JP2007101396A

JP2007101396A - エンコーダ

Info

Publication number: JP2007101396A
Application number: JP2005292436A
Authority: JP
Inventors: Yoshiji Takahashi; 喜二高橋
Original assignee: Nikon Corp; Sendai Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp; Sendai Nikon Corp
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】回転軸の回転寿命を予知する。
【解決手段】ロータリエンコーダ３０において検出された回転軸３２の回転方向及び回転角度から回転軸３２の回転数を回転軸３２の回転方向にかかわらず計数し、回転軸３２の積算回転数を求める積算回転数算出手段（積算回転数算出部１１及び積算回転数記憶メモリ１２）と、ベアリング３３の定格寿命に基づいて定められた基準回転数を記憶した基準回転数記憶部１３と、積算回転数算出手段において算出された回転軸３２の積算回転数と基準回転数記憶部１３に記憶された基準回転数とを比較し、積算回転数算出手段において算出された回転軸３２の積算回転数が基準回転数記憶部１３に記憶された基準回転数に達したときに警報作動を行う警報手段（警報作動部１４及び警報装置１５）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダに関する。

エンコーダ（ロータリエンコーダ）は回転軸の回転方向及び回転角度を検出する装置であり、例えば多関節形ロボットの関節部を構成する電動モータ（サーボモータ）の回転位置を検出する装置として用いられる。

光学式ロータリエンコーダは回転軸にスリット円板（所定のパターンで周方向に並設された多数のスリットを有した円板）が設けられるとともに、このスリット円板を挟むように発光素子と受光素子とが配置される。発光素子が照射した光はスリット円板のスリット部分のみを通過し、その他の部分では光は遮断されることから、受光素子が受光した光からスリット円板の位置、すなわち回転軸の回転方向及び回転角度が検出される（例えば、下記の特許文献１参照）。磁気式ロータリエンコーダは光の代わりに磁気を用いるものであり、光学式ロータリエンコーダにおける発光素子と受光素子との代わりに永久磁石と磁気センサとが使用される。
特開平５−１４１９８８号公報特開２００４−７７３３４号公報

光学式と磁気式とを問わず、ロータリエンコーダが回転数を検出する回転軸はロータリエンコーダを収容するハウジング等に取付けられたベアリングによって回転自在に支承されているが、このベアリングは消耗品であり、定格寿命に到達する前に新品と交換する必要がある。しかし、上述したロボットの関節部などに使用される電動モータ（サーボモータ）は単純な一方向のみの回転ではなく逆方向にも回転される双方向駆動型の電動モータであるうえ、一回転に満たない回転動作も頻繁に行われるためその寿命予知は困難であり、ロータリエンコーダの稼動中にベアリングが疲労破壊してしまう場合がある。このようにロータリエンコーダの稼動中にベアリングが破壊してしまうとロータリエンコーダそのものが使用不能となり、一旦ロボットのシステムを停止してベアリングの交換作業を行う必要がでてくるため、作業の遅延や停滞による作業性の低下を招くおそれがあった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、回転軸の回転寿命を予知することが可能な構成のエンコーダを提供することを目的としている。

本発明に係るエンコーダは、回転軸の回転方向及び回転角度から回転軸の回転数を回転軸の回転方向にかかわらず計数し、回転軸の積算回転数を算出する積算回転数算出手段と、回転軸の回転寿命に基づいて定められた基準回転数を記憶した基準回転数記憶手段と、積算回転数算出手段において算出された回転軸の積算回転数と基準回転数記憶手段に記憶された基準回転数とを比較し、積算回転数算出手段において算出された回転軸の積算回転数が基準回転数記憶手段に記憶された基準回転数に達したときに警報作動を行う警報手段とを備える。

ここで、上記回転軸の回転寿命は、回転軸を回転自在に支承するベアリングの寿命に基づいて決められることが好ましい。また、上記エンコーダにおいて、基準回転数記憶手段が記憶する基準回転数は任意に設定可能であることが好ましく、積算回転数算出手段は、エンコーダが検出可能な回転軸の回転角度に応じて回転軸の回転数を１回転以下の単位で積算するようになっていることが好ましい。

本発明に係るエンコーダによれば、回転軸の回転寿命を予知することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明に係るエンコーダの一実施形態であるロータリエンコーダ３０を示しており、ロータリエンコーダ３０は図２に示す多関節形ロボット（以下、単にロボットと称する）ＲＢの１つの関節部を構成する双方向駆動型の電動モータ５０の回転方向及び回転角度検出用として設置されている。ロボットＲＢはロボットコントローラ７０からその作動操作が可能であり、従って電動モータ５０はロボットコントローラ７０による制御対象であるが、ロボットコントローラ７０による電動モータ５０の動作制御に関する機構は公知であるとともに、本発明に係るロータリエンコーダ３０の構成とは直接関係ないので、その説明は省略することにする。

ロータリエンコーダ３０による回転方向及び回転角度の検出対象である回転軸３２は電動モータ５０の出力軸５１（図２参照）により駆動されるようになっており（電動モータ５０とロータリエンコーダ３０とが一体に構成されるモジュラー型であれば電動モータ５０の出力軸５１そのものであってもよい）、ハウジング３１（図２参照）内に保持された複数のベアリング３３（図１では１つのみ図示）により回転自在に支承されている。回転軸３２には所定のパターンで周方向に並設された多数のスリット３４ａを有したスリット円板３４が取付けられており、回転軸３２と一体となって回転するようになっている。スリット円板３４のスリット３４ａの設け方（パターン）によって回転軸３２の回転角度を絶対値として知ることができるアブソリュート型と回転軸３２の回転角度を初期値からの相対角度として知ることができるインクリメント型とに分けることができるが、ここではインクリメント型を例にして説明する。

スリット円板３４を挟む一方側の位置には例えば発光ダイオードからなる発光素子３６が配置されており、レンズ３７を介してスリット円板３４に光を照射し得るようになっている。一方、スリット円板３４を挟む他方側の位置には例えばフォトダイオードからなる受光素子３８が配置されており、発光素子３６からの光をスリット円板３４との間に介設された固定スリット３９を介してスリット３４ａを通過した発光素子３６からの光を受光し得るようになっている。受光素子３８はスリット３４ａの間隔に対して１／４ピッチずらして取付けられた２つの受光素子３８ａ，３８ｂからなる。

２つの受光素子３８ａ，３８ｂが受光した光はそれぞれ増幅器４１によって増幅された後、波形整形回路４２に入力される。波形整形回路４２は２つの受光素子３８ａ，３８ｂそれぞれが受光した光を矩形波、すなわちディジタル信号に変換して信号処理部４３に出力し、信号処理部４３は波形整形回路４２から受け取った２つの受光素子３８ａ，３８ｂからのディジタル信号に基づいてスリット円板３４の（すなわち回転軸３２の）回転方向及び回転角度を検出する。

信号処理部４３において検出された回転軸３２の回転方向及び回転角度の情報は送受信ドライバ部４４からロボットコントローラ７０のロボット制御部７１に送られ、ロボット制御部７１における電動モータ５０のサーボ制御のために使用される。

ロータリエンコーダ３０のベアリング寿命予知部１０は図１に示すように、積算回転数算出部１１、積算回転数記憶メモリ１２、基準回転数記憶メモリ１３、警報作動部１４及び警報装置１５を有して構成される。このうち積算回転数算出部１１、積算回転数記憶メモリ１２、基準回転数記憶メモリ１３及び警報作動部１４は前述の増幅器４１、波形整形回路４２、信号処理部４３及び送受信ドライバ部４４とともにロボット制御部７１と繋がる基板４０（図２に示すようにハウジング３１内に設置される）上に設けられた集積回路の一部として構成されている（図１参照）。

積算回転数算出部１１は信号処理部４３から送られてきた回転軸３２の回転数を回転軸３２の回転方向を問わず（正方向回転と逆方向回転との双方を）計数し、回転軸３２の積算回転数を求める。回転軸３２の回転数はロータリエンコーダ３０が検出可能な回転軸３２の回転角度に応じて１回転以下の単位で積算し得るようになっている。例えば、このロータリエンコーダ３０により少なくとも回転軸３２の０．０５回転（１８°）を計測可能であるとした場合において、回転軸３２が正方向に１．５回転した後逆方向に３．２５回転し、更に正方向に２回転したようなときには、１．５＋３．２５＋２＝６．７５回転と計数する。

ロボットＲＢ、ロータリエンコーダ３０及びベアリング寿命予知部１０への電源の供給及び停止はロボットＲＢに繋がるメインスイッチＳＷ（図２参照）のオン・オフによってなされるが、前回計数時まで（すなわち前回におけるメインスイッチＳＷのオフ時まで）に求められた回転軸３２の積算回転数は不揮発性のメモリからなる積算回転数記憶メモリ１２に記憶されるようになっている。積算回転数算出部１１はメインスイッチＳＷがオン操作されたときに積算回転数記憶メモリ１２に記憶された前回計数時までの積算回転数を読み出して図示しない内部メモリに記憶し、メインスイッチＳＷのオン操作後に計数した回転軸３２の回転数を前回計数時までの積算回転数と合算してこれを新たな積算回転数して内部メモリに上書き記憶する。従って積算回転数算出部１１の内部メモリが記憶している回転軸３２の回転数の値は常にこれまで計数した回転数の積算値（積算回転数）となる。また、積算回転数算出部１１が内部メモリに記憶している回転軸３２の積算回転数は、メインスイッチＳＷがオフ操作されたときに積算回転数記憶メモリ１２に記憶されるようになっている（このため次にメインスイッチＳＷをオン操作したとき、積算回転数記憶メモリ１２の内部メモリに記憶される回転数の値は前回計数時までの積算回転数となる）。なお、積算回転数算出部１１と積算回転数記憶メモリ１２は、回転軸３２の回転数を回転軸３２の回転方向を問わず計数して回転軸３２の積算回転数を求める部分である。

警報作動部１４は、積算回転数算出部１１において算出された回転軸３２の積算回転数の値と、基準回転数記憶メモリ１３に記憶された基準回転数とを比較する。そして、算出された回転軸３２の積算回転数が基準回転数記憶メモリ１３に記憶された基準回転数に達したときには警報装置１５に警報信号を出力する。ここで、基準回転数記憶メモリ１３に記憶された基準回転数はベアリング３３の定格寿命（ベアリング３３に許容される回転軸３２の回転数）に基づいて定められており、定格寿命よりも小さい値、すなわち定格寿命そのものではなく、ロボットＲＢの使用中にその積算回転数が基準回転数に達したとしても少なくともその回の作業を十分にこなし得る程度の余裕（当然ながらその余裕は作業内容によって異なる）をもった値に設定される。基準回転数記憶メモリ１３に記憶される基準回転数の値はロボット制御部７１から任意に変更設定することができるようになっており、ベアリング１３の仕様や使用方法等によって適切な値を選択して設定することが可能である。また、基準回転数記憶メモリ１３は不揮発性のメモリからなり、メインスイッチをオフにしても設定した基準回転数のデータが消えることはない。

警報装置１５はロボット制御部７１とともにロボットコントローラ７０内に組み込まれており（図２参照）、ディスプレイやランプなどよって回転軸３２の積算回転数がベアリング３３の定格寿命に達した旨を視覚的、聴覚的にオペレータ（図示せず）に報知し、注意を喚起し得る構成となっている。なお、警報作動部１４と警報装置１５は、積算回転数算出手段（積算回転数算出部１１）において算出された回転軸３２の積算回転数と基準回転数記憶メモリ１３に記憶された基準回転数とを比較し、積算回転数算出手段において算出された回転軸３２の積算回転数が基準回転数記憶メモリ１３に記憶された基準回転数に達したときに警報作動を行う部分である。

このように本発明に係るロータリエンコーダ３０は、回転軸３２の回転数を回転軸３２の回転方向の如何にかかわらず（回転方向を問わず）計数し、得られた回転軸３２の積算回転数をベアリング３３の定格寿命に基づいて定められた基準回転数と比較し、積算回転数が基準回転数に達したときに警報作動を行うようになっており、ベアリング３３の寿命を（ベアリング３３の寿命が迫っていることを）的確に知ることが可能である。このためベアリング３３の疲労破壊を未然に防ぐことができ、ロータリエンコーダ３０の稼動中にベアリング３３が破壊してしまった場合に起こり得る作業の遅延や停滞による作業性の低下を防止することができる。また、前述したように、積算回転数算出部１１は、ロータリエンコーダ３０が検出可能な回転軸３２の回転角度に応じて回転軸３２の回転数を１回転以下の単位で積算できるようになっているので、より正確なベアリング３３の寿命予知が可能となっている。なお、ベアリング３３の寿命だけではなく、電動モータ５０の回転数に依存する部品の寿命に応じて警報を出すようにしても構わない。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に記載されたものに限定されない。例えば、上述の実施形態では、ロータリエンコーダはインクリメント型であるとしたが、アブソリュート型であっても構わない。また、上述の実施形態では、積算回転数記憶メモリ１２及び基準回転数記憶メモリ１３は不揮発性のメモリからなるとしていたが、メインスイッチＳＷをオフにしても別途設けた電源（例えばバックアップ電源）からの電力供給を受けて記憶されたデータが残るようになっているのであれば、必ずしも不揮発性のメモリからなっていなくてもよい。また、上述の実施形態では、本発明が適用されるロータリエンコーダは双方向駆動型の電動モータの回転方向及び回転角度検出用として設置されているものとしていたが、電動モータは必ずしも双方向駆動型でなくてもよく、一方向駆動型の電動モータであってもよい。また、上述の実施形態では、電動モータはロボットの１つの関節部を構成するものであったが、これは一例に過ぎず、電動モータの用途は特に限定されるものではない。更にロータリエンコーダ３０は電動モータに限られず、回転体一般に対して適用できるものであればよい。

また、上述の実施形態では、ロータリエンコーダ３０の回転軸３２の回転数を１回転以下の単位で積算できるようになっていたが、これは必ずしも必須の要件ではなく、ベアリング３３の寿命予知の精度を大まかなものでよいとするのであれば、１回転未満を１回転として計数し、或いは１回転以上２回転未満を１回転として計数するようにしても構わない。また、上述の実施形態では、本発明が適用される対象となるロータリエンコーダ３０はスリット円板３４と、スリット円板３４に光を照射する発光素子３６及びスリット円板３４のスリット３５を通過した発光素子３６からの光を受光する受光素子３８とを有して構成される光学式ロータリエンコーダであったが、本発明は光学的ロータリエンコーダに限られず、その他の形態のエンコーダ（例えば磁気式ロータリエンコーダ）に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダの構成図である。上記ロータリエンコーダが適用される多関節型ロボットを示す図である。

符号の説明

１０ベアリング寿命予知部
１１積算回転数算出部
１２積算回転数記憶メモリ
１３基準回転数記憶メモリ
１４警報作動部
１５警報装置
３０ロータリエンコーダ
３２回転軸
３３ベアリング

Claims

回転軸の回転方向及び回転角度から前記回転軸の回転数を前記回転軸の回転方向にかかわらず計数し、前記回転軸の積算回転数を算出する積算回転数算出手段と、
前記回転軸の回転寿命に基づいて定められた基準回転数を記憶した基準回転数記憶手段と、
前記積算回転数算出手段において算出された前記回転軸の積算回転数と前記基準回転数記憶手段に記憶された前記基準回転数とを比較し、前記積算回転数算出手段において算出された前記回転軸の積算回転数が前記基準回転数記憶手段に記憶された前記基準回転数に達したときに警報作動を行う警報手段とを備えたことを特徴とするエンコーダ。
前記回転軸の回転寿命は、前記回転軸を回転自在に支承するベアリングの寿命に基づいて決められることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
前記基準回転数記憶手段が記憶する前記基準回転数は任意に設定可能であることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。
前記積算回転数算出手段は、前記エンコーダが検出可能な前記回転軸の回転角度に応じて前記回転軸の回転数を１回転以下の単位で積算することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダ。