エンコーダ及びサーボモータ
【課題】ロータリエンコーダの小型化を実現する。
【解決手段】光学ホイールの径を、磁気ホイールの径と等しくなるように形成する。そして、光学ホイールに形成した光学トラックが、磁気ホイールに形成された磁気トラックと、磁気トラックからの磁束を検出する磁気センサとの間に位置するように、光学ホイールを配置する。これにより、光学ホイールが小径化し、エンコーダユニット６０全体が小型化する。また、エンコーダユニット６０が小型化するため、このエンコーダユニット６０を備えるサーボモータ１０が小型化する。
【解決手段】光学ホイールの径を、磁気ホイールの径と等しくなるように形成する。そして、光学ホイールに形成した光学トラックが、磁気ホイールに形成された磁気トラックと、磁気トラックからの磁束を検出する磁気センサとの間に位置するように、光学ホイールを配置する。これにより、光学ホイールが小径化し、エンコーダユニット６０全体が小型化する。また、エンコーダユニット６０が小型化するため、このエンコーダユニット６０を備えるサーボモータ１０が小型化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ及びサーボモータに関し、更に詳しくは、回転体の回転を検出するためのエンコーダ及び前記エンコーダを備えるサーボモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボモータは、制御方法が確立されており、低速域から高速域に至るレンジで、比較的安定してトルクを発生することができる。このため、工作機械や産業用ロボットなどによく用いられている。サーボモータを用いたシステムでは、ロータリエンコーダを用いて回転軸の回転を検出し、検出した結果に基づいて回転軸の回転角度や回転速度を制御するのが一般的である。
【０００３】
ロータリエンコーダとしては、回転する符合板からの反射光や、回転する環状磁石の磁束の変化に基づいて、回転体の回転を検出するものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したロータリエンコーダは、回転軸まわりにＮ極とＳ極とが交互に形成された磁気ホイールと、回転軸まわりに光学パターンが形成された光学ホイールの双方を必要とする。このため、この種のロータリエンコーダでは、例えば特許文献１に開示されるように、磁気ホイールを囲むように、光学ホイールが配置されるのが一般的である。
【０００６】
しかしながら、磁気ホイールを囲むように光学ホイールを配置する場合や、光学ホイールを囲むように磁気ホイールを配置する場合には、いずれかのホイールの直径が他方のホイールの直径よりも大きくならざるを得ない。このため従来の構造では、装置の小型化に対する要求に応えるのが困難であった。
【０００７】
本発明は、上述の事情の下になされたもので、ロータリエンコーダの小型化を実現することを目的とする。また、ロータリエンコーダを備えるサーボモータの小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のエンコーダは、回転体の回転を検出するためのエンコーダであって、前記回転体の回転軸を中心とする第１の円に沿って交互に形成されたＮ極とＳ極とからなる磁気トラックを有し、前記回転体とともに回転する磁気ホイールと、前記磁気トラックから、前記回転軸方向に離れて配置され、回転する前記磁気ホイールからの磁束を検出する磁気検出手段と、前記回転軸を中心とする第２の円に沿って形成された光学トラックを有し、前記回転体とともに回転する光学ホイールと、回転する前記光学ホイールの前記光学トラックに光を照射して、前記光学トラックで反射された反射光を検出する光検出手段と、を備え、前記光学ホイールは、前記磁気トラックと前記磁気検出手段との間に配置される。
【０００９】
前記光学トラックは、前記第２の円に沿って交互に形成された、前記光を反射する複数の第１反射部と、前記光を吸収又は散乱させる複数の第１非反射部とからなる第１パターンを有し、前記光検出手段は、回転する前記光学ホイールの前記第１パターン上に光を照射して、前記第１反射部によって間欠的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１の光学センサを有していてもよい。
【００１０】
前記第１の光学センサは、前記第１反射部が配列される周期の１／４だけ位相が相互に異なる第１の信号と、第２の信号とを出力することとしてもよい。
【００１１】
前記光学トラックは、前記回転軸を中心とする第３の円に沿って形成された、第２反射部及び第２非反射部からなる第２パターンを有し、前記光検出手段は、回転する前記光学ホールの前記第２パターン上に光を照射して、前記第２反射部によって周期的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第２の光学センサを有していてもよい。
【００１２】
前記磁気ホイール及び前記光学ホイールは、前記回転軸に直交する方向の大きさが等しくてもよい。
【００１３】
本発明のエンコーダは、前記磁気検出手段がスペーサを介して固定される回路基板を更に備えていてもよい。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明のサーボモータは、シャフトと、前記シャフトに設けられたロータと、前記ロータとの間の電磁相互作用により、前記ロータとともに前記シャフトを回転するステータと、前記シャフトの回転を検出する本発明のエンコーダと、を備える。
【００１５】
前記ロータの磁極の数と、前記磁気ホイールに形成された前記磁気トラックの磁極の数とは等しくてもよい。
【００１６】
前記ロータの磁極を構成するＮ極及びＳ極と、前記磁気トラックの磁極を構成するＮ極及びＳ極とは、前記シャフト周りの位相が同じになるように配置されていることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光学ホイールが、磁気ホイールの磁気トラックと磁気検出手段との間に配置される。これにより、光学ホイールを小さくすることができる。したがって、エンコーダの小型化、及びこのエンコーダを備えるサーボモータの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーボモータの斜視図である。
【図２】サーボモータの断面図である。
【図３】ロータ、シャフト、ホイールユニットを示す斜視図である。
【図４】ホイールユニットの展開斜視図である。
【図５】光学ホイールの平面図である。
【図６】基板の断面をシャフト等とともに示す図である。
【図７】光学センサを、光学ホイール等とともに示す図である。
【図８】磁気センサを、磁気ホイール等とともに示す図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、Ａ相信号、Ｂ相信号、及びＺ相信号の時間的な変化を示す図である。
【図１０】ＣＳ信号１〜３の時間的な変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るサーボモータ１０の斜視図である。サーボモータ１０は、８つの極を有するロータと、９つの極を有するステータを有するモータである。このサーボモータ１０は、図１に示されるように、Ｙ軸方向を長手方向とする円柱状のシャフト２０と、シャフト２０をＹ軸に平行な軸周りに回転させるモータユニット３０と、シャフト２０の回転を検出するためのエンコーダユニット６０とを備えている。
【００２０】
図２は、サーボモータ１０のＺＹ断面を示す図である。この図２及び図１を参照するとわかるように、モータユニット３０は、シャフト２０をＹ軸に平行となるように支持する一組の軸受け３３Ａ，３３Ｂと、シャフト２０に固定されたロータ３４と、ロータ３４を包囲するように配置されたステータ３２と、上記各部を収容するケース３１を有している。
【００２１】
ケース３１は、長手方向をＹ軸方向とする直方体状の中空部材である。このケース３１の−Ｙ側と＋Ｙ側には、Ｙ軸方向に貫通する円形の開口３１ｄがそれぞれ形成されている。シャフト２０は、Ｙ軸方向の両端部が、開口３１ｄから外部へ突出した状態で、一組の軸受け３３Ａ，３３Ｂによって回転可能に支持されている。
【００２２】
図１に示されるように、ケース３１の、Ｙ軸に平行な軸周りの側面によって形成される４つのコーナー部分には、Ｙ軸に沿った切り欠き部３１ａがそれぞれ形成されている。また、ケース３１の−Ｙ側の面には、開口３１ｄを囲むように−Ｙ方向へ突出した環状の凸部３１ｃが形成され、４つのコーナーには、切り欠き部３１ａに至る貫通孔３１ｂがそれぞれ形成されている。ケース３１は、例えば貫通孔３１ｂに挿入されたボルトやネジによって、ロボットアームなどの駆動対象機器のボディに固定される。
【００２３】
図３は、ロータ３４を、シャフト２０及びホイールユニット７０とともに示す斜視図である。図３に示されるように、ロータ３４は、シャフト２０が貫通する貫通孔を有する円筒状の部材である。このロータ３４は、シャフト２０を中心とする円周に沿って４つのＮ極と４つのＳ極が周期的かつ交互に現れるように着磁されている。なお、本実施形態では、着色された部分が、ロータ３４のＮ極となっている。このロータ３４は、貫通孔に挿入されたシャフト２０に固定されている。
【００２４】
図２に戻り、ステータ３２は、長手方向をＹ軸方向とする円筒状の部材である。このステータ３２は、シャフト２０を中心とする円周に沿って、ロータ３４に対向する９つの極を有している。本実施形態では、９つの極は、３つのグループに区分され、各グループを構成する極のコイルは直列に接続されている。
【００２５】
エンコーダユニット６０は、シャフト２０に固定されたホイールユニット７０と、ホイールユニット７０の＋Ｙ側に配置された基板６２と、これらを収容するケーシング６１とを有している。
【００２６】
図４は、ホイールユニット７０の展開斜視図である。図４に示されるように、ホイールユニット７０は、ベース７１と、このベース７１に固定される磁気ホイール７５及び光学ホイール７７とを有している。
【００２７】
ベース７１は、円形の大径部７１ｂと、この大径部７１ｂの＋Ｙ側に形成された円形の小径部７１ｃと、大径部７１ｂの−Ｙ側から突出する円筒状の円筒部７１ａと、小径部７１ｃの＋Ｙ側から突出する環状の環状凸部７１ｄとから構成されている。また、ベース７１には、Ｙ軸方向に貫通する貫通孔７１ｅが形成されている。
【００２８】
磁気ホイール７５は、外径が、ベース７１の大径部７１ｂの外径と等しく、内径が、小径部７１ｃの外径とほぼ等しくなるように整形された環状の部材である。この磁気ホイール７５は、磁性材料を素材とし、＋Ｙ側の面は外縁に沿って、４つのＮ極と４つのＳ極とが周期的かつ交互に現れるように着磁されている。これにより磁気ホイール７５の＋Ｙ側の面は、磁気ホイール７５の中心を中心とする円Ｃ１に沿って、周期的かつ交互にＮ極とＳ極とが現れる磁気トラックとなっている。
【００２９】
光学ホイール７７は、厚さが０．１ｍｍで、ニッケルを主成分とする素材からなる円板状の部材である。この光学ホイール７７の表面は、反射率が０．５以上になるように加工されている。図５は、光学ホイール７７の平面図である。図５に示されるように、光学ホイール７７の中央部には、ベース７１を構成する環状凸部７１ｄの外径とほぼ等しい径の開口７７ａが形成されている。そして、光学ホイール７７の−Ｙ側の面には、光学ホイール７７の中心を中心とする円Ｃ２に沿って、円Ｃ２の半径方向を長手方向とする扇形のマークＭ１が、等間隔に複数形成されている。また、円Ｃ２と中心を共通にし、半径が円Ｃ２よりも大きい円Ｃ３の周上には、円Ｃ３の半径方向を長手方向とする扇形のマークＭ２が１つ形成されている。
【００３０】
各マークＭ１，Ｍ２は、周囲の領域よりも反射率が低く、例えばその反射率は０．５より小さくなっている。そして、マークＭ１，Ｍ２は、マークＭ１同士に挟まれた領域とともに光学トラックＴＲを形成する。つまり、この光学トラックＴＲは、マークＭ１が形成された反射率が低い部分と、マークＭ１に挟まれる反射率が高い部分とが、円Ｃ２に沿って交互に配列されたインクリメンタルパターンと、インクリメンタルパターンの基準位置を示すマークＭ２とから構成される。
【００３１】
図３及び図４を参照するとわかるように、上述したベース７１、磁気ホイール７５、及び光学ホイール７７は、ベース７１の小径部７１ｃに磁気ホイール７５が嵌め込まれ、環状凸部７１ｄに、光学ホイール７７が嵌め込まれることで一体化されている。このとき、光学トラックＴＲのほぼ全体が、磁気ホイール７５の＋Ｙ側に位置した状態となっている。
【００３２】
そして、ベース７１は、磁気ホイール７５のＮ極及びＳ極のシャフト２０まわりの位相が、ロータ３４のＮ極及びＳ極のシャフト２０まわりの位相と一致するように位置決めされた状態で、貫通孔７１ｅに挿入されたシャフト２０に固定されている。
【００３３】
図６は、基板６２の断面をシャフト２０等とともに示す図である。基板６２は、正方形板状の部材であり、中心部にシャフト２０が貫通する円形の開口６２ａが形成されている。そして、基板６２の−Ｙ側の面には、２つの光学センサＰＳ１，ＰＳ２が実装されるとともに、３つの磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３がスペーサ６２ｂを介して実装されている。
【００３４】
基板６２は、光学センサＰＳ１，ＰＳ２、及び磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３が実装された面が、光学ホイール７７に対向するように、不図示の支持部材によって支持されている。これにより、光学センサＰＳ１，ＰＳ２は、光学ホイール７７の光学トラックＴＲに対向し、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、光学トラックＴＲを介して、磁気ホイール７５の磁気トラックに対向した状態となっている。また、光学ホイール７７と磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３とのギャップは、例えば基板６２と同じ素材からなるスペーサ６２ｂによって、調整されている。
【００３５】
図７は、光学センサＰＳ１，ＰＳ２を、光学ホイール７７等とともに示す図である。図７に示されるように、光学センサＰＳ１は、光学ホイール７７の中心を通りＸ軸に平行な直線Ｌ１と円Ｃ２とが交わる点に対応する位置に配置されている。この光学センサＰＳ１は、光学ホイール７７上の円Ｃ２上の位置に、照明光を射出する。そして、光学ホイール７７に反射された照明光を受光し、受光した照明光の強度に応じた２系統の電圧信号を出力する。
【００３６】
光学センサＰＳ２は、光学ホイール７７の中心を通りＺ軸に平行な直線Ｌ２と円Ｃ３とが交わる点に対応する位置に配置されている。この光学センサＰＳ２は、光学ホイール７７上の円Ｃ３上の位置に、照明光を射出する。そして、光学ホイール７７に反射された照明光を受光し、受光した照明光の強度に応じた１系統の電圧信号を出力する。
【００３７】
以下説明の便宜上、光学センサＰＳ１から出力される２系統の電圧信号をそれぞれＡ相信号、Ｂ相信号とする。また、光学センサＰＳ２から出力される電圧信号をＺ相信号とする。
【００３８】
図８は、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３を、磁気ホイール７５等とともに示す図である。図８に示されるように、磁気センサＭＳ１は、磁気ホイール７５の中心を通りＺ軸と平行な直線Ｌ３と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。また、磁気センサＭＳ２は、磁気ホイール７５の中心を通り直線Ｌ３と３０度の角度をなす直線Ｌ４と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。また、磁気センサＭＳ３は、磁気ホイール７５の中心を通り直線Ｌ４と３０度の角度をなす直線Ｌ５と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。これらの磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、ホール素子を含んで構成され、磁気ホイール７５からの磁束を、光学ホイール７７を介して検出し、検出した磁束に応じた電圧信号を出力する。
【００３９】
以下説明の便宜上、磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３それぞれから出力される電圧信号を、ＣＳ信号１、ＣＳ信号２、ＣＳ信号３とする。
【００４０】
以上の説明からわかるように、本実施形態では、磁気ホイール７５と、光学ホイール７７と、２つの光学センサＰＳ１，ＰＳ２と、３つの磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３とを含んで、シャフト２０の回転を検出するエンコーダが構成されている。そして、このエンコーダは、モータユニット３０のケース３１に取り付けられたケーシング６１に収容されている。
【００４１】
上述のように構成されたサーボモータ１０では、３つのグループに区分された各極に、例えばグループ毎に位相が１２０度異なる交流電圧が印加されると、ステータ３２とロータ３４との間の電磁相互作用により、シャフト２０がホイールユニット７０とともに回転する。
【００４２】
図９（Ａ）は、シャフト２０が等速回転しているときに、光学センサＰＳ１から出力されるＡ相信号及びＢ相信号と、光学センサＰＳ２から出力されるＺ相信号との時間的な変化を示す図である。なお、このときのシャフト２０の回転を正転とする。
【００４３】
シャフト２０が等速で正転すると、光学センサＰＳ１から射出された照明光は、光学トラックＴＲによって間欠的に反射される。光学センサＰＳ１は、光学トラックＴＲによって間欠的に反射された照明光の強度に応じたＡ相信号とＢ相信号とを出力する。図９（Ａ）に示されるように、Ａ相信号の値は、周期Ｔ１が経過する毎にローレベルからハイレベルに変化する。また、Ｂ相信号は、Ａ相信号に対して、Ｔ１／４周期遅れて、周期Ｔ１が経過するごとにローレベルからハイレベルに変化する。
【００４４】
また、光学センサＰＳ２から射出された照明光は、光学トラックＴＲのマークＭ２に入射したときには散乱或いは吸収され、それ以外の部分に入射したときには反射される。つまり、光学センサＰＳ２から射出された照明光は、シャフト２０が一回転する毎に、マークＭ２によって散乱或いは吸収される。光学センサＰＳ２は、光学トラックＴＲに反射された照明光の強度に応じたＺ相信号を出力する。図９（Ａ）に示されるように、Ｚ相信号の値は、シャフト２０が一回転するのに要する時間Ｔ２毎にハイレベルからローレベルに変化する。
【００４５】
このＺ相信号は、シャフト２０の基準角度の検出に用いられる。例えば、Ｚ相信号の立ち上がりから、Ａ相信号及びＢ相信号が変化する回数をカウントすることで、分解能を３６０度／（Ｔ２／（Ｔ１／４））として、シャフト２０の基準角度からの回転角を検出することができる。
【００４６】
図９（Ｂ）は、シャフト２０が正転とは逆方向に回転（逆転）しているときに、光学センサＰＳ１から出力されるＡ相信号及びＢ相信号と、光学センサＰＳ２から出力されるＺ相信号との時間的な変化を示す図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）を参照するとわかるように、シャフト２０が正転しているときは、Ａ相信号が立ち上がった後に、Ｂ相信号が立ち上がり、Ａ相信号が立ち下がった後に、Ｂ送信号が立ち下がる。一方、シャフト２０が逆転しているときは、Ａ相信号が立ち上がった後に、Ｂ相信号が立ち下がり、Ａ相信号が立ち下がった後に、Ｂ相信号が立ち上がる。したがって、Ａ相信号とＢ相信号が変化するタイミングパターンから、シャフト２０が正転しているか逆転しているかを判断することができる。
【００４７】
図１０は、シャフト２０が等速で正転しているときに、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３からそれぞれ出力されるＣＳ信号１、ＣＳ信号２、及びＣＳ信号３の時間的な変化を示す図である。
【００４８】
シャフト２０が正転すると、図８を参照するとわかるように、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれの−Ｙ側を、磁気ホイール７５のＮ極とＳ極とが交互に通過する。磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれは、交互に通過するＮ極とＳ極からの磁束を、Ｎ極からの磁束を正としＳ極からの磁束を負として検出し、検出した磁束に応じたＣＳ信号１〜３を出力する。図１０に示されるように、ＣＳ信号１は、概ね周期Ｔ３毎にローレベルからハイレベルに変化する。また、ＣＳ信号２及びＣＳ信号３は、ＣＳ信号１に対して、それぞれＴ３／３周期或いは２Ｔ３／３周期ずつ遅れて、概ね周期Ｔ３毎にローレベルからハイレベルに変化する。なお、周期Ｔ３は、時間Ｔ２を４（＝８極／２）で除した値と等価である。
【００４９】
これらのＣＳ信号１〜３は、ステータ３２の各極と、ロータ３４の磁極との相対位置関係を検出するために用いることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態では、光学ホイール７７に形成された光学トラックＴＲが、磁気ホイール７５の磁気トラックと、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３との間に配置されている。このため、光学ホイール７７の径を小さくすることができる。これにより、エンコーダユニット６０全体を小型化することができる。また、エンコーダユニット６０が小型化するため、サーボモータ１０の小型化を実現することができる。
【００５１】
また、エンコーダユニット６０では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれが、光学ホイール７７を介して、磁気ホイール７５からの磁気（磁束）を検出する。そこで、本実施形態では、基板６２に設けられたスペーサ６２ｂによって、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３と光学ホイール７７とのギャップが調整されている。これにより、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、光学ホイール７７が存在することによって、磁気ホイール７５からの磁気が減衰したとしても、良好に磁束を検出することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。
【００５３】
例えば、本実施形態では、光学ホイール７７にはＡ相信号及びＢ相信号を出力するための光学トラックが形成され、磁気ホイール７５には、ＣＳ信号を出力するための磁気トラックが形成されている。これに限らず、光学ホイール７７に、ＣＳ信号を出力するための光学トラックを形成し、磁気ホイール７５に、Ａ相信号及びＢ相信号を出力するための磁気トラックを形成してもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、光学ホイール７７の光学トラックＴＲは、Ｚ相信号を出力するためのマークＭ２を含んで構成されている。これに限らず、光学トラックＴＲは、マークＭ１を含んで構成されるインクリメンタルパターンのみを有していてもよい。また、マークＭ２は、インクリメンタルパターンの内側に形成されていてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、スペーサ６２ｂは、基板６２の素材と同等の素材で構成されている。これに限らず、スペーサ６２ｂは、光学ホイール７７と磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３とのギャップを適宜調整するための機構を有していてもよい。
【００５６】
また、本実施形態では、光学ホイール７７の光学トラックＴＲは、磁気ホイール７５の磁気トラックと、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３との間に配置されている。このため、光学トラックＴＲは、磁気トラックとＹ軸方向に重なる。このとき光学トラックＴＲは、磁気トラックと少なくとも一部が重なっていてもよいし、全部が磁気トラックと重なっていてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、光学ホイール７７は、厚さが０．１ｍｍで、ニッケルを主成分とする素材からなる円形板状の部材であることとした。これに限らず、光学ホイール７７は、例えば、ステンレス鋼板からなる部材であってもよい。また、光学ホイール７７は、可能な限り薄く整形するのが好ましく、例えば非磁性材料からなるフィルムなどを、光学ホイールとして用いてもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、一例としてサーボモータ１０が、８極のロータ３４と、９極のステータ３２とを有するサーボモータであることとした。これに限らず、ロータ３４及びステータ３２の極数は任意に選択することができる。また、サーボモータ１０は、交流モータではなく、直流モータであってもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、ホール素子を含んで構成されている。これに限らず、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３として、磁気抵抗素子を用いてもよい。
【００６０】
また、図８に示される磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３の位置は一例であり、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、その中心のＸＺ面における位置が、必ずしも円Ｃ１上にある必要はない。要は、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、磁気ホイール７５からの磁束を検出することができる位置に配置されていればよく、例えば、その中心のＸＺ面における位置が、磁気ホイール７７に重なっていればよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、マークＭ１，Ｍ２が形成された部分が、光学センサＰＳ１，ＰＳ２からの照明光を散乱或いは吸収する部分であることとした。これに限らず、マークＭ１，Ｍ２が形成された部分の反射率が高くなり、それ以外の部分の反射率が低くなるように、光学ホイール７７を形成してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、磁気ホイール７５は環状の磁性材料からなる部材である。これに限らず、磁気ホイール７５は、例えば、複数の磁石を、円Ｃ１に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に位置するように配列して形成してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、基板６２は、正方形板状に整形されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６４】
また、上記実施形態では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、シャフト２０まわりの位相が３０度ずつ異なる位置に配置されている。これに限らず、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、位相が６０度ずつ異なる位置に配置されていてもよい。また、位相が１２０度ずつ異なる位置に配置されていてもよい。また、磁気センサＭＳ１が配置された位置から、位相が１５０度異なる位置に磁気センサＭＳ２を配置し、磁気センサＭＳ２が配置された位置から、位相が６０度異なる位置に磁気センサＭＳ３を配置してもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、光学センサＰＳ１，ＰＳ２は、シャフトまわりの位相が９０度異なる位置に配置されている。これに限らず、光学センサＰＳ１，ＰＳ２それぞれは、ＸＺ面に関する位置が、円Ｃ２及び円Ｃ３上にあればよい。
【００６６】
また、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のエンコーダは、回転体の回転を検出するのに適している。また、本発明のサーボモータは、駆動対象物を回転するのに適している。
【符号の説明】
【００６８】
１０ サーボモータ
２０ シャフト
３０ モータユニット
３１ ケース
３１ａ 切り欠き部
３１ｂ 貫通孔
３１ｃ 凸部
３１ｄ 開口
３２ ステータ
３３Ａ，３３Ｂ 軸受け
３４ ロータ
６０ エンコーダユニット
６１ ケーシング
６２ 基板
６２ａ 開口
６２ｂ スペーサ
７０ ホイールユニット
７１ ベース
７１ａ 円筒部
７１ｂ 大径部
７１ｃ 小径部
７１ｄ 環状凸部
７１ｅ 貫通孔
７５ 磁気ホイール
７７ 光学ホイール
７７ａ 開口
Ｃ１〜Ｃ３ 円
Ｌ１〜Ｌ５ 直線
Ｍ１，Ｍ２ マーク
ＭＳ１〜ＭＳ３ 磁気センサ
ＰＳ１，ＰＳ２ 光学センサ
ＴＲ 光学トラック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ及びサーボモータに関し、更に詳しくは、回転体の回転を検出するためのエンコーダ及び前記エンコーダを備えるサーボモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボモータは、制御方法が確立されており、低速域から高速域に至るレンジで、比較的安定してトルクを発生することができる。このため、工作機械や産業用ロボットなどによく用いられている。サーボモータを用いたシステムでは、ロータリエンコーダを用いて回転軸の回転を検出し、検出した結果に基づいて回転軸の回転角度や回転速度を制御するのが一般的である。
【０００３】
ロータリエンコーダとしては、回転する符合板からの反射光や、回転する環状磁石の磁束の変化に基づいて、回転体の回転を検出するものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したロータリエンコーダは、回転軸まわりにＮ極とＳ極とが交互に形成された磁気ホイールと、回転軸まわりに光学パターンが形成された光学ホイールの双方を必要とする。このため、この種のロータリエンコーダでは、例えば特許文献１に開示されるように、磁気ホイールを囲むように、光学ホイールが配置されるのが一般的である。
【０００６】
しかしながら、磁気ホイールを囲むように光学ホイールを配置する場合や、光学ホイールを囲むように磁気ホイールを配置する場合には、いずれかのホイールの直径が他方のホイールの直径よりも大きくならざるを得ない。このため従来の構造では、装置の小型化に対する要求に応えるのが困難であった。
【０００７】
本発明は、上述の事情の下になされたもので、ロータリエンコーダの小型化を実現することを目的とする。また、ロータリエンコーダを備えるサーボモータの小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のエンコーダは、回転体の回転を検出するためのエンコーダであって、前記回転体の回転軸を中心とする第１の円に沿って交互に形成されたＮ極とＳ極とからなる磁気トラックを有し、前記回転体とともに回転する磁気ホイールと、前記磁気トラックから、前記回転軸方向に離れて配置され、回転する前記磁気ホイールからの磁束を検出する磁気検出手段と、前記回転軸を中心とする第２の円に沿って形成された光学トラックを有し、前記回転体とともに回転する光学ホイールと、回転する前記光学ホイールの前記光学トラックに光を照射して、前記光学トラックで反射された反射光を検出する光検出手段と、を備え、前記光学ホイールは、前記磁気トラックと前記磁気検出手段との間に配置される。
【０００９】
前記光学トラックは、前記第２の円に沿って交互に形成された、前記光を反射する複数の第１反射部と、前記光を吸収又は散乱させる複数の第１非反射部とからなる第１パターンを有し、前記光検出手段は、回転する前記光学ホイールの前記第１パターン上に光を照射して、前記第１反射部によって間欠的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１の光学センサを有していてもよい。
【００１０】
前記第１の光学センサは、前記第１反射部が配列される周期の１／４だけ位相が相互に異なる第１の信号と、第２の信号とを出力することとしてもよい。
【００１１】
前記光学トラックは、前記回転軸を中心とする第３の円に沿って形成された、第２反射部及び第２非反射部からなる第２パターンを有し、前記光検出手段は、回転する前記光学ホールの前記第２パターン上に光を照射して、前記第２反射部によって周期的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第２の光学センサを有していてもよい。
【００１２】
前記磁気ホイール及び前記光学ホイールは、前記回転軸に直交する方向の大きさが等しくてもよい。
【００１３】
本発明のエンコーダは、前記磁気検出手段がスペーサを介して固定される回路基板を更に備えていてもよい。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明のサーボモータは、シャフトと、前記シャフトに設けられたロータと、前記ロータとの間の電磁相互作用により、前記ロータとともに前記シャフトを回転するステータと、前記シャフトの回転を検出する本発明のエンコーダと、を備える。
【００１５】
前記ロータの磁極の数と、前記磁気ホイールに形成された前記磁気トラックの磁極の数とは等しくてもよい。
【００１６】
前記ロータの磁極を構成するＮ極及びＳ極と、前記磁気トラックの磁極を構成するＮ極及びＳ極とは、前記シャフト周りの位相が同じになるように配置されていることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光学ホイールが、磁気ホイールの磁気トラックと磁気検出手段との間に配置される。これにより、光学ホイールを小さくすることができる。したがって、エンコーダの小型化、及びこのエンコーダを備えるサーボモータの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーボモータの斜視図である。
【図２】サーボモータの断面図である。
【図３】ロータ、シャフト、ホイールユニットを示す斜視図である。
【図４】ホイールユニットの展開斜視図である。
【図５】光学ホイールの平面図である。
【図６】基板の断面をシャフト等とともに示す図である。
【図７】光学センサを、光学ホイール等とともに示す図である。
【図８】磁気センサを、磁気ホイール等とともに示す図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、Ａ相信号、Ｂ相信号、及びＺ相信号の時間的な変化を示す図である。
【図１０】ＣＳ信号１〜３の時間的な変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るサーボモータ１０の斜視図である。サーボモータ１０は、８つの極を有するロータと、９つの極を有するステータを有するモータである。このサーボモータ１０は、図１に示されるように、Ｙ軸方向を長手方向とする円柱状のシャフト２０と、シャフト２０をＹ軸に平行な軸周りに回転させるモータユニット３０と、シャフト２０の回転を検出するためのエンコーダユニット６０とを備えている。
【００２０】
図２は、サーボモータ１０のＺＹ断面を示す図である。この図２及び図１を参照するとわかるように、モータユニット３０は、シャフト２０をＹ軸に平行となるように支持する一組の軸受け３３Ａ，３３Ｂと、シャフト２０に固定されたロータ３４と、ロータ３４を包囲するように配置されたステータ３２と、上記各部を収容するケース３１を有している。
【００２１】
ケース３１は、長手方向をＹ軸方向とする直方体状の中空部材である。このケース３１の−Ｙ側と＋Ｙ側には、Ｙ軸方向に貫通する円形の開口３１ｄがそれぞれ形成されている。シャフト２０は、Ｙ軸方向の両端部が、開口３１ｄから外部へ突出した状態で、一組の軸受け３３Ａ，３３Ｂによって回転可能に支持されている。
【００２２】
図１に示されるように、ケース３１の、Ｙ軸に平行な軸周りの側面によって形成される４つのコーナー部分には、Ｙ軸に沿った切り欠き部３１ａがそれぞれ形成されている。また、ケース３１の−Ｙ側の面には、開口３１ｄを囲むように−Ｙ方向へ突出した環状の凸部３１ｃが形成され、４つのコーナーには、切り欠き部３１ａに至る貫通孔３１ｂがそれぞれ形成されている。ケース３１は、例えば貫通孔３１ｂに挿入されたボルトやネジによって、ロボットアームなどの駆動対象機器のボディに固定される。
【００２３】
図３は、ロータ３４を、シャフト２０及びホイールユニット７０とともに示す斜視図である。図３に示されるように、ロータ３４は、シャフト２０が貫通する貫通孔を有する円筒状の部材である。このロータ３４は、シャフト２０を中心とする円周に沿って４つのＮ極と４つのＳ極が周期的かつ交互に現れるように着磁されている。なお、本実施形態では、着色された部分が、ロータ３４のＮ極となっている。このロータ３４は、貫通孔に挿入されたシャフト２０に固定されている。
【００２４】
図２に戻り、ステータ３２は、長手方向をＹ軸方向とする円筒状の部材である。このステータ３２は、シャフト２０を中心とする円周に沿って、ロータ３４に対向する９つの極を有している。本実施形態では、９つの極は、３つのグループに区分され、各グループを構成する極のコイルは直列に接続されている。
【００２５】
エンコーダユニット６０は、シャフト２０に固定されたホイールユニット７０と、ホイールユニット７０の＋Ｙ側に配置された基板６２と、これらを収容するケーシング６１とを有している。
【００２６】
図４は、ホイールユニット７０の展開斜視図である。図４に示されるように、ホイールユニット７０は、ベース７１と、このベース７１に固定される磁気ホイール７５及び光学ホイール７７とを有している。
【００２７】
ベース７１は、円形の大径部７１ｂと、この大径部７１ｂの＋Ｙ側に形成された円形の小径部７１ｃと、大径部７１ｂの−Ｙ側から突出する円筒状の円筒部７１ａと、小径部７１ｃの＋Ｙ側から突出する環状の環状凸部７１ｄとから構成されている。また、ベース７１には、Ｙ軸方向に貫通する貫通孔７１ｅが形成されている。
【００２８】
磁気ホイール７５は、外径が、ベース７１の大径部７１ｂの外径と等しく、内径が、小径部７１ｃの外径とほぼ等しくなるように整形された環状の部材である。この磁気ホイール７５は、磁性材料を素材とし、＋Ｙ側の面は外縁に沿って、４つのＮ極と４つのＳ極とが周期的かつ交互に現れるように着磁されている。これにより磁気ホイール７５の＋Ｙ側の面は、磁気ホイール７５の中心を中心とする円Ｃ１に沿って、周期的かつ交互にＮ極とＳ極とが現れる磁気トラックとなっている。
【００２９】
光学ホイール７７は、厚さが０．１ｍｍで、ニッケルを主成分とする素材からなる円板状の部材である。この光学ホイール７７の表面は、反射率が０．５以上になるように加工されている。図５は、光学ホイール７７の平面図である。図５に示されるように、光学ホイール７７の中央部には、ベース７１を構成する環状凸部７１ｄの外径とほぼ等しい径の開口７７ａが形成されている。そして、光学ホイール７７の−Ｙ側の面には、光学ホイール７７の中心を中心とする円Ｃ２に沿って、円Ｃ２の半径方向を長手方向とする扇形のマークＭ１が、等間隔に複数形成されている。また、円Ｃ２と中心を共通にし、半径が円Ｃ２よりも大きい円Ｃ３の周上には、円Ｃ３の半径方向を長手方向とする扇形のマークＭ２が１つ形成されている。
【００３０】
各マークＭ１，Ｍ２は、周囲の領域よりも反射率が低く、例えばその反射率は０．５より小さくなっている。そして、マークＭ１，Ｍ２は、マークＭ１同士に挟まれた領域とともに光学トラックＴＲを形成する。つまり、この光学トラックＴＲは、マークＭ１が形成された反射率が低い部分と、マークＭ１に挟まれる反射率が高い部分とが、円Ｃ２に沿って交互に配列されたインクリメンタルパターンと、インクリメンタルパターンの基準位置を示すマークＭ２とから構成される。
【００３１】
図３及び図４を参照するとわかるように、上述したベース７１、磁気ホイール７５、及び光学ホイール７７は、ベース７１の小径部７１ｃに磁気ホイール７５が嵌め込まれ、環状凸部７１ｄに、光学ホイール７７が嵌め込まれることで一体化されている。このとき、光学トラックＴＲのほぼ全体が、磁気ホイール７５の＋Ｙ側に位置した状態となっている。
【００３２】
そして、ベース７１は、磁気ホイール７５のＮ極及びＳ極のシャフト２０まわりの位相が、ロータ３４のＮ極及びＳ極のシャフト２０まわりの位相と一致するように位置決めされた状態で、貫通孔７１ｅに挿入されたシャフト２０に固定されている。
【００３３】
図６は、基板６２の断面をシャフト２０等とともに示す図である。基板６２は、正方形板状の部材であり、中心部にシャフト２０が貫通する円形の開口６２ａが形成されている。そして、基板６２の−Ｙ側の面には、２つの光学センサＰＳ１，ＰＳ２が実装されるとともに、３つの磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３がスペーサ６２ｂを介して実装されている。
【００３４】
基板６２は、光学センサＰＳ１，ＰＳ２、及び磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３が実装された面が、光学ホイール７７に対向するように、不図示の支持部材によって支持されている。これにより、光学センサＰＳ１，ＰＳ２は、光学ホイール７７の光学トラックＴＲに対向し、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、光学トラックＴＲを介して、磁気ホイール７５の磁気トラックに対向した状態となっている。また、光学ホイール７７と磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３とのギャップは、例えば基板６２と同じ素材からなるスペーサ６２ｂによって、調整されている。
【００３５】
図７は、光学センサＰＳ１，ＰＳ２を、光学ホイール７７等とともに示す図である。図７に示されるように、光学センサＰＳ１は、光学ホイール７７の中心を通りＸ軸に平行な直線Ｌ１と円Ｃ２とが交わる点に対応する位置に配置されている。この光学センサＰＳ１は、光学ホイール７７上の円Ｃ２上の位置に、照明光を射出する。そして、光学ホイール７７に反射された照明光を受光し、受光した照明光の強度に応じた２系統の電圧信号を出力する。
【００３６】
光学センサＰＳ２は、光学ホイール７７の中心を通りＺ軸に平行な直線Ｌ２と円Ｃ３とが交わる点に対応する位置に配置されている。この光学センサＰＳ２は、光学ホイール７７上の円Ｃ３上の位置に、照明光を射出する。そして、光学ホイール７７に反射された照明光を受光し、受光した照明光の強度に応じた１系統の電圧信号を出力する。
【００３７】
以下説明の便宜上、光学センサＰＳ１から出力される２系統の電圧信号をそれぞれＡ相信号、Ｂ相信号とする。また、光学センサＰＳ２から出力される電圧信号をＺ相信号とする。
【００３８】
図８は、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３を、磁気ホイール７５等とともに示す図である。図８に示されるように、磁気センサＭＳ１は、磁気ホイール７５の中心を通りＺ軸と平行な直線Ｌ３と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。また、磁気センサＭＳ２は、磁気ホイール７５の中心を通り直線Ｌ３と３０度の角度をなす直線Ｌ４と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。また、磁気センサＭＳ３は、磁気ホイール７５の中心を通り直線Ｌ４と３０度の角度をなす直線Ｌ５と、円Ｃ１とが交わる点に対応する位置に配置されている。これらの磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、ホール素子を含んで構成され、磁気ホイール７５からの磁束を、光学ホイール７７を介して検出し、検出した磁束に応じた電圧信号を出力する。
【００３９】
以下説明の便宜上、磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３それぞれから出力される電圧信号を、ＣＳ信号１、ＣＳ信号２、ＣＳ信号３とする。
【００４０】
以上の説明からわかるように、本実施形態では、磁気ホイール７５と、光学ホイール７７と、２つの光学センサＰＳ１，ＰＳ２と、３つの磁気センサＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３とを含んで、シャフト２０の回転を検出するエンコーダが構成されている。そして、このエンコーダは、モータユニット３０のケース３１に取り付けられたケーシング６１に収容されている。
【００４１】
上述のように構成されたサーボモータ１０では、３つのグループに区分された各極に、例えばグループ毎に位相が１２０度異なる交流電圧が印加されると、ステータ３２とロータ３４との間の電磁相互作用により、シャフト２０がホイールユニット７０とともに回転する。
【００４２】
図９（Ａ）は、シャフト２０が等速回転しているときに、光学センサＰＳ１から出力されるＡ相信号及びＢ相信号と、光学センサＰＳ２から出力されるＺ相信号との時間的な変化を示す図である。なお、このときのシャフト２０の回転を正転とする。
【００４３】
シャフト２０が等速で正転すると、光学センサＰＳ１から射出された照明光は、光学トラックＴＲによって間欠的に反射される。光学センサＰＳ１は、光学トラックＴＲによって間欠的に反射された照明光の強度に応じたＡ相信号とＢ相信号とを出力する。図９（Ａ）に示されるように、Ａ相信号の値は、周期Ｔ１が経過する毎にローレベルからハイレベルに変化する。また、Ｂ相信号は、Ａ相信号に対して、Ｔ１／４周期遅れて、周期Ｔ１が経過するごとにローレベルからハイレベルに変化する。
【００４４】
また、光学センサＰＳ２から射出された照明光は、光学トラックＴＲのマークＭ２に入射したときには散乱或いは吸収され、それ以外の部分に入射したときには反射される。つまり、光学センサＰＳ２から射出された照明光は、シャフト２０が一回転する毎に、マークＭ２によって散乱或いは吸収される。光学センサＰＳ２は、光学トラックＴＲに反射された照明光の強度に応じたＺ相信号を出力する。図９（Ａ）に示されるように、Ｚ相信号の値は、シャフト２０が一回転するのに要する時間Ｔ２毎にハイレベルからローレベルに変化する。
【００４５】
このＺ相信号は、シャフト２０の基準角度の検出に用いられる。例えば、Ｚ相信号の立ち上がりから、Ａ相信号及びＢ相信号が変化する回数をカウントすることで、分解能を３６０度／（Ｔ２／（Ｔ１／４））として、シャフト２０の基準角度からの回転角を検出することができる。
【００４６】
図９（Ｂ）は、シャフト２０が正転とは逆方向に回転（逆転）しているときに、光学センサＰＳ１から出力されるＡ相信号及びＢ相信号と、光学センサＰＳ２から出力されるＺ相信号との時間的な変化を示す図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）を参照するとわかるように、シャフト２０が正転しているときは、Ａ相信号が立ち上がった後に、Ｂ相信号が立ち上がり、Ａ相信号が立ち下がった後に、Ｂ送信号が立ち下がる。一方、シャフト２０が逆転しているときは、Ａ相信号が立ち上がった後に、Ｂ相信号が立ち下がり、Ａ相信号が立ち下がった後に、Ｂ相信号が立ち上がる。したがって、Ａ相信号とＢ相信号が変化するタイミングパターンから、シャフト２０が正転しているか逆転しているかを判断することができる。
【００４７】
図１０は、シャフト２０が等速で正転しているときに、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３からそれぞれ出力されるＣＳ信号１、ＣＳ信号２、及びＣＳ信号３の時間的な変化を示す図である。
【００４８】
シャフト２０が正転すると、図８を参照するとわかるように、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれの−Ｙ側を、磁気ホイール７５のＮ極とＳ極とが交互に通過する。磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれは、交互に通過するＮ極とＳ極からの磁束を、Ｎ極からの磁束を正としＳ極からの磁束を負として検出し、検出した磁束に応じたＣＳ信号１〜３を出力する。図１０に示されるように、ＣＳ信号１は、概ね周期Ｔ３毎にローレベルからハイレベルに変化する。また、ＣＳ信号２及びＣＳ信号３は、ＣＳ信号１に対して、それぞれＴ３／３周期或いは２Ｔ３／３周期ずつ遅れて、概ね周期Ｔ３毎にローレベルからハイレベルに変化する。なお、周期Ｔ３は、時間Ｔ２を４（＝８極／２）で除した値と等価である。
【００４９】
これらのＣＳ信号１〜３は、ステータ３２の各極と、ロータ３４の磁極との相対位置関係を検出するために用いることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態では、光学ホイール７７に形成された光学トラックＴＲが、磁気ホイール７５の磁気トラックと、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３との間に配置されている。このため、光学ホイール７７の径を小さくすることができる。これにより、エンコーダユニット６０全体を小型化することができる。また、エンコーダユニット６０が小型化するため、サーボモータ１０の小型化を実現することができる。
【００５１】
また、エンコーダユニット６０では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３それぞれが、光学ホイール７７を介して、磁気ホイール７５からの磁気（磁束）を検出する。そこで、本実施形態では、基板６２に設けられたスペーサ６２ｂによって、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３と光学ホイール７７とのギャップが調整されている。これにより、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、光学ホイール７７が存在することによって、磁気ホイール７５からの磁気が減衰したとしても、良好に磁束を検出することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。
【００５３】
例えば、本実施形態では、光学ホイール７７にはＡ相信号及びＢ相信号を出力するための光学トラックが形成され、磁気ホイール７５には、ＣＳ信号を出力するための磁気トラックが形成されている。これに限らず、光学ホイール７７に、ＣＳ信号を出力するための光学トラックを形成し、磁気ホイール７５に、Ａ相信号及びＢ相信号を出力するための磁気トラックを形成してもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、光学ホイール７７の光学トラックＴＲは、Ｚ相信号を出力するためのマークＭ２を含んで構成されている。これに限らず、光学トラックＴＲは、マークＭ１を含んで構成されるインクリメンタルパターンのみを有していてもよい。また、マークＭ２は、インクリメンタルパターンの内側に形成されていてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、スペーサ６２ｂは、基板６２の素材と同等の素材で構成されている。これに限らず、スペーサ６２ｂは、光学ホイール７７と磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３とのギャップを適宜調整するための機構を有していてもよい。
【００５６】
また、本実施形態では、光学ホイール７７の光学トラックＴＲは、磁気ホイール７５の磁気トラックと、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３との間に配置されている。このため、光学トラックＴＲは、磁気トラックとＹ軸方向に重なる。このとき光学トラックＴＲは、磁気トラックと少なくとも一部が重なっていてもよいし、全部が磁気トラックと重なっていてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、光学ホイール７７は、厚さが０．１ｍｍで、ニッケルを主成分とする素材からなる円形板状の部材であることとした。これに限らず、光学ホイール７７は、例えば、ステンレス鋼板からなる部材であってもよい。また、光学ホイール７７は、可能な限り薄く整形するのが好ましく、例えば非磁性材料からなるフィルムなどを、光学ホイールとして用いてもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、一例としてサーボモータ１０が、８極のロータ３４と、９極のステータ３２とを有するサーボモータであることとした。これに限らず、ロータ３４及びステータ３２の極数は任意に選択することができる。また、サーボモータ１０は、交流モータではなく、直流モータであってもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、ホール素子を含んで構成されている。これに限らず、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３として、磁気抵抗素子を用いてもよい。
【００６０】
また、図８に示される磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３の位置は一例であり、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、その中心のＸＺ面における位置が、必ずしも円Ｃ１上にある必要はない。要は、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、磁気ホイール７５からの磁束を検出することができる位置に配置されていればよく、例えば、その中心のＸＺ面における位置が、磁気ホイール７７に重なっていればよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、マークＭ１，Ｍ２が形成された部分が、光学センサＰＳ１，ＰＳ２からの照明光を散乱或いは吸収する部分であることとした。これに限らず、マークＭ１，Ｍ２が形成された部分の反射率が高くなり、それ以外の部分の反射率が低くなるように、光学ホイール７７を形成してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、磁気ホイール７５は環状の磁性材料からなる部材である。これに限らず、磁気ホイール７５は、例えば、複数の磁石を、円Ｃ１に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に位置するように配列して形成してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、基板６２は、正方形板状に整形されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６４】
また、上記実施形態では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、シャフト２０まわりの位相が３０度ずつ異なる位置に配置されている。これに限らず、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３は、位相が６０度ずつ異なる位置に配置されていてもよい。また、位相が１２０度ずつ異なる位置に配置されていてもよい。また、磁気センサＭＳ１が配置された位置から、位相が１５０度異なる位置に磁気センサＭＳ２を配置し、磁気センサＭＳ２が配置された位置から、位相が６０度異なる位置に磁気センサＭＳ３を配置してもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、光学センサＰＳ１，ＰＳ２は、シャフトまわりの位相が９０度異なる位置に配置されている。これに限らず、光学センサＰＳ１，ＰＳ２それぞれは、ＸＺ面に関する位置が、円Ｃ２及び円Ｃ３上にあればよい。
【００６６】
また、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のエンコーダは、回転体の回転を検出するのに適している。また、本発明のサーボモータは、駆動対象物を回転するのに適している。
【符号の説明】
【００６８】
１０ サーボモータ
２０ シャフト
３０ モータユニット
３１ ケース
３１ａ 切り欠き部
３１ｂ 貫通孔
３１ｃ 凸部
３１ｄ 開口
３２ ステータ
３３Ａ，３３Ｂ 軸受け
３４ ロータ
６０ エンコーダユニット
６１ ケーシング
６２ 基板
６２ａ 開口
６２ｂ スペーサ
７０ ホイールユニット
７１ ベース
７１ａ 円筒部
７１ｂ 大径部
７１ｃ 小径部
７１ｄ 環状凸部
７１ｅ 貫通孔
７５ 磁気ホイール
７７ 光学ホイール
７７ａ 開口
Ｃ１〜Ｃ３ 円
Ｌ１〜Ｌ５ 直線
Ｍ１，Ｍ２ マーク
ＭＳ１〜ＭＳ３ 磁気センサ
ＰＳ１，ＰＳ２ 光学センサ
ＴＲ 光学トラック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転を検出するためのエンコーダであって、
前記回転体の回転軸を中心とする第１の円に沿って交互に形成されたＮ極とＳ極とからなる磁気トラックを有し、前記回転体とともに回転する磁気ホイールと、
前記磁気トラックから、前記回転軸方向に離れて配置され、回転する前記磁気ホイールからの磁束を検出する磁気検出手段と、
前記回転軸を中心とする第２の円に沿って形成された光学トラックを有し、前記回転体とともに回転する光学ホイールと、
回転する前記光学ホイールの前記光学トラックに光を照射して、前記光学トラックで反射された反射光を検出する光検出手段と、
を備え、
前記光学ホイールは、前記磁気トラックと前記磁気検出手段との間に配置されるエンコーダ。
【請求項２】
前記光学トラックは、前記第２の円に沿って交互に形成された、前記光を反射する複数の第１反射部と、前記光を吸収又は散乱させる複数の第１非反射部とからなる第１パターンを有し、
前記光検出手段は、回転する前記光学ホイールの前記第１パターン上に光を照射して、前記第１反射部によって間欠的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１の光学センサを有する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記第１の光学センサは、前記第１反射部が配列される周期の１／４だけ位相が相互に異なる第１の信号と、第２の信号とを出力する請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記光学トラックは、前記回転軸を中心とする第３の円に沿って形成された、第２反射部及び第２非反射部からなる第２パターンを有し、
前記光検出手段は、回転する前記光学ホールの前記第２パターン上に光を照射して、前記第２反射部によって周期的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第２の光学センサを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記磁気ホイール及び前記光学ホイールは、前記回転軸に直交する方向の大きさが等しい請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記磁気検出手段がスペーサを介して固定される回路基板を更に備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
シャフトと、
前記シャフトに設けられたロータと、
前記ロータとの間の電磁相互作用により、前記ロータとともに前記シャフトを回転するステータと、
前記シャフトの回転を検出する請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエンコーダと、
を備えるサーボモータ。
【請求項８】
前記ロータの磁極の数と、前記磁気ホイールに形成された前記磁気トラックの磁極の数とが等しい請求項７に記載のサーボモータ。
【請求項９】
前記ロータの磁極を構成するＮ極及びＳ極と、前記磁気トラックの磁極を構成するＮ極及びＳ極とは、前記シャフト周りの位相が同じになるように配置されている請求項８に記載のサーボモータ。
【請求項１】
回転体の回転を検出するためのエンコーダであって、
前記回転体の回転軸を中心とする第１の円に沿って交互に形成されたＮ極とＳ極とからなる磁気トラックを有し、前記回転体とともに回転する磁気ホイールと、
前記磁気トラックから、前記回転軸方向に離れて配置され、回転する前記磁気ホイールからの磁束を検出する磁気検出手段と、
前記回転軸を中心とする第２の円に沿って形成された光学トラックを有し、前記回転体とともに回転する光学ホイールと、
回転する前記光学ホイールの前記光学トラックに光を照射して、前記光学トラックで反射された反射光を検出する光検出手段と、
を備え、
前記光学ホイールは、前記磁気トラックと前記磁気検出手段との間に配置されるエンコーダ。
【請求項２】
前記光学トラックは、前記第２の円に沿って交互に形成された、前記光を反射する複数の第１反射部と、前記光を吸収又は散乱させる複数の第１非反射部とからなる第１パターンを有し、
前記光検出手段は、回転する前記光学ホイールの前記第１パターン上に光を照射して、前記第１反射部によって間欠的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１の光学センサを有する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記第１の光学センサは、前記第１反射部が配列される周期の１／４だけ位相が相互に異なる第１の信号と、第２の信号とを出力する請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記光学トラックは、前記回転軸を中心とする第３の円に沿って形成された、第２反射部及び第２非反射部からなる第２パターンを有し、
前記光検出手段は、回転する前記光学ホールの前記第２パターン上に光を照射して、前記第２反射部によって周期的に反射される反射光を受光し、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第２の光学センサを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記磁気ホイール及び前記光学ホイールは、前記回転軸に直交する方向の大きさが等しい請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記磁気検出手段がスペーサを介して固定される回路基板を更に備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
シャフトと、
前記シャフトに設けられたロータと、
前記ロータとの間の電磁相互作用により、前記ロータとともに前記シャフトを回転するステータと、
前記シャフトの回転を検出する請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエンコーダと、
を備えるサーボモータ。
【請求項８】
前記ロータの磁極の数と、前記磁気ホイールに形成された前記磁気トラックの磁極の数とが等しい請求項７に記載のサーボモータ。
【請求項９】
前記ロータの磁極を構成するＮ極及びＳ極と、前記磁気トラックの磁極を構成するＮ極及びＳ極とは、前記シャフト周りの位相が同じになるように配置されている請求項８に記載のサーボモータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−９５１８０（Ｐ２０１１−９５１８０Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５１３７２（Ｐ２００９−２５１３７２）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（３９１００８５１５）株式会社アイエイアイ (107)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（３９１００８５１５）株式会社アイエイアイ (107)
【Ｆターム（参考）】
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