JP6517540B2 - 位相調整器及びエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、位相調整器及びエンコーダに関する。

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有し、スケール上の原点マークを基準として、メイン信号の周期と同等の幅を持った原点パルス信号を出力し、そのパルスをそのエンコーダの基準とする位置としている。基準の決め方としては、原点パルス信号とメイン信号の位相を合わせることによって、原点信号とメイン信号の位相を同期させる方法が知られている。

例えば、４相の主信号を扱う光電式エンコーダでは、それぞれ位相が９０°ずつ異なるＡ相（位相０°）、−Ａ相（位相１８０°）、Ｂ相（位相９０°）及び−Ｂ相（位相２７０°）からなる４相の主信号を出力するものがある。以後、この主信号を９０°位相差４相信号、又は、単に４相信号と称する。光電式エンコーダは、原点信号と同期して、主信号の内挿最小分解能の精度で、ＡＢＳ位置（絶対位置）を出力することができる。

また、光電式エンコーダには、別の信号を主信号として出力するものがある。上記の４相信号において、Ａ相から−Ａ相を減じることでａ相（０°）を生成し、Ｂ相から−Ｂ相を減じることでｂ相（９０°）を生成できる。この場合、光電式エンコーダは、２相の主信号を出力することとなる。以後、この主信号を９０°位相差２相信号、又は、単に２相信号と称する。２相信号と４相信号とでは相の数が異なるものの、これらの技術的意義は同等である。

上述の４相の主信号と原点信号の位相は、例えば光電式エンコーダを装置に取り付ける際にずれが生じ、その結果、主信号と原点信号との間の位相差を所望の値に設定することができない場合が有る。このため、一般に、検出ヘッドの取り付け位置をエンコーダの移動方向に機械的に微調整することで、位相差を調整している。しかし、原点信号のパルス幅は狭いため、原点信号の大きさを観察しながら調整することはできない。このため、この調整作業を完了するまでにトライアンドエラーを繰り返す必要が有り、調整作業には長時間を要する。

調整作業の長時間化を避けるため、スイッチの切り替えにより主信号の位相を所定値だけ移動させ、主信号と原点パルスとの同期を実現する手法が提案されている（特許文献１）。この手法では、主信号の位相が固定されている場合と比べて、トライアンドエラーの回数を削減することができる。また、上述のような主信号の位相調整を、ＣＰＵでの演算によって自動制御する手法も提案されている（特許文献２）。

特開２００２−１１６０６０号公報 特開２００２−１６２２５３号公報

しかし、発明者は、上述の手法には以下で説明する問題点が有ることを見出した。上記の特許文献１及び２では、位相調整において、選択する主信号間の位相差９０°が調整の最小単位であるため、粗い位相調整しか行うことができない。この場合、原点信号の状態によっては、位相調整後の主信号と原点信号との同期を正常に行えない問題が生じうる。

図４は、原点信号のパルス幅が大きい場合の主信号と原点信号との同期を示す図である。本来、原点信号は、図４の理想原点信号ＯＲＧ＿ＩＤＥＡＬに示す通り、１周期（２π）のパルス幅を有することが望ましい。しかし、実際には、原点信号は、パルス幅が変動し、かつ、パルスの立ち上がり、立ち下りのタイミングが変動することがある。例えば、原点信号は、図４の原点信号ＯＲＧ１に示す通り、パルスの中心は不動であるものの、パルス幅が理想値（２π）よりも大きいパルス幅となることがある。この例では、原点信号ＯＲＧ１のパルス幅は３πである。このときの原点信号ＯＲＧ１の立ち上がり位置は−３π／２、立ち下り位置は３π／２である。また、原点信号の立ち上がり、立ち下りのタイミング変動を考慮するため、例えばタイミングがπ／８だけ早まった原点信号ＯＲＧ２、タイミングがπ／８だけ遅くなった原点信号ＯＲＧ３を定義する。

このような原点信号ＯＲＧ１〜ＯＲＧ３に対して、９０°幅の位相調整を行う場合について考える。なお、上述の特許文献１及び２は、主信号の位相を調整するものであるが、原点信号と主信号との位相は相対的なものであるので、ここでは原点信号の位相に着目して説明する。

原点信号ＯＲＧ１〜ＯＲＧ３の位相を９０°遅らせて、それぞれ原点信号ＯＲＧ１０、ＯＲＧ２０及びＯＲＧ３０とすると、原点信号ＯＲＧ３０は位相０及び位相２πの２か所で活性化された状態となっていることが理解できる。この場合、エンコーダは、位相０及び位相２πの２か所で原点を検出してしまうこととなり、原点の絶対値を誤って検出してしまう。

よって、上記のような誤検出を防止するため、より細かく主信号の位相調整を行う手法が必要である。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、多相入力信号の位相調整を簡易な構成で多相信号間の位相差より小さい位相量で調整を行うことである。

本発明の第１の態様である位相調整器は、エンコーダが検出した多相信号に対して、前記多相信号間の振幅の比を変化させる増幅ユニットと、前記増幅ユニットにおいて振幅値を処理された多相信号を加算する加算器とを備えるものである。

本発明の第２の態様である位相調整器は、前記増幅ユニットは、前記多相信号をそれぞれ増幅する相数個の増幅器を備えるものである。

本発明の第３の態様である位相調整器は、前記多相信号は、１２０°位相差３相正弦波信号であり、前記位相調整器は、下記の式（１）及び（２）で示される演算を行うものである。

式（１）及び（２）において、ａ３、ｂ３は９０°位相差２相信号、Ａ、Ｂ及びＣは１２０°位相差３相正弦波信号、θは位相調整器で調整する位相量を示す。

本発明の第４の態様であるエンコーダは、測位方向に等間隔ピッチの目盛を有するスケールと、前記スケールに対して測位方向に相対移動し、前記目盛りを読み取り多相の電気信号に変換する検出器と、前記多相の電気信号の位相を調整する請求項１から３のいずれかに記載の位相調整器と、前記位相調整器において位相を調整された電気信号からスケールの変位を算出する演算器と、を備えるものである。

本発明の第５の態様であるエンコーダは、前記検出器は、原点信号及び前記多相信号からなる主信号を電気信号に変換し、
前記位相調整器は、前記多相の電気信号の位相を調整し、
前記演算器は、前記原点信号と位相調整後の前記多相の電気信号とを同期させることで、原点位置を決定するものである。

本発明によれば、簡易な構成で多相信号間の位相差より小さい位相量で調整を行うことができる。
本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

本実施の形態にかかる位相調整器１の構成を模式的に示すブロック図である。 本実施の形態における３相信号と増幅及び加算処理後の信号の例を示す図である。 本実施の形態における３相信号と増幅及び加算処理後の信号の例を示す図である。 原点信号のパルス幅が大きい場合の主信号と原点信号との同期を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

（本実施の形態）
本実施の形態にかかる位相調整器１について説明する。位相調整器１は、３相入力信号のＡ相、Ｂ相及びＣ相から、位相を調整した２相信号を、出力することができる構成を有する。

位相調整器１は、例えばエンコーダに組み込まれ、検出部が読み取って出力する３相信号の位相を調整する。そして、エンコーダに組み込まれた原点信号同期部が、検出部から出力される原点信号と、位相が調整された３相信号とを同期させることで、エンコーダの原点位置を決定する。

例えば、３相の信号は、それぞれ以下の式（３）〜（５）で示される。

式（３）〜（５）において、Ａ、Ｂ及びＣはエンコーダで検出される３相信号、ｘはスケールの変位量、λはスケールにおける主信号のピッチである。

位相調整器１は、入力される３相入力信号を合成して位相を調整する構成を有する。図１は、本実施の形態にかかる位相調整器１の構成を模式的に示すブロック図である。

位相調整器１は、ゲイン設定部１２と、増幅器１３−１１〜１３−２３と、加算器１４−１及び１４−２とを有する。そして、位相調整器１をエンコーダに組み込んだ場合、エンコーダは、図示しないスケールと、検出ヘッド１１と、位相調整器１と、演算器１５とを有する。

検出ヘッド１１は、スケールに対して測位方向に相対移動し、スケールの目盛りを読み取り多相の電気信号に変換する。具体的には、検出ヘッド１１は、スケールの変位を光学的に読み取り、原点信号と３相の主信号Ａ、Ｂ及びＣとを得る。検出ヘッド１１は、平行光源、受光格子及び受光素子を有し、スケールに設けられた原点用格子と主信号用格子の光量の変化を検出する。３相の主信号を得るためには、位相差に対応する複数の受光格子を備えることにより実現することができる。

ゲイン設定部１２は、増幅器１３−１１〜１３−２３において信号を増幅するゲインを設定し、増幅器１３−１１〜１３−２３にゲインを出力する。ゲイン設定部１２が設定するゲインは、主信号の位相を調整するために設定するものであり、詳細は後述する。

増幅器１３−１１〜１３−２３は、３相の主信号Ａ、Ｂ及びＣの振幅値をゲイン設定部１２が示すゲインで増幅する。具体的には増幅器１３−１１及び１３−２１が主信号Ａを増幅し、増幅器１３−１２及び１３−２２が主信号Ｂを増幅し、増幅器１３−１３及び１３−２３が主信号Ｃを増幅する。増幅ユニット１６は、ゲイン設定部１２及び増幅器１３−１１〜１３−２３から構成される。すなわち、増幅ユニット１６は、３相の主信号Ａ、Ｂ及びＣに対して、信号間の振幅の比を変化させる。

加算器１４−１及び１４−２は、増幅器１３−１１〜１３−２３において増幅された主信号を加算する。

具体的には加算器１４−１は、増幅器１３−１１で増幅された主信号Ａ、増幅器１３−１２で増幅された主信号Ｂ、増幅器１３−１３で増幅された主信号Ｃを加算して、信号ａ３を得る。同様に加算器１４−２は、増幅器１３−２１で増幅された主信号Ａ、増幅器１３−２２で増幅された主信号Ｂ、増幅器１３−２３で増幅された主信号Ｃを加算して、信号ｂ３を得る。

演算器１５は、信号ａ３、ｂ３と原点信号とを用いてスケールの変位量を算出する。スケールが原点位置にある場合には、ゲイン設定部１２が設定するゲインを変化させて、信号ａ３または信号ｂ３と原点信号が同じ位相となるように調整して、原点調整を行う。

このように、３相の主信号に対してゲイン設定部１２が示すゲインで増幅した後に、加算を行うことにより、位相の調整を実現する。次に具体的な増幅処理及び加算処理について説明する。

３相の信号Ａ、Ｂ及びＣが、互いに１２０°の位相差を有する正弦波信号である場合、位相調整器１は、下記の式（１）及び（２）で示される演算を行う。

式（１）及び（２）において、ａ３は加算器１４−１の加算結果で得られる主信号、ｂ３は加算器１４−２の加算結果で得られる主信号、Ａ、Ｂ及びＣは１２０°位相差３相正弦波信号の振幅値、θは位相調整器で調整する位相量を示す。

言い換えれば、式（１）及び（２）に式（３）〜（５）を導入して得られる式（６）及び（７）で示される演算を行う。

式（６）及び（７）において、ａ３は加算器１４−１の加算結果で得られる主信号、ｂ３は加算器１４−２の加算結果で得られる主信号、θは位相調整器で調整する位相量、ｘはスケールの変位量、λはスケールにおける主信号のピッチを示す。

式（１）に示すように、ゲイン設定部１２は、増幅器１３−１１において、主信号Ａを増幅するゲインをｃｏｓ（θ）に設定し、増幅器１３−１２において、主信号Ｂを増幅するゲインをｃｏｓ（θ＋２π／３）に設定し、増幅器１３−１３において、主信号Ｃを増幅するゲインをｃｏｓ（θ＋４π／３）に設定する。そして、加算器１４−１は、増幅後の主信号Ａ、Ｂ及びＣを加算する。

式（２）に示すように、ゲイン設定部１２は、増幅器１３−１２において、主信号Ａを増幅するゲインをｓｉｎ（θ）に設定し、増幅器１３−２２において、主信号Ｂを増幅するゲインをｓｉｎ（θ＋２π／３）に設定し、増幅器１３−２３において、主信号Ｃを増幅するゲインをｓｉｎ（θ＋４π／３）に設定する。そして、加算器１４−２は、増幅後の主信号Ａ、Ｂ及びＣを加算する。

ｃｏｓ（θ）、ｃｏｓ（θ＋２π／３）、ｃｏｓ（θ＋４π／３）、ｓｉｎ（θ）、ｓｉｎ（θ＋２π／３）及びｓｉｎ（θ＋４π／３）はθにより求まる絶対値が１以下の乗算係数であり、この乗算係数で主信号Ａ、Ｂ及びＣを増幅することにより、主信号Ａ、Ｂ及びＣ間の振幅の比を変化させることができる。

なお、式（１）及び（２）は公知の増幅率可変型のアナログ増幅器と加算器を適用することにより実現可能である。

以上の信号処理により得られた信号を図２及び図３に示す。図２及び図３は、本実施の形態における３相信号と増幅及び加算処理後の信号の例を示す図である。図２及び図３において、横軸はスケールの変位量に対応する各信号の位相を示し、縦軸は、各信号の振幅値を示す。

図２は、主信号Ａ、Ｂ及びＣに対して、位相調整器で調整する位相量θ＝０°とした場合に得られる信号ａ３及びｂ３を示している。また、図３は、主信号Ａ、Ｂ及びＣに対して、位相調整器で調整する位相量θ＝３０°とした場合に得られる信号ａ３及びｂ３を示している。図２と図３とを比較すると、同じ主信号Ａ、Ｂ及びＣに対して、図２の信号ａ３と図３の信号ａ３とは、位相差が３０°となっている。同様に図２の信号ｂ３と図３の信号ｂ３とは、位相差が３０°となっている。すなわち図２及び図３に示すように、増幅及び加算処理により得られた信号ａ３及びｂ３は、主信号Ａ、Ｂ及びＣと異なる位相を有する。そして、図２と図３では、異なる位相の信号ａ３及びｂ３が得られている。

このように、本実施の形態に係る位相調整器によれば、多相信号を増幅して、多相信号間の振幅の比を変化させ、加算することにより、簡易な構成で多相信号間の位相差より小さい位相量で調整を行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記では、３相信号を用いた例で説明しているが多相信号であればいずれも用いることができる。

また、増幅器へ入力される多相信号は、バッファを介して入力されてもよい。また、増幅器、加算器、演算器は、いずれもアナログまたはデジタルのいずれかの信号として処理を行う形態が適用できる。また、増幅器、加算器、演算器における信号処理の最初または途中までをアナログ信号として処理し、アナログ信号からデジタル信号に変換して残りの信号処理をデジタル信号として処理しても良い。

また増幅器へ入力される多相信号は、増幅器に入力される前に、例えば相変換回路などによって相の数を変換（例えば、４相信号を３相信号に変換するなど）してもよい。

上述では、位相調整器がエンコーダに用いられるものとして説明したが、エンコーダ以外の多相信号を用いる他の装置に適用できることは言うまでもない。

１ 位相調整器
１１ 検出ヘッド
１２ ゲイン設定部
１３−１１〜１３−２３ 増幅器
１４−１及び１４−２ 加算器
１５ 演算器
１６ 増幅ユニット

Claims (4)

1. エンコーダが検出した多相信号に対して、前記多相信号間の振幅の比を変化させる増幅ユニットと、前記増幅ユニットにおいて振幅値を処理された多相信号を加算する加算器とを備える位相調整器であって、
   前記多相信号は、１２０°位相差３相正弦波信号であり、前記位相調整器は、下記の式（１）及び（２）で示される演算を行うことを特徴とする位相調整器。
   

   

   

   式（１）及び（２）において、ａ３、ｂ３、は９０°位相差２相正弦波信号、Ａ、Ｂ及びＣは１２０°位相差３相正弦波信号、θは位相調整器で調整する位相量を示す。
2. 前記増幅ユニットは、前記多相信号をそれぞれ増幅する相数個の増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の位相調整器。
3. 測位方向に等間隔ピッチの目盛を有するスケールと、前記スケールに対して測位方向に相対移動し、前記目盛りを読み取り多相の電気信号に変換する検出器と、前記多相の電気信号の位相を調整する請求項１または２に記載の位相調整器と、前記位相調整器において位相を調整された電気信号からスケールの変位を算出する演算器と、を備えることを特徴とするエンコーダ。
4. 前記検出器は、原点信号及び前記多相信号からなる主信号を電気信号に変換し、
   前記位相調整器は、前記多相の電気信号の位相を調整し、
   前記演算器は、前記原点信号と位相調整後の前記多相の電気信号とを同期させることで、原点位置を決定することを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。

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