JP2007155627A - エンコーダのカウントミス検出回路およびエンコーダのカウントミス検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 変位量計測のためのカウント信号のカウントミスの検出を可能として、信頼性の高いエンコーダを実現できるエンコーダのカウントミス検出回路およびエンコーダのカウントミス検出方法を提供する。
【解決手段】 被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出回路であって、変位量計測用の１または２以上の基信号（Ａ相、Ｂ相）を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号（Count(0)）と前記基信号（Ａ相、Ｂ相）のレベルとを比較して、カウント信号のカウントミスを検出する構成のエンコーダのカウントミス検出回路および検出方法とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、主にモータ等の回転体や工作機械の移動テーブル等の移動体である被測定物に取り付けられ、被測定物の変位量、すなわち回転数および/または回転角度や、移動距離を検出するエンコーダに関し、特に移動量を計数するカウンタのカウントミスを検出する回路に関するものである。

一般に、エンコーダはロータリーエンコーダとリニアエンコーダとに分類され、さらにロータリーエンコーダにはインクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとに分類される。特にアブソリュートエンコーダでは、回転数の検出も行う多回転式エンコーダがある。多回転式エンコーダは、例えば特公平６−４１８５３号公報等に開示されているように、１回転内の変位量、変位角を検出するための機構の他に、１回転以上の回転数を検出するための機構を有するものが知られている。

この文献の多回転式エンコーダは、１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダと、多回転を検出するための磁気エンコーダとを備えている。１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダは、シャフトに取り付けられ、１回転以内の絶対角度を検出するための回転ディスクと、これに投光するためのLEDと、固定スリットを介して前記LEDからの光を受光する受光素子のフォトダイオードアレイと、これらフォトダイオードアレイからの検出信号を矩形波に波形整形するための波形整形回路等から構成されている。また、多回転を検出するための磁気エンコーダは、回転部にリングマグネットと称する磁石を備えた回転ディスクと、この回転ディスクの回転を検出するための磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子からの信号を波形整形する波形整形回路と、多回転の検出信号をカウントし、数値を保持しておくための制御回路（カウンタ）等から構成されている。

前記リングマグネットは、１回転する間に磁極が反転するようになっていて、この磁極の変化を磁気抵抗素子が検出することで、１回転を検出することができる。なお、このようなエンコーダの１回転検出用の機構、多回転検出用の機構は、光学系としたり、磁気系としたり、さらにその部品の構造や取り付け位置などは、エンコーダの種類により種々の態様がある。例えば、特開平７−２１８２９０号公報に示されるように、光学系の検出機構のみを用い、多回転検出用の信号も光学系により生成しているものもある。また、特開平１０−３２５７４０号公報に示されるように、光学系の検出機構のみを用い、多回転検出用の信号にアブソリュート信号の上位ビットを用いているものもある。一般に、多回転検出部を磁気式することで、小電力化が可能になり、バックアップ電源の長寿命化に有利とされている。

いずれの方式を用いた場合でも、一般に多回転検出用の基信号は、図６に示すような、電気角で９０°位相が異なり、１回転で１周期となるＡ相、Ｂ相信号により構成される。このような位相差２信号を用いることで、回転方向の検出が可能となり、回転方向に応じた回転数を計数することができる。ここで、図６は多回転検出用の各基信号の状態を示すタイミングチャートである。

このような基信号を用いて回転数を計数する場合、１回転で１カウントすればよいことから、通常Ａ相またはＢ相信号の変化点を用いて回転数がカウントされる。図７は、このような多回転計数の動作を、Ａ相、Ｂ相信号と、カウンタの出力下位３ビットCount(0)-Count(2)の出力で示したタイミングチャートである。この例では、Ａ相信号の立ち上がりエッジを検出してカウントしている。いま、回転方向がＣＷ方向であると、カウンタのカウント出力Count(0)-Count(2)は、Ａ送信号の立ち上がりエッジ毎にインクリメントされ、回転数が０，１，２，３・・と計数されて行く。

しかし、ノイズや振動によるパルス割れを生じる等してＡ相の立ち上がりエッジを検出できなかった場合、図８に示すようにカウントミスとなるが、Ａ相、Ｂ相信号や、カウント出力Count(0)-Count(2)の状態からではカウントミスを認識することができず、ミスカウントを看過してしまうことがあった。ここで、図８は図７において、Ａ相のエッジ検出ミスＮＧが生じたときの状態を示すタイミングチャートである。

すなわち、表１に示すように、Ａ相、Ｂ相信号のレベルが変化した場合、それに対応するカウント出力Count(0)の状態は、０と１の両方の場合があり、これらの関係からではカウントミスを検出することができないからである。

このように、多回転式エンコーダの多回転部で検出ミスが生じると、１回転の誤差が生じることとなり、位置制御データとしては極めて大きな数字の誤差ゆえに致命的な問題を生じる恐れがある。

また、前記インクリメンタルエンコーダやアブソリュートエンコーダの１回転内の変位量検出においても同様にＡ相、Ｂ相信号を用いてカウントしているが、この場合にも同様なカウントミスを生じる恐れがある。このため、エンコーダの信頼性向上のためにもそのようなカウントミスを防止しなければならない。
特公平６−４１８５３号公報 特開平７−２１８２９０号公報 特開平１０−３２５７４０号公報

本発明の目的は、変位量計測のためのカウント信号のカウントミスの検出を可能として、信頼性の高いエンコーダを実現できるエンコーダのカウントミス検出回路およびエンコーダのカウントミス検出方法を提供することである。

すなわち上記目的は、以下の本発明の構成により達成される。
（１） 被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出回路であって、
変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、カウント信号のカウントミスを検出するエンコーダのカウントミス検出回路。
（２） 多回転型絶対値エンコーダの回転検出部のカウントミスを検出する上記（１）のエンコーダのカウントミス検出回路。
（３） 変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍するｎ逓倍回路と、逓倍された基信号をカウント用のカウント信号とするカウント信号変換回路と、カウント信号をカウントするカウンタと、前記基信号からカウンタの出力信号と比較するための比較信号を生成する比較信号加工選択回路と、比較信号とカウンタの出力信号のレベルとを比較して所定の関係のときにカウントミス出力信号を生じる比較器とを有するエンコーダのカウントミス検出回路。
（４） 被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出方法であって、
変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、所定の関係のときにカウント信号のカウントミスとするエンコーダのカウントミス検出方法。

本発明によれば、簡単な構成で計測時のカウントミスの検出が可能となり、従来の回路に僅かな変更を加えるだけで、極めて信頼性の高いエンコーダを実現できるエンコーダのカウントミス検出回路およびエンコーダのカウントミス検出方法を提供できる。

本発明のエンコーダのカウントミス検出回路は、回転量、移動量など被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出回路であって、変位量に応じて出力される変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、カウント信号のカウントミスを検出するものである。

また、本発明のエンコーダのカウントミス検出方法は、被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出方法であって、変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、所定の関係のときにカウント信号のカウントミスとするものである。

このように、変位量計測用の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とすることで、このカウント信号が、カウンタの出力信号のいずれか、特に下位２ビットのいずれかのレベルと所定の関係を有するようになる。このため、両者を比較して、正常時の関係と異常時の関係を判断することができ、カウントミスを検出することができる。

［第１の態様］
次に図を参照しつつ本発明装置の動作についてより具体的に説明する。図１は、本発明の第１の態様の動作を示すタイミングチャートであり、変位量、つまり回転角、回転数、移動量等を計数する動作を、Ａ相、Ｂ相信号と、カウンタの出力下位３ビットCount(0)-Count(2)の出力で示している。この例では、ロータリーエンコーダの回転検出において、Ａ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出してカウント信号としている。なお、リニアエンコーダの場合も、回転方向を移動方向とすれば同様に考えることができる。

図において、図示しないカウント信号をＡ相、Ｂ相の基信号のうち、例えばＡ相の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出して生成すると、Ａ相信号の２逓倍の信号となる。いま、回転方向がＣＷ方向であると、カウンタのカウント出力Count(0)-Count(2)は、Ａ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジ毎にインクリメントされ、回転数が０，１，２，３・・と計数されて行く。このため、これをカウントするカウンタの最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)は、この２逓倍のカウント信号と一致するため、Ａ相信号の逆相の信号となる。つまり、下記表２に示すように、最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルは、Ａ相信号の逆相つまり論理否定のレベルと一致する。

次に、図２に示すように、Ａ相の立ち上がりエッジの検出ミスＮＧが生じて、カウントミスが生じると最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルは変化せず、Ａ相信号のレベルと一致する。従って、信号レベルが安定した適当な位置を検出点ＤＰとして両信号のレベルを比較して、そのレベルが一致したことを確認することでカウントミスを検出することができる。より具体的には、両信号レベルの論理積ＡＮＤを得るか、排他的論理和ＸＯＲを得ることで容易に判断することができる。

なお、上記例では、Ａ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出して、２逓倍のカウント信号としたが、Ｂ相信号を用いても同様であり、さらに、Ａ，Ｂ相の立ち上がり、あるいはＡ，Ｂ相の立ち下がりエッジを用いて２逓倍信号としてもよい。つまり、基信号のいずれかを２逓倍して、例えばロータリーエンコーダの多回転部に応用した場合、１回転当たり２カウントするカウント信号を生成すれば同様の手法により処理することができる。また、インクリメンタル信号の計数においても同様である。

［第２の態様］
図３は、本発明の第２の態様の動作を示すタイミングチャートであり、この例では、Ａ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジおよびＢ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出してカウントしている。

図において、図示しないカウント信号をＡ相、Ｂ相の基信号のうち、Ａ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジおよびＢ相信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出して生成すると、Ａ相信号またはＢ相信号の４逓倍の信号となる。いま、回転方向がＣＷ方向であると、カウンタのカウント出力Count(0)-Count(2)は、Ａ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジおよびＢ相信号の立ち上がり、立ち下がりエッジ毎にインクリメントされ、変位量が０，１，２，３・・と計数されて行く。このため、これをカウントするカウンタの最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)は、この４逓倍のカウント信号と一致する。

そして、前記カウンタの最下位＋１ビットの出力信号Count(1)のレベルは、Ａ相信号の論理否定のレベルと一致する。このため、下記表３に示すように、最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルは、Ａ相とＢ相の信号レベルの排他的論理和またはその否定と一致し、出力信号Count(1)のレベルは、Ａ相信号またはＢ相信号のレベルと一致するかその逆相つまり論理否定のレベルと一致する。

次に、図４に示すように、Ａ相の立ち上がりエッジの検出ミスＮＧが生じて、カウントミスが生じると最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルは変化しない。このため最下位ビット＋１の出力信号Count(1)のレベルはＡ相信号のレベルと一致する。また、最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルはＡ相信号とＢ相信号のレベルの排他的論理和と一致する。

従って、信号レベルが安定した適当な位置を検出点ＤＰとしてＡ相信号とＢ相信号のレベルと、最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)と最下位ビット＋１の出力信号Count(1)のレベルを比較して、最下位ビット＋１の出力信号Count(1)のレベルがＡ相信号のレベルと一致するか、最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルがＡ相信号とＢ相信号のレベルの排他的論理和と一致することを確認することでカウントミスを検出することができる。これらの検出手段は、最下位ビット＋１の出力信号Count(1)のレベルか最下位ビット（ＬＳＢ）の出力信号Count(0)のレベルのいずれかについて検出してもよいし、その双方を検出してもよい。両方を検出することで２重の検査が可能となり、装置の安全性が格段に向上する。

なお、上記例では、Ａ相信号とＢ信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出して、４逓倍のカウント信号としたが、Ａ相信号またはＢ信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジと、Ａ，Ｂ相の立ち上がり、あるいは立ち下がりエッジの３箇所のエッジを用いて３逓倍信号としてもよい。つまり、基信号のいずれかを３，４逓倍して、例えばロータリーエンコーダの多回転部に適用した場合、１回転当たり３，４カウントするカウント信号を生成すれば同様な手法により処理することができる。

また、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダにおける変位量、つまり回転角、移動量検出用のインクリメンタル信号の場合も同様である。さらに、アブソリュート信号の最下位ビットや回転検出用の上位ビットに適用することも可能である。

次に、本発明装置の具体的な構成について説明する。図５は、本発明のエンコーダのカウントミス検出回路の基本構成を示すブロック図である。図において、カウントミス検出回路は、図示しない変位量検出部から出力されるＡ相、Ｂ相信号を２，３または４逓倍するｎ逓倍回路２と、このｎ逓倍されたＡ相、Ｂ相信号から加算（Up）または減算（Down）のカウント信号を生成するカウント信号変換回路３と、前記カウント信号をカウントして、カウント値に応じたカウント出力を生じるカウンタ４と、前記Ａ相、Ｂ相信号から前記カウント出力と比較するための比較信号を生成する比較信号加工選択回路５と、前記カウンタからのカウント出力信号と、比較信号とを比較してその結果をカウントミス信号として出力する比較器６とを有する。

ｎ逓倍回路２は、前述したようにＡ相またはＢ相、あるいはＡ相およびＢ相の立ち上がり、立ち下がりエッジを検出して、これらの基信号からｎ逓倍の信号を生成する。ｎ逓倍回路２は、例えば立ち上がり、立ち下がりエッジで動作するフリップフロップ等、既存のデジタル回路素子を用いたり、これを応用することで容易に構成することができる。

カウント信号変換回路３は、ｎ逓倍した基信号から、Ａ相およびＢ相の位相関係により回転方向ないし移動方向を判別し、この回転方向、移動方向に応じた加算（Up）または減算（Down）のカウント信号を生成する。例えば、上記例ではＣＷ方向の回転のときにＢ相、Ａ相という順番でパルスが現れ、ＣＣＷ方向のときにはその逆となる。従って、Ｂ相、Ａ相という順番でパルスが現れるときには加算信号、その逆のときには減算信号とすればよい。なお、リニアエンコーダの場合には回転方向を移動方向に置き換えればよい。このようなカウント信号変換回路も、周知の回路により構成することができる。

カウンタ４は、入力されたカウント信号をカウントする。この場合、加算（Up）信号が入力されるとカウント値をインクリメントし、減算（Down）信号が入力されるとデクリメントする。このカウンタ４も、通常用いられているカウンタ素子や論理素子の組み合わせにより容易に構成することができる。ここで、カウント信号が基信号のｎ逓倍になるため、多回転容量（出力ビット数）は、逓倍した分のビット数を増やす必要がある。例えば、出力ビット数が１６ビットで２逓倍の場合、逓倍分のビット数１ビットを要するため、カウント容量は１７ビットとなる。

比較信号加工選択回路５は、前記Ａ相，Ｂ相の基信号からカウンタ４のカウント出力と比較できる信号を選択したり、これらの信号の論理否定、論理積、排他的論理和などの操作を行い、カウント出力と比較できる比較信号に変換する。これらの操作は通常用いられている論理素子などを組み合わせることにより容易に行うことができる。

比較器６は、カウンタ４の最下位ビット（ＬＳＢ）のカウント信号Count(0)または最下位ビット＋１のカウント信号Count(1)と上記比較信号加工選択回路５からの比較信号とを比較し、検出ミスの有無を判断できるカウントミス出力信号ＯＵＴを生成する。比較する信号は、変位量検出信号が立ち上がり立ち下がりなどで変化し、カウンタが変化しているような不安定な状態を避け、変位量検出信号とカウンタ出力信号が安定した部分のレベルを比較するとよい。比較器は、例えばコンパレータ等の周知の比較素子を用いてもよいが、単純に２つの信号のレベルが所定の関係にあるときに出力を生じるものであればよいので、例えば論理積、排他的論理積等の機能を有する論理素子を用いてシンプルに構成してもよい。

このような構成のカウントミス検出回路は、例えば多回転式絶対値エンコーダエンコーダの多回転検出部に適用され、多回転のミスカウントを検出するのに有効である。多回転式絶対値エンコーダとしては、例えば上記特公平６−４１８５３号公報等に開示されている構成のものが好ましい。このエンコーダは、１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダと、多回転を検出するための磁気エンコーダとを備えている。１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダは、シャフトに取り付けられ、１回転以内の絶対角度を検出するための回転ディスクと、これに投光するためのLEDと、固定スリットを介して前記LEDからの光を受光する受光素子のフォトダイオードアレイと、これらフォトダイオードアレイからの検出信号を矩形波に波形整形するための波形整形回路等から構成されている。また、多回転を検出するための磁気エンコーダは、回転部にリングマグネットと称する磁石を備えた回転ディスクと、この回転ディスクの回転を検出するための磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子からの信号を波形整形する波形整形回路と、多回転の検出信号をカウントし、数値を保持しておくための制御回路（カウンタ）等から構成されている。

そして、前記磁気抵抗素子からの信号を波形整形する波形整形回路からの出力信号が、本発明のＡ相、Ｂ相の基信号に相当し、制御回路がカウンタに相当する。

また、このような多回転式エンコーダの多回転部みならず、インクリメンタルエンコーダやリニアエンコーダも同様の手法によりカウントミス検出回路、検出方法を適用できる。これらのエンコーダの詳細な構成については、種々の文献に開示されているためここでは省略する。

本発明のアブソリュートエンコーダのカウントミス検出回路、検出方法は、変位量に応じて所定のパルス列を出力し、これを計測することで変位量を検出できるエンコーダであればその種類を問わず適用することができる。例えば、ロータリーエンコーダのインクリメンタル信号のカウント、アブソリュート信号のカウント、多回転信号のカウント、リニアエンコーダのインクリメンタル信号のカウント等、種々のエンコーダのカウント機能に適用可能である。

本発明の第１の態様の動作を示すタイミングチャートであり、変位量を計数する動作を、Ａ相、Ｂ相信号と、カウンタの出力下位３ビットの出力で示している。 図１において、Ａ相の立ち上がりエッジの検出ミスＮＧが生じた状態を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の態様の動作を示すタイミングチャートであり、変位量を計数する動作を、Ａ相、Ｂ相信号と、カウンタの出力下位３ビットの出力で示している。 図３において、Ａ相の立ち上がりエッジの検出ミスＮＧが生じた状態を示すタイミングチャートである。 本発明のエンコーダのカウントミス検出回路の基本構成を示すブロック図である。 従来のエンコーダの多回転検出用の各基信号の状態を示すタイミングチャートである。 図６のエンコーダの多回転を計数する動作を、Ａ相、Ｂ相信号と、カウンタの出力下位３ビットの出力で示したタイミングチャートである。 図７において、Ａ相の立ち上がりエッジの検出ミスＮＧが生じた状態を示すタイミングチャートである。。

符号の説明

２ ｎ逓倍回路
３ カウント信号変換回路
４ カウンタ
５ 比較信号加工選択回路
６ 比較器

Claims (4)

1. 被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出回路であって、
   変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、カウント信号のカウントミスを検出するエンコーダのカウントミス検出回路。
2. 多回転型絶対値エンコーダの回転検出部のカウントミスを検出する請求項１のエンコーダのカウントミス検出回路。
3. 変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍するｎ逓倍回路と、逓倍された基信号をカウント用のカウント信号とするカウント信号変換回路と、カウント信号をカウントするカウンタと、前記基信号からカウンタの出力信号と比較するための比較信号を生成する比較信号加工選択回路と、比較信号とカウンタの出力信号のレベルとを比較して所定の関係のときにカウントミス出力信号を生じる比較器とを有するエンコーダのカウントミス検出回路。
4. 被測定物の変位量に応じたパルス列を出力するエンコーダのカウントミス検出方法であって、
   変位量計測用の１または２以上の基信号を２，３，または４逓倍してカウント信号とし、このカウント信号をカウントしたカウンタの出力信号と前記基信号のレベルとを比較して、所定の関係のときにカウント信号のカウントミスとするエンコーダのカウントミス検出方法。

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