説明

エンコーダ信号処理方法、エンコーダ装置及びサーボモータ

【課題】
ガルバノスキャナに適用可能な、温度補償の効いた、高精度且つ高速応答性に優れるエンコーダの信号処理方法、エンコーダ装置及びサーボモータを提供すること。
【解決手段】
エンコーダ信号発生源から出力される2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって、エンコーダ信号の振幅をゲイン調整する。
更に、2相正弦波信号を差動入力をもとに処理する増幅器により、一定の間隔で原波形に対する遅れ波形を形成し、検出対象の加減速時や負荷変動を受けている場合にも有効な逓倍信号を得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばレーザ光のトラッキング制御を高精度に行う為のガルバノスキャナに適用可能なエンコーダのエンコーダ信号処理方法、エンコーダ装置及びそのエンコーダ装置を備えるサーボモータに関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、移動体の位置を検出するエンコーダにおいて、アナログ信号出力をさらに細かく分割して高分解能を図るために、例えば特許文献1(特開平1−163615)に開示されているもの等、様々な内挿回路が使用されている。
【0003】
また、磁気式エンコーダにおいて検出分解能を上げる手段として、複数の磁気抵抗効果素子を配列した磁気センサにより高分解能に対応する方法が有り、例えば特許文献2(特開2000−105134)に開示されている。
【0004】
一方、高分解能のエンコーダを必要とする機器として、高精度のレーザ加工機や三次元計測機等に使用するガルバノスキャナがある。このガルバノスキャナは、例えば特許文献3(特開2006−224142)に開示されている。
【0005】
ガルバノスキャナは、レーザ光を反射するガルバノミラーと、レーザー光を走査させるガルバノミラーの駆動手段としてのサーボモータとで構成されている。
【0006】
サーボモータには、ガルバノミラーの位置検出手段として、主に光学式のロータリエンコーダを備えている。
【0007】
【特許文献1】特開平1−163615号公報
【特許文献2】特開2000−105134号公報
【特許文献3】特開2006−224142号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
近年、レーザ加工機等のガルバノスキャナを用いる機器には、より高精度且つ高速でレーザ光の位置制御を行えることが望まれている。
【0009】
高速で位置制御することのみを考慮した場合、高速応答性に優れる磁気式エンコーダが適するものの、磁気センサが検知可能な範囲でディスクに形成できる磁極数には限度がある為、光学式エンコーダと比較して分解能で大きく劣る磁気式エンコーダはガルバノスキャナには適さなかった。
【0010】
特許文献1等に記載の内挿回路による方法によれば、理論的には磁気式エンコーダの原信号の検出分解能を無限に高めることが可能であるが、本質的にはPLLによる逓倍である為、分解能を高めれば高める程、様々な誤差要因の影響を大きく受ける。
【0011】
特に、加減速時や負荷変動を受け加速度が発生しているときには、正確な逓倍とはいえず、意味の無い分割となる場合がある為、実際には、ガルバノスキャナ用として必要な精度と信頼性を伴って、分解能を数十倍以上に高めることは困難である。
【0012】
特許文献2等に記載の磁気抵抗効果素子を配列する方法によれば、磁気センサの数を変えずに、4個以上のブリッジ回路の出力により、分解能を高精度に上げることが可能であるが、磁気センサに配列できる磁気抵抗効果素子の数には限界がある為、ガルバノスキャナに必要な高分解能を得ることは困難である。
【0013】
これに対して本発明は、ガルバノスキャナに適用可能な高精度なエンコーダ装置を実現することを目的としており、具体的には、磁気式でも数百万パルス以上の高分解能を有するエンコーダ装置を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
これらの課題を解決する為、本発明では、2相正弦波のエンコーダ信号を、ある抵抗と増幅器を備える回路に入力したときに定まる回路上の各ポイントにおける電圧と抵抗との関係式と加法定理を用いて、エンコーダの原信号に対する任意の遅れ波形を作る。
【0015】
具体的には、請求項1記載の発明では、移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力する。
【0016】
そして前記回路は、少なくとも1つ以上の増幅器と、少なくとも3つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともm個(mは正の整数)、以下の式が成り立つように、配置する。
【0017】
【数4】

【0018】
Vin1、Vin2及びVout−Vcomの関係式は、2相のエンコーダ信号と、回路上の電圧と抵抗との関係を示している。
【0019】
R3の関係式は、遅れ波形が形成されるときの抵抗R1と抵抗R2との抵抗比〔(R1/R2)=tanφn〕に対応する抵抗R3の関係を示すものである。
【0020】
sin(θ−φn)の関係式は、エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた正弦波形を加法定理により展開し、2相のエンコーダ信号の正弦波形との関係を示している。
【0021】
これらの式から抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。
【0022】
又、請求項2に記載の発明では、信号発生源から出力される2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって振幅をゲイン調整する。
【0023】
振幅をゲイン調整した位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力する。
【0024】
そして、この回路は少なくとも1つ以上の増幅器と、少なくとも3つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともm個(mは正の整数)、以下の式が成り立つように配置する。
【0025】
【数5】

【0026】
上式における抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。
【0027】
又、請求項3に記載の発明では、信号発生源から出力される2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって振幅をゲイン調整する。
【0028】
振幅をゲイン調整した位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力する。
【0029】
そして、この回路は少なくとも1つ以上の増幅器と、少なくとも3つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともm個(mは正の整数)、以下の式が成り立つように配置する。
【0030】
【数6】

【0031】
上式における抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。
【0032】
又、請求項4に記載の発明では、請求項1から3のいずれかに記載のエンコーダの信号処理方法において、形成した遅れ波形を、閾値を振幅Vのピーク・ピーク値の1/2として、方形波にすることを特徴とするエンコーダの信号処理方法とした。
【0033】
又、請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の信号処理方法を行える手段を備えることを特徴とするエンコーダ装置である。
【0034】
又、請求項6に記載の発明は、回転体の回転角度を検出するロータリエンコーダであることを特徴とする請求項5に記載のエンコーダ装置である。
【0035】
又、請求項7に記載の発明は、回転角度の検出手段が磁気式であることを特徴とする請求項5または6に記載のエンコーダ装置である。
【0036】
又、請求項8に記載の発明は、請求項5から7のいずれかに記載のエンコーダ装置を備えることを特徴とするサーボモータである。
【発明の効果】
【0037】
請求項1記載の発明によれば、簡単な構成による回路で、エンコーダの信号波形に対してリアルタイムで逓倍分割され、且つ、遅れ波形を形成する回路に配置される抵抗の影響により低減された振幅を補正した高精度な波形を作り出すことができる。
【0038】
請求項2記載の発明によれば、回路内抵抗により生じる誤差、経年変化、検出対象の移動速度の変動、温度環境等により生じる原信号の振幅の変動を補正している為、高精度にリアルタイムで逓倍分割された出力信号を得ることができる。
【0039】
請求項3記載の発明によれば、経年変化、温度環境等の要因に対する原信号の補正に加え、遅れ波形を形成する回路に配置される抵抗の影響も考慮して調整される為、より高精度で、リアルタイムに逓倍分割された出力信号を得ることができる。
【0040】
請求項4記載の発明によれば、高分解能化したアナログ出力を変換して、デジタル出力を得ることができる為、以降のプロセスにおける信号の処理が容易になる。
【0041】
請求項5記載の発明によれば、移動体の位置情報を高精度に検知することができるエンコーダ装置を得ることができる。
【0042】
請求項6記載の発明によれば、回転体の回転角度情報を高精度に検知することができて、ガルバノスキャナ用のサーボモータに適用可能なロータリエンコーダ装置を得ることができる。
【0043】
請求項7記載の発明によれば、100万パルス以上の高分解能を有し、特に高速応答性に優れるガルバノスキャナ用のサーボモータに適用可能なロータリエンコーダ装置を得ることができる。
【0044】
請求項8記載の発明によれば、ガルバノミラーの位置を高精度に制御できるガルバノスキャナ用のサーボモータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0045】
本実施例では最良の形態として、最終的に数百万パルスの位置検出用の信号を得ることができる高精度の磁気式エンコーダと、そのエンコーダを備えるサーボモータを実現する為の信号処理方法に関する内容を中心に、添付図面を参照して以下の順序で説明する。
【0046】
〔A〕エンコーダ信号の分割方法について
〔B〕信号の調整について
〔C〕出力信号の線形化について
〔D〕エンコーダ装置及びサーボモータについて
〔E〕変形例について
【0047】
〔A〕エンコーダ信号の分割方法について
図1は2相の磁気式エンコーダの概略構造を示している。モータ10の回転シャフト1に磁気ドラム2が取り付けられており、磁気ドラム2の外周部には均一な間隔でN極、S極が多数着磁されている。
【0048】
磁気ドラム2の磁極面に対向する位置には、2つの磁気抵抗素子から構成されるMRセンサ3が配置されている。このMRセンサ3が発生する2相の正弦波信号が磁気式エンコーダの原信号である。
【0049】
本実施例では、磁気ドラム2の外周に、着磁ピッチ0.08mm/1,024pで磁極を形成する。これにより原信号の出力パルス1,024P/Rが定まる。
【0050】
又、2つのMRセンサから発生する正弦波信号は、互いにπ/2の位相差を有するように配置する。すなわち2つの正弦波信号の波形はsinθ及びcosθで表すことができる。
【0051】
MRセンサからの出力信号は数十mVの微小信号である為、差動増幅回路を用いて増幅する。この増幅した2つの出力信号は、増幅後の振幅電圧をsinθ及びcosθに乗じた以下の式で表す。
【0052】
【数7】

【0053】
次にエンコーダ信号A、Bを図2の回路に入力することにより1,024逓倍する。このとき図2の回路上の各ポイントにおける電圧と抵抗との関係式と加法定理を用いて、エンコーダ信号に対して一定の間隔で遅れ波形を作ることによって逓倍していくが、詳細について以下に説明する。
【0054】
図2の回路においてオペアンプの動作から反転入力(−)をVcomとすると非反転入力端子(+)もVcomとなり、エンコーダ信号A、Bを図2の回路に入力するとき次式の関係が成り立つ。
【0055】
【数8】

【0056】
また、オペアンプの出力端子電圧をVoutとするとき、抵抗R1、R2、R3各々に流れるI1、I2、I3との関係において次式が成り立つ。
【0057】
【数9】

【0058】
上式([数9])を変形すると次式で表される。
【数10】

【0059】
sinθに対してφ遅れた波形は、加法定理を用いて展開することにより次式で表すことができる。
【数11】

【0060】
ここでは次式の関係を選択することができる。
【数12】

【0061】
従って、遅れφはR1とR2の比で決まり、R1とR2との抵抗比の組み合わせを変えることで、自由な遅れ波形を作り出せる。
【0062】
つまり、本実施例では、エンコーダ信号を1,024分割した信号波形を得る為に、1,024通りのR1とR2との抵抗比の組み合わせを有する回路が必要となる。
【0063】
尚、図2においてR1はa−c間、R2はb−d間、R3はc−e間の抵抗を示すものであり、回路上は複数の抵抗器を配置してもよい。
【0064】
エンコーダ信号の正弦波に対して、図2に示す回路の抵抗比によって位相角でφn遅れた複数の正弦波形を位相差Δφ=2π/mの等間隔で形成する条件は、[数7]〜[数12]の関係式から以下にまとめることができる。
【0065】
【数13】

【0066】
すなわち、上式([数13])において m=1,024とすると、原信号を1,024分割した信号を得ることができる。
【0067】
このとき、原信号が1,024P/Rの場合には、1,024×1,024=1,048,576P/Rの出力信号を得ることができることになる。
【0068】
この出力信号は、検出対象の加減速時や負荷変動を受けている場合にも、変動する周波数に応じてリアルタイムで逓倍分割された波形である。
【0069】
〔B〕信号の調整について
<調整1>
図2の回路により作成した抵抗R1、R2の抵抗比〔R1/R2〕(n)により決まるφnの遅れ波形の振幅は、振幅Vに比して最大振幅が僅かながら抵抗R3の影響により低減及び変動する。
【0070】
これを抵抗R1、R2の抵抗比〔R1/R2〕を用いて導き出すことのできる次式の関係から、振幅Vを維持するようにR3を決定することにより、φnに対してゲイン補正する。
【0071】
【数14】

【0072】
<調整2>
加えて、エンコーダの原信号は、経年変化等の時間的要因や、温度環境等の空間的要因及び、検出対象の移動速度等によって、僅かながら変動する。この変動を補正する方法について述べる。
【0073】
図3は、本実施例における、エンコーダの信号処理に関するブロック図である。図3に示すように、差動増幅回路を用いて増幅したMRセンサからの出力信号を、遅れ波形の形成回路(図2)に入力する前に、一定の最大振幅量となるように補正する。
【0074】
この時の振幅の補正プロセスは、2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段を有する。
【0075】
MRセンサからの2相正弦波の原信号の最大振幅vに対して、変動要因の影響を受けない場合の出力信号の最大振幅をVとし、変動要因を含めて増幅された出力信号の最大振幅をV’とする。すなわち次式で表される。
【0076】
【数15】

【0077】
変動要因を含む場合における2相正弦波の増幅後出力信号を、それぞれ二乗算出手段により二乗した、二乗した2相正弦波信号を加算手段により加算すると、その出力結果は次式で表される。
【0078】
【数16】

【0079】
この出力結果を平方根を演算する手段により演算することにより、V’の絶対値を得ることができる。
【0080】
V’の絶対値をVに変換する為の係数を、補正係数を演算する手段により決定して、その補正係数をもとに、エンコーダ信号の最大振幅をVにゲイン調整する。
【0081】
〔C〕出力信号の線形化について
ゲイン調整し、形成した正弦波の遅れ波形は、閾値を振幅Vのピーク・ピーク値の1/2として、方形波に変換する。
【0082】
〔D〕エンコーダ装置及びサーボモータについて
<エンコーダ装置>
上述した〔A〕〜〔C〕の方法を実行する手段として、磁気ドラム、MRセンサに加えて、主に分割IC、EEPROM、温度センサ、MPU等を用いてロータリエンコーダ装置を構成する。
【0083】
分割ICは、エンコーダの正弦波信号に対して、等間隔の遅れ波形を作成する回路を、遅れ波形の数に応じて備える。
【0084】
EEPROMには、2相信号(sin/cos)角度演算結果等を、記憶しておくことにより、高速で演算処理できるようにする。
【0085】
MPUは、温度センサの出力に応じて、温度ドリフトを常時補正する等の各種演算処理を行う。
<サーボモータ>
【0086】
このエンコーダ装置を搭載したモータにより、モータの制御系を構成する。本実施例のサーボモータは、温度補償が図られており、高速応答性に優れ、且つ高精度にモータ出力軸を位置制御できる為、ガルバノスキャナ用のサーボモータとして有効である。
【0087】
〔E〕変形例について
以上、本発明の最良の形態として、主に磁気式のロータリエンコーダによる実施例を説明したが、当然ながら本発明の範囲を逸脱することなく種々の形態での適用が可能である。例えば、以下の例によるものが挙げられる。
【0088】
<例1:リニアエンコーダ>
本発明は、90度位相が異なる2相の正弦波信号を出力するエンコーダであれば、あらゆるタイプのエンコーダに適用できる。例えば、リニアエンコーダに適用することにより、直動体の位置決めを高精度に行える。
【0089】
<例2:光学式エンコーダ>
又、光学式のエンコーダに適用した場合には、磁気式の場合よりも、高分割の位置情報を回転ドラムに持たせることができる為、より高分解能を有するエンコーダを得ることができる。
【0090】
<例3:パルス逓倍回路による分割>
正弦波の遅れ波形を変換した方形波は、各相パルスの立ち上がり、立ち下がりを捉える通常の逓倍回路を通して、更に分解能を上げてもよい。
【0091】
例えば、1,024P/Rの原正弦波信号から1,024分割した1,024×1,024=1,048,576P/Rの出力信号を方形波に変換した後、4逓倍回路を通して、4,194,304P/Rの出力信号を得ることができる。
【0092】
<例4:エンコーダ装置の構成>
エンコーダ信号処理方法の具体的手段たる、エンコーダ装置の分割IC、EEPROM、MPU等の制御系の構成要素は、必ずしも検出部本体と一体的に配置する必要はない。
【0093】
また、本発明のエンコーダ信号処理方法を行う制御系は、任意のブロック間に変換器を配置し、アナログ回路、デジタル回路、DSP等の各種IC、ソフトウエア等を用いたあらゆる構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0094】
【図1】本発明の実施の形態に係わる、磁気式エンコーダの構造図である。
【図2】本発明の実施の形態に係わる、差動増幅回路の回路図である。
【図3】本発明の実施の形態に係わる、信号処理のブロック図である。
【符号の説明】
【0095】
1 回転シャフト
2 磁気ドラム
3 MRセンサ
10 モータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって、
位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力し、
抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、前記エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた正弦波形を作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
【数1】


【請求項2】
移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって、
信号発生源から出力される2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって、振幅をゲイン調整した位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、
以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力し、
前記回路は、少なくとも1つ以上の増幅器と、少なくとも3つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともm個(mは正の整数)、以下の式が成り立つように、配置されており、
抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、前記エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
【数2】




【請求項3】
移動体の位置を検出するエンコーダの信号処理方法であって、
信号発生源から出力される2相正弦波信号のそれぞれを二乗する二乗算出手段と、二乗算出手段から出力される二乗した2相正弦波信号を加算する手段と、この加算手段の出力の平方根を演算する手段と、振幅の補正係数を演算する手段とによって、振幅をゲイン調整した位相差がπ/2の2相正弦波であるエンコーダ信号(信号1,信号2)を、
以下の式が成り立つように配置された増幅器と、3区間の抵抗(R1,R2,R3)を備える回路に入力し、
前記回路は、少なくとも1つ以上の増幅器と、少なくとも3つ以上の抵抗器とから構成されているものが、少なくともm個(mは正の整数)、以下の式が成り立つように、配置されており、
抵抗R1と抵抗R2との抵抗比によって、前記エンコーダ信号の正弦波形sinθに対して、位相角でφn遅れた複数の正弦波形を、位相差Δφの等間隔で作ることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
【数3】

【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載のエンコーダの信号処理方法において、
形成した遅れ波形を、閾値を振幅Vのピーク・ピーク値の1/2として、方形波にすることを特徴とするエンコーダの信号処理方法。
【請求項5】
請求項1から4のいずれかに記載の信号処理方法を行える手段を備えることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項6】
回転体の回転角度を検出するロータリエンコーダであることを特徴とする請求項5に記載のエンコーダ装置。
【請求項7】
回転角度の検出手段が磁気式であることを特徴とする請求項5または6に記載のエンコーダ装置。
【請求項8】
請求項5から7のいずれかに記載のエンコーダ装置を備えることを特徴とするサーボモータ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−139405(P2010−139405A)
【公開日】平成22年6月24日(2010.6.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−316632(P2008−316632)
【出願日】平成20年12月12日(2008.12.12)
【出願人】(000240477)並木精密宝石株式会社 (210)
【出願人】(000236447)浜松光電株式会社 (20)
【Fターム(参考)】