JP2006284520A - エンコーダおよびエンコーダ監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンコーダの劣化による異常を予測して、測定不能に至る前にその交換を促す。
【解決手段】 エンコーダ５０が、発光素子２と、光透過部および遮光部からなるパターンが設けられ回転ディスク１と、発光素子２からの光を回転ディスク１を介して受光する受光素子３とからなる測定部１０を有し、回転ディスク１の移動位置に応じた受光信号を出力するように構成され、その上で、受光信号の移動平均値を演算する時系列モニタ回路６３と、受光素子３の受光強度が低下して測定部１０が測定不能になるときに出力される受光信号の信号レベルよりも高い値に設定された判定値よりも移動平均値が低下したか否かを監視する電流モニタ回路６１と、移動平均値が判定値よりも低下した場合に警告を行う交換アラーム発生回路６６とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンコーダおよびエンコーダ監視システムに関する。

モータによって被駆動体を駆動する駆動装置は、従来から様々な分野の電子機器や産業用ロボット等の制御に広く用いられており、例えば産業用ロボットにおいては、そのアームを屈伸動、旋回動させるために適用され、また、カメラなどの光学機器においても、モータによって駆動される撮影レンズを合焦位置に移動・停止させる自動焦点調節装置に適用されている。このような駆動装置には、制御に必要なロボットのアームやレンズの移動量、移動速度といったものを検出するための位置センサとしてロータリエンコーダが良く使われている。

ロータリエンコーダは、モータ等のアクチュエータの回転軸に固定されてその回転位置を検出する装置で、光学式および磁気式があり、このうち光学式のロータリエンコーダは、例えば特許文献１にも記載されているように、微小なスリットが等間隔に形成されてモータに取り付けられた回転ディスクを使用するものである。回転ディスクを挟んで一方には光源としての発光素子（ＬＥＤ）が、他方には発光素子と対向するように受光素子（フォトダイオード）が配置されており、発光素子から発光された光は受光素子によって受光され、受光した光の光量に応じた出力レベルのアナログ信号を出力可能になっている。このように構成された光学式のロータリエンコーダでは、モータの回転とともに回転ディスクが回転すると、発光素子から回転ディスクのスリットを通って受光素子へ達する光が周期的に遮断され、この光の変化を受光素子により検出することによって変位を検知することができるようになっている。このとき受光素子からは例えば９０度の位相差を持つ２つの擬似正弦波が出力され、増幅回路により増幅された後、２つの擬似正弦波はＡ／Ｄ変換回路内のコンパレータによって高電圧状態（ハイレベル）と低電圧状態（ローレベル）の２つの状態をとるデジタル信号（パルス信号）に変換されて出力される。このパルス信号は計測機器などの計数回路に入力され、モータの位置情報が算出されるようになっている。
特開２０００−２３４９４２号公報

ところで、上記のような光学式のエンコーダでは、発光素子や受光素子が経年劣化を起こすと、例えば発光素子から照射される光の光量が低下すると、これにともなって測定対象物の変位の測定精度が悪化するが、従来のエンコーダにおいては、ある程度劣化が進んで測定精度の信頼性が喪失した時点で、あるいは測定対象物の位置情報が検出不可能になるまで、エンコーダを使用し続けていた。そして、このようなエンコーダによる検出が不可能等になった時点でエンコーダの交換を促すアラームを出力し、その上でエンコーダを装備する駆動装置を一々停止させていた。発光素子や受光素子が経年劣化には、それが起きるまでの期間に個々にばらつきがあるため、駆動装置がいつ停止するかといった予測が不可能であることが多く、エンコーダの交換作業が煩雑になり非効率になり易いといった課題があった。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、エンコーダの劣化による異常を予測することのできるエンコーダおよびエンコーダ監視システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係るエンコーダは、光源と、光透過部および遮光部からなるパターンと、光源からの光をパターンを介して受光し、パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部と、受光部の受光強度が低下してパターンの移動が測定不能になる信号レベルよりも高い値に設定された判定値よりも信号レベルが低下したか否かを監視する監視手段と、信号が判定値よりも低下した場合に警告を行う警告手段とを有する。

また、上記構成のエンコーダにおいて、エンコーダは、警告が出されているエンコーダが交換される定期点検の間隔を登録する登録手段を有し、判定値は、警告手段により警告が行われてから測定不能になる信号レベルに低下するまでの期間が、定期点検の間隔と同じか又は長くなるレベルに設定されているのが好ましい。

さらに、上記構成のエンコーダにおいて、信号の移動平均値を演算する演算手段を有し、監視手段が、移動平均値が判定値よりも低下したか否かを監視するのが好ましい。

また、前記課題を解決するために本発明に係るエンコーダは、光源と、光透過部および遮光部からなるパターンと、光源からの光をパターンを介して受光し、パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部と、受光部で受光する光量が一定になるように光源に流れる電流値を変化させる光源制御装置と、光源に流す電流値が、光源の光量がパターンの移動が測定不能になる光量になる電流値よりも小さい電流値に設定された判定値以上に上昇したしたか否かを監視する監視手段と、光源に流す電流値が判定値以上になった場合に警告を行う警告手段とを有する。

また、上記構成のエンコーダにおいて、エンコーダは、警告が出されているエンコーダが交換される定期点検の間隔を登録する登録手段を有し、判定値は、警告手段により警告が行われてから測定不能になる電流値に上昇するまでの期間が、定期点検の間隔と同じか又は長くなる電流値に設定されているのが好ましい。

また、前記課題を解決するために本発明に係るエンコーダ監視システムは、光源と、光透過部および遮光部からなるパターンと、光源からの光をパターンを介して受光し、パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部とを有するエンコーダと、エンコーダからの信号に基いて信号の移動平均値を演算する演算手段と、受光部の受光強度が低下してパターンの移動が測定不能になる信号レベルよりも高い値に設定された判定値よりも信号レベルが低下したか否かを監視する監視手段と、移動平均値が判定値よりも低下した場合に警告を出力する警告手段とを有する。

本発明に関するエンコーダおよびエンコーダ監視システムによれば、エンコーダの劣化による異常を予測することが可能である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図１から図４を参照して説明する。図１に本発明に係るエンコーダ５０およびエンコーダ５０を装備したモータ（ＡＣサーボモータ）を駆動制御するコントローラ１００を示している。このエンコーダ５０は、発光素子２等からなる光学式のエンコーダ５０を用いてエンコーダ５０を装備した図示しないモータの回転位置を検出するものであり、測定部１０およびデータ処理部５とに大別される。

測定部１０は、モータの変位を検出するための疑似正弦波信号を生成する。一方、データ処理部５は、測定部１０で生成された擬似正弦波信号を用いてモータの回転位置を検出するとともに、擬似正弦波信号の異常の有無を判断する。また、外部装置としての外部コントローラ１００はエンコーダ５０と半二重シリアル通信可能であり、エンコーダ５０からの変位検出値および信号の異常の有無は、データ処理部５から外部のコントローラ１００に向けて送信可能である。このコントローラ１００は、エンコーダ５０によるモータの変位検出値に応じてモータを駆動制御し、エンコーダ５０により擬似正弦波信号の異常が判断された場合には所定の措置をとる。

測定部１０は、ＬＥＤなどの発光素子２（光源）、回転ディスク１（スケール）、シリコンフォトダイオードなどの受光素子３、増幅回路４およびアラーム回路６を有して構成される。回転ディスク１にはその周方向に複数のスリット（パターン）が所定の間隔で形成されており、回転ディスク１の中心は、変位を計測する対象である図示しないモータの回転軸に固定されている。

また、発光素子２および受光素子３は、両者間に設けられる回転ディスク１を挟んで対向するようにそれぞれ配設される。発光素子２から射出した光は、図示しない照明光学系によって回転ディスク１に照射され、回転ディスク１のスリットを透過した光が受光素子３で検出される。受光素子３は、受光した光の強さに応じて検出信号を出力する。

アラーム回路６はその内部に電流モニタ回路６１を有しており、後述するように、受光素子３からの出力信号（発光素子２からの光量）を監視することで、発光素子２の経年劣化が発生しても、受光素子３からの出力信号の低下を小さく抑えるために、発光素子２に向けて流す電流を調節するものである。

データ処理部５においては、アブソリュートパターンまたはインクリメンタルパターンのＡ相、Ｂ相アナログ信号変換後のデジタルデータに基いてモータの変位（回転位置）が算出され、算出されたデータは位置データとして半二重シリアル通信により外部のコントローラ１００に向けて送信される。コントローラ１００においては、算出されたモータの回転位置に基いてモータにより駆動されるアクチュエータ等の位置変位が算出され、アクチュエータ等が所望の位置に変位するようにモータの制御が行われる。

ここで、図２を追加参照して、本発明に係るエンコーダ５０の発光素子２に流す電流をモニタして調節し、発光素子２の経年劣化を検出してこれを警告として報知するアラーム回路６について説明する。

このアラーム回路６は、電流モニタ回路６１、第１のコンパレータ６２、時系列モニタ回路６３、第２のコンパレータ６４、アラーム発生回路６５および交換アラーム発生回路６６を有して構成される。

電流モニタ回路６１は、発光素子２に流れる電流を常時モニタして、発光素子２に発生する経年劣化による受光素子３からの出力の低下をキャンセルするように発光素子２に流れる電流を制御するものである。具体的には、受光素子３の複数の検出素子から互いに位相が９０度ズレた状態で出力される出力信号（Ａ相信号およびＢ相信号）を増幅した増幅信号に応じて発光素子２に流れる電流を制御することで、受光素子３が受光する光量の大きさが低下しないように制御する（自動光量制御）ものである。

図３に電流モニタ回路６１による発光素子２における電流値の制御の様子を示す。図３の横軸は時間で、縦軸は光源（発光素子２）に流れる電流値である。図３に示すように、時間経過とともに進行する発光素子２の劣化の影響をなくすように電流が制御されるため、発光素子２に流れる当該電流は時間とともに増加する。

図３のラインＬ２やラインＬ３は、発光素子２の劣化の進行が比較的遅い場合であり、電流値は緩やかに増加するように制御される。一方、初期には劣化の進行が遅いものの、ある時点から劣化が急激に進行する場合においては、ラインＬ１にて示すように、最初は電流値は緩やかに増加するが、点Ｐ以降において劣化の急激な進行とともに電流値の時間増加率は高くなる。

図３の閾値レベルＴｈ１は、発光素子２の劣化を警告するアラームを発生させるために設定されており、その値はそれ以上電流値を上げても光量を一定にすることができず、エンコーダ５０が測定不能になる状態やその測定精度に信頼性がなくなった状態での発光素子２の電流値である。アラーム回路６の第１のコンパレータ６２（図４参照）は、発光素子２の電流値が閾値レベルＴｈ１を超えるか否かを常に監視しており、この値が閾値レベルＴｈ１を超えた場合にアラーム発生回路６５にその旨を出力し、アラーム発生回路６５が電流値が閾値レベルＴｈ１を超えた旨の警告を発生させる。

アラーム発生回路６５により、このようなアラームが発せられた場合、警告情報は一旦データ処理部５に入力された後、シリアル通信によりコントローラ１００に向けて送信され、コントローラ１００によるモータの駆動制御は停止する。また、コントローラ１００において所定の警告フラグが立てられるといった報知が行われ、これを認識した作業者がエンコーダ５０を劣化していないものに交換することで、モータの駆動制御が再び可能となる。

ところで、図３のラインＬ１にて示すような劣化のパターンは、ある時点Ｐにおいて発光素子２の電流値が急激に上昇するため（上昇するように制御されるため）、電流値が閾値レベルＴｈ１に達するのを事前に予測するのが難しい。一方、図３にラインＬ２やラインＬ３にて示すような劣化パターンのような場合においては、電流値がいずれ閾値レベルＴｈ１に達するであろうことを予測するのが可能である。

このため、本発明では、エンコーダ５０による測定が不能になってコントローラ１００によるモータの駆動制御が停止する閾値レベルＴｈ１よりも低い電流値において閾値レベルＴｈ２を新たに設定することで、エンコーダ５０の測定不能が近づいていることを事前に予測して、エンコーダ５０の停止前にエンコーダ５０の交換を促すようにすることが可能である。

また、閾値レベルＴｈ２は任意に設定可能であるが、ラインＬ２で示すような劣化パターンの場合、閾値レベルＴｈ２は、閾値レベルＴｈ２に達してからエンコーダによる測定が不能になる閾値レベルＴｈ１に達するまでの間に、性能が劣化した（警告が出ている）エンコーダを定期的にチェックして交換する定期点検を受けることができるレベルに設定することが好ましい。

この場合、アラーム回路６には、定期点検の期間（間隔）を登録するための入力装置６７が接続されている。例えば閾値レベルＴｈ２を、閾値レベルＴｈ１に達するまでに２〜４週間程度掛かるレベルに設定することが好ましい。定期点検の期間を３週間とすると、ラインＬ２の傾きを計算し３週間で上昇する電流値を計算し、３週間で上昇する電流値を閾値レベルＴｈ１から減算した電流値レベルが、閾値レベルＴｈ２として設定される。閾値レベルＴｈ２から閾値レベルＴｈ１に達するまでの時間が、定期点検と同じか又はそれよりも長ければ、閾値レベルＴｈ２に達して警告を発すると、その後３週間以内に定期点検が行われ、測定不能になる閾値レベルＴｈ１に達する前にエンコーダを交換することが可能になる。

次に、発光素子２に流す電流値を一定にした場合の光量の変化を図４に示す。図４においても図３と同様に、エンコーダ５０による測定が不能になる光量の閾値レベルＴｈ１と、それよりも高い光量でエンコーダ５０の測定不能が近づいていることを示す閾値レベルＴｈ２を示している。

図４におけるラインＬ４は光量の実データであり、回転ディスク１の回転位置によって受光する光量には強弱があるため、ラインＬ４の値は揺らぎながら時間経過とともに全体的に小さくなるように推移する。このような光量の挙動のため、光量が予測されるよりも早い時点で閾値レベルＴｈ２に達するまで低下する場合がある。このような場合、光量の実データに基いて光量が閾値レベルＴｈ２に達したか否かを判断すると、実データが初めて閾値レベルＴｈ２を超えるまで低下する点Ｑの時点で、閾値レベルＴｈ２に達したものと判断される。

これを避けて光量が予測される時点で閾値レベルＴｈ２に達するようにするため、本発明においては、電流モニタ回路６１から出力される電流値（すなわち受光素子３が受光する光の光量）を、一旦アラーム回路６内の時系列モニタ回路６３（図４参照）に入力させ、所定の時間（時系列モニタ回路６３に予め設定しておく）に時系列モニタ回路６３に入力される光量の移動平均をこの時系列モニタ回路６３によって演算する。

このようにして時系列モニタ回路６３により演算された光量の移動平均を、図４におけるラインＬ５にて示す。図に示すようにラインＬ５は揺らぐことなく低下するように推移しており、このラインＬ５は点Ｑよりも遅い時間である点Ｒの時点において、閾値レベルＴｈ２に達するまで低下する。

アラーム回路６の第２のコンパレータ６４（図２参照）は、受光素子３が受光する光量が閾値レベルＴｈ２を下回ったか否かを常に監視しており、この値が閾値レベルＴｈ２を下回った場合に交換アラーム発生回路６６に閾値レベルＴｈ２を達した旨を出力し、交換アラーム発生回路６６がエンコーダ５０の交換を促す警告を発生させる。

閾値レベルＴｈ２は電流値の場合と同様に任意に設定可能であるが、閾値レベルＴｈ２は、電流値の場合と同じように、エンコーダの測定が不能になる閾値レベルＴｈ１に達するまでの間に、性能が劣化した（警告が出されている）エンコーダが定期点検を受けることができるレベルに設定することが好ましい。

交換アラーム発生回路６６により、このようなアラームが発せられた場合、この警告情報は一旦データ処理部５に入力された後、シリアル通信によりコントローラ１００に向けて送信され、コントローラ１００において警告フラグが立てられ、エンコーダ５０の交換を促す所定の報知が行われる。具体的な報知の方法として、コントローラ１００を構成するパーソナルコンピュータのモニタ画面上に交換が必要なエンコーダ５０が分かるように映し出す方法や、どのエンコーダ５０が交換必要であるかが認識できるように当該パーソナルコンピュータから警告音を発する方法がある。そして、エンコーダのメンテナンスを行う作業者は、複数のエンコーダのうち上記のような方法で交換が報知されているエンコーダの交換を行って、エンコーダによる測定が再び可能になる。

なお、これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施例においては、エンコーダの交換が必要となる原因を発光素子２の経年劣化であるとして、これを監視したものであったが、受光素子３の劣化を監視したり、発光素子２と受光素子３との間に配設されたレンズの汚染等を監視するものであってもよい。

また、電流モニタ回路６１、時系列モニタ回路６３等を構成するアラーム回路６をエンコーダ５０ではなく、エンコーダ５０とシリアル通信可能なコントローラ１００内に設けてもよい。このように構成すれば、コントローラ１００がデータ処理部５を介して送信される受光信号（受光素子３が受光する光量）が閾値レベルＴｈ２を超えたか否かを常に監視し、光量が閾値レベルＴｈ２に達したときにパーソナルコンピュータのモニタ画面上にエンコーダ５０の交換を促す報知を行うことが可能である。すなわち、電流モニタ回路６１等を含むアラーム回路６を必ずしもエンコーダ５０アッセンブリ内に設ける必要はない。

また、上記の実施例においては、いずれもモータ等のアクチュエータの回転量を検出可能であるロータリエンコーダを一例として説明したが、経年劣化による測定系の異常検出を光学式のリニアエンコーダに適用してもよい。

本発明に係るエンコーダの構成を示すブロック図である。 上記エンコーダに設けられたアラーム回路を示すブロック図である。 上記アラーム回路に設けられた電流モニタ回路により制御される発光素子に流れる電流値の時間変化を示す図である。 受光素子から出力される受光信号の大きさ、すなわち、光量の時間変化を示す図である。

符号の説明

１ 回転ディスク（パターン）
２ 発光素子（光源）
３ 受光素子（受光部）
４ 増幅回路
５ データ処理部
５ａ Ａ／Ｄコンバータ（信号変換手段）
６ アラーム回路
１０ 測定部
５０ エンコーダ
６１ 電流モニタ回路（光源制御装置）
６２ 第１のコンパレータ
６３ 時系列モニタ回路（演算手段）
６４ 第２のコンパレータ（監視手段）
６５ アラーム発生回路
６６ 交換アラーム発生回路（警告手段）
６７ 入力装置（登録手段）
１００ コントローラ
Ｔｈ１ 閾値レベル（アラーム発生）
Ｔｈ２ 閾値レベル（交換アラーム発生）

Claims (6)

1. 光源と、
   光透過部および遮光部からなるパターンと、
   前記光源からの光を前記パターンを介して受光し、前記パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部と、
   前記受光部の受光強度が低下して前記パターンの移動が測定不能になる信号レベルよりも高い値に設定された判定値よりも信号レベルが低下したか否かを監視する監視手段と、
   前記信号が前記判定値よりも低下した場合に警告を行う警告手段とを有することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記エンコーダは、前記警告が出されているエンコーダが交換される定期点検の間隔を登録する登録手段を有し、
   前記判定値は、前記警告手段により警告が行われてから前記測定不能になる信号レベルに低下するまでの期間が、前記定期点検の間隔と同じか又は長くなるレベルに設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記信号の移動平均値を演算する演算手段を有し、
   前記監視手段が、前記移動平均値が前記判定値よりも低下したか否かを監視することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンコーダ。
4. 光源と、
   光透過部および遮光部からなるパターンと、
   前記光源からの光を前記パターンを介して受光し、前記パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部と、
   前記受光部で受光する光量が一定になるように前記光源に流れる電流値を変化させる光源制御装置と、
   前記光源に流す電流値が、前記光源の光量が前記パターンの移動が測定不能になる光量になる電流値よりも小さい電流値に設定された判定値以上に上昇したしたか否かを監視する監視手段と、
   前記光源に流す電流値が前記判定値以上になった場合に警告を行う警告手段とを有することを特徴とするエンコーダ。
5. 前記エンコーダは、前記警告が出されているエンコーダが交換される定期点検の間隔を登録する登録手段を有し、
   前記判定値は、前記警告手段により警告が行われてから前記測定不能になる電流値に上昇するまでの期間が、前記定期点検の間隔と同じか又は長くなる電流値に設定されていることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
6. 光源と、光透過部および遮光部からなるパターンと、前記光源からの光を前記パターンを介して受光し、前記パターンの移動位置に応じた信号を出力する受光部とを有するエンコーダと、
   前記エンコーダからの信号に基いて前記信号の移動平均値を演算する演算手段と、
   前記受光部の受光強度が低下して前記パターンの移動が測定不能になる信号レベルよりも高い値に設定された判定値よりも信号レベルが低下したか否かを監視する監視手段と、
   前記移動平均値が前記判定値よりも低下した場合に警告を出力する警告手段とを有することを特徴とするエンコーダ監視システム。

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