公 開 版 平 成 25 年 度 戦 略 的 基 盤 技 術 高 度 化 支 援 事 業 リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダ 研 究 開 発 成 果 等 報 告 書 平 成 26 年 3 月 委 託 者 東 北 経 済 産 業 局 委 託 先 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 1
目 次 第 1 章 研 究 開 発 の 概 要 1-1 研 究 開 発 の 背 景 研 究 目 的 及 び 目 標 1-2 研 究 体 制 1-3 成 果 概 要 1-4 当 該 研 究 開 発 の 連 絡 窓 口 第 2 章 本 論 2-1 研 究 開 発 の 方 針 2-2 研 究 実 施 内 容 (1) 1 自 己 校 正 型 高 精 度 位 置 検 出 方 式 の 開 発 (2) 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 (3) 3 反 射 型 検 出 方 式 およびスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 (4) 4 小 型 エンコーダへの 搭 載 と 商 品 化 (5) 5 研 究 全 体 の 統 括 プロジェクトの 管 理 運 営 最 終 章 全 体 総 括 2
第 1 章 研 究 開 発 の 概 要 工 作 機 械 や 組 み 立 てロボットの 位 置 決 め 精 度 の 高 度 化 には 角 度 測 定 に 広 く 用 いら れているロータリーエンコーダの 高 精 度 化 が 不 可 欠 である 機 器 やロボットに 組 み 込 んだ 後 は 不 可 能 と 思 われたロータリーエンコーダの 角 度 誤 差 をリアルタイムに 評 価 し さらにその 誤 差 補 正 まで 行 う 低 価 格 で 小 型 な 次 世 代 ロータリーエンコーダを 研 究 し 角 度 制 御 の 信 頼 性 確 保 に 貢 献 できる 製 品 の 研 究 開 発 を 行 う これにより 位 置 決 めに 係 る 技 術 において 達 成 すべき 高 度 化 目 標 の 高 精 度 化 小 型 化 軽 量 化 低 コスト 化 の ための 技 術 向 上 と 寿 命 管 理 技 術 の 向 上 に 応 えることを 目 的 とする 1-1 研 究 開 発 の 背 景 研 究 目 的 及 び 目 標 ロータリーエンコーダの 高 精 度 化 技 術 について 従 来 技 術 の 様 に 部 品 の 高 精 密 化 高 剛 性 化 を 軸 としたハードウェア 開 発 は 重 要 である 本 研 究 の 新 技 術 はソフトウェア 処 理 技 術 によりロータリーエンコーダ 自 体 が 角 度 誤 差 を 検 出 できる 機 能 を 内 蔵 させた 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダによる 高 精 度 化 を 行 う しかし これまで 角 度 誤 差 の 解 析 にはコ ンピュータ(PC) 処 理 が 必 要 であることから 角 度 信 号 のリアルタイム 性 を 必 要 とする 工 作 機 械 には 導 入 が 困 難 であった 本 研 究 開 発 では 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダ の PC 処 理 を 必 要 としないリアルタイム 角 度 誤 差 処 理 回 路 を 開 発 し 小 型 ロータリーエン コーダの 高 精 度 化 低 コスト 化 を 実 現 する 位 置 決 めに 係 る 技 術 において 達 成 すべき 高 度 化 目 標 に 関 して 以 下 の 項 目 を 目 標 値 として 掲 げ 研 究 開 発 を 行 う 高 速 化 高 精 度 化 のための 技 術 の 向 上 角 度 精 度 ±1 の 角 度 信 号 を 出 力 できるロータリーエンコーダを 開 発 する 使 用 時 の 角 度 目 盛 り 誤 差 軸 偏 心 経 年 変 化 等 の 誤 差 を 検 出 し 補 正 することで 角 度 精 度 1 の 高 精 度 化 を 達 成 する これまでの 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダが PC を 用 いた 後 処 理 であったのに 対 して リアルタイム 処 理 回 路 を 開 発 することで 高 速 化 を 実 現 する 小 型 化 軽 量 化 のための 技 術 の 向 上 直 径 φ40 mm の 小 型 ロータリーエンコーダの 筐 体 に 自 己 校 正 機 能 を 内 蔵 する 技 術 の 開 発 を 行 う 低 コスト 化 のための 技 術 の 向 上 製 品 化 を 考 慮 すると リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 価 格 は 約 10 万 円 で 市 販 される 事 が 目 標 である ロータリーエンコーダ 部 リアルタイム 処 理 回 路 部 (コンピュータ+ 角 度 誤 差 補 正 処 理 )を 一 体 化 したオールインワンを 実 現 す ることで 小 型 化 と 低 コスト 化 を 両 立 させる 寿 命 管 理 技 術 の 向 上 自 己 校 正 機 能 は 使 用 時 に 様 々な 角 度 誤 差 要 因 を 検 出 できる 経 年 変 化 による 角 度 誤 差 までも 補 正 できることから 安 全 性 と 信 頼 性 の 向 上 を 図 ることができる また 自 己 校 正 値 の 変 化 の 変 化 を 記 録 することにより 工 作 機 械 の 回 転 軸 の 異 常 を 検 出 す ることが 可 能 なことから 寿 命 管 理 技 術 に 応 用 することが 可 能 である 以 上 の 寿 命 管 理 技 術 について 検 討 する 3
1-2 研 究 体 制 (1) 研 究 組 織 及 び 管 理 体 制 1) 研 究 組 織 ( 全 体 ) 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 再 委 託 ネミコン 株 式 会 社 エ モーションシステム 株 式 会 社 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 総 括 研 究 代 表 者 (PL) 副 総 括 研 究 代 表 者 (SL) 所 属 組 織 名 :ネミコン 株 式 会 社 所 属 組 織 名 : 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 所 属 役 職 : 技 術 開 発 課 長 所 属 役 職 : 上 級 主 任 研 究 員 氏 名 : 佐 々 木 司 氏 名 : 渡 部 司 2) 管 理 体 制 1 事 業 管 理 機 関 [ 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター] 理 事 長 専 務 理 事 理 事 企 画 管 理 部 ( 業 務 管 理 者 ) 技 術 支 援 部 部 長 ( 経 理 担 当 者 ) 技 術 総 務 課 課 長 技 術 振 興 課 再 委 託 先 ネミコン 株 式 会 社 エ モーションシステム 株 式 会 社 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 4
2( 再 委 託 先 ) ネミコン 株 式 会 社 代 表 取 締 役 社 長 応 用 技 術 部 ( 業 務 管 理 者 ) 技 術 開 発 部 コントローラ 部 ( 経 理 担 当 者 ) エ モーションシステム 株 式 会 社 代 表 取 締 役 社 長 技 術 開 発 部 ( 業 務 管 理 者 ) 総 務 ( 経 理 担 当 者 ) 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 理 事 長 計 測 標 準 研 究 部 門 ) ( 業 務 管 理 者 ) 長 さ 計 測 科 幾 何 標 準 研 究 室 総 務 本 部 財 務 部 経 理 室 ( 経 理 担 当 者 ) (2) 経 理 担 当 者 及 び 業 務 管 理 者 の 所 属 氏 名 事 業 管 理 機 関 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 技 術 支 援 部 ( 経 理 担 当 者 ) 技 術 支 援 部 技 術 総 務 課 課 長 鹿 目 敦 夫 ( 業 務 管 理 者 ) 技 術 支 援 部 部 長 栗 花 信 介 再 委 託 先 エ モーション 株 式 会 社 ( 経 理 担 当 者 ) 総 務 経 理 澤 田 和 子 ( 業 務 管 理 者 ) 代 表 取 締 役 社 長 大 貫 康 治 ネミコン 株 式 会 社 ( 経 理 担 当 者 )コントローラ 部 コントローラ( 部 長 ) 奥 谷 隆 ( 業 務 管 理 者 ) 代 表 取 締 役 社 長 軒 一 夫 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ( 経 理 担 当 者 ) 総 務 本 部 財 務 部 経 理 室 長 井 佐 好 雄 ( 業 務 管 理 者 ) 計 測 標 準 研 究 部 門 長 千 葉 光 一 5
(3) 他 からの 指 導 協 力 者 名 及 び 指 導 協 力 事 項 研 究 推 進 会 議 委 員 氏 名 所 属 役 職 備 考 佐 々 木 司 ネミコン 株 式 会 社 技 術 開 発 課 長 PL 委 渡 部 司 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 上 級 主 任 研 究 員 SL 大 貫 康 治 エ モーションシステム 株 式 会 社 代 表 取 締 役 委 小 倉 康 二 渡 部 恵 教 水 船 雅 年 エ モーションシステム 株 式 会 社 技 術 開 発 部 主 任 研 究 員 エ モーションシステム 株 式 会 社 技 術 開 発 部 研 究 員 エ モーションシステム 株 式 会 社 技 術 開 発 部 研 究 員 荻 島 哲 夫 ネミコン 株 式 会 社 応 用 技 術 部 長 委 羽 賀 博 ネミコン 株 式 会 社 開 発 部 長 委 宗 像 顕 夫 ネミコン 株 式 会 社 技 術 開 発 係 長 委 益 田 正 静 岡 理 科 大 学 理 工 学 部 機 械 工 学 部 教 授 アドバイザー 前 原 弘 之 大 城 勝 己 江 原 史 和 東 芝 機 械 株 式 会 社 制 御 システム 技 術 部 部 長 株 式 会 社 小 坂 研 究 所 精 密 機 器 事 業 部 課 長 株 式 会 社 小 坂 研 究 所 精 密 機 器 事 業 部 係 長 アドバイザー アドバイザー アドバイザー 委 委 委 栗 花 信 介 山 崎 智 史 市 川 俊 基 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 技 術 支 援 部 長 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 技 術 支 援 部 技 術 振 興 課 長 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 技 術 支 援 部 技 術 振 興 課 事 業 管 理 機 関 事 業 管 理 機 関 事 業 管 理 機 関 アドバイザー 氏 名 益 田 正 前 原 弘 之 大 城 勝 己 江 原 史 和 主 な 指 導 協 力 事 項 角 度 校 正 原 理 に 関 するアドバイス 市 場 適 用 のための 企 画 仕 様 技 術 指 導 課 題 要 望 等 のアドバイス 市 場 適 用 のための 企 画 仕 様 技 術 指 導 課 題 要 望 等 のアドバイス 市 場 適 用 のための 企 画 仕 様 技 術 指 導 課 題 要 望 等 のアドバイス 1-3 成 果 概 要 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダのリアルタイム 角 度 誤 差 処 理 技 術 の 実 現 のために データ 処 理 部 とエンコーダ 本 体 部 で 次 の 開 発 を 行 った データ 処 理 部 では まずパルス 測 定 型 回 路 にリアルタイム 信 号 処 理 機 能 を 追 加 したリアルタイム 校 正 型 回 路 を FPGA ボード を 用 いて 開 発 した さらに 基 板 サイズが 50 mm 50 mm の 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードを 開 発 した エンコーダ 本 体 部 では 透 過 型 と 反 射 型 のセンサヘッドを 用 い て 直 径 φ86 mm~φ41.4 mm のサイズのスリット 板 (スケール)を 用 いて 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 製 作 した エンコーダが 出 力 する 角 度 信 号 と 内 挿 回 路 による 逓 倍 後 の 角 度 信 号 の 品 質 評 価 を 行 い φ40 mm のサイズでも 角 度 の 高 分 解 能 化 と 高 品 質 な 角 度 信 号 を 出 力 することが 可 能 なエンコーダを 開 発 した データ 処 理 部 とエンコーダ 本 体 部 を 結 合 したリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 実 現 した リアルタイムに 出 力 される 角 度 誤 差 を 高 精 度 な 角 度 校 正 装 置 により 測 定 した 角 度 誤 差 と 比 較 した 結 果 から 差 が 約 ±1 を 示 し 目 標 の 精 度 を 達 成 していることを 確 認 した これらの 成 果 をもとに 製 品 価 格 の 分 析 を 行 った エンコーダ 構 成 要 素 の 材 料 費 は 3 万 円 を 切 る 事 が 可 能 であり 製 品 価 格 10 万 円 は 十 分 実 現 できることがわかった 当 該 事 業 の 目 標 である 角 度 誤 差 補 正 を 6
行 う 低 価 格 で 小 型 なリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 実 現 し 角 度 制 御 の 信 頼 性 確 保 に 貢 献 できる 製 品 の 研 究 開 発 を 達 成 した 1-4 当 該 研 究 開 発 の 連 絡 窓 口 市 川 俊 基 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター 技 術 支 援 部 技 術 振 興 課 電 話 :024-959-1951 メール:ichikawa@f-open.or.jp 大 貫 康 治 エ モーションシステム 株 式 会 社 電 話 :03-5437-1160 メール:onuki@e-motionsystem.com 佐 々 木 司 ネミコン 株 式 会 社 技 術 開 発 部 電 話 :0248-32-2361 メール:tsukasa_sasaki@nemicon.co.jp 渡 部 司 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 計 測 標 準 研 究 部 門 電 話 :029-861-4041 メール:t.watanabe@aist.go.jp 7
第 2 章 本 論 2-1 研 究 開 発 の 方 針 これまでの 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダは 自 己 校 正 値 を 求 めるための 角 度 誤 差 の 解 析 にはPC 処 理 が 必 要 であり エンコーダとPCの 間 にある 信 号 処 理 回 路 も 一 時 的 にデータを 保 存 するメモリ 領 域 や 時 間 クロックを 基 準 とするカウンタ 回 路 等 が 内 蔵 され るためサイズが 大 きく システム 全 体 規 模 の 大 型 化 は 避 けられなかった また 角 度 誤 差 検 出 の 高 精 度 化 を 追 求 するため 自 ずとスリット 円 板 ( 目 盛 盤 )やセンサヘッド( 検 出 素 子 )も 市 販 の 高 品 質 の 部 品 を 選 定 して 製 作 されてきたため 高 価 であった 当 該 研 究 で はスリット 円 板 ( 目 盛 盤 )やセンサヘッド( 検 出 素 子 )の 低 価 格 化 と 小 型 化 とともに 信 号 処 理 回 路 にこれまでPCが 処 理 していた 解 析 作 業 も 含 めることにより システム 全 体 のダウンサイズと 低 価 格 化 を 実 現 する リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコー ダの 開 発 は 大 きく 分 けて 4つの 技 術 要 素 開 発 からなる 1 自 己 校 正 型 高 精 度 位 置 検 出 方 式 の 開 発 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダのリアルタイム 処 理 に 関 する 角 度 信 号 処 理 の 原 理 を 開 発 する 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダのリアルタイム 処 理 原 理 に 基 づく 信 号 処 理 回 路 の 設 計 と 開 発 を 行 う 当 該 回 路 はロータリーエンコーダ 組 み 込 み 型 ばかりでなく 外 付 け 型 も 検 討 し 数 万 円 で 市 販 できる 低 コスト 化 を 目 標 とした 開 発 を 行 う 3 反 射 型 検 出 方 式 とスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダを 直 径 φ40 mmの 筐 体 サイズに 収 納 することを 技 術 的 目 標 値 とし ロータリーエンコーダのセンサの 反 射 型 検 出 方 式 とスリット 円 板 ( 目 盛 盤 ) 製 造 工 法 の 改 良 及 び 新 規 開 発 を 行 う 4 小 型 エンコーダへの 搭 載 と 商 品 化 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダの 筐 体 サイズ 直 径 φ40 mmで 角 度 精 度 1 低 コスト 化 10 万 円 を 目 標 とした 総 合 的 な 開 発 を 行 う スリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 寸 法 が 直 径 約 φ100 mm~φ40 mm に 対 して 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダのリアルタイム 信 号 処 理 に 関 する 原 理 を 開 発 する この 原 理 に 対 応 した 処 理 回 路 とロータリーエンコーダ 本 体 を 製 作 し その 実 証 実 験 を 行 いながら 徐 々 に 小 型 化 (φ40 mm)を 実 施 する 8
2-2 研 究 実 施 内 容 (1) 1 自 己 校 正 型 高 精 度 位 置 検 出 方 式 の 開 発 ( 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ( 主 担 当 ) ネミコン 株 式 会 社 エ モーションシス テム 株 式 会 社 ) 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 で 開 発 した 自 己 校 正 機 能 付 エンコーダの 原 理 を 基 礎 技 術 として これを 高 度 化 したリアルタイム 信 号 処 理 の 原 理 に 対 して スリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 寸 法 目 盛 り 数 センサヘッド 数 等 を 検 討 し 2で 開 発 するリアルタイム 処 理 回 路 の 原 理 の 決 定 と3で 開 発 するエンコーダ 用 の 光 学 検 出 素 子 (センサヘッド)とスリット 円 板 ( 目 盛 盤 )に 適 した 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダの 構 造 決 定 を 行 った 23で 開 発 したロータリーエンコーダを 自 己 校 正 型 角 度 測 定 装 置 を 用 いて 角 度 精 度 の 評 価 を 行 い スリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 寸 法 目 盛 り 数 センサヘッド 数 の 最 適 化 を 実 施 した 1-1 リアルタイム 処 理 回 路 の 基 本 方 式 設 計 および 高 精 度 小 型 低 コスト 化 の 方 式 検 討 これまで 実 現 してきた 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダは 図 1に 示 す 様 に1 枚 の スリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 目 盛 位 置 に 複 数 個 のセンサヘッドを 等 角 度 間 隔 に 配 置 し それ ぞれのセンサヘッドが 検 出 した 角 度 信 号 を 一 旦 データ 取 得 回 路 内 にあるメモリに 保 存 し コンピュータに 転 送 後 に 角 度 誤 差 ( 誤 差 の 補 正 値 )を 解 析 する 後 処 理 である 従 って 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダを 内 蔵 した 装 置 であっても エンコーダから 出 力 され る 角 度 信 号 はそのままでは 高 精 度 化 が 実 現 されておらず ユーザーがコンピュータで 解 析 した 角 度 誤 差 ( 補 正 値 )を 用 いて 角 度 信 号 に 対 して 補 正 することでロボットや 工 作 機 器 の 回 転 制 御 を 行 うコントローラ 等 で 利 用 できる 高 精 度 化 が 実 現 できていた 本 研 究 で 開 発 するリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダは 図 2に 示 す 様 に 図 1ではコンピュータが 行 っていた 角 度 誤 差 解 析 をデータ 取 得 回 路 内 で 行 い エンコーダ から 出 力 される 角 度 誤 差 を 含 んだ 角 度 信 号 に 対 して 補 正 することで 角 度 誤 差 が 含 まれて いない 高 精 度 な 角 度 信 号 を 出 力 する 特 徴 を 持 つ 数 社 の 異 なる 検 出 感 度 のセンサヘッドを 用 い 異 なる 直 径 (φ100 mm~φ40 mm) の 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダを 製 作 し それらの 角 度 精 度 評 価 を 自 己 校 正 型 角 度 測 定 装 置 を 用 いて 行 い エンコーダの 最 適 な 寸 法 目 盛 り 数 センサヘッドの 数 などを 決 定 した また センサヘッドが 出 力 する 目 盛 り 信 号 をさらに 分 割 する 電 気 内 挿 回 路 の 仕 様 を 検 討 し 最 小 直 径 φ40 mm における PC を 使 用 しないリアルタイム 信 号 処 理 の 原 理 を 確 立 した 本 研 究 で 開 発 するリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダのデータ 取 得 回 路 の 原 理 では リアルタイム 処 理 を 実 現 する 原 理 として 各 センサヘッドからの 信 号 に 対 して 高 分 解 能 化 する 必 要 があり 図 3に 示 すように 電 気 内 挿 回 路 を 各 センサヘッドに 取 り 付 ける 原 理 を 考 案 した ( 詳 細 は 特 許 性 があるため 本 成 果 報 告 書 では 記 載 しない) 9
図 1 従 来 の 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダの 全 体 図 コンピュータを 用 いて 解 析 し 得 られた 角 度 誤 差 をコントローラ 内 で 補 正 図 2 リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダ 全 体 図 データ 取 得 回 路 内 で 角 度 誤 差 を 解 析 し 補 正 した 信 号 を 出 力 図 3 リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 概 念 図 10
リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 原 理 をもとに 次 節 2 3で 製 作 する エンコーダ 本 体 と 信 号 処 理 回 路 に 要 求 される 技 術 的 要 求 事 項 の 検 討 を 行 った 本 研 究 で 目 標 としているリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 仕 様 は 精 度 1 大 きさ 直 径 φ40 mm であり 使 用 する 目 盛 線 の 角 度 ピッチを 80 µm とする 1) 分 解 能 <1 分 解 能 1 以 下 を 実 現 するためには 360 =1,296,000 であるから 最 低 でも 1,296,000 パルスの 角 度 信 号 の 分 解 能 が 必 要 である φ40 mm の 円 周 の 長 さは(40 1000)[µm] πで 表 されるから 分 解 能 <1 を 実 現 するためには 角 度 ピッチが 0.097[µm] 以 下 になる 必 要 がある (40 1,000)[µm] π (360 60 60)[ ]=0.097[µm] 従 って 目 盛 線 の 角 度 ピッチを 80 µm のスリット 円 板 を 用 いる 場 合 さらに 825 倍 の 逓 倍 が 必 要 になる 一 般 に 電 気 内 挿 回 路 により 逓 倍 する 場 合 分 割 による 誤 差 がある 場 合 には 逓 倍 率 が 高 くなるほど 実 質 的 に 原 信 号 の 品 質 つまりロータリーエンコーダが 出 力 す るアナログ 信 号 であるA 相 とB 相 によって 作 成 されるリサージュ 形 状 が 真 円 に 近 い 事 が 要 求 される 従 って 本 事 業 で 求 められる 電 気 内 挿 回 路 による 逓 倍 には 自 ずと 限 界 があり 概 ね 512 逓 倍 と 推 定 される しかし ここで 必 要 とされる 分 解 能 は 825 倍 の 逓 倍 以 上 で あることから 必 要 な 倍 率 を 確 保 するために 512 逓 倍 されたA 相 のUP 信 号 のみを 用 い るのではなく A 相 のDOWN 信 号 さらにB 相 のUPとDOWN 信 号 も 利 用 することに より 最 大 512 逓 倍 の4 倍 まで 角 度 ピッチ 間 を 分 割 する 方 法 を 採 用 することとした これにより 角 度 ピッチ 80 µm 1,500 基 本 目 盛 でスリット 円 板 を 製 作 した 場 合 直 径 が 38.2 mm で 分 割 数 が 1,500 基 本 目 盛 512 逓 倍 4 倍 =3,072,000 パルスの 角 度 信 号 を 出 力 することになり 分 解 能 0.42 の 1 より 小 さい 分 解 能 を 達 成 することが 可 能 になる 2) 電 気 内 挿 回 路 の 誤 差 <1 電 気 内 挿 回 路 を 用 いて 基 本 目 盛 ピッチを 分 割 する 場 合 一 般 的 に 基 本 目 盛 ピッチの 数 % の 内 挿 誤 差 を 持 つといわれている そこで 直 径 φ40 mm で 検 討 すると 基 本 目 盛 数 が 約 1,500 本 であり この 場 合 は 目 盛 ピンチの 角 度 が 864 となることから 電 気 内 挿 回 路 の 誤 差 <1 の 条 件 をクリアーするためには 電 気 内 挿 回 路 の 誤 差 を 目 盛 ピッチの 0.1 % 以 下 にする 必 要 がある しかし 一 般 的 に 電 気 内 挿 回 路 の 誤 差 は 目 盛 ピッチの1 % 程 度 であ ると 云 われていることから 電 気 内 挿 誤 差 を 1 % 以 下 にする 内 挿 回 路 の 実 現 が 必 要 になっ てくる この 議 論 については (2) 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 の2-4 基 板 実 装 設 計 および (3) 3 反 射 型 検 出 方 式 およびスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 の 実 験 7 にて 報 告 する 3)センサヘッドの 個 性 本 研 究 で 開 発 するリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダは 同 一 のスリット 円 板 ( 目 盛 盤 )に 複 数 個 のセンサヘッドを 等 しい 角 度 間 隔 に 配 置 する 必 要 がある しかし 実 際 には 等 角 度 間 隔 に 配 置 することは 難 しく 低 価 格 に 製 作 するためにはセンサヘッドを 一 つ 一 つ 位 置 の 微 調 整 する 作 業 を 行 うことはできない センサヘッドの 個 性 による 精 度 に よる 影 響 や センサがスリット 円 板 に 対 しての 感 度 の 変 化 が 影 響 する 事 を 確 かめた 詳 細 については (3) 3 反 射 型 検 出 方 式 およびスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 で 報 告 する 11
1-2 評 価 1-1の 検 討 結 果 にもとづき 3で 開 発 したロータリーエンコーダ 部 と2で 開 発 したリ アルタイム 信 号 処 理 回 路 を 自 己 校 正 型 角 度 測 定 装 置 を 用 いて 性 能 評 価 し ロータリーエ ンコーダ 部 とリアルタイム 信 号 処 理 回 路 の 最 適 化 に 必 要 な 情 報 収 集 を 行 い リアルタイム 自 己 校 正 ロータリーエンコーダの 原 理 確 立 を 行 った その 結 果 リアルタイム 自 己 校 正 ロータリーエンコーダを 製 作 する 上 で 筐 体 サイズ 直 径 φ40 mm で 角 度 精 度 1 低 コスト 化 10 万 円 を 目 標 とした 総 合 的 な 開 発 を 行 うた めには 図 4に 示 したパラメータを 元 に 製 作 する 事 が 可 能 であるとの 結 果 を 得 ることがで きた その 他 の 仕 様 または パラメータについては(2) 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 および(3) 3 反 射 型 検 出 方 式 およびスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 にて 報 告 する 素 材 ガラス スリット 円 板 直 径 φ40 mm 目 盛 ピッチ 80 µm センサヘッド 基 本 目 盛 数 基 板 搭 載 位 置 のばらつき センサヘッド 数 1,500 本 ±0.1 mm 7 個 逓 倍 器 ( 電 気 内 挿 回 路 ) 分 割 512 逓 倍 4 倍 (AB 相 ) リアルタイム 処 理 回 路 回 路 ロジック シリアル 通 信 規 格 FPGA BISS -C 図 4 リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダのパラメータ 12
(2) 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 (エ モーションシステム 株 式 会 社 ( 主 担 当 ) 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ネミ コン 株 式 会 社 ) リアルタイム 処 理 の 原 理 をふまえて カウンタ 法 の 方 式 により 角 度 校 正 値 を 取 得 するパ ルス 測 定 型 回 路 開 発 した 次 にパルス 測 定 型 回 路 の 評 価 実 験 を 行 い ロータリーエンコー ダの 角 度 誤 差 をリアルタイムに 測 定 するリアルタイム 校 正 システムを 開 発 した (1)カウンタ 法 アルゴリズムを 採 用 しエンコーダの 角 度 誤 差 を 常 時 測 定 するリアルタイ ム 校 正 型 回 路 を 開 発 した (2)リアルタイム 校 正 型 回 路 を 実 装 したリアルタイム 校 正 用 FPGA ボードの 開 発 を 行 い 従 来 の FPGA ボードと 比 較 して 68 %の 小 型 化 を 実 現 した (3)リアルタイム 校 正 型 回 路 を 実 装 した FPGA ボードで 測 定 した 角 度 誤 差 データをシリ アル 転 送 する 技 術 を 開 発 した (4)これら 開 発 したリアルタイム 校 正 用 FPGA ボード 及 びシリアル 転 送 技 術 と3で 開 発 した 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 組 み 合 わせた 結 合 実 験 により 最 適 なリア ルタイム 校 正 型 回 路 の 調 整 を 行 い リアルタイム 校 正 システムを 実 現 した 2-1 自 己 校 正 回 路 のリアルタイム 補 正 方 式 開 発 従 来 の 時 間 変 換 法 とは 異 なるリアルタイム 処 理 の 原 理 をふまえて カウンタ 方 式 による パルス 測 定 型 回 路 を 設 計 し エ モーションシステム( 株 ) 製 の 時 間 変 換 法 の 時 間 測 定 型 回 路 を 改 造 することで パルス 測 定 型 回 路 の FPGA ボードボードを 開 発 した パルス 測 定 型 回 路 を 実 装 する FPGA ボードは 各 センサヘッドから 出 力 される 角 度 目 盛 信 号 に 対 して 電 気 内 挿 による 数 十 倍 ~ 数 千 倍 された 角 度 パルス 信 号 を 一 旦 回 路 内 のメモリに 保 存 する その 後 そのデータをコンピュータに 出 力 し 解 析 するためリアルタイム 処 理 ではない しか し 原 理 実 証 実 験 装 置 ( 実 験 器 )( 図 5 参 照 )を 用 いて 擬 似 的 にリアルタイム 原 理 の 検 証 を 行 う 事 は 可 能 である パルス 測 定 型 回 路 と 時 間 測 定 型 回 路 のデータから 角 度 誤 差 を 解 析 する 実 験 により( 図 6 参 照 ) 両 回 路 による 角 度 誤 差 の 差 が±0.25 程 度 の 差 で 良 い 一 致 を 示 していることを 確 認 した( 図 7 参 照 ) これによりリアルタイム 補 正 方 式 の 原 理 が 確 認 された 図 5 原 理 実 証 実 験 装 置 ( 実 験 器 ) センサヘッドを12 個 設 置 13
図 6 時 間 変 換 法 とカウンタ 法 による 角 度 誤 差 の 比 較 図 7 時 間 変 換 法 とカウンタ 法 による 角 度 誤 差 の 差 2-2 アルゴリズム 開 発 FPGAボードを 用 いて 開 発 したパルス 測 定 型 回 路 を 基 礎 として リアルタイム 校 正 用 アルゴリズムの 研 究 を 行 い パルス 測 定 型 回 路 と 同 様 にカウンタ 法 によるリアルタイム 校 正 型 回 路 の 開 発 に 成 功 した パルス 測 定 型 回 路 は エンコーダ1 周 分 の 角 度 信 号 データを 一 旦 パルス 測 定 型 回 路 の FPGAボード 上 にあるメモリに 保 存 し その 保 存 された 角 度 信 号 データを 外 部 PCに 転 送 した 後 外 部 PCの 解 析 ソフトウェアにて 角 度 誤 差 の 解 析 処 理 を 行 うため リアルタ イム 処 理 ではなかった これに 対 し 新 たに 開 発 したリアルタイム 校 正 型 回 路 は ロータ リーエンコーダから 出 力 された 角 度 信 号 データから 角 度 誤 差 を 解 析 する 過 程 までを 回 路 内 で 実 施 し 解 析 結 果 のみをメモリに 保 存 する 回 路 である その 解 析 結 果 は 外 部 PCに 転 送 表 示 されるが PCは 結 果 を 表 示 するだけであり データ 取 得 から 解 析 に 至 る 全 て 14
の 処 理 をFPGAボード 内 で 実 施 することになる 解 析 された 角 度 誤 差 データはシリアル 通 信 にて 転 送 することでリアルタイムの 角 度 誤 差 解 析 及 びデータ 転 送 を 実 現 した なお シリアル 転 送 の 開 発 については 2-4で 報 告 する リアルタイム 校 正 型 回 路 のアルゴリズム 検 証 のため 図 5に 示 す 原 理 実 証 実 験 装 置 の 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダに 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 をそれ ぞれ 取 り 付 けて( 図 8 参 照 ) 比 較 実 験 を 行 った 測 定 した 角 度 誤 差 は 図 9に 示 す 校 正 データ 表 示 ソフトにてPC 画 面 上 に 表 示 される グラフの 横 軸 はエンコーダが 示 す 角 度 位 置 ( 単 位 :[ ] 度 ) 縦 軸 は 角 度 誤 差 値 ( 単 位 [ ] 秒 )である 図 8 時 間 測 定 型 回 路 ( 下 部 ) パルス 測 定 型 回 路 ( 中 部 ) リアルタイム 校 正 型 回 路 のFPGAボード( 上 部 ) 図 9 角 度 誤 差 グラフ ( 赤 : 時 間 測 定 型 回 路 による 結 果 白 :リアルタイム 校 正 型 回 路 による 結 果 比 較 しやすいように 時 間 測 定 型 回 路 による 結 果 を 縦 軸 -10 ずらして 表 示 している ) 15
実 験 は 3で 開 発 している 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 仕 様 (4ヘッド 4,500 基 本 目 盛 64 逓 倍 )と 同 一 条 件 で 測 定 するために 原 理 実 証 実 験 装 置 の 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを4ヘッド 18,000 基 本 目 盛 16 逓 倍 および32 逓 倍 の 条 件 に 設 定 し リアルタイム 校 正 型 回 路 により 測 定 した 角 度 誤 差 と 時 間 測 定 型 回 路 によ り 測 定 した 角 度 誤 差 との 比 較 を 行 った 図 10に 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 の16 逓 倍 および32 逓 倍 により 測 定 した 角 度 誤 差 の 結 果 を 示 す 時 間 測 定 型 回 路 と 比 較 するとその 差 は 図 11 図 12に 示 すようにそれぞれ16 逓 倍 の 時 は±1.26 32 逓 倍 の 時 は±0.64 であった 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 の 測 定 結 果 の 差 は リアルタイム 校 正 型 回 路 の 角 度 分 解 能 が 要 因 であると 推 定 される 16 逓 倍 時 は18,000 基 本 目 盛 16 逓 倍 4 倍 = 1,152,000パルスでありその 分 解 能 は1.125 である 時 間 法 による 角 度 誤 差 に 比 較 して±1.26 の 差 はこの 分 解 能 に 近 いものとなっている 同 様 に32 逓 倍 時 は18,000 基 本 目 盛 32 逓 倍 4 倍 =2,304,000パルスであり この 時 の 分 解 能 は0.56 であり ±0.64 の 差 はこの 分 解 能 に 近 い すなわちリアルタイム 校 正 型 回 路 では 角 度 の 分 解 能 の 分 だけ 角 度 信 号 検 出 の 不 感 部 分 が 生 じるため 時 間 変 換 法 による 角 度 誤 差 の 値 との 間 に 偏 差 が 生 じるものと 考 えられる 以 上 時 間 変 換 型 回 路 による 測 定 値 と 比 較 して 想 定 通 りの 測 定 結 果 を 得 ることができ リアルタイム 校 正 型 回 路 の 有 用 性 を 確 認 することが できた 図 10 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 の 16 逓 倍 と 32 逓 倍 による 角 度 誤 差 データ( 横 軸 : 基 本 目 盛 の 番 号 縦 軸 : 角 度 誤 差 ( 単 位 [ ] 秒 )) 16
図 11 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 (16 逓 倍 )の 角 度 誤 差 の 差 図 12 時 間 測 定 型 回 路 とリアルタイム 校 正 型 回 路 (32 逓 倍 )の 角 度 誤 差 の 差 ( 横 軸 :エンコーダ 位 置 ( 単 位 [ ]) 縦 軸 : 角 度 誤 差 ( 単 位 [ ] 秒 ) 2-3 IC 化 による 超 小 型 化 電 装 BOX のモジュール 化 に 向 け 2-2で 開 発 したリアルタイム 型 回 路 を 実 装 する FPGA ボードの 小 型 化 の 設 計 開 発 を 行 い 50 mm 50 mm という 小 型 FPGA ボード の 開 発 に 成 功 した これは 従 来 の FPGA ボードのサイズ 120 mm 65 mm と 比 較 して 約 68 %の 小 型 化 を 実 現 したことになる( 図 13 参 照 ) 開 発 したリアルタイム 校 正 用 FPGA ボードの 外 観 を 図 13 に その 主 な 仕 様 を 図 14 に 示 す ボードの 寸 法 は 50 mm 50 mm の 6 層 である FPGA のクロック 周 波 数 は 75 MHz であり 5,000 パルスのスリット 円 板 に 200 逓 倍 の 内 挿 信 号 を 加 えた 場 合 であっ 17
ても 10,000 rpm に 対 応 できる ( 但 し 実 験 器 に 使 用 している 逓 倍 器 の 応 答 周 波 数 によ り 最 大 で 600 rpm 程 度 の 高 速 回 転 が 限 度 である )またシリアル 通 信 用 に RS485 用 シリアル IC とインターフェースを 備 えている 加 えてチェック 用 として RS232C イン ターフェースが 設 けられている リアルタイム 校 正 用 に 特 化 した 設 計 のため 汎 用 I/O は 36 本 (5V)になっている 図 14 に 開 発 した 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードの 主 な 仕 様 を 示 す 図 13 時 間 測 定 型 回 路 用 FPGA ボード( 上 )と 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボード( 下 ) 図 14 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードの 仕 様 今 回 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードの 大 幅 な 小 型 化 を 実 現 したが 次 のステップと してさらなる 小 型 化 低 価 格 化 が 期 待 できる 今 回 開 発 したリアルタイム 校 正 用 FPGA ボードは 実 験 器 12 台 のエンコーダ 信 号 入 力 用 に 設 計 しているのであり 自 己 校 正 型 ロー タリーエンコーダのセンサヘッド 数 が 少 なければそれだけ 汎 用 I/O 数 を 削 減 できる 対 応 する 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダに 特 化 した FPGA ボードを 設 計 することで 今 より さらに3 割 程 度 の 小 型 化 が 可 能 であるとの 試 算 が 出 ている これによりエンコーダ 本 体 と 18
の 一 体 化 を 期 待 することができる また 同 時 に 低 価 格 化 の 実 現 も 可 能 である FPGA ボードをより 小 型 化 することで 1 万 円 から 数 万 円 の 価 格 が 期 待 できる 2-4 基 板 実 装 設 計 2-2で 開 発 したリアルタイム 校 正 型 回 路 で 解 析 された 角 度 誤 差 情 報 をリアルタイムで 出 力 するには 出 力 信 号 のシリアル 化 が 不 可 欠 である そこでオープンプロトコルである BISS -C シリアルを 選 定 し リアルタイム 校 正 型 回 路 用 FPGA ボードにより 解 析 された 角 度 誤 差 データをシリアル 転 送 するリアルタイム 校 正 システムを 構 築 し 実 験 器 による 評 価 を 行 った この 評 価 実 験 により 時 間 測 定 型 回 路 で 測 定 した 角 度 誤 差 と 比 較 して リアル タイム 校 正 により 測 定 した 角 度 誤 差 は±0.59 の 精 度 で 一 致 するという 結 果 を 得 た これ によりリアルタイム 校 正 システムは 1 以 下 の 測 定 精 度 を 達 成 することを 実 証 した 図 15 に 今 回 開 発 したデータのシリアル 転 送 の 主 な 仕 様 を 示 す リアルタイム 校 正 システムによる 角 度 誤 差 測 定 には 以 下 の 特 色 がある ( 図 16-1,-2, -3 参 照 ) 1 測 定 開 始 と 同 時 に 角 度 誤 差 を 表 示 する ( 図 16-1) 2エンコーダが 停 止 するとその 位 置 における 角 度 誤 差 を 表 示 し 続 ける 3エンコーダ 回 転 の 方 向 を 変 えると 測 定 点 も 反 転 方 向 に 表 示 する 4エンコーダ 回 転 速 度 を 変 えても 角 度 誤 差 の 変 化 はない ( 図 16-3) このようにリアルタイム 校 正 システムはエンコーダの 持 つ 角 度 誤 差 をリアルタイムに 測 定 していることがわかる 図 15 シリアル 転 送 システムの 主 な 仕 様 19
図 16-1 角 度 誤 差 のリアルタイム 測 定 測 定 開 始 図 16-2 角 度 誤 差 のリアルタイム 測 定 3 週 目 図 16-3 角 度 誤 差 のリアルタイム 測 定 30 週 目 20
2-5 構 造 設 計 試 作 評 価 3で 開 発 した 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダと2で 開 発 したリアルタイム 校 正 システ ムを 組 み 合 わせた 結 合 実 験 を 行 い 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 精 度 を 確 保 するた めの 最 適 な 構 造 を 研 究 した また 同 時 に リアルタイム 型 ロータリーエンコーダ シス テムの 評 価 実 験 を 行 い 目 標 である 測 定 精 度 1 を 達 成 するシステム 構 成 を 実 現 した リアルタイム 校 正 システムによる 角 度 誤 差 測 定 の 流 れを 図 17 に 示 し 説 明 する 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダから 複 数 台 のエンコーダ 信 号 (A,B,Z 相 )を 中 継 基 板 に 入 力 ここ で TTL 信 号 に 変 換 し 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードに 入 力 する エンコーダ 信 号 が TTL の 場 合 には 直 接 FPGA ボードに 入 力 する リアルタイム 校 正 用 FPGA ボードはエ ンコーダが 有 する 角 度 誤 差 を 常 時 解 析 し 解 析 された 角 度 誤 差 データはシリアル 転 送 され る マスターからの 位 置 情 報 取 得 の 要 求 により その 時 点 における 角 度 誤 差 データをリア ルタイムに 転 送 する 転 送 された 角 度 誤 差 データはリアルタイムで 測 定 された 角 度 誤 差 値 として 利 用 され または 補 正 後 の 角 度 情 報 として 制 御 系 で 利 用 される 図 17 リアルタイム 校 正 システムと 外 部 機 器 との 関 係 21
(3) 3 反 射 型 検 出 方 式 およびスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 (ネミコン 株 式 会 社 ( 主 担 当 ) 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 エ モーションシステ ム 株 式 会 社 ) 3-1 エンコーダの 光 学 検 出 方 式 と 素 子 の 選 定 および 実 装 方 法 開 発 3 2 スケールの 製 造 方 法 開 発 本 研 究 3 項 目 では 3-1 3-2について 報 告 する 小 型 反 射 型 センサ 素 子 と 反 射 式 スケールを 用 いてエンコーダを 構 成 し エンコーダから 出 力 される 原 信 号 の 品 質 の 検 証 実 験 を 行 った 結 果 スケールそのものの 精 度 や 組 立 て 時 の 芯 ズレ 面 ブレ 等 の 原 因 で 原 信 号 に 揺 らぎとなって 表 れてしまい これらを 改 善 するに は 原 信 号 の 補 正 が 絶 対 に 必 要 な 処 置 で 有 るということがわかった そこで 開 発 中 の 原 信 号 の 補 正 機 能 が 付 いた 小 型 反 射 型 センサ 素 子 ( 図 18 参 照 )を 選 定 し 実 験 を 行 った この 小 型 反 射 型 素 子 の 特 徴 は 3.4 mm 4 mm 1 mm と 非 常 に 小 型 かつ 低 コスト さらに 原 信 号 の 補 正 処 理 機 能 と 調 整 範 囲 が 広 いため 容 易 な 位 置 調 整 が 可 能 となっている そのため 今 回 選 定 したこの 小 型 反 射 型 センサ 素 子 を 用 いれば エンコーダ 製 品 の 中 に 数 多 く 搭 載 することが 可 能 となり 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの 精 度 改 善 が 十 分 に 見 込 める この 補 正 回 路 内 蔵 の 反 射 型 小 型 センサ 素 子 で 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 構 築 した 場 合 どの 程 度 の 角 度 精 度 が 見 込 めるのか 実 験 を 行 った 図 18 原 信 号 の 補 正 回 路 内 蔵 小 型 反 射 型 センサ 素 子 図 19 歪 みの 少 ないアナログ 信 号 [ 実 験. 反 射 型 センサを 1 個 のみ 搭 載 した 実 験 ( 図 20 参 照 )と 考 察 ] 実 験 条 件 スケール(φ41.4 mm): 目 盛 数 1,500 センサ : 反 射 型 センサ センサ 搭 載 数 : 1 個 逓 倍 : 64 逓 倍 分 解 能 : 64 逓 倍 時 =1,500 基 本 目 盛 64 逓 倍 4(A,B 相 ) =384,000( 約 3.38 ) 512 逓 倍 時 =1,500 基 本 目 盛 512 逓 倍 4(A,B 相 ) =3,072,000( 約 0.42 ) 22
角 度 校 正 装 置 によって 得 られた 結 果 を 図 21 に 図 21 のグラフをFFT 解 析 した 結 果 を 図 22 図 23 に 示 す さらに 図 21 の1つのデータを7 個 円 周 上 に 並 べるように データ 上 シフトし 解 析 した 結 果 を 図 24 に 図 24 を 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダの アルゴリズムで 解 析 した 結 果 を 図 25 に 示 す 図 26 は 図 25 の SelfA とH1の 差 ( 精 度 )を 拡 大 した 図 である 小 型 反 射 型 センサ 7 個 とガラス 円 板 (φ41.4 mm)で 校 正 されたエンコーダは 角 度 精 度 が1 以 下 の 精 度 となりうるものであること 判 った しかし 実 験 4は1つのセンサヘッドのデータのみを 使 用 した 予 測 値 であるため 現 実 的 な 数 値 ではない そのためセンサ 個 体 のばらつきや 円 周 上 に 搭 載 されたセンサの 基 板 搭 載 位 置 のばらつきを 加 味 しなければならない 逓 倍 器 基 板 ( 反 射 型 センサ 搭 載 ) スケール(ガラスφ41.4 mm) 図 20 小 型 反 射 型 センサ 素 子 単 体 + 反 射 型 スケール(ガラス) 図 21 角 度 校 正 装 置 による 角 度 誤 差 の 解 析 結 果 23
図 22 図 21 のFFT 解 析 結 果 ( 低 次 成 分 領 域 ) 図 23 図 21 のFFT 解 析 結 果 ( 高 次 成 分 領 域 ) 図 24 図 21 のデータを 360 /7 の 倍 数 の 角 度 だけ それぞれシフトさせ7 個 重 ねたグラフ 24
図 25 図 24 のデータを 用 いて 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダのアルゴリズムで 解 析 した 結 果 (SelfA)と 図 21 角 度 校 正 装 置 による 角 度 誤 差 (H1) および SelfA とH1の 差 ( 精 度 ) ±0.63 (1.26 ) 図 26 図 25 の SelfA とH1の 差 ( 精 度 )の 拡 大 図 25
[ 実 験. 反 射 型 センサ 個 体 のばらつき 基 板 搭 載 位 置 のばらつきによる 角 度 誤 差 検 出 性 能 の 評 価 ] 実 験 条 件 スケール(φ41.4 mm: 目 盛 数 1,500) センサ : 反 射 型 センサ No.1 No.2 No.3( 計 3 個 ) センサ 搭 載 数 : 1 個 逓 倍 : 64 逓 倍 分 解 能 : 64 逓 倍 時 =1,500 目 盛 64 逓 倍 4(A,B 相 ) =384,000( 約 3.38 ) 512 逓 倍 時 =1,500 目 盛 512 逓 倍 4(A,B 相 ) =3,072,000( 約 0.42 ) No.1~No.3 のセンサ 個 体 のばらつき 結 果 を 図 27 に 基 板 搭 載 位 置 によるばらつき 確 認 結 果 を 図 28 に 示 す 図 27 の 結 果 から センサ 個 体 のばらつきは 主 に 内 挿 誤 差 の 成 分 である 1,500 次 以 上 の 成 分 に 影 響 があり 特 に 1,500 次 成 分 3,000 次 成 分 は1 程 度 のばらつきを 示 した しかし これらの 値 はセンサの 搭 載 数 によって 平 均 化 されるた め 仮 に7 個 搭 載 した 場 合 1 は 0.142 となり1 という 目 標 精 度 は 十 分 に 達 成 でき る 見 込 みがあることがわかる 図 27 センサ 個 体 のばらつき 図 28 基 板 搭 載 への 位 置 のばらつき 一 般 的 な 基 板 実 装 精 度 はおおよそ±0.1mm であるため 実 験 でもこの 数 値 を 採 用 26
現 実 的 な 精 度 分 析 に 近 づけるために 図 27 の3 個 のセンサの 個 体 のばらつきのデータ (データ1~データ3)と 図 28 に 示 すセンサ NO.1 の 位 置 のばらつきのデータ(デー タ1~データ9)をランダムに7 個 選 択 し 選 択 したデータの 角 度 位 相 をずらすことで 円 周 上 に 仮 想 的 に 配 置 した 条 件 を 作 りだした それらのデータを 図 29 に 示 す このデータ を 用 いて 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダのアルゴリズムで 解 析 を 行 った 結 果 を 図 29 に 示 す 図 29 データ1~データ9から7 個 選 択 し 角 度 位 相 をずらして 表 示 図 30 図 29 のデータを 用 いて 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダのアルゴリズムで 解 析 した 結 果 (SelfA)と 図 29 角 度 校 正 装 置 による 角 度 誤 差 (H1) および SelfA とH1の 差 ( 精 度 ) 図 31 に 図 30 に 示 した SelfA とH1の 差 ( 精 度 )の 拡 大 図 を 示 す センサヘッドの 固 体 のばらつきや 基 板 搭 載 位 置 のばらつきの 影 響 から ばらつきの 無 い 図 26 と 比 較 すると SelfA とH1の 差 ( 精 度 ) が 大 きくなっている 事 がわかる しかしながら 小 型 反 射 型 セ 27
ンサ7 個 とガラス 円 板 (φ41.1 mm)で 校 正 されたエンコーダは センサ 個 体 のばらつき 基 板 搭 載 位 置 のばらつきを 加 味 しても ±1 の 精 度 を 実 現 できることが 証 明 された ±0.96 (1.87 ) 図 31 図 30 の SelfA とH1の 差 ( 精 度 )の 拡 大 図 図 31 の 結 果 から 小 型 反 射 型 センサ7 個 とガラス 円 板 (φ41.4 mm)で 校 正 されたエ ンコーダは センサ 個 体 のばらつき 基 板 搭 載 位 置 のばらつきを 加 味 しても ±1 の 精 度 を 実 現 できることが 証 明 された 28
(4) 4 小 型 エンコーダへの 搭 載 と 商 品 化 (ネミコン 株 式 会 社 ( 主 担 当 ) エ モーションシステム 株 式 会 社 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ) 4-1 商 品 化 設 計 検 討 従 来 の 高 精 度 ロータリーエンコーダは 角 度 精 度 が5 程 度 になるとφ100 mm 以 上 の 大 型 物 で かつコストが 非 常 に 高 いものであった しかし 3の 結 果 から ±1 の 角 度 精 度 でありながら 小 型 (φ50 mm)の 製 品 が 実 現 可 能 であるという 十 分 な 根 拠 が 得 られた φ50 mm の 製 品 構 造 の 検 討 図 を 図 32 に 示 す さらに 小 型 センサを7 個 搭 載 し 逓 倍 器 および2で 開 発 したリアルタイム 型 回 路 用 FPGA ボードまでも 搭 載 するための 基 板 設 計 検 討 を 行 った ( 図 33 参 照 ) 図 32 φ50 mm 小 型 高 精 度 リアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダ 構 造 検 討 図 図 33 基 板 ( 小 型 反 射 型 センサ7 個 逓 倍 器 7 個 FPGA 搭 載 ) 29
4-2 量 産 化 検 討 低 コストを 確 保 するための 検 討 を 行 った 製 品 価 格 の 分 析 を 行 い 製 品 価 格 10 万 円 の 実 現 検 討 を 行 った その 結 果 エンコーダ 構 成 要 素 の 材 料 費 は 3 万 円 を 切 る 事 が 可 能 である 事 が 分 かった 図 34 に 主 な 構 成 要 素 別 の 材 料 費 内 訳 を 示 す この 結 果 から 企 業 収 益 製 造 原 価 科 目 を 付 加 しても 製 品 価 格 10 万 円 は 十 分 実 現 できると 考 えられ 競 合 他 社 製 品 に 比 べて 格 段 に 安 価 な 価 格 で 市 場 投 入 できる 事 が 確 認 できた Mechanism EE components Sensor + Interpolator FPGA Power supply Encoder material cost structure image Less than 300USD 図 34 製 品 価 格 分 析 グラフ 30
(5) 5 研 究 全 体 の 統 括 プロジェクトの 管 理 運 営 ( 担 当 : 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 センター) 研 究 を 円 滑 に 推 進 するため 一 連 の 研 究 全 体 について 進 捗 情 報 の 報 告 を 求 め 定 期 的 に 進 捗 状 況 報 告 会 を 行 う 等 研 究 開 発 を 管 理 した また 公 益 財 団 法 人 福 島 県 産 業 振 興 セン ターは 事 業 の 進 捗 について 定 期 的 に 報 告 を 求 め 適 正 な 管 理 を 行 った 5-1 全 体 計 画 の 企 画 プロジェクトにおける 進 捗 状 況 について 報 告 書 の 提 出 会 議 の 開 催 等 の 企 画 を 行 った また 事 業 化 を 見 据 え ユーザーとの 連 携 市 場 調 査 の 要 請 と 結 果 報 告 およびそれらの 結 果 の 取 りまとめと 報 告 等 の 企 画 を 行 った 5-2 進 捗 管 理 各 研 究 について 進 捗 情 報 の 報 告 を 求 め また 定 期 的 に 進 捗 状 況 報 告 会 を 行 い 調 整 を 図 った 5-3 研 究 推 進 会 議 の 開 催 研 究 推 進 のための 推 進 会 議 を2 回 程 度 開 催 した 5-4 報 告 書 とりまとめ 31
最 終 章 全 体 総 括 スリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 寸 法 が 直 径 約 φ100 mm~φ40 mm に 対 して 自 己 校 正 機 能 付 ロータリーエンコーダのリアルタイム 信 号 処 理 に 関 する 原 理 の 開 発 を 行 い この 原 理 に 対 応 したデータ 処 理 部 とロータリーエンコーダ 本 体 を 製 作 し その 実 証 実 験 を 行 いながら 徐 々 に 小 型 化 (φ40 mm)を 実 施 した 1 自 己 校 正 型 高 精 度 位 置 検 出 方 式 の 開 発 : 目 標 達 成 度 100 % 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 で 開 発 した 自 己 校 正 機 能 付 エンコーダの 原 理 を 基 礎 技 術 として これを 高 度 化 したリアルタイム 信 号 処 理 の 原 理 を 開 発 した この 原 理 を 実 現 す るために 必 要 となるスリット 円 板 ( 目 盛 盤 )の 仕 様 センサヘッドの 個 数 逓 倍 器 ( 電 気 内 挿 回 路 )の 仕 様 とリアルタイム 処 理 回 路 の 検 討 を 行 った その 結 果 スリット 円 板 につ いては 素 材 :ガラス 直 径 :φ40 mm 目 盛 ピッチ:80 µm 基 本 目 盛 数 :1,500 本 とし センサヘッドについては センサヘッド 数 :7 個 を 基 板 搭 載 位 置 のばらつきを± 0.1 mm 以 内 で 取 り 付 ける 逓 倍 器 ( 電 気 内 挿 回 路 )については 分 割 を 512 逓 倍 4 倍 (AB 相 の up と down) リアルタイム 処 理 回 路 については 回 路 ロジック:FPGA シリアル 通 信 規 格 :BISS -C を 採 用 することで 本 研 究 で 目 標 としているリアルタイム 自 己 校 正 型 ロータリーエンコーダを 実 現 できる 事 を 確 認 した 2 小 型 エンコーダへの 組 込 み 技 術 開 発 : 目 標 達 成 度 100 % 角 度 誤 差 測 定 の 高 速 化 の 実 現 : 従 来 の 時 間 変 換 法 は エンコーダの 角 度 信 号 を 得 るため に1 周 分 の 測 定 時 間 が 必 要 であるのに 対 して リアルタイム 校 正 システムは 角 度 誤 差 測 定 の 要 求 に 対 して 20 µ 秒 の 応 答 で 測 定 可 能 な 高 速 化 を 実 現 した 角 度 誤 差 測 定 の 高 精 度 化 の 実 現 :リアルタイム 校 正 システムによる 角 度 誤 差 測 定 は 時 間 変 換 法 により 測 定 した 角 度 誤 差 と 比 較 して±0.59 の 精 度 で 一 致 しており(18,000 基 本 目 盛 32 逓 倍 4 倍 =2,304,000 パルスの 場 合 ) 角 度 誤 差 の 検 出 精 度 1 以 下 を 実 現 し た さらに 内 挿 信 号 の 角 度 誤 差 も 内 挿 信 号 の 分 解 能 相 当 の 測 定 精 度 を 実 現 した 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボード 開 発 によるデータ 処 理 部 の 低 価 格 化 :リアルタイ ム 校 正 に 必 要 なエレメンツのみで 設 計 することで 大 量 生 産 の 場 合 には 従 来 型 と 比 較 して 約 3 分 の1に 製 作 コストを 抑 える FPGA ボードの 構 成 を 実 現 した この 結 果 数 千 台 単 位 で 生 産 した 場 合 には 数 万 円 程 度 で 製 作 できる 見 通 しがついた 小 型 リアルタイム 校 正 用 FPGA ボード 開 発 によるデータ 処 理 部 の 低 価 格 化 :リアルタイ ム 校 正 に 必 要 なエレメンツのみで 設 計 することで 大 量 生 産 の 場 合 には 従 来 の FPGA ボー ドと 比 較 して 約 3 分 の1に 製 作 コストを 抑 える 構 成 を 実 現 した この 結 果 数 千 台 単 位 で 生 産 した 場 合 には 数 万 円 程 度 で 製 作 できる 見 通 しがついた 3 反 射 型 検 出 方 式 とスリット 円 板 製 造 工 法 開 発 : 目 標 達 成 度 100 % 平 成 25 年 度 は 上 記 1および2で 開 発 する 高 精 度 小 型 低 コスト 化 の 方 式 に 適 合 す るように 揺 らぎのない 原 信 号 を 実 現 するための 補 正 回 路 を 駆 使 した 信 頼 性 設 計 を 行 った 揺 らぎのない 原 信 号 を 実 現 するためにはガラス 製 で 製 作 する 必 要 があることを 検 証 した また 直 径 φ40 mm( 目 盛 ピッチ:80 µm 基 本 目 盛 数 :1,500)の 場 合 に 角 度 の 高 分 解 能 化 が 必 要 であり 高 分 解 能 化 を 得 るために 逓 倍 器 ( 電 気 内 挿 回 路 )の 分 割 を 512 逓 倍 4 倍 (AB 相 の up と down)まで 上 げても 十 分 品 質 の 良 い 角 度 信 号 が 出 力 するこ とが 可 能 である 事 を 確 認 した センサヘッドについては センサヘッド 数 :7 個 を 基 板 搭 32
載 位 置 のばらつきを±0.1 mm 以 内 で 配 置 することで 精 度 1 を 達 成 することが 可 能 な ロータリーエンコーダ 本 体 を 製 作 する 事 が 可 能 である 事 も 確 認 した 4 小 型 エンコーダへの 搭 載 と 商 品 化 : 目 標 達 成 度 100 % 製 品 価 格 の 分 析 を 行 い 製 品 価 格 10 万 円 の 実 現 検 討 を 行 った その 結 果 エンコーダ 構 成 要 素 の 材 料 費 は 3 万 円 を 切 る 事 が 可 能 である 事 が 分 かった この 結 果 から 企 業 収 益 製 造 原 価 科 目 を 付 加 しても 製 品 価 格 10 万 円 は 十 分 実 現 できると 考 えられ 競 合 他 社 製 品 に 比 べて 格 段 に 安 価 な 価 格 で 市 場 投 入 できる 事 が 確 認 できた 角 度 制 御 の 信 頼 性 確 保 に 貢 献 できる 製 品 の 研 究 開 発 を 行 い これにより 位 置 決 めに 係 る 技 術 において 達 成 すべき 高 度 化 目 標 の 高 精 度 化 小 型 化 軽 量 化 低 コスト 化 のための 技 術 向 上 と 寿 命 管 理 技 術 の 向 上 に 応 えることを 目 的 とする リアルタイム 自 己 校 正 型 ロー タリーエンコーダ の 研 究 開 発 に 掲 げた 全 ての 目 標 を 達 成 した 事 を 報 告 して 全 体 総 括 とす る 33
34