JP4981590B2 - ロータリエンコーダの寿命予知方法、ロータリエンコーダおよび電子制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ロータリエンコーダの寿命予知方法、該ロータリエンコーダならびに、ロータリエンコーダと、制御対象を電子制御する電子制御装置と、を備えた電子制御システムに関するものである。

例えばエレベータ装置を電子制御する電子制御システムは、乗りかごを昇降駆動する駆動用モータのモータ軸にロータリエンコーダを取り付けると共にそのロータリエンコーダからのＡ、Ｂ相両信号を電子制御装置に入力する。電子制御装置はロータリエンコーダからのＡ、Ｂ相両信号により駆動用モータを駆動制御して乗りかごを昇降制御するようになっている（例えば特許文献１参照）。この電子制御システムでは、主に、電子制御装置に内蔵する制御用ＣＰＵの制御動作により電子制御システムの安全性を図る。制御用ＣＰＵは、制御プログラムや各種制御定数や各種入力センサの動作状態に応答して各種の負荷を制御するようになっている。

上記電子制御システムに用いる従来のロータリエンコーダは、投光素子と２つの受光素子との間に、円周方向等間隔に投光素子からの光を透過することができる複数の回転スリットを有する回転スリット板と、この回転スリット板の一方側に上記回転スリットと同様に投光素子からの光を透過することができる固定スリットを有する固定スリット板とを対向配置している（特許文献２）。

この固定スリット板の固定スリットは、投光素子からの光を電気角で順次９０度ずつずれさせて回転スリット板の回転スリットを通過させて光信号を形成するようになっている。受光素子では上記光信号を受光し、受光素子の受光出力からパルス信号であるＡ，Ｂ相両信号を生成し、これらＡ，Ｂ相両信号から被検出軸の回転状態すなわちその回転方向や回転速度を検出することができるようになっている。

以上の構成において、ロータリエンコーダからのＡ，Ｂ相両信号に基づいて駆動用モータを回転制御してエレベータ装置を制御しているときにロータリエンコーダが突発異常を起こした場合には、電子制御装置側では制御運転中のエレベータ装置を適切安全に制御することができなくなる。

そこで、エレベータ装置を制御運転中の現時点では異常ではなく継続運転が可能であるが、異常発生が予測される前には適切な処置を講じることができるシステムが望まれる。

ところで、駆動用モータのモータ軸は、ロータリエンコーダを収容するハウジング等に取付けられた軸受によって回転自在に支承されているが、この軸受が定格寿命に到達する前に新品と交換する場合、軸受交換にはその軸受寿命を予知することが必要である。

この場合、軸受寿命の予知は一般には困難であるために、ロータリエンコーダにおいて検出された回転軸の回転方向及び回転角度から回転軸の回転数の積算回転数を求め、この積算回転数と軸受の定格寿命に基づいて定められた基準回転数とを比較し、積算回転数が基準回転数に達したときに、回転軸の回転寿命を予知する技術が提案されている（特許文献３参照）。

しかしながら、上記技術では、積算回転数が基準回転数に到達したことは軸受の定格寿命到来と判定しているが、両回転数の一致のみでの判定ではロータリエンコーダの受光出力との関係が無いから、回転軸の回転寿命は判定できても、ロータリエンコーダの寿命予知をすることはできなかった。
特開平０９−０７７４１２号公報 特開平０７−１３４０４８号公報 特開２００７−１０１３９６号公報

本発明により解決すべき課題は、軸受劣化とパルス信号の立ち上がりや立ち下りタイミングとの関係からそれまでは困難とされていたロータリエンコーダの寿命予知を可能とすることである。

本発明によるロータリエンコーダの寿命予知方法は、投光素子からの投光を被検出軸と同期回転する回転スリット板を介して受光素子で受光し、この受光出力を該被検出軸の回転状態に対応した周波数での繰り返しパルス列からなるパルス信号に変換するもので被検出軸に軸受を介して支持されるロータリエンコーダにおいてその寿命を予知する方法において、上記パルス信号のエッジタイミングがジッタ成分無しの時の基本エッジタイミングから所定の変化時間幅を超えて変化したときは軸受寿命と判定し、ロータリエンコーダの寿命予知をすることを特徴とするものである。

ロータリエンコーダでは、パルス信号が被検出軸の回転状態に対応しているので、パルス信号のオンデューティ等を被検出軸の回転状態の検出データに用いることができる。例えば、Ａ、Ｂ相両信号ではパルス信号の単位時間当たりの数から回転速度、また、Ａ，Ｂ相両信号の立ち上がり状態と立ち下り状態の組み合わせからバイナリーコード「０」ないし「３」を得るとともにそのバイナリーコードの変化順序から回転方向を判定することができる。

一方、パルス信号にはジッタ成分が含まれるが、パルス信号から被検出軸の回転状態の高精度検出を行うためには、そのジッタ成分の影響を除去できるよう回路処理等を行うことが好ましい。

そして本出願人は検討の結果、ロータリエンコーダでのジッタ成分発生要因の１つに軸受劣化により被検出軸の回転むらが発生することを見出し、本発明ではこのジッタ成分を軸受劣化情報として積極的に活用したものであり、パルス信号のジッタ成分によりその立ち上がりや立ち下り（エッジ）タイミングのずれの範囲を演算し、このエッジタイミングが一定の範囲を超えたときは軸受寿命と判定し、ロータリエンコーダの寿命予知をするものである。

ジッタ成分は、繰り返しパルス信号のエッジタイミングの揺らぎであり、パルス信号の上記タイミングが不変とすれば、周波数一定の信号が、ジッタ成分により周波数変調されたと考えることができる。ＣＰＵでは、パルス信号の立ち上がりから立ち下りまでの被検出軸の回転速度に対応した基本のオンデューティ幅のデータからこのパルス信号の基本エッジタイミングを把握し、ジッタ成分によるパルス信号の基本エッジタイミングからのずれ幅から軸受劣化を判定してもよい。

この場合、ジッタ成分が無いか一定の微小範囲内の場合では、軸受劣化に起因しない他の原因での被検出軸の無視できる微小な回転むらである場合があるが、一方で、ジッタ成分が被検出軸の回転検出に無視できない範囲を脱すると、本発明では、軸受劣化が進捗し、それをオンデューティ異常と把握してロータリエンコーダの異常予知をしている。

したがって、本発明では、上記パルス信号をロータリエンコーダからのＡ，Ｂ相両信号としこの両信号に基づいて駆動用モータを回転制御して例えばエレベータ装置を制御しているときにロータリエンコーダの寿命予知を電子制御装置側に知らせることにより、電子制御装置側でのエレベータ装置の適切安全な制御を可能とすることができる。

本発明によるロータリエンコーダは、投光素子からの投光を被検出軸と同期回転する回転スリット板を介して受光素子で受光し、この受光出力を該被検出軸の回転状態に対応した周波数での繰り返しパルス列からなるパルス信号に変換するもので被検出軸に軸受を介して支持されるロータリエンコーダにおいて、上記パルス信号のエッジタイミングがジッタ成分無しのときの基本エッジタイミングから超えた時間幅を演算する手段と、上記演算により上記パルス信号のエッジタイミングが基本エッジタイミングから一定時間幅を超えて変化したか否かを判定すると共にその判定が上記パルス信号のエッジタイミングが基本エッジタイミングから一定時間幅を超えて変化したものであるときは軸受寿命であると判定する手段と、上記軸受寿命であるとの判定によりロータリエンコーダの寿命予知をする手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明のロータリエンコーダでは、上記手段を実行するＣＰＵと、このＣＰＵが上記手段を実行するプログラムを内蔵したメモリとを含むことが好ましい。

本発明による電子制御システムは、上記ロータリエンコーダと、制御対象を電子制御する電子制御装置とを備え、上記ロータリエンコーダは当該ロータリエンコーダの寿命を予知する寿命予知信号を電子制御装置に入力することを特徴とするものである。

本発明では、パルス信号のジッタ成分からロータリエンコーダの寿命を予知することにより電子制御システムの運転継続を可能としつつ異常発生前に適切な処置を講じることを可能とすることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るエレベータ装置を制御する電子制御システムを詳細に説明する。

図１を参照して、エレベータ装置１は、巻上機３を駆動用モータ５により駆動してロープ７を介して乗りかご９を昇降させる一方、被検出軸である駆動用モータ５のモータ軸１０に取り付けたロータリエンコーダ１１からの検出信号を電子制御装置１３に入力する。電子制御装置１３では、制御用ＣＰＵを内蔵しており、ロータリエンコーダ１１からの検出信号により駆動用モータ５を駆動制御するようになっている。電子制御装置１３によるエレベータ装置の制御内容はその他種々あるが、その説明は略する。

図２を参照してロータリエンコーダ１１は図示略の機構に固定されたエンコーダハウジング１２を備え、軸方向一対の軸受１４によりモータ軸１０に支持されている。

図３を参照して、ロータリエンコーダ１１は、１つの投光素子１５と、２つの受光素子１７，１９と、の間の光路上に、円周方向等間隔に投光素子１５からの光を透過することができる複数の回転スリットを有する回転スリット板２１と、この回転スリット板２１の一方側に上記回転スリットと同様に投光素子１５からの光を透過することができる固定スリットを有する固定スリット板２３とを対向配置している。

この固定スリット板２３の固定スリットは、投光素子１５からの光を電気角で順次９０度ずつずれさせて回転スリット板２１の回転スリットを通過させてＡ相とＢ相の光信号を形成すると共に、受光素子１７，１９では電気角で９０度ずつずれた上記Ａ相とＢ相の光信号を受光しこれらＡ相とＢ相の光信号を図４で示すような複数のパルス列からなるＡ相信号とＢ相信号とに変換するようになっている。

そしてロータリエンコーダ１１には、上記光信号の単位時間当たりの数から回転速度、また、Ａ，Ｂ相両信号のバイナリーコードでＡ相信号「０」、Ｂ相信号「０」の組み合わせでは「０」、Ａ相信号「１」、Ｂ相信号「０」の組み合わせでは「２」、Ａ相信号「１」、Ｂ相信号「１」の組み合わせでは「３」、Ａ相信号「０」、Ｂ相信号「１」の組み合わせでは「１」としそのバイナリーコードの変化順序から回転方向を判定することができる。

図５で示すように、ロータリエンコーダ１１においては、投光素子１５の投光光を、図５で略示した固定スリット板２３、回転スリット板２１を経て、光信号を得ると共に受光素子１７，１９で受光させ、受光素子１７，１９それぞれの受光出力を比較回路等からなる信号処理回路２０によりＡ、Ｂ相両信号を生成し、これらＡ、Ｂ相両信号を電子制御装置１３に出力する一方で、受光出力をＣＰＵ２５のＡ／Ｄ変換ポート（Ａ／Ｄ）に入力する。このＣＰＵ２５は、出力ポートＯＵＴから投光素子１５と直列に接続したトランジスタ２７のベースにＰＷＭ（パルス幅変調）制御パルスを印加することにより、投光素子１５をＯＮ、ＯＦＦ制御している。そして、投光素子１５をＯＮさせるパルス幅を制御することにより、投光素子１５の投光強度（単位時間当たりの投光光量）を制御している。

上記ＣＰＵ２５は以下で説明する自己診断用ＣＰＵと共用するようになっている。もちろん、このＣＰＵ２５は自己診断用ＣＰＵとは別のＣＰＵでもよい。

図６を参照して、実施の形態の電子制御システムのブロック構成を説明する。この電子制御システムは、制御対象がエレベータ装置１であり、ロータリエンコーダ１１と、電子制御装置１３と、駆動用モータ５と、常閉のリレースイッチ２９と、を備える。電子制御装置１３は、制御用ＣＰＵ３９を備え、図６以外にも種々の信号を入出力する。

ロータリエンコーダ１１は、Ａ、Ｂ相信号出力部３１と、自己診断データ処理部３３と、上記自己診断用ＣＰＵ２５と、フェイルセーフ信号出力部３５と、異常予知信号出力部３７と、を備える。

Ａ、Ｂ相信号出力部３１は、図４で示すＡ、Ｂ相両信号を電子制御装置１３に出力する。電子制御装置１３はそれらＡ、Ｂ相両信号から駆動用モータ５の回転速度や回転方向を検出し、駆動用モータ５を制御することにより、乗りかご９の昇降位置や昇降速度等を制御する。

自己診断データ処理部３３は、電源電圧、投光素子１５の駆動電流、受光素子１７，１９の出力信号、Ａ、Ｂ相両信号のデューティ周期、オンデューティ、パルス数等の自己診断用データを処理する。

自己診断用ＣＰＵ２５は、自己診断データ処理部３３からの自己診断用データに基づいてロータリエンコーダ１１を自己診断する。自己診断データ処理部３３はフェイルセーフ信号出力部３５と、異常予知信号出力部３７とも含めて機能的にはマイクロコンピュータとして自己診断用ＣＰＵ２５に含むことができるが、理解しやすくするために各ブロックにて示している。

次に本実施の形態の特徴とする構成を説明する。

図７（ａ）に一方の受光素子１７の受光出力であるアナログ電圧波形、図７（ｂ）に受光出力をパルス列からなるパルス信号に変換した場合の該パルス信号を示すと共に、図７（ｃ）にパルス信号の立ち下りにおけるジッタ成分の説明に供する図を示す。図７（ａ）で実線は軸受１４に劣化が全く無くジッタ成分が発生していないときのアナログ電圧波形、図７（ｂ）で実線はそれに対応するパルス信号の波形を示す。実施の形態ではパルス信号のエッジタイミングは立ち下りタイミングで説明するが、立ち上がりタイミングを除外する意義ではない。Ｔ０はパルス信号のデューティ周期、Ｔ１はパルス信号のオンデューティである。このオンデューティＴ１はパルス信号にジッタ成分が全く無いときのオンデューティである。ｔはパルス信号のオンデューティがＴ１であるときのパルス信号の基本立下りタイミングである。

パルス信号の基本立ち下りタイミングｔを示す実線を挟んで両側の点線で囲む領域Ｒ０は軸受１４が劣化している以外の要因でもジッタ成分が発生するが、パルス信号をモータ軸１０の回転状態の検出に正常に用いることができる正常領域を示す。

正常領域Ｒ０の両外側の領域Ｒ１，Ｒ１は、パルス信号の立ち下りタイミングが基本立ち下りタイミングｔより±Δｔ１以上、±Δｔ２以下の範囲でずれた領域であって、軸受１４の劣化でジッタ成分が発生しているが、パルス信号をモータ軸１０の回転状態の検出を行うことができる異常予知領域を示す。

両異常予知領域Ｒ１，Ｒ１それぞれより外側の領域Ｒ２，Ｒ２はパルス信号の立ち下りタイミングが基本立ち下りタイミングｔより±Δｔ２以上にずれた領域であって、パルス信号をモータ軸１０の回転状態の検出を行うことができない異常領域を示す。

説明を繰り返すと、パルス信号のデューティ周期Ｔに対して、ジッタ成分が無くてそのオンデューティＴ１の立ち下りタイミングｔを上記実線に対応するものとすると、正常領域Ｒ０でのパルス信号の立ち下りタイミングは基本立ち下りタイミングｔに対して±Δｔ１の時間幅内で変化し、異常予知領域Ｒ１，Ｒ１でのパルス信号の立ち下りタイミングは基本立ち下りタイミングｔに対してΔｔ１の時間幅を超え、Δｔ２の時間幅内で変化し、異常領域Ｒ２，Ｒ２でのパルス信号の立ち下りタイミングは基本立ち下りタイミングｔに対して、Δｔ２の時間幅を超えて変化する。上記Δｔ１，Δｔ２はジッタ成分による立ち下りタイミングの変化時間幅である。

この正常領域Ｒ０と異常予知領域Ｒ１，Ｒ１との境界をいかに設定するか、すなわち、異常予知開始をいかに設定するかは、ロータリエンコーダ１１を組み込む電子制御システムにより決定することができる。この異常予知領域Ｒ１内のいずれの部分で異常予知を行ってもよい。

自己診断データ処理部３３は、受光素子１７，１９の受光出力の少なくとも一方の受光出力をモータ軸１０の回転状態の検出のために該モータ軸１０の回転状態に対応した周波数での繰り返しパルス列からなるパルス信号に変換する。

自己診断用ＣＰＵ２５は、上記変換したパルス信号に対してその１デューティ周期Ｔ０内でのオンデューティＴ１の立ち下りタイミングの変化時間幅が立ち下り基本タイミングｔに対して±Δｔ１以下か，±Δｔ１以上でΔｔ２以下か，±Δｔ２以上のいずれであるかを演算する。自己診断用ＣＰＵ２５はこの演算により、パルス信号の立ち下りタイミングの変化幅が基本立ち下りタイミングｔに対して±Δｔ１以上で±Δｔ２以下のときに、軸受１４が劣化程度が進捗しオンデューティ異常としロータリエンコーダ１１の寿命予知信号を異常予知信号出力部３７経由で電子制御装置１３の制御用ＣＰＵ３９に出力する。

自己診断用ＣＰＵ２５はこの演算により、パルス信号の立ち下りタイミングの変化幅が基本タイミングｔに対して±Δｔ２を越えるときに、ロータリエンコーダ１１が異常でありフェイルセーフ信号をフェイルセーフ信号出力部３５経由で、電子制御装置１３と駆動用モータ５とを接続する電源供給線に配置された常閉のリレースイッチ２９を開く側に駆動し、駆動用モータ５への電源供給を遮断し、駆動用モータ５の回転動作を強制停止するようになっている。これにより、電子制御システムの安全性を確保する。

自己診断用ＣＰＵ２５は、上記診断処理を行うＣＰＵと、そのＣＰＵがタスクを実行するプログラムを内蔵するメモリとにより構成する。

なお、自己診断用ＣＰＵ２５は信号処理回路２０からのＡ、Ｂ相両信号を図５の破線で示すように入力すると共に、これらＡ、Ｂ相両信号のデューティを用いて異常予知信号を生成するようにしてもよい。

以上説明した実施の形態では、その制御対象が図１で示すエレベータ装置１であり、電子制御装置１３では、乗りかご９が昇降中にロータリエンコーダ１１から異常予知信号が入力されると、制御用ＣＰＵ３９はその乗りかご９を途中直近の階まで昇降させて停止制御した後でエレベータ扉を開放側に制御すると共にアラームを鳴動制御したりエレベータ装置管理センターに通報する等の制御を行うことにより、作業員等はメンテナンスやその他の処置を適確迅速に講じることが可能となる。

なお、実施の形態の電子制御システムは、広く一般に、ロータリエンコーダと、電子制御装置と、駆動用モータとを備えた電子制御システムに適用することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る電子制御システムの概略構成を示す図である。 図２はロータリエンコーダがモータ軸に軸受で支持されている状態を示す図である。 図３はインクリメンタル型ロータリエンコーダの機構的な概略構成を示す図である。 図４はインクリメンタル型ロータリエンコーダによるＡ相とＢ相の関係を示す図である。 図５はロータリエンコーダの電気的な概略構成を示す図である。 図６は実施の形態の電子制御システムの概略ブロック構成を示す図である。 図７（ａ）は一方の受光素子の受光出力であるアナログ電圧波形を示す図、図７（ｂ）は受光出力をパルス列からなるパルス信号に変換した場合の該パルス信号を示す図、図７（ｃ）はパルス信号の立ち下りにおけるジッタ成分の説明に供する図である。

符号の説明

１ エレベータ装置
５ 駆動用モータ
１０ モータ軸（被検出軸）
１１ ロータリエンコーダ
１３ 電子制御装置
１５ 投光素子
１７，１９ 受光素子
２１ 回転スリット板
２３ 固定スリット板
２５ 自己診断用ＣＰＵ

Claims (4)

1. 投光素子からの投光を被検出軸と同期回転する回転スリット板を介して受光素子で受光し、この受光出力を該被検出軸の回転状態に対応した周波数での繰り返しパルス列からなるパルス信号に変換するもので被検出軸に軸受を介して支持されるロータリエンコーダにおいてその寿命を予知する方法において、
   上記パルス信号のエッジタイミングがジッタ成分無しの時の基本エッジタイミングから所定の変化時間幅を超えて変化したときは軸受寿命と判定し、ロータリエンコーダの寿命予知をする、ことを特徴とするロータリエンコーダの寿命予知方法。
2. 投光素子からの投光を被検出軸と同期回転する回転スリット板を介して受光素子で受光し、この受光出力を該被検出軸の回転状態に対応した周波数での繰り返しパルス列からなるパルス信号に変換するもので被検出軸に軸受を介して支持されるロータリエンコーダにおいて、
   上記パルス信号のエッジタイミングがジッタ成分無しのときの基本エッジタイミングから超えた時間幅を演算する手段と、
   上記演算により上記パルス信号のエッジタイミングが基本エッジタイミングから一定時間幅を超えて変化したか否かを判定すると共にその判定が上記パルス信号のエッジタイミングが基本エッジタイミングから一定時間幅を超えて変化したものであるときは軸受寿命であると判定する手段と、
   上記軸受寿命であるとの判定によりロータリエンコーダの寿命予知をする手段と、を備えることを特徴とするロータリエンコーダ。
3. 上記手段を実行するＣＰＵと、このＣＰＵが上記手段を実行するプログラムを内蔵したメモリとを含む、ことを特徴とする請求項２に記載のロータリエンコーダ。
4. 請求項２または３に記載のロータリエンコーダと、制御対象を電子制御する電子制御装置とを備え、上記ロータリエンコーダは当該ロータリエンコーダの寿命を予知する寿命予知信号を電子制御装置に入力することを特徴とする電子制御システム。

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