JP4737598B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダに関する。

モータによって被駆動体を駆動する駆動装置は、従来から様々な分野の電子機器や産業用ロボット等の制御に広く用いられており、例えば産業用ロボットにおいては、そのアームを屈伸動、旋回動させるために適用され、また、カメラなどの光学機器においても、モータによって駆動される撮影レンズを合焦位置に移動・停止させる自動焦点調節装置に適用されている。このような駆動装置には、制御に必要なロボットのアームやレンズの移動量、移動速度といったものを検出するための位置センサとしてロータリエンコーダが良く使われている。

ロータリエンコーダは、モータ等のアクチュエータの回転軸に固定されてその回転位置を検出する装置で、光学式および磁気式があり、このうち光学式のロータリエンコーダは、例えば特許文献１にも記載されているように、微小なスリットが等間隔に形成されてモータに取り付けられた回転ディスクを使用するものである。回転ディスクを挟んで一方には光源としての発光素子（ＬＥＤ）が、他方には発光素子と対向するように受光素子（フォトダイオード）が配置されており、発光素子から発光された光は受光素子によって受光され、受光した光の光量に応じた出力レベルのアナログ信号を出力可能になっている。このように構成された光学式のロータリエンコーダでは、モータの回転とともに回転ディスクが回転すると、発光素子から回転ディスクのスリットを通って受光素子へ達する光が周期的に遮断され、この光量の変化を受光素子により検出することによって変位を検知することができるようになっている。このとき受光素子からは例えば９０度の位相差を持つ２つの擬似正弦波が出力され、増幅回路により増幅された後、２つの擬似正弦波はコンパレータによって高電圧状態（ハイレベル）と低電圧状態（ローレベル）の２つの状態をとるデジタル信号（パルス信号）に変換されて出力される。このパルス信号は計測機器などの計数回路に入力され、モータの位置情報が算出されるようになっている。
特開２０００−２３４９４２号公報

ところで、上記のような光学式のエンコーダでは、発光素子や受光素子が経年劣化を起こすと、例えば発光素子から照射される光の光量が低下すると、これにともなって測定対象物の変位の測定精度が悪化するが、従来のエンコーダにおいては、ある程度劣化が進んで測定対象物の位置情報が検出不可能になるまでエンコーダを使用し続けていたため、エンコーダによる検出が不可能になった時点で突発的に駆動装置（モータ）が停止する課題があった。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、異常を検出することのできるエンコーダを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係るエンコーダは、被検物体の移動を検出し、被検物体の移動位置に応じた信号を出力する検出部と、検出部から出力される信号の正常な信号波形を記録した記録部と、検出部から出力される信号の信号波形と正常な信号波形とを比較して、所定以上の差異が生じている場合に異常であると判断する判断部と、判断部によって異常であると判断された場合に、検出部から出力される信号の信号波形が正常な信号波形と略同一となるように、検出部から出力される信号の信号波形を補正する補正部と、補正部によって検出部から出力される信号の信号波形を補正する場合に、補正部によって補正された補正値と判断部によって判断された異常を示す情報とを外部の制御装置に出力するデータ処理部とを備え、判断部は、信号波形として互いに異なる位相を有する２つの信号を用いるように構成される。

また、上記構成のエンコーダにおいて、前記２つの信号は、互いに９０度の位相差を有することが好ましい。

また、上記構成のエンコーダにおいて、前記信号波形はリサージュ波形であり、判断部は、検出部から出力される信号の信号波形の少なくとも一部が正常な信号波形に基づく基準の信号波形の内側に進入した場合に異常であると判断するように構成されることが好ましい。

また、上記構成のエンコーダにおいて、光源と、被検物体とともに移動するパターンとを備え、検出部は、光源からの光をパターンを介して受光するように構成されることが好ましい。

また、上記構成のエンコーダにおいて、被検物体とともに移動する磁石を備え、検出部は、磁石の磁気を検出する磁気センサを有して構成されることが好ましい。

また、上記構成のエンコーダにおいて、エンコーダはモータに取り付けられ、モータの回転量または回転位置を検出するように構成されることが好ましい。

本発明に関するエンコーダによれば、エンコーダの異常を検出することが可能である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図１から図５を参照して説明する。

（第１実施形態）
ここではまず、本発明の第１の実施の形態について、ロータリエンコーダを例として説明する。図１に本発明に係るエンコーダ５０およびエンコーダ５０を装備したモータ（ＡＣサーボモータ）を駆動制御するコントローラ１００を示している。このエンコーダ５０は、光源（以下、発光素子２という）等からなる光学式のエンコーダ５０を用いてエンコーダ５０を装備した図示しないモータの回転量または回転位置を検出するものであり、測定部１０および処理部３０とに大別される。

測定部１０は、モータの変位を検出するための疑似正弦波信号を生成する。一方、処理部３０は、測定部１０で生成された擬似正弦波信号を用いてモータの回転量または回転位置を検出するとともに、擬似正弦波信号の異常の有無を判断する。また、外部装置としての外部コントローラ１００はエンコーダ５０と半二重シリアル通信可能であり、エンコーダ５０からの変位検出値および信号の異常の有無は、処理部３０から外部のコントローラ１００に向けて送信可能である。このコントローラ１００は、エンコーダ５０によるモータの変位検出値に応じてモータを駆動制御し、エンコーダ５０により擬似正弦波信号の異常が判断された場合には所定の措置をとる。

測定部１０は、ＬＥＤなどの発光素子２、回転ディスク１（いわゆるスケール）、シリコンフォトダイオードなどの受光素子３および増幅回路４を有して構成される。回転ディスク１にはその周方向に複数のスリット（パターン）が所定の間隔で形成されており、回転ディスク１の中心は、変位を計測する対象である図示しないモータの回転軸に固定されている。

また、発光素子２および受光素子３は、両者間に設けられる回転ディスク１を挟んで対向するようにそれぞれ配設される。発光素子２から射出した光は、図示しない照明光学系によって回転ディスク１に照射され、回転ディスク１のスリットを透過した光が受光素子３で検出される。受光素子３は、受光した光の強さに応じて検出信号を出力する。

図２に示すように、回転ディスク１に形成されたパターンは、アブソリュートパターンからなるアブソリュートトラック１ａと、インクリメンタルパターンからなるインクリメンタルトラック１ｂとを有している。図２において、白色部分が発光素子２からの光を透過するスリットからなる光透過部、そして、黒色部分が光を遮る遮光部となっている。

受光素子３のうちアブソリュート検出素子群３ａは、アブソリュートトラックのアブソリュートパターンを読み取るためアブソリュートトラック１ａに沿って配置されるものである（図２の３ａ−１〜３ａ−６）。

また、インクリメンタル検出素子群３ｂは、インクリメンタルトラック１ｂの符号を検出するもので、インクリメンタルトラック１ｂに沿って配置されたＡ相検出用の検出素子３ｂ−１とＢ相検出用の検出素子３ｂ−２とからなる。これらＡ相検出用の検出素子３ｂ−１とＢ相検出用の検出素子３ｂ−２とは互いにインクリメンタルパターンの最小読み取り単位の３／２の間隔、すなわち３Ｌ／４ずらして配置されており、Ａ相検出用の検出素子３ｂ−１がインクリメンタルトラック１ｂのいずれかのビットの中心に位置する状態で、Ｂ相検出用の検出素子３ｂ−２は、インクリメンタルトラック１ｂのビット相互のいずれかの境界に位置する。

そして、アブソリュートパターンおよびインクリメンタルパターンが形成された回転ディスク１の回転により、インクリメンタル検出素子群３ｂからのインクリメンタル信号に基づいて、アブソリュート検出素子群１ａが読み取るべきアブソリュート信号に対応した受光信号が受光素子３から発生するようになっている。

これらのうち、検出素子３ｂ−２から出力される信号が増幅された後、増幅回路４内のアンプにおいて増幅されることで第１の擬似正弦波信号（Ａ相信号）が生成される。また、検出素子３ｂ−１から出力される信号が増幅された後、アンプにおいて増幅されることで第２の擬似正弦波信号（Ｂ相信号）が生成される。

図３は、増幅回路４から出力されるＡ相信号およびＢ相信号の波形を示す図である。図３において、横軸は擬似正弦波信号の位相角θであり、縦軸は受光素子３の受光レベル（アナログ信号の出力レベル）である。位相角θは、モータの回転量または回転位置（すなわち、モータにより駆動されるアクチュエータ等の変位）に対応する。したがって、モータがあるスリットからそれに隣接するスリットの間隔分だけ回転すると、擬似正弦波信号が一周期変動する。ここで、Ａ相信号をｓｉｎθで表すと、Ｂ相信号はｃｏｓθで表され、Ｂ相信号はＡ相信号に対して位相が９０度遅れた信号であり、この位相差は、隣接する検出素子３ｂ−２および検出素子３ｂ−１の間隔、すなわちＬ／４の大きさに対応する。

増幅回路４からのＡ相信号およびＢ相信号は、各々処理部３０に入力される。処理部３０は、Ａ／Ｄコンバータを有するデータ処理部５と、Ａ／Ｄ変換された擬似正弦波形を記録波形として予め記録保持し、これを外部のコントローラ１００からの指令により書換可能な不揮発性メモリからなる記録部６と、Ａ／Ｄ変換された増幅回路４からの擬似正弦波形と記録部６に記録波形として保持された参照用の擬似正弦波形とを比較する比較部７とから構成される。

データ処理部５は、ゲートアレイなどのＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路、Application
Specific Integrated Circuit）によって構成されており、データ処理部５内のＡ／Ｄコンバータは、増幅回路４から出力される２相の擬似正弦波信号、すなわちＡ相信号およびＢ相信号を、それぞれアナログ信号からデジタル信号に変換する。データ処理部５においては、変換後のデジタル信号に基づいてモータの変位（回転量または回転位置）が算出され、算出されたデータは位置データとして半二重シリアル通信によりコントローラ１００に向けて送信される。コントローラ１００においては、算出されたモータの回転量または回転位置に基づいてモータにより駆動されるアクチュエータ等の位置変位が算出され、アクチュエータ等が所望の位置に変位するようにモータの制御が行われる。

ここで、図４を追加参照して、本発明に係るエンコーダ５０の測定部１０における異常の発生の検出について説明する。

エンコーダ５０の製造時において、記録部６内には、コントローラ１００からシリアル通信により出力される一周期分の擬似正弦波信号のデジタルデータが記録される。これは、エンコーダ５０の測定部１０において何らかの不具合が発生したか否かを比較判断するために、正常な測定部１０から出力される擬似正弦波信号として予め記録されているものである。図４には、記録部６内に予め記録されている正常な擬似正弦波信号のリサージュ波形が波形２１として示されている。なお、図４におけるｘ軸は２相の擬似正弦波信号のうちＡ相信号の出力レベル（Ａ相電位）、すなわちｓｉｎθの値を、ｙ軸はＢ相信号の出力レベル（Ｂ相電位）、すなわちｃｏｓθの値を示している。

エンコーダ５０の測定部１０において何ら異常が生じていない場合には、例えば発光素子２から照射される光の光量が低下するといった不具合が生じていない場合には、Ａ相信号とＢ相信号９０との位相差は９０度であり、これらの振幅比は１であり、さらに、いずれも出力レベルゼロに対するオフセットが生じていない。このため、そのリサージュ波形は、図４で原点を中心とする半径の大きさ１の真円になる。すなわち、エンコーダ５０の測定部１０が正常であるならば、擬似正弦波信号のリサージュ波形は記録部６に記録保持されている波形２１と略同一となる。

一方、エンコーダ５０の測定部１０において何らかの不具合が発生した場合、例えば、発光素子２（ＬＥＤ）から出力される光の光量の低下や受光素子３（フォトダイオード）の受光能力の低下により、エンコーダ５０による測定系に異常が生じた場合には、Ａ相信号もしくはＢ相信号には、その出力レベルゼロに対してオフセットが生じる。このため、増幅回路４から比較部７に入力される擬似正弦波のリサージュ波形は、例えば図４において波形２３で示されるように変化する。すなわち、増幅回路４から出力される擬似正弦波は、エンコーダ５０の測定部１０の正常時においては原点に中心を有する波形２１であったものが、図４における第１象限に中心を有する波形２３までシフトする。

リサージュ波形のシフト量が微小である場合には、擬似正弦波のオフセット量は小さく、エンコーダ５０によるモータ等の測定対象物の位置測定精度は多少劣化するものの、測定を続行することに支障はないが、エンコーダ５０の測定部１０における経年劣化が大きくなると、すなわち、擬似正弦波のオフセット量が大きくなると、その測定精度が影響を及ぼされるようになる。したがって、擬似正弦波のリサージュ波形のシフト量が予め設定された所定の値以上に増大する場合にはエンコーダ５０に異常が発生したものと判断して、エンコーダ５０の稼動率を低下させないためにエンコーダ５０を装備する駆動装置が停止する前にエンコーダ５０の劣化を報知する必要がある。

図４に示されている円形の曲線２２は、駆動装置が突発的に停止するのを防止するため、測定部１０による測定精度に影響を及ぼす程度に測定部１０が劣化しているか否かを判別して、エンコーダ５０の劣化を報知するために、予め記録部６内に設定されて記憶されているものである。

本発明では、エンコーダ５０の測定部１０の劣化により擬似正弦波がオフセットすることで、擬似正弦波のリサージュ波形がシフトして、図４に示すように円弧の一部が上記曲線２２の内側に進入して波形２３で示されるような状態になった場合に、データ処理部５によりエンコーダ５０の劣化が測定精度に影響を及ぼす程度に進行しているものと判断される。

上述のように、外部コントローラ１００はエンコーダ５０と通信可能に構成されており、データ処理部５によってエンコーダ５０の劣化が判断された場合、この判断情報がコントローラ１００に向けて送信される。コントローラ１００は、エンコーダ５０からこの判断情報を受信すると、エンコーダ５０の劣化が進行している旨の警告ビットを立ててエンコーダ５０が交換時期に至っている旨を報知する。具体的な報知の方法として、コントローラ１００を構成するパーソナルコンピュータのモニタ画面上に劣化したエンコーダ５０が分かるように映し出す方法や、どのエンコーダ５０が劣化しているかが認識できるように当該パーソナルコンピュータから警告音を発する方法がある。そして、エンコーダのメンテナンスを行う作業者は、複数のエンコーダのうち上記のような方法で交換時期が報知されているエンコーダの交換を行う。

このように本実施例では、エンコーダの経年劣化が原因でいずれ測定不能になる事態が生じることを事前に予測することが可能であり、エンコーダを装備した駆動装置の突発的な停止を防止し、駆動装置の稼動率を向上させることが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。ここでは第１の実施の形態と相違する部分を中心に説明する。

図５に示すように本実施例においては、エンコーダ５０´の基本的な構成は、実施例１におけるエンコーダ５０と同様であるが、処理部３０´には、エンコーダ５０の処理部３０の構成に加えて補正値演算部８および補正回路部９が備わっている。

補正値演算部８は、増幅回路４から出力される擬似正弦波と、エンコーダ５０´の製造時に記録部６に記録された一周期分の擬似正弦波のデジタルデータとのズレを演算する。具体的には、エンコーダ５０´の測定部１０における異常の発生により、増幅回路４からの擬似正弦波のリサージュ波形が、エンコーダ５０´の製造時におけるリサージュ波形（すなわち波形２１）に対して所定以上シフトした場合に、すなわち、リサージュ波形の円弧の一部が上記曲線２２の内側に進入した場合に、当該シフト値を求める演算を行う。

補正値演算部８により演算されたシフト値は、補正値演算部８においてＤＡコンバータにより正弦波に変換された後に補正回路部９に入力され、補正回路部９において、演算されたシフト値と増幅回路４から出力される擬似正弦波信号との差動増幅が行われる。このように差動増幅が行われた結果、データ処理部５には、正常な測定部１０から出力される擬似正弦波に対してほとんどズレのない、ほぼ同一の擬似正弦波、すなわち、出力レベルにオフセットが生じていない擬似正弦波が入力される。したがって、データ処理部５には、エンコーダ５０´の製造直後に測定されたのとほぼ同一の測定精度のよい位置データが入力されることになる。

また、補正値演算部８により、擬似正弦波のシフト量の演算が行われている場合には、演算結果に基づく擬似正弦波の補正が行われている旨の警告情報が、シリアル通信によりエンコーダ５０´外部のコントローラ１００に向けて送信され、コントローラ１００はこの警告情報を報知する。具体的な警告の方法として、コントローラ１００を構成するパーソナルコンピュータのモニタ画面上に補正が行われているエンコーダ５０´が分かるように映し出す方法や、どのエンコーダ５０´に補正が行われているかが認識できるように当該パーソナルコンピュータから警告音を発する方法がある。

このようにして、補正が行われている旨が報知されるため、エンコーダのメンテナンスを行う作業者は、エンコーダ５０´によるモータの回転量の検出値があくまでも補正値であることを認識できる。そして、このような補正をすることによって、エンコーダ５０´が突然に測定不能に陥るのを防止してエンコーダ５０´を装備した駆動装置の稼動率を向上させることが可能であり、また、新たなエンコーダに交換するまでは検出値があくまでも補正値であることを認識しながら、エンコーダ５０´を停止させることなくエンコーダ５０´の使用を続けることが可能である。

なお、これまで本発明の好ましい実施形態について、実施例１および実施例２を用いて説明してきたが、本発明の範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施例においては、いずれもモータ等のアクチュエータの回転量を検出可能であるロータリエンコーダを一例として説明したが、測定系の異常検出を光学式のリニアエンコーダに適用してもよい。また、上記の実施例ではインクリメンタルパターンからの信号について説明したが、アブソリュートパターンの信号についても同様に異常検出を適用できる。さらに、光学式のエンコーダに限らず、磁気式のエンコーダからの信号についても同様に異常を検出することができる。磁気式のエンコーダでは、例えばモータの回転軸に取り付けられた永久磁石の回転を磁気センサで検出するものである。

本発明に係るエンコーダの構成を示すブロック図である。 上記エンコーダに設けられた回転ディスクを示す図である。 上記エンコーダに設けられた受光素子からの出力信号に基づいて生成される擬似正弦波の波形を示す図である。 上記エンコーダの不具合を検出するために用いられるリサージュ波形を示す図である。 第２の実施例におけるエンコーダの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 回転ディスク
１ａ アブソリュートトラック（パターン）
１ｂ インクリメンタルトラック（パターン）
２ 発光素子（光源）
３ 受光素子
４ 増幅回路
５ データ処理部
６ 記録部
７ 比較部（判断部）
８ 補正値演算部
９ 補正回路部（補正部）
１０ 測定部（検出部）
２１ 正常時におけるリサージュ波形（記録波形）
２２ 異常を判別するために設定される曲線
２３ 異常時におけるリサージュ波形
３０，３０´ 処理部
５０，５０´ エンコーダ
１００ コントローラ

Claims (6)

1. 被検物体の移動を検出し、前記被検物体の移動位置に応じた信号を出力する検出部と、
   前記検出部から出力される信号の正常な信号波形を記録した記録部と、
   前記検出部から出力される信号の信号波形と前記正常な信号波形とを比較して、所定以上の差異が生じている場合に異常であると判断する判断部と、
   前記判断部によって異常であると判断された場合に、前記検出部から出力される信号の信号波形が前記正常な信号波形と略同一となるように、前記検出部から出力される信号の信号波形を補正する補正部と、
   前記補正部によって前記検出部から出力される信号の信号波形を補正する場合に、前記補正部によって補正された補正値と前記判断部によって判断された異常を示す情報とを外部の制御装置に出力するデータ処理部とを備え、
   前記判断部は、前記信号波形として互いに異なる位相を有する２つの信号を用いることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記２つの信号は、互いに９０度の位相差を有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記信号波形は、リサージュ波形であり、
   前記判断部は、前記検出部から出力される信号の信号波形の少なくとも一部が前記正常な信号波形に基づく基準の信号波形の内側に進入した場合に異常であると判断することを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 光源と、
   前記被検物体とともに移動するパターンとを備え、
   前記検出部は、前記光源からの光を前記パターンを介して受光することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダ。
5. 前記被検物体とともに移動する磁石を備え、
   前記検出部は、前記磁石の磁気を検出する磁気センサを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダ。
6. 前記エンコーダはモータに取り付けられ、前記モータの回転量または回転位置を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンコーダ。

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