监视装置 【技术领域】
本发明涉及用于检测比如对机床和工业用机器人的轴等进行驱动的马达的位置和速度的光学式编码器的监视装置，以及用于该光学式编码器附属设置的马达的监视装置。
背景技术
为了对例如驱动机床和工业用机器人的轴的伺服马达地位置和速度进行检测，光学式编码器得到广泛应用。一般光学式编码器的结构是用移动刻度盘使编码化的透过光或反射光通过固定狭缝并用光接收元件接收，形成作为编码器的输出的电信号。虽然在移动刻度盘和固定狭缝之间设置有适当的间隔，但该间隔有时会变动。例如，在将编码器安装在空气轴承马达上的情况下，在与移动刻度盘的位置读数方向或马达移动部的移动方向(旋转方向)垂直的方向承受了过大的负荷时，转子和定子的空气轴承面相接触，最坏的情况甚至能导致马达的损坏。
对此，一般认为要采用对移动刻度盘和固定狭缝间的距离进行监视，在两者异常接近时进行紧急停止等的适当的装置。以往的发明提出了采用分开设置的位移传感器来检测移动刻度盘和固定狭缝之间的距离的技术，应用该技术能监视移动刻度盘和固定狭缝之间的距离。但是，把分开设置的位移传感器组合到光学式编码器中会使编码器的尺寸变大，结构变得复杂。另外，这也是不经济的。
【发明内容】
本发明利用在光学式编码器的移动刻度盘和固定狭缝之间的距离发生变动时，该变动反映在光接收元件的感光量中的现象，使得检测出移动刻度盘和固定狭缝之间的距离变化或表示该变化的状况成为可能，从而解决所述以往技术中存在的问题。
即一般光学式编码器的移动刻度盘相对于固定狭缝接近而位移时，光接收元件的感光量的振幅(移动刻度盘的位移引起的感光量的变化幅度)增大，伴随于此，输出电流的振幅也增大，对反方向的位移来说，光接收元件的感光量、输出电流的各振幅变小，所以，通过监视光接收元件的输出振幅，即使不另外设置传感器也能检测出移动刻度盘和固定狭缝之间的位移。
在本发明的监视装置的第1实施方式中，监视基于由光学式编码器的感光部检测出的光所产生的电信号的振幅，并根据该监视结果检测出构成该光学式编码器的移动刻度盘和固定狭缝之间的位移。
在本发明的监视装置的第2实施方式中，监视基于由光学式编码器的感光部检测出的光所产生的电信号的振幅，并根据该监视结果检测出施加在光学式编码装置上的在垂直于位置读数方向上的过负荷。
在本发明的监视装置的第3实施方式中，监视基于由光学式编码器的感光部检测出的光所产生的电信号的振幅，并根据该监视结果检测出附加设有光学式编码器的马达的移动部在垂直于其移动方向上的位移。
再有，在本发明的监视装置的第4实施方式中，监视基于由光学编码器的感光部检测出的光所产生的电信号的振幅，并根据该监视结果检测出施加在附加设有光学式编码器的马达中的移动部上的在垂直于移动方向上的过负荷。
所述附设有光学式编码器的马达也可以是流体轴承马达。
采用本发明，不用另外设置位移传感器就可以检测出在具有光源、移动刻度盘、固定狭缝和感光部的光学式编码器中移动刻度盘和固定狭缝之间的位移。另外，可以提供避免了尺寸的扩大和结构的复杂化，并且经济的监视装置。
另外，也能够把该监视装置用作对施加在垂直于编码器的位置读数方向上的过负荷，以及在垂直于马达移动部的移动方向的位置和过负荷等进行检测的装置。
【附图说明】
本发明所述的以及其他目的和特征，由参照附图对以下实施例进行的说明就会明白，这些图中：
图1是表示应用了本发明的监视装置的第1实施方式的光学式编码器的概要结构的剖面图
图2A及图2B是分别表示用光学式编码器的光接收元件所得到的A相，B相信号的波形图，图2A是构成光学式编码器的移动刻度盘在相对于固定狭缝的适当位置时所得到的波形的示例图，图2B是在该移动刻度盘接近该固定狭缝时所得到的波形的示例图。
图3是表示在本发明的监视装置的各实施方式中所使用的、对移动刻度盘和固定狭缝之间的位移进行监视的电路结构的示例图。
图4是表示应用了本发明的监视装置的第2实施方式的、附设光学式编码器的马达的概要结构的剖面图。
图5是表示应用了本发明的监视装置的第3实施方式的、附设光学式编码器的流体轴承马达的概要结构的剖面图。
【具体实施方式】
图1是表示应用了本发明的监视装置的光学式编码装置概要结构的剖面图。
在图1中，符号1是用透光区域/非透光区域的图案形成了已知样式的光学编码的圆盘形移动刻度盘，该移动刻度盘1被支撑在移动刻度盘支撑构件6上。该移动刻度盘支撑构件6安装在马达的旋转轴等被检测物(进行位置或速度检测的对象物)上或被检测物自身的一部分构成移动刻度盘支撑构件6。
用符号2表示的光源部具有1个或多个LED，对移动刻度盘1照射光。光源部2利用未图示的发光驱动电路发光。根据被检测物的旋转移动，光源部2供给的光被调制而作为透过光输出。调制过的透过光含有包括A相、B相等多个波道的信号光。在移动刻度盘1的光输出侧配置了具有对每个波道设立的开口(省略图示)的固定狭缝3，各波道的信号光通过各开口。
在距固定狭缝3隔有一定距离的位置配置有感光部4。该感光部4具有与波道数对应数目的光接收元件，并利用各光接收元件产生A相、B相等电信号光。为使光源部2、固定狭缝3以及感光部4相互之间的相对位置不变动而把它们固定支撑在光学元件支撑构件5上。另外，光学元件支撑构件5具有通过轴承7支撑移动刻度盘支撑构件6在以G-G为轴心的周围自由旋转的功能。
在此，对于具有这种结构的光学式编码器，当移动刻度盘1和固定狭缝3的间隔发生变动时，参照图2A和图2B来观察在感光部4的各光接收元件所得到的信号振幅的变化。在这些图中纵轴表示输出电压值，横轴表示时间，另外，A相的波形用符号a表示，B相的波形用符号b表示。
在此，对于在感光部4的各光接收元件所得到A相、B相的信号来说，在正常时得到的是图2A所示的波形。对此，如果移动刻度盘1从正常位置向接近固定狭缝3移动时所得到的波形像图2B所示那样振幅应该扩大。其原因是，移动刻度盘1接近固定狭缝3的话，当然各光接收元件的峰值感光强度就变大。因同样的理由，如果移动刻度盘1向远离固定狭缝3移动时，就对各相得到比图2A所示波形的振幅更小的波形。
对此，如果检测在感光部4各光接收元件所得到的某一相(在此是A相或B相)的信号的振幅的话，就能够监视移动刻度盘1和固定狭缝3之间的位移。
图3是移动刻度盘-固定狭缝位移监视电路组成的示例图。如该图所示，移动刻度盘-固定狭缝位移监视电路具有峰值保持元件和比较器，把光接收元件的输出Vin利用峰值保持元件而把峰值保持起来，得到作为监视输出的把Vin和正常时的峰值电压Vref比较过的输出电压Vo。
对于光接收元件的输出Vin，能使用A相或B相的信号，但若用振幅检测得到移动刻度盘-固定狭缝间位移的话，即使是其他相的信号也是可以的。也可以混合使用数个相的信号。另外，对于正常时峰值电压Vref，可采用正常时予先测定的峰值电压。再有，也可以用适宜的显示方法(仪表，数值显示器等，省略图示)显示监视输出Vo，另外，设置对监视输出Vo的电平进行核查的众所周知的电路，并以此确定正常范围的上限和下限，当离开该范围时用警报等告知也可以。这些有关监视输出的显示和告知等的一般方式都是众所周知的，所以省略详细说明。
移动刻度盘1和固定狭缝3之间的距离通常应保持恒定(但因振动有时会有极微小的变动)，所谓移动刻度盘1和固定狭缝3之间的距离变化一般是指对移动刻度盘1或支撑该移动刻度盘1的物体(移动刻度盘支撑构件6)施加异常的负荷(具有垂直于读数方向的分力)。因此，可以把所述的监视输出Vo作为检测过负荷的指标使用。例如，预先对监视输出Vo的绝对值设定适当的范围值，当监视输出Vo的绝对值超出该范围时，就进行告知过负荷的显示/警报等。
虽然以上所述的实施方式是利用编码器的感光输出和图3的电路对光学式编码器的移动刻度盘和固定狭缝之间的位移或施加在移动刻度盘上的负荷进行监视的例子，但在移动刻度盘与马达的旋转轴组合起来时，也能监视马达移动部在垂直于移动方向(旋转方向)上的位移或负荷。图4所示的是该场合附加设有光学式编码器的马达结构的剖面图。
如图4所示，附加设有光学式编码器的马达整体由编码器和马达两大部分构成。编码器部分的基本组成和功能与所述图1例相同。即，符号1是用透光区域/非透光区域的图案形成了已知样式的光学编码的圆盘形移动刻度盘，接收到来自例如具有1个或多数个LED的光源部2的光，对它进行调制而生成含有包括A相、B相的多个波道的信号光。和所述实施方式一样，使各波道的信号光通过固定狭缝3的各开口并在感光部4感光，感光部4输出与各波道的信号光相应的电信号。
马达部分由定子10和用马达轴8支撑的转子9构成。马达轴8被轴承11、12支撑在轴心H-H的周围自由旋转。还有，轴承11、12例如是滚动轴承、滑动轴承等，而不是流体轴承(关于用流体轴承的例子将在后面叙述)。使光源部2、固定狭缝3以及感光部4被固定支撑在定子10上以使相互间的相对位置关系不发生变动。
在本例中，移动刻度盘1安装在马达轴8上，编码器的基本功能是计测该马达轴8的旋转位置/速度。关于该基本功能是众所周知的，因与本发明无直接关系所以省略详细说明。
对于具有这种结构的附加设有光学式编码器的马达，若转子9(马达转动部)在垂直于其移动方向(旋转方向)的方向(沿轴心H-H方向)上发生位移时，移动刻度盘1也产生和该转子9一样的位移。即，若转子9在图4中若向右方向位移的话，移动刻度盘1就产生靠近固定狭缝3的位移，若转子9向左方位移的话，移动刻度盘1就产生离开固定狭缝3的位移。如所述的那样，转动刻度盘的这种位移对在感光部4的各光接收元件所得到的信号的振幅带来变化。其变化的方法如参照图2A以及图2B进行过的说明。
在此，和所述实施方式的情况一样，若检测在感光部4的各光接收元件所得到的某一相(在此是A相或B相)的信号的振幅，判断移动刻度盘1和固定狭缝3之间的位移，通过它就能监视转子9(马达的移动部)在沿垂直于移动方向(转子9的旋转方向)的方向(沿轴心H-H的方向)上的位移。图3所示的监视电路也能够应用于本例。即，和所述实施方式的情况一样，使在感光部4的光接收元件的输出Vin依靠峰值保持元件保持在峰值，就能得到作为监视输出的把Vin和正常时峰值电压Vref比较过的输出电压Vo。对于光接收元件的输出Vin虽然能利用A相或B相的信号，但如若能用振幅检测得到移动刻度盘和固定狭缝之间的位移，即使是其他相的信号也可以。也能把数个相的信号混合使用。
还有，对于正常时的峰值电压Vref，采用正常时予先测定的峰值电压值就可以。关于监视输出的显示、告知等也和所述的实施方式的情况相同。即，可以用适当的显示方法(仪表、数值显示器等，省略图示)等显示。还有，设置对监视输出Vo的电平进行核查的众所周知的电路，并以此确定正常范围的上限和下限，当离开该范围时用警报等告知也可以。
马达转子9在轴心H-H上的位置通常应该保持为一个定值(因振动有极微小的变动)，所以固定在转子9的旋转轴8上的移动刻度盘1和固定狭缝3的距离通常也应保持恒定。因此，所谓移动刻度盘1和固定狭缝3之间的距离变化可以认为是指对作为马达移动部的转子9施加异常的负荷(具有垂直于移动方向的分量的力)。由此，就可以把所述的监视输出Vo作为对马达的移动部(转子9)施加的垂直于移动方向的过负荷进行检测的指标使用。
由于马达轴8所受的外力越大，垂直于旋转方向的位移量就增大，所以它在监视输出Vo上也会表现出来。在图4中，若有引起向右方位移的力的作用的话，Vo显示为正值，若有引起向远离的方向的位移时则显示为负值。对此，能够预先对监视输出Vo的绝对值设定适当的范围值，当监视输出Vo的绝对值超出该范围值时就进行过负荷告知显示/警报等。
在该图4所示的例子中，虽然支撑马达轴8自由旋转的轴承使用的是滚动轴承、滑动轴承等，但对于使用以空气、油、水、燃气等作为流体的流体轴承的马达(流体轴承马达)也能够应用本发明而进行同样的监视。
图5是表示附加设有光学式编码器的流体轴承马达的例子，它整体由编码器部分和流体轴承马达部分这两大部分组成。编码器部分的结构和功能与所述图1和图4的例子相同。
即，编码器部包括以下部件：用透光区域/非透光区域的图案形成了已知样式的光学编码的圆盘形移动刻度盘1；把光照射到该移动刻度盘1上的光源部2；固定狭缝3；通过形成于各固定狭缝的开口接收包括A相、B相的多个波道的信号光的感光部4，从感光部4输出与各波道的信号光相应的电信号。
流体轴承马达部由以下部件构成：马达轴8；一体支撑在该马达轴8上的转子9和定子20以及支撑马达轴8在轴心K-K周围自由旋转的流体轴承21。由于流体轴承是众所周知的，它从省略图示的流体供给源被供给高压流体，并使马达轴8的中心轴保持和K-K轴心一致的状态，从而充分发挥轴承的功能。
定子20和图4所示的例子的定子10一样，它固定支撑着光源部2、固定狭缝3以及感光部4，从而保持这些元件相互的相对位置关系不变。移动刻度盘1安装在马达轴8上，和上面所述的一样，编码器部分的基本功能是计测马达轴8的旋转位置/速度。
具有这种结构的附有光学式编码器的流体轴承马达，因用流体轴承支撑着和转子9一起旋转的马达轴8，所以一般沿轴心K-K方向束缚马达轴8和转子9的力容易减弱。因此，安装在马达轴8上的移动刻度盘1在沿轴心K K的方向上易产生位移。该位移能够按照前面所述的方式通过监视在感光部4的各光接收元件所得到的信号的振幅来进行监视。
即，和所述的实施方式的情况一样，若能检测在感光部4的各光接收元件所得到的某一相(在此是A相或B相)的信号的振幅，判断移动刻度盘1和固定狭缝3之间的位移，通过它就能够监视转子9(马达的移动处)在沿垂直于移动方向(转子9的旋转方向)的方向上(沿轴心K-K方向)的位移。图3所示的监视电路在本例中也能应用。即，和所述实施方式的情况一样，把在感光部4的光接收元件的输出Vin用峰值保持元件保持在峰值，就能得到作为监视输出的把Vin和正常峰值电压Vref比较过的输出电压Vo。对于光接收元件的输出Vin，由于能利用A相或B相的信号，所以如若能用振幅检测得到移动刻度盘和固定狭缝之间的位移，即使是其他相的信号也可以。也能把数个相的信号混合使用。对于正常时的峰值电压Vref来说，可采用正常时予先测定的峰值电压值。还有，对于监视输出显示、告知等来说，可采用合适的众所周知的技术，用仪表、数值显示器等显示监视输出Vo，如果有过负荷的话，就用警报等来告知等，这和前面所说明过的例子是相同的。
还有，像上面所述的那样，由于使用流体轴承，在沿轴心K-K方向对转子9或马达轴8增加负荷(外力)时，容易引起移动刻度盘1在轴心K-K上的位移。利用这一点，就能够灵敏地检测到施加在作为流体轴承马达的移动部的马达9上的负荷(具有垂直于移动方向的分量的力)。也就是，能够把所述的监视输出Vo用作对施加在流体轴承马达的移动部(转子9)上的垂直于移动方向的过负荷进行检测的指标。
如上所述，由于马达轴8所受的外力变大，垂直于旋转方向的位移量就增大，所以它在监视输出Vo上也会表现出来。在图5中若有引起向右方位移的力作用的话，Vo显示为正值，若有引起向远离的方向的位移时则显示为负值。并且，能够预先对监视输出Vo的绝对值设定适当的范围值，当监视输出Vo的绝对值超出该范围值时就进行对过负荷进行告知的显示/警报等。