JP5043637B2 - ロータリエンコーダにおける受光素子の出力状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、アブソリュート型やインクリメンタル型のロータリエンコーダにおいて投光素子とは回転スリットを隔てて対向配置された受光素子出力の正常、異常を判定する方法に関するものである。

図７を参照してインクリメンタル型のロータリエンコーダＲＥは、一般的に、投光素子ＬＥＤと複数、この例では２つの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２との間に、円周方向等間隔に投光素子ＬＥＤからの光を透過することができる複数のスリット（以下回転スリットと言う）を有する回転スリット板ＲＳと、この回転スリット板ＲＳの一方側に上記スリットと同様に投光素子ＬＥＤからの光を透過することができるスリット（以下固定スリットと言う）を有する固定スリット板ＦＳとを対向配置している（特許文献１）。

この固定スリット板ＦＳの固定スリットは、投光素子ＬＥＤ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ＲＳ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ＰＤ１，ＰＤ２では上記光信号を受光し、図外の制御手段ＣＰＵでは受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の受光出力から図８（ａ）（ｂ）で示すようなＡ相信号と、Ｂ相信号とを生成し、これらＡ相とＢ相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。

この回転方向の検出では、図８（ｃ）で示すようにＡ相とＢ相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。バイナリーコードは「０」「２」「３」「１」「０」「２」…と変化し、信号レベル合計は「０」「１」「２」「１」「０」「１」…と変化する。

そして、上記Ａ相信号とＢ相信号のバイナリーコードの組み合わせでは「０」「０」の組み合わせが存在している。

この場合、上記ロータリエンコーダでは図９で示すように受光素子ＰＤ１，ＰＤ２が電源コモン端子ＣＴに共通に接続されているために、電源コモン端子ＣＴが受光素子ＰＤ１，ＰＤ２に未接続であるときも上記Ａ相信号とＢ相信号のバイナリーコードの組み合わせでは「０」「０」の組み合わせが成立することになる。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の受光出力はそれぞれ比較回路ＣＰ１，ＣＰ２で比較され、Ａ相信号、Ｂ相信号が生成され、それらＡ相信号、Ｂ相信号は回転状態検出回路ＲＤ１に入力されるようになっている。

そのため従来のロータリエンコーダＲＥでは、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２が電源コモン端子ＣＴに未接続の場合では、被検出軸の回転状態を誤検出することになり、ロータリエンコーダを搭載した装置やシステムの信頼性を低下させてしまう要因となるという課題がある。

そこで、本出願人は、特願２００７−１２７８５７（平成１９年５月１４日出願）を出願した。この出願では、図１０で示すように、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力を、基準値（ＲＥＦ）との間で比較したデジタルな信号Ａ，Ｂに加え信号Ｂとは１８０°位相の異なる信号Ｃを生成した上で、これら複数の信号Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの信号値０，１の合計値が、電源コモン端子ＣＴが接続されている場合は、必ず、判定出力が「１」以上であり、この判定出力から、電源コモン端子ＣＴに受光素子ＰＤ１，ＰＤ２が未接続であるか否か等を判定するようにしている。しかしながら、この特願２００７−１２７８５７の出願にかかる技術では、デジタル変換した後の信号で異常判定を行っているため受光素子ＰＤ１，ＰＤ２自体の異常についての検出はできない。

そして、本出願人は、上記に鑑み、特願２００７−３００６８２（平成１９年１１月２０日）を出願した。この出願では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２からのアナログ出力を合計し、この合計値に基づいて、電源コモン端子ＣＴの未接続状態等を検出するものである。この出願では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２自体の異常とデジタル変換回路の異常とを区別することができる。しかしながら、この特願２００７−３００６８２の出願に係る技術では、各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のアナログ出力自体を合計し、その合計値から判定するものであるために、図１１で示すように、ロータリエンコーダの組立誤差、高速回転時における各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂのアナログ波形に位相ずれや振幅ずれがあると、各ロータリエンコーダ間での検出上の個体差が大きくなってくる。

以上により、従来では、電源コモン端子ＣＴ未接続状態、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２自体の破損、不良、等の検出と共に、ロータリエンコーダの組立誤差や、高速回転時等においても、誤検出することがないように、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力の異常を容易かつ確実に判定することができる技術が望まれる。

また、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力の異常判定をマイクロコンピュータで行う場合、できれば、回転動作中では、そのＣＰＵに上記以外にも多くの異常判定項目を設定する場合には、当該ＣＰＵとしては検出処理能力が高い高価なものが必要とされる。

さらにまた、当該ロータリエンコーダでは投光素子の寿命がそのロータリエンコーダの寿命となるケースが多く、この投光素子の場合、経年変化で投光光量が低下してくるので、このような場合にも、メンテナンス等のために、容易確実に異常を判定できることが望ましい。
特開平０７−１３４０４８号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、電源コモン端子未接続状態や、受光素子或いは投光素子自体の破損や不良等の異常に加え投光素子の光量低下による受光素子出力異常を容易確実に検出可能とすることである。

（１）本発明によるロータリエンコーダにおける受光素子の出力状態判定方法は、投光素子と、これと対向配置された複数の受光素子と、上記投光素子と上記各受光素子との間の光路上に配置されて被検出軸と同期回転する回転スリットとを備え、上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた上記各受光素子の出力状態から上記被検出軸の回転状態を検出するロータリエンコーダにおいて上記受光素子出力の状態を判定する方法において、上記ロータリエンコーダの回転停止中における上記受光素子の出力レベルが、ゼロレベルと当該受光素子の暗電流による出力レベルとの間に定めた判定レベル以上であれば上記受光素子及び上記投光素子正常、判定レベル未満であれば上記受光素子又は上記投光素子異常、と判定する回転停止中異常判定ステップと、上記ロータリエンコーダの回転動作中における上記受光素子の出力変化に基づき変換されたパルス出力のオンデューティ変化により上記受光素子又は上記投光素子の正常、異常を判定する回転動作中異常判定ステップを、含むことを特徴とするものである。

本発明では、回転停止中に、受光素子の出力レベルが、ゼロレベルと受光素子の暗電流による出力レベルとの間に定めた判定レベル以上であれば受光素子及び投光素子正常、判定レベル未満であれば受光素子又は投光素子異常、と判定することができるようになるので、制御対象となる装置が可動する前に異常状態を把握することができる。本発明において、より好ましい態様は、ロータリエンコーダの回転動作中における受光素子の出力変化に基づき変換されたパルス出力のオンデューティ変化により受光素子又は投光素子の正常、異常を判定する回転動作中異常判定ステップ、をさらに含むことである。

この態様では、パルス出力のオンデューティ変化に基づいて投光素子の投光光量の正常、異常を判定するので、投光素子の経年変化による投光光量の低下を容易確実に検出することができ、メンテナンスが簡単になる。

なお、上記回転動作中異常判定ステップでは、ロータリエンコーダの回転中におけるパルス出力のオンデューティが、設定した範囲内であれば受光素子正常、上記範囲外であれば受光素子異常、と判定することが好ましい。

そのため、本発明では、例えば、マイクロコンピュータのＣＰＵで、ロータリエンコーダの各種異常判定を行う場合に、回転停止中で、まず、電源コモン端子未接続状態や、受光素子或いは投光素子自体の破損や不良等の異常判定を行い、回転動作中では、ＣＰＵはパルス出力のオンデューティ変化に基づいて投光素子光量等の異常判定処理を行うことになるので、異常判定処理の負担が軽減する。そのため、ＣＰＵとしては、より安価なものを使用することができるようになる。

（２）本発明によるロータリエンコーダは、投光素子と、これと対向配置された複数の受光素子と、上記投光素子と上記各受光素子との間の光路上に配置されて被検出軸と同期回転する回転スリットと、上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた上記各受光素子の出力状態から上記被検出軸の回転状態を検出する検出回路と、上記（１）記載の両ステップを実施するマイクロコンピュータ手段と、を備えた、ことを特徴とするものである。

なお、本発明のロータリエンコーダは、アブソリュート型のロータリエンコーダでもインクリメンタル型のロータリエンコーダにも適用することができる。

本発明の方法では、受光素子或いは投光素子自体の破損や不良、又、投光素子の光量低下があった場合、そのことを正確に検出することができる。

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方法を詳細に説明する。実施の形態に係る方法が適用されるロータリエンコーダの基本構成は図７と同様であるが、実施の形態では、図１で示すように、投光素子ＬＥＤは電源と接地との間に電流制限抵抗Ｒ０、トランジスタＴＲ０と共に直列に挿入接続され図示略の駆動回路出力でオンオフするトランジスタＴＲ０を通じて投光動作する。投光素子ＬＥＤからの投光を回転スリット板ＲＳと、固定スリット板ＦＳとを介して受光素子ＰＤ１，ＰＤ２で受光する。

これら受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂは比較回路ＣＰ１，ＣＰ２で基準電圧と比較され、比較回路ＣＰ１からはＡ相信号として、比較回路ＣＰ２からはＢ相信号として出力される。これらＡ相信号、Ｂ相信号は出力回路ＲＤ１を介して外部へ出力される。

判定回路ＲＤ２は、マイクロコンピュータ手段等で構成され、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂを取り込むと共にその取り込んだ出力ａ，ｂに基づいて電源コモン端子ＣＴの未接続状態や受光素子ＰＤ１，ＰＤ２或いは投光素子の正常、異常を判定することができるようになっている。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂは、抵抗Ｒ１，Ｒ２の各両端間電圧である。

また、比較回路ＣＰ１、ＣＰ２から生成されたＡ相、Ｂ相パルス信号に基づいて、オンデューティ変化により受光素子又は投光素子の正常、異常を判定することができるようになっている。

図２を参照して、受光素子アセンブリＡＢを説明すると、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の受光部Ｐ１，Ｐ２は、シリコンウエハＳ１上に設けられ、そのシリコンウエハＳ１はアセンブリ基板Ｓ２上に実装されている。シリコンウエハＳ１上の電極Ｅ０と、アセンブリ基板Ｓ２上の電極Ｅ１とがワイヤＷでボンディングされる。さらに、基板Ｓ２上で施された配線Ｒを介して基板Ｓ２上の端子電極ＴＥ１より外部回路のアノード側と接続されている。また、カソード側の端子電極ＴＥ２は、両受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のカソード共通の端子電極として図示略の配線を介して接続されている。

受光素子ＰＤ１，ＰＤ２は、上記構成のアセンブリＡＢ構成をなしており電源コモン端子ＣＴ未接続状態とは、このカソード側端子電極ＴＥ２に電源線が接続されていない状態であり、また、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２側の破損としては、ワイヤＷが切れている状態等である。

図３に、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの波形を、実線と仮想線で示す。図３では、投光素子ＬＥＤの投光光量が正常であり、かつ、電源コモン端子ＣＴ未接続が無く、かつ、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の破損等が無い正常な状態での受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの波形を示す。

比較回路ＣＰ１，ＣＰ２では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂそれぞれを基準電圧ＲＥＦと比較し、位相が９０度ずれたＡ相信号、Ｂ相信号をそれぞれ生成し、これらＡ、Ｂ相両信号は出力回路ＲＤ１を介して外部へ出力され、被検出軸の回転状態を検出する。

そして、図３では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂが最小レベルになる状態は、投光素子ＬＥＤの投光が回転スリットを通過できず、回転スリット間の回転スリット板部分で遮蔽されて受光されず、受光光量がゼロであり、その場合では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２には暗電流のみが流れているときである。その暗電流のみが流れている状態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂのレベルは、その暗電流による抵抗Ｒ１，Ｒ２両端間電圧（暗電流相当電圧）になっている。

そして、電源コモン端子ＣＴ未接続の状態や受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の例えばワイヤＷ切れ等の受光状態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２には暗電流も流れないので、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力ａ，ｂは、ゼロレベルになる。

そこで、実施の形態では、判定回路ＲＤ２において、図４で示すように、例えば、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの最小レベルである暗電流相当電圧とゼロ電圧との中間に、判定電圧を設定し、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂが判定電圧以上であれば、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２は正常であり、判定電圧未満であれば、異常であると判定する。この場合、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力ａがゼロレベルであれば、電源コモン端子ＣＴ未接続状態やワイヤＷ切れ等である。

なお、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの最小レベルである暗電流相当電圧に対し、判定電圧を下げているのは各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２には暗電流等にばらつきがあり、判定に余裕をもたせるためである。

図５を参照して、投光素子ＬＥＤの投光光量が正常な初期段階では受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの波形は、初期範囲で示すように基準電圧ＲＥＦとの間で比較回路ＣＰ１，ＣＰ２で比較することでＡ相信号、Ｂ相信号を生成することができる。この場合のＡ、Ｂ相両信号のオンデューティは５０％になっている。そして、経年変化等で投光素子ＬＥＤが劣化しその投光光量が低下してきて受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂのレベルが低下してくると、Ａ、Ｂ相両信号のオンデューティは短くなってくる。

判定回路ＲＤ２においては、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力ａ，ｂの変化データと、基準電圧ＲＥＦのデータとに基づいて、上記オンデューティの監視を行い、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力異常を判定することができるようになっている。

図６を参照して、判定回路ＲＤ２における受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の異常判定動作を説明する。なお、このロータリエンコーダは、例えば、エレベータの巻き上げ機のモータの回転軸を被検出軸とし、この被検出軸に装着されていると仮定する。そして、ロータリエンコーダは、このエレベータを電子制御する電子制御装置（上位装置）に回転状態の検出出力を入力するようになっているものとする。

そして、判定回路ＲＤ２においては、Ａ相又はＢ相のパルス信号からロータリエンコーダが回転しているか否かの判定を行うことができる。ステップｎ１で、電源が投入されて、判定回路ＲＤ２は判定動作を開始する。ステップｎ２で、判定回路ＲＤ２は、上記パルス信号に基づいて、ロータリエンコーダが回転動作中か否かを判定する。

判定回路ＲＤ２は、ロータリエンコーダが回転停止中であれば、ステップｎ３では、ロータリエンコーダが停止モードであると処理し、ステップｎ４で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力がゼロレベルであるかどうかを判定する。また、判定回路ＲＤ２は、ステップｎ４でゼロレベルでなければＮｏと判定してステップｎ６で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力は正常である判定をする一方、ゼロレベルであればＹｅｓと判定してステップｎ５で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力は異常である判定する。

また、判定回路ＲＤ２は、ステップｎ２で回転動作中であるとＹｅｓと判定してステップｎ７で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力に基づいたパルス出力のオンデューティを演算する。そして、ステップｎ８では演算したオンデューティが、例えば、３０％−７０％の範囲内であれば、Ｎｏと判定してステップｎ１０で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力は正常であるとし、演算したオンデューティが上記範囲外であれば、Ｙｅｓと判定してステップｎ９で受光素子ＰＤ１，ＰＤ２出力が異常であると判定する。

以上のように本実施の形態では、ロータリエンコーダの回転停止中には受光素子の出力レベルが、ゼロレベルと当該受光素子の暗電流等による出力レベルとの間に定めた判定レベル以上であれば受光素子及び投光素子正常、判定レベル未満であれば受光素子又は投光素子異常と判定し、ロータリエンコーダの回転動作中には受光素子の出力変化に基づき変換されたパルス出力のオンデューティ変化により受光素子又は投光素子の正常、異常を判定する。そのため、例えば、マイクロコンピュータのＣＰＵで、ロータリエンコーダの各種異常判定を行う場合に、回転停止中で、まず、電源コモン端子未接続状態や、受光素子或いは投光素子自体の破損や不良等の異常判定を行い、回転動作中では、ＣＰＵはパルス出力のオンデューティ変化に基づいて投光素子光量等の異常判定処理を行うことになるので、異常判定処理の負担が軽減する。そのため、ＣＰＵとしては、より安価なものを使用することができるようになる。

図１は本発明の実施の形態に係る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２は受光素子アセンブリの概略構成を示す平面図である。 図３はａ信号、ｂ信号、Ａ相信号、Ｂ相信号の波形とその関係を示す図である。 図４はａ，ｂ両信号の波形と、受光素子の異常判定を行う判定電圧等を説明するための図である。 図５はａ，ｂ両信号の波形と、投光素子の劣化による受光素子出力の低下を説明するための図である。 図６は実施の形態の方法の説明に供するフローチャートである。 図７はロータリエンコーダの機構的な概略構成を示す斜視図である。 図８は図７の回転動作に伴うＡ相信号、Ｂ相信号、それらの関係を示す図である。 図９は従来の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１０は従来の方法を説明するための信号波形を示す図である。 図１１は他の従来の方法を説明するための波形を示す図である。

符号の説明

ＲＳ 回転スリット板
ＦＳ 固定スリット板
ＬＥＤ 投光ダイオード（投光素子）
ＰＤ 受光素子
ＲＤ１ 出力回路
ＲＤ２ 判定回路
ＣＴ 電源コモン端子

Claims (2)

1. 投光素子と、
   上記投光素子と対向配置された複数の受光素子と、
   上記投光素子と上記各受光素子との間の光路上に配置されて被検出軸と同期回転する回転スリットとを備え、
   上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた上記各受光素子の出力状態から上記被検出軸の回転状態を検出するロータリエンコーダにおいて上記受光素子出力の状態を判定する方法において、
   上記ロータリエンコーダの回転停止中における上記受光素子の出力レベルが、ゼロレベルと当該受光素子の暗電流による出力レベルとの間に定めた判定レベル以上であれば上記受光素子及び上記投光素子正常、判定レベル未満であれば上記受光素子又は上記投光素子異常、と判定する回転停止中異常判定ステップと、
   上記ロータリエンコーダの回転動作中における上記受光素子の出力変化に基づき変換されたパルス出力のオンデューティ変化により上記受光素子又は上記投光素子の正常、異常を判定する回転動作中異常判定ステップを含むことを特徴とするロータリエンコーダにおける受光素子出力状態判定方法。
2. 投光素子と、これと対向配置された複数の受光素子と、上記投光素子と上記各受光素子との間の光路上に配置されて被検出軸と同期回転する回転スリットと、上記回転スリットに対する上記投光素子からの投光の通過、遮断に応じた上記各受光素子の出力状態から上記被検出軸の回転状態を検出する検出回路と、上記請求項１に記載の上記両ステップを実施するマイクロコンピュータ手段と、を備えた、ことを特徴とするロータリエンコーダ。

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