JP5187329B2 - 直動回転エンコーダ、直動回転モータ及び直動回転モータシステム - Google Patents

Description

本発明は、直動回転エンコーダ、直動回転モータ及び直動回転モータシステムに関する。

移動体の位置や速度等の物理量を測定するために、エンコーダが使用される。
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。

ロータリエンコーダは、回転位置検出装置等ともいわれ、例えば特許文献１に示すように、移動体（回転体）の位置（角度）や速度（回転速度）等を検出する。一方、リニアエンコーダは、直線位置検出装置等ともいわれ、例えば特許文献２に示すように移動体の位置（直線位置）や速度等を検出する。

特許第２９７７８２１号公報 特開平８−１９３８４３号公報

一方、近年、測定対象である移動体が直線又は回転の一軸方向に移動するだけでなく、直線及び回転を含む多軸で移動する装置等が開発されている。直線移動を「直動」ともいい、直線及び回転を含む多軸で移動体を移動させるモータを、「直動回転モータ」ともいう。直動回転モータにおいて、移動体の位置を制御するために、移動体の位置を測定する必要がある場合がある。

この場合、例えば、上記ロータリエンコーダ及びリニアエンコーダの両者が、別々に直度回転モータのシャフトに直列又は並列等に接続されて、回転位置及び直線位置の両者を測定することが多い。

しかし、このように少なくとも２の別種のエンコーダを配置したのでは、装置自体の構成が大型になるばかりか、装置の製造コストが増加してしまう。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、検出対象の回転位置及び直線位置を測定することが可能であり、かつ、小型化及び製造コスト削減が可能な、直動回転エンコーダ、直動回転モータ及び直動回転モータシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一の駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な検出対象に連結可能に形成され、該検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
上記直動回転部における上記駆動軸方向の表面に設けられ、上記駆動軸までの距離が一定でありかつ上記駆動軸方向の位置が上記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
上記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１の上記トラックまでの駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
上記２以上の検出部により検出された２以上の上記検出信号に基づいて、上記検出対象の駆動軸方向の直線位置及び駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
を備える、直動回転エンコーダが提供される。

また、上記直動回転部における上記駆動軸方向の表面は、上記駆動軸と垂直な面から所定の角度傾いた平面状の測定面であり、
上記１のトラックは、上記測定面上に形成されてもよい。

また、上記２以上の検出部それぞれは、上記対向した１のトラックに照射光を照射して該トラックからの反射光を受光することにより上記検出信号を検出し、
上記対向した１のトラックは、対向した１の上記検出部に向けて反射する光量を増加させる反射形状を有してもよい。

また、上記対向した１のトラックは、上記反射形状として、上記リングの全周に亘って形成された略Ｖ字状の溝を有してもよい。

また、少なくとも１の上記トラックは、上記駆動軸方向の位置が変曲点を除き上記測定軸周りの角度に対して線形に変化する形状で形成されてもよい。

また、上記少なくとも１のトラックの上記測定面は、一端が上記検出対象に連結されかつ上記駆動軸に沿って延長形成されたシャフトの他端が、上記駆動軸に対して所定の角度で切断された切断面であってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一端に検出対象が連結可能なシャフトを、該シャフトが延長形成された駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な直動回転モータ部と、
上記シャフトの他端に固定して設けられ、上記検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
上記直動回転部における上記駆動軸方向の表面に設けられ、上記駆動軸までの距離が一定でありかつ上記駆動軸方向の位置が上記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
上記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１の上記トラックまでの駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
上記２以上の検出部により検出された２以上の上記検出信号に基づいて、上記検出対象の駆動軸方向の直線位置及び駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
を備える、直動回転モータが提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一端に検出対象が連結可能なシャフトを、該シャフトが延長形成された駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な直動回転モータ部と、
上記シャフトの他端に固定して設けられ、上記検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
上記直動回転部における上記駆動軸方向の表面に設けられ、上記駆動軸までの距離が一定でありかつ上記駆動軸方向の位置が上記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
上記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１の上記トラックまでの駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
上記２以上の検出部により検出された２以上の上記検出信号に基づいて、上記検出対象の駆動軸方向の直線位置及び駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
上記位置特定部が特定した上記検出対象の直線位置及び回転位置に基づいて、上記直動回転モータ部を制御する制御部と、
を備える、直動回転モータシステムが提供される。

以上説明したように本発明によれば、検出対象の回転位置及び直線位置を測定することが可能であり、かつ、小型化及び製造コスト削減が可能である。

本発明の第１実施形態に係る直動回転モータシステムの構成について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転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。 同実施形態に係る直動回転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。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出処理の一例について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出処理の一例について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックの一例について説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックの変更例について説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックについて説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素は、原則として同一の符号で表し、これらの構成要素についての重複説明は、適宜省略するものとする。

以下で説明する本発明の各実施形態では、直動回転エンコーダを有する直動回転モータシステムを例に挙げて説明する。つまり、各実施形態に係る直動回転エンコーダは、直動回転モータに適用され、直動回転モータの回転角度（「回転位置θ」ともいう。）と直線位置ｚとを検出する。しかしながら、ここで説明する各実施形態に係る直動回転エンコーダは、このような直動回転モータや直動回転モータシステムだけでなく、直動及び回転を行うような移動体の回転位置θ及び直線位置ｚを検出することに使用されてもよい。

なお、本発明の各実施形態について理解が容易になるように以下の順序で説明することとする。
＜１．第１実施形態＞
（１−１．第１実施形態に係る直動回転モータシステム）
（１−２．第１実施形態に係る直動回転エンコーダの構成等）
（１−３．第１実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作）
（１−４．第１実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出処理の一例）
（１−５．第１実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックの一例）
（１−６．第１実施形態に係る直動回転モータシステム等による効果の例）
＜第２実施形態＞
（２−１．第２実施形態に係る直動回転エンコーダの構成等）
（２−２．第２実施形態に係る直動回転モータシステム等による効果の例）

＜１．第１実施形態＞
（１−１．第１実施形態に係る直動回転モータシステム）
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る直動回転モータシステムの構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る直動回転モータシステムの構成について説明するための説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る直動回転モータシステム（以下単に「モータシステム」ともいう。）１は、直動回転モータ（以下単に「モータ」ともいう。）３０と、制御部４０とを有する。また、モータ３０は、直動回転エンコーダ（以下単に「エンコーダ」ともいう。）１００と、直動回転モータ部（以下単に「モータ部」ともいう。）２０とを有する。

モータ部２０は、エンコーダ１００を含まない動力発生源の一例である。このモータ部２０を単にモータという場合もある。モータ部２０は、少なくとも一側にシャフト２１を有し、このシャフト２１を駆動軸ＡＸ周りに回転させることにより、回転力を出力する。一方、モータ部２０は、シャフト２１を駆動軸ＡＸ方向にスライドさせることにより、直動力を出力する。一方、シャフト２１は、駆動される対象（以下、エンコーダ１００で位置を検出する対象という意味で「検出対象」や移動される対象という意味で「移動体」ともいう。図示せず。）が連結可能に形成される。なお、ここでは説明の便宜上、シャフト２１が検出対象であるとして説明する。よって、モータ部２０は、シャフト２１を回転又は直動（直線上の移動）させることにより、検出対象を回転移動又は直線移動させることが可能である。

上述の通り、ここでは、モータ部２０が駆動する検出対象の回転方向の位置を「回転位置θ」ともいい、直動方向の位置を「直線位置ｚ」ともいう。そして、これらの回転位置θ及び直線位置ｚを総称して単に「位置」ともいい、この位置を表したデータを、ここでは総称して「位置データ」ともいう。

なお、モータ部２０は、位置データに基づいて制御されるサーボモータであれば特に限定されるものではない。モータ部２０は、動力源として電気を使用する電動式モータ部である場合に限られるものではなく、例えば、油圧式モータ部、エア式モータ部、蒸気式モータ部等の他の動力源を使用したモータ部であってもよい。ただし、説明の便宜上、以下ではモータ部２０が電動式モータ部である場合について説明する。更に言えば、モータ部２０は、単体のモータとして形成されても良いが、回転用モータと直動用モータとが同一シャフト２１を介して動力を出力するような装置であってもよい。一方、モータ部２０が駆動させる検出対象は、特に限定されるものではなく、直動及び回転の少なくとも一方をさせることが必要な対象であれば、様々な対象であってもよいことは言うまでもない。

エンコーダ１００は、モータ部２０のシャフト２１とは逆側に配置され、当該シャフト２１に対応して直動・回転する他のシャフト２２に連結される。そして、このエンコーダ１００は、シャフト２２の位置を検出することにより、回転力及び直動力が出力されるシャフト２１の位置、つまり検出対象の位置を検出して、その位置を表す位置データを出力する。ここでは、この検出対象の位置等を、説明の便宜上モータ部２０の位置等ともいう。

このエンコーダ１００は、モータ部２０の位置に加えてか又は代えて、シャフト２１の速度（角速度及び直動速度）及び加速度（角加速度及び直動加速度）の少なくとも一方を検出してもよい。この場合、モータ部２０の速度及び加速度は、例えば、位置を時間で１又は２回微分するなどの処理により検出することが可能である。説明の便宜上、以下では、位置には速度及び加速度が含まれてもよいものとし、エンコーダ１００が検出する物理量は位置であるとして説明する。

なお、エンコーダ１００の配置位置は特に限定されるものではない。例えば、エンコーダ１００は、シャフト２１に直接連結されるように配置されてもよく、また、減速機や回転方向変換機などの他の機構を介してシャフト２１等の検出対象に連結されてもよい。

制御部４０は、エンコーダ１００から出力される位置データを取得して、当該位置データが表す直線位置ｚ及び回転位置θに基づいて、モータ部２０の直動・回転を制御する。従って、モータ部２０として電動式モータ部が使用される本実施形態では、制御部４０は、位置データに基づいて、制御信号としてモータ部２０に印加する電流又は電圧等を制御することにより、モータ部２０の直動・回転を制御する。更に、制御部４０は、上位制御装置（図示せず）から上位制御信号を取得して、当該上位制御信号に表された位置又は速度等がモータ部２０のシャフト２１から出力されるように、モータ部２０を制御することも可能である。なお、モータ部２０が、油圧式、エア式、蒸気式などの他の動力源を使用する場合には、制御部４０は、それらの動力源の供給を制御することにより、モータ部２０の直動・回転を制御することが可能である。

（１−２．第１実施形態に係る直動回転エンコーダの構成等）
次に、図２及び図３を参照しつつ、本実施形態に係る直動回転エンコーダ１００の構成について説明する。図２及び図３は、本実施形態に係る直動回転エンコーダの構成を説明するための説明図である。なお、図３は、図２の直動回転エンコーダ１００のＢ−Ｂ線での断面の概略を示している。

エンコーダ１００は、図２に示すように、大きく分けて、ディスク１１０と、検出部Ｓ１〜Ｓ４と、位置特定部１２０とを有する。以下、各構成について順次説明する。

ディスク１１０は、直動回転部の一例であって、検出対象であるシャフト２１と共に駆動（回転及び直動を含む）可能なシャフト２２に接続される。従って、ディスク１１０は、上述の通り駆動軸ＡＸ周りに回転可能でありかつ駆動軸ＡＸに沿って直動可能な検出対象に連結可能に形成され、その検出対象の回転及び直動に追従して回転及び駆動が可能である。

本実施形態における直動回転部の一例であるディスク１１０では、駆動軸ＡＸ方向の一面が測定面１１１に設定されており、この測定面１１１には、トラックＴが設定されている。なお、本実施形態では測定面１１１が駆動軸ＡＸ方向におけるモータ部２０とは反対の面に設定される場合を例示している。しかし、この測定面１１１は、モータ部２０側の面に設定されてもよい。ただし、この場合、後述する検出部Ｓ１〜Ｓ４も、測定面１１１と対向可能なようにディスク１１０よりもモータ部２０側に配置されることになる。

ここでディスク１１０（つまり測定面１１１）と、シャフト２２（つまり駆動軸ＡＸ）との位置関係等について、図３を参照しつつ説明する。図３に示すとおり、ディスク１１０は、平面状の形状を有し、その平面が駆動軸ＡＸと垂直な面から所定の角度α傾くように、シャフト２２に固定される。従って、測定面１１１も同様に、駆動軸ＡＸと垂直な面から所定の角度α傾くことになる。なお、本実施形態における測定面１１１は、「直動回転部における駆動軸方向の表面」の一例である。

ディスク１１０の形状は、図２及び図３では、略円板状又は略楕円の板状である場合を例示している。しかし、このディスク１１０はあくまで直動回転部の一例を示すものであり、トラックＴが形成可能なものであれば、直動回転部は、様々な形態で形成することが可能である。従って、例えば、測定面１１１すら有さず、トラックＴを形成可能なリング状の部材なども使用可能である。次にトラックＴについて説明する。

トラックＴは、本実施形態では上述の通り測定軸ＡＸに対して傾けられたディスク１１０の測定面１１１に設定される。その結果、トラックＴは、以下のような形状となる。つまり、トラックＴは、図３に示すように、測定軸ＡＸまでの距離ｒが一定なリング状の形状を有する。一方、測定軸ＡＸと垂直な面に対して所定の角度α傾けられた状態でディスク１１０が固定されるため、トラックＴは、ディスク１１０が一回転する間に、駆動軸ＡＸ方向の位置が１周期変化する形状を有する。

つまり、図３に示す状態では、図３における左方の位置のトラックＴは、後述の検出部Ｓ１〜Ｓ４が配置された基準面Ａから中心位置Ｏよりも距離差ΔＺだけ離れて位置している。この状態からディスク１１０が回転すると、図３における左方の位置のトラックＴは、その回転角度に応じて基準面Ａ側に近づく。その結果、図３における左方の位置のトラックＴは、基準面Ａから中心位置Ｏと同一の距離となり、更に、中心位置Ｏよりも距離差ΔＺだけ基準面Ａに近づいて位置することになる。その後、更にディスク１１０が回転して図３に示す状態から１回転すると、トラックＴは、図３に示す位置に到達する。従って、トラックＴの駆動軸ＡＸ方向の位置は、ディスク１１０が一回転する間に、１周期変化することになる。

なお、本実施形態に係るトラックＴの一例については詳しく後述する。

検出部Ｓ１〜Ｓ４は、トラックＴに対向してそれぞれ固定配置される。本実施形態では、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、駆動軸ＡＸと垂直な同一の面（基準面Ａ）上に配置され、かつ、駆動軸ＡＸ周りに９０°おきの等間隔に配置される。

この配置によれば、位置データ算出や装置自身の製造が容易になるが、例えば検出部Ｓ１〜Ｓ４は、同一面上に配置されなかったり、９０°と異なる角度で配置されることも可能であることは言うまでもない。ただし、４つの検出部Ｓ１〜Ｓ４が配置される場合、本実施形態のように、駆動軸ＡＸを対称点として、検出部Ｓ１と検出部Ｓ３とは点対称に配置され、検出部Ｓ２と検出部Ｓ４とは点対称に配置されることが望ましい。このように対となる２の検出部同士が駆動軸ＡＸを挟んで点対称に配置されると、エンコーダ１００は、位置データ特定処理を容易にしたり、偏心等による誤差を低減することが可能である。

検出部Ｓ１〜Ｓ４は、このようにトラックＴに対向配置され、駆動軸ＡＸに沿ったトラックＴまでの距離Ｌ１〜Ｌ４に応じた検出信号Ｇ１〜Ｇ４を、それぞれ検出する。例えばモータ部２０が検出対象であるシャフト２１を直動又は回転させると、それに追従してシャフト２２が直動又は回転するが、そのシャフト２２に接続されたディスク１１０（直動回転部の一例）も、これに追従して直動又は回転することになる。その結果、ディスク１１０に形成されたトラックＴと、検出部Ｓ１〜Ｓ４との間の距離Ｌ１〜Ｌ４は、直動又は回転に応じて変化する。よって、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、この検出対象の直線位置ｚ及び回転位置θに応じた値の検出信号Ｇ１〜Ｇ４を検出することになる。

なお、本実施形態では、この距離Ｌ１〜Ｌ４に応じた検出信号Ｇ１〜Ｇ４を検出する検出部Ｓ１〜Ｓ４の一例として、光学式の距離計又は変位計が使用される。この光学式の距離計又は変位計が使用される場合、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、対向したトラックＴに向けて駆動軸ＡＸに沿った照射光を照射する。この照射光は、トラックＴで反射された後、検出部Ｓ１〜Ｓ４で受光される。そして、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、光の照射から受光までの時間を計測することにより、距離Ｌ１〜Ｌ４に応じた検出信号Ｇ１〜Ｇ４を生成する。なお、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、このような光学式の距離計又は変位計に限られるものではなく、例えば、磁気センサなどのように距離Ｌ１〜Ｌ４に応じた検出信号Ｇ１〜Ｇ４が検出可能な検出装置であれば、様々なものが使用可能である。なお、光学式の距離計又は変位計を使用する場合には、検出信号Ｇ１〜Ｇ４の検出精度を向上させることができ、また、磁気センサを使用する場合には、耐環境性を向上させることが可能である。

位置特定部１２０は、４つの検出部Ｓ１〜Ｓ４により検出された４つの検出信号Ｇ１〜Ｇ４に基づいて、検出対象であるシャフト２１の駆動軸ＡＸ方向の直線位置ｚ及び駆動軸ＡＸ周りの回転位置θを特定する。上述の通り、検出信号Ｇ１〜Ｇ４は、距離Ｌ１〜Ｌ４に応じて変化する一方、距離Ｌ１〜Ｌ４は、直線位置ｚ及び回転位置θに依存する。従って、位置特定部１２０は、検出信号Ｇ１〜Ｇ４と直線位置ｚ及び回転位置θとの相関関係に基づいて、直線位置ｚ及び回転位置θを特定する。この位置特定部１２０における検出処理の一例については詳しく後述する。

（１−３．第１実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作）
ここで、図３〜図７を参照しつつ、本実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について詳しく説明する。図４〜図７は、本実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出動作について説明するための説明図である。なお、図４及び図５は、図３の状態からディスク１１０が駆動した状態を示している。そして、図３は、回転角度θが９０°で直線位置ｚがｚ１の状態を示し、図４は、図３の状態からディスクＴが回転して回転角度θが０°となった状態を示し、図５は、図３の状態からディスクＴが直動して直線距離ｚがｚ２となった状態を示す。

図３に示す状態（θ＝９０°，ｚ＝ｚ１）では、検出部Ｓ１は、トラックＴからの距離ＬがＬ１となるため、それによる検出信号Ｇ１は、距離Ｌ１に応じた値となる。同様に、検出部Ｓ２〜Ｓ４は、それぞれトラックＴからの距離ＬがＬ２〜Ｌ４となるため、それによる検出信号Ｇ２〜Ｇ４は、図６に示すように、距離Ｌ２〜Ｇ４に応じた値となる。

この図３の状態からディスク１１０が−９０°回転し、図４に示す状態（θ＝０°，ｚ＝ｚ１）となった場合、距離Ｌ１，Ｌ２は減少する一方、距離Ｌ３，Ｌ４は増加する。その結果、検出部Ｓ１，Ｓ２による検出信号Ｇ１，Ｇ２は、距離Ｌ１，Ｌ２の減少に伴い変化する一方、検出部Ｓ３，Ｓ４による検出信号Ｇ３，Ｇ４は、図６に示すように、距離Ｌ３，Ｌ４の減少に伴い変化する。従って、ディスク１１０の回転位置θは、この検出信号Ｇ１〜Ｇ４の増加と減少との組み合わせなどから特定することが可能である。

これに対して、図３の状態からディスク１１０が駆動軸方向ＡＸ方向に検出部Ｓ１〜Ｓ４に近づくように直動して、図５に示す状態（θ＝９０°，ｚ＝ｚ２）となった場合、距離Ｌ１〜Ｌ４は、いずれも減少する。その結果、検出部Ｓ１〜Ｓ４による検出信号Ｇ１〜Ｇ４は、図７に示すように、距離Ｌ１〜Ｌ４の減少に伴い変化する。従って、ディスク１１０の直線位置ｚは、この検出信号Ｇ１〜Ｇ４全ての増加又は減少から特定することが可能である。

この際、図６及び図７に示すように、ディスク１１０が直動したとしても、検出信号Ｇ１〜Ｇ４の組み合わせ等は、回転位置θを一義的に表すことが可能であると共に、ディスク１１０が回転したとしても、回転に伴ない増減する検出信号Ｇ１〜Ｇ４それぞれの中心は、直線位置ｚを一義的に表すことが可能である。本実施形態に係るエンコーダ１００は、
このような相関関係を利用して、検出対象の回転位置θ及び直線位置ｚを同時に特定することが可能である。

（１−４．第１実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出処理の一例）
次に、図８及び図９を参照しつつ、上記で説明した検出動作を実現する検出処理の一例について、その処理を行う位置特定部１２０の具体的な構成例と共に説明する。図８及び図９は、本実施形態に係る直動回転エンコーダにおける検出処理の一例について説明するための説明図である。

図８に示すように、位置特定部１２０は、演算部１２１，１２２と、回転位置算出部１２３と、直動位置算出部１２４とを有する。

演算部１２１は、対をなして点対称に配置された検出部Ｓ１，Ｓ３による検出信号Ｇ１，Ｇ３を取得して減算処理を行う。他方、演算部１２２は、対をなして点対称に配置された検出部Ｓ２，Ｓ４による検出信号Ｇ２，Ｇ４を取得して減算処理を行う。この両減算部１２１，１２２による減算処理後に得られる両差動信号（Ｇ１−Ｇ３，Ｇ２−Ｇ４）を、図９に示す。図９に示す差動信号の変化からも判るように、両差動信号はそれぞれ、直線位置ｚに依存せず、回転位置θのみに依存して１回転に１周期の擬似正弦波信号となるので、それぞれＡ相信号及びＢ相信号に相当することとなる。そして、このような両差動信号を用いて、回転位置算出部１２３は、回転位置θを特定する。つまり、位置特定部１２３は、演算部１２１，１２２及び回転位置算出部１２３を有することにより、例えば下記式（１）のような処理を行うことで、回転位置θを特定することが可能である。なお、両差動信号は、Ａ相信号及びＢ相信号に相当するので、位置特定部１２３は、回転位置θだけでなく、回転方向をも容易に特定可能であることは言うまでもない。

直動位置算出部１２４は、４つ全ての検出部Ｓ１〜Ｓ４による検出信号Ｇ１〜Ｇ４を取得して、例えば全ての検出信号Ｇ１〜Ｇ４を加算処理行う。図６及び図７に示すように、検出信号Ｇ１〜Ｇ４は、回転位置θに応じて変化するが、その検出信号Ｇ１〜Ｇ４の加算信号は、この回転位置θの情報が相殺され、直線位置ｚを表すことになる。よって、直動位置算出部１２４は、このような加算信号を用いて、直線位置ｚを特定することが可能である。つまり、位置特定部１２３は、直動位置算出部１２４を有することにより、例えば下記式（２）のような処理を行うことで、直線位置ｚを特定することが可能である。なお、対をなして点対称に配置された２の検出部による２の検出信号だけを加算した加算信号から、直線位置ｚを特定することも可能である。ただし、本実施形態のように４つ全ての検出信号Ｇ１〜Ｇ４が加算されて加算信号が算出される場合、各検出信号Ｇ１〜Ｇ４に含まれる誤差を低減することが可能である。

なお、ここで説明した位置特定部１２０の構成例及びその処理例は、あくまで一例であり、上記の相関関係に基づく位置の特定処理及びそれを実現する構成であれば、様々な変更が可能であることは言うまでもない。

（１−５．第１実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックの一例）
本実施形態に係るエンコーダ１００は、上述の通り、ディスク１１０が駆動軸ＡＸと垂直な面から所定の角度α傾けられて配置されていることにより、検出部Ｓ１〜Ｓ４からトラックＴまでの距離Ｌ１〜Ｌ４が、回転及び直動に応じて変化することを利用して、位置を特定する。そして、この距離Ｌ１〜Ｌ４に応じた検出信号Ｇ１〜Ｇ４を得るために、本実施形態では光学式の距離計又は変位計を使用する。光学式の距離計又は変位計を使用する場合、トラックＴでの反射光を検出部Ｓ１〜Ｓ４が取得することになる。

そこで、このような場合、トラックＴは、対向した検出部Ｓ１〜Ｓ４に向けて反射する光量を増加させる反射形状を有することが望ましい。反射形状としては、例えば、ディスクＴの測定面１１１のトラックＴが設定される位置が粗面となるような表面形状で形成される場合、及び、測定面１１１のトラックＴに光量が増加するような溝・突起・段差等を設けることなどが挙げられる。そこで、このような反射する光量を増加させる反射形状の一例について、図１０〜図１３を参照しつつ説明する。図１０〜図１３は、本実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックの一例について説明するための説明図である。

図１０には、ディスク１１０について、図３の右方端部における部分断面図を示す。図１０に示すように、トラックＴは、反射形状として、Ｖ字溝１１２を有する。

Ｖ字溝１１２は、リングの全周に亘って形成される。このＶ字のトラックＴに対する角度は、図１０に示すように、そのトラックＴの傾斜角度αと同じに設定されることが望ましい。一方、検出部Ｓ１〜Ｓ４は、Ｖ字溝１１２の中心点に照射光の中心をあわせ、Ｖ字溝１１２のほぼ全域に平行光を照射することが望ましい。

この場合、図１０に示す状態（θ＝９０°）において、Ｖ字溝１１２の一側面が検出部Ｓ３と対向することになり、同様に、Ｖ字溝１１２の他側面が検出部Ｓ１に対向することになる。従って、これらの対向面で反射した反射光が各検出部Ｓ１，Ｓ３に到達するので、反射される光量が増加する。一方、この図１０に示す状態において、検出部Ｓ２，Ｓ４に対する反射光は、Ｖ字溝１１２で複数回反射することにより各検出部Ｓ２，Ｓ４に到達する。よって、同様に検出部Ｓ２，Ｓ４に向けて反射される光量が増加する。

（１−６．第１実施形態に係る直動回転モータシステム等による効果の例）
以上、本発明の第１実施形態に係るエンコーダ１００、モータ３０及びモータシステム１について説明した。このエンコーダ１００等によれば、検出対象であるシャフト２１の回転位置θ及び直線位置ｚを１つのエンコーダ１００のみで測定することが可能であるため、回転位置θ及び直線位置ｚそれぞれに対してエンコーダを設ける必要がない。従って、エンコーダ１００だけでなく、モータ３０及びモータシステム１の装置全体の部材を減らして、小型化することが可能であると共に、製造コストを削減することが可能である。

また、本実施形態に係るエンコーダ１００によれば、トラックＴを１枚のディスク１１０の測定面１１１上に形成し、かつ、ディスク１１０を駆動軸ＡＸと垂直な面から傾けて配置するだけで、直動回転部を形成可能であるため、製造が非常に容易である。なお、このようなディスク１１０を使用せずに、例えば、図１１に示すように、シャフト２２自体の断面を測定面１１１として使用して、その測定面１１１上にトラックＴを形成することも可能である。つまり、シャフト２２は、一端が検出対象（シャフト２１）に直接的又は間接的に連結されて駆動軸ＡＸに沿って延長形成されているが、そのシャフト２２の他端が、駆動軸ＡＸに対して所定の角度（９０°−α）で切断される。そして、この切断面が、測定面１１１に設定され、その測定面上にトラックＴが設定されてもよい。このように測定面１１１及びトラックＴを設定する場合、シャフト２２自体が直動回転部の一例となり、ディスクＴを省略することが可能であるため、製造を更に容易にでき、かつ、コストを更に低減することが可能である。

更に、本実施形態に係るエンコーダ１００は、反射光の光量を増加させる形状（例えばＶ字溝１１２）を有するトラックＴを有する。従って、迷光等によるノイズによる影響を受け難くしたり、感度の高い受光素子を検出部Ｓ１〜Ｓ４に使用せずに済む。

＜第２実施形態＞
以上、本発明の第１実施形態に係るエンコーダ１００等について説明したが、このエンコーダ１００では、ディスク１１０の測定面１１１が平面上の形状を有していることにより、検出信号Ｇ１〜Ｇ４が、図６等に示すように、回転位置θの変化に対して擬似正弦波状に変化した。しかしながら、本発明はこの例に限られるものではなく、検出信号Ｇ１〜Ｇ４が、回転位置θの変化に対して線形の三角波状に変化するように、トラックＴを形成することも可能である。

そこで、以下では、三角波状の検出信号Ｇ１〜Ｇ４が得られる例を、図１２〜図１４を参照しつつ、第２実施形態として説明する。図１２〜図１４は、本発明の第２実施形態に係る直動回転エンコーダが有するトラックについて説明するための説明図である。

（２−１．第２実施形態に係る直動回転エンコーダの構成等）
本実施形態に係るエンコーダは、ディスク１１０及び測定面１１１の代わりにディスク２１０及び測定面２１１を有する。本実施形態に係るエンコーダが有する他の構成については、第１実施形態と同様に構成される。従って、以下では、本実施形態において第１実施形態と異なる点について中心に説明し、重複する部分についての詳しい説明は省略する。そして、例えば位置特定部１２０による処理等で生じた変更点について、追加的に補足説明することにする。

本実施形態に係るエンコーダが有するディスク２１０は、直動回転部の一例であって、第１実施形態と同様に、シャフト２２（図示せず）に接続された略円板状又は略楕円形状に形成され、駆動軸ＡＸと垂直な面から所定の角度α傾いて配置される。そして、このディスク２１０の一側面（検出部Ｓ１〜Ｓ４（図示せず）に対向する面）が測定面２１１に設定され、その測定面２１１上の駆動軸ＡＸまでの距離が等しいリング状の位置にトラックＴが設定される。

しかし、このディスク２１０（つまり測定面２１１）は、第１実施形態に係る平らなディスク１１０とは異なり、図１２に示すように、湾曲した形状を有する。従って、測定面２１１はもちろんトラックＴ自体が、２次元的な楕円から、湾曲した形状を有する。

なお、ここでは、便宜上、図１２におけるｚ軸正の方向を「上」、負の方向を「下」という。そして、トラックＴにおいて、検出部Ｓ１〜Ｓ４（図示せず）が配置された面（基準面Ａ）から最も離れた位置、つまり最も下に位置するポイントを「最下部ＰＤ」といい、検出部Ｓ１〜Ｓ４が配置された面に最も近接した位置、つまり最も上に位置するポイントを「最上部ＰＵ」という。更に、トラックＴにおける第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の２点を、それぞれ「中間部ＰＭ」といい、２の中間部ＰＭを通る直線を「中間線ＬＭ」という。また、最下部ＰＤと最上部ＰＵとを通る直線を、ディスク２１０が傾けられた状態における中心線であるという意味で、「傾斜中心線Ｌα」ということにする。

ここでトラックＴ（つまりディスク２１０及び測定面２１１）の形状について説明する。
上述のとおり、トラックＴは、駆動軸ＡＸと垂直な面から角度αだけ傾けられ、かつ、湾曲されたリング状の形状を有する。その結果、トラックＴは、駆動軸ＡＸ方向の位置が最下部ＰＤ及び最上部ＰＵ（変曲点の一例）を除き測定軸ＡＸ周りの角度に対して線形に変化する形状で形成される。

より詳細に湾曲形状について説明する。
ここで本実施形態に係るトラックＴは、傾斜中心線Ｌαを挟んで対象に形成されるため、リング上のトラックＴの傾斜中心線Ｌαから一側にあるトラックＴの半分の形状について見てみる。すると、リング状のトラックＴは、駆動軸ＡＸからの距離が同一の略楕円状の形状（つまり第１実施形態のトラックＴの形状。以下「基本楕円」ともいう。）から、以下のように湾曲された形状を有する。

つまり、図１２に示すように、トラックＴは、基本楕円から、上記の最下部ＰＤから中間部ＰＭまでの間で、上方に向けて緩やかな正弦波カーブで湾曲され、かつ、中間部ＰＭから最上部ＰＵまでの間で、下方に向けて緩やかな正弦波カーブで湾曲された形状を有する。つまり、このトラックＴの一側では、電気角で、最下部ＰＤを０°とし、中間部ＰＭを１８０°とし、最上部ＰＵを３６０°とし、上方を正とした場合、１周期の正弦波状の湾曲量で、基本楕円を湾曲させた形状が、トラックＴの形状となる。従って、第１実施形態のトラックＴ（図２等参照）と比較した場合、本実施形態のトラックＴは、最下部ＰＤと中間部ＰＭと最上部ＰＵとでは、第１実施形態のトラックＴと同一位置となるが、最下部ＰＤと中間部ＰＭとの間では、第１実施形態のトラックＴよりも上方に位置し、中間部ＰＭと最上部ＰＵとの間では、第１実施形態のトラックＴよりも下方に位置することになる。

このような本実施形態に係るトラックＴの駆動軸ＡＸ方向の位置（つまりｚ軸方向の位置）の、駆動軸ＡＸ周りの角度φ（電気角に対応）に対する変化を、図１３に示す。

図１３中、本実施形態のトラックＴのｚ軸方向の位置を線Ｆ２で表し、第１実施形態のトラックＴ（基準楕円）のｚ軸方向の位置を線Ｆ１で表した。更に、基準楕円（線Ｆ１）から湾曲された量（湾曲量）を線ΔＦで表した。なお、図１３においては、中間点ＰＭを基準にして、その中間点ＰＭにおける角度及び位置をφ＝０°，ｚ＝０とした。そして、トラックＴの駆動軸ＡＸからの距離をｒとし、最下部ＰＤ及び最上部ＰＵの位置をそれぞれｚ＝−Δｚ，ｚ＝Δｚとした（Δｚ＝ｒ×ｔａｎα）。

図１３に示すように、第１実施形態のトラックＴは、線Ｆ１のように、角度φに対して擬似正弦波に変化する。この線Ｆ１は、下記式（３）のように表すことができる。

これに対して、本実施形態に係るトラックＴは、上述のように、片側１周期、つまり１周で２周期の正弦波状の湾曲量（線ΔＦ）で湾曲される。その結果、本実施形態に係るトラックＴは、線Ｆ２のように、角度φに対して線形（三角波状）に変化することになる。なお、湾曲量（線ΔＦ）は、下記式（４）のように表すことができ、本実施形態に係るトラックＴの線Ｆ２は、下記式（５）のように表すことができる。

従って、ディスク２１０が回転されると、その回転により変化するトラックＴまでの距離Ｌ１〜Ｌ４に応じて、検出部Ｓ１〜Ｓ４で検出される検出信号Ｇ１〜Ｇ４は、図１４に示すように、トラックＴの位置と同様に、回転位置θに対して線形に変化する三角波状になる。従本実施形態に係る位置特定部１２０は、この線形に変化する検出信号Ｇ１〜Ｇ４を使用して、回転位置θ及び直線位置ｚを特定することが可能である。なお、この位置特定部１２０による位置データ生成処理は、回転位置θを算出する際に三角関数の法則を利用する代わりに区間分割された一次関数を利用した処理が行われるなどのように変更されるが、基本的には上記第１実施形態と同様に行えるため、ここでの詳しい説明は省略する。

（２−２．第２実施形態に係る直動回転モータシステム等による効果の例）
以上、本発明の第２実施形態に係るエンコーダ等について説明した。この第２実施形態に係るエンコーダ等によれば、上記第１実施形態に係るエンコーダ１００等と同様の作用効果を奏することが可能である。更に、本実施形態に係るエンコーダ等によれば、検出信号Ｇ１〜Ｇ４を回転位置θに対して線形に変化させることが可能であるため、位置データ生成処理をより容易にすることが可能である。

なお、第１実施形態のように、擬似正弦波の検出信号Ｇ１〜Ｇ４を検出する場合、様々な要因により、検出信号Ｇ１〜Ｇ４の周期と異なる低周期及び高周期のノイズが、検出信号Ｇ１〜Ｇ４に含まれる場合がある。一方、本実施形態のように線形に変化する検出信号Ｇ１〜Ｇ４を検出する場合は、低周期及び高周期のノイズが含まれる可能性を低減すると共に、たとえ含まれたとしても容易にノイズを除去可能である。従って、本実施形態に係るエンコーダ等によれば、更に位置特定精度を向上させることが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明した。しかしながら、本発明はこれらの実施形態の例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、様々な変更や修正を行うことに想到できることは明らかである。従って、これらの変更後や修正後の技術も、当然に本発明の技術的範囲に属するものである。

例えば、上記実施形態では、４つの検出部Ｓ１〜Ｓ４が配置され、４つの検出信号Ｇ１〜Ｇ４から位置データを生成する場合について説明した。しかしながら、本実施形態に係る検出部の数は、２以上あればよい。２の検出部が配置される場合には、回転位置θが一定の状態において、基準面Ａ上の、トラックＴまでの距離が最も近い位置と、最も遠い位置とに１ずつ検出部が配置されることが望ましい。ただし、上記Ａ相信号とＢ相信号の両信号を生成して回転方向をも特定するためには、少なくとも３つ、望ましくは４以上の検出部Ｇ１〜Ｇ４が配置されることが望ましい。

また、上記実施形態では、トラックＴが１つだけ設定される場合について説明したが、トラックＴは複数設定されてもよい。この場合、各トラックＴに対応して、少なくとも１以上の検出部が配置され、合計２以上の検出部が配置されることになる。複数のトラックＴが備えられる場合、例えば、同一面（測定面１１１，２１１）上において、駆動軸ＡＸまでの距離ｒが相異なる位置にトラックＴが設定される。また、例えば、ディスクＴの両面を測定面として、各測定面に１以上のトラックＴを設定することも可能である。この場合、各検出部は、対応したトラックＴに面するように配置されることになる。

上記実施形態では、測定面１１１，２１１が、駆動軸ＡＸと垂直な面に対して角度αだけ傾けられているため、最上部ＰＵと最下部ＰＤは、トラックＴ内で１点ずつとなっている。従って、検出信号Ｇ１〜Ｇ４それぞれは、回転位置θの１回転に対して、１周期の変化をする（図６，図１４等参照）。しかしながら、本発明は、この例に限定されない。例えば、湾曲されたディスク２１０を傾けずに駆動軸ＡＸと垂直に配置したり、更に複雑にディスク２１０の表面を湾曲させるなどにより、１回転内で２周期変化する検出信号Ｇ１〜Ｇ４を得ることも可能である。この場合、ディスク２１０の湾曲周期を変更することにより、１回転内で２以上の周期変化する検出信号Ｇ１〜Ｇ４を得ることも可能である。ただし、上記各実施形態のように１回転で１周期変化する検出信号Ｇ１〜Ｇ４を使用する場合、１回転内の絶対回転位置θを容易に特定すること可能である。なお、１回転内で２以上のｎ周期変化するようにトラックＴを構成した場合、少なくとも２の検出部（ｍ＝１，２…）は、例えば、駆動軸ＡＸ周りに下記式（６）の角度φの位置に配置されることが望ましく、それ以外の１以上の検出部が、上記２の検出器の中間点に配置されることが望ましい。

１ モータシステム
２０ モータ部
２１，２２ シャフト
３０ モータ
４０ 制御部
１００ エンコーダ
１１０，２１０ ディスク
１１１，２１１ 測定面
１１２ Ｖ字溝
１２０ 位置特定部
Ａ 基準面
ＡＸ 駆動軸
Ｔ トラック
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 検出部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 検出信号
θ 回転位置
ｚ 直線位置
α 角度
Ｏ 中心位置
ｒ 距離
Δｚ 距離差
ｚ１，ｚ２ 直線位置
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 距離

Claims (6)

1. 一の駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な検出対象に連結可能に形成され、該検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
   前記直動回転部における前記駆動軸方向の表面であって前記駆動軸と垂直な面から所定の角度傾いた平面状の測定面に設けられ、前記駆動軸までの距離が一定でありかつ前記駆動軸方向の位置が前記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
   前記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１のトラックへ前記駆動軸と平行な方向に照射光を照射して該トラックからの反射光を受光することにより、該対向した１のトラックまでの前記駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
   前記２以上の検出部により検出された２以上の前記検出信号に基づいて、前記検出対象の前記駆動軸方向の直線位置及び前記駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
   を備え、
   前記対向した１のトラックは、該トラックの全周に亘って形成された断面視略Ｖ字状の溝を有し、該溝における両側面と前記測定面とのなす角度が前記所定の角度に設定される、直動回転エンコーダ。
2. 前記検出部は、
   前記断面視略Ｖ字状の溝の中心点に前記照射光の中心を合わせ、該溝の全域へ前記照射光を照射する、請求項１に記載の直動回転エンコーダ。
3. 少なくとも１の前記トラックは、前記駆動軸方向の位置が変曲点を除き前記測定軸周りの角度に対して線形に変化する形状で形成される、請求項１又は２に記載の直動回転エンコーダ。
4. 少なくとも１の前記トラックの前記測定面は、一端が前記検出対象に連結されかつ前記駆動軸に沿って延長形成されたシャフトの他端が、前記駆動軸に対して所定の角度で切断された切断面である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の直動回転エンコーダ。
5. 一端に検出対象が連結可能なシャフトを、該シャフトが延長形成された駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な直動回転モータ部と、
   前記シャフトの他端に固定して設けられ、前記検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
   前記直動回転部における前記駆動軸方向の表面であって前記駆動軸と垂直な面から所定の角度傾いた平面状の測定面に設けられ、前記駆動軸までの距離が一定でありかつ前記駆動軸方向の位置が前記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
   前記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１のトラックへ前記駆動軸と平行な方向に照射光を照射して該トラックからの反射光を受光することにより、該対向した１のトラックまでの前記駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
   前記２以上の検出部により検出された２以上の前記検出信号に基づいて、前記検出対象の前記駆動軸方向の直線位置及び前記駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
   を備え、
   前記対向した１のトラックは、該トラックの全周に亘って形成された断面視略Ｖ字状の溝を有し、該溝における両側面と前記測定面とのなす角度が前記所定の角度に設定される、直動回転モータ。
6. 一端に検出対象が連結可能なシャフトを、該シャフトが延長形成された駆動軸周りに回転可能でありかつ該駆動軸に沿って直線移動可能な直動回転モータ部と、
   前記シャフトの他端に固定して設けられ、前記検出対象の回転及び直線移動に追従して回転及び直線移動可能な直動回転部と、
   前記直動回転部における前記駆動軸方向の表面であって前記駆動軸と垂直な面から所定の角度傾いた平面状の測定面に設けられ、前記駆動軸までの距離が一定でありかつ前記駆動軸方向の位置が前記直動回転部の１回転内で１周期以上変化する形状を有するリング状の１又は２以上のトラックと、
   前記１又は２以上のトラックに対向してそれぞれ固定配置され、対向した１のトラックへ前記駆動軸と平行な方向に照射光を照射して該トラックからの反射光を受光することにより、該対向した１のトラックまでの前記駆動軸に沿った距離に応じた検出信号をそれぞれ検出する２以上の検出部と、
   前記２以上の検出部により検出された２以上の前記検出信号に基づいて、前記検出対象の前記駆動軸方向の直線位置及び前記駆動軸周りの回転位置を特定する位置特定部と、
   前記位置特定部が特定した前記検出対象の直線位置及び回転位置に基づいて、前記直動回転モータ部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記対向した１のトラックは、該トラックの全周に亘って形成された断面視略Ｖ字状の溝を有し、該溝における両側面と前記測定面とのなす角度が前記所定の角度に設定される、直動回転モータシステム。