JP2009156843A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリエンコーダＲＥの状態を監視する監視用ＣＰＵ１１１の負担を軽減すると共に該当パルス信号の異常を確実に検出することができること。
【解決手段】ロータリエンコーダＲＥに監視用ＣＰＵ１１１を内蔵し、この内蔵した監視用ＣＰＵ１１１では、その監視項目を停止モードでは内部割込みで監視する監視項目に切り替えて電子制御装置２０７に当該内部回路が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行い、回転モードでは外部割込みで監視する監視項目に切り替えて上記装置２０７にパルス信号が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行うロータリエンコーダにおいて、各パルス信号に基づいてロータリエンコーダが非回転か回転状態かの判定を行い、非回転との判定では停止モードとし、回転との判定では、各パルス信号に対し異なる回転目でデューティ演算等を行い、その演算した結果が異常であれば、フェイル出力を上位装置２０７に出力し、正常であれば次のパルス信号の判定を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、アブソリュート型やインクリメンタル型のロータリエンコーダにかかり、特に、当該ロータリエンコーダの状態を監視すると共にその監視結果を当該ロータリエンコーダの上位装置に伝えることができるロータリエンコーダに関するものである。

図７以降を参照して例えばインクリメンタル型のロータリエンコーダＲＥを説明すると、図７は、このロータリエンコーダＲＥの機構的な構成、図８はこのロータリエンコーダＲＥの電気的な構成、図９は、Ａ相信号、Ｂ相信号の信号波形を示す。

図７を参照して、ロータリエンコーダＲＥは、投光素子ＬＥＤと、複数（この例では２つ）の受光素子ＰＤａ、ＰＤｂとの間に、円周方向等間隔に投光素子ＬＥＤからの光を透過することができる複数のスリット（以下回転スリットと言う）を有する回転スリット板ＲＳと、この回転スリット板ＲＳの一方側に上記スリットと同様に投光素子ＬＥＤからの光を透過することができるスリット（以下固定スリットと言う）を有する固定スリット板ＦＳとを対向配置している。

この固定スリット板ＦＳの固定スリットは、投光素子ＬＥＤからの光を電気角で順次９０度ずつずれさせて回転スリット板ＲＳの回転スリットを通過させて光信号を形成するようになっている。受光素子ＰＤａ、ＰＤｂで検出回路１０５として上記光信号を受光する。

図８を参照して、上記受光素子ＰＤａ、ＰＤｂそれぞれの出力は、比較器ＣＰａ，ＣＰｂからなるＡ相、Ｂ相判定回路１０６，１０８で基準値（ｒｅｆ）と比較され、図９（ａ）（ｂ）で示すようなパルス信号（Ａ相、Ｂ相信号）が生成され、これにＡ相、Ｂ相信号はＡ相、Ｂ相出力回路１０７，１０９それぞれから出力されるようになっている。

以上の構成を備えたロータリエンコーダＲＥを、例えばエレベータを電子制御する電子制御システムに組み込む場合、その乗りかごを昇降駆動する駆動用モータの回転軸にロータリエンコーダＲＥを取り付けると共にそのロータリエンコーダＲＥからのＡ相、Ｂ相信号をその上位装置である電子制御装置に入力する。電子制御装置はロータリエンコーダＲＥからのＡ相、Ｂ相信号により駆動用モータを駆動制御して乗りかごを昇降制御するようになっている（例えば特許文献１参照）。この電子制御システムでは、主に、電子制御装置に内蔵する制御用ＣＰＵの制御動作により電子制御システムの安全性を図る。制御用ＣＰＵは、制御プログラムや各種制御定数や各種入力センサの動作状態に応答して各種の負荷を制御するようになっている。

以上の構成において、電子制御装置側では制御用ＣＰＵにロータリエンコーダＲＥ側の異常状態をＡ相、Ｂ相信号の有無、信号波形等により一定の判定を行う判定プログラムを追加搭載することが考えられるが、そのような判定プログラムの追加搭載とその判定プログラムの実行は制御用ＣＰＵに負担増となるうえに電子制御速度の遅延化やコスト増をもたらす。また、エレベータ製造側とエンコーダ製造側とが分かれていてエレベータ製造側で上記判定プログラムの追加等を行うのはロータリエンコーダＲＥの詳細が明確でない限り困難である。まして、既に建屋等に設置済みのエレベータ装置においては、殆どの例では放置される状態となりかねない。

このような現状下で、ロータリエンコーダＲＥが突然的に異常にならないよう、ロータリエンコーダＲＥ側でその状態を常時監視すると共に、その監視状態を上位装置である電子制御装置に即座に伝えることで当該電子制御装置側が所要の対応を迅速に行うことができるようにすることが望ましい。

そこで、本出願人は、ロータリエンコーダＲＥに監視用ＣＰＵを内蔵する一方、ロータリエンコーダＲＥの状態を監視する項目を多数設定し、各項目ごとの監視信号を監視用ＣＰＵに取り込ませ、この監視用ＣＰＵでロータリエンコーダＲＥ監視の処理結果を上位装置である電子制御装置の制御用ＣＰＵに送信することを考えている。

上記した監視項目には、主電源の状態、投光素子の状態、受光素子の状態、Ａ相、Ｂ相信号の出力回路等の内部回路の状態や、外部出力であるＡ相、Ｂ相信号のパルス信号の状態等、多数ある。この場合監視用ＣＰＵでは、内部回路の異常に対しては内部割込みのタイミングで監視処理し、パルス信号の異常に対しては外部割込みのタイミング（パルス信号の変化のタイミング）で監視処理しようとする場合、高速回転時には、外部割込み優先により内部割込みが影響を受けて、監視誤差が大きくなってきて、ロータリエンコーダＲＥを組み込んだ上記電子制御システム全体に対してもその安全性や安定性に影響してくることになる。

そこで、本出願人は、監視用ＣＰＵの制御能力を十分に活用できるように、当該監視用ＣＰＵによる監視項目を、ロータリエンコーダＲＥが回転停止しているモードである停止モードでは内部回路の異常監視を行い、ロータリエンコーダＲＥが回転動作しているモードである回転モードではパルス信号の異常監視を行うというように監視項目を停止モードと回転モードとで分けることを考えている。

一方、ロータリエンコーダの場合、監視用ＣＰＵの負担を避けるために、上記したＡ相信号とＢ相信号等のパルス信号のうち、例えば、Ａ相信号を回転速度検出に用いるが、当該Ｂ相信号が何らかの異常で立ち上がりや立ち下りの変化をしなくなり、ハイレベル固定あるいはローレベル固定となると、Ｂ相信号の立ち上がりや立ち下りの変化による外部割込みが発生しなくなり、当該Ｂ相信号の異常検出ができなくなる。
特開平０９−０７７４１２号公報

そこで、本発明においては、ロータリエンコーダに監視用ＣＰＵを実装して、当該ロータリエンコーダの状態を監視する場合において、その監視用ＣＰＵの負担を軽減できるようにして、上記した電子制御システム全体の安全性、安定性の向上を図ることを、解決すべき課題とする。

本発明によるロータリエンコーダは、被検出軸の回転に伴い電気角が異なる複数のパルス信号を生成し上位装置に出力するロータリエンコーダであって、当該ロータリエンコーダは、投光素子と、これと対向配置された複数の受光素子と、上記投光素子と受光素子との間に配置されて被検出軸と同期回転する円周方向複数の回転スリットと、上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた各受光素子の出力から当該ロータリエンコーダの回転状態の検出に用いる上記複数のパルス信号を生成出力する出力回路と、当該ロータリエンコーダ内部の状態を停止モードと回転モードとで異なる監視項目で監視する監視用ＣＰＵと、を備え、上記監視用ＣＰＵは、上記各パルス信号に基づいてロータリエンコーダが非回転か回転状態かの判定を行い、非回転との判定では停止モードとし、回転との判定では、各パルス信号に対し異なる回転目でデューティ演算等を行い、その演算した結果が異常であれば、フェイル出力を上位装置に出力し、正常であれば次のパルス信号の判定を行うようになっている、ことを特徴とするものである。

上記パルス信号は、実施の形態で説明するＡ相信号、Ｂ相信号だけに限定されず、複数の信号を含むことができる。

また、各パルス信号ごとに異なる回転目で上記デューティ演算等を行う。したがって、例えばパルス信号がＡ相信号、Ｂ相信号、−Ａ相信号、−Ｂ相信号であれば、１回転目はＡ相信号、２回転目はＢ相信号、３回転目は−Ａ相信号、４回転目は−Ｂ相信号、５回転目はＡ相信号というように、各回転目ごとに異なるパルス信号のデューティ演算等を行う。

本発明では、当該ロータリエンコーダの状態監視を行う監視用ＣＰＵを内蔵すると共に、この監視用ＣＰＵでは、停止モードと回転モードとで異なる監視項目で当該ロータリエンコーダ内部の状態監視を行うようにしたから、回転モードにおける監視用ＣＰＵの監視に対する処理負担が大きく低減できる結果、ロータリエンコーダの状態を上位装置である電子制御装置に即座に伝えて当該電子制御装置側で所要の対応が迅速に行わせることができるようになり、当該ロータリエンコーダを組み込んだ電子制御システム全体の安全性や安定性の向上に寄与できる。

そして本発明では、上記監視用ＣＰＵにより、各パルス信号に基づいてロータリエンコーダが非回転か回転状態かの判定を行うと共に、非回転の判定では停止モードとし、回転との判定では、ロータリエンコーダの回転ごとにパルス信号のデューティ等を演算し、その演算したデューティ等が異常であればフェイル出力を上位装置に出力し、正常であれば次のパルス信号の判定を行うようにしたので、監視用ＣＰＵには回転モードでの異常監視に対する負担を軽減することができるようになる。

以上から本発明では、パルス信号の異常をフェイル出力で上位装置である電子制御装置に即座に伝えて当該電子制御装置側で所要の対応が迅速に行わせることができるようになり、当該ロータリエンコーダを組み込んだ電子制御システム全体の安全性や安定性の向上に寄与できる。

本発明では、ロータリエンコーダに監視用ＣＰＵを実装して、当該ロータリエンコーダの状態を監視する場合において、その監視用ＣＰＵの負担を軽減できるようにして、上記した電子制御システム全体の安全性、安定性の向上を図ることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るロータリエンコーダを詳細に説明する。図１は、実施の形態のロータリエンコーダＲＥの回路ブロック構成、図２は同ロータリエンコーダＲＥの電気的なハードウェア構成を示す。これらの図において、１０１は、外部端子Ｖｃｃ，０Ｖから電源の供給を受け、ロータリエンコーダＲＥの内部電源１０４を生成する電源回路、１０２は、電源回路１０１の電源を監視する電源電圧監視回路、１０３は、電源回路１０１からの電源で投光素子ＬＥＤを駆動する投光素子駆動回路、１０５は、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂを含む検出回路である。検出回路１０５はａ相、ｂ相、ｒｅｆ相の信号を出力する。ａ相信号は受光素子ＰＤａの出力、ｂ相信号は受光素子ＰＤｂの出力、ｒｅｆ相信号は、基準信号である。１０６は、比較器ＣＰａで構成されてａ相信号とｒｅｆ相信号とを比較することでＡ相信号のＨ又はＬを判定するＡ相判定回路、１０７はＡ相判定回路１０６の出力を出すＡ相出力回路、１０８は、比較器ＣＰｂで構成されてｂ相信号とｒｅｆ相信号とを比較することでＢ相信号のＨ又はＬを判定するＢ相判定回路、１０９はＢ相判定回路１０８の出力を出すＢ相出力回路、１１０は、検出回路１０５出力から受光素子ＰＤａ、ＰＤｂの動作を判定する受光素子動作判定回路である。

そして、１１１は監視用ＣＰＵであり、この監視用ＣＰＵ１１１のＡＤ変換ポートＡ／Ｄには、電源電圧監視回路１０２から電源電圧監視信号（１）、投光素子ＬＥＤの駆動回路監視信号（２）、受光素子ＰＤａのａ相信号（３）、受光素子ＰＤｂのｂ相信号（４）、ｒｅｆ相信号（５）が入力され、汎用ポートＩ／Ｏには、Ａ相信号の判定信号（６）、Ｂ相信号の判定信号（７）、が入力され、割り込みポートＩＮＴには、Ａ相出力回路１０７の出力信号ＯＵＴ Ａ（８）、Ｂ相出力回路１０９の出力信号ＯＵＴ Ｂ（９）が入力される。

監視用ＣＰＵ１１１は、図３で示す監視項目表に従いロータリエンコーダＲＥを監視する。この監視項目表において、ロータリエンコーダＲＥの監視項目を内部回路監視と、パルス信号監視とに大きくわける。そして内部回路の監視項目をさらに電源電圧異常、投光素子電流異常、受光素子出力異常、出力回路異常に細分し、パルス信号監視をさらに、デューティ異常、高速異常に分ける。

内部回路監視において、投光素子ＬＥＤでは図外の定電流回路の電圧監視信号（２）により判定し、受光素子では受光素子動作判定回路１１０からの信号（３）−（５）により、例えば、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂの電源コモン端子ＣＴが接続されているか否かとか、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂのワイヤボンディングが切断されているか否かとか、投光素子ＬＥＤの初期故障等を判定する。また、出力回路では、各相判定回路１０６，１０８の判定信号（６）（７）と、出力回路１０７，１０９の出力信号（８）（９）との比較で判定する。

パルス信号監視において、回転スリット板ＲＳが回転動作している場合でＡ相信号、Ｂ相信号の出力周期をカウントし、そのカウント結果からＡ相信号、Ｂ相信号のデューティの正常、異常を判定する。このデューティ異常では、Ａ相信号、Ｂ相信号のデューティが規定範囲か否かにより判定する。また、カウント結果より想定以上の回転動作（高速回転）をしている場合、高速異常として判定する。

以上により、監視用ＣＰＵ１１１では、内部回路の監視に関しては、停止モード（図３表の○印）に、パルス信号の監視に関しては、回転モード（図３表の×印）に監視する。そして、監視用ＣＰＵ１１１は、停止モードには、内部回路の監視項目に切り替えて上位装置である電子制御装置２０７に当該内部回路が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行い、回転モードではパルス信号が正常に出力されているか否かの監視項目に切り替えて電子制御装置２０７にパルス信号が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行う。この場合、監視用ＣＰＵ１１１は、フェイル（ＦＡＩＬ）出力回路１１２を介して電子制御装置２０７に、上記監視結果を例えばフェイル信号として出力する。

図４を参照して実施の形態のロータリエンコーダＲＥを組み込んだ電子制御システムを説明する。この電子制御システムは、エレベータ装置を制御するシステムであり、エレベータ装置２０１は、巻上機２０２を駆動用モータ２０３により駆動してロープ２０４を介して乗りかご２０５を昇降させる一方、被検出軸である駆動用モータ２０３の回転軸２０６に取り付けた実施の形態のロータリエンコーダＲＥからの検出信号であるＡ、Ｂ相信号を電子制御装置２０７に入力する。電子制御装置２０７は、制御用ＣＰＵを内蔵しており、ロータリエンコーダＲＥからの検出信号であるＡ、Ｂ相信号により駆動用モータ２０３を駆動制御するようになっている。電子制御装置２０７は、制御用ＣＰＵ２０８を内蔵していて、ロータリエンコーダＲＥからのＡ、Ｂ相信号、およびフェイル（ＦＡＩＬ）出力回路１１２からのフェイル出力を処理することができるようになっている。

そして、実施の形態のロータリエンコーダＲＥの場合、監視用ＣＰＵ１１１は、停止モードでは、汎用ポートＩ／Ｏに取り込んだ信号（６）（７）や、ＡＤ変換ポートＡ／Ｄに取り込んだ信号（１）−（５）で上記図３の表に従う正常、異常の判定処理すると共に、その判定結果を電子制御装置２０７に伝える一方、回転モードでは、外部割り込み端子ＩＮＴに取り込んだ信号（８）（９）で上記図３の表に従う正常、異常の判定処理すると共に、その判定結果を電子制御装置２０７に伝える。

次に図５を参照して、停止モードにおける内部割込みを説明すると、監視用ＣＰＵ１１１は、停止モードでは、一定時間ｔごとの内部割込みで上記図３の表にそれぞれ示す電源電圧監視、投光素子（ＬＥＤ）電圧監視、基準電圧（ＰＤｒｅｆ）監視、受光素子（ＰＤａ）電圧監視、受光素子（ＰＤｂ）電圧監視等のためのＡＤ変換を行うと共にそのＡＤ変換値を保存し、タイマ出力がローレベルからハイレベルになると、直近のＡＤ変換値（○印）を取り込む。これを所定回数繰り返すと共にそれらの平均値を算出し、算出した平均値を判定値と比較することで、異常状態を判定する。タイマがハイレベルである期間はそれら判定のための処理時間である。

また、回転モードでは、監視用ＣＰＵ１１１は、図３の表にそれぞれ示す監視項目に対する監視処理を行う。

以上のように実施の形態では、ロータリエンコーダＲＥの監視項目を停止モードでは内部割込みで信号処理する監視項目（図３表の内部回路監視）に、回転モードでは外部割込みで信号処理する項目（図３表のパルス信号監視）に切り換えるようにしたので、回転モードにおいて、内部割込みによる監視項目が外部割込みに影響されずに行うことができるようになる。

次に、図６を参照して、実施の形態のロータリエンコーダＲＥの監視用ＣＰＵ１１１の監視動作を説明する。以下の各ステップｎ１−ｎ１１の実行行為者は監視用ＣＰＵ１１１である。

まず、電源投入により、第１ステップｎ１で、Ａ相信号に基づいてロータリエンコーダＲＥが非回転か回転状態かの判定を行う。ロータリエンコーダＲＥが非回転か回転かの判定は、Ａ相信号の周期演算値に基づいて行う。すなわち、Ａ相信号の例えば立ち上がりから次の立ち上がりまでの１周期の間をビットカウンタでカウントする。Ａ相信号の１周期でのカウント値が所定の値以上か未満かでロータリエンコーダＲＥが非回転か回転かを判定する。この場合の非回転か、回転かは監視用ＣＰＵ１１１が判定するものであり、ロータリエンコーダＲＥが物理的に回転している状態を意味するものではなく、監視用ＣＰＵ１１１が停止モードと回転モードとで設定した監視項目を監視する場合の基準とするための判定である。なお、このようなカウンタを用いての周期演算は周知であるので、説明を略する。

そして、第１ステップｎ１で、ロータリエンコーダＲＥが停止モードであると判定したときは、第２ステップｎ２で上記図３の表に定めた監視項目に対しての監視を行う。一方、第１ステップでロータリエンコーダＲＥが回転モードであると判定したときは、第３ステップｎ３ではロータリエンコーダＲＥの１回転目でＡ相信号のデューティを演算する。そして、演算したＡ相信号のデューティが、所定範囲外（３０％以下、または７０％以上の異常範囲）か所定範囲内（３０％超、７０％未満の正常範囲）かの判定を第４ステップｎ４で行う。Ａ相信号はＢ相信号と対になって、回転スリットに対する投光素子ＬＥＤからの投光の通過、遮断に応じた各受光素子ＰＤａ，ＰＤｂの出力を比較回路ＣＰａ、ＣＰｂで基準レベルｒｅｆと比較して得るものであり、ロータリエンコーダＲＥの回転状態の検出に用いる。そして、Ａ相、Ｂ相信号のデューティは、通常、５０％に定められる。このデューティが上記所定範囲外になる場合は、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂ出力等に異常があると考えることができる。なお、上記所定範囲は一例であり、これに限定されない。以下も同様である。

そこで、第４ステップｎ４では上記演算したデューティが上記所定範囲内か所定範囲外かを判定すると共に、第４ステップｎ４での判定が、所定範囲外であれば第５ステップｎ５ではフェイル出力を上位装置に出力する処理を行う。一方、第４ステップｎ４での判定が所定範囲内であれば、Ｂ相信号に基づいてロータリエンコーダが非回転か回転状態かの判定を第６ステップｎ６で行う。この第６ステップｎ６での判定が非回転であれば、第７ステップｎ７で、停止モードでの監視を行い、第６ステップｎ６での判定が回転であれば、第８ステップｎ８で、ロータリエンコーダＲＥの２回転目でＢ相信号のデューティを演算する。Ｂ相信号のデューティの演算目的は、上記Ａ相信号のときと同様である。そして、第９ステップｎ９では、第８ステップｎ８で演算したデューティが所定範囲外（３０％以下、または７０％以上の異常範囲）か所定範囲内（３０％超、７０％未満の正常範囲）かの判定を行う。

次いで、第９ステップｎ９での判定が所定範囲外であれば、第１０ステップｎ１０でフェイル出力を電子制御装置２０７に出力する処理を行い、また、第９ステップｎ９での判定が所定範囲内であれば、第１１ステップｎ１１でＡ相信号の判定に戻る。

以上により、実施の形態では、内蔵した監視用ＣＰＵ１１１により、Ａ相信号に基づいて回転状態を判定する。この判定が非回転であれば、停止モードとして回転停止時の監視項目である内部回路に対する監視を行い、回転モードと判定するときは、Ａ相信号のデューティが所定範囲外か内かの判定を行う。Ａ相信号のデューティが所定範囲外であれば、フェイル出力を電子制御装置２０７に出力する処理を行う。

そしてＡ相信号のデューティが所定範囲内であれば、次にＢ相信号に基づいて回転状態を判定する。この判定が、非回転であれば、停止モードとし、回転であれば、上記Ａ相信号と同様のことを、Ｂ相信号に対しても実施する。

こうして実施の形態では、ロータリエンコーダＲＥの状態を電子制御装置２０７に伝えて当該電子制御装置２０７側で所要の対応が迅速に行わせることができるようになり、ロータリエンコーダＲＥを組み込んだ電子制御システム全体の安全性や安定性の向上に寄与できる。

図１は本発明の実施の形態に係るロータリエンコーダの概略構成を示す図である。 図２はロータリエンコーダの電気的な構成を示すである。 図３は監視用ＣＰＵによる監視項目を示す表図である。 図４は実施の形態のロータリエンコーダを組み込んだ電子制御システムの構成を示す図である。 図５はロータリエンコーダ停止モードでの内部割込みによる監視タイミングを示す図である。 図６は実施の形態のロータリエンコーダの動作説明に供するフローチャートである。 図７はロータリエンコーダの一般的な構成を示す図である。 図８は従来のロータリエンコーダの電気的な構成を示す図である。 図９はＡ相、Ｂ相信号の信号波形を示す図である。

符号の説明

１０１ 電源回路
１０２ 電源電圧監視回路
１０３ 投光素子駆動回路
１０４ 内部電源
１０５ 検出回路
１０６ Ａ相判定回路
１０７ Ａ相出力回路
１０８ Ｂ相判定回路
１０９ Ｂ相出力回路
１１１ 監視用ＣＰＵ
２０１ エレベータ装置
２０３ 駆動用モータ
２０７ 電子制御装置（上位装置）

Claims (1)

1. 被検出軸の回転に伴い電気角が異なる複数のパルス信号を生成し上位装置に出力するロータリエンコーダであって、
   当該ロータリエンコーダは、投光素子と、これと対向配置された複数の受光素子と、上記投光素子と受光素子との間に配置されて被検出軸と同期回転する円周方向複数の回転スリットと、上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた各受光素子の出力から当該ロータリエンコーダの回転状態の検出に用いる上記複数のパルス信号を生成出力する出力回路と、当該ロータリエンコーダ内部の状態を停止モードと回転モードとで異なる監視項目で監視する監視用ＣＰＵと、を備え、
   上記監視用ＣＰＵは、
   上記各パルス信号に基づいてロータリエンコーダが非回転か回転状態かの判定を行い、非回転との判定では停止モードとし、回転との判定では、各パルス信号に対し異なる回転目でデューティ演算等を行い、その演算した結果が異常であれば、フェイル出力を上位装置に出力し、正常であれば次のパルス信号の判定を行うようになっているロータリエンコーダ。

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