JP4083797B2 - Optically programmed encoder apparatus and method - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
１．発明の分野 本発明は、一般に、光学的エンコーダ装置および方法に関し、より詳細には、電気機械的装置の物理的な動きを、その装置を駆動し制御するために使用できる有意義な電気信号に変換する光学的エンコーダに関する。そのような装置と方法の１つの重要な用途は、モータの動作の制御に関係するものである。
【０００２】
【従来技術】
２．発明の背景
本発明に最も関連する背景技術は、モータの制御と整流の分野にある。しかしながら、本発明はこの分野に制限されないことを理解されたい。本発明の最も重要な用途がモータの動作の制御に関連しているため、以下の説明は、主にその分野に関連する。
本発明は、モータの標準的な動作効率を付加的に改善または強化することができる、交流モータの簡単な可変速度制御装置および方法として実施することができる。この実施例は、単相と多相の交流誘導モータの光−電気間の直接的な整流にかかわるものであるが、他の交流モータやブラシレス直流モータにも利用することができる。
一般に、交流誘導モータの整流は、交流電力周波数を使用して適切な固定子巻線に誘導電流を提供し、電流を誘導する磁束を発生させ、その結果、電機子の巻線に磁束を発生させる。適切に同期または整合されたとき、２つの磁束の間に、電機子を動かすトルクまたは力が生じる。
【０００３】
電機子の運動、すなわちモータ速度は、特定の電圧レベルにおける入力電力の周波数に正比例する。通常は、交流モータの入力電圧と周波数は固定されるので、電機子の速度が固定される。交流誘モータでは、固定子と電機子の周波数の間に、あるレベルの「周波数スリップ」が発生する。すなわち、電機子の速度が、固定子の磁界の速度よりも遅い。電機子の速度の制御は、様々な周波数、電圧、極数、巻線または位相の数、スリップ量などを適切に調整することによって達成することができる。
【０００４】
交流モータ（またはブラシレス直流モータ）の速度を変化させ制御する現在の方法は、通常、分析、調整、変更、形成などを行うフィードバックまたは入力信号を、マイクロプロセッサ、インバータまたはベクトル制御装置およびドライバに供給して、モータに必要な周波数、電圧および電力と一致させる何種類かのモータ結線速度感知装置を必要とする。マイクロプロセッサ、インバータまたはベクトル駆動機構からの信号によって、周波数、電力パルス幅、電流と電圧の振幅、位相、またはそのようなパラメータの様々な組み合わせが制御される。これらの従来の方法は、一般に、複雑で、コストが高く、手間がかかる。これは、一般に、速度感知入力装置または方法と、分析信号と制御信号の別々の整形装置と、電力出力用ドライバとを必要とし、これらはすべて、互いに適切に接続し同期させなければならない。
【０００５】
本発明は、少ないエネルギーを使用しながら、信号装置を使用して、速度を感知、分析、制御し、さらにトルクと出力を改善する点で、前述の方法と異なる。
本発明は、他の方法と同様に、モータの速度を入力電力周波数と電圧と関連付けるが、この関連付けを、他の速度変更方法によって使用される構成要素をほとんど使用せずに達成する。本発明のエンコーダは、新規な「光学的プログラム機能」の概念を利用して、少ないエネルギーを使用しながら、直接整流により、モータ速度、方向、スリップ、位相を、整合、適合、分析、制御し、さらに、トルクと出力を改善する。
他にも、直流モータの整流制御のために光学的エンコーダを使用する方法が開示されている。しかしながら、そのような方法においては、発光体、検出器およびエンコーダ・ディスクなどの使用される光学要素は、抵抗的、磁気的または「電気的」に変化する素子であってもよい。というのは、そのような方法は、単に光の強さを増減、すなわち光経路を閉じたり開けたりして、正弦波または方形波出力を作り出す、一次元だけの光学的「シャッタ」に関係するためである。そのような波形は、非光学要素によっても同様に作成することができる。
セワード（Seward）の米国特許第３，１９３，７４４号、イマムラ（Imamura）の米国特許第４，１６０，２００号、テレル（Terrell）の米国特許第４，２２４，５１５号、ベール（Veale）の米国特許第４，４２９，２６７号、ホー（Ho）の米国特許第４，５９９，５４７号およびドラン（Dolan）他の米国特許第５，１０３，２２５号は、固定ディスク、マスクまたは網線と組み合わせて動作する回転エンコーダ・ディスクを使って正弦波信号波形を作成する光学的エンコーダを開示している。また、ボルン（Born）の米国特許第４，３５３，０１６号、リー（Lee）の米国特許第４，８８２，５２４号、およびブラスター（Blaster）他の米国特許第５，１９８，７３８号は、固定したマスクも網線なしに、整流と回転速度計機能に使用するための方形パルスを生成する符号化・ディスクまたはホイールだけを使用する光学的エンコーダの使用を開示している。最後に、ウェバー（Webber）の米国特許第５、１７７、３９３号は、直流ブラシレス・モータの整流に使用される、正弦波パターンで印刷された反射型エンコーダ・ディスクを使った光学的エンコーダを開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの特許に示されたエンコーダはすべて、モータの整流信号の波形を所望の形状に光学的に整形して、モータの速度、方向、スリップ、位相、トルクおよび出力の制御を最適化できないという点で制限されている。すなわち、これらの方法は、「光学的にプログラム可能」ではない。さらに、これらの特許に提案されたエンコーダの多くは、方形波駆動信号を発生させてその信号をモータの磁極と巻線と整合させるために、付加的な整流「制御」成分を必要とする。さらに、前述の特許のエンコーダはすべて、すべての光学要素の物理的配置、サイズ、形状および相互作用に依存する。最後に、これらの特許のエンコーダは、設計の柔軟性や、実際的かつ手頃な実施例を提供しない。
【０００７】
本発明の装置と方法は、装置の機械的動作を直接感知して、その装置または他の制御素子と適合するプログラムされた電気信号に解釈または変換することができる光学的エンコーダを「光学的プログラム可能」な装置として使用する。このエンコーダは、所定の光学的関数を実現し、ほとんどすべての算術的または代数的な波形関数を表すように図形的または幾何学的に整形することができる光学要素を含むという点で、光学的にプログラムされる。このエンコーダは、光学的関数の変換である所定の波形を有する少なくとも１つの電気信号を作成することができる。電気信号は、エンコーダが結合された装置の「周期的」運動の結果直接生じろため、それを利用して、（通常のエンコーダのように）制御し、（マイクロプロセッサのように）整形、強化し、（コンバータのように）修正して整流し、（増幅器のように）変化させることができる。本出願の目的上、「周期的」という用語は、制限されることなく、反復運動、周期的運動、回転運動、往復運動、および弦運動を含むことを意図する。
本発明の装置および方法の能力は、提案する方法および装置とは別に、光学的プログラミングによって、本発明を構成するほとんどの任意の算術的または代数的な電子出力波形パターンを作成、整形、修正、制御することである。
【０００８】
３．発明者の理念 エンコーダと符号化に関する私の見解、手法および展望は、電子回路および電気回路にきわめて類似している。特に、私は、光学的符号化（ＯＥ：optical encoding）は、集積回路（ＩＣ）が約３０〜４０年前に電子回路にとってそうであったような入口にあると考える。ＩＣは、いろいろな意味で、単に従来の電子回路の再パッケージングであった。この再パッケージングは、最初、既存の電子回路や部品などを使って、より小さくてよりコスト効率の高い単一の有用なデバイスに統合しただけであった。しかしながら、その単純な「再パッケージング」は、革命的なほど急速に発展し、既存の回路の単なる再パッケージングではなく、事実上、新しい市場、産業、および電子回路を作り出した。そのような回路の多くは、ＩＣより以前には単に概念化されたり数学的に提示されたりしただけであり、いくつかの事例では考えられさえしなかった。しかし、この単一製品への「再パッケージング」または統合によって、そのような回路が可能にされた。
私は、符号化方法の私の手法、具体的には光学的符号化は、同じ様な入口にあると考える。今日、様々な光学的符号化技術が存在するが、私の一般的な手法が行うような、単一、または最小化された安価な小型製品への「再パッケージング」は、同様の可能性のシナリオを提供するものである。
【０００９】
類似性をさらに示すために、私は、今回、単一のＯＥパッケージにおいて、光学的符号化に、これまで利用されなかった新しい用途の可能性を提供し、またはいくつかの事例では、この「単一製品方法」によって構想される「光学的プログラミング」方法を開発した。ＩＣと同様に、いくつかの事例では、このような多くの応用例は、すでに他の形でまたは他の多数の部品を使用することにより存在している。私の方法と手法は、これらを単一製品に統合した。しかしながら、ＩＣと同様に、私は、これまで数学的に提示されたに過ぎないか、実際に構成することができなかった概念を実現化した。
さらに、私は、同様に、私の新しい「ＩＣ手法」以前には調査されず企図されなかった付加的な新しい概念と応用例を創造し考案した。光学的エンコーダ（ＯＥ）と関連して私が開発したこの「光学的プログラム機能」（ｏｐ）は、マイクロプロセッサが、単一ＩＣチップ上に、様々な能力、適合性および「プログラム機能」を提供する独特な一連の電子回路であるという点で、一種のマイクロプロセッサ（μｐ）に例えることができる。
私は、同様に、マイクロプロセッサのような「プログラム機能」や様々な応用機能、処理能力を開発したが、単一の凝集パッケージ（ＩＣのような）に統合した。私の方法を、集積回路、マイクロプロセッサとに類似させているのは、光学的符号化、光学的プログラミング、一般的能力を１つのパッケージに等化するこの新規で固有の概念である。ＩＣが、電子的用途や能力さらに産業の新しい概念を切り開くマイクロプロセッサの発展と作成に役だったように、光学的符号化と光学的プログラム機能も役立つはずである。
したがって、私の論点は、光学的符号化と光学的プログラミングの本発明および概念は、集積回路とマイクロプロセッサが約３０〜４０年前にあった状況にあるということである。能力、機能、生産物および産業の限界と範囲は、まさに今、私の手法によってわずかに切り開かれているに過ぎない。
この概念と生産物の可能性をきわめて刺激的で独特で無限にするのは光学的にプログラムされたエンコーダに対して私が抱くこの普遍的で一般的な期待である。
【００１０】
発明の目的と概要
したがって、本発明の目的は、従来の光学的エンコーダに付随する制限および課題を回避した光学的エンコーダ装置および方法を提供することである 本発明のもう１つの目的は、光学的プログラム機能の概念を使用して、特定の用途にカスタマイズされた様々な電気信号波形を生成する光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、所望の電気信号波形を生成するように光学的にプログラムすることができる素子を有する光学的エンコーダ装置を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、単相または多相交流モータとブラシレス直流モータを直接駆動し制御するための光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、単一の光電気装置を利用してモータの速度を感知、分析、制御する光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、モータの動作を制御するための電気装置または電子装置の要件を最小にするための光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、効率、トルクおよび出力を改善する光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、エンコーダ装置だけの光学的プログラム機能を利用するか、モータの駆動回路の電子的能力と組み合わせて利用するかして、力率を大幅に改善し、電力線の調波ひずみを減少またはなくすことである。
本発明のさらにもう１つの目的は、交流誘導モータ、交流同期モータ、交流スリップ・モータ、直流ブラシレス・モータ、直流ステップ・モータ、単相モータ、多相モータ、少極モータ、多極モータの実施形態やその他の運動制御用途に一般的に適した光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、光学的エンコーダ装置を、それぞれのモータを修正したり重くて厄介な取付け具を利用したりせずに、ほとんどのモータ軸に容易に取り付けることができる、簡単でかつ完全なパッケージに構成することである。
以上の目的及びその他の目的は、電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少なくとも１つの信号に変換する光学的エンコーダ装置を提供する本発明によって達成される。この装置は、入射放射エネルギーのパターンに応答して、その放射エネルギーから電気信号を生成する少なくとも１つの光検出器を含む。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
光学的にプログラムされた手段は、光検出器と光学的に位置合わせされ、装置の周期的運動によって動作するように構成される。光学的にプログラムされた手段は、光検出器で検出した入射放射エネルギの少なくとも１つのパターンを、幾何学的あるいは図形的関数を含む光学的関数によって、複数の方向に修正する。
この幾何学的あるいは図形的関数は、同等の波形関数の変換であってもよい。
光学的にプログラムされた手段は、光学的エンコーダ・ディスクなどの、少なくとも１つの光学的に検出可能な図形パターンを含む光学要素を含む、このパターンは、少なくとも１つの図形的に整形されたサイクルを含み、断片的な数のそのような図形サイクルを含むこともある。また、プログラムされた手段は、放射エネルギーのパターンが光検出器まで通過できるようにする少なくとも１つの図形的に整形されたアパーチャを有するマスクを含む。
図形関数は、最初に、装置の周期的運動に従って一方が他方に対して走査されるような、ディスク図形パターンとマスク・アパーチャ・セットの光学的作用の組み合わせによって実現される。光検出器は、光電応答を有し、この応答と光学的関数の積が、所定の波形を定義する。光検出器における入射放射エネルギーの修正パターンは、所定の波形を有する電気信号に変換される。
光学的にプログラムされた手段は、また、放射エネルギーを放射する少なくとも１つの発光体を含んでもよい。放射装置からの放射エネルギーは、図形的または幾何学的に形成された光経路によって光検出器に結合される。
【００１３】
本発明の光学的エンコーダ装置は、特定のモータに特に整合され同期された信号波形を生成することによって電動モータの動作を効率的に制御する特定の用途を有する。たとえば、このエンコーダは、駆動信号の周波数をモータの速度に同期させる可変速度制御装置として使用することができる。そのような事例では、制御装置は、エンコーダによって生成された電気信号を増幅し、また速度変更を開始する駆動信号の電圧レベルを調整する手段を提供する増幅器を含むであろう。
【００１４】
本発明の光学的エンコーダ装置は、Ｎ相のモータの回転運動を、それぞれモータを駆動するのに適した所定の位相関係を持つ電気信号に変換するように実施することができる。この場合、エンコーダは、それぞれ発光体、図形パターン、マスク・アパーチャを備えるＮ個の光学チャネルを有する。好ましい実施例において、アパーチャと図形パターンは、モータ軸と共に回転するように作成されたエンコーダ・ディスク上に同心で配置される。信号に位相差を作成する１つの方法は、エンコーダ・ディスク上の図形パターンの角度位置を徐々にずらすことである。各信号の相対位相は、モータ軸の回転の特定の点における図形パターンとそれと関連したマスク・アパーチャの相対位置によって決定される。
また、本発明により、電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少なくとも１つの電気信号に変換する方法が企図される。さらに、本発明により、電動モータの速度を含む動作を制御する方法が企図される。
【００１５】
本発明により交流誘導モータの動作を制御する１つの特定の方法は、（１）モータの軸に、モータの定格速度と電力電圧において定格電力周波数を生成するのに必要な電気サイクルよりも大きい電気サイクルを有する波形関数によって光学的にプログラムされた光学的エンコーダを結合する段階と、（２）モータ軸の各回転ごとに波形関数を実質上繰り返すエンコーダ出力信号を生成する段階と、（３）エンコーダの出力信号を、モータの定格速度を生成する電圧レベルまで増幅する段階と、（４）増幅したエンコーダ出力信号をモータに供給する段階とを含む。
【００１６】
【発明の効果】
さらに、この方法によれば、エンコーダ出力信号の電圧レベルを変化させて、モータの速度を変化させ、それによりエンコーダ信号の周波数を指定された数まで変化させることができる。
【００１７】
【実施例】
【図面の簡単な説明】
本発明のさらに他の目的は、次の添付図面に関連した好ましい実施例の以下の説明から明らかになるであろう。
図１は、単相交流誘導モータに結合された、本発明により構成された単一チャネルの光学的エンコーダの概略図である。
図２は、検出器の光応答面に入射する放射エネルギーの瞬間的パターンを示す、図１の光学的エンコーダの光検出器素子の概略図である。
図３は、三相交流誘導モータに結合された、本発明により構成された３チャネル光学的エンコーダの概略図である。
図４Ａ〜Ｂは、それぞれ、正弦波波形とそれに対応する波形関数を生成する図形パターンを有する、本発明によって構成された光学的エンコーダ・ディスクの図である。
図５Ａ〜Ｃは、それぞれ、台形波形とそれに対応する波形関数、および図５Ａの循環図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を生成する図形パターンを有する本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す図である。
図６は、図４Ｂ、５Ｂおよび７Ｂの波形関数に対応する波形を有する信号を生成するために、図４Ａ、５Ａおよび７Ａのエンコーダ・ディスクに使用される、本発明により構成されたマスクの上面図である。
図７Ａ〜Ｃは、それぞれ、正弦波波形とそれに対応する波形関数、および図７Ａの循環図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を生成する図形パターンを有する本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す図である。
図８Ａ〜Ｃは、それぞれ、均一と不均一な図形パターンと、不均一パターンに対応する波形関数と、図８Ａに示した不均一図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を有する本発明のもう１つの光学的エンコーダ・ディスクを示す図である。
図９は、それぞれ、１つの電気サイクルを有する台形波形関数と、それに対応するエンコーダ・マスクおよびディスクの構成を示す。
図１０は、１つの電気サイクルを有する三角波形関数と、それに対応するエンコーダ・マスクおよびディスクの構成を示す図である。
図１１Ａ〜Ｆは、それぞれ、特定の波形関数と、それに対応して代数的エリア・フィル方程式によって計算されたエンコーダ・ディスクとエンコーダ・マスクの構成を示す図である。
図１２Ａ〜Ｃは、それぞれ０、１２０および２４０電気角度だけ位相がずらされた３つの電気信号を生成するために、角度がそれぞれ０、４０および８０°物理的にずらされた３つの図形パターンと、図１２Ａのエンコーダ・ディスクに使用されるエンコーダ・マスクと、図１２Ａの図形パターンに対応する３つの位相がずらされた波形関数とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
図１３Ａ〜Ｃは、それぞれ、角度がそれぞれ０、４０および８０°ずらされた３つの図形パターンと、角度が０、−１０および−２０物理角度ずらされたアパーチャを有する図１３Ａのエンコーダ・ディスクに使用されるエンコーダ・マスクと、それと対応して０、９０および１８０電気角度だけ位相がずらされた３つの波形関数とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
図１４Ａ〜Ｄは、それぞれ、６つのアパーチャを含む図形パターンと、正弦波波形を生成するように図形的に整形されたアパーチャを含むマスクと、それと対応する波形関数と、図１４Ａの図形パターンおよびそれと対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
図１５Ａ〜Ｄは、それぞれ、３つのアパーチャを含む図形パターンと、正弦波波形を生成するように図形的に整形された一対のアパーチャを含むマスクと、対応する波形関数と、図１５Ａの図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
図１６Ａ〜Ｆは、非整数の波形関数から生成された信号の不連続性を図形的に補正する方法を示す波形プロットである。
図１７Ａ〜Ｄは、それぞれ、反復不均一波形を生成する補正図形パターンおよび補正の拡大図と、それと対応する補正済みと未補正の波形関数と、未補正の図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）と、補正済み図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
図１８は、本発明により構成された光学的エンコーダの分解図である。
図１９は、図１８のエンコーダの断面図である。
図２０〜２２は、本発明の光学的エンコーダのモータへの取り付け方法を示す一連の図である。
図２３Ａ〜Ｂは、それぞれ、本発明の光学的エンコーダのハウジングを固定し、モータ軸に対する角度位置を調整するために使用される、回転防止クリップの側面図と上面図である。
図２４は、モータの軸に取り付けられ、回転防止クリップによってモータに調整式に固定された本発明のエンコーダの上面図である。
図２５Ａ〜Ｂは、それぞれ、非整数波形関数に対応する図形パターンと、図２５Ａの図形パターンに対応する非整数波形関数の図形プロットとを有する本発明のエンコーダ・ディスクの上平図を示す。
図２６Ａ〜Ｂは、それぞれ、本発明のもう１つのエンコーダ・ディスクの上面図と、図２６Ａのエンコーダ・ディスクに対応する連続波形出力の図形プロットとを示す。
図２７Ａ〜Ｂは、電気的な波形の組み合わせによる波形の整形を示す回路図である。
図２８は、本発明の方法の参考例の概略を示す流れ図である。
【００１８】
好ましい実施例の説明
次に、図１を参照すると、本発明の本質的な要素が概略的に示されている。単相３極対交流誘導モータ１０は、固定子アセンブリ１２と回転子アセンブリ１４とを含む。固定子１２は、３対の巻線を含む。巻線対１６ａと１６ｂは、アースと交流入力Ａの間に直列に接続される。他の巻線対も同様に接続され、巻線対はすべて、図示したように並列に接続される。巻線に交流入力信号が与えられると、固定子１２には６つの磁極が確立され、これらの極は、これと対応する数の極を回転子１４に発生させる。モータ１０は、始動巻線（図示せず）などによる任意の周知の方法で始動することができる。
回転子１４は、中心軸２０のまわりに回転する軸１８を有する。本発明により構成される光学的エンコーダ２２は軸１８に結合される。エンコーダ２２は、好ましくは赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）である少なくとも１つの発光体２４を含む。光検出器装置２６は、発光体２４と位置合わせされ、発光体２４から放射される放射エネルギーに応答する。検出器２６は、光検出器２６に入射した放射エネルギーの量に比例する電気信号を生成する。検出器２６は、フォトトランジスタであることが好ましい。エミッタ２４と検出器２６は両方とも、適切な位置に固定され、光経路２８に沿って位置合わせされる。エンコーダ・ディスク３０の形の光学要素は、軸１８に結合され、軸１８と一緒に回転するように作成される。エンコーダ・ディスク３０は、少なくとも１つの図形的に整形されたサイクル３４を含む、光学的に検出可能な図形パターン３２を含む。好ましい実施例において、図形サイクル３４は、光学的な窓の形に実施される。モータの制御を含む多くの応用例において、図形サイクル３４の数は、回転子の極対の数と等しい。さらに、図形サイクル３４は、極対と物理的（角度的）に位置合わせされる。
後で説明するように、いくつかの応用例では、図形サイクルを極と一致させるこの条件には従わない。また、後の説明から、図形サイクル３４が個別の光学窓として必ずしも実施されるとは限らないことが明らかになる。いくつかの事例では、ある図形サイクルが別の図形サイクルに徐々に遷移することがある。さらに、サイクル３４は、透明（または半透明）のエンコーダ・ディスク上の不透明領域として実施することができる。もう１つの実施例において、サイクル３４を、反射エンコーダの実施例において反射パターンとして実施することができる。
図１をさらに参照すると、エンコーダ・ディスク３０は、回転子１８の軸２０と位置合わせされた中心軸３１を有する。ディスク３０は、中心軸３１のまわりに回転する。エンコーダ２２は、さらに、好ましくはディスクの形のマスク３６を含む。マスク３６は、Ｖ字形のアパーチャ３８を含む。マスク３６は、エンコーダ・ディスク３０の中心軸３１と物理的に位置合わせされた中心軸３７を有する。マスク３６は、回転子の軸１８に結合されず、エンコーダ２２の動作中に静止したままにされる。
エンコーダ・ディスク３０は、軸１８の回転運動によって操作され、光経路２８を介して図形パターン３２が走査される。その意味で、エンコーダ・ディスク３０は、光経路２８と光学的に結合される。図１に示したように、パターン３２は、想像上の走査トラックに沿って、中心軸３１のまわりに同軸に配置される。
図１に示したように、マスク３６のアパーチャ３８は、光経路２８およびパターン３２と位置合わせされる。アパーチャ３８の機能は、量が制限され図形的に制御された放射エネルギーを検出器２６に伝わるようにすることである。アパーチャ３８の寸法「ｙ」は、図形パターン３２（図１を参照）の最大の寸法「ｙ」
と等しい。この寸法の関係は、たとえば、図５Ｃと図７Ｃに示されている。図８は、マスク・アパーチャ（３６０）の寸法「ｙ」と、図形的（３６４ｂと３６４ｃ）のうちの少なくともいくつかの「ｙ」の最大寸法が異なってもよいことを示している。
【００１９】
アパーチャ３８の寸法は、検出器２６の光感応面よりも小さいことが好ましい。アパーチャ３８は、定義された放射エネルギー・パターンが、検出器２６の光感応面に確立されることを保証するように整形され寸法が決められる。この要件については、図２を参照して以下にさらに詳しく説明する。
図１に示したように、電位差計４０が、電源Ｖｃｃとアースの間に電気的に接続される。検出器２６の出力は、電位差計４０の調整ワイパ４２に電気的に接続される。ワイパ４２は、電力増幅器４４に直接接続される。増幅器４４は、検出器２６の低電圧出力を、電圧モータ１０の巻線を駆動できる電圧レベルまで増幅できなければならない。多くの応用例において、増幅器４４は、検出器の出力を、少なくとも１２０ボルトＲＭＳのレベルまで増幅しなければならない。増幅器４４は、特別に設計され最適化された装置でも、標準的な市販の電力増幅器でもよい。整流信号が正弦波であることが期待されるときは、より効率の高いクラス「Ｃ」（インダクタンスと周波数を調整した）の増幅器を使用することもできる。増幅器は、その出力を調整できるように、利得調整を備えていることが好ましい。
いくつかの応用例において、エンコーダ２２の信号出力レベルを、エミッタ２４および／または検出器２６に電力を加える電源を変化させることによって調整することができる。この方法を使用すると、エンコーダ信号の出力レベルを、たとえば１．５〜１２ボルトの間で変化させることができる。レベルの調整は、たとえば、システム制御信号に応答して、自動的に行うことができる。
エンコーダのフィードバック・ループを完成させるために、増幅器４４の出力は、モータ１０の入力端子Ａに接続される。エンコーダ２２によって生成される信号波形が、モータ１０の巻線に直接加えられる。したがって、本発明は、モータ１０の整流を直接制御する。
【００２０】
本発明の光学的エンコーダは、光学的にプログラムされることを理解されたい。エンコーダのすべての光学要素は、プログラム可能なパラメータと考えられ、発光体とその放射エネルギー出力、エンコーダ・ディスク、マスク・アパーチャ、レンズ、シャッタ、プリズム、およびエンコーダの光検出素子に入射する放射エネルギーのパターンを修正するために利用されるその他の光学要素または装置を含むが、それらに制限されない。エンコーダに使用される光学要素の特性は、エンコーダが所定の電気信号波形出力を生成できるように、選択、構成または調整される（すなわち、プログラムされる）。エンコーダに構成されたような、これらの光学要素を組み合わせた光学的応答は、光学的関数と呼ばれることがある。したがって、エンコーダの光検出器手段に入射した放射エネルギーのパターンは、光学的関数に従って修正され、この関数は、光検出器手段における入射パターンに作用する光学的にプログラムされた素子の光学応答の組み合わせを表す。
好ましい実施例において、光学的関数は、エンコーダ・ディスク上に含まれる図形パターンの光学的応答あるいは図形パターンとマスク・アパーチャの応答の組み合わせを表す少なくとも１つの「図形関数」を含む。光学的関数は、エンコーダの光経路にある他の素子に起因する他の図形関数を含むことを理解されたい。本出願の「図形関数」という用語については、後で詳しく定義する。
図１を再び参照すると、エンコーダ・ディスク３０とマスク３６は両方とも、その光学的応答の特徴（たとえば、円３４とアパーチャ３８）が、図形関数にしたがって位置決めされ、整形され、寸法が決められるため、光学的にプログラムされる。本出願の目的上、「図形関数」という用語は、数学的に定義された幾何学的、代数的および寸法的な関数と、数学的に定義可能かどうかに関係ない経験的に選択された図形表現とを含むが、これらに制限されない。
好ましい実施例において、選択された図形関数は、電気的波形関数の変換である。モータ制御の応用例において、電気的波形は、予想される負荷条件下でモータを最適に駆動するように指定される。たとえば、空気調整装置内のコンプレッサを駆動するモータは、モータの軸の１回転ごとに不均一な負荷条件を経験する。そのような場合に、これと対応する駆動信号の不均一な波形を、最適に指定することができる。図８Ｂに、そのような波形の例を示してある。最適な波形関数を識別した後で、代数的なエリア・フィル関数（後述する）を使用することによって、その図形的または代数的な等価物を選ることができる。エンコーダ２２において、図形関数は、エンコーダ・ディスク３０が、モータの軸１８と一緒に回転し、アパーチャ３８によってパターン３２を走査するときに、図形パターン３２とアパーチャ３８の光学的作用の組み合わせによって物理的に実現される。
【００２１】
発光体２４からの放射エネルギーは、検出器２６の光感応面に入射するまで光経路２８に沿って導かれる。入射放射エネルギーは、検出器２６の光感応面にパターンを形成する。この面は、図２に参照数字４６で表されている。入射放射エネルギーのパターンは、面４６の全体的な寸法によって制限されることがある。
しかしながら、アパーチャ３８が、パターンの最大寸法を定義することが好ましい。図２に示したように（単に例示的な目的）、アパーチャ３８は、制限された領域４８を有す。領域４８は、所望の図形関数に従う任意の形に構成することができることを理解されたい。
図２をさらに参照すると、エンコーダ・ディスク３０とマスク３６の光学的作用の組み合わせを理解することができる。領域４８内で、陰が付けられていない領域５０は、面４６上の入射エネルギーの瞬間的なパターンを表わしている。陰付きの領域５２は、有界領域４８内に放射エネルギーがないことを表わす。反射エンコーダ・システムにおいて、領域５０と５２は、複雑な干渉パターンにおける入射放射エネルギーの様々な強さを表すことになる。
説明を分かり易くするために、面４６にｘ、ｙ座標系を表した。図示した瞬間の場合、入射放射エネルギー５０のパターンは、ｘ、ｙ座標領域における特定の図形形状によって定義される。図２からわかるように、パターン５０は２次元スペースにおいて様々な方向に変化する。図形パターン３２がアパーチャ３８によって走査されるとき、入射放射エネルギー・パターン５０は、複数の方向に修正または再整形される。図２の矢印は、パターンを修正することができる方向を概略的に示す。入射パターン５０は、この場合、アパーチャ３８によって走査する図形パターン３２によって実現される定義された図形関数に従って修正される。
フォトトランジスタ２６が、瞬間的な放射エネルギー・パターン５０に応答し、パターン５０で表わされた放射エネルギーの量に比例する電気信号を生成する。
検出器２６は、線形のときに、最初に指定された波形関数と一致する波形を有する電気信号を生成する光電応答に特徴がある。光電応答は、線形でなくてもよい。実際には、この応答を、付加的なプログラム可能な設計パラメータとして使って、所望の波形を生成することができる。この実施例において、検出器２６の光電応答と指定された波形関数の積が、検出器２６の出力に生成される電気信号波形を定義する。
【００２２】
次に、図３を参照すると、本発明の光学的エンコーダの３チャネルの実施例が示されている。この実施例において、エンコーダは、三相３極対交流誘導モータ１００を駆動するために使用される。モータ１００は、固定子アセンブリ１０２と回転子アセンブリ１０４を有する。モータの構造は、従来通りであり、詳細には説明しない。固定子アセンブリ１０２は、各位相ごとに３つの巻線対１０６ａおよび１０６ｂを含む（各位相に一対だけを示した）。モータ１００は、それぞれの三相入力信号のための３つの交流入力端子Ａ、ＢおよびＣを有する。各対の巻線１０６ａ、１０６ｂは、回転子１０４に極対を発生させる（すなわち、各位相ごとに３つの極対）。図３の概略図において、回転子１０４内に示したそれぞれの極対（Ｎ−Ｓ）が３つの実際の極対を表わす。
【００２３】
図３に示したように、３チャネル・エンコーダ１１０は、モータ１００の回転軸１０８を結合され、図１のエンコーダ２２に関して説明したものと同じ方法で、軸１０８の回転軸１１２と機械的に位置合わせされる。エンコーダ１１０は、３つの赤外線ＬＥＤ発光体１１４ａ〜ｃを含む。エミッタ１１４ａ〜ｃは、エミッタ１１４ａ〜ｃとそれに対応する数のフォトトランジスタ１１６ａ〜ｃの間に画定された各光経路に沿って赤外線エネルギーを放射する。エンコーダ１１０は、中心軸１１９のまわりに回転するように形成されたマルチトラックの光学的エンコーダ・ディスク１１８を含む。ディスク１１８は、同軸に配置された、光学的に検出可能な３つの図形パターン１２０ａ〜ｃを含む。エンコーダ１１０は、さらに、３つのアパーチャ１２４ａ〜ｃを含む、ディスクの形で形成されたマスク１２２を含む。図１のエンコーダ２２に使用するとき、マスク１２２は静止した状態で保持され、一方、エンコーダ・ディスク１１８は軸１０８の回転運動によって回転するように作成される。マスクのアパーチャ１２４ａ〜ｃと図形パターン１２０ａ〜ｃは、図１のエンコーダ２２に関して説明したのと同じ方法で、光経路に対してそれぞれ位置合わせされる。
図３に示したように、３つの電位差計１２６ａ〜ｃが電源Ｖｃｃとアースの間に電気的に接続される。検出器１１６ａ〜ｃの出力リードは、電位差計１２６ａ〜ｃの調整ワイパにそれぞれ接続される、電位差計１２６ａ〜ｃの調整ワイパは、それぞれの電力増幅器１２８ａ〜ｃの入力に接続される。検出器１１６ａ〜ｃの低電圧出力信号は、図１の実施例に関して説明したように、モータ１００を直接駆動するのに十分なレベルまで増幅される。増幅器１２８ａ〜ｃの出力Ａ、ＢおよびＣは、モータ１００の入力Ａ、ＢおよびＣに直接接続される。エンコーダ１１０は、図１と図２を参照して説明した事例と同じように電気信号出力を生成する。
検出器１１６ａ〜ｃの出力信号の相対位相は、軸１０８の特定の回転角度におけるそれぞれのアパーチャ１２４ａ〜ｃに対する図形パターン１２０ａ〜ｃの位置によって決定される。図３において、エンコーダ１１０の出力信号は、モータ１００を適切に駆動するために、相対位相が、０、１２０および２４０電気角度でなければならない。この位相関係は、所望の電気角度の移相（たとえば、１２０または２４０電気角度）を図形パターンの図形サイクルの数で割ったものと等しい物理角度だけ各図形パターンの位置を回転させることによって確立することができる。
図３の実施例の場合、所望の１２０電気角度の移相を作り出すために、パターン１２０ｂの位置がパターン１２０ｃに対して４０物理角度だけ回転される。同様に、所望の２４０電気角度の移相を作り出すために、パターン１２０ａの位置がパターン１２０ｃに対して８０物理角度だけ回転される。図３において、アパーチャ１２４ａ〜ｃの角度位置はそろえられ、したがって移相に寄与しない。他のマルチチャネルの移相の例については、図１２Ａ〜Ｃと図１３Ａ〜Ｃを参照して後で説明する。
【００２４】
次に、本発明の光学的エンコーダの設計を、２つのモータ制御の例に関して説明する。最初に、図１にあるような、３つの極対を有する単相交流モータを含む同期的な例を検討する。このモータは、同期速度で、１２００ＲＰＭまたは２０ＲＰＳ（回転／秒）で回転する。モータは同期速度で回転するために、６０Ｈｚと１２０ボルトを必要とする。この周波数は、モータの回転子の軸に直接結合された、光学的にプログラムされたエンコーダ・ディスクとマスクとの組み合わせによって作り出される。エンコーダ・ディスクに含まれる光学的に検出可能な図形パターンは、回転子軸の１回転当たり対応する３つの電気波形サイクルを作成するために、３つの図形サイクルを含まなければならない。そのような装置を、正弦波波形に関して図４Ａに示す。
図４Ａのエンコーダ・ディスク２００は、３つの図形サイクル２０４ａ〜ｃを含む図形パターン２０２を含む。図６に、ディスク２００と共に使用されるマスク・アパーチャを示す。ディスク２００が２０ＲＰＳで回転しているとき、エンコーダによって６０Ｈｚの正弦波交流信号が作成される（１回転あたり２０ＲＰＳ×３電気サイクル）。図４Ｂに示したように、エンコーダ・ディスク２００が１回転（０〜３６０°）すると、３つの電気サイクル２０６ａ〜ｃができる。これは、この例にとって望ましい波形関数である。
最初に、エンコーダ・ディスク２００の図形パターン２０２と、図６に示したマスク・アパーチャを、所望の波形関数をベクトル・データ・テーブルの形で表すことによって作成する。この正弦波の例において、ベクトル・テーブル値は、次の式から得られる。
ｙ＝ｓｉｎ（電気角度）
３６０機械角度（物理的１回転）にわたる３つの完全な電気サイクルが表される。したがって、ディスクの１回転で１８０°の電気角度がある。ベクトル・データをプロットして、最終的な波形がどのようになるかに関して視覚的なフィードバックを提供することができる。（図４Ｂは、プロットした入力波形と、その結果生じるフォトトランジスタの電気出力の両方を表わす。）
【００２５】
次のステップは、光学パターン２０２における図形サイクル２０４ａ〜ｃの形状を決定することである。これは、代数的エリア・フィル方程式を使用することによって達成される。上記の方程式から計算されたベクトル値を、次の方程式に代入する。
【数１】

ここで、Ｖ＝ディスクのエリア・フィル・ベクトルＷ＝波形入力ファイルに発生する波形点ｐ＝波形入力ファイルの点の数ｍi＝マスクの幅、入力パラメータn＝１、２、３、．．．ｐｖ＝ベクトルのスケール・ファクタ、入力パラメータ式（Ｗn+1−Ｗn）^＊ｖ／８＋ＶとＶn-mは、それぞれの計算結果が負の場合に値が０であると仮定する。
マスク・アパーチャの形状は、光学信号の固有の減衰に適合される。この例では、方程式は、次の通りである。
ｐ／２＞ｍiならば、ｍ＝ｍi
ｐ／２＜ｍiならば、ｍ＝Ｐ／２
ここで、ｐ＝波形入力ファイルの点の数ｍi＝マスクの幅、入力パラメータｍ＝マスクの幅、概算．
ｍi＞＝２
上記の方程式は、ディスク・パターンがマスクに対して水平方向に動いた場合のＸ、Ｙエリア・フィルの例にすぎない。回転運動の場合は、極値が使用される。必要な光学的に生成される波形を作り出すために、適切なディスクとマスクの組合わせを得る多数の方程式、アルゴリズムまたはその他の方法があることを理解されたい。最終ステップで、上記の方程式から得られた代数的エリア・フィル値に従って、ディスクとマスクが印刷される（水平方向と半径方向の動きに適合された）。
【００２６】
次に、非同期的な場合の参考例を検討する。最初に、モータの周波数と標準動作速度から、１回転当たりに必要なサイクル数を決定する。たとえば、標準動作速度が１，０５０ＲＰＭの６０Ｈｚのモータを使用する場合、１２０ボルトの交流において１回転当たり３．４２８電気サイクルを必要とする。必要な電気サイクル数を決定し、それが整数でないと判明した場合は、その数を、次の最も近い全サイクルまで端数を切り上げるか、少し上の全サイクルにする。たとえば、モータが、１回転当たり３．４２８電気サイクルを必要とする場合は、エンコーダ・ディスクを設計するために、１回転当たり４サイクル（あるいは、５または６サイクル）を選択することができる。（次の整数サイクルまで端数を切り上げるこの方法は、所定の速度にとってより低い駆動電圧が好ましい場合のオプションである）。
次のステップで、１回転当たりのこの高いサイクル数を、上記のエリア・フィル方程式を使ってエンコーダ・ディスクに光学的にプログラムする。プログラムしたディスクを、負荷をかけたモータに取り付けると、１回転当たりのサイクル数が多いため、１２０ボルトの交流におけるその標準動作速度よりも高速にモータを作動させる（直接増幅の後で）信号を生成することができる。そのような事例では、モータの性能が改善される（すなわち、同じ負荷と入力電力で回転が速くなる）。モータに入力する電圧を低くすることにより、モータとエンコーダ・ディスクの回転速度が、６０ヘルツの標準動作速度まで低下する。モータは、指定された電圧（１２０Ｖ交流）よりも低い電圧の標準動作速度（６０Ｈｚ）で駆動され、そのため、同じ負荷のモータを動作させるのに必要なエネルギーの量が減少する。負荷がより多くのエネルギーを必要とした場合（すなわち、モータの回転が速くならなかった場合）は、エンコーダが６０Ｈｚの速度を超えないので、電圧を低下させる必要がなくなり、したがって、入力エネルギーは、より要求の厳しい負荷と整合することになる。
【００２７】
図２８は、モータを動作させる上記方法の参考例を概略的に示す流れ図を示す。この方法は、モータの定格速度、周波数および電圧に関して非整数のサイクルが計算されても計算されなくても適用可能である。段階１で、本発明の光学的エンコーダが、モータ軸に結合される。エンコーダは、モータの定格速度と電力電圧において定格電力周波数を生成するのに必要なサイクルよりも多い電気サイクル数を有する波形関数で光学的にプログラムされる。段階２で、波形関数を実質上繰り返すエンコーダ出力信号が、モータ軸の各回転ごとに生成される。段階３で、エンコーダの出力信号が、モータの定格速度を生成する電圧レベルまで増幅される。最後に、段階４で、モータに、増幅されたエンコーダ出力信号の電力が供給される。さらに、この方法により、エンコーダ出力信号の電圧レベルを変化させ、モータの速度を変化させて、それによりエンコーダ信号の周波数を指定の周波数まで変化させることができる。
前述の同期と非同期の例の両方において、エンコーダの速度をモータの動作速度に対して較正した後、モータに入力する電圧を調整するだけでモータの速度を制御することができ、較正されたエンコーダによって、速度が必ず周波数と一致するようになる。
図４Ａ〜Ｂ、図５Ａ〜Ｃ、図７Ａ〜Ｃ、図８Ａ〜Ｃ、図９、図１０、図１１Ａ〜Ｆ、図１２Ａ〜Ｃおよび図１３Ａ〜Ｃに、エンコーダ・ディスクのいくつかの例と、ディスクを図形的に符号化するために使用される波形関数とを示す。図５Ａの、エンコーダ・ディスク２５０は、３つの図形サイクル２５２ａ〜ｃを有する図形パターンを含む。この例において、図形サイクル２５２ａ〜ｃは、透明な光学窓である。図６は、エンコーダ・ディスク２５０と一緒に使用されるように意図されたマスク・アパーチャ２５６を含むマスク２５４を示す。波形関数２５８が図５Ｂに示されており、これは図形サイクル２５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ２５６の形を決定するために使用される。また、波形関数２５８は、エンコーダの実際の電気信号出力を表わす。図５Ｃに、図形サイクル２５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ２５６の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。マスク・アパーチャ２６０はマスク・アパーチャ２５６に対応し、サイクル２６２ａ〜ｃはサイクル２５２ａ〜ｃに対応する。
図７Ａ〜Ｃは、エンコーダ・ディスクの回転ごとに６つの電気サイクルが必要とされるもう１つの正弦波の例を示す。図７Ａにおいて、エンコーダ３００は、６つの図形サイクルを有する図形パターン３０２を含む。図形サイクルは透明な光学窓である。この例において、マスク・アパーチャ２５６（図６）はディスク３００と共に使用される。波形関数３０４が図７Ｂに示されており、これはパターン３０２とマスク・アパーチャ２５６の形状を決定するために使用される。また、波形関数３０４は、エンコーダの実際の電気信号出力を表わす。図７Ｃに、図形パターン３０２とマスク・アパーチャ２５６の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。マスク・アパーチャ３０６は、マスク・アパーチャ２５６に対応し、図形パターン３０８は図形パターン３０２に対応する。図１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂおよび１５Ｂに、マスク・アパーチャの他の幾何学的形状の例を示す。
【００２８】
図８Ａ〜Ｃは、不均一な波形の例を示す。図８Ａにおいて、透明なエンコーダ・ディスク３５０は、均一な図形パターン３５１と不均一な図形パターン３５３を含む。図形パターン３５１は、４つの均一な図形サイクルを含み、パターン３５３は、図示したように３つの不均一な図形サイクル３５２ａ〜ｃを含む。パターン３５１の図形サイクルとパターン３５３の図形サイクル３５２ａ〜ｃは、透明なエンコーダ・ディスク３５０に印刷された不透明な光学的網線である（「透明基体上の不透明領域」）。図８Ａは、また、パターン３５１および３５３と共にそれぞれ使用するように構成され寸法が決められた１対のマスク・アパーチャ３５４ａおよび３５４ｂを示す。この例では、図形パターン３５１は使用されない。
図８Ａおよび８Ｂから分かるように、不均一サイズのサイクル３５２ａ〜ｃは、所定の波形３５６の不均一な電気サイクル３５８ａ〜ｃにそれぞれ対応する。波形３５６は、図形サイクル３５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ３５４ｂの形を決定するために使用される波形関数３５６を示す。また、波形関数３５６は、たとえば可変モータ負荷を駆動するために必要なエンコーダ出力信号の形を表わす。
図８Ｃに、図形パターン３５３とマスク・アパーチャ３５４ｂの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。図８Ｃに示したように、マスク・アパーチャ３６０はマスク・アパーチャ３５４ｂに対応し、図形パターン３６２はパターン３５３に対応し、図形サイクル３６４ａ〜ｃはサイクル３５２ａ〜ｃに対応する。
図９、図１０および図１１Ａ〜Ｆに、波形関数とそれに対応して符号化されたディスクとマスクのさらに他の例を示す。図９において、１物理運動サイクル（たとえば、３６０°の１回転）ごとに１つの電気サイクルを有する台形波形関数４００を示す。図形パターン４０２とマスク・アパーチャ４０４の形状が、波形関数４００から決定される。さらに、図１０に、１回転当たり１電気サイクルを有する三角波形関数５００を示す。図形パターン５０２とマスク・アパーチャ５０４の形状が、波形関数５００から決定される。
次に、図１１Ａ〜Ｆを参照すると、特定の波形関数とそれに対応するエンコーダ・マスクとエンコーダ・ディスクの構成が示されている。エンコーダ・マスクとディスクの構成は、前述の代数的エリア・フィル方程式によって計算された。
【００２９】
図１１Ａと図１１Ｂは、全く異なる２つのマスクとディスク図形によって、特定の三角波形５５０を作成できることを示す。図１１Ａに示したように、マスク・アパーチャ５５２と図形パターン５５４を使用して、三角波形５５０が作成される。図１１Ｂにおいて、マスク・アパーチャ５５６と図形パターン５５８を使用して、同じ三角波形５５０が作成される。
同様に、図１１Ｃと１１Ｄは、異なる２つのマスクとディスク図形によって特定の正弦波形５６０を作成することができることを示す。図１１Ｃにおいて、マスク・アパーチャ５６２が図形パターン５６４と共に使用され、正弦波形５６０が作成される。図１１Ｄにおいて、マスク・アパーチャ５６６は、図形パターン５６８と共に使用され、同じ波形５６０が作成される。
また、図１１Ｅと図１１Ｆは、他の所望の波形を作成するさらに他のマスクとディスクの図形的な組合せを示す。図１１Ｅにおいて、下が丸い台形波形５７０が、マスク・アパーチャ５７２と図形パターン５７４によって作成される。図１１Ｆにおいては、複雑な波形５７６が、マスク・アパーチャ５７８と図形パターン５８０によって作成される。
次に、図１２Ａ〜Ｃを参照すると、三相エンコーダの例が示されている。図１２Ａに示したように、円形のエンコーダ・ディスク６００には、同軸に配置された、角度がずれた３つの図形パターン６０２ａ〜ｃが含まれている。この例において、パターン６０２ａ〜ｃはそれぞれ、３つの同一の図形サイクルを含み、モータ軸の１回転当たり３つの均一な電気サイクルを作成する。図８、図９、図１０および図１１Ａ〜Ｆに示したように、図形パターンは様々な方法で構成することができることを理解されたい。
それぞれの図形パターン６０２ａ〜ｃは、ディスク６００上の３６０物理角度の円形トラックに沿って配置される。各パターンにおける各図形サイクルは、関連した波形関数の３６０電気角度に対応する。１パターン当たり３つの均一な図形サイクルがある場合、パターン６０２ａ〜ｃはそれぞれ、１０８０電気角度に等しい、３６０電気角度の３倍を表す。したがって、波形の所望の電気的移相を達成するために、所望の電気的移相（電気角度）を図形パターンにおける図形サイクルの数で割ったものと等しい物理角度数だけ、対応する図形パターンの角度をずらさなければならない。したがって、この例において、１２０°の移相が必要な場合は、図形パターンの位置は、１２０°／３サイクル＝４０物理角度だけ角度がずらされることになる。
【００３０】
図１２Ａを参照すると、パターン６Ｏ２ｂは、１２０°の移相を達成するために、パターン６０２ｃに対して４０°だけ角度がずらされている。パターン６０２ａは、２４０°の移相を達成するために、パターン６０２ｃに対して８０°だけ角度がずらされている。図１２Ｂに示したように、マスク６０４は、３組のマスク・アパーチャ６０３ａ〜ｃを含む。６０３ａの組のアパーチャは、互いに半径方向にそろえられ、それぞれのパターン６０２ａ〜ｃと位置が合うように離間される。図１２Ｃは、作成されたパターン６０２ａ〜ｃに使用される、位相がずれた波形関数のプロットであり、エンコーダの位相がずれた電気信号出力も表す。波形６０６ａは、波形６０６ｃと２４０電気角度だけずらされ、波形６０６ｂは、６０６ｃと１２０電気角度だけずらされている。
図１３Ａ〜Ｃに、もう１つの三相の例を示す。図１３Ａに示したように、エンコーダ・ディスク６１０は、エンコーダ・ディスク６００（図１２Ａ）に含まれるものと同一の３つの図形パターン６１２ａ〜ｃを含む。この例において、０°、９０°および１８０°位相のずれた波形が必要とされる。マスク６０４（図１２Ｂ）を変更または物理的に回転させてアパーチャ・セット６０３ｃを利用すると、同じエンコーダ・ディスクを使って、この異なる組の位相のずれを得ることができる。図１３Ｂに示したように、マスク６１４は、マスク６０４と同一であるが、９０物理角度だけ時計回りに回転されている。マスク６１４のアパーチャ・セット６０３ｃは、それぞれ０°、−１０°および−２０°だけ角度がずらされた３つのアパーチャ６１６ａ〜ｃを含む。
アパーチャ６１６ｂは、アパーチャ６１６ａよりも１０物理角度だけ遅れ、この場合、これは−３０電気角度の移相に相当する。−３０°の移相が、パターン６１２ｂに奇与する＋１２０°の移相に加えられ（図１３Ａ）、所望の９０°の移相が得られる。アパーチャ６１６ｃは、−６０電気角度の移相に相当する２０物理角度だけアパーチャ６１６ａよりも遅れる。−６０°の移相は、パターン６１２ｃに奇与する＋２４０°の移相に加えられ、所望の１８０°の移相が得られる。アパーチャ６１６ａは、移相には寄与せず、それにより、パターン６１２ａは、所望の０°の移相を作り出す。
図１３Ｃは、図形パターン６１２ａ〜ｃとアパーチャ・セット６０３ｃに対応する位相のずれた波形関数を示す（図１３Ａと図１３Ｂ）。波形６１８ｃは、パターン６１２ｃとアパーチャ６１６ｃに対応し、波形６１８ａから１８０電気角度ずらされており、波形６１８ｂは、パターン６１２ｂとアパーチャ６１６ｂに対応し、波形６１８ａから９０電気角度ずらされている。波形６１８ａは、パターン６１２ａとアパーチャ６１６ａに対応する。
マスクが、いくつかの異なるアパーチャ・セットを含み、それぞれを特定の用途に選択できる多機能でもよいことを示してきた。たとえば、図１２Ｂと図１３Ｂのアパーチャ・セット６０３ａ〜ｃにより、単一のエンコーダが、図１２Ｃと図１３Ｃに示したような、様々なセットの移相信号を作成することができる。それぞれの信号のセットは、マスク・アパーチャ・セット６０３ａ〜ｃの位置を手動で調整し、２組のフォトトランジスタを電子的に切り換えるか、多数の組の検出器から信号を出力することによって、選択することができる。
【００３１】
図１４Ａ〜Ｄと図１５Ａ〜Ｄに、図形的に整形されたアパーチャによってマスクを構成する方法を示すさらに他の例を示す。図１４Ａにおいて、エンコーダ・ディスク６２０は、等しく離間された６つのアパーチャ６２２（６０物理角度間隔）の図形パターンを含む。エンコーダ・ディスク６２０は回転ディスクである。図１４Ｂは、静止しているように意図されたマスク６２４を示す。マスク６２４は、正弦波波形を生成するようにエリア・フィル方程式に従って整形された細長いアパーチャ６２６を含む。マスク６２４の後ろには、アパーチャ６２６全体にわたる光検出器のアレイ６２８がある。あるいは、アレイ６２８を単一の細長い光検出器で代用することもできる。アレイの場合は、アレイ６２８の出力を様々な方法で組み合わせて、単一の波形信号や一連の信号波形を作成することができる。エンコーダ・ディスク６２０は、マスク６２４に対して回転し、各アパーチャ６２２は、アパーチャ６２６を横切って走査し、正弦波波形サイクルを生成する（単一の検出器または検出器の直列接続アレイを使用する場合）。図１４Ｃは、図１４Ａと図１４Ｂのエンコーダ・ディスクとマスク装置に対応する６サイクルの波形関数６３０を示す。図１４Ｄは、図１４Ａと図１４Ｂのエンコーダ・ディスクとマスク装置の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。アパーチャ６３２は、図１４Ａのエンコーダ・ディスク６２０のアパーチャ６２２に対応し、アパーチャ６３４は、図１４Ｂのマスク６２４のアパーチャ６２６に対応する。
【００３２】
図１５Ａ〜Ｄは、図１４Ａ〜Ｄの装置と等価な装置を示す。図１５Ａにおいて、エンコーダ・ディスク６４０は、等しく離間された（１２０°間隔）３つのアパーチャ６４２の図形パターンを含む。図１５Ｂに示したように、マスク６４４は、１８０°離間された一対の図形的に整形されたアパーチャ６４６および６４８を含む。マスク６４４の後ろには、アパーチャ６４６全体を走査する光検出器のアレイ６５０（または、単一の細長い検出器）があり、その出力は、結合することができる。同様に、光検出器のアレイ６５２（または、単一の検出器）が、アパーチャ６４８の後ろに配置され、アレイ６５２の出力は結合され、アレイ６５０の合成出力と結合されて、単一の電気信号出力を生成することができる。図１５Ｃは、図１５Ａ〜Ｂのエンコーダ・ディスク／マスク装置に対応する６サイクル波形関数６５４を示す。図１５Ｄは、図１５Ａ〜Ｂの循環エンコーダ・ディスクとマスク装置の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。アパーチャ６５６は、図１５Ａのエンコーダ・ディスク６４０のアパーチャ６４２に対応し、アパーチャ６５８は、図１５Ｂのマスク６４４のアパーチャ６４６および６４８に対応する。
エンコーダ・ディスクの１回転当たり非整数の電気的サイクルを生成することが望ましい応用例では、エリア・フィル方程式によって生成される図形形状に、ある一定の図形的補正を必要とすることがある。図１７Ｂに示したように、不均一な波形関数のために図形形状を作成するときも、図形的補正を必要とすることがある。この補正は、不均一なまたは非整数サイクルを含む波形関数が、繰り返されるごとに（すなわち、エンコーダ・ディスクの回転ごとに）不連続点を生成することがあるために必要とされる。図１６Ａ〜Ｆは、課題とそれを補正する一つの手法を示す。
図１６Ａにおいて、正弦波波形関数７００は、１回転当たり３．４２８サイクルを有する。図１６Ｂは、この関数が３回繰り返され（３回転を表わす）、それぞれの回転の終わりに不連続点７０１が生じることを示す。これを補正するために、波形関数７００は、図１６Ｃ（移相波形７０４）に示したような約−９０度（実際には、−０．４２８サイクル）だけ位相がずらされる。図１６Ｄにおいて、位相がずらされた波形７０４が３回繰り返される。見て分かるように、それぞれの回転の終わりの不連続点７０６は小さくなっている。しかしながら、各回転の終わりにはまだ鋭いスパイクがある。これらのスパイクは、エンコーダ・ディスクおよび／またはマスク上の最終的な形を、経験的かつ図形的に整形することによって滑らかにすることができる。図１６Ｅは、エンコーダ・ディスクおよびマスクを経験的に調整した図形形状から得た関数７０８を示す。波形関数７０８の始点と終点が移相波形７０４よりも丸くなっていることに注意されたい。図１６Ｆにおいて、図１６Ｂと図１６Ｄに示された不連続点が小さくなったことを示すために、波形７０８が３回繰り返される。補正された図形関数によって作成された電気信号波形は、図１６Ｆの繰り返しプロットと類似する。前述の補正方法は、エンコーダ・ディスクおよび／またはマスク・アパーチャに含まれる図形パターンの固有の位置的調整によって波形の位相をずらす必要がある。
【００３３】
図１７Ａに、不連続点を補正するために図形的に調整されたエンコーダ・ディスクの例を示す。エンコーダ・ディスク７５０は、３つの図形サイクル７５２ａ〜ｃを有する図形パターンを含む。波形関数７５４（図１７Ｂを参照）が、エンコーダ・ディスク７５０上に符号化される。図１７Ｂに示したように、波形７５４は、始点７５６と終点７５８を持つ不均一な関数である。図示したように、これらの点は異なる高さにあり、関数が繰り返されたときに不連続点を生成する。この場合、図１６Ａ〜Ｆに関連して前述した方法の移相段階は、波形の不均一性のために使用することができない。しかしながら、始点７５６または終点７５８あるいはその両方を調整して、不連続性を最小にすることができる。
寸法「ｙ」（図２を参照）における入射放射エネルギー・パターンの調整により、必要な補正が達成される。この例では、調整は、図１７Ａの拡大図に示したように、エンコーダ・ディスク７５０上の図形パターンを修正することにより行われる。図１７Ａの拡大図において、点ＬＣにおける図形サイクル７５２ａと７５２ｃの間の無補正のつなぎ目を実線で示す。図形的に補正したつなぎ目を点線で示す。この場合、図形的な補正は、図形サイクル７５２ａおよび７５２ｃの個々の端部を連続的な図形的遷移Ｙ１に合わせる段階からなる。この補正により、始点７５６（図１７Ｂを参照）のレベルが上昇し、終点７５８により近くなる。図１７Ｃは、エンコーダ・ディスク７５０上の無補正の図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示し、図１７Ｄは、補正した図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。図１７Ｃのパターン（点７５６と７５８）と図１７Ｄのパターン（点Ｙ１とＹ１）の違いに注意されたい。図１７Ｄの点Ｙ１とＹ１は一致している。
図１８と図１９に、本発明の光学的エンコーダの好ましい構造を示す。示した構造は、（外部の）支援を加えずにモータの軸に直接結合することができる、軽量で小断面のエンコーダを提供するため好ましい。環状のスリーブ形カプラ８０２は、エンコーダ８００が制御するように意図されたモータの軸８０３（図１９を参照）にちょうどはまるように寸法が決められる。カプラ８０２は、止めねじ８０４によって適切な位置に固定される。カプラ８０２は、軽量でしかも頑丈な金属で作成することができる。カプラ８０２は、軸８０３に締りばめするような寸法の内径８０５を有する。カプラ８０２の他端は、別の止めねじ（図示せず）やロックタイトや接着剤などによって、スピンドル軸８０６に接続される。
【００３４】
さらに図１８と図１９を参照すると、スピンドル軸８０６は、軸受アセンブリ８０８を含むスピンドル・システムの一部である。図１９により明確に示したように、軸受アセンブリ８０８は、２つの隣接した軸受要素８１０および８１２を含む。これらの要素は、それぞれ内部レース８１１および８１３を含む。各軸受要素は、内部レースの周囲に等間隔で離間された１０個の玉軸受８１４（各要素につき２つを示した）を含む。軸受要素８１０および８１２は、それぞれ外部レース８１６を含む。
図１８において、軸受アセンブリ８０８は個別の構成要素として示されている。しかしながら、好ましい実施例においては、軸受アセンブリ８０８は、エンコーダ・ハウジング８１８内に一体的に成形される。用途により、軸受アセンブリ８１８は、スリーブまたはプラスチック・ブッシングと交換することもできる。エンコーダ・ハウジング８１８は、成形プラスチックやその他の適切な成形材料からなる。
ハウジング８１８と軸受アセンブリ８０８を一体的に成形する技術により、より正確で小型、軽量のスピンドル・システムが可能になる。装置を一体的に成形することにより、軸受アセンブリ用の機械加工ハブ、ワッシャ、スペーサ、その他の支持体が不要になる。この技術により、軸受をハウジングのハブに固定する組み立て段階がなくなり、したがって、位置合わせの問題と高精度に機械加工したハブ・スピンドル構成要素を使用する必要性が回避される。
図１８と図１９をさらに参照し、エンコーダ８００の内部構成要素を説明する。円盤状ＬＥＤまたは発光体回路カード８２０が、ハウジング８１８の内側にはめられ、中心に穴８２１があけられている。カード８２０には、コリメーティング・レンズ８２３（図１９）と共に、好ましくは赤外線のＬＥＤ発光体要素８２２が取り付けられる。代替実施例において、複数の発光体要素８２２を使用することができる。また、必要に応じて、他の構成要素をカード８２０に取り付けることもできる。図１８と図１９の実施例において、カード８２０には抵抗が取り付けられ、直流電源とＬＥＤの間に直列に接続される。
回転運動するエンコーダ・ディスク８２６を支持するためにフランジ８２４が使用される。エンコーダ・ディスク８２６は、組み立て中に、位置決めピン・ツールを使ってフランジ８２４に位置合わせされ取り付けられる。このフランジ８２４とエンコーダ８２６のアセンブリは、軸受アセンブリ８０８の内部レース内に軸８０６をプレスばめした後で、スピンドル軸８０６の自由端に取り付けられる。エンコーダ・ディスク８２６は、多くのメーカから市販されている接触光透明材料または薄膜を有する透明基板から作成することができる。図形的に整形された光学窓パターンは、集積回路基板技術において周知の標準的な接触写真プロセスによって、エンコーダ・ディスク８２６の薄膜上に印刷される。本質的には、エンコーダ・ディスク８２６の表面全体が、光学窓パターンを除いて黒色乳剤で印刷される。図８Ａに示したように、逆の画像を使用することもできる（すなわち、透明基体上に不透明部分がある）。ほとんどの用途では、印刷解像度が１インチ当たり１，０００ドット以上であることが好ましい。しかしながら、３サイクルのエンコーダ・ディスクにおいては、１インチ当たり３００ドットの解像度を有するレーザ・プリンタでも許容可能な性能を得ることができた。
図１８と図１９に示したように、スペーサ・リング８２８が、回路カード８２０に対して挿入される。また、スペーサ・リング８２８も成形されるが、ハウジング内の別のへこんだ段でもよい。円盤の形に成形されたマスク８３０が、マスク基板８３２に取り付けられる。マスク８３０は、エンコーダ・ディスク８２６と同じ薄膜材料で作成される。また、マスクは、エンコーダ・ディスク８２６について前述したように印刷される。マスク基板８３２は、マスクを通過する必要な光経路を保証する穴８３３を含む。一般に、基板８３２は、いくつかの光経路を提供するいくつかの穴を含むことがある。また、マスク８３０は、組み立て前の段階で軸８０６と位置合わせされる。完成したアセンブリでは、スペーサ・リング８２８が、回路カード８２０とマスク８３０の間にある。エンコーダ・ディスク８２６とマスク８３０の物理的距離は、主にディスク８２６上に印刷された図形サイクルの数と光経路要素により、通常、０．００４〜０．０２０インチである。
基板８３２の反対側には、基板８３２の穴８３３と位置合わせされた穴８３５を有する第２の回路カード８３４が取り付けられる。多チャネルの実施態様において、カード８３４の穴８３５の数と基板８３２の穴８３３の数は一致する。カード８３４の空いている側には、レンズ８３７を含むフォトトランジスタ８３６が取り付けられ、アパーチャ８３５と位置合わせされる。また、カード８３４には、電位差計（図示せず）が取り付けられる。１つの実施例において、フォトトランジスタ８３６のエミッタがアースされ、そのコレクタが、電気信号出力として働く。電位差計はアースと直流電源の間に接続される。電位差計の可動接点は、コレクタの出力に接続される。エンコーダのパッケージは、ハウジング８１８と類似の成形材料からなるカバー８３８によって完成される。
図１８と図１９に示したように、一対のアンカー・タブ８４０および８４２が、ハウジング８１８とカバー８３８から突出し、回転防止クリップ（後述する）
によってハウジングを固定し、ハウジング８１８が軸と一緒に回転するのを防ぐことができる。この機能を、図２０〜図２４を参照して説明する。
【００３５】
図２０〜図２４を参照し、光学的エンコーダをモータへ取り付ける方法を説明する。図２０において、本発明により構成された光学的エンコーダ９００は、モータ９０６の後部軸９０４と位置合わせされたカプラ９０２を含む。カプラ９０２に含まれる孔の内径は、滑りばめのために軸９０４の外径と一致するように機械加工される。必要に応じて、（エンコーダ・ディスクを回転する）カプラ９０２を軸９０４上の適切な角度位置まで回転させることによって、エンコーダ９００の内部のエンコーダ・ディスクの角度位置を、モータ極と合わせることができる。カプラ９０２は、止めねじ９０８によって軸９０４に固定される。
図２１〜図２２に示したように、回転防止クリップ９１０は、エンコーダ９００から突出するアンカー・タブのうちの１つに引っ掛かる。クリップ９１０の他端は、モータ９０６に直接固定された既存のねじまたはボルトに留めることができる。しかしながら、クリップ９１０をモータ９０６に合わせて取り付けることが好ましい。これは、図２１〜図２２に示したように、スタンドオフ９１２をモータ９０６にねじで取り付けることによって達成することができる。図２２に示したように、スタンドオフ９１２は、エンコーダ９００に対して接線方向に位置決めすべきである。この取り付け方によって、エンコーダの「角度方向の移動誤差」を防ぎ、より高い精度が保証される。
図２１に示したように、エンコーダ９００は、モータにボルトて固定されたカバー９１４内に収容することができる。カバー９１４は、たとえば「堅牢」にされ、通気され、モータ・エンコーダのアライメントと性能に影響を与えたり変化させたりすることなく任意の方法でモータに取り付けられてもよい。任意選択として、電力増幅器９１６をカバー９１４の内壁に取り付けて、エンコーダからの出力信号を増幅するために使用することができる。
図２３Ａ〜Ｂは、それぞれ、回転防止クリップ９１０の側面図と平面図である。クリップ９１０は、たとえば、直径０．０３７インチのスプリング・テンパーや３０２ ＳＳワイヤなどでできていてもよい。図２３Ａに示したように、クリップ９１０は、クリップ９１０をモータ、スタンドオフまたはブラケットに取り付けるために使用される取付けループ９１１ａを含む。図２３Ｂに示したように、クリップ９１０は、また、エンコーダ９００のハウジングから突出するアンカー・タブに引っかかるアンカー・ループ９１１ｂも有する。
図２４に示したように、回転防止クリップ９１０は、エンコーダ・ハウジングの回転位置と、したがってエンコーダ・ディスクに対するマスクの位置を調整するための調整アームとして機能することもできる。そのような調整は、エンコーダ９００を位置合わせし固定した後、マスクの位置をモータの巻線に対して微調整するために望ましい。この調整により、エンコーダ信号の時間を適切に調整し、最適なトルクと電力調整のためにモータ巻線を進めたり遅らせたりすることができる。図２４に示したように、スタンドオフ９１２は、直立ブラケット９１２ａと取り替えられている。ブラケット９１２ａは、その遠端でボルト９１８が挿入され、ナット９２０が、回転防止クリップ９１０の端を保持している。エンコーダ９００の角度調整は、クリップ９１０を、エンコーダ９００に対して接線方向の経路に沿って移動させるようにボルト９１８を回転するだけで達成される。
前述のように、ある一定の用途では、モータ軸の回転ごとに非整数サイクルを有する信号によって交流モータを駆動することが好ましい。前述の例においては、モータがその定格速度（同期速度よりも低い）で動作しているときにエンコーダからの６０Ｈｚの電力信号周波数を達成するためには、１回転当たり３．４２８サイクルの信号が望ましい。エンコーダ・ディスク上に３．４２８サイクルの波形関数を符号化することが提案された。図２５Ａ〜図２５Ｂは、図形パターン９５２を含むエンコーダ・ディスク９５０の上面図を示す。図形パターン９５２は、２．６電気サイクルの光学的に符号化された波形関数を表わす。図２５Ｂは、パターン９５２としてディスク９５０上に図形的に符号化された波形関数９５４を示す。点Ｌａ、Ｐａ、Ｌｂ、Ｐｂ、ＬｃおよびＰｃは、図形パターン９５２に沿った角度位置（図２５Ａを参照）を示し、それと対応する点Ｌａ、Ｐａ、Ｌｂ、Ｐｂ、ＬｃおよびＰｃが波形関数９５４上にマークされている（図２５Ｂを参照）。図２５Ｂに示したように、波形関数９５４の始点Ａは、関数の終点Ｂと一致する。
【００３６】
次に、図２６Ａ〜Ｂを参照し、非整数波形を生成する別の方法を示す。図２６Ａにおいて、エンコーダ・ディスク９５６は、２つの図形パターン９５７ａと９５７ｂおよびロケータ・アパーチャ９５７ｃとを有する。図形パターン９５７ａ〜ｂは、それぞれ３．５電気サイクルを有する波形関数を表わす。エンコーダ・ディスク９５６が物理的に３６０°回転するごとに、ロケータ・アパーチャ９５７ｃによって１つの遷移信号が生成される。基本回路と結合されたそれぞれの遷移信号によって、エンコーダの波形出力は、パターン９５７ａと９５７ｂに交互に切り替えられる。図２６Ｂに、この方法の連続的な波形出力を示す。見て分かるとおり、この例は、エンコーダ・ディスク９５６が物理的に３６０°だけ完全に２回転するごとに完全な７電気サイクルを生成する、すなわち１回転ごとに３．５電気サイクルを生成する。同心図形パターンの数と各パターンの図形サイクル数を変化させれば、この方法で、他の非整数の波形サイクルを生成することができる。
【００３７】
図２７Ａ〜Ｂは、１回転当たりの非整数サイクルの信号を生成する代替方法を示す。この代替方法では、所望の波形が、単に複数の波形を組み合わせることによって電気的に得られる。たとえば、図２７Ａに示したように、入力Ａにおける信号９６０は、周波数Ｆ１を生成する１回転当たりＮ１サイクルを持つ。入力Ｂにおける信号９６２は、周波数Ｆ２を生成する１回転当たりＮ２サイクルを持つ。信号９６０と９６２を様々な方法で組み合わせると、さらに他の周波数Ｆｎを生成することもできる。このような様々な「新しい」周波数Ｆｎは、当技術分野の標準的な多くの周波数混合方法から得ることができる。しかしながら、本発明のエンコーダによって生成される出力信号のいくつかの非線形的性質（すなわち、可変振幅、位相、デューティ・サイクルなど）により、１電気サイクルまたは「Ｎ」サイクルにわたる電気サイクルの両方で、他の新しい周波数を実現できるはずである。
また、本発明によれば、そのような周波数（サイクルまたは波形）を、エンコーダの内部または外部で「共用」することができる。図２７Ａ〜Ｂは、２つだけの信号を組み合わせるための簡単な方法を示す。これらの２つの信号は、電位差計９６４と結合され、電位差計９６４の出力Ａ／Ｂは、新しいサイクル数の信号を生成する。図２７Ａに示したように、図２７Ａの回路網から、信号９６０と９６２の様々な組み合わせを得ることができる。
【００３８】
図２７Ａに示したような電気的な組み合わせ、修正および加算方法を利用して、本発明のエンコーダからの出力信号をさらに整形することもできる。図２７Ａに示したように、三角形波形９６６を正弦波波形９６２と組み合わせて、出力Ｂ／Ｃにおいて様々な整形波形を得ることができる。図２７Ａは、波形関数の簡単で「受動的」な修正方法を示す。他の多くの方法で、波形タイプと数学的導出を整形、強化、組み合わせることができるが、この独特の波形作成方法なしにはこれまで作成することができなかった。
図２７Ｂは、同様の波形結合回路網を示し、入力Ｄの振幅可変関数９６８を、入力Ｅの任意関数９７０と組み合わせて、Ｄ／Ｅに固有の波形出力を生成する機能を示す。また、図２７Ｂに示したように、波形出力Ｄ／Ｅを、周波数可変波形９７２と組み合わせて、出力Ｆ／（Ｄ／Ｅ）を生成することもできる。
【００３９】
本発明の好ましい実施例を、特に、明細書に記載し図面に例示したが、本発明はそれに制限されないことを理解されたい。併記の請求の範囲に定義されたような、本発明の精神および範囲から逸脱しない本発明の多くの修正、等価物および適応は、当業者には明らかであろう。[0001]
[Industrial application fields]
1. The present invention relates generally to optical encoder devices and methods, and more particularly to converting the physical movement of an electromechanical device into meaningful electrical signals that can be used to drive and control the device. To an optical encoder. One important application of such an apparatus and method relates to the control of motor operation.
[0002]
[Prior art]
2. BACKGROUND OF THE INVENTION The background art most relevant to the present invention is in the field of motor control and commutation. However, it should be understood that the invention is not limited to this field. Since the most important application of the present invention relates to the control of motor operation, the following description is mainly relevant to the field.
The present invention can be implemented as a simple variable speed control apparatus and method for an AC motor that can additionally improve or enhance the standard operating efficiency of the motor. This embodiment relates to direct rectification between the light and electricity of single-phase and multi-phase AC induction motors, but can also be used for other AC motors and brushless DC motors.
In general, commutation of an AC induction motor uses AC power frequency to provide an induced current to the appropriate stator winding, generating a magnetic flux that induces the current, resulting in a magnetic flux in the armature winding Let When properly synchronized or aligned, there is a torque or force that moves the armature between the two magnetic fluxes.
[0003]
Armature motion, or motor speed, is directly proportional to the frequency of input power at a particular voltage level. Normally, since the input voltage and frequency of the AC motor are fixed, the armature speed is fixed. In an AC induction motor, a certain level of “frequency slip” occurs between the frequencies of the stator and the armature. That is, the armature speed is slower than the magnetic field speed of the stator. Control of the armature speed can be achieved by appropriately adjusting various frequencies, voltages, number of poles, number of windings or phases, slip amount and the like.
[0004]
Current methods of changing and controlling the speed of an AC motor (or brushless DC motor) typically provide feedback, or input signals to the microprocessor, inverter or vector controller and driver for analysis, adjustment, modification, formation, etc. Thus, several types of motor connection speed sensing devices that match the frequency, voltage, and power required for the motor are required. Signals from the microprocessor, inverter or vector drive mechanism control the frequency, power pulse width, current and voltage amplitude, phase, or various combinations of such parameters. These conventional methods are generally complex, expensive and laborious. This generally requires a speed sensing input device or method, separate shaping devices for analysis and control signals, and a driver for power output, all of which must be properly connected and synchronized with each other.
[0005]
The present invention differs from the method described above in that it uses a signaling device to sense, analyze and control speed and improve torque and power while using less energy.
The present invention, like other methods, associates motor speed with input power frequency and voltage, but achieves this association with few components used by other speed modification methods. The encoder of the present invention utilizes the concept of a new “optical programming function” to match, adapt, analyze and control motor speed, direction, slip and phase by direct commutation while using less energy. Furthermore, improve the torque and output.
In addition, a method of using an optical encoder for commutation control of a DC motor is disclosed. However, in such methods, the optical elements used, such as illuminators, detectors and encoder disks, may be elements that change resistively, magnetically or “electrically”. This is because such a method involves a one-dimensional optical “shutter” that simply increases or decreases the light intensity, ie, closes or opens the light path to create a sinusoidal or square wave output. Because. Such a waveform can be created by non-optical elements as well.
Seward US Pat. No. 3,193,744, Imamura US Pat. No. 4,160,200, Terrell US Pat. No. 4,224,515, Veale U.S. Pat. No. 4,429,267, Ho U.S. Pat. No. 4,599,547 and Dolan et al. U.S. Pat. No. 5,103,225 describe fixed disks, masks or mesh lines. An optical encoder is disclosed that creates a sinusoidal signal waveform using a rotary encoder disk operating in combination. Also, Born US Pat. No. 4,353,016, Lee US Pat. No. 4,882,524, and Blaster et al. US Pat. No. 5,198,738 are: It discloses the use of an optical encoder that uses only a coding disc or wheel to generate square pulses for use in commutation and tachometer functions, without a fixed mask or mesh. Finally, Webber U.S. Pat. No. 5,177,393 discloses an optical encoder using a reflective encoder disk printed in a sinusoidal pattern used for commutation of a DC brushless motor. is doing.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
All of the encoders shown in these patents cannot optically shape the motor commutation signal waveform to the desired shape to optimize motor speed, direction, slip, phase, torque and power control. Limited by. That is, these methods are not “optically programmable”. In addition, many of the encoders proposed in these patents require an additional commutation “control” component to generate a square wave drive signal and to align the signal with the motor poles and windings. Furthermore, all the encoders of the aforementioned patents depend on the physical arrangement, size, shape and interaction of all optical elements. Finally, these patented encoders do not provide design flexibility or practical and affordable implementations.
[0007]
The apparatus and method of the present invention provides an optical encoder that can directly sense the mechanical movement of the apparatus and interpret or convert it into a programmed electrical signal compatible with the apparatus or other control element. Use as a "possible" device. The encoder is optical in that it includes optical elements that implement a given optical function and can be shaped graphically or geometrically to represent almost any arithmetic or algebraic waveform function. To be programmed. The encoder can create at least one electrical signal having a predetermined waveform that is a conversion of the optical function. The electrical signal can be directly generated as a result of the “periodic” movement of the device to which the encoder is coupled, so it can be used to control (like a normal encoder), shape and enhance (like a microprocessor). It can then be modified (like a converter), rectified, and changed (like an amplifier). For purposes of this application, the term “periodic” is intended to include, without limitation, repetitive motion, periodic motion, rotational motion, reciprocating motion, and string motion.
The ability of the apparatus and method of the present invention, apart from the proposed method and apparatus, to create, shape, modify, modify, by optical programming, almost any arithmetic or algebraic electronic output waveform pattern that constitutes the present invention. Is to control.
[0008]
3. Inventor's Philosophy My views, techniques, and perspectives on encoders and encoding are very similar to electronic and electrical circuits. In particular, I think that optical encoding (OE) is at the entry point where integrated circuits (ICs) were for electronic circuits about 30-40 years ago. IC in many ways was simply a repackaging of conventional electronic circuits. This repackaging was only initially integrated into a smaller, more cost-effective single useful device using existing electronic circuits and components. However, its simple “repackaging” has evolved so rapidly that it has created new markets, industries, and electronic circuits in effect, rather than simply repackaging existing circuits. Many such circuits were simply conceptualized or mathematically presented before the IC and were not even considered in some cases. However, “repackaging” or integration into this single product has made such circuitry possible.
I think my method of encoding, specifically optical encoding, is at the same entrance. There are a variety of optical encoding technologies today, but “repackaging” into a single or minimized inexpensive small product, as my general approach does, has similar possibilities. This scenario is provided.
[0009]
To further illustrate the similarity, I now provide optical encoding possibilities for new applications not previously used in a single OE package, or in some cases this “ An “optical programming” method envisaged by “single product method” was developed. Similar to ICs, in some cases, many such applications already exist in other forms or by using many other components. My method and method have integrated them into a single product. However, like IC, I have realized a concept that has been presented only mathematically or could not actually be constructed.
In addition, I similarly created and devised additional new concepts and applications that were not explored or contemplated before my new “IC methodology”. This “optical programming function” (op), developed by me in connection with the optical encoder (OE), allows the microprocessor to provide various capabilities, compatibility and “programming functions” on a single IC chip. It can be compared to a kind of microprocessor (μp) in that it is a unique series of electronic circuits.
I have also developed a "program function" like a microprocessor, various application functions, and processing power, but integrated it into a single cohesive package (like an IC). What makes my method similar to an integrated circuit, microprocessor is this new and unique concept of equalizing optical coding, optical programming, and general capabilities into one package. As ICs have helped develop and create microprocessors that open up new concepts in electronic applications and capabilities as well as industry, optical encoding and optical programming functions should also be helpful.
Therefore, my point is that the present invention and concepts of optical encoding and optical programming are in a situation where integrated circuits and microprocessors were about 30-40 years ago. The limits and scope of capacities, functions, products and industries are just slightly opened up by my method now.
It is this universal and general expectation I have for optically programmed encoders that makes this concept and product possibilities extremely exciting, unique and infinite.
[0010]
OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical encoder apparatus and method that circumvents the limitations and problems associated with conventional optical encoders. To provide an optical encoder apparatus and method that uses the concept of program functionality to generate various electrical signal waveforms customized to a particular application.
[0011]
Yet another object of the present invention is to provide an optical encoder device having elements that can be optically programmed to produce a desired electrical signal waveform.
Yet another object of the present invention is to provide an optical encoder apparatus and method for directly driving and controlling single-phase or multi-phase AC motors and brushless DC motors.
Yet another object of the present invention is to provide an optical encoder apparatus and method that uses a single optoelectric device to sense, analyze and control the speed of the motor.
Yet another object of the present invention is to provide an optical encoder apparatus and method for minimizing the requirements of electrical or electronic devices for controlling the operation of a motor.
Yet another object of the present invention is to provide an optical encoder apparatus and method that improves efficiency, torque and power.
Yet another object of the present invention is to use the optical program function of only the encoder device or in combination with the electronic capability of the motor drive circuit to greatly improve the power factor and reduce the power line. To reduce or eliminate harmonic distortion.
Still another object of the present invention is to implement an AC induction motor, an AC synchronous motor, an AC slip motor, a DC brushless motor, a DC step motor, a single-phase motor, a multi-phase motor, a low-pole motor, and a multi-pole motor. It is an object to provide an optical encoder apparatus and method that is generally suitable for configuration and other motion control applications.
Yet another object of the present invention is that the optical encoder device can be easily attached to most motor shafts without modifying each motor or utilizing heavy and cumbersome fixtures. And make it into a complete package.
These and other objects are achieved by the present invention which provides an optical encoder device that converts the periodic motion of an electromechanical device into at least one signal having a predetermined waveform. The apparatus includes at least one photodetector that generates an electrical signal from the radiant energy in response to a pattern of incident radiant energy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The optically programmed means is optically aligned with the photodetector and is configured to operate by periodic movement of the device. The optically programmed means modifies at least one pattern of incident radiant energy detected by the photodetector in a plurality of directions by optical functions including geometric or graphical functions.
This geometric or graphical function may be a transformation of an equivalent waveform function.
The optically programmed means includes an optical element that includes at least one optically detectable graphical pattern, such as an optical encoder disk, the pattern comprising at least one graphically shaped cycle. And may contain a fractional number of such graphic cycles. The programmed means also includes a mask having at least one graphically shaped aperture that allows a pattern of radiant energy to pass to the photodetector.
The graphic function is first realized by a combination of the optical action of the disk graphic pattern and the mask aperture set such that one is scanned against the other according to the periodic movement of the device. The photodetector has a photoelectric response, and the product of this response and the optical function defines a predetermined waveform. A correction pattern of incident radiant energy in the photodetector is converted into an electrical signal having a predetermined waveform.
The optically programmed means may also include at least one light emitter that emits radiant energy. Radiant energy from the radiating device is coupled to the photodetector by a graphically or geometrically formed light path.
[0013]
The optical encoder apparatus of the present invention has particular application for efficiently controlling the operation of an electric motor by generating a signal waveform that is specifically matched and synchronized to a particular motor. For example, the encoder can be used as a variable speed control device that synchronizes the frequency of the drive signal with the speed of the motor. In such cases, the controller will include an amplifier that amplifies the electrical signal generated by the encoder and provides a means to adjust the voltage level of the drive signal that initiates the speed change.
[0014]
The optical encoder device of the present invention can be implemented to convert the rotational motion of an N-phase motor into an electrical signal having a predetermined phase relationship suitable for driving each motor. In this case, the encoder has N optical channels, each with a light emitter, a graphic pattern, and a mask aperture. In the preferred embodiment, the aperture and graphic pattern are placed concentrically on an encoder disk that is made to rotate with the motor shaft. One way to create a phase difference in the signal is to gradually shift the angular position of the graphic pattern on the encoder disk. The relative phase of each signal is determined by the relative position of the graphic pattern and its associated mask aperture at a particular point of rotation of the motor shaft.
The present invention also contemplates a method for converting the periodic motion of an electromechanical device into at least one electrical signal having a predetermined waveform. Furthermore, the present invention contemplates a method for controlling operation including the speed of an electric motor.
[0015]
One particular method of controlling the operation of an AC induction motor according to the present invention is: (1) electric power greater than the electrical cycle required to generate a rated power frequency at the motor's rated speed and power voltage on the motor shaft. Combining an optical encoder optically programmed with a waveform function having a cycle; (2) generating an encoder output signal that substantially repeats the waveform function for each rotation of the motor shaft; and (3) an encoder. And a step of (4) supplying the amplified encoder output signal to the motor.
[0016]
【The invention's effect】
Furthermore, according to this method, the voltage level of the encoder output signal can be changed to change the speed of the motor, thereby changing the frequency of the encoder signal to a specified number.
[0017]
【Example】
[Brief description of the drawings]
Further objects of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments in connection with the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a single channel optical encoder constructed in accordance with the present invention coupled to a single phase AC induction motor.
FIG. 2 is a schematic diagram of the photodetector elements of the optical encoder of FIG. 1 showing an instantaneous pattern of radiant energy incident on the photoresponsive surface of the detector.
FIG. 3 is a schematic diagram of a three-channel optical encoder constructed in accordance with the present invention coupled to a three-phase AC induction motor.
4A-B are diagrams of optical encoder disks constructed in accordance with the present invention, each having a graphical pattern that produces a sinusoidal waveform and a corresponding waveform function.
5A-C each of the present invention has a trapezoidal waveform and a corresponding waveform function, and a graphic pattern that generates an equivalent linear representation (XY) of the circular graphic pattern and corresponding mask aperture of FIG. 5A. FIG. 2 shows an optical encoder disk.
FIG. 6 is a top view of a mask constructed in accordance with the present invention used in the encoder disk of FIGS. 4A, 5A and 7A to generate a signal having a waveform corresponding to the waveform function of FIGS. 4B, 5B and 7B. FIG.
FIGS. 7A-C each show a sine waveform and a corresponding waveform function, and a graphic pattern that generates an equivalent linear representation (XY) of the circular graphic pattern and corresponding mask aperture of FIG. 7A. It is a figure which shows the optical encoder disk of.
8A to 8C are respectively a uniform and non-uniform graphic pattern, a waveform function corresponding to the non-uniform pattern, and an equivalent linear expression (X−) of the non-uniform graphic pattern and the corresponding mask aperture shown in FIG. 8A. FIG. 6 shows another optical encoder disk of the present invention having Y).
FIG. 9 shows a trapezoidal waveform function with one electrical cycle and the corresponding encoder mask and disk configuration.
FIG. 10 is a diagram showing a triangular waveform function having one electrical cycle and the corresponding encoder mask and disk configuration.
FIGS. 11A to 11F are diagrams respectively showing a specific waveform function and a configuration of an encoder disk and an encoder mask correspondingly calculated by an algebraic area fill equation.
FIGS. 12A-C show three graphic patterns whose angles are physically shifted by 0, 40, and 80 degrees, respectively, to generate three electrical signals that are phase shifted by 0, 120, and 240 electrical angles, respectively. Figure 12B shows an optical encoder disk of the present invention having an encoder mask used for the encoder disk of Figure 12A and three phase shifted waveform functions corresponding to the graphic pattern of Figure 12A.
FIGS. 13A-C show the encoder disk of FIG. 13A with three graphic patterns with angles shifted by 0, 40, and 80 degrees, respectively, and apertures with angles shifted by 0, −10, and −20 physical angles, respectively. 2 shows an optical encoder disk of the present invention having the encoder mask used and three waveform functions correspondingly shifted in phase by 0, 90 and 180 electrical angles.
FIGS. 14A-D each illustrate a graphic pattern including six apertures, a mask including apertures that are graphically shaped to generate a sinusoidal waveform, a corresponding waveform function, and the graphic pattern of FIG. 2 shows an optical encoder disk of the present invention having an equivalent linear representation (XY) of the corresponding mask aperture.
FIGS. 15A-D each show a graphic pattern including three apertures, a mask including a pair of apertures that are graphically shaped to generate a sinusoidal waveform, a corresponding waveform function, and the graphic pattern of FIG. 15A. 1 shows an optical encoder disk of the present invention having an equivalent linear representation (XY) of the corresponding mask aperture.
16A-F are waveform plots illustrating a method of graphically correcting for signal discontinuities generated from non-integer waveform functions.
FIGS. 17A to 17D respectively show a corrected graphic pattern that generates a repetitive non-uniform waveform and an enlarged view of the correction, corresponding corrected and uncorrected waveform functions, and an equivalent linear representation (X− Fig. 6 shows an optical encoder disk of the present invention having Y) and an equivalent linear representation (XY) of the corrected graphic pattern.
FIG. 18 is an exploded view of an optical encoder constructed in accordance with the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view of the encoder of FIG.
20 to 22 are a series of diagrams showing a method of attaching the optical encoder of the present invention to a motor.
FIGS. 23A-B are side and top views, respectively, of an anti-rotation clip used to secure the optical encoder housing of the present invention and adjust the angular position relative to the motor shaft.
FIG. 24 is a top view of the encoder of the present invention attached to the shaft of the motor and adjustably fixed to the motor by an anti-rotation clip.
FIGS. 25A-B show top views of the encoder disk of the present invention each having a graphic pattern corresponding to the non-integer waveform function and a graphic plot of the non-integer waveform function corresponding to the graphic pattern of FIG. 25A.
26A-B each show a top view of another encoder disk of the present invention and a graphical plot of continuous waveform output corresponding to the encoder disk of FIG. 26A.
27A and 27B are circuit diagrams showing waveform shaping by a combination of electrical waveforms.
FIG. 28 is a flowchart showing an outline of a reference example of the method of the present invention.
[0018]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Referring now to FIG. 1, the essential elements of the present invention are schematically illustrated. Single-phase three-pole pair AC induction motor 10 includes a stator assembly 12 and a rotor assembly 14. The stator 12 includes three pairs of windings. The winding pairs 16a and 16b are connected in series between the ground and the AC input A. The other winding pairs are similarly connected, and all the winding pairs are connected in parallel as shown. When an AC input signal is applied to the windings, six magnetic poles are established in the stator 12 and these poles cause the rotor 14 to generate a corresponding number of poles. The motor 10 can be started in any known manner, such as by a start winding (not shown).
The rotor 14 has a shaft 18 that rotates about a central axis 20. An optical encoder 22 constructed in accordance with the present invention is coupled to shaft 18. The encoder 22 includes at least one light emitter 24, preferably an infrared light emitting diode (LED). The photodetector device 26 is aligned with the light emitter 24 and is responsive to radiant energy emitted from the light emitter 24. The detector 26 generates an electrical signal that is proportional to the amount of radiant energy incident on the photodetector 26. The detector 26 is preferably a phototransistor. Both emitter 24 and detector 26 are fixed in place and aligned along light path 28. An optical element in the form of an encoder disk 30 is coupled to the shaft 18 and is made to rotate with the shaft 18. The encoder disk 30 includes an optically detectable graphical pattern 32 that includes at least one graphically shaped cycle 34. In the preferred embodiment, graphic cycle 34 is implemented in the form of an optical window. In many applications, including motor control, the number of graphic cycles 34 is equal to the number of rotor pole pairs. Further, the graphic cycle 34 is physically (angularly) aligned with the pole pair.
As will be explained later, in some applications, this condition of matching the graphic cycle to the pole is not obeyed. It will also become clear from the following description that the graphic cycle 34 is not necessarily implemented as a separate optical window. In some cases, one graphic cycle may gradually transition to another graphic cycle. Further, cycle 34 can be implemented as an opaque area on a transparent (or translucent) encoder disk. In another embodiment, cycle 34 may be implemented as a reflection pattern in a reflective encoder embodiment.
Still referring to FIG. 1, the encoder disk 30 has a central axis 31 aligned with the axis 20 of the rotor 18. The disk 30 rotates around the central axis 31. The encoder 22 further includes a mask 36, preferably in the form of a disk. The mask 36 includes a V-shaped aperture 38. The mask 36 has a central axis 37 that is physically aligned with the central axis 31 of the encoder disk 30. The mask 36 is not coupled to the rotor shaft 18 and remains stationary during operation of the encoder 22.
The encoder disk 30 is operated by the rotational movement of the shaft 18, and the graphic pattern 32 is scanned via the optical path 28. In that sense, the encoder disk 30 is optically coupled to the optical path 28. As shown in FIG. 1, the pattern 32 is coaxially disposed about the central axis 31 along an imaginary scan track.
As shown in FIG. 1, the aperture 38 of the mask 36 is aligned with the light path 28 and the pattern 32. The function of the aperture 38 is to transmit a limited and graphically controlled radiant energy to the detector 26. The dimension “y” of the aperture 38 is the maximum dimension “y” of the graphic pattern 32 (see FIG. 1).
Is equal to This dimensional relationship is illustrated, for example, in FIGS. 5C and 7C. FIG. 8 illustrates that the dimension “y” of the mask aperture (360) may be different from the maximum dimension of at least some “y” of the graphic (364b and 364c).
[0019]
The dimension of the aperture 38 is preferably smaller than the photosensitive surface of the detector 26. Aperture 38 is shaped and dimensioned to ensure that a defined radiant energy pattern is established on the light sensitive surface of detector 26. This requirement is described in more detail below with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, a potentiometer 40 is electrically connected between a power supply Vcc and ground. The output of the detector 26 is electrically connected to the adjustment wiper 42 of the potentiometer 40. The wiper 42 is directly connected to the power amplifier 44. Amplifier 44 must be able to amplify the low voltage output of detector 26 to a voltage level that can drive the windings of voltage motor 10. In many applications, amplifier 44 must amplify the detector output to a level of at least 120 volts RMS. Amplifier 44 may be a specially designed and optimized device or a standard commercially available power amplifier. When the rectified signal is expected to be sinusoidal, a more efficient class “C” (tuned inductance and frequency) amplifier can be used. The amplifier is preferably equipped with a gain adjustment so that its output can be adjusted.
In some applications, the signal output level of encoder 22 can be adjusted by changing the power supply that applies power to emitter 24 and / or detector 26. Using this method, the output level of the encoder signal can be varied, for example, between 1.5 and 12 volts. The level can be adjusted automatically in response to, for example, a system control signal.
To complete the encoder feedback loop, the output of amplifier 44 is connected to input terminal A of motor 10. The signal waveform generated by the encoder 22 is applied directly to the winding of the motor 10. Therefore, the present invention directly controls the commutation of the motor 10.
[0020]
It should be understood that the optical encoder of the present invention is optically programmed. All optical elements of the encoder are considered to be programmable parameters, the radiant and its radiant energy output, encoder disk, mask aperture, lens, shutter, prism, and the radiant energy incident on the encoder's photodetecting elements. Including but not limited to other optical elements or devices utilized to modify the pattern. The characteristics of the optical elements used in the encoder are selected, configured or adjusted (ie, programmed) so that the encoder can generate a predetermined electrical signal waveform output. The combined optical response of these optical elements, such as configured in an encoder, may be referred to as an optical function. Thus, the pattern of radiant energy incident on the photodetector means of the encoder is modified according to an optical function, which is a combination of the optical response of the optically programmed elements acting on the incident pattern in the photodetector means. Represents.
In a preferred embodiment, the optical function includes at least one “graphic function” that represents the optical response of the graphic pattern contained on the encoder disk or a combination of the response of the graphic pattern and the mask aperture. It should be understood that the optical function includes other graphical functions due to other elements in the optical path of the encoder. The term “graphic function” in this application will be defined in detail later.
Referring again to FIG. 1, both encoder disk 30 and mask 36 have their optical response characteristics (eg, circle 34 and aperture 38) positioned, shaped and dimensioned according to a graphical function. , Optically programmed. For the purposes of this application, the term “graphic function” refers to mathematically defined geometric, algebraic, and dimensional functions and empirically selected shapes that may or may not be mathematically definable. Including, but not limited to, expressions.
In the preferred embodiment, the selected graphical function is a transformation of an electrical waveform function. In motor control applications, the electrical waveform is specified to optimally drive the motor under expected load conditions. For example, a motor that drives a compressor in an air conditioner experiences non-uniform load conditions for each revolution of the motor shaft. In such a case, the non-uniform waveform of the corresponding drive signal can be optimally designated. FIG. 8B shows an example of such a waveform. After identifying the optimal waveform function, its graphical or algebraic equivalent can be chosen by using an algebraic area fill function (described below). In the encoder 22, the graphic function is determined by the combination of the optical action of the graphic pattern 32 and the aperture 38 as the encoder disk 30 rotates with the motor shaft 18 and scans the pattern 32 with the aperture 38. To be realized.
[0021]
Radiant energy from the illuminant 24 is directed along the optical path 28 until it enters the light sensitive surface of the detector 26. The incident radiant energy forms a pattern on the light sensitive surface of the detector 26. This plane is represented by the reference numeral 46 in FIG. The pattern of incident radiant energy may be limited by the overall dimensions of surface 46.
However, it is preferred that the aperture 38 defines the maximum dimension of the pattern. As shown in FIG. 2 (for exemplary purposes only), the aperture 38 has a limited area 48. It should be understood that the region 48 can be configured in any shape according to the desired graphical function.
With further reference to FIG. 2, the combination of the optical action of the encoder disk 30 and the mask 36 can be understood. Within region 48, unshaded region 50 represents an instantaneous pattern of incident energy on surface 46. The shaded region 52 represents the absence of radiant energy within the bounded region 48. In a reflective encoder system, regions 50 and 52 will represent different strengths of incident radiant energy in a complex interference pattern.
In order to make the explanation easy to understand, an x and y coordinate system is represented on the surface 46. In the case of the instant shown, the pattern of incident radiant energy 50 is defined by a particular graphic shape in the x, y coordinate region. As can be seen from FIG. 2, the pattern 50 changes in various directions in the two-dimensional space. As the graphical pattern 32 is scanned by the aperture 38, the incident radiant energy pattern 50 is modified or reshaped in multiple directions. The arrows in FIG. 2 schematically indicate directions in which the pattern can be modified. The incident pattern 50 is in this case modified according to a defined graphic function implemented by the graphic pattern 32 scanned by the aperture 38.
Phototransistor 26 is responsive to the instantaneous radiant energy pattern 50 and generates an electrical signal proportional to the amount of radiant energy represented by pattern 50.
The detector 26 is characterized by a photoelectric response that, when linear, produces an electrical signal having a waveform that matches the initially specified waveform function. The photoelectric response may not be linear. In practice, this response can be used as an additional programmable design parameter to generate the desired waveform. In this embodiment, the product of the photoelectric response of the detector 26 and the specified waveform function defines the electrical signal waveform that is generated at the output of the detector 26.
[0022]
Referring now to FIG. 3, a three channel embodiment of the optical encoder of the present invention is shown. In this embodiment, the encoder is used to drive a three-phase three-pole pair AC induction motor 100. The motor 100 has a stator assembly 102 and a rotor assembly 104. The structure of the motor is conventional and will not be described in detail. The stator assembly 102 includes three winding pairs 106a and 106b for each phase (only one pair is shown for each phase). The motor 100 has three AC input terminals A, B and C for each three-phase input signal. Each pair of windings 106a, 106b generates a pole pair in the rotor 104 (ie, three pole pairs for each phase). In the schematic of FIG. 3, each pole pair (NS) shown in the rotor 104 represents three actual pole pairs.
[0023]
As shown in FIG. 3, the three-channel encoder 110 is coupled to the rotating shaft 108 of the motor 100 and is mechanically positioned with the rotating shaft 112 of the shaft 108 in the same manner as described with respect to the encoder 22 of FIG. To be combined. The encoder 110 includes three infrared LED emitters 114a-c. Emitters 114a-c emit infrared energy along each optical path defined between emitters 114a-c and a corresponding number of phototransistors 116a-c. The encoder 110 includes a multi-track optical encoder disk 118 that is configured to rotate about a central axis 119. The disk 118 includes three optically detectable graphic patterns 120a-c arranged coaxially. The encoder 110 further includes a mask 122 formed in the form of a disk that includes three apertures 124a-c. When used in the encoder 22 of FIG. 1, the mask 122 is held stationary while the encoder disk 118 is made to rotate by the rotational movement of the shaft 108. Mask apertures 124a-c and graphic patterns 120a-c are each aligned with the optical path in the same manner as described with respect to encoder 22 of FIG.
As shown in FIG. 3, three potentiometers 126a-c are electrically connected between a power supply Vcc and ground. The output leads of detectors 116a-c are connected to the adjustment wipers of potentiometers 126a-c, respectively. The adjustment wipers of potentiometers 126a-c are connected to the inputs of respective power amplifiers 128a-c. The low voltage output signals of detectors 116a-c are amplified to a level sufficient to directly drive motor 100, as described with respect to the embodiment of FIG. Outputs A, B and C of amplifiers 128 a-c are directly connected to inputs A, B and C of motor 100. The encoder 110 generates an electrical signal output as in the case described with reference to FIGS.
The relative phases of the output signals of the detectors 116a-c are determined by the position of the graphic patterns 120a-c relative to the respective apertures 124a-c at a particular rotation angle of the shaft 108. In FIG. 3, the output signal of encoder 110 must have a relative phase of 0, 120 and 240 electrical angles in order to drive motor 100 properly. This phase relationship is established by rotating the position of each graphic pattern by a physical angle equal to the desired electrical angle phase shift (eg, 120 or 240 electrical angles) divided by the number of graphic pattern graphic cycles. be able to.
In the embodiment of FIG. 3, the position of pattern 120b is rotated by 40 physical angles relative to pattern 120c to create the desired 120 electrical angle phase shift. Similarly, the position of pattern 120a is rotated by 80 physical angles relative to pattern 120c to create the desired 240 electrical angle phase shift. In FIG. 3, the angular positions of the apertures 124a-c are aligned and therefore do not contribute to phase shift. Other examples of multi-channel phase shift will be described later with reference to FIGS.
[0024]
The optical encoder design of the present invention will now be described with respect to two motor control examples. First, consider a synchronous example involving a single-phase AC motor with three pole pairs as in FIG. The motor rotates at 1200 RPM or 20 RPS (rotations / second) at a synchronous speed. The motor requires 60 Hz and 120 volts to rotate at a synchronous speed. This frequency is created by a combination of an optically programmed encoder disk and mask that is directly coupled to the motor rotor shaft. The optically detectable graphic pattern contained on the encoder disk must include three graphic cycles to create the corresponding three electrical waveform cycles per revolution of the rotor shaft. Such a device is shown in FIG. 4A for a sinusoidal waveform.
The encoder disk 200 of FIG. 4A includes a graphic pattern 202 that includes three graphic cycles 204a-c. FIG. 6 shows the mask aperture used with the disk 200. When the disk 200 is rotating at 20 RPS, a 60 Hz sinusoidal AC signal is created by the encoder (20 RPS × 3 electrical cycles per rotation). As shown in FIG. 4B, when the encoder disk 200 rotates once (0-360 °), three electrical cycles 206a-c are created. This is the desired waveform function for this example.
First, the graphic pattern 202 of the encoder disk 200 and the mask aperture shown in FIG. 6 are created by representing the desired waveform function in the form of a vector data table. In this sine wave example, the vector table value is obtained from the following equation:
y = sin (electrical angle)
Three complete electrical cycles over 360 machine angles (one physical revolution) are represented. Therefore, there is an electrical angle of 180 ° with one revolution of the disk. Vector data can be plotted to provide visual feedback on what the final waveform will look like. (FIG. 4B represents both the plotted input waveform and the resulting electrical output of the phototransistor.)
[0025]
The next step is to determine the shape of the graphic cycles 204a-c in the optical pattern 202. This is accomplished by using an algebraic area fill equation. The vector value calculated from the above equation is substituted into the following equation.
[Expression 1]

Where V = area-fill vector of disk W = waveform points generated in waveform input file p = number of points in waveform input file mi = mask width, input parameters n = 1, 2, 3,. . . pv = scale factor of vector, input parameter formula (Wn + 1−Wn) ^* v / 8 + V and Vn−m are assumed to have a value of 0 when the respective calculation results are negative.
The shape of the mask aperture is adapted to the intrinsic attenuation of the optical signal. In this example, the equation is:
If p / 2> mi, then m = mi
If p / 2 <mi, then m = P / 2
Where p = number of points in waveform input file mi = mask width, input parameter m = mask width, approximate.
mi> = 2
The above equation is only an example of an X, Y area fill when the disk pattern is moved horizontally relative to the mask. In the case of rotational movement, extreme values are used. It should be understood that there are numerous equations, algorithms, or other ways to obtain the appropriate disc and mask combination to produce the required optically generated waveform. In the final step, the disc and mask are printed (adapted to horizontal and radial motion) according to the algebraic area fill value obtained from the above equation.
[0026]
Next, consider a reference example for the asynchronous case . First, the number of cycles required per revolution is determined from the motor frequency and standard operating speed. For example, using a 60 Hz motor with a standard operating speed of 1,050 RPM requires 3.428 electrical cycles per revolution at 120 volts AC. Determine the number of electrical cycles required, and if it turns out that it is not an integer, round it up to the next nearest full cycle or make it a full cycle up. For example, if the motor requires 3.428 electrical cycles per revolution, 4 cycles per revolution (or 5 or 6 cycles) can be selected to design the encoder disk. (This method of rounding up to the next integer cycle is an option when a lower drive voltage is preferred for a given speed).
In the next step, this high number of cycles per revolution is optically programmed into the encoder disk using the area fill equation described above. When a programmed disk is attached to a loaded motor, the number of cycles per revolution is high, so the signal to operate the motor faster (after direct amplification) than its normal operating speed at 120 volts AC. Can be generated. In such cases, motor performance is improved (i.e., faster rotation with the same load and input power). By reducing the voltage input to the motor, the rotational speed of the motor and encoder disk is reduced to a standard operating speed of 60 Hertz. The motor is driven at a standard operating speed (60 Hz) with a voltage lower than the specified voltage (120 V alternating current), thus reducing the amount of energy required to operate the same load motor. If the load required more energy (i.e. if the motor did not rotate faster), the encoder would not exceed 60 Hz, so there was no need to reduce the voltage, so the input energy was It will be consistent with more demanding loads.
[0027]
FIG. 28 is a flowchart schematically showing a reference example of the above method for operating a motor. This method is applicable whether or not non-integer cycles are calculated for the rated speed, frequency and voltage of the motor. In stage 1, the optical encoder of the present invention is coupled to the motor shaft. The encoder is optically programmed with a waveform function having a greater number of electrical cycles than required to produce the rated power frequency at the rated speed and power voltage of the motor. In stage 2, an encoder output signal that substantially repeats the waveform function is generated for each rotation of the motor shaft. In stage 3, the encoder output signal is amplified to a voltage level that produces the rated speed of the motor. Finally, in step 4, the motor is supplied with the power of the amplified encoder output signal. Furthermore, this method allows the voltage level of the encoder output signal to be changed and the motor speed to be changed, thereby changing the frequency of the encoder signal to a specified frequency.
In both the synchronous and asynchronous examples described above, the encoder speed can be controlled simply by adjusting the voltage applied to the motor after the encoder speed is calibrated to the motor operating speed. Ensures that the speed matches the frequency.
4A-B, 5A-C, 7A-C, 8A-C, 9, 10, 11A-F, 12A-C, and 13A-C, some examples of encoder disks are shown. And the waveform function used to graphically encode the disk. The encoder disk 250 of FIG. 5A includes a graphic pattern having three graphic cycles 252a-c. In this example, graphics cycles 252a-c are transparent optical windows. FIG. 6 shows a mask 254 that includes a mask aperture 256 intended to be used with the encoder disk 250. Waveform function 258 is shown in FIG. 5B and is used to determine the shape of graphic cycles 252a-c and mask aperture 256. FIG. The waveform function 258 also represents the actual electrical signal output of the encoder. FIG. 5C shows an equivalent linear representation (XY) of the graphic cycles 252a-c and the mask aperture 256. Mask aperture 260 corresponds to mask aperture 256, and cycles 262a-c correspond to cycles 252a-c.
7A-C show another sine wave example where six electrical cycles are required for each rotation of the encoder disk. In FIG. 7A, encoder 300 includes a graphic pattern 302 having six graphic cycles. The graphic cycle is a transparent optical window. In this example, the mask aperture 256 (FIG. 6) is used with the disk 300. Waveform function 304 is shown in FIG. 7B and is used to determine the shape of pattern 302 and mask aperture 256. The waveform function 304 represents the actual electrical signal output of the encoder. FIG. 7C shows an equivalent linear expression (XY) of the graphic pattern 302 and the mask aperture 256. The mask aperture 306 corresponds to the mask aperture 256, and the graphic pattern 308 corresponds to the graphic pattern 302. Figures 12B, 13B, 14B and 15B show examples of other geometric shapes of the mask aperture.
[0028]
8A-C show examples of non-uniform waveforms. In FIG. 8A, a transparent encoder disk 350 includes a uniform graphic pattern 351 and a non-uniform graphic pattern 353. Graphic pattern 351 includes four uniform graphic cycles, and pattern 353 includes three non-uniform graphic cycles 352a-c as shown. The graphic cycle of pattern 351 and the graphic cycles 352a-c of pattern 353 are opaque optical mesh lines printed on a transparent encoder disk 350 ("opaque region on transparent substrate"). FIG. 8A also shows a pair of mask apertures 354a and 354b that are configured and dimensioned for use with patterns 351 and 353, respectively. In this example, the graphic pattern 351 is not used.
As can be seen from FIGS. 8A and 8B, the non-uniformly sized cycles 352a-c correspond to the non-uniform electrical cycles 358a-c of the predetermined waveform 356, respectively. Waveform 356 shows a waveform function 356 that is used to determine the shape of graphic cycles 352a-c and mask aperture 354b. The waveform function 356 represents the form of an encoder output signal necessary for driving a variable motor load, for example.
FIG. 8C shows an equivalent linear expression (XY) of the graphic pattern 353 and the mask aperture 354b. As shown in FIG. 8C, mask aperture 360 corresponds to mask aperture 354b, graphic pattern 362 corresponds to pattern 353, and graphic cycles 364a-c correspond to cycles 352a-c.
9, 10, and 11A to 11F show still other examples of the waveform function and the correspondingly encoded disk and mask. In FIG. 9, a trapezoidal waveform function 400 is shown having one electrical cycle per physical motion cycle (eg, 360 ° rotation). The shapes of the graphic pattern 402 and the mask aperture 404 are determined from the waveform function 400. Further, FIG. 10 shows a triangular waveform function 500 having one electrical cycle per revolution. The shapes of the graphic pattern 502 and the mask aperture 504 are determined from the waveform function 500.
Referring now to FIGS. 11A-F, the configuration of a particular waveform function and its corresponding encoder mask and encoder disk is shown. The encoder mask and disk configuration was calculated by the algebraic area fill equation described above.
[0029]
FIGS. 11A and 11B show that a particular triangular waveform 550 can be created with two completely different masks and disk figures. As shown in FIG. 11A, a triangular waveform 550 is created using the mask aperture 552 and the graphic pattern 554. In FIG. 11B, the same triangular waveform 550 is created using the mask aperture 556 and the graphic pattern 558.
Similarly, FIGS. 11C and 11D show that a particular sinusoidal waveform 560 can be created with two different masks and disc graphics. In FIG. 11C, the mask aperture 562 is used with the graphic pattern 564 to create a sine waveform 560. In FIG. 11D, mask aperture 566 is used with graphic pattern 568 to create the same waveform 560.
FIG. 11E and FIG. 11F show still another mask / disk graphic combination for creating other desired waveforms. In FIG. 11E, a trapezoidal waveform 570 with a round bottom is created by the mask aperture 572 and the graphic pattern 574. In FIG. 11F, a complex waveform 576 is created by the mask aperture 578 and the graphic pattern 580.
12A-C, an example of a three-phase encoder is shown. As shown in FIG. 12A, a circular encoder disk 600 includes three graphic patterns 602a-c that are coaxially arranged and are offset in angle. In this example, each of the patterns 602a-c includes three identical graphic cycles, creating three uniform electrical cycles per motor shaft revolution. As shown in FIGS. 8, 9, 10 and 11A-F, it should be understood that the graphic pattern can be configured in various ways.
Each graphic pattern 602a-c is arranged along a circular track of 360 physical angles on the disk 600. Each graphic cycle in each pattern corresponds to a 360 electrical angle of the associated waveform function. If there are three uniform graphic cycles per pattern, patterns 602a-c each represent three times 360 electrical angles equal to 1080 electrical angles. Thus, in order to achieve the desired electrical phase shift of the waveform, the corresponding electrical pattern has a number of physical angles equal to the desired electrical phase shift (electrical angle) divided by the number of graphics cycles in the graphics pattern. The angle must be shifted. Accordingly, in this example, when a phase shift of 120 ° is required, the position of the graphic pattern is shifted by 120 ° / 3 cycles = 40 physical angles.
[0030]
Referring to FIG. 12A, pattern 6O2b is offset by 40 ° with respect to pattern 602c to achieve a 120 ° phase shift. The pattern 602a is offset by 80 ° with respect to the pattern 602c to achieve a 240 ° phase shift. As shown in FIG. 12B, the mask 604 includes three sets of mask apertures 603a-c. The apertures of the set 603a are aligned in the radial direction, and are spaced apart so as to align with the patterns 602a-c. FIG. 12C is a plot of the out-of-phase waveform function used for the created patterns 602a-c and also represents the electrical signal output out of phase of the encoder. Waveform 606a is offset by 240 electrical angles from waveform 606c, and waveform 606b is offset by 120 electrical angles from 606c.
13A-C show another three-phase example. As shown in FIG. 13A, the encoder disk 610 includes three graphic patterns 612a-c that are identical to those included in the encoder disk 600 (FIG. 12A). In this example, 0 °, 90 ° and 180 ° out-of-phase waveforms are required. Using the aperture set 603c with the mask 604 (FIG. 12B) altered or physically rotated, this different set of phase shifts can be obtained using the same encoder disk. As shown in FIG. 13B, the mask 614 is identical to the mask 604, but rotated clockwise by 90 physical angles. Aperture set 603c of mask 614 includes three apertures 616a-c that are offset in angle by 0 °, −10 °, and −20 °, respectively.
Aperture 616b is delayed by 10 physical angles relative to aperture 616a, which in this case corresponds to a phase shift of −30 electrical angles. A −30 ° phase shift is added to the + 120 ° phase shift that imparts to pattern 612b (FIG. 13A), resulting in the desired 90 ° phase shift. Aperture 616c is delayed from aperture 616a by 20 physical angles corresponding to a phase shift of −60 electrical angles. The −60 ° phase shift is added to the + 240 ° phase shift that imparts to the pattern 612c, resulting in the desired 180 ° phase shift. The aperture 616a does not contribute to the phase shift, so that the pattern 612a creates the desired 0 ° phase shift.
FIG. 13C shows the phase shifted waveform functions corresponding to the graphic patterns 612a-c and the aperture set 603c (FIGS. 13A and 13B). Waveform 618c corresponds to pattern 612c and aperture 616c, and is shifted 180 electrical angles from waveform 618a, and waveform 618b corresponds to pattern 612b and aperture 616b, and is shifted 90 electrical angles from waveform 618a. Waveform 618a corresponds to pattern 612a and aperture 616a.
It has been shown that the mask may be multifunctional, including several different aperture sets, each of which can be selected for a particular application. For example, the aperture sets 603a-c of FIGS. 12B and 13B allow a single encoder to create various sets of phase-shifted signals, as shown in FIGS. 12C and 13C. Each set of signals is selected by manually adjusting the position of the mask aperture sets 603a-c and switching between two phototransistors electronically or by outputting signals from multiple sets of detectors. can do.
[0031]
FIGS. 14A to 14D and FIGS. 15A to 15D show still another example of a method of forming a mask with a graphically shaped aperture. In FIG. 14A, encoder disk 620 includes a graphic pattern of six equally spaced apertures 622 (60 physical angular intervals). The encoder disk 620 is a rotating disk. FIG. 14B shows the mask 624 intended to be stationary. Mask 624 includes an elongated aperture 626 that is shaped according to an area fill equation to produce a sinusoidal waveform. Behind the mask 624 is an array of photodetectors 628 across the aperture 626. Alternatively, the array 628 can be substituted with a single elongated photodetector. In the case of an array, the output of the array 628 can be combined in various ways to create a single waveform signal or a series of signal waveforms. The encoder disk 620 rotates relative to the mask 624 and each aperture 622 scans across the aperture 626 to produce a sinusoidal waveform cycle (using a single detector or a series connected array of detectors). If). FIG. 14C shows a 6-cycle waveform function 630 corresponding to the encoder disk and mask apparatus of FIGS. 14A and 14B. FIG. 14D shows an equivalent linear representation (XY) of the encoder disk and mask apparatus of FIGS. 14A and 14B. The aperture 632 corresponds to the aperture 622 of the encoder disk 620 of FIG. 14A, and the aperture 634 corresponds to the aperture 626 of the mask 624 of FIG. 14B.
[0032]
15A-D show an apparatus equivalent to the apparatus of FIGS. In FIG. 15A, the encoder disk 640 includes a graphic pattern of three apertures 642 that are equally spaced (120 ° apart). As shown in FIG. 15B, mask 644 includes a pair of graphically shaped apertures 646 and 648 that are 180 degrees apart. Behind the mask 644 is an array of photodetectors 650 (or a single elongate detector) that scans the entire aperture 646, the outputs of which can be combined. Similarly, an array of photodetectors 652 (or a single detector) is placed behind the aperture 648 and the output of the array 652 is combined and combined with the combined output of the array 650 to form a single electrical A signal output can be generated. FIG. 15C shows a 6-cycle waveform function 654 corresponding to the encoder disk / mask apparatus of FIGS. FIG. 15D shows an equivalent linear representation (XY) of the cyclic encoder disk and mask device of FIGS. Aperture 656 corresponds to aperture 642 of encoder disk 640 of FIG. 15A, and aperture 658 corresponds to apertures 646 and 648 of mask 644 of FIG. 15B.
In applications where it is desirable to generate non-integer electrical cycles per revolution of the encoder disk, the graphic shape generated by the area fill equation may require some graphic correction. As shown in FIG. 17B, graphical correction may also be required when creating a graphic shape for a non-uniform waveform function. This correction is required because a waveform function that includes non-uniform or non-integer cycles may generate a discontinuity each time it is repeated (ie, every rotation of the encoder disk). 16A-F show the problem and one technique for correcting it.
In FIG. 16A, the sinusoidal waveform function 700 has 3.428 cycles per revolution. FIG. 16B shows that this function is repeated three times (representing three rotations), resulting in a discontinuity 701 at the end of each rotation. To correct this, the waveform function 700 is phase shifted by approximately -90 degrees (actually -0.428 cycles) as shown in FIG. 16C (phase shifted waveform 704). In FIG. 16D, the phase-shifted waveform 704 is repeated three times. As can be seen, the discontinuity 706 at the end of each rotation is small. However, there is still a sharp spike at the end of each rotation. These spikes can be smoothed by empirically and graphically shaping the final shape on the encoder disk and / or mask. FIG. 16E shows a function 708 obtained from a graphical shape with an empirically adjusted encoder disk and mask. Note that the start and end points of the waveform function 708 are rounder than the phase shift waveform 704. In FIG. 16F, waveform 708 is repeated three times to show that the discontinuities shown in FIGS. 16B and 16D have become smaller. The electric signal waveform created by the corrected graphic function is similar to the repeated plot of FIG. 16F. The correction method described above requires the phase of the waveform to be shifted by the inherent positional adjustment of the graphic pattern contained in the encoder disk and / or mask aperture.
[0033]
FIG. 17A shows an example of an encoder disk that has been graphically adjusted to correct discontinuities. The encoder disk 750 includes a graphic pattern having three graphic cycles 752a-c. A waveform function 754 (see FIG. 17B) is encoded on the encoder disk 750. As shown in FIG. 17B, waveform 754 is a non-uniform function having a start point 756 and an end point 758. As shown, these points are at different heights, producing discontinuities when the function is repeated. In this case, the phase shift stage of the method described above in connection with FIGS. 16A-F cannot be used due to waveform inhomogeneities. However, the start point 756 and / or the end point 758 can be adjusted to minimize discontinuities.
Adjustment of the incident radiant energy pattern in dimension “y” (see FIG. 2) achieves the necessary correction. In this example, the adjustment is made by modifying the graphic pattern on the encoder disk 750 as shown in the enlarged view of FIG. 17A. In the enlarged view of FIG. 17A, the uncorrected joint between the graphic cycles 752a and 752c at the point LC is indicated by a solid line. The joints corrected graphically are indicated by dotted lines. In this case, the graphical correction consists of matching the individual ends of the graphic cycles 752a and 752c to the continuous graphical transition Y1. This correction raises the level of the start point 756 (see FIG. 17B) and is closer to the end point 758. FIG. 17C shows an equivalent linear representation (XY) of an uncorrected graphic pattern on the encoder disk 750, and FIG. 17D shows an equivalent linear representation (XY) of the corrected graphic pattern. Note the difference between the pattern in FIG. 17C (points 756 and 758) and the pattern in FIG. 17D (points Y1 and Y1). The points Y1 and Y1 in FIG. 17D match.
18 and 19 show a preferred structure of the optical encoder of the present invention. The structure shown is preferred because it provides a lightweight, small-section encoder that can be coupled directly to the motor shaft without any (external) assistance. The annular sleeve coupler 802 is sized to fit exactly on the motor shaft 803 (see FIG. 19) that the encoder 800 is intended to control. The coupler 802 is fixed at an appropriate position by a set screw 804. The coupler 802 can be made of a lightweight and sturdy metal. Coupler 802 has an inner diameter 805 dimensioned to fit into shaft 803. The other end of the coupler 802 is connected to the spindle shaft 806 by another set screw (not shown), Loctite, adhesive, or the like.
[0034]
Still referring to FIGS. 18 and 19, the spindle shaft 806 is part of a spindle system that includes a bearing assembly 808. As more clearly shown in FIG. 19, the bearing assembly 808 includes two adjacent bearing elements 810 and 812. These elements include inner races 811 and 813, respectively. Each bearing element includes ten ball bearings 814 (two shown for each element) equally spaced around the inner race. Bearing elements 810 and 812 each include an outer race 816.
In FIG. 18, the bearing assembly 808 is shown as a separate component. However, in the preferred embodiment, the bearing assembly 808 is integrally molded within the encoder housing 818. Depending on the application, the bearing assembly 818 can also be replaced with a sleeve or plastic bushing. The encoder housing 818 is made of molded plastic or other suitable molding material.
The technique of integrally molding the housing 818 and the bearing assembly 808 allows for a more accurate, smaller and lighter spindle system. By molding the device in one piece, there is no need for a machining hub, washer, spacer, or other support for the bearing assembly. This technique eliminates the assembly step of securing the bearing to the housing hub, thus avoiding alignment problems and the need to use high precision machined hub and spindle components.
With further reference to FIGS. 18 and 19, the internal components of encoder 800 will be described. A disk-shaped LED or light emitter circuit card 820 is fitted inside the housing 818 and has a hole 821 in the center. The card 820 is mounted with a collimating lens 823 (FIG. 19) and preferably an infrared LED emitter element 822. In an alternative embodiment, multiple light emitter elements 822 can be used. Also, other components can be attached to the card 820 as needed. 18 and 19, the card 820 is provided with a resistor and connected in series between the DC power source and the LED.
A flange 824 is used to support the rotating encoder disk 826. The encoder disk 826 is aligned and attached to the flange 824 using a locating pin tool during assembly. This flange 824 and encoder 826 assembly is attached to the free end of the spindle shaft 806 after the shaft 806 is press fit into the inner race of the bearing assembly 808. The encoder disk 826 can be made from a transparent substrate having a contact light transparent material or a thin film commercially available from many manufacturers. The graphically shaped optical window pattern is printed on a thin film of encoder disk 826 by a standard contact photographic process well known in the integrated circuit board art. In essence, the entire surface of the encoder disk 826 is printed with a black emulsion except for the optical window pattern. As shown in FIG. 8A, the reverse image can also be used (ie, there is an opaque portion on the transparent substrate). For most applications, it is preferred that the print resolution be 1,000 dots or more per inch. However, with a three-cycle encoder disk, acceptable performance could be obtained even with a laser printer having a resolution of 300 dots per inch.
As shown in FIGS. 18 and 19, a spacer ring 828 is inserted into the circuit card 820. Spacer ring 828 is also molded, but may be another indented step in the housing. A mask 830 formed in the shape of a disk is attached to the mask substrate 832. Mask 830 is made of the same thin film material as encoder disk 826. The mask is also printed as described above for encoder disk 826. The mask substrate 832 includes holes 833 that ensure the required light path through the mask. In general, the substrate 832 may include several holes that provide several light paths. Further, the mask 830 is aligned with the shaft 806 in a stage before assembly. In the completed assembly, the spacer ring 828 is between the circuit card 820 and the mask 830. The physical distance between the encoder disk 826 and the mask 830 is typically 0.004 to 0.020 inches, depending mainly on the number of graphics cycles printed on the disk 826 and the optical path elements.
A second circuit card 834 having a hole 835 aligned with the hole 833 of the substrate 832 is attached to the opposite side of the substrate 832. In the multi-channel embodiment, the number of holes 835 in the card 834 and the number of holes 833 in the substrate 832 match. A phototransistor 836 including a lens 837 is attached to the vacant side of the card 834 and aligned with the aperture 835. Further, a potentiometer (not shown) is attached to the card 834. In one embodiment, the emitter of phototransistor 836 is grounded and its collector serves as an electrical signal output. The potentiometer is connected between ground and a DC power source. The movable contact of the potentiometer is connected to the output of the collector. The encoder package is completed by a cover 838 made of a molding material similar to the housing 818.
As shown in FIGS. 18 and 19, a pair of anchor tabs 840 and 842 project from the housing 818 and cover 838 to prevent rotation (described below).
Can secure the housing and prevent the housing 818 from rotating with the shaft. This function will be described with reference to FIGS.
[0035]
A method of attaching the optical encoder to the motor will be described with reference to FIGS. In FIG. 20, an optical encoder 900 constructed in accordance with the present invention includes a coupler 902 aligned with a rear shaft 904 of a motor 906. The inner diameter of the hole contained in coupler 902 is machined to match the outer diameter of shaft 904 for a slip fit. If necessary, the angular position of the encoder disk inside the encoder 900 can be aligned with the motor pole by rotating the coupler 902 (which rotates the encoder disk) to the appropriate angular position on the shaft 904. . The coupler 902 is fixed to the shaft 904 by a set screw 908.
As shown in FIGS. 21-22, the anti-rotation clip 910 is hooked on one of the anchor tabs protruding from the encoder 900. The other end of the clip 910 can be fastened to an existing screw or bolt that is fixed directly to the motor 906. However, it is preferable to attach the clip 910 to the motor 906. This can be accomplished by screwing standoff 912 to motor 906 as shown in FIGS. As shown in FIG. 22, the standoff 912 should be positioned tangential to the encoder 900. This mounting method prevents the “angular movement error” of the encoder and ensures higher accuracy.
As shown in FIG. 21, the encoder 900 can be housed in a cover 914 that is bolted to the motor. The cover 914 may be “robust”, vented, and attached to the motor in any manner without affecting or changing the alignment and performance of the motor encoder, for example. Optionally, a power amplifier 916 can be attached to the inner wall of the cover 914 and used to amplify the output signal from the encoder.
23A and 23B are a side view and a plan view of the rotation prevention clip 910, respectively. The clip 910 may be made of, for example, a spring temper having a diameter of 0.037 inches, 302 SS wire, or the like. As shown in FIG. 23A, the clip 910 includes an attachment loop 911a that is used to attach the clip 910 to a motor, standoff or bracket. As shown in FIG. 23B, the clip 910 also has an anchor loop 911b that hooks into an anchor tab that protrudes from the housing of the encoder 900.
As shown in FIG. 24, the anti-rotation clip 910 can also function as an adjustment arm for adjusting the rotational position of the encoder housing and thus the position of the mask relative to the encoder disk. Such an adjustment is desirable to fine tune the position of the mask with respect to the motor winding after the encoder 900 is aligned and fixed. With this adjustment, the time of the encoder signal can be adjusted appropriately, and the motor winding can be advanced or delayed for optimal torque and power adjustment. As shown in FIG. 24, the standoff 912 is replaced with an upright bracket 912a. The bracket 912a has a bolt 918 inserted at the far end thereof, and a nut 920 holds the end of the anti-rotation clip 910. Angle adjustment of the encoder 900 is accomplished by simply rotating the bolt 918 to move the clip 910 along a tangential path relative to the encoder 900.
As described above, for certain applications, it is preferable to drive an AC motor with a signal having a non-integer cycle for each rotation of the motor shaft. In the above example, to achieve a 60 Hz power signal frequency from the encoder when the motor is operating at its rated speed (lower than the sync speed), a signal of 3.428 cycles per revolution is required. desirable. It has been proposed to encode a 3.428 cycle waveform function on the encoder disk. FIGS. 25A-25B show a top view of encoder disk 950 including graphic pattern 952. FIG. Graphic pattern 952 represents an optically encoded waveform function of 2.6 electrical cycles. FIG. 25B shows a waveform function 954 that is graphically encoded on the disk 950 as a pattern 952. Points La, Pa, Lb, Pb, Lc, and Pc indicate angular positions along the graphic pattern 952 (see FIG. 25A), and the corresponding points La, Pa, Lb, Pb, Lc, and Pc are waveform functions 954. It is marked on top (see FIG. 25B). As shown in FIG. 25B, the start point A of the waveform function 954 coincides with the end point B of the function.
[0036]
Next, another method of generating a non-integer waveform is shown with reference to FIGS. In FIG. 26A, the encoder disk 956 has two graphic patterns 957a and 957b and a locator aperture 957c. Graphic patterns 957a-b each represent a waveform function having 3.5 electrical cycles. Each time the encoder disk 956 is physically rotated 360 °, a transition signal is generated by the locator aperture 957c. Depending on the respective transition signals combined with the basic circuit, the waveform output of the encoder is switched alternately between patterns 957a and 957b. FIG. 26B shows the continuous waveform output of this method. As can be seen, this example produces a complete 7 electrical cycles for every two complete rotations of encoder disk 956 by 360 °, ie, 3.5 electrical cycles per revolution. If the number of concentric graphic patterns and the number of graphic cycles of each pattern are changed, other non-integer waveform cycles can be generated by this method.
[0037]
Figures 27A-B illustrate an alternative method of generating a signal with a non-integer cycle per revolution. In this alternative method, the desired waveform is obtained electrically by simply combining multiple waveforms. For example, as shown in FIG. 27A, signal 960 at input A has N1 cycles per revolution producing frequency F1. Signal 962 at input B has N2 cycles per revolution producing frequency F2. When the signals 960 and 962 are combined in various ways, still other frequencies Fn can be generated. Such various “new” frequencies Fn can be obtained from many standard frequency mixing methods in the art. However, due to some non-linear nature of the output signal generated by the encoder of the present invention (ie variable amplitude, phase, duty cycle, etc.), both in one electrical cycle or an electrical cycle over “N” cycles A new frequency should be realized.
Also, according to the present invention, such a frequency (cycle or waveform) can be “shared” inside or outside the encoder. 27A-B show a simple method for combining only two signals. These two signals are combined with potentiometer 964 and the output A / B of potentiometer 964 generates a new cycle number signal. As shown in FIG. 27A, various combinations of signals 960 and 962 can be obtained from the network of FIG. 27A.
[0038]
The output signal from the encoder of the present invention can be further shaped using an electrical combination, correction and addition method as shown in FIG. 27A. As shown in FIG. 27A, the triangular waveform 966 can be combined with the sinusoidal waveform 962 to obtain various shaped waveforms at the output B / C. FIG. 27A illustrates a simple “passive” modification of the waveform function. In many other ways, waveform types and mathematical derivations can be shaped, enhanced, and combined, but could not have been created without this unique waveform creation method.
FIG. 27B shows a similar waveform combining network, showing the function of combining the variable amplitude function 968 of input D with the arbitrary function 970 of input E to generate a waveform output specific to D / E. Also, as shown in FIG. 27B, the waveform output D / E can be combined with the frequency variable waveform 972 to generate the output F / (D / E).
[0039]
While the preferred embodiment of the invention has been particularly described in the specification and illustrated in the drawings, it should be understood that the invention is not so limited. Many modifications, equivalents and adaptations of the invention will be apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (42)

電気機械的装置の周期的運動を電気信号に変換して、該装置を所望の動作速度で駆動するための波形及び周波数を有する電気整流信号を生成するための光学的エンコーダ装置であって、
入射した放射エネルギーのパターンに応じて電気信号を生成する光検出手段と、
該光検出手段と光学的に連結されていて、前記装置の周期的運動によって作動され、図形関数に従って前記光検出手段に入射する放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、
を備え、
該光学的手段が、前記装置の前記周期的運動に応じて前記光検出手段に相対的に走査するよう構成され、前記光検出手段に光学的に連結された光学的に検出可能なパターンを有する光学要素を含み、
前記光学的手段が、更に、前記光学要素のパターンにより修正された放射エネルギーを前記光検出手段まで通過させる為の、前記光検出手段に関連するアパーチャ手段を含み、
該アパーチャ手段及び前記光学要素の前記パターンが、前記図形関数によって定義され、該図形関数は前記装置を前記所望の動作速度で駆動するための波形及び繰り返しパターンを有する電気整流信号が生成可能となるよう設定され、且つ前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能なパターンが作成され、
それにより、前記光学要素の前記パターンが前記アパーチャ手段に相対的に走査されると、前記電気整流信号が前記光検出手段により生成されることを特徴とする光学的エンコーダ装置。An optical encoder device for converting the periodic motion of an electromechanical device into an electrical signal to generate an electrical rectified signal having a waveform and frequency for driving the device at a desired operating speed,
Photodetection means for generating an electrical signal according to the pattern of incident radiant energy;
Optical means optically coupled to the light detection means and activated by a periodic movement of the device to modify the pattern of radiant energy incident on the light detection means according to a graphical function;
With
The optical means is configured to scan relative to the light detection means in response to the periodic movement of the apparatus, and has an optically detectable pattern optically coupled to the light detection means. Including optical elements,
The optical means further comprises aperture means associated with the light detection means for passing radiant energy modified by the pattern of the optical elements to the light detection means;
The pattern of the aperture means and the optical element is defined by the graphic function, which can generate an electrical rectification signal having a waveform and a repeating pattern for driving the device at the desired operating speed. And defining the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution of the periodic motion of the device , and the electrical rectification signal continuously when the number of cycles per revolution is not an integer. The optically detectable pattern is created to be repeatedly generated,
Thereby, when the pattern of the optical element is scanned relative to the aperture means, the electrical rectification signal is generated by the light detection means. 前記光検出手段に放射エネルギーを供給するように向けられた、前記光検出手段に光学的に連結された発光手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ装置。The optical encoder apparatus of claim 1, further comprising a light emitting means optically coupled to the light detecting means, the light emitting means being directed to supply radiant energy to the light detecting means. 前記光学要素のパターンが、光学的に検出可能であり、かつ前記図形関数に従って構成され、前記電気整流信号の周波数に応じて図形的に整形されたサイクル数を含むことを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ装置。The pattern of the optical element includes a cycle number that is optically detectable and configured according to the graphical function, and is graphically shaped according to a frequency of the electrical rectification signal. The optical encoder device described. 前記アパーチャ手段は前記光学要素と前記光検出手段の間に位置するマスクを含み、該マスクは前記光検出手段に光学的に連結されたアパーチャを含み、該アパーチャは前記図形関数に従って図形的に整形されていることを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ装置。The aperture means includes a mask positioned between the optical element and the light detection means, the mask includes an aperture optically coupled to the light detection means, and the aperture is graphically shaped according to the graphic function. The optical encoder device according to claim 1, wherein the optical encoder device is provided. 前記光検出手段は光感応面を含み、前記アパーチャ手段は前記光感応面の寸法を構成することを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ装置。2. The optical encoder device according to claim 1, wherein the light detecting means includes a light sensitive surface, and the aperture means constitutes a dimension of the light sensitive surface. 前記電気整流信号の位相は、前記装置の運動サイクルの特定の点における、前記光検出手段の位置に対する前記光学要素の光学的に検出可能なパターンの位置によって決定されることを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ。The phase of the electrical rectification signal is determined by the position of the optically detectable pattern of the optical element relative to the position of the light detection means at a particular point in the motion cycle of the device. The optical encoder according to 1. 前記電気機械的装置は回転子を有する電気モータであり、前記装置の周期的運動が前記回転子の回転であることを特徴とする請求項１記載の光学的エンコーダ装置。2. The optical encoder device according to claim 1, wherein the electromechanical device is an electric motor having a rotor, and the periodic motion of the device is rotation of the rotor. 前記電気整流信号の周波数は、前記光学要素の前記光学的に検出可能なパターンに含まれる図形関数により定義された図形的に整形されたサイクルの数と、前記装置の前記周期的運動の毎秒の回転数との積によって決まるものであることを特徴とする請求項３記載の光学的エンコーダ装置。The frequency of the electrical rectification signal is the number of graphically shaped cycles defined by a graphical function contained in the optically detectable pattern of the optical element, and the frequency of the periodic movement of the device per second. 4. The optical encoder device according to claim 3, wherein the optical encoder device is determined by a product of the number of rotations . 前記電気整流信号の前記波形は、前記光学要素の前記パターンに含まれる前記図形的に整形されたサイクルの形状によってきまることを特徴とする請求項３記載の光学的エンコーダ装置。4. The optical encoder device according to claim 3, wherein the waveform of the electrical rectification signal is determined by the shape of the graphically shaped cycle included in the pattern of the optical element. 図形的に整形された前記サイクルの数が１よりも大きな非整数であることを特徴とする請求項３記載のエンコーダ装置。4. The encoder apparatus according to claim 3, wherein the number of cycles shaped graphically is a non-integer greater than one. 前記電気整流信号の位相が調節されるように、前記装置の前記運動のサイクルの特定の点で、前記光検出手段の位置及び前記光学的に検出可能な前記パターンの位置に対する前記アパーチャ手段の位置を調節するための手段を更に含むことを特徴とする請求項６記載の光学的エンコーダ装置。The position of the aperture means relative to the position of the light detection means and the position of the optically detectable pattern at a particular point in the cycle of movement of the device so that the phase of the electrical rectification signal is adjusted. 7. The optical encoder device of claim 6, further comprising means for adjusting. 前記光学要素の前記パターンが複数であり、いずれかのパターンに含まれる図形的に整形されたサイクルが、いずれか他のパターンに含まれる図形的に整形されたサイクルと形状が異なることを特徴とする請求項９記載の光学的エンコーダ装置。The optical element has a plurality of patterns, and the shape of a graphically shaped cycle included in any pattern is different from the shape of a graphically shaped cycle included in any other pattern, The optical encoder device according to claim 9. 電気モータの回転運動を、前記モータを所望の動作速度で駆動するための波形及び周波数を有する電気整流信号に変換するための光学的エンコーダ装置であって、
該装置は、
供給放射エネルギーを放射する発光手段と、
入射した放射エネルギーのパターンに応じて電気信号を生成するための、前記発光手段からの放射エネルギーの供給部に光学的に連結された光検出手段と、
該光検出手段と光学的に連結されていて、前記モータの回転子によって作動され、図形関数に従って前記光検出手段に入射する放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、
を備え、
該光学的手段が、前記モータの前記回転子の運動に応じて前記光検出手段に相対的に走査するよう構成され、前記光検出手段に光学的に連結された光学的に検出可能なパターンを有する光学要素を含み、
前記光学的手段が、更に、前記光学要素のパターンにより修正された放射エネルギーを前記光検出手段まで通過させる為の、前記光検出手段に関連するアパーチャ手段を含み、
該アパーチャ手段及び前記光学要素の前記パターンが、前記図形関数によって定義され、該図形関数は前記装置を前記動作速度で駆動するための波形及び繰り返しパターンを有する電気整流信号が生成可能となるよう設定され、且つ前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能なパターンが作成され、
それにより、前記光学要素の前記パターンが前記アパーチャ手段に相対的に走査されると、前記電気整流信号が前記光検出手段により生成されることを特徴とする光学的エンコーダ装置。An optical encoder device for converting the rotational motion of an electric motor into an electrical rectification signal having a waveform and frequency for driving the motor at a desired operating speed,
The device
A light emitting means for radiating the supplied radiant energy;
Light detection means optically coupled to a supply of radiant energy from the light emitting means for generating an electrical signal in accordance with a pattern of incident radiant energy;
Optical means optically coupled to the light detection means and actuated by a rotor of the motor to modify the pattern of radiant energy incident on the light detection means according to a graphical function;
With
The optical means is configured to relatively scan the light detecting means in response to movement of the rotor of the motor, the optically linked optically detectable pattern on the light detecting means Including an optical element having
The optical means further comprises aperture means associated with the light detection means for passing radiant energy modified by the pattern of the optical elements to the light detection means;
The pattern of the aperture means and the optical element is defined by the graphic function, the graphic function being set to generate an electrical rectification signal having a waveform and a repetitive pattern for driving the device at the operating speed. And defining the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution of the periodic motion of the device , and the electrical rectification signal is continuously and repeatedly generated when the number of cycles per revolution is not an integer. The optically detectable pattern is created as
Thereby, when the pattern of the optical element is scanned relative to the aperture means, the electrical rectification signal is generated by the light detection means. 前記電気整流信号を、所望の動作速度で前記モータを駆動するのに適したレベルまで増幅する手段を更に有することを特徴とする請求項１３記載の光学的エンコーダ装置。14. The optical encoder device of claim 13, further comprising means for amplifying the electrical rectified signal to a level suitable for driving the motor at a desired operating speed. 前記アパーチャ手段が、前記光学要素と前記光検出手段の間に位置するマスクを含み、該マスクは前記光検出手段に光学的に連結されたアパーチャを有し、前記マスクの前記アパーチャは前記図形関数に従って図形的に整形されていることを特徴とする請求項１３記載の光学的エンコーダ装置。The aperture means includes a mask positioned between the optical element and the light detection means, the mask having an aperture optically coupled to the light detection means, and the aperture of the mask is the graphic function 14. The optical encoder device according to claim 13, wherein the optical encoder device is shaped according to the following. 前記光学要素の前記パターンは、光学的に検出可能な、前記図形関数に従って構成された図形的に整形されたサイクル数を含むことを特徴とする請求項１３記載の光学的エンコーダ装置。14. The optical encoder device of claim 13, wherein the pattern of the optical elements includes a graphically shaped cycle number configured according to the graphical function that is optically detectable. 前記電気整流信号の前記波形は、前記マスクの前記アパーチャの前記形状によって決まることを特徴とする請求項１５記載の光学的エンコーダ装置。16. The optical encoder device according to claim 15, wherein the waveform of the electrical rectification signal is determined by the shape of the aperture of the mask. 前記電気整流信号の前記波形は、前記図形的に整形されたサイクル数のパターンの形状によってきまることを特徴とする請求項１６記載の光学的エンコーダ装置。It said electrical said waveform of the rectified signal, the graphically-formatted optical encoder device according to claim 16, wherein the thus determined that the shape of the number of pattern cycles. 前記図形的に整形されたサイクル数のパターンは、前記電気整流信号として非均一な波形を生成するように構成されることを特徴とする請求項１８記載の光学的エンコーダ装置。19. The optical encoder device of claim 18, wherein the graphically shaped pattern of cycle numbers is configured to generate a non-uniform waveform as the electrical rectification signal. 多相電気モータの回転子の運動を電気信号に変換して、各々が前記多相電気モータを所望の動作速度で駆動するための波形、周波数及び相対位相を有する複数の電気整流信号を生成するための光学的エンコーダ装置であって、該装置は、
入射した放射エネルギーのパターンに応じて、各々が電気信号を生成する複数の光検出器と、
前記複数の光検出器に光学的に連結され、前記モータの前記回転子によって駆動されるよう構成され、前記モータの前記回転子によって作動されると、対応する図形関数に従って前記光検出手段の各々に入射する放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、
を備え、
該光学的手段が、複数の同心に配置された複数の光学的に検出可能なパターンを有する光学要素を有し、前記光学要素は前記モータの前記回転子によって駆動されると回転するように構成され、前記光学的に検出可能なパターンは前記回転子の前記運動に従って前記複数の光検出器を通過して走査するようにされ、前記光学的に検出可能なパターンの各々は前記複数の光検出器のそれぞれと対応し且つ光学的に連結されており、
前記光学的手段は更に複数のアパーチャ手段を有し、該アパーチャ手段の各々は前記光学的に検出可能な複数のパターンにより修正された放射エネルギーを前記複数の光検出器の各々に通過させ、
前記図形関数の各々は、前記光学的に検出可能なパターン及び前記電気整流信号のそれぞれに対応し、各光学的に検出可能なパターン及び対応するアパーチャ手段はそれらに対応する図形関数によって定義されており、
各図形関数は、前記装置を前記所望の動作速度で駆動するための波形、繰り返しパターン、および相対位相を有する電気整流信号が生成可能となるように設定され、且つ前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能なパターンが作成され、
前記光学的に検出可能なパターンの各々は、前記電気整流信号のそれぞれに対応し、前記複数の電気整流信号の各々の前記相対位相は前記モータの前記回転子の特定の角度位置における、前記アパーチャ手段及び光検出器に対応する前記各光学的に検出可能なパターンの相対的な位置によって決定され、各光学的に検出可能なパターンの前記対応するアパーチャ手段と光検出器への前記相対的な位置は互いに異なっており、
それにより、前記複数の光学的に検出可能なパターンが前記複数のアパーチャ手段に対して走査されると、前記複数の電気整流信号が前記複数の光検出器から生成されることを特徴とする光学的エンコーダ装置。 Converting the motion of the rotor of the multiphase electric motor into an electrical signal to generate a plurality of electrical rectification signals each having a waveform, frequency and relative phase for driving the multiphase electric motor at a desired operating speed An optical encoder device for comprising:
A plurality of photodetectors each generating an electrical signal according to a pattern of incident radiant energy; and
Each of the light detection means is optically coupled to the plurality of photodetectors and configured to be driven by the rotor of the motor, and when activated by the rotor of the motor, according to a corresponding graphic function Optical means for correcting the pattern of radiant energy incident on the
With
The optical means includes a plurality of concentrically arranged optical elements having a plurality of optically detectable patterns, the optical elements configured to rotate when driven by the rotor of the motor The optically detectable pattern is scanned through the plurality of photodetectors according to the movement of the rotor, and each of the optically detectable patterns is the plurality of light detections. Corresponding to each of the vessels and optically coupled,
The optical means further comprises a plurality of aperture means, each of the aperture means passing radiant energy modified by the plurality of optically detectable patterns to each of the plurality of photodetectors;
Each of the graphic functions corresponds to each of the optically detectable pattern and the electrical rectification signal, and each optically detectable pattern and the corresponding aperture means are defined by their corresponding graphic function. And
Each graphical function is set so that an electrical rectification signal having a waveform, a repetitive pattern, and a relative phase for driving the device at the desired operating speed can be generated, and the periodic motion of the device Defines the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution and is optically detectable so that the electrical rectification signal is continuously and repeatedly generated when the number of cycles per revolution is not an integer. A pattern is created,
Each of the optically detectable patterns corresponds to each of the electrical rectification signals, and the relative phase of each of the plurality of electrical rectification signals is the aperture at a particular angular position of the rotor of the motor. the corresponding means and light detector relative position of each optically detectable pattern thus determined, the relative to the corresponding aperture means and the photodetector of each optically detectable pattern The positions are different from each other,
Thereby, the plurality of electrical rectification signals are generated from the plurality of photodetectors when the plurality of optically detectable patterns are scanned with respect to the plurality of aperture means. Encoder device. 請求項１の光学的エンコーダ装置を用いて、サイクル機械運動を生じる形式の電気機械的装置を制御する方法であって、該方法は、
（ａ）前記エンコーダを前記装置の前記周期的運動に連結する段階と、
（ｂ）前記装置から周期的運動を生成する段階と、
（ｃ）前記エンコーダから電気整流信号を生成する段階と、
（ｄ）該電気整流信号で前記装置を駆動する段階と、を有することを特徴とする電気機械的装置を制御する方法。A method for controlling an electromechanical device of the type that produces cycle machine motion using the optical encoder device of claim 1, comprising:
(A) coupling the encoder to the periodic movement of the device;
(B) generating periodic motion from the device;
(C) generating an electrical rectification signal from the encoder;
(D) driving the device with the electrical rectification signal, and controlling the electromechanical device. 前記装置を前記電気整流信号で駆動する前に、該電気整流信号を増幅する段階を更に有することを特徴とする請求項２１記載の方法。The method of claim 21 , further comprising amplifying the electrical rectified signal before driving the device with the electrical rectified signal. 前記装置の前記周期的運動の速度を変えるために前記電気整流信号の増幅レベルを変更する段階を更に有することを特徴とする請求項２１記載の方法。The method of claim 21 , further comprising changing an amplification level of the electrical rectification signal to change the speed of the periodic movement of the device. 請求項１３の光学的エンコーダ装置を使用して、回転運動を生じる回転子を有する電気モータを制御する方法であって、該方法は、
（ａ）前記光学要素が前記モータの前記回転子によって駆動されるように、前記エンコーダを前記モータの前記回転子の前記回転運動に連結する手段と、
（ｂ）前記回転子の回転を生じるよう前記モータを動作させる段階と、
（ｃ）前記光学要素が前記モータによって駆動されると、前記図形関数に従って前記光検出手段に入射した放射エネルギーのパターンを修正する段階と、
（ｄ）前記光検出手段から前記電気整流信号を生成する段階と、
（ｅ）前記電気整流信号で前記モータを駆動する段階と、を有することを特徴とする電気モータを制御する方法。A method of controlling an electric motor having a rotor that produces rotational movement using the optical encoder device of claim 13, comprising:
(A) means for coupling the encoder to the rotational movement of the rotor of the motor such that the optical element is driven by the rotor of the motor;
(B) operating the motor to cause rotation of the rotor;
(C) when the optical element is driven by the motor, modifying a pattern of radiant energy incident on the light detection means according to the graphic function;
(D) generating the electrical rectification signal from the light detection means;
(E) driving the motor with the electric rectification signal, and controlling the electric motor. 前記モータに前記信号を供給する前に前記電気整流信号を増幅する段階を更に有することを特徴とする請求項２４記載の方法。25. The method of claim 24 , further comprising amplifying the electrical rectification signal before supplying the signal to the motor. 前記モータの前記速度を変えるために前記電気整流信号の増幅レベルを変更する段階を更に有することを特徴とする請求項２４記載の方法。25. The method of claim 24 , further comprising changing an amplification level of the electrical rectification signal to change the speed of the motor. 電気機械的装置の周期的運動を電気信号に変換して、該装置を所望の動作速度で駆動するための波形及び周波数を有する電気整流信号を生成するための光学的エンコーダ装置であって、該装置は、
複数の光感応面に夫々入射する放射エネルギーの複数のパターンに応じて電気信号を生成する、複数の光感応面を有する光検出手段と、
該光検出手段に光学的に結合されていて、前記装置の前記周期的運動によって作動され、前記装置の前記周期的運動によって駆動されると図形関数に従って、前記光検出手段に入射した複数の前記放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、を備え、
該光学的手段が、前記装置の前記周期的運動に従って前記光検出手段に相対的に走査するよう構成される光学要素を含み、該光学要素は前記光検出手段に光学的に連結された光学的に検出可能なパターンを有し、
前記光学的手段が、更に、前記光学要素のパターンにより修正された放射エネルギーを前記光検出手段の前記各光感応面まで通過させる為の、前記光検出手段に関連するアパーチャ手段を含み、
該アパーチャ手段及び前記光学要素の前記パターンが、前記図形関数によって定義され、該図形関数は前記装置を前記動作速度で駆動するための波形及び繰り返しパターンを有する電気整流信号が生成可能となるように設定され、且つ前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能なパターンが生成され、
それにより、前記光学要素の前記パターンが前記アパーチャ手段に相対的に走査されると、前記電気整流信号が前記光検出手段により生成されることを特徴とする光学的エンコーダ装置。An optical encoder device for converting the periodic motion of an electromechanical device into an electrical signal to generate an electrical rectification signal having a waveform and frequency for driving the device at a desired operating speed, comprising: The device
Generates an electrical signal in accordance with a plurality of patterns of radiant energy respectively incident on the plurality of light-sensitive surface, a light detecting means having a plurality of light-sensitive surface,
A plurality of the light incident on the light detection means according to a graphic function when optically coupled to the light detection means, actuated by the periodic movement of the device and driven by the periodic movement of the device; Optical means for modifying the pattern of radiant energy,
The optical means includes an optical element configured to scan relative to the light detection means according to the periodic movement of the device, the optical element being optically coupled to the light detection means Has a detectable pattern,
The optical means further includes aperture means associated with the light detection means for passing radiant energy modified by the pattern of the optical elements to the respective light sensitive surfaces of the light detection means;
The pattern of the aperture means and the optical element is defined by the graphic function so that the graphic function can generate an electrical rectification signal having a waveform and a repetitive pattern for driving the device at the operating speed. Defines the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution of the periodic motion of the device , and the electrical rectification signal repeats continuously when the number of cycles per revolution is not an integer. The optically detectable pattern is generated to be generated;
Thereby, when the pattern of the optical element is scanned relative to the aperture means, the electrical rectification signal is generated by the light detection means. 複数の巻線を有する固定子アセンブリと、
該固定子アセンブリの前記巻線を駆動するモータ駆動信号に応じて回転する軸を有する回転子アセンブリと、
前記固定子アセンブリの前記巻線に対し位置決めされ、図形的に整形されて光学的に検出可能な第１のパターンを有する第１のエンコーダ要素と、
図形的に整形された第２のパターンが前記軸の前記回転に従って回転するように、前記回転子アセンブリの前記軸に連結され、図形的に整形されて光学的に検出可能な第２のパターンを有する第２のエンコーダ要素と、を有し
前記第１及び第２の図形的に整形されたパターンが、図形関数によって定義され、該図形関数は所望の波形を有する所定のモータ駆動信号が生成可能となるように設定され、前記第２の図形的に整形されたパターンが、前記第１の図形的に整形されたパターンに連動して動作するように第１の図形的に整形されたパターンとともに前記回転子アセンブリの軸に連結され、該回転子アセンブリの軸が前記固定子アセンブリに対し回転すると、前記第１のパターンと第２のパターンとの回転に対応するエンコーダの応答を生じ、
さらに、該エンコーダの応答を、前記固定子アセンブリの巻線に対し前記回転子アセンブリの前記軸の回転位置と同期し前記所定のモータ駆動信号の所望の波形と略同じ波形を有するエンコーダ出力信号に変換する変換手段を有し、
前記第１及び第２のパターンが、前記図形関数によって定義され、該図形関数は前記モータを前記所望の動作速度で駆動するための波形及び繰り返しパターンを有する電気整流信号が生成可能となるよう設定され、且つ前記モータの前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能な第１及び第２のパターンが作成されることを特徴とする図形関数により生成された所定のモータ駆動信号により駆動される電気モータ。A stator assembly having a plurality of windings;
A rotor assembly having a shaft that rotates in response to a motor drive signal that drives the windings of the stator assembly;
A first encoder element having a first pattern positioned relative to the windings of the stator assembly, graphically shaped and optically detectable;
As a second pattern that is graphically shaping is rotated according to the rotation of the shaft is connected to the shaft of the rotor assembly, a graphically formatted by optically detectable second pattern A first encoder element having said first and second graphically shaped patterns defined by a graphical function, said graphical function being a predetermined motor drive having a desired waveform The first graphically shaped pattern is set such that a signal can be generated and the second graphically shaped pattern operates in conjunction with the first graphically shaped pattern. connected to the shaft of the rotor assembly with the pattern of the, when the axis of said rotor assembly rotates relative to the stator assembly, response of the encoder corresponding to the rotation of said first and second patterns The resulting,
Furthermore, the encoder response is synchronized with the rotational position of the shaft of the rotor assembly with respect to the winding of the stator assembly, and the encoder output signal has a waveform substantially the same as the desired waveform of the predetermined motor drive signal. Having conversion means for converting,
The first and second patterns are defined by the graphic function , and the graphic function is set so that an electric rectification signal having a waveform and a repeating pattern for driving the motor at the desired operation speed can be generated. And defining the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution of the periodic motion of the motor and generating the electrical rectification signal continuously and repeatedly when the number of cycles per revolution is not an integer. An electric motor driven by a predetermined motor drive signal generated by a graphic function , wherein the first and second optically detectable patterns are created as described above . 前記固定子アセンブリの前記巻線を駆動するための所望のレベルに前記エンコーダ出力信号を増幅するための、前記変換手段に連結された増幅手段を更に有することを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。30. The electricity of claim 28 , further comprising amplifying means coupled to the converting means for amplifying the encoder output signal to a desired level for driving the windings of the stator assembly. motor. 前記第２のエンコーダ要素が前記回転子アセンブリの前記軸に直接連結されていることを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。30. The electric motor of claim 28, wherein the second encoder element is directly coupled to the shaft of the rotor assembly. 前記第２の図形に整形されたパターンが、モータの極の位置に従って前記第２のエンコーダ要素に配置されることを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。29. The electric motor according to claim 28, wherein the pattern shaped into the second graphic is arranged on the second encoder element according to the position of the pole of the motor. 前記第２の図形的に整形されたパターンが、少なくとも一つの図形的に整形されたサイクルを含み、前記第２のパターンの図形的に整形された前記サイクルの数はモータの極の数と同じか、或いは大きいことを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。The second graphically shaped pattern includes at least one graphically shaped cycle, and the number of graphically shaped cycles of the second pattern is the same as the number of motor poles. 29. The electric motor according to claim 28, wherein the electric motor is large. 前記第１及び第２のエンコーダ要素は、光学的エンコーダ要素であり、前記連結されたエンコーダの応答が連結された光学的応答であり、前記変換手段は連結された光学的応答を前記エンコーダの出力信号に変換する光検出器であることを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。The first and second encoder elements are optical encoder elements, and the response of the coupled encoder is a coupled optical response, and the conversion means outputs the coupled optical response to the output of the encoder. 29. The electric motor according to claim 28 , wherein the electric motor is a photodetector that converts the signal. 前記第１及び第２エンコーダ要素及び前記光検出器に放射エネルギーを供給するようにされて前記連結された光学的応答を生じる、前記第１及び前記第２光学的エンコーダ要素及び前記光検出器に光学的に連結された放射エネルギー発光器を更に有することを特徴とする請求項３３記載の電気モータ。The first and second optical encoder elements and the photodetector are adapted to supply radiant energy to the first and second encoder elements and the photodetector to produce the coupled optical response. 34. The electric motor of claim 33 , further comprising an optically coupled radiant energy emitter. .前記第１及び第２のエンコーダ要素が磁気的エンコーダ要素であることを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。29. The electric motor of claim 28, wherein the first and second encoder elements are magnetic encoder elements. 前記第１及び第２のエンコーダ要素が静電容量性エンコーダ要素であることを特徴とする請求項２８記載の電気モータ。29. The electric motor of claim 28, wherein the first and second encoder elements are capacitive encoder elements. 複数の巻線を有する固定子アセンブリと、
該固定子アセンブリの前記巻線を駆動するモータ駆動信号に応じて回転する軸を有する回転子アセンブリと、
前記固定子アセンブリの前記巻線に対し位置決めされ、図形的に整形されて光学的に検出可能な第１のパターンを有する第１のエンコーダ要素と、
図形的に整形された第２のパターンが前記軸の前記回転に従って回転するように、前記回転子アセンブリの前記軸に連結され、図形的に整形されて光学的に検出可能な第２のパターンを有する第２のエンコーダ要素と、を有し
前記第１及び第２の図形的に整形されたパターンが、図形関数によって定義され、該図形関数は所望の波形を有する所定のモータ駆動信号が生成可能となるように設定され、前記第２の図形的に整形されたパターンが、前記第１の図形的に整形されたパターンに連動して動作するように第１の図形的に整形されたパターンとともに前記回転子アセンブリの軸に連結され、該回転子アセンブリの軸が前記固定子アセンブリに対し回転すると、前記第１のパターンと第２のパターンとの回転に対応するエンコーダの応答を生じ、
さらに、該第１のパターンと第２のパターンの回転に対応するエンコーダの応答を、前記固定子アセンブリの巻線に対し前記回転子アセンブリの前記軸の回転位置と同期し前記所定のモータ駆動信号の所望の波形を生成するのに適した波形を有するエンコーダ出力信号に変換する変換手段を有し、
前記第１及び第２のパターンが、前記図形関数によって定義され、該図形関数は前記モータを前記所望の動作速度で駆動するための波形及び繰り返しパターンを有する電気整流信号が生成可能となるよう設定され、且つ前記モータの前記周期的運動の一回転当たりの前記電気整流信号のサイクル数を定義するとともに、該一回転当たりのサイクル数が整数でない場合に、前記電気整流信号が連続的に繰り返し生成されるように前記光学的に検出可能な第１及び第２のパターンが作成されることを特徴とする図形関数により生成された所定のモータ駆動信号により駆動される電気モータ。 A stator assembly having a plurality of windings;
A rotor assembly having a shaft that rotates in response to a motor drive signal that drives the windings of the stator assembly;
A first encoder element having a first pattern positioned relative to the windings of the stator assembly, graphically shaped and optically detectable;
As a second pattern that is graphically shaping is rotated according to the rotation of the shaft is connected to the shaft of the rotor assembly, a graphically formatted by optically detectable second pattern second encoder element and has a <br/> the first and second graphically shaped pattern having the defined by graphic functions, figure-shaped function given motor drive having a desired waveform The first graphically shaped pattern is set so that a signal can be generated and the second graphically shaped pattern operates in conjunction with the first graphically shaped pattern. connected to the shaft of the rotor assembly with the pattern of the, when the axis of said rotor assembly rotates relative to the stator assembly, response of the encoder corresponding to the rotation of said first and second patterns The resulting,
Further, the response of the encoder corresponding to the rotation of the first pattern and the second pattern is synchronized with the rotational position of the shaft of the rotor assembly with respect to the winding of the stator assembly, and the predetermined motor drive signal Conversion means for converting into an encoder output signal having a waveform suitable for generating a desired waveform of
The first and second patterns are defined by the graphic function , and the graphic function is set to generate an electric rectification signal having a waveform and a repeating pattern for driving the motor at the desired operation speed. And defining the number of cycles of the electrical rectification signal per revolution of the periodic motion of the motor and generating the electrical rectification signal continuously and repeatedly when the number of cycles per revolution is not an integer. An electric motor driven by a predetermined motor drive signal generated by a graphic function , wherein the first and second optically detectable patterns are created as described above . 前記変換手段に連結され前記エンコーダ出力信号から前記所定のモータ駆動信号を生成する手段を更に有することを特徴とする請求項３７記載の電気モータ。38. The electric motor according to claim 37 , further comprising means connected to the conversion means for generating the predetermined motor drive signal from the encoder output signal. 前記所定のモータ駆動信号を生成するための前記手段が、前記エンコーダ出力信号を前記固定子アセンブリの前記巻線を駆動するのに望ましいレベルまで増幅する増幅手段を更に有することを特徴とする請求項３８記載の電気モータ。 Claims wherein the predetermined said means for generating a motor drive signal, characterized by further comprising amplifying means for amplifying the encoder output signal to a desired level to drive the winding of the stator assembly 38. The electric motor according to 38 . 前記所定のモータ駆動信号を生成する前記手段が、前記固定子アセンブリの前記巻線に対し、前記回転子アセンブリの前記軸の回転位置が同期する第2のエンコーダ出力信号を生成する手段と、
前記第１のエンコーダ出力信号を前記第2のエンコーダ出力信号に連結して、前記特定のモータを駆動信号の所望の波形を生成するのに適した波形を有する出力信号を生成する手段と、を含むことを特徴とする請求項３７記載の電気モータ。 The means for generating the predetermined motor drive signal generates means for generating a second encoder output signal for synchronizing the rotational position of the shaft of the rotor assembly with respect to the winding of the stator assembly;
Means for coupling the first encoder output signal to the second encoder output signal to generate an output signal having a waveform suitable for generating a desired waveform of a drive signal for the particular motor; 38. The electric motor according to claim 37, comprising: 請求項３７記載の電気モータの駆動方法であって、
該電気モータの駆動方法は、
前記エンコーダ応答を、請求項３７に記載された変換手段により、前記固定子アセンブリの前記巻線に対し前記回転子アセンブリの前記軸に回転位置に同期し前記所定のモータ駆動信号の所望の波形を生成するのに適した波形を有するエンコーダ出力信号に変換する段階を有することを特徴とする電気モータの駆動方法。 A method of driving an electric motor according to claim 37 ,
The electric motor is driven by:
The encoder response is converted into a desired waveform of the predetermined motor drive signal in synchronism with a rotational position on the shaft of the rotor assembly with respect to the winding of the stator assembly by conversion means according to claim 37. A method of driving an electric motor comprising the step of converting into an encoder output signal having a waveform suitable for generation . 前記エンコーダ出力信号から前記所定のモータ駆動信号を生成することを特徴とする請求項４１記載の方法。The method of claim 41, wherein the generating the predetermined motor drive signal from the encoder output signal.

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