JP2004144667A

JP2004144667A - 位置情報の異常検出装置

Info

Publication number: JP2004144667A
Application number: JP2002311585A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hayashi; 林　康一; Kazutaka Endo; 遠藤　和隆
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP4290405B2; DE10349327A1; DE10349327B4

Abstract

【課題】アブソリュート位置センサが出力する位置情報の異常検出をローコストかつ高速に行うことができる位置情報の異常検出装置を提供する。
【解決手段】インクリメンタル位置センサの位置情報ＰＡＯをアブソリュート位置センサのビット単位に単位変換し、これを１２７で除算した余りＫを出力する。このＫを用いて、Ｋ番目の循環周期２^７−１のＭ系列コードＭｉを出力する。そしてアブソリュートセンサ出力から求められた不規則循環乱数コードＧＨとＭｉとの排他論理和を演算し、コードＧＸを出力する。一方、単位変換された数値を２５５で除算した余りＬを出力する。このＬを用いて、Ｌ番目の循環周期２^８−１のＭ系列コードＭｊを出力し、コードＧＸとコードＭｊを比較し、両者が一致していなければ異常検出信号ＥＲを外部に出力する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アブソリュートエンコーダが出力する位置情報の異常検出装置に関するものであり、例えば工作機械の送り軸の位置をアブソリュートに検出するリニア型アブソリュートエンコーダの信頼性を向上させる異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速化高精度化のため、工作機械等にリニアモータを使用した駆動システムが盛んに使用されるようになってきた。リニアモータを使用した駆動システムでは、可動部の位置や速度及びモータ磁極位置検出用として、可動部の位置をアブソリュートに検出するリニア型アブソリュートエンコーダが使用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
従来のリニア型アブソリュートエンコーダとしては、図６のブロック図に示すように、位置の変化に応じて９０度位相の異なる信号を出力するインクリメンタル位置センサと位置の変化に応じてＭ系列等の不規則循環乱数コード信号を出力するアブソリュート位置センサを備えたアブソリュートエンコーダがある。同図で図示されていないが、ＬＥＤ３とレンズ２と受光素子４とリニアイメージセンサ５は同一部材に固定され、スケール１に対して相対移動できるようになっている。ＬＥＤ３が発した光はレンズ２により平行光に変換され、スケール１に照射される。スケール１には２０μｍ間隔で明暗が繰り返すインクリメンタルパターン１１と２０μｍで１ビットのコードを示す循環周期２^１５−１のＭ系列パターン１２が形成されている。
【０００４】
インクリメンタルパターン１１を通過した光は、受光素子４により電気信号に変換され、スケールとの相対位置の変化に応じて、変位量の正弦値に比例した信号ＳＡと余弦値に比例した信号ＣＡとして出力される。信号ＳＡと信号ＣＡは、ＡＤ変換器６，７により、それぞれデジタル値ＳＤ，ＣＤに変換される。デジタル値ＳＤとＣＤは、内挿処理手段１０により逆正接演算が行われ、２０μｍ内の相対位置をアブソリュートに示す数値ＰＡＬに変換する。また、信号ＳＡと信号ＣＡは、コンパレータ８，９により、それぞれパルス信号ＳＰとパルス信号ＣＰに変換される。パルス信号ＳＰとパルス信号ＣＰは、アップダウンカウンタ１３により、パルス信号ＳＰとパルス信号ＣＰの位相変化に応じて、相対位置の変化を５μｍ単位でインクリメンタルに示す数値ＰＣＨとしてカウントされる。桁合わせ手段１４では、数値ＰＣＨを数値ＰＡＬの変化に同期して変化する２０μｍ単位の数値に修正し、修正後の数値ＰＩＨを上位桁とし数値ＰＡＬを下位桁とするインクリメンタル位置情報ＰＩとして出力する。ここで、インクリメンタルパターン１１、受光素子４、信号ＳＡと信号ＣＡからインクリメンタル位置情報ＰＩを出力するまでの構成要素全体をインクリメンタル位置センサと呼ぶことにする。
【０００５】
一方、循環周期２^１５−１のＭ系列パターン１２を通過した光はリニアイメージセンサ５により、循環周期２^１５−１のＭ系列パターンの１５ビットを越える範囲の光量変化を循環周期２^１５−１のＭ系列の１ビットに相当するピッチの半分以下の分解能で検出し、光量データＶＯとして出力する。リニアイメージセンサ信号処理手段１５では、リニアイメージセンサ５が検出した循環周期２^１５−１のＭ系列パターンから得られた光量データのうち、数値ＰＡＬの値に応じて最もコード化に適した箇所のデータを２０μｍおきに選択し、これを２値化することにより、１５ビット以上の循環周期２^１５−１のＭ系列コードＭＨに変換する。ここで、Ｍ系列コードＭＨを出力するまでの構成要素全体をアブソリュート位置センサと呼ぶことにする。
【０００６】
復号化器１６では、スケール１の原点位置で読み出されるコードを初期値として、循環周期２^１５−１のＭ系列コード生成演算を繰り返して得たＭ系列コードがコードＭＨと一致するまでＭ系列生成演算を繰り返し、一致したときの演算繰り返し回数を示す数値ＰＨを出力する。このとき数値ＰＨは、原点からの相対移動量をアブソリュートに示す数値となる。減算器１７では、アブソリュート位置を示す数値ＰＨから、インクリメンタル位置情報ＰＩの上位桁ＰＩＨを減算することにより、両者のオフセット位置量を示す数値ＰＯＦを出力する。数値ＰＯＦは、リニア型アブソリュートエンコーダの電源投入直後又はリセット直後に記憶器１８に設定される。加算器１９では、インクリメンタル位置情報ＰＩに記憶器１８が記憶するオフセット位置量を示す数ＭＯＦを加算することにより、スケール１との相対移動量を補正してアブソリュートに示す位置情報ＰＡＯを出力する。
【０００７】
また、単位変換手段２０は、位置情報ＰＡＯをアブソリュート位置センサのビット単位の値に単位変換し、数値ＰＡＭとして出力する。Ｍ系列変換手段２１は、予め位置情報に対応する循環周期２^１５−１のＭ系列を記憶するルックアップテーブルを有し、数値ＰＡＭに対応する循環周期２^１５−１のＭ系列コードであるコードＭＰを出力する。異常判定器２２では、コードＭＰとリニアイメージセンサ信号処理手段１５が出力したコードＭＨとの一致状態を比較し、両者のコードに大きな違いがあれば、異常信号ＥＲを出力し、位置情報ＰＡＯに異常があることを外部に知らせる。
【０００８】
なお、図６のリニア型アブソリュートエンコーダでは、電源投入直後やリセット直後のみ、アブソリュート位置センサからの信号に基づきアブソリュート位置情報を検出し、以降は、インクリメンタル位置センサの出力信号に基づき、インクリメンタル処理によって位置情報の更新を行っている。このように位置情報の更新に、アブソリュート位置センサからの信号を使用せずインクリメンタル位置センサの信号を使用する理由としては、リニアイメージセンサの信号出力やＭ系列コードのデコード処理に多大な時間を要し、リニアモータ等の制御には不適切な位置情報の更新サイクルとなるためである。しかしながら、インクリメンタル位置センサの出力信号に基づく位置情報では、アブソリュート位置情報としての信頼性が低くなる。このため、位置情報の更新サイクルよりも長いサイクルで、位置情報とアブソリュート位置センサ信号に基づくデータの違いを比較することで、位置情報の異常を検知できるようにし、位置情報の信頼性を確保している。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１１１５４６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の位置情報の異常検出装置では、位置情報をＭ系列コードに変換する上で、ルックアップテーブルの実現に大きな記憶容量のメモリ（例えば２^１５−１のＭ系列の場合：３２，７６７バイト）を必要とし、異常検出回路が大きくなる上、コストもアップしていた。また、位置情報をＭ系列コードに変換する方法としては、Ｍ系列コード演算回路を位置情報に対応する回数だけ演算を繰り返して、位置情報に対応するＭ系列コードを求める方法もある。ただし、この方法では、ルックアップテーブルを必要としない反面、Ｍ系列コードを求めるための処理時間が長く、異常検出する周期が長くなるため、リニアモータ等の制御に必要な位置情報の信頼性を確保できないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、不規則循環乱数コード信号を出力するアブソリュート位置センサとインクリメンタル位置センサを備えたアブソリュートエンコーダにより検出した位置情報の信頼性を確保するための異常検出装置に関し、特に異常検出をローコストかつ高速に行うことができる位置情報の異常検出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる位置情報の異常検出装置は、位置の変化に応じて循環周期が互いに素な関係の循環周期２^ｉ−１のＭ系列と循環周期２^ｊ−１のＭ系列の排他論理和からなる不規則循環乱数コード信号を出力するアブソリュート位置センサと、位置の変化に応じて周期的な信号を出力するインクリメンタル位置センサと、前記インクリメンタル位置センサの出力信号に基づき得た位置情報を前記アブソリュート位置センサのビット単位の値に単位変換する単位変換器と、前記単位変換後の位置情報を循環周期２^ｉ−１で除算した余りＫと循環周期２^ｊ−１で除算した余りＬを求める演算手段と、Ｋ番目に相当するＮビット（Ｎ≧ｉ＋ｊ）の循環周期２^ｉ−１のＭ系列コードとＬ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｊ−１のＭ系列コードと前記アブソリュート位置センサが出力するＮビットの不規則循環乱数コード信号により前記位置情報の異常を検出する異常判定器とを含む位置情報の異常検出装置である。
【００１３】
【作用】
本発明は、以上のように位置情報からアブソリュート位置センサが出力する不規則循環乱数コードの循環周期よりも小さな循環周期の２つのＭ系列コードを求めるだけで、アブソリュート位置センサが出力する不規則循環乱数コードの異常を検出することができる。このため、従来装置よりも容量の小さなルックアップテーブルを用いることが可能である。また、Ｍ系列コード演算回路を用いて２つのＭ系列コードを求める場合でも、小さな循環周期のため、比較的高速にＭ系列コードを求めることが可能である。以上から、本装置によれば、位置情報の異常検出を小型ローコストかつ高速に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の位置情報の異常検出装置を適用したリニア型アブソリュートエンコーダのブロック図である。同図で図６と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。図２は、スケール１０１に形成された不規則循環乱数コード及びその元となる２つのＭ系列を示す表である。図３は、図１の符号化器１０３のルックアップテーブルを示す表である。図４は、図１の符号化器１０５のルックアップテーブルを示す表である。図５は、復号化器１１６の動作を示すブロック図である。
【００１６】
図１で、スケール１０１には、２０μｍ間隔で明暗が繰り返すインクリメンタルパターン１１と２０μｍで１ビットのコードを示す不規則循環乱数コードパターン１１２が形成されている。図２の表に、不規則循環乱数コードパターン１１２の２０μｍ間隔の光透過部を１、遮光部０として示す。同表を見て理解できるように、この不規則循環乱数コードは、２^７−１循環周期のＭ系列と２^８−１循環周期のＭ系列との排他論理和となるコードとなっている。このように、循環周期が互いに素な関係のＭ系列の排他論理和によるコードはゴールド系列と呼ばれ、循環周期が両者のＭ系列循環周期の積となることが知られている。したがって、不規則循環乱数コードパターン１１２の循環周期は３２，３８５となり、図６の２^１５−１循環周期（３２，７６８）のＭ系列とほとんど変わらず、ほぼ同等範囲のアブソリュート位置検出が可能である。
【００１７】
リニアイメージセンサ５では、不規則循環乱数コードパターン１１２を通過した光のうち、パターン１１２の１ビット換算で１６ビット以上の範囲の光量変化を光量データＶＧＯとして出力する。リニアイメージセンサ信号処理手段１５では、リニアイメージセンサ５が検出した不規則循環乱数コードパターンから得られた光量データＶＧＯのうち、数値ＰＡＬの値に応じて最もコード化に適した箇所のデータを２０μｍおきに選択し、これを２値化することにより、１６ビットの不規則循環乱数コードＧＨに変換する。コードＧＨは復号化器１１６に入力される。
【００１８】
復号化器１１６では、図５のブロック図に示すように、循環周期２^７−１のＭ系列発生器２４と、循環周期２^８−１のＭ系列発生器２５と、これらのＭ系列発生器が出力する信号Ｍ７、Ｍ８の排他論理和演算を行う排他論理演算器２６と、排他論理和演算後のシリアルに出力される信号Ｘ１５を１６ビットのパラレルコードＧＤに変換する１６ビットシフトレジスタ２３から構成されるゴールド系列発生部３０を有する。このゴールド系列発生部３０は、コードＧＨが入力されると、スケール１０１の原点位置で読み出されるコードに相当する値に一旦コードＧＤを初期化する。比較器２７は１６ビットのコードＧＨとＧＤを比較し、両者の値が一致するまで、クロック信号発生器２８に対してクロック発生指令ＳＴを出力する。クロック信号発生器２８は、クロック発生指令ＳＴが入力されている間、循環周期２^７−１のＭ系列発生器２４と循環周期２^８−１のＭ系列発生器２５と１６ビットシフトレジスタ２３とカウンタ２９へ、シフト及びカウント用のクロック信号ＣＫを一定間隔で出力する。以上から、復号化器１１６は、不規則循環乱数コードＧＨとゴールド系列コードＧＤが一致するまで、ゴールド系列生成演算を繰り返し、一致したときの演算繰り返し回数を示す数値ＰＨがカウンタ２９によって出力される。このとき数値ＰＨは、原点からの相対移動量をアブソリュートに示す数値となる。
【００１９】
単位変換器２０は、インクリメンタル位置センサの出力信号に基づき得た位置情報ＰＡＯをアブソリュート位置センサのビット単位の値に単位変換し、数値ＰＡＭとして出力する。なお、図１や図６のようなインクリメンタル位置センサにより得た数値ＰＡＬがアブソリュート位置センサのビット単位と等しい場合などは、単位変換手段２０は位置情報ＰＡＯの下位データを切り捨て２０μｍ以上の上位データのみを出力するだけで良く、単位変換手段２０をブロック図から削除して表現することも可能である。
【００２０】
除算手段１０２は、数値ＰＡＭを１２７（２^７−１）で除算した余りＫを出力する。符号化器１０３は、図３に示すＫ番目の循環周期２^７−１のＭ系列先頭８ビットを示すルックアップテーブルを有し、入力された数値Ｋから、Ｋ番目を上位コードとし、Ｋ＋８番目（Ｋ＋８＞１２６のみ、Ｋ＋８−１２７番目）を下位コードとする１６ビットのコードＭｉを出力する。これにより、１６ビットコードＭｉは、Ｋ番目の循環周期２^７−１のＭ系列コードとなる。排他論理和演算器１０６は、１６ビットの不規則循環乱数コードＧＨと１６ビットの２^７−１のＭ系列コードＭｉとの排他論理和を演算し、１６ビットのコードＧＸを出力する。
【００２１】
一方、除算手段１０４は、数値ＰＡＭを２５５（２^８−１）で除算した余りＬを出力する。符号化器１０５は、図４に示すＬ番目の循環周期２^８−１のＭ系列先頭８ビットを示すルックアップテーブルを有し、入力された数値Ｌから、Ｌ番目を上位コードとし、Ｌ＋８番目（Ｌ＋８＞２５５のみ、Ｌ＋８−２５５番目）を下位コードとする１６ビットのコードＭｊを出力する。これにより、１６ビットコードＭｊは、Ｌ番目の循環周期２^８−１のＭ系列コードになる。異常判定器１２２は、１６ビットのコードＧＸと１６ビットコードＭｊの一致状態を比較し、両者のコードに大きな違いがあれば、異常信号ＥＲを出力し、位置情報ＰＡＯに異常があることを外部に知らせる。以上から、符号化器１０３と符号化器１０５が有するルックアップテーブルに必要とするメモリ容量は、それぞれ１２７バイトと２５５バイトの合計３８２バイトとなり、従来の３２，７６７バイトより遙かに少ない容量のメモリで異常検出が可能となる。
【００２２】
なお、図１の実施形態では、１６ビットコードＭｉと１６ビットの不規則循環乱数コードＧＨとの排他論理演算後の結果ＧＸと１６ビットコードＭｊの比較を行っているが、１６ビットコードＭｉと１６ビットコードＭｊの排他論理演算後の結果に対して、１６ビットの不規則循環乱数コードＧＨとの比較を行っても異常検出は可能である。
【００２３】
また、符号化器１０３と符号化器１０５は、それぞれ図５の循環周期２^７−１のＭ系列発生器２４と循環周期２^８−１のＭ系列発生器２５を用いて実現することも可能である。
【００２４】
また、本実施形態ではアブソリュート位置センサからの不規則循環乱数コードＧＨを１６ビットのサイズで処理を行ったが、原理的には最低１５ビットあれば良い。しかし、本実施形態のように、ビットサイズを大きくとることにより、異常検出の信頼性を高めることが可能である。さらには、ビットサイズをより多くすることにより、スケールが部分的に汚れた場合などに対する、冗長性を高めることも可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のアブソリュート位置の異常検出装置によれば、高速な異常検出を小型ローコストな実現手段で達成することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の異常検出方法を適用したリニア型アブソリュートエンコーダのブロック図である。
【図２】スケール１０１に形成された不規則循環乱数コードを示す表である。
【図３】図１の符号化器１０３のルックアップテーブルを示す表である。
【図４】図１の符号化器１０５のルックアップテーブルを示す表である。
【図５】図１の復号化器１１６の内部ブロック図である
【図６】従来のリニア型アブソリュートエンコーダのブロック図である。
【符号の説明】
１，１０１　スケール、２　レンズ、３　ＬＥＤ、４　受光素子、５　リニアイメージセンサ、６，７　ＡＤ変換器、８，９　コンパレータ、１０　内挿手段、１１　インクリメンタルパターン、１２，１１２　不規則循環乱数コードパターン、１３　アップダウンカウンタ、１４　桁合わせ手段、１５　リニアイメージセンサ信号処理手段、１６，１１６　復号化器、１７　減算器、１８　記憶器、１９　加算器、２０　単位変換器、２１，１０３，１０５　符号化器、２２，１２２　異常判定器、２３　シフトレジスタ、２４，２５　Ｍ系列発生器、２６，１０６　排他論理和演算器、２７　比較器、２８　クロック信号発生器、２９
カウンタ。

Claims

位置の変化に応じて循環周期が互いに素な関係の循環周期２^ｉ−１のＭ系列と循環周期２^ｊ−１のＭ系列の排他論理和からなる不規則循環乱数コード信号を出力するアブソリュート位置センサと、
位置の変化に応じて周期的な信号を出力するインクリメンタル位置センサと、
前記インクリメンタル位置センサの出力信号に基づき得た位置情報を前記アブソリュート位置センサのビット単位の値に単位変換する単位変換器と、
前記単位変換後の位置情報を循環周期２^ｉ−１で除算した余りＫと循環周期２^ｊ−１で除算した余りＬを求める演算手段と、
Ｋ番目に相当するＮビット（Ｎ≧ｉ＋ｊ）の循環周期２^ｉ−１のＭ系列コードとＬ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｊ−１のＭ系列コードと前記アブソリュート位置センサが出力するＮビットの不規則循環乱数コード信号とにより前記位置情報の異常を検出する異常判定器とを含む位置情報の異常検出装置。
アブソリュート位置センサが出力するＮビットの不規則循環乱数コード信号とＫ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｉ−１のＭ系列コードとを排他論理和演算する演算器と、前記排他論理和演算後のコードとＬ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｊ−１のＭ系列コードとを比較することにより異常検出する異常判定器とを含む請求項１記載の位置情報の異常検出装置。
Ｋ番目に相当するのＮビットの循環周期２^ｉ−１のＭ系列コードとＬ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｊ−１のＭ系列コードとを排他論理和演算する演算器と、前記排他論理和演算後のＮビットのコードと前記アブソリュート位置センサが出力するＮビットの不規則循環乱数コードとを比較することにより異常検出する異常判定器とを含む請求項１記載の位置情報の異常検出装置。
Ｋ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｉ−１のＭ系列コード又はＬ番目に相当するＮビットの循環周期２^ｊ−１のＭ系列コードを求める手段として、ルックアップテーブルを使用することを特徴とする請求項１記載の位置情報の異常検出装置。