JP2007121119A

JP2007121119A - エンコーダ

Info

Publication number: JP2007121119A
Application number: JP2005313815A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Goto; 雅彦後藤
Original assignee: Nikon Corp; Sendai Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp; Sendai Nikon Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: JP4737612B2

Abstract

【課題】本発明は、使用時間の経過又は温度上昇に応じて発光量が減少する発光手段の異常を検出する機能を有するエンコーダを提供する。
【解決手段】本エンコーダは、発光手段（ＬＥＤ）の発光量の変化に応じて前記発光手段に流す電流値を変化させることによって発光手段の発光量を略一定にする発光手段駆動回路と、発光手段またはその周囲の温度を検出する温度検出手段と、電流値が予め定めた所定の電流値を超え、温度検出手段が検出した温度が予め定めた所定の温度以下である場合に、発光手段が異常であると判断する異常検出回路と、を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンコーダに関する。

例えば、産業用ロボット等の産業機械ではＡＣサーボモータ等のアクチュエータで各構成要素を作動しているが、その作動制御は高精度が要求されている。このようなアクチュエータの位置センサ、回転角度センサとしてアクチュエータの位置状態を検出し、デジタル信号として出力する光学式エンコーダが知られている。

詳細には後述するが、この光学式エンコーダは通常、発光部としてのＬＥＤからの光をスリット付の回転ディスクに通過させて受光素子に入力し、その光信号を電流信号に変換し増幅回路を介してアナログ信号として出力した後にデジタル信号変換してアクチュエータ等の制御回路（上位コントローラ）への制御信号として出力する構成を有している。
特開２００５−１５６５４９号公報

しかしながら、上記光学式エンコーダにおいてその発光部をなすＬＥＤは長時間の使用をすれば劣化して発光量が減少する特性を有する寿命部品であり、劣化による発光量の減少は出力されるアナログ信号を小さくさせ（振幅を減少させ）デジタル変換する際に正しく認識できず、好適な出力信号を得ることができなくなるという問題があった。本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、光学式エンコーダの動作中にＬＥＤの劣化を正しく検出することを目的としている。

本発明のエンコーダ（例えば、実施形態における光学式エンコーダ１００参照）は、発光手段（例えば、実施形態におけるＬＥＤ１０２参照）の発光量の変化に応じて前記発光手段に流す電流値を変化させることによって前記発光手段の発光量を略一定にする発光手段駆動回路（例えば、実施形態におけるＬＥＤ駆動回路２４参照）と、前記発光手段またはその周囲の温度を検出する温度検出手段（例えば、実施形態における温度センサ２６参照）と、前記電流値が予め定めた所定の電流値を超え、前記温度検出手段が検出した温度が予め定めた所定の温度以下である場合に、前記発光手段が異常であると判断する異常検出回路（例えば、実施形態におけるＬＥＤ寿命検出回路３０参照）と、を有している。さらに、前記発光手段は、LEDであることが好ましい。

本発明によれば、光源の劣化を正しく検出することができるエンコーダを提供することができる。

まず、本発明の光学式エンコーダの実施形態を説明する前提として従来の光学式エンコーダについて説明しておく。図１を参照すれば、従来の光学式エンコーダ１００の構成の概略を示したブロック図である。この光学式エンコーダ１００では、通常、発光部として２個のＬＥＤ１０２を使用しており、ＬＥＤ１０２から発光された光は回転ディスク１０４を通過して受光素子１０６に入射する。この回転ディスク１０４は所定回転角度ごとにスリットが設けられており、回転ディスク１０４が回転し、ＬＥＤ１０２からの光路上にスリットが位置するときにＬＥＤ１０２が発光している場合には光が通過して受光素子１０６に入射するように構成されるものである。受光素子１０６に入射したＬＥＤ１０２からの光は、その光量が電流に変換され、増幅回路１０８を介してそれぞれのＬＥＤ１０２に対するアナログ信号として出力される。このアナログ信号はデジタル処理回路１１０でデジタル信号に変換して上位コントローラ１１２側に出力する。

この光学式エンコーダ１００においてデジタル処理回路１１０では上記アナログ信号が小さくなると正しく認識することができないため、好適なデジタル信号を出力させるためには増幅回路１０８から出力する上記アナログ信号を一定に、詳細には出力パルス電流（以下、「アナログ信号」として説明する）の振幅を一定に保つ必要がある。従って、ＬＥＤ１０２の発光量は、所定範囲に保つ必要が生じる。その一方、ＬＥＤ１０２は長時間使用すれば劣化によりその発光量が減少する特性を有しており、光学式エンコーダにおいてはＬＥＤの寿命時期が近づくにつれその発光量が減少し増幅回路１０２からのアナログ信号の振幅が減少していくこととなる。詳細には後述する本発明の実施形態において同時に説明するが、このような事態を回避するために従来の光学式エンコーダ１００の場合、受光素子１０６からの出力信号をＬＥＤ駆動回路１１４にフィードバックさせ、ＬＥＤ１０２の発光量の変化に応じてＬＥＤ１０２への順電流を変化させることでＬＥＤ１０２の発光量を一定に保つようにし、ひいては増幅回路から出力するアナログ信号を一定に保つことが可能としている。

しかしながら、ＬＥＤ１０２への順電流の制御には制限があり（後述するトランジスタ２８の説明参照）、ＬＥＤ１０２に一定以上の順電流を流すことはできない。従って、ＬＥＤ１０２の劣化が進み、その発光量が所定以上減少すればＬＥＤ１０２への順電流の増加限度に到達し、アナログ信号の振幅は減少し始めることとなる。この様子を示したグラフ図が図２に示されており、図２（ａ）では時間−ＬＥＤ順電流、図２（ｂ）では時間−アナログ信号振幅の関係を示している。図２（ａ）に示すようにＬＥＤ１０２が時間経過により劣化していくと電流に対する発光量が減少を補正するために順電流が増加する。これにより、図２（ｂ）に示すようにアナログ信号の振幅は一定値（Ａmax）を保つこととなる。このＬＥＤ１０２への順電流増加は上述するように限界があり、図２（ａ）ではＬＥＤ１０２を時間t使用すれば順電流Ｉmaxに到達しその後、これを最大電流としたまま時間経過している。従って、図２（ｂ）に示すように順電流がＩmaxに到達した時間tを境界としてアナログ信号振幅もＡmaxを保つことができなくなり、時間経過に従って振幅減少していくこととなる。そして、デジタル処理回路１１０によりアナログ信号を正しく認識できなくなる程度までアナログ信号振幅が減少したとき（図２（ｂ）に示す時間t1、振幅Ａ1）をＬＥＤ寿命と判断し、振幅Ａ１到達を検出すると「信号異常」として上位コントローラ１１２側にアラーム信号を出力する。これによって、ＬＥＤ１０２の寿命を推測している。

しかしながら、上記従来の光学式エンコーダ１００の場合、アナログ信号振幅が所定値以下に到達すればＬＥＤ１０２の寿命と推測しているが、これは推測に過ぎずアナログ信号振幅の減少の発生要因は、ＬＥＤ１０２の寿命によるものばかりではなく、ノイズによる誤動作、回転ディスク１０４へのごみ付着、他の電子部品故障等、多岐にわたる要因が考えられ、「信号異常」が必ずしもＬＥＤ１０２の寿命を検出するものではない。従って、従来の光学式エンコーダ１００においてＬＥＤ１０２の寿命を判断するには「信号異常」の発生したＬＥＤ１０２を解析する必要があり、光学式エンコーダ１００の動作中にＬＥＤ１０２が寿命時期に近づいているか否かを確認することができなかった。

また、ＬＥＤ１０２の寿命時期を事前に検出したい場合に、ＬＥＤ１０２の順電流をモニタし、順電流が所定値以上となった場合や最高値（図２（ｂ）におけるＩmax）に到達前後の所定時間を経過した場合をもって寿命時期と推測することも可能である。但し、ＬＥＤ１０２はその温度特性上、高温時に発光量が減少してしまうため、順電流の増加がＬＥＤ１０２の劣化の影響なのか温度上昇の影響なのかが不明である。例えば、図３では温度−ＬＥＤ順電流の関係を示している。また、従来の光学式エンコーダ１００では、温度センサ１１６を搭載し、該センサが仕様温度等の所定温度以上を検出したときには「温度異常」であることを上位コントローラ１１２側に出力する機能をもたせていた。しかしながら、従来の光学式エンコーダ１００における温度センサ１１６では仕様温度以上の温度が検出された場合にその情報を出力するだけであった。

本発明の光学式エンコーダは、このような従来の光学式エンコーダ１００の欠点を解決している。具体的に本発明の光学式エンコーダでは、ＬＥＤの順電流が増加し寿命時期に近くなった場合に事前にＬＥＤの寿命時期を知らせる手段を提供し、さらに温度センサの温度情報を基にＬＥＤの寿命検出可能なモードと検出不可能なモードとを切り替える手段を提供している。以下、その実施形態について説明する。

図４を参照すれば、本発明の一つの実施形態である光学式エンコーダ１０の略ブロック図が示されている。この光学式エンコーダ１０においても図１に示す従来の光学式エンコーダ１００と同様に、発光部としてＬＥＤを使用しており、ＬＥＤ１２から発光された光が回転ディスク１４を通過して受光素子１６に入射し、回転ディスク１４が回転し、ＬＥＤ１２からの光路上にスリットが位置するときにＬＥＤ１２が発光している場合には光が通過して受光素子１６に入射するように構成されている。また、受光素子１６に入射したＬＥＤ１２からの光は、その光量が電流に変換され、増幅回路１８を介してそれぞれのＬＥＤ１２に対するアナログ信号として出力される。アナログ信号は、デジタル処理回路２０でデジタル信号に変換して上位コントローラ２２側に出力している。

また、受光素子１６から出力したパルス信号は増幅回路１８に入力されるが、ＬＥＤ駆動回路２４にもフィードバックされる。上述する従来の光学式エンコーダ１００におけるＬＥＤ駆動回路１１４でも概説したように、ＬＥＤ駆動回路２４は、ＬＥＤ１２の発光量の変化に応じてＬＥＤ１２への順電流を変化させる。具体的には、受光素子１６からの信号をフィードバック回路３２に入力させ、ＬＥＤ１２の発光量の変化に基づく受光素子１６からの信号の変化に応じてフィードバック回路３２の出力電圧を変化させている。この出力電圧は図４にも示すようにトランジスタ２８のベース端子２８ｂに接続される。また、トランジスタ２８のコレクタ端子２８ａは、ＬＥＤ駆動回路２４に備えられた抵抗Ｒを介して電源Ｖccに接続されている。さらに、トランジスタ２８のエミッタ端子２８ｃは、ＬＥＤ１２に接続されている。従って、コレクタ端子２８ａの電圧が判ればＬＥＤ１２へ供給する順電流値も検出することができる。具体的には、
ＬＥＤ順電流値
＝（電源電圧Ｖcc−コレクタ端子電圧）／抵抗Ｒ
であり、電源電圧Ｖccと抵抗Ｒとが一定値であるため、コレクタ端子電圧を測定すればＬＥＤ順電流値が検出されることとなる。なお、コレクタ端子電圧は、
コレクタ端子電圧
＝トランジスタのコレクタ・エミッタ間飽和電圧＋ＬＥＤ順電圧
である。

ここで、例えば、電源電圧Ｖcc＝５．０Ｖ，抵抗Ｒ＝５０Ω，コレクタ端子電圧＝１．５Ｖ（ＬＥＤの順電圧＝１．４Ｖ，コレクタ・エミッタ間飽和電圧＝０．１Ｖ）とした場合を考えてみると、
ＬＥＤ順電流値＝（５．０−１．５）／５０＝０．０７となる。
従って、ＬＥＤ順電流は、最大７０ｍＡまでしか流すことができないこととなる。図５のグラフを参照すれば、それぞれ上記条件において時間に対するＬＥＤ順電流（左上図）、コレクタ端子電圧（右上図）、アナログ信号振幅（左下図）、発光量（右下図）が示されている。この図を見れば、ＬＥＤ順電流の初期値は１０ｍＡであり、コレクタ端子電圧の初期値は４．５Ｖである。ＬＥＤ１２が使用により劣化していき発光量が減少していくとこれに応じてフィードバック回路３２の出力電圧が低下していき、コレクタ端子電圧も低下していく（右上図）。具体的にコレクタ端子電圧は、時間ｔ経過時に１．５Ｖまで低下され、上述の計算式からも判るように逆にＬＥＤ順電流値は、７０ｍＡまで増加していく（左上図）。これによりＬＥＤ１２への順電流が７０ｍＡまで増加する間は、ＬＥＤ１２の発光量が一定に保持され（右下図）、結果として受光素子１６から出力されるアナログ信号の振幅も一定に保持されることとなる（左下図）。

その後（時間ｔ経過後）、ＬＥＤ１２が更に劣化していくとコレクタ端子電圧は１．５Ｖを最低値とするのでこれ以上低下させることはできず（右上図）、ＬＥＤ順電流は７０ｍＡを保持する（左上図）。従って、ＬＥＤ１２の発光量がその劣化に従ってそのまま減少していくこととなり（右下図）、受光素子１６から出力されるアナログ信号の振幅も小さくなっていく（左下図）。そして、そのままＬＥＤ１２を使用していくと増幅回路１８で増幅してもデジタル処理回路２０において正しく認識できない程度の信号となり、このままでは単に「信号異常」として出力されることとなる（左下図）。

ここで、本発明の光学式エンコーダ１０ではＬＥＤ寿命検出回路３０が提供されている。このＬＥＤ寿命検出回路３０では、図示しない汎用の電圧検出ＩＣが使用されており、入力側をコレクタ端子２８ａに接続し、出力側をデジタル処理回路２０に接続している。このような構成によりコレクタ端子電圧を常時モニタしており、所定電圧を検出したとき、例えば図５の左上図に示すコレクタ端子電圧１．５Ｖを検出した時点で、前記電圧検出ＩＣの出力を「Ｈ」となる信号をデジタル処理回路２０に出力する。信号を入力したデジタル処理回路２０では、この信号をＬＥＤ寿命を知らせる信号として認識し、上位コントローラ２２側へＬＥＤ寿命を知らせるアラームを出力する。例えば、上記図４、図５で示す光学式エンコーダ１０の条件で例示すれば、ＬＥＤ寿命検出回路３０の電圧検出ＩＣの設定電圧を１．５Ｖに設定すれば、ＬＥＤ１２の順電流が７０ｍＡになった時点でＬＥＤ１２の寿命を知らせるアラームを出力することとなる。また、図５の右上図に示すようにコレクタ端子電圧は１．５Ｖに到達すれば、その後、同電圧で保持されるため電圧検出ＩＣの設定電圧を１．５Ｖちょうどに設定すると少しでも検出誤差が出るとコレクタ端子電圧が１．５Ｖに到達してもアラーム出力されない又は１．５Ｖ到達した後に長時間遅れてアラーム出力されるおそれがあるため、電圧検出ＩＣで設定する電圧は１．５Ｖ（すなわち、コレクタ端子電圧の最小値）よりも所定値大きい値に設定しておく方が好ましい。この場合、ＬＥＤ１２への順電流が７０ｍＡに到達するよりも少し前、少なくとも順電流が７０ｍＡに到達した時点でアラームが出力されることとなる。

アラームが出力した後にはアナログ信号が減少していくが、前述する「信号異常」にあるまでは所定時間を要する（図５の左下図におけるｔ〜ｔ１参照）。従って、この所定時間の間にＬＥＤ１２又は光学式エンコーダ１０全体を交換するに十分な時間を確保することができ、「信号異常」としてシステム全体が停止することなく円滑な保全作業を実行することができる。

また、上述するように従来の光学式エンコーダ１００ではＬＥＤの温度特性が高温時に発光量が減少するというものであるので、発光量の減少がＬＥＤの劣化（寿命時期が近づいている）によるものであるのか、又は高温ゆえのものであるのか判断するのが困難である。本実施形態の光学式エンコーダ１００では、温度センサ（温度センサＩＣ）２６の出力側をデジタル処理回路２０に接続し、温度センサ２６からのＬＥＤ１２又はその近傍の温度情報を取得し、取得された温度が所定値以下のときのみにＬＥＤ寿命検出回路３０を有効作動させるように制御する制御信号をデジタル処理回路２６がＬＥＤ寿命検出回路３０側に出力している。従って、ＬＥＤ寿命検出回路３０によりＬＥＤ１２の寿命を知らせる信号を入力したデジタル処理回路２６が前述するアラームが出力された場合には、ＬＥＤ１２の寿命時期が近づいていると判断することができる。すなわち、本光学式エンコーダ１００によれば、ＬＥＤ１２の寿命によるものなのかＬＥＤ１２の温度特性による発光量減少を要因とするものなのかを区別することができ、光学式エンコーダ１０の動作中において事前にＬＥＤ１２の寿命時期が近づいていることを検出することが可能となる。例えば、デジタル処理回路２０が温度情報が４０℃以下のときのみにＬＥＤ寿命検出回路３０を有効にするという制御信号をＬＥＤ寿命検出回路３０側に出力することにより４０℃以上のときＬＥＤ寿命検出回路３０は無効となり、４０℃未満のときのみＬＥＤ寿命検出回路３０は有効とすることができる。

以上、本発明の光学式エンコーダの実施形態の一つについて説明してきたが、本発明の光学式エンコーダはこれに限定されるものではなく、例えば、ＬＥＤの寿命時期を早期に知りたい場合やＬＥＤが寿命となる限界まで使用したい場合等の要請に応じて、電圧検出ＩＣの電圧値、温度センサの温度閾値は変更することが可能である。

従来の光学式エンコーダの略ブロック図である。（ａ）は、時間−ＬＥＤ順電流の関係を示し、（ｂ）は、時間―アナログ信号振幅の関係を示すグラフ図である。温度―ＬＥＤ順電流の関係を示すグラフ図である。本発明の光学式エンコーダの略ブロック図である。本発明の光学式エンコーダにおけるＬＥＤ寿命検出に関係する情報の一例を示したグラフ図であり、左上図は時間―ＬＥＤ順電流、右上図は時間―トランジスタのコレクタ端子側電圧、（ｃ）は時間―増幅回路から出力されるアナログ信号振幅、（ｄ）は時間―ＬＥＤの発光量の相関を示している。

符号の説明

１０光学式エンコーダ
１２発光手段（ＬＥＤ）
１４回転ディスク
１６受光素子
１８増幅回路
２０デジタル処理回路
２２上位コントローラ
２４発光手段駆動回路（ＬＥＤ駆動回路）
２６温度検出手段（温度センサ）
２８トランジスタ
３０発光手段寿命検出回路（ＬＥＤ寿命検出回路）
３２フィードバック回路

Claims

発光手段の発光量の変化に応じて前記発光手段に流す電流値を変化させることによって前記発光手段の発光量を略一定にする発光手段駆動回路と、
前記発光手段またはその周囲の温度を検出する温度検出手段と、
前記電流値が予め定めた所定の電流値を超え、前記温度検出手段が検出した温度が予め定めた所定の温度以下である場合に、前記発光手段が異常であると判断する異常検出回路と、を有することを特徴とするエンコーダ。
前記発光手段は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。