專利名稱：：旋轉編碼器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及旋轉編碼器，更詳細地，涉及用于能夠自校正測量值的測量儀的增量編碼器和絕對編碼器。
背景技術：
：為了測量水平角和垂直角，在測量儀上具備旋轉編碼器。旋轉編碼器為利用與望遠鏡一起旋轉的旋轉圓盤和讀取沿該旋轉圓盤的圓周方向設置的刻度的檢測器來測量水平角和垂直角的裝置。旋轉編碼器有增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器具備以等間隔設有等寬度的刻度(縫隙)的旋轉圓盤。該增量編碼器將從光源射出的光照射到旋轉圓盤上，利用受光器檢測與刻度數相對應的明暗來測量旋轉圓盤的旋轉角。絕對編碼器例如圖1所示，具有旋轉圓盤1，該旋轉圓盤1包括表示O的細線(縫隙)和表示l的粗線(縫隙)，并且沿周邊設有形成表示角度的例如角度碼11的縫隙。該絕對編碼器將由CPU6控制發光的光源(LED)2射出的光照射到旋轉圓盤1上，用CCD線性傳感器3檢測角度碼11。CCD線性傳感器3的輸出經由A/D變換器5輸入到CPU6。CPU6通過解讀角度碼11并進行適當的內插處理，來計算出旋轉圓盤1的絕對角度，并顯示在顯示部7上(參照下述專利文獻1)。此外，在現有技術的用于測量儀的旋轉編碼器中，由于難以將旋轉圓盤1無偏心地安裝到旋轉軸上，或者難以完全等間隔地設置刻度或角度碼，因此測量值產生誤差。為了消除這樣的誤差，根據ISOJSIMA標準的正反測量進行自校正。該自校正是，在測量儀的周圍配置準直儀，邊使測量儀旋轉適當角度邊對準準直儀，測量刻度或角度碼的誤差。專利文獻1:日本特開2002-13949號但是，在上述通過正反測量進行的自校正中，不僅需要人工對準而且需要1小時左右的時間，因此存在作業員的負擔大的問題。并且，對于不熟練的作業員來說，既存在對準誤差大的問題，又存在自校正精度不足的問題。而且，還存在為需要多個準直儀的設備花費費用的問題。此外，對于垂直編碼器來說，還存在難以進行自校正的問題。
發明內容本發明就是鑒于上述問題而完成的，其技術問題在于提供一種旋轉編碼器，該旋轉編碼器不需要特別的設備并且作業員的負擔少，水平編碼器和鉛垂編碼器都能夠簡單且低成本高精度地進行自校正。為了解決上述問題，第一技術方案涉及的發明是旋轉編碼器，具備設置有角度碼的旋轉圓盤、照射上述角度碼的光源、讀取上述角度碼的檢測器、以及根據由該檢測器讀取的角度碼取得讀取值f(e)的運算部，其特征在于，在每次使上述旋轉圓盤旋轉規定角度時，在將上述旋轉圓盤的旋轉角設為e、將從該旋轉角0開始在檢測器上的讀取范圍內的任意角度設為4時，上述運算部取得上述檢測器上的讀取范圍內的讀取值f(0+4))和f(e)，根據使上述旋轉圓盤旋轉l周后的上述讀取值f(e+*)與f(e)之差g(e，4))的變化，對上述讀取值f(e)進行自校正。第二技術方案涉及的發明是在第一技術方案涉及的發明中，使取得上述讀取值f(e+<!>)和f(0)的旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分且相鄰的旋轉位置中上述檢測器的讀取范圍重疊的位置；取得在旋轉一周內上述讀取值f(0+4>)與f(e)之差g(e,4>)的平均值gm以及各個旋轉位置上的上述差g(e，40與上述平均值gm(小)之間的偏差h(e，4>)，通過在相鄰的旋轉角度位置上讀取范圍重疊的部分上使上述偏差h(e，4>)重疊并連續，進行從0°到360°的讀取值f(e)的自校正。第三技術方案涉及的發明是在第一技術方案涉及的發明中，使取得上述讀取值f(e+4>)和f(e)的旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分的位置，根據上述讀取值f(e+40與f(e)之差g(e，4))的變化，求出上述差g(0，*)作為傅立葉級數，根據該結果迸行從0°到360°的讀取值f(e)的自校正。第四技術方案涉及的發明是在第三技術方案涉及的發明中，上述傅立葉級數求出1個以上的任意高次諧波。第五技術方案涉及的發明是在第一、二、三或四技術方案涉及的發明中，上述任意角度》使用1個以上的任意位置。第六技術方案涉及的發明是在第一、二、三、四或五技術方案涉及的發明中，通過將多次的讀取值平均，來獲得上述讀取值f(e+4))、f(e)。發明效果根據第一技術方案涉及的發明，由于本發明為旋轉編碼器，在每次使旋轉圓盤旋轉規定的角度時，在將上述旋轉圓盤的旋轉角設為e、將從該旋轉角e開始在檢測器上的讀取范圍內的任意角度設為》時，取得上述檢測器上的讀取范圍內的讀取值f(e+(J))和f(e)，根據使上述旋轉圓盤旋轉l周后的上述讀取值f(e+40與f(e)之差g(e，》)的變化，對上述讀取值f(e)進行自校正，因此不需要特別的設備，并且作業員的負擔少，能夠簡單地、低成本地、高精度地進行水平編碼器和鉛垂編碼器的自校正，并且能夠獲得高精度的測角值。根據第二技術方案涉及的發明，由于本發明還使旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分且相鄰的旋轉位置中上述檢測器的讀取范圍重疊的位置，取得在旋轉一周內上述讀取值f(e+小)與f(e)之差g(e，們的平均值gm(4>)以及各個上述差g(e，4))與上述平均值gm(d>)之間的偏差h(e，4>)，通過在相鄰的旋轉角度位置上讀取范圍重疊的部分上使上述偏差h(e，(!))重疊并連續，進行從(T到360°的讀取值f(e)的自校正，因此能夠更迅速地進行自校正。根據第三技術方案涉及的發明，由于本發明還使取得上述讀取值f(e+4>)和f(e)的旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分的位置，根據上述讀取值f(e+4))與f(e)之差g(e，4>)的變化，求出上述差g(e，4>)作為傅立葉級數，根據該結果進行從(T到360°的讀取值f(e)的自校正，進行更高精度的自校正，能夠獲得高精度的測角值。根據第四技術方案涉及的發明，進而由于上述傅立葉級數求出i個以上的任意高次諧波，因此校正所需的時間不怎么增長，能夠提高校正精度。根據第五技術方案涉及的發明，進而由于上述任意角度4)使用l個以上的任意位置，因此能夠進一步提高校正精度。根據第六技術方案涉及的發明，由于將多次的讀取值平均來獲得上述讀取值，因此能夠減輕噪音等的影響，能夠更高精度地進行自校正。圖1是本發明及現有技術的旋轉編碼器的方框圖。圖2是表示本發明的旋轉編碼器中旋轉圓盤與CCD線性傳感器的位置關系的俯視圖。圖3是說明本發明的第一實施例涉及的旋轉編碼器中的自校正的方法的圖。圖4是表示上述旋轉編碼器中自校正的過程的流程圖。圖5是說明本發明的第二實施例涉及的旋轉編碼器中的自校正的方法的圖。圖6是表示上述第二實施例涉及的旋轉編碼器中自校正的過程的流程圖。符號說明1旋轉圓盤2光源3CCD線性傳感器(檢測器)6CPU(運算部)9、4>角度碼f(e)、f(e+4>)讀取值g(e，4>)=f(e+4>)—f(e)gm(*)=g(0，4>)的平均h(e，40=g(e，4>)—gm(具體實施例方式下面根據附圖詳細說明本發明。首先根據圖2圖4說明本發明的第一實施例。圖2為表示本實施例的絕對編碼器(以下僅記為編碼器)中旋轉圓盤與CCD線性傳感器的位置關系的俯視圖。圖3為用于說明該編碼器的自校正方法的圖。圖4為表示該編碼器的自校正的過程的流程圖。該編碼器除了具有下述自校正功能外，結構與圖1所示的現有技術的編碼器的結構相同。因此，有關該編碼器的結構的說明省略。因此，詳細說明該編碼器的自校正功能。在圖2的俯視圖中，假設從旋轉圓盤1的中心O向CCD線性傳感器3引出的垂線的垂點為A。并且，假設CCD線性傳感器3上的適當的點為B。CPU6利用CCD線性傳感器3分別讀出設在旋轉圓盤1上的A點和B點正下方的角度碼11，能夠進行內插處理來分別求出A點和B點上的角度的讀取值f(e)和f(e+d))。其中，假設A點與O。方向M之間的真角為6、角AOB的真角為(K此外，由于讀取值f(e)和f(9+4))為以360°為周期的周期函數，因此，如果使用傅立葉級數，則能夠以下式來表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中，n為表示高次諧波的次數的自然數(1、2、3、……，M/2)，An為第n次諧波的振幅，cin為第n次諧波的初始相位，M為刻度數，是偶數。因此，比較A點和B點各自的讀取值f(e)與f(e+4>)，求出用下式表示的兩者之差g(e，4>)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)該差g(e，4>)根據(i)、(2)式可如下表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)而且，若繼續計算，則g(0，<b)最終成為下式。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>這樣，g(e，4>)也能夠用以360。為周期的傅立葉級數表示。因此，如圖3的(A)所示，如果使旋轉圓盤1旋轉將360°N等分后的規定角度(例如5°)之后而在旋轉角ej的位置上獲得A點和B點上的讀取值f(ep和f(0j+》)，則能夠像圖3的(B)所示那樣求出公式(3)所表示的每規定角度9j的g(9j，d))。其中j-0、1、2、3、…'"、N—1。如果求出每規定角度0j的g(0j，巾)，則能夠用公知的方法計算出公式(5)中的傅立葉級數的各個系數Bo、Bn、Pn。這樣，如果求出Bo、B""，能夠進一步用公式(6)、(7)、(8)求出"An、an。這樣，如果知道An、an，則能夠根據將公式(1)變形后的下式來求出真角e。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(9)其中，E(0)-、廣A/sh("+"為誤差函數。這里，在誤差函數E(e)的傅立葉級數中不需要求出過高的高次諧波，在對徑檢測(対向検出)的旋轉編碼器中，由于消除了偏心誤差，因此多數情況下只要求出第二次諧波(n=2)就足夠了。即使求出了第三次諧波以上，也僅僅是增加了計算量和存儲容量，而校正精度大部分情況下并不怎么提高。為了實現更高的校正精度，需要除去干擾等的影響。因此，測量角度時多次從CCD線性傳感器3取得數據，并采用平均值，來求出讀取值f(e+40、f(e)。從以上說明可知，如果采用本實施例，不需要特別熟練的技術人員或昂貴的設備，就能夠求出測角值的誤差函數E(e)，能夠實現更高的校正精度。上述自校正一般在CPU6中進行。該自校正的步驟如圖4所示。首先，若啟動自校正程序，則進入步驟S1，取得CCD線性傳感器3上的2點A、B正下方的讀取值f(6j)、f(0j+cj))。在進行了規定次數的該讀取后，前進到步驟S2，計算出讀取值f(9j+*)、f(6j)的平均值。再前進到步驟S3，計算出2個讀取值f(8j+4>)、f(9j)之差g(9j，4>)=f(9j+4))—f(9j)并存儲。然后前進到步驟S4，檢查是否取得了所有預定的數據，即檢查是否取得了每個規定角度0j的g(6j,4))。例如，以9為5。的間隔在遍及360°檢查是否取得了g(0j，4>)。如果沒有取得所有預定的數據，則前進到步驟S5，手動使旋轉圓盤1旋轉規定的角度(也可以用步進電動機等自動進行)，并返回步驟S1。以后反復進行步驟S1S5。求出每個規定角度6j的g(0j，4>)并存儲。當在步驟S4中判定為己經進行了規定次數的數據取得時，前進到步驟S6，根據每個規定角度9j的g(6j，4>)計算出公式(5)所示的g(e，4>)的傅立葉級數的系數，即計算出Bo、Bn、Pn。再前進到步驟S7，根據該Bo、Bn、0n中計算出讀取值f(6)的誤差函數E(9)的傅立葉級數的系數，即計算出An、dn。然后前進到步驟S8，求出該An、dn并存儲。這樣一來，在以后的測量中能夠用公式(9)根據讀取值f(e)準確地求出真角e。下面根據圖2、圖5和圖6說明本發明的第二實施例。如圖2所示，如果在旋轉圓盤1的旋轉角9的位置上在CCD線性傳感器3的讀取范圍內將e固定，改變4>的值，則能求出讀取值f(e+4))的變化。讀取值f(g+d>)和f(9)與上述公式(1)和(2)—樣用下式表示。f(0)=0+S°°A*sin(n0+a)=0+E(0)(11)f(0+<f>)=(0+0)+2°°A*sin{n(0+<f>)+a}=(0+0)+E(0+0)(12)其中，E(e)為誤差函數。這里，計算出下式表示的兩讀取值f(e+4>)、f(e)之差g(e，"。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(13)當將(11)式和(12)式代入(13)式中時，為下式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(14)再像圖5的(A)所示那樣，在使旋轉圓盤1旋轉將360°N等分后的規定角度(例如5。)之后的旋轉角9j的位置上，邊移動B點，即邊改變4)，邊在CCD線性傳感器3的讀取范圍內求出B點上的讀取值f(0j+小)。但是，在相鄰的旋轉位置0j一p9j、6j+!上，f(9j一i，(!>')、f(9j,d))和f(9j+1，》")的讀取范圍重疊，并且j-0、1、2、3、……、N—1。如果這樣對每個規定角度0j求出公式(13)中表示的g(6j，4>),并且取該g(0j，4>)的平均值gm(小)，則如下式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(15)邁j=0j因此再計算用下式(16)定義的h(6j,4>)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(16)當將(14)式和(15)式代入(16)式中時，為下式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(17)其中，如果以6j的位置為基點認為E(9j)為常數，使E(ej)為Cj，則公式(17)如下式那樣書寫<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(18)雖然該Cj為未知數，但由于在相鄰的旋轉位置9j-,，9j上讀取范圍重疊，因此在重疊范圍內h(e卜!，4)')與h(9j，4>)必須一致。圖5的(B)所示的兩者之間的偏移調整量ACj用下式表示。<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>如果假設用該偏移調整量ACj調整后的h(0j，4))為h'(9j，4>)，則h'(0j，4)為下式。<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>以下，如果對每個角度9j計算出偏移調整量ACj，并將公式(18)和公式(19)代入公式(20)中，則獲得下式。<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>然后對任意的e，能夠獲得下式,<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>雖然該h'(9，0)中包含偏移量Cj-p但通常也可以忽略Cj-!，使h'(9，0)約等于誤差函數E(0)。因此，如果求出根據公式(16)求出的h(6j，4))作為誤差函數，再加上偏移調整量ACj求出調整后的h(e，0)，則真角0能夠從下式求出。<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>下面在圖6中表示該自校正的過程。首先，當啟動自校正程序時，前進到步驟Sll，一邊改變》一邊取得CCD線性傳感器3上的多個點正下方的讀取值f(6j+4))、f(8j)。在進行了規定次數的該讀取后，前進到步驟S12,計算出讀取值f(9j+cJ))、f(6j)的平均值。再前進到步驟S13，計算出2個讀取值之差g(9j，d))=f(0j+小)_f(ep。然后前進到步驟S14，檢查是否取得了預定的每個規定角度的所有數據，即檢查是否取得了與每個規定角度0j相對應的g(6j，4>)。例如，將0以5°為間隔在整個360°內檢查是否取得了預定的g(6j，4))。如果沒有取得預定的所有數據，則前進到步驟S15，手動使旋轉圓盤1旋轉規定的角度(也可以用步進電動機等自動進行)，并返回步驟Sll。以后反復進行步驟SllS15求出每個規定角度0j的g(6j，(J))并存儲。當在步驟S14中判定為已經取得了預定的所有數據時，前進到步驟S16，計算出g(9j，40的平均值gm(4>)(參照公式(15))。再前進到步驟S17，計算出h(6j，4))-g(9j，4>)—gm(4)(參照公式(16))。然后前進到步驟S18，計算出h(0j^，4)')與h(9j，4))之間的偏移調整量ACj(參照公式(19))。接著前進到步驟S19，將偏移調整量ACj加到h(0j，0)中求出誤差函數h'(e，0)并存儲。由此，在以后的測量中能夠用公式(23)根據讀取值f(e)準確地求出真角e。本實施例的情況下，由于能夠用少的計算量求出誤差函數V(ej,o)，因此能夠縮短自校正所需要的時間。但是，上述實施例也可能進行各種變形。例如，不一定要像上述第一實施例那樣求出從旋轉圓盤1的中心O向針對旋轉圓盤1的CCD線性傳感器3引出的垂直的垂點A和CCD線性傳感器3上的點B正下方的讀取值f(e)、f(e+小)，也可以求出CCD線性傳感器3上任意決定的多個位置的讀取值。并且，也可以選取圖2中CCD線性傳感器3上的第三點，用上述公式(2)制作4>=4>3的公式(2')，分別求出上述公式(1)和公式(2)以及上述公式(1)和公式(2')涉及的讀取值，根據它們分別求出誤差函數E(0)，再取平均值。而且，也可以用上述公式(2)作成4>=4>n(n=l、2、3、……)的公式(2")，分別求出上述公式(1)和公式(2")的讀取值，根據它們求出誤差函數E(e)再取平均值。權利要求1.一種旋轉編碼器，具備設置有角度碼的旋轉圓盤、照射上述角度碼的光源、讀取上述角度碼的檢測器、以及根據由該檢測器讀取的角度碼取得讀取值f(θ)的運算部，其特征在于，在每次使上述旋轉圓盤旋轉規定角度時，在將上述旋轉圓盤的旋轉角設為θ、將從該旋轉角θ開始在檢測器上的讀取范圍內的任意角度設為φ時，上述運算部取得上述檢測器上的讀取范圍內的讀取值f(θ+φ)和f(θ)，根據使上述旋轉圓盤旋轉1周后的上述讀取值f(θ+φ)與f(θ)之差g(θ，φ)的變化，對上述讀取值f(θ)進行自校正。2.如權利要求l所述的旋轉編碼器，其特征在于，使取得上述讀取值f(e+4>)和f(e)的旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分且相鄰的旋轉位置中上述檢測器的讀取范圍重疊的位置；取得在旋轉一周內上述讀取值f(0+4>)與f(e)之差g(e，小)的平均值gm(4>)以及各個旋轉位置上的上述差g(0，4>)與上述平均值gm(4>)之間的偏差h(e，4>)，通過在相鄰的旋轉角度位置上讀取范圍重疊的部分上使上述偏差h(e，do重疊并連續，進行從o。到360°的讀取值f(e)的自校正。3.如權利要求1所述的旋轉編碼器，其特征在于，使取得上述讀取值f(e+4>)和f(9)的旋轉圓盤的旋轉位置為將360°大致等分的位置，根據上述讀取值f(e+40與f(e)之差g(e，4>)的變化，求出上述差g(e，4>)作為傅立葉級數，根據該結果進行從0。到360°的讀取值f(0)的自校正。4.如權利要求3所述的旋轉編碼器，其特征在于，上述傅立葉級數求出1個以上的任意高次諧波。5.如權利要求14中的任一項所述的旋轉編碼器，其特征在于，上述任意角度小使用1個以上的任意位置。6.如權利要求15中的任一項所述的旋轉編碼器，其特征在于，通過將多次的讀取值平均，來獲得上述讀取值f(0+小)、f(e)。全文摘要本發明提供一種不需要特別設備且作業員的負擔少而對水平編碼器和鉛垂編碼器來說都能夠簡單地、低成本地、高精度地進行自校正的旋轉編碼器。該旋轉編碼器具備設置有角度碼(11)的旋轉圓盤(1)、照射角度碼的光源、讀取角度碼的CCD線性傳感器(3)、以及根據由該CCD線性傳感器讀取的角度碼取得讀取值f(θ)的運算部，在每次使旋轉圓盤旋轉規定角度時，在將旋轉圓盤的旋轉角設為θ、將從θ開始的角度設為φ時，根據CCD線性傳感器上的讀取范圍內的讀取值f(θ+φ)與f(θ)之差g(θ，φ)的變化，求出該差g(θ，φ)作為傅立葉級數，根據該結果進行從0°到360°的讀取值f(θ)的自校正。文檔編號G01D5/36GK101341378SQ200680048079公開日2009年1月7日申請日期2006年8月25日優先權日2006年1月27日發明者中村豐,彌延聰申請人:株式會社掃佳