施形態では、一周360°を3等分しているが、不等間隔であってもよい。また、受光素子の数も、4つ以上であってもよく、その場合も、受光素子の間隔は、等間隔であっても不等間隔であってもよい。本実施形態のように、等間隔とすることで、後に説明する角度出力を算出する際に、各受光素子の角度出力に対する重み付けが均等になるため、受光素子を不等間隔に配置した場合と比較してノイズの影響を受けにくい。 Next, αn in formula 1 will be described. The first light receiving element 4a, the second light receiving element 4b, and the third light receiving element 4c are arranged at intervals in the circumferential direction of the second virtual circumference R2. Here, as shown in FIG. 3B, the position where the first light receiving element 4a is provided is set as the reference position, and the positions of the second light receiving element 4b and the third light receiving element 4c are indicated by the angle (arrangement angle of the light receiving element) αn with respect to the line segment connecting the second center point Pc2 and the first light receiving element 4a. Therefore, in this embodiment, the arrangement angle α1 of the first light receiving element 4a is α1 = 0°. Also, the arrangement angle α2 of the second light receiving element 4b is α2 = 120°, and the arrangement angle α3 of the third light receiving element 4c is α3 = 240° (= -120°). In this embodiment, one circumference of 360° is divided into three equal parts, but they may be unequal intervals. The number of light receiving elements may also be four or more, and in this case, the light receiving elements may be spaced equally or unevenly. By spaced equally as in this embodiment, the weighting of the angle output of each light receiving element is uniform when calculating the angle output described later, so the light receiving elements are less susceptible to noise compared to when the light receiving elements are arranged at uneven intervals.

再び図1を参照すると、第1発光素子5a、第2発光素子5b及び第3発光素子5cは、ロータリースケール2を隔てて、第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cと反対側に配置されている。第1発光素子5a、第2発光素子5b及び第3発光素子5cは、ロータリースケール2と平行となる面内に仮想的に描かれる第3仮想円周R3上に配置されている。第3仮想円周R3の中心点はPc3である(以下、「第3中心点Pc3」という。)。第3中心点Pc3は、第2中心点Pc2と同様に、回転軸線AX上に位置している。 Referring again to FIG. 1, the first light-emitting element 5a, the second light-emitting element 5b, and the third light-emitting element 5c are arranged on the opposite side of the rotary scale 2 from the first light-receiving element 4a, the second light-receiving element 4b, and the third light-receiving element 4c. The first light-emitting element 5a, the second light-emitting element 5b, and the third light-emitting element 5c are arranged on a third imaginary circumference R3 that is virtually drawn in a plane parallel to the rotary scale 2. The center point of the third imaginary circumference R3 is Pc3 (hereinafter referred to as the "third center point Pc3"). The third center point Pc3, like the second center point Pc2, is located on the rotation axis AX.

なお、第1仮想円周R1、第2仮想円周R2及び第3仮想円周R3の直径は、エンコーダとしての機能を発揮することができる範囲内であれ、格別の制約はなく、適宜設定することができる。 The diameters of the first virtual circumference R1, the second virtual circumference R2, and the third virtual circumference R3 are not subject to any particular restrictions and can be set as appropriate, provided they are within a range that allows the encoder to function.

つぎに、図4を参照して、実施形態の位置測定装置100について説明する。位置測定装置100は、上述したロータリーエンコーダ1、角度出力算出部10、2相正弦波算出部20及びアブソリュート位置算出部30などを備えている。 Next, the position measuring device 100 according to the embodiment will be described with reference to FIG. 4. The position measuring device 100 includes the above-mentioned rotary encoder 1, an angle output calculation unit 10, a two-phase sine wave calculation unit 20, and an absolute position calculation unit 30.

角度出力算出部10は、増幅器、A/Dコンバータ、計算器などを備える。角度出力算出部10は、第1受光素子4aから第1リサージュを形成するための信号を受信し、第2受光素子4bから第2リサージュを形成するための信号を受信し、第3受光素子4cから第3リサージュを形成するための信号を受信する。 The angle output calculation unit 10 includes an amplifier, an A/D converter, a calculator, etc. The angle output calculation unit 10 receives a signal for forming a first Lissajous from the first light receiving element 4a, a signal for forming a second Lissajous from the second light receiving element 4b, and a signal for forming a third Lissajous from the third light receiving element 4c.

角度出力算出部10は、各受光素子から受信した信号をA/Dコンバータでデジタル化し、計算器によって角度出力、つまり、第1角度ANGLE、第2角度ANGLE及び第3角度ANGLEを算出する。これらの角度出力は、上述の式1に各受光素子に関する値を反映させた各式に基づいて算出される。以下の各式は、第1受光素子4aにおける偏心誤差が「0」となるようにスケール原点Oの位置が設定されている。 The angle output calculation unit 10 digitizes the signals received from each light receiving element with an A/D converter, and calculates the angle outputs, i.e., the first angle ANGLE 1 , the second angle ANGLE 2, and the third angle ANGLE 3, with a calculator. These angle outputs are calculated based on each equation in which the values related to each light receiving element are reflected in the above-mentioned equation 1. In each of the following equations, the position of the scale origin O is set so that the eccentricity error in the first light receiving element 4a becomes "0".

第1受光素子4aの信号に基づいて算出される第1角度ANGLEは、以下の式4-1で算出される。
(式4-1) ANGLE=θinc+a・sin(θ)
第2受光素子4bの信号に基づいて算出される第2角度ANGLEは、以下の式4-2で算出される。
(式4-2) ANGLE=θinc+a・sin(θ+120°)
第3受光素子4cの信号に基づいて算出される第3角度ANGLEは、以下の式4-3で算出される。
(式4-3) ANGLE=θinc+a・sin(θ-120°)
The first angle ANGLE 1 calculated based on the signal from the first light receiving element 4a is calculated by the following formula 4-1.
(Formula 4-1) ANGLE 1 = θinc+a・sin(θ)
The second angle ANGLE 2 calculated based on the signal from the second light receiving element 4b is calculated by the following formula 4-2.
(Formula 4-2) ANGLE 2 = θinc+a・sin (θ+120°)
The third angle ANGLE 3 calculated based on the signal from the third light receiving element 4c is calculated by the following formula 4-3.
(Formula 4-3) ANGLE 3 = θinc+a・sin (θ-120°)

2相正弦波算出部20は、角度出力算出部10によって算出された第1角度ANGLE、第2角度ANGLE及び第3角度ANGLEに基づいて2相正弦波Xと2相正弦波Yを算出する。2相正弦波算出部20は、2相正弦波Xと2相正弦波Yを算出するために、まず、以下の式5-1~式5-3に基づいて、それぞれの角速度の差、つまり、第1角度差DIFANGLE、第2角度差DIFANGLE及び第3角度差DIFANGLEを算出する。
(式5-1)
DIFANGLE=ANGLE-ANGLE
=√3a・sin(θ+150°)
(式5-2)
DIFANGLE=ANGLE-ANGLE
=√3a・sin(θ+270°)
(式5-3)
DIFANGLE=ANGLE-ANGLE
=√3a・sin(θ+30°)
The two-phase sine wave calculation unit 20 calculates a two-phase sine wave X and a two-phase sine wave Y based on the first angle ANGLE 1 , the second angle ANGLE 2 , and the third angle ANGLE 3 calculated by the angle output calculation unit 10. In order to calculate the two-phase sine wave X and the two-phase sine wave Y, the two-phase sine wave calculation unit 20 first calculates the differences between the angular velocities, that is, a first angle difference DIFANGLE 1 , a second angle difference DIFANGLE 2 , and a third angle difference DIFANGLE 3 , based on the following equations 5-1 to 5-3.
(Formula 5-1)
DIFANGLE 1 =ANGLE 2 -ANGLE 1
=√3a・sin(θ+150°)
(Equation 5-2)
DIFANGLE 1 =ANGLE 3 -ANGLE 2
=√3a・sin(θ+270°)
(Equation 5-3)
DIFANGLE 1 =ANGLE 1 -ANGLE 3
=√3a・sin(θ+30°)

これらの演算を行うことにより、式1における第1項であるインクリメンタル角θincの項が打ち消され、式1における第2項である偏心誤差の項だけが残り、これらは、120°位相差の3相正弦波となる。こうして得られた3相正弦波を3相2相変換することで、図5に示すような、1周360°を周期とするリサージュ(90°位相差の2相正弦波)を得ることができる。ここで、3相2相変換は、以下の式6に示す行列変換によって行う。式6によって得られたX,Yがリサージュ信号である。

Figure 0007664719000002
By performing these calculations, the term of the incremental angle θinc, which is the first term in Equation 1, is cancelled out, and only the term of the eccentricity error, which is the second term in Equation 1, remains, which become a three-phase sine wave with a phase difference of 120°. By performing a three-phase to two-phase conversion on the three-phase sine wave thus obtained, a Lissajous signal (two-phase sine wave with a phase difference of 90°) with a period of 360° per revolution can be obtained, as shown in FIG. 5. Here, the three-phase to two-phase conversion is performed by a matrix conversion shown in the following Equation 6. X and Y obtained by Equation 6 are Lissajous signals.
Figure 0007664719000002

アブソリュート位置算出部30は、2相正弦波算出部20によって算出された2相正弦波X及び2相正弦波Yに基づいて、アブソリュート位置、すなわち、回転中心角θを算出する。アブソリュート位置算出部30は、2相正弦波Xをcosθとおき、2相正弦波Yをsinθとおく。そして、式7に基づく演算を行う。

Figure 0007664719000003
The absolute position calculation unit 30 calculates an absolute position, i.e., a rotation central angle θ, based on the two-phase sine wave X and the two-phase sine wave Y calculated by the two-phase sine wave calculation unit 20. The absolute position calculation unit 30 sets the two-phase sine wave X to cos θ and the two-phase sine wave Y to sin θ, and performs a calculation based on Equation 7.
Figure 0007664719000003

そして、アブソリュート位置算出部30は、求めた値Qの逆正接関数を求めることで、回転中心角θ、すなわち、アブソリュート位置を得ることができる。 Then, the absolute position calculation unit 30 can obtain the rotation central angle θ, i.e., the absolute position, by calculating the arctangent function of the obtained value Q.

以上のように、本実施形態のロータリーエンコーダ1や位置測定装置100によれば、簡易な構造でアブソリュート位置を求めることができる。つまり、本実施形態のロータリーエンコーダ1や位置測定装置100によれば、複雑なスケールパターンが設けられたアブソリュートトラック等を装備することなくアブソリュート位置を求めることができる。 As described above, the rotary encoder 1 and position measuring device 100 of this embodiment can determine the absolute position with a simple structure. In other words, the rotary encoder 1 and position measuring device 100 of this embodiment can determine the absolute position without equipping an absolute track with a complex scale pattern, etc.

本実施形態におけるロータリースケール2は、第1仮想円周R1上に複数のパターン3aが配列されて形成されたスケールパターン3を有する。そして、ロータリースケール2は、第1仮想円周R1の第1中心点Pc1からずれた位置を通過する回転軸線AX回りに回転する。このようなロータリースケール2を駆動することによって得られる信号を処理することで、簡易な構造でアブソリュート位置を求めることができる。 The rotary scale 2 in this embodiment has a scale pattern 3 formed by arranging multiple patterns 3a on a first imaginary circumference R1. The rotary scale 2 rotates around a rotation axis AX that passes through a position shifted from a first center point Pc1 of the first imaginary circumference R1. By processing a signal obtained by driving such a rotary scale 2, it is possible to obtain an absolute position with a simple structure.

なお、第1中心点Pc1と回転軸線AXとのずれ量S自体は、アブソリュート位置の算出に関わってこないが、ロータリーエンコーダ1の設計にあたっては、その値を適切な範囲に設定する必要がある。ずれ量Sは、各受光素子の配置にも依存するが、ロータリースケール2の偏心により生じる誤差のピーク・トゥ・ピークが、スケールピッチ(scale pitch)を超えない範囲で設定することができる。ロータリースケール2の偏心によって生じる誤差のピーク・トゥ・ピークは、2×atan(S/r)で表される。 The deviation S between the first center point Pc1 and the axis of rotation AX itself is not related to the calculation of the absolute position, but it is necessary to set this value within an appropriate range when designing the rotary encoder 1. The deviation S depends on the arrangement of each light receiving element, but can be set within a range in which the peak-to-peak error caused by the eccentricity of the rotary scale 2 does not exceed the scale pitch. The peak-to-peak error caused by the eccentricity of the rotary scale 2 is expressed as 2 x atan (S/r).

そして、偏心誤差の振幅aは、スケール半径r、すなわち、第1仮想円周R1」の半径rとずれ量Sを用いて上述の式2のように表される。また、スケールピッチは1周のスケールパターン3におけるパターン3aの数divを用いて、以下の式8で表される。
(式8) scale pitch=2π/div
The amplitude a of the eccentricity error is expressed as in the above formula 2 using the scale radius r, i.e., the radius r of the first imaginary circumference R1, and the deviation amount S. Furthermore, the scale pitch is expressed by the following formula 8 using the number div of patterns 3a in one revolution of the scale pattern 3.
(Formula 8) scale pitch=2π/div

これにより、ずれ量Sの許容範囲は、以下の式9で示される範囲とすることができる。
(式9) a<scale pitch
⇔S<2π/div
As a result, the allowable range of the deviation amount S can be set to the range shown in the following formula 9.
(Formula 9) a<scale pitch
⇔S<2π/div

本実施形態のロータリーエンコーダ1は、光透過型であるが、発光素子によって照射された光をロータリースケールによって反射させ、これを受光素子で受光する反射型とすることもできる。また、図6に示すように、発信部として送信コイル15a~15cを備え、受信部として受信コイル14a~14cを備えた電磁型のロータリーエンコーダ50としてもよい。ロータリーエンコーダ50では、ロータリーエンコーダ1が備える第1受光素子4a、第2受光素子4b及び第3受光素子4cが、第1受信コイル14a、第2受信コイル14b及び第3受信コイル14cに置き換えられている。また、ロータリーエンコーダ50では、ロータリーエンコーダ1が備える第1送信コイル15a、第2送信コイル15b及び第3送信コイル15cに置き換えられている。このようなロータリーエンコーダ50であっても、ロータリーエンコーダ1と同様の要領でアブソリュート位置を求めることができる。 The rotary encoder 1 of this embodiment is a light-transmitting type, but it can also be a reflective type in which light irradiated by a light-emitting element is reflected by a rotary scale and received by a light-receiving element. Also, as shown in FIG. 6, an electromagnetic rotary encoder 50 may be used, which includes transmitting coils 15a to 15c as a transmitting section and receiving coils 14a to 14c as a receiving section. In the rotary encoder 50, the first light-receiving element 4a, the second light-receiving element 4b, and the third light-receiving element 4c of the rotary encoder 1 are replaced with the first receiving coil 14a, the second receiving coil 14b, and the third receiving coil 14c. In the rotary encoder 50, the first transmitting coil 15a, the second transmitting coil 15b, and the third transmitting coil 15c of the rotary encoder 1 are replaced with them. Even with such a rotary encoder 50, the absolute position can be obtained in the same manner as the rotary encoder 1.

また、本実施形態では受信部として3つの受光素子を備えるが、受信部の数はこれに限定されず、4つ以上の受信部を装備することができる。 In addition, in this embodiment, the receiver is equipped with three light receiving elements, but the number of receivers is not limited to this, and four or more receivers can be equipped.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as described in the claims.

1、50 ロータリーエンコーダ
2 ロータリースケール
3 スケールパターン
3 スリット
4a 第1受光素子
4b 第2受光素子
4c 第3受光素子
5a 第1発光素子
5b 第2発光素子
5c 第3発光素子
10 角度出力算出部
14a 第1受信コイル
14b 第2受信コイル
14c 第3受信コイル
15a 第1送信コイル
15b 第2送信コイル
15c 第3送信コイル
20 2相正弦波算出部
30 アブソリュート位置算出部
100 位置測定装置
AX 回転軸線
R1 第1仮想円周
R2 第2仮想円周
Le 延長線
Pc1 第1中心点
1, 50 rotary encoder 2 rotary scale 3 scale pattern 3 slit 4a first light receiving element 4b second light receiving element 4c third light receiving element 5a first light emitting element 5b second light emitting element 5c third light emitting element 10 angle output calculation section 14a first receiving coil 14b second receiving coil 14c third receiving coil 15a first transmitting coil 15b second transmitting coil 15c third transmitting coil 20 two-phase sine wave calculation section 30 absolute position calculation section 100 position measuring device AX rotation axis R1 first virtual circumference R2 second virtual circumference Le extension line Pc1 first center point

Claims (4)

第1仮想円周上に複数のパターンが配列されて形成されたスケールパターンを有し、前記第1仮想円周の中心点からずれた位置を通過する回転軸線回りに回転するロータリースケールと、
前記回転軸線上に位置する点を中心点とし、前記第1仮想円周と対向させて仮想的に描かれた第2仮想円周上に設けられた3つ以上の受信部と、
前記スケールパターンを介して前記受信部に向かって信号を発信する発信部と、を備えたロータリーエンコーダと、
前記回転軸線と平行であり前記第1仮想円周の前記中心点を通過する延長線が延びる方向から前記第1仮想円周を見たときに、前記受信部毎に、前記第1仮想円周が描かれる仮想面に投影される前記受信部の位置と前記第1仮想円周の前記中心点とを結ぶ直線と、前記スケールパターン上に設定されたスケール原点と前記第1仮想円周の前記中心点とを結ぶ直線との間の角度である受信部配置角度を算出する角度出力算出部と、
前記角度出力算出部によって算出された前記受信部配置角度の組み合わせによって2相正弦波を算出する2相正弦波算出部と、
前記2相正弦波算出部によって算出された前記2相正弦波に基づいてアブソリュート位置を算出するアブソリュート位置算出部と、
を、備え、
前記角度出力算出部は、前記受信部毎に、前記第1仮想円周の一周分の角度である360°を前記複数のパターンの数で除した値であるインクリメンタル角と、対象となる前記受信部の偏心誤差との和として表される前記受信部配置角度を算出する、
ことを特徴とする位置測定装置。
a rotary scale having a scale pattern formed by arranging a plurality of patterns on a first imaginary circumference, the rotary scale rotating about a rotation axis passing through a position shifted from a center point of the first imaginary circumference;
three or more receiving units provided on a second imaginary circumference that is virtually drawn to face the first imaginary circumference and has a center point at a point located on the rotation axis line;
a transmitter that transmits a signal toward the receiver via the scale pattern;
an angle output calculation unit that calculates, when the first virtual circumference is viewed in a direction along which an extension line that is parallel to the rotation axis and passes through the center point of the first virtual circumference extends, for each of the receiving units, a receiving unit arrangement angle that is an angle between a straight line that connects a position of the receiving unit projected on a virtual plane on which the first virtual circumference is drawn and the center point of the first virtual circumference, and a straight line that connects a scale origin set on the scale pattern and the center point of the first virtual circumference;
a two-phase sine wave calculation unit that calculates a two-phase sine wave by a combination of the receiver arrangement angles calculated by the angle output calculation unit;
an absolute position calculation unit that calculates an absolute position based on the two-phase sine wave calculated by the two-phase sine wave calculation unit;
With
the angle output calculation unit calculates, for each of the receiving units, the receiving unit arrangement angle expressed as the sum of an incremental angle, which is a value obtained by dividing 360°, which is an angle of one revolution of the first virtual circumference, by the number of the plurality of patterns, and an eccentricity error of the target receiving unit;
A position measuring device comprising:
前記第2仮想円周上に120°ずつ離して配置された3つの前記受信部を備えた請求項1に記載の位置測定装置。 The position measuring device according to claim 1, which is provided with three of the receiving units arranged on the second virtual circumference at 120° intervals. 前記受信部は受光素子であり、前記発信部は発光素子である請求項1または2に記載の位置測定装置。 The position measuring device according to claim 1 or 2, wherein the receiving unit is a light receiving element and the transmitting unit is a light emitting element. 前記受信部は受信コイルであり、前記発信部は送信コイルである請求項1または2に記載の位置測定装置。 The position measuring device according to claim 1 or 2, wherein the receiving unit is a receiving coil and the transmitting unit is a transmitting coil.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009204495A (en) 2008-02-28 2009-09-10 Canon Inc Position detection device, and device using it
JP2015503748A (en) 2011-12-28 2015-02-02 サーヴォセンス (エスエムシー) リミテッド High resolution absolute encoder

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6329213A (en) * 1986-07-22 1988-02-06 Mitsubishi Electric Corp Optical encoder
JPH0255917A (en) * 1988-08-19 1990-02-26 Yokogawa Electric Corp Magnetic resolver
JPH04343008A (en) * 1991-05-20 1992-11-30 Tokai Rika Co Ltd Rotating angle detecting apparatus
JP2009019876A (en) * 2005-10-28 2009-01-29 Mitsubishi Electric Corp Optical absolute encoder
JP5286584B2 (en) * 2007-06-19 2013-09-11 株式会社ミツトヨ Absolute position measuring encoder

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009204495A (en) 2008-02-28 2009-09-10 Canon Inc Position detection device, and device using it
JP2015503748A (en) 2011-12-28 2015-02-02 サーヴォセンス (エスエムシー) リミテッド High resolution absolute encoder

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