JP4962692B2

JP4962692B2 - アブソリュートエンコーダ、アブソリュートエンコーダの異常検出方法、モータ、ロボットおよび機械装置

Info

Publication number: JP4962692B2
Application number: JP2005343007A
Authority: JP
Inventors: 正道稲永
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: JP2007147465A

Description

本発明は、ロボット等の絶対位置検出を行うアブソリュートエンコーダに関し、特にその異常検出方法並びにこれを適用したモータ、ロボットおよび機械装置に関する。

従来、バーニア形アブソリュートエンコーダの信号処理ブロック図は図３に示すようになっている（例えば、特許文献１参照）。
図３において、回転ディスク１上には等ピッチでそれぞれピッチ数の異なる４組のスリット列２が設けられている。３は磁気センサで、ＭＲ素子とバイアス磁石で構成され、スリットピッチと等しいピッチの２相の正弦波を出力する。センサ３からの出力は、位相変調回路４に入力され、位相信号φ０〜φ３に変換される。各位相信号φ０〜φ３は、位相調整部１０に入力され、調整後位相信号φ０’、φ１’、φ２’、φ３’に変換される。各調整後位相信号φ０’〜φ３’は、位相差信号生成部５へ入力され、位相信号φ０’との位相差を検出し、それぞれ位相差信号（φ−φ０’）、（φ０’−φ１’）、（φ０’−φ２’）、（φ０’−φ３’）となり、絶対値信号生成部６へ入力され、絶対値信号ｐを生成していた。
特許第３５５１２５２号（第７−１４頁、図４）

従来の異常検出方法では、アブソリュートエンコーダの絶対値信号ｐをロボット等の位置決め制御用フィードバック信号として使用し、モータドライバのソフトウエアやハードウエアで速度異常や加速度異常、偏差過大、過負荷検出等の制御的に異常な状態を検出した時に、フィードバック信号であるアブソリュートエンコーダに異常の可能性があると判断するという手順をとっているので、アブソリュートエンコーダ単独の異常とは特定できず、アブソリュートエンコーダの通信異常、制御プログラム異常、モータパワーアンプの異常、モータ本体の異常、接続ケーブルの異常など多岐にわたる異常要因の中にアブソリュートエンコーダ単独の異常が含まれてしまい、異常要因の特定が容易ではないという問題があった。
また、アブソリュートエンコーダ単独で、絶対値生成された絶対値信号の全ビットを常時比較し、異常検出するためには異常検出処理回路が肥大化するとともに、アブソリュートエンコーダ内部構成の中での異常要因の特定もできないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、アブソリュートエンコーダの異常検出処理回路の肥大化を防ぎ、絶対値信号の生成過程で異常を検出するとともに、アブソリュートエンコーダ内部の異常箇所を特定し、アブソリュートエンコーダの異常が特定することができる方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
第1の観点による発明は、スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、前記スケールに対して相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、を備え、前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、一定周期ごとに前記絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、前記データビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットを記憶する第１メモリと、前記絶対値信号の一周期前に生成された前記データビット群のつなぎ合わせ部分の前記特定ビットを記憶する第２メモリと、前記第１メモリと前記第２メモリにそれぞれ記憶された前記特定ビットを比較して算出した増減量と所定の異常値とを比較する比較演算部と、前記比較演算部が異常と判断したときに異常検出信号を出力する異常検出出力部と、からなる異常検出手段を備えたことを特徴とするものである。
第２の観点による発明は、は、スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、前記スケールと相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、を備え、前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、前記絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、前記複数のデータビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットをそれぞれ監視する複数の異常検出手段を備え、前記複数の異常検出手段が出力する異常検出の組み合わせに基づいて、内部の異常箇所を特定することを特徴とするものである。
第３の観点による発明は、第１又は第２の観点によるアブソリュートエンコーダを備えたことを特徴とするものである。
第４の観点による発明は、第３の観点によるモータを備えたことを特徴とするものである。
第５の観点による発明は、スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、前記スケールに対して相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、を備え、前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、一定周期ごとに絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、前記複数のデータビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットを監視する異常検出手段を備え、前記異常検出手段は、前記一定周期毎に、前記データビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットと一周期前に生成された前記データビット群のつなぎ合わせ部分の前記特定ビットとを比較して増減量を算出し、前記増減量を所定の異常値と比較し、前記増減量が前記所定の異常値を超えた場合には異常と判断し、異常検出信号を出力することを特徴とするものである。
第６の観点による発明は、スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、前記スケールと相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、を備え、前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、前記絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、前記複数のデータビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットをそれぞれ監視する複数の異常検出手段を備え、前記複数の異常検出手段が出力する異常検出の組み合わせに基づいて、内部の異常箇所を特定することを特徴とするものである。

第１、５の観点による発明によると、生成された絶対値信号の全ビットではなく、つなぎ合わせ部分の特定ビットのみを比較することにしたため、記憶エリアを減らすことができ、比較演算処理も簡単にすることができ、小型化、コストダウン化ができる。
また、絶対値信号生成周期毎に、異常検出機能が働き、確実な異常検出が可能となる。
また、第２、６の観点による発明によると、異常検出には同じ機能の異常検出機能を複数準備すればよく、多段のバーニア構成のために特別な異常検出機能を施す必要がない。
また、アブソリュートエンコーダの異常だけではなく、アブソリュートエンコーダ内部の複数組のセンサ信号の中での異常なセンサが判明することで異常要因が特定でき、メンテナンス、復旧作業を容易にすることができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施するアブソリュートエンコーダの処理回路の構成を示すブロック図である。
図において、回転ディスク１上には等ピッチでそれぞれピッチ数の異なる４組のスリット列２が設けられている。３は磁気センサで、ＭＲ素子とバイアス磁石で構成され、スリットピッチと等しいピッチの２相の正弦波を出力する。センサ３からの出力は、位相変調回路４に入力され、位相信号φ０〜φ３に変換される。各位相信号φ０〜φ３は、位相調整部１０に入力され、調整後位相信号φ０’、φ１’、φ２’、φ３’に変換される。各調整後位相信号φ０’〜φ３’は、位相差信号生成部５へ入力され、位相信号φ０’との位相差を検出し、それぞれ位相差信号（φ−φ０’）、（φ０’−φ１’）、（φ０’−φ２’）、（φ０’−φ３’）となり、絶対値信号生成部６（後述）へ入力され、絶対値信号ｐを生成することができる。
絶対値信号ｐは、絶対値信号生成部６（後述）で一定の生成周期ごとに生成され、絶対値信号ｐ（ｎ）が生成されると、絶対値信号ｐ（ｎ）の特定ビットをメモリ１１に記憶しておくのと同時に、メモリ１２に一周期前に生成された絶対値信号ｐ（ｎ−１）を記憶する。

比較演算部１３は、メモリ１１に記憶してある絶対値信号ｐ（ｎ）と、メモリ１２に記憶してある絶対値信号ｐ（ｎ−１）と、を比較し増減量Ａ（ｎ−１）を算出し、異常値設定部１４に設定されている異常値と比較する。
異常検出出力部１５は、前記異常値を超えると異常検出アラームを出力する。

なお、図１のように、多段のバーニア構成となっている場合は、異常検出機能（異常検出手段）であるメモリ１１、メモリ１２、比較演算部１３、異常値設定部１４と異常検出出力部１５を複数準備し、異常検出アラームを複数出力することで、アブソリュートエンコーダ内部構成の異常箇所の特定が可能となる。

次に、絶対値信号生成部各部６について説明する。図２は、絶対値信号生成部各部６の信号を示す図である。ここでは、例として、
（１）位相信号φ０が回転ディスク１の１回転に１２８ピッチ、
（２）位相信号φ１が回転ディスク１の１回転に９６ピッチ、
（３）位相信号φ２が回転ディスク１の１回転に１２０ピッチ、
（４）位相信号φ３が回転ディスク１の１回転に１２７ピッチ、
の場合に生成される絶対値信号ｐの１５ビット（ｄ０〜ｄ１４）信号について説明する。
絶対値信号ｐの１５ビット（ｄ０〜ｄ１４）信号を構成する各データビット群は、以下のようにつくられる。
（１）下位８ビットｄ０〜ｄ７は、（φ−φ０’）からつくられる。
（２）ｄ８、ｄ９は、φ０’＝１２８ピッチを１／４した量を（φ０’−φ１’）＝（１２８−９６）＝３２ピッチの信号から減算した値の上位２ビットからつくられる。
（３）ｄ１０、ｄ１１は、ｄ２〜ｄ９＝３２ピッチを１／４した量を（φ０’−φ２’）＝（１２８−１２０）＝８ピッチの信号から減算した値の上位２ビットからつくられる。
（４）上位３ビットｄ１２〜ｄ１４は、ｄ４〜ｄ１１＝８ピッチを１／８した量を（φ０’−φ３’）＝（１２８−１２７）＝１ピッチの信号から減算した値の上位３ビットからつくられる。
このように多段のバーニア構成とし、ピッチの位相信号と位相差信号を順次処理することで、ｄ０からｄ１４まで１５ビットの絶対値信号ｐがつくられる。

ここで、センサ不良、センサとの接続断線、処理回路故障などで各位相信号の位相関係が崩れると、多段のバーニア構成のつなぎ合わせ部分であるデータビット群（ｄ６〜ｄ８）、（ｄ８〜ｄ１０）、（ｄ１０〜ｄ１２）が絶対値信号生成周期で大きく変化する現象から、異常を検出できる。
このことにより、バーニア構成のつなぎ合わせ部分を監視するだけで、異常検出ができ、各つなぎ合わせ部分は複数組の各センサで生成していることから、どのつなぎ合わせ部分かを判定すれば、アブソリュートエンコーダの異常箇所の特定も可能となる。

以下、具体的に説明する。
各スリット列間の位相関係は、各スリットの加工精度、磁気センサの組立精度によって決まり、位相調整部１０によって電気的に補正することで、絶対値信号生成における信号処理の位相余裕を確保している。
調整された位相関係においては、バーニア構成の各つなぎ合わせ部分（ｄ６〜ｄ８）、（ｄ８〜ｄ１０）、（ｄ１０〜ｄ１２）は＋１毎（または−１毎）の直線的に変化するが、磁気センサ自体の故障や磁気センサとの接続ケーブルの断線、ハードウエアの故障などで、原信号である正弦波が正常でなくなると、位相関係が大きくずれてバーニア構成の各つなぎ合わせ部分（ｄ６〜ｄ８）、（ｄ８〜ｄ１０）、（ｄ１０〜ｄ１２）が大きく変化する現象が起こる。

例えば、図１において、第１異常検出出力部１５が出力された場合は、φ１に関連するハードウエア（磁気センサ３や図示しない接続ケーブル等）が故障したことが検出できる。同様に第２異常検出出力部１５が出力された場合は、φ１に関連するハードウエアが故障、またはφ２に関連するハードウエアが故障したことが検出でき、第３異常検出出力部１５が出力された場合は、φ１に関連するハードウエアが故障、φ２に関連するハードウエアが故障、またはφ３に関連するハードウエアが故障したことが検出できることで、第１、第２、第３異常検出出力部１５が出力された場合はφ０またはφ１、第３異常検出出力部１５が出力された場合はφ３、第２、第３異常検出出力部１５が出力された場合はφ２、
と異常箇所が特定できる。

なお、上記実施例は、磁気式エンコーダだけではなく、光学式、機械式エンコーダにも適用でき、さらには、回転型エンコーダだけでなく、リニア型エンコーダにも適用できる。

本実施例は、本願発明のアブソリュートエンコーダをモータに設け、サーボモータを構成するものである。
本実施例によれば、アブソリュートエンコーダ単独の異常が特定できるため、アブソリュートエンコーダの通信異常、モータ制御プログラム異常、モータパワーアンプの異常、モータ本体の異常、接続ケーブルの異常など多岐にわたる異常要因の中にアブソリュートエンコーダ単独の異常が含まることがなく、アブソリュートエンコーダ単独異常発生時の原因特定が容易となる。原因特定が容易となれば、システム停止時間が短縮されるので、装置ダウン時間短縮に貢献することとなる。
なお、モータ単体に限らず、当該モータ組み込んだロボットその他の機械装置全般ついても、同様の効果を得ることができる。

本発明の方法を適用するアブソリュートエンコーダの信号処理構成を示すブロック図本発明の第１の実施の形態に係るアブソリュートエンコーダの絶対値信号生成部各部の信号を示す図従来の方法を適用したアブソリュートエンコーダの信号処理構成を示すブロック図

符号の説明

１回転ディスク
２格子パターン
３センサ
４位相変調部
５デジタル変換部
６絶対値信号生成部
７発振器
８分周器
９ＰＬＬ回路
１０位相調整部
１１、１２メモリ
１３比較演算部
１４異常値設定部
１５異常検出出力部
２０１５ビット絶対値信号
２１ φ１の異常検出ビット
２２ φ１，φ２の異常検出ビット
２３ φ１，φ２，φ３の異常検出ビット

Claims

スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、
前記スケールに対して相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、
前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、
前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、
を備え、
前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、一定周期ごとに前記絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、
前記データビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットを記憶する第１メモリと、
前記絶対値信号の一周期前に生成された前記データビット群のつなぎ合わせ部分の前記特定ビットを記憶する第２メモリと、
前記第１メモリと前記第２メモリにそれぞれ記憶された前記特定ビットを比較して算出した増減量と所定の異常値とを比較することで、前記位相信号の位相関係の崩れによるアブソリュートエンコーダ単独の異常を検出する比較演算部と、
前記比較演算部が異常と判断したときに異常検出信号を出力する異常検出出力部と、
を有する異常検出手段を備えた、アブソリュートエンコーダ。
前記複数のデータビット群の２以上のつなぎ合わせ部分の特定ビットをそれぞれ監視する複数の前記異常検出手段を有し、
前記複数の異常検出手段が出力する１の異常検出信号又は複数の異常検出信号の組み合わせに基づいて、アブソリュートエンコーダ内部の異常箇所を特定可能な、請求項１記載のアブソリュートエンコーダ。
請求項１又は２記載のアブソリュートエンコーダを備え、
前記異常検出信号によりアブソリュートエンコーダ単独の異常を特定可能な、モータ。
請求項３記載のモータを備え、
前記異常検出信号によりアブソリュートエンコーダ単独の異常を特定可能な、ロボット。
請求項３記載のモータを備え、
前記異常検出信号によりアブソリュートエンコーダ単独の異常を特定可能な、機械装置。
スリットピッチ数の異なる複数組のトラックをもつスケールと、
前記スケールに対して相対的に移動し、前記スリット位置を検出するための複数組のセンサと、
前記センサからの信号を位相信号に変換する位相変調部と、
前記位相変調部の出力信号に基づいて、絶対位置を表す絶対値信号を構成する複数のデータビット群を出力する絶対値信号生成部と、
を備え、
前記複数のデータビット群をつなぎ合わせることで、一定周期ごとに絶対値信号を生成するアブソリュートエンコーダにおいて、
前記複数のデータビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットを監視する異常検出手段を備え、
前記異常検出手段は、
前記一定周期毎に、前記データビット群のつなぎ合わせ部分の特定ビットと一周期前に生成された前記データビット群のつなぎ合わせ部分の前記特定ビットとを比較して増減量を算出し、
前記増減量を所定の異常値と比較し、
前記増減量が前記所定の異常値を超えた場合に、前記位相信号の位相関係の崩れによるアブソリュートエンコーダ単独の異常と判断し、
異常検出信号を出力する、アブソリュートエンコーダの異常検出方法。