JP6193938B2 - 信号の周波数特性から異物浸入を検知する機能を有する回転角度検出器 - Google Patents

信号の周波数特性から異物浸入を検知する機能を有する回転角度検出器 Download PDF

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Description

本発明は、回転角度検出器に関し、特に信号の周波数特性から異物浸入を検知する機能を有する回転角度検出器に関する。
モータやテーブルの出力軸の角度を測定するために、複数の信号トラックを有する光学式検出器や磁気式検出器が使用されている。それら検出器の故障を検知する方法としては、各信号の振幅が特定の閾値を下回った時に検出器の故障(アラーム)として検知する方法（例えば、特許文献１）や、位相の異なる信号の電圧値が同じ、かつ、その時の電気角があらかじめ記憶している「正常時の電気角」と異なる時に検出器の故障(アラーム)として検知する方法（例えば、特許文献２）が知られている。
しかしながら、これらの方式では、検出器を搭載したモータや工作機械が動かなくなってからでないと、異常が分からなかった。そのため、異常が分かってから保守部品を準備していると、工作機械の復旧に時間がかかるため、保守部品をあらかじめ準備することもあった。しかしながら、その場合には保守部品の管理に多大な工数や収納場所が必要となっていた。
上記の問題を解決する手段として、各信号の振幅を複数の閾値を設けて異常を検出して、検出器が完全に故障して動かなくなる前に、その可能性を予知する方法が知られている（例えば、特許文献３）。しかしながら、検出器の故障原因としては、ケーブルの断線、電気的なノイズ、切削液・潤滑油や切粉の検出器への異物浸入など、様々なものがあり、故障原因を特定することは難しく、適切な保守を実施することが難しかった。
特開２０１０−２６６２６０号公報 特開２００５−１４７７３３号公報 特開平６−６６５９４号公報
上記の通り、従来技術では故障原因を切り分けることが難しく、適切な保守を実施することができずに、保守後に故障が再発することがあった。そのため、故障の切り分けのために、早期発見する必要がある。特に、検出器への異物浸入については、例えば、切削液による部品の腐食や切粉による部品の破損といった致命的な故障を引き起こす危険性があるため、早期発見が重要となる。
本発明の一実施例に係る回転角度検出器は、回転軸の回転角度を検出するためのトラック部を含む回転体と、トラック部に対応して配置した検知部と、検知部にて生成される信号に基づいて回転軸の回転角度を算出する回転角度算出部と、信号に基づいて回転軸の回転速度を算出する回転速度算出部と、信号に基づいて異常を検知する異常検出部と、を具備し、異常検出部は、信号の周波数特性を算出する周波数解析部と、トラック部から生成される回転体の一回転あたりの信号の数を記憶する記憶部と、該記憶部で記憶した信号の数に、回転速度算出部で算出した回転速度を乗じた信号周波数を算出する信号周波数算出部と、周波数特性に、信号周波数以上の高次成分が存在する場合に、検出器の異常を検出する判定部と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施例に係る回転角度検出器によれば、検出器が故障する前に、異物（切削液など）の浸入を検知して、検出器の予防保全を行うことができる。
本発明の実施例に係る回転角度検出器の構成図である。 本発明の実施例に係る回転角度検出器における検知部から出力されるＡ相、Ｂ相、及びＺ相の信号波形図である。 本発明の実施例に係る回転角度検出器における検知部からの出力信号の周波数成分の大きさと周波数との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る回転角度検出器の動作手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係る回転角度検出器について図面を用いて説明する。図１に本発明の実施例に係る回転角度検出器の構成図を示す。本発明の実施例に係る回転角度検出器１００は、回転体１と、検知部２と、回転角度算出部３と、回転速度算出部４と、異常検出部５と、を有する。さらに、異常検出部５は、周波数解析部６と、記憶部７と、信号周波数算出部８と、判定部９と、を有する。
回転体１は、回転軸Ｃの回転角度を検出するためのトラック部１０を含む。回転体１は、モータ等の軸３０に設けられ、回転軸Ｃを中心にして回転する。トラック部１０は、Ｚ相用トラック１１、Ａ相用トラック１２、及びＢ相用トラック１３を有する。Ａ相用トラック１２及びＢ相用トラック１３上には、それぞれ検出パターンとしてＡ相パターンの放射状のスリットとＢ相パターンの放射状のスリットが等ピッチ間隔で空間的に位相を９０度ずらした位置に連続的に形成されている。Ｚ相用トラック１１にはＺ相パターンのスリットが不等ピッチ間隔で形成されている。さらに、回転体１の上には切削液等の異物５０が付着している場合を例にとって説明する。
回転体１の下部にはＬＥＤ等からなる発光部４０が設けられている。発光部４０は、回転体１に向かって光Ｌ０を照射する。
検知部２は、トラック部１０に対応して配置されている。検知部２は、フォトトランジタやフォトダイオード等の受光素子からなる検出素子２１〜２３を有する。２１はＺ相用検出素子であり、発光部４０から照射された光Ｌ０のうち、Ｚ相用トラック１１に設けられたスリットを透過した光Ｌ１を検出する。検出された光Ｌ１に関する情報を含むＺ相信号は、回転角度算出部３に出力される。２２はＡ相用検出素子であり、発光部４０から照射された光Ｌ０のうち、Ａ相用トラック１２に設けられたスリットを透過した光Ｌ２を検出する。検出された光Ｌ２に関する情報を含むＡ相信号は、回転角度算出部３、回転速度算出部４、及び周波数解析部６に出力される。２３はＢ相用検出素子であり、発光部４０から照射された光Ｌ０のうち、Ｂ相用トラック１３に設けられたスリットを透過した光Ｌ３を検出する。検出された光Ｌ３に関する情報を含むＢ相信号は、回転角度算出部３、回転速度算出部４、及び周波数解析部６に出力される。
回転角度算出部３は、検知部２にて生成される信号に基づいて回転軸Ｃの回転角度を算出する。ここで、Ａ相信号とＢ相信号は９０度の位相差を有する。したがって、回転角度算出部３は、Ａ相信号及びＢ相信号に基づいて回転体１の回転方向と回転量（角度）を算出する。
回転速度算出部４は、Ａ相信号及びＢ相信号の周波数を検出して回転軸Ｃの回転速度を算出する。
異常検出部５は、Ａ相信号及びＢ相信号に基づいて回転角度検出器１００の異常を以下のようにして検知する。まず、周波数解析部６が、Ａ相信号及びＢ相信号の周波数特性を算出する。周波数解析を行う手段として、例えばＦＦＴ解析を行うことができるが、これには限られない。
記憶部７は、トラック部１０から生成される回転体１の１回転あたりの信号の数を記憶する。回転体１が１回転する時間は、図２の下段に示すように隣り合うＺ相信号間の時間として求められる。図２に示した例では、１つのＺ相信号が時刻ｔ1において現れ、次のＺ相信号が時刻ｔ2において現れているため、回転体１が１回転する時間は、ｔ2−ｔ1で求められる。そして、時刻ｔ1とｔ2の間に現れるＡ相信号またはＢ相信号の数をカウントし、記憶部７に記憶する。
信号周波数算出部８は、記憶部７で記憶したＡ相信号またはＢ相信号の数に、回転速度算出部４で算出した回転速度を乗じた信号周波数を算出する。例えば、図３に示すように、信号周波数はｆ1と算出される。
そして、判定部９が、周波数特性に、算出した信号周波数ｆ1以上の高次成分が存在するか否かを判断する。例えば、図２の上段のＡ相信号またはＢ相信号の時間的変化を表すグラフにおいて、時刻ｔ0で、スリット明部に異物が付着したことによる曲線の変形が観測される（点線部分）。この異物による曲線の変形に起因してＡ相信号またはＢ相信号をＦＦＴ解析した結果、高次成分が、信号周波数ｆ1以上の周波数ｆ2において観測された場合に、異常を検出する。
判定部９が異常を検出した場合は、判定結果を外部装置６０に出力してもよい。外部装置６０は異常が生じたことに基づいて警告を発生することができる。
なお、信号周波数ｆ1よりも低次の周波数成分が観測された場合は、軸３０の振れや回転体１の楕円運動など、回転体１への異物の付着とは別の要因により出現するものであるので、回転体１に異物が付着したものではないと判断することができる。
なお、図３には１つの異物が付着した場合を例示しているが、複数の異物が付着した場合であっても異常を検知することが可能である。
次に、本発明の実施例に係る回転角度検出器の動作手順について、図４に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、モータ等を駆動することによりモータの軸３０に設けられ、回転軸Ｃの回転角度を検出するためのトラック部１０を含む回転体１（図１参照）を、回転軸Ｃを中心に回転させる。
次に、ステップＳ１０２において、トラック部１０に対応して配置した検知部２を用いて、トラック部１０のＡ相用トラック１２、及びＢ相用トラック１３に設けられたスリットを透過する発光部４０からの光Ｌ２，Ｌ３に基づいて、Ａ相信号及びＢ相信号を生成する。
次に、ステップＳ１０３において、回転速度算出部４が、Ａ相信号及びＢ相信号に基づいて回転軸Ｃの回転速度を算出する。
次に、ステップＳ１０４において、信号周波数算出部８が、記憶部７であらかじめ記憶していた１回転あたりの信号の数に、回転速度を乗じた信号周波数を算出する。
次に、ステップＳ１０５において、周波数解析部６が、Ａ相信号及びＢ相信号から信号の周波数特性を算出する。
次に、ステップＳ１０６において、判定部９が、周波数特性に信号周波数以上の高次成分が存在するか否かを判断する。
周波数特性に信号周波数以上の高次成分が存在する場合には、ステップＳ１０７において、回転角度検出器１００に異常が生じていると判定する。
一方、周波数特性に信号周波数以上の高次成分が存在しない場合には、ステップＳ１０８において、回転角度検出器１００は正常であると判定する。
以上説明したように、トラック部のスリット数に起因する周波数以上の周波数成分を検出し、警告信号を出力することによって、異物浸入の早期発見を行うことができる。なお、ステップＳ１０３〜Ｓ１０４と、ステップＳ１０５は、同時に行なっても、順番が反対でも問題はない。
以上の説明においては、回転角度検出器として光学式の検出器を用いた場合を例にとって説明したが、磁気式の検出器を用いた場合であっても同様に本発明を実施することができる。
１ 回転体
２ 検知部
３ 回転角度算出部
４ 回転速度算出部
５ 異常検出部
６ 周波数解析部
７ 記憶部
８ 信号周波数算出部
９ 判定部
１０ トラック部

Claims (1)

  1. 回転軸の回転角度を検出するためのトラック部を含む回転体と、
    前記トラック部に対応して配置した検知部と、
    前記検知部にて生成される信号に基づいて回転軸の回転角度を算出する回転角度算出部と、
    前記信号に基づいて回転軸の回転速度を算出する回転速度算出部と、
    前記信号に基づいて異常を検知する異常検出部と、
    を具備し、
    前記異常検出部は、
    前記信号の周波数特性を算出する周波数解析部と、
    前記トラック部から生成される回転体の一回転あたりの信号の数を記憶する記憶部と、
    該記憶部で記憶した前記信号の数に、前記回転速度算出部で算出した前記回転速度を乗じた信号周波数を算出する信号周波数算出部と、
    前記周波数特性に、前記信号周波数以上の高次成分が存在する場合に、異常を検出する判定部と、
    を有することを特徴とする回転角度検出器。
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