JP2013164325A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて回転位置を検出するエンコーダにおいて、容易な手段で回路の異常を検出することが可能なエンコーダを提供すること。
【解決手段】９０度位相差の２つの正弦波信号のずれを修正する補正回路と、前記補正回路から出力された２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器からなり、
前記２乗和演算器で求めた演算結果が、前記異常信号メモリに記録した異常しきい値で示される許容範囲を超えた場合に前記異常判定器が異常信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータの回転位置検出に用いるエンコーダにおいて、位置演算処理に用いる補正回路と回転位置演算器の異常を検出するものである。

従来、半導体製造装置やロボット、各種工作機械などのＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）システム装置は高精度の位置決め制御を行うため、サーボモータが広く利用されている。サーボモータの回転位置の検出には光学式エンコーダが幅広く用いられており、発光素子と受光素子の光軸上にスリットを設けた回転板を配置し、発光素子からの光が回転板の位置によってスリットを透過／非透過させて、受光素子で光の強弱を検出することによって回転位置を検出している。近年では高分解能化のため、回転板スリット間の周期に合わせて９０度位相差の２つの正弦波信号が出力されるようにスリット形状を構成し、内挿演算を行うことで更に分解能を高めたエンコーダが主流となってきている。

図５は従来の内挿演算処理のブロック構成図である。内挿演算で用いる９０度位相差の２つの正弦波信号には、組み立て精度や構成部品のばらつき等による誤差を含んでおり、原信号をそのまま用いて位置情報に変換すれば誤差を多く含んだ回転位置情報となる。したがって、図５に示すように２つの正弦波信号の振幅や位相の誤差を修正する補正回路を設け、正弦波信号の補正を行った後に回転位置情報に変換することで、高精度に回転位置を検出する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ＦＡシステム装置では異常検出機能を更に高めることも検討されており、このような要望に対して、エンコーダの異常検出能力を高めるため、図６に示すように回転位置検出部を２重に構成し、回転位置演算結果にずれが生じた場合に異常とする手法が提案されている。（例えば、特許文献２参照）

国際公開第０７／１４８４６１号 特開昭５７−３９３１１号公報

しかしながら、上述した手法ではエンコーダの異常検出能力を高めることは可能となるが、センサ部では比較的大きくかつ高価な部品を多く使用し、また補正回路では補正処理の演算に用いるＲＯＭテーブルの容量が大きいため、エンコーダの大型化とコストアップになるという課題があった。

本発明は上述従来の課題を解決するものであり、９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて回転位置を検出するエンコーダにおいて、補正回路と回転位置演算器の異常を容易に検出することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載のエンコーダは、９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて回転位置を検出するエンコーダにおいて、前記９０度位相差の２つの正弦波信号のずれを修正する補正回路と、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号と理想正弦波とのずれを検出する補正回路異常検出部と、前記補正回路から出力され
た２つの補正後の正弦波信号から回転位置情報を求める２つの回転位置演算器と、２つの前記回転位置演算器で求めたそれぞれの回転位置情報の差を求める差分演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器から構成される。前記補正回路異常検出部が２つの補正後の正弦波信号が理想正弦波とのずれを検出した場合、あるいは前記差分演算器で求めた演算結果が、前記異常信号メモリに記録した異常しきい値で示される許容範囲を超えた場合に前記異常判定器が回転位置演算異常信号を出力するものである。

また、請求項２に記載のエンコーダは、前記回転位置情報は、２つの前記回転位置演算器で生成した回転位置情報を含んだ構成としている。

また、請求項３に記載のエンコーダは、前記回転位置情報は、補正回路異常信号と回転位置演算異常信号を含んだ構成としている。

また、請求項４に記載のエンコーダは、前記補正回路異常検出部は、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器で構成される。

請求項１に記載のエンコーダによれば、１つの補正回路検出部と、２つの回転位置演算で求めた結果の差で回転位置演算の異常を検出することで、センサ部で構成する部品や、正弦波信号を正規化するための補正回路を追加する必要がなく、演算が容易な回転位置演算部だけを追加するだけでよいので、安価と小型を実現しながら異常検出能力の優れたエンコーダを提供することができる。

また、請求項２に記載のエンコーダによれば、２つの回転位置演算器で求めた結果をエンコーダの回転位置情報として制御装置へ伝達するため、２つの回転位置情報の誤差の許容値を制御装置で決定して異常を判断することができる。また通信ラインに掛かるノイズによって回転位置情報のデータ変化が発生した場合にも、２つの回転位置情報を制御装置で確認することによって、容易に異常を判定することができる。

また、請求項３に記載のエンコーダによれば、回転位置情報に補正回路異常信号と回転位置演算異常信号の両方の情報を含むため、異常検出回路の異常を診断するためにテストとして実行した結果を容易に検出することができるため、信頼性の高いエンコーダを提供することができる。

また、請求項４に記載のエンコーダによれば、補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号をそれぞれ２乗して加算した結果で補正回路の異常を判定するため、簡単な演算処理の追加だけで補正回路の異常を判定することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるエンコーダの異常検出部のブロック図 第１の実施の形態のエンコーダの補正回路異常検出部のブロック図 第１の実施の形態のエンコーダの補正回路異常検出部の動作波形図 第１の実施の形態のエンコーダの回転位置演算回路異常検出部の動作波形図 従来例のエンコーダの異常検出部のブロック構成図 従来例のエンコーダの異常検出部のその他のブロック構成図

第１の発明は、９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて回転位置を検出するエンコーダにおいて、前記９０度位相差の２つの正弦波信号のずれを修正する補正回路と、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号と理想正弦波とのずれを検出する補正回路異常検出部と、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号から回転位置情報を求める２つの回転位置演算器と、２つの前記回転位置演算器で求めたそれぞれの回転位置情報の差を求める差分演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器から構成される。前記補正回路異常検出部が２つの補正後の正弦波信号が理想正弦波とのずれを検出した場合、あるいは前記差分演算器で求めた演算結果が、前記異常信号メモリに記録した異常しきい値で示される許容範囲を超えた場合に前記異常判定器が回転位置演算異常信号を出力するため、センサ部で構成する部品や、正弦波信号を正規化するための補正回路を追加する必要がなく、演算が容易な回転位置演算部だけを追加するだけでよいので、安価と小型を実現しながら異常検出能力を高めることができる。

第２の発明は、２つの回転位置演算器で求めた結果をエンコーダの回転位置情報として制御装置へ伝達するため、２つの回転位置情報の誤差の許容値を制御装置で決定して異常を判断することができる。また通信ラインに掛かるノイズによって回転位置情報のデータ変化が発生した場合にも、２つの回転位置情報を制御装置で確認することによって、容易に異常を判定することができる。

第３の発明は、前記回転位置情報は、補正回路異常信号と回転位置演算異常信号を含んでいるため、異常検出回路の異常を診断するためにテストとして実行した結果を容易に検出することができる。

第４の発明は、前記補正回路異常検出部は、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器で構成しているため、簡単な演算処理の追加だけで補正回路の異常を判定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明によるエンコーダについて、図１から図４を用いて説明する。図１は第１の実施の形態におけるエンコーダの異常検出部のブロック図、図２は第１の実施の形態におけるエンコーダの補正回路異常検出部のブロック図、図３は第１の実施の形態におけるエンコーダの補正回路異常検出部の動作波形図、図４は第１の実施の形態におけるエンコーダの回転位置演算回路異常検出部の動作波形図であり、以下に各動作について説明する。

図１において１０はセンサ部であり、図示しない発光素子、回転板、受光素子と増幅器で構成されている。回転板に設けられたスリットによって発光素子からの光の強弱を受光素子が検出し、増幅器を介して図３に示すような正弦波波形のＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂを生成する。

１は補正回路であり、センサ部１０からのＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂは振幅や位相などのずれを含んでいるため、これらのずれを取り除き、理想的な正弦波信号を生成するものである。補正回路は既に公知の技術であり、前記の特許文献１に示した手法により、精度よく補正された正弦波信号（補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂ）を生成することができる。

２は回転位置演算器であり、補正後ＳＩＮ信号２２Ａを補正後ＣＯＳ信号２２Ｂで除算した結果（ｔａｎθ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）から三角関数の逆変換（ａｔａｎ）を行うことで、回転位置情報２３（θ）を生成する。

３は情報伝達手段であり、エンコーダで検出した回転位置情報２３と、補正回路異常信号２７と回転位置演算異常信号２７Ｂの論理和で生成されるエラー情報をエンコーダ情報２４Ａとして制御装置へ伝達するものである。近年ではエンコーダ回転位置情報の高分解能化や省配線化に伴い、シリアル通信手段を利用して情報を伝えるのが一般的である。

以上がエンコーダの回転位置情報２３の生成から伝達手段までの一連の動作である。次に補正回路１の異常を検出する補正回路異常検出部４について説明する。

図２に示すように補正回路異常検出部４は、２乗和演算器５と、異常信号メモリ６と、異常判定器７で構成されている。

２乗和演算器５は、補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂを、それぞれを２乗した後に加算して２乗和信号２５を生成する。補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂは補正回路１で理想的な９０度位相差の正弦波信号に補正されているため、補正回路１が正常に動作している場合、２乗和信号２５は図３に示すように一定値となる。

異常信号メモリ６は、補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂが理想値からずれた場合に異常と判定するためのしきい値である異常信号しきい値２６を記憶するものである。異常信号しきい値２６の設定は回転位置情報２３の許容誤差から逆算して、補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂの許容誤差の範囲を算出し、その結果を異常信号しきい値２６として異常信号メモリ６に記憶させる。異常信号メモリ６は、あらかじめＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶させ、電源投入時に不揮発性メモリから読み出し使用する。

異常判定器７は補正回路１に異常がないかを判定するものであり、前述した２乗和演算器５から生成された２乗和信号２５が異常信号しきい値２６で規定される範囲に収まっているかを判定し、２乗和信号２５が範囲外になった場合に補正回路異常信号２７を出力（例えばＬ→Ｈ）する。

以上が補正回路異常検出部４の構成についての詳細な動作の説明である。次に回転位置演算器２の異常を検出する回転位置演算回路異常検出部８について説明する。

図１に示すように回転位置演算回路異常検出部８は、回転位置演算器２Ｂと、差分演算器９と、異常信号メモリ６Ｂと、異常判定器７Ｂで構成されている。

回転位置演算器２Ｂは、補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂを用いて回転位置を求めるものであり、回転位置演算器２と同様に補正後ＳＩＮ信号２２Ａを補正後ＣＯＳ信号２２Ｂで除算した結果（ｔａｎθＢ＝ｓｉｎθＢ／ｃｏｓθＢ）から三角関数の逆変換（ａｔａｎ）を行うことで、回転位置情報２３Ｂ（θＢ）を生成する。あるいは、補正後ＳＩＮ信号２２Ａ（ｓｉｎθＢ）または補正後ＣＯＳ信号２２Ｂ（ｃｏｓθＢ）から三角関数の逆変換（ａｓｉｎ）または（ａｃｏｓ）を行うことで、回転位置情報２３Ｂ（θＢ）を生成してもよい。

差分演算器９は、回転位置演算器２で求めた回転位置情報２３と、回転位置情報２３Ｂで求めた回転位置情報２３Ｂの差を演算するものであり、回転位置差分値２８を生成する
。

異常信号メモリ６Ｂは、回転位置情報２３と回転位置情報２３Ｂの差の許容値である異常信号しきい値２６Ｂを記憶するものである。異常信号しきい値２６Ｂの設定は回転位置情報２３の許容誤差から逆算して範囲を算出し、その結果を異常信号しきい値２６Ｂとして異常信号メモリ６Ｂに記憶させる。異常信号メモリ６Ｂは、あらかじめＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶させ、電源投入時に不揮発性メモリから読み出し使用する。

異常判定器７Ｂは回転位置演算器２あるいは回転位置演算器２Ｂの演算器に異常がないかを判定するものであり、前述した差分演算器９で生成された回転位置差分値２８が異常信号しきい値２６Ｂで規定される範囲に収まっているかを判定し、回転位置差分値２８が範囲外になった場合に回転位置演算異常信号２７Ｂを出力（例えばＬ→Ｈ）する。

以上が回転位置演算回路異常検出部８の構成についての詳細な動作の説明である。次に補正回路１に異常が発生した場合の補正回路異常検出部４の動作について、図３を用いて説明する。

図３において、センサ部１０からのＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂは正常に出力され、ｔ１のタイミング以降で補正回路１のＣＯＳ原信号２１Ｂを補正する回路が異常となり、ゼロに固定された状態を表している。この時に２乗和信号２５はｔ１までは理想値と一致し、異常信号しきい値２６の範囲内に収まっているが、ｔ１以降は異常信号しきい値２６の範囲を超え、補正回路異常信号２７がＬ→Ｈとなるため、補正回路１の異常を容易に検出することができる。

次に回転位置演算器２に異常が発生した場合の回転位置演算回路異常検出部８の動作について、図４を用いて説明する。

図４において、センサ部１０からのＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂと補正回路１によって理想的な正弦波信号に補正された補正後ＳＩＮ信号２２Ａと補正後ＣＯＳ信号２２Ｂは正常に出力され、ｔ１のタイミング以降で回転位置演算器２の回転位置情報２３を生成する回路が異常となり、値が更新されなくなった状態を表している。この時に回転位置演算器２Ｂで生成される回転位置情報２３Ｂはｔ１までは回転位置情報２３と一致し、回転位置差分値２８はゼロとなり、異常信号しきい値２６Ｂの範囲内に収まっている。ｔ１以降は異常信号しきい値２６Ｂの範囲を超え、回転位置演算異常信号２７ＢがＬ→Ｈとなるため、回転位置演算器２の異常を容易に検出することができる。

または、図３では２乗和信号２５が１度でも異常信号しきい値２６の範囲外となった場合に補正回路異常信号２７はＨとなる構成としているが、何回か連続して異常信号しきい値２６の範囲外となるか、あるいは異常回数の制限を決めて異常を判定する等のフィルタ処理を実施してもよい。

または、図４では回転位置差分値２８が１度でも異常信号しきい値２６Ｂの範囲外となった場合に回転位置演算異常信号２７ＢはＨとなる構成としているが、何回か連続して異常信号しきい値２６Ｂの範囲外となるか、あるいは異常回数の制限を決めて異常を判定する等のフィルタ処理を実施してもよい。

または、補正回路１はＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂの振幅や位相を検出しながら補正値を算出しているため、図３では補正回路１の異常を想定しているが、センサ部１０からのＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂの一方、または両方が異常となった場合でも２乗和信号２５は異常信号しきい値２６の範囲外となるため、補正回路１だけ
でなく、原信号のＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂの異常も同時に検出することができる。

または、図４では回転位置演算器２が異常となった場合を想定しているが、回転位置演算器２Ｂが異常となった場合でも同様の手法により異常を検出することができる。

以上のような構成とすることで、センサ部で構成する部品や、正弦波信号を正規化するための補正回路を追加する必要がなく、演算が容易な回転位置演算部だけを追加するだけでよいので、安価と小型を実現しながら異常検出能力の優れたエンコーダを提供することができる。
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と異なるのは図１の情報伝達手段３で生成するエンコーダ情報２４Ａの回転位置情報であり、これについて説明する。

第１の実施の形態で構成する回転位置情報は、回転位置演算器２で求めた回転位置情報２３であるが、第２の実施の形態では回転位置演算器２Ｂで検出した回転位置情報２３Ｂを含めてエンコーダ情報２４Ａとして生成する。

以上のような構成とすることで、２つの回転位置演算器で求めた結果をエンコーダの回転位置情報として制御装置へ伝達するため、２つの回転位置情報の誤差の許容値を制御装置で決定して異常を判断することができる。また通信ラインに掛かるノイズによって回転位置情報のデータ変化が発生した場合にも、２つの回転位置情報を制御装置で確認することによって、容易に異常を判定することができる。
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と異なるのは図１の情報伝達手段３で生成するエンコーダ情報２４Ａのエラー情報であり、これについて説明する。

第１の実施の形態で構成するエラー情報は、補正回路異常検出部４で検出した補正回路異常信号２７と、回転位置演算回路異常検出部８で検出した回転位置演算異常信号２７Ｂの論理和で生成されるエラー情報としているが、第３の実施の形態では補正回路異常信号２７と回転位置演算異常信号２７Ｂをそれぞれ独立したエラー情報として出力するように構成する。次に詳細な動作について説明する。

補正回路１あるいは回転位置演算器２Ｂに異常が発生した場合は、上述したエラー情報の構成により、どちらのエラー情報が発生しているかをエンコーダ情報２４Ａにより判定することが可能である。これらの異常を検出する補正回路異常検出部４や回転位置演算回路異常検出部８が正常に動作しているかを調べるため、定期的に異常を出力するようなテスト信号を発生させて、補正回路異常検出部４や回転位置演算回路異常検出部８の動作を確認する。

補正回路異常検出部４へのテスト信号は、補正後ＳＩＮ信号２２Ａあるいは補正後ＣＯＳ信号２２Ｂが理想値と異なる信号を補正回路異常検出部４へ出力するようにする。例えば、図３に示したように補正後ＣＯＳ信号２２Ｂをゼロとすることで容易に理想値と異なる信号を生成することができる。

回転位置演算回路異常検出部８へのテスト信号は、回転位置演算器２Ｂの出力値に異常信号しきい値２６Ｂを超える値を加算する。

このようなテスト信号を与えることで、補正回路異常検出部４と回転位置演算回路異常検出部８が正常に動作していれば、エラーが生成されるので、回路の異常を容易に判定することができる。

尚、これらのテストは電源をＯＮしたときに実施する、または、回路の平均故障時間以内の間隔でテストを行うことで異常検出部の信頼性を高めることができる。

以上のような構成とすることで、回転位置演算器２Ｂに補正回路異常信号２７と回転位置演算異常信号２７Ｂの両方の情報を含むため、補正回路異常検出部４あるいは回転位置演算回路異常検出部８の異常を診断するためにテストとして実行した結果を容易に検出することができるため、信頼性の高いエンコーダを提供することができる。

本発明のエンコーダは、９０度位相差の２つの正弦波信号のずれを補正回路によって正弦波信号を補正し、補正後の理想的な２つの正弦波信号を用いて精度良く回転位置を検出するものであり、補正回路や回転位置演算器に異常が生じた場合に容易な方法で異常を検出することができるため、高精度の位置決め制御が必要な産業用サーボモータの保護装置として特に有効である。

１ 補正回路
２、２Ｂ 回転位置演算器
３、３Ａ、３Ｂ 情報伝達手段
４ 補正回路異常検出部
５ ２乗和演算器
６、６Ｂ 異常信号メモリ
７、７Ｂ 異常判定器
８ 回転位置演算回路異常検出部
９ 差分演算器
１０ センサ部
２１Ａ、３１Ａ ＳＩＮ原信号
２１Ｂ、３１Ｂ ＣＯＳ原信号
２２Ａ、３２Ａ 補正後ＳＩＮ信号
２２Ｂ、３２Ｂ 補正後ＣＯＳ信号
２３、２３Ｂ、３３ 回転位置情報
２４、２４Ａ エンコーダ情報
２５ ２乗和信号
２６、２６Ｂ 異常信号しきい値
２７ 補正回路異常信号
２７Ｂ 回転位置演算異常信号
２８ 回転位置差分値

Claims (4)

1. ９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて回転位置を検出するエンコーダにおいて、
   前記９０度位相差の２つの正弦波信号のずれを修正する補正回路と、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号と理想正弦波とのずれを検出する補正回路異常検出部と、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号から回転位置情報を求める２つの回転位置演算器と、この２つの回転位置演算器で求めたそれぞれの回転位置情報の差を求める差分演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器とを備え、
   前記補正回路異常検出部が２つの補正後の正弦波信号が理想正弦波とのずれを検出した場合には補正回路異常信号を出力し、前記差分演算器で求めた演算結果が前記異常信号メモリに記録した異常しきい値で示される許容範囲を超えた場合に前記異常判定器が回転位置演算異常信号を出力することを特徴とするエンコーダ。
2. 情報伝達手段により、前記２つの回転位置演算器で生成した回転位置情報を含んだ一つのエンコーダ信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 情報伝達手段により、前記２つの回転位置演算器で生成した回転位置情報と、前記補正回路異常信号と、前記回転位置演算異常信号とを含んだ一つのエンコーダ信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
4. 前記補正回路異常検出部は、前記補正回路から出力された２つの補正後の正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器とで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のエンコーダ。

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