JP6263965B2 - エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム - Google Patents

Description

開示の実施形態は、エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステムに関する。

特許文献１には、光源を間に挟んで回転ディスクの円周方向に分割して配置されたインクリメンタル用受光素子群と、光源に対し回転ディスクの半径方向における外側及び内側の少なくとも一方に配置されたアブソリュート用受光素子群と、を有する反射型エンコーダが記載されている。

特開２０１２−１０３０３２号公報

近年、サーボシステムの高性能化に伴い、反射型エンコーダにおいてもさらなる検出精度の向上が切望されている。

本発明の目的とするところは、検出精度を高めることが可能なエンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステムを提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明のある観点によれば、測定方向に沿ってアブソリュートパターンを有するように並べられた複数の反射又は透過スリットを有するスリットトラックと、前記スリットトラックに拡散光を出射するように構成された、有限の発光面積を有する点光源と、前記測定方向に沿って並べられ、前記スリットトラックで反射又は透過された光を各々受光する複数の受光素子を有する受光アレイと、を有し、前記点光源の出射面の前記測定方向における幅をφ、前記反射又は透過スリットの前記測定方向における最小の幅をｙ、前記受光素子の前記測定方向における幅をｘ、前記出射面から前記反射又は透過スリットまでの距離をｕ、前記反射又は透過スリットから前記受光素子までの距離をｖとした場合において、φ≦｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−ｕ×ｘ｝／ｖとすることにより、前記受光素子が、前記スリット間の領域に対応して位置し前記スリットトラックで反射又は透過された光が届かない領域内に収まり、かつ、前記スリットに対応して位置し前記スリットトラックで反射又は透過された光の前記受光アレイの受光面上における平坦領域とその両側の傾斜領域を備えた台形形状の光量分布の前記平坦領域内に収まるように、構成された、エンコーダが提供される。

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、可動子が固定子に対して移動するリニアモータ、又は、回転子が固定子に対して回転する回転型モータと、前記可動子又は前記回転子の位置及び速度の少なくとも一方を検出するように構成された、上述のエンコーダと、を備える、エンコーダ付き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、可動子が固定子に対して移動するリニアモータ、又は、回転子が固定子に対して回転する回転型モータと、前記可動子又は前記回転子の位置及び速度の少なくとも一方を検出するように構成された、上述のエンコーダと、前記エンコーダの検出結果に基づいて前記リニアモータ又は前記回転型モータを制御するように構成された制御装置と、を備える、サーボシステムが提供される。

本発明のエンコーダ等によれば、検出精度を高めることができる。

一実施形態に係るサーボシステムについて説明するための説明図である。 同実施形態に係るエンコーダについて説明するための説明図である。 同実施形態に係るディスクについて説明するための説明図である。 同実施形態に係るスリットトラックについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学モジュール及び受光アレイについて説明するための説明図である。 光源幅と、スリット幅と、受光素子幅と、受光面における光量との関係を説明するための説明図である。 光源幅と、スリット幅と、受光面における光量と、検出信号の振幅との関係を説明するための説明図である。 変形例に係る光学モジュール及び受光アレイについて説明するための説明図である。 変形例に係る光学モジュール及び受光アレイについて説明するための説明図である。 変形例に係る光学モジュール及び受光アレイについて説明するための説明図である。

以下、図面を参照して、一実施形態について説明する。

なお、以下で説明する実施形態に係るエンコーダは、回転型（ロータリタイプ）や直線型（リニアタイプ）など様々なタイプのエンコーダに適用可能である。以下では、エンコーダの理解が容易になるように、回転型のエンコーダを例に挙げて説明する。他のタイプのエンコーダに適用する場合には、被測定対象を回転型のディスクから直線型のリニアスケールに変更するなど適切な変更を加えることにより可能であるので、詳しい説明は省略する。

＜１．サーボシステム＞
まず、図１を参照しつつ、本実施形態に係るサーボシステムの構成について説明する。図１に示すように、サーボシステムＳは、サーボモータＳＭと、制御装置ＣＴとを有する。サーボモータＳＭは、エンコーダ１００と、モータＭとを有する。

モータＭは、エンコーダ１００を含まない動力発生源の一例である。モータＭは、回転子（図示省略）が固定子（図示省略）に対して回転する回転型モータであり、回転子に固定されたシャフトＳＨを軸心ＡＸ周りに回転させることにより、回転力を出力する。

なお、モータＭ単体をサーボモータという場合もあるが、本実施形態では、エンコーダ１００を含む構成をサーボモータＳＭという。つまり、サーボモータＳＭはエンコーダ付きモータの一例に相当する。以下では、説明の便宜上、エンコーダ付きモータが、位置や速度等の目標値に追従するように制御されるサーボモータである場合について説明するが、必ずしもサーボモータに限定されるものではない。エンコーダ付きモータは、例えばエンコーダの出力を表示のみに用いる場合等、エンコーダが付設さえされていれば、サーボシステム以外に用いられるモータをも含むものである。

また、モータＭは、例えば位置データ等をエンコーダ１００が検出可能なモータであれば、特に限定されるものではない。また、モータＭは、動力源として電気を使用する電動式モータである場合に限定されるものではなく、例えば、油圧式モータ、エア式モータ、蒸気式モータ等の他の動力源を使用したモータであってもよい。但し、説明の便宜上、以下ではモータＭが電動式モータである場合について説明する。

エンコーダ１００は、モータＭのシャフトＳＨの回転力出力側とは反対側に連結される。但し、必ずしも反対側に限定されるものではなく、エンコーダ１００はシャフトＳＨの回転力出力側に連結されてもよい。エンコーダ１００は、シャフトＳＨ（回転子）の位置を検出することにより、モータＭの位置（回転角度ともいう。）を検出し、その位置を表す位置データを出力する。

エンコーダ１００は、モータＭの位置に加えて又は代えて、モータＭの速度（回転速度、角速度等ともいう。）及びモータＭの加速度（回転加速度、角加速度等ともいう。）の少なくとも一方を検出してもよい。この場合、モータＭの速度及び加速度は、例えば、位置を時間で１又は２階微分したり検出信号（例えば後述するインクリメンタル信号）を所定の時間カウント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。

制御装置ＣＴは、エンコーダ１００から出力される位置データを取得して、当該位置データに基づいて、モータＭの回転を制御する。従って、モータＭとして電動式モータが使用される本実施形態では、制御装置ＣＴは、位置データに基づいてモータＭ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Ｍの回転を制御する。更に、制御装置ＣＴ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等を実現可能な回転力がモータＭのシャフトＳＨから出力されるように、モータＭを制御することも可能である。なお、モータＭ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、制御装置ＣＴは、それらの動力源の供給を制御することにより、モータＭの回転を制御することが可能である。

＜２．エンコーダ＞
次に、本実施形態に係るエンコーダ１００について説明する。図２に示すように、エンコーダ１００は、ディスク１１０と、光学モジュール１２０と、位置データ生成部１３０とを有する。

ここで、エンコーダ１００の構造の説明の便宜上、上下等の方向を以下のように定め、適宜使用する。図２において、ディスク１１０が光学モジュール１２０と面する方向、つまりＺ軸正の方向を「上」とし、Ｚ軸負の方向を「下」とする。但し、該方向はエンコーダ１００の設置態様によって変動するものであり、エンコーダ１００の各構成の位置関係を限定するものではない。

（２−１．ディスク）
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が軸心ＡＸとほぼ一致するように配置される。ディスク１１０は、モータＭのシャフトＳＨに連結され、シャフトＳＨの回転により回転する。なお、本実施形態では、モータＭの回転を測定する被測定対象の例として、円板状のディスク１１０を例に挙げて説明するが、例えば、シャフトＳＨの端面などの他の部材を被測定対象として使用することも可能である。また、図２に示す例では、ディスク１１０がシャフトＳＨに直接連結されているが、ハブ等の連結部材を介して連結されてもよい。

図３に示すように、ディスク１１０は、複数のスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩを有する。ディスク１１０はモータＭの駆動と共に回転するが、光学モジュール１２０は、ディスク１１０の一部に対向しつつ固定して配置される。従って、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩと、光学モジュール１２０とは、モータＭの駆動に伴い、互いに測定方向（図３に示す矢印Ｃの方向。以下適宜「測定方向Ｃ」と記載する。）に相対移動する。

ここで、「測定方向」とは、光学モジュール１２０でディスク１１０に形成された各スリットトラックを光学的に測定する際の測定方向である。本実施形態のように被測定対象がディスク１１０である回転型のエンコーダにおいては、測定方向はディスク１１０の中心軸を中心とした円周方向に一致するが、例えば被測定対象がリニアスケールであり、可動子が固定子に対して移動する直線型のエンコーダにおいては、測定方向はリニアスケールに沿った方向となる。なお、「中心軸」とはディスク１１０の回転軸心であり、ディスク１１０とシャフトＳＨが同軸に連結される場合にはシャフトＳＨの軸心ＡＸと一致する。

（２−２．光学検出機構）
光学検出機構は、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩと光学モジュール１２０とを有する。各スリットトラックは、ディスク１１０の上面にディスク中心Ｏを中心としたリング状に配置されたトラックとして形成される。各スリットトラックは、トラックの全周にわたって、測定方向Ｃに沿って並べられた複数の反射スリット（図４における斜線ハッチング部分）を有する。１つ１つの反射スリットは、光源１２１から照射された光を反射する。

（２−２−１．ディスク）
ディスク１１０は、例えば金属等の光を反射する材質により形成される。そして、ディスク１１０の表面における光を反射させない部分に反射率の低い材質（例えば酸化クロム等）を塗布等により配置することで、配置されない部分に反射スリットが形成される。なお、光を反射させない部分をスパッタリング等により粗面として反射率を低下させることで、反射スリットが形成されてもよい。

なお、ディスク１１０の材質や製造方法等については特に限定されるものではない。例えば、ディスク１１０をガラスや透明樹脂等の光を透過する材質で形成することも可能である。この場合、ディスク１１０の表面に光を反射する材質（例えばアルミニウム等）を蒸着等によって配置することにより、反射スリットが形成可能である。

スリットトラックは、ディスク１１０の上面において幅方向（図３に示す矢印Ｒの方向。以下適宜「幅方向Ｒ」と記載する。）に３本併設される。なお、「幅方向」とは、ディスク１１０の半径方向、すなわち測定方向Ｃと略垂直な方向であり、この幅方向Ｒに沿った各スリットトラックの長さが各スリットトラックの幅に相当する。３本のスリットトラックは、幅方向Ｒの内側から外側に向けて、ＳＡ１，ＳＩ，ＳＡ２の順に同心円状に配置される。各スリットトラックについてより詳細に説明するために、ディスク１１０の光学モジュール１２０と対向する領域近傍の部分拡大図を図４に示す。

図４に示すように、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２が有する複数の反射スリットは、測定方向Ｃでアブソリュートパターンを有するように、ディスク１１０の全周に配置される。

なお、「アブソリュートパターン」とは、後述する光学モジュール１２０が有する受光アレイが対向する角度内における反射スリットの位置や割合等が、ディスク１１０の１回転内で一義に定まるようなパターンである。つまり、例えば、図４に示すアブソリュートパターンの例の場合、モータＭがある角度位置となっている場合に、対向した受光アレイの複数の受光素子それぞれの検出又は未検出によるビットパターンの組み合わせが、その角度位置の絶対位置を一義に表すことになる。なお、「絶対位置」とは、ディスク１１０の１回転内での原点に対する角度位置をいう。原点は、ディスク１１０の１回転内での適宜の角度位置に設定され、この原点を基準としてアブソリュートパターンが形成される。

なお、このパターンの一例によれば、モータＭの絶対位置を、受光アレイの受光素子数のビットにより、一次元的に表すようなパターンを生成できる。しかし、アブソリュートパターンは、この例に限定されるものではない。例えば、受光素子数のビットにより多次元的に表すパターンであってもよい。また、所定のビットパターン以外にも、受光素子で受光する光量や位相などの物理量が絶対位置を一義的に表すように変化するパターンや、アブソリュートパターンの符号系列が変調を施されたパターン等であってもよく、その他、様々なパターンであってもよい。

なお、本実施形態では、同様のアブソリュートパターンが、測定方向Ｃで例えば１ビットの１／２の長さだけオフセットされて、２本のスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２として形成される。このオフセット量は、例えばスリットトラックＳＩの反射スリットのピッチＰの半分に相当する。仮に、このようにスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２をオフセットさせた構成としない場合、次のような可能性がある。つまり、本実施形態のような一次元的なアブソリュートパターンにより絶対位置を表す場合、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の各受光素子が反射スリットの端部近傍に対向して位置することによるビットパターンの変わり目の領域において、絶対位置の検出精度が低下する可能性がある。本実施形態では、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２をオフセットさせるので、例えば、スリットトラックＳＡ１による絶対位置がビットパターンの変わり目に相当する場合には、スリットトラックＳＡ２からの検出信号を使用して絶対位置を算出したり、その逆を行うことにより、絶対位置の検出精度を向上できる。なお、このような構成とする場合、２つの受光アレイＰＡ１，ＰＡ２における受光量を均一にする必要があるが、本実施形態では２つの受光アレイＰＡ１，ＰＡ２を光源１２１から等距離に配置するので、上記構成を実現できる。

なお、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の各アブソリュートパターン同士をオフセットさせる代わりに、例えば、アブソリュートパターン同士はオフセットさせずに、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２それぞれに対応した受光アレイＰＡ１，ＰＡ２同士をオフセットさせてもよい。

一方、スリットトラックＳＩが有する複数の反射スリットは、測定方向Ｃでインクリメンタルパターンを有するように、ディスク１１０の全周に配置される。

「インクリメンタルパターン」とは、図４に示すように、所定のピッチで規則的に繰り返されるパターンである。ここで、「ピッチ」とはインクリメンタルパターンを有するスリットトラックＳＩにおける各反射スリットの配置間隔をいう。図４に示すように、スリットトラックＳＩのピッチはＰである。インクリメンタルパターンは、複数の受光素子による検出の有無それぞれをビットとして絶対位置を表すアブソリュートパターンと異なり、少なくとも１以上の受光素子による検出信号の和により、１ピッチ毎又は１ピッチ内のモータＭの位置を表す。従って、インクリメンタルパターンは、モータＭの絶対位置を表すものではないが、アブソリュートパターンに比べると非常に高精度に位置を表すことが可能である。

なお、本実施形態では、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の反射スリットの測定方向Ｃにおける最小長さは、スリットトラックＳＩの反射スリットのピッチＰと一致する。その結果、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２に基づくアブソリュート信号の分解能は、スリットトラックＳＩの反射スリットの数と一致する。しかしながら、最小長さは、この例に限定されるものではなく、スリットトラックＳＩの反射スリットの数はアブソリュート信号の分解能と同じかそれよりも多く設定されることが望ましい。

（２−２−２．光学モジュール）
光学モジュール１２０は、図２及び図５に示すように、ディスク１１０と平行な一枚の基板ＢＡとして形成される。これにより、エンコーダ１００を薄型化したり、光学モジュール１２０の製造を容易にすることが可能である。従って、ディスク１１０の回転に伴い、光学モジュール１２０は、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩに対して測定方向Ｃで相対移動する。なお、光学モジュール１２０は必ずしも一枚の基板ＢＡとして構成される必要はなく、各構成が複数の基板として構成されてもよい。この場合、それらの基板が集約して配置されていればよい。また、光学モジュール１２０は基板状でなくともよい。

光学モジュール１２０は、図２及び図５に示すように、基板ＢＡのディスク１１０と対向する面上に、光源１２１と、複数の受光アレイＰＡ１，ＰＡ２，ＰＩＬ，ＰＩＲとを有する。

図３に示すように、光源１２１は、スリットトラックＳＩと対向する位置に配置される。そして、光源１２１は、光学モジュール１２０の対向する位置を通過する３つのスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩの対向した部分に光を出射する。

光源１２１としては、照射領域に光を照射可能な光源であれば特に限定されるものではないが、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が使用可能である。光源１２１は、特に光学レンズ等が配置されない点光源として構成され、発光部から拡散光を出射する。なお、「点光源」という場合、厳密な点である必要はなく、設計上や動作原理上、略点状の位置から拡散光が発せられるものとみなせる光源であれば、有限な出射面から光が発せられてもよい。また、「拡散光」は、点光源から全方位に向かって放たれる光に限定されず、有限の一定の方位に向かって拡散しつつ出射される光を含む。すなわち、ここでいう拡散光には、平行光よりも拡散性を有する光であれば含まれる。このように点光源を使用することにより、光源１２１は、対向した位置を通過する３つのスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩにほぼ均等に光を照射することが可能である。また、光学素子による集光・拡散を行わないので、光学素子による誤差等が生じにくく、スリットトラックへの光の直進性を高める事が可能である。

複数の受光アレイは、光源１２１の周囲に配置され、対応付けられたスリットトラックの反射スリットで反射された光を各々受光する複数の受光素子（図５のドットハッチング部分）を有する。複数の受光素子は、図５に示すように、測定方向Ｃに沿って並べられる。

なお、光源１２１から出射される光は拡散光である。従って、光学モジュール１２０上に投影されるスリットトラックの像は、光路長に応じた所定の拡大率εだけ拡大されたものとなる。つまり、図４及び図５に示すように、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩそれぞれの幅方向Ｒの長さをＷＳＡ１，ＷＳＡ２，ＷＳＩとし、それらの反射光が光学モジュール１２０に投影された形状の幅方向Ｒの長さをＷＰＡ１，ＷＰＡ２，ＷＰＩとすると、ＷＰＡ１，ＷＰＡ２，ＷＰＩは、ＷＳＡ１，ＷＳＡ２，ＷＳＩのε倍の長さとなる。なお、本実施形態では、図５に示すように、各受光アレイの受光素子の幅方向Ｒの長さは、各スリットが光学モジュール１２０に投影された形状とほぼ等しく設定されている例を示している。しかし、受光素子の幅方向Ｒの長さは、必ずしもこの例に限定されるものではない。

同様に、光学モジュール１２０における測定方向Ｃも、ディスク１１０における測定方向Ｃが光学モジュール１２０に投影された形状、つまり拡大率εの影響を受けた形状となる。理解が容易になるように、図２に示すように光源１２１の位置における測定方向Ｃを例に挙げて、具体的に説明する。ディスク１１０における測定方向Ｃは、軸心ＡＸを中心とした円状になる。これに対して、光学モジュール１２０に投影された測定方向Ｃの中心は、光源１２１が配置されたディスク１１０の面内位置である光学中心Ｏｐから距離εＬだけ離隔した位置となる。距離εＬは、軸心ＡＸと光学中心Ｏｐとの間の距離Ｌが拡大率εで拡大された距離である。この位置を図２では、概念的に測定中心Ｏｓとして示している。従って、光学モジュール１２０における測定方向Ｃは、光学中心Ｏｐから当該光学中心Ｏｐと軸心ＡＸとが乗るライン上を軸心ＡＸ方向に距離εＬ離れた測定中心Ｏｓを中心とし、距離εＬを半径とするライン上となる。

図４及び図５では、ディスク１１０及び光学モジュール１２０の各々における測定方向Ｃの対応関係を、円弧状のラインＬｃｄ，Ｌｃｐで表す。図４に示すラインＬｃｄは、ディスク１１０上の測定方向Ｃに沿った線を表す一方、図５に示すラインＬｃｐは、基板ＢＡ上の測定方向Ｃに沿った線（ラインＬｃｄが光学モジュール１２０上に投影された線）を表す。

図２に示すように、光学モジュール１２０とディスク１１０との間のギャップ長をＧとし、光源１２１の基板ＢＡからの突出量をΔｄとした場合、拡大率εは、下記（式１）で示される。
ε＝（２Ｇ−Δｄ）／（Ｇ−Δｄ） …（式１）

１つ１つの受光素子としては、例えばフォトダイオードを使用することができる。但し、フォトダイオードに限定されるものではなく、光源１２１から出射された光を受光して電気信号に変換可能なものであれば、特に限定されるものではない。

本実施形態における受光アレイは、３本のスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩに対応して配置される。受光アレイＰＡ１は、スリットトラックＳＡ１で反射した光を受光するように構成され、受光アレイＰＡ２は、スリットトラックＳＡ２で反射した光を受光するように構成される。また、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲは、スリットトラックＳＩで反射した光を受光するように構成される。受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲは途中で分割されているが、同一トラックに対応する。このように、１つのスリットトラックに対応した受光アレイは１つに限らず、複数であってもよい。

光源１２１と、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２と、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲとは、図５に示す位置関係に配置される。アブソリュートパターンに対応する受光アレイＰＡ１，ＰＡ２は、幅方向Ｒにおいて光源１２１を間に挟んで配置される。この例では、受光アレイＰＡ１は内周側、受光アレイＰＡ２は外周側に配置される。本実施形態では、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２と光源１２１との距離は略等しくなっている。そして、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２が有する複数の受光素子は、それぞれ測定方向Ｃ（ラインＬｃｐ）に沿って一定のピッチで並べられる。受光アレイＰＡ１，ＰＡ２では、それぞれスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２からの反射光が受光されることにより、受光素子数のビットパターンを有するアブソリュート信号が生成される。

インクリメンタルパターンに対応する受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲは、測定方向Ｃにおいて光源１２１を間に挟んで配置される。具体的には、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲは、光源１２１を含むＹ軸に平行な線を対称軸として線対称となるように配置され、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の各々は、上記対称軸を中心に線対称な形状となっている。光源１２１は、測定方向Ｃに１トラックとして配置された受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲの間に配置される。

本実施形態ではアブソリュートパターンとして一次元的なパターンを例示しているので、それに対応した受光アレイＰＡ１，ＰＡ２は、対応付けられたスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の反射スリットで反射された光を各々受光するように測定方向Ｃ（ラインＬｃｐ）に沿って並べられた複数（本実施形態では例えば９）の受光素子を有する。この複数の受光素子では、上述のとおり、１つ１つの受光又は非受光がビットとして扱われ、９ビットの絶対位置を表す。従って、複数の受光素子それぞれが受光する受光信号は、位置データ生成部１３０において相互に独立して取り扱われて、シリアルなビットパターンに暗号化（コード化）されていた絶対位置が、これらの受光信号の組み合わせから復号される。この受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の受光信号を、「アブソリュート信号」という。なお、本実施形態とは異なるアブソリュートパターンが使用される場合には、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２は、そのパターンに対応した構成となる。

受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲは、対応付けられたスリットトラックＳＩの反射スリットで反射された光を各々受光するように測定方向Ｃ（ラインＬｃｐ）に沿って並べられた複数の受光素子を有する。

本実施形態では、スリットトラックＳＩのインクリメンタルパターンの１ピッチ（投影された像における１ピッチ。すなわちε×Ｐ。）中に、合計４個の受光素子のセット（図５に「ＳＥＴ」で示す）が並べられ、かつ、４個の受光素子のセットが測定方向Ｃに沿って更に複数並べられる。そして、インクリメンタルパターンは、１ピッチ毎に反射スリットが繰り返し形成されるので、各受光素子は、ディスク１１０が回転する場合、１ピッチで１周期（電気角で３６０°という。）の周期信号を生成する。そして、１ピッチに相当する１セット中に４つの受光素子が配置されるので、１セット内の相隣接する受光素子同士は、相互に９０°の位相差を有する周期信号を検出することになる。この各受光信号を、Ａ相信号、Ｂ相信号（Ａ相信号に対する位相差が９０°）、Ａバー相信号（Ａ相信号に対する位相差が１８０°）、Ｂバー相信号（Ｂ相信号に対する位相差が１８０°）と呼ぶ。

インクリメンタルパターンは１ピッチ中の位置を表すので、１セット中の各位相の信号と、それと対応した他のセット中の各位相の信号とは、同様に変化する値となる。従って、同一位相の信号は、複数のセットにわたって加算される。従って、図５に示す受光アレイＰＩの多数の受光素子からは、位相が９０°ずつズレる４つの信号が検出されることとなる。従って、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲから位相が９０°ずつズレる４つの信号がそれぞれ生成される。この４信号を、「インクリメンタル信号」という。

なお、本実施形態では、インクリメンタルパターンの１ピッチに相当する１セットには受光素子が４つ含まれ、受光アレイＰＩＬ及び受光アレイＰＩＲのそれぞれが同様の構成のセットを有する場合を一例として説明するが、例えば１セットに２つの受光素子が含まれる等、１セット中の受光素子数は特に限定されるものではない。また、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲが各々異なる位相の受光信号を取得するように構成されてもよい。

（２−３．位置データ生成部）
位置データ生成部１３０は、モータＭの絶対位置を測定するタイミングにおいて、光学モジュール１２０から、絶対位置を表すビットパターンをそれぞれ備えた２つのアブソリュート信号と、位相が９０°ずつズレる４つの信号を含むインクリメンタル信号とを取得する。そして、位置データ生成部１３０は、取得した信号に基づいて、これらの信号が表すモータＭの絶対位置を算出し、算出した絶対位置を表す位置データを制御装置ＣＴに出力する。

なお、位置データ生成部１３０による位置データの生成方法は、様々な方法が使用可能であり、特に限定されるものではない。ここでは、インクリメンタル信号とアブソリュート信号とから絶対位置を算出し位置データを生成する場合を例にとって説明する。

位置データ生成部１３０は、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２からのアブソリュート信号のそれぞれを２値化し、絶対位置を表すビットデータに変換する。そして、予め定められたビットデータと絶対位置との対応関係に基づいて、絶対位置を特定する。一方、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲからの４つの位相それぞれのインクリメンタル信号のうち、１８０°位相差のインクリメンタル信号同士を相互に減算する。このように１８０°位相差のある信号を減算することで、１ピッチ内の反射スリットの製造誤差や測定誤差などを相殺可能である。上述のように減算された結果の信号を、ここでは「第１インクリメンタル信号」及び「第２インクリメンタル信号」という。この第１インクリメンタル信号及び第２インクリメンタル信号は相互に電気角で９０°の位相差を有する（単に「Ａ相信号」、「Ｂ相信号」などという。）。そこで、この２つの信号から、位置データ生成部１３０は、１ピッチ内の位置を特定する。この１ピッチ内の位置の特定方法は、特に限定されない。例えば、周期信号であるインクリメンタル信号が正弦波信号である場合には、上記特定方法の例として、Ａ相及びＢ相の２つの正弦波信号の除算結果をａｒｃｔａｎ演算することにより電気角φを算出する方法がある。あるいは、トラッキング回路を用いて２つの正弦波信号を電気角φに変換する方法もある。あるいは、予め作成されたテーブルにおいてＡ相及びＢ相の信号の値に対応付けられた電気角φを特定する方法もある。なおこの際、位置データ生成部１３０は、好ましくは、Ａ相及びＢ相の２つの正弦波信号を各検出信号毎にアナログ−デジタル変換する。

位置データ生成部１３０は、アブソリュート信号に基づいて特定された絶対位置に、インクリメンタル信号に基づいて特定された１ピッチ内の位置を重畳する。これにより、アブソリュート信号に基づく絶対位置よりも高分解能な絶対位置を算出することができる。位置データ生成部１３０は、このようにして算出した絶対位置を逓倍処理して分解能をさらに向上させた後、高精度な絶対位置を表す位置データとして制御装置ＣＴに出力する。

（２−４．光源幅と受光素子幅との関係）
本実施形態では、光源１２１の出射面の測定方向における幅φ（以下単に「光源幅φ」という。）と、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の各受光素子の測定方向における幅ｘ（以下単に「受光素子幅ｘ」という。）とが、所定の関係となるように設定される。この詳細について説明する。

図６は、光源幅φと、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の各反射スリットの測定方向における最小の幅ｙ（以下単に「スリット幅ｙ」という。）と、受光素子幅ｘと、受光面における光量との関係を示す図である。なお、図６では説明の便宜上、反射スリットにより反射された光を透過した態様で示している。また、実際にはスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の各スリットは最小幅ｙ（スリットトラックＳＩのピッチＰと同じ）ごとに存在あるいは不存在となることで測定方向に所定のビットパターンとなるように形成されるが、ここでは説明の便宜上、幅ｙのスリットが間隔ｙをおいて隣り合う態様で示している。

通常、光源１２１は完全な理想点光源とはならず、有限の発光面積を有する光源となる。このため、図６に示すように、光源１２１から出射されディスク１１０のスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２で反射された光の受光面における受光量は、境界部（測定方向の両端部）において少なくなり、各スリットに対しいずれも台形状の光量分布となる。ここでは、受光面における光量が最大となる領域を明部ＬＡ、反射スリット間の領域に対応して位置することによりスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２で反射された光が届かない領域を暗部ＤＡ、明部ＬＡ及び暗部ＤＡの測定方向における幅をそれぞれＷＬＡ，ＷＤＡとする。

明部ＬＡの幅ＷＬＡは、次のように表すことができる。図６に示すように、三角形ａｃｄ（以下単に「△ａｃｄ」と記載する。他の三角形も同様。）と△ａｆｈが相似であることより、ｙ：ｆｈ＝ｕ：ｕ＋ｖとなり、ｆｈ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）｝／ｕとなる。一方、△ｄｂａと△ｄｇｈが相似であることより、φ：ｇｈ＝ｕ：ｖとなり、ｇｈ＝（φ×ｖ）／ｕとなる。以上より、ＷＬＡ＝ｆｈ−ｇｈ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）｝／ｕ−（φ×ｖ）／ｕ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−φ×ｖ｝／ｕとなる。なお、ｕは光源１２１の発光面とスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の反射面（ディスク１１０の表面）との間隔、ｖはスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２の反射面と受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の受光面との間隔である。

一方、暗部ＤＡの幅ＷＤＡは、次のように表すことができる。図６に示すように、△ｂｄｉと△ｂｇｊが相似であることより、ｙ：ｇｊ＝ｕ：ｕ＋ｖとなり、ｇｊ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）｝／ｕとなる。一方、上述のように△ｄｂａと△ｄｇｈが相似であることより、ｇｈ＝（φ×ｖ）／ｕとなる。以上より、ＷＤＡ＝ｇｊ−ｇｈ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）｝／ｕ−（φ×ｖ）／ｕ＝｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−φ×ｖ｝／ｕとなる。すなわち、明部ＬＡの幅ＷＬＡと暗部ＤＡの幅ＷＤＡは同一となる。

ここで本実施形態では、光源幅φと受光素子幅ｘとは、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の受光素子が暗部ＤＡ内に収まるように設定されるので、受光素子幅ｘが暗部ＤＡの幅ＷＤＡ以内となる。つまり、ｕ＝ｖでない場合、光源幅φと受光素子幅ｘとが、ｘ≦｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−φ×ｖ｝／ｕの関係式を満たすように設定される。この式を光源幅φについて整理すると、φ≦｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−ｕ×ｘ｝／ｖとなる。なお、各受光素子のピッチＰ１は、反射スリットのピッチ２ｙが拡大率ε（図６に示す例ではε＝（ｕ＋ｖ）／ｕ）で拡大された距離となる。これにより、受光素子は、スリットトラックの移動につれて、明部ＬＡと暗部ＤＡの両方に収まることとなる。その結果、明部ＬＡでは検出信号の出力を最大に、暗部ＤＡでは検出信号の出力を最小とすることができるので、検出信号の振幅を増大させ、検出精度を高めることが可能となる。

なお、本実施形態では、図２に示すように光学モジュール１２０とディスク１１０との間のギャップ長がＧ、光源１２１の基板ＢＡからの突出量がΔｄであることから、ｕ＝Ｇ−Δｄ、ｖ＝Ｇとなる。仮に、Δｄが無視できる程小さい値である場合、ｕ＝ｖ（＝Ｇ）となり、上記関係式は、ｘ≦２×ｙ−φ、あるいは、φ≦２×ｙ−ｘとなる。さらにこの場合において、受光素子幅ｘとスリット幅ｙとが等しい場合には、上記関係式は、ｙ≧φ、あるいは、φ≦ｙとなる。

＜３．本実施形態による効果の例＞
本実施形態では、上述のように、光源幅φと受光素子幅ｘとが、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の受光素子が暗部ＤＡ内に収まるように設定されるので、受光素子の検出信号の振幅を増大させ、検出精度を高めることが可能となる。

この検出精度の向上効果の一例について、図７を用いて説明する。図７は、光源幅φと、スリット幅ｙと、受光面における光量と、検出信号の振幅との関係を示す図である。ここでは、説明の便宜上、ｕとｖが等しく、且つ、受光素子幅ｘとスリット幅ｙとが等しい場合について説明する。

図７の左側に示す関係のように、光源幅φがスリット幅ｙの２倍以上である場合、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の受光面上における光量分布は三角形状となり、光源幅φがスリット幅ｙの２倍未満となると光量分布は台形形状となる。光源幅φが小さくなるにつれて台形形状の光量分布の平坦領域の幅（上述の明部ＬＡに相当）が大きくなると共に、平坦領域の両側に位置する傾斜領域の幅が小さくなる。図７の中央に示す関係のように、光源幅φがスリット幅ｙに等しくなると、光量分布の平坦領域と２つの傾斜領域の幅がそれぞれｙとなる。図７の右側に示す関係のように、さらに光源幅φが小さくなると、光量分布の平坦領域の幅がさらに大きくなると共に、傾斜領域の幅がさらに小さくなる。

ここで、各受光素子が出力する検出信号の振幅は、光量分布を受光素子が位置する領域に対応する区間で積分した値となる。すなわち、光量分布の最大値（光量分布の最高地点の高さ）をＬｍａｘとすると、検出信号の振幅の最大値はＬｍａｘと受光素子幅ｘとの積で表される。したがって、受光素子幅ｘがｙである場合、光量分布の平坦領域の幅がｙ以上の場合には平坦領域が積分区間以上となるので検出信号の振幅は最大値（Ｌｍａｘ×ｘ）に到達するが、平坦領域の幅がｘ未満の場合には平坦領域が積分区間未満となるので検出信号の振幅が最大値に到達しないことになる。検出信号の振幅が最大値に到達しない場合、振幅をしきい値と比較して二値化により絶対位置信号を生成する際に、例えばしきい値の変動や光量分布の変動等が生じた場合に正確な二値化ができない場合が生じうるので、検出精度の低下を招くおそれがある。

本実施形態では、光源幅φと受光素子幅ｘとが前述の関係式を満たすように設定される。この例では、上記関係式はφ≦ｙとなる。つまり、光源幅φをスリット幅ｙ以下とするので、図７の中央及び右側に示す関係のように、光量分布の平坦領域の幅をｙ以上とすることができる。これにより、検出信号の振幅を最大値（Ｌｍａｘ×ｘ）に到達させることができるので、検出精度を高めることが可能となる。

なお、図７に示すように、光源幅φがスリット幅ｙに等しい場合、光量分布の平坦領域と２つの傾斜領域の幅がそれぞれｙとなり、光源幅φが小さくなるにつれて、光量分布における平坦領域の割合が大きくなり、検出信号の波形が矩形に近い形状となる。図７の右側には、光源幅φがスリット幅ｙより小さい場合の一例として、光源幅φがスリット幅ｙの半分に等しい場合を示している。この場合、光量分布の平坦領域の幅は３／２×ｙ、２つの傾斜領域の幅はｙ／２となる。このように、検出信号の波形が矩形に近づくことで、振幅をしきい値と比較して二値化により絶対位置信号を生成する際に、例えばしきい値の変動や光量分布の変動等が生じた場合における検出位置の変動幅を小さくすることが可能となる。したがって、検出精度をさらに高めることが可能となる。

＜４．変形例＞
以上、添付図面を参照しながら一実施の形態について詳細に説明した。しかしながら、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲は、ここで説明した実施の形態に限定されるものではない。本実施形態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、技術的思想の範囲内において、様々な変更や修正、組み合わせなどを行うことに想到できることは明らかである。従って、これらの変更や修正、組み合わせなどが行われた後の技術も、当然に技術的思想の範囲に属するものである。

（４−１．インクリメンタル用受光アレイを非分割配置）
上記実施形態では、インクリメンタルパターンに対応する受光アレイＰＩが測定方向において光源１２１を間に挟んで分割して配置される場合を説明したが、例えば図８に示すように、受光アレイＰＩが分割されずに１本の受光アレイとして配置されてもよい。この例では、受光アレイＰＩは、光源１２１に対し中心軸と反対側（外周側）に配置される。受光アレイＰＩは、ピッチＰのインクリメンタルパターンを有するスリットトラックＳＩで反射した光を受光するように構成される。受光アレイＰＡ１，ＰＡ２は上記実施形態と同様である。図示は省略するが、この場合、ディスク１１０では、３本のスリットトラックが幅方向Ｒの内側から外側に向けて、ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩの順に配置されることになる。

当該構成をとる場合には、上記実施形態と同様の効果に加え、ディスク１１０の偏心に対するロバスト性を高めることが可能である。つまり、一般に、ディスク１１０の偏心による検出誤差はスリットトラックの半径に依存する性質があり、半径が小さいと誤差が大きくなり、半径が大きいと誤差が小さくなる。したがって、インクリメンタル信号の偏心に対するロバスト性を高める場合には、本変形例のように、受光アレイＰＩが光源１２１に対し中心軸と反対側に配置される構成を取りうる。これにより、ディスク１１０ではスリットトラックＳＩが外周側に配置されることとなり、該スリットトラックＳＩの半径を大きくすることができる。その結果、インクリメンタル信号を出力する受光アレイＰＩの偏心による検出誤差を小さくでき、偏心に対するロバスト性を高めることができる。また、スリットトラックＳＩのピッチを大きく確保することが可能となる。

なお、上記変形例では、受光アレイＰＩが光源１２１に対し中心軸と反対側に配置される場合を一例として説明したが、光源１２１に対し中心軸側（内周側）に配置されてもよい。また、受光アレイＰＩが受光アレイＰＡ１，ＰＡ２の間に配置されてもよい。但し、上述した偏心に対するロバスト性を高める効果を得る場合には、上記変形例の構成をとることが望ましい。

（４−２．アブソリュート用受光アレイを１つのみ配置）
上記実施形態では、エンコーダ１００がアブソリュートパターンを有する２本のスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２を有すると共に、それらのスリットトラックＳＡ１，ＳＡ２で反射した光をそれぞれ受光するように構成された２つの受光アレイＰＡ１，ＰＡ２を有するようにしたが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、光学モジュール１２０がアブソリュートパターンに対応する受光アレイＰＡを１つのみ有するようにしてもよい。この例では、受光アレイＰＡは光源１２１に対し中心軸側（内周側）に配置されているが、光源１２１に対し中心軸と反対側（外周側）に配置されてもよい。なお、受光アレイＰＡは、図５に示す受光アレイＰＡ１と同様の構成である。図示は省略するが、この場合、ディスク１１０では、２本のスリットトラックが幅方向Ｒの内側から外側に向けて、ＳＡ，ＳＩの順に配置されることになる。なお、スリットトラックＳＡは、図４に示すスリットトラックＳＡ２と同様の構成である。

当該構成をとる場合には、上記実施形態と同様の効果に加え、受光アレイの数を少なくできるので光学モジュール１２０を小型化することが可能であるが、前述したようにビットパターンの変わり目の領域において絶対位置の検出精度が低下するのを防止する場合には、上記実施形態のようにアブソリュートパターンに対応する受光アレイを２つ配置する構成をとることが望ましい。

（４−３．インクリメンタル用受光アレイを非分割配置、アブソリュート用受光アレイを１つのみ配置）
上記実施形態では、インクリメンタルパターンに対応する受光アレイＰＩが分割して配置され、且つ、アブソリュート用の２つの受光アレイＰＡ１，ＰＡ２を設ける場合を説明したが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、受光アレイＰＩが分割されずに１本の受光アレイとして配置され、且つ、アブソリュートパターンに対応する受光アレイＰＡを１つのみ設けるようにしてもよい。この例では、受光アレイＰＩが光源１２１に対し中心軸と反対側（外周側）に配置され、受光アレイＰＡが光源１２１に対し中心軸側（内周側）に配置されている。図示は省略するが、この場合、ディスク１１０では、２本のスリットトラックが幅方向Ｒの内側から外側に向けて、ＳＡ，ＳＩの順に配置されることになる。

当該構成をとる場合には、上記実施形態と同様の効果に加え、上記変形例（４−１）及び（４−２）と同様の効果を得る。なお、上記変形例では、受光アレイＰＩが光源１２１の外周側、受光アレイＰＡが光源１２１の内周側に配置される場合を一例として説明したが、反対に受光アレイＰＩが光源１２１の内周側、受光アレイＰＡが光源１２１の外周側に配置されてもよい。但し、上述した偏心に対するロバスト性を高める効果を得る場合には、上記変形例の構成をとることが望ましい。

（４−４．透過型エンコーダ）
以上においては、光源と受光アレイとがディスク１１０のスリットトラックに対し同じ側に配置された、いわゆる反射型エンコーダである場合を例にとって説明したが、これに限定されない。すなわち、光源と受光アレイとがディスク１１０を挟んで反対側に配置された、いわゆる透過型エンコーダであってもよい。この場合、ディスク１１０において、スリットトラックＳＡ１，ＳＡ２，ＳＩの各スリットを透過スリットとして形成する、あるいは、スリット以外の部分をスパッタリング等により粗面としたり透過率の低い材質を塗布したりすることで形成してもよい。本変形例においては、光源１２１と、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２，ＰＩＬ，ＰＩＲとが、ディスク１１０を挟んで対向配置されるが、本変形例における光学モジュール１２０は、このように別体として形成された光源と受光アレイとを含む。このような透過型エンコーダを用いた場合も、上記実施形態と同様の効果を得る。

（４−５．その他）
また、上記実施形態では、受光アレイＰＡ１，ＰＡ２がそれぞれ９個の受光素子を有し、アブソリュート信号が９ビットの絶対位置を表す場合を説明したが、受光素子の数は９以外でもよく、アブソリュート信号のビット数も９に限定されない。また、受光アレイＰＩＬ，ＰＩＲの受光素子の数も、上記実施形態の数に特に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、エンコーダ１００がモータＭに直接連結される場合について説明したが、例えば減速機や回転方向変換機等の他の機構を介して連結されてもよい。

１００ エンコーダ
１２０ 光学モジュール
１２１ 光源
Ｃ 測定方向
ＣＴ 制御装置
Ｍ モータ
ＰＡ１，ＰＡ２ 受光アレイ
ＰＡ 受光アレイ
ＰＩＬ，ＰＩＲ 受光アレイ
ＰＩ 受光アレイ
Ｓ サーボシステム
ＳＡ１ スリットトラック
ＳＡ２ スリットトラック
ＳＩ スリットトラック
ＳＭ サーボモータ

Claims (4)

1. 測定方向に沿ってアブソリュートパターンを有するように並べられた複数の反射又は透過スリットを有するスリットトラックと、
   前記スリットトラックに拡散光を出射するように構成された、有限の発光面積を有する点光源と、
   前記測定方向に沿って並べられ、前記スリットトラックで反射又は透過された光を各々受光する複数の受光素子を有する受光アレイと、を有し、
   前記点光源の出射面の前記測定方向における幅をφ、前記反射又は透過スリットの前記測定方向における最小の幅をｙ、前記受光素子の前記測定方向における幅をｘ、前記出射面から前記反射又は透過スリットまでの距離をｕ、前記反射又は透過スリットから前記受光素子までの距離をｖとした場合において、
   φ≦｛ｙ×（ｕ＋ｖ）−ｕ×ｘ｝／ｖ
   とすることにより、
   前記受光素子が、
   前記スリット間の領域に対応して位置し前記スリットトラックで反射又は透過された光が届かない領域内に収まり、かつ、
   前記スリットに対応して位置し前記スリットトラックで反射又は透過された光の前記受光アレイの受光面上における平坦領域とその両側の傾斜領域を備えた台形形状の光量分布の前記平坦領域内に収まるように、構成された、エンコーダ。
2. 測定方向に沿ってアブソリュートパターンを有するように並べられた複数の反射又は透過スリットを有するスリットトラックと、
   前記スリットトラックに拡散光を出射するように構成された点光源と、
   前記測定方向に沿って並べられ、前記スリットトラックで反射又は透過された光を各々受光する複数の受光素子を有する受光アレイと、を有し、
   前記点光源の出射面の前記測定方向における幅と、前記受光素子の前記測定方向における幅とは、前記受光素子が、前記スリット間の領域に対応して位置し前記スリットトラックで反射又は透過された光が届かない領域内に収まるように設定され、
   前記点光源の出射面の前記測定方向における幅をφ、前記反射又は透過スリットの前記測定方向における最小の幅をｙ、前記受光素子の前記測定方向における幅をｘとし、前記出射面から前記反射又は透過スリットまでの距離と、前記反射又は透過スリットから前記受光素子までの距離とが等しい場合において、
   φ≦２×ｙ−ｘ
   である、エンコーダ。
3. 可動子が固定子に対して移動するリニアモータ、又は、回転子が固定子に対して回転する回転型モータと、
   前記可動子又は前記回転子の位置及び速度の少なくとも一方を検出するように構成された、請求項１又は２に記載のエンコーダと、を備える、エンコーダ付きモータ。
4. 可動子が固定子に対して移動するリニアモータ、又は、回転子が固定子に対して回転する回転型モータと、
   前記可動子又は前記回転子の位置及び速度の少なくとも一方を検出するように構成された、請求項１又は２に記載のエンコーダと、
   前記エンコーダの検出結果に基づいて前記リニアモータ又は前記回転型モータを制御するように構成された制御装置と、を備える、サーボシステム。
   

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