编码器、带编码器的马达、伺服系统的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型提供编码器、带编码器的马达、伺服系统，能够实现编码器的高分辨率化。编码器(100)具有：多个槽隙轨道(SI1、SI2)，它们分别具有沿测定方向排列的多个槽隙；光源(121)，其构成为向多个槽隙轨道(SI1、SI2)射出光；受光阵列(PI2)，其构成为接受被具有增量图案的槽隙轨道(SI2)反射的光；以及受光阵列(PI1)，其构成为接受被具有间距比槽隙轨道(SI2)的增量图案长的增量图案的槽隙轨道(SI1)反射的光，并且所述受光阵列(PI1)在宽度方向(R)上的长度(WPI1)比受光阵列(PI2)的长度(WPI2)短。
【专利说明】编码器、带编码器的马达、伺服系统
【技术领域】
[0001] 公开的实施方式涉及编码器、带编码器的马达、伺服系统。
【背景技术】
[0002] 专利文献1中记载了一种绝对型编码器，其具有：旋转板，在该旋转板设置有多个 光学图案，所述多个光学图案能够在旋转了 1周时输出2个周期以上的不同周期的信号；以 及光学式检测部，其具备多个光传感器，所述多个光传感器接受透过各光学图案的光线。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献1 :日本特开2009-294073号公报
[0005] 在上述现有技术中，为了实现编码器的高分辨率化，虽然期望使光学式检测部的 各光传感器的配置形式最优化，但没有被特别考虑过。 实用新型内容
[0006] 本实用新型正是鉴于这样的问题点而完成的，其目的在于提供能够实现高分辨率 化的编码器、带编码器的马达、伺服系统。
[0007] 为了解决上述课题，根据本实用新型的一个观点，应用一种编码器，其具有：多个 槽隙轨道，它们分别具有沿测定方向排列的多个槽隙；光源，其构成为向所述多个槽隙轨道 射出光；第1受光阵列，其构成为接受被具有增量图案的所述槽隙轨道反射或者透过的光； 以及第2受光阵列，其构成为接受被具有间距比其他增量图案长的增量图案的所述槽隙轨 道反射的光，并且所述第2受光阵列在与所述测定方向垂直的宽度方向上的尺寸比所述第 1受光阵列小。
[0008] 此外，为了解决上述课题，根据本实用新型的另一观点，提供一种带编码器的马 达，其具备：可动体相对于固定体移动的直线马达、或者、转子相对于定子旋转的旋转式马 达；以及上述的编码器，其构成为检测所述可动体或所述转子的位置和速度中的至少一方。
[0009] 此外，为了解决上述课题，根据本实用新型的另一观点，提供一种伺服系统，其具 备：可动体相对于固定体移动的直线马达、或者、转子相对于定子旋转的旋转式马达；上述 的编码器，其构成为检测所述可动体或所述转子的位置和速度中的至少一方；以及控制装 置，其构成为根据所述编码器的检测结果控制所述直线马达或者所述旋转式马达。
[0010] 实用新型效果
[0011] 根据本实用新型的编码器等，能够实现高分辨率化。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是用于对一个实施方式的伺服系统进行说明的说明图。
[0013] 图2是用于对该实施方式的编码器进行说明的说明图。
[0014] 图3是用于对该实施方式的盘进行说明的说明图。
[0015] 图4是用于对该实施方式的槽隙轨道进行说明的说明图。
[0016] 图5是用于对该实施方式的光学模块和受光阵列进行说明的说明图。
[0017] 图6是用于对该实施方式的位置数据生成部进行说明的说明图。
[0018] 图7是用于对由该实施方式的盘表面的凹凸引起的漫反射进行说明的说明图。
[0019] 图8是用于对由凸部引起的漫反射成分的方向性进行说明的说明图。
[0020] 图9是用于对从X轴正方向观察到的漫反射成分的强度分布进行说明的说明图。
[0021] 图10是用于对从Z轴正方向观察到的漫反射成分的强度分布进行说明的说明图。
[0022] 图11是用于对第1变形例的光学模块和受光阵列进行说明的说明图。
[0023] 图12是用于对第2变形例的光学模块和受光阵列进行说明的说明图。
[0024] 图13是用于对第3变形例的光学模块和受光阵列进行说明的说明图。
[0025] 标号说明
[0026] 100 :编码器；
[0027] 120 :光学模块；
[0028] 121 :光源；
[0029] C :测定方向；
[0030] CT :控制装置；
[0031] cil:中心位置；
[0032] ci2:中心位置；
[0033] gPAl :最短距离；
[0034] gPA2 :最短距离；
[0035] gPI :最短距离；
[0036] gPIl :最短距离；
[0037] gPI2 :最短距离；
[0038] LPI2 :长度；
[0039] M:马达；
[0040] PA:受光阵列；
[0041] PA1、PA2 :受光阵列；
[0042] PI1 :受光阵列；
[0043] PI2 :受光阵列；
[0044] S :伺服系统；
[0045] SA1 :槽隙轨道；
[0046] SA2 :槽隙轨道；
[0047] SI1:槽隙轨道；
[0048] SI2 :槽隙轨道；
[0049] SM :伺服马达。
【具体实施方式】
[0050] 以下，参照附图对一个实施方式进行说明。
[0051] 另外，以下说明的实施方式的编码器能够应用于旋转式（旋转类型）和直线式 (直线类型）等各种各样的类型的编码器。在下文中，为了容易理解编码器，以旋转式的编 码器为例进行说明。在应用于其他类型的编码器的情况下，能够通过将被测定对象从旋转 式的盘（disk)变更成直线式的直线标尺等适当的变更来实现，因此省略详细说明。
[0052] < L伺服系统〉
[0053] 首先，参照图1对本实施方式的伺服系统的结构进行说明。如图1所示，伺服系统 S具有伺服马达SM和控制装置CT。伺服马达SM具有编码器100和马达M。
[0054] 马达M是不包括编码器100的动力发生源的一例。马达M是转子（省略图示）相 对于定子（省略图示）旋转的旋转式马达，通过使固定于转子的轴SH绕轴心AX旋转来输 出旋转力。
[0055] 另外，虽然有时也将马达M单体称作伺服马达，但在本实施方式中，将包括编码器 100的结构称作伺服马达SM。也就是说，伺服马达SM相当于带编码器的马达的一例。在下 文中，为了便于说明，对带编码器的马达是以追随位置、速度等目标值的方式进行控制的伺 服马达的情况进行说明，但未必限定于伺服马达。关于带编码器的马达，例如在仅用于显示 编码器的输出的情况下等，只要附加设置了编码器，就还包括伺服系统以外使用的马达。
[0056] 并且，马达M只要是编码器100能够检测例如位置数据等的马达，就不特别限定。 并且，马达M不限定于使用电力作为动力源的电动式马达的情况，例如也可以是液压式马 达、空气式马达、蒸气式马达等使用其他动力源的马达。但是，为了便于说明，在下文中对马 达M为电动式马达的情况进行说明。
[0057] 编码器100连结在马达M的与轴SH的旋转力输出侧相反的一侧。但是，未必限定 于相反侧，编码器1〇〇也可以连结在轴SH的旋转力输出侧。并且，编码器100例如也可以 经由减速器、旋转方向变换器等其他机构而连结。编码器100通过检测轴SH(转子）的位 置来检测马达M的位置（也称作旋转角度。），并输出表示该位置的位置数据。
[0058] 编码器100也可以在马达M的位置的基础上或代替马达M的位置，检测马达M的速 度（也称作旋转速度、角速度等。）和马达M的加速度（也称作旋转加速度、角加速度等。） 中的至少一方。在该情况下，马达M的速度和加速度例如能够通过以时间的方式对位置进 行1阶或2阶微分、或者在规定的时间对检测信号（例如后述的增量信号）进行计数等处 理来检测。为了便于说明，在下文中以编码器100检测的物理量为位置的情况进行说明。
[0059] 控制装置CT取得从编码器100输出的位置数据，根据该位置数据对马达M的旋转 进行控制。因此，在使用电动式马达作为马达M的本实施方式中，控制装置CT根据位置数据 对施加于马达M的电流或电压等进行控制，由此控制马达M的旋转。此外，控制装置CT也 可以从上位控制装置（未图示）取得上位控制信号，并以从马达M的轴SH输出能够实现该 上位控制信号所表示的位置等的旋转力的方式来控制马达M。另外，在马达M使用液压式、 空气式、蒸气式等其他动力源的情况下，控制装置CT能够通过对所述动力源的供给进行控 制来控制马达M的旋转。
[0060] < 2?编码器>
[0061] 接下来，对本实施方式的编码器100进行说明。如图2所示，编码器100具有盘 110、光学模块120和位置数据生成部130。
[0062] 这里，为了便于说明编码器100的构造，如下那样定义上下等方向并适当使用。在 图2中，将盘110面向光学模块120的方向、即Z轴正方向作为"上"，将Z轴负方向作为 "下"。但是，该方向根据编码器100的设置方式而变动，并不限定编码器100的各结构的位 置关系。
[0063] (2-1?盘）
[0064] 盘110如图3所示地形成为圆板状，盘中心0被配置成与轴心AX大致一致。盘 110与马达M的轴SH连结，借助轴SH的旋转而旋转。另外，在本实施方式中，作为对马达 M的旋转进行测定的被测定对象的例子，列举圆板状的盘110为例进行说明，但例如也可以 使用轴SH的端面等其他部件作为被测定对象。并且，在图2所示的例子中，盘110与轴SH 直接连结，但也可以经由枢毂等连结部件连结。
[0065] 如图3所示，盘110具有多个槽隙轨道（slit track)SAl、SA2、SI1、SI2。盘110 与马达M的驱动一起旋转，但光学模块120与盘110的一部分对置并固定地配置。因此，槽 隙轨道SA1、SA2、SI1、SI2和光学模块120随着马达M的驱动而相互在测定方向（图3所 示的箭头C的方向。以下适当记载为"测定方向C"。）上相对移动。
[0066] 这里，"测定方向"是指利用光学模块120对形成于盘110的各槽隙轨道进行光学 测定时的测定方向。如本实施方式那样，在被测定对象为盘110的旋转式的编码器中，测定 方向与以盘110的中心轴为中心的圆周方向一致，但例如在被测定对象为直线标尺、可动 体相对于固定体移动的直线式的编码器中，测定方向为沿着直线标尺的方向。另外，"中心 轴"是指盘110的旋转轴心，在盘110和轴SH同轴地连结的情况下，与轴SH的轴心AX - 致。
[0067] (2-2?光学检测机构）
[0068] 光学检测机构具有槽隙轨道SA1、SA2、SI1、SI2和光学模块120。各槽隙轨道形成 为在盘110的上表面呈以盘中心〇为中心的环状配置的轨道。各槽隙轨道遍布轨道整周地 具有沿测定方向C排列的多个反射槽隙（图4的斜线阴影部分）。一个个反射槽隙反射从 光源121照射来的光。
[0069] (2-2-1?盘）
[0070] 盘110例如由金属等反射光的材质形成。并且，在盘110的表面的不反射光的部 分通过涂布等配置反射率低的材质（例如氧化铬等），由此在未配置的部分形成反射槽隙。 另外，也可以利用溅射等使不反射光的部分为粗糙面来降低反射率，由此形成反射槽隙。
[0071] 另外，对于盘110的材质、制造方法等，不特别限定。例如，也可以利用玻璃、透明 树脂等透光的材质形成盘110。在该情况下，能够通过蒸镀等在盘110的表面配置反射光的 材质（例如铝等），从而形成反射槽隙。
[0072] 槽隙轨道在盘110的上表面在宽度方向（图3所示的箭头R的方向。以下适当记 载为"宽度方向R"。）上并排设置有4条。另外，"宽度方向"是指盘110的半径方向、即与 测定方向C大致垂直的方向，沿着该宽度方向R的各槽隙轨道的长度相当于各槽隙轨道的 宽度。4条槽隙轨道从宽度方向R的内侧朝向外侧按照SA1、SI1、SI2、SA2的顺序呈同心圆 状配置。为了对各槽隙轨道进行更详细的说明，在图4中示出盘110的与光学模块120对 置的区域附近的局部放大图。
[0073] 如图4所示，槽隙轨道SA1、SA2所具有的多个反射槽隙以在测定方向C上具有绝 对图案的方式配置在盘110的整周。
[0074] 另外，"绝对图案"是指与后述的光学模块120所具有的受光阵列对置的角度内的 反射槽隙的位置、比例等在盘110旋转1周内唯一确定那样的图案。也就是说，例如，在图 4所示的绝对图案的例子的情况下，当马达M在某个角度位置时，基于对置的受光阵列的多 个受光元件各自的检测或未检测的位元图案的组合能够唯一表示该角度位置的绝对位置。 另外，"绝对位置"是指在盘110旋转1周内的相对于原点的角度位置。原点设定在盘110 旋转1周内的适当的角度位置，以该原点为基准来形成绝对图案。
[0075] 另外，根据该图案的一例，能够生成利用受光阵列的受光元件数的位元一维地表 示马达M的绝对位置那样的图案。但是，绝对图案不限定于该例。例如，也可以是利用受光 元件数的位元多维地表示的图案。并且，除了规定的位元图案以外，也可以是由受光元件接 受的光量、相位等物理量以唯一表示绝对位置的方式变化的图案，或者是对绝对图案的符 号系列实施调制后的图案等，此外也可以是各种各样的图案。
[0076] 另外，在本实施方式中，同样的绝对图案在测定方向C上被偏置例如1位元的1/2 的长度，形成为2条槽隙轨道SA1、SA2。该偏置量例如相当于槽隙轨道SI1的反射槽隙的 间距P1的一半。假设在不这样地构成为使槽隙轨道SA1、SA2偏置的情况下，存在如下可能 性。也就是说，在利用本实施方式这样的一维的绝对图案表示绝对位置的情况下，在受光阵 列PA1、PA2的各受光元件位于与反射槽隙的端部附近对置的位置而实现的位元图案的转 变点（变打*9目）的区域，绝对位置的检测精度有可能降低。在本实施方式中，由于使槽隙 轨道SA1、SA2偏置，因此，例如，在基于槽隙轨道SA1的绝对位置相当于位元图案的转变点 的情况下，使用来自槽隙轨道SA2的检测信号计算绝对位置，或者相反地进行，由此能够提 高绝对位置的检测精度。另外，在为这样的结构的情况下，需要使2个受光阵列PA1、PA2的 受光量均一，但在本实施方式中由于将2个受光阵列PA1、PA2配置在相对于光源121大致 相等距离的位置，所以能够实现上述结构。
[0077] 另外，代替使槽隙轨道SA1、SA2的各绝对图案彼此偏置，例如也可以不使绝对图 案彼此偏置，而是使分别与槽隙轨道SA1、SA2对应的受光阵列PA1、PA2彼此在测定方向C 上偏置。
[0078] 另一方面，槽隙轨道SI1、SI2所具有的多个反射槽隙以在测定方向C上具有增量 图案的方式配置在盘110整周。
[0079] 如图4所示，"增量图案"是指以规定的间距规则地重复的图案。这里，"间距"是 指具有增量图案的槽隙轨道SI1、SI2的各反射槽隙的配置间隔。如图4所示，槽隙轨道SI1 的间距为P1，槽隙轨道SI2的间距为P2。增量图案与将多个受光元件的检测的有无分别作 为位元来表示绝对位置的绝对图案不同，利用至少1个以上的受光元件的检测信号的和来 表示每1个间距或者1个间距内的马达M的位置。因此，增量图案不是表示马达M的绝对 位置，但与绝对图案相比，能够非常高精度地表示位置。
[0080] 在本实施方式中，槽隙轨道SI1的间距P1设定得比槽隙轨道SI2的间距P2长。在 本实施方式中，以PI = 2XP2的方式设定各间距。即，槽隙轨道SI2的反射槽隙的数量是 槽隙轨道SI1的反射槽隙的数量的2倍。然而，该槽隙间距的关系不限定于该例，例如可以 取3倍、4倍、5倍等各种各样的值。
[0081] 另外，在本实施方式中，槽隙轨道SA1、SA2的反射槽隙在测定方向C上的最小长度 与槽隙轨道SI1的反射槽隙的间距P1 -致。其结果是，基于槽隙轨道SA1、SA2的绝对信号 的分辨率与槽隙轨道SI1的反射槽隙的数量一致。然而，最小长度不限定于该例，槽隙轨道 SI1的反射槽隙的数量优选设定为与绝对信号的分辨率相同或者比其多。
[0082] (2-2-2?光学模块）
[0083] 如图2和图5所示，光学模块120形成为与盘110平行的一张基板BA。由此，能 够使编码器100薄型化，并容易制造光学模块120。因此，随着盘110的旋转，光学模块120 相对于槽隙轨道341、342、311、312在测定方向（：上相对移动。另外，光学模块120未必一 定构成为一张基板BA，各结构也可以构成为多张基板。在该情况下，这些基板集中地配置即 可。并且，光学模块120也可以不是基板状。
[0084] 如图2和图5所示，光学模块120在基板BA的与盘110对置的面上具有光源121 和多个受光阵列PA1、PA2、PI1、PI2。
[0085] 如图3所示，光源121配置在与槽隙轨道SI1和槽隙轨道SI2之间对置的位置。而 且，光源121向通过光学模块120所对置的位置的4个槽隙轨道SA1、SA2、SI1、SI2的对置 的部分射出光。
[0086] 作为光源121，只要是能够向照射区域照射光的光源就不特别限定，例如可以使用 LED (Light Emitting Diode，发光二极管）。光源121特别构成为未配置光学透镜等的点光 源，从发光部射出扩散光。另外，在"点光源"的情况下，不必是严格的点，只要是视为在设 计上或工作原理上从大致点状的位置发出扩散光的光源，也可以从有限的射出面发出光。 并且，"扩散光"不限定于从点光源向全部方位放出的光，包括向有限的一定的方位扩散并 射出的光。即，这里所说的扩散光，只要是比平行光具有扩散性的光就包括在内。通过这样 地使用点光源，光源121能够使光大致均等地照射到通过对置的位置的4个槽隙轨道SA1、 SA2、SI1、SI2。并且，由于不进行基于光学元件的聚光和扩散，因此不易产生光学元件引起 的误差等，能够提高光向槽隙轨道的直线行进性。
[0087] 多个受光阵列PA1、PA2、PI1、PI2配置在光源121的周围，并具有分别接受被对应 的槽隙轨道的反射槽隙反射的光的多个受光元件（图5的点阴影部分）。多个受光元件如 图5所示地沿测定方向C排列。
[0088] 另外，从光源121射出的光为扩散光。因此，被投影到光学模块120上的槽隙轨道 的像以与光路长度对应的规定的放大率e被放大。也就是说，如图4和图5所示，若设槽 隙轨道SA1、SA2、SI1、SI2各自在宽度方向R上的长度为WSA1、WSA2、WSI1、WSI2,设它们 的反射光投影到光学模块120的形状在宽度方向R上的长度为WPA1、WPA2、WPI1、WPI2,则 硏^1、'^^2、'^11、'^12为1541、1542、'^11、1512的￡倍的长度。另外，在本实施方式中， 如图5所示，示出各受光阵列的受光元件在宽度方向R上的长度被设定为与各槽隙投影到 光学模块120的形状大致相等的例子。但是，受光元件在宽度方向R上的长度未必限定于 该例子。例如，对于受光阵列PA1、PA2,也可以使各受光元件在宽度方向R上的长度不同。
[0089] 同样地，光学模块120上的测定方向C也成为盘110上的测定方向C投影到光学 模块120的形状、即受到放大率e的影响的形状。为了容易理解，如图2所示地列举光源 121的位置处的测定方向C为例进行具体说明。盘110的测定方向C为以轴心AX为中心的 圆状。与此相对，投影到光学模块120上的测定方向C的中心位于从盘110的配置有光源 121的面内位置即光学中心Op离开距离eL的位置。距离eL为轴心AX和光学中心Op之 间的距离L被以放大率e放大后的距离。在图2中，概念地将该位置作为测定中心Os而 示出。因此，光学模块120的测定方向C位于以测定中心Os为中心、以距离eL为半径的 线上，该测定中心Os从光学中心Op在该光学中心Op和轴心AX所通过的线上向轴心AX方 向离开距离e L。
[0090] 在图4和图5中，用圆弧状的线Led、Lcp表示盘110和光学模块120各自的测定 方向C的对应关系。图4所示的线Led表示沿着盘110上的测定方向C的线，另一方面，图 5所示的线Lcp表示沿着基板BA上的测定方向C的线（线Led被投影到光学模块120上的 线）。
[0091] 如图2所示，在设光学模块120和盘110之间的间隔长为G，设光源121从基板BA 突出的突出量为Ad的情况下，放大率e用下述（式1)表示。
【权利要求】
1. 一种编码器，其特征在于，该编码器具有： 多个槽隙轨道，它们分别具有沿测定方向排列的多个槽隙； 光源，其构成为向所述多个槽隙轨道射出光； 第1受光阵列，其构成为接受被具有增量图案的所述槽隙轨道反射或者透过的光；以 及 第2受光阵列，其构成为接受被具有间距比其他增量图案长的增量图案的所述槽隙轨 道反射的光，并且所述第2受光阵列在与所述测定方向垂直的宽度方向上的尺寸比所述第 1受光阵列小。
2. 根据权利要求1所述的编码器，其特征在于， 所述第1受光阵列被配置成相对于所述光源的光轴的最短距离比从该光轴到所述第2 受光阵列的最短距离小。
3. 根据权利要求1所述的编码器，其特征在于， 所述第1受光阵列被配置成，从所述光源的光轴到所述第1受光阵列的中心位置的距 离比从所述光轴到所述第2受光阵列的中心位置的距离小。
4. 根据权利要求2所述的编码器，其特征在于， 所述第1受光阵列被配置成，从所述光源的光轴到所述第1受光阵列的中心位置的距 离比从所述光轴到所述第2受光阵列的中心位置的距离小。
5. 根据权利要求1?4中任一项所述的编码器，其特征在于， 所述第1受光阵列在所述测定方向上的尺寸比所述第2受光阵列大。
6. 根据权利要求1?4中任一项所述的编码器，其特征在于， 所述编码器还具有2个第3受光阵列，所述2个第3受光阵列被配置成：以在所述宽度 方向上将所述光轴夹在它们之间的方式对称，并分别接受被具有绝对图案的所述槽隙轨道 反射或者透过的光， 所述第1受光阵列和所述第2受光阵列在所述宽度方向上配置在所述2个第3受光阵 列之间。
7. 根据权利要求6所述的编码器，其特征在于， 所述第1受光阵列和所述第2受光阵列在所述宽度方向上以将所述光轴夹在它们之间 的方式配置， 所述第1受光阵列、所述第2受光阵列、所述第3受光阵列被配置成：所述第1受光阵 列与所述第2受光阵列的最短距离比所述第1受光阵列与第3受光阵列的最短距离以及所 述第2受光阵列与第3受光阵列的最短距离小。
8. 根据权利要求1?4中任一项所述的编码器，其特征在于， 所述光源是构成为向所述多个槽隙轨道射出扩散光的点光源， 所述槽隙轨道所具有的各所述槽隙构成为反射从所述点光源射出的光， 所述第1受光阵列、所述第2受光阵列、第3受光阵列构成为分别接受被所述槽隙轨道 反射的光。
9. 一种带编码器的马达，其特征在于，该带编码器的马达具备： 可动体相对于固定体移动的直线马达、或者、转子相对于定子旋转的旋转式马达；以及 权利要求1?8中任一项所述的编码器，其构成为检测所述可动体或所述转子的位置 和速度中的至少一方。
10. -种伺服系统，其特征在于，该伺服系统具备： 可动体相对于固定体移动的直线马达、或者、转子相对于定子旋转的旋转式马达； 权利要求1?8中任一项所述的编码器，其构成为检测所述可动体或所述转子的位置 和速度中的至少一方；以及 控制装置，其构成为根据所述编码器的检测结果控制所述直线马达或者所述旋转式马 达。
【文档编号】H02K11/00GK204188180SQ201420652640
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】吉田康, 松谷泰裕, 吉冨史朗, 高田裕司, 有永雄司, 室北几磨, 原田正信, 近藤宏树 申请人:株式会社安川电机