JP3974893B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、ロータリエンコーダ、リニアスケールなどのエンコーダに関し、特にノイズレベルを出力できるエンコーダに関する。

移動体の移動位置や変位量を検出する装置としてエンコーダが知られており、回転角度や回転量を検出するエンコーダとしてロータリエンコーダがあり、経路上の基準位置からの位置や変位量を検出するエンコーダとしてリニアスケールがある。

一般的に、エンコーダは、モータなどの移動体を駆動する駆動装置の筐体に取り付けられる。

エンコーダは内部に回路基板を備え、この回路基板上に信号処理回路を載置している。通常、エンコーダ内部の回路基板は、エンコーダが取付けられる筐体との間で直接的な電気的接続はないが、浮遊容量により間接的に電気的接続がされている。

このとき、取付けられた筐体側にノイズ等の電位変動が発生すると、浮遊容量を介してエンコーダ回路に影響がおよんで、エンコーダが出力する位置データや変位量データに誤差が生じるおそれがある。

図１１は従来のエンコーダを説明するための概略図である。図１１において、エンコーダ１０１は、移動体１０を検出する検出手段１０２、及び検出手段１０２の検出信号を信号処理してエンコーダ信号を生成する信号処理回路１０３を備え、信号処理回路１０３は回路基板１０６に載置されている。

モータ等の駆動装置１１によって駆動された移動体１０は検出手段１０２によって検出され、信号処理回路１０３によってエンコーダ信号が生成される。

図１２は従来のエンコーダの筐体への取り付けを説明するための概略図である。エンコーダは、エンコーダが備えるエンコーダフランジ１０３ａを介して駆動装置（以下モータとする）の筐体１３に取り付けられる。エンコーダフランジ１０３ａは、フランジ固定ネジ１０３ｂによりモータの筐体１３に固定され、さらに、このエンコーダフランジ１０３ａには回路基板固定ネジ１０３ｄによって回路基板１０６が固定される。なお、回路基板１０６とエンコーダフランジ１０３ａとの間には回転スリット１０３ｃが設けられる。

図１３は、モータ筐体に発生するノイズの一例を示している。従来、このノイズの測定は、例えば図１２に示すように、モータの筐体１３と回路上の０Ｖの間に電位測定手段１０４を接続することによってノイズ電位を直接測定している。測定したノイズ電位は、そのレベルからノイズ対策に用いられている。

また、エンコーダ信号に混入するノイズを検出する技術として、エンコーダの信号を制御装置に送るエンコーダラインに混入するノイズを検出するものが知られている（特許文献１）。

特開２０００−２５８４８１号公報

エンコーダ内部の信号処理回路と、エンコーダが取り付けられる筐体との間には直接的な電気的接続はないが、浮遊容量を介して間接的に電気的な接続が行われている。

そのため、モータのアースの接続が悪いと、筐体にノイズ(電位差）が発生する。このノイズは、浮遊容量を介してエンコーダ内の信号処理回路に影響を及ぼし、エンコーダにより得られる位置データや変位量データに誤差が生じるおそれがある。

従来は、モータの筐体のその電位を測定器を用いて直接測定し、測定により得られるノイズレベルに基づいて判断を行い、ノイズ低減の対策を施している。

エンコーダから制御装置との間を結ぶエンコーダラインに混入するノイズを測定する技術は前記した特許文献１において知られているが、特許文献１のものは通信系ノイズに係わるものであるため、エンコーダ内部に生じるノイズについては測定することはできない。

エンコーダ内部に生じるノイズは、エンコーダ信号自体に組み込まれているため、移動体の位置データや変位量データを表す信号とノイズを区別することはできず、一旦エンコーダライン上にのったノイズを特許文献１により測定することはできない。

本発明は、上記した従来の課題を解決して、エンコーダ内部に生じるノイズの発生を検出することを目的とする。

本発明は、浮遊容量を介してエンコーダ内部に生じるノイズ電圧をエンコーダ内で検出し、ノイズデータとして出力することにより、外部の測定装置を要することなくノイズレベルを知ることができるものである。

また、同時刻のエンコーダデータとノイズデータを出力することにより、ノイズレベルの状態に基づいてエンコーダデータの信頼性を判断することができる。

本発明のエンコーダは、移動体の移動を検出する検出手段と、この検出手段の検出信号を信号処理して、移動体の位置及び／又は変位量を表すエンコーダ信号を得る信号処理回路と、検出信号に重畳されるノイズを検出するノイズ検出手段とを同一装置内に備えた構成とする。

ノイズ検出手段によるノイズ検出の第１の形態は、検出手段の検出信号から検出信号に重畳されているノイズを抽出し、抽出したノイズのノイズレベルを検出するものである。

第１の形態において、ノイズ検出手段は、検出手段と信号処理回路とを結ぶ信号線に結合コンデンサを接続して信号抽出を行う。結合コンデンサを介することにより、信号線上に流れる検出信号から交流分を抽出することができる。

ノイズ検出手段によるノイズ検出の第２の形態は、信号処理回路が搭載される回路基板に誘起されるノイズを抽出し、抽出したノイズのノイズレベルを検出するものである。

第２の形態において、ノイズ検出手段は、回路基板上の任意の信号線に結合コンデンサを接続して信号抽出を行う。結合コンデンサを介することにより、信号線上の信号から交流分を抽出することができる。

信号線上を流れる信号は直流分と交流分を有し、直流分は移動体の移動状態を表し、交流分はノイズ状態を表している。したがって、第１の形態及び第２の形態において、結合コンデンサを介して交流分を抽出することによりノイズ分を検出することができる。

また、エンコーダは抽出した交流分からノイズレベルを求めるＡ／Ｄ変換回路を備える。

また、本発明のエンコーダは送信手段を備え、ノイズ検出手段の出力及び／又は信号処理回路の出力を移動体を駆動する駆動装置の制御装置に送ることができる。

ノイズ検出手段の出力及び信号処理回路の出力は同時刻のデータとする。これによって、ノイズ検出手段の出力にノイズ分が検出される場合には、同時刻に送られる信号処理回路の出力にもノイズ分が重畳しているものと判断することができる。

また、本発明のエンコーダは、回路基板と移動体を駆動する駆動装置との間にコンデンサを接続する構成とすることができる。コンデンサを回路基板とモータ等の駆動装置との間に接続することにより、駆動装置で発生した電位の内の交流分のみを回路基板に伝達することができる。接続されたコンデンサは、回路基板と駆動装置との間において、浮遊容量と共に並列回路を構成し、駆動装置で発生した電位の内の交流分を回路基板に伝える。

コンデンサを接続することによって、ノイズ検出手段が検出する検出精度を高めることができる。

本発明のエンコーダによれば、エンコーダ内部に生じるノイズの発生を検出することができる。

以下、本発明のエンコーダについて図を用いて説明する。

図１は本発明のエンコーダの第１の形態例を説明するための概略図であり、図２は本発明のエンコーダの第２の形態例を説明するための概略図である。

図１に示すエンコーダの第１の形態において、エンコーダ１は、移動体１０の移動を検出する検出手段２と、検出手段２の検出信号を信号処理してエンコーダ信号を出力する信号処理回路３と、検出信号中に含まれるノイズ分を検出するノイズ検出手段４を備え、ノイズ検出手段４は結合コンデンサ４ａを介して検出信号を導入する。ノイズ検出手段４は、結合コンデンサ４ａを介することにより検出信号中のノイズ分のみを導入し、ノイズ検出を行う。

また、図２に示すエンコーダの第２の形態において、エンコーダ１は、移動体１０の移動を検出する検出手段２と、検出手段２の検出信号を信号処理してエンコーダ信号を出力する信号処理回路３と、検出信号中に含まれるノイズ分を検出するノイズ検出手段４を備え、ノイズ検出手段４は結合コンデンサ４ａを介して、信号処理回路３を搭載する回路基板６上に設けられたライン６ｂ上の信号を結合コンデンサ４ａを介して導入する。ノイズ検出手段４は、結合コンデンサ４ａを介することにより回路基板６上のライン６ｂを流れる信号中のノイズ分のみを導入し、ノイズ検出を行う。

ライン６ｂは、回路基板６上に形成される任意のラインとすることができるが、例えば基準電圧６ａと接続するラインなど、一定電圧を検出することができるラインを選択することにより、ノイズ分の変化を安定して検出することができる。

なお、移動体１０はモータ等の駆動装置１１により駆動され、駆動装置１１は制御手段１２によって制御が行われる。制御手段１２は、エンコーダ１により取得されたエンコーダ信号をフィードバックすることにより駆動装置１１を制御し、位置や速度等の制御を行う。エンコーダ信号のフィードバックは、エンコーダ１が備える送信手段５により行うことができる。また、送信手段５は、信号処理回路３のエンコーダ信号の他に、ノイズ検出手段４が検出したノイズ信号を制御手段１２にフィードバックすることができる。制御手段１２は、フィードバックされたノイズ信号に基づいて、エンコーダ信号中にノイズ分の有無を判定することができる。

図３，図４はノイズ検出手段４の一構成例を説明するための概略図であり、図３はノイズ信号のみを送信する構成例を示し、図４はノイズ信号とエンコーダ信号とを送信する構成例を示している。

図３に示す構成例において、回路基板６上にはノイズ検出手段４と送信手段５が設けられる。

ノイズ検出手段４は、検出手段２と信号処理回路３とを結ぶライン、あるいは、回路基板上に形成されたラインと接続され、検出信号あるいは回路基板上に形成されたライン上を流れる信号から交流分を抽出する結合コンデンサ４ａと、抽出して交流分を信号増幅する増幅器４ｂと、増幅信号のピーク値をホールドするピークホールド回路４ｃと、ピーク値をデジタル信号に変換してノイズレベルを求めるＡ／Ｄ変換回路４ｄと、ノイズレベルを制御手段１２の受信部１２ａに送信する送信手段５を備える。

送信手段５は、例えば、信号処理を行うＬＳＩ５ａ及び送信用ドライバ５ｂにより構成することができる。

また、図４に示す構成例において、回路基板６上にはノイズ検出手段４と信号処理回路３と送信手段５が設けられる。

ノイズ検出手段４は、図３に示す構成と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。

信号処理回路３は、検出信号からｓｉｎ信号あるいはｃｏｓ信号の信号形態で表される位置信号を形成する位置信号形成手段３ａと、位置信号をデジタル信号に変換してエンコーダ信号を求めるＡ／Ｄ変換回路３ｂとを備える。

送信手段５は、信号処理を行うＬＳＩ５ａ及び送信用ドライバ５ｂにより構成することができ、ＬＳＩ５ａはノイズ検出手段４のノイズレベルと信号処理回路３のエンコーダ信号とを組み合わせて送信信号を検出し、エンコーダ信号と共にノイズレベルを制御手段１２の受信部１２ａに送信する。

ＬＳＩ５ａは、同時刻のエンコーダ信号とノイズレベルをシリアル信号に変換して送信信号を形成する。これにより、受信部１２ａは同時刻のエンコーダ信号とノイズレベルを取得することができる。

図５は、駆動装置上に取り付けられたエンコーダの取り付け状態を説明するための概略断面図である。図５において、エンコーダはモータ等の駆動装置の筐体１３に対してエンコーダフランジ１ａをフランジ固定ネジ１ｂで固定することにより取り付けられる。回路基板６は、このエンコーダフランジ１ａに対して回路基板固定ネジ１ｄにより固定される。なお、回路基板６とエンコーダフランジ１ａとの間には、回転スリット１ｃが設けられる。

筐体１３上の電位は、浮遊容量２０を介して回路基板６に導入される他、筐体１３と回路基板６との間に接続したコンデンサ７によって導入する構成とすることもできる。なお、このコンデンサ７は、回路基板６上に搭載される。

図６はノイズ量検出回路の搭載例を示す図である。ノイズ量検出回路１４は、筐体１３から回路基板６に導入されるノイズ量を概算するための回路であり、コンデンサ１６と抵抗１７との並列回路にダイオード１５を直列接続することにより構成され、回路基板６上に搭載される。

このノイズ量検出回路１４は交流信号の波高を抽出する検波機能を備える。筐体１３で生じたノイズは、このノイズ量検出回路１４を通過することによってノイズの波高に係わる値に変換され、回路基板６に導入される。これにより、ノイズ検出手段４はノイズ量に相当する量を検出することができる。

図７は、コンデンサ７の搭載例を説明するための図であり、図７（ａ）は回路基板を上方から見た図であり、図７（ｂ）は回路基板の一部断面図である。

回路基板６にはスルーホールメッキ穴８が形成されると共に、コンデンサ７が搭載される。コンデンサ７の一端は、回路基板６上の０Ｖの電位部分に接続され、他端は接続線９を介してスルーホールメッキ穴８の上面メッキ部８ａに接続される。スルーホールメッキ穴８には、回路基板６を上下方向に貫通して形成された穴であり、その上面の上面メッキ部８ａと穴の側面の側面メッキ部８ｂにはメッキが施され、回路基板６を貫通する電気経路を形成している。

このスルーホールメッキ穴８には回路基板固定ネジ１ｄがねじ込まれ、回路基板６のエンコーダフランジ１ａへの固定が行われる。これにより、回路基板６は、コンデンサ７，接続線９，スルーホールメッキ穴８の上面メッキ部８ａ及び側面メッキ部８ｂを介してエンコーダフランジ１ａと電気的に接続される。

図６のノイズ量検出回路についても、図７に示したコンデンサと同様に回路基板６上に搭載することができる。

本発明のエンコーダに使用する検出手段２は、光学式や磁気式等の任意の検出素子を用いることができる。

図８は、光学式の検出手段の一例を説明するための概略図であり、ノイズ測定用の検出素子を備える構成例を示している。

図８において、検出手段は、発光素子２ａとスリット２ｂ，２ｃと受光素子２ｄを含む。発光素子２ａは位置検出用のＬＥＤ２ａ１とノイズ測定用のＬＥＤ２ａ２を備える。また、スリットは固定スリット２ｂと回転スリット２ｃからなり、固定スリット２ｂは位置検出用のスリット部分２ｂ１とノイズ測定用のスリット部分２ｂ２を備え、回転スリット２ｃは位置検出用のスリット部分２ｃ１とノイズ測定用のスリット部分２ｃ２を備える。また、受光素子２ｄは位置検出用の受光素子２ｄ１とノイズ測定用の受光素子２ｄ２を備える。なお、固定スリット２ｂと回転スリット２ｃには、基準位置を検出するための基準スリットを設けることができる。

位置検出用のＬＥＤ２ａ１から発光された光は、位置検出用のスリット部分２ｂ１と位置検出用のスリット部分２ｃ１との位置関係に応じて透過又は遮光（あるいは反射）され、位置検出用の受光素子２ｄ１によって検出され、回転スリット２ｃの回転位置によって移動体の位置を検出することができる。

また、ノイズ測定用のＬＥＤ２ａ２から発光された光は、ノイズ測定用のスリット部分２ｂ２とノイズ測定用のスリット部分２ｃ２を透過し、ノイズ測定用の受光素子２ｄ２によって検出される。回転スリット２ｃにおいて、ノイズ測定用のスリット部分２ｃ２は常に光をノイズ測定用の受光素子２ｄ２に導くように形成されており、回転スリット２ｃの回転位置に係わらずノイズ測定用のＬＥＤ２ａ２から発光された光を受光する。

図９は受光素子の出力信号を説明するための図である。フォトダイオードの受光電流は電圧信号として検出される。電圧信号中には、検出信号に加えてノイズ分が重畳される。ノイズ分は、受光素子が受光することで発生する電流とは無関係に生じるものであり、位置検出用の受光素子２ｄ１とノイズ測定用の受光素子２ｄ２には同様のノイズ分が重畳することになる。

したがって、ノイズ測定用の受光素子２ｄ２の検出信号は、位置検出用の受光素子２ｄ１の検出信号中に含まれるノイズ分を表している。

また、回路基板上において基準電圧等の一定電圧の電位が発生しているラインでは、一定電圧に重畳している交流分はノイズ成分と見なすことができる。図１０はライン上のノイズ成分を説明するための図であり、例えば、直流分２．５Ｖの一定電圧に重畳する交流分はノイズ成分と見ることができ、結合コンデンサを通すことによってノイズ成分を抽出することができる。

本発明は、光学式エンコーダに限らず磁気式エンコーダに適用することができ、検出手段に限定されない。

また、信号を計数して回転数や移動量等の相対量を測定するインクリメンタル型エンコーダに限らず、回転角度や移動位置などの絶対位置を測定するアブソリュート型エンコーダに適用することができる。

また、回転位置，回転量を測定するロータリエンコーダ、直線上の移動位置、移動量を測定するリニアエンコーダに適用することができる。

本発明のエンコーダの第１の形態例を説明するための概略図である。 本発明のエンコーダの第２の形態例を説明するための概略図である。 本発明のノイズ信号のみを送信するノイズ検出手段の一構成例を説明するための概略図である。 本発明のノイズ信号とエンコーダ信号を送信するノイズ検出手段の一構成例を説明するための概略図である。 本発明の駆動装置上に取り付けられたエンコーダの取り付け状態を説明するための概略断面図である。 本発明のエンコーダにノイズ量検出回路を設ける例を説明するための概略断面図である。 本発明のコンデンサの搭載例を説明するための図である。 光学式の検出手段の一例を説明するための概略図である。 受光素子の出力信号を説明するための図である。 ライン上のノイズ成分を説明するための図である。 従来のエンコーダを説明するための概略図である。 従来のエンコーダの筐体への取り付けを説明するための概略図である。 モータ筐体に発生するノイズの一例を示す図である。

符号の説明

２ 検出手段
２ａ１，２ａ２ ＬＥＤ
２ｂ，２ｂ１，２ｂ２ 固定スリット
２ｃ，２ｃ１，２ｃ２ 回転スリット
２ｄ，２ｄ１，２ｄ２ 受光素子
３ 信号処理回路
４ ノイズ検出手段
４ａ 結合コンデンサ
４ｂ 増幅器
４ｃ ピークホールド回路
４ｄ Ａ／Ｄ変換回路
５ 送信手段
５ａ ＬＳＩ
５ｂ 送信用ドライバ
６ 回路基板
６ａ 基準電圧
６ｂ ライン
７ コンデンサ
８ スルーホールメッキ穴
８ａ 上面メッキ部
８ｂ 側面メッキ部
９ 接続線
１０ 移動体
１１ 駆動装置
１２ 制御手段
１２ａ 受信部
１３ 筐体
２０ 浮遊容量
１０１ エンコーダ
１０２ 検出手段
１０３ 信号処理回路
１０３ａ エンコーダフランジ
１０３ｂ フランジ固定ネジ
１０３ｃ 回転スリット
１０３ｄ 回路基板固定ネジ
１０４ 電位測定手段
１０６ 回路基板

Claims (6)

1. 移動体の移動を検出する検出手段と、
   回路基板上に搭載され、前記検出手段の検出信号を信号処理して、移動体の位置及び／又は変位量を表すエンコーダ信号を得る信号処理回路と、
   ノイズを抽出し、ノイズレベルを検出するノイズ検出手段とを具備するエンコーダであって、
   前記ノイズ検出手段は、
   前記検出手段と前記信号処理回路とを結ぶ信号線に接続して前記検出信号から交流分を抽出する結合コンデンサと、
   抽出した交流分からノイズレベルを求めるＡ／Ｄ変換回路とを備え、
   ノイズレベルを検出することを特徴とするエンコーダ。
2. 移動体の移動を検出する検出手段と、
   回路基板上に搭載され、前記検出手段の検出信号を信号処理して、移動体の位置及び／又は変位量を表すエンコーダ信号を得る信号処理回路と、
   ノイズを抽出し、ノイズレベルを検出するノイズ検出手段とを具備するエンコーダであって、
   前記ノイズ検出手段は、
   前記回路基板上の任意の信号線と接続して当該信号線上の信号から交流分を抽出する結合コンデンサと、
   抽出した交流分からノイズレベルを求めるＡ／Ｄ変換回路とを備え、
   ノイズレベルを検出することを特徴とするエンコーダ。
3. 前記ノイズ検出手段の出力及び信号処理回路の出力を、前記移動体を駆動する駆動装置の制御装置に送る送信手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記ノイズ検出手段の出力及び信号処理回路の出力は同時刻のデータであることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記回路基板と前記移動体を駆動する駆動装置との間に駆動装置で発生した電位の交流分を抽出するためのコンデンサを接続することを特徴とする請求項１乃至４の内いずれか１項に記載のエンコーダ。
6. 前記回路基板と前記移動体を駆動する駆動装置との間に、コンデンサ、抵抗、ダイオードにより構成されるノイズ量検出回路を接続し、ノイズの波高値をノイズ量として検出することを特徴とする請求項１乃至４の内いずれか１項に記載のエンコーダ。

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