JP5043640B2 - ロータリエンコーダ - 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かかり、特に、当該ロータリエンコーダの状態を監視すると共にその監視結果を当該ロータリエンコーダの上位装置に伝えることができるロータリエンコーダに関するものである。

図７以降を参照して例えばインクリメンタル型のロータリエンコーダＲＥを説明すると、図７は、このロータリエンコーダＲＥの機構的な構成、図８はこのロータリエンコーダＲＥの電気的な構成、図９は、Ａ相信号、Ｂ相信号の信号波形、図１０はロータリエンコーダＲＥが組み込まれる電子制御システムの一例として、エレベータ制御システムを示す。

図７を参照して、ロータリエンコーダＲＥは、投光素子ＬＥＤと、複数（この例では２つ）の受光素子ＰＤａ、ＰＤｂ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。

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ＰＤａ、ＰＤｂで検出回路１０５として上記光信号を受光する。

図８を参照して、上記受光素子ＰＤａ、ＰＤｂそれぞれの出力は、比較器ＣＰａ，ＣＰｂからなるＡ相、Ｂ相判定回路１０６，１０８で基準値（ｒｅｆ）と比較され、図９（ａ）（ｂ）で示すような９０度位相がずれた少なくとも２つのパルス信号（Ａ相、Ｂ相信号）が生成され、これにＡ相、Ｂ相信号はＡ相、Ｂ相出力回路１０７，１０９それぞれから出力されるようになっている。

以上の構成を備えたロータリエンコーダＲＥを、図１０で示すように例えばエレベータ装置２０１を電子制御する電子制御システムに組み込む場合、その乗りかご２０５を昇降駆動する駆動用モータ２０３の回転軸２０６にロータリエンコーダＲＥを取り付けると共にそのロータリエンコーダＲＥからのＡ相、Ｂ相信号をその上位装置である電子制御装置２０７に入力する。電子制御装置２０７はロータリエンコーダＲＥからのＡ相、Ｂ相信号により駆動用モータ２０３を駆動制御して乗りかご２０５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２０７に内蔵する制御用ＣＰＵ２０８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ＣＰＵ２０８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。

以上の構成において、電子制御装置２０７側では制御用ＣＰＵ２０８によりロータリエンコーダＲＥ側の異常状態をＡ相、Ｂ相信号の有無、信号波形等により判定することができる。しかしながら、そのような判定を行うプログラムの追加搭載とその判定プログラムの実行は制御用ＣＰＵ２０８に負担増となるうえに電子制御速度の遅延化やコスト増をもたらす。

このような現状下で、ロータリエンコーダＲＥが突然的に異常にならないよう、ロータリエンコーダＲＥ側でその状態を常時監視すると共に、その監視状態を上位装置である電子制御装置２０７に即座に伝えることで当該電子制御装置２０７側が所要の対応が迅速に行うことができるようにすることが電子制御システムの安全性向上には望ましい。

そこで、本出願人は、ロータリエンコーダＲＥに図外の監視用ＣＰＵを内蔵する一方、ロータリエンコーダＲＥの状態を監視する項目を多数想定し、各項目ごとの監視信号を監視用ＣＰＵに取り込ませ、この監視用ＣＰＵでロータリエンコーダＲＥ監視の処理結果を上位装置である電子制御装置２０７に送信することを考えている。

上記した監視項目には、主電源の状態、投光素子の状態、受光素子の状態、Ａ相、Ｂ相信号の出力回路等の内部回路の状態や、外部出力であるＡ相、Ｂ相信号のパルス信号の状態等、多数ある。この場合監視用ＣＰＵでは、内部回路の異常に対しては内部割込みのタイミングで監視処理し、パルス信号の異常に対しては外部割込みのタイミング（パルス信号の変化のタイミング）で監視処理しようとする場合、高速回転時には、外部割込み優先により内部割込みが影響を受けて、監視誤差が大きくなってきて、ロータリエンコーダＲＥを組み込んだ上記電子制御システム全体に対してもその安全性や安定性に影響してくることになる。

そこで、本出願人は、監視用ＣＰＵの制御能力を十分に活用できるように、当該監視用ＣＰＵによる監視項目を、ロータリエンコーダＲＥが回転停止したモードにある停止モードでは内部回路の異常監視を行い、ロータリエンコーダＲＥが回転している回転モードである回転Ａ、Ｂ相両信号の異常監視を行うというように監視項目をロータリエンコーダＲＥ自体の回転状態で分けることで電子制御装置２０７に対して正確に監視情報を電子制御装置２０７に伝えられるようにすることを検討している。さらに、本出願人は、ロータリエンコーダＲＥによる上記監視の結果が異常である場合、どの程度の異常（重大、軽微等）であるかを含むフェイルセーフ信号として電子制御装置２０７に伝えることを考えている。

しかしながら、ロータリエンコーダＲＥが、電子制御装置２０７側が駆動用モータ２０３を駆動制御している場合に、回転動作中であるにもかかわらず、ロータリエンコーダＲＥ側に異常が発生して停止モードである場合、電子制御装置２０７側には即座にロータリエンコーダＲＥ側からの監視結果が送られてこないという課題がある。
特開平０９−０７７４１２号公報

そこで、本発明においては、電子制御装置が被検出軸を回転制御中にロータリエンコーダが停止モードとなっている場合、ロータリエンコーダが停止モードにあることを電子制御装置側に送信して、電子制御装置側で所要の対応ができるようにして、ロータリエンコーダと電子制御装置とを含む電子制御システム全体の安全性、安定性の向上を図れるようにすることを、解決すべき課題とする。

本発明による電子制御システムは、被検出軸の回転に伴い少なくとも電気角で互いに９０度ずれた２つのパルス信号（Ａ相信号、Ｂ相信号）を生成出力するロータリエンコーダと、上記ロータリエンコーダからのパルス信号に基づいて被検出軸の回転動作を制御する電子制御装置とを備えた電子制御システムにおいて、上記ロータリエンコーダは、当該ロータリエンコーダが停止状態か回転状態かの判定を行うと共にロータリエンコーダ内部の状態監視を停止モードと回転モードとでは異なる監視項目で行うと共に、この監視の結果、ロータリエンコーダに異常があれば、その異常の状態に対応して周期一定でデューティ可変されたフェイルセーフ信号を電子制御装置に送信制御する監視用ＣＰＵ、を備え、上記監視用ＣＰＵは、上記電子制御装置側が被検出軸の回転制御中に、当該ロータリエンコーダが停止モードである場合、当該ロータリエンコーダのモードが停止モードであることを示すデューティのフェイルセーフ信号を上記電子制御装置側に送信する処理を行うようになっていることを特徴とするものである。

本発明では、電子制御装置が駆動用モータを駆動制御して回転軸が回転しているのに、ロータリエンコーダが回転モードでその内部の状態を監視している状態にはなく、停止モードでその内部の状態を監視しているようなとき、ロータリエンコーダ側からは電子制御装置側に当該ロータリエンコーダが停止モードであることを示すデータのフェイルセーフ信号が送信されるので、電子制御装置は、ロータリエンコーダの異常を即座に検知することができ、それに対応処理できるようになるので、電子制御システム全体の安全性を図ることができる。

本発明では、回転軸にロータリエンコーダを取り付け、電子制御装置で駆動用モータを制御して回転軸を回転駆動している状況で、回転動作中であるにもかかわらず、ロータリエンコーダに異常が発生して停止モードとなった時点で、電子制御装置にロータリエンコーダからの監視情報が停止モードでのそれであることを判定できるので、電子制御システム全体の安全性、安定性の向上を図ることができる。

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電子制御システムを詳細に説明する。図１は、この電子制御システムに組み込む実施の形態のロータリエンコーダＲＥの回路ブロック構成、図２は同ロータリエンコーダＲＥの電気的なハードウェア構成を示す。これらの図において、１０１は、外部端子Ｖｃｃ，０Ｖから電源の供給を受け、ロータリエンコーダＲＥの内部電源１０４を生成する電源回路、１０２は、電源回路１０１の電源を監視する電源電圧監視回路、１０３は、電源回路１０１からの電源で投光素子ＬＥＤを駆動する投光素子駆動回路、１０５は、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂを含む検出回路である。検出回路１０５はａ相、ｂ相、ｒｅｆ相の信号を出力する。ａ相信号は受光素子ＰＤａの出力、ｂ相信号は受光素子ＰＤｂの出力、ｒｅｆ相信号は、基準信号である。１０６は、比較器ＣＰａで構成されてａ相信号とｒｅｆ相信号とを比較することでＡ相信号のＨ又はＬを判定するＡ相判定回路、１０７はＡ相判定回路１０６の出力を出すＡ相出力回路、１０８は、比較器ＣＰｂで構成されてｂ相信号とｒｅｆ相信号とを比較することでＢ相信号のＨ又はＬを判定するＢ相判定回路、１０９はＢ相判定回路１０８の出力を出すＢ相出力回路、１１０は、検出回路１０５の出力から受光素子ＰＤａ、ＰＤｂの動作を判定する受光素子動作判定回路である。

そして、１１１は監視用ＣＰＵであり、この監視用ＣＰＵ１１１のＡＤ変換ポートＡ／Ｄには、電源電圧監視回路１０２から電源電圧監視信号（１）、投光素子ＬＥＤの駆動回路監視信号（２）、受光素子ＰＤａのａ相信号（３）、受光素子ＰＤｂのｂ相信号（４）、ｒｅｆ相信号（５）が入力され、汎用ポートＩ／Ｏには、Ａ相信号の判定信号（６）、Ｂ相信号の判定信号（７）、が入力され、割り込みポートＩＮＴには、Ａ相出力回路１０７の出力信号ＯＵＴ Ａ（８）、Ｂ相出力回路１０９の出力信号ＯＵＴ Ｂ（９）が入力される。

監視用ＣＰＵ１１１は、図３で示す監視項目表に従いロータリエンコーダＲＥを監視する。この監視項目表において、ロータリエンコーダＲＥの監視項目を内部回路監視と、パルス信号監視とに大きくわける。そして内部回路の監視項目をさらに電源電圧異常、投光素子電流異常、受光素子出力異常、出力回路異常に細分し、パルス信号監視をさらに、デューティ異常、高速異常に分ける。

内部回路監視において、投光素子ＬＥＤでは図外の定電流回路の電圧監視信号（２）により判定し、受光素子では受光素子動作判定回路１１０からの信号（３）−（５）により、例えば、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂの電源コモン端子ＣＴが接続されているか否かとか、受光素子ＰＤａ，ＰＤｂのワイヤボンディングが切断されているか否かとか、投光素子ＬＥＤの初期故障等を判定する。また、出力回路では、各相判定回路１０６，１０８の相判定信号（６）（７）と、出力回路１０７，１０９の出力信号（８）（９）との比較で判定する。

パルス信号監視において、回転スリット板ＲＳが回転動作している場合でＡ相信号、Ｂ相信号の出力周期をカウントし、そのカウント結果からＡ相信号、Ｂ相信号のデューティの正常、異常を判定する。このデューティ異常では、Ａ相信号、Ｂ相信号のデューティが規定範囲か否かにより判定する。また、カウント結果より想定以上の回転動作（高速回転）をしている場合、高速異常として判定する。

以上により、監視用ＣＰＵ１１１では、内部回路の監視に関しては、回転停止中（図３表の○印）に、パルス信号の監視に関しては、回転動作中（図３表の×印）に監視する。そして、監視用ＣＰＵ１１１は、回転停止中には、内部回路の監視項目に切り替えて上位装置である電子制御装置２０７に当該内部回路が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行い、回転動作中ではパルス信号が正常に出力されているか否かの監視項目に切り替えて電子制御装置２０７にパルス信号が正常か異常かの監視結果を伝える制御を行う。この場合、監視用ＣＰＵ１１１は、フェイル（ＦＡＩＬ）出力回路１１２を介して電子制御装置２０７に、上記監視結果を例えばフェイルセーフ信号として出力する。

図４を参照して実施の形態のロータリエンコーダＲＥを組み込んだ電子制御システムを説明する。図４で図１０と対応する部分には同一符号を付している。この電子制御システムでは、ロータリエンコーダＲＥからの検出信号であるＡ、Ｂ相両信号以外にもフェイルセーフ信号が電子制御装置２０７に入力される。電子制御装置２０７は、制御用ＣＰＵ２０８を内蔵しており、ロータリエンコーダＲＥからの検出信号であるＡ、Ｂ相信号により駆動用モータ２０３の回転を制御するようになっている。

そして、実施の形態のロータリエンコーダＲＥの場合、監視用ＣＰＵ１１１は、回転停止中では、汎用ポートＩ／Ｏに取り込んだ信号（６）（７）や、ＡＤ変換ポートＡ／Ｄに取り込んだ信号（１）−（５）で上記図３の表に従う正常、異常の判定処理をすると共に、回転動作中では、外部割り込み端子ＩＮＴに取り込んだ信号（８）（９）で上記図３の表に従う正常、異常の判定処理をすると共に、その判定結果を電子制御装置２０７にフェイルセーフ信号の形態で伝える。

以上のように、ロータリエンコーダＲＥでは、電子制御装置２０７にＡ、Ｂ相信号を送信すると共に、上記異常の判定結果をフェイル出力回路１１２に出力し、フェイル出力回路１１２からは、その異常の判定に対応したフェイルセーフ信号を電子制御装置２０７に出力する。

次に図５、図６を参照して、上記フェイルセーフ信号について説明する。図５はフェイルセーフ信号の種類とデューティとの関係を示す表であり、図６はフェイルセーフ信号の波形を示す。フェイルセーフ信号は、周期一定（例えば５０Ｈｚ）のパルス信号を用いる。ロータリエンコーダＲＥは、図示略のメモリに図５で示すデータが記憶されており、監視用ＣＰＵ１１１は、フェイル出力回路１１２を制御して上記異常判定に対応して図５で示すデューティに対応して図６で示す波形のフェイルセーフ信号をフェイル出力回路１１２から電子制御装置２０７に送信制御する。

すなわち、制御用ＣＰＵ１１１は、ロータリエンコーダＲＥの状態が正常であれば、図６（ａ）のデューティ５０％のフェイルセーフ信号、軽微であれば、図６（ｂ）のデューティ７５％のフェイルセーフ信号、重大であれば、図６（ｃ）のデューティ１００％のフェイルセーフ信号を電子制御装置２０７に送信する。この場合、フェイルセーフ信号は周期一定のパルス信号であり、周期一定であるが、例えば異常の種類に応じて上記周期を設定すると共に、同じ種類の異常でもその異常程度（正常、軽微、重大等）によりデューティを可変することで、電子制御装置２０７側では、異常の種類、異常の程度を判断することができるようにしている。

そして、実施の形態では、ロータリエンコーダＲＥは、上記したように、監視項目を内部回路の異常か否かの監視に関しては停止モードで、パルス信号であるＡ、Ｂ相信号が異常か否かの監視に関しては回転モードで監視するようにしているので、ロータリエンコーダＲＥに異常があって、故障で停止モードになっている場合では、図６（ｄ）のデューティ２５％のフェイルセーフ信号をフェイル出力回路１１２から電子制御装置２０７に出力することで、電子制御装置２０７に通知するようにしたものである。

電子制御装置２０７側ではロータリエンコーダＲＥ側からの上記通知により、ロータリエンコーダＲＥが正常な停止モードでないのに異常により停止モードになっていることが判り、所要の対応を図ることができるようになる。

以上の結果、実施の形態では、ロータリエンコーダＲＥで、当該ロータリエンコーダＲＥがその内部の状態監視を停止モードと回転モードとでは異なる監視項目で行うと共に、この監視の結果、ロータリエンコーダＲＥの異常の状態に対応して周期一定でデューティ可変されたフェイルセーフ信号を電子制御装置２０７に送信制御する一方、電子制御装置２０７側が駆動用モータの回転制御を行っているときに、当該ロータリエンコーダＲＥ側が異常により停止モードにあることを示すデューティのフェイルセーフ信号を電子制御装置２０７側に送信するようにしたので、電子制御装置２０７は、ロータリエンコーダＲＥの異常を検知することができ、それに対応して適切な処理が迅速にできるようになるので、電子制御システム全体の安全性を図ることができる。

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概略構成を示す図である。 図２はロータリエンコーダの電気的な構成を示すである。 図３は監視用ＣＰＵによる監視項目を示す表図である。 図４は実施の形態のロータリエンコーダを組み込んだ電子制御システムの構成を示す図である。 図５はロータリエンコーダから電子制御装置に送信するフェイルセーフ信号においてデューティと異常内容との関係を示す表図である。 図６は各データのフェイルセーフ信号の波形を示す図である。 図７はロータリエンコーダの一般的な構成を示す図である。 図８は従来のロータリエンコーダの電気的な構成を示す図である。 図９はＡ相信号、Ｂ相信号の信号波形を示す図である。 図１０はエレベータ装置を電子制御する電子制御システムを示す図である。

符号の説明

１０１ 電源回路
１０２ 電源電圧監視回路
１０３ 投光素子駆動回路
１０４ 内部電源
１０５ 検出回路
１０６ Ａ相判定回路
１０７ Ａ相出力回路
１０８ Ｂ相判定回路
１０９ Ｂ相出力回路
１１１ 監視用ＣＰＵ
２０１ エレベータ装置
２０３ 駆動用モータ
２０７ 電子制御装置（上位装置）

Claims (1)

1. 被検出軸の回転に伴い少なくとも電気角で互いに９０度ずれた２つのパルス信号（Ａ相信号、Ｂ相信号）を生成出力するロータリエンコーダと、
   上記ロータリエンコーダからの上記パルス信号に基づいて上記被検出軸の回転を制御する電子制御装置と、
   を備えた電子制御システムにおいて、
   上記ロータリエンコーダは、当該ロータリエンコーダが停止状態か回転状態かの判定を行うと共に当該ロータリエンコーダ内部の状態監視を停止モードと回転モードとでは異なる監視項目で行い、この監視の結果、当該ロータリエンコーダに異常があれば、その異常の状態に対応して周期一定でデューティ可変されたフェイルセーフ信号を上記電子制御装置に送信制御する監視用ＣＰＵ、を備え、
   上記監視用ＣＰＵは、上記電子制御装置側が上記被検出軸の回転制御中に、当該ロータリエンコーダが上記停止モードである場合、当該ロータリエンコーダのモードが上記停止モードであることを示すデューティのフェイルセーフ信号を上記電子制御装置側に送信する処理を行うようになっている一方、
   上記電子制御装置側では、上記ロータリエンコーダ側からの上記停止モードであることを示すデューティのフェイルセーフ信号により上記ロータリエンコーダの異常を検出処理可能とした、電子制御システム。

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