JP4737609B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダに関する。

エンコーダは、被検体の回転角度や直線距離を計測する位置センサである。このエンコーダの一例としては、被検体の回転軸に接続された円盤状の回転ディスクに、等間隔にスリットを設け、このスリットを透過する光線を受光素子で検出することにより回転角度を検出して位置データとして出力される。被検体の回転角度を検出する方法としては、回転ディスクが回転することによりスリットを透過する光線の強度が変化することを利用して、受光素子からの検出信号の強弱を計数回路でカウントすることにより回転ディスクの角度を算出する方法と、検出信号を細分化回路で細分化することにより、スリット間の検出角度を細分化して分解能を高める方法が併用される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６９６１４号公報

しかしながら、計数回路で検出できない異常が発生すると、間違った位置データが出力されてしまい、このエンコーダの位置データを利用する上位装置が誤動作する虞があるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、出力する位置データの異常を検出することが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、被検体の変位に応じて所定の位相差を有する２つの疑似正弦波信号を生成する疑似正弦波信号生成手段（例えば、実施形態における疑似正弦波生成回路２０）と、２つの疑似正弦波信号を、１波長毎にカウントして第１のサイクル数を出力する第１のサイクル数読み取り手段（例えば、実施形態における計数回路１１）と、２つの疑似正弦波信号から、１波長内での位相角を算出して出力する細分化読み取り手段（例えば、実施形態における細分化回路１４）と、細分化読み取り手段から出力された位相角により１波長を検出して、１波長毎にカウントして第２のサイクル数を出力する第２のサイクル数読み取り手段（例えば、実施形態における擬似的λ数計数回路１６）と、第１および第２のサイクル数読み取り手段から出力された第１および第２のサイクル数を比較し、一致しないときに警告を発する比較手段（例えば、実施形態における比較・一致判定回路１７）とを有して構成される。

本発明に係るエンコーダを以上のように構成すると、このエンコーダから出力される被検体の変位量であるサイクル数の異常を検出することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係るエンコーダ１の構成について説明する。このエンコーダ１は、被検体２（例えば、モータ等）の回転軸の回転角度を検出して位置データとして上位装置３に出力するものであり、発光素子４、回転ディスク５、受光素子６、増幅回路７、第１および第２の２値化回路８，９、方向判別回路１０、計数回路１１、第１および第２のＡ／Ｄコンバータ１２，１３、細分化回路１４、λ増減判別回路１５、擬似的λ数計数回路１６、比較・一致判定回路１７、位置データ合成回路１８、および、外部通信回路１９から構成される。

回転ディスク５は、その中心５ａを被検体２の回転軸と一致させ、この回転軸に接続されて配設されており、この回転ディスク５の外周部には、外周に沿って複数のスリット５ｂが等間隔に設けられている。発光素子４および受光素子６は、各々の発光部および受光部が対向するように配置されている。回転ディスク５は、発光素子４および受光素子５の間に位置しており、発光素子４から放射された光を回転ディスク５のスリット５ｂに照射し、このスリット５ｂを通過した光を受光素子６で受光する。受光素子６は、受光した光の強度に応じた検出信号を出力する。

被検体２の回転により回転ディスク５が回転すると、発光素子５から放射された光は、この回転ディスク５のスリット５ａを通過する状態と回転ディスク５で遮蔽される状態とを繰り返す。そのため、受光素子６に照射される光の強度が強弱を繰り返し、受光素子６からは正弦波状の検出信号が出力される（これを「疑似正弦波信号」と呼ぶ）。この受光素子６から出力された疑似正弦波信号は、増幅回路７で増幅されて後段の回路に出力される。

ところで、受光素子６は９０度の位相差を有する２つの検出信号（疑似正弦波信号）を出力するように第１の受光部６ａと第２の受光部６ｂとを有して構成されている。この第１および第２の受光部６ａ，６ｂは、回転ディスク５のスリット５ｂの間隔をΔｈとすると、Δｈ／４の間隔を隔てて配設されている。これにより、図２（ａ）に示すように、位相が３６０／４＝９０度遅れた検出信号が出力される（ここで、第１の受光部６ａからの検出信号を「Ａ相信号ＳＡ」と呼び、第２受光部６ｂからの検出信号を「Ｂ相信号ＳＢ」と呼び、これらの信号をまとめて「２相疑似正弦波信号」と呼ぶ）。このように、発光素子４、回転ディスク５、受光素子６、および、増幅回路７で疑似正弦波生成回路２０が構成される。

増幅回路７で増幅された２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢは、それぞれ第１および第２の２値化回路８，９に入力される。この第１および第２の二値化回路８，９は、アナログ・コンパレータ等の２値化手段によって構成されており、図２（ｂ）に示すように、「０」または「１」のいずれかの状態を有するデジタル信号ＰＡ，ＰＢに変換される。上述のように、２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの位相が９０度ずれていることから、このデジタル信号ＰＡ，ＰＢを組み合わせることにより、４つの状態ＳＴ１〜ＳＴ４を定義することができ、図２（ｃ）に示すように、方向判別回路１０により、この４つの状態ＳＴ１〜ＳＴ４の遷移から２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１周期（１λ）と回転する方向を検知し、周期の数（サイクル数）を計数回路１１でカウントすることにより、回転ディスク５の位置を検出することができる。なお、この計数回路１１から出力される位置データ（サイクル数）の分解能は、上述のように２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長に対応しており、上位ビット・位置データ１８ａとして位置データ生成回路１８に出力される。

一方、増幅回路７で増幅された２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢは、それぞれ第１および第２のＡ／Ｄコンバータ１２，１３にも入力されて、デジタル信号に変換され、細分化回路１４に出力される。細分化回路１４では、デジタル化された２相疑似正弦波信号の１波長をより細かく分割して読み取り、より精細な位置情報に変換するものであり、２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの一方をｓｉｎ波形（正弦関数）とみなし、他方をｃｏｓ波形（余弦関数）とみなして細分化処理を行う。

それでは、図３を用いて細分化回路１４の構成について説明する。デジタル変換されたＡ相およびＢ相の２信号は、減算手段１４ａにより直流成分が除去され、交流成分のみが抽出される。この減算手段１４ａの役割については、若干の説明を加える。電子回路で構成される増幅手段（第１および第２のＡ／Ｄコンバータ１２，１３であり、オペアンプで構成される）は、近年の機器の小型化、低電圧動作化のために、正電圧と負電圧とによる両電源駆動ではなく、例えば＋５Ｖ等の単電源動作が多用される。ここでは、この＋５Ｖ単電源動作の例で説明を行う。

電子回路内で実際に観測される波形は、０Ｖではない正のある電位（アナログ基準電圧と呼ばれ、例えば＋２．５Ｖ）を中心として振動する波形である。即ち、全ポイントにおいて、０Ｖ〜５Ｖの範囲の正符号の電位である。一方、厳密な定義によれば、三角関数は０を中心とし、最大値が＋１、最小値が−１であるから、これを正弦関数若しくは余弦関数として扱うためには、単にデジタル変換しただけでは不完全である。これを解決するために、アナログ基準電位（＋２．５Ｖ）の直流成分を、Ａ相、Ｂ相をそれぞれＡ／Ｄ変換した値から減じてやればよい。この処理はデジタル処理、すなわち、論理回路による減算処理で事足りる。

なお、アナログ基準電位は予め定められた電圧値であるため、わざわざＡ／Ｄ変換せずに、電子回路に予め設定しておけばよい。減算処理された疑似正弦波は、結果として直流成分が除去され、交流成分のみが抽出された信号となっている。さらに、厳密に、数学的に忠実にするためには、正規化処理が必要であるが、後段で一方を他方で除算する処理を行うことを前提としているため、Ａ相およびＢ相の交流成分の値がほぼ等しい場合には、正規処理を割愛することが可能である。

減算手段１４ａにより直流成分が除去されたＡ相およびＢ相の値は、減算の結果、正負の符号の情報が付加される。その帰結として、符号以外に絶対値も得ることができる。制御手段１４ｂは、これらの情報から疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長内のどのエリア（図２におけるＳＴ１〜ＳＴ４）に現在あるのかを、最初に判定する。上述のように、Ａ相、Ｂ相各々が正負の符号を取り得るから、この正負の符号情報により、疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長（１λ）を４つのエリアに分けることができる。これは１波長を細分化して読み取るという目的に鑑みれば、細分化データ（下位ビット・位置データ１８ｂ）の上位ビット（例えば、Ａ相、Ｂ相の状態をそれぞれ１ビットで表すと上位２ビット）を確定することと等価である。換言すれば、Ａ相、Ｂ相の符号情報により疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長は、既に４つのエリアに細分化されているのである。

ここで、Ａ相、Ｂ相のどちらかが”０”になる値を取ると、後段の除算手段１４ｃでの除算処理自体が不要となる。この場合、制御手段１４ｂは除算処理スキップ指令を除算手段１４ｃに出力し、不要な処理、若しくは、不合理な処理（”０”で除算する等）を行わないように、系（細分化回路１４）を制御する。

減算手段１４ａによって交流成分のみを抽出された疑似正弦波信号は、一方をｓｉｎθ、他方をｃｏｓθとみなすことができる。したがって、除算手段１４ｃにおいて、数学的定義により、ｓｉｎθをｃｏｓθで除算することにより算出された商Ｑは、ｔａｎθとみなすことができる。すなわち、Ａ相、Ｂ相の２つの信号情報を、除算により１つの情報に変換する。

ところで、ｔａｎθは、数学的には−∞から＋∞まで変化する。処理を簡便化するために、Ａ相、Ｂ相の絶対値のみを用いて除算手段１４ｃで除算を行えば、商Ｑの変化する範囲は０から＋∞までとなる。この簡便化を行ったとしても、０から＋∞まで変化する値を算出するため、除算手段１４ｃによる処理は浮動小数点演算により行わなければならない。従って、除算手段１４ｃは、設計の容易さからマイクロプロセッサを利用したソフトウェア処理による例が多々見受けられる。ソフトウェア処理を用いずにハードウェアによる除算を行う例においても、一般的に除算手段１４ｃはその回路規模が大きく、処理時間が増大しがちである。

除算手段１４ｃによって求められた演算結果である商Ｑは、次段の逆正接関数参照手段１４ｄによって、この商Ｑに対応する位相角θが求められる。ここで、位相角θは、２相疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの位相角であり、その情報は位置情報に他ならない。すなわち、逆正接関数参照手段１４ｄにより、位置情報が分かるのである。逆正接関数参照手段１４ｄは、テーブルを参照することと等価であり、回路的な構成はメモリを利用するのが平易な設計方法である。例えば、電気的に書き込み消去可能なＥＰＲＯＭ等に、アドレスには除算結果Ｑ、すなわち、ｔａｎθの値、そして、各アドレスに対応するデータ（返り値）は、θを予め書き込んでおくのである。一方、平易な設計手法によれば、Ｃ言語等の高級言語でライブラリを利用した逆正接関数参照を行うならば、容易である。

内挿値選択・更新・保持手段１４ｅは、制御手段１４ｂから除算処理スキップ指令を受けると、制御手段１４ｂから入力される除算処理不要の場合の細分化位置データを選択し、制御手段１４ｂから除算処理スキップ指令を受けない場合は、逆正接関数参照手段１４ｄから入力される位相角θの情報を選択する。なお、逆正接関数参照手段１４ｄから入力される位相角θの情報は、０＜θ＜９０度の範囲の情報であるので、内挿値選択・更新・保持手段１４ｅは、制御手段１４ｂから入力された上位ビットを用いて１周期全域における位相角を算出し、下位ビット・位置データ１８ｂとして位置データ生成回路１８に出力される。また、この内挿値選択・更新・保持手段１４ｅは、新たな位相角情報が制御手段１４ｂまたは逆正接関数参照手段１４ｄから入力されるまで、現在の位相角情報を保持するように構成されている。

以上説明したとおり、制御手段１４ｂのみで位置情報が判定する経路、および、除算手段１４ｃおよび逆正接関数参照手段１４ｄにより位置情報を判定する経路の２通りの経路を併用することにより、疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長（１λ）の内部を細分化して読み取った位置情報を求めることができる。疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢはサイクリックに変化する信号であり、この細分化回路１４から出力される下位ビット・位置データ１８ｂ、すなわち、位相角θは、図２（ｄ）に示すように０度から３６０度まで変化するとまた０度に戻るという鋸歯のような形状をしているため、鋸歯状波と呼ばれる波形となる。

以上のように、このエンコーダ１は、受光素子６から出力される疑似正弦波信号ＳＡ，ＳＢの１波長（サイクル数）をカウントして得られる上位ビット・位置データ１８ａと、疑似正弦波信号の１波長をさらに細分化した下位ビット・位置データ１８ｂ（位相角θ）とから、精度の高い被検体２の回転角度を得て、外部通信回路１９を介し、位置情報として上位装置３に出力する。

ところで、このエンコーダ１における第１若しくは第２の２値化回路８，９に故障が発生した場合、位置データを構成する上位ビット・位置データ１８ａが変化しなくなり、下位ビット・位置データ１８ｂのみが変化することになる。この場合、外部装置３に出力される位置データが不正な位置データであるにも拘わらず、外部装置３からは正しいデータであるか不正なデータであるかの判別をすることができない。一方、細分化回路１４等に故障が発生しても、微視的に見れば不正な位置データとなっている瞬間も存在するが、その位置誤差は、上位ビット・位置データ１８ａよりも、より下位のデータであり、小さな値で済む。また、上位ビット・位置データ１８ａは、上述のように疑似正弦波信号のサイクル数をカウントしているため、その誤差は累積するが、下位ビット・位置データ１８ｂは累積しない。

このように、上位ビット・位置データ１８ａに異常が生じると、上位装置３に正しい位置情報を出力することができなくなる。そのため、本実施例に係るエンコーダ１においては、上位ビット・位置データ１８ａが正しい位置を表しているかを検査する回路（これを「等価なサイクル数計数手段」と呼ぶ）を有している。まず、等価なサイクル計数手段を概念的に説明する。なお、この説明においては位置情報が増加していく場合を例に取っているが、基本的な考え方は位置データが減少していく場合も同様である。

図２（ｄ）に示すように、細分化回路１４から出力される下位ビット・位置データ１８ｂ（位相角θ）は、周期的にある位置変位量までの変位が生じた場合、直線的に急激な変化をする。これは、いわゆる「桁上がり／桁下がり」または、「ボロー／キャリー」と等価な現象である。すなわち、下位ビット・位置データ１８ｂが急激な変化をすると同時に、上位ビット・位置データ１８ａの最下位ビット（ＬＳＢ）は、±１の変化をしているのである。この点に着目し、この特異な変化を常時監視し、その変化によって、擬似的に上位ビット・位置データ１８ａと等価なデータ（これを「疑似サイクル数」と呼ぶ）を生成することができる。

下位ビット・位置データ１８ｂの鋸歯状波のリニアな部分が右上がりの時は、位置情報データは増加中であることを示す。逆に、鋸歯状波のリニアな部分が右下がりの時は、位置データが減少中であることを示す。一方のこの鋸歯状波の急激な変化が現れる部分に着目すると、急激に０まで直線的に下がる特異点では、上位ビット・位置データ１８ａの最下位ビット（ＬＳＢ）が、１増加されたとみなし、反対に、急激に０から直線的に急上昇する特異点では、上位ビット・位置データ１８ａの最下位ビット（ＬＳＢ）が１減少されたとみなすことができる。すなわち、図２（ｅ）に示すように、下位ビット・位置データ１８ｂの特異点をカウントすることにより、上位ビット・位置データ１８ａと別の方法で得られた疑似正弦波信号のサイクル数のカウント値（疑似サイクル数）を得ることができる。

それでは、細分化回路１４から出力された下位ビット・位置データ１８ｂから疑似正弦波信号の疑似サイクル数をカウントし、計数回路１１から出力された上位ビット・位置データ１８ａとしてのサイクル数のカウント値と比較して異常を検出する回路について説明する。

細分化回路１４から出力された鋸歯状波は、λ増減判別回路１５に入力される。このλ増減判別回路１５は、上述のように鋸歯状波の特異点を元にサイクル数（λ数）の±１変化を判定する回路である。そして、このλ増減判別回路１５の判定結果が擬似的λ数計数回路１６に入力され、疑似サイクル数をカウントする。そして、擬似的λ数計数回路１６でカウントされた疑似サイクル数と計数回路１１でカウントされたサイクル数とが比較・一致判定回路１７に入力され、両サイクル数が一致しているときは上位ビット・位置データ１８ａは正常であると判定する。一方、両サイクル数が一致しないときは、上位ビット・位置データ１８ａに異常があると判定し、位置データ合成回路１８にアラーム情報ビット１８ｃを出力する。位置データ合成回路１８は、上位および下位ビット・位置情報１８ａ，１８ｂに加えてアラーム情報ビット１８ｃを上位装置３に出力することにより、この上位装置３は、上位ビット・位置データ１８ａが正常であるか否かをアラーム情報ビット１８ｃで判断することができる。

本実施例に係るエンコーダ１を以上のように構成すると、従来のエンコーダにλ増減回路１５、擬似的λ数計数回路１６、および、比較・一致判定回路１７を設けて上位装置３にアラーム情報ビットを出力することにより、上位ビット・位置データ１８の異常をこのエンコーダ１内で検知可能であり、上位装置３に出力される位置データの信頼性を向上させて、上位装置３の異常動作を防止することができる。

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。 疑似正弦波信号とその処理の状態を示す説明図であり、（ａ）は疑似正弦波信号を表し、（ｂ）は２値化回路の出力を表し、（ｃ）は計数回路の出力を表し、（ｄ）は細分化回路の出力を表し、（ｄ）は疑似的λ数計数回路の出力を表す。 細分化回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ エンコーダ
１１ 計数回路（第１のサイクル数読み取り手段）
１４ 細分化回路（細分化読み取り手段）
１６ 擬似的λ数計数回路（第２のサイクル数読み取り手段）
１７ 比較・一致判定回路（比較・一致判定手段）
２０ 疑似正弦波生成回路（疑似正弦波生成手段）

Claims (1)

1. 被検体の変位に応じて所定の位相差を有する２つの疑似正弦波信号を生成する疑似正弦波信号生成手段と、
   前記２つの疑似正弦波信号を、１波長毎にカウントして第１のサイクル数を出力する第１のサイクル数読み取り手段と、
   前記２つの疑似正弦波信号から、前記１波長内での位相角を算出して出力する細分化読み取り手段と、
   前記細分化読み取り手段から出力された前記位相角により前記１波長を検出して、前記１波長毎にカウントして第２のサイクル数を出力する第２のサイクル数読み取り手段と、
   前記第１および第２のサイクル数読み取り手段から出力された前記第１および第２のサイクル数を比較し、一致しないときに警告を発する比較手段とを有することを特徴とするエンコーダ。

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