JP5877323B2

JP5877323B2 - 光学式アブソリュートエンコーダ及び装置

Info

Publication number: JP5877323B2
Application number: JP2011124810A
Authority: JP
Inventors: 太郎岸部; 隆宏増田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: JP2012251879A

Description

本発明は、サーボモータの回転位置検出に用いる光学式アブソリュートエンコーダにおいて、光学系の異常を検出する。

従来、半導体製造装置やロボット、各種工作機械などのＦＡ（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）システム装置などの装置には高精度の位置決め制御を行うため、サーボモータが広く利用されている。サーボモータの回転位置の検出には光学式エンコーダが幅広く用いられており、発光素子と受光素子の光軸上にスリット部及び非スリット部を設けた回転板を配置し、発光素子からの光が回転板の位置によってスリット部を透過又は非スリット部を非透過とする構成を設けて、受光素子で光の強弱を検出することによって回転位置を検出している。近年では高分解能化のため、回転板スリット間の周期に合わせて９０度位相差の正弦波信号が出力されるようにスリット形状を構成し、内挿演算を行うことで更に分解能を高めたエンコーダが主流となってきている。

光学式エンコーダにはインクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダがあり、インクリメンタルエンコーダは原点となる１回転で１パルスのＺ相と、１回転でＮパルスのＡ相と、Ａ相に対して９０度位相差のあるＢ相パルスで構成されたものであり、Ｚ相を基準の原点としてＡ／Ｂ相によるインクリメンタルカウンタで位置を検出する。更にモータの磁極位置を示すコミュテーションセンサを備えており、３相モータではモータの逆起電力の位相に合わせて１２０度の位相差をもった３つの信号で構成され、原点が通過するまで不明となる位置をコミュテーションセンサで補っている。

一方、アブソリュートエンコーダは、回転板の円周上にＮ個のトラックでグレーコードを出力するようにスリットを設けられており、電源投入時から１回転上の任意の位置が検出できるため、コミュテーションセンサが不要である。

これらの光学式エンコーダには様々な異常検出手段が設けられているが、発光素子の不点灯ではインクリメンタルエンコーダにおいては３つのコミュテーションセンサの組み合わせが全てＨまたはＬとならないことを利用して異常を検出することは公知の技術である。（例えば特許文献１）

特開２００７−１７３８５号公報

しかしながら、上述の手法はコミュテーションセンサを有するインクリメンタルエンコーダでは有効であるが、アブソリュートエンコーダにはコミュテーションセンサがないため、発光素子の異常を検出することができないという課題があった。

本発明は上述従来の課題を解決するものであり、９０度位相差の２つの正弦波信号を内挿演算することによって高分解能で回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、光学系の異常を検出することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明のアブソリュートエンコーダは、回転板へ発光する発光素子と、前記回転板のスリットを１回転でＮ等分に分割して生成する１回転上位データと、前記Ｎ等分に分割された間隔に同期した１回転でＮサイクルの９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて内挿演算を行うことによって生成される１回転下位データと、前記１回転上位データと前記１回転下位データを合成して１回転位置データを生成する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
前記９０度位相差の２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器からなり、
前記２乗和演算器で求めた演算結果が、前記異常信号メモリに記録した値より下回った場合に前記異常判定器が異常信号を出力して前記発光素子が不点灯である状態を判定することを特徴とする。

また、この発明のアブソリュートエンコーダは、回転板へ発光する発光素子と、前記回転板のスリットを１回転でＮ等分に分割して生成する１回転上位データと、前記Ｎ等分に
分割された間隔に同期した１回転でＮサイクルの９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて内挿演算を行うことによって生成される１回転下位データと、前記１回転上位データと前記１回転下位データを合成して１回転位置データを生成する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
前記９０度位相差の２つの正弦波信号のそれぞれ最大値、最小値を検出する振幅検出器と、前記振幅検出器で検出した最大値と最小値から正弦波信号の中心値を演算するオフセット演算器と、前記オフセット演算器で求めた結果を記録するオフセットメモリと、前記９０度位相差の２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、前記２つの正弦波信号のそれぞれの中心値と振幅値と位相許容とを考慮した許容すべき誤差より小さく設定した前記２つの正弦波信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、前記２つの正弦波信号の異常を判定する異常判定器からなり、前記２つの正弦波信号は前記光学式アブソリュートエンコーダの製造時または前記光学式アブソリュートエンコーダの前回電源投入時の前記オフセットメモリで記憶した中心値を用いてオフセットのずれを補正した後、前記２乗和演算器でそれぞれ２乗して加算した演算結果が、前記異常信号メモリに記録した前記異常しきい値より下回った場合に前記異常判定器が異常信号を出力して前記発光素子が不点灯である状態を判定する。

第１の発明の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）によれば、内挿演算で使用する９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて、それぞれの正弦波信号を２乗して加算した結果により光学系の異常を検出することができるので、部品を追加することなく容易な手段で異常の診断を行うことができる。

また、この発明の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）によれば、製造工程や部品のばらつきによって生じる９０度位相差の２つの正弦波信号のオフセット値のずれを、製造時に測定して記憶し、記憶したオフセット値を用いて演算を行うため、正弦波信号の振幅レベルが小さい場合にも光学系の異常を誤検出することなく、精度よく異常の診断を行うことができる。

従って、容易な手段で光学系の異常を正確に診断することができるため、異常検出能力に優れた光学式エンコーダを提供することができる。

本発明の実施例１における光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）の異常検出部のブロック図実施例１の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）の異常検出部の動作波形図実施例２の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）の異常検出部のブロック構成図実施例２の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）の異常検出部の動作波形図実施例２の光学式エンコーダ（アブソリュートエンコーダ）の異常検出部のブロック構成図

第１の発明は、回転板へ発光する発光素子と、前記回転板のスリットを１回転でＮ等分に分割して生成する１回転上位データと、前記Ｎ等分に分割された間隔に同期した１回転で
Ｎサイクルの９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて内挿演算を行うことによって生成される１回転下位データと、前記１回転上位データと前記１回転下位データを合成して１回転位置データを生成する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、前記９０度位相差の２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、信号の異常を判定する異常判定器からなり、前記２乗和演算器で求めた演算結果が、前記異常信号メモリに記録した値より下回った場合に前記異常判定器が異常信号を出力するため、部品を追加することなく容易な手段で発光素子が不点灯である異常の診断を行うことができる。

また、この発明は、回転板へ発光する発光素子と、前記回転板のスリットを１回転でＮ等分に分割して生成する１回転上位データと、前記Ｎ等分に分割された間隔に同期した１回転でＮサイクルの９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて内挿演算を行うことによって生成される１回転下位データと、前記１回転上位データと前記１回転下位データを合成して１回転位置データを生成する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、前記９０度位相差の２つの正弦波信号のそれぞれ最大値、最小値を検出する振幅検出器と、前記振幅検出器で検出した最大値と最小値から正弦波信号の中心値を演算するオフセット演算器と、前記オフセット演算器で求めた結果を記録するオフセットメモリと、前記９０度位相差の２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、前記２つの正弦波信号のそれぞれの中心値と振幅値と位相許容とを考慮した許容すべき誤差より小さく設定した前記２つの正弦波信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、前記２つの正弦波信号の異常を判定する異常判定器からなり、前記２つの正弦波信号は前記光学式アブソリュートエンコーダの製造時または前記光学式アブソリュートエンコーダの前回電源投入時の前記オフセットメモリで記憶した中心値を用いてオフセットのずれを補正した後、前記２乗和演算器でそれぞれ２乗して加算した演算結果が、前記異常信号メモリに記録した前記
異常しきい値より下回った場合に前記異常判定器が異常信号を出力するため、正弦波信号の振幅レベルが小さい場合にも光学系の異常を誤検出することなく、精度よく発光素子が不点灯である異常の診断を行うことができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

本発明による光学式エンコーダについて、図１と図２を用いて説明する。図１は実施例１における光学式エンコーダの異常検出部のブロック図、図２は光学式エンコーダの異常検出部の動作波形であり、以下に各動作について説明する。

図１において符号の１は発光素子、符号の２は回転板、符号の３は受光素子であり、回転板２に設けられたスリットによって発光素子１からの光の強弱を受光素子３が検出し、図２に示すような正弦波波形のＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂを生成する。

符号の４は増幅器、符号の１１は基準電圧であり、増幅器４は受光素子３から出力されたＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号を、基準電圧１１を中心とした正弦波信号となるように推移させて増幅させて図２に示すような増幅後ＳＩＮ信号２２Ａ、増幅後ＣＯＳ信号２２Ｂを生成する。また、本実施例においては、ＳＩＮオフセット選択値３３Ａと、ＣＯＳオフセット選択値３３Ｂと、ＣＯＳ振幅値３０Ｂと、ＳＩＮ振幅値３０Ａと、異常判定器１０とを具備している。

符号の５はアナログ信号をディジタルに変換するＡＤ変換器であり、増幅後ＳＩＮ信号２２Ａ、増幅後ＣＯＳ信号２２Ｂのアナログ信号をディジタルに変換し、ＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３Ａ、ＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂを生成する。ＡＤ変換後の信号は基準電圧１１の電圧をゼロとして、基準電圧より大きい場合を正信号、基準電圧１１より小さい場合を負信号として扱う。

符号の８は２乗和演算器であり、ＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡとＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂのそれぞれの信号を２乗して加算し、２乗和信号２５を生成する。ＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡとＡＤ変換後のＣＯＳ信号の中心値と振幅値が等しく、位相が９０度の場合には２乗和信号２５は直線（ＤＣ）となるが、これらに誤差がある場合には図２の左側に示すように周期的に変動した波形となる。

符号の９は異常信号メモリであり、不揮発性メモリで構成され、エンコーダの異常を判定するための異常信号しきい値２８があらかじめ記憶されている。異常信号しきい値２８は、ＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡとＡＤ変換後ＣＯＳ信号の中心値や振幅値、位相の許容すべき誤差が生じた場合より小さく設定する。

符号の１０は異常判定器であり、２乗和演算器８から出力された２乗和信号２５と、異常信号メモリ９から出力された異常信号しきい値２８の大小を比較し、２乗和信号２５の方が小さい場合に異常信号２６を出力する。

以上が各ブロックの動作についての説明である。次に発光素子１が異常となり点灯しない場合の動作について説明する。

発光素子１が発光せずに異常の場合、ＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂは図２の右側に示すように基準電圧とほぼ等しくなる。また、増幅後ＳＩＮ信号２２Ａ、増幅後ＣＯＳ信号２２Ｂ、ＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３Ａ、ＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂも図２の右側に示すように基準電圧とほぼ等しくなる。発光素子１が発光しない場合に、これらの信号が基準電圧と等しくならないのは、各構成ブロックに含まれる増幅器やＡＤ変換器等のオフセット誤差によるものである。

次ぎに２乗和演算器８でＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３Ａ、ＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂの２乗和を演算すると、図２の右側に示すように２乗和信号２５は異常信号しきい値２８より小さくなるので、異常信号２６は“Ｈ”となる（異常をＨとした場合）。

以上のような構成とすることで発光素子１が点灯しない場合に異常を検出することができる。

図３と図４を用いて本発明の実施例２について説明する。実施例１と異なるのは、オフセット補償部１６を備えた点であり、この動作について説明する。

オフセット補償部１６は、オフセット補正器６、振幅検出器１３、オフセット演算器１４、オフセットメモリ１２で構成されている。以下にそれぞれの役割について説明する。

振幅検出器１３はＡＤ変換器５から出力されたＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３Ａ、ＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂのそれぞれの最大値と最小値を検出する。最大値の検出は、同一方向に回転板２が回転している時にＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡまたはＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂの値がゼロから正の方向に増加した点から測定を開始して検出値が大きくなる毎に値を保持し、値が負になった時点で保持した値を最大値とすることで容易に検出することができる。また、最小値の検出も同様に、同一方向に回転板２が回転している時にＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡまたはＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂの値がゼロから負の方向に減少した点から測定を開始して検出値が小さくなる毎に値を保持し、値が正になった時点で保持した値を最小値とすることで検出することができる。

オフセット演算器１４は振幅検出器１３で検出した最大値と最小値を用いてオフセット値を演算する。オフセット値は、（最大値＋最小値）とすることにより求めることができる。

オフセットメモリ１２はオフセット検出器で検出したＳＩＮオフセット演算値３１Ａ、ＣＯＳオフセット演算値３１Ｂを記録するものであり、電源を遮断した場合にでも記録した値が失われないようにＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリで構成される。

オフセット補正器６はオフセットメモリ１２から読み出したＳＩＮオフセットメモリ値２９Ａ、ＣＯＳオフセットメモリ値２９ＢをＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡとＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂから減算することによって、図４の右側に示すようにＡＤ変換後ＳＩＮ信号２３ＡとＡＤ変換後ＣＯＳ信号２３Ｂのオフセットを補正したオフセット補正後ＳＩＮ信号２４Ａ、オフセット補正後ＣＯＳ信号２４Ｂを生成する。

以上の動作はエンコーダ製造時に各エンコーダ毎にオフセット演算値を求め、オフセットメモリ１２に記憶する。使用する際には電源を投入する度にオフセットメモリ１２からＳＩＮオフセットメモリ値２９Ａ、ＣＯＳオフセットメモリ値２９Ｂを読み出し、オフセットずれをなくしたオフセット補正後ＳＩＮ信号２４Ａとオフセット補正後ＣＯＳ信号２４Ｂを用いて発光素子１の不点灯を検出する。

また、ＳＩＮオフセット演算値３１Ａ、ＣＯＳオフセット演算値３１Ｂは使用時にも演算し、製造時に記憶した値から変動した場合にオフセットメモリ１２の値を書き直すようにすることで、長時間に渡り精度よく異常を検出することができる。

また、図５に示すようにオフセット補正は、電源投入時はオフセットメモリ１２に記録した値を使用してオフセット補正を行い、使用時に新たなオフセット演算値を検出した時点で選択器１５でオフセット演算に用いる値を切り替えて使用してもよい。

以上のような構成とすることにより異常信号しきい値２８を小さくして、ＳＩＮ原信号２１ＡとＣＯＳ原信号２１Ｂを幅広い範囲で使うことができるので、発光素子１の光量が少なくなった場合にも異常が発生せず、また製造時のＳＩＮ原信号とＣＯＳ原信号のばらつき許容値を拡大し、生産性を向上させることができる。なお、本実施例においては、ＳＩＮオフセット選択値３３Ａと、ＣＯＳオフセット選択値３３Ｂと、ＣＯＳ振幅値３０Ｂと、ＳＩＮ振幅値３０Ａと、異常判定器１０とを具備している。

本発明の光学式エンコーダは、９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて発光素子の異常を容易に検出することができるため、高精度の位置決め制御が必要な産業用サーボモータの光学系の保護装置として特に有効である。

１発光素子
２回転板
３受光素子
４増幅器
５ＡＤ変換器
６オフセット補正器
８２乗和演算器
９異常信号メモリ
１０異常判定器
１１基準電圧
１２オフセットメモリ
１３振幅検出器
１４オフセット演算器
１５選択器
１６オフセット補償部
２１ＡＳＩＮ原信号
２１ＢＣＯＳ原信号
２２Ａ増幅後ＳＩＮ信号
２２Ｂ増幅後ＣＯＳ信号
２３ＡＡＤ変換後ＳＩＮ信号
２３ＢＡＤ変換後ＣＯＳ信号
２４Ａオフセット補正後ＳＩＮ信号
２４Ｂオフセット補正後ＣＯＳ信号
２５２乗和信号
２６異常信号
２８異常信号しきい値
２９ＡＳＩＮオフセットメモリ値
２９ＢＣＯＳオフセットメモリ値
３０ＡＳＩＮ振幅値
３０ＢＣＯＳ振幅値
３１ＡＳＩＮオフセット演算値
３１ＢＣＯＳオフセット演算値
３３ＡＳＩＮオフセット選択値
３３ＢＣＯＳオフセット選択値

Claims

回転板へ発光する発光素子と、前記回転板のスリットを１回転でＮ等分に分割して生成する１回転上位データと、前記Ｎ等分に分割された間隔に同期した１回転でＮサイクルの９０度位相差の２つの正弦波信号を用いて内挿演算を行うことによって生成される１回転下位データと、前記１回転上位データと前記１回転下位データを合成して１回転位置データを生成する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
前記９０度位相差の２つの正弦波信号のそれぞれ最大値、最小値を検出する振幅検出器と、前記振幅検出器で検出した最大値と最小値から正弦波信号の中心値を演算するオフセット演算器と、前記オフセット演算器で求めた結果を記録するオフセットメモリと、前記９０度位相差の２つの正弦波信号をそれぞれ２乗して加算する２乗和演算器と、
前記２つの正弦波信号のそれぞれの中心値と振幅値と位相許容とを考慮した許容すべき誤差より小さく設定した前記２つの正弦波信号の異常しきい値を記録する異常信号メモリと、前記２つの正弦波信号の異常を判定する異常判定器からなり、
前記２つの正弦波信号は前記光学式アブソリュートエンコーダの製造時または前記光学式アブソリュートエンコーダの前回電源投入時の前記オフセットメモリで記憶した中心値を用いてオフセットのずれを補正した後、前記２乗和演算器でそれぞれ２乗して加算した演算結果が、前記異常信号メモリに記録した前記異常しきい値より下回った場合に前記異常判定器が異常信号を出力して前記発光素子が不点灯である状態を判定する光学式アブソリュートエンコーダ。
請求項１に記載の光学式アブソリュートエンコーダを具備する装置。