(57)【要約】【課題】球面体の回転方向と回転量を単純な構成で検出するエンコーダを提供する。【解決手段】球面体７の２軸周りの回転方向と回転量を光学的に検出するエンコーダは、２軸１０ｃ、１０ｄの各軸周りに同心円状に形成されたパターン１０ａ、１０ｂを含み、球面体７の表面又は内面に形成された光学スケール１０と、各々が、光を照射する発光素子１３ａと、発光素子１３ａからの光が光学スケールで干渉した光を受光する受光素子１３ｂと、を有する少なくとも一対の読み取り部と、を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面を有する球面体の２軸周りの回転方向と回転量を光学的に検出するエンコーダあって、
前記２軸の各軸周りに同心円状に形成されたパターンを含み、前記球面体の表面又は内面に形成された光学スケールと、
各々が、光を照射する発光素子と、前記発光素子からの前記光が前記光学スケールで干渉した光を受光する受光素子と、を有する少なくとも一対の読み取り部と、
を有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記パターンは、反射部と非反射部を交互に有し、
前記球面体は、前記反射部を形成する反射面を有する金属からなり、前記非反射部はレーザーを前記反射面に照射することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の関節を模した、球面体を利用したアクチュエータが注目されている。このようなアクチュエータを精度良く制御するためには、球面の回転方向と回転量を高精度で検出する小型のセンサが必要である。従来は、球面体にロータや回転検出用の軸を設け、その回転量や移動量を間接的に検出していた（特許文献１や２）。また、特許文献３は、フィルム製の反射スケールを用いて、円筒形状の回転方向と回転量を検出する光学式エンコーダを開示している。
【特許文献１】特開平０７−８７７６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２２４０２９号公報
【特許文献３】特開２００７−６４６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、球面アクチュエータにおいては、球面体にロータや回転検出用の軸などを備えるために、寸法が大きくなり、また、部品点数も多くなっていた。更に、このような方法では、ロータや回転検出用の軸などを備えるために、球面体の回転方向と回転量を直接検出できているわけではない。また、単純に球面体にフィルム製の反射スケールまたは検出ヘッドを備え付けても、２軸の回転を検出することは困難である。以上のように、球面体、または、半球面体等の球面の一部からなる物体を２軸周りに回転駆動させる際に直接、回転方向と回転量を検出することは困難だった。
【０００４】
そこで、本発明は、球面体の回転方向と回転量を単純な構成で検出するエンコーダを提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面としてのエンコーダは、球面を有する球面体の２軸周りの回転方向と回転量を光学的に検出するエンコーダあって、前記２軸の各軸周りに同心円状に形成されたパターンを含み、前記球面体の表面又は内面に形成された光学スケールと、各々が、光を照射する発光素子と、前記発光素子からの前記光が前記光学スケールで干渉した光を受光する受光素子と、を有する少なくとも一対の読み取り部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、球面体の回転方向と回転量を単純な構成で検出するエンコーダを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本実施例の２軸駆動装置の断面図である。２軸駆動装置は、被駆動部材であるミラー（反射部材）２を回転駆動する。ミラー２は、外部の光源からの入射光束１を反射する多角形の形状をした反射面２ａと、反射面２ａの裏面としての被支持面２ｂと、を有する。反射面２ａは、反射コーティングされている。ミラー２の側面は平行板ガラスの役目を果たすように鏡面処理が施されている。ミラー２の被支持面２ｂには、図示しない板バネやベアリングなどが設けられ、２軸回りに回転可能となっている。ミラー２は、多角形柱形状をしているが、円筒形状など形状は特に限定されない。被支持面２ｂには、凹部２ｃが形成されている。
【０００８】
２軸駆動装置は、ピボット支持ピン３と、固定ヨーク（固定部材）４と、磁気駆動部と、エンコーダと、を有する。
【０００９】
ピボット支持ピン３は、Ｚ方向に延びる棒状又は軸部材であり、ミラー２を支持する。ピボット支持ピン３は、先端部３ａ、胴体部３ｂ、末端部３ｃを有する。
【００１０】
先端部３ａは、ミラー２の被支持面２ｂの凹部２ｃに嵌合し、ミラー２と接触する部分であり、円錐形状、円錐台形状、多角錐形状、半球形状などを有する。先端部３ａが凹部２ｃに挿入されることにより、先端部３ａがミラー２とミラー２が回転する場合にも接続することができる。また、先端部３ａの形状により、先端部３ａは、ミラー２の被支持面２ｂに点接触又はそれに近い微小な領域で接触し、ミラー２が接触部を支点として回転又は傾斜することができる。このように、本実施例は、ミラー２の回転の中心をミラー２の被支持面に設けており、両者が離れる場合よりも装置の小型化を図っている。凹部２ｃの形状と大きさは、ミラー２が先端部３ａを支点として回転することができるように設定される。胴体部３ｂは円筒形状や多角柱形状を有し、中心軸はＺ軸に一致する。また、ピボット支持ピン３は、末端部３ｃにおいて、固定ヨーク４の表面４ａに設けられた凹部４ｂに挿入されて固定される。
【００１１】
固定ヨーク４は、Ｚ軸方向に垂直な平板部材である。固定ヨーク４は、ミラー２に対して固定され、従って、ピボット支持ピン３もミラー２に対して固定される。固定ヨーク４は、強磁性体から構成される。固定ヨーク４は、上から見ると円形、矩形又は多角形形状をしているが、その形状は限定されない。固定ヨーク４の表面４ａには、中央に設けられた凹部４ｂと、搭載部４ｃが設けられる。凹部４ｂはピボット支持ピン３の末端部３ｃに係合する形状を有する。搭載部４ｃは、コイル８が固定される部位であり、凹部、貫通穴、その他の係合部として形成される。
【００１２】
磁気駆動部は、ヨーク５、磁石６及びコイル８を有する。磁気駆動部は、ピボット支持ピン３のミラー２と接触する部分（先端部３ａ）を支点としてミラー２を回転させる。磁気駆動部は、磁石６とコイル８とが非接触であり、駆動応答性がよくオイルを使用しない。
【００１３】
ヨーク５は、強磁性体から構成され、中央に中空孔５ａを有するドーナツ形状、中空円板形状又は中空円錐台形状を有する。ヨーク５は、ミラー２の被支持面２ｂに固定される上面５ｂと、上面５ｂの裏面である下面５ｃを有する平板部材である。ヨーク５の下面５ｃは、固定部材４側を向いている。中空孔５ａにはピボット支持ピン３（の胴体部３ｂ）が配置される。中空孔５ａとピボット支持ピン３との間には一定の空隙Ｇ１がある。この空隙Ｇ１のため、ヨーク５は、ミラー２と共にピボット支持ピン３の周りに回転することができる。
【００１４】
ヨーク５の下面５ｃには、磁石６が取り付けられている。磁石６は、中央に中空孔６ａを有するドーナツ形状、中空円板形状又は中空円錐台形状を有する。磁石６は、ヨーク５の下面５ｃに固定される上面６ｂと、上面６ｂの裏面である下面６ｃを有する。磁石６の下面６ｃは、固定部材４側を向いている。中空孔６ａにはピボット支持ピン３（の胴体部３ｂ）が配置される。中空孔６ａとピボット支持ピン３との間には一定の空隙Ｇ２がある。この空隙Ｇ２のため、磁石６は、ヨーク５とミラー２と共にピボット支持ピン３の周りに回転することができる。
【００１５】
図２は、磁石６の概略斜視図である。同図における矢印は磁束である。磁石６は、同図に示すように、ピボット支持ピン３の周りに配置された４つの磁石部６ｄ１、６ｄ２、６ｄ３、６ｄ４を有する。図２に示す磁石６は４極に磁化されているが、各磁石部は離れていてもよい。ピボット支持ピン３に関して反対側にある２つの磁石部、即ち、図２において１８０°回転した位置関係にある磁石部は、Ｎ極とＳ極の向きが同じである。例えば、磁石部６ｄ１と磁石部６ｄ３は上面６ｂ側にＳ極があり、下面６ｃ側にＮ極がある。また、磁石部６ｄ２と磁石部６ｄ４は上面６ｂ側にＮ極があり、下面６ｃ側にＳ極がある。また、ピボット支持ピン３の周りで隣り合う２つの磁石部はＮ極とＳ極の向きが反対である。例えば、磁石部６ｄ１は上面６ｂ側にＳ極があり、下面６ｃ側にＮ極があるが、磁石部６ｄ２は上面６ｂ側にＮ極があり、下面６ｃ側にＳ極がある。
【００１６】
コイル８は、磁石６に対向し、所定の間隔を有して平面状に配列されている。コイル８は、４の自然数倍個設けられている。各コイル８は、熱融着可能な樹脂で覆われた被覆線材をボビンの外周に巻き付けてコイル状に成形し、高温環境下に配置して樹脂を溶かして各線材間を固定し、常温に戻した後でボビンから引き抜いた空心コイルである。図１において、８ａはコイル部であり、８ｂは空心部である。図２において１８０°回転した位置関係にある磁石部に対応するコイル８は一本の線材で形成されて直列接続されている。各磁石部が形成する磁束によって形成される磁気回路（磁路）の方向はコイル８の巻線方向と直交している。このため、直列接続されたコイル８に電流を流すと電磁力を発生させることができる。電磁力の方向はＺ方向の上向きであるＺ１方向又はＺ方向の下向きであるＺ２方向である。
【００１７】
ヨーク５の下面５ｃには、磁石６の周りに樹脂材７が固定されている。樹脂材７は、非磁性体からなる半球体形状を有し、樹脂から構成され、半球体の円形部７ａが開口したお椀形状を有する。半球体は、開口した円形部７ａの側がヨーク５の下面５ｃ側を向き、円形部７ａを規定する縁部７ｂがヨーク５の下面５ｃに固定される。
【００１８】
なお、本実施例は、磁石６をミラー２に固定し、コイル８を固定ヨーク４に固定しているが、これは逆でもよい。即ち、磁石６とコイル８の一方をミラー２と固定ヨーク４の一方に固定し、磁石６とコイル８の他方をミラー２と固定ヨーク４の他方に固定すれば足りる。
【００１９】
樹脂材７は、底部中央に中空孔７ｃを有する。中空孔７ｃにはピボット支持ピン３（の胴体部３ｂ）が配置される。中空孔７ｃとピボット支持ピン３との間には一定の空隙Ｇ３がある。この空隙Ｇ３のため、樹脂材７は、ミラー２と共にピボット支持ピン３の周りに回転することができる。本実施例では、空隙Ｇ１、Ｇ２及びＧ３の図１に示す水平方向の長さは等しく設定されているが、これに限定されない。ヨーク５、磁石６、樹脂材７とミラー２は稼動部を構成している。稼動部は、ピボット支持ピン３により、２軸周りの回転が可能である。
【００２０】
エンコーダは、磁気駆動部によるミラー２の回転量を光学的に検出する。エンコーダは、読み取り部９Ａ、９Ｂと、樹脂材７の半球体の球面７ｄの表面に明暗を持って形成された光学スケール１０を有する。光学スケール１０は、半球体のＺ方向に直交する二軸を中心とする一対のパターンを含む。各パターンに、読み取り部９Ａ又は９Ｂが配置される。読み取り部は、光学スケール１０に光を照射する発光素子と、光が光学スケール１０で干渉して戻る光を受光する受光素子と、を有し、樹脂材７と所定の間隔を持って配列されている。光学スケール１０は、同心円状の反射部と非反射部を交互に有する格子状のパターンである。
【００２１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、樹脂材７と読み取り部９Ａ、９Ｂの側面図である。図３（ａ）は、ミラー２の回転前の状態を示し、図３（ｂ）は、ミラー２の回転後の状態を示している。光学スケールは、樹脂材７の外周に設けられ、ミラー２が２軸方向に回転駆動した際に読み取り部が回転量を読み取ることができる明暗である。光学スケール１０は、２軸周りに回転中心から同心円状に同ピッチでスケールを構成している。読み取り部９Ａ、９Ｂは、互いに直交する位置に配置されている。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、光学スケール１０を軸回りに回転中心から同心円状にスケールを構成することにより、読み取り部９Ａ側が軸回りに回転駆動した際にも直交する読み取り部９Ｂと光学スケール１０との関係が変わらない。読み取り部９Ｂ側が軸回りに回転駆動した際にも光学スケール１０を読み取ることが可能となる。
【００２３】
ここで、エンコーダの原理をより詳細に説明する。図４は、球面体又は半球面体などの球面の一部からなる物体（以下、「球面体」と略する）の２軸周りの回転方向と回転量を光学的に測定するための光学スケールの斜視図である。光学スケールは、測定対象である球面体２０の表面に形成される。球面体２０の表面は金属鏡面反射面であり、スケールパターンとなる非反射部２０ａ、２０ｂが形成される。このとき、球面体２０は、金属鏡面反射面を有する金属、または、表面、もしくは、中空の内部に、金属反射膜等の反射面を設けた部材からなる。スケールパターンとなる非反射部２０ａ、２０ｂの形成には、レーザーマーキングを用いてもよいし、エッチングなどを用いてもよい。
【００２４】
図５は、図３（ａ）に対応する斜視図であり、光学スケール１０を読み取り部９Ａ用の光学スケールパターン１０ａと読み取り部９Ｂ用の光学スケールパターン１０ｂに区別している。光学スケールパターン１０ａと１０ｂは、それぞれ直交する回転軸１０ｃ、１０ｄを回転中心とした同心円状のパターンであって、測定対象である２軸に対して読み取り部９Ａ及び９Ｂが配置される。スケールパターンとなる同心円状パターンの半径は、読み取り部９Ａ及び９Ｂの光センサの構成と球面体の半径から決定できる。
【００２５】
例えば、図６に示されるような、発散光束で照明するための点光源（発光素子）１３ａと、受光素子１３ｂ（検出ピッチ：Ｐ）からなる受光素子と、を備える読み取り部１３を用いる場合を考える。スケールピッチをＰｓとすると、受光素子１３ｂ上にはスケールピッチＰｓの２倍周期にあたる干渉縞が形成される。樹脂材７の球面体の半径をＲとすると、スケールパターンとなる同心円状パターンの半径（Ｒｓ）は、図７を参照すると、以下のように、設定することができる。
【００２６】
【数１】
2009204458.tif 000003
【００２７】
【数２】
2009204458.tif 000004
【００２８】
ここで、θはスケールピッチＰｓがＰｓ＝Ｐ／２を満たすような角度である。また、直交する２軸の回転軸１０ｃ、１０ｄを回転中心とした同心円状パターンが互いに干渉しないようにするために、各軸の所望の可動範囲に対して、同心円状パターンの範囲を適宜設定することもできる。以上のように設定されたパターンを用いれば、２軸の回転移動に対して、それぞれの軸の移動量を独立して検出することが可能である。
【００２９】
つまり、図５に示すように、回転軸１０ｃの周りの回転に対しては、読み取り部９Ｂがパターン１０ｂを読み取り、回転軸１０ｃ周りの回転方向と回転量を検出する。回転軸１０ｃ周りにある角度θａ回転し、更に回転軸１０ｄ周りの回転がある場合は、図８に示すように、同心円状のパターンを用いたことにより、読み取り部９Ａがパターン１０ａを読み取ることができる。図８は、図５に示すエンコーダの動作を説明する図であり、２軸の回転移動に対してそれぞれの軸の移動量を独立して検出することを説明するための断面図である。図８（ａ）は、樹脂材７の回転前の状態を示す断面図、図８（ｂ）は、樹脂材７の回転後の状態を示す断面図である。
【００３０】
球面体の回転により、読み取り部が読み取るパターン１０ａ、１０ｂの半径が小さくなる場合、受光素子１３ｂによる回転検出が困難になる場合がある。例えば、図９に示すように、読み取り部９Ａ、９Ｂに対して１８０°反対の位置に読み取り部９Ｃ、９Ｄを設置することで、読み取り部９Ａ、９Ｂと読み取り部９Ｃ、９Ｄを適宜切換ながら広い範囲の回転検出を行うことが可能になる。ここで、図９は、回転検出範囲の拡大を説明するための側面図であり、図９（ａ）は回転前の状態を示し、図９（ｂ）は回転後の状態を示している。
【００３１】
読み取り部９Ｅ、９Ｆを、図１０に示すように、中空の球面体３０の内部に配置することもできる。１１ａ、１１ｂは、１０ａ、１０ｂに対応する光学スケールのパターンであり、球面体３０の内面に形成される。これにより、更なる省スペース化が可能である。また、この場合、透光性の球面体内部に金属薄膜又は誘電体反射膜等の反射膜を設け、球面体の外部からエンコーダで回転を検出する場合、球面体３０の表面が機械的に磨耗した場合も、パターン自体はその影響を受けずに安定したエンコーダ信号を生成可能である。
【００３２】
なお、エンコーダは反射型に限らず、例えば、中空の球面体に所望のピッチのスリットを形成し、透過型であってもよい。
【００３３】
本実施例によれば、１つのユニットにより同時に２軸方向を駆動、制御することが可能となり、全体のシステムを従来に比べて小型化することが可能となる。また、２つのユニットを厳密に位置決めする必要がなくなるため、システム構築の時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施例の２軸駆動装置の断面図である。
【図２】図１に示す２軸駆動装置の磁石の概略斜視図である。
【図３】図１に示す２軸駆動装置の樹脂材と読み取り部の側面図である。
【図４】図３に示すエンコーダの原理を説明する斜視図である。
【図５】図３（ａ）のエンコーダに対応する斜視図である。
【図６】エンコーダの読み取り部の構造を示す斜視図である。
【図７】エンコーダの光学スケールパターンの構造を説明するための概略図である。
【図８】図５に示すエンコーダの動作を説明する断面図である。
【図９】図５に示すエンコーダの変形例の側面図である。
【図１０】図５に示すエンコーダの別の変形例の斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
９Ａ〜９Ｆ、１３                    読み取り部
１０                                光学スケール
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ      パターン
１０ｃ、１０ｄ                      軸
１３ａ                              発光素子
１３ｂ                              受光素子
【図４】
2009204458.tif 000005
【図１】
2009204458.tif 000006
【図２】
2009204458.tif 000007
【図３】
2009204458.tif 000008
【図５】
2009204458.tif 000009
【図６】
2009204458.tif 000010
【図７】
2009204458.tif 000011
【図８】
2009204458.tif 000012
【図９】
2009204458.tif 000013
【図１０】
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