JP5861053B2

JP5861053B2 - アブソリュートエンコーダシステム

Info

Publication number: JP5861053B2
Application number: JP2011206916A
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: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2013070502A

Description

本発明は、電源オフ時にもバッテリを用いてモータの回転情報を検出するアブソリュートエンコーダシステムにおいて、バッテリの長寿命化を図るものである。

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アブソリュートエンコーダが用いられており、１回転の角度検出だけでなく、モータが何回転回ったかをカウントする多回転検出機能を備えている。この多回転検出機能は電源オフ時にもモータの回転数をカウントすることで、次に電源をオンした場合にもモータの回転情報を得ることができるため、装置の原点復帰が不要となり、原点復帰動作が難しいロボットアームの位置検出等に用いられている。

電源オフ時に多回転検出機能を働かせるため、アブソリュートエンコーダはバッテリを併用しており、電源オフ時にはバッテリからの電源供給で多回転検出回路のみを動作させて、モータが回転した回数をカウントするように構成されている。このようにバッテリを併用したアブソリュートエンコーダは構造が簡単なために小型化には適するが、消耗部品であるバッテリを適宜交換しなければならないという課題がある。バッテリの種類としては動作温度範囲が広く、寿命末期まで電圧変動が少ない塩化チオニルリチウム電池がよく利用されているが、バッテリの消費電流が少ない場合に電極に皮膜が形成され、この皮膜が内部抵抗となり、電流を流した際に電圧降下が発生してバッテリに電流容量が十分にあるにも係わらず電圧低下異常が発生するという課題がある。そのため近年では、タイマを設けて定期的にバッテリを強制放電することにより、電極に皮膜が形成されないようにする手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−１９７６７３号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、使用される環境やバッテリの状態に係わらず、設定した時間間隔でバッテリを強制放電するので、必要以上に電流を消費させてしまい、バッテリの寿命が低下するという課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電源オフ時にもバッテリを用いてモータの回転情報を検出するアブソリュートエンコーダシステムにおいて、バッテリの長寿命化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載のアブソリュートエンコーダシステムは、電源オフ時にもバッテリからの電源供給でモータの回転情報を検出するアブソリュートエンコーダシステムにおいて、前記バッテリに蓄積された電荷を強制的に放電する放電回路と、前記放電回路が放電動作を行う時間を計数する遮断タイマと、外部装置と情報の伝達を行
う第１の情報送受信手段（図面の情報送受信手段Ａ）で構成されるアブソリュートエンコーダと、放電指令信号を生成する指令生成器と、外部装置と情報の伝達を行う第２の情報送受信手段（図面の情報送受信手段Ｂ）で構成される制御装置からなり、前記指令生成器は、前記制御装置に設定された放電指令と放電時間からなる前記放電指令信号を生成し、前記第２の情報送受信手段（図面の情報送受信手段Ｂ）は、前記放電指令信号の情報を前記アブソリュートエンコーダに伝達し、前記放電回路は、前記バッテリの放電を開始し、前記遮断タイマは、放電している時間を計数し、前記放電回路は、前記遮断タイマが計数した前記放電している時間が前記放電指令信号の前記放電時間に達すると放電を停止する。

また、請求項２に記載のアブソリュートエンコーダシステムは、前記バッテリの電圧低下を検出する異常電圧検出手段と、前記バッテリの電圧状態を観測する状態観測手段を設け、前記バッテリの電圧が正常に戻った場合に前記指令生成器が放電を停止する指令を出力し、前記放電回路が放電を停止する。

以後、図面の記載に合わせ、第１の情報送受信手段を情報送受信手段Ａ、第２の情報送受信手段を情報送受信手段Ｂとして説明する。

請求項１に記載のアブソリュートエンコーダによれば、バッテリを放電させる時間を設定してバッテリの放電を開始するため、放電を停止することを忘れてバッテリの寿命を著しく低下させることなく、バッテリの長寿命化を図ることができる。

また、請求項２に記載のアブソリュートエンコーダによれば、バッテリの低下を監視しながらバッテリの放電を行うことができるので、放電中でもバッテリの状態が正常に復帰すれば放電動作を停止させることができるので、バッテリの無駄な電力消費を抑えて更にバッテリの長寿命化を図ることができる。

従って、簡易な観測手段と放電手段でバッテリ電極に生成される皮膜を除去することができるため、バッテリの長寿命化を容易に実現できるアブソリュートエンコーダシステムを提供することができる。

本発明の実施例１におけるバッテリ放電回路のブロック図本発明の実施例１におけるバッテリ放電回路の別例のブロック図実施例２のバッテリ放電回路のブロック構成図実施例２のバッテリ放電回路の別例１のブロック構成図実施例２のバッテリ放電回路の別例２のブロック構成図実施例２のバッテリ放電回路の別例３のブロック構成図

第１の発明は、電源オフ時にもバッテリからの電源供給でモータの回転情報を検出するアブソリュートエンコーダシステムにおいて、前記バッテリに蓄積された電荷を強制的に放電する放電回路と、前記放電回路が放電動作を行う時間を計数する遮断タイマと、外部装置と情報の伝達を行う情報送受信手段Ａで構成されるアブソリュートエンコーダと、放電指令信号を生成する指令生成器と、外部装置と情報の伝達を行う情報送受信手段Ｂで構成される制御装置からなり、前記指令生成器は、前記制御装置に設定された放電指令と放電時間からなる前記放電指令信号を生成し、前記情報送受信手段Ｂは、前記放電指令信号の情報を前記アブソリュートエンコーダに伝達し、前記放電回路は、前記バッテリの放電を開始し、前記遮断タイマは、放電している時間を計数し、前記放電回路は、前記遮断タイマが計数した前記放電している時間が前記放電指令信号の前記放電時間に達すると放電を停止することができるため、放電を停止することを忘れてバッテリの寿命を著しく低下させることなく、バッテリの長寿命化を図ることができる。

第２の発明は、前記バッテリの電圧低下を検出する異常電圧検出手段と、前記バッテリの電圧状態を観測する状態観測手段を設け、前記バッテリの電圧が正常に戻った場合に前記指令生成器が放電を停止する指令を出力し、前記放電回路が放電を停止することができるため、放電中でもバッテリの状態が正常に復帰すれば放電動作を停止させることができるので、バッテリの無駄な電力消費を抑えて更にバッテリの長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、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。

（実施の形態１）
本発明によるアブソリュートエンコーダシステムについて、図１を用いて説明する。図１は実施例１におけるバッテリ放電回路のブロック構成図であり、アブソリュートエンコーダ１、制御装置１０、バッテリ５で構成されている。以下に各動作について説明する。

制御装置１０は情報送受信手段Ｂ（６）と指令生成器７で構成されている。

指令生成器７は外部からバッテリを強制的に放電する指令入力２７を受けることにより、強制放電を行う指令信号２６を生成する。外部からの指令入力は制御装置とＰＣ（パーソナルコンピューター）をＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃ等のインターフェースで接続して、ＰＣからの指令信号を入力する。このＰＣからの入力は放電指令と、放電時間の設定からなり、指令信号２６としてこれらの情報を出力する。あらかじめ放電時間が決められている場合は放電指令だけでよいので、ディジタルスイッチによるＯＮ／ＯＦＦによって操作する構成でもよい。

情報送受信手段Ｂ（６）は前記指令生成器７から放電指令と放電時間からなる指令信号２６を受け、アブソリュートエンコーダ１へ送信するデータに変換し、コマンド通信信号２４として送信する。情報送受信手段Ｂ（６）と後述する情報送受信手段Ａ（３）間で行う信号の送受信はシリアル通信によって行うことにより、少ない配線で多くの情報を送受信することができる。近年のエンコーダが制御装置に１回転位置情報を伝える場合、シリアル通信により行うのが一般的であるが、このシリアル通信を使用して放電指令と放電時間を伝えてもよい。またあらかじめ放電時間が決められている場合は情報が制御装置１０からの放電指令だけでよいので、Ｈ／Ｌのディジタル信号で情報を伝える構成としてもよい。

以上が制御装置１０の役割である。次にバッテリ５について説明する。

５はバッテリであり、産業用途では使用温度範囲が広く、寿命末期まで出力電圧が安定していることから塩化チオニルリチウム電池が用いられる。バッテリ５はアブソリュートエンコーダ１が制御装置１０からの電源が遮断された場合にアブソリュートエンコーダ１の内部回路へ電源を供給するためのものである。電源が遮断された停電モード時には、アブソリュートエンコーダ１はモータが何回回転したかを検出する多回転検出回路のみを動作させて、バッテリの長寿命化を図る。制御装置１０から電源が投入された通常モード時には、バッテリ５からの電源供給は遮断し、アブソリュートエンコーダ１の全ての回路は制御装置１０からの電源供給により動作させる。以上がバッテリ５の動作である。次にアブソリュートエンコーダ１について説明する。

アブソリュートエンコーダ１は、放電回路２、情報送受信手段Ａ（３）、遮断タイマ９で構成されている。

情報送受信手段Ａ（３）は、制御装置１０の情報送受信手段Ｂ（６）から送信された情報を受信するためのものであり、制御装置１０から送信されたコマンド通信信号２４を受けて、アブソリュートエンコーダ１で利用できる信号に変換する。これらの受信した情報は放電指令と放電時間の指令であり、強制放電指令２０として出力する。情報送受信手段Ａ（３）と情報送受信手段Ｂ（６）の通信手段は、前述したようにシリアル通信によって行うことにより、少ない配線で多くの情報を送受信することができる。近年のエンコーダが制御装置に１回転位置情報を伝える場合、シリアル通信により行うのが一般的であるが、このシリアル通信を使用して放電指令と放電時間を伝えてもよい。また情報が制御装置１０からの放電指令だけの場合、Ｈ／Ｌのディジタル信号で情報を伝える構成としてもよい。

放電回路２は情報送受信手段Ａ（３）からの強制放電指令２０の放電指令を受け、バッテリ５に蓄えられている電荷を強制的に放電する。放電回路はバッテリ５のプラス端子に抵抗とトランジスタ等のスイッチング素子を直列に接続することで容易に実現できる。ここで抵抗は強制放電を行う際の電流の大きさを決めるものであり、放電の電流値が１ｍＡから１０ｍＡ程度となるように設定することにより、放電の効果を有効に作用させることができる。

遮断タイマ９は情報送受信手段Ａ（３）からの強制放電指令２０の放電指令と放電時間を受けるとタイマによる時間の計数を開始する。タイマにより計数した時間が情報受信手段Ａ（３）からの強制放電指令２０の放電時間に到達すると放電回路２に対し放電停止信号２８を出力し、放電回路２はバッテリの放電を停止する。

以上のようにアブソリュートエンコーダ１が放電指令と放電時間の指令を受けるような構成とすることにより、バッテリ５の使用状況に応じて放電時間を任意に設定することができるので、無駄な放電によるバッテリの消費を増大させることがなく、また放電停止指令の未実行によって更にバッテリの消費を著しく増大させることがなく、バッテリの電極に形成された皮膜を容易に除去することができるので、バッテリの長寿命化を図ることができる。

また、図１では制御装置１０の外部から放電指令と放電時間の指令入力を与える構成としているが、産業用設備のようにシステムの稼動スケジュールが定まっている場合は図２のように制御装置１０ａの内部にメモリ１１と起動タイマ１２を設け、定期的に放電指令と放電時間からなる強制放電タイマ信号３０が出力されるような構成としてもよい。

以上のような構成とすることで、簡易な操作で無駄な電力消費を抑えバッテリの長寿命化を図ることができる。

（実施の形態２）
図３を用いて本発明の実施例２について説明する。実施の形態１と異なるのは、アブソリュートエンコーダ１ａに異常電圧検出手段４と、制御装置１０ｂに状態観測手段８を備えた点であり、この動作について説明する。

異常電圧検出手段４はバッテリ５のバッテリ電圧２２の電圧レベルを検出し、バッテリ電圧２２がしきい値より下回った場合に異常電圧信号２１を出力する。しきい値の設定は、電源がオフの場合にバッテリ５からの電源供給によって動作可能なレベルの下限値に設定する。例えば、バッテリ５の電圧は塩化チオニルリチウムの場合３．６Ｖであるので、アブソリュートエンコーダ１ａは３Ｖ〜３．６Ｖで動作するように構成する。従って異常電圧検出手段４のしきい値電圧は３．０Ｖ程度に設定すればよい。バッテリ５の電極に皮
膜が形成されて内部抵抗が高くなっている場合、放電時には電圧降下が大きくなり、バッテリ電圧２２はしきい値を下回るので、異常電圧検出手段４はバッテリ５の異常を検出する。放電により皮膜が除去され、バッテリ電圧２２がしきい値を上回ると異常電圧検出手段４によってバッテリ５が正常であることを検出する。

異常電圧検出手段４で検出した異常電圧信号２１は、情報送受信手段Ａ（３）でアブソリュートエンコーダ情報通信信号２３に変換され、制御装置１０ｂへ伝達する。アブソリュートエンコーダ情報通信信号２３は制御装置１０ｂの情報送受信手段Ｂ（６）で受信し、アブソリュートエンコーダ情報信号２５に変換される。

状態観測手段８はアブソリュートエンコーダ情報信号２５からバッテリ電圧レベルの情報を取り込み、バッテリ状態信号２９を出力する。

指令生成器７ｂはバッテリ状態信号２９によってバッテリ電圧レベルが正常か異常の判断を行い、放電動作中にバッテリ電圧レベルが正常（しきい値を上回っている）の場合に放電を停止する信号を出力する。

また、放電時間が経過した後、バッテリ電圧レベルが異常（しきい値を下回っている）場合は再度放電指令を出力してもよい。

また、放電時間が経過した後、バッテリ電圧レベルが異常（しきい値を下回っている）場合はバッテリの寿命としてエラーを出力してもよい。

また、図３では制御装置１０の外部から放電指令と放電時間の指令入力を与える構成としているが、産業用設備のようにシステムの稼動スケジュールが定まっている場合は図４のように制御装置１０ａの内部にメモリ１１と起動タイマ１２を設け、定期的に放電指令と放電時間からなる強制放電タイマ信号３０が出力されるような構成としてもよい。

また、図３および図４ではアブソリュートエンコーダ１ａ内に異常電圧検出手段４を設けてバッテリ５の電圧レベルを検出しているが、図５および図６のように制御装置１０ｄ、１０ｅ内にバッテリ５を経由し、制御装置１０ｄ、１０ｅ内に設けた異常電圧検出手段４ａによってバッテリ５の電圧レベルを検出するような構成としてもよい。

また、バッテリ５の電圧レベルの正常か異常の判断はしきい値との比較により２値化された信号で行うのではなく、ＡＤコンバータによってアナログからディジタルデータに変換された値を用いることで、バッテリの放電時に電圧レベルが上昇したか、下降したかの復帰状態が分かるので、放電したにも係わらず電圧レベルが下降した場合はバッテリの寿命であると直ぐに判断することができる。

以上のような構成とすることで、放電動作時にバッテリ電圧の復帰状態が分かるので、無駄な放電による消費を抑えバッテリの長寿命化を図ることができる。また、バッテリの電圧低下が皮膜形成によるものか、寿命によるものかの判断が可能となる。

本発明のアブソリュートエンコーダは、バッテリの電極に形成された皮膜を容易な方法で除去し、バッテリの長寿命化を実現することができるため、産業用ロボットアーム等の駆動用モータの位置検出用等、電源オン動作で原点復帰をすることが難しいシステムや、バッテリ交換を容易にできないようなシステムに対し、特に有効である。

１、１ａ、１ｂアブソリュートエンコーダ
２放電回路
３情報送受信手段Ａ
４、４ａ異常電圧検出手段
５バッテリ
６情報送受信手段Ｂ
７、７ａ、７ｂ、７ｃ指令生成器
８、８ａ状態観測手段
９遮断タイマ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ制御装置
２０強制放電指令
２１、２１ａ異常電圧信号
２２バッテリ電圧
２３アブソリュートエンコーダ情報通信信号
２４コマンド通信信号
２５アブソリュートエンコーダ情報信号
２６指令信号
２７指令入力
２８放電停止信号
２９バッテリ状態信号
３０強制放電タイマ信号
３１強制放電情報記憶値

Claims

電源オフ時にもバッテリからの電源供給でモータの回転情報を検出するアブソリュートエンコーダシステムにおいて、
前記バッテリに蓄積された電荷を強制的に放電する放電回路と、前記放電回路が放電動作を行う時間を計数する遮断タイマと、外部装置と情報の伝達を行う第１の情報送受信手段で構成されるアブソリュートエンコーダと、放電指令信号を生成する指令生成器と、外部装置と情報の伝達を行う第２の情報送受信手段で構成される制御装置からなり、
前記指令生成器は、前記制御装置に設定された放電指令と放電時間からなる前記放電指令信号を生成し、前記第２の情報送受信手段は、前記放電指令信号の情報を前記アブソリュートエンコーダに伝達し、前記放電回路は、前記バッテリの放電を開始し、前記遮断タイマは、放電している時間を計数し、前記放電回路は、前記遮断タイマが計数した前記放電している時間が前記放電指令信号の前記放電時間に達すると放電を停止することを特徴とするアブソリュートエンコーダシステム。
前記バッテリの電圧低下を検出する異常電圧検出手段と、前記バッテリの電圧状態を観測する状態観測手段を設け、
前記バッテリの電圧が正常に戻った場合に前記指令生成器が放電を停止する指令を出力し、前記放電回路が放電を停止することを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダシステム。