JP5108165B1 - エンコーダ - Google Patents

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Abstract

位置検出信号を増設することなく可及的に精度よく故障を検出するために、エンコーダは、周期が異なる位置検出信号としての電気信号を夫々発生させる複数系統の位置検出信号発生系（光源１、トラック３ａ〜３ｃ、受光素子ユニット４ａ〜４ｃ）と、複数系統の位置検出信号発生系が夫々発生させた位置検出信号に基づいて第１位置データを算出する第１演算部として機能する電気角第１算出部８および１回転内位置データ第１作成部９と、第１演算部よりも少ない系統の位置検出信号発生系が発生させた電気信号に基づいて第２位置データを算出する第２演算部として機能する電気角第２算出部１１および１回転内位置データ第２作成部１２と、第１位置データと第２位置データとの比較に基づいて自エンコーダが故障しているか否かを判定する故障判定部としての比較部１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の１回転内位置を演算するエンコーダに関する。
エンコーダの故障を検出するための技術として、特許文献１には、位置検出信号ＰＡ、ＰＢのパルス数とモータ極数Ｐとから推定した磁極位置と実際の磁極位置データＰＵ、ＰＶ、ＰＷとを比較し、その位置の差が許容範囲外で有れば故障と判定する技術が開示されている。
特開平９−１０５６４４号公報
しかしながら、磁極位置データは、位置検出の目的に使用されるものではないため、一般に、位置検出信号よりも分解能が低い。したがって、上記従来の技術は、故障の検出精度が低いという問題がある。
また、故障検出の目的のために位置検出信号を増設する構成も考え得るが、そのような構成を採用すると、増設する位置検出信号毎に検出系などのハードウェアを追加する必要が生じる上に、増設した位置検出信号に対して振幅とオフセットとを理想の値に補正する補正係数を設定する必要が生じるため、製造面でのデメリットが大きくなるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置検出信号を増設することなく可及的に精度よく故障を検出することができるエンコーダを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転体の１回転内位置を演算するエンコーダであって、周期が異なる前記回転体にかかる位置検出信号を夫々発生させる複数系統の位置検出信号発生系であって、前記回転体の１回転につき１周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系を含む複数系統の位置検出信号発生系と、前記複数系統の位置検出信号発生系が夫々発生させた位置検出信号に基づいて第１の１回転内位置を算出する第１演算部と、前記複数系統の位置検出信号発生系のうちの一部の、前記第１演算部よりも少ない数の系統の位置検出信号発生系が発生させた位置検出信号に基づいて第２の１回転内位置を算出する第２演算部と、前記第１の１回転内位置と前記第２の１回転内位置との比較に基づいて自エンコーダが故障しているか否かを判定する故障判定部と、を備え、前記第２演算部は、前記回転体の１回転につき１周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系が発生させた位置検出信号に基づいて前記第２の１回転内位置を算出する、ことを特徴とする。
本発明にかかるエンコーダは、既存の複数の位置検出信号のうちの一部の位置検出信号に基づいて故障検出のための比較用の位置データを作成できるので、位置検出信号を増設することなく可及的に精度よく故障を検出することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態のエンコーダの構成例を示す図である。 図２は、光源とトラックと受光素子ユニットとの間の位置関係を説明する図である。 図３は、受光素子ユニットがトラックからの透過光に基づいて生成する電気信号を説明する図である。 図４は、トラックが示す機械角と電気角第１算出部が生成する電気角との関係を示す図である。 図５は、１回転内位置データ第１作成部が電気角を合成する様子を説明する図である。 図６は、１回転内位置データ第２作成部が第２位置データを生成する様子を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態のエンコーダの別の構成例を示す図である。
以下に、本発明にかかるエンコーダの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態のエンコーダの構成を示す図である。図示するように、実施の形態のエンコーダは、光源１と、モータの回転体としての回転軸２と、回転軸２に取り付けられ、３つのトラック（トラック３ａ、３ｂ、３ｃ）が形成されたスケールを有する回転板３と、受光素子ユニット４ａ〜４ｃとを備えている。光源１は、例えばＬＥＤが採用され、光源１が放射する光はトラック３ａ〜３ｃの夫々に入射する。トラック３ａ〜３ｃの夫々に入射した光は、トラック３ａ〜３ｃの夫々によって変調せしめられ、夫々受光素子ユニット４ａ〜４ｃに入射する。受光素子ユニット４ａ〜４ｃは、入射した光を光電変換によって電気信号（位置検出信号）に変換する。
図２は、光源１とトラック３ａ〜３ｃと受光素子ユニット４ａ〜４ｃとの間の位置関係を説明する図である。なお、ここでは、煩雑を避けるために、トラック３ａ〜３ｃを代表してトラック３ａを、受光素子ユニット４ａ〜４ｃを代表して受光素子ユニット４ａを夫々挙げて説明する。図示するように、光源１の光軸上にトラック３ａおよび受光素子ユニット４ａが配設されており、トラック３ａからの透過光が受光素子ユニット４ａに入射するようになっている。トラック３ａは、光を透過する透光部と光を遮光する遮光部とが回転方向に交互に設けられて構成されている。透光部と遮光部とは、スケールの回転に従って透過光の強度がｓｉｎ波に従って変化するように例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に基づいて配設されており、受光素子ユニット４ａは、入射する光からｓｉｎ波に従って変化する電気信号を生成する。
トラック３ａ〜３ｃからスケールの１回転によって生成される電気信号の周期は、夫々異なっている。図３は、受光素子ユニット４ａ〜４ｃがトラック３ａ〜３ｃからの透過光に基づいて生成する電気信号を説明する図である。図示するように、受光素子ユニット４ａは、スケール１回転当たり１周期（１波）の信号を生成することができる。受光素子ユニット４ｂは、スケール１回転当たり１６周期（１６波）の信号を生成することができる。受光素子ユニット４ｃは、スケール１回転当たり２５６周期（２５６波）の信号を生成する。
即ち、光源１、トラック３ａ、および受光素子ユニット４ａにより構成される位置検出信号発生系と、光源１、トラック３ｂ、および受光素子ユニット４ｂにより構成される位置検出信号発生系と、光源１、トラック３ｃ、および受光素子ユニット４ｃにより構成される位置検出信号発生系とは、夫々発生させる位置検出信号の周期が異なる。ここで、光源１、トラック３ａ、および受光素子ユニット４ａで構成される位置検出信号発生系を１つの系統と定義し、光源１、トラック３ｂ、および受光素子ユニット４ｂにより構成される位置検出信号発生系、ならびに光源１、トラック３ｃ、および受光素子ユニット４ｃにより構成される位置検出信号発生系を、夫々別の系統と定義する。
図１に戻り、受光素子ユニット４ａ〜４ｃからの電気信号は、増幅回路５ａ〜５ｃによって夫々増幅され、増幅された夫々の電気信号はマイクロコンピュータユニット（ＭＣＵ）６に入力される。ＭＣＵ６は、電気角第１算出部（電気角算出部）８、１回転内位置データ第１作成部（１回転内位置作成部）９、比較部（故障検出部）１０、しきい値記憶部１３、通信制御部１４を備えている。なお、ＭＣＵ６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ｉ／Ｏを備えており、ＲＯＭ内に格納された所定のプログラムをＣＰＵに実行させることによって上述の機能構成部（電気角第１算出部８、１回転内位置データ第１作成部９、比較部１０、および通信制御部１４）の機能を実現する。なお、しきい値記憶部１３をＲＯＭ上に確保し、しきい値記憶部１３に予めしきい値（後述する）が設定されるようにしてもよい。また、しきい値記憶部１３をＲＡＭ上に確保するようにし、動作開始時など所定のタイミングでしきい値記憶部１３にしきい値が外部入力されるようにしてもよい。
電気角第１算出部８は、増幅回路５ａ〜５ｃを介して入力された受光素子ユニット４ａ〜４ｃからの電気信号に基づいて、トラック毎の電気角を算出する。ここで、電気角とは、正弦波１周期で３６０度（即ち２πラジアン）となる信号をいう。例えば１６波の信号の場合、スケールが機械角で３６０／１６＝２２．５度回転するたびに１周期分の電気角が生成される。
図４は、トラック３ａ〜３ｃが示す機械角と電気角第１算出部８が生成する電気角との関係を示す図である。図示するように、トラック３ａにかかる電気信号からは機械角と一対一で対応する電気角が生成される。トラック３ｂにかかる電気信号からは機械角が１回転する間に１６回転する電気角が生成される。トラック３ｃにかかる電気信号からは機械角が１回転する間に２５６回転する電気角が生成される。
なお、電気角第１算出部８が精度よく電気角を求めることができるように、トラック３ａ〜３ｃの夫々に、ｓｉｎ波（ＰＡ）およびｃｏｓ波（ＰＢ）をともに生成できるように２種類のパターンを夫々形成せしめ、受光素子ユニット４ａ〜４ｃに、夫々２種類のパターンの透過光から２つの電気信号を生成できるように受光素子アレイを具備せしめるようにしてもよい。これにより、電気角第１算出部８は、ｓｉｎ波にかかる電気信号の値をｃｏｓ波にかかる電気信号の値で除した値にａｒｃｔａｎ関数を作用させることによって電気角を求めることができ、ｓｉｎ波にかかる電気信号にａｒｃｓｉｎ関数を作用させて電気角を求める場合に比して精度よく電気角を求めることができる。
また、前述のように、個々の位置検出信号発生系は、振幅とオフセットとを理想の値に補正する補正係数の設定を必要とするが、位置検出信号発生系毎の補正係数は電気角第１算出部８に予め設定されているものとする。なお、後述の電気角第２算出部１１は、トラック３ｂにかかる電気角を演算するが、電気角第２算出部１１にもトラック３ｂにかかる補正係数が予め設定されているものとする。トラック３ｂにかかる補正係数は、電気角第１算出部８と電気角第２算出部１１とで共用することができることはいうまでもない。
１回転内位置データ第１作成部９は、電気角第１算出部８が生成したトラック３ａ〜３ｃにかかる電気角を合成して、１回転内の位置データを作成する。
図５は、１回転内位置データ第１作成部９が電気角を合成する様子を説明する図である。ここでは、一例として、トラック３ａ〜３ｃにかかる電気角は夫々１０ビットの分解能で記述され、電気角の合成によって１８ビットの分解能の位置データが得られるものとしている。
図５に示すように、トラック３ａにかかる電気角、トラック３ｂにかかる電気角、トラック３ｃにかかる電気角は、位置データのＭＳＢ、ＭＳＢから５ビット目、ＭＳＢから９ビット目を夫々最上位ビットとする合計１０ビットのデータを夫々有している。１回転内位置データ第１作成部９は、ＭＳＢから４ビット目までをトラック３ａにかかる電気角から取得し、５ビット目から８ビット目までをトラック３ｂにかかる電気角から取得し、９ビット目から１８ビット目までをトラック３ｃにかかる電気角から取得して、位置データを作成する。夫々のトラックにかかる電気角は、上位ビットのほうが下位ビットよりも検出精度がよい。上述のように、最終的に、高分解能でかつどのビットでも高い検出精度が担保された位置データを得ることができる。
図１に戻り、トラック３ａにかかる増幅後の電気信号は、２つに分岐され、分岐先がＭＣＵ６およびＭＣＵ７の夫々に入力される。ＭＣＵ６に入力された電気信号は、上述のように、１回転内位置データ第１作成部９が位置データを作成するために用いられる。ＭＣＵ７に入力された電気信号は、前記位置データとは別に故障検出用の位置データを作成するために用いられる。以降、１回転内位置データ第１作成部９が作成する位置データを第１位置データ、ＭＣＵ７にて作成される位置データを第２位置データということとする。
ＭＣＵ７は、電気角第２算出部１１および１回転内位置データ第２作成部１２を備えている。なお、ＭＣＵ７は、ＭＣＵ６と同様にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏを備えており、ＲＯＭ内に格納された所定のプログラムをＣＰＵに実行させることによって電気角第２算出部１１および１回転内位置データ第２作成部１２の機能を実現する。
電気角第２算出部１１は、増幅回路５ｂから送られてくるトラック３ｂにかかる電気信号からトラック３ｂにかかる電気角を算出する。トラック３ｂにかかる電気角は、電気角第１算出部８が算出するトラック３ｂにかかる電気角と同じものであってもよいし、電気角第１算出部８が算出するトラック３ｂにかかる電気角とは異なるビット数（例えば１４ビット）で記述されるものであってもよい。
１回転内位置データ第２作成部１２は、トラック３ｂにかかる電気角に基づいて、第２位置データを生成する。
図６は、１回転内位置データ第２作成部１２がトラック３ｂにかかる電気角から第２位置データを生成する様子を示す図である。前述のように、トラック３ｂにかかる電気角が１６回転が機械角の１回転に相当する。そこで、図示するように、電気角第２算出部１１は、電気角の回転した累積数をカウントしてカウント値を作成し、カウント値と入力された電気信号から生成されたトラック３ｂにかかる電気信号とに基づいて第２位置データを生成する。即ち、電気角第１算出部８は、上位４ビットをトラック３ａにかかる電気角から取得して第１位置データを生成したが、電気角第２算出部１１は、トラック３ｂにかかる電気角の回転の数をカウントすることにより第２位置データの上位４ビットを取得する。なお、電気角第２算出部１１は、カウント値が１６に到達するとカウント値をゼロリセットするようにしてもよいし、カウント値をゼロリセットせずにカウント値の下位４ビットのみを使用するようにしてもよい。
ＭＣＵ６に備えられる比較部１０は、第１位置データと第２位置データとの差分と、しきい値記憶部１３に予め格納されているしきい値との比較に基づいて、自エンコーダの故障検出を行う。具体的には、比較部１０は、第１位置データと第２位置データとの差分が前記しきい値を越えていない場合、故障が検出されなかった旨の通知を通信制御部１４に通知し、第１位置データと第２位置データとの差分が前記しきい値を越えている場合、故障が検出された旨の通知を通信制御部１４に通知する。
通信制御部１４は、第１位置データに前記比較部１０から受信した通知を付してシリアル通信データを生成し、生成したシリアル通信データを外部の制御機器に送信する。シリアル通信データを受信した制御機器は、当該受信したデータに含まれる通知を参照することによって、本エンコーダが故障しているか否かを判定することができる。
なお、以上の説明においては、第２位置データを故障検出用とし、第１位置データを外部の制御機器に送信するものとして説明したが、第１位置データを故障検出用とし、第２位置データを外部に送信するようにしてもよい。また、故障検出用の位置データを複数生成し、第１位置データと複数の故障検出用の位置データとの比較に基づいて故障を検出するようにしてもよい。故障検出用の位置データを複数生成する場合、比較部１０は、故障検出用の位置データと第１位置データとの差分が１つでもしきい値を越えたときに故障が検出された旨の通知を発行するようにしてもよいし、２以上の故障検出用の位置データと第１位置データとの差分がしきい値を越えたときに故障が検出された旨の通知を発行するようにしてもよい。また、２以上の故障検出用の位置データが互いに一致し、当該２以上の故障検出用の位置データと第１位置データとの差分がしきい値以上である場合には、当該２つの故障検出用の位置データを外部に送信するように構成することも可能である。
また、第１位置データを生成するための機能構成部（電気角第１算出部８、１回転内位置データ第１作成部９）と第２位置データを生成するための機能構成部（電気角第２算出部１１、１回転内位置データ第２作成部１２）とを夫々異なるＭＣＵで実現するように構成したが、図７に示すように、同一のＭＣＵ６を用いて実現するようにしてもよい。第１位置データを生成するための機能構成部と第２位置データを生成するための機能構成部とを夫々異なるＭＣＵで実現することによって、夫々の位置データの信頼性を向上させ、その結果として故障判定結果の信頼性を向上させることができる。また、実施の形態のエンコーダの機能構成部をＭＣＵを用いて実現するようにしたが、機能構成部の一部または全部をハードウェア回路により実現するようにしても構わない。
また、第２位置データをトラック３ｂにかかる電気信号に基づいて生成するとして説明したが、トラック３ａまたはトラック３ｃにかかる電気信号に基づいて生成するようにしても構わない。トラック３ａにかかる電気信号に基づいて生成する場合には、１回転内位置データ第２作成部１２は、電気角第２算出部１１が生成した電気角をそのまま第２位置データとして出力するようにしてもよい。また、第２位置データを、トラック３ａ〜３ｃにかかる電気信号のうちの何れか２つを合成することによって生成するようにしても構わない。
また、トラック３ａ〜３ｃは、ｓｉｎ波の電気信号が得られるパターンを有しているものとして説明したが、Ｍ系列乱数符号など、０、１の２値符号で表された直列符号が得られるパターンを具備するように構成してもよい。その場合には、電気角第１算出部８および電気角第２算出部１１は、受信した電気信号をデコードして夫々電気角を算出するように構成してもよい。
また、１波、１６波、２５６波の周期を有するトラックを備えるものとして説明したが、トラックの数および周期は以上の説明に限定されない。
また、位置検出信号（電気信号）の生成方式は、光源１と受光素子ユニット４ａ〜４ｃを用いた光学式の生成方式を採用するものとして説明したが、磁気式や電磁誘導式の生成方式を採用するようにしてもよい。また、トラック毎に異なる生成方式で位置検出信号を生成するようにしてもよい。例えば磁気式の生成方式は温度にかかる外乱に強く、光学式の生成方式は磁界にかかる外乱に強い。トラック毎に異なる生成方式を採用することにより、夫々の長所が組み合わされ、さらに信頼性を向上させることができるようになる。
また、比較部１０による第１位置データと第２位置データとの比較の頻度については特に言及しなかったが、第１位置データ（または第２位置データ）の演算周期毎に比較を行うようにしてもよいし、複数演算周期毎に比較を行うようにしてもよい。
また、第１位置データと第２位置データを一回転内位置として、比較部１０にて比較実施したが、１回転内位置データ第１作成部９、１回転内位置データ第２作成部１２とも回転数の累積数をカウントすることで多回転数を比較することができるようになる。
また、通信制御部１４では、比較部１０から受信した通知を第１データに付してシリアル通信データを作成したが、比較部１０から受信した通知を第２データを付してシリアル通信データを作成してもよく、また第１データまたは第２データを含まずに比較部１０から受信した通知を含めたシリアル通信データを作成する構成としてもよい。
以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、周期が異なる位置検出信号としての電気信号を夫々発生させる複数系統の位置検出信号発生系（光源１、トラック３ａ〜３ｃ、受光素子ユニット４ａ〜４ｃ）と、複数系統の位置検出信号発生系が夫々発生させた位置検出信号に基づいて第１位置データを算出する第１演算部として機能する電気角第１算出部８および１回転内位置データ第１作成部９と、第１演算部よりも少ない系統の位置検出信号発生系が発生させた電気信号に基づいて第２位置データを算出する第２演算部として機能する電気角第２算出部１１および１回転内位置データ第２作成部１２と、第１位置データと第２位置データとの比較に基づいて自エンコーダが故障しているか否かを判定する故障判定部としての比較部１０と、を備えるように構成したので、位置検出のための信号に基づいて故障検出のための比較用の位置データを作成でき、かつ、既存の複数の位置検出信号から位置検出信号を新たに増設することなく故障検出を行うことができるようになる。したがって、位置検出信号を増設することなく可及的に精度よく故障を検出することができるようになる。
また、第２演算部は、スケール１回転につき複数周期（１６周期）の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系（光源１、トラック３ｂ、および受光素子ユニット４ｂ）が発生させた位置検出信号を当該位置検出信号が１周する毎にカウントし、当該位置検出信号が示す電気角と当該位置検出信号にかかるカウント値とに基づいて前記第２の１回転内位置を算出する、ように構成したので、夫々異なる手法で作成した位置データの比較に基づいて故障検出を行うことができるので、故障検出の信頼性を向上させることができるようになる。
なお、第２演算部は、スケール１回転につき１周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系（光源１、トラック３ａ、および受光素子ユニット４ａ）が発生させた位置検出信号に基づいて第２位置データを生成することができる。このようにすることによって、当該位置検出信号が１周する毎にカウントする必要がなくなるので、スケール１回転につき複数周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系が発生させた位置検出信号に基づいて第２位置データを算出する場合に比べて簡単な構成で故障検出を行うことができるようになる。
また、比較部１０は、第１位置データと第２位置データとの差分が予め設定されたしきい値を越える場合、自エンコーダが故障していると判定し、前記差分が前記しきい値を越えない場合、自エンコーダが故障していないと判定する、ように構成したので、精度よく故障を検出することができる。
１ 光源
２ 回転軸
３ 回転板
３ａ〜３ｃ トラック
４ａ〜４ｃ 受光素子ユニット
５ａ〜５ｃ 増幅回路
６、７ ＭＣＵ
８ 電気角第１算出部
９ １回転内位置データ第１作成部
１０ 比較部
１１ 電気角第２算出部
１２ １回転内位置データ第２作成部
１３ しきい値記憶部
１４ 通信制御部

Claims (6)

  1. 回転体の１回転内位置を演算するエンコーダであって、
    周期が異なる前記回転体にかかる位置検出信号を夫々発生させる複数系統の位置検出信号発生系であって、前記回転体の１回転につき１周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系を含む複数系統の位置検出信号発生系と、
    前記複数系統の位置検出信号発生系が夫々発生させた位置検出信号に基づいて第１の１回転内位置を算出する第１演算部と、
    前記複数系統の位置検出信号発生系のうちの一部の、前記第１演算部よりも少ない数の系統の位置検出信号発生系が発生させた位置検出信号に基づいて第２の１回転内位置を算出する第２演算部と、
    前記第１の１回転内位置と前記第２の１回転内位置との比較に基づいて自エンコーダが故障しているか否かを判定する故障判定部と、
    を備え、
    前記第２演算部は、前記回転体の１回転につき１周期の位置検出信号を発生させる位置検出信号発生系が発生させた位置検出信号に基づいて前記第２の１回転内位置を算出する、
    ことを特徴とするエンコーダ。
  2. 前記故障判定部は、前記第１の１回転内位置と前記第２の１回転内位置との差分が所定のしきい値を越える場合、自エンコーダが故障していると判定し、前記差分が前記所定のしきい値を越えない場合、自エンコーダが故障していないと判定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
  3. 前記複数系統の位置検出信号発生系のうちの二つの位置検出信号発生系は、夫々位置検出信号の発生方式が異なる、
    ことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
  4. 前記第１演算部は、前記複数系統の位置検出信号発生系が夫々発生させた位置検出信号に基づいて系統毎の電気角を演算する電気角算出部と、
    前記電気角算出部が演算した系統毎の電気角を合成して前記第１の１回転内位置を算出する１回転内位置作成部と、
    を備えることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
  5. 前記所定のしきい値は不揮発性メモリに記録されたことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
  6. 前記所定のしきい値は外部入力されることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
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