変位検出装置、制御装置、工作機械装置、照射装置および変位検出方法
【課題】エンコーダ等の変位検出手段により検出される変位の誤差を低減する。
【解決手段】アクチュエータ１７の出力としての変位を検出する変位検出手段１０を含む変位検出装置であって、振動する駆動指令Ｔｍがアクチュエータ１７に供給されて変位検出手段１０により検出された変位の振幅と駆動指令Ｔｍの振幅との比を変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、変位検出手段１０により検出された変位を補正する補正手段１８を有する。
【解決手段】アクチュエータ１７の出力としての変位を検出する変位検出手段１０を含む変位検出装置であって、振動する駆動指令Ｔｍがアクチュエータ１７に供給されて変位検出手段１０により検出された変位の振幅と駆動指令Ｔｍの振幅との比を変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、変位検出手段１０により検出された変位を補正する補正手段１８を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変位検出方法及びモータ制御装置に係り、特に、検出角度の補正を行う変位検出方法及び検出角度の補正を行うことにより検出精度を向上させたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ穴あけ加工機、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などの工作機械装置には、ガルバノモータと呼ばれる小出力電気モータが用いられる。ガルバノモータには高精度な角度検出器を備えることが要求され、インクリメンタルエンコーダが採用されている。
【０００３】
インクリメンタルエンコーダとしては、光学式のロータリエンコーダやリニアエンコーダが知られている。このようなエンコーダは、位相が９０°異なる２つの信号（正弦波信号と余弦波信号）を利用することにより、被検出物の変位量や変位方向などの変位情報を検出している。
【０００４】
従来から、多くのエンコーダでは、検出精度を高めるため、出力信号の振幅、オフセット、位相を補正することが行われている。
【０００５】
例えば、特開平８−１４５７１９号公報（特許文献１）には、エンコーダの出力信号の最大値と最小値や２相の出力信号の交点の情報に基づいて、振幅補正、オフセット補正、及び、位相補正を行うことが記載されている。また、特開平１０−２５４５４９号公報（特許文献２）には、エンコーダの出力信号の最大値の平均値と最小値の平均値に基づいて、振幅補正及びオフセット補正を行うことが記載されている。
【特許文献１】特開平８−１４５７１９号公報
【特許文献２】特開平１０−２５４５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の補正手段は、エンコーダの出力信号が理想的な正弦波信号であるとして補正を行っていた。ところが実際には、エンコーダの出力信号は、高調波成分や非線形成分を含んでいるため、理想的な正弦波信号ではない。このため、従来の補正手段にてエンコーダの出力信号を補正した場合でも、エンコーダの出力信号は理想的な正弦波信号にはならない。
【０００７】
多くのエンコーダは、正弦波信号と余弦波信号から分割単位に相当する位相差を有する複数の分割パルスを生成し、被検出物の変位情報の検出分解能を高めている。このような手法を電気分割というが、エンコーダの出力信号が理想的な正弦波信号でないことは、電気分割の際における誤差の原因となっていた。
【０００８】
また、エンコーダは、そのスケールピッチが等間隔になるように加工されているが、実際には加工誤差を有している。
【０００９】
そこで、本発明は、エンコーダ等の変位検出手段により検出される変位の誤差を低減する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のうちの代表的な一つは、アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を含む変位検出装置であって、振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正する補正手段を有することを特徴とする変位検出装置である。
【００１１】
また、本発明のうちの代表的な一つは、アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を用いた変位検出方法であって、振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする変位検出方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エンコーダ等の変位検出手段により検出される変位の誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１におけるモータ制御装置の制御ブロック図である。
【図２】実施例１におけるモータの回転角度θｍとエンコーダによる検出角度θｍ’との関係を示す図である。
【図３】実施例１におけるモータの回転角度θｍと検出誤差θｍ’−θｍとの関係を示す図である。
【図４】実施例１におけるモータの駆動トルクＴｍの振幅スペクトルを示す図である。
【図５】実施例１におけるモータの検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトルを示す図である。
【図６】実施例１における補正データを示す図である。
【図７】実施例１において補正前の検出誤差θｍ’−θと補正後の検出誤差θｍ’’−θを示す図である。
【図８】実施例２におけるモータの回転角度θｍとエンコーダによる検出角度θｍ’との関係を示す図である。
【図９】実施例２におけるモータの回転角度θｍと検出誤差θｍ’−θｍとの関係を示す図である。
【図１０】実施例２における補正データを示す図である。
【図１１】実施例２において補正前の検出誤差θｍ’−θと補正後の検出誤差θｍ’’−θを示す図である。
【図１２】実施例１における補正手順を示すフローチャートである。
【図１３】レーザ加工機の一例を示す概略図である。
【図１４】モータ制御装置の一例を示す概略図である。
【図１５】ロータリエンコーダのスケールの一例を示す平面図である。
【図１６】エンコーダ出力のＡ相信号とＢ相信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
まず、工作機械装置の一例として、レーザ加工機の構成を説明する。図１３にレーザ加工機１００の概略図を示す。レーザ加工機１００は、基板の切断や穴あけ、金属間の溶接など、幅広い用途に利用される。
【００１６】
本実施例のレーザ加工機１００は、回転モータ１０１、１０２を備える。回転モータ１０１、１０２は、ミラー１０３、１０４をそれぞれ回転駆動するために設けられている。ミラー１０３、１０４は、回転モータ１０１、１０２により回転駆動され、その向きが変化する。
【００１７】
このように、回転モータ１０１、１０２を用いてミラー１０３、１０４の向きを変化させることにより、レーザ光Ｌの進行方向を変えることができる。なお、後述のように、回転モータ１０１、１０２にはモータの回転変位量を検知するためのエンコーダが設けられている。モータの回転変位量を正確に検知することにより、レーザ光Ｌの進行方向を正確に制御することができる。
【００１８】
レーザ発振器１０５から射出されたレーザ光Ｌは、ミラー１０３、１０４を経由して、レーザ加工面１０６に照射される。加工の対象となるレーザ加工面１０６としては、金属やガラス、プラスチックなど広範の材料が選択できる。
【００１９】
上記のとおり、レーザ加工機１００においては、ミラー１０３、１０４が回転することによりレーザ光Ｌの進行方向を正確に制御することができる。このため、レーザ加工面１０６が平坦でない場合でも、レーザ加工面１０６を高精度に加工することが可能である。
【００２０】
次に、レーザ加工機１００に用いられるモータ制御装置の構成を説明する。図１４にモータ制御装置の概略図を示す。また、図１５にエンコーダのスケール２０１の概略平面図を示す。
【００２１】
本実施例のモータ制御装置２００は、回転モータ１０１の回転変位量を検出するための光学式のエンコーダを有する。エンコーダは、回転スリット円板及び固定スリット円板を有するスケール２０１と、発光素子（発光ダイオード）と受光素子（フォトダイオード）を有するセンサ部２０２とからなる。回転スリット円板は回転モータ１０１の回転とともに回転し、固定スリット円板は固定されている。エンコーダは、発光素子と受光素子の間に回転スリット円板と固定スリット円板を配置した構成となっている。
【００２２】
回転スリット円板と固定スリット円板には、多数のスリットが設けられている。発光素子の光は、回転スリット円板が回転することにより、透過又は遮断する。また、固定スリット円板は、エンコーダの出力信号を複数相にするため、固定スリットは複数に分かれている。このため、発光素子と受光素子も複数個設けられている。
【００２３】
図１５に示すように、エンコーダのスケール２０１は、Ａ相パターン２０５とＢ相パターン２０６のスリットが設けられている。スケール２０１は、回転軸２０４を中心に回転する。回転中に、発光素子からの光がＡ相パターン及びＢ相パターンそれぞれのスリットを透過すると、２つの受光素子それぞれが発光素子の光を検知する。この結果、図１６に示すように、互いに位相が９０°異なるＡ相信号とＢ相信号が生成される。なお、図１６のＡ相信号及びＢ相信号は、正弦波状のエンコーダ出力を波形整形回路により波形整形した矩形波信号である。
【００２４】
モータコントローラ２０３は、回転モータ１０１の回転駆動を制御する。モータコントローラ２０３は、目標値であるモータ回転角度と実測値であるモータ検出角度とを比較して、実測値が目標値に等しくなるように、フィードバック制御する。この結果、ミラー１０３の向きを目標値どおりの角度に変更することができる。
【００２５】
なお、エンコーダの検出原理は光学式に限られず、磁気式など他の方式を採用することも可能である。
【実施例１】
【００２６】
次に、本発明の実施例１における変位検出方法及びモータ制御装置を説明する。図１は、モータ制御装置のコントローラが実行する制御ブロック図である。
【００２７】
図1の制御ブロックは、モータの回転角度θｍを検出するための角度検出器としてロータリエンコーダを用いた位置決め制御系である。本図では、トルク指令に対する位置応答が１／ｓ２となる簡易なモータモデルと、位置及び速度フィードバックを行う比例制御の位置決め制御系を示している。
【００２８】
１は目標角度指令である。目標角度指令１は、モータ１７から出力される回転角度θｍの目標値を指令する。２は第１の加算器である。第１の加算器２は、補正手段１８から出力される補正角度１９をフィードバックして、目標角度指令１による目標値と補正角度１９を加算する。３は第２の加算器である。第２の加算器３は、第１の加算器２の出力信号と微分器１２から出力された速度フィードバック信号とを加算する。
【００２９】
４はトルク指令である。トルク指令４は、目標角度指令１を第１の加算器２及び第２の加算器３を介することにより計算される。５は第３の加算器である。第３の加算器５は、信号生成手段１３により生成された正弦波信号をトルク指令４に重畳する。６は駆動トルクである。駆動トルク６は、第３の加算器５から出力され、モータ１７に供給される。このように、第３の加算器は、駆動トルク６をモータに供給する駆動手段として機能する。
【００３０】
１７はモータである。モータ１７は積分器７，８を備え、これらの積分器を介して、モータの回転角度９（θｍ）を出力する。本実施例のモータ１７が２つの積分器７，８を有するのは、トルク指令４に対する位置応答が１／ｓ２となるモータモデルを考えているからである。
【００３１】
ここで、モータの変位量である回転角度９（θｍ）はモータの実際の回転角度を示している。すなわち、回転角度９（θｍ）はモータの実際の変位量である。このため、エンコーダで検出した検出角度（実測値）とは異なる。
【００３２】
１０はエンコーダである。エンコーダ１０は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）を検出する変位検出手段である。１１は検出角度θｍ’である。検出角度１１（θｍ’）は、変位検出手段であるエンコーダ１０により検出された変位量（角度）である。エンコーダ１０は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）を検出して、モータ１７の検出角度１１（θｍ’）を算出する。なお、エンコーダ１０から出力される正弦波信号には、高調波成分が含まれている。また、エンコーダ１０のスケールには加工誤差がある可能性もある。このため、厳密には、エンコーダ１０により求められたモータの検出角度１１（θｍ’）は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）とは異なる。すなわち、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）とエンコーダ１０により検出されたモータ１７の検出角度（θｍ’）の間には誤差がある。
【００３３】
１２は微分器である。微分器１２は、補正手段１８により補正された補正角度１９（θ’’）を時間で微分することにより、モータの回転速度を求める。微分器１２で求められた回転速度は、速度フィードバック信号として第２の加算器３に入力される。
【００３４】
１３は信号生成手段である。本実施例の信号生成手段１３は、所定の振幅及び周波数を有する正弦波信号を生成して、この正弦波信号を駆動手段である第３の加算器に供給する。なお、本実施例の信号生成手段１３は正弦波信号を生成するが、これに代えて、ガウシアンノイズや三角波など他の信号を生成して第３の加算器に供給するものであってもよい。
【００３５】
１４は第１のフーリエ変換器である。第１のフーリエ変換器１４は、第３の加算器５から出力された駆動トルク６を入力し、駆動トルク６のフーリエ変換を行う。第１のフーリエ変換器１４からは、駆動トルク６のフーリエ変換を行った結果として、第１の振幅スペクトルが出力される。
【００３６】
１５は第２のフーリエ変換器である。第２のフーリエ変換器１５は、エンコーダの出力信号に基づいて求められたモータの検出角度１１（θｍ’）を入力し、検出角度１１のフーリエ変換を行う。第２のフーリエ変換器１５からは、検出角度１１のフーリエ変換を行った結果として、第２の振幅スペクトルが出力される。
【００３７】
１６は補正データ生成手段である。補正データ生成手段１６は、第１の振幅スペクトルと第２の振幅スペクトルの振幅スペクトル比を求める。また、補正データ生成手段１６は、振幅スペクトル比から補正データＷ〔ｎ〕を生成する。すなわち補正データ生成手段１６は、所定の正弦波信号が第３の加算器５に供給されたときの駆動トルク６及びエンコーダ１０により検出された検出角度θｍ’から補正データを生成する。
【００３８】
１８は補正手段である。補正手段１８は、補正データ生成手段１６にて生成された補正データＷ〔ｎ〕を用いてエンコーダで検出されたモータの検出角度１１（θｍ’）を補正する。補正手段１８は、変位検出手段であるエンコーダによる検出角度１１（θｍ’）を、実際のモータの回転角度９（θｍ）に等しくなるように補正を行う。このため、補正手段１８にて補正された補正角度１９は、実際のモータの回転角度（θｍ）に極めて近い値となる。補正角度１９は、第１の加算器２及び第２の加算器３へフィードバックされる。
【００３９】
次に、図１の制御ブロックにて生じる検出角度の誤差及びその補正方法について、以下、詳細に説明する。
【００４０】
まず、高調波成分を含むエンコーダ信号がモータの検出角度θｍ’に与える誤差について説明する。なお、本実施例では、回転型のモータにおける角度検出器として、ロータリエンコーダが用いられている。エンコーダは、モータの変位検出手段として機能する。
エンコーダは、モータの１回転当たり、正弦波状の２相信号を各々１４００００周期で出力する。モータの回転角度をθｍ〔ｒａｄ〕とすると、エンコーダの位相角度θｅは、
【００４１】
【数１】
【００４２】
で表され、理想的な正弦波を出力するエンコーダの２相信号Ａｓｉｇ、Ｂｓｉｇは、
【００４３】
【数２】
【００４４】
【数３】
【００４５】
となる。また、ここでは、下記のような３次及び５次の高調波を含むエンコーダ信号について考える。
【００４６】
【数４】
【００４７】
【数５】
【００４８】
ここで、高調波を含むエンコーダ信号を理想的な正弦波信号であるとして、ｔａｎ−１(アークタンジェント)により電気分割した場合の誤差を考える。高調波を含むエンコーダ信号よりエンコーダの位相角度θｅ’ を求めると、
【００４９】
【数６】
【００５０】
となる。また、モータの検出角度をθｍ’〔ｒａｄ〕は、エンコーダの位相角度θｅ’より、
【００５１】
【数７】
【００５２】
で表わされる。ここで、エンコーダは周期関数であるため、エンコーダの位相角度θｅを−π≦θｅ≦πの範囲で考える。
【００５３】
このときのモータの検出角度θｍ’とモータの回転角度θｍとの関係を図２に示す。図２において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は電気分割により求めたモータの検出角度θｍ’を示している。検出誤差がゼロの理想的な場合には、図２に示されるグラフは直線状になる。しかし、実際には誤差が生じているため、図２に示されるグラフは歪んだ直線になっている。
【００５４】
また、エンコーダによる検出誤差θｍ’−θｍとモータの回転角度θｍとの関係を図３に示す。図３において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はモータの回転角度θｍと電気分割により求めたモータの検出角度θｍ’との検出誤差θｍ’−θｍを示している。検出誤差がゼロの理想的な場合、縦軸の検出誤差θｍ’−θｍは横軸の回転角度θｍに依存せず常にゼロを示す。しかし、実際には誤差が生じているため、図３に示されるグラフは正弦波状に変化する。
【００５５】
以上のとおり、モータの実際の回転角度θｍとエンコーダにより検出された検出角度θｍ’の間には、エンコーダ出力の高調波成分による検出誤差が生じている。
【００５６】
次に、エンコーダにより検出された検出角度θｍ’の補正方法について、図１２に示す補正手順のフローチャートを参照しながら説明する。なお、本実施例の補正方法は、エンコーダをモータに組み込んだ状態にて行われる。
【００５７】
また、本実施例のモータ制御装置は、エンコーダの検出角度を補正するための補正モードと、実際のモータ制御を行う制御モードとを有する。モータ制御装置は、補正モードにて検出角度を補正してから、制御モードに移行して通常のモータ制御を行う。
【００５８】
図１に示される制御系において、エンコーダによりモータの検出角度θｍ’を検出して、モータの位置決め制御を行う。ここでは、
【００５９】
【数８】
【００６０】
で表される３６０点での補正係数を求める。
【００６１】
最初に、数式（８）おいて、θｍ’〔０〕＝−π／１４００００（ｎ＝０の場合）を満たす位置（角度）を検出する（ステップＳ１）。そして、モータをこの位置に位置決め制御する（ステップＳ２）。次に、位置決め制御した状態で、信号生成手段１３にて生成された１００Ｈｚの正弦波信号をトルク指令４に重畳する（ステップＳ３）。なお、正弦波の周波数は１００Ｈｚに限定されるものではなく、他の周波数を用いることもできる。
【００６２】
この結果に基づいて、第３の加算器５から出力された駆動トルク６をモータ１７に供給し、駆動トルク６及び検出角度θｍ’の角度応答を測定する（ステップＳ４）。このときの駆動トルクをＴｍ〔０〕、また、モータの検出角度θｍ’の角度応答をθｍ’ｐ〔０〕とする。
【００６３】
ここで、ｎの値が３６０より小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。ｎの値が３６０より小さい場合には、ｎに１を加えて（ステップＳ６）、ステップＳ２乃至ステップＳ４の動作を繰り返す。すなわち、ｎ＝１、２、…、３５８、３５９（ｎ＜３６０）の場合について、ｎ＝０の場合と同様に、モータの駆動トルクＴｍ〔ｎ〕、及び、検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐ〔ｎ〕を求める（ステップＳ４）。
【００６４】
ｎの値が３６０に達した場合には、モータの駆動トルクＴｍ及び角度応答θｍ’ｐを各々フーリエ変換し、各々の振幅スペクトルを求める（ステップＳ７）。モータの駆動トルクＴｍの振幅スペクトルを図４に示す。また、角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトルを図５に示す。なお、図４及び図５に示される振幅スペクトルは、正弦波信号の重畳周波数１００Ｈｚの項のみを表している。
【００６５】
ここで、エンコーダによる検出誤差がない場合、駆動トルクＴｍに対して、モータ１７の検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐは一定である。換言すると、駆動トルクＴｍの振幅スペクトルに対する角度応答の振幅スペクトル（振幅スペクトル比）は一定となる。
【００６６】
しかしながら、実際にはエンコーダによる検出誤差が生じている。このため、図４及び図５に示されるように、検出角度θｍ’を用いた場合、振幅スペクトル比は一定にならない。
【００６７】
そこで、検出誤差が生じている場合に、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷ〔ｎ〕を作成する（ステップＳ８）。補正データＷ〔ｎ〕は、検出角度θｍ’がθｍ’〔ｎ〕 ≦θｍ’＜ θｍ’〔ｎ＋１〕のときの重みデータであり、下記の数式（９）及び数式（１０）を満足するように求める。
【００６８】
【数９】
【００６９】
【数１０】
【００７０】
ここで、数式（９）におけるＫは任意の定数である。ＤＦＴ（θｍ’p)は、検出角度θｍの角度応答θｍ’ｐをフーリエ変換して求めた振幅スペクトル（１００Ｈｚの項）である。また、ＤＦＴ（Ｔｍ）は、駆動トルクＴｍをフーリエ変換して求めた振幅スペクトル（１００Ｈｚの項）である。図６に、補正データＷと検出角度θｍ’との関係を示す。このような補正データＷを用いて補正を行うことにより、駆動トルクＴｍと角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトル比は一定となる。なお、振幅スペクトルの測定及び振幅スペクトル比の測定は、駆動トルクＴｍ〔ｎ〕と角度応答θｍ’ｐ〔ｎ〕の測定（図１２のステップＳ４）の直後に行うこともできる。
【００７１】
検出角度θｍ’に補正を施した補正角度θｍ’’は、補正データＷ〔ｎ〕を用いることにより求められる（ステップＳ９）。補正角度θｍ’’は、検出角度θｍ’が（２π／３６０）×（ｎ−１８０）／１４００００≦θｍ’＜（２π／３６０）×（（ｎ＋１）−１８０））／１４００００を満たすとき、
【００７２】
【数１１】
【００７３】
で表される。
【００７４】
図７に、モータの回転角度θに対する補正後の検出誤差θｍ’’−θｍ及び補正前の検出誤差θｍ’−θｍを示す。図７において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は検出誤差である。また、モータの回転角度θｍと補正前の検出角度θm’との検出誤差θｍ’−θｍを破線で示し、
モータの回転角度θmと補正後の検出角度θm’’との検出誤差θｍ’’−θｍを実線で示している。
【００７５】
図７に示されるように、補正前の検出誤差θｍ’−θｍは大きい。しかし、補正後の検出誤差θｍ’’−θｍは極めて小さくなっている。すなわち、補正データＷを用いて算出された補正角度θｍ’’は、実際のモータの回転角度θｍに極めて近い値になっている。
【００７６】
上記のとおり、本実施例の変位検出方法では、モータの検出角度θｍ’のうち補正すべき範囲内の複数の検出角度にて、順次振幅スペクトルの測定を行う。そして、任意の駆動トルクに対する検出角度θｍ’の位置応答が駆動トルクの応答と同じになるように、検出角度θｍ’の補正を行う。
【００７７】
モータ制御装置は、補正モードにおいて補正角度θｍ’’が算出されると、通常のモータ制御を行う制御モードに移行する。制御モードにおいて、モータ制御装置の駆動手段である第３の加算器５は、補正モードにおいて算出された補正角度θｍ’’を利用してモータ１７を駆動制御する。
【００７８】
以上のとおり、本実施例によれば、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷを用いることにより、高調波信号を含むエンコーダの出力信号に対する検出誤差を効果的に低減することができる。この結果、エンコーダの出力信号に含まれる高調波成分による誤差を低減する変位検出方法を提供することができる。また、エンコーダの検出誤差が小さくなるようにエンコーダの検出角度を補正するため、高精度なモータ制御装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７９】
本実施例では、エンコーダのスケールピッチに加工誤差を有する場合を考える。実施例１と同様に回転型モータに角度検出器としてロータリエンコーダを用いている。
【００８０】
実施例１と同様に、本実施例のエンコーダは、モータの１回転当たり、正弦波状の２相信号を各々１４００００周期で出力する。実際のモータの回転角度をθｍ〔ｒａｄ〕とすると、エンコーダの位相角度θｅは、数式（１）と同様に、
【００８１】
【数１２】
【００８２】
で表される。また、エンコーダの２相の正弦波信号Ａｓｉｇ、Ｂｓｉｇは、数式（２）、数式（３）と同様に、下記のようになる。
【００８３】
【数１３】
【００８４】
【数１４】
【００８５】
しかしながら、スケールピッチに加工誤差を有している場合には、数式（１２）の関係が満たされず、正確な位置を検出することができない。本実施例では、上記のようにスケールピッチの加工誤差がある場合のモータの検出角度θｍ’を補正する手順について説明する。
【００８６】
まず、スケールピッチに加工誤差を有するエンコーダの出力信号が、モータの検出角度に与える誤差を説明する。
【００８７】
モータの回転角度θｍに対して、数式（１５）、数式（１６）を満たすスケールについて考える。モータの回転角度範囲が（−π／１４００００）×１．２≦θｍ＜０のとき、エンコーダの位相角度θｅ’は、
【００８８】
【数１５】
【００８９】
で表される。また、モータの回転角度範囲が０≦θｍ＜（π／１４００００）×０．８のとき、エンコーダの位相角度θｅ’は、
【００９０】
【数１６】
【００９１】
で表される。このとき、本実施例のエンコーダのスケールには、数式（１５）、数式（１６）の関係を満たす加工誤差が生じている。なお、上記以外の範囲では、スケールの加工誤差はないとする。エンコーダの出力信号が高調波を含まない理想的なものであるとすると、モータの検出角度θｍ’は、
【００９２】
【数１７】
【００９３】
となる。
【００９４】
このときのモータの検出角度θｍ’とモータの回転角度θｍとの関係を図８に示す。図８において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はスケール加工誤差を有するエンコーダで検出したモータの検出角度θｍ’を示している。加工誤差がゼロの理想的な場合には、図８に示されるグラフは直線状になる。しかし、本実施例のスケールには数式（１５）、数式（１６）を満たす加工誤差が生じているため、図２に示されるグラフは歪んだ直線になっている。
【００９５】
また、スケール加工誤差を有するエンコーダによる検出誤差θｍ’−θｍとモータの回転角度θｍとの関係を図９に示す。図９において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はモータの回転角度θｍとスケール加工誤差を有するエンコーダで検出したモータの検出角度θｍ’との検出誤差θｍ’−θｍを示している。加工誤差がゼロの理想的な場合、縦軸の検出誤差θｍ’−θｍは横軸の回転角度θｍに依存せず常にゼロを示す。しかし、実際には加工誤差が生じているため、図３に示されるように変化する。
【００９６】
次に、スケールの加工誤差に伴う検出誤差θｍ’−θｍの補正方法を説明する。補正方法は実施例１における補正方法と同様である。まず、位置決め制御した状態で、モータへのトルク指令に１００Ｈｚの正弦波信号を重畳する。正弦波信号が重畳された駆動トルクをモータに印加し、駆動トルクＴｍ及びモータの角度応答θｍ’ｐを測定する。その後は、数式（８）〜数式（１０）を用いて、補正データを作成する。
【００９７】
本実施例において作成された補正データＷを図１０に示す。縦軸は補正データＷ、横軸は検出角度θｍ’を示している。本実施例のスケールの加工誤差は、数式（１５）、数式（１６）を満たすものであるから、補正データＷは、検出角度θｍ’が０より小さいところで１．２を示している。また、補正データＷは、検出角度θｍ’が０以上のところで０．８を示している。
【００９８】
次に、補正データＷを用いて検出角度θｍ’を補正した補正角度θｍ’’を説明する。
【００９９】
図１１に、モータの回転角度θに対する補正後の検出誤差θｍ’’−θｍ及び補正前の検出誤差θｍ’−θｍを示す。図１１において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は検出誤差である。なお、モータの回転角度θｍと補正前の検出角度θm’との検出誤差θｍ’−θｍを破線で示し、モータの回転角度θmと補正後の検出角度θm’’との検出誤差θｍ’’−θｍを実線で示している。
【０１００】
図１１に示されるように、補正前の検出誤差θｍ’−θｍは大きい。しかし、補正後の検出誤差θｍ’’−θｍは極めて小さくなっている。すなわち、補正データＷを用いて算出された補正角度θｍ’’は、実際のモータの回転角度θｍに極めて近い値になっている。
【０１０１】
モータ制御装置は、補正モードにおいて補正角度θｍ’’が算出されると、通常のモータ制御を行う制御モードに移行する。制御モードにおいて、モータ制御装置の駆動手段である第３の加算器５は、補正モードにおいて算出された補正角度θｍ’’を利用してモータ１７を駆動制御する。
【０１０２】
以上のとおり、本実施例によれば、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷを用いることにより、エンコーダのスケール加工誤差による検出誤差を効果的に低減することができる。この結果、スケール加工誤差による検出誤差を低減する変位検出方法を提供することができる。また、スケール加工誤差に基づくエンコーダの検出角度を補正することにより、高精度なモータ制御装置を提供することができる。
【０１０３】
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲で適宜変更が可能である。
【０１０４】
例えば、実施例１及び２では、可動機構として回転機構が用いられているが、これに代えて、直動機構を用いることもできる。したがって、本発明は、ロータリエンコーダ及びリニアエンコーダのいずれにも適用できる。また、可動機構としてモータが用いられているが、これに代えて、ピエゾなどのアクチュエータを用いることもできる。
【０１０５】
また、変位検出手段としてエンコーダが用いられているが、これに代えて、静電容量センサやＰＳＤ（光位置センサ：Position Sensitive Detector）を用いることもできる。静電容量センサやＰＳＤを用いれば、変位検出のリニアリティ補正を行うことが可能である。
【０１０６】
また、駆動力に対して変位量を一定の関係となるように、駆動力又は変位量の１階以上の微分値もしくはその積分値を用いてもよい。
【０１０７】
また、実施例２において、エンコーダのスケールピッチが不均質としても、不均質を含む角度もしくは位置範囲を設定して、補正重み係数を求めることで変位補正を行うことができる。
【０１０８】
また、上記実施例の補正方法を用いたガルバノモータの位置決め装置、又は、これを用いたレーザ加工機、工作機械によれば、エンコーダの検出精度が容易に改善し、位置決め精度を向上させることができる。このことにより機械の性能を向上させ、加工物、工作物の品質を向上させることが可能になる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 目標角度指令
２ 第１の加算器
３ 第２の加算器
４ トルク指令
５ 第３の加算器
６ 駆動トルク
７、８ 積分器
９ 回転角度
１０ エンコーダ
１１ 検出角度
１２ 微分器
１３ 信号生成手段
１４ 第１のフーリエ変換器
１５ 第２のフーリエ変換器
１６ 補正データ生成手段
１７ モータ
１８ 補正手段
１９ 補正角度
１００ レーザ加工機
１０１、１０２ 回転モータ
１０３、１０４ ミラー
１０５ レーザ発信器
１０６ レーザ加工面
２００ モータ制御装置
２０１ スケール
２０２ センサ部
２０３ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は変位検出方法及びモータ制御装置に係り、特に、検出角度の補正を行う変位検出方法及び検出角度の補正を行うことにより検出精度を向上させたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ穴あけ加工機、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などの工作機械装置には、ガルバノモータと呼ばれる小出力電気モータが用いられる。ガルバノモータには高精度な角度検出器を備えることが要求され、インクリメンタルエンコーダが採用されている。
【０００３】
インクリメンタルエンコーダとしては、光学式のロータリエンコーダやリニアエンコーダが知られている。このようなエンコーダは、位相が９０°異なる２つの信号（正弦波信号と余弦波信号）を利用することにより、被検出物の変位量や変位方向などの変位情報を検出している。
【０００４】
従来から、多くのエンコーダでは、検出精度を高めるため、出力信号の振幅、オフセット、位相を補正することが行われている。
【０００５】
例えば、特開平８−１４５７１９号公報（特許文献１）には、エンコーダの出力信号の最大値と最小値や２相の出力信号の交点の情報に基づいて、振幅補正、オフセット補正、及び、位相補正を行うことが記載されている。また、特開平１０−２５４５４９号公報（特許文献２）には、エンコーダの出力信号の最大値の平均値と最小値の平均値に基づいて、振幅補正及びオフセット補正を行うことが記載されている。
【特許文献１】特開平８−１４５７１９号公報
【特許文献２】特開平１０−２５４５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の補正手段は、エンコーダの出力信号が理想的な正弦波信号であるとして補正を行っていた。ところが実際には、エンコーダの出力信号は、高調波成分や非線形成分を含んでいるため、理想的な正弦波信号ではない。このため、従来の補正手段にてエンコーダの出力信号を補正した場合でも、エンコーダの出力信号は理想的な正弦波信号にはならない。
【０００７】
多くのエンコーダは、正弦波信号と余弦波信号から分割単位に相当する位相差を有する複数の分割パルスを生成し、被検出物の変位情報の検出分解能を高めている。このような手法を電気分割というが、エンコーダの出力信号が理想的な正弦波信号でないことは、電気分割の際における誤差の原因となっていた。
【０００８】
また、エンコーダは、そのスケールピッチが等間隔になるように加工されているが、実際には加工誤差を有している。
【０００９】
そこで、本発明は、エンコーダ等の変位検出手段により検出される変位の誤差を低減する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のうちの代表的な一つは、アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を含む変位検出装置であって、振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正する補正手段を有することを特徴とする変位検出装置である。
【００１１】
また、本発明のうちの代表的な一つは、アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を用いた変位検出方法であって、振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする変位検出方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エンコーダ等の変位検出手段により検出される変位の誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１におけるモータ制御装置の制御ブロック図である。
【図２】実施例１におけるモータの回転角度θｍとエンコーダによる検出角度θｍ’との関係を示す図である。
【図３】実施例１におけるモータの回転角度θｍと検出誤差θｍ’−θｍとの関係を示す図である。
【図４】実施例１におけるモータの駆動トルクＴｍの振幅スペクトルを示す図である。
【図５】実施例１におけるモータの検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトルを示す図である。
【図６】実施例１における補正データを示す図である。
【図７】実施例１において補正前の検出誤差θｍ’−θと補正後の検出誤差θｍ’’−θを示す図である。
【図８】実施例２におけるモータの回転角度θｍとエンコーダによる検出角度θｍ’との関係を示す図である。
【図９】実施例２におけるモータの回転角度θｍと検出誤差θｍ’−θｍとの関係を示す図である。
【図１０】実施例２における補正データを示す図である。
【図１１】実施例２において補正前の検出誤差θｍ’−θと補正後の検出誤差θｍ’’−θを示す図である。
【図１２】実施例１における補正手順を示すフローチャートである。
【図１３】レーザ加工機の一例を示す概略図である。
【図１４】モータ制御装置の一例を示す概略図である。
【図１５】ロータリエンコーダのスケールの一例を示す平面図である。
【図１６】エンコーダ出力のＡ相信号とＢ相信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
まず、工作機械装置の一例として、レーザ加工機の構成を説明する。図１３にレーザ加工機１００の概略図を示す。レーザ加工機１００は、基板の切断や穴あけ、金属間の溶接など、幅広い用途に利用される。
【００１６】
本実施例のレーザ加工機１００は、回転モータ１０１、１０２を備える。回転モータ１０１、１０２は、ミラー１０３、１０４をそれぞれ回転駆動するために設けられている。ミラー１０３、１０４は、回転モータ１０１、１０２により回転駆動され、その向きが変化する。
【００１７】
このように、回転モータ１０１、１０２を用いてミラー１０３、１０４の向きを変化させることにより、レーザ光Ｌの進行方向を変えることができる。なお、後述のように、回転モータ１０１、１０２にはモータの回転変位量を検知するためのエンコーダが設けられている。モータの回転変位量を正確に検知することにより、レーザ光Ｌの進行方向を正確に制御することができる。
【００１８】
レーザ発振器１０５から射出されたレーザ光Ｌは、ミラー１０３、１０４を経由して、レーザ加工面１０６に照射される。加工の対象となるレーザ加工面１０６としては、金属やガラス、プラスチックなど広範の材料が選択できる。
【００１９】
上記のとおり、レーザ加工機１００においては、ミラー１０３、１０４が回転することによりレーザ光Ｌの進行方向を正確に制御することができる。このため、レーザ加工面１０６が平坦でない場合でも、レーザ加工面１０６を高精度に加工することが可能である。
【００２０】
次に、レーザ加工機１００に用いられるモータ制御装置の構成を説明する。図１４にモータ制御装置の概略図を示す。また、図１５にエンコーダのスケール２０１の概略平面図を示す。
【００２１】
本実施例のモータ制御装置２００は、回転モータ１０１の回転変位量を検出するための光学式のエンコーダを有する。エンコーダは、回転スリット円板及び固定スリット円板を有するスケール２０１と、発光素子（発光ダイオード）と受光素子（フォトダイオード）を有するセンサ部２０２とからなる。回転スリット円板は回転モータ１０１の回転とともに回転し、固定スリット円板は固定されている。エンコーダは、発光素子と受光素子の間に回転スリット円板と固定スリット円板を配置した構成となっている。
【００２２】
回転スリット円板と固定スリット円板には、多数のスリットが設けられている。発光素子の光は、回転スリット円板が回転することにより、透過又は遮断する。また、固定スリット円板は、エンコーダの出力信号を複数相にするため、固定スリットは複数に分かれている。このため、発光素子と受光素子も複数個設けられている。
【００２３】
図１５に示すように、エンコーダのスケール２０１は、Ａ相パターン２０５とＢ相パターン２０６のスリットが設けられている。スケール２０１は、回転軸２０４を中心に回転する。回転中に、発光素子からの光がＡ相パターン及びＢ相パターンそれぞれのスリットを透過すると、２つの受光素子それぞれが発光素子の光を検知する。この結果、図１６に示すように、互いに位相が９０°異なるＡ相信号とＢ相信号が生成される。なお、図１６のＡ相信号及びＢ相信号は、正弦波状のエンコーダ出力を波形整形回路により波形整形した矩形波信号である。
【００２４】
モータコントローラ２０３は、回転モータ１０１の回転駆動を制御する。モータコントローラ２０３は、目標値であるモータ回転角度と実測値であるモータ検出角度とを比較して、実測値が目標値に等しくなるように、フィードバック制御する。この結果、ミラー１０３の向きを目標値どおりの角度に変更することができる。
【００２５】
なお、エンコーダの検出原理は光学式に限られず、磁気式など他の方式を採用することも可能である。
【実施例１】
【００２６】
次に、本発明の実施例１における変位検出方法及びモータ制御装置を説明する。図１は、モータ制御装置のコントローラが実行する制御ブロック図である。
【００２７】
図1の制御ブロックは、モータの回転角度θｍを検出するための角度検出器としてロータリエンコーダを用いた位置決め制御系である。本図では、トルク指令に対する位置応答が１／ｓ２となる簡易なモータモデルと、位置及び速度フィードバックを行う比例制御の位置決め制御系を示している。
【００２８】
１は目標角度指令である。目標角度指令１は、モータ１７から出力される回転角度θｍの目標値を指令する。２は第１の加算器である。第１の加算器２は、補正手段１８から出力される補正角度１９をフィードバックして、目標角度指令１による目標値と補正角度１９を加算する。３は第２の加算器である。第２の加算器３は、第１の加算器２の出力信号と微分器１２から出力された速度フィードバック信号とを加算する。
【００２９】
４はトルク指令である。トルク指令４は、目標角度指令１を第１の加算器２及び第２の加算器３を介することにより計算される。５は第３の加算器である。第３の加算器５は、信号生成手段１３により生成された正弦波信号をトルク指令４に重畳する。６は駆動トルクである。駆動トルク６は、第３の加算器５から出力され、モータ１７に供給される。このように、第３の加算器は、駆動トルク６をモータに供給する駆動手段として機能する。
【００３０】
１７はモータである。モータ１７は積分器７，８を備え、これらの積分器を介して、モータの回転角度９（θｍ）を出力する。本実施例のモータ１７が２つの積分器７，８を有するのは、トルク指令４に対する位置応答が１／ｓ２となるモータモデルを考えているからである。
【００３１】
ここで、モータの変位量である回転角度９（θｍ）はモータの実際の回転角度を示している。すなわち、回転角度９（θｍ）はモータの実際の変位量である。このため、エンコーダで検出した検出角度（実測値）とは異なる。
【００３２】
１０はエンコーダである。エンコーダ１０は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）を検出する変位検出手段である。１１は検出角度θｍ’である。検出角度１１（θｍ’）は、変位検出手段であるエンコーダ１０により検出された変位量（角度）である。エンコーダ１０は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）を検出して、モータ１７の検出角度１１（θｍ’）を算出する。なお、エンコーダ１０から出力される正弦波信号には、高調波成分が含まれている。また、エンコーダ１０のスケールには加工誤差がある可能性もある。このため、厳密には、エンコーダ１０により求められたモータの検出角度１１（θｍ’）は、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）とは異なる。すなわち、モータ１７の実際の回転角度９（θｍ）とエンコーダ１０により検出されたモータ１７の検出角度（θｍ’）の間には誤差がある。
【００３３】
１２は微分器である。微分器１２は、補正手段１８により補正された補正角度１９（θ’’）を時間で微分することにより、モータの回転速度を求める。微分器１２で求められた回転速度は、速度フィードバック信号として第２の加算器３に入力される。
【００３４】
１３は信号生成手段である。本実施例の信号生成手段１３は、所定の振幅及び周波数を有する正弦波信号を生成して、この正弦波信号を駆動手段である第３の加算器に供給する。なお、本実施例の信号生成手段１３は正弦波信号を生成するが、これに代えて、ガウシアンノイズや三角波など他の信号を生成して第３の加算器に供給するものであってもよい。
【００３５】
１４は第１のフーリエ変換器である。第１のフーリエ変換器１４は、第３の加算器５から出力された駆動トルク６を入力し、駆動トルク６のフーリエ変換を行う。第１のフーリエ変換器１４からは、駆動トルク６のフーリエ変換を行った結果として、第１の振幅スペクトルが出力される。
【００３６】
１５は第２のフーリエ変換器である。第２のフーリエ変換器１５は、エンコーダの出力信号に基づいて求められたモータの検出角度１１（θｍ’）を入力し、検出角度１１のフーリエ変換を行う。第２のフーリエ変換器１５からは、検出角度１１のフーリエ変換を行った結果として、第２の振幅スペクトルが出力される。
【００３７】
１６は補正データ生成手段である。補正データ生成手段１６は、第１の振幅スペクトルと第２の振幅スペクトルの振幅スペクトル比を求める。また、補正データ生成手段１６は、振幅スペクトル比から補正データＷ〔ｎ〕を生成する。すなわち補正データ生成手段１６は、所定の正弦波信号が第３の加算器５に供給されたときの駆動トルク６及びエンコーダ１０により検出された検出角度θｍ’から補正データを生成する。
【００３８】
１８は補正手段である。補正手段１８は、補正データ生成手段１６にて生成された補正データＷ〔ｎ〕を用いてエンコーダで検出されたモータの検出角度１１（θｍ’）を補正する。補正手段１８は、変位検出手段であるエンコーダによる検出角度１１（θｍ’）を、実際のモータの回転角度９（θｍ）に等しくなるように補正を行う。このため、補正手段１８にて補正された補正角度１９は、実際のモータの回転角度（θｍ）に極めて近い値となる。補正角度１９は、第１の加算器２及び第２の加算器３へフィードバックされる。
【００３９】
次に、図１の制御ブロックにて生じる検出角度の誤差及びその補正方法について、以下、詳細に説明する。
【００４０】
まず、高調波成分を含むエンコーダ信号がモータの検出角度θｍ’に与える誤差について説明する。なお、本実施例では、回転型のモータにおける角度検出器として、ロータリエンコーダが用いられている。エンコーダは、モータの変位検出手段として機能する。
エンコーダは、モータの１回転当たり、正弦波状の２相信号を各々１４００００周期で出力する。モータの回転角度をθｍ〔ｒａｄ〕とすると、エンコーダの位相角度θｅは、
【００４１】
【数１】
【００４２】
で表され、理想的な正弦波を出力するエンコーダの２相信号Ａｓｉｇ、Ｂｓｉｇは、
【００４３】
【数２】
【００４４】
【数３】
【００４５】
となる。また、ここでは、下記のような３次及び５次の高調波を含むエンコーダ信号について考える。
【００４６】
【数４】
【００４７】
【数５】
【００４８】
ここで、高調波を含むエンコーダ信号を理想的な正弦波信号であるとして、ｔａｎ−１(アークタンジェント)により電気分割した場合の誤差を考える。高調波を含むエンコーダ信号よりエンコーダの位相角度θｅ’ を求めると、
【００４９】
【数６】
【００５０】
となる。また、モータの検出角度をθｍ’〔ｒａｄ〕は、エンコーダの位相角度θｅ’より、
【００５１】
【数７】
【００５２】
で表わされる。ここで、エンコーダは周期関数であるため、エンコーダの位相角度θｅを−π≦θｅ≦πの範囲で考える。
【００５３】
このときのモータの検出角度θｍ’とモータの回転角度θｍとの関係を図２に示す。図２において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は電気分割により求めたモータの検出角度θｍ’を示している。検出誤差がゼロの理想的な場合には、図２に示されるグラフは直線状になる。しかし、実際には誤差が生じているため、図２に示されるグラフは歪んだ直線になっている。
【００５４】
また、エンコーダによる検出誤差θｍ’−θｍとモータの回転角度θｍとの関係を図３に示す。図３において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はモータの回転角度θｍと電気分割により求めたモータの検出角度θｍ’との検出誤差θｍ’−θｍを示している。検出誤差がゼロの理想的な場合、縦軸の検出誤差θｍ’−θｍは横軸の回転角度θｍに依存せず常にゼロを示す。しかし、実際には誤差が生じているため、図３に示されるグラフは正弦波状に変化する。
【００５５】
以上のとおり、モータの実際の回転角度θｍとエンコーダにより検出された検出角度θｍ’の間には、エンコーダ出力の高調波成分による検出誤差が生じている。
【００５６】
次に、エンコーダにより検出された検出角度θｍ’の補正方法について、図１２に示す補正手順のフローチャートを参照しながら説明する。なお、本実施例の補正方法は、エンコーダをモータに組み込んだ状態にて行われる。
【００５７】
また、本実施例のモータ制御装置は、エンコーダの検出角度を補正するための補正モードと、実際のモータ制御を行う制御モードとを有する。モータ制御装置は、補正モードにて検出角度を補正してから、制御モードに移行して通常のモータ制御を行う。
【００５８】
図１に示される制御系において、エンコーダによりモータの検出角度θｍ’を検出して、モータの位置決め制御を行う。ここでは、
【００５９】
【数８】
【００６０】
で表される３６０点での補正係数を求める。
【００６１】
最初に、数式（８）おいて、θｍ’〔０〕＝−π／１４００００（ｎ＝０の場合）を満たす位置（角度）を検出する（ステップＳ１）。そして、モータをこの位置に位置決め制御する（ステップＳ２）。次に、位置決め制御した状態で、信号生成手段１３にて生成された１００Ｈｚの正弦波信号をトルク指令４に重畳する（ステップＳ３）。なお、正弦波の周波数は１００Ｈｚに限定されるものではなく、他の周波数を用いることもできる。
【００６２】
この結果に基づいて、第３の加算器５から出力された駆動トルク６をモータ１７に供給し、駆動トルク６及び検出角度θｍ’の角度応答を測定する（ステップＳ４）。このときの駆動トルクをＴｍ〔０〕、また、モータの検出角度θｍ’の角度応答をθｍ’ｐ〔０〕とする。
【００６３】
ここで、ｎの値が３６０より小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。ｎの値が３６０より小さい場合には、ｎに１を加えて（ステップＳ６）、ステップＳ２乃至ステップＳ４の動作を繰り返す。すなわち、ｎ＝１、２、…、３５８、３５９（ｎ＜３６０）の場合について、ｎ＝０の場合と同様に、モータの駆動トルクＴｍ〔ｎ〕、及び、検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐ〔ｎ〕を求める（ステップＳ４）。
【００６４】
ｎの値が３６０に達した場合には、モータの駆動トルクＴｍ及び角度応答θｍ’ｐを各々フーリエ変換し、各々の振幅スペクトルを求める（ステップＳ７）。モータの駆動トルクＴｍの振幅スペクトルを図４に示す。また、角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトルを図５に示す。なお、図４及び図５に示される振幅スペクトルは、正弦波信号の重畳周波数１００Ｈｚの項のみを表している。
【００６５】
ここで、エンコーダによる検出誤差がない場合、駆動トルクＴｍに対して、モータ１７の検出角度θｍ’の角度応答θｍ’ｐは一定である。換言すると、駆動トルクＴｍの振幅スペクトルに対する角度応答の振幅スペクトル（振幅スペクトル比）は一定となる。
【００６６】
しかしながら、実際にはエンコーダによる検出誤差が生じている。このため、図４及び図５に示されるように、検出角度θｍ’を用いた場合、振幅スペクトル比は一定にならない。
【００６７】
そこで、検出誤差が生じている場合に、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷ〔ｎ〕を作成する（ステップＳ８）。補正データＷ〔ｎ〕は、検出角度θｍ’がθｍ’〔ｎ〕 ≦θｍ’＜ θｍ’〔ｎ＋１〕のときの重みデータであり、下記の数式（９）及び数式（１０）を満足するように求める。
【００６８】
【数９】
【００６９】
【数１０】
【００７０】
ここで、数式（９）におけるＫは任意の定数である。ＤＦＴ（θｍ’p)は、検出角度θｍの角度応答θｍ’ｐをフーリエ変換して求めた振幅スペクトル（１００Ｈｚの項）である。また、ＤＦＴ（Ｔｍ）は、駆動トルクＴｍをフーリエ変換して求めた振幅スペクトル（１００Ｈｚの項）である。図６に、補正データＷと検出角度θｍ’との関係を示す。このような補正データＷを用いて補正を行うことにより、駆動トルクＴｍと角度応答θｍ’ｐの振幅スペクトル比は一定となる。なお、振幅スペクトルの測定及び振幅スペクトル比の測定は、駆動トルクＴｍ〔ｎ〕と角度応答θｍ’ｐ〔ｎ〕の測定（図１２のステップＳ４）の直後に行うこともできる。
【００７１】
検出角度θｍ’に補正を施した補正角度θｍ’’は、補正データＷ〔ｎ〕を用いることにより求められる（ステップＳ９）。補正角度θｍ’’は、検出角度θｍ’が（２π／３６０）×（ｎ−１８０）／１４００００≦θｍ’＜（２π／３６０）×（（ｎ＋１）−１８０））／１４００００を満たすとき、
【００７２】
【数１１】
【００７３】
で表される。
【００７４】
図７に、モータの回転角度θに対する補正後の検出誤差θｍ’’−θｍ及び補正前の検出誤差θｍ’−θｍを示す。図７において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は検出誤差である。また、モータの回転角度θｍと補正前の検出角度θm’との検出誤差θｍ’−θｍを破線で示し、
モータの回転角度θmと補正後の検出角度θm’’との検出誤差θｍ’’−θｍを実線で示している。
【００７５】
図７に示されるように、補正前の検出誤差θｍ’−θｍは大きい。しかし、補正後の検出誤差θｍ’’−θｍは極めて小さくなっている。すなわち、補正データＷを用いて算出された補正角度θｍ’’は、実際のモータの回転角度θｍに極めて近い値になっている。
【００７６】
上記のとおり、本実施例の変位検出方法では、モータの検出角度θｍ’のうち補正すべき範囲内の複数の検出角度にて、順次振幅スペクトルの測定を行う。そして、任意の駆動トルクに対する検出角度θｍ’の位置応答が駆動トルクの応答と同じになるように、検出角度θｍ’の補正を行う。
【００７７】
モータ制御装置は、補正モードにおいて補正角度θｍ’’が算出されると、通常のモータ制御を行う制御モードに移行する。制御モードにおいて、モータ制御装置の駆動手段である第３の加算器５は、補正モードにおいて算出された補正角度θｍ’’を利用してモータ１７を駆動制御する。
【００７８】
以上のとおり、本実施例によれば、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷを用いることにより、高調波信号を含むエンコーダの出力信号に対する検出誤差を効果的に低減することができる。この結果、エンコーダの出力信号に含まれる高調波成分による誤差を低減する変位検出方法を提供することができる。また、エンコーダの検出誤差が小さくなるようにエンコーダの検出角度を補正するため、高精度なモータ制御装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７９】
本実施例では、エンコーダのスケールピッチに加工誤差を有する場合を考える。実施例１と同様に回転型モータに角度検出器としてロータリエンコーダを用いている。
【００８０】
実施例１と同様に、本実施例のエンコーダは、モータの１回転当たり、正弦波状の２相信号を各々１４００００周期で出力する。実際のモータの回転角度をθｍ〔ｒａｄ〕とすると、エンコーダの位相角度θｅは、数式（１）と同様に、
【００８１】
【数１２】
【００８２】
で表される。また、エンコーダの２相の正弦波信号Ａｓｉｇ、Ｂｓｉｇは、数式（２）、数式（３）と同様に、下記のようになる。
【００８３】
【数１３】
【００８４】
【数１４】
【００８５】
しかしながら、スケールピッチに加工誤差を有している場合には、数式（１２）の関係が満たされず、正確な位置を検出することができない。本実施例では、上記のようにスケールピッチの加工誤差がある場合のモータの検出角度θｍ’を補正する手順について説明する。
【００８６】
まず、スケールピッチに加工誤差を有するエンコーダの出力信号が、モータの検出角度に与える誤差を説明する。
【００８７】
モータの回転角度θｍに対して、数式（１５）、数式（１６）を満たすスケールについて考える。モータの回転角度範囲が（−π／１４００００）×１．２≦θｍ＜０のとき、エンコーダの位相角度θｅ’は、
【００８８】
【数１５】
【００８９】
で表される。また、モータの回転角度範囲が０≦θｍ＜（π／１４００００）×０．８のとき、エンコーダの位相角度θｅ’は、
【００９０】
【数１６】
【００９１】
で表される。このとき、本実施例のエンコーダのスケールには、数式（１５）、数式（１６）の関係を満たす加工誤差が生じている。なお、上記以外の範囲では、スケールの加工誤差はないとする。エンコーダの出力信号が高調波を含まない理想的なものであるとすると、モータの検出角度θｍ’は、
【００９２】
【数１７】
【００９３】
となる。
【００９４】
このときのモータの検出角度θｍ’とモータの回転角度θｍとの関係を図８に示す。図８において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はスケール加工誤差を有するエンコーダで検出したモータの検出角度θｍ’を示している。加工誤差がゼロの理想的な場合には、図８に示されるグラフは直線状になる。しかし、本実施例のスケールには数式（１５）、数式（１６）を満たす加工誤差が生じているため、図２に示されるグラフは歪んだ直線になっている。
【００９５】
また、スケール加工誤差を有するエンコーダによる検出誤差θｍ’−θｍとモータの回転角度θｍとの関係を図９に示す。図９において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸はモータの回転角度θｍとスケール加工誤差を有するエンコーダで検出したモータの検出角度θｍ’との検出誤差θｍ’−θｍを示している。加工誤差がゼロの理想的な場合、縦軸の検出誤差θｍ’−θｍは横軸の回転角度θｍに依存せず常にゼロを示す。しかし、実際には加工誤差が生じているため、図３に示されるように変化する。
【００９６】
次に、スケールの加工誤差に伴う検出誤差θｍ’−θｍの補正方法を説明する。補正方法は実施例１における補正方法と同様である。まず、位置決め制御した状態で、モータへのトルク指令に１００Ｈｚの正弦波信号を重畳する。正弦波信号が重畳された駆動トルクをモータに印加し、駆動トルクＴｍ及びモータの角度応答θｍ’ｐを測定する。その後は、数式（８）〜数式（１０）を用いて、補正データを作成する。
【００９７】
本実施例において作成された補正データＷを図１０に示す。縦軸は補正データＷ、横軸は検出角度θｍ’を示している。本実施例のスケールの加工誤差は、数式（１５）、数式（１６）を満たすものであるから、補正データＷは、検出角度θｍ’が０より小さいところで１．２を示している。また、補正データＷは、検出角度θｍ’が０以上のところで０．８を示している。
【００９８】
次に、補正データＷを用いて検出角度θｍ’を補正した補正角度θｍ’’を説明する。
【００９９】
図１１に、モータの回転角度θに対する補正後の検出誤差θｍ’’−θｍ及び補正前の検出誤差θｍ’−θｍを示す。図１１において、横軸はモータの回転角度θｍ、縦軸は検出誤差である。なお、モータの回転角度θｍと補正前の検出角度θm’との検出誤差θｍ’−θｍを破線で示し、モータの回転角度θmと補正後の検出角度θm’’との検出誤差θｍ’’−θｍを実線で示している。
【０１００】
図１１に示されるように、補正前の検出誤差θｍ’−θｍは大きい。しかし、補正後の検出誤差θｍ’’−θｍは極めて小さくなっている。すなわち、補正データＷを用いて算出された補正角度θｍ’’は、実際のモータの回転角度θｍに極めて近い値になっている。
【０１０１】
モータ制御装置は、補正モードにおいて補正角度θｍ’’が算出されると、通常のモータ制御を行う制御モードに移行する。制御モードにおいて、モータ制御装置の駆動手段である第３の加算器５は、補正モードにおいて算出された補正角度θｍ’’を利用してモータ１７を駆動制御する。
【０１０２】
以上のとおり、本実施例によれば、振幅スペクトル比を一定にするための補正データＷを用いることにより、エンコーダのスケール加工誤差による検出誤差を効果的に低減することができる。この結果、スケール加工誤差による検出誤差を低減する変位検出方法を提供することができる。また、スケール加工誤差に基づくエンコーダの検出角度を補正することにより、高精度なモータ制御装置を提供することができる。
【０１０３】
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲で適宜変更が可能である。
【０１０４】
例えば、実施例１及び２では、可動機構として回転機構が用いられているが、これに代えて、直動機構を用いることもできる。したがって、本発明は、ロータリエンコーダ及びリニアエンコーダのいずれにも適用できる。また、可動機構としてモータが用いられているが、これに代えて、ピエゾなどのアクチュエータを用いることもできる。
【０１０５】
また、変位検出手段としてエンコーダが用いられているが、これに代えて、静電容量センサやＰＳＤ（光位置センサ：Position Sensitive Detector）を用いることもできる。静電容量センサやＰＳＤを用いれば、変位検出のリニアリティ補正を行うことが可能である。
【０１０６】
また、駆動力に対して変位量を一定の関係となるように、駆動力又は変位量の１階以上の微分値もしくはその積分値を用いてもよい。
【０１０７】
また、実施例２において、エンコーダのスケールピッチが不均質としても、不均質を含む角度もしくは位置範囲を設定して、補正重み係数を求めることで変位補正を行うことができる。
【０１０８】
また、上記実施例の補正方法を用いたガルバノモータの位置決め装置、又は、これを用いたレーザ加工機、工作機械によれば、エンコーダの検出精度が容易に改善し、位置決め精度を向上させることができる。このことにより機械の性能を向上させ、加工物、工作物の品質を向上させることが可能になる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 目標角度指令
２ 第１の加算器
３ 第２の加算器
４ トルク指令
５ 第３の加算器
６ 駆動トルク
７、８ 積分器
９ 回転角度
１０ エンコーダ
１１ 検出角度
１２ 微分器
１３ 信号生成手段
１４ 第１のフーリエ変換器
１５ 第２のフーリエ変換器
１６ 補正データ生成手段
１７ モータ
１８ 補正手段
１９ 補正角度
１００ レーザ加工機
１０１、１０２ 回転モータ
１０３、１０４ ミラー
１０５ レーザ発信器
１０６ レーザ加工面
２００ モータ制御装置
２０１ スケール
２０２ センサ部
２０３ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を含む変位検出装置であって、
振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正する補正手段を有することを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記範囲にわたって前記比が一定となるように補正データを生成し、該補正データを用いて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記駆動指令は、正弦波信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記補正手段は、前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅スペクトルと前記駆動指令の振幅スペクトルとを求めて前記比を得ることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記変位検出手段はエンコーダであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記アクチュエータはモータであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項７】
アクチュエータと、
前記アクチュエータの出力としての変位を検出する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の変位検出装置と、
前記変位検出装置により検出された前記変位に基づいて前記アクチュエータを制御する制御手段と、を有することを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の制御装置を有する、ことを特徴とする工作機械装置。
【請求項９】
請求項７に記載の制御装置と、
前記アクチュエータにより駆動されるミラーと、を有し、
前記ミラーを介して光を対象に照射することを特徴とする照射装置。
【請求項１０】
アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を用いた変位検出方法であって、
振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする変位検出方法。
【請求項１】
アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を含む変位検出装置であって、
振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正する補正手段を有することを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記範囲にわたって前記比が一定となるように補正データを生成し、該補正データを用いて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記駆動指令は、正弦波信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記補正手段は、前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅スペクトルと前記駆動指令の振幅スペクトルとを求めて前記比を得ることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記変位検出手段はエンコーダであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記アクチュエータはモータであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項７】
アクチュエータと、
前記アクチュエータの出力としての変位を検出する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の変位検出装置と、
前記変位検出装置により検出された前記変位に基づいて前記アクチュエータを制御する制御手段と、を有することを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の制御装置を有する、ことを特徴とする工作機械装置。
【請求項９】
請求項７に記載の制御装置と、
前記アクチュエータにより駆動されるミラーと、を有し、
前記ミラーを介して光を対象に照射することを特徴とする照射装置。
【請求項１０】
アクチュエータの出力としての変位を検出する変位検出手段を用いた変位検出方法であって、
振動する駆動指令が前記アクチュエータに供給されて前記変位検出手段により検出された前記変位の振幅と前記駆動指令の振幅との比を前記変位の予め定められた範囲にわたって複数得、得られた複数の比に基づいて、前記変位検出手段により検出された前記変位を補正することを特徴とする変位検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−４０９５５（Ｐ２０１３−４０９５５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２５５７４（Ｐ２０１２−２２５５７４）
【出願日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【分割の表示】特願２００７−２３８６９５（Ｐ２００７−２３８６９５）の分割
【原出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【分割の表示】特願２００７−２３８６９５（Ｐ２００７−２３８６９５）の分割
【原出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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