KR20110031118A - 로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법 - Google Patents

로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법 Download PDF

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KR20110031118A
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야스시 요시다
유지 아리나가
시로우 요시도미
요스케 야마구치
지로 무라오카
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가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

인코더는, 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 디스크에 대향하여 고정 배치되는 1 이상의 고정 격자를 구비하고, 적어도 하나의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선(放射狀線)을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성된다.

Description

로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법{ROTARY ENCODER, ROTARY MOTOR, ROTARY MOTOR SYSTEM, DISC AND METOHD FOR MANUFACTURING THE ROTARY ENCODER}
관련 출원으로의 크로스 레퍼런스
본 출원은 35 U.S.C. §119 규정 하에서 2009년 9월 18일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-216447호에 대해 우선권을 주장한다. 본 출원의 내용은 본 명세서에서 참조로 포함되어 있다.
본 발명은 로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법에 관한 것이다.
회전하는 이동체(회전체)의 위치(각도)나 속도(회전 속도) 등의 물리량을 측정하기 위해서, 로터리 인코더가 사용된다. 그리고, 인코더는 인크리멘탈형(incremental type)(이하 「인크레」라고도 함)과, 앱솔루트형(absolute type)(이하 「앱소」라고도 함)으로 대별된다. 인크레형 인코더는, 주로, 이동체의 원점 위치로부터의 상대 위치를 검출한다. 구체적으로는, 인크레형 인코더에서는, 미리 원점 위치를 검출하여, 그 원점 위치로부터의 이동량에 따른 펄스 신호 등의 주기 신호를 취득하고, 그 주기 신호를 적산 등의 처리를 실행함으로써 위치 등을 검출한다. 한편, 앱소형 인코더는 절대값 인코더라고도 불리워지고, 이동체의 절대 위치를 검출한다.
인코더는 다양한 검출 원리인 것이 개발되어, 사용 용도에 필요로 되는 특성에 따라, 각 형식의 인코더가 적절히 선택되어 사용된다. 특히, 인코더는, 예컨대 위치 제어나 속도 제어 등의 제어를 행하는 서보 모터 등에 있어서, 현재 위치 등을 파악하는 데에 있어서 중요한 역할을 담당한다. 환언하면, 모터에 대해 선정되서 사용되는 인코더의 성능이나 특성은, 그 모터의 성능이나 특성도 좌우할 수 있다.
고분해능화가 가능한 인코더로서, 예컨대, 일본 특허 제3509830호 및 일본 특허 공개 평성 제6-347293호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 복수의 슬릿(반사형 및 투과형을 포함)에 의한 회절 간섭광을 이용한 광학식 인코더가 개발되어 있다. 그러나, 이들 인코더에서는, 회절 간섭 광학계를 형성하기 위해서, 소형화 및 설계ㆍ개발ㆍ제조 등이 어렵다.
그래서, 본 발명은 이러한 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 회절 간섭광을 이용하여 분해능을 향상시키면서, 소형화 및 설계ㆍ개발ㆍ제조 등을 용이하게 하는 것이 가능한, 로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 소정의 관점에 의하면, 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자를 구비하고, 적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선(放射狀線) 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라서 형성되는, 로터리 인코더가 제공된다.
또한, 상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에 있어서의 만곡 정도는, 상기 트랙에 있어서의 슬릿의 피치가 1 이상의 다른 상기 트랙의 슬릿의 피치와 같아지도록 설정되어도 좋다.
또한, 상기 적어도 하나의 트랙의 회전 격자와 상기 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭은, 하나 이상의 다른 트랙의 회전 격자와 상기 다른 트랙의 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭과 같아도 좋다.
또한, 상기 적어도 하나의 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 정도는, 하나 이상의 다른 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 정도와 상이해도 좋다.
또한, 상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에 있어서의 만곡 방향은, 상기 트랙에 인접하는 다른 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 방향과 반대의 둘레 방향이어도 좋다.
또한, 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿은 반사 슬릿이고, 1개의 상기 회전 격자에 대응하는 2개의 상기 고정 격자는, 상기 디스크의 동일면측에 배치되어도 좋다.
또한, 상기 만곡선을 따라 상기 슬릿이 형성된 상기 트랙에 대응한 상기 고정 격자는, 상기 만곡선의 접선과 평행하게 형성되어도 좋다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 회전 샤프트를 회전시키는 모터부와, 상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트의 위치를 측정하는 로터리 인코더를 구비하되, 상기 로터리 인코더는, 상기 회전 샤프트의 회전에 맞춰서 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되어, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자를 구비하고, 적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는, 로터리 모터가 제공된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 회전 샤프트를 회전시키는 모터부와, 상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트의 위치를 측정하는 로터리 인코더와, 상기 로터리 인코더가 검출한 위치에 근거하여, 상기 모터부의 회전을 제어하는 제어부를 구비하되, 상기 로터리 인코더는, 상기 회전 샤프트의 회전에 맞춰서 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자를 구비하며, 적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는, 로터리 모터 시스템이 제공된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 원판 형상으로 형성되고, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자와 대향하여 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되어 로터리 인코더에 사용된 경우에, 상기 고정 격자와 회절 간섭 광학계를 형성하는 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖고, 적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는, 디스크가 제공된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자를 갖는 로터리 인코더의 제조 방법으로서, 상기 1 또는 2 이상의 트랙 각각의 회절 격자에 포함되는 복수의 슬릿의 수를, 원하는 주기 신호가 얻어지도록 결정하는 슬릿수 결정 단계와, 적어도 하나의 상기 트랙에 대하여, 상기 회전축을 중심으로 하여, 상기 슬릿수 결정 단계에서 결정한 슬릿의 수와 같은 복수의 방사상선을, 상기 회전축을 중심으로 등각도로 설정하는 방사상선 설정 단계와, 상기 적어도 하나의 트랙에 대하여, 상기 복수의 슬릿의 피치가 소정의 값으로 되도록, 상기 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡하여, 복수의 만곡선을 설정하는 만곡선 설정 단계와, 상기 적어도 하나의 트랙의 상기 복수의 슬릿을, 상기 복수의 만곡선을 따라 형성하는 슬릿 형성 단계를 갖는 로터리 인코더의 제조 방법이 제공된다.
또한, 상기 만곡선 설정 단계에서는, 상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에서의 만곡 정도를, 상기 트랙에서의 슬릿의 피치가 1 이상의 다른 상기 트랙의 슬릿의 피치와 같아도 좋다.
또한, 상기 적어도 하나의 트랙의 회전 격자와 상기 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭이, 하나 이상의 다른 트랙의 회전 격자와 상기 다른 트랙의 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭과 같아지도록, 상기 고정 격자가 형성된 마스크를 배치하는 마스크 배치 단계를 더 갖더라도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 만곡선을 따라 형성되는 회전 격자의 만곡 정도를 적절히 설정함으로써 피치를 적절한 값으로 설정하는 것이 가능하기 때문에, 갭이나 회전 격자의 형성 위치 등을 임의로 설정할 수 있다. 따라서, 회절 간섭광을 이용하여 분해능을 향상시키면서, 설계ㆍ개발의 자유도를 높일 수 있다. 그 결과, 장치 자체의 소형화가 가능하고, 또한, 제조가 용이한 회절 간섭 광학계를 사용하는 것이 가능하다.
첨부 도면에 관한 이하의 상세한 설명을 참조함으로써, 본 발명의 보다 완벽한 이해 및 발명의 여러 이점들을 용이하게 얻을 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 2는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 3은 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 4는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 광학 검출 기구에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 5는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 광학 검출 기구에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 6은 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 만곡 슬릿에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 7(a)는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 위치 데이터 생성부에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 7(b)는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 위치 데이터 생성부에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 7(c)는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 위치 데이터 생성부에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 7(d)는 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 위치 데이터 생성부에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 8은 상기 실시형태에 따른 로터리 인코더의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 9는 상기 실시형태의 실시예에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 10은 비교예 1에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 11은 비교예 2에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 12는 비교예 3에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도,
도 14는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서 및 첨부 도면에서, 실질적으로 동일한 기능 및 구조를 갖는 구성요소는 동일한 참조 번호로 표시되고, 이들 구성요소의 반복되는 설명은 생략됨을 유의한다.
또한, 본 발명의 각 실시형태에 대해 설명하기 전에, 각 실시형태에 관련된 기술에 따른 광학식 인코더의 개요에 대해서 설명한다. 광학식 인코더로서, 복수의 슬릿(반사형 및 투과형을 포함)으로 형성된 격자를 이용한 것이 개발되어 있다. 이 광학 격자를 이용한 인코더는, 단순히 격자를 투과 또는 반사한 광을 이용하는 「기하(幾何) 광학형」과, 복수의 격자에 의한 회절 간섭광을 이용하는 「회절 간섭 광학형」으로 대별된다(예컨대 일본 특허 제3509830호 및 일본 특허 공개 평성 제6-347293호 공보 참조).
기하 광학형 인코더는, 격자를 형성하는 슬릿에 의해 반사 또는 투과한 광을 회절 간섭시키지 않고서 수광하여, 그 수광 횟수 등에 의해 위치 변화 등을 특정한다. 이 기하 광학형 인코더에서는, 하나의 격자의 슬릿 간격(이하 「피치 p」라고도 함)을 일정하게 한 경우, 그 격자와 다른 격자 또는 수광부 등과의 사이의 거리(이하 「갭 g」이라고도 함)가 길어질수록, 검출 정밀도가 저하되기 쉽다고 하는 특성을 갖는다.
한편, 회절 간섭 광학형 인코더는, 복수의 격자에 의한 회절 간섭광을 이용하여, 그 회절 간섭광의 수광 횟수 등에 의해 위치 변화 등을 특정한다. 따라서, 이 회절 간섭 광학형 인코더는, 기하 광학형 인코더보다 S/N비(Signal to Noise Ratio)를 높일 수 있다. 그것뿐만 아니라, 회절 간섭 광학형 인코더는, 갭 g를 비교적 길게 설정했다고 해도, 검출 정밀도에 영향을 주기 어렵다고 하는 특성을 갖는다. 이는, 구성 부품끼리의 기계적 간섭이 생길 가능성을 저감하여, 충격 등의 내환경 성능을 향상시킬 수 있는 것도 의미한다. 이와 같이 회절 간섭 광학형 인코더는 기하 광학형 인코더에 비해서 유리한 점이 많다.
그러나, 회절 간섭 광학형 인코더에서는, 회절 간섭 광학계를 구성할 필요가 있기 때문에, 복수의 격자(회절 격자) 각각에 있어서의 피치 p와, 각 격자의 간격인 갭 g가 적절한 값으로 설정되게 된다. 이러한 피치 p와 갭 g의 관계는, 인코더 자체의 개발이나 제조에 있어서의 제약으로 된다. 즉, 피치 p 또는 갭 g를 적절한 값으로부터 변경하면, 회절 간섭광의 질이 저하되어 검출하는 주기 신호의 S/N비가 저하되어 버린다. 한편, 피치 p 또는 갭 g를 적절한 값으로 유지하기 위해서는, 또한 피치 p 및 갭 g와 함께 주기 신호의 주기수(슬릿 개수에 대응하여 변화)나 슬릿의 형성 위치 등도 고려해서 회절 간섭 광학계를 설계ㆍ개발할 필요가 있다.
따라서, 자유도가 저하되어 설계ㆍ개발이 용이하지 않고, 또한, 회절 간섭 광학계마다 조정이 필요하기 때문에 제조도 용이하지 않다. 또한, 이러한 설계ㆍ개발의 제약에 의해, 장치 자체를 소형화하는 것이 어렵다.
이러한 설계ㆍ개발ㆍ제조에 대한 제약은, 1의 주기 신호를 얻기 위해서 1세트의 회절 간섭 광학계를 사용하는 경우에도 생길 수 있다. 그러나, 특히, 예컨대 앱소형 인코더와 같이 복수의 주기 신호를 얻기 위해서 복수 세트의 회절 간섭 광학계를 사용하는 경우, 각 회절 간섭 광학계의 세트마다 설계ㆍ개발ㆍ제조할 필요가 있기 때문에, 이것들에 대한 제약 정도는 한층더 커진다.
그래서, 본 발명의 발명자들은 이러한 광학식 인코더에 대해 예의 연구를 행한 결과, 회절 간섭광을 이용하여 분해능을 향상시키면서, 소형화 및 설계ㆍ개발ㆍ제조 등을 용이하게 하는 것이 가능한 각 실시형태에 따른 로터리 인코더 등을 발명하였다. 이하, 이 본 발명의 각 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
단, 이하에서 설명하는 본 발명의 각 실시형태에서는, 앱소형의 로터리 인코더를 갖는 로터리 모터 시스템을 예로 들어서 설명한다. 즉, 각 실시형태에 따른 로터리 인코더는 로터리 모터에 적용되어, 로터리 모터의 회전 각도 θ를 위치 x로서 검출한다. 그러나, 여기서 설명하는 각 실시형태에 따른 로터리 인코더는, 예컨대 원동기나 스티어링 등과 같이 일정한 회전축 둘레로 회전하는 다양한 회전체에 대해 적용가능한 것은 말할 필요도 없다.
또한, 본 발명의 각 실시형태에 대해 이해가 용이해지도록 이하의 순서로 설명하는 것으로 한다.
<1. 제 1 실시형태>
(1-1.제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템)
(1-2. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더)
(1-2-1. 디스크(110))
(트랙 TA~TC)
(슬릿 S의 형상)
(자석 MG)
(1-2-2. 검출부 MX, 검출부(130A~130C))
(1X 검출 기구)
(광학 검출 기구)
(1-2-3. 만곡 슬릿의 구성)
(하나의 트랙 T 내의 만곡 슬릿)
(만곡 슬릿과 고정 격자측의 슬릿의 위치 관계)
(복수의 트랙간의 관계에 있어서의 만곡 슬릿)
(1-2-4. 위치 데이터 생성부(140))
(1-3. 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템의 동작)
(1-4. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더의 제조 방법)
(1-5. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더 시스템에 의한 효과의 예)
(1-6. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더의 실시예)
<2. 제 2 실시형태>
<3. 제 3 실시형태>
<1. 제 1 실시형태>
(1-1. 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템)
먼저, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템의 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템의 구성에 대해서 설명하기 위한 설명도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템(이하 단순히 「모터 시스템」라고도 함)(1)은, 로터리 모터(이하 단순히 「모터」라고도 함)(10)와, 제어부(20)를 갖는다. 또한, 모터(10)는 로터리 인코더(이하 단순히 「인코더」라고도 함)(100)와, 로터리 모터부(이하 단순히 「모터부」라고도 함)(200)를 갖는다.
모터부(200)는 인코더(100)를 포함하지 않는 동력 발생원의 일례이다. 이 모터부(200)를 단순히 모터라고 하는 경우도 있다. 모터부(200)는 적어도 한쪽에 회전 샤프트(201)를 갖고, 이 회전 샤프트(201)를 회전축 AX 둘레로 회전시킴으로써 회전력을 출력한다.
또한, 모터부(200)는 위치 데이터에 근거하여 제어되는 서보 모터이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 모터부(200)는, 동력원으로서 전기를 사용하는 전동식 모터부인 경우로 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 유압식 모터부, 에어식 모터부, 증기식 모터부 등의 다른 동력원을 사용한 모터부이더라도 좋다. 단, 설명의 편의상, 이하에서는 모터부(200)가 전동식 모터부인 경우에 대해서 설명한다.
인코더(100)는 모터부(200)의 회전 샤프트(201)와는 반대쪽에 배치되고, 상기 회전 샤프트(201)에 대응하여 회전하는 다른 회전 샤프트(도 2에서의 회전 샤프트(202))에 연결된다. 그리고, 이 인코더(100)는 회전 샤프트(202)의 위치를 검출함으로써, 회전력이 출력되는 회전 샤프트(201)의 위치 x(회전 각도 θ, 모터부(200)의 위치 x 등이라고도 함)를 검출하고, 그 위치 x를 나타내는 위치 데이터를 출력한다.
단, 인코더(100)는, 모터부(200)의 위치 x에 부가하거나 또는 대신하여, 회전 샤프트(201)의 속도 v(회전 속도, 각속도, 모터부(200)의 속도 v 등이라고도 함) 및 가속도 a(회전 가속도, 각가속도, 모터부(200)의 가속도 a 등이라고도 함) 중 적어도 한쪽을 검출해도 좋다. 이 경우, 모터부(200)의 속도 v 및 가속도 a는, 위치 x를 시간으로 1 또는 2회 미분하거나 후술하는 주기 신호를 소정 간격으로 카운트하는 등의 처리에 의해 검출하는 것이 가능하다. 설명의 편의상, 이하에서는 인코더(100)가 검출하는 물리량은 위치 x로 하여 설명한다.
또한, 인코더(100)의 배치 위치는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 인코더(100)는 회전 샤프트(201)에 직접 연결되도록 배치되어도 좋고, 또한, 감속기나 회전 방향 변환기 등의 다른 기구를 통해서 회전 샤프트(201) 등의 회전체에 연결되어도 좋다.
제어부(20)는 인코더(100)로부터 출력되는 위치 데이터를 취득하고, 상기 위치 데이터에 근거하여, 모터부(200)의 회전을 제어한다. 따라서, 모터부(200)로서 전동식 모터부가 사용되는 본 실시형태에서는, 제어부(20)는 위치 데이터에 근거하여 모터부(200)에 인가하는 전류 또는 전압 등을 제어함으로써, 모터부(200)의 회전을 제어한다. 또한, 제어부(20)는 상위 제어 장치(도시하지 않음)로부터 상위 제어 신호를 취득하여, 상기 상위 제어 신호에 표시된 위치 또는 속도 등이 모터부(200)의 회전 샤프트(201)로부터 출력되도록, 모터부(200)를 제어하는 것도 가능하다. 또한, 모터부(200)가 유압식, 에어식, 증기식 등의 다른 동력원을 사용하는 경우에는, 제어부(20)는 그것들의 동력원의 공급을 제어함으로써 모터부(200)의 회전을 제어하는 것이 가능하다.
(1-2. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더)
다음에, 도 2 및 도 3을 참조하면서, 본 실시형태에 따른 인코더(100)의 구성에 대해서 설명한다. 도 2는 본 실시형태에 따른 로터리 인코더의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도이다. 도 3은 본 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크에 대해 설명하기 위한 설명도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 인코더(100)는, 회전축(101)과, 디스크(110)와, 검출부 MX와, 검출부(130A~130C)와, 위치 데이터 생성부(140)를 갖는다.
(1-2-1. 디스크(110))
디스크(110)는 도 3에 나타내는 바와 같이 원판 형상으로 형성되고, 디스크 중심 O가 회전축 AX와 거의 일치하도록 배치된다. 그리고, 디스크(110)는, 이 회전축 AX 둘레로 회전가능한 회전 샤프트(101)를 통해서, 모터부(200)의 회전 샤프트(201)에 대응한 회전 샤프트(202)에 연결된다. 따라서, 디스크(110)는 모터부(200)의 회전에 따라 회전축 AX 둘레로 회전가능하게 배치되게 된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 디스크(110)는 트랙 TA~TC와, 자석 MG를 갖는다.
본 실시형태에서는 앱소형의 인코더(100)를 예로 설명하고 있기 때문에, 디스크(110)는 모터부(100)의 회전에 있어서의 절대 위치 x를 정밀하게 검출하기 위해서 3개의 트랙 TA~TC를 갖는다. 또한, 이 트랙 T의 개수는 3개에 한정되는 것이 아니라, 절대값 x에 요구되는 검출 정밀도나 신호 처리에 따라 적절히 복수개로 설정된다. 또한, 본 발명의 각 실시형태가 인크레형의 인코더(100)에 적용되는 경우, 트랙 T의 개수는 후술하는 만곡 슬릿을 갖으면, 적어도 하나 이상이면 좋다.
(트랙 TA~TC)
트랙 TA~TC는, 각각 디스크(110)의 디스크 중심 O를 중심으로 하는 링 형상으로 소정의 폭 wA~wC로 설정된다. 본 실시형태에서는, 각 트랙 TA~TC의 폭 wA~wC는 동일한 폭 w로 설정된다(w=wA=wB=wC).
그리고, 각 트랙 TA~TC는, 각각 폭 w의 중심에서의 직경 방향의 위치(트랙 반경 rA~rC)가 상이하게 배치된다. 즉, 트랙 TA~TC는 디스크 중심 O를 중심으로 한 동심원 형상으로 형성되고, 디스크 중심 O로부터 외주를 향해서 트랙 TA, TB, TC의 순으로 배치된다(rA<rB<rC).
또한, 본 실시형태에서는, 각 트랙 TA~TC의 폭 wA~wC가 동일한 경우를 예시하고 있지만, 이 트랙폭 wA~wC는 상이해도 좋다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 각 트랙 TA~TC의 각각에는 광학적인 회전 격자 LA~LC(회전하는 광학 회절 격자)가 형성된다.
회전 격자 LA~LC의 각각은, 광학적인 복수의 슬릿 SLA~SLC를 갖고, 회전 격자 LA~LC마다 각각 독립된 개별의 회절 간섭 광학계의 일부를 구성한다.
슬릿 SLA~SLC의 각각은 광을 반사(반사 슬릿)하거나 또는 광을 투과(투과 슬릿)하도록 형성된다.
반사 슬릿으로서 형성되는 경우, 슬릿 SL은, 예컨대 반사율이 높은 재질을 증착하는 등의 방법에 의해 형성되어도 좋다. 한편, 디스크(110)에 있어서의 슬릿 SLA~SLC 이외의 부위는, 예컨대, 증착 등의 방법에 의해 광을 흡수하는 재질을 배치하거나, 디스크(110) 자체에 광을 투과하는 재질을 사용하는 등의 방법으로 형성되어도 좋다. 또한, 디스크(110) 자체에 광을 반사하는 재질을 사용하여, 슬릿 SLA~SLC 이외의 부위를 에칭 등에 의해 가공하는 것도 가능하다. 또한, 슬릿 SLA~SLC도 SLA~SLC 이외의 부위도 반사율이 높은 재료로 형성한 후에, 슬릿 SLA~SLC와 SLA~SLC 이외의 부위에 갭 방향의 단차를 마련하여 위상 회절 격자로서 슬릿 형성하는 것도 가능하다.
한편, 투과 슬릿으로서 형성되는 경우, 디스크(110) 자체를 광이 투과하는 재질로 형성하고, 슬릿 SLA~SLC 이외의 부위에, 흡수 또는 반사하는 등에 의해 광을 차폐하는 물질을 배치하거나 광을 차폐하는 가공을 실시하는 등의 방법으로 형성되어도 좋다. 단, 슬릿 SLA~SLC의 형성 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다.
요컨대, 반사형 슬릿의 경우, 슬릿 SLA~SLC는 광을 반사하고, 그 이외의 부위는 광을 반사하지 않으며, 투과형 슬릿의 경우, 슬릿 SLA~SLC는 광을 투과하고, 그 이외의 부위는 광을 차폐하는 것으로 된다.
이하에서는, 본 실시형태에서는, 설명의 편의상, 디스크(110)의 각 트랙 TA~TC의 슬릿 SLA~SLC가 반사 슬릿인 경우에 대해서 설명한다. 이와 같이 디스크(110)에 반사 슬릿이 사용되는 경우에는, 반사형의 회절 간섭 광학계를 형성할 수 있기 때문에, 디스크(110)에 투과 슬릿이 사용되는 경우에 비해서, 디스크(110)와 후술하는 마스크(120) 사이의 갭 g의 변동에 의한 노이즈나 검출 정밀도에 대한 영향을 저감하는 것이 가능하다.
각 트랙 TA~TC는, 트랙 반경 rA~rC가 클수록 슬릿 SLA~SLC의 개수 nA~nC가 많아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 트랙 TA~TC 각각의 슬릿 개수는, 트랙 반경이 「rA<rB<rC」이기 때문에, 「nA<nB<nC」로 되도록 설정된다. 각 트랙 TA~TC로부터는, 각각 슬릿 개수 nA~nC에 따른 반복수의 3의 주기 신호가 얻어지게 된다. 상기 3의 주기 신호에 있어서의 디스크(110)의 1회전(360°)당의 반복수를, 각각 주기수 mA~mC라고도 한다. 즉, 주기수 mA~mC 각각은, 각 슬릿 개수 nA~nC에 따른 수로 된다. 따라서, 각 트랙 TA~TC의 슬릿 개수 nA~nC는, 요구되는 정밀도의 절대 위치 x가 검출가능하도록, 필요로 되는 분해능에 따른 수로 설정되는 것이 바람직하다.
각 트랙 TA~TC 각각에 있어서의 슬릿 SLA~SLC의 간격인 피치 pLA~pLC는, 본 실시형태에서는, 트랙 TA~TC에서 전부 거의 동일한 피치 pL로 설정된다(pL=pLA=pLB=pLC). 단, 2 이상의 트랙 TA~TC의 피치 pLA~pLC가 거의 동일하면 좋고, 상이한 피치의 트랙이 포함되어도 좋다. 이와 같이 복수의 트랙 TA~TC의 각 피치 pLA~pLC를 거의 같게 설정함으로써, 그 복수의 트랙 TA~TC 각각의 회절 간섭 광학계를 동일하게 형성하는 것이 가능해져, 설계ㆍ개발ㆍ제조(제조 등이라고도 함)를 용이하게 하는 것이 가능하다. 특히, 본 실시형태와 같이 모든 트랙 TA~TC의 피치 pLA~pLC를 거의 동일하게 함으로써, 제조 등을 대폭 쉽게 하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는 「피치 pLA~pLC」라고 하는 경우, 슬릿 SLA~SLC 각각에 있어서, 서로 인접하는 슬릿의 배치 간격을 의미하는 것으로 한다. 즉, 피치 pLA~pLC는 각 슬릿의 중심간 거리를 의미하는 것으로 한다.
(슬릿 S의 형상)
여기서, 각 트랙 TA~TC 각각에 있어서의 슬릿 SLA~SLC의 형상에 대해서 설명한다.
가장 바깥쪽 둘레에 배치되는 트랙 TC에서는, 슬릿 SLC가 디스크 중심 O(회전축 AX)를 중심으로 하여 등각도 간격으로 설정되는 방사상선(도 6의 방사상선 LINE1) 상에 형성된다. 이러한 형상의 슬릿을 「방사 슬릿」이라고도 한다.
한편, 본 실시형태에 따른 인코더(100)에서는, 상술한 바와 같이 복수의 트랙 TA~TC의 피치 pLA~pLC를 피치 pL로 일치시키는 것을 가능하게 하고, 또한, 보다 소형화나 제조 등을 대폭 쉽게 하기 위해서, 트랙 TA, TB의 슬릿 SLA, SLB는, 방사 슬릿과는 상이한 「만곡 슬릿」으로 형성된다. 또한, 트랙 TC의 슬릿 SLC도 만곡 슬릿으로 형성되어도 좋다. 즉, 복수의 트랙 TA~TC 중 적어도 어느 하나 이상이 만곡 슬릿으로 형성되어도 좋다. 이와 같이 만곡 슬릿이 포함되는 경우, 상기와 같은 피치 pLA~pLC의 조정ㆍ소형화ㆍ제조 등의 용이화를 실현하는 것이 가능하다. 이 만곡 슬릿에 대해서는 상세히 후술한다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 방사 슬릿 및 만곡 슬릿의 피치 pLA~pLC는, 트랙 T의 폭 wA~wC의 중심에서의 슬릿의 간격(피치)을 의미하는 것으로 한다.
(자석 MG)
자석 MG는 1회전 내의 대략적인 절대 위치 x를 검출하기 위한 1회전 검출 기구의 일례의 일부를 구성한다. 자석 MG는 양자극(N극 및 S극)이 디스크면과 평행한 방향에서 디스크 중심 O(회전축 AX)를 사이에 두고서 대칭으로 위치하도록 배치된다. 이 자석 MG는, 본 실시형태와 상이한 1회전 검출 기구가 사용되는 경우, 그 기구에 따른 구성으로 변경되어도 좋다(예컨대, 제 3 실시형태 등).
이 1회전 검출 기구를 「1X 검출 기구」 등이라고도 한다.
한편, 본 실시형태에서는, 트랙 TA~TC의 슬릿 개수 nA~nC는, 상술한 바와 같이, nA<nB<nC로 설정된다. 그리고, 각 트랙 TA~TC로부터 얻어지는 주기 신호의 주기수 mA~mB는, 각 트랙 TA~TC마다의 위치 검출 정밀도를 나타내고, 각각 슬릿 개수 nA~nC에 대응한다.
환언하면, 1X 검출 기구는 상술한 바와 같이 1회전 내의 대략적인 절대 위치 x를 검출한다.
한편, 트랙 TA에 의한 검출 기구는, 1회전보다 좁은 범위 내에서의 절대 위치 x를, 1X 검출 기구보다 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 이 트랙 TA에 의한 검출 기구를 여기서는 「미들 L(로우) 검출 기구」라고도 한다.
그리고, 트랙 TB에 의한 검출 기구는, 미들 L 검출 기구보다 더욱 좁은 범위 내에서의 절대 위치 x를, 미들 L 검출 기구보다 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 이 트랙 TB에 의한 검출 기구를 여기서는 「미들 H(하이) 검출 기구」라고도 한다.
또한, 트랙 TC에 의한 검출 기구는, 미들 H 검출 기구보다 더욱 좁은 범위 내에서의 절대 위치 x를, 미들 H 검출 기구보다 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 이 트랙 TC 에 의한 검출 기구를 여기서는 「인크레 검출 기구」라고도 한다.
즉, 본 실시형태에 따른 앱소형의 인코더(100)는, 1X, 미들 L, 미들 H, 인크레 각각의 검출 기구에 의한 검출 위치 x를 처리함으로써, 인크레 검출 기구의 검출 정밀도와 동일한 정도의 절대 위치 x를 검출하게 된다.
또한, 미들 L 검출 기구, 미들 H 검출 기구 및 인크레 검출 기구의 각각은, 슬릿 개수 nA~nC나 슬릿 형상 등에 차이는 있지만, 기구마다 별개 독립된 회절 간섭 광학계를 하나씩 갖고 있으며, 검출 원리로서 광학식의 회절 간섭 광학계를 사용하는 점 등에서 공통적이다. 그래서, 이하에서는, 미들 L 검출 기구, 미들 H 검출 기구 및 인크레 검출 기구를 총칭하여 「광학 검출 기구」라고도 한다.
(1-2-2. 검출부 MX, 검출부(130A~130C))
다음에, 도 2~도 5를 참조하면서, 검출부 MX 및 검출부(130A~130C)에 대해 설명하면서, 이들 검출 기구에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 및 도 5는 본 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 광학 검출 기구에 대해 설명하기 위한 설명도이다.
(1X 검출 기구)
검출부 MX는 자석 MG에 대향하여 배치되고, 자석 MG와 함께 1X 검출 기구를 구성한다. 검출부 MX와 자석 MG 사이의 갭 g는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 다른 검출부(130A~130C)와 디스크(110) 사이의 갭 g와 동일하게 설정된다. 그 결과, 검출기 MX, 130A~130C의 갭 g를 동시에 조정할 수 있게 되어, 제조 등이 용이해진다. 단, 이 검출부 MX의 갭 g를 검출기(130A~130C)의 갭 g와 상이한 값으로 하는 것도 가능하다.
그리고, 검출부 MX는 디스크(110)의 회전에 따른 자석 MG의 자계 방향의 회전을 검출한다. 검출부 MX는 이와 같이 자계 방향을 검출할 수 있는 구성이면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 검출부 MX의 일례로서, 예컨대 MR(자기 저항 효과: Magnetro Resistive effect) 소자나 GMR(거대 자기 저항 효과: Giant Magnetro Resistive effect) 소자 등과 같은 자기 각도 센서를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 검출부 MX로서, 예컨대 홀 소자 등의 자계 검출 소자를 사용하여, 회전축 AX에 대해 수직한 2축 방향의 자계의 강도를 검출하고, 자계 검출 소자로부터의 검출 신호에 근거하여 자석 MG의 자계의 방향을 산출함으로써, 디스크(110)의 회전을 검출하는 것도 가능하다.
검출부 MX에 의한 검출 신호는, 디스크(110)의 회전 각도 θ(위치 x)가 360° 회전하는 동안에 전기각 Φx로 360° 회전하는 정현파 형상의 전기 신호로 된다. 그리고, 이 검출 신호는, 디스크(110)의 1회전당의 대략적인 절대 위치 x를 나타낸다. 검출부 MX가 검출하는 전기 신호를, 여기서는 「1X 신호」라고도 한다. 이 1X 신호는 위치 데이터 생성부(140)에 출력된다.
(광학 검출 기구)
검출부(130A)는, 트랙 TA에 대향하여 배치되고, 트랙 TA와 함께 미들 L 검출 기구를 구성한다. 검출부(130B)는, 트랙 TB에 대향하여 배치되고, 트랙 TB와 함께 미들 H 검출 기구를 구성한다. 검출부(130C)는, 트랙 TC에 대향하여 배치되고, 트랙 TC과 함께 인크레 검출 기구를 구성한다.
검출부(130A~130C)에 의한 각 광학 검출 기구는, 상술한 바와 같이, 각각 독립된 회절 간섭 광학계를 갖는 점 등에서 공통적이다. 따라서, 여기서는, 도 4를 참조하면서, 하나의 광학 검출 기구를 예로 설명하고, 각 광학 검출 기구마다 상이한 점에 대해서는 개별적으로 추기(追記)하는 것으로 한다.
이에 따라, 하나의 광학 검출 기구를 예로 설명하는 경우, 이하에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 그 광학 검출 기구에 대응하는 검출부(검출부(130A~130C)), 트랙(트랙 TA~TC) 및 회전 격자(회전 격자 LA~LC)를 단순히 「검출부(130)」, 「트랙 T」 및 「회전 격자 L」이라고도 하고, 그 회전 격자 L에 포함되는 슬릿(슬릿 SLA~SLC)을 단순히 「슬릿 SL」이라고도 한다. 그리고, 그 슬릿 SL의 피치(피치 pLA~pLC)를 단순히 「피치 pL」이라고도 하고, 슬릿 개수(슬릿 개수 nA~nC)를 단순히 「슬릿 개수 n」이라고도 하고, 이 광학 검출 기구로부터 얻어지는 주기 신호의 주기수(주기수 mA~mC)를 단순히 「주기수 m」이라고도 한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 검출부(130)는 마스크(120)와, 발광부(131)와, 수광부(132)를 갖는다.
마스크(120)는 갭 g을 사이에 두고서 디스크(110)에 대향하여 고정 배치된다. 또한, 마스크(120)는 광을 차폐하는 재료로 형성되는 한편, 광을 투과하는 복수의 슬릿 SG1, SG2을 각각 갖는 2개의 광학적인 고정 격자 G1, G2(고정되는 회절 격자)를 갖는다. 즉, 마스크(120)는 고정 격자 G1, G2의 슬릿 SG1, SG2에서 광을 투과하게 되고, 이 고정 격자 G1, G2는 회전 격자 L과 함께 3격자의 회절 간섭 광학계를 구성한다.
본 실시형태에 있어서 고정 격자 G1과 고정 격자 G2는 동일한 마스크(120)에 형성된다. 또한, 고정 격자 G1과 고정 격자 G2는 별체의 마스크(120)에 형성되어도 좋다. 고정 격자 G1과 고정 격자 G2는, 별체의 마스크(120)에 형성되는 경우, 디스크(110)의 동일면측에서, 고정 격자 G1과 회전 격자 L 사이의 거리(갭 g)와 회전 격자 L과 고정 격자 G2 사이의 거리(갭 g)가 같아지도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 회전 격자 L로부터의 거리가 같은 2개의 고정 격자 G1, G2를 사용하고, 또한, 회전 격자 L의 슬릿 SL에 반사형 슬릿을 사용하면, 디스크(110)와 검출부(130)의 위치 관계가 변동하더라도, 양 고정 격자 G1, G2 각각의 갭 g가 항상 일정하게 된다. 따라서, 갭 g의 변동이 회절 간섭 광학계에 주는 영향을 저감할 수 있다.
여기서, 각 광학 검출 기구의 검출부(130A~130C) 각각의 갭 g의 관계에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 각 트랙 TA~TC의 슬릿 SLA~SLC의 피치 pLA~pLC가 서로 거의 같게 피치 pL로 설정되기 때문에, 검출부(130A~130C)와, 트랙 TA~TC 즉 디스크(110)와의 사이의 갭 g는, 서로 거의 같게 설정될 수 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 회전 격자 LA와 그것에 대응하는 고정 격자 G1, G2 사이의 갭 g와, 회전 격자 LB와 그것에 대응하는 고정 격자 G1, G2 사이의 갭 g와, 회전 격자 LC와 그것에 대응하는 고정 격자 G1, G2 사이의 갭 g는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전부 거의 같게 설정될 수 있다.
이와 같이 설정되는 경우, 검출부(130A~130C) 각각에 대해 갭 g에 따른 회절 간섭 광학계를 공통적으로 설계ㆍ개발할 수 있고, 또한, 제조시의 갭 g의 조정을 각 검출부(130A~130C)에 대하여 동시에 행할 수 있다. 따라서, 제조 등을 용이하게 하는 것이 가능하다. 또한, 이와 같이 검출부(130A~130C)의 갭 g가 서로 같게 설정되기 때문에, 도 4에 나타내는 검출부(130A~130C) 각각의 마스크(120)를 일체로 형성하거나, 검출부(130A~130C)를 일체로 구성함으로써, 제조 등을 더욱 쉽게 하는 것도 가능하다.
또한, 이러한 작용 효과는, 어느 2개의 회전 격자 LA~LC(하나의 트랙 및 다른 트랙의 일례)와 그것에 대응하는 고정 격자 G1, G2 사이의 갭 g를 일치시키는 것만으로도, 동일하게 나타나는 것은 말할 필요도 없다. 단, 갭 g가 일치시켜지는 광학 검출 기구는, 트랙 T의 피치 pL이 서로 같게 설정된 광학 검출 기구인 것이 바람직하다.
다음에, 발광부(131) 및 수광부(132)에 대해서 설명하면서, 고정 격자 G1, G2 각각에 대해서 설명한다.
발광부(131)는 광원을 갖고, 마스크(120)의 고정 격자 G1을 향해서 광을 조사한다. 발광부(131)가 조사하는 광의 파장이나 강도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 회절 간섭 광학계의 특성이나 필요한 위치 분해능 등에 따라 적절히 결정되어도 좋다. 또한, 이 조사광은, 본 실시형태에서는, 확산광이 사용된다. 확산광을 사용함으로써, 후술하는 고정 격자 G1의 각 슬릿 SG1을 대략 선광원으로 간주할 수 있어, 회절 간섭 효과를 높일 수 있다. 또한, 이와 같이 슬릿 SG1을 대략 선광원으로 간주할 수 있으면, 조사광으로서, 평행광이나 레이저광, 집속광 등을 사용하는 것도 가능하다. 발광부(131)는 평행광ㆍ레이저광ㆍ집속광ㆍ확산광 등, 사용하는 광의 특성 등에 따라, 확산 렌즈 등의 소정의 광학 소자를 갖더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
고정 격자 G1은 발광부(131)가 조사하는 광이 입사하는 위치에 형성된다. 이 고정 격자 G1은 투과형의 복수의 슬릿 SG1을 갖고 있고, 그 복수의 슬릿 SG1에 의해 입사한 광을 회절시킨다. 그 결과, 각 슬릿 SG1은, 각각 디스크(110)에 조사되는 광을, 각 슬릿 SG1을 대략 선광원으로 하는 광으로 변환할 수 있다.
고정 격자 G1의 복수의 슬릿 SG1 사이의 피치 pG1는, 회전 격자 L의 복수의 슬릿 SL 사이의 피치 pL에 대하여 「pG1=i×pL(i=1, 2, 3 …)」의 관계로 되도록 형성된다. 단, 특히 「i=1, 2」의 경우에, 얻어지는 주기 신호의 강도를 강하게 할 수 있는 경우가 많고, 다시 말하면, 「i=2」의 경우에, 주기 신호의 강도를 「i=1」보다 강하게 할 수 있는 경우가 많다. 한편, 주기 신호의 주기수 m은 슬릿 개수 n뿐만 아니라, 상기 i에 의해서도 변화된다. 구체적으로는, 주기수 m은, 적어도 「i=1, 2」의 경우, 「m=2×n/i」로 된다. 이하에서는, 설명의 편의상, 「i=2」 즉 「pG1=2pL」이며 「m=n」인 경우에 대해서 설명한다.
또한, 고정 격자 G1을 투과한 광은, 고정 격자 G1에 입사할 때의 입사각에 따라, 고정 격자 G1의 폭방향으로 확대된다. 따라서, 회전 격자 L의 슬릿 SL의 폭은, 이러한 확대각을 고려하여, 신호 강도를 향상시키기 위해서, 고정 격자 G1의 슬릿 SG1의 폭보다 넓게 설정되는 것이 바람직하다. 그때, 회전 격자 L의 슬릿 SL의 폭을, 고정 격자 G1을 투과한 광이 도달한다고 예상되는 폭보다 더욱 넓게 설정하거나 또는 좁게 설정함으로써, 고정 격자 G1과 회전 격자 L의 설치 오차에 대한 신호의 안정성을, 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
이와 마찬가지로, 회전 격자 L에서 반사한 광은, 회전 격자 L에 입사할 때의 입사각에 따라, 회전 격자 L의 폭방향으로 확대된다. 따라서, 후술하는 고정 격자 G2의 슬릿 SG2의 폭도, 이러한 확대각을 고려하여, 신호 강도를 향상시키기 위해서, 회전 격자 L의 슬릿 SL의 폭보다 넓게 설정되는 것이 바람직하다. 그때, 고정 격자 G2의 슬릿 SG2의 폭을, 회전 격자 L에서 반사한 광이 도달한다고 예상되는 폭보다 더욱 넓게 설정하거나 또는 좁게 설정함으로써, 고정 격자 G2와 회전 격자 L의 설치 오차에 대한 신호의 안정성을, 더욱 향상시키는 것이 가능한 것도 마찬가지이다.
단, 고정 격자 G1와 고정 격자 G2와 회전 격자 L 각각의 슬릿의 폭의 관계는, 충분한 신호 강도를 확보할 수 있고, 또한, 설치 오차에 대한 신호의 안정성도 충분히 확보할 수 있는 경우에는, 특별히 한정되는 것이 아닌 것은 말할 필요도 없다.
고정 격자 G1이 갖는 복수의 슬릿 SG1은, 다른 회전 격자 L 및 고정 격자 G2와 함께 형성하는 회절 간섭 광학계의 회절 간섭 효과를 높여서 노이즈를 저감하기 위해서, 대향한 위치에 있어서의 슬릿 SL과 대략 평행하게 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전 격자 LA, LB의 슬릿 SLA, SLB가 만곡 슬릿이기 때문에, 검출부(130A, 130B)의 고정 격자 G1의 복수의 슬릿 SG1, SG2는 대향한 만곡 슬릿과 평행하게 되도록, 만곡 슬릿으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 회전 격자 LC의 슬릿 SLC가 방사 슬릿이기 때문에, 검출부(130C)의 고정 격자 G1의 복수의 슬릿 SG1, SG2는 대향한 방사 슬릿과 평행하게 되도록, 방사 슬릿으로 형성되는 것이 바람직하다.
단, 방사 슬릿에 대해서 「미국 특허 제5,559,600호 명세서」에도 기재되어 있는 바와 같이, 방사 슬릿의 피치 pL은 트랙 T의 전체 둘레 길이에 비해서 충분히 짧기 때문에, 방사 슬릿을 광학적으로는 평행 슬릿으로 간주할 수 있다. 따라서, 방사 슬릿에 대응한 검출부(130C)의 고정 격자 G1의 복수의 슬릿 SG1을, 서로 평행한 「평행 슬릿」으로 하는 것이 가능하다. 한편, 이와 마찬가지로, 만곡 슬릿에 대응한 검출부(130A, 130B)의 고정 격자 G1의 복수의 슬릿 SG1을, 도 5에 나타내는 바와 같이, 평행 슬릿으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 방사 슬릿에 대응하는 고정 격자 G1의 평행 슬릿은, 방사 슬릿을 평행 슬릿으로 간주한 경우의 그 평행 슬릿과 평행하게 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 만곡 슬릿에 대응하는 고정 격자 G1의 평행 슬릿은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 각 만곡 슬릿의 적어도 1점에서의 접선 LINE3과 거의 평행하게 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 방사 슬릿 및 만곡 슬릿에 대응하는 양 고정 격자 G1을 평행 슬릿으로 함으로써, 양 고정 격자 G1에 대하여 동일한 고정 격자 G1를 사용하는 것이 가능하게 되어, 제조 등을 더욱 쉽게 하는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 제조 비용을 저감하는 것도 가능하다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 고정 격자 G1에서 회절된 광은, 고정 격자 G1에 대응하는 회전 격자 L에 조사된다. 그렇게 하면, 회전 격자 L에 조사된 광은, 회전 격자 L의 슬릿 SL에서 반사된다. 이때, 반사되는 광은 회전 격자 L에서 더 회절된다. 그리고, 이 회전 격자 L에서 회절된 광은, 고정 격자 G2에 조사된다.
고정 격자 G2는 회전 격자 L에서 회절된 광이 입사하는 위치에 형성된다. 이 고정 격자 G2의 슬릿 SG2의 피치 pG2는 고정 격자 G1의 슬릿 SG1의 피치 pG1와 동일하게 설정된다. 즉, 본 실시형태에서는 「pG1=pG2=2×pL」로 된다. 또한, 이 슬릿 SG2의 형상이나, 고정 격자 G1의 슬릿 SG1과의 위치 관계 등도, 상기 고정 격자 G1의 슬릿 SG2와 마찬가지이다. 따라서, 이것들의 자세한 설명은 생략한다.
또한, 이 고정 격자 G2는, 고정 격자 G1와 달리, 2 이상의 영역(예컨대 도 5에 나타내는 영역 G2A, G2B)으로 나누어져 있다. 그리고, 각 영역의 슬릿 SG2은 그 영역 내에서는 피치 pG2가 균일하게 형성되지만, 영역 사이에서는 「pG2/4」씩 어긋나게 형성된다. 또한, 설명의 편의상, 이하에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이 고정 격자 G2가 2개의 영역 G2A, G2B로 분할된 경우에 대해서 설명한다.
한편, 도 4에 나타내는 바와 같이, 회전 격자 L에서 회절된 광은 고정 격자 G2에 조사된다. 이 고정 격자 G2에 조사되는 광은, 회전 격자 L의 복수의 슬릿 SL 각각에서 회절된 광이 간섭한 간섭 줄무늬 형상으로 된다. 간섭 줄무늬의 밝은 부분의 위치는, 디스크(110)가 회전해서 고정 격자 G1과 회전 격자 L 사이의 위치 관계의 변화에 따라서 이동하게 된다. 그 결과, 「pG2/4」씩 어긋나게 된 각 영역 G2A, G2B 각각의 슬릿 SG2를 통과하는 광의 강도는, 90° 어긋나서 정현파 형상으로 증감한다.
수광부(132)는 고정 격자 G2의 슬릿 SG2를 투과한 광을 수광하도록 배치된다. 그리고, 수광부(132)는, 예컨대 포토다이오드와 같은 수광 소자를 갖고 있고, 수광한 광의 강도를 전기 신호로 변환한다. 단, 이때, 수광부(132)는 각 영역 G2A, G2B마다 개별적인 전기 신호를 생성가능하도록, 예컨대 2개의 수광면을 갖는다.
그리고, 수광부(132)가 생성하는 전기 신호는, 디스크(110)가 피치 p 등에 따른 만큼만 이동할 때마다 반복되는 소정 주기의 대략 정현파 형상의 전기 신호(「주기 신호」라고도 함)로 된다. 한편, 이 각 영역 G2A, G2B 각각에 대응한 주기 신호는, 영역 G2A, G2B 각각의 슬릿 SG2를 통과하는 광의 강도와 마찬가지로, 위상이 90° 어긋난 2개의 주기 신호로 된다.
이 2개의 주기 신호를 각각 「A상(相) 주기 신호」, 「B상 주기 신호」라고도 한다. 그리고, 미들 L 검출 기구, 미들 H 검출 기구, 인크레 검출 기구 각각에서 얻어지는 2개의 주기 신호를 합쳐서, 여기서는 「미들 L 신호」, 「미들 H 신호」, 「인크레 신호」라고도 한다.
이와 같이 광학 검출 기구에서는, 3격자의 회절 간섭 광학계를 구성한다. 따라서, 갭 g의 대소에 관계없이 피치 pL, pG1, pG2 등과의 관계에서 간섭이 생기면, 원하는 주기 신호를 검출할 수 있다.
그런데, 기하 광학형 인코더에서는, 단순히 슬릿 SL을 투과한 광을 수광하기 때문에, 갭 g를 크게 하면 할수록, 회절 성분이나 확산 성분의 광의 영향에 의해 노이즈가 증가하므로, 갭 g를 작게 할 필요가 있다. 이에 반하여, 본 실시형태에 기재된 바와 같은 회절 간섭 광학계에서는, 고정 부재와 회전 부재 사이의 갭 g를 크게 할 수 있어, 결과적으로 설계ㆍ개발의 자유도를 높일 수 있음과 아울러, 충격 등에 의해 고정 부재와 회전 부재가 간섭하는 불량을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 3격자(회전 격자 L 및 고정 격자 G1, G2)의 회절 간섭 광학계를 예로 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 고정 격자 G2를 대신하여 그 고정 격자 G2의 슬릿 SG2 각각의 위치에 수광면을 갖는 띠 형상의 수광 소자를 사용함으로써, 의사적(擬似的)으로 3격자의 회절 간섭 광학계를 형성하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 고정 격자 G1을 대신하여 그 고정 격자 G1의 슬릿 SG1 각각의 위치에서 발광하는 띠 형상 또는 선 형상의 발광 소자 등을 사용함으로써, 의사적으로 3격자의 회절 간섭 광학계를 형성하는 것도 가능하다. 그 밖에, 동일한 회절 간섭 광학계를 구성할 수 있으면, 격자의 수는 특별히 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.
(1-2-3. 만곡 슬릿의 구성)
이상, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더(100)의 구성에 대해서 설명하였다. 다음에, 도 5 및 도 6을 참조하면서, 상기 회전 격자 LA, LB에 사용되는 만곡 슬릿에 대해서 상세히 설명한다. 도 6은 본 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 만곡 슬릿에 대해 설명하기 위한 설명도이다.
(하나의 트랙 T 내의 만곡 슬릿)
먼저, 도 6을 참조하면서, 어느 한쪽의 만곡 슬릿, 즉, 트랙 TA의 회전 격자 LA의 슬릿 SLA, 또는, 트랙 TB의 회전 격자 LB의 슬릿 SLB를 예로 들어서 설명한다. 그리고, 슬릿 SLA와 슬릿 SLB에서 상이한 점에 대해서는 개별적으로 설명하는 것으로 한다.
본 실시형태에 따른 회전 격자 L의 슬릿 SL은, 링 형상의 트랙 T에 배치되지만, 상술하고 또한 도 6에도 나타내는 바와 같이, 적어도 하나 이상의 회전 격자 L의 슬릿 SL은 방사 슬릿과 상이한 만곡 슬릿으로서 형성된다.
만곡 슬릿으로서 형성되는 슬릿 SL(여기서는 단순히 「슬릿 SL」이라고 함)은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 디스크 중심 O(회전축 AX)을 중심으로 한 방사상선 LINE1 각각을, 소정의 만곡 정도 C로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선 LINE2을 따라 형성된다.
이러한 만곡선 LINE2을 따른 슬릿 SL에 대해서는 다양한 형성예가 생각되지만, 이 슬릿 SL의 일형성예에 대해서 설명하면 이하와 같다.
각 슬릿 SL에 대응하는 방사상선 LINE1은, 그 트랙 T 중에 배치되어야 되는 슬릿 개수 n으로 1회전의 2π(360°)를 등각도 분할한 각도마다, 슬릿 개수 n만큼 설정된다. 그 후, 각 방사상선 LINE1을 동일한 둘레 방향으로 동일한 만곡 정도 C로 만곡시키는 것에 의해, 각 슬릿 SL의 만곡선 LINE2가 설정된다. 그리고, 이와 같이 설정된 각 만곡선 LINE2를 따라, 각 슬릿 SL이 소정의 폭으로 형성되게 된다.
더욱 구체적으로 식을 사용하여 슬릿 SL의 일형성예에 대해서 설명한다.
디스크 중심 O를 원점으로 하여, 원점으로부터의 거리를 l로 하고, 원점을 지나는 기준선으로부터의 각도를 θ로 하고, 트랙 T의 내경 및 외경을 rIN, rOUT으로 한다. 그리고, 트랙 T의 회전 격자 L이 포함하는 슬릿 개수를 n으로 하고, 각 슬릿을 j(j=0, 1, 2…, n-1)로 식별하는 것으로 한다. 그렇게 하면, 방사상선 LINE1은 극좌표에서 하기 식1로 표시된다.
Figure pat00001
그리고, 만곡 정도를 C로 하고, 또한, 회전 격자 L의 복수의 슬릿 SL의 피치가 원하는 pL로 되는 반경(트랙 T의 폭방향 중심에서의 반경)을 rO로 한 경우, 만곡선 LINE2는 극좌표에서 하기 식2로 표시된다. 슬릿 SL은, 이 만곡선 LINE2를 따라 트랙 T의 소정의 폭 w(=rOUT-rIN) 내에서 형성된다.
Figure pat00002
이 만곡 슬릿 형성예의 경우, 만곡 정도 C는 하기 식3으로 표시된다.
Figure pat00003
또한, 트랙 T는, 회절 격자 G2를 투과한 후에 수광 소자에서 수광한 회전 격자 L로부터의 반사광이, 충분한 광량으로 되는 만큼의 폭 w(=rOUT-rIN)으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 따른 회절 간섭 광학계에서는, 트랙 T의 폭 w를 예컨대 회전 격자 L의 피치 pL의 20배~50배 정도로 설정하면, 충분한 광량이 얻어진다. 따라서, 만곡 슬릿인 슬릿 SL은, 식3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 트랙 내경(rIN)의 위치로부터 각도 θ로 180° 이내의 위치에서 트랙 외경(rOUT)에 도달한다. 만곡한 슬릿 SL의 1개 1개는, 각각 각도 θ로 180° 이내로 되어, 트랙 T를 1회전도 주회(周回)하지 않도록 형성된다. 이와 같이 만곡 슬릿을 형성함으로써, 디스크(110)의 강도를 높이거나, 슬릿 SL의 형성을 용이하게 하는 것이 가능하다.
한편, 본 실시형태에 따른 회전 격자 L이 구성하는 회절 간섭 광학계는, 일반적으로, 회전 격자 L에 포함되는 복수의 슬릿 SL의 피치가 슬릿 SL의 길이 방향의 위치에 의하지 않고서 균일할수록, 얻어지는 정현파의 주기 신호의 노이즈를 저감하여, 위치 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 환언하면, 트랙 T의 폭 w의 중심으로부터 슬릿 SL을 따라 트랙 내경 또는 외형을 향해서 이동한 경우에 있어서의, 그 이동량에 대한 피치의 pL로부터의 어긋남량의 증가율 또는 감소율이 적을수록, 노이즈가 낮게 억제되어, 검출 정밀도가 향상한다.
이에 대하여, 본 실시형태와 같은 만곡 슬릿에 의하면, 슬릿 SL이 만곡하여 형성됨으로써, 슬릿 SL의 형성 방향(만곡선 LINE2 방향)에 있어서의 슬릿 SL의 피치의 변화량(여기서는 「피치의 변화율」이라고도 함)을 저감할 수 있다. 결과적으로, 본 실시형태에 따른 인코더(100)에 의하면, 각 광학 검출 기구로부터 얻어지는 주기 신호의 검출 정밀도를 향상시켜서, 위치 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
보다 구체적으로는, 예컨대, 방사 슬릿이면, 방사상선 LINE1 상에 슬릿 SL이 형성되게 되지만, 슬릿 SL의 형성 방향(방사상선 LINE1)에 있어서의 길이가 거의 트랙 T의 폭 w와 같아지기 때문에, 그 형성 방향에서의 슬릿 SL의 피치의 변화율은 비교적 크다. 이 비교적 큰 피치의 변화율은 주기 신호의 검출 정밀도의 저하를 초래한다. 그리고, 이러한 검출 정밀도의 저하는 슬릿 개수 n이 적을수록 크다. 이에 반하여, 만곡 슬릿이면, 슬릿 SL의 형성 방향(만곡선 LINE2)에 있어서의 길이를, 방사 슬릿과 비교하여 만곡 정도 C에 대응한 길이만큼 늘어나게 할 수 있다. 그 결과, 슬릿 SL의 피치의 변화율을 비교적 작게 할 수 있어, 주기 신호의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따른 인코더(100)는 이러한 만곡 슬릿을 사용함으로써, 주기 신호의 주기수 m이 상이한 복수 트랙 TA~TC를, 설계 개발 등의 자유도를 저하시키지 않고 또한 주기 신호의 검출 정밀도를 저하시키지 않고, 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 고정밀도이고 또한 소형인 인코더(100)를 용이하게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 일반적으로 회절 간섭 광학계에 있어서, 회전 격자 L과 고정 격자 G1, G2 사이의 최적 갭 g는, 발광부(131)가 내보내는 광의 파장 λ와, 회전 격자 L의 복수의 슬릿 SL의 피치 pL에 의존한다. 예컨대, 3격자 광학계에 있어서, 갭 g는, k를 정의 정수라고 하면, pG1=pL=pG2의 경우에는, 하기 식4를 만족시킬 때에 최적으로, pG1=2×pL=pG2의 경우에는, 하기 식5를 만족시킬 때에 최적으로 된다.
Figure pat00004
이에 반해서는, 본 실시형태와 같은 만곡 슬릿에 의하면, 복수의 슬릿 SL의 피치 pL는 슬릿 개수 n과, 트랙 반경 r(=rO)과, 만곡 정도 C의 함수 f로 식6과 같이 표시된다.
Figure pat00005
따라서, 슬릿 개수 n(즉 주기 신호의 주기에 대응)이나 트랙 반경 r을 변경하지 않고서, 만곡 정도 C를 적절히 설정하는 것만으로, 회절 간섭 광학계를 구성하는 최적의 값으로 피치 p를 설정하는 것이 가능해진다. 그 결과, 트랙 개수 n이나 트랙 반경 r 등을 자유롭게 설정하는 것이 가능해져, 소형화가 용이하고 설계ㆍ개발도 용이해진다.
그런데, 본 실시형태와 달리 슬릿 SL이 트랙 T 내를 1회전 이상 주회하여 형성되는 경우, 이러한 슬릿을 「다중 나선 슬릿」이라고도 한다. 이러한 다중 나선 슬릿에서는, 반경 방향으로 적층되는 슬릿 SL의 수가 많아지고, 트랙 T의 폭 w가 커져서 소형화가 어렵게 된다. 따라서, 설계ㆍ개발의 자유도가 줄고, 나아가서는 제조 자체가 어렵게 된다. 이에 반하여, 본 실시형태에 따른 슬릿 SL은 다중 나선 슬릿이 아니라 만곡 슬릿으로 형성된다. 그 결과, 상술한 바와 같이, 설계ㆍ개발의 자유도를 높여서, 제조나 소형화를 용이하게 할 수 있다.
또한, 여기서 설명한 만곡 슬릿 형성예나 만곡선 LINE2의 식 등은, 어디까지나 일례이며, 이러한 식을 실제로 세울 필요는 없다. 즉, 상기한 바와 같이 둘레 방향으로 만곡한 만곡선 LINE2를 따른 슬릿 SL이 형성되면, 그 형성 방법이나 설계 방법 등은 특별히 한정되는 것은 아니다.
(만곡 슬릿과 고정 격자측의 슬릿의 위치 관계)
고정 격자 G1, G2로서 평행 슬릿을 사용하는 경우, 도 5에 나타내는 바와 같이, 고정 격자 G1, G2는, 대응하는 회전 격자 L의 슬릿 SL의 만곡선 LINE2의 접선 LINE3과 각 슬릿 SG1, SG2이 평행하게 되도록 배치된다. 본 실시형태와 같은 만곡 슬릿이면, 고정 격자 G1, G2의 배치 위치가 다소 어긋난 경우에도, 만곡 슬릿의 피치 pL의 상기 변화량이 비교적 작기 때문에, 평행 슬릿인 고정 격자 G1, G2와 회전 격자 L이 평행하게 되는 영역을 크게 확보할 수 있다. 따라서, 주기 신호의 검출 정밀도를 더욱 향상시키면서, 제조 등을 매우 용이하게 할 수 있다.
(복수의 트랙간의 관계에 있어서의 만곡 슬릿)
이상, 하나의 트랙 T 내의 만곡 슬릿에 대해서 설명하였다. 여기서, 복수의 트랙 TA~TB 사이의 관계에 있어서의 만곡 슬릿에 대해서 도 2 및 도 3을 참조하면서 설명한다.
본 실시형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 모든 트랙 TA~TC의 회전 격자 LA~LC와 그것에 대한 검출부(130A~130C)의 마스크(120)와의 갭 g는 거의 같게 설정된다. 한편, 회절 간섭 광학계를 형성하기 위해서는, 상기 식4 또는 식5를 만족시키도록, 갭 g에 대응한 슬릿 SL의 피치 pL을 실현하는 것이 중요하다.
그래서, 본 실시형태에서는, 트랙 TA의 슬릿 SLA에서의 만곡 정도 C는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그 슬릿 SLA의 피치 pLA가 다른 트랙 TC의 슬릿 SLC의 피치 pLC와 같아지도록 설정된다. 또한, 트랙 TB의 슬릿 SLB에서의 만곡 정도 C도, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그 슬릿 SLB의 피치 pLB가 다른 트랙 TC의 슬릿 SLC의 피치 pLC와 같아지도록 설정된다.
한편, 트랙 TA의 슬릿 개수 nA는 트랙 TB의 슬릿 개수 nB와 상이하다. 따라서, 상기 식3으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 트랙 TA에서의 만곡 정도 C는, 트랙 TB에서의 만곡 정도 C와 상이하도록 설정된다. 따라서, 만곡 슬릿끼리인 트랙 TA에서의 피치 pLA와, 트랙 TB에서의 피치 pLB를 거의 같게 할 수 있다.
이 결과, 모든 트랙 TA~TC에서의 슬릿 SLA~SLB의 피치 pLA~pLC를 거의 일정하게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 검출부(130A~130C)는 회절 간섭 광학계를 각각 형성하면서, 갭 g를 일정하게 하여 배치될 수 있다. 이와 같이 복수의 검출부(130A~130C)를 일정한 갭 g로 형성할 수 있는 경우, 검출부(130A~130C)의 갭 g 방향에서의 조정이 용이하게 될 뿐만 아니라, 이들 검출부(130A~130C)를 일체로 형성하는 것도 가능해진다. 또한, 검출부(130A~130C)를 일체로 형성하는 경우, 각각이 갖는 마스크(120)도 일체로 1장의 마스크로서 형성되어도 좋다. 이 경우, 설계 등의 자유도를 향상시키고, 또한, 제조를 용이하게 하는 것이 가능하다.
(1-2-4. 위치 데이터 생성부(140))
다음에, 도 2 및 도 7(a)~도 7(d)를 참조하면서, 인코더(100)의 나머지의 구성인 위치 데이터 생성부(140)에 대해서 설명한다.
위치 데이터 생성부(140)는 상술한 검출부 MX 및 검출부(130A~130C)로부터 정현파 형상의 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호를 취득한다. 그리고, 위치 데이터 생성부(140)는 이들 신호로부터 모터부(200)의 절대 위치 x를 특정하고, 그 위치 x를 나타낸 위치 데이터를 출력한다. 이하, 보다 구체적으로 위치 데이터 생성부(140)에 의한 위치 x의 특정 처리의 일례에 대해서 설명한다.
여기서 위치 데이터 생성부(140)가 취득하는 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호 각각은, 상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 위상이 90° 어긋난 A상 주기 신호와 B상 주기 신호의 2개의 주기 신호를 포함한다.
한편, 검출부 MX도, 90° 상이한 자계의 방향을 검출하는 2개(2개 이상이라도 좋음)의 자기 각도 센서를 갖고, 상기 주기 신호와 동일하게 전기각으로 위상이 90°씩 어긋난 동일 주기의 2개의 1X 신호(A상 1X 신호, B상 1X 신호라고도 함)를 출력한다. 또한, 1X 신호도 디스크(110)가 1회전할 때마다 반복되는 정현파 형상의 전기 신호로 되기 때문에 주기 신호로 된다. 그러나, 검출 원리 등이 상이하기 때문에 설명의 편의상 여기서는, 1X 신호와, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호를 구별하기로 하고, 단순히 주기 신호라고 하는 경우, 1X 신호를 제외한 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호를 의미하는 것으로 한다.
그래서, 위치 데이터 생성부(140)는, 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호에 대하여, 각각 A상 및 B상의 2개의 정현파 신호를 취득한다. 그리고, 위치 데이터 생성부(140)는, A상 및 B상의 2개의 정현파 신호를, 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호마다 체배 처리 등을 실시하는 것에 의해, 각 주기 내에서 단조롭게 증가하는 신호(단조롭게 감소하는 신호이더라도 좋음. 이하 「단조 증가 신호」라고도 함)를 생성한다.
여기서 이하에서는, 1X 신호의 처리 후의 단조 증가 신호를 단순히 1X 신호라고도 하고, 미들 L 신호의 처리 후의 단조 증가 신호를 단순히 미들 L 신호라고도 하고, 미들 H 신호의 처리 후의 단조 증가 신호를 단순히 미들 H 신호라고도 하며, 그리고, 인크레 신호의 처리 후의 단조 증가 신호를 단순히 인크레 신호라고도 한다.
도 7(a)에 1X 신호의 예를 나타내고, 도 7(b)에 미들 L 신호의 예를 나타내고, 도 7(c)에 미들 H 신호의 예를 나타내고, 도 7(d)에 인크레 신호의 예를 나타낸다. 도 7(a)~도 7(c)에서는, 가로축에 기계각(각도 θ)에 상당하는 위치 x를 나타내고, 세로축에 각 신호에 있어서의 전기각 Φ을 나타낸다. 또한, 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호 각각의 전기각을 여기서는 ΦX, ΦA, ΦB, ΦC라고도 한다.
도 7(a)에서는, 1X 신호로서, 위치 x가 360° 회전할 때마다, 전기각 ΦX가 1회전하는 예, 즉, 1회 단조 증가하는 예를 나타내고 있다.
도 7(b)에서는, 미들 L 신호로서, 위치 x가 360° 회전할 때마다, 전기각 ΦA가 4회전하는 예, 즉, 4회 단조 증가를 반복하는 예를 나타내고 있다.
도 7(c)에서는, 미들 H 신호로서, 위치 x가 360° 회전할 때마다, 전기각 ΦC가 16회전하는 예, 즉, 16회 단조 증가를 반복하는 예를 나타내고 있다.
도 7(d)에서는, 인크레 신호로서, 위치 x가 360° 회전할 때마다, 전기각 ΦB가 64회전하는 예, 즉, 64회 단조 증가를 반복하는 예를 나타내고 있다.
즉, 미들 L 신호, 미들 H 신호, 인크레 신호는 각각 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호의 4배의 위치 분해능을 갖는 것을 의미한다.
각 트랙 TA~TC의 슬릿 개수 nA~nC는, 본 실시형태와 같이 피치가 「pG1=2×pL=pG2」로 설정되는 경우, 이러한 분해능을 실현하기 위해서, 각각 4, 16, 64개로 설정되게 된다. 그러나, 이것은 어디까지나 일례이며, 각 트랙 TA~TC의 슬릿 개수 nA~nC를 한정하는 것이 아니라, 각 트랙 TA~TC의 슬릿 개수 nA~nC는, 각각으로부터 얻어지는 주기 신호에 요구되는 소망의 주기수 mA~mC에 따라 적절히 설정될 수 있다. 또한, 실시형태와 같이 피치가 「pG1=2×pL=pG2」로 설정되는 경우, 「mA=nA, mA=nA, mA=nA」로 되고, 「pG1=1×pL=pG2」로 설정되는 경우, 「mA=2×nA, mA=2×nA, mA=2×nA」로 된다. 이것들의 관계로부터, 소망의 주기수 mA~mC에 따른 슬릿 개수 nA~nC를 결정하는 것이 가능하다.
또한, 도 7(a)~도 7(c)에서는, 선형으로 단조 증가하는 각 신호를 나타내고 있지만, 위치 데이터 생성부(140)는, 예컨대, 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호로서 계단 형상으로 단조 증가하는 신호를 출력해도 좋다. 단, 위치 x방향에서의 계단폭은, 각각 분해능이 하나 상위의 신호의 주기에 대응한 길이로 되는 것이 바람직하다.
위치 데이터 생성부(140)는 이러한 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호를 생성하고, 이들 신호에 근거하여, 모터부(200)의 절대 위치 x를 특정한다.
보다 구체적으로는, 도 7(a)~도 7(c)에 나타내는 예의 경우, 위치 데이터 생성부(140)는, 먼저, 1X 신호로부터, 기계각으로 360° 내에서의 90°마다의 위치를 특정한다.
그리고, 위치 데이터 생성부(140)는 미들 L 신호를 사용하여 그 90° 내에서의 (90/4)°마다의 위치를 특정한다.
다음에, 위치 데이터 생성부(140)는 미들 H 신호를 사용하여 그 (90/4)° 내에서의 (90/16)°마다의 위치를 특정한다.
그리고 마지막으로, 위치 데이터 생성부(140)는 인크레 신호를 사용하여 그 (90/16)° 내에서의 (90/64)°마다의 위치를 특정한다.
그 결과, 위치 데이터 생성부(140)는, 가장 바깥쪽의 인크레 검출 기구의 분해능과 동일한 분해능에 있어서, 모터부(200)의 절대 위치 x를 특정하는 것이 가능해진다. 그리고, 위치 데이터 생성부(140)는 이와 같이 특정한 절대 위치 x를 나타내는 위치 데이터를 제어부(20)에 출력한다.
또한, 위치 데이터 생성부(140)는, 이러한 처리를 행하지 않고서, 1X 신호, 미들 L 신호, 미들 H 신호 및 인크레 신호의 조합에 대한 절대 위치 x의 테이블을 기억하고 있고, 상기 테이블을 사용하여 절대 위치 x를 특정하는 것도 가능하다. 또한, 여기서 설명한 위치 데이터 생성부(140)에 있어서의 처리는, 제어부(20)에서 행해지더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 이 경우, 위치 데이터 생성부(140)는, 위치 데이터로서, 정현파 형상의 1X 신호 및 각 주기 신호, 또는, 체배 등의 처리 후의 단조 증가하는 1X 신호 및 각 주기 신호를, 제어부(20)에 출력해도 좋다.
(1-3. 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템의 동작)
다음에, 본 실시형태에 따른 모터 시스템(1)의 동작에 대해서 설명한다. 또한, 각 구성에 있어서의 동작이나 작용 등에 대해서는, 각 구성의 설명에서 상세히 설명했기 때문에 적절히 생략해서 설명한다.
제어부(20)는 상위 제어 장치 등으로부터 상위 제어 신호를 취득하고, 또한 인코더(100)로부터 모터부(200)의 절대 위치 x를 나타내는 위치 데이터를 취득한다. 그리고, 제어부(20)는 상위 제어 신호와 위치 데이터에 근거해 제어 신호를 생성하여 모터부(200)에 출력한다.
그 결과, 모터부(200)는, 이 제어 신호에 근거하여 회전 샤프트(201)를 회전시킨다. 그렇게 하면, 그 회전 샤프트(201)에 대응하는 회전 샤프트(202)에, 회전축(101)을 통해서 연결된 인코더(100)의 디스크(110)가 회전된다. 한편, 각 검출부 MX, 130A~130C는, 이 디스크(110)의 회전에 따라 각각 1X 신호 및 주기 신호를 검출하여, 위치 데이터 생성부(140)에 출력한다. 그리고, 위치 데이터 생성부(140)는 취득한 이들 신호에 근거해 위치 데이터를 생성하여, 제어부(20)에 출력한다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 인코더(100)는 모터부(200)의 고정밀도의 절대 위치 x를 검출하여, 위치 데이터로서 제어부(20)에 공급할 수 있다. 따라서, 이 모터 시스템(1)은, 그 고정밀도의 절대 위치 x에 근거하여, 모터부(200)의 위치 x를 고정밀도로 제어할 수 있다.
(1-4. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더의 제조 방법)
이상, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템에 대해서 설명하였다.
다음에, 도 8을 참조하면서, 본 실시형태에 따른 인코더(100)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 8은 본 실시형태에 따른 로터리 인코더의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 설명도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 인코더(100)의 제조 방법에서는, 먼저 단계 S101가 처리된다. 이 단계 S101(슬릿수 결정 단계의 일례)에서는, 디스크(110)의 1의 트랙 T에 대하여, 그 트랙 T로부터 얻고자 하는 분해능에 따라, 1회전으로 얻어야 되는 원하는 주기 신호의 주기수 m이 결정된다. 그리고, 그 주기에 따라, 그 트랙 T에 형성되는 슬릿 개수 n이 설정된다. 그리고, 단계 S103으로 진행한다.
단계 S103(방사상선 설정 단계의 일례)에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 단계 S101에서 결정한 수의 방사상선 LINE1이 디스크 중심 O(회전축 AX)을 중심으로 한 등각도로 설정된다. 그리고, 단계 S105로 진행한다.
단계 S105(만곡선 설정 단계의 일례)에서는, 슬릿 SL의 피치 pL이 원하는 값으로 되도록 만곡 정도 C가 설정된다. 그리고, 단계 S103에서 설정한 복수의 방사상선 LINE1이, 설정된 만곡 정도 C로 동일한 둘레 방향을 향해서 만곡되어, 복수의 만곡선 LINE2이 설정된다. 단, 예컨대 트랙 TC 등과 같은 방사 슬릿의 경우에는, 이 단계 S105에서는, 만곡 정도 C는 0(만곡시키지 않는 것을 의미)으로 설정되게 된다.
또한, 이 단계 S105에서는, 여기서 형성하려고 하는 트랙 T(하나의 트랙의 일례)의 슬릿 SL의 피치 pL이, 이미 형성된 트랙 T 또는 후속해서 형성되는 트랙 T(다른 트랙 T의 일례)의 슬릿 SL의 피치 pL과 같아지도록, 만곡 정도 C가 설정되게 된다. 이 단계 S105의 처리 후는 단계 S107로 진행한다.
단계 S107(슬릿 형성 단계의 일례)에서는, 단계 S105에서 설정한 복수의 만곡선 LINE2를 따라, 소정의 폭 w로 복수의 슬릿 SL이 트랙 T 내에서 형성된다. 그리고, 단계 S109로 진행한다.
단계 S109에서는, 원하는 복수의 트랙 T 전부에 슬릿 SL이 형성되었는지 여부가 확인된다. 그리고, 슬릿 SL이 미형성의 트랙 T이 있으면, 단계 S101 이후의 처리가 반복된다. 한편, 모든 슬릿 SL이 형성되어 있으면 단계 S111로 진행한다.
단계 S111(마스크 배치 단계의 일례)에서는, 적어도 피치 pL이 같은 2 이상의 트랙 T에 대하여, 회전 격자 L과 고정 격자 G1, G2 사이의 갭 g가 같아지도록, 마스크(120)를 포함하는 검출부(130)가 배치된다.
또한, 이들 처리와 동시에 또는 전후로, 회전축(101)을 디스크(110)에 연결하는 처리, 각 검출부(130)와 위치 데이터 생성부(140)를 연결하는 처리, 각 구성을 케이스에 수납하여 고정 또는 회전가능하게 지지하는 처리 등이 행해져서, 인코더(100)가 완성된다. 단, 이들 처리에 대한 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
(1-5. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더 시스템에 의한 효과의 예)
이상, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더, 로터리 모터, 로터리 모터 시스템, 디스크 및 로터리 인코더의 제조 방법에 대해서 설명하였다.
본 실시형태에 따른 인코더(100) 등에 의하면, 적어도 하나의 트랙 T의 복수의 슬릿 SL이, 만곡선 LINE2를 따른 만곡 슬릿으로서 형성된다. 이 만곡 슬릿은, 만곡선 LINE2의 만곡 정도 C를 조정함으로써, 트랙 T의 형성 위치나 트랙 T에 포함되는 슬릿 개수 n을 변경하지 않고서, 피치 pL을 조정하는 것이 가능하다. 따라서, 설계ㆍ개발 등의 자유도를 높이는 것이 가능하다.
또한, 이 인코더(100) 등에서 사용되는 만곡 슬릿은 그 만곡 정도 C에 따른 만큼 슬릿 SL 하나 하나의 길이를 연장할 수 있다. 그 결과, 슬릿 SL의 피치 pL의 슬릿 형성 방향에서의 변화량을 저감할 수 있다. 이는, 각 슬릿 SL의 피치 pL을 슬릿 형성 방향에서 균일화하는 것, 즉, 만곡 슬릿인 각 슬릿 SL을 평행 슬릿에 가깝게 하는 것이 가능함을 의미한다. 한편, 본 실시형태에 따른 인코더(100)는, 이 만곡 슬릿을 이용한 회절 간섭 광학계를 이용한다. 회절 간섭 광학계에서는, 복수의 슬릿 SL이 평행 슬릿에 가까울수록, 검출 신호의 S/N비 등을 향상시킬 수 있어, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 인코더(100)는 만곡 슬릿으로 함으로써, 복수의 슬릿 SL을 평행 슬릿에 가깝게 할 수 있기 때문에, 검출 신호의 S/N비 등을 향상시킬 수 있어, 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
따라서, 본 실시형태에 따른 인코더(100)에 의하면, 회절 간섭광을 사용하여, 검출 정밀도를 향상시키면서, 회절 간섭 광학계를 구성할 때의 설계ㆍ개발시의 제한 등을 저감하고, 제조가 용이하도록 설계ㆍ개발 등을 행하는 것이 가능해진다.
이러한 효과는, 트랙 반경 r을 크게 설정하거나, 주기 신호의 주기수 mL을 작게 설정하는 경우에 특히 유효하다. 즉, 통상, 회절 간섭 광학계를 형성하기 위해서는, 트랙 반경 r을 크게 하면, 슬릿 SL의 피치 pL을 회절 간섭 광학계가 형성가능하도록 충분히 작게 할 필요가 있다. 그렇게 하면, 그 슬릿 개수 n은 크게 해야 되고, 그 슬릿 개수 n에 대응한 주기 신호의 주기수 mL도 커진다. 한편, 마찬가지로, 주기수 mL을 작게 하는 경우에는, 이와 반대로, 트랙 반경 r을 작게 해야 된다. 그러나, 상술한 바와 같이 본 실시형태에 따른 인코더(100)에서는, 만곡 정도 C를 조정함으로써, 슬릿 개수 n 또는 트랙 반경 r을 독립적으로 조정하는 것이 가능하다. 따라서, 설계ㆍ개발시의 제약을 대폭 저감하고, 소형화 등도 가능하다.
그런데, 본 실시형태에서는, 인코더(100)로서 앱소형에 대해서 설명하였다. 그러나, 여기서 설명한 바와 같은 1개의 트랙 T의 만곡 슬릿에 의한 작용ㆍ효과 등은, 인크레형의 인코더에 본 실시형태를 적용했다고 하더라도, 마찬가지로 나타나게 된다. 또한, 이 경우, 예컨대, 1 이상의 트랙 T의 복수의 슬릿 SL이 만곡 슬릿으로서 형성되게 된다.
한편, 본 실시형태와 같이 앱소형 인코더(100)에 본 실시형태가 적용되는 경우, 적어도 하나 이상의 트랙 T을 만곡 슬릿으로 함으로써, 2 이상의 트랙 T에서의 피치 pL을 서로 같게 할 수 있다. 그 결과, 그들 트랙 T에 대한 검출부(130)(즉 마스크(120))와, 트랙 T 사이의 갭 g를 서로 같게 할 수 있다. 따라서, 이들 트랙 T에 대하여, 회절 간섭 광학계를 거의 동일하게 설계ㆍ개발하는 것이 가능하고, 또한, 이들 트랙 T에 대응하는 검출부(130)에 대하여 동시에 갭 g를 조정하는 것이 가능하다. 따라서, 설계ㆍ개발ㆍ제조 등을 대폭 용이하게 하는 것이 가능하다.
(1-6. 제 1 실시형태에 따른 로터리 인코더의 실시예)
여기서, 본 실시형태에 따른 인코더(100) 등에 의한 효과가 보다 명확하게 되도록, 본 실시형태에 따른 인코더(100)에 의한 실시예와, 본 실시형태와는 상이한 구성의 인코더에 의한 비교예를 비교하면서, 상기 효과에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
또한, 여기서는, 설명의 편의상, 하나의 트랙 T만을 디스크(110)에 형성하고, 그 하나의 트랙 T에서의 작용 효과 등에 대해서 비교를 행하였다. 단, 본 실시형태에 따른 인코더(100) 등이, 여기서 설명하는 작용 효과 등에 부가하여, 상기 실시형태에 기재된 바와 같은 다른 작용 효과를 나타내는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
비교를 행함에 있어서, 본 실시형태의 실시예에 따른 인코더(100)로서, 디스크(110)에 대하여, 트랙 T의 폭 w 방향 중심에서의 반경(트랙 반경) r을 8mm로 설정하고, 그 트랙폭 w(직경 방향의 두께)를 0.5mm로 설정하였다. 그리고, 그 트랙 T에, 디스크(110)의 회전 격자 T의 만곡한 슬릿 SL을, 트랙 반경 r=8mm에서의 슬릿 SL 사이의 피치 pL이 20㎛로 되도록, 상기 만곡선 LINE2을 따라 512개 형성하였다. 이때, 슬릿 SL의 폭은 피치 pL의 절반인 10㎛로 설정하였다. 그리고, 각 고정 격자 G1, G2는, 이 만곡한 회전 격자 L의 접선 방향을 따라, 「pG1=2×pL=pG2」로 되도록, 40㎛의 피치로 형성하고, 1회전당 주기 신호의 주기수 m으로서 512/회전을 얻도록, 본 실시예에 따른 인코더를 형성하였다. 또한, 고정 격자 G1, G2와 회전 격자 L 사이의 거리인 갭 g는, 광원에 파장 λ=880nm의 LED를 이용했기 때문에, g=pL 2/λ의 2배인 0.9mm로 설정하였다.
이에 대하여, 본 실시형태의 실시예에 따른 인코더의 작용 효과 등이 명확하게 되도록, 비교예에 따른 인코더로서, 예컨대, 동일한 트랙 T3~T5(r=8mm, w=0.5mm)에 있어서 동일한 주기수 m=512의 주기 신호가 얻어지도록, 만곡시키지 않은 방사 슬릿만이 형성된 디스크(310)를 갖는 인코더(비교예 1)와, 방사 슬릿을 만곡시키지 않고 둘레 방향에 대하여 소정의 각도 Δθ를 이루도록 경사시킨 경사 슬릿만이 형성된 디스크(410)를 갖는 인코더(비교예 2)와, 일본 특허 공개 평성 제6-347293호 공보에 기재된 바와 같은 다중 나선 슬릿만이 형성된 디스크(510)를 갖는 인코더(비교예 3)를 준비하였다.
보다 구체적으로는, 트랙 T3~T5의 설정 조건 및 갭 g의 설정 조건을 본 실시예와 동일하도록, 비교예 1~3에서도, 슬릿 SL의 폭을 피치 p의 절반으로, 트랙 반경 r을 8mm로, 트랙폭 w를 0.5mm로, 갭 g를 0.9mm로 설정하였다. 그리고, 동일한 주기수(m=512/회전)의 주기 신호를 얻기 위해서, 비교예 1~3에서도, 트랙 T에 512개의 슬릿 SL3~S5를 각각의 형태로 형성하였다.
즉, 비교예 1에서는, 512개의 회전 격자 L의 슬릿 SL3을, 디스크 중심 O로부터 등각도 간격으로 늘여진 방사상선 LINE1을 따라 형성하였다.
비교예 2에서는, 비교예 1에 있어서의 방사상선 LINE1을, 만곡시키는 것이 아니라 트랙 T의 둘레 방향으로 Δθ=0.35도 기울여서, 그 선을 따라 슬릿 SL4를 형성하였다.
이 비교예 1, 2에서는, 고정 격자 G1, G2는 평행 슬릿으로서 형성되고, 적어도 일부의 회전 격자 L3, L4과 대략 평행하게 되도록 배치된다.
한편, 비교예 3에서는, 512개의 슬릿 SL5을, 상기 트랙 T5 내에 들어가도록, 디스크 중심 O를 중심으로 나선 형상으로 1회전 이상 감아서 형성하였다. 단, 도 12에서는 512개의 슬릿 SL5를 적절히 생략하여 개념적으로 기재하고 있다. 이 비교예 3에서는, 고정 격자 G1, G2는 평행 슬릿으로서 형성되고, 디스크(510)의 나선의 접선과 평행하게 배치된다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 이와 같이 형성한 비교예 1~3에 대해서 트랙 반경 r을 8mm로 설정한 경우, 각 피치 pL은 비교예 1, 2에서 98㎛로 되고, 비교예 3에서 0.98㎛로 된다.
비교예 1, 2에서는, 피치 pL이 98㎛로 크게 되기 때문에, 상기 회절 간섭 현상을 이용한 인코더를 구성하는 것이 어렵다. 한편, 비교예 3에서는, 피치 pL이 0.98㎛로 작게 되기 때문에, 회전 격자 L 및 고정 격자 G1, G2에 대하여 높은 제작 정밀도가 요구되어, 제조가 곤란하게 된다. 또한, 이들 피치 pL은 갭 g에 대하여 최적의 값(20㎛)으로 설정할 수 없다.
이에 반하여, 본 실시예에서는, 만곡 정도 C 등을 조정함으로써, 피치 pL을 갭 g에 대하여 최적의 값 20㎛로 조정하는 것이 가능하다.
여기서, 비교예 1, 2에 있어서의 피치 pL은, 주기수 m과의 사이에서, 「m=2πr/pL」의 관계가 성립한다. 한편, 비교예 3에 있어서의 피치 pL은, 주기수 m과의 사이에서, 「m≤2πr/pL」로 되지만, q를 나선의 둘레 횟수라고 하면 「pL=2w/(q×m)」의 관계가 성립한다. 즉, 트랙 반경 r 등을 일정하게 유지한 채로, 주기수 m을 변경하고자 하는 경우, 비교예 1~3에서는 필연적으로 회전 격자 L3~L5의 피치 pL의 값을 변경할 필요가 있으며, 결과적으로 그 피치 pL에 대한 최적의 갭 g도 변경할 필요가 있다.
이에 반하여, 본 실시예에 있어서의 pL은, 주기수 m과의 사이에서, m≤2πr/pL의 관계가 성립하지만, 회전 격자 L의 만곡 정도 C를 조정함으로써, 상기 관계를 만족시키는 범위 내에서, 자유롭게 피치 pL을 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 피치 pL을 일정하게 하고, 나아가서는 갭 g를 일정하게 한 상태에서 주기수 m을 변경하는 것이 가능하다.
또한, 가령 비교예 1~3에 있어서 피치 pL을 본 실시예와 동일하게 한 경우(pL=20㎛), 512개의 슬릿 SL3~S5에 의해 512주기의 주기 신호를 얻기 위해서는, 비교예 1, 2에서는, 트랙 반경 r을 1.63mm로 할 필요가 있다. 비교예 3에서는, 트랙폭이 10.24mm 이상으로 되도록, 트랙 반경 r도 10.24mm 이상으로 할 필요가 있다. 따라서, 이 경우, 필연적으로 고정 격자 G1, G2 및 수광부(132)의 배치 등도 변경할 필요가 있다. 또한, 이 경우, 비교예 1, 2와 같이 트랙 반경 r이 1.63mm로 매우 작아지면, 슬릿간의 확대각이 지나치게 넓어져서, 즉, 피치 pL의 변화율이 지나치게 커져서, 회절 간섭 현상을 이용하는 것이 어려워진다. 한편, 비교예 3과 같이 트랙 반경 r이 10.24m로 커지면, 큰 디스크(110)가 필요하게 되어, 인코더 자신이 대형화되어 버리게 된다.
한편, 본 실시예로부터 얻어지는 주기 신호와, 비교예 1~3으로부터 얻어지는 주기 신호의 비교 결과를 나타내면 이하와 같다. 즉, 트랙 반경 r을 8mm로 유지한 비교예 1, 2에서는, 피치 pL이 98㎛로 매우 커져서, 회절 간섭 광학계에 의한 주기 신호를 얻을 수 없었다(-). 또한, 피치 pL을 20㎛로 일치시킨 경우, 방사 슬릿이 사용되고 있는 비교예 1에서는, 피치 pL의 변화율이 크고, 주기 신호는 정현파 형상의 신호로부터 크게 어긋나 버려서, 신호 특성이 좋지 않으며(×), 경사 슬릿이 사용되고 있는 비교예 2에서는, 경사 슬릿 때문에 피치 pL의 변화율이 저감되어, 주기 신호는 약간 정현파에 가까워지지만, 충분한 신호 특성은 아니다(△).
그리고, 비교예 3에 대해서는, 트랙 반경 r을 8mm로 유지한 경우, 슬릿 피치 pL이 0.98㎛로 매우 작아져서, 최적 갭이 2㎛의 배수로 발생한다. 즉, 2㎛의 갭 변동마다 출력이 변동해 버렸다(×). 또한, 피치 pL을 20㎛로 일치시킨 경우, 다중 나선 슬릿과, 반경 방향으로 등피치로 형성된 고정 격자 G2에서, 형상이 일치하는 범위가 작아, 충분한 신호 특성을 얻는 것은 어렵다(△).
이것들에 반하여, 본 실시예에서는, 슬릿 SL이 만곡되서 형성되기 때문에, 슬릿 SL이 평행하게 되는 영역이 늘어나고, 주기 신호는 거의 정현파로 되어, 매우 좋은 신호 특성이 실현가능하다(◎).
Figure pat00006
이상, 표 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 따른 인코더는, 비교예 1~3에 따른 인코더와 비교하여, 피치 pL의 조정을 용이하게 하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 매우 양호한 신호 특성을 실현하는 것이 가능하다.
<2. 제 2 실시형태>
이상, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템에 대해서 설명하였다.
다음에, 도 13을 참조하면서, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크의 구성에 대해서 설명하기 위한 설명도이다.
상기 본 발명의 제 1 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 만곡 슬릿으로서 형성되는 트랙 TA, TB의 슬릿 SLA, SLB이 만곡되는 방향이, 동일한 둘레 방향인 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이러한 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 인접하는 트랙끼리의 만곡 방향을, 둘레 방향에서 반대로 하는 것도 가능하다. 그래서, 여기서는, 본 발명의 제 2 실시형태로서, 서로 인접하는 트랙끼리의 만곡 방향이 둘레 방향에서 반대로 설정된 경우의 예에 대해서 설명한다. 또한, 트랙의 만곡 방향이 둘레 방향에서 반대로 설정되는 것 이외, 본 실시형태에 따른 인코더 등은, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 구성가능하기 때문에, 여기서는, 제 1 실시형태와의 차이에 대해서 중심으로 설명한다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 인코더가 갖는 디스크(610)는, 트랙 TA(적어도 하나의 트랙의 일례)에, 도 3에 나타낸 회전 격자 LA를 대신하여 회전 격자 LD를 갖는다. 그리고, 이 회전 격자 LD는 복수의 슬릿 SLD를 갖는다.
슬릿 SLD의 만곡 방향은, 도 3에 나타낸 슬릿 SLA와 달리, 인접하는 트랙 TB(다른 트랙의 일례)의 슬릿 SLB의 만곡 방향과 반대의 둘레 방향으로 설정되어 있다. 즉, 슬릿 SLB가, 방사상선 LINE1을 시계 회전 방향으로 만곡시킨 만곡선 LINE2을 따라 형성되는 데 반하여, 상기 슬릿 SLD는, 이와는 반대로, 방사상선 LINE1을 반시계 회전 방향으로 만곡시킨 만곡선을 따라 형성된다.
한편, 각 슬릿 SL로부터 발생하는 회절 간섭광은, 각 슬릿 SL의 길이 방향에 대하여 대략 직각인 방향으로 반복하는 간섭 줄무늬를 형성한다. 이에 대하여, 만곡 슬릿의 슬릿 SL의 길이 방향은, 만곡되는 것에 의해, 디스크의 직경 방향으로부터 둘레 방향에 가까워지게 된다. 따라서, 간섭 줄무늬는 인접하는 트랙의 방향에 반복하도록 형성되는 경우가 있다. 그 결과, 간섭 줄무늬가 인접 트랙의 회절 간섭 광학계와 크로스토크해 버릴 우려가 있다. 또한, 그러한 크로스토크를 방지하기 위해서, 인코더의 설계ㆍ개발이 제약을 받는 경우가 있다.
이러한 경우, 본 실시형태와 같이 서로 인접하는 트랙 TA, TB의 각 슬릿 SLD, SLB의 만곡 방향을 서로 반대 방향으로 설정함으로써, 간섭 줄무늬가 형성되는 방향을 변경하는 것이 가능하게 되어, 크로스토크가 발생하지 않는 설계ㆍ개발을 용이하게 행하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서도, 상기 제 1 실시형태에서 나타나는 다른 각별한 작용 효과 등을 나타내는 것이 가능한 것은, 말할 필요도 없다.
<3. 제 3 실시형태>
이상, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템에 대해서 설명하였다.
다음에, 도 14를 참조하면서, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 로터리 모터 시스템에 대해서 설명한다. 도 14는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 로터리 인코더가 갖는 디스크의 구성에 대해 설명하기 위한 설명도이다.
상기 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 1X 검출 기구로서 자석 MG를 사용하는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 1X 검출 기구로서는, 상술한 바와 같이, 모터부(200)의 절대 위치 x를 1회전 내에서 대략 검출가능한 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 그래서, 여기서는, 본 발명의 제 3 실시형태로서, 1X 검출 기구의 다른 예에 대해서 설명한다. 단, 여기서 설명하는 1X 검출 기구도 어디까지나 일례이며, 다른 1X 검출 기구가 사용가능한 것을 부언해 둔다. 또한, 1X 검출 기구 이외의 구성은, 상기 제 1 또는 제 2 실시형태와 마찬가지로 구성가능하기 때문에, 여기서는 제 1 및 제 2 실시형태와의 차이를 중심으로 설명한다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 인코더가 갖는 디스크(710)에는, 자석 MG를 대신하여 광학적인 2 이상의 회전 격자 LX, LY가 형성된다.
회전 격자 LX, LY는, 회전 격자 LA~LC와는 달리 방사 슬릿이나 만곡 슬릿이 아닌, 복수의 슬릿 SLX, SLY를 갖는다.
복수의 슬릿 SLX는 피치 pLX를 갖는 다중의 동심원 형상으로 형성되고, 복수의 슬릿 SLY는 피치 pLY를 갖는 다중의 동심원 형상으로 형성된다. 또한, 피치 pLX, pLY는 슬릿 SLA~SLC의 피치 pLA~pLC와 같게 설정되는 것이 바람직하다(pL=pLA=pLB=pLC=pLX=pLY). 그리고, 각 슬릿 SLX, SLY는, 형상이 상이한 이외는, 슬릿 SLA~SLC와 동일하게 형성된다.
다중의 동심원 형상으로 형성되는 복수의 슬릿 SLX는, 디스크 중심 O로부터 제 1 방향으로 1피치 pLX만큼 어긋난 점 OX를 중심으로 형성된다. 다중의 동심원 형상으로 형성되는 복수의 슬릿 SLY는, 제 1 방향과 90° 상이한 제 2 방향으로 디스크 중심 O로부터 1피치 pLY만큼 어긋난 점 OY를 중심으로 형성된다.
한편, 이들 슬릿 SLX, SLY에 대향하여, 도 2에 나타낸 검출부 MX를 대신하여, 검출부(130A~130C)와 동일한 검출부(130)가 하나씩 배치된다. 여기서는, 슬릿 SLX에 대응한 검출부(130)를 「검출부(130X)」(도시하지 않음)라고 하고, 슬릿 SLY에 대응한 검출부(130)를 「검출부(130Y)」(도시하지 않음)라고 한다. 또한, 이 검출부(130X, 130Y)는, 검출부(130A~130C)와 달리, 마스크(120)의 고정 격자 G2가 복수의 영역 G2A, G2B로 나누어져 있지 않아도 좋다. 그리고, 검출부(130X, 130Y)는, 각 마스크(120)의 고정 격자 G1, G2의 슬릿 SG1, SG2이, 대응하는 동심원 형상의 슬릿 SLX, SLY의 접선과 평행하게 되도록 배치된다. 그 결과, 슬릿 SLX와 그것에 대응하는 검출부(130X)는, 상기 광학 검출 기구와 동일한 3격자의 회절 간섭 광학계를 구성한다. 그리고, 슬릿 SLY와 그것에 대응하는 검출부(130Y)도, 상기 광학 검출 기구와 동일한 3격자의 회절 간섭 광학계를 구성한다.
이와 같이 구성된 2개의 회절 간섭 광학계에서는, 슬릿 SLX, SLY의 중심의 점 OX, OY가, 디스크 중심 O로부터 1피치 pLX~pLY만큼 어긋나 있기 때문에, 디스크(710)의 1회전에서 1주기로 되는 정현파 형상의 1X 신호를 얻을 수 있다. 또한, 슬릿 SLX, SLY의 중심의 점 OX, OY의 디스크 중심 O로부터 어긋나는 방향이 90° 어긋나 있는 것에 의해, 2개의 회절 간섭 광학계 각각으로부터는, 위상이 90° 어긋난 A상 및 B상의 1X 신호를 생성할 수 있다.
따라서, 위치 데이터 생성부(140)는, 자석 MG에 의한 1X 신호를 대신하여, 슬릿 SLX, SLY로부터 얻어진 1X 신호를 사용해서, 모터부(200)의 대략의 절대 위치 x를 생성할 수 있다. 그리고, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 위치 데이터 생성부(140)는, 1X 신호와 다른 주기 신호로부터, 고정밀도의 절대 위치 x를 특정하여, 위치 데이터를 제어부(20)에 출력하는 것이 가능하다.
본 실시형태의 경우, 1X 검출 기구로서 자기를 사용하지 않고서, 또한, 검출부(130X, 130Y)로서, 위치 검출부(130A~130C)와 동일한 구성을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 슬릿 SLX, SLY의 피치 pLX, pLY를, 슬릿 SLA~SLC의 피치 pLA~pLC와 같게 설정함으로써, 검출부(130X, 130Y)의 갭 g와, 위치 검출부(130A~130C)의 갭 g를 동일한 값으로 일치시키는 것도 가능하다. 이 결과, 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 인코더 등보다도, 제조 등을 더욱 용이하게 하는 것이 가능하고, 또한, 제조 비용을 삭감하는 것도 가능하다.
명확하게, 상기 개시 내용을 고려하여 본 발명의 다수의 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명되는 것 이외에, 첨부된 청구항의 범위 내에서 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 흐름도에 기술된 단계는 기재된 순서에 따라 시계열적으로 행해지는 처리는 물론, 반드시 시계열적으로 처리되지 않더라도, 병렬적으로 또는 개별적으로 실행되는 처리도 포함한다. 또한 시계열적으로 처리되는 단계에서도, 경우에 따라서는 적절히 순서를 변경하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
1: 모터 시스템, 10: 모터, 20: 제어부, 100: 인코더, 110, 610, 710: 디스크, 120: 마스크, 130, 130A, 130B, 130C, 130X, 130Y: 검출부, 131: 발광부, 132: 수광부, 140: 위치 데이터 생성부, 200: 모터부, 201, 202: 샤프트, 310, 410, 510: 디스크, a: 가속도, AX: 회전축, G1, G2: 고정 격자, G2A, G2B: 영역, L, LA, LB, LC: 회전 격자, L3, L4, L5: 회전 격자, LINE1: 방사상선, LINE2: 만곡선, LINE3: 접선, LX1, LX2: 회전 격자, m, mA, mB, mC: 주기수, MG: 자석, MX: 검출부, n, nA, nB, nC: 슬릿 개수, O: 디스크 중심, p: 피치, pG1, pG2: 피치, pL, pLA, pLB, pLB, pLX, pLY: 피치, r, rA, rB, rC: 트랙 반경, rIN: 트랙 내경, rOUT: 트랙 외경, S1, S2: 슬릿, SG1, SG2: 슬릿, SL, SLA, SLB, SLC: 슬릿, SL3, SL4, SL5: 슬릿, T, TA, TB, TC: 트랙, T3, T4, T5: 트랙, v: 속도, w, wA, wB, wC: 트랙폭, x: 위치, θ, θ4: 각도, ΦX, ΦA, ΦB, ΦC: 전기각, g: 갭

Claims (13)

  1. 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와,
    상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자
    를 구비하고,
    적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선(放射狀線) 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는
    로터리 인코더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에 있어서의 만곡 정도는, 상기 트랙에 있어서의 슬릿의 피치가, 1 이상의 다른 상기 트랙의 슬릿의 피치와 같아지도록, 설정되는 로터리 인코더.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랙의 회전 격자와 상기 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭은, 하나 이상의 다른 트랙의 회전 격자와 상기 다른 트랙의 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭과 같은 로터리 인코더.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 정도는, 하나 이상의 다른 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 정도와 상이한 로터리 인코더.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에 있어서의 만곡 방향은, 상기 트랙에 인접하는 다른 트랙의 상기 슬릿에 있어서의 만곡 방향과 반대의 둘레 방향인 로터리 인코더.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿은 반사 슬릿이고,
    1개의 상기 회전 격자에 대응하는 2개의 상기 고정 격자는, 상기 디스크의 동일면측에 배치되는
    로터리 인코더.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 만곡선을 따라 상기 슬릿이 형성된 상기 트랙에 대응한 상기 고정 격자는, 상기 만곡선의 접선과 평행하게 형성되는 로터리 인코더.
  8. 회전 샤프트를 회전시키는 모터부와,
    상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트의 위치를 측정하는 로터리 인코더
    를 구비하되,
    상기 로터리 인코더는,
    상기 회전 샤프트의 회전에 맞춰서 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와,
    상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자
    를 구비하고,
    적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는
    로터리 모터.
  9. 회전 샤프트를 회전시키는 모터부와,
    상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트의 위치를 측정하는 로터리 인코더와,
    상기 로터리 인코더가 검출한 위치에 근거하여, 상기 모터부의 회전을 제어하는 제어부
    를 구비하되,
    상기 로터리 인코더는,
    상기 회전 샤프트의 회전에 맞춰서 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고, 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와,
    상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는, 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자
    를 구비하고,
    적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는
    로터리 모터 시스템.
  10. 원판 형상으로 형성되고,
    광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자와 대향하여 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되어 로터리 인코더에 사용된 경우에, 상기 고정 격자와 회절 간섭 광학계를 형성하는 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖고,
    적어도 하나의 상기 트랙의 회전 격자에 포함되는 복수의 슬릿 각각은, 상기 슬릿의 피치를 소정의 값으로 설정가능하도록, 상기 회전축을 중심으로 한 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡시킨 만곡선을 따라 형성되는
    디스크.
  11. 회전축 둘레로 회전가능하게 배치되고 광학적인 회전 격자가 각각 형성된 링 형상의 1 또는 2 이상의 트랙을 갖는 원판 형상의 디스크와, 상기 회전 격자와 회절 간섭 광학계를 구성하도록 상기 디스크에 대향하여 고정 배치되는 광학적인 1 또는 2 이상의 고정 격자를 갖는 로터리 인코더의 제조 방법으로서,
    상기 1 또는 2 이상의 트랙 각각의 회절 격자에 포함되는 복수의 슬릿의 수를, 원하는 주기 신호가 얻어지도록 결정하는 슬릿수 결정 단계와,
    적어도 하나의 상기 트랙에 대하여, 상기 회전축을 중심으로 하여, 상기 슬릿수 결정 단계에서 결정한 슬릿의 수와 같은 복수의 방사상선을, 상기 회전축을 중심으로 등각도로 설정하는 방사상선 설정 단계와,
    상기 적어도 하나의 트랙에 대하여, 상기 복수의 슬릿의 피치가 소정의 값으로 되도록, 상기 복수의 방사상선 각각을 소정의 만곡 정도로 둘레 방향을 향해서 만곡하여, 복수의 만곡선을 설정하는 만곡선 설정 단계와,
    상기 적어도 하나의 트랙의 상기 복수의 슬릿을, 상기 복수의 만곡선을 따라 형성하는 슬릿 형성 단계
    를 갖는 로터리 인코더의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 만곡선 설정 단계에서는, 상기 적어도 하나의 트랙의 슬릿에서의 만곡 정도를, 상기 트랙에서의 슬릿의 피치가, 1 이상의 다른 상기 트랙의 슬릿의 피치와 같아지도록 설정하는 로터리 인코더의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랙의 회전 격자와 상기 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭이, 하나 이상의 다른 트랙의 회전 격자와 상기 다른 트랙의 회전 격자에 대응하는 적어도 하나의 상기 고정 격자 사이의 갭과 같아지도록, 상기 고정 격자가 형성된 마스크를 배치하는 마스크 배치 단계를 더 갖는 로터리 인코더의 제조 방법.
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