JP2020134183A - エンコーダの信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリーエンコーダの異常の発生を適切に検知することができるエンコーダの信号処理装置を提供する。【解決手段】本発明のエンコーダの信号処理装置２０は、ロータリーエンコーダ１０によって生成されるＡ相信号（ＳＩＮθ信号）およびＢ相信号（ＣＯＳθ信号）を取り込んで、Ａ相信号（ＳＩＮθ信号）とＢ相信号（ＣＯＳθ信号）との二乗和を演算する演算回路２３と、演算回路２３によって演算された二乗和の値と、予め設定された初期値とを比較し、二乗和の値と初期値との関係が所定の条件を満たす場合に、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定する判定回路２４と、を備えるエンコーダの信号処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダの信号処理装置に関する。

ファクトリーオートメーションなどの分野では、モータなどの回転体の位置（回転位置、回転方向、回転速度など）の変化を検出するセンサとして、ロータリーエンコーダが広く用いられている。ロータリーエンコーダは、回転体の位置の変化を検出し、この検出結果を電気信号として出力する。ロータリーエンコーダとしては、たとえば、光学式のロータリーエンコーダが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００８−２０３１７５号公報

一般に、光学式のロータリーエンコーダに用いられる発光素子の光量は、発光素子の経年劣化などによって低下する。発光素子の光量が所定量未満に低下すると、回転体の位置を正確に検出することができず、誤検出が発生しやすくなる。このため、そのような異常が発生する前に、ロータリーエンコーダまたはこれに内蔵される発光素子を交換する必要がある。

ただし、従来においては、発光素子の光量の低下に関して、ロータリーエンコーダのおおよその稼働時間から、発光素子の寿命を推測している。このため、ロータリーエンコーダの個体差が大きい場合は、発光素子の光量低下にともなう異常の発生を適切に検知できないおそれがあった。また、発光素子の光量が所定量以上に維持されている状態で、たとえば、ロータリーエンコーダのスリット板に破損が生じた場合は、ロータリーエンコーダの異常が検知されないまま、ロータリーエンコーダから誤った検出データが出力されるおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、ロータリーエンコーダの異常の発生を適切に検知することができるエンコーダの信号処理装置を提供することにある。

本発明に係るエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成されるＡ相信号およびＢ相信号を取り込んで、Ａ相信号とＢ相信号との二乗和を演算する演算回路と、演算回路によって演算された二乗和の値と、予め設定された初期値とを比較し、二乗和の値と初期値との関係が所定の条件を満たす場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定する判定回路と、を備える。

本発明に係るエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成されるｓｉｎθ信号と該ｓｉｎθ信号の反転信号である反転ｓｉｎθ信号とを取り込んで、ｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号との差分を演算する演算回路と、演算回路によって演算された差分が予め設定された正常範囲を超えた場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定する判定回路と、を備える。

本発明に係るエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成される明信号と暗信号とを取り込んで、明信号とこれに対応する第１基準値との差分である第１差分値、および、暗信号とこれに対応する第２基準値との差分である第２差分値をそれぞれ演算する演算回路と、演算回路によって演算された第１差分値および第２差分値のうち少なくとも一方の差分値が予め設定された上限値を超えた場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定する判定回路と、を備える。

本発明に係るエンコーダの信号処理装置は、判定回路によりロータリーエンコーダに異常が発生したと判定された場合に、アラーム信号を出力するアラーム回路をさらに備えてもよい。

本発明のエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成されるＡ相信号およびＢ相信号を演算回路に取り込んで、それらの信号の二乗和を演算し、その二乗和の値と初期値との関係が所定の条件を満たす場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定回路が判定する構成となっているため、ロータリーエンコーダの異常の発生を適切に検知することができる。
また、本発明のエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成されるｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号とを演算回路に取り込んで、それらの信号の差分を演算し、その差分が正常範囲を超えた場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定回路が判定する構成となっているため、ロータリーエンコーダの異常の発生を適切に検知することができる。
また、本発明のエンコーダの信号処理装置は、ロータリーエンコーダによって生成される明信号と暗信号とを演算回路に取り込んで、明信号と第１基準値との差分である第１差分値、および、暗信号と第２基準値との差分である第２差分値を演算し、第１差分値および第２差分値のうち少なくとも一方の差分値が予め設定された上限値を超えた場合に、ロータリーエンコーダに異常が発生したと判定回路が判定する構成となっているため、ロータリーエンコーダの異常の発生を適切に検知することができる。

第１実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。 第２実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。 第３実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、同一の要素、または、対応する要素には、同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。
図１に示すように、ロータリーエンコーダ１０は、第１基板１１と、第１基板１１に実装された受光素子１２と、第１基板１１の中心部に立設された回転軸１３と、第１基板１１と対向するように配置され、回転軸１３を中心に回転する回転符号板１４と、第１基板１１と反対側で回転符号板１４と対向するように配置された第２基板１５と、第２基板１５に実装された発光素子１６と、回転符号板１４と受光素子１２との間に配置された固定スリット１７とを備えている。

回転軸１３は、位置検出の対象となる回転体（図示せず）の回転に従って回転する。その際、回転符号板１４は、回転軸１３と共に回転するが、第１基板１１と第２基板１５とは回転せずに固定されたままとなる。回転符号板１４は、スリット板に相当するものである。回転符号板１４には、図示しない多数のスリットが形成されている。受光素子１２と発光素子１６とは、回転符号板１４および固定スリット１７を介して対向している。発光素子１６は、たとえば、発光ダイオードによって構成される。

受光素子１２は、発光素子１６から発光される光のうち、回転符号板１４のスリットおよび固定スリット１７を透過した光を受光することにより、アナログの検出信号を出力する。また、受光素子１２は、図示はしないが、ｓｉｎθ信号を生成する第１受光領域と、ｓｉｎθ信号の反転信号である反転ｓｉｎθ信号を生成する第２受光領域と、ｓｉｎθ信号とは位相が９０°異なるｃｏｓθ信号を生成する第３受光領域と、ｃｏｓθ信号の反転信号である反転ｃｏｓθ信号を生成する第４受光領域とを有している。

一方、エンコーダの信号処理装置２０は、Ａ相信号用の第１差動増幅器２１と、Ｂ相信号用の第２差動増幅器２２と、第１差動増幅器２１から出力されるＡ相信号と第２差動増幅器２２から出力されるＢ相信号とを取り込んで所定の演算処理を行う演算回路２３と、演算回路２３での演算結果に基づいて、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したか否かを判定する判定回路２４と、判定回路２４での判定結果に基づいて、上位機器にアラーム信号を出力するアラーム回路２５とを備えている。信号処理装置２０がＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を含む場合、演算回路２３による演算は、Ａ／Ｄ変換前のアナログ信号の段階で行ってもよいし、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号の段階で行ってもよい。

受光素子１２は、第１差動増幅器２１および第２差動増幅器２２に電気的に接続されている。第１差動増幅器２１には、受光素子１２からｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号とが入力され、第２差動増幅器２２には、受光素子１２からｃｏｓθ信号と反転ｃｏｓθ信号とが入力される。そして、第１差動増幅器２１からは、ｓｉｎθ信号および反転ｓｉｎθ信号の差動信号となるＳＩＮθ信号がＡ相信号として出力され、第２差動増幅器２２からは、ｃｏｓθ信号および反転ｃｏｓθ信号の差動信号となるＣＯＳθ信号がＢ相信号として出力される。ロータリーエンコーダ１０による位置検出は、Ａ相信号であるＳＩＮθ信号とＢ相信号であるＣＯＳθ信号とに基づいて行われるが、位置検出のための具体的な信号処理は公知であるため説明を省略する。

続いて、信号処理装置２０による異常検出処理について説明する。
まず、ロータリーエンコーダ１０が動作している場合は、回転符号板１４の回転にともなって受光素子１２からｓｉｎθ信号、反転ｓｉｎθ信号、ｃｏｓθ信号および反転ｃｏｓθ信号が出力される。これにより、第１差動増幅器２１からはＡ相信号であるＳＩＮθ信号が出力され、第２差動増幅器２２からはＢ相信号であるＣＯＳθ信号が出力される。

一方、演算回路２３は、第１差動増幅器２１から出力されるＡ相信号と、第２差動増幅器２２から出力されるＢ相信号とを取り込む。また、演算回路２３は、Ａ相信号とＢ相信号との二乗和、すなわち（ＳＩＮθ）^２+（ＣＯＳθ）^２を演算する。Ａ相信号とＢ相信号との二乗和の値は、発光素子１６の経年劣化などによって発光素子１６の発光量が低下すると、それに従って小さくなる。

判定回路２４は、演算回路２３の演算結果を受け取り、この演算結果に基づいて、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したか否かを判定する。判定回路２４には、異常判定のための初期値が予め設定され、この初期値がメモリ等に記憶されている。初期値は、たとえば、ロータリーエンコーダ１０の出荷時など、実質的に未使用段階にあるロータリーエンコーダ１０の特性調整に基づいて決定される。本実施形態においては、Ａ相信号とＢ相信号との二乗和の値が「１」となるようにロータリーエンコーダ１０の特性が調整されるものとする。そうした場合、初期値は「１」に設定される。

これに対し、発光素子１６の光量低下によって二乗和の値が小さくなると、演算回路２３で演算される二乗和の値と判定回路２４に設定されている初期値との関係が変化する。具体的には、発光素子１６の光量が低下するほど、二乗和の値と初期値との差が大きくなる。そこで判定回路２４においては、二乗和の値と初期値との関係が所定の条件、たとえば、二乗の値が初期値の７０％未満である、という条件を満たすかどうかを確認する。そして、判定回路２４は、二乗和の値と初期値との関係が所定の条件を満たす場合は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定し、所定の条件を満たさない場合はロータリーエンコーダ１０に異常が発生していないと判定する。

アラーム回路２５は、判定回路２４によってロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定された場合に、上位機器にアラーム信号を出力する。これにより、アラーム信号を受信した上位機器においては、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したことを感知して、適切な措置、たとえば、ロータリーエンコーダ１０の位置検出結果に基づく制御を停止するなどの措置を講じることができる。

このように、本第１実施形態に係るエンコーダの信号処理装置２０では、ロータリーエンコーダ１０によって生成されるＡ相信号とＢ相信号とを演算回路２３に取り込み、この演算回路２３によってＡ相信号とＢ相信号との二乗和を演算する。そして、二乗和の値と初期値との関係が所定の関係を満たす場合に、判定回路２４は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定する。これにより、ロータリーエンコーダ１０の異常の発生を適切に検知することができる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。
本第２実施形態においては、上記第１実施形態の場合と比較して、演算回路２３に取り込まれる信号と、演算回路２３での処理内容と、判定回路２４での処理内容とが異なる。

図２に示すように、演算回路２３に取り込まれる信号は、受光素子１２から出力される信号のうち、ｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号である。演算回路２３は、ｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号との差分を演算する。この演算は、ｓｉｎθ信号の値と反転ｓｉｎθ信号の値とを用いて行われる。ｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号とは、ロータリーエンコーダ１０が正常である場合は、振幅がほぼ同じで、位相が１８０°異なるため、演算回路２３の演算結果は、ほぼゼロになる。

これに対して、たとえば、回転符号板１４に割れなどの破損が生じた場合は、ｓｉｎθ信号および反転ｓｉｎθ信号のうち、いずれか一方の信号の値、または両方の信号の値がｓｉｎカーブに従って変化しなくなる。このため、演算回路２３の演算結果である差分（絶対値）は、ゼロから大きくずれた値になる。

一方、判定回路２４には、ロータリーエンコーダ１０が正常である場合の上記差分の範囲が、予め正常範囲として設定されている。そこで、判定回路２４では、演算回路２３で演算された差分が正常範囲内であるかどうかを確認する。そして、判定回路２４は、差分が正常範囲を超えている場合は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定し、差分が正常範囲内にある場合は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生していないと判定する。

このように、本第２実施形態に係るエンコーダの信号処理装置２０では、ロータリーエンコーダ１０によって生成されるｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号とを演算回路２３に取り込み、この演算回路２３によってｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号との差分を演算する。そして、ｓｉｎθ信号と反転ｓｉｎθ信号との差分が正常範囲を超えた場合に、判定回路２４は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定する。これにより、ロータリーエンコーダ１０の異常の発生を適切に検知することができる。

＜第３実施形態＞
図３は、第３実施形態に係るエンコーダの信号処理装置を含む概略図である。
本第３実施形態においては、上記第１実施形態の場合と比較して、演算回路２３に取り込まれる信号と、演算回路２３での処理内容と、判定回路２４での処理内容とが異なる。

図３に示すように、演算回路２３に取り込まれる信号は、受光素子１２から出力される信号のうち、明信号と暗信号である。明信号は、発光素子１６から発光された光が回転符号板１４のクリアトラック（図示せず）を介して受光素子１２に受光されることにより生成される信号である。暗信号は、発光素子１６から発光された光が回転符号板１４のダークトラック（図示せず）を介して受光素子１２に受光されることにより生成される信号である。クリアトラックは、高い光透過率を有するトラック、すなわち発光素子１６の光をよく透過するトラックである。ダークトラックは、高い遮光率を有するトラック、すなわち発光素子１６の光をほとんど透過しないトラックである。

回転符号板１４は、上述した第１受光領域、第２受光領域、第３受光領域および第４受光領域の他に、明信号用の受光領域と暗信号用の受光領域とを有している。明信号用の受光領域はクリアトラックの位置に対応して形成され、暗信号用の受光領域はダークトラックの位置に対応して形成されている。クリアトラックおよびダークトラックは、いずれも回転符号板１４に円環状に形成されている。このため、ロータリーエンコーダ１０が正常であれば、明信号はクリアトラックの光透過率に応じた一定の値で出力され、暗信号はダークトラックの遮光率に応じた一定の値で出力される。ただし、明信号の値は、暗信号の値とは大きく異なる値になる。これに対して、たとえば、回転符号板１４に割れなどの破損が生じた場合は、受光素子１２から出力される明信号および暗信号のうち、いずれか一方の信号の値、または両方の信号の値が大きく変化する。

演算回路２３は、受光素子１２から明信号と暗信号とを取り込んで、明信号とこれに対応する第１基準値との差分である第１差分値、および、暗信号とこれに対応する第２基準値との差分である第２差分値をそれぞれ演算する。第１基準値は、ロータリーエンコーダ１０が正常である場合に受光素子１２から出力される明信号の値に基づいて予め設定される基準値である。第２基準値は、ロータリーエンコーダ１０が正常である場合に受光素子１２から出力される暗信号の値に基づいて予め設定される基準値である。ロータリーエンコーダ１０が正常である場合とは、たとえば、ロータリーエンコーダ１０の出荷時など、実質的に未使用段階にあるロータリーエンコーダ１０の特性調整を行った場合をいう。

一方、判定回路２４には、上記第１差分値および上記第２差分値との比較のための上限値が予め設定されている。この上限値は、たとえば、第１差分値と比較される第１上限値と、第２差分値と比較される第２上限値とに分けて設定してもよいし、第１差分値および第２差分値に対して１つの上限値を設定してもよい。本実施形態では、第１上限値および第２上限値が設定されているものとする。

そうした場合、判定回路２４は、第１差分値が第１上限値を超えているかどうかを確認すると共に、第２差分値が第２上限値を超えているかどうかを確認する。そして、第１差分値が第１上限値を超えている場合、または、第２差分値が第２上限値を超えている場合に、判定回路２４は、ロータリーエンコーダ１０に異常が発生したと判定する。これにより、ロータリーエンコーダ１０の異常の発生を適切に検知することができる。

なお、上記第１実施形態および第２実施形態においては、光学式のロータリーエンコーダを例に挙げて説明したが、これに限らず、磁気式のロータリーエンコーダにも適用可能である。

１０ ロータリーエンコーダ、２３ 演算回路、２４ 判定回路、２５ アラーム回路。

Claims (4)

1. ロータリーエンコーダ（１０）によって生成されるＡ相信号（ＳＩＮθ信号）およびＢ相信号（ＣＯＳθ信号）を取り込んで、前記Ａ相信号（ＳＩＮθ信号）と前記Ｂ相信号（ＣＯＳθ信号）との二乗和を演算する演算回路（２３）と、
   前記演算回路（２３）によって演算された前記二乗和の値と、予め設定された初期値とを比較し、前記二乗和の値と前記初期値との関係が所定の条件を満たす場合に、前記ロータリーエンコーダ（１０）に異常が発生したと判定する判定回路（２４）と、
   を備えるエンコーダの信号処理装置。
2. ロータリーエンコーダ（１０）によって生成されるｓｉｎθ信号と該ｓｉｎθ信号の反転信号である反転ｓｉｎθ信号とを取り込んで、前記ｓｉｎθ信号と前記反転ｓｉｎθ信号との差分を演算する演算回路（２３）と、
   前記演算回路（２３）によって演算された前記差分が予め設定された正常範囲を超えた場合に、前記ロータリーエンコーダ（１０）に異常が発生したと判定する判定回路（２４）と、
   を備えるエンコーダの信号処理装置。
3. ロータリーエンコーダ（１０）によって生成される明信号と暗信号とを取り込んで、前記明信号とこれに対応する第１基準値との差分である第１差分値、および、前記暗信号とこれに対応する第２基準値との差分である第２差分値をそれぞれ演算する演算回路（２３）と、
   前記演算回路（２３）によって演算された前記第１差分値および前記第２差分値のうち少なくとも一方の差分値が予め設定された上限値を超えた場合に、前記ロータリーエンコーダ（１０）に異常が発生したと判定する判定回路（２４）と、
   を備えるエンコーダの信号処理装置。
4. 前記判定回路（２４）により前記ロータリーエンコーダ（１０）に異常が発生したと判定された場合に、アラーム信号を出力するアラーム回路（２５）をさらに備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダの信号処理装置。

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