JP5126290B2 - エンコーダ、サーボモータ、サーボユニット及びエンコーダの製造方法 - Google Patents
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Description
このエンコーダは、移動体の移動方向に応じて、主に回転型(以下「ロータリ」ともいう。)と直線型(以下「リニア」ともいう。)に大別される。
それぞれ上記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した上記第1トラック又は上記第2トラックの上記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、上記回転格子と上記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
上記第1トラックの回折格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
上記第1トラックに対向する上記第1検出部は、上記第2検出部が対向する位置における上記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、上記第1トラックの回折格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、上記第1トラックに対向して配置される、エンコーダが提供される。
上記エンコーダは、上記ディスクの1回転内の周期数が相異なる、上記第1検出部による第1検出信号と、上記第2検出部による第2検出信号とに基づいて、上記ディスクの回転位置を生成する位置データ生成部を更に有してもよい。
上記エンコーダは、上記第3トラックに対向して固定配置され、対向した第3トラックの上記回折格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子を有して、上記回転格子と上記固定格子とによる回折干渉光を検出する第3検出部を更に有し、
上記第3検出部は、上記第1検出部が対向する位置における上記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、上記第3トラックの回折格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、上記第3トラックに対向して配置されてもよい。
上記シャフトに連結されて上記シャフトの位置を測定するエンコーダと、
を備え、
上記エンコーダは、
上記シャフトの回転にあわせて回転軸周りに回転可能に配置され、光学的な回転格子がそれぞれ形成されたリング状の第1トラック及び第2トラックを有する円板状のディスクと、
それぞれ上記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した上記第1トラック又は上記第2トラックの上記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、上記回転格子と上記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
上記第1トラックの回折格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
上記第1トラックに対向する上記第1検出部は、上記第2検出部が対向する位置における上記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、上記第1トラックの回折格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、上記第1トラックに対向して配置される、サーボモータが提供される。
上記シャフトに連結されて上記シャフトの位置を測定するエンコーダと、
上記エンコーダが検出した位置に基づいて、上記モータの回転を制御する制御装置と、
を備え、
上記エンコーダは、
上記シャフトの回転にあわせて回転軸周りに回転可能に配置され、光学的な回転格子がそれぞれ形成されたリング状の第1トラック及び第2トラックを有する円板状のディスクと、
それぞれ上記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した上記第1トラック又は上記第2トラックの上記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、上記回転格子と上記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
上記第1トラックの回折格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
上記第1トラックに対向する上記第1検出部は、上記第2検出部が対向する位置における上記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、上記第1トラックの回折格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、上記第1トラックに対向して配置される、サーボユニットが提供される。
上記第1トラックについて、上記回転軸を中心として、上記スリット数決定ステップで決定したスリットの数と等しい複数の放射状線を、上記回転軸を中心に等角度で設定する放射状線設定ステップと、
上記第1トラックについて、上記複数のスリットのピッチが所定の値になるように、上記複数の放射状線それぞれを所定の湾曲度合いで周方向に向けて湾曲して、複数の湾曲線を設定する湾曲線設定ステップと、
上記第1トラックの上記複数のスリットを、上記複数の湾曲線に沿って形成するスリット形成ステップと、
上記第1トラック又は上記第2トラックの上記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、上記回転格子と上記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部を、それぞれ上記第1トラック又は第2トラックに対向して固定配置する検出部配置ステップと、
を有し、
上記検出部配置ステップでは、上記第2検出部が対向する位置における上記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、上記第1トラックの回折格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、上記第1検出部を上記第1トラックに対向させて配置する、エンコーダの製造方法が提供される。
<0.関連技術>
<1.第1実施形態>
(1−1.第1実施形態に係るサーボユニット)
(1−2.第1実施形態に係るエンコーダ)
(1−2−1.ディスク110)
(トラックTA〜TC)
(スリットSの形状)
(磁石MG)
(1−2−2.検出部130X,検出部130A〜130C)
(1X検出機構)
(光学検出機構)
(1−2−3.湾曲スリットの構成)
(一のトラックT内の湾曲スリット)
(湾曲スリットと固定格子側のスリットの位置関係)
(複数のトラック間の関係における湾曲スリット)
(1−2−4.位置データ生成部140)
(1−3.第1実施形態に係るサーボユニットの動作)
(1−4.第1実施形態に係るエンコーダの製造方法)
(1−5.第1実施形態に係るエンコーダシステムによる効果の例)
(1−6.第1実施形態に係るエンコーダの実施例)
(1−1.第1実施形態に係るサーボユニット)
まず、図1を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係るサーボユニットの構成について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係るサーボユニットの構成について説明するための説明図である。
次に、図2及び図3を参照しつつ、本実施形態に係るエンコーダ100の構成について説明する。図2は、本実施形態に係るエンコーダの構成について説明するための説明図である。図3は、本実施形態に係るエンコーダが有するディスクについて説明するための説明図である。
ディスク110は、図3に示すように円板状に形成され、ディスク中心Oが回転軸AXとほぼ一致するように配置される。そして、ディスク110は、この回転軸AX周りに回転可能なシャフトSH3を介して、モータMのシャフトSH1に対応したシャフトSH2に連結される。従って、ディスク110は、モータMの回転に応じて回転軸AX周りに回転可能に配置されることとなる。
トラックTA〜TCは、それぞれディスク110のディスク中心Oを中心とするリング状に所定の幅wA〜wCで設定される。本実施形態では、各トラックTA〜TCの幅wA〜wCは同一の幅wに設定される(w=wA=wB=wC)。ただし、トラック幅wA〜wCは、異なっていても良い。
一方、透過スリットとして形成される場合、ディスク110自体を光が透過する材質で形成し、スリットSLA〜SLC以外の部位に、吸収又は反射するなどにより光を遮蔽する物質を配置したり光を遮蔽する加工を施すなどの方法で形成されてもよい。ただし、スリットSLA〜SLCの形成方法は特に限定されるものではない。
要するに、反射型スリットの場合、スリットSLA〜SLCは、光を反射し、それ以外の部位は、光を反射せず、透過型スリットの場合、スリットSLA〜SLCは、光を透過し、それ以外の部位は、光を遮蔽することとなる。
ここで、各トラックTA〜TCそれぞれにおけるスリットSLA〜SLCの形状について説明する。
磁石MGは、1回転内の大まかな絶対位置xを検出するための1回転検出機構の一例の一部を構成する。磁石MGは、両磁極(N極及びS極)がディスク面と平行な方向でディスク中心O(回転軸AX)を挟んで対称に位置するように配置される。この磁石MGは、本実施形態と異なる1回転検出機構が使用される場合、その機構に応じた構成に変更されてもよい。
これに対して、トラックTA,TBのスリット本数nA,nBは、上述の通り、nA<nBに設定される。そして、各トラックTA,TBから得られる周期信号の周期数mA,mBは、各トラックTA〜TC毎の位置検出精度を表し、それぞれスリット本数nA,nCに対応する。
トラックTAによる検出機構は、1回転よりも狭い範囲内での絶対位置xを、1X検出機構よりも高い精度で検出することができる。このトラックTAによる検出機構をここでは「第1インクレ検出機構」又は「第2検出機構」ともいう。
トラックTBによる検出機構は、第1インクレ検出機構よりも更に狭い範囲内での絶対位置xを、第1インクレ検出機構よりも高い精度で検出することができる。このトラックTBによる検出機構をここでは「第2インクレ検出機構」又は「第3検出機構」ともいう。
次に、図2〜図5を参照しつつ、検出部130X及び検出部130A〜130Cについて説明しつつ、これらの検出機構についてより具体的に説明する。図4及び図5は、本実施形態に係るエンコーダが有する光学検出機構について説明するための説明図である。
検出部130Xは、磁石MGに対向して配置され、磁石MGと共に1X検出機構を構成する。検出部130Xと磁石MGとの間のギャップgは、図2に示すように、他の検出部130A〜130Cとディスク110との間のギャップgと同一に設定される。その結果、検出器130X,130A〜130Cのギャップgを同時に調整することが可能になり、製造等が容易になる。ただし、この検出部130Xのギャップgを、検出器130A〜130Cのギャップgと異なる値にすることも可能である。
検出部130Aは、第1検出部又は第2検出部の一例であって、トラックTAに対向して配置され、トラックTAと共に第1インクレ検出機構を構成する。検出部130Bは、第1検出部又は第2検出部の一例であって、トラックTBに対向して配置され、トラックTBと共に第2インクレ検出機構を構成する。検出部130Cは、第3検出部の一例であって、トラックTCに対向して配置され、トラックTCと共に偏心検出機構を構成する。
これと同様に、回転格子Lで反射した光は、回転格子Lに入射する際の入射角に応じて、回転格子Lの幅方向に広がる。従って、後述する固定格子G2のスリットSG2の幅も、この広がり角を考慮して、信号強度を向上させるために、回転格子LのスリットSLの幅よりも広く設定されることが望ましい。その際、固定格子G2のスリットSLの幅を、更に、回転格子Lで反射した光が到達すると予想される幅よりも広く設定するか又は狭く設定することにより、固定格子G2と回転格子Lとの取り付け誤差に対する信号の安定性を、更に向上させることが可能であることも同様である。
ただし、固定格子G1と固定格子G2と回転格子Lそれぞれのスリットの幅の関係は、十分な信号強度が確保でき、また、取り付け誤差に対する信号の安定性も十分に確保できる場合には、特に限定されるものではないことは言うまでもない。
以上、本発明の第1実施形態に係るエンコーダ100の構成について説明した。次に、図5及び図6を参照しつつ、上記回転格子LA,LBに使用される湾曲スリットについて、詳しく説明する。図6は、本実施形態に係るエンコーダが有する湾曲スリットについて説明するための説明図である。
まず、図6を参照しつつ、どちらか一方の湾曲スリット、つまり、トラックTAの回転格子LAのスリットSLA、又は、トラックTBの回転格子LBのスリットSLBを例に挙げて説明する。そして、スリットSLAとスリットSLBとで異なる点については、個別に説明することとする。
ディスク中心Oを原点とし、原点からの距離をlとし、原点を通る基準線からの角度をθとし、トラックTの内径及び外径をrIN,rOUTとする。そして、トラックTの回転格子Lが含むスリット本数をnとし、各スリットをj(j=0,1,2…,n−1)で識別するものとする。すると、放射状線LINE1は、極座標で下記式1で表される。
LINE1=(l,j×2π/n) …(式1)
ただしrIN≦l≦rOUT
LINE2=(r0(1−Cθ),θ+j×2π/n) …(式2)
ただしrIN≦r0(1−Cθ)≦rOUT
C=tan[sin−1{pL×n/(2πr0}] …(式3)
なお、トラックTは、回折格子G2を透過した後に受光素子で受光した回転格子Lからの反射光が、十分な光量となるだけの幅w(=rOUT−rIN)で形成されることが望ましい。本実施形態に係る回折干渉光学系では、トラックTの幅wを例えば回転格子LのピッチpLの20倍〜50倍程度に設定すれば、十分な光量が得られる。従って、湾曲スリットであるスリットSLは、式3から判るように、トラック内径(rIN)の位置から角度θで180°以内の位置でトラック外径(rOUT)に到達する。湾曲したスリットSLの1本1本は、それぞれ角度θで180°以内となり、トラックTを1回転周回しないように形成される。このように湾曲スリットを形成することにより、ディスク110の強度を高めたり、ディスク110を小型化したり、スリットSLの形成を容易にすることが可能である。
g=(2×k−1)×pL 2/4λ …(式4)
g=(2×k)×pL 2/λ …(式5)
pL=f(n,r,C) …(式6)
=(2πr/n)×sin(tan−1C)
固定格子G1,G2として平行スリットを使用する場合、図5に示すように、固定格子G1,G2は、対応する回転格子LのスリットSLの湾曲線LINE2の接線LINE3と各スリットSG1,SG2が平行になるように、配置される。本実施形態のような湾曲スリットであれば、固定格子G1,G2の配置位置が多少ずれた場合でも、湾曲スリットのピッチpLの上記変化量が比較的小さいため、平行スリットである固定格子G1,G2と回転格子Lとが平行になる領域を大きく確保することができる。よって、周期信号の検出精度を更に向上させつつ、製造等を非常に容易にすることができる。
以上、一のトラックT内の湾曲スリットについて説明した。ここで、複数のトラックTA〜TB間の関係における湾曲スリットについて、図2及び図3を参照しつつ説明する。
次に、図2,図7〜図9を参照しつつエンコーダ100の残りの構成である位置データ生成部140について説明する。図7〜図9は、本実施形態に係るエンコーダが有する位置データ生成部について説明するための説明図である。
次に、本実施形態に係るサーボユニットSUの動作について説明する。なお、各構成における動作や作用等については、各構成の説明で詳しく説明したので適宜省略して説明する。
以上、本発明の第1実施形態に係るエンコーダ等について説明した。
次に、図10を参照しつつ、本実施形態に係るエンコーダ100の製造方法について説明する。図10は、本実施形態に係るエンコーダの製造方法について説明するための説明図である。ここでは主にトラックTA及びトラックTBのような湾曲スリットの形成等について説明する。
以上、本発明の第1実施形態に係るエンコーダ、サーボモータ、サーボユニット及びエンコーダの製造方法について説明した。
ここで、本実施形態に係るエンコーダ100等による効果がより明確になるように、本実施形態に係るエンコーダ100による実施例と、本実施形態とは異なる構成のエンコーダによる比較例とを比較しつつ、上記効果についてより詳細に説明する。
比較例2では、比較例1における放射状線LINE1を、湾曲させるのではなくトラックTの周方向にΔθ=0.35度傾け、その線に沿ってスリットSL4を形成した。
この比較例1,2では、固定格子G1,G2は、平行スリットとして形成され、少なくとも一部の回転格子L3,L4と略平行になるように配置される。
一方、比較例3では、512本のスリットSL5を、上記トラックT5内に納まるように、ディスク中心Oを中心に螺旋状に1回転以上巻きつけて形成した。ただし、図X3では512本のスリットSL5を適宜省略して概念的に記載している。この比較例3では、固定格子G1,G2は、平行スリットとして形成され、ディスク510の螺旋の接線と平行に配置される。
比較例1,2では、ピッチpLが98μmと大きくなるため、上記回折干渉現象を利用したエンコーダを構成することが難しい。一方、比較例3では、ピッチpLが0.98μmと小さくなるため、回転格子L及び固定格子G1,G2に対して高い製作精度が要求され、製造が困難になる。また、これらのピッチpLは、ギャップgに対して最適な値(20μm)に設定することができない。
これに対して、本実施例では、湾曲度合いC等を調整することにより、ピッチpLをギャップgに対して最適な値20μmに調整することが可能である。
SM サーボモータ
CT 制御装置
M モータ
SH1,SH2,SH3 シャフト
100 エンコーダ
110 ディスク
120 マスク
130,130A,130B,130C,130X 検出部
131 発光部
132 受光部
140 位置データ生成部
141 位置データ算出部
142 誤差測定部
143 位置データ補正部
a 加速度
AX 回転軸
G1,G2 固定格子
G2A,G2B 領域
L,LA,LB,LC 回転格子
L3,L4,L5 回転格子
LINE1 放射状線
LINE2 湾曲線
LINE3 接線
LX1,LX2 回転格子
m,mA,mB,mC 周期数
MG 磁石
n,nA,nB,nC スリット本数
O ディスク中心
p,pG1,pG2 ピッチ
pL,pLA,pLB,pLB,pLX,pLY ピッチ
r,rA,rB,rC トラック半径
rIN トラック内径
rOUT トラック外径
S1,S2 スリット
SG1,SG2 スリット
SL,SLA,SLB,SLC スリット
SL3,SL4,SL5 スリット
T,TA,TB,TC トラック
T3,T4,T5 トラック
v 速度
w,wA,wB,wC トラック幅
x 位置
θ,θ4 角度
φX,φA,φB,φC 電気角
g ギャップ
Claims (11)
- 回転軸周りに回転可能に配置され、光学的な回転格子がそれぞれ形成されたリング状の第1トラック及び第2トラックを有する円板状のディスクと、
それぞれ前記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した前記第1トラック又は前記第2トラックの前記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、前記回転格子と前記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
前記第1トラックの回転格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
前記第1トラックに対向する前記第1検出部は、前記第2検出部が対向する位置における前記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、前記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、前記第1トラックに対向して配置される、エンコーダ。 - 前記第1トラックの回転格子に含まれる複数のスリットのピッチは、前記第2トラックの回転格子に含まれる複数のピッチと等しい、請求項1に記載のエンコーダ。
- 複数の前記湾曲スリットは、当該複数のスリットのピッチが所定の値になるように、前記回転軸を中心とした複数の放射状線それぞれを所定の湾曲度合いで周方向に向けて湾曲させた湾曲線に沿って形成される、請求項1又は2に記載のエンコーダ。
- 前記第1トラックの回転格子のスリット本数は、前記第2トラックの回転格子のスリット本数と異なり、
前記エンコーダは、前記ディスクの1回転内の周期数が相異なる、前記第1検出部による第1検出信号と、前記第2検出部による第2検出信号とに基づいて、前記ディスクの回転位置を生成する位置データ生成部を更に有する、請求項3に記載のエンコーダ。 - 前記ディスクは、回転軸を中心とする複数の同心円スリットを含む回転格子が形成されたリング状の第3トラックを更に有し、
前記エンコーダは、前記第3トラックに対向して固定配置され、対向した第3トラックの前記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子を有して、前記回転格子と前記固定格子とによる回折干渉光を検出する第3検出部を更に有し、
前記第3検出部は、前記第1検出部が対向する位置における前記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、前記第3トラックの回転格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、前記第3トラックに対向して配置される、請求項4に記載のエンコーダ。 - 前記位置データ生成部は、少なくとも前記第3検出信号に基づいて、前記第1検出信号及び前記第2検出信号の両信号に生じる誤差を測定し、当該誤差に基づいて、生成した前記ディスクの回転位置を補正する、請求項5に記載のエンコーダ。
- 前記第1トラックに対向する前記第1検出部の固定格子は、前記湾曲スリットの接線と平行に形成される、請求項1に記載のエンコーダ。
- 前記第1トラックの回転格子と該回転格子に対向する前記第1検出部の固定格子との間のギャップは、前記第2トラックの回転格子と該回転格子に対向する前記第2検出部の固定格子との間のギャップと等しい、請求項7に記載のエンコーダ。
- シャフトを回転させるモータと、
前記シャフトに連結されて前記シャフトの位置を測定するエンコーダと、
を備え、
前記エンコーダは、
前記シャフトの回転にあわせて回転軸周りに回転可能に配置され、光学的な回転格子がそれぞれ形成されたリング状の第1トラック及び第2トラックを有する円板状のディスクと、
それぞれ前記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した前記第1トラック又は前記第2トラックの前記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、前記回転格子と前記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
前記第1トラックの回転格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
前記第1トラックに対向する前記第1検出部は、前記第2検出部が対向する位置における前記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、前記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、前記第1トラックに対向して配置される、サーボモータ。 - 回転シャフトを回転させるモータと、
前記シャフトに連結されて前記シャフトの位置を測定するエンコーダと、
前記エンコーダが検出した位置に基づいて、前記モータの回転を制御する制御装置と、
を備え、
前記エンコーダは、
前記シャフトの回転にあわせて回転軸周りに回転可能に配置され、光学的な回転格子がそれぞれ形成されたリング状の第1トラック及び第2トラックを有する円板状のディスクと、
それぞれ前記第1トラック及び第2トラックに対向して固定配置され、対向した前記第1トラック又は前記第2トラックの前記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、前記回転格子と前記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部と、
を有し、
前記第1トラックの回転格子に含まれる複数のスリットそれぞれは、放射状から湾曲した形状の湾曲スリットとして形成され、
前記第1トラックに対向する前記第1検出部は、前記第2検出部が対向する位置における前記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、前記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、前記第1トラックに対向して配置される、サーボユニット。 - エンコーダに実装された際に回転軸周りに回転可能に配置された円板状のディスクが有するリング状の第1トラック及び第2トラックそれぞれに形成される固定格子が有する複数のスリットの数を、所定の周期の検出信号がそれぞれ得られるように、前記第1トラック及び前記第2トラックのそれぞれについて決定するスリット数決定ステップと、
前記第1トラックについて、前記回転軸を中心として、前記スリット数決定ステップで決定したスリットの数と等しい複数の放射状線を、前記回転軸を中心に等角度で設定する放射状線設定ステップと、
前記第1トラックについて、前記複数のスリットのピッチが所定の値になるように、前記複数の放射状線それぞれを所定の湾曲度合いで周方向に向けて湾曲して、複数の湾曲線を設定する湾曲線設定ステップと、
前記第1トラックの前記複数のスリットを、前記複数の湾曲線に沿って形成するスリット形成ステップと、
前記第1トラック又は前記第2トラックの前記回転格子と回折干渉光学系を構成する光学的な固定格子をそれぞれ有して、前記回転格子と前記固定格子とによる回折干渉光を検出する第1検出部及び第2検出部を、それぞれ前記第1トラック又は第2トラックに対向して固定配置する検出部配置ステップと、
を有し、
前記検出部配置ステップでは、前記第2検出部が対向する位置における前記第2トラックの回転格子に含まれるスリットの接線に対して、前記第1トラックの回転格子に含まれるスリットの接線が平行となる位置において、前記第1検出部を前記第1トラックに対向させて配置する、エンコーダの製造方法。
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