(57)【要約】【課題】電気ノイズに起因する測定誤差を小さくする。【解決手段】光学スケール２０１は、等しいピッチで周期的に配置された複数のパターン２０２を有する。センサヘッド２１１は、光学スケール２０１のパターン２０２を読み取り、Ａ相信号Ｓ１ａ及びＢ相信号Ｓ１ｂを出力する。センサヘッド２１２は、回転軸線Ｏを挟んでセンサヘッド２１１と対向して配置され、光学スケール２０１のパターン２０２を読み取り、Ａ相信号Ｓ２ａ及びＢ相信号Ｓ２ｂを出力する。パターン２０２、センサヘッド２１１及びセンサヘッド２１２の配置関係により、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとを互いに１８０度位相を異ならせ、かつＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとを互いに１８０度位相を異ならせている。【選択図】図１
2019109093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等しいピッチで周期的に配置された複数のパターンを有し、回転軸線を中心に回転する回転部と、
前記パターンを読み取り、第１周期信号、及び前記第１周期信号に対して位相が９０度異なる第２周期信号を出力する第１センサ部と、
前記回転軸線を挟んで前記第１センサ部と対向して配置され、前記パターンを読み取り、第３周期信号、及び前記第３周期信号に対して位相が９０度異なる第４周期信号を出力する第２センサ部と、を備え、
前記複数のパターン、前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、前記第１周期信号を前記第３周期信号に対して位相が１８０度異なり、かつ前記第２周期信号を前記第４周期信号に対して位相が１８０度異なるように配置されていることを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】
前記第１及び第２周期信号に基づく第１回転量と、前記第３及び第４周期信号に基づく第２回転量とを平均して、前記回転部の回転位置を求める処理部を備えることを特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
【請求項３】
前記複数のパターンが、前記回転軸線を中心とする半径方向に放射状に延び、かつ前記回転軸線を中心とする円周方向に配置されており、
前記パターンに対する前記第１センサ部の相対的な位置に対し、前記パターンに対する前記第２センサ部の相対的な位置が、前記円周方向又は前記半径方向に直交する直線方向にずれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリエンコーダ。
【請求項４】
前記第１センサ部と前記第２センサ部とが、前記回転軸線に対して１８０度回転対称な位置に配置されており、
前記複数のパターンの数が奇数であることを特徴とする請求項３に記載のロータリエンコーダ。
【請求項５】
前記回転部の可動範囲が３６０度未満であり、
前記複数のパターンが、前記第１センサ部の読取対象となる第１パターン群と、前記第２センサ部の読取対象となる第２パターン群とからなり、
前記第１パターン群に対する前記第１センサ部の相対的な位置に対し、前記第２パターン群に対する前記第２センサ部の相対的な位置が、前記回転軸線を中心とする円周方向、又は前記回転軸線を中心とする半径方向に直交する直線方向にずれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリエンコーダ。
【請求項６】
前記第１センサ部と前記第２センサ部とが、前記回転軸線に対して１８０度回転対称な位置に配置されており、
前記第２パターン群が、前記第１パターン群を前記回転軸線に対して１８０度回転させた位置に対して、前記円周方向又は前記直線方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項５に記載のロータリエンコーダ。
【請求項７】
前記第１パターン群と前記第２パターン群とが、前記回転軸線に対して１８０度回転対称な位置に配置されており、
前記第２センサ部が、前記第１センサ部を前記回転軸線に対して１８０度回転させた位置に対して、前記円周方向又は前記直線方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項５に記載のロータリエンコーダ。
【請求項８】
前記第１センサ部及び前記第２センサ部の各々が、発光部及び受光部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のロータリエンコーダと、
回転軸を有するモータと、を備え、
前記ロータリエンコーダは、前記回転軸の回転位置を示す信号を出力することを特徴とする駆動装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載されたロータリエンコーダと、
前記回転軸線を中心に相対的に変位可能な第１支持部及び第２支持部と、
前記第１支持部と前記第２支持部とを連結する弾性部と、を備え、
前記回転部が前記第１支持部に支持され、前記第１センサ部及び前記第２センサ部が前記第２支持部に支持されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１１】
請求項９に記載の駆動装置と、
第１リンクと、
前記第１リンクに関節で連結され、前記モータの駆動力によって回転する第２リンクと、を備えたロボット。
【請求項１２】
請求項１０に記載のトルクセンサと、
第１リンクと、
前記第１リンクに前記トルクセンサを介して連結された第２リンクと、を備えたロボット。
【請求項１３】
請求項９に記載の駆動装置と、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を反射し、前記モータの駆動力によって回転するミラーと、を備えたレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロボットやレーザ加工機などの産業機器の制御に、ロータリエンコーダが用いられている。例えば、ロボットやレーザ加工機は、モータを有しており、モータの位置制御にロータリエンコーダが用いられている。また、ロータリエンコーダは、トルクセンサにも適用されている。
【０００３】
一般に、ロータリエンコーダは、回転ディスクと、回転ディスクに対向して配置されたセンサヘッドとを有しており、センサヘッドから回転ディスクの回転位置に応じた周期信号が出力される。センサヘッドに対する回転ディスクの相対的な位置がずれる、即ち回転ディスクが偏心すると、正確な回転位置の情報が得られなくなる。特許文献１には、２つのセンサヘッドを１８０度対向する位置に配置し、各センサヘッドの検知結果を平均することで回転ディスクの偏心成分をキャンセルするロータリエンコーダが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９５６２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ロータリエンコーダはもちろん、ロータリエンコーダを搭載した産業機器には、電源装置が接続されており、電源装置からの電力の供給を受けて動作する。したがって、雷サージや他の機器からの電気ノイズが、電源装置を通じてロータリエンコーダに侵入し、センサヘッドからの周期信号に電気ノイズが重畳することがあった。また、別の機器から放射される電気ノイズが、信号線を伝搬する周期信号に重畳することがあった。そのため、周期信号に基づいて求められる回転ディスクの回転位置に、電気ノイズに起因する大きな誤差が発生するという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、電気ノイズに起因する測定誤差を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のロータリエンコーダは、等しいピッチで周期的に配置された複数のパターンを有し、回転軸線を中心に回転する回転部と、前記パターンを読み取り、第１周期信号、及び前記第１周期信号に対して位相が９０度異なる第２周期信号を出力する第１センサ部と、前記回転軸線を挟んで前記第１センサ部と対向して配置され、前記パターンを読み取り、第３周期信号、及び前記第３周期信号に対して位相が９０度異なる第４周期信号を出力する第２センサ部と、を備え、前記複数のパターン、前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、前記第１周期信号を前記第３周期信号に対して位相が１８０度異なり、かつ前記第２周期信号を前記第４周期信号に対して位相が１８０度異なるように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気ノイズに起因する測定誤差が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係るロータリエンコーダの説明図である。
【図２】第１実施形態における光学スケールの平面図である。
【図３】第１実施形態におけるＡ相信号及びＢ相信号の関係を示すリサージュ図形である。
【図４】第１実施形態においてセンサヘッドから得られるエンコーダ信号の波形を示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態における実験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態における実験結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態における実験結果を示すグラフである。
【図８】比較例においてセンサヘッドから得られるエンコーダ信号の波形を示すグラフである。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、比較例における実験結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、比較例における実験結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、比較例における実験結果を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、第２実施形態に係るロータリエンコーダの光学スケール及びセンサヘッドの平面図である。（ｂ）は、第２実施形態におけるパターン群とセンサヘッドとの配置関係を示す説明図である。
【図１３】（ａ）は、第３実施形態に係るロータリエンコーダの光学スケール及びセンサヘッドの平面図である。（ｂ）は、第３実施形態におけるパターン群とセンサヘッドとの配置関係を示す説明図である。
【図１４】第４実施形態に係るロボットの斜視図である。
【図１５】第５実施形態に係るロボットの１つの関節まわりの説明図である。
【図１６】第５実施形態に係るトルクセンサの斜視図である。
【図１７】第６実施形態に係るレーザ加工機の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロータリエンコーダ１００の説明図である。ロータリエンコーダ１００は、インクリメンタル形の光学式エンコーダである。また、ロータリエンコーダ１００は、透過型又は反射型のいずれでもよいが、第１実施形態では反射型のエンコーダである。
【００１１】
ロータリエンコーダ１００は、エンコーダ本体２００と、処理部の一例である処理回路３００と、を備えている。エンコーダ本体２００は、回転部の一例である光学スケール２０１と、光学スケール２０１に対向して配置された、第１センサ部であるセンサヘッド２１１及び第２センサ部であるセンサヘッド２１２とを有する。センサヘッド２１１，２１２と処理回路３００とは信号線Ｌ１，Ｌ２で接続されている。
【００１２】
図２は、光学スケール２０１の平面図である。光学スケール２０１は、回転軸線Ｏを中心に回転する円盤状の部材であり、等しいピッチ（回転軸線Ｏを中心とする角度）Ｐで周期的に配置された複数のパターン２０２を有する。複数のパターン２０２は、相対的に光の反射率が低い（即ち光を吸収又は透過する）部材、例えばガラス基板に、相対的に光の反射率が高い部材、例えばクロム反射膜をパターニングして構成されている。複数のパターン２０２は、回転軸線Ｏを中心とする半径方向Ｒに放射状に延び、かつ回転軸線Ｏを中心とする円周方向Ｃに一周に亘って配置されている。半径方向Ｒは、回転軸線Ｏの延びる方向に対して直交する方向である。また、円周方向Ｃは、半径方向Ｒ及び回転軸線Ｏの延びる方向に対して直交する方向であって、回転軸線Ｏを中心に回転する方向である。
【００１３】
図１に示すように、センサヘッド２１１，２１２及び処理回路３００は、電源装置４００により電力が供給されて動作する。電源装置４００は、商用電源などから供給される交流電力を直流電力に変換して、センサヘッド２１１，２１２及び処理回路３００に電力を供給する。
【００１４】
センサヘッド２１２は、回転軸線Ｏを挟んでセンサヘッド２１１と対向して配置されている。センサヘッド２１１は、例えば発光ダイオード又はレーザダイオードで構成された発光部２２１と、例えばフォトダイオードで構成された受光部２３１と、を有して構成される。センサヘッド２１２は、センサヘッド２１１と同様の構成であり、例えば発光ダイオード又はレーザダイオードで構成された発光部２２２と、例えばフォトダイオードで構成された受光部２３２と、を有して構成される。各センサヘッド２１１，２１２の各発光部２２１，２２２は、パターン２０２に光を照射する。各受光部２３１，２３２は、パターン２０２の反射光を受光して光電変換し、反射光量（光の強弱）に応じた電気信号であるエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを、信号線Ｌ１，Ｌ２を介して処理回路３００に出力する。
【００１５】
つまり、センサヘッド２１１は、パターン２０２を読み取り、エンコーダ信号として、正弦波状のＡ相信号（第１周期信号）Ｓ１ａ、及びＡ相信号に対して位相が９０度異なる正弦波状のＢ相信号（第２周期信号）Ｓ１ｂを出力する。同様に、センサヘッド２１２は、パターン２０２を読み取り、エンコーダ信号として、正弦波状のＡ相信号（第３周期信号）Ｓ２ａ、及びＡ相信号Ｓ２ａに対して位相が９０度異なる正弦波状のＢ相信号（第４周期信号）Ｓ２ｂを出力する。
【００１６】
センサヘッド２１１は、光学スケール２０１の回転位置（回転角度）の増減に応じて、位相を進め又は遅らせて、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂを出力する。同様に、センサヘッド２１２は、光学スケール２０１の回転位置（回転角度）の増減に応じて、位相を進め又は遅らせて、エンコーダ信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。第１実施形態では、センサヘッド２１１，２１２は、光学スケール２０１のピッチＰと同じ周期で正弦波状のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。
【００１７】
また、各センサヘッド２１１，２１２は、原点位置において、不図示のＺ相信号を出力する。Ｚ相信号からエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの波数を数えることによって、光学スケール２０１の現在位置を測定することができる。
【００１８】
センサヘッド２１１とセンサヘッド２１２とは、回転軸線Ｏに対して相互に１８０度回転対称な位置に配置されている。
【００１９】
パターン２０２のピッチをＰ［ｒａｄ］、光学スケール２０１の実際の回転角度をθｍ［ｒａｄ］とすると、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂは、以下の式（１）及び式（２）で表される。
Ｓ１ａ＝ｃｏｓ（Ｐ×θｍ）・・・（１）
Ｓ１ｂ＝ｓｉｎ（Ｐ×θｍ）・・・（２）
【００２０】
また、エンコーダ信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂは、以下の式（３）及び式（４）で表される。
Ｓ２ａ＝ｃｏｓ（Ｐ×（θｍ＋π））・・・（３）
Ｓ２ｂ＝ｓｉｎ（Ｐ×（θｍ＋π））・・・（４）
【００２１】
処理回路３００は、アナログデジタル変換手段の一例であるＡ／Ｄ変換器３１１，３１２と、二値化手段の一例であるコンパレータ３２１，３２２と、計数手段の一例であるカウンタ３３１，３３２と、演算手段の一例である演算回路３５０と、を備えている。
【００２２】
コンパレータ３２１は、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂを二値化した矩形波状の二値化信号をカウンタ３３１に出力する。コンパレータ３２２は、エンコーダ信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを二値化した矩形波状の二値化信号をカウンタ３３２に出力する。
【００２３】
カウンタ３３１は、入力を受けた二値化信号に基づき、波数をカウントアップ又はカウントダウンして、カウント値、即ち波数値を演算回路３５０に出力する。カウンタ３３２は、入力を受けた二値化信号に基づき、波数をカウントアップ又はカウントダウンして、カウント値、即ち波数値を演算回路３５０に出力する。
【００２４】
演算回路３５０は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを有する。演算回路３５０は、カウンタ３３１から受けた波数値（カウント値）に対応する回転量として、角度分解能π／２Ｐの位置情報Ｃｏｕｎｔ１を求める。また、演算回路３５０は、カウンタ３３２から受けた波数値（カウント値）に対応する回転量として、角度分解能π／２Ｐの位置情報Ｃｏｕｎｔ２を求める。
【００２５】
一方、Ａ／Ｄ変換器３１１は、Ａ相及びＢ相信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂをＡ／Ｄ変換し、演算回路３５０に出力する。同様に、Ａ／Ｄ変換器３１２は、Ａ相及びＢ相信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂをＡ／Ｄ変換し、演算回路３５０に出力する。
【００２６】
演算回路３５０は、角度分解能π／２Ｐ以下の高い分解能で、以下の式（５）〜（７）に示す関係式に従い、逆正接関数を用いて内挿演算を行い、光学スケール２０１の測定角度θを求める。
θ１＝１／Ｐ×ａｔａｎ２（Ｓ１ｂ，Ｓ１ａ）＋Ｃｏｕｎｔ１・・・（５）
θ２＝１／Ｐ×ａｔａｎ２（Ｓ２ｂ，Ｓ２ａ）＋Ｃｏｕｎｔ２・・・（６）
θ＝（θ１＋θ２）／２・・・（７）
【００２７】
なお、ａｔａｎ２（Ｘ，Ｙ）は、プログラミング言語であるＣ言語の「ｍａｔｈ．ｈ」に定義されている４象限の逆正接を求める関数であり、０〜２π［ｒａｄ］の位相値を取る。θ１［ｒａｄ］は、センサヘッド２１１から求まる光学スケール２０１の測定角度（第１回転量）である。θ２［ｒａｄ］は、センサヘッド２１２から求まる光学スケール２０１の測定角度（第２回転量）である。演算回路３５０は、上述したカウント処理と、内挿演算処理とで、Ａ相，Ｂ相信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに基づく測定角度θ１と、Ａ相，Ｂ相信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに基づく測定角度θ２とを平均して、光学スケール２０１の回転位置である測定角度θを求める。これにより、センサヘッド２１１，２１２に対する光学スケール２０１の偏心をキャンセルした測定角度θが得られる。
【００２８】
ところで、ロータリエンコーダ１００は、工場などに配置される各種の産業機器に搭載されることが多い。そのため、電源装置４００を介して、又は空間を介して、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに電気ノイズが重畳される。エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂには、各エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに同相の電気ノイズＮとして重畳され、以下の式のように表される。
Ｓ１ａ＝ｃｏｓ（Ｐ×θｍ）＋Ｎ
Ｓ１ｂ＝ｓｉｎ（Ｐ×θｍ）＋Ｎ
Ｓ２ａ＝ｃｏｓ（Ｐ×（θｍ＋π））＋Ｎ
Ｓ２ｂ＝ｓｉｎ（Ｐ×（θｍ＋π））＋Ｎ
【００２９】
そのため、エンコーダ信号から求まる測定角度θには、実際の角度θｍに対して、測定誤差を持つこととなる。第１実施形態では、パターン２０２及びセンサヘッド２１１，２１２は、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとが１８０度位相が異なり、かつＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとが１８０度位相が異なるように配置されている。換言すれば、４つのエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの位相が９０度ずつ異なる。
【００３０】
具体的に説明すると、センサヘッド２１１とセンサヘッド２１２とを、回転軸線Ｏに対して互いに１８０度回転対称な位置に配置し、かつ等しいピッチＰで配置されるパターン２０２の数を奇数としている。したがって、パターン２０２の数を奇数とすることで、パターン２０２とセンサヘッド２１１との相対位置に対して、パターン２０２とセンサヘッド２１２との相対位置が、ピッチＰの半分ずれることになる。つまり、センサヘッド２１１，２１２から出力される信号が互いに半周期（１８０度）ずれることになる。このようなパターン２０２、センサヘッド２１１及びセンサヘッド２１２の配置関係により、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとを互いに１８０度位相を異ならせ、かつＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとを互いに１８０度位相を異ならせている。
【００３１】
図３は、Ａ相信号及びＢ相信号の関係を示すリサージュ図形である。横軸をＡ相信号Ｓ１ａ，Ｓ２ａの信号レベル、縦軸をＢ相信号Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂの信号レベルとしている。電気ノイズＮがエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに重畳していなければ、破線で示す円形のリサージュ波形となる。電気ノイズＮがエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに重畳していない場合、センサヘッド２１１からのＡ相信号Ｓ１ａとＢ相信号Ｓ１ｂとの逆正接演算で得られる位相をφ１０とする。電気ノイズＮがエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに重畳していない場合、センサヘッド２１２からのＡ相信号Ｓ２ａとＢ相信号Ｓ２ｂとの逆正接演算で得られる位相をφ２０とする。位相φ１０と位相φ２０とは、互いに１８０度異なる。図３では、位相φ１０が１３５度、位相φ２０が３１５度（−４５度）の場合を例に図示している。
【００３２】
各エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに電気ノイズＮが重畳すると、円形のリサージュ波形が、実線で示すように４５度の方向にずれる。このとき、Ａ相信号Ｓ１ａとＢ相信号Ｓ１ｂとの逆正接演算で得られる位相をφ１、Ａ相信号Ｓ２ａとＢ相信号Ｓ２ｂとの逆正接演算で得られる位相をφ２とする。
【００３３】
図３の例では、位相φ１は、電気ノイズＮの影響により、位相φ１０に対して誤差Δφ１だけ小さくなる。一方、位相φ２は、電気ノイズＮの影響により、位相φ２０に対して誤差Δφ２だけ大きくなる。
【００３４】
第１実施形態では、式（７）に示すように、２つの測定角度θ１，θ２を平均する、即ち加算して２で除算する演算を施して、測定角度θを求めているので、誤差Δφ２から誤差Δφ１が減算されて、電気ノイズＮによる変動分がキャンセルされることになる。したがって、電気ノイズＮに起因する測定角度θの誤差を小さくすることができ、測定角度θの精度を向上させることができる。
【００３５】
なお、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとの位相差、及びＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとの位相差を１８０度としているが、±１０度の許容差を含んでいる。つまり、位相差が１８０度とは、許容範囲を含んで（１８０±１０）度のことである。
【００３６】
また、第１実施形態では、センサヘッド２１１，２１２は、ピッチＰと同じ周期で正弦波状のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。したがって、パターン２０２とセンサヘッド２１１との相対位置に対して、パターン２０２とセンサヘッド２１２との相対位置を、ピッチＰの半分ずらす構成としている。具体的には、パターン２０２の数を奇数とし、センサヘッド２１１，２１２を回転軸線Ｏに対して１８０度回転対称な位置に配置している。このように、パターン２０２の方をずらす、具体的にはパターン２０２の数を奇数にするだけの簡単な構成で、エンコーダ信号を９０度ずつ位相を異ならせることができる。
【００３７】
以下、第１実施形態におけるロータリエンコーダ１００の構成で測定角度θを求めた実験結果と、比較例のロータリエンコーダの構成で測定角度θを求めた実験結果について説明する。
【００３８】
まず、第１実施形態として、パターン２０２の数を「９９」とした場合について実験した結果について説明する。図４は、センサヘッドから得られるエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの波形を示すグラフである。図４には、光学スケール２０１の角度が０．３度のときに電気ノイズＮが重畳した場合のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの波形を図示している。エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの振幅（電圧）を「１」と規格化したとき、重畳される電気ノイズＮ（電圧）を「０．１」とする。第１実施形態では、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとが互いに１８０度位相が異なり、かつＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとが互いに１８０度位相が異なる。
【００３９】
以下、第１実施形態における実験結果として、光学スケール２０１の回転角度θｍに対する測定角度θ１，θ２，θの誤差θ１ｅｒｒ，θ２ｅｒｒ，θｅｒｒについて説明する。ここで、θ１ｅｒｒ＝θ１−θｍ，θ２ｅｒｒ＝θ２−θｍ，θｅｒｒ＝θ−θｍである。
【００４０】
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１実施形態における実験結果を示すグラフである。図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す横軸は、光学スケール２０１の回転角度θｍであり、０〜２πの範囲を図示している。図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、図５（ａ）、図６（ａ）及び図７（ａ）の横軸の一部分（回転角度θｍの０〜２π／５０）を拡大したものである。図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、誤差θ１ｅｒｒと誤差θ２ｅｒｒとはほぼ同じ大きさで、符号を反転した角度誤差を持っていることがわかる。そのため、平均（加算）することで、２つの誤差θ１ｅｒｒ，θ２ｅｒｒが打ち消し合う。よって、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、誤差θｅｒｒの最大値が１．０×１０−４［ｒａｄ］と小さくなる。
【００４１】
比較例として、パターンの数を「１００」とした場合について実験した結果について説明する。図８は、比較例においてセンサヘッドから得られるエンコーダ信号の波形を示すグラフである。図８には、光学スケールの角度が０．３度のときに電気ノイズＮが重畳した場合のエンコーダ信号の波形を図示している。エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの振幅（電圧）を「１」と規格化したとき、重畳される電気ノイズＮ（電圧）を「０．１」とする。比較例では、Ａ相信号Ｓ１ａとＡ相信号Ｓ２ａとが同位相、かつＢ相信号Ｓ１ｂとＢ相信号Ｓ２ｂとが同位相である。
【００４２】
以下、比較例の実験結果として、光学スケール２０１の回転角度θｍに対する測定角度θ１，θ２，θの誤差θ１ｅｒｒ，θ２ｅｒｒ，θｅｒｒについて説明する。
【００４３】
図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、比較例の実験結果を示すグラフである。図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す横軸は、光学スケールの回転角度θｍであり、０〜２πの範囲を図示している。図９（ｂ）、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）は、図９（ａ）、図１０（ａ）及び図１１（ａ）の横軸の一部分（回転角度θｍの０〜２π／５０）を拡大したものである。
【００４４】
図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように、誤差θ１ｅｒｒと誤差θ２ｅｒｒとはほぼ同じ大きさで、同じ符号の角度誤差を持っていることがわかる。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、誤差θｅｒｒの最大値が１．５×１０−３［ｒａｄ］程度である。以上の実験結果から、第１実施形態によれば、比較例よりも、測定角度θの誤差θｅｒｒを小さくすることができる。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態に係るロータリエンコーダについて説明する。図１２（ａ）は、第２実施形態に係るロータリエンコーダ１００Ａの光学スケール及びセンサヘッドの平面図である。ロータリエンコーダ１００Ａは、エンコーダ本体として、回転部の一例である光学スケール２０１Ａと、センサ部の一例であるセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａとを有する。センサヘッド２１１Ａ，２１２Ａは、第１実施形態で説明したセンサヘッド２１１，２１２と略同様の構成であり、第１実施形態と略同様の発光部及び受光部を有する。なお、ロータリエンコーダ１００Ａは、図示は省略するが、第１実施形態と略同様の構成の処理回路３００を有する。
【００４６】
第２実施形態では、光学スケール２０１Ａの可動範囲が回転軸線Ｏを中心とする角度で３６０度未満、例えば±１０度である。したがって、光学スケール２０１Ａの可動範囲外においては、パターンが省略されている。
【００４７】
光学スケール２０１Ａは、回転軸線Ｏを中心に回転する回転部材２１０Ａと、回転部材２１０Ａに形成された、第１パターン群であるパターン群（スケール片）２０６Ａ、及び第２パターン群であるパターン群（スケール片）２０７Ａと、を有する。
【００４８】
図１２（ｂ）は、第２実施形態におけるパターン群２０６Ａ，２０７Ａとセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａとの配置関係を示す説明図である。パターン群２０６Ａは、センサヘッド２１１Ａの読取対象であり、センサヘッド２１１Ａに対向するように配置されている。また、パターン群２０７Ａは、センサヘッド２１２Ａの読取対象であり、センサヘッド２１２Ａに対向するように配置されている。各パターン群２０６Ａ，２０７Ａは、等しいピッチλで周期的に配置された複数のパターン２０２Ａ，２０３Ａを有する。
【００４９】
パターン群２０６Ａのパターン２０２Ａは、回転軸線Ｏを中心とする半径方向Ｒに直交する直線方向Ｘにピッチλで等間隔に配置されている。同様に、パターン群２０７Ａのパターン２０３Ａは、回転軸線Ｏの延びる方向に直交し、かつ回転軸線Ｏを中心とする半径方向Ｒに直交する直線方向Ｘに、ピッチλで等間隔に配置されている。光学スケール２０１Ａの可動範囲が±１０度と狭いため、複数のパターン２０２Ａ，２０３Ａは、製造の容易な直線方向Ｘに並設しても、円周方向に配置したとみなすことができる。もちろん、複数のパターン２０２Ａ，２０３Ａを半径方向Ｒに直交する円周方向に並設してもよい。
【００５０】
第２実施形態では、各センサヘッド２１１Ａ，２１２Ａは、光の回折干渉を用いることで、ピッチλより細かい周期で、具体的にはピッチλの半分の周期で、正弦波状のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。ロータリエンコーダ１００Ａにおいて、光の回折干渉を用いることで、微小な角度変位を高精度に測定することができる。
【００５１】
第２実施形態では、センサヘッド２１１Ａとセンサヘッド２１２Ａとが、回転軸線Ｏに対して互いに１８０度回転対称な位置に配置されている。そして、パターン群２０６Ａを回転軸線Ｏを中心に１８０度回転させた位置に対して、パターン群２０７Ａが直線方向Ｘにずれて配置されている。これにより、パターン群２０６Ａに対するセンサヘッド２１１Ａの相対的な位置に対し、パターン群２０７Ａに対するセンサヘッド２１２Ａの相対的な位置が、直線方向Ｘにずれることになる。
【００５２】
ここで、第２実施形態では、各センサヘッド２１１Ａ，２１２Ａがピッチλの半分の周期で正弦波状のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。即ち、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂにおいて、９０度ずつ位相がずれるように、パターン群２０６Ａの１８０度回転対称な位置に対してパターン群２０７Ａを直線方向Ｘにピッチλの１／４だけずらしている。このように、パターン群２０７Ａをピッチλの１／４周期分ずらして配置することで、２つのセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａから得られるＡ相信号Ｓ１ａ，Ｓ２ａ（Ｂ相信号Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ）において、互いに１８０度位相を異ならせることができる。これにより、第１実施形態と同様、電気ノイズＮが重畳した２つのエンコーダ信号の誤差分が打ち消し合い、求まる測定角度θの誤差θｅｒｒを小さくすることができる。
【００５３】
［第３実施形態］
第３実施形態に係るロータリエンコーダについて説明する。図１３（ａ）は、第３実施形態に係るロータリエンコーダ１００Ｂの光学スケール及びセンサヘッドの平面図である。ロータリエンコーダ１００Ｂは、エンコーダ本体として、上述の第２実施形態と同様、回転部の一例である光学スケール２０１Ａと、センサ部の一例であるセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａとを有する。なお、ロータリエンコーダ１００Ｂは、図示は省略するが、第１実施形態と同様の構成の処理回路３００を有する。
【００５４】
図１３（ｂ）は、第３実施形態におけるパターン群２０６Ａ，２０７Ａとセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａとの配置関係を示す説明図である。第３実施形態では、パターン群２０６Ａとパターン群２０７Ａとが、回転軸線Ｏに対して互いに１８０度回転対称な位置に配置されている。そして、センサヘッド２１１Ａを回転軸線Ｏを中心に１８０度回転させた位置に対して、センサヘッド２１２Ａが直線方向Ｘにずれて配置されている。これにより、パターン群２０６Ａに対するセンサヘッド２１１Ａの相対的な位置に対し、パターン群２０７Ａに対するセンサヘッド２１２Ａの相対的な位置が、直線方向Ｘにずれることになる。
【００５５】
第３実施形態においても、各センサヘッド２１１Ａ，２１２Ａがピッチλの半分の周期で正弦波状のエンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを出力する。即ち、エンコーダ信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが、９０度ずつ位相がずれるように、センサヘッド２１１Ａの１８０度回転対称な位置に対して、センサヘッド２１２Ａを直線方向Ｘにピッチλの１／４だけずらしている。
【００５６】
このように、センサヘッド２１２Ａをピッチλの１／４周期分ずらして配置することで、２つのセンサヘッド２１１Ａ，２１２Ａから得られるＡ相信号Ｓ１ａ，Ｓ２ａ（Ｂ相信号Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ）において、互いに１８０度位相を異ならせることができる。これにより、第１実施形態と同様、電気ノイズＮが重畳した２つのエンコーダ信号の誤差分が打ち消し合い、求まる測定角度θの誤差θｅｒｒを小さくすることができる。
【００５７】
［第４実施形態］
第４実施形態に係る産業機器の一例であるロボットについて説明する。第４実施形態では、上述の第１実施形態で説明したロータリエンコーダを、ロボットに搭載した場合について説明する。図１４は、第４実施形態に係るロボット５００の斜視図である。
【００５８】
図１４に示すように、ロボット５００は、垂直多関節のロボットであり、マニピュレータであるロボット本体６００と、ロボット本体６００の動作を制御するロボット制御装置６５０と、を備えている。
【００５９】
ロボット本体６００は、ロボットアーム６０１と、ロボットアーム６０１の先端に取り付けられたエンドエフェクタの一例であるロボットハンド６０２と、を備えている。ロボットアーム６０１の基端は、台座に固定されている。ロボットハンド６０２は、部品やツール等のワークＷを把持するものである。
【００６０】
ロボットアーム６０１は、各関節Ｊ１〜Ｊ６で回転可能に連結された複数のリンク６１００〜６１０６を有する。第４実施形態では、基端側から先端側に向かって、リンク６１００〜６１０６が順に直列に連結されている。ロボットアーム６０１は、可動範囲の中であれば、任意の３次元位置で任意の３方向の姿勢に、ロボットアーム６０１の先端（ロボットハンド６０２）を向けることができる。
【００６１】
また、ロボットアーム６０１は、関節Ｊｉに配置された駆動装置７００ｉを有している（ｉは１〜６の整数）。ロボットアーム６０１の第１リンクであるリンク６１０ｉ−１と、第２リンクであるリンク６１０ｉとは、関節Ｊｉで回転可能に連結されている。駆動装置７００ｉは、回転軸７１１ｉを有するモータ７１０ｉを有する。リンク６１０ｉは、モータ７１０ｉの駆動力によってリンク６１０ｉ−１に対して相対的に回転する。また、駆動装置７００ｉは、モータ７１０ｉの回転軸７１１ｉの回転位置を測定するように配置され、回転位置を示す信号を出力する、第１実施形態で説明したロータリエンコーダ１００と同様の構成のロータリエンコーダ１００ｉを有する。また、駆動装置７００ｉは、ロータリエンコーダ１００ｉからの回転位置を示す信号を取得してモータ７１０ｉをフィードバック制御する駆動制御部であるモータドライバ７５０ｉを有する。
【００６２】
複数のモータドライバ７５０１〜７５０６は、ロボット制御装置６５０から回転位置の位置指令を受信可能に、ロボット制御装置６５０に配線で接続されている。各モータドライバ７５０ｉは、回転位置が位置指令に近づくように、モータ７１０ｉをフィードバック制御（位置制御）する。各ロータリエンコーダ１００ｉにおける測定誤差が小さくなり、測定精度が向上するので、ロボットアーム６０１の高精度な位置制御を実現することができる。
【００６３】
［第５実施形態］
第５実施形態に係る産業機器の一例であるロボットについて説明する。図１５は、第５実施形態に係るロボットの１つの関節Ｊｉまわりの説明図である。ｉは、第４実施形態と同様、１〜６の整数である。第５実施形態では、駆動装置７００ｉは、モータ７１０ｉ、モータドライバ７５０ｉ及びトルクセンサ８００ｉを有する。第１リンクであるリンク６１０ｉ−１と第２リンクであるリンク６１０ｉとは、駆動装置７００ｉのモータ７１０ｉ及びトルクセンサ８００ｉを介して関節Ｊｉで連結されている。リンク６１０ｉは、リンク６１０ｉ−１に対してモータ７１０ｉの駆動力によって相対的に回転する。トルクセンサ８００ｉは、リンク６１０ｉ−１に対してリンク６１０ｉに作用する、回転軸線Ｏまわりのトルクに応じた信号を、モータドライバ７５０ｉに出力する。モータドライバ７５０ｉは、トルク値に基づいて、モータ７１０ｉを制御する。
【００６４】
図１６は、第５実施形態に係るトルクセンサ８００ｉの斜視図である。トルクセンサ８００ｉは、第２又は第３実施形態で説明したロータリエンコーダ１００Ａ又は１００Ｂと同様の構成のロータリエンコーダ１００Ｃｉを有する。また、トルクセンサ８００ｉは、例えばリンク６１０ｉ−１側に固定される第１支持部である支持部８０４と、例えばリンク６１０ｉ側に固定される第２支持部である支持部８０５とを有する。支持部８０４，８０５は、平板状の部材であり、支持部８０４と支持部８０５とが回転軸線Ｏの延びる方向で互いに対向するように間隔をあけて配置されている。支持部８０４，８０５は、回転軸線Ｏを中心とする円周方向に相対的に変位可能となっている。
【００６５】
支持部８０４と支持部８０５とは、弾性部８０３で連結されている。弾性部８０３は、回転軸線Ｏを中心に放射状に延びる複数の弾性部材である板ばね８０６を有して構成されている。複数の板ばね８０６は、回転軸線Ｏまわりの円周方向に互いに間隔をあけて配置されている。リンク６１０ｉ−１とリンク６１０ｉとの間、即ち支持部８０４と支持部８０５と間に回転軸線Ｏまわりのトルクが作用すると、作用したトルクの大きさに応じた回転量で支持部８０４と支持部８０５とが回転軸線Ｏを中心に相対的に回転変位する。
【００６６】
ロータリエンコーダ１００Ｃｉのパターン群２０６Ａ及びパターン群２０７Ａは、支持部５０４，５０５の一方、例えば支持部８０４に固定されている。ロータリエンコーダ１００Ｃｉのセンサヘッド２１１Ａ及びセンサヘッド２１２Ａは、支持部８０４，８０５の他方、例えば支持部８０５に固定されている。
【００６７】
ロータリエンコーダ１００Ｃｉにおける測定誤差が小さくなり、測定精度が向上するので、ロボットにおいて高精度にトルクを測定することができる。
【００６８】
［第６実施形態］
第６実施形態に係る産業機器の一例であるレーザ加工機について説明する。図１７は、第６実施形態に係るレーザ加工機９００の模式図である。レーザ加工機９００は、レーザ光源９０１と、２軸のガルバノスキャナ９０２と、ｆθレンズ９０３と、を有する。２軸のガルバノスキャナ９０２は、２つの駆動装置７００Ｘ，７００Ｙを有する。
【００６９】
駆動装置７００Ｘは、モータ７１０Ｘと、モータ７１０Ｘの回転軸７１１Ｘの回転位置を示す信号を出力する、第２又は第３実施形態で説明したロータリエンコーダ１００Ａ又は１００Ｂと同様の構成のロータリエンコーダ１００Ｘと、を有する。更に、駆動装置７００Ｘは、第４実施形態で説明したモータドライバ７５０ｉと同様の構成のモータドライバ７５０Ｘを有する。
【００７０】
同様に、駆動装置７００Ｙは、モータ７１０Ｙと、モータ７１０Ｙの回転軸７１１Ｙの回転位置を示す信号を出力する、第２又は第３実施形態で説明したロータリエンコーダ１００Ａ又は１００Ｂと同様の構成のロータリエンコーダ１００Ｙと、を有する。更に、駆動装置７００Ｙは、第４実施形態で説明したモータドライバ７５０ｉと同様の構成のモータドライバ７５０Ｙを有する。
【００７１】
また、２軸のガルバノスキャナ９０２は、レーザ光源９０１から出射されたレーザ光Ｌを反射し、モータ７１０Ｘ，７１０Ｙの駆動力によって回転する２つのミラー９１０Ｘ，９１０Ｙを有する。レーザ光源９０１から出射されたレーザ光Ｌは、ミラー９１０Ｘ，９１０Ｙにて反射され、ｆθレンズ９０３を通過して加工対象物の表面に照射される。
【００７２】
レーザ加工機９００の加工対象物は、例えばプリント配線板Ｂであり、レーザ加工機９００は、プリント配線板Ｂとなる基板に、レーザ光Ｌで穴あけ加工してビアなどを形成する。製造されたプリント配線板Ｂは、デジタルカメラ、携帯電話、スマートフォンなどの携帯電子機器に搭載される。プリント配線板Ｂは、小型化及び高密度化が進んでおり，穴あけ加工においては、小径化及び高精度化の要求が高まっている。そのため、レーザ加工機９００に搭載されているモータ７１０Ｘ，７１０Ｙを高精度に位置決めする必要がある。
【００７３】
第６実施形態においても、電気ノイズがエンコーダ信号に重畳しても、各ロータリエンコーダ１００Ｘ，１００Ｙの測定誤差を低減できる。その結果、ミラー９１０Ｘ，９１０Ｙを高精度に位置決めすることができ，穴あけ加工の精度を向上させることができる。
【００７４】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。
【００７５】
上述の第１〜第６実施形態では，光学式のロータリエンコーダについて説明したが、光学式に限定するものではなく、例えば磁気式のロータリエンコーダについても、本発明は適用可能である。
【００７６】
また、上述の第１実施形態では、センサヘッド２１１とセンサヘッド２１２とが、回転軸線Ｏに対して１８０度回転対称な位置に配置されており、複数のパターン２０２の数が奇数である場合について説明したが、これに限定するものではない。複数のパターン２０２の数を偶数とし、回転軸線Ｏを中心にセンサヘッド２１１を１８０度回転させた位置に対して、センサヘッド２１２をピッチＰの半分だけ円周方向にずらしてもよい。又は、ピッチＰが角度であるので、ピッチＰに相当する距離（角度×半径）の半分だけ、第３実施形態と同様に、回転軸線Ｏの延びる方向及び半径方向Ｒに直交する直線方向にセンサヘッド２１２をずらしてもよい。このように、センサヘッド２１２をずらすことで、パターン２０２に対するセンサヘッド２１１の相対的な位置に対し、パターン２０２に対するセンサヘッド２１２の相対的な位置を、円周方向又は直線方向にずらしてもよい。
【００７７】
また、上述の第２実施形態ではパターン群２０７Ａが、上述の第３実施形態ではセンサヘッド２１２が、直線方向Ｘにずれて配置されている場合について説明したが、回転軸線Ｏを中心とする円周方向にずれて配置されている場合であってもよい。このように、パターン群２０７Ａ又はセンサヘッド２１２を円周方向にずらすことで、パターン群２０６に対するセンサヘッド２１１の相対的な位置に対し、パターン群２０７に対するセンサヘッド２１２の相対的な位置を、円周方向にずらしてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１００…ロータリエンコーダ、２０１…光学スケール（回転部）、２０２…パターン、２１１…センサヘッド（第１センサ部）、２１２…センサヘッド（第２センサ部）、３００…処理回路（処理部）、５００…ロボット、９００…レーザ加工機、Ｏ…回転軸線、Ｐ…ピッチ
【図１】
2019109093.tif 000003
【図２】
2019109093.tif 000004
【図３】
2019109093.tif 000005
【図４】
2019109093.tif 000006
【図５】
2019109093.tif 000007
【図６】
2019109093.tif 000008
【図７】
2019109093.tif 000009
【図８】
2019109093.tif 000010
【図９】
2019109093.tif 000011
【図１０】
2019109093.tif 000012
【図１１】
2019109093.tif 000013
【図１２】
2019109093.tif 000014
【図１３】
2019109093.tif 000015
【図１４】
2019109093.tif 000016
【図１５】
2019109093.tif 000017
【図１６】
2019109093.tif 000018
【図１７】
2019109093.tif 000019