JP6739886B1

JP6739886B1 - エンコーダの寿命予測方法

Info

Publication number: JP6739886B1
Application number: JP2019114249A
Authority: JP
Inventors: 卓美渡邉
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JP2021001743A

Abstract

【課題】精度良くエンコーダの寿命を予測する方法を提供する。【解決手段】エンコーダ（１）に設けられているＬＥＤ（２）について、周囲温度とＬＥＤの推定寿命との関係である［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が、ＬＥＤに入力される電流の大きさ毎に明らかになっていることを前提とする。メーカから周囲温度とＬＥＤ推定寿命の関係がグラフ等によって提供されており、これから［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を所定の数式で与える。そして、ＬＥＤに通電するときの単位時間ＵｔあたりにＬＥＤ（２）が受けるダメージｄを計算する。ダメージｄが累積して累積値Ｄが１．０に到達すると、ＬＥＤ（２）の寿命、すなわちエンコーダ（１）の寿命に到達すると判断する。このようにしてエンコーダ（１）の寿命を予測する。【選択図】図２

Description

本発明は、被検出体の回転位置を検出するエンコーダの寿命を予測する方法に関するものであり、特に電動射出成形機のモータに設けられているエンコーダの寿命予測方法に好適な、エンコーダの寿命予測方法に関するものである。

従来周知のように、電動射出成形機は金型を型締めする型締装置、樹脂を射出する射出装置、成形品を突き出す突出装置等、から構成されており、各装置はモータによって駆動されるようになっている。モータにはエンコーダが設けられ、エンコーダによって検出されるモータの回転位置に応じてモータ制御回路がモータを制御するようになっている。エンコーダは、光学的な手段により回転位置を検出する光学式のタイプが広く採用されている。光学式エンコーダは、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光を受光する受光素子と、ＬＥＤと受光素子の間に設けられているスリットとから構成されている。スリットはモータの回転軸と一体的に回転するようになっており、スリットの回転位置によってＬＥＤからの光が遮断されたり透過される。例えばインクリメンタルエンコーダの場合には、受光素子において受光された回数をカウントすることによって回転位置が検出されるようになっている。

特開２０１０−１８８５３２号公報

このようなＬＥＤを光源としている光学式エンコーダは、ＬＥＤの劣化によって寿命を迎える。ＬＥＤは長期間使用すると徐々に光の出力が低下するが、光量の低下に伴って受光素子における検出エラーが発生しやすくなる。特許文献１にはＬＥＤの光量の低下を予測して、それによってエンコーダの寿命を予測する方法が記載されている。特許文献１に記載のエンコーダは、インクジェットプリンタの記録ヘッドを搭載しこれを駆動するキャリッジの位置を検出するためのものである。エンコーダに設けられているＬＥＤは長時間の使用によって光量が低下するが、光量の低下の度合いとインクの積算使用量とは相関がある。いずれもインクジェットプリンタの使用時間と相関があるからである。そこで、ＬＥＤの光量が低下して受光素子における光の検出漏れが発生する検知限界、つまり限界光量に低下するとき、そのときのインク積算使用量を得て、インク積算使用量とＬＥＤの劣化の度合いとの関係を得る。この関係に基づいて、インク積算使用量からＬＥＤの寿命を予測するようにする。

エンコーダはモータの制御において重要であり、電動射出成形機のような装置においてエンコーダが故障すると制御が正しくできず、危険がある。そこでエンコーダの寿命を精度良く予測して適切に交換する必要がある。エンコーダの寿命を、ＬＥＤの光量の低下を予測することによって予測する方法は、エンコーダを構成する部材や素子の中でＬＥＤが最も劣化し易いので合理的である。従って、特許文献１に記載の方法はインク積算使用量からＬＥＤの寿命を予測し、それによってエンコーダの寿命を予測しているので優れていると言える。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、ＬＥＤの寿命を予測するとき、ＬＥＤの劣化を直接評価するのではなく、インクの積算使用量から間接的にＬＥＤの劣化を予測するようにしている。そうすると、必ずしも高い精度での寿命予測が実施できるとは言えない。このことはインクの使用量が、印刷物によって増減することからも言える。つまりインクを大量に使う印刷物もあればそうでない印刷物もあり、インクの積算使用量とＬＥＤの劣化の相関は印刷物によって変わる可能性があるからである。そうすると、エンコーダの寿命を精度良く予測したい場合に、特許文献１に記載の方法は参考にならない。

本発明は、上記したような問題点を解決した、エンコーダの寿命予測方法を提供することを目的としており、具体的には、エンコーダを構成する部品や素子のうち最も劣化が早いＬＥＤについて精度良く寿命を予測することができ、それによって精度良くエンコーダの寿命を予測する方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、エンコーダの寿命予測方法として構成されるが、前提としてエンコーダに設けられているＬＥＤについては、周囲温度とＬＥＤの推定寿命との関係である［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が、ＬＥＤに入力される電流の大きさ毎に明らかになっているものとする。一般的にメーカから周囲温度とＬＥＤ推定寿命の関係がグラフ等によって提供されているが、これは実質的に［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が明らかになっていると言える。本発明では、［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を所定の数式で与える。そして、ＬＥＤに通電するときの単位時間あたりにＬＥＤが受けるダメージを計算する。ダメージが累積して累積値が１．０に到達すると、ＬＥＤの寿命、すなわちエンコーダの寿命に到達すると判断する。このようにしてエンコーダの寿命を予測する。

かくして、請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、ＬＥＤと受光素子とを備え、所定の被検出体と一体的に回転するスリットを介して前記ＬＥＤからの光を前記受光素子が検出し、それによって前記被検出体の回転位置を検出するエンコーダであって、前記ＬＥＤについて周囲温度とＬＥＤの推定寿命との関係である［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が、前記ＬＥＤに入力される電流の大きさ毎に明らかになっている、そのような前記エンコーダの寿命予測方法であって、前記ＬＥＤにおいて所定の電流で通電するときの前記［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を

によって与え、前記ＬＥＤに通電するとき単位時間Ｕ_ｔあたりの前記ＬＥＤのダメージｄを

と評価して、

によって与えられる前記ダメージｄの累積値Ｄが１．０に到達するとき前記エンコーダが寿命に到達するとして前記エンコーダの寿命を予測することを特徴とする、エンコーダの寿命予測方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンコーダの寿命予測方法は、射出成形機の各装置を駆動するモータに設けられているエンコーダにおいて実施することを特徴とする射出成形機のエンコーダの寿命予測方法として構成される。

以上のように、本発明は、ＬＥＤと受光素子とを備え、所定の被検出体と一体的に回転するスリットを介してＬＥＤからの光を受光素子が検出し、それによって被検出体の回転位置を検出するエンコーダであって、ＬＥＤについて周囲温度とＬＥＤの推定寿命との関係である［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が、ＬＥＤに入力される電流の大きさ毎に明らかになっている、そのようなエンコーダを対象としている。ＬＥＤは、［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数についてメーカーから入手が可能であり実質的にほとんどのエンコーダが対象になる。そして本発明では、ＬＥＤにおいて所定の電流を通電するときの［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を所定の式で与え、それによってＬＥＤに通電するとき単位時間Ｕ_ｔあたりの前記ＬＥＤのダメージｄを計算する。そしてダメージｄの累積値が１．０になるときエンコーダが寿命に達すると判断する。すなわちＬＥＤの寿命を予測することによってエンコーダの寿命を予測する。従って、エンコーダの寿命を精度良く予測できる。エンコーダの周囲温度は季節によって大きく変わり、周囲温度によってＬＥＤの劣化の進行が変わってくるが、本発明では単位時間あたりのＬＥＤのダメージを評価し、これを累積してＬＥＤの寿命つまりエンコーダの寿命を予測するようにしているので、周囲温度が変化する環境であっても正確に寿命を予測することができる。請求項２に係る発明によると、請求項１に記載のエンコーダの寿命予測方法は、射出成形機の各装置を駆動するモータに設けられているエンコーダにおいて実施するようになっている。射出成形機の内部は高温になり、エンコーダの劣化が進行し易いが、エンコーダの周囲温度は成形する成形品によって、あるいは射出する樹脂の種類によって変わる。周囲温度が変化する環境でも前記したように精度良くエンコーダの寿命を予測できるので、適切にエンコーダを交換して故障を未然に防ぐことができる。

エンコーダの内部構造を模式的に示す斜視図である。ＬＥＤのメーカーが公開している、ＬＥＤの周囲温度とＬＥＤの推定寿命の関係を示すグラフである。

以下、本実施の形態について説明する。本実施の形態に係るエンコーダの寿命予測方法は、一般的な光学式エンコーダであればどれでも実施できるが、電動射出成形機に設けられているエンコーダを例として説明する。電動射出成形機は、金型を型締めする型締装置、樹脂を射出する射出装置等から構成されており、例えば型締装置がトグル式であればトグル機構のクロスヘッドをボールネジによって駆動している。ボールネジはサーボモータで回転され、エンコーダによって正確にサーボモータの回転軸の回転位置が検出されるようになっている。従ってサーボモータを回転するとき、エンコーダによって検出される回転位置からクロスヘッドの位置を正確に検出でき、精度良く型開閉できる。

エンコーダは絶対的な回転位置を検出することができるオブソリュートエンコーダもあるし、相対的な回転位置の変化量を検出するインクリメンタルエンコーダもあるが、いずれもＬＥＤとスリット板と受光素子とからなる。図１には後者のインクリメンタルエンコーダの内部構造が簡略的に示されている。すなわちエンコーダ１は、ＬＥＤ２と、モータの回転軸と一体的に回転する回転スリット板４と、固定スリット板５と、２個の受光素子７、７とから構成されている。回転スリット板４には円周方向に複数個のスリット９、９、…が均等の間隔で明けられている。回転スリット板４の一方の側にＬＥＤ２が配置され、ＬＥＤ２から発光される光が一部のスリット９、９、…を通って回転スリット板４の他方の側に到達するようになっている。固定スリット板４はこの他方の側に設けられ、固定スリット板４にも２個のスリット１０、１０が設けられている。ＬＥＤ２からスリット９、９、…を通過する光は、回転スリット板４の回転位置によって固定スリット板４で遮断されたり、スリット１０、１０を通過するようになっている。このスリット１０、１０の近傍に、受光素子７、７が配置されている。回転スリット板４が回転すると受光素子７、７においてＬＥＤ２からの光が断続的に検出されることになり、検出の回数をカウントすると相対的な回転位置の変化量を検出できる。なお、スリット１０、１０の間隔は、スリット９、９、…の間隔よりわずかに幅広になっているので、回転スリット板４が回転して光が検出されるとき、２個の受光素子７、７による検出のタイミングがわずかにずれる。このずれ方を検出することによって回転の方向も検出できるようになっている。

本実施の形態に係るエンコーダ１に設けられているＬＥＤ２についても、他のＬＥＤと同様に、所定の標準条件下において使用する場合の、その周囲温度とＬＥＤの寿命との関係がＬＥＤのメーカによって公開されている。この関係は図２に示されているようにグラフ１１〜１５としてメーカから入手できる。メーカでは、多数のＬＥＤに所定の電流を入力してＬＥＤを発光させる実験を実施しており、実験によって発光量が７０％以下に低下したＬＥＤの個数を調べ、これが全体の個数の５０％に達した時間をもってＬＥＤの寿命としている。図２においては、グラフ１１はＬＥＤに対して１０ｍＡの電流を入力したときの、グラフ１２は２０ｍＡの電流を入力したときの、グラフ１３は３０ｍＡの電流を入力したときの、グラフ１４は４０ｍＡの電流を入力したときの、そしてグラフ１５は５０ｍＡの電流を入力したときの、それぞれの寿命を示している。これらのＬＥＤの寿命を示すグラフ１１〜１５はそれぞれ［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数として扱うことができる。

本実施の形態においてはエンコーダ１のＬＥＤ２には３０ｍＡの電流が通電されるようになっているので、グラフ１３について［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を得ることにする。このグラフ１３は、横軸が周囲温度Ｔ［Ｋ］の逆数であり、縦軸がＬＥＤ推定寿命［ｈ］になっていて、縦軸が常用対数目盛からなる片対数グラフになっている。グラフ１３はこの目盛上で１次関数になっているので、次の１式のように書くことができる。

グラフ１３において具体的な数値を読み取って定数Ｃ_２、Ｃ_３を求めるとＣ_２＝１３５７、Ｃ_３＝０．８０３が得られる。そうすると［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数は２式のように書ける。

２式を変形すると次の３−１式になる。３−１式を一般式として定数Ｃ_１、Ｃ_２を使って表すと３−２式となる。つまり、入力電流が３０ｍＡのときの寿命を表すグラフ１３については、３−２式においてＣ_１＝６．３５、Ｃ_２＝１３５７とすればよい。

３−２式を使えば、一定の周囲温度Ｔの元でエンコーダ１を使用し続けたときのＬＥＤ２の寿命を計算できるので、ＬＥＤ２の寿命つまりエンコーダ１の寿命を計算することができる。しかしながら周囲温度Ｔは季節によっても異なるし、電動射出成形機の運転の条件によっても変化する。そうすると３−２式によっては正確な寿命を予測することができない。そこで本実施の形態においては、単位時間あたりのＬＥＤ２の劣化量、つまりダメージを計算し、ダメージの積算量が一定に達したら寿命であると計算する。具体的には、以下の式を用いる。

４−１式は、ＬＥＤ２を通電したときの単位時間Ｕ_ｔあたりにＬＥＤ２が受けるダメージｄを表している。例えば単位時間Ｕ_ｔとして１分間を考える場合、１分間＝１／６０時間であるので、ダメージｄ_ｍは４−２式のように与えられる。周囲温度Ｔは一般的に変化するが１分間における変化量は十分に小さいと考えられるので、４−２式によってＬＥＤ２のダメージｄ_ｍを評価しても十分な精度が得られる。しかしながら単位時間Ｕ_ｔとして１秒間を扱う場合にはさらに高い精度でダメージｄを評価することができ、この場合は１秒間＝１／３６００時間として４−１式からダメージｄを計算すればよい。

単位時間Ｕ_ｔ毎にダメージｄを計算し、５−１式のように累積すればダメージｄの累積値Ｄが得られる。累積値Ｄが１．０に達したら、ＬＥＤ２が寿命に達したと判断できる。なお、単位時間Ｕ_ｔとして１分間を採用する場合には、５−２式によってダメージの累積値Ｄが計算でき、１分ごとのＬＥＤ２のダメージｄ_ｍを累積すればよい。本実施の形態に係るエンコーダの寿命予測方法は、ＬＥＤ２について単位時間Ｕ_ｔあたりのダメージｄを計算し、これを累積することによって寿命を予測するので、周囲温度Ｔが変化する環境にあっても精度良く寿命を予測できる。

本実施の形態においては、ＬＥＤ２に通電する電流は３０ｍＡとし、このときのＬＥＤ２の寿命つまりエンコーダ１の寿命を予測するようにしたが、異なる電流を通電する場合であっても同様に寿命を予測できる。図２のグラフに基づいて、３−２式の定数Ｃ_１、Ｃ_２を得ることができれば、同様にして寿命が計算できるからである。以下の６−１式、６−２式、６−３式、６−４式は、それぞれグラフ１１、グラフ１２、グラフ１４、グラフ１５に基づいて定数Ｃ_１、Ｃ_２を計算して得られた式であり、それぞれＬＥＤ２に通電する電流が１０ｍＡ、２０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡのときの式である。

１エンコーダ２ＬＥＤ
４回転スリット板５固定スリット板
７受光素子９スリット
１０スリット
１１〜１５ＬＥＤの寿命グラフ

Claims

ＬＥＤと受光素子とを備え、所定の被検出体と一体的に回転するスリットを介して前記ＬＥＤからの光を前記受光素子が検出し、それによって前記被検出体の回転位置を検出するエンコーダであって、前記ＬＥＤについて周囲温度とＬＥＤの推定寿命との関係である［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数が、前記ＬＥＤに入力される電流の大きさ毎に明らかになっている、そのような前記エンコーダの寿命予測方法であって、
前記ＬＥＤにおいて所定の電流で通電するときの前記［周囲温度−ＬＥＤ推定寿命］関数を

によって与え、
前記ＬＥＤに通電するとき単位時間Ｕ_ｔあたりの前記ＬＥＤのダメージｄを

と評価して、

によって与えられる前記ダメージｄの累積値Ｄが１．０に到達するとき前記エンコーダが寿命に到達するとして前記エンコーダの寿命を予測することを特徴とする、エンコーダの寿命予測方法。
請求項１に記載のエンコーダの寿命予測方法は、射出成形機の各装置を駆動するモータに設けられているエンコーダにおいて実施することを特徴とする射出成形機のエンコーダの寿命予測方法。