CN110785633A

CN110785633A - 编码器

Info

Publication number: CN110785633A
Application number: CN201880040836.0A
Authority: CN
Inventors: 渡部司
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: WO2019039344A1; CN110785633B; JPWO2019039344A1; JP6845517B2

Abstract

编码器10设置为：M个传感器31～34，将以预定角度间隔配置于基体的表示角度的多个组件予以检测而生成具有周期性的第一信号，M个传感器以预定角度配置，预定角度为360/M×(j‑1)(度)与360/N×MOD[(k_j‑1)/D](度)所组合出的角度，其中M为2以上的整数，N为组件数量，MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，D为M的因子或是为M但是不为1，j为在1至M的整数中由M个传感器取各自相异的值，k_j为1至M的整数；生成器41～44，对M个传感器的每一个传感器，基于第一信号而生成第二信号，第二信号内插预定角度间隔；以及运算器50，将对于M个传感器的第二信号合并运算而求得角度位置或旋转角。

Description

编码器

技术领域

本发明关于检测位置及角度的编码器。

背景技术

编码器为读取刻划在刻度盘的等角度间隔的刻度而测定旋转角及绝对角度位置等的位置的装置。刻度的间隔，根据刻划精密度或侦测刻度的传感器的精密度而其精密度有限，因而刻度所致的分辨率的提升也有限。因此，将进一步分割最小刻度间隔的正弦波经互相偏移90度相位的二个模拟信号予以生成，进行该二个模拟信号的arctan运算，使用表示角度的内插信号而决定角度，使分辨率提升。

再者，为了降低刻度的刻划误差及编码器的安装误差等，使用了配置多个传感器并将从各个传感器所得到的内插信号平均化的方法。再者，提案有进一步设置校正用的传感器以进行角度误差的自己校正的方法(例如，参考专利文献1)。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2011-99804号公报

发明内容

[发明所欲解决的问题]

本发明的目的在于提供能够兼得高分辨率及高精密度的崭新且有用的编码器。

根据本发明的一方面，提供一种编码器，包含：M个传感器，将表示角度且以预定角度间隔配置于基体的多个组件予以检测而生成具有周期性的第一信号，M个所述传感器以预定角度配置，所述预定角度为360/M×(j-1)(度)与360/N×MOD[(k_j-1)/D](度)所组合出的角度，其中M为2以上的整数，N为组件数量，MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，D为M的因子或是为M但是不为1，j为在1至M的整数中由M个所述传感器取各自相异的值，k_j为1至M的整数；生成器，对M个所述传感器的每一个传感器，基于所述第一信号而生成第二信号，所述第二信号内插所述预定角度间隔；以及运算器，将对于M个所述传感器的所述第二信号合并运算而求得角度位置或旋转角。

根据上述方面，通过将M个传感器相对于以预定角度间隔配置有表示角度的多个组件的基体，而配置在360/M×(j-1)(度)与360/N×MOD[(k_j-1)/D](度)所组合出的角度的位置，而能够将起因于基于传感器所生成的第一信号而生成的内插上述预定角度间隔的第二信号的角度误差的编码器的角度误差予以降低，并且也能够将起因于对基体的旋转轴的安装所致的偏心所致的误差及以等角度间隔配置的多个组件的形成位置的误差的编码器的角度误差予以降低，结果能够提供兼得高分辨率及高精密度的编码器。

根据本发明的另一方面，提供一种编码器，包含：M个传感器，将表示位置且以预定间隔配置在基体的多个组件予以检测而生成具有周期性的第一信号，M个所述传感器互相间隔预定距离而配置，所述预定距离为所述预定间隔(gl)的整数(m_j)倍的gl×m_j与gl×MOD[(k_j-1)/D]所组合出的位置，其中M为2以上的整数，MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，D为M的因子或是为M但是不为1，k_j为1至M的整数；生成器，对M个所述传感器的每一个传感器，基于所述第一信号而生成内插所述预定间隔的组件之间的第二信号；以及运算器，将对于M个所述传感器的所述第二信号合并运算而求得位置或移动量。

根据上述方面，通过将M个传感器相对于以预定间隔配置有表示位置的多个组件的基体，而配置在该预定间隔(gl)的整数(m_j)倍的gl×m_j与gl×MOD[(k_j-1)/D]所组合出的位置，而能够将起因于基于传感器所生成的第一信号而生成的内插上述预定间隔的第二信号的位置误差的编码器的位置误差予以降低，并且也能够将起因于对基体的对象物的安装所致的位置误差及以预定间隔配置的多个组件的形成位置的误差的编码器的误差予以降低，结果能够提供兼得高分辨率及高精密度的编码器。

附图说明

[图1]为表示旋转编码器的角度误差的图。

[图2]为表示旋转编码器的图1所示之角度误差的离散傅立叶变换(DFT)分析的图。

[图3]为表示旋转编码器的图1所含的内插信号的角度误差的图。

[图4]为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的概要构成的图。

[图5]为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的传感器的配置位置的图。

[图6]为表示本发明的第一实施方式之中各个传感器的配置位置的一范例的图。

[图7]为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的内插信号的角度误差的图。

[图8]为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的角度误差的图。

[图9]为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的角度误差的DFT分析的图。

[图10]为表示关于本发明的第二实施方式的编码器的概要构成的图。

[图11]为表示本发明的第二实施方式之中各个传感器的配置位置的一范例的图。

具体实施方式

本发明人为了达成旋转编码器的高分辨率及高精密度化而进行研究，面临以下所说明的课题，并且找出了其解决手段。

旋转编码器之中，以传感器读取涵盖360度设有刻度的刻度盘，基于该刻度生成正弦波及余弦波而生成内插刻度之间的信号(以下称为内插信号)。然后，基于内插信号生成角度信号，从角度信号检测出现在的角度或旋转角。设有多个传感器的场合，将自各个传感器的角度信号平均化而求得角度。内插信号用于检测比最小刻度更小的角度，换言之用于高分辨率化。

旋转编码器，通过对刻度盘以等角度间隔配置多个传感器并将所输出的多个角度信号平均化，而降低旋转编码器的偏心误差及刻度盘的各刻度的角度位置的误差。然而，一旦调查旋转编码器的角度误差，则依然有角度误差残留，变成高精密度化的障碍。本发明人调查了以90度的等角度间隔配置有4个传感器的旋转编码器的角度误差。刻度盘的刻度数量N为360个，换言之，以间隔1度而等间隔设置，通过内插信号而32整数倍。4个传感器依照刻度盘的旋转，检测含有基本刻度与通过内插分割所产生的角度误差的信号。

图1为表示旋转编码器的角度误差的图，为将从4个传感器的角度信号平均化时的角度误差。参照图1而得知，涵盖360度(一周)，角度误差有最大±30秒。

图2为表示旋转编码器的图1所示之角度误差的离散傅立叶变换(DFT)分析的图。

参照图2而得知，低次部分小，对偏心误差及刻度的角度误差的降低有效。但是，360、720、1080、1440及1800次部分的角度误差为大，有2秒至11秒程度。这些角度误差部分，对于传感器数量M为4而刻度数量N为360，传感器数量M成为刻度数量360的因子，因而刻度数量的倍数次的角度误差作为内插信号的角度误差而产生。例如，传感器数量不是4个，即使为3个、5个或6个，由于是刻度数量360的因子而同样地会产生内插信号的角度误差。

作为降低如此的内插信号的角度误差的一个方法，以等角度间隔配置传感器数量为7个或13个即可。7不是刻度数量360的因子，因而能够降低内插信号的角度误差。

图3为依每个传感器表示旋转编码器的图1所含的内插信号的角度误差的图。图3为仅将角度误差之中内插信号的角度误差分离并依各个传感器表示者，横轴为角度(度)，纵轴为角度误差(秒)，黑色三角形(▲)的位置表示刻度盘的刻度的位置。

参照图3而得知，传感器1至传感器4的各个角度误差的波形几乎相同，相位也几乎一致。据此，即使将传感器1至传感器4的角度信号平均化，传感器1至传感器4的角度误差也无法互相抵消，如图2所示，残留有内插信号的角度误差。

于是，本发明的目的在于提供一种通过对刻度盘的刻度，将多个传感器的位置互相偏移，而降低内插信号的角度误差的兼得高分辨率及高精密度化的编码器。

以下基于附图说明本发明的一实施方式。另外，对多个附图之间当中共通的组件附上相同符号，省略该组件的重复的详细说明。

[第一实施方式]

图4为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的概要构成的图。

参照图4，关于第一实施方式的编码器10具有：具有配置在为角度测定对象的旋转轴15并且以等间隔形成于周方向的刻度21的刻度盘20、检测刻度21并且基于该检测而生成具有周期性的互相偏移90度相位的正弦波的检测信号的4个传感器31～34、基于对各个传感器31～34的检测信号而将内插刻度的间隔的内插信号(亦称为角度信号)生成的内插信号生成器41～44以及基于内插信号将对于各个传感器31～34的内插信号合并运算而求得角度位置或旋转角的运算器50。

刻度盘20以与旋转轴15同心的方式安装，在周方向等间隔地设有刻度21，刻度21的部分可让光穿透过。

传感器31～34皆具有发光组件35、狭缝36及受光组件37。图4之中，省略传感器32～34的构成组件的详细而记载，但是传感器32～34具有与传感器31相同的构成组件。传感器31～34的发光组件35所发出的光透过刻度21并通过狭缝36而由受光组件37进行受光。传感器31～34的受光组件37根据所受光的光的强度，将互相偏移90度相位的正弦波的电气信号生成而作为检测信号进行输出。2个互相偏移90度相位的正弦波的电气信号，例如一方为Sin电压信号，另一方则为Cos电压信号。

内插信号生成器41～44，其输入部与传感器31～34的输出部电气连接，而基于所输入的检测信号将内插信号生成。具体而言，从检测信号的Sin电压信号及Cos电压信号的arctan(Sin电压信号的电压值/Cos电压信号的电压值)求得角度而将内插信号生成。内插信号为数字信号。内插信号为以等间隔分割刻度间隔的信号，例如数十整数倍～数百整数倍的信号。

运算器50分别与内插信号生成器41～44的输出部电气连接，并且将来自内插信号生成器41～44的内插信号合并运算。具体而言，例如，通过对旋转轴15的旋转所生成的内插信号的脉冲进行计数，将所得的脉冲数合并运算，以传感器数量除其结果，而求得角度位置或旋转角。运算器50，通过合并运算，能够抵消内插信号生成器41～44各自的内插信号的角度误差，而能够降低角度误差并提升精密度。

图5为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的传感器的配置位置的图。

参照图5，传感器31～34的检测位置配置在相对于刻度盘20角度为

的位置。角度的基点能够任意选择，但是例如能够选择传感器31的位置。角度

以算式1表示，θ_j(度)以算式2表示，δ_k以算式3表示。

θ_j＝360/M×(j-1)，(j＝1,2,...,M)…(2)

δ_kj＝360/N×MOD[(k_j-1)/D](k_j＝1,2,...,M)…(3)

其中，j为对传感器31～34分配1～M的整数。D为M的因子或是为M(但是不为1)。M为传感器的个数，在第一实施方式之中为4。N为刻度盘20的涵盖360度的刻度21的数量，在第一实施方式之中为360。

上述算式3的MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数。MOD[(k_j-1)/D]为比1还小的值(小数)，例如MOD[3.75]＝0.75，MOD[1.25]＝0.25，MOD[0.25]＝0.25。如此一来，δ_kj变成比360/N(度)还要小，换言之，变得比最小刻度间隔还要小。

另外，作为上述算式1的变形例，为

亦可。亦即，算式1只要为组合算式2的θ_j与算式3的δ_kj的角度即可。

图5之中，配置有4个传感器31～34。此在算式1～3之中，D＝M＝4的场合。传感器31～34分别配置在角度其中，k_j＝1～4＝1,2,...,4。另外，三角形标记△的对向刻度盘的顶点是表示传感器的检测位置。

图6为表示本发明的第一实施方式之中各个传感器的配置位置的一范例的图，将图5所示的各个传感器的配置位置扩大表示。图6的(a)～(d)分别表示传感器31～34的配置位置。

参照图6的(a)～(d)，传感器31～34配置在

(j＝1～4的整数)的角度的位置。θ_j为360度经四等分的角度位置，δ_kj为将刻度21的最小角度间隔经四等分的角度作为单位的角度。刻度数量N＝360的场合，传感器31～34分别配置在例如以下

及(4,k₄)所表示的角度。

传感器31：

传感器32：

传感器33：

传感器34：

图7为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的内插信号的角度误差的图。参照图7而得知，传感器11～14的内插信号的角度误差的波形，互相各偏移1/4度(0.25度)相位，反映出传感器31～34的配置的δ_kj。

图8为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的角度误差的图。

参照图8而得知，编码器的角度误差，最大为±16秒，相对于先前所示的图1的角度误差，为约1/2。

图9为表示关于本发明的第一实施方式的编码器的角度误差的DFT分析的图，为将图8的角度误差予以DFT分析。

参照图9而得知，为刻度数量360的倍数次的360、720、1080及1800次部分的角度误差为2秒以下，特别是相对于图2，360次部分减少至6％，720次部分减少至9％。这明确地表示了本实施方式的功效。

作为传感器31～34的配置位置的变形例(变形例一)，上述算式1的δ_kj可根据算式3取0、0.25、0.50及0.75的值，对传感器31～34任意地分配。例如：(δ_k1,δ_k2,δ_k3,δ_k4)＝(0,0.50,0.25,0.75)、(0,0.75,0.25,0.50)、(0.25,0,0.50,0.75)等。由本发明的原理而知道通过此变形例也同样地得到上述的本实施方式的功效。

另外，作为传感器的配置位置的另一变形例(变形例二)，算式1的θ_j可根据算式2而为0、90、180、270，对传感器31～34，从各自的位置仅偏移360/N的整数倍的角度而配置，但是此场合，低次部分的误差会增加，因而θ_j以等角度间隔进行设定为优选。

进一步，作为另外的变形例(变形例三)，算式3的D为M的因子的场合，各个传感器在算式3之中为k_j＝1～M的整数之一，在传感器的数量为4的场合，D为2时，(δ_k1,δ_k2,δ_k3,δ_k4)＝(0,0.5,0,0.5)。此场合，能够在起因于内插信号的角度误差的编码器的角度误差之中，将N倍次部分(但是(N×D)次部分除外)的误差降低。

根据本实施方式，通过将多个传感器31～34相对于刻度盘20，而配置在算式2的右边项360度/M×(j-1)与算式3的右边项360度/N×MOD[(k_j-1)/D]所组合出的角度的位置，能够在起因于内插信号的角度误差的编码器的角度误差之中，将N倍次部分(但是，(N×D次部分除外)的误差予以降低，并且也能够将起因于对刻度盘20的旋转轴15的安装所致的偏心所致的误差及刻度盘20的刻度21的形成位置的误差的编码器的角度误差予以降低。因此，根据本实施方式，能够提供兼得高分辨率及高精密度的编码器。

在本实施方式中，虽列举了使用穿透型的光学传感器的例子，作为代替例，使用刻度盘表示有刻度，在该刻度与其之外的部分利用光学对比的反射式的光学传感器亦可。例如为刻度的部分的反射率比其他部分高或低(换言之，吸收率高)的刻度盘。

本实施方式也能够应用于将光学传感器及刻度盘替换成磁气传感器及附有磁气式刻度的磁气式编码器。将检测磁气式刻度的多个磁气传感器，与上述的光学传感器同样的配置即可。

本实施方式的编码器10能够应用于检测旋转轴15的旋转角或转速的递增编码器，且能够应用于检测绝对角度位置的绝对编码器。

[第二实施方式]

图10为表示关于本发明的第二实施方式的编码器的概要构成的图。

参照图10，关于第二实施方式的编码器100具有：具有配置在位置或移动量的测定对象物(未图标)并且以等间隔形成于对象物的移动方向(箭头MV所表示的方向)的刻度121的刻度盘120、检测刻度121并且基于该检测而生成具有周期性的互相偏移90度相位的正弦波的检测信号的3个传感器131～133、基于对各个传感器131～133的检测信号而将内插刻度的间隔的内插信号生成的内插信号生成器141～143以及基于内插信号将对于各个传感器131～133的内插信号合并运算而求得位置或移动量的运算器150。

刻度盘120沿着对象物的移动方向(箭头MV所表示的方向)而安装，并且等间隔地设有刻度121。刻度121的部分能够将光反射。另外，也可为：刻度121部分将光吸收而其周围的刻度盘120的表面是将光反射。

传感器131～133各自具有发光组件135及受光组件137。传感器131～133的发光组件135所发出的光透过刻度121反射而由受光组件137进行受光。传感器131～133的受光组件137根据所受光的光的强度，将互相偏移90度相位的正弦波的电气信号生成而作为检测信号进行输出。2个互相偏移90度相位的正弦波的电气信号，例如一方为Sin电压信号，另一方则为Cos电压信号。

内插信号生成器141～143及运算器150分别具有与第一实施方式之中的内插信号生成器41～44及运算器50同样的构成及动作，并求取刻度盘120的位置或移动量。运算器150能够抵消内插信号生成器141～143各自的内插信号的位置误差，而能够降低位置误差并提升精密度。

图11为表示本发明的第二实施方式之中各个传感器的配置位置的一范例的图。图11的(a)～(c)分别表示传感器131～133的配置位置。

参照图11，传感器131～133的检测位置配置在相对于刻度盘120的位置p(j,k_j)。虽然位置的基准点能够任意选择，但是例如能够选择传感器131的位置。位置p以算式5表示，L_j以算式6表示，δ_kj以算式7表示。

p(j,k_j)＝L_j+δ_kj…(5)

L_j＝gl×m_j…(6)

δ_kj＝gl×MOD[(k_j-1)/D](k_j＝1,2,...,M)…(7)

其中，j为对传感器131～133分配1～M的整数。m_j为整数，对于j而选择各自相异的整数。D为M的因子或是为M(但是不为1)。gl为刻度间隔。M为传感器的个数，在第二实施方式之中为3。MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，与第一实施方式相同。另外，作为上述算式5的变形例，为p(j,k_j)＝L_j-δ_kj亦可。换言之，算式5只要是算式6的L_j与算式7的δ_kj所组合的位置即可。

如图11的(a)～(c)所示，传感器131～133配置在p(j,k_j)＝L_j+δ_kj(j＝1～3的整数)的位置。L_j为刻度间隔gl的整数倍(m_j倍)，δ_kj为刻度间隔gl经三等分的距离。传感器131～133分别配置在以下的p(1,k₁)、p(2,k₂)、p(3,k₃)所表示的位置。

传感器131：p(1,k₁)＝L₁+δ_k1＝0+0＝0

传感器132：p(2,k₂)＝L₂+δ_k2＝gl×10+gl×1/3＝(10+1/3)×gl

传感器133：p(3,k₃)＝L₃+δ_k3＝gl×20+gl×2/3＝(20+2/3)×gl

如此配置传感器131～133，内插信号的位置误差的相位分别互相偏移刻度间隔gl的1/3相位，并以运算器150将对传感器131～133的内插信号合并运算，而降低起因于内插信号的位置误差的误差。其结果，提升了编码器100的精密度。

作为传感器131～133的配置位置的变形例(变形例四)，算式5的δ_kj通过算式7而取0、1/3及2/3的值，但对传感器131～133任意地分配亦可。由本发明的原理而知道通过此变形例也同样地得到上述的本实施方式的功效。

根据本实施方式，通过将多个传感器131～133相对于刻度盘120，而配置在算式6的右边项gl×m_j与算式7的右边项gl×MOD[(k_j-1)/D]所组合出的位置，能够将起因于内插信号的角度误差的编码器的角度误差降低，并且也能够将起因于对刻度盘120的对象物的安装的对准所致的误差及刻度盘120的刻度121的形成位置的误差的编码器100的位置误差予以降低。因此，根据本实施方式，能够提供兼得高分辨率及高精密度的编码器。

另外，在本实施方式之中，能够使用穿透式的传感器及刻度盘来代替反射式的传感器131～133及刻度盘120。进一步，本实施方式能够应用于磁气式的编码器。

以上虽然针对本发明的优选实施方式进行详述，但本发明并非限定于相关特定的实施方式，在权利要求书所记载的本发明的范围内能够进行各种的变形、变更。例如，第一实施方式及第二实施方式之中，在其中一个实施方式中说明的技术思想及变形例，亦可组合至另一个实施方式。

符号说明

10、100 编码器

20、120 刻度盘

21、121 刻度

31～34、131～133 传感器

41～44、141～143 内插信号生成器

50、150 运算器

Claims

1.一种编码器，包含：

M个传感器，将表示角度且以预定角度间隔配置于基体的多个组件予以检测而生成具有周期性的第一信号，M个所述传感器以预定角度配置，所述预定角度为360/M×(j-1)(度)与360/N×MOD[(k_j-1)/D](度)所组合出的角度，其中M为2以上的整数，N为组件数量，MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，D为M的因子或是为M但是不为1，j为在1至M的整数中对于M个所述传感器取各自相异的值，k_j为1至M的整数；

生成器，对M个所述传感器的每一个传感器，基于所述第一信号而生成第二信号，所述第二信号内插所述预定角度间隔；以及

运算器，将对于M个所述传感器的所述第二信号合并运算而求得角度位置或旋转角。

2.如权利要求1所述的编码器，其中所述基体为圆盘状的刻度盘，所述组件配置排列于周方向。

3.一种编码器，包含：

M个传感器，将表示位置且以预定间隔配置在基体的多个组件予以检测而生成具有周期性的第一信号，M个所述传感器互相间隔预定距离而配置，所述预定距离为所述预定间隔(gl)的整数(m_j)倍的gl×m_j与gl×MOD[(k_j-1)/D]所组合出的位置，其中M为2以上的整数，MOD为将输入值的小数点以下的值输出的函数，D为M的因子或是为M但是不为1，k_j为1至M的整数；

生成器，对M个所述传感器的每一个传感器，基于所述第一信号而生成内插所述预定间隔的组件之间的第二信号；以及

运算器，将对于M个所述传感器的所述第二信号合并运算而求得位置或移动量。

4.如权利要求3所述的编码器，其中多个所述组件在同一方向配置排列于所述基体。

5.如权利要求1至4中任一项所述的编码器，其中所述k_j，对于M个传感器具有各自相异的值。

6.如权利要求1至5中任一项所述的编码器，其中所述D为M。

7.如权利要求1至6中任一项所述的编码器，其中所述组件由让光通过的狭缝、反射光的构件或吸收光的构件所构成，多个所述传感器为光学传感器。

8.如权利要求1至6中任一项所述的编码器，其中所述组件为由强磁性体所构成的凸状构件或磁铁构件，多个所述传感器为磁性检测所述凸状构件或磁铁构件的接近传感器。