JP4995605B2 - 回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立して設置されるロータ部およびステータ部を含み、ロータ部に記録されたアブソリュート位置を示す情報をステータ部に設けられたアブソリュートセンサにより読み取る回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置に関する。

従来、工作機械の円テーブル等の回転軸では、サーボモータにウォームギア等の減速機を組み合わせた駆動方式が使用されていた。しかし、減速機を用いた駆動方式では、バックラッシによる精度悪化の問題や回転速度向上に限界があった。このため、最近では高精度化高速化が容易な、ビルトインモータを組み込んだダイレクトモータ駆動方式が回転軸に使用されるようになってきた。

一般に、ビルトインモータの制御に必要な磁極位置検出、速度検出、位置検出をする目的のため、ダイレクトモータ駆動方式の回転軸では、回転型アブソリュートエンコーダが使用されている。

従来の回転型アブソリュートエンコーダとしては、特許文献１のようなものが知られている。この回転型アブソリュートエンコーダでは、ロータ部に任意の回転位置で連続するＮビットがすべて異なるアブソリュートコードが記録され、ステータ部がロータ部のＮビットのコードを読み取り、アブソリュート位置を検出する。

特開２００５−６１９０７号公報

従来の回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置では、万一Ｎビットのコードの１ビットでも読み取りミスがあった場合に、異常を検出できずに間違ったアブソリュート位置検出する可能性があった。ただし、このような場合でも、ロータ部が回転することにより直ちにアブソリュート位置の異常を検出することが可能である。しかし、アブソリュート位置の信頼性を高めるため、静止した状態でアブソリュート位置の異常を検出できるようにする場合、ステータ部において異常検出用の冗長ビットとして２Ｎビット程度のアブソリュートコードを読めるようにする必要があった。２Ｎビットものアブソリュートコードを読めるようにする場合、アブソリュートコードを読み取るセンサをロータ部の曲率に合わせてステータ部の表面に配置する必要がある。さらに、ロータ部のサイズごとにステータ部を個別に用意する必要がある。このため、特許文献１に記載されているような、多種のロータ径に対して１種類のステータ部で対応することが困難になるという問題があった。

また、アブソリュートエンコーダの信頼性を向上させる方法として、２台のアブソリュートエンコーダを機械に設置する方法があるが、この方法は、エンコーダ設置スペースを２倍必要とし、コストも２倍以上となる問題があった。

本発明は、独立して設置されるロータ部およびステータ部を含み、前記ロータ部には１回転内のアブソリュート位置を示す情報が記録されており、前記ステータ部にはロータ部に記録されたアブソリュート位置を示す情報を読み取るアブソリュートセンサが搭載されている回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置において、前記ロータ部の回転中心に対して、任意の角度Ｍ度異なる位置に２つの独立したステータ部が設置され、一方のステータ部が検出したアブソリュート位置と他方のステータ部が検出したアブソリュート位置の差がＭ度に対して予め設定した偏差以上になった場合に、位置検出異常とする。

また、前記ロータ部には、任意の回転位置で連続する２以上の正の任意の整数であるＮビットの各ビットがすべて異なるアブソリュートコードが記録され、前記２つのステータ部は、それぞれロータ部のＮビットのコードを読み取り、アブソリュート位置を検出することが好適である。

また、前記２つのステータ部は、前記ロータ部回転中心に対して、１８０度異なる位置に対向設置され、それぞれ、独立してアブソリュート位置を検出するための信号処理回路を内蔵し、検出したアブソリュート位置を外部装置へ送信し、前記外部装置は受信した２つの前記アブソリュート位置情報の差が１８０度に対して、予め設定した偏差以上になった場合に位置検出異常とすることが好適である。

また、前記２つのステータ部は、前記ロータ部回転中心に対して、１８０度異なる位置に対向設置され、それぞれ、独立してアブソリュート位置を検出するための信号処理回路を内蔵するとともに、バス結合のシリアルネットワークを介して外部装置と接続され、一方のステータ部は、外部装置からの要求指令を受信すると、自身が検出したアブソリュート位置を送信し、他方のステータ部は、一方が送信したアブソリュート位置を受信し、その受信したアブソリュート位置と、自身が検出したアブソリュート位置の差が１８０度に対して、予め設定した偏差以上になった場合に位置検出異常として、外部装置に通知することが好適である。

本発明の回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置によれば、アブソリュートコードの読み取りミスが発生し、アブソリュート位置を間違えた場合、２つあるステータ部が検出した２つのアブソリュート位置を比較することにより、確実にアブソリュート位置の異常を検出できる。従って、必要最低限のアブソリュートコードしか読み取ることができないステータ部を利用することができる。また、多種のロータ径に対して、１種類のステータ部で対応可能なアブソリュートエンコーダを実現させながら、アブソリュート位置検出の信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、２つのステータ部をロータ部回転中心に対して１８０度異なる位置に対向設置した場合、２つの検出したアブソリュート位置の平均位置を求めることにより、ロータ部の偏心による精度悪化をキャンセルする効果も得られる。このため、ステータ部を２つにすることで、アブソリュート位置の信頼性向上と合わせて、高精度化できるというメリットも付加することが可能である。

また、信頼性を上げるために、アブソリュートエンコーダを２組設置する装置に比べ、ロータ部分を共通に使用できるため、本アブソリュートエンコーダは、設置スペースも小さく、少ないコストで実現できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

「実施形態１」
図１は、本発明の回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置の実施形態１を示す図である。ステータ部３，１３は、ロータ２を挟んで対向して配置している。ステータ部３，１３は、直方体形状であり、全体として円板状のロータ２の外周面に隣接して立設されている。従って、ステータ部３，１３におけるロータ２の中心を通る水平線の位置がロータ２に最も近く、それより上、下では、ロータ２との距離が離れていく。

ステータ部３，１３のロータ２の外周部に対向する面には、それぞれ一定のギャップをあけてほぼ等間隔に配置した各５個の磁気センサ４，５，６，７，８、１４，１５，１６，１７，１８が設けられている。また、ステータ部３，１３には、図示していないが、ロータ中心方向へ磁束を発する永久磁石が内蔵されている。

例えば、モータの回転軸に接続される中空軸１には、磁性材料から成り中心に穴のあいた円板状のロータ２が接合されている。ロータ２には、外周部を切り欠くことで図６の表に示すような５ビットでアブソリュート位置を示す循環周期が３０の循環コードが記録されている。

なお、ロータ２に記録されている循環コードの１ビットに相当する間隔は、ステータ部３，１３に配置された磁気センサ４，５，６，７，８及び、磁気センサ１４，１５，１６，１７，１８の配置間隔とほぼ同じ間隔である。

次にステータ部３，１３の信号処理回路を説明する。

図３は、ステータ部３が内蔵する信号処理回路を示すブロック図である。５個の磁気センサ４，５，６，７，８によりセンスしたロータ外周の凹凸状態を示す信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、２値化回路３１で磁気センサが読み取ったロータ外周部の循環コード５ビット分を示すデータＭＣに変換され、アドレス信号としてＲＯＭ３２に入力される。

ＲＯＭ３２には、図６の表に示されるロータ２に記録された循環周期が３０の循環コード（５ビット）をアドレスに対応させ、対応するアドレスのデータが回転位置となるように予め記憶されている。ここでは、十六進数のデータ$0000が回転角0度、データ$8000が回転角180度となるように表現されている。

これにより、ＲＯＭ３２は、データＭＣに基づいてロータ２のアブソリュート位置データＰ０を示すデータに変換する。送信ＩＦ３０は、図１の外部装置９のモータコントローラ等から要求指令ＲＸ１を受けると、ロータ２のアブソリュート位置データＰ０をシリアル通信信号ＴＸ１に変換して、モータ制御装置等の外部装置９へ送信する。

一方、ステータ部１３にも図３と同様な信号処理回路が内蔵されており、ステータ１３に含まれる信号処理回路では、センサ４，５，６，７，８がセンサ１４，１５，１６，１７，１８に、シリアル通信信号ＲＸ１，ＴＸ１がＲＸ２，ＴＸ２に名前が置き換わるのみであり、機能は同じである。

図４は、図1の外部装置９の位置検出処理を示すブロック図である。このブロック図内の変数は、総て１６ビット内の十六進数処理され、十六進数の$8000が回転角180度となる単位系で表現される。受信ＩＦ２０１は、ステータ部３のシリアル通信信号ＴＸ１を位置データＰ１に変換する。同様に、受信ＩＦ２０２は、ステータ部１３のシリアル通信信号ＴＸ２を位置データＰ２に変換する。位置オフセット２１は、製造時にステータ部３，１３の取付角度Ｍ（本実施形態では、１８０度であるので$8000）を、不揮発性メモリ等を用いて予め保存しておく。位置データＰ２とステータ部３，１３の取付角度Ｍを加算し、位置オフセット修正後の位置データＰ３とする。

平均化器２２は、以下の処理を行い、２つの検出したアブソリュート位置の平均位置ＰＡを求めることにより、ロータ部の偏心による精度悪化をキャンセルする。
ＰＡ＝Ｐ１＋（Ｐ３−Ｐ１）／２ ・・・数式１
減算器２３は、以下の処理を行い、２つの検出したアブソリュート位置の差ＤＰを求める。
ＤＰ＝Ｐ３−Ｐ１ ・・・数式２
ただし、ＤＰ＞$8000 の場合は、ＤＰ＝$10000−ＤＰ

偏差設定値２４には、製造時に位置検出異常の閾値ＤＳを、不揮発性メモリ等を用いて予め保存しておく。比較器２５は、２つの検出したアブソリュート位置の差ＤＰが、位置検出異常の閾値ＤＳよりも大きい場合に、位置検出異常信号ＡＬを出力する。モータ制御装置等では、この位置検出異常信号ＡＬにより、非常停止状態とし、モータ制御を停止させる。

「実施形態２」
図２は、本発明の回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置の実施形態２を示す図である。また、図５は、ステータ部３３の信号処理回路を示すブロック図である。図１などに示す前記実施形態１と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態においては、図１におけるステータ部３，１３に代えて、ステータ部３３，４３を有している。ステータ部４３は、独立してアブソリュート位置を検出するための信号処理回路を内蔵し、バス結合のシリアルネットワークを介して、外部装置３４とステータ部３３に接続される。この信号処理回路は、図１のステータ部３と信号処理回路はほとんど同じであり、違いは、シルアル通信の形式をバス結合としたことのみである。ステータ部４３は、外部装置３４からの要求指令ＲＸを受信すると、アブソリュート位置データＰ０をシリアル通信信号ＴＸ１に変換して、外部装置３４とステータ部３３へ送信する。
ステータ部３３内の送受信ＩＦ３５は、図２の外部装置３４からの要求指令ＲＸを受信すると、ステータ部４３が送信したシリアル通信信号ＴＸ１を受信し、アブソリュート位置Ｐ１０に変換する。平均化器２２は、２つのアブソリュート位置Ｐ１０、Ｐ３０の平均位置ＰＡ０を求めることにより、ロータ部の偏心による精度悪化をキャンセルしたアブソリュート位置ＰＡ０を出力する。また、減算器２３と比較器２５は、２つのアブソリュート位置Ｐ１０、Ｐ３０の差ＤＰ０が、予め設定した偏差ＤＳ以上になった場合に位置検出異常信号ＡＬ０を出力する。そして、送受信ＩＦ３５は、平均位置ＰＡ０と位置検出異常信号ＡＬ０をシリアル信号ＴＸ２に変換して、外部装置３４に送信する。

なお、２つのステータ部を常に１８０度異なる位置に対向設置するように限定すれば、取付角度Ｍを予め設定する必要が無い。さらには、本異常検出装置は、２つのステータ部が精度改善効果の有る１８０度異なる位置に正常に設置されているかの設置状態をチェックする働きも有している。

このように、本実施形態によれば、不規則循環コードを利用して絶対角度を算出するアブソリュートエンコーダの位置検出異常を備え、２つのステータによる位置検出により検出の異常を判定することができる。従って、多種のロータ径に対して同一のステータ部で対応することが可能である。

本発明のアブソリュートエンコーダの異常検出装置の実施形態を示す図である。 本発明の別のアブソリュートエンコーダの異常検出装置の実施形態を示す図である。 図１，図２のステータ部３，１３が内蔵する信号処理回路の一例を示すブロック図である。 図１の外部装置９が内蔵する信号処理回路の一例を示すブロック図である。 図２のステータ部３３が内蔵する信号処理回路の一例を示すブロック図である。 図３，図５のＲＯＭ３２の内容を説明する表である。

符号の説明

１ 中空軸、２ ロータ、３，１３，３３，４３ ステータ部、４，５，６，７，８，１４，１５，１６，１７，１８ 磁気センサ、９，３４ 外部装置、２０１，２０２ 受信ＩＦ、２１ 位置オフセット、２２ 平均化器、２３ 減算器、２４ 偏差設定値、２５ 比較器、３０，３５ 送受信ＩＦ、３１ ２値化回路、３２ ＲＯＭ。

Claims (2)

1. 独立して設置されるロータ部およびステータ部を含み、前記ロータ部の外周面には１回転内のアブソリュート位置を示す情報が記録されており、前記ステータ部にはロータ部の外周面に記録されたアブソリュート位置を示す情報を読み取るアブソリュートセンサが搭載されている回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置において、
   前記ロータ部の回転中心に対して、任意の角度Ｍ度異なる位置に２つの独立したステータ部が設置され、
   前記２つのステータ部は、それぞれ、独立してアブソリュート位置を検出するための信号処理回路を内蔵するとともに、シリアルネットワークを介して外部装置と接続され、
   前記外部装置は受信した一方のステータ部が検出したアブソリュート位置と他方のステータ部が検出したアブソリュート位置の差がＭ度に対して一定の偏差以上になった場合に、位置検出異常とする回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置。
2. 独立して設置されるロータ部およびステータ部を含み、前記ロータ部には１回転内のアブソリュート位置を示す情報が記録されており、前記ステータ部にはロータ部に記録されたアブソリュート位置を示す情報を読み取るアブソリュートセンサが搭載されている回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置において、
   前記ロータ部の回転中心に対して、２つの独立したステータ部が、１８０度異なる位置に対向設置され、それぞれ、独立してアブソリュート位置を検出するための信号処理回路を内蔵するとともに、バス結合のシリアルネットワークを介して外部装置と接続され、一方のステータ部は、外部装置からの要求指令を受信すると、自身が検出したアブソリュート位置を送信し、他方のステータ部は、一方が送信したアブソリュート位置を受信し、その受信したアブソリュート位置と、自身が検出したアブソリュート位置の差が１８０度に対して、予め設定した偏差以上になった場合に位置検出異常として、外部装置に通知することを特徴とする請求項１記載の回転型アブソリュートエンコーダの異常検出装置。
   

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