JP7075784B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、物体の位置等を検出するエンコーダに関する。

上記エンコーダとして、従来から、例えば、モータの回転角度位置等を検出するロータリエンコーダ（下記特許文献１参照）や、直線移動軸における物体の移動位置等を検出するリニアエンコーダなどが知られている。

これらのエンコーダは、一般的に、目盛りに相当する被検出パターンが形成されたスケールと、このスケールに形成された被検出パターンを検出し、検出した被検出パターンに応じた検出信号を出力する検出センサと、検出センサから出力された検出信号を基に前記スケールと前記検出センサとの相対的な位置関係を算出する位置算出器とを備えて構成され、前記スケールと検出センサとが相対的に移動可能に設けられている。

そして、従来、前記ロータリエンコーダには、例えば、図５に示すようなセパレートタイプのものと、図６に示すようなユニットタイプのものが知られている。

図５に例示したロータリエンコーダ１００は、例えば、適宜回転体に取り付けられるリング状のスケール１０１と、このスケール１０１の外周面と対峙するように固定される検出ヘッド１０２とから構成され、スケール１０１は、被検出パターンとして、その外周面に、中心軸と平行且つ所定ピッチ間隔で形成された目盛りを有している。

また、前記検出ヘッド１０２には、検出センサ及び位置算出器が内蔵されている。検出センサは、回転するスケール１０２との相対的な回転角度位置を検出し、位置算出器は検出センサによって検出された相対的な回転角度位置を基に、所定の原点となる角度位置（回転原点）からのスケール１０２の現在の回転角度位置を算出し、算出した角度位置に係る信号（データ）を外部に出力する。

一方、図６に示したユニットタイプのロータリエンコーダ１１０は、例えば、上述したセパレートタイプのロータリエンコーダ１００と同様のリング状スケール及び検出ヘッドを、所定のケーシング１１１内に収納した構成を備える。リング状スケールはケーシング内で回転自在に支持され、また、検出ヘッドは、ケーシング１１１内でリング状スケールの外周面と対峙するように固定される。そして、このロータリエンコーダ１１０においても、回転するスケールとの相対的な回転角度位置が検出センサによって検出され、検出センサによって検出された相対的な回転角度位置を基に、所定の原点となる角度位置（回転原点）からのスケールの現在の回転角度位置が位置算出器によって算出され、算出された回転角度位置に係る信号（データ）が外部に出力される。

このように構成されるユニットタイプのロータリエンコーダ１１０は、例えば、モータのように、検出対象の回転体が適宜ケーシング内に収納され、回転体の回転軸がケーシングから延出された装置において、当該回転体の回転角度位置や回転速度を検出するために用いられ、前記回転軸にスケールが連結された状態で前記ケーシングに取り付けられて使用される。

また、前記リニアエンコーダは、スケールが直線状に設けられる点を除いて、前記ロータリエンコーダとほぼ同様の構成を備えており、スケールと検出センサとのいずれか一方が移動体に配設される。そして、スケールと検出センサとの相対的な位置関係が当該検出センサにより検出され、検出された位置関係に基づいて、所定の原点を基準としたスケールと検出センサとの相対的な位置が位置算出器によって算出される。

そして、このようなエンコーダは、従来、例えば、移動体（回転体を含む）の位置制御に用いられており、このエンコーダによって移動体の位置を検出しながら、当該移動体を駆動する駆動装置を適宜制御装置により制御して、当該移動体を目標とする位置に位置制御する。

特開平６－１８５４７号公報

ところで、近年、前記エンコーダはその性能が向上しており、その検出速度は前記制御装置側の処理速度よりもかなり高速になっている。具体的には、エンコーダでは数十ＭＨｚ（例えば、２０ＭＨｚ（５×１０^－２μｓ））での位置検出が可能であるが、制御装置側の処理速度は数ＫＨｚ～十数ＫＨｚ（例えば、１０ＫＨｚ（１００μｓ））となっている。この現象を具体例に従って簡単に言うと、エンコーダでは１秒間に２０００万点の位置検出を行っているが、制御装置側では、１秒間に１万点しか位置データを参照していないということである。

したがって、この具体例では、エンコーダは１００μｓの時間間隔で制御装置側に位置データを出力することになるが、従来、エンコーダは１００μｓの間に検出された２０００点の位置データの平均値を出力するのではなく、直近の数十点の位置データの平均値を出力するように構成されていた。これは、１００μｓ間の位置データの平均値を使用すると、制御装置がデータの出力時から５０μｓだけ遡った過去の位置データを参照して制御することに等しため、精度の良い位置制御を行うことができないからであり、直近の数十点の位置データの平均値を参照することで、出力時点に近い位置データを参照することができ、正確で精度の良い位置制御を行うことができると考えられたからである。

ところが、この直近の数十点の位置データは、１００μｓの間に得られる２０００点の位置データに比べると極わずかな数のデータであるため、当該直近の位置データがノイズの影響を受けていると、これを除去し難く、制御装置側で精度の良い位置制御を行うことができないという別の問題があった。

一方、前記エンコーダは１００μｓの間に２０００点という膨大な位置データを検出しており、これらの位置データを基に、出力時点のより正確な位置データを推定できれば、取得された位置データを有効に活用することができて好ましい。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、所定間隔の出力間に得られた位置データを、従来に比べてより広い範囲で使用することにより、出力時点の位置データをより正確に推定することができるエンコーダの提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
目盛りに相当する被検出パターンを有するスケールと、該スケールの被検出パターンを検出し、検出した被検出パターンに応じた検出信号を出力する検出センサと、該検出センサから出力された検出信号を基に前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置関係を所定のサンプリング間隔で算出する位置算出器とを備えたエンコーダであって、
前記位置算出器によって算出された位置データを記憶する位置データ記憶部と、
算出すべき時点の前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置データを、前記位置データ記憶部に格納された位置データを基に算出して出力する位置推定部とを備え、
前記位置推定部は、前記算出すべき時点からそれぞれ予め定められた時間遡った第１の時点及び第２の時点における位置データをそれぞれ算出し、得られた第１の時点及び第２の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを算出するように構成され、
前記位置推定部は、更に、前記第１の時点を中心とした第１の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理して前記第１の時間幅における代表値としての前記第１の時点の位置データを算出するとともに、前記第２の時点を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第２の時間幅における代表値としての前記第２の時点の位置データを算出するように構成されたエンコーダに係る。

この態様（第１態様）のエンコーダによれば、前記位置算出器により所定のサンプリング間隔で前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置データが算出され、算出された位置データが前記位置データ記憶部に格納される。

そして、この位置データ記憶部に格納された位置データを基に、前記位置推定部により、予め定められた時間間隔で設定された時点（算出すべき時点）の前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置データが算出（推定）され、算出された位置データが外部に出力される。尚、算出すべき時点は処理（推定）時点から予め定められた時間だけ進んだ時点であり、推定処理は算出すべき時点から予め定められた時間遡った時点で実行される。

その際、前記位置推定部は、前記算出すべき時点からそれぞれ予め定められた時間遡った第１の時点及び第２の時点における位置データを算出し、得られた第１の時点及び第２の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを算出する。尚、前記第１の時間幅における代表値としての前記第１の時点の位置データは、前記第１の時点を中心とした第１の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理することによって算出され、前記第２の時間幅における代表値としての前記第２の時点の位置データは前記第２の時点を中心とした第２の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理することによって得られる。また、第１の時点及び第２の時点は、今回算出すべき時点と前回算出すべき時点との間に設定されているのが好ましく、そのいずれか一方は、できるだけ前記処理時点に近い時点に設定されているのが好ましい。

斯くして、このエンコーダによれば、算出すべき時点におけるスケールと検出センサとの間の相対的な位置データを推定するようにしているので、時間遅れの無い正確な位置データを得ることができ、例えば、この位置データを用いて位置制御する場合には、時間遅れを生じ難いという意味において、正確な位置制御を実現することができる。

また、このエンコーダでは、第１の時点を中心とした第１の時間幅において得られた位置データを処理することによって得られた第１の時点の位置データと、第２の時点を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを処理することによって得られた第２の時点の位置データとを用いて、前記算出すべき時点（出力時点）のスケールと検出センサとの相対的な位置データを推定しており、位置検出器によって検出された位置データの使用範囲を、従来に比べてより広い範囲に設定することができる、言い換えれば従来に比べてより多くの位置データを用いることができるので、前記出力時点の位置データをより正確に算出（推定）することができる。

尚、前記代表値は字句通り、対応する時間幅における代表としての位置データであり、当該時間幅における位置データをディジタルフィルタにより処理することよって得られる値である。また、前記ディジタルフィルタは、アルゴリズム等による数値演算を用いて、特定の成分を抽出する機能を意味し、その一例としては、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドストップフィルタや平均化フィルタなどを挙げることができるが、ここでは平均値、最大値又は最小値等を得る処理も含む広義のディジタルフィルタとして述べている。

この第１態様において、前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって算出する構成とすることができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_１×（ｔ－ｔ_１）
但し、
ｖ_１＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
である。
前記時点ｔは予め定めた時刻から所定時間経過した時刻である。
前記ｔ_１は前記第１の時点であり、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。
前記Ｐ（ｔ_１）は、第１の時点ｔ_１の位置データであり、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第１の時間幅における代表値である。
前記ｔ_２は前記第２の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_１＞ｔ_２である。
前記Ｐ（ｔ_２）は、第２の時点ｔ_２の位置データであり、前記第２の時点ｔ_２を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第２の時間幅における代表値である。

前記ｖ_１は、第１の時点ｔ_１と第２の時点ｔ_２との間におけるスケールと検出センサとの相対的な移動速度であり、算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）は、スケールと検出センサとが、この移動速度ｖ_１で第１の時点ｔ_１から移動して時点ｔとなったときに到達すると推定される位置（データ）である。

また、本発明の別の態様（第２態様）では、前記位置推定部は、上述した第１態様における処理に加えて、更に、前記算出すべき時点から予め定められた時間遡った第３の時点における位置データを算出し、得られた第１の時点、第２の時点及び第３の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを算出するように構成され、
前記位置推定部は、更に、前記第３の時点を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第３の時間幅における代表値としての前記第３の時点の位置データを算出するように構成される。

この第２態様では、第１態様に比べてより多くの位置データを用いて前記出力時点の位置データを算出することができるので、当該出力時点の位置データをより正確に算出することができる。

そして、この第２態様において、前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって算出する構成とすることができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_１×（ｔ－ｔ_１）＋（α_１×（ｔ－ｔ_１）^２）／２
但し、
ｖ_１＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
ｖ_２＝（Ｐ（ｔ_２）－Ｐ（ｔ_３））／（ｔ_２－ｔ_３）
α_１＝２（ｖ_１－ｖ_２）／（ｔ_１－ｔ_３）
である。
前記ｔ_３は前記第３の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_２＞ｔ_３である。
前記Ｐ（ｔ_３）は、第３の時点ｔ_３の位置データであり、前記第３の時点ｔ_３を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第３の時間幅における代表値である。

この算出式は、スケールと検出センサとが加速度α_１を伴って移動している場合の、前記出力時におけるスケールと検出センサとの相対的な位置データを算出する式であり、末尾の項が加速度の影響を考慮した補正項となっている。

斯くして、この態様のエンコーダによれば、前記位置推定部により、加速度を考慮して前記出力時点の位置データが算出されるので、当該出力時点の位置データをより正確に算出することができる。

また、本発明の更に別の態様（第３態様）では、前記位置推定部は、前記第２態様における処理に加えて、更に、前記算出すべき時点から予め定められた時間遡った第４の時点における位置データを算出し、得られた第１の時点、第２の時点、第３の時点及び第４の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを算出するように構成され、
前記位置推定部は、更に、前記第４の時点を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第４の時間幅における代表値としての前記第４の時点の位置データを算出するように構成される。

この第３態様では、第２態様に比べてより多くの位置データを用いて前記出力時点の位置データを算出することができるので、当該出力時点の位置データをより正確に算出することができる。

そして、この第３態様において、前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって算出する構成とすることができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_１×（ｔ－ｔ_１）＋（α_１×（ｔ－ｔ_１）^２）／２＋（ｊ×（ｔ－ｔ_１）^３）／６
但し、
ｖ_１＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
ｖ_２＝（Ｐ（ｔ_２）－Ｐ（ｔ_３））／（ｔ_２－ｔ_３）
ｖ_３＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
α_１＝２（ｖ_１－ｖ_２）／（ｔ_１－ｔ_３）
α_２＝２（ｖ_２－ｖ_３）／（ｔ_２－ｔ_４）
ｊ＝（α_１－α_２）／（ｔ_２－ｔ_３）
である。
前記ｔ_４は前記第４の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_３＞ｔ_４である。
前記Ｐ（ｔ_４）は、第４の時点ｔ_４の位置データであり、前記第４の時点ｔ_４を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第４の時間幅における代表値である。

この算出式は、スケールと検出センサとが加加速度ｊを伴って移動している場合の、前記出力時におけるスケールと検出センサとの相対的な位置データを算出する式であり、末尾の項が加加速度の影響を考慮した補正項となっている。

斯くして、この態様のエンコーダによれば、前記位置推定部により、加加速度を考慮して前記出力時点の位置データが算出されるので、当該出力時点の位置データを更に正確に算出することができる。

また、本発明の更に別の態様（第４態様）では、前記位置推定部は、前記第１態様における処理に加えて、更に、前記算出すべき時点から予め定められた時間遡った第３の時点及び第４の時点における位置データを算出し、得られた第１の時点、第２の時点、第３の時点及び第４の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを算出するように構成され、
前記位置推定部は、更に、前記第３の時点を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第３の時間幅における代表値としての前記第３の時点の位置データを算出するとともに、前記第４の時点を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第４の時間幅における代表値としての前記第４の時点の位置データを算出するように構成され、
前記第３の時間幅及び第４の時間幅は、前記第１の時間幅及び第２の時間幅に比べて、十分に大きな時間幅となっている。

この構成のエンコーダによれば、例えば、算出すべき時点の位置データを、第１の時点及び第２の時点の位置データから推定することができ、同じく算出すべき時点の位置データを第３の時点及び第４の時点から推定することができる。そして得られた２つの推定値からより正確な推定値が算出される。

具体的には、この第４態様では、前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって算出するように構成される。
Δ≦Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_ｂ（ｔ）＋Δ^２／Ｒ
Δ＞Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_a（ｔ）
但し、
Δ＝Ｐ_ａ（ｔ）－Ｐ_ｂ（ｔ）
Ｐ_ａ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_ａ×（ｔ－ｔ_１）
ｖ_ａ＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
Ｐ_ｂ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_３）＋ｖ_ｂ×（ｔ－ｔ_３）
ｖ_ｂ＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
である。
また、ｔ_１＞ｔ_３であり、前記第３の時間幅及び第４の時間幅は、前記第１の時間幅及び第２の時間幅に比べて、十分に大きな幅を有している。また、Ｒは予め設定された基準値である。

この態様では、第１の時点ｔ_１における位置データＰ（ｔ_１）、及び第２の時点ｔ_２における位置データＰ（ｔ_２）を用いて時点ｔにおける回転角度位置Ｐ_ａ（ｔ）が推定される。また、第３の時点ｔ_３における回転角度位置Ｐ（ｔ_３）、及び第４の時点ｔ_４における回転角度位置Ｐ（ｔ_４）を用いて時点ｔにおける回転角度位置Ｐ_ｂ（ｔ）が推定される。

そして、この２つの推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）から、その差分値Δを算出し、この差分値Δが予め定めた基準値Ｒを上回る場合（Δ＞Ｒのとき）には、推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）がノイズの影響を受けていると判断して、推定時に近い回転角度位置データを用いて算出したＰ_a（ｔ）を推定値Ｐ（ｔ）とし、差分値Δが基準値Ｒ以下である場合（Δ≦Ｒのとき）には、推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）があまりノイズの影響を受けていないと判断して、Ｐ_a（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）を用いて推定値Ｐ（ｔ）を推定する。

斯くして、この態様によれば、ノイズの影響を考慮した推定値Ｐ（ｔ）を算出することができるので、前記出力時点の回転角度位置をより正確に算出（推定）することができる。

以上説明したように、本発明に係るエンコーダによれば、算出すべき時点におけるスケールと検出センサとの間の相対的な位置データを推定するようにしているので、時間遅れの無い正確な位置データを得ることができ、例えば、この位置データを用いて位置制御する場合には、時間遅れを生じ難いという意味において、正確な位置制御を実現することができる。

また、このエンコーダでは、第１の時点を中心とした第１の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理することによって得られた第１の時点の位置データと、第２の時点を中心とした第２の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理することによって得られた第２の時点の位置データとを用いて、前記算出すべき時点（出力時点）のスケールと検出センサとの相対的な位置データを推定しており、位置検出器によって検出された位置データの使用範囲を、従来に比べてより広い範囲に設定することができる、言い換えれば従来に比べてより多くの位置データを用いることができるので、前記出力時点の位置データをより正確に算出（推定）することができる。

本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダ、及びこのロータリエンコーダが取り付けられる主軸ユニットの概略構成を一部断面で示した正面図である。 本実施形態に係るロータリエンコーダの概略構成を示したブロック図である。 本実施形態に係るロータリエンコーダの処理を説明するための説明図である。 本発明の他の実施形態に係るロータリエンコーダの処理を説明するための説明図である。 一般的なセパレートタイプのロータリエンコーダを示した斜視図である。 一般的なユニットタイプのロータリエンコーダを示した斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダ、及びこのロータリエンコーダが取り付けられる主軸ユニットの概略構成を一部断面で示した正面図であり、図２は、本実施形態に係るロータリエンコーダの概略構成を示したブロック図である。

図１に示すように、本例のロータリエンコーダ１は、主軸ユニット２０の後端部（図示右側端部）に設けられる。主軸ユニット２０は、主軸２２、この主軸２２を回転自在に支持するハウジング２１、ハウジング２１内に設けられて主軸２２を回転させる主軸モータ（図示せず）などから構成される。また、主軸２２は、その前端部２２ａがハウジング２１の前端部から前方に突出し、その後端部２２ｂがハウジング２１の後端部から後方に突出している。

前記ロータリエンコーダ１は、前記主軸ユニット２０を構成する主軸２２の回転角度位置を検出するために当該主軸ユニット２０に設けられるもので、図１及び図２に示すように、スケール２及び検出ヘッド３から構成される所謂セパレートタイプのロータリエンコーダである。

前記スケール２は、図５に示したリング状のスケール１０１と同様の構成を備えるものであり、被検出パターンとして、その外周面に、その中心軸と平行な筋状の歯が所定ピッチ間隔で形成されている。このスケール２は、図１に示すように、主軸２２の後端部２２ｂに当該主軸２２と同軸となるように取り付けられている。

前記検出ヘッド３は、回転する前記スケール２の外周面と一定の間隔で対峙するように、取付部材１１を介してハウジング２１の後端部に取り付けられている。この取付部材１１は円筒状をしており、前記検出ヘッド３は当該取付部材１１の内周面に固定されている。そして、取付部材１１の開口部は蓋体１２によって閉塞されている。

前記検出ヘッド３は、図２に示すように、検出センサ４、図示しないバイアス磁石、位置算出器５、位置データ記憶部６、位置推定部７及び入出力部８から構成される。尚、位置算出器５、位置データ記憶部６、位置推定部７及び入出力部８はそれぞれ適宜電子回路を備えた電子ディバイスによって実現される。

尚、主軸ユニット２０は、このロータリエンコーダ１によって検出される主軸２２の回転角度位置を基に、図示しない制御装置によってその作動が制御される。

前記バイアス磁石（図示せず）はバイアス磁界を生じさせ、検出センサ４は、筋状の歯を備えた前記スケール２が回転することによって生じるバイアス磁界の変動（サイン曲線を描く変動）から、当該スケール２との相対的な回転角度位置を所定の時間間隔（サンプリング間隔）（例えば、上述した２０ＭＨｚ）で検出し、位置算出器５は、検出センサ４によって検出された相対的な回転角度位置を基に、予め定められた原点となる角度位置（回転原点）からのスケール２の現在の回転角度位置を算出し、算出した回転角度位置データを位置データ記憶部６に格納する。尚、この回転原点もスケール２と検出センサ４との相対的な位置関係であることには変わりない。

前記位置推定部７は、前記位置データ記憶部６に格納された回転角度位置データを基に、算出すべき時点の前記スケール２の回転角度位置を算出（推定）して、入出力部８から外部（例えば、制御装置）に出力する。尚、算出すべき時点は予め定められた時間間隔で設定される時点であって、前記サンプリング間隔よりもかなり長い間隔であり、推定した回転角度位置が出力される先、例えば、制御装置の演算速度と同じ時間間隔（例えば、上述した１０ＫＨｚ）に設定される。また、この算出すべき時点は、処理（推定）時点から予め定められた時間進んだ時点であり、推定処理は算出すべき時点から予め定められた時間遡った時点で実行される。また、前記位置データ記憶部６には、位置推定部７における演算に必要な時間幅の回転角度位置データが少なくとも格納されている。

そして、前記位置推定部７は、以下の数式１に従って、前記スケール２の回転角度位置Ｐ（ｔ）を算出する。
（数式１）
Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_１×（ｔ－ｔ_１）＋（α_１×（ｔ－ｔ_１）^２）／２＋（ｊ×（ｔ－ｔ_１）^３）／６
但し、
ｖ_１＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
ｖ_２＝（Ｐ（ｔ_２）－Ｐ（ｔ_３））／（ｔ_２－ｔ_３）
ｖ_３＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
α_１＝２（ｖ_１－ｖ_２）／（ｔ_１－ｔ_３）
α_２＝２（ｖ_２－ｖ_３）／（ｔ_２－ｔ_４）
ｊ＝（α_１－α_２）／（ｔ_２－ｔ_３）
である。

尚、前記時点ｔは予め定めた時刻（即ち、推定処理時刻）から所定時間経過した時刻である。
図３に示すように、前記ｔ_１は第１の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_１）は、前記第１の時点ｔ_１における回転角度位置データであって、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅ｔｗ_１において得られた回転角度位置データをディジタルフィルタである平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第１の時間幅ｔｗ_１における代表値である。
また、前記ｔ_２は第２の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_１＞ｔ_２である。前記Ｐ（ｔ_２）は、前記第２の時点ｔ_２における回転角度位置データであって、前記第２の時点ｔ_２を中心とした第２の時間幅ｔｗ_２において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第２の時間幅ｔｗ_２における代表値である。
また、前記ｔ_３は第３の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_２＞ｔ_３である。前記Ｐ（ｔ_３）は、第３の時点ｔ_３における回転角度位置データであり、前記第３の時点ｔ_３を中心とした第３の時間幅ｔｗ_３において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第３の時間幅ｔｗ_３における代表値である。
前記ｔ_４は前記第４の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_３＞ｔ_４である。前記Ｐ（ｔ_４）は、第４の時点ｔ_４の回転角度位置データであり、前記第４の時点ｔ_４を中心とした第４の時間幅ｔｗ_４において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第４の時間幅ｔｗ_４における代表値である。

上述したように、前記数式１の第１項であるＰ（ｔ_１）は、前記第１の時点ｔ_１における回転角度位置データであって、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅ｔｗ_１において得られた回転角度位置データの平均値である。本例では、このＰ（ｔ_１）を基に、算出すべき時点ｔにおけるスケール２の回転角度位置Ｐ（ｔ）を推定する。

具体的には、この回転角度位置Ｐ（ｔ）を、第１の時点ｔ_１における回転角度位置Ｐ（ｔ_１）と第２の時点ｔ_２における回転角度位置Ｐ（ｔ_２）との変化率（言い換えれば、スケール２の回転速度）がｖ_１（数式１の第２項）であるとき、スケール２が第１の時点ｔ_１から推定時点ｔまでこの回転速度ｖ_１と同じ回転速度で回転したとして推定する。したがって、数式１の第２項は、スケール２の回転速度ｖ_１に基づいて推定されるスケール２の回転移動量を意味する。

また、数式１の第３項はスケール２が加速度を伴って移動している場合の補正項である。図３に示すように、第３の時点ｔ_３から第２の時点ｔ_２までの間のスケール２の平均回転速度、即ち、（ｔ_２＋ｔ_３）／２の時点の回転速度をｖ_２とし、第２の時点ｔ_２から第１の時点ｔ_１までの間のスケール２の平均回転速度、即ち、（ｔ_１＋ｔ_２）／２の時点の回転速度をｖ_１としたとき、（ｔ_２＋ｔ_３）／２の時点から（ｔ_１＋ｔ_２）／２の時点までの間の回転速度の変化率、即ち加速度α_１は、上述したように、
α_１＝２（ｖ_１－ｖ_２）／（ｔ_１－ｔ_３）
となる。

そして、この加速度α_１が第１の時点ｔ_１から推定時間ｔまでの間に回転角度位置に与える影響（値）は、加速度α_１を時間（ｔ_１→ｔ）について２階積分した数式（α_１×（ｔ－ｔ_１）^２）／２によって算出することができる。

また、数式１の第４項はスケール２が加加速度を伴って移動している場合の補正項である。図３に示すように、第４の時点ｔ_４から第３の時点ｔ_３までの間のスケール２の平均回転速度、即ち、（ｔ_３＋ｔ_４）／２の時点の回転速度をｖ_３とし、第３の時点ｔ_３から第２の時点ｔ_２までの間のスケール２の平均回転速度、即ち、（ｔ_２＋ｔ_３）／２の時点の回転速度をｖ_２としたとき、（ｔ_３＋ｔ_４）／２の時点から（ｔ_２＋ｔ_３）／２の時点までの間の回転速度の変化率、即ち加速度α_２は、上述したように、
α_２＝２（ｖ_２－ｖ_３）／（ｔ_２－ｔ_４）
となる。

したがって、上述のようにして算出されるα_１も参照すると、第３の時点ｔ_３から第２の時点ｔ_２までの間のスケール２の加速度の変化率、即ち、加加速度ｊは、上述したように、
ｊ＝（α_１－α_２）／（ｔ_２－ｔ_３）
となる。

そして、この加加速度ｊが第１の時点ｔ_１から推定時間ｔまでの間に回転角度位置に与える影響（値）は、加加速度ｊを時間（ｔ_１→ｔ）について３階積分した数式（ｊ×（ｔ－ｔ_１）^３）／６によって算出することができる。

以上の構成を備えた本例のロータリエンコーダ１によれば、検出センサ４によって、所定のサンプリング間隔毎にスケール２との相対的な回転角度位置が検出されるとともに、検出された相対的な回転角度位置を基に、位置算出器５によって、予め定められた原点となる角度位置（回転原点）からのスケール２の現在の回転角度位置が算出され、算出された回転角度位置データが位置データ記憶部６に格納される。

そして、前記位置推定部７によって、前記位置データ記憶部６に格納された回転角度位置データを基に、算出すべき時点の前記スケール２の回転角度位置を算出（推定）して、入出力部８から外部（例えば、制御装置）に出力する。その際、当該位置推定部７は、上述した数式１にしたがって、スケール２の回転角度位置を算出する。

斯くして、本例のロータリエンコーダ１によれば、算出すべき時点におけるスケール２と検出センサ４との間の相対的な回転角度位置を推定するようにしているので、時間遅れの無い信頼性が高い回転角度位置を得ることができ、例えば、この回転角度位置データを用いて位置制御する場合には、時間遅れを生じ難いという意味において、正確で信頼性の高い位置制御を実現することができる。

また、このロータリエンコーダ１によれば、前記位置推定部７により、第１の時間幅ｔｗ_１において得られた回転角度位置データ、第２の時間幅ｔｗ_２において得られた回転角度位置データ、第３の時間幅ｔｗ_３において得られた回転角度位置データ、及び第４の時間幅ｔｗ_４において得られた回転角度位置データを用いて、前記算出すべき時点（出力時点）のスケール２と検出センサ４との相対的な回転角度位置を推定するようにしており、位置検出器５によって検出された回転角度位置データの使用範囲を、従来に比べてより広い範囲に設定することができる、言い換えれば従来に比べてより多くの回転角度位置データを用いることができるので、前記出力時点の回転角度位置をより正確に算出（推定）することができる。

また、本例のロータリエンコーダ１によれば、スケール２と検出センサ４とが加速度及び加加速度を伴って移動している場合に、この加速度及び加加速度を考慮した回転角度位置を算出するようにしているので、前記出力時点の回転角度位置をより正確に算出（推定）することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、前記位置推定部７は、上述した数式１に代えて下記数式２及び数式３に従って、前記スケール２の回転角度位置Ｐ（ｔ）を算出するように構成されていても良い。
（数式２）
Δ≦Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_ｂ（ｔ）＋Δ^２／Ｒ
（数式３）
Δ＞Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_a（ｔ）
但し、
Δ＝Ｐ_ａ（ｔ）－Ｐ_ｂ（ｔ）
Ｐ_ａ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_ａ×（ｔ－ｔ_１）
ｖ_ａ＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
Ｐ_ｂ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_３）＋ｖ_ｂ×（ｔ－ｔ_３）
ｖ_ｂ＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
である。

また、図４に示すように、前記ｔ_１は第１の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_１）は、前記第１の時点ｔ_１における回転角度位置であって、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅ｔｗ_１において得られた回転角度位置データをディジタルフィルタである平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第１の時間幅ｔｗ_１における代表値である。
また、前記ｔ_２は第２の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_１＞ｔ_２である。前記Ｐ（ｔ_２）は、前記第２の時点ｔ_２における回転角度位置であって、前記第２の時点ｔ_２を中心とした第２の時間幅ｔｗ_２において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第２の時間幅ｔｗ_２における代表値である。
また、前記ｔ_３は第３の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_３）は、第３の時点ｔ_３における回転角度位置であり、前記第３の時点ｔ_３を中心とした第３の時間幅ｔｗ_３において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第３の時間幅ｔｗ_３における代表値である。
前記ｔ_４は前記第４の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_３＞ｔ_４である。前記Ｐ（ｔ_４）は、第４の時点ｔ_４の回転角度位置であり、前記第４の時点ｔ_４を中心とした第４の時間幅ｔｗ_４において得られた回転角度位置データを前記平均化フィルタにより処理することによって得られる平均値であり、第４の時間幅ｔｗ_４における代表値である。
また、ｔ_１＞ｔ_３であり、前記第３の時間幅ｔｗ_３及び第４の時間幅ｔｗ_４は、前記第１の時間幅ｔｗ_１及び第２の時間幅ｔｗ_２に比べて、十分に大きな幅を有している。また、Ｒは予め設定された基準値である。

図４に示すように、この例では、第１の時点ｔ_１における回転角度位置Ｐ（ｔ_１）、及び第２の時点ｔ_２における回転角度位置Ｐ（ｔ_２）を用いて時点ｔにおける回転角度位置Ｐ_ａ（ｔ）が推定される。また、第３の時点ｔ_３における回転角度位置Ｐ（ｔ_３）、及び第４の時点ｔ_４における回転角度位置Ｐ（ｔ_４）を用いて時点ｔにおける回転角度位置Ｐ_ｂ（ｔ）が推定される。

そして、この２つの推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）から、その差分値Δを算出し、この差分値Δが予め定めた基準値Ｒを上回る場合（Δ＞Ｒのとき）には、推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）がノイズの影響を受けていると判断して、推定時に近い回転角度位置データを用いて算出したＰ_a（ｔ）を推定値Ｐ（ｔ）とし（数式３）、差分値Δが基準値Ｒ以下である場合（Δ≦Ｒのとき）には、推定値Ｐ_ａ（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）があまりノイズの影響を受けていないと判断して、Ｐ_a（ｔ）及びＰ_ｂ（ｔ）を用いて推定値Ｐ（ｔ）を推定する。

斯くして、この例の位置推定部７によれば、ノイズの影響を考慮した推定値Ｐ（ｔ）を算出することができるので、前記出力時点の回転角度位置をより正確に算出（推定）することができる。

また、上例では、エンコーダとして、セパレートタイプのロータリエンコーダを例示したが、本発明を具現化することができるエンコーダは、これに限られるものではなく、ユニットタイプのロータリエンコーダの他、リニヤエンコーダが含まれ、また、光学式及び磁気式などの各種検出形式のものが含まれる。

また、上例では、第１の時間幅ｔｗ_１、第２の時間幅ｔｗ_２、第３の時間幅ｔｗ_３、及び第４の時間幅ｔｗ_４における各代表値としての平均値を、それぞれの時間幅で得られた回転角度位置データを平均化フィルタにより処理することによって算出するようにしたが、これに限られるものではなく、代表値としては、最大値や最小値であっても良く、これらを算出するためのディジタルフィルタも、代表値に応じてハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタやバンドストップフィルタなど各種のものを用いることができる。

また、上記の各例において、第１の時点ｔ_１～第４の時点ｔ_４は、今回算出すべき時点と前回算出すべき時点との間に設定されているのが好ましい。即ち、今回の算出に用いられる回転位置データは、前回算出すべき時点以降に得られたデータであるのが好ましい。また、第１の時点ｔ_１は、できるだけ今回算出すべき時点に近い時刻に設定されているのが好ましい。

尚、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１ ロータリエンコーダ
２ スケール
３ 検出ヘッド
４ 検出センサ
５ 位置検出器
６ 位置データ記憶部
７ 位置推定部
８ 入出力部
１１ 取付部材
１２ 蓋体
２０ 主軸ユニット
２１ ハウジング
２２ 主軸

Claims (4)

1. 目盛りに相当する被検出パターンを有するスケールと、該スケールの被検出パターンを検出し、検出した被検出パターンに応じた検出信号を出力する検出センサと、該検出センサから出力された検出信号を基に前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置関係を所定のサンプリング間隔で算出する位置算出器とを備えたエンコーダであって、
   前記位置算出器によって算出された位置データを記憶する位置データ記憶部と、
   算出すべき時点の前記スケールと前記検出センサとの間の相対的な位置データを、前記位置データ記憶部に格納された位置データを基に推定する推定処理を実行して出力する位置推定部とを備え、
   前記位置推定部は、前記推定処理を実行する時刻から所定時間進んだ時刻を前記算出すべき時点として、該算出すべき時点からそれぞれ予め定められた時間遡った第１の時点、第２の時点、第３の時点及び第４の時点における位置データをそれぞれ算出し、得られた第１の時点、第２の時点、第３の時点及び第４の時点の位置データを基に、前記算出すべき時点の位置データを推定するように構成され、
   前記位置推定部は、更に、前記第１の時点を中心とした第１の時間幅において得られた位置データをディジタルフィルタにより処理して前記第１の時間幅における代表値としての前記第１の時点の位置データを算出し、前記第２の時点を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第２の時間幅における代表値としての前記第２の時点の位置データを算出し、前記第３の時点を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第３の時間幅における代表値としての前記第３の時点の位置データを算出するとともに、前記第４の時点を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理して前記第４の時間幅における代表値としての前記第４の時点の位置データを算出するように構成されていることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって推定するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
   Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_１×（ｔ－ｔ_１）＋（α_１×（ｔ－ｔ_１）^２）／２＋（ｊ×（ｔ－ｔ_１）^３）／６
   但し、
   ｖ_１＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
   ｖ_２＝（Ｐ（ｔ_２）－Ｐ（ｔ_３））／（ｔ_２－ｔ_３）
   ｖ_３＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
   α_１＝２（ｖ_１－ｖ_２）／（ｔ_１－ｔ_３）
   α_２＝２（ｖ_２－ｖ_３）／（ｔ_２－ｔ_４）
   ｊ＝（α_１－α_２）／（ｔ_２－ｔ_３）
   である。
   前記時点ｔは前記位置推定部が前記推定処理を実行する時刻から所定時間進んだ時刻である。
   前記ｔ_１は前記第１の時点であり、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_１）は、第１の時点ｔ_１の位置データであり、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第１の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_２は前記第２の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_１＞ｔ_２である。前記Ｐ（ｔ_２）は、第２の時点ｔ_２の位置データであり、前記第２の時点ｔ_２を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第２の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_３は前記第３の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_２＞ｔ_３である。前記Ｐ（ｔ_３）は、第３の時点ｔ_３の位置データであり、前記第３の時点ｔ_３を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第３の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_４は前記第４の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_３＞ｔ_４である。前記Ｐ（ｔ_４）は、第４の時点ｔ_４の位置データであり、前記第４の時点ｔ_４を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第４の時間幅における代表値である。
3. 前記第３の時間幅及び第４の時間幅は、前記第１の時間幅及び第２の時間幅に比べて、十分に大きな幅を有していることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
4. 前記位置推定部は、前記算出すべき時点ｔの位置データＰ（ｔ）を下式によって推定するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のエンコーダ。
   Δ≦Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_ｂ（ｔ）＋Δ^２／Ｒ
   Δ＞Ｒのとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ_a（ｔ）
   但し、
   Δ＝Ｐ_ａ（ｔ）－Ｐ_ｂ（ｔ）
   Ｐ_ａ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_１）＋ｖ_ａ×（ｔ－ｔ_１）
   ｖ_ａ＝（Ｐ（ｔ_１）－Ｐ（ｔ_２））／（ｔ_１－ｔ_２）
   Ｐ_ｂ（ｔ）＝Ｐ（ｔ_３）＋ｖ_ｂ×（ｔ－ｔ_３）
   ｖ_ｂ＝（Ｐ（ｔ_３）－Ｐ（ｔ_４））／（ｔ_３－ｔ_４）
   である。
   前記時点ｔは前記位置推定部が前記推定処理を実行する時刻から所定時間進んだ時刻である。
   前記ｔ_１は前記第１の時点であり、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_１）は、第１の時点ｔ_１の位置データであり、前記第１の時点ｔ_１を中心とした第１の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第１の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_２は前記第２の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_１＞ｔ_２である。前記Ｐ（ｔ_２）は、第２の時点ｔ_２の位置データであり、前記第２の時点ｔ_２を中心とした第２の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第２の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_３は前記第３の時点であり、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻である。前記Ｐ（ｔ_３）は、第３の時点ｔ_３の位置データであり、前記第３の時点ｔ_３を中心とした第３の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第３の時間幅における代表値である。
   前記ｔ_４は前記第４の時点であって、前記時点ｔから予め定めた時間遡った時刻であり、ｔ_３＞ｔ_４である。前記Ｐ（ｔ_４）は、第４の時点ｔ_４の位置データであり、前記第４の時点ｔ_４を中心とした第４の時間幅において得られた位置データを前記ディジタルフィルタにより処理することによって得られる前記第４の時間幅における代表値である。
   また、ｔ_１＞ｔ_３であり、前記第３の時間幅及び第４の時間幅は、前記第１の時間幅及び第２の時間幅に比べて、十分に大きな幅を有している。
   Ｒは予め設定された基準値である。
   

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