論文

フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発
梁ミン

A Rotary Encoder with Fail-Safe Functions
M. LIANG

An Air Linear Mover (ALM) is currently under development to serve as a new automatic passenger
transportation system. Supported by an air suspension system and driven by linear motors, ALM makes afeature of flexibility to steep slopes and curves, with minimum noise and vibration generated. Kinds ofevaluation are on the way to ensure that ALM will perform satisfactorily in actual operation.
This paper reports a new kind of rotary encoder with fail-safe functions, which is designed as a speed
detector for ALM. Principles and methods to realize the fail-safe functions are discussed in detail.
Experimental results show that the fail-safe functions work well on detecting electrical abnormity of anencoder.

1．はじめに
2．フェールセーフエンコーダ

3．異常検出
3.1

断線の検出

2.1
2.2

動作原理
開口部

3.2
3.3

発光部光量不足の検出
受光部の異常検出

2.3
2.4

回路処理
省線化

3.4
3.5

信号処理回路の異常検出
異常検出回路の異常検出

2.5

仕様

4．おわりに従来の鉄道車輌は，車軸にタコジェネレータ

１．はじめに１，２）（速度発電機）を取付け速度制御をするのが主流で十数年来，リニアモータを利用した都市交通シあった．しかし，より高精度のコントロールが求ステムの研究・開発が急速に進んでいる．大阪とめられ，この新交通システムＡＬＭの速度制御は，東京でリニアモータ地下鉄，広島でロープ駆動式

従来の鉄道車輌の速度制御方式と違って，光学式

簡易懸垂形モノレールシステム（スカイレール）
なのロータリーエンコーダを使用している．最低

どがすでに実用化されている．特に，空気浮上に0.1km/hまでの速度検出ができ，高精度の速度・

よ る 支 持 方 式（ H o v a i r ）プ ラ ス Ｌ Ｉ Ｍ（ L i n e a r

位置制御を可能としている．しかし，従来の光学Induction Motor）駆動のオーチス

シャトルシス式エンコーダは，エンコーダのシャフト，あるいテム（Otis Hovair Transit System）
は，1980年よ

は車輌が停止している場合には，信号線またはエり米国のデューク大学病院の構内交通手段としてンコーダ自体に何かの異常があっても，エンコー採用されてから，成田を含め，すでに世界各地のダの出力状態が変化しない．このため，電源・信空港，リゾート地で運行している．

号線の断線またはエンコーダ自体の異常により出

しかし，無公害，複雑な線路などに柔軟に対応力状態が変化しないのか，それともエンコーダシできるため，新しいシステムの開発が望まれていャフトが停止しているために出力状態が変化しなた．そこで，低騒音，低振動，急曲線・勾配に対いのか判断ができなかった．そこで，零速度付近応するなどの特徴を持っている空気浮上・リニアも含め全動作領域での安全性を向上させ，断線・モータ駆動の自走式新交通システムＡＬＭ（Air

異常検出を可能としたフェールセーフ機能付きのLinear Mover）が浮かび上がってきた．現在，Ａエンコーダの開発が望まれた．

ＬＭは専用の試験ラインにおいて，実用化に向け本報では，このようなフェールセーフエンコーて各種の評価試験，検討が進められている．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)7

−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

論

文

ダの開発について，異常検出原理や方法を提案ししかし，エンコーダを長く使うと，ＬＥＤからながら，実験によりエンコーダの異常検出機能をの光量が徐々に低下し，エンコーダ出力波形のデ検証する．

ューティ比，位相差などがずれてしまう可能性がある．また，エンコーダのシャフトが停止している場合，エンコーダの出力がHighかLowしか出な

2．フェールセーフエンコーダ

いので，エンコーダに異常があるかどうか判断で従来の光学式ロータリーエンコーダは，図1にきない．

示すように，発光ダイオード（以下ＬＥＤと称す），今回開発したフェールセーフエンコーダは，鉄受光フォトダイオード（以下ＰＤと称す），回転ス

道車輌，交通機関など安全性が重視されるものをリット板，固定スリット板，信号増幅・波形整形対象とし，エンコーダケーブルの断線，ＬＥＤの回路等で構成されるのが一般的である．ＬＥＤか

光量低下，受光ＰＤの異常，内部回路の異常などらの光が固定スリット板と回転スリット板を介を検出できるものである．

し，ＰＤに当たる．ＰＤの光電変換で発生した電2.1

気信号が増幅・整形され，エンコーダの出力になる．

動作原理

フェールセーフエンコーダの構成を図 2 に示す．基本動作原理は，パルスでＬＥＤを駆動させ，エンコーダシャフトの回転によって，スリットを固定スリット板通過した光信号はパルスに変調される．信号処理

回転スリット板

回路により，エンコーダ出力信号とフェールセー出力信号発光部（LED）

フ診断パルスに分離される．診断パルスの周波数の検出によりエンコーダの出力信号が有効であるかを判断できる．さらに，２重化回路により，信号処理回路・異常診断回路自身の異常等の検出も可能としている．

波形整形回路これらのフェールセーフ機能を実現するため

受光部（PD）に，固定スリット板の開口部を広げ，変調された

図1 光学式ロータリーエンコーダの構成
Block-diagram of optical rotary encoder

光信号を診断パルスとエンコーダ出力信号に分離する回路処理等が必要である．また，出力回路に異常があったかを監視するために，診断パルスとエンコーダ出力信号を合成によって１つの信号として出力する必要がある．

スリット板
信号処理回路
発光部

受光部

波形整形

波形整形

エンコーダ信号ラッチラッチB

省線化

バッファ

C

D

E
リミッター

A

出力回路

比較回路
発振回路

出力Fスイッチ

比較回路
GHスイッチ診断パルス
異常検出回路

図2 フェールセーフエンコーダの構成
Block-diagram of the fail-safe encoder

8

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

論

文

2.2

開口部

−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−せる．その結果，波形整形回路の入力波形は図5

一般の光学式ロータリーエンコーダの固定・回に示すようになる．基準レベルＬ１とＬ２を制御す

転スリットパターンは，図3に示すように開口部ることで，診断パルスとエンコーダの矩形出力波（透光）が50％，閉口（遮光）部が50％の割合になっが分離される．ている．回転スリット板の回転に伴って，回転スリットと固定スリットの重なったパターンが完全L１

明および完全暗を繰り返し，ＰＤの出力は光の漏れがほとんどないため完全明と完全暗との間で変L２化する擬似正弦波となる．
エンコーダ信号
入射光

光漏れに比例する

開口部
診断パルス

固定スリット回転スリット

図5 エンコーダ信号と診断パルスの割り出し
Separation of encoder signal and fail-safe signal

光電出力

光漏れ

このエンコーダ信号（矩形出力波）が信頼できるかどうかを判断するために，比較回路，スイッチ
時間

図3 一般的なエンコーダのスリットパターン
Typical slit pattern of optical rotary encoder
これに対して，フェールセーフエンコーダは，回路などの機能を持つ異常検出回路は，信号処理回路の異常を常に監視している．異常が発生した
場合，検出回路のスイッチング動作が働き，フェールセーフ診断パルスが遮断されることによって，異常が検出される．

回転スリットパターンの開口・閉口部は何れもさらに，２重化構成になっているので，異常検50％の割合であるが，固定スリットパターンが出回路自身になんらかの異常が発生しても，その図4に示すように開口部約80％，閉口部約20％の異常を検出することができる．

割合となっている．このため，スリット板は，完全に遮光することができなくなり，遮光時にも約2.4

省線化

信号処理回路からエンコーダ出力端子までの間30％の光が漏れている．に出力回路を設置している．エンコーダ信号と診入射光断パルスがそれぞれ独立出力する場合，出力回路開口部

固定スリットに異常が発生したか不明となる．信頼性を高める
ため，フェールセーフ診断パルスとエンコーダ信号を図6のように合成により１つの信号として出力する必要がある．

回転スリットフェールセーフ診断パルス

光電出力

光漏れ

省線化

処

理

時間

図4 フェールセーフエンコーダのスリットパターン
Slit pattern of the fail-sale encoder

2.3

回路処理

エンコーダ信号

図6 フェールセーフエンコーダ出力の省線化
Combination of encoder signal and fail-safe signal

固定スリット板開口部の設計により，光漏れが常に発生していることを利用し，発振回路で発生したパルスでスリットを透過した光信号を変調さ

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)9−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

仕様示す．異常が発生しない場合，周波数100kHzのフェールセーフ診断パルスは１Ｖ〜５Ｖの大きさで出力する．異常が発生した場合，フェールセー
フ診断パルスが異常となったり遮断されたりする．なお，電気的に最高許容回転数が2 000min−１，分解能が１回転360パルスであるため，このフェールセーフエンコーダの最高応答周波数は12kHzとなる．

360pprスリット板

メタルスリット

電源電圧

DC24V ±4V

許容リップル

３%rms以下

消費電流70mA以下

電気的最高許容回転数

2 000min

最高応答周波数12kHz

デューティ比50±25%―１3μs 以下

出力形式

トーテムポール出力

出力電圧（診断パルス）

電源電圧 −4V以上

Ｌ2V以下

流出

Ｈ

最大 30mA

流入

Ｌ

最大 30mAした場合，エンコーダの出力は図10に示すように，フェールセーフ診断パルスが消えることによ
シャフトが停止している時に，エンコーダの断エンコーダは零速度付近も含め全動作領域での安全性を向上させたものとなる．

302010100kHz±10%

4030

正常時出力
異常時出力停止

0.1N・m 以下

軸慣性モーメント

1×10 kg・m100N

スラスト

50N

機械的許容最高回転数
材質

200

2010−10ラジアル

150

0DC35V以下

4100

図7 シャフト停止時エンコーダの出力（ケース１）
Encoder output with encoder shaft not rotating (case 1)

1≦Ｖ≦５

信号

50時間，μs周波数

起動トルク

４．重量の最終出力に重畳されている．ＧＮＤ線が断線し出力電圧, Ｖ

３．機械特性ケーブル

図7，8に示すように，フェールセーフエンコーダは，フェールセーフ診断パルスがエンコーダ

0Ｈ

負荷電圧

軸許容荷重HighまたはLowとなる．

電圧，Vフ信号リット板と回転スリット板の相対位置によって

40

立ち上り／立ち下り時間

フェールセーーダシャフトが停止しているとき，出力は固定ス

電圧，V１相出力

出力電流

一般な光学式ロータリーエンコーダは，エンコ線を検出することができるので，フェールセーフ

信号波形

出力断線の検出って，断線が検出される．

パルス数

２．電気特性
電源

3.1た場合，エンコーダの出力は図9，電源線が断線

表1 フェールセーフエンコーダの主な仕様
Main specifications of the fail-safe encoder
１．形式

文

3．異常検出フェールセーフエンコーダの主な仕様を表1に

050

100

150200時間，μs2

図8 シャフト停止時エンコーダの出力（ケース２）
Encoder output with encoder shaft not rotating (case 2)―１5 000min

40

耐油性PVC

公称断面積0.3mm

仕上がり外径6.0mm

2約600g

電圧，V2.5論302010５．環境条件
使用周囲温度−10℃〜+70℃

保存周囲温度−25℃〜+85℃

050100150

200時間，μs

図9 ＧＮＤライン断線時エンコーダの出力
Encoder output with GND line opened

10KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

論

文−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

ルス用波形整形回路の出力が完全にLowになるの電圧，V40で，フェールセーフ診断パルスが出なくなる．し30

たがって，光量の低下が検出される．
20

図13〜15はＬＥＤ光量不足検出の実験結果100を示している．光量あるいはＬＥＤ電流が正常の50100150

場合，エンコーダ信号とエンコーダ信号に載せた200

フェールセーフ診断パルスはともに正常に出力す

時間，μsる（図13）．

図10 電源ライン断線時エンコーダの出力
Encoder output with power supply line opened

ＬＥＤの光量あるいはＬＥＤ電流が初期値より約30％低下した場合（常温），フェールセール信号に異常が出始める（図14）．ＬＥＤの光量あるいL１L２

はＬＥＤ電流がもっと下がる と（初期値より約50％低下した場合），フェールセーフ診断パルスが完全に消え，エンコーダ信号しか残っていない（図15）．言い換えると，エンコーダの出力信号エンコーダ信号が正常がまだ正常であるうちに，そのエンコーダＬＥＤ発光強度の低下を検出できる．

診断パルスが異常になる

電圧

図11 ＬＥＤ光量低下の検出原理（１）Principle to detect light power reduction of LED (１)
L２
L１

T←

エンコーダ信号が正常

1→
0

100

200

時間，μs
診断パルスが消える

図12 ＬＥＤ光量低下の検出原理（２）Principle to detect light power reduction of LED (２)3.2

図13 ＬＥＤ駆動電流正常場合のエンコーダ出力
Encoder output without reduction occurred in LEDdriving current

発光部光量不足の検出

ＬＥＤの光量が低下すると，ＰＤの受光量が比する．
ＬＥＤ光量不足の検出原理は図5，図11，12電圧

例的に低下するので，ＰＤの出力も比例的に低下に示す．光量が正常な場合，図5に示すように，T

基準レベルＬ１とＬ２は離れていて，Ｌ１がＬ２より←高い．光量の低下に伴い，基準レベルも比例的に低下し，レベルＬ ２ がＬ １ に近づく．ある段階（図11）になったら，診断パルス用波形整形回路の出力がHighになったりLowになったりするので，フェールセーフ診断パルスは欠落が出始め，異常となる．光量がさらに低下すると（図12），レベルＬ１とＬ２との電圧高さが逆になり，診断パ

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

0100200時間，μs

図14 ＬＥＤ駆動電流が30％減少した場合のエンコーダ出力
Encoder output with LED driving current 30% reduced11−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

論文

40電圧，V3020電圧10050100150200時間，μsT

図17 ＰＤ異常時エンコーダの出力（ケース２）
Encoder output with failure occurred in photodiodeoutput (case 2)←01002003.4

信号処理回路の異常検出

信号処理回路に異常が発生した場合，信号処理時間，μs

回路の出力端子Ｂ，Ｃはデジタル出力であるので，

図15 ＬＥＤ駆動電流が50％減少した場合のエンコーダ出力
Encoder output with LED driving current 50% reduced

3.3

電源電圧の５Ｖまたは０Ｖとなる．このため，フェールセーフエンコーダの出力は図18〜21に示すように，フェールセーフ診断パルスが断続的に消えてしまう欠落が発生，回路異常が検出される．

受光部の異常検出

ＰＤは，受光素子が二つ（PD.1とPD.2）存在している．受光素子になんらかの異常が発生した場
合，ＰＤの出力は電源電圧の５Vまたは０Vとなる．

具体的に，エンコーダの出力は，回路上B点電圧（図2参照）に異常が発生した場合図18，19，Ｃ点電圧に異常が発生した場合図20，21に示す．

この場合，表2，図16，17に示すようにフェールセーフ信号がなくなるため，異常が検出され

表2 受光部異常の検出
Detecting of the failure occurred in photodiode output
Encoder

異常内容

Fail-safe

30
電圧，Vる．

20
10050

異常検出

信号

信号

PD.1出力＝PD.2出力=5V

Ｌ

無し

可

PD.1出力＝PD.2出力=0V

Ｈ

無し

可PD.1出力＝0V，PD.2出力=5V

Ｈ

無し

可PD.1出力＝5V，PD.2出力=0V

Ｌ

無し

可100

150200時間，μs

図18 回路内部異常時のエンコーダ出力（ケース１）[Ｂ点電圧＝５Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in signal processing
circuit (case 1)

4030電圧，V電圧，V30201010050100150200時間，μs

図16 ＰＤ異常時エンコーダの出力（ケース１）
Encoder output with failure occurred in photodiodeoutput (case 1)

1220050100150200時間，μs

図19 回路内部異常時のエンコーダ出力（ケース２）[Ｂ点電圧＝０Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in signal processingcircuit (case 2)

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論

文−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

30電圧，V電圧，V3020100501001502010020050100150200時間，μs時間，μs

図20 回路内部異常時のエンコーダ出力（ケース３）[Ｃ点電圧＝５Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in signal processing
circuit (case 3)

図23 異常検出回路異常時のエンコーダ出力（ケース２）[Ａ点電圧＝０Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in the failure detecting
circuit (case 2)

30電圧，V電圧，V3020201010005010015050200時間，μs

図21 回路内部異常時のエンコーダ出力（ケース４）[Ｃ点電圧＝０Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in signal processing
circuit (case 4)

100150200時間，μs

図24 異常検出回路異常時のエンコーダ出力（ケース３）[Ｄ点電圧＝５Ｖの場合 ]Encoder output with failure occurred in the failure detecting
circuit (case 3)

3.5

異常検出回路の異常検出

異常検出回路はもともと回路異常を検出するた電圧，V302010めに設けたのであるが，異常検出回路自身にもなんらかの異常が発生する可能性がある．それを監050

視するため，異常検出回路を２重化した．

100150200時間，μs

図22〜26は異常検出回路に異なる異常が発生した場合フェールセーフエンコーダの出力を示す．いずれの場合も，フェールセーフ診断パルスが完全にまたは断続的に消えてしまうため，検出回路の異常が検出される．

図 25

異常検出回路異常時のエンコーダ出力（ケース４）[Ｄ点電圧＝０Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in the failure detecting
circuit (case 4)30電圧，V電圧，V3020
10050

100150200時間，μs

図22

異常検出回路異常時のエンコーダ出力（ケース１）[Ａ点電圧＝24Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in the failure detecting
circuit (case 1)

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2010050100150200時間，μs

図26 異常検出回路異常時のエンコーダ出力（ケース５）[Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ点電圧＝０Ｖの場合]
Encoder output with failure occurred in the failure detecting
circuit (case 5)13

−フェールセーフ機能付ロータリーエンコーダの開発−

論文

エンコーダの出力は，回路上Ａ点電圧（図2参照）に異常が発生した場合図22，23，Ｄ点電圧に異常が発生した場合図24，25，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ点電圧に異常が発生した場合図26に示す．
なお，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ点の電圧はそれぞれHigh（５Ｖ）になり続いた場合，フェールセーフ
診断パルスが正常であるが，もしこの時回路内部に異常が発生したら，２重化した異常検出回路の働きで，フェールセーフ診断パルスも図18〜21のように異常に変わり，発生した回路異常が検出される．

4．おわりに本報で紹介したフェールセーフエンコーダは，新交通システムＡＬＭの速度制御または速度を監視するために開発され，特に，零速度付近も含め全動作領域での安全性を向上させたものである．
このエンコーダは，従来の光学式ロータリーエンコーダの共通の機能・特性を持つ上に，複数のフェールセーフ機能が付いている．光学系および電気回路などの特別設計によって，エンコーダシャフトの停止・回転に関わらず，エンコーダの断線，発光部・受光部の異常，信号処理回路の異常，そして異常検出回路自身の異常などを検出できるようになっている．
主な応用としては，鉄道車輌の速度制御，位置検出などに使用できる．また，一般産業への応用として安全性が重視される工作機械や電気自動車など様々な幅広い分野が考えられる．
最後に開発に当たってご協力・アドバイスを頂きました日本オーチス・エレベータ株式会社俣野
良夫部長殿と和田勝博課長殿に深く感謝致します．

参考文献
１）和田勝博，俣野良夫，梁ミン：フェール

セーフ速度検出器，電気学会研究会資料，

筆 者

ＬＤ−99−83,（1999）77．
２）水間毅,加藤佳仁：都市交通システムの評価手法の検討，電気学会研究会資料，Ｌ
Ｄ−99−70−81，（1999）
65．

梁 ミン*
M. LIANG*

光洋電子工業株式会社
技術部

14

エンコーダ事業部

工学博士

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)