JP2009300223A - 絶対型エンコーダ装置とその操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】増分型エンコーダ上の原点マークは電源故障から復帰の後、絶対位置情報を得るため検出されるべきであるが、この処理は時間を要し、原点マークへ戻ることを要求する。
【解決手段】高精度絶対型エンコーダ装置６０には増分型エンコーダ１４０へ電気接続され、増分型エンコーダへ制御信号を発生する制御装置１００、増分型エンコーダ出力へ電気接続され、第１パルス信号を発生する比較器１６０、比較器出力へ電気接続され、発生する第１パルス信号をラッチすることにより、第２パルス信号を発生させるラッチ装置１８０が含まれる。電源故障が発生すると、制御装置は、ラッチ装置と増分型エンコーダを駆動するため、所定時間の連続するパルスとして制御信号を発生させる。従って、制御装置は第２パルス信号をカウントすることにより、増分型エンコーダの角度情報を知る。絶対型情報は、電源故障後の角度情報と最初の位置を組み合わせ得ることができる。
【選択図】図６

Description

この発明は絶対型エンコーダ装置とその操作方法に関し、特に電源故障状態における絶対位置情報、及びその操作方法を提供する高精度絶対型エンコーダ装置に関する。

従来のＡＣサーボモータは、一般にロータの角度情報を検出するための光エンコーダを備え、この角度情報を使用してステータ駆動電流を決定することができる。そのため、ＡＣサーボモータの速度を正確に制御することができる。

図１は従来技術のＡＣサーボモータの概略図を示す。モータ１０のロータ角度位置は光エンコーダ１２により検出され、そして角度情報を得るため、信号処理装置２０により処理される。角度情報は推定モータ回転速度を得るため、速度推定装置１４により処理される。速度制御装置３０は、制御モジュール３２を制御するための推定モータ回転速度と速度指令、及びモータ速度制御信号を発生するためのＩＧＢＴモジュール３４を受ける。モータ速度制御信号を使用して、モータ１０の回転速度を精密に制御することができる。

特にサーボモータでは、モータ軸へ取り付けられる位置センサは光エンコーダ１２である。サーボモータの位置精度は光エンコーダの分解能に依存し、光エンコーダ１２は増分型エンコーダと絶対型エンコーダに分類することができる。

増分型エンコーダは前の位置に対する情報を提供でき、そしてそのエンコーダホイールの絶対位置は、それがリセットされない限り電源故障の後に知ることができる。従って、増分型エンコーダは、電源が故障の後、再度復旧した直後に、そのエンコーダホイールの絶対位置（即ち、絶対角度）を知ることはできない。これに対して、絶対型エンコーダは電源故障に悩まされることなく、常に出力軸の絶対位置を知ることができる。電源故障からの復帰後において、リセット操作は必要なく、操作は単純化されている。

図２は光エンコーダの概略図を示す。光源２６０からの光は、回転ホイール２００と固定マスク２２０を通過後、光センサ２４０へ到達する。光センサ２４０により受信された信号は回転ホイール２００の位置変化により変動する。従って、回転ホイール２００の位置変化は光センサ２４０の信号強度を検出することにより知ることができる。

図３は、６ビットエンコーダホイールの絶対型エンコーダホイール３００の概略図を示す。絶対型エンコーダホイール３００は、円形ホイール本体３０２と複数の格子３０４を備える。格子３０４には最も内側軌道にあり、円周の１／２を占める第１格子３０４Ａ、第２の内側軌道にあり、夫々が円周の１／４を占める２つの第２格子３０４Ｂ、第３格子３０４Ｃ、第４格子３０４Ｄ、第５格子３０４Ｅ、及び最も外側軌道にあり、夫々が円周の１／６４を占める３２の第６格子３０４Ｆが含まれる。強度変化信号は半径方向に沿って得ることができ、２^６＝６４の位置分解能は円周方向に沿って達成することができる。しかし、図３に示す絶対型エンコーダホイール３００で、１ビット分解能を向上させる場合、もう１ビットの起動が必要である。分解能がより要求される場合、絶対型エンコーダホイール３００は、図３より多くの空間を占有する。

図４Ａは、円形ホイール本体４０２と複数の格子を備える、増分型光エンコーダ用エンコーダホイール４００の概略図を示す。格子には、主格子４０４Ａ、第１下位格子４０４Ｂ及び第２下位格子４０４Ｃが含まれ、第１下位格子４０４Ｂと第２下位格子４０４Ｃは主格子４０４Ａの対向する２か所に配置される。図４Ｂは４列の格子４２０Ａを備える、エンコーダホイール４００に関連するマスク４２０を示す。

図４Ｃは、主格子４０４Ａに対応する主センサ装置４４２Ａ、４４４Ａ、４４２Ｂ,４４４Ｂ（Ａ＋／Ｂ＋／Ａ−／Ｂ−とラベルを付けた）を備える、エンコーダホイール４００に関連する光センサ装置４４０を示す。エンコーダホイール４００が回転すると、主センサ装置４４２Ａ、４４４Ａ、４４２Ｂ、４４４Ｂ（Ａ＋／Ｂ＋／Ａ−／Ｂ−とラベルを付けた）は４つの正弦波のような信号を発生する。４つの正弦波のような信号は、夫々０／９０／１８０／２７０度の位相を有する。１８０度の位相差を有するＡ＋／Ａ−信号は、コモンモードノイズのない正弦波信号Ａを得るため、減算操作される。１８０度位相差を有するＢ＋／Ｂ−信号はコモンモードノイズのない余弦波信号Ｂを得るため減算操作される。９０度位相差を有する正弦波信号Ａと余弦波信号Ｂを使用して、前進回転か後進回転を判断することができる。

増分型光エンコーダは正弦波信号Ａと余弦波信号Ｂに基づき増分位置情報を得ることができる。絶対位置情報を得るため、原点センサ装置４４６Ａ、４４６Ｂ（Ｚ＋／Ｚ−）は付加的に備えられる。しかし、電源故障から電源復帰の後、増分型エンコーダ上の原点マークは、絶対位置情報を得るため、原点センサ装置により検出されるべきである。この処理は時間を要し、原点マークへ戻ることを要求しない用途には適していない。

電源故障の際の絶対位置の問題を解決するため、従来技術では２つの試みが提案されている。
１．機械式カウント：
複数の相互係合ギヤーを備えるギヤーセットが回転数をカウントするため備えられる。図５は機械式エンコーダの例を示し、ここではスピンドルは第１ギヤーと連結し、第１ギヤーは第２ギヤーと連結する。

絶対コードは各ギヤーにマークされ、ギヤーは１回転後、ｎ個の絶対位置を提供すると想定される。別々のレーザダイオードとフォトダイオードを使用して、絶対コードを検出する。更に、ギヤーセットはスピンドルのｎ×ｎ×ｎ回転を識別することができる。

２．電池を備える回転をカウントする絶対エンコーダ
電源故障状態で、電池は専用チップへ電力を供給する。専用チップは所定時間でレーザダイオードをトリガし、そしてフォトダイオードは絶対位置情報を検出でき、次に前進と後退方向の回転数をカウントする。

正常電源が再度エンコーダへ供給された後、専用チップは累積回転数と現在の絶対位置情報を知る。絶対位置情報は内挿により改良することができる。しかし、絶対位置情報は境界で誤差を有する。更にエンコーダホイール上の粉末は測定誤差を生じさせる。従って、正確な絶対位置情報は特定の較正点でチェックされるべきである。換言すると、正確な絶対位置情報は正常電源が回復した後、直ちに得ることはできない。

この発明の目的は電源故障状況で絶対位置情報を提供する高精度絶対型エンコーダ装置とその操作方法を提供することである。

従って、この発明の高精度絶対型絶対型エンコーダ装置には、増分型エンコーダへ電気接続され、増分型エンコーダへ制御信号を発生させる制御装置、増分型エンコーダ出力へ電気接続され、第１パルス信号を発生させる比較器、比較器出力へ電気接続され、発生する第１パルス信号をラッチすることにより、第２パルス信号を発生させるラッチ装置が含まれる。電源故障が発生すると、制御装置は、ラッチ装置と増分型エンコーダを駆動するため、所定時間の連続するパルスとして制御信号を発生させる。従って、制御装置は第２パルス信号をカウントすることにより、増分型エンコーダの角度情報を知る。絶対型情報は、電源故障の角度情報と最初の位置を組み合わせることにより得ることができる。

新規性があると思われる本発明の特徴は、付属の特許請求の範囲の特異性により説明される。しかし本発明自身は、付属図面と合わせて、本発明の典型的実施例を記載する、本発明の以下の詳細説明を参照することにより最もよく理解される。

この発明で、絶対位置情報の分解能は、回転数をカウントする代わりに、増分型エンコーダのそれに類似するＡ、Ｂパルスを発生させることにより向上する。従って、絶対位置情報は分解能を向上させるため、電源故障期間及び正常電源期間の両方の期間でＡ、Ｂパルスをカウントすることにより得られる。

図６はこの発明の高精度、絶対型エンコーダ装置６０の概略図を示す。エンコーダ装置６０には、制御装置１００、電源スイッチ１２０、増分型エンコーダ１４０、比較器１６０、ラッチ装置１８０、及び電池（表示なし、Ｖｃｃを提供する）が含まれ、ここで電池は図６に示す他の構成要素へ電力を提供することができる。増分型エンコーダ１４０は図２に示すそれのような従来の増分型エンコーダであり、レーザダイオードＬＤ、フォトダイオードＰＤ、及びエンコーダホイール（ラベルなし）を備える。制御装置１００は電源スイッチ１２０へ電気接続され、そして電源スイッチ１２０へ制御信号ＳＷを提供し、これにより、レーザダイオードＬＤが連続して点灯するように（後に詳述するように、正常モード又は疑似モード）、又はパルス方式（電池モード）で連続して、そして断続して点灯するように選択的に制御する。更に、制御装置１００は比較器１６０とラッチ装置１８０へも電気接続される。フォトダイオードＰＤは０／１８０相信号（Ａ＋、Ａ−）及び９０／２７０相信号（Ｂ＋、Ｂ−）を発生させる；そして比較器１６０は、第１パルス信号Ａ１とＢ１を発生させるため、フォトダイオードＰＤから出力される信号を処理する。第１パルス信号Ａ１とＢ１は第２パルス信号Ａ２とＢ２を発生させるため、ラッチ装置１８０により処理される。第２パルスＡ２とＢ２は、増分位置情報を得るため、制御装置１００のカウンタ１０２により処理される。従って、制御装置１００は、電源故障後の増分位置情報と電源故障直前の初期位置情報を参照してエンコーダホイールの絶対位置情報を知る。

図７は図５のエンコーダ装置６０に関連する波形を示す。制御装置１００は図７に示す制御信号ＳＷを発生させるためのファームウェア設計または論理設計を有する。制御信号ＳＷは、その状態が“高”の場合、レーザダイオードＬＤを点灯する。フォトダイオードＰＤはエンコーダ装置６０のエンコーダホイールとマスクを通過する光に応じて、パルス信号を発生させる。フォトダイオードＰＤのパルス信号（Ａ＋/Ｂ＋/Ａ−/Ｂ−）は第１パルス信号Ａ１とＢ１を得るため、比較器１６０により差動処理される。ラッチ装置１８０は第２パルス信号Ａ２とＢ２を発生させるため、制御信号ＳＷの制御の下で、第１パルス信号Ａ１とＢ１を処理する。第２パルス信号Ａ２とＢ２は、レーザダイオードＬＤが連続点灯中は第１パルス信号Ａ１とＢ２と同等である。第２パルス信号Ａ２とＢ２は、エンコーダホイールが後述するより速い回転速度を有する場合、より短い幅を有する。

制御信号ＳＷを使用して第１パルス信号Ａ１とＢ１を発生させ、従って、制御信号ＳＷは電池を備える回転をカウントする絶対エンコーダのそれより短い幅を有する。例えば、もしエンコーダホイールの回転が５１２ｐｐｒで、そして回転速度が６０ｒｐｍの場合、第１パルス信号Ａ１とＢ１の幅は６０ｓｅｃ／６０／５１２＝（１／５１２）ｓｅｃ＝２ｍｓｅｃである。制御信号ＳＷの幅は、第１パルス信号Ａ１とＢ１を正確にカウントするため、２／５ｍｓｅｃ＝０．４ｍｓｅｃ以下である。制御信号ＳＷのオンタイム（論理的“高”）はレーザダイオードＬＤとフォトダイオードＰＤの応答特性に依存する。正常電源が供給されると、制御信号ＳＷは位置情報（正常モード）を得るため、連続してオンである。電源が故障すると、制御装置１００は回転速度が例えば３０ｒｐｍ以下のように十分低い限り、電池モードへ切替える。電池モードでは、制御装置１００は０．４ｍｓｅｃ幅のパルス状に連続して、断続してオンにするように制御信号ＳＷをトリガするため、電池により電源が供給される。制御装置１００は、回転速度を計算するため、そのカウンタ１０２を使用する。エンコーダホイールの回転速度が電源故障状態で３０ｒｐｍより高ければ、制御装置１００は、連続してオンになるように制御信号ＳＷをトリガするため、電池により電源が供給される。従って、位置情報は精密に知ることができる。エンコーダホイールの回転速度が、電源故障状態で再度３０ｒｐｍより低くなると、制御装置１００は続いて０．４ｍｓｅｃ幅のパルス状で連続して、断続して、そしてオンにするため、再度制御信号ＳＷをトリガする。図７に示すように、エンコーダホイールの回転速度は、電源故障状態では一般に高くなく、０．４ｍｓｅｃ幅のパルス状で続いてオンになる制御信号ＳＷは、８８、８７、８６、８５のカウント結果を発生させるのに十分である。従って、制御装置１００は電源故障後の増分位置情報と電源故障前の最初の位置情報を参照して、絶対位置を知ることができる。

図８はこの発明による高精度絶対型エンコーダ装置の動作を説明するフローチャートを示す。電源状態はステップＳ１００でチェックされ、そして制御装置１００は、電源状態が正常（Ｓ１０２）である場合、連続オン状態で制御信号ＳＷを駆動する。電源が故障すると（例えば、モータへ供給される三相電源が異常である）、エンコーダホイールの回転速度は高くなく、制御装置１００は、電池モード（Ｓ１０４）へ動作を切り替え、ここで制御装置１００は連続パルス状で制御信号ＳＷを駆動する。その後、制御装置１００はエンコーダホイールの回転速度が３０ｒｐｍ（Ｓ１１０）より大きいかどうかを検出する。もしエンコーダホイールの回転速度が３０ｒｐｍより大きければ、制御装置１００は疑似正常モード（Ｓ１１２）へ動作を切り替え、ここで制御装置１００は連続オン状態で制御信号ＳＷを駆動するため、電池により電源が供給される。従って、エンコーダホイールの位置情報を精密に知ることができる。もし、エンコーダホイールの回転速度が３０ｒｐｍより低い値ならば、制御装置１００は電池モード（Ｓ１０４）に動作を保持する。

要約すると、この発明による高精度絶対型エンコーダ装置は以下の特徴を有する：
１．レーザダイオードは電源故障状態で、パルス状に駆動され、そしてエンコーダホイールの回転は絶対位置を参照して計算されない。従って、この発明による絶対型エンコーダ装置は位置情報を計算し、そして正常な電源状態と同様に生成されるパルス信号Ａ、Ｂにより回転数を維持できる。
２．パルス制御信号により発生するパルス信号Ａ、Ｂは連続オン制御信号により発生するパルス信号をまねるようにラッチされる。従って、カウンタは電源故障状態で正常動作を行う。
３．制御信号の幅は異なる回転速度により発生するパルスをカウントするように変更することができる。

従来技術のＡＣサーボモータの概略図を示す。 光エンコーダの概略図を示す。 絶対型エンコーダホイールの概略図を示す。 増分型光エンコーダ用エンコーダホイールの概略図を示す。 図４Ａのエンコーダホイールに関連するマスクを示す。 図４Ａのエンコーダホイールに関連する光センサ装置を示す。 機械式エンコーダの例を示す。 本発明の高精度絶対型エンコーダ装置６０の概略図を示す。 図５のエンコーダ装置６０に関連する波型を示す。 本発明による高精度絶対型エンコーダ装置の動作を説明するフローチャートを示す。

符号の説明

60：エンコーダ装置
140：増分型エンコーダ
200：回転ホイール
220：固定マスク
240：光センサ
260：光源
300：絶対型エンコーダホイール
302、402：円形ホイール本体
304Ａ〜Ｆ,420Ａ：格子
400：エンコーダホイール
404Ａ：主格子
404Ｂ〜Ｃ：下位格子
420：マスク
440：光センサ装置
442Ａ〜Ｂ、444Ａ〜Ｂ：主センサ装置
446Ａ〜Ｂ：原点センサ装置

Claims (8)

1. レーザダイオード、エンコーダホイール及びフォトダイオードを備える増分型エンコーダ、および電池を使用して、電源故障状態で絶対位置情報を得る絶対型エンコーダ装置であって、
   前記増分型エンコーダに電気接続され、前記増分型エンコーダへ制御信号を供給する制御装置と；
   前記増分型エンコーダへ電気接続され、第１パルス信号を発生させるため、前記増分型エンコーダの出力を処理する比較器と；
   前記制御装置と前記比較器へ電気接続され、第２パルス信号を発生させるために前記第１パルス信号を処理するように、前記制御信号により制御されるラッチ装置と；を備え、
   前記制御装置は電源故障状態で前記絶対位置情報を知るために、連続するパルスの制御信号を伝送し、そして前記第２パルス信号を計算するように構成されることを特徴とする、絶対型エンコーダ装置。
2. 前記ラッチ装置は、前記制御信号が、電源故障状態で“高”である場合、前記第１パルス信号をラッチすることを特徴とする、請求項１に記載の絶対型エンコーダ装置。
3. 前記制御装置は、前記エンコーダホイールの回転速度が３０ｒｐｍより大きい場合、連続“オン”状態の制御信号を伝送することを特徴とする、請求項１に記載の絶対型エンコーダ装置。
4. 前記エンコーダホイールは５１２ｐｐｒの分解能を有し、前記連続するパルスの制御信号は０．４ｍｓｅｃの幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の絶対型エンコーダ装置。
5. レーザダイオード、エンコーダホイール及びフォトダイオードを備える増分型エンコーダと電池を使用して、電源故障状態における絶対位置情報を得るための方法であって、
   前記増分型エンコーダの回転速度が、電源故障状態において所定の閾値より低い場合、連続するパルスの制御信号により前記増分型エンコーダを駆動し、前記増分型エンコーダは前記制御信号の駆動により第１パルス信号を発生させ；
   第２パルス信号を発生させるため、前記制御信号の制御の下に前記第１パルス信号をラッチし；
   前記第２パルス信号に基づき前記増分型エンコーダの位置情報を計算する、ことを特徴とする方法。
6. 前記増分型エンコーダの回転速度が電源故障状態で所定閾値より高い場合、連続“オン”信号として前記制御信号を伝送する、ことから更になる請求項５に記載の方法。
7. 前記所定閾値は３０ＲＰＭであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記エンコーダホイールは５１２ｐｐｒの分解能を有し、前記連続パルスの制御信号は０．４ｍｓｅｃの幅を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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